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吳國良 （1942-）

男，浙江寧波人，大學(xué)本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事中國石化自動(dòng)化領(lǐng)域儀表控制系統(tǒng)的研究工作，近年關(guān)注FF現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字閥門控制器在線和離線故障診斷技術(shù)。


    摘 要：上海賽科90萬噸/年乙烯聯(lián)合裝置是世界上最大的石油化工聯(lián)合裝置之一，同時(shí)也是我國第一家大規(guī)模采用FF現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的現(xiàn)代化大型石油化工聯(lián)合裝置，并獲得了成功應(yīng)用。在現(xiàn)場(chǎng)總線控制回路中大量使用了FIELDVUE?的數(shù)字閥門控制器，本文介紹FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概述，同時(shí)也討論FIELDVUE數(shù)字閥門控制器提供的在線和離線診斷功能。舉例說明FIELDVUE數(shù)字閥門控制器如何預(yù)診斷維修問題，減少整個(gè)設(shè)備生命周期成本。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字閥門控制器；現(xiàn)場(chǎng)總線

    1 聯(lián)合裝置自控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 

    上海賽科90萬噸/年乙烯聯(lián)合裝置是世界上最大的石油化工聯(lián)合裝置之一，使用了高度集成的自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)也是我國第一家大規(guī)模采用FF現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的現(xiàn)代化大型石油化工聯(lián)合裝置，并獲得了成功應(yīng)用。

    聯(lián)合裝置包括了90萬噸/年乙烯裝置等9套生產(chǎn)裝置及公用工程、輔助設(shè)施等。全廠設(shè)一個(gè)中央控制室，所有生產(chǎn)裝置的操作控制和生產(chǎn)管理全部集中。全廠設(shè)有十五個(gè)控制系統(tǒng)外站，分別設(shè)在各個(gè)生產(chǎn)裝置中。各控制系統(tǒng)外站內(nèi)安裝了各生產(chǎn)裝置的各種控制系統(tǒng)機(jī)柜，各控制外站到中央控制室的各種信號(hào)全部采用雙冗余光纖電纜通信方式傳輸。

    聯(lián)合裝置共有10套DCS系統(tǒng)，分別控制9套生產(chǎn)裝置及公用工程（OSBL）。此外各生產(chǎn)裝置還有SIS安全連鎖系統(tǒng)，火災(zāi)和可燃?xì)怏w報(bào)警、連動(dòng)系統(tǒng)（F&G）、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)（MMS）、在線色譜檢測(cè)系統(tǒng)（GC）、電氣設(shè)備檢測(cè)控制系統(tǒng)（MCC）、CCTV網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視系統(tǒng)和各種用途的PLC控制器。

    所有監(jiān)視控制系統(tǒng)都有它們自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，全聯(lián)合裝置聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)又通過Modbus與各自裝置的DCS通信，使操作員能夠在DCS上監(jiān)視本裝置的這些系統(tǒng)的狀況。各種系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成全集成自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)通過PI系統(tǒng)為生產(chǎn)管理人員提供生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。

    全裝置安裝了AMS資產(chǎn)管理系統(tǒng)，在AMS服務(wù)器中可以管理HART信號(hào)和FF總線兩種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可以對(duì)它們進(jìn)行組態(tài)并還可以顯示設(shè)備的各種故障報(bào)警狀態(tài)。

    在現(xiàn)場(chǎng)總線控制回路中大量使用了FIELDVUE?的數(shù)字閥門控制器，并配合使用ValveLink? SNAP-ON? 軟件和閥門在線（PD）、離線（AD）診斷軟件來管理現(xiàn)場(chǎng)控制閥門。這樣使閥門維修策略從初期的“事后維修”、“預(yù)防性維修”提高到事先的診斷性維修。允許在裝置停車之前對(duì)閥門的性能作測(cè)試和評(píng)估，預(yù)測(cè)有關(guān)部件性能、故障和損壞的情況，作出有針對(duì)性的檢修計(jì)劃。這種方法意味著僅在閥門需要檢修時(shí)才被從工藝管線上拆下來。預(yù)先購買必要的部件和修理需要的閥門組件。預(yù)先知道了需要檢修的內(nèi)容就可以減低檢修管理成本，以及早期作好設(shè)備檢修的準(zhǔn)備，減少檢修作業(yè)時(shí)間。

    2 數(shù)字閥門控制器的設(shè)計(jì)組態(tài)要求

    （1）根據(jù)設(shè)計(jì)，整個(gè)聯(lián)合裝置有FIELDVUE數(shù)字閥門控制器3000余臺(tái)，其型號(hào)規(guī)格有：

    DVC6000 SIS  ——用于聯(lián)鎖系統(tǒng)的ON-OFF緊急關(guān)斷閥；

    DVC5000F FL-AD ——用于現(xiàn)場(chǎng)總線的ON-OFF開關(guān)閥門，具有離線高級(jí)診斷功能；

    DVC5000F PD ——具有在線高級(jí)診斷功能。

    （2）FF現(xiàn)場(chǎng)總線型數(shù)字閥門控制器的設(shè)計(jì)組態(tài)規(guī)定；

    為確保FF總線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全，設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)H1現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上設(shè)計(jì)最多現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備數(shù)量是12臺(tái)（其中3臺(tái)是做備用），總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用“樹型”配線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

               
                                圖1   設(shè)計(jì)要求9個(gè)FF現(xiàn)場(chǎng)儀表

    （3）一個(gè)網(wǎng)段上最多設(shè)計(jì)2個(gè)數(shù)字閥門控制器。

    （4）為提高FF現(xiàn)場(chǎng)總線的工作效率，盡量減少FF現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在總線網(wǎng)段上的通訊量，所以在設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí)原則上將單回路和串級(jí)控制的副回路的PID控制模塊放在數(shù)字閥門控制器中，這樣就可以減少DCS控制器與現(xiàn)場(chǎng)閥門定位器之間的通信量，同時(shí)使控制系統(tǒng)更加安全可靠，即使FF總線網(wǎng)絡(luò)與DCS的通信連接中斷，或DCS發(fā)生故障，由于PID控制模塊在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字閥門控制器中，所以調(diào)節(jié)回路仍然能夠繼續(xù)正常工作，實(shí)現(xiàn)了控制的高度分散。

    （5）寫現(xiàn)場(chǎng)總線的靜態(tài)參數(shù)時(shí)只寫入有變化的參數(shù)，這樣大大減少了數(shù)據(jù)的寫入量，否則控制模塊將靜態(tài)參數(shù)以每秒一次寫入DVC5000f的NVM寄存器中，很快就將設(shè)備的NVM寄存器寫滿，從而發(fā)出故障報(bào)警，使其失去寄存功能，必須調(diào)換了，（但對(duì)于DVC6000不存在這個(gè)問題）。

    （6）應(yīng)該盡量減少一個(gè)網(wǎng)段上的設(shè)備參數(shù)引入到其它網(wǎng)段的設(shè)備中，因?yàn)榭缇W(wǎng)段的引用數(shù)據(jù)會(huì)增加通訊量。

    （7）當(dāng)數(shù)字閥門控制器檢測(cè)到內(nèi)部故障報(bào)警時(shí)，控制閥門不應(yīng)自動(dòng)進(jìn)入安全模式（即自測(cè)試停車功能）而應(yīng)該將它設(shè)置在disable {不使能}模式，避免造成不必要的裝置停車。

    3 數(shù)字閥門控制器的安裝和測(cè)試要求

    影響FF現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段正常工作有諸多原因，現(xiàn)場(chǎng)總線使用經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)場(chǎng)總線回路故障的主要原因之一是來自網(wǎng)段上的干擾，而干擾的主要來源是現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段電纜和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的不良安裝。總線型數(shù)字閥門控制器與其它現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備一樣，它們的安裝必須嚴(yán)格遵守FF現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)總線系統(tǒng)工程指南（版本2.0），對(duì)安裝提出了詳細(xì)要求，圖2是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線正常運(yùn)行造成干擾的主要因素。

                   

                         圖2   影響現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)行的主要因素

    （1）現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段對(duì)絕緣要求很高，為了防爆和防止總線回路受潮，規(guī)定采用增安型（EEx e）接線箱，電纜穿入接線箱時(shí)使用防爆電纜密封接頭。

    采用FF總線專用端子塊(mega blocks)與各現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備連接。每個(gè)總線專用端子塊具有短路保護(hù)作用，保證一個(gè)支路短路時(shí)不影響其它支路的正常工作，短路時(shí)指示燈亮，短路保護(hù)器將限制每支路的短路電流不超過60mA。如圖3所示。 

                 

                         圖3   專用端子塊與各現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備連接

    （2）總線電纜屏蔽層連接的注意事項(xiàng)：

    ① 我們采用電纜屏蔽線單點(diǎn)接地方式，所以在數(shù)字閥門控制器上，支線電纜的屏蔽線要剪斷，并要用絕緣帶包好，不能與表殼接地螺絲連接。各網(wǎng)段總線電纜的屏蔽線應(yīng)在接線箱內(nèi)通過接地端子連接起來，屏蔽線只能在機(jī)柜側(cè)（Marshalling）的端子接地，中間任何地方對(duì)地絕緣要良好，不能有多點(diǎn)接地情況，這樣可以起到防止靜電感應(yīng)和低頻（50HZ）干擾的作用。

    ② 如果總線的干線電纜是多芯電纜，則不同總線網(wǎng)段的分屏蔽線不應(yīng)在接線箱（JB）內(nèi)被互相連接在一起，也不能與總屏蔽線連在一起。

    ③ 電纜的鎧裝鋼絲和多芯電纜的總屏蔽線要求在現(xiàn)場(chǎng)和機(jī)柜側(cè)兩端接地，起到防止雷電等高頻干擾的影響。

    ④ 在DCS接線柜，現(xiàn)場(chǎng)中間接線箱或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接線端子處螺絲要擰緊，螺絲不能生銹，任何接觸不良會(huì)造成總線信號(hào)衰減。如圖4所示。

               

                              圖4   DCS接線柜的設(shè)備連接

    （3） 現(xiàn)場(chǎng)總線電纜安裝之后應(yīng)該經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試，電纜線間絕緣電阻，對(duì)地絕緣，線間和對(duì)地電容等應(yīng)該符合FF基金會(huì)總線系統(tǒng)工程指南中的技術(shù)要求。

     ①二根信號(hào)線和屏蔽線、信號(hào)線和儀表接地極、屏蔽線和儀表接地極之間絕緣電阻分別應(yīng)該大于20MΩ。

     ②信號(hào)線和屏蔽線、信號(hào)線和儀表接地極、屏蔽線和儀表接地極之間的電容應(yīng)小于300nF。

    （4） 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備安裝之后可以用FLUK公司的 199示波器測(cè)試總線信號(hào)的波形是否符合要求，在帶2個(gè)終端器和1000英尺電纜長(zhǎng)度的情況下，預(yù)期的波形圖如圖5所示，將網(wǎng)段上實(shí)際測(cè)試到的波形與這個(gè)預(yù)期波形作對(duì)比。

             
                          圖5   預(yù)期波形圖

    （5）同時(shí)用MTL公司提供的FBT3，F(xiàn)BT5，F(xiàn)BT6等FF總線網(wǎng)段測(cè)試設(shè)備，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段上的各種故障情況，這是目前有效的總線網(wǎng)段性能測(cè)試工具。 

    FF總線網(wǎng)段上故障檢測(cè)主要有兩個(gè)手段和方法，即使用MTL生產(chǎn)的FBT-6網(wǎng)絡(luò)測(cè)試器和Delta V資源管理器上的網(wǎng)段端口和設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

    ①使用FBT-6網(wǎng)絡(luò)測(cè)試器：

    將FBT-6網(wǎng)絡(luò)測(cè)試器連接到網(wǎng)段上的任何位置處，（紅黑線連接網(wǎng)段的正負(fù)端子，綠線連接屏蔽層）,它能檢查如下信息：

    a  FTB6顯示峰值干擾或平均干擾數(shù)值大到報(bào)警時(shí)，F(xiàn)F>75Mv, LF/HF>150 mV（FF：干擾頻率＝總線頻率，F(xiàn)L：低于總線頻率，F(xiàn)H：是高于總線頻率）。

    b  FTB6顯示屏蔽短路時(shí),表示網(wǎng)線的正極或負(fù)極與屏蔽線短路，同時(shí)出現(xiàn)很大的干擾信號(hào)值。

    c  如果FTB6顯示有一個(gè)或多個(gè)表出現(xiàn)令牌重發(fā)數(shù)（Retransmits）不斷增加，說明網(wǎng)段線或支線存在接觸不良情況。
 
    d  如果出現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備增加或減少的記錄，說明曾經(jīng)丟失過此表，出現(xiàn)過通信故障現(xiàn)象，COM_alrm。

    ②檢查Delta V資源管理器上的網(wǎng)段端口和設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)參數(shù)識(shí)別，網(wǎng)段故障的主要三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)是：

    a  NUMDIITokenPassTimeout——這表示現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備沒有收到發(fā)送給它的令牌（PT）信息，H1卡也沒有接收到令牌的應(yīng)答，或這個(gè)設(shè)備保持令牌的時(shí)間超過令牌應(yīng)持有時(shí)間（TokenHoldTime）。

    b  DIIRetries —— 令牌重發(fā)次數(shù)。

    c  NumLiveListAppearencess 設(shè)備丟失又出現(xiàn)的次數(shù)。

    這些參數(shù)如果在不斷增加，則表示FF現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段存在嚴(yán)重問題。如果統(tǒng)計(jì)參數(shù)“Number of Live List Appearance”的數(shù)字不斷增加，這表示電纜連接接觸不良。

    4 使用AMS和 ValveLink SNAP-ON對(duì)控制閥門進(jìn)行閥門校驗(yàn)，和閥門性能預(yù)測(cè)試

    由于FIELDVUE數(shù)字閥門控制器的性能安全可靠，控制精確度高，再加上閥門制造商在控制閥門出廠前經(jīng)過嚴(yán)格的性能測(cè)試，并提供了測(cè)試記錄曲線，所以在控制閥門安裝前就不再要求進(jìn)行閥門的行程調(diào)試。這樣就節(jié)省了調(diào)試人力和調(diào)試進(jìn)度。

    （1）在控制閥門安裝后，賽科利用AMSTM ValveLink?的校驗(yàn)功能對(duì)控制閥門進(jìn)行檢查和調(diào)試，由于FIELDVUE數(shù)字閥門控制器具有精確的數(shù)字閥位反饋信息，所以僅對(duì)行程偏差大的閥門進(jìn)行自動(dòng)校對(duì)，大大減少了儀表人員到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)的要求，并且大大地節(jié)約了調(diào)試人力和調(diào)試時(shí)間。

    （2）利用AMSTM ValveLink?軟件和DCV6000的部分行程測(cè)試功能對(duì)那些長(zhǎng)期處于開啟狀態(tài)的ESD閥門按計(jì)劃進(jìn)行部分行程測(cè)試（15%行程動(dòng)作試驗(yàn)），確認(rèn)閥門狀態(tài)是良好的，沒有被卡死的現(xiàn)象。

    下面是利用閥門的診斷功能對(duì)一些有故障征兆的閥門進(jìn)行在線和離線診斷的例子：

    ①一個(gè)典型的例子是：某裝置停車檢修時(shí)，儀表人員對(duì)一臺(tái)ON-OFF開關(guān)閥門（ESD聯(lián)鎖閥門）做了部分行程測(cè)試（Partial stroke），這臺(tái)閥門安裝有型號(hào)是DVC-SIS的數(shù)字閥門控制器。但部分行程測(cè)試失敗了，于是對(duì)這個(gè)閥門做了完全的離線診斷（Full diagnostics ，Advance diagnostics），診斷的結(jié)果是閥門行程曲線如圖6所示。

                  
 
                          圖6   閥門行程曲線圖

    從圖中可以看到，這個(gè)閥門不能完全關(guān)閉，在53%行程處被卡住了。

    同時(shí)對(duì)閥門做了階躍測(cè)試，如圖7所示。

    a  階躍信號(hào)（step input）是從0 % ～ 100%，再從100% ～ 0 %。來自ValveLink 的藍(lán)色趨勢(shì)線( Blue trending)。

    b  氣源變化曲線 ，是綠色趨勢(shì)線 (Green trending)。

    c  閥門行程曲線，是紅色趨勢(shì)線 (Red Trending)。

                 

                                      圖7   閥門階躍測(cè)試圖

    分析曲線我們可以看到，信號(hào)從 0% ～100%時(shí)，在10秒鐘時(shí)間內(nèi)，閥門行程從53% ～100%（卡住位置）不到的位置，對(duì)應(yīng)的氣源壓力是50 psig～75 psig。當(dāng)信號(hào)從100%～0%時(shí)，在20秒鐘時(shí)間內(nèi)閥門行程只能回到74%，將閥門的氣源全部放光，閥門只有回到大約50%的位置。確信閥門是卡在50%附近的位置處了。將閥門解體檢查，發(fā)現(xiàn)這是個(gè)旋轉(zhuǎn)閥（0～90度），閥桿和軸套之間嚴(yán)重磨損，并粘牢了（stuck），經(jīng)檢修后閥門性能得到改善，如圖8所示。由圖8可見，閥門從全開到全關(guān)動(dòng)作完全正常，閥門的階躍測(cè)試在10秒鐘時(shí)間內(nèi)閥門動(dòng)作正常。

                  

                                 圖8   閥門測(cè)試結(jié)果

     對(duì)閥門重新做了15%的部分行程測(cè)試，從100%～85%動(dòng)作正常，如圖9所示。此圖可以作為今后閥門診斷的參考。

    ② 對(duì)裝有AD和PD診斷功能的數(shù)字閥門控制器的調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行離線和在線性能診斷，根據(jù)診斷曲線和數(shù)據(jù)來判斷閥門可能的故障情況。

    儀表人員對(duì)部分閥門在離線解體檢修前先對(duì)這些閥門做了離線診斷測(cè)試，下面是一個(gè)典型例子，離線診斷分析報(bào)告數(shù)據(jù)和閥門特性曲線，如圖10所示。

                 

                                圖9   閥門部分行程測(cè)試結(jié)果

              

                                     圖10   離線診斷分析報(bào)告

    根據(jù)分析數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，閥門的平均摩擦力是416 lbf ，期望摩擦力是183 lbf， 按要求平均摩擦力的正常范圍應(yīng)該在期望值的25%～80%，但現(xiàn)在是227% 倍，顯然閥門的摩擦力過大。再看曲線的二端情況不好，表示摩擦力大的原因是閥芯和閥座在閥開和關(guān)位置附近有硬物摩擦，非單純填料摩擦所至。然后將這臺(tái)閥門列入了閥門解體檢修項(xiàng)目中，圖11是閥門解體后發(fā)現(xiàn)的閥芯磨損情況的照片。

               
 
                              圖11   閥芯磨損情況

    閥門解體后發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)有許多焊渣，使閥芯表面拉毛，密封面也損壞了。經(jīng)堆焊修復(fù)后情況正常，同時(shí)更換了閥桿的填料。閥門檢修后的診斷測(cè)試曲線和數(shù)據(jù)，如圖12所示。

               

                                 圖12   閥門檢修后的測(cè)試結(jié)果

    由上分析數(shù)據(jù)可知，平均摩擦力從416 lbf減小到146lbf，在正常范圍內(nèi)，閥門特性曲線也改善了。

    ③為了更好的監(jiān)控控制閥門的運(yùn)行情況，提高閥門性能檢測(cè)的及時(shí)性，聯(lián)合裝置將100臺(tái) 數(shù)字閥門控制器（DVC5000f）的離線高級(jí)診斷功能（AD）升級(jí)到在線性能高級(jí)診斷功能（PD）。在線性能高級(jí)診斷功能可以根據(jù)氣源壓力的高低和空氣質(zhì)量流量診斷出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣路管線泄露，活塞O型圈損壞，閥門卡等故障，為閥門檢修計(jì)劃提供可靠依據(jù)。

    下面是在線診斷的例子：儀表人員對(duì)某一閥門做了在線診斷（PD）的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)閥門有很大的行程偏差，DVC的I/P驅(qū)動(dòng)信號(hào)也很大，需要繼續(xù)監(jiān)視閥門性能，并建議在停車時(shí)立即檢修。

    停車后對(duì)閥門執(zhí)行離線完全診斷測(cè)試，發(fā)現(xiàn)如下不正常的測(cè)試圖形，如圖13、14所示。 

                

                                圖13   停車后不正常的測(cè)試圖形

                

                                    圖14   不正常測(cè)試圖形

    a  閥門在關(guān)閉位置附近卡住，閥門在輸入信號(hào)大于25%時(shí)開始動(dòng)作；

    b  閥門不能完全打開；

    c  閥門在關(guān)閉行程期間震蕩。

    然后對(duì)閥門做了解體檢查，發(fā)現(xiàn)汽缸和閥門的連接桿和滑塊，滑軸磨損，如圖15所示。

                

                                      圖15   磨損結(jié)果

    加工恢復(fù)后再次確認(rèn)： 

    a  檢修后對(duì)閥門再次做離線診斷測(cè)試；

    b  閥門的特性曲線，動(dòng)態(tài)誤差帶曲線和數(shù)據(jù)顯示閥門性能得到改善；

    c  閥門重新正常使用，如圖16所示。

              

                               圖16   閥門重新使用后的結(jié)果

   再次進(jìn)行在線PD 測(cè)試顯示，閥門能夠良好跟蹤設(shè)定點(diǎn)，行程偏差減少了許多，如圖17所示。

                 
 
                             圖17   在線DD測(cè)試顯示結(jié)果