数字化开关阀如何改善操作
2024-09-26
现场仪表的数字化转型可以激发人们对新概念的想象力，包括从自动开关阀收集数据的可能性。自动开关阀通常用于基本过程控制系统 (BPCS) 或安全仪表系统 (SIS)。在这些和其他自动化系统中，它们必须正常运行以优化性能、可用性和可靠性。智能开关阀提供的数据可用于增加正常运行时间、降低维护成本并提高安全性。
自动开关阀通常用于启动和停止批量处理、将工艺流体路由到不同位置、清空和填充罐体、过滤器反冲洗和反吹、装载和卸载、启用自动安全关闭功能以及其他应用。这些阀门通常被称为最终控制元件。
考虑到安装阀门的工厂的长生命周期，阀门必须可靠运行多年才能保证不间断的连续生产。
为了改善运营，新工厂现在正在建造具有微处理器和数字通信功能的智能开关阀。现有工厂也正在通过用数字阀门控制器或类似的新技术取代传统电气附件来进行现代化改造，并且手动阀门正在实现自动化，以从传感器和执行器获得额外的智能。
随着数字通信、物联网 (IoT) 功能、人工智能、机器学习和其他进步用于远程阀门监控、数据收集、分析和预测性维护，这些智能阀门技术的价值将进一步提升。
问题和风险
开关阀通常采用气动或电动操作。操作系统的选择取决于流量、关闭压力、密封性、快速行程、泄漏率和其他属性的要求。
传统上，开关阀的自动化由一个单独的电磁阀、两个指示打开或关闭位置的反馈限位开关以及(在某些情况下)位置变送器实现。反馈限位开关和位置变送器的共同挑战是它们存在严重的对齐和安装问题。
现在，如果开关阀没有机载智能和通信功能，则必须在本地进行定期预防性维护以避免故障。日益增长的经济压力和人员配备问题使现场预防性维护变得困难，增加了远程监控阀门的需求。
开关阀通常由执行器或阀体供应商或第三方集成商组装。在某些情况下，这可能会导致组装限制工厂人员实现运营的能力。此外，这些阀门通常会长时间保持在一个位置，因此人们总是担心它们在需要时不会启动。
随着时间的推移，典型问题包括：
执行器故障。
执行器操作的关闭压力不足。
填料摩擦力增大。
填料泄漏。
阀体连接问题，例如轴卷绕、反冲和粘滞。
弹簧失效。
修剪失败。
扭矩不足。
电机超载。
与过高的温度和压力相关的问题。
这些问题大多与随时间推移而产生的退化有关，这是一种机械现象。这些问题可能会加速并变得更加严重，具体取决于工艺流体的类型、压力、温度、操作历史、环境条件以及每个应用特有的其他因素。
利用数字解决方案解决问题
配备数字控制器的开关阀可用于缓解或消除许多常见问题。这些智能设备可与滑动阀杆、旋转阀、四分之一转阀和其他类型的开关阀一起使用。执行器可以是单作用或双作用的，具有正作用或反作用。
大多数数字阀门控制器仅需一对电线即可使用通信协议与主机(如 BPCS、SIS 和/或资产管理系统)进行连接和通信。HART 双线连接还提供环路电源，因此无需单独的电源。
随着数字化的到来，基于微处理器的数字阀门控制器通过提供阀门健康分析所需的信息来帮助进行预测性维护。这对于控制和安全应用中的关键开关阀尤其重要，因为所提供的信息可用于增加正常运行时间并优化维护。
带有智能阀门控制器的数字化开关阀可以传达与阀门健康相关的信息，包括：
阀座完整性。
阀门性能不稳定。
阀门组件磨损。
执行器问题。
阀门组件的整体完整性。
摩擦数据，可从中推断出填充情况。
执行器加压气动路径出现泄漏。阀门卡住。
隔膜或活塞执行器弹簧的工作台设置不正确。
工艺流体物质在轴上积聚。
轴被卡住。
阀轴或阀杆断裂。
执行器杆/轴弯曲。
轴承腐蚀。
执行器弹簧率。
执行器上的弹簧断裂。
弹簧永久地固定在一个位置。
弹簧回位执行器凹陷，不允许阀门移动。
球密封脱离摩擦。
排气缓慢。
排气通道被堵塞。
它们如何运作
电动执行器的在线诊断是指远程监控和评估电动阀门执行器的性能和健康状况的过程(图 3)。它涉及使用先进的传感器技术、数据分析和安全通信系统从执行器收集实时数据，然后对其进行分析以进行诊断。这样可以提前发现潜在问题(例如电机过热、扭矩增加、电压下降、电机速度问题、异常行为、磨损或故障)，而无需进行本地物理检查。这些在线诊断具有多种优势，包括：
早期故障检测：
通过持续监测气动和电动阀门的性能，可以及时发现任何异常或偏离正常运行的情况。这样就可以及时干预和维护，降低意外故障和停机风险。
预测性维护：
在线诊断可洞察阀门执行器组件的状况，从而实现预测性维护计划。通过分析数据趋势和模式，可以主动规划维护活动，优化设备性能并大限度地减少代价高昂的计划外停机。
远程故障排除：
通过在线诊断，专家可以远程访问和分析开关设备的数据，从而方便进行远程故障排除和支持。这可以节省时间和资源，因为无需亲临现场，尤其是对于安装在偏远或难以接近位置的阀门。
性能优化：
持续监控和诊断使操作员能够识别潜在的性能优化机会。通过分析数据趋势并识别效率低下或次优设置，可以进行调整以提高执行器的整体性能和能源效率。
开启和关闭时的参考扭矩曲线与实际扭矩曲线之间的差异，表明执行器和阀门组件可能存在问题。开启和关闭时扭矩的下降可能表明阀门、执行器组件(例如电动机、变速箱、传动系统等)或其他问题。这种图表可以帮助在损坏或故障发生之前触发服务或维护。
数据驱动的决策
在线诊断可生成有价值的数据，可用于分析和决策。从诊断中获得的见解有助于优化流程、确定潜在的改进领域以及就维护、更换或升级做出明智的决策。
总体而言，阀门和执行器的在线诊断利用数据和技术实时监控和诊断阀门和执行器的性能，可以提高可靠性、降低维护成本并提高运行效率。
数字化开关阀在检修期间也具有优势，因为检修期间时间和资源通常都很有限。数字阀门控制器无需拉动阀门即可提供阀门特征。这些数据提供了决定是否需要拉动阀门或是否可以在安装阀门时进行必要的维护和维修所需的信息。
在新安装上进行的阀门签名为最终用户提供了一种工具，用于将来比较性能随时间推移而下降的情况，并且还可以用于为检修后重建的阀门创建基准。
未来趋势
大多数传统开关阀不支持数字通信协议，但趋势是它们最终将与控制阀、电动阀和其他现场仪表共享同一个数字通信网络。开关阀和其他资产监控最终将通过连接多个资产并共享相同新协议(如以太网-APL)的双线网络进行。
许多工厂已经投资了过程历史数据库，它可以记录和报告现场设备和过程随时间变化的历史数据。此外，大多数市售过程历史数据库都支持开放平台通信 (OPC) 历史数据访问 (HDA)。OPC-HDA 允许直接从历史数据库收集实时数据，而不会给控制网络带来额外负载。警报管理或状态监测系统也可能提供额外的诊断功能。
现场设备诊断是优化工厂性能的关键要素，它与生产力、效率、产量、产品质量和维护资源的利用直接相关。这些诊断可以帮助将反应性/预防性开关阀维护理念转变为预测性维护理念，从而提高工厂可用性、增加正常运行时间、降低维护成本并提高安全性。
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