借助仪表的高级诊断功能降低生产安全隐患

王洋

（艾默生过程控制有限公司 测量仪表部，广州 510030）

0 引言

智能型压力变送器是当今过程工业生产活动中最普遍，也是最常用的测量仪表。它将所测量介质的压力、差压等物理信号转化成为可被控制系统识别和处理的4～20mA HART等标准电流信号或FF、Profibus等数字总线信号。这些测量数据经过控制系统的计算和处理后，有的被用作过程变量监控，有的被用作工艺计量，还有的被用作终端执行器的控制依据[1]。伴随着科技进步，智能型压力变送器的产品升级也在不断的发展。同时，使用者对变送器的要求也越来越高，主要表现在对变送器精度和长期稳定性等基本要求的提升，以及对变送器的高级诊断功能的要求上。本文将主要针对压力变送器的高级过程诊断功能展开讨论，对这些功能在实际生产活动中有效降低安全隐患的能力加以论证。

1 什么是压力变送器的诊断功能

现今工业测量领域中所使用的压力变送器的诊断功能主要包含3方面的内容：

1）固有的自我诊断；2）电源回路诊断；3）先进的过程诊断。

这些诊断信息都是通过内置于压力变送器内部的传感元件实现监测，并在变送器运算处理单元中进行信号处理，并对其含义进行判断，最终根据判断结果以及预先给出的组态信息进行输出或显示的。下面将逐一介绍这些诊断功能。

2 固有的自我诊断

多数智能型压力变送器均具有该功能，主要包含以下几方面的诊断：

传感器诊断：通过持续监测判断传感器是否存在故障，或判断传感器与电子线路板是否匹配。

测量范围诊断：通过比对实际过程压力/差压读数和组态量程范围的大小关系，判断压力变送器的输出信号是否准确反映了过程值。

电子装置诊断：当压力变送器的传感器与电子线路板之间的接线断路，或电子线路板发生故障时，提示操作员发生故障的原因。

工作温度诊断：监测传感器及电子线路板是否处在正常工作的允许温度范围内。

其它诊断：包括LCD显示屏更新诊断，模拟输出固定和模拟输出饱和诊断，传感器参数警告诊断等[2]。

3 电源回路诊断

通常情况下，每台压力变送器都需要一定的的供电电压才能正常工作。通讯回路中往往需要电阻值达到250Ω，并在具有特殊安全要求的场合加装防雷栅来保证安全。在实际的应用工况中，单台压力变送器的供电/信号传输电缆长度往往达到甚至超过500m，这些电缆及其桥架有时直接布置在现场潮湿、腐蚀、甚至可能受到物理损伤的位置。另一方面，由于压力变送器多数工作在露天环境中，雨水或空气中的凝结水常常会顺着导线管流入变送器的接线腔室中，造成接线端子水浸或者锈蚀。以上这些情况均有可能导致回路电阻异常，进而使得压力变送器输出的电流信号失真。图1就是对这种情况的描述。

图1 回路中的泄漏电流可能导致严重的读数偏差Fig.1 Leakage current in the circuit may cause serious reading deviation

如图1中所示，压力变送器的电源回路中出现了由额外并联电阻造成的泄露电流，这个额外的电流信号而导致系统的接收值（18mA）和变送器的输出值（15mA）不同。此时，若根据该错误信息采取控制动作，则有可能引发事故。

此外，回路中的意外的电气负载增加也可导致回路电压不稳。由腐蚀、电源不稳或人为接线错误所导致的接线回路电阻增加，可能会使变送器没有足够的电压将回路驱动到合适的毫安值，甚至警报状态。图2所示便是这种情况。随着过程压力的升高，变送器的输出电流信号却无法突破16mA。此时如果过程压力值继续升高到临界值，而变送器却无法给出报警信号，则极有可能危害生产安全。

图2 额外回路电阻改变变送器的输出电流Fig.2 Additional circuit resistance changing the transm itter output current

针对上述两种情况，电源回路诊断功能将在回路变化时发送一个报警信息给上位机，供操作人员读取，同时在现场表头也会显示相应的报警信号。一般情况下，报警的模式可根据实际需要进行设置。例如，当仪表的接线端子出现浸水现象时，变送器的模拟量输出可以选择保持真实测量值，或者直接输出21.75 mA的报警值。

4 先进的过程诊断

不同于传统压力变送器仅对自身“健康”状况的诊断，新一代智能型压力变送器还具有先进的过程诊断功能。其作用在于，提前预知各种可能威胁生产安全，或变送器自身安全的外部事件，并及时发出警报。在实际的工业生产现场，装置或管线内的压力通常经由引压管传导到压力变送器。而过程流体中的固体杂质、低温环境所造成的冻结、工艺介质结垢等情况的发生，往往会造成引压管堵塞。这种堵塞的发生，会使得堵塞点到压力变送器膜片之间的引压管路中形成“憋压”，进而导致压力变送器的测量读数保持不变，从而无法准确测量工艺装置或管道中的真实压力值。此时，如果装置压力达到危险值，而压力变送器将无法“通知”控制系统或阀门采取必要动作，进而引发事故。

先进的过程诊断功能可以很好的解决这一问题。其原理是，通过连续监测并计算压力噪声的标准方差，使之转换为可供读取和分析的智能信息，从而及时判断出压力变送器引压管路的堵塞状况，这一功能也被称为动态过程监控（Statistical Process Monitoring）。得益于现代智能压力变送器每秒钟22次的过程检测速率，这一功能的灵敏度和准确度都得到了极大提升。

图3 通过先进的过程诊断功能发现隐藏的过程问题Fig.3 Through advanced process diagnosis function found hidden problems

由图3可以看出，位于最下方图3 c）的信号模拟曲线表示了压力变送器的传感器所侦测到的过程噪声的波动值。这个波动值分为正常、噪声、安静3个阶段，分别代表变送器正常工作在引压管通畅、引压管堵塞或引压管泄漏的3种工况下。与之相对应的图3 a）是这3种工况下过程噪声信号的标准方差变化曲线。可以看到，当引压管发生堵塞或泄漏时，过程噪声的标准方差将偏离正常值，而此时变送器的输出压力信号始终保持不变，图3 b）。

表1展示了某台压力变送器在引压管堵塞前后的一个采样周期内的压力数值，

表1 堵塞前后某压力变送器输出值及其标准方差，单位：kPaTable 1 Block before and after a pressure transm itter output value and its standard variance, unit: kPa

其中，变送器输出的主变量压力值均为49.99kPa，即压力采样值的平均值，因此很难从输出信号上判断出堵塞的出现。但是，两次测量周期内的标准方差值发生了较大变化，工程人员可以借此来判断引压管堵塞的出现。

在实际应用中，工程人员可以为压力变送器设置标准方差的上限和下限值，以便帮助压力变送器判断何时应当输出报警信号。

5 SPM在实际安全生产中的意义

SPM检测在实际的生产实践中，对提高生产安全性具有重要的意义。这种检测功能可以在以下几个方面发挥作用：

5.1 堵塞监测

如前所述，当压力/差压变送器的引压管路存在堵塞风险，且该测点用于连锁控制或安全监控时，SPM功能可以有效的发挥作用。在下面的案例中，差压变送器高压侧的引压管发生堵塞时，该变送器探知到的噪声方差发生偏离，达到警报级别后，变送器的表头显示报警信息，同时输出一个报警信号给上位机，如图4。

图4 差压变送器引压管堵塞前后方差变化Fig.4 Differential pressure transm itter variance changes before and after the pressure pipe blockage

5.2 叶轮断裂

在进行储罐液位测量时，安装于罐底的压力变送器可以通过SPM功能探知储罐中搅拌叶片的缺损。例如，下图中所示储罐的三叶搅拌片中的一片断裂后，尽管储罐静压/液位并未发生明显改变，但具有SPM功能的压力变送器所监测到的噪声方差发生了变化，根据此变化，操作人员可以准确定位发生故障的位置，并及时作出处理。

图5 当发生叶轮断裂时，压力变送器将输出报警信号Fig.5 When the impeller fracture, pressure transm itter output alarm signal

5.3 喷火器堵塞

燃烧炉有时会发生喷火点堵塞的故障，聚集在堵塞点下方的燃料气会形成憋压，一旦累计的压力达到一定程度，燃料气会一次性突破堵塞点进入炉膛。突然增多的可燃气体有可能导致炉膛爆炸而发生严重事故。监测炉膛压力的变送器，可通过其自身的SPM功能探知燃料气喷口的堵塞，对上述事故作出提前预警。

6 结束语

随着现代化过程工业生产中工艺水平的不断优化，更大、更新的生产装置的陆续上马，工厂对生产安全的要求也越来越高。生产运营和维保人员迫切的需要稳定可靠的检测手段来严密监控整个工厂的生产过程[3,4]。在传统的自身状况监测以外，压力变送器的电源回路监测和过程监测功能，使之不但可以作为工艺压力测量的进本仪表，更可以为生产安全提供重要而准确的判定依据工作在生产一线。现今越来越多的压力变送器生产厂家着力研发压力变送器的高级诊断功能，以期迎合市场需求，同时也直接或间接的推动了仪表行业的技术进步与革新。未来以压力变送器为首的测量仪表行业，在制造方，使用方甚至检定机构的共同推动下，必将迎来更多更先进的技术变革，并将由此也引发过程工业现代化的重要革命。

[1]杨斌,田园.浅谈压力变送器的故障诊断[J].现代制造技术与装备, 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]赵东奎.化工装置差压/压力变送器常见故障分析 [J].工业及工程技术 ,2010.

[4]张惠荣.热工仪表及其维护[M].北京：冶金出版社, 2005.