謝高超

(騰龍芳烴(漳州)有限公司，福建 漳州 362400)

淺談FF總線網(wǎng)段及其儀表的診斷維護(hù)

謝高超

(騰龍芳烴(漳州)有限公司，福建 漳州 362400)

在介紹FF總線原理和網(wǎng)段設(shè)計(jì)組態(tài)原則的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)說明了利用3種方法進(jìn)行FF總線網(wǎng)段及其儀表診斷的方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工、生產(chǎn)中易出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)設(shè)備的維護(hù)。

FF現(xiàn)場(chǎng)總線 網(wǎng)段 儀表 診斷

基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(Foundation Fieldbus，F(xiàn)F)技術(shù)使過程控制領(lǐng)域發(fā)生了很大的變化，它把全數(shù)字化的雙向多點(diǎn)通信引入到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，在未來的化工控制領(lǐng)域中的應(yīng)用會(huì)逐年加大。因此，對(duì)于每一個(gè)儀表維護(hù)人員來說，僅有4～20mA傳統(tǒng)儀表的理論和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須掌握有關(guān)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的理論、設(shè)計(jì)、安裝、診斷及故障判斷等方面的技術(shù)，只有這樣才能在儀表維護(hù)工作中跟得上技術(shù)的進(jìn)步，才能做到得心應(yīng)手。

1 FF現(xiàn)場(chǎng)總線介紹

FF總線是為滿足客戶互換性、統(tǒng)一性要求由國(guó)際兩大自動(dòng)化組織ISP和World Fip制定的統(tǒng)一的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，它是雙向全數(shù)字化的多節(jié)點(diǎn)串行通信。FF總線的協(xié)議是開放的，不同廠商的儀表只要滿足FF協(xié)議并經(jīng)過認(rèn)證，便可在FF總線上使用。

FF總線按數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾士煞譃镠SE和H1兩種標(biāo)準(zhǔn)，前者采用TCP/IP6層模型，主要用于離散控制，為高速FF總線；后者采用3層模型(物理層、鏈路層、應(yīng)用層)，為低速FF總線。根據(jù)供電方式不同又分為總線供電和非總線供電，總線供電是在一對(duì)雙絞線上既提供9～32V(DC)電源又傳輸經(jīng)過調(diào)制的15～20mA電流?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)的過程控制基本使用低速且以總線供電方式為主的H1總線。

FF H1總線采用令牌傳遞的控制方式，網(wǎng)段上有3種形式的設(shè)備：鏈路活動(dòng)調(diào)度器(LAS)、基本設(shè)備和網(wǎng)橋。鏈路活動(dòng)調(diào)度器為核心設(shè)備，起管理網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)設(shè)備鏈路調(diào)度表和傳遞令牌的作用。FF總線有3種虛擬通信關(guān)系：出版者/訂閱者、報(bào)告分發(fā)、客戶機(jī)/服務(wù)器，其中第1種為受調(diào)度周期通信，主要滿足各設(shè)備功能塊交換信息實(shí)現(xiàn)控制功能；第2、3種為非周期通信，其中，報(bào)告分發(fā)用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備報(bào)警、趨勢(shì)記錄的作用，客戶機(jī)/服務(wù)器用于設(shè)備調(diào)試標(biāo)定、診斷時(shí)的臨時(shí)通信。由于在總線各節(jié)點(diǎn)間，與控制功能相關(guān)的通信能保證被按周期強(qiáng)制執(zhí)行和管理，因此能保證控制的及時(shí)性[1]。

要使FF總線網(wǎng)段能正常運(yùn)行，總線網(wǎng)段的設(shè)計(jì)必須要考慮以下幾點(diǎn)：網(wǎng)段布局避開大功率設(shè)備，網(wǎng)段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇，電纜選擇，網(wǎng)段上儀表和閥門的掛接數(shù)量的規(guī)定，冗余儀表安全設(shè)計(jì)原則。

另外，在組態(tài)時(shí)應(yīng)盡可能地減少FF總線上的通信量以提高通信速度。具體措施如單回路儀表PID模塊放在定位器中，串級(jí)回路儀表副回路PID放在定位器中，同一回路儀表閥門放在同一網(wǎng)段中避免跨網(wǎng)段引用，網(wǎng)段的宏周期需綜合考慮非周期通信的需求，預(yù)留出足夠的裕量[2]。

2 FF總線儀表在某廠的概況和出現(xiàn)的問題

2.1儀表概況

某廠FF總線儀表有6 350臺(tái)，分為1 102個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段平均掛接數(shù)量在5～6臺(tái)，網(wǎng)段結(jié)構(gòu)采用雞爪形，網(wǎng)段上H1卡件、電源模塊(調(diào)節(jié)器)冗余配置、安全柵設(shè)置于現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)，主干線采用增安型防爆，支線到表頭為本安型，為配合本地區(qū)多雷雨的情況，現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)設(shè)避雷器，且在機(jī)柜間出口有浪涌保護(hù)。網(wǎng)段干線統(tǒng)一在機(jī)柜間進(jìn)行屏蔽接地(排擾/屏蔽線)，支線在接線箱內(nèi)通過箱-柱-裝置框架接地。全網(wǎng)段除H1卡件采用Deltav產(chǎn)品外，所有設(shè)備均采用P+F成熟產(chǎn)品。且在機(jī)柜間每個(gè)網(wǎng)段均設(shè)有一塊在線高級(jí)診斷模塊(HD2-DM-A)集成于電源模塊Power Hub之上。診斷信息通過485總線和485轉(zhuǎn)RJ45連接于AMS(資產(chǎn)管理系統(tǒng))站。FF網(wǎng)段結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某廠FF網(wǎng)段結(jié)構(gòu)

電源模塊具有干線的防短路保護(hù)功能，且集成有機(jī)柜間一側(cè)的網(wǎng)端。安全柵具有支線的防短路保護(hù)功能，支路短路時(shí)電流會(huì)被鉗制在50mA，可帶4路儀表，現(xiàn)場(chǎng)指示燈可以指示通信故障和哪一路出現(xiàn)問題。集成網(wǎng)端視安全柵所處的位置而撥On或Off。

2.2施工和生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題

某廠FF總線網(wǎng)段和儀表在工程施工、生產(chǎn)維護(hù)中出現(xiàn)過如下問題：

a. 網(wǎng)端出現(xiàn)多撥或漏撥，在施工時(shí)由于交叉作業(yè)比較多，因此經(jīng)常出現(xiàn)，在調(diào)試時(shí)也是被糾正最多的問題。

b. 出現(xiàn)屏蔽層兩點(diǎn)接地或信號(hào)線直接接地的情況。在生產(chǎn)中由于更換儀表或開后蓋檢查后上蓋時(shí)不注意壓損電纜外皮導(dǎo)致出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)一側(cè)電纜屏蔽層接地或信號(hào)線直接接地。另外，施工質(zhì)量不佳，現(xiàn)場(chǎng)儀表電纜屏蔽層剪掉未用膠布包實(shí)脫落導(dǎo)致屏蔽接地也有發(fā)生。如果是出現(xiàn)信號(hào)線接地這種情況一般會(huì)導(dǎo)致這塊儀表直接掉線，如果是間歇性接地或屏蔽層接地，則會(huì)導(dǎo)致儀表頻繁進(jìn)出網(wǎng)段。

c. 現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)出現(xiàn)總線轉(zhuǎn)3路安全柵的接線端子和短接片接觸不良從而影響某塊安全柵上所有儀表的供電和通信。這種情況比較少但也出現(xiàn)過，現(xiàn)象是操作員站上的某幾塊儀表同時(shí)變成橘紅色，現(xiàn)場(chǎng)檢查安全柵的電源指示燈未亮。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是比較危險(xiǎn)的，最直接的就是導(dǎo)致掛在它上面的閥門全關(guān)或全開。

d. 現(xiàn)場(chǎng)接線箱的防爆接頭未擰緊，導(dǎo)致接線箱受潮影響通信，從而導(dǎo)致箱內(nèi)某些儀表掉線。這在裝置剛投運(yùn)之初是比較容易發(fā)生的，所以裝置剛運(yùn)行時(shí)儀表維護(hù)人員需對(duì)接線箱再逐一檢查一遍，特別是在雨季來臨之前。

e. 某些儀表存在表頭阻抗不滿足要求的情況，所以有時(shí)會(huì)比較容易掉線。

3 FF總線網(wǎng)段和儀表的診斷

3.1利用萬用表和網(wǎng)段監(jiān)視器的診斷

針對(duì)施工和生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，簡(jiǎn)單的借助萬用表(可測(cè)電容檔的)和網(wǎng)段監(jiān)視器就能找出原因，一般總線電纜在放線完畢掛接儀表之前都需要做絕緣、電容、電阻方面的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果要求+、-信號(hào)線間電阻不小于50kΩ，電容在0.8～1.2μF之間，具體見表1，也可見《FF基金會(huì)總線系統(tǒng)工程指南》中的要求。

表1 FF電纜電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

如果在施工中網(wǎng)端出現(xiàn)多撥或漏撥的情況，則兩信號(hào)線之間的電容值就不會(huì)在0.8～1.2μF的范圍之內(nèi)，偏小，說明漏撥了，偏大，說明多撥了。

另外，借助網(wǎng)段監(jiān)測(cè)器FBT6查看波形也能看得出來，在多撥的情況下，波形明顯變矮(幅值變小)，原因?yàn)槎鄵艿那闆r下，線路上并聯(lián)的電阻多，總的等效電阻就小，所以當(dāng)線路使用15～20mA電流(相當(dāng)于電流源)傳遞信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測(cè)電壓時(shí)就低，相反，如果出現(xiàn)漏撥的情況，波形就變高很多(幅值變大)，原因也是等效電阻變大。而正常信號(hào)的范圍在750～1 000mV之間。如圖2所示。

a. 多撥

b. 漏撥圖2 FF通信波形異常圖例

3.2利用診斷模塊的診斷

使用了FF診斷模塊，可以在機(jī)柜間使用P+F提供的過程自動(dòng)化組態(tài)工具PACTware或AMS(FF診斷功能已經(jīng)內(nèi)嵌于AMS)對(duì)各個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行在線監(jiān)視診斷，可診斷的參數(shù)有：網(wǎng)段電壓、網(wǎng)段電流、信號(hào)幅值、噪音幅值、畸變抖動(dòng)及DC不平衡等，診斷模塊參數(shù)漏撥界面如圖3所示。

圖3 診斷模塊參數(shù)界面

如果有參數(shù)超過了設(shè)定的正常范圍，則軟件會(huì)在線發(fā)出報(bào)警提示并記錄。

另外，診斷模塊內(nèi)置有強(qiáng)大的示波器功能，可以實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)段通信的信號(hào)波形。同時(shí)通過撥碼開關(guān)可以設(shè)定不同的觸發(fā)條件，可以查找具體某個(gè)地址的通信波形或錯(cuò)誤幀的波形。通過示波器功能基本可以將FF通信的物理層信號(hào)可視化，為系統(tǒng)調(diào)試和故障處理贏得時(shí)間。

3.3利用Deltav軟件的診斷

除了利用高級(jí)診斷模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物理層的診斷外，還可以利用Deltav系統(tǒng)自帶的診斷軟件Deltav Diagnostics進(jìn)行軟件通信參數(shù)的診斷，它不僅能對(duì)Deltav系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)作出診斷，還能對(duì)控制站、卡件及FF現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)等做出診斷，為判斷提供依據(jù)。

將Deltav軟件組的operate組中的Diagnostics點(diǎn)中，打開診斷軟件，主界面是Deltav系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的explorer視圖，后面點(diǎn)擊相應(yīng)控制站下對(duì)應(yīng)的H1卡，點(diǎn)擊前面的“+”，展開，出現(xiàn)Port1、Port2，右鍵點(diǎn)擊相應(yīng)Port出現(xiàn)情景菜單，選擇顯示通信統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。然后便出現(xiàn)如圖4所示的參數(shù)統(tǒng)計(jì)。

圖4 網(wǎng)段通信參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4中有很多關(guān)于本網(wǎng)段的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，筆者重點(diǎn)介紹幾個(gè)對(duì)網(wǎng)段故障判斷比較有意義的參數(shù)：具體各個(gè)參數(shù)的含義可查看Deltav的參考說明。

AbortsRxd(斷開的接收數(shù)量，典型統(tǒng)計(jì)參數(shù))，這個(gè)參數(shù)是指LAS從現(xiàn)場(chǎng)功能塊里收到的斷開接收的數(shù)量，如果該參數(shù)對(duì)某塊儀表持續(xù)的增加，說明此儀表可能有問題，如果對(duì)同網(wǎng)段的多塊儀表都持續(xù)增加，則說明此網(wǎng)段存在問題。

AbortsSent(斷開的發(fā)送數(shù)量，典型統(tǒng)計(jì)參數(shù))，這個(gè)參數(shù)是指LAS斷開的發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)功能塊的數(shù)量，如果該參數(shù)對(duì)某塊儀表持續(xù)增加，則說明此儀表可能存在問題，如果對(duì)好幾塊儀表都持續(xù)增加的話，則說明這個(gè)網(wǎng)段存在問題。

NUMDIITokenPassTimeouts(令牌傳輸超時(shí)數(shù)量，關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)參數(shù))，如果此參數(shù)增加，則表明有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備沒有收到LAS(H1卡件)發(fā)給它的令牌，LAS也沒有收到其回音，或該設(shè)備保持令牌的時(shí)間超過令牌持有的時(shí)間(TokenHoldTime)，如果調(diào)度者連續(xù)3次發(fā)送給同一設(shè)備的令牌它都沒有回音的話，那么將把該設(shè)備從網(wǎng)段中摘除，表現(xiàn)為設(shè)備從網(wǎng)段中丟失。

AbortsNegConRxd(局部不良數(shù)量)，如果此參數(shù)增加，說明LAS(H1卡)斷開發(fā)送的數(shù)量在增加，很可能H1卡存在問題，需要替換。

MissedViewListScan(丟失的列表掃描)，設(shè)備的列表掃描請(qǐng)求不能跟上相應(yīng)模塊的掃描速率，出現(xiàn)此情況是因?yàn)樵谙到y(tǒng)里把模塊的掃描速率設(shè)置得太快了，超出總線的支持，所以必須把模塊的掃描速率降低。

NumLiveListAppearances(設(shè)備進(jìn)出網(wǎng)段的次數(shù))，如果該參數(shù)不斷地增加，則說明現(xiàn)場(chǎng)有某一設(shè)備不斷地進(jìn)出網(wǎng)段，這個(gè)設(shè)備很可能存在被干擾的情況。

NumDIIRetrys(令牌重發(fā)次數(shù))，正常情況下，重發(fā)次數(shù)應(yīng)該少于請(qǐng)求發(fā)送數(shù)量的1%，如果超出這個(gè)限制，應(yīng)該檢查該設(shè)備或網(wǎng)段是否存在問題。

以上幾個(gè)參數(shù)中，第1、2、3個(gè)參數(shù)是對(duì)網(wǎng)段和現(xiàn)場(chǎng)儀表故障判斷比較有參考價(jià)值的參數(shù)，如果網(wǎng)段存在問題，這些參數(shù)的反應(yīng)很靈敏。第4個(gè)參數(shù)能準(zhǔn)確地說明H1卡是否存在問題。如果第5個(gè)參數(shù)持續(xù)增加，則應(yīng)檢查組態(tài)是否正確。

開發(fā)者把網(wǎng)段上可能存在的需要進(jìn)行有意義統(tǒng)計(jì)的各種故障都考慮進(jìn)去了，所以一般在存在問題的情況下，列表中的參數(shù)有可能是好幾個(gè)都在持續(xù)增加，這時(shí)候可以利用多個(gè)參數(shù)交叉判斷，或利用Diagnostics軟件的總體評(píng)估確定哪個(gè)為故障源。

4 結(jié)束語

FF總線將通信技術(shù)引入到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更加智能化，這為管控一體化數(shù)字化工廠的建立鋪好了最基底的基石。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)很明顯，且已逐步走向成熟，相信在未來的大型化工項(xiàng)目中應(yīng)用會(huì)越來越普及。因此，要充分掌握這門技術(shù)，利用它監(jiān)視和診斷的參數(shù)多的特點(diǎn)，善于利用各種工具和軟件，把問題解決在萌芽狀態(tài)，做到預(yù)維護(hù)。

[1] 陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008：119～134.

[2] 佟鋼.基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在化工裝置中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表,2012，(z1)：167～169.

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2016-05-18(修改稿)