优化过程仪表的几点建议

工厂的生产好坏很大程度上依赖于过程仪表的状况，这些仪表除了流量、液位、压力及温度等参数的传感器和变送器，还包括分析仪及控制阀。我们需要做好哪些工作，才能在不耗费其它资源的情况下，将现场仪表维持在健康状态并且正常的运行呢？这里，现场专家将给出如下几条可以采取的措施，同时讨论了用于描述阀门参数的EDDL和FDTDTM各自的优缺点。

处方＃1：正确的选型

做好过程仪表维护的第一步工作就是：首先要进行正确的选型。这里的“正确”意味着“适用于实际的应用场合”。例如，不必选用一台复杂的智能仪表用于低优先级的工作。然而，对于关键的过程应用，就应该选用带有FOUNDATION现场总线、Profibus或HART通讯的智能仪表。PlantWeb Emerson Process Management公司全球营销经理Tom Wallace说，在对控制精度要求严格的地方，选择合适的仪表类型就显得极为重要，原因很简单，因为在传统4－20mA的信号体系中，变送器部分一定会包括数字模拟转换器，而控制系统部分也一定会包括模拟数字转换器，而上述两种器件都会产生偏差和漂移。他还补充说，除此以外数字变送器能够提供并传输大量的信息。

其次，使用隔离变送器；虽然绝大多数dcs及plc的输入都是被隔离的，但是某些设备及其它噪声源，仍然常常会将大量的电气噪声引入系统，并且导致误差。使用隔离变送器将有助于将此类噪声的干扰降到最低。

另外，我们建议不要过分依赖于压力、温度及液位开关来单独进行相关参数的控制，因为其故障难于被及时检测到。比较合理的配置应该是将开关信号作为连续模拟信号的后备，因为模拟信号的连续输出可以很容易被监视。

处方＃2：正确的安装设备

即便是世界上最好的仪表，如果没有进行正确的安装，那么也无法发挥出应有的功效，甚至可能被永久损坏。因此，在安装中一定要注意以下几点：

· 设备的位置。例如，不能将压力变送器安装在蒸汽管道或连续排水的冷凝器顶部，因为这种情况下，传感器会在100％的时间内暴露在流通蒸汽的环境中。

· 管道安排。一定要确保流量计的上游具有足够长的直管段，或者安装有流量调节器。

· 安装。以适当的方向安装仪表：气体的朝上，液体的朝下。

· 布线。仔细安排脉冲发射管的布线。如果实际可行的话，尽量取消它。

· 电源输入。确保仪表电源的可靠性，没有电气噪声、电涌及尖峰。

· 接地。某些仪表如直读式频率计，必须正确接地。要确保屏蔽系统仅在一点接地。

· 环境温度。如果传感器或变送器运行在额定温度的范围以外，将大大缩短其寿命。

· 腐蚀性气体。按照Moore Industries-International公司市场与销售副总裁Scott Saunders的说法，化工领域常常出现下述情况：“当工人把RTD（电阻温度计）的测量接到变送器时，经常按如下方法操作。维修人员把RTD安装在一个新的应用场合，而且看起来所有运行都很正常。六个月后，维修人员按照预防性维护计划对该仪表进行检查，首先移除RTD的导线，然后接上RTD信号模拟器，把它打在某个温度档，再与控制室进行联调，确保信号检查走完全量程，在4、12、20mA这些检查点上读数一致。一旦检查完毕，再恢复RTD与变送器的接线。然而，最大的测量误差此时再次被引入到整个测量系统，即三线制RTD的导线受到了腐蚀。”当我们使用三线制RTD时，其前提是导线的阻抗值不会改变。然而当RTD处于腐蚀性气体的环境时，导线阻抗会随时间而增加。这种情况下，选用四线制的安装方案将使这一问题引起的误差降低到最小。

· Class I Div. 1区域的安装。Saunders说：“我非常吃惊的发现，大量属于Class I Div. 1的仪表外壳——防爆等级外壳，竟然在其连接螺纹的下方根本没有很好地密封。我甚至发现，该等级的仪表在开始投用、校验及接线期间，虽然也设置了玻璃盖，但却没有将其连接螺纹旋压到底，且自始自终压紧垫圈。这些螺纹存在于那里只有一个原因：在那些气体碰到空气之前就先将其冷却。”。

一旦仪表安装就位，那此后的首要任务就是验证设置及安装的合理性。我们可以使用设备的自诊断工具来检查安装错误。如果仪表具有仿真模式，那么还可以利用这一功能检查并确保所有事项运行正常，Emerson公司的Wallace补充道。

处方＃3：顺其自然

仪表一旦安装到位且运行正常，那么最好的方式就是顺其自然，直到它发出故障报警。“高等级仪表都非常可靠和准确，在将其安装于工厂以后，基本不需要再进行校验。你可以直接应用仪表厂家的校验数据，然后仅仅需要在仪表安装在正确的方位并且工艺介质都已充满脉冲发射管后，进行一次零点校正。你下次再对其进行零点校正，没准已经是十年以后的事了。Wallace还指出，除非需要重新改变量程，否则，对仪表进行重复校验往往适得其反。大家应该学会如何查阅仪表制造商提供的文档。他还补充说：“仪表厂家进行的校验，其效果往往好于用户在自己工厂或现场所进行的校验。”

如Emerson Process Management公司提供的示意图所示，确保流量计上游要么有足够长的直管段长度（a），要么安装有流量调节器（b）。

按照Emerson Process Management公司说法，脉冲发射管的布线必须仔细，可能的话，尽量缩短其长度。
Moore Industries公司的Saunders说，上述实际应用方案之所以行之有效，主要基于以下两个原因：“首先，这些设备本身非常可靠，而其价格又不太昂贵，因此一旦发现重大故障，我们完全可以立即更换一台新的。”其次，数字仪表都具有内置的自诊断工具，如果硬件或软件发生故障，基于在线状态监视就能及时进行报警。

有些维护人员是在很不情愿的情况下，才放弃了原来定期对仪表进行重复校验的习惯。要使其相信重复校验仪表确实是不必要的，那么最好的办法就是建立一套数据库。一台能够进行数据归档的校验仪器会对此有所帮助，但是有时也正是这么一套数据库，往往会误导大家。Saunders说，“有些人常常愿意投资于新技术，如FOUNDATION现场总线或Profibus，但却没有建立相应的中间层，例如资产管理优化包用以充分利用如状态位，校验及漂移等数字数据。”

Moore Industries-International公司建议，对于那些在Class I, Div. 1防爆区域内使用的仪表， 例如一台现场安装的、用于测量天然气管线表面温度的变送器，必须向下拧紧外壳螺丝并且压紧垫片，从而保证相应的防爆等级.

这样一个“设置，然后遗忘”的理念，对于那些要对过程设备进行验证的安全场合及关键应用的测量，并不适用；同样，对于那些应用于苛刻场合，或者可能受到污染或磨损的设备，也不适用。分析设备和阀门也属于此类。如果安装在腐蚀性、磨损、严重振动或极高温的环境，那么也需要特别的维护。此外，对某些具有移动部件、且特性随时间和应用场合不同而改变的阀门的维护，上述理念也不适用。
处方＃4：观察倾听各种征兆

判断一台仪表是否运行正常的方法之一是：检查过程的噪声。如果一台仪表的读数几周内都没有变化，那么有两种可能：一种可能是工艺生产过程非常稳定，另一种可能是该仪表已经损坏。Emerson公司的Wallace说道，“我想起一次安装分析仪的时候，一个技术人员说，‘这台PH仪已经定在7.2这个数值上18个月了’，后来发现，其原因是过去的18个月内该分析仪的探头已经完全被污垢包住了，结果是探头根本没有办法测量到当前的实际参数。有时，信号中存在一定的过程噪声，恰恰说明这台仪表处于正常工作状态，没有‘死掉’。”

有些变送器内置了阻尼系数为几秒的功能模块，通过它可以减小过程噪声，而正是噪声信号可以反映仪表是否处于正常工作状态。不过，如果我们使用的是FOUNDATION现场总线或Profibus仪表的话，那么即使噪声在过程变量的信号中并不显著，仪表也能够以数字信号的形式将其显示出来。该功能对于跟踪过程噪声的标准差是非常有用的。Wallace说，“噪声的增大意味着以下几种可能：过程蒸汽中夹带了空气、出现了节涌流、或插入了脉冲线等。”如果上述情况发生在油气领域，那么就反映了流体里可能含有沙子。

处方＃5：关注次要变量

很多现代仪表都会采集一个以上的变量数据，虽然通常情况并不会显示所有的。例如，很多压力和流量仪表也同时测量温度——过程温度，或者仪表本身的温度——并且在仪表内部还保留了一份相关记录，以便日后查阅。Emerson Process Management公司的压力产品营销经理Paul Schmeling说，“电子器件都有其最佳的工作环境温度，例如，通过内置于电路中的铂电阻温度计（PRT）可以判断出相关电子器件的温度是否已经超出其额定范围。

处方＃6：认真处理必要的报警

一台仪表能够通过合理设置，记录下它所承受过的压力变化范围。有些异常状况可能会缩短仪表的使用寿命，也可能会导致仪表的零点漂移等动作。我们可以对仪表设置这么一种信号，用以通知用户如下一些信息：现在应该对该仪表进行检查；本该关闭的伴热输送却仍然打开的情形，或相反的情形。

如果我们打算对系统的数字仪表中所有可能获取的数据都进行监视的话，那最大的问题就是所谓的“报警洪流”。当过程受到扰动时，往往会从很多地方发出层出不穷的报警信号，而可怜的操作人员就可能完全被淹没在“报警洪流”中，而对于那些可能引起潜在可怕后果的报警，却无法做出及时有效的反应。大家最熟悉的，也许就是1979年发生在美国三哩岛的核电站事故，几乎酿成核灾难，除此以外，在美国和其它国家都曾发生过一些类似的事故。

预防上述情形最有效的方法就是，将所有报警都纳入报警管理系统（例如某工业标准要求：每小时只进行六次报警），当前的DCS系统都有一些智能化的软件工具，能够协助完成此项功能。如果没有紧急情况，最好忽略掉一些次要的、不大可能导致重大问题的报警。

Invensys Foxboro公司的现场总线产品经理Charlie Piper说：“许多设备都有警戒限和报警限两类，并且通过高限报警、高高限报警等分类来表明问题的紧急程度。某些设备可能有多达20－30个警戒限或报警限，因此系统能够考虑到这些界限的区别，并且视具体情况而定，触发不同的动作序列。”

处方＃7：把数据变为信息

所有从智能传感器或变送器中获取的数据，如果没有进行相关性分析，那么这些原始数据并没有什么太大作用。Moore Industries公司的Saunders说道，“很多用户安装了几乎所有的获取数据的工具，但是却缺乏相应的数据处理和报告过程，同时也没有能够切实提供预测性维护的相关软件，而这正是获取投资回报或对仪表进行合理校验所必需的。资产管理系统之所以能够节省可观的维护成本，就是因为它能够产生某些有用信息，促进设备维护工作由预防性维护变为预测性维护。

资产管理系统对于阀门定位器也很有帮助，Foxboro公司的Piper说，“你可以跟踪定位器反向的次数。通常，还能用来跟踪计算阀杆的累加行程。”而且你还可以判断出在什么时间某些部件正在变差，他解释道，“在大多数阀门定位器中，都有不少设备参数。例如能反映阀杆所受到阻力变大的‘过度偏差’，此时控制命令可能是要将阀门开到某个开度，但实际却无法到达相应位置。”然而，通过观察这些设备提供的20或30种相关参数，就有可能按需要来触发动作序列，以解决上述问题，他说。

“如果你能很好地应用资产管理系统及适当的软件，”Saunders补充道，“那你就可以频繁测试阀门特性的各项指标，观察元件有无发生漂移，或者给出有关预测性维修（PM）的日程表。”他提到曾经有个用户，通过计算某阀门到达阀座位置的频繁程度，发现其频率并不是很高，尚不需要安排预测性维修的计划。这里让人感兴趣的是，该用户做出上述判断并非基于资产管理系统，而仅仅是通过一个简单的HART接口模块，该模块每当阀杆位置小于1％时都会触发一个信号输入到DCS系统。

而基于资产管理系统采集并进行相关性分析的数据， 就有可能给出一套预测性维护的策略。但是某些场合，采用老式的预防性维护、甚至是出现故障再维护的策略，也许是更好的选择。例如，对于一个需要一周时间才能灌满或倒空的大储罐，如果其液位变送器发生故障，则并不是很紧急。
“最明智的做法往往是无为而治”
总之，如果采用了最新的技术，或者该设备不是关键元件，那么通常最明智的做法是：无为而治。Wallace说，“如果仪表或终端元件的某一部分容易磨损或易被污染，且其测量参数涉及到安全、环境、或重大经济影响，那么预防性维护或预测性维修就是必要的。绝大多数情况下，大家需要把预防性维护或预测性维护的观念，从‘出门干活’转变到‘实时监测，如果有需要则进行自动化的诊断’上来。事实上，导致仪表故障的最大原因之一就是：不分青红皂白，不做严谨分析，上去就对仪表进行操作或维修。因此，如果仪表故障可能引发的后果并不太严重时，最好的做法就是别管它，直到彻底坏了再更换它。
描述阀门参数：EDDL还是FDTDTM
有关现场设备和控制系统之间的最佳通讯方式，各个厂商可谓见仁见智，争论激烈。目前，在“现场总线战争”中，就包括有FOUNDATION现场总线、Profibus、以及其它试图争夺支配地位的众多协议的支持者们。而对于如何最优地处理现场设备中的可设置参数及其呈现给用户的方式，也尚未达成共识。一方面，某些厂商支持设备描述语言（DDL）这种方式，并且现在已经发展为电子设备描述语言（EDDL）；另一方面，某些厂商更加倾向于现场设备工具设备类型管理（FDTDTM）技术。

最早的、比较老的技术是制造商当年开发的设备描述（DD）文件，包括了每种设备的基本数据。主机在获取这些数据之后，然后呈现给用户。Emerson Process Management公司HART及现场总线技术主管Martin Zielinski说，“现场设备制造商虽然描述了参数的关联性以及该如何进行分组、该如何进行显示，但是其准确格式最终取决于主机。”FDTDTM技术就是为现场设备的维护和组态而设计的标准环境。DTM是一种用于设备维护和诊断的技术，它可以作为插件用于主机系统的工程和资产管理系统软件之中。与设备描述语言不同，设备制造商提供的DTM插件包含了用于设备管理和维护的用户界面，这种技术使得设备制造商能够自己开发主机应用程序，并且可以控制用户如何浏览界面以及界面显示哪些信息。

最新的技术进步已使上述两种技术在某些方面的区别变得不明显了。EDDL已经增强了它的图形功能，“用户能够画出图表和曲线图。通过使用统一的数据存储方式，可以将相关信息存入系统硬盘，并且在将来需要时能够取回数据。”Zielinski说。

Foxboro公司的Piper说：“上述增强功能已经开始着手构建组态画面。不同于原有的简单参数表格，如今用户可以将各种参数放在不同的画面，进行合理的分组，并且给定哪些参数要用下拉式菜单进行选择。用户显示画面经过上述改进，从填空形式变得更像是表格形式。”

但是设备描述（DD）技术不论如何增强，从主机制造商的视角来看，还是存在一些限制，Piper说，“由于每种阀门都互不相同，因此我们无法为每种阀门都开发一个用户接口，那么，这项工作就不得不由阀门制造商来承担。”他仍然主张，FDT相比之下就是解决这一问题的最佳技术。”

而另一方面，Emerson公司的Wallace却相信，“EDDL技术具有很大的潜力，能够以最小代价获取最大利益。”他还引用用户的支持程度作为其观点的佐证，“目前有大约有1200种现场设备使用EDDL，而只有大约110种设备使用DTM。”他还补充说，“EDDL是一种全球性标准，几乎所有的主机制造商都支持它。”

对此，Piper表示了不同观点，“目前除了个别厂商，几乎每个系统制造商都已经宣布支持FDT技术。”

Wallace建议大家对两种技术都给予一定的支持，他说“我的建议是尽量采用EDDL技术，并将其作为标准技术。只有当EDDL、应用软件包、以及使用了EDDL的snap-inssnap-ons等技术统统都不适用于所需功能时，再考虑试试DTM。”

应用DTM技术将使如下功能变为可能：设备制造商能够在其显示画面上，包含有例如微软Windows帮助这样的功能。就像Invensys Foxboro提供的此画面所显示的一样。