FF總線在現場應用中遠距離傳輸信號衰減研究

王遠鵬，合蕊，楊梅，劉星滟

（紅塔煙草（集團）有限責任公司昭通卷煙廠，云南 昭通 657100）

FF總線因其具備開放性、互用性、分散性和適應性被廣泛應用于工業控制系統中，昭通卷煙廠能源管理系統所屬儀表均采用FF總線通信協議進行數據傳輸，以此保證工廠能源計量準確性，同時基于所采數據進行部分遠程控制設置，實現全程能源集中監控、遠程自動控制，有效提升能源管理水平。因能源計量儀表存在點多面廣的特點，造成FF總線遠距離信號傳輸局面，導致部分遠端計量點通信不穩定影響能源計量準確性。

1 應用現狀

1.1 技術架構

根據昭通卷煙廠能管業務現狀，圍繞項目系統功能實現技術要求和能源管理系統自身特點，按照技術框架既切合系統功能實現要求又重點突出、科學合理、層次清晰的原則，系統的整體技術架構設計，如圖1所示。

圖1 技術架構

昭通卷煙廠能管系統技術架構將遵循典型的管控一體化系統體系結構。按照這種結構，整個昭通卷煙廠能源管理系統將由現場設備層、設備控制層、集中監控層、信息管理層四個層次組成，詳細說明如下。

（1）現場設備層。現場設備層包括遠程I/O、電磁流量計、渦街流量計、壓力變送器、智能電度表、多功能電度表、回路狀態采集模塊等現場計量檢測儀表。主要完成水、蒸汽、壓縮空氣、電四種能源的計量和數據采集。

（2）網絡通信層。網絡通信層主要由PLC控制器、通信管理機、交換機、串口服務器、網關及其他通信網絡接口等組成。實現將現場儀表的數據上傳至監控中心，與各個能源設備控制系統建立通信接口，向各個能源控制系統傳遞來自集中監控層的遠程操作指令或參數信息，向集中監控層反饋各個能源設備的運轉狀況。

（3）集中監控層。集中監控層主要由能管系統數據庫、能源管理系統工程師站、能源管理系統操作員站、3D圖形工作站、OPC服務器、SCADA服務器、LED大屏等組成。一是通過3D圖形工作站、工程師站、操作員站來實現各個能源設備的集中監控功能； 二是通過儀表在線管理服務器和儀表管理站來實現各個總線儀表的在線管理；三是通過部署在能源中心的LED大屏幕監控系統，來實現主要監控畫面的分屏監視。

（4）信息管理層。信息管理層用于實現能源信息管理功能，由本項目當中部署在監控中心的數據庫服務器、能管系統服務器、Web服務器等組成。基于廠內局域網，通過B/S（瀏覽器/服務器）方式，向全廠各級管理人員提供能源信息管理功能。

1.2 軟件層次架構

系統主要包括數據采集模塊、數據庫、實時監控系統、統計分析模塊：數采模塊包括計量儀表、數采網關、PLC、通信管理機、OPC服務器；數據庫包括HH實時數據庫、SQL Server2016關系數據庫；實時監控系統包含ICONICS G64監控軟件；統計分析包含Report Service開發相關報表。

圖2 軟件層次架構

2 FF現場總線儀表在現場應用

2.1 FF現場總線技術特點

FF總線技術其主要特性按數據傳輸的速率分為HSE和H1兩種標準，前者采用TCP/IP6層模型，主要用于工業以太網應用，為高速FF總線；后者采用3層模型（物理層、鏈路層、應用層），為低速FF總線。其中HSE傳輸率可達100Mbit/s，H1傳輸率為31.25kbit/s，驅動電壓為（9～32）VDC的電壓模型，無中繼器時電纜（分支+主干）長度應不大于1900m，單個分支電纜長度在30～120m范圍內，無中繼器時設備掛接數不得超過32臺（不包含閥門），可以用中繼器數不得超過4臺。

表1 建議最大支線長度

2.2 FF總線儀表現場問題

昭通卷煙廠現場儀表傳輸采用H1標準傳至所屬網關后經過HSE標準傳至集中監控層，以水系統計量為例。水系統計量均采用FF總線通訊協議的羅斯蒙特電磁流量計，現場儀表采用A型18AWG（0.8mm2）規格的鋼絲鎧裝屏蔽雙絞線做完信號線同時電磁流量計需單獨供220VAC電源，通信經接線盒及分配箱與FF網關相連接后通過光纖接入交換機。

如圖3所示因水管改造，在現場新增指揮中心流量計同時增加末端接線盒，原網段由辦公樓外接線盒分支接出的總線掛接儀表數量從2臺上升到3臺，并且支線長度由90m增加至120m，以上變化導致改造后圖3所示辦公樓網關所屬儀表頻繁報警，每次故障儀表不同。

圖3 儀表現場接線示意圖

2.3 FF總線儀表故障診斷

對現場儀表、線纜、接線盒、分配箱等分段逐一進行診斷、排查后將問題鎖定在溫室流量計，針對溫室流量計進行以下故障診斷處理。

（1）流量計故障排查。溫室現場流量計為一體式安裝羅斯蒙特8705系列電磁流量計，變送器采用支持FF總線的8732E型。公稱內徑25mm，準確度等級0.3級，采用220V外部電源供電，安裝于給水內。從以下幾個方面進行檢查，首先，外觀檢查，外觀完好無損壞；其次，變送及傳感器檢查，儀表顯示正常現場用水測試與監控界面測試，測試通過；最后，儀表接線端子檢查，因儀表自2018年投運至今長期處于環境濕度為40%～90%RH的潮濕環境中，密封圈劣化后接線端子出現長霉現象，導致接觸不良。現場對接線端子進行清潔工作，同時為避免導線接觸不良，對所接導線制作線鼻子，保證接觸良好。以上操作完成后，恢復原線路測試，經過27h運行后故障再次出現。

（2）線路故障排查。對通訊線進行電壓測試，測試情況如表2。

表2 RS485兩線制通信方式線路電壓測試（單位：V）

由表2可見，通信線電壓在指揮中心接入系統后電壓被拉低，低于FF總線基本要求（9V），脫開后工況恢復到技術要求范圍內線路電壓正常。由于現場未設置FF總線中繼器，考慮采用電源調節器補償壓降，隨查閱FF相關資料，資料顯示FF總線支持總線供電，能夠在一根雙絞線上同時實現供電和通許，FF總線調節器是一個“電源凈化器”，基本功能是允許主配電源的直流電源傳送到H1網段的同時，并阻斷H1總線上的通訊脈沖信號與穩壓電源的聯系。小組探討后，采取在支線增加Pepperl＋Fuchs的FieldConnex現場總線調節器，同時，在分配箱內增加SIEMENS DC24V電壓為調節器提供電源，現場試驗后進行電壓測試。

由表3可知，在支線加裝FF總線有源調節器后支線壓降得以解決，同時故障解決，溫室流量計恢復正常計量進入試運行。試運行5h后，所屬網關7個計量器具均故障，現場電壓檢測為支線電壓反向供給干線導致干線電壓異常出現通信故障。

表3 RS485兩線制通信方式線路電壓測試（單位：V）

為解決電流反向供給，經過資料查詢及小組討論后，在溫室接線盒及干線之間并聯終端電阻用來吸收電路中的雜波使得阻抗匹配（見表4）。

表4 濾波電阻加裝位置測試

通過上述測試結合現場接線盒接線狀態，最終將終端電阻并聯至食堂接線盒后本次故障得以解決（如圖4）。

圖4 最終儀表現場接線示意圖

3 結語

本次故障解決過程，首次嘗試在FF總線通信支線加裝電源調節器以解決總線遠距離傳輸信號衰減問題，經過長時間試運行后證明其有效性，為FF總線現場應用探索出一條新的途徑，解決FF總線通信中遠距離傳輸需增加網關采用HSE通訊等硬件投入，提升總線遠距離通信中線路布局靈活性。