方原柏，1942年生，男，湖北黄冈人，云南华昆工程技术股份公司（原昆明有色冶金设计研究院）教授级高级工程师，昆明仪器仪表学会副理事长，冶金自动化、衡器、自动化信息等杂志编委，研究方向为仪表及控制系统应用。

    [摘 要] 随着生产过程自动化水平的提高，过程仪表的维护技术发展到了一个新的阶段，如何在线对过程仪表进行故障检测并诊断故障，减少甚至防止事故的产生是仪器仪表智能化要解决的一个重要问题。本文将阐述部分智能仪表故障在线自诊断的原理、功能及其应用。

    [关键词] 智能仪表 故障在线自诊断 预测性维护

    作者简介：方原柏（1942-），男，湖北黄冈人，云南华昆工程技术股份公司（原昆明有色冶金设计研究院）教授级高级工程师，昆明仪器仪表学会副理事长，冶金自动化、衡器、自动化信息等杂志编委，研究方向为仪表及控制系统应用。发表论文200余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年）、“电子皮带秤”（2007年）两本专著。

    1 概述

    生产过程通常要求长期连续进行，但生产过程所涉及到的设备（包括工艺设备、机械设备、电气设备、仪表及控制系统等）有可能在使用过程中出现故障，使生产过程中断。在需要24小时不停运转的工业生产过程中，如果由于仪表故障引发突然的停机事件是不可容忍的，对过程仪表的维护人员来说这是非常重大的失职。人们正在不断地摸索新的维修方法和新的维修体制，来避免仪表设备故障造成的生产损失和材料浪费，其中预测性维护就是发展非常迅速的一项技术。

    预测性维护技术包括设备状态监测、故障诊断、故障预测、维护决策支持和维护活动，首先要根据设备状态监测作出故障诊断，然后针对故障给出：问题描述、预测信息、维修建议。由此可见，其中关键的一环是设备状态监测、故障诊断的在线自诊断技术。

    针对各类自动化仪表，多个生产厂家陆续推出一些带故障在线自诊断功能的智能仪表，本文将选择性地以几个产品为例介绍带故障在线自诊断功能的数字式阀门控制器、质量流量计、变送器、pH分析仪和电子皮带秤。

    2  数字式阀门控制器

    阀门目前是故障在线自诊断最热门的产品，它通过智能型阀门定位器对控制阀进行故障诊断。定位器内部的微处理器定时采集各种传感器的数据并进行运算、比较、分析、组态，将出现异常的信息以报警信号形式输出。智能型阀门定位器对调节阀的诊断可分为在线诊断、离线诊断。在线诊断包括：行程累积、行程方向改变次数、报警次数、死区自调整、阀门基线位置（比如：阀座的磨损）、最高最低温度下运行小时数、阀门定位时间、执行机构泄漏、噪声诊断等。离线诊断包括：执行机构及气路的密封性、静特性、阶跃过渡及频率响应特性等。

    美国沃夫克里克（Wolf Creek）核电厂通过使用艾默生过程管理的 Fisher® FIELDVUE™ DVC6000数字式阀门控制器（见图1）替代老式气动定位器，FIELDVUE ™DVC6000系列仪表具有阀门性能诊断功能，与AMS™ ValveLink™ 软件配套使用，可以监控该核电厂用于给水系统的关键阀门。该仪表和软件可提供在线、实时的阀门位置和运行状况数据，包括一些变量，如阀门填料摩擦状况等。这些性能数据易于保存和历史追踪，可确保工厂的操作人员进行阀门诊断及预先维护。

    通过阀门诊断技术，操作人员发现给水调节阀的填料法兰上聚集了石墨灰尘，这说明为了稳定阀门并防止阀芯震动，填料在不断摩擦中摩损量加大，而这样持续下去将因填料失效致使阀门故障，导致工厂随时意外停工。当时工厂需要保持阀门正常运行到下一次用来补给燃料的计划停工时间还有18个月，他们决定在阀门正常运作时，在填料中注入密封剂，加密封剂可以延长填料的使用寿命并确保阀门继续正常运作。但注入工艺需要仔细监控，因为密封剂有可能会影响填料的摩擦力。摩擦力太小，阀门仍然会泄漏和振动；摩擦力太大，阀门将会停止工作。在注入密封剂的过程中，FIELDVUE™ DVC6000定位器在线阀门诊断功能可以记录驱动信号、阀门位置及填料摩擦力等参数，通过精确的测试和监控，维持了系统的稳定性并使阀门一直保持运作，避免了工厂停工的巨额损失，而该工厂停工一天将损失1百万美元[1]。

                             

                       图1 DVC6000数字式阀门控制器

    3 质量流量计

    齐鲁石化储运厂的汽车装车系统担负着乙烯新区产品的汽运出厂任务，年出厂苯、环氧氯丙烷，对苯等产品70余万吨。该工号现有20套汽车装车系统，现场环境属于防爆Zone I ，质量流量计在选型时采用隔爆型。为了保证装车系统累计流量精确，需要定期对质量流量计进行调零，而现场的防爆要求不允许隔爆型仪表带电打开防爆箱操作。

    储运厂于2000年通过国际ISO-9001的认证，他要求所有计量器具的参数修改做到有文档记录。但是实际工作中，文档记录通常会不够完整及时，与规范管理有差距。

    由于工艺原因，液体物料传输过程中会混入气泡，形成两相流，造成仪表的测量误差。两相流不易及时发现，尤其是不严重的两相流，往往要到装车结束后操作人员才会发现，从而影响装车效率和客户满意度。因此尽早发现故障、降低测量误差十分重要。

    为了寻求解决方案，储运厂选用了艾默生过程管理下属高准公司CMF300+9701及CMF300+1700质量流量计，质量流量计具备两路输出接口，一路为脉冲输出，接入到传统的脉冲计数器，以进行质量累加运算；另外一个端口为HART通讯协议端口，HART指令中包括组态信息、诊断信息及仪表标定调零信息（见图2）。

                          

                            图2 系统构成原理图

    高准质量流量计内置在线诊断功能，可以检测管道内存在气泡的两相流、仪表断电及传感器的其他故障。系统还安装了AMS智能设备管理软件，实时采集质量流量计的在线诊断信息，能实现电子巡检，很多故障可以在控制室内发现和解决。原来影响测量精度的两相流可以根据AMS的提示及时发现并做出相应的检查和处理。还可以直接在上位机对质量流量计的组态进行修改，减少了操作人员出入防爆区域的次数[2]。

    4 变送器

    ABB公司2600T压力变送器（见图3）预先规定了一组诊断信息，以识别下面所列的设备故障：电路板硬件故障、机械装置硬件故障、电路板温度过高、存储器错误、测量错误、设备未初始化（未自校准）、自校准失败、零点误差、电源故障、组态无效、测量超限、温度超限、静态压力超限、传感器失灵。

    这些信息可以通过现场总线传送到控制系统显示或送到预测维护系统进一步的处理。

                                     

                        图3 ABB公司2600T压力变送器

    变送器工作时通常通过一根或两根引压管与流程连接。这些管道的口径一般较小（例如8mm），长度为数十米或更长。而引压管可能会部分或全部堵塞，其原因是流程中的固体物质堵塞、引压管内的液体冻结等。它对装置硬件没有明显影响，而传送给控制室的过程变量值看起来也正常。这是由于引压管的堵塞造成当前的压力显示值固定不变，使其与真实的流程状态脱离。控制系统继续使用检测回路中的压力值或差压值，而并不知道它已被“冻结”，这可能造成严重的、甚至灾难性的后果。

    ABB公司2600T压力变送器有内置的诊断功能，其中一项是PILD（引压管堵塞检测）功能。它事先测量未被堵塞的引压管中压力信号的噪音水平（作为参比值），在装置正常运行过程中，它将实测到的噪音水平（当前值）与正常状态下存储的参比值进行统计对比，如统计分析表明，当前值与参比值之间有显著差异，就能判断引压管堵塞故障，并将这一报警信息转发给控制室[3]。

    5 pH计

    梅特勒•托利多( Mettler•Toledo )公司近年来推出ISM®（Intelligent Sensor Management，智能传感器管理）系统[4]，在具有ISM功能的pH传感器的上部装有智能芯片，它可存储传感器所有相关参数和传感器诊断及预测维护功能的算法，通过IEEE数字式通讯协议将pH传感器的制造厂、传感器类型、型号、系列号、订货号和最后一次校验数据传送到M700 pH变送器等设备。M700 pH变送器在监测玻璃电极、参比电极阻抗等参数的同时，可根据这些过程历史数据进行诊断并给出预测维护的数据。上述所有检测、诊断、预测数据可以在M700 pH变送器显示面板上显示，该显示面板采用LC显示器，分辨率为240×160。

    图4为ISM系统的传感器网络图，它汇总了与传感器整体“健康”状况相关的7个指定参数（即pH传感器斜率、零点、参比电极阻抗、玻璃电极阻抗、响应时间、校验定时器、传感器损耗），用他们构成如图4所示的七边形“雷达”图，传感器整体“健康”状况理想的条件是参数处于大七边形的外缘，报警或故障的条件是处于靠近中心处的小七边形。图4左所示为参数1斜率及参数7传感器损耗均较理想条件差一些，但不影响正常使用；图4右所示为参数7（传感器损耗）、参数4（玻璃电极阻抗）较理想条件差得多一些，但还不影响正常使用；但参数1（pH传感器斜率）下降值已超过小七边形所表示的故障条件，故发出报警信号[4]。

                  

                           图4 ISM系统的传感器网络图

    6 电子皮带秤

    电子皮带秤的大多数故障，例如计量不准、称重传感器性能变差等一时难以察觉，往往要经过一段较长时间因计量数据出入太大或重新校准时才能发现，但为时已晚，错误已经存在一段时间，损失已经造成。

    皮带秤主要由秤架、称重传感器、测速传感器、二次仪表及电气线路组成，皮带秤的在线自诊断内容应该包括以上5个部分。而涉及到后面4个部分的在线自诊断与其他自动化仪表大同小异，如涉及二次仪表及电气线路的接线自诊断功能主要是相关接线的开路、短路诊断等，涉及传感器自诊断功能主要是称重传感器阻抗的测定、测速传感器阻抗的测定、称重传感器灵敏度的测定、称重传感器响应时间的测定等，在线自诊断的难度不大。但秤架部分主要是机械部件，难以直接进行自诊断。国内外的部分厂家采用在同一条皮带输送机上安装两台秤架的方法实现在线自诊断。双秤架在线自诊断比较的是每个秤架所代表的计量系统最终数据，而这个数据是综合反映了秤架、称重传感器、测速传感器、二次仪表及电气线路这五部分的状况，这五个部分不论哪个环节出现一点问题，都会在计量系统最终数据上有所反应。也就是说，一旦两台秤计量数据差值超过预先规定的值并得到确认的话，至少两台秤中的一台存在故障，因为预先规定的值通常比较小（如0.25%、0.5%或1.0%），所以故障存续的时间应该很短，即故障刚出现，或者说，故障的苗头刚出现，我们就可以判断出来。

    最早出现双秤架的是1984年建成的挪威纳尔维克海港高精确度电子皮带秤贸易计量系统，在该港口大吨位皮带输送机上，同时装有两台8组称重托辊的计量电子皮带秤，皮带宽度2000mm，长度60m，额定输送量是11000t/h。这两台计量电子皮带秤有各自独立的秤架、信号通道、记录指示仪表和操作选择器等，而在两台秤之间还有一台差分计数器，可对两台计量电子皮带秤的称重结果随时进行比较，要求偏差在±0.25%以内。当两台计量电子皮带秤的称重结果的偏差达到±0.25%时，要停机进行检查或调整，检查或调整后再经物料试验，所得到计量电子皮带秤与标准静态料斗秤的计量结果相差小于±0.1%才算合格，也才能继续投入计量工作。对高精确度电子皮带秤贸易计量系统来说，精度超差就代表了故障发生了，因此，当出现精度超差时发出对系统进行检查或调整的信号，就代表了一个故障的检测和诊断过程。

    上海港煤炭装卸公司二十多年来一直采用双秤架的技术用于港口煤炭的商业贸易计量（见图5），即在同一条皮带输送机上安装两台结构形式、托辊组数都是一样的秤架。当两台秤累计值之间的误差百分比值超过规定值(如1.0%)时，要对称量系统进行检查或校验。由于船主通过水尺等方式可以判断轮船已装运煤炭的大致数量，所以任何一次计量不准都将引起异议。商业贸易计量的电子皮带秤投运初期，曾发生过数起争执，船主从自身利益最大化出发，希望多装煤炭少交钱，常常有意挑起纠纷。纠纷的解决办法是认可船主的数字（往往比计量数据少百分之一二十）或复秤（即将已装入轮船的煤炭全部卸到岸上，再用汽车装车一车车送汽车衡重新计量）。如果只有单秤架，计量人员心中无底，往往无奈接受船主的数字。而有了双秤架，计量人员胸有成竹，坚决采用复秤的方式，几次复秤证明了双秤架电子皮带秤计量结果是完全正确的。在此之后，船主们承认了双秤架商业贸易计量电子皮带秤的权威性。但计量人员也知道，权威性是需要坚实的技术实力作保证的，而带在线自诊断功能的双秤架电子皮带秤就是技术实力中最关键的部分[5]。

                          

                 图5 在上海港煤炭装卸公司码头使用的双秤架技术
                               1-秤架1；2- 秤架2

    综上所述，带故障在线自诊断功能的智能仪表有的自身就具有自诊断功能（如上面介绍的变送器、pH分析仪和电子皮带秤），有的则需要通过智能设备管理软件和上位控制系统实现（如上面介绍的数字式阀门控制器、质量流量计）。当众多的智能仪表具备故障在线自诊断功能之后，预测性维护功能就能真正实施，这将使自动化仪表的维护提高到一个新的水平，也将使自动化仪表更好地为生产过程节能降耗、确保安全生产服务。

    参考资料：

    [1] www.ap.emersonprocess.com.爱默生FIELDVUE™ 数字式阀门控制器帮助核电厂避免了意外停工，节省百万美金.
    [2]丁新国，蒋卉.齐鲁石化流量设备管理系统的应用案例[M]. 中国新技术新产品.  2008，03.
    [3] 随时保持正常运行---仪表中的预测性维护. www.abb.com.cn网站.
    [4] K.Queeney、S.Van der wal. Effective pH Control through Intelligent Automation. www.mt.com/pro.
    [5] 方原柏. 双秤架在电子皮带秤的在线自诊断中的应用.衡器，2010.05.