在過去，傳感器的使用一度非常保守。那時(shí)傳感器的采購(gòu)、安裝和維護(hù)成本均十分昂貴，各公司只在絕對(duì)必要時(shí)安裝傳感器。但是，“知識(shí)就是力量”；確實(shí)如此，越是了解您的設(shè)備，就越能更好地維護(hù)設(shè)備、減少“意外事件”并降低成本。本文將討論普適測(cè)量的概念、應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)及其使用案例。
簡(jiǎn)單來說，普適測(cè)量就是使用傳感器采集過程中可能影響其正常運(yùn)行的任何數(shù)據(jù)。通過增加價(jià)格合理的傳感器（許多為無線傳感器），測(cè)量范圍將得以擴(kuò)展。如今，普適測(cè)量不僅在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛接受，在其他領(lǐng)域亦有使用，其中的一些甚至已應(yīng)用于我們的日常生活。
日常生活中的普適測(cè)量應(yīng)用
如今的汽車擁有的傳感器數(shù)量是15年前的15倍，并且還會(huì)越來越多。節(jié)氣門和曲軸位置傳感器、氧傳感器、燃料乙醇傳感器、噴射壓力傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器和質(zhì)量空氣流量傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)算機(jī)的基本輸入信號(hào)源；此外，還有其他作為補(bǔ)充的車載傳感器，用于協(xié)助維持可靠性，例如監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)油位和冷卻液液位。它們甚至可以檢測(cè)每個(gè)輪胎的壓力，并在壓力過低時(shí)觸發(fā)警告。
在安全方面，有用于監(jiān)控制動(dòng)液和清洗液的液位傳感器、觸發(fā)安全氣囊的加速計(jì)以及安裝在車輪上用于激活防抱死制動(dòng)的速度傳感器。其他傳感器包括確認(rèn)座椅安全帶已系好、檢測(cè)車輛后方或盲點(diǎn)內(nèi)的物體以及在車門未關(guān)緊時(shí)向駕駛員發(fā)出警告的傳感器。某些汽車上還有在駕駛員昏昏欲睡或開始偏離行車道時(shí)觸發(fā)警告的傳感器。
工業(yè)領(lǐng)域使用普適測(cè)量的優(yōu)勢(shì)
在制造業(yè)，普適測(cè)量在過程和人員安全、法規(guī)遵從、設(shè)備可靠性和能效方面帶來了重要而顯著的改善。它可以用于提前檢測(cè)和響應(yīng)危險(xiǎn)、保護(hù)人員和設(shè)備、預(yù)測(cè)故障并減少怠速和停車。它幫助用戶避免環(huán)境問題和罰款，并提前鎖定潛在的安全威脅。
普適測(cè)量可以在不增加復(fù)雜度的情況下，通過獲取新數(shù)據(jù)的增量投資獲得關(guān)鍵業(yè)務(wù)結(jié)果。它讓用戶更深入地了解操作情況，并能優(yōu)化過程，從而提高生產(chǎn)率和贏利能力。
普適測(cè)量之初
人們很容易想到是無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成就了普適測(cè)量。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是指相互通信并與中央站點(diǎn)通信的小型（一般為電池驅(qū)動(dòng)）設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)（圖1）；網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備的無線電通信范圍可能只有幾米，這些設(shè)備自動(dòng)組成一個(gè)自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，可以將信息傳遞相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，可以繞過障礙物路由信號(hào)，并在若干設(shè)備離線的情況下繼續(xù)通信。有了無線技術(shù)，用戶無需進(jìn)行過多設(shè)計(jì)，無需鋪設(shè)電纜，因?yàn)樵O(shè)備均為電池供電，并且還可以向網(wǎng)絡(luò)中添加、減少設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備的位置，而這一切基本不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。
這些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)第一次廣泛的傳感應(yīng)用是振動(dòng)監(jiān)控：安裝在泵和其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的配備有無線傳感器，用于報(bào)告（時(shí)間間隔通常為幾分鐘到幾小時(shí)不等）設(shè)備的監(jiān)控狀況。資產(chǎn)管理軟件記錄讀數(shù)曲線，并預(yù)測(cè)哪些部分何時(shí)會(huì)發(fā)生故障。這樣可顯著減少計(jì)劃外停車。
自此之后，無線傳感器的應(yīng)用范圍被無限擴(kuò)大。有人預(yù)測(cè)，在下一個(gè)十年里，這一領(lǐng)域的設(shè)備銷售額將比價(jià)值160億美元的傳統(tǒng)測(cè)量市場(chǎng)的兩倍還多。某東歐石油加工廠正在全面部署無線基礎(chǔ)設(shè)施，以便增加12000個(gè)普適測(cè)量?jī)x表——超過傳統(tǒng)過程測(cè)量的基數(shù)60%——
目的是更好地檢測(cè)能源損失、設(shè)備腐蝕和安全排放。
因此，普適測(cè)量已滲透到使用多傳感器的任何地方，并且通常（并非全部）使用無線技術(shù)。安裝的傳感器可用于監(jiān)控溫度、壓力、閥位、蒸汽疏水閥打開、液烴泄漏、安全噴淋裝置、泄壓閥開啟、腐蝕和侵蝕。無線傳感器被用于大面積和單點(diǎn)天然氣泄漏檢測(cè)，以及火焰和煙霧檢測(cè)。
關(guān)鍵過程應(yīng)用中的普適測(cè)量
在制造業(yè)，普適測(cè)量在關(guān)鍵過程和關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用中為用戶提供幫助。關(guān)鍵過程意味著過程控制和過程安全。為防止不合格品或設(shè)備停車，關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)需要立即響應(yīng)。它需要最高關(guān)注度；幸運(yùn)的是，由于新傳感器通常連接到現(xiàn)有過程控制系統(tǒng)上，因此許多相關(guān)設(shè)備和操作都已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。不過，它的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是可能發(fā)生信息過載；普適測(cè)量傳感器收集的大部分信息并不用于關(guān)閉過程回路，而是確保設(shè)備操作員獲得信息，并且如果設(shè)計(jì)者不應(yīng)用以人為本的設(shè)計(jì)原則，警告和報(bào)警的數(shù)量會(huì)多到讓操作員難以應(yīng)付。
關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用中的普適測(cè)量
關(guān)鍵業(yè)務(wù)意味著現(xiàn)場(chǎng)安全、可靠性和能效。關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要及時(shí)響應(yīng)，而非關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)所需要的立即響應(yīng)。未能響應(yīng)可能導(dǎo)致設(shè)備停車或能源使用量增加等情況。由于它的優(yōu)先級(jí)通常較低，關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)獲得的關(guān)注可能有限。以前，人們通過人工巡視采集數(shù)據(jù)，某些情況下甚至根本沒有采集：實(shí)際信息不存在，只能以假設(shè)、估計(jì)和簡(jiǎn)單的猜測(cè)來替代。普適測(cè)量可以改變這種情況。
例如：《沙特阿美公司技術(shù)雜志》上指出，典型煉油廠的維護(hù)預(yù)算有36%花在腐蝕修復(fù)和維修上。并且直到不久前，跟蹤腐蝕情況仍是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型任務(wù)，技術(shù)人員需使用手持式分析儀進(jìn)行人工檢查和采樣檢測(cè)。但是，如今的無線腐蝕監(jiān)控變送器（圖2）能夠以合理的成本，對(duì)之前無法到達(dá)的位置進(jìn)行連續(xù)的在線監(jiān)控。
先進(jìn)傳感技術(shù)的應(yīng)用舉例
使用先進(jìn)的普適測(cè)量技術(shù)的公司有許多。為了將關(guān)鍵應(yīng)用的測(cè)量數(shù)據(jù)增加60%，下一代的過程工廠目前正在部署無線基礎(chǔ)設(shè)施。它使用20,000有線I/O點(diǎn)，包括12,000個(gè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用：2000個(gè)用于現(xiàn)場(chǎng)安全，8000個(gè)用于可靠性，剩余2000個(gè)用于能效。
先進(jìn)傳感技術(shù)的關(guān)鍵過程應(yīng)用舉例
為了等待有利的天然氣價(jià)格，美國(guó)南部的天然氣儲(chǔ)存廠家將天然氣注入鹽穴。為此，他們需要監(jiān)控注入井的狀態(tài)，但是注入井有數(shù)十個(gè)之多，且分布范圍達(dá)到數(shù)平方英里。過去的監(jiān)控方法是派工作人員在每口井邊進(jìn)行檢查，但是由于井的分布范圍如此之大，不可能每天檢查所有注入井。如果存在泄漏，可能到兩三天后才會(huì)發(fā)現(xiàn)。該公司安裝了近500個(gè)無線監(jiān)控設(shè)備，這使他們能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控井的情況。這不僅幫助他們提高了有效利用儲(chǔ)存容量的能力，還減少了監(jiān)控成本。調(diào)試所有傳感器只用了100個(gè)工時(shí)，遠(yuǎn)少于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視和監(jiān)控的時(shí)間。僅安裝成本這一項(xiàng)，就為該公司節(jié)約了一百萬美元，并能幫助工作人員更高效地控制現(xiàn)場(chǎng)。
先進(jìn)傳感技術(shù)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用
現(xiàn)場(chǎng)安全可以視為關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用，如果說過程安全實(shí)際上涉及密閉度，那么現(xiàn)場(chǎng)安全則通常關(guān)系到工人安全或天然氣檢測(cè)。其中的一個(gè)例子是安全淋浴裝置的監(jiān)控；如今，許多工廠都沒有對(duì)安全噴淋裝置進(jìn)行監(jiān)控。另一個(gè)例子是安全性和環(huán)境合規(guī)，例如泄漏檢測(cè)。讓工作人員在存在天然氣泄漏的現(xiàn)場(chǎng)/區(qū)域逗留是十分危險(xiǎn)的，并且泄漏通常涉及合規(guī)問題（例如北美的EPA等機(jī)構(gòu)的法規(guī)）。
關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用舉例：現(xiàn)場(chǎng)安全和合規(guī)
加拿大的一處地下烴氣儲(chǔ)存設(shè)施使用了遮蓋物（基本上是簡(jiǎn)單的棚戶）覆蓋井口，但是這為維護(hù)活動(dòng)帶來了困難，因此大部分已納入拆除。這產(chǎn)生了一個(gè)問題：在封閉環(huán)境下，傳統(tǒng)單點(diǎn)催化珠檢測(cè)器在監(jiān)控每個(gè)井口是否存在危險(xiǎn)的氣體泄漏時(shí)能夠正常工作，但是在露天環(huán)境下，風(fēng)稀釋了泄漏的氣體，并將其吹離傳感器。此外，還必須保護(hù)傳感器不受天氣的影響（埋在雪中時(shí)傳感器無法工作），在暴露于高濃度氣體中時(shí)，某些類型的傳感器可能發(fā)生滲透并需要更換，并且必須定期進(jìn)行重新校準(zhǔn)。
該公司決定嘗試超聲波泄漏檢測(cè)技術(shù)，如圖3所示。在壓力下泄漏的氣體產(chǎn)生了頻率介于20 - 100kHz之間的嘶嘶聲，無論是否刮風(fēng)，在10米以外都可以立即檢測(cè)到。即使全部被雪覆蓋，檢測(cè)器也能正常工作，并且在安裝后無需定期進(jìn)行重新校準(zhǔn)。
公司測(cè)得的背景噪音為55 dB，將檢測(cè)器設(shè)置為在70 dB時(shí)觸發(fā)報(bào)警。執(zhí)行的多個(gè)測(cè)試方案表明，即使是最輕微的泄漏，裝置也做出了正確響應(yīng)，并且沒有誤報(bào)警。定期測(cè)試包括在區(qū)域內(nèi)通入一些高壓空氣或氮?dú)猓Y(jié)果，檢測(cè)器都準(zhǔn)確無誤地發(fā)揮了它的功能。
值得注意的是，超聲波泄漏檢測(cè)器不是低功率設(shè)備，必須使用外部電源供電。
關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用舉例：使用無線振動(dòng)傳感技術(shù)監(jiān)控泵的健康狀況
美國(guó)中西部某精煉廠的操作員希望防止可燃蒸汽從LPG服務(wù)中心主泵上的失效密封處溢出并形成氣霧（以前曾導(dǎo)致火災(zāi)）。此外，提前鎖定故障泵還可以減少損壞和維修成本。經(jīng)過過程危險(xiǎn)分析，工作人員識(shí)別了近百個(gè)高危泵，而進(jìn)一步的評(píng)估和分析使得這一數(shù)字繼續(xù)增長(zhǎng)。最后，該公司在泵上安裝了無線振動(dòng)監(jiān)控變送器，并將其設(shè)置為每30分鐘向資產(chǎn)管理系統(tǒng)提供一次報(bào)告。過度振動(dòng)會(huì)觸發(fā)警告通知操作員切換至備用泵，并向技術(shù)人員發(fā)送電子郵件通知，以便其使用便攜式分析進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。
這種方法完全取代了之前的人工巡視，而成本只有后者的十分之一，并完全消除了火災(zāi)和由此產(chǎn)生的停車風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用舉例：能效
蒸汽疏水閥可以有三種狀態(tài)：
1. 按照設(shè)計(jì)正常地工作、打開和關(guān)閉；
2. 故障關(guān)，將水留在蒸汽系統(tǒng)內(nèi)，形成水錘效應(yīng)并損壞設(shè)備；
3. 故障開，蒸汽吹入大氣或冷凝水回收管線，造成能源浪費(fèi)。
食品和飲料業(yè)的設(shè)備操作員擔(dān)心蒸汽疏水閥故障。一次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工廠25%的蒸汽疏水閥存在故障。該公司在蒸汽疏水閥上安裝了近200個(gè)無線聲波變送器（圖4）——每個(gè)疏水閥上的安裝時(shí)間不超過10分鐘——全部用于提供故障疏水閥的即時(shí)報(bào)警，此外，還在壓力安全閥上安裝了幾十個(gè)這樣的變送器。在一年之內(nèi)，該系統(tǒng)即通過節(jié)約的能源幫助用戶收回了投資。
文章首次刊登于Hazardex雜志
小結(jié)
在過去，用于關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的普適測(cè)量受制于部署成本和難度、技術(shù)復(fù)雜性以及訪問和使用結(jié)果數(shù)據(jù)方面的困難。在當(dāng)時(shí)，普適測(cè)量的成本高昂且信息效益低。儀表和分析軟件的進(jìn)步改變了這一狀況。普適測(cè)量能深刻地影響可靠性、安全性、效率和環(huán)境合規(guī)，并有助于進(jìn)行基于分析的預(yù)測(cè)性維護(hù)。我們有充分的理由相信，普適測(cè)量應(yīng)用將不斷向各種行業(yè)擴(kuò)展，它將對(duì)這些行業(yè)的生產(chǎn)率、環(huán)境合規(guī)和贏利能力產(chǎn)生積極影響。
(1):Robin Tems和Ahmed M. Al Zharani，“生產(chǎn)和精煉中的腐蝕成本”，《沙特阿美公司技術(shù)雜志》，2006年夏，第2頁。
