智能總線診斷儀的研發(fā)及應(yīng)用

李曉博，宋美艷，田 爽

智能總線診斷儀的研發(fā)及應(yīng)用

李曉博，宋美艷，田 爽

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

針對現(xiàn)場總線在火電機組中的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用過程中存在的問題，提出了火電機組現(xiàn)場總線在線監(jiān)測和智能診斷的技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上設(shè)計并開發(fā)了智能總線診斷儀。該智能總線診斷儀可實時監(jiān)測總線報文，通過對報文進行計算、校驗、分類和統(tǒng)計，生成主站和從站運行狀態(tài)的診斷數(shù)據(jù)。實際測試及應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，智能總線診斷儀可以實時監(jiān)測各從站設(shè)備，動態(tài)分析和計算總線的運行狀態(tài)，為總線診斷和問題分析提供依據(jù)。

現(xiàn)場總線；智能診斷；在線監(jiān)測；診斷儀；自動控制

目前，現(xiàn)場總線技術(shù)在火電機組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛和深入，其中應(yīng)用最多的現(xiàn)場總線有PROFIBUS-DP（簡稱DP總線）、PROFIBUS-PA（簡稱PA總線）和Foundation Fieldbus（簡稱FF總線）[1]。DP、PA和FF均采用全數(shù)字化通信[2-3]，其中DP用于過程控制，滿足了分布式I/O的要求，連接機組中的執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備[4-6]，而PA和FF用于過程測量，連接機組中各種智能型的傳感器和變送器，用于替代傳統(tǒng)的4~20 mA儀表。

1 總線應(yīng)用及存在問題

1.1 總線應(yīng)用

根據(jù)總線協(xié)議類型，現(xiàn)場總線在機組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可以分為2種：一是采用DP總線和PA總線；二是采用DP總線和FF總線。

DP總線和PA總線方案根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以分為獨立式和一體式2種。獨立式拓撲結(jié)構(gòu)在機組控制系統(tǒng)分別配置單獨的DP主站和PA主站，現(xiàn)場的DP設(shè)備依據(jù)總線型結(jié)構(gòu)連接到控制系統(tǒng)中的DP主站，PA設(shè)備依據(jù)星型結(jié)構(gòu)連接到控制系統(tǒng)中的PA主站；一體式拓撲結(jié)構(gòu)僅配置DP主站，沒有單獨的PA主站，實現(xiàn)時通過在DP總線上添加DP/PA耦合器，將現(xiàn)場的PA設(shè)備通過星型結(jié)構(gòu)接入PA分線盒，然后將這些PA分線盒串接在DP/PA耦合器上。目前，北京和利時集團的K系列控制系統(tǒng)采用獨立式，北京國電智深控制技術(shù)有限公司的控制系統(tǒng)采用一體式[7]。

DP總線和FF總線方案在應(yīng)用時采用獨立的DP主站和FF主站，代表控制系統(tǒng)為OVATION[8-9]，其中DP總線連接現(xiàn)場的DP設(shè)備，F(xiàn)F總線連接現(xiàn)場的變送器。

1.2 存在問題

目前，總線在安裝、調(diào)試、運行和檢修過程中存在諸多問題[10-13]：

1）安裝和調(diào)試過程中，為了建立主站和從站之間的數(shù)據(jù)通信，需要花費大量的時間對主站、從 站和總線的參數(shù)集進行配置和調(diào)試。相比傳統(tǒng)的4~20 mA模擬量，總線通信采用全數(shù)字量，故在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題無法通過測量總線的電壓和電流來定位，這就增加了總線調(diào)試工作的復(fù)雜度，影響施工和調(diào)試進度，無形中增加了用戶的投入。

2）在總線調(diào)試和運行中，往往會出現(xiàn)啟動或者停止指令發(fā)出后總線設(shè)備不動作或者沒有發(fā)送操作指令而設(shè)備誤動作的現(xiàn)象。由于此類問題均為偶發(fā)性，因此查找總線設(shè)備誤動和拒動的原因變得非常困難。目前多數(shù)電廠都不能精確分析出現(xiàn)此類問題的原因，為設(shè)備后續(xù)的安全穩(wěn)定運行留下隱患。

3）總線設(shè)備的參數(shù)在調(diào)試過程中需要根據(jù)實際應(yīng)用工況進行修改，這些參數(shù)的修改需要接入二類主站才能完成。目前多采用在就地總線接入具有二類主站來設(shè)置參數(shù)，調(diào)試人員需要在工程師站和就地之間來回往返，耗費了大量的時間。以壓力變送器為例，部分廠家的壓力變送器提供變送器參數(shù)的整定按鈕，可以通過按鈕配置變送器的測量單位、量程上下限、從站地址等參數(shù)，而部分廠家的壓力變送器不提供參數(shù)整定按鈕，這就需要調(diào)試人員外接二類主站來配置從站參數(shù)。又如從站地址設(shè)置，變送器出廠地址一般設(shè)置為126，工程安裝時需要將從站地址修改成設(shè)計地址，完成地址設(shè)定就需要在就地外接二類主站修改地址。

4）總線設(shè)備通信故障時，由于沒有總線運行的歷史報文，難以定位和診斷這些故障。熱工技術(shù)人員在例行總線檢修和維護過程中，僅僅只能通過機組控制系統(tǒng)查看設(shè)備是否運行正常，無法對總線的數(shù)據(jù)交換、設(shè)備的運行狀態(tài)、是否有錯誤報文及錯誤報文統(tǒng)計進行查看分析。

2 智能總線診斷儀結(jié)構(gòu)及功能

針對上述問題，在研究分析DP、PA和FF總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)場總線在線監(jiān)測與智能診斷的設(shè)計和實現(xiàn)方案。該方案通過在總線上部署智能總線診斷儀，可以實時監(jiān)聽和分析總線報文，并對總線上的各個從站設(shè)備與主站之間的數(shù)據(jù)交換進行計算，將正確和錯誤的報文進行分類統(tǒng)計。

2.1 診斷儀結(jié)構(gòu)

智能總線診斷儀按照功能可以劃分為微處理器、總線控制器、總線收發(fā)器、以太網(wǎng)接口模塊、Flash存儲器和系統(tǒng)內(nèi)存。微處理器為該智能總線診斷儀的中央處理模塊，對總線控制器收發(fā)的數(shù)據(jù)幀進行處理，分析數(shù)據(jù)幀中的各個數(shù)據(jù)域，然后將數(shù)據(jù)寫入到系統(tǒng)內(nèi)存和Flash存儲器中；總線控制器負責(zé)偵聽現(xiàn)場總線上的二進制比特流并將其根據(jù)總線規(guī)范生成數(shù)據(jù)幀，完成數(shù)據(jù)鏈路層的功能；總線收發(fā)器提供現(xiàn)場總線的物理接口；以太網(wǎng)接口模塊提供配置和遠程操作接口，智能總線診斷儀通過以太網(wǎng)接口可以接入廠級設(shè)備管理系統(tǒng)。

圖1為總線驅(qū)動器和接收器電路，圖2為總線控制器和收發(fā)器的隔離電路?？偩€控制器型號為STM32，PF7、PF8和PF6為STM32芯片的發(fā)送、使能和接收引腳；總線收發(fā)器選擇型號為SN65LBC184，總線控制器和總線收發(fā)器之間采用三通道數(shù)字隔離器，型號為ADUM1301，實現(xiàn)總線電纜和總線收發(fā)器之間的電器隔離。

圖1 總線驅(qū)動器和接收器電路

圖2 總線控制器和收發(fā)器的隔離電路

2.2 診斷儀布置

智能總線診斷儀按照接入總線的位置可以分為3種布置方式：1）將診斷儀接入到主站后第一個從站前的位置；2）將診斷儀接入到總線的任意2個從站之間，也即中間安裝；3）將診斷儀安裝在獨立終端電阻之前，最后一個從站之后，也即尾端安裝。

智能總線診斷儀對所接入總線上的主站和從站而言是不可見的，主站在組態(tài)過程中不需要配置和組態(tài)，而且智能總線診斷儀可以熱拔插，接入和斷開不影響總線的正常運行。

2.3 診斷儀功能

智能總線診斷儀具有二類主站的功能，可以通過以太網(wǎng)接口對該條總線上的從站設(shè)備進行組態(tài)，配置從站的非循環(huán)參數(shù)。對監(jiān)測總線的電氣特性，包括總線電壓、通信速率等進行動態(tài)測量，同時對所接入總線的主站和從站運行狀態(tài)進行智能分析和統(tǒng)計，生成總線診斷數(shù)據(jù)，包括正確數(shù)據(jù)幀統(tǒng)計、錯誤數(shù)據(jù)幀統(tǒng)計、請求響應(yīng)以及未響應(yīng)的次數(shù)等。

通過在總線上接入智能現(xiàn)場總線診斷儀，可以精確地建立整條總線的歷史數(shù)據(jù)，包括所有的正確報文和錯誤報文，上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)的歷史。其中，上行數(shù)據(jù)指主站和從站在數(shù)據(jù)交換過程中，從站向主站發(fā)送的應(yīng)答數(shù)據(jù)；下行數(shù)據(jù)指在一次主站和從站數(shù)據(jù)交換過程中主站向從站發(fā)送的請 求數(shù)據(jù)。

通過在總線中安裝智能總線診斷儀，可以對總線進行實時監(jiān)控。當(dāng)主站向某個從站發(fā)送指令時，該診斷儀會將該指令數(shù)據(jù)記錄到歷史數(shù)據(jù)庫中；當(dāng)總線出現(xiàn)干擾和錯誤時，該診斷儀會將每一時刻的總線狀態(tài)記錄到歷史數(shù)據(jù)庫，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備誤動時可以通過歷史數(shù)據(jù)分析是就地設(shè)備無指令動作還是主站誤發(fā)動作指令；當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備拒動時，可以通過該診斷儀分析主站是否發(fā)送了動作指令，如果主站發(fā)送了動作指令而從站未動作，則可以認為是從站本身沒有動作，如果主站未發(fā)出動作指令或者發(fā)出了錯誤的動作指令，則可以分析出主站運行出錯。

此外，智能總線診斷儀具備快速定位總線安裝、施工以及運行過程中故障的作用，幫助技術(shù)人員快速排除故障，加快現(xiàn)場安裝調(diào)試工作進度。

3 智能總線診斷儀報文監(jiān)測分析

智能總線診斷儀同時實現(xiàn)了DP、PA和FF總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，具備協(xié)議處理功能。

智能總線診斷儀對總線進行實時偵聽，并在報文插入時間戳，然后按照時間順序進行存儲。數(shù)據(jù)幀被存儲在該診斷儀的數(shù)據(jù)幀存儲區(qū)中，并按照時間進行索引。在存儲數(shù)據(jù)幀的同時會對偵聽的數(shù)據(jù)幀進行處理，源地址、目的地址、報文類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)和CRC校驗碼等都會被計算和存儲到歷史庫中。

以DP總線為例，監(jiān)聽得到的DP總線數(shù)據(jù)幀見表1。DP協(xié)議幀可以分為無數(shù)據(jù)域定長幀（SD1）、變長數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)幀（SD2）、有數(shù)據(jù)域定長幀（SD3）、令牌幀（SD4）和短確認幀（SC）5種類型。首先計算數(shù)據(jù)幀的類型，然后從報文中獲得該數(shù)據(jù)幀的源地址和目的地址，CRC校驗通過后，可以計算數(shù)據(jù)長度和交換數(shù)據(jù)。表1說明了地址為4、5、6、7、8的從站和地址為0的主站的數(shù)據(jù)幀通信的序列，采用了邊長數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)幀為通信的數(shù)據(jù)幀類型。

表1 DP總線數(shù)據(jù)幀

Tab.1 The frame of DP bus data

4 實際應(yīng)用

圖1為智能總線診斷儀在總線中的應(yīng)用。主站通信速率為500 kb/s，從站設(shè)備類型為瑞基RAII型電動閥。主站地址為0，智能總線診斷儀為物理層設(shè)備，不需要設(shè)置地址，該條總線設(shè)計了5臺電動執(zhí)行機構(gòu)，其中4臺開關(guān)型，1臺調(diào)節(jié)型。1號卸油泵出口電動閥，總線地址為4；1號供油泵出口電動閥，總線地址為5；1號油管冷卻噴淋水電動閥，總線地址為6；鍋爐回油至1號油罐電動閥，總線地址為7；供油泵回油流量電動調(diào)節(jié)閥，總線地址為8。瑞基電動閥分為開關(guān)型和調(diào)節(jié)型2種，供油泵回油流量電動調(diào)節(jié)閥為調(diào)節(jié)型設(shè)備，其他電動執(zhí)行機構(gòu)為開關(guān)型，設(shè)備組態(tài)時，選擇MODULE1。MODULE1模塊包含2字節(jié)輸出數(shù)據(jù)和8字節(jié)輸入數(shù)據(jù)。2字節(jié)輸出數(shù)據(jù)為指令，控制電動執(zhí)行機構(gòu)的啟動、停止和閥位調(diào)節(jié)。根據(jù)瑞基電動閥指令含義說明：0x01,0x00為開關(guān)型電動閥的關(guān)指令；0x00,0x00為開關(guān)型電動閥的開指令。8字節(jié)輸入數(shù)據(jù)為設(shè)備運行狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，實時將執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)位置、力矩大小、電機過熱、電源缺相等信息發(fā)送給機組控制系統(tǒng)。

圖3 智能總線診斷儀在總線中的應(yīng)用

總線運行后，智能總線診斷儀實時監(jiān)聽總線上的數(shù)據(jù)幀，然后對監(jiān)聽到數(shù)據(jù)幀記錄時間戳，根據(jù)總線協(xié)議的規(guī)范，對數(shù)據(jù)幀進行正確性校驗，并對通過正確性校驗的數(shù)據(jù)幀進行分析，記錄該幀包含的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)長度、從站地址、報文類型、幀類型等。

表2為智能總線診斷儀數(shù)據(jù)域。在調(diào)試1號油管冷卻噴淋水電動閥時，通過操作面板連續(xù)2次向1號油管冷卻噴淋水電動閥發(fā)送打開指令后，設(shè)備均沒有動作，仍然維持在關(guān)閉狀態(tài)，此時可以通過智能總線診斷儀迅速定位和排除錯誤。查詢歷史數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在2019-05-16 09:06:33:534和2019-05-16 09:06:33:536時刻，DCS向1號油管冷卻噴淋水電動閥發(fā)出指令為0x06，0x00，正確的電動閥打開指令為0x02,0x00，可以定位DCS向電動門發(fā)出了錯誤的指令，所以電動閥沒有打開，導(dǎo)致開指令發(fā)出后電動閥沒有執(zhí)行打開動作。經(jīng)過檢查1號油管冷卻噴淋水電動閥的控制邏輯發(fā)現(xiàn)，其開指令邏輯中誤將指令字節(jié)的Bit3位設(shè)置為1，當(dāng)通過操作面板發(fā)打開指令時，DCS向該電動閥發(fā)出了0x06,0x00的錯誤指令。將該指令字節(jié)Bit3復(fù)位，在2019-05-16 09:06:35:411時刻發(fā)送開指令，電動閥正確執(zhí)行了打開操作。

表2 智能總線診斷儀數(shù)據(jù)域

Tab.2 The data domain of the intelligent fieldbus diagnostic instrument

5 結(jié) 語

智能總線診斷儀在總線上的安裝位置靈活，可以對現(xiàn)場總線的報文進行在線監(jiān)測，通過對總線運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行計算和分析，可以實時監(jiān)測各從站設(shè)備、動態(tài)分析和計算總線的運行狀態(tài)，為總線診斷和問題分析提供依據(jù)。智能總線診斷儀同時提供遠程訪問的接口。

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Development and application of intelligent bus diagnostic instrument

LI Xiaobo, SONG Meiyan, TIAN Shuang

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

To solve the problems occurred during the application of fieldbus in thermal power units, the technical schemes about fieldbus online monitoring and intelligent diagnosis are proposed. On this basis, an intelligent bus diagnostic instrument is designed and developed. This instrument can monitor and record bus frames in real time. The recorded frames are then computed, checked and classified to generate the diagnosis data of running state of the master and slave device. The actual test and application data show that, this intelligent bus diagnostic instrument can monitor each slave station equipment in real time, analyze and compute the bus running status dynamically, and provide a basis for fieldbus diagnosis and problem analysis.

fieldbus, smart diagnosis, online monitoring, diagnostic instrument, automatic control

TK323

B

10.19666/j.rlfd.201905113

2019-05-19

李曉博(1981—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)，lixiaobo@tpri.com.cn。

李曉博, 宋美艷, 田爽. 智能總線診斷儀的研發(fā)及應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(9): 151-155. LI Xiaobo, SONG Meiyan, TIAN Shuang. Development and application of intelligent bus diagnostic instrument[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(9): 151-155.

（責(zé)任編輯 馬昕紅）