仪表应用中的“艺术”

　　在最近举行的一次流程工业用户会议上，我随意询问了一些工程师，他们用来监控工业过程的仪表是否足够多了。我得到的回答因人而异，但大多数工程师表示，他们能够利用的过程数据似乎比以往更丰富了。一位反对者提到了一则他曾听说的报道：某家知名的炼油厂商将整个工厂范围内的所有仪表按照重要程度作过分类。一部分仪表被认定是极为重要的，而其他一些仪表则被认定“即使出现故障，也没必要更换掉”。

　　我们得到的信息乍一看似乎太过繁冗，但即使在最坏情况下，这种繁冗也只可能造成一些资源浪费或者为操作人员带来些许麻烦。相反，如果采集到的流程及设备状态数据不充分，则有可能使监控的效果打折扣，严重时还会带来安全隐患。随着技术的不断进步，仪表配置的灵活性已经今非昔比了，但是最终的配置方案与其说是科学，却更像一门艺术，而且往往要视应用场合而定。

　　西门子能源与自动化集团的化学及生物燃料业务专家Praveen Muniyappa说：“这些都需要在过程控制的设计阶段定下来。有些时候，仪表的数量是足够的，但是用户并没有利用到仪表提供的所有信息。而更多的时候，工业过程中缺乏足够的仪表。顾客希望多增加几台仪表，从而获取额外的参数。这些参数可能是关于安全等级的，可能是关于流程控制的，也可能是关于温度的等等。用户当然希望增加仪表，但是他们又不得不直面现有的条件。”

　　工程师在设计一条全新的流水线或者进行大面积设备升级时，如果采用较多的仪表，势必会带来较高的成本，而如果想缩减设备数量，配置就显得过于寒酸了。工程师们要做的就是在这两者之间求得平衡。英维思过程系统负责现场设备业务的副总裁Brian Dickson说：“如果设计过程采用了EPC（工程总承包）的方式，那么你就可以通过实际测量掌控每一个环节，最终获得理想的结果。在检验阶段，大量设备往往会因为缺乏足够的使用价值而被忍痛割爱。在过去的15到20年中，配置单台仪表的费用确实有所下降，但是建立一整套系统仍然需要大量的花费。因此许多仪表即使从设计的角度看是必需的，也不得不接受被剔除的命运。因为我们会发现，在其他位置进行测量的效果可能会更好。”

　　无线、现场总线以及其他一些网络架构确实能够降低仪表的安装费用，至少也能够减少布线费用。但是在添加新设备时，我们必需认真考虑成本和收益之间的关系。

　　量入为出
　　一家公司会出于各种各样的原因为一个流程或者相关设备添加更多仪表。其中最普遍的原因有：
　　■  升级一个过程控制平台以实现更先进的控制手段，或获取更多的数据以实现更优化的实际应用。
　　■  新的安全标准要求增加额外的液位或压力监控点。
　　■  在可旋转设备中增加状态监控功能，帮助设备维护。

　　每一个项目都应该有明确的经济目标或动力，以便与该项目全部的花费做对比。有时候，当操作人员希望增加一个或一小批设备时，至少在利益层面我们很难用具体的数字去衡量这样做的利弊。

　　增加设备时，我们要考虑的是实际成本，而不是保守估计的花费。例如：

　　■  设计和编写文档的花费；
　　■  设备采购价格；
　　■  实际的安装和布线费用；
　　■  把新数据整合到DCS系统的花费；
　　■  连续不断的维护保养费用。
　　这些独立成本在总成本中占据的比重由设备安装的复杂程度决定。例如，你可以移除一段1/4英寸长的管道接口换上一台压力计；也可以切开管道安装一台带有长管的流量计，并把它的输出整合到你的控制系统以及人机界面里。两者在成本构成上有着巨大差异。
   
　　明确收益

　　一位服务于某家大型石油制造企业，不愿意透露姓名的自动化咨询顾问表示，他并不确定为设备安装监控传感器是否能够获得利益。由于生产线上的大部分关键设备都采用串联可替换模式安装，我们有必要考虑一下，是不是真的可以开启一台泵，直到它不能工作为止？这位顾问经过观察后发现，当一台泵停止转动时，石油生产商只会简单地换用另一台泵，并把故障泵内部的电机更换掉。这位顾问认为，如果一台泵运行正常，那么加装监控仪表是不会带来任何利益的，因为它们既没有延长电机的寿命，也没有降低维修成本。

　　但是事实并不总是这样。有时候你必须增加一些新的仪表。在升级过程控制系统或者增加新的安全功能时，你可能需要采集更多的数据，从而用到更多的仪表。例如：

　　Dickson说，当他在一家精炼厂作危险情况分析时，他必定会在流程中增加温度测量点。他说：“采用传导传感器能够起到一箭双雕的效果，因为温度是传导过程的一部分。传导性为我们的分析提供了测量依据。我们可以通过测量传导性对热转换器进行诊断。如果其中有管子破损，那么传导性将会发生变化，我们就会收到警报。这样做会对流程的运转和维护同时起到积极的影响。尽早检测出一支管子的破损能够挽回成百上千美元的损失。”

　　GE Sensing的全球产品经理Tim Wortley对用户增加测量仪表的动机有不同看法。他说：“在生命科学行业，改变一个流程真的很困难，相关人员往往是因为某些硬性规定才会去采集一些额外的数据。一些人表示：‘你测量某个过程参数的原因就是你必须这样做。’这样做不会为你节省开支。每个人都渴望通过增加测量仪表提高流程的运行效率，但是我们添加仪表的最大动机恐怕还是出于一些规则的要求。”　　

通常情况下，仪表在采集主变量之余，还能够采集一些其他类型的数据。这些数据通常作为仪表内部的补偿系数。
但是，HART或其它现场总线通信协议能够将这些数据利用起来。这幅图表（右边部分）展示了一台
科里奥利流量计是如何利用直接测量得到的数据计算其它变量的。

　　要数量还是要智能？

　　过去十年内制造的大部分仪表都具备了HART通信功能。HART通信不仅支持详细的诊断功能，还能够提供有用的次级变量。例如，许多种类的压力传感器由于需要作内部温度补偿，因此具备了测量温度的能力。一般而言，温度变量能够通过HART通信读取。

　　英维思过程系统的现场总线市场经理Gary Cusick经过观察后指出：“用户关注的问题是能否从当前的仪表设备中获取更多信息。这种希望借助一台安装在现场的仪表就能获取类型更丰富、数目更庞大的信息的理想，才是推动基金会现场总线、Profibus PA和WirelessHART 发展的真实原因。多参数传感器的出现使我们能够从一台仪表中获取更多数据，把我们从许多不同类型的仪表中解放出来。而且，随着数码技术的发展，仪表的安装密度有了提高。我们了解到，用户把系统升级到数字总线的最重要原因之一就是看中了它的智能功能。以生产线生命周期维护为例，从前维护人员要按照预定周期拆卸一部分旧仪表并换上新仪表；现在仪表却能够自行通知维护人员‘我需要维护了’。新技术既延长了维护周期，又减少了维护过程中的硬件成本和劳动力成本。”

　　有时候，想获取更丰富的信息并不一定要采用更复杂的现场通信协议。西门子的Muniyappa说：“大部分I/O通信系统支持4-20mA，但是我们已经看到，开始有越来越多的用户愿意采用兼容4-20mA的HART I/O通信系统。它们既能兼容传统仪表，又不影响对HART 数据的采集和获取，这一点是从前的系统所无法做到的。但是，如果一套遗留下来的老系统只能够接收4-20mA信号，我们唯一的选择就是通过多路器或通信接口将HART信号采集下来，并拆分为多个模拟量参数。假如你有一个储存了两种液体的容器，两种液体分上下层排列。你可以利用一台TDR（时域反射式）雷达液位计同时测量容器中液体的高度和分液面的高度。4-20mA主信号代表顶层液位高度，HART信号就能提供另一个4-20mA变量，代表分液面的高度。”

　　虽然这些次级变量被认为是额外的数据，但是它们有用与否与用户的需求和测量的位置有关。回到我们之前的例子，一个压力变送器传来的温度数据可能是被测液体的温度，也可能代表了传感器的温度，要视变送器的结构而定。次级变量首先是为主变量服务的，这方面，不同的生产厂商提供了不同的选择，例如，压力传感器不是一定要提供温度数据的。最重要的是，我们必须明白数据的含义及其刷新频率。弄清这些问题后，你就能够合理地使用数据了。

　　霍尼韦尔过程解决方案资产管理部门的产品经理John Yingst说：“在DCS系统中，使用HART设备提供的次级变量是‘有条件的’。我们确实可以对次级变量加以利用，但是必须弄清楚这些变量的来源以及它们代表的意义。一台压力变送器传来的温度数据是反映流体温度的还是反映周围环境温度的，或者说介于两者之间？对于一个阀门执行器，你是否知道哪一个变量代表了阀门的确切位置？不是所有的阀门都由相同的变量构成，所以在投入实际使用前，相关人员必须先对它作一番测试。同样，由于DCS系统中的大多数HART I/O都采用了多路复用的方式，带宽无法得到保证，尤其是对于那些需要一定带宽的设备更是如此。在将控制系统交付使用之前必须对带宽作一番彻底的测试。尽管有那么多问题需要注意，一些内行的用户仍然表示他们已经成功地在控制逻辑中使用次级变量了。”

　　过程中的要点

　　配置一台新仪表的工作包括实际设备安装、通信基础设施搭建以及配套的工程计划。采用现场总线协议和无线仪表能够降低通信设施成本，却会增加数据的规模和复杂性。大多数控制系统和仪表设备生产商正在努力简化仪表的安装工作。

　　Muniyappa说：“许多控制系统供应商推出了图形化的人机界面，使HART数据的利用变得非常简单。如今，他们已经预先设计了模板，使用户不必掌握不同HART参数的含义。由于他们预先设计的界面包含了标签名称、设备代码、接入时间、最大最小量程等等，因此用户根本没有必要通过逻辑分析弄清所有的HART参数。”

　　然而，实际安装一台仪表及其辅助设备的价格还是很高的。Muniyappa补充说到：“如果你想获得一大片油库内某个油罐的液位或压力测量数据，那么单纯的布线成本就高达几千美元，相应的劳动力成本也差不多是这个价。事实上，一台变送器的成本只有两千美元，但是算上工程、设计、文档编辑的花费，实际成本可能要翻五到六倍。假设在某项应用中，我们计划安装一台雷达液位计。这种设备带有直径两英寸的接口，然而油罐上只有一个1.5英寸的接口。这时，我们必须找到一种技术，在现有条件不变的情况下仍然能够获得最佳性能。对用户而言，为了修改或增加一个接口而关闭某个油罐可能会造成一到两万美元的损失。作为仪表供应商，我们可能认为增加一台仪表是非常简单的事；但是对最终用户而言，这可是一个大问题。”

　　有些情况下，如果一家工厂采用的是较早期的控制系统，那么增加数据采集点可能比较困难。Moore Industries的副总裁Scott Saunders说：“早期的系统往往无法扩展出新的数据采集点。如果正常的数据采集点数量已接近上限，那么增加更多的I/O设备将会严重影响现有控制系统的扫描速率。在这种情况下，采用新型I/O设备能够使你在不降低核心控制系统性能的前提下，充分增加I/O设备的性能。这些集中设备具备了实时控制引擎、报警功能，现场运算及其他功能，成本却相对低廉。”

　　归根结底，你是否需要增加新的设备或者利用现有设备获取更多数据一方面要结合每个生产过程的特殊性考虑，另一方面要看你准备采用什么办法保证生产过程平稳、高效地运转。如果某个过程运行稳定，那么我们只需要掌握最少的数据。但是，当过程中出现故障时，掌握越多的信息就越有助于发现故障。事实上，操作人员希望掌握更多的信息。与工厂运营中的大多数问题类似，你对生产流程的掌握程度决定了你能够获得多大利益 

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