自动化的设备管理技术使得流程泵的工作状态一目了然

在过去的几年里现场总线设备的故障诊断技术有了长足的进步，但过程设备的监控技术，例如流程泵或者换热器的监控技术，却还处于刚刚起步的阶段。

在流程工业领域中，企业资产管理的空间越来越大。“为了能够得出准确的设备状态数据，流程设备的各个组成部件应实现至少最低程度的智能化管理，在智能化管理中，故障诊断功能和相应的数据通信工具、途径是最基本的前提条件。”西门子公司Simatic PCS 7系统的市场经理Svitlana Schmitt女士说道。自动化技术、网络通信以及智能化的现场总线仪器设备或者PC工作站已经能够可靠地满足这些要求了。而且智能化的现场总线设备也逐步的发展起来，能够可靠地完成故障诊断和分析，并且能够按照NE 107标准的要求清晰地表示故障诊断的结果。

这些流程工艺技术中应用的故障诊断技术能够把流程设备实际状况与标准状况比较的结果显示出来，使操作者能够一目了然地知道流程设备是否一切正常或是与标准工况有多大的差异。“但遗憾的是一些通用的流程设备，例如流程泵、电动机、离心机和调节阀等则不具备这样的故障诊断和通信能力。”

图1 “Pumpmon可以在非连续性生产过程中使用。这样，就可以把一个批次生产的全过程与参考批次的生产数据进行比较，对整个批次生产过程进行监控。”
——Thomas Ross博士，拜耳技术服务公司

Schmitt女士在谈到当前的问题时说道。迄今为止，流程设备的操作者只能采取两种措施来避免机械设备故障带来的成套设备停产停工，即采用备用系统或是辅助安装传感器，而这两种方法的成本非常高。

过程自动化技术可以利用特殊的检测技术把生产过程中的检测数据与控制系统连接起来，详细地说明与流程设备磨损要求有关的状态信息。Honywell公司的技术顾问Herbert Fittler先生说道：“具体使用的工具包括主控系统中的核心工具，例如算法语言和功能模块等，以及作为辅助的补充应用工具，例如单独与控制系统网络连接的服务器类工具。”进一步的细化可以通过这些工具的方案设计来体现，例如监控对象是否作为特定流程工艺可以检测的元素，或者初始的软件环境能否提供满足检测设备的要求的特殊配置。例如，PCS 7流程泵监控模块对叶片泵进行监控和故障诊断分析时，主控系统中可接收到相应的传感器信号，这样主控系统就可以直接对传感器发送来的数据信息进行评估。这些信息包括电动机的有效功率、被输送介质的流量、泵的输入端（吸入侧）压力和输出端（排出侧）压力以及被输送介质的温度（尤其是在气蚀监控中）。这一监控模块既可用于电力驱动的叶片泵又可用于恒定转速或可变转速的流程泵中。当实际的工况超出流程泵额定工作的极限值或是与理想特性曲线的偏差等都会及时地反馈给流程设备的操作者，并在模块的输出端做进一步的处理，例如：数学计算、趋势分析或提示信息的分类存档等。这一模块本身就具有故障诊断功能，Schmitt女士清楚的指出：“无需对流程泵的工作进行主动的干预就可以完成监控、诊断的任务。这样，在实际应用（也包括补充安装）时不会对生产流程产生明显的影响。”

状态监控模块的应用

Yokogawa公司研发生产的状态监控模块（CBM）是PRM工厂资产管理系统内设备资产管理系统中的一个组成部分。这一状态监控模块不是在生产控制系统中运行，而是在资产管理系统中运行，并与生产控制系统相互交换数据。

图2  “很遗憾，大多数用户在实践中只是利用工厂资产管理系统对现场总线设备的工作参数进行监控。”
——Tim Henrichs先生，Yokogawa公司

举一个热交换器CBM状态监控的实例。根据温度梯度、传递的热量、水管中的污垢和压力降，技术研究人员研发了简单的专用算法语言Performance－KPI。“通过状态监控模块，流程设备的操作者和维修人员可以自动的获得所有热交换器的状态信息。同时把所有的结果都汇总到工作日志中，并分类归档，供趋势分析使用。逐步降低的能源效率或是不断增加的管道污垢聚集等问题都可通过相应的设置自动的发出警示，让操作者和维修工及早的发现问题。”Yokogawa公司的市场经理Tim Henrichs先生介绍说道。

在Experion PKS过程自动化系统的框架内，Honeywell公司提供了许多可以使用的工具，既有根据某些流程设备部件设置好的专用计算和显示工具软件，又有功能全面、根据生产企业实际设置、符合流程设备生产过程的设备资产管理软件。“预先设置监控项目的监控数据可以输入到设备资产管理系统中加以利用，并能把两种变量结合在一起。”Fittler先生介绍说，他列举了（轴向、离心式）压缩机、涡轮压缩机、（燃气、蒸气）涡轮机、分析仪器、高炉、流程泵、电动机、热交换器和调节阀等设备的实例。有些流程设备部件的监控采用的是模块化的计算方式，并能对当前数据进行补偿。这样，就可以及时地发现与这些数据有关的问题，例如功率下降的可能原因。

利用拜耳技术服务公司新研发的Pumpmon流程泵监控软件可以根据现有的现场总线信号发射器、接收器，甚至一些与流程工艺技术有关的设备部件就可以完成状态监控的任务。这一软件的主要目的也是及早的发现流程设备中存在的问题。根据多种流程工艺变量的相互作用，尤其是通过理论值与实际值的比较，获得比单独监控多种流程工艺数据更多的有关流程设备部件状态的信息。拜耳技术服务公司Pumpmon研发项目的负责人Thomas Ross博士说道：“这一研发设想并不是新的理念。”拜耳技术服务公司与其合作伙伴霍伦霍夫IOSB研究所合作，把不同过程参数在生产特性方面的相互关系搞清楚，并通过长时间的观察和发现明确了这些参数应具有的精度，最后绘制出了详细的相互关系图。这种详细的相互关系图类似一个参考基础的神经元网络，可以在全自动的流程工艺技术设备部件的实时监控中使用。Ross博士说：“它所衍生出来的结果是非常惊人的。它可以将流程设备部件中的渐进性差异清楚地反应出来。”这一软件已经在拜耳公司旗下某个连续性生产的企业中成功的完成了性能测试。目前，它正在拜耳材料科技公司的生产过程中进行大规模的测试，包括在线数据传输测试。

同时，该软件也对其在批次生产过程中应用的可行性进行分析。Ross先生说：“首先要根据拜耳公司下属的Bayer CropScience和Bayer HealthCare公司提供的历史基础数据对软件系统进行测试。”测试结果表明，Pumpmon方法也可以应用到不连续的生产过程之中，可以把整个批次生产过程中的数据与每一个作为基础的参考过程的数据相比较，对整个批次的间断生产过程进行监控。

图3 “为了能够得到有说服力的设备状态数据，流程设备的各个组成部件至少应有最低程度的智能化管理。”
——Svitlana Schmitt女士，西门子公司

在实践中的应用

在实践中使用这些监控技术并不是一件容易的事情。Yokogawa公司的CBM状态监控技术早在2007年就投放市场了，并在一些项目中得到了应用。但是，Henrichs先生说：“很遗憾，大多数用户在实践中只是利用工厂资产管理系统对现场总线设备的工作参数进行监控。”首先得到的是一些可用的信息，然后导出了短期、中期和长期应注意的事项或者建议。这是工厂资产管理系统的首要任务，也是比一个现场总线设备参数赋值和参数配置工具更加重要的任务。按照Henrichs先生的看法，只有把工厂资产管理系统应用到企业的生产过程和维护保养方案中去，流程工业企业才能够长期从资产管理中获得可持续性的资源优化。

尽管已经有些企业在这方面的研究已经获得了成功（例如Dolphin Energy-Qatar, Gaz de France, Statoil Hydro），但Honeywell公司的专家Fittler先生仍持谨慎乐观的态度。“目前，只有流程工业企业有生产工作的特殊需要时才会考虑使用这些软件工具，例如价格昂贵的设备部件损坏或者因硬件原因严重干扰了正常的生产流程的时候。”在卓越运营的框架中，软件控制工具的应用才成为重点，并能得到贯彻落实。“这就需要企业拥有一些专门负责软件应用准备、系统维护、数据管理、数据评判和分析检测的人员。”当流程设备自己独有的性能越多时，对具有设备专业知识的专业人员的需求也就越多。但Fittler先生认为，随着软件工具应用经济性的体现，相关文件记录的丰富以及越来越简便的软件工具的操作使用，流程设备的操作者会在将来获得更多的保障。

目前，在化工生产设备中Pumpmon模块已经成功地得到了应用，尤其是在那些故障率超过平均水平、容易出现气蚀危险的流程泵中。在那些可能出现化学沉积物的流程泵中，也可以使用Pumpmon监控模块。Schmitt女士说：“由于使用这种模块之后无需再安装配置备用泵，因此整个流程设备的造价可降低10%左右。”

研发方向

西门子公司通过不断地研发把机械部件集成到Simatic PCS 7系统的设备资产管理系统的软件模块中。新研发的Valvemon模块（目前正处于样品试验阶段）将能够对调节阀进行状态监控和分析。而Heatxchmon模块（目前同样也处于试验阶段）最适合于在液－液管道式换热器中使用。这一故障诊断模块能够对换热器的效率进行测定，得出当前热流与清洁状态下参考热流之间的差异。这样，就可以计算出当前的管道结垢程度、能源的损失和每天可以节约的费用。

在Pumpmon软件模块研发开始就可以推断，这一软件模块不仅要在拜耳的子公司中使用，而且也要面向市场，对外服务。Ross先生坚信：“拜耳公司与其用户一定能够合作研发出解决高难度问题的解决方案。目前，在许多流程工业用户的生产厂中正进行着大量的试验项目。

Fittler先生坚信：“软件工具使设备运行的效率更高、设备部件使用寿命更长，未来的研发重点有两个方向，即操作使用更加简单，更加透明地展示用户特殊的信息。在Honeywell公司里，它们的生产监控中心实现了选择性的可视化监控。Fittler先生的小结是：“软件工具使用操作的简单化会使软件在流程设备部件监控中得到更多的应用，并有可能最佳地集成到现有的流程设备之中。”