當(dāng)前，火電機(jī)組特別是大容量、高參數(shù)機(jī)組的控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)在機(jī)組運(yùn)營(yíng)管理中愈發(fā)趨向于信息化、智慧化，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層的數(shù)據(jù)需求量逐步增大。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為一種開(kāi)放式控制技術(shù)，其交互性、互換性、可集成性較高，具有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力，很好地滿足了機(jī)組信息化建設(shè)中對(duì)“大數(shù)據(jù)”的需求。較早之前總線技術(shù)已在工業(yè)領(lǐng)域多個(gè)方面得到了應(yīng)用，但多以進(jìn)口技術(shù)為主。

當(dāng)前，隨著我國(guó)科技水平的不斷提高，國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)逐步得到大范圍推廣。邯鄲東郊熱電工程新建投運(yùn)的兩臺(tái)超臨界機(jī)組中，較大范圍地使用了純國(guó)產(chǎn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，并獲得了良好的使用效果。通過(guò)研究分析其總線技術(shù)應(yīng)用及維護(hù)的情況，有助于更加深入地掌握總線技術(shù)的內(nèi)涵，同時(shí)也可為Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在同類型火電廠的安全、穩(wěn)定應(yīng)用提供一定的參考。

1 主系統(tǒng)介紹

邯鄲東郊熱電新建兩臺(tái)350MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，2017年底雙機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。鍋爐采用北京巴布科克?威爾科克斯有限公司生產(chǎn)的超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、變壓運(yùn)行直流爐。

汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)制造商為北京北重汽輪電機(jī)有限責(zé)任公司，汽輪機(jī)采用超臨界參數(shù)、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排汽抽汽凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)采用水-氫-氫冷卻方式。分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）采用北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EDPF NT+系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（fieldbus control system, FCS）采用北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的FCS，采用Profibus通信協(xié)議。FCS具體由控制器、光電轉(zhuǎn)換器、DP/PA轉(zhuǎn)換器、PA分線盒、Y-Link連接器、終端電阻等組成。FCS通過(guò)國(guó)電智深公司生產(chǎn)的NT300-PB通信模塊（簡(jiǎn)稱PB卡）實(shí)現(xiàn)與DCS的信息交換。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用情況

Profibus通信協(xié)議還可細(xì)分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。邯鄲東郊熱電采用了Profibus-DP和Profibus-PA兩種協(xié)議的系統(tǒng)設(shè)備。Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的通信速率是187.5kbit/s，采用RS-485方式傳輸，專門用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信方式，取代了24VDC或4～20mA信號(hào)傳輸，通信方式為循環(huán)數(shù)據(jù)通信。

Profibus-PA網(wǎng)絡(luò)通信速率是31.25kbit/s，應(yīng)用于過(guò)程控制，它取代了過(guò)程控制中傳統(tǒng)的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以模擬量控制為主，通信方式不僅有循環(huán)數(shù)據(jù)通信，而且還有非循環(huán)數(shù)據(jù)通信。

2.1 總線系統(tǒng)組織架構(gòu)

總線系統(tǒng)的組織架構(gòu)由管理層、設(shè)備監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)層3個(gè)層級(jí)組成。管理層是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的人機(jī)交互口，負(fù)責(zé)系統(tǒng)組態(tài)、監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定以及報(bào)警顯示、記錄和故障診斷等。典型構(gòu)成有操作員站和工程師站。

設(shè)備監(jiān)控層由分散處理單元（distributed processing unit, DPU）控制柜（內(nèi)含有一對(duì)冗余總線控制PB卡）和分布在現(xiàn)場(chǎng)的就地控制柜組成，就地控制柜包含光電轉(zhuǎn)換器、冗余/單路轉(zhuǎn)換器（Y-LINK）、Profibus DP/PA轉(zhuǎn)換器（耦合器）、終端電阻、中繼器、電源模塊、DP/PA電纜等?，F(xiàn)場(chǎng)層由智能終端設(shè)備如馬達(dá)保護(hù)器、變頻器、智能電動(dòng)閥門、就地儀表等組成。

邯鄲東郊熱電在設(shè)計(jì)中要求主機(jī)系統(tǒng)的總線設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)同時(shí)運(yùn)行，在上位機(jī)可完成網(wǎng)絡(luò)的相互交換；而輔助車間的控制系統(tǒng)在設(shè)備層處實(shí)現(xiàn)單網(wǎng)運(yùn)行，這樣既能滿足安全要求，又節(jié)約成本。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 總線技術(shù)的應(yīng)用范圍

全廠包括主機(jī)和輔助車間（化水、脫硫、脫硝、尿素、燃料等）范圍內(nèi)，汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（digital electric hydraulic control system, DEH）、小汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（micro elctro-hydraulic control system, MEH）、汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)（emergency trip system, ETS）、小汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)（micro emergency trip system, METS）、旁路控制系統(tǒng)（bypass control system, BPS）、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（furnace safeguard supervisory system, FSSS）、汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)（turbine supervisory instrument, TSI）、爐膛壁溫及6kV電壓等級(jí)以上的電氣系統(tǒng)仍采用硬接線控制方式，剩余其他系統(tǒng)均采用總線控制。

總線設(shè)備類型包含了變送器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、分析儀表、熱電偶阻、380V馬達(dá)保護(hù)器、綜合測(cè)控裝置等。各類現(xiàn)場(chǎng)總線儀表及監(jiān)控總線覆蓋率達(dá)95%左右。全廠總線設(shè)備分布情況見(jiàn)表1。

表1 全廠總線設(shè)備分布表

全廠總計(jì)使用總線技術(shù)的智能終端達(dá)到2307臺(tái)，其中PA設(shè)備927臺(tái)、DP設(shè)備1380臺(tái)；PA設(shè)備包含了來(lái)自多個(gè)不同品牌的流量計(jì)、壓力表、液位計(jì)等等，DP設(shè)備包含了多種型號(hào)的馬達(dá)保護(hù)器、變頻器、電動(dòng)閥門等等。就使用總線的范圍上來(lái)說(shuō)，邯鄲東郊熱電在同類型火電項(xiàng)目中走在前列。

3 故障處理分析

總線設(shè)備自投運(yùn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定，真正突破了信號(hào)傳輸傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”模式，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)儀表與主控單元的雙向數(shù)據(jù)傳輸交互，尤其是其自診斷功能，極大地提升了火電機(jī)組運(yùn)行管理的自動(dòng)化和信息化水平。但在使用初期，由于安裝、調(diào)試期間的一些缺陷，使總線設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)了一些問(wèn)題。下文選取了3個(gè)典型的故障案例進(jìn)行剖析，進(jìn)一步掌握現(xiàn)場(chǎng)總線排除故障的方法。

3.1 設(shè)備離線

#1、#2石灰乳輸送泵變頻器無(wú)法操作，#1、#2泥漿輸送泵變頻器無(wú)法操作。

查圖紙可知#1、#2石灰乳輸送泵變頻器，#1、#2泥漿輸送泵變頻器均連接于Y-LINK Y03和Y04，而Y03和Y04兩者均送至了DCS的DPU06 A2卡。通過(guò)工程師站查看以上設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)可看到涉及DUP06 A2卡網(wǎng)段設(shè)備均處于“離線”狀態(tài)。

故障排查方法如下：首先采用支路停電的方法，將Y03支路從網(wǎng)段中隔離出，發(fā)現(xiàn)Y04所帶網(wǎng)段恢復(fù)正常；而恢復(fù)Y03支路將Y04支路從網(wǎng)段中隔離出時(shí)，整個(gè)網(wǎng)段故障并未能消除?？芍收咸幱赮03支路。

將Y03卡和終端電阻與各個(gè)接地設(shè)備的連線依次斷開(kāi)，測(cè)量DP總線電纜紅線和綠線之間電阻值及紅綠線分別對(duì)地的電阻值。正常情況下，DP總線電纜的兩芯線（紅線和綠線）之間及紅綠線對(duì)地都應(yīng)是絕緣的，總線電纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。而此處紅綠線之間的電阻為八十多◆，屬不正常狀態(tài)。

再進(jìn)一步縮小目標(biāo)范圍，依次檢查各個(gè)馬達(dá)保護(hù)器后端九針串口的“撥碼開(kāi)關(guān)”，發(fā)現(xiàn)#2泥漿輸送泵變頻器后的九針頭撥碼開(kāi)關(guān)位置打錯(cuò)了，恢復(fù)撥碼開(kāi)關(guān)位置后，再量紅綠線間電阻值已恢復(fù)至k◆級(jí)。將所有線路恢復(fù)后，通過(guò)工程師站查看，系統(tǒng)已恢復(fù)正常。

圖2 總線電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

經(jīng)分析可知，九針串口（如圖3所示）的撥碼開(kāi)關(guān)關(guān)乎的是并聯(lián)在通信線路上的負(fù)載阻抗的投入與退出，阻抗一般為100～120歐姆，合理投入或者退出負(fù)載阻抗可以有效抑制反射波從而降低噪聲信號(hào)干擾。

圖3 DP九針串口外形及內(nèi)部圖

3.2 通信中斷

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)380V除灰動(dòng)力中心（power center, PC）段低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備在DCS畫面無(wú)電流顯示。

380V除灰PC段設(shè)備均通過(guò)綜合測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作，電流量來(lái)自綜合測(cè)控裝置?，F(xiàn)場(chǎng)查看各開(kāi)關(guān)測(cè)控裝置無(wú)問(wèn)題，查以上設(shè)備所屬PB卡運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)DPU51 A2卡（如圖4所示）、DPU52 A2卡（如圖5所示）所帶設(shè)備通信狀態(tài)為紅色，即設(shè)備“離線”通信中斷，故電流無(wú)顯示。

圖4 DPU51 A2卡運(yùn)行情況

圖5 DPU52 A2卡運(yùn)行情況

經(jīng)過(guò)類似案例1中的方案進(jìn)行逐一檢查后，發(fā)現(xiàn)PB卡、就地控制柜、保護(hù)裝置、九針串口均無(wú)明顯故障。

這時(shí)需要有進(jìn)一步的手段去排除故障。采取在總線就地控制柜對(duì)通信報(bào)文進(jìn)行“監(jiān)聽(tīng)”。需要用到總線調(diào)試工具“ProfiTrace”，對(duì)網(wǎng)段內(nèi)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行一次實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即通過(guò)讀取報(bào)文來(lái)確認(rèn)，當(dāng)主站DCS對(duì)各個(gè)從站（測(cè)控裝置）發(fā)出詢問(wèn)信息時(shí)，各個(gè)從站是否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)答復(fù)主站。通過(guò)監(jiān)測(cè)，可以看到地址為22、23、24、25的從站在面對(duì)主站的問(wèn)詢時(shí)，無(wú)答復(fù)。

其中地址22代表除灰PC 01A段工作進(jìn)線開(kāi)關(guān)，地址23代表01A段電壓互感器開(kāi)關(guān)，地址24代表灰?guī)祀姍C(jī)控制中心（motor control center, MCC）電壓開(kāi)關(guān)，地址25代表除灰PC段母聯(lián)開(kāi)關(guān)。因此可以確定的是從站未能與主站保持良好的通信，此時(shí)就將故障范圍鎖定在了總線就地控制柜與就地從站之間。

對(duì)DPU52 A2卡網(wǎng)段進(jìn)行相同操作，結(jié)果相同：DPU52 A2卡的地址21、地址22、地址23均未能答復(fù)主站的詢問(wèn)信息。

總線就地控制柜與從站裝置之間是通過(guò)DP總線電纜進(jìn)行連接的，所以故障點(diǎn)可能出在：測(cè)控裝置、九針串口、DP總線電纜這三方面。經(jīng)檢查，DP總線電纜、九針串口、綜測(cè)馬保裝置均無(wú)明顯問(wèn)題。

這時(shí)通過(guò)分析整個(gè)網(wǎng)段的通信故障及接線方式發(fā)現(xiàn)問(wèn)題有可能出在接線方式上。具體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)的接線方式如圖6（a）所示，該種連接方式不利于通信數(shù)據(jù)的傳輸，而正確標(biāo)準(zhǔn)的通信連接方式應(yīng)該是如圖6（b）所示“手拉手”式有進(jìn)有出的形式。按照?qǐng)D6（b）所示進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改接線后，故障消失，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

圖6 通信網(wǎng)絡(luò)接線圖

另外，為進(jìn)一步排除主站DCS的影響，還通過(guò)在PB卡處建立虛擬主站的方式進(jìn)行了通信測(cè)試，結(jié)果顯示在圖6（a）所示的接線方式下無(wú)法進(jìn)行正常的主從站通信，在圖6（b）所示的接線方式下主從站通信正常。

此次故障為前期布線施工不規(guī)范所致。圖6（a）所示為星型接法，盡管在某些短距離、低速率情況下可以正常工作，但隨著通信距離的延長(zhǎng)或通信速率的提高，信號(hào)會(huì)在支路突變部位或者末端產(chǎn)生很大的反射干擾信號(hào)，造成通信傳輸信號(hào)質(zhì)量的急劇下降，直至導(dǎo)致通信中斷。

而圖6（b）的接法為真正意義上的串接，所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)均平滑過(guò)渡，沒(méi)有突變，大大減少了不連續(xù)的反射，極利于信號(hào)傳輸。排除故障后通信報(bào)文恢復(fù)正常。

另外，在運(yùn)行中還出現(xiàn)了其他情況下產(chǎn)生的通信中斷：由于就地設(shè)備受潮引起通信板故障，而造成通信故障；由于設(shè)備通信接口隔離芯片受損，而造成的通信信號(hào)時(shí)好時(shí)壞的情況。以上異常情況，均可通過(guò)在線測(cè)量總線電纜紅綠線之間的電壓和斷電情況下測(cè)量總線電纜紅綠線之間的電阻，來(lái)判定故障的原因。

3.3 雙網(wǎng)癱瘓

運(yùn)行中，#1機(jī)組DPU19 A1上互為冗余的A網(wǎng)和B網(wǎng)同時(shí)出現(xiàn)“準(zhǔn)備中”的不正常狀態(tài)。同時(shí)表現(xiàn)為，該網(wǎng)段上所有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、馬達(dá)保護(hù)裝置均無(wú)法操作，壓力、流量等測(cè)點(diǎn)不再變動(dòng)。不久之后#2機(jī)組也出現(xiàn)了類似情況。

依據(jù)總線系統(tǒng)雙網(wǎng)冗余配置的運(yùn)行規(guī)則，當(dāng)A網(wǎng)發(fā)生故障后應(yīng)自動(dòng)切換至B網(wǎng)，以便保證網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)運(yùn)行。而如果B同時(shí)也發(fā)生故障，則A、B網(wǎng)均表現(xiàn)為“準(zhǔn)備中”，出現(xiàn)雙卡死機(jī)、通信癱瘓的惡劣情況。針對(duì)這種情況，推測(cè)為PB程序存在缺陷，于是聯(lián)系國(guó)電智深公司對(duì)PB卡進(jìn)行軟件升級(jí)，消除缺陷。升級(jí)后再次模擬相似故障進(jìn)行測(cè)試。

采用在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)處人為制造短路故障的方式測(cè)試雙網(wǎng)通信癱瘓是否還發(fā)生。選取某具有雙通信口的電動(dòng)閥門作為測(cè)試對(duì)象，分別將其A網(wǎng)通信線中的紅綠線短接，之后將其B網(wǎng)通信紅綠線短接，再同時(shí)將A、B網(wǎng)的通信紅綠線短接，查看通信情況，具體試驗(yàn)情況見(jiàn)表2。

表2 升級(jí)前后設(shè)備故障狀態(tài)對(duì)比表

隨后，又在其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)、馬達(dá)保護(hù)器處及Y-Link處進(jìn)行了相同試驗(yàn)，均未再出現(xiàn)通信癱瘓的情況，證明此次PB卡升級(jí)徹底解決了雙網(wǎng)死機(jī)情況下造成的系統(tǒng)通信癱瘓問(wèn)題。

4 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1）節(jié)約施工費(fèi)用，后期擴(kuò)容較為便捷?？偩€設(shè)備接線簡(jiǎn)單，通過(guò)一對(duì)DP或PA電纜可“掛接”多個(gè)就地設(shè)備，可節(jié)約大量控制電纜，減少電纜的安裝接線工程量。更重要的是，當(dāng)后期需要增加新設(shè)備時(shí)，無(wú)需重新敷設(shè)電纜，可就近連接在原有的總線電纜上即可。

2）系統(tǒng)自行診斷，增強(qiáng)設(shè)備維護(hù)管理水平。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)采用全數(shù)字化技術(shù)，終端智能現(xiàn)場(chǎng)裝置可發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測(cè)信息差錯(cuò)的功能。因此，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)，這方面優(yōu)越性是DCS無(wú)法比擬的。

3）網(wǎng)絡(luò)冗余配置，提高設(shè)備可靠性?？偩€系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余配置，一旦單個(gè)設(shè)備或單條網(wǎng)段發(fā)生故障，可自動(dòng)切換至另一網(wǎng)段，不影響其他設(shè)備或另一網(wǎng)段的運(yùn)行。

4）全數(shù)字化通信，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確響應(yīng)。DCS的信息全都是二進(jìn)制或模擬信號(hào)形成的，必須有D/A與A/D轉(zhuǎn)換。而總線系統(tǒng)是全數(shù)字化，免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析可看到，國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在東郊熱電得到了充分應(yīng)用并展現(xiàn)出了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也必須承認(rèn)總線技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要把設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)維每一個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行仔細(xì)地分析研究。尤其在故障排除方面有著極大的不確定性，處理措施也復(fù)雜多樣。

面對(duì)總線應(yīng)用的各類故障時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體現(xiàn)象查明故障所屬的類別，并采取對(duì)應(yīng)的解決措施。相信隨著設(shè)備性能的日趨完善，以及技術(shù)人員研究的不斷深入，國(guó)產(chǎn)化總線技術(shù)必將在火電企業(yè)的應(yīng)用中大放光彩。