活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題---將無(wú)線(xiàn)技術(shù)引入傳感器2012  
     

       

    1 概述

    生產(chǎn)過(guò)程通常要求長(cháng)期連續進(jìn)行，但生產(chǎn)過(guò)程所涉及到的設備（包括工藝設備、機械設備、電氣設備、儀表及控制系統等）有可能在使用過(guò)程中出現故障，使生產(chǎn)過(guò)程中斷。在需要24小時(shí)不停運轉的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，如果由于儀表故障引發(fā)突然的停機事件是不可容忍的，對過(guò)程儀表的維護人員來(lái)說(shuō)這是非常重大的失職。人們正在不斷地摸索新的維修方法和新的維修體制，來(lái)避免儀表設備故障造成的生產(chǎn)損失和材料浪費，其中預測性維護就是發(fā)展非常迅速的一項技術(shù)。

    預測性維護技術(shù)包括設備狀態(tài)監測、故障診斷、故障預測、維護決策支持和維護活動(dòng)，首先要根據設備狀態(tài)監測作出故障診斷，然后針對故障給出：?jiǎn)?wèn)題描述、預測信息、維修建議。由此可見(jiàn)，其中關(guān)鍵的一環(huán)是設備狀態(tài)監測、故障診斷的在線(xiàn)自診斷技術(shù)。

    針對各類(lèi)自動(dòng)化儀表，多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家陸續推出一些帶故障在線(xiàn)自診斷功能的智能儀表，本文將選擇性地以幾個(gè)產(chǎn)品為例介紹帶故障在線(xiàn)自診斷功能的數字式閥門(mén)控制器、質(zhì)量流量計、變送器、pH分析儀和電子皮帶秤。

    2 數字式閥門(mén)控制器

    閥門(mén)目前是故障在線(xiàn)自診斷最熱門(mén)的產(chǎn)品，它通過(guò)智能型閥門(mén)定位器對控制閥進(jìn)行故障診斷。定位器內部的微處理器定時(shí)采集各種傳感器的數據并進(jìn)行運算、比較、分析、組態(tài)，將出現異常的信息以報警信號形式輸出。智能型閥門(mén)定位器對調節閥的診斷可分為在線(xiàn)診斷、離線(xiàn)診斷。在線(xiàn)診斷包括：行程累積、行程方向改變次數、報警次數、死區自調整、閥門(mén)基線(xiàn)位置（比如：閥座的磨損）、最高最低溫度下運行小時(shí)數、閥門(mén)定位時(shí)間、執行機構泄漏、噪聲診斷等。離線(xiàn)診斷包括：執行機構及氣路的密封性、靜特性、階躍過(guò)渡及頻率響應特性等。

    美國沃夫克里克（Wolf Creek）核電廠(chǎng)通過(guò)使用艾默生過(guò)程管理的 Fisher® FIELDVUE™ DVC6000數字式閥門(mén)控制器替代老式氣動(dòng)定位器，FIELDVUE ™DVC6000系列儀表具有閥門(mén)性能診斷功能，與AMS™ ValveLink™ 軟件配套使用，可以監控該核電廠(chǎng)用于給水系統的關(guān)鍵閥門(mén)。該儀表和軟件可提供在線(xiàn)、實(shí)時(shí)的閥門(mén)位置和運行狀況數據，包括一些變量，如閥門(mén)填料摩擦狀況等。這些性能數據易于保存和歷史追蹤，可確保工廠(chǎng)的操作人員進(jìn)行閥門(mén)診斷及預先維護。

    通過(guò)閥門(mén)診斷技術(shù)，操作人員發(fā)現給水調節閥的填料法蘭上聚集了石墨灰塵，這說(shuō)明為了穩定閥門(mén)并防止閥芯震動(dòng)，填料在不斷摩擦中摩損量加大，而這樣持續下去將因填料失效致使閥門(mén)故障，導致工廠(chǎng)隨時(shí)意外停工。當時(shí)工廠(chǎng)需要保持閥門(mén)正常運行到下一次用來(lái)補給燃料的計劃停工時(shí)間還有18個(gè)月，他們決定在閥門(mén)正常運作時(shí)，在填料中注入密封劑，加密封劑可以延長(cháng)填料的使用壽命并確保閥門(mén)繼續正常運作。但注入工藝需要仔細監控，因為密封劑有可能會(huì )影響填料的摩擦力。摩擦力太小，閥門(mén)仍然會(huì )泄漏和振動(dòng)；摩擦力太大，閥門(mén)將會(huì )停止工作。在注入密封劑的過(guò)程中，FIELDVUE™ DVC6000定位器在線(xiàn)閥門(mén)診斷功能可以記錄驅動(dòng)信號、閥門(mén)位置及填料摩擦力等參數，通過(guò)精確的測試和監控，維持了系統的穩定性并使閥門(mén)一直保持運作，避免了工廠(chǎng)停工的巨額損失，而該工廠(chǎng)停工一天將損失1百萬(wàn)美元。

    3 質(zhì)量流量計 

    齊魯石化儲運廠(chǎng)的汽車(chē)裝車(chē)系統擔負著(zhù)乙烯新區產(chǎn)品的汽運出廠(chǎng)任務(wù)，年出廠(chǎng)苯、環(huán)氧氯丙烷，對苯等產(chǎn)品70余萬(wàn)噸。該工號現有20套汽車(chē)裝車(chē)系統，現場(chǎng)環(huán)境屬于防爆Zone I ，質(zhì)量流量計在選型時(shí)采用隔爆型。為了保證裝車(chē)系統累計流量精確，需要定期對質(zhì)量流量計進(jìn)行調零，而現場(chǎng)的防爆要求不允許隔爆型儀表帶電打開(kāi)防爆箱操作。

    儲運廠(chǎng)于2000年通過(guò)國際ISO-9001的認證，他要求所有計量器具的參數修改做到有文檔記錄。但是實(shí)際工作中，文檔記錄通常會(huì )不夠完整及時(shí)，與規范管理有差距。

    由于工藝原因，液體物料傳輸過(guò)程中會(huì )混入氣泡，形成兩相流，造成儀表的測量誤差。兩相流不易及時(shí)發(fā)現，尤其是不嚴重的兩相流，往往要到裝車(chē)結束后操作人員才會(huì )發(fā)現，從而影響裝車(chē)效率和客戶(hù)滿(mǎn)意度。因此盡早發(fā)現故障、降低測量誤差十分重要。

    為了尋求解決方案，儲運廠(chǎng)選用了艾默生過(guò)程管理下屬高準公司CMF300+9701及CMF300+1700質(zhì)量流量計，質(zhì)量流量計具備兩路輸出接口，一路為脈沖輸出，接入到傳統的脈沖計數器，以進(jìn)行質(zhì)量累加運算；另外一個(gè)端口為HART通訊協(xié)議端口，HART指令中包括組態(tài)信息、診斷信息及儀表標定調零信息。

    高準質(zhì)量流量計內置在線(xiàn)診斷功能，可以檢測管道內存在氣泡的兩相流、儀表斷電及傳感器的其他故障。系統還安裝了AMS智能設備管理軟件，實(shí)時(shí)采集質(zhì)量流量計的在線(xiàn)診斷信息，能實(shí)現電子巡檢，很多故障可以在控制室內發(fā)現和解決。原來(lái)影響測量精度的兩相流可以根據AMS的提示及時(shí)發(fā)現并做出相應的檢查和處理。還可以直接在上位機對質(zhì)量流量計的組態(tài)進(jìn)行修改，減少了操作人員出入防爆區域的次數。

    4 變送器

    ABB公司2600T壓力變送器預先規定了一組診斷信息，以識別下面所列的設備故障：電路板硬件故障、機械裝置硬件故障、電路板溫度過(guò)高、存儲器錯誤、測量錯誤、設備未初始化（未自校準）、自校準失敗、零點(diǎn)誤差、電源故障、組態(tài)無(wú)效、測量超限、溫度超限、靜態(tài)壓力超限、傳感器失靈。

    這些信息可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)傳送到控制系統顯示或送到預測維護系統進(jìn)一步的處理。

    變送器工作時(shí)通常通過(guò)一根或兩根引壓管與流程連接。這些管道的口徑一般較?。ɡ?mm），長(cháng)度為數十米或更長(cháng)。而引壓管可能會(huì )部分或全部堵塞，其原因是流程中的固體物質(zhì)堵塞、引壓管內的液體凍結等。它對裝置硬件沒(méi)有明顯影響，而傳送給控制室的過(guò)程變量值看起來(lái)也正常。這是由于引壓管的堵塞造成當前的壓力顯示值固定不變，使其與真實(shí)的流程狀態(tài)脫離?？刂葡到y繼續使用檢測回路中的壓力值或差壓值，而并不知道它已被“凍結”，這可能造成嚴重的、甚至災難性的后果。
ABB公司2600T壓力變送器有內置的診斷功能，其中一項是PILD（引壓管堵塞檢測）功能。它事先測量未被堵塞的引壓管中壓力信號的噪音水平（作為參比值），在裝置正常運行過(guò)程中，它將實(shí)測到的噪音水平（當前值）與正常狀態(tài)下存儲的參比值進(jìn)行統計對比，如統計分析表明，當前值與參比值之間有顯著(zhù)差異，就能判斷引壓管堵塞故障，并將這一報警信息轉發(fā)給控制室[3]。

    5 pH計

    梅特勒•托利多( Mettler•Toledo )公司近年來(lái)推出ISM®（Intelligent Sensor Management，智能傳感器管理）系統[4]，在具有ISM功能的pH傳感器的上部裝有智能芯片，它可存儲傳感器所有相關(guān)參數和傳感器診斷及預測維護功能的算法，通過(guò)IEEE數字式通訊協(xié)議將pH傳感器的制造廠(chǎng)、傳感器類(lèi)型、型號、系列號、訂貨號和最后一次校驗數據傳送到M700 pH變送器等設備。M700 pH變送器在監測玻璃電極、參比電極阻抗等參數的同時(shí)，可根據這些過(guò)程歷史數據進(jìn)行診斷并給出預測維護的數據。上述所有檢測、診斷、預測數據可以在M700 pH變送器顯示面板上顯示，該顯示面板采用LC顯示器，分辨率為240×160。
圖4為ISM系統的傳感器網(wǎng)絡(luò )圖，它匯總了與傳感器整體“健康”狀況相關(guān)的7個(gè)指定參數（即pH傳感器斜率、零點(diǎn)、參比電極阻抗、玻璃電極阻抗、響應時(shí)間、校驗定時(shí)器、傳感器損耗），用他們構成如圖4所示的七邊形“雷達”圖，傳感器整體“健康”狀況理想的條件是參數處于大七邊形的外緣，報警或故障的條件是處于靠近中心處的小七邊形。圖4左所示為參數1斜率及參數7傳感器損耗均較理想條件差一些，但不影響正常使用；（傳感器損耗）、參數4（玻璃電極阻抗）較理想條件差得多一些，但還不影響正常使用；但參數1（pH傳感器斜率）下降值已超過(guò)小七邊形所表示的故障條件，故發(fā)出報警信號[4]。

    6 電子皮帶秤

    電子皮帶秤的大多數故障，例如計量不準、稱(chēng)重傳感器性能變差等一時(shí)難以察覺(jué)，往往要經(jīng)過(guò)一段較長(cháng)時(shí)間因計量數據出入太大或重新校準時(shí)才能發(fā)現，但為時(shí)已晚，錯誤已經(jīng)存在一段時(shí)間，損失已經(jīng)造成。

    皮帶秤主要由秤架、稱(chēng)重傳感器、測速傳感器、二次儀表及電氣線(xiàn)路組成，皮帶秤的在線(xiàn)自診斷內容應該包括以上5個(gè)部分。而涉及到后面4個(gè)部分的在線(xiàn)自診斷與其他自動(dòng)化儀表大同小異，如涉及二次儀表及電氣線(xiàn)路的接線(xiàn)自診斷功能主要是相關(guān)接線(xiàn)的開(kāi)路、短路診斷等，涉及傳感器自診斷功能主要是稱(chēng)重傳感器阻抗的測定、測速傳感器阻抗的測定、稱(chēng)重傳感器靈敏度的測定、稱(chēng)重傳感器響應時(shí)間的測定等，在線(xiàn)自診斷的難度不大。但秤架部分主要是機械部件，難以直接進(jìn)行自診斷。國內外的部分廠(chǎng)家采用在同一條皮帶輸送機上安裝兩臺秤架的方法實(shí)現在線(xiàn)自診斷。雙秤架在線(xiàn)自診斷比較的是每個(gè)秤架所代表的計量系統最終數據，而這個(gè)數據是綜合反映了秤架、稱(chēng)重傳感器、測速傳感器、二次儀表及電氣線(xiàn)路這五部分的狀況，這五個(gè)部分不論哪個(gè)環(huán)節出現一點(diǎn)問(wèn)題，都會(huì )在計量系統最終數據上有所反應。也就是說(shuō)，一旦兩臺秤計量數據差值超過(guò)預先規定的值并得到確認的話(huà)，至少兩臺秤中的一臺存在故障，因為預先規定的值通常比較?。ㄈ?.25%、0.5%或1.0%），所以故障存續的時(shí)間應該很短，即故障剛出現，或者說(shuō)，故障的苗頭剛出現，我們就可以判斷出來(lái)。

    最早出現雙秤架的是1984年建成的挪威納爾維克海港高精確度電子皮帶秤貿易計量系統，在該港口大噸位皮帶輸送機上，同時(shí)裝有兩臺8組稱(chēng)重托輥的計量電子皮帶秤，皮帶寬度2000mm，長(cháng)度60m，額定輸送量是11000t/h。這兩臺計量電子皮帶秤有各自獨立的秤架、信號通道、記錄指示儀表和操作選擇器等，而在兩臺秤之間還有一臺差分計數器，可對兩臺計量電子皮帶秤的稱(chēng)重結果隨時(shí)進(jìn)行比較，要求偏差在±0.25%以?xún)?。當兩臺計量電子皮帶秤的稱(chēng)重結果的偏差達到±0.25%時(shí)，要停機進(jìn)行檢查或調整，檢查或調整后再經(jīng)物料試驗，所得到計量電子皮帶秤與標準靜態(tài)料斗秤的計量結果相差小于±0.1%才算合格，也才能繼續投入計量工作。對高精確度電子皮帶秤貿易計量系統來(lái)說(shuō)，精度超差就代表了故障發(fā)生了，因此，當出現精度超差時(shí)發(fā)出對系統進(jìn)行檢查或調整的信號，就代表了一個(gè)故障的檢測和診斷過(guò)程。

    上海港煤炭裝卸公司二十多年來(lái)一直采用雙秤架的技術(shù)用于港口煤炭的商業(yè)貿易計量，即在同一條皮帶輸送機上安裝兩臺結構形式、托輥組數都是一樣的秤架。當兩臺秤累計值之間的誤差百分比值超過(guò)規定值(如1.0%)時(shí)，要對稱(chēng)量系統進(jìn)行檢查或校驗。由于船主通過(guò)水尺等方式可以判斷輪船已裝運煤炭的大致數量，所以任何一次計量不準都將引起異議。商業(yè)貿易計量的電子皮帶秤投運初期，曾發(fā)生過(guò)數起爭執，船主從自身利益最大化出發(fā)，希望多裝煤炭少交錢(qián)，常常有意挑起糾紛。糾紛的解決辦法是認可船主的數字（往往比計量數據少百分之一二十）或復秤（即將已裝入輪船的煤炭全部卸到岸上，再用汽車(chē)裝車(chē)一車(chē)車(chē)送汽車(chē)衡重新計量）。如果只有單秤架，計量人員心中無(wú)底，往往無(wú)奈接受船主的數字。而有了雙秤架，計量人員胸有成竹，堅決采用復秤的方式，幾次復秤證明了雙秤架電子皮帶秤計量結果是完全正確的。在此之后，船主們承認了雙秤架商業(yè)貿易計量電子皮帶秤的權威性。但計量人員也知道，權威性是需要堅實(shí)的技術(shù)實(shí)力作保證的，而帶在線(xiàn)自診斷功能的雙秤架電子皮帶秤就是技術(shù)實(shí)力中最關(guān)鍵的部分[5]。

    綜上所述，帶故障在線(xiàn)自診斷功能的智能儀表有的自身就具有自診斷功能（如上面介紹的變送器、pH分析儀和電子皮帶秤），有的則需要通過(guò)智能設備管理軟件和上位控制系統實(shí)現（如上面介紹的數字式閥門(mén)控制器、質(zhì)量流量計）。當眾多的智能儀表具備故障在線(xiàn)自診斷功能之后，預測性維護功能就能真正實(shí)施，這將使自動(dòng)化儀表的維護提高到一個(gè)新的水平，也將使自動(dòng)化儀表更好地為生產(chǎn)過(guò)程節能降耗、確保安全生產(chǎn)服務(wù)。