摘 要：介紹基于測量差異報警原理，由DCS系統(tǒng)實現(xiàn)的對于變送器儀表的早期故障診斷和報警功能。
1 引言
根據(jù)統(tǒng)計，工廠企業(yè)中約90%控制系統(tǒng)故障都是由現(xiàn)場儀表故障導(dǎo)致的，儀表故障中相當一部分儀表故障的產(chǎn)生是漸變的過程，其中一部分可以通過各種儀表早期診斷措施及時發(fā)現(xiàn)，避免故障影響的擴大。例如壓力測量儀表的引壓管堵塞、膜片腐蝕、泄露；浮筒/浮球型液位儀表因工藝介質(zhì)結(jié)晶、堵塞、掛料造成浮球卡滯；介質(zhì)密度變化、分層引起差壓液位計測量不準。基于先金中控系統(tǒng)CCS和變送器儀表的差異報警就是一種儀表早期故障監(jiān)測手段。可有效降低因儀表故障導(dǎo)致生產(chǎn)停車的風(fēng)險，提高生產(chǎn)的自動化程度和安全性。
2 基于 DCS 系統(tǒng)的差異報警功能的基本原理和實施條件
工業(yè)生產(chǎn)裝置的中控系統(tǒng)CCS通常由執(zhí)行工藝流程控制的PCS系統(tǒng)和執(zhí)行設(shè)備保護的SIS（包括PSD和ESD）系統(tǒng)組成。根據(jù) IEC 61511等相關(guān)規(guī)范，主要生產(chǎn)設(shè)備的重要參數(shù)的監(jiān)控需要分別為PCS和SIS系統(tǒng)設(shè)置好立的測量儀表。石油化工行業(yè)中很常見的設(shè)備——生產(chǎn)分離器設(shè)備如圖1所示，設(shè)計階段按照相關(guān)標準規(guī)范為該設(shè)備的氣相壓力、油水界面液位、油相液位的測量分別配備了冗余的智能變送儀表，分別由生產(chǎn)控制系統(tǒng)（PCS）和應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）進行監(jiān)控。當同一測量點的兩個變送器測量值的差異超出一定偏差范圍，可以判定其中一臺儀表的功能異常或即將出現(xiàn)故障，進而在系統(tǒng)操作站進行報警提示和記錄，提醒生產(chǎn)人員及時進行人工干預(yù)并適時安排對可能存在問題的現(xiàn)場儀表的檢查和維修。
以上系統(tǒng)配置和功能描述即是應(yīng)用差異報警功能（或稱之為偏差報警）實現(xiàn)儀表早期故障診斷的基本原理。
3 相關(guān)標準規(guī)范和tuijian做法
國外IEC/ISA/EEMUA等組織機構(gòu)關(guān)于報警管理方面的相關(guān)規(guī)范中給出了儀表差異報警的術(shù)語定義‘Deviation Alarm’，并將其類型屬于儀表診斷報警（Instrument Diagnostic Alarm）。但是，相關(guān)標準規(guī)范并未針對差異報警進一步應(yīng)用給出具體而詳細的指導(dǎo)，國內(nèi)期刊文摘對此方面的介紹也非常少。IEC62628/ISA18.02/EEMUA191等國外相關(guān)規(guī)范介紹了報警系統(tǒng)模型、報警管理策略、報警定義/分類/分級/優(yōu)化設(shè)計、HMI設(shè)計的基本原則等。對基于中控系統(tǒng)和變送器儀表的差異報警原理，以實現(xiàn)儀表故障診斷和早期報警功能的設(shè)計和應(yīng)用，有一定指導(dǎo)和借鑒作用。
4 差異報警功能設(shè)計基本原則
差異報警程序的功能和人機界面的設(shè)計應(yīng)遵循相關(guān)規(guī)范，并盡量與中控系統(tǒng)廠家的報警策略、操作界面風(fēng)格相一致（tuijian的差異報警操作界面如圖2所示）。在不違背相關(guān)規(guī)范或規(guī)定的前提下，差異報警的功能應(yīng)滿足下面的基本要求。
4.1 差異報警報警級別的確定
報警級別的確定通常考慮兩個方面：報警信息處理的急迫性和報警處理不及時所導(dǎo)致的風(fēng)險的嚴重程度。
（1）急迫性
如報警產(chǎn)生，在出現(xiàn)潛在性危害情況之前操作人員需采取行動的以應(yīng)對報警的可急迫性分為Immediate立即行動（<3min）；Prompt迅速反應(yīng)（3~15min之間）；Soon盡快處理（>15min）。
（2）風(fēng)險嚴重程度
如果不能對報警做出有效處理，則潛在危害后果可分為：危險、大、中等、小這4種情況。根據(jù)EEMUA191、ISA-18.02等規(guī)范中的tuijian做法，綜合考慮上述這兩個因素后，可將報警劃分為4個級別：高危（臨界）、高、中、低（如表1所示）。差異報警作為一種儀表早期故障診斷措施，通常歸屬于低級別或中等級別報警。在具體實施過程可參照EEMUA191 Appendix5tuijian的方法，將每個差異報警進行定級。
4.2 差異報警的測量/對比區(qū)間設(shè)定
需要做差異報警的儀表，在選型和設(shè)計過程中應(yīng)盡量使相關(guān)儀表的量程范圍一致，并以#大限度的重合的測量區(qū)間作為差異報警的對比區(qū)間。如確定的差異報警級別為較低報警級別，為避免特殊工況下（如開車、停車過程或其他不穩(wěn)定的工況）可能產(chǎn)生過多的報警對操作人員造成干擾，也可以PCS系統(tǒng)變送器儀表的高~低報警值（HA~LA）之間測量范圍作為2臺儀表差異報警的對比區(qū)間。
4.3 差異報警精度（偏差值）的設(shè)定
應(yīng)綜合考慮儀表測量原理、儀表精度、安裝條件、報警級別和被測介質(zhì)特性等因素，合理選擇差異報警的精度（偏差值）。偏差值設(shè)定過高會影響差異報警作為儀表故障早期診斷的作用；偏差值設(shè)定過低，容易產(chǎn)生過多不必要的報警，對操作員造成干擾。
偏差報警設(shè)定精度應(yīng)可以在操作界面直接調(diào)整（參照EEMUA191關(guān)于儀表測量死區(qū)的相關(guān)規(guī)定，tuijian以差異對比區(qū)間的3%作為壓力和溫度儀表的差異報警設(shè)定值，以差異對比區(qū)間的6%作為液位儀表的差異報警設(shè)定值）。
4.4 差異報警程序的數(shù)據(jù)采集、計算、顯示更新頻率
過高的數(shù)據(jù)采樣頻率會增大中控系統(tǒng)負荷，并可能產(chǎn)生重復(fù)報警。因此，參照EEMUA191中對“時間過濾”參數(shù)（Filter Time）相關(guān)規(guī)定，tuijian以2~3s作為差異報警程序的數(shù)據(jù)采集、計算、顯示更新頻率（備注：Filtering/Low Pass Filtering是EEMUA191中tuijian的一種用于處理‘repeating andfleeting alarm’的方法）。
4.5 人機界面的設(shè)計和功能要求
應(yīng)設(shè)置專用操作界面作為儀表差異報警人機界面（HMI），用于集中、分類顯示做差異對比的儀表（同種類型儀表盡量放置一起），人機操作界面和功能的設(shè)計應(yīng)考慮以下幾個主要方面（見圖2）：
（1）顯示列至少包括儀表實測值，偏差報警設(shè)定精度，實際偏差值、單組儀表差異報警功能的“使能”（Enable/Disable）按鈕（Disable操作應(yīng)在系統(tǒng)中進行記錄）。
（2）需設(shè)計有“全部差異報警功能Enable/Disable”按鈕。
（3）差異報警計算、顯示所需的數(shù)據(jù)應(yīng)當直接引自實時數(shù)據(jù)庫。調(diào)整單個儀表的高/低設(shè)定值，不影響差異報警功能的實現(xiàn)。
（4）可以快捷的鏈接到某組儀表相關(guān)的工藝操作界面（例如：雙擊儀表位號）。
（5）如多個差異報警被定義為不同的報警級別，應(yīng)對其報警級別進行明確標識。
5 應(yīng)用
自2013年開始，在我國海洋石油領(lǐng)域多處海上生產(chǎn)設(shè)施開始應(yīng)用基于DCS系統(tǒng)的差異報警原理的變送器類儀表早期故障診斷技術(shù)，涵蓋了艾默生、霍尼韋爾、羅克韋爾、AB等國際著名控制系統(tǒng)產(chǎn)品，生產(chǎn)現(xiàn)場反饋應(yīng)用效果良好。
6 小結(jié)
基于先金DCS系統(tǒng)的差異報警作為智能變送器類儀表的一種早期故障診斷手段，具有實施簡單、效果顯著的特點。可檢測到變送器類現(xiàn)場儀表的部分早期故障狀態(tài)，有效降低因儀表故障導(dǎo)致生產(chǎn)停車的風(fēng)險，提高生產(chǎn)的自動化程度和安全性，在石油化工制藥等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。
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