CN116973093A - 一种气动调节阀在线监测诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种气动调节阀在线监测诊断系统及方法，包括：气动调节阀及相关现场设备，气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的控制指令动作，实现气动调节阀的在线或离线测试；传感器安装在气动调节阀处，用于在气动调节阀动作过程中采集阀门的参数并传输给数据采集处理单元；数据采集处理单元分别连接气动调节阀、传感器和上位机，数据采集处理单元用于将采集到的模拟信号进行模/数转换，将转换后得到的数字信号发送至上位机；上位机用于下发控制指令以及对测试过程中的数据进行分析处理，实现阀门的状态监测和诊断。本发明包含上下位机硬件系统以及完整的软件平台，可用于为气动阀提供状态监测和故障诊断。

Description

一种气动调节阀在线监测诊断系统及方法

技术领域

本发明属于调节阀技术领域，尤其涉及一种气动调节阀在线监测诊断系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

核电厂气动调节阀用于控制流体的流量，起着补偿负载扰动的作用，使被控制的过程变量尽可能接近需要的设定值。因此，气动调节阀作为终端控制元件，其性能好坏将对过程回路产生非常重要影响。核电厂每次大修都要全面解体和检修大量的气动调节阀，提高作为终端控制元件的气动调节阀运行的可靠性。大部分经过检修的阀门，由于各种因素影响，达不到出厂时最优参数，甚至有部分阀门丧失原有功能。没有解体维修过的气动调节阀，在经过一个比较长周期的运行后，需要对其参数进行重新调整后才能充分发挥阀门的性能。如果在大修时没有对气动调节阀的参数进行调整，就会致使投运不久的阀门出现问题。

发明内容

为了减少核电厂带病运行的气动调节阀数量，提高阀门运行的可靠性，本发明提供了一种气动调节阀在线监测诊断系统及方法，用于阀门状态监测和诊断。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种气动调节阀在线监测诊断系统，包括：

气动调节阀及相关现场设备，所述气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的控制指令动作，实现气动调节阀的在线或离线测试；

传感器，所述传感器安装在气动调节阀处，用于在气动调节阀动作过程中采集阀门的参数并传输给数据采集处理单元；

数据采集处理单元，所述数据采集处理单元分别连接气动调节阀、传感器和上位机，所述数据采集处理单元用于将采集到的模拟信号进行模/数转换，将转换后得到的数字信号发送至上位机；

上位机，所述上位机用于下发控制指令，所述控制指令通过数据采集处理单元输出至气动调节阀及相关现场设备，以及对测试过程中的数据进行分析处理，实现阀门的状态监测和诊断。

本发明第二方面提供了一种气动调节阀在线监测诊断方法，包括：

上位机下发测试控制指令至气动调节阀及相关现场设备；

气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的控制指令动作；

在气动调节阀动作过程中采集阀门的参数；

将采集到阀门参数进行模/数转换得到数字信号；

将数字信号传输至上位机，上位机对测试过程中的数据进行分析处理，实现阀门的状态监测和诊断。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：本系统包含上下位机硬件系统以及完整的软件平台，可用于为气动阀提供状态监测和故障诊断；能够连续监测阀杆应力、气路压力、阀位等信号，并能够接收现场传感器信号；可模拟发出阀位命令、电磁阀控制命令，从而辅助开展阀门诊断工作；可携带进入核电厂房或在检修场所开展阀门的监测和典型故障的诊断工作，所有数据和诊断结果通过数据库进行管理，可根据需求导出或传输至其他平台；满足了核电厂气动调节阀性能在线监测诊断的多种需求。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为第一个实施例的一种气动调节阀在线监测诊断系统流程图。

图2为第一个实施例的数据采集处理单元结构图。

图3为第一个实施例的上位机监测诊断界面图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种气动调节阀在线监测诊断系统，包括：

气动调节阀及相关现场设备，气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的控制指令动作，实现气动调节阀的在线或离线测试；

传感器，传感器安装在气动调节阀处，用于在气动调节阀运行过程中采集阀门的参数并传输给数据采集处理单元；

数据采集处理单元，数据采集处理单元分别连接气动调节阀、传感器和上位机，所述数据采集处理单元用于将采集到的模拟信号进行模/数转换，将转换后得到的数字信号发送至上位机；

上位机，上位机用于下发控制指令，控制指令通过数据采集处理单元输出至气动调节阀及相关现场设备，以及对气动调节阀测试过程中的数据进行分析处理，实现阀门的状态监测和诊断。

本发明针对核电厂中气动调节阀阀门性能的需求和特点，设计了可实现核电厂阀门的状态监测和诊断系统。上位机软件具有较高的可靠性、友好的人机接口、运行速度快、易于操作等特点。气动调节阀在线监测诊断装置软件的主要功能见表1。

表1

本方案硬件部分主要采用美国国家仪器(Nat iona l I nstruments)提供的成熟产品作为数据采集和处理的平台，具有稳定可靠的优势。上位机开发利用与N I硬件产品配套的LabVI EW软件开发，软件预留Python或MATLAB接口用于和算法对接。

在气动调节阀上安装有阀位、压力等多种传感器，传感器的信号线缆连接至数据采集处理单元，数据采集处理单元将采集到的模拟信号进行模/数转换，并将采集到的信息以数字信号的形式通过网线发送至PC/工控机。在PC/工控机中装有专用的分析软件，测试员可以通过操作软件控制数据采集处理单元输出控制信号至阀门控制器。分析软件中集成了专用的处理算法，可以将采集到的数据进行处理分析，得到阀门的健康状态数据。

用户亦可以将PC机换成工控机(Wi ndows系统)，将上位机软件部署在工控机中，工控机自动从数据采集处理单元中获取原始数据发送至云平台侧，进行长期状态监测。

数据采集处理单元外部接口包括HART接口、电压电流采集接口、4～20mA输出接口、电源接口以及网口；

数据采集处理单元其主要功能就是连接气动调节阀现场设备，通过HART协议读取阀门定位器内部信息；通过4～20mA输出接口为阀门定位器提供位置信号，该信号作用于阀门定位器，在气调节阀状态监测和故障诊断过程中，可模拟发出阀位命令，从而辅助开展阀门诊断工作。通过电压电流采集接口读取现场传感器数据；通过电源接口控制现场电磁阀通断。并且与上位机实施通信，将采集到的信息传输至上位机软件，根据上位机下发命令控制现场设备。

如图2所示，数据采集处理单元基于N I cRIO设计，包括：N I cRIO控制器，型号为N I cRIO-9036控制器、N I-9207板卡、N I-9482板卡、N I-9265板卡_、N I-9219板卡、AM-9898板卡、NIPS-15电源以及CSP-3000-250电源；N I-9207板卡、N I-9482板卡、N I-9265板卡、N I-9219板卡、AM-9898板卡分别与N I cRIO-9036控制器连接；

通过N I-9207板卡实现电压电流采集，N I-9482板卡实现对220V输出信号的控制，通过N I-9265板卡实现输出4～20mA电流，通过N I-9219实现电阻、应变片的测量，通过AM-9898板卡实现扩展数据接口，通过数据接口RS232/RS485/USB实现与其他设备通信(预留)；

N I cRIO-9036控制器通过网口连接上位机，实现数据的上传、下发。N I cRIO-9036控制器对采集到的信号进行必要的预处理，然后将测量到的信号发送给上位机进行显示、处理及分析；N I cRIO-9036控制器通过DC-DC接口连接NIPS-15电源，NIPS-15电源连接220V交流输入。

数据采集模块的各个单元的参数如表2所示：

表2

通过N I-9265板卡实现输出420mA电流。通过N I-9482板卡实现对220V输出信号的控制。通过N I-9207板卡实现电压电流采集。通过N I-9219板卡实现电阻、应变片的测量。通过数据接口RS232/RS485/USB实现与其他设备通信(预留)。通过网口连接上位机，实现数据的上传、下发。对采集到的信号进行必要的预处理(根据客户需求)。将测量到的信号发送给上位机进行显示、处理及分析。设备配有模拟量输出模块(N I-9265板卡)，用于输出4-20mA的电流信号，实现为阀门定位器提供阀门位置信号。

具体的，N I-9207板卡连接用于采集气动调节阀运行参数的传感器，包括：测量各处气压的压力传感器，测量阀杆应变的应变传感器，测量阀位变化的阀位传感器，测量阀杆行程、阀杆推力/扭矩的拉线式位移传感器等；N I-9219板卡连接电阻或应变片，通过N I-9207板卡和N I-9219板卡实现在阀门动作过程中采集阀门的参数，阀门的参数包括：气室压力、定位器入口压力、定位器出口压力、气源气压、阀杆行程、阀杆推力/扭矩等；

N I cRIO-9036控制器将N I-9207板卡和N I-9219板卡采集到的模拟信号进行模/数转换后以数字信号的形式通过网线发送至上位机(PC/工控机)进行显示、处理及分析；

上位机通过与N I-cRIO进行数字通讯，将N I-cRIO上模拟量输入通道采集到的信号进行显示、计算、分析、存储等功能。上位机通过与N I-cRIO进行数字通讯，利用N I-cRIO上的仪器接口(如HART接口)与智能定位器通信，采集来自智能定位器的数据；利用N I-9482板卡对220V输出电压进行通断控制，实现控制电磁阀通断；通过N I-9265板卡实现输出4～20mA的电流信号至阀门定位器，为阀门定位器提供位置信号，在气调节阀状态监测和故障诊断过程中，可模拟发出阀位命令，从而辅助开展阀门诊断工作。上位机选择调用python算法的文件路径，并选择分析方法(对应算法文件中的函数名)，分析结果和诊断结果显示算法返回的结果。

进一步的，上位机下发的控制指令包括：全开/全关动作试验控制指令、快关动作试验控制指令、斜坡试验控制指令、分步阶跃试验控制指令、阶跃灵敏度试验控制指令、阶跃分辨率试验控制指令和在线卡死监测试验控制指令。

气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的控制指令动作，实现气动调节阀的在线或离线测试，在线或离线指气动调节阀运行工况，在线指阀门在运状态，离线指阀门非在运状态，在线测试项目：1-6；离线测试项目：7。

气动调节阀的在线或离线测试包括：

1、全开/全关动作试验，用于评估阀门全开、全关动作时间等；

2、快关动作试验，用于评估阀门快关动作时间等；

3、斜坡试验，用于评估阀门动作性能、“动态比推力”等；

(1)阀门定位器输入的控制信号线性变化序列为0％-100％-0％；

(2)分别按斜坡升/降过渡时间600s、60s、30s、10s各做试验；

(3)阀门定位器输入的控制信号在0％开度、100％开度的保持时间为30s。

4、分步阶跃试验，用于评估阀门动作性能、“静态比推力”等；

(1)阀门定位器输入的控制信号阶跃变化序列为：

0％-10％-25％-50％-75％-100％-75％-50％-25％-10％-0％。

(2)每次阶跃变化后的控制信号保持时间为30s。

5、阶跃灵敏度试验，用于评估阀门对单方向开度变化的响应性能；

(1)在10％、25％、50％、75％、90％开度上进行。

(2)在上述每个开度上，阀门定位器输入的控制信号正阶跃变化幅度序列为+0.5％、+1％、+2％、+3％、+5％，均为相对于每次阶跃前的控制信号值：定位器输入的负阶跃变化幅度序列为-0.5％、-1％、-2％、-3％、-5％，均为相对于每次阶跃前的控制信号值；

(3)每次阶跃变化后的控制信号保持时。间为30s。

6、阶跃分辨率试验，用于评估阀门对反方向开度变化的响应性能；

(1)在10％、25％、50％、75％、90％开度上进行；

(2)在上述每个开度上，阀门定位器输入的控制信号阶跃变化幅度序列为+0.5％、0.0％、-0.5％、+1.0％、0.0％、-1.0％、0.0％、+2.0％、0.0％、-2.0％、0.0％、+3.0％、0.0％、-3.0％、0.0％、+5.0％、0.0％、-5.0％、0.0％(均为相对于初始控制信号的值)。

7、在线卡死监测试验，用于实时监测气动调节阀卡死故障。

卡死的监测算法采用调节阀控制命令信号与阀位反馈对比的形式，即同时满足如下两个要求时，即判定阀门已卡死，用于阀门在线监测诊断：

(1)控制命令信号与阀位反馈信号偏差大于±10％(参数可调)。

(2)阀位反馈信号变化量小(10秒内阀位变化幅度不超过5％，参数可调)。

上位机软件中集成的专用的处理算法，可以将采集到的数据进行处理分析，得到阀门的健康状态数据，如图3所示。

实施例二

本实施例公开了一种气动调节阀在线监测诊断方法，包括：

在气动调节阀上安装传感器，将传感器的信号线缆连接至数据采集处理单元；

上位机下发测试控制指令至气动调节阀及相关现场设备，气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的控制指令动作；

在气动调节阀动作过程中采集阀门的参数；

数据采集处理单元将采集到阀门参数进行模/数转换得到数字信号；数据采集处理单元通过4～20mA输出接口为阀门定位器提供位置信号；通过电压电流采集接口读取现场传感器数据；

将采集到的信息传输至上位机，上位机对测试过程中的数据进行分析处理；

进行气动调节阀在线或离线测试；

通过软件实现阀门的状态监测和诊断。

软件中集成的专用的处理算法，可以将采集到的数据进行处理分析，得到阀门的健康状态数据。

其中，上位机下发的控制指令包括：全开/全关动作试验控制指令、快关动作试验控制指令、斜坡试验控制指令、分步阶跃试验控制指令、阶跃灵敏度试验控制指令、阶跃分辨率试验控制指令和在线卡死监测试验控制指令。

进一步的，气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的斜坡试验控制指令动作，包括：

气动调节阀阀门定位器输入的控制信号线性变化序列为0％-100％-0％；

分别按斜坡升/降过渡时间600s、60s、30s、10s各做试验；

定位器输入的控制信号在0％开度、100％开度的保持时间为30s。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种气动调节阀在线监测诊断系统，其特征在于，包括：

气动调节阀及相关现场设备，所述气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的控制指令动作，实现气动调节阀的在线或离线测试；

传感器，所述传感器安装在气动调节阀处，用于在气动调节阀动作过程中采集阀门的参数并传输给数据采集处理单元；

数据采集处理单元，所述数据采集处理单元分别连接气动调节阀、传感器和上位机，所述数据采集处理单元用于将采集到的模拟信号进行模/数转换，将转换后得到的数字信号发送至上位机；

上位机，所述上位机用于下发控制指令，所述控制指令通过数据采集处理单元输出至气动调节阀及相关现场设备，以及对测试过程中的数据进行分析处理，实现阀门的状态监测和诊断。

2.如权利要求1所述的一种气动调节阀在线监测诊断系统，其特征在于，所述传感器包括气压传感器、应变片、拉线式位移传感器和阀位传感器；所述气压传感器用于采集气动调节阀内各处的气压；所述拉线式位移传感器用于测量阀杆行程；所述应变片用于采集阀杆应变；所述阀位传感器用于采集阀位变化。

3.如权利要求1所述的一种气动调节阀在线监测诊断系统，其特征在于，所述数据采集处理单元基于NIcRIO设计，包括：NIcRIO控制器，以及与NI cRIO控制器连接的NI-9207板卡、NI-9482板卡、NI-9265板卡、NI-9219板卡、AM-9898板卡和电源；

所述NI-9207板卡连接传感器，通过NI-9207板卡实现传感器监测参数的采集；所述NI-9482板卡连接电源，用于输出220V控制信号控制电磁阀通断；所述NI-9265板卡连接阀门定位器，所述NI-9265板卡通过输出4～20mA电流实现阀门定位器的控制；所述NI-9219板卡连接电阻或应变片，用于电阻或应变片的测量；所述AM-9898板卡连接外部HRART接口，用于与其他设备通信；所述NI cRIO控制器通过网口连接上位机，实现数据的上传和下发。

4.如权利要求1所述的一种气动调节阀在线监测诊断系统，其特征在于，所述上位机下发的控制指令包括：全开/全关动作试验控制指令、快关动作试验控制指令、斜坡试验控制指令、分步阶跃试验控制指令、阶跃灵敏度试验控制指令、阶跃分辨率试验控制指令和在线卡死监测试验控制指令。

5.如权利要求4所述的一种气动调节阀在线监测诊断系统，其特征在于，所述气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的斜坡试验控制指令动作，包括：

气动调节阀阀门定位器输入的控制信号线性变化序列为0％-100％-0％；

分别按斜坡升/降过渡时间600s、60s、30s、10s各做试验；

定位器输入的控制信号在0％开度、100％开度的保持时间为30s。

6.如权利要求4所述的一种气动调节阀在线监测诊断系统，其特征在于，所述气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的阶跃灵敏度试验控制指令动作，包括：

气动调节阀接收到的阀门开度指令分别为10％、25％、50％、75％和90％开度；

在每个开度上，定位器输入的控制信号正阶跃变化幅度序列为+0.5％、+1％、+2％、+3％、+5％，均为相对于每次阶跃前的控制信号值；

定位器输入的负阶跃变化幅度序列为-0.5％、-1％、-2％、-3％、-5％，均为相对于每次阶跃前的控制信号值；

每次阶跃变化后的控制信号保持时间为30s。

7.如权利要求4所述的一种气动调节阀在线监测诊断系统，其特征在于，所述气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的阶跃分辨率试验控制指令动作，包括：

气动调节阀接收到的阀门开度指令分别为10％、25％、50％、75％和90％开度；

每个开度上，定位器输入的控制信号阶跃变化幅度序列为+0.5％、0.0％、-0.5％、+1.0％、0.0％、-1.0％、0.0％、+2.0％、0.0％、-2.0％、0.0％、+3.0％、0.0％、-3.0％、0.0％、+5.0％、0.0％、-5.0％、0.0％，均为相对于每次阶跃前的控制信号值。

8.一种气动调节阀在线监测诊断方法，其特征在于，包括：

上位机下发测试控制指令至气动调节阀及相关现场设备；

气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的控制指令动作；

在气动调节阀动作过程中采集阀门的参数；

将采集到阀门参数进行模/数转换得到数字信号；

将数字信号传输至上位机，上位机对测试过程中的数据进行分析处理，实现阀门的状态监测和诊断。

9.如权利要求8所述的一种气动调节阀在线监测诊断方法，其特征在于，所述上位机下发的控制指令包括：全开/全关动作试验控制指令、快关动作试验控制指令、斜坡试验控制指令、分步阶跃试验控制指令、阶跃灵敏度试验控制指令、阶跃分辨率试验控制指令和在线卡死监测试验控制指令。

10.如权利要求9所述的一种气动调节阀在线监测诊断方法，其特征在于，所述气动调节阀及相关现场设备根据上位机下发的斜坡试验控制指令动作，包括：

气动调节阀阀门定位器输入的控制信号线性变化序列为0％-100％-0％；

分别按斜坡升/降过渡时间600s、60s、30s、10s各做试验；

定位器输入的控制信号在0％开度、100％开度的保持时间为30s。