控制阀细节分析系列文章

控制阀细节分析之十－控制阀预测性维护

李宝华

摘要：以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案旨在控制阀预测性维护，并实现执行机构自

校准、自适应、状态监测、在线动态特性分析和设备故障诊断，使之成为流程工业现场的智能设备。本文试对控制阀预测性维护技术及部分厂家相关产品进行探讨和细节分析。

关键词：控制阀；预测性维护；状态监测和诊断；细节分析

引言

控制阀是流程工业中采用最多的终端控制元件，决定着过程控制是否及时有效，在整个控制回路中较为重要但又是长期以来技术比较薄弱的环节。如果控制阀出现故障，控制回路将被迫中断控制操作，有可能引发更大的系统故障和造成难以估量的经济损失。用户迫切需要对运行中的控制阀状态进行监测和评估（诊断），希望有较长的运行周期和高可靠性。

以数字式阀门定位器为核心的控制阀数字解决方案旨在控制阀预测性维护，并实现执行机构自校准、自适应、状态监测、在线动态特性分析和设备故障诊断，使之成为流程工业现场的智能设备。

国内外控制阀的生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多，质量参差不齐；可配置的数字式阀门定位器品牌型号也比较多，集成的自诊断软件和实现方式各有特点。这些不同都是关注的热点。本文试对控制阀诊断-预测性维护技术以及部分厂家产品进行探讨和细节分析。

控制阀典型维护方式

控制阀需要按照厂家要求、设备维护规程和运行状态进行正常使用和有效维护，典型维护方式有： ·被动性维护（Reactive Maintenance）—计划外随机维护方式。当控制阀出现故障后才采取行动，根据发生问题大小，进行维修或更换。这种维护方式时间不确定，无计划的维护常常增大维护成本和生产成本。而故障的误判断，更会扩大检维修工作量和影响正常使用时间。

·预防性维护（Preventive Maintenance）—计划性周期维护方式。根据技术管理经验制定检维修实施计划，安排定期维修和状态维修，力求防止控制阀在使用中发生问题。这种维护方式简单地给控制阀一个检修周期，问题是没有人能确切地掌握哪台控制阀需要检修，以致全部解体检修或轮换解体检修，常会造成不必要的检修或遗漏有故障隐患的控制阀。若是由非厂家技术人员或未经过厂家技术培训的人员解体检修控制阀，也常出现检修后还不如检修前的尴尬情况。ARC咨询机构1999年的一份研究成果中得出 “多达60%的计划性控制阀维修是不必要的”的结论。这也从一个侧面说明预防性维护的不足。

·预测性维护（Predictive Maintenance）—也称为预见性维护，是使用计算机辅助故障识别和诊断技术（诊断专家系统）进行超前监测和诊断预警的维护方式。采用新技术的实时在线监测和离线测试以及专家型诊断软件，在控制阀还没有产生故障前就通过状态参数预测可能出现的情况和预期的时间，通过预测控制阀设备的功能安全和时间依存性来进行维护。预测性维护注重动态管理和监测以及设备良好运行的可持续性，从应用上位机诊断软件到数字式阀门定位器集成诊断软件，从传统的计算机基于模型的数据处理到广义专家系统模拟逻辑思维实现判断和推理，使状态监测和诊断技术得到细化和延伸，完成高层次的报警和预测，使控制阀预测性维护得以实施。同时数字式阀门定位器也成为基于故障识别和诊断技术的预测性维护体系的现场智能设备。

计算机辅助故障识别和诊断技术分类（图1）和系统（图2）

图1 分类

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图2 典型系统

控制阀预测性维护的发展

早期的控制阀预测性维护是使用智能仪表和专用诊断设

备，如FISHER在1990年推出的便携式控制阀诊断系统

FlowScanner，有较强大的诊断功能，可进行动态扫描、静态点

扫描、阶跃测试和斜坡测试等，但需要专门人员花费一定的时

间来安装各种传感器、运行测试系统并解读诊断结果，而且诊

断常在中断控制阀过程使用时进行。

上世纪九十年代以来，随着数字式阀门定位器的开发使

用，控制阀预测性维护所需的状态监测和诊断功能逐渐转移到

以数字式阀门定位器为中心的诊断体系。数字式阀门定位器配

置安装到控制阀，其自带阀位（行程）、输出、气源等参量传

感器可以直接进行状态监测，内部集成的自诊断功能也日益强

大，并具有通信功能（HART、PROFIBUS、FF等），支持图3 FlowScanner便携式诊断仪FDT/DTM、DD/EDDL，使用专家诊断软件和开放架构，使控

制阀通过数字式阀门定位器在线自诊断的预测性维护，提升并维持了设备性能，减少了运行故障和提高了使用寿命，降低了维护成本和工厂运行成本，有显著的经济效益。

目前，各主要控制阀厂商都在着力开发数字式阀门定位器及完善各自的诊断软件，主要有：

FISHER最早推出FIELDVUE DVC（Digital Valve Controllers数字阀门控制器）的数字式阀门定位器和AMS ValveLink控制阀诊断软件

Masoneilan有SVI II/SVI II AP数字式阀门定位器和Valvue控制阀诊断软件

Foxboro有SRD960/991数字式阀门定位器和VALcareTM控制阀诊断软件

SAMSON有3730/3731系列数字式阀门定位器和本机EXPERT/EXPERT+控制阀专家诊断软件及TROVIS-VIEW监控软件及本机LCD状态和参数显示

azbil（山武Yamatake）有SVP 3000alphaplus数字式阀门定位器和Valstaff控制阀诊断软件

FISHER AMS ValveLink

FISHER于1992年推出FIELDVUE DVC（Digital Valve Controllers数字阀门控制器）系列的数字式阀门定位器和使用上位机的AMS ValveLink VL1000版控制阀诊断软件，2000年ValveLink提升为4.0版，现在ValveLink为7.3版，适用DVC2000、DVC5000和DVC5000f、DVC6000和DVC6000f。初期的DVC只进行参数测量供上位数据采集，此后定位器软件版本先后有AC、HC、AD、PD、SIS、ODV，其中的PD、ODV版具有本机在线性能诊断功能。DVC系列支持HART通信协议和FF现场总线，但不支持FDT/DTM。

AMS VaIveLink是基于Windows 的应用软件，可以让用户随意访问由DVC系列（尤其是DVC6000系列数字式阀门控制器）得到的信息。AMS VaIveLink软件有单机版和集成到控制/管理系统（如DeltaV）的版本，也能插入其他厂商系统（如横河的PRM）。一般都要在系统中设立单独的VaIveLink /AMS工作站，故障识别和诊断及其数据都只能存储在上位机中，工作站与控制系统通过Modbus通信。

可利用AMS ValveLink软件监视控制阀状态和使用性能，采集重要信息。可在线诊断I/P和气动

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放大器的一致性、行程偏差和摩擦力死区和趋势分析，可直观显示特性曲线（Valve Signature）、 动态死区（Dynamic Error Band）与阶跃响应（Step Response）及其数据。AMS ValveLink还有记录跟踪（Audit Trail）程序和批处理运行（Batch Runner）以及观察控制阀性能的趋势（Trending）。在AMS ValveLink画面上有红/黄/绿的故障、报警、正常状态指示，直接反映问题严重的程度，可组态分类，非常实用。 AMS ValveLink可实现的控制阀预测性维护的示意画面举例于图4-图10。

图5 AMS ValveLink插入在DeltaV控制系统图4 AMS ValveLink软件画面

图6 AMS ValveLink阶跃测试及分析数据图7 AMS ValveLink摩擦力测试及分析数据

图9 AMS ValveLink动态死区测试 图8 AMS ValveLink

摩擦力分析数据

故障

（红）

报警 （黄）

正常

（绿）图10 AMS ValveLink状态指示

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AMS ValveLink全面的性能诊断功能从例图中可看一斑，尤其是对控制阀摩擦力的测试和分析有具体的数值提供出来，是分析填料函、密封填料工作状况和是否性能退化的依据，在线诊断应用成功实例很多，对预测状态和维持控制阀性能有实际意义，受到用户好评。

AMS ValveLink属于上位机应用软件，故障识别和诊断不集成在数字式阀门定位器内，这与研发当时的技术条件有关，目前的技术发展已使控制阀厂商更多地采用数字式阀门定位器本机集成诊断软件、本机存储数据并对外发送诊断数据/结果的方式。

SAMSON的EXPERT/EXPERT+及TROVIS-VIEW

SAMSON对控制阀预测性维护是以故障识别、逻辑思维推理、鲁棒性的专家系统为起点，以数字式阀门定位器本机为基础，其3730/3731系列出厂时集成有标准版专家自诊断软件EXPERT和需另外购买激活码的增强版专家自诊断软件EXPERT+。除在本机用图形符号和代码进行简单的自诊断显示外，可使用SAMSON的TROVIS-VIEW监控软件和EDDL、FDT/DTM或集成到AMS（资产管理系统）、PDM（过程设备管理）、PRM（工厂资源管理）、PKS等系统中，进行在线性能诊断和离线测试。

标准版EXPERT在线自诊断包括：运行时间计时、过程参数趋势图（行程x、输入控制信号即给定值w、偏差e、输出控制信号y）、硬件和存储器的安全监视功能、行程传感器监视、初始化次数和零点校准次数、内置温度传感器的温度测量、最近的30次报警、行程累积、启动监视、零点和控制回路监视报警。

增强版EXPERT+在标准版基础上增加了：在线过程参数记录日志（自动信息采集，在阀门定位器中存储100个x、w、e、y值）、行程x和偏差e的短期和长期柱形图、输出控制信号y的短期和长期信号图表、行程方向改变次数统计和分析、终端阀位和摩擦力的监视。增强版EXPERT+并可在离线状态进行静特性测试、阶跃信号测试、全行程回差测试，等。其中长期数据是整个使用时间的存储数据。

由于3730/3731系列只设计一个阀位传感器，没有气源、输出压力传感器，定量分析不足，依靠的是残差理论和专家经验进行分析和推理。以初始化测试的输出基准曲线和运行阀位（行程）为对比，利用初始化基准、历史数据和经验进行识别预测。参见图11进一步说明：图中黑色曲线是初始化存储的输出基准曲线。当运行输出y高于基准并随阀位增加与基准偏离逐渐加大时（红色曲线），这种情况表明气路出现泄漏；当y到某一阀位时突然到最大（蓝色曲线），这种情况说明气源故障；同理，粉色曲线说明压差变化，绿色曲线说明执行机构的弹簧力减少。由于输出y信号取自I/P前，有一定局限性，加之某一性能诊断的结果也可能有多个情况，多有不确定，以及诊断监控界面和菜单层次属德国风格，在国内的实际应用中用户适应有一个过程。

图11 SAMSON的EXPERT+性能诊断

SAMSON的TROVIS-VIEW监控软件是一个标准的操作界面，允许用户通过该界面对所有SAMSON智能仪表的特性数据库进行组态和参数化，对于控制阀预测性维护的性能诊断是通过定位器本机SSP串口连接读取存储诊断数据和实时状态并运行指定型号专用模块软件，有多层次画面，内容丰富。信息和诊断画面有八、九十个，本文只择其重点介绍。图12给出TROVIS-VIEW用于控制阀诊断的画面，左下角是实时阀位趋势。图13是过程数据（输入给定w、阀位x、偏差e）。图14是阀位x的柱形图，用于分析控制阀工作范围和状态。图15是偏差e的柱形图，用于判断工作性能。图16是行程方向改变次数的柱形图，用于判断动态受力和阀位振荡情况。图17是终端阀位趋势图，可识别阀门咬卡、阀座结垢或磨损。SAMSON的数字式阀门定位器及诊断支持HART通信协议和Profibua-PA、FF现场总线，支持FDT/DTM，图18、19是插件集成到其他厂商控制/管理系统的诊断界面。

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图12 SAMSON的TROVIS-VIEW主画面

图14 SAMSON的TROVIS-VIEW 阀位x的柱形图画面

图16 SAMSON的TROVIS-VIEW

行程方向改变次数的柱形图画面

图18 插件集成到横河的PRM中的诊断界面图13 SAMSON的TROVIS-VIEW过程数据画面 图15 SAMSON的TROVIS-VIEW 偏差e的柱形图画面 图17 SAMSON的TROVIS-VIEW 终端阀位画面 图19 插件集成到Honeywell的PKS中的诊断界面

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图20 通过HART通信在PACTware开放平台中的诊断界面

Foxboro VALcareTM控制阀诊断软件

英维思（INVENSYS）的Foxboro-Eckardt是欧洲最大的阀门定位器的制造商，其SRD960/991型数字式阀门定位器配用VALcareTM控制阀诊断软件，支持FDT/DTM集成到控制/管理系统，支持HART通信协议、Profibus-PA和FF现场总线以及Foxboro自有的FoxCom。通过HART通信，可使用PACTware开放平台进行性能诊断。诊断数据存储在阀门定位器，数据收集可达60天，自检测和诊断监测符合NAMUR标准NE107，阀位响应和摩擦力都由柱形图进行分析。VALcareTM状态监测和故障诊断画面丰富、友好，调用方便。

图21为VALcareTM应用系统，连接DCS和通过HART通信在PACTware开放平台上运行，列举的画面为运行监视、报警、历史数据柱形图分析、摩擦力柱形图分析。

图21 Foxboro的VALcareTM

azbil（山武Yamatake）的Valstaff控制阀诊断软件

azbil（山武Yamatake）也提供控制阀诊断系统Valstaff，利用SVP 3000alphaplus AVP202、302数字式阀门定位器的诊断数据进行性能诊断监测，只支持HART通信协议。Valstaff作为应用软件安装在PC机，HART点对点通信或使用HART多路采集器与多台连接，属于数据采集、上位诊断方式。

Valstaff诊断软件为建摸程序处理层面，诊断项目主要有：咬卡动作现象诊断（依据阀位行程移动速度的均方值变化，对照数学模型确定是否发生咬卡现象）、动作速度比较诊断（比较阀位和阀杆移动速度）、移动距离累积诊断（依据行程累积摩擦移动距离，按设定的报警值，诊断密封填料、密封波纹管及执行机构的磨损程度）、动作频度诊断（用于诊断密封填料磨损）、零位开度比较诊断（诊断阀芯阀座）、小开度频度诊断（诊断阀芯阀座）、全关次数诊断（诊断阀芯阀座）、本机硬件诊断，等。Valstaff在对SVP阀门定位器进行组态和校准时，控制阀必须脱离过程控制。图22是Valstaff的部分诊断画面。

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图22 azbil（山武Yamatake）的Valstaff的诊断画面

结束语

控制阀预测性维护正朝着计算机辅助故障识别和诊断技术以及专家系统的方向快速发展，控制阀数字解决方案提升并维持控制阀工作性能，延长了运行时间和生命周期，预测性维护明显降低了故障频次，部分减少预防性维护的工作和提高计划性，降低了工厂费用，应用成果显著。

拥有控制阀预测性维护产品的厂商日益增多，诊断技术不断发展完善，笔者仅初步了解其中一部分，试对部分厂商的控制阀性能诊断进行探讨和简略分析，目的是为了更好地选用和使用好数字式阀门定位器及其诊断软件，发挥现场智能设备的功效，使计算机辅助故障识别和诊断专家系统有越来越大的实际作用。

参考文献：

1. fisher.DVC6000数字式阀门控制器.62.1:DVC 6000 2008.2

2. fisher.AMS ValveLink.62.1:Signature 2006.2

3. SAMSON.EXPERT控制阀诊断.EB 8388 EN 2006.11

4. Foxboro. VALcareTM. PRI Valcare(en) 2008.5

5. azbil（山武Yamatake）.Valstaff应用程序. SS4-VMS100-0100(1版) 2005年12月

6. 何衍庆等编著.控制阀工程设计与应用.北京.化学工业出版社 2005年9月