CN1110728C

CN1110728C - 用于控制工艺设施的工艺控制系统及其操作方法

Info

Publication number: CN1110728C
Application number: CN95197994A
Authority: CN
Inventors: 格伦·W·迪克松
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1995-12-06
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 2003-06-04
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: EP0866998B1; EP0866998A1; CN1200819A; WO1997021157A1; CA2238371A1

Abstract

一种工艺设施的管线系统，它具有若干设备，这些设备至少包括一条管线，用于为工艺中的流体流体提供一条通道。工艺设施的过程受工艺控制系统的控制。这些设备还至少包括一个测量流体工艺变量的装置。此装置包括一个敏感元件，用于检测管线中流动流体的预定工艺变量，以输出一个信号，此信号包含有关被测量的工艺变量的信息，也包含管线中流动流体的信息。此装置还包括一个第一滤波器，用以通过信号的第一成分，它包含工艺变量的信息；和一个第二滤波器，用以通过信号的第二成分，它包含有关管线中流动流体的信息。第一处理器处理信息的第一成分，以便向工艺控制系统输出工艺变量以控制过程。第二处理器处理管线系统的流动模型中信号的第二成分，用以在第二处理器的所述处理探测到设备紧急故障时，输出指示设备紧急故障的咨询性信息。

Description

用于控制工艺设施的工艺控制系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种工艺控制系统，更具体地说，涉及一种工艺控制系统的预测保养方法，这种系统具有流体在一条管线中流动，还具有测量流体参数(或工艺变量)的测试装置。

背景技术

在已有的系统中，当流体流过管线时，测量流体的压力，或差动压力。此外，在当今的系统中，要花大力气去消除流体流过管线(或简单为一条管道)时的流体“流动噪声”。当流体流过管线时，流体噪声是几乎所有流体所固有的。这种噪声一般是一种随机低频噪声，它已成为压力装置、流量计装置、及类似装置等结构设计中需基本考虑的问题。具体讲，流动噪声是流体在管线中流动的不利成分，人们试图将其消除。假如允许流体噪声造成的噪声信号通过装置传播，而这些装置又是用于测量在管线中流动流体的参数的，于是，例如，测量压力的装置将测量压力加上由噪声信号成分引起的所有流体压力偏差。测量的工艺变量随管线中探测到的噪声脉动，这是非常不利的。因此，应用熟知的技术，已投入很大力量以消除测量装置输出信号的噪声成分。结果，测得的压力是平稳、稳定的(作为一个实例)。

美国专利4060716描述了一种自动监测来自振动传感器的动态信号。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种用于控制工艺设施的工艺过程的工艺控制系统以及操作该工艺控制系统的方法。

为了达到上述目的，本发明提出了一种用于控制工艺设施的工艺过程的工艺控制系统，该工艺设施包括具有若干设备的管线系统，这些设备包括：至少一条管线，其用于为工艺中的流体的流动提供一条通道；以及至少一个用于测量流体的工艺变量的装置，其特征在于，该装置包括：

a)敏感元件，用于检测一个有关在管线中流动的流体的预定工艺变量，以输出一个信号，此信号包含有关被测量的工艺变量的信息，也包含在管线中流动的流体的信息；

b)第一高通滤波装置，用于通过信号的信息成分，所述信息成分包含工艺变量的信息；

c)第二低通滤波装置，用于通过信号的噪声成分，所述噪声成分包含有关在管线中流动的流体的信息；

d)第一处理器，用于处理信号的信息成分，以便向工艺控制系统输出工艺变量以控制过程；以及

e)第二处理器，用于在管线系统的流动模型中处理信号噪声成分，以便第二处理器在所述处理过程中检测到设备紧急故障时，输出用来指示设备紧急故障的咨询性信息。

所述敏感元件可以是由共振集成微敏感器工艺制作的一种元件。

所述第一处理器和所述第二处理器是用于对信号的信息成分和信号的噪声成分进行处理的一种微处理器。

本发明还提出了一种用于操作工艺控制系统的方法，该工艺控制系统控制工艺设施的工艺过程，该工艺设施包括具有若干设备的管线系统，这些设备包括：至少一条管线，其用于为工艺中的流体的流动提供一条通道；以及至少一个用于测量流体的工艺变量的装置，所述方法包括以下步骤：

a)检测一个有关在管线中流动的流体的预定工艺变量，以输出一个信号，此信号包含有关被测量的工艺变量的信息，也包含在管线中流动的流体的信息；

b)进行高通滤波，用以通过信号的信息成分，所述信息成分包含工艺变量的信息；

c)进行低通滤波，用以通过信号的噪声成分，所述噪声成分包含有关在管线中流动的流体的信息；

d)处理信号的信息成分，以便向工艺控制系统输出工艺变量以控制过程；以及

e)在管线系统的流动模型中处理信号噪声成分，以便在所述噪声成分处理过程检测到设备紧急故障时，输出用来指示设备紧急故障的咨询性信息。

有利的是，所述方法还包括：对信息的成分进行处理，以便向工艺控制系统输出工艺变量以控制过程，与此同时完成所述通过噪声成分的步骤。

过去对噪声信号是将其分离丢弃，而本发明则利用噪声信号，并对噪声信号进行分析以便从噪声中抽取数据。噪声中内含的是有关流动的信息，诸如轴承爆裂故障、管道泄漏、泵的空蚀…。因此，本发明通过提出一种工艺系统，该系统具有流体在管线中流动，并应用装置测量控制系统的工艺变量(或参数)，从而对现有和过去的装置提出了改进。

当结合下述说明和附图进行研究时，本发明的这些和其它目的将变得更为清晰，其中相同标号指示相同部件，且这些附图成为本申请的一部分。

附图说明

图1表示一种工艺控制系统的方框图，本发明可在其中应用；

图2表示一种包含I/O模块的工艺控制器的方框图，本发明可在其中应用；

图3表示一种控制器的方框图，它包括在图2的工艺控制器中；

图4表示一种I/O模块的方框图，它包括在图2的工艺控制器中；

图5表示最佳实施例的局部、代表性车间设施，它受工艺控制系统的控制；

图6表示本发明的一种传送器的最佳实施例的功能性方框图；

图7表示图6中的传送器的替代性实施例；和

图8表示本发明的传送器的使用方法的流程图，用于进行未确定的设备故障或未确定的故障状态的早期探测。

具体实施方式

在说明本发明的方法前，了解能利用本发明的系统四周环境是有帮助的。请参考图1和2，图中展示了能利用本发明的工艺控制系统10的方框图。

工艺控制系统的各个层次包括输入处理器装置(OP21，有时称作输入/输出模块)，用于与现场装置接口；一个控制器30、40(输入处理器装置21和控制器30、40组成一个工艺控制器20)；一个网络接口(NIM602)，它使工艺控制器20的网络得以与局域网络(车间控制网络11)接口，该局域网络包括人机对话装置(US122)和一个史料记录装置(HM126)。对于工艺控制的关键需求，工艺控制系统10将这些中介装置中的任何一个都设置成重复的，用以确保来自现场装置的信息不会丢失。

现在将说明工艺控制系统10的结构。请参考图1，这里展出一个最佳实施例的工艺控制系统的方框图。工艺控制系统10包括一个车间控制网络11，系统中一个工艺控制器20与车间控制网络11在运行上进行连接，通过一个通用控制网络(UCN)14连至一个网络接口模块(NIM)602。在工艺控制系统10的最佳实施例中，辅助工艺控制器20在运行上能通过相应的附加NIM 602与车间控制网络11相连。工艺控制器20将来自各种现场装置(未表示)的模拟输入和输出信号及数字输入和输出信号(相应为A/I、A/O、D/I及D/O)连至工艺控制系统10，这些现场装置有：泵、马达、阀门、压力开关、压力计、热电偶……。输入还包括继电器闭合等指示预定动作的出现。

车间控制网络11与车间操作员一起对受控的工艺过程进行整体监控，获得实现监控作用所必须的所有信息，还包括一个与操作员进行对话的装置。车间控制网络11包括若干实体模块，它们是通用操作台(US)122、应用模块(AM)124、史料记录模块(HM)126、计算机模块(CM)128，以及需要时这些模块(及其它类型的卫示出的模块)的副本，以便对受控的工艺实现要求的控制/监视作用。每一实体模块在运行上与局域控制网络(LCN)120连接，此网络120使每一模块在需要时可互相联系。NIM602提供LCN120与UCN14间的接口。车间控制网络11更为完整的说明，以及实体模块可参考美国专利4607256。

请参考图2，此处展示了一个工艺控制器20的方框图。工艺控制系统10的最佳实施例的工艺控制器20的最佳实施例包括一个控制器A30和一个控制器B40，它们作为初级和次级控制器而有效地运行。控制器A30和控制器B40与UCN14相连，在最佳实施例中，为联系的重复目的，UCN14包括一个UCN(A)14A和一个UCN(B)14B。输入/输出处理器(IOP)(此外有时称作输入输出(I/O)模块)21与现场装置连接，这些现场装置是各种泵、马达、阀门、压力开关、压力开关、压力计、热电偶、…，它们可以是模拟输入(A/I)、模拟输出(A/O)、数字输入(D/I)、和数字输出(D/O)。控制器A30和控制器B40通过总线22与一个或多个I/O模块连接，在最佳实施例中总线22通过备用总线22A和总线22B联系。有关工艺控制器20，它包括控制器30和IOP21，的更完整的说明可通过参考美国专利5146401得到。

请参考图3，图中展示了控制器30、40的方框图。调制解调器50与UCN14连接，调制解调器有两个输入端，一个与UCN14A连接，而另一个与UCN14B连接。调制解调器50与通讯组件(COMM)接口，而通讯组件60转而又通过总体总线72与总体存储器70、I/O接口组件80、和控制组件90接口。处理器A63通过调制解调器50和TBC51与车间控制网络11联系。总体存储器70也起处理器A63和B91间的中间处理器联系媒介物的作用。控制组件90包括处理器B91和局部存储器B92，它们又均与局部总线93连接。处理器B91起有关现场装置的控制作用(即控制工艺)。

I/O接口组件80包括一个接收器/发送器装置，此装置是一个UART(通用异步接收器/发送器)81。此UART81通过驱动器82、83分别与总线22A和总线22B连接。

处理器B91通过总体存储器70接受来自多种现场装置的数据，进行必要的测点处理及实现控制作用，然后按需要，修正局部存储器B92和总体存储器70。通讯组件60根据通过总体存储器70、来自控制组件90的命令，在I/O模块21(通过I/O接口组件80)和总体存储器70之间输入和输出数据，从而使控制组件90解除I/O模块管理的负荷。这样，控制工艺由控制组件90在工艺控制器20内对预先规定安装的现场装置进行，而通讯(即I/O控制)由通讯组件60通过UART81处理。

请参考图4，所示的是研究的部件的I/O模块的部分框图。收发报机(抗模糊电路)201与总线22A及总线22B接口。此收发报机201与微控制器(M-控制器)202接口，而在最佳实施例中，它为Intel80C31型微控制器。此微控制器与局部总线203连接，并包括也和局部总线203相连接的可编程序只读存储器(EPROM)204及随机存取存储器(RAM)205。RAM205保存形成I/O模块21数据库的信息。EPROM204保存微控制器202应用的程序信息。应用性特殊电路209也与局部总线203连接，并通过局部总线203与微控制器202连接。根据I/O模块与之连接的现场装置的不同，应用性特殊电路209随I/O模块而变化。假如现场装置是要求数字输入型的，则应用性特殊电路209应包含逻辑线路，以便将数字输入放入至预定的格式中，该格式将与I/O模块的剩余部分接口。同样，假如现场装置要求模拟输入，于是应用性特殊电路包含逻辑线路，它将模拟输入信号转换成(通过一个A/D转换器)一个格式，此格式再与预定格式相一致。这样，I/O模块被称为特殊I/O模块类型。微控制器202为应用性特殊电路209进行I/O处理(或预处理)。预处理将根据不同类型(即A/I、A/O…)而随每一I/O模块变化，预处理基本由下述部分构成，即：将来自应用性特殊电路的信号变换成与控制器30、40相容的格式，和将来自控制器30、40的信号放入一个与I/O模块21相容的格式。进行的若干预处理包括：零点漂移、线性化(对热电偶进行线性化)、硬件修正、补偿(收益补偿和零点补偿)、参考连接补偿、标定修正、转换、报警检查(限位器)、…，以及按具有预定尺度(即工程单位、归一化单位、尺度百分比、…)的预定格式产生信号。在最佳实施例中，设置了七种类型的应用性特殊电路，它们是高电平模拟输入、低电平模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出、智能传送器接口、和脉冲输入计数器。

现在将说明本发明的方法。请参考图5，图中是受工艺控制系统控制的部分代表性车间设施。该车间设施通常包含一个管线网络，流体在其中流动。为使流体流动，在管线网络中设置了泵。在管线网络中还包含了阀门(未表示)，它们根据来自工艺控制系统的命令信号，关闭或全部/部分打开。此管线网络通常是无人管理的，它包含一条管线300，在其中有流体302；和测量温度、压力或差动压力、流体流量等的装置。这些装置(此处通常称作现场装置)通常安装在管线上，并一般至少要求一个管道干涉口306。在本发明的最佳实施例中，传送器310安装在管线300上，通过测量孔板308两侧的差动压力来测量管线内的压力。(本领域普通技术人员知道，测量绝对压力的压力测量装置不需要孔板308，但仍至少需要一个管道干涉口)。泵、泵接头、管道干涉口、孔板接头等都可为故障、泄漏的来源。

传送器310一般包含一个敏感元件/敏感元件组件311，它输出一个“原始”信号，然后此信号耦合至微处理器(MP)装置312以便放大、补偿、定标等。传送器312的输出(它基本上是MP312的输出，任何要求的由数字至模拟的转换在此处未表示)连接至工艺控制系统10的IOP21以进行控制作用。有关传送器更为详尽的说明可参考美国专利4567466，此专利已转让给本申请的权利受让人。

通常，敏感元件311起压力传感器的作用，它将由作用于其上的压力引起的位移转换成电输出信号。敏感元件包含一个半导体板或膜片，具有扩散于其上的应力敏感元件，如压敏电阻元件。本发明的敏感元件采用由RIMS(共振集成微敏感器)工艺制作的敏感器，它比当今的硅敏感元件具有更高的频带宽度和更高的频率响应。结果，得到的噪声信号输出要好得多。RIMS工艺是本领域普通技术人员所熟知的。有关共振敏感器的更详尽的信息可参考美国专利5275055，该专利已转让给本申请的权利受让人。

请参考图6，图中展示了本发明的传送器310的功能性方框图。本发明一个由RIMS工艺制作的敏感元件311，用于测量来自管线(或其它部件)的压力。敏感元件311输出一个信号，它具有足够的频带宽度，包含指示压力(或与压力)的信息信号，然后输出信号被输入至第一滤波器、滤波器1-313。输出信号还包含管线中流体流动的噪声信息，被输入至第二滤波器、滤波器2-314中。第一滤波器313是一个高通滤波器，它允许信息信号通过，然后进入微处理器312，在那里，如在当今常规的敏感器中一样，信号放大、补偿、定标等。第二滤波器413是一个低通滤波器，它使输出信号中包含管线300中流体流动噪声信息的低频成分得以通过。噪声成分被输入至一个微处理器312’，它包括一个液体在其中流动的各种装置和管线的模型。由于模化及通过模化对噪声信号的分析，各种参数A1、A2…An输入至工艺控制系统中。这些输出参数是预测性或预防性的保养信息，它们是咨询和不可控信息。微处理器312’与存储器315相连，该存储器315存储参数信息，包括过去和现在的。过去和目前参数的对比给出流体流动噪声信号特征改变的信息，结果就能可靠地探测和预测泵的密封开始泄漏、管线有小泄漏(一般在密封处)、泵305是否开始空蚀、指示泵故障危急程度的泵中轴承噪声，…等。模化技术领域的一般技术人员都知道：可产生一个模型对管线中流体流动及与其相伴随的噪声模化。从模型输出的参数An是咨询性的，在本发明中，它们与工艺控制相连，这样，一个操作员就能采取适当的行动。图6所示的微处理器312和312’可与图5所示的传送器中的微处理器是同一微处理器312。滤波器313、314可包含一个模型数字转换器和/或可是一个包含在微处理器312中的数字滤波器。

请参考图7，所示的是图6中的传送器310的一个可替代实施例。在此可替代实施例中，应用了敏感元件311，它具有一个内在滤波器，因而从敏感元件311输出两种信号。第一种信号包括敏感元件311的输出信号的压力或与差压成分，从而可取消图6所示的滤波器。

请参考图8，图中展示了一种方法的流程图，它被本发明的工艺控制系统的传送器用于对未确定的设备故障或未确定的故障状态进行早期探测。噪声信号输入至微处理器312’并通过包含于微处理器中的模型(方框401)。模型的输出是指示管线内噪声流动的不同参数，参数A1，A2……An保存在存储器315(方框405)中，假如，这是第一次通过计算，则有效进行的是存储参数，由模型对包含噪声成分在内的通过管线的流动加以特征化，然后过程跳至方框401开始(方框410)。在模型正常运行期间(不是第一次通过)，最近获得的参数A1至An与存储在存储器315中的参数A1至An进行比较(方框415)。假如参数相同，则过程重复，并再从方框401开始。假如现在获得的参数与过去参数不同，则对参数差异进行分析(方框425)。参数可指示多个噪声低频成分、多个噪声高频成分、两者、…等，由此可得到一个差异与即将来临的故障之间的结论，诸如轴承噪声变得更响了，或探测到空蚀噪声，而这些都与引起噪声的设备/装置有关，结果，向工艺控制系统提供一个特定的输出，指出在管线系统中潜在的或可能的设备故障(方框430)。

虽然这里只考虑了本发明的最佳实施例，但显然，只要不偏离发明的基本精神和范围，就可有许多改变和修正。因此，所附权利要求将覆盖落在本发明真实范围内的所有改变和修改。

Claims

1.一种用于控制工艺设施的工艺过程的工艺控制系统(10)，该工艺设施包括具有若干设备的管线系统，这些设备包括：至少一条管线(300)，其用于为工艺中的流体(302)的流动提供一条通道；以及至少一个用于测量流体的工艺变量的装置，其特征在于，该装置包括：

a)敏感元件(311)，用于检测一个有关在管线中流动的流体的预定工艺变量，以输出一个信号，此信号包含有关被测量的工艺变量的信息，也包含在管线中流动的流体的信息；

b)第一高通滤波装置(313)，用于通过信号的信息成分，所述信息成分包含工艺变量的信息；

c)第二低通滤波装置(314)，用于通过信号的噪声成分，所述噪声成分包含有关在管线中流动的流体的信息；

d)第一处理器(312)，用于处理信号的信息成分，以便向工艺控制系统输出工艺变量以控制过程；以及

e)第二处理器(312，312′)，用于在管线系统的流动模型中处理信号噪声成分，以便第二处理器在所述处理过程中检测到设备紧急故障时，输出用来指示设备紧急故障的咨询性信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述敏感元件(311)是由共振集成微敏感器工艺制作的一种元件。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一处理器(312)和所述第二处理器(312′)是用于对信号的信息成分和信号的噪声成分进行处理的一种微处理器。

4.一种用于操作工艺控制系统(10)的方法，该工艺控制系统(10)控制工艺设施的工艺过程，该工艺设施包括具有若干设备的管线系统，这些设备包括：至少一条管线(300)，其用于为工艺中的流体(302)的流动提供一条通道；以及至少一个用于测量流体的工艺变量的装置，所述方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：对信息的成分进行处理，以便向工艺控制系统输出工艺变量以控制过程，与此同时完成所述通过噪声成分的步骤。