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案例详细
标题SMART仪表现场通信问题及处理
技术领域自动化软件
行业石油天然气
简介
内容     智能变送器因其具有测量精度高，故障率低，调校方便，因此，在石油化工生产中的应用越来越广泛。珠海联成也使用大量Smart仪表，如：Honeywell S3000，Rose munt 3051横河川仪的EJA，Fisher DVC 5000等，在日常运用大多性能稳定，使用正常。但在实际生产中也碰到了一些问题，现将问题分析如下。

1 变频器载波干扰智能变送器现场不通信甚至变送器误指示

    珠海联成公用车间生产装置使用的六台计量仪表：五台EJA110差压变送器，一台KNOX涡街流量计(Hart协议)，今年三月份投运，仅仅一台差压变送器能正常工作。其余均不能通信，在流量为零时，一台差压变送器指示48%，一台指示在0~25%周期变化，其余显示故障；涡街流量计则显示10000 m3/hr左右(仪表量程：0~300 m3/hr，仪表常数：6907.15 p/m3)。检查现场电压均正常，撤回车间校验，通信及仪表工作一切正常。我们在指示48% 的EJA110差变进行试验时，并联0.1μ电容，虽不能通信，但指示正确。在KNOX涡街流量计试验，甩开原联线，改用现场临时供电现场指示，涡街工作正常。可以确定，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) = 2 kHz 

    原因分析：这是2 kHZ左右的高频电磁干扰影响275通信器通信，甚者仿真通信器的信号，使差变产生错误的输出。

    众所周知，Hart(hiway addressable remote transducer)协议采用基于Boll通信标准的FSK(移频键控)技术。通过在4~20mA电流上叠加频率信号实现数字通信。两个不同的频率，1200Hz和2200Hz正弦波叠加在4~20mA电流回路上。这些频率代表数字1和0 (如图1所示) 。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信。



图1   Hart协议信

    因为PA装置是旧厂搬迁，原采用的是60Hz的马达/泵，为适应50Hz的电源，采用大量的变频器。而变频器的输出是一种载波的交流电流(电压)，如图2所示。

                                  图2   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)。PA装置采用HITACHI J300-110HF95(VT)和150HF5(VT)型，载波频率大都组态设置为： 2kHz。(这与干扰频率测试结果相同) 这与Hart通信频率十分相近。 所以，这个”0”信号频率附近的杂波影响smart变送器，使他不能正确响应275的信号，甚至按此信号错误地转为电流输出或其它错误的操作方式。 

    笔者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，误指示与不能通信问题立即解决。

2 电缆太长智能变送器现场不通信

    码槽区原采用ST3000单法兰液位变送器进行蓄罐的液位测量，运行良好。08年12月份，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通信器校验检查，不通信。 通信器显示“no device found”，现场检查：电压为22.3V，正常。撤回车间校验，通信及仪表工作一切正常。回装，仍不通信，但仪表运行良好。

    原因分析：电缆过长，电缆电容大于Hart通信设备允许的最大电容。

    因为Hart通信频率较高(1~2 kHz左右) ，要求网络的T=RC (时间常数)不大于0.65μsec。因此Hart通信设备及网络的最大电容限制了通信最大距离。 Hart通信最大距离计算公式是：

    最大电缆长度(m) = ( 160000 –Cmaster)/Ccable

    式中: 160000 是根据Hart 通信网络允许的时间常数计算而得的常数， 反映通信网络允许的最大电容量(pf) 。 

           Cmaster是控制系统或Hart滤波器的电容(pf)。

           Ccable是电缆分布电容 (pf/m)。

           LIA-009A传输电缆长度约650m，采用BS5308/2，1.5sq 电缆，Ccable = 400 pf/m；R cable = 0.025 欧/m。

           TDC-3000LCN(HPM) Cmaster不太大，为计算方便假设Cmaster=0。

    （1）最大电缆长度(Lmax) = 160000 / 400 = 400 m < 650m 

    实际上Cmarter ≠0，实际充许最大电缆长度小于400m。

    （2）网络的时间常数(T) = RC = (0.025 * 650) * (400 * 650) /1000000 = 4.2μsec > 0.65μsec。

    可见由于电缆原故，使得网络的时间常数太大，导致通信波形严重失真，而无法通信。但对仿真信号没有影响，改用2.5sq的交联电缆(Cmaster为90pf/m)即可解决。 

    ST3000变送器采用DE通信协议，通信频率较低，网络的最大时间常数T = RC = 104μsec，允许的电缆分布电容比Hart协议宽容得多。 所以，同样情况的8台ST3000变送器，通信均正常。

    通过大量Smart仪表的使用，使笔者对Smart仪表的性能有了更好了解，通过问题的出现与解决，使笔者对Smart仪表的安装设计、维护等有了进一步认识。