控制閥是流程工業中采用最多的終端控制元件，決定著過程控制是否及時有效，在整個控制回路中較為重要但又是長期以來技術比較薄弱的環節。如果控制閥出現故障，控制回路將被迫中斷控制操作，有可能引發更大的系統故障和造成難以估量的經濟損失。用戶迫切需要對流程工業運行中的控制閥狀態進行監測和評估即控制閥故障識別與診斷。

  以數字式閥門定位器為核心的控制閥數字解決方案旨在控制閥預測性維護，并實現執行機構自校準、自適應、狀態監測、在線動態特性分析、故障識別與診斷，使之成為流程工業現場的智能設備。

國內外控制閥的生產廠家眾多，造成控制閥品種多、規格多、參數多，質量參差不齊；可配置的數字式閥門定位器品牌型號也比較多，集成的自診斷軟件和實現方式各有特點。這些不同都是大家關注的熱點。本文試對控制閥診斷-預測性維護技術以及部分廠家產品進行探討和細節分析。

    控制閥典型維護方式

    控制閥需要按照廠家要求和設備維護規程進行正常使用和有效維護，典型維護方式有：

    被動性維護（Reactive Maintenance） ——計劃外隨機維護方式。當控制閥出現故障后才采取行動，根據發生問題大小，進行維修或更換。這種維護方式時間不確定，無計劃的維護常常增大維護成本和生產成本。而故障的誤判斷，更會擴大檢維修工作量，影響正常使用時間。

  預防性維護（Preventive Maintenance） ——計劃性周期維護方式。根據技術管理經驗制定檢維修實施計劃，安排定期維修和狀態維修，力求防止控制閥在使用中發生問題。這種維護方式簡單地給控制閥一個檢修周期，問題是沒有人能確切地掌握哪臺控制閥需要檢修，以致全部解體檢修或輪換解體檢修，常會造成不必要的檢修或遺漏有故障隱患的控制閥。若是由非廠家技術人員或未經過專門培訓的人員解體檢修控制閥，也常出現檢修后還不如檢修前的尷尬情況。ARC咨詢機構1999年的一份研究成果中得出“多達60%的計劃性控制閥維修是不必要的”的結論，這也從一個側面說明預防性維護的不足。

  預測性維護（Predictive Maintenance） ——也稱為預見性維護，是使用計算機輔助故障識別和診斷技術（診斷專家系統）進行超前監測和診斷預警的維護方式。采用新技術的實時在線監測和離線測試以及專家型診斷軟件，在控制閥還沒有產生故障前就通過狀態參數預測可能出現的情況和預期的時間，通過預測控制閥設備的功能安全和時間依存性來進行維護。預測性維護注重動態管理和監測以及設備良好運行的可持續性，從應用上位機診斷軟件到數字式閥門定位器集成診斷軟件，從傳統的計算機基于模型的數據處理到廣義專家系統模擬邏輯思維實現判斷和推理，使狀態監測和診斷技術得到細化和延伸，完成高層次的報警和預測，使控制閥預測性維護得以實施。同時數字式閥門定位器也成為基于故障識別和診斷技術的預測性維護體系的現場智能設備。

    控制閥預測性維護的發展

    早期的控制閥預測性維護是使用智能儀表和專用診斷設備，如FISHER在1990年推出的便攜式控制閥診斷系統FlowScanner，有較強大的診斷功能，可進行動態掃描、靜態點掃描、階躍測試和斜坡測試等，但需要專門人員花費一定的時間來安裝各種傳感器、運行測試系統并解讀診斷結果，而且診斷常在中斷控制閥過程使用時進行。

  上世紀九十年代以來，隨著數字式閥門定位器的開發使用，控制閥預測性維護所需的狀態監測和診斷功能逐漸轉移到以數字式閥門定位器為中心的診斷體系。數字式閥門定位器配置安裝到控制閥，其自帶閥位（行程）、輸出、氣源等參量傳感器可以直接進行狀態監測，內部集成的自診斷功能也日益強大，并具有通信功能（HART、PROFIBUS、FF等），支持FDT/DTM、DD/EDDL，使用專家診斷軟件和開放架構，使控制閥通過數字式閥門定位器在線自診斷和預測性維護，提升并維持了性能，減少了運行故障和提高了使用壽命，有顯著的經濟效益。

目前，各主要控制閥廠商都著力開發數字式閥門定位器及完善各自的診斷軟件：美國FISHER最早推出FIELDVUE DVC（Digital Valve Controllers數字閥門控制器）的數字式閥門定位器和AMS ValveLink控制閥診斷軟件；美國Masoneilan有SVI II/SVI II AP數字式閥門定位器和Valvue控制閥診斷軟件；美國/德國Foxboro有SRD960/991數字式閥門定位器和VALcareTM控制閥診斷軟件；德國SAMSON有3730/3731系列數字式閥門定位器和本機的EXPERT/EXPERT+控制閥診斷軟件及TROVIS-VIEW監控軟件及本機LCD狀態和參數顯示；日本azbil（山武Yamatake）有SVP 3000alphaplus數字式閥門定位器和Valstaff控制閥診斷軟件。

    FISHER AMS ValveLink

    艾默生過程管理費希爾閥門（FISHER）于1992年推出FIELDVUE DVC（Digital Valve Controllers數字閥門控制器）數字式閥門定位器和使用上位機的AMS ValveLink VL1000版控制閥診斷軟件，2000年ValveLink提升為4.0版，現在ValveLink為7.3版，適用DVC2000、DVC5000和 DVC5000f、DVC6000和DVC6000f。初期的DVC只進行參數測量供上位數據采集，定位器軟件版本先后有AC、HC、AD、PD、 SIS、ODV，其中的PD、ODV版具有本機在線性能診斷功能。DVC支持HART通信協議和FF現場總線，但不支持Profibus現場總線，也不支持FDT/D。

   AMS VaIveLink是基于Windows 的應用軟件，可以讓用戶隨意訪問由DVC系列（尤其是DVC6000系列數字式閥門控制器）得到的信息。AMS VaIveLink軟件有單機版和集成到控制/管理系統（如DeltaV）的版本，也能插入其他廠商系統（如橫河的PRM）。一般都要在系統中設立單獨的 VaIveLink /AMS工作站，故障識別和診斷及其數據都只能存儲在上位機中。

    可利用AMS ValveLink軟件監視控制閥狀態和使用性能，采集重要信息。可在線診斷I/P和氣動放大器的一致性、行程偏差和摩擦力死區及趨勢分析，可直觀顯示特性曲線（Valve Signature）、 動態死區（Dynamic Error Band）與階躍響應（Step Response）及其數據。AMS ValveLink還有記錄跟蹤（Audit Trail）程序和批處理運行（Batch Runner）以及觀察控制閥性能的趨勢（Trending）。在AMS ValveLink畫面上有紅/黃/綠的故障、報警、正常狀態指示，直接反映問題嚴重的程度，可組態分類，非常實用。

AMS ValveLink可實現的控制閥預測性維護的示意畫面舉例于圖4~圖8。

    AMS ValveLink全面的性能診斷功能從例圖中可見一斑，尤其是對控制閥摩擦力的測試和分析有確切的數值提供出來，是分析填料函、密封填料工作狀況和是否性能退化的依據，在線診斷實例很多，對預測狀態和維持控制閥性能有實際意義，受到用戶好評。

  AMS ValveLink屬于上位機應用軟件，故障識別和診斷不集成在數字式閥門定位器內，這與研發當時的技術條件有關，目前的技術發展已使控制閥廠商更多地采用數字式閥門定位器本機集成診斷軟件、本機存儲數據并對外發送診斷數據/結果的方式。

    SAMSON的EXPERT/EXPERT+及TROVIS-VIEW

    SAMSON（薩姆森）對控制閥預測性維護是以故障識別、邏輯思維推理、魯棒性的專家系統為起點，以數字式閥門定位器本機為基礎，其 3730/3731系列出廠時集成有標準版專家診斷軟件EXPERT和需另外購買激活碼的增強版專家診斷軟件EXPERT+。除在本機用圖形符號和代碼進行自診斷顯示外，可使用SAMSON的TROVIS-VIEW監控軟件和EDDL、FDT/DTM或集成到AMS（資產管理系統）、PDM（過程設備管理）、PRM（工廠資源管理）、PKS等系統中，進行在線性能診斷和離線測試。

標準版EXPERT在線自診斷包括：運行時間計時、過程參數趨勢圖（行程x、輸入控制信號即給定值w、偏差e、輸出控制信號y）、硬件和存儲器的安全監視功能、行程傳感器監視、初始化次數和零點校準次數、內置溫度傳感器的溫度測量、最近的30次報警、行程累積、啟動監視、零點和控制回路監視報警。

    增強版EXPERT+自診斷在標準版基礎上增加了：在線過程參數記錄日志（自動信息采集，在閥門定位器中存儲100個x、w、e、y值）、行程x和偏差e的短期和長期柱形圖、輸出控制信號y的短期和長期信號圖表、行程方向改變次數統計和分析、終端閥位和摩擦力的監視。增強版EXPERT+自診斷并可在離線狀態進行靜特性測試、階躍信號測試、全行程回差測試等。

  由于3730/3731系列只設計一個閥位傳感器，沒有氣源、輸出壓力傳感器，定量分析不足，依靠的是殘差理論和專家經驗進行分析和推理。以初始化測試的輸出基準曲線和運行閥位（行程）為對比，利用初始化基準、歷史數據和經驗進行識別預測。參見圖9進一步說明：圖中黑色曲線是初始化存儲的輸出基準曲線。當輸出y高于基準并隨閥位增加與基準偏離逐漸加大時（紅色曲線），這種情況表明氣路出現泄漏；當輸出y到某一閥位時突然到最大（藍色曲線），這種情況說明氣源故障；同理，粉色曲線說明壓差（不平衡力）變化，綠色曲線說明執行機構的彈簧力減少。由于輸出y信號取自I/P前，有一定局限性，加之某一性能診斷的結果也可能有多個情況，多有不確定情況，以及診斷監控界面和菜單層次屬德國風格，在國內的實際應用中用戶要適應一段時間。

   SAMSON的TROVIS-VIEW監控軟件是一個標準的操作界面，允許用戶通過該界面對所有SAMSON智能儀表的特性數據庫進行組態和參數化，對于控制閥預測性維護的性能診斷是通過定位器本機SSP串口連接讀取存儲數據和實時狀態并運行指定型號專用數據庫模塊，有多層次畫面，內容豐富。信息和診斷畫面有八、九十頁，本文只擇其重點介紹。圖10給出TROVIS-VIEW用于控制閥診斷的畫面，左下角是實時閥位。圖11是過程數據（輸入給定 w、閥位x、偏差e）。SAMSON的數字式閥門定位器及診斷支持HART通信協議和Profibua-PA、FF現場總線，支持FDT/DTM。

    Foxboro VALcare控制閥診斷軟件

    英維思（INVENSYS）的Foxboro-Eckardt是歐洲最大的閥門定位器的制造商，其SRD960/991型數字式閥門定位器配用 VALcare控制閥診斷軟件，支持FDT/DTM集成到控制/管理系統，支持HART通信協議和Profibus-PA、FF現場總線以及 Foxboro自有的FoxCom。通過HART通信，可使用PACTware開放平臺進行性能診斷。診斷數據存儲在閥門定位器，數據收集可達60天，自檢測和診斷監測符合NAMUR標準NE107，閥位響應和摩擦力都由柱形圖進行分析。VALcare狀態監測和故障診斷畫面豐富、友好，調用方便。