以數(shù)字式閥門定位器為核心的控制閥數(shù)字解決方案旨在控制閥的預(yù)測性維護(hù)，并實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自校準(zhǔn)、自適應(yīng)、狀態(tài)監(jiān)測、在線動態(tài)特性分析、故障識別與診斷，使之成為流程工業(yè)現(xiàn)場的智能設(shè)備。本文對部分廠家控制閥預(yù)測性維護(hù)技術(shù)進(jìn)行了探討和細(xì)節(jié)分析。

圖1 計算機(jī)輔助故障識別和診斷技術(shù)分類

    控制閥是流程工業(yè)中采用*多的終端控制元件，決定著過程控制是否及時有效，在整個控制回路中較為重要但又是長期以來技術(shù)比較薄弱的環(huán)節(jié)。如果控制閥出現(xiàn)故障，控制回路將被迫中斷控制操作，有可能引發(fā)更大的系統(tǒng)故障和造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。用戶迫切需要對流程工業(yè)運(yùn)行中的控制閥狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估即控制閥故障識別與診斷。

圖2 系統(tǒng)舉例

    以數(shù)字式閥門定位器為核心的控制閥數(shù)字解決方案旨在控制閥預(yù)測性維護(hù)，并實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自校準(zhǔn)、自適應(yīng)、狀態(tài)監(jiān)測、在線動態(tài)特性分析、故障識別與診斷，使之成為流程工業(yè)現(xiàn)場的智能設(shè)備。

圖3  FlowScanner便攜式診斷儀

    國內(nèi)外控制閥的生產(chǎn)廠家眾多，造成控制閥品種多、規(guī)格多、參數(shù)多，質(zhì)量參差不齊；可配置的數(shù)字式閥門定位器品牌型號也比較多，集成的自診斷軟件和實現(xiàn)方式各有特點。這些不同都是大家關(guān)注的熱點。本文試對控制閥診斷-預(yù)測性維護(hù)技術(shù)以及部分廠家產(chǎn)品進(jìn)行探討和細(xì)節(jié)分析。

    控制閥典型維護(hù)方式

    控制閥需要按照廠家要求和設(shè)備維護(hù)規(guī)程進(jìn)行正常使用和有效維護(hù)，典型維護(hù)方式有：

    被動性維護(hù)（Reactive Maintenance） ——計劃外隨機(jī)維護(hù)方式。當(dāng)控制閥出現(xiàn)故障后才采取行動，根據(jù)發(fā)生問題大小，進(jìn)行維修或更換。這種維護(hù)方式時間不確定，無計劃的維護(hù)常常增大維護(hù)成本和生產(chǎn)成本。而故障的誤判斷，更會擴(kuò)大檢維修工作量，影響正常使用時間。

圖4  AMS ValveLink軟件畫面

    預(yù)防性維護(hù)（Preventive Maintenance） ——計劃性周期維護(hù)方式。根據(jù)技術(shù)管理經(jīng)驗制定檢維修實施計劃，安排定期維修和狀態(tài)維修，力求防止控制閥在使用中發(fā)生問題。這種維護(hù)方式簡單地給控制閥一個檢修周期，問題是沒有人能確切地掌握哪臺控制閥需要檢修，以致全部解體檢修或輪換解體檢修，常會造成不必要的檢修或遺漏有故障隱患的控制閥。若是由非廠家技術(shù)人員或未經(jīng)過專門培訓(xùn)的人員解體檢修控制閥，也常出現(xiàn)檢修后還不如檢修前的尷尬情況。ARC咨詢機(jī)構(gòu)1999年的一份研究成果中得出“多達(dá)60%的計劃性控制閥維修是不必要的”的結(jié)論，這也從一個側(cè)面說明預(yù)防性維護(hù)的不足。

圖5  AMS ValveLink插入在DeltaV系統(tǒng)

    預(yù)測性維護(hù)（Predictive Maintenance） ——也稱為預(yù)見性維護(hù)，是使用計算機(jī)輔助故障識別和診斷技術(shù)（診斷專家系統(tǒng)）進(jìn)行超前監(jiān)測和診斷預(yù)警的維護(hù)方式。采用新技術(shù)的實時在線監(jiān)測和離線測試以及專家型診斷軟件，在控制閥還沒有產(chǎn)生故障前就通過狀態(tài)參數(shù)預(yù)測可能出現(xiàn)的情況和預(yù)期的時間，通過預(yù)測控制閥設(shè)備的功能安全和時間依存性來進(jìn)行維護(hù)。預(yù)測性維護(hù)注重動態(tài)管理和監(jiān)測以及設(shè)備良好運(yùn)行的可持續(xù)性，從應(yīng)用上位機(jī)診斷軟件到數(shù)字式閥門定位器集成診斷軟件，從傳統(tǒng)的計算機(jī)基于模型的數(shù)據(jù)處理到廣義專家系統(tǒng)模擬邏輯思維實現(xiàn)判斷和推理，使?fàn)顟B(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)得到細(xì)化和延伸，完成高層次的報警和預(yù)測，使控制閥預(yù)測性維護(hù)得以實施。同時數(shù)字式閥門定位器也成為基于故障識別和診斷技術(shù)的預(yù)測性維護(hù)體系的現(xiàn)場智能設(shè)備。

    控制閥預(yù)測性維護(hù)的發(fā)展

    早期的控制閥預(yù)測性維護(hù)是使用智能儀表和專用診斷設(shè)備，如FISHER在1990年推出的便攜式控制閥診斷系統(tǒng)FlowScanner，有較強(qiáng)大的診斷功能，可進(jìn)行動態(tài)掃描、靜態(tài)點掃描、階躍測試和斜坡測試等，但需要專門人員花費(fèi)一定的時間來安裝各種傳感器、運(yùn)行測試系統(tǒng)并解讀診斷結(jié)果，而且診斷常在中斷控制閥過程使用時進(jìn)行。

圖6  AMS ValveLink階躍測試及分析數(shù)據(jù)

    上世紀(jì)九十年代以來，隨著數(shù)字式閥門定位器的開發(fā)使用，控制閥預(yù)測性維護(hù)所需的狀態(tài)監(jiān)測和診斷功能逐漸轉(zhuǎn)移到以數(shù)字式閥門定位器為中心的診斷體系。數(shù)字式閥門定位器配置安裝到控制閥，其自帶閥位（行程）、輸出、氣源等參量傳感器可以直接進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，內(nèi)部集成的自診斷功能也日益強(qiáng)大，并具有通信功能（HART、PROFIBUS、FF等），支持FDT/DTM、DD/EDDL，使用專家診斷軟件和開放架構(gòu)，使控制閥通過數(shù)字式閥門定位器在線自診斷和預(yù)測性維護(hù)，提升并維持了性能，減少了運(yùn)行故障和提高了使用壽命，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7  AMS ValveLink摩擦力測試及分析數(shù)據(jù)

    目前，各主要控制閥廠商都著力開發(fā)數(shù)字式閥門定位器及完善各自的診斷軟件：美國FISHER*早推出FIELDVUE DVC（Digital Valve Controllers數(shù)字閥門控制器）的數(shù)字式閥門定位器和AMS ValveLink控制閥診斷軟件；美國Masoneilan有SVI II/SVI II AP數(shù)字式閥門定位器和Valvue控制閥診斷軟件；美國/德國Foxboro有SRD960/991數(shù)字式閥門定位器和VALcareTM控制閥診斷軟件；德國SAMSON有3730/3731系列數(shù)字式閥門定位器和本機(jī)的EXPERT/EXPERT+控制閥診斷軟件及TROVIS-VIEW監(jiān)控軟件及本機(jī)LCD狀態(tài)和參數(shù)顯示；日本azbil（山武Yamatake）有SVP 3000alphaplus數(shù)字式閥門定位器和Valstaff控制閥診斷軟件。

    FISHER AMS ValveLink

    艾默生過程管理費(fèi)希爾閥門（FISHER）于1992年推出FIELDVUE DVC（Digital Valve Controllers數(shù)字閥門控制器）數(shù)字式閥門定位器和使用上位機(jī)的AMS ValveLink VL1000版控制閥診斷軟件，2000年ValveLink提升為4.0版，現(xiàn)在ValveLink為7.3版，適用DVC2000、DVC5000和 DVC5000f、DVC6000和DVC6000f。初期的DVC只進(jìn)行參數(shù)測量供上位數(shù)據(jù)采集，定位器軟件版本先后有AC、HC、AD、PD、 SIS、ODV，其中的PD、ODV版具有本機(jī)在線性能診斷功能。DVC支持HART通信協(xié)議和FF現(xiàn)場總線，但不支持Profibus現(xiàn)場總線，也不支持FDT/D。

圖8  AMS ValveLink狀態(tài)指示

    AMS VaIveLink是基于Windows 的應(yīng)用軟件，可以讓用戶隨意訪問由DVC系列（尤其是DVC6000系列數(shù)字式閥門控制器）得到的信息。AMS VaIveLink軟件有單機(jī)版和集成到控制/管理系統(tǒng)（如DeltaV）的版本，也能插入其他廠商系統(tǒng)（如橫河的PRM）。一般都要在系統(tǒng)中設(shè)立單獨(dú)的 VaIveLink /AMS工作站，故障識別和診斷及其數(shù)據(jù)都只能存儲在上位機(jī)中。

    可利用AMS ValveLink軟件監(jiān)視控制閥狀態(tài)和使用性能，采集重要信息�？稍诰�診斷I/P和氣動放大器的一致性、行程偏差和摩擦力死區(qū)及趨勢分析，可直觀顯示特性曲線（Valve Signature）、 動態(tài)死區(qū)（Dynamic Error Band）與階躍響應(yīng)（Step Response）及其數(shù)據(jù)。AMS ValveLink還有記錄跟蹤（Audit Trail）程序和批處理運(yùn)行（Batch Runner）以及觀察控制閥性能的趨勢（Trending）。在AMS ValveLink畫面上有紅/黃/綠的故障、報警、正常狀態(tài)指示，直接反映問題嚴(yán)重的程度，可組態(tài)分類，非常實用。

圖9  SAMSON的EXPERT+性能診斷

    AMS ValveLink可實現(xiàn)的控制閥預(yù)測性維護(hù)的示意畫面舉例于圖4~圖8。

    AMS ValveLink全面的性能診斷功能從例圖中可見一斑，尤其是對控制閥摩擦力的測試和分析有確切的數(shù)值提供出來，是分析填料函、密封填料工作狀況和是否性能退化的依據(jù)，在線診斷實例很多，對預(yù)測狀態(tài)和維持控制閥性能有實際意義，受到用戶好評。

圖10  SAMSON的TROVIS-VIEW主畫面

    AMS ValveLink屬于上位機(jī)應(yīng)用軟件，故障識別和診斷不集成在數(shù)字式閥門定位器內(nèi)，這與研發(fā)當(dāng)時的技術(shù)條件有關(guān)，目前的技術(shù)發(fā)展已使控制閥廠商更多地采用數(shù)字式閥門定位器本機(jī)集成診斷軟件、本機(jī)存儲數(shù)據(jù)并對外發(fā)送診斷數(shù)據(jù)/結(jié)果的方式。

    SAMSON的EXPERT/EXPERT+及TROVIS-VIEW

    SAMSON（薩姆森）對控制閥預(yù)測性維護(hù)是以故障識別、邏輯思維推理、魯棒性的專家系統(tǒng)為起點，以數(shù)字式閥門定位器本機(jī)為基礎(chǔ)，其 3730/3731系列出廠時集成有標(biāo)準(zhǔn)版專家診斷軟件EXPERT和需另外購買激活碼的增強(qiáng)版專家診斷軟件EXPERT+。除在本機(jī)用圖形符號和代碼進(jìn)行自診斷顯示外，可使用SAMSON的TROVIS-VIEW監(jiān)控軟件和EDDL、FDT/DTM或集成到AMS（資產(chǎn)管理系統(tǒng)）、PDM（過程設(shè)備管理）、PRM（工廠資源管理）、PKS等系統(tǒng)中，進(jìn)行在線性能診斷和離線測試。

圖11  SAMSON的TROVIS-VIEW過程數(shù)據(jù)畫面。

    標(biāo)準(zhǔn)版EXPERT在線自診斷包括：運(yùn)行時間計時、過程參數(shù)趨勢圖（行程x、輸入控制信號即給定值w、偏差e、輸出控制信號y）、硬件和存儲器的安全監(jiān)視功能、行程傳感器監(jiān)視、初始化次數(shù)和零點校準(zhǔn)次數(shù)、內(nèi)置溫度傳感器的溫度測量、*近的30次報警、行程累積、啟動監(jiān)視、零點和控制回路監(jiān)視報警。

    增強(qiáng)版EXPERT+自診斷在標(biāo)準(zhǔn)版基礎(chǔ)上增加了：在線過程參數(shù)記錄日志（自動信息采集，在閥門定位器中存儲100個x、w、e、y值）、行程x和偏差e的短期和長期柱形圖、輸出控制信號y的短期和長期信號圖表、行程方向改變次數(shù)統(tǒng)計和分析、終端閥位和摩擦力的監(jiān)視。增強(qiáng)版EXPERT+自診斷并可在離線狀態(tài)進(jìn)行靜特性測試、階躍信號測試、全行程回差測試等。

圖12  插件集成到橫河的PRM中的診斷界面

    由于3730/3731系列只設(shè)計一個閥位傳感器，沒有氣源、輸出壓力傳感器，定量分析不足，依靠的是殘差理論和專家經(jīng)驗進(jìn)行分析和推理。以初始化測試的輸出基準(zhǔn)曲線和運(yùn)行閥位（行程）為對比，利用初始化基準(zhǔn)、歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗進(jìn)行識別預(yù)測。參見圖9進(jìn)一步說明：圖中黑色曲線是初始化存儲的輸出基準(zhǔn)曲線。當(dāng)輸出y高于基準(zhǔn)并隨閥位增加與基準(zhǔn)偏離逐漸加大時（紅色曲線），這種情況表明氣路出現(xiàn)泄漏；當(dāng)輸出y到某一閥位時突然到（藍(lán)色曲線），這種情況說明氣源故障；同理，粉色曲線說明壓差（不平衡力）變化，綠色曲線說明執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧力減少。由于輸出y信號取自I/P前，有一定局限性，加之某一性能診斷的結(jié)果也可能有多個情況，多有不確定情況，以及診斷監(jiān)控界面和菜單層次屬德國風(fēng)格，在國內(nèi)的實際應(yīng)用中用戶要適應(yīng)一段時間。

圖13  插件集成到Honeywell的PKS中的診斷界面

    SAMSON的TROVIS-VIEW監(jiān)控軟件是一個標(biāo)準(zhǔn)的操作界面，允許用戶通過該界面對所有SAMSON智能儀表的特性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行組態(tài)和參數(shù)化，對于控制閥預(yù)測性維護(hù)的性能診斷是通過定位器本機(jī)SSP串口連接讀取存儲數(shù)據(jù)和實時狀態(tài)并運(yùn)行指定型號專用數(shù)據(jù)庫模塊，有多層次畫面，內(nèi)容豐富。信息和診斷畫面有八、九十頁，本文只擇其重點介紹。圖10給出TROVIS-VIEW用于控制閥診斷的畫面，左下角是實時閥位。圖11是過程數(shù)據(jù)（輸入給定 w、閥位x、偏差e）。SAMSON的數(shù)字式閥門定位器及診斷支持HART通信協(xié)議和Profibua-PA、FF現(xiàn)場總線，支持FDT/DTM，圖 12、13是插件集成到其他廠商控制/管理系統(tǒng)的診斷界面。圖14是通過HART通信在PACTware開放平臺中的診斷界面。

    Foxboro VALcare控制閥診斷軟件

    英維思（INVENSYS）的Foxboro-Eckardt是歐洲的閥門定位器的制造商，其SRD960/991型數(shù)字式閥門定位器配用 VALcare控制閥診斷軟件，支持FDT/DTM集成到控制/管理系統(tǒng)，支持HART通信協(xié)議和Profibus-PA、FF現(xiàn)場總線以及 Foxboro自有的FoxCom。通過HART通信，可使用PACTware開放平臺進(jìn)行性能診斷。診斷數(shù)據(jù)存儲在閥門定位器，數(shù)據(jù)收集可達(dá)60天，自檢測和診斷監(jiān)測符合NAMUR標(biāo)準(zhǔn)NE107，閥位響應(yīng)和摩擦力都由柱形圖進(jìn)行分析。VALcare狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷畫面豐富、友好，調(diào)用方便。

圖14  通過HART通信在PACTware開放平臺中的診斷界面

    圖15為VALcareTM應(yīng)用系統(tǒng)，利用HART通信在PACTware開放平臺上工作，列舉的畫面為運(yùn)行監(jiān)視、報警、歷史數(shù)據(jù)柱形圖分析、摩擦力柱形圖分析。

    azbil（山武）的Valstaff控制閥診斷軟件

    日本azbil（山武）也能提供控制閥診斷系統(tǒng)Valstaff，利用SVP 3000alphaplus AVP202、302數(shù)字式閥門定位器的診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行性能診斷監(jiān)測，只支持HART通信協(xié)議和FF現(xiàn)場總線。Valstaff作為應(yīng)用軟件安裝在PC機(jī)，通過HART點對點通信或使用HART多路采集器與多臺連接、或FF現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，屬于數(shù)據(jù)采集、上位診斷方式。

圖15  Foxboro的VALcare

    Valstaff診斷軟件為建摸程序處理層面，診斷項目主要有：咬卡動作現(xiàn)象診斷（依據(jù)閥位行程移動速度的均方值變化，對照數(shù)學(xué)模型確定是否發(fā)生咬卡現(xiàn)象）、動作速度比較診斷（比較閥位和閥桿移動速度）、移動距離累積診斷（依據(jù)行程累積摩擦移動距離，按設(shè)定的報警值，診斷密封填料、密封波紋管及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損程度）、動作頻度診斷（用于診斷密封填料磨損）、零位開度比較診斷（診斷閥芯閥座）、小開度頻度診斷（診斷閥芯閥座）、全關(guān)次數(shù)診斷（診斷閥芯閥座）、本機(jī)硬件診斷，等。Valstaff在對SVP閥門定位器進(jìn)行組態(tài)和校準(zhǔn)時，控制閥必須脫離過程控制。圖16是Valstaff的部分診斷畫面。

    結(jié)束語

    控制閥預(yù)測性維護(hù)正朝著計算機(jī)輔助故障識別和診斷技術(shù)以及廣義專家系統(tǒng)的方向快速發(fā)展，控制閥數(shù)字解決方案提升并維持控制閥工作性能，延長了運(yùn)行時間和生命周期，預(yù)測性維護(hù)明顯降低了故障頻次，部分減少預(yù)防性維護(hù)工作，降低了工廠費(fèi)用，應(yīng)用成果顯著。

圖16  azbil（山武）的Valstaff的診斷畫面

    擁有控制閥預(yù)測性維護(hù)產(chǎn)品的廠商日益增多，診斷技術(shù)不斷發(fā)展完善，筆者僅初步了解其中一部分，試對部分廠商的控制閥性能診斷進(jìn)行探討和簡略分析，目的是為了更好地選用和使用好數(shù)字式閥門定位器及其診斷軟件，發(fā)揮現(xiàn)場智能設(shè)備的功效，使計算機(jī)輔助故障識別和診斷技術(shù)專家系統(tǒng)有越來越大的作用。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動化儀表有限公司