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FF现场总线技术应用中值得探讨的问题

作者:黄步余

FF现场总线技术在国内外的一些大、中型石油化工企业中获得了成功的应用,以上海赛科90万吨/年乙烯工厂、中海油惠州80万吨/年乙烯工厂等为代表的世界级规模石化联合装置的自动化水平高,仪表和控制回路数量多,复杂程度相当高,生产装置及公用工程辅助设施持续稳定的运行,创造了显著经济效益,实践证明FF现场总线控制技术已趋于成熟。

FF现场总线控制技术的优点已被实践所证明,在AMS资产管理系统应用中,FF现场总线技术要比HART诊断参数多。FF现场总线数字阀门控制器(DVC)的离线和在线故障诊断技术的应用,使石油化工装置大量调节阀门的离线检修工作从故障后检修、预防性计划检修到先诊断后检修的预测性检修,减少调节阀门的离线检修数量,节省维护成本,降低生命周期成本。

上海赛科90万吨/年乙烯工程的FF现场总线技术应用实践, FF现场总线网段的主要故障现象为 FF总线设备从网段上丢失,是现场总线网段受到干扰信号影响造成的,后果是影响到仪表的显示和回路控制状态。

一般情况,丢失的总线设备会自动返回网段,也出现过总线设备不能自动返回网段,需要手动将它从decommissioning位置拖到commissioning位置才能回复。

现就FF现场总线设备从网段上丢失后可能造成的影响,FF现场总线设备从网段上丢失的原因,预防和处理这些故障等问题,进行分析及处理方法探讨。

  一、FF总线现场设备从网段上丢失后可能造成的影响 

 

丢失FF总线设备在回路中的地位

可能造成的影响

1.指示回路

FF总线设备丢失后其测量值PV能够保持丢失前的最后数值,FF总线设备自动返回后即指示恢复正常。

2.控制回路

FF总线设备丢失后其测量值PV能够保持丢失前的最后数值,但由于测量值PV出现坏值BAD标记,回路状态将发生变化:

如发生在副回路中,则调节器从AUTOCAS状态自动变为MAN

② 如发生在主回路,则主回路调节器从AUTO自动变为MAN,副回路可以继续保持CAS状态。

FF总线设备返回网段后,测量值PV变为正常,回路状态仍保持不变,不会自动回复到自动或串级状态。

如果操作人员能够及时发现这个问题,则对工艺操作影响不大。

3.指示回路,参与其它回路参数运算(例如温压补偿)

FF总线设备丢失后其测量值PV能够保持丢失前的最后数值,由于测量值PV出现坏值BAD标记,其它相关回路状态将发生变化。

4.调节阀门定位器

① 如果PID模块设置在阀门定位器中,则PID模块会与DCS失去通讯,调节回路仍保持AUTO状态,只是DCS上不能改变它的设定值SP

② 如果PID模块在DCS中,则调节器输出处于IMAN状态,表示DCS输出不能控制调节阀,调节阀开度保持不变。

如果是变送器与定位器中的PID模块之间通信中断,则PID调节器从AUTOCAS状态自动变为MAN。当设备返回网段后,测量值PV变为正常,回路状态不能自动回复到AUTOCAS状态。如果操作人员能够及时发现这个问题,则对工艺操作影响不大。

5APC控制回路

如果这个PID控制器用于APC控制,则它的RCAS来自APC控制器输出。当变送器通信中断后,PID控制器从RCAS状态变为MAN,输出保持不变。通信恢复后,PID控制器的输出会恢复到ROUT值。ROUT值是在组态时设定的,如果ROUT值设定为0,则PID控制器的输出变为0,这将影响工艺操作;如果ROUT值设定为BAD,或APC控制器的扫描周期短,该PID控制器不接受的APC控制,当通信恢复后,PID控制器输出不会到ROUT的设定值,而保持MAN状态不变,对工艺不会造成影响,所以组态时必须注意ROUT设定值。


二、如何寻找FF现场总线设备从网段上丢失现象

FF现场总线设备从网段上丢失现象可以在DCS的网段故障诊断统计参数中或用网段监视器 (FTB6)看到前期征兆。

1.在DCS网段端口的状态诊断统计参数中寻找征兆

识别网段故障的状态诊断统计参数有三个:

 NUMDIITokenPassTimeout 这是关键的统计数字,是DCS设备通信统计数字,如果该统计数字增加,表示现场总线设备没有收到发送给它的令牌(PT)信息,H1卡也没有接收到令牌的应答,或该设备保持令牌的时间超过令牌应持有时间(TokenHoldTime)。如果连续3次发送给同一设备的令牌没有收到它的应答,则LAS将此设备从网段设备清单(Live List)中清除,该现场总线设备从网段上丢失。

在正常运行时,“NUMDIITokenPassTimeouts”该统计数字不会增加。对于任何通信网络,总线上的噪声或灵敏设备接收器的干扰信号会干扰网端正常工作,引起令牌或令牌应答丢失。此时将会引起NUMDIITokenPassTimeout统计参数和另一个DIIRetries参数的不断增加。噪声源可来自大功率马达和电气设备源的电磁辐射,不正确的电气接地和超容差设备变送器等。如果这个参数在“请求发送”(RequestsSent)数的1%或小于1%,通常不必进行故障处理

 DIIRetries 令牌重发次数,

 NumLiveListAppearencess 设备丢失又出现的次数。

如果以上三个参数不断增加,则表示

FF现场总线网段存在严重问题。

实验表明干扰信号对 NumLiveListAppearencess参数的影响较为明显。在美国某公司现场总线研发中心,美国专家演示了干扰信号对FF网段的影响,将高频干扰信号通过电阻/电容的电桥电路加入到网段上,在网段的FF信号方波上看到干扰信号的调制信号,当不断加大干扰信号时,DCS网段端口诊断参数NumLiveListAppearencess不断增加,表示现场FF设备在不断进出网段。

现场总线控制系统维护人员应定期检查DCS上这些诊断统计参数,若网段发生设备丢失,在DCS上显示COMM.报警之前预先发现某个网段存在问题,应进一步的检查处理。

2.使用网段监视器(FTB6)寻找故障节点

将网段监视器(FTB6)连接到DCS接线机柜的网段端子上或网段上的任意一个节点,监视器将显示网端诊断信息,包括:

Retransmittes(令牌重发数)数;

 Add (增加设备的地址) Drop (减少设备的地址),确定哪个位号的设备正在丢失或返回网段;

网段干扰信号值显示干扰信号的峰值和平均值,能够区分干扰信号的频率范围:LF(低于FF总线频率)FF(等于FF总线频率),HF(高于FF总线频率)三种。如果干扰信号平均值大于FF总线频率、FF>75mVLFHF>150 mV时会发出报警显示;

显示网端电缆的“+”、“-”极性线与屏蔽线是否短路。如果短路,则测出的干扰信号有几千mV

对网端做进一步检查时,使用网段监视器(FTB6)

三、FF现场总线设备从网段上丢失的原因分析

FF现场总线设备从网段上丢失的主要原因是网段受到了严重的干扰。

FF现场总线网段上的通信卡(H1卡)和现场总线设备之间发送的信号是32.15KHz的方波信号,如果受到干扰信号的侵入,波形将发生畸变,H1卡及现场总线设备将不能识别和接收这些信号,出现信号消失现象,导致总线设备从网段上丢失。

现场总线专家认为影响FF现场总线网段正常工作的诸多原因中,屏蔽接地不良和端子接触不良是主要的原因。

 

1.现场检查发现总线电缆的屏蔽线接地不良,有以下几种现象:
  ① 在FF接线箱内网段的干线电缆屏蔽线与支线电缆的屏蔽线没有可靠的跨接,造成支线电缆屏蔽不接地;
  ② 支线电缆与现场总线设备连接处被压扁,屏蔽线通过设备本体接地,造成屏蔽线两端同时接地;
  ③ DCS机柜内屏蔽线与系统接地排的接触不良;
  ④ 网段的干线电缆或支线电缆在施工时被压扁,造成网段电缆的“+”、“-”极性线与屏蔽线短路。
  2.在DCS机柜、FF接线箱或现场总线设备里接线端子没拧紧,螺丝生锈或丝扣损坏无法拧紧等。接触不良造成总线信号衰减,当H1卡或现场总线设备接收不到信号时,发生总线设备从网段上丢失现象。
  3.FF接线箱或总线电缆专用终端接线箱上电缆入口的防爆密封接头没压紧,箱内进水或受潮,造成漏电,总线信号衰减,影响总线信号的正常传送。
  4. 个别现场总线设备也可能成为网段的干扰源,当把LAS功能放在这台设备中时,整个网段的通信就出现故障,网段中所有现场总线设备的通信不正常;当把这台设备换掉时,整个网段的通信恢复正常。
  FF现场总线专家举例说明网段中某台现场FF总线设备产生干扰的原因:当变送器内部引线良好时,二根引线与变送器进线孔之间的分布电容C1和C2对称,数值相等,当遇到干扰信号时,若电缆屏蔽不好,干扰信号在二根引线中产生的干扰电流I1和I2 大小相等,干扰信号差值电流△I=0,对变送器电路不产生影响;
  若变送器内部引线不良时,二根引线与变送器进线孔之间的分布电容C1和C2不对称,数值不相等,当遇到干扰信号时,若电缆屏蔽不好,干扰信号在二根引线中产生的干扰电流I1和I2 大小不相等,干扰信号差值电流△I≠0,对变送器电路产生影响。

5.一个网段上设置的现场总线设备越多,现场总线设备从网段上丢失的机率就越大。如果减少该网段的设备数,网段通信就可能变得正常。网段上连接的仪表数量应严格按照网段设计规定的要求,总线电源电压、网段通信等都不能超负荷。
  6.个别FF现场总线设备本身性能有问题,如绝缘差、总线信号太弱等。干扰信号通过绝缘差的总线设备进入网段时,会对网段产生干扰;总线信号太弱,其它设备就接收不到它的信号。
  在现场总线调试阶段,发现个别现场总线设备不能与DCS主机系统相配合,在网段上找不到该现场总线设备,主要是由于现场总线设备的DD文件版本与DCS主机系统版本不一致造成的。
  值得注意的一点,确定现场总线控制系统DCS主机设备的厂商和型号后,最好能够采用MIV(主仪表供应商)框架协议方式,使用与DCS主机同一制造商提供的现场总线设备。如果采购其它公司的现场总线设备时,必须先将该现场总线设备与DCS主机进行联调测试,通过测试的设备才能使用。这样就可以避免在回路调试时出现不匹配的问题。
  7.现场总线网段和现场总线设备的部分参数设置有问题
  现场总线网段宏周期和控制模块执行时间设置不正确,引起部分功能来不及执行,通过调整这些参数的设置改善总线回路中的控制性能。
  例如在温度控制回路中,如果PID模块中的参数D(微分时间) 大于8倍的网段宏周期时间,PID模块不应设在现场的阀门定位器中。
  关于网段宏周期和控制模块执行时间的设置,需要根据回路的具体情况和一定的实践经验积累。
  8.现场总线回路组态
  例如,FF现场总线设备(尤其是数字阀门定位器)内使用非挥发性储存器(NVM),当储存量满时会出现报警。现场总线设备中的NVM储存器的储存容量很大,当NVM储存器被写满后,重复写入到设备中的值就不再被保存。
  这个问题的产生与DCS组态有关。在控制模块组态时,如果写入现场总线设备中的参数是来自于另一功能块中的运算式,或是以外部参考方式链接的,大约1-5秒执行一次写命令(不管数据是否有变化)。这种不断重复的写入参数将使NVM储存器的储存量很快达到极限,具有AMS诊断功能的NVM储存器会发出报警信号,引起人们的注意。
  解决这个问题的方法是在组态时设置一个逻辑判断表达式,当参数的变化量超过某个值时,才将该参数写入NVM储存器中,这样参数的写入次数就会大大减少。
  当AMS诊断功能发现NVM储存器的写入次数增加得过快时,就应该尽快查找原因。
  9.随第三方设备带来的现场总线设备和回路的连接方式,可能与主流设备和回路的连接方式不同,例如某公司提供的总线电源和终端阻抗器是通过开关切换,发现有时终端阻抗器连接少于2个,造成回路阻抗增大,信号变得过大;如终端阻抗器连接多于2个,造成回路阻抗减小,信号变得过小。这两种情况对网段正常工作都是不利的。
  现场总线控制技术在国内外各行业得到广泛应用,世界著名的DCS供货商的现场总线控制技术日趋成熟,能满足大型石油化工联合工厂自动化系统的要求。现场总线控制技术在实际使用中应注意以下几点:
  ①在工程设计阶段,现场总线回路的设计应符合设计规范,回路组态合理;
  ②在现场总线设备采购时,所选用的总线设备必须与DCS主机联合测试,通过测试的总线设备才能使用;
  ③重视施工质量,防止总线电缆压坏,屏蔽线接地正确,电缆连接接触良好,加强检查监督;
  ④现场总线回路投用前,应先使用网段监视器FBT-6和FBT-5来测试总线电缆,将网段两端的设备拆下,分别连接FBT-3和FBT-5,其中FBT-5起到总线网段LAS的作用,通过测试可发现网段连接中的问题。
  ⑤加强培训现场总线控制系统设计、施工及维护人员,了解检查现场总线回路故障的测试设备和软件,及时发现现场总线设备的故障。最好培养现场总线技术应用工程师,重点研究和分析现场总线设备和回路中出现的问题,积累经验。

                                                              

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