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吳國良 （1942-）
男，浙江寧波人，大學本科，教授級高級工程師，長期從事中國石化自動化領域儀表控制系統的研究工作，近年關注FF現場總線數字閥門控制器在線和離線故障診斷技術。
摘 要：上海賽科90萬噸/年乙烯聯合裝置是世界上最大的石油化工聯合裝置之一，同時也是我國第一家大規模采用FF現場總線控制技術的現代化大型石油化工聯合裝置，并獲得了成功應用。在現場總線控制回路中大量使用了FIELDVUE?的數字閥門控制器，本文介紹FF現場總線系統的結構概述，同時也討論FIELDVUE數字閥門控制器提供的在線和離線診斷功能。舉例說明FIELDVUE數字閥門控制器如何預診斷維修問題，減少整個設備生命周期成本。
關鍵詞：數字閥門控制器；現場總線
1 聯合裝置自控系統簡介
上海賽科90萬噸/年乙烯聯合裝置是世界上最大的石油化工聯合裝置之一，使用了高度集成的自動化系統，同時也是我國第一家大規模采用FF現場總線控制技術的現代化大型石油化工聯合裝置，并獲得了成功應用。
聯合裝置包括了90萬噸/年乙烯裝置等9套生產裝置及公用工程、輔助設施等。全廠設一個中央控制室，所有生產裝置的操作控制和生產管理全部集中。全廠設有十五個控制系統外站，分別設在各個生產裝置中。各控制系統外站內安裝了各生產裝置的各種控制系統機柜，各控制外站到中央控制室的各種信號全部采用雙冗余光纖電纜通信方式傳輸。
聯合裝置共有10套DCS系統，分別控制9套生產裝置及公用工程（OSBL）。此外各生產裝置還有SIS安全連鎖系統，火災和可燃氣體報警、連動系統（F&G）、轉動機器檢測保護系統（MMS）、在線色譜檢測系統（GC）、電氣設備檢測控制系統（MCC）、CCTV網絡監視系統和各種用途的PLC控制器。
所有監視控制系統都有它們自己的網絡系統，全聯合裝置聯網，同時又通過Modbus與各自裝置的DCS通信，使操作員能夠在DCS上監視本裝置的這些系統的狀況。各種系統之間通過網絡連接構成全集成自動化系統，同時通過PI系統為生產管理人員提供生產實時數據信息。
全裝置安裝了AMS資產管理系統，在AMS服務器中可以管理HART信號和FF總線兩種現場設備，可以對它們進行組態并還可以顯示設備的各種故障報警狀態。
在現場總線控制回路中大量使用了FIELDVUE?的數字閥門控制器，并配合使用ValveLink? SNAP-ON? 軟件和閥門在線（PD）、離線（AD）診斷軟件來管理現場控制閥門。這樣使閥門維修策略從初期的“事后維修”、“預防性維修”提高到事先的診斷性維修。允許在裝置停車之前對閥門的性能作測試和評估，預測有關部件性能、故障和損壞的情況，作出有針對性的檢修計劃。這種方法意味著僅在閥門需要檢修時才被從工藝管線上拆下來。預先購買必要的部件和修理需要的閥門組件。預先知道了需要檢修的內容就可以減低檢修管理成本，以及早期作好設備檢修的準備，減少檢修作業時間。
2 數字閥門控制器的設計組態要求
（1）根據設計，整個聯合裝置有FIELDVUE數字閥門控制器3000余臺，其型號規格有：
DVC6000 SIS ——用于聯鎖系統的ON-OFF緊急關斷閥；
DVC5000F FL-AD ——用于現場總線的ON-OFF開關閥門，具有離線高級診斷功能；
DVC5000F PD ——具有在線高級診斷功能。
（2）FF現場總線型數字閥門控制器的設計組態規定；
為確保FF總線網絡運行安全，設計規定，一個H1現場總線網段上設計最多現場總線設備數量是12臺（其中3臺是做備用），總線的拓撲結構采用“樹型”配線拓撲結構，如圖1所示。
圖1 設計要求9個FF現場儀表
（3）一個網段上最多設計2個數字閥門控制器。
（4）為提高FF現場總線的工作效率，盡量減少FF現場總線設備在總線網段上的通訊量，所以在設計和組態時原則上將單回路和串級控制的副回路的PID控制模塊放在數字閥門控制器中，這樣就可以減少DCS控制器與現場閥門定位器之間的通信量，同時使控制系統更加安全可靠，即使FF總線網絡與DCS的通信連接中斷，或DCS發生故障，由于PID控制模塊在現場數字閥門控制器中，所以調節回路仍然能夠繼續正常工作，實現了控制的高度分散。
（5）寫現場總線的靜態參數時只寫入有變化的參數，這樣大大減少了數據的寫入量，否則控制模塊將靜態參數以每秒一次寫入DVC5000f的NVM寄存器中，很快就將設備的NVM寄存器寫滿，從而發出故障報警，使其失去寄存功能，必須調換了，（但對于DVC6000不存在這個問題）。
（6）應該盡量減少一個網段上的設備參數引入到其它網段的設備中，因為跨網段的引用數據會增加通訊量。
（7）當數字閥門控制器檢測到內部故障報警時，控制閥門不應自動進入安全模式（即自測試停車功能）而應該將它設置在disable {不使能}模式，避免造成不必要的裝置停車。
3 數字閥門控制器的安裝和測試要求
影響FF現場總線網段正常工作有諸多原因，現場總線使用經驗表明，現場總線回路故障的主要原因之一是來自網段上的干擾，而干擾的主要來源是現場總線網段電纜和現場總線設備的不良安裝。總線型數字閥門控制器與其它現場總線設備一樣，它們的安裝必須嚴格遵守FF現場總線基金會總線系統工程指南（版本2.0），對安裝提出了詳細要求，圖2是對現場總線正常運行造成干擾的主要因素。
圖2 影響現場總線運行的主要因素
（1）現場總線網段對絕緣要求很高，為了防爆和防止總線回路受潮，規定采用增安型（EEx e）接線箱，電纜穿入接線箱時使用防爆電纜密封接頭。
采用FF總線專用端子塊(mega blocks)與各現場總線設備連接。每個總線專用端子塊具有短路保護作用，保證一個支路短路時不影響其它支路的正常工作，短路時指示燈亮，短路保護器將限制每支路的短路電流不超過60mA。如圖3所示。
圖3 專用端子塊與各現場總線設備連接
（2）總線電纜屏蔽層連接的注意事項：
① 我們采用電纜屏蔽線單點接地方式，所以在數字閥門控制器上，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。各網段總線電纜的屏蔽線應在接線箱內通過接地端子連接起來，屏蔽線只能在機柜側（Marshalling）的端子接地，中間任何地方對地絕緣要良好，不能有多點接地情況，這樣可以起到防止靜電感應和低頻（50HZ）干擾的作用。
② 如果總線的干線電纜是多芯電纜，則不同總線網段的分屏蔽線不應在接線箱（JB）內被互相連接在一起，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場和機柜側兩端接地，起到防止雷電等高頻干擾的影響。
④ 在DCS接線柜，現場中間接線箱或現場設備接線端子處螺絲要擰緊，螺絲不能生銹，任何接觸不良會造成總線信號衰減。如圖4所示。
圖4 DCS接線柜的設備連接
（3） 現場總線電纜安裝之后應該經過嚴格測試，電纜線間絕緣電阻，對地絕緣，線間和對地電容等應該符合FF基金會總線系統工程指南中的技術要求。
①二根信號線和屏蔽線、信號線和儀表接地極、屏蔽線和儀表接地極之間絕緣電阻分別應該大于20MΩ。
②信號線和屏蔽線、信號線和儀表接地極、屏蔽線和儀表接地極之間的電容應小于300nF。
（4） 現場總線設備安裝之后可以用FLUK公司的 199示波器測試總線信號的波形是否符合要求，在帶2個終端器和1000英尺電纜長度的情況下，預期的波形圖如圖5所示，將網段上實際測試到的波形與這個預期波形作對比。
圖5 預期波形圖
（5）同時用MTL公司提供的FBT3，FBT5，FBT6等FF總線網段測試設備，檢測現場總線網段上的各種故障情況，這是目前有效的總線網段性能測試工具。
FF總線網段上故障檢測主要有兩個手段和方法，即使用MTL生產的FBT-6網絡測試器和Delta V資源管理器上的網段端口和設備故障統計參數。
①使用FBT-6網絡測試器：
將FBT-6網絡測試器連接到網段上的任何位置處，（紅黑線連接網段的正負端子，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值大到報警時，FF>75Mv, LF/HF>150 mV（FF：干擾頻率＝總線頻率，FL：低于總線頻率，FH：是高于總線頻率）。
b FTB6顯示屏蔽短路時,表示網線的正極或負極與屏蔽線短路，同時出現很大的干擾信號值。
c 如果FTB6顯示有一個或多個表出現令牌重發數（Retransmits）不斷增加，說明網段線或支線存在接觸不良情況。
d 如果出現有現場設備增加或減少的記錄，說明曾經丟失過此表，出現過通信故障現象，COM_alrm。
②檢查Delta V資源管理器上的網段端口和設備故障統計參數識別，網段故障的主要三個統計參數是：
a NUMDIITokenPassTimeout——這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，或這個設備保持令牌的時間超過令牌應持有時間（TokenHoldTime）。
b DIIRetries —— 令牌重發次數。
c NumLiveListAppearencess 設備丟失又出現的次數。
這些參數如果在不斷增加，則表示FF現場總線網段存在嚴重問題。如果統計參數“Number of Live List Appearance”的數字不斷增加，這表示電纜連接接觸不良。
4 使用AMS和 ValveLink SNAP-ON對控制閥門進行閥門校驗，和閥門性能預測試
由于FIELDVUE數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過嚴格的性能測試，并提供了測試記錄曲線，所以在控制閥門安裝前就不再要求進行閥門的行程調試。這樣就節省了調試人力和調試進度。
（1）在控制閥門安裝后，賽科利用AMSTM ValveLink?的校驗功能對控制閥門進行檢查和調試，由于FIELDVUE數字閥門控制器具有精確的數字閥位反饋信息，所以僅對行程偏差大的閥門進行自動校對，大大減少了儀表人員到現場確認的要求，并且大大地節約了調試人力和調試時間。
（2）利用AMSTM ValveLink?軟件和DCV6000的部分行程測試功能對那些長期處于開啟狀態的ESD閥門按計劃進行部分行程測試（15%行程動作試驗），確認閥門狀態是良好的，沒有被卡死的現象。
下面是利用閥門的診斷功能對一些有故障征兆的閥門進行在線和離線診斷的例子：
①一個典型的例子是：某裝置停車檢修時，儀表人員對一臺ON-OFF開關閥門（ESD聯鎖閥門）做了部分行程測試（Partial stroke），這臺閥門安裝有型號是DVC-SIS的數字閥門控制器。但部分行程測試失敗了，于是對這個閥門做了完全的離線診斷（Full diagnostics ，Advance diagnostics），診斷的結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，這個閥門不能完全關閉，在53%行程處被卡住了。
同時對閥門做了階躍測試，如圖7所示。
a 階躍信號（step input）是從0 % ～ 100%，再從100% ～ 0 %。來自ValveLink 的藍色趨勢線( Blue trending)。
b 氣源變化曲線 ，是綠色趨勢線 (Green trending)。
c 閥門行程曲線，是紅色趨勢線 (Red Trending)。
圖7 閥門階躍測試圖
分析曲線我們可以看到，信號從 0% ～100%時，在10秒鐘時間內，閥門行程從53% ～100%（卡住位置）不到的位置，對應的氣源壓力是50 psig～75 psig。當信號從100%～0%時，在20秒鐘時間內閥門行程只能回到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，發現這是個旋轉閥（0～90度），閥桿和軸套之間嚴重磨損，并粘牢了（stuck），經檢修后閥門性能得到改善，如圖8所示。由圖8可見，閥門從全開到全關動作完全正常，閥門的階躍測試在10秒鐘時間內閥門動作正常。
圖8 閥門測試結果
對閥門重新做了15%的部分行程測試，從100%～85%動作正常，如圖9所示。此圖可以作為今后閥門診斷的參考。
② 對裝有AD和PD診斷功能的數字閥門控制器的調節閥門進行離線和在線性能診斷，根據診斷曲線和數據來判斷閥門可能的故障情況。
儀表人員對部分閥門在離線解體檢修前先對這些閥門做了離線診斷測試，下面是一個典型例子，離線診斷分析報告數據和閥門特性曲線，如圖10所示。
圖9 閥門部分行程測試結果
圖10 離線診斷分析報告
根據分析數據報告顯示，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該在期望值的25%～80%，但現在是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位置附近有硬物摩擦，非單純填料摩擦所至。然后將這臺閥門列入了閥門解體檢修項目中，圖11是閥門解體后發現的閥芯磨損情況的照片。
圖11 閥芯磨損情況
閥門解體后發現閥內有許多焊渣，使閥芯表面拉毛，密封面也損壞了。經堆焊修復后情況正常，同時更換了閥桿的填料。閥門檢修后的診斷測試曲線和數據，如圖12所示。
圖12 閥門檢修后的測試結果
由上分析數據可知，平均摩擦力從416 lbf減小到146lbf，在正常范圍內，閥門特性曲線也改善了。
③為了更好的監控控制閥門的運行情況，提高閥門性能檢測的及時性，聯合裝置將100臺 數字閥門控制器（DVC5000f）的離線高級診斷功能（AD）升級到在線性能高級診斷功能（PD）。在線性能高級診斷功能可以根據氣源壓力的高低和空氣質量流量診斷出執行機構，氣路管線泄露，活塞O型圈損壞，閥門卡等故障，為閥門檢修計劃提供可靠依據。
下面是在線診斷的例子：儀表人員對某一閥門做了在線診斷（PD）的測試，發現閥門有很大的行程偏差，DVC的I/P驅動信號也很大，需要繼續監視閥門性能，并建議在停車時立即檢修。
停車后對閥門執行離線完全診斷測試，發現如下不正常的測試圖形，如圖13、14所示。
圖13 停車后不正常的測試圖形
圖14 不正常測試圖形
a 閥門在關閉位置附近卡住，閥門在輸入信號大于25%時開始動作；
b 閥門不能完全打開；
c 閥門在關閉行程期間震蕩。
然后對閥門做了解體檢查，發現汽缸和閥門的連接桿和滑塊，滑軸磨損，如圖15所示。
圖15 磨損結果
加工恢復后再次確認：
a 檢修后對閥門再次做離線診斷測試；
b 閥門的特性曲線，動態誤差帶曲線和數據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果
再次進行在線PD 測試顯示，閥門能夠良好跟蹤設定點，行程偏差減少了許多，如圖17所示。
圖17 在線DD測試顯示結果
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號