"摘要

從傳統(tǒng)來(lái)講，如果沒有旁通，安全系統(tǒng)需要在工藝過(guò)程完全切斷的情況下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試安全系統(tǒng)需要昂貴的氣動(dòng)面板和高度熟練的技術(shù)人員。本文介紹了智能定位器在緊急停車場(chǎng)合中的應(yīng)用。使用智能定位器不但可以降低基本設(shè)備成本，而且還可以減少測(cè)試時(shí)間以及人員需求。它也允許當(dāng)工藝過(guò)程正在運(yùn)行時(shí)測(cè)試安全閥門。閥門可以作很小的運(yùn)動(dòng)（10%）以確認(rèn)它工作正常，但又不影響生產(chǎn)。智能定位器的診斷能力可以顯示閥門的健康狀況，這樣就減少了有計(jì)劃的維護(hù)需要，且增加了過(guò)程的利用率。

簡(jiǎn)介

由于危險(xiǎn)的化學(xué)品或氣體的泄露，許多工藝過(guò)程，尤其是化學(xué)或油/氣工業(yè)中的工藝過(guò)程的操作都涉及到內(nèi)在的風(fēng)險(xiǎn)。儀表安全系統(tǒng)（SIS）經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，通過(guò)減少已知的緊急事件發(fā)生的可能性或其嚴(yán)重性，來(lái)保護(hù)人員、設(shè)備以及環(huán)境。這些安全系統(tǒng)涉及到最終控制元件，如緊急切斷閥、緊急排空閥、緊急隔離閥、關(guān)鍵的開/關(guān)閥等。這些閥門要求靜止在某一位置，只有緊急情況出現(xiàn)時(shí)，才需要可靠地動(dòng)作。長(zhǎng)時(shí)間地停留在某一位置不動(dòng)的閥門容易卡住，在需要它動(dòng)作的時(shí)候可能會(huì)失靈。這樣可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的情況，導(dǎo)致爆炸、火災(zāi)、或者致命的化學(xué)品和氣體泄放到環(huán)境中去。為了確保這些安全系統(tǒng)必備的可靠性和可利用性，必須對(duì)它們頻繁地進(jìn)行測(cè)試。

遺憾的是，傳統(tǒng)的測(cè)試這些安全閥門的方法需要工廠停車，以進(jìn)行這些測(cè)試，或者在測(cè)試這些閥門的時(shí)候，使得安全系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)。這些都是很不受歡迎且非常昂貴的選擇。本文的要旨在于詳細(xì)闡述如何使用智能定位器以顯著地提高這些安全系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)大大減少費(fèi)用，并獲得許多其它優(yōu)點(diǎn)。


數(shù)字式閥門控制器解決方案

除了具有傳統(tǒng)的把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)以操作閥門的功能外，這些數(shù)字式閥門控制器采用HART通訊協(xié)議，很容易訪問對(duì)過(guò)程操作致關(guān)重要的信息。智能定位器接收閥門行程位置、供氣壓力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣壓的反饋信號(hào)。這就使得智能定位器不但能夠診斷它自身，而且可以診斷它所安裝的閥門和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

由于具有邏輯能力，智能定位器可以取代用于測(cè)試閥門的特殊的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試面板，也能夠完全自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程。在最終控制元件中安裝智能定位器可以實(shí)現(xiàn)閥門部分行程動(dòng)作的在線試驗(yàn)，不再需要特殊的機(jī)械限位裝置或其它特殊的測(cè)試設(shè)備。

部分行程動(dòng)作測(cè)試可以確認(rèn)閥門工作正常，不會(huì)干擾工藝過(guò)程。由于試驗(yàn)期間不需要切斷工藝過(guò)程，測(cè)試可以更加頻繁地進(jìn)行。由于測(cè)試時(shí)間間隔（TI）與緊急情況故障概率（PFD）成線性反比，更加頻繁的測(cè)試對(duì)于減少緊急情況故障概率（PFD）有非常大的影響。由于整個(gè)測(cè)試過(guò)程可以用程序編入智能定位器中，所以部分行程動(dòng)作測(cè)試能夠自動(dòng)進(jìn)行而不需要操作員的關(guān)注。這就把測(cè)試時(shí)間間隔縮得盡可能地短（每小時(shí)、每天、每周等），以滿足設(shè)定得SIL目標(biāo)價(jià)值。因?yàn)闇y(cè)試程序是完全自動(dòng)化的，所以避免了任何錯(cuò)誤和可能的令人麻煩的現(xiàn)場(chǎng)察看。然而，由于安全原因，操作員需要簡(jiǎn)單地按動(dòng)按鈕以啟動(dòng)測(cè)試程序。

通常情況下，部分行程動(dòng)作測(cè)試把閥門從原來(lái)位置移動(dòng)10%，但是如果工廠安全指南允許，最大可移動(dòng)30%。盡管部分行程動(dòng)作測(cè)試不能取消對(duì)于全行程動(dòng)作測(cè)試的需要（全行程動(dòng)作測(cè)試需要用來(lái)檢查閥座等），但它把所需的全行程動(dòng)作測(cè)試的頻率減少到很可能只需要在工廠大修期間進(jìn)行的程度。因?yàn)槎ㄎ黄魍ㄟ^(guò)HART協(xié)議來(lái)通訊，部分行程動(dòng)作測(cè)試可以通過(guò)一個(gè)HART手操器，也可以通過(guò)運(yùn)行定位器相應(yīng)軟件的個(gè)人電腦，或通過(guò)與定位器接線端子硬線連接的面板按鈕來(lái)啟動(dòng)。

除了減少生產(chǎn)成本之外，在儀表安全系統(tǒng)(SIS)里使用智能定位器還可以減少基本設(shè)備成本、測(cè)試時(shí)間、以及人力需求，因?yàn)椴辉傩枰嘿F的氣動(dòng)測(cè)試面板和試驗(yàn)所需的熟練人員。使用智能定位器還能實(shí)現(xiàn)遙控測(cè)試，這樣就可以減少去現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)檢查的需要，從而節(jié)約時(shí)間。

因?yàn)橹悄芏ㄎ黄魈峁┰\斷以及位置信息，閥門狀態(tài)和響應(yīng)時(shí)間可以在測(cè)試期間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每次部分行程動(dòng)作測(cè)試后，閥門的性能趨勢(shì)可以得到監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行自動(dòng)分析，因此可能會(huì)發(fā)生故障的閥門在無(wú)法工作之前就可以被區(qū)分出來(lái)。動(dòng)作次數(shù)和行程累計(jì)會(huì)顯示閥門的動(dòng)作程度。與相應(yīng)的軟件同時(shí)使用時(shí)，可以對(duì)閥門進(jìn)行如圖1所示的階躍測(cè)試，以確定總的動(dòng)作時(shí)間。這種測(cè)試也可以用來(lái)分析超調(diào)、死區(qū)、和時(shí)滯時(shí)間。

特性曲線測(cè)試（圖2）的結(jié)果可以用來(lái)輕松判定填料問題（通過(guò)摩擦力數(shù)據(jù)）、壓力氣動(dòng)通道至執(zhí)行機(jī)構(gòu)的泄漏、閥門卡住、執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈性系數(shù)、以及彈簧設(shè)定范圍。智能定位器可以保存這些數(shù)據(jù)結(jié)果以供打印輸出或日后使用。把現(xiàn)在的特性曲線測(cè)試結(jié)果與過(guò)去的測(cè)試結(jié)果重疊起來(lái)，可以顯示閥門的性能是否隨著時(shí)間而下降。這增加了閥門的可利用性，并確保閥門一收到命令就作出響應(yīng)。這也減少了對(duì)閥門的有計(jì)劃的維護(hù)量，因?yàn)檫@些測(cè)試可以用來(lái)預(yù)測(cè)閥門何時(shí)需要維修。

閥門卡住時(shí)，有些智能定位器能夠給操作員發(fā)出報(bào)警。當(dāng)定位器開始部分行程動(dòng)作測(cè)試的時(shí)候，它連續(xù)地檢查閥門的行程看它是否響應(yīng)正確。如果不正確，定位器就會(huì)放棄測(cè)試，并提示操作員閥門卡住了。這可以防止閥門在最后能夠自由動(dòng)作時(shí)突然關(guān)閉。

簡(jiǎn)而言之，智能定位器能夠提供有關(guān)最終控制元件包括定位器本身的完整的健康狀況的診斷信息。此外，智能定位器能夠提供任何緊急事件以及所有測(cè)試的文件記錄。保險(xiǎn)公司會(huì)接受這些可以作為測(cè)試證據(jù)的文件。最好的一點(diǎn)是這些文件可以全自動(dòng)地記錄，不需要花費(fèi)昂貴的操作時(shí)間。

最后，如果在測(cè)試期間需要緊急停車，智能定位器會(huì)中斷測(cè)試，而把閥門移動(dòng)到安全位置。

安裝

智能定位器可以安裝在任何結(jié)構(gòu)形式的閥門上，包括線性直行程閥門、旋轉(zhuǎn)閥、縱向旋轉(zhuǎn)閥等，這些閥門配備彈簧薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)、彈簧復(fù)位活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)、或雙作用活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。安裝方法有兩種。這兩種方法都使用一個(gè)電磁閥，并提供一個(gè)冗余的氣動(dòng)通道，即：執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力總是能夠釋放以使得閥門移動(dòng)到安全位置。如果電磁閥出現(xiàn)故障，執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力會(huì)通過(guò)智能定位器里的氣動(dòng)通道釋放。如果智能定位器出現(xiàn)故障，執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力可以通過(guò)電磁閥釋放。

圖3表示智能定位器安裝在一個(gè)4線制系統(tǒng)中。在這種安裝中，邏輯控制器提供兩路獨(dú)立的輸出：一路24V直流信號(hào)給電磁閥，一路4－20mA直流信號(hào)給智能定位器。這兩個(gè)信號(hào)是根據(jù)傳感器和邏輯控制器的內(nèi)部邏輯而產(chǎn)生的。4－20mA的輸出作為閥門初始位置的控制信號(hào)，也可用于遙控在線部分行程動(dòng)作測(cè)試時(shí)閥門位置的控制。這提供了兩種方式：通過(guò)SIS來(lái)控制閥門，以及監(jiān)測(cè)包含在HART（疊加于模擬信號(hào)上）數(shù)字信息里的閥門診斷信息。來(lái)自邏輯控制器的第二個(gè)輸出－24V直流信號(hào)與電磁閥相連接。這是一種獨(dú)立的把SIS命令發(fā)送給安全閥門的方式。這樣，兩個(gè)分開的SIS信號(hào)可以提供給閥門，閥門可以接受一個(gè)“兩者取一”的失效－安全命令。

這種安裝方法需要一對(duì)額外的線纜，但是它的確允許智能定位器甚至在緊急命令的情況下繼續(xù)通訊。這使得定位器通過(guò)其相應(yīng)軟件可以提供有價(jià)值的閥門趨勢(shì)信息。在緊急停車時(shí)能夠記錄閥門的動(dòng)作情況，對(duì)于保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)或工廠環(huán)境部門都是非常重要的。它證明在收到命令時(shí)閥門確實(shí)動(dòng)作了。

圖4表示一個(gè)智能定位器安裝在2線制系統(tǒng)中。在這種安裝方式中，邏輯控制器提供一個(gè)24V直流信號(hào)，給電磁閥和智能定位器兩者提供電源。這種安裝方式在新項(xiàng)目中可以減少接線成本，在現(xiàn)有安裝中也不需要額外的接線。它還節(jié)約了控制室中的一個(gè)I/O卡（輸入/輸出卡）。但是，它需要一個(gè)線路調(diào)節(jié)器。這個(gè)調(diào)節(jié)器增加一個(gè)約2V的直流線壓降，且還需要一個(gè)低能耗電磁閥。


結(jié)論

通過(guò)部分行程動(dòng)作測(cè)試可以獲得明顯的性能以及安全方面的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，使用智能定位器還能獲得其它的好處?；驹O(shè)備成本降低了，測(cè)試時(shí)間大大縮短了，由于不需要目前測(cè)試所需的昂貴的氣動(dòng)測(cè)試面板以及熟練技術(shù)人員，人力的需求也降低了。此外，遙控測(cè)試功能幾乎不需要現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)性察看，而且建立了自動(dòng)測(cè)試程序，這些都能夠大大節(jié)約了時(shí)間。

通過(guò)提供閥門性能惡化分析，智能定位器對(duì)于預(yù)見性維護(hù)是一個(gè)很大的幫助，這一點(diǎn)對(duì)于安全系統(tǒng)里的關(guān)鍵閥門是很重要的。這也減少了有計(jì)劃的維護(hù)量。在進(jìn)行部分行程動(dòng)作測(cè)試時(shí)，如果由于某個(gè)原因閥門卡住了，有些智能定位器并不完全釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力。這可以確保閥門解卡后不會(huì)突然關(guān)閉。這些智能定位器會(huì)放棄測(cè)試并發(fā)出報(bào)警，告訴操作員閥門卡住了。

智能定位器可以在所有試驗(yàn)和報(bào)告上打出時(shí)間和日期，這一點(diǎn)對(duì)于符合法律權(quán)威機(jī)構(gòu)的要求很重要。它還具有比較和解釋診斷數(shù)據(jù)的能力。

智能定位器可以在過(guò)程正在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行部分行程動(dòng)作測(cè)試，而不會(huì)有錯(cuò)過(guò)緊急命令的危險(xiǎn)。這種測(cè)試向閥門發(fā)送一個(gè)小階躍信號(hào)。這個(gè)信號(hào)太小而不會(huì)干擾工藝過(guò)程，但是它對(duì)于確認(rèn)閥門是否在正常工作已經(jīng)足夠大了。有些智能定位器還提供一個(gè)固有的冗余氣動(dòng)通道。如果緊急情況出現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力總會(huì)釋放出去，要么通過(guò)電磁閥，要么通過(guò)智能定位器本身，這樣，可以確保閥門總是能夠處在安全位置。

總之，考慮到這些獨(dú)特的好處，使用智能定位器進(jìn)行部分行程動(dòng)作測(cè)試是一種明智的且經(jīng)濟(jì)可行的確保緊急停車安全系統(tǒng)的可靠性的解決方案。