FF總線在現(xiàn)場應(yīng)用中遠(yuǎn)距離傳輸信號衰減研究

王遠(yuǎn)鵬，合蕊，楊梅，劉星滟

（紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昭通卷煙廠，云南 昭通 657100）

FF總線因其具備開放性、互用性、分散性和適應(yīng)性被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，昭通卷煙廠能源管理系統(tǒng)所屬儀表均采用FF總線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此保證工廠能源計(jì)量準(zhǔn)確性，同時(shí)基于所采數(shù)據(jù)進(jìn)行部分遠(yuǎn)程控制設(shè)置，實(shí)現(xiàn)全程能源集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，有效提升能源管理水平。因能源計(jì)量儀表存在點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)，造成FF總線遠(yuǎn)距離信號傳輸局面，導(dǎo)致部分遠(yuǎn)端計(jì)量點(diǎn)通信不穩(wěn)定影響能源計(jì)量準(zhǔn)確性。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)昭通卷煙廠能管業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，圍繞項(xiàng)目系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求和能源管理系統(tǒng)自身特點(diǎn)，按照技術(shù)框架既切合系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)要求又重點(diǎn)突出、科學(xué)合理、層次清晰的原則，系統(tǒng)的整體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 技術(shù)架構(gòu)

昭通卷煙廠能管系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)將遵循典型的管控一體化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。按照這種結(jié)構(gòu)，整個(gè)昭通卷煙廠能源管理系統(tǒng)將由現(xiàn)場設(shè)備層、設(shè)備控制層、集中監(jiān)控層、信息管理層四個(gè)層次組成，詳細(xì)說明如下。

（1）現(xiàn)場設(shè)備層?，F(xiàn)場設(shè)備層包括遠(yuǎn)程I/O、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、壓力變送器、智能電度表、多功能電度表、回路狀態(tài)采集模塊等現(xiàn)場計(jì)量檢測儀表。主要完成水、蒸汽、壓縮空氣、電四種能源的計(jì)量和數(shù)據(jù)采集。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。網(wǎng)絡(luò)通信層主要由PLC控制器、通信管理機(jī)、交換機(jī)、串口服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)及其他通信網(wǎng)絡(luò)接口等組成。實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，與各個(gè)能源設(shè)備控制系統(tǒng)建立通信接口，向各個(gè)能源控制系統(tǒng)傳遞來自集中監(jiān)控層的遠(yuǎn)程操作指令或參數(shù)信息，向集中監(jiān)控層反饋各個(gè)能源設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

（3）集中監(jiān)控層。集中監(jiān)控層主要由能管系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、能源管理系統(tǒng)工程師站、能源管理系統(tǒng)操作員站、3D圖形工作站、OPC服務(wù)器、SCADA服務(wù)器、LED大屏等組成。一是通過3D圖形工作站、工程師站、操作員站來實(shí)現(xiàn)各個(gè)能源設(shè)備的集中監(jiān)控功能； 二是通過儀表在線管理服務(wù)器和儀表管理站來實(shí)現(xiàn)各個(gè)總線儀表的在線管理；三是通過部署在能源中心的LED大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)主要監(jiān)控畫面的分屏監(jiān)視。

（4）信息管理層。信息管理層用于實(shí)現(xiàn)能源信息管理功能，由本項(xiàng)目當(dāng)中部署在監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、能管系統(tǒng)服務(wù)器、Web服務(wù)器等組成?；趶S內(nèi)局域網(wǎng)，通過B/S（瀏覽器/服務(wù)器）方式，向全廠各級管理人員提供能源信息管理功能。

1.2 軟件層次架構(gòu)

系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)分析模塊：數(shù)采模塊包括計(jì)量儀表、數(shù)采網(wǎng)關(guān)、PLC、通信管理機(jī)、OPC服務(wù)器；數(shù)據(jù)庫包括HH實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、SQL Server2016關(guān)系數(shù)據(jù)庫；實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包含ICONICS G64監(jiān)控軟件；統(tǒng)計(jì)分析包含Report Service開發(fā)相關(guān)報(bào)表。

圖2 軟件層次架構(gòu)

2 FF現(xiàn)場總線儀表在現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 FF現(xiàn)場總線技術(shù)特點(diǎn)

FF總線技術(shù)其主要特性按數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾史譃镠SE和H1兩種標(biāo)準(zhǔn)，前者采用TCP/IP6層模型，主要用于工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用，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。其中HSE傳輸率可達(dá)100Mbit/s，H1傳輸率為31.25kbit/s，驅(qū)動(dòng)電壓為（9～32）VDC的電壓模型，無中繼器時(shí)電纜（分支+主干）長度應(yīng)不大于1900m，單個(gè)分支電纜長度在30～120m范圍內(nèi)，無中繼器時(shí)設(shè)備掛接數(shù)不得超過32臺(tái)（不包含閥門），可以用中繼器數(shù)不得超過4臺(tái)。

表1 建議最大支線長度

2.2 FF總線儀表現(xiàn)場問題

昭通卷煙廠現(xiàn)場儀表傳輸采用H1標(biāo)準(zhǔn)傳至所屬網(wǎng)關(guān)后經(jīng)過HSE標(biāo)準(zhǔn)傳至集中監(jiān)控層，以水系統(tǒng)計(jì)量為例。水系統(tǒng)計(jì)量均采用FF總線通訊協(xié)議的羅斯蒙特電磁流量計(jì)，現(xiàn)場儀表采用A型18AWG（0.8mm2）規(guī)格的鋼絲鎧裝屏蔽雙絞線做完信號線同時(shí)電磁流量計(jì)需單獨(dú)供220VAC電源，通信經(jīng)接線盒及分配箱與FF網(wǎng)關(guān)相連接后通過光纖接入交換機(jī)。

如圖3所示因水管改造，在現(xiàn)場新增指揮中心流量計(jì)同時(shí)增加末端接線盒，原網(wǎng)段由辦公樓外接線盒分支接出的總線掛接儀表數(shù)量從2臺(tái)上升到3臺(tái)，并且支線長度由90m增加至120m，以上變化導(dǎo)致改造后圖3所示辦公樓網(wǎng)關(guān)所屬儀表頻繁報(bào)警，每次故障儀表不同。

圖3 儀表現(xiàn)場接線示意圖

2.3 FF總線儀表故障診斷

對現(xiàn)場儀表、線纜、接線盒、分配箱等分段逐一進(jìn)行診斷、排查后將問題鎖定在溫室流量計(jì)，針對溫室流量計(jì)進(jìn)行以下故障診斷處理。

（1）流量計(jì)故障排查。溫室現(xiàn)場流量計(jì)為一體式安裝羅斯蒙特8705系列電磁流量計(jì)，變送器采用支持FF總線的8732E型。公稱內(nèi)徑25mm，準(zhǔn)確度等級0.3級，采用220V外部電源供電，安裝于給水內(nèi)。從以下幾個(gè)方面進(jìn)行檢查，首先，外觀檢查，外觀完好無損壞；其次，變送及傳感器檢查，儀表顯示正?，F(xiàn)場用水測試與監(jiān)控界面測試，測試通過；最后，儀表接線端子檢查，因儀表自2018年投運(yùn)至今長期處于環(huán)境濕度為40%～90%RH的潮濕環(huán)境中，密封圈劣化后接線端子出現(xiàn)長霉現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸不良?，F(xiàn)場對接線端子進(jìn)行清潔工作，同時(shí)為避免導(dǎo)線接觸不良，對所接導(dǎo)線制作線鼻子，保證接觸良好。以上操作完成后，恢復(fù)原線路測試，經(jīng)過27h運(yùn)行后故障再次出現(xiàn)。

（2）線路故障排查。對通訊線進(jìn)行電壓測試，測試情況如表2。

表2 RS485兩線制通信方式線路電壓測試（單位：V）

由表2可見，通信線電壓在指揮中心接入系統(tǒng)后電壓被拉低，低于FF總線基本要求（9V），脫開后工況恢復(fù)到技術(shù)要求范圍內(nèi)線路電壓正常。由于現(xiàn)場未設(shè)置FF總線中繼器，考慮采用電源調(diào)節(jié)器補(bǔ)償壓降，隨查閱FF相關(guān)資料，資料顯示FF總線支持總線供電，能夠在一根雙絞線上同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電和通許，F(xiàn)F總線調(diào)節(jié)器是一個(gè)“電源凈化器”，基本功能是允許主配電源的直流電源傳送到H1網(wǎng)段的同時(shí)，并阻斷H1總線上的通訊脈沖信號與穩(wěn)壓電源的聯(lián)系。小組探討后，采取在支線增加Pepperl＋Fuchs的FieldConnex現(xiàn)場總線調(diào)節(jié)器，同時(shí)，在分配箱內(nèi)增加SIEMENS DC24V電壓為調(diào)節(jié)器提供電源，現(xiàn)場試驗(yàn)后進(jìn)行電壓測試。

由表3可知，在支線加裝FF總線有源調(diào)節(jié)器后支線壓降得以解決，同時(shí)故障解決，溫室流量計(jì)恢復(fù)正常計(jì)量進(jìn)入試運(yùn)行。試運(yùn)行5h后，所屬網(wǎng)關(guān)7個(gè)計(jì)量器具均故障，現(xiàn)場電壓檢測為支線電壓反向供給干線導(dǎo)致干線電壓異常出現(xiàn)通信故障。

表3 RS485兩線制通信方式線路電壓測試（單位：V）

為解決電流反向供給，經(jīng)過資料查詢及小組討論后，在溫室接線盒及干線之間并聯(lián)終端電阻用來吸收電路中的雜波使得阻抗匹配（見表4）。

表4 濾波電阻加裝位置測試

通過上述測試結(jié)合現(xiàn)場接線盒接線狀態(tài)，最終將終端電阻并聯(lián)至食堂接線盒后本次故障得以解決（如圖4）。

圖4 最終儀表現(xiàn)場接線示意圖

3 結(jié)語

本次故障解決過程，首次嘗試在FF總線通信支線加裝電源調(diào)節(jié)器以解決總線遠(yuǎn)距離傳輸信號衰減問題，經(jīng)過長時(shí)間試運(yùn)行后證明其有效性，為FF總線現(xiàn)場應(yīng)用探索出一條新的途徑，解決FF總線通信中遠(yuǎn)距離傳輸需增加網(wǎng)關(guān)采用HSE通訊等硬件投入，提升總線遠(yuǎn)距離通信中線路布局靈活性。