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摘 要： 摘 要: 對紅磷分公司在線運行的自動化儀表進行了調(diào)查分析，并結(jié)合現(xiàn)代自動化儀表的技術(shù)特點與紅磷分公司的實際情況，對儀表的選型/安裝/維護、工藝專業(yè)對儀表的影響和促進作用以及如何做好自動化儀表維護等方面進行了探討。針對各類儀表的實際情況，提出了對核心儀表、
摘 要: 對紅磷分公司在線運行的自動化儀表進行了調(diào)查分析，并結(jié)合現(xiàn)代自動化儀表的技術(shù)特點與紅磷分公司的實際情況，對儀表的選型/安裝/維護、工藝專業(yè)對儀表的影響和促進作用以及如何做好自動化儀表維護等方面進行了探討。針對各類儀表的實際情況，提出了對核心儀表、關(guān)鍵儀表采用以可靠性為中心的主動性維護，而對一般性儀表則采用事后維護的優(yōu)化方式。這些方式在實踐中取得了良好的維護效果。
關(guān)鍵詞: 智能儀表 儀表選型 儀表安裝 儀表維護 DSP
0 引言
云南云天化國際化工股份有限公司紅磷分公司是目前具有年產(chǎn) 117 萬 t 硫酸、39 萬 t 磷酸、8 萬 t 合成氨、45 萬 t 磷銨及 30 萬 t 復合肥生產(chǎn)能力的磷復肥企業(yè)。多年來紅磷分公司緊跟自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢，選用先進的自動化儀表及系統(tǒng)，為生產(chǎn)自動化及信息化奠定了堅實的基礎(chǔ)。
目前，公司形成了以合成氨、硫酸為代表的長周期運行，以磷酸、磷銨為代表的周期性清堵、檢修的生產(chǎn)裝置，數(shù)千臺儀表以網(wǎng)狀、節(jié)點的形式遍布于生產(chǎn)的各個角落，把生產(chǎn)數(shù)據(jù)測量轉(zhuǎn)換后匯集于以 PC 為平臺的操作控制及信息層面上。目前公司生產(chǎn)信息化已初步實現(xiàn)。
自動化儀表在公司生產(chǎn)中的作用越來越重要且不可代替。“核心”儀表故障往往會造成裝置的非計劃性緊急停車，給安全生產(chǎn)帶來隱患，而僅“核心”儀表就有數(shù)百臺件。因此，如何有效維護好自動化儀表，滿足工藝生產(chǎn)的需要是我們亟待探討的課題。
1 公司自動化儀表概況
1. 1 儀器儀表的分類
按照應用領(lǐng)域和自身技術(shù)特點，儀器儀表大致分為工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)、科學儀器、電子與電工測量、醫(yī)療儀器、各類專用儀器、傳感器與儀器儀表元器件及材料 6 個大類[1]。
1. 2 自動化儀表的作用
化工生產(chǎn)過程控制主要圍繞壓力、溫度、流量、液位及成分 5 大參數(shù)進行，而這些參數(shù)的測量與控制是由自動化儀表、控制系統(tǒng)及執(zhí)行器等組成的“自動化系統(tǒng)”完成的，其作用相當于人的眼、耳、神經(jīng)系統(tǒng)、大腦及手腳。
1. 3 公司儀表概況
目前，公司在線運行的自動化儀表約 7 000 余臺件，其中，智能儀表約 4 000 余臺件; 80 萬 t / a 硫酸主裝置采用現(xiàn)場總線儀表; 全公司的核心儀表( 影響裝置開停) 約為 400 臺件，關(guān)鍵儀表( 影響工藝操作、指標控制) 約 1 200 臺件。
1. 3. 1 壓力類儀表
壓力類儀表主要是壓力變送器、壓力開關(guān)、現(xiàn)場壓力表，是第一大類儀表，測量覆蓋范圍為 -0. 1 ～60 MPa。此外，壓力變送器也應用于差壓式液位測量及流量測量。
1. 3. 2 溫度類儀表
首先是溫度傳感器，主要有 Pt100 的熱電阻、K( 鎳鉻-鎳硅) 分度和 S( 鉑銠 10-鉑) 分度的熱電偶，測溫原理為熱電阻的阻值、熱電偶的毫伏電勢隨溫度變化而變化，但不論是熱電阻還是熱電偶，其熱電特性是非線性的。熱電偶與二次儀表的連線需要專用的補償導線，溫度測量覆蓋范圍為 - 150 ～ 1 600 ℃。此外，還有部分現(xiàn)場顯示的雙金屬溫度計。溫度類儀表是第二大類儀表。
1. 3. 3 流量類儀表
流量類儀表主要有: 電磁流量計; 流體振蕩類流量計，如渦街、旋渦; 差壓流量計，通過節(jié)流元件如標準孔板、噴嘴、阿紐巴、V 錐、彎管、皮托巴等取得與流量相對應的差壓，通過流量變送器及補償算法得到流量; 科氏力、熱質(zhì)式質(zhì)量流量計; 超聲波流量計等。以電磁流量計為例，測量口徑覆蓋范圍為 DN10 ～ 1 000、量程為 0 ～ 1 500 m3 /h。由于流量計直接安裝在工藝管道上，因此，其受工藝條件如溫度、壓力、流速等因素的影響大，在實際應用中也是爭議較多的儀表。從世界范圍來看，流量計是使用比制造難得多的少數(shù)儀表之一[2]，是第三大類儀表，是類型、工作原理、技術(shù)最復雜的儀表。此外，皮帶秤、給料機可歸為“流量儀表”。
1. 3. 4 物( 液) 位儀表
物( 液) 位儀表主要有差壓式液位計、超聲波及雷達液位計、同位素液位計，是第四大類儀表。
1. 3. 5 分析儀表
氣體分析儀主要用于過程、尾氣及環(huán)境可燃性、毒性氣體含量分析，分析原理有紅外線、熱導式、催化燃燒式、電化學式等。液體分析儀主要分析過程液體的電導率、pH 值、酸濃度等。分析儀表是第五大類儀表，是需要精心維護的儀表。
1. 3. 6 執(zhí)行器
執(zhí)行器主要是氣動調(diào)節(jié)閥及由儀表專業(yè)負責的電磁閥。
1. 3. 7 其他儀表
如自動定量包裝秤、噴碼機等。
2 現(xiàn)代自動化儀表的技術(shù)特點
2. 1 高精度與寬量程比
現(xiàn)代儀表利用微處理器及其軟件技術(shù)，實時檢測壓力、溫度等變化對檢測元件的影響，并在線實時補償，使其測量的精度高，如在公司普遍應用的 3051 壓力變送器精度為 0. 075% 、量程比為 100∶ 1。寬量程比即儀表測量范圍寬，可減少變送器的規(guī)格，增強儀表的通用性和互換性。
2. 2 智能與數(shù)字化
以美國德州儀器公司提出的“DSPS”[1]概念為例，其以 DSP 芯 片 為 核 心，配 合 先 進 的 混 合 信 號 電 路、 ASIC 電路、元件及開發(fā)工具等進行系統(tǒng)設(shè)計。儀表進一步與微處理器、PC 技術(shù)融合，采用大量超大規(guī)模集成的新器件、表面貼裝技術(shù)、多層線路板印刷、圓片規(guī)模集成和多芯片模塊等新工藝，使多媒體技術(shù)、模糊控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)在現(xiàn)代儀表中得到廣泛的應用。智能儀表具有完善的自診斷、自校正等功能。
2. 3 網(wǎng)絡(luò)及總線化
隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已突破了傳統(tǒng)通信方式的時空和地域限制，進入了生產(chǎn)及生活的各個方面。網(wǎng)絡(luò)化、總線化[1]儀表作為網(wǎng)絡(luò)中獨立的節(jié)點，測控信息可在網(wǎng)絡(luò)上傳輸或跨越網(wǎng)絡(luò)組成遠程在線、實時測控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀表相比，網(wǎng)絡(luò)化、總線化儀表具有節(jié)約大量的現(xiàn)場布線、全數(shù)字化、開放性與互操作性好、抗干擾能力強、系統(tǒng)擴充及維護方便等優(yōu)點。“網(wǎng)絡(luò)就是儀表”[3]的概念確切地概括了這一特點。
2. 4 應用參數(shù)化
對一臺已完成機械安裝、電纜連接和通電的電磁流量計而言，其投用也非常簡單，只需要通過面板使用按鍵、觸摸屏或是手持式智能終端，按照菜單提示進行對話式的設(shè)定操作( 一般只需要設(shè)置儀表位號、測量單位、測量管口徑、量程 4 個基本參數(shù)) 就可以正常投用，其過程僅幾分鐘。
2. 5 調(diào)試 PC 化
某些儀表如羅斯蒙特 5600 系列的雷達液位計，則須借助 PC 及專用軟件組成的平臺，在實際使用條件下完成調(diào)試，才能發(fā)揮其應有的功能。
3 自動化儀表的維護
3. 1 合理的儀表選型
儀表的服務(wù)對象是工藝及設(shè)備，而不同的工藝及設(shè)備對儀表有著不同的測量重點及要求。合理選型的首要條件是對工藝流程、操作范圍、介質(zhì)特性的準確把握; 其次是對具體安裝位置的電磁、振動、腐蝕等因素對不同工作原理的儀表可能造成的影響評估; 再次是熟知各種儀表的工作原理、技術(shù)特點、適用范圍，熟悉國內(nèi)外主要儀表廠商的儀表性能及技術(shù)優(yōu)勢，并具有在不同過程條件下的應用經(jīng)驗。此外，還要從可靠性、穩(wěn)定性、長期性和經(jīng)濟性等方面進行綜合考慮，作出最優(yōu)化的選型。一般來說，應選技術(shù)成熟可靠的產(chǎn)品，對新型儀表的選用應先在一定的范圍內(nèi)試用，取得可靠的數(shù)據(jù)后再逐步推廣。實踐證明選對儀表才能用好、維護好儀表[4]。
3. 2 正確的安裝與防護
有了好的儀表選型，如果安裝不正確，再先進的儀表也不能發(fā)揮其應有的功能與作用，甚至損壞儀表[5]。由于安 裝 不 合 理 導 致 儀 表 損 壞 的 典 型 例 子 莫 過 于 18 萬 t / a磷銨裝置進管式反應器的料漿陶瓷襯里電磁流量計 FT-3303，其安裝位置示意圖如圖 1 所示。
由于多方面的原因，管式反應器周圍的儀表安裝非常緊湊; FT-3303 安裝前后的 管 道 扭 曲 嚴 重，振 動大; 流量計、氣動調(diào)節(jié)閥和止逆閥緊貼著安裝在不足 1. 5 m 的管道上，止逆閥后就是吹掃管反蒸汽的接入口。2008 年 3 月 8 日 01: 10、15: 25、19: 55，11 月 2 日 00: 50，11 月 13 日 18: 20，各損壞流量計 1 臺，共 5 臺，損壞的流量計均為陶瓷襯里徑向炸裂。流量計損壞的過程分析如下。
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正常開車時，工藝操作先進料漿，接著進氨，料漿的溫度在 80 ℃ 左右。當需要吹掃管式反應器的反應管時，先停料漿，再停氨，而當時止逆閥實際已失效。氣動調(diào)節(jié)閥的特點是在關(guān)死時也具有一定的泄漏量，因此，當料漿停后，在重力作用下，流量計的測量管成了空管，這時氨很容易通過止逆閥、氣動調(diào)節(jié)閥到達流量計測量管，使陶瓷襯里很快從 80 ℃左右下降到 0 ℃ 以下。接著工藝用 140 ℃ 左右的蒸汽吹掃反應管，蒸汽以同樣的方式到達流量計測量管，使其陶瓷襯里又很快從 0 ℃以下上升到 140 ℃左右。如此反復大幅度的驟冷驟熱正是流量計陶瓷襯里炸裂的根本原因。此外，由于工藝清管敲打等原因，管道扭曲嚴重，在驟冷驟熱的過程中熱脹冷縮，產(chǎn)生的應力使陶瓷襯里炸裂往徑向發(fā)展。
在增加優(yōu)化聯(lián)鎖、恢復止逆閥( 后改為氣動切斷閥) 、優(yōu)化操作等持續(xù)分析改進及試驗過程中發(fā)現(xiàn)，隱藏在背后使流量計損壞的真正原因是安裝位置的不正確，如仍安裝在損壞位置，即使增加聯(lián)鎖及切斷閥，由于安裝太過緊湊，吹掃反應管時的驟冷驟熱仍會通過熱傳導方式到達流量計，只是速度、幅度沒有直接的方式大，而管道熱脹冷縮產(chǎn)生的應力仍無法克服，事實上以前已損壞過，只是沒有此次的突出與集中，所以認為是“正常”損壞。把 FT-3303 的安裝位置改到圖 1 中 A 點后，同型號的流量計已正常運行三年多。
此外，儀表的防水、防振、防砸等措施也不容忽視。
3. 3 合理的備件
合理的備件有利于正常的運行維護，備件量大會造成資金的積壓，而備件不足則會影響生產(chǎn)的運行。由于儀表故障具有一定的突發(fā)性和偶然性且基本不具有可維修性，因此面對數(shù)量、型號、規(guī)格眾多的儀表，應該做好合理的備件。
備件的需求主要來自 4 個方面: ①進入壽命晚期，故障增多需要更換; ②選型不當或?qū)嶋H的工藝磨損; ③非正常或不可抗拒力導致的損壞; ④非計劃增加的測量點。因此，主要的備件量應以前面所述 4 點的需求作為基準。
優(yōu)化儀表備件應從以下幾個方面著手: ①儀表選型時除考慮綜合的性價比外，還需要進行規(guī)劃統(tǒng)一，減少型號及廠家，同一系列的儀表部件應具有通用性和互換性; ②強化儀表的日常維護與管理，杜絕非正常性損壞; ③極積開展修舊利廢，對故障儀表進行分類處理，清理出正常的部件，測試后按正常備件進行管理; ④對新增測量點，要嚴格審批，可要可不要的就不要，必須要的就一定要用好; ⑤核心儀表必須有備件且必須完好。
3. 4 轉(zhuǎn)變維護觀念及方式
3. 4. 1 從維修向維護轉(zhuǎn)變
現(xiàn)代儀表的技術(shù)特點決定了其在應用過程中故障特別是硬件故障時的“可維修”空間不大，即使把故障儀表送回廠家，其處理方法也基本上是更換故障模塊或直接給用戶更換一臺新表。因此，在現(xiàn)代自動化儀表應用中，傳統(tǒng)意義上的儀表維修基本上沒有了，再者一般儀表用戶也不具備維修的資源。因此，應將維修向維護轉(zhuǎn)變[6]，將管理及工作的重點放在維護保養(yǎng)環(huán)節(jié)中，給儀表提供盡可能理想的運行條件，以良好的維護保養(yǎng)措施來避免儀表故障的發(fā)生，杜絕非正常性的損壞，延長儀表的使用壽命。
3. 4. 2 智能維護調(diào)試平臺
現(xiàn)代儀表的技術(shù)特點決定了其已經(jīng)不再是那種憑借一塊萬用表、螺絲刀等工具并根據(jù)說明書就能夠投入運行或維護的傳統(tǒng)儀表[7]，而是基于手持式智能終端或以 PC 為平臺的軟件工具進行調(diào)試及維護。如智能壓力變送器的零點漂移可以在線用 475 通信器輕松校準而不必費時費力地拆回檢定室校準，而 3095 多參量變送器、雷達液位計等智能儀表，則須以 PC、專業(yè)軟件、通信接口組成的工具平臺進行調(diào)試與維護，才能夠充分發(fā)揮這類儀表應有的功能。離開這些“智能”工具，簡單的投運都變得非常困難，但這些智能工具要求維護人員必須具備所連接儀表最確切的知識并通曉有關(guān)標準及協(xié)議。
3. 4. 3 維護方式的轉(zhuǎn)變與優(yōu)化
提高自動化儀表的維護水平，一個重要的途徑就是維護系統(tǒng)的優(yōu)化和維護方式的選擇[8]。目前，儀表維護主要是故障維護即事后維護，即當儀表指示異常或故障時才進行處理。事后維護對裝置影響不大的儀表來說是可以接受的，但對關(guān)系到裝置甚至全廠平穩(wěn)運行的核心儀表、影響工藝操作及指標控制的關(guān)鍵儀表來說是不能夠接受的。
現(xiàn)階段常用的幾種維護方式及其特點如表 1 所示[9]。表 1 中: 相對維護費用 = 事后維護費用/定期維護費用 × 100% 。
實踐表明，80% 的風險只與 20% 的設(shè)備有關(guān)，而設(shè)備 80% 的故障發(fā)生于 20% 的關(guān)鍵部位。通過對表 1 中幾種維護方式的對比分析，結(jié)合公司當前儀表專業(yè)的實際情況，總結(jié)適用于儀表維護的優(yōu)化方式為: 首先，對公司內(nèi)的儀表進行風險評價，根據(jù)儀表故障時對裝置影響的程度確定風險等級進行分類( 目前我們習慣稱為核心儀表、關(guān)鍵儀表和一般性儀表) ; 其次，結(jié)合實際的運行情況、歷年出現(xiàn)的故障及可維護( 修) 性，重點對核心儀表、關(guān)鍵儀表進行可靠性分析，對于可靠性低的核心儀表還必須采取冗余、旁路等措施，以提高可靠性，再結(jié)合預防、預測性進行最優(yōu)的維護，以最小的維護資源，取得最大的維護效果，對一般性儀表則采用事后維護的方式，以降低維護費用。
3. 5 儀表與工藝的相互學習
工藝生產(chǎn)的實現(xiàn)，要靠先進的設(shè)備、自動化系統(tǒng)及操作維護人員的共同努力來完成，從系統(tǒng)的角度看，他們不是孤立的，而是相互滲透、緊密聯(lián)系、協(xié)調(diào)一致的有機體[10]。
儀表是為工藝及設(shè)備服務(wù)的，從某種意義上說服務(wù)對象的“性格脾氣”決定了儀表維護的特點。在儀表維護過程中我們常為處理某一“儀表故障”忙碌半天，結(jié)果儀表是正常的。在生產(chǎn)過程中，儀表和控制系統(tǒng)會隨機反映出一些不正常的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能是儀表故障或干擾產(chǎn)生的，也可能是工藝過程的真實反映、偶然變化或操作擾動如開停泵產(chǎn)生的。因此，在儀表維護過程中對工藝及設(shè)備特性的了解越多，解決問題就越輕松，了解故障前后的工藝操作、對比流程前后的數(shù)據(jù)、查看數(shù)據(jù)記錄曲線，相當一部分的“儀表故障”在操作室就可以解決。實踐證明，一名優(yōu)秀的儀表技術(shù)員同時也是一名優(yōu)秀的工藝員。
工藝操作人員主要通過儀表及自動化系統(tǒng)人機界面提供的數(shù)據(jù)監(jiān)控工藝生產(chǎn)，是儀表及系統(tǒng)的直接使用者，需要具備一定的自動化知識，了解工藝流程中儀表的檢測點及測量范圍。當某一數(shù)據(jù)超出正常范圍時，工藝操作人員能正確判斷是工藝問題還是儀表故障，以便及時通知儀表維護人員來處理，并給予適當?shù)呐浜希苊馓幚磉^程中一些不必要的彎路。如某一反應槽的溫度測量，工藝人員反映溫度高、超指標，儀表維護人員經(jīng)檢查確認儀表測量正常甚至把整套儀表全換掉，但工藝人員仍堅持儀表測量存在問題。實際情況是工藝降低了液位控制，使插入槽子的溫度元件測量點落在了反應區(qū)，從而使溫度測量為“高”。恢復液位控制后，溫度恢復正常。
4 結(jié)束語
儀器儀表是工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”、科學研究的 “先行官”、軍事上的“戰(zhàn)斗力”，這是以王大珩、楊嘉墀為代表的老一輩科學家對其重要作用的精辟闡述[1]。立足于紅磷分公司的實際情況，結(jié)合現(xiàn)代自動化儀表的技術(shù)特點，轉(zhuǎn)變觀念，把被動的事后維護轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥煽啃詾橹行牡闹鲃有跃S護，以主動良好的維護保養(yǎng)措施來避免故障的出現(xiàn)、延長儀表的使用壽命、為工藝生產(chǎn)提供最優(yōu)的服務(wù)。——論文作者：劉燕江
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