大型火力发电厂现场总线系统故障案例分析

摘要：因其良好的开放性、互操作性、全数字通信、智能化与功能自治性等特点，现场总线技术已成为数字化电厂的重要特征，从而得到越来越广泛的应用，但其故障的多样性为现场维护带来了较大的困难。首先，介绍了电力行业广泛应用的PROFIBUS和foundationfieldbus现场总线的优点以及有别于普通仪表的技术特征；其次，给出了常用的维护及故障排查方法；最后，结合具体故障案例进行分析处理，有效提升了现场总线系统的运行稳定性。

关键词：现场总线过程现场总线基金会现场总线故障排查

中图分类号：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

现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）作为工控领域的一次技术变革，已成为数字化电厂的重要特征[1～2]。相较于传统的分散控制系统（DistributedControlSystem，DCS），其具有优异的开放性、互操作性、全数字通信、智能化与功能自治性等特点，它可采集现场设备的状态、诊断及维修信息，实现对不同品牌、不同类型设备的网络化管理，使系统具备设备诊断功能，从而实现设备的远程维护，真正实现了全厂监控，提高了火电厂热控设备的智能化水平，使得系统的监控范围从传统的系统端子排扩展到全厂。基于以上诸多优点，现场总线在工业控制领域中迅速得到广泛应用[3～5]。

然而在实际应用中，因安装不规范、终端电阻异常以及电磁干扰等原因，现场总线系统时而发生瞬间通信故障、通信不稳定、数据突变、设备掉线等现象[6～8]，从而造成设备工作异常，影响了正常的发电流程。本文围绕PROFIBUS和foundationfieldbus型两种电力行业广泛应用的现场总线进行分析介绍。

1某电厂的总线架构

某2×660MW火电力发电厂是全国较早在主机及全厂范围内大规模使用现场总线技术的火力发电厂，全厂使用总线设备达6970台，其中主机5550台、脱硫797台、辅网及公用623台，总线设备占比超85%。采用Ovation3.5.1现场总线控制系统，同时配有AMS现场总线设备管理平台，主要使用Profibus-DP和foundationfieldbus两种现场总线协议。

Profibus-DP冗余网络拓扑结构如图1（a）所示，通信主站为DP卡件，可实现对从站设备的控制和管理功能。主站的信号通过光缆传输至就地现场总线通信柜，再经光电转换器转为DP电缆连接就地DP从站设备，最后连接终端器。FoundationFieldbus网络拓扑结构如图1（b）所示，通信主站为FF卡件，可实现对从站设备的控制和管理功能。网段主要由FF卡件、电缆、电源调节器、接线盒、终端器和FF总线设备组成，主站的信号经过FF电缆、电源调节器、接线盒1、接线盒2到达终端器，实现数据双向传输。

2现场总线的特点及技术特征

2.1现场总线的特点

通过把专用微控制器嵌入普通的热工控制仪表，现场总线技术赋予了它们数字计算和数字信息交互的功能，可以把批量的控制仪表组成通信控制网络，并按约定的通信协议，在散落于各个现场的多个智能控制仪表节点之间、控制仪表与远方控制站之间，实现数据交互共享，从而协同完成复杂的控制任务。

2.2Profibus现场总线系统的技术特征

PROFIBUS包括PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-PA（ProcessAutomation，过程自动化）以及PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification，现场总线报文规范）3种协议，其中DP传输速率最高为12Mbit/s，主要用于现场装置级的自动化仪表；PA总线的传输速率为31.25kB/s，主要用于现场级过程自动化，采用总线供电时具备本质安全的特点；FMS总线主要用于上层的车间级或厂级控制和管理一体化系统，实现系统信息集成。

DP和FMS总线采用了RS-485通信技术，总线段利用屏蔽双绞线进行连接，段的两端各有一个有源的终端器，其传输速率在9.6kB/s～12MB/s之间可选，并适用于总线段上的所有设备。在不包含中继器时每段最多可挂载32个并联的节点（站），当增加中继器（Repeater）后，则最多可以接入126个站点，如图2（a）所示。

PROFIBUS-PA总线则采用了符合IEC61158-2标准的传输技术，它通过总线对远方设备进行供电，从而满足本质安全的要求。同DP和FMS总线一样，每个PA总线段上最多可挂载32个站点，每段只需一个供电电源，总线段的两端各有一个由100Ω的电阻与1μF的电容组成的无源RC终端器，如图2（b）所示。

2.3FF（FoundationFieldbus）现场总线系统的技术特征

FF现场总线是过程自动化控制系统向数字化通信方向发展而形成的技术，部分FF总线通过总线对远方设备进行供电时，可以满足本质安全的要求。目前，FF现场总线主要分为低速总线（FF-H1）、高速总线（FF-H2）和高速以太网现场总线（HSE）。FF-H1总线也称为狭义现场总线，其用于现场底层设备和终端控制设备的控制，能通过总线供电满足本要求，但传输速率仅为31.25kB/s，适合于响应速度要求低的控制回路。FF-H2总线原计划设计1MB/s和2.5MB/s两种传输速率，后因不能满足大量实时信息的传输而逐渐淘汰。FF-HSE（HighSpeedEthernet）现场总线将现场总线技术与高速以太网技术相结合，其速率可达到100Mb/s，从而将各控制器、子系统以及需要大量数据传输的复杂设备连接在一起并实现同一张网络内的高速信息交互。

3现场总线维护及故障排查方法

由于现场总线技术特殊的通信模式，采用万用表和校验仪等常规的检测设备和方法较难分析出故障的原因。有必要分析统计最常见的故障，并利用ProfiTrace和FBT-6等专业设备进行辅助分析。

3.1PROFIBUS现场总线故障诊断的方法和步骤

大量PROFIBUS现场总线问题处理案例表明，物理层故障是导致多数PROFIBUS总线问题的主要原因，可按表1中的步骤与方法进行检查诊断。

4现场总线故障原因分析

4.1物理层线路异常

大量的现场总线问题的案例表明，物理层故障是导致多数总线问题的主要原因，如通信电缆与动力电缆过近导致干扰、光纤头处异物导致信号衰减或通信故障、光纤弯曲半径过小使得光衰减增大等。

案例1某厂FF总线设备频发数据无更新情况。检查组态软件及AMS中无组态及通信异常报警，采用FBT-6进行噪声监测发现网段存在干扰。对整个网段的设备接线、屏蔽和电缆路径进行排查，发现某压力变送器存在连接线虚接情况。处理后各项参数正常，干扰消失。

案例2某厂运行期间DP现场总线变频传动存在网络闪断情况，分段排查DP现场总线敷设路径，发现一段通信电缆与大功率变频电机动力电缆距离较近，将DP通信电缆与动力电缆分层布置后网络闪断情况消失。

4.2硬件设备异常

现场总线的系统卡件、站设备、电源等设备的质量是保证现场总线通信稳定的基础，常见硬件设备故障有：卡件故障、站点设备故障及电源模块损坏等。

案例1某厂DP网段A网通信异常，通过组态软件检查发现A网存在通信异常报警，B网正常。采用二分法加快故障定位速度，判断某设备或其接线存在异常，经ProfiTrace测试该设备无通信，证实该设备本身故障。后经拆解发现该设备通信板因电动门润滑油渗漏而损坏，更换接口板后A网通信恢复正常。

案例2某厂运行期间监控画面中频发温度测点数据长时间无更新现象，重启相应测点的PA总线温变后短暂恢复正常，尔后又复发数据死值情况。故障期间利用倍加福总线诊断设备FDH-1进行排查，发现该PA总线温变因年久电子元器件发生老化，更换后故障消失。

4.3软件配置异常

常见配置导致现场总线发生异常的原因有GSD/DD文件版本与设备不匹配、DP设备组态错误、打包点未组态或组态打包点与设备逻辑组态点不一致、卡件未激活、控制器双停后所有总线设备通信中断等。

案例1某厂总线控制系统报Prm-Fault错误。经排查，主站组态软件中设备的GSD文件与实际情况不符，从站中读取实际设备的IdentNumber与从站中的配置参数一致，更换主站中的GSD文件后，ProfiTrace检测地址无误。

案例2某电厂综合泵房变频器与主站通信正常但无法远控，查看抓包后的包文未发现异常，后发现变频器控制方式参数设置误设为常规控制，更改相关参数为总线型控制后远控恢复正常。

5结语

本文通过介绍Profibus以及FF两种现场总线系统的技术特征，分析了其与普通仪表的差异，给出了维护和故障排查方法，最后结合具体案例从物理层线路、硬件设备及软件配置3个方向分析了各类常见故障，为现场总线技术在大型发电企业中的可靠运行提供了一定的支撑。

参考文献

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