PROFIBUS现场总线实施的质量管控措施

沈铁志 王丽丽

（神华福能发电有限责任公司，福建省石狮市，362712）

20世纪80年代中期，美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器 （HART）通信协议，采用在4～20 mA 模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输，出现现场总线的雏形；1985 年，Honeywell和Bailey 等大公司发布了FIP 协议；1987 年，Siemens、Rosemount、横河等几家著名公司制定了PROFIBUS 协议；1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会 （Fieldbus Foundation，以下简称 “FF”）。

国内自引进现场总线技术，到推广应用至今，不过十几年时间，在工艺流程行业的运用起步较晚，与传统成熟的DCS 控制系统相比，用户接受度相对较低，五大自动化行业市场中的化工、石油，特别是电力等行业的现场总线运用相对较少。但现场总线自身所具备的优点，如设备与系统信息网络化、节省安装费用、节省维护开销、提高系统可靠性、提高系统集成主动权等，使现场总线技术逐渐得到推广，火力发电厂现场总线应用越来越多，而如何保证现场总线实施的质量，是火力发电厂热工自动化专业关注的首要问题。

目前，在国内火力发电厂现场总线应用过程中，如何在基建期现场总线实施过程中采取相关的技术措施来保证现场总线系统应用的可靠性、安全性，尚无一套成熟的、标准化的办法，本文拟就此方面表述个人的看法及成功经验，以期对国内后续现场总线实施过程提供参考借鉴。

1 现场总线实施质量管控原则

现场总线实施的质量管控，要从设计、安装、调试、试验等方面入手，对现场总线实施进行全方位的管控，既要过程管控，又要验收测试，做到及早暴露基建施工过程中潜在的问题，及早消除隐患。

2 现场总线实施质量管控措施

2.1 制定现场总线施工工艺质量标准

参照 《火力发电厂现场总线设备安装技术导则》、各总线设备厂商提供的技术文件和说明书，与现场总线设备提供商共同从总线桥架设计、总线电缆敷设、总线接地、总线接线、终端电阻配置等各方面，编制现场总线施工的工艺质量标准。

在总线设备施工前，组织施工单位、火力发电厂工程人员、火力发电厂生产人员、监理公司等各个参建单位进行培训，经考试合格颁发总线施工资质证书，要求总线设备安装、总线电缆敷设、总线接线及调试全过程，相关人员持证上岗，未通过考试人员不得参与施工、监理及验收工作。

2.2 现场总线施工过程中的质量检查

总线设备施工过程中，施工监理不定期组织工程人员、生产人员、总线供货商、施工单位等，从总线桥架设计、总线电缆敷设、总线接地、总线接线、终端电阻配置等各方面，对总线施工工艺是否符合标准要求进行检查，发现违反工艺标准的立即制止，责令整改。同时，利用现场总线厂商提供的专用诊断工具，对施工完毕的现场总线网段进行通讯检查。

2.2.1 总线接地检查

现场总线的敷设、接线、终端电阻设置、地址设置等，严格按照施工工艺质量标准要求进行检查，在此不再赘述。特别指出的是，现场总线的接地检查，应格外引起重视。因为接地质量的好坏将直接影响现场总线的抗干扰能力。国内火力发电厂现场总线应用中也曾发生过几例因接地问题导致的不安全事件。

按照PROFIBUS 现场总线接地要求，Profibus-PA 总线采用单点接地原则，Profibus-DP总线采用多点接地原则；对于多点接地的设备接地，为有效避免干扰，因此要求厂房区域的接地网为等电势接地。

根据现场总线接地要求，编制现场总线接地质量检查确认表见表1。

表1 现场总线接地质量检查确认表

按照表1，组织人员对每一个现场总线设备的接地情况进行全面检查，保证每一个现场总线设备的接地都合格。每一个接地检查项目可参照表2所示 （不限于此）。

表2 现场总线接地质量检查项目表

2.2.2 总线诊断检查

启动ProfiTrace 后，点击 “Live List”，可直观的判断出系统各个地址设备的 “健康”状态，如图1所示。

通过不同的颜色能够很直观地看到哪些设备是“故障制造者”。

点击 “开始报文记录”，进一步分析网络通讯的信息，可从屏幕上看到一个整体直观的演示。如图2所示。

观察主站与从站之间的通讯是否正常，一般情况下，周期数据交换正常、无红色帧 （ErrFrame、WrongSD、ParityError）、无SYNC 帧即为正常。如果没有周期数据交换、有红色错帧 （ErrFrame、WrongSD、ParityError）、有SYNC帧则表明通讯有异常。

启动ProfiTrace 后，点击 “ScopeWare”，出现如图3所示的波形图，示波器立即以不同的模式运行，显示测量到的所有信号。

正常 （可接受）信号几乎可以说是 “真正的”四方型波纹，平均振幅为5V。当振幅较高时，信号近似于这种四方型波纹，但仍属于可接受信号，且闲置状态的噪音要保持在最小，闲置状态必须为1V。

图1 live list图表

图2 报文记录表

图3 波形图

Bit上的波峰处于正常状态。波峰产生的原因 是由于ProfiCore所连接的短小分支线所致，或许该系统中的电缆长度相对较短。当缺少终端器或出现断线时，信号就会反应在缆线上，形成大起大落的波峰。当A 线与B 线之间出线短路时，反射波一步一步地将信号的振幅越降越低。

因此，可通过不同的波形图来具体分析故障类型，找出故障点，检测信号质量的好坏。

启动ProfiTrace后，点击 “Bar graph”，出现如图4所示的条形图，显示总线上所有设备的信号平均等级。平均电压应为5V 左右。当总线出现问题时，条线图将显示不同的电压等级，条形的颜色将发生变化。因此，可通过分析条形图显示的电压等级来具体分析故障类型，帮助找出故障点，检测信号质量的好坏。

图4 条形图

2.3 现场总线验收过程中的测试及试验

2.3.1 现场总线可靠性测试

此项测试主要针对现场总线设计方案的正确性、总线设备的可靠性进行检验，包括冗余环节测试、故障影响测试、HAMS系统测试等。

（1）冗余环节测试。

就单个控制站而言，现场总线冗余情况如图5所示。

图5 现场总线网络结构图

根据图5所示，冗余环节主要有控制站到就地现场总线柜网络通讯、现场总线柜内冗余通讯网络、现场总线柜至就地设备的冗余通讯以及现场总线柜内冗余电源。冗余测试的目的是人为设置各个冗余环节故障，检查现场总线系统工作情况是否能够满足正常运行需要。

例如，人为断开控制站到就地现场总线柜网络A，在DCS 操作员站上观察控制系统参数采集及设备是否存在异常，并进行记录；人为断开现场总线柜内冗余电源，在DCS操作员站上观察控制系统参数采集及设备是否存在异常，并进行记录等。

此项测试的目的是确保冗余系统能够正常工作，检验设计、施工及调试过程的正确性。

（2）故障影响测试。

现场总线就地设备在原理上属于并联，但在物理连接上属于串联，因此当某个总线设备出现故障时，不应对此网段上的任何设备通讯产生影响。此项测试的目的是检测总线网络中任一设备出现故障时，对总线网络产生的影响。

例如：任选一台就地设备 （如电动执行机构），将设备断电或设置故障，在DCS操作员站上观察网络上其他设备是否能够正常工作，并进行记录；任选某一网段的终端电阻，将其断开连接，观察整个网段的总线设备是否能够正常工作，并进行记录等。

（3）HAMS测试。

HAMS现场总线设备管理软件是以HART、FF、PROFIBUS协议为基础，集数据采集与数据分析为一体的一款现场总线设备管理系统，其作为DCS网络上的一个节点，管理着整个DCS系统的现场总线设备。功能上，HAMS能够完成现场总线设备监测、诊断，对设备进行主动性维护与预防性维护，提高现场总线设备可靠性。

但作为DCS网络上的一个节点，它的存在或工作是否会给整个DCS系统带来负面影响是主要关心的问题。

HAMS软件测试的方法，即在DCS系统正常运行时，打开HAMS软件，扫描DCS网络上的现场总线设备，这时DCS的通讯负荷率应相应增加，此举的目的就是考查此时DCS系统的性能是否受到影响，DCS操作员站画面上工艺系统参数是否正常，操作是否正常，并进行记录。

2.3.2 现场总线电磁兼容性 （EMC）测试

现场总线的抗干扰能力，一直是国内长期以来不能够广泛推广现场总线技术的障碍之一，国内也发生过多起因现场总线抗干扰能力差导致的不安全事件。而电磁兼容性 （EMC）测试，能够全面反映现场总线系统或设备的物理层规范、安装的质量，因此在基建期施工结束后，机组整套启动前，对整台机组进行EMC测试是非常有必要的。

现场的干扰源主要来自2个方面，即自然干扰源和人工干扰源。自然干扰源主要是雷电干扰；人工干扰源主要是电子电气系统、无线发射机、静电放电等干扰。其耦合途径主要是导线传导的电压和电流与空间辐射的电磁波。

现场总线抗扰度指标要求主要包括：静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌 （冲击）抗扰度、射频场感应传导骚扰抗扰度、工频磁场抗扰度、电压跌落与暂时中断、振动波和振铃波抗扰度等。

EMC包括2个方面的内容：自身产生的电磁发射对其他设备或系统的影响；本系统的抗干扰能力能否保证本设备或系统不受其他干扰的影响。

第一步，依据相关标准，进行现场环境的EMC测试，对现场电磁环境进行综合评估。

第二步，也是EMC 测试的重点，即根据分析结果，利用专用仪器仪表设备，模拟各种自然和人工噪声源，对现场总线设备抗干扰能力进行全面测试。测试结果可通过专用设备或DCS数据监测方式获得。

第三步，根据试验测试结果，对整个现场总线抗干扰能力作出综合评价，更重要的是分析出现场总线系统中抗干扰能力薄弱的环节，找到异常原因，并进行整改。整改后再次进行测试分析，直至满意为止。

3 结论

现场总线技术在国内，特别是火力发电厂起步较晚，在应用过程中也出现过因雷击及现场电磁环境干扰导致的不安全事件，致使现场总线技术的推广饱受争议，然而现场总线作为新一代控制系统，有着其不可替代的优点，其在未来取代DCS是必然的趋势。神华福能发电有限责任公司2×1000 MW 机组项目在现场总线实施过程中，针对基建的不同阶段，采取具有针对性的技术措施，真正地从设计、施工、调试到验收进行全过程的质量管控，发现了大量的包括电缆敷设、接线错误、接地不良、设备选型、网段分配等诸多方面的问题，消除了大量隐患，很大程度上保证了现场总线实施的质量，提高了DCS控制系统及现场总线系统的可靠性。到目前为止，该项目现场总线网络工作稳定，希望该项目应用经验能够对后续现场总线实施的质量管控提供一些参考。

［1］ DL／T 5182-2004，《火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路、电缆设计技术规定》［S］

［2］ DL／T 1212-2013，《火力发电厂现场总线设备安装技术导则》［S］

［3］ GB／T17626.2 《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》［S］

［4］ GB／T17626.3 《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》［S］

［5］ GB／T17626.4 《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》［S］

［6］ GB／T17626.5 《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌 （冲击）抗扰度试验》［S］

［7］ GB／T17626.6 《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》［S］

［8］ GB／T17626.7 《电磁兼容 试验和测量技术 工频磁场抗扰度试验》［S］