"摘要

從傳統來講，如果沒有旁通，安全系統需要在工藝過程完全切斷的情況下進行測試。測試安全系統需要昂貴的氣動面板和高度熟練的技術人員。本文介紹了智能定位器在緊急停車場合中的應用。使用智能定位器不但可以降低基本設備成本，而且還可以減少測試時間以及人員需求。它也允許當工藝過程正在運行時測試安全閥門。閥門可以作很小的運動（10%）以確認它工作正常，但又不影響生產。智能定位器的診斷能力可以顯示閥門的健康狀況，這樣就減少了有計劃的維護需要，且增加了過程的利用率。

簡介

由于危險的化學品或氣體的泄露，許多工藝過程，尤其是化學或油/氣工業中的工藝過程的操作都涉及到內在的風險。儀表安全系統（SIS）經過專門設計，通過減少已知的緊急事件發生的可能性或其嚴重性，來保護人員、設備以及環境。這些安全系統涉及到最終控制元件，如緊急切斷閥、緊急排空閥、緊急隔離閥、關鍵的開/關閥等。這些閥門要求靜止在某一位置，只有緊急情況出現時，才需要可靠地動作。長時間地停留在某一位置不動的閥門容易卡住，在需要它動作的時候可能會失靈。這樣可能會產生危險的情況，導致爆炸、火災、或者致命的化學品和氣體泄放到環境中去。為了確保這些安全系統必備的可靠性和可利用性，必須對它們頻繁地進行測試。

遺憾的是，傳統的測試這些安全閥門的方法需要工廠停車，以進行這些測試，或者在測試這些閥門的時候，使得安全系統處于非工作狀態。這些都是很不受歡迎且非常昂貴的選擇。本文的要旨在于詳細闡述如何使用智能定位器以顯著地提高這些安全系統的可靠性，同時大大減少費用，并獲得許多其它優點。


數字式閥門控制器解決方案

除了具有傳統的把電流信號轉換為壓力信號以操作閥門的功能外，這些數字式閥門控制器采用HART通訊協議，很容易訪問對過程操作致關重要的信息。智能定位器接收閥門行程位置、供氣壓力和執行機構氣壓的反饋信號。這就使得智能定位器不但能夠診斷它自身，而且可以診斷它所安裝的閥門和執行機構。

由于具有邏輯能力，智能定位器可以取代用于測試閥門的特殊的現場測試面板，也能夠完全自動化測試過程。在最終控制元件中安裝智能定位器可以實現閥門部分行程動作的在線試驗，不再需要特殊的機械限位裝置或其它特殊的測試設備。

部分行程動作測試可以確認閥門工作正常，不會干擾工藝過程。由于試驗期間不需要切斷工藝過程，測試可以更加頻繁地進行。由于測試時間間隔（TI）與緊急情況故障概率（PFD）成線性反比，更加頻繁的測試對于減少緊急情況故障概率（PFD）有非常大的影響。由于整個測試過程可以用程序編入智能定位器中，所以部分行程動作測試能夠自動進行而不需要操作員的關注。這就把測試時間間隔縮得盡可能地短（每小時、每天、每周等），以滿足設定得SIL目標價值。因為測試程序是完全自動化的，所以避免了任何錯誤和可能的令人麻煩的現場察看。然而，由于安全原因，操作員需要簡單地按動按鈕以啟動測試程序。

通常情況下，部分行程動作測試把閥門從原來位置移動10%，但是如果工廠安全指南允許，最大可移動30%。盡管部分行程動作測試不能取消對于全行程動作測試的需要（全行程動作測試需要用來檢查閥座等），但它把所需的全行程動作測試的頻率減少到很可能只需要在工廠大修期間進行的程度。因為定位器通過HART協議來通訊，部分行程動作測試可以通過一個HART手操器，也可以通過運行定位器相應軟件的個人電腦，或通過與定位器接線端子硬線連接的面板按鈕來啟動。

除了減少生產成本之外，在儀表安全系統(SIS)里使用智能定位器還可以減少基本設備成本、測試時間、以及人力需求，因為不再需要昂貴的氣動測試面板和試驗所需的熟練人員。使用智能定位器還能實現遙控測試，這樣就可以減少去現場維護檢查的需要，從而節約時間。

因為智能定位器提供診斷以及位置信息，閥門狀態和響應時間可以在測試期間進行監測。每次部分行程動作測試后，閥門的性能趨勢可以得到監測，并進行自動分析，因此可能會發生故障的閥門在無法工作之前就可以被區分出來。動作次數和行程累計會顯示閥門的動作程度。與相應的軟件同時使用時，可以對閥門進行如圖1所示的階躍測試，以確定總的動作時間。這種測試也可以用來分析超調、死區、和時滯時間。

特性曲線測試（圖2）的結果可以用來輕松判定填料問題（通過摩擦力數據）、壓力氣動通道至執行機構的泄漏、閥門卡住、執行機構彈性系數、以及彈簧設定范圍。智能定位器可以保存這些數據結果以供打印輸出或日后使用。把現在的特性曲線測試結果與過去的測試結果重疊起來，可以顯示閥門的性能是否隨著時間而下降。這增加了閥門的可利用性，并確保閥門一收到命令就作出響應。這也減少了對閥門的有計劃的維護量，因為這些測試可以用來預測閥門何時需要維修。

閥門卡住時，有些智能定位器能夠給操作員發出報警。當定位器開始部分行程動作測試的時候，它連續地檢查閥門的行程看它是否響應正確。如果不正確，定位器就會放棄測試，并提示操作員閥門卡住了。這可以防止閥門在最后能夠自由動作時突然關閉。

簡而言之，智能定位器能夠提供有關最終控制元件包括定位器本身的完整的健康狀況的診斷信息。此外，智能定位器能夠提供任何緊急事件以及所有測試的文件記錄。保險公司會接受這些可以作為測試證據的文件。最好的一點是這些文件可以全自動地記錄，不需要花費昂貴的操作時間。

最后，如果在測試期間需要緊急停車，智能定位器會中斷測試，而把閥門移動到安全位置。

安裝

智能定位器可以安裝在任何結構形式的閥門上，包括線性直行程閥門、旋轉閥、縱向旋轉閥等，這些閥門配備彈簧薄膜執行機構、彈簧復位活塞執行機構、或雙作用活塞執行機構。安裝方法有兩種。這兩種方法都使用一個電磁閥，并提供一個冗余的氣動通道，即：執行機構壓力總是能夠釋放以使得閥門移動到安全位置。如果電磁閥出現故障，執行機構壓力會通過智能定位器里的氣動通道釋放。如果智能定位器出現故障，執行機構壓力可以通過電磁閥釋放。

圖3表示智能定位器安裝在一個4線制系統中。在這種安裝中，邏輯控制器提供兩路獨立的輸出：一路24V直流信號給電磁閥，一路4－20mA直流信號給智能定位器。這兩個信號是根據傳感器和邏輯控制器的內部邏輯而產生的。4－20mA的輸出作為閥門初始位置的控制信號，也可用于遙控在線部分行程動作測試時閥門位置的控制。這提供了兩種方式：通過SIS來控制閥門，以及監測包含在HART（疊加于模擬信號上）數字信息里的閥門診斷信息。來自邏輯控制器的第二個輸出－24V直流信號與電磁閥相連接。這是一種獨立的把SIS命令發送給安全閥門的方式。這樣，兩個分開的SIS信號可以提供給閥門，閥門可以接受一個“兩者取一”的失效－安全命令。

這種安裝方法需要一對額外的線纜，但是它的確允許智能定位器甚至在緊急命令的情況下繼續通訊。這使得定位器通過其相應軟件可以提供有價值的閥門趨勢信息。在緊急停車時能夠記錄閥門的動作情況，對于保險機構或工廠環境部門都是非常重要的。它證明在收到命令時閥門確實動作了。

圖4表示一個智能定位器安裝在2線制系統中。在這種安裝方式中，邏輯控制器提供一個24V直流信號，給電磁閥和智能定位器兩者提供電源。這種安裝方式在新項目中可以減少接線成本，在現有安裝中也不需要額外的接線。它還節約了控制室中的一個I/O卡（輸入/輸出卡）。但是，它需要一個線路調節器。這個調節器增加一個約2V的直流線壓降，且還需要一個低能耗電磁閥。


結論

通過部分行程動作測試可以獲得明顯的性能以及安全方面的優點，同時，使用智能定位器還能獲得其它的好處。基本設備成本降低了，測試時間大大縮短了，由于不需要目前測試所需的昂貴的氣動測試面板以及熟練技術人員，人力的需求也降低了。此外，遙控測試功能幾乎不需要現場維護性察看，而且建立了自動測試程序，這些都能夠大大節約了時間。

通過提供閥門性能惡化分析，智能定位器對于預見性維護是一個很大的幫助，這一點對于安全系統里的關鍵閥門是很重要的。這也減少了有計劃的維護量。在進行部分行程動作測試時，如果由于某個原因閥門卡住了，有些智能定位器并不完全釋放執行機構壓力。這可以確保閥門解卡后不會突然關閉。這些智能定位器會放棄測試并發出報警，告訴操作員閥門卡住了。

智能定位器可以在所有試驗和報告上打出時間和日期，這一點對于符合法律權威機構的要求很重要。它還具有比較和解釋診斷數據的能力。

智能定位器可以在過程正在運行時進行部分行程動作測試，而不會有錯過緊急命令的危險。這種測試向閥門發送一個小階躍信號。這個信號太小而不會干擾工藝過程，但是它對于確認閥門是否在正常工作已經足夠大了。有些智能定位器還提供一個固有的冗余氣動通道。如果緊急情況出現，執行機構壓力總會釋放出去，要么通過電磁閥，要么通過智能定位器本身，這樣，可以確保閥門總是能夠處在安全位置。

總之，考慮到這些獨特的好處，使用智能定位器進行部分行程動作測試是一種明智的且經濟可行的確保緊急停車安全系統的可靠性的解決方案。