国家能源集团国电电力邯郸东郊热电有限责任公司新建投运两台350MW超临界机组，在主机和全厂辅控成功推广使用了北京华电天仁电力控制技术有限公司设计研发的基于Profibus协议的现场总线技术。国家能源集团国电电力邯郸东郊热电有限责任公司的研究人员马成，在2020年第8期《电气技术》杂志上撰文，详细阐述了现场总线的应用范围以及运行情况，并总结了设备离线、网段通信故障和通信模块PB卡死机三种典型故障案例出现时的解决方法，为国产化现场总线技术在同类项目中的推广使用提供了参考。当前，火电机组特别是大容量、高参数机组的控制系统越来越复杂，同时在机组运营管理中愈发趋向于信息化、智慧化，所以对现场层的数据需求量逐步增大。现场总线技术作为一种开放式控制技术，其交互性、互换性、可集成性较高，具有较强的现场级信息集成能力，很好地满足了机组信息化建设中对“大数据”的需求。较早之前总线技术已在工业领域多个方面得到了应用，但多以进口技术为主。当前，随着我国科技水平的不断提高，国产化现场总线技术逐步得到大范围推广。邯郸东郊热电工程新建投运的两台超临界机组中，较大范围地使用了纯国产化的现场总线技术，并获得了良好的使用效果。通过研究分析其总线技术应用及维护的情况，有助于更加深入地掌握总线技术的内涵，同时也可为Profibus现场总线技术在同类型火电厂的安全、稳定应用提供一定的参考。1 主系统介绍邯郸东郊热电新建两台350MW热电联产机组，2017年底双机并网运行。锅炉采用北京巴布科克·威尔科克斯有限公司生产的超临界参数、一次中间再热、单炉膛、变压运行直流炉。汽轮机发电机制造商为北京北重汽轮电机有限责任公司，汽轮机采用超临界参数、单轴、一次中间再热、两缸两排汽抽汽凝汽式汽轮机。发电机采用水-氢-氢冷却方式。分散控制系统（distributed control system, DCS）采用北京国电智深控制技术有限公司生产的EDPF NT+系统。现场总线控制系统（fieldbus control system, FCS）采用北京华电天仁电力控制技术有限公司设计生产的FCS，采用Profibus通信协议。FCS具体由控制器、光电转换器、DP/PA转换器、PA分线盒、Y-Link连接器、终端电阻等组成。FCS通过国电智深公司生产的NT300-PB通信模块（简称PB卡）实现与DCS的信息交换。2 现场总线的应用情况Profibus通信协议还可细分为Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA。邯郸东郊热电采用了Profibus-DP和Profibus-PA两种协议的系统设备。Profibus-DP网络的通信速率是187.5kbit/s，采用RS-485方式传输，专门用于设备级控制系统与分散式I/O的通信方式，取代了24VDC或4～20mA信号传输，通信方式为循环数据通信。Profibus-PA网络通信速率是31.25kbit/s，应用于过程控制，它取代了过程控制中传统的4～20mA标准信号，以模拟量控制为主，通信方式不仅有循环数据通信，而且还有非循环数据通信。2.1 总线系统组织架构总线系统的组织架构由管理层、设备监控层、现场层3个层级组成。管理层是现场总线控制系统的人机交互口，负责系统组态、监控、参数设定以及报警显示、记录和故障诊断等。典型构成有操作员站和工程师站。设备监控层由分散处理单元（distributed processing unit, DPU）控制柜（内含有一对冗余总线控制PB卡）和分布在现场的就地控制柜组成，就地控制柜包含光电转换器、冗余/单路转换器（Y-LINK）、Profibus DP/PA转换器（耦合器）、终端电阻、中继器、电源模块、DP/PA电缆等。现场层由智能终端设备如马达保护器、变频器、智能电动阀门、就地仪表等组成。邯郸东郊热电在设计中要求主机系统的总线设备实现双网同时运行，在上位机可完成网络的相互交换；而辅助车间的控制系统在设备层处实现单网运行，这样既能满足安全要求，又节约成本。网络架构如图1所示。
图1 总线系统网络架构2.2 总线技术的应用范围全厂包括主机和辅助车间（化水、脱硫、脱硝、尿素、燃料等）范围内，汽轮机数字电液控制系统（digital electric hydraulic control system, DEH）、小汽轮机电液控制系统（micro elctro-hydraulic control system, MEH）、汽轮机跳闸保护系统（emergency trip system, ETS）、小汽轮机跳闸保护系统（micro emergency trip system, METS）、旁路控制系统（bypass control system, BPS）、炉膛安全监控系统（furnace safeguard supervisory system, FSSS）、汽轮机监视系统（turbine supervisory instrument, TSI）、炉膛壁温及6kV电压等级以上的电气系统仍采用硬接线控制方式，剩余其他系统均采用总线控制。总线设备类型包含了变送器、电动执行机构、气动执行机构、分析仪表、热电偶阻、380V马达保护器、综合测控装置等。各类现场总线仪表及监控总线覆盖率达95%左右。全厂总线设备分布情况见表1。
图3 DP九针串口外形及内部图3.2 通信中断经检查发现380V除灰动力中心（power center, PC）段低压开关设备在DCS画面无电流显示。380V除灰PC段设备均通过综合测控装置实现DCS实时监控和操作，电流量来自综合测控装置。现场查看各开关测控装置无问题，查以上设备所属PB卡运行情况，发现DPU51 A2卡（如图4所示）、DPU52 A2卡（如图5所示）所带设备通信状态为红色，即设备“离线”通信中断，故电流无显示。
图4 DPU51 A2卡运行情况
图5 DPU52 A2卡运行情况经过类似案例1中的方案进行逐一检查后，发现PB卡、就地控制柜、保护装置、九针串口均无明显故障。这时需要有进一步的手段去排除故障。采取在总线就地控制柜对通信报文进行“监听”。需要用到总线调试工具“ProfiTrace”，对网段内各个设备的运行情况进行一次实时监测，即通过读取报文来确认，当主站DCS对各个从站（测控装置）发出询问信息时，各个从站是否在规定的时间内答复主站。通过监测，可以看到地址为22、23、24、25的从站在面对主站的问询时，无答复。其中地址22代表除灰PC 01A段工作进线开关，地址23代表01A段电压互感器开关，地址24代表灰库电机控制中心（motor control center, MCC）电压开关，地址25代表除灰PC段母联开关。因此可以确定的是从站未能与主站保持良好的通信，此时就将故障范围锁定在了总线就地控制柜与就地从站之间。对DPU52 A2卡网段进行相同操作，结果相同：DPU52 A2卡的地址21、地址22、地址23均未能答复主站的询问信息。总线就地控制柜与从站装置之间是通过DP总线电缆进行连接的，所以故障点可能出在：测控装置、九针串口、DP总线电缆这三方面。经检查，DP总线电缆、九针串口、综测马保装置均无明显问题。这时通过分析整个网段的通信故障及接线方式发现问题有可能出在接线方式上。具体来说，现场的接线方式如图6（a）所示，该种连接方式不利于通信数据的传输，而正确标准的通信连接方式应该是如图6（b）所示“手拉手”式有进有出的形式。按照图6（b）所示进行现场修改接线后，故障消失，系统恢复正常。
