ES2259163T3 - Sistema de posicionamiento de una valvula. - Google Patents

Abstract

Un método para proporcionar un control de la posición no lineal en una válvula (10), en el que el método comprende: calcular una primera ganancia para la válvula (10) que se mueve en una primera dirección, y calcular una segunda ganancia para la válvula (10) que se desplaza en una segunda dirección (630); estando además caracterizado el mencionado método porque: calcula una ganancia ajustable para compensar las no linealidades (524) de la válvula relacionadas con el tamaño y con la posición; recibe una señal de posición deseada para la válvula (500); y ajusta la posición deseada mediante la ganancia ajustable y la primera o la segunda ganancia para determinar una señal de posición calculada para la válvula (534).

Description

Sistema de posicionamiento de una válvula.

La presente invención está relacionada con un sistema posicionador para controlar una válvula de control de fluidos, y más en particular con un sistema posicionador inteligente y subrutinas de software para controlar la operación de la misma.

Las válvulas de control de fluidos se utilizan para controlar la transmisión y distribución de fluidos, tales como los líquidos y los gases. En dichas aplicaciones existen con frecuencia requisitos para conseguir un alto rendimiento para válvulas de alta fiabilidad y válvulas de precisión. No obstante, debido al rendimiento físico de la válvula, así como también al medio ambiental en el cual pueda operar la válvula, tiene que ejecutarse durante el funcionamiento un mantenimiento periódico, así como la calibración y ajuste de la válvula. Adicionalmente, la válvula puede mostrar un comportamiento no lineal y aparentemente no predecible. Por ejemplo, la alta fricción en la válvula puede provocar un comportamiento del deslizamiento de agarre cuando la válvula se está ajustando entre la posición de apertura y de cierre. Además de ello, las temperaturas del medio ambiente y el envejecimiento afectan a las características de los componentes y provocan errores de posicionamiento.

Muchas válvulas están montadas con actuadores y posicionadores para controlar el movimiento de la válvula. Además de ello, algunos posicionadores están controlados por ordenador. No obstante, dicho control ha estado limitado en parte. Además de ello, los posicionadores controlador por ordenador convencionales no predicen adecuadamente el comportamiento de la válvula en curso. En consecuencia, lo que se precisa es un posicionador de la válvula que facilite los continuos requisitos de mantenimiento, calibración y ajuste de la válvula.

El documento DE-3911259-A1 expone todos los circuitos de control electrónico para las características de una válvula de control. El circuito comprende un convertidor A-D, una memoria y un convertidor D-A. El conocido circuito cambia la ganancia de la señal de valor nominal de entrada en respuesta a los valores de corrección almacenados en la memoria.

Sumario de la invención

La invención está relacionada con un método para proporcionar un control de la posición no lineal de una válvula según la reivindicación 1, y con un posicionador para proporcionar el control de posición no lineal de una válvula de acuerdo con la reivindicación 4.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema posicionador que utiliza los principios de la presente invención para controlar la válvula.

Las figuras 2 y 3 son gráficos de posición y presión con respecto al tiempo para una válvula.

La figura 4 es un diagrama de flujo para una rutina para informar sobre la sintonización del bucle o ciclado límite utilizados por el sistema de posicionamiento de la figura 1.

La figura 5 es un diagrama de flujo de una rutina para la transferencia sin sacudidas desde el modo manual al automático utilizado por el sistema posicionador de la figura 1.

Las figuras 6a-6b son diagramas de flujo de una rutina para ejecutar el control de posición utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

Las figuras 7a, 7b y 7c son diagramas de flujo de rutinas alternativas para localizar un valor POLARIZACION utilizado por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 8 es un diagrama de flujo de una rutina para determinar la firma de la válvula utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 9 es un diagrama de flujo de una rutina para determinar una respuesta de la etapa de la válvula utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

Las figuras 10a-10b son pantallas de visualización con gráficos para analizar la realimentación de la respuesta de la válvula del controlador del proceso de la figura 1.

La figura 11 es un diagrama parcial y detallado de una realización de una válvula rotatoria controlada por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 12 es un diagrama de flujo para una rutina de control de la posición de la válvula, utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

Las figuras 13 y 14 son gráficos de la posición de la válvula con respecto al tiempo, utilizados por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 15 es un diagrama de flujo de una rutina de autosintonización utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 16 es un diagrama de flujo para una rutina de localización POLARIZACION que es llamada por la rutina de autosintonización de la figura 15.

Las figuras 17a y 17b son diagramas de flujo de una rutina de sintonización en bucle abierto que es llamada por la rutina de autosintonización de la figura 15.

La figura 18 es un diagrama de flujo para una rutina de determinación de parámetros utilizada por la rutina de la figura 17a.

La figura 19 es un diagrama de flujo de una rutina de autosintonización en bucle cerrado, que es llamada por la rutina de autosintonización de la figura 15.

Las figuras 20a y 20b son diagramas de flujo de una subrutina de sintonización directa, que es llamada por la rutina de autosintonización en bucle cerrado de la figura 19.

La figura 21 es un diagrama de flujo de una subrutina de sintonía de retorno, que es llamada por la rutina de autosintonia de bucle cerrado de la figura 19.

La figura 22 es un diagrama de flujo de una rutina de autocaracterización de la válvula utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 23 es un diagrama de flujo de detección de un sensor de posición averiado, utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 24 es un diagrama de flujo de una rutina de diagnóstico de diagnostico de desgaste de baja elevación utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 25 es un diagrama de flujo de una rutina de diagnóstico de cierre de del asiento de la válvula utilizada por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 26 es un diagrama de flujo de una rutina para determinar un ajuste de la elevación mínimo controlable, utilizado por el sistema posicionador de la figura 1.

Las figuras 27-28 son pantallas de visualización de un gráfico de la capacidad de flujo con respecto a la posición de la válvula, y una ventana emergente que se visualiza si el usuario solicita un cambio de posición no válido que sea proporcionado por el sistema posicionador de la figura 1.

La figura 29 es un diagrama de flujo de una rutina para determinar las limitaciones de compromiso del sistema, utilizada por el sistema posicionador de la figura 1, utilizando las pantallas de visualización de las figuras 27-28.

Descripción de la realización preferida

Con referencia a la figura 1 de los dibujos, la válvula 10 está controlada por un sistema posicionador 12 que implementa las características de la presente invención. El sistema posicionador 12 incluye un multiplexor 14, un convertidor analógico-digital ("A/D") 16, un microprocesador 18, un convertidor digital-analógico ("D/A") 20, un transductor de corriente a presión ("I/P") 22, una válvula de carrete 24, y un actuador 26. El posicionador 12 está soportado por una fuente de alimentación 30 y con un suministro de aire 32.

El multiplexor 14 recibe varias señales que incluyen una señal de realimentación de la presión 40 desde el actuador 26, y una señal de realimentación de la posición 42 de la válvula 10. La señal de realimentación 40 de la presión se deriva de un sensor de presión 44, que está enlazado neumáticamente al actuador 26, y la señal de realimentación de la posición 42 se deriva de un sensor de realimentación de la posición 46, el cual está enlazado mecánicamente a la válvula 10. En consecuencia, conforme cambian las posiciones de la válvula y del actuador, la señal 40 de realimentación de la presión y la señal 42 de realimentación de la posición indican las posiciones cambiantes para el multiplexor 14.

En algunas realizaciones, el sensor de posición 46 está separado del resto del posicionador 12. Por ejemplo, en situaciones en las que la válvula 10 está situada en un entorno rigurosamente duro, el posicionador 12 puede situarse por separado, con solo el sensor de posición 46 fijado a la válvula 10. Como resultado de ello, solo se encontrarán en el medio ambiente rigurosamente duro la línea de aire del transductor I/P 22, el sensor de posición 46 y la línea de la señal de realimentación 42.

El multiplexor 14 proporciona las señales al microprocesador 18 a través del convertidor A/D 16. El microprocesador 18 incluye el código del software, descrito con más detalle más adelante, para monitorizar la posición de la válvula 10, así como también un controlador (no mostrado) para ejecutar las distintas rutinas de posicionamiento de la válvula. En algunas realizaciones, el controlador puede ser remoto con respecto al posicionador 12, mientras que en otras realizaciones, el controlador es parte del microprocesador 18. De ahora en adelante, la funcionalidad asignada al controlador o al microprocesador 18 será intercambiable entre los dos.

El microprocesador 18 puede almacenar uno o varios programas internamente o en una memoria externa, tal como la memoria no volátil 48. Además de ello, el microprocesador 18 puede tener externamente una interfaz mediante dispositivos tales como el teclado 50, y la pantalla 52. Las interfaces del controlador externas con el microprocesador 18 a través de la señal de entrada 54 pueden estar conectadas al multiplexor 14. En algunas realizaciones, especialmente aquellas que utilizan el controlador externo, el teclado 50 y la pantalla 52 pueden no existir. En estas realizaciones, los dispositivos de entrada y salida asociados con el controlador externo ejecutan funciones idénticas.

En respuesta a los programas almacenados y a las interfaces externas, el microprocesador 18 (sin/con el controlador externo) controla la posición de la válvula 10, mediante el control electrónico de las señales de posicionamiento. El microprocesador 18 proporciona señales electrónicas de posicionamiento al transductor I/P 22 a través del convertidor D/A 20, el cual convierte las señales a una señal analógica "SALIDA". El transductor I/P 22, el cual recibe también un suministro de aire regulado desde la fuente de aire 32, convierte la señal SALIDA a señales de posicionamiento neumático.

El transductor I/P 22 proporciona las señales de posición neumáticas al actuador 26 a través de la válvula de carrete 24. El actuador 26 es un diafragma convencional, tal como un dispositivo cargado con resorte (resorte 56), para controlar la posición de la válvula 10. El actuador 26 puede ser de acción simple o doble, y puede estar conectado a la válvula 10, de forma que una presión en incremento pueda cerrar la válvula, o alternativamente, de forma que una presión en incremento pueda abrir la válvula.

La válvula 10 es una válvula convencional, y puede ser de un tipo de muchos distintos tipos, incluyendo el tipo rotatorio expuesto con más detalle más adelante con referencia a la figura 11. En aras de la claridad del ejemplo, la válvula 10 incluye una carcasa 60 a través de la cual puede fluir el fluido, un tapón de válvula 62, y un vástago de válvula 64. La carcasa 60 incluye un asiento 68 de forma tal que cuando el tapón 62 se presione contra el asiento, se cierra la válvula, y cuando el tapón se separa del asiento, se abre la válvula. El actuador 26, en respuesta a las señales neumáticas del transductor I/P 22, desplaza el vástago 64 de la válvula, y por tanto el tapón 62, hacia atrás y hacia delante, abriendo y cerrando por tanto la válvula. Muchas fuerzas actúan sobre el vástago 64 de la válvula y el tapón 62, incluyendo por ejemplo las fuerzas del resorte del actuador 26, las fuerzas del fluido y las fuerzas de fricción. Se comprenderá que las válvulas y sus fuerzas asociadas son bien conocidas en el arte, y que la anterior descripción es meramente representativa de muchos diferentes tipos de válvulas. Para la descripción restante, la referencia general a la válvula 10
está dirigida hacia el tapón 62 de la válvula y al vástago 64 de la válvula, a menos que se indique lo contrario.

Asociada con la válvula 10 se encuentra la característica del flujo. La característica del flujo describe la capacidad de flujo de la válvula 10 con respecto al recorrido (abierta o cerrada) de la válvula. Las características de flujo típicas incluyen las de tipo lineal y no lineal. Un tipo de característica de flujo no lineal se denomina como de porcentaje igual, por ejemplo, si la válvula 10 está abierta al 50%, la capacidad de flujo de la válvula será del 50%. Típicamente, con un porcentaje igual, la válvula no se abre linealmente en función de la señal de control, pero en su lugar se abre muy lentamente al principio, y a continuación de forma más rápida hasta el final. Las características personalizadas de la válvula 10 se encuentran también disponibles, tal como se expone más adelante con más detalle.

Detección del ciclo limite en un posicionador de válvula controlada por microprocesador

En sistemas de posicionadores convencionales, incluso aquellos que están controlados por microprocesador, el posicionador es incapaz a menudo de configurar la válvula en el punto de ajuste deseado. En su lugar, el bucle de control en el posicionador tiende a reciclarse hacia atrás y hacia delante alrededor del punto de ajuste deseado (ciclado límite). Esto puede estar provocado por el ruido del proceso, por un bucle sintonizado deficientemente, o por una válvula de ciclado límite. Es difícil con frecuencia determinar cual es la causa del ciclado límite.

Una razón del ciclado límite es la fricción. Cuando un actuador intenta desplazar una válvula a una nueva posición, el actuador tiene que conformar continuamente una presión hasta que finalmente puede sobrevencer la fricción en una dirección y entonces iniciar el movimiento de la válvula. Es entonces cuando la válvula se haya movido, cuando el bucle de control entra en función y trata de ir en la dirección opuesta. De nuevo otra vez, el actuador tiene que conformar continuamente una presión hasta que finalmente sobrevence la fricción. El tiempo que lleva el actuador para conformar una presión suficiente para iniciar el movimiento de la válvula se denomina como el "retraso", y la diferencia entre la posición y la presión es el "desplazamiento de fase".

La presente invención sirve para calcular el desplazamiento de fase y a continuación determinar si está teniendo lugar o no el ciclado límite. En consecuencia, la relación entre la posición valvular y la presión del actuador puede utilizarse para determinar la presencia y la fuente del ciclado límite. Una vez determinado, el ciclado límite puede ser manipulado de distintas formas, incluyendo la notificación al usuario, actualizar un programa de mantenimiento de la válvula, y así sucesivamente.

Con referencia a la figura 2, se considera un ejemplo de una presión sinusoidal que acciona el actuador 26 de la válvula. El actuador y la válvula 10 tienen una fricción asociada con los mismos. En un caso de alta fricción, el trazo continuo 70 representa una presión en función del tiempo, el trazo de puntos 72 representa la posición de la válvula en función del tiempo, y la línea de trazos 74 representa el valor promedio de la posición y la presión. En el instante T1, la presión es suficientemente alta para sobrevencer la fricción, y la válvula 10 comienza a moverse, siendo accionada por la presión en incremento. En el instante T2, la presión deja de incrementarse y comienza a disminuir. Como resultado de ello, la válvula 10 para de moverse, en el instante T3, y la presión es suficientemente baja para sobrevencer de nuevo la fricción, y la válvula 10 comienza a moverse de nuevo.

Con referencia a la figura 3, en un caso de baja fricción, se aplica el mismo ciclo de presión 70 a la válvula. El trazo de puntos nuevo 76 representa una posición de la válvula en función del tiempo. En el instante T5, la presión es suficientemente alta como para sobrevencer la fricción, y la válvula 10 comienza a moverse, accionada por la presión en incremento. En el instante T6, la presión para de incrementarse y comienza a disminuir. Como resultado de ello, la válvula 10 para de moverse hasta que, en el instante T7, la presión es suficientemente baja para de nuevo sobrevencer la presión, y la válvula comienza a moverse de nuevo. No obstante, debido a que la fricción se sobrevence mucho antes en el ciclo, el periodo de tiempo entre T6 y T7 durante el cual la válvula 10 no se mueve es muy pequeño. Así pues, el retardo entre la presión y la posición es mucho menor. En este caso de fricción baja, el ciclado límite no es probablemente la causa de la presión del actuador del ciclado. En su lugar, la causa es probablemente la sintonización del bucle.

En respuesta al ciclado límite, el controlador detecta e informa de cualquier ciclado límite de la válvula 10. El controlador detecta el ciclado límite haciendo que el microprocesador 18 recibe y analiza el punto deseado de ajuste de la válvula, la posición de la válvula 10 a través de la señal 42 de realimentación de la posición, y la presión del actuador a través de la señal 40 de realimentación de la presión. El microprocesador 18 compara los cruces por cero (medidas relacionadas con la medida promedio) de estos tres valores, y calcula por tanto la relación de fases entre los mismos. El ciclado límite puede ser identificado mediante una relación de fases de 90º entre la posición de la válvula y la presión del actuador. Una vez detectado el ciclado límite, el microprocesador 18 notifica al usuario, tal como a través de la pantalla 52, permitiendo por tanto que el usuario tome una acción de mantenimiento adecuado y a su tiempo debido.

Con referencia a la figura 4, la rutina 80 se ejecuta repetidamente muchas veces durante cada ciclo de la oscilación. La rutina 80 calcula dos valores de cómputo, RETRASO y PERIODO, los cuales se incrementan potencialmente en cada iteración de la rutina. La rutina 80 informa sobre la SINTONIZACIÓN DEL BUCLE 82 o el CICLADO LIMITE 84 como la causa de la oscilación. Si se informa sobre la SINTONIZACIÓN DEL BUCLE 82, que está provocada por la sintonización inapropiada del bucle de control del proceso, el usuario deberá ajustar la sintonización del bucle de control del proceso. No obstante, si se informa sobre el CICLADO LIMITE 84, que puede estar provocado por un nivel de fricción alto de la válvula 10, el usuario deberá re-empaquetar y/o reconstruir la válvula 10 para reducir dicha alta fricción.

La ejecución comienza en la etapa 90, en la que se muestre la presión del actuador. Esto se realiza mediante la lectura de la señal 40 de realimentación de la presión. La presión del actuador deberá ser proporcional a la señal SALIDA. En la etapa 92, se ejecuta un promedio exponencial de la presión del actuador.

(1)\text{Presión Promedio = (Promedio anterior * N + Valor muestreado) / (N + 1)}

En donde N es un número que asegura que pueda tener lugar un promedio a través de varios periodos. Puesto que los periodos del ciclo límite son típicamente de unos pocos segundos, y puesto que pueden existir hasta 10 iteraciones por segundo, N puede ser frecuentemente un valor de aproximadamente 1000.

En la etapa 94, la rutina 80 examina los cruces positivos por cero de la presión y de la posición de la válvula. Con referencia a las figuras 2 y 3, los cruces positivos por cero de la medida de la presión se realizan en los instantes T10, T12, T13 y T15. El PERIODO se mide entre los instantes T10 y T12, y entre T13 y T15. Los cruces positivos por cero de la medida de la posición se realizan en los instantes T11 y T14. Los instantes para el RETRASO se miden entre T10 y T11, y entre T13 y T14. Con el fin de reducir el efecto del ruido, los cruces por cero en T10, T11, T12, T13, T14 y T15 pueden definirse alternativamente después de varias medidas sucesivas a partir de la señal de realimentación de la posición 42 y de la señal de presión 40.

En la etapa 96, la determinación se realiza para comprobar si los cruces por cero son positivos. En caso negativo, en la etapa 98, el tiempo del intervalo del PERIODO se incrementa, y el proceso de la ejecución avanza a la etapa 100. De lo contrario, en la etapa 102, se calcula el valor de X:

(2)\text{X = RETRASO / PERIODO}

Para reducir más el efecto del ruido, el valor X puede ser promediado también. El valor X proporciona un nivel de fiabilidad para la determinación de la causa de las oscilaciones. En la etapa 104, si X es próximo a cero, la SINTONIZACIÓN DEL BUCLE 82 será probablemente la causa de la oscilación. Si X > 0,15, el CICLADO LIMITE 84 será probablemente la causa de la oscilación. En la etapa 106, los valores de PERIODO y RETRASO se fijan a "0" y el valor de ETAPA se ajusta a "1".

En la etapa 100, la posición de la válvula se mide a través de la señal de realimentación 42 de la posición 42. En la etapa 108, los valores de la posición se promedian exponencialmente (véase la Ecuación 1 anterior), y en la etapa 110, los cruces por cero se determinan de nuevo. En la etapa 112, se realiza la determinación de si los cruces por cero son positivos. En caso afirmativo, en la etapa 114, el valor de ETAPA se ajusta a "0". En la etapa 116, el valor de RETRASO se ajusta al valor de RETRASO más ETAPA, y la ejecución retorna al paso 80. Como resultado de ello, el tiempo del intervalo de PERIODO se incrementa en cada ciclo durante el período y se reajusta a cero al final del período. El tiempo del intervalo de RETRASO se incrementa solo cuando el valor de ETAPA sea igual a "1", y se repone a cero al final del periodo. El valor "1" representa una iteración de la rutina 80 para determinar los valores del contador de RETRASO y PERIODO. En consecuencia, el valor de ETAPA actúa como un conmutador que conmuta un contador en particular entre la activación y la desactivación. Por ejemplo, el valor de PERIODO deberá parar en su cómputo después de que la posición pase por un cruce por cero.

Transferencia sin sacudidas desde el Modo Manual al Modo Operativo Normal

El posicionador 12 soporta dos modos de operación: normal, modo operativo automático y modo operativo manual. En ambos casos, el algoritmo de control está ejecutándose todavía realmente y posicionando la válvula, siendo determinada la diferencia por la forma en la que se determine el punto de ajuste de la válvula. Convencionalmente, cuando la válvula se conmuta desde el modo automático al modo manual, el controlador del posicionador se "enrolla", es decir, pasa desde una salida mínima a una máxima. A continuación, cuando la válvula se conmuta de nuevo al modo de operación normal, el posicionador cierra o abre la válvula moviéndola a la posición correcta, "sacudiendo" por tanto la válvula.

Por ejemplo, un controlador externo puede estar tratando de hacer coincidir una posición de la válvula mientras que el fluido está pasando por la válvula. El posicionador 12 trata de controlar el flujo para hacerlo coincidir con un cierto punto de ajuste de la válvula. Si el control se conmuta al modo manual y el flujo a través de la válvula es demasiado alto, el controlador tratará de cambiar el punto de ajuste de la válvula mediante el cierre de la válvula en una pequeña magnitud. Puesto que la válvula se encuentra en el modo manual, se ignorarán las señales de posicionamiento. El controlador se mantiene tratando de cerrar más la válvula, mediante el incremento de la señal para cerrar la válvula. A continuación, cuando el posicionador 12 se conmuta de nuevo al modo operativo normal, se reconoce la señal de cierre y la válvula 12 cierra totalmente. El controlador reconocerá entonces que el flujo ahora es demasiado bajo y comienza la apertura de la válvula de nuevo. No obstante, existiría una "sacudida" en el flujo, ya que la válvula 10 se cierra y se reabre a continuación.

En la presente invención, el posicionador 12 proporciona una transferencia sin sacudidas entre los modos operativos, impidiendo que la válvula 10 cierre y abra rápidamente en su totalidad después del control de la válvula por los cambios del posicionador desde el modo operativo automático al modo operativo manual, y de nuevo al modo automático. Al conmutar desde el modo manual al modo operativo automático, el microprocesador 18 lee la señal 42 de realimentación de posición. Si la posición de la válvula 10 no coincide con la posición de la válvula deseada, el microprocesador 18 espera a que el usuario cambie la salida del controlador, para hacerla coincidir con la posición de la válvula en curso. La válvula 10 se mantiene en su posición en curso hasta que la salida del controlador coincida con la posición de la válvula en curso. La válvula 10 se mantiene en su posición en curso hasta que la salida del controlador cambie para conseguir la coincidencia. El microprocesador 18 puede notificar al usuario, tal como en la pantalla 52, para permitir al usuario poder ver la forma en la que la señal tiene que ser cambiada para coincidir con la posición de la válvula en curso.

Con referencia a la figura 5, la rutina 150 proporciona una transferencia sin sacudidas desde el modo manual al modo operativo automático. La rutina 150 utiliza una posición en curso inicial P_{i}, una posición caracterizada P_{s}, y una posición del punto de ajuste S_{p}. El valor de la posición S_{p} (señal de entrada 54) procede del controlador. Si la válvula 10 tiene una característica de porcentaje igual, la posición caracterizada P_{s} y la posición del punto de ajuste S_{p} son las mismas. De lo contrario, la función de caracterización F_{c} se utilizará para convertir la posición del punto de ajuste S_{p} a la posición caracterizada P_{s}. La función de caracterización define la relación entre la señal de entrada 54 como un porcentaje del rango medido y la posición de la válvula en curso P_{i} como un porcentaje del
rango:

(3a)P_{s} = F_{c} (S_{p})

e inversamente:

(3b)S_{p} = F_{c}{}^{-1} (P_{s})

Por ejemplo, si el controlador proporciona una señal de entrada 54 parda un punto de ajuste S_{p} del 50%, el controlador convierte la señal utilizando la función de caracterización F_{c} a una posición caracterizada P_{s}, que puede ser del 15% de la abertura, teniendo todavía un caudal de flujo del 50%.

En la etapa 152, se mide la posición inicial P_{i} de la válvula 10. En la etapa 154, si el microprocesador 18 recibe una orden para cancelar la transferencia sin sacudidas, la ejecución avanza a la etapa 156, en donde el control retorna al modo manual. De lo contrario, en la etapa 160, se recibe una posición deseada del modo automático, y se convierte a un valor de la posición del punto de ajuste S_{p}, el cual representa la posición deseada como un porcentaje de los límites de calibración definidos. En la etapa 162, se calcula la posición caracterizada P_{s} correspondiente al valor de
posición S_{p}.

En la etapa 164, si la diferencia (valor absoluto) entre P_{i} y P_{s} es inferior al límite predefinido "L1", en la etapa 166, la operación pasa al modo operativo automático. De lo contrario, la ejecución avanza a la etapa 168, en donde el controlador informa al usuario, tal como en la pantalla 52, para permitir que el usuario vea la forma en la que tiene que cambiarse el punto de ajuste de la posición, para hacerlo coincidir con la posición de la válvula en curso. El controlador puede proporcionar también al usuario una información adicional para ajustar el punto de ajuste de la posición.

En una realización alternativa, el posicionador 12 podría ajustar en curso la válvula 10, o bien ajustar la señal SALIDA en sí misma sin la intervención del usuario. El usuario puede preseleccionar esta funcionalidad, o bien puede ser notificado después de que se haya movido la válvula.

Método para prevenir el fallo de la rutina de control procedente después del arrollamiento

La válvula de carrete 24 puede rellenar o expulsar el aire 32 hacia/desde el actuador 26. La válvula de carrete 24 está controlada con una presión neumática que procede del transductor I/P 22, que está controlado por la señal SALIDA. El valor de desplazamiento de la señal, denominado como "POLARIZACION" puede ser enviado al transductor I/P 22, para situar la válvula de carrete 24 en la posición central, de forma que el actuador 26 ni rellene ni expulse. El valor de POLARIZACION variará de actuador en actuador, y variará en el mismo actuador con la temperatura y con otras condiciones operativas. Durante la operación normal del posicionador 12, la rutina de control (no mostrada) que se esté ejecutando en el controlador localizará y mantendrá el seguimiento del valor del POLARIZACION.

Aparecen con frecuencia problemas cuando el controlado está ajustando constantemente el POLARIZACION para mantenerlo correcto. Por ejemplo, si la válvula 10 golpetea en una cierta posición (tal como cuando existe algún obstáculo en la válvula o cuando existe algún problema con el aire 32), el controlador trata de desplazar la válvula sin éxito alguno. Al intentar mover la válvula, el controlador ajusta continuamente la POLARIZACION hacia cero. Una vez que la válvula 10 no tiene golpeteos, la POLARIZACION (que es cero o cercana a cero) es incorrecta. El controlador tiene entonces que ajustar la POLARIZACION a su posición adecuada, lo cual puede precisar un largo tiempo. Como resultado de ello, la válvula podría estar cerrada durante un cierto periodo de tiempo antes de poder corregirse la POLARIZACION.

En respuesta a problemas tales como éstos, la presente invención monitoriza inteligentemente y ajusta la POLARIZACION. Si la posición de la válvula en curso es significativamente distinta de la posición de la válvula deseada, la POLARIZACION no se ajusta. Así mismo, si la válvula 10 se encuentra en un punto extremo (abierta o cerrada), la POLARIZACION no se ajusta.

Adicionalmente, el controlador mantiene un promedio a largo plazo (Promedio POLARIZACION) de la POLARIZACION, de forma que se mantenga relativamente constante durante un largo periodo de tiempo. Si la POLARIZACION se ajusta incorrectamente, entonces será probable a un valor diferente que el Promedio POLARIZACION. A continuación, cuando el controlador observa que la POLARIZACION se está ajustado hacia el Promedio POLARIZACION, podrá ajustar la POLARIZACION muy rápidamente.

Si la válvula 10 no se desplaza en más de una magnitud predefinida durante un tiempo predefinido, y si la posición de la válvula no se encuentra cerca del extremo de su posible recorrido (totalmente abierta o cerrada), el controlador calcula un nuevo valor de la POLARIZACION:

(4)\text{nueva POLARIZACION = POLARIZACION anterior + C = (posición en curso - posición de ajuste).}

en donde C es una constante predefinida modificable por el controlador.

No obstante, si la válvula 10 está limitada para moverse a la posición ordenada por la Ecuación 4, el controlador incrementa o disminuye la POLARIZACION alejándola del valor adecuado cuando la válvula quede no limitada, desplazando por tanto la válvula hacia una posición errónea. Con el fin de evitar este fallo, el controlador implementa un análisis de la POLARIZACION de acuerdo con las Ecuaciones 5-7 que se muestran a continuación:

\vskip1.000000\baselineskip

Si

posición de la válvula > L_inferior y

\quad

posición de la válvula < L_superior y

\quad

|error de posición| < L_error

\newpage

entonces:

(5)\text{Promedio POLARIZACION = POLARIZACION*T + Promedio POLARIZACION * (1-T)}

L_{inferior}, L_{superior} y L_{error} son unos límites predefinidos para prevenir el promediado cuando la válvula esté cerca de la posición abierta o cerrada o bien que se esté moviendo, y T es una constante utilizada para promediar la POLARIZACION a través de un periodo largo de tiempo. El error de posición es igual al punto de ajuste en curso menos la posición medida.

Si

POLARIZACION > (Promedio de POLARIZACION + C2) y

\quad

error de posición < -E

entonces:

(6)\text{POLARIZACION = Promedio de POLARIZACION + C2}

En donde E y C2 son limites de error definidos por el controlador. El efecto de la Ecuación 6 es desplazar la POLARIZACION rápidamente hacia el valor promedio si el error de posición indica que la POLARIZACION debería moverse en dicha dirección.

Si

POLARIZACION > (Promedio de POLARIZACION - C2) y

\quad

Error de posición > E

entonces:

(7)\text{POLARIZACION = Promedio de POLARIZACION - C2.}

Procedimiento de la Firma del actuador de la válvula, embebido en un Posicionador

Asociado con la válvula 10 se encuentra una firma de la válvula. El propósito de la medida de la firma de la válvula es tener en cuenta la fricción y la histéresis de la válvula. La firma sirve por tanto como una herramienta de diagnóstico que puede identificar problemas tales como un resorte roto o una alta fricción.

La medida de la firma se ejecuta para cada sentido del movimiento (apertura o cierre) de la válvula. No obstante, utilizando la señal 42 de realimentación de la posición, para posicionar la válvula 10, es posible que la válvula realice un sobre-recorrido y por tanto el sentido del movimiento no siempre será con la misma dirección. Por ejemplo, la forma convencional para medir la firma de la válvula es situar la válvula al 15% y suministrar una señal que pase al 20%. Conforme la válvula se está moviendo del 15% al 20%, puede abrirse hasta que alcance el 21%, y cerrando a continuación hasta alcanzar el 20%. Como resultado de ello, la válvula se moverá en ambas direcciones de apertura y de cierre. Este cambio de dirección distorsiona las medidas percibidas de la firma de la válvula.

La presente invención no se basa en la realimentación de la posición para obtener la firma de la válvula. En su lugar, mediante el control solamente de la presión, es posible solucionar este problema, y conseguir una firma de la válvula más precisa. Continuando con el anterior ejemplo, la válvula se posiciona al 15% y se desactiva el control de la posición. A continuación, se incrementa lentamente la presión. Ahora y debido a que no existe realimentación de la posición, la válvula no puede ejecutar ningún sobre-recorrido y cambiar las direcciones. En su lugar, puede desplazarse solo en una dirección. La posición y la presión están siendo muestreadas constantemente durante este periodo de tiempo.

En una realización, el controlador puede situarse en un modo de diagnóstico, y la firma de la válvula puede medirse a través de un rango grande del movimiento de la válvula. En una realización alternativa, el controlador puede permitir un rango limitado de movimiento de la válvula durante la operación. En esta realización alternativa, si la válvula se configura al 45%, por ejemplo, el controlador puede mover la válvula entre el 40% y el 50% para obtener la firma de la válvula durante la operación.

Con referencia a la figura 6a, la rutina de control de la posición 200 proporciona un método preciso para la obtención de la medida de la firma de la válvula. En la etapa 202, el valor de la POLARIZACION queda así determinado. Se describen más adelante tres métodos alternativos para determinar la POLARIZACION, con referencia a las figuras 7a-7c. Una vez que se ha encontrado el valor de la POLARIZACION, en la etapa 204, la válvula 10 se configura para una posición de inicio, dejando que el modo de operación automático ajuste la presión del actuador 26.

En la etapa 206, el controlador espera hasta que la válvula 10 sea estable en el emplazamiento de inicio, mediante el examen de la presión (a través de la señal 40 de realimentación de la presión) o la posición (a través de la señal 42 de realimentación de la posición), hasta que el valor cambie con una magnitud inferior a una cantidad predeterminada. En la etapa 208, se detiene el posicionamiento automático. En la etapa 210, la señal para el transductor I/P 22 se ajusta al valor de la POLARIZACION. En la etapa 212, la señal para el transductor I/P se ajusta a la POLARIZACION más un valor V1 predeterminado. El valor V1 puede ser un parámetro introducido por el usuario, predefinido por el programa, determinado a partir del tamaño de la válvula 10, o determinado por la prueba de la respuesta de la válvula.

En la etapa 214, la posición de la válvula y la presión del actuador se muestrean a una velocidad predeterminada, y se almacenan en la memoria 48 no volátil. Esto se denominará como el "conjunto de datos en incremento de presión con respecto al de posición". Si en la etapa 216 la posición se encuentra dentro de un rango de prueba predefinido, la ejecución retorna a la etapa 214. De lo contrario, en la etapa 218 se reinicia el posicionamiento automático, y la posición de la válvula se configura a la posición de terminación.

En la etapa 220, el controlador espera hasta que la válvula esté estable en el emplazamiento final, mediante el examen de la presión o la posición hasta que el valor cambie en un valor inferior a una magnitud predeterminada. En la etapa 222, se detiene el posicionamiento automático. En la etapa 224, la señal hacia el transductor I/P 22 se configura con el valor de la POLARIZACION. En la etapa 226, la señal para el transductor I/P 22 se configura al valor de la POLARIZACION menos un valor determinado por otro valor V2 predeterminado. El valor V2 puede ser igual al valor V1 o puede ser un parámetro introducido por el usuario, predefinido por el programa, determinado a partir del tamaño de la válvula 10, o determinado por la prueba de la respuesta de la válvula.

En la etapa 228, la posición de la válvula y la presión del actuador se muestrean a una velocidad predeterminada, y se almacenan en la memoria 48 no volátil. Esto se denominará como la "conjunto de datos en disminución de presión con respecto al de la posición". Si en la etapa 230 la posición se encuentra dentro del rango de la prueba, la ejecución retorna a la etapa 228. De lo contrario, en la etapa 232 se reinicia el posicionamiento automático y la posición de la válvula se configura en la posición de terminación.

En la etapa 234, los datos se analizan:

1.

Calculando el rango del resorte mediante el acoplamiento de dos conjuntos de datos de presión con respecto a la posición, con líneas rectas y calculando en donde se cruzan del 0 al 100 por ciento en la posición. El rango del resorte es el promedio de los valores determinados desde las dos líneas. Solo se utilizan los datos en donde la posición se encuentre entre aproximadamente el 10% y el 90%.

2.

Calculando la fricción en una posición dada mediante la interpolación de los conjuntos de datos de la presión con respecto a la posición. La fricción es de 0,5 veces el valor absoluto de la diferencia entre la presión determinada a partir del conjunto de datos en incremento de la presión con respecto a la posición, y el conjunto de datos en disminución de la presión con respecto a la posición.

En la etapa 236, los datos de presión con respecto a la posición, los datos del rango del resorte, y los datos de fricción, se almacenan en una memoria no volátil 48. Los datos de la presión con respecto a la posición, los datos del rango del resorte, y los datos de la fricción, pueden ser enviados opcionalmente a otro procesador (no mostrado) conectado al posicionador 12. Alternativa o adicionalmente, los datos de la presión con respecto a la posición y los resultados del análisis de los datos pueden visualizarse en la pantalla 52.

Con referencia a las figuras 7a-7c, durante la operación normal del posicionador 12, una rutina que se ejecuta en el microprocesador 18 localiza y mantiene el seguimiento del valor de la POLARIZACION. Se describen a continuación con detalla tres rutinas alternativas.

Con referencia específicamente a la figura 7a, puede utilizarse una primera rutina para encontrar el valor de la POLARIZACION. En la etapa 252, en el inicio del posicionador 12, la POLARIZACION se ajusta a un valor predeterminado V3 almacenado en la memoria no volátil 48. El valor V3 puede ser un valor almacenado en la memoria no volátil 48. El valor V3 puede ser un valor almacenado a partir de una operación previa. En la etapa 254, se hace una determinación de si el valor de la válvula 10 se ha desplazado en un valor superior a una magnitud predeterminada durante un periodo de tiempo predeterminado. En caso afirmativo, la rutina 250 espera a que la válvula llegue a estar estabilizada. Una vez que la válvula esté estabilizada, en la etapa 256 se realiza una determinación para ver si la posición de la válvula está cerca de cualquier extremo de su recorrido posible. En caso afirmativo, la ejecución retorna a la etapa 254. De lo contrario, la ejecución avanza a la etapa 258. En la etapa 258, se calcula un nuevo valor de la POLARIZACION, de acuerdo con la Ecuación 4 anterior.

Con referencia específicamente a la figura 7b, la segunda rutina 260 puede ser utilizada también para encontrar el valor de la POLARIZACION. En la etapa 262, al inicio del posicionador 12, la señal de SALIDA se ajusta a su valor más bajo. Este valor de la señal se almacena y se denomina como "señal previa". En la etapa 264, el valor predefinido se añade a la señal de SALIDA. Este valor de la señal se almacena y se designa como "señal en curso". El posicionador 12 espera entonces durante un tiempo predefinido. En la etapa 266, el procesador 18 mide la presión del actuador 26 a través de la señal de presión 40. En la etapa 268, se hace una determinación de si la presión se ha incrementado en más de una magnitud predefinida. En caso negativo, la señal en curso se almacena como la señal previa y la ejecución retorna a la etapa 264. De lo contrario, el valor de la POLARIZACION se calcula de la forma siguiente:

(8)\text{nueva POLARIZACION = (señal en curso + señal previa) / 2.}

El nuevo valor de la POLARIZACION se almacena en la memoria no volátil 48.

Con referencia específicamente a la figura 7c, se puede utilizar también una tercera rutina 280 para encontrar el valor de la POLARIZACION. En la etapa 282, la válvula 10 se posiciona en un emplazamiento dentro del 10% desde los límites exteriores de su recorrido. Este emplazamiento está designado como "posición de prueba intermedia". Adicionalmente, la "posición de prueba baja" está definida como la posición de prueba intermedia menos una constante, y una "posición de prueba superior" que se define como la posición de prueba intermedia más una constante. En la etapa 284, el valor de inicio de la POLARIZACION se elige a partir de un valor almacenado previamente en la memoria no volátil 48, o el valor de la POLARIZACION preajustado desde la etapa 252 (figura 7a) anterior. Adicionalmente, se define la constante "INC" de incremento de la POLARIZACION.

En la etapa 286, el procesador 18 mide la posición a partir de la señal de realimentación de la posición 42, y la presión a partir de la señal de presión 40. En la etapa 288 se detiene el posicionamiento automático. En la etapa 290, la salida del transductor I/P 22 se ajusta al valor de la POLARIZACION. En la etapa 292, el procesador 18 espera durante un periodo predefinido de tiempo y entonces efectúa una re-medición de la posición y la presión. Se almacena el cambio de la presión.

Si en la etapa 294 el cambio de la presión se efectúa en una dirección distinta al último cambio de presión, entonces en la etapa 296 la constante INC de incremento se divide por la mitad. Si en la etapa 298 la nueva constante INC de incremento es inferior al incremento más pequeño permitido, la ejecución avanza a la etapa 300, en donde se activa el posicionamiento automático, y en donde se almacena el valor de la POLARIZACION en una memoria no volátil 48. Con la determinación negativa en las etapas 294 o 286, la ejecución avanza a la etapa 302.

En la etapa 302, se realiza una determinación de si la presión ha disminuido o no. En caso afirmativo, en la etapa 304, la POLARIZACION se incrementa en la constante INC. La ejecución avanza entonces a la etapa 306, en donde se realiza una determinación de si la presión se ha incrementado. En caso afirmativo, en la etapa 308, la POLARIZACION se disminuye en la constante INC. La ejecución avanza entonces a la etapa 310.

En la etapa 310, se realiza una determinación de si la posición se encuentra o no por debajo de un límite inferior predeterminado o por encima de un límite superior predeterminado. En caso afirmativo, en la etapa 312 la señal de SALIDA se ajusta a un valor que garantizará el movimiento entre la posición de prueba inferior y la posición de prueba superior. La señal de SALIDA será un valor bajo o un valor alto, dependiendo del tipo de válvula (aire-apertura o aire-cierre), y de la acción del posicionador (directa o inversa). La ejecución avanza entonces a la etapa 314, en donde la señal SALIDA se ajusta a la nueva POLARIZACION, y la ejecución retorna a la etapa 292.

Para cada una de las anteriores tres rutinas de POLARIZACION de localización 250, 260, 280, sobre una base periódica, o mediante una orden digital, la nueva POLARIZACION se guarda en la memoria no volátil 48 para su utilización en la inicialización.

Diagnóstico de la válvula a través de un rango de posiciones limitado

Convencionalmente, los diagnósticos de la válvula se ejecutan cuando el proceso de posicionamiento de la válvula no se esté ejecutando, o cuando la válvula haya sido puenteada. En contraste con ello, la presente invención proporciona diagnósticos de la válvula, incluyendo la prueba de la firma de la válvula y la prueba de respuesta de la etapa, que pueden ejecutarse mientras que se esté ejecutando el proceso de posicionamiento. En particular, las pruebas se ejecutan a través de un rango de posicionamiento limitado, de forma que puedan ser utilizadas para problemas de predicción de la válvula antes de que sucedan, y antes deberá detenerse el proceso automático de posicionamiento.

Con referencia a la figura 8, la prueba de firma de la válvula 350 puede ejecutarse mientras que esté en funcionamiento la válvula 10. En la etapa 352 se encuentra el valor de la POLARIZACION. (por ejemplo, utilizando las rutinas Localizar la POLARIZACION 250, 260, 280 anteriores). En la etapa 354, la válvula 10 se ajusta a una posición de inicio de la prueba, dejando que el posicionamiento automático ajuste la presión del actuador. En la etapa 356, el posicionador 12 espera a que la válvula 10 sea estable en la posición de inicio, mediante el examen de la presión a través de la señal 40 del sensor de presión, y/o la posición a través de la señal 42 de realimentación de la posición, hasta que los cambios del valor lleguen a ser inferiores a un cantidad predeterminada. En la etapa 358, se detiene el posicionamiento automático. En la etapa 360, la señal de SALIDA se ajusta al valor de la POLARIZACION. En la etapa 362, la señal de SALIDA se ajusta al valor de la POLARIZACION más un valor predeterminado V4. El valor V4 predeterminado puede ser un parámetro introducido por el usuario, predefinido por el programa, determinado a partir del tamaño de la válvula, o determinado por la comprobación de la respuesta de la válvula.

En la etapa 364, la posición y la presión del actuador se muestrean a una velocidad predeterminada. Estos datos, que se designan como "conjunto de datos en incremento de presión con respecto a la posición" se almacenan en la memoria. En la etapa 366, si la posición de la válvula se encuentra dentro del rango de la prueba, la ejecución retorna a la etapa 364. De lo contrario, en la etapa 368, se reinicia el posicionamiento automático y la posición de la válvula se ajusta a la posición de terminación. En la etapa 370, el posicionador 12 espera hasta que la válvula 10 sea estable en la posición final, mediante el examen de la presión o la posición hasta que el valor cambie en una magnitud inferior a una cantidad predeterminada.

En la etapa 372, se detiene el posicionamiento. En la etapa 374, la señal de SALIDA se ajusta a la POLARIZACION. En la etapa 376, la señal de SALIDA se ajusta al valor de la POLARIZACION menos el valor V4 predeterminado. En la etapa 378, se muestrean la posición y la presión del actuador a una velocidad predeterminada. Estos datos, que están designados como "conjunto de datos en disminución de la presión con respecto a la posición", se almacenan en la memoria.

En la etapa 380, se realiza una determinación de si la posición se encuentra o no dentro del rango de la prueba. En caso afirmativo, la ejecución retorna a la etapa 378. De lo contrario, en la etapa 382 se reinicia el posicionamiento y se ajusta la posición en la posición de terminación.

A la terminación de la prueba 350 de la firma de la válvula, pueden ser analizados los datos almacenados. En primer lugar, el rango del resorte (para el resorte 66) puede ser calculado mediante la representación gráfica de dos conjuntos de datos de la presión con respecto a la posición (en incremento y en disminución) con líneas rectas, y calculando en donde se cruzan las posiciones del 0 y del 100 por ciento. El rango del resorte es el promedio de los valores determinados a partir de las dos líneas. Solo se utilizan los datos de la posición entre el 10% y el 90%.

Así mismo, puede calcularse la fricción de la válvula en una posición dada mediante la interpolación de los conjuntos de datos de la presión con respecto a la posición. La fricción es la mitad del valor absoluto de la diferencia entre la presión determinada a partir del conjunto de datos en incremento de la presión con respecto a la posición, y por el conjunto de datos en disminución de la presión con respecto a la posición. Los datos de la presión con respecto a la posición, los datos del rango del resorte, y los datos de la fricción, pueden ser almacenados en la memoria no volátil 48, siendo enviados digitalmente a un procesador externo conectado al posicionador 12, o bien pueden ser mostrados gráficamente en la pantalla 52.

Con referencia a la figura 9, puede realizarse también la prueba de respuesta a la etapa 400, mientras que esté en funcionamiento la válvula 10. En la etapa 402, la válvula 10 puede ajustarse a una posición de inicio, dejando que la rutina de posicionamiento automático ajuste la presión del actuador. En la etapa 404, el posicionador 12 espera hasta que la válvula 10 sea estable en la posición de inicio, mediante el examen bien sea de la presión a través de la señal 40 del sensor de presión, y/o por la posición a través de la señal realimentación de la posición 42, hasta que el valor cambie en un valor inferior a una magnitud predeterminada.

En la etapa 406, se hace una determinación de si ha transcurrido un tiempo predefinido T_{T} de muestreado de la posición. En caso afirmativo, se detiene la rutina. De lo contrario en la etapa 408, la posición se muestrea a una velocidad fija, y el tiempo y la posición correspondientes se almacenan en la memoria. En la etapa 410, se hace una determinación de si ha transcurrido otro tiempo intermedio T_{S}. En la etapa 410, se realiza una determinación de si ha transcurrido otro tiempo intermedio T_{S}. En caso afirmativo, en la etapa 412 el posicionador 12 ordena a la rutina de posicionamiento automático el mover la válvula hasta la posición final, y la ejecución retorna a la etapa 404. De lo contrario, la ejecución retorna a la etapa 406.

Una vez que se haya completado la prueba de la respuesta de la etapa 400, o bien en forma intermedia durante la prueba, los datos medidos pueden ser almacenados en la memoria no volátil 48, pudiendo enviarse digitalmente a un procesador externo conectado al posicionador 12, o bien pudiendo mostrarse gráficamente en la pantalla 52.

Realimentación de respuesta de la válvula en torno al controlador de procesos

Cuando un programa se está ejecutando en el posicionador 12, el posicionador proporciona una realimentación al usuario que indica la respuesta de la válvula. Se proporciona al usuario una realimentación visual del funcionamiento de la válvula, que pueda ser fácil de identificar, comprender y diagnosticar. Por ejemplo, si la válvula 10 se encuentra al 15% (suponiendo que la válvula tenga una caracterización de porcentaje igual), y el controlador envía una señal para que se mueva al 50%, entonces la válvula se moverá en la forma correspondiente. El posicionador 12 visualiza un gráfico en la pantalla 52, que indica tanto la posición de la válvula P_{act} como la posición P_{s} caracterizada. La función de caracterización F_{c} define la relación entre la señal de entrada (señal de entrada 54) como un porcentaje del rango medido, y la posición de la válvula deseada como un porcentaje del rango de acuerdo con las Ecuaciones 3a y 3b anteriores. Idealmente, la posición P_{act} y la posición caracterizada P_{s} deberán coincidir siempre. En caso negativo, algo puede estar equivocado en la válvula. Es deseable el visualizar gráficamente los datos que ayuden al usuario a conocer el momento en que la válvula 10 esté funcionado debidamente.

Con referencia ahora a la figura 10a, en aras de la claridad del ejemplo, puede mostrarse una ventana 450 en la pantalla 52. Si se desea, el punto de ajuste de la válvula S_{p} es del 50,5%. La ventana incluye un gráfico 452 que muestra un valor de la posición de la válvula 454 a partir de la señal 42 de realimentación de la posición, y de la posición 456 (P_{s}) de la válvula caracterizada. La posición de la válvula caracterizada 456 se determina por la función de caracterización F_{c} del punto de ajuste de la válvula (véase la Ecuación 3a anterior. Mediante la utilización del valor de posición caracterizada 456, los valores 454 y 456 pueden ser representados utilizando la misma escala, y en caso de estar alineados, el usuario puede determinar de forma fácil y rápida que la válvula si la válvula está funcionando correctamente.

Con referencia a la figura 10b, en otro ejemplo, puede mostrarse la ventana 460 en la pantalla 52. La ventana incluye un gráfico 462 que indica la velocidad de flujo en pies cúbicos por minuto (cfm). Si desea, puede ajustarse a una velocidad de flujo de 43,07 pies cúbicos por minuto. El segundo gráfico 464 muestra un valor 468 de salida del controlador (S_{p}) y un valor 470 de posición de la válvula caracterizado. El valor de la válvula caracterizado inverso 470 se determina mediante la función de caracterización inversa F_{c}^{-1} de la señal 42 de realimentación de posición (véase la Ecuación 3b anterior). Mediante la utilización del valor 470 de posición caracterizado inverso, en lugar de la posición de la válvula en curso suministrada por el sensor de realimentación 46, los valores 468 y 470 pueden ser representados gráficamente, utilizando la misma escala, y si están alineados, el usuario puede determinar de forma rápida y fácil que la válvula se encuentra en funcionamiento correcto.

Posicionador de la válvula con compensación automática para el giro del vástago

Con referencia a la figura 11, se muestra una realización de la válvula 10 que incluye un eje 486 alrededor del cual gira el tapón 62. Para aclarar el ejemplo, la válvula 10 se muestra con un flujo para abrir la válvula, en donde pueden utilizarse otros tipos de válvulas. Están identificadas dos presiones P1 y P2, situándose la presión P1 frente a la válvula 10, y situando la presión P2 detrás de la válvula. Debido a la diferencia de presiones (P1 - P2) del fluido a través del tapón 62 de la válvula, puede existir una diferencia entre la posición deseada del tapón de la válvula y la posición en curso del tapón de la válvula, debido al giro en el eje de la válvula. La posición desplazada del tapón de la válvula 62 está representada por el tapón 488 de línea de puntos. Esto es particularmente no deseable cuando la válvula 10 se encuentra casi cerrada y/o la diferencia de presión P1 - P2 se encuentra en su máximo, limitando por tanto el rango de control utilizable de la válvula. Así mismo, puesto que el sensor de posición 46, que en la presente realización es un potenciómetro, mide a partir del eje 486 de la válvula, puede no representar una posición real, siendo especialmente crítica dicha posición real cuando la válvula 10 está casi cerrada.

Inicialmente, el posicionador 12 está calibrado sin fuerzas del proceso que estén actuando sobre el tapón 62 de la válvula. La posición del tapón con respecto a la presión del actuador está determinada mediante el cálculo del desplazamiento:

(9)Desplazamiento = F_{D} (Presión del Actuador)

F_{D} (Presión del actuador) puede se determinada experimentalmente y la función puede ejecutarse por el microprocesador 18. El par aplicado al eje 486 de la válvula es directamente proporcional a la presión del actuador. Adicionalmente, se tendrá en cuenta el gradiente para el eje 486 en la función F_{D}.

Por ejemplo, puede almacenarse una tabla de valores comprobados en la memoria no volátil 48. Para un tipo de válvula dado, dimensión y dirección del flujo, se determina el gradiente (desplazamiento angular con respecto a la fuerza del tapón de la válvula). La diferencia entre la presión sin fuerza existente y la fuerza en curso dividido por el gradiente es proporcional al giro.

Una vez que se haya determinado la función F_{D}, la posición del eje 486 de la válvula se corrige basándose en el giro estimado, de acuerdo con la ecuación siguiente:

(10)Posición real = señal de realimentación de posición (42) + F_{D} (Presión del actuador)

Como resultado de ello, la presente invención compensa cualquier giro del eje 486 de la válvula, tal como el debido a las fuerzas del fluido del proceso que actúen sobre el tapón 62 de la válvula. Este giro, que provoca una diferencia entre la posición según se mide en un extremo del eje, y la posición en curso del tapón de la válvula, provocaría por el contrario unas medidas de la posición no exactas.

Rutina completa de control no lineal de la posición de la válvula

Típicamente, la válvula de control 10 es un sistema no lineal asimétrico. Por ejemplo, puede ser deseable posicionar la válvula al 10%. Para realzar el ejemplo, el suministro de aire 32 tiene una presión de suministro de 20 libras por pulgada cuadrada, y un rango operativo de 3 a 16 libras por pulgada cuadrada. Se precisan cuatro libras por pulgada cuadrada parda el actuador 26 para posicionar la válvula 10 al 10%. Puesto que la presión del suministro de aire 32 es de 20 libras por pulgada cuadrada, entonces la fuerza de accionamiento para el actuador es de 16 libras por pulgada cuadrada ( 20 - 40 libras por pulgada cuadrada). Como resultado de ello, la válvula se abrirá muy rápido debido a la gran fuerza de accionamiento.

Continuando con el ejemplo, se precisan 14 libras por pulgada cuadrada para que el actuador 26 posicione la válvula 10 al 90%. La fuerza de accionamiento para este escenario es de 6 libras por pulgada cuadrada (20 - 40 libras por pulgada cuadrada). Como resultado de ello, la válvula se abrirá muy lentamente debido a la pequeña fuerza de accionamiento. Esto es solo un ejemplo de como y porque la válvula de control 10 es de tipo no lineal.

Si se implementa un control lineal en la válvula 10, las prestaciones de la válvula serían inconsistentes o incongruentes. Un algoritmo de control tal como el de la presente invención compensará las no linealidades, para conseguir unas prestaciones uniformes a través de un amplio rango de posiciones (del 0 al 100 por ciento). El algoritmo de control proporciona tres métodos para compensar las no linealidades de la válvula de control 10, y proporciona una ganancia constante X del bucle. La ganancia K para el controlador es la ganancia total en estado permanente, y es la relación del cambio de la salida en estado permanente con respecto al cambio de la etapa en la entrada. En primer lugar, se utilizan dos ganancias independientes en el estado permanente intermedio. Cada ganancia de estado permanente independiente es la relación utilizada en el transductor I/P 22 al convertir la señal de SALIDA a la señal de aire para la válvula de carrete 24. Se usa la ganancia P_{F} cuando el actuador 26 está llenando, y la otra ganancia P_{E} se utiliza cuando el actuador está expulsando.

En segundo lugar, la ganancia ajustable \beta para el controlador tiene en cuenta los errores de posición que resultan de los cambios en el movimiento del diafragma del actuador 26 (no mostrado), el cual varía con la dirección y con la posición (por ejemplo, casi cerrado con respecto a casi abierto).

En tercer lugar, el factor de compensación de la posición \gamma para el controlador tiene en cuenta los cambios en el volumen de aire del actuador 26, el cual provoca un comportamiento distinto del actuador. Se utiliza el coeficiente \gamma_{E} para compensar cuando el aire está siendo expulsado, y se utiliza el coeficiente \gamma_{F} para compensar cuando se está llenando el aire.

Con referencia a la figura 12, la rutina de control de posición de la válvula 500 utiliza las ganancias independientes P_{F}, P_{E} para ambas direcciones del movimiento de la válvula 10, y aplica la ganancia ajustable \beta para compensar el error relacionado con las dimensiones, y las no linealidades relacionadas con la posición, y el factor de compensación de la posición \gamma, para proporcionar una zona muerta ajustable para el tratamiento de los problemas de deslizamiento de agarre de la válvula. Se utiliza también un coeficiente de amortiguamiento para ajustar la velocidad de respuesta de la válvula que desee el cliente, y un control integral de estado permanente integrado en la rutina, para minimizar el error de posición del estado permanente, y la histéresis provocada por numerosos factores, sin el efecto adverso en las respuestas dinámicas. La rutina 500 minimiza también la banda muerta, elimina el ciclado límite, y maximiza las respuestas dinámicas de las válvulas de alta fricción con un movimiento deslizante de agarre, tal como se expone con más detalle más adelante.

Existen varias características singulares proporcionadas por la rutina 500: proporciona una ecuación de compensación de ganancia no lineal especial, la cual es fiable y fácil de aplicar, particularmente con respecto a su aplicación en las no linealidades relacionadas con errores y relacionadas con la posición; crea un esquema de control integral de estado permanente, para minimizar los errores de posición de estado permanente y los movimientos de deslizamiento de agarre; utiliza una zona muerta para procesar el comportamiento del deslizamiento de agarre de la válvula de alta fricción; y controla la válvula en forma independiente en ambas direcciones de apertura y de cierre, para conseguir unas prestaciones uniformes o del tipo deseado personalizado.

La rutina 500 de control de la posición de la válvula recibe un punto de ajuste remoto de la posición (Z_{RSP}) desde el microprocesador 18. El punto de ajuste remoto Z_{RSP}) es similar a la posición del punto de ajuste S_{P} de la Ecuación 3 anterior. En la etapa 502, Z_{RSP} se sitúa a escala, si fuera necesario, en un rango estándar y en la etapa 504 se caracteriza utilizando una función característica F_{c} para generar un punto de ajuste normal de la posición (Z_{NSP}). El punto de ajuste normal de la posición Z_{NSP} es similar a la posición caracterizada P_{s} de la Ecuación 3 anterior. La etapa 504 de caracterización de la válvula 504 se utiliza para la compensación de la ganancia del bucle de control del proceso, y es importante para obtener una uniformidad las prestaciones de control a través de un amplio rango del funcionamiento. La compensación de la ganancia proporciona el ajuste de la ganancia del controlador K, debido a los cambios de ganancia de otros componentes en el bucle de control. La rutina 500 de control de la posición selecciona el valor de Z_{NSP} si el posicionador 12 se encuentra en el modo operativo normal (o automático). De lo contrario, la rutina selecciona el punto de ajuste manual de la posición (Z_{MSP}) para el modo manual.

La etapa 506 del limite alto/bajo comprueba el punto de ajuste de la posición seleccionado (Z_{MSP} o Z_{NSP}) si se utilizan las banderas de limitación alta/baja, y limita los puntos de ajuste en la forma correspondiente. Las banderas de límite alto/bajo permiten que el cliente configure un rango operativo deseado para la válvula 10. El cliente puede configurar también una bandera de corte ajustado para la válvula 10. Si en la etapa 508 la bandera de corte ajustado se ajusta y el punto de ajuste de la posición (Z_{SP}) cae por debajo de la posición de corte ajustado (por ejemplo, el 5%), la rutina 500 ajusta la señal de SALIDA en su límite alto o bajo para generar la fuerza máxima para la válvula de corte. Se utiliza una zona muerta de cierre ajustado, típicamente del 0,5 al 1%, para evitar el movimiento trivial de la válvula cerca de la posición de cierre ajustado. La válvula 10 permanecerá cerrada hasta que el punto de ajuste supere la posición de cierre ajustado más una zona muerta de cierre ajustado (por ejemplo, 5%+0,5%).

La etapa 510 de amortiguación se utiliza para manipular la velocidad de la respuesta mediante el cálculo de un punto de ajuste en curso de la posición (Z_{CSP}) con un coeficiente de amortiguación ajustable (\alpha) o un coeficiente de amortiguación fijo (\alpha_{o}) descrito en la ecuación siguiente:

Z_{CSP} (t) = \alpha Z_{M} (t) + (1-\alpha) Z_{SP} (t), cuando \ abs(Z_{SP} - Z_{M}) > \Delta Z_{D}

(11) \hskip1,2cm = \alpha_{o} Z_{M} (t) + (1-\alpha) Z_{SP} (t), cuando \ abs(Z_{SP} - Z_{M}) \leq \Delta Z_{D}

en donde:

(12)0 \leq \alpha < 1, 0 \leq \alpha_{o} < 1

T = tiempo, segundos

Z_{M} = posición medida de la válvula, %

Z_{SP} = punto de ajuste de la válvula, %

\DeltaZ_{P} = zona muerta de amortiguación de la respuesta de la válvula, %.

No existe amortiguamiento cuando \alpha = 0, y amortiguación máxima cuando \alpha se aproxima a 1. Si fuera deseable una respuesta rápida de la válvula, el coeficiente de amortiguación deberá ajustarse a cero (sin amortiguamiento). Es importante limitar el amortiguamiento (ajustar \alpha = 0, o cerrar a 0) en una zona muerta de amortiguamiento (típicamente de 0,3 al 1%) de forma que no se degraden la precisión de las prestaciones y la banda muerta.

En una alternativa, la Ecuación 11 puede reescribirse para utilizar el coeficiente de amortiguamiento en formato entero tal como se expone a continuación:

Z_{CSP} (t) = [\alpha Z_{M} (t)]/10 + [(10-\alpha) Z_{SP} (t)]/10, cuando \ abs(Z_{SP} - Z_{M}) > \Delta Z_{D}

(13) \hskip1,2cm = [\alpha_{o} Z_{M} (t)]/10 + [(10-\alpha)] Z_{SP} (t)/10, cuando \ abs(Z_{SP} - Z_{M}) \leq \Delta Z_{D}

en donde:

(14)0 \leq \alpha \leq 9, 0 \leq \alpha_{o} \leq 9

El error de posición es igual al punto de ajuste en curso menos la posición medida. Dependiendo de si el sistema actuador de la válvula es de actuación directa o inversa, el signo del error puede tener que ser invertido en la etapa 512, de forma que el control de posición sea siempre un bucle de realimentación negativa.

En la etapa 514, está diseñado un filtro de ruido para filtrar el error de posición. Los errores de posición son promediados si el ruido contiene una parte significativa de ruido periódico. La zona muerta apropiada (por ejemplo, del 0,03 al 0,08%) basada en el nivel de ruido puede ser aplicada también para filtrar el ruido.

En la etapa 516, está diseñada una zona muerta para procesar el comportamiento del deslizamiento del agarre del movimiento de la válvula, lo cual es típico si la válvula 10 es una válvula de alta fricción. La alta fricción en el vástago 64 de la válvula da lugar algunas veces a un comportamiento de deslizamiento del agarre debido a que la fricción estática es más alta que la fricción dinámica. La alta fricción y el comportamiento del deslizamiento del agarre puede dar lugar a una respuesta lenta, alta histéresis más la banda muerta, y/o a limitar el ciclaje del movimiento de la válvula. Si la válvula 10 es una válvula de baja fricción sin el comportamiento de deslizamiento del agarre, la zona muerta será cero.

A continuación se ejecutará la rutina 520 integral no lineal proporcional derivada de estado permanente (PD-SSI). La rutina PD-SSI 520 utiliza un control no lineal proporcional derivado para ajustar rápidamente la posición de la válvula 10 en un punto cerca de su punto de ajuste, activando entonces un control integral especial de estado permanente, para eliminar o minimizar el error de estado permanente. Utilizando la rutina 520 PD-SSI, la histéresis (más la banda muerta) de una válvula de alta fricción puede reducirse significativamente hasta un 0,5 - 0,3%, mientras que se puede conseguir una respuesta rápida dinámica. La zona muerta se ajusta por tanto (en la etapa 516) para proporcionar una mínima resolución del movimiento de la válvula, de forma que cuando la válvula 10 se mueve en su zona muerta minimizada, el controlador manipula su salida para evitar un posible ciclaje límite.

La rutina PS-SSI 520 puede expresarse según la transformada de Laplace de la forma siguiente:

(15)\text{SALIDA(s) = k [1 + DTERM] + ITERM}

SALIDA(s) = salida del controlador según la transformada de Laplace

K = ganancia

ITERM = salida de balance de POLARIZACION(ES) en la transformada de Laplace.

DTERM = Z_{E}(s) \frac{T_{D} K_{D} S}{K_{D} + S}

K_{D} = ganancia de derivación, típicamente de 8-16 seg^{-1}

T_{P} = tiempo de derivación

Z_{E}(s) = error de posición en la transformada de Laplace

La ganancia no lineal K se expondrá con más detalle más adelante.

Las rutinas convencionales de control no integrales tienen errores de estado permanente o desplazamientos. Estos errores de estado permanente estarán afectados por numerosos factores tales como la temperatura ambiente y los efectos del envejecimiento, los cuales pueden afectar a las características de los componentes. Los errores de estado permanente, si fueran significativos, darán por resultado una capacidad reducida o un cierre deficiente, lo cual exigirá una calibración y el ajuste in situ. Por el contrario, el control integral es efectivo en la eliminación de estos errores de estado permanente, y reduce por tanto los requisitos de precisión y linealidad de los distintos componentes, tales como el transductor I/P 22 y la válvula de carrete 24.

No obstante, el control integral tiende a provocar un sobre-recorrido de la posición y un ciclaje límite así como también la terminación. Con el fin de utilizar en su totalidad las ventajas del control integral y al mismo tiempo evitar sus inconvenientes, la rutina PD-SSI 520 utiliza un control integral de estado permanente, el cual se desactiva durante una respuesta transitoria y cuando la válvula 10 se encuentra próxima al cierre total y a su posición de apertura total, y activándose cuando se encuentre en estado permanente. El control integral utilizado en la rutina PD-SSI 520 puede ser expresado de la forma siguiente:

POLARIZACION(t) = POLARIZACION(t - n\Delta t) + \frac{P_{f} Z_{E} n\Delta t}{T_{1}}

P_{F} = ganancia proporcional en la operación de llenado de aire para un actuador de accionamiento sencillo, y para una operación abierta para el actuador de doble actuación.

T_{1} = tiempo del intervalo

n\DeltaT = periodo de calculo del control integral

Z_{E} = error de posición después del filtro de ruido (etapa 514) y ajustado para la zona muerta (etapa 516).

La ecuación anterior se ejecuta solamente cuando se cumplen en su totalidad las siguientes condiciones:

\vskip1.000000\baselineskip

(17)0,3 - 1% \leq Z_{M}(t) \leq 98 - 99,7%

\vskip1.000000\baselineskip

(18)0,3 - 1% \leq Z_{SP}(t) \leq 98 - 99,7%

\vskip1.000000\baselineskip

(19)abs[Z_{E}(t) - Z_{E}(t - k\Delta t)] \leq 0,1 - 0,2%, \hskip0,2cm para \ k = 1, 2, ..., m

\vskip1.000000\baselineskip

(20)n\Delta t = 3 - 10 \ segundos

El intervalo de tiempo T_{l} deberá ser ajustado a un valor razonablemente grande (típicamente 0,3 a 2,0 segundos), de forma que el control integral esté sintonizado solamente cuando la válvula 10 se encuentre en el estado permanente o cerca del mismo. El control integral se ejecuta después de un intervalo mucho mayor n\Deltat que el periodo de calcula de la rutina de posición (\DeltaT), considerando la gran cantidad de tiempo necesario para cambiar la presión del actuador, para sobrevencer la fricción de la válvula cuando la posición Z_{E} esté cerca de cero. Esto ayuda a prevenir el ciclado límite. El control integral no lineal, que tiene más acción para un error mayor, puede ser deseable para disminuir el error de estado permanente grande de forma más rápida en el inicio de la válvula, o bien durante los cambios repentinos en el entorno tal como la temperatura ambiente y las vibraciones.

El control de la válvula es inherentemente no lineal. En la rutina 5020 de PD-SSI, la ganancia K no lineal se utiliza para compensar estas no linealidades inherentes. La siguiente descripción está basada en la suposición de que un incremento de la salida del controlador dará lugar al llenado de aire del actuador 26 para un actuador de accionamiento simple o una válvula abierta para un actuador de accionamiento doble. No obstante, ello se aplica también a la situación opuesta con alguna modificación directa en las siguientes ecuaciones relacionadas.

La ganancia K del controlador puede ser expresada por:

K = f(\beta, Z_{E}) f(\gamma_{F}, Z_{M}, Z_{E}) P_{F} \ cuando \ Z_{E} \geq 0

(21)\hskip0,5cm = f(\beta, Z_{E}) f(\gamma_{E}, Z_{M}, Z_{E}) P_{E} \ cuando \ Z_{E} < 0

en donde

f(\beta, Z_{E}) = factor de ganancia relacionada con el tamaño del error no lineal

f(\gamma_{E}, Z_{M}, Z_{E}) = factor de ganancia relacionada con la posición no lineal en la operación de expulsión de aire para un actuador de actuación simple, y en operación cerrada para un actuador de actuación doble.

f(\gamma_{F}, Z_{M}, Z_{E}) = factor de ganancia relacionada con la posición no lineal en la operación de llenado de aire para el actuador de acción simple, y en operación abierta para un actuador de actuación doble.

P_{E} = ganancia proporcional en la operación de escape de aire para un actuador de acción simple, y en operación cerrada para un actuador de acción doble.

P_{F} = ganancia proporcional para la operación de llenado de aire para un actuador de acción simple, y para operación abierta para un actuador de acción doble.

B = coeficiente no lineal relacionado con la magnitud del error.

\gamma_{E} = coeficiente no lineal relacionado con la posición en una operación de escape de aire para un actuador de acción simple, y en operación cerrada para un actuador de acción doble.

\gamma_{F} = coeficiente no lineal relacionado con la posición en la operación de llenado de aire para un actuador de acción simple, y en operación abierta para un actuador de acción doble.

Z_{E} = versión a escala de un valor de posición manual Z_{POS}.

Si el actuador 26 es un actuador de diafragma por resorte, la velocidad de llenado de aire del actuador depende de la presión de suministro del aire, mientras que la velocidad del escape de aire del actuador es independiente de la presión de suministro del aire. Esto da por resultado unas respuestas totalmente distintas en la dirección de apertura y cierre si se utilizan una única ganancia proporcional. Para compensar este comportamiento asimétrico, y haciendo que las respuestas de apertura y cierre sean ajustables en forma independiente, utilizándose unas ganancias proporcionales por separado en esta rutina para controlar ambas respuestas de la válvula abierta y cerrada en forma independiente. La etapa 522 del selector de ganancia determina automáticamente cual es la ganancia a utilizar, basándose en la dirección del movimiento de la válvula. Además de ello, si el actuador 26 es una actuador de doble acción, es deseable frecuentemente utilizar ganancias distintas para manipular las respuestas de apertura y cierre en forma independiente.

En la etapa 524 se utiliza el factor de ganancia no lineal relacionado con la dimensión del error, para compensar la ganancia, originada por ejemplo por una fuerza de diafragma similar a un resorte no lineal en el actuador 26 o válvula 10. Se utiliza la siguiente ecuación de compensación de la ganancia:

(22)f(\beta, Z_{E}) = \frac{(1 - \beta) + \beta \ máx (20%, abs(Z_{g}))}{(1 - \beta) + \beta \ |Z_{E}{}^{ref}|}

(23)0 \leq \beta < 1

Cuando \beta es 0, el factor f es igual a 1,0, y la ganancia K del controlador es independiente del error. Cuanto mayor sea \beta, mayor será la no linealidad del controlador. Puede utilizarse un valor típico del 2% al 6% de error de tamaño medio como error de referencia en la ecuación anterior. Para el error de referencia, el factor no lineal es siempre 1,0.

Puede ser deseable una ecuación de compensación de la ganancia correspondiente en formato entero, para guardar el tiempo de cálculo y la memoria:

(24)F(\beta^{o}, Z_{g}) = \frac{(10 - \beta) + \beta \ máx (20%, abs(Z_{g}))}{(10 - \beta) + \beta \ Z_{ref}}

El valor de \betaº está confinado a un rango de 0 a 9. Si se selecciona un error de referencia del 5%, el factor de ganancia no lineal puede ser mostrado como en la Tabla 1.

TABLA 1

	f(\beta^{0}, Z_{E})
\beta^{0}	|Z_{E}|=0%	|Z_{E}|=5%	|Z_{E}|=10%	|Z_{E}|=20%	|Z_{E}|>20%
0	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00
2	0.988	1.00	1.01	1.04	1.04
4	0.968	1.00	1.03	1.10	1.10
6	0.930	1.00	1.07	1.21	1.21
7	0.896	1.00	1.10	1.31	1.31
8	0.833	1.00	1.17	1.50	1.50
9	0.690	1.00	1.31	1.93	1.93

Las respuestas de la válvula están relacionadas también con la posición, (es decir, las respuestas de la válvula son distintas para las diferentes posiciones), relacionadas con el tipo del actuador, y relacionadas con el tipo de válvula. Para una válvula con un actuador de acción simple, esta no linealidad relacionada con la posición mucho más alta en la dirección de llenado de aire que en la dirección de expulsión del aire. Considérese por ejemplo un cambio de la etapa del 5%. Una válvula de aire-abertura se abre mucho más rápida desde el 10% al 15% que desde el 90% al 95%, debido al llenado de aire, tal como se ha descrito con detalle anteriormente. No obstante, la respuesta de este cierre de la válvula (expulsión de aire) no es drásticamente distinta a través de la totalidad del rango de funcionamiento.

El modelado matemático puede simular las anteriores respuestas. Para una válvula de carrete de acción simple, el flujo de la masa de aire puede describirse por las ecuaciones siguientes:

(25)w_{i} = k_{i}(x)\sqrt{(p_{s}-p)p_{s}}\left[1 - \frac{(p_{s}-p)}{3p_{s} \ x_{T}}\right]\sqrt{\frac{T_{ref}}{T}}

\vskip1.000000\baselineskip

(26)w_{o} = k_{o}(x)\sqrt{(p-p_{e})p}\left[1 - \frac{(p-p_{e})}{3p \ x_{T}}\right]\sqrt{\frac{T_{ref}}{T}}

\vskip1.000000\baselineskip

(27)(p_{s} - p) \ / \ p_{s} \leq x_{T}

\vskip1.000000\baselineskip

(28)(p - p_{e}) \ / \ p \leq x_{T}

en donde

k_{i} = coeficiente de flujo desde la lumbrera de suministro al actuador

k_{o} = coeficiente de flujo desde actuador a la lumbrera de escape

p_{e} = presión de la lumbrera de escape

p = presión del actuador

p_{s} = presión de la lumbrera de suministro

T = temperatura del aire

T_{ref} = temperatura de referencia

w_{i} = flujo de masa de rellenado de aire

w_{c} = flujo de la masa de escape de aire

x = desplazamiento del tapón piloto

x_{T} = 0,84 (factor de relación de la caída de presión, sin dimensiones).

Las Ecuaciones 25 - 28 son aproximaciones del flujo del orificio básico, con la suposición de que el aire es un gas ideal a una temperatura ambiente y a una presión por debajo de 80 libras por pulgada cuadrada.

Con la suposición de que el aire en el actuador es un gas ideal y que el proceso en el actuador es adiabático, puede mostrarse que:

(29)Pv = \frac{m}{M} RT

(30)pv^{\lambda} = cont. \hskip1cm @m = const.

m = masa de aire, libras_{m}

M = peso molecular del aire

R = constante del gas

V = volumen de aire, pulgadas^{3}

\lambda = relación del calor específico del aire, 1,40

P = presión

T = temperatura

La siguiente ecuación puede deducirse de las anteriores dos ecuaciones:

(31)\frac{dp}{dt} = \frac{1}{v}\left[\frac{RT}{M} \ \frac{dm}{dt} - \lambda p\frac{dv}{dt}\right]

Con la suposición de un área efectiva constante, la ecuación anterior puede ser rescrita para el aire en ambos lados del tapón 62 de la válvula, para proporcionar:

(32)\frac{dz}{dt} = \frac{RT}{M\lambda A_{a}} \ \frac{dm}{pdt} - \frac{v}{\lambda A_{a}} \ \frac{dp}{pdt}

A_{a} = área efectiva del tapón 62 de la válvula.

Z = posición del vástago de la válvula en pulgadas o milímetros.

Si el volumen de aire inicial se supone que es cero, y v es proporcional a z, se podrá simplificar la ecuación anterior de forma que:

(33)\frac{dz}{dt} = c_{1} \frac{dm}{pdt} - \frac{z}{\lambda p} \ \frac{dp}{dt}

Para el llenado de aire, w_{i} es el cambio de la masa de aire (dm/dt). Para el mismo desplazamiento de la válvula 24 de carrete, el flujo de la masa de rellenado de aire es mayor cuando el volumen de aire es el menor. El primer termino es el mayor y el segundo término es el menor en la parte derecha de la ecuación anterior, lo cual provoca que el movimiento de la válvula (dz/dt) sea el más rápido cuando la presión de aire del actuador sea la más baja. Las respuestas de la válvula 10 se ralentizarán conforme la presión del actuador de aire 26 se eleve y se incremente el volumen de aire (dm/pdt caerá rápidamente).

Para la expulsión de aire, w_{o} = dm/dt, el flujo de la masa de escape de aire llegará a ser mayor cuando la presión del actuador 26 se eleve. Esto da lugar a un cambio de dm/pdt que es mucho menos significativo que en la operación de rellenado de aire. En consecuencia, la compensación de ganancia para la operación de llenado de aire es mucho más importante que para la operación de expulsión de aire. Como resultado de ello, la compensación de la ganancia relacionada con la posición tiene que discriminar las operaciones de rellenado de aire y de expulsión de aire.

A partir del análisis anterior, llega a ser necesario aplicar la compensación 526 de la ganancia relacionada con la posición, para la operación de llenado de aire, con el fin de tener un rendimiento dinámico más uniforme en un amplio rango de operaciones de la válvula, para el caso en que el actuador 26 sea de actuación simple. En consecuencia, al igual que para la compensación 524 de la ganancia en relación con el tamaño del error, se utilizan las siguientes ecuaciones similares de compensación de la ganancia parda un actuador de acción simple 26:

(34)f(\lambda_{F}, Z_{M}, Z_{E}) = \frac{(1-\lambda_{F})+\lambda_{F} \ Z^{R}_{M}}{(1-\lambda_{F})+\lambda_{F} \ Z^{ref}} \hskip0.3cm cuando \ Z_{E} \geq 0

\vskip1.000000\baselineskip

(35)f(\lambda_{E}, Z_{M}, Z_{E}) = \frac{(1-\lambda_{E})+\lambda_{E} \ Z^{R}_{M}}{(1-\lambda_{E})+\lambda_{E} \ Z^{ref}} \hskip0.3cm cuando \ Z_{E} < 0

\vskip1.000000\baselineskip

(36)0 \leq \lambda_{F} < 1, \hskip0,5cm 0 \leq \lambda_{E} < 1

\vskip1.000000\baselineskip

	Z^{R}_{M}	=	Z_{M}	para la válvula aire-apertura
		=	100% - Z_{M}	para la válvula aire-cierre \hskip3,4cm (37)

en donde Z^{ref} es la posición de referencia, a la cual el factor f es siempre 1,0, independiente del valor de los coeficientes no lineales \gamma_{F} ó \gamma_{E}. Puede utilizarse la posición de la válvula de un valor típico del 30% al 70% como posición de referencia, a la cual el método de autosintonía o sintonía manual podrá ser aplicado para determinar el parámetro de sintonía, incluyendo la ganancia proporcional. Las ganancias proporcionales en otras posiciones pueden ser ajustadas mediante los coeficientes no lineales \gamma_{F} e \gamma_{E} con el fin de conseguir un rendimiento dinámico similar con respecto a la posición de referencia.

De acuerdo con al anterior análisis, la no linealidad relacionada con la posición en la dirección de llenado de aire es mucho más alta que en la dirección de escape de aire para un actuador 26 de acción simple, dando lugar a la relación entre dos coeficientes no lineales:

(38)\gamma_{F} > \gamma_{E}

Las dos ecuaciones de compensación de la ganancia en formato entero para un actuador de acción simple pueden ser deseables para ahorrar tiempo de cálculo y memoria:

(39)f(\gamma^{0}_{F}, Z_{M}, Z_{F}) = \frac{(12 - \gamma^{0}_{F}) + \gamma^{0}_{F} \ Z^{R}_{M}}{12 - \gamma^{0}_{F}) + \gamma^{0}_{F} \ Z^{ref}} \hskip0.3cm cuando \hskip0.3cm Z_{E} \geq 0

\vskip1.000000\baselineskip

(40)f(\gamma^{0}_{E}, Z_{M}, Z_{E}) = \frac{(12 - \gamma^{0}_{E}) + \gamma^{0}_{E} \ Z^{R}_{M}}{12 - \gamma^{0}_{E}) + \gamma^{0}_{E} \ Z^{ref}} \hskip0.3cm cuando \hskip0.3cm Z_{E} < 0

en donde los enteros \gamma_{F}^{0} y \gamma_{E}^{0} están confinados a un rango de 0 a 11. De nuevo, los coeficientes no lineales relacionados con la posición deberán ser seleccionados de forma que \gamma_{F}^{0} > \gamma_{E}^{0}.

Si se selecciona un error de referencia del 40% para una válvula de aire-apertura, el valor de los anteriores factores de ganancia no lineales se muestra más adelante en la Tabla 2. Existe un modulo 530 de límite alto/bajo para limitar la salida 534, calculada por la Ecuación 15. La salida 534 del módulo de límite 530 se convertirá a una señal analógica, por ejemplo, una corriente, la cual se conectará al transductor I/P 22 y al piloto para controlar la presión del actuador de la válvula y la posición de la válvula.

TABLA 2

	f(\gamma^{0}_{F}, Z_{M}, Z_{E}) \; o \; f(\gamma^{0}_{E}, Z_{M}, Z_{E})
\gamma^{0}_{F} \; o \; \gamma^{0}_{E}	Z_{M}=0%	Z_{M}=20%	Z_{M}=40%	Z_{M}=80%	Z_{M}=100%
0	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00
2	0.926	0.963	1.00	1.07	1.11
4	0.833	0.917	1.00	1.17	1.25
6	0.714	0.857	1.00	1.29	1.43
8	0.556	0.778	1.00	1.44	1.67
9	0.455	0.727	1.00	1.55	1.82
10	0.333	0.667	1.00	1.67	2.00

Por ejemplo, si \gamma_{E} es igual a 2 y la posición de la válvula medida Z_{M} es igual al 20%, la función f(\gamma_{E}, Z_{M}, Z_{E}) tendrá el valor 0,963, que podrá ser utilizado en la Ecuación 21 anterior.

Rutina de autosintonía de control de la posición de la válvula

Las características de control de la posición de la válvula difieren significativamente, debido a los distintos tipos y tamaños de los actuadores y de las válvulas fabricadas a partir de distintos fabricantes, con características distintas de los transductores I/P y dispositivos de enlace, presiones de suministro de aire y capacidades y condiciones de los procesos, etc. Esto hace que sea difícil la sintonía del controlador de la posición de la válvula, y que precise de mucho tiempo. La presente invención proporciona una rutina de autosintonía que tendrá en cuenta variables tales como la ganancia del controlador, el error de estado permanente, y la zona muerta, y determinará automáticamente los parámetros de control de la válvula de control.

La figura 13 proporciona un gráfico 540 que describe la forma en la que responde la posición de la válvula a un cambio en el punto de ajuste. La figura 14 proporciona un gráfico 542 que describe una respuesta mejorada de la posición de la válvula, según lo provisto por una ruina de auto sintonía descrita más adelante. El gráfico 540 ilustra una respuesta de etapa típica de una posición de la válvula después de una autosintonía con éxito. En comparación con el gráfico 540, el gráfico 542 muestra una respuesta más rápida con un sobrerecorrido menor, por ejemplo, con un rendimiento dinámico mejor. Un objetivo de la autosintonía es obtener los parámetros para el módulo controlador en ejecución en el microprocesador 18.

Los diagramas de flujo de autosintonía, expuestos más adelante, utilizan las siguientes definiciones:

Ganancia del controlador (P) - Es la relación entre la salida con respecto a la entrada. La salida es la señal SALIDA suministrada al transductor I/P; la entrada es el error de posición, la diferencia del punto de ajustes de la posición y el valor de la posición en curso.

Control integral de estado permanente (I) - Se utiliza para eliminar el error del estado permanente, según lo descrito en la Ecuación 21 anterior.

Tiempo de derivación (T_{D}) - Variable de control de suministro para acelerar la respuesta de la válvula. Por ejemplo, para desplazar la válvula de 40 a 50, el control T_{D} acelerará la respuesta al principio cuando la válvula se desplaza hacia el punto de ajuste del 50%, y el valor T_{D} ralentizará la respuesta para evitar un sobre-recorrido.

Tiempo muerto (T_{d}) - Es el intervalo de tiempo entre la iniciación del cambio del punto de ajuste de la posición y el inicio de la respuesta observable resultante.

Retardo de tiempo (\tau_{d}) - Es el intervalo de tiempo par invertir el movimiento de la válvula durante una prueba de bucle abierto.

Zona muerta (Z_{dz}) - Es la zona del error de posición en la cual el error de posición para procesar una salida de control que se supone que es cero. Se utilizan intencionalmente para procesar el comportamiento de deslizamiento de agarre de la válvula y el ruido.

Posición final (Z) - Es la posición que alcanza la válvula después de un tiempo suficiente (T ).

Velocidad máxima (V_{max}) - La velocidad de movimiento máxima de la válvula durante la respuesta transitoria de la válvula.

Velocidad mínima (V_{min)} - La velocidad mínima de movimiento de la válvula durante el periodo desde (T_{d} + 0,1T_{p}) a (0,8 T_{p}), cuando 0,7 T_{p} > T_{d}.

Sobre-recorrido (IS_{+}) - Es el desplazamiento máximo más allá del valor de estado permanente final (véase la figura 13). IS = abs(Z_{p} - Z) / Z]

Sobre-recorrido (IS) - Es el desplazamiento máximo más allá del valor de estado permanente final en la dirección opuesta. IS = abs [(Z - Z_{m}) / Z].

Límite del sobre-recorrido - Es el sobre-recorrido máximo permitido, es decir, IS_{+}, IS. \leq IS_{M}.

Posición de pico (Z_{p}) - Es el desplazamiento máximo más allá de la posición inicial.

Tiempo de pico (T_{p}) - El intervalo de tiempo necesario para que una válvula se desplace desde la iniciación del cambio del punto de ajuste de la posición hasta su posición de pico (Z_{p}).

Tiempo de respuesta (T_{r}) - El intervalo de tiempo requerido para que la posición cambie desde la iniciación del cambio del punto de ajuste de la posición hasta el 98% de la posición final (Z).

Error de estado permanente (\DeltaZ) - La diferencia entre la posición final y el punto de ajuste de la posición \DeltaZ =
Z - Z_{sp}.

Con referencia a la figura 15, la rutina de auto-sintonía 550 determina de forma rápida y automática los parámetros de control apropiados, para eliminar la sintonía manual. Adicionalmente, la rutina 550 puede detectar problemas que pueden afectar a la función y rendimiento del sistema. La rutina 550 incluye tres subrutinas: una rutina 552 de localización de la POLARIZACION, una prueba 554 de bucle abierto, y una prueba 556 de bucle cerrado.

Con referencia a la figura 16, la rutina 552 de localización de POLARIZACION está diseñada para localizar un valor preciso de la POLARIZACION para el transductor I/P 22 para la segunda etapa de una prueba de bucle abierto. En la etapa 560, la POLARIZACION se ajusta inicialmente a la mediana de un valor mínimo predeterminado para la POLARIZACION, "Bmin", el valor en curso de la POLARIZACION (o bien un valor medio si no existe un valor en curso), y un valor máximo predeterminado para la POLARIZACION, "Bmax". El valor de cambio de la POLARIZACION, "\DeltaB", se ajusta a un valor inicial predeterminado. En la etapa 562, la señal de SALIDA se ajusta al valor de POLARIZACION.

En las etapas 564 - 568 la posición de la válvula se configura dentro de un límite alto predeterminado, "limite_alto", y un límite bajo predetermiando, "limite_bajo". En las etapas 570 - 574, el posicionador 12 espera hasta que el cambio absoluto en la presión "P1" de la señal de presión 40 sea mayor del 0,05%. En la etapa 576, se determina la primera velocidad de presión "PR_{1}", según lo determinado como el cambio en la presión a través del tiempo transcurrido "\Deltat".

En las etapas 578 - 582, el posicionado 12 espera de nuevo hasta que el cambio absoluto en la presión de la señal de presión 40 sea mayor del 0,5%. En la etapa 584, se determina la segunda velocidad de presión "PR_{2}", como el cambio en la presión a través del tiempo transcurrido \Deltat.

En la etapa 586, si las tasas de la presión PR_{1}, PR_{2}, son del mismo signo aritmético, entonces en la etapa 588, el valor de la POLARIZACION se ajuste en la forma consecuente y la ejecución retorna a la etapa 562. De lo contrario, en la etapa 590, la POLARIZACION se redefine con un nuevo valor basándose en las tasas de presión PR_{1}, PR_{2}, y el valor \DeltaB del cambio de la POLARIZACION.

En la etapa 592, si cualquiera de las tasas de presión PR_{1}, PR_{2} se encuentran por encima del limite de presión alto "Límite_alto", entonces en la etapa 594 se ajusta el valor \DeltaB de POLARIZACION y la ejecución retorna a la etapa 562. De lo contrario en la etapa 596, si cualquiera de las tasas de presión PR_{1} ó PR_{2} se encuentran por debajo del límite de presión bajo, "Límite_bajo", entonces en la etapa 598 el valor \DeltaB del valor de cambio de POLARIZACION se ajusta y la ejecución retorna a la etapa 562. En la etapa 600, si el cambio en las tasas de presión es relativamente pequeño, la ejecución retorna a la etapa 562. De lo contrario, la rutina 552 de localización de la POLARIZACION retorna para calcular el valor de la POLARIZACION a la rutina de autosintonía 550.

Con referencia a la figura 17, la prueba 554 de sintonía de bucle abierto se utiliza para obtener las características del sistema y calcular los parámetros de control. En la etapa 620, la válvula 10 se abre y los tamaños del paso para el transductor I/P 22 "\DeltaU_{E}", "\DeltaU_{E}" y "\DeltaU_{o}" se configuran hasta un valor inicial. En la etapa 622, se llama a la subrutina 623 (figura 18) para obtener el retardo de tiempo \tau_{d1} y una primera velocidad V_{1} de desplazamiento de la válvula para una respuesta transitoria de la válvula. Se define también un valor K_{p1} de ganancia intermedia. En la etapa 624 se llama otra vez a la subrutina ETAPA 623 para obtener un segundo retardo de tiempo \tau_{d2}m y una segunda velocidad V_{2} de movimiento de la válvula. Se define también un segundo valor K_{p2} de ganancia intermedia.

En la etapa 626, si la primera velocidad V_{1} de movimiento de la válvula no se encuentra entre la velocidad mínima V_{min} y la velocidad máxima V_{max}, entonces el tamaño del paso \DeltaU_{p} se actualiza y la ejecución retorna a la etapa 622. De lo contrario, la rutina avanza a la etapa 628. En la etapa 628, si la segunda velocidad intermedia V_{2} no está entre la velocidad mínima V_{min} y la velocidad máxima V_{max}, entonces el tamaño del paso \DeltaU_{E} se actualiza y la ejecución retorna a la etapa 622. De lo contrario, la ejecución avanza a la etapa 630 en donde se determinan los puntos de ajuste de la posición P_{F} y P_{E} y el tiempo muerto T_{d}. En la etapa 632, el intervalo de tiempo T_{1} y la zona muerta Z_{d2} se calculan en la forma apropiada. A continuación, la rutina de sintonía 554 de bucle abierto retorna a la rutina de autosintonía 550.

Con referencia a la figura 18, la subrutina ETAPA 623 lee continuamente y almacena los datos de la posición Z para los distintos valores de la señal de SALIDA del transductor I/P 22. En la etapa 650, la señal de SALIDA se ajusta a la POLARIZACIÒN. En las etapas 652 - 658 se leen continuamente dos posiciones Z_{1} y Z y se almacenan hasta que la posición de la válvula sean relativamente estable. En la etapa 600, la señal de SALIDA se ajusta entonces a POLARIZACION-\DeltaU/2 y en las etapas 662 - 664, las dos posiciones Z_{1} y Z se leen continuamente y se almacenan hasta que la posición de la válvula sea relativamente estable.

En la etapa 666, la señal SALIDA se configura de nuevo a POLARIZACION. En la etapa 668, el posicionador 12 espera a que la válvula 10 este estabilizada. En la etapa 670, la señal SALIDA se ajusta a POLARIZACION + \DeltaU y se restaura la posición inicial Z_{1}. En las etapas 672 - 674, el contador "I" efectúa el cómputo del tiempo anterior al movimiento de la válvula 10 (la posición Z es significativamente distinta de la posición inicial Z_{1}). En la etapa 676, se calcula el retardo de tiempo \tau_{d}. En las etapas 678 - 682, se determina el valor de la velocidad V como el cambio de la posición a través de un periodo de tiempo discreto. En la etapa 684, la subrutina ETAPA 623 retorna al procedimiento que la llamó.

Con referencia a la figura 19, la prueba de bucle cerrado 556 cierra el bucle de posición y sintoniza los parámetros de control para conseguir respuestas dinámicas correctas, en ambas direcciones de apertura y de cierre del movimiento de la válvula mediante el uso de rutinas de sintonía. Un bucle de posición es un recorrido que incluye un recorrido hacia delante para la señal para controlar el actuador y por tanto la posición de la válvula, un recorrido de realimentación que incluye el sensor de posición 46, y un comparador para comparar el recorrido hacia delante y el recorrido de realimentación.

Debido a que los componentes individuales cambiarán en la ganancia (por ejemplo, la válvula de carrete 24), no será posible tener como constante la ganancia del bucle completo. En la etapa 700, se reponen a cero los dos contadores COMPUTO y CAJA. En la etapa 702, si el COMPUTO se ha excedido de un límite predeterminado, entonces en la etapa 704 se muestra un mensaje de error en la pantalla 52. De lo contrario, en la etapa 706 - 707, la válvula se mueve repetidamente de forma que los valores T_{d}, T_{p}, Z_{p}, Z, T_{r}, IS_{+}, IS., M_{max} y V_{min} puedan determinarse, según lo descrito anteriormente. En la etapa 710, se configura una bandera D_Grande. En la etapa 712, si el contador CAJA está por debajo de un límite predefinido, entonces la ejecución avanza a la etapa 714, en donde la válvula 10 se sintoniza en una primera dirección. De lo contrario, la ejecución avanza a la etapa 716 en donde la válvula 10 se sintoniza en la dirección opuesta.

Con referencia a las figuras 20 y 21, la subrutina 714 de sintonía directa y la subrutina 716 inversa calculan los valores de T_{D}, P_{F} y P_{E} y ajustan el contador CAJA en la forma correspondiente. Si la subrutina de sintonía directa 714 tiene éxito, CAJA se ajusta a un valor para asegurar que la subrutina 716 inversa será ejecutada a continuación. Si la subrutina 716 inversa de sintonía tiene éxito, terminará la prueba 556 de bucle cerrado.

Con referencia de nuevo a la figura 15, la rutina 550 de autosintonía incluye muchas ventajas sobre las rutinas convencionales. La rutina 550 se aplica a un sistema no lineal electro-neumático-mecánico, incluso con una banda muerta grande. Así mismo, la rutina 550 gestiona el comportamiento asimétrico del control de la posición de la válvula mediante la sintonización de las ganancias de control para ambas direcciones de movimiento de la válvula. Adicionalmente, la rutina 550 efectúa la estimación de zonas muertas para las válvulas que tienen comportamientos de deslizamiento del agarre. Incluso la rutina 550 simplifica el modelado mediante la abstracción solo de las características más importantes, y utiliza estos datos solamente para la estimación de los parámetros de control. Los parámetros estimados se refinan en las respuestas de los pasos de los bucles cerrados. Incluso la rutina 550 detecta problemas que puedan afectar al rendimiento y al funcionamiento de la válvula.

Leva por software para la auto-caracterización de la válvula

Una leva mecánica es una placa metálica que se utiliza en las válvulas. Las distintas formas de las placas metálicas proporcionan distintas características para la válvula. Las características de las válvulas son muy importantes para el control del flujo en un bucle de control, tal como si se utiliza una relación lineal entre la posición de la válvula y la tasa de flujo. El ajuste de la característica de la válvula es uno de los métodos más efectivos para obtener una ganancia de bucle constante. La limitación del proceso para la salida del controlador, apertura de la válvula, y/o el proceso variable deberán configurarse inicialmente, de forma que existan alteraciones inaceptables para el proceso durante la comprobación en línea.

La presente invención proporciona una rutina de software que se comporta como una leva mecánica, y que se denominará de ahora en adelante como "leva por software". Con referencia de nuevo a la figura 1, en una realización, la leva por software 750 se inserta entre la salida del microprocesador y el convertidor D/A 20, para obtener una relación deseada de la salida del controlador con respecto al proceso variable. Se comprenderá que la LEVA 750 por software puede ser almacenada en varios lugares en el posicionador 12.

Con referencia a la figura 22, la rutina de auto-caracterización 752 se inicia en una prueba en línea, y determina automáticamente las características de la válvula apropiadas, basándose en los datos de la prueba. En primer lugar, en la etapa 754, se supone una característica de la válvula fija, tal como el porcentaje igual o lineal. En la etapa 756, el controlador mueve la válvula. En la etapa 758, se miden las variables del proceso de régimen permanente correspondientes (flujo, nivel, etc.). En la etapa 760, las variables de estado permanente medidas se comparan con una curva deseada de la salida del controlador con respecto al variable del proceso. En la etapa 760, se utiliza la diferencia entre las variables de estado permanente y una relación deseada de la salida del controlador, con respecto a la variable del proceso, para ajustar la característica de la válvula por software, minimizando por tanto la diferencia. La leva 750 se actualiza en la forma correspondiente.

La rutina 752 de auto-caracterización puede reemplazar a los métodos de tanteo en la determinación de la característica de una válvula. La rutina puede ser aplicada fácilmente al controlador de la válvula basada en el microprocesador 18 del posicionador 12, que puede aceptar una señal variable del proceso. La rutina 752 de auto-caracterización asegura la uniformidad del rendimiento del control bajo todas las condiciones de funcionamiento, compensando las no linealidades del proceso. Esto simplifica el diseño del controlador y simplifica la sintonización del controlador para una condición típica del proceso. Así mismo, la re-sintonización del controlador puede ser eliminada usualmente cuando cambien las condiciones del proceso, y siendo fácil de mantener el rendimiento del control
uniforme.

Fallo del modo I/P del posicionador de la válvula

La realimentación de la posición se añadió para mejorar la precisión de los posicionadores. No obstante, si fallara el sensor de posición o la señal de realimentación de posición, la realimentación de la posición no operaría, y se perdería el control, desactivándose el posicionador 12. En respuesta a ello, algunos posicionadores basados en un microprocesador están configurados de forma que en el caso de que existan ciertos tipos de fallos en el posicionador, la válvula será posicionada en una condición segura o bien bloqueada en posición. Cuando se haya perdido la realimentación de la posición, la presente invención utiliza el sensor 44 de realimentación de presión, para controlar el posicionamiento con una mínima pérdida de precisión. En consecuencia, la presente invención proporciona la opción de posicionar la válvula 10, basándose en la posición implicada a partir de la señal 40 de realimentación de la presión del actuador, en el caso de un fallo de la medida de posición.

Con referencia a la figura 23, la rutina 800 dirige el posicionador 12 para identificar un sensor 46 de posición que haya fallado, tal como si el posicionador 12 se basara en lecturas no adecuadas a partir de la señal 42 de realimentación de posición, en respuesta a los controles de posición. Si se detecta un sensor de posición averiado, entonces el posicionador 12 calcula la presión del actuador necesaria para conseguir la posición deseada, y utiliza un algoritmo de control de la presión para configurar la válvula.

En las etapas 802 y 804, se mide el nivel de corriente y voltaje del sensor de posición 46. En las etapas 806 y 808, la señal 42 de realimentación de la posición se recibe y se compara con unos límites predeterminados. En caso de que fallaran cualquiera de las condiciones de las etapas 802 - 808 en los límites predeterminados, la ejecución avanzará a la etapa 810, en donde se leerá la presión del actuador a través de la señal 40 de realimentación de la
presión.

En la etapa 812, el controlador convierte una Posición de la Válvula deseada a una Presión del Actuador. La relación típica entre la Posición de la Válvula y la Presión del Actuador se mantiene en el microprocesador 18. Esta relación puede ser programada, tal como durante la fabricación del posicionador 12, determinada durante las rutinas de calibración, o manteniéndose continuamente durante la operación normal. Por ejemplo, la válvula 10 hacerse que tenga una carrera de desplazamiento desde un extremo al otro, y registrándose las presiones en varias posiciones. Como regla general, la Posición de la Válvula es una función de varias variables.

(41)\text{Posición de la Válvula = F (Presión del Actuador, Presión del Proceso, Temperatura, Fricción).}

Con un actuador de diafragma por resorte, los efectos de la presión del proceso, temperatura y fricción son relativamente pequeños, en comparación con la presión del actuador. En consecuencia, la ecuación anterior puede estar representada alternativamente como:

(42)\text{Posición de la Válvula = F (Presión del Actuador)}

e inversamente:

(43)Presión del Actuador = F^{-1} (Posición de la Válvula)

En consecuencia, el posicionador 2 puede determinar la Presión del Actuador a partir de la Posición de la Válvula deseada con un nivel moderado de precisión.

En la etapa 814, una rutina de control de la posición ajusta la presión del actuador para conseguir la posición deseada, según lo determinado a partir de la señal 40 de realimentación de presión. Alternativamente, si en la etapa 808 todas las comprobaciones del voltaje y la posición fueran aceptables, entonces en la etapa 816 la rutina de control de posición ajustará la presión del actuador para conseguir la posición deseada, según lo determinado a partir de la señal 42 de realimentación de la posición.

Posicionador con rutina de diagnóstico de la condición del asiento

La fuga en el asiento de una válvula ha sido siempre el principal problema en los sistemas de control, y un tema de costos de mantenimiento para las válvulas en general. Las fugas pueden estar provocadas por un desgaste normal, o bien un excesivo desgaste debido a las materias extrañas atrapadas, o a una excesiva estrangulación de la elevación.

Una fuente de problemas de fugas en el asiento que no pueden pronosticarse con precisión es el atrapado de materias extrañas entre los elementos del asiento 68 de la válvula al cerrar la válvula. El material extraño puede no encontrarse allí durante los cierres subsiguientes, y puede parecer que la válvula pueda cerrarse totalmente. Dependiendo de las condiciones de la aplicación, incluso con el más ligero daño del asiento 68, debido a que el material atrapado puede conducir a un desgaste excesivo del asiento y con daños durante periodos futuros más largos de cierre con una alta caída de presión.

Otro problema que puede provocar fugas en el asiento tiene lugar en las válvulas que proporcionan un cierre altamente ajustado (con una fuga cero permitida) y que utilizan materiales elastoméricos blandos para el asiento 68, para obtener el mejor rendimiento. No obstante, para unas condiciones de caída de presión de nivel moderado a nivel alto, puede darse lugar la estrangulación con una elevación muy baja en altas velocidades del flujo, lo cual puede dañar o destruir fácilmente el material elastomérico del asiento.

Se han utilizado varios métodos para solucionar los problemas de las fugas, incluyendo la monitorización de los componentes de la zona de aguas abajo, utilizando relés neumáticos para sobrevencer la estrangulación baja de la elevación, y estableciendo programas de mantenimiento basados en el desgaste estimado. Todos estos métodos tienen inconvenientes que se encuentran solucionados mediante la presente invención.

La monitorización de los componentes de aguas abajo (tuberías) y/o la monitorización de la vibración ultrasónica del vástago de la válvula de control identifican un problema de fugas después de haberse producido, y pudiendo dar lugar a un daño significativo y a una perdida del rendimiento antes de que el sistema pueda detenerse para las reparaciones. Por el contrario, las rutinas de la presente invención, según se exponen con detalle en las figuras 24 - 26, proporcionan un método predictivo mejorado para permitir el mantenimiento de la válvula de control apropiado antes de que tengan lugar las fugas, dando lugar por tanto a una solución de bajo costo.

Un relé neumático instalado en el actuador neumático no permitirá que la válvula abra para las señales de elevación por debajo de una señal de control ajustada al mínimo, eliminando así el desgaste de la estrangulación de baja elevación. El problema con esta solución es que no se permite que la válvula oscile a través de la zona situada entre la posición de cerrada (asentada) y el punto de ajuste de baja elevación durante un tiempo de duración corta, lo cual no puede ser perjudicial. La presente invención proporciona varias rutinas de diagnóstico de la condición del asiento (figuras 24 - 26) para el posicionador 12, que monitorizan continuamente el tiempo que la válvula 10 gasta en la estrangulación con unas elevaciones excesivamente bajas. Las rutinas monitorizan también el tiempo que la válvula 10 está cerrada y el tiempo que la válvula está casi cerrada bajo las condiciones del cierre, manteniendo un registro total de estos tiempos. Las rutinas pueden permitir también la estrangulación a través de la zona de baja elevación durante un tiempo especificado antes de proporcionar un aviso, o bien aplicándose el punto de ajuste mínimo (la válvula se cierra). Los datos registrados pueden ser comparados entonces con la cantidad de tiempo que la válvula 10 haya estado cerrada durante la operación del sistema, para evaluar potencialmente de problemas de fugas del asiento.

Los programas de mantenimiento se configuran para las válvulas de control basándose en las experiencias de servicios pasadas para válvulas similares en servicios similares y condiciones de aplicación, y no sobre el rendimiento en curso de válvulas específicas. El uso de estos programas puede dar lugar a un mantenimiento prematuro en un sistema que esté operando eficientemente, o que resulte en unas fugas del asiento de la válvula con antelación al programa de mantenimiento pronosticado, provocando problemas operacionales y tiempos significativos de paradas no programadas. Una válvula de control con fugas puede provocar también un desgaste excesivo de la regulación y del armazón de la válvula, dando lugar a unos costos de reparación adicionales significativos, los cuales por el contrario podrían haberse evitado mediante una detección temprana. Al contrario, las rutinas de la presente invención (figuras 24 - 26) proporcionan datos operacionales reales que dan lugar a una predicción más precisa para las necesarias programaciones de mantenimiento de la válvula, rebajando por tanto los costos operacionales globales de la aplicación de la válvula de control. Las presentes rutinas no requieren comprobaciones independientes, aislamiento del sistema, o la parada del sistema para los requisitos de predicción del mantenimiento del asiento de la válvula. Estas decisiones pueden efectuarse durante la operación normal del sistema, ahorrando así el costo añadido del aislamiento y de los programas de comprobación.

Las presentes rutinas (figuras 24 -26) incluyen una rutina 830 de diagnóstico de desgaste del asiento de baja elevación, una rutina 832 de diagnóstico de cierre del asiento de la válvula, y una rutina 834 de configuración del elevación controlable mínimo. Las rutinas pueden cerrar la válvula 10 si la señal de entrada de la válvula de control requiere una elevación de la estrangulación por debajo de un punto de ajuste predeterminado (basado en las condiciones de servicio de la aplicación). Si son aceptables para la operación de control del sistema, las rutinas pueden prevenir la estrangulación de baja elevación que podría dañar el asiento de la válvula.

Con referencia a la figura 24, la rutina 830 de diagnóstico de desgaste del asiento de baja elevación comienza en la etapa 840 en que el usuario o la fábrica seleccionan esta opción y ajusta los límites basándose en las condiciones del servicio. Los límites incluyen una posición (L_{m}) de elevación de la estrangulación mínima, en donde no tendrá la erosión del asiento 62, y un tiempo de estrangulamiento máximo (t_{m}) permitido por debajo de esta elevación. Estos límites se memorizan en la memoria no volátil 48. En la etapa 842, durante la operación normal, el posicionador 12 mide periódicamente la posición de la elevación en curso (L_{c}) y proporciona una realimentación 42 al microprocesador 18. En la etapa 844, la elevación en curso L_{c} se compara con la elevación del estrangulamiento L_{m} mínima mediante el microprocesador 18. En la etapa 846, el microprocesador 18 determina si la válvula se encuentra en posición cerrada. Si la válvula 10 no está cerrada (L_{c} > posición cerrada), y si L_{c} < L_{m}, el tiempo total de ejecución t_{c} se registrará hasta que L_{c} \geq L_{m} o bien que la válvula esté cerrada. En la etapa 848, el tiempo t_{c} se compara periódicamente con el tiempo máximo t_{m}. En la etapa 850, si t_{c} > t_{m}, entonces aparecerá un mensaje tal como:

"SE PRECISA UNA INSPECCION DEL ASIENTO DE LA VÁLVULA"

en la pantalla 52.

Con referencia a la figura 25, la rutina 832 de diagnóstico de cierre del asiento de la válvula comienza en la etapa 860, cuando el usuario o la fábrica selecciona esta opción y ajusta los límites, basándose en las condiciones del servicio. Esos límites incluyen un tiempo (t_{i}) de fugas del asiento máximo durante la condición cerrada de la válvula 10. Adicionalmente, se determina un valor inicial para el tiempo de ejecución t_{s}. En la etapa 862, después de la instalación inicial o de la restauración de la regulación de la válvula y de la calibración, la posición (L_{s}) exacta de cerrada/asentada de la válvula se proporciona por la señal 42 de realimentación de la posición enviada al microprocesador 18. En la etapa 864, para los sucesivos cierres de la válvula 10, se proporciona una posición de elevación cerrada (L_{si}) por la señal 42 de realimentación de la posición enviada al microprocesador 18, siendo memorizada. En la etapa 866, la posición L_{si} de posición de la elevación cerrada se compara con la posición L_{si} exacta de cerrada/asentada de la válvula. Si en la etapa 868 la posición L_{si} de elevación cerrada es mayor que la posición L_{s} exacta de cerrada/asentada de la válvula, entonces en la etapa 870, el tiempo de ejecución total t_{s} queda memorizado. La ejecución avanza entonces a la etapa 872, en donde el tiempo de ejecución t_{s} se compara con el tiempo máximo de fugas del asiento t_{i}. Si T_{s} > t_{i}, el posicionador 12 proporciona un mensaje de diagnostico tal
como:

"SE PRECISA LA INSPECCIÓN DEL ASIENTO DE LA VÁLVULA"

en la pantalla 52. De lo contrario, la ejecución retorna a la etapa 864.

Con referencia a la figura 26, la rutina 834 de ajuste de la elevación controlable mínima comienza en la etapa 880 cuando el usuario o la fábrica seleccionan esta opción y ajustan los límites en las condiciones del servicio. Los límites incluyen una posición (L_{m}) de elevación controlable mínima, basándose en el servicio (aplicación) mínimo necesario controlable del nivel de flujo en términos del % del recorrido de la válvula máximo. En la etapa 882, durante la operación normal, el posicionador 12 mide periódicamente una posición (L_{ci}) de elevación en curso, que se proporciona por la señal 42 de realimentación de la posición al microprocesador 18. La posición L_{ci} de elevación en curso es un promedio de la medida tomada cada 10 segundos. En la etapa 884, la posición L_{ci} de elevación en curso se compara con la posición L_{cm} de elevación controlable. Si L_{ci} < L_{cm}, el posicionador 12 proporciona un mensaje de diagnóstico tal como:

"VIOLACIÓN DEL AJUSTE MINIMO DE LA VÁLVULA"

en la pantalla 52. En algunas realizaciones, la válvula 10 puede ser abierta por encima de la posición L_{cm}. De lo contrario, la ejecución retorna a la etapa 882.

Las rutinas de diagnóstico anteriormente descritas (figuras 24 - 26) proporcionan muchas ventajas adicionales. Las rutinas proporcionan un punto L_{cm} d elevación de la válvula controlable mínimo, el cual puede ajustarse basándose en el tipo de la válvula 10 y en las condiciones del servicio de la aplicación. Las rutinas registran también el tiempo t_{c} de posicionamiento de la válvula operacional que se haya gastado por debajo o igual al punto de elevación L_{m}. Las rutinas proporcionan un aviso en el caso de que ciertos periodos de tiempo excedan de los límites predeterminados. Las rutinas pueden ser combinadas de forma tal que cierren la válvula 10 si el tiempo t_{s} de gestión de la válvula que se gaste se encuentra igual o por debajo del punto L_{cn} de elevación controlable y que supere al tiempo t_{m}.

Adicionalmente, las rutinas proporcionan una comparación de la posición cerrada de la válvula con precisión, con respecto a la posición de cierre de ajuste inicial (desviación del cierre). Las rutinas registran también el tiempo que la válvula haya gastado en cerrar en una posición de desviación del cierre. Las rutinas proporcionan un aviso si tuviera lugar una desviación del cierre durante un tiempo de duración ajustado. Las rutinas registran también un tiempo total que haya estado cerrada la válvula durante la operación del sistema. Adicionalmente incluso, las rutinas comparan el tiempo de movimiento operacional de la válvula que se haya gastado por debajo del punto de elevación controlable mínimo, y el tiempo total que gasta la válvula durante la operación del sistema hasta un límite especificado, ajustado para la aplicación y que proporciona el tiempo operacional restante que se permite antes de precisar el mantenimiento del asiento de la válvula.

Limitaciones del sistema experto en la caracterización personalizada

Para proporcionar una característica del flujo personalizada para la válvula 10, el posicionador 12 tiene un modo de operación que proporciona un gráfico en la pantalla 52, que representa un rango completo de la capacidad del flujo y un rango completo de la señal de entrada. Aunque los puntos extremos para el 0% y el 100% de la capacidad de flujo y la señal de entrada están preajustados, los puntos intermedios en el gráfico son totalmente personalizables. En consecuencia, el usuario puede alterar los puntos en el gráfico y personalizar por tanto la característica del flujo.

Con referencia a las figuras 27-28, la pantalla 52 puede contener, por ejemplo, un gráfico 890. El gráfico 890 puede tener un eje vertical que está normalizado para la capacidad del flujo de la válvula 10, y un eje horizontal que está normalizado para la señal de entrada de la válvula. En la realización preferida, se encuentran preajustados dos valores para el gráfico 890: el punto 891 que indica el 0% de la capacidad del flujo cuando la válvula esté totalmente cerrada, y el punto 892 que indica el 100% de la capacidad del flujo cuando la válvula se encuentre abierta totalmente. Se comprenderá que otras realizaciones pueden no tener dichas limitaciones.

Entre los puntos 891 y 892 se encuentran varios puntos adicionales que definen la función F_{c} de caracterización personalizada para la válvula 10. Cada uno de los puntos individuales pueden ser desplazados, proporcionando por tanto un método muy simple para modificar la función de la caracterización. Además de ello, teniendo dicha función de caracterización ya descrita, puede ser almacenada fácilmente como una tabla (posición, capacidad) de coordenadas en la memoria 48.

Por ejemplo, el usuario puede seleccionar o desplazar un punto 893 y moverlo a un nuevo lugar sobre el gráfico 890, utilizando un dispositivo de apuntamiento 894. Una vez desplazado, el controlador re-conecta los puntos para proporcionar una característica de flujo personalizable totalmente para la válvula.

En la realización preferida, el posicionador tiene cierto control sobre la selección de los puntos, para prevenir la caracterización perjudicial. Por ejemplo, si el usuario intenta mover el punto 893 a un lugar 895, podrá observarse a partir del presente ejemplo que este emplazamiento provocará una inversión de la pendiente (es decir, el signo de la pendiente para los conmutadores de la característica del flujo). En respuesta a ello, el controlador alertará al usuario, y no introducirá el valor, tal como se muestra un recuadro de diálogo 898 en la figura 26.

El controlador puede requerir también la característica del flujo, para adherirse a ciertas características del flujo estándar en la industria. Por ejemplo, la pendiente entre cualesquiera dos puntos no deberá ser mayor del doble o inferior a la mitad de la pendiente de los dos puntos anteriores. En caso afirmativo, un recuadro de diálogo similar al recuadro 898 podrá alertar al usuario.

Con referencia a la figura 29, la rutina 900 ejecuta algunas de las funciones descritas anteriormente. En la etapa 902, el controlador recibe una petición de cambio de la caracterización del usuario. En la etapa 904, el controlador comprueba para ver si esto es una inversión de la pendiente de la característica del flujo en la válvula 10. En caso afirmativo, entonces en la etapa 906, se informa al usuario (por ejemplo, a través de la pantalla 52) y en la etapa 908, el controlador comprueba para ver si el usuario ha ignorado la condición detectada. En caso negativo, la ejecución retorna a la etapa 902. Si el usuario no ignora la condición, o si no existe inversión de la pendiente, entonces en la etapa 910 el posicionador 12 determina si el cambio de la pendiente provocaría un cambio no deseado en la ganancia de la válvula. En caso afirmativo, entonces en la etapa 912 se informa al usuario (por ejemplo, a través de la pantalla 52), y en la etapa 914, el controlador comprueba para ver si el usuario ha ignorado la condición detectada. En caso negativo, la ejecución retorna a la etapa 902. Si el usuario ignora la condición, o si la ganancia de la válvula es aceptable, entonces en la etapa 916 el controlador activará el cambio de la posición solicitado por el usuario.

Se comprenderá que las modificaciones, cambios y substituciones tienen por fin su exposición anterior en algunas funciones de la invención, que se utilizarán sin el uso correspondiente de otras características. En consecuencia, es apropiado que las reivindicaciones adjuntas sean realizadas de forma amplia y de una forma consistente con el alcance de las reivindicaciones.

Claims (6)

1. Un método para proporcionar un control de la posición no lineal en una válvula (10), en el que el método comprende: calcular una primera ganancia para la válvula (10) que se mueve en una primera dirección, y calcular una segunda ganancia para la válvula (10) que se desplaza en una segunda dirección (630); estando además caracterizado el mencionado método porque:

calcula una ganancia ajustable para compensar las no linealidades (524) de la válvula relacionadas con el tamaño y con la posición;

recibe una señal de posición deseada para la válvula (500); y

ajusta la posición deseada mediante la ganancia ajustable y la primera o la segunda ganancia para determinar una señal de posición calculada para la válvula (534).

2. El método de la reivindicación 1, caracterizado además porque:

determina una zona muerta para acomodar el comportamiento de agarre/deslizamiento de la válvula (516);

determina un coeficiente de amortiguamiento para compensar las respuestas deseadas de la válvula (510); y

ajusta la posición deseada mediante la zona muerta y el coeficiente de amortiguamiento, para determinar además la señal de posición calculada para la válvula (534).

3. El método de la reivindicación 1, caracterizado además porque:

determina un control integral de estado permanente para corregir el error de estado permanente (520); y

ajusta la posición deseada mediante el control integral de estado permanente para determinar además la señal de la posición calculada para la válvula (534);

4. Un posicionador para proporcionar un control de posición no lineal para una válvula (10), que comprende:

medios para calcular una primera ganancia para la válvula que se desplaza en una primera dirección, y medios para calcular una segunda ganancia para la válvula que se mueve en una segunda dirección, estando el mencionado posicionador (12) caracterizado además porque tiene:

medios para calcular una ganancia ajustable para compensar las no linealidades (524) de la válvula relacionadas con el tamaño y la posición;

medios para recibir una señal de posición deseada para la válvula (500); y

medios para ajustar la posición deseada por la ganancia ajustable y la primera o segunda ganancia para determinar una señal de posición calculada para la válvula (520).

5. El posicionador de la reivindicación 4, caracterizada además porque tiene:

medios para determinar una zona muerta para acomodar el comportamiento de agarre/deslizamiento de la válvula (516); y

medios para determinar un coeficiente de amortiguamiento para compensar las respuestas deseadas de la válvula (510);

en el que los medios de ajuste ajustan también la posición deseada mediante la zona muerta y el coeficiente de amortiguamiento, para determinar además la señal de posición calculada para la válvula (10).

6. El posicionador de la reivindicación 4 está caracterizado además porque tiene:

medios para determinar un control integral de estado permanente para corregir el error de estado permanente (520);

en el que los medios de ajuste ajustan también la posición deseada por el control integral de estado permanente, para determinar además la señal de la posición calculada para la válvula.