现场总线在超超临界机组中的应用与调试

彭双剑，寻新，郑重，傅强，尹佳峰，陈星

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；(2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙410004；(3.湖南华电常德发电有限公司，湖南常德415001)

现场总线在超超临界机组中的应用与调试

Application and debugging of field bus in ultra supercritical unit

彭双剑1，寻新1，郑重2，傅强1，尹佳峰3，陈星1

(1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；(2.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙410004；(3.湖南华电常德发电有限公司，湖南常德415001)

依托湖南某电厂2×660 MW超超临界机组调试项目，介绍了现场总线控制系统的结构，阐述了现场总线调试方法，将现场总线调试分为组织协调、现场设备检查、组态检查、通信调试与诊断、动态调试共5个步骤。最后分析了在调试过程中遇到的典型问题及解决思路。

现场总线；调试；Profibus；FF；分散控制系统

现场总线技术是推动火力发电厂数字化发展的重要技术途径，在火力发电厂应用的实质是现场设备的智能化，用通信方式代替原来 “点对点”信号传递方式。现场总线技术具有减少电缆用量、节省安装费用、提高设备维护效率等优势，经过十几年的试点与改进，目前新建或改造的火力发电机组大多应用了现场总线技术，且在单台机组中的应用比例也在不断扩大〔1－3〕。

现场总线产品包括现场总线控制系统 (FieldBus Control System，FCS)和现场总线设备。当前在火电行业应用较多的FCS主要有西门子SPPA－T3000系统、艾默生Ovation系统、FOXBORO公司I/A系统、ABB公司800XA系统，均支持符合过程现场总线 (Process Filed Bus，Profibus)标准或基金会现场总线 (Foudation FieldBus，FF)标准的总线设备接入。

某电厂2×660 MW超超临界机组于2015年投产，是湖南省首个大规模采用现场总线技术的火力发电厂，除影响机组安全的重要系统 (如 MFT，DEH，MEH，SOE)、测点 (如给水流量、炉膛压力)、执行机构 (如锅炉给水电动门、给水泵出口电动门、过热器或再热器减温水调节阀、高压旁路或低压旁路减温、减压调节阀)外，全厂90%以上的仪表和执行机构均采用现场总线。

1 现场总线控制系统结构

图1 FCS结构示意图

1.1 FCS结构

湖南某电厂 FCS采用爱默生公司的 Ovation V3.5系统，其硬件结构示意图如图1所示，FCS中控制柜内硬件结构跟常规分散控制系统 (Distributed Control System，DCS)基本相同，主要由控制器、常规I/O模件、总线模件、工业以太网、服务器、工程师站和操作员站等组成。压力、差压、液位、流量等信号和气动调节阀门相关信号均通过FFH1网络传输到控制柜内的FF模件；电动执行机构相关信号采用Profibus－DP网络进行信息交互。由于温度变送器成本较高，温度信号仍采用常规I/O模件 (如热电阻RTD、热电偶TC模件等)进行数据采集。

1.2 Profibus－DP总线网络

Profibus标准由 Profibus－DP，Profibus－PA和Profibus－FMS共3个兼容部分组成，其中Profibus－DP是一种高速通信协议，主要实现开关量信息交换；Profibus－PA是一种低速通信协议，适用于模拟量信息交换，具有本征安全特征；Profibus－FMS面向车间级监控网络，用于完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。

该厂大部分电动执行机构采用Profibus－DP总线网络实现通信，完成远程操作。如图 1所示，Profibus－DP总线网络主要由Profibus－DP模件、光电转换器、DP插头、总线设备、有源终端电阻和DP总线电缆组成，总线设备之间串行连接，通过Profibus－DP模件与Ovation控制器连接完成通信。有源终端电阻是Profibus－DP总线网络中的重要设备，布置在Profibus－DP总线网络的尾端。为了确保Profibus－DP总线网络通信的稳定性，有源终端电阻和 DP插头上终端电阻的开关均要拨到“ON”，以消除通信电缆中的信号反射。为了提高网络通信的可靠性，Profibus－DP总线网络和Profibus－DP模件冗余配置，并应选用支持总线通信冗余的总线电动执行机构。

Profibus－DP总线网络通信特性参数如表1所列，传输速率越大，信号传输距离越短，抗干扰能力越弱。厂家推荐传输速率设置为500 kb/s(对应最大传输距离400 m)，但根据现场调试实际情况，Profibus－DP总线传输速率设置为187.5 kb/s时，通信稳定性较好。

表1 Profibus和FF总线网络通信特性参数

1.3 FF－H1总线网络

FF标准分低速H1和高速H2两种通信标准。FF－H2采用高速以太网；FF－H1属于低速通信网络，适合变化速率不是很快的模拟量信号传输。

电厂采用FF－H1总线网络接入仪表和气动执行机构。如图1所示，FF－H1总线网络成树形结构，主要由FF总线模件、电源调节器、FF接线盒、总线仪表和执行机构以及终端电阻组成。FF模件是FF－H1总线网络和Ovation控制器之间实现通信连接的桥梁，一块模件可接入2段FF－H1总线网络。FF模件不支持冗余配置，所以冗余配置的测点应划分到不同FF－H1总线网段。电源调节器输出27 V左右直流电压，给总线仪表或执行机构控制器供电。FF接线盒布置在总线仪表或执行机构附近，一个FF接线盒可接入8台总线设备。

FF－H1总线网络通信特性参数如表1所示，其传输速率为31.25 k/s，传输距离可达1 900 m，所以FF－H1总线一般不需要通过光电转换器延长通信距离。一条FF－H1总线网络推荐接入的总线设备不超过8台，实际应用中只有少数FF－H1总线网络进行了扩展，接入了超过8台总线设备。

2 现场总线调试方法

现场总线调试是一个系统工程，跟所有参建单位 (包括设计单位、建设单位、安装单位、调试单位、FCS硬件厂家、FCS组态厂家、总线咨询单位等)有关。现场总线设计对调试的影响很大，好的设计可以减少现场总线安装和调试过程中的重复性工作。文中将现场总线调试方法分为组织协调、现场设备检查、组态检查、通信调试与诊断、动态调试共5个步骤。

2.1 组织协调

现场总线调试分工没有明文规定，但是通过现场总线在国内众多火电厂的应用与调试，已经约定俗成。文献 〔2〕强调了现场总线安装调试应科学组织合理分工，并对各参建单位进行了具体分工，在此不再赘述。但为了更好地协调多方参建单位，建议成立现场总线调试小组，由安装单位、调试单位、FCS硬件厂家、FCS组态厂家、业主工程部等单位技术人员组成，小组核心成员应固定且专门负责现场总线调试，便于各参建单位的沟通协调，缩短现场总线调试工期。值得一提的是，在现场总线安装、调试前，业主工程部应要求设计单位、FCS硬件厂家和总线咨询单位协助建立全厂现场总线台帐，台帐内容应包含总线网段划分、总线设备兼容性测试报告、总线设备通用站描述 (General Station Description，GSD) 和设备描述 (Device Description，DD)文件等内容。全厂现场总线台帐是现场总线设备到货验收、安装、组态和调试的重要依据，应在安装、调试过程中不断完善。

2.2 现场设备检查

现场设备检查的主要内容包括Profibus－DP和FF－H1现场总线的通信电缆屏蔽与接地是否符合规范、Profibus－DP总线终端电阻是否设置正确、Profibus－DP和FF模件是否工作正常等。总线模件是否工作正常，可以通过模件指示灯来判断。由于总线模件的配置花费时间较长，尤其是FF模件配置后还需热插拔、断电重启才能正常工作，应要求FCS硬件厂家在FCS受电后进行这项工作。

2.3 组态检查

2.3.1 Profibus－DP总线组态检查

Profibus－DP总线组态检查的主要内容包括Profibus－DP总线阀门通讯地址设置、打包点组态等。Profibus－DP总线阀门的反馈和指令打包点或解包点应根据阀门厂商提供的总线通信数据位说明进行正确组态，并由业主工程部确认需要哪些阀门故障报警类型，以便在阀门运维过程中辨识故障类型。Profibus－DP总线组态大致分为导入 GSD文件、Profibus－DP模件配置、Profibus－DP总线阀门(或从设备)配置和总线数据位逻辑组态4个步骤。Profibus－DP模件和Profibus－DP总线阀门的详细配置步骤可参考 Ovation系统组态配置说明书〔4〕。Profibus－DP总线阀门配置即在Ovation系统综合组态程序 (Ovation Developer Studio，以下简称Studio)中配置与实际总线阀门对应的总线虚拟设备，总线数据位逻辑组态通过与虚拟设备关联的打包点获取总线阀门的状态信息 (包括开/关、远方/就地、故障反馈和开/关指令)，参与逻辑控制，实现阀门远方操作和顺序控制。重点检查Studio中总线阀门设置的通信地址是否与对应的就地阀门一致，以及打包点数据位的物理含义是否与组态逻辑相符。

2.3.2 FF－H1总线组态检查

由安装单位提供就地FF总线仪表或气动执行机构的生产商、版本型号以及设备编码，以便在组态时正确设置。FF总线组态大致分为导入DD文件、FF模件配置、FF总线仪表或阀门定位器配置和总线功能块 (如FFAI，FFAO)逻辑组态4个步骤。FF模件和FF总线仪表配置可参考Ovation系统组态配置说明书〔5〕。总线功能块逻辑组态是利用Ovation系统控制建立程序 (Control Builder)创建含有FFAI或FFAO功能块的控制页，实现总线仪表数据的调用。重点检查Studio中虚拟FF总线仪表的参数设置是否与实际仪表一致，以及Studio中FF总线仪表变量名的物理意义是否与控制页中FFAI或FFAO功能块的设置和相关控制算法相符。

2.4 通信调试与诊断

2.4.1 Profibus－DP总线通信调试与诊断

确认整条Profibus－DP总线网段上所有设备的型号以及地址已安装、设置正确，已用现场总线通信诊断工具profitrace扫到该网段上所有总线设备；确认组态厂家已在Studio和Control Builder中对该条网段上所有总线设备正确组态。通知安装单位将DP插头接入Profibus－DP总线模件，利用Studio软件功能进行总线通信调试与诊断。通信诊断具体操作步骤如下:

1)打开Studio，选择设备所在的控制器和网段，对其进行 “engineer”操作。

2)对主站进行配置 (Configuration)，检查其IP地址 (TCP/IP Address)是否与控制器一致。若不一致，则修改为一致。

3)在设备分配区 (Device Assignment)选择设备对应的网段，完成后点击应用 (Apply)。

4)对主站连接诊断 (Connect Diagnosis)，选择站诊断 (Station Diagnosis)，观察此网段所有设备的显示状态。若被诊断的设备显示 “正常”或者 “诊断”，显示绿灯或黄灯，则表示对应设备已通讯上；若诊断的设备显示 “错误”或者 “未找到”，显示红灯或不亮，则表示对应设备未通讯上，需查找原因。

在通信调试过程中，若设备未通讯上，可使用现场总线通信诊断工具 (如profitrace)进行通信信号波形分析、通信报文抓取和分析等，分析和定位故障原因和位置等，可及时排除通信故障。

2.4.2 FF－H1总线通信调试与诊断

FF总线设备是由FCS控制柜中电源调节器进行供电。FF总线设备带电，并已完成组态后，便可以在Studio上对FF总线设备直接进行通信调试。将FF总线接线盒的8个分支拆下只留下1个分支，在Studio上进行 “commission”操作，通信上1个FF总线设备，新接上1个分支，依次进行。用于诊断FF总线设备通信是否正常的方法主要有2个:

1)对于FF总线变送器，只需在FCS画面上观察相应测点是否为好点，即可判断通信是否已正常。除此之外，还可以通过观察组态画面中FFAI功能块是否显示 “0×0000”，实际模式是否已经打到 “自动” 来诊断。

2)对于FF总线气动调节阀门 (如ABB气动阀门)，除了对阀门反馈是否为坏点进行判断之外，还可以在FCS监控画面上操作阀门，观察就地阀门的动作情况和反馈变化，检查相关组态页中FFAO功能块是否显示 “0×0000”，检查实际模式是否已经打到 “串级 (cascade)”状态。

2.5 动态调试

现场总线动态调试是指在机组点火吹管和整套启动调试阶段，对现场总线控制系统进行动态调试，主要考察现场总线控制系统的可靠性、稳定性以及现场总线设备的动态性能，如现场总线网络抗干扰能力、现场总线电动调阀的调节性能等。

3 调试发现的问题和对策

1)现场总线台帐建设严重滞后对调试工作带来很大的负面影响。由于没有现场总线台帐，总线设备到厂验收时不清楚哪些是总线设备，容易出现仪表或执行机构到货与设计不符的现象，比如设计是总线设备而到货是常规设备。总线设备大多是进口设备，供货周期较长；若出现到货与设计不符，则因工期原因只能用常规设备代替，那么已敷设的总线电缆及其线槽就造成较大浪费；此外，没有现场总线台帐就无法及时进行总线组态，从而导致工期滞后。建议现场总线台帐的建设应在工程设计阶段就纳入规划，并在安装调试阶段不断完善，并设专人负责对其管理。

2)部分总线设备与FCS系统存在兼容性问题。比如锅炉近200台二次风门为ABB气动阀门，其定位器采用FF总线接入到FCS中。在总线调试过程中，为了节省总线组态时间提前为所有ABB气动阀门定位器做好组态，但调试时出现通讯不成功。通过反复验证发现，由于Ovation系统与ABB气动阀门定位器之间存在通信兼容性问题，一个网段上的ABB气动阀门定位器只能组态一台、通信上一台，依次进行。

3)终端电阻设置不当。调试过程中发现，部分Profibus－DP总线整条网段通信不稳定，有些设备能断续地通信，而有些设备完全不能通信。通过排查原因，为终端电阻设置不当，误将有源终端电阻和DP插头上的投退开关同时拨为ON或OFF，使得终端电阻不起作用。正确的设置是有源终端电阻的开关拨到ON，DP插头的开关拨到OFF。

4)部分总线设备出厂未经测试验收。某些总线电动门内部接线错误，A网段或B网段单独通信时正常，互为冗余通信时A，B网段通信混乱，两条网段均无法正常通信。通过修改电动门内部控制电路板连线，可解决此类问题。

5)Profibus－DP总线组态错误。Profibus－DP总线设备显示通信正常，且此设备在就地模式下能正常开关，但远方操作时设备不动作，或能动作但反馈不正确。经排查发现，总线组态时，设备指令或反馈对应的打包点数据位弄错，导致指令无法发出或反馈无法接收。按照总线设备通信数据位说明，检查、修改相应组态可解决此类问题。

6)对控制器多次下装后影响现场总线通信稳定。在调试初期，由于逻辑组态要根据现场设备情况进行不断修改优化，对控制器频繁下装，造成该控制器中调试正常的现场总线执行机构不能操作。这种情况一般可以通过清空控制器中存储的组态、重启该控制器、重新下装组态3个步骤来解决。

4 结论

文中总结了现场总线控制系统的结构和特点，提出了现场总线调试方法，阐述了现场总线调试步骤和重要事项，分析了调试过程中的典型问题并提出了解决办法，对现场总线调试工程具有重要参考价值。湖南某新建2×660 MW超超临界火电机组大规模应用了现场总线，经过精心调试，投产一年多还没有因为现场总线问题导致过机组异常，充分证明了现场总线技术在火电厂大规模应用的可行性。

一般FCS厂家还配套开发了智能设备管理系统，可以采集现场总线设备的更多有用信息，但目前软件使用费用较高。随着现场总线软硬件系统的日益成熟，其应用范围会更广，成本也会逐渐下降，从而成为建设智能化电站的必备组件。

〔1〕张站强.现场总线技术在660 MW超临界机组上的应用分析〔J〕.华电技术，2014，36(6):45-47.

〔2〕王刚，侯晓强，梁正玉.全厂现场总线技术在华能荆门2×350 MW新建机组上的应用 〔J〕.河南电力，2015(4):52-56.

〔3〕邱深辰，罗志浩，王异成.Profibus DP现场总线在火电机组的应用 〔J〕.浙江电力，2016，35(2):51-55.

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1008－0198(2016)06－0060－04

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.017

2016－09－28 改回日期:2016－10－10