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阀门4.0: 数字化控制+分析时代

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发表于 2021-9-29 10:21:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
想象一下,当调节阀性能不佳或预测到将要发生故障时,您的手机会收到通知,或是随时能够打开显示所有调节阀和仪表健康状况的控制面板;或者聘请调节阀专家协助您监控工厂阀门,并定期发送全厂阀门健康报告,并建议您哪些阀门需要检修以及应该如何处理。然后增强现实(AR)或RFID引导你找到阀门的位置,阀门专家与您远程连线,通过实时视频通话指导你一步一步地解决问题。

这就是数字化转型和工业4.0对调节阀的愿景。当然,大家都可以罗列出一大堆相关的技术名词。但是让我们详细看看现有的解决方案。设计、安装或维护不当的调节阀将影响设备利用率、产品质量和能源效率。那么,调节阀管理的数字化改造的理想方式是什么?


阀门的预测性分析

就像泵和压缩机一样,阀门是机械设备,因此容易磨损。现场调节阀出现问题时可能是选型问题、安装问题和维护问题。由于阀门是机械安装在管线上的,因此阀门下线维修既费时又费钱。这就意味着在线阀门检修可以节省宝贵的时间和经济成本。因此,阀门性能和状态监测非常有必要,可以提前预测可能出现的问题。对于泵、压缩机和其他机械设备,需要安装许多传感器以采集数据,并将数据传送至运行设备分析软件的服务器来进行监测。而对于阀门来说在线监测就容易得多了。

行程偏差就是监测调节阀问题的一个有用的标识(症状)。行程偏差意味着阀门(阀杆)不在控制器要求的位置(阀门的设定值)。行程偏差是指阀门开度不正确,可能由于调压器设定压力低、气源过滤器堵塞、摩擦力或卡涩导致。不正确的阀门开度会导致流量或压力无法满足工艺流程要求。

行程偏差丨是监测调节阀问题的一个有用的指示

阀门状态分析不必在上下游安装压力传感器、在线流量计,或者使用通用数据分析与机器学习技术来构建分析模型以检测行程偏差造成的潜在问题,或使用近十年的历史数据来建立人工智能算法。而且,分析可能不像它最初出现时那么直接,因此,如果通用数据分析没有采用机器学习,没有建立在一个足够大的数据库基础上,那么问题就可能没有被发现或出现误报,它可能只检测行程偏差,而不检测其他故障,并且不会查明原因。也就是说,其他案例中使用的方法可能不适合调节阀。此外,你需要比“行程偏差”更细致的诊断,还希望能够预测其他的阀门失效模式,还有机器学习和人工智能的案例。

其实进行调节阀分析的更好方法是使用数字阀门定位器,该定位器内置了位置反馈和其他众多类型的传感器,以及嵌入式阀门分析诊断软件,无需在通用数据分析软件中重新创建阀门诊断模块。

新型数字阀门定位器内置众多传感器,可以自动收集预测阀门分析所需的原始数据,不需要额外的外部传感器。内置的传感器可以采集以下数据:
•   阀杆位置
•   供气压力
•   输出气压
•   温度
•   内部气动放大器位置

阀门分析要能够进行在线诊断,即在过程控制中对阀门进行非侵入式的连续诊断,且不影响整个工艺流程的正常运行。重点在于调节阀一直在移动中,通过持续监测这些运动,软件可以诊断阀门健康和性能,没必要一定进行全行程测试。大量的传感器使预测和精确的分析成为可能,原始数据首先被输入到嵌入在数字阀门定位器中的内置模块中。由于传感器内置在定位器中,数据更新可以跟上调节阀的快速运动;数字阀门定位器的在线分析表现更好的另一原因是这其实就是类似边缘计算的情况。在线阀门诊断可以检查故障包括:
•   行程偏差
•   供气压力(调压阀、过滤器)
•   执行机构压力不平衡
•   漏气(管接头、管道、执行机构)
•   阀门摩擦/死区(填料蚀薄)   
•   小幅震荡(增益)


描述性分析和说明性分析软件

阀门诊断不仅仅是检测“异常”,还可以区分故障模式(描述性分析),指出可能的原因,并提供推荐的操作(说明性分析)。

阀门分析结果显示在专门的阀门分析诊断应用软件中,该软件的用户界面由阀门工程师设计,并且多年来根据用户的反馈不断优化该软件非常简便易用,使用者无需具备高深的数据分析能力,一般工程师也可以很快上手。


例如,如果摩擦力增加导致阀门出现动作卡涩或者窜动现象,数字阀门定位器会检测到这个问题。同样,如果阀门响应时间开始变慢,则会触发行程偏差警报。查看实际的阀位趋势,您可以看到阀门出现小幅振荡。你可以从频率来判断它是由数字阀门定位器增益还是控制系统增益导致。数字阀门定位器循环计数器也有助于小幅震荡检测。

您可以进行更加深入的阀门健康分析,这个功能需在工艺管线非运行的状态下,比如装置关闭时进行。

不要以为把阀门诊断软件安装在中央控制室或者维修车间后就万事大吉了。如果你所在的工厂把阀门诊断软件部署在工厂网络3.5层架构中,你可以方便地从办公桌上的电脑对其进行访问。如果软件只能在特定房间或办公楼的专用工作站访问分析,那么软件被使用的机会就会越来越少。

综上所述,数字阀门定位器是阀门控制和分析的重要组件。

数字化转型的第二通道

得益于数字阀门定位器的发展,调节阀已全面仪表化了。每个阀上有5个传感器。这些传感器连续监视阀门工作时的运动状态、压力变化和环境温度。一天之内,每个阀门生成的数据大约是30 MB。借助在线分析功能,您无需存储所有数据。


一个阀门丨每天的数据量约为30 MB

阀门分析诊断数据是通过“第二通道”从数字阀门定位器传输到阀门分析软件中。这个通道并不是单独的传输线路,而是与阀门控制信号(控制器输出)共用线路。如果系统以4-20 mA作为主通道,则第二个通道是采用HART通信协议,也可以通过WirelessHART进行无线传输。如果系统基于FOUNDATION现场总线,则主通道和第二通道均为现场总线。主通道进行阀门控制设定和反馈,第二通道进行组态和诊断。同样,未来的Ethernet-APL也将使用采用类似方式进行实时阀门设定值监测和位置反馈,使用主从模式进行诊断、组态/设置、校准等。
通道
14
4-20mA/
HART
FOUNDATION
现场总线
Ethernet-
APL
主通道
实时阀门设定值监测、
位置反馈
4-20mA
Pub/Sub
Pub/Sub
第二通道
诊断、配置/设置、
校准、内部变量和标识
HART,
WireHART
Client/
Server
Client/
Server


HART通信协议

一些老系统在的 AO卡中不支持HART协议。在这种情况下,您既可以使用HART多路转换器 (MUX) 将HART通信接入阀门分析软件,也可以在每个调节阀上安装WirelessHART适配器。第二种选择通常更容易,但是要求工厂已经建立了基于WirelessHART的无线网络,目前很多工厂都是这么做的。较早的控制系统可能还需要在AO卡上安装HART输出滤波器(阻抗),以使HART信号不受AO卡的影响。与数据选择器MUX一起使用的安全栅必须支持HART通信协议。最后,为了确保4-20 mA接线无噪音,请按照HART指南进行安装。

位置反馈

在进行阀门分析时,请勿假定阀门的实际位置与阀门的设定值(来自控制系统的输出)相同。有许多问题会导致行程偏差。因此,来自调节阀的实际位置反馈就显得尤为重要。确保使用带有内置位置反馈的阀门定位器,或者使用单独的位置变送器,大多数数字阀门定位器具有内置的位置反馈单元。通过现场总线通信的数字阀门定位器读取位置反馈很容易,因为阀位反馈已经存在于数字通讯模块中,您也可以直接读取实际阀门位置反馈。

运行中的阀门和仪表管理

当您离开办公室,在厂区、车间、仪器室或在家工作,又希望能够了解设备健康状况时,你可以在手机或平板电脑上使用HTML5网络用户界面的移动智能设备管理(IDM)应用程序上查看阀门和仪表的健康状况。

注:这是仪表工程师和技术人员专用的仪表盘。这种仪表盘不同于先前文章中所述的针对整个工厂KPI的高级操作仪表盘。

从仪表盘上,你可以查看更高级别的详细信息;设备列表、每个设备中的问题列表,最后是每个问题的诊断和建议操作。

移动通知
您无需一直坐在电脑前盯着设备。如果分析预测的阀门有问题,系统会向您的手机或平板电脑等移动设备发送通知,提醒您注意。通知只会发给您指定的相关人员,而不是每个人,收到通知的人员可以着手进行故障排查。


数字化报告
如果需要,你可以在移动设备上打开应用程序,从下拉列表中选择标签、设置优先级、输入短消息并附上照片和说明文字,信息会自动发送给负责人。这样可以节省时间并推动持续改进,由于信息是数字化的,因此也可以被记录和搜索,实现工作流程的数字化。


基于工业物联网的远程专家服务
如果您没有足够的时间或阀门专家在现场进行阀门诊断,艾默生可以为您提供基于工业物联网的远程专家服务。这意味着由数字阀门定位器收集的阀门数据可以发送给艾默生的阀门专家组进行分析。远程的阀门专家会每月/季度发送分析报告,总结阀门和工厂的健康状况,并列出需要注意的阀门,包括说明(描述性分析)和建议(说明性分析)。


通过RFID实现的工业标识
在已建成工厂,特别是老旧工厂的众多阀门中找到特定的调节阀是很困难的,许多阀门的标牌可能已经脱落、损坏,或者已经被油漆覆盖以至于无法读取。而且,在对阀门进行操作之前,您需要确保这台发就是要进行操作的那一个。目前有两种新的方法来进行定位,一种是射频识别(RFID)标签,使用RFID读取器扫描周围环境,然后通过平板电脑上的应用程序,在弹出的附近阀门标签列表中选取你寻找的那台阀门标签。当你再次扫描并靠近这台阀门时,信号强度条会告诉你那一台是你寻找的调节阀。即使标牌丢失、铭牌油漆遮挡也能确认其身份。这大大节省了时间,你可以放心操作这台阀门,因为RFID标签存有阀门数据,平板电脑甚至不需要连接网络就可以显示数据。


远程协助
当你需要艾默生专家协助解决阀门问题,但时间紧迫等不及专家出差到达现场时,如果已建立了全厂无线网络,你可以使用头盔式显示设备,其内置了摄像机和显示器。你拨通一个指定的视频直播电话与阀门专家连线,查看现场并寻找问题之所在。阀门专家指导你一步一步地解决问题,还可以在头盔显示器上共享文档,以确保问题得到快速解决。


增强现实(AR)
另一种快速找到设备的方法是使用增强现实技术(AR),AR是运行在移动设备上的应用程序,就像手机或平板电脑一样,该移动设备需要进行网络连接来处理数据;因此具备全厂无线网络效果最好。你在AR中选择阀门标签,它会给你指出前往阀门的路线 - 有点像电子游戏,这就是标准操作程序的数字化转型。


AR应用程序还会显示阀门主要信息—阀门状态、实际阀位、预测性和预防性诊断,甚至可以引导您找到它所连接的接线盒,所有这些都可以通过轻触屏幕来实现,您无需一直用对讲机和中控室沟通确定阀门的位置就可以自助获取信息,而不必打扰任何人。AR应用程序通过无线方式从控制系统和分析软件上获取阀门位置和诊断信息,而不是直接从阀门定位器上读取。


ERP/CMMS集成
一旦分析预测了阀门出现问题,就必须及时采取措施来解决问题。因此,向CMMS/ERP系统发出工单,维护计划人员通过CMMS/ERP web浏览器界面接受并发布到负责现场的技术员在他们的平板电脑上接收的工作指令。完成工作后,技术人员关闭平板上的工作指令,这就是新的数字化工作方式:新的数字化标准操作程序(SOPs)。因此,第3级(L3)的预测设备分析必须连接到企业架构ISA95/Purdue参考模型第4级(L4)的CMMS或ERP系统。


没有必要合并IT和I&C (OT)部门来实现分析与CMMS/ERP的集成,只需进行部门合作即可。当数字运营基础设施(DOI)和ERP之间的集成是通过一个标准的现成软件而不是通过定制编程来实现时,这就变得更容易了。

NAMUR开放架构(NOA)
随着工厂数字化转型的实践,保持现有DCS核心过程控制的稳健性和安全性是非常重要的。仪表和控制(I&C)工程师通过部署用于监控和优化的新数字操作基础设施(DOI)来实现这一目标,作为DCS侧的独立第二层自动化。也就是说,DCS和DOI是两个独立的系统,但是使用开放接口连接,以基于工业4.0的NAMUR开放体系结构(NOA)交换信息。NOA不定义DCS或DOI中的组件,而是定义DCS和DOI之间的接口。DCS-DOI接口主要基于OPC-UA进行请求和数据方向控制验证。例如,主IDM可以被集成为DCS的一部分,可以从这些功能齐全的客户端更改设备配置,而IDM的DOI端可以是基于web的只读客户端,用于诊断,不允许更改设备配置。大多数阀门和仪表诊断,特别是预测性诊断,DCS操作人说是不感兴趣的,这些信息必须传达给那些能够采取相应措施的工作人员。NOA包括第二个通道接口,用于通过HART、FF现场总线H1或PROFIBUS-PA通信进行仪表和阀门诊断。未来这些仪器将使用Ethernet-APL。第二个通道使用相应的HART-IP、FF-HSE和PROFINET-IO,使EDDL文件可以完全访问现场仪表中的所有信息。


阀门数字化
第四次工业革命(4IR)意味着工作方式和自控方式走向数字化。阀门数字化的结果是提高了设备可利用率、控制回路性能、产品质量和能源效率。从升级机械定位器到数字阀门定位器开始,获得专用的阀门分析软件,您的仪控工程师可以与自动化供应商合作完成这项工作。如何将阀门定位器数字化集成,这是系统工程师的专长。如果还没有与DCS进行数字集成,无线适配器可能是很好的替代方法。不必同时升级所有定位器,只需要从关键的调节阀开始。工厂的工程师知道问题出在哪里,什么时候可以升级,从哪里开始升级。

当选择数字阀门定位器时,请确保选择提供位置反馈的型号,可以是4-20mA或数字现场总线,以及所需的诊断,如摩擦和死区。这还应包括带有本地PLC的成套装置上的阀门,而不仅仅是那些连接到主控制系统的阀门。

将本文转发给你的仪控经理,并安排与阀门供应商会面。请记住,一定要索取产品数据表,以确保产品是经过验证的,并密切注意其中的软件屏幕截图,看看它是否需要采用昂贵的定制化方案。
来源:艾默生自动化解决方案

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发表于 2021-9-29 10:45:08 | 显示全部楼层
感谢楼主的分享!
 楼主| 发表于 2021-9-29 11:24:34 | 显示全部楼层
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