智能变送器在石油化工生产中应用的几个问题及注意

摘要:智能变送器在石油化工生产中的应用已越来越广泛, 随着智能变送器应用场合的迅速扩展, 应用中一些问题也暴露出来。就中山联成化学工业有限公司在应用智能变送器遇到的几个问题提出讨论。

中山联成化学工业有限公司是生产酸酐及增塑剂系列产品的大型石油化工厂(外资), 一期40kt/a PA(苯酐), 90 kt/a DOP 系列增塑剂, 该工厂控制系统采用Honeywell 的TDC-3000 LCN(苯酐厂)和SCAN 3000/S 9000(增塑剂厂), 现场仪表主要采用Honeywell 的ST 3000 , Rosement 的3051 及川仪/横河的EJA 等系列智能变送器。这些智能变送器精度高, 故障率低, 调校维护方便, 但是由于工厂的一些具体情况, 在使用中曾出现某些问题, 现将问题及其原因分析讨论如下。

1　电缆太长, 智能变送器现场不通讯
码槽区原采用ST 3000 单法兰液位变送器进行储罐的液位测量, 运行良好。2000 年1 月, 新投用的邻二甲苯罐的液位测量LIA-009A 采用EJA(HART 协议)单法兰液位变送器并在TDC-3000LCN 系统显示。投用时, 用268 通讯器校验检查,不通讯。通讯器显示“no device found” , 现场检查,电压为22.3 V , 正常。撤回车间校验, 通讯及仪表工作一切正常, 回装, 仍不通讯, 但仪表运行良好。

原因分析:电缆过长, 电缆电容大于HART 通讯设备允许的#大电容。

因为HART 通讯频率较高(1 ～ 2 kHz 左右), 要求网络的T =RC(时间常数)不大于0.65 μs 。因此HART 通讯设备及网络的#大电容限制了通讯#大距离,HART 通讯#大距离计算公式。

#大电缆长度m =(160000 -Cmaster)/Ccable

式中　160000 ———是根据HART 通讯网络允许的时间常数计算而得的常数, 反映通讯网络允许的#大电容, pF ;
Cmaster ———控制系统或HART 滤波器的电容, pF ;
Ccable ———电缆分布电容, pF/m 。
LIA-009A 传输电缆长度约650 m, 采用BS5308/2 , 1.5 sq 电缆, Ccable =400 pF/m ;R cable =0 .025 Ψ/m 。
TDC-3000 LCN(HPM)Cmaster 不太大, 为计算方便假设Cmaster =0 。

计算:
1)#大电缆长度Lmax =160000/400 =400 m <650 m , 实际上Cmaster ≠0 , 实际允许#大电缆长度小于400 m。
2)网络的时间常数T =RC =(0 .025 ×650)×(400 ×650)/1000000 =4.2 μs >0 .65 μs 。

可见由于电缆原故, 使得网络的时间常数太大, 导致通讯波形严重失真, 而无法通讯, 但对模拟信号没有影响, 改用2.5sq 的交联电缆(Cmaster为90pF/m)即可解决。
ST 3000 变送器采用DE 通讯协议, 通讯频率较低, 网络的#大时间常数T =RC =104 μs , 允许的电缆分布电容比HART 协议宽容得多, 因此同样情况的8 台ST 3000 变送器, 通讯均正常。

2　变频器载波干扰, 智能变送器现场不通讯, 甚至变送器误指示
中山联成供台达(中山)化工有限公司的100kt/a 发泡聚苯乙烯(EPS)装置物料的6 台计量仪表:5 台3051 差压变送器, 1 台涡街流量计(HART 协议), 2000 年3 月投运, 仅1 台差压变送器能正常工作, 其余均不能通讯。在流量为零时, 1台差压变送器指示48 %, 1 台指示在0 ～ 25 %周期变化, 其余显示故障;涡街流量计则显示10000 m3/h 左右(仪表量程为0 ～ 300 m3/h , 仪表常数为
6907.15 p/m3)。检查现场电压均正常, 撤回车间校验, 通讯及仪表工作一切正常。我们在指示48 %的3051 差压变送器进行试验时, 并联0.1μF电容, 虽不能通讯, 但指示正确。在涡街流量计试验, 甩开原连线, 改用现场临时供电现场指示, 工作正常。可以确认, 这是线路干扰的影响。根据涡街流量计误指示读数可以计算干扰频率。干扰频率(f)=6907 .15/(10000/3600)=2kHz 。

原因分析:这是2 kHz 左右的高频电磁干扰影响275 通讯器通讯, 甚者模拟通讯器的信号, 使差变产生错误的输出。

HART 协议采用基于Boll 通讯标准的FSK(移频键控)技术, 通过在4 ～ 20 mA 电流上叠加频率信号实现数字通讯。两个不同频率, 1200Hz 和2200Hz 正弦波叠加在4 ～ 20 mA 电流回路上。这些频率代表数字1 和0(见图1), 这些正弦波的平均值为0 , 因此在不中断传输信号的情况下, 完成了真正的同步通讯。因为苯酐装置是旧厂搬迁, 原采用的是60 Hz的电机/泵, 为适应50 Hz 的电源, 采用大量的变频器。变频器的输出是一种载波的交流电流(电压),如图2 所示。

HART 协议通讯变频器输出波形

变频器的载波频率取决于其型号及容量, 一般为2.0 ～ 16 .0 kHz(根据负荷组态)。苯酐装置采用HITACHI J 300-110HF 95(VT)和150 HF 5(VT)型,载波频率大都组态设置为2 kHz(这与干扰频率测试结果相同), 与HART 通讯频率十分相近, 因此,这个“0” 信号频率附近的杂波影响Smart 变送器,使它不能正确响应275 的信号, 甚至按此信号错误地转为电流输出或其他错误的操作方式。

我们采取增大仪表电缆与动力电缆槽架的距离的改造措施, 改造后误指示与不能通讯问题立即解决。

3　体会
         通过智能变送器使用中出现的问题及分析, 我们认为应用智能变送器时应注意:
         1)电缆的分布电容对通讯的影响, 对于距离较长的信号传送, 应选用分布电容较低的电缆。
         2)避免高频干扰, 特别是工厂中采用大功率的变频器时。

随着智能变送器及变频器应用普及, 我们认为与智能变送器有关的设计、安装规范有补充或修正的必要。