SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Усовершенствованные диагностические функции датчиков давления серии EJX

Специалисты компании Yokogawa разработали функции, диагностирующие засорение и контролирующие систему обогрева импульсных трубок, специально для датчиков давления серии EJX. В настоящей статье представлено описание усовершенствованных диагностических функций с цифровой связью по протоколам FOUNDATION Fieldbus и HART.

ООО «Иокогава Электрик СНГ», г. Москва

Iokogava.png

Введение

Предполагается, что контрольно-измерительные приборы должны быть оснащены диагностическими функциями, позволяющими предупреждать нештатные условия протекания процесса и, кроме того, должна быть предусмотрена возможность их расширения. Диагностическая информация на основе различных параметров физического процесса, измеряемых приборами, и дальнейшее ее использование позволяют пользователю уменьшить объем текущего технического обслуживания и таким образом снизить затраты на его проведение. Контрольно-измерительные приборы с усовершенствованными диагностическими функциями расширяют возможности по управлению операциями технологических процессов и уменьшают затраты на техническое обслуживание (1).

Датчики давления серии EJX производства компании Yokogawa диагностируют засорение в импульсных трубках, использующихся для передачи давления технологической среды в датчик, и выполняют мониторинг состояния системы обогрева импульсных трубок в узлах подсоединения к технологическому оборудованию. Первая функция – обнаружение засорения в импульсных трубках – основана на использовании возникающих в трубках колебаний давления рабочей среды. Другая функция – контроль системы обогрева импульсных трубок, предназначенной для предотвращения охлаждения находящейся в трубках среды, основана на использовании температурного градиента, соответствующего тепловому сопротивлению внутри датчика. В отличие от функций самодиагностики, эти функции называются усовершенствованными диагностическими функциями датчиков давления серии EJX. На рис. 1 приведена конфигурация диагностических функций.

Ris-1.jpg

Рис. 1.  Конфигурация диагностических функций в приборах  серии EJX

В специализированных технических отчетах компании Yokogawa (2), (3) специалисты смогут изучить более детальное описание вышеперечисленных функций и принципы их работы.


Обзор усовершенствованных диагностических функций

Усовершенствованные диагностические функции датчиков давления серии EJX, предназначенных для измерения дифференциального, абсолютного и избыточного давления, а также температуры, позволяют обнаружить нештатные условия процесса посредством мониторинга состояния технологической среды с применением специальных алгоритмов, которые будут рассмотрены далее.


Обнаружение засорения в импульсных трубках

Датчики давления измеряют давление технологической среды, подводимое к ним, по импульсным трубкам. Импульсные трубки, соединяющие выходы процесса с датчиком, должны точно передавать технологическое давление. Если, например, в заполненной жидкостью трубке накапливается газ в процессе накачивания или забивается канал, возникают колебания давления, оно начинает передаваться неточно, и возрастает погрешность измерения. Поэтому необходимым условием точных измерений является возможность использования датчиков с усовершенствованными функциями определения засорения в трубках по уменьшению амплитуды колебания давления при блокировании импульсных трубок, а именно сравнением степени затухания амплитуды колебания давления с исходными значениями, полученными при измерении давления в нормальных условиях.

На рис. 2 показан типовой монтаж импульсных трубок для датчика дифференциального давления и схематичная диаграмма, дающая представление об изменении амплитуды колебания давления в нормальных условиях и при блокировке.

Ris-2.jpg

Рис. 2.  Монтаж импульсных трубок для датчика дифференциального давления и затухание амплитуды колебаний давления



Мониторинг состояния системы обогрева импульсных трубок

Необходимая температура пара и нагревателя, с помощью которых поддерживается температура импульсных трубок, контролируется по результатам измерения температуры фланца, определяемой на основе температур капсулы и усилителя датчика. На рис. 3 представлена типовая конструкция системы обогрева импульсных трубок, состоящая из медной трубки для пара, импульсной трубки и изоляционного материала, а на рис. 4 приведен график, по которому на основе температур капсулы и усилителя можно оценить температуру фланца.

Ris-3.jpg

Рис. 3. Система обогрева импульсной трубки




Ris-4.jpg

Рис. 4. Оценка температуры фланца на основе температур капсулы и усилителя



Применение усовершенствованных диагностических функций в датчиках давления серии EJX

Датчики давления серии EJX способны диагностировать блокировку импульсных трубок на стороне высокого давления, на стороне низкого давления или на обеих сторонах. Это стало возможным благодаря использованию многопараметрического кремниевого резонансного чувствительного элемента, позволяющего одновременно измерять дифференциальное давление, статическое давление на стороне высокого давления и статическое давление на стороне низкого давления (4). Поэтому датчики давления серии EJX предназначены не только для измерения дифференциального давления и определения уровня, но также и для обнаружения засорения в импульсных трубках на стороне измерения давления с использованием одного и того же принципа измерения. С их помощью можно контролировать температуру фланца любой конструктивной формы, поскольку она производится на основе температур капсулы и усилителя.

Усовершенствованные диагностические функции датчиков давления реализованы во всех моделях, поддерживающих протоколы цифровой связи FOUNDATION Fieldbus и HART. В табл. 1 приведен перечень моделей датчиков давления серии EJX и варианты обнаружения засорения для каждой из представленных моделей.

Таблица 1. Модели серии EJX и применимые объекты обнаружения засорения

Tab-1.jpg


Характеристики усовершенствованных диагностических функций

В табл. 2 приведены характеристики датчиков с усовершенствованными диагностическими функциями для двух протоколов цифровой связи FOUNDATION Fieldbus и HART. Различие наблюдается в назначении выходов диагностической сигнализации, количестве установочных параметров сигнализации и др.

Таблица 2. Характеристики усовершенствованных диагностических функций

Tab-2.jpg



Обработка данных расширенной диагностики

На рис. 5 представлена последовательность действий, выполняемых при обработке данных расширенной диагностики, а в табл. 3 показаны параметры выходных данных, относящиеся к соответствующей диагностике.

Ris-5.jpg

Рис. 5.  Алгоритм расширенной диагностики



Таблица 3. Выход, относящийся к диагностике

Tab-3.jpg

Датчики давления серии EJX производства компании Yokogawa диагностируют засорение в импульсных трубках следующим образом: определяются колебания дифференциального давления, статического давления на стороне высокого давления и статического давления на стороне низкого давления с периодичностью каждые 100 мс или 135 мс и затем на основании данных выполняется статистическая обработка результатов. Для каждого периода диагностики важными характеристиками являются следующие: соотношение колебаний номинального и диагностируемого значений, а также степени блокировки, определяемой на основе корреляции флуктуаций давления. Заметим, что период диагностики можно изменить посредством соответствующей настройки.

При мониторинге состояния системы обогрева импульсных трубок с интервалом в 1 секунду выполняется определение температуры фланца на основе температур капсулы и усилителя и сравнением полученного значения с верхним и нижним пороговым значением делается соответствующая оценка.

Пока система производит оценку всех параметров, выбираются требуемые диагностируемые параметры и в соответствии с установкой выхода сигнализации выводится полученный результат диагностики.

При использовании протокола связи FOUNDATION Fieldbus диагностическая сигнализация отображается не только в значении выхода состояния, но и в выходном сигнале аналогового входа функционального блока (AI). При использовании протокола связи HART доступными выходами являются не только отсечка и переход на аварийный режим аналогового сигнала 4–20 мА, но также и контактный выход.

Ниже дается описание основных процедур, выполняемых при диагностировании засорения в импульсных трубках и мониторинге состояния системы обогрева импульсных трубок.


Алгоритм диагностики блокировки импульсных трубок

Основным этапом процесса диагностики засорения импульсных трубок является мониторинг колебаний давления. Блокировка определяется путем сравнения значений колебания давления текущего процесса с номинальным значением, соответствующим давлению рабочего состояния. В основном при высоких значениях дифференциального и статического давления значения колебаний также высоки, поэтому процесс обнаружения блокировки является стабильным. Однако если производится измерение уровня или давления высоковязкой технологической среды с коэффициентом вязкости более 10 сСт или измеряемой средой является газ, то необходимо учесть, что значения колебаний давления не должны быть высокими, чтобы не возникла ошибка измерения.

Диагностика блокировки выполняется в следующей последовательности: установление номинальных значений, моделирование ситуации с подтверждением обнаружения засорения и обнаружение блокировки в реальных условиях. Моделирование ситуации блокировки трубок выполняется с помощью трехвентильного манифольда или запорного вентиля, смонтированных на импульсных трубках.

При этом номинальные значения колебания давления достаточно велики. Для выполнения диагностики необходимо выбрать минимальный предел значения колебания давления. Диагностика будет возможна только в том случае, если значения колебаний давления превысят заданный минимальный предел.

Настройка параметров диагностических функций выполняется с использованием программных пакетов Integrated Device Management Software Package PRM (Plant Resource Manager) и Versatile Device Management Wizard FieldMate разработки компании Yokogawa (5), (6).


Алгоритм мониторинга состояния системы обогрева импульсных трубок

Поскольку температура фланца определяется на основе температур капсулы и усилителя датчика, необходимо определить соответствующий коэффициент для ее расчета.

Для этого до выполнения процедуры диагностики требуется нагреть фланец и измерить его температуру. После этого в приборе устанавливаются полученный коэффициент, а также пороговые значения сигнализации при высокой и низкой температурах.


Алгоритм выбора оповещений сигнализации

На рис. 6 представлена схема выбора сигнализаций для датчиков давления с типом связи по протоколу HART. Полученные результаты диагностики блокировки и ошибка температуры фланца сохраняются в параметре Diag Error, а выходные данные и отображение результатов определяются параметром Diag Option.

Ris-6.jpg

Рис. 6.  Сигнализация (для цифровой связи по протоколу HART)


При использовании протокола связи FOUNDATION Fieldbus результаты диагностики содержатся в параметре DIAG_ERR, а выходные данные определяются параметром DIAG_OPTION.


Графический интерфейс (GUI) для расширенной диагностики

Менеджер устройства Device Type Manager (DTM) программного обеспечения FieldMate оснащен специальным пользовательским интерфейсом, приведенным на рис. 7, с помощью которого устанавливаются и контролируются различные параметры датчиков. Интерфейс GUI упрощает получение номинального значения при диагностике блокировки и коэффициента температуры фланца, а также облегчает выбор защиты сигнализации.

Ris-7.jpg

Рис. 7.  Пример интерфейса системы

Значения колебаний давления и степень блокировки можно наблюдать и контролировать во вкладках окон (Device Viewer) программного обеспечения FieldMate. На рис. 8 приведены примеры этих вкладок. Изменения диагностических данных, происходящие при повороте вентиля, могут быть наглядно представлены во время модулирования засорения, выполняемого при настройке диагностики блокировки.

Ris-8.jpg

Рис. 8. Примеры экранов диагностической информации и изменения информации в программе просмотра устройств (Device Viewer)


Заключение

Архивирование диагностической информации, полученной в результате использования устройств, описанных в статье, и дальнейший ее анализ позволяют осуществлять точную диагностику и контролировать технологические процессы. Это выполняется за счет применения датчиков давления серии EJX и программного пакета интегрированного управления устройствами (Integrated Device Management Software Package PRM (Plant Resource Manager)) компании Yokogawa.

В связи с возросшим в последнее время объемом различных операций технологического процесса на производстве требуются контрольно-измерительные приборы с усовершенствованными диагностическими функциями, обеспечивающими улучшение функциональных свойств и точности измерений. Продукция компании Yokogawa не только отвечает всем вышеперечисленным требованиям, но также дает возможность осуществления решений высочайшего уровня.


Ссылки:
(1)    Toshio Aga, «Future Technical Prospects for Field Instruments», Yokogawa Technical Report, Vol. 48, № 1, 2004, pp. 11–12 in Japanese
(2)    Nobuo Miyaji, Kaoru Sonoda, Hideo Akahori, et al., «Impulse Line Blocking Diagnosis of Differential Pressure Transmitters», Yokogawa Technical Report, Vol. 48, № 1, 2004, pp. 33–36 in Japanese
(3)    Yoshitaka Yuuki, Nobuo Miyaji, et al., «Advanced Field Diagnosis to Achieve Asset Excellence», Yokogawa Technical Report English Edition, № 44, 2007, pp. 17–20
(4)    Akio Itou, Shin-ichi Mimura, et al., «EJX910 Multivariable Transmitter», Yokogawa Technical Report English Edition, № 42, 2006, pp. 13–16
(5)    Shunsuke Hayashi, «Unified Diagnoses Management of PRM Plant Re-source Manager», Yokogawa Technical Report English Edition, № 44, 2007, pp. 21–24
(6)    Isao Hirooka, Youji Saitou, et al., «FieldMate Field Device Management Tool for the New Era», Yokogawa Technical Report English Edition, № 44, 2007, pp. 9–12
*    EJX, PRM и FieldMate являются зарегистрированными торговыми марками Yokogawa Electric Corporation.
*    FOUNDATION Fieldbus и HART являются зарегистрированными торговыми марками Fieldbus FOUNDATION и HART Communi­cation Foundation (HCF) соответственно.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(34)_2011

Кийоши Ватанаби (Kiyoshi Watanabe),
ООО «Иокогава Электрик СНГ», г. Москва,
тел.: (495) 737-7868,
e-mail: info@ru.yokogawa.com