基于FF現(xiàn)場總線調(diào)試中的故障診斷分析的工程實踐

葉 寧，田 爽，王傲寒

(西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

基金會現(xiàn)場總線(Foundation Fieldbus,FF)是國際現(xiàn)場總線標準IEC 61158的組成部分，分類為Type 5和Type 9[1]。H1和HSE采用不同的傳輸介質(zhì)和規(guī)范，均面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用工業(yè)場景[2-3]。H1為低速現(xiàn)場總線，其傳輸速率為31.25 kbit/s，多用于儀表、控制設(shè)備及通訊站之間的通信。HSE為高速以太網(wǎng)總線，其傳輸速率為1 Mbit/s、2.5 Mbit/s和100 Mbit/s，用于控制站、上位機之間的通信。

目前，隨著火電廠數(shù)字化的逐步推進，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場通信要求，越來越多工業(yè)現(xiàn)場將FF型總線儀表納入分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)控制與監(jiān)視中。

在前分系統(tǒng)試運的調(diào)試過程中，傳統(tǒng)的硬接線采用4～20 mA模擬量信號，而FF總線相采用全數(shù)字量過程數(shù)據(jù)采集與傳輸。故在調(diào)試過程中，無法通過測量端子的電壓或電流信號的來判斷信號的狀態(tài)。這無形中增加了調(diào)試工作的難度，從而影響項目的整體進度。

再者，F(xiàn)F總線儀表在調(diào)試過程中，參數(shù)設(shè)置、組態(tài)操作步驟較多，施工過程中需要針對該類型總線電纜敷設(shè)與設(shè)備安裝采取一些抗干擾屏蔽措施。因此，有必要對工業(yè)現(xiàn)場常見故障進行歸類分析，從而完善調(diào)試中的各個環(huán)節(jié)，提高施工質(zhì)量與調(diào)試標準。

1 某火電廠FF網(wǎng)段的設(shè)計

FF拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FF拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 FF topology diagram

某國內(nèi)火電廠FF配置方案如表1所示。

表1 某國內(nèi)火電廠FF總線配置方案

圖1中，每條FF由系統(tǒng)內(nèi)部給冗余的電源調(diào)節(jié)器供電，并通過該調(diào)節(jié)器向現(xiàn)場智能儀表驅(qū)動供電。FF設(shè)備接入通信連接盒后，通過總線接線模塊接入FF總線。設(shè)備采用樹型鏈接[4]。現(xiàn)場智能設(shè)備與FF通信連接盒的端子相連。這些端子既起到了向就地設(shè)備供電的作用，又可以和就地設(shè)備進行通信,涵蓋了所有壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、液位變送器、閥門定位器等儀表[5-6]。

2 FF通信故障分析

2.1 某現(xiàn)場系統(tǒng)強電干擾

現(xiàn)場設(shè)備安裝布置如圖2所示。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，圖2中的FF設(shè)備通信箱距離變頻柜較近，在鍋爐補給水分系統(tǒng)運行(如反滲透高壓泵運行于變頻模式)時，會造成泵出口壓力表與流量計通信時斷時續(xù)，DCS遠傳監(jiān)視點出現(xiàn)好質(zhì)量與壞質(zhì)量頻繁切換的問題。

圖2 現(xiàn)場設(shè)備安裝布置圖Fig.2 Site equipment installation layout

初步判斷，F(xiàn)F網(wǎng)段受到附近的變頻設(shè)備或其動力電纜的強電諧波干擾；變頻器中因含有大量的晶閘管和整流二極管等非線性元器件，運行過程中會產(chǎn)生大量的諧波。這些諧波會通過傳導、輻射，干擾周邊設(shè)備的正常工作，并對輸入和輸出電路造成干擾[7-8]。

經(jīng)分析，干擾主要由儀表側(cè)引入，儀表與現(xiàn)場設(shè)備之間通過取樣管連接。在此情況下，應(yīng)與變頻器供應(yīng)方溝通，在電氣側(cè)采取有效措施降低變頻干擾輸出，如給變頻裝置設(shè)置電抗器、濾波器等[7-8]。

在應(yīng)用現(xiàn)場，部分FF線路與變頻泵動力電纜相距20 cm左右且在同一槽盒布置，各自都沒有鋼管屏蔽，距離很近會干擾FF。對此，可將同類型、同方向的總線電纜鋪設(shè)在一個獨立的電纜槽中。如果現(xiàn)場無電纜槽，則需對總線電纜加套無縫鋼管[9-12]。

不同種類的總線電纜相互之間必須保持一定的距離，并且當它們相互交叉時必須正交交叉而非平行排列，以減少通信干擾[9-12]。

通過查驗，現(xiàn)場所安裝的儀表架均未通過專用接地電纜可靠接地，而僅依靠儀表架上的取樣管路與附近的管路連通。因此，應(yīng)將所有的儀表架可靠接地，從而使儀表外殼能可靠接地。整改前后的網(wǎng)段數(shù)據(jù)值對比如表2所示。

表2 整改前后的網(wǎng)段數(shù)據(jù)值對比

2.2 某現(xiàn)場組態(tài)參數(shù)配置通信異常

當設(shè)備組態(tài)配置建立后，或當現(xiàn)場設(shè)備異常需要更換設(shè)備時：畫面與邏輯中均為壞質(zhì)量點，邏輯AI1塊的Mode_Block功能塊會顯示UNKNOWN/LOCAL；或者雖然設(shè)備是AUTO狀態(tài)，但就是無法顯示好質(zhì)量點。對此，需要作如下判斷。首先，確保所選用的模塊為激活狀態(tài)。

FF配置1如圖3所示。

圖3 FF配置1Fig.3 FF configuration 1

根據(jù)圖3，對該設(shè)備AI1塊進行右鍵Tuning操作，進入到設(shè)備詳細信息，通過設(shè)備的Mode_Block功能塊查看Target模式是否為Auto模式。若為Out of service模式，將模式下拉改為Auto模式。點擊Apply應(yīng)用后，觀察組態(tài)或者畫面中點是否為好質(zhì)量點。FF配置2如圖4所示。

圖4 FF配置2Fig.4 FF configuration 2

若仍為壞點，將圖4中Convert轉(zhuǎn)換塊中的XD_Scale/XD_Unit和OUT_Scale/OUT_Unit參數(shù)的上下限、單位均改為一致。這里的單位大多改成%。這是因為大多設(shè)備在Tuning操作中都支持改成%。在Tuning中改設(shè)備參數(shù)時，需要將設(shè)備Mode_Block的Target模式從Auto變?yōu)镺OS模式。用手操器也可作同樣操作，即修改單位和量程。用手操器讀取設(shè)備時，可與主站通信卡同步使用。若要用手操器改設(shè)備單位、量程、KKS，需要將卡件側(cè)接線解掉，只留有手操器單獨對設(shè)備修改工作。對設(shè)備進行修改操作時，須將設(shè)備Mode_Block的Target進入Out of service模式。當AMS管理軟件可使用時，也能代替手操器進行如上操作。此時，不需要對卡件側(cè)接線解掉。

2.3 某現(xiàn)場DCS硬件卡件配置通信異常

設(shè)備運行一段時間后，在對控制器操作不當或者因FF通信卡件異常而需要更換卡件時，設(shè)備會出現(xiàn)變成壞點無法恢復(fù)正常好點的通信狀態(tài)。或者是通信看似是好的，其實測點動態(tài)值已很長時間未發(fā)生變化，而是保持同一個值一直不變(俗稱為死值)。對此，需要作如下處理。

若是由于控制器操作不當或者是線路干擾導致導致壞點或死值，需要插拔卡件對設(shè)備進行重新通信，或?qū)Χ丝谶M行清空操作后再進行下裝；FF通信卡件異常需要更換卡件，對端口進行清空操作后再下裝；對卡件或者端口進行操作后，如還是壞點，則需要通過AMS管理軟件或者手操器進入設(shè)備模塊，對其參數(shù)進行修改。對于某些設(shè)備，當判斷主站為非正常工作模式，會對其自身Mode_Block功能塊進行Auto到Local切換。這時，需要借助上位軟件或手操器的設(shè)定。

設(shè)備通信正常情況下，卡件側(cè)監(jiān)控到設(shè)備狀態(tài)值的總發(fā)送請求數(shù)會發(fā)生變化：總無效回應(yīng)數(shù)為0、總堆積錯誤數(shù)為0、總發(fā)報錯誤數(shù)為0。

3 結(jié)論

本文首先通過對線路物理層進行改進，有效提升通信質(zhì)量。通過噪聲儀器的檢測，該鏈路中的設(shè)備在鏈路調(diào)度器的監(jiān)視中設(shè)備通行令牌響應(yīng)正常，沒有出現(xiàn)設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中離線的情況，測得的總線電壓、信號電平、噪聲電平的平均值和峰值均滿足要求。而解決了因強電干擾而導致通信異常的情況之后，該線路的設(shè)備故障累計次數(shù)、設(shè)備掉線并返回的次數(shù)通信異常數(shù)據(jù)量逐漸減少，后續(xù)的設(shè)備通信狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集持續(xù)穩(wěn)定。其次，借助于總線設(shè)備管理軟件的環(huán)境，有效地解決了參數(shù)異常導致通信故障的問題。最后，結(jié)合相關(guān)各廠家DCS硬件手冊及其配套說明書，可有效避免因卡件異常而導致的通信異常。

另外，F(xiàn)F總線在工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中的推廣越來越廣泛，針對該總線應(yīng)用的故障分析尤為重要[13]。因此，了解該總線技術(shù)故障原因?qū)τ谔岣咴O(shè)備控制、精度及可靠性具有很好的借鑒意義，能夠為設(shè)備的使用以及現(xiàn)場的調(diào)試提供大量的可靠性依據(jù)。

現(xiàn)場總線儀表調(diào)試質(zhì)量決定其運行的可靠性，并且數(shù)字化電廠生產(chǎn)運營起到至關(guān)重要的作用。通過改進調(diào)試過程中的過程管理，可以更好地提高調(diào)試質(zhì)量。此外，針對總線設(shè)備管理的二次開發(fā)也亟待解決。總線設(shè)備管理的二次開發(fā)可有針對性地對某類型故障進行故障預(yù)警，便于維護人員及時發(fā)現(xiàn)問題并處理，將不利的危險因素降到最低。