專利名稱：基于知識的閥門控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及閥門控制器。更具體地說，本發(fā)明涉及一種與閥門控制器相關(guān)的方法，所述閥門控制器被配置為捕捉用于通過基于知識的閥門特性標準來監(jiān)控、診斷和維 護閥門組件的動態(tài)處理狀況。
背景技術(shù)：
閥門部件安裝在生產(chǎn)線內(nèi)以控制工業(yè)應(yīng)用中的工藝流程，例如石油或者天然氣加 工、食物和飲料生產(chǎn)，以及化學(xué)和藥物加工。通常閥門部件包括過程閥門(process valve), 用于開/關(guān)所述閥門的致動器和被配置為控制所述閥門的開、關(guān)和位置的控制器。所述閥 門控制器更進一步能夠監(jiān)控閥門運轉(zhuǎn)并當(dāng)出現(xiàn)故障條件時發(fā)送一個表示錯誤消息的信號。 所述控制器啟動所述致動器以開啟或關(guān)閉所述閥門。許多不同類型的致動器可用于開/關(guān) 特定類型的閥門。例如，線性致動器可用于開/關(guān)隔膜閥(diaphragm valve)，旋轉(zhuǎn)致動器 可用于開/關(guān)蝶形閥(butterfly valve)或球閥(ball valve) 0典型的，首先于試驗臺上測試閥門部件的運轉(zhuǎn)情況(也就是并不安裝于生產(chǎn)線 內(nèi))，以保證所述閥門基于提供給控制器的信號開啟和關(guān)閉，并且使致動器的尺寸適合所述 閥門。基于這個測試獲得一份參考曲線(reference profile)以確定閥門需要多長時間開 啟/關(guān)閉以及在哪種運轉(zhuǎn)狀態(tài)下(供給壓力、排放壓力，等等)。因為首先在實際的生產(chǎn)線 外測試閥門部件，在確定這些參考曲線時并沒有考慮到特定的運轉(zhuǎn)特性。另外，這種離線測 試并沒有指示所述閥門和致動器是否適合于特定的處理應(yīng)用。例如，如果工藝流程在高壓 環(huán)境中，所述致動器可能需要扭矩Tl以開啟和關(guān)閉具有尺寸Sl的所述閥門。相反，如果工 藝流程在低壓中，開啟和關(guān)閉具有尺寸S2的閥門所需的扭矩T2可能每個都小于扭矩Tl和 尺寸Si。這些圖線并沒有考慮到當(dāng)閥門在線運轉(zhuǎn)時的工藝流程、環(huán)境參數(shù)(例如溫度)和 通常的運轉(zhuǎn)特性的影響。因而，有必要提供一種在線捕捉閥門部件的運行狀況的動態(tài)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例性實施例涉及一種與配置為捕捉動態(tài)處理狀況的閥門控制器相 關(guān)的方法。在一個示例性實施例中，一個基于知識的控制方法與具有過程閥門(process valve)、致動器和控制器的閥門部件相關(guān)。所述方法包括在線地獲得基線特征圖，該基線特 征圖對應(yīng)于處理介質(zhì)流過閥門時該閥門從開啟位置運動到關(guān)閉位置和從關(guān)閉位置運動到 開啟位置時所述閥門的至少一個運轉(zhuǎn)特性值。該基線特征圖存儲于存儲器中。每次在處理 介質(zhì)流過閥門時該閥門從開啟位置運動到關(guān)閉位置或從關(guān)閉位置運動到開啟位置時，在線 地獲得對應(yīng)于與所述基線特征圖相關(guān)的值的運轉(zhuǎn)特征圖。運轉(zhuǎn)特征圖與基線特征圖進行比 較。判斷與運轉(zhuǎn)特征圖相關(guān)的一個或更多個值是否在基線特征圖的可接受的容許偏差內(nèi)。 如果一個或更多個運轉(zhuǎn)特征圖的值處于可接受的容許偏差之外，觸發(fā)一個報警提示。


圖1是閥門部件的示例性實施例。圖2是閥門部件運轉(zhuǎn)的基線特征圖。圖3是依照本發(fā)明在工藝流程中在線獲得的閥門部件運轉(zhuǎn)的基線特征圖。
具體實施例方式下文將參考示出本發(fā)明優(yōu)選的實施例的附圖詳細描述本發(fā)明。但是，本發(fā)明可能 以多種不同形式實施并不應(yīng)被解釋為限于這里提出的實施例。相反，提供這些實施例是為 了使公開變得詳細和完整，以及向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全告知本發(fā)明的范圍。所有附圖中相 似的編號對應(yīng)相似的元件。如上述解釋以及圖1所示，閥門部件10典型地包括過程閥門15、致動器20和控 制器25。過程閥門15沿處理管道中的縱向軸線(未示出)安裝，以允許、限制或阻止處理 介質(zhì)流過閥門。閥門15包括外殼16，穿過外殼16布置有流動通道17，以允許處理介質(zhì)流 過閥門。致動器20安裝于閥門15上并典型的由氣體致動，但也可以是電致動或液壓致動。 致動器20包括輸出軸，所述輸出軸連接到閥桿。輸出軸旋轉(zhuǎn)或者向上提升(取決于閥門類 型)以提供必需的扭矩來轉(zhuǎn)動或者提升閥桿，從而開啟或者關(guān)閉閥門?？刂破?5通常安裝 于致動器上并配置為基于各種輸入信號控制致動器?？刂破?5也可能包括視覺指示器26， 以顯示閥門15的位置。開啟和關(guān)閉閥門所需的時間將取決于閥門的類型和大小、致動器扭 矩額定值、流過閥門的處理介質(zhì)和期望的運轉(zhuǎn)參數(shù)。與閥門部件的標準的或者試驗臺的特 征圖相比，當(dāng)安裝并且處理介質(zhì)流過系統(tǒng)時，閥門部件的這些動態(tài)參數(shù)可能不同。例如，具 有特定尺寸的閥門15可能配置有一個適合開啟和關(guān)閉所述對象閥門的致動器20。但是，沒 有處理介質(zhì)流動時，致動器20開啟閥門15所需的扭矩可能小于有處理介質(zhì)流動通過閥門 時所需要的扭矩。因此，例示開啟和/或關(guān)閉閥門15所需的時間和壓力的開啟和關(guān)閉特征 圖在在線與離線情況下(或者在測試臺上)可能不同。圖2示出了典型的未安裝于生產(chǎn)線中的閥門部件的壓力和時間的基線特征圖。圖 表包括扭矩差曲線T、供給壓力曲線S、閥門位置曲線P和排放曲線E。供給壓力是提供給致 動器的壓力量。排放壓力是離開致動器的壓力量。位置曲線指示閥門是處于開啟、關(guān)閉或 者中間某處以及到達該位置所用的時間。壓力差是致動器獲得以及輸出的壓力并提供有關(guān) 峰值扭矩的值的信息。峰值扭矩為開啟閥門時從閥門基座破開閥門密封和關(guān)閉閥門時充分 接合閥門基座所需的扭矩量。與閥門部件相關(guān)的扭矩曲線表示如果曲線落入預(yù)定的安全區(qū)域那么閥門的大小 合適。此外，扭矩曲線標識與特定閥門和致動器軸相關(guān)的剪力值(Shear value) 0例如，如 果與特定扭矩曲線相關(guān)的扭矩力(torquethrust)過高，可能意味著閥門密封正在被腐蝕， 并可能造成軸在運轉(zhuǎn)中停止。如果扭矩低或者在減少，可能意味著致動器相對應(yīng)用來說太 大，在閥門軸上施加了太多的扭矩，最終可使軸承突然折斷。因此，基線作為比較閥門組件 工作的基準以確定組件在處理系統(tǒng)中的組件的退化。閥門位置曲線P示出了閥門在時間tc位于關(guān)閉位置并在大約0. 255秒的時候開 始開啟(基于控制器收到的命令)。隨著致動器開始開啟閥門，在閥門從基座移開時扭矩T 開始增強，稱為峰值扭矩τρ，在本實施例中大約為17psi(g)。當(dāng)閥門離開其基座時，開啟供給壓力曲線S在時間tT大概75psi(g)時輕微降低。一旦閥門密封離開基座，繼續(xù)移動閥門至完全開啟的位置所需的扭矩在大約0. 795秒時下降，并且繼續(xù)相對恒定直到閥門在時 間、(大約2. 28秒)完全開啟。當(dāng)在壓力Tffia下閥門保持處于其開啟位置時扭矩再次增 強。當(dāng)閥門被命令開啟但仍處于關(guān)閉位置時排放壓力最高，但在開啟過程中降低，因為大部 分供給壓力用于增加扭矩以開啟閥門。排放曲線E在時間、閥門到達其開啟位置時再次 降低。扭矩開銷(torque overhead)由參考標記Tqh表示，代表了能夠從與這個特定閥門部 件相關(guān)的致動器獲得的額外的扭矩，其是當(dāng)在測試臺上獲得基線時閥門大小和致動器大小 的組合。圖3示出了依據(jù)本發(fā)明的閥門部件的示例性基線特征圖的例子?；€特征圖表示 圖2所示閥門組件的運轉(zhuǎn)，但是是在部件安裝于生產(chǎn)線且處理介質(zhì)流過閥門之后。閥門位 置曲線P顯示了閥門在時間t。位于關(guān)閉位置，并在大約0. 255秒的時候開始開啟(基于控 制器收到的命令)。扭矩差曲線T顯示當(dāng)從大約0. 255秒到大約1. 3秒tT中，扭矩隨著閥 門開啟而開始增強。在峰值扭矩Tp大約48psi(g)時閥門離開其基座。開啟供給壓力曲線 S在閥門離開其基座時在時間tT大概85psi(g)處輕微降低。一旦閥門密封離開基座，繼續(xù) 移動閥門至完全開啟的位置所需的扭矩在大約1. 335秒時下降，并且繼續(xù)相對恒定直到閥 門在時間、(大約2. 55秒)完全開啟。當(dāng)閥門在壓力Tffia下保持其開啟位置時扭矩再次 增強。當(dāng)閥門被命令開啟但仍處于關(guān)閉位置時排放壓力最高，并在開啟過程中降低，因為大 部分供給壓力用于增加扭矩以開啟閥門。排放曲線E在時間、閥門到達其開啟位置時再 次降低?？梢钥吹綇拈y門部件離線獲得的基線特征圖(圖2)與從閥門部件在線獲得的基 線特征圖(圖3)之間的區(qū)別，例如，峰值扭矩Tp(17psi(g)對48psi(g))之間的區(qū)別以及閥 門到達完全開啟位置花費的時間t。(2. 28秒對2. 55秒)。在線的扭矩開銷TQH(圖3)也少 于圖2基線的扭矩開銷Tra。換句話說，同在試驗臺上獲得的扭矩量相比，在線測量時需要 更大扭矩量用于使閥門離開其基座。因此，當(dāng)在線獲得基線特征圖時，流過閥門部件的處理 的影響顯著地改變了參考特征圖的參數(shù)。每次閥門行程動作(不論部分或者完全)時都創(chuàng) 建特征圖，所述特征圖與動態(tài)基線特征圖比較以確定閥門部件是否在已知運轉(zhuǎn)容差內(nèi)。存 儲于存儲器內(nèi)的運轉(zhuǎn)特征圖數(shù)量可能隨應(yīng)用而不同。例如，根據(jù)應(yīng)用類型和存儲器大小，運 轉(zhuǎn)特征圖可能基于先進先出過程存儲于存儲器。但是，如果特定運轉(zhuǎn)特征圖觸發(fā)了警報，則 該特征圖將打上日期和時間戳、鎖存于存儲器中并由用戶相應(yīng)地處理。峰值扭矩的值Tp在本例中大約是最大壓力的一半，其也用于識別運轉(zhuǎn)變化以用于 報警目的。用戶可以選擇圍繞Tp的偏差區(qū)域(在圖3中標記為區(qū)域A)來確定閥門工作期 間可接受的參數(shù)。特別的，可以創(chuàng)建圍繞偏差區(qū)域A的滯后曲線，用做觸發(fā)警報活動的依 據(jù)。這樣，在壓力差變化到區(qū)域A外時，可以觸發(fā)警報以指示閥門部件的退化。例如，如果 開啟閥門時破壞密封所需的壓力增加到偏差區(qū)域A之外時，將會響起警報，警告用戶可能 的運轉(zhuǎn)故障。如果開啟閥門時破壞密封所需的壓力減小到偏差區(qū)域A之外時，將會響起警 報，警告用戶可能的運轉(zhuǎn)故障。偏離Tp的百分比是用戶限定的并基于采用的閥門類型和處 理介質(zhì)。動態(tài)基線特征圖可能在N次閥門操作周期后改進。對于一個新閥門組件，這些可 能通過在限定的初試(Break-In)階段(周期數(shù))后在線捕捉處理動態(tài)而完成。從安裝到第N個周期的供給壓力的移動平均值(rolling average)用于確定標稱供給壓力。任何上述警報的觸發(fā)將被禁止直到第N個周期后為止，以適應(yīng)初試階段處理環(huán)境中閥門部件的運 轉(zhuǎn)特性的改變。通過利用在線獲取的與閥門部件相關(guān)的基線特征圖，捕捉更加精確地參考 特征圖。這可以更好的監(jiān)控閥門部件，從而避免不必要的維護費用和處理中斷。此外，運轉(zhuǎn) 特征圖可作為診斷工具用于確定閥門和致動器大小以及運轉(zhuǎn)退化。每個參數(shù)(例如供給壓力、壓力差、排放壓力和位置)的基線特征圖和運轉(zhuǎn)特征圖 都是由一個特定數(shù)據(jù)掃描速率確定的，以提供閥門運轉(zhuǎn)的圖形表示。當(dāng)閥門V1經(jīng)歷一次從 關(guān)閉到開啟位置的行程時，將需要時間ti用于完成該行程。這個時間ti取決于許多變量， 包括閥門V1的大小、致動器的大小和流過的處理介質(zhì)。但是，一個更小的閥門V2和致動器 部件可能需要時間t2以完成完整行程，且其中ti > t2。因此，為了獲得每個閥門位置的精 確特征圖，閥門V2的掃描速率必須大于閥門V1的掃描速率，這是由于閥門V2使用了較少的 時間完成一個行程。因此，依據(jù)本發(fā)明的方法利用查找表并根據(jù)閥門在校準期間完成一個 行程的時間來確定特定閥門部件的采樣速率。這是在閥門在線時完成的。例如，如果閥門 用10秒完成開啟，數(shù)據(jù)采集的采樣速率可以為每隔50毫秒。另外，在閥門開啟和關(guān)閉的時 間不同時，采樣速率可能不同。因此，對于同一個閥門，一個采樣速率可能與開啟行程相關(guān)， 而一個不同的采樣速率可能與關(guān)閉行程相關(guān)。按照這種方式，采用了一種方法在線地捕捉 閥門部件的動態(tài)參考特性，其中處理流過閥門。雖然參考特定實施例公開了本發(fā)明，但是如所附的權(quán)利要求中限定的那樣，在不 脫離本發(fā)明的領(lǐng)域和范圍的情況下，可以作出眾多修改、改變和變化。從而，本發(fā)明并不限 定于描述的實施例，而本發(fā)明的完整范圍由后面的權(quán)利要求的語言和其等同物限定。
權(quán)利要求
一種與具有過程閥門、致動器和控制器的閥門部件相關(guān)的基于知識的控制方法，所述方法包括在處理介質(zhì)流過該閥門時當(dāng)閥門從第一位置移動到第二位置時，在線地獲得與所述閥門的至少一個運轉(zhuǎn)特性值相對應(yīng)的基線特征圖；將所述基線特征圖存儲到存儲器中；在處理介質(zhì)流過所述閥門時當(dāng)閥門每次從所述第一位置移動到所述第二位置時，在線地獲得對應(yīng)于與所述基線特征圖相關(guān)的值的運轉(zhuǎn)特征圖；比較所述運轉(zhuǎn)特征圖和所述基線特征圖；以及確定與所述運轉(zhuǎn)特征圖相關(guān)的一個或更多個值是否在對應(yīng)的所述基線特征圖中的一個或更多個值的可接受的容許偏差內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述獲得基線特征圖的步驟還包括在處理介質(zhì)流過 所述閥門時當(dāng)所述閥門從所述第一位置移動到所述第二位置并回到所述第一位置時，在線 地獲得所述基線特征圖。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述獲得運轉(zhuǎn)特征圖的步驟還包括在處理介質(zhì)流過 所述閥門時當(dāng)所述閥門每次從所述第一位置移動到所述第二位置并回到所述第一位置時， 在線地獲取所述運轉(zhuǎn)特征圖。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括當(dāng)所述運轉(zhuǎn)特征圖的所述一個或更多個值落到所 述可接受的容許偏差之外時觸發(fā)警報提示。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述運轉(zhuǎn)特性是閥門位置、扭矩、供給壓力和排放壓 力中的至少一個。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一位置對應(yīng)于所述閥門的開啟位置，所述第 二位置對應(yīng)于所述閥門的關(guān)閉位置，根據(jù)N個周期后的所述運轉(zhuǎn)特性的移動平均值計算所 述基線特征圖，其中N ^ 1，所述周期限定為閥門從所述第一位置到所述第二位置并從所述 第二位置到所述第一位置的移動。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中基于閥門周期中特定數(shù)據(jù)掃描速率獲得所述基線特 征圖的值，其中行程限定為閥門從所述第一位置到所述第二位置的移動。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述數(shù)據(jù)掃描速率基于所述閥門的尺寸、與所述致 動器相關(guān)的扭矩值以及流過所述閥門的處理介質(zhì)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一位置是關(guān)閉位置且所述第二位置是開啟位 置，當(dāng)所述閥門從開啟位置移動到關(guān)閉位置時，基于第一數(shù)據(jù)掃描速率獲得所述基線特征 圖的值，以及當(dāng)所述閥門從關(guān)閉位置移動到開啟位置時，基于第二數(shù)據(jù)掃描速率獲得所述 基線特征圖的值。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一數(shù)據(jù)掃描速率等于所述第二數(shù)據(jù)掃描速率。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一數(shù)據(jù)掃描速率不等于所述底二數(shù)據(jù)掃描速率。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述運轉(zhuǎn)特征圖存儲于存儲器中。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括將在預(yù)定時間間隔上獲得的多個所述運轉(zhuǎn)特征 圖存儲在所述存儲器中。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述閥門的至少一個運轉(zhuǎn)特性值是與由所述致動 器提供的、用于從關(guān)閉位置開啟所述閥門所需扭矩量相關(guān)的峰值扭矩的值。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述至少一個運轉(zhuǎn)特性是扭矩開銷，所述扭矩開 銷被限定為所述峰值扭矩的值和所述供給壓力的差。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中偏差區(qū)域與開啟所述閥門所需的峰值扭矩的值相 關(guān)，當(dāng)與所述運轉(zhuǎn)特征圖相關(guān)的扭矩值落到所述偏差區(qū)域之外時，所述方法觸發(fā)警報。
17.一種閥門系統(tǒng)包括過程閥門，連接到處理介質(zhì)從其中經(jīng)過的管線；致動器，安裝到所述閥門上并被配置為開啟和關(guān)閉所述閥門；控制器，連接到所述致動器并被配置為提供信號給所述致動器以開啟和關(guān)閉所述閥 門，所述控制器還被配置為當(dāng)處理介質(zhì)經(jīng)過所述閥門情況下所述閥門從所述開啟位置移動 到所述關(guān)閉位置并且從所述關(guān)閉位置移動到所述開啟位置時在線地獲得與所述閥門的至 少一個運轉(zhuǎn)特性值相對應(yīng)的基線特征圖，所述控制器還包括用于存儲所述基線特征圖的存 儲設(shè)備，所述控制器還被配置為每次所述閥門從開啟位置移動到關(guān)閉位置并且從關(guān)閉位置 移動到開啟位置時，獲取對應(yīng)于與所述基線特征圖相關(guān)的值的運轉(zhuǎn)特征圖，所述控制器比 較所述運轉(zhuǎn)特征圖和所述基線特征圖。
全文摘要
一種與閥門控制器相關(guān)的方法，所述閥門控制器被配置為捕捉用于通過基于知識的閥門特性標準來監(jiān)控、診斷和維護閥門組件的動態(tài)處理狀況。該方法包括確定過程閥門的開啟和關(guān)閉位置。測量致動器開啟和關(guān)閉過程閥門所需的峰值扭矩的值。測量致動器開啟和關(guān)閉閥門所需的供給壓力和排出壓力。確定與開啟閥門的峰值扭矩的值相關(guān)的偏差區(qū)域，其中當(dāng)扭矩值落到該偏差區(qū)域外時觸發(fā)警報。當(dāng)閥門在線安裝時，在N個處理周期后創(chuàng)建動態(tài)基線。
文檔編號G01L1/02GK101815932SQ200880109991
公開日2010年8月25日 申請日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月1日
發(fā)明者D·穆羅金斯基, L·米納爾維尼 申請人:西鎖控制公司