專利名稱：探測斷裂的閥桿的方法
技術領域：
本發明涉及用于將控制過程變量的流體閥定位的閥位控制器(valvepositioner)。本發明尤其涉及一種用于探測控制閥的失靈元件，如損壞或斷裂的閥桿，或損壞的閥塞或閥座的方法。
發明的背景閥位控制器通常用于在輸油管、輸氣管、化學處理廠等中控制流體閥和相關流體。通常，閥位控制器包括微處理器，用于精確控制過程(process)中的流體，并對閥門進行診斷操作。
過程控制業現使用各類型的閥位控制器。有些閥位控制器以機械方式接到致動器，有些則將致動器插入閥位控制器內部。致動器提供將閥門實際定位的裝置(means)，可用電力、液壓或氣壓操作。電力致動器有電流信號，電流信號驅動傳動器(motor)，傳動器將閥門定位。液壓致動器具備用于將閥門定位的充油裝置。在過程控制業中，一種最常見的類型的閥門致動器-氣壓致動器裝有一個或一組活塞，以及一隔膜(diaphragm)。閥位控制器取決于應用和控制集成程度，從控制器接收多種代表閥門期望位置的輸入。一種類型是電流量為4-20毫安或10-50毫安的電流輸入，第2類型是疊加于電流信號的數字信號，第3類型是全數字輸入，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，代表閥門期望位置的氣壓輸入。閥門控制器還取決于集成程度和應用，有不同類型的輸出。有些閥門控制器向傳動器提供輸出電流，而其他閥門控制器則有快速響應液壓輸出。閥門控制器最常見的一種類型輸出是每平方英寸0至200磅氣壓輸出。按照本應用中的“閥門控制器”一詞包括所有現場安裝的儀器，其中包括各種輸入和輸出，以及其相應用于閥門定位的裝置(如果適用)。
在彈簧和活塞/隔膜致動器最常見的情況中，隔膜會因閥門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元件施加作用力或力矩，從而改變閥門位置。差不多所有閥門控制器都裝有機械或電子閥位傳感器，以提供閥位信號，閥位信號會反饋到閥位控制器中的以微處理器為基礎的控制部分。無論什么用于傳送壓力將閥門定位的具體裝置，裝有以微處理器為基礎的控制規則系統(algorithim)的閥位控制器是公知的。
美國第5,549,137、5,558,115、5,573,032號專利(全都如本申請，轉讓給同一受讓方)，各提供一種以微處理器為基礎的閥位控制器，而這些閥位控制器有實時診斷器，以提供閥門和致動器是否完整的信息。所有這些以微處理器為基礎的閥位控制器，全不能易于探測斷裂的閥桿、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，該儀器監測反饋信號并將致動器定位到認為是正確閥位的位置，閥塞實際上并無移動。在現代以微處理器為基礎的閥位控制器儀器中，閥位控制器會對閥桿斷裂過程中迅速響應(通常少于100毫秒)。儀器快速響應將掩蔽(mask)任何可能的主機對閥門性能的監測，使閥桿斷裂的發生繼續未被發現，直到一些過程因閥門性能失靈而變化為止。在此情況下，閥塞可能以一種沒對過程造成很大干擾的方式失靈，使斷裂或已損壞的閥桿、閥塞、閥座可能繼續長期未被發現，最終導致過程失控。
實際探測這種斷裂的閥門元件，如斷裂或損壞的閥桿、閥塞或閥座，就需要一振動傳感器或某些其他復雜的機械傳感器，但費用昂貴，還需對閥位控制器和閥門組件添加硬件。因此，希望提供一種技術可用于對閥門元件可能的斷裂提供充分的指示，以便建議需由技術員檢查。特別是，希望提供這種閥桿、閥塞、閥座失靈的探測技術，其無需添加機械元件，并且不取決于特定閥門配置，并且因此易于實現提早警報指示閥門元件可能的斷裂。
發明概述根據是本發明的原理，本發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。在該類型配置中，以微處理器為基礎的閥位控制器在過程控制系統中控制閥門致動器和流體控制閥門。
特別是，監測對于以微處理器為基礎的壓力(I/P)式閥位控制器的電流驅動信號，還監測連接到閥門致動器的閥位控制器的驅動壓力輸出，用于在輸入到閥位控制器的設定點(set point)的驅動信號不變的情況下，探測離開穩定的驅動壓力的預定變化。還監測閥桿位置反饋信號，在設定點的驅動信號不變的情況下，用于探測離開穩定的閥桿位置反饋信號的預定變化。如果探測到穩定的驅動壓力和閥桿位置反饋信號中的至少一個預定變化，則提供閥桿、閥塞或閥座發生了故障的指示。
當閥桿、閥塞或閥座故障指示出現時，啟動監測過程數值，用以探測過程數值的偏差，如監測過程流量對于一設定點數值的關系，并在設定點不變的情況下，探測這種關系的變化。在設定點不變的情況下，過程數值的偏差，指示閥桿可能斷裂，或閥塞或閥座可能損壞。
當實施本發明所提供的方法時，并行進行兩種警報探測。第一種警報用于表示閥門有故障。在設定點無相應變化的情況下，這種警報表示驅動壓力和/或閥位反饋信號重大變化，如變化超過10％。于是探測到這種重大預定變化后，能啟動第二種警報探測。
第二種警報在設定點不變的情況下，會查找設定點對于過程數值關系的變化。如果探測到差別，則該過程可發出指示，指示閥桿、閥塞或閥座可能出現問題。然后，操作者會查找過程發生了什么問題。如果測到問題，可引導有關人員檢查閥門。
本發明最顯著的優點，是可在早期階段探測閥門有何問題，從而避免高價的過程流體的可能流失。此外，本發明還可用于識別和選擇可能需要檢查的流體控制閥門。
特別是在所提出的權利要求中描述了據信是創新的本發明的特征。參照結合附圖所進行的如下描述，可充分理解本發明，在各附圖中相同構件由相同編號識別，各附圖中圖1是一示意圖，說明在一種過程控制系統中，一種以微處理器為基礎的閥位控制器正操作一種致動器和一種流體控制閥門。
圖2是一流程圖，說明實施本發明的方法的步驟。
詳細描述現介紹圖1。圖1說明一種以微處理器為基礎的閥位控制器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，經輸入線路18接收驅動信號，用于經輸出線路20向閥門致動器22提供相應驅動壓力。致動器22的輸出端連接到流體控制閥門26的閥桿24。閥門26連接到流體處理系統的管線28。閥桿24連接到閥塞30(而閥塞30與閥座32密封連接)，以控制從進口閥34通過處于閥門開啟位置的閥座流動到出口閥36的流體。
在流體處理控制系統的典型操作中，設定點電路38經輸入線路18向微處理器14提供驅動信號，以此經由致動器22移動閥桿，進而在閥門26輸出26中提供期望過程數值。由過程數值測量器(40)確定該過程數值(例如可是期望流量)，例如用于連接到公知的過程比例/積分/微分(PID)單元42，以便將設定點38重新設定。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提供關于閥桿位置的信息。由閥位傳感器46發出的閥位反饋信號，經反饋線路48耦合到微處理器14。
在這種典型流體處理控制系統中，一標準閥位控制器無法易于深測斷裂的閥桿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，但連接到致動器22的反饋連接裝置44依然完好無損，一標準閥位控制器監測反饋信號，并將致動器置于其認為正確的位置，但由于閥桿24已經斷裂，閥塞30實際上并無移動。此外，在現代現場儀器中，閥位控制器會對該過程迅速響應(通常少于10毫秒)。現場儀器迅速響應掩蔽了監測閥門性能的標準監測，使閥桿斷裂繼續未被探測到，直到一些過程數值因閥門性能失靈而發生變化，而過程數值測量器40會檢測這一變化。正如早前指出，在某些情況下，閥桿和閥塞以可沒對過程造成很大干擾的方式失靈，使斷裂的閥桿/閥塞可能有一段時間未被探測到。這會導致過程失控。
現介紹圖2。圖2表示一種提供指示閥桿、閥塞或閥座可能出現問題的方法。該方法可與其他指示器并用，以建議技術員應進行檢查。在本發明的閥位控制器10中，微處理器14包括一個斷裂閥桿/閥塞/閥座探測規則系統50，其執行圖2所示的步驟。
如圖2所示，在步驟52，監測從設定點驅動信號產生的經線路20的驅動壓力，以判定是否維持穩定的驅動壓力52。此外，在步驟54，監測經反饋線路48傳送的閥位反饋信號，以判定是否維持穩定的閥位反饋54。如果有穩定的驅動壓力52和穩定的閥位反饋54，則判定閥桿沒有動作56(activity)，并退出探測例行程序58。然而，如果例如閥桿斷裂，作用在致動器22的力變化，因為閥塞將來自過程的某些力(或來自閥體的摩擦力)作用到致動器。
圖2說明兩種并行警報探測。第一種警報表示閥門故障的警報。這種警報表示在設定點38無相應變化的情況下，驅動壓力20有重大變化，如變化超過10％(由穩定驅動壓力監測步驟52判定)，和/或閥位反饋信號48的變化超過10％(由閥位反饋穩定監測步驟54判定)。因此，如果在步驟52沒有穩定的驅動壓力，則經線路60發出警報，步驟62表示產生閥桿故障。同樣，如果閥位反饋信號變化超過10％，則穩定閥位反饋步驟54監測這種變化，并經線路64發出指示，以示產生閥桿故障62。
閥桿故障62的產生，會啟動過程偏差探測步驟66，對在在某個時間區間即相對于過程響應時間(即所謂“空載時間(dead time)”特定設定點，查找過程數值測量器40任何過程偏差。時間區間例如在以往某個測量周期中判定，而測試周期過程數值對于設定點的關系存儲在微處理器14中。
在過程比較步驟68中，在設定點不變的情況下，檢查設定點對于過程數值的關系(即，設定點38對于過程數值測量器40的關系)。即過程變化比較步驟68與以往某個測試周期的設定點對于過程數值的關系相比較，查找對于同一控制器和同一個設定點，當前設定點對于過程數值的關系之間的變化。如果探測到過程數值對于設定點的關系的差別，就會指出有故障發生，繼而發出信號啟動閥桿和過程警報步驟70，向操作者發出警報，指示閥桿、閥塞或閥座可能出現問題。然后，操作者可查找過程發生了什么問題。或探測到問題，可引導有關人員檢查閥門26。
為清楚理解已經提供以上詳細描述，不應由此理解為必要的限制，顯然，本領域技術人員可以進行改進。
權利要求
1.在一種以微處理器為基礎的閥位控制器中，具有設定點輸入并提供用于控制閥門致動器的驅動信號，用于響應對于閥位控制器的閥桿位置反饋信號，利用相應驅動壓力，相對流體控制閥門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；所述方法包括監測驅動信號；監測對于閥門致動器的驅動壓力，用于在設定點不變的情況下，探測離開穩定的驅動壓力的預定變化；監測對于閥位控制器的閥桿位置反饋，用于在設定點不變的情況下，探測離開穩定的閥桿位置反饋信號的預定變化；如果探測到穩定驅動壓力和閥桿位置反饋信號中至少一個的預定變化，提供閥桿、閥塞或閥座故障的指示。
2.根據權利要求1所述探測閥桿、閥塞或閥座可能失靈的方法，其中包括響應于閥桿、閥塞或閥座的故障指示，啟動監測過程數值，用以探測過程數值的任何偏差。
3.根據權利要求2所述的方法，在該方法中，所述監測過程數值包括監測過程流量。
4.根據權利要求3所述的方法，在該方法中，所述監測過程流量包括監測一過程流量對于設定點數值的關系，并探測在設定點不變的情況下所述關系任何變化。
5.根據權利要求2所述的方法，包括響應于探測到過程數值的偏差提供警報，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的閥位控制器的過程控制系統中，對流體控制閥閥桿、閥塞或閥座的可能失靈提供指示和警報的方法。監測驅動壓力、驅動信號、閥位反饋信號。如果探測到驅動壓力或閥位反饋的變化大過預定變化，則啟動第二系列的探測步驟。在第二系列的探測步驟中，對于同一設定點，將目前設定點如流量或其他過程變量對于過程數值的關系，與存儲測試周期所衍生的設定點對于過程數值的關系相比較。如果過程數值變化，操作者會收到警報；因為這種變化可能指示閥桿、閥塞、閥座已經損壞，需要檢查。
文檔編號F16K37/00GK1503884SQ02808309
公開日2004年6月9日 申請日期2002年3月21日 優先權日2001年4月17日
發明者布倫特·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 申請人:費希爾控制國際公司