磨損和出現(xiàn)撕裂是控制閥工作期間出現(xiàn)的正常現(xiàn)象， 因此需要定期檢修。 通常， 許多工廠都會(huì)每年或者兩到三年停一次工。

所有的控制閥都會(huì)被拆卸下來(lái)檢查閥體內(nèi)諸如閥芯、 閥座環(huán)之類(lèi)的零件是否出現(xiàn)損壞或異常的跡象。 劣化的零件將被更換。 這是一項(xiàng)繁雜耗時(shí)的工作， 而當(dāng)這項(xiàng)工作完成的時(shí)候， 許多閥門(mén)也許又根本不需要維修。 因此， 如果能夠在早期不拆卸閥門(mén)的情況下診斷出需要維修的閥門(mén)， 那么企業(yè)將獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖 1 FlowScanner 6000

第一部便攜式控制閥診斷系統(tǒng)于 1990 年問(wèn)世。 這部系統(tǒng)名叫FlowScanner， 能對(duì)氣動(dòng)控制閥及其附件進(jìn)行診斷。

此系統(tǒng)在工業(yè)中被廣泛用于診斷關(guān)鍵閥門(mén)。 盡管 FlowScanner流動(dòng)掃描器診斷功能強(qiáng)大， 但需要專(zhuān)家人員花費(fèi)一定的時(shí)間來(lái)安裝、運(yùn)行系統(tǒng)并解釋診斷結(jié)果， 診斷也通常在過(guò)程停工的時(shí)候進(jìn)行。 于1994 年問(wèn)世的第一臺(tái)數(shù)字式閥門(mén)控制器( HART 協(xié)議) 給診斷工作帶來(lái)了變化。 數(shù)字式閥門(mén)控制器與FlowScanner 不同， 它直接安裝在閥門(mén)上并含有行程和壓力傳感器。

圖 2 階躍響應(yīng)診斷

因此， 利用數(shù)字式閥門(mén)控制器進(jìn)行診斷工作不需要花費(fèi)安裝時(shí)間。 對(duì)控制閥的診斷工作通常被限定在離線狀態(tài)或一些帶有在線報(bào)警的停工狀態(tài)下進(jìn)行。

一個(gè)好的控制閥

控制閥作為終端控制元件，其性能的好壞對(duì)過(guò)程有著直接影響。 過(guò)程回路可通過(guò)采用先進(jìn)的過(guò)程控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)加以改善。 然而， 所有的潛能只有在終端控制元件性能優(yōu)化以后才能得以變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。 性能差的閥門(mén)將導(dǎo)致差的過(guò)程回路。 為保證閥門(mén)按照預(yù)定性能工作， 以下幾項(xiàng)措施應(yīng)得到考慮。 首先， 應(yīng)正確選擇符合特定過(guò)程要求的尺寸合適的閥門(mén); 其次， 定位器必須 控 制 快 速、準(zhǔn) 確; 最 后，定位器和閥門(mén)應(yīng)正確安裝和校準(zhǔn)。

圖 3 閥門(mén)信號(hào)： 圖

離線診斷控制閥性能

在試車(chē)過(guò)程中， 閥門(mén) / 定位器組件應(yīng)適當(dāng)調(diào)整保證穩(wěn)定性和響應(yīng)性性。 階躍響應(yīng)診斷常用于檢測(cè)閥門(mén)組件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

對(duì)于要求控制閥開(kāi) / 關(guān)速度嚴(yán)格的場(chǎng)合， 此項(xiàng)診斷還可以檢測(cè)閥門(mén)開(kāi) / 關(guān)所需時(shí)間。 典型階躍響應(yīng)診斷如圖 2 所示， 圖中曲線分別為氣源壓力( 綠線)，設(shè)定值( 藍(lán)線) 和實(shí)際閥門(mén)響應(yīng)值( 紅線)。

圖 4 閥門(mén)信號(hào)： 分析

氣源壓力曲線表示閥門(mén)向靠近設(shè)定值方向動(dòng)作時(shí)需要的壓力， 這樣就可診斷出閥門(mén)可能的低氣源壓力的故障。

另外一個(gè)診斷是圖 3 所示的閥門(mén)信號(hào)診斷。 外側(cè)兩條曲線之間的差距表示閥門(mén)摩擦力， 各曲線平滑漸變表示閥門(mén)行程平滑。 除摩擦力以外， 圖中還包含了校準(zhǔn)問(wèn)題， 閥門(mén)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝的不正確、 控制閥尺寸不當(dāng)、 閥座完整性、 關(guān)閉作用力、 閥門(mén)粘著、 氣源壓力問(wèn)題、 填料函摩擦力過(guò)大和門(mén)行程不徹底等信息。 諸如閥座載荷， 所需閥座載荷， 平均摩擦力和動(dòng)態(tài)誤差區(qū)等控制閥特性的匯總信息列在了“ Analyzed” 表中。

這些診斷可以幫助診斷過(guò)程中的潛在問(wèn)題， 同時(shí)對(duì)控制閥的性能做出初步診斷

維持控制閥性能： 在線診斷

通常， 許多工廠都會(huì)每年或者兩年停一次工。 然而如前所述，競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)促使許多過(guò)程企業(yè)將設(shè)備檢修時(shí)間間隔延長(zhǎng)為 5 年或更長(zhǎng)， 因此在過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)期間維持控制閥的性能就變得非常重要。

如果沒(méi)有任何裝置對(duì)控制閥的性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 閥門(mén)可能會(huì)在工作期間發(fā)生劣化， 從而引發(fā)過(guò)程非正常停工， 導(dǎo)致生產(chǎn)的中斷， 并使得企業(yè)花費(fèi)更多成本用于重新恢復(fù)生產(chǎn)。

今天， 智能閥門(mén)診斷技術(shù)使得對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的閥門(mén)進(jìn)行檢測(cè)變得可行。 閥門(mén)信息將在過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)期間被動(dòng)收集。 收集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)分析處理， 得出可能原因。 一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題， 系統(tǒng)就會(huì)報(bào)告問(wèn)題嚴(yán)重程度、 可能的原因和推薦解決方法。 在線診斷可檢測(cè)包括儀表空氣泄漏、 閥門(mén)摩擦力和死區(qū)、 表空氣質(zhì)量， 連接松動(dòng)、源壓力限定和閥門(mén)組件校準(zhǔn)在內(nèi)的諸多問(wèn)題。 目前在線診斷系統(tǒng)可診斷 200 種不同類(lèi)型的故障。

圖 5 摩擦力監(jiān)測(cè) & 趨勢(shì)

下面是一些在線診斷實(shí)例：

摩擦力值 & 摩擦力趨勢(shì)( 圖5)： 工作狀態(tài)下的閥門(mén)的摩擦力 &死區(qū)值可經(jīng)診斷系統(tǒng)檢測(cè)到并圖形化顯示出來(lái)。 在線摩擦力值可與圖3 所示離線診斷中測(cè)得的摩擦力值進(jìn)行比較。 摩擦力趨勢(shì)可作為分析閥門(mén)填料函變化的依據(jù)。

位于泰國(guó)的一家對(duì)位二甲苯企業(yè)發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵閥門(mén)在操作兩年后， 閥門(mén)的動(dòng)作在控制信號(hào)設(shè)定值的 ±1%內(nèi)波動(dòng)。 這一異常情況沒(méi)有影響到生產(chǎn)的進(jìn)行， 但引起了操作人員的關(guān)注。 發(fā)現(xiàn)該情況以后，一位維修工程師對(duì)閥門(mén)進(jìn)行了在線摩擦力診斷， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在兩年當(dāng)中由于填料函的磨損閥門(mén)摩擦力減少了 30%。 由此推斷閥門(mén)摩擦力減小是控制閥性能發(fā)生波動(dòng)的主要原因。 當(dāng)閥門(mén)摩擦力減小后， 定位器原先設(shè)定的驅(qū)動(dòng)力就顯得過(guò)大。 確定問(wèn)題后工作人員對(duì)閥門(mén)和定位器進(jìn)行了調(diào)節(jié)， 用以補(bǔ)償摩擦力的減小。 這一工作使企業(yè)避免了一次不必要的停工。 在此例中， 據(jù)用戶(hù)估計(jì)停工一次將損失大約 200000 美元。

氣源壓力診斷( 圖 6)： 如診斷名稱(chēng)所示， 這是對(duì)氣源壓力的檢測(cè)， 特別是對(duì)低壓氣源。

圖 6 氣源壓力診斷

在中東一家玉米加工企業(yè)，在線氣源壓力診斷發(fā)現(xiàn)超過(guò) 10%的關(guān)鍵閥門(mén)氣源壓力不足， 控制性能也發(fā)生下降。 盡管最初的離線測(cè)試沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何閥門(mén)問(wèn)題，在線診斷測(cè)試仍診斷出了潛在的氣源問(wèn)題， 這給整個(gè)過(guò)程的改進(jìn)指明了方向。

空氣流量診斷( 圖 7)： 通過(guò)測(cè)量流經(jīng)控制閥的氣流， 可檢測(cè)到經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)薄膜、 管道、 連接松動(dòng)處或活塞 O 形環(huán)各處發(fā)生的外泄漏。

在北美一家大型對(duì)酞酸精煉企業(yè)中， 對(duì)配備雙作用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵閥門(mén)的例行空氣流量診斷發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中存在兩股氣流，一股來(lái)自與 DVC( 數(shù)字式閥門(mén)控制器) 連接的端口， 另一股來(lái)自其他端口。 診斷系統(tǒng)還發(fā)現(xiàn)空氣流量偏高， 但閥門(mén)的控制動(dòng)作并沒(méi)有受到影響。 自動(dòng)分析表明造成這一現(xiàn)象的可能原因是執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞密封存在泄漏， 推薦對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞密封情況進(jìn)行檢查。

維修人員通過(guò)肉眼檢查了閥門(mén)， 但無(wú)法確定是否存在泄漏。 由于活塞密封泄漏是內(nèi)泄漏， 泄漏出的空氣排入閥門(mén)儀表中， 因此從外部察覺(jué)不到跡象。 對(duì)此工廠采取了連續(xù)監(jiān)測(cè)空氣流量的措施， 監(jiān)測(cè)泄漏量有無(wú)變化( 圖 3)。 當(dāng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)泄漏量出現(xiàn)變化時(shí)， 維修人員將執(zhí)行機(jī)構(gòu)拆卸下， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)活塞密封已經(jīng)受到損壞并接近突變失效。 這一問(wèn)題被預(yù)見(jiàn)性的空氣流量診斷所發(fā)現(xiàn)， 企業(yè)也因此避免了一次耗費(fèi)昂貴的非計(jì)劃停工， 節(jié)約了價(jià)值大約 400000 美元的催化劑。行程偏差和放

圖 7 空氣流量診斷

大器調(diào)節(jié)診斷( 圖8)： 行程偏差診斷用于追蹤閥門(mén)實(shí)際行程與設(shè)定行程值偏差的大小。 放大器調(diào)節(jié)診斷僅用于雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用 于 測(cè) 量 交 叉 壓力。 交叉壓力定義為在行程一半時(shí)的壓力返回值， 用氣源壓力的百分?jǐn)?shù)表示。

在一套合成氣處理裝置中，一個(gè)透平機(jī)進(jìn)口控制閥在信號(hào)穩(wěn)定不變的情況下朝一個(gè)方向偏移。為保持閥門(mén)穩(wěn)定， 用于采取了將閥門(mén)鎖緊固定在所需位置的臨時(shí)方案。 經(jīng)在線放大器調(diào)節(jié)診斷后發(fā)現(xiàn)造成此異常情況的原因是執(zhí)行機(jī)構(gòu)空氣在校準(zhǔn)中未得到適當(dāng)?shù)仄胶狻?因而， 解決這一問(wèn)題的根本方法是對(duì)閥門(mén)重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

維修操作

典型的維修操作如圖 9 所示。故障檢測(cè)是一項(xiàng)耗時(shí)的工作， 通常在閥門(mén)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行。 如果檢測(cè)到一個(gè)故障， 診斷系統(tǒng)將識(shí)別此故障， 推測(cè)可能的故障原因，并建議做出相應(yīng)的矯正措施。 維修階段到此轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)程朝正常工作狀態(tài)恢復(fù)的階段。 在過(guò)程確認(rèn)階 段， 閥 門(mén) 將 依照基本性能受到評(píng)估， 此后過(guò)程恢復(fù)致故障檢測(cè)狀態(tài)。

圖 8 放大器調(diào)節(jié)診斷

圖 9 同 時(shí) 表示了診斷是如何集成到維修操作當(dāng)中的。 在故障檢測(cè)階段， 采取在線診斷更為合適， 因?yàn)樗梢詸z測(cè)多種在線問(wèn)題( 如摩擦力問(wèn)題、 氣源壓力偏低、 空氣外泄漏等)。 此外， 在線診斷還可以診斷識(shí)別本文的問(wèn)題。

不過(guò)并不是所有控制閥問(wèn)題都可以通過(guò)在線診斷檢測(cè)到。 例如， 閥座輪廓的腐蝕， 閥座載荷偏小等問(wèn)只能通過(guò)離線診斷檢測(cè)。 通常包括對(duì)控制閥修理和測(cè)試的過(guò)程恢復(fù)和確認(rèn)工作也是離線進(jìn)行。

圖 9 例行維修中的診斷

內(nèi)部診斷

隨著基于微處理器技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)在已經(jīng)可以將全部在線診斷集成到定位器的微處理器中。這樣， 在線診斷就可以一周 7 天24 小時(shí)連續(xù)進(jìn)行， 當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時(shí)就發(fā)出警報(bào)。 現(xiàn)在最新的現(xiàn)場(chǎng)總線定位器已經(jīng)集成了這項(xiàng)技術(shù)。 圖 10 所示為一些可以檢測(cè)到的問(wèn)題： (a)臟空氣引起的 I/P堵塞，(b)I/P漂移校準(zhǔn)，(c)氣源壓力問(wèn)題，(d) 外泄漏， (e) 雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)放大器失調(diào)， (f) 行程漂移校準(zhǔn)。

安裝在控制閥上的數(shù)字定位器已經(jīng)成為功能強(qiáng)大的診斷工具。

圖 10 內(nèi)部在線診斷

定位器可以幫助維修人員監(jiān)測(cè)和診斷控制閥的狀況， 并在潛在問(wèn)題發(fā)生之前采取有效措施加以消除。 這可以幫助維持控制閥性能，延長(zhǎng)裝置停工前的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間， 從而增加生產(chǎn)時(shí)間。