BRPI0309634B1 - sistema posicionador para controlar um atuador pneumático acoplado a um elemento de estrangulamento e malha de controle para posicionar um elemento de estrangulamento de uma válvula de controle operada pneumaticamente - Google Patents

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Abstract

"sistema posicionador, métodos para determinar uma primeira vazão em massa de porta de saída de fluido de controle em uma malha de controle e para detectar falhas em uma malha de controle, e, malha de controle para posicionar um elemento de estrangulamento de uma válvula de controle operada pneumaticamente". método e aparelho para realizar diagnóstico em uma malha de controle pneumático para uma válvula de controle. sensores de pressão e de deslocamento (68, 84) fornecidos normalmente com um posicionador (14) são utilizados para detectar parâmetros de operação da malha de controle. um processador (18, 20) é programado para receber realimentação a partir dos sensores e gerar sinais de falha de acordo com uma sub-rotina lógica. a sub-rotina lógica pode incluir calcular escoamento em massa de fluido de controle através de portas de saída da válvula de carretel (26) e comparar com outros parâmetros de operação do fluido de controle para detectar vazamentos e bloqueios na malha de controle. uma vez que uma falha é detectada, a localização da causa raiz da falha pode ser identificada caracterizando parâmetros de operação da malha de controle no momento da falha.

Description

“SISTEMA POSICIONADOR PARA CONTROLAR UM ATUADOR PNEUMÁTICO ACOPLADO A UM ELEMENTO DE ESTRANGULAMENTO E MALHA DE CONTROLE PARA POSICIONAR UM ELEMENTO DE ESTRANGULAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE OPERADA PNEUMATICAMENTE”
Campo da Invenção [0001] A presente invenção, genericamente, é relativa a válvulas de controle e, mais particularmente, a métodos e aparelhos para calcular características de escoamento de fluido e realizar diagnósticos em componentes da malha de controle para uma válvula de controle.
Fundamento da Invenção [0002] Válvulas de controle são utilizadas para regular escoamento de fluido de processo através de um tubo ou conduto. Tais válvulas, tipicamente, incluem um elemento de estrangulamento colocado no trajeto do escoamento do fluido de processo e conectado a um atuador. Embora diversos tipos de atuadores sejam conhecidos, diversas válvulas de controle utilizam atuador pneumático, o qual utiliza ar, gás natural, ou outro fluido sob pressão, para ajustar a posição do atuador. Em um atuador de mola e diafragma, por exemplo, uma mola aplica uma força a um lado do atuador, enquanto pressão de fluido é controlada sobre um lado oposto do atuador, ajustando com isto a posição do elemento de estrangulamento. Alternativamente, um atuador pistão pode ser utilizado, no qual o pistão divide a carcaça do atuador em câmaras superior e inferior, e as pressões de fluido de ambas as câmaras são controladas para acionar o atuador até uma posição desejada. Em qualquer tipo de atuador pneumático pode haver um sangramento nominal do fluido de controle para a atmosfera.
[0003] Um posicionador (ou servo-controlador) controla a pressão de fluido aplicada a uma, ou a ambas, as câmaras de um atuador pneumático. O posicionador tipicamente inclui um processador, um conversor de corrente para pressão (I/P), segundo estágio pneumático (isto é, uma válvula de carretel ou um relé pneumático), e um sensor de realimentação de trajeto de válvula. O conversor I/P é conectado a um suprimento de pressão e distribui uma pressão desejada de fluido de controle
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2/22 para um diafragma flexível que encontra a válvula de carretei. O diafragma controla a posição da válvula de carretel para direcionar o fluido de controle no sentido de uma câmara do atuador. O movimento do atuador provoca um movimento correspondente do elemento de estrangulamento para controlar, com isto, o escoamento de seu fluido de processo. O posicionador ainda recebe um sinal de referência, tipicamente na forma de um sinal de comando, a partir de um controlador de processo, compara o sinal de referência com a realimentação de trajeto de válvula, e aciona o conversor I/P e o segundo estágio pneumático para mover a válvula no sentido do sinal de referência.
[0004] Com a utilização crescente de controle baseado em processador, as válvulas de carretel utilizadas em posicionadores se tornaram pesadamente instrumentadas. Quando utilizada com um atuador pistão por exemplo, a válvula de carretel irá incluir uma porta de entrada para receber pressão de suprimento, uma primeira porta de saída que se comunica diretamente com uma primeira câmara do atuador e uma segunda porta de saída que se comunica diretamente com uma segunda câmara de atuador. São conhecidas válvulas de carretel nas quais um sensor de pressão é posicionado na porta de entrada, primeira porta de saída e segunda porta de saída, para fornecer realimentação para o processador. Em adição, válvulas de carretel convencionais incluem um sensor de deslocamento para detectar a posição da válvula de carretel e fornecer um sinal de realimentação para o processador.
[0005] Posicionadores convencionais têm componentes que são suscetíveis a diversos vazamentos de fluido de controle e ou bloqueios que podem degradar ou desabilitar a operação da válvula de controle. O conversor I/P, por exemplo, inclui uma entrada que tem uma conexão vedada com a pressão de suprimento. O conversor I/P inclui uma restrição que define um orifício primário e um bocal para direcionar fluido de controle no sentido de uma chapeleta. O conversor I/P ainda inclui uma saída vedada para direcionar fluido de controle para a válvula de carretel. O conversor I/P está, muitas vezes, localizado em um local industrial onde o ar circundante pode ser contaminado com óleo, minerais dissolvidos, areia e similares.
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Conseqüentemente, quando tal ar é utilizado como o fluido de controle, os contaminantes podem tamponar parcial ou completamente o orifício primário ou bocal. Em adição, as vedações fornecidas na entrada e saída do conversor I/P podem falhar. Tais bloqueios ou vazamentos podem degradar lentamente o desempenho da válvula de controle, o que resulta em ineficiências, ou pode provocar falha completa da válvula de controle. Em qualquer caso é difícil determinar que o posicionador é a causa da falha, não interfira para determinar a localização específica da falha dentro do posicionador.
[0006] De maneira similar, vazamentos podem se desenvolver na carcaça do atuador ou bloqueios podem se formar na conexão entre a válvula de carretel e o atuador, o que pode degradar o desempenho da válvula de controle ou provocar falha. Por exemplo, um vazamento pode se formar entre a câmara superior ou inferior do atuador e a atmosfera, ou um anel de pistão pode falhar provocando vazamento de uma câmara para a outra. Em qualquer destas circunstâncias o processador deve ajustar seu sinal de controle para uma dada posição do elemento de estrangulamento. Detecção de vazamento é particularmente importante quando o meio de controle é gás natural. Tais vazamentos podem se desenvolver com o tempo, e em um ambiente de planta ruidoso, pode passar desapercebidos até que a válvula não opere mais.
Breve Descrição dos Desenhos [0007] A Figura 1 é um diagrama de blocos, esquemático, de um posicionador ligado a um atuador para uma válvula de controle.
[0008] A Figura 2 é uma representação esquemática ampliada do posicionador mostrado na Figura 1.
[0009] As Figuras 3A e 3B são gráficos que ilustram perfis de escoamento em massa de fluido de controle para um atuador de mola e diafragma que experimenta vazamento e bloqueio, respectivamente.
[0010] As Figuras 4A, 4B e 4C são gráficos que ilustram perfis de escoamento em massa de fluido de controle para um atuador de pistão que experimenta vazamentos de fluido de controle em uma primeira câmara, segunda câmara e anel
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4/22 de pistão, respectivamente.
[0011] A Figura 5 é uma árvore de decisão que ilustra, de maneira esquemática, uma sub-rotina lógica para caracterização e localização de falhas de componente.
[0012] A Figura 6 é um esquema de uma configuração alternativa do posicionador que tem um relé pneumático para o segundo o estágio pneumático. Descrição Detalhada [0013] Um posicionador 14 está ilustrado de forma esquemática na Figura 1 conectado a um atuador 12. O atuador 12 é acoplado mecanicamente a um corpo de válvula 10 que controla o escoamento de um fluido de processo através de um conduto, tal como um tubo (não mostrado). O posicionador 14 inclui um processador 18 que tem uma memória 20, um conversor I/P 24, segundo estágio pneumático (tal como uma válvula de carretel 26), um sensor de deslocamento de conjunto de válvula de fluido de controle 84, e um sensor de trajeto de válvula 68, coletivamente referidos aqui como uma malha de controle. Um sinal de referência, tal como um sinal de comando, a partir de um controlador de processo é fornecido para o posicionador 14, e representa uma posição de atuador desejada. O posicionador14 compara o sinal de referência com a posição real do atuador fornecida pelo sensor de trajeto 68 e fornece um sinal de erro para o processador 18. O processador então gera um sinal de acionamento I/P eletrônico baseado no sinal de erro e realimentação a partir do sensor de deslocamento 84.
[0014] Como mostrado em maior detalhe na Figura 2, o atuador 12 inclui um pistão 60 que divide a carcaça de atuador 62 nas câmaras superior e inferior 56, 58. A câmara superior 56 inclui uma mola 64 para aplicar uma força ao pistão. Uma haste 66 se estende desde o pistão 62 até o corpo de válvula 10. Um sensor de trajeto 68 pode ser fornecido para detectar a posição da haste 66 e fornecer realimentação para o processador 18.
[0015] De acordo com a configuração ilustrada, o conversor I/P 24 fornece um estágio de amplificação de sinal e a válvula de carretel 26 fornece um estágio de amplificação pneumática. O conversor I/P 24 inclui uma entrada 28 em comunicação fluida com um suprimento de fluido de controle sob pressão 30. Uma conexão entre
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5/22 a entrada 28 e o suprimento de fluido de controle 30 pode ser vedada com um anelO 32. Uma restrição 34 colocada no conector I/P 24 define um orifício primário 36. Um bocal 38 é fornecido a jusante do orifício primário 36 para direcionar fluido de controle no sentido de uma chapeleta flexível 40. Na configuração ilustrada, uma bobina solenóide 42 é fornecida para posicionar a chapeleta 40 com relação ao bocal 38. Alternativamente, a bobina solenóide 42 pode ser removida e a chapeleta 40 pode ser formada de um material piezelétrico, ou qualquer outra construção de chapeleta conhecida pode ser utilizada. Uma saída 44 se comunica diretamente com um diafragma 45. A conexão entre a saída 44 e o diafragma 45 pode ser vedada por um anel-O 46. Um sensor 85 pode ser fornecido para detectar uma pressão de suprimento do fluido de controle que penetra no conversor I/P 24.
[0016] A válvula de carretel 26 inclui uma porta de entrada 50 para receber fluido de controle a partir do suprimento de fluido de controle 30. Primeira e segunda portas de saída 52, 54 podem ser fornecidas em comunicação fluida com câmaras superior e inferior 56, 58 do atuador 12. Um elemento válvula 70 é colocado dentro da carcaça de válvula de carretel para controlar comunicação fluida entre a porta de entrada 50 e as primeira e segunda portas de saída 52, 54. Na configuração ilustrada, o elemento válvula 70 inclui uma haste 72 que carrega primeira e segundas áreas 74, 76. Uma câmara de válvula anelar 77 é formada na carcaça de válvula de carretel e dimensionada para ajustar de maneira apertada as primeira e segunda áreas 74, 76. O diafragma 45, que recebe um sinal de pressão a partir do conversor I/P 24 engata uma primeira extremidade do elemento válvula 70. Uma mola 82 engata uma extremidade oposta do elemento válvula 70 para aplicar uma carga de deslocamento ao elemento válvula 70.
[0017] Em operação, uma pressão de fluido de controle regulada pelo conversor I/P 24 é saída para o diafragma 45, que aplica uma carga ao elemento válvula 70 em uma direção oposta à carga de deslocamento da mola 82. Movimento dos primeiro e segundo discos 74, 73 irá bloquear parcialmente ou completamente escoamento de fluido a partir da porta de entrada 50 para qualquer das primeira e segunda portas de saída 52, 54. Consequentemente, a posição do elemento válvula 70 determina
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6/22 uma área de restrição para cada porta de saída 52, 54 através da qual fluido de controle pode escoar. Um sensor de deslocamento 84 é localizado para detectar uma posição do elemento válvula 70 e fornecer realimentação para o processador
18. Em adição, primeiro e segundo sensores de pressão de saída 86, 88 são fornecidos para detectar níveis de pressão de fluido de controle nas primeira e segunda portas de saída 52, 54, respectivamente.
[0018] Embora a Figura 2 ilustre um atuador de pistão de dupla ação com a ação de mola em falha fechada, será apreciado que outros tipos de atuadores pneumáticos podem ser utilizados. Exemplos de atuadores alternativos incluem um atuador de pistão de dupla ação com a ação de mola em falha aberta, um atuador de pistão de dupla ação sem mola, um atuador de mola e diafragma de ação simples com um ação de mola em falha aberta ou em falha fechada, ou qualquer substituto conhecido. Se o atuador é de ação simples, a válvula de carretel 26 inclui uma única porta de saída em comunicação fluida com a câmara de atuador oposta à mola.
[0019] Ainda mais, o posicionador 14 pode utilizar dispositivo alternativo para o segundo estágio pneumático. Ao invés da válvula de carretel 26, o posicionador pode incluir, por exemplo, um relé pneumático. Um relé pneumático de dupla ação 200 está ilustrado na Figura 6 ligado ao conversor I/P 24, corpo de válvula 12 e fonte de fluido de suprimento pressurizado 30. O relé 200 inclui plenos de pressão de suprimento 202a, 202b. O pleno 202a inclui uma primeira porta de saída 204 em comunicação fluida com a câmara inferior do atuador 58, enquanto o pleno 202b tem uma segunda porta de saída 206 em comunicação fluida com a câmara superior do atuador 56. Uma primeira válvula de gatilho 208 tem uma extremidade 210 posicionada para engatar de forma removível a primeira abertura 204, enquanto uma segunda válvula de gatilho 212 tem uma extremidade 214 posicionada para engatar de forma removível a segunda abertura 206. Uma viga 216 é suportada para rotação ao redor de um fulcro 218 e inclui um primeiro orifício 220 posicionado para engatar uma segunda extremidade 222 da primeira válvula gatilho 208 e um segundo orifício 224 posicionado para engatar uma segunda extremidade 226 da segunda válvula gatilho 212. Saída do conversor I/P 24 é fornecida para a câmara 228 para girar a
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7/22 viga 216 em uma primeira direção (isto é, horária na Figura 6) enquanto uma câmara de referência 230 é fornecida com uma pressão de referência para equilibrar a força da câmara 228. A primeira válvula gatilho 208 controla escoamento de fluido de controle para a câmara inferior do atuador 58, enquanto a segunda válvula gatilho 212 controla escoamento para a câmara superior do atuador 56.
[0020] Em operação, quando a pressão do bocal I/P aumenta, a viga 216 irá girar no sentido horário, forçando a primeira válvula gatilho 208 para a direita. A segunda extremidade 222 da primeira válvula gatilho 208 fecha o primeiro orifício 220 para impedir escoamento para a atmosfera, enquanto a primeira extremidade 210 da primeira válvula gatilho 208 abre a primeira porta de saída 204 para permitir que fluido de controle na pressão de suprimento escoe para a câmara inferior 58. Ao mesmo tempo, a segunda válvula gatilho 212 abre o segundo orifício 224 e fecha a segunda porta de saída 206 para permitir que fluido de controle descarregue a partir da câmara superior 56 para a atmosfera. O oposto ocorre quando a pressão do bocal I/P diminui. Será apreciado que quando as primeira e segunda válvulas gatilho 208, 212 se movem para dentro e para fora das primeira e segunda portas de saída 204, 206, a área de restrição das portas de saída 204, 206 são variadas. Consequentemente, a posição da viga 214 pode ser utilizada para inferir a posição das válvulas gatilho 208, 212 e, portanto, a área de restrição através das primeira e segunda portas de saída 204, 206.
[0021] O posicionador com relé automático 200 pode incluir os mesmos sensores como descrito acima. Consequentemente, os primeiro e segundo sensores de pressão de saída 86, 88 são posicionados próximo às primeira e segunda portas de saída 52, 54 para detectar pressão de fluido de controle para as câmaras de atuador superior e inferior 56, 58, respectivamente. O sensor de pressão de entrada 85 é posicionado na porta de entrada 50 para detectar pressão de suprimento de fluido de controle, enquanto o sensor de trajeto de atuador 68 é posicionado para detectar a posição da haste 66. Em adição, o sensor de deslocamento 84 é posicionado para detectar a posição da viga 216.
[0022] Os posicionadores descritos acima são genericamente conhecidos na
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8/22 técnica. Até agora, contudo, o sensor de deslocamento tem sido utilizado estritamente para fornecer realimentação. De acordo com os ensinamentos da presente invenção, o sensor de deslocamento pode também ser utilizado para finalidades de diagnóstico. Em adição, os diversos sensores podem ser utilizados para discriminar entre as diversas condições de falha possíveis no posicionador. Os sensores também podem ser utilizados para calcular o escoamento em massa de fluido de controle, o que pode ser utilizado para ajudar a identificar causas raiz de falhas. Os cálculos e análises de diagnóstico podem ser realizados por meio de uma unidade de diagnóstico fornecida com o posicionador 14, tal como onde o processador 18 e a memória 20 funcionam como a unidade de diagnóstico, ou em um hospedeiro remoto 19, acoplado em comunicação com o posicionador 14.
[0023] Com relação ao atuador 12, a unidade de diagnóstico pode ser programada com uma rotina de diagnóstico que utiliza realimentação a partir dos sensores para estimar o escoamento em massa de fluido de controle para as câmaras do atuador. A rotina de diagnóstico pode ainda utilizar os escoamentos de massa calculados com ou sem parâmetros de realimentação adicionais para identificar vazamentos ou outras falhas no atuador. Mais especificamente, o escoamento em massa de fluido de controle através das primeira e segunda portas de saída pode ser aproximado utilizando a equação a seguir:
dm/dt = KYAgc(2p(p1-p2))1/2 onde:
dm/dt = vazão em massa (lbm/s (0,45kg/s));
K = um coeficiente de descarga;
Y = um fator de expansão;
A = uma área de restrição (ft2 (0,09m2));
gc = uma constante de conversão (lbm/porção (0,45kg/porção));
p1 = pressão de montante (lbf/ft2, abs (47,9 N/m2, abs));
p2 = pressão de jusante (lbf/ft2, abs (47,9 N/m2, abs)); e p = uma massa específica de fluido de montante (porção/ft3 (porção/0,028m3)).
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9/22 [0024] Para calcular escoamento em massa através da primeira porta de saída 52, por exemplo, os coeficientes e variáveis apropriadas são inseridas na equação acima. A pressão de montante p1 é a pressão de entrada sensoreada pelo sensor de pressão 85 e p2 é a pressão detectada pelo sensor 86 na primeira porta de saída 52. A equação pode ser utilizada para avaliar ambos os escoamentos de massa, de suprimento e de descarga. Por exemplo, quando o deslocamento da válvula de carretel é positivo (isto é, para a direita na Figura 2), a porta 54 irá fornecer fluido de controle para a câmara inferior do atuador, enquanto a porta 52 descarrega fluido de controle a partir da câmara superior do atuador. Para a porta 54, deslocamento da válvula de carretel pode ser utilizado para calcular a área de porta exposta e sensores 85, 88 podem fornecer as pressões de montante e de jusante. Para a porta 52, deslocamento da válvula de carretel pode ser utilizado para calcular a área de porta exposta e o sensor 85 pode fornecer pressão de montante. Um sensor na porta de descarga não é requerido, uma vez que o carretel descarrega para a atmosfera que está em uma pressão conhecida. Em adição, pressão de suprimento para a válvula de controle é muitas vezes regulada e, portanto, o sensor de pressão de suprimento 85 pode ser eliminado e um valor fixo, que se aproxima da pressão de suprimento, pode ser substituído na equação de escoamento em massa de ar.
[0025] Quando o fluido de controle é ar, a equação acima pode ser reduzida a: dm/dt = 0,048 KYA(p1(prp2))1/2 [0026] A equação de escoamento em massa pode ser reduzida de forma similar para outros fluidos, tal como gás natural. Em adição, as equações anotadas acima para avaliar escoamentos de massa através de um orifício, equações de escoamento padrão tais como aquelas anotadas em ISA - 575.01-1985: Flow Equations For Sizing Control Valves, podem ser utilizadas. As avaliações de escoamento em massa obtidas pelas equações acima foram verificadas corresponder de forma aproximada a medições feitas com um sensor de escoamento em massa de ar externo, especialmente quando utilizando um filtro digital passa-baixo para atenuar ruído de bit. Consequentemente, a unidade de diagnóstico pode ser programada para receber realimentação a partir dos sensores
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10/22 de pressão 85, 86, 88 e do sensor de deslocamento 84, e calcular escoamento em massa através das primeira e segunda portas de saída 52, 54 utilizando a equação acima. As equações acima podem ser modificadas para corrigir escoamento de vazamento através das áreas, e podem também ser utilizadas para calcular escoamento em massa através de segundo estágio pneumático alternativo, tal como o relé pneumático 200 da Figura 6.
[0027] A rotina de diagnóstico pode utilizar cálculos de escoamento em massa para identificar vazamentos ou bloqueios entre a válvula de carretel e o atuador 12. Por exemplo, em um atuador de mola e diafragma, fluido de controle é fornecido para uma única câmara de atuador oposta à mola. Durante operação normal o processador 18 controla saída de fluido de controle a partir da válvula de carretel 26 para acionar o atuador 12 e elemento de estrangulamento conectado a um ponto de ajuste desejado. Durante operação em estado constante, uma pequena quantidade de fluido pode ser sangrada para a atmosfera e, portanto, uma pequena quantidade de fluido de controle irá escoar através da porta de saída da válvula de carretel. Se um vazamento se desenvolve na câmara do atuador ou na conexão entre a porta de saída da válvula de carretel e o atuador, o nível de pressão dentro da câmara do atuador irá cair e a mola irá fazer com que o atuador se mova de sua posição desejada. Realimentação com relação à pressão de fluido de processo e/ou trajeto do atuador é fornecida para o processador 18 e o processador 18 irá alterar o sinal de acionamento para o conversor I/P 24 para aumentar escoamento de fluido de controle para o atuador. Consequentemente, escoamento em massa para o atuador irá aumentar como ilustrado no gráfico fornecido na Figura 3A. Avaliando o escoamento em massa de fluido de controle com o tempo, a unidade de diagnóstico pode ser programada para detectar aumentos em escoamento de fluido de controle para o atuador. A unidade de diagnóstico pode ainda ser programada com uma vazão de fluido de controle máxima acima da qual a rotina de diagnóstico irá gerar um sinal de falha. Um filtro passa-baixo pode ser utilizado para minimizar a possibilidade de transitórios normais gerarem um sinal falso.
[0028] Inversamente, bloqueio na linha de ar entre a válvula de carretel e o
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11/22 atuador 12 pode ser identificado quando o escoamento de fluido de controle é constante quando aumenta o deslocamento da válvula de carretei. A Figura 3B ilustra uma situação de bloqueio onde a linha cheia representa escoamento em massa e a linha tracejadas representa deslocamento do carretel. De maneira similar, um bloqueio parcial pode ser identificado se o deslocamento do carretel é grande porém o escoamento em massa é relativamente pequeno.
[0029] Detectar vazamentos em um atuador de pistão é ligeiramente mais complicado. O vazamento pode ocorrer na câmara do atuador com a mola, na câmara do atuador sem a mola ou entre as câmaras do atuador, tal como quando existe um vazamento em um anel de pistão ou quando uma válvula de contorno no atuador foi deixada aberta. Como com o atuador de mola e diafragma, contudo, o desvio em escoamento em massa de ar pode ser utilizado para localizar e quantificar vazamentos ou obstruções.
[0030] Para ajudar a identificar falhas, desvios de parâmetros de operação normais podem ser identificados. Um tal parâmetro é a pressão dentro das câmaras do atuador, a qual é tipicamente mantida grosseiramente a 60-80% da pressão de suprimento. Uma média, ou pressão transversal, pode ser determinada fazendo a média das pressões nas câmaras do atuador.
[0031] Se existe um vazamento para a atmosfera na câmara oposta à mola, o processador 18 irá mover a válvula de carretel 26 para fornecer ar de composição para aquela câmara. Isto irá também despressurizar a câmara com a mola, de modo que o atuador de pistão se comporta efetivamente como um atuador de mola e diafragma. O perfil de escoamento em massa através das primeira e segunda portas de saída 52, 54 para um tal vazamento está mostrado na Figura 4A. Inicialmente existe um escoamento em massa nominal através de ambas as portas de saída 52, 54 devido ao vazamento normal no sistema. Quando um vazamento se desenvolve no ponto A, escoamento em massa para a câmara com o vazamento irá aumentar para equalizar a quantidade de ar descarregada para a atmosfera, como mostrado pela linha cheia na Figura 4A. Para a câmara com a mola, escoamento em massa estará temporariamente fora da câmara quando o atuador se move para uma nova
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12/22 posição, porém irá retornar eventualmente para quase zero desde que a câmara esteja despressurizada como mostrado na linha interrompida na Figura 4A. Além disto, a pressão transversal no atuador será aproximadamente metade da pressão na câmara oposta à mola.
[0032] Se um vazamento se desenvolve na câmara do lado da mola do atuador, o posicionador 14 não fornece ar de composição uma vez que isto poderia requerer que o posicionador descarregasse ar (e reduzisse a força) a partir da câmara oposta à mola. Consequentemente, o processador 18 permite que a câmara com a mola se torne despressurizada e irá controlar a válvula ajustando a pressão na câmara oposta. Em estado constante, escoamento em massa de ar para a câmara do lado da mola será próximo de zero, escoamento em massa de ar a partir da câmara oposta à mola será próximo de zero e a pressão transversal será a metade da pressão na câmara sem a mola. Consequentemente, detectando a pressão transversal diminuída nos perfis de escoamento em massa através de cada porta, a presença e localização de um vazamento podem ser determinados.
[0033] Os cálculos de escoamento em massa podem ainda ser utilizados para a unidade de diagnóstico detectar vazamentos que resultam em fluido de controle escoar desde uma câmara do atuador para a outra, tais como vazamentos no anel de pistão. Tal vazamento pode ser difícil de detectar utilizando técnicas de medição tradicionais, uma vez que cada câmara pode permanecer pressurizada. Se o vazamento faz com que escoamento de fluido de controle escoe desde a câmara inferior 58 até a câmara superior 56, por exemplo, o posicionador 14 irá mover o carretel para fornecer fluido de controle de composição para a câmara inferior 58. Ao mesmo tempo, contudo, fluido de controle irá escoar desde a câmara inferior 58 até a câmara superior 56 e de volta para a válvula de carretel 26.
[0034] Um gráfico que ilustra perfis de escoamento de fluido através de cada porta de saída 52, 54 para um vazamento de anel de pistão é fornecido na Figura 4C, onde escoamento de fluido através da primeira porta de saída 52 está mostrado em uma linha tracejada, enquanto escoamento de fluido através da segunda porta de saída 54 está mostrado em uma linha cheia. Inicialmente cada porta tem uma
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13/22 vazão nominal que descarrega para a atmosfera. Quando o vazamento no anel de pistão se desenvolve, escoamento em massa através da segunda porta de saída 54 aumenta enquanto o escoamento em massa através da primeira porta de saída 52 diminui por uma quantidade proporcional. Diferentemente de sensores de escoamento em massa convencionais, que não indicam a direção de escoamento de fluido, a equação de aproximação de escoamento em massa indica a direção de escoamento, na qual um número positivo representa escoamento de fluido para o atuador, enquanto um número negativo representa escoamento de fluido para fora do atuador. Consequentemente, monitorando escoamento de fluido de controle através das primeira e segunda portas de saída 52, 54, o processador 18 pode detectar uma situação sustentada, onde escoamento de fluido através de uma porta é positivo enquanto escoamento de fluido através da outra porta é negativo e gera um sinal de falha.
[0035] Em adição a detectar vazamentos e bloqueios de fluido de controle para o atuador, os sensores de pressão e deslocamento da válvula de carretel podem também ser utilizados para detectar falhas no conversor I/P localizado a montante da válvula de carretel 26. Diversos tipos de falhas podem ocorrer no conversor I/P 24, os quais irão interromper ou parar escoamento de fluido de controle para a válvula de carretel 26, degradando com isto ou desabilitando a operação da válvula de controle. Uma vez que componentes específicos do conversor I/P, tal como a chapeleta 40, não são diretamente aplicáveis ao servo-controle, estes componentes não são instrumentados de forma típica. Foi verificado, contudo, que os sensores fornecidos com a válvula de carretel 26 podem ser utilizados para inferir os estados internos dos componentes do conversor I/P.
[0036] Antes de ocupar-se das falhas específicas que podem ocorrer no conversor I/P 24, deveria ser observado que o suprimento de fluido de controle 30 que fornece fluido de controle pressurizado para o conversor I/P pode falhar e, portanto, esta falha deveria ser enfrentada antes de considerar outras falhas no próprio conversor I/P 24. Consequentemente, o sinal fornecido pelo sensor de entrada 85 pode ser utilizado para detectar se o suprimento de fluido de controle 30
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14/22 perdeu pressão.
[0037] Uma falha que pode ocorrer dentro do conversor I/P 24 é o tamponamento completo do orifício primário 36. Quando o orifício primário 36 está tamponado, pressão para o diafragma 45 irá diminuir, de modo que a mola 82 move a válvula de carretel 70 até um estado de pressão zero (ou negativa), fazendo com que o atuador se mova de acordo. O processador 18 irá aumentar o sinal de acionamento para a bobina solenoide 42 em uma tentativa para fechar ou tampar o bocal 38, o que normalmente poderia aumentar a pressão do fluido de controle que deixa a saída 44. Ao invés disto, o orifício primário tamponado 33 impede qualquer escoamento de fluido de controle.
[0038] Uma falha também pode surgir quando depósitos minerais ou outros contaminantes se acumulam na chapeleta 40, de modo que o bocal 38 está completamente tamponado. Neste caso, pressão de fluido de controle fora da saída 44 aumenta até a pressão de suprimento e faz com que a válvula de carretel se mova para longe de uma posição neutra até uma posição positiva, movendo com isto o atuador. Em resposta, o processador 18 irá diminuir o sinal de acionamento para o conversor I/P 24, em uma tentativa de abrir ou destampar o bocal 38.
[0039] Alternativamente, o orifício primário pode se tornar parcialmente tamponado. Como com um orifício primário completamente tamponado, um tamponamento parcial irá mover o sinal de acionamento mais alto quando o processador 18 tenta compensar o ar reduzido para o bocal 38. Um orifício primário parcialmente tamponado irá diminuir o movimento da válvula de carretel em resposta a mudanças no sinal I/P. Constante de tempo aumentada pode, contudo, resultar de temperatura ambiente baixa, o que enrijece o diafragma. Em qualquer caso, quando o sinal de acionamento I/P é alto e todos os outros estados estão operando de maneira adequada, pode ser inferido então que o orifício primário está parcialmente tamponado.
[0040] De maneira similar, o bocal 38 pode se tornar parcialmente tamponado. Tamponamento parcial do bocal 38 também afeta a constante de tempo do conversor I/P, o qual como anotado acima, pode também ser provocado pelo efeito
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15/22 de mudanças em temperatura ambiente sobre o diafragma. Consequentemente, um sinal de acionamento I/P baixo com todos os outros estados nominais, pode indicar um bocal parcialmente tamponado.
[0041] Uma outra falha pode surgir de falha do anel externo de saída 46. Para compensar um vazamento através do anel de saída 46, o processador 18 irá aumentar o sinal de acionamento, porém a constante de tempo do conversor I/P não será alterada de maneira significativa. Consequentemente, falha do anel-O de saída 46, irá afetar a operação da malha de controle em uma maneira similar a um orifício primário tamponado 36.
[0042] Outras falhas em adição àquelas especificamente observadas acima também podem ocorrer no conversor I/P. Por exemplo, a bobina solenoide 42 pode falhar ou a chapeleta 40 pode quebrar. Embora não possa ser possível discernir a falha específica, cada falha pode ser detectada monitorando desvios significativos no sinal de acionamento para o conversor I/P. Isto pode ser realizado colocando um filtro digital linear ou não linear no sinal de acionamento para remover o conteúdo de alta frequência e procurar desvios a partir das condições de operação normais.
[0043] Para ajudar a identificar e caracterizar diversas falhas no conversor I/P 24, a unidade de diagnóstico, tal como o processador 18 e memória 20 do posicionador 14, ou o hospedeiro remoto 19 que tem um processador de memória, pode ser programada para realizar uma rotina de diagnóstico baseada nos parâmetros medidos pelos diversos sensores do posicionador 14. A rotina de diagnóstico pode incluir uma ou mais sub-rotinas lógicas, nas quais os parâmetros medidos são caracterizados para desenvolver um gabarito de falha, que pode ser utilizado para identificar uma ou mais causas raiz para uma falha.
[0044] Uma falha pode ser detectada primeiro antes que ela possa ser caracterizada. A rotina de diagnóstico pode ser programada para detectar desvios sustentados no sinal de acionamento I/P. O sinal de acionamento I/P pode ser ajustado a aproximadamente 70% para centrar a válvula de carretel em sua posição neutra. Uma faixa de operação normal para o sinal de acionamento pode ser 6080%. Consequentemente, a rotina de diagnóstico pode gerar um sinal de falha
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16/22 quando o sinal de acionamento I/P se move fora da faixa de operação normal (isto é, menos do que 60% ou mais do que 80%). Um filtro de ordem estatística pode ser utilizado para remover transitórios normais, de modo que um sinal de falha seja gerado apenas quando o sinal de acionamento I/P está fora da faixa normal por um período de tempo sustentado. Alternativamente, a unidade de diagnóstico pode ser programada para monitorar grandes deslocamentos na posição nominal da válvula de carretel, ou para monitorar um sinal de erro (isto é, desvio do trajeto da haste de válvula da referência), para disparar uma análise de falha. Em qualquer caso, uma vez que uma falha tenha sido detectada, a pressão de fluido de controle no suprimento 30 deveria ser primeiro verificada, de modo que ela possa ser regulamentada como uma causa da falha.
[0045] Uma vez que uma falha tenha sido detectada, ela pode ser caracterizada para determinar sua localização genérica ou específica dentro da malha de controle. Depois que o desvio tenha sido detectado no sinal de acionamento I/P, a falha pode ser localizada rastreando o desvio de volta através da malha de controle. Para um orifício primário bloqueado 36, por exemplo, a malha de controle será afetada como a seguir: escoamento através do orifício primário 36 irá parar, fazendo com que a válvula de carretel se mova para seu estado de pressão zero (negativo), o que por sua vez diminui pressão na câmara do atuador, o que faz com que o elemento de estrangulamento se mova, o que gera um sinal de erro de volta para o processador. O processador irá aumentar o sinal de acionamento I/P para compensar a falha.
[0046] Para identificar a localização específica da falha, deve-se prosseguir para trás através desta cadeia de eventos. Para o exemplo do orifício primário completamente tamponado, a análise começa com detecção de um sinal de acionamento I/P acima do limite superior da faixa de operação normal (isto é, um desvio de sinal de acionamento I/P positivo). Em seguida, o sinal de erro gerado pelo movimento do elemento de estrangulamento é caracterizado como amplamente positivo, o que significa que o trajeto do atuador real é menor do que desejado. Uma pressão diferencial entre as pressões de porta de saída, onde a pressão na primeira porta de entrada 52 é subtraída da pressão na segunda porta de saída 54, pode
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17/22 então ser caracterizada como sendo negativa. Em seguida o sensor de deslocamento 84 fornece realimentação relativa à posição da válvula de carretel, o que poderia ser caracterizado como amplamente negativa com relação à sua posição neutra, devido à redução de pressão de fluido de controle provocada pelo bloqueio. Caracterizando os parâmetros medidos desta maneira, certas causas raiz para falha podem ser eliminadas. Diversas causas raiz podem ter as características precedentes, das quais um orifício primário bloqueado é uma.
[0047] Em uma maneira similar, todas as falhas podem ser mapeadas utilizando uma árvore de decisão como ilustrado na Figura 5. Na Figura 5 variáveis medidas são indicadas por círculos, os valores caracterizados destes parâmetros são rotulados nas linhas que emanam dos círculos, e falhas de componentes são indicadas por quadrados. Triângulos indicam regiões inválidas tais como, por exemplo, a combinação de um grande sinal de acionamento e um grande sinal de erro negativo, o que não é possível. A rotina de diagnóstico ilustrada na Figura 5 está baseada em sensores existentes fornecidos comumente com posicionadores e, portanto, certas falhas de componentes que não são distinguíveis foram agrupadas juntas na Figura 5. Sensores adicionais podem ser utilizados para distinguir ainda mais as falhas de componentes agrupadas. Falhas de componentes cascateiam através da árvore até que o que o sinal de acionamento I/P desvia. A causa raiz do desvio pode então ser identificada movendo para trás através da árvore.
[0048] Mais especificamente, na medição 100 a rotina de diagnóstico pode detectar um sinal de acionamento I/P que se desvia da faixa de operação normal. O sinal de acionamento pode ser caracterizado como alto se ele está acima da faixa, e baixo se ele está abaixo da faixa. Se o sinal de acionamento I/P é alto, a rotina de diagnóstico armazenada irá prosseguir para cima na árvore para caracterizar um sinal de referência utilizado na malha de controle. O sinal de referência pode ser o sinal de comando enviado para o posicionador a partir de um controlador de processo. O sinal de acionamento I/P é uma função da diferença entre a referência e a realimentação de trajeto.
[0049] Existem três cenários onde o sinal de acionamento I/P pode estar acima
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18/22 ou abaixo de seu ponto de operação normal, dois dos quais não são o resultado de uma falha de equipamento. O primeiro é quando o controlador está em desligado. O desligamento ocorre quando o sinal de referência excede um limiar definido pelo usuário. Quando em desligado alto, o servo-controlador é contornado no conjunto e um sinal de acionamento 1005 é enviado para o I/P. Quando em desligado baixo, o servo-controlador é contornado e um sinal de acionamento 0% é enviado para o I/P. Ambos, o desligado alto e desligado baixo são regiões de operação válidas e não indicam uma falha de equipamento. Desligado alto e baixo estão indicados na Figura 5, nas caixas 103, 131 respectivamente.
[0050] O segundo cenário é quando o corpo de válvula engata um batente de trajeto. Quando o corpo de válvula atinge um batente, a realimentação de trajeto não está mais ativa e o controlador de processo opera essencialmente em malha aberta. Novamente isto é comportamento normal de válvula de controle e não indica uma falha de equipamento. Batentes de trajeto alto e baixo estão indicados na Figura 5 em caixas 104, 132, respectivamente.
[0051] O terceiro cenário é onde uma falha de equipamento provocou um grande sinal de erro. Para compensar um grande sinal de erro o sinal de acionamento I/P é ajustado de acordo. Uma vez que desligamentos e batentes de trajeto são regulamentados, a análise pode prosseguir ao longo da árvore de decisão estabelecida na Figura 5. Para um sinal de acionamento I/P alto, a análise prossegue para cima da árvore enquanto que para um sinal de acionamento I/P baixo a análise prossegue para baixo da árvore.
[0052] Um sinal de acionamento I/P alto é primeiro analisado caracterizando o sinal de erro em 105. O sinal de erro pode ser classificado como amplamente positivo, nulo ou amplamente negativo. Quando o sinal de acionamento I/P é alto, não é possível ter um sinal de erro negativo grande e, portanto, o ramo direito superior da Figura 5 indica que todas as saídas não são válidas. Consequentemente, as únicas saídas possíveis da caracterização do sinal de erro 105 são amplamente positivas (isto é, o sinal de referência é maior do que o sinal de realimentação de trajeto real), ou neutras. Em qualquer caso, a rotina de diagnóstico
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19/22 irá em seguida prosseguir para caracterizar um diferencial de pressão entre as primeira e segunda portas de saída 52, 54 subtraindo a pressão na primeira porta de saída 52 da pressão na segunda porta de saída 54, como indicado em 106, 107. O diferencial de pressão pode ser caracterizado como sendo negativo próximo à pressão de suprimento nominal, ou positivo próximo à pressão de suprimento. Um diferencial de pressão negativo indica que pressão na primeira porta de saída 52 é maior do que aquela na segunda porta de saída 54. O inverso é verdadeiro para um diferencial de pressão positivo. Um diferencial de pressão nominal indica que as câmaras do atuador estão substancialmente equilibradas. Para cada caracterização de diferencial de pressão a rotina de diagnóstico irá prosseguir para caracterizar a posição da válvula de carretel como indicado em 108-113. A posição da válvula de carretel pode ser caracterizada como sendo amplamente positiva, neutra ou amplamente negativa. Uma posição amplamente positiva indica que o diafragma 45 empurrou a válvula de carretel muito longe, enquanto uma amplamente negativa significa o oposto. A válvula de carretel está na posição neutra quando ela permanece dentro de uma faixa de operação normal.
[0053] Uma vez que a posição da válvula de carretel tenha sido caracterizada, uma ou mais causas raiz potenciais podem ser identificadas para o desvio do sinal de acionamento I/P. Se, por exemplo, a válvula de carretel está emperrada 114, o anel-O de saída 46 falhou 115, o diafragma 45 falhou 116, ou o orifício primário 36 está completamente tamponado 117, a rotina de diagnóstico terá caracterizado a falha como tendo a posição carretel amplamente negativa, um diferencial de pressão negativo e um sinal de erro amplamente positivo para um sinal de acionamento I/P alto. Se a falha é caracterizada como tendo uma posição de válvula de carretel amplamente positiva, um diferencial de pressão nominal e um sinal de erro amplamente positivo para um sinal de acionamento I/P alto, a causa raiz pode ser um vazamento externo 118, uma válvula de carretel gasta 119 ou uma pressão de suprimento baixa 120. Para uma falha tendo uma posição de válvula de carretel amplamente negativa, diferencial de pressão nominal e um sinal de erro amplamente positivo para um sinal de acionamento I/P alto, a causa raiz pode ser um suprimento
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20/22 de pressão baixo 121.
[0054] Se, para um sinal de acionamento I/P alto, o sinal de erro é amplamente positivo, o diferencial de pressão é positivo e a posição de válvula de carretel é amplamente positiva, a causa raiz pode ser o corpo de válvula estar preso em uma posição baixa 122, uma linha de ar bloqueada entre a válvula de carretel e o atuador 123 ou um intertravamento ativo 124.
[0055] Se uma falha é caracterizada como tendo uma posição de válvula de carretel amplamente positiva, um diferencial de pressão nominal e um sinal de erro neutro para um sinal de acionamento I/P alto, a causa raiz pode ser um vazamento externo 125. Se a posição de carretel é caracterizada como neutra, o diferencial de pressão é nominal e o sinal de erro é neutro para um sinal de acionamento I/P alto, a causa raiz para a falha pode ser um orifício primário 36 que está parcialmente tamponado 126, a presença de areia na chapeleta I/P ou a armadura 127 ou um deslocamento de calibração I/P 128.
[0056] Voltando para a metade inferior da Figura 5, a rotina de diagnóstico pode conduzir a um processo similar para um sinal de acionamento I/P baixo. Depois de regulamentar desligamento baixo 131 e parada de trajeto baixa 132, a análise prossegue para caracterizar o sinal de erro em 133. A caracterização de sinal de erro é similar àquela em 105 descrita acima, na qual o sinal de erro pode ser amplamente negativo, neutro ou amplamente positivo. Não é possível ter ambos, um sinal de acionamento I/P baixo e um sinal de erro amplamente positivo e, portanto, as saídas mostradas na porção esquerda inferior da Figura 5 são todas indicadas como sendo não válidas. Depois da caracterização do sinal de erro, a rotina de diagnóstico irá caracterizar um diferencial de pressão em 134 e 135. Finalmente, a rotina de diagnóstico irá caracterizar a posição da válvula de carretel em 136-141.
[0057] Como com um desvio de sinal de acionamento alto, a análise de um desvio de sinal de acionamento baixo prossegue identificando uma ou mais causas raiz possíveis. Se o sinal de erro é amplamente negativo, o diferencial de pressão positivo e a posição da válvula de carretel amplamente positiva, a causa raiz para a falha pode ser um bocal 38 que está bloqueado 142, uma chapeleta I/P ou a
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21/22 armadura 143 comprimidas, um I/P 144 travado, ou uma válvula de carretei emperrada 145. Se o sinal de erro é amplamente negativo, o diferencial de pressão é negativo e a posição da válvula de carretel é negativa, a causa raiz para a falha pode ser o corpo de válvula preso em uma posição alta 146, ou uma linha de ar bloqueada 147. Finalmente, se o sinal de erro é neutro, o diferencial de pressão é nominal e a posição da válvula de carretel é neutra, a causa raiz para a falha pode ser um deslocamento de calibração I/P 148, ou um bocal 38 que está parcialmente tamponado 149.
[0058] A rotina de diagnóstico pode ainda classificar falhas de componentes de acordo com a severidade, e fornecer diagnósticos preditivos. Certas causas raiz, tais como o orifício primário 36 ou bocal 38 completamente tamponado, irá deslocar a válvula de carretel 26 em uma maneira que não pode ser corrigida pelo processador 18. Tais causas podem ser caracterizadas como diagnóstico de “luz vermelha” e relatadas de maneira apropriada. Outras causas raiz podem resultar em um grande desvio no sinal I/P, porém todas as outras variáveis na malha de realimentação estão operando normalmente. Por exemplo, o orifício primário 36 pode se tornar parcialmente bloqueado de modo que o sinal I/P terá que ser acionado mais forte para compensar pela degradação em escoamento para o bocal. Contudo, o sinal de erro, a pressão do atuador, e a posição da válvula de carretel irão todos operar normalmente. Comparando o desvio do sinal I/P com outras variáveis na malha de realimentação, podemos identificar a degradação e apresentá-la antes que ela se torne uma falha catastrófica. Estas causas podem ser classificadas como diagnóstico de “luz amarela”.
[0059] Embora a unidade de diagnóstico tenha sido descrita como preferivelmente realizando o processamento de diagnóstico utilizando software, ela pode utilizar hardware, firmware etc., utilizando qualquer tipo de processador tal como um ASIC, etc. Em qualquer caso, a descrição de uma rotina armazenada em uma memória, e executada em um processador, inclui dispositivos de hardware e firmware, bem como dispositivos de software. Por exemplo, os elementos descritos aqui podem ser implementados em uma CPU padrão de diversas finalidades, ou em
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22/22 hardware ou firmware projetados de forma específica, tal como um circuito integrado de aplicação específica (ASIC) ou outros dispositivos com fiação, como desejado, e ainda ser uma rotina executada em um processador. Quando implementada em software, a rotina de software pode ser armazenada em qualquer memória legível por computador tal como sobre um disco magnético, um disco laser, um disco óptico ou outro meio de armazenagem, em uma RAM ou ROM de um computador ou processador, em qualquer banco de dados, etc. Da mesma maneira, este software pode ser distribuído para um usuário ou uma planta de processo por meio de qualquer método de distribuição conhecido ou desejado que inclui, por exemplo, em um disco legível por computador ou outro mecanismo de armazenagem de computador transportável ou sobre um canal de comunicação tal como uma linha telefônica, a Internet, etc. (os quais são vistos como sendo o mesmo ou intercambiáveis com fornecer tal software através de um meio de armazenagem transportável.
[0060] A descrição detalhada que precede foi fornecida somente para clareza de entendimento e nenhuma limitação desnecessária deveria ser entendida a partir dela, uma vez que modificações serão óbvias àqueles versados na técnica.

Claims (34)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema posicionador (14) para controlar um atuador pneumático (12) acoplado a um elemento de estrangulamento, o atuador pneumático (12) recebendo pressão de controle do sistema posicionador tendo pelo menos uma primeira câmara de controle (56), o sistema posicionador (14) caracterizado por compreender:
    um conversor I/P (24) que distribui um sinal de pressão ao sistema posicionador (14);
    o sistema posicionador (14) adicionalmente compreendendo um segundo estágio pneumático que inclui uma carcaça com uma porta de entrada de fluido de controle (50) em comunicação fluida com um suprimento de fluido de controle (30) e uma primeira porta de saída de fluido de controle (52) em comunicação fluida com a primeira câmara de controle (56), e um conjunto de válvula de fluido de controle disposto na carcaça e que responde ao sinal de pressão para controlar escoamento de fluido de controle a partir da porta de entrada (50) até a primeira porta de saída (52);
    um sensor de pressão de entrada de fluido de controle (85) em comunicação fluida com a porta de entrada (50) da carcaça para medir uma pressão de fluido de controle de porta de entrada;
    um primeiro sensor de pressão de saída de fluido de controle (86) em comunicação fluida com a primeira porta de saída (52) para medir uma primeira pressão de fluido de controle de porta de saída;
    um conjunto de válvula de fluido de controle, dentro do sistema posicionador, tendo um sensor de deslocamento (84) para detectar uma posição de conjunto de válvula de fluido de controle; e uma unidade de diagnóstico acoplada em comunicação com o sensor de pressão de entrada (85), primeiro sensor de pressão de saída (86), e sensor de deslocamento (84), a unidade de diagnóstico incluindo um processador (18) que tem uma rotina armazenada adaptada para determinar um primeira vazão em massa de porta de saída de fluido de controle com base na pressão da porta de entrada, a pressão de primeira porta de entrada e uma primeira área de restrição de porta de
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  2. 2/10 saída para discriminar entre várias condições de falha dentro do sistema posicionador e identificar uma causa raiz das várias condições de falha.
    2. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do atuador ainda definir uma segunda câmara de controle (58) e a carcaça definir uma segunda porta de saída (54) em comunicação fluida com a segunda câmara de controle (58), no qual o conjunto de válvula de fluido de controle ainda controla escoamento de fluido de controle desde a porta de entrada (50) até a segunda porta de saída (54), e em que o posicionador (12) ainda compreende um segundo sensor de pressão de saída (88) em comunicação fluida com a segunda porta de saída (54) para medir uma pressão de segunda porta de saída, no qual a unidade de diagnóstico é acoplada em comunicação com o segundo sensor de pressão de saída (88) e a rotina é ainda adaptada para determinar uma segunda vazão em massa de porta de saída de fluido de controle com base na pressão de porta de entrada, a segunda pressão de porta de saída e uma segunda área de restrição de porta de saída.
  3. 3. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do conjunto de válvula de fluido de controle compreender uma válvula de carretel (26) e a posição do conjunto de válvula de fluido de controle compreender uma posição de válvula de carretel.
  4. 4. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato da rotina ser adaptada para determinar a primeira área de restrição de porta de saída com base em uma posição de válvula de carretel.
  5. 5. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do conjunto de válvula de fluido de controle compreender um relé pneumático (200) que tem uma viga (216) e a posição do conjunto de válvula de fluido de controle compreender uma posição de viga, no qual a rotina é adaptada para determinar uma primeira área de restrição de porta de saída com base na posição de viga.
  6. 6. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da rotina determinar a primeira vazão em massa de porta de saída dm/dt1
    Petição 870180026614, de 03/04/2018, pág. 33/44
    3/10 de acordo com:
    dm/dti = KYAigc(2p(pi-p2))1/2 onde:
    pi é a pressão da porta de entrada;
    p2 é a pressão da porta de saída;
    A1 é a primeira área de restrição de porta de saída;
    K é um coeficiente de descarga;
    Y é um fator de expansão;
    gc é uma constante de conversão; e p é uma massa específica de fluido de montante.
  7. 7. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato do atuador (12) ainda definir uma segunda câmara de controle (58) e a carcaça definir uma segunda porta de saída em comunicação fluida (54) com a segunda câmara de controle (58), no qual o conjunto de válvula de fluido de controle ainda controla escoamento de fluido de controle a partir da porta de entrada (50) até a segunda porta de saída (54), e em que o posicionador (14) ainda compreende um segundo sensor de pressão de saída (88) em comunicação fluida com a segunda porta de saída (54) para medir uma segunda pressão de porta de saída, em que a unidade de diagnóstico é acoplada em comunicação com o segundo sensor de pressão de saída (88) e a rotina é adaptada para determinar uma segunda vazão em massa de porta de saída de fluido de controle com base na pressão de porta de entrada, a segunda pressão de porta de saída e uma segunda área de restrição de porta de saída.
  8. 8. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da rotina determinar a segunda vazão de porta de saída dm/dt2 de acordo com:
    dm/dt2 = KYA2gc(2p(p1-p3))1/2 onde:
    p1 é a pressão da porta de entrada;
    p3 é a segunda pressão da porta de saída;
    Petição 870180026614, de 03/04/2018, pág. 34/44
    4/10
    A2 é a segunda área de restrição de porta de saída;
    K é um coeficiente de descarga;
    Y é um fator de expansão;
    gc é uma constante de conversão; e ρ é uma massa específica de fluido de montante.
  9. 9. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do fluido de controle compreender ar, e em que a rotina determina a primeira vazão em massa de porta de saída dm/dt1 de acordo com:
    dm/dt1 = 0,048 KYA1 (p1(p1-p2))1/2 onde:
    p1 é a pressão da porta de entrada;
    p2 é a pressão da porta de saída;
    A1 é a primeira área de restrição de porta de saída;
    K é um coeficiente de descarga; e
    Y é um fator de expansão;
  10. 10. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do posicionador (14) compreender a unidade de diagnóstico.
  11. 11. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de um hospedeiro remoto (19) compreender a unidade de diagnóstico.
  12. 12. Malha de controle para posicionar um elemento de estrangulamento de um sistema posicionador (14) de uma válvula de controle operada pneumaticamente (10), a malha de controle caracterizada pelo fato de compreender:
    um atuador (12) para acionar o elemento de estrangulamento, o atuador (12) sendo colocado em uma carcaça de atuador que define pelo menos uma primeira câmara de controle (56);
    um posicionador (14) que inclui segundo estágio pneumático de fluido de controle que tem uma carcaça que define uma porta de entrada de fluido de controle (50) em comunicação fluida com um suprimento de fluido de controle (30) e uma primeira porta de saída de fluido de controle (52) em comunicação fluida com a primeira de câmara de controle (56), e um conjunto de válvula de fluido de controle
    Petição 870180026614, de 03/04/2018, pág. 35/44
    5/10 disposto na carcaça para controlar escoamento de fluido de controle a partir da porta de entrada de fluido de controle (50) até a primeira porta de saída de fluido de controle (52);
    um sensor de pressão de entrada (85) em comunicação fluida com a porta de entrada de fluido de controle (50) da carcaça para medir uma pressão de porta de entrada de fluido de controle;
    um primeiro sensor de pressão de saída (86) em comunicação fluida com a primeira porta de saída de fluido de controle (52) para medir uma primeira pressão de porta de saída de fluido de controle;
    um sensor de deslocamento (84) para determinar uma posição de conjunto de válvula de fluido de controle; e uma unidade de diagnóstico acoplada em comunicação com o sensor de pressão de entrada (85), primeiro sensor de pressão de saída (86) e sensor de deslocamento (84), a unidade de diagnóstico incluindo um processador (18) que tem uma rotina armazenada adaptada para determinar uma primeira vazão em massa de porta de saída de fluido de controle com base na pressão de porta de entrada, a primeira pressão de porta de saída, e uma primeira área de restrição de porta de saída para desenvolver um primeiro perfil de escoamento em massa, e uma subrotina lógica adaptada para gerar um sinal de falha em resposta ao perfil de vazão em massa, para discriminar entre várias condições de falha dentro do sistema posicionador.
  13. 13. Malha de controle de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato da sub-rotina lógica gerar um sinal de falha quando o primeiro perfil de escoamento em massa apresentar um aumento sustentado.
  14. 14. Malha de controle de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato da sub-rotina lógica gerar um sinal de falha quando o primeiro perfil de escoamento em massa apresentar uma diminuição sustentada.
  15. 15. Malha de controle de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato da sub-rotina lógica gerar um sinal de falha quando o primeiro perfil de escoamento em massa apresentar uma diminuição sustentada enquanto o sensor
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    6/10 de deslocamento (84) indica que o conjunto de válvula de fluido de controle está fora de uma posição neutra.
  16. 16. Malha de controle de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato do atuador (12) ainda definir uma segunda câmara (58) e a carcaça ainda definir uma segunda porta de saída em comunicação fluida (54) com a segunda câmara (58), no qual o conjunto de válvula de fluido de controle ainda controla escoamento de fluido de controle a partir da porta de entrada (50) até a segunda porta de saída (54), a malha de controle ainda incluindo um segundo sensor de pressão de saída (88) acoplado em comunicação com a unidade de diagnóstico, no qual a rotina é ainda adaptada para calcular uma segunda vazão em massa de fluido de controle através da segunda porta de saída (54) com base na pressão da porta de entrada (50), a segunda pressão de porta de saída e uma segunda área de restrição de porta de saída para desenvolver um segundo perfil de escoamento em massa e no qual a sub-rotina lógica gera o sinal de falha com base em pelo menos os primeiro e segundo perfis de escoamento em massa.
  17. 17. Malha de controle de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato da sub-rotina lógica gerar um primeiro sinal de falha de vazamento de câmara quando o primeiro perfil de escoamento em massa apresentar um aumento sustentado e o segundo perfil de escoamento em massa ser substancialmente constante.
  18. 18. Malha de controle de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato da sub-rotina lógica gerar um sinal de falha de anel de pistão quando um dos primeiro e segundo perfis de escoamento em massa apresentar um aumento sustentado e um remanescente dos primeiro e segundo perfis de escoamento em massa apresentar uma diminuição sustentada.
  19. 19. Malha de controle de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato da rotina ser ainda adaptada para calcular uma pressão transversal fazendo a média dos valores de pressão a partir dos primeiro e segundo sensores de pressão de saída (86, 88), no qual a sub-rotina lógica ainda baseia o sinal de falha na pressão transversal.
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    7/10
  20. 20. Malha de controle de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato da sub-rotina lógica gerar um primeiro sinal de falha de vazamento de câmara quando o primeiro perfil de escoamento em massa apresentar um aumento sustentado, o segundo perfil de escoamento em massa ser próximo de zero, e a pressão transversal ser reduzida.
  21. 21. Malha de controle de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato da sub-rotina lógica gerar um segundo sinal de falha de vazamento de câmara quando os primeiro e segundo perfis de escoamento em massa são próximo de zero e a pressão transversal é reduzida.
  22. 22. Malha de controle para posicionar um elemento de estrangulamento de um sistema posicionador (14) de uma válvula de controle operada pneumaticamente, a malha de controle caracterizada pelo fato de compreender:
    um atuador (12) para acionar o elemento de estrangulamento, o atuador (12) definindo primeira e segunda câmaras de controle (56, 58);
    um segundo estágio pneumático que tem uma porta de entrada de fluido de controle (50) em comunicação fluida com um suprimento de fluido de controle, primeira e segunda portas de saída de fluido de controle (52, 54) em comunicação fluida com as primeira e segunda câmaras de controle de atuador (56, 58), respectivamente, e um conjunto de válvula de fluido de controle para controlar escoamento de fluido de controle a partir da porta de entrada de fluido de controle (50) até as primeira e segunda portas de saída de fluido de controle (52, 54);
    um conversor I/P (24) que tem um diafragma (45) que responde à pressão que engata o conjunto de válvula de fluido de controle, o conversor I/P (24) ainda incluindo uma entrada em comunicação fluida com o suprimento de fluido de controle e uma saída para direcionar fluido de controle para o diafragma (45);
    pelo menos um sensor (84, 86, 88) para detectar um parâmetro de operação do sistema posicionador;
    um processador (18) acoplado em comunicação com pelo menos um sensor (84, 86, 88) para fornecer um sinal de acionamento para o conversor I/P (24); e
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    8/10 uma unidade de diagnóstico acoplada em comunicação com o processador (18), a unidade de diagnóstico incluindo uma memória (20) programada para:
    definir uma faixa normal para o parâmetro de operação;
    disparar um sinal de falha para operação do parâmetro de controle fora da faixa normal;
    caracterizar parâmetros de operação da malha de controle durante o sinal de falha para derivar um gabarito de falha;
    comparar o gabarito de falha a conjuntos de parâmetros de operação armazenados associados com falhas de componentes específicas; e identificar pelo menos uma falha de componente potencial específica que tem um conjunto de parâmetros de operação armazenados que correspondem ao gabarito de falha, e identificar uma causa raiz da pelo menos uma falha de componente potencial específica.
  23. 23. Malha de controle de acordo com a reivindicação 22, caracterizada pelo fato do conjunto de válvula de fluido de controle compreender uma válvula de carretel (26), e na qual o parâmetro de controle compreende um sinal de posição da válvula de carretel.
  24. 24. Malha de controle de acordo com a reivindicação 22, caracterizada pelo fato do conjunto de válvula de fluido de controle compreender um relé pneumático (200) que tem uma viga (216), e no qual o parâmetro de controle compreende um sinal de posição de viga.
  25. 25. Malha de controle de acordo com a reivindicação 22, caracterizada pelo fato do parâmetro de controle compreender um sinal de acionamento I/P.
  26. 26. Malha de controle de acordo com a reivindicação 22, caracterizada pelo fato do pelo menos um sensor compreender um sensor de porta de entrada (50) em comunicação fluida com a porta de entrada (50) do segundo estágio pneumático, um primeiro sensor de porta de saída (86) em comunicação fluida com a primeira porta de saída (52) do segundo estágio pneumático, um segundo sensor de porta de saída (88) em comunicação fluida com a segunda porta de saída (54) do segundo
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    9/10 estágio pneumático, e um sensor de deslocamento (84) para determinar uma posição do conjunto de válvula de fluido de controle e no qual a memória (20) é programada para:
    caracterizar um desvio de sinal de acionamento I/P como alto ou baixo;
    caracterizar um sinal de erro como amplamente positivo, neutro ou amplamente negativo, no qual o sinal de erro é igual a um sinal de referência menos um sinal de trajeto de atuador;
    caracterizar uma pressão diferencial de porta de saída como negativa, nominal ou positiva, no qual a pressão diferencial de porta de saída é igual a uma primeira pressão de porta de saída menos uma segunda pressão de porta de saída; e caracterizar a posição do conjunto de válvula de fluido de controle como amplamente positiva, neutra ou amplamente negativa.
  27. 27. Malha de controle de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato da memória ser ainda programada para caracterizar o sinal de referência depois que o desvio do sinal de acionamento I/P tenha sido caracterizado, porém antes de o sinal de erro, pressão diferencial de porta de saída e posição de válvula de carretel tenham sido caracterizados.
  28. 28. Sistema posicionador (14) para receber um sinal de acionamento e controlar um atuador pneumático (12) acoplado a um elemento de estrangulamento, o sistema posicionador (14) tendo pelo menos uma primeira câmara de controle (56), caracterizado pelo fato de compreender:
    um conversor I/P (24) adaptado para receber o sinal de acionamento, o conversor I/P (24) gerando um sinal de pressão com base no sinal de acionamento;
    um segundo estágio pneumático que inclui uma carcaça com uma porta de entrada de fluido de controle (50) em comunicação fluida com um suprimento de fluido de controle e uma primeira porta de saída de fluido de controle (52) em comunicação fluida com a primeira câmara de controle (56), e um conjunto de válvula de fluido de controle colocado na carcaça e que responde ao sinal de pressão para controlar escoamento de fluido de controle a partir da porta de entrada
    Petição 870180026614, de 03/04/2018, pág. 40/44
    10/10 de fluido de controle (50) até a primeira porta de saída de fluido de controle (52);
    um sensor de deslocamento (84) para determinar a posição do conjunto de válvula de fluido de controle; e uma unidade de diagnóstico acoplada em comunicação com o sensor de deslocamento (84) e que inclui um processador (18) que tem uma rotina armazenada adaptada para gerar informação de diagnóstico de sistema posicionador com base na posição do conjunto de válvula de fluido de controle.
  29. 29. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato do conjunto de válvula de fluido de controle compreender uma válvula de carretel (26), e em que a posição do conjunto de válvula de fluido de controle compreende uma posição de válvula de carretel.
  30. 30. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato do conjunto de válvula de fluido de controle compreender um relé pneumático (200) que tem uma viga (216), e no qual a posição do conjunto de válvula de controle compreender uma posição de viga.
  31. 31. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato da rotina armazenada comparar a posição do conjunto de válvula de fluido de controle ao sinal de acionamento para gerar a informação de diagnóstico.
  32. 32. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato do atuador (12) ainda definir uma segunda câmara de controle (58) e a carcaça definir uma segunda porta de saída (54) em comunicação fluida com a segunda câmara de controle (58), no qual o conjunto de válvula de fluido de controle ainda controla escoamento de fluido de controle a partir da porta de entrada (50) até a segunda porta de saída (54).
  33. 33. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato da informação de diagnóstico compreender informação de diagnóstico do atuador (12).
  34. 34. Sistema posicionador de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato da informação de diagnóstico compreender informação de diagnóstico do conversor I/P (24).
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