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            活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專題---將無(wú)線技術(shù)引入傳感器2012  
     

       

    1 概述

    生產(chǎn)過(guò)程通常要求長(zhǎng)期連續(xù)進(jìn)行，但生產(chǎn)過(guò)程所涉及到的設(shè)備（包括工藝設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、儀表及控制系統(tǒng)等）有可能在使用過(guò)程中出現(xiàn)故障，使生產(chǎn)過(guò)程中斷。在需要24小時(shí)不停運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)事件是不可容忍的，對(duì)過(guò)程儀表的維護(hù)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(shè)備故障造成的生產(chǎn)損失和材料浪費(fèi)，其中預(yù)測(cè)性維護(hù)就是發(fā)展非常迅速的一項(xiàng)技術(shù)。

    預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、維護(hù)決策支持和維護(hù)活動(dòng)，首先要根據(jù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)作出故障診斷，然后針對(duì)故障給出：?jiǎn)栴}描述、預(yù)測(cè)信息、維修建議。由此可見(jiàn)，其中關(guān)鍵的一環(huán)是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷的在線自診斷技術(shù)。

    針對(duì)各類自動(dòng)化儀表，多個(gè)生產(chǎn)廠家陸續(xù)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(gè)產(chǎn)品為例介紹帶故障在線自診斷功能的數(shù)字式閥門(mén)控制器、質(zhì)量流量計(jì)、變送器、pH分析儀和電子皮帶秤。

    2 數(shù)字式閥門(mén)控制器

    閥門(mén)目前是故障在線自診斷最熱門(mén)的產(chǎn)品，它通過(guò)智能型閥門(mén)定位器對(duì)控制閥進(jìn)行故障診斷。定位器內(nèi)部的微處理器定時(shí)采集各種傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算、比較、分析、組態(tài)，將出現(xiàn)異常的信息以報(bào)警信號(hào)形式輸出。智能型閥門(mén)定位器對(duì)調(diào)節(jié)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(shù)、報(bào)警次數(shù)、死區(qū)自調(diào)整、閥門(mén)基線位置（比如：閥座的磨損）、最高最低溫度下運(yùn)行小時(shí)數(shù)、閥門(mén)定位時(shí)間、執(zhí)行機(jī)構(gòu)泄漏、噪聲診斷等。離線診斷包括：執(zhí)行機(jī)構(gòu)及氣路的密封性、靜特性、階躍過(guò)渡及頻率響應(yīng)特性等。

    美國(guó)沃夫克里克（Wolf Creek）核電廠通過(guò)使用艾默生過(guò)程管理的 Fisher® FIELDVUE™ DVC6000數(shù)字式閥門(mén)控制器替代老式氣動(dòng)定位器，F(xiàn)IELDVUE ™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(jiān)控該核電廠用于給水系統(tǒng)的關(guān)鍵閥門(mén)。該儀表和軟件可提供在線、實(shí)時(shí)的閥門(mén)位置和運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，包括一些變量，如閥門(mén)填料摩擦狀況等。這些性能數(shù)據(jù)易于保存和歷史追蹤，可確保工廠的操作人員進(jìn)行閥門(mén)診斷及預(yù)先維護(hù)。

    通過(guò)閥門(mén)診斷技術(shù)，操作人員發(fā)現(xiàn)給水調(diào)節(jié)閥的填料法蘭上聚集了石墨灰塵，這說(shuō)明為了穩(wěn)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(xù)下去將因填料失效致使閥門(mén)故障，導(dǎo)致工廠隨時(shí)意外停工。當(dāng)時(shí)工廠需要保持閥門(mén)正常運(yùn)行到下一次用來(lái)補(bǔ)給燃料的計(jì)劃停工時(shí)間還有18個(gè)月，他們決定在閥門(mén)正常運(yùn)作時(shí)，在填料中注入密封劑，加密封劑可以延長(zhǎng)填料的使用壽命并確保閥門(mén)繼續(xù)正常運(yùn)作。但注入工藝需要仔細(xì)監(jiān)控，因?yàn)槊芊鈩┯锌赡軙?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，F(xiàn)IELDVUE™ DVC6000定位器在線閥門(mén)診斷功能可以記錄驅(qū)動(dòng)信號(hào)、閥門(mén)位置及填料摩擦力等參數(shù)，通過(guò)精確的測(cè)試和監(jiān)控，維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定性并使閥門(mén)一直保持運(yùn)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(wàn)美元。

    3 質(zhì)量流量計(jì) 

    齊魯石化儲(chǔ)運(yùn)廠的汽車裝車系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著乙烯新區(qū)產(chǎn)品的汽運(yùn)出廠任務(wù)，年出廠苯、環(huán)氧氯丙烷，對(duì)苯等產(chǎn)品70余萬(wàn)噸。該工號(hào)現(xiàn)有20套汽車裝車系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境屬于防爆Zone I ，質(zhì)量流量計(jì)在選型時(shí)采用隔爆型。為了保證裝車系統(tǒng)累計(jì)流量精確，需要定期對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行調(diào)零，而現(xiàn)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(chǔ)運(yùn)廠于2000年通過(guò)國(guó)際ISO-9001的認(rèn)證，他要求所有計(jì)量器具的參數(shù)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(guī)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(cè)量誤差。兩相流不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，尤其是不嚴(yán)重的兩相流，往往要到裝車結(jié)束后操作人員才會(huì)發(fā)現(xiàn)，從而影響裝車效率和客戶滿意度。因此盡早發(fā)現(xiàn)故障、降低測(cè)量誤差十分重要。

    為了尋求解決方案，儲(chǔ)運(yùn)廠選用了艾默生過(guò)程管理下屬高準(zhǔn)公司CMF300+9701及CMF300+1700質(zhì)量流量計(jì)，質(zhì)量流量計(jì)具備兩路輸出接口，一路為脈沖輸出，接入到傳統(tǒng)的脈沖計(jì)數(shù)器，以進(jìn)行質(zhì)量累加運(yùn)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(biāo)定調(diào)零信息。

    高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)置在線診斷功能，可以檢測(cè)管道內(nèi)存在氣泡的兩相流、儀表斷電及傳感器的其他故障。系統(tǒng)還安裝了AMS智能設(shè)備管理軟件，實(shí)時(shí)采集質(zhì)量流量計(jì)的在線診斷信息，能實(shí)現(xiàn)電子巡檢，很多故障可以在控制室內(nèi)發(fā)現(xiàn)和解決。原來(lái)影響測(cè)量精度的兩相流可以根據(jù)AMS的提示及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)的檢查和處理。還可以直接在上位機(jī)對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的組態(tài)進(jìn)行修改，減少了操作人員出入防爆區(qū)域的次數(shù)。

    4 變送器

    ABB公司2600T壓力變送器預(yù)先規(guī)定了一組診斷信息，以識(shí)別下面所列的設(shè)備故障：電路板硬件故障、機(jī)械裝置硬件故障、電路板溫度過(guò)高、存儲(chǔ)器錯(cuò)誤、測(cè)量錯(cuò)誤、設(shè)備未初始化（未自校準(zhǔn)）、自校準(zhǔn)失敗、零點(diǎn)誤差、電源故障、組態(tài)無(wú)效、測(cè)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(xiàn)場(chǎng)總線傳送到控制系統(tǒng)顯示或送到預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)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小（例如8mm），長(zhǎng)度為數(shù)十米或更長(zhǎng)。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(nèi)的液體凍結(jié)等。它對(duì)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(dāng)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(tǒng)繼續(xù)使用檢測(cè)回路中的壓力值或差壓值，而并不知道它已被“凍結(jié)”，這可能造成嚴(yán)重的、甚至災(zāi)難性的后果。
ABB公司2600T壓力變送器有內(nèi)置的診斷功能，其中一項(xiàng)是PILD（引壓管堵塞檢測(cè)）功能。它事先測(cè)量未被堵塞的引壓管中壓力信號(hào)的噪音水平（作為參比值），在裝置正常運(yùn)行過(guò)程中，它將實(shí)測(cè)到的噪音水平（當(dāng)前值）與正常狀態(tài)下存儲(chǔ)的參比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如統(tǒng)計(jì)分析表明，當(dāng)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(bào)警信息轉(zhuǎn)發(fā)給控制室[3]。

    5 pH計(jì)

    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(tǒng)[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(chǔ)傳感器所有相關(guān)參數(shù)和傳感器診斷及預(yù)測(cè)維護(hù)功能的算法，通過(guò)IEEE數(shù)字式通訊協(xié)議將pH傳感器的制造廠、傳感器類型、型號(hào)、系列號(hào)、訂貨號(hào)和最后一次校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送到M700 pH變送器等設(shè)備。M700 pH變送器在監(jiān)測(cè)玻璃電極、參比電極阻抗等參數(shù)的同時(shí)，可根據(jù)這些過(guò)程歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷并給出預(yù)測(cè)維護(hù)的數(shù)據(jù)。上述所有檢測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)（即pH傳感器斜率、零點(diǎn)、參比電極阻抗、玻璃電極阻抗、響應(yīng)時(shí)間、校驗(yàn)定時(shí)器、傳感器損耗），用他們構(gòu)成如圖4所示的七邊形“雷達(dá)”圖，傳感器整體“健康”狀況理想的條件是參數(shù)處于大七邊形的外緣，報(bào)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(shù)1斜率及參數(shù)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(shù)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(shù)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(bào)警信號(hào)[4]。

    6 電子皮帶秤

    電子皮帶秤的大多數(shù)故障，例如計(jì)量不準(zhǔn)、稱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(zhǎng)時(shí)間因計(jì)量數(shù)據(jù)出入太大或重新校準(zhǔn)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，但為時(shí)已晚，錯(cuò)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、稱重傳感器、測(cè)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(nèi)容應(yīng)該包括以上5個(gè)部分。而涉及到后面4個(gè)部分的在線自診斷與其他自動(dòng)化儀表大同小異，如涉及二次儀表及電氣線路的接線自診斷功能主要是相關(guān)接線的開(kāi)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(cè)定、測(cè)速傳感器阻抗的測(cè)定、稱重傳感器靈敏度的測(cè)定、稱重傳感器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)定等，在線自診斷的難度不大。但秤架部分主要是機(jī)械部件，難以直接進(jìn)行自診斷。國(guó)內(nèi)外的部分廠家采用在同一條皮帶輸送機(jī)上安裝兩臺(tái)秤架的方法實(shí)現(xiàn)在線自診斷。雙秤架在線自診斷比較的是每個(gè)秤架所代表的計(jì)量系統(tǒng)最終數(shù)據(jù)，而這個(gè)數(shù)據(jù)是綜合反映了秤架、稱重傳感器、測(cè)速傳感器、二次儀表及電氣線路這五部分的狀況，這五個(gè)部分不論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)一點(diǎn)問(wèn)題，都會(huì)在計(jì)量系統(tǒng)最終數(shù)據(jù)上有所反應(yīng)。也就是說(shuō)，一旦兩臺(tái)秤計(jì)量數(shù)據(jù)差值超過(guò)預(yù)先規(guī)定的值并得到確認(rèn)的話，至少兩臺(tái)秤中的一臺(tái)存在故障，因?yàn)轭A(yù)先規(guī)定的值通常比較?。ㄈ?.25%、0.5%或1.0%），所以故障存續(xù)的時(shí)間應(yīng)該很短，即故障剛出現(xiàn)，或者說(shuō)，故障的苗頭剛出現(xiàn)，我們就可以判斷出來(lái)。

    最早出現(xiàn)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(mào)易計(jì)量系統(tǒng)，在該港口大噸位皮帶輸送機(jī)上，同時(shí)裝有兩臺(tái)8組稱重托輥的計(jì)量電子皮帶秤，皮帶寬度2000mm，長(zhǎng)度60m，額定輸送量是11000t/h。這兩臺(tái)計(jì)量電子皮帶秤有各自獨(dú)立的秤架、信號(hào)通道、記錄指示儀表和操作選擇器等，而在兩臺(tái)秤之間還有一臺(tái)差分計(jì)數(shù)器，可對(duì)兩臺(tái)計(jì)量電子皮帶秤的稱重結(jié)果隨時(shí)進(jìn)行比較，要求偏差在±0.25%以內(nèi)。當(dāng)兩臺(tái)計(jì)量電子皮帶秤的稱重結(jié)果的偏差達(dá)到±0.25%時(shí)，要停機(jī)進(jìn)行檢查或調(diào)整，檢查或調(diào)整后再經(jīng)物料試驗(yàn)，所得到計(jì)量電子皮帶秤與標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)料斗秤的計(jì)量結(jié)果相差小于±0.1%才算合格，也才能繼續(xù)投入計(jì)量工作。對(duì)高精確度電子皮帶秤貿(mào)易計(jì)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，精度超差就代表了故障發(fā)生了，因此，當(dāng)出現(xiàn)精度超差時(shí)發(fā)出對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查或調(diào)整的信號(hào)，就代表了一個(gè)故障的檢測(cè)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(mào)易計(jì)量，即在同一條皮帶輸送機(jī)上安裝兩臺(tái)結(jié)構(gòu)形式、托輥組數(shù)都是一樣的秤架。當(dāng)兩臺(tái)秤累計(jì)值之間的誤差百分比值超過(guò)規(guī)定值(如1.0%)時(shí)，要對(duì)稱量系統(tǒng)進(jìn)行檢查或校驗(yàn)。由于船主通過(guò)水尺等方式可以判斷輪船已裝運(yùn)煤炭的大致數(shù)量，所以任何一次計(jì)量不準(zhǔn)都將引起異議。商業(yè)貿(mào)易計(jì)量的電子皮帶秤投運(yùn)初期，曾發(fā)生過(guò)數(shù)起爭(zhēng)執(zhí)，船主從自身利益最大化出發(fā)，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(rèn)可船主的數(shù)字（往往比計(jì)量數(shù)據(jù)少百分之一二十）或復(fù)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(jì)量）。如果只有單秤架，計(jì)量人員心中無(wú)底，往往無(wú)奈接受船主的數(shù)字。而有了雙秤架，計(jì)量人員胸有成竹，堅(jiān)決采用復(fù)秤的方式，幾次復(fù)秤證明了雙秤架電子皮帶秤計(jì)量結(jié)果是完全正確的。在此之后，船主們承認(rèn)了雙秤架商業(yè)貿(mào)易計(jì)量電子皮帶秤的權(quán)威性。但計(jì)量人員也知道，權(quán)威性是需要堅(jiān)實(shí)的技術(shù)實(shí)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(shù)實(shí)力中最關(guān)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(guò)智能設(shè)備管理軟件和上位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（如上面介紹的數(shù)字式閥門(mén)控制器、質(zhì)量流量計(jì)）。當(dāng)眾多的智能儀表具備故障在線自診斷功能之后，預(yù)測(cè)性維護(hù)功能就能真正實(shí)施，這將使自動(dòng)化儀表的維護(hù)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(jié)能降耗、確保安全生產(chǎn)服務(wù)。