自動(dòng)化儀表的技術(shù)特點(diǎn)及維護(hù)

劉燕江

(云南云天化國際化工股分有限公司紅磷分公司，云南 開遠(yuǎn) 661600)

0 引言

云南云天化國際化工股份有限公司紅磷分公司是目前具有年產(chǎn)117萬t硫酸、39萬t磷酸、8萬t合成氨、45萬t磷銨及30萬t復(fù)合肥生產(chǎn)能力的磷復(fù)肥企業(yè)。多年來紅磷分公司緊跟自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢，選用先進(jìn)的自動(dòng)化儀表及系統(tǒng)，為生產(chǎn)自動(dòng)化及信息化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前，公司形成了以合成氨、硫酸為代表的長周期運(yùn)行，以磷酸、磷銨為代表的周期性清堵、檢修的生產(chǎn)裝置，數(shù)千臺(tái)儀表以網(wǎng)狀、節(jié)點(diǎn)的形式遍布于生產(chǎn)的各個(gè)角落，把生產(chǎn)數(shù)據(jù)測量轉(zhuǎn)換后匯集于以PC為平臺(tái)的操作控制及信息層面上。目前公司生產(chǎn)信息化已初步實(shí)現(xiàn)。

自動(dòng)化儀表在公司生產(chǎn)中的作用越來越重要且不可代替。“核心”儀表故障往往會(huì)造成裝置的非計(jì)劃性緊急停車，給安全生產(chǎn)帶來隱患，而僅“核心”儀表就有數(shù)百臺(tái)件。因此，如何有效維護(hù)好自動(dòng)化儀表，滿足工藝生產(chǎn)的需要是我們亟待探討的課題。

1 公司自動(dòng)化儀表概況

1.1 儀器儀表的分類

按照應(yīng)用領(lǐng)域和自身技術(shù)特點(diǎn)，儀器儀表大致分為工業(yè)自動(dòng)化儀表與控制系統(tǒng)、科學(xué)儀器、電子與電工測量、醫(yī)療儀器、各類專用儀器、傳感器與儀器儀表元器件及材料6個(gè)大類［1］。

1.2 自動(dòng)化儀表的作用

化工生產(chǎn)過程控制主要圍繞壓力、溫度、流量、液位及成分5大參數(shù)進(jìn)行，而這些參數(shù)的測量與控制是由自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)及執(zhí)行器等組成的“自動(dòng)化系統(tǒng)”完成的，其作用相當(dāng)于人的眼、耳、神經(jīng)系統(tǒng)、大腦及手腳。

1.3 公司儀表概況

目前，公司在線運(yùn)行的自動(dòng)化儀表約7 000余臺(tái)件，其中，智能儀表約4 000余臺(tái)件;80萬t/a硫酸主裝置采用現(xiàn)場總線儀表;全公司的核心儀表(影響裝置開停)約為400臺(tái)件，關(guān)鍵儀表(影響工藝操作、指標(biāo)控制)約1 200臺(tái)件。

1.3.1 壓力類儀表

壓力類儀表主要是壓力變送器、壓力開關(guān)、現(xiàn)場壓力表，是第一大類儀表，測量覆蓋范圍為－0.1～60 MPa。此外，壓力變送器也應(yīng)用于差壓式液位測量及流量測量。

1.3.2 溫度類儀表

首先是溫度傳感器，主要有Pt100的熱電阻、K(鎳鉻-鎳硅)分度和S(鉑銠10-鉑)分度的熱電偶，測溫原理為熱電阻的阻值、熱電偶的毫伏電勢隨溫度變化而變化，但不論是熱電阻還是熱電偶，其熱電特性是非線性的。熱電偶與二次儀表的連線需要專用的補(bǔ)償導(dǎo)線，溫度測量覆蓋范圍為－150～1 600℃。此外，還有部分現(xiàn)場顯示的雙金屬溫度計(jì)。溫度類儀表是第二大類儀表。

1.3.3 流量類儀表

流量類儀表主要有:電磁流量計(jì);流體振蕩類流量計(jì)，如渦街、旋渦;差壓流量計(jì)，通過節(jié)流元件如標(biāo)準(zhǔn)孔板、噴嘴、阿紐巴、V錐、彎管、皮托巴等取得與流量相對(duì)應(yīng)的差壓，通過流量變送器及補(bǔ)償算法得到流量;科氏力、熱質(zhì)式質(zhì)量流量計(jì);超聲波流量計(jì)等。以電磁流量計(jì)為例，測量口徑覆蓋范圍為DN10～1 000、量程為0～1 500 m3/h。由于流量計(jì)直接安裝在工藝管道上，因此，其受工藝條件如溫度、壓力、流速等因素的影響大，在實(shí)際應(yīng)用中也是爭議較多的儀表。從世界范圍來看，流量計(jì)是使用比制造難得多的少數(shù)儀表之一［2］，是第三大類儀表，是類型、工作原理、技術(shù)最復(fù)雜的儀表。此外，皮帶秤、給料機(jī)可歸為“流量儀表”。

1.3.4 物(液)位儀表

物(液)位儀表主要有差壓式液位計(jì)、超聲波及雷達(dá)液位計(jì)、同位素液位計(jì)，是第四大類儀表。

1.3.5 分析儀表

氣體分析儀主要用于過程、尾氣及環(huán)境可燃性、毒性氣體含量分析，分析原理有紅外線、熱導(dǎo)式、催化燃燒式、電化學(xué)式等。液體分析儀主要分析過程液體的電導(dǎo)率、pH值、酸濃度等。分析儀表是第五大類儀表，是需要精心維護(hù)的儀表。

1.3.6 執(zhí)行器

執(zhí)行器主要是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥及由儀表專業(yè)負(fù)責(zé)的電磁閥。

1.3.7 其他儀表

如自動(dòng)定量包裝秤、噴碼機(jī)等。

2 現(xiàn)代自動(dòng)化儀表的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 高精度與寬量程比

現(xiàn)代儀表利用微處理器及其軟件技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測壓力、溫度等變化對(duì)檢測元件的影響，并在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償，使其測量的精度高，如在公司普遍應(yīng)用的3051壓力變送器精度為0.075%、量程比為100∶1。寬量程比即儀表測量范圍寬，可減少變送器的規(guī)格，增強(qiáng)儀表的通用性和互換性。

2.2 智能與數(shù)字化

以美國德州儀器公司提出的“DSPS”［1］概念為例，其以DSP芯片為核心，配合先進(jìn)的混合信號(hào)電路、ASIC電路、元件及開發(fā)工具等進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。儀表進(jìn)一步與微處理器、PC技術(shù)融合，采用大量超大規(guī)模集成的新器件、表面貼裝技術(shù)、多層線路板印刷、圓片規(guī)模集成和多芯片模塊等新工藝，使多媒體技術(shù)、模糊控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)在現(xiàn)代儀表中得到廣泛的應(yīng)用。智能儀表具有完善的自診斷、自校正等功能。

2.3 網(wǎng)絡(luò)及總線化

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已突破了傳統(tǒng)通信方式的時(shí)空和地域限制，進(jìn)入了生產(chǎn)及生活的各個(gè)方面。網(wǎng)絡(luò)化、總線化［1］儀表作為網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，測控信息可在網(wǎng)絡(luò)上傳輸或跨越網(wǎng)絡(luò)組成遠(yuǎn)程在線、實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀表相比，網(wǎng)絡(luò)化、總線化儀表具有節(jié)約大量的現(xiàn)場布線、全數(shù)字化、開放性與互操作性好、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)擴(kuò)充及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)?！熬W(wǎng)絡(luò)就是儀表”［3］的概念確切地概括了這一特點(diǎn)。

2.4 應(yīng)用參數(shù)化

對(duì)一臺(tái)已完成機(jī)械安裝、電纜連接和通電的電磁流量計(jì)而言，其投用也非常簡單，只需要通過面板使用按鍵、觸摸屏或是手持式智能終端，按照菜單提示進(jìn)行對(duì)話式的設(shè)定操作(一般只需要設(shè)置儀表位號(hào)、測量單位、測量管口徑、量程4個(gè)基本參數(shù))就可以正常投用，其過程僅幾分鐘。

2.5 調(diào)試PC化

某些儀表如羅斯蒙特5600系列的雷達(dá)液位計(jì)，則須借助PC及專用軟件組成的平臺(tái)，在實(shí)際使用條件下完成調(diào)試，才能發(fā)揮其應(yīng)有的功能。

3 自動(dòng)化儀表的維護(hù)

3.1 合理的儀表選型

儀表的服務(wù)對(duì)象是工藝及設(shè)備，而不同的工藝及設(shè)備對(duì)儀表有著不同的測量重點(diǎn)及要求。合理選型的首要條件是對(duì)工藝流程、操作范圍、介質(zhì)特性的準(zhǔn)確把握;其次是對(duì)具體安裝位置的電磁、振動(dòng)、腐蝕等因素對(duì)不同工作原理的儀表可能造成的影響評(píng)估;再次是熟知各種儀表的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍，熟悉國內(nèi)外主要儀表廠商的儀表性能及技術(shù)優(yōu)勢，并具有在不同過程條件下的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。此外，還要從可靠性、穩(wěn)定性、長期性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合考慮，作出最優(yōu)化的選型。一般來說，應(yīng)選技術(shù)成熟可靠的產(chǎn)品，對(duì)新型儀表的選用應(yīng)先在一定的范圍內(nèi)試用，取得可靠的數(shù)據(jù)后再逐步推廣。實(shí)踐證明選對(duì)儀表才能用好、維護(hù)好儀表［4］。

3.2 正確的安裝與防護(hù)

有了好的儀表選型，如果安裝不正確，再先進(jìn)的儀表也不能發(fā)揮其應(yīng)有的功能與作用，甚至損壞儀表［5］。由于安裝不合理導(dǎo)致儀表損壞的典型例子莫過于18萬t/a磷銨裝置進(jìn)管式反應(yīng)器的料漿陶瓷襯里電磁流量計(jì)FT-3303，其安裝位置示意圖如圖1所示。

圖1 流量計(jì)安裝位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the installation location for flow meter

由于多方面的原因，管式反應(yīng)器周圍的儀表安裝非常緊湊;FT-3303安裝前后的管道扭曲嚴(yán)重，振動(dòng)大;流量計(jì)、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和止逆閥緊貼著安裝在不足1.5 m的管道上，止逆閥后就是吹掃管反蒸汽的接入口。2008年3月8日01:10、15:25、19:55，11月 2日00:50，11月13日18:20，各損壞流量計(jì)1臺(tái)，共5臺(tái)，損壞的流量計(jì)均為陶瓷襯里徑向炸裂。流量計(jì)損壞的過程分析如下。

正常開車時(shí)，工藝操作先進(jìn)料漿，接著進(jìn)氨，料漿的溫度在80℃左右。當(dāng)需要吹掃管式反應(yīng)器的反應(yīng)管時(shí)，先停料漿，再停氨，而當(dāng)時(shí)止逆閥實(shí)際已失效。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)是在關(guān)死時(shí)也具有一定的泄漏量，因此，當(dāng)料漿停后，在重力作用下，流量計(jì)的測量管成了空管，這時(shí)氨很容易通過止逆閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥到達(dá)流量計(jì)測量管，使陶瓷襯里很快從80℃左右下降到0℃以下。接著工藝用140℃左右的蒸汽吹掃反應(yīng)管，蒸汽以同樣的方式到達(dá)流量計(jì)測量管，使其陶瓷襯里又很快從0℃以下上升到140℃左右。如此反復(fù)大幅度的驟冷驟熱正是流量計(jì)陶瓷襯里炸裂的根本原因。此外，由于工藝清管敲打等原因，管道扭曲嚴(yán)重，在驟冷驟熱的過程中熱脹冷縮，產(chǎn)生的應(yīng)力使陶瓷襯里炸裂往徑向發(fā)展。

在增加優(yōu)化聯(lián)鎖、恢復(fù)止逆閥(后改為氣動(dòng)切斷閥)、優(yōu)化操作等持續(xù)分析改進(jìn)及試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隱藏在背后使流量計(jì)損壞的真正原因是安裝位置的不正確，如仍安裝在損壞位置，即使增加聯(lián)鎖及切斷閥，由于安裝太過緊湊，吹掃反應(yīng)管時(shí)的驟冷驟熱仍會(huì)通過熱傳導(dǎo)方式到達(dá)流量計(jì)，只是速度、幅度沒有直接的方式大，而管道熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力仍無法克服，事實(shí)上以前已損壞過，只是沒有此次的突出與集中，所以認(rèn)為是“正常”損壞。把FT-3303的安裝位置改到圖1中A點(diǎn)后，同型號(hào)的流量計(jì)已正常運(yùn)行三年多。

此外，儀表的防水、防振、防砸等措施也不容忽視。

3.3 合理的備件

合理的備件有利于正常的運(yùn)行維護(hù)，備件量大會(huì)造成資金的積壓，而備件不足則會(huì)影響生產(chǎn)的運(yùn)行。由于儀表故障具有一定的突發(fā)性和偶然性且基本不具有可維修性，因此面對(duì)數(shù)量、型號(hào)、規(guī)格眾多的儀表，應(yīng)該做好合理的備件。

備件的需求主要來自4個(gè)方面:①進(jìn)入壽命晚期，故障增多需要更換;②選型不當(dāng)或?qū)嶋H的工藝磨損;③非正常或不可抗拒力導(dǎo)致的損壞;④非計(jì)劃增加的測量點(diǎn)。因此，主要的備件量應(yīng)以前面所述4點(diǎn)的需求作為基準(zhǔn)。

優(yōu)化儀表備件應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手:①儀表選型時(shí)除考慮綜合的性價(jià)比外，還需要進(jìn)行規(guī)劃統(tǒng)一，減少型號(hào)及廠家，同一系列的儀表部件應(yīng)具有通用性和互換性;②強(qiáng)化儀表的日常維護(hù)與管理，杜絕非正常性損壞;③極積開展修舊利廢，對(duì)故障儀表進(jìn)行分類處理，清理出正常的部件，測試后按正常備件進(jìn)行管理;④對(duì)新增測量點(diǎn)，要嚴(yán)格審批，可要可不要的就不要，必須要的就一定要用好;⑤核心儀表必須有備件且必須完好。

3.4 轉(zhuǎn)變維護(hù)觀念及方式

3.4.1 從維修向維護(hù)轉(zhuǎn)變

現(xiàn)代儀表的技術(shù)特點(diǎn)決定了其在應(yīng)用過程中故障特別是硬件故障時(shí)的“可維修”空間不大，即使把故障儀表送回廠家，其處理方法也基本上是更換故障模塊或直接給用戶更換一臺(tái)新表。因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化儀表應(yīng)用中，傳統(tǒng)意義上的儀表維修基本上沒有了，再者一般儀表用戶也不具備維修的資源。因此，應(yīng)將維修向維護(hù)轉(zhuǎn)變［6］，將管理及工作的重點(diǎn)放在維護(hù)保養(yǎng)環(huán)節(jié)中，給儀表提供盡可能理想的運(yùn)行條件，以良好的維護(hù)保養(yǎng)措施來避免儀表故障的發(fā)生，杜絕非正常性的損壞，延長儀表的使用壽命。

3.4.2 智能維護(hù)調(diào)試平臺(tái)

現(xiàn)代儀表的技術(shù)特點(diǎn)決定了其已經(jīng)不再是那種憑借一塊萬用表、螺絲刀等工具并根據(jù)說明書就能夠投入運(yùn)行或維護(hù)的傳統(tǒng)儀表［7］，而是基于手持式智能終端或以PC為平臺(tái)的軟件工具進(jìn)行調(diào)試及維護(hù)。如智能壓力變送器的零點(diǎn)漂移可以在線用475通信器輕松校準(zhǔn)而不必費(fèi)時(shí)費(fèi)力地拆回檢定室校準(zhǔn)，而3095多參量變送器、雷達(dá)液位計(jì)等智能儀表，則須以PC、專業(yè)軟件、通信接口組成的工具平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試與維護(hù)，才能夠充分發(fā)揮這類儀表應(yīng)有的功能。離開這些“智能”工具，簡單的投運(yùn)都變得非常困難，但這些智能工具要求維護(hù)人員必須具備所連接儀表最確切的知識(shí)并通曉有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議。

3.4.3 維護(hù)方式的轉(zhuǎn)變與優(yōu)化

提高自動(dòng)化儀表的維護(hù)水平，一個(gè)重要的途徑就是維護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化和維護(hù)方式的選擇［8］。目前，儀表維護(hù)主要是故障維護(hù)即事后維護(hù)，即當(dāng)儀表指示異?；蚬收蠒r(shí)才進(jìn)行處理。事后維護(hù)對(duì)裝置影響不大的儀表來說是可以接受的，但對(duì)關(guān)系到裝置甚至全廠平穩(wěn)運(yùn)行的核心儀表、影響工藝操作及指標(biāo)控制的關(guān)鍵儀表來說是不能夠接受的。

現(xiàn)階段常用的幾種維護(hù)方式及其特點(diǎn)如表1所示［9］。表1中:相對(duì)維護(hù)費(fèi)用=事后維護(hù)費(fèi)用/定期維護(hù)費(fèi)用×100%。

表1 現(xiàn)階段常用的幾種維護(hù)方式及特點(diǎn)Tab.1 Several commonly used maintenance methods and their features at present

實(shí)踐表明，80%的風(fēng)險(xiǎn)只與20%的設(shè)備有關(guān)，而設(shè)備80%的故障發(fā)生于20%的關(guān)鍵部位。通過對(duì)表1中幾種維護(hù)方式的對(duì)比分析，結(jié)合公司當(dāng)前儀表專業(yè)的實(shí)際情況，總結(jié)適用于儀表維護(hù)的優(yōu)化方式為:首先，對(duì)公司內(nèi)的儀表進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，根據(jù)儀表故障時(shí)對(duì)裝置影響的程度確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分類(目前我們習(xí)慣稱為核心儀表、關(guān)鍵儀表和一般性儀表);其次，結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行情況、歷年出現(xiàn)的故障及可維護(hù)(修)性，重點(diǎn)對(duì)核心儀表、關(guān)鍵儀表進(jìn)行可靠性分析，對(duì)于可靠性低的核心儀表還必須采取冗余、旁路等措施，以提高可靠性，再結(jié)合預(yù)防、預(yù)測性進(jìn)行最優(yōu)的維護(hù)，以最小的維護(hù)資源，取得最大的維護(hù)效果，對(duì)一般性儀表則采用事后維護(hù)的方式，以降低維護(hù)費(fèi)用。

3.5 儀表與工藝的相互學(xué)習(xí)

工藝生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，要靠先進(jìn)的設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)及操作維護(hù)人員的共同努力來完成，從系統(tǒng)的角度看，他們不是孤立的，而是相互滲透、緊密聯(lián)系、協(xié)調(diào)一致的有機(jī)體［10］。

儀表是為工藝及設(shè)備服務(wù)的，從某種意義上說服務(wù)對(duì)象的“性格脾氣”決定了儀表維護(hù)的特點(diǎn)。在儀表維護(hù)過程中我們常為處理某一“儀表故障”忙碌半天，結(jié)果儀表是正常的。在生產(chǎn)過程中，儀表和控制系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)反映出一些不正常的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能是儀表故障或干擾產(chǎn)生的，也可能是工藝過程的真實(shí)反映、偶然變化或操作擾動(dòng)如開停泵產(chǎn)生的。因此，在儀表維護(hù)過程中對(duì)工藝及設(shè)備特性的了解越多，解決問題就越輕松，了解故障前后的工藝操作、對(duì)比流程前后的數(shù)據(jù)、查看數(shù)據(jù)記錄曲線，相當(dāng)一部分的“儀表故障”在操作室就可以解決。實(shí)踐證明，一名優(yōu)秀的儀表技術(shù)員同時(shí)也是一名優(yōu)秀的工藝員。

工藝操作人員主要通過儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)人機(jī)界面提供的數(shù)據(jù)監(jiān)控工藝生產(chǎn)，是儀表及系統(tǒng)的直接使用者，需要具備一定的自動(dòng)化知識(shí)，了解工藝流程中儀表的檢測點(diǎn)及測量范圍。當(dāng)某一數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，工藝操作人員能正確判斷是工藝問題還是儀表故障，以便及時(shí)通知儀表維護(hù)人員來處理，并給予適當(dāng)?shù)呐浜?，避免處理過程中一些不必要的彎路。如某一反應(yīng)槽的溫度測量，工藝人員反映溫度高、超指標(biāo)，儀表維護(hù)人員經(jīng)檢查確認(rèn)儀表測量正常甚至把整套儀表全換掉，但工藝人員仍堅(jiān)持儀表測量存在問題。實(shí)際情況是工藝降低了液位控制，使插入槽子的溫度元件測量點(diǎn)落在了反應(yīng)區(qū)，從而使溫度測量為“高”。恢復(fù)液位控制后，溫度恢復(fù)正常。

4 結(jié)束語

儀器儀表是工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”、科學(xué)研究的“先行官”、軍事上的“戰(zhàn)斗力”，這是以王大珩、楊嘉墀為代表的老一輩科學(xué)家對(duì)其重要作用的精辟闡述［1］。立足于紅磷分公司的實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)代自動(dòng)化儀表的技術(shù)特點(diǎn)，轉(zhuǎn)變觀念，把被動(dòng)的事后維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥煽啃詾橹行牡闹鲃?dòng)性維護(hù)，以主動(dòng)良好的維護(hù)保養(yǎng)措施來避免故障的出現(xiàn)、延長儀表的使用壽命、為工藝生產(chǎn)提供最優(yōu)的服務(wù)。

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