FF與Profibus現(xiàn)場總線在火電廠應用中的故障診斷及處理

張浩龍，劉 威，孔德偉，楊明望，崔 燦

(華能澠池熱電有限責任公司，河南 三門峽 472400)

0 引言

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，傳統(tǒng)火電行業(yè)也發(fā)生著重大變革。數(shù)字電廠、智能電廠等新概念不斷提出。數(shù)字電廠必然成為現(xiàn)代電廠的發(fā)展趨勢[1]?，F(xiàn)場總線技術(shù)就是順應信息技術(shù)的發(fā)展趨勢和工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化要求而發(fā)展起來的?，F(xiàn)場總線是一個數(shù)字化、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有能夠獲取更多現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)、節(jié)省硬件數(shù)量和投資、提高系統(tǒng)的準確性和可靠性、后期運行維護便捷等優(yōu)點[2-3]?，F(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)電廠中得到了廣泛的應用，提升了機組自動化水平，提高了運行、維護效率，減輕了維護量[4-10]，為實現(xiàn)真正意義上的數(shù)學化電廠奠定堅實基礎(chǔ)。

但現(xiàn)場總線在實際應用中還存在諸多問題[11]。如：設(shè)計不嚴謹和施工不規(guī)范造成調(diào)試及運行期間故障頻發(fā)、設(shè)備選型不合適造成通信異常、組態(tài)錯誤和設(shè)備參數(shù)設(shè)置錯誤造成設(shè)備損壞等[12-14]。由于現(xiàn)場總線設(shè)備在設(shè)計、安裝調(diào)試和運行方式上與傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)設(shè)備有著巨大差異，現(xiàn)場總線故障更具有不確定性、復雜性、相關(guān)性等特點。本文根據(jù)某火電廠現(xiàn)場總線的應用情況，介紹基于OvatI/On控制系統(tǒng)的基金會現(xiàn)場總線(foundatI/On field-bus，F(xiàn)F)和Profibus-DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)的故障診斷和處理方法，為現(xiàn)場總線維護人員提供參考。

1 FF H1和Profibus-DP的基本架構(gòu)

當前，國內(nèi)外現(xiàn)場總線標準種類繁多，多達20余種[2-3]。在火電行業(yè)，應用比較成熟和廣泛的現(xiàn)場總線主要是Profibus和FF H1。其中，Profibus分為分布式周邊現(xiàn)場總線(decentralized periphery，DP)和過程自動化現(xiàn)場總線(process automatI/On，PA)兩個規(guī)約。不同的DCS采用不同的總線技術(shù)，主要有兩種架構(gòu)：DP+FF H1和DP+PA。

某電廠采用基于OvatI/On系統(tǒng)的DP+FF的現(xiàn)場總線架構(gòu)。其中，DP采用單主站、設(shè)備冗余的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，F(xiàn)F H1采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。總線拓撲如圖1所示。

圖1 總線拓撲圖

2 現(xiàn)場總線故障診斷方法

現(xiàn)場總線常見的故障有硬件故障、總線網(wǎng)段通信故障、總線網(wǎng)段某一點通信故障、總線網(wǎng)段多個信號不穩(wěn)定等。

由于現(xiàn)場總線技術(shù)通信模式的特殊性，在排查故障中無法應用常規(guī)的設(shè)備檢測方法和手動進行故障的診斷，采用萬用表和數(shù)據(jù)校驗儀很難分析出故障的原因，必須使用適合總線技術(shù)的方法。如：總線電纜敷設(shè)檢查和導通性測試、接地規(guī)范性檢查、DCS組態(tài)檢查、總線設(shè)備參數(shù)設(shè)置檢查等手段進行分析檢查，還可以借助專用儀器FBT-6、ProfiTrace測試系統(tǒng)等進析解決問題。

本文主要對投產(chǎn)調(diào)試驗收合格后現(xiàn)場總線系統(tǒng)在運行過程出現(xiàn)的故障進行研究。通過分析某電廠實際運行中出現(xiàn)的問題，總結(jié)出現(xiàn)場總線系統(tǒng)常見故障診斷的方法。

2.1 FF設(shè)備故障診斷方法

2.1.1 檢查設(shè)備的通信、組態(tài)及卡件狀態(tài)

COMMISSI/ONED表明通信正常，OFFLINE表明設(shè)備處于臨時工作狀態(tài)，SPARE表明設(shè)備從網(wǎng)段中移走，STANDBY表明連接正常需進行組態(tài)激活，MIAMATCH表明被其他網(wǎng)段激活，Device Class Mismatch表明設(shè)備組態(tài)與現(xiàn)場設(shè)備版本不一致。若組態(tài)有問題需從新組態(tài)。同時，檢查FF卡件狀態(tài)是否正常。S4(紅色)(LE8)：與控制器通信時快閃。S3(紅色)(LE9)：與現(xiàn)場設(shè)備通信時快閃。S2(紅色)(LE10)、S1(紅色)(LE11)、S0(紅色)(LE12)正常時長亮。FDX(黃色)(LE7)長亮為全雙工通信。ACT(綠色)(LE7)長亮為以太網(wǎng)工作[15]。

2.1.2 利用AMS診斷軟件進行設(shè)備狀態(tài)檢查

根據(jù)AMS軟件，可以查看設(shè)備的運行狀態(tài)，也可以查看診斷信息和報警信息，并進行相應的故障處理。

2.1.3 檢查現(xiàn)場儀表顯示情況

檢查現(xiàn)場測量變化是否與實際相符，以及動作是否正常。若異常，判斷是儀表原因還是通信問題；排除設(shè)備硬件問題，再進行進一步檢查處理。

2.1.4 利用萬用表進行簡單的線路檢查

確認電纜的屏蔽線已正確、有效接入。表1為FF電纜電氣參數(shù)標準[16]，可用于檢查儀表絕緣、電容、電阻測試。FF總線電纜為屏蔽雙絞線，應在DCS進行單點接地。現(xiàn)場出現(xiàn)兩點接地或信號線之間接地情況都能通過此方法進行判斷。信號線接地可能導致儀表掉線，間歇性接地或屏蔽層接地可能導致儀表頻繁掉線。阻抗不滿足要求也可能導致儀表掉線。電纜破皮接地、接線端子腐蝕松動或虛接，都是造成接地異常的原因。

表1 FF電纜電氣參數(shù)標準

2.1.5 利用FBT-6進行網(wǎng)段監(jiān)測。

網(wǎng)段監(jiān)測數(shù)據(jù)要滿足如表2所示的FF網(wǎng)段監(jiān)測標準[16]。根據(jù)檢測結(jié)果，查找網(wǎng)段異常的原因。供電電壓異常可能是電纜接地和安全柵存在問題，噪聲異?？赡苁莿恿υO(shè)備和電力電纜干擾、屏蔽及信號接地處理不好的原因。

表2 FF網(wǎng)段監(jiān)測標準

2.2 DP設(shè)備故障診斷方法

2.2.1 利用OvatI/On組態(tài)軟件檢查狀態(tài)

若從站為Running(綠色)，表示設(shè)備配置及通信正常。若從站為Error(紅色)，可能是參數(shù)錯誤或配置錯誤。參數(shù)錯誤阻礙數(shù)據(jù)交換，可能是GSD文件錯誤、波特率配置錯誤。配置錯誤可能影響通信，主要原因為I/O配置和設(shè)備的I/O模塊不匹配。若從站為Diagnosis(黃色)，則表示設(shè)備報告了診斷信息，但一般不阻礙通信。出現(xiàn)診斷信息的原因很多，可能是智能設(shè)備的自診斷信息，可以根據(jù)信息具體的評估診斷內(nèi)容的危害性。若從站為Not found(藍色)，則表示通信異常，設(shè)備掉線，需進行進一步檢查。同時，檢查DP卡件狀態(tài)是否正常。RDY：黃燈亮表示設(shè)備準備完成；5 Hz閃表示firmware download；1 Hz閃表示設(shè)備在Bootloader工作方式；非周期閃表示硬件或運行出錯；不亮表示未上電或硬件問題。RUN：綠燈亮表示至少與1臺設(shè)備通信；5 Hz閃表示若ERR等OFF為設(shè)備通信停止，若ERR亮則未找到Slave設(shè)備；非周期閃表示在上電時是組態(tài)丟失，運行時是watchdog超時；不亮表示無通信。ERR：紅燈亮表示設(shè)備通信問題或短路；不亮表示正常。STS：黃燈亮表示保持設(shè)備對話；非周期閃表示正在與主設(shè)備分享數(shù)據(jù)；不亮表示設(shè)備未組態(tài)或未收到對話[17]。

2.2.2 檢查現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)

就地設(shè)備異常會導致通信異常。如電動門是否送電，設(shè)備停電可能造成此設(shè)備鏈路后的設(shè)備無法正常通信。設(shè)備的地址設(shè)置與組態(tài)不一致或地址設(shè)置重復、就地設(shè)備DP頭終端電阻損壞或設(shè)備總線接口板、終端電阻設(shè)置不正確、接線錯誤、接線屏蔽接觸不良等都可能造成通信故障。

2.2.3 利用萬用表進行簡單的線路檢查

DP電纜電氣參數(shù)標準如表3所示。確認DP連接頭按照廠家說明書進行接線，確保電纜屏蔽層可靠連接，接地按照DP總線接地要求可靠接地。按照表3所示的DP電纜電氣參數(shù)標準[17]檢查電纜是否正常。測量兩根信號線的電阻，如果測量結(jié)果與表3標準符合，證明網(wǎng)段沒有斷、如果測量阻值偏大或無窮大，則說明某段斷開；如果測量阻值為0，則說明出現(xiàn)短接。再根據(jù)測量結(jié)果進行查找故障點。

表3 DP電纜電氣參數(shù)標準

2.2.4 利用ProfiTrace進行網(wǎng)段檢查

ProfiTrace可以監(jiān)測總線運行中的報文、識別設(shè)備的通信狀態(tài)、波形、電壓，還可以診斷分析噪聲、反射、電壓下降、組態(tài)錯誤、斷線等問題。下面對其主要功能在故障診斷中的應用情況進行介紹。

①矩陣列表：Live List列出了所有設(shè)備清單，可以查看整個網(wǎng)段設(shè)備的運行狀態(tài)?？梢酝ㄟ^矩陣狀態(tài)圖對整個網(wǎng)段的故障設(shè)備和大致原因進行定位。綠色表示設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換；黃色表示設(shè)備丟失；紅色表示設(shè)備參數(shù)錯誤；紫色表示組態(tài)錯誤；無色表示在線但無數(shù)據(jù)交換。因此，可以通過查看報文并對照設(shè)備說明書分析故障原因。

②電壓棒圖：棒圖顯示設(shè)備的平均電壓等級，可以通過電壓情況判斷網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量。站點電壓棒圖如圖2所示。設(shè)備正常工作時,平均電壓應為5 V左右。當電壓變高時，可能是總線電纜上缺失終端器或發(fā)生斷線；當電壓低于正常值時，可能是總線電纜上的振幅較低或出現(xiàn)短路。

圖2 站點電壓棒圖

③信號波形圖：根據(jù)DP的通信規(guī)范，DP信號的波形基本為方波波形。DP設(shè)備通信電壓波形如圖3所示。

圖3 DP設(shè)備通信電壓波形

現(xiàn)場環(huán)境復雜、強弱電交叉、動力設(shè)備干擾、接線屏蔽不良等因素會導致波形產(chǎn)生畸變，出現(xiàn)信號失真、網(wǎng)絡(luò)出錯等現(xiàn)象。畸變波形一般有兩種，反射波形和干擾波形。反射波形的主要特征為方波上升或下降沿出現(xiàn)尖刺。產(chǎn)生的主要原因為阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。干擾源主要來自網(wǎng)段內(nèi)部。DP電纜特性阻抗與終端電阻不匹配、DP電纜之間特性阻抗不匹配、DP節(jié)點長度與波特率不匹配、DP電纜布線不規(guī)范、DP接頭故障、接線松動都會形成反射波形。干擾波形主要特征為方波的高電平或低電平上出現(xiàn)波形疊加，信號電平不平滑。產(chǎn)生的主要原因為外界環(huán)境產(chǎn)生的干擾波形疊加到信號方波上。干擾源主要來自網(wǎng)段外部。接地不規(guī)范、DP電纜與動力電纜之間未隔離、DP電纜屏蔽未接地、強電設(shè)備干擾都會形成干擾波形。通過檢查設(shè)備的信號波形判斷形成畸變波形的原因，進而判斷故障的原因。

3 故障案例

3.1 熱網(wǎng)某FF網(wǎng)段頻繁壞點

熱網(wǎng)某FF網(wǎng)段設(shè)備頻繁壞點，通信數(shù)據(jù)異常。通過DCS組態(tài)工具檢查組態(tài)正常，智能設(shè)備管理系統(tǒng)(asset monitoring and health analysis solutI/Ons，AMS)無報警和錯誤。初步懷疑某設(shè)備干擾導致整個網(wǎng)段異常。就地FF逐個拔出就地設(shè)備接線端子，當熱網(wǎng)供水流量從網(wǎng)段隔離出后，通信異常消失，恢復正常。對熱網(wǎng)供水流量進行檢查，用萬用表測量發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)F電纜存在接地情況。重新敷設(shè)電纜后，整個網(wǎng)段恢復正常，未再發(fā)生通信卡死情況。

3.2 二號機某FF網(wǎng)段頻繁卡死

二號機某FF網(wǎng)段設(shè)備頻繁卡死，數(shù)據(jù)不變。通過DCS組態(tài)工具檢查組態(tài)及通信正常，AMS系統(tǒng)無報警和錯誤。采用FBT-6對整個網(wǎng)段進行噪聲監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)段存在干擾。某網(wǎng)段監(jiān)測報告如表4所示。對整個網(wǎng)段的設(shè)備接線、屏蔽和電纜路徑進行排查，最后發(fā)現(xiàn)三段抽汽壓力變送器就地接線存在虛接情況。重新處理后，對整個網(wǎng)段再進行監(jiān)測，各項參數(shù)正常，干擾消失；觀察一段時間，整個網(wǎng)段再未出現(xiàn)通信卡死現(xiàn)象。

3.3 熱網(wǎng)某DP網(wǎng)段A網(wǎng)通信異常

通過DCS組態(tài)工具檢查發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)某DP網(wǎng)段A網(wǎng)存在通信異常，B網(wǎng)正常。采用ProfiTrace監(jiān)測得到同樣的結(jié)果。采用二分法的方法進行故障的定位。首先梳理網(wǎng)段的物理次序為10→11→12→13→14→18→19→17→20→21→15→16→終端。設(shè)備14終端電阻設(shè)置為ON，前面設(shè)備通信恢復正常，定位故障在14以后。設(shè)備20終端電阻設(shè)置為ON，通信異常。設(shè)備18終端電阻電阻設(shè)置為ON，通信正常。設(shè)備19終端電阻設(shè)置為ON，通信異常，判斷設(shè)備19本身或進、出線存在故障。采用ProfiTrace監(jiān)測此設(shè)備，仍無法通信，判斷設(shè)備本身故障。檢查發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備為電動門潤滑油滲漏造成總線接口板損壞，更換通信板后，設(shè)備10至19通信正常。依次進行物理隔離試驗，發(fā)現(xiàn)設(shè)備17、20、21都存在不同原因的接口板故障情況，更換后整個網(wǎng)段的A、B網(wǎng)通信全部恢復正常。

表4 某網(wǎng)段監(jiān)測報告

4 結(jié)論

本文介紹了FF-H1和DP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(field bus control system,FCS)到就地，從硬件到軟件，詳細描述了現(xiàn)場總線的通用診斷方法。結(jié)合現(xiàn)場故障案例進行了舉例分析，包括如何準確定位現(xiàn)場總線故障、根據(jù)故障現(xiàn)象從根源上找出原因，最終快速徹底解決故障。該研究可為現(xiàn)場總線維護人員提供參考。