智能總線診斷儀的研發及應用

李曉博，宋美艷，田 爽

智能總線診斷儀的研發及應用

李曉博，宋美艷，田 爽

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

針對現場總線在火電機組中的應用現狀和應用過程中存在的問題，提出了火電機組現場總線在線監測和智能診斷的技術方案，在此基礎上設計并開發了智能總線診斷儀。該智能總線診斷儀可實時監測總線報文，通過對報文進行計算、校驗、分類和統計，生成主站和從站運行狀態的診斷數據。實際測試及應用數據表明，智能總線診斷儀可以實時監測各從站設備，動態分析和計算總線的運行狀態，為總線診斷和問題分析提供依據。

現場總線；智能診斷；在線監測；診斷儀；自動控制

目前，現場總線技術在火電機組控制系統中的應用越來越廣泛和深入，其中應用最多的現場總線有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，連接機組中的執行機構等設備[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，用于替代傳統的4~20 mA儀表。

1 總線應用及存在問題

1.1 總線應用

根據總線協議類型，現場總線在機組控制系統中的應用可以分為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總線方案根據網絡拓撲結構可以分為獨立式和一體式2種。獨立式拓撲結構在機組控制系統分別配置單獨的DP主站和PA主站，現場的DP設備依據總線型結構連接到控制系統中的DP主站，PA設備依據星型結構連接到控制系統中的PA主站；一體式拓撲結構僅配置DP主站，沒有單獨的PA主站，實現時通過在DP總線上添加DP/PA耦合器，將現場的PA設備通過星型結構接入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系列控制系統采用獨立式，北京國電智深控制技術有限公司的控制系統采用一體式[7]。

DP總線和FF總線方案在應用時采用獨立的DP主站和FF主站，代表控制系統為OVATION[8-9]，其中DP總線連接現場的DP設備，FF總線連接現場的變送器。

1.2 存在問題

目前，總線在安裝、調試、運行和檢修過程中存在諸多問題[10-13]：

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

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

3）總線設備的參數在調試過程中需要根據實際應用工況進行修改，這些參數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置參數，調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，而部分廠家的壓力變送器不提供參數整定按鈕，這就需要調試人員外接二類主站來配置從站參數。又如從站地址設置，變送器出廠地址一般設置為126，工程安裝時需要將從站地址修改成設計地址，完成地址設定就需要在就地外接二類主站修改地址。

4）總線設備通信故障時，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查看設備是否運行正常，無法對總線的數據交換、設備的運行狀態、是否有錯誤報文及錯誤報文統計進行查看分析。

2 智能總線診斷儀結構及功能

針對上述問題，在研究分析DP、PA和FF總線協議的基礎上，提出了現場總線在線監測與智能診斷的設計和實現方案。該方案通過在總線上部署智能總線診斷儀，可以實時監聽和分析總線報文，并對總線上的各個從站設備與主站之間的數據交換進行計算，將正確和錯誤的報文進行分類統計。

2.1 診斷儀結構

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、總線收發器、以太網接口模塊、Flash存儲器和系統內存。微處理器為該智能總線診斷儀的中央處理模塊，對總線控制器收發的數據幀進行處理，分析數據幀中的各個數據域，然后將數據寫入到系統內存和Flash存儲器中；總線控制器負責偵聽現場總線上的二進制比特流并將其根據總線規范生成數據幀，完成數據鏈路層的功能；總線收發器提供現場總線的物理接口；以太網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接口可以接入廠級設備管理系統。

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

圖1 總線驅動器和接收器電路

圖2 總線控制器和收發器的隔離電路

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，主站在組態過程中不需要配置和組態，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，可以通過以太網接口對該條總線上的從站設備進行組態，配置從站的非循環參數。對監測總線的電氣特性，包括總線電壓、通信速率等進行動態測量，同時對所接入總線的主站和從站運行狀態進行智能分析和統計，生成總線診斷數據，包括正確數據幀統計、錯誤數據幀統計、請求響應以及未響應的次數等。

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

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控。當主站向某個從站發送指令時，該診斷儀會將該指令數據記錄到歷史數據庫中；當總線出現干擾和錯誤時，該診斷儀會將每一時刻的總線狀態記錄到歷史數據庫，當出現設備誤動時可以通過歷史數據分析是就地設備無指令動作還是主站誤發動作指令；當出現設備拒動時，可以通過該診斷儀分析主站是否發送了動作指令，如果主站發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，如果主站未發出動作指令或者發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，幫助技術人員快速排除故障，加快現場安裝調試工作進度。

3 智能總線診斷儀報文監測分析

智能總線診斷儀同時實現了DP、PA和FF總線的物理層和數據鏈路層協議，具備協議處理功能。

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。數據幀被存儲在該診斷儀的數據幀存儲區中，并按照時間進行索引。在存儲數據幀的同時會對偵聽的數據幀進行處理，源地址、目的地址、報文類型、數據長度、數據和CRC校驗碼等都會被計算和存儲到歷史庫中。

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

表1 DP總線數據幀

Tab.1 The frame of DP bus data

4 實際應用

圖1為智能總線診斷儀在總線中的應用。主站通信速率為500 kb/s，從站設備類型為瑞基RAII型電動閥。主站地址為0，智能總線診斷儀為物理層設備，不需要設置地址，該條總線設計了5臺電動執行機構，其中4臺開關型，1臺調節型。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節閥，總線地址為8。瑞基電動閥分為開關型和調節型2種，供油泵回油流量電動調節閥為調節型設備，其他電動執行機構為開關型，設備組態時，選擇MODULE1。MODULE1模塊包含2字節輸出數據和8字節輸入數據。2字節輸出數據為指令，控制電動執行機構的啟動、停止和閥位調節。根據瑞基電動閥指令含義說明：0x01,0x00為開關型電動閥的關指令；0x00,0x00為開關型電動閥的開指令。8字節輸入數據為設備運行狀態反饋數據，實時將執行機構的開關位置、力矩大小、電機過熱、電源缺相等信息發送給機組控制系統。

圖3 智能總線診斷儀在總線中的應用

總線運行后，智能總線診斷儀實時監聽總線上的數據幀，然后對監聽到數據幀記錄時間戳，根據總線協議的規范，對數據幀進行正確性校驗，并對通過正確性校驗的數據幀進行分析，記錄該幀包含的數據和數據長度、從站地址、報文類型、幀類型等。

表2為智能總線診斷儀數據域。在調試1號油管冷卻噴淋水電動閥時，通過操作面板連續2次向1號油管冷卻噴淋水電動閥發送打開指令后，設備均沒有動作，仍然維持在關閉狀態，此時可以通過智能總線診斷儀迅速定位和排除錯誤。查詢歷史數據可以發現，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向電動門發出了錯誤的指令，所以電動閥沒有打開，導致開指令發出后電動閥沒有執行打開動作。經過檢查1號油管冷卻噴淋水電動閥的控制邏輯發現，其開指令邏輯中誤將指令字節的Bit3位設置為1，當通過操作面板發打開指令時，DCS向該電動閥發出了0x06,0x00的錯誤指令。將該指令字節Bit3復位，在2019-05-16 09:06:35:411時刻發送開指令，電動閥正確執行了打開操作。

表2 智能總線診斷儀數據域

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

5 結 語

智能總線診斷儀在總線上的安裝位置靈活，可以對現場總線的報文進行在線監測，通過對總線運行數據和狀態進行計算和分析，可以實時監測各從站設備、動態分析和計算總線的運行狀態，為總線診斷和問題分析提供依據。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、現場總線控制系統及嵌入式系統，lixiaobo@tpri.com.cn。

李曉博, 宋美艷, 田爽. 智能總線診斷儀的研發及應用[J]. 熱力發電, 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.

（責任編輯 馬昕紅）