实现灵活的控制阀故障诊断--使用PACTware开放软件进行控制阀故障诊断

作者:本网编辑 文章来源:《流程工业》(化工) 点击数:723 发布时间:2010-07-05


图1  HART系统。

现有工业装置的自动化程度参差不齐,有的未使用先进的控制系统或未能实现现场设备资产管理;有的只部分应用数字式阀门定位器;有的由于控制阀用量少又较分散,使实现控制阀故障诊断的成本高且难度大。这些成为制约实施控制阀预测性维护(性能监视、故障诊断)的原因。一种较为经济、特别适合中小用户的解决方案是不依赖控制系统及其上位管理,采用HART通信的数字式阀门定位器和利用免费的PACTware开放软件平台,实现低成本和灵活的控制阀故障诊断。

随着数字式阀门定位器的深入研发,控制阀预测性维护所需的状态监测和诊断功能逐渐转移到控制阀本机设备上的诊断体系。以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案,极大提升了控制阀使用性能,使之有一个质的飞跃,进而成为工业现场的智能设备,控制阀预测性维护强化了现场设备动态管理和监测以及设备良好运行的可持续性。

面临的问题是:现场总线型数字式阀门定位器价位偏高,且大多数的预测性维护依赖于专门的诊断软件、不同的现场总线和控制系统的上位管理;以及现场应用水平不高,部分功能不能发挥作用,致使现阶段控制阀预测性维护成效不显著。再者,现有工业装置的自动化程度参差不齐,有的未使用先进的控制系统或未能实现现场设备资产管理;有的只部分应用数字式阀门定位器;有的由于控制阀用量少又较分散,使实现控制阀故障诊断的成本高且难度大。


图2  PACTware软件目前版本为3.6,可以通过互联网登陆进行下载。

针对国内工业用户HART类型和系统设备存量很大、HART通信容易实现的情况,一种较为经济的解决方案是采用HART通信的数字式阀门定位器和利用免费的PACTware开放软件平台,不依赖现场总线和控制系统及其上位管理,实现灵活的控制阀故障诊断。本文简单叙述HART通信、PACTware开放软件平台,并结合SAMSON公司的3730-3型HART数字式阀门定位器介绍利用PACTware实现控制阀性能监视、故障诊断的预测性维护。

HART通信

HART(Highway Addressable Remote Transducer)可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,最初是由美国罗斯蒙特公司(Rosemount,属艾默生公司)在上世纪80年代初发表的,到1989年推出HART 5.1“长指令”后才形成推广态势。HART提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,技术兼有发展、日臻成熟,2007年7月的IEC 61158第四版中正式列为第20种标准类型的现场总线。20多年的应用,已使HART通信从一个过渡性方案发展成为尚能释放很大潜力的通信协议,支持HART协议的厂商有100多家,认证的HART仪表品种近500种,全球在用HART仪表(包括HART阀门定位器)超过2600万台。我国也有大量的HART用户,而且1996年国家“九.五”科技重大项目开始对HART技术进行开发,目前已掌握核心技术,具备进一步推广HART技术的条件。HART通信会与其他类型现场总线一样,在各自适合的范围内持续发展。

2007年发布、2008年9月被IEC认可的WirelessHARTTM通信规范(HART7.1),更使HART技术有新的飞跃,成为第一个专门为流程工业而设计的开放的可互操作的无线通信标准,满足了工业用户对于可靠、强劲、安全的无线通信方式的迫切需求。同时,HART7.1的向下兼容性能,也为现有用户提供了应用支持。


图3  3730-3型HERT通信数字式阀门定位器。

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的4~20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通信,数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,成功实现模拟信号和数字信号双向同时通信并无互扰,保证了与现有模拟系统的兼容性。一般情况是主要的控制变量由4~20mA传送,其他的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

HART协议参照了国际标准化组织的开放性互连模型,使用OSI标准的物理层、数据链路层和应用层。HART协议规定了传输的物理形式、消息结构、数据格式和一系列操作命令,是一种主从协议。当通信模式为“问答”形式时,一个现场设备只做出被要求的应答。HART协议允许系统中存在2个主设备(例如一个为系统控制,另一个为HART手持式现场通信器)(参见图1),如果不需要模拟信号,多点系统中的一对电缆线上最多可以连接15个从设备。

HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性,由HART基金会负责登记管理这些设备描述并编为设备描述字典,主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。


图4  3730-3型数字式阀门定位器接线图。

全球主要控制阀(阀门定位器)制造商都生产有HART通信的数字式阀门定位器。

PACTware开放软件平台

PACTware过程自动化组态工具(Process Automation Configuration Tool)是一个基于FDT现场设备工具(Field Device Tool)技术、用于操作所有现场仪表、并独立于制造商和现场总线的框架结构软件,是一个免费的开放软件平台。若要不花钱就能熟悉FDT/DTM技术,那么必须了解PACTware软件。这一软件工具目前由公益性的PACTware组织进行推广。

FDT技术包括三个要素:框架应用程序、设备DTM、通信DTM。DTM是设备类型管理器(Device Type Manager)。PACTware就是一个标准化的框架应用程序,设备DTM是用于现场仪表调整的专有软件模块,在两者之间使用了FDT的标准化接口(通信DTM)。

PACTware可以独立于各种现场总线并通过各种不同标准的现场总线,访问打开由不同制造商对不同现场仪表创立的设备DTM,全面地调整现场仪表,提供故障诊断和资产管理,最大程度发挥现场仪表功能,使原本封闭的系统环境变为开放的解决方案:一个框架应用程序(PACTware),运行制造商提供的类似文本文件的设备模块(符合FDT标准的设备DTM),通信DTM的驱动程序提供计算机与现场设备的通信,完成对在计算机之外的现场设备物理位置的参数化。


图5  SAMSON网站的PACTware和DTM下载网页。

PACTware显著特征是免费、开放、直接调整、故障诊断和资产管理功能,无论应用规模大小和复杂程度,以及DTM各有不同,均可灵活运用。例如对于HART类型现场设备,即便还不具有DTM功能的,也可使用通用的HART-DTM来对标准的HART变量进行操作。

PACTware是通过现场总线实现开放的,目前通信DTM已支持HART、FF、Profibus-PA、Modbus、Control NET、Device NET/CIP、Ethernet、AS-i、RS232等。支持PACTware并是其组织成员的制造商目前有25家国际公司,欧洲厂商居多,被国内业界熟知的有YOKOGAWA(横河)、tyco/Flow Control(泰科/流体控制)、SAMSON(萨姆森)、FLOWSERVE_NAF(福斯_NAF)、Invensys_Foxboro(英维思_福克斯波罗)、KROHNE(科隆)、Turck(图尔克)、P+F(倍加福)、WIKA(威卡)等等。

PACTware软件目前版本为3.6,可以通过互联网登陆www.pactware.com/en/Downloads/PACTware进行下载(见图2),也可在相应现场仪表(阀门定位器)的制造商网站进行下载。此外,还要根据不同现场总线通信型式下载相应的通信DTM。

安装PACTware软件的硬件要求是:PC机处理器Pentium II 500 MHz及以上、128MB RAM、120MB硬盘空间、操作系统Windows Vista/XP/2000(SP 4)、IE 5.0以上、显示1024 x 768(16位)、RS 232或USB接口。

对于不同的现场总线要配置相应的RS 232或USB接口适配器,如针对HART通信的RS 232/HART或USB/HART接口适配器,推荐使用Smar的HI311/HI321型、Mactek Viator的010001/010031型、Micro flex的101-0005/101-0007型。

HART通信的3730-3型数字式阀门定位器

SAMSON的373x系列数字式阀门定位器是其在2001年推出的新一代系列产品,包括全电子电路类型、数字式的经济型、基本型、HART通信型、Profibus-PA和FF现场总线型,以及隔爆型(3731系列);其中的3730-3型是4~20mA信号+HART通信型(见图3)。


图6  PACTware平台上的3730-3型界面

3730-3型为模块化、智能化的紧凑结构;具有自适应、自校准、自诊断的性能;集成了先进的微处理技术、信息技术、专家诊断软件和功能模块;设计独特的数字/模拟电路控制定位和气动放大器清扫及快速响应;简便的单键旋钮组态操作、LCD全显示/本机诊断;适用调节型或开关型控制阀,具有部分行程测试(PST)或全行程测试(FST)功能;支持HART通信和本机SAMSON SSP串口通信,可通过控制系统、PC机(DD、EDDL、FDT/DTM工具、AMS、PDM、PRM、PKS等系统和SAMSON TROVIS-VIEW)或手持式现场通信器进行组态和诊断;配有软件阀位开关和故障输出接点;可选在壳内集成低功耗电磁阀、接近开关式阀位开关、二线制4~20mA输出的阀位变送器。定位器与控制阀的连接有直接集成安装或按IEC 60534-6-1/6-2安装两种方式,尺寸小巧、重量轻(铝壳的约1kg重),耗气量较低(静态为0.11Nm3/h)且不受气源压力影响。

使用PACTware进行3730-3型的故障诊断

从相关网站下载免费的框架程序PACTware软件、驱动程序DTM模块以及通信DTM,并安装在工作计算机上。针对3730-3型所需的软件,可从PACTware网站选SAMSON跳转链接下载,或直接访问www.samson.de/suppor/enser018.htm网页(见图5)。

需下载并安装的软件:

PACTware 框架程序3.6.0.3(SP1)版

HART通信DTM 1.0.25版(也可选通用HART的DTM 4.0.1版)

设备DTM:用于373x-3(1至4类型)的1.2.22版(激活码:0E4E-FGF9)

设备DTM:用于373x-3(5至6类型)的1.3.2.1版(不需激活码)

一旦安装了PACTware、通信DTM和设备DTM,立即就可以展开工作。在3730-3型按要求接好所需的4~20mA电流信号、连接好FSK调制解调器及计算机接口适配器后,点击桌面上的PACTware图标,启动框架程序(图6a);然后,从界面目录中选择设备和指定设备的通信通道,根据提示选择项目,如由3730-3型的固件版本来确定类型(图6b);选择连接HART通信目录下的位号(3730-3及版本),出现操作页面和显示已通信连接的阀门定位器的相关信息(图6c);按照操作界面目录,选择打开相应的参数、诊断画面(图6d为输出信号实时趋势)。

通过PCATware软件平台和调用3730-3型的DTM模块,提供用户操作界面,定义和确认参数,实时进行性能监视、数据趋势和故障诊断,可在工作PC中以文件形式保存调用被测结果,进行存档和管理。还可以传送到Windows应用程序中做进一步处理。

在诊断(Diagnosis)目录下,有状态信息(Status messages)、自动信息采集(Statistical informationAUTO)和手动测试(Tests MAN)子目录。

状态信息包括标准状态、操作、硬件、初始化、数据存储器、温度、数据记录器、增强诊断等页面,有着阀门定位器全部状态和详细说明。

自动信息采集包括数据记录器、行程柱形图、设定点偏差柱形图、行程方向改变次数柱形图、输出信号趋势图、行程终端阀位趋势等页面,有着强大的诊断功能。根据行程柱形图,可以获知长期或短期控制阀工作行程的集中分布,工作行程是否合理合适。根据设定点偏差柱形图,可以获知长期或短期的定位偏差是否在允许之内和超差的工作点及其数值。

根据行程方向改变次数柱形图,可以获知长期或短期的工作频次、稳定性和摩擦力变化。根据输出信号趋势图,可以获知输出信号与基准的差异以及分析实际受力情况。根据行程终端阀位趋势,可以分析阀内件结垢或受损、判断内漏及紧密关闭情况。

手动测试包括输出信号静态基准、输出信号迟滞性、静态特性、阶跃响应等离线测试内容,这些测试结果将辅助在线性能监视和故障诊断。

除了诊断目录外,还有阀门定位器识别、测量、校准、复位、组态等目录,也包含有子目录、众多参数和操作以及大量信息。

结语

预测性维护在控制阀还没有产生故障前就通过故障识别和诊断技术对状态参数预测可能出现的情况和预期的时间,预测设备的功能安全和时间依存性。利用免费的PACTware开放软件平台,开展适用国内中小用户群体的低成本控制阀故障诊断,进行在线预测性维护,提升并维持控制阀性能,减少运行故障和提高使用寿命,是一个行之有效的解决方案。同时,这种解决方案也着力开拓现场设备互操作范围、摆脱控制系统和现场总线多样性的困扰、以及解决故障诊断和资产管理标准化的问题。

【参考文献】

1. PACTware介绍. www.pcatware.com

2. SAMSON. 3730-3型HART通信数字式 安装与操作说明. EB 8384-3 ZH . 2008.9

3. SAMSON. 373x系列EXPERT+控制阀诊断 安装与操作说明. EB 8389 ZH .2008.7

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