涉及到安全生產(chǎn)、 高效生產(chǎn)，用戶越來越關(guān)心怎樣將設備維護工作由被動維護改變成主動維護。本文介紹維護工作的大體分類、預測維護的優(yōu)點并以控制閥門、變送器和pH計為例介紹智能儀表的預測維護功能，最后介紹預測維護信息的顯示和改造實例。
生產(chǎn)過程往往要求連續(xù)進行，但生產(chǎn)過 程所涉及到的設備(包括工藝設備、機械設備、電氣設備、儀表及控制系統(tǒng)等)有可能在使用過程中出現(xiàn)故障，使生產(chǎn)過程中斷。為了減少過程中斷造成的損失，在企業(yè)里少不了有一批人專門從事維修工作。維護工作通常分成三類：
1、事后維護
事后維護，即設備出現(xiàn)故障時才對它進行維修，屬被動維護，這種“不出故障就不維修”的維護方式，是最簡單也是目前用戶采用最多的維護運行手段。帶來的問題是出故障造成的設備停機時間長，損失大；高備件庫存成本高；超時勞動力成本。
2、預防維護
預防性維護通常是一種按計劃提前進行的維護工作，他要求在設備損壞之前就進行維護工作，如基于時間的維護計劃、基于條件的維護計劃等 。像某種泵設備運轉(zhuǎn)12個月后就要更換其磨損部件，可看成是基于時間的維護計劃；像某冶金爐每隔50爐次就進行維護可看成是基于條件的維護計劃。通常他可避免設備出現(xiàn)故障時才對它進行維修所造成的設備停機問題，但按計劃維修也會造成設備沒有故障也要維修的“過度維修” 問題。
3、預測維護
預測維護他包括設備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預測、維護決策支持和維護活動，屬主動維護，也稱前瞻性維護，他根據(jù)設備狀態(tài)監(jiān)測作出故障診斷并針對故障給出問題描述、預測信息、維修建議。
其中，預測維護的優(yōu)點有減少事后維護所造成的停運時間長的問題，提高設備可靠性和可用系數(shù)，延長設備使用壽命，更好地貫徹“安全第一，預防為主”的方針克服預防維護的盲目性，具有很強的針對性，根據(jù)狀態(tài)的不同采取不同的處理方法，降低運行檢修費用，減少維護工作量，降低勞動強度，有利于減員增效，提高經(jīng)濟效益。
針對自動化儀表，多個生產(chǎn)廠家陸續(xù)推出帶預測維護功能的智能儀表，本文將選擇性地以幾個產(chǎn)品為例介紹控制閥門、變送器和pH計的預測維護功能。
控制閥門的預測維護
通過智能型閥門定位器對調(diào)節(jié)閥故障診斷。定位器內(nèi)部的微處理器定時采集各種傳感器的數(shù)據(jù)并進行運算、比較、分析、組態(tài)，將出現(xiàn)異常的信息以報警信號形式輸出。智能型閥門定位器對調(diào)節(jié)閥的診斷可分為在線診斷、離線診斷。在線診斷包括行程累積、行程方向改變次數(shù)、報靜次數(shù)、死區(qū)自調(diào)整、閥門基線位置(比如：閥座的磨損、最高最低溫度下運行小時數(shù)、閥門定位時間、執(zhí)行機構(gòu)泄漏、噪聲診斷等。離線診斷 包括：執(zhí)行機構(gòu)及氣路的密封性、靜特性、階躍過渡及頻率響應特性。
西門子公司的智能電氣閥門定位器SIPART PS2可提供較多的額外監(jiān)測功能，狀態(tài)顯示源自故障信號的監(jiān)測。這使用戶在閥門或執(zhí)行器發(fā)生重大故障前能提前檢測到，可避免系統(tǒng)因故障中斷。通過故障信號的指示，例如執(zhí)行器隔膜的損壞、動作滯后等，用戶可利用適當?shù)木S護策略保證系統(tǒng)可靠。
變送器的預測維護
一般來說，通過智能變送器的故障診斷能實現(xiàn)預測維護功能，智能變送器的故障診斷功能包括：導壓管堵塞功能診斷、壓力傳感器失效、溫度傳感器失效、傳感器模塊內(nèi)存故障、環(huán)境溫度超限、壓力超限。
艾默生過程管理公司推出的3051S變送器采用統(tǒng)計過程監(jiān)控技術(shù)，在過程環(huán)境中它可以對異常情況進行檢測，它利用高精度的快速采樣傳感器 (每秒20次以上)來測量壓力，將壓力的細微變化過程噪聲轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如：平均值、標準差、標準差變化率，以及相互間的比例。這一技術(shù)的基本原理是：當設備正常運行時，各個動態(tài)過程環(huán)節(jié)的噪音特性或變化特性如有改變則意味著過程、過程設備、變送器發(fā)生或?qū)l(fā)生顯著變化。例如，在流量測量應用中，如果差壓 變送器一根或兩根引壓管發(fā)生堵塞，特定流 量下的標準差值就會發(fā)生顯著變化，由此可檢測出引壓管線堵塞。而以往只有當堵塞一段時間以后，變送器輸出始終未隨實際壓力變化而變時，用戶才有可能發(fā)現(xiàn)管線堵塞問題。在另外一些具體應用中，還可以檢測出濕氣體中的液體含量的顯著變化及冶金爐內(nèi)火焰熄火前不穩(wěn)定的異?，F(xiàn)象。
pH計的預測維護
pH計的預測維護功能包括狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預測、信息顯示和傳輸?shù)裙δ?。在狀態(tài)監(jiān)測的基礎上進行故障診斷，它所包含的內(nèi)容很多，主要有接線自診斷功能，被測溶液自診斷功能、傳感器自診斷功能等等。接線自診斷功能主要是相關(guān)接線的開路、短路診斷；被測溶液自診斷功能主要是溫度、pH值超限診斷，而最重要而且最復雜的是傳感器自診斷功能，這項功能的診斷重點有以下四項：
1、玻璃電極阻抗的測定；
2、參比電極阻抗的測定；
3、pH傳感器靈敏度的測定；
4、pH傳感器響應時間的測定。
圖1 pH傳感器半值恢復時間測定示意圖
圖1為半值恢復時間測定方法示意圖，橫河公司TM20BG型pH計采用這種方法，圖中所示為pH傳感器用清洗劑清洗后再放入過程被測溶液進行測試的記錄曲線，pH2是清洗劑的pH值，pH1是過程被測溶液的pH值。AB時間段pH傳感器用清洗劑清洗，其顯示的pH值為pH2；從時間B開始，pH傳感器再放入過程被測溶液，此時顯示的pH值不斷上升，直到顯示的pH值穩(wěn)定在pH1，當顯示pH值增加了1/2(pH1-pH2)時所用的時間可稱為半值恢復時間t1，我們可預先設定一個時間限制(設定范圍0.1-10min)，當檢測到的半值恢復時間t1超過這個時間限制時，可判斷pH傳感器反應遲鈍。
預測信息的顯示
一般來說，預測信息的顯示有兩類方式：直接在智能儀表的面板顯示或在控制系統(tǒng)操作站顯示。
1、在智能儀表的面板顯示
前面介紹的西門子公司智能電氣閥門定位器SIPART PS2的故障信號按“交通燈”的方式進行分類，用綠色、黃色和紅色扳手顯示在其操作面 板上(見圖2):
圖2 智能電氣閥門定位器SIPART PS2上的監(jiān)測功能
◆完好，無維護請求(無扳手)
◆需要維修(綠色扳手)
◆急需維修(黃色扳手)
◆臨近故障或故障(紅色扳手)
第二個例子是霍尼韋爾(Honeywell)公司的APT400系列pH計，在他的LCD顯示面板上，除了主顯示器和輔助顯示器是數(shù)字顯示外(比如主顯示器顯示pH值、輔助顯示器顯示溶液溫度值)，其余采用的是象形符號，如圖3中的1，包含的3個帶面部表情的人臉可以分別表示電極的好、中、差三種狀態(tài)。當進行電極不對稱電位、斜率校驗時，如顯示上面的笑臉，則說明電極狀況好(OK)；如顯示中間的無表情面孔，則說明電極狀況尚可；如顯示下面的哭臉，則說明電極狀況差，達不到校驗的精確度，需要更換電極了。
圖3 帶象形符號的APT400系列pH計顯示面板
第三個例子是梅特勒.托利多(Mettler.Toledo)公司推岀的ISM®(Intelligent Sensor Management，智能傳感器管理)系統(tǒng)，在具有ISM功能的pH傳感器的上部裝有智能芯片，它可存儲傳感器所有相關(guān)參數(shù)和傳感器診斷及預測維護功能的算法，通過IEEE數(shù)字式通訊協(xié)議可將pH傳感器的制造廠、傳感器類型、型號、系列號、訂貨號和最后一次校驗數(shù)據(jù)傳送到M700變送器等設備。M700變送器等設備在監(jiān)測玻璃電極、參比電極阻抗等參數(shù)的同時，可根據(jù)這些過程歷史數(shù)據(jù)進行診斷并給出預測維護的數(shù)據(jù)。上述所有檢測、診斷、預測數(shù)據(jù)可以在M700變送器顯示面板上顯示，該顯示面板釆用LC顯示器，分辨率為240×160。該面板上顯示的傳感器壽命顯示畫面已經(jīng)是與計算機顯示畫面接近的顯示內(nèi)容詳盡的畫面。在傳感器壽命顯示方框的下方，第一行顯示 的是傳感器壽命棒狀圖，這個棒狀圖可以形象地看到傳感器壽命大致還有5/6；第二行顯示的是傳感器已工作時間(預計300天的壽命已經(jīng)使用了48天)；當棒狀圖黑色部分填滿時或工作時間達到300天時，表示pH傳感器壽命已到，應予更換；第4行中的CIP、第5行中的SIP分別表示在線清洗、在線滅菌，是醫(yī)藥、食品行業(yè)批量生產(chǎn)中加熱過程的兩個術(shù)語，由于CIP/SIP循環(huán)經(jīng)歷時間較長，且每一循環(huán)要承受一段時間高溫消毒或滅菌，對電極壽命影響較大，所以通常不允許超過預先規(guī)定的循環(huán)次數(shù)(如本例中規(guī)定的10次)，系統(tǒng)可實現(xiàn)對CIP/SIP循環(huán)次數(shù)的自動計數(shù)。
2、在控制系統(tǒng)操作站顯示
智能儀表還可以通過HART、FF等通信協(xié)議將統(tǒng)計參數(shù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。使用這些統(tǒng)計參數(shù)，系統(tǒng)可以檢測或顯示過程環(huán)境下的變化。如果發(fā)生過程異常情況，系統(tǒng)將檢查這些數(shù)值，作出預測維護診斷，系統(tǒng)將把這些數(shù)值及診斷結(jié)果送控制系統(tǒng)操作站顯示。
西門子公司SIWAREX稱重系統(tǒng)實際上是一套全集成在SIMATIC控制系統(tǒng)的數(shù)字化稱重解決方案，他突破了通訊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，在系統(tǒng)測量精度、控制速度、施工周期、長期維護量等方面與釆用常規(guī)儀表方式相比體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢。
由于稱重系統(tǒng)相對結(jié)構(gòu)比較復雜，維護量比較大，而西門子這種基于SIMATIC的稱重解決方案，是一種滿足減少成本、簡化稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)且能提高稱重系統(tǒng)整體性能新要求的解決方案。
SIWAREX系統(tǒng)通過事件記錄功能來實時記錄稱重的進程和狀態(tài)，并且對于不正常的事件進行分析，同時診斷緩沖器將會記錄保存最后的100條診斷信息。通過對稱重傳感器和電纜的關(guān)鍵性參數(shù)進行長期的連續(xù)的監(jiān)控，我們可以得到關(guān)于稱重系統(tǒng)的預診斷信息，以避免設備停車故障，減少了維護維修成本。
艾默生過程管理公司的AMS智能設備管理系統(tǒng)中設置了電子巡檢功能，每隔五分鐘對現(xiàn)場儀表的狀態(tài)進行檢查，發(fā)現(xiàn)故障直接可以在報警列表中顯示，提示工人需要對現(xiàn)場進行維護。電子巡檢與傳統(tǒng)的人工巡檢形成互補(人工巡檢檢查設備及管線跑冒滴漏，而電子巡檢檢查設備內(nèi)部故障及組態(tài)的狀態(tài)更改)。
當現(xiàn)場儀表出現(xiàn)故障后，5分鐘之內(nèi)顯示在AMS智能設備管理系統(tǒng)的報警列表中，以聲光方式提示維護人員，維護人員可以根據(jù)報警列表的提示信息及時進行現(xiàn)場維護?？s短了故障存在的時間。
釆用增強型的EDDL(電子設備描述語言)可以用來顯示豐富的過程數(shù)據(jù)診斷信息，如圖7所示，壓力變送器的引壓管堵塞 就可以在操作過程中顯示其診斷信息。
改造實例
有的朋友可能要說：帶預測功能的智能儀表雖然好，但我們用的都是普通儀表，如何讓他也有預測功能？
換新的智能儀表當然是一個辦法，但在某些情況下，改造或許也行，這里就舉一個例子：沙鋼集團冷卻裝置有8臺水箱，水箱調(diào)節(jié)閥控制器為FISHER公司早期產(chǎn)品DVC6020HC定位器，由于電氣轉(zhuǎn)換器失控以及定位精度不理想造成水箱流量控制不穩(wěn)定等問題，調(diào)節(jié)閥控制性能不能很好地滿足工藝要求，雖多次修改、優(yōu)化控制程序都效果不佳。隨后進行改造，將原有調(diào)節(jié)閥上的電氣轉(zhuǎn)換器全部換成帶HART通訊協(xié)議 的智能定位器FIELDVUE DVC6010PD，增加了閥門在線性能監(jiān)控系統(tǒng)，可以在閥門出現(xiàn)問題而未影響到工藝操作之前發(fā)現(xiàn)問題，從而實現(xiàn)預測維護功能。
但由于目前使用的系統(tǒng)不支持HART通訊協(xié)議，因此采用HART多路轉(zhuǎn)換器來讀取/傳送HART信息，將裝置16臺閥門連到ValveLink工作站，由ValveLink軟件對閥門實現(xiàn)帶預測維護功能的在線管理。
