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零故障现场总线

发布时间:2020-05-27 发布时间:
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  不少位于亚洲的新建的炼油厂、化工厂和其他主要的过程工厂都采用由现场总线连接的DCS系统控制,这些控制系统大多来自于艾默生过程管理、横河、西门子、霍尼韦尔、英维斯和其他控制系统厂商。 采用现场总线系统的原因是因为现场总线总是承诺能带给用户运行和维护上以不少优势:过程的高效运行,是因为有了更多的信息;系统更少的停机时间,是因为有了预测性过程诊断;而且,仪表能告诉我们何时需要对系统进行校准或维护。

  在一个传统的工厂内,一个仪表技师大约65%的时间都不用再花费在解决仪表问题上。有了现场总线,就能从HMI显示器上轻松的得出问题所在,以及问题的具体情况。

  虽然现场总线系统为用户提供了很多先进的功能,但是在项目确定之出还是要做出很多关键的决定,这些决定会在将来影响系统的维护和运行。 在项目实施团队完成项目,向工厂交付使用了之后的很长的一段时间内,仍然会有很多问题,虽然这些问题不是由控制系统供应商带来的,这些问题包括:

  •安装和启动;
  •短路保护;
  •卸载和更换仪表;
  •安装本安系统;
  •设置冗余系统。

  其中许多问题能通过项目设计最出的对现场总线设备的适当的设置解决。 用户应该注意这些问题,了解最新的硬件方案,并要求DCS供应商设置硬件,以将维护成本最小化。

  一个小型的调查显示,当配置整个现场总线系统时,维护、启动和安装问题都是相当重要的。大约90%的现场总线问题都由连线问题引起的,最大的问题是:端口、系统冲突和接地不当。

  开始

  最令人觉得棘手的问题总是在起始阶段出现。为什么仪表不工作了?在很多案例中,这是个安装问题。简单地说,技术人员没有正确设置终端。 所有的现场总线网段需要正确的端口,以防止通信错误。

  但是可惜的是,很多分包商很少关注端子对于运行的重要性,要么完全忽略它们,要么只是随处简单的安装一下。通常,接线盒和现场的控制箱体的作用仅仅是端子位置的确定,但是这可是影响或延迟试运行进程的重要因素。

  试运行中的延误就意味着成本的代价。根据某家石油公司的估计,炼油工厂的时间延误成本能达到每小时40万美元。

  这类问题能从系统设计最初得到改变,只要在新型的设备耦合器上设置自动网段端子,如Moore Hawke的TrunkGuard。 这个自动的网段端子能大大协助网段试运行。如果采用各种的现场设备耦合器,自动端子能在最远的单元上响应,自动连接未结合的网段。

  短路保护

  在任何的现场总线的安装中,短路是个常见的问题。设备维护人员很可能碰掉了线缆;腐蚀会降低连接性;泵或马达产生的振动会使线缆或端子的连接松动。维护人员必须时刻注意会发生的一切,是否任何一个仪表发生短路。

  过去的现场总线系统在设计上依赖电流限制方法,来实现电路保护。这种方法中,限制了电流的值在40至90mA, 但是在网段的连续连接上,这个方法有缺陷。传统的电流方法会使小于9V的仪表失效,当某个设备的电压小于9V,就会被从网段中剔出出去。

  典型的现场总线网段电流为350mA ,电压25V,理论上足够支持16X 20mA 的现场总线设备,但是系统必须计入所有的电压降。这样就有可能使某些设备的电压小于限制值,甚至使整个处理单元停机。

  有两个方法能解决此类问题。第一个是预留安全范围。也就是说,不要仅仅根据理论数值,而安装太多的仪表在某个网段上;而是留出一定的预留空间。当然,这会对仪表的数目有些限制,但这能保证某个仪表故障时网段的仍然能保证运行。当然,考虑到现场总线设备的成本,这是个较为昂贵的方法。

  另一个方法是,选择一些设备耦合器,采用过载(fold back)短路保护,过载电路被耦合器分离。Fold-back技术的逻辑电路在每个电流出现短路激励时,探测到网段中的仪表的短路,并从网段中分离开,并打开红色的LED显示报警,而且使用小电流确定短路发生时间。

  去除与更换

  维护人员很希望在危险环境中能方便地去除某个现场仪表时,不需要使整个网段都停车,而且不需要复杂的仪表断开程序和机械互锁。这些头疼的问题也能通过增加专用的现场总线设备耦合器得以解决。

  本安系统

  本安系统能允许在危险环境中的仪表的使用。本安系统即使连接线在危险环境中出现断路,也能保证安全。

  本安系统如FISCO,在欧洲相当的盛行,主要是德国的影响比较大。因为其高昂的成本,在其他地区的使用较少。 一个本安系统需要昂贵的隔离栅和电源,支持网段中一部分的总线仪表。一个本安网段中采用4到6 个现场总线设备的情况很少。FISCO能大大降低系统的MTBF,并减少几乎一半的线缆长度。

  近年来,出现一个新的概念,能解决一些成本问题。 简单的说,将隔离栅分成两部分,一部分在安全/危险的接口处,另一部分在设备耦合器上。 这个高效的设计允许每个网段能保至几乎所有350mA电流,并保持标准的本安连接。

  设置冗余

  大多数工厂中都有某些重要的设备,一旦出现故障就会引起整个工序的停机。传统的方法是安装冗余仪表和控制设备。大多数现场总线产品,现场冗余系统的方法是完全复制整个网段,包括H1接口、电源、设备耦合器、现场总线仪表、仪表到耦合器的接连线,以及现场总线线缆。

  但是复制所有元件,从H1卡到现场仪表,成本相当的高。不仅在硬件成本上要高一倍,而且,在复制复杂的现场仪表时,如流量压力变送器等,都是非常昂贵的。

  新的现场总线系统,如TrunkSafe,包含了双冗余现场电压稳压器、两个现场总线线缆,一个容错设备耦合器。无须在复制现场仪表,除非用户担心某些仪表易出故障。而且,新的系统能将成本将至传统冗余系统的二分之一 或三分之一。

  不再头疼
 
  现场总线是一项令人激动的技术,虽然维护上的问题困扰了人们近10年。现在,新的方案能解决这些问题。为避免你的新现场总线系统中出现的维护问题,在系统设计最初考虑到所有的设计方案。

  对于最终用户来说,要明白DCS供应商不可能提供所有的现场总线硬件设备。如,在一个FF系统中,DCS供应商通常只提供H1卡。其他的现场总线设备,包括电源、设备耦合器等,由其他供应商提供,如MooreHawke、 Relcom和 P+F。

  最终用户有权利向DCS供应商要求,考虑一些新的硬件和更多的方案,而不是接受10年来的老方案,然后为维护和运行头疼不已。 


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