PRIFBUS現場總線在發電廠的應用和常見問題的處理方法

國能浙能寧東發電有限公司設備管理部 何 穎 王天程

1 引言

現場總線的構成簡單來說，就是其使用具有位串傳輸的銅纜、光纖等傳輸介質，采用二進制比特串進行傳輸，把各個分散的現場設備（傳感器、執行機構、變送器等）連接到控制器或控制系統上。PROFIBUS 總線是以每一個設備從站為單位，從站將所有的啟停反饋、故障反饋或者是壓力流量溫度等，所有信息全部打包成一個數據包，以二進制比特串的形式傳輸到發電廠DCS 控制系統中。

由于新型通信系統應用和成熟度不夠或因施工人員不熟悉安裝工藝，在現場總線設備安裝調試和日常使用階段會遇到較多通信故障問題，本文正是基于這一考慮，對發電廠現場總線通信質量問題進行了分析，并就如何加強其運行穩定性進行了探討。

圖1 Profibus 網絡結構圖

2 設備簡介

現場總線系統中的設備可分為控制設備和就地設備。常見的控制設備包括控制器、中間繼電器、光電轉換器、DP/PA 轉換器、PA 分線盒、Y-Link連接器、終端電阻等。

控制器。控制器是現場總線系統的中央處理元件，負責監控系統中其他設備的實時狀態，并發送控制指令對設備參數、狀態進行調整。常用的控制器包括PLC（可編程邏輯控制器）或與DCS系統進行無縫連接的通訊卡件（如國電智深PB卡）等。

中繼器。中繼器是用于進行網絡線路連接的一種專用部件，通常情況下應用在兩個網絡接口之間物理信號的相互轉發過程中。中繼器是最簡單的網絡互聯設備，其作用重點是完成網絡線路中物理層的任務，在兩個網絡接口的物理層節點進行網絡信號的復制、調整以及對傳輸信號進行放大等，通過此過程可以實現對網絡長度的延長。中繼器主要功能：一是增強信號質量，二是增長傳輸距離，三是增大設備帶載數量。

光電轉換器。顧名思義，就是在網絡信號傳輸過程當中，將光信號轉換成電信號或者是將電信號轉換成光信號的設備，可以實現光和電兩種信號之間相互進行轉換的網絡通信設備。在比較長的網絡通信信號傳輸過程當中，為了能夠節省成本、提高信號傳輸質量，往往需要使用光纜進行信號傳輸，這時就要用到光電轉換器。

DP/PA 轉換器。DP/PA 轉換器是PROFIBUS現場總線系統中PROFIBUS-DP 和PROFIBUSPA 之間的物理連接器，可將PROFIBUS-DP 網絡轉換為PROFIBUS-PA 網絡。

Y-Link（接PA 分線盒），即Y 型連接器，目的是在冗余的主站系統和非冗余的系統之間形成網絡轉換。將冗余的兩路信號合并為一路信號，這樣就可以將只具有一個PROFIBUS-DP 接口的設備作為切換式外設連接到冗余的主站系統中。PA 分線盒將單根PA 信號線拆分為多根PA 信號線的設備稱作PA 分線盒。

為了盡量使網絡信號反射情況減少，提高信號傳輸質量，通常情況下會在網絡信號傳輸段的末端地方進行添加一個終端電阻部件。因為每一種傳輸線路都具備其特性阻抗，其大小大約為220Ω。當網絡通信信號到達終端的時候，如果其特性阻抗和網絡終端的阻抗是不一樣的，就會出現信號反射情況，進而造成信號失真，降低網絡通信信號的質量，這時必須添加一個終端電阻。終端電阻的形式較多，有些設備自身集成了終端電阻，使用這些集成的終端電阻時，只需撥動相應的開關（on 和off），就可以開啟或關閉終端電阻，用以方便的組網、查錯。

PROFIBUS 總線電纜具有良好的信號傳輸和干擾屏蔽性能，其主要物理結構為實心裸銅線導體線芯，芯線紅綠二色，具有鋁箔和裸金屬絲編織層，使用PVC 外護套。PROFIBUS 線纜可以分為DP 型線和PA 型線，DP 型線通常為紫色，PA 型線通常為藍色。其內部結構基本相同。

3 現場總線網段設計

從控制器（或中繼器）開始，至網絡末端（或中繼器）之間設備所組成的網絡稱為一個網段。PROFIBUS-DP 的總線速度從9.6K-1.5Mbps 可調，但同一時刻總線上所有站點必須使用同樣的通信速率。在不同的速率下，單個網段總線可以傳輸的最長距離有所不同，具體見表1。

表1 波特率與線長對應關系

當距離比較遠或者電磁干擾比較大的環境，可以考慮使用光鏈路模塊將DP 信號轉化為光纖光信號擴展PROFIBUS-DP 總線段。根據現場施工經驗，當總線波特率為500kbps 時，筆者給出以下建議：一是每個DP 網段DP 電纜長度不得超過400m。二是每個PA 網段PA 電纜總長度（包括主干長度和各個分支長度之和）不得超過1900m，非本安區域每個PA 分支線長度不得超過60m。如果在本安區域，每個PA 分支線長度不得超過30m。

網段設計中應考慮的因素，首先應確定所有將納入總線系統中的就地設備類型，將設備分為冗余DP 型、單DP 型、PA 型。其次要考慮到設備所對應DPU 的帶載能力，不應將過多設備集中在同一臺DPU 下，同一網段下的設備不能超過PROFIBUS 協議的規定最大數量。最后要參考線纜長度的規定，綜合系統PI 圖，考慮設備的物理位置，將符合以上各條要求且物理位置相近的就地設備劃分入同一網段，設計時同時要兼顧走線的合理性。

4 現場總線通信質量的檢查方法

PROCENTEC 公 司 的ProfiTrace 作為PROFIBUS數據總線專業故障診斷設備，是用于PROFIBUS網絡功能強大的分析儀，是一系列總線監測技術設備中最先進的一代產品，一定程度解決了PROFIBUS 工業現場棘手問題，可以幫助方便地接入PROFIBUS 總線進行故障檢測及分析。如終端電阻丟失、多余電阻、線纜老化、線纜折疊扭曲、線纜中斷、接頭松動、屏蔽不良、模塊或驅動損壞、波特率不匹配等，其將所有主要工具：分析儀、條線圖、示波器、拓撲圖及DP-V0/V1主站集成在一起。一般使用ProfiTrace 工具與對應設備的光電轉換器相連，在監聽狀態下通過波形、電壓圖報文來確定故障點。

首先在“Profitrace”選項卡下，選中主界面區域的“Live List”子選項卡，將看到Live List矩陣。通過Live List 矩陣列出所有設備清單，同時矩陣中的設備狀態通過不同的背景顏色呈現出。綠色：設備進行數據交換；紅色：參數錯誤（主站除外）；紫色：組態錯誤；無色：在線但無數據交換。

點擊Profitrace 中的“條形圖（Bar Graph）”選項卡，主界面將呈現出總線上所有設備信號的平均等級，網絡正常信號平均電壓應為5V 左右。當總線出現問題時，條形圖將顯示不同的電壓等級，條形的顏色將發生變化。當總線電纜上缺失終端電阻或者發生斷線時所顯示電壓等級由于反射波的影響變得很高，當總線電纜上出現短路時電壓低于正常值，條形的顏色呈紅色。

點擊Profitrace 中的“ScopeWare”選項卡，將呈現出總線上的實時電壓信號狀態。由于Profibus基于高速數字數據通信，也就意味著不能繼續使用萬用表來對信號質量進行測量，而這時可以使用示波器工具檢測電纜上的電子信號，對于EMC 干擾、反射波、短路、終端電阻超出或者缺少電壓波形都會發生變化。單純平整的波形與不規則的波形都代表通信質量不佳，在波形中會看到一段平行的直線，該直線稱為靜默端，靜默端前為指令對應的波形，靜默端后的脈沖波為就地設備通信波形，當平整的脈沖波在翻轉時規律的出現擊穿尖端波形時為通信正常的波形。可根據不同的需要，點擊界面下方的站點地址矩陣，查看各站點的信號狀態。

其次在“Profitrace”選項卡下，選中主界面區域的“報文（Messages）”子選項卡，將看到PROFIBUS 總線上的所有報文。總線數據傳輸是主站及就地從站設備把所有需要傳輸的數據打包在一起，以二進制比特串的形式進行傳輸的。而這個二進制比特串稱之為報文。總線報文的類型除了正常投運下的數據交換報文之外，還有參數設置、診斷請求、組態請求、全局控制等。在報文中可以看到，主站與從站之間的收發信息，當報文顯示所有信息均能正常接收與發送時，通信質量正常，當報文中偶爾出現幀丟失紅字報警時通信質量變差，當大量出現奇偶誤差，幀誤差時通信質量較差甚至無法正常通訊，需要檢查設備中是否發生接地或者短路情況。

5 常見現場總線問題及處理方法

5.1 GSD 文件配置錯誤

GSD 文件配置錯誤主要表現為DCS 遠方操作指令無法下達，無反饋顯示。如某品牌電動執行機構在調試結束后有一臺無法正常操作，在Profitrace 監聽狀態下，發現該電動門對應地址顯示GSD 文件配置錯誤，并閃紅。通過DCS 工程師站檢查后發現GSD 文件配置為其他品牌電動執行機構GSD 文件，重新配置該品牌GSD 文件后通信恢復正常。

5.2 總線電纜敷設不規范

表現為設備通信質量時好時壞，頻繁出現通信電壓低和信號丟包情況，設備經常離線，甚至誤動。如某網段，通過檢查電纜敷設情況，發現存在總線電纜與動力電纜交叉布置的情況，根據現場總線施工標準，對電纜橋架進行改造，保證總線電纜與動力電纜之間間隔20cm，沒有條件的增加金屬隔板。

5.3 總線終端錯誤使用

在每個網段的兩端必須加有總線終端電阻。DP9針頭（on 和off 開關可以增加終端電阻）如果終端丟失，可能會導致數據傳輸過程中的錯誤。如果某網段總線終端多于兩個，也將導致錯誤。多余的總線終端將增加網絡負荷、降低信號質量，導致信噪比下降。多余并入總線的電阻將導致信號電壓的失真。當網段中的站點數量超過最大站點數或網段長度接近最長限制長度時，終端電阻的錯誤使用將更易導致數據傳輸錯誤的出現。常用終端電阻的供電源于設備內部，在總線工作的時候對終端電阻的供電不會中斷。若總線終端設備在運行過程中會斷電或由于操作、檢修等原因從總線上移除，需外加獨立有源終端來代替設備中的無源終端。

5.4 屏蔽線兩點接地

表現為DP/PA 耦合器頻繁報警，復位后恢復，一段時間后仍會報警。原因為現場部分變送器屏蔽線采用兩端接地造成總線信號通信異常，處置措施為依據現場總線施工工藝規范，排查現場所有變送器并整改為單端接地，接地端設置在總線柜內。

5.5 冗余控制器主控切換頻繁

主要表現為DCS 自檢畫面中，PB 卡主用備用跳躍不定，或切主后無法保持。可能原因為INI 文件下載錯誤、設備地址重復設定、網段中有部分設備未安裝調試或接線錯誤。解決方法是重新下載INI 文件觀察是否恢復。若未恢復檢查DCS 畫面有無地址閃爍，若閃爍，檢查對應設備地址，看是否有重復設定。檢查接線，或解除暫時未進行調試的設備。

5.6 設備地址設置重復

主要表現為DCS 自檢畫面中某些設備畫面顯示閃爍。如某總線設備地址紅綠閃爍顯示不定，通信時斷時續，就地Trace 監聽，報文報錯且經查線后確認無接線故障。對地址閃爍的定位器，斷掉供電，監聽時發現地址仍然存在，確定為地址重復設定。查找出重復地址進行重新設定后恢復正常。解決方法為利用Trace 檢查，查出重復設定的地址，重新修改恢復。

5.7 網段中部分設備無法通信

主要表現為指令無法正常下達，反饋無法正常顯示，DCS 自檢畫面對應設備顯示紅色，設備通信狀態全斷，波形紊亂。解決方法為檢查接線是否出現錯誤，若接線錯誤，重新接線。檢查地址設定是否正確，正確設定地址。檢查GSD 配置，正確配置GSD 文件。檢查設備本身的通訊設定形式，將其設定為總線通信方式。

6 結論及建議

現場總線技術徹底解決了底層設備的數字化問題，并通過高速、雙向、數據通道將底層設備信息輸送到控制應用層，為數字化電廠奠定了堅實的數據基礎。與傳統火電廠信號傳輸相比現場總線技術具有以下優勢：

一是提高了系統的準確性與可靠性。與模擬信號相比，現場總線設備的智能化、數字化從根本上提高了測量與控制的準確度，提高了抗干擾能力，減少了傳送誤差[1]。

二是優異的擴展性便于現場系統改造，簡化施工、安裝和調試工作。現場總線系統的接線簡單，一條通信電纜的上面可以進行掛接多個通信設備，所以當需要添加控制設備的時候，就沒有必要增加新的電纜，可連接在原有的網段上，這樣可以節省成本和工作量。

三是通信信息靈活豐富，提供多種診斷方法。現場總線設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通信將相關的診斷維護信息送往DCS，用戶可以及時、準確獲得故障信息并快速排除故障，從而大大提高維護水平（如總線執行器能統計力矩關斷次數、行程關斷次數、運行時間、通電時間、啟停次數、過載時間等，并將這些信號上傳至DCS）。

四是能夠把控制和優化、運行和管理信息完美結合，為真正的數字化電廠奠定基礎。現場總線通信能使設備管理軟件從集控室直接與遍及全廠的設備進行對話，為整個工廠在生命周期內節約運行成本[2]。

注重總線設備安裝工藝質量。多數問題出現在通訊電纜接線和安裝不規范上，設備接線與調試盡量同步進行。網段內設備接線完畢后便可以進行調試，分網段分批次進行調試檢查。以確保實際接線與總線圖紙完全對應，在增加或減少設備等異動時，必須同步修改最新圖紙，規范異動管理。

發電廠主要控制機構和主要聯鎖保護用熱控儀表不建議使用總線類型，風險較大，一般聯鎖保護用設備按照分散布置原則設置在不同網段，不同控制器中以降低風險。除參與重要聯鎖保護及主要調節回路的儀表和控制設備、鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）、汽機數字電液控制系統（DEH）、緊急跳閘保護系統（ETS）、汽輪機監測儀表（TSI）、給水泵汽輪機MEH/METS、旁路控制系統（BPC）、機組事故順序記錄（SOE）、汽輪機排汽逆止閥/各級抽汽逆止閥/抽汽逆止閥前疏水閥等的電磁閥/氣動執行機構的控制，與DCS 順序控制有關的電動機的開關位置狀態接點及啟/停指令及允操指令信號建議仍采用傳統的DCS 和I/O 設備，其余均可采用現場總線技術設備[3]。

加強設備維護人員技術培訓，特別是Profitrace總線分析工具的使用，可以利用分析工具中的電壓條形圖、波形圖、報文等工具進行故障診斷，快速發現和排除設備故障點。

在日常維護過程中需要定期評估總線各網段通信質量，保存好截圖，為發電廠總線控制系統提供檢修依據，同時在檢修期必須開展總線控制柜冗余雙電源切換試驗、主副控制器切換試驗，檢修過程中還需重點做好通信質量差和存在單路離線設備的網段檢查和消缺工作，確保整個現場總線控制系統穩定可靠。