吴国良 （1942-）

男，浙江宁波人，大学本科，教授级高级工程师，长期从事中国石化自动化领域仪表控制系统的研究工作，近年关注FF现场总线数字阀门控制器在线和离线故障诊断技术。


    摘 要：上海赛科90万吨/年乙烯联合装置是世界上最大的石油化工联合装置之一，同时也是我国第一家大规模采用FF现场总线控制技术的现代化大型石油化工联合装置，并获得了成功应用。在现场总线控制回路中大量使用了FIELDVUE?的数字阀门控制器，本文介绍FF现场总线系统的结构概述，同时也讨论FIELDVUE数字阀门控制器提供的在线和离线诊断功能。举例说明FIELDVUE数字阀门控制器如何预诊断维修问题，减少整个设备生命周期成本。

    关键词：数字阀门控制器；现场总线

    1 联合装置自控系统简介 

    上海赛科90万吨/年乙烯联合装置是世界上最大的石油化工联合装置之一，使用了高度集成的自动化系统，同时也是我国第一家大规模采用FF现场总线控制技术的现代化大型石油化工联合装置，并获得了成功应用。

    联合装置包括了90万吨/年乙烯装置等9套生产装置及公用工程、辅助设施等。全厂设一个中央控制室，所有生产装置的操作控制和生产管理全部集中。全厂设有十五个控制系统外站，分别设在各个生产装置中。各控制系统外站内安装了各生产装置的各种控制系统机柜，各控制外站到中央控制室的各种信号全部采用双冗余光纤电缆通信方式传输。

    联合装置共有10套DCS系统，分别控制9套生产装置及公用工程（OSBL）。此外各生产装置还有SIS安全连锁系统，火灾和可燃气体报警、连动系统（F&G）、转动机器检测保护系统（MMS）、在线色谱检测系统（GC）、电气设备检测控制系统（MCC）、CCTV网络监视系统和各种用途的PLC控制器。

    所有监视控制系统都有它们自己的网络系统，全联合装置联网，同时又通过Modbus与各自装置的DCS通信，使操作员能够在DCS上监视本装置的这些系统的状况。各种系统之间通过网络连接构成全集成自动化系统，同时通过PI系统为生产管理人员提供生产实时数据信息。

    全装置安装了AMS资产管理系统，在AMS服务器中可以管理HART信号和FF总线两种现场设备，可以对它们进行组态并还可以显示设备的各种故障报警状态。

    在现场总线控制回路中大量使用了FIELDVUE?的数字阀门控制器，并配合使用ValveLink? SNAP-ON? 软件和阀门在线（PD）、离线（AD）诊断软件来管理现场控制阀门。这样使阀门维修策略从初期的“事后维修”、“预防性维修”提高到事先的诊断性维修。允许在装置停车之前对阀门的性能作测试和评估，预测有关部件性能、故障和损坏的情况，作出有针对性的检修计划。这种方法意味着仅在阀门需要检修时才被从工艺管线上拆下来。预先购买必要的部件和修理需要的阀门组件。预先知道了需要检修的内容就可以减低检修管理成本，以及早期作好设备检修的准备，减少检修作业时间。

    2 数字阀门控制器的设计组态要求

    （1）根据设计，整个联合装置有FIELDVUE数字阀门控制器3000余台，其型号规格有：

    DVC6000 SIS  ——用于联锁系统的ON-OFF紧急关断阀；

    DVC5000F FL-AD ——用于现场总线的ON-OFF开关阀门，具有离线高级诊断功能；

    DVC5000F PD ——具有在线高级诊断功能。

    （2）FF现场总线型数字阀门控制器的设计组态规定；

    为确保FF总线网络运行安全，设计规定，一个H1现场总线网段上设计最多现场总线设备数量是12台（其中3台是做备用），总线的拓扑结构采用“树型”配线拓扑结构，如图1所示。

               
                                图1   设计要求9个FF现场仪表

    （3）一个网段上最多设计2个数字阀门控制器。

    （4）为提高FF现场总线的工作效率，尽量减少FF现场总线设备在总线网段上的通讯量，所以在设计和组态时原则上将单回路和串级控制的副回路的PID控制模块放在数字阀门控制器中，这样就可以减少DCS控制器与现场阀门定位器之间的通信量，同时使控制系统更加安全可靠，即使FF总线网络与DCS的通信连接中断，或DCS发生故障，由于PID控制模块在现场数字阀门控制器中，所以调节回路仍然能够继续正常工作，实现了控制的高度分散。

    （5）写现场总线的静态参数时只写入有变化的参数，这样大大减少了数据的写入量，否则控制模块将静态参数以每秒一次写入DVC5000f的NVM寄存器中，很快就将设备的NVM寄存器写满，从而发出故障报警，使其失去寄存功能，必须调换了，（但对于DVC6000不存在这个问题）。

    （6）应该尽量减少一个网段上的设备参数引入到其它网段的设备中，因为跨网段的引用数据会增加通讯量。

    （7）当数字阀门控制器检测到内部故障报警时，控制阀门不应自动进入安全模式（即自测试停车功能）而应该将它设置在disable {不使能}模式，避免造成不必要的装置停车。

    3 数字阀门控制器的安装和测试要求

    影响FF现场总线网段正常工作有诸多原因，现场总线使用经验表明，现场总线回路故障的主要原因之一是来自网段上的干扰，而干扰的主要来源是现场总线网段电缆和现场总线设备的不良安装。总线型数字阀门控制器与其它现场总线设备一样，它们的安装必须严格遵守FF现场总线基金会总线系统工程指南（版本2.0），对安装提出了详细要求，图2是对现场总线正常运行造成干扰的主要因素。

                   

                         图2   影响现场总线运行的主要因素

    （1）现场总线网段对绝缘要求很高，为了防爆和防止总线回路受潮，规定采用增安型（EEx e）接线箱，电缆穿入接线箱时使用防爆电缆密封接头。

    采用FF总线专用端子块(mega blocks)与各现场总线设备连接。每个总线专用端子块具有短路保护作用，保证一个支路短路时不影响其它支路的正常工作，短路时指示灯亮，短路保护器将限制每支路的短路电流不超过60mA。如图3所示。 

                 

                         图3   专用端子块与各现场总线设备连接

    （2）总线电缆屏蔽层连接的注意事项：

    ① 我们采用电缆屏蔽线单点接地方式，所以在数字阀门控制器上，支线电缆的屏蔽线要剪断，并要用绝缘带包好，不能与表壳接地螺丝连接。各网段总线电缆的屏蔽线应在接线箱内通过接地端子连接起来，屏蔽线只能在机柜侧（Marshalling）的端子接地，中间任何地方对地绝缘要良好，不能有多点接地情况，这样可以起到防止静电感应和低频（50HZ）干扰的作用。

    ② 如果总线的干线电缆是多芯电缆，则不同总线网段的分屏蔽线不应在接线箱（JB）内被互相连接在一起，也不能与总屏蔽线连在一起。

    ③ 电缆的铠装钢丝和多芯电缆的总屏蔽线要求在现场和机柜侧两端接地，起到防止雷电等高频干扰的影响。

    ④ 在DCS接线柜，现场中间接线箱或现场设备接线端子处螺丝要拧紧，螺丝不能生锈，任何接触不良会造成总线信号衰减。如图4所示。

               

                              图4   DCS接线柜的设备连接

    （3） 现场总线电缆安装之后应该经过严格测试，电缆线间绝缘电阻，对地绝缘，线间和对地电容等应该符合FF基金会总线系统工程指南中的技术要求。

     ①二根信号线和屏蔽线、信号线和仪表接地极、屏蔽线和仪表接地极之间绝缘电阻分别应该大于20MΩ。

     ②信号线和屏蔽线、信号线和仪表接地极、屏蔽线和仪表接地极之间的电容应小于300nF。

    （4） 现场总线设备安装之后可以用FLUK公司的 199示波器测试总线信号的波形是否符合要求，在带2个终端器和1000英尺电缆长度的情况下，预期的波形图如图5所示，将网段上实际测试到的波形与这个预期波形作对比。

             
                          图5   预期波形图

    （5）同时用MTL公司提供的FBT3，FBT5，FBT6等FF总线网段测试设备，检测现场总线网段上的各种故障情况，这是目前有效的总线网段性能测试工具。 

    FF总线网段上故障检测主要有两个手段和方法，即使用MTL生产的FBT-6网络测试器和Delta V资源管理器上的网段端口和设备故障统计参数。

    ①使用FBT-6网络测试器：

    将FBT-6网络测试器连接到网段上的任何位置处，（红黑线连接网段的正负端子，绿线连接屏蔽层）,它能检查如下信息：

    a  FTB6显示峰值干扰或平均干扰数值大到报警时，FF>75Mv, LF/HF>150 mV（FF：干扰频率＝总线频率，FL：低于总线频率，FH：是高于总线频率）。

    b  FTB6显示屏蔽短路时,表示网线的正极或负极与屏蔽线短路，同时出现很大的干扰信号值。

    c  如果FTB6显示有一个或多个表出现令牌重发数（Retransmits）不断增加，说明网段线或支线存在接触不良情况。
 
    d  如果出现有现场设备增加或减少的记录，说明曾经丢失过此表，出现过通信故障现象，COM_alrm。

    ②检查Delta V资源管理器上的网段端口和设备故障统计参数识别，网段故障的主要三个统计参数是：

    a  NUMDIITokenPassTimeout——这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，或这个设备保持令牌的时间超过令牌应持有时间（TokenHoldTime）。

    b  DIIRetries —— 令牌重发次数。

    c  NumLiveListAppearencess 设备丢失又出现的次数。

    这些参数如果在不断增加，则表示FF现场总线网段存在严重问题。如果统计参数“Number of Live List Appearance”的数字不断增加，这表示电缆连接接触不良。

    4 使用AMS和 ValveLink SNAP-ON对控制阀门进行阀门校验，和阀门性能预测试

    由于FIELDVUE数字阀门控制器的性能安全可靠，控制精确度高，再加上阀门制造商在控制阀门出厂前经过严格的性能测试，并提供了测试记录曲线，所以在控制阀门安装前就不再要求进行阀门的行程调试。这样就节省了调试人力和调试进度。

    （1）在控制阀门安装后，赛科利用AMSTM ValveLink?的校验功能对控制阀门进行检查和调试，由于FIELDVUE数字阀门控制器具有精确的数字阀位反馈信息，所以仅对行程偏差大的阀门进行自动校对，大大减少了仪表人员到现场确认的要求，并且大大地节约了调试人力和调试时间。

    （2）利用AMSTM ValveLink?软件和DCV6000的部分行程测试功能对那些长期处于开启状态的ESD阀门按计划进行部分行程测试（15%行程动作试验），确认阀门状态是良好的，没有被卡死的现象。

    下面是利用阀门的诊断功能对一些有故障征兆的阀门进行在线和离线诊断的例子：

    ①一个典型的例子是：某装置停车检修时，仪表人员对一台ON-OFF开关阀门（ESD联锁阀门）做了部分行程测试（Partial stroke），这台阀门安装有型号是DVC-SIS的数字阀门控制器。但部分行程测试失败了，于是对这个阀门做了完全的离线诊断（Full diagnostics ，Advance diagnostics），诊断的结果是阀门行程曲线如图6所示。

                  
 
                          图6   阀门行程曲线图

    从图中可以看到，这个阀门不能完全关闭，在53%行程处被卡住了。

    同时对阀门做了阶跃测试，如图7所示。

    a  阶跃信号（step input）是从0 % ～ 100%，再从100% ～ 0 %。来自ValveLink 的蓝色趋势线( Blue trending)。

    b  气源变化曲线 ，是绿色趋势线 (Green trending)。

    c  阀门行程曲线，是红色趋势线 (Red Trending)。

                 

                                      图7   阀门阶跃测试图

    分析曲线我们可以看到，信号从 0% ～100%时，在10秒钟时间内，阀门行程从53% ～100%（卡住位置）不到的位置，对应的气源压力是50 psig～75 psig。当信号从100%～0%时，在20秒钟时间内阀门行程只能回到74%，将阀门的气源全部放光，阀门只有回到大约50%的位置。确信阀门是卡在50%附近的位置处了。将阀门解体检查，发现这是个旋转阀（0～90度），阀杆和轴套之间严重磨损，并粘牢了（stuck），经检修后阀门性能得到改善，如图8所示。由图8可见，阀门从全开到全关动作完全正常，阀门的阶跃测试在10秒钟时间内阀门动作正常。

                  

                                 图8   阀门测试结果

     对阀门重新做了15%的部分行程测试，从100%～85%动作正常，如图9所示。此图可以作为今后阀门诊断的参考。

    ② 对装有AD和PD诊断功能的数字阀门控制器的调节阀门进行离线和在线性能诊断，根据诊断曲线和数据来判断阀门可能的故障情况。

    仪表人员对部分阀门在离线解体检修前先对这些阀门做了离线诊断测试，下面是一个典型例子，离线诊断分析报告数据和阀门特性曲线，如图10所示。

                 

                                图9   阀门部分行程测试结果

              

                                     图10   离线诊断分析报告

    根据分析数据报告显示，阀门的平均摩擦力是416 lbf ，期望摩擦力是183 lbf， 按要求平均摩擦力的正常范围应该在期望值的25%～80%，但现在是227% 倍，显然阀门的摩擦力过大。再看曲线的二端情况不好，表示摩擦力大的原因是阀芯和阀座在阀开和关位置附近有硬物摩擦，非单纯填料摩擦所至。然后将这台阀门列入了阀门解体检修项目中，图11是阀门解体后发现的阀芯磨损情况的照片。

               
 
                              图11   阀芯磨损情况

    阀门解体后发现阀内有许多焊渣，使阀芯表面拉毛，密封面也损坏了。经堆焊修复后情况正常，同时更换了阀杆的填料。阀门检修后的诊断测试曲线和数据，如图12所示。

               

                                 图12   阀门检修后的测试结果

    由上分析数据可知，平均摩擦力从416 lbf减小到146lbf，在正常范围内，阀门特性曲线也改善了。

    ③为了更好的监控控制阀门的运行情况，提高阀门性能检测的及时性，联合装置将100台 数字阀门控制器（DVC5000f）的离线高级诊断功能（AD）升级到在线性能高级诊断功能（PD）。在线性能高级诊断功能可以根据气源压力的高低和空气质量流量诊断出执行机构，气路管线泄露，活塞O型圈损坏，阀门卡等故障，为阀门检修计划提供可靠依据。

    下面是在线诊断的例子：仪表人员对某一阀门做了在线诊断（PD）的测试，发现阀门有很大的行程偏差，DVC的I/P驱动信号也很大，需要继续监视阀门性能，并建议在停车时立即检修。

    停车后对阀门执行离线完全诊断测试，发现如下不正常的测试图形，如图13、14所示。 

                

                                图13   停车后不正常的测试图形

                

                                    图14   不正常测试图形

    a  阀门在关闭位置附近卡住，阀门在输入信号大于25%时开始动作；

    b  阀门不能完全打开；

    c  阀门在关闭行程期间震荡。

    然后对阀门做了解体检查，发现汽缸和阀门的连接杆和滑块，滑轴磨损，如图15所示。

                

                                      图15   磨损结果

    加工恢复后再次确认： 

    a  检修后对阀门再次做离线诊断测试；

    b  阀门的特性曲线，动态误差带曲线和数据显示阀门性能得到改善；

    c  阀门重新正常使用，如图16所示。

              

                               图16   阀门重新使用后的结果

   再次进行在线PD 测试显示，阀门能够良好跟踪设定点，行程偏差减少了许多，如图17所示。

                 
 
                             图17   在线DD测试显示结果