浅谈FF总线网段及其仪表的诊断维护

谢高超

(腾龙芳烃(漳州)有限公司，福建 漳州 362400)

浅谈FF总线网段及其仪表的诊断维护

谢高超

(腾龙芳烃(漳州)有限公司，福建 漳州 362400)

在介绍FF总线原理和网段设计组态原则的基础上，重点说明了利用3种方法进行FF总线网段及其仪表诊断的方法，及时发现施工、生产中易出现的问题，指导设备的维护。

FF现场总线 网段 仪表 诊断

基金会现场总线(Foundation Fieldbus，FF)技术使过程控制领域发生了很大的变化，它把全数字化的双向多点通信引入到生产现场中，在未来的化工控制领域中的应用会逐年加大。因此，对于每一个仪表维护人员来说，仅有4～20mA传统仪表的理论和维护经验是远远不够的，还必须掌握有关基金会现场总线的理论、设计、安装、诊断及故障判断等方面的技术，只有这样才能在仪表维护工作中跟得上技术的进步，才能做到得心应手。

1 FF现场总线介绍

FF总线是为满足客户互换性、统一性要求由国际两大自动化组织ISP和World Fip制定的统一的工业现场通信标准，它是双向全数字化的多节点串行通信。FF总线的协议是开放的，不同厂商的仪表只要满足FF协议并经过认证，便可在FF总线上使用。

FF总线按数据传输的速率可分为HSE和H1两种标准，前者采用TCP/IP6层模型，主要用于离散控制，为高速FF总线；后者采用3层模型(物理层、链路层、应用层)，为低速FF总线。根据供电方式不同又分为总线供电和非总线供电，总线供电是在一对双绞线上既提供9～32V(DC)电源又传输经过调制的15～20mA电流。现场级的过程控制基本使用低速且以总线供电方式为主的H1总线。

FF H1总线采用令牌传递的控制方式，网段上有3种形式的设备：链路活动调度器(LAS)、基本设备和网桥。链路活动调度器为核心设备，起管理网络、维护设备链路调度表和传递令牌的作用。FF总线有3种虚拟通信关系：出版者/订阅者、报告分发、客户机/服务器，其中第1种为受调度周期通信，主要满足各设备功能块交换信息实现控制功能；第2、3种为非周期通信，其中，报告分发用于实现现场设备报警、趋势记录的作用，客户机/服务器用于设备调试标定、诊断时的临时通信。由于在总线各节点间，与控制功能相关的通信能保证被按周期强制执行和管理，因此能保证控制的及时性[1]。

要使FF总线网段能正常运行，总线网段的设计必须要考虑以下几点：网段布局避开大功率设备，网段拓扑结构选择，电缆选择，网段上仪表和阀门的挂接数量的规定，冗余仪表安全设计原则。

另外，在组态时应尽可能地减少FF总线上的通信量以提高通信速度。具体措施如单回路仪表PID模块放在定位器中，串级回路仪表副回路PID放在定位器中，同一回路仪表阀门放在同一网段中避免跨网段引用，网段的宏周期需综合考虑非周期通信的需求，预留出足够的裕量[2]。

2 FF总线仪表在某厂的概况和出现的问题

2.1仪表概况

某厂FF总线仪表有6 350台，分为1 102个网段，每个网段平均挂接数量在5～6台，网段结构采用鸡爪形，网段上H1卡件、电源模块(调节器)冗余配置、安全栅设置于现场接线箱内，主干线采用增安型防爆，支线到表头为本安型，为配合本地区多雷雨的情况，现场接线箱内设避雷器，且在机柜间出口有浪涌保护。网段干线统一在机柜间进行屏蔽接地(排扰/屏蔽线)，支线在接线箱内通过箱-柱-装置框架接地。全网段除H1卡件采用Deltav产品外，所有设备均采用P+F成熟产品。且在机柜间每个网段均设有一块在线高级诊断模块(HD2-DM-A)集成于电源模块Power Hub之上。诊断信息通过485总线和485转RJ45连接于AMS(资产管理系统)站。FF网段结构如图1所示。

图1 某厂FF网段结构

电源模块具有干线的防短路保护功能，且集成有机柜间一侧的网端。安全栅具有支线的防短路保护功能，支路短路时电流会被钳制在50mA，可带4路仪表，现场指示灯可以指示通信故障和哪一路出现问题。集成网端视安全栅所处的位置而拨On或Off。

2.2施工和生产中出现的问题

某厂FF总线网段和仪表在工程施工、生产维护中出现过如下问题：

a. 网端出现多拨或漏拨，在施工时由于交叉作业比较多，因此经常出现，在调试时也是被纠正最多的问题。

b. 出现屏蔽层两点接地或信号线直接接地的情况。在生产中由于更换仪表或开后盖检查后上盖时不注意压损电缆外皮导致出现现场一侧电缆屏蔽层接地或信号线直接接地。另外，施工质量不佳，现场仪表电缆屏蔽层剪掉未用胶布包实脱落导致屏蔽接地也有发生。如果是出现信号线接地这种情况一般会导致这块仪表直接掉线，如果是间歇性接地或屏蔽层接地，则会导致仪表频繁进出网段。

c. 现场接线箱内出现总线转3路安全栅的接线端子和短接片接触不良从而影响某块安全栅上所有仪表的供电和通信。这种情况比较少但也出现过，现象是操作员站上的某几块仪表同时变成橘红色，现场检查安全栅的电源指示灯未亮。出现这种现象是比较危险的，最直接的就是导致挂在它上面的阀门全关或全开。

d. 现场接线箱的防爆接头未拧紧，导致接线箱受潮影响通信，从而导致箱内某些仪表掉线。这在装置刚投运之初是比较容易发生的，所以装置刚运行时仪表维护人员需对接线箱再逐一检查一遍，特别是在雨季来临之前。

e. 某些仪表存在表头阻抗不满足要求的情况，所以有时会比较容易掉线。

3 FF总线网段和仪表的诊断

3.1利用万用表和网段监视器的诊断

针对施工和生产中出现的问题，简单的借助万用表(可测电容档的)和网段监视器就能找出原因，一般总线电缆在放线完毕挂接仪表之前都需要做绝缘、电容、电阻方面的测试，测试结果要求+、-信号线间电阻不小于50kΩ，电容在0.8～1.2μF之间，具体见表1，也可见《FF基金会总线系统工程指南》中的要求。

表1 FF电缆电气参数标准

如果在施工中网端出现多拨或漏拨的情况，则两信号线之间的电容值就不会在0.8～1.2μF的范围之内，偏小，说明漏拨了，偏大，说明多拨了。

另外，借助网段监测器FBT6查看波形也能看得出来，在多拨的情况下，波形明显变矮(幅值变小)，原因为多拨的情况下，线路上并联的电阻多，总的等效电阻就小，所以当线路使用15～20mA电流(相当于电流源)传递信息转变为检测电压时就低，相反，如果出现漏拨的情况，波形就变高很多(幅值变大)，原因也是等效电阻变大。而正常信号的范围在750～1 000mV之间。如图2所示。

a. 多拨

b. 漏拨图2 FF通信波形异常图例

3.2利用诊断模块的诊断

使用了FF诊断模块，可以在机柜间使用P+F提供的过程自动化组态工具PACTware或AMS(FF诊断功能已经内嵌于AMS)对各个网段进行在线监视诊断，可诊断的参数有：网段电压、网段电流、信号幅值、噪音幅值、畸变抖动及DC不平衡等，诊断模块参数漏拨界面如图3所示。

图3 诊断模块参数界面

如果有参数超过了设定的正常范围，则软件会在线发出报警提示并记录。

另外，诊断模块内置有强大的示波器功能，可以实时显示网段通信的信号波形。同时通过拨码开关可以设定不同的触发条件，可以查找具体某个地址的通信波形或错误帧的波形。通过示波器功能基本可以将FF通信的物理层信号可视化，为系统调试和故障处理赢得时间。

3.3利用Deltav软件的诊断

除了利用高级诊断模块对网络进行物理层的诊断外，还可以利用Deltav系统自带的诊断软件Deltav Diagnostics进行软件通信参数的诊断，它不仅能对Deltav系统网络作出诊断，还能对控制站、卡件及FF现场网络等做出诊断，为判断提供依据。

将Deltav软件组的operate组中的Diagnostics点中，打开诊断软件，主界面是Deltav系统各节点的explorer视图，后面点击相应控制站下对应的H1卡，点击前面的“+”，展开，出现Port1、Port2，右键点击相应Port出现情景菜单，选择显示通信统计数据。然后便出现如图4所示的参数统计。

图4 网段通信参数统计

图4中有很多关于本网段的统计数据，笔者重点介绍几个对网段故障判断比较有意义的参数：具体各个参数的含义可查看Deltav的参考说明。

AbortsRxd(断开的接收数量，典型统计参数)，这个参数是指LAS从现场功能块里收到的断开接收的数量，如果该参数对某块仪表持续的增加，说明此仪表可能有问题，如果对同网段的多块仪表都持续增加，则说明此网段存在问题。

AbortsSent(断开的发送数量，典型统计参数)，这个参数是指LAS断开的发送到现场功能块的数量，如果该参数对某块仪表持续增加，则说明此仪表可能存在问题，如果对好几块仪表都持续增加的话，则说明这个网段存在问题。

NUMDIITokenPassTimeouts(令牌传输超时数量，关键统计参数)，如果此参数增加，则表明有现场设备没有收到LAS(H1卡件)发给它的令牌，LAS也没有收到其回音，或该设备保持令牌的时间超过令牌持有的时间(TokenHoldTime)，如果调度者连续3次发送给同一设备的令牌它都没有回音的话，那么将把该设备从网段中摘除，表现为设备从网段中丢失。

AbortsNegConRxd(局部不良数量)，如果此参数增加，说明LAS(H1卡)断开发送的数量在增加，很可能H1卡存在问题，需要替换。

MissedViewListScan(丢失的列表扫描)，设备的列表扫描请求不能跟上相应模块的扫描速率，出现此情况是因为在系统里把模块的扫描速率设置得太快了，超出总线的支持，所以必须把模块的扫描速率降低。

NumLiveListAppearances(设备进出网段的次数)，如果该参数不断地增加，则说明现场有某一设备不断地进出网段，这个设备很可能存在被干扰的情况。

NumDIIRetrys(令牌重发次数)，正常情况下，重发次数应该少于请求发送数量的1%，如果超出这个限制，应该检查该设备或网段是否存在问题。

以上几个参数中，第1、2、3个参数是对网段和现场仪表故障判断比较有参考价值的参数，如果网段存在问题，这些参数的反应很灵敏。第4个参数能准确地说明H1卡是否存在问题。如果第5个参数持续增加，则应检查组态是否正确。

开发者把网段上可能存在的需要进行有意义统计的各种故障都考虑进去了，所以一般在存在问题的情况下，列表中的参数有可能是好几个都在持续增加，这时候可以利用多个参数交叉判断，或利用Diagnostics软件的总体评估确定哪个为故障源。

4 结束语

FF总线将通信技术引入到生产现场，使现场设备更加智能化，这为管控一体化数字化工厂的建立铺好了最基底的基石。该技术优势很明显，且已逐步走向成熟，相信在未来的大型化工项目中应用会越来越普及。因此，要充分掌握这门技术，利用它监视和诊断的参数多的特点，善于利用各种工具和软件，把问题解决在萌芽状态，做到预维护。

[1] 阳宪惠.现场总线技术及应用[M].北京：清华大学出版社,2008：119～134.

[2] 佟钢.基金会现场总线技术在化工装置中的设计与应用[J].中国仪器仪表,2012，(z1)：167～169.

TH86

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1000-3932(2016)11-1227-04

2016-05-18(修改稿)