CN112567161A - 调节阀处变化的可能起因的诊断 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于诊断在设备、工艺过程或至少一个具有调节件的调节阀处的变化的可能起因的方法，该调节阀是该设备的一部分，该工艺过程在该设备上执行，其中，调节件的位置至少在第一时间和第二时间间隔中被检测，来自第一时间间隔和第二时间间隔的工作点或工作范围被确定和比较，在至少一个调节阀、设备或工艺过程中的变化的可能起因基于所确定的差异被诊断。这样的诊断不需要附加传感设备且允许只从阀工作状态中识别出出现的问题或不希望的改变。

Description

调节阀处变化的可能起因的诊断

技术领域

本发明涉及用于诊断在设备、工艺过程或至少一个具有调节件的调节阀处的变化的可能起因的方法，其中该调节阀是该设备的一部分且该工艺过程在该设备上执行，以及涉及具有相应机构的调节阀。

也称为过程阀的调节阀由活动的调节件或阀构件和在阀壳体内的开口构成。阀构件能够部分或完全地开通或关闭该开口。

所述阀的运行和维护的优化以及尽早识别这种阀的可能的错误特性或错误设计在实践中是很困难的。

背景技术

出版物EP315391B1描述了多个扫描系统，在此将扫描值与参考值相比较以确定阀运行时的偏差。此时不利的是，需要附加的力传感器或附加的扫描机构以便能推断出阀磨损。不考虑阀的工作点。

EP2884358B1描述了一种用于完整设备的控制系统，其采用过程数据并且将其与标准值关联起来。一些参与其中的阀门的工作点或工作范围未被分析，相反，这是复杂的设备控制。

发明内容

本发明的任务是指明用于诊断在设备、工艺过程或至少一个调节阀中的变化的可能起因的方法和装置，该调节阀是设备的一部分，其无需附加传感器或扫描机构就行。

解决方案

该任务通过独立权利要求的主题完成。在从属权利要求中说明独立权利要求主题的有利改进方案。所有权利要求的表述兹被援引成为说明书的内容。

单数的使用不应排除复数，反之亦然，除非另有公开。

以下将详细说明几个方法步骤。这些步骤不一定必须按照所说明的顺序执行，并且所提出的方法也可以具有其它的未提到的步骤。

为了完成该任务，提出一种用于诊断在设备、工艺过程或至少一个具有调节件的调节阀中的变化的可能起因的方法，调节阀是该设备的一部分，该过程在该设备上执行。该方法具有以下步骤：

当该调节件不运动时，即尤其当未规定运动且不存在控制脉冲时，在多个时刻检测涉及调节件位置的数据。所述数据例如可以是调节件的准确位置或所属调节器的状态以及所属时刻。所述检测至少在第一时间间隔和第二时间间隔中完成，一般按照定期时间间隔。确定来自第一时间间隔的数据的特征。在此它例如可以是工作点、平均值、其差异、工作范围或者如果有的话是局部最大值。对于检查工作点或工作范围，此时特别有意义的是是否能确定数据出现频率。相同的特征针对来自第二时间间隔的数据被确定。接着，来自两个时间间隔的数据的特征被比较，以探测发现改变。在此它尤其可以是工作点或阀锥或阀座的变化。依据所确定的特征差异，诊断出在至少一个调节阀、设备或过程中的变化的可能起因，并且输出诊断结果。

通过这种方式，可以无需附加传感器或复杂的监测系统地以简单方式探测发现工艺过程的或调节阀的状态是否改变，并且尤其是从所述改变中推导出诊断结果，其允许尽早或者说预见性地对出现的问题或错误改进做出反应。

显然有意义的是在一个附加步骤中检查在该设备和/或该调节阀上的诊断结果。

对于尤其关于调节阀的工作点或工作范围的有意义的数据分析有帮助的是，当所属调节件位置对应于0％或100％时，涉及调节件位置的数据被挑出且未被获得。这分别对应于关闭的和全开的阀位置，其当然与阀工作点无关。

此外，当其它步骤仅在对于每个所关注的时间间隔可被分派至少一个局部最大值属于来自所关注的时间间隔的数据特征时，数据分析被简化。只有此时可以实现工作点或工作范围的确定，而没有高的不可靠性和/或高昂成本。

由于来自两个时间间隔的所确定的数据特征差异可被检查其显著性，故可以保证该诊断基于有效作用。因此，可以抑制错误警报和无意义的诊断。

当对于每个所关注的时间间隔从数据特征中确定调节阀的工作点和/或工作范围时，诊断结果尤其有说服力。

当该工作点不对应于在50％和70％之间的阀位置时，该调节阀尺寸的设计错误可被诊断。其原因在于调节阀在约70％位置处最有效工作。出于安全考虑，通常期望阀门尺寸设定得大一些。

当两个时间间隔的数据的特征的差异被确定时，该过程的变化或者由阀控制的流体的变化可被诊断出，其中该时间间隔隔开不超过2周、优选1周、尤其最好96小时、更尤其最好是48小时。这种变化被视为暂时的并且基本上不会由磨损现象引起。

当两个时间间隔的数据的特征的差异仅在该时间间隔隔开超过3周、超过2个月、尤其最好超过6个月、更特别优选超过1年时才被确定时，阀上的磨损或缺陷可被诊断出。这种变化是长期性的并且因此不对应于过程变化。

当该工作点和/或工作范围被移动向打开更大的阀位置时，在阀座或阀锥上的沉积可被诊断出。这样的沉积减少的流过阀的流通量。

当工作点和/或工作范围被移动向关闭更紧的阀位置时，阀座和/或阀锥的用旧或磨损可被诊断出。这种磨损现象增大了流过阀的流通量。

如果不仅确定工作点、也确定具有宽度的工作范围，则可以从工作范围宽度增大中诊断出工艺过程稳定性降低，和/或从工作范围宽度减小中可以相应诊断出工艺过程稳定性增大。

如果规定了诊断具有许多阀的设备或工艺过程中的变化的可能起因，则接着可以诊断出泵出现缺陷，当在有多个与泵相互作用的阀的情况下所述工作点和/或工作范围被移动向打开更大的阀位置。于是，即在多个阀的情况下，共同的流通量低于预期，这说明了在其中一个阀处的起因。

当在所关注的时间间隔执行如下步骤时得到一种用于确定调节阀工作范围的很有利的方法：由涉及调节件位置的数据形成直方图。在直方图中的调节件位置出现频率的局部最大值被确定且被分派给工作范围。只要分派给工作范围的出现频率低于总频率的50％，就将在直方图中分别紧邻该工作范围的具有最大出现频率的调节件位置添加至该工作范围。由此，人们获得在局部最大值周围的区域，在该区域中有调节件的所有位置数据的至少50％。就是说，并非仅在尖锐位置情况下存在局部最大值，也存在具有一定宽度的连续区域，该连续区域包含该调节阀的调节件最频繁位于的位置。

该任务还通过一种具有用于执行如前所述的方法的机构的调节阀完成。

该任务也通过一种调节阀完成，其具有用于检测关于调节件位置和所属时刻的机构，其中该机构配置用于它们在调节件不运动时能检测关于调节件位置的数据和各自所属时刻。此外，设有用于确定时间间隔的机构，其中这些机构能够确定至少第一和第二时间间隔，并且关于调节件位置的数据和各自所属时刻在至少第一和第二时间间隔中来获得。另外，设有用于确定并比较来自时间间隔的数据的特征的机构，其中该机构配置用于它们可确定来自前述第一时间间隔和前述第二时间间隔的数据的相同特征并相互比较。此外，设有用于完成并输出诊断结构的机构，其中当用于确定并比较数据特征的前述机构确定了第一和第二时间间隔的数据的特征差异时，该机构能完成并输出诊断结果。

当设有控制模块时，调节阀的设计特别简单且安全(例如关于网络安全性)，在这里，用于检测数据、确定时间间隔、确定并比较数据特征且完成并输出诊断结果的机构由该控制模块提供。

当该调节阀具有控制模块时，获得中央监测和在或许所需的高成本数据计算和/或分析的较低成本，其中，用于检测数据、用于确定时间间隔、用于确定并比较数据特征、用于完成并输出诊断结果的机构由至少一个机器提供，该机器通过网络与控制模块相连。所述至少一个机器例如可以是云中的计算机。还如此完成该任务，在如前所述的方法中，这些方法步骤被表达为该方法能借此在至少一个计算机上进行的程序码。

此外，本发明的任务通过一种计算机程序完成，其包含可运行的指令，所述指令当在计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机或其在网络中的多个上运行时执行前述方法权利要求之一的方法。

此外，该任务通过一种计算机程序完成，其具有程序码机构以便当该程序在计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机或其在网络中的多个上运行时按照其设计方案之一执行本发明的方法。尤其是，该程序码机构可以是存储在机读数据载体上的指令。

此外，该任务通过一种数据载体完成，其上存储有数据结构，该数据结构在装载到计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机或其在网络中的多个的工作存储器和/或主存储器中之后能以其设计方案之一执行本发明方法。

该任务也通过一种计算机程序产品完成，其具有存储在机读载体上的程序码机构以便当所述程序在计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机或其在网络中的多个上运行时按照其设计方案之一执行本发明的方法。在此，计算机程序产品是指作为可交易产品的程序。它原则上能以任何形式存在，因此例如在纸上或机读数据载体上，并且尤其可以通过数据传输网络被散布。

最后，该任务通过一种调制的数据信号完成，其包含可由计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机或其在网络中的多个执行的指令以按照其设计方案之一执行本发明方法。

作为用于执行该方法的计算机系统，不仅考虑单独的计算机或微控制器、DSP或FPGA，也考虑微控制器、DSP、FPGA或计算机的网络，例如家内完整网络，或者通过互联网相连的多台计算机。另外，计算机系统可以通过客户-服务器配置实现，其中，本发明的一部分在服务器上运行，另一部分在客户处运行。

此外，该任务通过一种用于调节阀的控制模块完成，其提供用于执行所述方法的机构。利用这种控制模块，可以按照本发明的方式改装已有的调节阀。

其它的细节和特征来自以下结合从属权利要求对优选实施例的说明。在此情况下，各自特征本身可以单独地或多个相互组合地实现。完成任务的可能性不局限于所述实施例。因此，例如范围说明总是包含所有未提到的中间值和所有可想到的小区间。

在附图中示意性示出所述实施例。在这些图中的相同的附图标记在此表示相同的或功能相同的或就其功能而言彼此对应的零部件，具体示出了：

图1A示出处于打开位置的调节阀的典型结构；

图1B示出处于关闭位置的调节阀的典型结构；

图2A示出阀位置的典型直方图，在此可以依据工作范围识别出该调节阀尺寸过大；

图2B示出阀位置的直方图，在此该工作范围相对于图2A被移动向进一步打开的状态；

图3A示出阀位置的另一个典型直方图；和

图3B示出阀位置的直方图，在此该工作范围相对于图3A明显移动向更紧关闭的状态。

图1A示出具有阀壳体105的调节阀100的典型结构。在进流侧110和排流侧115之间有阀构件120，其可被压入阀座125中以便节流从进流侧110流到排流侧115的过程流体的流动。为此采用阀杆或驱动杆130。阀杆130穿过流体密封的阀壳体105的贯穿通过密封件或密封压盖140被封闭。

在阀杆130的上端有流体驱动机构145，其中，驱动流体一般是气体。驱动机构145具有两个腔室，即下压缩空气腔室150和上腔室155，在上腔室内，弹簧160通过板165作用于阀杆130。两个腔室150和155通过隔膜170被相互分开，其中，隔膜170相对于驱动流体(一般是压缩空气)是不透的。这种结构被称为单向作用的气压驱动机构，因为压缩空气仅被送入一个腔室即压缩空气腔室150，而不是两个腔室。阀杆130贯穿驱动机构145的壳体必须相对于驱动流体是密封的。为此，通过驱动机构壳体密封件175来密封该贯穿结构。

典型地，在阀杆130处还有信号记录仪或位置传感器180用于确定阀构件120的位置。

在图1A中，有充分的压缩空气存在于压缩空气腔室150内，从而使调节阀100被打开。

在图1B中，压缩空气腔室150被排气，使得弹簧160能关闭调节阀160。

工作点或工作范围的确定最好基于阀位置的直方图的分析。该直方图被分析发生频率。在图2A、图2B、图3A和图3B中能看到这种典型直方图。为了分析，适当地切除边缘区(即对应于0％或100％的数据，因为所述阀于是是全闭或全开的)。

为了获得工作范围，最好从直方图的最高柱(除了0％和100％外)开始，即从出现频率的局部最大值开始。接着，如果有必要，一直加入相邻柱，直到达到总频率的某个百分比如50％。接着，阀在所述区域内运动至少50％的时间。在该典型做法情况下，总是给工作范围添加直方图的相邻柱，相邻柱具有各自较高的出现频率。

自然也可以想到其它做法，例如可以在达到期望的出现频率之前总是添加两个相邻柱。或者，平均值±一个或多个标准偏差被定义为工作范围。

依据该直方图，可以确定工作范围的可能导致各种诊断的各种不同变化。

在图2A中例如将清楚看到工作范围相比于在60％至70％的最佳范围可以说在40％左右。这允许推断出调节阀对于在那里发生的过程是超尺寸的，因为在正常情况下不会如此大地打开以在阀运行时获得最大效力。

在进一步分析时有意义的是区分暂时变化和长期变化。长期变化在此情况下可能延及多月、多年或甚至设备或阀门的整个使用寿命。而暂时变化可能在小时、几天乃至最多几周的范围内。视所述变化是短期或长期进行而定地，可以假定它们归结于过程变化或者例如待调节流体的组成变化(暂时)，或者归结于例如阀磨损现象(长期)。

当从图2A过渡至图2B时能看到，图2B中的工作范围被移动向打开更大的状态。如果它是长期出现的效果，则在这里例如诊断出在阀座或阀锥上的沉积。

而如果暂时出现所述效果并且或许也在其它的在过程变化曲线中靠后的阀的情况下，也可以在阀的之前区域中诊断出可能出现故障的泵(输送量少于预定量)。

在从图3A过渡到图3B中能看到该工作范围显著移动向关闭更紧的状态。如果它在此情况下是长期效果，则该阀座或阀锥的用旧可被诊断出。

但是，因为显著移动而假定过程变化在此或许也一起扮演了角色。在这种暂时变化的情况下，这也是待完成的诊断结果。

另外，工作范围宽度的变化是相关的。如果工作范围扩宽，则确定过程稳定性降低。而如果工作范围变窄，则过程运行显著更稳。

利用所述规则，仅在知晓调节阀静止位置的情况下就可以得到对可能出现且造成调节阀处变化的问题的诊断结果。基于所述诊断结果，例如在设备上出现损伤或故障之前能以维护措施做出干预。并且所述诊断不需要任何附加传感器。

术语表

工作范围

借此表示包含工作点的区域或间隔。当无法精确确定一个工作点时，它总是有意义的，因为例如可供使用的数据的位置分辨率过低，或者所测知的状态变化过大。这种工作范围例如可以通过必须包含50％值的要求来限定。

工作点

也称为运行点或运行状态的工作点是在技术设备的综合特性曲线中或特性曲线上的某个点，其因为系统性能和作用的外界影响和参数被记录下来(根据https://de.wikipedia.org/wiki/betriebpunkt)。在调节阀情况下，这是在正常运行中设定的打开状态。一般如此设计调节阀，工作点最佳地处于70％打开处。

过程阀，调节阀

过程阀，也称为调节阀或控制阀，用于节流或调节流体流。为此，在阀座的流通开口中，节流件或阀构件借助驱动机构被移动。

附图标记

100 调节阀或过程阀

105 阀壳体

110 进流侧

115 排流侧

120 阀构件

125 阀座

130 阀杆或驱动杆

140 密封压盖或密封件

145 流体驱动机构

150 压缩空气腔室

155 上腔室

160 弹簧

165 板

170 隔膜

175 驱动机构壳体密封件

180 信号记录仪

引用文献

引用专利文献：EP315391B1

EP2884358B1

Claims (25)

1.一种用于诊断在设备、工艺过程或具有调节件的至少一个调节阀处的变化的可能起因的方法，所述调节阀是所述设备的一部分，所述工艺过程在所述设备上执行，所述方法具有以下步骤：

1.1当所述调节件不运动时，在多个时刻检测涉及所述调节件的位置的数据；

1.2这至少在第一时间间隔和第二时间间隔中进行；

1.3确定来自所述第一时间间隔的所述数据的特征；

1.4针对来自所述第二时间间隔的数据确定相同的所述特征；

1.5比较来自两个时间间隔的所述数据的特征；

1.6从所确定的所述特征的差异中诊断在所述设备、所述工艺过程或所述至少一个调节阀处的变化的可能起因；

1.7输出诊断结果。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法具有以下附加步骤：所述诊断结果在所述设备和/或所述调节阀处被检查。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述调节件的所属位置对应于0％或100％时，涉及所述调节件的位置的所述数据被挑选出且不被检测。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，仅当针对每个所关注的时间间隔能指派至少一个局部最大值属于来自所关注的时间间隔的数据的特征时才进行所述附加步骤。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所确定的来自两个时间间隔的所述数据的所述特征的差异被检查其显著性。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于每个所关注的时间间隔，从所述数据的特征中确定所述调节阀的工作点和/或工作范围。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述工作点未对应于在50％和70％之间的阀位置时，诊断出所述调节阀的尺寸的设计错误。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当两个时间间隔的所述数据的特征的差异被确定时，诊断出工艺过程变化或由所述阀控制的流体的变化，其中，两个时间间隔相隔不超过2周。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当两个时间间隔的所述数据的特征的差异在所述时间间隔相隔超过3周时被确定时，诊断出所述阀处的磨损或缺陷。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述工作点和/或所述工作范围被移动向打开更大的阀位置地确定所述差异时，诊断出在阀座或阀锥上的沉积。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当所述工作点和/或所述工作范围被移动向关闭更紧的所述阀位置地确定所述差异时，诊断出所述阀座和/或所述阀锥上的用旧或磨损。

12.根据权利要求6所述的方法，其中，确定具有宽度的工作范围，其特征在于，从所述工作范围的所述宽度的增加中诊断出工艺过程稳定性降低，和/或从所述工作范围的所述宽度减小中诊断出工艺过程稳定性提高。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，规定了具有多个阀的设备或工艺过程的变化的可能起因的诊断，其特征在于，当在有多个与所述泵相互作用的阀的情况下所述工作点和/或所述工作范围被移动向更大打开的阀位置地确定差异时，诊断出泵出现缺陷。

14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了在所关注的时间间隔内确定所述调节阀的所述工作范围而执行以下步骤：

14.1从涉及所述调节件的位置的数据中形成直方图；

14.2在所述直方图中的所述调节件的位置的频率的局部最大值被确定且被分派给所述工作范围；

14.3只要被分派给所述工作范围的频率低于总频率的50％，则将在所述直方图中总是紧邻所述工作范围的具有最大频率的所述调节件的位置添加至所述工作范围。

15.一种调节阀，所述调节阀具有用于执行根据前述方法权利要求中任一项所述的方法的机构。

16.一种调节阀，所述调节阀具有：

16.1用于检测关于所述调节件的位置的数据和所属时刻的机构，其中，这些机构被配置成它们能在所述调节件不运动时检测关于所述调节件的位置的数据和各自所属的时刻；

16.2用于确定时间间隔的机构，其中，这些机构能确定至少第一时间间隔和第二时间间隔；

16.3其中，关于所述调节件的位置的数据和各自所属时刻在至少所述第一时间间隔和第二时间间隔中被检测；和

16.4用于确定并比较来自时间间隔的数据的特征的机构，其中，这些机构被配置成它们能确定来自所述第一时间间隔和所述第二时间间隔的数据的相同特征并将它们相互比较；和

16.5用于完成并输出诊断结果的机构；其中，所述机构能在用于确定并比较所述数据特征的前述机构确定来自所述第一时间间隔和第二时间间隔的数据的特征差异时完成和输出所述诊断结果。

17.根据权利要求16所述的调节阀，其特征在于，设有

17.1控制模块；

17.2其中，所述机构

17.2.1为了检测数据、

17.2.2为了确定时间间隔、

17.2.3为了确定和比较数据特征，和

17.2.4为了完成和输出诊断结果，

17.3而由所述控制模块来提供。

18.根据权利要求16至17中任一项所述的调节阀，其特征在于，设有

18.1控制模块；

18.2其中，所述机构

18.2.1为了检测数据、

18.2.2为了确定时间间隔、

18.2.3为了确定和比较数据特征，和

18.2.4为了完成和输出诊断结果

18.3通过至少一个仪器来提供，该仪器通过网络与所述控制模块相连。

19.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法，其中，这些方法步骤以程序码形式来表达，所述方法能借此在至少一个计算机上进行。

20.一种计算机程序，其特征在于，所述计算机程序包含可执行的指令，所述指令当在计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机或在网络中的它们中的多个上执行时，执行根据方法权利要求中任一项所述的方法。

21.一种计算机程序，所述计算机程序具有程序码机构，以在所述计算机程序在计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机上或在一网络中的它们中的多个上执行时，执行根据方法权利要求中任一项所述的方法。

22.一种数据载体，在所述数据载体上存储有数据结构，所述数据结构在加载到计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机或在网络中的它们中的多个的工作存储器和/或主存储器中之后，执行根据方法权利要求中任一项所述的方法。

23.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有存储在机读载体上的程序码机构，以用于在所述程序在计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机上或在网络中的它们中的多个上执行时，执行根据方法权利要求中任一项所述的所有步骤。

24.一种调制数据信号，该调制数据信号包含能由计算单元、微控制器、DSP、FPGA或计算机或在网络中的它们中的多个执行的指令，以执行根据方法权利要求中任一项所述的方法。

25.一种用于调节阀的控制模块，其特征在于，所述控制模块提供用于执行根据方法权利要求中任一项所述的方法的机构。

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