要感應(yīng)這些獨(dú)特的特性，需要有一臺(tái)像羅斯蒙特 3051S 壓力變送器一樣具有快速傳感功能的儀表，它的診斷特性板（圖 1）中內(nèi)置有我們的專利軟件，可以計(jì)算噪音或變化的特性與數(shù)量統(tǒng)計(jì)參數(shù)。這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)都是輸入壓力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。過濾功能的作用是將過程中的緩慢變化（一般由調(diào)整點(diǎn)變化引起）從相關(guān)過程噪音或變化中剔除出來。圖 2 的例子為，在均值保持不變的情況下，噪音級(jí)的變化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差值會(huì)產(chǎn)生何種影響。
圖 1：具有先進(jìn)診斷功能的 3051S HART 壓力變送器的結(jié)構(gòu)
圖 2：噪音級(jí)的變化對(duì)過程信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差值的影響
儀表的快速性和統(tǒng)計(jì)參數(shù)的內(nèi)部計(jì)算尤為關(guān)鍵。速度較慢的儀表無法捕獲過程或系統(tǒng)的噪音特性。由于這些儀表一般用于過程控制，所以出于此種目的，設(shè)備、集散控制系統(tǒng)或 PLC 中通常會(huì)采用各種形式的衰減或過濾措施，以降低過程信號(hào)中的噪音。這種過濾或衰減消除或顯著降低了噪音信號(hào)。另外，考慮到帶寬限制和典型 DCS 或 PLC 的取樣率，在系統(tǒng)層面上對(duì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的。這些典型設(shè)備的信號(hào)取樣率一般為每秒一次或者更低，這一速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)及不上儀表對(duì)過程變量的取樣速度（3051S 壓力變送器的取樣率則為每秒 22 次）。
羅斯蒙特儀表內(nèi)，統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算所占用的程序通道與過濾并計(jì)算一次輸出信號(hào)（如 4-20 mA 信號(hào)）的程序通道并行。一次輸出信號(hào)在任何情況下都不會(huì)受到這一附加功能的影響。
儀表可以通過兩種方式向用戶提供診斷信息。第一種方式：可以通過 HART 通信協(xié)議將統(tǒng)計(jì)參數(shù)傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)。使用這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)可以檢測(cè)或顯示過程環(huán)境下的變化。例如，統(tǒng)計(jì)數(shù)值被儲(chǔ)存在 DCS 歷史數(shù)據(jù)中。如果發(fā)生過程紊亂的情況，系統(tǒng)將檢查這些數(shù)值，確定這些數(shù)值變化是否預(yù)示或指示了過程紊亂。之后系統(tǒng)將把這些數(shù)據(jù)直接顯示給操作人員，或作出報(bào)警、警告指示。
第二種方式：儀表的內(nèi)部程序通過學(xué)習(xí)過程確定過程噪音或特性的基準(zhǔn)。學(xué)習(xí)過程完成后，儀表就可以獨(dú)立進(jìn)行檢測(cè)，以確定噪音或特性是否發(fā)生了顯著變化。它將通過 LCD 輸出該事件，通過 4-20 mA 輸出報(bào)警，和/或通過 HART 輸出警告。
運(yùn)行
圖 3 是統(tǒng)計(jì)過程監(jiān)控(SPM)診斷的簡(jiǎn)圖。壓力過程變量被輸入到一個(gè)模塊中，該模塊會(huì)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行高通過濾。以未過濾的壓力信號(hào)為基礎(chǔ)計(jì)算均值，以過濾后的壓力信號(hào)為基礎(chǔ)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。通過 HART 和通信手操器（如 375 現(xiàn)場(chǎng)通信器）或資產(chǎn)管理軟件設(shè)備（如艾默生過程管理研發(fā)的 AMS? 設(shè)備管理器）傳輸這些統(tǒng)計(jì)數(shù)值。
圖 3：SPM 結(jié)構(gòu)圖
通過其它工具（如羅斯蒙特 333 HART Tri-loop）還可以在設(shè)備中進(jìn)行非主要變量的賦值，并將這些數(shù)值傳輸給用戶。
SPM 還包括一個(gè)學(xué)習(xí)模塊，它可以為過程建立一系列的基準(zhǔn)值。在那些被認(rèn)為是正常的過程或安裝情況下，用戶通過 HART 監(jiān)控并完成基準(zhǔn)值的建立。這些基準(zhǔn)值被傳輸?shù)經(jīng)Q策模塊，與最新計(jì)算出的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較。用戶通過控制輸入功能選擇靈敏度設(shè)置和動(dòng)作，當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到上述數(shù)值的顯著變化時(shí)，SPM 診斷功能就會(huì)發(fā)出報(bào)警、警告，或采取其它行動(dòng)。
圖 4 是一個(gè)流程圖，它對(duì) SPM 診斷的運(yùn)行進(jìn)行了更詳盡的說明。它是一個(gè)經(jīng)過簡(jiǎn)化的流程圖，說明了使用默認(rèn)值的運(yùn)行情況。當(dāng)診斷程序不間斷地計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)，必須將學(xué)習(xí)和決策模塊激活為運(yùn)行狀態(tài)。一旦激活，SPM 將進(jìn)入學(xué)習(xí)/檢測(cè)模式。診斷程序?qū)⒃谟脩粼O(shè)置的時(shí)間段內(nèi)計(jì)算作為基準(zhǔn)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差（學(xué)習(xí)/監(jiān)控期默認(rèn)為 3 分鐘）。診斷的狀態(tài)將為“學(xué)習(xí)”。程序?qū)⑦M(jìn)行一次檢查，以保證過程具有足夠高的噪音或變化級(jí)（必須高于變送器本身內(nèi)部噪音的最低水平）。如果級(jí)別過低，診斷程序?qū)⒗^續(xù)計(jì)算基準(zhǔn)值，直到滿足標(biāo)準(zhǔn)為止（或程序被關(guān)閉）。通過檢查后，程序?qū)⒂?jì)算第二組數(shù)值，并將其與原來的那組數(shù)值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)該測(cè)量過程是否具有穩(wěn)定性和可重復(fù)性。在這一期間，診斷的模式將變?yōu)椤皺z測(cè)”。如果過程穩(wěn)定，診斷程序?qū)炎詈笠唤M數(shù)值作為基準(zhǔn)值，并切換到“監(jiān)控”模式。如果過程不穩(wěn)定，診斷程序則會(huì)繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，直至穩(wěn)定為止。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)由用戶自定義。
進(jìn)入“監(jiān)控”模式后，程序?qū)⒉粩嗟赜?jì)算新的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，每秒就會(huì)有新數(shù)值被計(jì)算出來。
圖 4：SPM 運(yùn)行的簡(jiǎn)化流程圖
新計(jì)算出來的均值將與基準(zhǔn)均值進(jìn)行比較。如果均值存在顯著變化，診斷程序?qū)⒆詣?dòng)返回到學(xué)習(xí)模式。之所以這樣做，是因?yàn)榫档娘@著變化往往是由過程運(yùn)行變化所引起的，在這種情況下噪音級(jí)（即標(biāo)準(zhǔn)差）也會(huì)因此發(fā)生顯著變化.如果均值沒有變化，程序?qū)?huì)對(duì)新計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差值與基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較。如果標(biāo)準(zhǔn)差與基準(zhǔn)值相比有顯著變化，超過了靈敏度的預(yù)設(shè)值，則說明過程、設(shè)備或變送器中發(fā)生了變化，程序?qū)⑼ㄟ^ HART 發(fā)出警告。
診斷出現(xiàn)故障時(shí)，儀表內(nèi)的計(jì)時(shí)器也會(huì)對(duì)事件加以時(shí)間紀(jì)錄。事件發(fā)生后，計(jì)時(shí)器會(huì)記錄下經(jīng)過的時(shí)間，以便用戶能夠?qū)碜?3051S 的診斷顯示信息與工廠內(nèi)其它事件聯(lián)系起來。計(jì)時(shí)器還記錄儀表的總運(yùn)行時(shí)間。這些時(shí)間值儲(chǔ)存在診斷特性板的非易失性存儲(chǔ)器中。
具有先進(jìn)診斷功能的 3051S HART 壓力變送器充分利用了最新的增強(qiáng)型 EDDL 技術(shù)，對(duì)通信手操器和基于 PC 平臺(tái)的控制系統(tǒng)組態(tài)器（如艾默生過程管理研發(fā)的 AMS 設(shè)備管理器）的用戶接口進(jìn)行了優(yōu)化。圖 5 是 AMS? 設(shè)備管理器顯示的 SPM 診斷狀態(tài)屏幕。該圖中，紅線表示均值和標(biāo)準(zhǔn)差的最新數(shù)值，藍(lán)線表示它們的基準(zhǔn)值，灰線表示靈敏度數(shù)值。這一屏幕還顯示是否設(shè)置了警告、診斷模式、事件發(fā)生時(shí)的時(shí)間戳數(shù)值。在這個(gè)屏幕中可以對(duì)診斷進(jìn)行開啟/關(guān)閉操作，還可以用“Reset”（重置）或“Reset and Relearn”（重置并重新學(xué)習(xí)）命令清除已經(jīng)顯示的事件。其它可組態(tài)參數(shù)可在另外的屏幕中設(shè)置，并在產(chǎn)品說明手冊(cè)中進(jìn)行了詳細(xì)說明。
SPM 應(yīng)用舉例
SPM 診斷可以用于各種壓力測(cè)量領(lǐng)域。SPM 診斷在穩(wěn)定的過程環(huán)境中能夠發(fā)揮極大作用。在靜態(tài)的運(yùn)行環(huán)境下，如果噪音或特性發(fā)生變化，就說明過程、過程設(shè)備或變送器中將發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生了顯著變化。
圖 5：AMS 設(shè)備管理器增強(qiáng)型 EDDL SPM 狀態(tài)屏幕
（在均值和標(biāo)準(zhǔn)差均可能發(fā)生顯著變化的靜態(tài)過程環(huán)境下，如液位測(cè)量環(huán)境，SPM 診斷也能夠發(fā)揮它的作用，為您檢測(cè)出一些問題。）下面是一些例子：
指示引壓管線的阻塞
壓力變送器一般通過小口徑的管道與過程相連，這種管道叫做引壓管線。在一些應(yīng)用中，這種引壓管線可能被固體物質(zhì)堵住或由于氣候寒冷而發(fā)生凍結(jié)堵塞，嚴(yán)重影響了壓力信號(hào)的傳遞。通常情況下，用戶無法獲知這種情況。這是因?yàn)椋氯l(fā)生時(shí)壓力被阻擋，變送器所提供的信號(hào)與阻塞發(fā)生前它所提供的信號(hào)完全相同。只有當(dāng)變送器輸出未隨著實(shí)際流量變化而變化時(shí)，才有可能發(fā)現(xiàn)管線堵塞問題。
用戶可以對(duì) SPM 診斷進(jìn)行組態(tài)，使其具有檢測(cè)引壓管線堵塞的功能。.研究表明，在典型流量應(yīng)用中，如果一條（DP 或 AP/GP 變送器）或兩條引壓管線發(fā)生堵塞，特定流量下標(biāo)準(zhǔn)差就會(huì)發(fā)生顯著變化。（圖 6）
圖 6：引壓管線發(fā)生堵塞
具體變化情況取決于多個(gè)因素，包括一次元件類型、引壓管線的長(zhǎng)度和規(guī)格、堵塞程度。
流體成分變化檢測(cè)
研究表明，進(jìn)行差壓流量測(cè)量時(shí)，兩相或多相流量情況下會(huì)比單相流量情況下產(chǎn)生更多不同的噪音形式，進(jìn)而使差壓信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差也相應(yīng)增加。SPM 診斷技術(shù)既可以對(duì)干燥氣體中的大量液體變化進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)濕氣中的液體顯著變化進(jìn)行檢測(cè)。
試驗(yàn)表明，對(duì)于存在大量空氣或其它氣體的液體環(huán)境，SPM 診斷同樣適用。
精煉爐火焰不穩(wěn)檢測(cè)
SPM 診斷的另一個(gè)應(yīng)用例子是精煉爐火焰不穩(wěn)檢測(cè)。精煉爐經(jīng)常焚燒各種具有不同 BTU 的廢氣。由于多種 BTU 共存，火焰很可能會(huì)變得不穩(wěn)定，這將是精煉爐熄火的一個(gè)預(yù)兆。操作人員則希望盡量避免這種不穩(wěn)情況的發(fā)生。在一家主要的精煉爐制造廠中進(jìn)行了多次試驗(yàn)?；鹧娌环€(wěn)情況出現(xiàn)（圖 7）。通過對(duì)通風(fēng)壓力變送器監(jiān)控火室內(nèi)的壓力的噪音進(jìn)行過濾和測(cè)量，SPM 診斷技術(shù)可以檢測(cè)出火焰不穩(wěn)情況（圖 8）。在精煉爐熄火前檢測(cè)到異常，用戶會(huì)有更充足的時(shí)間進(jìn)行過程糾正。
注釋：羅斯蒙特 3051S HART 壓力變送器中的統(tǒng)計(jì)過程監(jiān)控診斷功能可以計(jì)算并檢測(cè)壓力輸入信號(hào)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的顯著變化。這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)與壓力信號(hào)中的噪音信號(hào)及其變化有關(guān)。但是，壓力測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下到底存在哪些噪音源，這些噪音源對(duì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)具體有什么影響，噪音源隨時(shí)會(huì)發(fā)生什么變化，則是很難精確預(yù)測(cè)到的。所以，艾默生過程管理無法絕對(duì)地保證，統(tǒng)計(jì)過程監(jiān)控診斷功能在所有環(huán)境下都能對(duì)具體情況進(jìn)行精確檢測(cè)。
結(jié)論
在如何降低維護(hù)成本、提高維護(hù)質(zhì)量、增加過程正常運(yùn)行時(shí)間的問題上，過程、儀表和維護(hù)工程師面臨著巨大的挑戰(zhàn)。艾默生過程管理現(xiàn)在向您推薦用于羅斯蒙特 3051S HART 壓力變送器的 ASP? 診斷套件。這一套件具有先進(jìn)的診斷功能和統(tǒng)計(jì)過程監(jiān)控功能，幫助用戶定位那些需要維護(hù)的設(shè)備，識(shí)別那些運(yùn)行效率低下的設(shè)備，降低過程停機(jī)時(shí)間。
圖 7：精煉爐和試驗(yàn)期間（包括火焰不穩(wěn)的時(shí)間）的火室壓力信號(hào)
圖 8：經(jīng)具有先進(jìn)診斷功能的 3051S HART 壓力變送器過濾后，火室通風(fēng)壓力信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差
（轉(zhuǎn)載《》中國工控網(wǎng)）
