方原柏1概述生產過程往往要求連續進行，但生產過程所涉及到的設備（包括工藝設備、機械設備、電氣設備、儀表及控制系統等）有可能在使用過程中出現故障，使生產過程中斷。為了減少過程中斷造成的損失，在企業里有專門的一批人從事維修工作。維護工作通常分成三種類別：（1）事后維護（2）預防維護（3）預測維護事后維護，即設備出現故障時才對它進行維修，屬被動維護，這種“不出故障就不維修”的維護方式，是最簡單也是目前用戶采用最多的維護運行手段。帶來的問題是：出故障造成的設備停機時間長，損失大；高備件庫存成本；高超時勞動力成本。預防性維護通常是一種按計劃提前進行的維護工作，他要求在設備損壞之前就進行維護工作，如基于時間的維護計劃、基于條件的維護計劃等。像某種泵設備運轉12個月后就要更換其磨損部件，可看成是基于時間的維護計劃；像某冶金爐每隔50爐次就進行維護可看成是基于條件的維護計劃。通常他可避免設備出現故障時才對它進行維修所造成的設備停機問題，但按計劃維修也會造成設備沒有故障也要維修的“過度維修”問題。預測維護他包括設備狀態監測、故障診斷、故障預測、維護決策支持和維護活動，屬主動維護，也稱前瞻性維護，他根據設備狀態監測作出故障診斷并針對故障給出：問題描述、預測信息、維修建議。預測維護的優點是：減少事后維護所造成的停運時間長的問題，提高設備可靠性和可用系數，延長設備使用壽命，更好地貫徹“安全第一，預防為主”的方針；克服預防維護的盲目性，具有很強的針對性，根據狀態的不同采取不同的處理方法，降低運行檢修費用；減少維護工作量，降低勞動強度，有利于減員增效，提高經濟效益。表1預測維護技術的優勢
事后維護預防維護（基于時間的）預測維護
?65%的維護僅僅只是更換損壞的設備?編制維護周期表?計劃和最佳維護
?停止生產過程?尋找備件?維護周期固定?經常是無需維護?也可能在維護周期內出現故障?靈活及最佳?減少不必要的維護?出現故障的可能性降低
?生產時間減少?沒有計劃保證?生產時間可能減少?高維護修理費用?沒有不必要的維護費用?減少非正常停車造成的損失
針對自動化儀表，多個生產廠家陸續推出一些帶預測維護功能的智能儀表，本文將選擇性地以幾個產品為例介紹控制閥門、變送器和pH分析儀的預測維護功能。2控制閥門通過智能型閥門定位器對調節閥故障診斷。定位器內部的微處理器定時采集各種傳感器的數據并進行運算、比較、分析、組態，將出現異常的信息以報警信號形式輸出。智能型閥門定位器對調節閥的診斷可分為在線診斷、離線診斷。在線診斷包括：行程累積、行程方向改變次數、報警次數、死區自調整、閥門基線位置（比如：閥座的磨損）、最高最低溫度下運行小時數、閥門定位時間、執行機構泄漏、噪聲診斷等。離線診斷包括：執行機構及氣路的密封性、靜特性、階躍過渡及頻率響應特性。西門子公司的智能電氣閥門定位器SIPARTPS2可提供較多的額外監測功能，狀態顯示源自故障信號的監測。這使用戶在閥門或執行器發生重大故障前能提前檢測到，可避免系統因故障停車。通過故障信號的指示，例如執行器隔膜的損壞、動作滯后等，用戶可利用適當的維護策略保證系統可靠[1]。3變送器一般來說，通過智能變送器的故障診斷實現預測維護功能，智能變送器的故障診斷功能包括：導壓管堵塞功能診斷、壓力傳感器失效、溫度傳感器失效、傳感器模塊內存故障、環境溫度超限、壓力超限。愛默生過程管理（EmersonProcessManagement）公司推出的3051S變送器采用統計過程監控技術，在過程環境中它可以對異常情況進行檢測，他利用高精度的快速采樣傳感器（每秒20次以上）來測量壓力，將壓力的細微變化（過程噪聲）轉化為統計數據，如：平均值、標準差、標準差變化率，以及相互間的比例。這一技術的基本原理是：當設備正常運行時，各個動態過程環節的噪音特性或變化特性如有改變則意味著過程、過程設備、變送器發生或將發生顯著變化。例如，在流量測量應用中，如果差壓變送器一根或兩根引壓管發生堵塞，特定流量下的標準差值就會發生顯著變化，由此可檢測出引壓管線堵塞。而以往只有當堵塞一段時間以后，變送器輸出始終未隨實際流量變化而變時，用戶才有可能發現管線堵塞問題。在另外一些具體應用中，還可以檢測出濕氣體中的液體含量的顯著變化及冶金爐內火焰熄火前不穩定的異常現象。4pH分析儀pH分析儀的預測維護功能包括狀態監測、故障診斷、故障預測、信息顯示和傳輸等功能。在狀態監測的基礎上進行故障診斷，他所包含的內容很多，主要有接線自診斷功能，被測溶液自診斷功能、傳感器自診斷功能等等。接線自診斷功能主要是相關接線的開路、短路診斷，被測溶液自診斷功能主要是溫度、pH值超限診斷，而最重要而且最復雜的是傳感器自診斷功能，這項功能的診斷重點有以下四項：玻璃電極阻抗的測定；參比電極阻抗的測定；pH傳感器靈敏度的測定；pH傳感器響應時間的測定圖1為半值恢復時間測定方法示意圖，橫河公司TM20BG型pH計采用這種方法，圖中所示為pH傳感器用清洗劑清洗后再放入過程被測溶液進行測試的記錄曲線，pH2是清洗劑的pH值，pH1是過程被測溶液的pH值。AB時間段pH傳感器用清洗劑清洗，其顯示的pH值為pH2；從時間B開始，pH傳感器再放入過程被測溶液，此時顯示的pH值不斷上升，直到顯示的pH值穩定在pH1，當顯示pH值增加了1/2（pH1-pH2）時所用的時間可稱為半值恢復時間t1，我們可預先設定一個時間限制（設定范圍0.1~10min），當檢測到的半值恢復時間t1超過這個時間限制時，可判斷pH傳感器反應遲鈍。
圖1pH傳感器半值恢復時間測定示意圖5預測信息的顯示一般來說，預測信息的顯示有兩類方式：直接在智能儀表的面板顯示及在控制系統操作站顯示。5.1在智能儀表的面板顯示前面介紹的西門子公司智能電氣閥門定位器SIPARTPS2的故障信號按“交通燈”的方式進行分類，用綠色、黃色和紅色扳手顯示在其操作面板上（見圖2）[1]：?完好，無維護請求（無扳手）?需要維修（綠色扳手）?急需維修（黃色扳手）?臨近故障或故障（紅色扳手）
圖2智能電氣閥門定位器SIPARTPS2上的監測功能。另一個例子是霍尼威爾（Honeywell）公司的APT400系列pH計，在他的LCD顯示面板上，除了主顯示器和輔助顯示器是數字顯示外（比如主顯示器顯示pH值、輔助顯示器顯示溶液溫度值），其余采用的是象形符號，如圖3中的1，3個帶面部表情的人臉可以分別表示電極的好、中、差三種狀態。當進行電極不對稱電位、斜率校驗時，如顯示上面的笑臉，則說明電極狀況好（OK）；如顯示中間的無表情面孔，則說明電極狀況尚可；如顯示下面的哭臉，則說明電極狀況差，達不到校驗的精確度，表示需要更換電極了。
圖3帶象形符號的顯示面板1-電極狀況；2-電極校驗第三個例子是梅特勒?托利多(Mettler?Toledo)公司近年來推出ISM?（IntelligentSensorManagement，智能傳感器管理）系統[2]，在具有ISM功能的pH傳感器的上部裝有智能芯片，他可存儲傳感器所有相關參數和傳感器診斷及預測維護功能的算法，通過IEEE數字式通訊協議可將pH傳感器的制造廠、傳感器類型、型號、系列號、訂貨號和最后一次校驗數據傳送到M700變送器等設備。M700變送器等設備在監測玻璃電極、參比電極阻抗等參數的同時，可根據這些過程歷史數據進行診斷并給出預測維護的數據。上述所有檢測、診斷、預測數據可以在M700變送器顯示面板上顯示，該顯示面板采用LC顯示器，分辨率為240×160。圖4所示為在該面板上顯示的傳感器壽命顯示畫面，這樣的畫面已經是與計算機顯示畫面接近的顯示內容詳盡的畫面。在傳感器壽命顯示方框的下方，第一行顯示的是傳感器壽命棒狀圖，這個棒狀圖可以形象地看到傳感器壽命大致還有5/6；第二行顯示的是傳感器已工作時間（預計300天的壽命已經使用了48天）；當棒狀圖黑色部分填滿時或工作時間達到300天時，表示pH傳感器壽命已到，應予更換；第4行中的CIP、第5行中的SIP分別表示在線清洗、在線滅菌，是醫藥、食品行業批量生產中加熱過程的兩個術語，由于CIP/SIP循環經歷時間較長，且每一循環要承受一段時間高溫消毒或滅菌，對電極壽命影響較大，所以通常不允許超過預先規定的循環次數（如本例中規定的10次），系統可實現對CIP/SIP循環次數的自動計數[2]。
圖4ISM系統的傳感器壽命顯示畫面5.2在控制系統操作站顯示智能儀表還可以通過HART、FF等通信協議將統計參數傳輸到控制系統。使用這些統計參數，系統可以檢測或顯示過程環境下的變化。如果發生過程異常情況，系統將檢查這些數值，作出預測維護診斷，系統將把這些數值及診斷結果送控制系統操作站顯示。西門子公司Siwarex稱重系統實際上是一套全集成在Simatic控制系統的數字化稱重解決方案，他突破了通訊和系統結構的限制，在系統測量精度、控制速度、施工周期、長期維護量等方面與采用常規儀表方式相比體現出了巨大的技術優勢。由于稱重系統相對結構比較復雜，維護量比較大，而西門子這種基于Simatic的稱重解決方案，是一種滿足減少成本、簡化稱重系統結構且能提高稱重系統整體性能新要求的解決方案。Siwarex系統通過事件記錄功能來實時記錄稱重的進程和狀態，并且對于不正常的事件進行分析，同時診斷緩沖器將會記錄保存最后的100條診斷信息。通過對稱重傳感器和電纜的關鍵性參數進行長期的連續的監控，我們可以得到關于稱重系統的預診斷信息（如圖5），以避免設備停車故障，減少了維護維修成本[1]。
圖5Siwarex配套的軟件可查詢秤的各種運行狀態及參數愛默生過程管理公司的AMS智能設備管理系統中設置了電子巡檢功能，每隔五分鐘對現場儀表的狀態進行檢查，發現故障直接可以在報警列表中顯示，提示工人需要對現場進行維護。電子巡檢與傳統的人工巡檢形成互補（人工巡檢檢查設備及管線跑冒滴漏，而電子巡檢檢查設備內部故障及組態的狀態更改）。圖6AMS智能設備管理系統的報警列表當現場儀表出現故障后，5分鐘之內顯示在AMS智能設備管理系統的報警列表中（見圖6），以聲光方式提示維護人員，維護人員可以根據報警列表的提示信息及時進行現場維護。縮短了故障存在的時間。采用增強型的EDDL（電子設備描述語言）可以用來顯示豐富的過程數據診斷信息，如圖7所示，壓力變送器的引壓管堵塞就可以在操作過程中顯示其診斷信息[3]。圖7壓力變送器的引壓管堵塞的診斷信息6改造實例有的朋友可能要說：帶預測功能的智能儀表雖然好，但我們用的都是普通儀表，如何讓他也有預測功能？換新的智能儀表當然是一個辦法，但在某些情況下，改造或許也行，這里就舉一個例子：沙鋼集團冷卻裝置有8臺水箱，水箱調節閥控制器為FISHER公司早期產品DVC6020HC定位器，由于電氣轉換器失控以及定位精度不理想造成水箱流量控制不穩定等問題，調節閥控制性能不能很好地滿足工藝要求，雖多次修改、優化控制程序都效果不佳。2008年進行改造，將原有調節閥上的電氣轉換器(見圖8左)全部換成帶HART通訊協議的智能定位器FIELDVUEDVC6010PD（見圖8右），增加了閥門在線性能監控系統，可以在閥門出現問題而未影響到工藝操作之前發現并問題，從而實現預測維護功能。圖8改造前后的水箱調節閥但由于目前使用的系統不支持HART通訊協議，因此采用HART多路轉換器來讀取/傳送HART信息，將裝置16臺閥門連到ValveLink工作站，由ValveLink軟件對閥門實現帶預測維護功能的在線管理（見圖9）[4]。圖9控制系統改造示意圖
