圖1 控制閥近年安裝概況
如圖1所示可以看出，控制閥包括閥門(mén)附件一直在穩(wěn)定第增長(zhǎng)，隨著數(shù)字時(shí)代的來(lái)臨，在工業(yè)4.0智能制造背景下，如何激發(fā)現(xiàn)有控制閥的潛力，避免無(wú)計(jì)劃無(wú)目的維修成為越來(lái)越重要的課題。
閥門(mén)定位器作為控制閥的主要附件，用于提高控制閥控制精度，并可提供閥門(mén)的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便數(shù)字化集成。在數(shù)字化大潮引領(lǐng)下，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展迅速，與之相匹配的智能化儀表也得到了加速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有的超過(guò)30000000的HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，HART5數(shù)字定位器已占比重超過(guò)80%，近年來(lái)更向WirelessHART演進(jìn)，以用于無(wú)線解決方案。
現(xiàn)場(chǎng)配備的智能數(shù)字閥門(mén)定位器，可以輕松實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)/整定、自適應(yīng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、在線動(dòng)態(tài)特性分析和設(shè)備故障診斷，使之成為流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)診斷軟件，分析和判別控制閥的“健康”狀況，從而改變了傳統(tǒng)觀念上控制閥的維護(hù)，減少閥門(mén)在運(yùn)行期間的事故發(fā)生，同時(shí)延長(zhǎng)閥門(mén)的使用壽命。根據(jù)定位器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理可分類(lèi)為： 氣動(dòng)、電氣以及數(shù)字式電氣閥門(mén)定位器(也稱(chēng)為智能電氣閥門(mén)定位器smart positioner)。數(shù)字式電氣閥門(mén)定位器是采用微處理技術(shù)和功能模塊的新一代高性能電氣閥門(mén)定位器，具有自校準(zhǔn)、自適應(yīng)、自診斷功能和免維護(hù)運(yùn)行，一般分為帶通信類(lèi)型(HART、Profibus-PA、FF)和不帶通信類(lèi)型。業(yè)界各大閥門(mén)廠家，如GE梅索尼蘭(Masoneilan)、艾默生(Emerson)、西門(mén)子、ABB、福斯(Flowserve)、SAMSON都有基于HART、現(xiàn)場(chǎng)總線FF的定位器推出。本文將在探討控制閥診斷-預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，探討分析閥門(mén)在線診斷的趨勢(shì)及熱點(diǎn)。
圖2 GE梅索尼蘭 ValVue配置診斷軟件的高級(jí)診斷示意圖
控制閥維護(hù)方式的演化
國(guó)內(nèi)外的控制閥維護(hù)，根據(jù)維護(hù)方式采用的技術(shù)，周期等可以分為以下四種方法：被動(dòng)性維護(hù)(Reactive Maintenance)；預(yù)防性維護(hù)(Preventive Maintenance)；離線診斷維護(hù)(Offline Diagnostic Maintenance)和預(yù)測(cè)性維護(hù)(Predictive Maintenance)。分別代表閥門(mén)維修的4個(gè)階段， 如圖3所示。
圖3 閥門(mén)檢維修從1.0到4.0對(duì)應(yīng)的成本
①被動(dòng)性維護(hù)：閥門(mén)維修1.0
被動(dòng)性維護(hù)是以前常見(jiàn)的一種方式，也是最無(wú)奈的一種。在使用過(guò)程中，控制閥自身或執(zhí)行機(jī)構(gòu)等附件出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)造成控制閥無(wú)法正常工作，更嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工藝裝置不能正常工作，造成安全或生產(chǎn)事故。
對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)維修，往往是臨時(shí)、不可預(yù)測(cè)并緊急的。這是一種計(jì)劃外的隨機(jī)維護(hù)方式，根據(jù)發(fā)生問(wèn)題的大小，進(jìn)行維修或更換。主要特點(diǎn)是：故障時(shí)間不確定。無(wú)計(jì)劃的維護(hù)常常會(huì)增加維護(hù)生產(chǎn)成本。而對(duì)閥門(mén)故障的誤判，更會(huì)擴(kuò)大檢維修的工作量和影響正常使用時(shí)間。
②預(yù)防性維護(hù)：閥門(mén)維修2.0
預(yù)防性維護(hù)就是現(xiàn)場(chǎng)的一些中修、大修計(jì)劃，也是比較常見(jiàn)的一種實(shí)踐。根據(jù)以往的生產(chǎn)過(guò)程以及現(xiàn)場(chǎng)檢修工的經(jīng)驗(yàn)，有計(jì)劃有步驟地安排某些點(diǎn)位的控制閥進(jìn)行維護(hù)或檢修，以防止控制閥的事故發(fā)生。預(yù)防性維護(hù)已經(jīng)開(kāi)始有了計(jì)劃和預(yù)判，這是一大進(jìn)步。它雖然能避免一些控制閥事故的產(chǎn)生，但由于沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)使用的控制閥的更多數(shù)字信息，在安排上不可避免地會(huì)造成過(guò)度維修的現(xiàn)象：一些工作正常的閥門(mén)也被安排在檢修行列，而某些不適用的控制閥仍被使用在過(guò)程控制系統(tǒng)中。
另外，如果由非廠家技術(shù)人員或未經(jīng)過(guò)廠家授權(quán)的技術(shù)人員解體檢修控制閥，也常會(huì)出現(xiàn)檢修后還不如檢修前的尷尬情況。ARC咨詢(xún)機(jī)構(gòu)1999年的一份研究成果中得出 “多達(dá)60%的計(jì)劃性控制閥維修是不必要的” 的結(jié)論。這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明預(yù)防性維護(hù)的不足。
③離線診斷維護(hù)(Offline Diagnostic Maintenance) ：閥門(mén)維修3.0
在閥門(mén)維修3.0階段，通過(guò)對(duì)預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃的閥門(mén)進(jìn)行離線診斷，縮小并定位閥門(mén)故障問(wèn)題，從而可以避免維修的盲目性。但它的不足在于，裝置內(nèi)所有排班的閥門(mén)依然需要離線診斷，工作量很大，而且同樣會(huì)導(dǎo)致裝置的現(xiàn)場(chǎng)停車(chē)，經(jīng)濟(jì)損失不可謂不小。
④預(yù)測(cè)性維護(hù)：閥門(mén)維修4.0
最后，就是在工業(yè)4.0時(shí)代下，利用大數(shù)據(jù)以及智能儀表的數(shù)據(jù)分析推出的預(yù)測(cè)性維護(hù)，又稱(chēng)為預(yù)見(jiàn)性維護(hù)，診斷技術(shù)(診斷專(zhuān)家系統(tǒng))的高級(jí)演化版。利用這一系統(tǒng)，可以進(jìn)行后臺(tái)監(jiān)測(cè)和診斷預(yù)警的維護(hù)方式，在控制閥還沒(méi)有產(chǎn)生故障或剛剛產(chǎn)生故障時(shí)，通過(guò)狀態(tài)參數(shù)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的情況和預(yù)期的時(shí)間，并根據(jù)控制閥的功能安全和時(shí)間關(guān)聯(lián)性來(lái)進(jìn)行維護(hù)。來(lái)自GE梅索尼蘭的ValveAware作為代表，它完美地結(jié)合了數(shù)字定位器獲取的控制閥的信息，并通過(guò)后臺(tái)的數(shù)據(jù)模型分析，給出精準(zhǔn)的閥門(mén)體檢報(bào)告。具有只讀設(shè)備，不干擾現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行以及全兼容各個(gè)廠家閥門(mén)定位器的特點(diǎn)。控制閥預(yù)測(cè)性維護(hù)正朝著人工智能故障識(shí)別和診斷技術(shù)以及專(zhuān)家系統(tǒng)的方向快速發(fā)展，控制閥數(shù)字解決方案提升并維持控制閥工作性能，延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間和生命周期，預(yù)測(cè)性維護(hù)明顯降低了故障頻次，并可以減少預(yù)防性維護(hù)的工作，提高閥門(mén)維修的計(jì)劃性，降低了工廠費(fèi)用，應(yīng)用成果顯著。 如圖4所示為閥門(mén)維修4.0的模式。在過(guò)往的幾年時(shí)間，已經(jīng)在BP、Shell殼牌、美孚位于世界各地的工廠部署多套系統(tǒng)，已成功為工廠客戶每次維修節(jié)省上百萬(wàn)美元的成本。
圖4 閥門(mén)維修4.0的模式
ValveAware閥門(mén)在線診斷系統(tǒng)，來(lái)自GE的匠心之作
梅索尼蘭作為業(yè)界著名品牌，在長(zhǎng)達(dá)100多年的閥門(mén)研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合GE云平臺(tái)Predix推出的在線診斷系統(tǒng)ValveAware很好的解決了閥門(mén)體檢的常見(jiàn)問(wèn)題，宣告了閥門(mén)維修4.0時(shí)代的來(lái)臨。
圖5 GE ValveAware閥門(mén)在線診斷系統(tǒng)，全兼容現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)數(shù)字定位器及主流DCS
在業(yè)界首推的全兼容數(shù)字定位器，全兼容DCS以及完備的數(shù)據(jù)分析能力，并首次引入Dashboard儀表板功能，開(kāi)創(chuàng)性地引入VHI閥門(mén)健康指數(shù)概念，使得用戶使用起來(lái)簡(jiǎn)單，界面全中文并具備豐富的定時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)表功能。
圖6 ValveAware的閥門(mén)健康指數(shù)VHI以及儀表板Dashboard截圖
ValveAware在后臺(tái)通過(guò)對(duì)DCS或數(shù)字定位器的信號(hào)分析，結(jié)合各種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、比較、分析、組態(tài)，將出現(xiàn)異常的信息通過(guò)專(zhuān)利軟件輸出報(bào)警信號(hào)，直觀地顯示在閥門(mén)健康指數(shù)VHI上：并用紅黃綠3種顏色加以區(qū)分；并加以預(yù)警警報(bào)功能，所有圖標(biāo)指示符合NAMUR NE 107標(biāo)準(zhǔn)。
ValveAware通過(guò)采集簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出閥門(mén)的動(dòng)作頻率、行程位移等，并結(jié)合積累的行業(yè)數(shù)據(jù)專(zhuān)家?guī)欤瑥亩梢杂?jì)算出控制閥的 “健康” 狀況。常見(jiàn)的錯(cuò)誤類(lèi)型包括：填料堵塞、泄漏(涵蓋內(nèi)漏外漏)以及噪聲診斷等都可以輕松涵蓋。
由此可見(jiàn)智能型閥門(mén)定位器對(duì)閥門(mén)的故障診斷是通過(guò)安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體上的附加傳感器來(lái)完成的。定位器獲得了現(xiàn)場(chǎng)的許多原始數(shù)據(jù)，在ValveAware等系統(tǒng)后臺(tái)，可以通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析、運(yùn)算、判斷等處理，結(jié)合邏輯組運(yùn)算建模，從而可以快速辨識(shí)所有的變量，發(fā)現(xiàn)異常情況立即采取應(yīng)急措施并報(bào)警。
GE研發(fā)的在線診斷系統(tǒng)ValveAware，在專(zhuān)利算法的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)近2年在世界各地的部署以及數(shù)據(jù)分析，可以完成常見(jiàn)閥門(mén)故障的檢測(cè)報(bào)告。這些故障包括閥門(mén)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)的摩擦力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)范圍、彈簧剛度及閥座的關(guān)閉力以及響應(yīng)特性測(cè)試等。這樣一來(lái)，使得閥門(mén)的預(yù)防性維護(hù)(Maintenance)轉(zhuǎn)向預(yù)見(jiàn)性維護(hù)(Predictive Diagnostic)，減少了停車(chē)時(shí)間，大大降低生產(chǎn)總運(yùn)行成本，從而提高了生產(chǎn)力并最終給工廠帶來(lái)收益，引領(lǐng)了閥門(mén)診斷行業(yè)的新潮流。
