PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施的質(zhì)量管控措施

沈鐵志 王麗麗

（神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建省石獅市，362712）

20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)Rosemount公司開發(fā)了一種可尋址的遠(yuǎn)程傳感器 （HART）通信協(xié)議，采用在4～20 mA 模擬量疊加了一種頻率信號(hào)，用雙絞線實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸，出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形；1985 年，Honeywell和Bailey 等大公司發(fā)布了FIP 協(xié)議；1987 年，Siemens、Rosemount、橫河等幾家著名公司制定了PROFIBUS 協(xié)議；1994年，兩大集團(tuán)宣布合并，融合成現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì) （Fieldbus Foundation，以下簡(jiǎn)稱 “FF”）。

國(guó)內(nèi)自引進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，到推廣應(yīng)用至今，不過(guò)十幾年時(shí)間，在工藝流程行業(yè)的運(yùn)用起步較晚，與傳統(tǒng)成熟的DCS 控制系統(tǒng)相比，用戶接受度相對(duì)較低，五大自動(dòng)化行業(yè)市場(chǎng)中的化工、石油，特別是電力等行業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)用相對(duì)較少。但現(xiàn)場(chǎng)總線自身所具備的優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)備與系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)省安裝費(fèi)用、節(jié)省維護(hù)開銷、提高系統(tǒng)可靠性、提高系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)等，使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)逐漸得到推廣，火力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用越來(lái)越多，而如何保證現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施的質(zhì)量，是火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化專業(yè)關(guān)注的首要問(wèn)題。

目前，在國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用過(guò)程中，如何在基建期現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施過(guò)程中采取相關(guān)的技術(shù)措施來(lái)保證現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性、安全性，尚無(wú)一套成熟的、標(biāo)準(zhǔn)化的辦法，本文擬就此方面表述個(gè)人的看法及成功經(jīng)驗(yàn)，以期對(duì)國(guó)內(nèi)后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施過(guò)程提供參考借鑒。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施質(zhì)量管控原則

現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施的質(zhì)量管控，要從設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、試驗(yàn)等方面入手，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施進(jìn)行全方位的管控，既要過(guò)程管控，又要驗(yàn)收測(cè)試，做到及早暴露基建施工過(guò)程中潛在的問(wèn)題，及早消除隱患。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施質(zhì)量管控措施

2.1 制定現(xiàn)場(chǎng)總線施工工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

參照 《火力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備安裝技術(shù)導(dǎo)則》、各總線設(shè)備廠商提供的技術(shù)文件和說(shuō)明書，與現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備提供商共同從總線橋架設(shè)計(jì)、總線電纜敷設(shè)、總線接地、總線接線、終端電阻配置等各方面，編制現(xiàn)場(chǎng)總線施工的工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

在總線設(shè)備施工前，組織施工單位、火力發(fā)電廠工程人員、火力發(fā)電廠生產(chǎn)人員、監(jiān)理公司等各個(gè)參建單位進(jìn)行培訓(xùn)，經(jīng)考試合格頒發(fā)總線施工資質(zhì)證書，要求總線設(shè)備安裝、總線電纜敷設(shè)、總線接線及調(diào)試全過(guò)程，相關(guān)人員持證上崗，未通過(guò)考試人員不得參與施工、監(jiān)理及驗(yàn)收工作。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線施工過(guò)程中的質(zhì)量檢查

總線設(shè)備施工過(guò)程中，施工監(jiān)理不定期組織工程人員、生產(chǎn)人員、總線供貨商、施工單位等，從總線橋架設(shè)計(jì)、總線電纜敷設(shè)、總線接地、總線接線、終端電阻配置等各方面，對(duì)總線施工工藝是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)違反工藝標(biāo)準(zhǔn)的立即制止，責(zé)令整改。同時(shí)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線廠商提供的專用診斷工具，對(duì)施工完畢的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段進(jìn)行通訊檢查。

2.2.1 總線接地檢查

現(xiàn)場(chǎng)總線的敷設(shè)、接線、終端電阻設(shè)置、地址設(shè)置等，嚴(yán)格按照施工工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢查，在此不再贅述。特別指出的是，現(xiàn)場(chǎng)總線的接地檢查，應(yīng)格外引起重視。因?yàn)榻拥刭|(zhì)量的好壞將直接影響現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾能力。國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用中也曾發(fā)生過(guò)幾例因接地問(wèn)題導(dǎo)致的不安全事件。

按照PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線接地要求，Profibus-PA 總線采用單點(diǎn)接地原則，Profibus-DP總線采用多點(diǎn)接地原則；對(duì)于多點(diǎn)接地的設(shè)備接地，為有效避免干擾，因此要求廠房區(qū)域的接地網(wǎng)為等電勢(shì)接地。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線接地要求，編制現(xiàn)場(chǎng)總線接地質(zhì)量檢查確認(rèn)表見表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)總線接地質(zhì)量檢查確認(rèn)表

按照表1，組織人員對(duì)每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的接地情況進(jìn)行全面檢查，保證每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的接地都合格。每一個(gè)接地檢查項(xiàng)目可參照表2所示 （不限于此）。

表2 現(xiàn)場(chǎng)總線接地質(zhì)量檢查項(xiàng)目表

2.2.2 總線診斷檢查

啟動(dòng)ProfiTrace 后，點(diǎn)擊 “Live List”，可直觀的判斷出系統(tǒng)各個(gè)地址設(shè)備的 “健康”狀態(tài)，如圖1所示。

通過(guò)不同的顏色能夠很直觀地看到哪些設(shè)備是“故障制造者”。

點(diǎn)擊 “開始報(bào)文記錄”，進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)通訊的信息，可從屏幕上看到一個(gè)整體直觀的演示。如圖2所示。

觀察主站與從站之間的通訊是否正常，一般情況下，周期數(shù)據(jù)交換正常、無(wú)紅色幀 （ErrFrame、WrongSD、ParityError）、無(wú)SYNC 幀即為正常。如果沒(méi)有周期數(shù)據(jù)交換、有紅色錯(cuò)幀 （ErrFrame、WrongSD、ParityError）、有SYNC幀則表明通訊有異常。

啟動(dòng)ProfiTrace 后，點(diǎn)擊 “ScopeWare”，出現(xiàn)如圖3所示的波形圖，示波器立即以不同的模式運(yùn)行，顯示測(cè)量到的所有信號(hào)。

正常 （可接受）信號(hào)幾乎可以說(shuō)是 “真正的”四方型波紋，平均振幅為5V。當(dāng)振幅較高時(shí)，信號(hào)近似于這種四方型波紋，但仍屬于可接受信號(hào)，且閑置狀態(tài)的噪音要保持在最小，閑置狀態(tài)必須為1V。

圖1 live list圖表

圖2 報(bào)文記錄表

圖3 波形圖

Bit上的波峰處于正常狀態(tài)。波峰產(chǎn)生的原因 是由于ProfiCore所連接的短小分支線所致，或許該系統(tǒng)中的電纜長(zhǎng)度相對(duì)較短。當(dāng)缺少終端器或出現(xiàn)斷線時(shí)，信號(hào)就會(huì)反應(yīng)在纜線上，形成大起大落的波峰。當(dāng)A 線與B 線之間出線短路時(shí)，反射波一步一步地將信號(hào)的振幅越降越低。

因此，可通過(guò)不同的波形圖來(lái)具體分析故障類型，找出故障點(diǎn)，檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量的好壞。

啟動(dòng)ProfiTrace后，點(diǎn)擊 “Bar graph”，出現(xiàn)如圖4所示的條形圖，顯示總線上所有設(shè)備的信號(hào)平均等級(jí)。平均電壓應(yīng)為5V 左右。當(dāng)總線出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，條線圖將顯示不同的電壓等級(jí)，條形的顏色將發(fā)生變化。因此，可通過(guò)分析條形圖顯示的電壓等級(jí)來(lái)具體分析故障類型，幫助找出故障點(diǎn)，檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量的好壞。

圖4 條形圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線驗(yàn)收過(guò)程中的測(cè)試及試驗(yàn)

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線可靠性測(cè)試

此項(xiàng)測(cè)試主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)方案的正確性、總線設(shè)備的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，包括冗余環(huán)節(jié)測(cè)試、故障影響測(cè)試、HAMS系統(tǒng)測(cè)試等。

（1）冗余環(huán)節(jié)測(cè)試。

就單個(gè)控制站而言，現(xiàn)場(chǎng)總線冗余情況如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖5所示，冗余環(huán)節(jié)主要有控制站到就地現(xiàn)場(chǎng)總線柜網(wǎng)絡(luò)通訊、現(xiàn)場(chǎng)總線柜內(nèi)冗余通訊網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線柜至就地設(shè)備的冗余通訊以及現(xiàn)場(chǎng)總線柜內(nèi)冗余電源。冗余測(cè)試的目的是人為設(shè)置各個(gè)冗余環(huán)節(jié)故障，檢查現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)工作情況是否能夠滿足正常運(yùn)行需要。

例如，人為斷開控制站到就地現(xiàn)場(chǎng)總線柜網(wǎng)絡(luò)A，在DCS 操作員站上觀察控制系統(tǒng)參數(shù)采集及設(shè)備是否存在異常，并進(jìn)行記錄；人為斷開現(xiàn)場(chǎng)總線柜內(nèi)冗余電源，在DCS操作員站上觀察控制系統(tǒng)參數(shù)采集及設(shè)備是否存在異常，并進(jìn)行記錄等。

此項(xiàng)測(cè)試的目的是確保冗余系統(tǒng)能夠正常工作，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、施工及調(diào)試過(guò)程的正確性。

（2）故障影響測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)總線就地設(shè)備在原理上屬于并聯(lián)，但在物理連接上屬于串聯(lián)，因此當(dāng)某個(gè)總線設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，不應(yīng)對(duì)此網(wǎng)段上的任何設(shè)備通訊產(chǎn)生影響。此項(xiàng)測(cè)試的目的是檢測(cè)總線網(wǎng)絡(luò)中任一設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的影響。

例如：任選一臺(tái)就地設(shè)備 （如電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)），將設(shè)備斷電或設(shè)置故障，在DCS操作員站上觀察網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備是否能夠正常工作，并進(jìn)行記錄；任選某一網(wǎng)段的終端電阻，將其斷開連接，觀察整個(gè)網(wǎng)段的總線設(shè)備是否能夠正常工作，并進(jìn)行記錄等。

（3）HAMS測(cè)試。

HAMS現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理軟件是以HART、FF、PROFIBUS協(xié)議為基礎(chǔ)，集數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析為一體的一款現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理系統(tǒng)，其作為DCS網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，管理著整個(gè)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。功能上，HAMS能夠完成現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備監(jiān)測(cè)、診斷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)性維護(hù)與預(yù)防性維護(hù)，提高現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可靠性。

但作為DCS網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它的存在或工作是否會(huì)給整個(gè)DCS系統(tǒng)帶來(lái)負(fù)面影響是主要關(guān)心的問(wèn)題。

HAMS軟件測(cè)試的方法，即在DCS系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，打開HAMS軟件，掃描DCS網(wǎng)絡(luò)上的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，這時(shí)DCS的通訊負(fù)荷率應(yīng)相應(yīng)增加，此舉的目的就是考查此時(shí)DCS系統(tǒng)的性能是否受到影響，DCS操作員站畫面上工藝系統(tǒng)參數(shù)是否正常，操作是否正常，并進(jìn)行記錄。

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線電磁兼容性 （EMC）測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)總線的抗干擾能力，一直是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期以來(lái)不能夠廣泛推廣現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的障礙之一，國(guó)內(nèi)也發(fā)生過(guò)多起因現(xiàn)場(chǎng)總線抗干擾能力差導(dǎo)致的不安全事件。而電磁兼容性 （EMC）測(cè)試，能夠全面反映現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)或設(shè)備的物理層規(guī)范、安裝的質(zhì)量，因此在基建期施工結(jié)束后，機(jī)組整套啟動(dòng)前，對(duì)整臺(tái)機(jī)組進(jìn)行EMC測(cè)試是非常有必要的。

現(xiàn)場(chǎng)的干擾源主要來(lái)自2個(gè)方面，即自然干擾源和人工干擾源。自然干擾源主要是雷電干擾；人工干擾源主要是電子電氣系統(tǒng)、無(wú)線發(fā)射機(jī)、靜電放電等干擾。其耦合途徑主要是導(dǎo)線傳導(dǎo)的電壓和電流與空間輻射的電磁波。

現(xiàn)場(chǎng)總線抗擾度指標(biāo)要求主要包括：靜電放電抗擾度、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌 （沖擊）抗擾度、射頻場(chǎng)感應(yīng)傳導(dǎo)騷擾抗擾度、工頻磁場(chǎng)抗擾度、電壓跌落與暫時(shí)中斷、振動(dòng)波和振鈴波抗擾度等。

EMC包括2個(gè)方面的內(nèi)容：自身產(chǎn)生的電磁發(fā)射對(duì)其他設(shè)備或系統(tǒng)的影響；本系統(tǒng)的抗干擾能力能否保證本設(shè)備或系統(tǒng)不受其他干擾的影響。

第一步，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的EMC測(cè)試，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)估。

第二步，也是EMC 測(cè)試的重點(diǎn)，即根據(jù)分析結(jié)果，利用專用儀器儀表設(shè)備，模擬各種自然和人工噪聲源，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備抗干擾能力進(jìn)行全面測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可通過(guò)專用設(shè)備或DCS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方式獲得。

第三步，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線抗干擾能力作出綜合評(píng)價(jià)，更重要的是分析出現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中抗干擾能力薄弱的環(huán)節(jié)，找到異常原因，并進(jìn)行整改。整改后再次進(jìn)行測(cè)試分析，直至滿意為止。

3 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)，特別是火力發(fā)電廠起步較晚，在應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)過(guò)因雷擊及現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境干擾導(dǎo)致的不安全事件，致使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣飽受爭(zhēng)議，然而現(xiàn)場(chǎng)總線作為新一代控制系統(tǒng)，有著其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，其在未來(lái)取代DCS是必然的趨勢(shì)。神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司2×1000 MW 機(jī)組項(xiàng)目在現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)基建的不同階段，采取具有針對(duì)性的技術(shù)措施，真正地從設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試到驗(yàn)收進(jìn)行全過(guò)程的質(zhì)量管控，發(fā)現(xiàn)了大量的包括電纜敷設(shè)、接線錯(cuò)誤、接地不良、設(shè)備選型、網(wǎng)段分配等諸多方面的問(wèn)題，消除了大量隱患，很大程度上保證了現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施的質(zhì)量，提高了DCS控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的可靠性。到目前為止，該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定，希望該項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)罄m(xù)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施的質(zhì)量管控提供一些參考。

［1］ DL／T 5182-2004，《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化就地設(shè)備安裝、管路、電纜設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》［S］

［2］ DL／T 1212-2013，《火力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備安裝技術(shù)導(dǎo)則》［S］

［3］ GB／T17626.2 《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》［S］

［4］ GB／T17626.3 《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)》［S］

［5］ GB／T17626.4 《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》［S］

［6］ GB／T17626.5 《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌 （沖擊）抗擾度試驗(yàn)》［S］

［7］ GB／T17626.6 《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)》［S］

［8］ GB／T17626.7 《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)》［S］