现场设备诊断确保可靠运行

发布时间：2009-08-04 来源：ABB评论

        测量设备仅用于测量的时代一 去不复返了。通过减少停机 时间来减轻成本压力并提高效率， 意味着过程工业用户希望使用“智 能化”现场设备。事实上，许多用 户希望以效率更高的， 重点更突 出的预测性维护和固定资产管理 策略替代普通的预防性维护 [1] (见 资料库 )。
        ABB 及其竞争对手都敏锐地认识到 这种趋势，“诊断”一词现已基本成 为新一代仪器仪表市场的标准技术 要求。
        最近，在题为“过程传感器技术路 线图”的一份倡议中，德国的 NAMUR (测量与控制标准委员会) 和 VDI/VDE (工程师协会/电气工程师 协会) 重点强调了有关过程传感器需 求发展趋势[2]。从最终用户的角度 来看，其中一种趋势是要求参数测 量精度比目前要更高。对过程传感 器的要求也从测量单纯的工艺过程 参数延伸到有关产品性能的间接信 息和变化趋势信息，目的是加强对 工艺过程的控制 (例如：产量和产量 变化趋势、副产品、气体中带有污 染物的固体颗粒、质量等)。
        由于数字信号处理 (DSP) 及成熟的通信技 术的发展，人们也希望 测量装置能够提供更全 面的诊断信息。
        多功能现场测量设备中的信 号处理
        过去，传感器的电信号被用 作读出装置的输入信号。但 是，由于近几年数字电子技术的迅速发展，现在，可以从传 感器的原始信号中提取不少重要而 有意义的信息。微处理器和数字信 号处理器的应用，使得传感器的信 号质量更高， 噪音更小且测量精 度更高。另外，还可实现各种诊断功能，如测量设备的自监测功能 (如 检查电子器件缺陷)、工艺过程数据 监测 (如检查变送器到过程连接的导 压管是否开启) 以及其他各种先进功 能。在这一层次上，还可实现多种 安全功能。
        直到最近，才能在工厂控制系统层 次上提供其它功能，因为这一层次 具备较强的计算功能。但是，由于 电子硬件和嵌入软件平台的发展， 这些功能现在均可集成到现场测量 设备这一层次中。无论怎样，只有 一些先进功能才可以集成到现场测 量设备中，因为它们的取样速率比 通常现场总线通信速率要高很多。 ABB 一直都在孜孜不倦地努力 工作，创新开发出多功能现场 仪器仪表，满足了客户不断增 长的需求。
        在测量设备上实现先进功能，有两 种途径：
        ■采用单纯信号处理的方法。传感 器基本上变“软”，因为附加功能 是通过植入变送器处理器上的应 用数学例行程序和算法实现的。 传感器的感应部分或机械部分保 持不变。
        ■将一个附加传感器 (可从商业途 径获得) 集成到变送器。
        例如，ABB 的多参数变送 器 267/269 可测量差压和绝 压以及过程温度。然后，用 这些量计算质量流量。 信号处理技术一般用于从原 始信号中提取相关信息。这 可以直接通过精确的数据分 析实现，也可以通过建立比较复杂的物理模型来实现。如果 采用前面一种方法，在对原始信号 进行时间序列分析时，可进行相关 性、光谱或噪音等项分析，找出功 能失灵的特点并进行显示。扩大应 用范围和功能的另外一个因素是出 现了新颖的和效率更高的信号处理 算法和技术，如统计信号分析、非 线性数据分析、自适应滤波器、神 经网络和微笑波等。在后一种方法 里，可采用一组描述相关传感器科 学原理的方程式或者通过模拟仿 真，建立传感器系统的物理模型。 至于是采用先进的数据分析还是更 详细的物理模型，很大程度上取决 于测量数据的完整性和可用的计算 能力 [3]。
        测量设备使用“ 自诊 断” 的识别以及报告 出错或故障的功能，是 有效维护策略的关键 要素。
        增加功能的局限性
        保持或增加工业仪器仪表市 场份额，价格起着重要作 用。增加某项功能究竟能起 多大作用，看法不尽相同。 拥有许多昂贵资产 (像阀门) 的大型过程工业运行商，愿 意为先进功能多花一些钱。 测量设备和工艺过程诊断功 能特别受到青睐，因其可以 降低维护费用，提高设备运 行的可靠性。而那些仅使用 其基本功能的用户却不愿接 受较高的价格。因此，在功 能开发阶段，需要很好地权 衡费用成本与技术实施可行 性之间的利弊。
        ABB 研究中心始终不渝地在先进的 诊断和信号处理领域进行投资，下 面将介绍一些“努力成果”。
        可靠的温度测量
        以热电阻温度检测器 (RTD) 或热电 偶为基础的温度传感器极其精确，测量原理直观，技术简单。所以， 人们会认为信号处理技术在提高这 些温度传感器性能方面所起作用不 大。但是，从通常过程工业应用中 获得的经验表明，由于环境老化等 原因，常规温度传感器也会发生漂 移，甚至出现故障。尽管故障检测 很容易，但是，传感器的漂移会导 致过程状态出错带来不易觉察的质 量损失。在许多工艺过程应用中， 传统的预防性维护就是每年重新校 验的温度传感器，但费用很高。 随着预测性维护需求的增加，用户 也在寻求新的解决方案。在温度控 制非常关键的工艺过程里，采用可 靠温度测量方法，生产率便会大幅 提高。反过来又提高了人们 对温度变送器的开发热情。 ABB 的 TTH300 HART 温度 变送器 1) 安装在 44 毫米直径 的紧凑外壳中，具备多种自 诊断功能，测量精度高达 0.1°C，同时提高了可靠性 和实用性 (见图 1 )。为了充 分发挥高精度的优势，变送 器还具备两项新诊断功能： 传感器备份和漂移检测。由 于变送器计算能力的增加， 使算法在测量设备中得以执 行，而无需增加通信系统的 数据负荷。

        TTH300 温度变送器可处理 两个热电阻或热电偶，或者 两者的并联组合，在增加 备份传感器功能后，传感器 的实用性得到极大提高。
        以前，如果一个温度传感器出现故 障，必须用人工将一个新传感器连 接到变送器上，造成重大过程停机 和费用。现在，一旦内置诊断功能 发现了故障，变送器自动切换到第 二个传感器上，确保了温度的连续 测量 (见图 2 )。同时，也会给设备 类型管理器 (DTM) (见图 3 ) 生成 一条信息。传感器更换可安排在下 次例行维护时进行， 不会再造成 计划外停机， 将成本费用控制在 最低限度。

        安装在 44 毫米直径的外壳中 的 ABB TTH300 HART 温度变 送器准确可靠，具备多种自诊 断功能。
        由于长期机械原因或热效应，如振 动或过热，所有传感器都会产生漂 移。尽管在多数情况下，漂移非常 缓慢，而且常常觉察不到，但漂移 不仅对过程，而且对产品质量会产 生非常大的影响。迄今为止，解决 这一问题一直采用常规的，但是代 价昂贵 (因为要停机) 的传感器校验 方法。可是，如果没有受到严重的 环境负荷，传感器也会保持稳定， 因此，常规校验往往不必要。 自 2007 年初以来，新型的 TTH300 解决了这个问题，采取预防性维护 策略，即监测传感器漂移，只在需 要校验时才对传感器进行校验。采 取这种解决办法时，TTH300 连续监 测两个传感器，并对其数据进行比 较。如果传感器运行在规定公差范 围内 (即没有发生漂移)，它们之间 数据差别是非常小的。但是，如果 其中一个传感器产生漂移，数据差 别则会超过规定界限值，就会启动变送器通知操作人员在下一次例行 工作时安排重新校验或进行更换。 由于只在发生漂移时，才需采取行 动，因而传感器维护作业的次数和 费用大幅降低。
        标准的使用状况是对双传感器进行 漂移检测 (见图 4 )。尽管漂移是不可 预测的随机现象，但是，经过实验 性研究确认，即使处于同样环境老 化条件下，两个传感器发生的漂移 也不会完全相同。另外，也可对一 个流程中放置在不同位置的传感器 进行漂移检测，例如，检测过程总 流量的变化。反过来，这对诸如由 于结垢造成热传递性能差等局部问 题也可以进行确认。

        用户可根据流程对漂移的敏感度确 定阈值。两个传感器之间的装配精 度决定最小报警阈值。装配在一个 点上和两个点上时，检测阈值在 0.5 ~1°C 之间，因为任何两个传感器的 特性总会相差这个数值。如果使用 精确度更高的传感器，检测阈值可 以进一步降低。但是，0.5 ~ 1°C 的漂 移报警阈值可满足 90 % 以上的应用 要求。
        在水、废水、食品和饮料、纸 浆和造纸以及化工行业中， 电磁流量计使用普遍，性能 可靠。
        单纯的 MAGIC
        全球电磁流量计市场容量大约为 7 亿美元，电磁流量计是 Bonaventura Thürlemann 于 1941 年发明的，作为 一种可靠而通用的测量装置，广泛 应用于水和废水、食品和饮料、纸 浆和造纸以及化工行业。
        电磁流量计的工作原理以法拉第的 电磁感应原理为基础 (见图 5 )。当 导体通过磁场时，两个电极之间产 生感应电压 UE，与体积流量 qv 成正 比。粘度、密度、温度和压力并不 影响电磁流量计的流速读数。 开发电磁流量计结垢诊断功 能是跨学科的问题，问题的解 决取决于对工艺过程的透彻 了解。

        MAGIC 项目的重点是实现电磁流 量计的多元测量功能以及仪器设备 和过程的诊断功能，主要用于诊断介质中的气泡和生产系统的结垢以 及检查液体的电导率等。 如果生产系统中结垢层不断累积之 后，不仅影响泵和管线，也影响电 磁流量计的正常工作 (见图 6 )。有两 种结垢层，即绝缘的和导电的，它 们均影响流量计电极测量。绝缘层 增多会减少电极面积，最终造成整 个流量计发生故障，而导电层增加 电极面积，直至发生短路。所以， 为了能够及时采取故障防止措施， 监测系统的结垢层就非常重要。

        算法设计
        开发电磁流量计结垢层诊断功能属 于跨学科问题，问题的解决取决于对工艺过程的透彻了解。所以，首 先是有关电极与电解质界面的理论 问题。在流量实验室中把仪器设备 置于不同状态下进行测量并且跟踪 ABB 客户在不同工艺过程中现场测 量，然后再对具体工艺过程中的结 垢层进行分析。
        利用现场测量值和模拟仿真值分析 不同液体性质和结垢成分的影响。 然后，使用测量值和模拟仿真结果 开发仪器设备的物理模型装置，再 将模型进行外推，有助于设计更大 口径的流量计。
        涡街流量计成功应用于各种工 业流量的测量已有近三十年， 今天，它的应用范围仍在继续 扩大。
        结垢层对电磁流量计影响的模型 (见 图 7 ) ，经常取决于电极和流量计接 地之间的阻抗。恒相元素准确地逼 近电极与电解液间的界面特性，这 反过来也就可提供电磁流量计结垢 层实际状态 (即清洁、导电或绝缘 等) 的重要信息，以及有关工艺过程 系统的重要信息。在较高频率状态 下，电极之间的电阻值在很大程度上与流量计中液体电导率成正比。 在实验室里，对具有不同结垢层液 体的情况进行测量。电导率在 200 至 2,000 μS/cm 之间的介质 (水) 对电 极—电解质间界面几乎没有什么影 响 (见图 8 )。导电的乳脂结垢层或 绝缘的油或 MoS2 结垢层使恒相元素 发生变化。这种效应容许对结垢层 进行独立测量而与介质的导电性能 无关。

        除了对结垢层检测之外，ABB 与德 国和瑞典用户合作，成功增强了用 于测量电导率和检测气泡的流量计 平台功能。
        不受振动影响的涡街流量计 涡街流量计成功应用于工业流量的 测量已有近 30 年，直到今天，它的 应用范围仍在继续扩大。
        ABB 的流量计平台成功地增 强了测量电导率和检测气泡的 功能。
        这种类型流量计的工作原理如图 9 所示。当流体经流管道，在通过阻 流体时，产生的漩涡直接碰到安装在阻流体后面的桨形检测元件。该 元件中安装的压电传感器检测漩涡 引起的振动。其振荡频率与流速 成正比。

        为了确保增强抗噪音干扰功 能，ABB 的涡街流量计配置了 第二个压电传感器。
        由于传感器以频率测量为基础，诸 如脉动和振动等干扰因素 (来自工 作于涡街流量计周围的旋转机械) 会 对仪器性能产生重大影响。为了解 决这一问题，ABB 评估了涡街和 旋进流量计的计算方法和信号处理 概念。
        在正常情况下或在没有重大噪音 时，压电传感器的频谱输出包含一 个对应于涡街频率的峰值。在振动 状态下，频谱会显现出大振幅的其 他峰值 (见图 10 )。在左侧图表中， 压电信号表示出由流动引起的 11 Hz 的一个峰值。频率为 30 Hz 的扰动峰 值由振动造成，几乎相当于流动频 率三倍。这些类型的效应在流量速 率低的情况下特别重要，因为这时 由涡流引起的桨形检测元件的振荡 振幅很小。仅采用“噪盲”过滤， 不可能解决这个问题。

        为了确保增强抗噪音干扰能力，ABB 的涡街流量计在流量管外面安装了 第二压电传感器，这个传感器只对 干扰敏感。当振动处于相同频率 时，选用的振动补偿算法能够去除 振动峰值，而不会抑制流量峰值。 请参阅图 10，在没有振动补偿算法 的状态下，算法对 30 Hz 的输出将是 错误的。右侧图表表示经过振动补 偿之后的信号，振动峰值完全被去 除，而主要峰值被完整保留。