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            活動鏈接：2012年控制網技術專題---將無線技術引入傳感器2012  
     

       

    1 概述

    生產過程通常要求長期連續進行，但生產過程所涉及到的設備（包括工藝設備、機械設備、電氣設備、儀表及控制系統等）有可能在使用過程中出現故障，使生產過程中斷。在需要24小時不停運轉的工業生產過程中，如果由于儀表故障引發突然的停機事件是不可容忍的，對過程儀表的維護人員來說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，來避免儀表設備故障造成的生產損失和材料浪費，其中預測性維護就是發展非常迅速的一項技術。

    預測性維護技術包括設備狀態監測、故障診斷、故障預測、維護決策支持和維護活動，首先要根據設備狀態監測作出故障診斷，然后針對故障給出：問題描述、預測信息、維修建議。由此可見，其中關鍵的一環是設備狀態監測、故障診斷的在線自診斷技術。

    針對各類自動化儀表，多個生產廠家陸續推出一些帶故障在線自診斷功能的智能儀表，本文將選擇性地以幾個產品為例介紹帶故障在線自診斷功能的數字式閥門控制器、質量流量計、變送器、pH分析儀和電子皮帶秤。

    2 數字式閥門控制器

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

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

    通過閥門診斷技術，操作人員發現給水調節閥的填料法蘭上聚集了石墨灰塵，這說明為了穩定閥門并防止閥芯震動，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故障，導致工廠隨時意外停工。當時工廠需要保持閥門正常運行到下一次用來補給燃料的計劃停工時間還有18個月，他們決定在閥門正常運作時，在填料中注入密封劑，加密封劑可以延長填料的使用壽命并確保閥門繼續正常運作。但注入工藝需要仔細監控，因為密封劑有可能會影響填料的摩擦力。摩擦力太小，閥門仍然會泄漏和振動；摩擦力太大，閥門將會停止工作。在注入密封劑的過程中，FIELDVUE™ DVC6000定位器在線閥門診斷功能可以記錄驅動信號、閥門位置及填料摩擦力等參數，通過精確的測試和監控，維持了系統的穩定性并使閥門一直保持運作，避免了工廠停工的巨額損失，而該工廠停工一天將損失1百萬美元。

    3 質量流量計 

    齊魯石化儲運廠的汽車裝車系統擔負著乙烯新區產品的汽運出廠任務，年出廠苯、環氧氯丙烷，對苯等產品70余萬噸。該工號現有20套汽車裝車系統，現場環境屬于防爆Zone I ，質量流量計在選型時采用隔爆型。為了保證裝車系統累計流量精確，需要定期對質量流量計進行調零，而現場的防爆要求不允許隔爆型儀表帶電打開防爆箱操作。

    儲運廠于2000年通過國際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。但是實際工作中，文檔記錄通常會不夠完整及時，與規范管理有差距。

    由于工藝原因，液體物料傳輸過程中會混入氣泡，形成兩相流，造成儀表的測量誤差。兩相流不易及時發現，尤其是不嚴重的兩相流，往往要到裝車結束后操作人員才會發現，從而影響裝車效率和客戶滿意度。因此盡早發現故障、降低測量誤差十分重要。

    為了尋求解決方案，儲運廠選用了艾默生過程管理下屬高準公司CMF300+9701及CMF300+1700質量流量計，質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，以進行質量累加運算；另外一個端口為HART通訊協議端口，HART指令中包括組態信息、診斷信息及儀表標定調零信息。

    高準質量流量計內置在線診斷功能，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，實時采集質量流量計的在線診斷信息，能實現電子巡檢，很多故障可以在控制室內發現和解決。原來影響測量精度的兩相流可以根據AMS的提示及時發現并做出相應的檢查和處理。還可以直接在上位機對質量流量計的組態進行修改，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、零點誤差、電源故障、組態無效、測量超限、溫度超限、靜態壓力超限、傳感器失靈。

    這些信息可以通過現場總線傳送到控制系統顯示或送到預測維護系統進一步的處理。

    變送器工作時通常通過一根或兩根引壓管與流程連接。這些管道的口徑一般較小（例如8mm），長度為數十米或更長。而引壓管可能會部分或全部堵塞，其原因是流程中的固體物質堵塞、引壓管內的液體凍結等。它對裝置硬件沒有明顯影響，而傳送給控制室的過程變量值看起來也正常。這是由于引壓管的堵塞造成當前的壓力顯示值固定不變，使其與真實的流程狀態脫離。控制系統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），在裝置正常運行過程中，它將實測到的噪音水平（當前值）與正常狀態下存儲的參比值進行統計對比，如統計分析表明，當前值與參比值之間有顯著差異，就能判斷引壓管堵塞故障，并將這一報警信息轉發給控制室[3]。

    5 pH計

    梅特勒•托利多( Mettler•Toledo )公司近年來推出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參數和傳感器診斷及預測維護功能的算法，通過IEEE數字式通訊協議將pH傳感器的制造廠、傳感器類型、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，可根據這些過程歷史數據進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系統的傳感器網絡圖，它匯總了與傳感器整體“健康”狀況相關的7個指定參數（即pH傳感器斜率、零點、參比電極阻抗、玻璃電極阻抗、響應時間、校驗定時器、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）下降值已超過小七邊形所表示的故障條件，故發出報警信號[4]。

    6 電子皮帶秤

    電子皮帶秤的大多數故障，例如計量不準、稱重傳感器性能變差等一時難以察覺，往往要經過一段較長時間因計量數據出入太大或重新校準時才能發現，但為時已晚，錯誤已經存在一段時間，損失已經造成。

    皮帶秤主要由秤架、稱重傳感器、測速傳感器、二次儀表及電氣線路組成，皮帶秤的在線自診斷內容應該包括以上5個部分。而涉及到后面4個部分的在線自診斷與其他自動化儀表大同小異，如涉及二次儀表及電氣線路的接線自診斷功能主要是相關接線的開路、短路診斷等，涉及傳感器自診斷功能主要是稱重傳感器阻抗的測定、測速傳感器阻抗的測定、稱重傳感器靈敏度的測定、稱重傳感器響應時間的測定等，在線自診斷的難度不大。但秤架部分主要是機械部件，難以直接進行自診斷。國內外的部分廠家采用在同一條皮帶輸送機上安裝兩臺秤架的方法實現在線自診斷。雙秤架在線自診斷比較的是每個秤架所代表的計量系統最終數據，而這個數據是綜合反映了秤架、稱重傳感器、測速傳感器、二次儀表及電氣線路這五部分的狀況，這五個部分不論哪個環節出現一點問題，都會在計量系統最終數據上有所反應。也就是說，一旦兩臺秤計量數據差值超過預先規定的值并得到確認的話，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小（如0.25%、0.5%或1.0%），所以故障存續的時間應該很短，即故障剛出現，或者說，故障的苗頭剛出現，我們就可以判斷出來。

    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，同時裝有兩臺8組稱重托輥的計量電子皮帶秤，皮帶寬度2000mm，長度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重結果隨時進行比較，要求偏差在±0.25%以內。當兩臺計量電子皮帶秤的稱重結果的偏差達到±0.25%時，要停機進行檢查或調整，檢查或調整后再經物料試驗，所得到計量電子皮帶秤與標準靜態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說，精度超差就代表了故障發生了，因此，當出現精度超差時發出對系統進行檢查或調整的信號，就代表了一個故障的檢測和診斷過程。

    上海港煤炭裝卸公司二十多年來一直采用雙秤架的技術用于港口煤炭的商業貿易計量，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規定值(如1.0%)時，要對稱量系統進行檢查或校驗。由于船主通過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。商業貿易計量的電子皮帶秤投運初期，曾發生過數起爭執，船主從自身利益最大化出發，希望多裝煤炭少交錢，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，再用汽車裝車一車車送汽車衡重新計量）。如果只有單秤架，計量人員心中無底，往往無奈接受船主的數字。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，權威性是需要堅實的技術實力作保證的，而帶在線自診斷功能的雙秤架電子皮帶秤就是技術實力中最關鍵的部分[5]。

    綜上所述，帶故障在線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），有的則需要通過智能設備管理軟件和上位控制系統實現（如上面介紹的數字式閥門控制器、質量流量計）。當眾多的智能儀表具備故障在線自診斷功能之后，預測性維護功能就能真正實施，這將使自動化儀表的維護提高到一個新的水平，也將使自動化儀表更好地為生產過程節能降耗、確保安全生產服務。