方原柏1概述生产过程往往要求连续进行，但生产过程所涉及到的设备（包括工艺设备、机械设备、电气设备、仪表及控制系统等）有可能在使用过程中出现故障，使生产过程中断。为了减少过程中断造成的损失，在企业里有专门的一批人从事维修工作。维护工作通常分成三种类别：（1）事后维护（2）预防维护（3）预测维护事后维护，即设备出现故障时才对它进行维修，属被动维护，这种“不出故障就不维修”的维护方式，是最简单也是目前用户采用最多的维护运行手段。带来的问题是：出故障造成的设备停机时间长，损失大；高备件库存成本；高超时劳动力成本。预防性维护通常是一种按计划提前进行的维护工作，他要求在设备损坏之前就进行维护工作，如基于时间的维护计划、基于条件的维护计划等。像某种泵设备运转12个月后就要更换其磨损部件，可看成是基于时间的维护计划；像某冶金炉每隔50炉次就进行维护可看成是基于条件的维护计划。通常他可避免设备出现故障时才对它进行维修所造成的设备停机问题，但按计划维修也会造成设备没有故障也要维修的“过度维修”问题。预测维护他包括设备状态监测、故障诊断、故障预测、维护决策支持和维护活动，属主动维护，也称前瞻性维护，他根据设备状态监测作出故障诊断并针对故障给出：问题描述、预测信息、维修建议。预测维护的优点是：减少事后维护所造成的停运时间长的问题，提高设备可靠性和可用系数，延长设备使用寿命，更好地贯彻“安全第一，预防为主”的方针；克服预防维护的盲目性，具有很强的针对性，根据状态的不同采取不同的处理方法，降低运行检修费用；减少维护工作量，降低劳动强度，有利于减员增效，提高经济效益。表1预测维护技术的优势
事后维护预防维护（基于时间的）预测维护
•65%的维护仅仅只是更换损坏的设备•编制维护周期表•计划和最佳维护
•停止生产过程•寻找备件•维护周期固定•经常是无需维护•也可能在维护周期内出现故障•灵活及最佳•减少不必要的维护•出现故障的可能性降低
•生产时间减少•没有计划保证•生产时间可能减少•高维护修理费用•没有不必要的维护费用•减少非正常停车造成的损失
针对自动化仪表，多个生产厂家陆续推出一些带预测维护功能的智能仪表，本文将选择性地以几个产品为例介绍控制阀门、变送器和pH分析仪的预测维护功能。2控制阀门通过智能型阀门定位器对调节阀故障诊断。定位器内部的微处理器定时采集各种传感器的数据并进行运算、比较、分析、组态，将出现异常的信息以报警信号形式输出。智能型阀门定位器对调节阀的诊断可分为在线诊断、离线诊断。在线诊断包括：行程累积、行程方向改变次数、报警次数、死区自调整、阀门基线位置（比如：阀座的磨损）、最高最低温度下运行小时数、阀门定位时间、执行机构泄漏、噪声诊断等。离线诊断包括：执行机构及气路的密封性、静特性、阶跃过渡及频率响应特性。西门子公司的智能电气阀门定位器SIPARTPS2可提供较多的额外监测功能，状态显示源自故障信号的监测。这使用户在阀门或执行器发生重大故障前能提前检测到，可避免系统因故障停车。通过故障信号的指示，例如执行器隔膜的损坏、动作滞后等，用户可利用适当的维护策略保证系统可靠[1]。3变送器一般来说，通过智能变送器的故障诊断实现预测维护功能，智能变送器的故障诊断功能包括：导压管堵塞功能诊断、压力传感器失效、温度传感器失效、传感器模块内存故障、环境温度超限、压力超限。爱默生过程管理（EmersonProcessManagement）公司推出的3051S变送器采用统计过程监控技术，在过程环境中它可以对异常情况进行检测，他利用高精度的快速采样传感器（每秒20次以上）来测量压力，将压力的细微变化（过程噪声）转化为统计数据，如：平均值、标准差、标准差变化率，以及相互间的比例。这一技术的基本原理是：当设备正常运行时，各个动态过程环节的噪音特性或变化特性如有改变则意味着过程、过程设备、变送器发生或将发生显著变化。例如，在流量测量应用中，如果差压变送器一根或两根引压管发生堵塞，特定流量下的标准差值就会发生显著变化，由此可检测出引压管线堵塞。而以往只有当堵塞一段时间以后，变送器输出始终未随实际流量变化而变时，用户才有可能发现管线堵塞问题。在另外一些具体应用中，还可以检测出湿气体中的液体含量的显著变化及冶金炉内火焰熄火前不稳定的异常现象。4pH分析仪pH分析仪的预测维护功能包括状态监测、故障诊断、故障预测、信息显示和传输等功能。在状态监测的基础上进行故障诊断，他所包含的内容很多，主要有接线自诊断功能，被测溶液自诊断功能、传感器自诊断功能等等。接线自诊断功能主要是相关接线的开路、短路诊断，被测溶液自诊断功能主要是温度、pH值超限诊断，而最重要而且最复杂的是传感器自诊断功能，这项功能的诊断重点有以下四项：玻璃电极阻抗的测定；参比电极阻抗的测定；pH传感器灵敏度的测定；pH传感器响应时间的测定图1为半值恢复时间测定方法示意图，横河公司TM20BG型pH计采用这种方法，图中所示为pH传感器用清洗剂清洗后再放入过程被测溶液进行测试的记录曲线，pH2是清洗剂的pH值，pH1是过程被测溶液的pH值。AB时间段pH传感器用清洗剂清洗，其显示的pH值为pH2；从时间B开始，pH传感器再放入过程被测溶液，此时显示的pH值不断上升，直到显示的pH值稳定在pH1，当显示pH值增加了1/2（pH1-pH2）时所用的时间可称为半值恢复时间t1，我们可预先设定一个时间限制（设定范围0.1~10min），当检测到的半值恢复时间t1超过这个时间限制时，可判断pH传感器反应迟钝。
图1pH传感器半值恢复时间测定示意图5预测信息的显示一般来说，预测信息的显示有两类方式：直接在智能仪表的面板显示及在控制系统操作站显示。5.1在智能仪表的面板显示前面介绍的西门子公司智能电气阀门定位器SIPARTPS2的故障信号按“交通灯”的方式进行分类，用绿色、黄色和红色扳手显示在其操作面板上（见图2）[1]：Ø完好，无维护请求（无扳手）Ø需要维修（绿色扳手）Ø急需维修（黄色扳手）Ø临近故障或故障（红色扳手）
图2智能电气阀门定位器SIPARTPS2上的监测功能。另一个例子是霍尼威尔（Honeywell）公司的APT400系列pH计，在他的LCD显示面板上，除了主显示器和辅助显示器是数字显示外（比如主显示器显示pH值、辅助显示器显示溶液温度值），其余采用的是象形符号，如图3中的1，3个带面部表情的人脸可以分别表示电极的好、中、差三种状态。当进行电极不对称电位、斜率校验时，如显示上面的笑脸，则说明电极状况好（OK）；如显示中间的无表情面孔，则说明电极状况尚可；如显示下面的哭脸，则说明电极状况差，达不到校验的精确度，表示需要更换电极了。
图3带象形符号的显示面板1-电极状况；2-电极校验第三个例子是梅特勒•托利多(Mettler•Toledo)公司近年来推出ISM®（IntelligentSensorManagement，智能传感器管理）系统[2]，在具有ISM功能的pH传感器的上部装有智能芯片，他可存储传感器所有相关参数和传感器诊断及预测维护功能的算法，通过IEEE数字式通讯协议可将pH传感器的制造厂、传感器类型、型号、系列号、订货号和最后一次校验数据传送到M700变送器等设备。M700变送器等设备在监测玻璃电极、参比电极阻抗等参数的同时，可根据这些过程历史数据进行诊断并给出预测维护的数据。上述所有检测、诊断、预测数据可以在M700变送器显示面板上显示，该显示面板采用LC显示器，分辨率为240×160。图4所示为在该面板上显示的传感器寿命显示画面，这样的画面已经是与计算机显示画面接近的显示内容详尽的画面。在传感器寿命显示方框的下方，第一行显示的是传感器寿命棒状图，这个棒状图可以形象地看到传感器寿命大致还有5/6；第二行显示的是传感器已工作时间（预计300天的寿命已经使用了48天）；当棒状图黑色部分填满时或工作时间达到300天时，表示pH传感器寿命已到，应予更换；第4行中的CIP、第5行中的SIP分别表示在线清洗、在线灭菌，是医药、食品行业批量生产中加热过程的两个术语，由于CIP/SIP循环经历时间较长，且每一循环要承受一段时间高温消毒或灭菌，对电极寿命影响较大，所以通常不允许超过预先规定的循环次数（如本例中规定的10次），系统可实现对CIP/SIP循环次数的自动计数[2]。
图4ISM系统的传感器寿命显示画面5.2在控制系统操作站显示智能仪表还可以通过HART、FF等通信协议将统计参数传输到控制系统。使用这些统计参数，系统可以检测或显示过程环境下的变化。如果发生过程异常情况，系统将检查这些数值，作出预测维护诊断，系统将把这些数值及诊断结果送控制系统操作站显示。西门子公司Siwarex称重系统实际上是一套全集成在Simatic控制系统的数字化称重解决方案，他突破了通讯和系统结构的限制，在系统测量精度、控制速度、施工周期、长期维护量等方面与采用常规仪表方式相比体现出了巨大的技术优势。由于称重系统相对结构比较复杂，维护量比较大，而西门子这种基于Simatic的称重解决方案，是一种满足减少成本、简化称重系统结构且能提高称重系统整体性能新要求的解决方案。Siwarex系统通过事件记录功能来实时记录称重的进程和状态，并且对于不正常的事件进行分析，同时诊断缓冲器将会记录保存最后的100条诊断信息。通过对称重传感器和电缆的关键性参数进行长期的连续的监控，我们可以得到关于称重系统的预诊断信息（如图5），以避免设备停车故障，减少了维护维修成本[1]。
图5Siwarex配套的软件可查询秤的各种运行状态及参数爱默生过程管理公司的AMS智能设备管理系统中设置了电子巡检功能，每隔五分钟对现场仪表的状态进行检查，发现故障直接可以在报警列表中显示，提示工人需要对现场进行维护。电子巡检与传统的人工巡检形成互补（人工巡检检查设备及管线跑冒滴漏，而电子巡检检查设备内部故障及组态的状态更改）。图6AMS智能设备管理系统的报警列表当现场仪表出现故障后，5分钟之内显示在AMS智能设备管理系统的报警列表中（见图6），以声光方式提示维护人员，维护人员可以根据报警列表的提示信息及时进行现场维护。缩短了故障存在的时间。采用增强型的EDDL（电子设备描述语言）可以用来显示丰富的过程数据诊断信息，如图7所示，压力变送器的引压管堵塞就可以在操作过程中显示其诊断信息[3]。图7压力变送器的引压管堵塞的诊断信息6改造实例有的朋友可能要说：带预测功能的智能仪表虽然好，但我们用的都是普通仪表，如何让他也有预测功能？换新的智能仪表当然是一个办法，但在某些情况下，改造或许也行，这里就举一个例子：沙钢集团冷却装置有8台水箱，水箱调节阀控制器为FISHER公司早期产品DVC6020HC定位器，由于电气转换器失控以及定位精度不理想造成水箱流量控制不稳定等问题，调节阀控制性能不能很好地满足工艺要求，虽多次修改、优化控制程序都效果不佳。2008年进行改造，将原有调节阀上的电气转换器(见图8左)全部换成带HART通讯协议的智能定位器FIELDVUEDVC6010PD（见图8右），增加了阀门在线性能监控系统，可以在阀门出现问题而未影响到工艺操作之前发现并问题，从而实现预测维护功能。图8改造前后的水箱调节阀但由于目前使用的系统不支持HART通讯协议，因此采用HART多路转换器来读取/传送HART信息，将装置16台阀门连到ValveLink工作站，由ValveLink软件对阀门实现带预测维护功能的在线管理（见图9）[4]。图9控制系统改造示意图
