CN1300385A - 具有可调预定输出响应的阀门控制 - Google Patents

Abstract

一种用于产生预定输出响应以控制流体流动管路(20)中的液体流动的阀门控制设备,包括:一个阀门(20),它设在流体流动管路内;至少一个传感器,用于响应所述的阀门之前的所述流体流动性质来提供至少一个输入信号;和一个下泄背压控制器(10),它接收所述至少一个输入信号并且提供一个可调输出信号,以便响应于所述至少一个输入信号有选择地开启和关闭所述阀门。按照本发明的一种通过阀门利用预定输出响应控制流体流动管路中的流体流量的方法,包括如下步骤:在所述流体流动管路中在背压阀门之前测量流体流动性质;响应于所述流体流动性质向下泄背压控制器提供至少一个输入信号;由所述下泄背压控制器处理所述至少一个输入信号;从所述下泄背压控制器产生一个可调输出信号以便响应于所述至少一个输入信号有选择地开启和关闭阀门以改变流体流动管路中的流量;并且调节来自所述下泄背压控制器的所述输出信号。

Description

具有可调预定输出响应的阀门控制

相关申请

本申请要求于1998年3月13日提交的美国临时申请60/077,838的优先权。发明背景

本发明涉及可以产生预定输出响应的阀门控制设备，用于控制流体流动管路中的流体流量，更加具体地说，本发明涉及具有可调预定输出响应的阀门控制设备。

当改变核动力设备结构、使之从可变下泄/固定装料的化学体积控制系统变为可变装料/固定下泄的控制方案时，在正常运行条件下打开下泄口型阀门时，下泄背压控制器在不使用流体流动管路的安全系统的条件下就不能控制下泄的背压。因为相关的下泄口没有产生瞬时的压力降，所以一个瞬时的压力脉冲将要穿过下泄热交换器和相关的管道到达下泄背压阀门，这是因为和一般为常规的比例、积分、和微分(PID)控制器提供的与仪器仪表有关的响应时间(如果基于模拟，大约300ms阀响应时间；如果基于微处理器，为500ms阀响应时间)不可能足够快地改变输出到阀门的信号以克服阀门的静压力，因此若不提升流体流动管路的安全减压系统就不可能控制这个瞬时的压力脉冲。

发明概述

包括具有预定输出响应装置的下泄背压控制器在内的一种阀门控制设备解决了瞬时压力脉冲的问题，解决的方法是无论何时启动任何一个下泄节流阀时，都要提供一个预定输出响应。更加具体地说，在产生瞬时压力脉冲之前和/或与产生瞬时压力脉冲同时，在下泄背压控制器系统中启动一个响应，从而就可以将瞬变期间的系统最大压力限制在低于系统的安全压力。此外，与下泄背压控制器相接的特定的硬件和软件配置不断地寻址系统设计参数的变化，其中包括随时间的变化。具体来说，预定输出响应是可由技术人员借助于个人计算机调节的。

在核动力设备的可变装料/固定下泄的化学体积控制系统中，用于产生预定输出响应以控制流体流动管路的阀门控制设备包括：一个背压阀门，它设在流体流动管路内；以流体方式连通到所述背压阀门的多个节流阀；一个传感器，它设在流体流动管路内的阀门之前，用于响应在多个节流阀处的流体流动性质来提供一个输入信号；和一个下泄背压控制器，它接收输入信号并且提供一个可调输出信号，以备有选择地开启和关闭背压阀门，从而改变流体流动管路中的压力。下泄背压控制器响应于任何一个外部的数字输入信号，都将产生可调预定输出信号。一旦有瞬时压力脉冲通过，下泄背压控制器就恢复到一个PID控制器，可以产生一个典型的输出信号。优选地，下泄背压控制器包括一个计算机，借此可以由一个操作人员调节预定输出信号。预定输出信号可以针对输出幅度和衰减时间常数进行调节。下泄背压控制器还包括一个自动关闭装置和一个过程报警装置。

一种通过阀门控制流体流动管路中流体流量的方法除了预定输出响应外还包括如下步骤：在流体流动管路中在背压阀门之前测量流体流动性质；响应于流体流动性质向下泄背压控制器提供一个输入信号；由下泄背压控制器处理输入信号；从下泄背压控制器产生一个可调输出信号以备响应于输入信号有选择地开启和关闭阀门来改变流体流动管路中的流量；以及调节下泄背压控制器的PID输出。

附图简述

图1是一个可变装料/固定下泄的控制方案，包括一个由下泄背压控制器控制的下泄背压控制阀门，它按照本发明接收并且响应于可调预定输出偏置；和

图2是下泄背压控制器的一个功能方块图。

优选实施例描述

现在参照附图1，一个用于核动力设备的化学体积控制系统的可变装料/固定下泄的控制方案包括一个下泄背压控制器10和多个下泄节流阀14A-14C，下泄背压控制器10用于控制下泄背压控制阀门12，多个下泄节流阀14A-14C通过流体流动管路20并穿过热交换器16连接到控制阀门12。加压器压力水平控制系统18经过分别用于低压误差和高压误差的回路30、32调节多个下泄节流阀14A-14C。流体流动管路20把反应堆冷却系统22连接到一个体积控制池24。下泄背压控制器10分别经回路40、42、44连接到位于多个下泄节流阀14A-14C的传感器。回路40、42、44分别对应于下面在软件配置中要引用的通道110Z、110Y、110X。在每个对应的节流阀14A-14C和控制器10之间提供手动开关28，控制器10处理在多个下泄节流阀14A-14C处指示流体流动管性质的信号，并且在回路46处提供一个可调输出信号，回路46在下面的软件配置中称之为通道201，所述的可调输出信号用于有选择地开启和关闭背压控制阀门12以改变在流体流动管路20中的压力。一个压力传感器50以流体方式连接到流体流动管路20，控制器10经过回路48监视传感器50。总之，下泄背压控制器10响应于来自任何一个阀门14A-14C的输入信号产生可调输出信号。

在流体流动管路20中的压力是通过下泄背压控制阀门12控制的。预定输出响应包括测量在背压控制阀门12之前的流体流动管路20中的流体流动性质，响应于流体流动性质向下泄背压控制器10提供一个输入信号。控制器10处理输入信号，并且产生一个可调输出信号，用于有选择地开启和关闭阀门，以改变流体流动管路20中的压力。具体来说，可以调节输出信号的输出幅度和衰减时间常数。

下泄背压控制器10提供的预定输出响应明显快于常规的比例、积分、微分(PID)控制器。具体来说，下泄背压控制器10在产生瞬时压力脉冲之前或者在产生瞬时压力脉冲的当时就降低了系统的压力，并且把瞬变期间的最大系统压力限制在低于系统安全压力的水平。因为每个系统都有它自已的特征和变量，如特定的阀结构、阀操作人员、和系统响应，所以预定输出响应必须由技术人员调节，并且最好是借助于个人计算机进行调节。

下泄背压控制器10最好是Spec 200 MICRO^_PID控制器，其中包括一个运行专门设计的软件的微处理器。图2用功能方块图的形式使用识别符号和从ISA^_标准ANSI/ISA-S5.1-1994和ANS/ISA-S5.2-1996(1991重审)导出的术语、给出按软件/硬件配置实施的装置和功能元件。在PID控制器10的微处理器上运行的软件最好是SPEC200MICRO^_软件发行的SPC/S2M-AAA2*B2.1版本。SPEC200MICRO^_PID控制器和SPEC200MICRO^_软件这两者都可以从Foxboro Company得到。

下泄背压控制器10的可调输出响应包括用软件配置实施的数字式装置和模拟式装置。可调输出响应被标记为“数字式前馈装置”，如图2所示。可调预定响应是当5个外部数字输入中的任何一个以与阀门处测量的参数无关的方式起作用时“突然”开启控制阀门12的可调输出偏置。然后，在压力脉冲过后，“突变”衰减下来，使得下泄背压控制器10去控制和监视所测量的参数。

下泄背压控制器10还包括自动关闭装置和过程报警装置，二者都标在图2中。在优选实施例中，这两个装置以及数字式前馈装置都归入下泄背压控制器10中。

下面，参照附图2详细描述软件配置，在各个模块标号中使用了SPEC200MICRO^_术语。在美国临时专利申请60/077838中有这个软件配置的更加详细的描述，这里参照引用这个专利申请。

“下泄背压控制”是利用一个SPEC 200 MICRO卡(N-2CCA)和一个显示站(N-2CDA-N1)实现的。通过一个N-2AO-V2I电压-电流转换器转换下泄背压控制器的输出信号，使之从0-10伏直流变为4-20的场电流信号。

在来自通道T-224的“高-高下泄H/S输出温度”条件下，下泄背压控制阀门自动关闭。在“高-高”温度条件存在时，控制器为通道T-224接收来自N-2AI-C2L触点输入卡的一个关闭触点输入信号。一组逻辑门的功能是确定这个输入是否符合“高输出”限值从系统设计人员的设定值切换到0百分数值(关闭阀门)的条件。当控制器处在“自动”(AUTO)模式时，自动关闭功能元件开始起作用。一旦受到激励，关闭信号就保持由控制器的自动模式状态锁住。把下泄背压控制器转接到“MAN”模式，将使这种锁住状态复位，并且使阀门打开。

当向CH-110X、Y、或Z提供来自于操作员手动开关或PLCS的一个开启请求信号时，下泄背压控制阀门使用数字式前馈装置突然开启这些阀门。设定突然开启阀门的时间和幅度，以便可在达到压力的预期增加时开启阀门，这对于下泄管路安全阀的操作可能是一个挑战。对于前馈装置进行设定，以防由于过程处理滞后或阀门性能滞后(即，阀门静压力、等)产生过大的瞬变响应。这个调节设定还必须对于控制器的整个瞬变性能有最小的冲击，从而使系统的性能仍然还处在系统设计者要求的响应之内。

还使用压力输入信号提供高和低压力绝对值报警。SPEC 200MICRO卡在每种报警条件报警时提供一个低逻辑值的输出信号。每个逻辑输出都发送到N-2AO-L2C-R接触式输出卡。

下泄背压控制器

下泄背压控制器利用PID功能元件基于它的已调定的设定值产生一个比例加积分的输出信号。这个输出用于下泄背压阀门的控制。PID控制功能元件是直接发挥作用的(即，输出随测量值的增加而增加)。在“自动”(AUTO)模式，当从CH110X、Y、Z或从两个加压器压力水平控制系统(PLCS)的压力水平误差信号之一接收一个独立的开启请求信号时，只有正向的脉冲函数作为一个偏置加到PID输出上。设定输出限值(PC201)

在0百分数时设定下输出限值(LOLIM)。高输出限值(HOLIM)是作为一个指针设定的，以便可以从一个CALC模块开关功能元件获得一个输出值。HOLIM指针施加一个通过计算从模块2的输出3(B210)选择的高限值。“自动关闭”功能元件归入高限功能元件。

下泄背压报警(HI/LO/B5/报警)

将下泄背压报警设定为输入信号范围的一个数字化量化百分数(PCT)。例如，如果报警的输入信号范围是0到50.00KG/CM2，则按下式计算在35.20KG/CM2的高绝对值报警的设定值：

高报警(HA)=35.20×100PCT=70.4PCT

…………………………………………………50.00

两个绝对值报警使用了相同的死区(DB)值来确定用于报警功能元件的复位值。这个报警功能元件的典型设定值如以下所示：

调节参数                  设定值

高绝对值报警(HA)    =      70.4

低绝对值报警(LA)    =      59.0

死区(DB)            =       1.0自动关闭功能元件(B2-3/CALC)

自动关闭功能元件使用了在CALC模块中执行的开关功能元件来改变控制器的高输出限值。当将输入的逻辑条件(参见第5.6.4节的真值表)设定为0{“开启”触点将模块1的门7的逻辑值(LVB1-7)设定为0}时，“高限”作为下述计算的结果被设定为100.00％的“信号”：

模块2的输出3(S3或B2 10)=0.0000-1.000*LVB1-7+1.000

B2 10=(0.0000-1.000)*0+1.000=1.000

CALC模块的操作OP3和OP7被用来设定“高限”值，OP1被用来设定关闭值。为了进行功能元件接受性测试，将OP3和OP7设定为1.000(或100％的“信号”)。

当将逻辑条件设定为1(“关闭”触点将模块1的门7的逻辑值(LVB1-7)设定为1)时，将“高限”设定为0.0％“信号”，基于下述计算的结果关闭阀门：

模块2的输出3(S3或B2 10)=0.0000-1.000*LVB1-7+1.000

B2 10=(0.0000-1.000)*0+1.000=0.000自动关闭逻辑(B1/门)

使用两个门产生识别和锁存自动关闭信号的逻辑。自动关闭信号用于关闭下泄背压控制阀门。下面的真值表确定了这一功能元件：

T-224高高温触点状态	Tc-224-2N2AI-C2L输出状态	PIC-201A/M模式状态	信号至B2-3CALC模块的开关功能
011-0X1(关闭)=高-高温0(开启)=高-高温清除X=任一条件	011-0X1=高逻辑电平0=低逻辑电平	1110MAN=0AUTO=1	0110(自动关闭)B10607=1(输出高限设定值)B1 D607-0

数字式前馈逻辑(B1/门)

使用5个门产生逻辑以便从操作人员对于下泄口旁路阀门(CH-110X、Y、或Z)的控制或者从对于CH-110Y和Z的PLCS开启请求信号中识别“开启请求信号”。使来自任何一个输入的开启请求信号穿过输入端的“单稳态”和一系列“或”门，  以设定一个时间延迟断开功能元件。这个时间延迟断开功能元件提供了短的持续时间逻辑功能元件，而后者提供开关功能。在这个时间延迟过后，这个逻辑准备从另外的其中一个输入接收另一个开启请求信号。

CH-110X,Y,Z或PLCS触点状态	N-2AI-C2L输出状态	通过一个单触发的每个输入	延迟断开	至CALC开关的信号
					0	0	0	0	0
0-1	0-1	0-1(用于扫描循环的单触发)	0-1(自延时断开开始)	1
					1	1-0	1-0(单触发扫描结束)	1’(计时的延迟周期)	1
X	X	0	1-0’(计时周期结束)	0
					1(关闭)=高-高温	1=高逻辑电平		计时器时钟循环=1’
0(开启)=高-高温清除	0=低逻辑电平		计时器
								时钟循环=0
X=任一条件

*    注：    由CALC模块设定定时的循环持续时间

延时断开

使用CALC模块来扩展时钟脉冲，使其具有一个确定的持续时间。CALC模块的输出包含在一个16位字的13位中。延时断开功能元件在值1.000开始，每个时钟循环计数减少一个固定的值。在预定数目的时钟循环后，第5位从1变到0，结束时钟脉冲的持续时间。

时钟脉冲的持续时间由用以处理数字输入、选通逻辑、和过程操作OP9-OP13所需的时钟循环数目确定。对于这个前馈功能元件，使用操作OP13的设定值来近似代表这个以秒为单位的持续时间。所设定的对于OP13指定的值不应小于5.000，可以将其设定为10.000这个最大值。提供这个范围是为了有足够多的时间去处理脉冲响应的信号衰减的5个或更多个时间常数(参见第5、6、8节，信号衰减时间的设定)。虽然这个时钟脉冲展宽了，但勿需处理附加的开启请求输入。

当一个典型的高通滤波器时间常数是0.78秒时，这可保证延时断开的持续时间超过至少5倍的信号延迟时间常数，其中包括几个输入时钟循环的处理时间，即{(0.78×5)+0.6=4.5秒}，这时，使用的值是6.000。

数字前馈模拟脉冲

使用由一个CALC模块实现的开关功能元件产生用于数字式前馈功能元件的模拟脉冲。基于在模块1的门5(LVB1-5)(即开关)中逻辑值的状态，这个脉冲从值0.0000变化到某个正的幅度，然后又回到零。当LVB1-5=0，通过下述的计算将脉冲幅度设定到0.0％“信号”：

模块2的输出1(S1或B2 08)=0.1000-0.000*LVB1-5+0.0000

B2 08=(0.1000-0.0000)*0+0.0000=0.0000

操作OP19用来设定“输出偏置”的幅度，OP21和OP25被设定为“无偏置(0％)”。为了进行功能元件接受性测试，将OP19设定为0.1000(或10％“信号”，这在输出端大约是一个+1.5毫安直流的冲击)。

当模块1的门5的逻辑值(LVB1-5)=1时，将输出偏置设定在这个冲击幅度值(10％“信号”)。当控制器处在“自动”模式，这将突然开启阀门。输出偏置值被确定为下述计算的结果：

模块2的输出1(S1或B2 08)=0.1000-0.000*LVB1-5+0.0000

B2 08=(0.1000-0.0000)*1+0.0000=0.1000

将在这个例中提供的“输出偏置“的幅度值(OP19)设定为10％。这个值要由在各种系统操作条件和设计瞬时值期间设计人员对于控制器性能的估算值进行调节。

高通滤波器W/高选择功能元件

由开关功能元件B2-1产生的模拟脉冲穿过只具有正向选择功能(IMPP=Y)的一个高通滤波器。按照下式对于这项功能进行拉普拉斯等效：

模块3的输出(s)=B2-1(s)TIS

                      TIS+1

按照下式设定只有正向脉冲功能(IMPP)的时间常数(TI)：

                 TI=0.78秒(0.013分钟)

其中TI是滞后时间常数(LGTIM)，以分钟为单位.

IMPP输出(B3 08)加到模块4的PID功能元件作为“可调预定输出偏置”。

PID控制器10包括一个可调输出偏置响应，它可以由5个外部数字输入中的任何一个启动。此外，可调预定输出响应有两个可调变量：(1)可调输出幅度(0-100％)，和(2)可调衰减时间常数(5-10秒)。此外，可调上限由外部数字输入启动。

由初始配置的系统规定并提供的阀门特征，包括阀门静压力、阀门操作人员响应时间、阀门平衡状态等随着阀门运行随时间而发生变化，可能导致不期望的系统响应。调节下泄背压控制器10的能力给操作人员提供一种不必大规模改造或者替换阀门就可以补偿这些差别的方法。因此，操作人员能够补偿刚装好的阀的特征和用过的阀及其部件的特征之间的差别。

已经公开了本发明的优选实施例。但在本领域的普遍技术人员应该认识到，某些改进和替换形式将落在本发明的教导之内。因此，应对下面的权利要求书进行研究，才能确定本发明的真正范围的内容。

Claims (25)

1．一种用于产生预定输出响应以控制流体流动管路中的流体流动的阀门控制设备，包括：

一个阀门，它设在流体流动管路内；

至少一个传感器，用于响应所述阀门之前的所述流体流动的性质来提供至少一个输入信号；

一个下泄背压控制器，它接收所述至少一个输入信号并且提供一个可调输出信号，以备有选择地开启和关闭所述阀门，从而响应于所述至少一个输入信号改变流体流动管路中的流量。

2．权利要求书1的阀门控制设备，其特征在于：所述下泄背压控制器是一个PID控制器，它包括一个前馈装置，用于产生所述可调输出信号。

3．权利要求2的阀门控制设备，其特征在于：所述下泄背压控制器包括一个计算机，借此可由一个操作人员调节所述输出信号。

4．权利要求2的阀门控制设备，其特征在于：所述可调输出信号包括一个可调输出幅度。

5．权利要求4的阀门控制设备，其特征在于：所述可调输出幅度可在0和100％之间变化。

6．权利要求2的阀门控制设备，其特征在于：所述可调输出信号包括一个可调衰减时间常数。

7．权利要求2的阀门控制设备，其特征在于：所述可调衰减时间常数在5和10秒之间可变。

8．权利要求2的阀门控制设备，其特征在于：所述下泄背压控制器包括一个自动关闭装置。

9．权利要求2的阀门控制设备，其特征在于：所述下泄背压控制器包括一个过程报警装置。

10．权利要求2的阀门控制设备，其特征在于：所述至少一个传感器是多个传感器，用于向下泄背压控制器提供多个输入信号。

11．权利要求10的阀门控制设备，其特征在于：所述流体流动管路是用于核动力设备的可变装料/固定下泄化学体积控制系统的一个部分。

12．权利要求11的阀门控制设备，其特征在于：所述的阀门是一个背压阀门，所述阀门控制设备还包括多个节流阀，它们和所述的背压阀门流体连通，并且其中所述多个输入信号响应于在所述多个节流阀处的流体流动性质。

13．权利要求12的阀门控制设备，其特征在于：所述的流体流动性质包括温度和压力。

14．权利要求13的阀门控制设备，其特征在于：所述的可调输出信号是通过所述下泄背压控制器响应于所述多个输入信号中的任何一个信号产生的。

15．一种通过阀门利用预定输出响应控制流体流动管路中的流体流量的方法，包括如下步骤：

在所述流体流动管路中在背压阀门之前测量流体流动性质；

响应于所述流体流动性质向下泄背压控制器提供至少一个输入信号；

由所述下泄背压控制器处理所述至少一个输入信号；

从所述下泄背压控制器产生一个可调输出信号以便响应于所述至少一个输入信号有选择地开启和关闭阀门以改变流体流动管路中的流量。

16．权利要求15的方法，其特征在于：所述的测量步骤包括测量所述流体流动的温度和压力。

17．权利要求15的方法，其特征在于还包括如下步骤：调节来自于所述下泄背压控制器的所述输出信号。

18．权利要求17的方法，其特征在于：所述的下泄背压控制器包括一个计算机，操作人员借此可以调节所述的输出信号。

19．权利要求18的方法，其特征在于：所述调节步骤包括在0和100％之间调节输出幅度。

20．权利要求18的方法，其特征在于：所述调节步骤包括调节衰减时间常数。

21．权利要求20的方法，其特征在于：所述调节步骤包括在5和10秒之间调节衰减时间常数。

22．权利要求15的方法，其特征在于：所述下泄背压控制器是一个PID控制器，所述的产生步骤包括一个前馈装置，用于产生所述可调输出信号。

23．权利要求22的方法，其特征在于：所述的提供步骤包括向所述的下泄背压控制器提供多个输入信号。

24．权利要求23的方法，其特征在于：所述的阀门是一个背压阀门，并且还包括多个节流阀，它们和所述的背压阀门流体连通，并且其中所述提供步骤包括响应于在所述多个节流阀处的所述流体流动性质来提供多个输入信号。

25．权利要求24的方法，其特征在于：所述的产生步骤包括响应于所述多个输入信号中的任何一个信号从所述下泄背压控制器产生一个可调输出信号。

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