超越传统设计的气动和液动阀门执行机构智能监控系统

化学品或油气现场关键阀门的预期或计划外停机将导致高昂的成本。新型集成解决方案有助于在故障发生之前进行监测。本篇文章介绍了一种用于三偏心阀上液动执行机构的智能监控系统。

安全仪表系统(SIS)在预测性维护中起着关键作用。安全要求在每个工厂都是必须的，在关键工艺应用中更是如此，这是工程师、规划者、操作员和EPC努力为其现场找到最佳解决方案的时候。这也有助于保护人员和工厂免受危险情况的影响。

图1  低压系统控制面板 (图片来源：艾默生)

安全完整性等级(SIL)是一种在发生故障时识别对人类、系统、设备和过程的潜在风险的方法。作为风险评估的一部分 - 根据IEC 61511/61508标准，具有安全相关职能的操作人员定义了特定安全功能的安全完整性级别。

计算出的数据决定了故障率(图2)。这些特征有助于根据标准评估安全完整性水平。自动阀门可以在一定时间内保证相应的SIL能力。这需要阀门驱动系统具有更高级诊断功能。

图2  不同SIL等级的故障率 (资料来源：艾默生)

电动阀门执行机构具有许多优点，例如能够进行预防性维护、部分行程测试、带时间标志的事件日志以及通过标准协议进行通信，并已在一系列应用和行业中成功实施。因此，许多新建项目都直接配备了电动执行机构，如艾默生的Bettis XTE3000，而不是带有控制单元的传统气动执行机构。

由于将SIL模块集成到了电动执行机构的控制中，SIL要求不再是采用电动执行机构的障碍。如果报警在下游安全功能正在进行的过程中被触发，它将被立即且优先执行。

但是，如果要求使用压缩空气或液压源，该怎么办？气动执行机构的安全功能通常是通过在触发警报来关闭或释放介质，使执行机构到达所需位置来实现，因此为单通道(1-ch)，最高可达SIL2或通过冗余配置达到SIL3或SIL4。

气动低压执行机构，还有液动高压解决方案经常用于紧急关断(ESD)装置，在检测到危险事件时停止危险介质的流动。这些设备通常通过额外的智能阀门定位器和模拟量限位开关来控制执行机构的控制单元，并增加智能电动阀门执行机构以从中获益。

ESD功能通常仅在计划维护事件(STO)期间通过全冲程测试(FST)进行测试，在全冲程测试中，阀门完全打开或关闭。这是因为系统在运行过程中无法进行测试，这会扰乱生产流程并阻止达到最大生产能力。ESD模式通过将电磁阀断电，使阀门到达紧急位置。然而，这将意味着进程的中断。

将执行机构集成到控制系统中的现有可能性是什么？为此，强烈建议使用有助于确保功能安全标准的执行机构，而不会干扰测试验证期间的生产过程。这是一个智能、集成、独立的流体动力(气动和液动)阀门执行机构监控系统 - 艾默生智能集成阀门监控设备(IMVS) - 一种智能部分行程设备，特别适用于使用压缩空气或液压油作为工作介质的阀门解决方案中的预防性诊断。

图3  IMVS的简化功能图 (图片来源：艾默生)

集成了传感器的IMVS用于单作用(弹簧关闭/打开)或双作用气动以及液动执行机构，类似于限位开关，并由单个或冗余电磁阀控制。因此，诊断、操作和安全功能得到了保证。所使用的SOV(电磁阀)在每次部分行程测试中都经过明确测试，因为它们在测试开始的同时断电。而且，也可以在不进行部分行程测试的情况下单独测试每个SOV的功能。

在部分或全行程测试期间，由集成的IMVS控制SOV，SOV控制阀门和执行机构。这确保了整体阀门系统的实际动态特性得到检测，并从根本上平行检查电磁阀。部分行程表示以10到15度的角度(整体90°)移动，以避免对生产过程可能的影响。部分行程测试(PST)的角度可在设备菜单中设置。

因此，很明显，该装置不仅仅是一个改进的电气五点控制器，通过电位计检测执行机构的当前位置，并将其与位置控制(目标值与实际值)进行比较。安装在执行机构上的IMVS(图4)可用于自动阀整个生命周期的操作参考，从而直接检测实时偏差或报告潜在错误(预测性维护)。

图4  安装在拨叉式执行机构上的IMVS (图片来源：艾默生)

IMVS是一款集成了传感器的电子系统，通过单作用或双作用角行程或直行程执行机构(独立制造商)提供诊断、操作和安全功能，可直接安装在执行机构顶部，类似限位开关盒，由外部单个或冗余电磁阀控制，以实现部分行程测试的液动或气动解决方案。

最新软件包可用于HART®7(无线)、Modbus®或蓝牙®连接(图5)。IMVS不是SIL回路的一部分；ESD独立工作，并且ESD配置决定了SIL等级和应急能力。在部分行程测试期间，两个集成的半导体继电器确保了无电势切换，从而达到非常长的最低使用寿命(从每分钟300次循环的107次)。

图5  IMVS不仅适用于部分行程测试 (图片来源：艾默生)

分解图(图6)清楚地显示，位置(1)和压力传感器(2)已经集成在一起。传感器和EEPROM之间的分离(3)表示网卡(4)、逻辑卡(5)随后是¬现场总线(6)以及显示卡的功能。得益于集成的非接触式位置和压力传感器，工艺的可重复性和可靠性。此外，IMVS通过比较逻辑卡的所有输入输出信号来进行自检测。

图6  IMVS爆炸图 (图片来源：艾默生)

IMVS可直接与介质接触，也可用于气动低压(图1)或高达200 barg的输入压力。即使高达400 barg的液压高压(图7)也不会造成任何问题。另一优点是独立的SOV可不接触介质。

图7  液动高压控制面板 (图片来源：艾默生)

IMVS可在SIL回路中“一选一”(1oo1)、“二选一” (1oo2)和“二选二”(2oo2)使用。因此，可以成功地实现广泛的紧急停车(ESD)或高完整性压力保护系统(HIPPS)应用。

在通用通信协议的帮助下，IMVS可以很容易地直接集成到控制和监检测系统中，这大大简化了现场与整个自动化系统的完美交互。与所有PLC(如DeltaV、Honeywell和Yokogawa)的进一步实时数据交换，在能够使用大量认证文件和模块方面提供了巨大的优势。

OLED屏幕的扩展温度范围从-40˚C到+75˚C，覆盖了全球各种防爆认证，易于校准和数据下载的免费软件，宽范围电压输入(19.2-57.6 VDC)，所有现有配件的轻松改装，更有可通过蓝牙、HART和/或Modbus协议以及特别的恒定实时继电器等众多诊断的优势。

对于关键的主要工艺，使用专门针对这些极端情况开发的适当阀门，以保持工艺的安全可靠运行。这就是三偏心阀(TOV)由于其更好的耐用性、可靠性和较低的操作成本而比传统阀更受青睐的地方。

艾默生的Vanessa 30,000系列三偏心阀采用了由一个固定阀座和一个旋转密封面组成的密封系统，它们具有相同的形状：一个倾斜的圆锥截面。当这些锥体重叠时，达到闭合位置，并产生密封效应。这种“角行程截止”的概念是通过三个“偏心”的设计实现的，旨在完全消除摩擦。优化的阀座角度和旋转特性通过三偏心设计和柔性金属密封圈巧妙组合，增强了密封性，适用于所有常温、低温和高温配置。

图8  Vanessa 30,000系列三偏心阀  (图片来源：艾默生)

三偏心阀的阀座旨在最大限度地减少磨损，降低维护成本，延长使用寿命。先进的密封性能确保您的工艺在极端操作条件下也能以最大效率可靠运行。与其他阀门相比，所有这些优点都将带大量的费用节约。并且降低了安装、操作和维护的成本和复杂性。