CN116194679A - 阀调节装置、具有阀调节装置的工艺过程设备、故障诊断方法和阀调节装置的使用 - Google Patents

Abstract

在一种用于工艺过程设备(100)的阀调节装置(1)的位置调节器(31)中，位置调节器(31)包括用于引导信号如该工艺过程设备(100)的过程调节器(120)的过程调节信号(p_g)的第一信号输入(11)和用于与调节阀(35)相关的位置实际信号(i)的第二信号输入，其中位置调节器(31)设立用于基于所述引导信号和位置实际信号(i)产生用于作动该调节阀的致动器(33)的尤其是气压的调节参数(g)并包括用于该调节参数(g)的尤其是气压的控制输出，在此规定位置调节器(31)设立用于借助可配置的涉及特定的调节器、尤其是过程调节器(120)的调节器模型从该引导信号中计算近似信号(a_p)，其中该调节器模型被如此配置，由该特定的调节器从该近似信号(a_p)中产生的信号对应于引导信号。

Description

阀调节装置、具有阀调节装置的工艺过程设备、故障诊断方法 和阀调节装置的使用

本文涉及用于工艺过程设备如化工设备如石化设备、发电厂如核电厂、食品加工设备如啤酒厂等的阀调节装置。本文尤其可能涉及具有阀调节装置的工艺过程设备。本文还涉及将阀调节装置用于执行与工艺过程设备相关的故障诊断方法的使用。

阀调节装置通常在工艺过程设备内用在级联过程调节中，就像例如在图0中示意示出的那样。在级联的过程调节或级联调节中，多个调节器被级联，所属的调节回路相互嵌套。在此，调节装置(1)的上级是至少另一个过程调节器(120)。过程调节器(120)的输出参数(p_g)用作阀调节装置的基准参数。

在过程调节中的典型应用使用带有调节阀的阀调节装置以通过流过的体积流或质量流的变化针对预定的静态目标或动态目标地影响后续过程。过程调节所用的过程调节器不直接控制调节阀的机械位置。这在下级的、即级联的调节器环节中借助阀调节装置的调节电子装置来进行。

在图0所举例示出的调节器级联中，在上级的、图示靠外的调节回路中作为输入参数给过程调节器(120)提供作为过程理论信号(p_g)与过程实际信号(p_i)之差形成的过程调差(Regeldifferenz)(p_d)。过程调节器(120)的过程调节方法可以设立用于补偿影响工艺过程的干扰参数。通过在过程调节器(120)中实现的调节方法，从过程调差(p_e)产生输出参数，其可被称为过程调节信号(p_g)并且描述调节阀(35)的目标位置。过程调节信号(p_g)被提供给调节装置(1)。阀调节装置(1)还获得代表调节阀实际位置的信号(i)。阀调节装置(1)的位置调节器(31)从中确定调节信号(g)以控制致动器(33)，其例如可以是调节阀的气压或电动的调节驱动装置。位置调节器(31)的调节方法可以设立用于补偿在阀调节装置内作用的阀干扰参数。

EP1451649B1涉及识别和区分调节装置内的不稳定。在包含位置调节器、致动器和调节阀的安装的阀调节装置的过程环境中应该识别不希望的振动是否因致动器连接至调节阀的机械干扰或位置调节器的有误配置而出现。为此，EP1451649B1提出获得在阀调节装置内的信号并借助估算单元查明不稳定性的存在和来源。为了识别不稳定性的存在，估算单元应该执行统计分析。为了识别所发现的不稳定性的起因，估算单元应该结合因果关联的信号的相位角来检查在阀调节装置的调节回路中是否存在极限周期。或许应该确定调节压力与阀位置之间的错时以定位在调节装置内的故障原因。EP1451649B1所述的故障诊断例程一般针对在调节装置内定位的故障原因。

来自阀调节装置结合上级的过程调节器的干扰影响通常只能被不充分地考虑。这使得在如下情况下的问题起因的诊断变得困难，此时一个调节器级联的多个调节回路表明不希望的特性。另外，假定出现在阀调节装置中的故障的诊断可能是通过过程调节器突显在阀调节装置上的工作特性的伪影。这种情况下可能有用的是，在阀调节装置所做的故障诊断提供附加的过程信号，其允许实际故障起因的目标明确识别。

US7,085,610B2涉及一种用于识别在工业工艺过程中的异常的来源或主因的工业过程故障诊断装置。工艺过程设备内的过程调节回路的故障诊断应该依据工艺过程设备内的许多过程信号(包含过程变量、调节信号和故障诊断信号)借助主因计算装置被确定。主因计算装置应该为了确定异常主因而进行分析，其例如基于调节或可借助回归学习、模糊逻辑或神经元网络执行。主因计算装置应该在工艺过程设备的任意过程装置中实现，例如在发射机、调节器、移动通信设备或中心控制台内的计算机中。在实践中表明，用于执行与级联的调节回路结合地确定故障主因的故障诊断所需要的过程信号最多位于上级的过程调节器中。下级的阀调节装置一般未被通知来自上级调节回路或其它阀调节装置的过程信号。通常，甚至没有通信接口可供传输各不同的过程信号所用。即便所有所需接口已准备好，许多过程信号可能因工艺过程设备中典型的通信网络中的有限可用带宽而实际上无法提供给一些阀调节装置，尤其无法实时提供。

因此，可是为任务的是克服现有技术的问题，尤其是提供一种阀调节装置和/或一种故障诊断方法，其依据在阀调节装置中本地可用的有限量的过程信号允许对在阀调节装置内、外的故障起因作出说明。因此，规定一种用于工艺过程设备的阀调节装置的位置调节器。位置调节器包括用于引导信号尤其是工艺过程设备的过程调节器的过程调节信号的第一信号输入。引导信号可以尤其是离散或连续时间可变的。引导信号可被定义为时序，其中该时序尤其包括离散的时间相关基准值。位置调节器设立用于依据准信号尤其是过程调节信号和位置实际信号产生用于致动器的调节参数。该调节参数可以尤其是离散或连续时间可变的。阀调节装置尤其包括位置传感器如调节位移传感器或位置传感器，其依据调节阀、尤其是调节阀的阀芯或调节杆的实际位置产生位置实际信号并将其提供给位置调节器。

该位置调节器可包括位置调节器电子装置和或许计算机实现的位置调节器模块。位置调节器具有用于尤其是电引导信号、尤其是过程调节信号的第一输入。位置调节器可具有用于尤其是电位置实际信号的第二输入。位置调节器尤其可以具有用于关于调节阀的位置实际信号的第二信号输入，如用于接收关于调节阀的绝对位置或相对位置的传感器值的第二信号输入。位置调节器具有用于输出尤其电或气压的致动器用调节参数的输出。位置调节器的输出可以具有数字-模拟转换器或气压电动变换器。致动器可以设立用于将所获的电或气压的调节参数转换为致动器施加至调节阀的力或转矩。位置调节器可以设立用于基于引导信号和位置实际信号产生用于作动调节阀的致动器的尤其气压的调节参数并且包括尤其是气压的调节参数用控制输出。

根据一个通用替代方式，位置调节器设立用于借助可配置的涉及特定的调节器尤其是过程调节器的调节器模型从引导信号起计算近似信号，其中该调节器模型被如此配置，通过特定的调节器从近似信号产生的信号对应于该引导信号。尤其是假定信号和引导信号可以近似相互对应。调节器模型尤其是决定性的。决定性的调节器模型可以限定在引导信号与近似信号之间的明确无疑的、尤其可掉转的关联。

根据一个特定替代方式，位置调节器还设立用于从引导信号、尤其是过程调节信号和涉及过程调节器的调节逆转确定近似信号。另外，该位置调节器设立用于在考虑近似信号的情况下执行至少一个故障诊断例程。近似信号尤其可以是离散或连续时间可变的。近似信号可以被定义为时序。近似信号可以被称为虚拟的输入参数时序，其中尤其是该输入参数时序包含离散的时间相关输入参数值。

位置调节器可以包含计算机实现的逆转模块。位置调节器、尤其是其逆转模块设立用于只在考虑在调节装置中准备好的调节装置信号下渐近计算该阀调节装置的上级的过程调节器。逆转模块可以设立用于计算出近似信号，其对应于过程调节器的实际信号，其无法从过程调节器被传输给阀调节装置。例如位置调节器可以确定对应于过程调节器的过程调节器输入信号的近似信号，如过程调节器实际信号。

位置调节器电子装置和逆转模块能以功能联合的方式通过阀调节装置的一个尤其可配置的电子计算和数据存储装置例如微控制器等来实现。位置调节器可以包括故障诊断电子装置和/或调节电子装置。阀调节装置、尤其是其逆转模块可以尤其设计成依据由阀调节装置接收的引导信号、尤其是过程调节信号执行过程理论信号或过程调差的近似计算以确定近似信号。

位置调节器、尤其是阀调节装置的故障诊断电子装置或故障诊断模块于是可执行故障诊断例程，其考虑前述的近似信号以便例如检查故障是否以一定的概率优选可靠地出现在阀调节装置内或在阀调节装置的上级的调节器级联、尤其是过程调节器中有其起因。例如阀调节装置可以设立用于检查该近似信号是否在不醒目或醒目的数值范围内，其中后者指明上级的过程调节器为故障源。故障诊断模块、位置调节器模块和/或逆转模块能通过各种至少部分不同的硬件部件、例如唯一的阀调节装置的各种微控制器实现，或替代地通过同一硬件、例如阀调节装置的唯一的微控制器实现。

根据一个实施方式，位置调节器包括被过程场景数据占用的存储器。位置调节器可以设立用于在考虑过程场景数据的情况下确定近似信号。附加地或替代地，位置调节器可设立用于在考虑过程场景数据情况下执行该至少一个故障诊断例程。

根据位置调节器的一个实施方式，过程场景数据可以表征尤其恒定的过程理论信号。根据第一实施方式，过程场景数据可以表征过程理论信号的时间信号曲线和尤其是时间恒定的过程理论信号。根据一个改进方案，过程场景数据可以关于一定的时间段限定尤其恒定的过程理论信号。根据第二实施方式，过程场景数据可以限定一组规定的一定时刻或时间段和所属的恒定过程理论信号。根据一个替代设计方案而可以想到，过程场景数据限定过程理论信号的表征参数。表征参数尤其可以是关于过程理论信号、信号曲线第一导数或信号曲线第二导数恒定的值。通过正弦形时间曲线逼近过程信号或许可能是合适的。关于具有已知的或假定的正弦形曲线形走向的过程理论信号，可以博阿含作为过程场景数据所表征的参数如振幅、频率、过程理论信号在时间维度和/或幅度维度方面尤其相对于过程实际信号的偏移。关于具有已知的或假定的突变形变化曲线的过程理论信号，可以限定作为过程场景数据所表征的参数如突变幅度和/或突变时刻。过程场景数据可以依靠计算限定用于调节器模型的过程调节器的调节器结构，例如一定的PID调节器结构如P调节器结构、I调节器结构、PI调节器结构、PD调节器结构或PID调节器结构，或替代地其它调节器结构如双点调节器结构。

位置调节器、尤其是逆转模块可以设立用于在考虑过程场景数据情况下确定近似信号。例如位置调节器可以设立用于基于由过程调节器接收的引导信号、尤其是过程调节信号并基于过程场景数据所包含的过程调节器的调节器结构的说明来执行过程调节器调差或过程实际信号的近似计算。替代地或附加地，位置调节器、尤其是故障诊断模块可以除了近似信号外还考虑过程场景数据以确定调节器的逼近特性是否指明调节器的正常工作或有误工作。

根据可以与在先改进方案组合的另一改进方案，位置调节器还设立用于在考虑来自包括调节参数、位置实际信号和引导信号、尤其是过程调节信号的名单的至少一个调节装置信号的情况下执行至少一个故障诊断例程。尤其是，调节装置信号可以选自由调节参数、位置实际信号和引导信号组成的名单。例如故障诊断例程可以包括如下检查，在此至少在位置调节器内可用的调节装置信号被用于执行已知的调节装置故障诊断。故障诊断例程例如由DE102017124293A1、DE102010015647B4、DE102006003750B4、DE102005024674B4、DE102005024686B4和DE19723650B9公开了。

根据另一个替代或附加的设计，位置调节器且尤其是逆转模块可以设立用于确定近似信号，其对应于过程调节器的过程信号如过程调差信号和/或过程实际信号，其未准备好用于阀调节装置。阀调节装置可以设立用于确定近似信号，其对应于过程调节器的过程信号，其未直接从过程调节器被传输给阀调节装置。通过这种方式使阀调节装置能够近似描绘上级的调节回路的过程信号。近似描绘的过程信号可被用来执行与或许有的故障相关的故障诊断，其基本起因不处于阀调节装置的级联级内，而是在阀调节装置的上级的过程调节器的级联级内。

本文也涉及一种用于工艺过程设备的阀调节装置，其包括用于调节过程流体流的调节阀、用于作动调节阀的致动器和如上所述设计的用于产生致动器用调节参数的位置调节器。该致动器可以是气压致动器如气压调节驱动装置或者电致动器如电驱动装置。

本文也涉及一种工艺过程设备、例如食品加工设备如啤酒厂、发电厂如核电厂、化工设备如石化设备等。工艺过程设备包括用于调节过程流体流的阀调节装置。工艺过程设备可以包括用于调节一个或多个过程流体流的多个阀调节装置。工艺过程设备的一个或多个阀调节装置可以如上所述地设计。

此外，工艺过程设备包括至少一个过程流体用户，其接收由阀调节装置尤其是在上游所设定的过程流体流或者发出由阀调节装置尤其是在下游所设定的过程流体流。过程流体用户例如可以是反应器、换热器或冷却塔等。过程流体用户一般是指工艺过程设备的产生、使用或耗用过程流体的部件。

工艺过程设备还包括过程传感器，其获得涉及过程流体用户和/或过程流体的过程实际信号。涉及过程流体的过程实际信号可以描述例如其温度、压力、体积流、流速等。涉及过程流体用户的过程实际信号尤其可以描述涉及过程流体用户的测量值，如混合比、多个在工艺过程中要处理的材料的含量、环境温度、压力、在过程流体用户中的压差或压力梯度等。

此外，工艺过程设备包括过程调节器，其作为引导信号提供过程调节信号用于阀调节装置，其依据过程理论信号和过程实际信号。过程调节器可以设计成将过程实际信号与过程理论信号相比较并从所述比较起提供用于阀调节装置的过程调节信号。例如过程调节器可以计算过程理论信号与过程实际信号之间的过程调差并且通过过程调节例程从过程调差起确定过程调节信号并将其提供给阀调节装置。过程调节器能可选地在PID调节器结构中实现。尤其如此设计该工艺过程设备，过程调节器只给阀调节装置尤其直接提供过程调节信号。尤其如此设计该工艺过程设备，过程调节器给阀调节装置既不尤其直接传输过程理论信号、也不尤其直接传输过程实际信号和过程调差。本文还涉及一种用在工艺过程设备中的阀调节装置的故障诊断方法，工艺过程设备包括阀调节装置和过程调节器。在设备内使用阀调节装置的过程中，过程调节器给阀调节装置提供过程调节信号。通过过程调节器，过程调节信号可以依据一个或多个过程信号被确定。该阀调节装置可以尤其如上所述地设计。工艺过程设备可以尤其如上所述地设计。

在故障诊断方法中，尤其通过阀调节装置从过程调节信号和涉及特定的调节器尤其是过程调节器的调节器模型、尤其是调节逆转确定一个近似信号，其尤其是对应于过程信号。由阀调节装置在考虑近似信号的情况下执行至少一个故障诊断例程。通过这种方式，阀调节装置的故障诊断方法允许不单纯局限于在调节装置内直接可用的调节参数地执行。可以执行故障诊断例程以查明故障诊断结果并产生表示故障诊断结果的故障诊断码。事实表明有利的是，故障诊断方法也可以至少逼近地考虑过程信号，其虽然存在于上级的调节器、尤其是上级的过程调节器或上级的过程调节器级联中，但无法从那里直接提供给阀调节装置。通过这种方式，可以在阀调节装置中实现的故障诊断例程可以识别在位置调节器的球或级联级内的故障起因。

本文也可能涉及一种用于操作工艺过程设备中的阀调节装置的方法，工艺过程设备具有过程调节器，其中由过程调节器给阀调节装置提供过程调节信号。过程调节信号或许与位置实际信号结合地被阀调节装置处理以确定调节信号。利用尤其是电的或气压的调节信号，控制该阀调节装置的致动器，以使致动器作动调节阀来调节过程流体流。在该操作方法中，调节信号可以是气压的或电的调节信号，其由阀调节装置的调节电子装置产生并被提供给阀调节装置的致动器。阀调节装置可以在工作方法范围内为了产生调节参数而考虑过程调节信号与位置实际信号之间的位置调差。该操作方法可以包括阀调节装置执行如上所述的至少一种故障诊断方法。该故障诊断方法能考虑所述过程调节信号、位置实际信号和/或调节参数。

根据故障诊断方法的一个改进方案，调节器模型、尤其是调节逆转、即近似信号的确定和/或故障诊断例程基于表征过程理论信号的过程场景数据来执行。过程场景数据可以尤其表征恒定的过程理论信号。例如可以在故障诊断方法中首先执行调节逆转，其涉及过程调节器的已知的调节器结构。过程场景值可以限定描绘过程调节器的数学纺成或方程组的一个或多个边界条件。故障诊断例程可以计算对应于过程实际信号的过程近似信号与呈过程场景数据形式的尤其恒定的逼近的过程理论信号之差，以确定对应于过程调差的另一个近似信号。故障诊断例程可以将对应于过程调差的近似信号与允许数值范围相比较，并且在与允许数值范围有偏差时作为故障诊断结果输出过程调节器特性有误。

在故障诊断方法的一个改进方案中，可以确定过程场景数据所涉及的时间间隔。故障诊断例程可能涉及该过程场景数据也涉及的预定时间间隔地执行。例如过程场景数据可以涉及一个或多个时间稳定的部段来定义，在该部段内该过程场景数据表征恒定的过程理论信号，其中不同的尤其是接连的时间间隔可以对应配属于各不同的过程理论信号。

根据一个替代实施方式，过程场景数据可包含过程理论信号的延迟线和/或信号形状定义。在故障诊断方法的这样设计中可能有利的是给阀调节装置提供过程理论信号。故障诊断方法可依据过程场景数据和至少一个预定的过程理论信号在考虑已知的延迟线的情况下和/或在考虑已知信号形状定义的情况下执行。借助过程场景数据所涉及的时间间隔的确定，故障诊断方法可基于在过程场景数据与在阀调节装置中获得的阀调节装置参数如过程调节信号、位置实际信号、调节逆转的位置调差和/或故障诊断例程之间的时间关系。因此例如故障诊断方法可包含延迟线，以考虑尤其由调节周期时间引起的在在过程调节器接收过程理论信号与过程调节器输出过程调节信号之间的错时，以便该故障诊断方法尤其是调节逆转和/或故障诊断例程分析通常紧密相关的信号。故障诊断方法例如可以作为过程场景数据考虑过程理论信号的正弦形状定义，从其中例如得知过程理论信号具有斜坡状走向、正弦曲线形走向或突变走向。如果至少近似知道过程理论信号的正弦形状，则这允许阀调节装置执行更精确的故障诊断方法，即便当过程理论信号无法作为恒定值来表征时。

根据故障诊断方法的一个实施方式，过程调节信号被存储。尤其是过程调节信号的时间曲线被存储。可能有利的是尤其涉及时间间隔地例如作为系列离散值存储该故障诊断方法中的过程调节信号或其时间曲线，从而故障诊断方法可采用过程调节信号或其时间曲线作为调节逆转和/或故障诊断例程的基础。借助所存的过程调节信号或所存的过程调节信号时间曲线，尤其可以与涉及时间间隔的过程场景数据结合地精确描绘上级的过程调节器的特性。

根据一个优选实施方式，故障诊断方法的调节逆转基于预定的时间连续的、尤其是真实的和/或并行的调节器结构来确定。预定的时间连续的调节器结构可以对应于模拟的过程调节器调节例程。根据一个替代设计，故障诊断方法的调节逆转可以依据预定的时间离散的、尤其是真实的和/或并行的调节器结构来确定。尤其是该调节逆转可以依据PID调节器结构来执行。预定的时间离散调节器结构可以对应于过程调节器的数字调节。

调节逆转或逆转模块可以设立用于借助过程PID调节器的逆转的传递函数G计算通过下式在Z区域内在变量z上的倒数

(1)

对于在许多情况下可用的假设条件：τ＝T_C/2，可以将传递函数简化成：

(2)

以计算。参数a0、a1、a2以及b0、b1和b2或a、b和c能以与表征过程调节器的过程场景数据系统的方式被传输。这些参数可以在一个合适的设计中为了计算逆转的过程调节函数而包括恒定的预定参数(a、b和/或c)。所存储的参数可以基于用于确定过程近似信号a_p的调节逆转。事实表明，当对于c＝0假定有以下简化公式时可以在简化计算中提供足够精确的结果：

(3)

参数a、b和/或c可以通过人工用户输入被提供给阀调节装置。

可以想到，过程场景数据可以由阀调节装置借助初始化例程至少部分自动化地来确定。基于参考设备或经验值，过程场景数据可被存放在阀调节装置、尤其是位置调节器的存储器上。

根据一个实施方式，故障诊断方法可以包括计算逼近的过程实际信号。逼近的过程实际信号可以借助尤其是线性函数从过程调节信号起被渐近计算。例如在一种特别简单的做法中过程实际信号可被视为调节参数。

在故障诊断方法的一个优选实施方式中，执行故障诊断结果与调节装置的预定理论特性的比较。如果此时在故障诊断结果与预定理论特性之间的偏差被确定，则可以产生故障诊断码。如果此时未确定故障诊断结果与预定理论特性之间有偏差，则可以禁止(unterdrückt)和/或删除故障诊断码。因为故障诊断方法首先执行涉及阀调节装置的上级的过程调节器的调节逆转以产生近似信号，故描绘阀调节装置的上级的过程调节器的特性的过程近似信号可以被拿到其它的故障诊断方法中，以检查在考虑过程调节器的逼近特性阀下调节装置的当前特性是否与期望的或至少容许的阀调节装置理论特性一致。如果阀调节装置虽表明醒目特性，但同时消除依据用故障诊断方法确定的近似信号，使得醒目特性与由过程调节器所铭刻的特性一致，则可以禁止和/或删除故障诊断码，其否则因阀调节装置的醒目特性将被产生和或许被输出。由此可以避免假正(falsch positive)的故障诊断码的输出。替代地或附加地，如果故障诊断结果可以识别出与预定理论特性不一致，则可以产生故障诊断码，其指明阀调节装置的上级的过程调节器的醒目特性。当在比较时确定阀调节装置的实际特性与已知的理论特性有偏差，尤其是可以输出故障诊断码，而从借助近似信号所描绘的过程调节器近似特性中未指明阀调节装置的醒目特性。

本文还涉及将尤其如上所述的阀调节装置用于执行尤其如上所述的故障诊断方法的用途。上述的阀调节装置可以设立用于执行上述故障诊断方法。

其它的性能、优点和特征通过以下结合附图对优选实施例的说明变得清楚明白，其中：

图1示出具有阀调节装置的工艺过程设备的示意图；

图2示出数字式位置调节器的示意性框图；

图3示出具有阀调节装置的工艺过程设备的第一操作方法的示意图；和

图4示出具有阀调节装置的工艺过程设备的第二操作方法的示意图。

在以下对优选实施例的说明中，为了使可阅读性变得容易，相同的或相似的零部件带有相同的或相似的附图标记。

该实施方式尤其可能表明调节装置中的位置调节器可如何通过上级调节器的引导参数或调节参数的近似重建获得附加信息以用于调节装置故障诊断以及近似重建可如何逐个在数学上被理解为上级调节器的足够精确的模型的传递函数的逆转。

图1示出工艺过程设备100的示意图，其包含一个或多个级联的调节回路。为了简单起见，在根据图1的示意图中仅示出唯一的调节级。该调节级包括上级的过程调节器120和下级的阀调节装置1。上级的过程调节器120可以下属有正好一个现场用仪表、两个或三个以上的现场用仪表、尤其是调节装置，这在此未被详细示出。

上级的过程调节器120可以设立用于引导设备过程111。为此，过程调节器120可以作为输入信号例如从过程流体用于110的过程传感器105获得一个过程实际信号p_i或多个过程实际信号。关于所期望的过程特性，给过程调节器120设定一个过程理论信号p_W。过程理论信号p_W可以给过程调节器120例如借助用户接口如在工艺过程设备的控制台内的控制计算机101来设定。过程调节器120设立用于执行过程理论信号p_W与过程实际信号p_i的比较，基于此来确定过程调差p_e。依据过程调差p_e，过程调节例程由过程调节器120实现。作为过程调节例程结果，过程调节器120输出过程调节信号p_g，过程调节信号被供给下级的阀调节装置1，以便阀调节装置1以期望方式作用于过程流体，目的是使过程实际信号p_i趋同于过程理论信号p_W。

阀调节装置1包括位置调节器31、致动器33和调节阀35。调节阀35作用于被提供给过程流体用户110的过程流体。或者，调节阀也可以作用于来自过程流体用户110的过程流体的流出(未示出)。调节阀35可以影响到过程流体压力、流速等。显然，过程流体用户110可以包含多个过程流体进流和/或多个过程流体排流，其中阀调节装置可以对应配属于过程流体用户110的一个单独的或多个过程流体进流和/或排流。

阀调节装置1包括具有模拟式或数字式位置调节器电子装置400的位置调节器31，其如以下在图2中所详细说明地能至少部分以计算机实现的调节模块401来实现。位置调节器电子装置400具有用于过程调节信号p_g的第一信号输入420和用于位置实际值i的第二信号输入436。依据位置实际值i和过程调节信号p_g，用调节例程执行比较，以计算位置调节器调差并确定调节信号g。位置调节器电子装置400在输出433处输出调节信号g以作动致动器33。

位置调节器电子装置400还包括逆转模块405，对该逆转模块拟定所述过程调节信号p_g作为信号输入，并且可以从存储器404中获得描绘上级的过程调节器120的行为的过程场景数据k。逆转模块405设立用于从过程调节信号p_g起借助调节逆转来确定描述上级的过程调节器120的近似信号a_P。近似信号a_P可以例如对应于过程调节器实际值或过程调节器调差p_e。过程实际信号一般依据过程调节器实际值的时间曲线，例如一系列离散的过程调节器实际值或过程调节器实际值的时间连续演变。以下详细示出逆转模块405的合适的设计和功能。

阀调节装置1还可以具有故障诊断模块407例如故障诊断电子装置，其可以执行与阀调节装置1相关的故障诊断例程。故障诊断模块407可以设立用于执行已知用于阀调节装置的故障诊断例程。故障诊断模块407可以设立用于依据至少一个故障诊断例程产生至少一个故障诊断码408。故障诊断码可在阀调节装置1的一个光学显示器上被显示给使用者。故障诊断码408可用于在过程控制台、过程调节器120或便携式计算机例如平板个人电脑上处理。故障诊断模块407可设立成基于近似信号a_P执行至少一个故障诊断例程。故障诊断模块407可在基于近似信号的故障诊断例程下考虑在阀调节装置1、尤其是其位置调节器电子装置31中可用的其它信号。例如故障诊断模块407可在基于近似信号a_P执行故障诊断例程时考虑过程调节信号p_g、调节信号g、位置实际信号i、位置调节器调差等。以下描述具有计算机实现的故障诊断模块407的可配置的电子计算和数据存储装置的位置调节器400的可能设计。

图2示出用可配置的电子计算和数据存储装置400构成的数字式位置调节器31的框图。示意性框图表明具有可配置的电子计算和数据存储装置的数字化位置调节器电子装置400。但是，在这里与此相关所公开的功能可以部分或完全在使用模拟位置调节器电子装置部件下来实现。

数字式位置调节器电子装置400包括例如呈微处理器形式的处理器403，其设立用于执行不同的计算。数字式位置调节器电子装置400的处理器403与存储器404逻辑关联。在存储器404上可能存储有不同数据和/或例程以便由处理器403使用。在存储器404上可以存储用于阀调节装置1的调节例程的第一计算模块401。第一计算模块401可以被描述为调节模块。利用调节模块可以实现数字位置调节。调节模块401可以用处理器403来实现，以在数字式位置调节器电子装置400的输出433提供调节信号g以作动致动器35。处理器403可以借助调节模块401设立用于基于由位置传感器36提供的位置实际信号i和由上级的过程调节器120提供的过程调节信号p_g计算调节例程。计算模块401的调节例程可以例如是数字式PID调节例程。

位置调节器电子装置400可以具有两个以上的信号输入420、436用于应根据例程在处理器403中被处理的信号。数字式位置调节器电子装置400包括用于接收过程调节信号p_g的第一信号输入420。第一信号输入420可以在实施方式中包括数字-模拟转换器，以便例如基于简单的模拟信号比如模拟的4..20mA过程调节信号产生数字信号以用在数字式位置调节器电子装置400中。数字式位置调节器电子装置400还包括用于输入位置实际信号i的第二信号输入436。数字式位置调节器电子装置400还包括调节信号输出433。处理器403可以设立成将调节模块401设计成具有调节例程，以基于在输入420、436处接收的信号i、p_g执行位置调节并且作为其结果调节信号输出433处提供用于作动致动器33的调节信号g。在实施方式中，调节信号输出433可以具有数字-模拟转换器或电-气变换器，以提供适配于致动器33的调节信号g。数字式位置调节器电子装置400可以具有其它信号输入或信号输出(未被具体示出)。另外，位置调节器可以具有用于数据人工输入的接口。

致动器33可以配备有信号放大器以在使用来自辅助能量源的辅助电能和/或辅助气压能的情况下放大调节信号g。

数字式位置调节器电子装置400的存储器404可以被一个或多个故障诊断例程占用以实现故障诊断模块407。故障诊断例程配置用于由处理器403执行。处理器403可以执行例如涉及调节信号g和位置实际信号的故障诊断例程。例如故障诊断例程可以促成部分行程测试的执行并评估其结果。

存储器404可被输入数据402占用，其中存放在存储器404中的输入数据402适当地配属于一定的时刻或时间间隔。在一个实施例中，输入数据402只是调节装置信号。处理器403可以设立用于利用输入数据402执行故障诊断例程，其涉及预定的时间间隔，以便将例如当前时间间隔的当前输入数据402与另一时间间隔或一定的参考间隔的历史输入数据402相比较。相对于来自参考间隔的历史故障诊断结果的偏差可以例如指明调节阀35处磨损。故障诊断例程可以设计用于确定是否存在醒目信号曲线如运行。

阀调节装置1可以如上所示地包括位置调节器31，其设立用于执行故障诊断例程，做法是位置调节器31配备有数字式位置调节器电子装置400，其包括存储器404连同存储在其上的故障诊断例程407和用于执行故障诊断例程407的处理器403。位置调节器31可以借助数字式位置调节器电子装置400产生用于致动器33的调节参数g。

在本文范围内，位置调节器还设立用于执行调节逆转，其涉及上级的过程调节器120。伴随调节逆转可从过程调节信号p_g中确定近似信号a_P。故障诊断例程407可基于近似信号a_P。为此，可配置的电子计算和数据存储装置400的存储器404可配备有第二计算模块405，其可被称为调制模块或逆转模块。

第二计算模块包括用于确定用于一定调节器的调节器模型的配置数据406。用于调整模型的配置数据406被用于使调节器模型适配于特定的调节器例如阀调节装置的上级的过程调节器。在存储器404上可能可选地附加存有过程场景数据409，其表征阀调节装置1的上级的过程调节器120的特性。处理器403可以设立用于在纳入过程场景数据409的情况下执行第二计算模块405和/或至少一个故障诊断例程407。在位置调节器31中进行的位置调节以及与之并行进行的调节逆转和或许故障诊断的示意图在图3中的第一实施例和在图4中的实施例中被示出。

参照图1而清楚明白，在用过程调节器120执行的过程调节范围内作为已知的过程变量以过程实际信号p_i和过程理论信号p_W为前提，基于此借助预定过程调节例程作为未知的待计算过程变量确定过程调节信号p_g。过程调节例程可由模型调节器代表。过程调节信号p_g被传输给下级的位置调节器1。过程理论信号p_W、过程实际信号p_i和其它过程信号一般不为阀位置调节器1所知。

图3示出操作方法设计，在此执行调节且与之并行执行包含调节逆转和或许故障诊断例程在内的故障诊断方法。第二计算模块405可包括用于调整模型的配置数据406。第二计算模块或逆转模块405尤其可设立用于描绘模型调节器的逆转，借此逼近阀调节装置1的上级的过程调节器120的过程调节例程。第二计算模块405设立用于在频谱范围如Laplace空间或Z空间中逆转涉及上级过程调节器120的传递函数。用在数字式位置调节器电子装置400的处理器403中的第二计算模块40执行的调节逆转的实现用于基于由过程调节器120输出的被调节装置1接收的过程调节参数p_g来渐近改建过程调节器120的输入数据(p_i,p_W)。第二计算模块405设计成通过处理器403从作为已知变量的过程调节信号p_g起在过程场景数据k的辅助下执行计算，以计算视为未知变量的近似信号a_P。近似信号a_P对应于过程信号、尤其过程调差p_e或过程实际信号p_i。

过程场景数据k或409可以与过程理论信号相关。依据过程场景数据k，可以在利用第二计算模块405的调节模拟、尤其是调节逆转中假定至少有时恒定的过程理论信号p_w。调节逆转可以借助过程场景数据k基于多个不同的、尤其恒定的过程理论信号p_W，其配属于各不同的时间间隔。替代地或附加地，第二计算模块405可以使用过程场景数据k，其描绘非恒定的过程理论信号p_W的时间曲线。根据另一替代选项，过程场景数据k可以给第二计算模块405提供关于过程理论信号p_W的信号曲线特征的信息。例如过程场景数据k可以给第二计算模块405提供关于例如过程理论信号p_w的线性斜坡状曲线的信息。过程场景数据k可以给第二计算模块提供关于过程理论信号的正弦曲线状曲线的信息例如其频率、振幅、振幅方向的偏移或时间维度的偏移。替代地或附加地，第二计算模块可以考虑过程场景数据，其描述过程理论信号的突变特性、例如其振幅、频率、突变时刻等。

如图3所示的操作方法涉及位置调节器31，其自上级的过程调节器120仅处理该过程调节信号p_g。位置调节器31根据图3所示的实施例除了过程调节信号p_g外不处理其它的直接从上级的调节器级联获得的信号。尤其是，位置调节器31除了过程调节信号p_g外从上级的过程调节器级联不接收其它信号。在图3所示的方法中，给位置调节器提供尤其涉及时间间隔t₂-t₁的预定的过程场景数据k(t)。例如过程场景数据k可以作为经验值通过用户接口被人工输入。替代地或附加地，过程场景数据k可以在工厂设定条件下被存在位置调节器电子装置400的存储器404上，随后阀调节装置1被初次投入使用。

图4示出操作方法的一个替代设计，在此执行调节并与之并行地执行包含调节逆转和或许故障诊断例程在内的故障诊断方法。图4示意性所示的操作方法与根据图3的方法的主要区别仅在于提供或获得过程场景数据k。阀调节装置3在根据图4的实施例中具有另一输入以接收工艺过程设备100的至少一个过程理论信号p_W。过程理论信号p_W可例如作为系列数字过程理论信号被接收。例如阀调节装置1的模拟信号输入或数字信号输入可作为另一输入值接收过程理论信号p_W，其似乎在工艺过程设备100中被供给用于过程调节的过程调节器120。或者可以想到过程调节器120设立用于并适合信号传输地连接至阀调节装置1，还将过程理论信号p_w传输给阀调节装置1的另一输入。过程理论信号p_g可以由阀调节装置1例如以数字形式作为连串序列的待处理过程理论信号p_W接收。过程理论信号的时序q可以由数字式位置调节器电子装置31调用地作为过程场景数据k(q)存储在存储器404中。根据一个有利实施方式，将对于一定的时刻或时间间隔t给所接收的过程理论数据分配过程场景数据的时序q。作为时序q所接收的过程理论信号p_W可以与延迟线或时间偏移相关联地作为过程场景数据409被存储。借助时间偏移或延迟线411，可以进行在能用配置数据406调整的尤其逆转的调节例程中根据第二计算模块405相互逻辑关联的时间前移的过程理论信号p_W和时间后移的过程调节信号p_g的关联。例如调节逆转可以基于过程调节信号p_g结合以数字式位置调节器电子装置400的周期时间位移的过程理论信号p_W。

在数字式过程调节中或数字式调节装置调节中，一般在(过程)理论值接收与借助(过程)调节例程配属于(过程)理论值的(过程)调节信号的输出之间存在时间延迟尤其正好一个(过程)调节器周期时间。为了调节逆转能基于过程调节值确定过程实际值或过程调节值的精确逼近，可能有帮助的是为了调节逆转一并考虑过程调节值和原有的过程理论值的尤其正好一个过程调节器周期时间。或者，尤其可以在具有缓慢的尤其连续可变的过程理论信号的缓慢过程中借助调节逆转无延迟线地执行足够精确的逼近。

第二计算模块405优选可以描绘作为根据PID调节器结构所配置的模型调节器的过程调节器120的倒数。例如第二计算模块405可以实现尤其关于作为PID调节器所模拟的过程调节器120的调节逆转。尤其是，逆转模块405可以针对作为P调节器、I调节器、PD调节器、PI调节器或PID调节器所模拟的过程调节器120执行调节逆转。在PID调节器结构中所模拟描绘的过程调节器120可以通过数学函数G_PID来描绘，其从已知变量、即过程理论信号p_W、过程实际信号p_i和/或过程调节偏差p_e作为未知变量和输出值确定过程调节信号p_g。在模型模块或逆转模块405中，已知的数学调节函数可以如此逆转地基于计算，即，过程调节信号p_g作为已知变量与被视为至少近似已知的变量的过程理论信号p_W一起予以考虑，以确定尤其对应于过程实际值p_i或过程调节偏差p_e的近似信号a_P。在例如在图0中所草绘的PID调节器结构中的过程调节器120的过程调节例程可以借助以下公式在数学上按Laplace空间L来表示：

(4)

(5) x(t)＝L^-1{X(s)}

其中，

W(s)描绘过程理论值p_W的时间曲线的真值函数p_w(t):

的Laplace变换体；

X表示离散的或时间连续的过程实际信号p_i的过程实际值；

Y_V表示离散的或时间连续的过程调节信号p_g的过程调节值；和

G_PID描述PID过程调节器的传递函数，和

s表示与变量Laplace的关系。

对于按并行结构的时间连续PID调节器的传递函数，其具有在Laplace区域内的真D部分时间常数τ，包含比例放大系数K_P、复位时间(Nachstellzeit)T_N和保持时间(Vorhaltzeit)T_V，适用以下条件：

对于阀位置调节器可能有利的是，公式(5)作为差分方程式实现并用到以下公式(6)中并且关于离散采样步骤k来考虑：

(7)

对于时间离散的调节器，传递函数可以借助根据公式(7)的Tustin变换来确定，其中T_C根据过程调节器的周期时间来选择：

(8)

由此得到：

(9)

其中，

(10) a₂＝2T_N(T_C+2τ)

(11) a₁＝-8τT_N

(12) a₀＝-2T_N(T_C-2τ)

(13) b₂＝2T_N(T_C+2τ)+T_C(T_C+2τ)+4T_NT_V

(14)

(15) b₀＝-2T_N(T_C-2τ)+T_C(T_C-2τ)+4T_NT_V

在使用位置调节器电子装置400的情况下，可以用模拟模块或逆转模块405从过程调节信号p_g近似计算一个近似信号a_P，其与过程调差p_e或过程实际信号p_i相关联。

或者，可以对于许多调节器结构直接按时间间隔进行不使用Laplace空间的不同计算。例如可以确定对应于PI调节器的信号应答的近似信号。PI过程调节器的时间(t)相关的传递函数G_PI(t)的逆转是已知的。调节器模型可以关于具有比例回算系数的传递函数G_PI(t)的P系数和关于具有差分连同比例差分系数的I系数来配置(未被详细示出)。利用时间连续的PI调节器G_PI(t)的这样逆转的传递函数，可以从由过程调节器提供的引导信号中确定近似信号a_P。

故障诊断例程409可以设立用于分析描绘一个或多个过程调差的近似信号a_P、例如一组按时间顺序q所确定的逼近的调差p_e。故障诊断例程407可以据此确定涉及上级过程调节的稳定的精度、上冲、稳定性等的故障诊断码408。例如包含过程和位置调节的总调节回路的稳定性可被评估。

例如上冲数量可被考虑用于故障诊断。依据故障诊断例程407的上冲数量和幅度，可以确定与过程引导和位置调节的质量相关的故障诊断码408。例如如果存在轻微上冲，则可以用故障诊断例程407作为故障诊断结果地确定存在高效的过程引导和位置调节。从高于阈值的上冲数量起，可以用故障诊断例程407确定位置调节器1和/或过程调节器120的调节参数的调整有利于过程引导和位置调节的改善。

在以上说明、图和权利要求书中公开的特征不仅单独地、也在任何组合中对于以不同设计实现本发明来说可能是有意义的。

附图标记列表

1调节装置

31位置调节器

33致动器

35调节阀

100工艺过程设备

105过程传感器

10过程流体用户

111设备过程

120过程调节器

400位置调节器电子装置

401调整模块

402输入数据

403处理器

404存储器

405计算模块

406配置数据

407故障诊断模块

408故障诊断码

409过程场景数据

411延迟线

420第一信号输入

433输出

436第二信号输入

a_P近似信号

g调节信号

i调节实际值

k过程场景数据

p_d过程调差

p_e过程调差

p_g过程理论信号

p_i过程实际信号

p_W过程理论信号

q时序

Claims (14)

1.一种用于工艺过程设备(100)的阀调节装置(1)的位置调节器(31)，所述位置调节器(31)包括：

用于引导信号的第一信号输入(11)，所述引导信号例如是所述工艺过程设备(100)的过程调节器(120)的过程调节信号(p_g)，

用于与调节阀(35)相关的位置实际信号(i)的第二信号输入，

其中，所述位置调节器(31)被设立用于基于所述引导信号和所述位置实际信号(i)产生用于作动所述调节阀的致动器(33)的尤其是气压的调节参数(g)，并且包括用于所述调节参数(g)的尤其是气压的控制输出，其特征是，所述位置调节器(31)被设立用于借助能够配置的涉及特定的调节器、尤其是所述过程调节器(120)的调节器模型从所述引导信号中计算近似信号(a_p)，其中，所述调节器模型被配置成，使得由所述特定的调节器从所述近似信号(a_p)中产生的信号对应于所述引导信号。

2.根据权利要求1所述的位置调节器(31)，所述位置调节器(31)被设立用于在考虑所述近似信号(a_p)的情况下执行至少一个故障诊断例程。

3.根据权利要求1或2所述的位置调节器(31)，所述位置调节器(31)还包括被过程场景数据(k)占用的存储器(9)，并且其中，所述位置调节器(31)被设立用于在考虑所述过程场景数据(k)的情况下确定所述近似信号(a_p)，和/或被设立用于在考虑所述过程场景数据(k)的情况下执行所述至少一个故障诊断例程。

4.根据前述权利要求中任一项所述的位置调节器(31)，其中，所述位置调节器(31)还被设立用于在考虑来自包含调节参数(g)、位置实际信号(i)和过程调节信号(p_g)的名单的至少一个调节装置信号的情况下执行所述至少一个故障诊断例程。

5.根据前述权利要求中任一项所述的位置调节器(31)，其中，所述位置调节器(31)被设立用于确定近似信号(a_p)，所述近似信号对应于未给所述阀调节装置(1)准备好的过程调差信号(p_e)和/或所述过程调节器(120)的过程实际信号(p_i)。

6.一种用于工艺过程设备(100)的阀调节装置(1)，所述阀调节装置(1)包括用于调节过程流体流的调节阀(35)、尤其是气动的或电动的用于作动该调节阀(35)的致动器(33)和根据权利要求1至5中任一项所述的位置调节器(31)。

7.一种用于工艺过程设备(100)中的尤其根据权利要求6所述的阀调节装置(1)的故障诊断方法，所述工艺过程设备具有控制所述阀调节装置(1)的过程调节器(120)，其中，自所述过程调节器(120)给所述阀调节装置(1)提供过程调节信号(p_g)，并且其中，涉及特定的调节器、尤其是所述过程调节器(120)的调节器模型被配置，并且通过所述阀调节装置(1)从所述过程调节信号(p_g)和涉及所述调节器的所述调节器模型中确定近似信号(a_p)，并且其中，通过所述阀调节装置(1)在考虑所述近似信号(a_p)的情况下执行至少一个故障诊断例程。

8.根据权利要求7所述的故障诊断方法，其中，所述近似信号(a_p)的确定和/或所述故障诊断例程还基于表征所述过程理论信号(p_w)、尤其是恒定的过程理论信号的过程场景数据(k)来执行。

9.根据权利要求8所述的故障诊断方法，其中，所述过程场景数据(k)所涉及的时间间隔被确定，和/或其中，所述过程场景数据(k)包含所述过程理论信号(p_w)的延迟线和/或信号形状定义。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的故障诊断方法，其中，所述过程调节信号(p_g)、尤其是其时间曲线被存储。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的故障诊断方法，其中，所述调节器模型、尤其是调节逆转基于预定的时间连续的或时间离散的调节器结构来确定。

12.根据权利要求11所述的故障诊断方法，其中，所述调节逆转通过变量z上的Z区域内的逆转通过

形成。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的故障诊断方法，其中，执行故障诊断结果与所述阀调节装置(1)的预定理论特性的比较。

14.根据权利要求13所述的故障诊断方法，其中，如果在执行所述比较时确定在所述故障诊断结果与所述预定理论特性之间有偏差，则产生故障诊断码，和/或其中，如果在执行所述比较时未确定在所述故障诊断结果与所述预定理论特性之间有偏差，则禁止和/或删除故障诊断码。

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