藉助儀錶的高級診斷功能降低生產安全隱患

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摘 要：本文通過分析智能型壓力變送器自帶的過程診斷功能，描述了如何對測量點周邊工藝情況進行實時監測，並在出現可能導致安全事故的隱患風險時，通過讀取儀錶的報警信號而準確定位並進行有效處置，從而提高全廠生產安全等級。

關鍵詞：壓力變送器;堵塞診斷;SPM;生產安全;標準方差

0 引言

智能型壓力變送器是當今過程工業生產活動中最普遍，也是最常用的測量儀錶。它將所測量介質的壓力、差壓等物理信號轉化成為可被控制系統識別和處理的4 ～ 20mAHART 等標準電流信號或FF、Profibus 等數字匯流排信號。這些測量數據經過控制系統的計算和處理後，有的被用作過程變數監控，有的被用作工藝計量，還有的被用作終端執行器的控制依據[1]。伴隨著科技進步，智能型壓力變送器的產品升級也在不斷的發展。同時，使用者對變送器的要求也越來越高，主要表現在對變送器精度和長期穩定性等基本要求的提升，以及對變送器的高級診斷功能的要求上。本文將主要針對壓力變送器的高級過程診斷功能展開討論，對這些功能在實際生產活動中有效降低安全隱患的能力加以論證。

1 什麼是壓力變送器的診斷功能

現今工業測量領域中所使用的壓力變送器的診斷功能主要包含3 方面的內容：

1)固有的自我診斷;2)電源迴路診斷;3)先進的過程診斷。

這些診斷信息都是通過內置於壓力變送器內部的感測元件實現監測，並在變送器運算處理單元中進行信號處理，並對其含義進行判斷，最終根據判斷結果以及預先給出的組態信息進行輸出或顯示的。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：

感測器診斷：通過持續監測判斷感測器是否存在故障，或判斷感測器與電子線路板是否匹配。

測量範圍診斷：通過比對實際過程壓力/ 差壓讀數和組態量程範圍的大小關係，判斷壓力變送器的輸出信號是否準確反映了過程值。

電子裝置診斷：當壓力變送器的感測器與電子線路板之間的接線斷路，或電子線路板發生故障時，提示操作員發生故障的原因。

工作溫度診斷：監測感測器及電子線路板是否處在正常工作的允許溫度範圍內。

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，感測器參數警告診斷等[2]。

3電源迴路診斷

通常情況下，每台壓力變送器都需要一定的的供電電壓才能正常工作。通訊迴路中往往需要電阻值達到250Ω，並在具有特殊安全要求的場合加裝防雷柵來保證安全。在實際的應用工況中，單台壓力變送器的供電/ 信號傳輸電纜長度往往達到甚至超過500m，這些電纜及其橋架有時直接布置在現場潮濕、腐蝕、甚至可能受到物理損傷的位置。

另一方面，由於壓力變送器多數工作在露天環境中，雨水或空氣中的凝結水常常會順著導線管流入變送器的接線腔室中，造成接線端子水浸或者鏽蝕。以上這些情況均有可能導致迴路電阻異常，進而使得壓力變送器輸出的電流信號失真。圖1 就是對這種情況的描述。

圖1 迴路中的泄漏電流可能導致嚴重的讀數偏差

Fig.1 Leakage current in the circuit may cause serious reading deviation

如圖1 中所示，壓力變送器的電源迴路中出現了由額外並聯電阻造成的泄露電流，這個額外的電流信號而導致系統的接收值(18mA)和變送器的輸出值(15mA)不同。此時，若根據該錯誤信息採取控制動作，則有可能引發事故。

此外，迴路中的意外的電氣負載增加也可導致迴路電壓不穩。由腐蝕、電源不穩或人為接線錯誤所導致的接線迴路電阻增加，可能會使變送器沒有足夠的電壓將迴路驅動到合適的毫安值，甚至警報狀態。圖2 所示便是這種情況。

圖2 額外迴路電阻改變變送器的輸出電流

Fig.2 Additional circuit resistance changing the transmitter output current

隨著過程壓力的升高，變送器的輸出電流信號卻無法突破16mA。此時如果過程壓力值繼續升高到臨界值，而變送器卻無法給出報警信號，則極有可能危害生產安全。

針對上述兩種情況，電源迴路診斷功能將在迴路變化時發送一個報警信息給上位機，供操作人員讀取，同時在現場表頭也會顯示相應的報警信號。一般情況下，報警的模式可根據實際需要進行設置。例如，當儀錶的接線端子出現浸水現象時，變送器的模擬量輸出可以選擇保持真實測量值，或者直接輸出21.75 mA 的報警值。

4先進的過程診斷

不同於傳統壓力變送器僅對自身「健康」狀況的診斷，新一代智能型壓力變送器還具有先進的過程診斷功能。其作用在於，提前預知各種可能威脅生產安全，或變送器自身安全的外部事件，並及時發出警報。在實際的工業生產現場，裝置或管線內的壓力通常經由引壓管傳導到壓力變送器。而過程流體中的固體雜質、低溫環境所造成的凍結、工藝介質結垢等情況的發生，往往會造成引壓管堵塞。這種堵塞的發生，會使得堵塞點到壓力變送器膜片之間的引壓管路中形成「憋壓」，進而導致壓力變送器的測量讀數保持不變，從而無法準確測量工藝裝置或管道中的真實壓力值。此時，如果裝置壓力達到危險值，而壓力變送器將無法「通知」控制系統或閥門採取必要動作，進而引發事故。

先進的過程診斷功能可以很好的解決這一問題。其原理是，通過連續監測並計算壓力雜訊的標準方差，使之轉換為可供讀取和分析的智能信息，從而及時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態過程監控(Statistical Process Monitoring)。得益於現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確度都得到了極大提升。

圖3 通過先進的過程診斷功能發現隱藏的過程問題

Fig.3 Through advanced process diagnosis function found hidden problems

由圖3 可以看出，位於最下方圖3 c)的信號模擬曲線表示了壓力變送器的感測器所偵測到的過程雜訊的波動值。這個波動值分為正常、雜訊、安靜3 個階段，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。與之相對應的圖3 a)是這3 種工況下過程雜訊信號的標準方差變化曲線。可以看到，當引壓管發生堵塞或泄漏時，過程雜訊的標準方差將偏離正常值，而此時變送器的輸出壓力信號始終保持不變，圖3 b)。

表1 展示了某台壓力變送器在引壓管堵塞前後的一個採樣周期內的壓力數值，其中，變送器輸出的主變數壓力值均為49.99kPa，即壓力採樣值的平均值，因此很難從輸出信號上判斷出堵塞的出現。但是，兩次測量周期內的標準方差值發生了較大變化，工程人員可以藉此來判斷引壓管堵塞的出現。

在實際應用中，工程人員可以為壓力變送器設置標準方差的上限和下限值，以便幫助壓力變送器判斷何時應當輸出報警信號。

表1 堵塞前後某壓力變送器輸出值及其標準方差，單位：kPa

Table 1 Block before and after a pressure transmitter output value and its standard variance, unit: kPa

5SPM 在實際安全生產中的意義

SPM 檢測在實際的生產實踐中，對提高生產安全性具有重要的意義。這種檢測功能可以在以下幾個方面發揮作用：

5.1 堵塞監測

如前所述，當壓力/ 差壓變送器的引壓管路存在堵塞風險，且該測點用於連鎖控制或安全監控時，SPM 功能可以有效的發揮作用。在下面的案例中，差壓變送器高壓側的引壓管發生堵塞時，該變送器探知到的雜訊方差發生偏離，達到警報級別後，變送器的表頭顯示報警信息，同時輸出一個報警信號給上位機，如圖4。

圖4 差壓變送器引壓管堵塞前後方差變化

Fig.4 Differential pressure transmitter variance changes before and after the pressure pipe blockage

5.2 葉輪斷裂

在進行儲罐液位測量時，安裝於罐底的壓力變送器可以通過SPM 功能探知儲罐中攪拌葉片的缺損。例如，下圖中所示儲罐的三葉攪拌片中的一片斷裂後，儘管儲罐靜壓/液位並未發生明顯改變，但具有SPM 功能的壓力變送器所監測到的雜訊方差發生了變化，根據此變化，操作人員可以準確定位發生故障的位置，並及時作出處理。

圖5 當發生葉輪斷裂時，壓力變送器將輸出報警信號

Fig. 5 When the impeller fracture, pressure transmitter output alarm signal

5.3 噴火器堵塞

燃燒爐有時會發生噴火點堵塞的故障，聚集在堵塞點下方的燃料氣會形成憋壓，一旦累計的壓力達到一定程度，燃料氣會一次性突破堵塞點進入爐膛。突然增多的可燃氣體有可能導致爐膛爆炸而發生嚴重事故。監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，對上述事故作出提前預警。

6結束語

隨著現代化過程工業生產中工藝水平的不斷優化，更大、更新的生產裝置的陸續上馬，工廠對生產安全的要求也越來越高。生產運營和維保人員迫切的需要穩定可靠的檢測手段來嚴密監控整個工廠的生產過程[3,4]。在傳統的自身狀況監測以外，壓力變送器的電源迴路監測和過程監測功能，使之不但可以作為工藝壓力測量的進本儀錶，更可以為生產安全提供重要而準確的判定依據工作在生產一線。

現今越來越多的壓力變送器生產廠家著力研發壓力變送器的高級診斷功能，以期迎合市場需求，同時也直接或間接的推動了儀錶行業的技術進步與革新。未來以壓力變送器為首的測量儀錶行業，在製造方，使用方甚至檢定機構的共同推動下，必將迎來更多更先進的技術變革，並將由此也引發過程工業現代化的重要革命。

參考文獻

【1】楊斌, 田園. 淺談壓力變送器的故障診斷[J]. 現代製造技術與裝備, 2013.

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

【4】張惠榮. 熱工儀錶及其維護[M]. 北京：冶金出版社, 2005.

作者簡介

王洋(1983-)，男，甘肅人，碩士，艾默生過程式控制制有限公司 測量儀錶部 工程師，研究方向：過程自動化，測量儀錶。

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