楚成任，何岩明，纪波峰， 纪纲
(1. 中国石油化工股份有限公司 齐鲁分公司，山东 淄博 255400；
2. 上海同欣自动化仪表有限公司,上海 200070)
预防性维护和响应式维修具有明显的差异。以汽车为例，车辆半路抛锚或在停车场难以发动，需响应式维修。而按维护规程更换空气滤清器、汽油滤清器、机油滤清器，检测水位以及在轮胎纹路磨平时予以换新等，均属预防性维护。预防性维护的意义在于将故障或事故消灭在发生之前，或减少故障、事故的发生，减少损失[1]。
仪表也有预防性维护，例如仪表维修工每天进行的巡回检查，大多属于预防性维护。其中有检查仪表气源的供气品质及供气压力，检查现场仪表的密封点是否有介质外泄，监听旋转式仪表是否有杂音，仪表示值是否稳定等。预防性维护大多是比较简单的操作，无须过多介绍，但也有一些是难度较高的操作，下面就该类内容进行讨论，以便同行参考。
智能化仪表可以提供很多自诊断信息，通过这些信息可以了解仪表的状况。
1)EJA110E型差压变送器能用代码显示22条自诊断结果，其中包括膜盒温度超范围，高(低)压侧堵塞等，查阅说明书中代码的含意，就可知道存在的问题。这些自诊断结果均可在变送器自带的液晶显示屏上显示，也可用手操器远程操作读取。但是，各种变送器在现场的分布范围很广，且数量多，要对它们逐一访问读取诊断信息并非不可能，但要消耗大量的精力，更不要说经常访问了。解决上述问题的有效方法是由上位机自动定时访问，例如直接在DCS中运行设备监管程序，用HART通信的方法将变送器的诊断结果读入并处理、显示等。
绝大多数用于计量的变送器并非与DCS相连，而是与相应的流量计算机相连，这时，流量计算机的HART通信功能可将变送器自诊断结果甚至差压值、静压值、膜盒温度等信息按设计的周期自动读入，然后显示，在状态异常时，经Modbus通信端口将状态信息传送至上位机，通常由数据采集与监视控制系统(SCADA)保存、处理并发出报警信号。流量计算机中诊断详情，不仅显示流量计算机自诊断详情，也显示从变送器中读取的诊断详情。
2)FC6000型通用流量演算器(彩色高清版)能用中文和符号显示13种自诊断结果。这些自诊断结果可在仪表的液晶显示器上显示，也可经数字通信口上传到数据采集站，在计算机中用中文和符号显示，实现远程诊断。
其中，有些诊断具有特殊的意义，例如流量二次表有冗余功能：
用于温度压力补偿的温度压力信号，如果超限，则自动取预先设定的数据参与运算，从运算结果看不出有显著的差异，但实际上误差增大了。这时从自诊断结果画面可获得信息并及时予以处理。
3)自诊断结果的图形化显示。前面所述的用代码显示自诊断结果和用中文加符号显示自诊断结果，简单而又方便，而且不需要专用的软件，勿需另外增加开支。但是只能显示比较简单的关系，如果关系很复杂，仍用该方法显示就很困难了，应运而生的是图形化显示。例如在多声道超声流量计中，用图形显示各声道的多项指标，不仅简单明了，而且形象易懂。且各声道的平均增益、正常和故障状态下信号质量综合评价指标的比较、整流器部分阻塞后的速度比率诊断比较如图1～图3所示，存在故障时的图形与正常时的图形，高低立见，从而为故障的判断提供了依据[2-4]。
智能化仪表从原始信号的输入，到各个节点中间计算结果的显示，再到最终计算结果的输出，各个环节一目了然。既为调试和维修人员开展工作提供方便，又增强了利益悠关方对仪表的信任感。
以下以某化工厂的1台涡街流量计的实际应用情况为例进行说明。该流量计与FC6000型通用流量演算器配合，测量氮气流量，仪表投入运行后，工艺专业反映流量示值偏低约20%，涡街流量计输入该演算器的是频率信号，设定的流量系数无错，管道上的压力表显示0.4 MPa，介质温度为室温，于是笔者建议对方检查该流量演算器中原始信号和中间计算结果画面中的补偿系数k值，检查发现温度压力补偿系数严重偏小。笔者询问了压力输入电流值和压力变送器量程，压力计算值与仪表显示的压力值也相同，于是怀疑是否为压力通道画面中的“压力类型”，错将表压设定为绝压。经检查发现压力类型设置错误，纠正后，流量示值陡增25%左右，从而解决了该问题。
图1 多声道超声流量计各声道平均增益示意
图2 多声道超声流量计正常和故障状态下信号质量的比较示意
图3 整流器部分阻塞后的速度比率诊断结果示意
例如在双量程差压流量计中，流量切换点附近的曲线基本上应是连续的，因为在这一点，来自低量程差压变送器的信号，应当只有万分之几的误差，但是来自高量程差压变送器的信号却可能有较大的误差。然而，在全量程范围内流量示值本身不大于1%，所以切换处流量示值的跳跃最大也只有1.0%左右，这样的数量级在趋势图中基本是看不出跳跃的。如果能看出阶梯式跳跃，必然存在问题。
广东某市特种设备检测研究院安全阀型式试验装置上使用的三量程差压流量计，用于蒸汽流量测量，在正式使用前，做了一次“低—中—高”量程切换以及“高—中—低”量程切换试验，三量程流量计瞬时流量趋势如图4所示，从图4可看出，曲线非常平滑，根本看不出切换是在哪一点发生的。但是如果处理得不好，量程切换时就会出现明显的阶梯状。
图4 三量程流量计瞬时流量趋势示意
高低量程的2台差压变送器，在切换点附近只要有1台误差较大，趋势图在切换点处就会出现明显的阶梯状。这种图形在流量演算器的趋势图显示中，同样可以看出来。
SCADA能对一个较大的网络系统内各计量点的数据进行自动采集、存储，并按使用要求进行各项计算以及监控，例如对重要参数进行越限报警，计算各项经济指标，并根据计算结果生成趋势图等。例如在供热网中，管路损耗是最重要的经济指标，分析管路损耗统计数据及其趋势图，往往能收到事半功倍的效果。
4.1 以管损数据为线索发现涡街流量计漏脉冲
某药业公司低压蒸汽流量测量系统如图5所示，2006年在全厂设备停车大检修之后，从SCADA给出的管损统计数据中发现了一个异常情况，即存在百分之十几的负管路损耗，而且来自锅炉房的煤耗数据也出现异常情况，消耗1 t煤产生的蒸汽由5 t降至不足4 t，这两条信息都指向蒸汽总表FIQ303，怀疑该表流量示值严重偏低[5]。
图5 低压蒸汽流量测量系统示意
该公司的锅炉房除了向全厂供应中压过热蒸汽外，还经减温减压系统向全厂供应表压为0.4 MPa，温度为160 ℃的低压过热蒸汽。FIQ303是计量该路蒸汽的总表。
仪表技术人员检查蒸汽总表，该蒸汽总表是1台DN400的涡街流量计，先检查了涡街流量传感器的脉冲输出信号，无异常情况，又检查了流量演算器的数据设置，也无差错。只是发现应当显示160 ℃左右的蒸汽温度严重偏低，并已与汽液相平衡温度相等，于是怀疑蒸汽带水严重，使涡街流量计出现漏脉冲现象，随之打开疏水器前切断阀，结果疏水器20 min才将管道中的积水排尽。这时再观察流量读数，升高到正常值。处理结论是蒸汽严重带水，引起涡街流量计漏计脉冲[5-6]。
4.2 以流量趋势图为工具查找引发严重管路损耗的根源
在SCADA中，管路损耗不仅用报表的形式显示，而且用趋势图的形式显示。其中，趋势图显示不仅包含有管路损耗的数字，而且包含管路损耗发生的确切时间，从而有利于寻根究底。
以江苏常州某热电厂发生的管路损耗为例。该热电厂从2013年4月2日起，发生管路损耗陡增的现象，如图6所示。
图6 供热网管路损耗陡增示意
从图6中可见，在4月2日的0：00—7：00，全网管损平均值只有0.5%左右，但从9：00开始，管损突然跳到19%左右。显然，从9：00开始有重大的事件发生[7]。
该热电厂供热管网共有4路总管，通过这些总管将蒸汽送往各用户。每根总管的关口计量表都直接用于计算各路总管的管路损耗，计算结果用管路损耗趋势图显示。从当天的各总管管路损耗趋势图进行因果分析，发现在4路总管中有3路管路损耗随时间变化的关系稳定不变，第2路管路损耗趋势如图7所示，与图6所示的趋势具有大致相同的波形，显然，管网的管路损耗陡增不是别的原因引发的，而是由第2路总管管路损耗陡增引起的。
随后分析第2路总管每天上午9：00开始管路损耗增大的原因，因为从统计数据计算，9：00开始管路损耗增大，是由于分表之和比关口表示值少15 t/h左右，那么15 t/h的蒸汽到哪里去了呢？
查看该路总管上8个分表的流量趋势图，发现有一个用汽单位的2台流量计，每天上午9：00起用汽量大增，与该路总管管路损耗在时间上和波形上密切相关，于是就怀疑该路总管管路损耗陡增是由于这2个计量点计量不准引发的。该用汽单位北区和南区2个计量点的流量趋势如图8和图9所示。
图7 第2路总管管路损耗趋势示意
2个计量点所计量的蒸汽都是该用户用于湿料热风干燥。该公司的产品是颜料，每天下午和夜间生产的颜料都是湿料，按照他们的作业计划要在第二天的上午用热风干燥的方法予以干燥，制成粉料，该工艺过程需要消耗大量蒸汽。
图8 某用汽单位北区计量点流量趋势示意
图9 某用汽单位南区计量点流量趋势示意
从图8和图9所示的趋势图可见，2个计量点的蒸汽在上午7：00之前并不是不使用，只是流量小一些，大约为10 t/h左右，而从上午9：00以后流量更大些，如果说这2台表计量偏低，那在上午7：00前为什么管路损耗数毫无察觉？
经进一步调查研究发现，这2个计量点采用的测量方法是涡街流量计加压力变送器加温度传感器加流量演算器的方法，而选用的涡街流量计是国内某品牌的产品。公称通径分别是DN300和DN250，经调查，该涡街流量计在测量气体和蒸汽时，保证测量精确度的上限流速是40 m/s，从图8可知，在上午7：00之前未开热风干燥时，DN300的流量计(图8所示)最大质量流量为19 t/h，DN250的流量计(图9所示)最大质量流量为10 t/h。这时流过涡街流量计测量管的流体流速可用式(1)计算[8-9]。
(1)
式中：v——流速，m/s；
qm——质量流量，kg/h；
ρf——流体密度，kg/m3；
D——管道内径，m。
1)上午7：00前的流速计算。从采集资料知，这2台蒸汽流量计工况条件为pf=0.8 MPa，温度为280 ℃，查表得ρf=3.618 kg/m3，此时DN300流量计qm=19 t/h，代入式(1)得v= 20.6 m/s。DN250流量计qm=10 t/h，代入式(1)得v=15.6 m/s。因此，上午7：00前，这2台涡街流量计的流速都未高于上限流速，所以测量精确度是有保证的。
2)上午9：00后的流速计算。从式(1)可知，要计算流过测量管的流体流速，必须先知道管道内径D、流体密度ρf和质量流量qm，对于D和ρf，求取并不难，难的是求取qm的准确数值，后来利用第2路总管流量计显示值，减去6个小用户流量，估算北区和南区两路流量，并进一步计算流过涡街表测量管的流体流速。
利用该方法估算流过DN300涡街表的流量，qm约为62.9 t/h，代入式(1)得v= 68.3 m/s。用同样的方法估算流过DN250涡街表的流量，qm约为36 t/h，代入式(1)得v=56.3 m/s。显然已超过仪表允许的上限流速，从而找出问题原由。后来厂方更换了2台涡街流量计，解决了该问题。
4.3 瞬时流量趋势图呈直线另有原因
流量信号是一种时间常数很小的信号，正常的流量信号总是存在微小的噪声，如果一点噪声都没有，在趋势图上表现为1根直线，就要怀疑存在问题。下面罗列几个示例。
1)流量变送器已出错。有些智能化流量变送器如单声道超声流量计，受到强烈干扰而无法正常测量后，其自诊断系统会做出判断，将其输出的流量值保持在测量下限值、测量上限值、出错前的流量值,用户指定的流量值。这时相应的流量趋势图就会呈1根没有噪声的直线。
2)差压式流量计导压管结冰。差压式流量计常用来测量水流量和蒸汽流量，在寒冷的冬季如果导压管结冰，则差压信号传递受阻，趋势图显示为直线，这时应及时处理，以防变送器的膜盒冻坏。
3)差压式流量计中差压已超上限。在差压式流量计中，大多数情况下，差压超上限的同时流量也超上限，这时值班人员会及时发现问题。但有一类负荷由于特定的原因，差压超上限而流量却未超上限，例如工厂里浴室用的蒸汽。一到开汽时间，操作人员就把通往水箱的加热蒸汽阀开足，导致流量计安装处的蒸汽压力大幅降低，以致比孔板计算书中的常用压力低很多，而差压变送器输出信号因受上限限幅的影响，以致被限制在21.6 mA左右，经温度压力补偿后，流量示值低于满量程，从而使流量趋势图呈现1根小于满量程的直线，这时，除非观察该计量点的差压原始信号，否则难以发现问题所在。在原始信号和中间计算结果画面中，当流量输入信号指定为4～20 mA时，则“流量输入信号”就显示mA值。变送器输出超限时，就会显示21.6 mA。除此之外，当上述情况出现时，在自诊断结果画面中，也会有“测定流量范围溢出”的提示。
5.1 过滤器阻力降检查
有些关键的过滤器需要根据滤网的堵塞情况适时排污，滤网的堵塞情况可用过滤器前后差压的数值分析判断，因此要定期检查该差压。
5.2 垫片收缩的预防性维护
流量计安装离不开垫片，其中金属缠绕石墨垫片因其弹性好、强度高、耐温高、能够承受较高的压强而使用最为普遍。但它有一个绕不开的缺陷，即新的垫片在高温条件下使用一段时间后会出现一定的收缩，尤其是停用一段时间，垫片温度显著降低时，收缩更加明显，于是本来旋得很紧的螺帽，变得松了，尤其是高温高压条件使用的垫片，在因停用冷却后松的更加显著。这时如果不及时将螺帽旋紧，垫片密封处就会有介质外泄。因此应适时检查一下螺帽的压紧程度，进行预防性维护。
5.3 定期检查差压变送器零点
流量测量系统中使用着大量的差压变送器，这些变送器中的绝大多数是与差压装置一起组成差压式流量计。由于差压式流量计分度规律为平方根特性，对差压输出的零点稳定性要求特别高。例如：
管道内流体停止流动后，差压变送器零点只要有0.1%的偏差，就会使流量有3.16%的示值，因此有必要定期检查差压变送器的零点。早先的自动化仪表维护检修规程中规定，差压变送器应每月检查一次零点，对老式的差压变送器来说是完全必要的。目前使用的差压变送器准确度已大幅提高，零点的长期稳定性已经非常好，但是环境温度的变化和介质静压的变化，还会使仪表零点产生明显的偏移，所以不定期的检查其零点仍然有必要[10-11]。
5.4 核对智能化仪表的关键数据
流量测量仪表现在已经普遍实现智能化。在智能变送器、传感器、二次表中都有一个存放数据的菜单，菜单中的一些关键数据只要稍作修改，流量测量结果就可能有百分之几甚至百分之几十的变化，如果该流量计用于贸易交接，则流量示值的异常变化就会对供方或需方的利益造成损害。为此，工程师们想方设法杜绝擅自修改关键数据事件的发生。比较成熟的方法有：
应用密码技术、在仪表中采用数据追忆技术、将仪表中的关键数据上传到SCADA中，并用软件将相关的数据与保存在计算机中的正确数据进行比较，如果不相符，则发出报警信号。在三个方法中，密码技术已使用多年，优点和缺点大家已熟知，不再赘述。第三个方法也很成熟，但是只有在建有SCADA的环境下才能实施。而第二个方法既简单又实用，但是一般只在二次表中使用。具体做法是将菜单的每一次修改均如实记录并无法将痕迹擦除，只要按说明书提示的方法操作，就可调阅这些记录。
流量测量仪表的预防性维护与响应式维修有所不同，但有时两者的界限又不那么清晰，有时又带有故障查找的性质，无论怎样目标都是为解决问题。
流量测量仪表现在已普遍实现智能化。对它们进行预防性维护主要是通过其自诊断信息、原始数据及中间计算结果画面以及趋势图进行洞察，寻找蛛丝马迹。
SCADA在流量测量系统诊断方面具有独特的作用。从其显示的数据和趋势图不仅可分析单台仪表，而且能分析一个网络中多台仪表之间的关系。
基于维护规程和经验的预防性维护也很重要。其中经验不仅包含个人的经验，更重要的是吸取前人的经验。因此需要广泛阅读相关资料，并消化吸收。
流量测量仪表的种类很多，预防性维护的内容也千差万别，但基本的方法和目标相同，本文只是想抛砖引玉和交流经验，但愿这方面的成果越来越多。
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