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基于DCS系统的差异报警原理的变送器类仪表早期故障诊断
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基于DCS系统的差异报警原理的变送器类仪表早期故障诊断

时间:2020-03-19 16:50:48

摘 要:介绍基于测量差异报警原理,由DCS系统实现的对于变送器仪表的早期故障诊断和报警功能。wlG压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 1  引言wlG压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

         根据统计,工厂企业中约90%控制系统故障都是由现场仪表故障导致的,仪表故障中相当一部分仪表故障的产生是渐变的过程,其中一部分可以通过各种仪表早期诊断措施及时发现,避免故障影响的扩大。例如压力测量仪表的引压管堵塞、膜片腐蚀、泄露;浮筒/浮球型液位仪表因工艺介质结晶、堵塞、挂料造成浮球卡滞;介质密度变化、分层引起差压液位计测量不准。基于先进中控系统CCS和变送器仪表的差异报警就是一种仪表早期故障监测手段。可有效降低因仪表故障导致生产停车的风险,提高生产的自动化程度和安全性。
 
2  基于 DCS 系统的差异报警功能的基本原理和实施条件
工业生产装置的中控系统CCS通常由执行工艺流程控制的PCS系统和执行设备保护的SIS(包括PSD和ESD)系统组成。根据 IEC 61511等相关规范,主要生产设备的重要参数的监控需要分别为PCS和SIS系统设置好立的测量仪表。石油化工行业中很常见的设备——生产分离器设备如图1所示,设计阶段按照相关标准规范为该设备的气相压力、油水界面液位、油相液位的测量分别配备了冗余的智能变送仪表,分别由生产控制系统(PCS)和应急关断系统(ESD)进行监控。当同一测量点的两个变送器测量值的差异超出一定偏差范围,可以判定其中一台仪表的功能异常或即将出现故障,进而在系统操作站进行报警提示和记录,提醒生产人员及时进行人工干预并适时安排对可能存在问题的现场仪表的检查和维修。
分离器上的差异报警仪表示意图差异报警操作界 面示意图
以上系统配置和功能描述即是应用差异报警功能(或称之为偏差报警)实现仪表早期故障诊断的基本原理。
 
3  相关标准规范和推荐做法
国外IEC/ISA/EEMUA等组织机构关于报警管理方面的相关规范中给出了仪表差异报警的术语定义‘Deviation Alarm’,并将其类型属于仪表诊断报警(Instrument Diagnostic Alarm)。但是,相关标准规范并未针对差异报警进一步应用给出具体而详细的指导,国内期刊文摘对此方面的介绍也非常少。IEC62628/ISA18.02/EEMUA191等国外相关规范介绍了报警系统模型、报警管理策略、报警定义/分类/分级/优化设计、HMI设计的基本原则等。对基于中控系统和变送器仪表的差异报警原理,以实现仪表故障诊断和早期报警功能的设计和应用,有一定指导和借鉴作用。
 
4  差异报警功能设计基本原则
差异报警程序的功能和人机界面的设计应遵循相关规范,并尽量与中控系统厂家的报警策略、操作界面风格相一致(推荐的差异报警操作界面如图2所示)。在不违背相关规范或规定的前提下,差异报警的功能应满足下面的基本要求。
 
4.1 差异报警报警级别的确定
报警级别的确定通常考虑两个方面:报警信息处理的急迫性和报警处理不及时所导致的风险的严重程度。
(1)急迫性
如报警产生,在出现潜在性危害情况之前操作人员需采取行动的以应对报警的可急迫性分为Immediate立即行动(<3min);Prompt迅速反应(3~15min之间);Soon尽快处理(>15min)。
 
(2)风险严重程度
如果不能对报警做出有效处理,则潜在危害后果可分为:危险、大、中等、小这4种情况。根据EEMUA191、ISA-18.02等规范中的推荐做法,综合考虑上述这两个因素后,可将报警划分为4个级别:高危(临界)、高、中、低(如表1所示)。差异报警作为一种仪表早期故障诊断措施,通常归属于低级别或中等级别报警。在具体实施过程可参照EEMUA191 Appendix5推荐的方法,将每个差异报警进行定级。
 
4.2 差异报警的测量/对比区间设定
需要做差异报警的仪表,在选型和设计过程中应尽量使相关仪表的量程范围一致,并以非常大限度的重合的测量区间作为差异报警的对比区间。如确定的差异报警级别为较低报警级别,为避免特殊工况下(如开车、停车过程或其他不稳定的工况)可能产生过多的报警对操作人员造成干扰,也可以PCS系统变送器仪表的高~低报警值(HA~LA)之间测量范围作为2台仪表差异报警的对比区间。
 
4.3 差异报警精度(偏差值)的设定
应综合考虑仪表测量原理、仪表精度、安装条件、报警级别和被测介质特性等因素,合理选择差异报警的精度(偏差值)。偏差值设定过高会影响差异报警作为仪表故障早期诊断的作用;偏差值设定过低,容易产生过多不必要的报警,对操作员造成干扰。
 
偏差报警设定精度应可以在操作界面直接调整(参照EEMUA191关于仪表测量死区的相关规定,推荐以差异对比区间的3%作为压力和温度仪表的差异报警设定值,以差异对比区间的6%作为液位仪表的差异报警设定值)。
 
4.4 差异报警程序的数据采集、计算、显示更新频率
过高的数据采样频率会增大中控系统负荷,并可能产生重复报警。因此,参照EEMUA191中对“时间过滤”参数(Filter Time)相关规定,推荐以2~3s作为差异报警程序的数据采集、计算、显示更新频率(备注:Filtering/Low Pass Filtering是EEMUA191中推荐的一种用于处理‘repeating andfleeting alarm’的方法)。
 
4.5 人机界面的设计和功能要求
应设置专用操作界面作为仪表差异报警人机界面(HMI),用于集中、分类显示做差异对比的仪表(同种类型仪表尽量放置一起),人机操作界面和功能的设计应考虑以下几个主要方面(见图2):
(1)显示列至少包括仪表实测值,偏差报警设定精度,实际偏差值、单组仪表差异报警功能的“使能”(Enable/Disable)按钮(Disable操作应在系统中进行记录)。
(2)需设计有“全部差异报警功能Enable/Disable”按钮。
(3)差异报警计算、显示所需的数据应当直接引自实时数据库。调整单个仪表的高/低设定值,不影响差异报警功能的实现。
(4)可以快捷的链接到某组仪表相关的工艺操作界面(例如:双击仪表位号)。
(5)如多个差异报警被定义为不同的报警级别,应对其报警级别进行明确标识。
 
5  应用
自2013年开始,在我国海洋石油领域多处海上生产设施开始应用基于DCS系统的差异报警原理的变送器类仪表早期故障诊断技术,涵盖了艾默生、霍尼韦尔、罗克韦尔、AB等国际著名控制系统产品,生产现场反馈应用效果良好。
 
6  小结
基于先进DCS系统的差异报警作为智能变送器类仪表的一种早期故障诊断手段,具有实施简单、效果显著的特点。可检测到变送器类现场仪表的部分早期故障状态,有效降低因仪表故障导致生产停车的风险,提高生产的自动化程度和安全性,在石油化工制药等行业具有广泛的应用前景。

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