環(huán)顧您的家庭或辦公室，很明顯，世界已經(jīng)變得數(shù)字化。實(shí)際上，數(shù)字化不再是一個(gè)“流行語(yǔ)”，因?yàn)槲覀冎車脑S多事物已經(jīng)變成了數(shù)字化。您是否將汽車中的收音機(jī)稱為“數(shù)字收音機(jī)”？不，您只是說“收音機(jī)”。為什么？因?yàn)槌撬抢蠣斳嚕駝t假定收音機(jī)是數(shù)字的，因此形容詞是不必要的。實(shí)際上，您可能發(fā)現(xiàn)自己不得不將某些東西描述為“模擬”，因?yàn)檫@不再是常態(tài)。
 |
| 圖1.三種典型的控制閥安裝。遷移到數(shù)字定位器的過程在左側(cè)情況下最容易，而在右側(cè)情況下最具挑戰(zhàn)性。 |
近年來，隨著各種各樣的新數(shù)字設(shè)備的出現(xiàn)，過程控制也正在進(jìn)行類似的轉(zhuǎn)變，并且安裝了越來越多的設(shè)備。但是，過渡仍在進(jìn)行中。
例如，某些過程控制設(shè)施只是在采用數(shù)字閥門定位器時(shí)稍慢一些，因?yàn)樗鼈兿Ｍ麑?duì)這種不熟悉的技術(shù)更加滿意。其他人則轉(zhuǎn)向數(shù)字設(shè)備，但保持了“模擬心態(tài)”，并像使用其模擬前身一樣使用數(shù)字定位器。回到汽車收音機(jī)的類比，他們擁有最新的支持藍(lán)牙，衛(wèi)星和MP3的系統(tǒng)，但僅使用它收聽六個(gè)本地廣播電臺(tái)。
無論哪種情況，結(jié)果都是相同的。維持現(xiàn)狀并使用技術(shù)來幫助工廠操作員節(jié)省時(shí)間，金錢和挫敗感，同時(shí)潛在地提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)安全性，這些技術(shù)要么未被采用，要么未被充分利用。
過渡到數(shù)字式閥門定位器的第一步是了解如何在工廠中輕松，經(jīng)濟(jì)地實(shí)施它們。本文將通過回顧可用的各種技術(shù)并重點(diǎn)介紹應(yīng)采取的步驟來幫助確保成功過渡，從而彌合這一差距。此外，它將解釋工廠操作員如何實(shí)現(xiàn)許多人認(rèn)為是“不可能完成的任務(wù)”，即“熱切換”，或在過程工作流繼續(xù)不間斷的情況下切換到數(shù)字閥門定位器。
為什么要轉(zhuǎn)向數(shù)字閥門技術(shù)？
將過程控制工廠從模擬控制技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到數(shù)字控制技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)該被視為永久性的舉措。正如本文所強(qiáng)調(diào)的那樣，這種永久的過渡可以帶來巨大的好處。但是，在考慮采取任何永久措施時(shí)，工廠人員應(yīng)確保在進(jìn)行下一步操作之前清楚地了解其優(yōu)缺點(diǎn)。
 |
| 圖2.此圖說明了DVP的數(shù)字反饋與閥門的真實(shí)機(jī)械位置之間的關(guān)系。DVP具有可用于測(cè)量閥門排量的可用范圍。該可用范圍的一部分將由DVP使用。 |
考慮數(shù)字化是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的理由-在當(dāng)今完全互聯(lián)的世界中具有競(jìng)爭(zhēng)力。無論是生產(chǎn)動(dòng)力，原材料還是制成品的加工廠，在全球經(jīng)濟(jì)緊密聯(lián)系的情況下，都承受著不斷提高其卓越運(yùn)營(yíng)（盈利能力，工廠效率，質(zhì)量和安全性的結(jié)合）的持續(xù)壓力。數(shù)字閥門定位器可以通過快速而精確地向他們提供所需信息來幫助加工廠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
性能不佳的$ 3,000控制閥會(huì)因停機(jī)，生產(chǎn)損失，效率降低和不安全事件而造成重大損失。使用數(shù)字式閥門定位器可以減少此類損失，因?yàn)樗鼈兊囊苿?dòng)部件更少，可以自動(dòng)校準(zhǔn)并且可以提供診斷信息，使工廠人員可以更輕松地監(jiān)控閥門的健康狀況。結(jié)果是提高了控制閥的可靠性，可重復(fù)性和可持續(xù)的性能，并在影響過程之前和更容易糾正的情況下檢測(cè)到閥的退化。
數(shù)字閥門定位技術(shù)：選件
數(shù)字式閥門定位器（DVP）可以分為兩類：混合式和全數(shù)字式。
混合定位器將模擬信號(hào)（電流）用作命令信號(hào)，同時(shí)在該信號(hào)上疊加允許雙向通信的頻率。HART協(xié)議是混合協(xié)議的一個(gè)示例。
在全數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，命令信號(hào)以二進(jìn)制形式提供，該二進(jìn)制形式由通信協(xié)議進(jìn)行編碼和解碼?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線和Profibus PA協(xié)議是DVP的全數(shù)字技術(shù)的示例。
混合定位器：利弊
混合DVP為希望使用數(shù)字技術(shù)而不用全神貫注的最終用戶提供了許多好處。
 |
| 圖3.任何任務(wù)的成功都取決于擁有正確的工具和可靠的執(zhí)行計(jì)劃。此“熱切換”過程的流程圖確定了需要回答的基本問題，過程中的關(guān)鍵步驟以及必要的工具。 |
與保留全數(shù)字設(shè)備相比，實(shí)現(xiàn)混合定位器的破壞性較小，因?yàn)楸Ａ袅爽F(xiàn)有資產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施，例如控制器，機(jī)柜和接線。最終用戶可以通過增加的正常運(yùn)行時(shí)間和可靠性迅速受益，而所需的工程工作量更少，資本投資也更少。
可持續(xù)性是混合動(dòng)力裝置的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭刂崎y門的模擬信號(hào)不變，并且熟悉度意味著對(duì)DVP進(jìn)行故障排除，改造或更換所需的培訓(xùn)較少。
同樣，與模擬定位器不同，DVP可以指導(dǎo)最終用戶進(jìn)行設(shè)置和故障排除過程，因?yàn)樗梢蕴峁┯嘘P(guān)其狀況的連續(xù)信息。因此，花在猜測(cè)可能導(dǎo)致問題的原因上的時(shí)間更少，因此團(tuán)隊(duì)可以更快地著手解決問題。
在不利的一面，混合技術(shù)最終將成為過時(shí)技術(shù)，因此，是否過渡到全數(shù)字設(shè)備不是問題，而是何時(shí)。
全數(shù)字化：優(yōu)缺點(diǎn)
全數(shù)字實(shí)現(xiàn)需要完全替換過程控制器，因?yàn)榘l(fā)給DVP的控制信號(hào)不再是模擬信號(hào)，而是嚴(yán)格數(shù)字信號(hào)。因此，升級(jí)到完全數(shù)字化是一個(gè)更大的飛躍，但也可以帶來其他好處。
全數(shù)字DVP實(shí)現(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是信息在通信總線上來回?zé)o縫移動(dòng)。在混合系統(tǒng)中，信息僅在定位器和控制器之間傳播。在全數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，它也可以在設(shè)備之間傳播。結(jié)果，該信息可以被控制結(jié)構(gòu)內(nèi)的所有資產(chǎn)所使用，從而有助于使過程控制變得智能而強(qiáng)大。
對(duì)過程和控制系統(tǒng)資產(chǎn)的完整無阻的了解是未開發(fā)（或新建）項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員考慮使用完全數(shù)字系統(tǒng)的原因之一。在混合安裝中，每個(gè)閥都單獨(dú)接線，并且在調(diào)試過程中必須分別測(cè)試每個(gè)導(dǎo)線。在工廠中可能有數(shù)百個(gè)閥門時(shí)，該過程可能非常耗時(shí)。但是，在全數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，幾個(gè)控制閥可以從一個(gè)主通訊干線中排出，因此只需要一個(gè)測(cè)試裝置即可測(cè)試多個(gè)閥。簡(jiǎn)化了調(diào)試過程，并加快了設(shè)備的啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)間。
此外，完全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)方式可以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。根據(jù)ARC咨詢小組的一項(xiàng)研究，“現(xiàn)場(chǎng)總線的真正價(jià)值是與運(yùn)營(yíng)支出（OpEx）相關(guān)，而不是與資本支出（CapEx）相關(guān)。最終用戶報(bào)告說，預(yù)測(cè)性維護(hù)是使用現(xiàn)場(chǎng)總線帶來的最大的節(jié)省?！保ā啊哆^程工業(yè)全球展望》中的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案，”寶拉·好萊塢，2007年）。
當(dāng)您認(rèn)為控制閥是工廠效率的重要因素，并且占設(shè)備維護(hù)預(yù)算的很大一部分時(shí)，這才有意義。全數(shù)字DVP可以提供警報(bào)和關(guān)鍵閥門健康指示器，使工廠人員可以使用可行的信息來提前計(jì)劃。
這些是強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但確實(shí)帶來了其他挑戰(zhàn)。全數(shù)字定位器的缺點(diǎn)是它是全數(shù)字的。因此，操作員必須了解字節(jié)和位的影響。他或她不需要知道“ 111101010”代表什么來使DVP與控制回路一起工作，而是需要附加的軟件和計(jì)算機(jī)技能來設(shè)置和調(diào)試全數(shù)字設(shè)備，因?yàn)樗侵С滞ㄓ嵉能浖贒VP和其他數(shù)字資產(chǎn)之間。如果數(shù)字定位器沒有正確設(shè)置并與其他資產(chǎn)集成在一起，它將無法響應(yīng)命令信號(hào)。
結(jié)果，還有更多的參數(shù)需要理解和正確設(shè)置。平均而言，全數(shù)字DVP具有500個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)平均有四個(gè)可能的設(shè)置–或2,000個(gè)可能的組合。相比之下，典型的混合設(shè)備（具有HART通訊）具有120個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)平均三個(gè)選項(xiàng)–僅有360種可能的組合。換句話說，設(shè)置全數(shù)字DVP是一個(gè)更復(fù)雜的過程，雖然它不是火箭科學(xué)，但確實(shí)需要適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。
邁出第一步：走向數(shù)字化
 |
| 圖4.數(shù)字閥門定位器可在惡劣服務(wù)應(yīng)用中提供可靠的過程控制，例如此照片中所示的安裝。 |
經(jīng)過充分的準(zhǔn)備，可以在過程運(yùn)行（在線）或停機(jī)（離線）期間成功完成向數(shù)字技術(shù)的遷移。混合實(shí)現(xiàn)可以在現(xiàn)有控制系統(tǒng)到位的情況下完成，而全數(shù)字化情況則需要安裝能夠進(jìn)行數(shù)字通信的全新控制系統(tǒng)，例如FOUNDATION Fieldbus或PROFIBUS。
情況1：脫機(jī)–過程關(guān)閉或閥門被隔離時(shí)
當(dāng)安裝混合DVP（帶HART的4-20mA）時(shí)，重要的考慮因素是在閥上或閥附近是否有可用的4-20mA信號(hào)。如果現(xiàn)有信號(hào)傳送到電流-壓力轉(zhuǎn)換器（I / P轉(zhuǎn)換器）或電動(dòng)氣動(dòng)定位器，則只需很少的工程設(shè)計(jì)。在大多數(shù)情況下，涉及的工程將與變更管理（MOC）有關(guān)，因?yàn)镈VP將使用現(xiàn)有的布線代替模擬定位器。
如果過程正在運(yùn)行，但是可以隔離（旁路）閥門，則最好利用遠(yuǎn)程數(shù)字通訊。機(jī)械安裝完成后，人員可以移至安全區(qū)域進(jìn)行校準(zhǔn)，從而避免不必要地暴露于潛在危險(xiǎn)的過程環(huán)境中。
在全數(shù)字實(shí)施中，由于DVP將與過程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字集成，因此在安裝之前需要進(jìn)行其他工程設(shè)計(jì)。該工程通常包括：
確定通信段上DVP是否有可用地址。網(wǎng)段上的每個(gè)設(shè)備必須具有自己的數(shù)字地址，以便它可以與網(wǎng)段上的其他每個(gè)設(shè)備交換信息。
量化循環(huán)的總執(zhí)行時(shí)間。在大多數(shù)控制回路中，需要一秒鐘的時(shí)間來處理所測(cè)量的變量并將命令信號(hào)提供給最終控制元件。但是某些循環(huán)（例如流量和壓力）需要更快地執(zhí)行。在這些情況下，添加多個(gè)DVP可能無法提供強(qiáng)大的控制。
識(shí)別DVP中每個(gè)過程控制循環(huán)所需的功能塊。例如，有必要確定過程PID是否將駐留在DVP或通信網(wǎng)段的其他位置。如果PID將駐留在DVP中，則必須事先仔細(xì)檢查和確定用于過程控制的參數(shù)。
情況2：在線–運(yùn)行過程時(shí)（又稱“熱切換”）
 |
| 圖5.此處顯示的功能將混合定位器和改進(jìn)后的閥門與保留原始模擬定位器的閥門組合在一起。 |
如果無法關(guān)閉該過程，則用數(shù)字設(shè)備替換模擬定位器仍然相對(duì)容易。這種技術(shù)稱為“熱切換”或“在線安裝”。
許多工廠操作人員仍然認(rèn)為熱切換是“不可能完成的任務(wù)”，而當(dāng)用一個(gè)傳統(tǒng)的模擬定位器替換另一個(gè)時(shí)，的確如此。但是，一些煉油廠和石化廠在工廠運(yùn)行期間已成功用混合設(shè)備取代了模擬定位器，從而避免了因工廠停產(chǎn)而造成的大量生產(chǎn)損失。
最終用戶還成功完成了“不可能完成的任務(wù)2” –在工廠運(yùn)行時(shí)從完全氣動(dòng)的控制系統(tǒng)遷移到完全數(shù)字化的系統(tǒng)。此功能的關(guān)鍵在于，使用DVP時(shí)，幾乎不需要機(jī)械調(diào)整，并且可以預(yù)設(shè)零位和跨度。這樣就可以用DVP代替氣動(dòng)定位器，而無需移動(dòng)閥門進(jìn)行校準(zhǔn)。
在這種情況下，必須將閥門隔離，鎖定在其現(xiàn)有位置或保持其故障安全（打開或關(guān)閉）位置。因此，建議在閥開始工作之前對(duì)DVP進(jìn)行配置和校準(zhǔn)，從而最大程度地減少隔離閥或手動(dòng)鎖定閥的時(shí)間。
使熱切換成為可能的原因是DVP的零位和跨度不是機(jī)械的。設(shè)置與0％到100％行程相對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)，沒有螺釘可以轉(zhuǎn)動(dòng)，梁不需平衡或彈簧可以調(diào)節(jié)。數(shù)字化零位和跨度，并調(diào)整DVP的反饋機(jī)制以匹配閥門的實(shí)際位置。例如，如果在設(shè)置零和跨度后閥門的機(jī)械位置讀數(shù)為25％，則可以輕松調(diào)整DVP的反饋系統(tǒng)，使其報(bào)告25％。
圖2說明了DVP的數(shù)字反饋與閥門的真實(shí)機(jī)械位置之間的關(guān)系。DVP具有可用于測(cè)量閥門排量的可用范圍。該可用范圍的一部分將由DVP使用。
當(dāng)然，任何任務(wù)的成功都取決于正確的工具和可靠的執(zhí)行計(jì)劃。圖3中的流程圖確定了需要回答的基本問題，流程中的關(guān)鍵步驟以及在流程“上線”時(shí)升級(jí)到數(shù)字技術(shù)所需的工具。
成功過渡到數(shù)字設(shè)備的注意事項(xiàng)
無論是升級(jí)到混合技術(shù)還是全數(shù)字技術(shù)，以下都是要牢記的一些主要注意事項(xiàng)。
接線/電源：模擬定位器需要2-3 Vdc，而DVP可能需要12 Vdc。并非所有的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)都能夠向需要12 Vdc的DVP提供4-20mA的命令信號(hào)。在DVP替代串聯(lián)的兩個(gè)模擬定位器的分程控制閥應(yīng)用中，更可能出現(xiàn)這種功率不足的情況。
指定DVP時(shí)，在拆除舊的模擬定位器之前，工廠人員應(yīng)核實(shí)控制器輸出能夠承受的最大負(fù)載，并相應(yīng)地選擇DVP。如果電壓仍然不足，尤其是當(dāng)串聯(lián)安裝兩個(gè)定位器時(shí)，則需要一個(gè)電壓更高的信號(hào)調(diào)節(jié)器。
在全數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，正確的布線至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)大大影響數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量。如果接線沒有正確接地和端接，信號(hào)質(zhì)量將受到損害，設(shè)備之間的通信將變慢，從而影響通信總線上的每個(gè)設(shè)備。
DVP數(shù)量：在同一條線上安裝的DVP數(shù)量越多，如果該總線斷電或該總線的主干線斷開，則多個(gè)控制閥將退出服務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)就越大。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是，每個(gè)段不超過三個(gè)閥，并且在關(guān)鍵應(yīng)用和極其快速的過程控制回路中，每個(gè)閥只有一個(gè)閥。
培訓(xùn)/人員：計(jì)劃升級(jí)到全數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，工廠人員必須分配足夠的時(shí)間和資源來培訓(xùn)內(nèi)部團(tuán)隊(duì)。否則，一旦安裝完成并且供應(yīng)商已進(jìn)入下一個(gè)項(xiàng)目，他們可能會(huì)很快意識(shí)到他們不具備支持和維護(hù)新系統(tǒng)所需的知識(shí)。因此，有必要在升級(jí)計(jì)劃中包括詳細(xì)的培訓(xùn)計(jì)劃，并且該計(jì)劃包括正在進(jìn)行的培訓(xùn)，直到團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行舒適的使用為止。
大多數(shù)DVP制造商都提供產(chǎn)品培訓(xùn)計(jì)劃，許多學(xué)院和美國(guó)儀器學(xué)會(huì)（ISA）都提供出色的課程。這些程序教與會(huì)人員如何安裝和設(shè)置DVP，如何使用手持設(shè)備調(diào)試DVP以及如何進(jìn)行故障排除。
使用混合動(dòng)力裝置所需的培訓(xùn)更加簡(jiǎn)單，因?yàn)槊钚盘?hào)類似于模擬設(shè)備的信號(hào)，并且不需要特殊的系統(tǒng)配置即可使閥門與控制系統(tǒng)一起工作。
支持工具：基本的4-20 mA信號(hào)發(fā)生器和電壓表不足以支持帶DVP的混合或全數(shù)字安裝-尤其是全數(shù)字安裝。
當(dāng)配備LCD或用于設(shè)置和校準(zhǔn)的本地按鈕時(shí)，可以在設(shè)備上本地設(shè)置一些4-20mA HART定位器，而其他一些則需要具有HART調(diào)制解調(diào)器或能夠與DVP通信的便攜式手持校準(zhǔn)器的軟件。與設(shè)置模擬定位器相比，數(shù)字定位器的用戶友好界面和提供故障排除信息的能力大大簡(jiǎn)化了設(shè)置過程。
全數(shù)字DVP還需要專用電源，具有數(shù)字通信功能的手持設(shè)備或計(jì)算機(jī)，調(diào)制解調(diào)器，軟件和通信分析儀。這些工具隨時(shí)可用，在開發(fā)項(xiàng)目范圍時(shí)，僅是對(duì)此類工具進(jìn)行計(jì)劃和預(yù)算的問題。
回路調(diào)整/控制系統(tǒng)調(diào)整：想象中型汽車中的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)。您已經(jīng)駕駛這輛車多年，并且習(xí)慣于在經(jīng)過另一輛車或完全停止后啟動(dòng)時(shí)在油門踏板上施加一定的壓力?，F(xiàn)在，在同一輛汽車上安裝功率更大，效率更高的八缸發(fā)動(dòng)機(jī)。如果您以同樣的方式踩油門踏板，輪胎很有可能會(huì)發(fā)出刺耳的聲音。更糟糕的是，您可能會(huì)撞到面前的汽車。
在工廠中已安裝的控制閥上改裝DVP時(shí)，適用相同的理論。直到信號(hào)變化1％或2％或什至更大時(shí)，老式的模擬定位器才可能響應(yīng)，并且在閥門定位時(shí)可能沒有那么快和準(zhǔn)確。但是，基于這些性能特征對(duì)環(huán)路進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化。相反，具有精確反饋傳感器，較少機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件和快速控制算法的DVP可以響應(yīng)低至0.1％的命令信號(hào)，并更快，更準(zhǔn)確地移動(dòng)閥門。控制閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，因此，對(duì)于這種新的控制閥性能，回路調(diào)節(jié)可能過于激進(jìn)。
對(duì)這個(gè)問題最糟糕的反應(yīng)是使DVP失諧并使它像四缸發(fā)動(dòng)機(jī)一樣運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣做將挫敗遷移到數(shù)字設(shè)備的目的之一–提高工廠性能。最佳實(shí)踐是讓過程控制工程師從模擬設(shè)備轉(zhuǎn)移到數(shù)字設(shè)備時(shí)，要團(tuán)隊(duì)合作，以最大限度地提高控制閥的整體性能。
使DVP的數(shù)據(jù)正常工作
如前所述，最終用戶報(bào)告說，進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)的能力是使用現(xiàn)場(chǎng)總線所帶來的節(jié)省的最大貢獻(xiàn)。關(guān)鍵是DVP能夠輕松訪問診斷信息。
在較舊的控制系統(tǒng)上的混合安裝中，使用無線技術(shù)可以經(jīng)濟(jì)高效地將DVP和資產(chǎn)監(jiān)控工具鏈接在一起。新型控制器可以與混合DVP通信，而無需無線技術(shù)的介入。全數(shù)字化DVP可以將數(shù)TB的過程信息放在工廠人員的指尖。
但是，當(dāng)數(shù)據(jù)與可操作的信息一起交付使用時(shí)，這些數(shù)據(jù)才最有價(jià)值。在升級(jí)為數(shù)字閥門技術(shù)時(shí)，工廠還必須投資于工具，例如工廠資產(chǎn)管理軟件和在線閥門監(jiān)控工具，這些工具以可行的格式捕獲，合并和顯示信息。
工廠人員還必須調(diào)整他們的工作流程（并經(jīng)常改變觀念）以使用這些新工具。經(jīng)常會(huì)安裝數(shù)字設(shè)備，然后由于習(xí)慣保持不變并且無法訪問可用數(shù)據(jù)并采取行動(dòng)而收集灰塵。
他周圍的世界已經(jīng)變得數(shù)字化。從很多方面來說，移民使我們變得更有生產(chǎn)力和效率，使我們的日常生活更加輕松，并使我們每天使用的東西功能更強(qiáng)大，更可靠，更友好。得益于當(dāng)今的數(shù)字閥門定位技術(shù)，在過程控制領(lǐng)域中可能會(huì)發(fā)生同樣的事情。它所需要的只是一點(diǎn)計(jì)劃和開始旅程的意愿。