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摘要:智能變送器在石油化工生產中的應用已越來越廣泛, 隨著智能變送器應用場合的迅速擴展, 應用中一些問題也暴露出來。就中山聯成化學工業有限公司在應用智能變送器遇到的幾個問題提出討論。

中山聯成化學工業有限公司是生產酸酐及增塑劑系列產品的大型石油化工廠(外資), 一期40kt/a PA(苯酐), 90 kt/a DOP 系列增塑劑, 該工廠控制系統采用Honeywell 的TDC-3000 LCN(苯酐廠)和SCAN 3000/S 9000(增塑劑廠), 現場儀表主要采用Honeywell 的ST 3000 , Rosement 的3051 及川儀/橫河的EJA 等系列智能變送器。這些智能變送器精度高, 故障率低, 調校維護方便, 但是由于工廠的一些具體情況, 在使用中曾出現某些問題, 現將問題及其原因分析討論如下。

1　電纜太長, 智能變送器現場不通訊
碼槽區原采用ST 3000 單法蘭液位變送器進行儲罐的液位測量, 運行良好。2000 年1 月, 新投用的鄰二甲苯罐的液位測量LIA-009A 采用EJA(HART 協議)單法蘭液位變送器并在TDC-3000LCN 系統顯示。投用時, 用268 通訊器校驗檢查,不通訊。通訊器顯示“no device found” , 現場檢查,電壓為22.3 V , 正常。撤回車間校驗, 通訊及儀表工作一切正常, 回裝, 仍不通訊, 但儀表運行良好。

原因分析:電纜過長, 電纜電容大于HART 通訊設備允許的#大電容。

因為HART 通訊頻率較高(1 ～ 2 kHz 左右), 要求網絡的T =RC(時間常數)不大于0.65 μs 。因此HART 通訊設備及網絡的#大電容限制了通訊#大距離,HART 通訊#大距離計算公式。

#大電纜長度m =(160000 -Cmaster)/Ccable

式中　160000 ———是根據HART 通訊網絡允許的時間常數計算而得的常數, 反映通訊網絡允許的#大電容, pF ;
Cmaster ———控制系統或HART 濾波器的電容, pF ;
Ccable ———電纜分布電容, pF/m 。
LIA-009A 傳輸電纜長度約650 m, 采用BS5308/2 , 1.5 sq 電纜, Ccable =400 pF/m ;R cable =0 .025 Ψ/m 。
TDC-3000 LCN(HPM)Cmaster 不太大, 為計算方便假設Cmaster =0 。

計算:
1)#大電纜長度Lmax =160000/400 =400 m <650 m , 實際上Cmaster ≠0 , 實際允許#大電纜長度小于400 m。
2)網絡的時間常數T =RC =(0 .025 ×650)×(400 ×650)/1000000 =4.2 μs >0 .65 μs 。

可見由于電纜原故, 使得網絡的時間常數太大, 導致通訊波形嚴重失真, 而無法通訊, 但對模擬信號沒有影響, 改用2.5sq 的交聯電纜(Cmaster為90pF/m)即可解決。
ST 3000 變送器采用DE 通訊協議, 通訊頻率較低, 網絡的#大時間常數T =RC =104 μs , 允許的電纜分布電容比HART 協議寬容得多, 因此同樣情況的8 臺ST 3000 變送器, 通訊均正常。

2　變頻器載波干擾, 智能變送器現場不通訊, 甚至變送器誤指示
中山聯成供臺達(中山)化工有限公司的100kt/a 發泡聚苯乙烯(EPS)裝置物料的6 臺計量儀表:5 臺3051 差壓變送器, 1 臺渦街流量計(HART 協議), 2000 年3 月投運, 僅1 臺差壓變送器能正常工作, 其余均不能通訊。在流量為零時, 1臺差壓變送器指示48 %, 1 臺指示在0 ～ 25 %周期變化, 其余顯示故障;渦街流量計則顯示10000 m3/h 左右(儀表量程為0 ～ 300 m3/h , 儀表常數為
6907.15 p/m3)。檢查現場電壓均正常, 撤回車間校驗, 通訊及儀表工作一切正常。我們在指示48 %的3051 差壓變送器進行試驗時, 并聯0.1μF電容, 雖不能通訊, 但指示正確。在渦街流量計試驗, 甩開原連線, 改用現場臨時供電現場指示, 工作正常�？梢源_認, 這是線路干擾的影響。根據渦街流量計誤指示讀數可以計算干擾頻率。干擾頻率(f)=6907 .15/(10000/3600)=2kHz 。

原因分析:這是2 kHz 左右的高頻電磁干擾影響275 通訊器通訊, 甚者模擬通訊器的信號, 使差變產生錯誤的輸出。

HART 協議采用基于Boll 通訊標準的FSK(移頻鍵控)技術, 通過在4 ～ 20 mA 電流上疊加頻率信號實現數字通訊。兩個不同頻率, 1200Hz 和2200Hz 正弦波疊加在4 ～ 20 mA 電流回路上。這些頻率代表數字1 和0(見圖1), 這些正弦波的平均值為0 , 因此在不中斷傳輸信號的情況下, 完成了真正的同步通訊。因為苯酐裝置是舊廠搬遷, 原采用的是60 Hz的電機/泵, 為適應50 Hz 的電源, 采用大量的變頻器。變頻器的輸出是一種載波的交流電流(電壓),如圖2 所示。

HART 協議通訊變頻器輸出波形

變頻器的載波頻率取決于其型號及容量, 一般為2.0 ～ 16 .0 kHz(根據負荷組態)。苯酐裝置采用HITACHI J 300-110HF 95(VT)和150 HF 5(VT)型,載波頻率大都組態設置為2 kHz(這與干擾頻率測試結果相同), 與HART 通訊頻率十分相近, 因此,這個“0” 信號頻率附近的雜波影響Smart 變送器,使它不能正確響應275 的信號, 甚至按此信號錯誤地轉為電流輸出或其他錯誤的操作方式。

我們采取增大儀表電纜與動力電纜槽架的距離的改造措施, 改造后誤指示與不能通訊問題立即解決。

3　體會
         通過智能變送器使用中出現的問題及分析, 我們認為應用智能變送器時應注意:
         1)電纜的分布電容對通訊的影響, 對于距離較長的信號傳送, 應選用分布電容較低的電纜。
         2)避免高頻干擾, 特別是工廠中采用大功率的變頻器時。

隨著智能變送器及變頻器應用普及, 我們認為與智能變送器有關的設計、安裝規范有補充或修正的必要。