CN104653839A - 用于控制远端阀的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于控制远端阀的系统和方法，包括暂时地驱动或激活由电池供电的先导阀组件以将可操作地耦接的输出阀组件放置在开关位置。处理器对先导阀组件中的双稳态阀加能，以使得流体供给驱动输出阀组件至期望的开关位置，然后，先导阀组件可以被去能，并且输出阀组件的开关位置被维持。

Description

用于控制远端阀的系统和方法

技术领域

本公开涉及过程控制系统，更具体地，涉及控制远端电池供电的阀。

背景技术

过程控制系统，例如通常在化学、石油或其他工业过程中使用的分布式的或可扩展的过程控制系统，典型地包括一个或多个过程控制器，其经由模拟、数字、或者结合的模拟/数字总线可通信地耦接至至少一个主机或用户工作站以及一个或多个现场设备。可以包括例如控制阀、阀定位器、开关和传送器(例如，温度、压强和流速传感器)的现有设备执行过程中的功能，例如打开或关闭阀以及测量过程参数。过程控制器接收指示现场设备做的过程测量的信号和/或关于现场设备的其他信息，并且使用该信息来实现控制例程以产生控制信号，这些控制信号通过总线被发送至现场设备以控制过程的操作。来自每个现场设备和控制器的信息典型地对于由用户工作站执行的一个或多个应用是可获得的，从而使得操作员可以执行关于过程的任何期望的功能，例如观看过程的当前状态和/或修改过程的操作。在现场设备故障的情形下，整个过程控制系统的操作状态可能被损坏。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种用于控制在过程控制系统中实现的远端气动阀的方法。所述方法包括：向由电池供电的先导阀组件提供流体供给，所述先导阀组件可操作地耦接至输出阀组件；激活所述先导阀组件的第一先导阀，以使得所述流体供给驱动所述输出阀组件至第一开关位置；去激活所述先导阀组件的所述第一先导阀；以及将所述输出阀组件维持在所述第一开关位置。

本公开的另一个方面包括一种用于控制远端气动阀的系统。所述系统包括：由电池供电的先导阀组件，其可操作地耦接至输出阀组件；处理器，其可操作地耦接至所述由电池供电的先导阀组件的第一先导阀和所述由电池供电的先导阀组件的第二先导阀。所述系统包括：存储器，其可操作地耦接至处理器；以及贮存在所述存储器中的控制模块，其中当由所述处理器执行时，所述控制模块激活所述第一先导阀以使得流体供给驱动所述输出阀组件至第一开关位置，以及去激活所述第一先导阀以禁止所述流体供给驱动所述输出阀组件至所述第一开关位置，其中所述输出阀组件被维持在所述第一开关位置。

本公开的又一个方面包括一种存储用于控制在过程控制系统中实现的远端气动阀的指令的有形的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令，当由所述控制系统的一个或多个处理器执行时，致使所述一个或多个处理器激活所述先导阀组件的第一先导阀，以使得流体供给驱动输出阀组件至第一开关位置，去激活所述先导阀组件的所述第一先导阀，以及将所述输出阀组件维持在所述第一开关位置。

进一步地根据在此描述的创造性的方面，上述实施方式中的任一个或任多个还可以包括以下形式中的任一个或任多个。

在一种形式中，所述方法包括确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。

在本发明的另一种形式中，确认所述输出阀组件的所述位置包括：接收来自位于所述输出阀组件附近的位置传感器的位置反馈信号。

在本发明的另一种形式中，确认所述输出阀组件的所述位置包括：在激活所述先导阀组件的所述第一先导阀之后，等待指定的时间段。

在另一种形式中，所述方法包括激活所述先导阀组件的第二先导阀以使得所述流体供给驱动所述输出阀组件至第二开关位置，去激活所述先导阀组件的所述第二先导阀，以及将所述输出阀组件维持在所述第二开关位置。

在另一种形式中，所述方法包括确认所述输出阀组件的位置在所述第二开关位置。

在另一种形式中，所述系统包括位置传感器，其可操作地耦接至所述处理器，用于在去激活所述第一先导阀之前，确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。

在另一种形式中，所述系统包括定时器，其可操作地耦接至所述处理器，用于在激活所述第一先导阀之后指定等待的时间段以去激活所述第一先导阀。

在另一种形式中，所述系统的所述时间段大约为3秒或更长。

在另一种形式中，所述系统的所述时间段在大约2秒至大约5秒的范围内。

在另一种形式中，当由所述处理器执行时，所述系统的所述控制模块激活所述第二先导阀以使得流体供给驱动所述输出阀组件至第二开关位置，以及去激活所述第二先导阀以禁止所述流体供给驱动所述输出阀组件至所述第二开关位置，其中所述输出阀组件被维持在所述第二开关位置。

在另一种形式中，所述第一先导阀和/或所述第二先导阀是压电阀。

在另一种形式中，所述系统的所述输出阀组件包括双稳态旋转滑阀或双稳态移动滑阀。

在另一种形式中，有形的计算机可读介质包括额外的指令，当由所述控制系统的所述一个或多个处理器执行时，所述额外的指令致使所述一个或多个处理器确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。

在有形的计算机可读介质的另一种形式中，所述一个或多个处理器通过至少接收来自位于所述输出阀组件附近的位置传感器的位置反馈信道来确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。

附图说明

图1为根据本公开的原理构建的具有一个或多个现场设备的示例性过程控制系统的图示表征；

图2A为根据本公开的原理构建的示例性控制阀组件的图示表征；

图2B为图2A所示的先导阀的内部细节的图示表征；

图2C为图2A和2B所示的先导阀的电当量的图示表征；

图3为根据在此描述的本公开的一个实施方式的用于控制阀的示例性方法的流程图。

具体实施方式

现在参照图1，根据本公开的一个版本构建的过程控制系统10描绘为合并与过程控制器11通信的一个或多个现场设备15，16，17，18，19，20，21，22，23，30，31，32，33，34。过程控制器11可通信地耦接至历史数据库(data historian)12以及一个或多个用户工作站13。每个工作站13包括用户接口14，以便于与过程控制系统10的通信。用户接口14可以包括一个或多个设备，例如显示屏，触摸屏，键盘和鼠标。这样配置，控制器11传送信号至现场设备15，16，17，18，19，20，21，22，23，30，31，32，33，34和工作站13以及从现场设备15，16，17，18，19，20，21，22，23，30，31，32，33，34和工作站13接收信号，以控制过程控制系统10。

在额外的细节中，图1描绘的版本的过程控制系统10的过程控制器11经由输入/输出(I/O)卡26和28经由硬连接的通信连接连接至现场设备15，16，17，18，19，20，21，22。历史数据库12可以是具有任何期望类型的存储器和用于存储数据的任何期望或已知的软件，硬件或固件的任何期望类型的数据收集单元。此外，尽管在图1中历史数据库12被示出为单独的设备，然而，替代地或附加地，其可以是工作站13中的一个工作站的一部分或者是另一个计算设备，例如服务器。控制器11可以是例如由艾默生过程管理(EmersonProcess Management)销售的DeltaVTM控制器，其经由可以是例如英特网或以太网连接的通信网络24可通信地连接至工作站13和历史数据库12。

现场设备15，16，17，18，19，20，21，22被示出为经由硬连接通信方案可通信地连接至控制器11，该硬连接通信方案可以包括使用任何期望的硬件，软件和/或固件以实现硬连接通信，包括例如标准的4-20mA通信，和/或使用例如现场总线通信协议,通信协议等的任何智能通信协议的任何通信。现场设备15，16，17，18，19，20，21，22可以是任何类型的设备，例如传感器，控制阀组件，传送器，定位器，而I/O卡26和28可以是遵照任何期望的通信或控制器协议的任何类型的I/O设备。在图1示出的实施例中，现场设备15，16，17，18是通过模拟线与I/O卡26通信的标准的4-20mA设备，而数字现场设备19，20，21，22可以是智能设备，例如使用现场总线协议通信通过数字总线与I/O卡28通信的通信设备和现场总线现场设备。当然，现场设备15，16，17，18，19，20，21，22可以遵照任何其他期望的标准或协议，包括未来开发的任何标准或协议。

图1描绘的过程控制系统10还包括多个无线现场设备23，30，31，32，33，34，其放置在待监控和/或控制的工厂内。现场设备23被描绘为包括例如控制阀的控制阀组件，而现场设备30，31，32，33，34被描绘为例如过程变量传感器的传送器。无线通信可以使用任何期望的无线通信设备建立在控制器11和现场设备23，30，31，32，33，34之间，该无线通信设备包括目前已知的或之后开发的硬件，软件，固件或其任意组合。在图1示出的版本中，天线25耦接至控制阀组件23，以执行控制阀组件23的无线通信。同样地，天线35耦接至以及专用于传送器30，以便于传送器30的无线通信，而具有天线37的无线路由器或其他模块36耦接至传送器31，32，33，34，以共同地协调传送器31，32，33，34的无线通信。现场设备或相关联的硬件23，30，31，32，33，34，36可以实现由适当的无线通信协议使用的协议栈操作以经由天线25，35，37接收、解码、路由、编码和发送无线信号，从而实现过程控制器11和控制阀组件23和传送器30，31，32，33，34之间的无线通信。

如果需要的话，控制阀组件23可以向控制器11提供控制阀组件23中的传感器所做的测量，或者提供由控制阀组件23所产生的或计算的其他数据，以作为其操作的一部分。当然，如已知的，控制阀组件23也可以接收来自控制器11的控制信号，以生效整个过程内的物理参数，例如流动。额外地，传送器30，31，32，33，34可以在各种过程传感器(传送器)和过程控制器11之间构成单独的链接，并且，由此，被依赖以发送准确的信号至控制器11，从而确保过程性能未被损害。传送器30，31，32，33，34通常是指过程变量传送器(PVTs)以及可以在整个控制过程的控制中起到重要的作用。

过程控制器11可操作地耦接至一个或多个I/O设备40，41，每个I/O设备连接至各自的天线42，43，I/O设备和天线运作为传送器/接收器，用于经由一个或多个无线通信网络执行与无线现场设备23，30，31，32，33，34的无线通信。与现场设备23，30，31，32，33，34的无线通信可以使用一种或多种已知的无线通信协议来实现，例如，协议，Ember协议，WiFi协议，IEEE无线标准等。仍进一步地，I/O设备40，41可以实现由这些通信协议使用的协议栈操作，以经由天线25，35，37，42，43接收、解码、路由、编码和发送无线信号来实现在控制器11和控制阀组件23和传送器30，31，32，33，34之间的无线通信。

如图1中示出的，控制器11通常地包括处理器44，其实现或监督存储在存储器46中的一个或多个过程控制和/或诊断例程45(或任何模块，块，或其子例程)。存储在存储器46中的过程控制和/或诊断例程45可以包括或与过程工厂中实现的控制回路相关联。一般而言，如通常所知道的，过程控制器11执行一个或多个控制例程45并且与现场设备15，16，17，18，19，20，21，22，23，30，31，32，33，34、用户工作站13和历史数据库12通信，从而以任何期望的方式控制过程。

在特定的配置中，远端现场设备23可以包括提供例如气压或水压的流体类型输出的控制阀组件。在一些实现中，现场设备23可以由功率源提供有限量的能量，例如电池，燃料电池和类似物。为了保存能量，现场设备可以合并或使用根据本公开的原理构建的先导阀组件，用于经由过程控制器11控制输出阀。

现在参照图2A-2C，为便于描述，图1中的无线现场设备23在图2A中被示出为控制阀组件200。控制阀组件200包括电池供电的先导阀组件202，其可操作地耦接至输出阀组件204。输出阀组件204可以是方向性的气动控制阀，其使得流体流入和/或流出不同路径。输出阀组件204可以包括旋转或移动滑阀，其在圆柱体内部被机械地或电动地控制。滑阀的运动允许或限制至或来自一对端口的流体流动，该一对端口可以是例如控制阀组件200的输出口或排气口206，208。第一输出口206和第二输出口208可以合作以沿着第一和第二方向在第一和第二位置之间移动致动器，例如以打开或关闭阀。也就是说，当流体流出第一排气口206，致动器可以沿着第一方向移动至第一开关位置，以及当流体流出第二排气口208，致动器可以移动回或沿着第二方向移动至第二开关位置。

电池供电的先导阀组件202包括一对电池供电的先导阀210，212，其可操作地耦接至例如图1中的控制系统10的控制器11和处理器44的控制器和处理器。可以理解，尽管术语“电池供电”被用于指先导阀210，212由电池来供电，但是其他存储的能量源被包括在电池供电的描述中，例如燃料电池，可充电电池以及类似物。相比于当先导阀210，212被“关闭”，未被驱动或未被激活时，当先导阀210，212被“打开”，被驱动或被激活时，至少一个先导阀210，212在较大程度上使用或依赖电池。压电阀由于其低功耗的特性，可以较好地适合用作电池供电的先导阀组件202中的一个先导阀210，212或者两者，然而，也可以使用其他类型的阀。

如图2B中示出的先导阀细节，每个先导阀210，212可操作地耦接至电池205。每个先导阀210，212包括供给口(a)，公共/输出口(b)和排气口(c)。第一先导阀210的公共口(b)流体地耦接至先导阀组件202的第一输出口214，其进一步地耦接至输出阀组件204的第一输入口218。第二先导阀212的公共口(b)流体地耦接至先导阀组件202的第二输出口216，其进一步地耦接至输出阀组件204的第二输入口220。

每个先导阀210，212还能够接收来自控制器11的控制信号。在操作中，一旦接收到控制信号，先导阀210，212可以被驱动或激活以将公共口(b)连接至供给口(a)或者排气口(c)，如图2C中的先导阀210，212的电当量中示出的。例如，电池供电的先导阀210，212可以被驱动或激活以将供给口(a)处出现的流体供给连接至公共口(b)，这将使得流体供给能够被提供给输出阀组件204的各个输入口218，220。可替换地，每个电池供电的先导阀210，212可以被驱动或者激活以将公共口(b)连接至排气口(c)，这将允许流体从输出阀组件204排放。这样，每个先导阀210，212可以响应于电控制信号来打开/关闭气动口，其将使得供给口(a)处的流体能够被提供给输出阀组件204或者允许流体从输出阀组件204排放至排气口(c)。换言之，先导阀210，212的打开的/关闭的气动口提供和/或排放压缩空气至输出阀组件204的输入218，220，其中输出阀组件204以定义的方式控制其输出。输出阀组件204，例如双稳态阀，能够维持其输出，而不需要先导阀210，212提供恒定的输入至输出阀组件204。因此，因此，一旦输出阀组件204已经达到稳定的输出或开关位置，先导阀210，212不再需要维持其输出信号至输出阀组件204，并且由此由控制器11传输或供给的用于驱动或激活相应的先导阀的电控制信号可以因此而中断。

在图2A描绘的电池供电的先导阀组件202的实施例中，一对先导阀210，212在先导阀组件202中实现。第一先导阀210由来自控制器11的控制信号驱动或激活，这允许流体供给到达输出阀组件204并且在第一和第二位置之间移动输出阀组件204。特别地，电控制信号可以被暂时地提供给第一先导阀210足够长的时间，以使得出现在供给口(a)处的流体供给能够到达输出阀组件204并且用于输出阀组件204被适当地定位。当输出阀组件204被适当地定位时，来自处理器的控制信号被终止，并且先导阀210停止被驱动或激活，并且对来自电池功率源205的电能量的使用被极大地减少或基本上消除。为了移动和重新定位输出阀组件204，另一控制信号可以由控制器11传输以驱动或激活第二先导阀212足够长的时间，从而使得出现在供给口(a)的流体供给能够到达输出阀组件204并且用于输出阀组件204被放置在另一位置。类似地，当来自控制器11的控制信号被终止或不被传输时，尽管先导阀212停止被驱动或激活，但是输出阀组件204的位置被维持，其中对来自电池功率源205的电能量的使用被极大地减少或基本上消除。

先导阀组件202的先导阀210，212与输出阀组件204结合使用，以建立用于工业仪表的气动输出。也就是说，输出阀组件204可以作为次级，其允许先导阀组件202(例如，初级)中的先导阀210，212仅被驱动或激活短暂的时间段。换言之，一旦输出阀组件204响应于先导阀组件202(例如，先导阀210，212中的一个或两者)的输出已经达到稳定的输出状态，并且到达期望的位置，由控制器11传输至先导阀210，212的电控制信号可以被终止或中断，因为输出阀组件204能够维持其次级气动输出(例如，双稳态阀)，而不需要先导阀210，212维持其输出。因此，控制阀组件200提供先导阀210，212的暂时的驱动或激活，这减少了有限的功率源205的能量消耗。

在去激活或停止先导阀组件的先导阀的驱动之前，处理器11可以首先确定输出阀组件204的输出阀是否已经到达其预期的位置。处理器11可以通过使用位于输出阀组件204附近的位置或运动传感器222来确定输出阀组件204的相应的输出阀是否已经停止运动，从而来确定输出阀是否已经到达其预期的位置。如果输出阀未被移动，处理器11将中断传输电控制信号至相应的先导阀210，212。替换地，处理器11可以通过使用位于先导阀组件202附近的位置或运动传感器224来确定相应的先导阀210和/或212是否已经停止移动或到达终点位置，从而来确定输出阀是否已经到达其预期的位置，这可以指示输出阀组件204的相应的输出阀已经到达终点位置。此外，如果自从处理器11传输控制信号至先导阀组件202以移动输出阀已经过去足够用于输出阀在两个开关位置之间移动的时间段，那么处理器11可以确定输出阀组件204的输出阀已经到达其预期的位置。

图3示出了用于控制远程气动控制的阀的示例性方法的流程图300，该远程气动控制的阀能够在图1描绘的过程系统中被实现。该方法可以被集成到存储在存储器46中的模块45被，并且能够由处理器44来执行。流体供给被提供给先导阀组件202(块302)。一旦接收到移动输出阀组件204的输出阀的请求(块304)，来自控制器11的控制信号被传输以暂时地驱动或激活电池供电的先导阀组件202，从而使得流体供给能够将输出阀组件204放置在期望的开关位置(块306)。输出阀组件204的位置可以移动或加能致动器以打开或关闭另一阀。控制器11可以确认输出阀组件的输出阀已经到达其预期的位置(块308)，基于该确认，控制器可以通过停止传输控制信号至先导阀组件来去激活先导阀组件(块310)。由于输出阀组件的双稳态特质，尽管去激活先导阀组件，开关位置仍被维持(块312)。

从以上描述很显然，用于控制实现与此处描述的先导阀合作的输出阀组件的阀的系统可以实现极大地节能，与此同时维持控制系统的操作完整型。

尽管某些示例性方法，装置和制造的产品已经在此被描述，但是本专利的覆盖范围并不限于此。相反地，本专利覆盖适当地落入随附的权利要求的字面或等同原则的范围内的所有方法，装置和制造的产品。

Claims (20)

1.一种用于控制在过程控制系统中实现的远端气动阀的方法，所述方法包括：

向由电池供电的先导阀组件提供流体供给，所述先导阀组件可操作地耦接至输出阀组件；

经由处理器激活所述先导阀组件的第一先导阀，以使得所述流体供给驱动所述输出阀组件至第一开关位置；

经由处理器去激活所述先导阀组件的所述第一先导阀；以及

将所述输出阀组件维持在所述第一开关位置。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

经由处理器确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其中确认所述输出阀组件的所述位置包括：经由处理器接收来自位于所述输出阀组件附近的位置传感器的位置反馈信号。

4.根据权利要求2所述的方法，其中确认所述输出阀组件的所述位置包括：在激活所述先导阀组件的所述第一先导阀之后，经由处理器等待指定的时间段。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

经由处理器激活所述先导阀组件的第二先导阀，以使得所述流体供给驱动所述输出阀组件至第二开关位置；

经由处理器去激活所述先导阀组件的所述第二先导阀；以及

将所述输出阀组件维持在所述第二开关位置。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

经由处理器确认所述输出阀组件的位置在所述第二开关位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，其中确认所述输出阀组件的所述位置包括：经由处理器接收来自位于所述输出阀组件附近的位置传感器的位置反馈信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其中确认所述输出阀组件的所述位置包括：在激活所述先导阀组件的所述第一先导阀之后，经由处理器等待指定的时间段。

9.一种用于控制远端气动阀的系统，所述系统包括：

由电池供电的先导阀组件，其可操作地耦接至输出阀组件；

处理器，其可操作地耦接至所述由电池供电的先导阀组件的第一先导阀和所述由电池供电的先导阀组件的第二先导阀；

存储器，其可操作地耦接至处理器；以及

贮存在所述存储器中的控制模块，当由所述处理器执行时，所述控制模块激活所述第一先导阀以使得流体供给驱动所述输出阀组件至第一开关位置，以及去激活所述第一先导阀以禁止所述流体供给驱动所述输出阀组件至所述第一开关位置，其中所述输出阀组件被维持在所述第一开关位置。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括：

位置传感器，其可操作地耦接至所述处理器，用于在去激活所述第一先导阀之前，确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。

11.根据权利要求9所述的系统，还包括：

定时器，其可操作地耦接至所述处理器，用于在激活所述第一先导阀之后指定等待的时间段以去激活所述第一先导阀。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述时间段大约为3秒或更长。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述时间段在大约2秒至大约5秒的范围内。

14.根据权利要求9所述的系统，其中当由所述处理器执行时，所述控制模块激活所述第二先导阀以使得流体供给驱动所述输出阀组件至第二开关位置，以及去激活所述第二先导阀以禁止所述流体供给驱动所述输出阀组件至所述第二开关位置，其中所述输出阀组件被维持在所述第二开关位置。

15.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一先导阀和/或所述第二先导阀是压电阀。

16.根据权利要求9所述的系统，其中所述输出阀组件包括双稳态旋转滑阀或双稳态移动滑阀。

17.存储用于控制在过程控制系统中实现的远端气动阀的指令的有形的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令，当由所述控制系统的一个或多个处理器执行时，致使所述一个或多个处理器：

激活所述先导阀组件的第一先导阀，以使得流体供给驱动输出阀组件至第一开关位置；

去激活所述先导阀组件的所述第一先导阀；以及

将所述输出阀组件维持在所述第一开关位置。

18.根据权利要求17所述的有形的非暂时性计算机可读介质，还包括额外的指令，当由所述控制系统的所述一个或多个处理器执行时，所述额外的指令致使所述一个或多个处理器：

确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。

19.根据权利要求18所述的有形的非暂时性计算机可读介质，其中所述一个或多个处理器通过至少接收来自位于所述输出阀组件附近的位置传感器的位置反馈信道来确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。

20.根据权利要求18所述的有形的非暂时性计算机可读介质，其中所述一个或多个处理器通过在所述先导阀组件的所述第一先导阀已经被激活之后至少等待指定的时间段来确认所述输出阀组件的位置在所述第一开关位置。