CN101815932B - 基于知识的阀门控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种与阀门控制器相关的方法，所述阀门控制器被配置为捕捉用于通过基于知识的阀门特性标准来监控、诊断和维护阀门组件的动态处理状况。该方法包括确定过程阀门的开启和关闭位置。测量致动器开启和关闭过程阀门所需的峰值扭矩的值。测量致动器开启和关闭阀门所需的供给压力和排出压力。确定与开启阀门的峰值扭矩的值相关的偏差区域，其中当扭矩值落到该偏差区域外时触发警报。当阀门在线安装时，在N个处理周期后创建动态基线。

Description

基于知识的阀门控制方法
技术领域
本发明总的涉及阀门控制器。更具体地说，本发明涉及一种与阀门控制器相关的方法，所述阀门控制器被配置为捕捉用于通过基于知识的阀门特性标准来监控、诊断和维护阀门组件的动态处理状况。
背景技术
阀门部件安装在生产线内以控制工业应用中的工艺流程，例如石油或者天然气加工、食物和饮料生产，以及化学和药物加工。通常阀门部件包括过程阀门(process valve)、用于开/关所述阀门的致动器和被配置为控制所述阀门的开、关和位置的控制器。所述阀门控制器更进一步能够监控阀门运转并当出现故障条件时发送一个表示错误消息的信号。所述控制器启动所述致动器以开启或关闭所述阀门。许多不同类型的致动器可用于开/关特定类型的阀门。例如，线性致动器可用于开/关隔膜阀(diaphragm valve)，旋转致动器可用于开/关蝶形阀(butterfly valve)或球阀(ball valve)。
典型的，首先于试验台上测试阀门部件的运转情况(也就是并不安装于生产线内)，以保证所述阀门基于提供给控制器的信号开启和关闭，并且使致动器的尺寸适合所述阀门。基于这个测试获得一份参考曲线(reference profile)以确定阀门需要多长时间开启/关闭以及在哪种运转状态下(供给压力、排放压力，等等)。因为首先在实际的生产线外测试阀门部件，在确定这些参考曲线时并没有考虑到特定的运转特性。另外，这种离线测试并没有指示所述阀门和致动器是否适合于特定的处理应用。例如，如果工艺流程在高压环境中，所述致动器可能需要扭矩T1以开启和关闭具有尺寸S1的所述阀门。相反，如果工艺流程在低压中，开启和关闭具有尺寸S2的阀门所需的扭矩T2可能每个都小于扭矩T1和尺寸S1。这些图线并没有考虑到当阀门在线运转时的工艺流程、环境参数(例如温度)和通常的运转特性的影响。因而，有必要提供一种在线捕捉阀门部件的运行状况的动态方法。
发明内容
本发明的示例性实施例涉及一种与配置为捕捉动态处理状况的阀门控制器相关的方法。在一个示例性实施例中，一个基于知识的控制方法与具有过程阀门(process valve)、致动器和控制器的阀门部件相关。所述方法包括在线地获得基线特征图，该基线特征图对应于处理介质流过阀门时该阀门从开启位置运动到关闭位置和从关闭位置运动到开启位置时所述阀门的至少一个运转特性值。该基线特征图存储于存储器中。每次在处理介质流过阀门时该阀门从开启位置运动到关闭位置或从关闭位置运动到开启位置时，在线地获得对应于与所述基线特征图相关的值的运转特征图。运转特征图与基线特征图进行比较。判断与运转特征图相关的一个或更多个值是否在基线特征图的可接受的容许偏差内。如果一个或更多个运转特征图的值处于可接受的容许偏差之外，触发一个报警提示。
附图说明
图1是阀门部件的示例性实施例。
图2是阀门部件运转的基线特征图。
图3是依照本发明在工艺流程中在线获得的阀门部件运转的基线特征图。
具体实施方式
下文将参考示出本发明优选的实施例的附图详细描述本发明。但是，本发明可能以多种不同形式实施并不应被解释为限于这里提出的实施例。相反，提供这些实施例是为了使公开变得详细和完整，以及向本领域技术人员完全告知本发明的范围。所有附图中相似的编号对应相似的元件。
如上述解释以及图1所示，阀门部件10典型地包括过程阀门15、致动器20和控制器25。过程阀门15沿处理管道中的纵向轴线(未示出)安装，以允许、限制或阻止处理介质流过阀门。阀门15包括外壳16，穿过外壳16布置有流动通道17，以允许处理介质流过阀门。致动器20安装于阀门15上并典型的由气体致动，但也可以是电致动或液压致动。致动器20包括输出轴，所述输出轴连接到阀杆。输出轴旋转或者向上提升(取决于阀门类型)以提供必需的扭矩来转动或者提升阀杆，从而开启或者关闭阀门。控制器25通常安装于致动器上并配置为基于各种输入信号控制致动器。控制器25也可能包括视觉指示器26，以显示阀门15的位置。开启和关闭阀门所需的时间将取决于阀门的类型和大小、致动器扭矩额定值、流过阀门的处理介质和期望的运转参数。与阀门部件的标准的或者试验台的特征图相比，当安装并且处理介质流过***时，阀门部件的这些动态参数可能不同。例如，具有特定尺寸的阀门15可能配置有一个适合开启和关闭所述对象阀门的致动器20。但是，没有处理介质流动时，致动器20开启阀门15所需的扭矩可能小于有处理介质流动通过阀门时所需要的扭矩。因此，例示开启和/或关闭阀门15所需的时间和压力的开启和关闭特征图在在线与离线情况下(或者在测试台上)可能不同。
图2示出了典型的未安装于生产线中的阀门部件的压力和时间的基线特征图。图表包括扭矩差曲线T、供给压力曲线S、阀门位置曲线P和排放曲线E。供给压力是提供给致动器的压力量。排放压力是离开致动器的压力量。位置曲线指示阀门是处于开启、关闭或者中间某处以及到达该位置所用的时间。压力差是致动器获得以及输出的压力并提供有关峰值扭矩的值的信息。峰值扭矩为开启阀门时从阀门基座破开阀门密封和关闭阀门时充分接合阀门基座所需的扭矩量。
与阀门部件相关的扭矩曲线表示如果曲线落入预定的安全区域那么阀门的大小合适。此外，扭矩曲线标识与特定阀门和致动器轴相关的剪力值(shear value)。例如，如果与特定扭矩曲线相关的扭矩力(torquethrust)过高，可能意味着阀门密封正在被腐蚀，并可能造成轴在运转中停止。如果扭矩低或者在减少，可能意味着致动器相对应用来说太大，在阀门轴上施加了太多的扭矩，最终可使轴承突然折断。因此，基线作为比较阀门组件工作的基准以确定组件在处理***中的组件的退化。
阀门位置曲线P示出了阀门在时间tc位于关闭位置并在大约0.255秒的时候开始开启(基于控制器收到的命令)。随着致动器开始开启阀门，在阀门从基座移开时扭矩T开始增强，称为峰值扭矩Tp，在本实施例中大约为17psi(g)。当阀门离开其基座时，开启供给压力曲线S在时间tT大概75psi(g)时轻微降低。一旦阀门密封离开基座，继续移动阀门至完全开启的位置所需的扭矩在大约0.795秒时下降，并且继续相对恒定直到阀门在时间t0(大约2.28秒)完全开启。当在压力T开启下阀门保持处于其开启位置时扭矩再次增强。当阀门被命令开启但仍处于关闭位置时排放压力最高，但在开启过程中降低，因为大部分供给压力用于增加扭矩以开启阀门。排放曲线E在时间t0阀门到达其开启位置时再次降低。扭矩开销(torque overhead)由参考标记TOH表示，代表了能够从与这个特定阀门部件相关的致动器获得的额外的扭矩，其是当在测试台上获得基线时阀门大小和致动器大小的组合。
图3示出了依据本发明的阀门部件的示例性基线特征图的例子。基线特征图表示图2所示阀门组件的运转，但是是在部件安装于生产线且处理介质流过阀门之后。阀门位置曲线P显示了阀门在时间tc位于关闭位置，并在大约0.255秒的时候开始开启(基于控制器收到的命令)。扭矩差曲线T显示当从大约0.255秒到大约1.3秒tT中，扭矩随着阀门开启而开始增强。在峰值扭矩Tp大约48psi(g)时阀门离开其基座。开启供给压力曲线S在阀门离开其基座时在时间tT大概85psi(g)处轻微降低。一旦阀门密封离开基座，继续移动阀门至完全开启的位置所需的扭矩在大约1.335秒时下降，并且继续相对恒定直到阀门在时间t0(大约2.55秒)完全开启。当阀门在压力T开启下保持其开启位置时扭矩再次增强。当阀门被命令开启但仍处于关闭位置时排放压力最高，并在开启过程中降低，因为大部分供给压力用于增加扭矩以开启阀门。排放曲线E在时间t0阀门到达其开启位置时再次降低。
可以看到从阀门部件离线获得的基线特征图(图2)与从阀门部件在线获得的基线特征图(图3)之间的区别，例如，峰值扭矩Tp(17psi(g)对48psi(g))之间的区别以及阀门到达完全开启位置花费的时间t0(2.28秒对2.55秒)。在线的扭矩开销TOH(图3)也少于图2基线的扭矩开销TOH。换句话说，同在试验台上获得的扭矩量相比，在线测量时需要更大扭矩量用于使阀门离开其基座。因此，当在线获得基线特征图时，流过阀门部件的处理的影响显著地改变了参考特征图的参数。每次阀门行程动作(不论部分或者完全)时都创建特征图，所述特征图与动态基线特征图比较以确定阀门部件是否在已知运转容差内。存储于存储器内的运转特征图数量可能随应用而不同。例如，根据应用类型和存储器大小，运转特征图可能基于先进先出过程存储于存储器。但是，如果特定运转特征图触发了警报，则该特征图将打上日期和时间戳、锁存于存储器中并由用户相应地处理。
峰值扭矩的值Tp在本例中大约是最大压力的一半，其也用于识别运转变化以用于报警目的。用户可以选择围绕Tp的偏差区域(在图3中标记为区域A)来确定阀门工作期间可接受的参数。特别的，可以创建围绕偏差区域A的滞后曲线，用做触发警报活动的依据。这样，在压力差变化到区域A外时，可以触发警报以指示阀门部件的退化。例如，如果开启阀门时破坏密封所需的压力增加到偏差区域A之外时，将会响起警报，警告用户可能的运转故障。如果开启阀门时破坏密封所需的压力减小到偏差区域A之外时，将会响起警报，警告用户可能的运转故障。偏离Tp的百分比是用户限定的并基于采用的阀门类型和处理介质。
动态基线特征图可能在N次阀门操作周期后改进。对于一个新阀门组件，这些可能通过在限定的初试(Break-In)阶段(周期数)后在线捕捉处理动态而完成。从安装到第N个周期的供给压力的移动平均值(rolling average)用于确定标称供给压力。任何上述警报的触发将被禁止直到第N个周期后为止，以适应初试阶段处理环境中阀门部件的运转特性的改变。通过利用在线获取的与阀门部件相关的基线特征图，捕捉更加精确地参考特征图。这可以更好的监控阀门部件，从而避免不必要的维护费用和处理中断。此外，运转特征图可作为诊断工具用于确定阀门和致动器大小以及运转退化。
每个参数(例如供给压力、压力差、排放压力和位置)的基线特征图和运转特征图都是由一个特定数据扫描速率确定的，以提供阀门运转的图形表示。当阀门V1经历一次从关闭到开启位置的行程时，将需要时间t1用于完成该行程。这个时间t1取决于许多变量，包括阀门V1的大小、致动器的大小和流过的处理介质。但是，一个更小的阀门V2和致动器部件可能需要时间t2以完成完整行程，且其中t1＞t2。因此，为了获得每个阀门位置的精确特征图，阀门V2的扫描速率必须大于阀门V1的扫描速率，这是由于阀门V2使用了较少的时间完成一个行程。因此，依据本发明的方法利用查找表并根据阀门在校准期间完成一个行程的时间来确定特定阀门部件的采样速率。这是在阀门在线时完成的。例如，如果阀门用10秒完成开启，数据采集的采样速率可以为每隔50毫秒。另外，在阀门开启和关闭的时间不同时，采样速率可能不同。因此，对于同一个阀门，一个采样速率可能与开启行程相关，而一个不同的采样速率可能与关闭行程相关。按照这种方式，采用了一种方法在线地捕捉阀门部件的动态参考特性，其中处理流过阀门。
虽然参考特定实施例公开了本发明，但是如所附的权利要求中限定的那样，在不脱离本发明的领域和范围的情况下，可以作出众多修改、改变和变化。从而，本发明并不限定于描述的实施例，而本发明的完整范围由后面的权利要求的语言和其等同物限定。

Claims (17)

1.一种与具有过程阀门、致动器和控制器的阀门部件相关的基于知识的控制方法，所述方法包括： 
在处理介质流过该阀门时当阀门从第一位置移动到第二位置时，在线地获得与所述阀门的至少一个运转特性值相对应的基线特征图； 
将所述基线特征图存储到存储器中； 
在处理介质流过所述阀门时当阀门每次从所述第一位置移动到所述第二位置时，在线地获得时应于与所述基线特征图相关的值的运转特征图； 
比较所述运转特征图和所述基线特征图；以及 
确定与所述运转特征图相关的一个或更多个值是否在对应的所述基线特征图中的一个或更多个值的可接受的容许偏差内。 
2.如权利要求1所述的方法，其中获得基线特征图的步骤还包括在处理介质流过所述阀门时当所述阀门从所述第一位置移动到所述第二位置并回到所述第一位置时，在线地获得所述基线特征图。 
3.如权利要求1所述的方法，其中获得运转特征图的步骤还包括在处理介质流过所述阀门时当所述阀门每次从所述第一位置移动到所述第二位置并回到所述第一位置时，在线地获取所述运转特征图。 
4.如权利要求1所述的方法，还包括当所述运转特征图的所述一个或更多个值落到所述可接受的容许偏差之外时触发警报提示。 
5.如权利要求1所述的方法，其中所述运转特性值是阀门位置、扭矩、供给压力和排放压力中的至少一个。 
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一位置时应于所述阀门的开启位置，所述第二位置对应于所述阀门的关闭位置，根据N个周期后的所述运转特性值的移动平均值计算所述基线特征图，其中N≥1，所述周期限定为阀门从所 述第一位置到所述第二位置并从所述第二位置到所述第一位置的移动。 
7.如权利要求1所述的方法，其中基于阀门周期中特定数据扫描速率获得所述基线特征图的值，其中行程限定为阀门从所述第一位置到所述第二位置的移动。 
8.如权利要求7所述的方法，其中所述数据扫描速率基于所述阀门的尺寸、与所述致动器相关的扭矩值以及流过所述阀门的处理介质。 
9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一位置是关闭位置且所述第二位置是开启位置，当所述阀门从开启位置移动到关闭位置时，基于第一数据扫描速率获得所述基线特征图的值，以及当所述阀门从关闭位置移动到开启位置时，基于第二数据扫描速率获得所述基线特征图的值。 
10.如权利要求9所述的方法，其中所述第一数据扫描速率等于所述第二数据扫描速率。 
11.如权利要求9所述的方法，其中所述第一数据扫描速率不等于所述第二数据扫描速率。 
12.如权利要求1所述的方法，其中所述运转特征图存储于存储器中。 
13.如权利要求12所述的方法，还包括将在预定时间间隔上获得的多个所述运转特征图存储在所述存储器中。 
14.如权利要求1所述的方法，其中所述阀门的至少一个运转特性值是与由所述致动器提供的、用于从关闭位置开启所述阀门所需扭矩量相关的峰值扭矩的值。 
15.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个运转特性值是扭矩开销， 所述扭矩开销被限定为峰值扭矩的值和供给压力的差，所述峰值扭矩的值与由所述致动器提供的、用于从关闭位置开启所述阀门所需扭矩量相关。 
16.如权利要求14所述的方法，其中偏差区域与开启所述阀门所需的峰值扭矩的值相关，当与所述运转特征图相关的扭矩值落到所述偏差区域之外时，所述方法触发警报。 
17.一种阀门***包括： 
过程阀门，连接到处理介质从其中经过的管线； 
致动器，安装到所述阀门上并被配置为开启和关闭所述阀门； 
控制器，连接到所述致动器并被配置为提供信号给所述致动器以开启和关闭所述阀门，所述控制器还被配置为当处理介质经过所述阀门情况下所述阀门从开启位置移动到关闭位置并且从关闭位置移动到开启位置时在线地获得与所述阀门的至少一个运转特性值相对应的基线特征图，所述控制器还包括用于存储所述基线特征图的存储设备，所述控制器还被配置为每次所述阀门从开启位置移动到关闭位置并且从关闭位置移动到开启位置时，获取对应于与所述基线特征图相关的值的运转特征图，所述控制器比较所述运转特征图和所述基线特征图。 
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