环路校准新方法—温度、流量、压力、阀门
仪表技术员目前依然在沿用多年前的习惯做法,常常听人说:“我们一直都是这么做的。”计量技术还在不断发展,仪表精确度也越来越高。
影响有效控制、安全操作、质量标准或其他标准的仪表设备需要定期校准。在大多数情况下,工作调度方式仍较为传统,个别特殊场合的调度方式也随着时间的推移逐步发生变化。仪表技术员还在沿用多年前的习惯做法,常常听人说:“我们一直都是这么做的。”计量技术还在不断发展,仪表准确度也越来越高。当然,计量技术也变得越来越复杂,为什么沿用测试气动变送器的方法来测试FF现场总线变送器?标准五点,上下行程测试, 1%或2%的公差范围,这些都已经无法完全适用今天更精细化的应用要求。总体而言,只有相关人员具备专业技术,拥有专业测试设备,才能顺利完成校准任务。像贝美克斯 MC6高级现场通讯器和校验仪就是精细化、高精准、多功能校准设备,就能有效校准那些多变量、智能化高端仪表。鉴于仪表设备的复杂性,校准技术员面临比之前更大的工作压力。工厂30年以上工龄的老技术员开始退休了,年轻技术员又无法立即填补空缺,或简单地将任务派发给外包人员。为改善品质、监控环境、响应政府法规要求,越来越多企业开始对文档化记录有了要求。企业经常借助像贝美克斯 CMX这样的校准管理软件保存数据、分析数据、生成校准证明、出具校准报告等。由此可见,为保证企业生产活动正常进行,我们应重新审视和评估这些习惯做法,考虑采用更简单、更高效的仪表设备检测方法。现在有了先进的回路测试校准技术,这已不是什么新鲜概念了。在一些情况下,最好的做法是对单个仪表进行校准,尽可能使其达到最高精准度(比如贸易结算计量系统)。然而,我们可以将仪表端对端连在一起形成回路,然后进行测试,如果测试读数在允许公差范围内,那么就没必要断开回路,再测试单个仪表。为提高效率,企业通常要谨记,尽可能减少工厂停机停产、尽可能提高技术员作业效率,并有效控制和预防事故发生,保持安全和谐的工作环境。
回路,不同工作背景和行业的人,会有不同理解。
对于环路,不同工作背景和行业的人,会有不同理解。实际上,环路是指多个仪表设备连接组合在一起,完成单次测量或触发过程工厂某个控制动作。典型的温度回路是将温度元件(热电阻或热电偶)与变送器连接起来,变送器再串联至本地数显表,再接入控制系统输入卡(DCS或PLC)。这样,信号就会显示在一个或多个控制面板中,最终实现通过计量控制过程的目的。评估测试回路时,最重要的是要区分,要运行闭环测试还是开环测试?
闭环回路是一种端对端测试,以温度回路为例(图1),首先要将温度元件从流程中取下,然后将其放置于温度炉(比如贝美克斯温度校准炉)中或温度槽内,以模拟过程温度。最终显示的测量数值,还将与模拟温度进行比较,并解释误差,闭环测试是最好的做法。如果控制回路中获得了准确的温度设定,那么独立仪表的性能则非关键因素DCS/PLC数值将用于控制变更、警报、通知等。但是,如果回路测量存在明显错误,则应逐一检查,并纠正回路中每台仪表的错误,才能确保最终测量结果恢复正常。在一些情况下,是无法进行闭环测试的。比如示例中的这个回路,想要从流程中取出探针,或者将探针插入温度炉或温度槽内,难度较大或造价过高。遇到这种情况时,我们可以执行开环测试,断开温度元件与变送器之间的连接,用温度校验仪模拟信号发送至变送器。像闭环测试一样,最终显示的测量数值,还要与模拟温度进行比较,并判定误差。当环路断开时,最好能检查安装的温度元件,执行单点测试。比如将具有合格证书的探头或温度计临时接入流程,并将连接到校验仪上的测量结果与元件的输出结果进行比较,完成单点测试。
在某种程度上,误差限值较难确定,且人们在设定误差限值时常出现诸多问题。常见的判断方法是,基于制造方指标设定过程测量误差。一些制造方还比较不错,但是对于仪表精度指标,销售部门与研发工程师可能会说法不一。而且,精度报告通常是“现成的”标准数值,并不包括长期稳定性(特别是明显的误差成分)、重复性、温度影响等说明。传感器和变送器的精度,应该考虑系统过程测量的误差为多少,而不是最终数值。最好的办法是,控制工程师、质量工程师和安全工程师三方一起讨论,共同设定一个普遍可行的、切合实际的误差范围。务必谨记,公差设得越窄,成本可能会更高,不仅是过程计量成本,还有仪表维保成本。指定公差范围,应充分考虑实现有效控制、打造最高品质和保持高安全性、最大程度减少停机事故、提高技术员作业效率、或采用效果最好的测试设备等诸多因素之间的平衡问题。在实际操作中,常见误差范围是±1%(或者±2%,甚至±5%)。但是,这些误差类型都不太适用于流量计量仪(特别是读数百分比/比率)或分析仪表(比如pH或ppm)。从回路的输入工程单位方面考量误差,不失为是一种好办法。参考温度回路示例(图1),相关人员应重点讨论最低允许温度误差,确保该误差不影响产品品质、保证人员安全、能达到最高作业效率,且能通过校准或检测设备真实测量到。明确回路误差的另一难点在于,与回路中那些测不准确的元件一样,给定回路同样很难做到十分精准。现在的变送器精确度非常之高,性能十分优良。然而,温度传感器又常常无法达到同等精准水平,在不同操作流程中,总会出现明显漂移。如果普通RTD热电阻额定精度为±0.5 ℉,那控制工程师就不能期望过程控制精度能超过±0.5 ℉。实际上,虽然变送器和DCS模数转换可以显著提高精度,但我们必须认识到,这些元件会给回路测量增加额外误差。用统计平均值或平方根(RMS)计算,是算出回路误差的常见做法。参考温度回路示例,假设RTD传感器的额定精度为±0.5 ℉,变送器的公差范围为±0.10% (量程=50至250 ℉),DCS输入卡的公差范围为±0.25%(量程==50至250 ℉),那么该回路误差的计算方法如下:
最保守的做法可能是把所有误差简单相加(即0.5 + 0.2 + 0.5 或 ±1.2 ℉)。但最终确定误差范围时,应根据误差可能给流程带来的影响、或可能涉及的风险,综合评估测量结果的危险程度。讨论到这里还不算完。控制工程师会争取将误差降到最低(±0.75 ℉),但误差还会受其它因素影响。因此有必要对测试设备进行正确评估。典型温度校准炉误差可能在0.3 ℉至1.0 ℉之间,较理想的做法是,检测设备与过程测量的误差比率为4:1。为进行适当的温度模拟,需要同时使用一个参考温度探头(RPRT或SPRT,参考或二等温度计)和一台精密铂电阻(RPT)测温仪,比如带可选参考温度探头RPRT的贝美克斯MC6,测量误差可精确至0.1℉-0.2℉。这样一来,企业可能要投入额外资金购买检测设备,行业不同投入多少不尽相同;而值得注意的是,检测设备精准度越高,设备维保费用也就越高。比如,如果品质工程师报告指出,要生产好产品,误差就必须控制在±5 ℉之内,怎么办?为什么要给仪表部门增加不必要的负担?如果控制工程师没有异议(输入信号的可靠性、安全性等方面),假设温度校准炉精度为±0.5 ℉,量程为50 ℉-250 ℉,那么我们可以将回路允许公差设为±2.0 ℉。尽管不如回路中仪表那么精确,但为了生产出高质量产品,按照这样的比例设定公差要比2:1比率好得多,校准技术员通过简单的设备组合就能完成操作。虽然这仅仅是一种情形,但找出回路中“最薄弱环节”、不设定不切实际的误差范围,这确实是种好办法。考虑到能源成本或过程效率问题,这种分析方法表明,如果误差带来过高的代价或风险,企业应在检测设备上多投资,多检测校正设备。企业只有具备良好的判断能力,才能取得多方平衡,避免不合理的测试要求,实现生产制造目标。
如果某过程工厂像示例(图1)这样,拥有几百个温度回路,那么回路测试就能凸显出它的优势。虽然用温度校准炉测试要花不少时间,但校准技术员可以用两台、三台、甚至更多仪表组成回路,同时测量多台仪表,提高测试作业效率。企业购买更可靠、高准确度的温度探头,以最大程度降低失误。基于过程需要,可能有必要增加测试频次,但不论何种情况,企业管理层应充分相信,这种方法能让测量更可靠。通过不断重复操作,技术员可以发现一些常见问题,也能提高作业效率。若每次校准工作都做好了相应的文档记录,那么我们可以根据相关数据,分析测试周期,合理延长或优化测试周期。故障处理、紧急维保等情况常有发生,但每次发生该类情况时,我们都应重新调整回路测试周期。这种系统性回路测试办法,将厂内所有仪表设备连接起来,同时最大程度降低其他因素对回路准确性的干扰,为控制系统带来最理想的测量效果。
流量计量难度大,性能容差要求非常严苛。天然气或蒸汽计量时,任何微小误差,都可能在贸易结算时产生极大差异,因此企业管理层对这方面的要求格外苛刻。比如,孔板测量时,常将静压和过程温度等影响因素考虑进去,以补偿差压测量误差。这三种测量都可以通过DCS系统进行精准流量计算。现有DP流量计大部分集成过程RTD和静压计量功能于一体,提供流量测量输出补偿。智能变送器还内置流量计算功能。
如果这三种测量由控制系统独立处理,除采用典型的测试流程以外,还应进行回路测试,以验证补偿流量读数的准确性。尽管多变量仪表看起来很复杂,但可以通过回路测试,逐个检测各计量组件,确保流量计计量的准确性,所提供的计量精度读数均能达到理想的百分比。以蒸汽计量应用为例:
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4 – 20 mA (常规范围0 -1500 lbs/hr, 精度读数±1 %)
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本示例中,应设计为非线性测试,假设恒定典型温度为450 ℉,静压为14.735psi,变送器低压侧通大气进行测量,计算出特定压力输入测试点的预期lbs/hr输出。向控制工程师咨询后,预期测量结果可能如下所示:
在测试多变量变送器方面,贝美克斯 MC6独具优势。我们可将后续非线性表录入贝美克斯 CMX校准管理软件,建立特定标签,并下载至MC6设备上进行测试。另外,可以利用多个过程变量校准每个HART通讯数值,完成三组补偿输出运算中使用数据测试。唯一需要额外配备的检测工具仅是贝美克斯温度校准炉。回路测试只需要简单地完成inH₂O 和 lbs/hr五点测试,即:0%, 50%, 100%, 50% 和 0%。如果每次测量精度读数都在1%以内,那么技术员就可以收拾好工具,准备测量下个仪表了。如果回路测试结果勉强合格或不合格,那么,技术员就要继续执行DP压力与HART数据,RTD温度与HART数据,静压与HART数据三组测试,并根据需要作出适当调整。将三个变量输入流量计算后,可速检查4-20毫安输出信号。如果需要调校某个或多个输入,调校好的流量最终“校准后”环路测试结果可存档记录输出,表明该仪表工作状态良好。以检测多变量回路的非线性输入与流量输出为主的测试办法,非常省时高效,让仪表技术员的维保工作更简单轻松。
压力回路检测难度并不大,只要给输入变送器施加压力,并将其与DCS或最终控制读数进行比较即可。使用回路测试方便快速,比单独检测变送器效率更高。我们应对所有控制回路进行回路测试,以帮助技术员提高工作效率,确保控制计量尽可能准确。我们也可以考虑采用相同的方法测试控制阀,将电流压力(I/P)变送器中的毫安输入信号与毫安输出信号(反馈)进行比较。该方法也同样适用于智能控制阀门定位器,利用通讯器驱动阀门动作,监控数字反馈信号。设置10%的测试点,对阀门进行快速测试,验证其是否正常运行。如测试结果显示通过,技术员可以对其他关键控制阀门进行快速测试。流量计量回路中的一些主要元件(比如孔板、阿牛巴流量计或皮托管),往往容易被忽视。然而,这些元件会给流量计量的准确度造成重要影响,尽管无法对其进行校准,但应检查其是否有损坏或磨损。安全仪表系统(SIS)是回路测试应充分考虑的另一重要方面。当流程结束后,应按照测试程序的规定方法,逐一校准单个仪表。然而,我们还应尽可能考虑检查整个回路,验证整个回路中关键计量的准确性,特别是温度校准(用校准炉或校准槽)或压力校准。而且,整个流程启动并开始运行时,要尽量简单快速地检查SIS安全仪表系统,确保该系统正常运行。
在许许多多过程工厂,人们只是简单地检查校准变送器。虽然用温度校准炉校准比较花时间,但不妨想想所有测量均通过这些设备得出,那么对这些设备进行检测校准是多么重要。不仅只有变送器可能出现漂移,温度探头会因热应力、振动或物理损坏而出现漂移。DCS/PLC输入卡也跟变送器一样会出现漂移,甚至更甚。若不进行回路测试,如何保证计量的准确性和有效性?没有准确有效的计量,如何保证工厂达到理想的控制水平、安全性、可靠性和高品质?随着仪表设备和自动化的不断发展,仪表校准方法也应与时俱进。回路测试并不是新概念,但并没有被人们视为检测仪表设备的有效办法,而加以广泛应用。贝美克斯解决方案为您带来最高水平自动化作业,提供详尽的文档化电子报告。我们可以采用全新的方法完成校准任务,通过回路校准法有效连接厂内所有仪表设备,助您事半功倍。合理认真地做好回路测试规划,能有效提高工厂控制能力,始终保持产品的高质量,保证生产运作的可靠性和安全性。