CN113466585B - 一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法，属于功能安全检测与评估领域。本发明以基于脉冲激励的外特性检测方法对在役气动截止阀进行外特性在线检测，控制系统对气动截止阀的电磁阀发送电流脉冲激励，使得电磁阀反复通断电，带动执行机构阀杆反复微小幅度转动，在设备允许范围内通过调整低电平脉宽的持续时间调控阀门旋转角度，检测最大角位移的输出特性，实现对在役气动截止阀外特性在线检测。本发明解决了无部分行程测试功能的在役气动截止阀外特性在线检测的问题，避免了检测过程中阀杆转动幅度过大影响正常生产，为评价安全生命周期内安全仪表系统气动截止阀的功能安全完整性提供了依据。

Description

一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法，属于功能安全检测与评估领域。

背景技术

安全仪表系统广泛应用于石化过程工业领域，在工业系统出现危险情况时正确执行其对应的安全功能，对生产过程的安全运行起着重要作用。气动截止阀作为安全仪表系统中的最终执行元件，当检测到生产装置出现可致安全事故的情况时会进行紧急切断，使生产设备安全停车或将生产设备自动转为预设的安全生产状态，以确保人员、设备及工厂周边环境的安全。

石化企业中的生产设备长时间不间断运行，由于正常生产过程中无法通过停产离线测试的方法来对气动截止阀外特性进行检测，导致其自身存在的故障隐患无法及时发现，降低了系统安全性。现阶段的实际生产中大多数气动截止阀仅在投入使用前有生产厂家提供的功能安全完整性相关的测试数据及SIL认证评估，一旦气动截止阀投入使用后便无法获知其在使用过程中是否发生功能失效，只能通过停产进行离线检测或切换旁路后对气动截止阀进行拆卸后检测，为保障气动截止阀在其生命周期内的功能安全完整性，迫切需要提出一种在役气动截止阀外特性在线检测方法，为评价安全生命周期内安全仪表系统气动截止阀的功能安全完整性提供依据。

因此，本发明构建了一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法，该方法可以检测出气动截止阀是否发生卡死等故障，为气动截止阀的功能安全完整性评价提供支撑。通过对在役的气动截止阀的电磁阀发送脉冲激励，使气缸排气，精准控制阀杆角位移微动的幅度，避免了在线检测过程中阀杆转动幅度过大导致工艺流量变化从而影响生产，实现了对在役气动截止阀外特性在线检测，对其功能安全失效评估提供基础数据。

发明内容

本发明的目的是针对现有的无部分行程测试功能的气动截止阀外特性检测方法缺失的现状，构建一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法。控制系统对气动截止阀的电磁阀发送电流脉冲激励，使电磁阀反复通断电，在脉冲激励的作用下带动执行机构阀杆反复微小幅度转动，检测最大角位移的输出特性。实现对气动截止阀外特性在线检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法，结合图1，该方法包括如下步骤：

步骤一：将数据采集与控制模块和机器视觉单元接入气动截止阀控制线路中，利用机器视觉单元测得在气动截止阀由全开状态至90％开度时的角位移，并将90％开度作为最大角位移标记点。

由工业相机组成的机器视觉单元对阀杆角位移进行无接触式在线检测。根据气动截止阀出厂时的行程参数，利用机器视觉单元测得在气动截止阀由全开状态至90％开度时的角位移，并将90％开度作为最大角位移标记点。

步骤二：通过数据处理系统对电磁阀发送脉冲指令。

由于工业现场中气动截止阀气缸排气时机械部分的动作响应有延迟，采用发送脉冲指令的方式对系统进行激励控制。气动截止阀外特性在线检测系统示意图如图2所示，由数据处理系统的程序将控制电磁阀失电的信号传输至数据采集与控制模块，数据采集与控制模块的DO模块输出低电平的控制信号，继电器失去磁力从而断开触点，二位三通电磁阀供电回路随之切断，此时二位三通电磁阀进入了失电状态，电磁阀中的衔铁在弹簧的弹力作用下迅速复原归位，切换到关闭状态，电磁阀的出气口关闭排气口打开。管道中的工作气体逐渐从排气口排出到大气，管道内气体压力随之下降。而系统存在迟滞，且控制阀的关闭扭矩比维持开启状态时所需的扭矩要大，所以控制阀不会立刻响应动作完全切断生产。经过短时间后数据采集模块的DO模块向电磁阀供电线路的继电器输出高电平的控制信号，继电器恢复磁力重新吸附触点，使得电磁阀恢复供电。

步骤三：电磁阀接收脉冲激励，随脉冲信号反复通断电，带动气缸内压力发生变化。根据气动截止阀的全行程动作时间，调整电流脉冲激励的低电平脉宽，保证阀门角位移不超过最大行程标记点。

由于工作气体具有可压缩性，气动截止阀接收到脉冲信号后电磁阀失电，气缸关闭出气口并导通排气口，在弹簧的作用下气缸开始排气，到达临界值后阀杆开始转动。在设定周期内对电磁阀进行脉冲激励，使执行机构阀杆反复微小幅度转动。在电磁阀接收脉冲激励的过程中，根据实际运行时阀杆的最大角位移，对脉冲激励的脉冲周期、脉冲宽度与循环次数进行调整，保证气动截止阀最大角位移不超过全行程开度的10％。如图3虚线所示，电磁阀线圈通电后电磁阀打开，气缸充满气体，阀门维持全开状态。向电磁阀线圈发送断电激励使其断电后，气缸开始排气，电磁阀接收关闭指令一段时间后气动截止阀开始关闭，当气动截止阀位移上限达到全行程开度的10％后电磁阀恢复供电，气缸重新进气，阀门恢复至初始全开状态。通过缩短脉冲激励时电磁阀线圈的断电激励时间从而缩短气缸排气时间，如图3实线所示，以此将阀门角位移减小至全行程的5％，再次检测并记录相关数据。

步骤四：通过机器视觉单元的在线检测，判定阀杆是否发生微动，检测气动截止阀的外特性。

通过机器视觉单元的反馈，观察阀杆角位移是否发生不超过最大角位移标记点的微小幅度的转动，如果阀杆未发生微小幅度的转动，则根据现场要求对脉冲激励的参数进行调整后再次检测，直至设定电磁阀低电平时间已超过正常工况下的气缸排气时间，若阀杆仍未发生动作，则判定控制阀出现卡死故障，已出现功能安全失效。如检测到阀杆发生微动，继续判断阀杆微动幅度是否超过阀杆最大角位移标记点，如微动幅度未超过最大标记点，则判定控制阀外特性良好。如微动幅度超过标记点则减小脉冲激励的低电平脉宽后再次检测，保证阀杆的最大角位移不超过阀杆的标记点，使工业现场中管道的工艺流量不发生明显变化，将在线检测过程中对生产的影响降到最低。数据采集模块和机器视觉单元采集并上传检测数据，判定气动截止阀外特性良好，为功能安全失效评估提供判断依据。

附图说明

图1是所述的基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法的流程图。

图2是所述的气动截止阀外特性在线检测系统示意图。

图3是所述的脉冲激励示意图。

图4是所述的基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性-时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合实例及附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不限定本发明要求保护的范围。

实施例：

本实施例中，以某石化企业中的关阀时间为5s的气动截止阀为待测对象，利用LabVIEW平台和SIMATIC STEP 7平台，对基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测系统的软件程序进行开发和编写。

电流传感器与压力变送器分别测量电磁阀线圈电流和气缸压力的实时变化值，将输出信号传输至数据采集模块；数据采集模块采用对电磁阀发送高低电平的方式控制电磁阀的通断电状态。数据采集模块将采集到所有模拟量与数字量信号变送为4-20mA输出信号后传输至基于PC的数据处理系统，数据处理系统对当前各传感元件的数据信息进行记录分析并存储，同时机器视觉模块采集气动截止阀的角位移并实时上传至数据处理系统以供分析。

将气动截止阀外特性在线检测系统划分为预处理与特征提取模块、数据采集模块、功能操作模块、数据存储与分析模块，将模块编写完成后统一集成。预处理与特征提取模块包括检测前对各检测参数的设置及对靶标图像的特征提取与特征学习；数据采集模块包括对外特性检测中各传感参数的采集；功能操作模块包括对整个系统的监控、外特性检测以及用户管理等功能；数据存储与分析模块包括对传感器检测的数据和相机录制视频的实时保存。在硬件架构方面，各传感器安装到位并通过NI OPC Server与PLC进行通讯，NIOPC Server与PLC使用IP地址建立连接，并对PLC进行数据观测，数据接收端使用DataSocket获取到NI OPC Server中各参数的URL，并作为OPC Client通过URL地址读取NIOPC Server中的数据。工业相机通过POE交换机采用GigE接口与数据处理系统实现通讯。

将一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测系统分为三层控制结构。工控机作为最上层的数据处理系统，承担控制命令的输出、数据存储与分析的功能；PLC作为中间层，进行数据的采集和信号控制；而各传感元件以及电磁阀等设备作为最底层，负责参数的实时检测及对气动截止阀的驱动。电磁阀线圈电流、气缸压力、执行机构角位移等3个参数对气动截止阀的工作性能影响程度最大，它们的变化将直接影响到气动截止阀的安全功能执行，通过开合式电流互感器、压力变送器和机器视觉单元等传感元件或单元对上述参数进行采集。电流互感器和压力变送器实时采集电流和压力参数，以标准4～20mA信号输送至PLC。由PLC获取传感器采集数据后，通过DataSocket通讯协议将数据传至工控机中，运行工控机中的气动截止阀外特性在线检测程序实现对检测系统的控制、数据的传输、存储和分析。三层结构协调控制，共同完成气动截止阀外特性检测。下面配合表1气动截止阀外特性在线检测系统硬件配置对整个系统具体实施步骤进行进一步详细说明。

表1气动截止阀外特性在线检测系统硬件配置

一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法的具体实施步骤如下：

步骤一：将数据采集与控制模块和机器视觉单元接入气动截止阀控制线路中，利用机器视觉单元测得在气动截止阀由全开状态至90％开度时的角位移，并将90％开度作为最大角位移标记点。

首先将在线检测系统的控制线路与原有的气动截止阀控制线路并联，再切断原有的安全仪表系统逻辑控制器控制线路，使得气动截止阀完全由在线检测系统进行控制。将工业相机通过GigE协议与数据处理系统进行通讯，并在阀杆处粘贴一块黑白棋盘格靶标作为待匹配模板，将工业相机的主光轴对准阀杆的中轴，将工业相机与靶标之间的物距调整为0.6m，对应测量精度为0.11mm，预先对阀杆处的棋盘格靶标进行特征提取，在阀杆动作时实时作出位置匹配，记录当前角位移。气动截止阀阀杆旋转至90％开度时角位移为9°，利用工业相机测得气动截止阀由全开状态至90％开度时的角位移，并将90％开度作为气动截止阀阀杆最大角位移标记点。

步骤二：通过数据处理系统对电磁阀发送脉冲指令。

开始测量时电磁阀线圈是通电状态，电磁阀在气缸充气时控制阀为全开状态，将当前100％全开状态的角位移定为初始位置。数据处理系统对电磁阀发送低电平控制信号，使电磁阀线圈断电，气缸开始排气，电磁阀由于气路迟滞和维持控制阀的关闭扭矩较大的原因不会立刻动作。气缸排气时关阀扭矩逐渐增大，直至关阀扭矩大于维持阀开启的扭矩后气动截止阀阀杆开始发生角位移，阀门开度逐渐减小。当低电平控制信号结束后数据处理系统立刻对电磁阀发送3s的高电平控制信号，气缸充气带动控制阀阀杆旋转，控制阀重新恢复至全开状态。

步骤三：电磁阀接收脉冲激励，随脉冲信号反复通断电，带动气缸内压力发生变化。根据气动截止阀的全行程动作时间，调整电流脉冲激励的低电平脉宽，保证阀门角位移不超过最大行程标记点。

根据现场的气动截止阀实际关阀时间为5s，初始设置脉冲激励的低电平脉宽为1s，检测结果显示气动截止阀未动作。将低电平脉宽增至2s，继续检测得知阀杆发生微动且角位移未超过最大角位移标记点，将低电平脉宽调整后反复检测，直至选取为2.3s后阀门开度减小至90％开度，即阀杆角位移上限达到10％，因此设置电流激励的低电平脉宽时间为2.3s，数据处理系统对电磁阀发送2.3s的低电平控制信号，高电平脉宽为3s，脉冲周期为5.3s，循环次数为3次，电磁阀接收到高低电平交替的电流脉冲指令后，随着脉冲激励反复通断电，气缸随着电磁阀的电流状态反复完成排气和充气的动作，从而带动控制阀的阀杆完成阀门开度在100％至90％之间反复微小幅度的转动。

步骤四：通过机器视觉单元的在线检测，判定阀杆是否发生微小幅度的转动，检测气动截止阀的外特性。

如果电流脉冲激励中低电平持续时间过长，会导致控制阀由全开状态开始大幅度转动，导致工艺流量变化影响生产；如果电流脉冲激励中低电平持续时间过短，则在气缸排气时控制阀的关闭扭矩未达到维持开启时的扭矩时就已经恢复充气，无法观测到阀杆微动现象。所以脉冲激励中的脉宽需要根据实际检测情况，对脉冲激励的脉冲周期、脉冲宽度与循环次数进行反复微调。通过机器视觉单元检测气动截止阀阀杆是否发生微动，检测结果如图4所示，三次脉冲激励后阀杆分别发生三次转动，位移为2.12mm、3.59mm、3.28mm。对应旋转角度为5.9°、9.8°、8.9°。记录检测参数，检测结果为该气动截止阀外特性良好，为功能安全失效评估提供判断依据。

Claims (1)

1.一种基于脉冲激励的在役气动截止阀外特性在线检测方法，其特征在于：以基于脉冲激励的外特性检测方法对在役气动截止阀进行外特性在线检测，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将数据采集与控制模块和机器视觉单元接入在役气动截止阀检测线路中；用机器视觉单元测得气动截止阀由全开状态至90％开度时的角位移，并将90％开度作为最大行程标记点；

步骤二：通过数据处理系统对电磁阀发送脉冲指令；

步骤三：电磁阀接收脉冲激励，随脉冲信号反复通断电，带动气缸内压力发生变化；根据气动截止阀的全行程动作时间，调整电流脉冲激励的低电平脉宽，保证阀门角位移不超过最大行程标记点；

步骤四：通过机器视觉单元的在线检测，判定阀杆是否发生微动，检测气动截止阀的外特性；

所述步骤一，具体包括：

由工业相机组成的机器视觉单元对阀杆角行程进行无接触式在线检测；根据气动截止阀出厂时的行程参数，利用机器视觉单元测得在气动截止阀由全开状态至90％开度时的角位移，并将90％开度作为最大行程标记点；

所述步骤二，具体包括：

由数据处理系统的程序将控制电磁阀失电的信号传输至数据采集与控制模块，数据采集与控制模块的DO模块输出低电平的控制信号，继电器失去磁力从而断开触点，二位三通电磁阀供电回路随之切断，此时二位三通电磁阀进入了失电状态，电磁阀中的衔铁在弹簧的弹力作用下迅速复原归位，切换到关闭状态，电磁阀的出气口关闭排气口打开；管道中的工作气体逐渐从排气口排出到大气，管道内气体压力随之下降；而系统存在迟滞，且控制阀的关闭扭矩比维持开启状态时所需的扭矩要大，所以控制阀不会立刻响应动作完全切断生产；经过短时间后数据采集模块的DO模块向电磁阀供电线路的继电器输出高电平的控制信号，继电器恢复磁力重新吸附触点，使得电磁阀恢复供电；

所述步骤三，具体包括：

由于工作气体具有可压缩性，气动截止阀接收到脉冲信号后电磁阀失电，气缸关闭出气口并导通排气口，在弹簧的作用下气缸开始排气，到达临界值后阀杆开始转动；在设定周期内对电磁阀进行脉冲激励，使执行机构阀杆在一定开度内反复微动；在电磁阀接收脉冲激励的过程中，根据实际运行时阀杆的最大角位移，对脉冲激励的脉冲周期、脉冲宽度与循环次数进行调整，保证气动截止阀最大角位移不超过全行程开度的10％；电磁阀线圈通电后电磁阀打开，气缸充满气体，阀门维持全开状态；向电磁阀线圈发送断电激励使其断电后，气缸开始排气，电磁阀接收关闭指令一段时间后气动截止阀开始关闭，当气动截止阀位移上限达到全行程开度的10％后电磁阀恢复供电，气缸重新进气，阀门恢复至初始全开状态；通过缩短脉冲激励时电磁阀线圈的断电激励时间从而缩短气缸排气时间，以此将阀门角位移减小至全行程的5％，再次测试并记录相关数据；

所述步骤四，具体包括：

通过机器视觉单元的反馈，观察阀杆角位移是否发生不超过最大角位移标记点的微小幅度的转动，如果阀杆未发生微小幅度的转动，则根据现场要求对脉冲激励的参数进行调整后再次检测，直至设定电磁阀低电平时间已超过正常工况下的气缸排气时间，若阀杆仍未发生动作，则判定控制阀出现卡死故障，已出现功能安全失效；如检测到阀杆发生微动，继续判断阀杆微动幅度是否超过阀杆最大角位移标记点，如微动幅度未超过最大标记点，则判定控制阀外特性良好；如微动幅度超过标记点则减小脉冲激励的低电平脉宽后再次检测，保证阀杆的最大角位移不超过阀杆的标记点，使工业现场中管道的工艺流量不发生明显变化，将在线检测过程中对生产的影响降到最低；数据采集模块和机器视觉单元采集并上传检测数据，判定气动截止阀外特性良好，为功能安全失效评估提供判断依据。