CN1436325A - 用于控制设备的塞和座定位系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种用来定位控制阀的控制系统。该控制系统采用了第一和第二控制循环以及一个塞座阀组件。第一控制循环监控的被控制阀或者装置的位置或变量，并且将其与一个提供的设定点相比较，以产生一个塞座阀的设定点。第二控制循环将测得的塞座阀位置与第二设定点相比较，以产生一个修正信号来精确定位塞座阀。通过采用第一和第二控制循环，提高了控制阀定位的精确性和灵敏度。

Description

用于控制设备的塞和座定位系统

技术领域

本发明总的涉及用来将阀移动到所要位置的定位装置，更具体地说，是涉及用于这样的定位装置的控制系统。

背景技术

在流体通过管道系统、处理设备以及类似装置的传输中，必需精确和快速地控制系统中的阀。例如，在的石油加工厂或化学制造设备中，集成控制方案在整个系统中通常需要根据所给的一套操作参数依次打开和关闭各种阀以及打开和关闭到各种程度。那些操作参数可以包括所要的流速、定时的流体排放、所要加工的特定流体等等。

因为这样的控制系统变得越来越自动化，所以就要求精确和响应灵敏地定位控制阀。在接收到位置命令信号和实际将阀定位到所要位置之间的任何滞后时间会在产量和效益方面对生产造成不利的影响。

结果，人们就已研制出用来响应灵敏地定位控制阀的系统。例如，在我以前的一个发明，公开于转让给本受让人的美国专利号4,509,403中，提供了一种定位装置系统，它采用单个的反馈循环来动态地控制阀的位置。此外，在美国专利号5,884,894中公开了一个采用第一和第二控制循环来控制滑阀位置的定位系统。但是滑阀一般存在较严重的渗漏，并且如果设计成减少渗漏，就会导致在阀操作范围内的相对较大的“死区域”。这会不利地影响到阀的灵敏度。不仅如此，这样的滑阀还需要按照高精度公差来制造，就增加了阀的成本。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种控制阀组件，它包括一个控制阀、一个塞座阀、一个第一位置传感器、一个第二位置传感器以及一个比较器。塞座阀与控制阀操作地相连。第一位置传感器适于监测控制阀的位置并产生一个第一位置信号。第二位置传感器适于监测塞座阀的位置并产生一个第二位置信号。比较器适于将第一位置信号与一个第一设定点相比较并产生一个第二设定点，并且它还适于将第二位置信号与第二设定点相比较并产生一个修正信号。修正信号被传送到塞座阀以定位控制阀。

根据本发明的另一方面，提供了一种阀控制系统，它包括一个控制阀、一个控制阀致动器、一个第一位置传感器、一个塞座阀、一个第一比较器、一个第二位置传感器、一个第二比较器以及一个变换器。控制阀致动器与控制阀可操作地相连，并且适于改变控制阀的位置。第一位置传感器靠近控制阀，并适于检测控制阀的位置。第一位置传感器产生一个表示控制阀位置的信号。塞座阀与控制阀致动器流体连通，并适于产生一个供控制阀致动器使用的压力信号。第一比较器适于将控制阀位置与一个控制阀设定点相比较，并产生一个塞座阀位置设定点。第二位置传感器靠近塞座阀，并适于检测塞座阀的位置，且产生一个表示塞座阀位置的信号。第二比较器适于将塞座阀位置与塞座阀位置设定点相比较，并产生一个塞座阀修正信号。变换器适于接受塞座阀修正信号并产生一个传送到塞座阀的相应压力信号。

根据本发明的另一个方面，一种用来定位由控制阀致动器驱动的控制阀的系统包括一个第一控制循环和第二控制循环，且该系统中控制阀致动器与一塞座阀连通。第一控制循环将一个表示控制阀位置的信号与一个第一设定点相比较以产生一个第二设定点。第二控制循环将一个表示塞座阀位置的信号与第二设定点相比较以产生一个控制阀致动器驱动信号，该控制阀致动器驱动信号被传送到控制阀致动器以定位控制阀。

根据本发明的另一方面，提供了一种用来定位由控制阀致动器驱动的控制阀的系统，其中控制阀致动器与一控制阀致动器阀连通。该系统包括一个第一控制循环、一个第二控制循环以及一个可调的增益调整电路。在第一控制循环中，将一个表示控制阀位置的信号与一个第一设定点相比较以产生一个第二设定点。在第二控制循环中，将一个表示控制阀致动器阀位置的信号与第二设定点相比较以产生一个控制阀致动器驱动信号，该控制阀致动器驱动信号被传送到控制阀致动器以定位控制阀。可调的增益调整电路设在第二控制循环中，并且适于改变表示控制阀致动器阀位置的信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种用来定位控制阀的方法，它包括以下的步骤：监测控制阀的位置、将控制阀的位置与一个第一设定点相比较、基于比较步骤产生一个第二设定点、监测一个塞座阀的位置、将塞座阀的位置与第二设定点相比较、基于塞座阀位置与第二设定点的比较产生一个修正信号以及基于修正信号定位控制阀。

本发明的这些和其它的方面以及特征会从下面结合附图的详细描述中变得更为清晰。

附图简述

图1是根据本发明的指导构造的一个定位系统的较佳实施例的方框图；

图2是根据本发明的指导构造的一个塞座阀的较佳实施例的剖面图，图示为关闭位置；

图3是与图2相似的塞座阀的剖面图，但所示为塞座阀处于第一打开位置时的情况；

图4是与图2相似的塞座阀的剖面图，但所示为塞座阀处于第二打开位置是的情况；

图5是根据本发明的指导构造的一个塞座阀的第二实施例的剖面图；

图6是根据本发明的指导构造的一个控制阀定位系统的实施例的方框图；

图7是根据本发明的指导构造的一个控制阀定位系统的第三实施例的方框图。

尽管本发明易于进行种种修改并有种种可替代的结构，但在附图中示出其某些示例性实施例，并在下文对其进行详细描述。应予以理解的是，这决非要将本发明局限于所公布的特殊形式，而是相反地，本发明涵盖了所有落入所附权利要求书所定义的本发明原理和保护范围之内的修改变型、可替代构造及等效物。

具体实施方式

现在请参见附图，并特别地参见图1，一个根据本发明的指导构造的一个控制阀定位系统总的由参考标号20标识。如图中所示，定位系统20用来基于从过程控制装置26接收来的一控制阀移动设定点24来控制一个控制阀22的定位。过程控制装置26可以设置为在各种环境(如石油加工厂、化工厂、天然气管道系统或者类似的环境)中用来控制如压力、流量、储罐液位、温度以及诸如此类的变量的综合系统的一部分。

请再参见图1，所示的定位系统20包括一个第一控制循环28和一个第二控制循环30，它们提供了增大的阻力并一起使控制阀22的实际位置与控制阀移动设定点24的匹配更为准确和灵敏。第一控制循环28较佳的是采用一个控制阀处理器32、一个塞和座定位系统34、一个控制阀致动器36以及一个控制阀移动传感器38。控制阀致动器36较佳地是这样一种类型，它接收一气动或其它压力信号40，并且将信号40转换成一个相应的机械移动42，以向设定点24标识的所想要的位置驱动控制阀22。人们可以购得任何数量的这样的致动器，如在转让给本受让人的美国专利号4,509,403所公布的，该专利所公开的内容已结合入本文，以供参考。第一控制循环28可以通过数字电路系统、模拟电路系统或者数字电路系统和模拟电路系统两者的混合来实现。

控制阀移动传感器38设在靠近控制阀致动器36和控制阀22的位置处，以对其位置进行监测。在较佳的实施例中，是对控制阀致动器36的位置进行监测，但应予以理解的是，在可替代的实施例中，可以改为使用控制阀移动传感器38去监测控制阀22的位置。控制阀移动传感器3 8较佳的是一个电位计的形式。可替代地，控制阀移动传感器38可以是霍尔效应传感器的形式，在这样的传感器中，紧挨控制阀致动器36放置一个磁体，并且控制阀致动器36的任何移动都会使该磁体的磁场发生变化；或者控制阀移动传感器38也可以是多个其它位置传感器的形式，这些传感器包括大磁阻装置(GMRs)或其它电子传感器。

控制阀移动传感器38产生一个指示控制阀致动器36位置的控制阀移动信号44，且信号44被送入控制阀处理器32。在控制阀处理器32处，将控制阀移动信号44与控制阀移动设定点24相比较以产生一个位置命令设定点46。对控制阀移动信号44和控制阀移动设定点24进行比较的电子电路可使用带有一微处理器的模拟电子电路系统、数字电子电路系统来实现，或者也可以是模拟和数字结构方式两者的结合。可以连续不断地向控制阀处理器32供给控制阀移动信号44，也可以基于轮班循环地运转以在顺序的间隔进行读取，从而有益地减少电力的消耗。控制阀处理器32可以包括一个偏差放大器或一个比较仪，或者可以具有增益、偏压及过滤能力以改善定位性能。

位置命令设定点46供给形成塞和座定位系统34的第二控制循环30。更具体地说，塞和座定位系统34包括一个定位处理器或电子比较电路48、电动气动继电致动器50、一个较佳的是一塞座阀组件52形式的控制阀致动器阀以及一个塞座阀位置传感器54。控制阀致动器阀可以为包括滑阀之类的其它类型阀的形式，但不局限于滑阀。

塞座阀组件52是用来产生传送到一控制阀致动器36的气动或压力的致动信号40。如上所述，控制阀致动器36使用压力信号40来产生机械移动42，以向一个所想要的位置驱动控制阀22。这里将对塞座阀组件52的机构和功能作进一步的描述。

在靠近塞座阀组件52的位置上设有一个塞座阀位置传感器54，以对塞座阀组件52的位置进行监测，并产生一个表示塞座阀组件52位置的信号60。塞座阀位置传感器54可以是前述的电位计、霍尔效应传感器、大磁阻装置(GMRs)或者其它的电子检测装置。

塞座阀位置信号60供给到定位处理器48，该定位处理器48接着将塞座阀位置传感器信号60与从控制阀处理器32接收来的位置命令设定点46比较。应予以理解的是，尽管所述的为两个处理器32、48，但是可以设置能完成这两个任务的单个处理器。

定位处理器48基于塞座阀位置信号60与位置命令设定点46的比较结果，产生一个塞座阀驱动或修正信号62。驱动或纠正信号62连到电磁继电致动器50，继电致动器50将电信号62转换成一个气动或压力信号64，接着这个信号64被塞座阀组件52使用以产生致动器压力信号40。电动气动继电致动器50可从任何众多的商业上可购得的电流—压力(I到P)转换器或变换器中得到提供，这些转换器和变换器如在我以前的专利中的一个，已转让给本受让人且其公布的内容已结合入本文以供参考的美国专利号5,532,925中所公布的。

现在请参见图2至4，所示为根据本发明的指导构造的一个塞座阀组件52的第一较佳实施例。如上所示，塞座阀组件52接受一个气动致动信号64并产生一个传达到控制阀致动器36的气动致动信号40。在较佳的实施例中，产生了两个气动输出以例如操作一个活塞致动器(未图示)的上和下压力腔。如图中所示，塞座阀组件52包括第一和第二塞座阀66、68。第一和第二塞座阀66、68结构相同。因此，为了方便阅读和理解，仅在图中全面地标识了第一塞座阀组件66。但应予以理解的是，所述的相同部件处参考标号也是相同的。

第一和第二塞座阀66、68由一根致动梁70连结在一起以同步但反向地移动。致动梁70绕一中心枢轴72转动。当第一和第二塞座阀66、68之中的一个打开，第一和第二塞座阀66、68之间的另一个就关闭，或至少关闭到与另一个的打开程度相同的程度。通过这样做，从第一和第二塞座阀66、68来的输出信号都可以利用在例如对综合控制方案的前述活塞致动器或各种参数的控制中。

第一和第二塞座阀66、68中的每一个安装在一个主壳体73内，并包括一个固定的壳体件74，且一筒夹75连在该固定壳体件74上。各个固定壳体件74中放置了一个可动壳体件76。一个可动阀塞78置于各筒夹75的中心孔79内，如下文会进一步详细描述的。根据诸可动壳体件76和诸阀塞78相对诸固定壳体件74的位置，可以向控制阀致动器36供给力变化的气动压力以控制其相应的位置。

各固定壳体件74包括一个供压入口80和一个径向延伸的出口82。供压入口80与一个供压源(未图示)流体相通以用来操作阀66、68。诸中心孔79中的一个将入口80连到出口82的一个。在各筒夹75中的入口80和其中心孔79之间设有一个固定阀座86。

可动壳体件76包括一个上环88和一个下环90。上环88包括一个形成可动阀座93的环形肩状部分92，并且上环88置于固定壳体件74的一凹进部分94内。一条连通道96将上环88与下环90流体相通地连接起来。下环90包括一个环形肩状部分100和一个排出口102，将在下文对它们作更为详细的描述。排出口102引向一个排出腔104。排出腔104通常地是由一第二弹性体隔膜106与凹进部分94隔开。固定壳体件74和可动壳体件76包括多个圆周凹槽110，弹性体密封圈112就置于其中以将塞座阀组件52密封在主壳体73内。

各可动阀塞78可滑动地设置在一个固定壳体件74内和一个可动壳体件76内。更具体地说，各阀塞78包括一个大致呈圆柱形的中心轴114，该中心轴114带有相对的第一和第二头部116、118。第一头部116的尺寸构造成与固定阀座86密封地接合，第二头部118的尺寸构造成与可动壳体件76的可动阀座93密封地接合。各个阀塞78还包括一个与一弹簧122相连的末端固定件120，弹簧122把阀塞78偏压至图2所示的关闭的位置上。

致动梁70包括从中心枢轴伸出的第一和第二杠杆臂124、126。在第一杠杆臂124的一端128设有一个第一附加件127，在第二杠杆臂126的一端132设有一个第二附加件130。各个附加件127、130置于两下环90中的一个内。在致动梁70上与各个第一和第二附加件127、130相对地设有一个致动垫137。

在图3所示的位置中，可注意到，左可动壳体件76已相对与其相关联的阀塞78向下移动，这又会使阀塞78的第二头部118移动，不再与可动阀座93接合。第一头部116在弹簧122的作用下，保持与固定阀座的接合。通过这样做，就产生出一条由箭头α标识出来的通路，这条通路使凹进部分94与排出口102和排出腔104流体连通。

对于右可动壳体件76，它在图3中已向上移动，如由致动梁70的枢轴转动所致使的那样。通过这样做，可动阀座93保持与第二头部118的接合，但是第一头部116已移动，不再与固定阀座86接合。弹簧112发生变形以允许该移动。结果就产生出一条通路β，以允许入口80和出口82之间的流体流动。

因此，在所述的位置，左侧的凹进部分94中的压力就向致动器36提供一个相对较低的输出压力，而在右侧的凹进部分94中的压力则向致动器36提供一个相对较高的输出压力。在活塞致动器的情况下，这样的信号将会进给入上和下压力腔以使活塞上移或下移。在其它的应用中，无需同时使用两个信号。

致使阀塞78向上移动所需要的力由电动气动继电致动器50向其施加。电动气动继电致动器50产生一个增加在致动梁70的致动垫137和塞座阀组件52的一基底142之间的致动腔138内压力的信号64。一个弹性体隔膜144隔离了致动腔138。

偏压的腔体145在致动梁70上施加了一个与致动腔138所施加的力反向作用的力。这样，当致动腔138内的压力减少时，偏压腔145就使致动梁70向一个相反的方向移动。偏压腔145可以包括一个弹簧或者一个独立的压力进给装置以产生这样的偏压，但较佳地是与供压压力流体相通地来产生偏压。

从而，本技术领域中的一个中等水平的人会理解，根据由电动气动继电致动器50给予致动腔138的信号，阀塞78可以移动到沿着图2至4定义的移动范围的任何位置上。如果在致动腔138中的压力增大至大于在偏压腔145中的压力，那么靠近致动腔138的阀塞78就向上移动，并且另一个阀塞78就向下移动。反过来，如果在致动腔138中的压力减少到低于偏压腔145中的压力，那么靠近偏压腔145的阀塞78就向上移动，并且靠近致动腔138的阀塞78向下移动。根据阀塞78的位置，对产生到致动器36的输出信号进行了调整，该信号又接着对控制阀22的位置进行调整。

通过使用如上所述的第二控制循环30来监控阀塞78的位置，就可以精确地控制阀塞78的位置，这又接着提高了可对控制阀22的位置进行控制的精确性和灵敏度。

现在请参见图5，所示为塞座阀组件52的第二个实施例。尽管只使用了单个的塞座阀52，但它的机构与第一较佳实施例所述的相同。这样，在采用了相同的部件之处使用了相同的参考标号。

现在参见图6，根据本发明的指导构建的一个定位系统的第二可替代实施例总的标记为参考标号200。系统200大致与第一较佳实施例相同，并且因此，在采用了相同的部件之处使用了相同的参考标号。但图6可替代实施例的一个不同之处是使用了一个可调的增益调整电路202。可调的增益调整电路202向使用者提供了一个调整回馈给定位处理器48的位置信号58的跨度的装置。这就产生了一种调节定位系统200响应的方法。例如，可调增益调整电路202可以由包括一个将定位处理器48的信号放大一个常数倍的比例循环。本技术领域中的一位中等水平的人员会认识到，除了比例循环，还可以使用一个积分循环以提供一个PI控制，以及可以使用一个微分循环以提供一个PID控制系统。可调增益调整电路202的使用无需局限于采用塞座阀的系统中，而是可以用于采用包括滑阀在内的任何类型阀的系统中。

现在请参见图7，根据本发明的指导构造的一个定位系统的第三较佳实施例总的标识为参考标号300。如图中所示，第一控制循环28无需对控制阀22的位置进行监测并将所得的信号与一控制信号设定点24比较，而是可以使用本发明所述的内容来提供一个也监控其它诸变量的控制循环302。在所述的实施例中，其它的变量可以是一个专门与所控制的过程304相关的变量。例如，在一化学处理设备中，可以利用各种储罐并且可需要对一储罐中的液位进行连续的监控。在这样的例子中，过程可变信号306可以代表在一储罐内的剩余体积量。这个体积量可由一个适合的体积传感器308来进行监测，且传感器308产生一个表示该体积的信号310，并将该信号310传输到一个过程控制器312。然后，过程控制器312可接着将测得的过程信号310与一个由一个更高级别的处理器(未图示)所提供的过程设定点314进行比较。系统300的其余部分是相同，它们也使用一个塞座阀组件52和一个内循环控制来将一个压力信号送向一控制阀致动器。

从前面的描述可见，根据本发明的指导构造的系统提供了所控制的参数的更强的阻力、更好的精确性和灵敏度。

Claims (27)

 1.一种控制阀组件，它包括：

一个控制阀；

一个与控制阀操作地相连的塞座阀；

一个适于监测控制阀的位置并产生一个第一位置信号的第一位置传感器；

一个适于监测塞座阀组件的位置并产生一个第二位置信号的第二位置传感器；以及

一个比较器，它适于将第一位置信号与一个第一设定点相比较并产生一个第二设定点，并且它还适于将第二位置信号与第二设定点相比较并产生一个修正信号，修正信号被传送到塞座阀组件以定位控制阀。

 2.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于：塞座阀组件包括一个固定阀座、一个可动阀座以及一个带有可分别置于固定和可动阀座中的第一和第二头部的阀塞。

 3.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于：至少第一和第二位置传感器中的一个是一个电位计。

 4.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于：至少第一和第二位置传感器中的一个是一个大磁阻装置。

 5.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于：至少第一和第二传感器中的一个是一个霍尔效应传感器。

 6.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于：它还包括一个适于改变第二位置信号的可调增益调整电路。

 7.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于：它还包括比例、积分或微分控制电路。

 8.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于：它还包括一个控制阀致动器，且控制阀致动器适于接受从塞座阀组件来的压力信号并产生机械移动以驱动控制阀到一个所要求的位置。

 9.如权利要求8所述的控制阀组件，其特征在于：它还包括一个变换器，且变换器适于接受从比较器来的电修正信号并产生一个传送到塞座阀组件的压力信号。

10.如权利要求1所述的控制阀组件，其特征在于：塞座阀包括由一公共的致动梁连结在一起的第一和第二塞座阀组件，第一和第二塞座阀组件中的一个在一个第一方向上的移动使第一和第二塞座阀组件中的另一个在一个相反的、第二方向上移动。

11.如权利要求10所述的控制阀组件，其特征在于：塞座阀组件的可动阀座由装配在致动梁上的一个环形部分形成。

12.一种阀控制系统，它包括：

一个控制阀；

一个与控制阀可操作地相连并适于改变控制阀位置的控制阀致动器；

一个第一位置传感器，它靠近控制阀，适于检测控制阀位置并产生一个表示控制阀位置的信号；

一个与控制阀致动器流体连通的塞座阀，它适于产生一个供控制阀致动器使用的压力信号；

一个第一比较器，它适于将控制阀位置与一个控制阀设定点相比较，并产生一个塞座阀位置设定点；

一个第二位置传感器，它靠近塞座阀，适于检测塞座阀的位置并产生一个表示塞座阀位置的信号；

一个第二比较器，它适于将塞座阀位置与塞座阀位置设定点相比较并产生一个塞座阀修正信号；以及

一个变换器，它适于接受塞座阀修正信号并产生一个传送到塞座阀的相应压力信号。

13.如权利要求12所述的阀控制系统，其特征在于：塞座阀包括至少一个塞座阀组件。

14.如权利要求12所述的阀控制系统，其特征在于：至少一个位置传感器是一个电位计。

15.如权利要求12所述的阀控制系统，其特征在于：诸位置传感器是霍尔效应传感器。

16.如权利要求12所述的阀控制系统，其特征在于：它还包括一个适于改变表示塞座阀位置的信号的可调增益调整电路。

17.如权利要求12所述的阀控制系统，其特征在于：塞座阀还包括由一致动梁连结在一起的第一和第二塞座阀组件。

18.如权利要求17所述的阀控制系统，其特征在于：塞座阀组件包括一个固定阀座、一个可动阀座以及一个带有可分别置于固定和可动阀座中的第一和第二头部的阀塞。

19.如权利要求18所述的阀控制系统，其特征在于：塞座阀组件的可动阀座由装配在致动梁上的一个环形部分形成。

20.一种用来定位由控制阀致动器驱动的控制阀的系统，且其中控制阀致动器与一塞座阀连通，所述系统包括：

一个第一控制循环，在其中将一个表示控制阀位置的信号与一个第一设定点相比较以产生一个第二设定点；和

一个第二控制循环，在其中将一个表示塞座阀位置的信号与第二设定点相比较以产生一个控制阀致动器驱动信号，控制阀致动器驱动信号被传送到控制阀致动器以定位控制阀。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于：第一设定点由控制阀用于其中的生产流水线的一个控制器提供。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于：第一控制循环将过程的一个检测的变量与第一设定点相比较以产生第二设定点。

23.一种用来定位由控制阀致动器驱动的控制阀的系统，且其中控制阀致动器与一控制阀致动器阀连通，所述系统包括：

一个第一控制循环，在其中将一个表示控制阀位置的信号与一个第一设定点相比较以产生一个第二设定点；

一个第二控制循环，在其中将一个表示控制阀致动器阀位置的信号与第二设定点相比较以产生一个控制阀致动器驱动信号，控制阀致动器驱动信号被传送到控制阀致动器以定位控制阀；以及

一个设在第二控制循环中的可调的增益调整电路，可调的增益调整电路适于改变表示控制阀致动器阀位置的信号。

24.如权利要求23所述的系统，其特征在于：控制阀致动器阀是一个塞座阀。

25.一种用来定位控制阀的方法，它包括以下的步骤：

监测控制阀的位置；

将控制阀的位置与一个第一设定点相比较；

基于比较步骤产生一个第二设定点；

监测一个塞座阀的位置；

将塞座阀的位置与第二设定点相比较；

基于塞座阀位置与第二设定点的比较产生一个修正信号；以及

基于修正信号定位控制阀。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于：监测步骤使用霍尔效应传感器来完成。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于：定位步骤使用一电流-压力变换器和一个控制阀致动器来完成。

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