專利名稱：一種氣動致動器的定位器系統的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及控制閥，尤其是涉及在用于控制閥的控制回路部件中計 算流體流動特性和執行診斷的方法和裝置。本發明也涉及一種氣動致動器 的定位器系統。
背景技術：
控制閥用于調節通過管路的工藝用流體的流動。這種閥通常包括設置在 工藝流體流路內的節流部件(throttling element),該部件與致動器(actuator)相 連。各種致動器已為人所熟知，多種控制閥可利用氣動致動器，該致動器使 用空氣、天然氣、或者其它可在加壓下調節致動器的位置的流體。舉例來說， 在彈簧和薄膜致動器中，彈簧向致動器的另一側施加一個應力，而控制在致
動器的相反側流體壓力，從而調節上述節流部件的位置。可替換的，還可使 用活塞致動器，活塞將致動器殼體分為上下兩室，控制這兩個室的流體壓力， 可驅動上述致動器到達要求的位置。在任一種氣動致動器中，所述控制用流 體都具有流向周圍環境泄出的額定量。
定位器(或伺服控制器)控制作用在氣動致動器的 一個或兩個室上的流 體壓力。該定位器通常包括處理器，電流壓力轉換器(I/P), 二級氣動裝置(即 滑閥(spool valve)或者氣動繼電器)，和閥行程反饋傳感器。該I/P轉換器與供 壓源相連，向滑閥附近的柔性薄膜輸送要求的控制用流體的壓力。上述薄膜 控制滑閥的位置，以將控制用流體導向致動器的腔室。致動器的運動引發上 述節流部件的相應運動，從而控制工藝用流體的流動。上述定位器進一步從 處理控制器接收參考信號，通常為命令信號形式，將該參考信號和閥行程反 饋相比較，驅動上述I/P轉換器(和二級氣動裝置)，從而將閥朝向參考信號移 動。
隨著使用以處理器為基礎的控制的需求增長，使用在定位器內的滑閥已 經著重地被儀表化。舉例來說，在利用活塞致動器時，上述滑閥包括接收供 給壓力的入口端，與致動器第一室流體連通的第一出口端，和致動器第二室 流體連通的第二出口端。已知的滑閥在上述入口端、第一出口端和第二出口 端處都設置有壓力傳感器，為處理器提供反饋。另外，傳統滑閥還包括用于 檢測滑閥位置的位移傳感器，并向處理器提供反饋信號。
傳統定位器具有的一些部件易受各種控制用流體泄漏或者阻塞的影響， 從而導致控制閥的功能下降或者無法操作。例如，上述I/P轉換器包括與供給 壓力密封連接的入口。該I/P轉換器包括一節流器，限定初級節流孔和噴嘴， 來導引控制用流體朝向節氣門。該I/P轉換器進一步包括將控制用流體導向滑 閥的密封出口。上述I/P轉換器經常設置在工礦設施上，這些地方的環境空氣 已被油、溶解礦物質、沙礫等污染。因此，當這種空氣用作為控制用流體時， 上述污染物就可能部分或者全部堵塞上述節流孔或者噴嘴。另外，上述I/P 轉換器出入口之間設置的密封也會失效。因而這種堵塞或泄漏會緩慢降低控 制閥的性能，導致效率低下，或者致使整個控制閥完全失效。在兩種情況下， 很難決定是由于定位器導致故障的發生，更不用說確定定位器內故障的確切 位置。
類似的，在致動器殼體內可能產生的泄漏或者在滑閥和致動器之間的連 接中可能形成的堵塞都會降低控制閥性能或者導致失效。舉例來說，上下致 動器室和大氣之間可能形成泄漏，或一個活塞環可能失效導致從一個室到另 一個室之間的泄漏。在這些環境下，處理器就必須調節其用于節流部件給定 位置的控制信號。在控制用介質為天然氣時，泄漏檢測尤為重要。在嘈雜車 間環境下，隨著時間的流逝這種泄漏可能發生并且直到閥停止工作之前仍不 為人們所發視。
圖1為安裝到控制閥的致動器上的定位器的簡要框圖。
圖2為圖1中所示定位器的放大視圖。
圖3A和3B分別表示出彈簧和薄膜致動器分別經歷泄漏和堵塞時，控制 用流體的質量流分布的曲線圖。
圖4A、 4B和4C分別表示出活塞致動器在第一室、第二室和活塞環內的
控制用流體的質量流分布的曲線圖。
圖5表示出用于表現特征和定位部件故障的邏輯子程序的簡要決策樹。 圖6是用于二級氣動裝置的定位器的另一替換實施例，該定位器具有氣
動繼電器。
具體實施例方式
圖1中簡要示出的定位器14和致動器12相連。該致動器12和閥體10機械 相連，閥體10控制通過管路例如管道(未示出)的工藝用流體的流動。定位器 14包括具有存儲器20的處理器18、 1/P轉換器24、 二級氣動裝置(例如滑閥26)， 控制用流體的閥裝置位移傳感器84和閥行程傳感器68，這些部件在此集成作 為控制回路。參考信號，例如從處理控制器來的命令信號被供到定位器14， 表示要求的致動器位置。該定位器I4比較上述參考信號和行程傳感器68所提 供的實際致動器位置，將誤差信號發送至處理器18。隨后該處理器基于位移 傳感器84的誤差信號和反饋信號，產生電I/P驅動信號。
如圖2所詳示，致動器12包括活塞60，該活塞將致動器殼體62分為上室 和下室56、 58。上室56包括將應力施加給活塞的彈簧64。活塞桿66A^活塞62 延伸到閥體10上。行程傳感器68用于檢測活塞桿66的位置且向處理器18提供 反饋。
根據所示實施例，上述I/P轉換器24提供一個信號放大級，滑閥26提供 一個氣動放大級。上述I/P轉換器24包括與加壓的控制用流體的供給源30流體 連通的入口28。入口28和控制用流體源30之間的連接由O形圈32所密封。在 1/P轉換器24內設置有節流器34,從而限定出初級節流孔36。在該初級節流孔 36的下游設置有噴嘴38，用于引導控制用流體流向柔性節氣門40。在所示實 施例中，螺線管線圈42用于將節氣門40相對噴嘴38定位。可替換的，可去掉 該螺線管線圈42,并且節氣門40可由壓電材料形成，或者利用已知的節氣門 構造。出口44和薄膜45流體連通。出口44和薄膜45之間的連接可由0形圏46 所密封。傳感器85可用于檢測進入上述I/P轉換器24的控制用流體的供給壓 力。
滑閥26包括從控制用流體供給源30接受控制用流體的入口端50。第一和 第二出口端52、 54可設置得與致動器12的上和下室56、 58流體連通。閥件70 設置在滑閥殼體內，用于控制入口端50和第一、第二出口端52、 54之間的流
體連通。在所示實施例中，閥件70包括承載第一和第二閥盤74、 76的閥桿72。 在滑閥殼體內形成有環形閥室77，尺寸設置得能夠緊密裝配上述第一和第二 閥盤74、 76。從I/P轉換器24接收壓力信號的薄膜45和閥件70的第一端相配合。 彈簧82和閥件70的另一端相配合，從而向閥件70提供偏壓負載。
在操作中，1/P轉換器24所調節的控制用流體壓力輸出到薄膜45上，該 薄膜在相反于彈簧82偏壓負載的方向上將負載施加在閥件70上。第一和第二 閥盤74、 76運動，可部分或者全部地阻止流體從入口端50到第一和第二出口 端52、 54中任意一個的流動。因此，閥件70的位置就確定了控制用流體流過 每一出口端52、 54的節流區域。設置位移傳感器84用于檢測閥件70的位置， 并向處理器18提供反饋。另外，設置第一和第二出口壓力傳感器86、 88用于 分別檢測在第一和第二出口端52、 54處的控制用流體壓力水平。
盡管圖2示出了具有常閉(fail-closed)彈簧動作的雙作用活塞致動器，但 是可以理解，也可以利用其它類型的氣動致動器。這些替換的致動器實施例 可包括具有常開(fail-open)彈簧動作的雙作用活塞致動器，無彈簧的雙作用活 塞致動器，具有常開或者常閉彈簧動作的單作用彈簧薄膜致動器，或者任一 種已知的替代致動器。如果該致動器為單作用的方式，則滑閥26包括與相反 于彈簧的致動器的室流體連通的單出口端。
而且，定位器14可利用替換的裝置作為二級氣動裝置。為了替代滑閥26， 該定位器包括氣動繼電器。圖6中所示雙作用氣動繼電器200和I/P轉換器24 、 閥體12、加壓的流體源30相連。該繼電器200包括供壓室(plenum)202a、 202b。 供壓室202a包括和致動器下室58流體連通的第一出口端204，供壓室202b具 有和致動器上室56流體連通的第二出口端206。第一提升閥208的一端210可 移動地和第一孔204相配合，第二^l是升閥212的一端214可移動地和第二孔206 相配合。梁216被支承以繞支點218轉動，并包括與第一提升閥208的第二端 222相配合的第 一節流孔220以及與第二提升閥212的第二端226相配合的第 二節流孔224。 1/P轉換器24的輸出^皮供到室228，以在第一方向(例如圖6中順 時針)旋轉上述梁216,而此時給參考室230提供參考壓力來平衡上述室228的 力。第一提升閥208控制上述控制用流體流向致動器下室58的流動，而第二 ^:升閥212控制流向致動器的上室56的流動。
在操作中，當I/P噴嘴壓力增加時，上述梁216順時針旋轉，迫使第一提 升閥208向右運動。第一提升閥208的第二端222關閉第一節流孔220，以防止
流向大氣，而第一提升閥208的第一端210打開第一出口端204,以^_控制用 流體以供給壓力流向下室58。同時，第二提升閥212打開第二節流孔224，并 關閉第二出口端206，以使得控制用流體從上室56內排放到大氣中。當I/P噴 嘴壓力降低時，情況相反。可以理解，當第一和第二提升閥201、 212移動到 和離開上述第一和第二出口端204、 206時，出口端的節流面積204、 206就會 改變。因此，上述梁216的位置就可用于推斷提升閥208、 212的位置，以及 第一和第二出口端204、 206的節流面積。
設有氣動繼電器200的定位器包括和上述相同的傳感器。因此，第一和 第二出口壓力傳感器86、 88靠近第一和第二出口端52、 54設置，從而分別檢 測到上下致動器室56、 58的控制用流體的壓力。入口壓力傳感器85設置在入 口端50處，用于檢測控制用流體的供給壓力，而設置致動器行程傳感器68用 于檢測活塞桿66的位置。另外，設置位移傳感器84用于檢測梁216的位置。
上述定位器通常已為人所熟知。但是迄今為止，都是嚴格使用位移傳感 器來提供反饋。根據本發明的教導，位移傳感器還可用于診斷目的。另外， 各種傳感器可用于識別定位器內各種可能的故障之間的條件。這些傳感器還 可用于計算控制用流體的質量流，有助于識別故障的根本原因。這種診斷計 算和分析可由與定位器14一起設置的診斷單元來執行，例如由所述處理器l8 和存儲器20作為診斷單元的功能，或者與定位器M通信地連通的遠程主機19
來咒成。
相對于致動器12,上述診斷單元可由診斷程序所編程，該診斷程序利用 傳感器的反饋估算流向致動器室的控制用流體的質量流。該診斷程序可進一 步利用上述計算的質量流、有或沒有附加反饋參數，來識別致動器內泄漏或 者其它的故障。尤其是，通過上迷第一和第二出口端的控制用流體的質量流 可利用下列公式近似得出
dm/dt《YAgc(2p(p廣p2))1/2
其中
dm/dt =質量流率(lbm/s);
K—非放系數；
Y-膨脹因子；
A-節流面積(ft2);
g^換算常量(lbm/slug);
Pl-上游壓力(lbfft2， abs.); P2-下游壓力(lbf/ft2， abs.); p =上游流體密度(slug/ft3)。
舉例來說，為了計算通過第一出口端52的質量流，將適當的系數和變量 插入上述公式。上游壓力p,為由壓力傳感器85檢測的入口壓力，p2為傳感器 86在第一出口端2檢測的壓力。上述公式可用于估算供給質量流和排放質量 流。例如，當滑閥正向位移時(即在圖2中向右)，端口54向下室供給控制用流 體，而端口52從上室中排出控制用流體。對于端口54，滑閥位移用于計算露 出的端口面積，傳感器85、 88提供上游壓力和下游壓力。對于端口52，滑閥 位移用于計算露出的端口面積，傳感器85提供上游壓力。由于上述滑閥排放 向已知氣壓的大氣，所以并不需要在排放端口上設置傳感器。另外，供到控 制閥的供給壓力也經常被調節，從而就可以省略供給壓力傳感器85,將一接 近上述供給壓力的固定值替換到上述氣體質量流公式中。
當控制用流體為空氣時，上述公式可以推導為
dm/dt=0.048KYA (p"p廣p2))"2
上述質量流公式也可以近似推導其它流體，例如天然氣。除了上述公式， 用于估算經過節流孔的質量流，還可以使用標準流量公式，例如可以使用在 ISA-575.01-1985中提到的調節控制閥的流量公式。結果發現，由上述公式
獲得的質量流估算值非常接近外界空氣流量傳感器所得到的測量結果，尤其 是在利用低通數字濾波器降噪之后。因此，上述診斷單元18可編程地接受壓 力傳感器85、 86、 88和位移傳感器84的反^t，利用上述^^式計算通過第一和 第二出口端52、 54的質量流。可修改校正上述公式，用于計算經過閥盤的泄 漏流動，也可用于計算通過另一個二級氣動裝置、例如圖6中的氣動繼電器 200的質量流。
上述診斷程序可利用上述質量流計算來識別滑閥和致動器12之間的泄 漏或者堵塞。例如，在彈簧薄膜致動器中，控制用流體被供到相反于彈簧的 單致動器室。在正常操作過程中，處理器18控制滑閥26的控制用流體的輸出， 從而驅動致動器12及被連接的節流部件到達要求的設定點。在穩定狀態操作 過程中，少量流體會排放到大氣中，從而少量控制用流體會通過上述滑閥出
口端流動。如果在致動器殼體內或者滑閥出口端和致動器之間的連4姿部內產 生泄漏，致動器室內的壓力就會降低，彈簧將使致動器從其所需位置移開。
關于工藝用流體壓力和/或致動器行程的反饋被供以處理器18，該處理器18 變更上述輸入I/P轉換器24的驅動信號，以增加流向致動器的控制用流體流 動。因此,流向致動器的質量流就會如圖3A的曲線圖所示增大。通過估算整 個時間內的控制用流體的質量流，上迷診斷單元可編程地檢測流向致動器的 控制用流體流量的增量。該診斷單元可進一步利用最大控制用流體流率進行 編程，超過該最大流率，診斷單元就會產生故障信號。還可利用低通濾波器 來減小產生誤差信號的正常瞬變的^L會。
相反，當滑閥位移增加而控制用流體流動恒定時，就可以識別在滑閥和 致動器12之間空氣回路內的堵塞。圖3B示出了一堵塞位置，其中實線表示質 量流，點劃線表示滑閥位移。類似的，如果滑閥位移很大，但是質量流卻相 對較小，也可以識別部分堵塞。
活塞致動器內的泄漏;險測稍微有些復雜。這種泄漏可能發生在具有彈簧 的致動器室內，沒有彈簧的致動器室內，或者致動器室之間，例如在活塞環 上發生泄漏或者在致動器上的旁通閥打開時。但是對于彈簧薄膜致動器，可 利用空氣流量的偏差來對泄漏或者堵塞進行定位和定量。
為了有助于識別故障，可以識別正常操作參數的偏差。 一個這樣的參數 就是致動器室內的壓力，通常保持為供給壓力的大致60-80%。平均或者"交 叉(crossover)"壓力可由致動器室內壓力的平均值來確定。
如果相反于彈簧的室內產生向大氣的泄漏，上述處理器18將移動滑閥 26，從而向該室提供補充空氣。這也會使具有該彈簧的室減壓，以使上述活 塞致動器能夠像彈簧薄膜致動器那樣地有效動作。圖4A中示出了通過第一和 第二出口端52、 54泄漏的質量流分布。開始時，存在通過兩個出口52、 54的 由系統內正常的泄漏而產生的額定的質量流。如圖4A中的實線所示，當在點 A處產生泄漏，該泄漏的室的質量流將增大，直到等于排出到大氣中的空氣 量。對于設有彈簧的室，如圖4A中點劃線所示，當致動器移動到新位置時， 質量流會暫時離開該室，但是由于室內壓力降低，最終還會返回接近于零點。 而且，在致動器內交叉壓力大致為相反于彈簧的室內壓力的一半。
如果致動器的彈簧側室內產生泄漏，定位器14不會補充空氣，這是因為 需要該定位器從相反于彈簧的室內排出空氣(并減小力)。因此，上述處理器 18可使具有該彈簧的室壓力降低，并會通過調節相反的室內的壓力來控制上 述閥。在穩定狀態，該彈簧側室流入的空氣流量會接近于零，相反于彈簧的 室流出的空氣流量也會接近于零。交叉壓力為沒有彈簧的室內壓力的 一半。 所以，通過檢測交叉壓力在質量流分布通過每一端口的降低，就可以確定泄 漏是否存在及其位置。
診斷單元可進一步使用上述質量流計算，以沖企測從一個致動器室流到另 一室過程中控制用流體產生的泄漏，例如在活塞環內的泄漏。由于每一室均 處于加壓狀態，這種泄漏利用傳統的測量技術很難被檢測出來。例如，如果 這種泄漏導致控制用流體從下室58流到上室56，定位器14會移動滑閥，向下 室58提供補充控制用流體。但是同時，控制用流體又會從下室58流到上室56 內并且返回滑閥26。
圖4C的曲線圖示出了活塞環通過每一 出口端52、 54泄漏的流體流動分 布，其中通過第一出口端52的流體流量由點劃線所示，通過第二出口端54的 流體流量由實線所示。開始時，每一端口以正常的流率排放到大氣中。當活 塞環內產生泄漏時，通過第二出口端54的質量流增大，而通過第一出口端52 的質量流卻成比例減小。不像傳統質量流傳感器不能指示流體流動的方向那 樣，上述質量流近似公式就表明了流動方向，其中正數表示流體流到致動器 中，而負數表示流體流出致動器。因此，通過監視流過第一和第二出口端52、 54的控制用流體的流動，處理器18可檢測一個持續的情況，其中流體流動通 過一個端口為正，而通過另一端口的流動為負，并且產生了故障信號。
除了檢測致動器中控制用流體的泄漏和堵塞以外，還可以利用滑閥的壓 力和位移傳感器來檢測在滑閥26上游的I/P轉換器24內的故障。1/P轉換器24 內的各種故障會影響或者中斷控制用流體流向滑閥26,從而控制閥的操作變 劣或者無效。由于I/P轉換器的特定部件，例如節氣門40,并不直接應用于伺 服控制，所以這些部件通常不是儀器化的。但是發現，可利用和滑閥26—起 設置的傳感器來推導I/P轉換器部件的內部狀態。
在可能發生在尋址I/P轉換器24內的特定故障尋定之前，應該注意的是， 向I/P轉換器供以加壓流體的控制用流體源30有可能發生故障，從而上述故障 應該在考慮I/P轉換器24自身的其它故障之前進行尋定，因此可利用入口壓力 傳感器85的信號來檢測控制用流體源30是否有壓力損失。
1/P轉換器24內可能產生的 一個故障是初級節流孔36完全堵塞。當該初
級節流孔36被堵塞時，薄膜45上的壓力就會降低，從而彈簧82將滑閥70移動 到零壓(或者負壓)狀態，使得致動器相應移動。處理器18將向螺線管線圏42 增大驅動信號，以嘗試關閉或者蓋住噴嘴38，這通常將增加控制用流體壓力 從出口44逸出。相反，堵塞的初級節流孔36將阻礙任何控制用流體的流通。
在上述節氣門40上堆積有礦物質或者其它污染物時也會產生故障，從而 使噴嘴38被完全堵塞。此時，流出出口44的控制用流體的壓力增加為供給壓 力，使上述滑閥從零位置移動到正向位置，從而移動致動器。作為響應，處 理器18將減小I/P轉換器24的驅動信號，以嘗試打開或者揭開噴嘴38。
可替換的，上述初級節流孔可能部分地被堵塞。與初級節流孔完全被堵 塞的情況一樣，部分堵塞將使驅動信號更高，如同處理器18試圖向噴嘴38補 充減少的空氣一樣。部分堵塞的節流孔將延纟爰滑閥響應于I/P信號的變化的運 動。但是由于周圍環境溫度較低，而使薄膜硬度增加，從而增加了時間常量。 而且當I/P驅動信號較高而其它狀態都操作正常時，可以推斷該節流孔為部分 被堵塞。
類似的，噴嘴38可能部分被堵塞。噴嘴38的部分堵塞還可以影響上述I/P 轉換器的時間常量，如上所述，該時間常量還可由薄膜周圍溫度的變化所影 響。因此，所有其它狀態都正常而I/P驅動信號較低則表示噴嘴部分被堵塞。
由于出口的0形圈46的故障還會引起進一步的錯誤。為了補償通過出口 0形圈46的泄漏，處理器18會增大驅動信號，但是I/P轉換器的時間常量卻不 會顯著改變。因此，出口的0形圈46的故障將以類似于初級節流孔36堵塞的 方式，影響控制回路的操作。
除了這些上述特定的故障，1/P轉換器中還會產生其它故障。舉例來說， 螺線管線圈42失效或者節氣門40斷裂。盡管不可能辨別特定的故障，但是可 以通過監視I/P轉換器驅動信號的顯著偏差來檢測每一故障。可設定線性或非 線性數字濾波器來處理上述驅動信號，去掉其中高頻分量，找出和正常操作 條件的偏差，來實現上述檢測。
為了有助于識別并特性化I/P轉換器24內的各種故障，診斷單元，例如 定位器14的處理器18和存儲器20或者具有處理器和存儲器的遠程主機19，可 根據定位器14的各種傳感器所測得的參數進行編程，來執行診斷程序。該診 斷程序包括一個或多個邏輯子程序，其中測量的參數被特性化以產生故障模 版，用于識別一個或多個故障的根本原因。
故障首先必須在其被特性化之前被檢測出。該診斷程序可編程檢測出1/P驅動信號內的持續偏差。該I/P驅動信號設定為大約70。/。，將滑閥對中在其 零位置。而驅動信號的正常操作范圍為60- 80%。因此，在該I/P驅動信號移 出正常操作范圍之外(即小于60%，或者大于80%)時，診斷程序就會產生一 個故障信號。可利用順序統計濾波器去除正常的瞬變，使故障信號4又僅在I/P 驅動信號移出正常范圍持續一段時間后才產生。可替換的，該診斷單元可編 程監視滑閥正常位置內的較大改變，或者監視誤差信號(即閥件從參考位置 的行程偏差)，從而啟動故障分析。而且如果檢測出有故障，首先應該檢查 壓力源3 0處的控制用流體壓力，使其被排除作為故障的原因之外。
一旦檢測出有故障，就可以利用特性化來確定其在控制回路內的通常位 置或者特定位置。在檢測出I/P驅動信號內的偏差后，可通過跟蹤經控制回路 返回的偏差而確定上述故障的位置。例如，對于堵塞的初級節流孔36，控制 回路受到下列影響通過初級節流孔36的流動將^L阻止，導致滑閥移動到其 零壓(負壓)位置，從而依次降低致動器室內的壓力，致使節流部件移動，產 生誤差信號反饋回處理器。該處理器將增大I/P驅動信號，以對故障進行補償。
為了識別故障的特定位置，就必須通過該事件鏈反向地進行處理。對于 完全堵塞的節流孔實例來說，所述分析由檢測1/P驅動信號在正常操作范圍 (即正I/P驅動信號偏差)的上限之上開始進行。隨后節流部件運動產生的誤差 信號基本上被特性化為正，這就意味著實際的致動器行程要小于要求的行 程。出口端壓力間的壓差，即第二出口端54處的壓力減去第一入口端52處的 壓力，隨后被特性化為負。接著，位移傳感器84提供有相關滑閥位置的反饋， 由于控制用流體壓力因堵塞而減小，所以該反饋相對其零位置被特性化為基 本為負。以這種方式對這些測量參數進行特性化，某些故障的根本原因可以 被省略。 一些根本原因可具有前述的特性化，堵塞的節流孔就是其中一個。
如圖5所述，以類似的方式使用決策樹，可以繪制出所有的故障。在圖5 中，測量的變量由圓圈指定，這些參數的特性化的值在從上述圓圈所發散的 線上標出，部件故障由方塊指定。三角指定為無效區域，例如較大驅動信號 和大的負誤差信號相結合，這是不可能的。圖5中所述的診斷程序是基于通 常和定位器一起設置的已有傳感器，因而某些不能辨別的部件故障就由圖5 所分組。還可利用其它的傳感器來進一步區分這些分組的部件故障。部件故 障沿著決策樹層疊向下直到I/P驅動信號產生偏差處。隨后可沿該決策樹反推 來識別該偏差的根本原因。
尤其是，診斷程序可在測量處100檢測偏出正常操作范圍的I/P驅動信
號。如果在該范圍之上，該驅動信號特性化為高，如果在該范圍之下，則特 性化為低。如果I/P驅動信號為高，存儲的診斷程序將沿決策樹向上繼續進行， 從而特性化一個用在控制回路中的參考信號。該參考信號可以是從處理控制 器發送給定位器的命令信號。該I/P驅動信號為就是作為該參考信號和行程反 饋之間的差值的函數。
1/p驅動信號在其正常工作點之上或者之下有三種情況，其中兩種并不 是由設備故障所引起。其中第一種情況是在控制器處于"截止"時產生。當 上述參考信號超過用戶限定臨界值就會產生這種截止。當處于高截止狀態，
上述伺服控制器完全旁通，100e/。的驅動信號被發送給I/P轉換器。當處于低 截止狀態，該伺服控制器旁通，且0。/。的驅動信號被發送給I/P轉換器。高截
止狀態和低截止狀態都是無效搡作區域，都不會表示設備故障。圖5中在方 框103、 131分別示出了高截止和低截止狀態。
第二種情況是在閥體遇到行程止擋部時產生。當閥體碰到止擋部，行程
反饋就不再被激活，處理控制器就基本上開環操作。而且，這是正常控制閥 的動作，并不指示設備故障。圖5中在方框104、 132處分別示出了高、低行 程止擋部。
第三種情況就是在設備故障引發較大誤差信號時產生。為了補償較大誤 差信號，上述I/P驅動信號可作相應調節。 一旦截止和行程止擋部均已被排除， 則可繼續沿著圖5所示的決策樹進行分析。對千較高I/P驅動信號來說，沿著 決策樹向上分析，對于較低I/P驅動信號來說，是沿著決策樹向下分析。
首先在105處，通過特性化誤差信號來分析較高I/P驅動信號。該誤差信 號可分類作為基本為正、零或者基本為負。當該I/P驅動信號為高，不可能具 有基本負的誤差信號，所以圖5右上分支示出的所有結果都是無效的。因此， 特性化誤差信號在105處僅可能的結果就是為正(即參考信號大于上述實際 行程反饋信號)或者零。在該兩種情況下，如在106、 107處所示，隨后診斷 程序將第一和第二出口端52、 54之間的壓差，即從第二出口端54處的壓力減 去第一出口端52的壓力進行特性化。該壓差可被特性化為接近供給壓力的負 值，額定值或者接近供給壓力的正值。負壓差表示第一出口端52處的壓力大 于第二出口端54處的壓力。而對于正壓差恰好相反。額定壓差表示致動器的
室基本平衡。對于每一壓差的特性化，診斷程序將進行處理，以特性化滑閥
的位置，如108-113所示。上述滑閥位置可被特性化基本為正、零或者基本 為負值。基本正值表示薄膜45推壓滑閥過遠。而基本的負值恰好相反。當滑 閥處于正常操作范圍之內時，滑閥在零位置上。
一旦滑閥位置得以特性化，可由I/P驅動信號偏差所識別一或多個潛在 的根本原因。例如，如果上述滑閥在114處擁堵，出口0形圏46在115處失效， 薄膜45在116處產生故障，或者初級節流孔36在117處完全堵塞，診斷程序將 上述故障特性化為I/P驅動信號的基本負的滑閥位置，負壓差和基本正的誤差 信號。如果上述故障被特性化為I/P驅動信號的基本正的滑閥位置，額定壓差 和基本負誤差信號，則根本原因可能是外部泄漏118，滑閥磨損119，或者低 供給壓力120。對于I/P驅動信號具有基本負的滑閥位置、額定壓差和基本正 的誤差信號，則根本原因可能是低供給壓力121。
對于高I/P驅動信號，如果誤差信號基本為正，壓差為正，滑閥位置基 本為正，則根本原因可能是閥體卡在低的位置122，滑閥和致動器之間空氣 回路堵塞123或者主動互鎖124。
如果故障被特性化為高I/P驅動信號的基本正的滑閥位置，額定壓差和 零誤差信號，則根本原因可能是外部泄漏125。如果對于高I/P驅動信號，滑 閥位置被特性化為零、壓差為額定，誤差信號為零，則故障的根本原因可能 是初級節流孔36部分被堵塞126, 1/P轉換器和銜鐵內存有沙礫127,或者I/P 轉換器校正轉換128。
再來看圖5中的下半部分，上述診斷程序可對低I/P驅動信號推導類似的 過程。在取消低截止131和低行程止擋部132后，在133處進行上述分析，特 性化上述誤差信號。誤差信號特性化類似于上述105處的特性化，其中誤差 信號可能為基本為負、零或者基本為正。不可能既具有低I/P驅動信號又具有 基本正的誤差信號，因此圖5左下方所示的結果均是無效的。在該誤差信號 特性化之后，該診斷程序將在134和135處特性化上述壓差。最后，診斷程序 在136 - 141處特性化上述滑閥的位置。
和高驅動信號一樣，可識別一或多個可能的根本原因，來分析低驅動信 號偏差。如果上述誤差信號基本為負，壓差為正，滑閥位置基本為正，上述 故障的根本原因可能是噴嘴38被堵塞142， 1/P轉換器節氣門或者銜鐵受擠壓 143, 1/P轉換器被鎖144，或者滑閥堵塞145。如果誤差信號基本為負，壓差 為負，滑閥位置為負，上述故障的根本原因可能是閥體卡在較高的位置146 或者空氣回路堵塞147。最后，如果誤差信號為零，壓差為額定，滑閥位置 為零，上述故障的根本原因可能是I/P轉換器校正轉換148，或者噴嘴38部分 被堵149。
根據嚴格和提供預測的診斷，上述診斷程序進一步將部件故障進行分 類。某些根本原因，例如初級節流孔36或噴嘴38的完全堵塞，將給上述滑閥 26偏壓，而這不能被處理器18修正。這些起因可特性化為"紅燈"診斷并要 適當地進行報告。其它根本原因可能由I/P驅動信號偏差所導致，但是所有其 它反饋回路中的變量都操作正常。舉例來說，初級節流孔36部分被堵塞，為 補償噴嘴流動損失，1/P驅動信號不得不更費力地被驅動。但是誤差信號，致 動器壓力，和滑閥位置都將操作正常。通過比較I/P驅動信號偏差和反饋回路 中其它變量，我們可以在變為災難性故障之前，識別這些功能下降并將其標 出。這些起因可被歸類為"黃燈"診斷。
盡管上述診斷單元利用軟件優選地執行處理和診斷功能，其還可以利用 硬件、固件等，利用任一種形式的處理器，例如ASIC等進行。無論如何，對
及軟件裝置。舉例來說，這里所示的部分可由例如特定的集成電路(ASIC)或 者其它要求的硬線裝置的標準多功能CPU或者特定設計的硬件或固件所完 成并且這些部分仍為一種由處理器所執行的程序。當在軟件中執行時，該軟 件程序可存儲在任一計算機可讀存儲器中，例如》茲盤，激光盤，光盤，或者 其它存儲媒介中，或者存儲在計算機或處理器的RAM或ROM中，或者任一 數據庫中。同樣的，通過已知或要求的傳送方式，例如計算機可讀盤，或其 它便攜式計算機存儲機構，或者通過電話線、因特網等通信手段(通過便攜 式存儲媒介提供這種軟件，這些方法被認為是相同的或者可以互換的)，這 種軟件還可被發送給使用者或者處理工廠。
上述給定的詳細敘述僅僅是為了易于理解，由此并不應該理解為是必要 的限定，所以進行修改對于本領域技術人員來說也是顯而易見的。
權利要求
1.一種接收驅動信號且控制與節流部件相連的氣動致動器的定位器系統，該致動器具有至少第一控制室，該定位器系統包括接收驅動信號的I/P轉換器，該I/P轉換器基于該驅動信號產生壓力信號；二級氣動裝置，包括殼體，該殼體具有和控制用流體源流體連通的入口端，和與第一控制室流體相連的第一出口端；設置在殼體上的控制用流體的閥裝置，響應于上述壓力信號，用于控制上述控制用流體從入口端向第一出口端的流動；位移傳感器，用于檢測控制用流體的閥裝置的位置；與位移傳感器通信地連接的診斷單元，該診斷單元包括具有存儲的程序的處理器，該程序適合于根據上述控制用流體的閥裝置的位置，產生診斷信息。
2、 如權利要求1所述的定位器系統，其中上述控制用流體的閥裝置由 滑閥構成，并且其中控制用流體的閥裝置的位置由滑閥位置構成。
3、 如權利要求1所述的定位器系統，其中上述控制用流體的閥裝置由 具有梁的氣動繼電器構成，并且其中控制用流體的閥裝置的位置由梁位置構 成。
4、 如權利要求1所述的定位器系統，其中上述存儲的程序將控制用流 體的閥裝置的位置和上述驅動信號相比較，以產生診斷信息。
5、 如權利要求1所述的定位器系統，其中上述致動器進一步限定第二 控制室，上述殼體形成有與第二控制室流體連通的第二出口端，其中控制用 流體的閥裝置進一步控制從入口端流向第二出口端的控制用流體的流動。
6、 如權利要求1所述的定位器系統，其中上述診斷信息由致動器診斷 信息構成。
7、 如權利要求1所述的定位器系統，其中上述診斷信息由1/P轉換器診 斷信息構成。
全文摘要
本發明涉及一種接收驅動信號且控制與節流部件相連的氣動致動器的定位器系統，該致動器具有至少第一控制室，該定位器系統包括接收驅動信號的I/P轉換器，該I/P轉換器基于該驅動信號產生壓力信號；二級氣動裝置，包括殼體，該殼體具有和控制用流體源流體連通的入口端，和與第一控制室流體相連的第一出口端；設置在殼體上的控制用流體的閥裝置，響應于上述壓力信號，用于控制上述控制用流體從入口端向第一出口端的流動；位移傳感器，用于檢測控制用流體的閥裝置的位置；與位移傳感器通信地連接的診斷單元，該診斷單元包括具有存儲的程序的處理器，該程序適合于根據上述控制用流體的閥裝置的位置，產生診斷信息。
文檔編號F15B9/08GK101368642SQ20081021539
公開日2009年2月18日 申請日期2003年2月7日 優先權日2002年5月3日
發明者安妮特·L·拉特韋森, 肯尼思·W·江克 申請人:費希爾控制國際公司