預測性維護——讓儀表維護恰到好處
http://www.debgrams.com 2009-12-11 08:17 來源：《今日自動化》
編者語：儀器儀表在過程工業中的作用是至關重要的，在同一個項目中，常常有成千上萬個不同種類、不同功能的儀器儀表在共同工作，以確保生產的順利運行。而對儀器儀表的維護與管理，自然也成為了企業所關注的重要一環。
這是由于一方面，儀器儀表的可靠性直接關系到整個生產過程的安全和效率，一旦出現故障，輕則造成停車損失，重則導致嚴重事故；而另一方面，儀器儀表維護形成的財務成本和人力成本，是整個項目生命周期總成本的重要構成部分，企業對此必定要做出精細的考量。所以，如何恰到好處地制定儀器儀表的維護策略，做到既保證穩定可靠又節省成本，成為了受到廣泛關注與討論的課題。
預測性維護脫穎而出
據上海工業自動化儀表研究所教授級高級工程師繆學勤介紹，傳統的儀器儀表維護方式主要是故障維護或定期維護。
其中故障維護是指當檢測到儀器儀表設備出現故障后，再對其進行維修，這種方式比較被動，付出的成本也比較大；而定期維護則是指每隔一段固定的時間，就對儀器儀表進行人工巡檢，這種方式有一定的預防性，但由于維護周期往往無法得到合理的計算和確定，所以大部分巡檢過程事實上是不必要的，一定程度上也造成了人力物力的浪費。
近年來，在一些廠商的介紹與推動下，一種新的儀器儀表維護策略逐漸脫穎而出，這正是預測性維護。2009年11月5日，基金會現場總線應用研討會在京召開，在會上，基金會現場總線中國市場委員會秘書長林永春、中國石化工程建設公司副總工程師林融等幾位嘉賓在演講中都不約而同地提到了儀器儀表的預測性維護及其實際應用情況，這也印證了業界對于儀器儀表預測性維護的關注。
那么，這究竟是怎樣的一種維護策略呢？據林永春介紹，預測性維護技術是指通過檢測在線運行設備的狀態來決定是否對該設備進行必要的維護，而由于預測性維護對設備的狀態檢測一般都是在線進行，所以不會對設備的正常運轉產生干擾，因此在節省成本的同時，設備運行的可靠性也得到加強，這也正是其綜合優勢的體現。
預測性維護優勢顯著
由于預測性維護是建立在對儀器儀表在線狀態的分析上的維護策略，所以在實際應用中，這種預測性維護就體現出更加精準的優越性。繆學勤教授指出，從總體上而言，預測性維護最主要的效果是提高操作與維護人員的工作效率，也提高了儀器儀表的可靠性和生產的安全性。
而談到這一維護方式的優勢時，林永春認為，除以上談到的優勢之外，預測性維護還可以幫助企業更加清晰地掌握工廠的運行信息、減少停車、提高控制精度，并使企業符合安全、健康和環保法規，從而從多個方面共同實現成本的降低。
林永春談到，無論是故障導致的非計劃停車，還是過于頻繁的計劃內停車，都將增加不必要的成本，一旦出現重大事故，其造成的損失則更加可觀；而由于所有設備的維護記錄都可以在系統中以電子記錄的格式存在，這也有助于將來企業在應對相應的環保法規時，更加便于整理和提交所要求的報告和文檔。
如果從實際應用的角度，將預測性維護與傳統維護方式相對應比較時，其特點就更加明顯。中國石化工程建設公司副總工程師林融在演講中談到，與傳統方式相比，預測性維護解決了兩個關鍵問題。首先，與故障后維護的方式相比，預測性維護的可預測性使得問題在故障之前得到解決，而并非之后，這是從設備維修到設備管理的一個趨勢，也是第一個關鍵問題；其次，與定期維護的方式相比，預測性維護的準確性實現了只在必要時采取維護行為，從而節省了占整個維護工作63%的不必要工作量，這是第二個關鍵問題。可見，正是這兩方面的特點，使預測性維護真正稱得上是一種“恰到好處”的維護策略。
預測性維護提高工廠穩定性
艾默生過程控制有限公司市場總監林永春
《今》：請您簡要介紹儀器儀表預測性維護的含義與機制？這種方式的出現與發展是基于哪些方面的需求？
林永春：預測性維護（Predictive Maintenance）技術是通過檢測在線運行設備的狀態來決定是否對該設備進行必要的維護。對設備的狀態檢測可以是定期的或者是在線連續的方式，最終的目的是以一種低成本的方式在設備最佳性能喪失之前，能對它進行及時的維護。預測性維護對設備的狀態檢測一般都是在線進行，這樣不會對設備的正常運轉產生干擾，因此能節省很多成本，設備運行的可靠性也得以加強。
預測性維護技術是隨著智能儀表的出現而發展的。在激烈的市場競爭中，每個企業都會面臨許多挑戰，包括：提高產品產量和質量、盡量避免意外停產、努力降低生產和維護成本、降低能耗、符合國家的安全生產和環保法規等等。預測性維護技術能有效地幫助企業應對以上的挑戰。
《今》：要實現儀器儀表的預測性維護，需要基于哪些軟硬件的基礎？舉例而言，艾默生能夠為此提供哪些種類的系統、產品與服務？
林永春：要實現預測性維護，基礎是要采用現場智能儀表，其次是要配備智能設備管理軟件AMS。現場智能設備現在已經廣泛使用，AMS也已經成為自動化系統的標準配置。
艾默生提供豐富的智能現場設備，比如壓力、溫度、液位、流量、分析儀表和閥門及閥門定位器等等，還有控制系統DeltaV和Ovation。艾默生的智能設備管理軟件AMS更是業界的翹楚。它可以集成各種HART和現場總線FF儀表，實現在線診斷、遠程組態、設備校驗記錄、設備臺賬管理等功能。如果附加其它應用軟件，比如閥門的在線性能診斷軟件，AMS的功能更加強大。我們也為用戶提供現場服務和培訓，保證用戶用好，有效益。
我們從一個更高的層次來理解預測性維護在整個自動化結構中的作用，提出工廠管控網（PlantWeb）的概念。所謂工廠管控網的概念，就是一個工廠自動化結構必須能充分發揮現場設備智能的效益，現場智能信息上的來，用得上，并可以真正提高工廠的運行效益。
《今》：成本問題是比較受到關注的問題之一，對整個生命周期內的成本而言，預測性維護能夠帶來怎樣的收益？有什么成功的案例？
林永春：預測性維護的優勢是明顯的，現場設備的故障如果得不到早檢測早預報，小事故就可能造成大事故，輕則造成控制不穩影響產品品質，大則造成意外停車，甚至安全事故。預測性維護技術給用戶足夠的時間將事故消滅在萌芽狀態。
在國內成功應用預測性維護的典型案例也不少。比如上海賽科，全廠采用FF、HART設備和AMS，儀表投用率高達99.8%，這是一個非常了不起的成績。賽科從2005年投產，2009年才進行第一次大檢修。大檢修（計劃停車）間隔四年才進行一次，儀表的高投用率無疑起了很好的作用。賽科還應用閥門在線性能診斷軟件，在大檢修之前列出了需要維修的閥門清單，制定了閥門維修的具體計劃和細節，有效節省了維修時間。
福建煉油乙烯一體化項目全廠也是采用FF、HART設備和AMS，大量節省了儀表維護人員配置。它原有400萬噸煉油裝置，儀表工有75人。現在新建了800萬噸煉油的14套裝置和80萬噸乙烯等6套化工裝置，全廠儀表工還是這75人。人員沒有增加，管理以前規模五倍大的工廠，反而覺得現在的維護工作量比以前少，這就是預測智能和AMS帶來的效益。
總體來說預測性維護在工廠的整個生命周期內至少可以提高運行效率2%，這是很多用戶使用后的一致體會。
《今》：與傳統方式相比，應用預測性維護的方式后，對工廠操作與維護人員是否有更高的要求？對他們的工作流程及規范，會帶來怎樣的改變？
林永春：與傳統的維護方式相比，應用預測性維護對工廠的操作和維護人員沒有特別的更高的要求。傳統的方式采用手操器對現場設備進行維護，現在改用AMS在計算機上進行，信息量會更大、更豐富，這需要操作和維護人員熟悉AMS的使用。對操作和維護人員的工作流程帶來的改變是巨大的，他們不需要到現場巡檢了，對現場設備的巡檢改在中控室進行，而且設備有故障就會自動報警。維護工作從被動變成了主動，操作和維護人員的工作量大大減少，他們有更多的時間去關注那些確實需要解決的問題。
《今》：您認為要使預測性維護在實際應用中發揮出最大的效果，在設計、實施與運行的各個環節中應注意到哪些問題？
林永春：要使預測性維護在實際應用中發揮出最大的效果，在設計、實施和運行等各個環節都應該注意一些問題。
在設計階段，應該盡量采用智能儀表，AMS應該成為標配，還要考慮控制系統是否能直接集成現場智能信息。如果控制系統不能直接集成智能信息，則要考慮使用多路轉換器。
在實施方面，在現場設備和控制系統安裝完成之后，應該首先使用AMS進行現場設備的調校、參數設定和回路測試等，這樣才能充分節約調試時間，發揮智能設備和AMS的優勢。傳統的方法，調試時需要一個人在現場，一個人在中控室，每個回路的調試至少要2個小時。如果用AMS，每個回路只需要一個人在中控室，調試時間最多只需25分鐘。
在運行階段，操作和維護人員需要關注AMS的使用，熟悉各種設備報警信息的含義，應該制定各種設備報警對應的操作維護步驟。
《今》：從長遠來看，推動儀器儀表預測性維護的進一步普及，還需要哪些條件？
林永春：從長遠來看，預測性維護技術的進一步普及和推廣需要工廠的管理者更加重視。其實投資在預測性維護技術的軟件成本是非常低的，效益卻很大。另外，維護人員應該更熟練地使用AMS，才能發揮其效益。我們也將加大宣傳力度，為廣大的用戶提高維護水平多做些工作。也希望媒體多介紹和宣傳預測性維護技術。
延伸閱讀：淺談西門子儀表的預測性維護
設備維護的模式
設備維護一般有三種模式：事后維護、預防性維護和預測性維護。
事后維護，也有人稱之為“補救性維護”、“故障后維護”、“運轉至出現故障管理”，顧名思義也就是說設備出現故障時對它進行維修。這是種最初級、最簡單也是目前在國內被用戶采用最多的維護運行手段。確切地說，這是一種“無維護”管理方法。它也是最為昂貴的維護管理方法，分析表明，在反應性或事后維護模式下進行維修的成本是有計劃或預防性維護模式下進行的相同維護的成本的3倍。
預防性維護（Preventive Maintenance）和預測性維護（Predictive Maintenance）都屬于事先維護。一般地講，預防性維護可以分為三種類型：基于時間的維護計劃、基于性能的維護計劃和基于條件的維護計劃。這種方法的問題是，運轉模式以及與系統或裝置相關的變量會直接影響機器的正常工作壽命。同時，也有大量事實表明，頻繁拆卸和停車維修，即導致產量降低，維修費用增加，而且也大大降低了設備的實際使用年限。
預測性維護（PM）也被稱之為預知性維護或策略性維護。預測性維護集設備狀態監測、故障診斷、故障（狀態）預測、維護決策支持和維護活動于一體，是近年來新興的一種先進維護方式。預測性維護實際上是一種運轉狀況驅動的預防性維護程序。預測性維護不依賴于工業或工廠內平均壽命統計數據（即平均無故障時間）來計劃安排維護活動，而是對運轉狀況、效率、熱量分布和其他指標進行直接監視，以確定實際的平均無故障時間或將危害到工廠或設施內所有關鍵系統裝置運轉的效率損失。
和預防性維護相比，預測性維護具有明顯的優勢：1、克服預防性維護的盲目性，具有很強的針對性。根據狀態的不同采取不同的處理方法，降低運行檢修費用。2、減少停運（總維護）時間，提高設備可靠性和可用系數，延長設備使用壽命，更好地貫徹“安全第一，預防為主”的方針。3、減少維護工作量，降低勞動強度，有利于減員增效，提高經濟效益。
預測性維護的現狀
在過去的幾年里，隨著基于微處理器或計算機的儀器儀表的迅速發展，以及維護管理系統的不斷完善，尤其是先進的現場總線和工業以太網等通訊技術的高速發展和普及，國內外各大廠家推出了各種先進的預測性維護技術。美國的FitCh博士更是在預測性維護的基礎上創立了主動性維護的概念和理論。
預測性維護在概念的內涵和外延上有狹義和廣義之分。狹義的預測性維護立足于“狀態監測”，強調的是“故障診斷”，是指不定期或連續地對設備進行狀態監測，根據其結果查明裝備有無狀態異常或故障趨勢，再適時地安排維護；廣義的預測性維護將狀態監測、故障診斷、狀態預測和維修決策多位合一體，狀態監測和故障診斷是基礎，狀態預測是重點，維護決策得出最終的維護活動要求。是一個系統的過程。它將維護管理納入了預測性維護的范疇。通盤考慮整個維護過程，直至得出與維護活動相關的內容。
西門子儀表實現預測性維護
近年來，西門子公司圍繞預測性維護這一理念設計和研發了很多智能化程度較高的儀表產品。
Sitrans DA400泵診斷系統
對于大多數運輸磨損性很強的漿料泵來說，進行有效的低成本維護一直是個難題。西門子公司推出的基于聲敏診斷和Profibus技術的儀表Sitrans DA400就能有效地實現針對泵提供預測性維護的解決方案。
Sitrans DA400聲敏檢測系統為往復式隔膜煤漿泵檢測吸入閥、排放閥的運行狀況提供了優秀的解決方案。Sitrans DA400利用探測到是否存在空穴現象和相應的泵的操作噪音的聲音級別，來診斷閥的開和關動作是否完好。Sitrans DA400基于狀況的維護要求監測裝置或者操作單元的工況，其優點是：可在裝置出現故障前發現損壞；可以制定停車維修計劃；在成本高昂的損壞出現之前已得到維修；延長零部件的使用壽命，并實現裝置或單元的自動檢查。
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根據通過現場半年多的實驗觀察，安裝了Sitrans DA400的隔膜泵相對未安裝的兩組隔膜泵的平均檢修時間要減少2/3左右，也就是相當于減少了2/3的維修成本，同時大大延長了設備的使用壽命。
Sipart PS2智能閥門定位器
如何通過智能型閥門定位器的診斷功能實現對閥門的預測性維護，是現在很多用戶所關注的問題。智能型閥門定位器對調節閥的故障診斷是通過附加傳感器來完成的。定位器內部的微處器通過定時采集各種傳感器的數據，并對各種數據進行運算、比較、分析、組態，將出現異常的信息通過組態軟件輸出報警信號。智能型閥門定位器對調節閥的診斷分為在線診斷、離線診斷。
在線診斷包括：行程累積、行程方向改變次數、報警次數、死區自調整、閥門基線位置（比如：閥座的磨損）、最高最低溫度下運行的小時數、壓電閥的運行次數、閥門定位時間、執行機構泄漏、噪聲診斷等。離線診斷包括：執行機構及氣路的密封性、靜特性、階躍過渡及頻率響應特性。
另外，智能電氣閥門定位器Sipart PS2提供了更多的額外監測功能，狀態顯示源自故障信號的監測。故障信號按“交通燈”的方式進行分類，用綠色、黃色和紅色扳手表示，這使用戶在閥門或執行器在產生重大故障前能夠提前檢測到，可避免系統停車。通過故障信號的指示，例如執行器隔膜的損壞、動作滯后等，用戶可利用適當的維護策略保證系統可靠。
Sitrans CLS300電容式物位開關
在諸如制藥、化肥、有色、石化等行業，由于很多測量介質本身具有很強的黏附、磨損等原因，因而增加了大量額外的維護成本。
西門子因此推出了一種帶Profibus總線的電容式物位計，對現場探頭的掛料量（零點電容的變化）、探頭的磨損（累計電容的變化）等關鍵性數據進行分析，通過現場總線傳輸大量診斷信息至上位機，幫助用戶制定預測性維護計劃，大大節約用戶的維護成本，同時由于減少了更換部件的次數，也等于延長了設備的實際使用壽命。而這種功能對于只能輸出開關信號的儀表來說，是很難實現的。
Siwarex稱重系統
不同于傳統意義上的稱重系統，Siwarex稱重系統實際上是一套全集成在Simatic系統的數字化稱重解決方案。相對于傳統的稱重系統而言，Siwarex系統突破了通訊和系統結構的限制，在系統測量精度、控制速度、施工周期、長期維護量等方面體現出了巨大的技術優勢。
新型的Siwarex系統提供一種對于大部分用戶來說非常概念化和理想的工具。通過事件記錄功能來實時記錄稱重的進程和狀態，并且對于不正常的事件進行分析。同時診斷緩沖器將會記錄保存最后的100條診斷信息。通過對稱重傳感器和電纜的關鍵性參數進行長期的連續的監控，我們可以得到關于稱重系統的預診斷信息，以避免突發性的昂貴的設備停車故障，減少了維護維修成本。Siwarex所帶的這些功能對于過程數據的評估和診斷來說，無疑是一個理想的補充。
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