專(zhuān)利名稱(chēng)：探測(cè)斷裂的閥桿的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將控制過(guò)程變量的流體閥定位的閥位控制器(valvepositioner)。本發(fā)明尤其涉及一種用于探測(cè)控制閥的失靈元件，如損壞或斷裂的閥桿，或損壞的閥塞或閥座的方法。
發(fā)明的背景閥位控制器通常用于在輸油管、輸氣管、化學(xué)處理廠等中控制流體閥和相關(guān)流體。通常，閥位控制器包括微處理器，用于精確控制過(guò)程(process)中的流體，并對(duì)閥門(mén)進(jìn)行診斷操作。
過(guò)程控制業(yè)現(xiàn)使用各類(lèi)型的閥位控制器。有些閥位控制器以機(jī)械方式接到致動(dòng)器，有些則將致動(dòng)器插入閥位控制器內(nèi)部。致動(dòng)器提供將閥門(mén)實(shí)際定位的裝置(means)，可用電力、液壓或氣壓操作。電力致動(dòng)器有電流信號(hào)，電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)器(motor)，傳動(dòng)器將閥門(mén)定位。液壓致動(dòng)器具備用于將閥門(mén)定位的充油裝置。在過(guò)程控制業(yè)中，一種最常見(jiàn)的類(lèi)型的閥門(mén)致動(dòng)器-氣壓致動(dòng)器裝有一個(gè)或一組活塞，以及一隔膜(diaphragm)。閥位控制器取決于應(yīng)用和控制集成程度，從控制器接收多種代表閥門(mén)期望位置的輸入。一種類(lèi)型是電流量為4-20毫安或10-50毫安的電流輸入，第2類(lèi)型是疊加于電流信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，第3類(lèi)型是全數(shù)字輸入，如Fieldbus或HART。另外，閥位控制器還可接收每平方英寸(PSI)3至15磅，代表閥門(mén)期望位置的氣壓輸入。閥門(mén)控制器還取決于集成程度和應(yīng)用，有不同類(lèi)型的輸出。有些閥門(mén)控制器向傳動(dòng)器提供輸出電流，而其他閥門(mén)控制器則有快速響應(yīng)液壓輸出。閥門(mén)控制器最常見(jiàn)的一種類(lèi)型輸出是每平方英寸0至200磅氣壓輸出。按照本應(yīng)用中的“閥門(mén)控制器”一詞包括所有現(xiàn)場(chǎng)安裝的儀器，其中包括各種輸入和輸出，以及其相應(yīng)用于閥門(mén)定位的裝置(如果適用)。
在彈簧和活塞/隔膜致動(dòng)器最常見(jiàn)的情況中，隔膜會(huì)因閥門(mén)定位器所傳送的壓力而偏移(deflect)，以此分別向控制閥桿或旋轉(zhuǎn)元件施加作用力或力矩，從而改變閥門(mén)位置。差不多所有閥門(mén)控制器都裝有機(jī)械或電子閥位傳感器，以提供閥位信號(hào)，閥位信號(hào)會(huì)反饋到閥位控制器中的以微處理器為基礎(chǔ)的控制部分。無(wú)論什么用于傳送壓力將閥門(mén)定位的具體裝置，裝有以微處理器為基礎(chǔ)的控制規(guī)則系統(tǒng)(algorithim)的閥位控制器是公知的。
美國(guó)第5,549,137、5,558,115、5,573,032號(hào)專(zhuān)利(全都如本申請(qǐng)，轉(zhuǎn)讓給同一受讓方)，各提供一種以微處理器為基礎(chǔ)的閥位控制器，而這些閥位控制器有實(shí)時(shí)診斷器，以提供閥門(mén)和致動(dòng)器是否完整的信息。所有這些以微處理器為基礎(chǔ)的閥位控制器，全不能易于探測(cè)斷裂的閥桿、斷裂或損壞的閥塞，或斷裂或損壞的閥座。例如以閥位控制器儀器的鏈接裝置完整的方式如果閥桿斷裂，該儀器監(jiān)測(cè)反饋信號(hào)并將致動(dòng)器定位到認(rèn)為是正確閥位的位置，閥塞實(shí)際上并無(wú)移動(dòng)。在現(xiàn)代以微處理器為基礎(chǔ)的閥位控制器儀器中，閥位控制器會(huì)對(duì)閥桿斷裂過(guò)程中迅速響應(yīng)(通常少于100毫秒)。儀器快速響應(yīng)將掩蔽(mask)任何可能的主機(jī)對(duì)閥門(mén)性能的監(jiān)測(cè)，使閥桿斷裂的發(fā)生繼續(xù)未被發(fā)現(xiàn)，直到一些過(guò)程因閥門(mén)性能失靈而變化為止。在此情況下，閥塞可能以一種沒(méi)對(duì)過(guò)程造成很大干擾的方式失靈，使斷裂或已損壞的閥桿、閥塞、閥座可能繼續(xù)長(zhǎng)期未被發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致過(guò)程失控。
實(shí)際探測(cè)這種斷裂的閥門(mén)元件，如斷裂或損壞的閥桿、閥塞或閥座，就需要一振動(dòng)傳感器或某些其他復(fù)雜的機(jī)械傳感器，但費(fèi)用昂貴，還需對(duì)閥位控制器和閥門(mén)組件添加硬件。因此，希望提供一種技術(shù)可用于對(duì)閥門(mén)元件可能的斷裂提供充分的指示，以便建議需由技術(shù)員檢查。特別是，希望提供這種閥桿、閥塞、閥座失靈的探測(cè)技術(shù)，其無(wú)需添加機(jī)械元件，并且不取決于特定閥門(mén)配置，并且因此易于實(shí)現(xiàn)提早警報(bào)指示閥門(mén)元件可能的斷裂。
發(fā)明概述根據(jù)是本發(fā)明的原理，本發(fā)明提供一種用于指示在一種配置中，閥桿、閥塞或閥座可能失靈的方法。在該類(lèi)型配置中，以微處理器為基礎(chǔ)的閥位控制器在過(guò)程控制系統(tǒng)中控制閥門(mén)致動(dòng)器和流體控制閥門(mén)。
特別是，監(jiān)測(cè)對(duì)于以微處理器為基礎(chǔ)的壓力(I/P)式閥位控制器的電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，還監(jiān)測(cè)連接到閥門(mén)致動(dòng)器的閥位控制器的驅(qū)動(dòng)壓力輸出，用于在輸入到閥位控制器的設(shè)定點(diǎn)(set point)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變的情況下，探測(cè)離開(kāi)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)壓力的預(yù)定變化。還監(jiān)測(cè)閥桿位置反饋信號(hào)，在設(shè)定點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變的情況下，用于探測(cè)離開(kāi)穩(wěn)定的閥桿位置反饋信號(hào)的預(yù)定變化。如果探測(cè)到穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)壓力和閥桿位置反饋信號(hào)中的至少一個(gè)預(yù)定變化，則提供閥桿、閥塞或閥座發(fā)生了故障的指示。
當(dāng)閥桿、閥塞或閥座故障指示出現(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程數(shù)值，用以探測(cè)過(guò)程數(shù)值的偏差，如監(jiān)測(cè)過(guò)程流量對(duì)于一設(shè)定點(diǎn)數(shù)值的關(guān)系，并在設(shè)定點(diǎn)不變的情況下，探測(cè)這種關(guān)系的變化。在設(shè)定點(diǎn)不變的情況下，過(guò)程數(shù)值的偏差，指示閥桿可能斷裂，或閥塞或閥座可能損壞。
當(dāng)實(shí)施本發(fā)明所提供的方法時(shí)，并行進(jìn)行兩種警報(bào)探測(cè)。第一種警報(bào)用于表示閥門(mén)有故障。在設(shè)定點(diǎn)無(wú)相應(yīng)變化的情況下，這種警報(bào)表示驅(qū)動(dòng)壓力和/或閥位反饋信號(hào)重大變化，如變化超過(guò)10％。于是探測(cè)到這種重大預(yù)定變化后，能啟動(dòng)第二種警報(bào)探測(cè)。
第二種警報(bào)在設(shè)定點(diǎn)不變的情況下，會(huì)查找設(shè)定點(diǎn)對(duì)于過(guò)程數(shù)值關(guān)系的變化。如果探測(cè)到差別，則該過(guò)程可發(fā)出指示，指示閥桿、閥塞或閥座可能出現(xiàn)問(wèn)題。然后，操作者會(huì)查找過(guò)程發(fā)生了什么問(wèn)題。如果測(cè)到問(wèn)題，可引導(dǎo)有關(guān)人員檢查閥門(mén)。
本發(fā)明最顯著的優(yōu)點(diǎn)，是可在早期階段探測(cè)閥門(mén)有何問(wèn)題，從而避免高價(jià)的過(guò)程流體的可能流失。此外，本發(fā)明還可用于識(shí)別和選擇可能需要檢查的流體控制閥門(mén)。


特別是在所提出的權(quán)利要求中描述了據(jù)信是創(chuàng)新的本發(fā)明的特征。參照結(jié)合附圖所進(jìn)行的如下描述，可充分理解本發(fā)明，在各附圖中相同構(gòu)件由相同編號(hào)識(shí)別，各附圖中圖1是一示意圖，說(shuō)明在一種過(guò)程控制系統(tǒng)中，一種以微處理器為基礎(chǔ)的閥位控制器正操作一種致動(dòng)器和一種流體控制閥門(mén)。
圖2是一流程圖，說(shuō)明實(shí)施本發(fā)明的方法的步驟。
詳細(xì)描述現(xiàn)介紹圖1。圖1說(shuō)明一種以微處理器為基礎(chǔ)的閥位控制器10，其中包括提供有電流的壓力控制器(positioner)12和微處理器14。閥位控制器10連接到壓力源16，經(jīng)輸入線(xiàn)路18接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于經(jīng)輸出線(xiàn)路20向閥門(mén)致動(dòng)器22提供相應(yīng)驅(qū)動(dòng)壓力。致動(dòng)器22的輸出端連接到流體控制閥門(mén)26的閥桿24。閥門(mén)26連接到流體處理系統(tǒng)的管線(xiàn)28。閥桿24連接到閥塞30(而閥塞30與閥座32密封連接)，以控制從進(jìn)口閥34通過(guò)處于閥門(mén)開(kāi)啟位置的閥座流動(dòng)到出口閥36的流體。
在流體處理控制系統(tǒng)的典型操作中，設(shè)定點(diǎn)電路38經(jīng)輸入線(xiàn)路18向微處理器14提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以此經(jīng)由致動(dòng)器22移動(dòng)閥桿，進(jìn)而在閥門(mén)26輸出26中提供期望過(guò)程數(shù)值。由過(guò)程數(shù)值測(cè)量器(40)確定該過(guò)程數(shù)值(例如可是期望流量)，例如用于連接到公知的過(guò)程比例/積分/微分(PID)單元42，以便將設(shè)定點(diǎn)38重新設(shè)定。由連接到閥桿的反饋鏈接裝置44提供閥桿24與閥位控制器10之間公知的反饋配置，以便向閥位傳感器46提供關(guān)于閥桿位置的信息。由閥位傳感器46發(fā)出的閥位反饋信號(hào)，經(jīng)反饋線(xiàn)路48耦合到微處理器14。
在這種典型流體處理控制系統(tǒng)中，一標(biāo)準(zhǔn)閥位控制器無(wú)法易于深測(cè)斷裂的閥桿24。如果閥桿24在反饋連接裝置44與閥塞30之間的位置斷裂，但連接到致動(dòng)器22的反饋連接裝置44依然完好無(wú)損，一標(biāo)準(zhǔn)閥位控制器監(jiān)測(cè)反饋信號(hào)，并將致動(dòng)器置于其認(rèn)為正確的位置，但由于閥桿24已經(jīng)斷裂，閥塞30實(shí)際上并無(wú)移動(dòng)。此外，在現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)儀器中，閥位控制器會(huì)對(duì)該過(guò)程迅速響應(yīng)(通常少于10毫秒)?，F(xiàn)場(chǎng)儀器迅速響應(yīng)掩蔽了監(jiān)測(cè)閥門(mén)性能的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，使閥桿斷裂繼續(xù)未被探測(cè)到，直到一些過(guò)程數(shù)值因閥門(mén)性能失靈而發(fā)生變化，而過(guò)程數(shù)值測(cè)量器40會(huì)檢測(cè)這一變化。正如早前指出，在某些情況下，閥桿和閥塞以可沒(méi)對(duì)過(guò)程造成很大干擾的方式失靈，使斷裂的閥桿/閥塞可能有一段時(shí)間未被探測(cè)到。這會(huì)導(dǎo)致過(guò)程失控。
現(xiàn)介紹圖2。圖2表示一種提供指示閥桿、閥塞或閥座可能出現(xiàn)問(wèn)題的方法。該方法可與其他指示器并用，以建議技術(shù)員應(yīng)進(jìn)行檢查。在本發(fā)明的閥位控制器10中，微處理器14包括一個(gè)斷裂閥桿/閥塞/閥座探測(cè)規(guī)則系統(tǒng)50，其執(zhí)行圖2所示的步驟。
如圖2所示，在步驟52，監(jiān)測(cè)從設(shè)定點(diǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的經(jīng)線(xiàn)路20的驅(qū)動(dòng)壓力，以判定是否維持穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)壓力52。此外，在步驟54，監(jiān)測(cè)經(jīng)反饋線(xiàn)路48傳送的閥位反饋信號(hào)，以判定是否維持穩(wěn)定的閥位反饋54。如果有穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)壓力52和穩(wěn)定的閥位反饋54，則判定閥桿沒(méi)有動(dòng)作56(activity)，并退出探測(cè)例行程序58。然而，如果例如閥桿斷裂，作用在致動(dòng)器22的力變化，因?yàn)殚y塞將來(lái)自過(guò)程的某些力(或來(lái)自閥體的摩擦力)作用到致動(dòng)器。
圖2說(shuō)明兩種并行警報(bào)探測(cè)。第一種警報(bào)表示閥門(mén)故障的警報(bào)。這種警報(bào)表示在設(shè)定點(diǎn)38無(wú)相應(yīng)變化的情況下，驅(qū)動(dòng)壓力20有重大變化，如變化超過(guò)10％(由穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)步驟52判定)，和/或閥位反饋信號(hào)48的變化超過(guò)10％(由閥位反饋穩(wěn)定監(jiān)測(cè)步驟54判定)。因此，如果在步驟52沒(méi)有穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)壓力，則經(jīng)線(xiàn)路60發(fā)出警報(bào)，步驟62表示產(chǎn)生閥桿故障。同樣，如果閥位反饋信號(hào)變化超過(guò)10％，則穩(wěn)定閥位反饋步驟54監(jiān)測(cè)這種變化，并經(jīng)線(xiàn)路64發(fā)出指示，以示產(chǎn)生閥桿故障62。
閥桿故障62的產(chǎn)生，會(huì)啟動(dòng)過(guò)程偏差探測(cè)步驟66，對(duì)在在某個(gè)時(shí)間區(qū)間即相對(duì)于過(guò)程響應(yīng)時(shí)間(即所謂“空載時(shí)間(dead time)”特定設(shè)定點(diǎn)，查找過(guò)程數(shù)值測(cè)量器40任何過(guò)程偏差。時(shí)間區(qū)間例如在以往某個(gè)測(cè)量周期中判定，而測(cè)試周期過(guò)程數(shù)值對(duì)于設(shè)定點(diǎn)的關(guān)系存儲(chǔ)在微處理器14中。
在過(guò)程比較步驟68中，在設(shè)定點(diǎn)不變的情況下，檢查設(shè)定點(diǎn)對(duì)于過(guò)程數(shù)值的關(guān)系(即，設(shè)定點(diǎn)38對(duì)于過(guò)程數(shù)值測(cè)量器40的關(guān)系)。即過(guò)程變化比較步驟68與以往某個(gè)測(cè)試周期的設(shè)定點(diǎn)對(duì)于過(guò)程數(shù)值的關(guān)系相比較，查找對(duì)于同一控制器和同一個(gè)設(shè)定點(diǎn)，當(dāng)前設(shè)定點(diǎn)對(duì)于過(guò)程數(shù)值的關(guān)系之間的變化。如果探測(cè)到過(guò)程數(shù)值對(duì)于設(shè)定點(diǎn)的關(guān)系的差別，就會(huì)指出有故障發(fā)生，繼而發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)閥桿和過(guò)程警報(bào)步驟70，向操作者發(fā)出警報(bào)，指示閥桿、閥塞或閥座可能出現(xiàn)問(wèn)題。然后，操作者可查找過(guò)程發(fā)生了什么問(wèn)題?；蛱綔y(cè)到問(wèn)題，可引導(dǎo)有關(guān)人員檢查閥門(mén)26。
為清楚理解已經(jīng)提供以上詳細(xì)描述，不應(yīng)由此理解為必要的限制，顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.在一種以微處理器為基礎(chǔ)的閥位控制器中，具有設(shè)定點(diǎn)輸入并提供用于控制閥門(mén)致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于響應(yīng)對(duì)于閥位控制器的閥桿位置反饋信號(hào)，利用相應(yīng)驅(qū)動(dòng)壓力，相對(duì)流體控制閥門(mén)的閥座操作閥桿和閥塞并將其定位一種提供指示閥桿、閥塞或閥座可能失靈的方法；所述方法包括監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；監(jiān)測(cè)對(duì)于閥門(mén)致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)壓力，用于在設(shè)定點(diǎn)不變的情況下，探測(cè)離開(kāi)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)壓力的預(yù)定變化；監(jiān)測(cè)對(duì)于閥位控制器的閥桿位置反饋，用于在設(shè)定點(diǎn)不變的情況下，探測(cè)離開(kāi)穩(wěn)定的閥桿位置反饋信號(hào)的預(yù)定變化；如果探測(cè)到穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)壓力和閥桿位置反饋信號(hào)中至少一個(gè)的預(yù)定變化，提供閥桿、閥塞或閥座故障的指示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述探測(cè)閥桿、閥塞或閥座可能失靈的方法，其中包括響應(yīng)于閥桿、閥塞或閥座的故障指示，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程數(shù)值，用以探測(cè)過(guò)程數(shù)值的任何偏差。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，在該方法中，所述監(jiān)測(cè)過(guò)程數(shù)值包括監(jiān)測(cè)過(guò)程流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，在該方法中，所述監(jiān)測(cè)過(guò)程流量包括監(jiān)測(cè)一過(guò)程流量對(duì)于設(shè)定點(diǎn)數(shù)值的關(guān)系，并探測(cè)在設(shè)定點(diǎn)不變的情況下所述關(guān)系任何變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括響應(yīng)于探測(cè)到過(guò)程數(shù)值的偏差提供警報(bào)，以此指示閥桿可能斷裂，或閥塞或閥座可能損壞。
全文摘要
一種在具有以微處理器為基礎(chǔ)的閥位控制器的過(guò)程控制系統(tǒng)中，對(duì)流體控制閥閥桿、閥塞或閥座的可能失靈提供指示和警報(bào)的方法。監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)壓力、驅(qū)動(dòng)信號(hào)、閥位反饋信號(hào)。如果探測(cè)到驅(qū)動(dòng)壓力或閥位反饋的變化大過(guò)預(yù)定變化，則啟動(dòng)第二系列的探測(cè)步驟。在第二系列的探測(cè)步驟中，對(duì)于同一設(shè)定點(diǎn)，將目前設(shè)定點(diǎn)如流量或其他過(guò)程變量對(duì)于過(guò)程數(shù)值的關(guān)系，與存儲(chǔ)測(cè)試周期所衍生的設(shè)定點(diǎn)對(duì)于過(guò)程數(shù)值的關(guān)系相比較。如果過(guò)程數(shù)值變化，操作者會(huì)收到警報(bào)；因?yàn)檫@種變化可能指示閥桿、閥塞、閥座已經(jīng)損壞，需要檢查。
文檔編號(hào)F16K37/00GK1503884SQ02808309
公開(kāi)日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月17日
發(fā)明者布倫特·H·拉森, 哈里·A·伯恩斯, 拉里·K·布朗, A 伯恩斯, K 布朗, 布倫特 H 拉森 申請(qǐng)人:費(fèi)希爾控制國(guó)際公司