提升操作员工作效率

Jonas Berge阐释了不论设备源如何,操作员为何都应对过程包括仪表化状态有简单和统一认识的原因

汽车的某个关键零件失常时,应立刻有警报灯亮起,示意驾驶员采取将车开至路边停靠等安全措施。而在车辆出现不太严重问题的情况下,驾驶员也会看到指示灯亮起,可决定在就近修理店安全停靠或等待定期保养时处理该问题。

同理,若厂区中某个关键设备失常,也应立刻亮起警报灯提示“驾驭”设备的操作员采取安全措施,如将设备循环调为手动或关闭设备等。出现不太危险或严重的设备问题时,操作员将看到指示灯亮起,从而决定继续安全运行直到维护时对设备进行替换,或等到下次停机检修时再处理问题。无需采取任何措施的设备问题将直接汇报至维护部,完全不打扰操作员作业。

操作员的工作效率是决定厂区在高有效性、高产出率、高品质和高能效条件下安全运作的关键因素。操作员需要获取信息才能在关键情况下做出正确决定。过程变量和操控变量是设备中最核心的信息片段。

国际过程工业自动化技术用户联盟NAMUR认为,设备自身状态对帮助厂区操作员更好进行操作也至关重要。这一要求写入了NE107建议中,它为操作员定义了设备状态的简单一致性说明。厂区中运行和维护设备的部门也能从设备诊断中受益,但需采用更详细的诊断进行故障排除并计划每日维护与停机检修。

“驾驭员”的挑战

不仅针对过程更改,操作员也要在仪表故障或异常时做出决定或采取措施,否则终将导致过程失败。操作员需要获得信息来避免错误引起的产量损失。

过时的仪表盘

迄今为止,控制系统中的操作员屏幕能显式过程变量,但仅在发射器完全故障,且系统探测到发出的模拟输出低于4mA或高于20mA的情况下才发出警报。因此简单的系统中可能根本没有故障警报。其它发射器故障,如超过环境或过程条件、测量不确定性增加、阀门偏差、磨损或污染,皆无法向操作员进行警告。设备维护时也不会显示“保持”设置等无效信号。

设备故障或退化在数分钟或数小时内终将对过程产生影响。而目前操作员并不知晓大部分的设备问题。

此外,厂区各种各样的设备来自于不同的供应商,各类设备的自我诊断各异。不同的供应商和设备类型提示故障与否的标识和模拟输出也不尽相同。因此,控制系统、作为设备管理系统一部分的智能设备管理(IDM)软件、历史及其他应用可能用不同的图标、颜色和名称显示设备状态。这种不一致性导致诊断难以理解,甚至很难立刻明白每个警告的含义、严重程度和紧急程度。过程开关和开关阀通常完全不带诊断功能。

维护技术员已经通过IDM软件从设备诊断中受益匪浅,但多数厂区中的操作员还是无法利用设备诊断。为实现更高效率,不论源设备如何,操作员都应对过程,包括仪表化状态有简单和统一的认识。NAMUR NE107建议中注明:“设备状态详细信息十分有用,能帮助厂区操作员、DCS系统或维护人员按要求采取措施。” NE107建议定义了如何归纳设备诊断,用于帮助操作员采取正确措施。它建议到:“当作为DCS一项功能执行时,为操作员和服务专员提供详细信息,从而他们能够采取各种不同措施。”

操作员所需归纳信息

设备自我诊断功能对其状态进行检查。状态确认传感器测量值和阀门功能。利用该状态来避免设备故障影响产品质量或导致整厂停工。可对阀杆填料等易磨损设备部件剩余寿命进行预测,也可对污垢进行探测,收集的信息可输入用于制定停机检修计划。

NE107建议定义了如何将具体设备特定诊断归类为四种简单的状态信号。这些信号能确保厂区操作员不被大量设备故障排除详情和晦涩的故障代码情淹没,它们将分散操作员的注意力,使其无法采取正确应对措施。因此向操作员显示简易的状态信号十分重要。任何情况下,设备故障排除都应由维护技术员而非生产操作员来完成。

 

表1:NAMUR NE107状态信号

厂区内局部各种不同的智能设备,如发射器、控制阀定位器、气相色谱仪、电动制动器/电动阀(MOV)、智能开关阀和双线液位计系统等,它们来自不同制造商且测量原理各异。这些设备会以多种形式出现故障或退化现象,产生成百上千条不同的错误代码或信息。无需向操作员显式这些故障详情,他们不必决定是否更换或修理设备,也不用理解如何进行修理,因此没必要一一知晓这些信息。操作员只需获取概要信息以便相应调整过程即可。NAMUR NE107建议将各种设备状态的显示进行了协调。

操作员只需知晓测量值是否有效或阀门是否未正常移动,即可易于他们安全操作过程,而仪表技术员则应知晓产生问题的原因并进行修复。因此,向操作员显示归纳状态信号,向仪表技术员显示详细诊断信息。

 

表2:操作和维护要求各异

超过特定条件时设备将发出警报。某些设备内部变量对发射器和阀门至关重要,建议对它们进行监测。其中包括持续监测阀门定位器的内部诊断信息。可能并非完全故障,正常操作过程中产生的磨损也将影响性能甚至整个过程。这种早期预警也与计划维护和停机检修息息相关。

与过程警报一样,设备诊断警报也必须及时发出。问题出现后必须得到探测、报告并及时进行显示以便采取相应措施。设备自我诊断信息被归纳并以四类状态信号中的一种形式显示于操作员操作台上。探测到设备问题后,实时快速通信汇报状态信号。

设备本身无需设备诊断警报的确认,而是系统进行确认。设备诊断警报记入IDM软件或系统历史中而并非设备中。IDM软件中的设备页提供了更加详细的诊断信息,便于设备专家理解状态信号从而进行故障排除。

系统采用NE107向操作台通知设备退化情况,由于知晓设备问题将对操作带来的影响,操作员便能决策采取正确的措施保障过程正常进行。必须在应用环境下查看诊断信息。操作员专注于操作过程时,可致电仪表技术员对设备进行故障排除。操作员随时身处工作站,而并非时刻在现场的维护技术员可能很晚才会得知设备诊断警报,因此这十分关键。

NE107建议:“除了通知专家,操作员可采取的措施还包括将故障循环调整为手动操作。若出现‘需要维护’警告,最好选择自动维护或操作员手动进行维护。”

 

图1:设备诊断工作流

内部设备特定诊断结果在设备上归纳为四类标准状态信号。由于设备不同问题采取的措施根据其应用和严重程度各异,信号类别按此分配。也可根据要求禁止单个诊断。设备制造商预置了默认设置。探测并实时汇报诊断信息。例如,阀门定位器不断监测内部诊断信息,并发出性能诊断警报。

将设备特定诊断警报灵活分类为四种标准NE107状态信号,由于各设备类型不同,严重级别和测量要求或触发点也各异,因此分类在设备中进行配置。可禁止单个设备诊断警报。即,工程计划与设备诊断警报管理结合,类似于将过程警报合理化管理。默认设备配置包括推荐的NE107分类。NE107建议:“分类旨在使厂区操作员不被大量测量详情淹没,从而分散注意力导致无法纵观全场运行情况,造成无法采取必要措施的后果。”该建议强调了仅对操作员显示上述状态信号的重要性。

项目设计阶段即对设备诊断状态信号进行了分类。虽较少见,但随后也可做出更改。改变设备型号时可变更状态信号映射,但不应由操作员进行变更。

专家所需详细信息

尽管操作员只需要设备状态简单概况来处理过程,设备专家却需要尽可能详细的信息来进行故障排除和设备修复。维修或更换设备前,设备专家在维修车间采用IDM软件访问详细诊断信息,这些信息以文本或图文形式向维修人员呈现。IDM软件利用NE107状态信号,在设备仪表盘上显示出设备健康的简要概况。若存在问题,技术人员便“深度钻研”诊断信息,获得更多详情后进行故障排除。

 

图2:NE107状态信号和前身设备特定诊断映射,PlantWeb Alerts

 

图3:设备“仪表盘”采用NE107状态信号显示设备健康简要概况。

 

表3:设备层级式诊断示例

由于必须在应用环境下才能看到诊断信息,设备专家有责任对其进行总结归纳。

诊断级别因制造商不同而存在巨大差异,因此选择设备时应将其诊断能力纳入考量。绝大多数设备支持基本诊断。增加额外费用的情况下,一些设备也支持更高“层级”的诊断。最先进的诊断通常按照过程工程师要求提供过程诊断信息,而非按照设备专家要求提供设备诊断信息。过程工程师不必坐在控制室或维修车间中。

因此考虑采用带OPC支持的IDM软件将设备过程诊断传输至历史或直接传输至过程工程师办公桌前的可视软件中。

诊断完成方式也不尽相同。譬如,某个阀门定位器可能持续诊断漏气、校准偏差、气动继电器偏差、I/P堵塞和O型圈渗漏,并在性能受影响时发出警报,而另一个定位器的性能诊断则须手动开启。

模仿特性的消失

在强大的Windows操作系统图形帮助下,一些设备制造商忍不住在设备驱动中加入了阴影容器的剖面图和动画过程层次,类似数字显示和彩色LCD的七段显示,以及其他模仿性特征和大胆的原色与渐变运用。

这些装饰可能导致维护工程师无法专注工作。眼花缭乱的装饰使得技术员无法分辨出关键信息。这些设备显示图元脱离了控制系统用户接口和IDM软件本身图像本质,在不同的设备和制造商之间造成了视觉与感觉上的不一致性。

本着实用性的精神,现在一些设备制造商正采用以人为本的设计理念,让设备更易使用。设计更加“朴实无华”,采用灰色背景和柔和的色彩。正常状态一概不显示,仅异常状态才用采用鲜艳的色彩和图标显示。信息都通过简洁的文本和图文表示。

图4:用简洁文本和图文显示的智能双线开关阀可操作诊断信息。

此外,设备制造商采用电子设备描述语言(EDDL)设计用户界面的内容和结构,无论设备型号或制造商是否相同,所有设备的色彩、菜单和图元都统一来自IDM软件,从而确保设备仪表盘上视觉与感觉更高的共性。

由于制造商不同,设备用户界面的设计精美程度、向导与帮助的质量都参差不齐。选择设备时应将用户界面作为考量标准之一。

拯救过程

通知操作员设备存在问题好比初期预警,若不处理,设备问题将在数分钟或数小时内导致过程问题。因此可理解为根据诊断信息发出的状态信号赋予了操作员“拯救”过程的能力。根据过程的不同,避免一次停机、怠工或过程混乱可免受数千至数百万美元的损失。

授权维护技术员诊断设备是否需要校准、维护,并决定需要维护的种类,能大幅减少日常维护和停机维修所需的时间和资源。

设备诊断对串联安装的装置而言尤为重要,如流量计、控制阀和开关阀等。相比分散安装的压力或温度发射器,维护拆卸它们所耗人力更多。因此流量发射器具备仪表检测、阀门定位器具备持续服务性能诊断功能十分关键。高级诊断确使串联装置在车间中维保的时间减少,而在工作中的时间增加。更多的“在管道中”的工作时间不仅降低了维护成本,更减少了过程停工期。

想充分利用状态信号和详细设备诊断还需要转变工作流程。操作、日常维护和停机维修计划等工作流程必须具备状态信号和诊断信息。而针对标准智能设备管理的ISA108即以这种工作流程的转变为核心。可在www.eddl.org网站中查阅《设备诊断配置和使用指南》,将设备诊断信息融入工作实践中。

 “物联网”(IoT)意指通过贯穿互联网的全数字通路远程访问智能设备。用于工业领域时,由于所有远程访问通常都通过VPN连接,因此它更类似于“内物联网”。今天,许多公司已在中央位置远程访问智能设备,使专门技术专家(SME)能视察全球各处厂区中的设备。还能给予设备制造商或第三方服务公司访问权限,譬如阀门或流量计专家等。

配置

状态信号的协调布置提示了操作员的效率。因此,非常有必要在设备、控制系统和IDM中采用NE107要求。现有系统或设备有可能升级并获取NE107支持。完整的NE107配置属于工程解决方案,需要为用于设备诊断警报合理化训练的工程小时做足够的预算,它项目已完成风险评估工作部分的自然延伸。 

Jonas Berge是Emerson Process Management公司应用技术总监。

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