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FF現場總線技術應用中值得探討的問題

作者:黃步余

FF現場總線技術在國內外的一些大、中型石油化工企業中獲得了成功的應用,以上海賽科90萬噸/年乙烯工廠、中海油惠州80萬噸/年乙烯工廠等為代表的世界級規模石化聯合裝置的自動化水平高,儀表和控制回路數量多,復雜程度相當高,生產裝置及公用工程輔助設施持續穩定的運行,創造了顯著經濟效益,實踐證明FF現場總線控制技術已趨于成熟。

FF現場總線控制技術的優點已被實踐所證明,在AMS資產管理系統應用中,FF現場總線技術要比HART診斷參數多。FF現場總線數字閥門控制器(DVC)的離線和在線故障診斷技術的應用,使石油化工裝置大量調節閥門的離線檢修工作從故障后檢修、預防性計劃檢修到先診斷后檢修的預測性檢修,減少調節閥門的離線檢修數量,節省維護成本,降低生命周期成本。

上海賽科90萬噸/年乙烯工程的FF現場總線技術應用實踐, FF現場總線網段的主要故障現象為 FF總線設備從網段上丟失,是現場總線網段受到干擾信號影響造成的,后果是影響到儀表的顯示和回路控制狀態。

一般情況,丟失的總線設備會自動返回網段,也出現過總線設備不能自動返回網段,需要手動將它從decommissioning位置拖到commissioning位置才能回復。

現就FF現場總線設備從網段上丟失后可能造成的影響,FF現場總線設備從網段上丟失的原因,預防和處理這些故障等問題,進行分析及處理方法探討。

  一、FF總線現場設備從網段上丟失后可能造成的影響 

 

丟失FF總線設備在回路中的地位

可能造成的影響

1.指示回路

FF總線設備丟失后其測量值PV能夠保持丟失前的最后數值,FF總線設備自動返回后即指示恢復正常。

2.控制回路

FF總線設備丟失后其測量值PV能夠保持丟失前的最后數值,但由于測量值PV出現壞值BAD標記,回路狀態將發生變化:

如發生在副回路中,則調節器從AUTOCAS狀態自動變為MAN

② 如發生在主回路,則主回路調節器從AUTO自動變為MAN,副回路可以繼續保持CAS狀態。

FF總線設備返回網段后,測量值PV變為正常,回路狀態仍保持不變,不會自動回復到自動或串級狀態。

如果操作人員能夠及時發現這個問題,則對工藝操作影響不大。

3.指示回路,參與其它回路參數運算(例如溫壓補償)

FF總線設備丟失后其測量值PV能夠保持丟失前的最后數值,由于測量值PV出現壞值BAD標記,其它相關回路狀態將發生變化。

4.調節閥門定位器

① 如果PID模塊設置在閥門定位器中,則PID模塊會與DCS失去通訊,調節回路仍保持AUTO狀態,只是DCS上不能改變它的設定值SP

② 如果PID模塊在DCS中,則調節器輸出處于IMAN狀態,表示DCS輸出不能控制調節閥,調節閥開度保持不變。

如果是變送器與定位器中的PID模塊之間通信中斷,則PID調節器從AUTOCAS狀態自動變為MAN。當設備返回網段后,測量值PV變為正常,回路狀態不能自動回復到AUTOCAS狀態。如果操作人員能夠及時發現這個問題,則對工藝操作影響不大。

5APC控制回路

如果這個PID控制器用于APC控制,則它的RCAS來自APC控制器輸出。當變送器通信中斷后,PID控制器從RCAS狀態變為MAN,輸出保持不變。通信恢復后,PID控制器的輸出會恢復到ROUT值。ROUT值是在組態時設定的,如果ROUT值設定為0,則PID控制器的輸出變為0,這將影響工藝操作;如果ROUT值設定為BAD,或APC控制器的掃描周期短,該PID控制器不接受的APC控制,當通信恢復后,PID控制器輸出不會到ROUT的設定值,而保持MAN狀態不變,對工藝不會造成影響,所以組態時必須注意ROUT設定值。


二、如何尋找FF現場總線設備從網段上丟失現象

FF現場總線設備從網段上丟失現象可以在DCS的網段故障診斷統計參數中或用網段監視器 (FTB6)看到前期征兆。

1.在DCS網段端口的狀態診斷統計參數中尋找征兆

識別網段故障的狀態診斷統計參數有三個:

 NUMDIITokenPassTimeout 這是關鍵的統計數字,是DCS設備通信統計數字,如果該統計數字增加,表示現場總線設備沒有收到發送給它的令牌(PT)信息,H1卡也沒有接收到令牌的應答,或該設備保持令牌的時間超過令牌應持有時間(TokenHoldTime)。如果連續3次發送給同一設備的令牌沒有收到它的應答,則LAS將此設備從網段設備清單(Live List)中清除,該現場總線設備從網段上丟失。

在正常運行時,“NUMDIITokenPassTimeouts”該統計數字不會增加。對于任何通信網絡,總線上的噪聲或靈敏設備接收器的干擾信號會干擾網端正常工作,引起令牌或令牌應答丟失。此時將會引起NUMDIITokenPassTimeout統計參數和另一個DIIRetries參數的不斷增加。噪聲源可來自大功率馬達和電氣設備源的電磁輻射,不正確的電氣接地和超容差設備變送器等。如果這個參數在“請求發送”(RequestsSent)數的1%或小于1%,通常不必進行故障處理

 DIIRetries 令牌重發次數,

 NumLiveListAppearencess 設備丟失又出現的次數。

如果以上三個參數不斷增加,則表示

FF現場總線網段存在嚴重問題。

實驗表明干擾信號對 NumLiveListAppearencess參數的影響較為明顯。在美國某公司現場總線研發中心,美國專家演示了干擾信號對FF網段的影響,將高頻干擾信號通過電阻/電容的電橋電路加入到網段上,在網段的FF信號方波上看到干擾信號的調制信號,當不斷加大干擾信號時,DCS網段端口診斷參數NumLiveListAppearencess不斷增加,表示現場FF設備在不斷進出網段。

現場總線控制系統維護人員應定期檢查DCS上這些診斷統計參數,若網段發生設備丟失,在DCS上顯示COMM.報警之前預先發現某個網段存在問題,應進一步的檢查處理。

2.使用網段監視器(FTB6)尋找故障節點

將網段監視器(FTB6)連接到DCS接線機柜的網段端子上或網段上的任意一個節點,監視器將顯示網端診斷信息,包括:

Retransmittes(令牌重發數)數;

 Add (增加設備的地址) Drop (減少設備的地址),確定哪個位號的設備正在丟失或返回網段;

網段干擾信號值顯示干擾信號的峰值和平均值,能夠區分干擾信號的頻率范圍:LF(低于FF總線頻率)FF(等于FF總線頻率),HF(高于FF總線頻率)三種。如果干擾信號平均值大于FF總線頻率、FF>75mVLFHF>150 mV時會發出報警顯示;

顯示網端電纜的“+”、“-”極性線與屏蔽線是否短路。如果短路,則測出的干擾信號有幾千mV

對網端做進一步檢查時,使用網段監視器(FTB6)

三、FF現場總線設備從網段上丟失的原因分析

FF現場總線設備從網段上丟失的主要原因是網段受到了嚴重的干擾。

FF現場總線網段上的通信卡(H1卡)和現場總線設備之間發送的信號是32.15KHz的方波信號,如果受到干擾信號的侵入,波形將發生畸變,H1卡及現場總線設備將不能識別和接收這些信號,出現信號消失現象,導致總線設備從網段上丟失。

現場總線專家認為影響FF現場總線網段正常工作的諸多原因中,屏蔽接地不良和端子接觸不良是主要的原因。

 

1.現場檢查發現總線電纜的屏蔽線接地不良,有以下幾種現象:
  ① 在FF接線箱內網段的干線電纜屏蔽線與支線電纜的屏蔽線沒有可靠的跨接,造成支線電纜屏蔽不接地;
  ② 支線電纜與現場總線設備連接處被壓扁,屏蔽線通過設備本體接地,造成屏蔽線兩端同時接地;
  ③ DCS機柜內屏蔽線與系統接地排的接觸不良;
  ④ 網段的干線電纜或支線電纜在施工時被壓扁,造成網段電纜的“+”、“-”極性線與屏蔽線短路。
  2.在DCS機柜、FF接線箱或現場總線設備里接線端子沒擰緊,螺絲生銹或絲扣損壞無法擰緊等。接觸不良造成總線信號衰減,當H1卡或現場總線設備接收不到信號時,發生總線設備從網段上丟失現象。
  3.FF接線箱或總線電纜專用終端接線箱上電纜入口的防爆密封接頭沒壓緊,箱內進水或受潮,造成漏電,總線信號衰減,影響總線信號的正常傳送。
  4. 個別現場總線設備也可能成為網段的干擾源,當把LAS功能放在這臺設備中時,整個網段的通信就出現故障,網段中所有現場總線設備的通信不正常;當把這臺設備換掉時,整個網段的通信恢復正常。
  FF現場總線專家舉例說明網段中某臺現場FF總線設備產生干擾的原因:當變送器內部引線良好時,二根引線與變送器進線孔之間的分布電容C1和C2對稱,數值相等,當遇到干擾信號時,若電纜屏蔽不好,干擾信號在二根引線中產生的干擾電流I1和I2 大小相等,干擾信號差值電流△I=0,對變送器電路不產生影響;
  若變送器內部引線不良時,二根引線與變送器進線孔之間的分布電容C1和C2不對稱,數值不相等,當遇到干擾信號時,若電纜屏蔽不好,干擾信號在二根引線中產生的干擾電流I1和I2 大小不相等,干擾信號差值電流△I≠0,對變送器電路產生影響。

5.一個網段上設置的現場總線設備越多,現場總線設備從網段上丟失的機率就越大。如果減少該網段的設備數,網段通信就可能變得正常。網段上連接的儀表數量應嚴格按照網段設計規定的要求,總線電源電壓、網段通信等都不能超負荷。
  6.個別FF現場總線設備本身性能有問題,如絕緣差、總線信號太弱等。干擾信號通過絕緣差的總線設備進入網段時,會對網段產生干擾;總線信號太弱,其它設備就接收不到它的信號。
  在現場總線調試階段,發現個別現場總線設備不能與DCS主機系統相配合,在網段上找不到該現場總線設備,主要是由于現場總線設備的DD文件版本與DCS主機系統版本不一致造成的。
  值得注意的一點,確定現場總線控制系統DCS主機設備的廠商和型號后,最好能夠采用MIV(主儀表供應商)框架協議方式,使用與DCS主機同一制造商提供的現場總線設備。如果采購其它公司的現場總線設備時,必須先將該現場總線設備與DCS主機進行聯調測試,通過測試的設備才能使用。這樣就可以避免在回路調試時出現不匹配的問題。
  7.現場總線網段和現場總線設備的部分參數設置有問題
  現場總線網段宏周期和控制模塊執行時間設置不正確,引起部分功能來不及執行,通過調整這些參數的設置改善總線回路中的控制性能。
  例如在溫度控制回路中,如果PID模塊中的參數D(微分時間) 大于8倍的網段宏周期時間,PID模塊不應設在現場的閥門定位器中。
  關于網段宏周期和控制模塊執行時間的設置,需要根據回路的具體情況和一定的實踐經驗積累。
  8.現場總線回路組態
  例如,FF現場總線設備(尤其是數字閥門定位器)內使用非揮發性儲存器(NVM),當儲存量滿時會出現報警。現場總線設備中的NVM儲存器的儲存容量很大,當NVM儲存器被寫滿后,重復寫入到設備中的值就不再被保存。
  這個問題的產生與DCS組態有關。在控制模塊組態時,如果寫入現場總線設備中的參數是來自于另一功能塊中的運算式,或是以外部參考方式鏈接的,大約1-5秒執行一次寫命令(不管數據是否有變化)。這種不斷重復的寫入參數將使NVM儲存器的儲存量很快達到極限,具有AMS診斷功能的NVM儲存器會發出報警信號,引起人們的注意。
  解決這個問題的方法是在組態時設置一個邏輯判斷表達式,當參數的變化量超過某個值時,才將該參數寫入NVM儲存器中,這樣參數的寫入次數就會大大減少。
  當AMS診斷功能發現NVM儲存器的寫入次數增加得過快時,就應該盡快查找原因。
  9.隨第三方設備帶來的現場總線設備和回路的連接方式,可能與主流設備和回路的連接方式不同,例如某公司提供的總線電源和終端阻抗器是通過開關切換,發現有時終端阻抗器連接少于2個,造成回路阻抗增大,信號變得過大;如終端阻抗器連接多于2個,造成回路阻抗減小,信號變得過小。這兩種情況對網段正常工作都是不利的。
  現場總線控制技術在國內外各行業得到廣泛應用,世界著名的DCS供貨商的現場總線控制技術日趨成熟,能滿足大型石油化工聯合工廠自動化系統的要求。現場總線控制技術在實際使用中應注意以下幾點:
  ①在工程設計階段,現場總線回路的設計應符合設計規范,回路組態合理;
  ②在現場總線設備采購時,所選用的總線設備必須與DCS主機聯合測試,通過測試的總線設備才能使用;
  ③重視施工質量,防止總線電纜壓壞,屏蔽線接地正確,電纜連接接觸良好,加強檢查監督;
  ④現場總線回路投用前,應先使用網段監視器FBT-6和FBT-5來測試總線電纜,將網段兩端的設備拆下,分別連接FBT-3和FBT-5,其中FBT-5起到總線網段LAS的作用,通過測試可發現網段連接中的問題。
  ⑤加強培訓現場總線控制系統設計、施工及維護人員,了解檢查現場總線回路故障的測試設備和軟件,及時發現現場總線設備的故障。最好培養現場總線技術應用工程師,重點研究和分析現場總線設備和回路中出現的問題,積累經驗。

                                                              

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