大型火力發(fā)電廠現(xiàn)場總線系統(tǒng)故障案例分析

摘要：因其良好的開放性、互操作性、全數(shù)字通信、智能化與功能自治性等特點(diǎn)，現(xiàn)場總線技術(shù)已成為數(shù)字化電廠的重要特征，從而得到越來越廣泛的應(yīng)用，但其故障的多樣性為現(xiàn)場維護(hù)帶來了較大的困難。首先，介紹了電力行業(yè)廣泛應(yīng)用的PROFIBUS和foundationfieldbus現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)以及有別于普通儀表的技術(shù)特征；其次，給出了常用的維護(hù)及故障排查方法；最后，結(jié)合具體故障案例進(jìn)行分析處理，有效提升了現(xiàn)場總線系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線過程現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線故障排查

中圖分類號：TM621

CaseAnalysisofFieldbusSystemFailureinLargeThermalPowerPlants

WUChengnian1*YANGFang2CHENXiaoqiang3

• 1.ChinaPowerHuaChuang（Suzhou）ElectricityTechnologyResearchCo.，Ltd.，Suzhou，JiangsuProvince，215123China;2.ChinaPower（Pu'an）PowerGenerationCo.，Ltd.，Xingyi，GuizhouProvince，561500China;3.ChinaPowerHuaChuangElectricityTechnologyResearchCo.，Ltd.，ShangHai，200000China

Abstract：Duetoitsexcellentopenness，interoperability，all-digitalcommunication，intelligenceandfunctionalautonomy，F(xiàn)ieldbustechnologyhasbecomeanimportantfeatureofdigitalpowerplants，andhasbeenmoreandmorewidelyused.However，thediversityofitsfailureshasbroughtgreatdifficultiestoon-sitemaintenance.Firstly，thearticleintroducestheadvantagesofPROFIBUSandfoundationfieldbuswidelyusedinthepowerindustry，aswellastheirtechnicalfeaturesthatdistinguishthemfromordinaryinstruments;Secondly，itprovidesthecommonmaintenanceandtroubleshootingmethods;Finally，itcombinesspecificfailurecasesforanalysisandprocessing，effectivelyimprovingtheoperationalstabilityofthefieldbussystem.

KeyWords：Fieldbus;PROFIBUS;Foundationfieldbus;Troubleshooting

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，F(xiàn)CS）作為工控領(lǐng)域的一次技術(shù)變革，已成為數(shù)字化電廠的重要特征[1～2]。相較于傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS），其具有優(yōu)異的開放性、互操作性、全數(shù)字通信、智能化與功能自治性等特點(diǎn)，它可采集現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)、診斷及維修信息，實(shí)現(xiàn)對不同品牌、不同類型設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化管理，使系統(tǒng)具備設(shè)備診斷功能，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)了全廠監(jiān)控，提高了火電廠熱控設(shè)備的智能化水平，使得系統(tǒng)的監(jiān)控范圍從傳統(tǒng)的系統(tǒng)端子排擴(kuò)展到全廠?；谝陨现T多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場總線在工業(yè)控制領(lǐng)域中迅速得到廣泛應(yīng)用[3～5]。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，因安裝不規(guī)范、終端電阻異常以及電磁干擾等原因，現(xiàn)場總線系統(tǒng)時(shí)而發(fā)生瞬間通信故障、通信不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)突變、設(shè)備掉線等現(xiàn)象[6～8]，從而造成設(shè)備工作異常，影響了正常的發(fā)電流程。本文圍繞PROFIBUS和foundationfieldbus型兩種電力行業(yè)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線進(jìn)行分析介紹。

1某電廠的總線架構(gòu)

某2×660MW火電力發(fā)電廠是全國較早在主機(jī)及全廠范圍內(nèi)大規(guī)模使用現(xiàn)場總線技術(shù)的火力發(fā)電廠，全廠使用總線設(shè)備達(dá)6970臺，其中主機(jī)5550臺、脫硫797臺、輔網(wǎng)及公用623臺，總線設(shè)備占比超85%。采用Ovation3.5.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時(shí)配有AMS現(xiàn)場總線設(shè)備管理平臺，主要使用Profibus-DP和foundationfieldbus兩種現(xiàn)場總線協(xié)議。

Profibus-DP冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，通信主站為DP卡件，可實(shí)現(xiàn)對從站設(shè)備的控制和管理功能。主站的信號通過光纜傳輸至就地現(xiàn)場總線通信柜，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為DP電纜連接就地DP從站設(shè)備，最后連接終端器。FoundationFieldbus網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，通信主站為FF卡件，可實(shí)現(xiàn)對從站設(shè)備的控制和管理功能。網(wǎng)段主要由FF卡件、電纜、電源調(diào)節(jié)器、接線盒、終端器和FF總線設(shè)備組成，主站的信號經(jīng)過FF電纜、電源調(diào)節(jié)器、接線盒1、接線盒2到達(dá)終端器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。

2現(xiàn)場總線的特點(diǎn)及技術(shù)特征

2.1現(xiàn)場總線的特點(diǎn)

通過把專用微控制器嵌入普通的熱工控制儀表，現(xiàn)場總線技術(shù)賦予了它們數(shù)字計(jì)算和數(shù)字信息交互的功能，可以把批量的控制儀表組成通信控制網(wǎng)絡(luò)，并按約定的通信協(xié)議，在散落于各個(gè)現(xiàn)場的多個(gè)智能控制儀表節(jié)點(diǎn)之間、控制儀表與遠(yuǎn)方控制站之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互共享，從而協(xié)同完成復(fù)雜的控制任務(wù)。

2.2Profibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特征

PROFIBUS包括PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA（ProcessAutomation，過程自動化）以及PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification，現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范）3種協(xié)議，其中DP傳輸速率最高為12Mbit/s，主要用于現(xiàn)場裝置級的自動化儀表；PA總線的傳輸速率為31.25kB/s，主要用于現(xiàn)場級過程自動化，采用總線供電時(shí)具備本質(zhì)安全的特點(diǎn)；FMS總線主要用于上層的車間級或廠級控制和管理一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息集成。

DP和FMS總線采用了RS-485通信技術(shù)，總線段利用屏蔽雙絞線進(jìn)行連接，段的兩端各有一個(gè)有源的終端器，其傳輸速率在9.6kB/s～12MB/s之間可選，并適用于總線段上的所有設(shè)備。在不包含中繼器時(shí)每段最多可掛載32個(gè)并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)（站），當(dāng)增加中繼器（Repeater）后，則最多可以接入126個(gè)站點(diǎn)，如圖2（a）所示。

PROFIBUS-PA總線則采用了符合IEC61158-2標(biāo)準(zhǔn)的傳輸技術(shù)，它通過總線對遠(yuǎn)方設(shè)備進(jìn)行供電，從而滿足本質(zhì)安全的要求。同DP和FMS總線一樣，每個(gè)PA總線段上最多可掛載32個(gè)站點(diǎn)，每段只需一個(gè)供電電源，總線段的兩端各有一個(gè)由100Ω的電阻與1μF的電容組成的無源RC終端器，如圖2（b）所示。

2.3FF（FoundationFieldbus）現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特征

FF現(xiàn)場總線是過程自動化控制系統(tǒng)向數(shù)字化通信方向發(fā)展而形成的技術(shù)，部分FF總線通過總線對遠(yuǎn)方設(shè)備進(jìn)行供電時(shí)，可以滿足本質(zhì)安全的要求。目前，F(xiàn)F現(xiàn)場總線主要分為低速總線（FF-H1）、高速總線（FF-H2）和高速以太網(wǎng)現(xiàn)場總線（HSE）。FF-H1總線也稱為狹義現(xiàn)場總線，其用于現(xiàn)場底層設(shè)備和終端控制設(shè)備的控制，能通過總線供電滿足本要求，但傳輸速率僅為31.25kB/s，適合于響應(yīng)速度要求低的控制回路。FF-H2總線原計(jì)劃設(shè)計(jì)1MB/s和2.5MB/s兩種傳輸速率，后因不能滿足大量實(shí)時(shí)信息的傳輸而逐漸淘汰。FF-HSE（HighSpeedEthernet）現(xiàn)場總線將現(xiàn)場總線技術(shù)與高速以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，其速率可達(dá)到100Mb/s，從而將各控制器、子系統(tǒng)以及需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜設(shè)備連接在一起并實(shí)現(xiàn)同一張網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的高速信息交互。

3現(xiàn)場總線維護(hù)及故障排查方法

由于現(xiàn)場總線技術(shù)特殊的通信模式，采用萬用表和校驗(yàn)儀等常規(guī)的檢測設(shè)備和方法較難分析出故障的原因。有必要分析統(tǒng)計(jì)最常見的故障，并利用ProfiTrace和FBT-6等專業(yè)設(shè)備進(jìn)行輔助分析。

3.1PROFIBUS現(xiàn)場總線故障診斷的方法和步驟

大量PROFIBUS現(xiàn)場總線問題處理案例表明，物理層故障是導(dǎo)致多數(shù)PROFIBUS總線問題的主要原因，可按表1中的步驟與方法進(jìn)行檢查診斷。

4現(xiàn)場總線故障原因分析

4.1物理層線路異常

大量的現(xiàn)場總線問題的案例表明，物理層故障是導(dǎo)致多數(shù)總線問題的主要原因，如通信電纜與動力電纜過近導(dǎo)致干擾、光纖頭處異物導(dǎo)致信號衰減或通信故障、光纖彎曲半徑過小使得光衰減增大等。

案例1某廠FF總線設(shè)備頻發(fā)數(shù)據(jù)無更新情況。檢查組態(tài)軟件及AMS中無組態(tài)及通信異常報(bào)警，采用FBT-6進(jìn)行噪聲監(jiān)測發(fā)現(xiàn)網(wǎng)段存在干擾。對整個(gè)網(wǎng)段的設(shè)備接線、屏蔽和電纜路徑進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)某壓力變送器存在連接線虛接情況。處理后各項(xiàng)參數(shù)正常，干擾消失。

案例2某廠運(yùn)行期間DP現(xiàn)場總線變頻傳動存在網(wǎng)絡(luò)閃斷情況，分段排查DP現(xiàn)場總線敷設(shè)路徑，發(fā)現(xiàn)一段通信電纜與大功率變頻電機(jī)動力電纜距離較近，將DP通信電纜與動力電纜分層布置后網(wǎng)絡(luò)閃斷情況消失。

4.2硬件設(shè)備異常

現(xiàn)場總線的系統(tǒng)卡件、站設(shè)備、電源等設(shè)備的質(zhì)量是保證現(xiàn)場總線通信穩(wěn)定的基礎(chǔ)，常見硬件設(shè)備故障有：卡件故障、站點(diǎn)設(shè)備故障及電源模塊損壞等。

案例1某廠DP網(wǎng)段A網(wǎng)通信異常，通過組態(tài)軟件檢查發(fā)現(xiàn)A網(wǎng)存在通信異常報(bào)警，B網(wǎng)正常。采用二分法加快故障定位速度，判斷某設(shè)備或其接線存在異常，經(jīng)ProfiTrace測試該設(shè)備無通信，證實(shí)該設(shè)備本身故障。后經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)該設(shè)備通信板因電動門潤滑油滲漏而損壞，更換接口板后A網(wǎng)通信恢復(fù)正常。

案例2某廠運(yùn)行期間監(jiān)控畫面中頻發(fā)溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)長時(shí)間無更新現(xiàn)象，重啟相應(yīng)測點(diǎn)的PA總線溫變后短暫恢復(fù)正常，爾后又復(fù)發(fā)數(shù)據(jù)死值情況。故障期間利用倍加?？偩€診斷設(shè)備FDH-1進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)該P(yáng)A總線溫變因年久電子元器件發(fā)生老化，更換后故障消失。

4.3軟件配置異常

常見配置導(dǎo)致現(xiàn)場總線發(fā)生異常的原因有GSD/DD文件版本與設(shè)備不匹配、DP設(shè)備組態(tài)錯(cuò)誤、打包點(diǎn)未組態(tài)或組態(tài)打包點(diǎn)與設(shè)備邏輯組態(tài)點(diǎn)不一致、卡件未激活、控制器雙停后所有總線設(shè)備通信中斷等。

案例1某廠總線控制系統(tǒng)報(bào)Prm-Fault錯(cuò)誤。經(jīng)排查，主站組態(tài)軟件中設(shè)備的GSD文件與實(shí)際情況不符，從站中讀取實(shí)際設(shè)備的IdentNumber與從站中的配置參數(shù)一致，更換主站中的GSD文件后，ProfiTrace檢測地址無誤。

案例2某電廠綜合泵房變頻器與主站通信正常但無法遠(yuǎn)控，查看抓包后的包文未發(fā)現(xiàn)異常，后發(fā)現(xiàn)變頻器控制方式參數(shù)設(shè)置誤設(shè)為常規(guī)控制，更改相關(guān)參數(shù)為總線型控制后遠(yuǎn)控恢復(fù)正常。

5結(jié)語

本文通過介紹Profibus以及FF兩種現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特征，分析了其與普通儀表的差異，給出了維護(hù)和故障排查方法，最后結(jié)合具體案例從物理層線路、硬件設(shè)備及軟件配置3個(gè)方向分析了各類常見故障，為現(xiàn)場總線技術(shù)在大型發(fā)電企業(yè)中的可靠運(yùn)行提供了一定的支撐。

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