專(zhuān)利名稱(chēng)：具有基于振動(dòng)的診斷的過(guò)程裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于工業(yè)過(guò)程的設(shè)備的診斷。更具體地講，本發(fā)明涉及執(zhí)行診斷的過(guò)程裝置。
背景技術(shù)：
過(guò)程(工藝)裝置用于工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中以控制、測(cè)量或監(jiān)控過(guò)程。控制裝置是用于控制過(guò)程的過(guò)程裝置，并且包括泵；閥；致動(dòng)器；電磁線(xiàn)圈；電機(jī)；混合器；攪拌器；破碎機(jī)；軋碎機(jī)；滾筒；磨粉機(jī)；球磨機(jī)；揉面機(jī)；攪拌器；過(guò)濾器；旋風(fēng)機(jī)；離心分離機(jī)；牽引機(jī)；干燥機(jī)；傳送機(jī)；離析器；升降機(jī)；卷?yè)P(yáng)機(jī)；加熱器；冷卻器；或其它。閥控制器包括閥致動(dòng)器，該閥致動(dòng)器與用于控制過(guò)程流體流量的閥聯(lián)接(耦合)。泵控制器包括與泵相連的電機(jī)控制器或致動(dòng)器。其它過(guò)程裝置包括可測(cè)量諸如壓力、溫度、流量等物理參數(shù)的發(fā)射器。過(guò)程裝置診斷能夠用于識(shí)別故障過(guò)程裝置，或預(yù)測(cè)該設(shè)備或另一過(guò)程元件中即將出現(xiàn)的的故障。
諸如過(guò)程(process)(工藝)管道系統(tǒng)的過(guò)程(工藝)設(shè)備的振動(dòng)對(duì)工業(yè)過(guò)程具有破壞性，并且能夠?qū)е聦?duì)工廠(chǎng)的管道系統(tǒng)、儀器和其它元件的損壞。例如，在正常的過(guò)程操作期間，振動(dòng)通過(guò)多種來(lái)源產(chǎn)生。所述振動(dòng)被傳送到用在過(guò)程中的元件。隨著時(shí)間的過(guò)去，這些振動(dòng)能夠?qū)е略阅芟陆岛驮罱K失效。
傳感振動(dòng)是用于對(duì)過(guò)程裝置進(jìn)行診斷的已知方法。直接放置在過(guò)程裝置上的諸如加速計(jì)的振動(dòng)傳感器能夠用于傳感設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲信號(hào)。通過(guò)識(shí)別超過(guò)振幅閾值或具有異常頻率的振動(dòng)，隔離和評(píng)估指示實(shí)際或即將發(fā)生故障或性能降低的振動(dòng)。例如，傳感器被放置在泵或電機(jī)外殼、排放閥或與過(guò)程裝置相關(guān)聯(lián)的凸緣(法蘭)上。另一種已知診斷方法是人工檢查，其中操作人員傾聽(tīng)來(lái)自控制裝置的異常聲響。
探測(cè)有害的振動(dòng)能夠允許受損過(guò)程裝置在其最終失效(失靈)前被更換。類(lèi)似地，振動(dòng)能夠用于探測(cè)設(shè)備操作中的失常，或?qū)υO(shè)備的元件中的降級(jí)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)工業(yè)過(guò)程控制和監(jiān)控中用于探測(cè)故障元件和已降級(jí)或處于故障過(guò)程中的元件的改進(jìn)診斷技術(shù)，存在持續(xù)的需求。一種這樣的技術(shù)在2003年7月29日發(fā)布的題為“使用過(guò)程可變傳感器信號(hào)的過(guò)程裝置診斷”的第6,601,005號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中示出，該專(zhuān)利通過(guò)參考并入這里。

發(fā)明內(nèi)容
工業(yè)過(guò)程(工藝)控制或監(jiān)控系統(tǒng)中使用的過(guò)程(工藝)裝置構(gòu)造為與過(guò)程連接。該設(shè)備包括構(gòu)造為傳感振動(dòng)的振動(dòng)傳感器。這些振動(dòng)可通過(guò)過(guò)程聯(lián)接、安裝布置或配線(xiàn)系統(tǒng)接收，并提供傳感的振動(dòng)信號(hào)。診斷電路接收傳感的振動(dòng)信號(hào)，并響應(yīng)地提供與過(guò)程或過(guò)程元件的情況相關(guān)的診斷輸出。本發(fā)明還提供了基于傳感的振動(dòng)的診斷過(guò)程操作的方法。


圖1是包括聯(lián)接到過(guò)程管道系統(tǒng)的過(guò)程發(fā)射器的工業(yè)過(guò)程的視圖。
圖2是圖1中的過(guò)程發(fā)射器中的電路和元件的框圖。
圖3是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程裝置的簡(jiǎn)化框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種診斷技術(shù)，該診斷技術(shù)用于探測(cè)過(guò)程裝置或過(guò)程元件的故障或在出現(xiàn)故障或性能降低前預(yù)測(cè)故障或性能下降。利用本發(fā)明，過(guò)程與/或過(guò)程裝置中的振動(dòng)得到監(jiān)控。振動(dòng)被探測(cè)并用于預(yù)測(cè)過(guò)程裝置或過(guò)程元件的故障、即將發(fā)生的故障或性能降低。
圖1是包括與過(guò)程管道16連接的發(fā)射器12的過(guò)程控制系統(tǒng)10的視圖。如下面討論的，發(fā)射器12是一種類(lèi)型的過(guò)程裝置，而本發(fā)明適用于任何過(guò)程裝置。發(fā)射器12被聯(lián)接到根據(jù)Fieldbus，Profibus或HART標(biāo)準(zhǔn)操作的雙線(xiàn)過(guò)程控制回路18。然而，本發(fā)明并不局限于這些標(biāo)準(zhǔn)或雙線(xiàn)結(jié)構(gòu)。雙線(xiàn)過(guò)程控制回路18運(yùn)行在發(fā)射器12和控制室20之間。在其中回路18根據(jù)HART協(xié)議操作的實(shí)施例中，回路18能夠承載代表傳感的過(guò)程變量的電流I。此外，HART協(xié)議允許數(shù)字信號(hào)疊加在經(jīng)過(guò)回路18的電流上，以便數(shù)字信息能夠被發(fā)送到發(fā)射器12或從發(fā)射器12接收。當(dāng)根據(jù)Fieldbus標(biāo)準(zhǔn)操作時(shí)，回路18承載數(shù)字信號(hào)，并能夠聯(lián)接到諸如其它發(fā)射器的多個(gè)場(chǎng)設(shè)備。
本發(fā)明可適用于用在過(guò)程控制環(huán)境的任何過(guò)程裝置?？傊?，諸如圖1中所示的發(fā)射器12的過(guò)程裝置被用于測(cè)量、監(jiān)控或控制過(guò)程變量。
過(guò)程變量典型地是在過(guò)程中被控制的主要變量。如這里使用的，過(guò)程變量表示描述諸如例如壓力、流量、溫度、產(chǎn)品級(jí)、pH值、渾濁度、振動(dòng)、位置、電機(jī)電流、任何其它過(guò)程特征的過(guò)程情況的任何變量?？刂菩盘?hào)表示用于控制過(guò)程的任何信號(hào)(除了過(guò)程變量)。例如，控制信號(hào)表示由控制器調(diào)節(jié)或用于控制過(guò)程的諸如期望溫度、壓力、流量、產(chǎn)品級(jí)、pH或渾濁度等的期望過(guò)程變量值(即，設(shè)置點(diǎn))。此外，控制信號(hào)表示校正值；報(bào)警；報(bào)警條件；被提供到控制元件的信號(hào)，諸如提供到閥致動(dòng)器的閥位置信號(hào)；提供到加熱元件的能量級(jí)；電磁線(xiàn)圈開(kāi)/關(guān)信號(hào)等；或涉及過(guò)程控制的任何其它信號(hào)。這里使用的診斷信號(hào)包括涉及過(guò)程控制回路中的設(shè)備和元件的操作的信息，但不包括過(guò)程變量或控制信號(hào)。例如，診斷信號(hào)包括可在系統(tǒng)中探測(cè)或測(cè)量的閥桿位置、施加的扭矩或力、致動(dòng)器壓力、用于致動(dòng)閥的加壓氣體的壓力、電壓、電流、功率、電阻、電容、傳感系數(shù)、設(shè)備溫度、靜摩擦、摩擦力、完全開(kāi)啟和關(guān)閉(on and off)位置、行程、頻率、幅度、頻譜和頻譜分量、硬度、電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度、周期、強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)、電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)、電機(jī)電流、回路相關(guān)參數(shù)(諸如控制環(huán)電阻、電壓或電流)或任何其它參數(shù)。此外，過(guò)程信號(hào)表示諸如例如過(guò)程變量、控制信號(hào)或診斷信號(hào)的涉及過(guò)程或過(guò)程中的元件的任何信號(hào)。過(guò)程裝置包括形成部分過(guò)程控制回路或聯(lián)接到過(guò)程控制回路并用于過(guò)程控制或監(jiān)控的任何設(shè)備。
如上所述，圖1是示出了過(guò)程控制系統(tǒng)10的實(shí)例的視圖，過(guò)程控制系統(tǒng)10包括承載過(guò)程流體的過(guò)程管道系統(tǒng)16和承載回路電流I的雙線(xiàn)過(guò)程控制回路18。發(fā)射器12、諸如致動(dòng)器、閥、泵、電機(jī)或電磁線(xiàn)圈的聯(lián)接到回路中的最終控制元件的控制器22、通信裝置26和控制室22是過(guò)程控制回路18的所有部分。應(yīng)該理解圖中示出了一種構(gòu)造的回路18，并且可以使用諸如4-20mA回路、2，3或4線(xiàn)回路、多站回路和根據(jù)HART、Fieldbus或其它數(shù)字或模擬通信協(xié)議操作的回路的任何適合的過(guò)程控制回路。在操作中，發(fā)射器12使用傳感器21傳感諸如流量的過(guò)程變量，并在回路18上傳送傳感的過(guò)程變量。該過(guò)程變量可被控制器/閥致動(dòng)器22、通信裝置26與/或控制室設(shè)備20接收?？刂破?2被示出為聯(lián)接到閥24，并且能夠通過(guò)調(diào)節(jié)閥24控制該過(guò)程，從而改變管16中的流量。通過(guò)回路18，控制器22接收來(lái)自例如控制室20、發(fā)射器12或通信裝置26的控制輸入，并且響應(yīng)地調(diào)節(jié)閥24。在另一實(shí)施例中，基于通過(guò)回路18接收的過(guò)程信號(hào)，控制器22內(nèi)部生成控制信號(hào)。通信裝置26可以是圖1中所示的便攜式通信裝置，或可以是監(jiān)控過(guò)程并執(zhí)行計(jì)算的永久安裝的過(guò)程單元。如圖1所示，過(guò)程裝置例如包括發(fā)射器12(諸如美國(guó)明尼蘇達(dá)州Chanhassen的Rosemount公司的3051S發(fā)射器)、控制器22、通信裝置26和控制室20。圖1還示出了診斷單元27，并且診斷單元27可包括不單獨(dú)地用于傳感過(guò)程變量的諸如這里討論的振動(dòng)傳感器的傳感器。另一種類(lèi)型的過(guò)程裝置是使用合適的I/O電路連接到回路的PC(個(gè)人計(jì)算機(jī))、可編程邏輯單元(PLC)或其它計(jì)算機(jī)，以允許在回路上監(jiān)控、管理與/或發(fā)射。
根據(jù)本發(fā)明，圖1中所示的任何過(guò)程裝置12，20，22，26或27可包括診斷功能。
根據(jù)本發(fā)明，物理聯(lián)接到例如過(guò)程管道系統(tǒng)16的工業(yè)過(guò)程的視圖1中所示的任何過(guò)程裝置能夠包括傳感振動(dòng)的傳感器。在過(guò)程操作期間，振動(dòng)發(fā)生并被傳遞到過(guò)程元件。圖1中示出了普通過(guò)程元件29，并且普通過(guò)程元件29可包括接收或生成來(lái)自過(guò)程操作的振動(dòng)的任何物理項(xiàng)目。元件29能夠包括執(zhí)行診斷的過(guò)程裝置內(nèi)的元件。振動(dòng)可來(lái)自諸如電機(jī)、空隙現(xiàn)象或流體運(yùn)動(dòng)、致動(dòng)器等多種來(lái)源。箭頭30所示的振動(dòng)沿過(guò)程元件被物理承載。這些振動(dòng)能夠?qū)е逻^(guò)程元件29的降級(jí)和最終失效。過(guò)程元件29能夠是聯(lián)接到工業(yè)過(guò)程10的任何元件。實(shí)例過(guò)程元件包括過(guò)程管道系統(tǒng)；閥；泵；傳感器；發(fā)射器；電子設(shè)備；機(jī)械設(shè)備；控制元件；導(dǎo)管；箱；致動(dòng)器；攪拌器；或其它元件或設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，諸如發(fā)射器12的過(guò)程裝置包括被構(gòu)造為傳感工業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)的振動(dòng)傳感器。振動(dòng)傳感器能夠是諸如加速計(jì)的任何類(lèi)型的振動(dòng)傳感器。在發(fā)射器12中或在遠(yuǎn)處位置的診斷電路監(jiān)控傳感的振動(dòng)，并能夠診斷過(guò)程元件29的故障或即將發(fā)生的故障或性能下降。在一些實(shí)施例中，元件29能夠包括執(zhí)行診斷的過(guò)程裝置的元件。在其它實(shí)施例中，元件29與執(zhí)行診斷的設(shè)備物理上分離。通過(guò)雙線(xiàn)過(guò)程控制回路18，發(fā)射器12能夠?qū)⑻峁┻^(guò)程元件29的故障或即將發(fā)生的故障的指示的輸出例如提供給控制室20。使用這種信息，操作人員能夠修理或替換故障元件29，或在最終的故障前，修理或替換元件29。這允許在預(yù)定時(shí)刻進(jìn)行過(guò)程10的任何維護(hù)。如果元件29的修理或更換需要過(guò)程10停止運(yùn)轉(zhuǎn)，則這尤其有益。此外，一些元件可能會(huì)驟然，或以導(dǎo)致其它元件損壞的方式出現(xiàn)故障，或?qū)е虏话踩漠a(chǎn)品釋放到外界。通過(guò)提供元件29可能在不久的將來(lái)出現(xiàn)故障的指示，或預(yù)測(cè)最終故障的時(shí)刻，元件29能夠在最終故障前得到修理或更換。
圖2是示出了聯(lián)接到過(guò)程管道系統(tǒng)16的過(guò)程發(fā)射器12的視圖。振動(dòng)70被示出了正經(jīng)工業(yè)過(guò)程傳送。例如，振動(dòng)70可由過(guò)程管道系統(tǒng)16、管道系統(tǒng)16內(nèi)的過(guò)程流體或其它連接到物理聯(lián)接運(yùn)載到發(fā)射器12。
發(fā)射器12包括過(guò)程變量傳感器72。過(guò)程變量傳感器72能夠被構(gòu)造以傳感諸如流量、壓力、溫度或其它的任何類(lèi)型的過(guò)程變量。過(guò)程變量傳感器72聯(lián)接到測(cè)量電路74，該測(cè)量電路74將過(guò)程變量信號(hào)提供給I/O電路76。I/O電路76被構(gòu)造為通過(guò)兩線(xiàn)過(guò)程控制回路18發(fā)送有關(guān)傳感的過(guò)程變量的信息。在一些實(shí)施例中，I/O電路76還能夠通過(guò)過(guò)程控制回路18接受用于為發(fā)射器12的電路和元件完全供電的電力。
發(fā)射器12中的振動(dòng)傳感器80被構(gòu)造為傳感振動(dòng)70，并將振動(dòng)傳感器信號(hào)提供給診斷電路82。診斷電路82監(jiān)控振動(dòng)傳感器80傳感的振動(dòng)70，并通過(guò)I/O電路76提供輸出，所述輸出提供了過(guò)程元件29的故障或即將發(fā)生的故障的指示。
過(guò)程管道系統(tǒng)16和過(guò)程裝置中的振動(dòng)70會(huì)破壞工業(yè)過(guò)程10，并且能夠?qū)е逻^(guò)程管道系統(tǒng)16、儀器和其它工廠(chǎng)元件的損壞。過(guò)程發(fā)射器12提供用于監(jiān)控振動(dòng)和檢測(cè)與預(yù)測(cè)潛在損壞的內(nèi)置能力。通過(guò)探測(cè)有害的振動(dòng)，發(fā)射器12能夠防止更換損壞過(guò)程儀器或其它設(shè)備的需要。通過(guò)防止由于破裂的過(guò)程泄漏或?qū)^(guò)程提供密封的其它設(shè)備的損壞，能夠保持工廠(chǎng)整體性和安全。
在一些實(shí)施例中，通過(guò)預(yù)測(cè)測(cè)量?jī)x器或控制儀器的即將發(fā)生的損耗，本發(fā)明的振動(dòng)診斷能夠避免或減小工廠(chǎng)停工時(shí)間，并且允許有時(shí)間更換或修理該設(shè)備。振動(dòng)信息還能夠提供給其它設(shè)備。數(shù)據(jù)壓縮算法能夠用于這種傳輸。診斷指示能夠在兩線(xiàn)過(guò)程控制回路18上提供。例如，HART狀態(tài)或其它報(bào)警能夠經(jīng)回路18發(fā)送。當(dāng)傳感的振動(dòng)超過(guò)預(yù)定閾值幅度時(shí)，這種報(bào)警能夠提供給控制室20。如果瞬時(shí)振動(dòng)超過(guò)閾值水平，或例如如果累積振動(dòng)已超過(guò)閾值，振動(dòng)診斷報(bào)警能夠被觸發(fā)。累積能夠在傳感器使用期、部分使用期(窗口)上，或可以是峰值或其它振動(dòng)特征信號(hào)的累積。振動(dòng)的趨勢(shì)或具體振動(dòng)特征信號(hào)也能夠用于診斷。由于本發(fā)明的振動(dòng)診斷能夠與過(guò)程裝置集成，則不需要另外的診斷設(shè)備?；谡駝?dòng)的診斷的構(gòu)造能夠與用于工業(yè)過(guò)程的現(xiàn)有過(guò)程信息系統(tǒng)簡(jiǎn)單集成。
振動(dòng)傳感器80可以是任何類(lèi)型的振動(dòng)傳感器。多個(gè)振動(dòng)傳感器沿單個(gè)軸操作，并能夠僅沿該軸傳感振動(dòng)。然而，在一個(gè)實(shí)施例中，另外的傳感器或多軸傳感器被用于沿一個(gè)以上的軸傳感振動(dòng)，或描繪過(guò)程裝置中多個(gè)位置處的振動(dòng)的輪廓。診斷電路82能夠使用另外傳感的振動(dòng)以提供進(jìn)一步的診斷。另外，振動(dòng)傳感器80能夠被放置在過(guò)程發(fā)射器12中的一個(gè)以上的位置。這些另外的傳感器也能夠用于提供另外的基于振動(dòng)的過(guò)程診斷。通過(guò)比較或分析來(lái)自過(guò)程系統(tǒng)中一個(gè)以上過(guò)程裝置的振動(dòng)測(cè)量值，診斷的范圍能夠得到擴(kuò)大。另外的測(cè)量值能夠用于提供有關(guān)過(guò)程或工廠(chǎng)總的健康的信息。在過(guò)程裝置與過(guò)程連接的附近進(jìn)行的振動(dòng)測(cè)量能夠用于探測(cè)諸如來(lái)自斷開(kāi)的閥關(guān)閉、氣穴現(xiàn)象、攻擊化學(xué)反應(yīng)或其它過(guò)程擾動(dòng)的氣擊(air hammer)，氣體靜壓軸承操作過(guò)程中發(fā)生的共振現(xiàn)象)的具體過(guò)程破壞，以及泵、旋轉(zhuǎn)設(shè)備的實(shí)際或即將發(fā)生的故障或類(lèi)似形式的故障。
過(guò)程管道系統(tǒng)的振動(dòng)還對(duì)過(guò)程產(chǎn)生破壞，并且降低諸如由渦流流量計(jì)或要求最優(yōu)輪廓的基于差分壓力的流量計(jì)提供的流量測(cè)量的精度。破壞性振動(dòng)的探測(cè)能夠隨后用于例如通過(guò)曲線(xiàn)擬合或其它技術(shù)的流量控制算法，以將流量調(diào)節(jié)到使這些對(duì)過(guò)程的破壞最小化或消除的設(shè)置，并且改進(jìn)流量測(cè)量。當(dāng)過(guò)程正被破壞時(shí)，探測(cè)到的振動(dòng)70能夠用于補(bǔ)償或“修整”流量或其它過(guò)程變量測(cè)量值。
雖然在圖2中，I/O電路76、測(cè)量電路74和診斷電路82示出了為分離的元件，這些電路框能夠以共用電路與/或軟件實(shí)現(xiàn)。例如，多種這些功能能夠在一個(gè)數(shù)字處理器中實(shí)現(xiàn)。除了將傳感的振動(dòng)或累積的傳感的振動(dòng)與固定閾值比較，診斷電路82還能夠使用其它診斷技術(shù)。例如，能夠執(zhí)行使用“如果/則”(if/then)規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)。診斷能夠基于傳感的振動(dòng)的頻譜。能夠使用諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等的復(fù)雜處理。
圖3是形成部分回路18的過(guò)程裝置240的框圖。設(shè)備240被概括地示出，且設(shè)備240可包括用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)診斷的諸如圖1所示的發(fā)射器12、控制器22、通信裝置26、單元27或控制室設(shè)備20的任何過(guò)程裝置。例如，控制室設(shè)備20可包括利用PLC實(shí)現(xiàn)的DCS系統(tǒng)，并且控制器22也可包括“智能”電機(jī)或泵。過(guò)程裝置240包括在終端244處聯(lián)接到回路18的I/O電路242。I/O電路已預(yù)先選擇了本領(lǐng)域已知的輸入和輸出阻抗，以有助于來(lái)自設(shè)備240和到設(shè)備240的合適通信。設(shè)備240包括聯(lián)接(耦合)到I/O電路242的微處理器246；耦合到微處理器246的存儲(chǔ)器248；和耦合到微處理器246的時(shí)鐘250。微處理器246接收過(guò)程信號(hào)輸入252。過(guò)程信號(hào)輸入框252旨在表示任何過(guò)程信號(hào)的輸入，并且如上所述，過(guò)程信號(hào)輸入可以是過(guò)程變量或控制信號(hào)，并可以使用I/O電路242從回路18接收，或可在過(guò)程裝置240內(nèi)部生成。過(guò)程裝置240示出了具有傳感器輸入信道254和控制信道256。典型地，諸如發(fā)射器12的發(fā)射器將專(zhuān)門(mén)包括傳感器輸入信道254，而諸如控制器22的控制器專(zhuān)門(mén)包括控制信道256?；芈?8上諸如通信裝置26和控制室設(shè)備20的其它設(shè)備可不包括信道254和256。應(yīng)該理解根據(jù)需要，設(shè)備240可包括多條信道以監(jiān)控多個(gè)過(guò)程變量，和/或控制多個(gè)控制元件。
傳感器輸入信道254包括傳感器21，該傳感器21傳感過(guò)程變量并將傳感器輸出提供給放大器258，放大器258的輸出由模-數(shù)轉(zhuǎn)換器260數(shù)字化。信道254典型地用在諸如發(fā)射器12的發(fā)射器中。補(bǔ)償電路262補(bǔ)償數(shù)字信號(hào)并將數(shù)字化過(guò)程變量信號(hào)提供給微處理器246。在一個(gè)實(shí)施例中，信道254包括接收診斷信號(hào)的診斷信道。
當(dāng)過(guò)程裝置240操作作為諸如控制器22的控制器時(shí)，例如，設(shè)備240包括具有諸如閥的控制元件24的控制信道256。通過(guò)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器264、放大器266和致動(dòng)器268，控制單元24被聯(lián)接到微處理器246。數(shù)-模轉(zhuǎn)換器264將來(lái)自微處理器246的命令輸出數(shù)字化，放大器266放大數(shù)字化的命令輸出?；趤?lái)自放大器266的輸出，致動(dòng)器268對(duì)控制元件24進(jìn)行控制。在一個(gè)實(shí)施例中，致動(dòng)器268被直接聯(lián)接到回路18，并根據(jù)流經(jīng)回路18的電流I，控制加壓氣體源(未示出)以調(diào)節(jié)控制元件24。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器22包括控制信道256以控制控制元件；并且還包括提供諸如閥桿位置、力、扭矩、致動(dòng)器壓力、加壓空氣源的壓力等的診斷信號(hào)的傳感器輸入信道254。
在一個(gè)實(shí)施例中，使用從回路18接收的電力，I/O電路242提供用于對(duì)過(guò)程裝置240中的其它電路完全供電的電源輸出。典型地，諸如發(fā)射器12或控制器22的場(chǎng)設(shè)備從回路18供電，并且通信裝置26或控制室20具有分離的電源。如上所述，過(guò)程信號(hào)輸入252將過(guò)程信號(hào)提供給微處理器246。過(guò)程信號(hào)可以是來(lái)自傳感器21的過(guò)程變量、提供給控制元件24的控制輸出、傳感器80傳感的診斷信號(hào)，或控制信號(hào)、經(jīng)回路18接收的過(guò)程變量或診斷信號(hào)，或由諸如其它I/O信道的一些其它裝置接收或生成的過(guò)程信號(hào)。用戶(hù)I/O電路276也連接到微處理器246，并提供設(shè)備240與用戶(hù)之間的通信。典型地，用戶(hù)I/O電路276包括用于輸出的顯示器和音頻及用于輸入的鍵盤(pán)。典型地，通信裝置26和控制室20包括允許用戶(hù)監(jiān)控和輸入諸如過(guò)程變量、控制信號(hào)(設(shè)置點(diǎn)、標(biāo)度值、報(bào)警、報(bào)警條件等)的過(guò)程信號(hào)的I/O電路276。用戶(hù)還可以使用通信裝置26或控制室20中的電路276以通過(guò)回路18將這種過(guò)程信號(hào)發(fā)送到發(fā)射器12和控制器22，和通過(guò)回路18從發(fā)射器12和控制器22接收這種過(guò)程信號(hào)。此外，這種電路能夠直接實(shí)現(xiàn)在發(fā)射器12、控制器22或任何其它過(guò)程裝置240中。
圖3還示出了可以是獨(dú)立傳感器或可以由多個(gè)傳感器或元件形成的振動(dòng)傳感器80。在一個(gè)實(shí)施例中，例如通過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器290和放大器292，傳感器80聯(lián)接到微處理器246。微處理器246能夠監(jiān)控傳感的振動(dòng)并提供過(guò)程元件故障或即將發(fā)生的故障的指示。例如，微處理器能夠?qū)鞲械恼駝?dòng)與基線(xiàn)值或標(biāo)稱(chēng)值進(jìn)行比較。這種信息能夠存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器248中?；€(xiàn)和標(biāo)稱(chēng)值能夠根據(jù)過(guò)程的操作模式或其它因素改變。基線(xiàn)可以是特殊頻譜或特征信號(hào)，并可以基于觀(guān)察到的過(guò)程操作歷史。此外，微處理器246執(zhí)行的診斷能夠基于傳感的振動(dòng)中的趨勢(shì)。例如，在傳感的振動(dòng)中逐漸或突然的增加，或周期性峰值或其它不規(guī)則，均可以是過(guò)程元件故障或即將發(fā)生的故障的指示。類(lèi)似地，如果傳感的振動(dòng)突然出現(xiàn)峰值，微處理器246能夠提供指示處理元件29可能失效或已失效的診斷輸出。這些值、趨勢(shì)或訓(xùn)練輪廓也能夠存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器248中。診斷能夠基于簡(jiǎn)單的比較；或諸如測(cè)量值的觀(guān)察平均或移動(dòng)平均數(shù)的更復(fù)雜的數(shù)學(xué)技術(shù)；模糊邏輯技術(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；或基于一系列規(guī)則和/或閾值比較的專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)。在各種實(shí)施例中，因?yàn)樵谶^(guò)程元件最終故障前能夠給服務(wù)人員時(shí)間以維修過(guò)程元件，本發(fā)明提供預(yù)測(cè)診斷的能力是有益的。
本發(fā)明的診斷輸出能夠用于提供輸出信號(hào)，給操作人員可視指示，或提供到控制室的通信信號(hào)的傳輸或其它診斷通知。
如上述討論，診斷能夠基于多種使用傳感的振動(dòng)的技術(shù)。例如，診斷能夠利用一段時(shí)間的振動(dòng)趨勢(shì)。這種信息能夠用于與軸承或泵元件的磨損相關(guān)。它也能夠用于提供過(guò)程元件暴露于振動(dòng)的累積測(cè)量，并能夠用于預(yù)測(cè)過(guò)程管道系統(tǒng)或機(jī)械連接，例如安裝的硬件或支架受到即將發(fā)生的故障。此外，診斷電路能夠用于使振動(dòng)信號(hào)與在操作過(guò)程的操作期間出現(xiàn)的多個(gè)步驟或事件相關(guān)。例如，攻擊(aggressive)化學(xué)反應(yīng)可具有特殊的振動(dòng)特征信號(hào)。在一些實(shí)施例中，如果執(zhí)行振動(dòng)傳感器的校準(zhǔn)或表征，例如趨向更好、趨向更差或保持恒定的簡(jiǎn)單的振動(dòng)相對(duì)測(cè)量可能就足夠了。振動(dòng)的絕對(duì)測(cè)量能夠用于執(zhí)行診斷。
振動(dòng)傳感器80可以是任何合適的振動(dòng)傳感器。一種已知的振動(dòng)探測(cè)和測(cè)量傳感器是加速計(jì)。目前正在使用包括電容的、電動(dòng)的、壓電的或其它的多種不同的加速計(jì)技術(shù)。加速計(jì)產(chǎn)生與傳感振動(dòng)相關(guān)的輸出信號(hào)。輸出信號(hào)能夠具有對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度或振動(dòng)頻率的線(xiàn)性或其它關(guān)系。另一實(shí)例診斷傳感器能夠采用MEMS配置實(shí)現(xiàn)，其中懸臂用于傳感振動(dòng)。
壓電加速計(jì)相當(dāng)堅(jiān)固，并具有幾十千赫數(shù)量級(jí)的寬信號(hào)帶寬，它覆蓋大量音域。一個(gè)實(shí)例傳感器可以從PCB Piezoelectronics獲得，且標(biāo)識(shí)為IMI傳感器系列660，該系列是低價(jià)可嵌入加速計(jì)的一個(gè)系列?？梢垣@得包括有和無(wú)信號(hào)處理的兩線(xiàn)和三線(xiàn)低功率的多種配置。例如，低功率配置在延長(zhǎng)的溫度范圍操作，并能夠直接安裝到執(zhí)行寬溫度變化的過(guò)程。施加例如3和5伏DC(直流)的激勵(lì)電壓，并且經(jīng)過(guò)傳感器的電流在750pA的數(shù)量級(jí)上。
另一實(shí)例加速計(jì)是Motorola公司的MMA系列。這些加速計(jì)包括諸如表面安裝集成電路組件、溫度補(bǔ)償、積分信號(hào)訓(xùn)練和過(guò)濾、自檢和故障定位功能的多種選項(xiàng)。這些加速計(jì)使用能夠制作為活動(dòng)片放置在其間的兩個(gè)靜片的電容傳感技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)受到加速度時(shí)，中間片偏離其停留位置。
雖然本發(fā)明是參考優(yōu)選實(shí)施進(jìn)行描述的，但本領(lǐng)域中的技術(shù)操作人員將會(huì)意識(shí)到在不離開(kāi)本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以做一些形式與細(xì)節(jié)的變動(dòng)。過(guò)程聯(lián)接能夠是能夠?qū)⒄駝?dòng)傳送到振動(dòng)傳感器的任何類(lèi)型的聯(lián)接。過(guò)程聯(lián)接包括將振動(dòng)傳感器直接安裝到過(guò)程的聯(lián)接。振動(dòng)能夠經(jīng)過(guò)程連接、安裝安排、配線(xiàn)系統(tǒng)等接收。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明能夠在任何類(lèi)型的過(guò)程裝置中實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將振動(dòng)診斷與過(guò)程裝置集成，不再需要另外的診斷設(shè)備。該過(guò)程裝置能夠執(zhí)行對(duì)自身的診斷，換言之，元件29可以是接收振動(dòng)與/或執(zhí)行診斷的設(shè)備的元件。
權(quán)利要求
1.一種用于工業(yè)過(guò)程控制或監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備，包括用于聯(lián)接到過(guò)程的過(guò)程裝置；將過(guò)程裝置聯(lián)接到過(guò)程的過(guò)程聯(lián)接；傳感振動(dòng)并且提供傳感的振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)傳感器；和位于過(guò)程裝置中的診斷電路，所述診斷電路被構(gòu)造為接收傳感的振動(dòng)信號(hào)，并且響應(yīng)地提供與過(guò)程擾動(dòng)或過(guò)程元件的操作相關(guān)的診斷輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述過(guò)程裝置包括用于傳感過(guò)程變量的過(guò)程變量傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述過(guò)程裝置包括被構(gòu)造為控制所述過(guò)程的操作的控制元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述過(guò)程裝置包括被構(gòu)造為接收過(guò)程信號(hào)的輸入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述過(guò)程裝置包括輸出電路，該輸出電路包括被構(gòu)造為與雙線(xiàn)過(guò)程控制回路聯(lián)接的通信電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述振動(dòng)通過(guò)過(guò)程元件承載。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述振動(dòng)傳感器包括加速計(jì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述振動(dòng)傳感器被構(gòu)造為沿一個(gè)軸傳感振動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述振動(dòng)傳感器被構(gòu)造為沿一個(gè)以上的軸傳感振動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中來(lái)自所述診斷電路的所述輸出被在過(guò)程控制回路上傳送。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出與過(guò)程元件的故障相關(guān)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出與過(guò)程元件的性能降低相關(guān)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出與過(guò)程元件的即將發(fā)生的故障相關(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出以傳感的振動(dòng)與基線(xiàn)水平的比較為基礎(chǔ)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述基線(xiàn)水平是以所述過(guò)程的歷史為基礎(chǔ)確定的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出以傳感的振動(dòng)的累積為基礎(chǔ)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出以累積的振動(dòng)與閾值的比較為基礎(chǔ)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出以傳感的振動(dòng)的趨勢(shì)為基礎(chǔ)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出用于調(diào)節(jié)控制算法。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出用于補(bǔ)償過(guò)程變量測(cè)量。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出以傳感的振動(dòng)的頻譜為基礎(chǔ)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出以規(guī)則為基礎(chǔ)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷電路實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷電路實(shí)現(xiàn)模糊邏輯。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出以傳感的振動(dòng)信號(hào)中的峰值為基礎(chǔ)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出以振動(dòng)信號(hào)的移動(dòng)平均數(shù)為基礎(chǔ)。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述振動(dòng)傳感器是從包括電容的、電動(dòng)的、壓電的和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的振動(dòng)傳感器組中選取的。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述診斷輸出與過(guò)程操作相關(guān)。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括被構(gòu)造為傳感振動(dòng)的多個(gè)過(guò)程裝置。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述過(guò)程裝置完全從過(guò)程控制回路供電。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述過(guò)程裝置被構(gòu)造為聯(lián)接到過(guò)程控制回路，所述過(guò)程控制回路是從包括兩線(xiàn)、三線(xiàn)和四線(xiàn)過(guò)程控制回路的過(guò)程控制回路組中選取的。
32.一種監(jiān)控工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的操作的方法，包括將過(guò)程裝置物理聯(lián)接到過(guò)程；利用所述過(guò)程裝置中的振動(dòng)傳感器傳感過(guò)程振動(dòng)，所述振動(dòng)通過(guò)所述物理聯(lián)接被接收；和基于所述傳感的振動(dòng)診斷過(guò)程元件或過(guò)程擾動(dòng)的操作。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，包括傳感過(guò)程變量。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，包括控制所述過(guò)程的操作。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，包括在兩線(xiàn)過(guò)程控制回路上輸出數(shù)據(jù)。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述過(guò)程振動(dòng)通過(guò)過(guò)程元件承載。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中傳感振動(dòng)包括沿一個(gè)軸傳感振動(dòng)。
38.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中傳感振動(dòng)包括沿一個(gè)以上的軸傳感振動(dòng)。
39.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷涉及過(guò)程元件的故障。
40.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷涉及過(guò)程元件的即將發(fā)生的故障。
41.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷以傳感的振動(dòng)與基線(xiàn)水平的比較為基礎(chǔ)。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其中所述基線(xiàn)水平是以所述過(guò)程的歷史為基礎(chǔ)確定的。
43.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷以傳感的振動(dòng)的累積為基礎(chǔ)。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中所述診斷以累積振動(dòng)與閾值的比較為基礎(chǔ)。
45.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷以傳感的振動(dòng)的趨勢(shì)為基礎(chǔ)。
46.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，包括基于所述診斷調(diào)節(jié)控制算法。
47.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，包括基于所述診斷補(bǔ)償過(guò)程變量測(cè)量。
48.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷以傳感的振動(dòng)的頻譜為基礎(chǔ)。
49.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷以規(guī)則為基礎(chǔ)。
50.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。
51.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷在模糊邏輯中實(shí)現(xiàn)。
52.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷輸出以傳感的振動(dòng)信號(hào)中的峰值為基礎(chǔ)。
53.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述診斷以所述振動(dòng)信號(hào)的移動(dòng)平均數(shù)為基礎(chǔ)。
54.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，包括使所述診斷與過(guò)程操作相關(guān)。
55.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述振動(dòng)傳感器傳感通過(guò)所述過(guò)程聯(lián)接、安裝布置或配線(xiàn)系統(tǒng)接收的所述過(guò)程中的振動(dòng)。
全文摘要
工業(yè)過(guò)程控制或監(jiān)控系統(tǒng)中使用的過(guò)程裝置(12)被構(gòu)造為與過(guò)程聯(lián)接。振動(dòng)傳感器(80)被構(gòu)造為傳感振動(dòng)(70)。診斷電路(82)基于傳感的振動(dòng)提供診斷輸出。
文檔編號(hào)G05B23/02GK1856752SQ200480027451
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
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