浅议利用开放式FDT/DTM通讯软件技术增强控制阀诊断能力

发布时间：2010-11-11 点击数：3650

     在工业生产中控制阀是最常用的产品之一。它可能会频繁受到高压降的影响，并且常常应用于腐蚀性或侵蚀性的介质中。调节阀是根据控制系统的信号来不断调节阀位，由于是机械设备控制阀会不断的磨损，所以这也是常见的生产控制问题。因此，为了确保控制阀始终发挥最佳运行性能，维护就显得至关重要了。一种方法是对阀门进行定期维护（通常在需要维修之前），但这种解决方案代价很高。然而，又不可能在阀门性能显著下降或阀门意外损坏后再进行维护，因为这可能导致代价更高的计划外维护-尤其是增加了计划外生产停机成本。理想的解决方案是在每个检修时间段，定期将所有需要维护的阀门送到阀门车间，而那些无需维护的阀门则保留不动。为实现这一目标，必须设计并实施一个方案以连续监控阀门的运行性能，而这可以通过开放式FDT/DTM通讯软件技术，将其作为该解决方案的一部分得意实现。（右图为配有DN9000智能型阀门定位器的NelesR系列V形控制阀）
    实现预防性维护的正常途径是在智能型阀门定位器内部开发诊断功能。其中具有挑战性的是，使编入设备内存的所有诊断功能具备可视化的能力。虽然生产制造商可以在自己的软件中实现这一功能，但问题是如何在第三方通讯软件或系统中，以及其他各种相关现场总线的通信协议中，实现所有功能的可视化。国前，FDT/DTM通讯软件技术对所有生产商的任何智能设备、任何通信协议，以及基于FDT的任何系统中组合的所有功能提供可视代方法，而不会影响其他的任何优点。
    支持智能型阀门定位器
    MetsoAutomation提供的NelesND9000^®是一种顶级的智能型阀门定位器，可用于所有工业领域中各种控制阀的调节。除了可靠、坚固的设计之外，它的一个主要特征是具有先进的设备诊断功能，该诊断功能基于NelesND9000^®自身传感器获得的信息，支持预防性维护操作。阀门定位器的主要功能是根据控制系统的信号来控制阀位。ND9000就是通过真实的阀位信息来控制的。
    通过这些信息还能够生成计数器、柱状图和趋势，它们为控制阀的定期诊断提供了基本信息，还可以用于分析控制阀的维护需求。连续测量、更新并存储于ND9000内存中的定期诊断信息，是阀门在实际生产条件下运行性能的反应。对于计数器或趋势，警报界限可以预设为两个级别：“报警”和“警告”。超出“警告” 级别的，表示控制阀很快需要维护，从而可以及时安排下次计划停机时所需备件的订购，及通知相关的维修人员。当超出“报警”级别时，应尽快对控制阀阀进行维护，以避免阀门运行不佳甚至导致计划外停机。报警的上下限可以在ND9000中组态并储存，它会将实际计数器或趋势值与预设的报警界限不断进行比较。当超出报警界限时，ND9000会从“正常”状态变为“警告”或“报警”状态。所有这些报警界限和状态变化的操作称为“在线诊断”。软件可以方便地读取状态变化信息，它会不断的查询设备及其运行状态。这一领域的知名软件是MetsoAutomation的FieldCare^TM设备及资产管理软件，该软件还组合了一种特殊的“状态监测”功能。
    计数器、趋势和柱状图
    如果进一步观察定期诊断功能，我们能够了解如何通过ND9000中的计数器、趋势和柱状图来确定控制阀所需的维护需求。如上所述，阀门定位器的主要功能是根据控制系统的信号控制阀位。理想的阀门可以根据控制信号精确定位，并且信号与要求的阀位之间没有任何偏差。但是，实际上阀门动作部件之间的摩擦、阀门定位器气路元件的流通能力或机械连接设计等因素可能导致阀门无法对控制信号做出精确响应。在实际使用中控制信号与阀位之间始终存在一定程度的偏差。这一偏差程度决定了控制回路的运行性能是否受到影响。

图表1 ND9000收集到的静态偏差趋势
静态偏差趋势（图表1）显示了前30天的日常数据；前十二个月的月平均值以及设备使用的年平均值。绿线是参考值，通常根据控制阀第一个月的运行结果得出。黄线表示警告。

      阀门菱形图
     菱形图收集了动态偏差、静摩擦、静态负载、动作负载、滑阀位置、供气压力和温度的趋势。从阀门性能的角度，借助FDT/DTM技术，使用“阀门菱形图”可以在一个屏幕上实现六个重要趋势的可视代。阀门菱形图是FDT/DTM技术强大功能的最佳示例。它使设备制造商实现了所需直要功能的可视化。

    图表2 阀门菱形图
    图表2显示了阀门菱形图，其中较大、对称的菱形表示警告界限，而不对称菱形（大部分在较大的菱形中）表示实际超势值。在该图中，可以看到静摩擦实际值已超出警告界限。
    阀门选型的重要性
    为了在实际介质条件下有效运行，阀门选型必须正确。尽管目前阀门选型软件的质量和精度都很高，但通常还是选用通径略大一点的阀门。这样，阀门动作时，开度会很小并且总体开度比例也很小。在实际使用中，这意味着即使控制信号和阀位出现很小的变化，也可能导致实际流体中出现较大的变化。这就可能导致生产波动的增加。
    根据经验，在正常流量状态下阀门开度应该在70-80%。ND9000的定期诊断根据这些信息不断记录阀门的开度位置，ND9000的DTM可以实现阀门行程柱状图的可视化，它表明阀门在已知开度范围内工作的时间比例。图表3是一个阀门行程柱状图，它表明控制阀多数在50-70%的开度范围内动作。

    图表3 阀门行程柱状图
   实时监测
    通过DTM可视化功能实现的一个重要特征是实时在线监测。例如，控制阀门的可以监视控制信号和实际阀位。该设备可用于分析控制回路中的阀门性能。与趋势、柱状图和计数器一样，这类诊断的一大优势在于，维护人员无需中断生产即可了解控制阀对控制信号的响应情况。
   假设操作员发现流体控制回路中存在问题。问题可能出在控制阀、流量计或控制回路的调整参数。打开ND9000的DTM并且与实际设备的在线连接时，用户可以使用“监测”功能观察到信号发生变化时控制阀的响应情况。如果信号发生变化的，阀位总是相应变化，则阀门情况良好，由此可以排除潜在的问题原因。

   图表4 使用ND9000和HART通讯的DTM远程监控信号和阀位
    图表4显示了使用ND9000的DTM和HART通讯对控制信号和阀位的远程监测。阀门测试我们的重点是利用定期诊断提供的实时信息进行在线诊断，Metso同的还能提供阀门测试的工具。此时，FDT/DTM技术能显示已编入设备固件中的任何可能测试。例如，可以远程设置分步和滞后测试，并远程查看测试结果。阀门通讯的PC软件通常包括可以存储测试结果的数据库。随后可以将这些结果与之前或之后的测试进行比较以得出相应趋势。如果趋势表明性能不断降低，则表示阀门需要维护。
    图表5显示了ND9000DTM提供的阀门分析测试。

图表5 ND9000 DTM提供的阀门分析测试
   安全阀可配置哪些功能？
    紧急切断（ESD）和紧急放空（ESV）阀门是流程工业的一线产品，它们可用于保护人员和设备免受火灾和爆炸的威胁。由于在少数紧急情况下这类阀门才会起作用，所以平时几乎不会动作。传统的安全系统可能无法及时发现潜在的阀门故障。
    NelesValvGuard^TM可用于改善ESD和ESV阀门的可用性和可靠性。通过局部冲程测试，NelesValvGuard可以连续、实时地监测并测试阀门性能以实现其最大可用性，从而降低了整体运行成本。NelesValvGuard允许用户定义在线测试频率—从几分钟到每年一次/两次。无需进行大量的测试管理或高代价的生产停机。系统会马上报告阀门状态—“正常”或“报警”。
    ValvGuard的诊断功能还可以实现预防性维护。根据局部冲程测试计算负载系数和断流压力。结果存储在Neles ValvGuard的电路板内存中并可以随时通过DTM上传。以趋势值显示结果，可清晰地表明阀门性能是否下降。不需要由专家对不同结果做出分析。并且参照趋势数据，根据具体情况，制订维护计划。
    自动读取和报告阀门状态
    必须注意的是，尽管以上提到的自动生成的趋势仅仅是数值而已，但如果定时下载，则可以预测潜在问题的产生。虽然这个操作相对比较简单，但对于成百上千个阀门而言，则必须投入大量时间和精力。FieldCare软件及其状态监测功能将自动查验所有智能阀门和其它仪表。随后，它会将每个趋势的量新结果与用户设定的每个报警界限进行比较，并自动报告出趋势超出报警界限的阀门。报告有以下三种不同的格式。
    a公布到工厂的局域网（LAN），以HTML格式报告，显示出连接到网络上各个阀门的状态；
    b可以发送到寻呼机或手机的短信；
    c可以在报警时，通过电子邮件发送给任何指定人员。

图表6 一份典型的HTML状态报告。每个图框代表一个现场设备
    图表6显示7一份典型的HTML状态报告。每个图框代表一个不同的现场设备。绿色背景的框表示运行状态良好的设备。黄色表示“警告”，当某个诊断趋势的最新值超出该值的预设界限或设备处于非自动操作状态（例如，进行校准或是进行滞后或分步测试）时会发出警告。操作人员必须检查警告消息。但它不表示紧急状态。红色表示“报警”情况，例如，设备出现故障或将导致失控的运行状态时，这种情况必须立即给予关注。蓝色背景表示未开启设备。因为无法与未开启的设备进行通讯，该框显示了关闭设备（通讯）之前的状态。由于只需手动查看阀门诊断趋势图显示的“报警”或“警告”状态，所以这类自动数据获取系统使预防性维护程序的实施简单快捷。这些程序可以确保在计划停机期间检查那些需要维护的阀门，但无需对状态良好的阀门进行维护。
    结论
   通过结合使用FDT/DTM技术和顶级智能阀门定位器以及FieldCare，实现科学严格的维护管理，为生产操作人员提供了极大便利：可将生产停机时间降至最低；大大缩短了维护人员所需的维护时间，并且只是根据需要来更换部件，由此大幅降低了操作成本；自动生成的定期诊断记录以备将来参考；提高了全面的生产效率。

   关于作者
    IsmoNiemela，科学工程学硕士，在控制阀领域具有18年的丰富经验，在流体、阀门选型、噪音、控制技术和智能定位器（包括阀门诊断和状态监测系统）方面拥有渊博的专业技术。1992-2003年，担任IEC委员会65B/WG9控制阀芬兰国家代表，也是推广FDT技术的联合开发组的MetsoAutomation代表。目前Niemela先生担任现场总线和智能产品业务开发经理一职。