國產化總線技術在超臨界火電機組的應用

國家能源集團國電電力邯鄲東郊熱電有限責任公司新建投運兩臺350MW超臨界機組，在主機和全廠輔控成功推廣使用了北京華電天仁電力控制技術有限公司設計研發的基於Profibus協議的現場總線技術。

國家能源集團國電電力邯鄲東郊熱電有限責任公司的研究人員馬成，在2020年第8期《電氣技術》雜誌上撰文，詳細闡述了現場總線的應用範圍以及運行情況，並總結了設備離線、網段通信故障和通信模塊PB卡死機三種典型故障案例出現時的解決方法，為國產化現場總線技術在同類項目中的推廣使用提供了參考。

當前，火電機組特別是大容量、高參數機組的控制系統越來越複雜，同時在機組運營管理中愈發趨向於信息化、智慧化，所以對現場層的數據需求量逐步增大。現場總線技術作為一種開放式控制技術，其交互性、互換性、可集成性較高，具有較強的現場級信息集成能力，很好地滿足了機組信息化建設中對「大數據」的需求。較早之前總線技術已在工業領域多個方面得到了應用，但多以進口技術為主。

當前，隨著我國科技水平的不斷提高，國產化現場總線技術逐步得到大範圍推廣。邯鄲東郊熱電工程新建投運的兩臺超臨界機組中，較大範圍地使用了純國產化的現場總線技術，並獲得了良好的使用效果。通過研究分析其總線技術應用及維護的情況，有助於更加深入地掌握總線技術的內涵，同時也可為Profibus現場總線技術在同類型火電廠的安全、穩定應用提供一定的參考。

1 主系統介紹

邯鄲東郊熱電新建兩臺350MW熱電聯產機組，2017年底雙機併網運行。鍋爐採用北京巴布科克威爾科克斯有限公司生產的超臨界參數、一次中間再熱、單爐膛、變壓運行直流爐。

汽輪機發電機製造商為北京北重汽輪電機有限責任公司，汽輪機採用超臨界參數、單軸、一次中間再熱、兩缸兩排汽抽汽凝汽式汽輪機。發電機採用水-氫-氫冷卻方式。分散控制系統（distributed control system, DCS）採用北京國電智深控制技術有限公司生產的EDPF NT+系統。

現場總線控制系統（fieldbus control system, FCS）採用北京華電天仁電力控制技術有限公司設計生產的FCS，採用Profibus通信協議。FCS具體由控制器、光電轉換器、DP/PA轉換器、PA分線盒、Y-Link連接器、終端電阻等組成。FCS通過國電智深公司生產的NT300-PB通信模塊（簡稱PB卡）實現與DCS的信息交換。

2 現場總線的應用情況

Profibus通信協議還可細分為Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。邯鄲東郊熱電採用了Profibus-DP和Profibus-PA兩種協議的系統設備。Profibus-DP網絡的通信速率是187.5kbit/s，採用RS-485方式傳輸，專門用於設備級控制系統與分散式I/O的通信方式，取代了24VDC或4～20mA信號傳輸，通信方式為循環數據通信。

Profibus-PA網絡通信速率是31.25kbit/s，應用於過程控制，它取代了過程控制中傳統的4～20mA標準信號，以模擬量控制為主，通信方式不僅有循環數據通信，而且還有非循環數據通信。

2.1 總線系統組織架構

總線系統的組織架構由管理層、設備監控層、現場層3個層級組成。管理層是現場總線控制系統的人機互動口，負責系統組態、監控、參數設定以及報警顯示、記錄和故障診斷等。典型構成有操作員站和工程師站。

設備監控層由分散處理單元（distributed processing unit, DPU）控制櫃（內含有一對冗餘總線控制PB卡）和分布在現場的就地控制櫃組成，就地控制櫃包含光電轉換器、冗餘/單路轉換器（Y-LINK）、Profibus DP/PA轉換器（耦合器）、終端電阻、中繼器、電源模塊、DP/PA電纜等。現場層由智能終端設備如馬達保護器、變頻器、智能電動閥門、就地儀表等組成。

邯鄲東郊熱電在設計中要求主機系統的總線設備實現雙網同時運行，在上位機可完成網絡的相互交換；而輔助車間的控制系統在設備層處實現單網運行，這樣既能滿足安全要求，又節約成本。網絡架構如圖1所示。

圖1 總線系統網絡架構

2.2 總線技術的應用範圍

全廠包括主機和輔助車間（化水、脫硫、脫硝、尿素、燃料等）範圍內，汽輪機數字電液控制系統（DEH）、小汽輪機電液控制系統（MEH）、汽輪機跳閘保護系統（ETS）、小汽輪機跳閘保護系統（METS）、旁路控制系統（BPS）、爐膛安全監控系統（FSSS）、汽輪機監視系統（TSI）、爐膛壁溫及6kV電壓等級以上的電氣系統仍採用硬接線控制方式，剩餘其他系統均採用總線控制。

總線設備類型包含了變送器、電動執行機構、氣動執行機構、分析儀表、熱電偶阻、380V馬達保護器、綜合測控裝置等。各類現場總線儀表及監控總線覆蓋率達95%左右。全廠總線設備分布情況見表1。

表1 全廠總線設備分布表

全廠總計使用總線技術的智能終端達到2307臺，其中PA設備927臺、DP設備1380臺；PA設備包含了來自多個不同品牌的流量計、壓力表、液位計等等，DP設備包含了多種型號的馬達保護器、變頻器、電動閥門等等。就使用總線的範圍上來說，邯鄲東郊熱電在同類型火電項目中走在前列。

3 故障處理分析

總線設備自投運至今，運行穩定，真正突破了信號傳輸傳統的「點對點」模式，實現了現場儀表與主控單元的雙向數據傳輸交互，尤其是其自診斷功能，極大地提升了火電機組運行管理的自動化和信息化水平。但在使用初期，由於安裝、調試期間的一些缺陷，使總線設備在運行中出現了一些問題。下文選取了3個典型的故障案例進行剖析，進一步掌握現場總線排除故障的方法。

3.1 設備離線

#1、#2石灰乳輸送泵變頻器無法操作，#1、#2泥漿輸送泵變頻器無法操作。

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於Y-LINK Y03和Y04，而Y03和Y04兩者均送至了DCS的DPU06 A2卡。通過工程師站查看以上設備的實時狀態可看到涉及DUP06 A2卡網段設備均處於「離線」狀態。

故障排查方法如下：首先採用支路停電的方法，將Y03支路從網段中隔離出，發現Y04所帶網段恢復正常；而恢復Y03支路將Y04支路從網段中隔離出時，整個網段故障並未能消除。可知，故障處於Y03支路。

將Y03卡和終端電阻與各個接地設備的連線依次斷開，測量DP總線電纜紅線和綠線之間電阻值及紅綠線分別對地的電阻值。正常情況下，DP總線電纜的兩芯線（紅線和綠線）之間及紅綠線對地都應是絕緣的，總線電纜的內部結構如圖2所示。而此處紅綠線之間的電阻為八十多，屬不正常狀態。

再進一步縮小目標範圍，依次檢查各個馬達保護器後端九針串口的「撥碼開關」，發現#2泥漿輸送泵變頻器後的九針頭撥碼開關位置打錯了，恢復撥碼開關位置後，再量紅綠線間電阻值已恢復至k級。將所有線路恢復後，通過工程師站查看，系統已恢復正常。

圖2 總線電纜內部結構

經分析可知，九針串口（如圖3所示）的撥碼開關關乎的是並聯在通信線路上的負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載阻抗可以有效抑制反射波從而降低噪聲信號幹擾。

圖3 DP九針串口外形及內部圖

3.2 通信中斷

經檢查發現380V除灰動力中心（power center, PC）段低壓開關設備在DCS畫面無電流顯示。

380V除灰PC段設備均通過綜合測控裝置實現DCS實時監控和操作，電流量來自綜合測控裝置。現場查看各開關測控裝置無問題，查以上設備所屬PB卡運行情況，發現DPU51 A2卡（如圖4所示）、DPU52 A2卡（如圖5所示）所帶設備通信狀態為紅色，即設備「離線」通信中斷，故電流無顯示。

圖4 DPU51 A2卡運行情況

圖5 DPU52 A2卡運行情況

經過類似案例1中的方案進行逐一檢查後，發現PB卡、就地控制櫃、保護裝置、九針串口均無明顯故障。

這時需要有進一步的手段去排除故障。採取在總線就地控制櫃對通信報文進行「監聽」。需要用到總線調試工具「ProfiTrace」，對網段內各個設備的運行情況進行一次實時監測，即通過讀取報文來確認，當主站DCS對各個（測控裝置）發出詢問信息時，各個從站是否在規定的時間內答覆主站。通過監測，可以看到地址為22、23、24、25的從站在面對主站的問詢時，無答覆。

其中地址22代表除灰PC 01A段工作進線開關，地址23代表01A段電壓互感器開關，地址24代表灰庫電機控制中心（motor control center, MCC）電壓開關，地址25代表除灰PC段母聯開關。因此可以確定的是從站未能與主站保持良好的通信，此時就將故障範圍鎖定在了總線就地控制櫃與就地從站之間。

對DPU52 A2卡網段進行相同操作，結果相同：DPU52 A2卡的地址21、地址22、地址23均未能答覆主站的詢問信息。

總線就地控制櫃與從站裝置之間是通過DP總線電纜進行連接的，所以故障點可能出在：測控裝置、九針串口、DP總線電纜這三方面。經檢查，DP總線電纜、九針串口、綜測馬保裝置均無明顯問題。

這時通過分析整個網段的通信故障及接線方式發現問題有可能出在接線方式上。具體來說，現場的接線方式如圖6（a）所示，該種連接方式不利於通信數據的傳輸，而正確標準的通信連接方式應該是如圖6（b）所示「手拉手」式有進有出的形式。按照圖6（b）所示進行現場修改接線後，故障消失，系統恢復正常。

圖6 通信網絡接線圖

另外，為進一步排除主站DCS的影響，還通過在PB卡處建立虛擬主站的方式進行了通信測試，結果顯示在圖6（a）所示的接線方式下無法進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範所致。圖6（a）所示為星型接法，儘管在某些短距離、低速率情況下可以正常工作，但隨著通信距離的延長或通信速率的提高，信號會在支路突變部位或者末端產生很大的反射幹擾信號，造成通信傳輸信號質量的急劇下降，直至導致通信中斷。

而圖6（b）的接法為真正意義上的串接，所有設備節點均平滑過渡，沒有突變，大大減少了不連續的反射，極利於信號傳輸。排除故障後通信報文恢復正常。

另外，在運行中還出現了其他情況下產生的通信中斷：由於就地設備受潮引起通信板故障，而造成通信故障；由於設備通信接口隔離晶片受損，而造成的通信信號時好時壞的情況。以上異常情況，均可通過在線測量總線電纜紅綠線之間的電壓和斷電情況下測量總線電纜紅綠線之間的電阻，來判定故障的原因。

3.3 雙網癱瘓

運行中，#1機組DPU19 A1上互為冗餘的A網和B網同時出現「準備中」的不正常狀態。同時表現為，該網段上所有電動執行機構、馬達保護裝置均無法操作，壓力、流量等測點不再變動。不久之後#2機組也出現了類似情況。

依據總線系統雙網冗餘配置的運行規則，當A網發生故障後應自動切換至B網，以便保證網絡繼續運行。而如果B同時也發生故障，則A、B網均表現為「準備中」，出現雙卡死機、通信癱瘓的惡劣情況。針對這種情況，推測為PB程序存在缺陷，於是聯繫國電智深公司對PB卡進行軟體升級，消除缺陷。升級後再次模擬相似故障進行測試。

採用在電動執行機構處人為製造短路故障的方式測試雙網通信癱瘓是否還發生。選取某具有雙通信口的電動閥門作為測試對象，分別將其A網通信線中的紅綠線短接，之後將其B網通信紅綠線短接，再同時將A、B網的通信紅綠線短接，查看通信情況，具體試驗情況見表2。

表2 升級前後設備故障狀態對比表

隨後，又在其他執行機構、馬達保護器處及Y-Link處進行了相同試驗，均未再出現通信癱瘓的情況，證明此次PB卡升級徹底解決了雙網死機情況下造成的系統通信癱瘓問題。

4 應用現場總線技術的優勢

1）節約施工費用，後期擴容較為便捷。總線設備接線簡單，通過一對DP或PA電纜可「掛接」多個就地設備，可節約大量控制電纜，減少電纜的安裝接線工程量。更重要的是，當後期需要增加新設備時，無需重新敷設電纜，可就近連接在原有的總線電纜上即可。

2）系統自行診斷，增強設備維護管理水平。現場總線系統採用全數位化技術，終端智能現場裝置可發送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，並且還具備檢測信息差錯的功能。因此，可對現場裝置進行遠方診斷、維護和組態，這方面優越性是DCS無法比擬的。

3）網絡冗餘配置，提高設備可靠性。總線系統採用雙網冗餘配置，一旦單個設備或單條網段發生故障，可自動切換至另一網段，不影響其他設備或另一網段的運行。

4）全數位化通信，實現快速準確響應。DCS的信息全都是二進位或模擬信號形成的，必須D/A與A/D轉換。而總線系統是全數位化，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 結論

通過以上分析可看到，國產化現場總線技術在東郊熱電得到了充分應用並展現出了絕對的優勢，同時也必須承認總線技術的應用是一個系統工程，需要把設計、安裝、調試、運維每一個環節都進行仔細地分析研究。尤其在故障排除方面有著極大的不確定性，處理措施也複雜多樣。

面對總線應用的各類故障時，應根據具體現象查明故障所屬的類別，並採取對應的解決措施。相信隨著設備性能的日趨完善，以及技術人員研究的不斷深入，國產化總線技術必將在火電企業的應用中大放光彩。