FF现场总线技术应用中值得探讨的问题

1、FF 现场总线技术应用中值得探讨的问题黄步余，吴国良摘要：阐述 FFFF 现场总线网段的主要故障为 FFFF 现场总线设备从网段上丢失，分析 FFFF 现场总线设备从网段上丢失的原因、可能造成的影响，提出了预防和处理的办法。关键词：FFFF 现场总线技术；FFFF 现场总线网段；现场总线设备；从网段上丢失；预防和处理的办法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

2、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 AM 酸产管理系统应用中，FF 现场总线技术要比 HART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

3、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 位置拖至 Ucommissioning 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。、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

4、后数值，但由于测量值PV出现坏值BAD!示记，回路状态将发生变化：如发生在副回路中，则调廿器从 AUTO 或 CAS状态自动变为 MAN如发生在主回路，则主回路调节器从 AUTOH动变为 MAN 副回路可以继续保持 CAS 犬态。当 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O如果操作人员能够及时发现这个问题， 则对上 2 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

5、如果 PID 模块设置在阀门定位器中，则 PID 模块会与DC 欲去通讯，调节回路仍保持 AUTO 犬态，只是 DCS 上不能改变它的设定值 SP。2如果 PID 模块在 DCS 中，则调廿器输出处于 IMAN状态，表示 DCS 输出不能控制调节阀，调节阀开度保持/、变。3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AUTO或CAS犬态自动变为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 AUTO 或 CAS 犬态。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。5.APC 控制回路如果这个 PID 控制器用于 APC 控制，则它的 R

6、CAS 来自APC 控制器输出。当变送器通信中断后，PID 控制器从 RCAS犬态变为 MAN 输出保持不变。 通信恢复后， PID 控制器的输出会恢复到 ROUT 直。ROUT 直是在组态时设定的，如果 ROUT直设定为 0,则 PID 控制器的输出变为 0,这将影响工 2 操作； 如果 ROUT1 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 犬态不变，对工艺不会造成影响，所以组态时必须注意 ROU 破定值。FF 现场总线设备从网段上丢失不会马上引起控制系统的扰动，DCS

7、系统将及时发出报警信号（“COMM 艮警”）提示操作人员，只要及时处理，对生产不会造成很大问题。这种情况发生的次数不多，涉及面很小，实际生产操作人员对此故障现象反响不大。对现场总线控制系统维护人员来说，必须认真研究原因，检查和处理 FF 现场总线设备从网段上丢失的故障问题。、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

8、 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（LiveList）中清除，该现场总线设备从网段上丢失。在正常运行时，NUMDIITokenPassTimeouts”该统计数字不会增力口。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

9、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）数白11%或小于 1%通常不必进行故障处理DIIRetries令牌重发次数，NumLiveListAppearencess 一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

10、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这些诊断统计参数，若网段发生设备丢失，在 DCS 上显示 COMM 艮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）和 Drop

11、（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、FF75mVLF、HF150mV 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

12、）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：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；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；DCS 机柜内屏蔽线与系统接地排的接触不良；网段的干线电缆或支

13、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 DCSM 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

14、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：当变送器内部屏螭地不良端子接口虾良外部干扰的原因引线良好时，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1=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1W0,对变送器电路产生影响。5 .一个网段上设置

15、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 DCSi 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 DCSi 机设备

16、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 DCSi 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 模块中白参数 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

17、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 NVMW 存器的储存容量很大，当 NVMW 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 DCSfi 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 NVMW 存器的储存量很快达到极限，具有 AM 酸断功能的 NVMW 存器会发出报警信

18、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 NVMW 存器中，这样参数的写入次数就会大大减少。当 AM 酸断功能发现 NVMW 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 DCSfe 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