FF总线在现场应用中远距离传输信号衰减研究

2023-01-15王远鹏合蕊杨梅刘星滟

中国设备工程 2023年1期

王远鹏，合蕊，杨梅，刘星滟

（红塔烟草（集团）有限责任公司昭通卷烟厂，云南昭通 657100）

FF总线因其具备开放性、互用性、分散性和适应性被广泛应用于工业控制系统中，昭通卷烟厂能源管理系统所属仪表均采用FF总线通信协议进行数据传输，以此保证工厂能源计量准确性，同时基于所采数据进行部分远程控制设置，实现全程能源集中监控、远程自动控制，有效提升能源管理水平。因能源计量仪表存在点多面广的特点，造成FF总线远距离信号传输局面，导致部分远端计量点通信不稳定影响能源计量准确性。

1 应用现状

1.1 技术架构

根据昭通卷烟厂能管业务现状，围绕项目系统功能实现技术要求和能源管理系统自身特点，按照技术框架既切合系统功能实现要求又重点突出、科学合理、层次清晰的原则，系统的整体技术架构设计，如图1所示。

图1 技术架构

昭通卷烟厂能管系统技术架构将遵循典型的管控一体化系统体系结构。按照这种结构，整个昭通卷烟厂能源管理系统将由现场设备层、设备控制层、集中监控层、信息管理层四个层次组成，详细说明如下。

（1）现场设备层。现场设备层包括远程I/O、电磁流量计、涡街流量计、压力变送器、智能电度表、多功能电度表、回路状态采集模块等现场计量检测仪表。主要完成水、蒸汽、压缩空气、电四种能源的计量和数据采集。

（2）网络通信层。网络通信层主要由PLC控制器、通信管理机、交换机、串口服务器、网关及其他通信网络接口等组成。实现将现场仪表的数据上传至监控中心，与各个能源设备控制系统建立通信接口，向各个能源控制系统传递来自集中监控层的远程操作指令或参数信息，向集中监控层反馈各个能源设备的运转状况。

（3）集中监控层。集中监控层主要由能管系统数据库、能源管理系统工程师站、能源管理系统操作员站、3D图形工作站、OPC服务器、SCADA服务器、LED大屏等组成。一是通过3D图形工作站、工程师站、操作员站来实现各个能源设备的集中监控功能；二是通过仪表在线管理服务器和仪表管理站来实现各个总线仪表的在线管理；三是通过部署在能源中心的LED大屏幕监控系统，来实现主要监控画面的分屏监视。

（4）信息管理层。信息管理层用于实现能源信息管理功能，由本项目当中部署在监控中心的数据库服务器、能管系统服务器、Web服务器等组成。基于厂内局域网，通过B/S（浏览器/服务器）方式，向全厂各级管理人员提供能源信息管理功能。

1.2 软件层次架构

系统主要包括数据采集模块、数据库、实时监控系统、统计分析模块：数采模块包括计量仪表、数采网关、PLC、通信管理机、OPC服务器；数据库包括HH实时数据库、SQL Server2016关系数据库；实时监控系统包含ICONICS G64监控软件；统计分析包含Report Service开发相关报表。

图2 软件层次架构

2 FF现场总线仪表在现场应用

2.1 FF现场总线技术特点

FF总线技术其主要特性按数据传输的速率分为HSE和H1两种标准，前者采用TCP/IP6层模型，主要用于工业以太网应用，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。其中HSE传输率可达100Mbit/s，H1传输率为31.25kbit/s，驱动电压为（9～32）VDC的电压模型，无中继器时电缆（分支+主干）长度应不大于1900m，单个分支电缆长度在30～120m范围内，无中继器时设备挂接数不得超过32台（不包含阀门），可以用中继器数不得超过4台。

表1 建议最大支线长度

2.2 FF总线仪表现场问题

昭通卷烟厂现场仪表传输采用H1标准传至所属网关后经过HSE标准传至集中监控层，以水系统计量为例。水系统计量均采用FF总线通讯协议的罗斯蒙特电磁流量计，现场仪表采用A型18AWG（0.8mm2）规格的钢丝铠装屏蔽双绞线做完信号线同时电磁流量计需单独供220VAC电源，通信经接线盒及分配箱与FF网关相连接后通过光纤接入交换机。

如图3所示因水管改造，在现场新增指挥中心流量计同时增加末端接线盒，原网段由办公楼外接线盒分支接出的总线挂接仪表数量从2台上升到3台，并且支线长度由90m增加至120m，以上变化导致改造后图3所示办公楼网关所属仪表频繁报警，每次故障仪表不同。

图3 仪表现场接线示意图

2.3 FF总线仪表故障诊断

对现场仪表、线缆、接线盒、分配箱等分段逐一进行诊断、排查后将问题锁定在温室流量计，针对温室流量计进行以下故障诊断处理。

（1）流量计故障排查。温室现场流量计为一体式安装罗斯蒙特8705系列电磁流量计，变送器采用支持FF总线的8732E型。公称内径25mm，准确度等级0.3级，采用220V外部电源供电，安装于给水内。从以下几个方面进行检查，首先，外观检查，外观完好无损坏；其次，变送及传感器检查，仪表显示正常现场用水测试与监控界面测试，测试通过；最后，仪表接线端子检查，因仪表自2018年投运至今长期处于环境湿度为40%～90%RH的潮湿环境中，密封圈劣化后接线端子出现长霉现象，导致接触不良。现场对接线端子进行清洁工作，同时为避免导线接触不良，对所接导线制作线鼻子，保证接触良好。以上操作完成后，恢复原线路测试，经过27h运行后故障再次出现。

（2）线路故障排查。对通讯线进行电压测试，测试情况如表2。

表2 RS485两线制通信方式线路电压测试（单位：V）

由表2可见，通信线电压在指挥中心接入系统后电压被拉低，低于FF总线基本要求（9V），脱开后工况恢复到技术要求范围内线路电压正常。由于现场未设置FF总线中继器，考虑采用电源调节器补偿压降，随查阅FF相关资料，资料显示FF总线支持总线供电，能够在一根双绞线上同时实现供电和通许，FF总线调节器是一个“电源净化器”，基本功能是允许主配电源的直流电源传送到H1网段的同时，并阻断H1总线上的通讯脉冲信号与稳压电源的联系。小组探讨后，采取在支线增加Pepperl＋Fuchs的FieldConnex现场总线调节器，同时，在分配箱内增加SIEMENS DC24V电压为调节器提供电源，现场试验后进行电压测试。

由表3可知，在支线加装FF总线有源调节器后支线压降得以解决，同时故障解决，温室流量计恢复正常计量进入试运行。试运行5h后，所属网关7个计量器具均故障，现场电压检测为支线电压反向供给干线导致干线电压异常出现通信故障。