基于FF现场总线调试中的故障诊断分析的工程实践

叶 宁，田 爽，王傲寒

(西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引言

基金会现场总线(Foundation Fieldbus,FF)是国际现场总线标准IEC 61158的组成部分，分类为Type 5和Type 9[1]。H1和HSE采用不同的传输介质和规范，均面向大数据应用工业场景[2-3]。H1为低速现场总线，其传输速率为31.25 kbit/s，多用于仪表、控制设备及通讯站之间的通信。HSE为高速以太网总线，其传输速率为1 Mbit/s、2.5 Mbit/s和100 Mbit/s，用于控制站、上位机之间的通信。

目前，随着火电厂数字化的逐步推进，根据工业现场通信要求，越来越多工业现场将FF型总线仪表纳入分布式控制系统(distributed control system,DCS)控制与监视中。

在前分系统试运的调试过程中，传统的硬接线采用4～20 mA模拟量信号，而FF总线相采用全数字量过程数据采集与传输。故在调试过程中，无法通过测量端子的电压或电流信号的来判断信号的状态。这无形中增加了调试工作的难度，从而影响项目的整体进度。

再者，FF总线仪表在调试过程中，参数设置、组态操作步骤较多，施工过程中需要针对该类型总线电缆敷设与设备安装采取一些抗干扰屏蔽措施。因此，有必要对工业现场常见故障进行归类分析，从而完善调试中的各个环节，提高施工质量与调试标准。

1 某火电厂FF网段的设计

FF拓扑结构如图1所示。

图1 FF拓扑结构图Fig.1 FF topology diagram

某国内火电厂FF配置方案如表1所示。

表1 某国内火电厂FF总线配置方案

图1中，每条FF由系统内部给冗余的电源调节器供电，并通过该调节器向现场智能仪表驱动供电。FF设备接入通信连接盒后，通过总线接线模块接入FF总线。设备采用树型链接[4]。现场智能设备与FF通信连接盒的端子相连。这些端子既起到了向就地设备供电的作用，又可以和就地设备进行通信,涵盖了所有压力变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器、阀门定位器等仪表[5-6]。

2 FF通信故障分析

2.1 某现场系统强电干扰

现场设备安装布置如图2所示。在调试过程中发现，图2中的FF设备通信箱距离变频柜较近，在锅炉补给水分系统运行(如反渗透高压泵运行于变频模式)时，会造成泵出口压力表与流量计通信时断时续，DCS远传监视点出现好质量与坏质量频繁切换的问题。

图2 现场设备安装布置图Fig.2 Site equipment installation layout

初步判断，FF网段受到附近的变频设备或其动力电缆的强电谐波干扰；变频器中因含有大量的晶闸管和整流二极管等非线性元器件，运行过程中会产生大量的谐波。这些谐波会通过传导、辐射，干扰周边设备的正常工作，并对输入和输出电路造成干扰[7-8]。

经分析，干扰主要由仪表侧引入，仪表与现场设备之间通过取样管连接。在此情况下，应与变频器供应方沟通，在电气侧采取有效措施降低变频干扰输出，如给变频装置设置电抗器、滤波器等[7-8]。

在应用现场，部分FF线路与变频泵动力电缆相距20 cm左右且在同一槽盒布置，各自都没有钢管屏蔽，距离很近会干扰FF。对此，可将同类型、同方向的总线电缆铺设在一个独立的电缆槽中。如果现场无电缆槽，则需对总线电缆加套无缝钢管[9-12]。

不同种类的总线电缆相互之间必须保持一定的距离，并且当它们相互交叉时必须正交交叉而非平行排列，以减少通信干扰[9-12]。

通过查验，现场所安装的仪表架均未通过专用接地电缆可靠接地，而仅依靠仪表架上的取样管路与附近的管路连通。因此，应将所有的仪表架可靠接地，从而使仪表外壳能可靠接地。整改前后的网段数据值对比如表2所示。

表2 整改前后的网段数据值对比

2.2 某现场组态参数配置通信异常

当设备组态配置建立后，或当现场设备异常需要更换设备时：画面与逻辑中均为坏质量点，逻辑AI1块的Mode_Block功能块会显示UNKNOWN/LOCAL；或者虽然设备是AUTO状态，但就是无法显示好质量点。对此，需要作如下判断。首先，确保所选用的模块为激活状态。

FF配置1如图3所示。

图3 FF配置1Fig.3 FF configuration 1

根据图3，对该设备AI1块进行右键Tuning操作，进入到设备详细信息，通过设备的Mode_Block功能块查看Target模式是否为Auto模式。若为Out of service模式，将模式下拉改为Auto模式。点击Apply应用后，观察组态或者画面中点是否为好质量点。FF配置2如图4所示。

图4 FF配置2Fig.4 FF configuration 2

若仍为坏点，将图4中Convert转换块中的XD_Scale/XD_Unit和OUT_Scale/OUT_Unit参数的上下限、单位均改为一致。这里的单位大多改成%。这是因为大多设备在Tuning操作中都支持改成%。在Tuning中改设备参数时，需要将设备Mode_Block的Target模式从Auto变为OOS模式。用手操器也可作同样操作，即修改单位和量程。用手操器读取设备时，可与主站通信卡同步使用。若要用手操器改设备单位、量程、KKS，需要将卡件侧接线解掉，只留有手操器单独对设备修改工作。对设备进行修改操作时，须将设备Mode_Block的Target进入Out of service模式。当AMS管理软件可使用时，也能代替手操器进行如上操作。此时，不需要对卡件侧接线解掉。

2.3 某现场DCS硬件卡件配置通信异常

设备运行一段时间后，在对控制器操作不当或者因FF通信卡件异常而需要更换卡件时，设备会出现变成坏点无法恢复正常好点的通信状态。或者是通信看似是好的，其实测点动态值已很长时间未发生变化，而是保持同一个值一直不变(俗称为死值)。对此，需要作如下处理。

若是由于控制器操作不当或者是线路干扰导致导致坏点或死值，需要插拔卡件对设备进行重新通信，或对端口进行清空操作后再进行下装；FF通信卡件异常需要更换卡件，对端口进行清空操作后再下装；对卡件或者端口进行操作后，如还是坏点，则需要通过AMS管理软件或者手操器进入设备模块，对其参数进行修改。对于某些设备，当判断主站为非正常工作模式，会对其自身Mode_Block功能块进行Auto到Local切换。这时，需要借助上位软件或手操器的设定。

设备通信正常情况下，卡件侧监控到设备状态值的总发送请求数会发生变化：总无效回应数为0、总堆积错误数为0、总发报错误数为0。

3 结论

本文首先通过对线路物理层进行改进，有效提升通信质量。通过噪声仪器的检测，该链路中的设备在链路调度器的监视中设备通行令牌响应正常，没有出现设备从网络中离线的情况，测得的总线电压、信号电平、噪声电平的平均值和峰值均满足要求。而解决了因强电干扰而导致通信异常的情况之后，该线路的设备故障累计次数、设备掉线并返回的次数通信异常数据量逐渐减少，后续的设备通信状态、数据采集持续稳定。其次，借助于总线设备管理软件的环境，有效地解决了参数异常导致通信故障的问题。最后，结合相关各厂家DCS硬件手册及其配套说明书，可有效避免因卡件异常而导致的通信异常。

另外，FF总线在工业现场控制系统中的推广越来越广泛，针对该总线应用的故障分析尤为重要[13]。因此，了解该总线技术故障原因对于提高设备控制、精度及可靠性具有很好的借鉴意义，能够为设备的使用以及现场的调试提供大量的可靠性依据。

现场总线仪表调试质量决定其运行的可靠性，并且数字化电厂生产运营起到至关重要的作用。通过改进调试过程中的过程管理，可以更好地提高调试质量。此外，针对总线设备管理的二次开发也亟待解决。总线设备管理的二次开发可有针对性地对某类型故障进行故障预警，便于维护人员及时发现问题并处理，将不利的危险因素降到最低。