SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Разработки в области диагностики блокировки импульсной линии

 

Диагностика блокировки импульсной линии, как универсальный подход к прогнозированию нарушений процесса, является развивающимся направлением. Автор данной статьи на многочисленных примерах показывает, что в настоящее время открыта возможность для более широкого применения этого подхода в промышленной автоматизации.


ООО «Иокогава Электрик СНГ», г. Москва

Iokogava.png 


Крайне важен факт, что современное автоматизированное оборудование КИП позволяет передавать результаты диагностики и уведомления об ошибках на основное управляющее устройство. При измерении расхода с помощью датчиков перепада давления колебания давления обычно усредняются в процессоре устройства. Таким образом, можно контролировать состояние импульсных линий и выявлять случаи их блокировки. Датчики перепада давления, использующие цифровые методы обработки сигнала, позволяют существенно улучшить процесс обнаружения блокировки импульсной линии. Расходомеры перепада давления (ПД), состоящие обычно из сужающего устройства, датчика ПД и других комплектующих, широко применяются на практике, поскольку необычайно надежны, устойчивы к ошибкам и не требуют проливной поверки. Но, несмотря на перечисленные достоинства оборудования, импульсные линии, передающие давление процесса на датчик ПД, чувствительны к блокировкам, вызванным кристаллизацией жидкости или коррозией трубопровода. Блокировка импульсной линии – проблема, которая должна быть решена для обеспечения эффективного обслуживания.

Мы уже говорили о том, что обычно колебания давления, имеющиеся в технологическом процессе, можно использовать как эффективный метод выявления состояния блокировки импульсных линий. Однако, если уровень колебаний давления низок, выявление блокировки может быть затруднено, поскольку порог выявления (то есть изменение колебания давления) может быть очень мал и приводить к ложным оповещениям. В частности, в большинстве случаев измерения расхода газа необходим тщательный подход, поскольку уровень колебания давления в газовых средах гораздо ниже, чем в жидкостях. Более того, существует ряд источников колебаний давления, которые могут препятствовать выявлению блокировки импульсных линий, в частности вибрация трубопровода и наличие растворенного газа в жидких средах.

В этой статье описываются факторы, которые могут препятствовать диагностике блокировки импульсных линий, и предлагаются следующие практические методы для преодоления этих факторов:
- задание параметров среды: тип жидкости, плотность, вязкость и колебания статического/дифференциального давления для применения оптимального алгоритма вычисления;
- проверка вибрации трубопроводов, наличие низкой скорости потоков и увеличения газа в импульсных линиях, наполненных жидкостью;
- регулировка уровня пороговых значений, при которых возникают ложные оповещения блокировки.


Технический обзор

Метод диагностики блокировки импульсной линии изначально был разработан для применения в достаточно чистых жидкостях на неф­теперерабатывающих и химических заводах. Однако потребители решили испытать эту технологию на других типах потоков в различных отраслях промышленности.

Данный метод диагностики обычно применяется только к углеводородным жидкостям относительно низкой вязкости (менее 10 сСт), так как чем выше вязкость жидкости, тем сильнее ослабляются процессом колебания давления, что, безусловно, ограничивает возможность диагностики блокировки импульсной линии. Для газов высокого давления и высокой плотности возможности применения данного метода гораздо шире. Однако данный метод обычно более применим к влажным газам, поскольку они обладают относительно высокой плотностью.

В случае с паром конденсационные резервуары обычно установлены между точкой отбора давления и датчиком ПД и действуют как аккумулятор, существенно ослабляя любые колебания давления и делая невозможным применение диагностики блокировки импульсной линии.


Устройства, создающие ПД

Диагностика блокировки импульсной линии в целом применяется к устройствам диафрагменного типа, создающим ПД, поскольку данный тип обычно используется для измерений в перерабатывающей промышленности. В этом случае колебания давления рассматриваются как колебания, образованные турбулентным потоком, проходящим через измерительную диафрагму.

Предполагается, что диафрагма имеет преимущества в выявлении блокировки импульсной линии, поскольку потоки (особенно это касается нисходящего потока в диафрагме) возникают с большими вихрями и воронками, что создает необходимые колебания давления. Однако недавние исследования показали, что колебания давления в трубопроводе важны как до, так и после датчиков ПД. Это означает, что трубки Вентури, трубки Пито и другие устройства, создающие ПД, тип которых отличен от диафрагменного, являются потенциально возможными средствами для диагностики блокировки импульсной линии, если существует возможность определения колебания давления выше некого определенного порога.


Влияние вибрации трубопровода и шумов

Вибрация трубопровода, шум, нарушение потока, колебания скорости потока и увлечение газа в среде являются факторами, которые могут препятствовать диагностике блокировки импульсной линии.

Диагностика блокировки импульсной линии зависит от выявления изменений в колебаниях давления. Опорные данные колебаний давления, полученные во время отсутствия блокировки, записываются в память системы и затем сравниваются с фактическими данными на этапе измерений. Когда возникает односторонняя блокировка одной из импульсных линий, колебание перепада давления возрастает. При блокировке с обеих сторон колебание имеет тенденцию к снижению. Тем не менее в реальных процессах вибрация трубопровода может изменяться при изменении скорости потока или при работе клапана, и эти изменения могут повлиять на выявляемые колебания давления. Шум гидравлического удара может также вызвать непредсказуемые изменения давления.


Изменение параметров потока

Кавитация или пульсация может влиять на колебания давления. Наличие кавитации в потоке может влиять на частоту колебаний, в то время как пульсирующий поток может увеличивать амплитуду колебаний давления. По этой причине желательно для любого из методов диагностики избегать влияния таких факторов. Это обычно достигается путем ограничения зоны выявления блокировки импульсной линии.


Изменение скорости потока

Полученные опорные данные могут отличаться от данных рабочего процесса на момент измерения. В нормальных потоках жидкости колебание давления возрастает с увеличением скорости потока. Соответственно можно компенсировать амплитуду колебаний, учитывая изменение скорости потока.


Содержание газа

В периодических процессах пузырьки газа или воздуха могут попасть в импульсные линии с жидкостью. Пузырьки газа обладают ослабляющим эффектом при передаче колебаний давления. Этот эффект схож с явлением, которое возникает в случае нарастания блокировки двух импульсных линий.


Характеристика блокировки импульсной линии

Блокировка импульсной линии может быть вызвана различными явлениями, такими как коррозия, попадание инородных веществ, замерзание жидкости или ее кристаллизация. В зависимости от типа блокирующего явления варьируется скорость нарастания блокировки. Кристаллизация жидкости приводит к быстрому нарастанию блокировки, в то время как блокировка, вызванная коррозией, прогрессирует медленно. Чтобы адекватно предсказать блокировку импульсной линии, период диагностики должен быть гораздо короче, чем время, необходимое для возникновения блокировки.

От рабочего режима зависит то, как и насколько быстро происходит блокировка импульсной линии. Например, при запуске прибора после планового обслуживания коррозия, сварные швы и некоторый инородный мусор в главных трубопроводах могут закупорить импульсную линию очень быстро – спустя несколько часов. С другой стороны, закупорка, вызванная коррозией или внутренним засорением импульсной линии, растет очень медленно, несколько месяцев или даже лет. Чтобы провести прогнозирующую и результативную диагностику, необходимо иметь анализ динамики изменения параметров блокировки, который позволяет спланировать корректирующие действия, пока блокировка не вызвала нежелательный крупномасштабный останов процесса. Параметры блокировки соотносятся со статистически собранными данными о колебаниях давления в течение некоторого диагностического периода. Анализ динамики изменения параметров блокировки обычно собирается и отображается в системе управления высокого уровня.


Диагностика блокировки импульсной линии

Основой обнаружения блокировки импульсной линии является контроль уровня колебаний при измерении расхода. Изменение амплитуды колебаний может свидетельствовать о наличии проблемы блокировки импульсной линии, в то время как при отсутствии блокировки импульсной линии наблюдается стабильный уровень колебаний. Колебание перепада давления либо статического давления обычно снижается, когда импульсная линия блокируется. Эти составляющие вычисляются как сумма квадратов разности между опорным значением и значением давления, измеренным через заданный интервал. Амплитуды составляющих колебания рассчитываются путем извлечения корня из суммы квадратов значений. Поскольку эти составляющие могут меняться с изменением скорости потока, они рассматриваются как составляющие колебания и компенсируются с учетом этой скорости.

Когда обе стороны импульсных линий заблокированы, колебание снижается. При блокировке одной стороны импульсной линии соответствующее колебание также снижается. При этом колебание при блокировке больше, чем в случае полного ее отсутствия (рис. 1).


Ris-1.gif

 Рис. 1. Блокировка импульсной линии. Коэффициент блокировки F определяется как функция амплитуды составляющих колебания. Коэффициент F достигает значения +1 при блокировке со стороны высокого давления и –1 при блокировке со стороны низкого давления


Коэффициент блокировки F определяется как корреляционная зависимость между амплитудами составляющих колебания. Значение этого коэффициента достигает +1 при блокировке со стороны высокого давления и –1 при блокировке со стороны низкого давления (рис. 2).


Ris-2.gif

Рис. 2. Значения составляющих колебания в импульсной линии, отражающие влияние блокировки на стороне высокого давления, низкого давления, на обеих сторонах. Также показаны значения, при которых блокировка не происходит. Когда обе стороны импульсной линии заблокированы, все составляющие колебания возрастают. При этом составляющие колебания давления выше, чем в случае полного отсутствия блокировки



Новые цифровые технологии

Недавно в промышленности появились преобразователи ПД нового поколения, оснащенные цифровыми кремниевыми резонансными сенсорами, которые могут быстро измерять как статическое давление, так и перепад. Такие преобразователи ПД нового поколения дают возможность разрабатывать методы диагностики, которые позволяют определить колебания этих парамет­ров. Используя связь по протоколу Fieldbus, операторы могут определить, заблокирована ли импульсная линия на определенной рабочей позиции. Эта информация может значительно сократить объем и стоимость работ по профилактическому обслуживанию (рис. 3).


Ris-3.gif

Рис. 3. Подсоединение расходометра ПД с измерительной диафрагмой к импульсным линиям


Новый преобразователь давления представляет собой многопараметрическое устройство, которое может выполнять измерение перепада давления, абсолютного давления и рабочей температуры, компенсировать изменение плотности, используя четыре различных метода. Встроенный вычислитель расхода позволяет измерять массовый расход с точностью до 1,0 % от шкалы и диапазоном перенастроек пределов измерения 10:1 для расхода или 100:1 для перепада давления.

В режиме автокомпенсации преобразователь давления использует сложные алгоритмы для компенсации небольших изменений в общих характеристиках потока, таких как тепловое расширение рабочего трубопровода и первичного элемента измерения, изменение плотности среды (жидкости, газа или пара), а также других парамет­ров рабочей среды.

Расширение возможностей датчиков измерения массового расхода не представляет сложности для пользователей, так как программное обеспечение измерения расхода с помощью связи по протоколу Fieldbus дает возможность быстрой, удобной конфигурации параметров датчика.

Это программное обеспечение позволяет моделировать условия потока для подтверждения правильности прогнозируемых параметров даже в автономном режиме.

Программное обеспечение основано на стандартизованных для промышленности интерфейсах: интерфейс для полевых устройств (FDT)/ менеджер типов устройств (DTM), которые позволяют получить упрощенную и удобную визуализацию различных параметров датчика. Не перегружая пользователя бесконечным списком индивидуальных параметров, данные технологии разбивают эти парамет­ры на логические группы в определенном порядке. Следующим преимуществом является то, что программное обеспечение может использоваться в любом интерфейсе, совместимом с FDT, через протокол HART и по шине Foundation Fieldbus. Этот датчик, используя цифровые методы обработки сигнала, может быть использован для жидкостей, газа и пара, с разно­образными первичными элементами, для решения задач нормирования и коммерческого учета, а также применим для природного газа в соответствии со стандартами AGA3 и AGA8. Многопараметрический датчик Yokogawa EJX910A имеет функцию диагностики блокировки импульсной линии, которая позволяет осуществлять прогностическую диагностику, основанную на анализе изменения коэффициента блокировки. Данная функция позволяет повысить эффективность профилактического обслуживания и уменьшить его стоимость.


Опыт применения на производстве

Результаты, описанные в этой статье, основаны на практическом опыте диагностики блокировки импульсной линии на нефтеперерабатывающем заводе. Оператор завода отдал предпочтение преобразователям Yokogawa со встроенной функцией диагностики блокировки импульсной линии. Инженеры нефтеперерабатывающего завода и инженеры компании Yokogawa, работая вместе, выбрали преобразователи для системы диагностики. Из сотен преобразователей ПД, которые предположительно должны были сталкиваться с проблемами блокировки импульсной линии на некотором этапе своей работы, было отобрано 36 пробных приборов.

Более половины отобранных приборов применялись для измерения расхода жидкости (маловязкая нефть), 15% преобразователей использовались для измерения расхода газа или конденсационной жидкости.

Далее преобразователи с диагностикой блокировки импульсной линии были установлены на рабочие позиции, и были измерены колебания давления каждого датчика; таким образом, была исследована оценка опорных значений каждого измеряемого параметра. В нормальных условиях перепад давления на некоторых рабочих позициях не превышал 5 кПа.

Преобразователи перепада давления Yokogawa могут измерять перепад давления, статическое давление со стороны высокого и низкого давления и вычислять расход по данным измерения статического давления, ПД и температуры и корректировать степень блокировки. Результаты по вероятности определения блокировки были распределены следующим образом:
- cтабильные. Степень блокировки показывает достоверные результаты в случае возникновения блокирования импульсной линии;
- возможные. Коэффициент блокировки показывает некоторый уровень разницы, когда импульсная линия в действительности заблокирована;
- нестабильные. Коэффициент блокировки не показывает разницу явно, даже когда импульсная линия в действительности заблокирована.

Согласно первоначальным испытаниям было установлено, что 40 % преобразователей распознали недостаточный уровень колебаний для выявления блокировки и их результаты были отнесены к нестабильным или возможным; остальные были отнесены к стабильным с достаточным колебанием процесса. Преобразователи были классифицированы как стабильные, когда колебание статического давления превышало 1кПа.


Заключение

Диагностика блокировки импульсной линии, основанная на описанных методах, обладает рядом преимуществ, заключающихся в том, что она информирует операторов и инженеров по техническому обслуживанию и ремонту оборудования о нарастании блокировки в импульсной линии до остановки процесса. Она также может предсказать, когда импульсная линия будет заблокирована, и предложить корректирующее действие на основе данных о пороге блокировки.

Более того, реальные пороги блокировки определяются на основе данных о рабочей среде, изменений расхода и времени, необходимого для принятия корректирующих действий.

Проведение измерений с помощью датчика перепада давления – это надежное, точное и экономичное решение. Давно существующая проблема блокировки импульсной линии решена путем цифровых методов ее обнаружения. Поскольку диагностика блокировки импульсной линии находится под влиянием ряда внешних факторов, включая вибрацию трубопровода, шумы и колебания потока, предлагаемый метод является надежным и эффективным решением.

Исходя из опыта использования диагностики на существующих заводах, можно заключить, что в настоящее время возможность для более широкого применения этого метода в промышленной автоматизации открыта.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 2(32)_2011

Нэйл Хэнки (Neil Hankey),
менеджер по глобальному маркетингу и КИП в Токио и Нидерландах,
ООО «Иокогава Электрик СНГ», г. Москва,
тел.: (495) 737-7868,
e-mail: info@ru.yokogawa.com