CN101960193B - 用于检测控制阀部件失效的诊断方法 - Google Patents

Abstract

要求保护的方法和系统识别过程控制阀(10)中的部件的故障和/或损坏。该系统能利用不同的传感器组合，以提供必要的数据来计算不规则的部件整体性。能产生警报，以便指示潜在的部件整体性问题。尤其是，该系统能检测致动器弹簧(37)、气动管道和管路以及波纹管密封件(36)中潜在的损坏和/或故障。该要求保护的系统能通信耦合到过程控制网络，以便提供更为详尽的报警系统。而且，能使用附加的统计方法来改进系统的检测精度。

Description

用于检测控制阀部件失效的诊断方法

发明领域

本专利一般涉及在过程工厂(process plant)中实施诊断和维护，尤其是，涉及以在过程工厂中减少或防止控制阀失效的方式来在过程工厂中提供诊断能力。

背景技术

工业过程中的控制阀失效几乎一直影响着工厂运行。一般来说，控制阀失效能影响控制阀对控制信号的响应。尤其是，控制阀可能变得较少响应于或缓慢响应于控制信号，这可能导致控制性能的降低而引发过程可变性，其使得在工厂操作者方面花费很大或者更为糟糕，可能导致危险情况。因此，对控制阀劣化或损坏的早期检测可允许以防止对过程工厂的运行破坏的方式来有序安排控制阀的维护。

控制阀性能下降可能由于很多原因而发生。一般来说，部件零件的损坏可能是主要因素。然而，零件损坏典型地只在控制阀运行下降到控制阀发生故障的程度才能被检测到，该控制阀发生故障是由于，例如，部件失效而产生，而到该程度可能来不及实施预防性维护。预防性维护的一种方法可以是定期物理地检查控制阀的部件。然而，此选择代价昂贵，因为为了检查，需要使应用了控制阀的过程控制环停工和/或将控制阀移除和拆卸。

发明内容

根据一个或多个公开的实施例，要求保护的方法和系统识别过程控制阀中的部件的故障和/或损坏。在一些实施方式中，要求保护的方法和系统检测致动器弹簧、气动管道和管路以及波纹管密封件的损坏和/或故障。

在一个实施方式中，能通过监视致动器压力和致动器杆移动来检测气动控制阀中的致动器弹簧的损坏或故障。

在一个实施方式中，能通过监视波纹管室压力和阀移动来检测控制阀中的波纹管的损坏或故障。

在一个实施方式中，能识别致动器泄漏源。在一个实施方式中，能检测在仪器管道或隔膜中的一个中的泄漏。

附图说明

图1示出了控制阀；

图2示出了控制阀的横截面图；

图3A示出了直接作用阀(direct-acting valve)构造；

图3B示出了反向作用阀(reverse-acting valve)构造；

图4A示出了控制阀的一实施方式，该控制阀配置成确定弹簧损坏；

图4B示出了用于检测弹簧损坏的一过程实施方式；

图5A示出了安装在控制阀中的波纹管密封；

图5B示出了用于检测波纹管失效的一过程实施方式；

图6A示出了适合于识别气动致动器中泄漏的控制阀的一实施方式；

图6B示出了用于识别致动器泄漏部件的一过程实施方式；

图7示出了气动致动器的构造，在该气动致动器中，定位器的排气口流体地耦合到致动器的排气口；

图8示出了泄漏检测系统的一实施方式，该泄漏检测系统使用了改进的双作用定位器；

图9示出了计算设备，该计算设备可用于实现检测算法；

图10示出了检测模块的一实施方式；以及

图11示出了可实现一个或多个控制阀和检测模块的过程工厂的过程控制系统。

具体实施方式

图1示出了控制阀组件10，其能用于过程控制系统，例如，处理工厂。控制阀组件10包括阀12、致动器22和控制阀仪器或定位器34。阀12包括阀体14、进口16、出口18，并且致动器22包括阀盖20和气动隔膜盒(pneumatic diaphragm casing)40。阀杆32可以贯穿阀盖20设置，该阀杆32可用于操作阀12。轭30能被连接到阀盖20或者和阀盖20一起被提供。尽管轭30能被连接到阀盖20，如图1所示，但是轭30在其他实施方式中能被安装到阀体14的另一零件上。能使用轭30将气动隔膜盒40耦合到阀体14。阀杆32能形成阀杆组件15的一部分，这将在下文中进一步描述，并且阀杆32能适合于将来自气动隔膜盒40的力传递到阀12，从而控制阀12的操作。

气动定位器34能被连接到轭30。可以使用定位器34来控制致动器22。一般来说，诸如定位器34的定位器可以是电-气动的，并且可以用于过程控制环，以便以规定的方式操作控制阀组件10。即，定位器34可以通过在I/P(电流到压力)阶段(部件未示出)接收电输入信号以便将电输入信号转换成气动输出信号来运行，该气动输出信号可以驱动致动器22。可以将输出压力信号直接应用于气动隔膜盒，气动隔膜盒则将气动信号耦合到阀，以便以与电输入信号成比例的方式来控制流量。

图2示出了图1的控制阀组件10的横截面视图。应注意的是，类似的部件被相似地标记。图2示出了阀体14，其限定进口16、出口18和通道11，该通道11在进口16和出口18之间相通。阀座13能被设置在阀体14中，而通道11贯穿通过阀体14。阀杆组件15可包括阀塞17，该阀塞17设置在通道内并且能相对于阀座13移动，从而控制流体流动经过阀体14。阀杆组件15还包括阀杆32，该阀杆32耦合到阀塞17，并且延伸穿过在阀盖20中的孔19(例如，阀体开口)。当阀杆组件15被提高以打开在阀塞17和阀座13之间的开口时，流体经过通道11的流量增加。降低阀杆组件15将关闭开口并且减小流体流量，直到阀塞17完全接合阀座13(如在图2中所示)，从而阻止任何另外的经过通道11的流体流量。

阀杆组件15可以耦合到致动器22，以用于升高和降低阀杆组件15。致动器22可包括隔膜盒40，该隔膜盒40放置隔膜36，该隔膜36耦合到致动器杆35。隔膜36能由一组(即，一个或多个)致动器弹簧37偏置。尽管图2的实施方式示出能通过盘38和螺栓39将隔膜36耦合到致动器杆35，但是同样能使用本领域已知的其他紧固手段。如图2所示，能通过阀杆连接器33将阀杆32耦合到致动器杆35。致动器22可被操作以便升高或降低致动器杆35并且因此升高或降低阀杆组件15。致动器22的隔膜盒40能通过轭30被支撑和置于阀体12上。

致动器22可以是气动致动器，其由定位器34控制。定位器34可具有流体压力源进口42，该进口42接收来自流体源(未示出)的加压气体。定位器34可具有出口43，该出口43流体地耦合到致动器隔膜盒40的进口44。致动器隔膜盒可具有出口排气口45，该出口排气口45用于将隔膜盒40的非加压侧开孔。尽管图2的实施方式示出了出口排气口45能被耦合到定位器34，但是普遍将排气口45通向环境大气。定位器34一般可运行以控制从加压源例如压缩空气源(未示出)施加到隔膜盒40的气体的量和定时。当气体被施加到致动器的进口44时，例如室46的致动器室中的压力能在致动器杆35上施加力，该力与施加的压力和致动器隔膜36的有效面积成比例。因此，当隔膜36离开原位时，下室47的容积能通过出口45源或汇流体。

尽管图2示出了使用多个弹簧37的气动致动器实施方式，但是应该注意到，一些气动致动器可以只使用单一弹簧。图3A和3B中示出了这样的实施方式。在图3A和3B中，单一弹簧48和49分别用于偏置隔膜51和53。图3A示出了直接作用的构造，在该构造中，弹簧48偏置致动器杆55，以用于向下推至关闭的结构阀，而图3B示出了反向作用的构造，在该构造中，弹簧49偏置致动器杆57，以用于向下推至打开的结构阀。

检测异常的控制阀运行

于此描述的系统通过识别处于损坏状态的控制阀部件来辅助确定阀性能降低的原因。尤其是，能使用各种传感器读数连同于此描述的算法来确定和识别可能处于不好状态或可能在期望性能范围之外运行的控制阀部件。即，此系统可以使得在控制阀严重故障之前早期地检测出部件损坏。

在一个实施方式中，系统能监视由诸如致动器弹簧、气动管道和管路和/或波纹管密封件的部件产生的控制阀功能降低。在控制阀中，致动器响应可能由于用来偏置致动器的致动器弹簧的损坏而消极地受影响。当弹簧损坏时，用于将阀转换到其运行状态(打开或关闭)的响应时间可能被推迟。致动器响应可能由于气动通路(例如，往返气动出口和进口的管道和管路)中的泄漏或致动器隔膜的部分或全部失效而进一步受影响。另外，控制阀响应可能因在波纹管密封件中的损坏而受到损害，该波纹管密封件用于将控制阀过程环境与外部大气(例如，环绕控制阀的环境)隔离。能使用于此描述的系统检测或预测一个或多个所述部件中的损坏。

检测致动器弹簧故障或损坏

弹簧失效是可能引起控制阀响应时间减小(即，停滞)的一种失效模式。诸如在图3A和3B中示出的那些致动器中的单一弹簧的损坏能引起立即失效。在多弹簧致动器中，单一弹簧的失效不会引起即时的控制阀失效或失控。然而，在多弹簧致动器中的甚至一个弹簧的失效可能导致致动器不均匀的负载，该不均匀的负载可能减小致动器推力，而这可能限制阀的运行范围或减少底座负载，从而增加阀中的底座泄漏。而且，单一弹簧的失效可能预示其他弹簧可能将很快失效。

一般来说，弹簧损坏可能由于许多因素而发生，诸如弹簧腐蚀或氧化，或结构的/机械的故障诸如疲劳。这些情况的任何一种都可能导致弹簧在弹簧的其他物理参数中呈现削弱的弹性。

如此处所述的致动器弹簧损坏检测系统能被实现以预测或检测弹簧损坏或者失效，以便采取预防性措施来减少维护成本和昂贵的工厂停工。弹簧损坏检测系统能在已有的过程控制系统中被实现或者将弹簧损坏检测系统安置为独立的功能计算单元。一般来说，可将弹簧损坏检测系统实现为在计算设备上运行的硬件或者软件。

在一个实施方式中，能利用计算和监视致动器弹簧常数的当前值来检测弹簧损坏。在此实施方式中，弹簧常数可被计算出并且和初始的或者设计的弹簧常数值作比较。如果计算出的弹簧常数自初始或设计值偏离了大于预定的阈值，则可检测到弹簧损坏或者失效。在另一个实施方式中，能监视和测量致动器压力和阀行程来计算弹簧常数值。可利用以下公式来计算弹簧常数值：

ΔPA＝ΔTK_a

其中ΔT是阀行程距离，ΔP是施加到致动器的压力的改变，A是致动器隔膜的有效隔膜面积，并且K_a是弹簧常数。

图4A示出了能用于确定致动器中的弹簧损坏的控制阀的实施方式。图2和图4A的共同元件相似地标记。图4A示出了位置传感器401，其可提供关于控制阀组件10的位置、运动和/或行程的数据。阀12的行程可基于致动器杆35的运动。如图2所示，致动器杆35可以可操作地耦合到阀杆32、阀杆连接器33和阀塞17。因此，测量此组部件中的任何一个的行程都能指示此组部件中的任意件的行程。

压力传感器403可提供指示施加到上压力室46的压力的数据。

另外，能利用设备405来接收来自行程传感器401或压力传感器403中的一个或两个的传感器数据。设备405可随后实施算法，如以下进一步所述，以便检测和指示弹簧故障。尽管图4A中的设备405被示出与定位器34分开，但是设备405可被实施成定位器34的一部分。例如，当定位器34是具有处理器和存储器的数字定位器时，即为这种情况。

图4B示出了检测致动器弹簧损坏的过程实施方式。在框410中，可感测阀的行程(例如，致动器杆35、连接器33或阀杆32的行程)。在一个实施方式中，阀的位置能被定期地采样，并且可基于两个所采样的位置间的差值来确定行程。在框411中，能感测施加的压力。在一个实施方式中，可通过周期地采样施加的压力并取两个采样读数的差值来检测施加压力的变化。在一个实施方式中，所采样的位置和施加压力的周期可以是同步的。换句话说，位置和施加压力采样能在共同时期内同时进行。

在框413中，可确定致动器弹簧的当前弹簧常数。例如，在特定时间段，阀行程距离能和相应的压力变化一起测量。在一实施方式中，可记录阀在第一时间的第一位置，并且可记录阀在第二时间的第二位置，其中，第一位置和第二位置间的差值可被计算成阀行程距离ΔT。在阀行程中，施加的致动器压力可能发生相应变化。可通过记录在阀处于第一位置时的第一时间上的致动器压力，并且随后记录在阀到达第二位置时的第二时间上的致动器压力，来测量此致动器压力变化。两个压力读数间的差值可随后作为压力的变化ΔP来使用。

在框414中，可将所计算的当前弹簧值常数间的差值与初始弹簧值常数进行比较。如果当前的和初始的弹簧值常数相差大于预定的阈值，则可产生弹簧失效或者弹簧损坏指示415。如果当前的和初始的弹簧值常数间的差值不超过阈值，则可重复该过程。可提供初始弹簧值常数(例如，通过制造商)或者可利用框410-413来确定初始弹簧常数。

可基于致动器弹簧或多个致动器弹簧的有效寿命来将阈值设定到一水平。例如，阈值可被设定到这样的水平，该水平指示弹簧已经损坏到一定程度，其中弹簧可具有仅足以维持阀直到安排和/或安装替换弹簧的有效寿命。

在一个实施方式中，可仅针对阀在一个方向上的单一连续的运动来计算阀行程ΔT。换句话说，在此实施方式中，当阀连续地从第一位置行程到第二位置且在两个位置之间行进而不改变方向时，阀行程才作为行程距离。在此实施方式中，在端点间(例如，阀行程被实际限制在其中)的运动不包括在阀行程ΔT中。

在一个实施方式中，致动器可包括多个弹簧。这在图2中示出。在此情况下，弹簧常数可以是总弹簧常数，以表示多个弹簧的作用。在此实施方式中，单一弹簧的失效可通过适当地设定阈值而被检测出。尤其是，阈值可基于弹簧的数量和每个弹簧对总弹簧常数的平均贡献。例如，阈值能被设定成相应于在假如多个弹簧中的一个弹簧被去除(例如，完全失效)时的总弹簧常数的差值。在另一实施例中，阈值能被设定成反映在假如一个或多个弹簧损坏到最小的功能性但在任何一个弹簧完全失效之前时的总弹簧常数的差值。在一个实施方式中，阈值可基于在运行中克服阀的摩擦和滞后所需要的弹簧的数量来设置。在此实施方式中，阈值可被设定成以便系统能在阀性能被降低或危及之前指示弹簧问题。

在一个实施方式中，可基于以下等式来设定阈值：其中n＝弹簧的总数，使得对于多个弹簧，存在由K₁...K_n命名的多个弹簧常数。K₁表示多个弹簧中的第一弹簧的弹簧常数。

检测波纹管密封件的损坏

图5A示出了使用波纹管密封件的控制阀。波纹管501可用作阻挡，以将周围工厂大气505与过程控制流体环境503隔离。例如，波纹管501在危险的或有毒的过程控制应用中可能是必须的，在危险的或有毒的过程控制应用中要求将危险化学品与周围工厂环境隔开(例如，参见职业安全和危害署(OSHA)规定)。

一般来说，波纹管是柔韧的单件式的、可折叠的、无缝的设备，该设备具有由非常薄壁管形成的基底褶曲，并且可以是金属的。波纹管褶曲的柔韧性可以在特性上相似于螺旋盘压力弹簧的褶曲柔韧性。在控制阀应用中，可通过在波纹管的第一端514上使用波纹管垫圈511来将波纹管501固定到阀杆509的第一部分513。波纹管501的第二端516被固定到阀体14的一部分518。阀体部分518可以是阀盖20的一部分。波纹管501可将控制阀内部(例如，503中)的控制流体与控制阀外部的周围大气505隔离开，而且还允许阀杆509自由地移动而没有多少摩擦。波纹管褶曲的直径和数量的规格一般被制定为适合介于阀杆和阀杆室之间，但依赖于控制阀的布置和类型而变化。

波纹管501可能由于疲劳(例如，金属疲劳)和/或腐蚀而以不可预知且灾难性的方式失效。因为失效的潜在性，填料构件(packing member)515作为备用密封结构同样被实施在控制阀中。波纹管密封阀通常在阀杆517靠近阀杆顶部的第二部分处实施附加的填料构件515或密封。阀杆的第二部分在阀体开口附近是可移动的。填料515在波纹管501破裂的情况下起到最后防护的作用，防止通过阀杆509到大气的泄漏。

尽管填料515在过程流体和外部大气之间提供了附加的安全阻挡，但是填料515可能使得很难检测到波纹管密封件何时失效，直到已经发生了实际的外部泄漏。一般使用压力传感器来指示水平和流动信号。例如，可将数字定位器耦合到压力传感器，以用于检测施加的致动器压力。可利用这些压力传感器提供控制反馈。可进一步在控制阀中使用压力传送器，以便检测在致动器耦合器或阀耦合器中的低压。然而，此低压读数不能单独提供信息以便区分波纹管泄漏与阀冲程的影响或与封闭在波纹管和填料之间的气体的温度影响，这影响控制阀运动。

图5A示出了控制阀507，该控制阀507适于检测波纹管密封件损坏或失效。尤其，图5A示出了压力传感器520，该压力传感器520能感测填料515和波纹管501之间的流体压力，其中在波纹管501和填料515之间的空间可形成室530。第二传感器532能感测阀行程。在此实施方式中，这两个传感器(即，波纹管室压力传感器520和行程传感器532)能向定位器534提供传感器读数或传感器数据。定位器534随后应用算法(将在下面进一步讨论)来确定潜在的波纹管失效。应注意到，一些数字定位器可能已经适合于感测阀行程(即，定位器行进的距离或者阀在不同时期的位置)，并且因此，在一些实施方式中，传感器532能被集成到定位器534中。

当以下条件被确定时，能指示波纹管失效：

1)当阀杆在冲击或移动时室530中的恒定压力；或者

2)在阀杆没有运动时，室530中的压力的增加。

可利用理想气体定律来解释以上列出的两个检测条件：

PV＝nRT

在此应用中，P可以是室A中的压力，V可以是室A中的容积，n可以是室A中的气体摩尔，R可以是理想气体常数，并且T可以是绝对温度。一般来说，只要波纹管501起作用并且波纹管垫圈511足够将室530与过程流体(例如，在控制阀的部分503中的流体)密封，室530中的容积应该只受阀行程影响。因此，如果波纹管501和波纹管垫圈511未受损害，则压力和行程应该成反比例。尤其，压力和行程应该以乘积nRT成反比。然而，当波纹管501泄漏或破裂时，室530的压力和容积之间的关系可能被曲解。因此，以上列出的条件可能指示了在泄漏或者破裂时室530的压力和容积之间的关系。

图5B示出了用于检测控制阀中的波纹管或波纹管垫圈或密封件失效的过程或算法实施方式。在框541中，能感测或测量阀杆的行程或运动。在一个实施方式中，阀杆的位置能定期进行采样，并且基于两个采样位置之间的差值来确定行程。在框542中，能检测波纹管室的压力的变化。在一个实施方式中，通过周期性地采样室压力并获得两个采样读数的差值来感测波纹管室压力的变化。在一个实施方式中，用于采样阀杆位置和波纹管室压力的周期是同步的。换句话说，位置采样和施加的压力采样能在共同时期内同时进行。

在框543处，确定阀杆是否正在移动。如果没有阀杆运动，则确定是否有波纹管室压力变化544。在一个实施方式中，在与感测到阀杆静止的相同时期期间确定压力的变化。如果没有阀杆运动543(即，阀杆静止)并且没有压力变化544，则从框541重复过程。如果阀杆静止543，并且有压力变化，则产生波纹管失效指示546。

如果阀杆正在移动543，则确定波纹管室是否有相应的压力变化545。如果在545处有相应的波纹管室压力变化，则在框541处重复过程。如果没有相应的波纹管室压力变化545，则产生波纹管失效指示546。如以上所讨论的，在条件框545处确定是否有相应的压力变化可包括确定阀的行程距离是否反比于波纹管室压力的变化。框545可进一步包括确定阀的行程距离是否以乘积nRT反比于波纹管室压力的变化。

在一个实施方式中，一可选过程能够如下实施。如果在框543处阀杆在若干循环中都没有移动(例如，在若干连续次数中框543检测到没有杆运动)，则框544能在较长的时间周期上监视波纹管室压力变化。在此实施方式中，能利用对室530中的缓慢压力衰减的监视，来检测备用杆填料的损坏或在波纹管垫圈中的泄漏。当检测到缓慢的压力衰减时，可产生填料或垫圈失效指示。在一个实施方式中，作为控制阀过程(例如，长的打开或关闭时期)的结果，阀杆可以是静止的。在一个实施方式中，阀杆可能有目的地停止一段时间，以确定是否存在室530的压力下降。在另一实施方式中，缓慢压力衰减的监视能作为单独的过程来实施，该单独的过程与图5B的过程同时执行。

应该注意到，尽管图5B示出了框的特殊顺序，但是框能按顺序被重新安排并且仍然属于本公开内容的范围。例如，代替首先检查阀杆运动，能首先检查波纹管室中的压力变化。

图5A示出了定位器534可以接收来自位置传感器532和压力传感器520的输入。定位器534可以包括计算能力。例如，定位器能包括具有处理器和存储器的计算设备(例如，数字定位器)，并且适合于执行程序指令(例如，存储在存储器中)，以实现图5B的过程。应该注意到，尽管图5A示出了在定位器中实现检测过程或算法，但是在其他实施方式中能利用与阀定位器分开且不同的计算设备来采集或接收来自两个传感器520和532的传感器数据，并且应用于此描述的算法来确定波纹管失效。

能简单测量控制阀体的内部空腔503中的压力变化的现有系统不能提供信息来检测波纹管或填料失效。换句话说，现行的系统很可能错误报警。尤其是，很难区分压力变化(例如，压力下降)是由于阀杆冲击还是由于封闭在波纹管室(例如，在波纹管和填料之间)中的气体的温度变化的影响。气体通过波纹管的渗透并非泄漏状况，但随着时间的推移可能导致温度的增加并且可能给予错误报警。类似地，控制阀环境的周围温度的增加可能给予错误报警。

在一个实施方式中，一旦检测到波纹管泄漏或失效，就将惰性气体注射到室A中，以在实施维修之前保证控制阀的安全运行。

检测气动管道和致动器隔膜的损坏

致动器泄漏促成控制阀性能降低，并且两个潜在的泄漏区域能在用于气动致动器的仪表空气管道和受损的致动器隔膜中泄漏。可使用压力传感器来检测施加到气动致动器的压力，并且来自压力传感器的数据可示出异常的压力作用(例如，过多的气体流过致动器)，从而指示致动器的泄漏。然而，不能轻易地识别此致动器泄漏的起因或位置。因此，只监视施加的致动器压力不能提供信息以识别泄漏的致动器部件。在一个实施方式中，能利用算法来确定和识别由于致动器部件泄漏而引起的控制阀性能降低的起因。

图6A示出了适合于识别一组气动致动器部件中的泄漏的控制阀的实施方式。定位器34可以是数字定位器，该数字定位器包括计算设备，用于操作定位器且用于执行检测算法(如以下进一步描述的)。在图6A的实施方式中，流量开关91能被安装在致动器排气口45上，并且被接线到定位器34。在此实施方式中，致动器排气口45能被耦合到流量开关91的进口92，而流量开关91的出口93通向周围大气。一般来说，流量开关感测在流量开关的进口和出口之间的差压，并且在预定流量水平下驱动电气开关。流量开关91可以是商业可获得的流量开关。流量开关91可以是不需要外部电力而运行的被动设备。

在一个实施方式中，流量开关91能连接到致动器排气口45，以便指示致动器排气口何时正在排气。在现存的数字定位器中，定位器可包括诊断程序以用于监视致动器室中的压力。例如，相似于以上描述的致动器弹簧实施方式，压力传感器能感测施加到致动器的压力，并且向数字定位器提供读数。如已讨论的，例如，当致动器压力下降到阈值以下时，数字定位器能检测到某种泄漏存在。然而，只是检测大致的致动器压力下降(例如，在隔膜盒的室中)不能提供信息以识别泄漏的起因。

在使用图6A的装置的实施方式中，能利用算法来快速地识别泄漏的起因。图6B示出了泄漏检测算法或过程。在框600中，致动器压力的下降能产生致动器泄漏指示。当产生、接收或注意到此泄漏指示时，可轮询隔膜流量开关601以确定流量状况。如果在框602处流量开关指示气体正在通过致动器排气口排出时，可能存在仪器管道泄漏。当此状况存在时，数字定位器或检测设备能产生管道泄漏的指示603。如果在框602处流量开关指示气体没有通过致动器排气口排出时，则框604能确定阀杆是否正在移动。通过已有阀杆行程或位置传感器来确定阀杆运动，该传感器感测阀和致动器杆的位置/运动。阀杆运动一般引起排气装置排气。因此，如果阀杆正在移动，则不能确定泄漏的起因。在此情况下，过程会在再一次轮询流量开关601和重复以上过程框之前等待一段时间605。如果当在框602处流量开关指示排气时在604处确定了阀杆没有正在移动，则可能存在隔膜失效。在此情况下，可能会产生对缺损的隔膜的指示或对隔膜失效的指示606。

如以上所述，流量开关可以是商业可获得的被动流量开关。例如，流量开关能是Gentech FCS-04或Malema M-60/M064开关。流量开关的不同实施能具有关闭开关位置或打开开关位置，与打开或关闭排气口相对应。以上的算法配置成适当地匹配开关极性。

一般而言，现行弹簧和隔膜致动器的设计使得在致动器的排气侧上的弹簧和隔膜易受大气腐蚀。该暴露缩短了隔膜寿命，并且由于海上装置中的盐或者由于短暂排放而产生的大气腐蚀能缩短弹簧的有效寿命。此问题的一解决方案能是将定位器排气口耦合到致动器排气口，如图7所示。图7示出了定位器34的排气口59流体耦合到隔膜盒40的排气口45。在此配置中，当定位器34对隔膜36施加压力时，通过隔膜36和隔膜板37的向下运动可迫使气体离开致动器排气口45。当定位器34正在给致动器隔膜盒40的室排气时，隔膜36向上移动(在此配置中)，并且排放的、压缩的空气被从定位器排气口59排入连接到致动器排气口45的管道。在此方式下，进入致动器49的空气主要是来自定位器排气口59的压缩空气，而不是外部的大气空气。其结果是，隔膜和弹簧主要地接触通常经过滤和干燥的、来自压缩空气源的压缩空气，而不是潜在的腐蚀大气(例如，潮湿的和含盐的)。

图8示出了使用了改进的双作用定位器83的泄漏检测系统的实施方式，该双作用定位器83依据图7中所述的原理制造。在典型的双作用定位器中，提供两个供给出口以用于向致动器供给压缩空气，其中通过诸如继电器84的指定气动继电器来控制每个供给出口。当将双致动定位器安装在只需要单一压缩空气供给的隔膜致动器例如致动器85中时，则第二个继电器可用流量计86替换。在此情况下，致动器排气口87可被连回到改进的定位器83，到流量开关86。致动器排气口87可随后通过流量开关86(未示出内部连接通道)耦合到定位器排气口88，以产生相似于图7中的作用。在此方式下，控制阀可容易地适合于实现以上描述的诊断过程，该诊断过程具有来自耦合排气构造的腐蚀保护。因此，对用于安装到隔膜盒弹簧致动器中的双作用定位器的改进提供了于此描述的诊断设计的经济引入并且还提供了更为吸引人的包装。而且，流量开关86现在设置在定位器83自身中，该流量开关86能更为简单地集成或连接到定位器电路中。

检测和识别缺损的管道或缺损的致动器隔膜的益处是补救一个缺损在成本上与另一个不同。一般来说，管道泄漏可使用容易获得的材料而简单地在现场短期内补救，而不需要从服务中移除阀或使其离线。例如，在一些情形下，补救能简单地包括紧固配件。另一方面，隔膜失效可能需要不可获得的备用零件并且需要明显更长时期来维修。而且，隔膜失效可能需要在拆卸致动器时使控制阀离线。

计算设备实施

以上过程或算法可在计算设备中实施，以用于在控制阀的运行期间检测阀部件的损坏和/或识别部件故障。损坏检测算法可在检测模块中实施。应该注意到，于此使用术语检测模块指的是任意类型的块或元件，该块或元件采集诸如传感器数据的数据，并且实现对此数据的一些处理以确定事件，诸如以上描述的缺损或失效事件。其结果是，此术语旨在覆盖软件、固件、硬件和/或实现此功能的其他元件，而不管这些元件的形式是功能块、或其他类型的块、程序、例程或元件。

图9示出了计算设备，该计算设备可用于实现检测算法。计算设备50的部件可包括但不限于：处理单元52、系统存储器54和系统总线56，该系统总线56将各种系统部件耦合到处理单元52。存储器54可以是能由处理单元52访问的任意可得到的媒介，并且包括非易失性媒介和易失性媒介、可移动媒介和不可移动媒介。使用者可以通过用户输入设备66，诸如键盘和指针设备，来将指令和信息输入计算设备50。这些和其他输入设备能通过用户输入接口60连接到处理单元52，该用户输入接口60能耦合到系统总线56。监视器和其他类型的显示设备同样能通过用户接口60连接到处理器52。同样可以使用其他接口和总线结构。尤其是，来自其他设备(例如，传感器)的输入62可通过输入/输出(I/O)接口58在计算设备50处接收，并且来自计算设备120的输出64可通过输入/输出(I/O)接口58提供给其他设备。接口58和60通过系统总线56将各种设备连接到处理器52。

图10示出了检测模块70，该检测模块70可在图9的计算设备50上实施。在一个实施方式中，可使用在图10中示出的检测模块70来实现算法以用于通过接收诸如施加到致动器的压力变化和阀行程距离的输入来检测气动控制阀中的致动器弹簧损坏。

逻辑块72能接收一组(即，一个或多个)传感器/测量信号74，并且能计算关于该组过程信号74的参数(例如，微分、平均等等)。通过检测块76来接收计算的参数，该检测块76根据包含在规则块78中的规则来运行。例如，可在计算设备50的存储器54的一部分中(图9)实现规则块78，并且该规则块78可定义用于检测损坏或故障部件的算法，如以下进一步所述的。

在一个实施方式中，第一组计算的参数可存储在受训值(trained value)块80中。例如，可通过计算设备50计算并周期地更新受训值。例如，在一个实施方式中，可通过逻辑块72来产生受训值，该逻辑块72在第一运行时期期间，典型地在正常的过程运行或在配置阶段时期，产生或认知标称的或者正常的参数。然后，可将这些标称的参数作为受训值存储在受训值块80中，以供将来使用。此操作允许为特定的运行条件进行受训值80的动态调整。在此情形下，可在用户可选择的时期内基于过程或运行情形监视参数(该参数可用于受训值)。在一个实施方式中，诸如计算设备50的计算设备能产生或接收受训值或能被用于将受训值传送到另一处理设备。

规则块78可包含用于监视或识别如以上描述的部件故障的规则。例如，规则块78可包括程序指令，该程序指令实现用于确定部件故障的一个或多个以上描述的过程。当检测到故障事件时，检测块76被编程以输出警报82。

在一个实施方式中，可实现统计过程监视(SPM)方法，以便进一步完善以上描述的一个或多个损坏检测算法。例如，当被应用于弹簧故障检测算法时，逻辑块72能在初始配置或认知时期对于给定的致动器杆行程距离(ΔT)确定致动器压力变化(ΔP)的基线平均值(μ)和基线标准偏差(σ)。这些参数被认为是在“正常”状况下的过程的表征。基线平均值和基线标准偏差随后可在存储器54中被存储为受训值(即，利用块80)。在监视阶段，实现算法的模块70可取得压力变化的当前数值，并且对于阀行程中给定的变化计算压力变化的过程平均值和标准偏差(s)(或反之亦然)。

利用实现的SPM算法，例如，通过计算块76，如果实际或当前的平均值与基线平均值差别大于一定阈值，则能在检测块76处检测到弹簧损坏，并且输出指示或报警82。例如，如果当前平均值小于基线平均值超出一定百分比，则能检测到弹簧失效：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&chi;}}<(1-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{100})\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}$

其中α是某个用户定义的百分比(例如，5％)。此方程式可表示为规则块78中的一个或多个规则。在一个实施方式中，检测模块70可包括关于检测阈值(例如，由用户确定的一个)的输入。在此实施方式中，检测阈值可被存储成受训值。

在另一实施方式中，基于在认知阶段期间观察到的差异(variance)来设置阈值。例如，如果则能检测到弹簧故障。在此情况下，观察到的差异通过受训值块80存储在存储器54中。因此，在此实施方式中，自动确定检测阈值，并且减小了手动配置的量。应该注意到，除了3还能将任何其他乘数用于标准偏差，这取决于观察到或检测到的差异。同样，尽管可通过检测模块自动计算出差异变量，此变量也可以是作为排序变量的用户可配置的参数输入(例如，通过用户I/O 66)。

在另一实施方式中，可给定初始弹簧常数值(例如，由制造商为特定的气动控制阀所提供的)，并且将此初始弹簧常数存储成受训值而不用计算或验证初始弹簧常数。在一个实施方式中，用于算法的预定阈值可被存储在受训值块80中。

以相似的方式，SPM可被应用于波纹管泄漏检测算法，其中逻辑块72可在初始时期对于给定的阀杆运动来确定波纹管室压力变化的基线平均值(μ)和基线标准偏差(σ)(或反之亦然)。在监视阶段，实现算法的检测模块70能取得压力变化和阀杆行程的当前数值，并且计算一个变量相对另一变量变化的过程平均值和标准偏差(s)。当实际的和预期的偏差间的差值超过阈值时，可产生波纹管泄漏的显示。

与致动器弹簧损坏检测模块连用的过程控制系统

一般来说，诸如以上描述的控制阀能在诸如图11所示出的过程控制系统中实现，并且由该过程控制系统控制。包含算法的检测模块能在图11的过程控制系统的一个或多个部件中实现。

尤其参照图11，示例性过程工厂210可包括若干控制和维护系统，这些控制和维护系统通过一个或多个通讯网络与支持设备互相连接在一起。尤其是，图11的过程工厂210可包括一个或多个过程控制系统212和214。过程控制系统212可以是常规的过程控制系统，诸如PROVOX或RS3系统或任意其他的控制系统，其包括耦合到控制器212B和输入/输出(I/O)卡212C的操作者界面212A，而该输入/输出(I/O)卡212C则耦合到各种现场设备，诸如模拟的和高速可寻址远程传送器现场设备215。过程控制系统214可以是分布式过程控制系统，包括一个或多个操作者界面214A，该一个或多个操作者界面214A通过总线，诸如以太网总线，耦合到一个或多个分布式控制器214B。控制器214B可以是，例如，由Austin，Texas(德克萨斯州奥斯汀)的Emerson Process Management(艾默生过程管理)出售的DeltaV^TM控制器或任意其他期望类型的控制器。控制器214B通过I/O设备连接到一个或多个现场设备216，例如，HART或基金会现场总线(FOUNDATION^TMFieldbus)现场设备或任意其他的智能或非智能现场设备，包括，例如，使用AS-接口和CAN协议中的任何一个的那些设备。

一般来说，诸如过程控制器212B或214B的过程控制器能与工厂网络系统通信，以便提供关于在过程控制器的管理下的运行(例如，现场设备运行)的信息并且接收来自工厂网络系统的、用于调整过程控制器运行的设定点信号。如已知的，现场设备215或216能控制物理过程参数(例如，作为在控制阀或其他机构中的致动器)或者能测量物理过程参数(例如，作为传感器)。现场设备能与控制器212B或214B通信，以便接收过程控制信号或提供关于物理过程参数的数据。可通过模拟或数字信号进行通信。诸如I/O设备212C的I/O设备能接收来自现场设备的信息以用于到过程控制器的通信，或者为现场设备接收来自过程控制器的信息。操作者界面214A(或212A或218)能存储和执行工具217、219，包括，例如，控制优化器、诊断专家、神经网络、调整器，等等，过程控制操作者可利用该工具217、219来控制过程运行。

维护系统能连接到过程控制系统212和214或连接到其中的单个设备，以便实现诊断和监视活动。例如，维护计算机218能通过任意期望的通信线路或网络(包括无线或手持设备网络)连接到控制器212B和/或连接到设备215，以便与设备215通信以及在一些实例中重新配置或实现设备215上的其他维护活动。类似地，维护应用能被安装在与分布式过程控制系统214相关联的一个或多个用户界面214A中并由其执行，以便实现维护和监视功能，包括与设备216的运行状态有关的数据采集。

可代表工作站212A、214A或218中的任一个的计算机系统或工作站274一般可包括处理器274A、存储器274B和显示设备274C。工作站274能实现异常状况预防系统235(有时叫做异常状况预防系统)的至少一部分，并且尤其是，计算机系统274能存储(例如，使用存储器274B)和实现配置应用238和故障检测系统242(例如，使用处理器274A)，以便通过显示器274C(或者任何其他显示设备，诸如打印机)将信息提供给用户。附加地，计算机系统274能实现警报/报警应用243。当然，检测系统235、警报应用243和/或配置系统238能作为相同或不同的软件部件的一部分来执行。

数据库278能连接到通信总线245，以便作为数据历史库来运作，该数据历史库采集和存储配置信息以及在线过程变量数据、参数数据、状态数据和与在过程工厂210中的过程控制器212B或214B和现场设备215或216相关联的其他数据。

一般来讲，异常状况预防系统235可与检测模块和/或故障检测系统242通信，该检测模块可选地位于过程工厂210中的现场设备215、216、过程控制器212B、214B、和任意其他期望设备和装置中，该故障检测系统242位于计算机系统274中，以便配置这些部件中的每个来接收关于设备运行或它们所监视的子系统的信息。异常状况预防系统235能通过硬连线的总线245通信地连接到工厂210中的至少一些计算机或设备中的每个，或者替代地，能通过任意其他期望的通信连接来连接，其他期望的通信连接包括，例如，无线连接、使用OPC的专用连接、断续连接，诸如依赖手持设备以采集数据的那些连接，等等。同样，异常状况预防系统235能通过LAN或诸如互联网、电话连接等等的公用连接(在图11中示作互联网连接246)，来得到与过程工厂210中的现场设备和装置有关的数据，且此类数据例如是由第三方服务提供者采集的。进一步地，异常状况预防系统235可通过各种技术和/或协议通信地耦合到工厂210中的计算机/设备，各种技术和/或协议包括，例如，以太网、Modbus、HTML、XML、专有技术/协议，等等。

附加地，现场设备215和216中的每个可以是任意类型的设备诸如，例如传感器、阀、传送器、定位器，等等，并且可以符合任意期望的开放的、专有的或其他通信或编程协议。还应该理解到，I/O设备212C能与现场设备215使用的期望协议相兼容。

一个或多个现场设备215和216中的每个能包括存储器(未示出)，用于存储例程，诸如用于为异常部件检测而实现检测算法的例程，这将在下面描述。一个或多个现场设备214和216中的每个还可包括处理器(未示出)，该处理器执行例程，诸如用于实现传感器数据采集的例程和/或用于部件故障检测的例程。应该注意到，传感器数据采集和/或异常操作检测不需要通过软件来实现。更确切地说，一个本领域的普通技术人员将意识到，此类系统能通过在一个或多个现场设备和/或其他设备中的软件、固件和/或硬件的任意组合来实现。

图10的检测模块70能整体地或部分地在现场设备中实现，并且现场设备可随后被耦合到相似于以上所描述的阀的气动控制阀。在一个实施方式中，检测模块能在过程控制器212B或214B、工作站274(例如，通过检测应用242)、或某个其他设备中实现。替代地，检测模块70的多个过程块能整体地在现场设备(例如，215或216)中实现或者被分开在现场设备和过程控制器中。在一个特定的实施方式中，检测模块70能作为功能块来实现，诸如以上描述的和在实现基金会现场总线协议的过程控制系统中使用的功能块。

因为能使用不同的传感器组合(如以上所述)来检测部件失效，所以能使用图11描述的具有传感器的现场设备的任何一个来测量相关参数(例如，压力、行程、流量，等等)。然而，使用具有内置信号处理的现场设备(例如，带有异常状况预防的Rosemount 3051S)可能是有利的。尤其是，因为过程控制现场设备有权访问以比主系统(例如，工作站通过过程控制器来采集来自现场设备的测量)更快的速度采样的数据，所以在现场设备中计算的传感器数据可以更为精确。其结果是，与位于设备外部的、采集传感器数据的块相比，在现场设备中实现的检测模块一般有能力确定关于采集的传感器数据更为精细的计算。因此，在一些情形中，使用带有内置信号处理的现场设备可实现较快速的故障检测。

应该注意到，Rosemount 3051基金会现场总线现场设备具有带有统计过程监视(SPM)能力的高级诊断块(ADB)。此SPM块能具有认知过程变量的基线平均值和标准偏差(例如，特征曲线(signature graph))、将认知的过程变量与当前的平均值和标准偏差作比较、并且如果这些变化中的任何一个大于用户指定的阈值而触发警报的能力。可能的是，将现场设备中的SPM功能配置为基于此处描述的检测模块运行，以便检测部件失效。

能使用警报/报警应用243来管理和/或按路线发送警报，该警报由工厂210的检测模块70产生，其中检测模块70能实现一个或多个上面所描述的算法。在此情况下，当检测到损坏或失效事件时，富有意义的警报能被提供给负责监视和维护运行的个人或小组(例如，操作者、工程师、维护人员，等等)。能通过用户界面(例如，在连接到过程控制系统的工作站274上)提供指导帮助来帮助个人解决该情形。响应于警报而呈现给用户的校正措施可包括对修理部件或为控制阀安排维护的指引。例如，在以上描述的致动器泄漏检测中，一旦接收致动器泄漏源(例如，隔膜失效或仪器管道)的指示，工作站274将指引用户或对用户提供指令，以便或紧固配件以补救管道泄漏或安排致动器隔膜的更换。

检测模块70能通过过程工厂中的警报应用243和/或其他系统向异常状况预防系统235提供信息。例如，将由检测块76产生的故障指示提供给异常状况预防系统235和/或警报/报警应用243，以便通知操作者故障情况。作为另一例子，检测模块70能向异常状况预防系统235提供参数值，以便操作者能查看该值(例如，当检测到部件故障时)。

在过程控制系统中，检测模块70(通过现场设备或过程控制器实现)能与配置应用238进行通信，以便允许用户配置检测模块70。例如，检测模块70的一个或多个块能具有用户可配置的参数(例如，由制造商或工厂数据库提供的初始致动器弹簧常数)，该参数能通过配置应用238来修改。

尽管以下文本阐述了对许多不同的实施方式的详述，但是应该理解到，本说明书的法律范围通过在本专利最后阐述的权利要求的文字来限定。该详述只是被构建成示范性的并不能描述每个可能的实施方式，因为描述每个可能的实施方式即便不是不可能也是不实际的。使用当前的技术或在本专利申请日之后开发的技术，能实现众多可替换的实施方式，这仍将属于权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种检测气动控制阀致动器中的弹簧失效的方法，包括：

监视由弹簧以及气动管道和管路(1)或波纹管密封件(2)中的一项或两项产生的控制阀功能降低；

在第一运行时期期间确定控制阀中的致动器的一组弹簧的初始弹簧常数值K_初始；

在不改变方向的情况下针对致动器杆的单一连续的运动来感测致动器杆的行程距离ΔT，所述致动器杆耦合到所述致动器；

感测对所述致动器施加的压力的变化ΔP，其中，所述施加的压力的变化相应于所述致动器杆的行程距离ΔT；

在所述控制阀的第二运行时期期间，基于所感测的行程距离ΔT和相应的所感测的致动器施加的压力变化ΔP来确定该组致动器弹簧的当前弹簧常数值K_当前；以及

如果所述当前弹簧常数值K_当前与所述初始弹簧常数值K_初始相差大于预定的阈值，则产生弹簧故障的指示，其中，利用以下方程式计算所述预定的阈值：

其中，K_s表示多个弹簧中每个弹簧的弹簧常数，K₁表示多个弹簧中第一个弹簧的弹簧常数，n＝弹簧的总数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述当前弹簧常数值包括：利用以下方程式计算当前弹簧常数值：

ΔPA＝ΔTK_当前，其中A是所述致动器的隔膜的有效面积。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，感测对所述致动器施加的压力的变化ΔP包括：在所述阀的第一位置处测量初始施加的压力并且在所述阀的第二位置处测量第二施加的压力，并且进一步地，其中，所述行程距离是所述第一位置和所述第二位置之间的距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一组弹簧包括多个弹簧，并且所述初始弹簧常数值和所述当前弹簧常数值是所述多个弹簧的总弹簧常数值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，感测行程距离ΔT和感测施加的压力的变化ΔP是在所述阀的运行中实现的。

6.一种用于检测气动控制阀致动器中的弹簧失效以及气动管道和管路(1)或波纹管密封件(2)中的一项或两项失效的设备，包括：

第一输入装置，其用于接收关于施加到所述控制阀中的气动致动器的隔膜的压力的数据；

第二输入装置，其用于接收关于控制阀的致动器杆的行程距离的数据，所述行程距离表示在不改变方向的情况下的致动器杆的单一连续的运动；

处理器和存储器，所述存储器可操作地耦合到所述处理器，其中，所述处理器被编程以：

基于压力数据和行程数据来计算弹簧常数，

基于传感器数据来确定所述气动控制阀中的弹簧失效事件，以及

当弹簧失效事件发生时产生指示，

其中，所述存储器存储所述弹簧常数的初始值和阈值，当计算的弹簧常数值与初始弹簧常数值相差大于所述阈值时，所述弹簧失效事件被确定，其中，利用以下方程式计算所述阈值：

其中，K_s表示多个弹簧中每个弹簧的弹簧常数，K₁表示多个弹簧中第一个弹簧的弹簧常数，n＝弹簧的总数。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，确定弹簧常数包括：利用以下公式计算弹簧常数，

ΔPA＝ΔTK_a，其中

K_a是所述弹簧常数，

ΔT是第一杆位置和第二杆位置之间的行程距离，

ΔP是压力差，

A是所述致动器的隔膜的有效隔膜面积。

8.根据权利要求6所述的设备，还包括：使用通信协议在过程控制网络上传输指示，其中，所述通信协议包括高速可寻址远程传送器或基金会现场总线中的一个。

9.一种用于检测气动控制阀致动器中的弹簧失效以及气动管道和管路(1)或波纹管密封件(2)中的一项或两项失效的系统，包括：

过程控制系统，其包括工作站、过程控制器和多个现场设备，其中，所述工作站、所述过程控制器和所述多个现场设备彼此通信地连接；

控制阀，其包括致动器、致动器隔膜和致动器弹簧，所述致动器弹簧用于偏置所述致动器隔膜，其中，至少一个现场设备适合于测量施加到所述隔膜的压力，并且至少一个现场设备适合于测量致动器杆的行程距离，所述致动器杆耦合到所述致动器隔膜，所述行程距离表示在不改变方向的情况下的致动器杆的单一连续的运动；以及

检测设备，其适合于接收关于所测量的致动器的压力和致动器杆的行程距离的数据，访问存储的初始弹簧常数值，并且当计算的弹簧常数值和所述初始弹簧常数值之间相差超过阈值时产生警报，其中，利用以下方程式计算所述阈值：

其中，K_s表示多个弹簧中每个弹簧的弹簧常数，K₁表示多个弹簧中第一个弹簧的弹簧常数，n＝弹簧的总数。