借助儀表的高級(jí)診斷功能降低生產(chǎn)安全隱患

王洋

（艾默生過程控制有限公司 測量儀表部，廣州 510030）

0 引言

智能型壓力變送器是當(dāng)今過程工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中最普遍，也是最常用的測量儀表。它將所測量介質(zhì)的壓力、差壓等物理信號(hào)轉(zhuǎn)化成為可被控制系統(tǒng)識(shí)別和處理的4～20mA HART等標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或FF、Profibus等數(shù)字總線信號(hào)。這些測量數(shù)據(jù)經(jīng)過控制系統(tǒng)的計(jì)算和處理后，有的被用作過程變量監(jiān)控，有的被用作工藝計(jì)量，還有的被用作終端執(zhí)行器的控制依據(jù)[1]。伴隨著科技進(jìn)步，智能型壓力變送器的產(chǎn)品升級(jí)也在不斷的發(fā)展。同時(shí)，使用者對(duì)變送器的要求也越來越高，主要表現(xiàn)在對(duì)變送器精度和長期穩(wěn)定性等基本要求的提升，以及對(duì)變送器的高級(jí)診斷功能的要求上。本文將主要針對(duì)壓力變送器的高級(jí)過程診斷功能展開討論，對(duì)這些功能在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中有效降低安全隱患的能力加以論證。

1 什么是壓力變送器的診斷功能

現(xiàn)今工業(yè)測量領(lǐng)域中所使用的壓力變送器的診斷功能主要包含3方面的內(nèi)容：

1）固有的自我診斷；2）電源回路診斷；3）先進(jìn)的過程診斷。

這些診斷信息都是通過內(nèi)置于壓力變送器內(nèi)部的傳感元件實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，并在變送器運(yùn)算處理單元中進(jìn)行信號(hào)處理，并對(duì)其含義進(jìn)行判斷，最終根據(jù)判斷結(jié)果以及預(yù)先給出的組態(tài)信息進(jìn)行輸出或顯示的。下面將逐一介紹這些診斷功能。

2 固有的自我診斷

多數(shù)智能型壓力變送器均具有該功能，主要包含以下幾方面的診斷：

傳感器診斷：通過持續(xù)監(jiān)測判斷傳感器是否存在故障，或判斷傳感器與電子線路板是否匹配。

測量范圍診斷：通過比對(duì)實(shí)際過程壓力/差壓讀數(shù)和組態(tài)量程范圍的大小關(guān)系，判斷壓力變送器的輸出信號(hào)是否準(zhǔn)確反映了過程值。

電子裝置診斷：當(dāng)壓力變送器的傳感器與電子線路板之間的接線斷路，或電子線路板發(fā)生故障時(shí)，提示操作員發(fā)生故障的原因。

工作溫度診斷：監(jiān)測傳感器及電子線路板是否處在正常工作的允許溫度范圍內(nèi)。

其它診斷：包括LCD顯示屏更新診斷，模擬輸出固定和模擬輸出飽和診斷，傳感器參數(shù)警告診斷等[2]。

3 電源回路診斷

通常情況下，每臺(tái)壓力變送器都需要一定的的供電電壓才能正常工作。通訊回路中往往需要電阻值達(dá)到250Ω，并在具有特殊安全要求的場合加裝防雷柵來保證安全。在實(shí)際的應(yīng)用工況中，單臺(tái)壓力變送器的供電/信號(hào)傳輸電纜長度往往達(dá)到甚至超過500m，這些電纜及其橋架有時(shí)直接布置在現(xiàn)場潮濕、腐蝕、甚至可能受到物理損傷的位置。另一方面，由于壓力變送器多數(shù)工作在露天環(huán)境中，雨水或空氣中的凝結(jié)水常常會(huì)順著導(dǎo)線管流入變送器的接線腔室中，造成接線端子水浸或者銹蝕。以上這些情況均有可能導(dǎo)致回路電阻異常，進(jìn)而使得壓力變送器輸出的電流信號(hào)失真。圖1就是對(duì)這種情況的描述。

圖1 回路中的泄漏電流可能導(dǎo)致嚴(yán)重的讀數(shù)偏差Fig.1 Leakage current in the circuit may cause serious reading deviation

如圖1中所示，壓力變送器的電源回路中出現(xiàn)了由額外并聯(lián)電阻造成的泄露電流，這個(gè)額外的電流信號(hào)而導(dǎo)致系統(tǒng)的接收值（18mA）和變送器的輸出值（15mA）不同。此時(shí)，若根據(jù)該錯(cuò)誤信息采取控制動(dòng)作，則有可能引發(fā)事故。

此外，回路中的意外的電氣負(fù)載增加也可導(dǎo)致回路電壓不穩(wěn)。由腐蝕、電源不穩(wěn)或人為接線錯(cuò)誤所導(dǎo)致的接線回路電阻增加，可能會(huì)使變送器沒有足夠的電壓將回路驅(qū)動(dòng)到合適的毫安值，甚至警報(bào)狀態(tài)。圖2所示便是這種情況。隨著過程壓力的升高，變送器的輸出電流信號(hào)卻無法突破16mA。此時(shí)如果過程壓力值繼續(xù)升高到臨界值，而變送器卻無法給出報(bào)警信號(hào)，則極有可能危害生產(chǎn)安全。

圖2 額外回路電阻改變變送器的輸出電流Fig.2 Additional circuit resistance changing the transm itter output current

針對(duì)上述兩種情況，電源回路診斷功能將在回路變化時(shí)發(fā)送一個(gè)報(bào)警信息給上位機(jī)，供操作人員讀取，同時(shí)在現(xiàn)場表頭也會(huì)顯示相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。一般情況下，報(bào)警的模式可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。例如，當(dāng)儀表的接線端子出現(xiàn)浸水現(xiàn)象時(shí)，變送器的模擬量輸出可以選擇保持真實(shí)測量值，或者直接輸出21.75 mA的報(bào)警值。

4 先進(jìn)的過程診斷

不同于傳統(tǒng)壓力變送器僅對(duì)自身“健康”狀況的診斷，新一代智能型壓力變送器還具有先進(jìn)的過程診斷功能。其作用在于，提前預(yù)知各種可能威脅生產(chǎn)安全，或變送器自身安全的外部事件，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，裝置或管線內(nèi)的壓力通常經(jīng)由引壓管傳導(dǎo)到壓力變送器。而過程流體中的固體雜質(zhì)、低溫環(huán)境所造成的凍結(jié)、工藝介質(zhì)結(jié)垢等情況的發(fā)生，往往會(huì)造成引壓管堵塞。這種堵塞的發(fā)生，會(huì)使得堵塞點(diǎn)到壓力變送器膜片之間的引壓管路中形成“憋壓”，進(jìn)而導(dǎo)致壓力變送器的測量讀數(shù)保持不變，從而無法準(zhǔn)確測量工藝裝置或管道中的真實(shí)壓力值。此時(shí)，如果裝置壓力達(dá)到危險(xiǎn)值，而壓力變送器將無法“通知”控制系統(tǒng)或閥門采取必要?jiǎng)幼鳎M(jìn)而引發(fā)事故。

先進(jìn)的過程診斷功能可以很好的解決這一問題。其原理是，通過連續(xù)監(jiān)測并計(jì)算壓力噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方差，使之轉(zhuǎn)換為可供讀取和分析的智能信息，從而及時(shí)判斷出壓力變送器引壓管路的堵塞狀況，這一功能也被稱為動(dòng)態(tài)過程監(jiān)控（Statistical Process Monitoring）。得益于現(xiàn)代智能壓力變送器每秒鐘22次的過程檢測速率，這一功能的靈敏度和準(zhǔn)確度都得到了極大提升。

圖3 通過先進(jìn)的過程診斷功能發(fā)現(xiàn)隱藏的過程問題Fig.3 Through advanced process diagnosis function found hidden problems

由圖3可以看出，位于最下方圖3 c）的信號(hào)模擬曲線表示了壓力變送器的傳感器所偵測到的過程噪聲的波動(dòng)值。這個(gè)波動(dòng)值分為正常、噪聲、安靜3個(gè)階段，分別代表變送器正常工作在引壓管通暢、引壓管堵塞或引壓管泄漏的3種工況下。與之相對(duì)應(yīng)的圖3 a）是這3種工況下過程噪聲信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)方差變化曲線?？梢钥吹剑?dāng)引壓管發(fā)生堵塞或泄漏時(shí)，過程噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方差將偏離正常值，而此時(shí)變送器的輸出壓力信號(hào)始終保持不變，圖3 b）。

表1展示了某臺(tái)壓力變送器在引壓管堵塞前后的一個(gè)采樣周期內(nèi)的壓力數(shù)值，

表1 堵塞前后某壓力變送器輸出值及其標(biāo)準(zhǔn)方差，單位：kPaTable 1 Block before and after a pressure transm itter output value and its standard variance, unit: kPa

其中，變送器輸出的主變量壓力值均為49.99kPa，即壓力采樣值的平均值，因此很難從輸出信號(hào)上判斷出堵塞的出現(xiàn)。但是，兩次測量周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)方差值發(fā)生了較大變化，工程人員可以借此來判斷引壓管堵塞的出現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，工程人員可以為壓力變送器設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)方差的上限和下限值，以便幫助壓力變送器判斷何時(shí)應(yīng)當(dāng)輸出報(bào)警信號(hào)。

5 SPM在實(shí)際安全生產(chǎn)中的意義

SPM檢測在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)提高生產(chǎn)安全性具有重要的意義。這種檢測功能可以在以下幾個(gè)方面發(fā)揮作用：

5.1 堵塞監(jiān)測

如前所述，當(dāng)壓力/差壓變送器的引壓管路存在堵塞風(fēng)險(xiǎn)，且該測點(diǎn)用于連鎖控制或安全監(jiān)控時(shí)，SPM功能可以有效的發(fā)揮作用。在下面的案例中，差壓變送器高壓側(cè)的引壓管發(fā)生堵塞時(shí)，該變送器探知到的噪聲方差發(fā)生偏離，達(dá)到警報(bào)級(jí)別后，變送器的表頭顯示報(bào)警信息，同時(shí)輸出一個(gè)報(bào)警信號(hào)給上位機(jī)，如圖4。

圖4 差壓變送器引壓管堵塞前后方差變化Fig.4 Differential pressure transm itter variance changes before and after the pressure pipe blockage

5.2 葉輪斷裂

在進(jìn)行儲(chǔ)罐液位測量時(shí)，安裝于罐底的壓力變送器可以通過SPM功能探知儲(chǔ)罐中攪拌葉片的缺損。例如，下圖中所示儲(chǔ)罐的三葉攪拌片中的一片斷裂后，盡管儲(chǔ)罐靜壓/液位并未發(fā)生明顯改變，但具有SPM功能的壓力變送器所監(jiān)測到的噪聲方差發(fā)生了變化，根據(jù)此變化，操作人員可以準(zhǔn)確定位發(fā)生故障的位置，并及時(shí)作出處理。

圖5 當(dāng)發(fā)生葉輪斷裂時(shí)，壓力變送器將輸出報(bào)警信號(hào)Fig.5 When the impeller fracture, pressure transm itter output alarm signal

5.3 噴火器堵塞

燃燒爐有時(shí)會(huì)發(fā)生噴火點(diǎn)堵塞的故障，聚集在堵塞點(diǎn)下方的燃料氣會(huì)形成憋壓，一旦累計(jì)的壓力達(dá)到一定程度，燃料氣會(huì)一次性突破堵塞點(diǎn)進(jìn)入爐膛。突然增多的可燃?xì)怏w有可能導(dǎo)致爐膛爆炸而發(fā)生嚴(yán)重事故。監(jiān)測爐膛壓力的變送器，可通過其自身的SPM功能探知燃料氣噴口的堵塞，對(duì)上述事故作出提前預(yù)警。

6 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代化過程工業(yè)生產(chǎn)中工藝水平的不斷優(yōu)化，更大、更新的生產(chǎn)裝置的陸續(xù)上馬，工廠對(duì)生產(chǎn)安全的要求也越來越高。生產(chǎn)運(yùn)營和維保人員迫切的需要穩(wěn)定可靠的檢測手段來嚴(yán)密監(jiān)控整個(gè)工廠的生產(chǎn)過程[3,4]。在傳統(tǒng)的自身狀況監(jiān)測以外，壓力變送器的電源回路監(jiān)測和過程監(jiān)測功能，使之不但可以作為工藝壓力測量的進(jìn)本儀表，更可以為生產(chǎn)安全提供重要而準(zhǔn)確的判定依據(jù)工作在生產(chǎn)一線?，F(xiàn)今越來越多的壓力變送器生產(chǎn)廠家著力研發(fā)壓力變送器的高級(jí)診斷功能，以期迎合市場需求，同時(shí)也直接或間接的推動(dòng)了儀表行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與革新。未來以壓力變送器為首的測量儀表行業(yè)，在制造方，使用方甚至檢定機(jī)構(gòu)的共同推動(dòng)下，必將迎來更多更先進(jìn)的技術(shù)變革，并將由此也引發(fā)過程工業(yè)現(xiàn)代化的重要革命。

[1]楊斌,田園.淺談壓力變送器的故障診斷[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2013.

[2]Reference M anual of Rosemount 3051S Series Scalable Pressure,Flow, and Level Solution w ith HART Protocol 00809-0100-4801, Rev FA, Oct.2010.

[3]趙東奎.化工裝置差壓/壓力變送器常見故障分析 [J].工業(yè)及工程技術(shù) ,2010.

[4]張惠榮.熱工儀表及其維護(hù)[M].北京：冶金出版社, 2005.