王洋

（艾默生過程控制有限公司 測量儀表部，廣州 510030）

0 引言

智能型壓力變送器是當(dāng)今過程工業(yè)生產(chǎn)活動中最普遍，也是最常用的測量儀表。它將所測量介質(zhì)的壓力、差壓等物理信號轉(zhuǎn)化成為可被控制系統(tǒng)識別和處理的4～20mA HART等標準電流信號或FF、Profibus等數(shù)字總線信號。這些測量數(shù)據(jù)經(jīng)過控制系統(tǒng)的計算和處理后，有的被用作過程變量監(jiān)控，有的被用作工藝計量，還有的被用作終端執(zhí)行器的控制依據(jù)[1]。伴隨著科技進步，智能型壓力變送器的產(chǎn)品升級也在不斷的發(fā)展。同時，使用者對變送器的要求也越來越高，主要表現(xiàn)在對變送器精度和長期穩(wěn)定性等基本要求的提升，以及對變送器的高級診斷功能的要求上。本文將主要針對壓力變送器的高級過程診斷功能展開討論，對這些功能在實際生產(chǎn)活動中有效降低安全隱患的能力加以論證。

1 什么是壓力變送器的診斷功能

現(xiàn)今工業(yè)測量領(lǐng)域中所使用的壓力變送器的診斷功能主要包含3方面的內(nèi)容：

1）固有的自我診斷；2）電源回路診斷；3）先進的過程診斷。

這些診斷信息都是通過內(nèi)置于壓力變送器內(nèi)部的傳感元件實現(xiàn)監(jiān)測，并在變送器運算處理單元中進行信號處理，并對其含義進行判斷，最終根據(jù)判斷結(jié)果以及預(yù)先給出的組態(tài)信息進行輸出或顯示的。下面將逐一介紹這些診斷功能。

2 固有的自我診斷

多數(shù)智能型壓力變送器均具有該功能，主要包含以下幾方面的診斷：

傳感器診斷：通過持續(xù)監(jiān)測判斷傳感器是否存在故障，或判斷傳感器與電子線路板是否匹配。

測量范圍診斷：通過比對實際過程壓力/差壓讀數(shù)和組態(tài)量程范圍的大小關(guān)系，判斷壓力變送器的輸出信號是否準確反映了過程值。

電子裝置診斷：當(dāng)壓力變送器的傳感器與電子線路板之間的接線斷路，或電子線路板發(fā)生故障時，提示操作員發(fā)生故障的原因。

工作溫度診斷：監(jiān)測傳感器及電子線路板是否處在正常工作的允許溫度范圍內(nèi)。

其它診斷：包括LCD顯示屏更新診斷，模擬輸出固定和模擬輸出飽和診斷，傳感器參數(shù)警告診斷等[2]。

3 電源回路診斷

通常情況下，每臺壓力變送器都需要一定的的供電電壓才能正常工作。通訊回路中往往需要電阻值達到250Ω，并在具有特殊安全要求的場合加裝防雷柵來保證安全。在實際的應(yīng)用工況中，單臺壓力變送器的供電/信號傳輸電纜長度往往達到甚至超過500m，這些電纜及其橋架有時直接布置在現(xiàn)場潮濕、腐蝕、甚至可能受到物理損傷的位置。另一方面，由于壓力變送器多數(shù)工作在露天環(huán)境中，雨水或空氣中的凝結(jié)水常常會順著導(dǎo)線管流入變送器的接線腔室中，造成接線端子水浸或者銹蝕。以上這些情況均有可能導(dǎo)致回路電阻異常，進而使得壓力變送器輸出的電流信號失真。圖1就是對這種情況的描述。

圖1 回路中的泄漏電流可能導(dǎo)致嚴重的讀數(shù)偏差Fig.1 Leakage current in the circuit may cause serious reading deviation

如圖1中所示，壓力變送器的電源回路中出現(xiàn)了由額外并聯(lián)電阻造成的泄露電流，這個額外的電流信號而導(dǎo)致系統(tǒng)的接收值（18mA）和變送器的輸出值（15mA）不同。此時，若根據(jù)該錯誤信息采取控制動作，則有可能引發(fā)事故。

此外，回路中的意外的電氣負載增加也可導(dǎo)致回路電壓不穩(wěn)。由腐蝕、電源不穩(wěn)或人為接線錯誤所導(dǎo)致的接線回路電阻增加，可能會使變送器沒有足夠的電壓將回路驅(qū)動到合適的毫安值，甚至警報狀態(tài)。圖2所示便是這種情況。隨著過程壓力的升高，變送器的輸出電流信號卻無法突破16mA。此時如果過程壓力值繼續(xù)升高到臨界值，而變送器卻無法給出報警信號，則極有可能危害生產(chǎn)安全。

圖2 額外回路電阻改變變送器的輸出電流Fig.2 Additional circuit resistance changing the transm itter output current

針對上述兩種情況，電源回路診斷功能將在回路變化時發(fā)送一個報警信息給上位機，供操作人員讀取，同時在現(xiàn)場表頭也會顯示相應(yīng)的報警信號。一般情況下，報警的模式可根據(jù)實際需要進行設(shè)置。例如，當(dāng)儀表的接線端子出現(xiàn)浸水現(xiàn)象時，變送器的模擬量輸出可以選擇保持真實測量值，或者直接輸出21.75 mA的報警值。

4 先進的過程診斷

不同于傳統(tǒng)壓力變送器僅對自身“健康”狀況的診斷，新一代智能型壓力變送器還具有先進的過程診斷功能。其作用在于，提前預(yù)知各種可能威脅生產(chǎn)安全，或變送器自身安全的外部事件，并及時發(fā)出警報。在實際的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，裝置或管線內(nèi)的壓力通常經(jīng)由引壓管傳導(dǎo)到壓力變送器。而過程流體中的固體雜質(zhì)、低溫環(huán)境所造成的凍結(jié)、工藝介質(zhì)結(jié)垢等情況的發(fā)生，往往會造成引壓管堵塞。這種堵塞的發(fā)生，會使得堵塞點到壓力變送器膜片之間的引壓管路中形成“憋壓”，進而導(dǎo)致壓力變送器的測量讀數(shù)保持不變，從而無法準確測量工藝裝置或管道中的真實壓力值。此時，如果裝置壓力達到危險值，而壓力變送器將無法“通知”控制系統(tǒng)或閥門采取必要動作，進而引發(fā)事故。

先進的過程診斷功能可以很好的解決這一問題。其原理是，通過連續(xù)監(jiān)測并計算壓力噪聲的標準方差，使之轉(zhuǎn)換為可供讀取和分析的智能信息，從而及時判斷出壓力變送器引壓管路的堵塞狀況，這一功能也被稱為動態(tài)過程監(jiān)控（Statistical Process Monitoring）。得益于現(xiàn)代智能壓力變送器每秒鐘22次的過程檢測速率，這一功能的靈敏度和準確度都得到了極大提升。

圖3 通過先進的過程診斷功能發(fā)現(xiàn)隱藏的過程問題Fig.3 Through advanced process diagnosis function found hidden problems

由圖3可以看出，位于最下方圖3 c）的信號模擬曲線表示了壓力變送器的傳感器所偵測到的過程噪聲的波動值。這個波動值分為正常、噪聲、安靜3個階段，分別代表變送器正常工作在引壓管通暢、引壓管堵塞或引壓管泄漏的3種工況下。與之相對應(yīng)的圖3 a）是這3種工況下過程噪聲信號的標準方差變化曲線?？梢钥吹?，當(dāng)引壓管發(fā)生堵塞或泄漏時，過程噪聲的標準方差將偏離正常值，而此時變送器的輸出壓力信號始終保持不變，圖3 b）。

表1展示了某臺壓力變送器在引壓管堵塞前后的一個采樣周期內(nèi)的壓力數(shù)值，

表1 堵塞前后某壓力變送器輸出值及其標準方差，單位：kPaTable 1 Block before and after a pressure transm itter output value and its standard variance, unit: kPa

其中，變送器輸出的主變量壓力值均為49.99kPa，即壓力采樣值的平均值，因此很難從輸出信號上判斷出堵塞的出現(xiàn)。但是，兩次測量周期內(nèi)的標準方差值發(fā)生了較大變化，工程人員可以借此來判斷引壓管堵塞的出現(xiàn)。

在實際應(yīng)用中，工程人員可以為壓力變送器設(shè)置標準方差的上限和下限值，以便幫助壓力變送器判斷何時應(yīng)當(dāng)輸出報警信號。

5 SPM在實際安全生產(chǎn)中的意義

SPM檢測在實際的生產(chǎn)實踐中，對提高生產(chǎn)安全性具有重要的意義。這種檢測功能可以在以下幾個方面發(fā)揮作用：

5.1 堵塞監(jiān)測

如前所述，當(dāng)壓力/差壓變送器的引壓管路存在堵塞風(fēng)險，且該測點用于連鎖控制或安全監(jiān)控時，SPM功能可以有效的發(fā)揮作用。在下面的案例中，差壓變送器高壓側(cè)的引壓管發(fā)生堵塞時，該變送器探知到的噪聲方差發(fā)生偏離，達到警報級別后，變送器的表頭顯示報警信息，同時輸出一個報警信號給上位機，如圖4。

圖4 差壓變送器引壓管堵塞前后方差變化Fig.4 Differential pressure transm itter variance changes before and after the pressure pipe blockage

5.2 葉輪斷裂

在進行儲罐液位測量時，安裝于罐底的壓力變送器可以通過SPM功能探知儲罐中攪拌葉片的缺損。例如，下圖中所示儲罐的三葉攪拌片中的一片斷裂后，盡管儲罐靜壓/液位并未發(fā)生明顯改變，但具有SPM功能的壓力變送器所監(jiān)測到的噪聲方差發(fā)生了變化，根據(jù)此變化，操作人員可以準確定位發(fā)生故障的位置，并及時作出處理。

圖5 當(dāng)發(fā)生葉輪斷裂時，壓力變送器將輸出報警信號Fig.5 When the impeller fracture, pressure transm itter output alarm signal

5.3 噴火器堵塞

燃燒爐有時會發(fā)生噴火點堵塞的故障，聚集在堵塞點下方的燃料氣會形成憋壓，一旦累計的壓力達到一定程度，燃料氣會一次性突破堵塞點進入爐膛。突然增多的可燃氣體有可能導(dǎo)致爐膛爆炸而發(fā)生嚴重事故。監(jiān)測爐膛壓力的變送器，可通過其自身的SPM功能探知燃料氣噴口的堵塞，對上述事故作出提前預(yù)警。

6 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代化過程工業(yè)生產(chǎn)中工藝水平的不斷優(yōu)化，更大、更新的生產(chǎn)裝置的陸續(xù)上馬，工廠對生產(chǎn)安全的要求也越來越高。生產(chǎn)運營和維保人員迫切的需要穩(wěn)定可靠的檢測手段來嚴密監(jiān)控整個工廠的生產(chǎn)過程[3,4]。在傳統(tǒng)的自身狀況監(jiān)測以外，壓力變送器的電源回路監(jiān)測和過程監(jiān)測功能，使之不但可以作為工藝壓力測量的進本儀表，更可以為生產(chǎn)安全提供重要而準確的判定依據(jù)工作在生產(chǎn)一線?，F(xiàn)今越來越多的壓力變送器生產(chǎn)廠家著力研發(fā)壓力變送器的高級診斷功能，以期迎合市場需求，同時也直接或間接的推動了儀表行業(yè)的技術(shù)進步與革新。未來以壓力變送器為首的測量儀表行業(yè)，在制造方，使用方甚至檢定機構(gòu)的共同推動下，必將迎來更多更先進的技術(shù)變革，并將由此也引發(fā)過程工業(yè)現(xiàn)代化的重要革命。

[1]楊斌,田園.淺談壓力變送器的故障診斷[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2013.

[2]Reference M anual of Rosemount 3051S Series Scalable Pressure,Flow, and Level Solution w ith HART Protocol 00809-0100-4801, Rev FA, Oct.2010.

[3]趙東奎.化工裝置差壓/壓力變送器常見故障分析 [J].工業(yè)及工程技術(shù) ,2010.

[4]張惠榮.熱工儀表及其維護[M].北京：冶金出版社, 2005.