用于控制閥的致動器和過程控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種用于控制閥的致動器和過程控制系統(tǒng)。一種用于控制閥的智能致動器包括致動器主體、致動器桿、偏置設備、控制器以及至少一個傳感器。該致動器主體包括用于限定腔體的致動器殼體。該致動器桿被適配為耦接到控制閥的控制元件。該偏置設備設置在該致動器殼體的該腔體中并且可操作地耦接到該致動器桿用于將該致動器桿偏置到預先確定的位置。該控制器由該致動器主體承載并且可以包括存儲器、處理器和存儲在該存儲器上的邏輯。該至少一個傳感器可操作地耦接到該控制器以用于測量該致動器的各種參數(shù)并且將那些參數(shù)發(fā)送到該控制器。該至少一個傳感器可以包括一個或多個振動傳感器、一個或多個聲音傳感器、一個或多個溫度傳感器等。
【專利說明】用于控制閥的致動器和過程控制系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本公開涉及過程控制系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于過程控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備， 如控制閥致動器。

【背景技術】
[0002] 過程控制系統(tǒng)，如與化工、石油或其他過程中使用的那些過程控制系統(tǒng)類似的分 布式或可擴展過程控制系統(tǒng)，一般包括經(jīng)由模擬、數(shù)字或組合的模擬/數(shù)字總線可通信地 耦接到至少一個主機或用戶工作站并且耦接到一個或多個現(xiàn)場設備的一個或多個過程控 制器。現(xiàn)場設備可以包括例如控制閥、閥定位器、開關和發(fā)射器（例如溫度、壓強和流速傳 感器），其執(zhí)行過程中的功能，如打開或關閉閥以及測量過程參數(shù)。過程控制器接收用于指 示由現(xiàn)場設備做出的過程測量的信號和/或關于現(xiàn)場設備的其他信息，并且使用該信息來 實現(xiàn)控制例程以生成控制信號，該控制信號通過總線發(fā)送到現(xiàn)場設備以控制過程的操作。 一般使來自現(xiàn)場設備和控制器中的每一個的信息對于由用戶工作站執(zhí)行的一個或多個應 用可用，以使得操作員能夠執(zhí)行關于過程的任意希望的功能，如查看過程的當前狀態(tài)、修改 過程的操作等等。在現(xiàn)場設備故障的情況下，整個過程控制系統(tǒng)的操作狀態(tài)可能受損害。 實用新型內(nèi)容
[0003] 因此，本實用新型針對的問題是如何提供與致動器的健康性和完整性相關的實時 信息，以避免在現(xiàn)場設備故障的情況下，整個過程控制系統(tǒng)的操作狀態(tài)受到損害。
[0004] 本公開的一個方面包括一種用于控制閥的致動器。該致動器可以包括致動器主 體、致動器桿、偏置設備、控制器以及至少一個傳感器。該致動器主體包括用于限定腔體的 致動器殼體。該致動器桿被適配為耦接到控制閥的控制元件。該偏置設備設置在該致動器 殼體的該腔體中并且可操作地耦接到該致動器桿以用于將該致動器桿偏置到預定的位置。 該控制器由該致動器主體承載并且可以包括存儲器、處理器和存儲在該存儲器上的邏輯。 該至少一個傳感器能夠可操作地耦接到該控制器以用于測量該致動器的參數(shù)并且將所測 量的參數(shù)發(fā)送到該控制器。該至少一個傳感器可以包括（a)由該致動器桿承載的、用于檢 測該致動器桿中的振動的振動傳感器和/或（b)由該致動器主體承載的、用于感測該致動 器主體中的振動的振動傳感器。
[0005] 在一種實現(xiàn)中，該至少一個傳感器進一步包括：由該致動器殼體承載的、用于檢測 該致動器腔體中的溫度的溫度傳感器。
[0006] 在一種實現(xiàn)中，該致動器進一步包括：設置在該致動器腔體中并且可操作地耦接 在該致動器桿與該偏置設備之間、用于響應于該致動器腔體中的壓強改變來移動該致動器 桿的膜片組件。
[0007] 在一種實現(xiàn)中，該至少一個傳感器進一步包括：在該膜片組件上安裝或者在該膜 片組件附近安裝的一個或多個聲音發(fā)射傳感器。
[0008] 在一種實現(xiàn)中，該膜片組件包括膜片和膜片板，并且其中，該一個或多個聲音發(fā)射 傳感器包括附接到該膜片或者與該膜片一體的第一聲音發(fā)射傳感器和/或附接到該膜片 板的第二聲音發(fā)射傳感器。
[0009] 在一種實現(xiàn)中，由該處理器執(zhí)行存儲在該控制器的該存儲器中的該邏輯，以：接收 來自該至少一個傳感器的測量參數(shù)；處理該測量參數(shù)以確定該測量參數(shù)中的一個或多個是 否指示預定的條件；并且當該測量參數(shù)中的一個或多個指示預定的條件時，發(fā)送消息到工 作站，該消息指示該預定的條件的出現(xiàn)。
[0010] 在一種實現(xiàn)中，發(fā)送消息到工作站的步驟包括：發(fā)送用于標識將在該致動器上執(zhí) 行的具體維護操作的消息。
[0011] 在一種實現(xiàn)中，發(fā)送消息到工作站的步驟包括：發(fā)送用于標識該致動器的一個或 多個具體組件的剩余使用壽命的估計時長的消息。
[0012] 本實用新型的另一個方面可以包括一種具有一個或多個用戶工作站、過程控制 器、多個現(xiàn)場設備的過程控制系統(tǒng)。該過程控制器可通信地耦接到該一個或多個用戶工作 站，并且該多個現(xiàn)場設備可通信地耦接到該過程控制器。該現(xiàn)場設備中的至少一個現(xiàn)場設 備可以包括控制閥和致動器，其中，該致動器包括致動器主體、致動器桿、偏置設備、控制器 以及至少一個傳感器。該致動器主體包括用于限定腔體的致動器殼體。該致動器桿可操作 地耦接到控制閥的控制元件。該偏置設備設置在該致動器殼體的該腔體中并且可操作地 耦接到該致動器桿以用于將該致動器桿偏置到預先確定的位置。該控制器由該致動器主體 承載并且可以包括存儲器、處理器和存儲在該存儲器上的邏輯。該至少一個傳感器可操作 地耦接到該控制器以用于測量該致動器的參數(shù)并且將測量參數(shù)發(fā)送到該控制器。該至少一 個傳感器可以包括（a)由該致動器承載的、用于檢測該致動器桿中的振動的振動傳感器， 和/或（b)由該致動器主體承載的、用于感測該致動器主體中的振動的振動傳感器。
[0013] 在一種實現(xiàn)中，該至少一個傳感器進一步包括：由該致動器殼體承載的、用于檢測 該致動器腔體中的溫度的溫度傳感器。
[0014] 在一種實現(xiàn)中，該系統(tǒng)進一步包括：設置在該致動器腔體中并且可操作地耦接在 該致動器桿與該偏置設備之間、用于響應于該致動器腔體中的壓強改變來移動該致動器桿 的膜片組件。
[0015] 在一種實現(xiàn)中，該至少一個傳感器進一步包括在該膜片組件上安裝或者在該膜片 組件附近安裝的一個或多個聲音發(fā)射傳感器。
[0016] 在一種實現(xiàn)中，該膜片組件包括膜片和膜片板，并且其中，該一個或多個聲音發(fā)射 傳感器包括附接到該膜片或者與該膜片一體的第一聲音發(fā)射傳感器和/或附接到該膜片 板的第二聲音發(fā)射傳感器。
[0017] 在一種實現(xiàn)中，由該處理器執(zhí)行存儲在該控制器的該存儲器中的該邏輯，以：接收 來自該至少一個傳感器的測量參數(shù)；處理該測量參數(shù)以確定該測量參數(shù)中的一個或多個是 否指示預定的條件；并且當該測量參數(shù)中的一個或多個指示預定的條件時，發(fā)送消息到該 一個或多個工作站，該消息指示該預定的條件的出現(xiàn)。
[0018] 在一種實現(xiàn)中，發(fā)送消息到該一個或多個工作站的步驟包括：發(fā)送用于標識將在 該致動器上執(zhí)行的具體維護操作的消息。
[0019] 在一種實現(xiàn)中，發(fā)送消息到該一個或多個工作站的步驟包括：發(fā)送用于標識該致 動器的一個或多個具體組件的剩余使用壽命的估計時長的消息。
[0020] 在一種實現(xiàn)中，該一個或多個工作站包括以下設備中的一個或多個：個人計算機、 膝上計算機、平板計算機、智能電話或?qū)ず魴C。
[0021] 利用本實用新型的方案，能夠有利地提供與致動器的健康性和完整性相關的實時 信息，并且助于剩余使用壽命的預測以及在故障發(fā)生很久之前規(guī)劃維護事件

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是具有根據(jù)本文公開的原理來構(gòu)造的一個或多個智能致動器的過程控制系 統(tǒng)的示意性表示。
[0023] 圖2是耦接到控制閥的根據(jù)本文公開的原理來構(gòu)造的智能致動器的一個版本的 橫截面?zhèn)纫晥D。
[0024] 圖3是圖2的智能致動器的控制器的一個版本的示意性方框圖。
[0025] 圖4是根據(jù)本文公開的原理的用于監(jiān)視控制閥致動器的操作健康性和完整性的 方法的一個版本的流程圖。
[0026] 圖5是根據(jù)本文公開的原理的用于監(jiān)視控制閥致動器的操作健康性和完整性的 方法的另一個版本的流程圖。
[0027] 圖6是根據(jù)本文公開的原理來構(gòu)造的智能致動器的另一個版本的橫截面?zhèn)纫晥D。

【具體實施方式】
[0028] 本文的公開涉及用于過程控制系統(tǒng)的現(xiàn)場設備（如控制閥組件）的智能致動器， 其例如結(jié)合一個或多個傳感器以感測關于致動器的健康性和完整性的預測和/或診斷信 息。在一些版本中，除了至少一個傳感器之外，該致動器還可以裝配有機載控制器以用于處 理從傳感器獲得的數(shù)據(jù)。通過如此配置，當控制器確定感測到的數(shù)據(jù)指示可能危及致動器 的健康性和/或完整性的條件時，控制器可以發(fā)送消息給例如維護員工或其他系統(tǒng)人員可 訪問的用戶工作站。該消息可以包括各種信息，包括例如致動器的標識及其位置、用于表示 從傳感器獲得的數(shù)據(jù)的信息、關于致動器的特定組件的健康性和/或完整性的信息、組件 或作為整體的致動器的估計剩余使用壽命的預測、用于指示維護人員在致動器上執(zhí)行特定 維護任務的信息和/或可以通過從傳感器獲得的數(shù)據(jù)得到的任意其他希望的信息。因此， 本文公開的致動器和相關系統(tǒng)可以有利地提供與致動器的健康性和完整性相關的實時信 息，并且助于剩余使用壽命的預測以及在故障發(fā)生很久之前規(guī)劃維護事件。該預測能力可 以助于防止與意外事件相關聯(lián)的計劃外停工，其可能是高成本的并且對整個過程控制環(huán)境 是破壞性的。
[0029] 現(xiàn)在參考圖1，示出了根據(jù)本文公開的一個版本構(gòu)造的過程控制系統(tǒng)10,其包括 與過程控制器11通信的一個或多個現(xiàn)場設備15、16、17、18、19、20、21、22和71，過程控制 器11又與數(shù)據(jù)歷史記錄12以及一個或多個用戶工作站13通信，每個用戶工作站13具有 顯示屏14。通過如此配置，控制器11向現(xiàn)場設備15、16、17、18、19、20、21、22和71和工作 站13傳遞信號并且從現(xiàn)場設備15、16、17、18、19、20、21、22和71和工作站13接收信號以 控制過程控制系統(tǒng)。
[0030] 更具體而言，圖1所述的版本的過程控制系統(tǒng)10的過程控制器11經(jīng)由硬線通信 連接并且經(jīng)由輸入/輸出（I / 0)卡26和28連接到現(xiàn)場設備15、16、17、18、19、20、21和 22。數(shù)據(jù)歷史記錄12可以是任意希望類型的數(shù)據(jù)采集單元，其具有任意希望類型的存儲器 和任意希望或已知的用于存儲數(shù)據(jù)的軟件、硬件或固件。此外，雖然在圖1中數(shù)據(jù)歷史記錄 12被示出為獨立的設備，但是其可以改為或另外是一個工作站13或另一個計算設備（如月艮 務器）的一部分。控制器11可以例如是由Emerson Process Management銷售的DeltaV? 控制器，其經(jīng)由可以例如是以太網(wǎng)連接的通信網(wǎng)絡29可通信地連接到工作站13和數(shù)據(jù)歷 史記錄12。
[0031] 如上所述，控制器11被示出為使用硬線通信方案可通信地連接到現(xiàn)場設備15、 16、17、18、19、20、21和22,其中，該硬線通信方案可以包括使用用于實現(xiàn)硬線通信（包括 例如標準4-20mA通信和/或使用任意智能通信協(xié)議如FOUNDATION?現(xiàn)場總線通信 協(xié)議、HART?通信協(xié)議等等的任意通信）的任意希望的硬件、軟件和/或固件?，F(xiàn)場設 備15、16、17、18、19、20、21和22可以是任意類型的設備，如傳感器、控制閥組件、發(fā)射器、 定位器等等，而I / 0卡26和28可以是符合任意希望的通信或控制器協(xié)議的任意類型的 I / 0設備。在圖1所示的實施方式中，現(xiàn)場設備15、16、17、18是通過到I / 0卡26的模 擬線路進行通信的標準4-20mA設備，而數(shù)字現(xiàn)場設備19、20、21和22可以是智能設備，如 HART?通信設備和現(xiàn)場總線現(xiàn)場設備，其使用現(xiàn)場總線協(xié)議通信通過到I / 〇卡28的數(shù) 字總線進行通信。當然，現(xiàn)場設備15、16、17、18、19、20、21和22可以符合任意其他希望的 標準或協(xié)議，包括在未來開發(fā)的任意標準或協(xié)議。
[0032] 另外，圖1中描述的過程控制系統(tǒng)10包括設置在將要控制的工廠中的大量無線現(xiàn) 場設備60、61、62、63、64和71?，F(xiàn)場設備60、61、62、63、64被描述為發(fā)射器（例如過程變 量傳感器），而現(xiàn)場設備71被描述為控制閥組件，其包括例如控制閥和致動器?？梢允褂?任意希望的無線通信設備（包括硬件、軟件、固件或現(xiàn)在已知的或以后開發(fā)的硬件、軟件、 固件的任意組合）在控制器11與現(xiàn)場設備60、61、62、63、64和71之間建立無線通信。在 圖1所示的版本中，天線65耦接到發(fā)射器60并且專用于執(zhí)行發(fā)射器60的無線通信，而具 有天線67的無線路由器或其他模塊66被耦接為集中地處理發(fā)射器61、62、63和64的無線 通信。類似地，天線72耦接到控制閥組件71以執(zhí)行控制閥組件71的無線通信?，F(xiàn)場設備 或相關硬件60、61、62、63、64、66和71可以實現(xiàn)由合適的無線通信協(xié)議使用的協(xié)議棧操作 以經(jīng)由天線65、67和72接收、解碼、路由、編碼以及發(fā)送無線信號，以實現(xiàn)過程控制器11與 發(fā)射器60、61、62、63、64與控制閥組件71之間的無線通信。
[0033] 如果需要的話，則發(fā)射器60、61、62、63、64可以構(gòu)成各種過程傳感器（發(fā)射器）與 過程控制器11之間的專門鏈路，并且這樣的話，依賴于發(fā)射器60、61、62、63、64發(fā)送準確的 信號到控制器11，以確保不危及過程性能。通常被稱為過程變量發(fā)射器（PVT)的發(fā)射器60、 61、62、63、64因此可以在總體控制過程的控制中扮演重要的角色。另外，作為控制閥組件 71的控制操作的一部分，控制閥組件71可以提供由控制閥組件71內(nèi)部的傳感器完成的測 量值或者可以提供由控制閥組件71生成或計算的其他數(shù)據(jù)給控制器11。當然，如已知的， 控制閥組件71還可以接收來自控制器11的控制信號，以影響總體過程中的物理參數(shù)，例如 流量。
[0034] 過程控制器11耦接到一個或多個I / 0設備73和74, I / 0設備73和74中的 每一個連接到相應的天線75和76,并且這些I / 0設備和天線73、74、75、76作為發(fā)射器/ 接收器來操作以經(jīng)由一個或多個無線通信網(wǎng)絡執(zhí)行與無線現(xiàn)場設備61、62、63、64和71的 無線通信?？梢允褂靡粋€或多個已知無線通信協(xié)議，例如無線HART?^J、議、Ember協(xié)議、 WiFi協(xié)議、IEEE無線標準等等執(zhí)行現(xiàn)場設備（例如發(fā)射器60、61、62、63、64和控制閥組件 71)之間的無線通信。此外，I / O設備73和74可以實施由這些通信協(xié)議使用的協(xié)議棧操 作以經(jīng)由天線75和77接收、解碼、路由、編碼以及發(fā)送無線信號，以實施控制器11與發(fā)射 器60、61、62、63、64與控制閥組件71之間的無線通信。
[0035] 如圖1中所示的，控制器11通常包括處理器77,其實施或監(jiān)管存儲在存儲器78中 的一個或多個過程控制例程（或它的任意模塊、塊或字例程）。存儲在存儲器78中的過程 控制例程可以包括或者與在過程工廠中實現(xiàn)的控制環(huán)路相關。整體而言并且通常已知，過 程控制器11執(zhí)行一個或多個控制例程并且與現(xiàn)場設備15、16、17、18、19、20、21、22、60、61、 62、63、64和71、用戶工作站13以及數(shù)據(jù)歷史記錄12通信，以用任意希望的方式控制過程。 另外，圖1中的現(xiàn)場設備18、22和71中的每一個被描述為控制閥組件，其可以包括根據(jù)本 文公開的原理構(gòu)造的智能控制閥致動器，以用于與過程控制器11進行通信，以助于監(jiān)視致 動器的健康性和完整性。
[0036] 現(xiàn)在參考圖2,為了便于描述，圖1中的現(xiàn)場設備71被顯示為控制閥組件100,其 包括根據(jù)本文的公開構(gòu)造的控制閥102和智能致動器104?？刂崎y102可以包括滑動閥桿 型控制閥，其包括球形閥體106和控制元件108,控制元件108被設置為在閥體106中位移 以控制經(jīng)過那里的流體的流動。閥體106可以限定入口 110、出口 112和在入口 110和出 口 112之間延伸的流體流動路徑114?？刂圃?08可以包括連接到閥桿118的閥塞116。 閥桿118經(jīng)過閥帽120延伸到閥體106外部以便耦接到致動器104,使得致動器104可以調(diào) 整控制元件108的位置，更具體而言調(diào)整閥塞116相對于流動路徑114的位置，以調(diào)整經(jīng)過 控制閥102的流體的流量。
[0037] 在圖2中，致動器104包括致動器主體122、致動器殼體124和定位組件126。致 動器主體122通常是中空結(jié)構(gòu)，其如圖所示提供對定位組件126的至少一部分的導向、支撐 和保護。致動器殼體124包括利用多個固定件134固定在一起以限定內(nèi)部致動器腔體132 的上膜片殼體組件128和下膜片殼體組件130。定位組件126包括膜片組件136、致動器桿 138和偏置設備140。膜片組件136設置在致動器腔體132中并且包括膜片142和膜片板 144。膜片板144通常是剛性盤形組件并且膜片142包括常規(guī)薄膜型膜片，其中央部分與膜 片板144接合。膜片142還包括縛在上膜片殼體組件128和下膜片殼體組件130之間的 外圍部分，使得膜片142將致動器腔體132分割成上密封腔體部分146和下密封腔體部分 148。致動器桿138包括固定到膜片板144的第一端部138a和經(jīng)由耦接軛或一些其他合適 的關節(jié)可操作地耦接到控制閥102的閥桿118的第二端部138b。最后，圖2中所示的致動 器104的偏置設備140包括設置在膜片組件136和在低于膜片組件136的位置處由致動器 主體122承載的彈簧座150之間的壓縮圈狀彈簧。通過如此配置，偏置設備140在相對于 圖2中的致動器104向上的方向中并且遠離彈簧座150自然地偏置膜片組件136。在另一 個配置中，當偏置設備傾向于保持閥閉合時，類似的致動器可以使該運動顛倒，并且氣動信 號使得膜片組件朝向打開閥芯而移動。
[0038] 通過如上所述那樣配置圖2的控制閥組件100,基于膜片的致動器104用于相對于 流動路徑114定位控制閥102的閥塞116,以滿足希望的過程控制參數(shù)。例如，如上所述，致 動器104的偏置設備140相對于圖2的方向向上自然地偏置膜片組件136,該動作轉(zhuǎn)換成控 制閥102的控制元件108朝向打開位置的向上移動。為了朝向關閉位置向下移動控制元件 108,可以將氣動信號提供給致動器腔體132的上腔體部分146,以增加上腔體部分146中 的壓強。該壓強增加被膜片142感測到并且最終克服由偏置設備140施加的力，從而沿向 下方向移動膜片組件136、致動器桿138和控制元件108。當提供給上腔體部分146的氣動 信號降低和/或消除時，偏置設備140可能相對于圖2的方向向上擴張并且推動膜片組件 136、致動器桿138和控制元件108。
[0039] 對于致動器104的每個循環(huán)，如上所述，膜片142在不同的壓強之下擴張、收縮和 變形，并且動態(tài)力出現(xiàn)在致動器104中。另外，取決于致動器104進行操作的環(huán)境，致動器 腔體132中的溫度增加、降低和/或改變能夠不利地影響膜片142的完整性。此外，控制閥 102的控制元件108還暴露于流經(jīng)流動路徑114的流體中存在的不同的動態(tài)力。這些力傳 輸?shù)街聞悠鳁U138,因而導致直接在致動器桿138上以及在包括膜片板144的膜片組件136 上的不同的振動應力。這些振動可以指示在閥體內(nèi)部的閥芯組件的磨損或損壞。此外，在 控制閥組件100的整個操作壽命期間，流經(jīng)控制閥102的各種流體壓強造成直接在控制閥 體106上的振動和應力，該振動和應力又被傳輸?shù)介y帽120、致動器主體122和致動器殼體 124。在致動器104的不同的組件上的這些不同的振動和應力可能最終導致組件故障，例如 膜片142的分裂、破裂和層離，膜片板144的折斷或破裂，致動器桿138的折斷或破裂，致動 器主體122的折斷或破裂和/或致動器殼體124的折斷或破裂。這些故障中的任意一個 可能要求整個過程控制系統(tǒng)停工以便執(zhí)行關于損壞的設備的維護，這是高成本并且耗時間 的。
[0040] 為了監(jiān)視這些潛在的故障，圖2的控制閥組件100的智能致動器104包括智能監(jiān) 視系統(tǒng)200。智能監(jiān)視系統(tǒng)200包括可以設置在致動器104上機載的或者致動器104的遠 程的控制器202以及以下傳感器中的一個或多個：（a)安裝在致動器桿138上的第一振動 傳感器204、（b)安裝在致動器主體122上優(yōu)選地靠近致動器重心（CG)的第二振動傳感器 206、（c)安裝在致動器殼體124上用于檢測致動器腔體132中的溫度的溫度傳感器208、 (d)安裝在膜片板144上的第一聲音發(fā)射傳感器210和/或（e)安裝在致動器殼體124上 與膜片142相鄰或在膜片自身中一體的第二聲音發(fā)射傳感器212。在一些版本中，一個或多 個傳感器204、206、208、210、212可以經(jīng)由無線通信協(xié)議或經(jīng)由有線通信線路與控制器202 通信。在一些版本中，振動傳感器204、206中的每一個可以包括加速計，如PCB模型353815 型加速計，其可從PCB Piezotronics公司購買。在一些版本中，溫度傳感器208可以包括 由Fluke公司制造的RTD或K型熱電偶。在一些版本中，聲音發(fā)射傳感器210、212可以包 括由Vallen Systeme GmbH制造的VS150-RIC型傳感器。在一些版本中，其他傳感器也可 用于前述任意一個。
[0041] 如上所述，圖2中的致動器104的所述版本包括前述傳感器204、206、208、210、212 中的每一個，但是這僅僅是舉例而言。根據(jù)本文公開的原理構(gòu)造的智能致動器104可以以 不同的組合包括傳感器204、206、208、210、212中的任意一個或多個。此外，根據(jù)本文公開 的原理構(gòu)造的智能致動器104的其他版本還可以包括除了這里具體提及的那些傳感器之 外的傳感器。例如，在另一個版本中，致動器104的智能監(jiān)視系統(tǒng)200可以包括用于監(jiān)視致 動器殼體124中的液體壓強的一個或多個壓強傳感器，安裝在致動器桿138、偏置設備140、 膜片142、膜片板144和致動器主體中的任意一個或多個上的一個或多個應變計，或者在本 文公開的范圍和目標中能夠獲得關于致動器104的任意一個或多個組件的健康性和/或 完整性的有意義的信息的任意其他類型的傳感器。
[0042] 參考圖3,本文公開的智能致動器104的控制器202被示意性地顯示為方框圖?？?制器202可以包括處理器214、存儲器216、電源218和通信接口 220。處理器214可以包括 常規(guī)的中央處理器（CPU)，其包括能夠執(zhí)行計算機程序和相關邏輯的電子電路。存儲器216 可以包括常規(guī)的電子存儲設備，其包括用于結(jié)合處理器214來操作以實現(xiàn)希望的智能致動 器104的機載處理的RAM和/或ROM。在一個版本中，電源218可以例如包括電池，使得控 制器202和整個智能監(jiān)視系統(tǒng)200是獨立供電的。在其他版本中，在可獲得的情況下，電源 218可以例如不包括電池電源而是改為可以包括硬線電線。在其他版本中，電源218可以包 括燃料電池、太陽能板、風力渦輪或能夠生成并且/或者供應電能給控制器202和智能監(jiān) 視系統(tǒng)200的其他組件的任意其他設備。通信接口 220可以包括無線接口如無線天線、有 線接口如網(wǎng)絡端口、或能夠與智能致動器104的一個或多個傳感器204、206、208、210、212 并且與上文關于圖1所討論的總體過程控制系統(tǒng)10的過程控制器11通信的任意其他類型 的接口。
[0043] 通過如上所述地配置控制器202,通信接口 220可以直接從一個或多個傳感器 204、206、208、210、212獲得關于致動器104的各種環(huán)境條件的信息。處理器214可以在智 能致動器104上直接機載地處理該信息，以確定致動器104的健康性和完整性的當前狀態(tài)。 并且，基于該處理的結(jié)果，控制器202可以取決于具體的應用，以合適的方式與過程控制器 11通信。
[0044] 例如，現(xiàn)在參考圖4,將描述根據(jù)本文公開的原理構(gòu)造的處理方法的一個實例。圖 4中的方框300表不啟動，在啟動之后，本文公開的智能致動器104在被安裝到過程控制系 統(tǒng)環(huán)境中的現(xiàn)場中之后開始被供電。在通電之后，在方框302處校準智能致動器104。在 校準期間，允許智能致動器104在過程控制系統(tǒng)的正常操作條件之下操作預先確定的時間 段，例如1小時、12小時、48小時等等。在該時間中，假設過程控制環(huán)境操作在穩(wěn)定的條件 之下并且致動器104的各個組件是完全健康的，因而致動器104在無任何故障擔憂的情況 下操作。隨著致動器104操作，控制器202監(jiān)視致動器104上的一個或多個傳感器204、 206、208、210、212,以建立系統(tǒng)正常的"操作參數(shù)或正常范圍"的集合，即用于所包括的傳感 器204、206、208、210、212中的每一個的一個操作參數(shù)或范圍。這些操作參數(shù)表示在特定過 程控制系統(tǒng)環(huán)境中在致動器104的正常健康操作期間由一個或多個傳感器204、206、208、 210、212測量的值。該操作參數(shù)然后被存儲在控制器202的存儲器216中?？梢杂萌我舛?種方式得到操作參數(shù)。在一個版本中，可以例如通過對由每個傳感器204、206、208、210、212 獲得的測量值在校準周期的時長上求平均來獲得操作參數(shù)。在另一個版本中，可以通過對 由每個傳感器204、206、208、210、212獲得的測量值在校準周期的時長上取中值或者通過 任意其他數(shù)學或其他方法來獲得操作參數(shù)。
[0045] 在完成校準周期之后，智能致動器104轉(zhuǎn)變到正常操作模式。即，如圖4中的方框 304和306所示，一個或多個傳感器204、206、208、210、212開始根據(jù)預先建立的正常操作例 程取得測量參數(shù)（方框304)，并且將那些測量參數(shù)發(fā)送（方框306)到控制器202以用于 處理。正常操作例程可以包括該一個或多個傳感器204、206、208、210、212通常連續(xù)地或間 歇性地（例如每5分鐘、每1小時等等）取得并且發(fā)射測量參數(shù)。在致動器104依賴于電 池作為電源208的版本中，可能希望為了節(jié)約電池壽命起見間歇性地取得并且發(fā)射測量參 數(shù)，但是這當然不是必須的。
[0046] 在測量參數(shù)發(fā)送到控制器202之后，控制器202可以將它們存儲在存儲器中，如方 框308所指示的。這個步驟可以包括取決于該過程的屬性將測量參數(shù)存儲在RAM和/或 ROM 中。
[0047] 接下來，如方框310所指示的，控制器204的處理器214將測量參數(shù)與以前在方框 302處的校準期間采集并且存儲在存儲器216中的操作參數(shù)進行比較。在方框310處，對于 包括在智能致動器104中的傳感器204、206、208、210、212中的每一個執(zhí)行一個或多個獨立 的比較。例如，對于振動傳感器204、206,處理器214可以比較振動加速度、方向、頻率、時 長、大小等等。對于溫度傳感器208,處理器214可以比較溫度大小、持續(xù)時間、波動等等。 對于聲音發(fā)射傳感器210、212,處理器214可以比較聲音頻率、幅度、時長、能量等等?；?這些比較，處理器214確定每個測量參數(shù)是否相對于在校準期間采集的對應的操作參數(shù)處 于可接受的偏差標準之內(nèi)。
[0048] 如果確定所有測量參數(shù)均處于對應的可接受的偏差標準之內(nèi)，則過程返回到方框 304,如圖4中所指示的。但是如果一個或多個測量參數(shù)落在對應的可接受偏差標準之外， 則過程前進到圖4中的方框312和314。
[0049] 在方框312處，處理器214基于在方框310處執(zhí)行的處理，構(gòu)造將要被發(fā)送到過程 控制系統(tǒng)10的過程控制器11的消息。例如基于所執(zhí)行的比較，處理器214可以標識已獲 得了在可接受偏差標準之外的測量參數(shù)的具體傳感器204、206、208、210、212。處理器214 可以將這一個或多個傳感器204、206、208、210、212標識為指示出現(xiàn)預定的條件，這可以被 稱為例如"警報條件"。因此，在一些版本中，處理器214可以在方框312處構(gòu)成這樣一種消 息，其中，該消息包括報告了出現(xiàn)"警報條件"的一個或多個傳感器204、206、208、210、212 的列表。在生成該消息之后，處理器214在方框314處經(jīng)由通信接口 220將該消息發(fā)送到 過程控制器11，并且還可以基于該警報提供推薦動作。過程控制器11然后可以將該消息發(fā) 送到一個或多個用戶工作站13,在用戶工作站13處該消息可以出現(xiàn)在顯示器設備14上，以 供合適的操作人員考慮。操作人員然后可以響應于接收的消息，確定要采取的最好的一串 動作。在一些版本中，方框304處的消息發(fā)送不中斷圖4的方法，因此過程返回到方框304 以便進一步操作。在其他版本中，在方框314處的消息發(fā)送可以作為停止或修改進一步的 操作的觸發(fā)事件。
[0050] 如上所述的，在方框312處生成的消息可能是相對簡單的，即報告了出現(xiàn)"警報條 件"的一個或多個傳感器204、206、208、210、212的簡單標識。在其他版本中，該消息可以包 括附加的信息，例如致動器名稱、型號和/或其他標識信息、基于GPS信息或一些其他地理 空間坐標系統(tǒng)的致動器位置，或者通常與致動器相關的其他信息。此外，在一些版本中，基 于測量參數(shù)的具體值，處理器214還可以將預測的健康性信息包括在該消息中。即，處理器 214可以基于測量參數(shù)在可接受偏差標準之外的程度，向包括在該消息中的每個傳感器指 定級別符號。例如，對于報告了測量參數(shù)僅僅稍微在對應的偏差標準之外的傳感器，該消息 可以在傳感器的標識附近包括黃色三角形。并且對于報告了測量參數(shù)顯著在偏差標準之外 的傳感器，該消息可以在傳感器的標識附近包括紅色八角形。如上所述，其他級別符號（包 括級別術語）也包括在本文公開的范圍中，并且彩色幾何形狀的使用僅僅是一個可能的實 例。不管其是如何給出的，該附加信息可以助于操作人員評估所檢測的"警報條件"的嚴重 性和/或緊急性。
[0051] 到此為止，圖4的方法被描述為基于與在致動器104在現(xiàn)場中的正常操作期間 (即在方框302處的校準期間）采集的操作參數(shù)的比較來評估智能致動器104的健康性和 完整性。該方法的其他版本還可以包括與其他信息的比較。
[0052] 例如，圖5提供了基于在現(xiàn)場安裝之前存儲在控制器202的存儲器216中并且用 于指示"警報條件"的出現(xiàn)的預先確定的"事件參數(shù)"的可替換的處理方法的流程圖。該事 件參數(shù)可以例如包括通過實驗室測試或歷史數(shù)據(jù)分析得出的參數(shù)，并且可以完全取決于致 動器104將使用的具體現(xiàn)場環(huán)境。例如，一個事件參數(shù)可以是已知當膜片142經(jīng)歷撕裂時 與致動器104的膜片142所發(fā)出的聲音特別相關的特定聲音頻率。另一個事件參數(shù)可以是 致動器腔體132中的特定溫度，其中，已知在該溫度處或該溫度之上膜片142將經(jīng)歷嚴重的 結(jié)構(gòu)惡化。另一個事件參數(shù)可以是在致動器桿138或致動器主體122上感測的振動的特定 大小、方向、時長或頻率，已知在這些參數(shù)處或之上致動器桿138或致動器主體122具有結(jié) 構(gòu)異常，例如破裂或折斷。
[0053] 因此，參考圖5,在致動器104安裝到過程控制系統(tǒng)10中之后，在方框400處致動 器104被加電以便啟動。在方框402和404處，一個或多個傳感器204、206、208、210、212 開始采集測量參數(shù)并發(fā)射這些測量參數(shù)到控制器202。在方框406處，控制器在存儲器216 中存儲測量參數(shù)。與上文關于圖4的方法所描述的類似，圖5的方法的一個或多個傳感器 204、206、208、210、212可以根據(jù)任意給定的過程和系統(tǒng)要求按照希望連續(xù)地或間歇性地采 集測量參數(shù)。在測量參數(shù)發(fā)送到控制器202之后，在方框408處處理器214將測量參數(shù)與 存儲在存儲器216中的對應的事件參數(shù)進行比較。如果處理器214確定所有測量參數(shù)都 沒有匹配事件參數(shù)，即它們相對于該事件參數(shù)在預定的偏差標準之外，則該方法回到方框 402。然而，如果處理器214確定一個或多個測量參數(shù)確實匹配一個或多個事件參數(shù)，即一 個或多個測量參數(shù)相對于對應的事件參數(shù)在預先確定的偏差標準之內(nèi)，則該方法回到方框 410 和 412。
[0054] 在方框410處，處理器214構(gòu)造將要在方框412處被發(fā)送到過程控制器11的消 息。與上文關于圖4所討論的類似，在方框410處構(gòu)造的消息可以包括各種信息，包括致動 器104的名稱、型號、位置等等。此外，該消息可以包括用于標識已報告了與事件參數(shù)匹配 的測量參數(shù)的一個或多個傳感器的信息。此外，該消息可以包括與特別匹配的事件參數(shù)相 關聯(lián)的信息并且提供推薦動作。例如，如果處理器214確定聲音發(fā)射傳感器210、212中的 一個聲音發(fā)射傳感器已經(jīng)報告了與和膜片撕裂或?qū)与x相關聯(lián)的頻率和幅度相匹配的頻率 和幅度，則該消息可以包括該膜片可能需要修復或替換的指示。此外，基于匹配的一個或多 個特定事件參數(shù)，可以由處理器214基于歷史數(shù)據(jù)分析來構(gòu)造該消息以指示膜片142或其 他致動器組件的剩余使用壽命的估計時長。例如，通過實驗室中的測試，趨勢數(shù)據(jù)可以被采 集并且存儲在控制器202的存儲器216上，其中，該趨勢數(shù)據(jù)可以指示膜片142例如隨著時 間的聲音發(fā)射，因為膜片142最初通過災難性的故障例示了撕裂或?qū)与x的跡象。該趨勢數(shù) 據(jù)可以包括例如由膜片142發(fā)射的聲音測量的穩(wěn)定的增加或減小的范圍。因此，通過監(jiān)視 來自一個或多個聲音發(fā)射傳感器210、212的多個順序的讀數(shù)，處理器214可以確定膜片142 當前位于趨勢數(shù)據(jù)范圍中的哪里?；谠撟x數(shù)前進經(jīng)過趨勢讀數(shù)范圍的速度，處理器214 可以估計膜片142在經(jīng)歷災難性的故障之前還能操作多久。
[0055] 雖然前文的討論關注于基于由一個或多個聲音發(fā)射傳感器210、212取得的測量 來在方框410處定制關于膜片142的健康性和完整性的消息，但是這僅僅是一個實例。也 就是說，可以基于任意傳感器測量值對于任意致動器組件構(gòu)造包括類似的信息的類似的消 息。即，可以基于來自溫度傳感器208和/或振動傳感器204、206的測量值，對于膜片142、 致動器桿138、致動器主體122或任意其他組件的健康性和完整性，類似地構(gòu)造關于剩余使 用壽命和/或特定維護操作的自定義消息。
[0056] 并且，雖然圖4和圖5的比較方法被描述為是獨立地執(zhí)行的，但是在另一個版本 中，這兩個方法可以組合。即，本文公開的智能致動器104的處理器214可以包括如關于圖 4所描述的、基于與現(xiàn)場中采集的正常操作參數(shù)的比較以及如關于圖5所述的、基于與從實 驗室測試和/或歷史數(shù)據(jù)采集的預先確定的、預先定義的事件參數(shù)的比較來評估健康性和 完整性的能力。
[0057] 如上文關于圖2所述的，本文公開的智能致動器104的一個版本包括用于影響致 動器桿138和任意耦接的控制閥桿118的移動的彈簧和膜片致動器組件136。但是，本文 公開不限于基于膜片的致動器。例如圖6描述了本文公開的智能致動器104的另一個版 本，其包括基于氣動活塞的致動器。即，致動器104包括致動器主體122、致動器殼體124、 活塞組件126、致動器桿138,并且可以包括或不包括偏置設備140如圖狀彈簧。致動器殼 體124限定致動器腔體132,其中，活塞組件126設置在致動器腔體132中以用于影響致動 器桿138的移動。雖然在圖6中未顯示，但是致動器桿138被適配為可操作地耦接到控制 閥（如圖2中所述的控制閥）的閥桿。活塞組件126包括連接到致動器桿138的活塞125。 活塞125包括設置在其周邊邊緣附近并且與致動器腔體132密封接合的密封件127,如圖 所示。這樣，活塞125將致動器腔體132分割成彼此密封的上腔體部分146和下腔體部分 148。圖6的致動器104版本的偏置設備140可以包括一對圈狀彈簧151、153,其關于致動 器桿138設置在致動器腔體132的上腔體部分146中并且與活塞125的頂面接合。
[0058] 通過如此配置，偏置設備140相對于圖6的方向向下偏置活塞125。同樣如本文 所述的，致動器殼體124包括通過致動器腔體132的上腔體部分146的第一流體端口 149， 并且，雖然未顯示，但是致動器殼體124可以包括位于致動器腔體132的下腔體部分148中 的第二流體端口。通過如此配置，在操作期間，流體可以通過第二流體端口引入并且進入致 動器腔體132的下腔體部分148以增加活塞125下面的流體壓強，并且迫使活塞125對抗 偏置設備140的推動而移動。在該情況中，第一流體端口 149可以作為被動排放端口，因而 致動器腔體132的上腔體部分146中的流體壓強對于致動器的操作具有最小的影響。在雙 作用（無彈簧）活塞型致動器的情況中，控制活塞兩端的差分壓強，以根據(jù)命令信號移動閥 桿。
[0059] 仍參考圖6,致動器104還包括與圖2的致動器104的智能監(jiān)視系統(tǒng)200類似的 智能監(jiān)視系統(tǒng)200。具體而言，圖6的致動器104的智能監(jiān)視系統(tǒng)200包括控制器202以 及以下傳感器中的一個或多個：（a)由致動器桿138承載的振動傳感器204、（b)致動器主 體122上承載的振動傳感器206和/或（c)由致動器殼體124承載的用于測量致動器腔體 132中的溫度的溫度傳感器208。圖6的致動器104被描述為不包括一個或多個聲音發(fā)射 傳感器。然而，這僅僅是個實例，在另一個版本中，圖6中的致動器104的版本可以包括一 個或多個聲音發(fā)射傳感器或用于測量活塞組件126和/或其他組件的不同特征的其他類 型的傳感器。通過如本文所述地配置圖6的致動器，應該理解，控制器202可以執(zhí)行上文關 于圖4和圖5所述的方法和過程中的任意一個，以便監(jiān)視、評估和報告總體致動器104的健 康性和完整性。因此,這些方法不需要重復。
[0060] 基于前文，應該明白，本文的公開提供了用于監(jiān)視包括與本文公開的致動器104 的不同版本類似的具體控制閥致動器的過程控制系統(tǒng)現(xiàn)場設備的健康性和完整性的獨特 的設備、系統(tǒng)和方法。通過如此配置，控制系統(tǒng)操作人員可以接收關于致動器的健康性和完 整性的實時信息，該信息然后可以用于以策略的方式計劃并且執(zhí)行維護操作和相關任務， 以降低致命的組件故障出現(xiàn)的時間、成本和次數(shù)。
【權利要求】
1. 一種用于控制閥的致動器，其特征在于，所述致動器包括： 致動器主體，其包括用于限定腔體的致動器殼體； 被適配為耦接到控制閥的控制元件的致動器桿； 設置在所述致動器殼體的腔體中并且可操作地耦接到所述致動器桿以用于將所述致 動器桿偏置到預定的位置的偏置設備； 由所述致動器主體承載并且包括存儲器、處理器和存儲在所述存儲器上的邏輯的控制 器； 可操作地耦接到所述控制器以用于測量所述致動器的參數(shù)并且將測量參數(shù)發(fā)送到所 述控制器的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器包括（a)由所述致動器桿承載的、用于 檢測所述致動器桿中的振動的振動傳感器，和/或（b)由所述致動器主體承載的、用于感測 所述致動器主體中的振動的振動傳感器。
2. 如權利要求1所述的致動器，其特征在于，所述至少一個傳感器進一步包括：由所述 致動器殼體承載的、用于檢測所述致動器腔體中的溫度的溫度傳感器。
3. 如權利要求1到2中的任意一項所述的致動器，其特征在于，進一步包括：設置在所 述致動器腔體中并且可操作地耦接在所述致動器桿與所述偏置設備之間、用于響應于所述 致動器腔體中的壓強改變來移動所述致動器桿的膜片組件。
4. 如權利要求3所述的致動器，其特征在于，所述至少一個傳感器進一步包括：在所述 膜片組件上安裝或者在所述膜片組件附近安裝的一個或多個聲音發(fā)射傳感器。
5. 如權利要求4所述的致動器，其特征在于，所述膜片組件包括膜片和膜片板，并且其 中，所述一個或多個聲音發(fā)射傳感器包括附接到所述膜片或者與所述膜片一體的第一聲音 發(fā)射傳感器和/或附接到所述膜片板的第二聲音發(fā)射傳感器。
6. 如權利要求1到2中的任意一項所述的致動器，其特征在于，由所述處理器執(zhí)行存 儲在所述控制器的所述存儲器中的所述邏輯，以： 接收來自所述至少一個傳感器的測量參數(shù)； 處理所述測量參數(shù)以確定所述測量參數(shù)中的一個或多個是否指示預定的條件；并且 當所述測量參數(shù)中的一個或多個指示預定的條件時，發(fā)送消息到工作站，所述消息指 示所述預定的條件的出現(xiàn)。
7. 如權利要求6所述的致動器，其特征在于，發(fā)送消息到工作站的步驟包括：發(fā)送用于 標識將在所述致動器上執(zhí)行的具體維護操作的消息。
8. 如權利要求6所述的致動器，其特征在于，發(fā)送消息到工作站的步驟包括：發(fā)送用于 標識所述致動器的一個或多個具體組件的剩余使用壽命的估計時長的消息。
9. 一種過程控制系統(tǒng)，其特征在于，包括： 一個或多個用戶工作站； 過程控制器，其可通信地耦接到所述一個或多個用戶工作站；以及 多個現(xiàn)場設備，其可通信地耦接到所述過程控制器，所述現(xiàn)場設備中的至少一個現(xiàn)場 設備包括控制閥和致動器，所述致動器包括： 致動器主體，其包括用于限定腔體的致動器殼體， 可操作地耦接到控制閥的控制元件的致動器桿， 設置在所述致動器殼體的所述腔體中并且可操作地耦接到所述致動器桿以用于將所 述致動器桿偏置到預先確定的位置的偏置設備，由所述致動器主體承載并且包括存儲器、 處理器和存儲在所述存儲器上的邏輯的控制器，以及 可操作地耦接到所述控制器以用于測量所述致動器的參數(shù)并且將測量參數(shù)發(fā)送到所 述控制器的至少一個傳感器，所述至少一個傳感器包括（a)由所述致動器承載的、用于檢 測所述致動器桿中的振動的振動傳感器，和/或（b)由所述致動器主體承載的、用于感測 所述致動器主體中的振動的振動傳感器。
10. 如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個傳感器進一步包括：由所述 致動器殼體承載的、用于檢測所述致動器腔體中的溫度的溫度傳感器。
11. 如權利要求9到10中的任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括：設置在所 述致動器腔體中并且可操作地耦接在所述致動器桿與所述偏置設備之間、用于響應于所述 致動器腔體中的壓強改變來移動所述致動器桿的膜片組件。
12. 如權利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個傳感器進一步包括在所述 膜片組件上安裝或者在所述膜片組件附近安裝的一個或多個聲音發(fā)射傳感器。
13. 如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膜片組件包括膜片和膜片板，并且其 中，所述一個或多個聲音發(fā)射傳感器包括附接到所述膜片或者與所述膜片一體的第一聲音 發(fā)射傳感器和/或附接到所述膜片板的第二聲音發(fā)射傳感器。
14. 如權利要求9到10中的任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，由所述處理器執(zhí)行存儲 在所述控制器的所述存儲器中的所述邏輯，以： 接收來自所述至少一個傳感器的測量參數(shù)； 處理所述測量參數(shù)以確定所述測量參數(shù)中的一個或多個是否指示預定的條件；并且 當所述測量參數(shù)中的一個或多個指示預定的條件時，發(fā)送消息到所述一個或多個工作 站，所述消息指示所述預定的條件的出現(xiàn)。
15. 如權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)送消息到所述一個或多個工作站的步 驟包括：發(fā)送用于標識將在所述致動器上執(zhí)行的具體維護操作的消息。
16. 如權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)送消息到所述一個或多個工作站的步 驟包括：發(fā)送用于標識所述致動器的一個或多個具體組件的剩余使用壽命的估計時長的消 肩、。
17. 如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述一個或多個工作站包括以下設備中的 一個或多個：個人計算機、膝上計算機、平板計算機、智能電話或?qū)ず魴C。
【文檔編號】F16K31/00GK204127434SQ201420164977
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權日:2013年4月9日
【發(fā)明者】S·W·安德森 申請人:費希爾控制國際公司