大型火力發電廠現場總線系統故障案例分析

摘要：因其良好的開放性、互操作性、全數字通信、智能化與功能自治性等特點，現場總線技術已成為數字化電廠的重要特征，從而得到越來越廣泛的應用，但其故障的多樣性為現場維護帶來了較大的困難。首先，介紹了電力行業廣泛應用的PROFIBUS和foundationfieldbus現場總線的優點以及有別于普通儀表的技術特征；其次，給出了常用的維護及故障排查方法；最后，結合具體故障案例進行分析處理，有效提升了現場總線系統的運行穩定性。

關鍵詞：現場總線過程現場總線基金會現場總線故障排查

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，Fieldbustechnologyhasbecomeanimportantfeatureofdigitalpowerplants，andhasbeenmoreandmorewidelyused.However，thediversityofitsfailureshasbroughtgreatdifficultiestoon-sitemaintenance.Firstly，thearticleintroducestheadvantagesofPROFIBUSandfoundationfieldbuswidelyusedinthepowerindustry，aswellastheirtechnicalfeaturesthatdistinguishthemfromordinaryinstruments;Secondly，itprovidesthecommonmaintenanceandtroubleshootingmethods;Finally，itcombinesspecificfailurecasesforanalysisandprocessing，effectivelyimprovingtheoperationalstabilityofthefieldbussystem.

KeyWords：Fieldbus;PROFIBUS;Foundationfieldbus;Troubleshooting

現場總線控制系統（FieldbusControlSystem，FCS）作為工控領域的一次技術變革，已成為數字化電廠的重要特征[1～2]。相較于傳統的分散控制系統（DistributedControlSystem，DCS），其具有優異的開放性、互操作性、全數字通信、智能化與功能自治性等特點，它可采集現場設備的狀態、診斷及維修信息，實現對不同品牌、不同類型設備的網絡化管理，使系統具備設備診斷功能，從而實現設備的遠程維護，真正實現了全廠監控，提高了火電廠熱控設備的智能化水平，使得系統的監控范圍從傳統的系統端子排擴展到全廠。基于以上諸多優點，現場總線在工業控制領域中迅速得到廣泛應用[3～5]。

然而在實際應用中，因安裝不規范、終端電阻異常以及電磁干擾等原因，現場總線系統時而發生瞬間通信故障、通信不穩定、數據突變、設備掉線等現象[6～8]，從而造成設備工作異常，影響了正常的發電流程。本文圍繞PROFIBUS和foundationfieldbus型兩種電力行業廣泛應用的現場總線進行分析介紹。

1某電廠的總線架構

某2×660MW火電力發電廠是全國較早在主機及全廠范圍內大規模使用現場總線技術的火力發電廠，全廠使用總線設備達6970臺，其中主機5550臺、脫硫797臺、輔網及公用623臺，總線設備占比超85%。采用Ovation3.5.1現場總線控制系統，同時配有AMS現場總線設備管理平臺，主要使用Profibus-DP和foundationfieldbus兩種現場總線協議。

Profibus-DP冗余網絡拓撲結構如圖1（a）所示，通信主站為DP卡件，可實現對從站設備的控制和管理功能。主站的信號通過光纜傳輸至就地現場總線通信柜，再經光電轉換器轉為DP電纜連接就地DP從站設備，最后連接終端器。FoundationFieldbus網絡拓撲結構如圖1（b）所示，通信主站為FF卡件，可實現對從站設備的控制和管理功能。網段主要由FF卡件、電纜、電源調節器、接線盒、終端器和FF總線設備組成，主站的信號經過FF電纜、電源調節器、接線盒1、接線盒2到達終端器，實現數據雙向傳輸。

2現場總線的特點及技術特征

2.1現場總線的特點

通過把專用微控制器嵌入普通的熱工控制儀表，現場總線技術賦予了它們數字計算和數字信息交互的功能，可以把批量的控制儀表組成通信控制網絡，并按約定的通信協議，在散落于各個現場的多個智能控制儀表節點之間、控制儀表與遠方控制站之間，實現數據交互共享，從而協同完成復雜的控制任務。

2.2Profibus現場總線系統的技術特征

PROFIBUS包括PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA（ProcessAutomation，過程自動化）以及PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification，現場總線報文規范）3種協議，其中DP傳輸速率最高為12Mbit/s，主要用于現場裝置級的自動化儀表；PA總線的傳輸速率為31.25kB/s，主要用于現場級過程自動化，采用總線供電時具備本質安全的特點；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，實現系統信息集成。

DP和FMS總線采用了RS-485通信技術，總線段利用屏蔽雙絞線進行連接，段的兩端各有一個有源的終端器，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備。在不包含中繼器時每段最多可掛載32個并聯的節點（站），當增加中繼器（Repeater）后，則最多可以接入126個站點，如圖2（a）所示。

PROFIBUS-PA總線則采用了符合IEC61158-2標準的傳輸技術，它通過總線對遠方設備進行供電，從而滿足本質安全的要求。同DP和FMS總線一樣，每個PA總線段上最多可掛載32個站點，每段只需一個供電電源，總線段的兩端各有一個由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）現場總線系統的技術特征

FF現場總線是過程自動化控制系統向數字化通信方向發展而形成的技術，部分FF總線通過總線對遠方設備進行供電時，可以滿足本質安全的要求。目前，FF現場總線主要分為低速總線（FF-H1）、高速總線（FF-H2）和高速以太網現場總線（HSE）。FF-H1總線也稱為狹義現場總線，其用于現場底層設備和終端控制設備的控制，能通過總線供電滿足本要求，但傳輸速率僅為31.25kB/s，適合于響應速度要求低的控制回路。FF-H2總線原計劃設計1MB/s和2.5MB/s兩種傳輸速率，后因不能滿足大量實時信息的傳輸而逐漸淘汰。FF-HSE（HighSpeedEthernet）現場總線將現場總線技術與高速以太網技術相結合，其速率可達到100Mb/s，從而將各控制器、子系統以及需要大量數據傳輸的復雜設備連接在一起并實現同一張網絡內的高速信息交互。

3現場總線維護及故障排查方法

由于現場總線技術特殊的通信模式，采用萬用表和校驗儀等常規的檢測設備和方法較難分析出故障的原因。有必要分析統計最常見的故障，并利用ProfiTrace和FBT-6等專業設備進行輔助分析。

3.1PROFIBUS現場總線故障診斷的方法和步驟

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

4現場總線故障原因分析

4.1物理層線路異常

大量的現場總線問題的案例表明，物理層故障是導致多數總線問題的主要原因，如通信電纜與動力電纜過近導致干擾、光纖頭處異物導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總線設備頻發數據無更新情況。檢查組態軟件及AMS中無組態及通信異常報警，采用FBT-6進行噪聲監測發現網段存在干擾。對整個網段的設備接線、屏蔽和電纜路徑進行排查，發現某壓力變送器存在連接線虛接情況。處理后各項參數正常，干擾消失。

案例2某廠運行期間DP現場總線變頻傳動存在網絡閃斷情況，分段排查DP現場總線敷設路徑，發現一段通信電纜與大功率變頻電機動力電纜距離較近，將DP通信電纜與動力電纜分層布置后網絡閃斷情況消失。

4.2硬件設備異常

現場總線的系統卡件、站設備、電源等設備的質量是保證現場總線通信穩定的基礎，常見硬件設備故障有：卡件故障、站點設備故障及電源模塊損壞等。

案例1某廠DP網段A網通信異常，通過組態軟件檢查發現A網存在通信異常報警，B網正常。采用二分法加快故障定位速度，判斷某設備或其接線存在異常，經ProfiTrace測試該設備無通信，證實該設備本身故障。后經拆解發現該設備通信板因電動門潤滑油滲漏而損壞，更換接口板后A網通信恢復正常。

案例2某廠運行期間監控畫面中頻發溫度測點數據長時間無更新現象，重啟相應測點的PA總線溫變后短暫恢復正常，爾后又復發數據死值情況。故障期間利用倍加福總線診斷設備FDH-1進行排查，發現該PA總線溫變因年久電子元器件發生老化，更換后故障消失。

4.3軟件配置異常

常見配置導致現場總線發生異常的原因有GSD/DD文件版本與設備不匹配、DP設備組態錯誤、打包點未組態或組態打包點與設備邏輯組態點不一致、卡件未激活、控制器雙停后所有總線設備通信中斷等。

案例1某廠總線控制系統報Prm-Fault錯誤。經排查，主站組態軟件中設備的GSD文件與實際情況不符，從站中讀取實際設備的IdentNumber與從站中的配置參數一致，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控，查看抓包后的包文未發現異常，后發現變頻器控制方式參數設置誤設為常規控制，更改相關參數為總線型控制后遠控恢復正常。

5結語

本文通過介紹Profibus以及FF兩種現場總線系統的技術特征，分析了其與普通儀表的差異，給出了維護和故障排查方法，最后結合具體案例從物理層線路、硬件設備及軟件配置3個方向分析了各類常見故障，為現場總線技術在大型發電企業中的可靠運行提供了一定的支撐。

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