ES2304565T3 - Sistema posicionador de valvulas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para realizar diagnósticos en una válvula (10) teniendo un actuador (26), comprendiendo el método posiciones de muestreo de la válvula, almacenando las posiciones muestreadas, y analizando las posiciones muestreadas, caracterizado por: posicionamiento de la válvula en un primer extremo de un rango de ensayo de las posiciones de la válvula (402); ajuste de la presión del líquido al actuador hasta que alcance un segundo extremo del rango de ensayo, abarcando: ajuste incremental de la presión del líquido (412), esperando después de cada ajuste (404), y muestreando la posición de la válvula y la presión del actuador después de esperar (408); ajuste de la presión del líquido al actuador hasta que alcance el primer extremo de la rango de ensayo, comprendiendo: ajuste incremental de la presión del líquido (412), esperando después de cada ajuste (404), y muestreando la posición de la válvula y la presión del actuador después de esperar (408); y almacenando en memoria los datos de posición y de presión muestreados; y analizando los datos muestreados.

Description

Sistema posicionador de válvulas.

Antecedentes de la invención

La presente invención, se relaciona con un sistema posicionador para el control una válvula de control de fluidos y, más particularmente, con un sistema posicionador inteligente y con las rutinas de software para el control de su operación.

Las válvulas de control de fluidos se utilizan para controlar la transmisión y distribución de fluidos, tales como líquidos y gases. En tales aplicaciones hay a menudo requisitos para el funcionamiento apropiado de válvulas altamente fiables y precisas. Sin embargo, debido a la ejecución física de la válvula, así como al ambiente en el que opera la válvula, se deben mantener durante toda su operación el mantenimiento periódico, la calibración y el ajuste de la válvula. Además, la válvula puede mostrar un comportamiento no lineal y aparentemente imprevisible. Por ejemplo, la alta fricción en la válvula puede causar un comportamiento de adherencia-deslizamiento cuando la válvula se esté ajustando entre una posición abierta y una cerrada. Además, las temperaturas ambientales y el envejecimiento afectan a características de los componentes y causan errores de posición.

Muchas válvulas estás provistas de actuadores y posicionadores para controlar el movimiento de la válvula. Además, algunos posicionadores están controlados por ordenador. Sin embargo, este control se ha limitado un tanto. Además, los posicionadores controlados por ordenador convencionales no predicen adecuadamente el comportamiento real de la válvula. Por lo tanto, lo que se precisa es un posicionador de válvula que facilite los requisitos de mantenimiento continuo, calibración y ajuste de la válvula.

La US 5.573.032 se relaciona con un posicionador de válvula que recibe un punto de ajuste (punto de ajuste) de un regulador principal y proporciona una presión del control a un actuador de válvula para controlar una válvula. Un circuito de detección en el posicionador detecta la posición de la válvula y la presión de control, y un circuito controlador en el posicionador utiliza la presión y la posición detectadas para proporcionar una información de salida de un comando a una sección neumática, que produce la presión del control. El posicionador puede incluir un circuito de control del banco de pruebas que rampee la presión de control entre una presión de control inicial y una presión de control final y de nuevo a la presión de control inicial mientras muestrea las presiones específicas de control y sus correspondientes posiciones, para proporcionar una salida que indique la fuerza apropiada de carga previa del resorte en un resorte de actuador.

La EP 0 660 017 se relaciona con un sistema de control de diagnóstico para un actuador neumático de la válvula. El sistema de control incluye tres componentes operacionales para memorizar, respectivamente, los valores de presión del resorte, la presión de contraempuje, y la presión de fricción para los valores de posición del miembro de la válvula. Los componentes están conectados en paralelo y, a través de interruptores, con el transductor de posición del miembro de la válvula, el generador de posición fija, el bloque computacional de presión, el generador de presión, y/o un diferenciador. Los interruptores son dirigidos por una unidad de control lógico que conmuta cuando el miembro de la válvula está en reposo.

Resumen de la invención

La invención se relaciona con un método para realizar diagnósticos en una válvula, tal y como se exige en la Reivindicación 1, y con un sistema para realizar diagnósticos en una válvula, tal y como se exige en la Reivindicación 4.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es un diagrama de bloques de un sistema posicionador que emplea los principios de la presente invención para controlar una válvula.

Las Fig. 2 y 3 son gráficos de posición y presión frente al tiempo para una válvula.

La Fig. 4 es un diagrama de flujo de una rutina para el informe del ajuste del bucle de mando o el ciclo límite empleado por el sistema posicionador de la Fig. 1.

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

Las Fig. 6a-6b son diagramas de flujo de una rutina para realizar el control de posición empleado por el sistema posicionador de la Fig. 1.

Las Fig. 7a, 7b, y 7c son diagramas de flujo de rutinas alternas para encontrar un valor del BIAS (índice de exactitud) utilizado por el sistema posicionador de la Fig. 1.

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

La Fig. 9 es un diagrama de flujo de una rutina para determinar una respuesta al escalón de la válvula empleada por el sistema posicionador de la Fig. 1.

Las Fig. 10a-10b son visualizaciones en pantalla - con gráficos para analizar la realimentación de la respuesta de la válvula al controlador del proceso de la Fig. 1.

La Fig. 11 es un diagrama detallado parcial de una ejecución de una válvula rotatoria controlada por el sistema posicionador de la Fig. 1.

La Fig. 12 es un diagrama de flujo de una rutina de control de la posición de la válvula empleada por el sistema posicionador de la Fig. 1.

Las Fig. 13 y 14 son gráficos de la posición de la válvula frente al tiempo empleados por el sistema posicionador de la Fig. 1.

La Fig. 15 es un diagrama de flujo de una rutina de autoajuste empleada por el sistema posicionador de la Fig. 1.

La Fig. 16 es un diagrama de flujo de una rutina de determinación del BIAS llamada por la rutina de autoajuste de la Fig. 15.

Las Fig. 17a y 17b son diagramas de flujo de una rutina de ajuste de bucle abierto llamada por la rutina de autoajuste de la Fig. 15.

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

La Fig. 19 es un diagrama de flujo de una rutina de autoajuste de bucle cerrado llamada por la rutina de autoajuste de la Fig. 15.

Las Fig. 20a y 20b son diagramas de flujo de una subrutina de ajuste hacia delante llamada por la rutina de autoajuste de bucle cerrado de la Fig. 19.

La Fig. 21 es un diagrama de flujo de una subrutina de ajuste hacia atrás llamada por la rutina de autoajuste de bucle cerrado de la Fig. 19.

La Fig. 22 es un diagrama de flujo para una rutina de autocaracterización de la válvula empleada por el sistema posicionador de la Fig. 1.

La Fig. 23 es un diagrama de flujo de detección de un sensor de posición fallido empleado por el sistema posicionador de la Fig. 1.

La Fig. 24 es un diagrama de flujo de una rutina de diagnóstico del desgaste del asiento de levante parcial empleada por el sistema posicionador de la Fig. 1.

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

La Fig. 26 es un diagrama de flujo de una rutina de determinación de un ajuste de la apertura controlable mínima empleada por el sistema posicionador de la Fig. 1.

Las Fig. 27-28 son visualizaciones en pantalla de un gráfico de la capacidad de flujo frente a la posición de la válvula y una ventana automática (pop-up) que se muestra si el usuario solicita un cambio de posición inválida, proporcionadas por el sistema posicionador de la Fig. 1.

La Fig. 29 es un diagrama de flujo de una rutina de determinación de las restricciones del sistema empleada por el sistema posicionador de la Fig. 1, empleando las visualizaciones en pantalla de las Fig. 27-28.

Descripción de la ejecución preferente

En referencia a la Fig. 1 del diseño, una válvula 10 es controlada por un sistema posicionador 12 que pone en práctica características de la presente invención. El sistema posicionador 12 incluye un multiplexor 14, un convertidor de analógico a digital ("A/D") 16, un microprocesador 18, un convertidor de digital a analógico ("D/A") 20, un transductor corriente a presión ("I/P") 22, una válvula de carrete 24, y un actuador 26. El posicionador 12 está alimentado por una fuente de alimentación 30 y un suministro de aire 32.

El multiplexor 14 recibe varias señales incluyendo una señal de retomo de la presión 40 desde el actuador 26 y una señal de retomo de la posición 42 desde la válvula 10. La señal de retorno de la presión 40 se deriva de un sensor de la presión 44 conectado neumáticamente al actuador 26 y la señal de retomo de la posición 42 se deriva de un sensor de retomo de la posición 46 conectado mecánicamente a la válvula 10. Por tanto, como las posiciones de la válvula y del actuador cambian, la señal de retorno de la presión 40 y la señal de retomo de la posición 42 indican las posiciones cambiantes al multiplexor 14.

En algunas ejecuciones, el sensor de posición 46 está separado del resto del posicionador 12. Por ejemplo, en las situaciones en las que la válvula 10 esté situada en un ambiente duro, se puede disponer el posicionador 12 por separado, con sólo el sensor de posición 46 sujeto a la válvula 10. Como consecuencia, sólo la línea de aire del transductor de I/P22, el sensor de posición 46, y la línea para la señal de retomo 42 están en el ambiente duro.

El multiplexor 14 proporciona las señales al microprocesador 18 a través del convertidor A/D 16. El microprocesador 18 incluye código de software, descrito abajo minuciosamente, para supervisar la posición de la válvula 10, así como un controlador (no representado) para ejecutar varias rutinas de posicionamiento de la válvula. En algunas ejecuciones, el controlador puede estar alejado del posicionador 12, mientras que en otras ejecuciones, el controlador es parte del microprocesador 18. Más adelante, la funcionalidad asignada al controlador o al microprocesador 18 puede intercambiarse entre los dos.

El microprocesador 18 puede almacenar uno o más programas internamente o en una memoria externa, tal como una memoria no volátil 48. Además, el microprocesador el 18 puede estar interconectado externamente por dispositivos tales como un teclado numérico 50, y una pantalla 52. El controlador externo interconecta con el microprocesador 18 a través de una señal de entrada 54 conectada con el multiplexor 14. En algunas ejecuciones, especialmente aquellas que utilizan el controlador externo, el teclado numérico 50 y la pantalla 52 pueden no existir. En estas ejecuciones, los dispositivos de entrada y de salida asociados al controlador externo realizan funciones idénticas.

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

El transductor I/P 22 proporciona las señales neumáticas de posición al actuador 26 a través de la válvula de carrete 24. El actuador 26 es un diafragma convencional, tal como un dispositivo cargado por resorte (resorte 56) para controlar la posición de la válvula 10. El actuador el 26 puede ser de actuación simple o doble y se puede conectar con la válvula 10 de forma que una presión creciente cierre la válvula, o alternativamente, de forma que una presión cada vez mayor abra la válvula.

La válvula 10 es una válvula convencional y puede ser de uno de muchos tipos diferentes, incluyendo un tipo rotatorio discutido minuciosamente abajo respecto a la Fig. 11. Por ejemplo, la válvula 10 incluye una cubierta 60 a través de la cual pueda fluir un líquido, un conector de válvula 62, y un vástago de la válvula 64. La cubierta 60 incluye un asiento 68 tal que, cuando se presione el conector 62 contra el asiento, se cierre la válvula y cuando el conector se separe del asiento, se abra la válvula. El actuador 26, en respuesta a las señales neumáticas del transductor I/P 22, desplaza el vástago de la válvula 64 y, por tanto, el conector 62, hacia adelante y hacia atrás, abriendo y cerrando de este modo la válvula. Muchas fuerzas actúan sobre el vástago de la válvula 64 y el conector 62, incluyéndose, por ejemplo, las fuerzas de resorte del actuador 26, las fuerzas del fluido, y las fuerzas de rozamiento. Se entiende que las válvulas y sus fuerzas asociadas son conocidas en el estado actual de la técnica y que la descripción anterior es simplemente representativa de muchos tipos diferentes de válvulas. Para la descripción restante, la referencia general a la válvula 10 se enfoca al conector de válvula 62 y al vástago de la válvula 64, a menos que se indique lo contrario.

A la válvula 10 se le asocia una característica de flujo. Una característica de flujo describe la capacidad de flujo de la válvula 10 frente al recorrido (apertura o cierre) de la válvula. Las características de flujo típicas incluyen a las lineales y no lineales. Un tipo de característica de flujo no lineal se llama porcentaje equivalente, por ejemplo, si la válvula 10 está abierta al 50%, la capacidad de flujo para la válvula está al 50%. Típicamente, con porcentaje equivalente, la válvula no se abre linealmente en función de la señal de control, sino que, por el contrario, se abre muy lentamente al principio y después más rápidamente al final. Se encuentran también disponibles características personalizadas para la válvula 10, según lo discutido posteriormente en mayor detalle.

Detección del Ciclo Límite en un Posicionador de Válvulas Controlado por Microprocesador

En los sistemas de posicionado convencionales, incluso aquellos controlados por microprocesador, el posicionador es a menudo incapaz de fijar la válvula en el punto de ajuste (punto de ajuste) deseado. En su lugar, un bucle de control en el posicionador tiende a completar un ciclo hacia adelante y hacia atrás alrededor del punto de ajuste deseado (ciclo límite). Esto puede estar causado por el ruido del proceso, un bucle mal ajustado, o una válvula de ciclo límite. Con frecuencia es difícil determinar cuál es la causa del ciclo límite.

Una razón del ciclo límite es la fricción. Cuando un actuador intenta desplazar una válvula a una nueva posición, el actuador tiene que aumentar continuamente la presión hasta que ésta supere finalmente la fricción en una dirección y la válvula comience a moverse. Entonces, cuando la válvula se haya movido, el bucle de control intenta hacer que vaya en dirección opuesta. Así, una vez más, el actuador tiene que elevar continuamente la presión hasta que supere finalmente la fricción. El tiempo que requiere el actuador para elevar la presión lo suficiente para comenzar el desplazamiento de la válvula es la "demora", 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 determinar después si está ocurriendo o no el ciclo límite. Por tanto, la relación entre la posición de la válvula y la presión del actuador se puede emplear para determinar la presencia y la fuente del ciclo límite. Una vez determinado, el ciclo límite puede manejarse de diferentes maneras, incluyendo la notificación al usuario, actualización de una planificación de mantenimiento para la válvula, y así sucesivamente.

En referencia a la Fig. 2, se considera por ejemplo una presión sinusoidal que conduzca el actuador 26 de la válvula. El actuador y la válvula 10 tienen fricción asociada a esto. En caso de alta fricción, un trazo continuo 70 representa la presión en función del tiempo, el trazo punteado 72 representa la posición de la válvula en función del tiempo, y el trazo discontinuo 74 representa el valor medio de la posición y de la presión. En un instante T1, la presión es lo suficientemente alta para superar la fricción y la válvula 10 comienza a moverse, conducida por la presión creciente. En un instante T2, la presión deja de aumentar y comienza a disminuir. Como consecuencia, la válvula 10 deja de moverse hasta que, en un instante T3, la presión sea lo suficientemente baja para superar otra vez la fricción y la válvula 10 comience a desplazarse otra vez.

En referencia a la Fig. 3, en caso de baja fricción, se aplica el mismo ciclo de presión 70 a la válvula. Un nuevo trazo punteado 76 representa una posición de la válvula en función del tiempo. En el instante T5, la presión es lo bastante alta para superar la fricción y la válvula 10 comienza a moverse, conducida por la presión creciente. En el instante T6, la presión deja de aumentar y comienza a disminuir. En consecuencia, la válvula 10 deja de moverse hasta que, en el instante T7, la presión sea lo suficientemente baja para superar otra vez la fricción y la válvula comience a moverse otra vez. Sin embargo, como la fricción se supera mucho antes en el ciclo, el 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 baja fricción, el ciclo límite no es probablemente la causa de la presión del actuador de ciclo. En su lugar, la causa es probablemente el ajuste del bucle.

En respuesta al ciclo límite, el controlador detecta e informa de cualquier ciclo límite de la válvula 10. El controlador detecta el ciclo límite haciendo que el microprocesador 18 reciba y analice el punto de ajuste deseado de la válvula, la posición de la válvula 10 a través de la señal de retomo de la posición 42, y la presión del actuador a través de la señal de retomo de la presión 40. El microprocesador 18 compara los cruces por cero (medidas relacionadas con la medida media) de estos tres valores, y de este modo calcula la relación de fases entre ellos. El ciclo límite se puede identificar por una relación de fase de 90° entre la posición de la válvula y la presión del actuador. Una vez que se detecta el ciclo límite, el microprocesador 18 informa al usuario, por ejemplo, a través de la pantalla 52, permitiendo de este modo que el usuario tome medidas apropiadas y oportunas de mantenimiento.

En referencia a la Fig. 4, se ejecuta una rutina 80 repetidamente muchas veces durante cada ciclo de oscilación. La rutina 80 calcula dos contravalores, el RETRASO y el PERIODO, que se incrementan potencialmente en cada iteración de la rutina. La rutina 80 informa del AJUSTE DEL BUCLE 82 o del CICLO LÍMITE 84 como causa de la oscilación. Si se notifica el AJUSTE DEL BUCLE 82, que es causado por el ajuste incorrecto del bucle de control del proceso, el usuario debe ajustar el bucle de control del proceso correspondientemente. Si, por el contrario, se notifica el CICLO LÍMITE 84, que puede estar causado por un alto nivel de fricción de la válvula 10, el usuario debe reapretar y/o reconstruir la válvula 10 para aliviar tal alto movimiento.

La ejecución comienza en el paso 90, donde se muestrea la presión del actuador. Esto se hace leyendo la señal de retomo de la presión 40. La presión del actuador debe ser proporcional a la señal de SALIDA. En el paso 92, se efectúa un promedio exponencial de la presión del actuador.

100

donde N es un número que garantiza que la media ocurre durante varios periodos. Puesto que los periodos de ciclo límite son típicamente de algunos segundos, y puesto que puede haber 10 iteraciones por segundo, N puede ser a menudo aprox. 1000.

En el paso 94, la rutina 80 examina los cruces por cero positivos de la presión y de la posición de la válvula. En referencia a las Fig. 2 y 3, los cruces por cero positivos de la medida de la presión ocurren en los instantes T10, T12, T13, y T15. El PERIODO se mide entre T10 y T12 y entre T13 y T15. Los cruces por cero positivos de la medida de la posición ocurren en los instantes T11 y T14. Los tiempos para el RETRASO se miden entre T10 y T11 y entre T13 y T14. Para reducir el efecto del ruido, los cruces por cero T10, T11, T12, T13, T14, y T15 pueden definirse alternativamente después de varias mediciones sucesivas de la señal de retomo de la posición 42 y de la señal de presión 40.

\newpage

En el paso 96, se hace una determinación para ver si los cruces por cero progresan positivamente. Si no, en el paso 98, se incrementa la temporización de intervalos del PERIODO y la ejecución pasa al paso 100. Si no, en el paso 102, se calcula un valor X:

101

Para reducir ulteriormente el efecto del ruido, puede promediarse también el valor X. El valor X proporciona un nivel de confianza para la determinación de la causa de la oscilación. En el paso 104, si X estuviera cerca de cero, el AJUSTE DEL BUCLE 82 seria probablemente la causa de la oscilación. Si X fuera mayor de 0.15, el CICLO LÍMITE 84 seria probablemente la causa de la oscilación. En el paso 106, los valores PERIODO y el RETRASO de se ponen a "0" y el valor PASO se pone a "1".

En el paso 100, se mide la posición de la válvula a través de la señal de retomo de la posición 42. En el paso 108, se promedian exponencialmente los valores de posición (véase la ecuación 1 citada anteriormente) y en el paso 110, se determinan otra vez los cruces por cero. En el paso 112, se hace una determinación para ver si los cruces por cero progresan positivamente. Si es así, en el paso 114 se pone a "0" el valor PASO. En el paso 116, el valor RETRASO se fija a RETRASO más PASO y la ejecución vuelve al paso 90. En consecuencia, la temporización de intervalos del PERIODO se incrementa cada ciclo durante el periodo y se reajusta al final del periodo. La temporización de intervalos del RETRASO se incrementa solamente cuando PASO es igual a "1" y se reajusta al final del periodo. El valor "1" representa una iteración de la rutina 80 para determinar los contravalores del RETRASO y del PERIODO. Por lo tanto, el valor PASO actúa como un interruptor que encienda y apague un contador particular. Por ejemplo, PERIODO debería parar de contar después de que la posición tienda a un cruce por cero.

Transferencia sin Sacudidas del Modo de Operación Manual al Modo Normal

El posicionador 12 admite dos modos de operación: un modo de operación automático normal, y un modo de operación manual. En ambos casos, un algoritmo de control está realmente todavía en ejecución y posicionando la válvula, determinándose la diferencia por cómo está determinado el punto de ajuste de la válvula. Convencionalmente, cuando la válvula se cambia del modo automático al modo manual, el controlador del posicionador "se satura" externamente, es decir, va a una salida mínima o máxima. Entonces, cuando se hace retomar la válvula al modo de operación normal, el posicionador cierra o abre la válvula antes de moverla a la posición correcta, "golpeando" de este modo la válvula.

Por ejemplo, un controlador externo puede intentar adecuar una posición de la válvula mientras el líquido pasa a través de la válvula. El posicionador 12 intenta controlar el flujo para adecuar un punto de ajuste de cierta válvula. Si el control se cambia al modo manual y el flujo a través de la válvula es demasiado alto, el controlador intentará cambiar el punto de ajuste de la válvula cerrando un poco la válvula. Como la válvula está en modo manual, se ignoran las señales de posicionamiento. El controlador sigue intentando cerrar la válvula más, aumentando la señal para cerrar la válvula. Entonces, cuando se cambia el posicionador 12 a modo de operación normal, se reconoce la señal de cierre y la válvula 12 se cierra totalmente. El controlador reconocería entonces que el flujo es ahora demasiado bajo y comenzaría a abrir de nuevo la válvula. Sin embargo, habría una "sacudida" en el flujo al cerrarse la válvula 10 y reabrirse después.

En la presente invención, el posicionador 12 proporciona una transferencia sin sacudidas entre los modos de operación, evitando el rápido cierre o apertura total de la válvula 10 después de que el control de la válvula por parte del posicionador cambie del modo de operación automático al modo de operación manual y nuevamente al modo automático. Al cambiar de modo manual a modo automático, el microprocesador 18 lee la señal de retomo de la posición 42. Si la posición de la válvula 10 no coincide con la posición deseada de la válvula, el microprocesador 18 espera a que el usuario cambie la salida de controlador para que coincida con la posición actual de la válvula. La válvula 10 se mantiene en su posición actual hasta que se modifique la salida de controlador para que coincida. El microprocesador el 18 puede notificar al usuario, por ejemplo en la pantalla 52, para permitir al usuario ver cuánto se debe modificar la señal para coincidir con la posición actual de la válvula.

En referencia a la Fig. 5, una rutina 150 proporciona una transferencia sin sacudidas del modo de operación manual al automático. La rutina 150 utiliza una posición actual inicial P_{i}, una posición caracterizada P_{s}, y un punto de ajuste de la posición S_{p}. El valor de posición S_{p} (señal de entrada 54) viene del controlador. Si la válvula 10 tiene una característica de porcentaje equivalente, la posición caracterizada P_{s} y el punto de ajuste de la posición S_{p} son iguales. Si no, se emplea una función de caracterización F_{c} para convertir el punto de ajuste de la posición S_{p} en la posición caracterizada P_{s}. Una función de la caracterización define la relación entre la señal de entrada 54 como un porcentaje de rango medido y la posición real P_{i} de la válvula como porcentaje de rango:

1

e inversamente:

2

Por ejemplo, si el controlador da una señal de entrada 54 para un punto de ajuste S_{p} del 50%, el controlador convierte la señal usando la función de caracterización F_{c} en una posición caracterizada P_{s} que pueda estar abierta al 15%, teniendo aún un ratio de flujo del 50%.

En el paso 152, se mide una posición inicial P_{i} de la válvula 10. En el paso 154, si el microprocesador 18 recibe una orden de cancelar la transferencia sin sacudidas, la ejecución pasa al paso 156 donde el control vuelve al modo manual. Si no, en el paso 160, se recibe una posición deseada para el modo automático y se transforma en un punto de ajuste del valor de la posición S_{p}, que representa la posición deseada como porcentaje de límites predefinidos de calibración. En el paso 162, se calcula una posición caracterizada Ps que corresponde al valor de la posición S_{p}.

En el paso 164, si la diferencia (valor absoluto) entre P_{i} y Ps es menor que un límite predefinido "L1", en el paso 166, la operación pasa al modo de operación automático. Si no, la ejecución pasa al paso 168 donde el controlador informa al usuario, por ejemplo en la pantalla 52, para permitirle ver cuánto debe modificarse el punto de ajuste de la posición para coincidir con la posición actual de la válvula. El controlador puede proporcionar también al usuario la información adicional para el ajuste del punto de ajuste de la posición.

En una ejecución alternativa, el posicionador 12 podría ajustar realmente la válvula 10 o ajustar la propia señal de SALIDA sin la intervención del usuario. El usuario puede pre-seleccionar esta funcionalidad, o puede ser informado después de que se haya movido la válvula.

Método para Evitar que la Rutina de Control Falle Después de la Saturación

La válvula de carrete 24 puede llenar o extraer aire 32 a y desde el actuador 26. La válvula de carrete 24 se controla con una presión neumática que proviene del transductor I/P 22, que es controlado por la señal de SALIDA. Un valor compensado de la señal, llamado "BIAS", puede enviarse al transductor I/P 22, para situar la válvula de carrete 24 en la posición central, para que el actuador 26 ni llene ni extraiga. El valor del BIAS variará de actuador a actuador y variará en el mismo actuador con la temperatura y otras condiciones de operación. Durante la operación normal del posicionador 12, una rutina de control (no mostrada) en ejecución en el

\hbox{controlador encuentra y no
pierde de vista el BIAS.}

A menudo surgen problemas cuando el controlador esté ajustando constantemente el BIAS para mantenerlo correcto. Por ejemplo, si la válvula 10 se atasca en cierta posición (como cuando hay un obstáculo en la válvula o un problema con el aire 32), el controlador intenta mover la válvula sin éxito. Intentando mover la válvula, el controlador ajusta continuamente el BIAS a cero. Una vez que la válvula 10 se desatasca, el BIAS (que está a o cerca de cero) es incorrecto. El controlador debe ajustar entonces el BIAS a su posición apropiada, lo que puede llevar un largo tiempo. En consecuencia, la válvula 10 permanecerá cerrada durante un cierto tiempo antes de que el BIAS sea corregido.

En respuesta a problemas como éste, la presente invención supervisa y ajusta inteligentemente el BIAS. Si la posición real de la válvula es perceptiblemente diferente de la posición deseada de la válvula, el BIAS no está ajustado. Adicionalmente, si la válvula 10 está en un punto final (abierta o cerrada), el BIAS no está ajustado.

Además, el controlador guarda una media a largo plazo (BIAS medio) del BIAS, de forma que permanezca relativamente constante durante un largo periodo de tiempo. Si el BIAS se ajusta incorrectamente, será probablemente a un valor diferente del promedio del BIAS. Entonces, cuando el controlador ve que el BIAS se está ajustando al BIAS medio, puede ajustar el BIAS muy rápidamente.

Si la válvula 10 no se ha desplazado más que una cantidad predefinida durante un tiempo predefinido, y si la posición de la válvula no está cerca de cualquier final de su recorrido posible (completamente abierta o cerrada), el controlador calcula un nuevo valor del BIAS como:

3

donde C es una constante predefinida modificable por el controlador.

Sin embargo, si la válvula 10 es obligada a desplazarse a la posición ordenada por la ecuación 4, el controlador aumentará o disminuirá el BIAS alejándolo del valor apropiado cuando la válvula esté libre, desplazando la válvula a una posición incorrecta. Para evitar este fallo, el controlador ejecuta un análisis del BIAS según las ecuaciones 5-7 mostradas a continuación:

4

5

L_{inferior}, L_{superior}, y L_{error} son límites predefinidos para evitar la promediación cuando la válvula esté cerca de la posición abierta o cerrada o se está moviendo, y T es una constante empleada para la promediación del BIAS durante un largo periodo de tiempo. El error de posición es igual al punto de ajuste actual menos la posición medida.

6

donde E y C2 son límites de error definidos por el controlador. El efecto de la ecuación 6 es desplazar el BIAS rápidamente hacia el valor medio si el error de posición indica que el BIAS debe desplazarse en esa dirección.

7

Procedimiento de Firma del Actuador de la Válvula Integrado en un Posicionador

A la válvula 10 se le asocia una firma de la válvula. El propósito de la medición de la firma de la válvula es justificar la fricción y la histéresis de la válvula. La firma sirve de este modo como herramienta de diagnóstico que pueda identificar problemas tales como un resorte roto o una alta fricción.

Se realiza una medición de la firma para cada dirección de movimiento (apertura o cierre) de la válvula. Sin embargo, empleando la señal de retomo de la posición 42 para posicionar la válvula 10, es posible que la válvula se pase y así la dirección del movimiento no estará siempre en la misma dirección. Por ejemplo, la manera convencional de medición de la firma de la válvula es poner la válvula al 15% y después darle una señal para ir al 20%. Al desplazarse la válvula desde el 15% al 20%, puede abrirse hasta que alcance el 21% y cerrarse entonces para alcanzar el 20%. En consecuencia, la válvula se mueve en ambas direcciones de apertura y cierre. Este cambio en la dirección distorsiona las mediciones percibidas de la firma de la válvula.

La presente invención no depende de la realimentación de la posición para obtener la firma de la válvula. En su lugar, controlando solamente la presión, es posible superar este problema y conseguir una firma más exacta de la válvula. Continuando con el ejemplo citado anteriormente, la válvula se posiciona al 15% y se apaga el control de posición. Entonces se eleva lentamente la presión. Ahora, como no hay realimentación de la posición, la válvula no puede pasarse y cambiar de dirección. En su lugar, puede desplazarse solamente en una dirección. La posición y la presión se muestrean constantemente durante este tiempo.

En una ejecución, se puede poner el controlador en un modo de diagnóstico y medir la firma de la válvula a lo largo de un gran rango de desplazamiento de la válvula. En una ejecución alternativa, el controlador puede permitir un rango restringido de movimiento de la válvula durante la operación. En esta ejecución alternativa, si la válvula se fija 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.

En referencia a la Fig. 6a, una rutina de control de la posición 200 proporciona un método exacto para obtener la medición de la firma de la válvula. En el paso 202, se determina el valor del BIAS. Más adelante se describen otros tres métodos para determinar el BIAS en referencia a las Fig. 7a-7c. Una vez se ha determinado el BIAS, en el paso 204, la válvula 10 se coloca en una posición inicial dejando que el modo de operación automático ajuste la presión del actuador 26.

En el paso 206, el controlador espera hasta que la válvula 10 esté estable en la localización inicial, examinando la presión (a través de la señal de retorno de la presión 40) y/o la posición (a través de la señal de retorno de la posición 42) hasta que el valor cambie menos de una cantidad predeterminada. En el paso 208, se para el posicionamiento automático. En el paso 210, la señal al transductor UP 22 se fija en el valor del BIAS. En el paso 212, la señal al transductor I/P 22 se fija en el BIAS más un valor predeterminado V1. 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 analizando la respuesta de la válvula.

En el paso 214, la posición de la válvula y la presión del actuador se muestrean a un ratio predeterminado y se almacenan en la memoria no volátil 48. Esto será designado como "aumento del conjunto de datos de presión frente a posición". Si en el paso 216 la posición está dentro de un rango de ensayo predefinido, la ejecución vuelve al paso 214. Si no, en el paso 218 se reinicia el posicionamiento automático y se fija la posición de la válvula en la posición final.

En el paso 220, el controlador espera hasta que la válvula se encuentre estable en la localización final, examinando la presión o la posición hasta que el valor cambie menos de una cantidad predeterminada. En el paso 222, se para el posicionamiento automático. En el paso 224, la señal al transductor I/P 22 se fija en el valor del BIAS. En el paso 226, la señal al transductor I/P 22 se fija en el BIAS menos un valor determinado por otro valor predeterminado V2. 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 analizando la respuesta de la
válvula.

En el paso 228, la posición de la válvula y la presión del actuador se muestrean a un ratio predeterminado y se almacenan en la memoria no volátil 48. Esto será designado como "decremento del. conjunto de datos de presión frente a posición". Si en el paso 230 la posición está dentro del rango de ensayo, la ejecución vuelve al paso 228. Si no, en el paso 232 se reinicia el posicionamiento automático y se fija la posición de la válvula en la posición
final.

En el paso 234, se analizan los datos:

1.

Calculando el rango del resorte ajustando los dos conjuntos de datos presión frente a posición con líneas rectas y calculando dónde cruzan las posiciones porcentuales 0 y 100. El rango del resorte es el promedio de los valores determinados a partir de las dos líneas. Solamente se utilizan los datos donde la posición se encuentre entre cerca del 10% y el 90%.

2.

Calculando la fricción en una posición determinada interpolando los conjuntos de datos presión frente a posición. La fricción es 0.5 veces el valor absoluto de la diferencia entre la presión determinada a partir del aumento del conjunto de datos presión frente a posición y de la disminución del conjunto de datos presión frente a posición.

En el paso 236, los datos de presión frente a posición, los datos del rango del resorte, y los datos de fricción se almacenan en la memoria no volátil 48. Los datos de presión frente a posición, los datos del rango del resorte y los datos de fricción se pueden enviar opcionalmente a otro procesador (no representado) conectado al posicionador 12. Alternativa o adicionalmente, se pueden mostrar en la pantalla 52 los datos de presión frente a posición y los resultados del análisis de los datos.

En referencia a las Fig. 7a-7c, durante la operación normal del posicionador 12, una rutina en ejecución en el microprocesador 18 encuentra y no pierde de vista el valor del BIAS. Más adelante se describen detalladamente tres rutinas alternativas.

En referencia específica a la Fig. 7a, se puede utilizar una primera rutina 250 para encontrar el valor del BIAS. En el paso 252, al arrancar el posicionador 12, el BIAS se fija en un valor predeterminado V3 almacenado en la memoria no volátil 48. El valor V3 puede ser un valor almacenado de una operación anterior. En el paso 254, se determina si la válvula 10 se ha movido más de una cantidad predeterminada durante un rato predeterminado. Si fuera así, la rutina 250 esperaría a que se estabilizase la válvula. Una vez se estabilice la válvula, en el paso 256 se determina si la posición de la válvula está cerca de cualquier extremo de su posible recorrido. Si fuera así, la ejecución volvería al paso 254. Si no, la ejecución procedería al paso 258. En el paso 258, se computa un nuevo valor del BIAS según la anterior ecuación 4.

En referencia específica a la Fig. 7b, se puede utilizar también una segunda rutina 260 para encontrar el valor del BIAS. En el paso 262, al arrancar el posicionador 12, la señal de SALIDA se fija en su valor más bajo. Este valor de la señal se almacena y se designa "señal previa". En el paso 264, se añade un valor predefinido a la señal de SALIDA. Este valor de la señal se almacena y se designa "señal actual". El posicionador 12 espera entonces un tiempo predefinido. En el paso 266, el procesador 18 mide la presión del actuador 26 a través de la señal 40 de la presión. En el paso 268, se determina si la presión ha aumentado en más de una cantidad predefinida. Si no, se almacena la señal actual como la señal anterior y la ejecución retorna al paso 264. De otro modo, se computa el valor del
BIAS:

8

El nuevo valor del BIAS se almacena en la memoria no volátil 48.

En referencia específica a la Fig. 7c, se puede utilizar también una tercera rutina 280 para encontrar el valor del BIAS. En el paso 282, la válvula 10 se posiciona en una localización dentro del 10% de los límites externos de su recorrido. Esta localización se designa "posición media de ensayo". Se define además una "posición baja de ensayo" como la posición media de ensayo menos una constante y una "posición superior de ensayo" como la posición media de ensayo más una constante. En el paso 284, se elige un valor inicial para el BIAS de un valor almacenado previamente en la memoria no volátil 48 o del valor actual del BIAS del anterior paso 252 (Fig. 7a). Adicionalmente, se define una constante del incremento del BIAS "INC".

En el paso 286, el procesador 18 mide la posición a partir de la señal de retorno de la posición 42 y la presión a partir de la señal de la presión 40. En el paso 288, se para el posicionamiento automático. En el paso 290, la salida del transductor I/P 22 se fija al valor del BIAS. En el paso 292, el procesador 18 espera un tiempo predefinido y después mide nuevamente la posición y la presión. Se almacena el cambio en la presión.

Si en el paso 294 la variación de la presión es en una dirección diferente de la de la última variación de la presión, entonces, en el paso 296, se divide por la mitad la constante del incremento INC. Si en el paso 298 la nueva constante del incremento INC es menor que el menor incremento permitido, la ejecución pasa al paso 300 donde se enciende el posicionamiento automático y se almacena el valor del BIAS en la memoria no volátil 48. A partir de una determinación negativa de los pasos 294 o 298, la ejecución pasa al paso 302.

En el paso 302, se determina si la presión ha disminuido. Si así fuera, se incrementaría el BIAS en el paso 304 por la constante INC. La ejecución pasaría después al paso 306, donde se determina si ha aumentado la presión. Si así fuera, se reduciría el BIAS en el paso 308 por la constante INC. La ejecución pasaría después al paso
310.

En el paso 310, se determina si la posición se encuentra por debajo de un límite inferior predeterminado o por encima de un límite superior predeterminado. Si así fuera, en el paso 312 se fijaría la señal de la SALIDA a un valor que garantizara el movimiento de la válvula entre la posición inferior de ensayo y la posición superior de ensayo. La señal de la SALIDA será un valor bajo o un valor elevado dependiendo del tipo de válvula (aire-para-abrir o aire-para-cerrar) y de la acción del posicionador (directa o inversa). La ejecución pasa entonces al paso 314 donde se fija la señal de la SALIDA en el nuevo BIAS y la ejecución vuelve al paso 292.

Para cada una de las tres rutinas de localización del BIAS 250, 260, 280 citadas anteriormente, sobre una base periódica, o por comando digital, el nuevo BIAS se guarda en la memoria no volátil 48 para su uso al arrancar.

Diagnóstico de la Válvula a lo largo de un Rango de Posición Limitado

Convencionalmente, los diagnósticos de válvula se ejecutan cuando un proceso de posicionamiento de la válvula no esté en ejecución o se haya puenteado la válvula. En cambio, la presente invención proporciona diagnósticos de válvula, incluyendo un análisis de la firma de la válvula y un análisis de la respuesta del paso, que pueden ejecutarse mientras el proceso de posicionamiento esté funcionando. Los ensayos se ejecutan particularmente a lo largo de un rango restringido de posición para poder utilizarlos para predecir problemas de la válvula antes de que sucedan y antes de que deba pararse el proceso automático de posicionamiento.

En referencia a la Fig. 8, puede efectuarse un análisis de la firma de la válvula 350 mientras que la válvula 10 se encuentre operando. En el paso 352, se localiza el valor del BIAS (por ejemplo, usando las anteriores rutinas de determinación del BIAS 250, 260, 280). En el paso 354, la válvula 10 se fija en una posición inicial del ensayo, dejando que el posicionamiento automático ajuste la presión del actuador. En el paso 356, el posicionador 12 espera hasta que la válvula 10 se estabilice en la posición inicial, examinando la presión a través de la señal del sensor de presión 40 y/o la posición a través de la señal de retomo de la posición 42 hasta que el valor varíe menos de una cantidad predeterminada. En el paso 358, se para el posicionamiento automático. En el paso 360, se fija la señal de SALIDA en el valor del BIAS. En el paso 362, la señal de SALIDA se fija en el valor del BIAS más un valor predeterminado V4. El valor predeterminado V4 puede ser un parámetro introducido por el usuario, predefinido por el programa, determinado a partir del tamaño de la válvula, o determinado analizando la respuesta de la
válvula.

En el paso 364, la posición y la presión del actuador se muestrean en un rango predeterminado. Estos datos, designados "incremento del conjunto de datos de presión frente a posición" se almacenan en memoria. En el paso 366, si la posición de la válvula está dentro del rango de ensayo, la ejecución vuelve al paso 364. Si no, en el paso 368, se reinicia el posicionamiento automático y la posición de la válvula se fija en la posición final. En el paso 370, el posicionador 12 espera hasta que la válvula 10 se estabilice en la localización final, examinando la presión o la posición hasta que el valor varié menos de una cantidad predeterminada.

En el paso 372, se para el posicionamiento. En el paso 374, la señal de SALIDA se fija en el BIAS. En el paso 376, la señal de SALIDA se pone al valor del BIAS menos el valor predeterminado V4. En el paso 378, la posición y la presión del actuador se muestrean a un rango predeterminado. Estos datos, designados "decremento del conjunto de datos de presión frente a posición" se almacenan en memoria.

En el paso 380, se determina si la posición está dentro del rango de ensayo. Si así fuera, la ejecución volvería al paso 378. Si no, en el paso 382 se reiniciaría el posicionamiento y se fijaría la posición en la posición final.

Tras la conclusión del análisis de la firma de la válvula 350 pueden analizarse los datos almacenados. En primer lugar, el rango del resorte (para el resorte 66) puede calcularse trazando dos conjuntos de datos de presión frente a posición (incremento y decremento) con líneas rectas y calculando dónde se cruzan con las posiciones porcentuales 0 y 100. El rango del resorte es el promedio de los valores determinados a partir de las dos líneas. Solamente se utilizan los datos de posición entre el 10% y el 90%.

Además, la fricción de la válvula puede calcularse en una posición dada interpolando los conjuntos de datos de presión frente a posición. La fricción es la mitad del valor absoluto de la diferencia entre la presión determinada a partir del incremento de los conjuntos de datos de presión frente a posición y el decremento de los conjuntos de datos de presión frente a posición. Los datos de presión frente a posición, los datos del rango del resorte, y los datos de fricción se pueden almacenar en la memoria no volátil 48, se pueden enviar digitalmente a un procesador externo conectado al posicionador 12, o se pueden mostrar gráficamente en la pantalla 52.

En referencia a la Fig. 9, puede efectuarse también un análisis de la respuesta del paso 400 mientras que la válvula 10 esté en funcionamiento. En el paso 402, la válvula 10 se fija en una posición inicial, dejando que la rutina de posicionamiento automática ajuste la presión del actuador. En el paso 404, el posicionador 12 espera hasta que la válvula 10 se estabilice en la posición inicial, examinando la presión a través de la señal del sensor de presión 40 y/o la posición a través de la señal de retomo de la posición 42, hasta que el valor varíe menos de una cantidad predeterminada.

En el paso 406, se determina si ha transcurrido un tiempo predefinido T_{T} de muestreo de la posición. Si así fuera, se pararía la rutina. Si no, en el paso 408, se muestrea la posición en un rango fijo y se almacenan el tiempo y la posición correspondientes en memoria. En el paso 410, se determina si ha transcurrido otro tiempo intermedio T_{S}. Si así fuera, en el paso 412, el posicionador 12 ordenaría a la rutina automática de posicionamiento que moviera la válvula a la posición final y la ejecución volvería al paso 404. Si no, la ejecución volvería al paso 406.

Una vez que ha concluido el análisis de respuesta del paso 400, o de manera intermedia durante el análisis, se pueden almacenar los datos medidos en la memoria no volátil 48, se pueden enviar digitalmente a un procesador externo conectado al posicionador 12, o se pueden mostrar gráficamente en la pantalla 52.

Realimentación de la Respuesta de la Válvula sobre el Controlador del Proceso

Cuando haya un programa en ejecución en el posicionador 12, el posicionador proporcionará realimentación a un usuario que indique respuesta de la válvula. Se proporciona al usuario realimentación visual de la operación de válvula, fácil de identificar, de entender, y de diagnosticar. Por ejemplo, si la válvula 10 está al 15% (asumiendo que la válvula tiene una caracterización de porcentaje equivalente) y el controlador envía una señal de desplazamiento hasta el 50%, entonces se moverá, por consiguiente, la válvula. El posicionador 12 muestra un gráfico en la pantalla 52 que indica tanto la posición de la válvula P_{act} como la posición caracterizada P_{S}. La función de caracterización F_{C} define la relación entre la señal de entrada (señal de entrada 54) como porcentaje de rango medido y la posición deseada de la válvula como porcentaje de rango conforme a las anteriores ecuaciones 3a y 3b. Idealmente, la posición P_{act} y la posición caracterizada P_{S} han de coincidir siempre: Si no, puede ocurrirle algo malo a la válvula. Es deseable mostrar gráficamente los datos que ayudarán al usuario a saber cuándo está operando la válvula 10 correctamente.

En referencia a la Fig. 10a, por ejemplo, se puede mostrar una ventana 450 en la pantalla 52. Se desea un punto de ajuste de la válvula S_{P} del 50.5%. La ventana incluye un gráfico 452 que muestra un valor de posición de la válvula 454 a partir de la señal de retomo de la posición 42 y de la posición caracterizada de la válvula 456 (P). La posición caracterizada de la válvula 456 está determinada por la función F de caracterización, del punto de ajuste de la válvula (véase la anterior ecuación 3a). Empleando el valor de la posición caracterizada 456, pueden trazarse los valores 454 y 456 usando la misma escala y, si se alinean, el usuario puede determinar rápida y fácilmente que la válvula está operando correctamente.

En referencia a la Fig. 10b, en otro ejemplo, se puede mostrar una ventana 460 en la pantalla 52. La ventana incluye un gráfico 462 que indique el flujo en pies cúbicos por minuto (cfm). Se desea un flujo de 43.07 cfm. Un segundo gráfico 464 muestra un valor de salida del controlador 468 (S_{P}) y un valor de la posición caracterizada inversa de la válvula 470. El valor de la posición caracterizada inversa de la válvula 470 es determinado por la función de caracterización inversa F_{C}^{-1} de la señal de realimentación de la posición 42 (véase la anterior ecuación 3b). Usando el valor de la posición caracterizada inversa de la válvula 470 en vez de la posición real de la válvula proporcionada por el sensor de realimentación 46, se pueden trazar los valores 468 y 470 usando la misma escala y, si se alinean, el usuario puede determinar rápida y fácilmente que la válvula está operando correctamente.

Posicionador de la Válvula con Compensación Automática de la Torsión del Vástago

En referencia a la Fig. 11, se muestra una ejecución de la válvula 10 incluyendo un eje 486 sobre el cual gira el conector 62. Por ejemplo, se muestra la válvula 10 para siendo un flujo para abrir la válvula, entendiéndose que pueden emplearse otros tipos de válvula. Se identifican dos presiones, P1 y P2, siendo P1 la presión antes de la válvula 10 y P2 la presión después de la válvula. Debido a una diferencia de presión (P1 - P2) del fluido a través del conector de la válvula 62, puede haber una diferencia entre la posición deseada del conector de la válvula y la posición real del mismo, debido a la torsión en el eje de la válvula. La posición desplazada del conector de la válvula 62 se representa por el conector en línea de puntos 488. Esto resulta particularmente indeseable cuando la válvula 10 está casi cerrada y/o la diferencia de presión P1-P2 está en su máximo, limitando de este modo el rango útil de control de la válvula. Además, como el sensor de posición 46, que es un potenciómetro en la presente ejecución, mide desde el eje de la válvula 486, no puede representar una posición verdadera, siendo esta posición verdadera especialmente crítica cuando la válvula 10 está casi cerrada.

El posicionador 12 está calibrado inicialmente sin fuerzas de proceso que actúen sobre el conector de la válvula 62. La posición del conector frente a la presión del actuador se determina calculando el desplazamiento:

102

la F_{D} (presión del actuador) se puede determinar experimentalmente y el microprocesador 18 puede realizar la función. El par de torsión aplicado al eje de la válvula 486 es directamente proporcional a la presión del actuador. Además, en la función F_{D} se factoriza un gradiente para el eje 486.

Por ejemplo, se puede almacenar una tabla de valores probados en la memoria no volátil 48. El gradiente (desplazamiento angular frente a la fuerza del conector de válvula) se determina para un tipo, tamaño y dirección de circulación determinados de la válvula. La diferencia entre la presión bajo ninguna fuerza y la fuerza real, dividida por el gradiente, es proporcional a la torsión.

Una vez determinada la función F_{D}, se corrige la posición del eje de la válvula 486 en base a la torsión estimada según la siguiente ecuación:

103

En consecuencia, la presente invención compensa cualquier torsión del eje de la válvula 486, por ejemplo, debida a las fuerzas fluidas del proceso que actúan sobre el conector de válvula 62. Esta torsión, que origina una diferencia entre la posición tal cual se mide en un extremo del eje y la posición real del conector de válvula, originaria, de otro modo, medidas inexactas de la posición.

Rutina de Control Exhaustivo No Lineal de la Posición de la Válvula

La válvula de control 10 es típicamente un sistema asimétrico no lineal. Por ejemplo, puede resultar deseable posicionar la válvula al 10%. Apoyando el ejemplo, el suministro de aire 32 tiene una presión de fuente de 20 PSI y un rango de operación de 3 a 16 PSI. Se requieren cuatro PSI para el actuador 26 para posicionar la válvula 10 al 10%. Como la presión de fuente para el suministro de aire 32 está a 20 PSI, entonces una fuerza impulsora para el actuador es 16 PSI (20 PSI - 4PSI). En consecuencia, la válvula se abrirá muy rápidamente debido a la gran fuerza impulsora.

Continuando con el ejemplo, se requieren 14 PSI para el actuador 26 para posicionar la válvula 10 al 90%. La fuerza impulsora para esta posibilidad es de 6 PSI (20 PSI - 14 PSI). En consecuencia, la válvula se abrirá muy lentamente debido a la pequeña fuerza impulsora. Éste es solamente un ejemplo de cómo y porqué la válvula de control 10 es no lineal.

Si se implementa el control lineal en la válvula 10, el funcionamiento de la válvula seria inconstante. Un algoritmo de control tal como el de la presente invención compensa las ausencias de linealidad para lograr una operación uniforme a lo largo de un amplio rango de posición (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 de bucle K. La ganancia K para el controlador es la ganancia total en estado estacionario y es el ratio de cambio de salida en estado estacionario a cambio decisivo en la entrada. Primero, se utilizan dos ganancias de estado estacionario intermedias independientes. Cada ganancia de estado estacionario independiente es un cociente empleado en el transductor I/P 22 al convertir la señal de SALIDA en la señal de aire para la válvula de carrete 24. Se utiliza una ganancia P_{P} cuando el actuador 26 está llenando y la otra ganancia P_{E} cuando el actuador está expulsando.

En segundo lugar, una ganancia ajustable b para el controlador tiene en cuenta los errores de posición que resultan de los cambios en el movimiento del diafragma del actuador 26 (no representado), que varia con la dirección y con la posición (por ejemplo, casi cerrado frente a casi abierto).

En tercer lugar, un factor de compensación de la posición g para el controlador tiene en cuenta los cambios en el volumen de aire del actuador 26, que causa un comportamiento diferente del actuador. Se utiliza un coeficiente g_{E} para compensar cuando el aire esté saliendo y un coeficiente g_{F} para compensar cuando el aire esté entrando.

En referencia a la Fig. 12, una rutina de control de la posición de la válvula 500 utiliza las ganancias independientes P_{F}, P_{E} para ambas direcciones de movimiento de la válvula 10, aplica la ganancia ajustable b para compensar las no-linealidades relativas al tamaño del error y relativas a la posición de la válvula, y el factor g de compensación de la posición para proporcionar una zona muerta ajustable para encargarse de los problemas de adherencia-deslizamiento de la válvula. También se emplea un coeficiente de amortiguación para el ajuste de la velocidad de respuesta de la válvula deseada por el cliente, y se integra un control integral de estado estacionario en la rutina para minimizar el error de posición de estado estacionario y la histéresis causada por numerosos factores, sin un efecto adverso sobre las respuestas dinámicas. La rutina 500 minimiza también la banda muerta, elimina el ciclo límite, y maximiza las respuestas dinámicas para las válvulas de alta fricción con movimiento de adherencia-deslizamiento, tal y como se discute más adelante en mayor detalle.

Hay varias características distintivas proporcionadas por la rutina 500: proporciona una ecuación no lineal especial de compensación de la ganancia fiable y fácil de aplicar, particularmente con respecto a su aplicación a las no-linealidades relativas al error y relativas a la posición de la válvula; crea un esquema de control integral de estado estacionario para minimizar los errores de posición de estado estacionario y el movimiento de adherencia-deslizamiento; utiliza un zona muerta para encargarse del comportamiento de adherencia-deslizamiento de la válvula, y controla la válvula independientemente en ambas direcciones, abierta y cerrada, para alcanzar un funcionamiento uniforme o un funcionamiento deseado por el cliente.

La rutina de control de la posición de la válvula 500 recibe del microprocesador 18 un punto de ajuste alejado de la posición (ZRSP). El punto de ajuste remoto ZRSP es similar a la posición del punto de ajuste S_{P} de la anterior ecuación 3. En el paso 502, se escala el ZRSP, si fuera necesario, a un rango estándar y, en el paso 504, se caracteriza empleando una función característica F_{C} para producir un punto de ajuste normal de la posición (ZNSP). El punto de ajuste normal de la posición ZNSP es similar a la posición caracterizada P_{S} de la anterior ecuación 3. El paso de caracterización de la válvula 504 se utiliza para la compensación de la ganancia del bucle de control del proceso y es importante en la obtención de la uniformidad de operación del control bajo un amplio rango de operación. La compensación de la ganancia proporciona el ajuste de la ganancia del controlador K debido a las variaciones de la ganancia de otros componentes en el bucle de control. La rutina de control de la posición 500 selecciona el ZNSP si el posicionador 12 está en modo de operación normal (o automático). Si no, la rutina selecciona el punto de ajuste manual de la posición (ZMSP) para el modo manual.

Un paso de límite alto-bajo 506 comprueba el punto de ajuste de la posición seleccionado (ZMSP o ZNSP) si se colocan las banderas de límite alto-bajo, y limita, por consiguiente, los puntos de ajuste. Las banderas de límite alto-bajo permiten que el cliente configure un rango deseado de operación para la válvula 10. El cliente puede colocar también una bandera de cierre hermético para la válvula 10. Si en el paso 508 se coloca la bandera de cierre hermético y el punto de ajuste de la posición (ZSP) cae por debajo de la posición de cierre hermético (por ejemplo, al 5%), la rutina 500 fija la señal de SALIDA o en su límite alto o bajo para producir la fuerza máxima para cerrar la válvula. Se utiliza una zona muerta de cierre hermético, típicamente del 0.5 al 1%, para evitar el movimiento trivial de la válvula cerca de la posición de cierre hermético. La válvula 10 permanecerá completamente cerrada hasta que el punto de ajuste supere la posición de cierre hermético más una zona muerta de cierre hermético (por ejemplo, 5% +
0.5%).

Se emplea un paso amortiguador 510 para manipular la velocidad de respuesta de la válvula, calculando un punto de ajuste actual de la posición (Z_{CSP}) con un coeficiente de amortiguación ajustable (\alpha) o el coeficiente de amortiguación fijo (\alpha0) descrito en la siguiente ecuación:

9

donde

10

t = tiempo, s

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

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

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

No hay amortiguación con \alpha=0, y la amortiguación es máxima cuando \alpha tiende a 1. Si se desea una respuesta rápida de la válvula, se debe fijar el coeficiente de amortiguación en cero (ninguna amortiguación). Es importante limitar la amortiguación (fijar \alpha_{0}=0 ó cerca de 0) en una zona muerta de amortiguación (típicamente del 0.3 al 1%), de forma que la precisión y la banda muerta de la ejecución no se degraden.

En la alternativa, puede reescribirse la ecuación 11 para utilizar el coeficiente de amortiguación en formato entero, tal y como sigue:

11

donde

\vskip1.000000\baselineskip

12

\vskip1.000000\baselineskip

El error de posición es igual al punto de ajuste actual menos la posición medida. Dependiendo de si el sistema del actuador de la válvula actúa directa o inversamente, el signo del error puede tener que invertirse en el paso 512, de forma que el control de posición sea siempre un bucle de realimentación negativa.

En el paso 514, se diseña un filtro anti-ruidos para eliminar por filtración el ruido del error de posición. Si el ruido contiene una proporción significativa de ruido periódico, se promedian los errores de posición. También se puede aplicar una zona muerta apropiada (por ejemplo, del 0.03 al 0.08%) basada en el nivel de ruidos para eliminar el ruido por filtración.

En el paso 516, se diseña una zona muerta para tratar el comportamiento de adherencia-deslizamiento del desplazamiento de la válvula, que es típico si la válvula 10 es una válvula de alta fricción. La alta fricción en el movimiento del vástago de la válvula 64 da lugar a veces a un comportamiento de adherencia-deslizamiento, porque la fricción estática es más alta que la fricción dinámica. La alta fricción y el comportamiento de adherencia-deslizamiento pueden dar lugar a una respuesta lenta, alta histéresis más banda muerta y/o ciclo límite del movimiento de la válvula. Si la válvula 10 es una válvula de baja fricción sin comportamiento de adherencia- deslizamiento, la zona muerta será
cero.

Después, se ejecuta una rutina no lineal integral proporcional-más-derivado-más-estado-estacionario (PD-SSI) 520. La rutina PD-SSI 520 utiliza un control no lineal proporcional-más-derivado para fijar rápidamente la posición de la válvula 10 en o cerca de su punto de ajuste, entonces enciende un control integral de estado estacionario especial para eliminar o minimizar el error de estado estacionario. Usando la rutina PD-SSI 520, se puede reducir perceptiblemente la histéresis (más banda muerta) de una válvula de alta fricción al 0.05 - 0.3%, mientras que siga pudiéndose lograr una respuesta dinámica rápida. La zona muerta se fija, por tanto, (en el paso 516) para proporcionar la resolución mínima del movimiento de la válvula, de forma que cuando la válvula 10 se desplace a esta zona muerta minimizada, el controlador deje de manipular su salida para evitar un posible ciclo límite. La rutina PD-SSI 520 puede expresarse en forma de transformada de Laplace tal y como sigue:

\vskip1.000000\baselineskip

13

\vskip1.000000\baselineskip

SALIDA(s) = salida de controlador en forma de transformada de Laplace

K = ganancia

ITERM = salida de equilibrio del BIAS en forma de transformada de Laplace

\vskip1.000000\baselineskip

14

\vskip1.000000\baselineskip

K_{D} = ganancia derivada, típicamente 8-16 s^{-1}

T_{D} = tiempo derivado

- Z_{E} = error de posición en forma de transformada de Laplace

La ganancia no lineal K será discutida más adelante detalladamente.

Las rutinas de control no integrales convencionales tienen errores de estado estacionario inherentes o compensaciones inherentes. Estos errores de estado estacionario estarán afectados por numerosos factores tales como la temperatura ambiente y los efectos envejecedores, que pueden afectar a características de los componentes. Los errores de estado estacionario, si son significativos, darán lugar a una capacidad reducida o a un cierre pobre, lo que requiere la calibración y ajuste de campo. En cambio, el control integral es eficaz en la eliminación de estos errores de estado estacionario y reduce, por tanto, la necesidad de exactitud y linealidad de varios componentes, tales como el transductor I/P 22 y la válvula de carrete 24.

No obstante, el control integral tiende a causar un sobrepaso de la posición y un ciclo límite así como una saturación. Para hacer un uso total de las ventajas del control integral y evitar, al mismo tiempo, sus desventajas, la rutina PD-SSI 520 utiliza un control integral de estado estacionario, que se apague durante una respuesta transitoria y cuando la válvula 10 esté en o cerca de la posición totalmente cerrada y completamente abierta, y se encienda cuando esté en estado estacionario. El control integral empleado en la rutina PD-SSI 520 puede expresarse como sigue:

15

P_{f} =

ganancia proporcional en la operación de llenado con aire para el actuador de efecto simple, y para la operación abierta para el actuador de doble efecto

T_{I} =

tiempo del intervalo

n\Deltat =

periodo del cálculo del control integral

Z_{E} =

error de posición después del filtro anti-ruidos (paso 514) y ajustado según la zona muerta (paso 516).

La ecuación citada anteriormente solamente se ejecuta cuando se satisfacen todas las siguientes condiciones:

16

El intervalo de tiempo TI debe fijarse en un valor razonablemente grande (típicamente de 0.3 a 2.0 segundos), de forma que el control integral se encienda solamente cuando la válvula 10 esté en o cerca de un estado estacionario. El control integral se ejecuta después de un intervalo n\Deltat mucho mayor que el periodo de cálculo de la rutina de posición (\Deltat), en vista de la mayor cantidad de tiempo necesaria para modificar la presión del actuador para superar la fricción de la válvula cuando la posición Z_{E} esté cerca de cero. Esto ayuda a evitar el ciclo límite. Puede desearse un control integral no lineal, que tiene más efecto para un mayor error, para reducir un gran error de estado estacionario más rápidamente al arrancar la válvula, o durante cambios repentinos en el ambiente, tales como temperatura ambiente y vibración.

El control de la válvula es intrínsecamente no lineal. En la rutina PD-SSI 520, la ganancia no lineal K se utiliza para compensar estas no-linealidades inherentes. La siguiente descripción se basa en la asunción de que un aumento de la salida del controlador dará lugar al llenado con aire del actuador 26 para un actuador de efecto simple o una válvula abierta para un actuador de doble efecto. Sin embargo, también se aplica a la situación opuesta con una cierta modificación directa en las siguientes ecuaciones relacionadas.

La ganancia K del controlador puede expresarse como:

17

donde:

f(\beta, Z_{E}) =

factor no lineal de ganancia relacionado con el tamaño del error

f(\gamma_{E},Z_{M},Z_{E}) =

factor no lineal de ganancia relacionado con la posición en la operación de expulsión del aire para el actuador de efecto simple, y en operación cerrada para el actuador de doble efecto

f(\gamma_{F},Z_{M},Z_{E}) =

factor no lineal de ganancia relacionado con la posición en la operación de llenado del aire para el actuador de efecto simple, y en operación abierta para el actuador de doble efecto

P_{E} =

ganancia proporcional en la operación de expulsión del aire para el actuador de efecto simple, y en operación cerrada para el actuador de doble efecto

P_{F} =

ganancia proporcional en la operación de llenado del aire para el actuador de efecto simple, y en operación abierta para el actuador de doble efecto

\beta =

coeficiente no lineal relacionado con el tamaño del error

\gamma_{E} =

coeficiente no lineal relacionado con la posición en la operación de expulsión del aire para el actuador de efecto simple, y en operación cerrada para el actuador de doble efecto

\gamma_{F} =

coeficiente no lineal relacionado con la posición en la operación de llenado del aire para el actuador de efecto simple, y en operación abierta para el actuador de doble efecto

Z_{E} =

versión a escala de un valor de posición manual ZPOS

Si el actuador 26 es un actuador del resorte-diafragma, la velocidad del aire que llena el actuador depende de la presión de suministro del aire, mientras que la velocidad del aire que abandona el actuador es independiente de la presión de suministro del aire. Esto da lugar a respuestas absolutamente diferentes en la dirección de apertura y cierre si sólo se utiliza una única ganancia proporcional. Para compensar este comportamiento asimétrico y hacer las respuestas de apertura y cierre independientemente ajustables, las ganancias proporcionales independientes se utilizan en esta rutina para controlar independientemente las respuestas de apertura y cierre de la válvula. Un paso selector de ganancia 522 determina automáticamente qué ganancia se debe utilizar en base a la dirección de desplazamiento del valor. Además, si el actuador 26 es un actuador de doble efecto, a menudo se desea utilizar diferentes ganancias para manipular las respuestas de apertura y cierre independientemente.

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

18

Cuando \beta es 0, el factor f es igual a 1.0 y la ganancia del controlador K es independiente del error. Cuanto más grande sea \beta, más grande será la no-linealidad de la ganancia del controlador. Se puede utilizar un error de tamaño medio típico del 2% al 6% como error de referencia en la ecuación citada anteriormente. En el error de referencia, el factor no lineal es siempre 1.0.

Puede desearse una ecuación correspondiente de compensación de la ganancia en formato de número entero por ahorro de tiempo de cálculo y de memoria:

19

El \beta^{0} está confinado a un rango de 0 a 9. Si se selecciona un error de referencia del 5%, el factor no lineal de la ganancia puede ilustrarse como en la Tabla 1.

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TABLA 1

20

TABLA 1 (continuación)

22

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Las respuestas de la válvula están también relacionadas con la posición, (es decir, las respuestas de la válvula son diferentes en diferentes posiciones), relacionadas con el tipo de actuador, y relacionadas con el tipo de válvula. Para una válvula con un actuador de efecto simple, esta no-linealidad relacionada con la posición es mucho más alta en la dirección de llenado del aire que en la dirección de expulsión del aire. Considere, por ejemplo, un cambio decisivo del 5%. Una válvula de aire-para-abrir abre mucho más rápidamente a partir de del 10% al 15% que a partir de del 90% al 95% debido al llenado del aire, según lo descrito anteriormente en detalle. Sin embargo, la respuesta de este cierre de la válvula (aire saliendo) no es drásticamente diferente a lo largo de todo el rango de operación.

El modelado matemático puede simular las respuestas citadas anteriormente. Para una válvula de carrete de efecto simple típica, el flujo total de aire se puede describir mediante las siguientes ecuaciones:

23

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24

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donde

k_{i} = coeficiente de flujo del puerto de suministro al actuador

k_{0} = coeficiente de flujo del actuador al puerto de extracción

P_{e} = presión del puerto extractor

P = presión del actuador

P_{a} = presión del puerto de suministro

T = temperatura del aire

T_{ref} = temperatura de referencia

w_{i} = flujo másico de llenado de aire

w_{0} = flujo másico de expulsión de aire

x = desplazamiento del conector piloto

x_{T} = 0.84 (factor de ratio de gota de presión, adimensional)

Las ecuaciones 25-28 son aproximaciones del flujo básico de orificio, con la asunción de que el aire es un gas ideal a una temperatura ambiente y a una presión inferior a los 80 PSI.

Con las asunciones de que el aire en el actuador es un gas ideal y el proceso en el actuador es adibático, puede demostrarse que:

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25

\vskip1.000000\baselineskip

m = masa de aire, lbm

M = peso molecular del aire

R = constante del gas,

v = volumen de aire, in^{3}

1 = ratio de calor específico del aire, 1.40

p = presión

T = temperatura

La siguiente ecuación se puede derivar de las dos ecuaciones citadas anteriormente:

26

Con la asunción de un área efectiva constante, la ecuación citada anteriormente se puede reescribir para que el aire en ambos lados del conector de válvula 62 dé:

27

A_{a} = área efectiva del conector de válvula 62

z = posición del vástago de la válvula en pulgadas o milímetros

Si el volumen inicial de aire tiende a cero y v es proporcional a z, podemos simplificar la ecuación citada anteriormente como:

28

Para el llenado de aire, w_{i} es la variación de la masa de aire (dm/dt). Para la misma compensación para la válvula de carrete 24, el flujo másico de llenado de aire es máximo cuando el volumen de aire es mínimo. El primer término es el mayor y el segundo término es el menor en la parte derecha de la ecuación citada anteriormente, que causa que el movimiento de la válvula (dz/dt) sea el más rápido cuando la presión de aire del actuador sea mínima. Las respuestas de la válvula 10 reducirán su velocidad al elevarse la presión del aire del actuador 26 y el volumen del aire (dm/pdt caerá rápidamente).

Para la expulsión de aire, w_{0} =dm/dt, el flujo másico de aire expulsado será mayor al elevarse la presión para el actuador 26. Esto da lugar a una variación dm/pdt mucho menos significativa que en la operación de llenado del aire. Por tanto, la compensación de la ganancia para la operación de llenado del aire es mucho -más importante que para la operación de expulsión del aire. En consecuencia, la compensación de la ganancia relacionada con la posición debe distinguir entre las operaciones de llenado y expulsión de aire.

Del análisis citado anteriormente, llega a ser necesario aplicar la compensación de la ganancia 526 relacionada con la posición para la operación de llenado del aire para tener un funcionamiento dinámico más uniforme en un amplio rango de operación de válvula para el caso de que el actuador 26 sea de efecto simple. Por lo tanto, como compensación de la ganancia relacionada con el tamaño del error 524, se utilizan las siguientes ecuaciones similares de compensación de la ganancia para el actuador de efecto simple 26:

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29

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donde Z^{ref} es la posición de referencia, en la que el factor f es siempre 1.0, independientemente del valor de los coeficientes no lineales \gamma_{F} o \gamma_{E}. Se puede emplear una posición típica de la válvula del 30% al 70% como posición de referencia, en la que se puede aplicar un método de autoajuste o de ajuste manual para determinar el parámetro de ajuste, incluyendo la ganancia proporcional. Las ganancias proporcionales en otras posiciones se pueden ajustar por medio de los coeficientes no lineales \gamma_{F} y \gamma_{E} para alcanzar una operación dinámica similar a la de la posición de referencia.

Según el análisis citado anteriormente, no-linealidad relacionada con la posición en la dirección de llenado del aire es mucho mayor que en la dirección de expulsión del aire para el actuador de efecto simple 26, dando por resultado la relación entre dos coeficientes no lineales:

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30

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Por motivos de ahorro de tiempo de cálculo y memoria pueden desearse dos ecuaciones correspondientes de compensación de la ganancia en formato de número entero para un actuador de efecto simple:

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31

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donde los números enteros \gamma_{F}^{0} y \gamma_{E}^{0} se confinan a un rango de 0 a 11. Una vez más, los coeficientes no lineales relacionados con la posición deber elegirse de forma que \gamma_{F}^{0} > \gamma_{E}^{0}.

Si se elige un error de referencia del 40% para una válvula de aire-para-abrir, el valor de los factores no lineales de la ganancia citados anteriormente se ilustra abajo en la Tabla 2. Hay un módulo límite alto-bajo 530 para limitar la salida 534, calculada por medio de la ecuación 15. La salida 534 del módulo límite 530 se transformará en una señal analógica, por ejemplo, una corriente, conectada con el transductor I/P 22 y el piloto a la presión del actuador de la válvula de control y a la posición de la válvula.

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TABLA 2

32

Por ejemplo, si \gamma_{E} es igual a 2 y la posición medida Z_{M} de la válvula es igual al 20%, la función f (\gamma_{E}, Z_{M}, Z_{E}) tendrá el valor 0.963, que se puede utilizar en la ecuación 21 citada anteriormente.

Rutina de Autoajuste del Control de Posición de la Válvula

Las características de control de la posición de la válvula difieren significativamente debido a los diferentes tipos y tamaños de los actuadores y las válvulas producidos por diferentes fabricantes, diferentes características de los transductores de I/P y de los dispositivos de relé, las presiones de suministro de aire y las capacidades y las condiciones del proceso, etc. Esto dificulta el ajuste del controlador de la posición de la válvula y lo vuelve consumidor de tiempo. La presente invención proporciona una rutina de autoajuste que tenga en cuenta variables tales como la ganancia del controlador, error de estado estacionario, y zona muerta y que determine automáticamente los parámetros de control para la válvula de control.

La Fig. 13 proporciona un gráfico 540 que describe cómo responde la posición de la válvula a un cambio en el punto de ajuste. La Fig. 14 proporciona un gráfico 542 que describe una respuesta mejorada de la posición de la válvula, en la manera prevista por una rutina de autoajuste descrita más adelante. El gráfico 540 ilustra una respuesta de paso típica de la posición de la válvula después de un autoajuste acertado. En comparación con el gráfico 540, el gráfico 542 muestra una respuesta más rápida con menos sobrepaso, por ejemplo, un mejor funcionamiento dinámico. Un objetivo del autoajuste es obtener los parámetros para el módulo del controlador ejecutado en el microprocesador 18.

Los diagramas de flujo de autoajuste, abajo, utilizan las siguientes definiciones:

\quad

Ganancia del controlador (P) - ratio de salida frente a entrada. La salida es la señal de SALIDA proporcionada al transductor I/P; la entrada es el error de posición, la diferencia del punto de ajuste de la posición y el valor real de la posición.

\quad

Control integral de estado estacionario (I) - I se emplea para eliminar el error de estado estacionario, según lo descrito en la anterior ecuación 21.

\quad

Tiempo derivado (T_{D}) - variable de control de reparto para acelerar la respuesta de la válvula: por ejemplo, para desplazar la válvula del 40 al 50, el control del T_{D} acelerará al principio la respuesta y, cuando la válvula se mueva al punto de ajuste 50%, el valor de T_{D} frenará la respuesta para evitar un sobrepaso.

\quad

Tiempo muerto (Td) - intervalo del tiempo entre la iniciación de la variación del punto de ajuste de la posición y el comienzo de la respuesta observable resultante.

\quad

Retardo de tiempo (\tau_{d}) - intervalo de tiempo para invertir un movimiento de la válvula durante un ensayo de anillo abierto.

\quad

Zona muerta (Z_{\alpha}) - zona del error de posición en la que se asume que el error de posición para que el proceso produzca una salida del control es cero. Se utiliza intencionalmente para ocuparse del comportamiento de adherencia-deslizamiento y ruido de la válvula.

\quad

Posición final (Z_{\infty}) - posición que la válvula alcanza después de un tiempo suficiente (T).

\quad

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

\quad

Velocidad mínima (V_{min}) - velocidad mínima de desplazamiento de la válvula durante el periodo de (T_{d} + 0.1 T_{p}) a (0.8 T_{p}), cuando 0.7 T_{p} > T_{d}.

\quad

Sobrepaso (IS_{+}) - excursión máxima más allá del valor estacionario-estacionario final (véase la Fig. 13). IS_{+} = abs [(Z_{p} - Z_{\infty})/Z_{\infty}]

\quad

Sobrepaso (IS_{-}) - excursión máxima más allá del valor estacionario-estacionario final, en dirección contraria. IS_{-} = abs [(Z_{\infty}-Z_{M})/Z]

\quad

Límite de Sobrepaso (IS_{M}) - sobrepaso máximo permitido, es decir, IS_{+}, IS_{-} \leq IS_{M}.

\quad

Posición máxima (Z_{p}) - excursión máxima más allá de la posición inicial.

\quad

Tiempo máximo (T_{p}) - intervalo del tiempo requerido para que una válvula se mueva desde la iniciación del cambio del punto de ajuste de la posición hasta su posición máxima (Z_{p}).

\quad

Tiempo de respuesta (T_{r}) - intervalo del 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_{-}).

\quad

Error de estado estacionario (\DeltaZ_{\infty}) - diferencia entre la posición final y el punto de ajuste de la posición \DeltaZ_{\infty} = Z_{\infty} - Z_{sp}

En referencia a la Fig. 15, una rutina de autoajuste 550 determina rápida y automáticamente los parámetros de control apropiados para eliminar la necesidad de ajuste manual. Además, la rutina 550 puede detectar los problemas que puedan afectar al funcionamiento y a la operación del sistema. La rutina de autoajuste 550 incluye tres subrutinas: una rutina de localización del BIAS 552, un ensayo de bucle abierto 554 y un ensayo de bucle cerrado 556.

En referencia a la Fig. 16, la rutina de localización del BIAS 552 se diseña para encontrar un valor exacto del BIAS al transductor I/P 22 para el segundo paso de un ensayo de bucle abierto. En el paso 560, se fija el BIAS inicialmente en el punto medio de un valor mínimo predeterminado para el BIAS, "Bmin", el valor actual para el BIAS (o un valor medio si no existe ningún valor actual), y un valor máximo predeterminado para el BIAS, "Bmax". Un valor de variación del BIAS, "\DeltaB", se fija en un valor inicial predeterminado.

\hbox{En el paso 562, se fija la señal de  SALIDA en el
BIAS.}

En los pasos 564-568, la posición de la válvula se fija dentro de un límite alto predeterminado "hi_limit" y un límite bajo predeterminado "lo_limit." En los pasos 570-574, el posicionador 12 espera hasta la variación absoluta en la presión "P1" de la señal de presión 40 es mayor que el 0.5%. En el paso 576, se determina un primer rango de presión "PR_{1}" como variación en la presión a lo largo del tiempo transcurrido "\Deltat."

En los pasos 578-582, el posicionador 12 espera nuevamente hasta que la variación absoluta en la presión de la señal de presión 40 sea mayor que el 0.5%. En el paso 584, se determina un segundo rango de presión "PR_{2}" como variación en la presión durante el tiempo transcurrido.

En el paso 586, si los ratios de presión PR_{1}, PR_{2} son del mismo signo aritmético, después, en el paso 588, se ajusta, por consiguiente, el valor del BIAS y la ejecución vuelve al paso 562. Si no, en el paso 590, se redefine el BIAS a un nuevo valor basado en los ratios de presión PR_{1}, PR_{2}, y el valor de variación del BIAS \DeltaB.

En el paso 592, si cualquiera de los ratios de presión PR_{1}, PR_{2} está por encima del el límite de alta presión "Hi_Limit", entonces, en el paso 594, se ajusta el valor de variación del BIAS \DeltaB y la ejecución retorna al paso 562. Si no, en el paso 596, si el ratio de presión PR_{1} o PR_{2} está por debajo del límite de baja presión "Lo_Limit", entonces, en el paso 598, se ajusta el valor de variación del BIAS \DeltaB y la ejecución retorna al paso 562. En el paso 600, si la variación en, los rangos de la presión es relativamente pequeña, la ejecución vuelve al paso 562. Si no, la rutina de localización del BIAS 552 devuelve el valor del BIAS calculado a la rutina de autoajuste 550.

En referencia a la Fig. 17, se emplea el ensayo de ajuste de bucle abierto 554 para obtener características de sistema y parámetros de control de cálculo. En el paso 620, se abre la válvula 10 y los tamaños de paso para el transductor I/P 22 "\DeltaU_{F}", "\DeltaU_{E}, " y "\DeltaU_{0}" se fijan en un valor inicial. En el paso 622, se llama a una subrutina de PASO 623 (Fig. 18) para obtener un retardo de tiempo \tau_{d1} y una primera velocidad de desplazamiento de la válvula V_{1} para una respuesta transitoria de la válvula. También se define un valor intermedio de la ganancia K_{p1}. En el paso 624, se llama otra vez a la subrutina de PASO 623 para obtener un segundo retardo de tiempo \tau_{d2} y una segunda velocidad de desplazamiento de la válvula V_{2}. También se define un segundo valor intermedio de la ganancia K_{p2}.

En el paso 626, si la primera velocidad de desplazamiento de la válvula V_{1} no se encuentra entre la velocidad mínima V_{min} y la velocidad máxima V_{max}, se actualiza el tamaño de paso \DeltaU_{F} y la ejecución vuelve al paso 622. Si no, la rutina procede al paso 628. En el paso 628, si la segunda velocidad intermedia V2 no se encuentra entre la velocidad mínima V_{min} y la velocidad máxima V_{max}, se actualiza el tamaño de paso \DeltaU_{E} y la ejecución vuelve al paso 622. Si no, la ejecución procede al paso 630, donde se determinan los puntos de ajuste de la posición P_{F} y P_{E} y el tiempo muerto T_{d}. En el paso 632 se calculan, por consiguiente, el intervalo de tiempo T_{I} y la zona muerta Z_{dx}. Entonces, la rutina de ajuste de bucle abierto 554 vuelve a la rutina de autoajuste 550.

En referencia a la Fig. 18, la subrutina de PASO 623 lee y almacena continuamente los datos de posición Z para diferentes valores de la señal de SALIDA al transductor I/P 22. En el paso 650, se fija la señal de SALIDA en el BIAS. En los pasos 652 -658, se leen y se almacenan continuamente dos posiciones Z, y Z hasta que la posición de la válvula se estabilice relativamente. En el paso 660, se fija la señal de SALIDA entonces en BIAS - \DeltaU/2 y, en los pasos 662-664, se leen y se almacenan continuamente las dos posiciones Z, y Z hasta que la posición de la válvula se estabilice relativamente.

En el paso 666, la señal de SALIDA se fija otra vez en el BIAS. En el paso 668, el posicionador 12 espera que la válvula 10 se estabilice. En el paso 670, la señal de SALIDA se fija en BIAS+\DeltaU y se restaura la posición inicial Z. En los pasos 672-674, un contador "I" contabiliza el tiempo antes de que la válvula 10 se haya desplazado (la posición Z es significativamente diferente de la posición inicial Z_{I}). En el paso 676, se calcula el retraso temporal \tau_{d}. En los pasos 678-682, se determina el valor de la velocidad V como variación en la posición durante un periodo de tiempo discreto. En el paso 684, la subrutina de PASO 623 vuelve al procedimiento que la llamó.

En referencia a la Fig. 19, el ensayo de bucle cerrado 556 cierra el bucle de posición y ajusta los parámetros de control para lograr buenas respuestas dinámicas en las direcciones de desplazamiento de apertura y cierre de la válvula, utilizando rutinas de ajuste. Un bucle de posición es una ruta que incluye una ruta hacia delante para que la señal controle al actuador y, por tanto, la posición de la válvula, una ruta de realimentación incluyendo el sensor de posición 46, y un comparador para comparar la ruta delantera y la ruta de realimentación.

Como los componentes individuales (por ejemplo, la válvula de carrete 24) variarán en ganancia, no es posible mantener el bucle total de ganancia constante. En el paso 700, dos contadores CONTADOR y el CASO se fijan a cero. En el paso 702, si CONTADOR ha superado un limite predeterminado, entonces, en el paso 704 se muestra un mensaje de error en la pantalla 52. Si no, en los pasos 706-708, se desplaza la válvula repetidamente para que puedan determinarse los valores T_{d}, T_{p}, Z_{p}, Z_{\infty} E1 T_{r}, IS_{+}, IS_{-}, V_{max}, y V_{min} pueden determinarse como se ha descrito anteriormente. En el paso 710, se fija una bandera D_Grande. En el paso 712, si el contador CASO se encuentra por debajo de un límite predefinido, la ejecución procede al paso 714 donde la válvula 10 se ajusta en una primera dirección. Si no, la ejecución procede al paso 716 donde la válvula 10 se ajusta en la dirección contraria.

En referencia a las Fig. 20 y 21, la subrutina de ajuste hacia delante 714 y la subrutina de ajuste hacia atrás 716 calculan los valores T_{D}, P_{P} y el P_{E} y ajustan el contador CASO correspondientemente. Si la subrutina de ajuste hacia delante 714 tiene éxito, el CASO se fija en un valor para garantizar que la subrutina de ajuste hacia atrás 716 se ejecute después. Si la subrutina de ajuste hacia atrás 716 tiene éxito, terminará el ensayo de bucle cerrado 556.

Refiriéndose otra vez a la Fig. 15, la rutina de autoajuste 550 posee muchas ventajas frente a las rutinas convencionales. La rutina 550 se aplica a un sistema electro-neumático-mecánico altamente no lineal, incluso a aquellos con una gran banda muerta. Además, la rutina 550 maneja el comportamiento asimétrico del control de posición de la válvula ajustando las ganancias de control para ambas direcciones de desplazamiento de la válvula. Además, la rutina 550 estima las zonas muertas para las válvulas con comportamiento de adherencia-deslizamiento. Adicionalmente, la rutina 550 simplifica el modelado abstrayendo solamente las características más importantes y utiliza estos datos solamente para la estimación de los parámetros de control. Los parámetros estimados son refinados por las respuestas de paso de bucles cerrados. Además, la rutina 550 detecta los problemas que afectan a la ejecución y operación de la válvula.

Cámara de Software para la Auto-Caracterización de la Válvula

Una cámara mecánica es una placa de metal empleada en válvulas. Las diferentes formas de las placas de metal proporcionan diferentes características a la válvula. Las características de la válvula son muy importantes para el control del flujo en un bucle de control, como si se empleara una relación lineal entre la posición de la válvula y el ratio de flujo. El ajuste característico de la válvula es uno de los métodos más efectivos para obtener una ganancia de bucle constante. La limitación de proceso a la salida del controlador, apertura de la válvula, y/o variable de proceso debe fijarse inicialmente, de forma que allí no sean aceptables las perturbaciones al proceso durante el ensayo en
línea.

La presente invención proporciona una rutina del software que se comporte como una cámara mecánica y referida en adelante como "cámara de software". Nuevamente en referencia a la Fig. 1, en una ejecución, se inserta una cámara de software 750 entre la salida del microprocesador 18 y el convertidor D/A 20 para obtener una relación deseada entre la salida de controlador y la variable de proceso. Se entiende que la cámara de software 750 puede almacenarse en varios lugares en el posicionador 12.

En referencia a la Fig. 22, una rutina de auto-caracterización 752 inicia un ensayo en línea y determina automáticamente las características apropiadas de la válvula basadas en los datos del ensayo. Primero, en el paso 754, se supone una característica fija de la válvula, tal como el porcentaje equivalente o lineal. En el paso 756, el controlador desplaza la válvula. En el paso 758, se miden las correspondientes variables de proceso de estado estacionario (flujo, nivel, etc.). En el paso 760, se comparan las variables de estado estacionario medidas con una curva deseada de salida de controlador frente a variable de proceso. En el paso 760, se emplea la diferencia entre las variables de estado estacionario y una relación deseada de salida de controlador frente a variable de proceso para ajustar la característica del software de la válvula, minimizando de este modo la diferencia. La cámara 750 se actualiza
correspondientemente.

La rutina de auto-caracterización 752 puede substituir a los métodos de ensayo-y-error en la determinación de la característica de una válvula. La rutina se puede aplicar fácilmente al controlador de válvula por microprocesador 18 del posicionador 12, que puede aceptar una señal de variable del proceso. La rutina de auto-caracterización 752 garantiza la uniformidad de ejecución del control en todas las condiciones de la operación, compensando las no-linealidades del proceso. Esto simplifica el diseño del controlador y simplifica el ajuste del controlador a una condición típica del proceso. Además, generalmente puede eliminarse el re-ajuste del controlador cuando cambien las condiciones de proceso, y sea fácil mantener un funcionamiento uniforme del control.

Fallo del Modo I/P para el Posicionador de la Válvula

La realimentación de la posición se añadió para mejorar la exactitud de los posicionadores. Sin embargo, si el sensor de posición o la señal de realimentación de la posición falla, la realimentación de la posición no funcionará, se perderá el control y el posicionador 12 se apagará. En respuesta, algunos posicionadores por microprocesador se configuran de forma que, en caso de ciertos tipos de fallo del posicionador, la válvula se posicione en condiciones seguras o se bloquee en el sitio. Cuando se pierde la realimentación de la posición, la presente invención utiliza el sensor de realimentación de la presión 44 para controlar el posicionamiento con una mínima pérdida de precisión. Por tanto, la presente invención proporciona la opción de posicionar la válvula 10 basada en la posición implicada por la señal de retorno de la presión del actuador 40 incluso en caso de fallo de medición de la posición.

En referencia a la Fig. 23, la rutina 800 dirige al posicionador 12 a identificar un sensor de posición 46 fallido, por ejemplo si el posicionador 12 depende de lecturas incorrectas de la señal de retorno de la posición 42 en respuesta a controles de posición. Si se detecta un sensor de posición fallido, el posicionador 12 calcula la presión del actuador requerida para alcanzar la posición deseada y utiliza un algoritmo de control de la presión para fijar la válvula.

En los pasos 802 y 804, se miden la corriente y el voltaje del sensor de posición 46. En los pasos 806 y 808, se recibe la señal de retomo de la posición 42 y se compara con los límites predeterminados. Si una de las condiciones de los pasos 802-808 no cumple los límites predeterminados, la ejecución procede al paso 810, donde se lee la presión del actuador a través de la señal de retomo de la presión 40.

En el paso 812, el controlador convierte una posición deseada de la válvula en una presión correspondiente del actuador. Una relación típica entre la posición de la válvula y la presión del actuador se mantiene en el microprocesador 18. Esta relación se puede pre-programar, por ejemplo durante la fabricación del posicionador 12, determinada durante las rutinas de calibración o mantenida continuamente durante la operación normal. Por ejemplo, la válvula 10 se puede golpear de un extremo al otro y las presiones se pueden registrar en varias posiciones. Por regla general, la posición de la válvula es función de varias variables:

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Con un actuador de resorte-diafragma, los efectos de la presión del proceso, la temperatura y la fricción son relativamente pequeños en comparación con los de la presión del actuador. Por tanto, la ecuación citada anteriormente se puede representar alternativamente como:

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e inversamente:

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Por tanto, el posicionador 12 puede determinar la presión del actuador a partir de la posición deseada de la válvula con un nivel moderado de exactitud.

En el paso 814, una rutina de control de la posición ajusta la presión del actuador para alcanzar la posición deseada, según lo determinado a partir de la señal de retomo de la presión 40. Alternativamente, si en el paso 808 todas las revisiones del voltaje y de la posición fueron aceptables, entonces, en el paso 816, la rutina de control de la posición ajusta la presión del actuador para alcanzar la posición deseada, según lo determinado a partir de la señal de retomo de la posición 42.

Posicionador con Rutina de Diagnóstico del Estado del Asiento

Las fugas en el asiento de una válvula ha sido siempre un problema importante del sistema de control y emisión de costes de mantenimiento para las válvulas en general. Las fugas pueden originarse por desgaste normal, desgaste excesivo debido a los materiales extraños atrapados, o estrangulamiento de levante parcial excesivo.

Una fuente de problemas de fugas del asiento impredecibles exactamente es el atrapamiento de materiales extraños entre los elementos del asiento de válvula 68 al cerrarse la válvula. Los materiales extraños pueden no estar allí durante cierres subsiguientes y la válvula puede parecer completamente cerrada. Dependiendo de las condiciones de aplicación, incluso el daño más leve del asiento 68 debido al material atrapado puede conducir a desgaste y daño excesivos del asiento durante futuros periodos prolongados de cierre a alta presión de gota.

Otro problema que puede originar las fugas en el asiento tiene lugar en las válvulas que proporcionan un cierre muy hermético (salida permitida aprox. cero) y utilizan materiales elastoméricos blandos para el asiento 68 para lograr la mejor ejecución del cierre. Sin embargo, en condiciones de medias a altas de la presión de gota, el estrangulamiento a levante parcial muy bajo puede dar lugar a altas velocidades de flujo que pueden dañar o destruir fácilmente el material elastomérico del asiento.

Se ha utilizado una variedad de métodos para tratar problemas de fugas, incluyendo la supervisión de los componentes aguas abajo, utilizando los relés neumáticos para superar el estrangulamiento a levante parcial, y establecimiento de las planificaciones de mantenimiento en base al desgaste estimado. Todos estos métodos tienen defectos que son superados por la presente invención.

Supervisando la temperatura de los componentes situados aguas abajo (tuberías) y/o la supervisión por vibración ultrasónica del vástago de la válvula de control sólo identifica un problema de fugas después de que haya ocurrido, y el daño y la pérdida significativos de eficiencia del proceso pueden producirse antes de que el sistema pueda pararse para su reparación. En cambio, las rutinas de la presente invención, según lo discutido detalladamente con respecto a las Fig. 24-26, proporcionan un método predictivo mejorado para permitir el mantenimiento apropiado de la válvula de control antes de que haya ocurrido la fuga, obteniéndose de este modo una solución más
económica.

Un relé neumático instalado en el actuador neumático no permitirá que la válvula se abra a las señales de levante por debajo de una señal de control mínimo determinada, eliminando así el desgaste por estrangulamiento de levante parcial. El problema de esta solución es que la válvula no puede estrangular ni siquiera a través de la región entre cerrada (sentada) y el punto de ajuste de levante parcial durante un breve intervalo de tiempo, que puede no ser perjudicial. La presente invención proporciona varias rutinas de diagnóstico del estado del asiento (Fig. 24-26) para el posicionador 12 que supervisan continuamente el tiempo que la válvula 10 pasa estrangulando a levantes excesivamente bajos. Las rutinas supervisan también el tiempo que la válvula 10 está cerrada y el tiempo que la válvula está casi cerrada en condiciones de cierre, conservando un archivo total en directo de estos tiempos. Las rutinas pueden permitir el estrangulamiento a través de la región de levante parcial por un tiempo especificado antes de que se de aviso o se aplique el punto de ajuste mínimo (la válvula está cerrada). Los datos registrados se pueden comparar entonces con la cantidad de tiempo que la válvula 10 ha pasado cerrada durante la operación del sistema para determinar el potencial de problemas de fugas del asiento.

Actualmente se establecen planificaciones de mantenimiento para válvulas de control en base a pasadas experiencias de servicio de válvulas similares en servicios y condiciones de aplicación y no en el funcionamiento real de la válvula específica. El uso de estas planificaciones puede dar lugar a un mantenimiento prematuro en un sistema que esté operando eficientemente, o en fugas del asiento de válvula antes de la planificación de mantenimiento previsto, causando problemas operacionales del sistema y tiempos muertos imprevistos significativos. Una válvula de control con fugas puede causar también el ajuste excesivo de la válvula y el desgaste del cuerpo, dando por resultado significativos costes adicionales de reparación, que habría podido evitar, de otro modo, la detección anterior. En cambio, las rutinas de la presente invención (Fig. 24-26) proporcionan los datos operacionales reales que dan lugar a una predicción más exacta para las planificaciones de mantenimiento requeridas por la válvula, reduciendo de este modo el coste operacional total de aplicación de la válvula de control. Las actuales rutinas no requieren análisis independiente, aislamiento del sistema o parada normal del sistema para los requisitos de mantenimiento predictivos del asiento de válvula. Estas decisiones se pueden tomar durante la operación normal del sistema, ahorrando así el coste añadido del aislamiento y de los programas de análisis.

Las presentes rutinas (Fig. 24-26) incluyen una rutina de diagnóstico del desgaste del asiento de levante parcial 830, una rutina de diagnóstico del cierre del asiento de válvula 832, y una rutina de ajuste del levante controlable mínimo 834. Las rutinas pueden cerrar la válvula 10 si la señal de entrada de la válvula de control requiere un levante estrangulador por debajo de un punto de ajuste predeterminado (basado en las condiciones de servicio de la aplicación). Si fuera aceptable para la operación del control de sistema, las rutinas pueden prevenir un estrangulamiento de levante parcial que pueda dañar el asiento de válvula.

En referencia a la Fig. 24, la rutina de diagnóstico del desgaste del asiento de levante parcial 830 comienza en el paso 840 cuando el usuario o la fábrica elige esta opción y establece límites basados en las condiciones del servicio. Los límites incluyen una posición de levante de estrangulamiento mínimo (L_{m}) donde habrá un poco o nada de erosión del asiento 62, y un tiempo de estrangulamiento máximo (t_{M}) permitido por debajo de este levante. Estos límites se guardan en la memoria no volátil 48. En el paso 842, durante la operación normal, el posicionador 12 mide periódicamente la posición actual de levante (L_{c}) y proporciona realimentación 42 al microprocesador 18. En el paso 844, el microprocesador 18 compara el levante actual L_{c} con el levante de estrangulamiento mínimo L_{m}. En el paso 846, el microprocesador 18 determina si la válvula está en posición cerrada. Si la válvula 10 no está cerrada (L_{c} > posición cerrada) y si L_{m} < L_{c}, se registra el tiempo total en ejecución t_{C} hasta que L_{m} \geq L_{c} o la válvula esté cerrada. En el paso 848, se compara periódicamente el tiempo t_{C} con el tiempo máximo t_{M}. En el paso 850, si t_{C} > t_{M}, entonces se muestra en pantalla 52 un mensaje de diagnóstico tal como "SE REQUIERE INSPECCIÓN DEL ASIENTO DE LA VÁLVULA".

En referencia a la Fig. 25, la rutina de diagnóstico de cierre del asiento de válvula 832 comienza en el paso 860, cuando el usuario o la fábrica elige esta opción y establece límites basados en las condiciones del servicio. Los límites incluyen un tiempo máximo de fuga del asiento (t_{i}) durante la condición cerrada de la válvula 10. Se determina además un valor inicial para un tiempo en ejecución t_{S}. En el paso 862, después de la instalación inicial o restauración y calibración del ajuste de la válvula, la posición cerrada/sentada exacta de la válvula (L_{s}) es proporcionada por la señal de retorno de la posición 42 al microprocesador 18. En el paso 864, para cierres subsiguientes de la válvula 10, una posición cerrada del levante (L_{SI}) es proporcionada por la señal de retorno de la posición 42 al microprocesador 18 y registrada. En el paso 866, se compara la posición cerrada de levante L_{SI} con la posición cerrada/asentada exacta de la válvula L_{S}. Si, en el paso 868, la posición cenada de levante L_{SI} es mayor que la posición cerrada/asentada exacta de la válvula L_{S}, entonces, en el paso 870, se registra el tiempo total en ejecución t_{S}. La ejecución procede entonces al paso 872, donde el tiempo en ejecución t_{S} se compara con el tiempo máximo de fuga del asiento t_{i}. Si t_{S} > t_{i}, el posicionador 12 muestra en pantalla 52 un mensaje de diagnóstico tal como "SE REQUIERE INSPECCIÓN DEL ASIENTO DE LA VÁLVULA". Si no, la ejecución vuelve al paso
864.

En referencia a la Fig. 26, la rutina de ajuste del levante controlable mínimo 834 comienza en el paso 880 cuando el usuario o la fábrica elige esta opción y establece límites basados en las condiciones del servicio. Los límites incluyen una posición de levante (controlable mínima L_{cm}) basada en el nivel controlable de flujo mínimo requerido en servicio (aplicación) en términos de % del recorrido máximo de la válvula. En el paso 882, durante la operación normal, el posicionador 12 mide periódicamente una posición actual de levante (L_{ci}) proporcionada por la señal de retorno de la posición 42 al microprocesador 18. La posición actual de levante L_{ci} es un promedio de dos medidas tomadas con 10 segundos de diferencia. En el paso 884, se compara la posición actual de levante L_{ci} con la posición de levante controlable mínima L_{cm}. Si L_{ci} < L_{cm}, el posicionador 12 muestra en pantalla 52 un mensaje de diagnóstico tal como "VIOLACIÓN DEL AJUSTE DEL LEVANTE MÍNIMO DE LA VÁLVULA". En algunas ejecuciones, la válvula el 10 puede abrirse entonces por encima de la posición L_{cm}. Si no, la ejecución vuelve al paso
882.

Las rutinas de diagnóstico anteriormente descritas (Fig. 24-26) proporcionan muchas ventajas adicionales. Las rutinas proporcionan el punto controlable mínimo de levante de la válvula L_{cm}, que se puede fijar en base al tipo válvula 10 y a las condiciones de servicio de la aplicación. Las rutinas graban también el tiempo de estrangulamiento operacional de la válvula t_{c} pasado en o por debajo del punto de levante L_{m}. Las rutinas proporcionan un aviso si ciertos periodos de tiempo superan los límites predeterminados. Las rutinas se pueden combinar, por ejemplo, para cerrar la válvula 10, si el tiempo operacional de estrangulamiento t_{S} pasado en o por debajo del punto controlable mínimo de levante L_{cm} supera el tiempo t_{m}.

Además, las rutinas proporcionan una comparación exacta de la posición cerrada de la válvula con la posición inicial de cierre del sistema (desviación del cierre). Las rutinas registran también el tiempo pasado por la válvula en una posición de desviación del cierre. Las rutinas dan un aviso si la desviación del cierre ocurre durante un tiempo fijado. Las rutinas graban también un tiempo total que la válvula pasa cerrada durante la operación del sistema. Aún más, las rutinas comparan el tiempo operacional de estrangulamiento pasado en o por debajo del punto controlable mínimo de levante y el tiempo total que la válvula pasa cerrada durante la operación del sistema a un límite especificado establecido para la aplicación y proporciona el tiempo operacional restante permitido antes de que se requiera el mantenimiento del asiento de la válvula.

Restricciones del Sistema Experto en la Caracterización Personalizada

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

En referencia a las Fig. 27-28, la pantalla 52 puede contener, por ejemplo, un gráfico 890. El gráfico 890 tiene un eje vertical normalizado a la capacidad de flujo de la válvula 10 y un eje horizontal normalizado a la señal de entrada de la válvula. En la ejecución preferente, se preestablecen dos valores para el gráfico 890: el punto 891 indica una capacidad de flujo del 0% cuando la válvula esté completamente cerrada y el punto 892 indica una capacidad de flujo del 100% cuando la válvula esté completamente abierta. Se entiende que otras ejecuciones pueden no presentar tales limitaciones.

Entre los puntos 891 y 892 hay varios puntos adicionales que definen la función de caracterización personalizada F_{C} para la válvula 10. Cada uno de los puntos individuales puede desplazarse, proporcionando de este modo un método muy simple de modificación de la función de caracterización. Además, teniendo la función de caracterización así descrita, puede almacenarse fácilmente como tabla de coordenadas (posición, capacidad) en la memoria 48.

Por ejemplo, el usuario puede seleccionar o mover un punto 893 y desplazarlo a una nueva localización en el gráfico 890 utilizando un dispositivo indicador 894. Una vez que se haya desplazado, el controlador vuelve a conectar los puntos para proporcionar una característica de flujo completamente personalizable para la válvula.

En la ejecución preferente, el posicionador tiene cierto control sobre la selección del punto para prevenir una caracterización perjudicial. Por ejemplo, si el usuario intentara mover el punto 893 a una localización 895, puede verse en el presente ejemplo que esta localización causará una inversión de la pendiente (es decir, el signo de la pendiente varia para la característica de flujo). En respuesta, el controlador alertará al usuario y no incorporará el valor, tal y como se muestra con un cuadro de diálogo 898 en la Fig. 28.

El controlador puede también requerir que la característica de flujo se adhiera a ciertas características de flujo estándares industriales. Por ejemplo, la pendiente entre dos puntos cualesquiera no debe ser más del doble o menos de la mitad de la pendiente de los dos puntos anteriores. Si así fuera, un cuadro de diálogo similar al cuadro 898 podría alertar al usuario.

En referencia a la Fig. 29, una rutina 900 ejecuta algunas de las características descritas anteriormente. En el paso 902, el controlador recibe una petición de modificación de la caracterización por parte del usuario. En el paso 904, el controlador hace comprobaciones para ver si ésta es una inversión de la pendiente de la característica de flujo en la válvula 10. Si así fuera, entonces, en el paso 906 se informaría al usuario (por ejemplo, a través de la pantalla 52) y, en el paso 908, el controlador efectuaría comprobaciones para ver si el usuario ha anulado la condición detectada. Si no, la ejecución vuelve al paso 902. Si el usuario anula la condición, o si no hay inversión de la pendiente, entonces, en el paso 910, el posicionador 12 determina si la variación de la pendiente causaría un cambio indeseable en la ganancia de la válvula. Si así fuera, entonces, en el paso 912 se informaría al usuario (por ejemplo, a través de la pantalla 52) y en el paso 914, el controlador efectuaría comprobaciones para ver si el usuario ha anulado la condición detectada. Si no, la ejecución vuelve al paso 902. Si el usuario elimina la condición, o si la ganancia de la válvula es aceptable, entonces, en el paso 916, el controlador activa la modificación de la posición solicitada por el usuario.

Se entiende que las modificaciones, variaciones y substituciones están pensadas en la anterior revelación de una forma consistente con el alcance de las reivindicaciones.

Claims (8)

1. Procedimiento para realizar diagnósticos en una válvula (10) teniendo un actuador (26), comprendiendo el método posiciones de muestreo de la válvula, almacenando las posiciones muestreadas, y analizando las posiciones muestreadas, caracterizado por: posicionamiento de la válvula en un primer extremo de un rango de ensayo de las posiciones de la válvula (402); ajuste de la presión del líquido al actuador hasta que alcance un segundo extremo del rango de ensayo, abarcando: ajuste incremental de la presión del líquido (412), esperando después de cada ajuste (404), y muestreando la posición de la válvula y la presión del actuador después de esperar (408); ajuste de la presión del líquido al actuador hasta que alcance el primer extremo de la rango de ensayo, comprendiendo: ajuste incremental de la presión del líquido (412), esperando después de cada ajuste (404), y muestreando la posición de la válvula y la presión del actuador después de esperar (408); y almacenando en memoria los datos de posición y de presión muestreados; y analizando los datos muestreados.

2. Procedimiento acorde a la Reivindicación 1, en el que el rango de ensayo es relativamente pequeño, en comparación con un rango completo de movimiento de la válvula.

3. Procedimiento acorde a la Reivindicación 2, en el que la válvula funciona en un modo de operación normal.

4. Sistema para efectuar diagnósticos en una válvula (10) teniendo un actuador (26), comprendiendo el sistema medios para el muestreo de datos de posición de la válvula (46), memoria para almacenar los datos de posición muestreados (48), y medios para analizar los datos de posición (18), caracterizado por: medios de posicionamiento de la válvula en un primer extremo de un rango de ensayo de las posiciones de la válvula (18); medios para el ajuste incremental de una presión del líquido al actuador hasta que alcance un segundo extremo del rango de ensayo y ajuste incremental de la presión del líquido al actuador hasta que alcance el primer extremo del rango de ensayo (22); medios para esperar después de cada ajuste en cada dirección (18); medios de muestreo de los datos de posición de la válvula (46) y de los datos de presión del actuador (44) después de esperar; memoria para almacenar los datos de posición y de presión muestreados; y medios para analizar los datos muestreados.

5. Sistema acorde a la Reivindicación 4, en el que el rango de ensayo es relativamente pequeño, con respecto a un rango completo de movimiento de la válvula.

6. Sistema acorde a la Reivindicación 5, en el que la válvula funciona en un modo de operación normal.

7. Procedimiento acorde a la Reivindicación 1, en el que la espera después de cada ajuste incluye la espera hasta que la válvula se estabilice.

8. Sistema acorde a la Reivindicación 4, en el que los medios para la espera después de cada ajuste esperan hasta que la válvula se estabilice.