摘 要：介紹基于測量差異報警原理，由DCS系統實現的對于變送器儀表的早期故障診斷和報警功能。
1 引言
根據統計，工廠企業中約90%控制系統故障都是由現場儀表故障導致的，儀表故障中相當一部分儀表故障的產生是漸變的過程，其中一部分可以通過各種儀表早期診斷措施及時發現，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結晶、堵塞、掛料造成浮球卡滯；介質密度變化、分層引起差壓液位計測量不準。基于先金中控系統CCS和變送器儀表的差異報警就是一種儀表早期故障監測手段。可有效降低因儀表故障導致生產停車的風險，提高生產的自動化程度和安全性。
2 基于 DCS 系統的差異報警功能的基本原理和實施條件
工業生產裝置的中控系統CCS通常由執行工藝流程控制的PCS系統和執行設備保護的SIS（包括PSD和ESD）系統組成。根據 IEC 61511等相關規范，主要生產設備的重要參數的監控需要分別為PCS和SIS系統設置好立的測量儀表。石油化工行業中很常見的設備——生產分離器設備如圖1所示，設計階段按照相關標準規范為該設備的氣相壓力、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，分別由生產控制系統（PCS）和應急關斷系統（ESD）進行監控。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故障，進而在系統操作站進行報警提示和記錄，提醒生產人員及時進行人工干預并適時安排對可能存在問題的現場儀表的檢查和維修。
以上系統配置和功能描述即是應用差異報警功能（或稱之為偏差報警）實現儀表早期故障診斷的基本原理。
3 相關標準規范和tuijian做法
國外IEC/ISA/EEMUA等組織機構關于報警管理方面的相關規范中給出了儀表差異報警的術語定義‘Deviation Alarm’，并將其類型屬于儀表診斷報警（Instrument Diagnostic Alarm）。但是，相關標準規范并未針對差異報警進一步應用給出具體而詳細的指導，國內期刊文摘對此方面的介紹也非常少。IEC62628/ISA18.02/EEMUA191等國外相關規范介紹了報警系統模型、報警管理策略、報警定義/分類/分級/優化設計、HMI設計的基本原則等。對基于中控系統和變送器儀表的差異報警原理，以實現儀表故障診斷和早期報警功能的設計和應用，有一定指導和借鑒作用。
4 差異報警功能設計基本原則
差異報警程序的功能和人機界面的設計應遵循相關規范，并盡量與中控系統廠家的報警策略、操作界面風格相一致（tuijian的差異報警操作界面如圖2所示）。在不違背相關規范或規定的前提下，差異報警的功能應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致的風險的嚴重程度。
（1）急迫性
如報警產生，在出現潛在性危害情況之前操作人員需采取行動的以應對報警的可急迫性分為Immediate立即行動（<3min）；Prompt迅速反應（3~15min之間）；Soon盡快處理（>15min）。
（2）風險嚴重程度
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EEMUA191、ISA-18.02等規范中的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/對比區間設定
需要做差異報警的儀表，在選型和設計過程中應盡量使相關儀表的量程范圍一致，并以#大限度的重合的測量區間作為差異報警的對比區間。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定的工況）可能產生過多的報警對操作人員造成干擾，也可以PCS系統變送器儀表的高~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間。
4.3 差異報警精度（偏差值）的設定
應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特性等因素，合理選擇差異報警的精度（偏差值）。偏差值設定過高會影響差異報警作為儀表故障早期診斷的作用；偏差值設定過低，容易產生過多不必要的報警，對操作員造成干擾。
偏差報警設定精度應可以在操作界面直接調整（參照EEMUA191關于儀表測量死區的相關規定，tuijian以差異對比區間的3%作為壓力和溫度儀表的差異報警設定值，以差異對比區間的6%作為液位儀表的差異報警設定值）。
4.4 差異報警程序的數據采集、計算、顯示更新頻率
過高的數據采樣頻率會增大中控系統負荷，并可能產生重復報警。因此，參照EEMUA191中對“時間過濾”參數（Filter Time）相關規定，tuijian以2~3s作為差異報警程序的數據采集、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 人機界面的設計和功能要求
應設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計應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操作應在系統中進行記錄）。
（2）需設計有“全部差異報警功能Enable/Disable”按鈕。
（3）差異報警計算、顯示所需的數據應當直接引自實時數據庫。調整單個儀表的高/低設定值，不影響差異報警功能的實現。
（4）可以快捷的鏈接到某組儀表相關的工藝操作界面（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，應對其報警級別進行明確標識。
5 應用
自2013年開始，在我國海洋石油領域多處海上生產設施開始應用基于DCS系統的差異報警原理的變送器類儀表早期故障診斷技術，涵蓋了艾默生、霍尼韋爾、羅克韋爾、AB等國際著名控制系統產品，生產現場反饋應用效果良好。
6 小結
基于先金DCS系統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場儀表的部分早期故障狀態，有效降低因儀表故障導致生產停車的風險，提高生產的自動化程度和安全性，在石油化工制藥等行業具有廣泛的應用前景。
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