CN112673321A - 阀门定位器及诊断方法 - Google Patents

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Abstract

故障诊断利用阀门定位器(2)的微处理器系统(21)中的阀门组件的物理部分的嵌入式跟踪数字孪生器(211)来提供。数字孪生器包括多个模拟模型参数，该多个模拟模型参数包括至少一个与故障相关的模拟模型参数。数字孪生器(211)接收表示阀门组件的至少一部分的实际控制的控制信号(26)，并生成与模拟控制的结果相关的模拟测量值。数字孪生器(211)将模拟测量值和与实际控制的结果相关的实际测量值进行比较，以跟踪模拟操作结果与阀门组件的实际操作之间的误差，从而从减少误差的意义上说调整与故障相关的模拟模型参数。与故障相关的模拟模型参数与阀门组件的物理部分中的特定物理故障相关，并且它可基于模拟模型参数的所调整的值被检测到和识别出。

Description

阀门定位器及诊断方法
技术领域
本发明涉及控制阀，特别涉及使用阀门定位器诊断控制阀。
背景技术
致动器经常用作引入运动或控制运动的机构。它由能量源(通常是电流、液压流体压力或气动流体压力)操作，并且将那种能量转换成目标机制的运动，诸如转换成控制阀的关闭元件的移动。
控制阀一般用于不同管道和过程中的液体或气体流的连续控制。在加工工业中，诸如石油和天然气、采矿、纸浆和造纸以及化学工业，安装在工厂管道系统中的不同种类的控制阀在过程中控制材料流。材料流可以包含任何流体材料，诸如流体、溶液、液体、气体和蒸汽。控制阀的操作涉及将其可移动或关闭部分(例如塞子、球或盘)相对于阀的静止座定位。控制阀通常与致动器连接，致动器的目的是将阀门的关闭元件准确地定位在由控制信号指示的位置。致动器将阀门的关闭元件移动到完全打开和完全关闭位置之间的期望位置。例如，致动器可以是气动或液压缸-活塞设备。致动器本身通常由阀门定位器(也称为阀门控制器)控制，用于根据来自过程的控制信号控制控制阀的关闭元件的位置并因此控制过程中的材料流。位置传感器(诸如电位计)将表示实际阀门位置的信号馈送到定位器。以这种方式，致动器可以沿着其行程与控制信号成比例地定位。因此，定位器作为反馈控制器操作。
提供更好的控制阀性能的新型设备之一是所谓“智能”定位器或数字阀门控制器。智能定位器的一个示例是由Metso公司出售的Neles NDX阀门控制器。智能定位器是基于微处理器的电子定位器，具有内部逻辑功能，其可从数字编程中获益，以获得改进的定位性能。智能定位器的优点是它可以被编程为使用位置控制算法来实现更好的动态响应。另外，智能定位器可以使用诸如Hart、Foundation Fieldbus等双向通信协议来与过程控制系统通信。在安装智能定位器之后，也可以使用这种类型的通信远程地输入新的控制设置或配置。
除了在过程工业中控制自动阀的主要目的之外，数字阀门控制器还可以具有对工厂操作有用的各种附加特征。最重要的附加特征之一是阀门诊断。诊断需求很简单：工厂管理人员想知道阀门有望操作多长时间，并且如果阀门将要失效，那么我们应该告知哪些零件需要服务或更换。到目前为止，市场上还没有数字阀门控制器可以提供这种信息。替代地，虽然数字阀门控制器能够提供各种历史趋势和诊断报告以用于后续分析，但仍需要有经验的服务专家来分析此类诊断报告。还有，甚至对于专家而言，阀门诊断数据也难以解释。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法和用于实现该方法的装置。
本发明的目的通过在独立权利要求中记载的阀门定位器和方法来实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本发明的一个方面是用于阀门组件的阀门定位器，其中阀门组件包括阀门定位器、控制阀、气动阀门致动器、适于测量气动致动器压力的压力传感器和适于测量控制阀的阀门位置的位置传感器，其中阀门定位器包括被配置为存储和运行嵌入式阀门控制和诊断软件的微处理器系统，包括：
嵌入式阀门控制器，其被配置为使用气动阀门致动器来接收设定点位置和至少测得的阀门位置，并控制控制阀的阀门位置，
阀门组件的至少一个物理部分的嵌入式跟踪数字孪生器，其中嵌入式跟踪数字孪生器包括多个模拟模型参数，该多个模拟模型参数包括至少一个与故障相关的模拟模型参数，该模拟模型参数与阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障相关，
其中，嵌入式跟踪数字孪生器被配置为在阀门组件的操作期间实时地从嵌入式阀门控制器接收表示物理阀门组件的至少一部分的实际控制的控制信号，并提供表示控制动作的模拟结果的至少一个模拟测量结果，
其中，嵌入式跟踪数字孪生器被配置为在阀门组件的操作期间实时地跟踪所述至少一个模拟测量结果与至少一个对应的实际物理测量结果之间的误差，并从误差减小的意义上说调整嵌入式跟踪数字孪生器的至少一个与故障相关的模拟模型参数的值，并且
其中，阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障可基于至少一个模拟模型参数的所调整的值被检测到和识别出。
在实施例中，阀门组件的至少一部分包括控制阀、气动阀门致动器、阀门定位器中的气动前级、供应压力入口、阀门定位器中的气动输出级及其任何组合中的一个或多个。
在实施例中，嵌入式跟踪数字孪生器被配置为在阀门组件的操作期间实时地从嵌入式阀门控制器接收控制信号并提供模拟测得的阀门位置和/或模拟测得的气动致动器压力，并且嵌入式跟踪数字孪生器被配置为在阀门组件的操作期间实时地跟踪模拟测得的阀门位置与测得的阀门位置之间的误差和/或模拟测得的阀门致动器压力与测得的阀门致动器压力之间的误差，并从误差减小的意义上说调整嵌入式跟踪数字孪生器的至少一个与故障相关的模拟模型参数的值。
在实施例中，表示物理阀门组件的至少一部分的实际控制的控制信号包括对前级和/或至少一个实际物理测量结果中的一个或多个的电控制信号。
在实施例中，与物理阀门组件的至少一部分中的实际控制的结果相关的至少一个实际物理测量结果可以包括以下各项中的一项或多项：测得的阀门位置、测得的致动器压力、进一步测得的致动器压力、测得的供应压力、测得的来自气动前级的先导压力、测得的气动输出级的控制位置、阀门温度和过程压力)。
在实施例中，阀门组件还包括适于测量气动供应压力的压力传感器，并且其中，嵌入式跟踪数字孪生器被配置为接收测得的气动供应压力并将其用于调整多个模拟模型参数。
在实施例中，阀门定位器和/或远程计算实体的微处理器系统被配置为当至少一个与故障相关的模拟模型参数达到预定的阈值或预定的偏差时，检测和识别阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障。
在实施例中，阀门定位器和/或远程计算实体的微处理器系统被配置为预测至少一个与故障相关的模拟模型参数的所调整的值随时间的未来趋势，并预测剩余的操作时间，直到至少一个与故障相关的模拟模型参数的所调整的值达到给定的极限值或给定的偏差极限。
在实施例中，阀门定位器和/或远程计算实体的微处理器系统被配置为预测阀门组件的至少一个物理部分的剩余使用寿命。
在实施例中，多个模拟模型参数包括多个与故障相关的模拟模型参数，该多个与故障相关的模拟模型参数与阀门组件的至少一个物理部分中的多个不同的特定物理故障相关。
在实施例中，至少一个与故障相关的模拟模型参数表示阀门组件的至少一个物理部分的特定物理特性，诸如物理维度或摩擦，并且其中特定物理特性的值与特定物理故障相关。
在实施例中，至少一个与故障相关的模拟模型参数与以下特定物理特性中的一个或多个相关：阀门摩擦、气动空气供应装置的横截面尺寸、先导压力入口的横截面尺寸、致动器压力泄漏孔的横截面尺寸、阀门摩擦、轴承摩擦、齿隙(backlash)、疲劳、腐蚀、磨损。
本发明的另一方面是一种阀门组件，其包括控制阀、气动阀门致动器、适于测量气动致动器压力的压力传感器、适于测量控制阀的阀门位置的位置传感器，以及根据任何实施例的阀门定位器。
本发明的另一方面是一种在阀门组件的阀门定位器中的诊断方法，包括：
测量阀门组件的气动阀门致动器的气动致动器压力，
测量阀门组件的控制阀的阀门位置，
在阀门定位器的微处理器系统中实时运行嵌入式阀门控制器，
由嵌入式阀门控制器在阀门组件的操作期间实时地基于设定点位置和测得的阀门位置控制气动阀门致动器的气动致动器压力，从而控制控制阀的阀门位置，
在阀门定位器的微处理器系统中运行阀门组件的至少一个物理部分的嵌入式跟踪数字孪生器，其中嵌入式跟踪数字孪生器包括多个模拟模型参数，该多个模拟模型参数包括至少一个与故障相关的模拟模型参数，该参数与阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障相关，
由嵌入式跟踪数字孪生器在阀门组件的操作期间实时地从嵌入式阀门控制器接收表示物理阀门组件的至少一部分的实际控制的控制信号，并提供表示控制的模拟结果的至少一个模拟测量结果，
由嵌入式跟踪数字孪生器在阀门组件的操作期间实时地生成表示控制动作的模拟结果的至少一个模拟测量结果，
由嵌入式跟踪数字孪生器在阀门组件的操作期间实时地跟踪至少一个模拟测量结果与至少一个对应的实际物理测量结果之间的误差，以及
由嵌入式跟踪数字孪生器在阀门组件的操作期间实时地从减小误差的意义上说调整嵌入式跟踪数字孪生器的至少一个与故障相关的模拟模型参数的值，其中阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障可基于至少一个模拟模型参数的所调整的值被识别出。
附图说明
在下文中，将参考附图借助于优选实施例更详细地描述本发明，其中
图1示出了示例性过程自动化系统的示意性框图；
图2图示了示例性物理阀门组件，其中气动致动器在阀门定位器的控制下操作过程阀；
图3图示了其中可以应用根据本发明的实施例的阀门诊断的示例性的基于微控制器的智能阀门定位器的基本框图；
图4图示了其中可以应用根据本发明的实施例的阀门诊断的示例性智能阀门控制器的示意性框图；
图5图示了根据本发明的数字孪生器概念的示例；
图6示出了根据示例性实施例的阀门定位器的微处理器系统的基本功能框图；
图7示出了与故障相关的模拟模型参数的物理值的说明性趋势；
图8示出了在操作期间实时地更新与故障相关的模拟模型参数的示例；以及
图9图示了预测剩余使用寿命的示例。
具体实施方式
图1示出了示例性过程自动化系统的示意性框图，其中本发明的原理可以应用于阀门定位器。控制系统块5一般表示自动化系统中的任何和所有(一个或多个)控制室计算机/程序和(一个或多个)过程控制计算机/程序以及数据库，它们可以由工厂LAN 4互连。控制系统有各种体系架构。例如，控制系统可以是直接数字控制(DDC)系统或分布式控制系统(DCS)，两者都是本领域众所周知的。应当认识到的是，自动化系统的类型或体系架构与本发明无关。
在图1的示例中，包括过程阀1和定位器2以及致动器3的控制阀组件可以连接到过程以控制过程管道7中的物质的流动。图2示出了示例性物理阀门组件及其部件：过程阀1、定位器2和致动器3的侧视图。可以在加工工业(例如石油和天然气、采矿、纸浆和造纸以及化学工业)中控制处理或过程管道的材料流。材料流可以包含任何流体材料，诸如流体、溶液、液体、气体和蒸汽。虽然图1中仅示出了一个受控过程阀组件，但是自动化系统可以包括任何数量的现场设备，诸如控制阀组件，常常是数百个控制阀。图2图示了示例性控制阀组件及其物理部件：气动致动器3、控制阀1和阀门定位器2的机械结构。控制阀1的示例是Metso公司的
Figure BDA0002959142120000071
Finetrol偏心旋塞阀。其中可以应用本发明的实施例的阀门定位器2的示例是由Metso公司制造的
Figure BDA0002959142120000072
NDX阀门控制器。致动器3的示例是来自Metso公司的Quadra-
Figure BDA0002959142120000073
X系列气动致动器。但是，应该理解的是，除了新颖的阀门诊断之外，控制阀组件的类型和实现与本发明无关。如本文所使用的，术语“控制阀”还包括开/关型截止阀。
存在各种替代方式在工厂区域中布置控制系统和现场设备(例如控制阀)之间的互连。在图1中，现场/过程总线6一般表示任何这种互连。传统上，现场设备通过双线双绞线环路连接到控制系统，每个设备通过提供4到20mA的模拟输入信号的单个双绞线连接到控制系统。最近，在控制系统中使用了新的解决方案，诸如高速可寻址远程传感器(HART)协议，其允许在双绞线环路中传输数字数据连同常规的4至20mA模拟信号。例如在出版物HARTField Communication Protocol：An Introduction for Users and Manufacturers，HARTCommunication Foundation，1995中更详细地描述了HART协议。HART协议也已发展成工业标准。其它现场总线的示例包括Foundation Fieldbus和Profibus PA。但是，应该理解的是，现场/过程总线3的类型或实现与本发明无关。现场/过程总线6可以基于上述任何一个替代方案，或者基于其任何组合，或者基于任何其它实现。
在图3中图示了示例性的基于微控制器的智能阀门定位器(诸如定位器2)的基本框图。图4示出了示例性智能阀门控制器2的更详细的示意性框图。示例性定位器2可以包括具有电控制输出26的微控制器单元21，以及可获取电控制信号26并将其在致动器端口C1处转换成气动致动器压力p1的气动单元23/25，该致动器端口C1可以连接到单作用致动器压力供应管线33。在图4的示例中，阀门定位器2被配置为控制双作用气动致动器3，并且因此被图示为具有两个致动器端口C1和C2，它们分别通过致动器压力供应管线33和34连接到致动器3。如图3中所示，可以布置致动器压力传感器P1以测量致动器端口C1处的气动压力并提供测得的致动器压力p1meas信号。当双作用致动器3被操作时，可以布置另一个致动器压力传感器P2以测量致动器端口C2处的气动压力p2并提供进一步测得的致动器压力p2meas信号。可以布置供应压力传感器PS以测量供应端口SP处的气动供应压力sp并提供测得的供应压力spmeas信号。气动单元可以包括前级23和输出级25。前级23可以执行电控制信号26到气动控制信号24(即足以控制输出级25的先导压力)的电到压力(I/P)转换。输出级25的供应端口S可以连接到外部供应空气压力S。输出级25可以将小的气动先导信号放大成在致动器端口C1和C2处的更大的气动致动器压力输出33和34以移动致动器3的隔膜活塞32。可以提供位置传感器22以测量致动器3或控制阀1的位置，并向微控制器系统21提供测得的阀门位置(阀门打开)hmeas信号。例如，可以布置位置传感器22以测量致动器3的轴31的旋转，该旋转表示阀门位置或开度。微控制器系统21可以根据在微控制器系统21中运行的控制算法来控制阀门位置。应该认识到的是，所使用的特定控制算法与本发明无关。在图3中所示的示例性阀门定位器2中，控制由嵌入式阀门控制器软件模块210执行，该模块存储并运行在微控制器系统21中。为此，嵌入式阀门控制器模块210可以接收输入信号(设定点hsp)，该输入信号可以通过连接到连接器27的过程/现场总线7(诸如，4-20mA对和HART)接收，如图4中所示。嵌入式阀门控制器模块210还可以从位置传感器22接收测得的阀门位置hmeas，以及从致动器压力传感器P1接收测得的致动器压力p1meas和从另外的致动器压力传感器P2接收另外测得的致动器压力p2meas中的一个或多个。此外，嵌入式阀门控制器模块210可以从供应压力传感器PS接收测得的供应压力spmeas。基于设定点和测量值，嵌入式阀门控制器模块210可以控制电控制信号26的值以实现期望的控制动作。定位器2还可以包含连接到微控制器21的本地用户界面(LUI)20。微控制器21可以在本地用户界面20的显示器上显示任何信息，并且从本地用户界面20的小键盘或按钮接收命令和参数。定位器2可以从4-20mA回路或现场总线供电。应该认识到的是，所示的阀门定位器只是示例，并且除阀门诊断之外，阀门定位器2的类型或实现与本发明无关。
本发明的一个方面是创建诊断或预测平台，该平台能够指示和识别阀门组件的哪个部分已经失效或接下来将失效。
根据本发明的一个方面，可以通过利用在阀门定位器的微处理器系统中的阀门组件的至少一个物理部分的嵌入式跟踪数字孪生器来提供新的故障诊断。嵌入式跟踪数字孪生器包括多个模拟模型参数，该多个模拟模型参数包括至少一个与故障相关的模拟模型参数。与故障相关的模拟模型参数与阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障相关或表示阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障。通过在阀门定位器内部实时运行阀门组件的至少一个物理部分的嵌入式跟踪数字孪生器(即，跟踪模拟模型)，并通过使用与故障相关的模拟模型参数来考虑虚拟域中的各种故障，可以进行可靠的在线故障检测、故障识别、甚至关于阀门故障的预测。模拟、故障检测和故障预测可以在阀门定位器或控制器内部或在远程计算实体中进行，或者可以分布在阀门定位器和一个或多个远程计算实体之间。
一般而言，数字孪生器是物理世界中物理资产的(数字)虚拟模型。基于模拟的数字孪生器概念结合了物理资产(例如，产品或过程)、模拟模型(多个模型)和促进两者之间的通信的连接。根据本发明的实施例，数字孪生器可以包括模拟模型，该模拟模型已被开发为通过将与故障相关的模拟模型参数合并到模拟模型中来复制物理资产的当前状况。
在本发明的实施例中，物理资产可以包括阀门组件的至少一部分，诸如物理控制阀、物理气动阀门致动器、阀门定位器中的物理气动前级、阀门定位器中的气动输出级、供应压力入口或其任何组合。图5中图示了根据本发明的数字孪生器(twin)概念的示例。
图6示出了阀门定位器的示例性微处理器系统(诸如在图3和图4的示例中图示的阀门定位器的微处理器系统21)的基本功能框图。微处理器系统21可以被配置为存储和运行嵌入式阀门控制器软件模块210和嵌入式跟踪数字孪生器软件模块211。嵌入式阀门控制器软件模块210可以例如类似于以上参考图3和图4的示例描述的嵌入式阀门控制器软件模块210。
在实施例中，嵌入式阀门控制器可以接收设定点位置和测得的阀门位置，并输出控制信号以控制气动阀门致动器的气动致动器压力，从而控制控制阀的阀门位置。在图6中所示的示例性实施例中，嵌入式阀门控制器软件模块210可以接收阀门位置的设定点hsp、测得的阀门位置(阀门开度)hmeas，以及测得的致动器压力p1meas(可选地，另外测得的致动器压力p2meas，特别是在致动器3是双作用致动器的情况下)。此外，嵌入式阀门控制器模块210可以接收测得的供应压力spmeas。基于设定点和测量值，嵌入式阀门控制器模块210可以根据特定应用中采用的控制算法或方法来控制电控制信号26的值以在物理阀门组件中实现期望的控制动作。
在实施例中，嵌入式跟踪数字孪生器可以被配置为接收与由嵌入式阀门控制器提供给物理气动致动器和/或物理控制阀的控制和控制动作相同的控制和控制动作，并且响应于该控制和控制动作，生成与从物理气动致动器和/或物理控制阀测得的至少一个实际物理测量结果对应的至少一个模拟测量结果(表示控制动作的模拟结果)。在图6中所示的示例性实施例中，嵌入式跟踪数字孪生器模块211可以接收表示物理阀门组件的至少一部分的实际控制的控制信号，以及与物理阀门组件的至少一部分中的实际控制结果相关的一个或多个实际测量值。这样的控制信号可以包括电控制信号26和/或一个或多个实际测量值。与物理阀门组件的至少一部分中的实际控制的结果相关的实际测量值可以包括测得的阀门位置(阀门开度)hmeas、测得的致动器压力p1meas(可选地，还有另外测得的致动器压力p2meas)、以及测得的供应压力spmeas、从前级测得的控制压力(例如，先导压力)、气动输出级的测得的控制位置(例如，阀芯位置)和/或可能有用的任何其它实际测量值xsim(例如温度或过程压力)中一个或多个。基于实际控制和实际测量，嵌入式跟踪数字孪生器模块211可以生成一个或多个模拟测量结果(表示实际控制的模拟结果)，诸如模拟的阀门位置hsim、模拟的致动器压力p1sim(可选地，还有另外测得的致动器压力p2sim)、模拟的供应压力spmeas、来自气动输出级的前置级的模拟控制位置(例如阀芯位置)的模拟控制压力(例如先导压力)和/或可能有用的任何其它模拟测量值xsim(例如，阀门温度或过程压力)。例如，仅对于物理阀的模拟模型，输入到模拟中的实际控制可以是测得的致动器压力p1meas(可选地，还有另外测得的致动器压力p2meas)，如图6中虚线所示，并且控制的模拟结果可以是模拟的阀门位置hsim。作为另一个示例，仅对于气动输出级的模拟模型，输入到模拟中的实际控制可以是测得的先导压力，并且控制的模拟结果可以是模拟的致动器压力p1meas(可选地，还有另外的模拟致动器压力p2sim)。在图6的示例性实施例中，模拟的测量值可以由结合了物理阀门组件的至少一部分的一个或多个模拟模型(诸如物理阀1、气动前级、气动输出级、供应压力入口和/或气动致动器3的模拟模型)的嵌入式跟踪数字孪生器的模拟块212生成。
模拟模型212包括多个模拟模型参数，该多个模拟模型参数包括至少一个与故障相关的模拟模型参数。与故障相关的模拟模型参数可以与阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障相关或表示阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障。在实施例中，在阀门组件的一个或多个物理部分中可能存在多个与故障相关的模拟模型参数，这些参数与多个不同的特定物理故障相关。在实施例中，至少一个与故障相关的模拟模型参数表示阀门组件的至少一个物理部分的特定物理特性，诸如物理维度或摩擦，并且特定物理特性的值与特定物理故障相关。在本发明的实施例中，至少一个与故障相关的模拟模型参数可以与以下特定物理特性中的一个或多个相关：阀摩擦、气动空气供应装置的横截面尺寸、先导压力入口的横截面尺寸、致动器压力泄漏孔的横截面尺寸、阀门摩擦、轴承摩擦、齿隙、疲劳、腐蚀、磨损。
在实施例中，嵌入式跟踪数字孪生器可以在阀门组件操作期间实时地跟踪表示控制动作的模拟结果的至少一个模拟测量结果(诸如模拟测量阀门位置和/或模拟测量气动致动器压力)与至少一个对应的实际物理测量结果(诸如测得的阀门位置和/或测得的气动致动器压力)之间的误差或差异，并从减小误差的意义上说调整嵌入式跟踪数字孪生器的至少一个与故障相关的模拟模型参数的值。在图6中所示的示例性实施例中，嵌入式跟踪数字孪生器模块211可以提供有跟踪和模型参数更新块213，该跟踪和模型参数更新块213可以从模拟块212接收一个或多个模拟测量结果(表示实际控制的模拟结果)，诸如模拟阀门位置hsim、模拟致动器压力p1sim(可选地，还有另外测得的致动器压力p2sim)、模拟供应压力spmeas、从前级的模拟控制压力(例如，先导压力)、气动输出级的模拟控制位置(例如，阀芯位置)和/或可能有用的任何其它模拟测量值xsim(例如，阀门温度或过程压力)。跟踪和模型参数更新块213可以是测得的阀门位置(阀门开度)hmeas和测得的致动器压力pmeas(可选地，还有另外测得的致动器压力pmeas)。跟踪和模型参数更新块213可以比较模拟值和测量值，以跟踪数字孪生器的模拟操作结果与物理资产的实际操作之间的误差或差异。由于模拟模型是以包括一个或多个与故障相关的模拟模型参数的方式构建的，因此跟踪和模型参数更新块213能够考虑或测试模拟操作和实际操作中的误差或差异是否是由于这些与故障相关的模拟参数中的一个或多个引起的。在确定可以通过调整或更新与故障相关的模拟模型参数中的一个或多个模拟模型参数的一个或多个值来减小误差或差异的情况下，可以相应地更新模拟块212中的模拟模型中的模型参数。由于每个与故障相关的模拟模型参数可能与物理阀门组件中的特定物理故障相关或表示物理阀门组件中的特定物理故障，因此与故障相关的模拟模型参数的值的变化可以指示特定物理故障的存在或发展。因此，可以检测阀门组件中特定物理故障的存在和/或预测特定物理故障的发展。因此，通过考虑虚拟域中的各种故障，可以提供关于阀门组件故障的可靠在线预测。在实施例中，嵌入式跟踪数字孪生器211可以实时地或以预定的较长间隔(诸如，每小时一次、每天一次、每周一次等)将与故障相关的模拟模型参数的值的历史和/或趋势存储在微处理器系统21的存储器中。在实施例中，可以在微处理器系统21中，优选地在嵌入式跟踪数字孪生器系统中分析历史和/趋势数据。微处理器系统，优选地嵌入式跟踪数字孪生器211，可以基于微处理器系统21的存储器中与故障相关的模拟模型参数的值来存储和/或生成故障警报并报告关于阀门组件中的故障。在实施例中，微处理器系统，优选地嵌入式跟踪数字孪生器211，可以被配置为当至少一个与故障相关的模拟模型参数达到预定阈值或预定偏差时，检测和识别在阀门组件的至少一个物理部分中的特定物理故障。在实施例中，微处理器系统，优选地嵌入式跟踪数字孪生器211，可以被配置为预测与故障相关的模拟模型参数的所调整的值随时间的未来趋势，并预测剩余的操作时间直到至少一个与故障相关的模拟模型参数的所调整的值达到给定的极限值或给定的偏差极限。在实施例中，故障检测和识别、故障警报、故障报告、故障预测以及其它诊断或预后例程中的至少一部分可以由过程控制系统或维护监视系统中的远程计算部件(诸如过程计算机或维护监视计算机)基于与故障相关的模拟模型参数的值来执行。在实施例中，故障检测和识别、故障警报、故障报告、故障预测以及其它诊断或预后例程中的至少一部分的执行可以分布在阀门定位器的微处理器系统和过程控制系统或维护监视系统中的远程计算部件之间。
图7示出了与故障相关的模拟模型参数mp1、mp2、mp3和mp4的物理值的说明性趋势。在示例中，参数mp1和mp3的物理值从初始值开始随时间增加。其增加值可以指示或预测特定物理故障的与故障相关的物理模拟模型参数的示例包括阀门摩擦和轴承摩擦。增加的阀门摩擦可以指示阀门发粘和阀门座磨损。轴承摩擦的变化可以指示阀门组件中的轴承损坏。在示例中，参数mp2和mp4的物理值从初始值开始随时间减小。其减小值可以指示或预测特定物理故障的与故障相关的物理模拟模型参数的示例包括空气供应的横截面面积和阀门定位器的气动前级的先导压力入口直径。它们可以指示由于灰尘或某种其它原因而逐渐阻塞空气供应或先导压力入口。由于可以借助于本发明的数字孪生器概念轻松检测或预测故障，并且定位器或分析与故障相关的物理模拟模型参数的远程设备可以判断和识别故障部件或部分，因此维护人员可以立即或在适当时间进行计划的必要的服务动作，而无需分析各种报告。在示例中，必要的服务动作可以是清洁空气供应入口或先导压力入口，或者更换轴承或阀门外壳/支座。
现在借助于图8中示出的示例来讨论嵌入式跟踪数字孪生器211的示例性操作。在图8中，嵌入式跟踪数字孪生器211可以跟踪模拟的气动致动器压力psim(虚线)和测得的气动致动器压力pmeas(实线)之间的误差或差异。在阀门组件的正常操作期间，诸如在时间段t1-t2内，模拟的致动器压力psim非常准确地遵循测得的气动致动器压力pmeas，即趋势线基本重叠。跟踪和模型参数更新块213观察到模拟值和测量值基本相等，即，没有误差、差异或偏差，并且不需要调整任何模拟模型参数。在图8中，示出了单个与故障相关的参数，即泄漏孔直径，作为可以在模拟模型中使用的多个模拟模型参数的示例。泄漏孔直径可能与气动致动器3中的空气泄漏相关，例如由于致动器膜中的孔和/或致动器活塞上的泄漏等。泄漏孔直径可以表示可能是致动器3中多个泄漏的组合的整个空气泄漏的单个“虚拟”孔的横截面尺寸。在唯一的故障是致动器膜中的孔的情况下，“虚拟”泄漏孔的直径将基本上等于致动器膜中实际孔的直径。在图8的示例中，跟踪和模型参数更新块213不调整任何模拟模型参数，并且在时间段t1-t2期间，泄漏孔直径基本不变。
但是，在阀门组件出现故障期间，模拟的致动器压力psim和测得的气动致动器压力pmeas诸如在图8中的时刻t2之后不久开始发散。这是由于物理阀门组件的模拟模型212仍然模拟无故障的阀门组件而不是实际的故障阀门组件。跟踪和模型参数更新块213检测到分歧(误差、差异、偏差)，并从误差或差异减少的意义上说实时地开始确定嵌入式跟踪数字孪生器的一个或多个与故障相关的模拟模型参数的更新值。在图8的示例中，在计时器时段t2-t3期间，跟踪和模型参数更新块213逐渐增加模拟模型中的泄漏孔的直径，使得模拟的气动致动器压力psim和测得的气动致动器压力pmeas收敛并且最终在时刻t3重叠。在时间段t3-t4期间，情况稳定，并且不需要进一步更新模拟参数。与故障相关的参数“泄漏孔直径”的增大的物理值直接指示气动致动器3中的泄漏故障。特定的与故障相关的参数还给出了明确的维护相关信息，即泄漏孔的物理直径。该信息或测量可以用于确定故障的严重程度，例如，故障是否需要立即维修，或预测致动器3直到应计划下一次维护动作之前的剩余使用寿命。应该认识到的是，相对于可以是例如每秒多次的参数的实时更新，时段t1-t2、t2-t3和t3-t4可以是非常长的一段时间，诸如数小时、数天、数周、数月或数年。
图9图示了预测剩余使用寿命的示例。与故障相关的模拟模型参数的过去值(在这个示例中为泄漏孔直径)创建了故障发展的历史趋势。在实施例中，微处理器系统21，优选地嵌入式跟踪数字孪生器211，可以基于故障或参数的过去行为，模拟与故障相关的模拟模型参数随时间的未来趋势，例如，直到与故障相关的模拟模型参数的值达到给定极限值或给定偏差极限，或者直到检测到和识别出的特定故障达到给定极限水平。在实施例中，微处理器系统21，优选地嵌入式跟踪数字孪生器211，可以基于故障或参数的过去行为，以数学方式内插与故障相关的模拟模型参数的未来趋势。应该认识到的是，取决于所讨论的特定故障，从过去到现在的时间段以及剩余的使用寿命可能是很长的时间段，因为与故障相关的模拟模型参数的值(诸如阀门的摩擦)可能会随时间非常缓慢地变化，直到达到极限。
对于本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，本发明性构思可以以各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (14)

1.一种用于阀门组件的阀门定位器，其中阀门组件包括阀门定位器、控制阀、气动阀门致动器、适于测量气动致动器压力的压力传感器、以及适于测量控制阀的阀门位置的位置传感器，并且其中阀门定位器包括被配置为存储和运行嵌入式阀门控制和诊断软件的微处理器系统，包括：
嵌入式阀门控制器，被配置为使用气动阀门致动器来接收设定点位置和至少测得的阀门位置，并控制控制阀的阀门位置，
阀门组件的至少一个物理部分的嵌入式跟踪数字孪生器，其中嵌入式跟踪数字孪生器包括多个模拟模型参数，所述多个模拟模型参数包括至少一个与故障相关的模拟模型参数，所述至少一个与故障相关的模拟模型参数与阀门组件的所述至少一个物理部分中的特定物理故障相关，
其中，嵌入式跟踪数字孪生器被配置为在阀门组件的操作期间实时地接收表示由嵌入式阀门控制器对物理阀门组件的至少一部分的实际控制的控制信号，并提供表示控制动作的模拟结果的至少一个模拟测量结果，
其中，嵌入式跟踪数字孪生器被配置为在阀门组件的操作期间实时地跟踪所述至少一个模拟测量结果与至少一个对应的实际物理测量结果之间的误差，并从减小误差的意义上说调整嵌入式跟踪数字孪生器的所述至少一个与故障相关的模拟模型参数的值；以及
其中，阀门组件的所述至少一个物理部分中的特定物理故障可基于至少一个模拟模型参数的所调整的值被检测到和识别出。
2.根据权利要求1所述的阀门定位器，其中，阀门组件的所述至少一部分包括控制阀、气动阀门致动器、阀门定位器中的气动前级、供应压力入口、阀门定位器中的气动输出级及其任何组合中的一个或多个。
3.根据权利要求1或2所述的阀门定位器，其中，
嵌入式跟踪数字孪生器被配置为在阀门组件的操作期间实时地从嵌入式阀门控制器接收控制信号并提供模拟测得的阀门位置和/或模拟测得的气动致动器压力，
其中，嵌入式跟踪数字孪生器被配置为在阀门组件的操作期间实时地跟踪模拟测得的阀门位置与测得的阀门位置之间的误差和/或模拟测得的阀门致动器压力与测得的阀门致动器压力之间的误差，并从减小误差的意义上说调整嵌入式跟踪数字孪生器的所述至少一个与故障相关的模拟模型参数的值。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的阀门定位器，其中，表示物理阀门组件的所述至少一部分的实际控制的控制信号包括对前级和/或至少一个实际物理测量结果中的一个或多个的电控制信号。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的阀门定位器，其中，与物理阀门组件的所述至少一部分中的实际控制的结果相关的至少一个实际物理测量结果可以包括以下各项中的一项或多项：测得的阀门位置、测得的致动器压力、进一步测得的致动器压力、测得的供应压力、测得的来自气动前级的先导压力、测得的气动输出级的控制位置、温度和过程压力)。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的阀门定位器，其中，阀门组件还包括适于测量气动供应压力的压力传感器，并且其中，嵌入式跟踪数字孪生器被配置为接收测得的气动供应压力并将其用于调整多个模拟模型参数。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的阀门定位器，其中，阀门定位器和/或远程计算实体的微处理器系统被配置为当所述至少一个与故障相关的模拟模型参数达到预定的阈值或预定的偏差时，检测和识别阀门组件的所述至少一个物理部分中的特定物理故障。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的阀门定位器，其中，阀门定位器和/或远程计算实体的微处理器系统被配置为预测所述至少一个与故障相关的模拟模型参数的所调整的值随时间的未来趋势，并预测剩余的操作时间，直到所述至少一个与故障相关的模拟模型参数的所调整的值达到给定的极限值或给定的偏差极限。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的阀门定位器，其中，阀门定位器和/或远程计算实体的微处理器系统被配置为预测阀门组件的所述至少一个物理部分的剩余使用寿命。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的阀门定位器，其中，所述多个模拟模型参数包括多个与故障相关的模拟模型参数，所述多个与故障相关的模拟模型参数与阀门组件的所述至少一个物理部分中的多个不同的特定物理故障相关。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的阀门定位器，其中，所述至少一个与故障相关的模拟模型参数表示阀门组件的所述至少一个物理部分的特定物理特性，诸如物理维度或摩擦，并且其中特定物理特性的值与特定物理故障相关。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的阀门定位器，其中，所述至少一个与故障相关的模拟模型参数与以下特定物理特性中的一个或多个相关：阀门摩擦、气动空气供应装置的横截面尺寸、先导压力入口的横截面尺寸、致动器压力泄漏孔的横截面尺寸、阀门摩擦、轴承摩擦、齿隙、疲劳、腐蚀、磨损。
13.一种阀门组件，包括控制阀、气动阀门致动器、适于测量气动致动器压力的压力传感器、适于测量控制阀的阀门位置的位置传感器，以及根据权利要求1-12中的任一项所述的阀门定位器。
14.一种阀门组件的阀门定位器的诊断方法，包括：
测量阀门组件的气动阀门致动器的气动致动器压力，
测量阀门组件的控制阀的阀门位置，
在阀门定位器的微处理器系统中实时运行嵌入式阀门控制器，
由嵌入式阀门控制器在阀门组件的操作期间实时地基于设定点位置和测得的阀门位置控制气动阀门致动器的气动致动器压力，从而控制控制阀的阀门位置，
在阀门定位器的微处理器系统中运行阀门组件的至少一个物理部分的嵌入式跟踪数字孪生器，其中嵌入式跟踪数字孪生器包括多个模拟模型参数，该多个模拟模型参数包括至少一个与故障相关的模拟模型参数，该至少一个与故障相关的模拟模型参数与阀门组件的所述至少一个物理部分中的特定物理故障相关，
由嵌入式跟踪数字孪生器在阀门组件的操作期间实时地从嵌入式阀门控制器接收表示物理阀门组件的至少一部分的实际控制的控制信号，并提供表示控制的模拟结果的至少一个模拟测量结果，
由嵌入式跟踪数字孪生器在阀门组件的操作期间实时地生成表示控制动作的模拟结果的至少一个模拟测量结果，
由嵌入式跟踪数字孪生器在阀门组件的操作期间实时地跟踪所述至少一个模拟测量结果与至少一个对应的实际物理测量结果之间的误差，以及
由嵌入式跟踪数字孪生器在阀门组件的操作期间实时地从减小误差的意义上说调整嵌入式跟踪数字孪生器的所述至少一个与故障相关的模拟模型参数的值，其中阀门组件的所述至少一个物理部分中的所述特定物理故障可基于至少一个模拟模型参数的所调整的值被识别出。
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