專利名稱：通用緊急關(guān)閉裝置控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請總體上涉及在過程控制環(huán)境中使用的緊急關(guān)閉系統(tǒng)，更具體地涉 及用于在緊急關(guān)閉裝置的測試和診斷中使用的通用控制器和在過程控制環(huán) 境中使用的支持設(shè)備。
背景技術(shù)：
安全儀器系統(tǒng)典型地合并緊急關(guān)閉岡，所述緊急關(guān)閉閥通常處于完全打 開或完全關(guān)閉狀態(tài)并由邏輯解算器、可編程邏輯控制器(PLC)或在發(fā)生緊 急情況時改變狀態(tài)的某類型的緊急關(guān)閉控制器控制。為確保這些閥可正確工
測試運(yùn)行這些閥門而周期性地測試緊急關(guān)閉閥。因?yàn)檫@些測試典型地在所述 過程在線運(yùn)行或運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)行，因此可靠地進(jìn)行測試，隨后將閥盡塊轉(zhuǎn)至其正 常狀態(tài)是非常重要的。在此文中，術(shù)語"正常狀態(tài)"指沒有緊急情況時和緊 急關(guān)閉閥未被測試時，即過程正常運(yùn)行時的緊急關(guān)閉閥的位置或狀態(tài)。
在許多情況下，緊急關(guān)閉測試由位于遠(yuǎn)處的控制器以預(yù)定時間間隔進(jìn) 行。例如，緊急關(guān)閉測試可由于麻煩的測試程序和人力問題每年僅進(jìn)行幾次。 而且，在緊急關(guān)閉測試過程中，如果發(fā)生真正的緊急情況時，緊急關(guān)閉閥或 其他被測的緊急關(guān)閉裝置無法使用。但是，有限的、周期性的測試不是檢驗(yàn) 緊急關(guān)閉測試系統(tǒng)可操作性的有效方法。其結(jié)果是，在某些情況下，數(shù)字閥 控制器被編程以幫助閥觀'j試的操作，以使測試更自動化，對用戶友好和可靠。
另外，典型重要的是，任何緊急關(guān)閉系統(tǒng)即使在未必發(fā)生但有可能的緊 急關(guān)閉裝置測試過程中緊急事件發(fā)生的情況下由緊急關(guān)閉控制器命令時，都 能夠啟動一緊急關(guān)閉裝置(例如一緊急關(guān)閉閥)至其安全情況。在此文中， 術(shù)語"安全情況"指緊急關(guān)閉裝置使過程設(shè)備或過程設(shè)備的部分"安全"的 位置。典型地，此安全位置與關(guān)閉或停止過程設(shè)備某部分的關(guān)閉裝置的位置 相關(guān)聯(lián)。
盡管有許多測試最終緊急關(guān)閉裝置的系統(tǒng)，例如緊急關(guān)閉閥自身，但是 在許多情況下與緊急關(guān)閉裝置相關(guān)聯(lián)的支持設(shè)備也應(yīng)被測試，以保證在任何 特定設(shè)備位置緊急關(guān)閉能力的完全可操作性。例如，在一些氣動閥結(jié)構(gòu)中， 一電磁閥連接在緊急關(guān)閉閥的氣動閥致動器與緊急關(guān)閉控制器之間，以響應(yīng) 于來自緊急關(guān)閉控制器的信號來重復(fù)地控制閥致動器的操作。盡管緊急關(guān)閉 閥可以起作用，但電磁閥可能出問題，因而不能作為啟動緊急關(guān)閉閥的重復(fù) 方法而正確工作。在一些情況下，不正確工作的電磁閥甚至可能在緊急關(guān)閉 控制器將關(guān)閉信號發(fā)送給緊急關(guān)閉閥的閥控制器時阻止緊急關(guān)閉閥正確動 作。
盡管可以在設(shè)備內(nèi)各緊急關(guān)閉位置開發(fā)和提供專用設(shè)備，以進(jìn)行各不同 緊急關(guān)閉裝置及其支持設(shè)備的測試，但更希望提供一套可在許多不同情況使 用的通用或普通的設(shè)備，以測試不同類型的緊急關(guān)閉裝置和與之相關(guān)聯(lián)的支 持設(shè)備，或者在設(shè)備中執(zhí)行其他功能。例如，希望這樣的通用設(shè)備能夠控制 和測試不同類型的緊急關(guān)閉閥和電^ 茲閥結(jié)構(gòu)，而同時或可選地作為閉環(huán)分布 的過程控制系統(tǒng)的部分而工作。

發(fā)明內(nèi)容
一種例如緊急關(guān)閉閥控制器的多功能或通用緊急關(guān)閉裝置控制器，可用 于多種不同的緊急關(guān)閉結(jié)構(gòu)以使不同類型和結(jié)構(gòu)的緊急關(guān)閉間及與之相關(guān) 聯(lián)的支持設(shè)備能夠控制和測試，而同時還能夠用于其他設(shè)備構(gòu)造，例如閉環(huán) 過程控制結(jié)構(gòu)。在一個示例中，用于緊急關(guān)閉閥的數(shù)字閥控制器包括兩個壓 力傳感器，并適于連接到氣動閥致動器和電動閥裝置以輔助所述閥致動器的 在線測試以及所述電》茲閥的在線測試。
為進(jìn)行所述電,茲閥的測試，所述閥控制器可在該電-茲閥啟動一#爻非常短 的時間后在電》茲閥的不同端口測量壓力。閥控制器可基于^皮測壓力信號之間 差異的導(dǎo)數(shù)，即基于被測傳感器信號之間的差異對時間的變化率確定電磁裝 置是否完全可起作用或可操作。在這種情況下，如果所確定導(dǎo)數(shù)的絕對值大 于預(yù)定的閾值，則數(shù)字閥控制器，或連接到所述數(shù)字閥控制器的緊急關(guān)閉測 試系統(tǒng)可確定電磁鐵處于可接受的操作狀況，如果所確定導(dǎo)數(shù)的絕對值小于 相同或不同的預(yù)定閾值則可確定電磁閥存在問題。
在一種情況下，所述數(shù)字閥控制器可用作壓力傳感器，以基于對供應(yīng)到 閥致動器的壓力的測量控制閥門，所述閥致動器可以是例如彈簧和隔膜型閥 致動器。在這種情況下，所述數(shù)字閥控制器可使用兩個壓力傳感器， 一個進(jìn) 行閥控制，另一個進(jìn)行電磁鐵的測試?？商鎿Q地，所述數(shù)字閥控制器可使用 壓力傳感器中的一個來進(jìn)行基于壓力的控制，即在所述閥的伺服控制環(huán)內(nèi)， 并可使用另一個壓力傳感器，不測試電磁閥，而是測量過程設(shè)備內(nèi)的一些其 他壓力信號。此其他壓力信號需要與緊急關(guān)閉裝置或其相聯(lián)設(shè)備的控制或測 試無關(guān)。在另一種情況，所述數(shù)字閥控制器可使用壓力傳感器中的一個來控 制或限制用來測試閥的力的大小。如此構(gòu)造，數(shù)字閥控制器可通過在測試過 程中過調(diào)節(jié)閥的位置而使對過程的無意的影響最小化。
在另一種情況，數(shù)字閥控制器可用作定位器，并基于由位置傳感器提供 給數(shù)字閥控制器的位置測量控制閥的運(yùn)動。在這種情況下，數(shù)字閥控制器可使用壓力傳感器中的 一個來進(jìn)行電磁鐵或與緊急關(guān)閉裝置相關(guān)聯(lián)的其他設(shè) 備的測試，并可使用第二壓力傳感器來檢測在緊急關(guān)閉裝置的伺服控制環(huán)內(nèi) 不需要的或用于測試緊急關(guān)閉裝置的另外的壓力信號。在這種情況下，例如， 數(shù)字閥控制器的第二壓力傳感器可連接到過程設(shè)備內(nèi)的另 一位置，例如連接 到來自緊急關(guān)閉閥的流體線路，以向緊急關(guān)閉控制器，甚至向與過程的正常 控制相關(guān)聯(lián)的過程控制器提供過程可變信號。
更進(jìn)一步，相同的數(shù)字閥控制器可用在緊急關(guān)閉裝置結(jié)構(gòu)的外部，并可 使用壓力控制(即如同一壓力傳感器)或位置控制(即如同一定位器)來控 制一閥。在先前的情況中，傳感器中的一個可為了控制的目的，即作為壓力 反饋，用于測量閥的氣動環(huán)路中的壓力，而其他傳感器可用于測量與閥無關(guān) 或者控制或測量閥所需要的壓力。在后一種情況下，兩個傳感器都可用于測 量與閥無關(guān)的或者控制或測試閥所需要的壓力。
緊急關(guān)閉裝置控制器可包括處理器、聯(lián)接到該處理器的存儲器以及聯(lián)接 到該處理器的通信輸入，該通信輸入適于接收來自例如緊急關(guān)閉控制器、用 戶等的測試致動信號。 一個或多個第一測試程序存儲在該存儲器中，并各自 適于在處理器上執(zhí)行，以使某種緊急關(guān)閉測試響應(yīng)于來自例如緊急關(guān)閉控制 器的適當(dāng)測試開始信號的接收而進(jìn)行。這些測試程序可例如為閥的部分或完 全行程測試程序、用于電磁閥的程序，等。 一個或多個第二程序存儲在存儲 器中，并適于在例如電磁閥的緊急關(guān)閉測試過程中在處理器上執(zhí)行，以使一 個或多個傳感器輸出存儲在存儲器中以用于隨后的檢索，和/或經(jīng)處理以確 定一個或多個例如與緊急關(guān)閉裝置相關(guān)聯(lián)的電磁閥這樣的裝置的操作功能 性。
如上所述，緊急關(guān)閉裝置控制器可包括通信單元，其中該通信單元聯(lián)接
到處理器，并通過通信網(wǎng)絡(luò)或線路使用開放的例如HART協(xié)議、 FOUNDATION⑧現(xiàn)場總線協(xié)議或任何其他希望的專有或非專有的通信協(xié)議 與診斷裝置或控制器通信。在某些結(jié)構(gòu)中，該通信單元可向通過通信網(wǎng)絡(luò)或 通信線路向過程控制系統(tǒng)中的另外的裝置發(fā)送一個或多個收集的傳感器信
弓一


圖1是一示例性緊急關(guān)閉系統(tǒng)的幾個部件的示意圖，該緊急關(guān)閉系統(tǒng)包 括氣動緊急關(guān)閉閥、閥致動器、數(shù)字閥控制器和成形為執(zhí)行緊急關(guān)閉操作和
測試的電；茲閥；
圖2是與圖1的緊急關(guān)閉系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的數(shù)字閥控制器的方塊圖； 圖3是一示例性緊急關(guān)閉系統(tǒng)的示意圖，該緊急關(guān)閉系統(tǒng)包括圖l和2 的數(shù)字閥控制器，所述數(shù)字閥控制器成形為在緊急關(guān)閉系統(tǒng)中操作，并收集 該緊急關(guān)閉系統(tǒng)所不使用的或不與之相關(guān)聯(lián)的壓力信號；以及
圖4是一典型閥結(jié)構(gòu)的示意圖，該閥結(jié)構(gòu)包括圖1和2的數(shù)字閥控制器， 該數(shù)字閥控制器成形為操作以在過程設(shè)備的分布式控制系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行閥控制， 從而執(zhí)行閥的閉環(huán)控制，并收集不用于閥的閉環(huán)控制的 一 個或多個輔助壓力 信號。
具體實(shí)施例方式
在許多工業(yè)中，閥和其他機(jī)械裝置用于過程控制系統(tǒng)中，以在緊急情況 發(fā)生時迅速將過程轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)。周期性地測試這些閥門和相關(guān)的電/機(jī) 械裝置，以檢驗(yàn)它們處于正確操作狀況是重要的。例如，為了檢驗(yàn)緊急關(guān)閉 閥的性能，需要在沒有不當(dāng)?shù)赜绊戇^程的情況下，以可靠和安全的方式檢驗(yàn) 閥的機(jī)械運(yùn)動而。另外，如果閥具有支持設(shè)備，例如附帶的電磁鐵等，則希 望在過程在線運(yùn)行時能夠以安全和可靠的方式，而非不當(dāng)?shù)馗蓴_過程的方式 來測試這些支持設(shè)備。
圖1圖示了示例性緊急關(guān)閉系統(tǒng)10,其可用來測試連接在過程設(shè)備中 的緊急關(guān)閉閥12的操作。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，盡管圖l的實(shí)施例中 示出了緊急關(guān)閉閥系統(tǒng)，但是緊急關(guān)閉系統(tǒng)10可包括或用來控制包括其他 類型的控制裝置、其他類型的閥裝置等的其他類型的緊急關(guān)閉裝置。
如圖1中所示，緊急關(guān)閉閥12可設(shè)置在過程設(shè)備中的流體線路內(nèi)，例
如設(shè)置在具有將流體供應(yīng)至緊急關(guān)閉閥12的入口 12a的部分，和接收來自 緊急關(guān)閉閥12的出口 12b的流體的部分的管道13中。由閥致動器14致動 的緊急關(guān)閉閥12通常可位于兩個位置中的一個，即在允許流體在入口 12a 與出口 12b之間自由流動的完全打開位置，或在阻止流體在入口 12a與出口 12b之間流動的完全關(guān)閉位置。為確保緊急關(guān)閉閥12在真實(shí)的緊急關(guān)閉情 況下正確動作，緊急關(guān)閉閥12可通過使閥致動器14部分打開或關(guān)閉緊急關(guān) 閉閥12而進(jìn)行周期性的測試，這被稱為部分行程測試。當(dāng)然，可進(jìn)行其他 類型的測試以測試閥12的操作能力。
在圖1的示例系統(tǒng)中，緊急關(guān)閉系統(tǒng)10包括圖示為氣動控制致動器的 閥致動器14,并進(jìn)一步包括氣動地連接到閥致動器14以控制閥致動器14 操作的數(shù)字閥控制器(DVC) 16以及電》茲閥18。另外，DVC 16和電石茲閥 18通過通信線路和/或電源線22和24通信地連接到緊急關(guān)閉控制器20。在 一個實(shí)施例中，DVC 16可以是由費(fèi)希爾控制產(chǎn)品國際公司銷售的DVC 6000 閥。在圖1的實(shí)施例中，電磁閥18具有電磁鐵S，該電磁鐵由發(fā)自線路22 上的緊急關(guān)閉控制器20的24伏DC電源信號供電，同時DVC 16通過4-20ma 的通信線24與緊急關(guān)閉控制器20通信，該通信線24可以是例如傳統(tǒng)的 4-20ma控制線、HART協(xié)議線等。當(dāng)然，如果需要的話，DVC16可以通過 任何其他希望的專有或非專有通信網(wǎng)絡(luò)，例如FOUNDATION⑧現(xiàn)場總線網(wǎng) 絡(luò)、Profibus通信網(wǎng)絡(luò)或任何其他已知或稍后開發(fā)的通信網(wǎng)絡(luò)來通信地連接 到緊急關(guān)閉控制器20。同樣，電磁閥18的電磁鐵S可以使用提供在任何希 望的或適合的通信或電源線上的任何其他希望的通信或電源信號連接到緊 急關(guān)閉控制器20并接收來自緊急關(guān)閉控制器20的控制信號。
圖1的閥致動器14圖示為彈簧和隔膜型致動器，其成形為在彈簧偏壓
隔膜(未示出)的一側(cè)(在此指頂側(cè))接收氣動信號，以導(dǎo)致閥12的閥桿
28的運(yùn)動。然而，如果希望的話，閥致動器14可以是一側(cè)或兩側(cè)活塞型致
動器或可以是任何其他類型的已知?dú)鈩娱y致動器。為控制致動器14，DVC 16 接收來自供應(yīng)線30的氣動供應(yīng)壓力信號，并經(jīng)氣動線路34、電磁閥18的 閥部分以及氣動線路36將氣動信號提供至閥致動器14的頂側(cè)。應(yīng)該理解的 是，DVC 16通過控制提供到致動器14頂側(cè)的壓力來控制閥致動器14的運(yùn) 動，從而控制閥桿28的運(yùn)動。當(dāng)然，DVC 16可響應(yīng)于由緊急關(guān)閉控制器 20通過通信線路24發(fā)至DVC 16的控制信號而致使閥致動器14的隔膜運(yùn) 動。
DVC 16可包括一存儲器，該存儲器存儲一個或多個例如部分行程測試 或完全行程測試的行程測試以用于測試閥12， DVC 16可響應(yīng)于由緊急關(guān)閉 控制器20發(fā)出，由在DVC 16自身的用戶或操作者輸入或以任何其他希望 的方式提供給DVC 16的一個或多個測試信號啟動這些測試。當(dāng)然，DVC 16 可用于執(zhí)行任何已知或希望的閥12和閥致動器14上的測試，以確保這些裝 置的可操作性。
在使用例如圖1所示氣動閥致動器的安全儀器裝備的系統(tǒng)中，氣動電磁 閥18經(jīng)常用作確保所有空氣均在緊急要求發(fā)生時從致動器14排空，從而迫 使閥/致動器的結(jié)合到緊急座上，即進(jìn)入安全狀態(tài)的重復(fù)性手段。在正常的 非緊急情況下，閥致動器14受壓以迫使閥12抵靠正?；蚍蔷o急的座，電磁 閥18定位以保持致動器14中的氣動壓力，并使DVC 16通過氣動線路34 調(diào)整該壓力。特別是，在圖l的實(shí)施例中，在緊急關(guān)閉閥12的正常操作過 程(即正常的、非安全或非關(guān)閉狀態(tài))中，如圖l所示，電^f茲閥18將其端 口A連4妻至端口B，以4吏DVC 16可控制線3各36中的壓力，/人而控制在閥 致動器14相關(guān)輸入處的壓力。然而，在緊急關(guān)閉操作過程中，電磁閥18啟 動(通?；谌コ齺碜跃€路22的24伏DC電信號)以將電^茲閥18的端口 A與端口C相連，而同時將線路34與線3各36斷開。應(yīng)當(dāng)理解的是端口 C 通向大氣。當(dāng)此動作發(fā)生時，通過線路36供應(yīng)到閥致動器14的壓力排至大 氣，使得閥致動器14內(nèi)的彈簧偏壓隔膜和相關(guān)連接將閥桿28和閥塞從正常 座移至緊急座。
因此，在正常操作下，電能應(yīng)用到并保持在電^茲閥18的輸入處以啟動
電》茲閥18，允許空氣或其他氣體在電》茲端口 A和B之間自由通過，這使得 DVC 16可通過致動器14交換空氣，從而控制閥致動器14頂側(cè)的內(nèi)壓。當(dāng) 發(fā)生緊急關(guān)閉時，電能從電磁閥18的電磁鐵S去除，允許健康的電磁閥18 移動到相對位置。此動作關(guān)閉端口 B,并將端口 A與端口 C相連，^t人而允 許閥致動器14內(nèi)的空氣排至大氣中。此操作可與DVC 16去除來自線路34 的壓力(例如通過將此壓力排至大氣中)共同發(fā)生或作為其重復(fù)操作，這還 將導(dǎo)致在電^f茲閥18不移動時，閥致動器14將閥12移至緊急座。
如上所述，希望在設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中周期性地測試電磁閥18，以 確保在實(shí)際的緊急情況下，電》茲閥18如期啟動，以實(shí)際上將DVC16從閥 致動器14斷開，并使所有或大多數(shù)氣體/空氣可從閥致動器14的頂側(cè)排出， 從而將閥12移動至緊急座位置。
為幫助此測試過程，DVC 16配備有兩個壓力傳感器40和42,它們定 位以監(jiān)測通過電磁閥18的空氣或其他氣體流。特別是壓力傳感器40監(jiān)測提 供在電-茲閥端口B處，即線路34中的閥控制器輸出壓力，而傳感器42流體 連接到電磁閥端口 A,并監(jiān)測在電磁閥端口 A處的閥致動器壓力。如圖1 所示，傳感器42通過線3各45流體連接到電》茲閥18的端口 A。另夕卜，DVC 16 可配備有測試程序，該測試程序可收集、存儲和處理由傳感器40和42進(jìn)行 的測量，以基于所測得的壓力信號確定電磁閥18的操作能力，這將在下文 中更詳細(xì)地說明。
一般而言，在電磁閥18的測試過程中，緊急關(guān)閉控制器20可將電能從 電磁閥18的電磁鐵S去除一'卜段時間，從而導(dǎo)致健康的電磁閥啟動。此時， 由傳感器40測得的控制器輸出壓力名義上應(yīng)保持恒定(因?yàn)镈VC 16不再 將線路34中的壓力排至大氣)，而由傳感器42測得的端口 A的壓力將隨 著閥致動器14排出而迅速下降。 一般而言，電磁閥18的機(jī)械健康可通過推 斷電-茲閥18從一位置轉(zhuǎn)換到另一位置的行程的速率和長度而進(jìn)行估計。此 推斷可將通過持續(xù)監(jiān)測或確定由傳感器40和42測得的壓力差的絕對值作為 時間的函數(shù)。
更特別地，如果電》茲閥18僅部分啟動，它將不完全打開或關(guān)閉端口 A、
B和/或C。如此削弱的電磁行程將減小閥致動器14排氣的速率，導(dǎo)致端口 A壓力變化的速率比具有健康或正常工作的電磁閥所發(fā)生的速率慢。由于電 /磁閥的結(jié)構(gòu)，這樣的部分啟動還可將端口 B部分地打開至大氣，導(dǎo)致由傳感 器40測量的端口 B壓力同樣下降(而不是保持相同)。這些現(xiàn)象的每一個 都減小端口 A和B之間壓力差的變化率。同樣，如果電》茲閥18由于變差的 物理情況所導(dǎo)致的摩擦而更慢地啟動，則電磁閥18也將更慢地打開和關(guān)閉 其端口 A、 B和/或C,這同樣將影響端口 A和B之間壓力差關(guān)于時間的變 化率。
其結(jié)果是，在電磁閥18的測試過程中(即當(dāng)電能從電磁閥18的電磁鐵 S去除時)，DVC 16可收集并存儲由傳感器40和42測得的壓力測量值。 在測試過程中或之后，DVC 16可進(jìn)行這些測量，以確定電-茲閥18的操作狀 況。特別是，DVC 16可執(zhí)行通常由下面的等式(1)所限定的不連續(xù)時間范 圍的數(shù)字算法，以確定電磁閥18的健康。
DP=abs((Sl-S2)dt) (1) 其中DP=壓差關(guān)于時間的導(dǎo)數(shù)；
Sl二壓力傳感器40的測量值；以及
S2二壓力傳感器42的測量值。 應(yīng)理解的是，無論如何該相同基礎(chǔ)計算或等式的其他實(shí)現(xiàn)是可能的并可被代 替使用。
上面的等式(1)可在電^茲閥測試過程中或在與電》茲閥測試相關(guān)聯(lián)的分 離的時間周期性地進(jìn)^f亍，以計算電,茲閥18的兩端口 A與B之間的壓差關(guān)于 時間的導(dǎo)數(shù)的絕對值。該等式的輸出反應(yīng)電石茲閥18的端口 A相對于端口 B 壓降的變化率。將被理解的是，值DP在壓差變化更快時將更大，意味著電 磁閥響應(yīng)于從線路22去除的電能而被更快速地操作。將量DP與期望閾值 MinDP對比，MinDP在壓力轉(zhuǎn)換足以構(gòu)成健康電^l狀況時提供。換句話說， 正確工作并且無障礙或其他約束摩擦的電磁閥將迅速"躥"至產(chǎn)生壓力的劇200680051502.0
說明書第10/15頁
烈迅速轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致更大的DP值的新位置。阻塞的、緩慢移動的或未完全啟 動的電磁閥將產(chǎn)生更遲緩、圓滑的壓力波形或削弱的壓差，從而產(chǎn)生基于時
間的導(dǎo)數(shù)(DP),其振幅更小。所產(chǎn)生的DP值小于最小DP值的電磁閥可 被確定為有在實(shí)際緊急情況中被要求時無法按期望執(zhí)行的風(fēng)險，并由此可確 定為有故障或需要修理或更換。
在實(shí)踐中，即在實(shí)際測試過程中，例如緊急關(guān)閉控制器20的外部系統(tǒng) 可命令DVC 16發(fā)起電磁閥測試，該測試始于收集來自傳感器40和42的傳 感器測量值以及在傳感器40和42中的一個或多個輸入觀察壓力脈動。此壓 力脈動的接收可起動上述等式(1)的周期性評估。在將測試信號發(fā)至DVC 16之后，緊急關(guān)閉控制器20于是可中斷線路22上的電磁電能一小段時間。 電能中斷的實(shí)際時間將取決于該系統(tǒng)的動態(tài)特性，但可典型地在數(shù)十或數(shù)百 毫秒的量級。該時間長度應(yīng)足以使健康的電磁鐵在正常的操作壓力下實(shí)現(xiàn)完 整的行程，但不足以使閥12產(chǎn)生相當(dāng)大的實(shí)際運(yùn)動，從而阻止受控過程內(nèi) 引入重大干擾。特別是，傳感器40和42以及將這些傳感器連接到電磁閥 18的端口 A和B上的氣動線路成形為確定在這些端口處壓力的下降或變化， 但電磁閥18啟動時間的長度并不足以使閥致動器14能產(chǎn)生大的運(yùn)動或?qū)嶋H 上使閥12產(chǎn)生大的移動量。也就是說，電-茲閥18可被斷電一段短于與電磁 閥、閥致動器以及閥桿結(jié)構(gòu)的#:作相關(guān)聯(lián)的停滯時間(dead-time )或相當(dāng)于 其凄t量級的時間，以-使當(dāng)閥12實(shí)際開始移動時，電；茲閥18斷電并回到其正 常的、非緊急的情況或狀態(tài)。當(dāng)然，此操作是假定電磁閥18操作比閥12快 得多(例如，成數(shù)量級的更快)的典型情況。
無i侖如何，在電石茲閥18恢復(fù)能量之后，DVC 16可由例如緊急關(guān)閉控制 器20通過通信網(wǎng)絡(luò)24進(jìn)行輪詢，以確定是否信號DP曾大到超過預(yù)期標(biāo)準(zhǔn) MinDP。如果是的話，則電；茲閥18可被認(rèn)為是健康的。當(dāng)然，上面等式(l) 的計算可在電磁閥正響應(yīng)于電磁鐵S的斷電而從一個位置移向另一位置時、 電磁閥18處于緊急位置(即已將端口 A與C相連)時和/或在電磁閥18正 響應(yīng)于電磁鐵S的重新通電而從一個位置移向另一位置時進(jìn)行。
一般來說，應(yīng)該理解的是MinDP的值可以是用戶基于電磁鐵類型、所 包含的壓力以及系統(tǒng)的動態(tài)特性而可調(diào)節(jié)或選#^的，并可以任何希望的方 式，例如通過實(shí)驗(yàn)測試來確定。更進(jìn)一步來說，在此描述的電磁鐵是正常時 通電的，致動器正常時加壓的。然而，在此描述的技術(shù)還可應(yīng)用于電f茲鐵正 常時斷電，而僅在緊急需要情況下通電，和/或閥致動器在正常情況下不加 壓，僅在緊急情況下加壓的情況，或它們相結(jié)合的情況。再進(jìn)一步來說，當(dāng) 壓力計算描述為在測試過程中由DVC 16進(jìn)行時，壓力計算可在電^茲閥18 已經(jīng)啟動之后，即測試之后，基于所收集(即存儲)的壓力信號而進(jìn)行，和 /或由任何其他例如緊急關(guān)閉控制器20的裝置進(jìn)行。在這種情況下，DVC將 向緊急關(guān)閉控制器20提供來自傳感器40和42實(shí)時的或存儲的壓力信號。 還進(jìn)一步說，可進(jìn)行任何執(zhí)行等式(l)中導(dǎo)數(shù)計算的方法，例如包括，使 用周期性的數(shù)字取樣和數(shù)字計算，使用機(jī)械裝置或使用模擬電路。
現(xiàn)在參見圖2, DVC 16的方塊圖被圖示以示出某些與DVC 16相關(guān)聯(lián) 的內(nèi)部部件。特別是，除了圖1所示的壓力傳感器40和42之外，DVC 16 還包括處理器50、存儲器52、 一個或多個模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器54、 一個或 多個數(shù)-模(D/A)轉(zhuǎn)換器56、以及電流-壓力轉(zhuǎn)換器58。存儲器52用來存 儲包括用于測試閥12和閥致動器14的測試60以及用于測試電磁閥18以及 任何其他相關(guān)裝置的測試62的指令或腳本。存儲器52還可存儲所收集的傳 感器信號和診斷數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換器54將例如來自傳感器40和42的信號的 模擬傳感器輸入轉(zhuǎn)換為處理器50可直接處理和/或存儲在存儲器52中的數(shù) 字信號?？捎蒁VC 16獲得和存儲的傳感器輸入的其他示例包括閥桿行程或 位置信號(或閥塞行程或位置信號)，輸出線路壓力信號、回路電流信號等。
D / A轉(zhuǎn)換器56可將來自處理器50的多個數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為模擬信號， 這些模擬信號在某些情況下可用于電流-壓力轉(zhuǎn)換器58,以控制壓力或氣動 開關(guān)64。氣動開關(guān)64將壓力供應(yīng)線路30 (圖1)聯(lián)接至一個或多個輸出線 路，例如圖1的線路34。當(dāng)然，氣動開關(guān)64還可以或者在某些情況下，將 線路34與大氣線路65相連，以將受壓氣體排至大氣?？蛇x地，流-壓轉(zhuǎn)換
器58可接收直接來自處理器50的數(shù)字信號，或可接收模擬電流信號，例如 來自通信單元70的4-20ma的電流信號，以執(zhí)行壓力轉(zhuǎn)換和控制功能。
通信單元70用作圖l的通信網(wǎng)絡(luò)24的界面。通信單元70可以是或包 括任何所希望類型的通信?；蚺c任何希望的通信協(xié)議相關(guān)聯(lián)的軟件/硬件的 結(jié)合。已知的是，通信單元70可用于使處理器50接收的信號能夠傳遞至緊 急關(guān)閉控制器20或任何其他與通信網(wǎng)絡(luò)24相連的裝置，例如負(fù)責(zé)控制與閥 12、用戶界面或任何其他裝置無關(guān)的過程的一個或多個部分的過程控制器。 特別是，處理器50可接收和處理來自傳感器40和42的壓力信號，并可將 這些信號中的 一個或多個提供為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)通信單元70和通信網(wǎng)絡(luò)24傳 送至其他裝置。以此方式，傳感器40和42中的一個或多個在過程設(shè)備內(nèi)可 用于執(zhí)行測量活動，所述測量活動對于圖1的緊急關(guān)閉系統(tǒng)10的控制和/或 測試是不需要的。此特征使DVC 16在不需要用于控制和/或測試緊急關(guān)閉裝 置內(nèi)部件的傳感器40和42的過程或緊急關(guān)閉裝置中更加通用和有用。
如圖2中所示，DVC 16還可包括時鐘72和輔助輸入界面74,輔助輸 入界面74可由處理器50使用來監(jiān)測或接收例如來自電開關(guān)或其他經(jīng)輔助界 面74與DVC 16直接相連的裝置的輸入的輔助輸入。另外，如果希望的話， DVC 16可包括殼體76,該殼體可以是用于阻止火花接觸設(shè)備內(nèi)爆炸氣體的 防爆殼體，從而減小緊急關(guān)閉系統(tǒng)IO將導(dǎo)致爆炸的可能性。
盡管DVC 16已描述為存儲和執(zhí)行圖1的閥12、閥致動器14和電^F茲閥 18的行程測試和完整測試，^旦應(yīng)理解的是，DVC 16還可存儲和完成任何其 他類型或任何附加的基于或使用除了或可選由傳感器40和42所收集數(shù)據(jù)以 外的其他由DVC 16收集的診斷數(shù)據(jù)的測試。在例如緊急關(guān)閉測試過程中收 集的傳感器或診斷數(shù)據(jù)可由未在圖2中示出的其他類型的傳感器收集，和/ 或可使用經(jīng)輔助界面74或經(jīng)通信單元70可與DVC 16通信的手持型計算裝 置重新得到。許多可能的測試在7^開號為US 2002-0145515 Al的美國專利 申請中描述，該申請?zhí)卦诖送ㄟ^引用合并于此。另外或可選地，如果希望的 話，DVC 16可將所收集的數(shù)據(jù)通過例如緊急關(guān)閉控制器20傳送回主控制
室，以由其他裝置處理。
圖3圖示了以稍微不同的方式使用圖1和2的DVC 16的緊急關(guān)閉系統(tǒng) 100的不同結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)和下面所描述的圖4的結(jié)構(gòu)僅顯示在許多方法中的 兩個例子，其中在此描述的DVC 16足夠通用，以在不經(jīng)過大的改變的情況 下用于不同的過程設(shè)備。圖3的緊急關(guān)閉系統(tǒng)100類似于圖1的系統(tǒng)10, 相似的部件具有相同的附圖標(biāo)記。然而，在圖3的系統(tǒng)100中，DVC 16并 未設(shè)置為執(zhí)行上述的電磁閥測試，而是成形為使用傳感器40的輸出來執(zhí)行 閥致動器14的閉環(huán)壓力控制，來^f吏閥致動器14響應(yīng)于例如在DVC 16的緊 急關(guān)閉信號的接收而以任何希望的方式啟動或執(zhí)行例如閥致動器14部分行 程的測試。在此情況下，DVC 16使用傳感器40來作為用于岡致動器14的 壓力傳感器，并可提供閥12的任何類型的控制。
然而，如圖3所示的那樣，DVC16的第二傳感器42可連接到過程內(nèi)任 何希望的流體線路，以獲得控制和/或測試閥12、閥致動器14或電,茲閥18 所不需要的過程變量測量。盡管傳感器42在圖3中圖示為連接到閥12的出 口 12b，它還可替換為連接到與任何其他過程控制裝置或設(shè)備相關(guān)聯(lián)的任何 其他流體線路或壓力出口。此其他的過程設(shè)備可以但不需要與緊急關(guān)閉裝置 100相聯(lián)。另外，應(yīng)理解的是，傳感器42的輸出是過程變量，其可存儲在 DVC 16中或由DVC 16發(fā)送到其他裝置中，例如通過通信網(wǎng)絡(luò)24發(fā)送到緊 急關(guān)閉控制器20,通過主通信控制器或輔助界面74 (圖2)發(fā)送到手持裝 置，通過通信網(wǎng)絡(luò)24或輔助界面74發(fā)送到與緊急關(guān)閉系統(tǒng)IOO無關(guān)的分布 式控制器或用戶界面等。因此，來自傳感器42的傳感器數(shù)據(jù)的收集和使用 并不限于在緊急關(guān)閉裝置或DVC 16位于其中的系統(tǒng)中使用。此特征使DVC 16在用作緊急關(guān)閉系統(tǒng)的部分時更加通用，因?yàn)樗笵VC 16能夠向分布式 過程控制系統(tǒng)或與過程設(shè)備相關(guān)聯(lián)的維修系統(tǒng)提供輔助壓力輸入。
可替換地，緊急關(guān)閉裝置IOO可成形為如圖3所示，其中DVC16運(yùn)行 以執(zhí)行閥12的位置控制，即，其中DVC 16用作定位器。然而，在此情況 下，傳感器40可如圖3所示連接以進(jìn)行壓力控制，作為如果位置控制伺服
環(huán)路發(fā)生問題，例如如果與此環(huán)路相聯(lián)的位置傳感器失效時的后退控制方
法。此后退控制方法在2005年8月2日提交的名稱為"用于過程控制裝置 的反饋控制的傳送的系統(tǒng)和方法"的序列號為11/195,281的美國專利申請中 更詳細(xì)地描述，該申請的公開內(nèi)容特通過引用合并于此。然而，在這種情況 下，附加傳感器42仍可用于測量閥12和閥致動器14結(jié)構(gòu)外部的壓力信號。 盡管附圖標(biāo)記為40的傳感器在圖3中剛剛描述為進(jìn)行壓力控制，但是一可 選實(shí)施例可包括附圖標(biāo)記為40的傳感器或者進(jìn)行作為后退控制方法的壓力 控制的附圖標(biāo)記為42的傳感器。另外，附圖標(biāo)記為40的傳感器可選擇地用 作測量閥12和致動器14結(jié)構(gòu)外部壓力的壓力傳感器。因此，應(yīng)該理解的是， 任一傳感器可執(zhí)行任何上述功能，這是所希望的應(yīng)用所必需的。
同樣，圖4圖示了圖1和2的DVC16，其用于閉環(huán)閥控制結(jié)構(gòu)110中， 以控制不是緊急關(guān)閉裝置一部分的閥12與閥致動器14的結(jié)合。閉環(huán)閥控制 結(jié)構(gòu)110包括與圖1的系統(tǒng)IO相同或相似的元件，相似的元件具有相同的 附圖標(biāo)記。然而，在圖4的結(jié)構(gòu)110中，DVC 16圖示為連接到過程控制器 200,并用于提供閥12的標(biāo)準(zhǔn)伺服控制，在此情況下，該閥12可以是與緊 急關(guān)閉裝置或系統(tǒng)無關(guān)的過程閥。在此結(jié)構(gòu)中，DVC16的傳感器40可連接 到閥致動器14的輸出(例如可連接到氣動線路34)以執(zhí)行閥致動器14的 過程控制。在此，DVC 16用作用于控制閥12的傳統(tǒng)的壓力變換器。然而， 如圖4所示，壓力傳感器42連接到閥與閥致動器結(jié)構(gòu)外側(cè)，以獲得控制閥 12所不需要的外部壓力測量值。因此，以與前述結(jié)構(gòu)類似的方法，DVC 16 可使過程控制器200將傳感器42作為設(shè)置在過程設(shè)備內(nèi)的另一壓力傳送器。
可替換地，閥控制結(jié)構(gòu)110可成形為如圖4所示，其中DVC 16操作以 執(zhí)行岡12的位置控制，即，使得DVC 16用作過程控制方案內(nèi)的定位器。 然而，在此情況下，傳感器40仍可如圖4所示連接以執(zhí)行壓力控制，作為 如果位置控制環(huán)路出現(xiàn)問題時，例如位置傳感器失效時的后退控制方法。此 后退控制方法在前述序列號為11/195,281的美國專利申請中更詳細(xì)地描述。
更進(jìn)一步，盡管圖4中未示出，但如果DVC 16用于執(zhí)行閥12的位置
控制，即如果DVC 16用作過程控制方案內(nèi)的定位器，則傳感器40和42都 可用作外部或輔助壓力傳送器，以測量任何與過程設(shè)備相關(guān)聯(lián)或出現(xiàn)在其中 的希望的壓力信號，包括與閥12或閥致動器14的控制或測試無關(guān)的壓力信 號。當(dāng)然，傳感器40和42的輸出可存儲在DVC 16中，和/或可通過例如通 信網(wǎng)絡(luò)24發(fā)送到例如過程控制器200、用戶界面裝置(未示出)等的其他 裝置。
從以上提供的描述應(yīng)當(dāng)理解，DVC 16可用于許多不同的過程設(shè)備的結(jié) 果和方案，以對于不同用途提供不同的壓力測量，而且當(dāng)執(zhí)行這些壓力測量 時，DVC 16可用作緊急關(guān)閉裝置的一部分或用作分布式過程控制裝置的一 部分。盡管DVC 16已描述和圖示為包括兩個壓力傳感器40和42，應(yīng)當(dāng)理 解的是，DVC 16不限于使用兩個壓力傳感器，而是附加的壓力傳感器可提 供到DVC16上，以在過程設(shè)備內(nèi)執(zhí)行其他壓力測量。
盡管本發(fā)明已參照特定示例進(jìn)行了描述，但這些例子僅意在說明，而并 不作為本發(fā)明的限制，對于本領(lǐng)的技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明的精神和 范圍的情況下，對所公開的實(shí)施例進(jìn)行改變、增加和/或刪除是顯而易見的。
權(quán)利要求
1、一種流體過程控制系統(tǒng)，包括可在第一位置與關(guān)閉位置之間移動的控制閥；用于控制所述控制閥在所述第一位置與關(guān)閉位置之間的動作的閥控制器；聯(lián)接到所述閥控制器以使該控制閥移動的流體控制線路；支持部件，其聯(lián)接到所述流體控制線路上，并用于將所述控制閥從所述第一位置朝所述關(guān)閉位置驅(qū)動；第一壓力傳感器，其可通信地聯(lián)接到所述閥控制器，并用于以在所述支持部件操作過程中，在流體控制線路上的第一地點(diǎn)檢測第一壓力；第二壓力傳感器，其可通信地聯(lián)接到所述閥控制器，并用于在所述支持部件操作過程中，在流體控制線路上的與所述第一地點(diǎn)不同的第二地點(diǎn)檢測第二壓力；由所述閥控制器執(zhí)行的邏輯，用于基于所述第一壓力和第二壓力確定所述支持部件的操作狀況。
2、 如權(quán)利要求1所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述第一壓力是所述 支持部件的入口壓力，所述第二壓力是所述支持部件的出口壓力。
3、 如權(quán)利要求2所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述閥控制器進(jìn)一步 包括處理器，該處理器執(zhí)行所述邏輯，以確定在所述支持部件操作過程中所 述入口壓力與出口壓力之間的壓差，以及所述壓差的變化率。
4、 如權(quán)利要求3所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述閥控制器進(jìn)一步 包括存儲閾值比率的存儲器，所述處理器將所述變化率與所述閾值比率相比 較，以確定所述支持部件的操作狀況。
5、 如權(quán)利要求3所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述處理器通過計算 所述壓差對時間的導(dǎo)數(shù)來確定所述壓差的變化率。
6、 如權(quán)利要求2所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述第一壓力傳感器 在所述支持部件操作過程中檢測對應(yīng)于多種情況的多個入口壓力，所述第二 壓力傳感器檢測對應(yīng)于所述多種情況的多個出口壓力。
7、 如權(quán)利要求6所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述閥控制器進(jìn)一步 包括處理器，該處理器執(zhí)行所述邏輯，以基于所述多個入口壓力與相應(yīng)所述 多個出口壓力之間的差確定多個壓差，并確定所述多個壓差的變化率。
8、 如權(quán)利要求7所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述閥控制器進(jìn)一步 包括存儲閾值比率的存儲器，所述處理器將所述變化率與所述閾值比率相比 較，以確定所述支持部件的操作狀況。
9、 如權(quán)利要求1所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述支持部件包括電 磁閥，用于選擇性地排放所述流體控制線路以驅(qū)動所述閥控制器。
10、 如權(quán)利要求1所述的流體過程控制系統(tǒng)，其中所述流體控制線路是 氣動控制線路。
11、 一種監(jiān)控閥控制回路的方法，所述閥控制回路包括可在第一位置與 關(guān)閉位置之間移動的控制閥，用于控制所述控制閥動作的岡控制器，聯(lián)接到 所述閥控制器以移動所述控制閥的流體控制線路，以及聯(lián)接在所述流體控制 線路上以移動所述控制閥的支持部件，該方法包括啟動所述支持部件；在啟動所述支持部件時確定所述流體控制線路上兩個不同地點(diǎn)之間的 壓差；以及基于所述壓差確定所述支持部件的操作特性。
12、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中確定壓差包括 在所述流體控制線路上的第 一地點(diǎn)檢測第 一壓力； 在所述流體控制線路上的與所述第 一地點(diǎn)不同的第二地點(diǎn)檢測第二壓力；以及計算所述第一壓力與第二壓力之間的差。
13、 如權(quán)利要求12所述的方法，其中確定所述支持部件的操作特性包 括，確定所述壓差的變化率以及將所述變化率與閾值比率進(jìn)行比較。
14、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中確定所述壓差的變化率包括，計 算所述壓差對時間的導(dǎo)數(shù)。
15、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中確定壓差包括 在所述流體控制線路上的第 一地點(diǎn)檢測多個第 一壓力，所述多個第 一壓力對應(yīng)于啟動所述支持部件時的多種情況；在所述流體控制線路上的第二地點(diǎn)檢測多個第二壓力，所述多個第二壓 力對應(yīng)于所述多種情況；基于所述多個第一壓力與多個第二壓力之間的差來確定多個壓差；以及確定所述多個壓差的變化率。
16、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中確定所述支持部件的操作特性包 括，將所述多個壓差的變化率與閾值比率進(jìn)行比較。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述變化率是最大變化率。
18、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中確定所述流體控制線路上兩個不 同地點(diǎn)之間的壓差包括，檢測在所述支持部件入口處的入口壓力，以及4企測 在所述支持部件出口處的出口壓力。
19、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中啟動所述支持部件包括啟動所述 支持部件一段時間，在該段時間內(nèi)所述控制閥基本不移動。
20、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中啟動所述支持部件包括啟動所述 支持部件一段時間，該段時間小于或等于所述控制閥的停滯時間。
21、 如權(quán)利要求11所述的方法，其中啟動所述支持部件包括從所述流 體控制線路排放流體。
22、 一種監(jiān)控流體過程控制系統(tǒng)的方法，所述流體過程控制系統(tǒng)具有用 于控制通過所述流體過程控制系統(tǒng)中的通路的材料流動的控制回路，所述控 制回路包括設(shè)置在所述通路中的可在打開位置與關(guān)閉位置之間移動的控制 閥，用于控制所述控制閥移動的閥控制器，以及將所述閥控制器聯(lián)接到所述 控制閥的流體控制線路，所述方法包括用設(shè)置在所述閥控制器上的第一壓力傳感器檢測所述控制回路中一地點(diǎn)處的第一壓力；用設(shè)置在所述閥控制器上的第二壓力傳感器檢測所述流體過程控制系 統(tǒng)中所述控制回路之外的一地點(diǎn)處的第二壓力；以及 基于所述第一壓力確定所述控制回路的特性。
23、 如權(quán)利要求22所述的方法，其中檢測所述控制回路中一地點(diǎn)處的 第 一壓力包括檢測閥控制器的出口壓力。
24、 如權(quán)利要求23所述的方法，其中確定所述控制回路的特性包括確 定所述控制閥的操作位置。
25、 如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括基于所述第一壓力調(diào)整所 述控制閥的操作位置。
26、 如權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括基于所述第二壓力調(diào)整所 述控制閥的操作位置。
27、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中檢測第二壓力包括檢測位于所述 控制閥入口的壓力。
28、 如權(quán)利要求26所述的方法，其中檢測第二壓力包括檢測位于所述 控制閥出口的壓力。
全文摘要
一種多功能或通用緊急關(guān)閉閥控制器可用于多種不同的緊急關(guān)閉結(jié)構(gòu)，以便能夠?qū)Σ煌愋秃徒Y(jié)構(gòu)的緊急關(guān)閉裝置和與之相關(guān)聯(lián)的支持設(shè)備進(jìn)行測試。在一個示例中，用于緊急關(guān)閉閥的數(shù)字閥控制器包括兩個壓力傳感器，并適于連接到氣動閥致動器和電磁閥裝置以助于該閥致動器的在線測試和該電磁閥的在線測試。為執(zhí)行電磁閥的測試，該閥控制器可在電磁閥啟動一段非常短的時間時測量該電磁閥不同端口處的壓力。所述閥控制器可基于所測量壓力信號之間的差的導(dǎo)數(shù)，即基于所測壓力信號之間的差對時間的變化率確定該電磁閥是否完全起作用或可操作。
文檔編號F16K37/00GK101360944SQ200680051502
公開日2009年2月4日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月20日
發(fā)明者吉米·L·斯諾伯格 申請人:費(fèi)希爾控制產(chǎn)品國際有限公司