艾默生智能定位器用于紧急停车场合———金阳，艾默生过程管理中

摘要

从传统来讲，如果没有旁通，安全系统需要在工艺过程完全切断的情况下进行测试。测试安全系统需要昂贵的气动面板和高度熟练的技术人员。本文介绍了智能定位器在紧急停车场合中的应用。使用智能定位器不但可以降低基本设备成本，而且还可以减少测试时间以及人员需求。它也允许当工艺过程正在运行时测试安全阀门。阀门可以作很小的运动（10%）以确认它工作正常，但又不影响生产。智能定位器的诊断能力可以显示阀门的健康状况，这样就减少了有计划的维护需要，且增加了过程的利用率。

简介

由于危险的化学品或气体的泄露，许多工艺过程，尤其是化学或油/气工业中的工艺过程的操作都涉及到内在的风险。仪表安全系统（SIS）经过专门设计，通过减少已知的紧急事件发生的可能性或其严重性，来保护人员、设备以及环境。这些安全系统涉及到最终控制元件，如紧急切断阀、紧急排空阀、紧急隔离阀、关键的开/关阀等。这些阀门要求静止在某一位置，只有紧急情况出现时，才需要可靠地动作。长时间地停留在某一位置不动的阀门容易卡住，在需要它动作的时候可能会失灵。这样可能会产生危险的情况，导致爆炸、火灾、或者致命的化学品和气体泄放到环境中去。为了确保这些安全系统必备的可靠性和可利用性，必须对它们频繁地进行测试。

遗憾的是，传统的测试这些安全阀门的方法需要工厂停车，以进行这些测试，或者在测试这些阀门的时候，使得安全系统处于非工作状态。这些都是很不受欢迎且非常昂贵的选择。本文的要旨在于详细阐述如何使用智能定位器以显着地提高这些安全系统的可靠性，同时大大减少费用，并获得许多其它优点。


数字式阀门控制器解决方案

除了具有传统的把电流信号转换为压力信号以操作阀门的功能外，这些数字式阀门控制器采用HART通讯协议，很容易访问对过程操作致关重要的信息。智能定位器接收阀门行程位置、供气压力和执行机构气压的反馈信号。这就使得智能定位器不但能够诊断它自身，而且可以诊断它所安装的阀门和执行机构。

由于具有逻辑能力，智能定位器可以取代用于测试阀门的特殊的现场测试面板，也能够完全自动化测试过程。在最终控制元件中安装智能定位器可以实现阀门部分行程动作的在线试验，不再需要特殊的机械限位装置或其它特殊的测试设备。

部分行程动作测试可以确认阀门工作正常，不会干扰工艺过程。由于试验期间不需要切断工艺过程，测试可以更加频繁地进行。由于测试时间间隔（TI）与紧急情况故障概率（PFD）成线性反比，更加频繁的测试对于减少紧急情况故障概率（PFD）有非常大的影响。由于整个测试过程可以用程序编入智能定位器中，所以部分行程动作测试能够自动进行而不需要操作员的关注。这就把测试时间间隔缩得尽可能地短（每小时、每天、每周等），以满足设定得SIL目标价值。因为测试程序是完全自动化的，所以避免了任何错误和可能的令人麻烦的现场察看。然而，由于安全原因，操作员需要简单地按动按钮以启动测试程序。

通常情况下，部分行程动作测试把阀门从原来位置移动10%，但是如果工厂安全指南允许，最大可移动30%。尽管部分行程动作测试不能取消对于全行程动作测试的需要（全行程动作测试需要用来检查阀座等），但它把所需的全行程动作测试的频率减少到很可能只需要在工厂大修期间进行的程度。因为定位器通过HART协议来通讯，部分行程动作测试可以通过一个HART手操器，也可以通过运行定位器相应软件的个人电脑，或通过与定位器接线端子硬线连接的面板按钮来启动。

除了减少生产成本之外，在仪表安全系统(SIS)里使用智能定位器还可以减少基本设备成本、测试时间、以及人力需求，因为不再需要昂贵的气动测试面板和试验所需的熟练人员。使用智能定位器还能实现遥控测试，这样就可以减少去现场维护检查的需要，从而节约时间。

因为智能定位器提供诊断以及位置信息，阀门状态和响应时间可以在测试期间进行监测。每次部分行程动作测试后，阀门的性能趋势可以得到监测，并进行自动分析，因此可能会发生故障的阀门在无法工作之前就可以被区分出来。动作次数和行程累计会显示阀门的动作程度。与相应的软件同时使用时，可以对阀门进行如图1所示的阶跃测试，以确定总的动作时间。这种测试也可以用来分析超调、死区、和时滞时间。

图1.SIS阀门的部分阶跃测试与分析
特性曲线测试（图2）的结果可以用来轻松判定填料问题（通过摩擦力数据）、压力气动通道至执行机构的泄漏、阀门卡住、执行机构弹性系数、以及弹簧设定范围。智能定位器可以保存这些数据结果以供打印输出或日后使用。把现在的特性曲线测试结果与过去的测试结果重叠起来，可以显示阀门的性能是否随着时间而下降。这增加了阀门的可利用性，并确保阀门一收到命令就作出响应。这也减少了对阀门的有计划的维护量，因为这些测试可以用来预测阀门何时需要维修。

图2. SIS阀门的特性曲线测试与分析
阀门卡住时，有些智能定位器能够给操作员发出报警。当定位器开始部分行程动作测试的时候，它连续地检查阀门的行程看它是否响应正确。如果不正确，定位器就会放弃测试，并提示操作员阀门卡住了。这可以防止阀门在最后能够自由动作时突然关闭。

简而言之，智能定位器能够提供有关最终控制元件包括定位器本身的完整的健康状况的诊断信息。此外，智能定位器能够提供任何紧急事件以及所有测试的文件记录。保险公司会接受这些可以作为测试证据的文件。最好的一点是这些文件可以全自动地记录，不需要花费昂贵的操作时间。

最后，如果在测试期间需要紧急停车，智能定位器会中断测试，而把阀门移动到安全位置。

安装

智能定位器可以安装在任何结构形式的阀门上，包括线性直行程阀门、旋转阀、纵向旋转阀等，这些阀门配备弹簧薄膜执行机构、弹簧复位活塞执行机构、或双作用活塞执行机构。安装方法有两种。这两种方法都使用一个电磁阀，并提供一个冗余的气动通道，即：执行机构压力总是能够释放以使得阀门移动到安全位置。如果电磁阀出现故障，执行机构压力会通过智能定位器里的气动通道释放。如果智能定位器出现故障，执行机构压力可以通过电磁阀释放。

图3表示智能定位器安装在一个4线制系统中。在这种安装中，逻辑控制器提供两路独立的输出：一路24V直流信号给电磁阀，一路4－20mA直流信号给智能定位器。这两个信号是根据传感器和逻辑控制器的内部逻辑而产生的。4－20mA的输出作为阀门初始位置的控制信号，也可用于遥控在线部分行程动作测试时阀门位置的控制。这提供了两种方式：通过SIS来控制阀门，以及监测包含在HART（叠加于模拟信号上）数字信息里的阀门诊断信息。来自逻辑控制器的第二个输出－24V直流信号与电磁阀相连接。这是一种独立的把SIS命令发送给安全阀门的方式。这样，两个分开的SIS信号可以提供给阀门，阀门可以接受一个“两者取一”的失效－安全命令。

图3. 智能定位器安装在4线制系统中的SIS示意图
这种安装方法需要一对额外的线缆，但是它的确允许智能定位器甚至在紧急命令的情况下继续通讯。这使得定位器通过其相应软件可以提供有价值的阀门趋势信息。在紧急停车时能够记录阀门的动作情况，对于保险机构或工厂环境部门都是非常重要的。它证明在收到命令时阀门确实动作了。

图4. 智能定位器安装在2线制系统中的SIS示意图
图4表示一个智能定位器安装在2线制系统中。在这种安装方式中，逻辑控制器提供一个24V直流信号，给电磁阀和智能定位器两者提供电源。这种安装方式在新项目中可以减少接线成本，在现有安装中也不需要额外的接线。它还节约了控制室中的一个I/O卡（输入/输出卡）。但是，它需要一个线路调节器。这个调节器增加一个约2V的直流线压降，且还需要一个低能耗电磁阀。


结论

通过部分行程动作测试可以获得明显的性能以及安全方面的优点，同时，使用智能定位器还能获得其它的好处。基本设备成本降低了，测试时间大大缩短了，由于不需要目前测试所需的昂贵的气动测试面板以及熟练技术人员，人力的需求也降低了。此外，遥控测试功能几乎不需要现场维护性察看，而且建立了自动测试程序，这些都能够大大节约了时间。

通过提供阀门性能恶化分析，智能定位器对于预见性维护是一个很大的帮助，这一点对于安全系统里的关键阀门是很重要的。这也减少了有计划的维护量。在进行部分行程动作测试时，如果由于某个原因阀门卡住了，有些智能定位器并不完全释放执行机构压力。这可以确保阀门解卡后不会突然关闭。这些智能定位器会放弃测试并发出报警，告诉操作员阀门卡住了。

智能定位器可以在所有试验和报告上打出时间和日期，这一点对于符合法律权威机构的要求很重要。它还具有比较和解释诊断数据的能力。

智能定位器可以在过程正在运行时进行部分行程动作测试，而不会有错过紧急命令的危险。这种测试向阀门发送一个小阶跃信号。这个信号太小而不会干扰工艺过程，但是它对于确认阀门是否在正常工作已经足够大了。有些智能定位器还提供一个固有的冗余气动通道。如果紧急情况出现，执行机构压力总会释放出去，要么通过电磁阀，要么通过智能定位器本身，这样，可以确保阀门总是能够处在安全位置。

总之，考虑到这些独特的好处，使用智能定位器进行部分行程动作测试是一种明智的且经济可行的确保紧急停车安全系统的可靠性的解决方案。