图1 控制阀近年安装概况
如图1所示可以看出，控制阀包括阀门附件一直在稳定第增长，随着数字时代的来临，在工业4.0智能制造背景下，如何激发现有控制阀的潜力，避免无计划无目的维修成为越来越重要的课题。
阀门定位器作为控制阀的主要附件，用于提高控制阀控制精度，并可提供阀门的相关数据，以便数字化集成。在数字化大潮引领下，现场总线技术的发展迅速，与之相匹配的智能化仪表也得到了加速发展。据不完全统计，目前已有的超过30000000的HART现场设备中，HART5数字定位器已占比重超过80%，近年来更向WirelessHART演进，以用于无线解决方案。
现场配备的智能数字阀门定位器，可以轻松实现自校准/整定、自适应、状态监测、在线动态特性分析和设备故障诊断，使之成为流程工业现场的智能设备。在此基础上，通过诊断软件，分析和判别控制阀的“健康”状况，从而改变了传统观念上控制阀的维护，减少阀门在运行期间的事故发生，同时延长阀门的使用寿命。根据定位器的设计结构和工作原理可分类为： 气动、电气以及数字式电气阀门定位器(也称为智能电气阀门定位器smart positioner)。数字式电气阀门定位器是采用微处理技术和功能模块的新一代高性能电气阀门定位器，具有自校准、自适应、自诊断功能和免维护运行，一般分为带通信类型(HART、Profibus-PA、FF)和不带通信类型。业界各大阀门厂家，如GE梅索尼兰(Masoneilan)、艾默生(Emerson)、西门子、ABB、福斯(Flowserve)、SAMSON都有基于HART、现场总线FF的定位器推出。本文将在探讨控制阀诊断-预测性维护技术的基础上，结合现场应用，探讨分析阀门在线诊断的趋势及热点。
图2 GE梅索尼兰 ValVue配置诊断软件的高级诊断示意图
控制阀维护方式的演化
国内外的控制阀维护，根据维护方式采用的技术，周期等可以分为以下四种方法：被动性维护(Reactive Maintenance)；预防性维护(Preventive Maintenance)；离线诊断维护(Offline Diagnostic Maintenance)和预测性维护(Predictive Maintenance)。分别代表阀门维修的4个阶段， 如图3所示。
图3 阀门检维修从1.0到4.0对应的成本
①被动性维护：阀门维修1.0
被动性维护是以前常见的一种方式，也是最无奈的一种。在使用过程中，控制阀自身或执行机构等附件出现故障时，会造成控制阀无法正常工作，更严重的情况会导致整个工艺装置不能正常工作，造成安全或生产事故。
对其进行检测维修，往往是临时、不可预测并紧急的。这是一种计划外的随机维护方式，根据发生问题的大小，进行维修或更换。主要特点是：故障时间不确定。无计划的维护常常会增加维护生产成本。而对阀门故障的误判，更会扩大检维修的工作量和影响正常使用时间。
②预防性维护：阀门维修2.0
预防性维护就是现场的一些中修、大修计划，也是比较常见的一种实践。根据以往的生产过程以及现场检修工的经验，有计划有步骤地安排某些点位的控制阀进行维护或检修，以防止控制阀的事故发生。预防性维护已经开始有了计划和预判，这是一大进步。它虽然能避免一些控制阀事故的产生，但由于没有现场使用的控制阀的更多数字信息，在安排上不可避免地会造成过度维修的现象：一些工作正常的阀门也被安排在检修行列，而某些不适用的控制阀仍被使用在过程控制系统中。
另外，如果由非厂家技术人员或未经过厂家授权的技术人员解体检修控制阀，也常会出现检修后还不如检修前的尴尬情况。ARC咨询机构1999年的一份研究成果中得出 “多达60%的计划性控制阀维修是不必要的” 的结论。这也从一个侧面说明预防性维护的不足。
③离线诊断维护(Offline Diagnostic Maintenance) ：阀门维修3.0
在阀门维修3.0阶段，通过对预防性维护计划的阀门进行离线诊断，缩小并定位阀门故障问题，从而可以避免维修的盲目性。但它的不足在于，装置内所有排班的阀门依然需要离线诊断，工作量很大，而且同样会导致装置的现场停车，经济损失不可谓不小。
④预测性维护：阀门维修4.0
最后，就是在工业4.0时代下，利用大数据以及智能仪表的数据分析推出的预测性维护，又称为预见性维护，诊断技术(诊断专家系统)的高级演化版。利用这一系统，可以进行后台监测和诊断预警的维护方式，在控制阀还没有产生故障或刚刚产生故障时，通过状态参数预测可能出现的情况和预期的时间，并根据控制阀的功能安全和时间关联性来进行维护。来自GE梅索尼兰的ValveAware作为代表，它完美地结合了数字定位器获取的控制阀的信息，并通过后台的数据模型分析，给出精准的阀门体检报告。具有只读设备，不干扰现场运行以及全兼容各个厂家阀门定位器的特点。控制阀预测性维护正朝着人工智能故障识别和诊断技术以及专家系统的方向快速发展，控制阀数字解决方案提升并维持控制阀工作性能，延长了运行时间和生命周期，预测性维护明显降低了故障频次，并可以减少预防性维护的工作，提高阀门维修的计划性，降低了工厂费用，应用成果显著。 如图4所示为阀门维修4.0的模式。在过往的几年时间，已经在BP、Shell壳牌、美孚位于世界各地的工厂部署多套系统，已成功为工厂客户每次维修节省上百万美元的成本。
图4 阀门维修4.0的模式
ValveAware阀门在线诊断系统，来自GE的匠心之作
梅索尼兰作为业界著名品牌，在长达100多年的阀门研发制造经验基础上，结合GE云平台Predix推出的在线诊断系统ValveAware很好的解决了阀门体检的常见问题，宣告了阀门维修4.0时代的来临。
图5 GE ValveAware阀门在线诊断系统，全兼容现场阀门数字定位器及主流DCS
在业界首推的全兼容数字定位器，全兼容DCS以及完备的数据分析能力，并首次引入Dashboard仪表板功能，开创性地引入VHI阀门健康指数概念，使得用户使用起来简单，界面全中文并具备丰富的定时监测、报表功能。
图6 ValveAware的阀门健康指数VHI以及仪表板Dashboard截图
ValveAware在后台通过对DCS或数字定位器的信号分析，结合各种数据进行运算、比较、分析、组态，将出现异常的信息通过专利软件输出报警信号，直观地显示在阀门健康指数VHI上：并用红黄绿3种颜色加以区分；并加以预警警报功能，所有图标指示符合NAMUR NE 107标准。
ValveAware通过采集简单的数字信号，计算出阀门的动作频率、行程位移等，并结合积累的行业数据专家库，从而可以计算出控制阀的 “健康” 状况。常见的错误类型包括：填料堵塞、泄漏(涵盖内漏外漏)以及噪声诊断等都可以轻松涵盖。
由此可见智能型阀门定位器对阀门的故障诊断是通过安装在执行机构和阀体上的附加传感器来完成的。定位器获得了现场的许多原始数据，在ValveAware等系统后台，可以通过对这些数据的分析、运算、判断等处理，结合逻辑组运算建模，从而可以快速辨识所有的变量，发现异常情况立即采取应急措施并报警。
GE研发的在线诊断系统ValveAware，在专利算法的基础上，经过近2年在世界各地的部署以及数据分析，可以完成常见阀门故障的检测报告。这些故障包括阀门/执行机构的摩擦力、执行机构的信号范围、弹簧刚度及阀座的关闭力以及响应特性测试等。这样一来，使得阀门的预防性维护(Maintenance)转向预见性维护(Predictive Diagnostic)，减少了停车时间，大大降低生产总运行成本，从而提高了生产力并最终给工厂带来收益，引领了阀门诊断行业的新潮流。