CN203720598U - 过程控制设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种过程控制设备。该过程控制设备包括：杆；可操作地耦接到该杆的致动器，其被配置为向该杆施加力以执行动作；以及可通信地耦接到该致动器的控制器，其被配置为分析摩擦力对该过程控制设备的影响。

Description

过程控制设备
技术领域
本公开概括而言涉及过程控制设备，并且更具体而言涉及用于分析摩擦力对过程控制设备的影响的装置。 
背景技术
过程控制系统通常使用各种过程控制设备(例如旋转阀、线性阀等等)来控制过程。通常由致动器通过杆或轴来操作过程控制设备。在操作期间，过程控制设备和致动器的摩擦力抵抗杆或轴的运动。随着时间推移，过程控制设备和致动器的摩擦力可能增大或减小。 
实用新型内容
针对以上问题，本实用新型提供了一种用于分析过程控制设备和致动器的摩擦力对过程控制设备的影响的装置，使得能够应对摩擦力随时间推移的增大或减小。 
本实用新型提供了一种过程控制设备，包括：杆；可操作地耦接到该杆的致动器，其被配置为向该杆施加力以执行动作；以及可通信地耦接到该致动器的控制器，其被配置为分析摩擦力对该过程控制设备的影响。 
在一种实现中，该致动器是线性致动器。 
在一种实现中，该过程控制设备还包括耦接到该杆的流量控制元件，其中该致动器被配置为向该杆施加该力以移动该流量控制元件。 
在一种实现中，该控制器被配置为确定与该致动器和由该致动器操作的该过程控制设备的摩擦力相对应的值；并且基于与该摩擦 力相对应的该值和预先确定的值，确定指示该摩擦力对于通过该致动器对该过程控制设备的操作的影响的值。 
在一种实现中，该控制器被配置为确定由该致动器在第一位置施加到该杆的第一力和由该致动器在第二位置施加到该杆的第二力。 
在一种实现中，该控制器被配置为确定指示该摩擦力对该过程控制设备的操作的影响的值，该摩擦力的影响包括该过程控制设备的该杆响应于由该致动器向该杆施加的力的移动特征恶化。 
利用本实用新型的方案，能够应对过程控制设备和致动器的摩擦力随时间推移的增大或减小。 
附图说明
图1示出了一个示例性过程控制系统，其中可以在该过程控制系统中实现本文公开的教导。 
图2描述了用于实现本文公开的示例性方法的一个示例性过程控制设备。 
图3是表示本文公开的一个示例性方法的流程图。 
图4是表示本文公开的另一个示例性方法的流程图。 
具体实施方式
虽然结合线性阀和线性致动器来描述下文的示例性装置和方法，但是该示例性装置和方法还可以与由线性或旋转致动器操作的任意其他过程控制设备(如节流阀、隔离阀、旋转阀和／或任意其他过程控制设备)一起使用。 
通常由各种过程控制设备(例如线性阀、旋转阀、节流阀、隔离阀等等)控制工业过程(例如石油和天然气分配系统、化工处理工厂等等)。过程控制设备通常由致动器通过杆或轴来操作。致动器向杆或轴提供力或扭矩，以移动过程控制设备的流量控制元件(例如塞子、盘子、珠子等等)。在操作期间，流体流动经过过程控制 设备并且对流量控制元件并且从而对杆或轴施加各种力。并且，在操作期间，过程控制设备和致动器的摩擦力对抗杆或轴的移动。如果该摩擦力增加，则在各个操作循环之间，该杆或轴响应于该致动器的给定的力或扭矩量的移动量可能改变，该移动可能迟缓，或者该杆或轴可能不响应于由致动器提供的力或扭矩而移动。如果该摩擦力减小，则该杆或轴响应于该致动器的给定数量的力或扭矩的移动量可能增加。 
本文公开的实例可用于分析或估计摩擦力对于由致动器操作的过程控制设备的操作的影响。在一些实例中，将摩擦力对于过程控制设备的操作的影响展示为致动器的杆或轴的移动特征的恶化，其可以指示过程控制设备或致动器的损坏或故障(例如密封件磨损、向致动器供应的气压不足、过程控制设备的流动路径的阻塞等等)。 
本文公开的一个示例性方法包括确定与致动器和由该致动器操作的过程控制设备的摩擦力相对应的值。在一些实例中，与摩擦力相对应的值是该杆或轴从第一位置到第二位置的移动期间，在该第一位置处由该致动器向该杆或轴施加的力或扭矩与在该第二位置处由该致动器向该杆或轴施加的力或扭矩之间的差(即与和该杆从第一位置到第二位置的移动相反的动态摩擦力相对应的差力)。该示例性方法还包括基于与该摩擦力相对应的该值和预先确定的值，确定指示该摩擦力对于通过该致动器对该过程控制设备的操作的影响的值。 
摩擦力对于过程控制设备的操作的影响可以对应于过程控制设备的杆或轴的移动特征，如杆或轴响应于致动器向该杆或轴施加的力或扭矩的移动的敏感度、精确度和／或响应度。在一些实例中，预先确定的值是该致动器的最大力或扭矩与该致动器执行一个动作的力或扭矩之间的差。为了确定指示摩擦力的影响的值，可以例如使用比率将与摩擦力相对应的值与该预先确定的值进行比较。当该比率指示摩擦力的影响已经达到预先确定的级别时可以发送警告消息。 
图1示出了可用于实现本文所述的示例性装置和方法的一个示例性过程控制系统100。示例性过程控制系统100包括任意数量的过程控制设备102，如输入设备和／或输出设备。在一些实例中，输入设备包括阀、泵、风扇、加热器、冷却器、混合器和／或其他设备，并且输出设备包括温度计、压力计、浓度计、液位计、流量计、蒸汽传感器、阀控制器和／或其他设备。输入设备和输出设备经由数据总线(例如Foundation FieldbusTM和HARTTM)或局域网(LAN)106可通信地耦接到控制器104(例如DeltaVTM控制器)。输入设备和输出设备可以被无线可通信地耦接到控制器104。控制器104向输入设备发射指令以控制该过程，并且接收和／或收集由输出设备发射的信息(例如测量到的过程信息、环境信息和／或输入设备信息等等)。控制器104生成通知、警告消息和／或其他信息。控制器104还被可通信地耦接到工作站108，工作站108包括接口110，接口110显示过程控制信息(例如测量到的过程控制信息、警告消息等等)。虽然在图1中显示了单个控制器104，但是在示例性系统100中可以包括一个或多个附加控制器，而不会脱离本文公开的教导。 
图2描述了可用于实现本文公开的实例的示例性过程控制设备200。图2中所示的示例性过程控制设备200是线性阀(例如ED阀)。然而，其他过程控制设备，如旋转阀(例如Vee-BallTMV150阀、Vee-BallTMV300阀等等)、节流阀、隔离阀和／或其他过程控制设备可用于实现本文公开的实例。示例性过程控制设备200包括耦接到杆202的流量控制元件(未显示)(例如塞子、盘子、珠子等等)。线性致动器204(例如667致动器)被可操作地耦接到杆202以在操作期间移动杆202。可用于实现本文公开的实例的一些示例性过程控制设备包括旋转阀或可操作地耦接到旋转致动器的其他设备。在所示的实例中，致动器204是气动致动器。然而，其他致动器，如电动或水力致动器，也可用于实现本文公开的实例。可以基于致动器204和过程控制系统100的特征，例如可用的空气供应压力、致动器204的有效面积、杠杆臂长度和／或 其他特征，来确定致动器204的最大估计力或扭矩。示例性过程控制设备200还包括密封件(未显示)。 
在所示实例中，过程控制设备200包括数字阀控制器206(“DVC”)(例如FIELDVUETMDVC6200数字阀控制器)，以收集信息，如杆202的位置、杆行进的方向、操作循环的计数、致动器压力、由致动器204提供的力或扭矩和／或其他信息。DVC206可通信地耦接到致动器204。在操作期间，DVC206向控制器104发送信息并且从控制器104接收信息。基于该信息，DVC206(例如经由气动信号)向致动器204发射命令。 
响应于来自DVC206的命令，致动器204向杆202施加力，以执行动作(例如移动流量控制元件、密封地接合或断开流量控制元件和座等等)。过程控制设备200和致动器204的摩擦力对抗杆202的移动。影响摩擦力的数量的因素包括例如阀设计、致动器有效面积、阀端口尺寸、加工不平衡区域、杆尺寸、阀的断开分类、阀座类型和／或其他因素。过程条件(例如阀入口压力、阀出口压力、流体流动的方向等等)也可能对抗或促进杆202的移动。 
因此，当过程控制设备200在线(即正在被用于控制过程)时，向杆202施加以执行该动作的力是克服过程控制设备200和致动器204的摩擦力、由过程条件在杆202上产生的力以及执行该动作的任意附加力(例如压缩致动器弹簧的力、实现希望的断开分类的力等等)所需要的合力或净力。可以基于估计的过程条件(例如估计的阀入口压力、估计的阀出口压力等等)和该动作的特征，如希望的断开分类、杆行进距离等等，来确定致动器204执行该动作所需要的估计力。 
摩擦力影响通过致动器204对过程控制设备200的操作。更具体地，随着时间推移，过程控制设备200和／或致动器204的摩擦力可能例如由于磨损、流动路径阻塞、过程介质积聚等等而增加或减小。结果，杆202响应于与致动器204向杆202施加的力的移动特征可能改变或恶化，从而影响致动器204并且从而影响过程控制设 备200对于通过杆202操作过程控制设备200的命令的响应。此外，合适的控制器调谐速度的范围可能减小。 
在一些实例中，受过程控制设备200和致动器204的摩擦力影响的一个移动特征是杆202的移动的敏感度。在该实例中，如果摩擦力增加，则在后续操作循环期间，将杆202移动第一距离的力可能增加。例如，在第一摩擦力数量上，仅当致动器204提供至少第一力数量时杆202才可以移动第一距离。在多个操作循环(例如10000个)之后，过程控制设备200和致动器204的摩擦力可能增加到第二摩擦力数量，并且仅当致动器204向杆202提供至少第二力数量(其大于该第一力数量)时杆202才可以移动该第一距离。在一些实例中，随着摩擦力增加，对于后续操作循环，杆202响应于由致动器204提供的给定力的最小行程增量增加。例如在第一摩擦力数量上，杆202的移动增量的大小可能例如仅是总可能行程或跨度的0.25％所对应的距离。然而，在第二摩擦力数量上，杆202的移动增量的大小可能仅是总可能行程的2％所对应的距离。 
在一些实例中，受过程控制设备200和致动器204的摩擦力影响的一个移动特征是杆202的移动的精确度。在这种实例中，杆202响应于由致动器204提供的力所行进的移动量可能随着摩擦力增加而改变或者变得更加可变。例如，在第一摩擦力数量上，杆202可以响应于由致动器204向杆202施加的第一力数量而移动大约0.50英寸的距离。然而，如果摩擦力增加到大于第一摩擦力数量的第二摩擦力数量，则对于后续操作循环，杆202响应于第一力数量的移动量可能例如在大约0.35英寸到0.50英寸之间改变。 
在一些实例中，受过程控制设备200和致动器204的摩擦力影响的一个移动特征是杆202的移动的响应度。在这种实例中，随着摩擦力增加，在后续操作循环期间响应于由致动器204向杆202提供的力而开始移动杆202的时间增加。例如，在第一摩擦力数量上，杆202可以在向杆202施加第一力数量之后的第一时间量之后开始移动。在第二摩擦力数量上，杆202可能在向杆202施加第一力数 量之后的大于第一时间量的第二时间量之后开始移动。在一些实例中，当摩擦力从第一摩擦力数量增加到第二摩擦力数量时，当例如向杆202施加第一力数量时，将杆202移动一个距离(例如1英寸)的时间增加(即杆202移动更缓慢)。 
图3-4是表示本文公开的示例性方法的流程图。可以由处理器、控制器104和／或任何其他合适的处理设备执行图3-4的示例性方法中的一些或全部。在一些实例中，将图3—4的示例性方法中的一些或全部实现为编码指令，存储在与处理器关联的有形的机器可访问或可读介质(如闪存、ROM和／或随机访问存储器RAM)中。可替换地，可以使用专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、分立逻辑、硬件、固件等等的任意组合来实现图3-4的示例性方法中的一些或全部。图3-4中所示的一个或多个操作还可以手动地实现或者被实现为任意前述技术的组合，例如固件、软件、分立逻辑和／或硬件的任意组合。此外，虽然参考图3-4中所示的流程图描述了示例性方法，但是可以采用实现示例性方法的许多其他方法。例如，可以改变方框的执行次序并且／或者可以改变、去除、再分割或组合所述方框中的一些。另外，可以由例如独立的处理线程、处理器、设备、分立逻辑、电路等等顺序地执行和／或并行地执行图3-4的示例性方法中的任意一个或全部。 
虽然结合线性阀和线性致动器204描述了图3-4的以下示例性方法，但是可以使用由线性致动器或旋转致动器(如节流阀、隔离阀、旋转阀和／或任意其他过程控制设备)操作的任意其他过程控制设备实现其他示例性方法。 
参考图1和图2，图3的示例性方法或过程300通过确定与致动器204和由致动器204操作的过程控制设备200的摩擦力相对应的值来开始(方框302)。在一些实例中，确定与摩擦力相对应的值包括确定在杆202从第一位置移动到第二位置期间，在该第一位置处由致动器204向杆202施加的力与在该第二位置处由致动器204向杆202施加的力之间的差。当过程控制设备200在线或离线时，可 以由DVC206确定由致动器204提供的第一力和第二力。 
在方框304，基于与该摩擦力相对应的值和预先确定的值，确定指示该摩擦力对于通过致动器204对过程控制设备200的操作的影响的值。在一些实例中，摩擦力对于过程控制设备200的操作的影响是杆202响应于由致动器204向杆202施加的力的移动特征的改变或恶化。例如，为了操作过程控制设备200，DVC206(例如经由气动信号)向致动器204发送命令，致动器204基于该命令向杆202提供力。移动特征可以是杆202响应于由致动器204提供的力的移动的敏感度、精确度或响应度。如果在操作期间摩擦力增加或者减小，则摩擦力对该操作的影响可以是杆202响应于由致动器204提供的力的移动的敏感度、精确度和／或响应度增加或减小。 
在所示实例中，该预先确定的值是估计力。在使用旋转致动器实现的一些实例中，该预先确定的值是估计扭矩。该估计力或扭矩可以是致动器204的最大估计力或扭矩与致动器204执行一个动作(例如移动流量控制元件、密封地接合或断开流量控制元件和密封件等等)的估计力或扭矩之间的差。基于致动器204、杆202和／或过程控制系统100的特征，例如可用的供应压力、致动器有效面积、杠杆臂长度、杆202的最大切变强度和／或其他特征，来确定致动器204的最大估计力或扭矩。可以基于估计的过程条件(例如估计的阀入口压力、估计的阀出口压力)和／或该动作的特征，例如希望的断开分类、杆行进距离等等，来确定致动器204执行该动作的估计力或扭矩。 
可以通过例如使用比率将与摩擦力相对应的值与该估计力进行比较，来确定指示摩擦力对于过程控制设备200的操作的影响的值。该估计力对于与摩擦力相对应的值的比率可以例如等于15，这可以指示杆202响应于通过致动器204向杆202施加的第一力数量而移动了与总可能杆行程的0.25％相对应的距离。然而，如果该比率接下来等于5，则该比率可以指示移动特征已经恶化。例如，该比率等于5可以指示杆202响应于比该第一力数量更大的第二力数量移动了 与总可能杆行程的0.25％相对应的距离。 
在方框306，确定指示摩擦力的影响的值是否指示摩擦力的影响已达到预先确定的级别。例如，可以由该比率小于或等于15来指示该预先确定的级别。如果该值指示摩擦力的影响已经达到该预先确定的级别，则发送警告消息(方框308)。例如，如果该比率等于或小于15，则DVC206和／或控制器104生成并且向工作站108发送该警告消息。 
如果该值指示摩擦力的影响没有达到预先确定的级别，则确定指示该摩擦的影响的值的改变速率(方框310)。在一些实例中，基于在方框304处确定的指示摩擦力的影响的值以及一个或多个指示该摩擦力的影响的值，来确定指示该摩擦的影响的值的改变速率。例如，在操作期间，过程控制设备200可以经历多个操作循环，在这些操作循环中致动器204通过杆202操作过程控制设备200(例如输出力以移动杆202)。DVC206和／或控制器104可以确定和／或在表格或数据库中记录对于每个操作循环，力输出的频率和指示与该力输出相对应的摩擦力的影响的值。如果在方框306处，该值指示在方框304处确定的摩擦力的影响未达到预先确定的级别，则在方框310，可以使用该频率、在方框304处确定的值和来自该表格或数据库的值，来确定指示该摩擦力的影响的值的改变速率。例如，对应于大约5个小时的时间段上的力输出，来自该表格或数据库的值可能是18.5、18.4、18.3并且在方框304处确定的值可能是18.0。结果，DVC206或控制器104确定该力输出的频率是每小时1个并且从而该值的改变速率是每小时大约0.1。 
基于该改变速率和指示摩擦力的影响的值，确定直到该值指示摩擦力的影响已经达到预先确定的级别为止的时间余量(方框312)。例如如果该值是18，该值的改变速率是每小时0.1并且由该值等于15指示该预先确定的级别，则直到该值指示摩擦力的影响已经达到预先确定的级别为止的时间余量是30小时。 
在方框314，确定该时间是小于还是等于预先确定的时间。如果 该时间大于预先确定的时间，则示例性方法300返回方框302。如果该时间等于或小于该预先确定的时间，则发送警告消息(方框308)。例如如果该时间等于或小于一天和／或任意其他合适的时间，则DVC206和／或控制器104产生并向工作站108发送警告消息。 
图4是表示本文所公开的另一个示例性方法的流程图。参考图1和图2，图4的示例性方法或过程400通过确定与过程控制设备200和致动器204的摩擦力相对应的值来开始，其中致动器204通过杆202可操作地耦接到过程控制设备200(方框402)。在一些实例中，确定与摩擦力相对应的值包括确定杆202从第一位置移动到第二位置期间，在该第一位置处由致动器204向杆202施加的力与在该第二位置处由致动器204向杆202施加的力之间的差。当过程控制设备200在线或离线时，可以由DVC206确定由致动器204提供的第一力和第二力。 
在方框404，基于与该摩擦力相对应的力，确定指示致动器204对于用于通过杆202操作过程控制设备200的命令的响应的值。在一些实例中，指示该致动器的响应的值对应于杆202响应于由致动器204向杆202施加的力的移动特征。移动特征可以是杆202的移动的敏感度、精确度或响应度。例如，DVC206(例如经由气动信号)向致动器204发送命令以操作过程控制设备200。致动器204基于该命令向杆提供力。如果在操作期间摩擦力增加或者减小，则杆202的移动的敏感度、精确度和／或响应度可能响应于由致动器204向杆202提供的力而增加或减小。结果，致动器204对于用于操作过程控制设备200的命令的响应可以改变或恶化。例如，如果摩擦力增加，则通过致动器204将杆202移动到所命令的位置的力可能增加。 
在一些实例中，确定指示致动器204的响应的值包括将与摩擦力相对应的力与估计力或扭矩进行比较。该估计力或扭矩可以是致动器204的最大估计力或扭矩与致动器204执行一个动作(例如移动流量控制元件、密封地接合或断开流量控制元件和密封件等等)的估计力或扭矩的差。基于致动器204、杆202和／或过程控制系统 100的特征，例如可用供应压力、致动器有效面积、杠杆臂长度、杆202的最大切变强度和／或其他特征，来确定致动器204的最大估计力或扭矩。可以基于估计的过程条件(例如估计的阀入口压力、估计的阀出口压力)和动作的特征，如希望的断开分类、杆行进距离等等，来确定致动器204执行该动作的估计力或扭矩。 
在一些实例中，可以使用比率将与摩擦力相对应的力与估计力进行比较。例如，估计力对于与摩擦力相对应的值的比率可以等于15，这可以指示致动器204响应于命令而通过施加第一力数量将杆202移动对应于总可能杆行程的0.25％的距离。然而，如果该比率接下来等于5，则该比率可以指示致动器204的响应已经恶化。例如，该比率等于5可以指示致动器204和／或过程控制设备200的摩擦力增加，并且致动器204响应于该命令通过向杆202施加比该第一力数量更大的第二力数量而将杆202移动对应于总可能杆行程的0.25％的距离。 
在方框406，确定指示致动器204的响应的值是否指示致动器204的响应已经恶化到或低于预先确定的级别。例如，可以由该比率等于15来指示该预先确定的级别。如果该值指示致动器204的响应已经恶化到或低于该预先确定的级别，则发送警告消息(方框408)。例如，如果该比率等于或小于15，则DVC206和／或控制器104生成并且向工作站108发送该警告消息。 
如果该值指示致动器204的响应没有恶化到或低于预先确定的级别，则确定指示致动器204的响应的值的改变速率(方框410)。在一些实例中，基于在方框404处确定的指示致动器204的响应的值以及一个或多个指示致动器204的响应的值，来确定指示致动器204的响应的值的改变速率。例如，在操作期间，过程控制设备200可以经历多个操作循环，在这些操作循环中致动器204向杆202输出力。DVC206和／或控制器104可以对于每个操作循环确定和／或在表格或数据库中记录力输出的频率和指示与力输出相对应的致动器204的响应的值。如果在方框406处，该值指示在方框404处确定的 值未恶化到或低于预先确定的级别，则在方框410，可以使用该频率、在方框404处确定的值和来自该表格或数据库的值，来确定指示致动器204的响应的值的改变速率。例如，对应于大约5小时的时间段上的力输出，来自该表格或数据库的值可能是16.5、16.4、16.3和16.15，并且在方框404处确定的值可能是16.0。结果，DVC206或控制器104确定力输出的频率是每小时1个并且从而该值的改变速率是每小时大约0.1。 
基于该改变速率和在方框404确定的指示致动器204的响应的值，确定直到该值指示致动器204的响应已经恶化到或低于预先确定的级别为止的时间余量(方框412)。例如，如果该值是16，该值的改变速率是每小时0.1并且由该值等于15指示该预先确定的级别，则直到该值指示致动器204的响应已经恶化到预先确定的级别为止的时间余量是10小时。 
在方框414，确定该时间是否小于或等于预先确定的时间。如果该时间大于预先确定的时间，则示例性方法400返回方框402。如果该时间等于或小于该预先确定的时间，则发送警告消息(方框408)。例如，如果该时间等于或小于一天和／或任意其他合适的时间，则DVC206和／或控制器104产生并向工作站108发送警告消息。 
虽然本文已经描述了特定示例性的方法和装置，但是本实用新型的覆盖范围不限于此。相反，本专利覆盖在字面上或者在等同形式的教义之下清楚地落入所附权利要求的范围中的全部方法、装置和制品。 
为了遵守37C.F.R§1.72(b)而提供本文的公开的摘要，以允许读者迅速确定技术公开的本质。可以理解，该摘要的提交并不用于解释或者限制权利要求的范围或含义。 

Claims (6)

1.一种过程控制设备，其特征在于包括： 
杆； 
可操作地耦接到所述杆的致动器，其被配置为向所述杆施加力以执行动作；以及 
可通信地耦接到所述致动器的控制器，其被配置为分析摩擦力对所述过程控制设备的影响。 
2.如权利要求1所述的过程控制设备，其特征在于所述致动器是线性致动器。 
3.如权利要求1所述的过程控制设备，其特征在于还包括：耦接到所述杆的流量控制元件，其中所述致动器被配置为向所述杆施加所述力以移动所述流量控制元件。 
4.如权利要求1所述的过程控制设备，其特征在于所述控制器被配置为确定与所述致动器和由所述致动器操作的所述过程控制设备的摩擦力相对应的值；并且基于与所述摩擦力相对应的所述值和预先确定的值，确定指示所述摩擦力对于通过所述致动器对所述过程控制设备的操作的影响的值。 
5.如权利要求4所述的过程控制设备，其特征在于所述控制器被配置为确定由所述致动器在第一位置施加到所述杆的第一力和由所述致动器在第二位置施加到所述杆的第二力。 
6.如权利要求4所述的过程控制设备，其特征在于所述控制器被配置为确定指示所述摩擦力对所述过程控制设备的操作的影响的值，所述摩擦力的影响包括所述过程控制设备的所述杆响应于由所述致动器向所述杆施加的力的移动特征恶化。 
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