DE69837412T2

DE69837412T2 - Ventilpositioniersystem

Info

Publication number: DE69837412T2
Application number: DE69837412T
Authority: DE
Inventors: Christopher Mansfield Colwell; Peter Norwood Levesque; Larry North Attleboro Schoonover; David Chunhe West Roxbury Zhou; Raymond Villier; Vital.Dennis.G; James Norton Stares; Henry Foxburg Boger
Original assignee: Dresser LLC
Current assignee: Dresser LLC
Priority date: 1997-07-23
Filing date: 1998-07-20
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2018-07-21
Also published as: DE69837412D1; ES2304565T3; WO1999005576A2; US6745084B2; DE69833893D1; US20010037159A1; US20010037670A1; EP1058866A4; WO1999005576A3; ES2285303T3; DE69839533D1; DE69833893T2; US6272401B1; US6957127B1; EP1058866A2; US20010032518A1; ES2259163T3; AU8413998A; US6453261B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Positionierer-System zum Steuern eines Fluidsteuerventils und insbesondere ein intelligentes Positionierer-System sowie Software-Routinen zur Steuerung von dessen Betrieb.
Fluidsteuerventile werden verwendet, um Transmission und Distribution von Fluiden zu steuern, wie z.B. Flüssigkeiten und Gase. Bei solchen Anwendungen gibt es häufig Anforderungen für sehr zuverlässige und genaue Ventile hinsichtlich einer korrekten Funktion. Infolge des physikalischen Leistungsvermögens der Ventile sowie der Umgebung, in der das Ventil arbeitet, müssen periodische Wartungen, Kalibrierungen und Einstellungen des Ventils während seines Betriebs durchgeführt werden. Außerdem kann das Ventil ein nicht-lineares und scheinbar unvorhersagbares Verhalten zeigen. Beispielsweise kann eine hohe Reibung in dem Ventil ein Festsitzen-/Rutsch-Verhalten bewirken, wenn das Ventil zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position eingestellt ist. Außerdem beeinflussen Umgebungstemperaturen und Alterung die Charakteristiken der Komponenten und bewirken Positionsfehler.
Viele Ventile sind mit Betätigungsmitteln und Positionierern ausgestattet, um die Ventilbewegung zu steuern. Außerdem werden einige Positionierer mit Hilfe von Computern gesteuert. Jedoch war eine solche Steuerung etwas beschränkt. Außerdem können die herkömmlichen, durch Computer gesteuerten Positionierer nicht adäquat das tatsächliche Ventilverhalten vorhersagen. Daher ist ein Ventil-Positionierer erforderlich, der die kontinuierlichen Wartungs-, Kalibrierungs- und Einstellungsanforderungen des Ventils erleichtert.
Die US-A-5,533,544 offenbart ein Ventil-Positionier-System mit einem modularen elektropneumatischen Wandler und einem durch Zufuhr vorgespannten Relais. Infolge dieser Modularität kann der Wandler auf einfache Weise von einem Strom/Druck-Positionierer zu einem Strom/Druck-Wandler umgebaut werden. Das Relais hat einen Zuführ-Druck der zum Zuführ-Anschluss und durch ein Kapillar-Loch auch zu einer Zufuhr-Vorspann-Kammer geleitet wird. Wie in 18 gezeigt ist, kann das System in einem Ventil-Positionierer verwendet werden, um eine Ventil-Anwendungsposition und eine Druck-Rückmeldung zu steuern.
Die EP 0 571 080 A1 offenbart ein Verfahren zum Erhalten der Eigenschaften eines Feldprozess-Systems, das durch eine selbstjustierende Steuerung gesteuert wird. Das Verfahren analysiert die Antwort einer offenen Regelschleife von einer Prozessvariablen zu einem Schritt, der einem Steuerausgang der Steuerung zugeführt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen selbstjustierenden Positionierer gemäß Anspruch 6.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm von einem Positionierer-System, bei dem die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Steuerung eines Ventils angewendet werden.
2 und 3 sind Darstellungen bezüglich der Position und des Drucks über der Zeit für ein Ventil.
4 ist ein Flussdiagramm für eine Routine zum Berichten von Schleifeneinstellung oder Begrenzen von zyklischen Bewegungen, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
5 ist ein Flussdiagramm für eine Routine für einen stoßfreien Übergang von manueller zu automatischer Betriebsart, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
6a–6b sind Flussdiagramme von einer Routine zur Durchführung einer Positionssteuerung, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
7a, 7b und 7c sind Flussdiagramme für andere Routinen zum Auffinden eines BIAS-Wertes, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet werden.
8 ist ein Flussdiagramm für eine Routine zur Bestimmung einer Ventilsignatur, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
9 ist ein Flussdiagramm für eine Routine zur Bestimmung einer Ventilschrittantwort, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
10a–10b sind Bildschirmansichten mit Graphiken zum Analysieren von Ventilantwortrückkopplung zu der Prozesssteuerung aus 1.
11 ist eine detaillierte Teilansicht von einem Ausführungsbeispiel von einem Rotationsventil, das durch das Positionierer-System aus 1 gesteuert wird.
12 ist ein Flussdiagramm für eine Ventilpositionssteuerroutine, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
13 und 14 sind Darstellungen von Ventil-Positionen über der Zeit, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet werden.
15 ist ein Flussdiagramm von einer Selbsteinstellungsroutine, die bei dem Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
16 ist ein Flussdiagramm von einer BIAS-Auffindungsroutine, die von der Selbsteinstellungsroutine aus 15 aufgerufen wird.
17a und 17b sind Flussdiagramme von einer Einstellungsroutine mit offener Regelschleife, die von der Selbsteinstellungsroutine aus 15 aufgerufen wird.
18 ist ein Flussdiagramm für eine Parameterbestimmungsroutine, die von der Routine aus 17a verwendet wird.
19 ist ein Flussdiagramm von einer Selbsteinstellungsroutine mit geschlossener Regelschleife, die von der Selbsteinstellungsroutine aus 15 aufgerufen wird.
20a und 20b sind Flussdiagramme von einer Vorwärtseinstellungsunterroutine, die durch die Selbsteinstellungsroutine mit geschlossener Regelschleife aus 19 aufgerufen wird.
21 ist ein Flussdiagramm von einer Rückwärtseinstellungsunterroutine, die durch die Selbsteinstellungsroutine mit geschlossener Regelschleife aus 19 aufgerufen wird.
22 ist ein Flussdiagramm für eine Ventilselbstcharakterisierungsroutine, die durch das Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
23 ist ein Flussdiagramm zum Erfassen eines ausgefallenen Positionssensors, das durch das Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
24 ist ein Flussdiagramm von einer Diagnoseroutine für Sitzabnutzung bei geringer Anhebung, die durch das Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
25 ist ein Flussdiagramm von einer Ventilsitz-Schließdiagnoseroutine, die durch das Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
26 ist ein Flussdiagramm von einer Routine zur Bestimmung einer minimalen steuerbaren Anhebungseinstellung, die durch das Positionierer-System aus 1 verwendet wird.
27–28 sind Bildschirmansichten von einer Graphik für Strömungskapazitäten über der Ventilposition und von einem Auf klapp-Fenster, das angezeigt wird, wenn der Benutzer eine ungültige Positionsveränderung anfragt, die durch das Positionierer-System aus 1 bereitgestellt werden.
29 ist ein Flussdiagramm von einer Routine zur Bestimmung von Systembeschränkungen, die durch das Positionierer-System aus 1 verwendet wird, und zwar unter Verwendung der Bildschirmansichten aus 27–28.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen wird ein Ventil 10 durch ein Positionierer-System 12 gesteuert, durch welches die Merkmale der vorliegenden Erfindung implementiert sind. Das Positionierer-System 12 weist einen Multiplexer 14, einen Analog/Digital-Wandler 16 (A/D-Wandler), einen Mikroprozessor 18, einen Digital/Analog-Wandler 20 (D/A-Wandler), einen Strom/Druck-Wandler 22 ("I/P"-Wandler), ein Schieberventil 24 und ein Betätigungsmittel 26 auf. Der Positionierer 12 wird durch eine Stromversorgung 30 und eine Luftversorgung 32 unterstützt.
Der Multiplexer 14 empfängt mehrere Signale, die ein Druck-Rückkopplungssignal 40 von dem Betätigungsmittel 26 und ein Positions-Rückkopplungssignals 42 von dem Ventil 10 umfassen. Das Druck-Rückkopplungssignal 40 wird von dem Drucksensor 44 abgeleitet, der pneumatisch mit dem Betätigungsmittel 26 gekoppelt ist, und das Positions-Rückkopplungssignal 42 wird von einem Positions-Rückkopplungssensor 46 abgeleitet, der mechanisch mit dem Ventil 10 gekoppelt ist. Wenn sich daher die Positionen von dem Ventil und dem Betätigungsmittel verändern, werden dem Multiplexer 14 die veränderten Positionen über das Druck-Rück kopplungssignal 40 und das Positions-Rückkopplungssignal 42 mitgeteilt.
In einigen Ausführungsbeispielen ist der Positionssensor 46 von dem Rest des Positionierers 12 getrennt. Beispielsweise kann in Situationen, in denen sich das Ventil 10 in einer rauen Umgebung befindet, der Positionierer 12 separat angeordnet sein, wobei lediglich der Positionssensor 46 an dem Ventil 10 angebracht ist. Folglich befinden sich lediglich die Luftleitung von dem I/P-Wandler 22, der Positionssensor 46 und die Leitung für das Rückkopplungssignal 42 in der rauen Umgebung.
Der Multiplexer 14 liefert die Signale über den A/D-Wandler 16 an den Mikroprozessor 18. Der Mikroprozessor 18 enthält einen Software-Code, der in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird, um die Position des Ventils 10 zu überwachen, sowie eine Steuerung (nicht gezeigt), um verschiedene Ventilpositionierungsroutinen durchzuführen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung von dem Positionierer 12 entfernt sein, obwohl in anderen Ausführungsbeispielen die Steuerung Teil des Mikroprozessors 18 ist. Daher ist die Funktionalität, die entweder der Steuerung oder dem Mikroprozessor 18 zugewiesen ist, zwischen den beiden austauschbar.
Der Mikroprozessor 18 kann ein oder mehrere Programme intern oder in einem externen Speicher speichern, wie z.B. in einem nichtflüchtigen Speicher 48. Außerdem kann der Mikroprozessor 18 nach außen hin mit Vorrichtungen verbunden sein, wie z.B. eine Tastatur 50 und ein Display 52. Die externe Steuerung kommuniziert mit dem Mikroprozessor 18 über ein Eingangssignal 54, das mit dem Multiplexer 14 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsbeispielen, insbesondere in jenen, die die externe Steuerung verwenden, müssen die Tastatur 50 und das Display 52 nicht vorhanden sein. In diesen Ausführungsbeispielen führen ein Eingabe- und Ausgabemittel, die mit der externen Steuerung in Beziehung stehen, die identischen Funktionen durch.
In Reaktion auf die gespeicherten Programme und die externen Schnittstellen steuert der Mikroprozessor 18 (mit oder ohne die externe Steuerung) die Position des Ventils 10, und zwar durch Steuerung elektronischer Positionssignale. Der Mikroprozessor 18 liefert die elektronischen Positionssignale an den I/P-Wandler 22 über den D/A-Wandler 20, der die Signale in ein analoges Signal "AUS" umwandelt. Der IP-Wandler 22, der auch eine geregelte Luftzufuhr von der Luftquelle 32 empfängt, wandelt das AUS-Signal in pneumatische Positionssignale um.
Der IP-Wandler 22 liefert die pneumatischen Positionssignale über das Schieberventil 24 zum Betätigungsmittel 26. Das Betätigungsmittel 26 ist eine herkömmliche Membran, wie z.B. eine federbelastete (Feder 56) Einrichtung zur Steuerung der Position des Ventils 10. Das Betätigungsmittel 26 kann einfach oder doppelt wirken und kann mit dem Ventil 10 verbunden sein, so dass das Ventil durch einen ansteigenden Druck geschlossen wird, oder alternativ, dass das Ventil durch einen ansteigenden Druck geöffnet wird.
Das Ventil 10 ist ein herkömmliches Ventil und kann eines von vielen verschiedenen Typen sein, einschließlich eines Rotationsventils, das nachfolgend unter Bezugnahme auf 11 in größerem Detail beschrieben wird. Das Ventil 10 enthält beispielhaft ein Gehäuse 60, durch das ein Fluid strömen kann, einen Ventilstopfen 62 und einen Ventilschaft 64. Das Gehäuse 60 beinhaltet einen Sitz 68, so dass dann, wenn der Stopfen 62 gegen den Sitz gedrückt wird, das Ventil geschlossen ist, und wenn der Stopfen von dem Sitz getrennt wird, das Ventil geöffnet ist. Das Betätigungsmittel 26 bewegt den Ventilschaft 64 in Reaktion auf pneumatische Signale von dem I/P-Wandler 22, um somit den Stopfen 62 hin- und herzubewegen, wobei der Ventil geöffnet und geschlossen wird. Viele Kräfte wirken auf den Ventilschaft 64 und den Stopfen 62, einschließlich beispielsweise Federkräfte von dem Betätigungsmittel 26, Fluidkräfte und Reibungskräfte. Es soll verstanden werden, dass Ventile und deren zugehörige Kräfte in der Technik allgemein bekannt sind und dass die obige Beschreibung lediglich für einige verschiedene Ventiltypen repräsentativ ist. Für die übrige Beschreibung wird die allgemeine Bezugnahme auf das Ventil 10 in Richtung auf den Ventilstopfen 62 und den Ventilschaft 64 gelenkt, sofern nichts anderes angegeben ist.
Mit dem Ventil 10 steht eine Strömungscharakteristik in Beziehung. Eine Strömungscharakteristik beschreibt die Strömungskapazität für das Ventil 10 über die Bewegung (offen oder geschlossen) des Ventils 10. Typische Strömungscharakteristiken sind lineare und nicht-lineare Charakteristiken. Ein Typ von nicht-linearer Strömungscharakteristik wird als gleichprozentig bezeichnet, wenn zum Beispiel das Ventil 10 bis 50% offen ist, dann beträgt die Strömungskapazität für das Ventil 50%. Normalerweise öffnet sich das Ventil bei Gleichprozentigkeit nicht linear als eine Funktion des Steuersignals, sondern öffnet stattdessen zuerst sehr langsam und dann am Ende viel schneller. Kundenspezifische Charakteristiken für das Ventil 10 sind ebenfalls verfügbar, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird.
Begrenzte Zykluserfassung bei einem Mikroprozessorgesteuerten Ventilpositionierer
Bei herkömmlichen Positionierer-Systemen, und zwar auch bei solchen, die Mikroprozessor-gesteuert sind, ist der Positionierer häufig nicht in der Lage, das Ventil auf einen gewünschten Einstellpunkt einzustellen. Stattdessen tendiert eine Regelschleife in dem Positionierer zu einer zyklischen Rückwärts- und Vorwärtsbewegung um den gewünschten Einstellpunkt (begrenzte zyklische Bewegung). Dies kann durch Prozessrauschen, eine schlecht eingestellt Schleife oder ein Ventil mit begrenzter zyklischer Bewegung verursacht werden. Es ist häufig schwierig, den Grund der begrenzten zyklischen Bewegung zu bestimmen.
Ein Grund für eine begrenzte zyklische Bewegung ist die Reibung. Wenn ein Betätigungsmittel versucht, ein Ventil in eine neue Position zu bewegen, muss das Betätigungsmittel kontinuierlich Druck aufbauen, bis endlich die Reibung in einer Richtung überwunden wird und das Ventil anfängt sich zu bewegen. Wenn sich das Ventil dann bewegt hat, tritt die Steuerschleife in Aktion und versucht, es in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Und schon wieder muss das Betätigungsmittel kontinuierlich Druck aufbauen, bis es schließlich die Reibung überwindet. Die Zeit, die das Betätigungsmittel benötigt, einen ausreichenden Druck aufzubauen, um das Ventil zu bewegen, wird als "Verzögerung" bezeichnet, und die Differenz zwischen Position und Druck wird als "Phasenverschiebung" bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung dient dazu, die Phasenverschiebung zu berechnen und dann zu bestimmen, ob eine begrenzte zyklische Bewegung stattfindet. Daher kann die Beziehung zwischen der Ventilposition und dem Druck des Betätigungsmittels verwendet werden, um das Vorhandensein und die Quelle der begrenzten zyklischen Bewegung zu bestimmen. Wenn diese bestimmt sind, dann kann der begrenzten zyklischen Bewegung auf verschiedene Art und Weise begegnet werden, einschließlich Benachrichtigen des Benutzers, Aktualisieren eines Wartungsplans für das Ventil, usw.
Unter Bezugnahme auf 2 wird beispielsweise ein sinusförmiger Druck betrachtet, durch den das Ventilbetätigungsmittel 26 gesteuert wird. Das Betätigungsmittel und das Ventil 10 haben eine zugehörige Reibung. Im Fall einer hohen Reibung stellt eine durchgehende Linie 70 den Druck als eine Funktion über der Zeit dar, die gepunktete Linie 72 stellt die Ventilposition als eine Funktion über der Zeit dar, und die gestrichelte Linie 74 stellt den durchschnittlichen Wert von Position und Druck dar. Zu einem Zeitpunkt T1 ist der Druck groß genug, um die Reibung zu überwinden, und das Ventil 10 beginnt sich zu bewegen, und zwar angetrieben durch den ansteigenden Druck. Zu einem Zeitpunkt T2 steigt der Druck nicht mehr an und beginnt abzunehmen. Als ein Ergebnis wird die Bewegung des Ventils 10 beendet, bis der Druck bei einem Zeitpunkt T3 niedrig genug ist, um die Reibung wieder zu überwinden, und das Ventil 10 fängt wieder an sich zu bewegen.
Unter Bezugnahme auf 3 wird in einem Fall mit geringer Reibung der gleiche Druckzyklus 70 auf das Ventil angewendet. Eine neue gepunktete Linie 76 stellt eine Ventilposition als eine Funktion über der Zeit dar. Zu einem Zeitpunkt T5 ist der Druck hoch genug, um die Reibung zu überwinden, und das Ventil 10 fängt an sich zu bewegen, angetrieben durch den angestiegenen Druck. Zu einem Zeitpunk T6 steigt der Druck nicht mehr an und beginnt zu sinken. Als ein Ergebnis hört das Ventil 10 auf sich zu bewegen, wobei zu einem Zeitpunkt T7 der Druck gering genug ist, um die Reibung wieder zu überwinden, und das Ventil beginnt erneut sich zu bewegen. Da jedoch die Reibung in dem Zyklus viel früher überwunden wird, ist die Zeit zwischen T6 und T7, während sich das Ventil nicht bewegt, sehr klein. Damit ist die Verzögerung zwischen dem Druck und der Position sehr viel kleiner. In diesem Fall mit geringer Reibung ist eine begrenzte zyklische Bewegung vermutlich nicht die Ursache des zyklischen Drucks des Betätigungsmittels. Stattdessen ist die Ursache wahrscheinlich die Schleifeneinstellung.
In Reaktion auf eine begrenzte zyklische Bewegung erfasst und berichtet die Steuerung jede begrenzte zyklische Bewegung des Ventils 10. Die Steuerung erfasst die begrenzte zyklische Bewegung, indem der Mikroprozessor 18 den gewünschten Ventileinstellpunkt, die Position des Ventils 10 durch das Positions-Rückkopplungssignal 42 und den Druck des Betätigungsmittels durch das Druck-Rückkopplungssignal 40 empfängt und analysiert. Der Mikroprozessor 18 vergleicht die Nulldurchgänge (Messwerte bezüglich eines durchschnittlichen Messwerts) von diesen drei Werten und berechnet daraus die Phasenbeziehung zwischen diesen. Begrenzte zyklische Bewegung kann durch eine 90°-Phasenbeziehung zwischen der Ventilposition und dem Druck des Betätigungsmittels identifiziert werden. Wenn begrenzte zyklische Bewegung erfasst wird, dann alarmiert der Mikroprozessor 18 den Benutzer zum Beispiel über das Display 52, wodurch es dem Benutzer möglich ist, eine korrekte und zeitlich abgestimmte Wartung durchzuführen.
Unter Bezugnahme auf 4 wird eine Routine 80 während jedes Zyklus der Oszillation mehrere Male wiederholt durchgeführt. Die Routine 80 berechnet zwei Zählerwerte, VERZÖGERUNG und PERIODE, die möglicherweise bei jeder Iteration der Routine inkrementiert werden. Die Routine 80 berichtet entweder SCHLEIFENEINSTELLUNG 82 oder BEGRENZTE ZYKLISCHE BEWEGUNG 84 als Ursache der Oszillation. Wenn SCHLEIFENEINSTELLUNG 82 berichtet wird, was durch nicht korrekte Einstellung der Prozessregelschleife verursacht wird, muss der Benutzer die Prozessregelschleifeneinstellung entsprechend einstellen. Wenn jedoch BEGRENZTE ZYKLISCHE BEWEGUNG 84 berichtet wird, was durch einen hohen Reibungswert des Ventils 10 bewirkt werden kann, muss der Benutzer das Ventil 10 ersetzen und/oder neu einbauen, um eine solche hohe Reibung zu vermeiden.
Die Durchführung beginnt bei Schritt 90, wo der Druck des Betätigungsmittels abgetastet wird. Dies erfolgt durch Lesen des Druck-Rückkopplungssignals 40. Der Druck des Betätigungsmittels muss proportional zu dem AUS-Signal sein. In Schritt 92 wird eine exponentielle Durchschnittsbildung des Drucks des Betätigungsmittels durchgeführt. Durchschnittsdruck = (alter Durchschnitt·N + abgetasteter Wert)/(N + 1) (1)wobei N eine Zahl ist, die gewährleistet, dass der Durchschnitt über mehrere Perioden stattfindet. Da Perioden mit begrenzter zyklischer Bewegung normalerweise einige Sekunden andauern, und da 10 Iterationen pro Sekunde erfolgen können, kann N häufig bei etwa 1000 liegen.
In Schritt 94 untersucht die Routine 80 die positiven Nulldurchgänge von Druck und Ventilposition. Unter Bezugnahme auf 2 und 3 finden die positiven Nulldurchgänge der Druckmessung zu Zeitpunkten T10, T12, T13 und T15 statt. Die PERIODE wird zwischen T10 und T12 sowie zwischen T13 und T15 gemessen. Positive Nulldurchgänge der Positionsmessung finden zu Zeitpunkten T11 und T14 statt. Die Zeiten für VERZÖGERUNG werden zwischen T10 und T11 sowie zwischen T13 und T14 gemessen. Um die Auswirkung von Rauschen zu reduzieren, können die Nulldurchgänge T10, T11, T12, T13, T14 und T15 alternativ nach einigen aufeinanderfolgenden Messungen aus dem Positions-Rückkopplungssignal 42 und dem Drucksignal 40 definiert werden.
In Schritt 96 erfolgt eine Bestimmung, ob die Nulldurchgänge ins Positive gehen. Falls nicht, dann wird in Schritt 98 die Intervallzeitgebung von PERIODE inkrementiert, und die Durchführung geht weiter zu Schritt 100. Anderenfalls wird in Schritt 102 ein Wert X berechnet: X = VERZÖGERUNG/PERIODE (2)
Um den Effekt des Rauschens weiter zu reduzieren, kann der Wert X ebenfalls gemittelt werden. Der Wert X stellt einen Sicherheitspegel bezüglich der Bestimmung der Ursache der Oszillation zur Verfügung. Wenn in Schritt 104 der Wert X nahezu Null ist, dann ist es wahrscheinlich, dass SCHLEIFENEINSTELLUNG 82 die Ursache der Oszillation ist. Wenn X > 0,15, dann ist BEGRENZTE ZYKLISCHE BEWEGUNG 84 vermutlich der Grund der Oszillation. In Schritt 106 werden die Werte PERIODE und VERZÖGERUNG auf "Null" gesetzt, und der Wert STEP wird auf "1" gesetzt.
In Schritt 100 wird die Ventilposition durch das Positions-Rückkopplungssignal 42 gemessen. In Schritt 108 werden die Positionswerte exponentiell gemittelt (siehe obige Gleichung 1), und in Schritt 110 werden erneut die Nulldurchgänge bestimmt. In Schritt 112 erfolgt eine Bestimmung, ob die Nulldurchgänge ins Positive gehen. Wenn dies der Fall ist, dann wird in Schritt 114 der Wert STEP auf "0" gesetzt. In Schritt 116 wird der Wert VERZÖGERUNG auf VERZÖGERUNG + STEP gesetzt, und die Ausführung kehrt zurück zu Schritt 90. Als ein Ergebnis wird die Intervallzeitgebung von PERIODE in jedem Zyklus während der Periode inkrementiert und am Ende der Periode zurückgesetzt. Die Intervallzeitgebung von VERZÖGERUNG wird nur dann inkrementiert, wenn STEP = "1" ist, und am Ende der Periode zurückgesetzt. Der Wert "1" stellt eine Interaktion der Routine 80 zur Bestimmung der Zählerwerte von VERZÖGERUNG und PERIODE dar. Daher wirkt der Wert STEP als ein Schalter, der einen bestimmten Zähler ein- und ausschaltet. Beispielsweise sollte PERIODE mit dem Zählen aufhören, nachdem die Position zu einem Nulldurchgang geht.
Stossfreier Übergang von manueller Betriebsart zu normaler Betriebsart
Der Positionierer 12 unterstützt zwei Betriebsarten: eine normale automatische Betriebsart und eine manuelle Betriebsart. In beiden Fällen läuft ein Steueralgorithmus und positioniert das Ventil, wobei die Differenz bestimmt wird, indem der Ventileinstellpunkt bestimmt wird. Üblicherweise, wenn das Ventil von der automatischer Betriebsart auf die manuelle Betriebsart umgeschaltet wird, wird die Steuerung des Positionierers extern "hochgedreht", d.h. geht zu einer minimalem oder maximalen Ausgabe. Wenn dann das Ventil in die normale Betriebsart zurückgeschaltet wird, schließt oder öffnet der Positionierer das Ventil, bevor es in die korrekte Position bewegt wird, wodurch das Ventil "Stöße" erzeugt.
Beispielsweise kann eine externe Steuerung versuchen, eine Ventilposition anzupassen, während Fluid durch das Ventil strömt. Der Positionierer 12 versucht, die Strömung zu steuern, um einen bestimmten Ventileinstellpunkt anzupassen. Wenn die Steuerung auf die manuelle Betriebsart umgeschaltet wird und die Strömung durch das Ventil zu hoch ist, dann versucht die Steuerung den Ventileinstellpunkt zu verändern, indem das Ventil in einem geringen Ausmaß geschlossen wird. Da sich das Ventil in der manuellen Betriebsart befindet, werden die Positionierungssignale ignoriert. Die Steuerung versucht weiterhin, das Ventil weiter zu schließen, indem das Signal zum Schließen des Ventils erhöht wird. Wenn dann der Positionierer 12 in die normale Betriebsart zurückgeschaltet wird, wird dieses Schließen-Signal erkannt, und das Ventil 12 wird vollständig geschlossen. Die Steuerung erkennt dann, dass die Strömung jetzt zu gering ist und fängt an, das Ventil wieder zu öffnen. Daher kann es einen "Stoß" in der Strömung geben, wenn sich das Ventil 10 schließt und dann wieder öffnet.
Bei der vorliegenden Erfindung wird durch den Positionierer 12 ein stoßfreier Übergang zwischen den Betriebsarten erreicht, indem verhindert wird, dass das Ventil 10 schnell schließt oder vollständig öffnet, nachdem die Steuerung des Ventils durch den Positionierer von der automatischen Betriebsart in die manuelle Betriebsart und dann zurück in die automatische Betriebsart wechselt. Wenn von der manuellen Betriebsart in die automatische Betriebsart umgeschaltet wird, dann liest der Mikroprozessor 18 das Positions-Rückkopplungssignal 42. Wenn die Position des Ventils 10 nicht mit der gewünschten Ventilposition übereinstimmt, dann wartet der Mikroprozessor 18, dass der Benutzer den Steuerungsausgang verändert, um die aktuelle Ventilposition anzupassen. Das Ventil 10 wird in seiner aktuellen Position gehalten, bis der Steuerungsausgang verändert wurde, um angepasst zu sein. Der Mikroprozessor 18 kann den Benutzer informieren, wie z.B. auf dem Display 52, um es den Benutzer zu ermöglichen, zu sehen, in welchem Ausmaß das Signal verändert werden muss, um die aktuelle Ventilposition anzupassen.
Unter Bezugnahme auf 5 bewirkt eine Routine 150 einen stoßfreien Übergang von einer manuellen Betriebsart in eine automatische Betriebsart. Die Routine 150 verwendet eine anfängliche aktuelle Position P_i, eine charakterisierte Position P_s und eine Einstellpunktposition S_p. Der Positionswert S_p (Eingangssignal 54) kommt von der Steuerung. Wenn das Ventil 10 eine gleichprozentige Charakteristik hat, dann sind die charakterisierende Position P_s und die Einstellpunktposition S_p gleich. Andererseits wird eine Charakterisierungsfunktion F_c verwendet, um die Einstellpunktposition S_p in die charakterisierte Position P_s zu konvertieren. Eine Charakterisierungsfunktion definiert die Beziehung zwischen dem Eingangssignal 54 als einen Prozentwert des gemessenen Bereichs und der tatsächlichen Ventilposition P_i als einen Prozentbereich: Ps = Fc(Sp) (3a)und umgekehrt: Sp = Fc –1(Ps) (3b)
Wenn zum Beispiel die Steuerung ein Eingangssignal 54 für einen Einstellpunkt S_p von 50% ausgibt, dann konvertiert die Steuerung das Signal mittels der Charakterisierungs funktion F_c in eine charakterisierte Position P_c, die 15% offen sein kann und eine 50% Strömungsrate hat.
In Schritt 152 wird eine anfängliche Position P_i des Ventils 10 gemessen. Wenn in Schritt 154 der Mikroprozessor 18 einen Befehl empfängt, um den stoßfreien Übergang zu beseitigen, dann geht die Ausführung weiter zu Schritt 156, wo die Steuerung zur manuellen Betriebsart zurückkehrt. Anderenfalls wird in Schritt 160 eine gewünschte Position für die automatische Betriebsart empfangen und in einen Einstellpunktpositionswert S_p konvertiert, der die gewünschte Position als einen Prozentwert von vordefinierten Kalibrierungsgrenzen darstellt. In Schritt 162 wird eine charakterisierte Position P_s, die dem Positionswert S_p entspricht, berechnet.
Wenn in Schritt 164 die Differenz (absoluter Wert) zwischen P_i und P_s keiner ist als eine vordefiniert Grenze "L1", dann geht in Schritt 166 der Betrieb in die automatische Betriebsart. Anderenfalls geht die Ausführung weiter zu Schritt 168, wo die Steuerung den Benutzer informiert, wie beispielsweise auf dem Display 52, um es dem Benutzer zu ermöglichen, zu sehen, in welchem Ausmaß der Positionseinstellpunkt verändert werden muss, um die aktuelle Ventilposition anzupassen. Die Steuerung kann dem Benutzer zusätzliche Informationen zur Verfügung stellen, um den Positionseinstellpunkt einzustellen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Positionierer 12 aktuell das Ventil 10 einstellen oder das AUS-Signal 12 selbst einstellen, und zwar ohne Eingriff durch den Benutzer. Der Benutzer kann diese Funktionalität vorauswählen, oder er kann benachrichtigt werden, nachdem das Ventil bewegt wurde.
Verfahren zum Verhindern, dass die Steuerroutine nach dem Hochfahren ausfällt
Das Schieberventil 24 kann entweder Luft 32 in das Betätigungsmittel 26 füllen oder aus diesem herauslassen. Das Schieberventil 24 wird mit einem pneumatischen Druck gesteuert, der von dem I/P-Wandler 22 kommt, der durch das AUS-Signal gesteuert wird. Ein Signalversatzwert, bezeichnet als "BIAS", kann zu dem I/P-Wandler 22 gesendet werden, um das Schieberventil 24 in der mittleren Position anzuordnen, so dass das Betätigungsmittel 26 weder gefüllt wird noch ausstößt. Der Wert von BIAS variiert von Betätigungsmittel zu Betätigungsmittel und variiert in dem gleichen Betätigungsmittel mit der Temperatur und anderen Betriebsbedingungen. Während des normalen Betriebs des Positionierers 12 findet eine Steuerroutine (nicht gezeigt), die in der Steuerung abläuft, das BIAS und behält dessen Spur.
Es treten häufig Probleme auf, wenn die Steuerung das BIAS konstant einstellt, um es korrekt zu halten. Wenn beispielsweise das Ventil in einer bestimmten Position fest sitzt (wenn z.B. in dem Ventil ein Hindernis vorhanden ist oder mit der Luft 32 ein Problem besteht), dann versucht die Steuerung das Ventil erfolglos zu bewegen. Durch den Versuch das Ventil zu bewegen, stellt die Steuerung kontinuierlich das BIAS in Richtung Null. Wenn sich das Ventil 10 löst, dann ist das BIAS (das bei oder nahe Null liegt) falsch. Die Steuerung muss dann das BIAS in seine korrekte Position einstellen, was eine lange Zeit dauern kann. Als ein Ergebnis bleibt das Ventil 10 für eine längere Zeitdauer geschlossen, bevor das BIAS korrigiert ist.
In Reaktion auf Probleme wie diese, überwacht die vorliegende Erfindung auf intelligente Weise das BIAS und stellt dieses ein. Wenn sich die tatsächliche Ventilposition signifikant von der gewünschten Ventilposition unterscheidet, dann wird das BIAS nicht eingestellt. Außerdem, wenn sich das Ventil 10 an einem Endpunkt befindet (geöffnet oder geschlossen), dann wird das BIAS nicht eingestellt.
Außerdem behält die Steuerung einen Langzeitdurchschnitt (BIAS-Durchschnitt) von dem BIAS bei, so dass es für eine lange Zeitperiode relativ konstant bleibt. Wenn das BIAS nicht korrekt eingestellt wird, dann findet dies vermutlich bei einem anderen Wert statt als bei dem BIAS-Durchschnitt. Wenn dann die Steuerung sieht, dass das BIAS in Richtung auf dem BIAS-Durchschnitt eingestellt ist, kann sie das BIAS sehr schnell einstellen.
Wenn das Ventil 10 während einer vordefinierten Zeit um nicht mehr als einen vordefinierten Betrag bewegt wurde und wenn sich die Ventilposition nicht in der Nähe ihres möglichen Verfahrweges (vollständig geöffnet oder geschlossen) befindet, dann berechnet die Steuerung einen neuen BIAS-Wert als: neu BIAS = alt BIAS + C·(aktuelle Position – eingestellte Position) (4)wobei C eine vordefinierte Konstante ist, die durch die Steuerung modifizierbar ist.
Wenn jedoch das Ventil 10 an einer Bewegung in die Position gehindert ist, die durch Gleichung 4 angeordnet wird, dann erhöht oder vermindert die Steuerung das BIAS weg von dem korrekten Wert, wenn das Ventil nicht behindert wird, wobei das Ventil in eine falsche Position bewegt wird. Um diesen Fehler zu vermeiden, implementiert die Steuerung eine BIAS-Analyse gemäß den nachfolgend gezeigten Gleichungen 5–7: wenn Ventilposition > L_niedriger und Ventilposition < L_höher und |Positionsfehler| < L_Fehler dann BIAS-Durchschnitt = BIAS·T + BIAS-Durchschnitt·(1 – T)(5)
L_niedriger, L_höher und L_Fehler sind vordefinierte Grenzwerte, um eine Durchschnittsbildung zu verhindern, wenn sich das Ventil nahe der geöffneten oder geschlossenen Position befindet oder sich bewegt, und T ist eine Konstante, die verwendet wird, um das BIAS über eine lange Zeitperiode zu mitteln. Positionsfehler ist gleich dem aktuellen Einstellpunkt minus der gemessenen Position. wenn BIAS > (BIAS-Durchschnitt + C2) und Positionsfehler < –E dann BIAS = BIAS-Durchschnitt + C2. (6)wobei E und C2 Fehlergrenzen sind, die durch die Steuerung definiert sind. Die Wirkung von Gleichung 6 besteht darin, das BIAS schnell in Richtung auf den Durchschnittswert zu bewegen, wenn der Positionsfehler angibt, dass das BIAS in diese Richtung bewegt werden sollte. wenn BIAS > (BIAS-Durchschnitt – C2) und Positionsfehler > E dann BIAS = BIAS-Durchschnitt – C2 (7)
Ventilbetätigungsmittelsignaturprozedur, die in einem Positionierer eingebettet ist
Mit dem Ventil 10 steht eine Ventilsignatur in Beziehung. Der Zweck der Ventilsignaturmessung besteht darin, die Reibung und die Hysterese des Ventils zu berücksichtigen. Die Signatur dient somit als ein Diagnosewerkzeug, das Probleme identifizieren kann, wie z.B. eine gebrochene Feder oder hohe Reibung.
Eine Signaturmessung wird für jede Bewegungsrichtung (öffnen oder schließen) des Ventils durchgeführt. Jedoch ist es bei Verwendung des Positions-Rückkopplungssignals 42 möglich, um das Ventil 10 zu positionieren, dass das Ventil überschwingt, und somit ist die Bewegungsrichtung nicht immer die gleiche Richtung. Beispielsweise besteht ein herkömmlicher Weg zum Messen der Ventilsignatur darin, das Ventil auf 15% einzustellen und ihm dann ein Signal zu geben, um auf 20% zu gehen. Wenn das Ventil von 15% auf 20% bewegt wird, kann es sich öffnen, bis es 21% erreicht, und sich dann schließen, um 20% zu erreichen. Als Folge bewegt sich das Ventil sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung. Diese Veränderung hinsichtlich der Richtung stört die durchgeführten Ventilsignaturmessungen.
Die vorliegende Erfindung basiert nicht auf Positions-Rückkopplung, um die Ventilsignatur zu erhalten. Stattdessen ist es lediglich durch Steuerung des Drucks möglich, dieses Problem zu überwinden und eine genauere Ventilsignatur zu erhalten. Wenn mit dem obigen Beispiel fortgefahren wird, dann wird das Ventil auf 15% positioniert, und die Positionssteuerung wird ausgeschaltet. Dann wird der Druck langsam erhöht. Nun, da es keine Positions-Rückkopplung gibt, kann das Ventil nicht überschwingen und die Richtungen wechseln. Stattdessen kann es lediglich in eine Richtung gehen. Position und Druck werden während dieser Zeit konstant abgetastet.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung in eine Diagnosebetriebsart gestellt werden, und die Ventilsignatur kann über einen langen Bereich der Ventilbewegung gemessen werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Steuerung während des Betriebs einen begrenzten Bereich der Ventilbewegung erlauben. In diesem alternativen Ausführungsbeispiel, wenn das Ventil beispielsweise auf 45% eingestellt ist, kann die Steuerung das Ventil zwischen 40% und 50% bewegen, um während des Betriebs die Ventilsignatur zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf 6a stellt die Positionssteuerungsroutine 200 ein genaues Verfahren zur Verfügung, um die Ventilsignaturmessung zu erhalten. In Schritt 202 wird der BIAS-Wert bestimmt. Drei alternative Verfahren zur Bestimmung von BIAS werden weiter unten unter Bezugnahme auf 7a–7c beschrieben. Wenn das BIAS gefunden wurde, dann wird das Ventil 10 in Schritt 204 auf eine Startposition eingestellt, indem die automatische Betriebsart den Druck des Betätigungsmittels 26 einstellen kann.
In Schritt 206 wartet die Steuerung, bis das Ventil 10 an der Startposition stabil ist, indem der Druck (durch das Druck-Rückkopplungssignal 40) und/oder die Position (durch das Positions-Rückkopplungssignal 42) überwacht werden, bis sich der Wert um weniger als einen vorbestimmten Wert verändert. In Schritt 208 wird die automatische Positionierung angehalten. In Schritt 210 wird das Signal zu dem I/P-Wandler 22 auf den BIAS-Wert eingestellt. In Schritt 212 wird das Signal zu dem I/P-Wandler 22 auf das BIAS plus ein vorbestimmter Wert V1 eingestellt. Der Wert V1 kann ein Parameter sein, der von dem Benutzer eingegeben wird, durch ein Programm vordefiniert ist, aus der Größe des Ventils bestimmt wird, oder durch Testen der Ventilantwort bestimmt wird.
In Schritt 214 werden die Ventilposition und der Druck des Betätigungsmittels mit einer vorbestimmten Rate abgetastet und im nichtflüchtigen Speicher 48 gespeichert. Dies wird als "Druck über Position Datensatz – Erhöhen" bezeichnet. Wenn bei Schritt 216 die Position in einem vordefinierten Testbereich liegt, kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 214. Andererseits wird bei Schritt 218 die automatische Positionierung erneut gestartet, und die Ventilposition wird auf die Endposition eingestellt.
In Schritt 220 wartet die Steuerung, bis das Ventil an der Endposition stabil ist, und zwar durch Untersuchung von entweder dem Druck oder der Position, bis sich das Ventil über weniger als einen vorbestimmten Betrag verändert. In Schritt 222 wird eine automatische Positionierung angehalten. In Schritt 224 wird das Signal zu dem I/P-Wandler 22 auf den BIAS-Wert eingestellt. In Schritt 226 wird das Signal zu dem I/P-Wandler 22 auf den BIAS-Wert minus ein Wert eingestellt, der durch einen anderen vorbestimmten Wert V2 bestimmt wird. Der Wert V2 kann gleich dem Wert V1 sein, oder er kann ein Parameter sein, der von dem Benutzer eingegeben wird, der durch das Programm vordefiniert ist, der aus der Größe des Ventils 10 bestimmt wird oder der durch Testen der Ventilantwort bestimmt wird.
In Schritt 228 werden die Ventilposition und der Druck des Betätigungsmittels mit einer vorbestimmten Rate abgetastet und im nichtflüchtigen Speicher 48 gespeichert. Dies wird als "Druck über Position Datensatz – Vermindern" bezeichnet. Wenn in Schritt 230 die Position in dem Testbereich liegt, dann kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 228. Anderenfalls wird in Schritt 232 die automatische Positionierung neu gestartet, und die Ventilposition wird auf die Endposition eingestellt.
In Schritt 234 werden die Daten analysiert, und zwar durch:

1. Berechnen des Federbereichs durch Anpassen der beiden Druck über Position Datensätze mit geraden Linien und Berechnen, wo sie die 0- und 100-Prozentposition kreuzen. Der Federbereich ist der Durchschnitt der Werte, die aus den beiden Linien bestimmt werden. Lediglich die Daten, in denen die Position zwischen etwa 10% und 90% liegt, werden verwendet.
2. Berechnen der Reibung bei einer gegebenen Position durch Interpolieren der Druck über Position Datensätze. Die Reibung beträgt das 0,5-fache des absoluten Wertes der Differenz zwischen dem Druck, der aus dem Druck über Position Datensatz – Erhöhen und dem Druck über Position Datensatz – Vermindern bestimmt wird.

In Schritt 236 werden die Druck über Position Daten, die Federbereichsdaten und die Reibungsdaten in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert. Die Druck über Position Daten, die Federbereichsdaten und dir Reibungsdaten können optional an einen anderen Prozessor (nicht gezeigt) gesendet werden, der mit dem Positionierer 12 verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich können die Druck über Position Daten und die Ergebnisse der Analyse der Daten auf dem Display 52 angezeigt werden.
Unter Bezugnahme auf 7a–7c findet eine Routine, die in dem Mikroprozessor 18 läuft, während des normalen Betriebs des Positionierers 12 den BIAS-Wert und hält dessen Spur. Drei alternative Routinen werden nun detailliert beschrieben.
Unter spezieller Bezugnahme auf 7a kann die erste Routine 250 verwendet werden, um den BIAS-Wert zu finden. In Schritt 252, beim Starten des Positionierers 12, wird das BIAS auf einen vorbestimmten Wert V3 gesetzt, der in dem nichtflüchtigen Speicher 48 gespeichert ist. Der Wert V3 kann ein Wert sein, der aus einer vorhergehenden Operation gespeichert wurde. In Schritt 254 erfolgt eine Bestimmung, ob sich das Ventil 10 über mehr als einen vorbestimmten Betrag während einer vorbestimmten Zeit bewegt hat. Wenn dies der Fall ist, dann wartet die Routine 250, bis sich das Ventil stabilisiert hat. Wenn sich das Ventil stabilisiert hat, dann erfolgt in Schritt 256 eine Bestimmung, ob sich die Ventilposition in der Nähe ihres möglichen Verfahrweges befindet. Wenn dies der Fall ist, dann kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 254. Anderenfalls kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 258. In Schritt 258 wird ein neuer BIAS-Wert gemäß der obigen Gleichung 4 berechnet.
Unter spezieller Bezugnahme auf 7b kann auch eine zweite Routine 260 verwendet werden, um den BIAS-Wert zu finden. In Schritt 262 wird beim Starten des Positionierers 12 das AUS-Signal auf seinen geringsten Wert eingestellt. Dieser Signalwert wird gespeichert und als "vorhergehendes Signal" bezeichnet. In Schritt 264 wird ein vordefinierter Wert zu dem AUS-Signal addiert. Dieser Signalwert wird gespeichert und als "aktuelles Signal" bezeichnet. Der Positionierer 12 wartet dann eine vordefinierte Zeit. In Schritt 266 misst der Prozessor 18 den Druck des Betätigungsmittels 26 durch das Drucksignal 40. In Schritt 268 erfolgt eine Bestimmung, ob der Druck um mehr als einen vordefinierten Wert angestiegen ist. Wenn nicht, dann wird das aktuelle Signal als das vorhergehende Signal gespeichert, und die Durchführung kehrt zu Schritt 264 zurück. Anderenfalls wird der BIAS-Wert berechnet: neues BIAS = (aktuelles Signal + vorhergehendes Signal)/2 (8)
Der neue BIAS-Wert wird im nichtflüchtigen Speicher 48 gespeichert.
Unter spezielle Bezugnahme auf 7c kann auch eine dritte Routine 280 verwendet werden, um den BIAS-Wert zu finden. In Schritt 282 ist das Ventil 10 an einer Position innerhalb von 10% von den äußeren Grenzen seines Verfahrweges positioniert. Diese Position wird als "mittlere Testposition" bezeichnet. Außerdem wird eine "niedrige Testposition" als die mittlere Testposition minus einer Konstanten definiert, und eine "obere Testposition" ist als die mittlere Testposition plus einer Konstanten definiert. In Schritt 284 wird ein Startwert für das BIAS aus entweder einem vorhergehend gespeicherten Wert in dem nichtflüchtigen Speicher 48 oder dem voreingestellten BIAS-Wert aus Schritt 252 (7a) gewählt. Außerdem wird eine BIAS-Inkrementieren-Konstante "INC" definiert.
In Schritt 286 misst der Prozessor 18 die Position aus dem Positions-Rückkopplungssignal 42 und den Druck aus dem Drucksignal 40. In Schritt 288 wird die automatische Positionierung angehalten. In Schritt 290 wird die Ausgabe von dem I/P-Wandler 22 auf den BIAS-Wert eingestellt. In Schritt 292 wartet der Prozessor 18 für eine vordefinierte Zeitperiode und misst dann erneut die Position und den Druck. Die Druckveränderung wird gespeichert.
Wenn in Schritt 294 die Druckänderung in einer anderen Richtung vorliegt als die letzte Druckänderung, dann wird in Schritt 296 die Inkrementieren-Konstante INC halbiert. Wenn in Schritt 298 die neue Inkrementieren-Konstante INC kleiner ist als das kleinste erlaubte Inkrementieren, dann geht die Durchführung weiter zu Schritt 300, wo die automatische Positionierung eingeschaltet und der BIAS-Wert im nichtflüchtigen Speicher 48 gespeichert wird. Bei einer negativen Bestimmung von entweder Schritt 294 oder Schritt 298, geht die Durchführung weiter zu Schritt 302.
In Schritt 302 erfolgt eine Bestimmung, ob der Druck gesunken ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird in Schritt 304 BIAS um die Konstante INC inkrementiert. Die Ausführung geht dann weiter zu Schritt 306, wo eine Bestimmung erfolgt, ob der Druck angestiegen ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird in Schritt 308 BIAS um die Konstante INC dekrementiert. Die Ausführung geht dann weiter zu Schritt 310.
In Schritt 310 erfolgt eine Bestimmung, ob die Position unter einem vorbestimmten unteren Grenzwert oder über einem vorbestimmten oberen Grenzwert liegt. Wenn dies der Fall ist, dann wird in Schritt 312 das AUS-Signal auf einen Wert eingestellt, der eine Ventilbewegung zwischen der unteren Testposition und der oberen Testposition garantiert. Das AUS-Signal ist ein niedriger Wert oder ein hoher Wert, abhängig von dem Typ des Ventils (Luft zum Öffnen oder Luft zum Schließen) und der Wirkung des Positionierers (direkt oder umgekehrt). Die Durchführung geht dann weiter zu Schritt 314, wo das AUS-Signal auf das neue BIAS eingestellt wird, und die Durchführung kehrt zu Schritt 292 zurück.
Für jede der obigen drei Finde BIAS-Routinen 250, 260, 280 wird auf einer periodischen Basis oder durch einen digitalen Befehl das neue BIAS in dem nichtflüchtigen Speicher 48 zur Verwendung beim Starten gespeichert.
Ventildiagnose über einen begrenzten Positionsbereich
Herkömmlicherweise werden Ventildiagnosen durchgeführt, wenn ein Ventilpositionierungsprozess nicht läuft oder das Ventil umgangen wurde. Im Gegensatz dazu bietet die vorliegende Erfindung Ventildiagnosen, einschließlich eines Ventilsignaturtests und eines Schrittantworttests, die laufen können, während der Positionierungsprozess läuft. Speziell laufen die Tests über einen begrenzten Positionsbereich, so dass sie für die Vorhersage von Ventilproblemen verwendet werden können, bevor diese auftreten und bevor der automatische Positionierungsprozess angehalten werden muss.
Unter Bezugnahme auf 8 kann ein Ventilsignaturtest 350 durchgeführt werden, während das Ventil 10 betätigt wird.
In Schritt 352 wird der BIAS-Wert gefunden (z.B. unter Verwendung der obigen Finde BIAS-Routinen 250, 260, 280). In Schritt 354 wird das Ventil 10 auf eine Startposition des Tests eingestellt, indem eine Einstellung des Betätigungsmitteldrucks durch die automatische Positionierung erlaubt wird. In Schritt 356 wartet der Positionierer 12, bis das Ventil 10 an der Startposition stabil ist, indem der Druck über das Drucksensorsignal 40 und/oder die Position über das Positions-Rückkopplungssignal 42 untersucht wird, bis die Wertveränderungen kleiner sind als ein vorbestimmter Wert. In Schritt 358 wird die automatische Positionierung angehalten. In Schritt 360 wird das AUS-Signal auf den BIAS-Wert eingestellt. In Schritt 362 wird das AUS-Signal auf den BIAS-Wert plus ein vorbestimmter Wert V4 eingestellt. Der vordefiniert Wert V4 kann ein Parameter sein, der von einem Benutzer eingegeben wird, durch das Programm vordefiniert ist, aus der Größe des Ventils bestimmt wird oder durch Testen der Ventilantwort bestimmt wird.
In Schritt 364 werden die Position und der Druck des Betätigungsmittels mit einer vorbestimmten Rate abgetastet. Diese Daten, als "Druck über Position Datensatz – Erhöhen" bezeichnet, werden im Speicher gespeichert. In Schritt 366, wenn sich die Position des Ventils in dem Testbereich befindet, kehrt die Durchführung zu Schritt 364 zurück. Anderenfalls wird in Schritt 368 die automatische Positionierung neu gestartet, und die Position des Ventils wird auf die Endposition eingestellt. In Schritt 370 wartet der Positionierer 12, bis das Ventil 10 an der Endposition stabil ist, indem entweder der Druck oder die Position überwacht wird, bis die Wertveränderungen kleiner als ein vorbestimmter Wert sind.
In Schritt 372 wird die Positionierung angehalten. In Schritt 374 wird das AUS-Signal auf das BIAS eingestellt. In Schritt 376 wird das AUS-Signal auf den BIAS-Wert minus dem vorbestimmten Wert V4 eingestellt. In Schritt 378 werden die Position und der Betätigungsmitteldruck mit einer vorbestimmten Rate abgetastet. Diese Daten, als "Druck über Position Datensatz – Vermindern" bezeichnet, werden im Speicher gespeichert.
In Schritt 380 erfolgt eine Bestimmung, ob die Position innerhalb des Testbereichs liegt. Wenn dies der Fall ist, kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 378. Anderenfalls wird in Schritt 382 die Positionierung neu gestartet, und die Position wird auf die Endposition eingestellt.
Bei Beendigung des Ventilsignaturtests 350 können die gespeicherten Daten analysiert werden. Ganz zuerst kann der Federbereich (für Feder 66) berechnet werden, indem zwei Druck über Position Datensätze (Erhöhen und Vermindern) mit geraden Linien ausgedruckt werden und berechnet wird, wo sie die 0- und 100-Prozentpositionen kreuzen. Der Federbereich ist der Mittelwert der Werte, die aus den beiden Linien bestimmt werden. Nur die Positionsdaten zwischen 10% und 90% werden verwendet.
Außerdem kann die Ventilreibung an einer gegebenen Position durch Interpolation der Druck über Position Datensätze berechnet werden. Diese Reibung ist halb so groß wie der absolute Wert der Differenz zwischen dem Druck, der aus dem Druck über Position Datensatz – Erhöhen und dem Druck über Position Datensatz – Vermindern bestimmt ist. Die Druck über Position Daten, die Federbereichsdaten und die Reibungsdaten können in dem nicht-flüchtigen Speicher 48 gespeichert werden, können digital zu einem externen Prozessor gesendet werden, der mit dem Positionierer 12 verbunden ist, oder können graphisch auf dem Display 52 gezeigt werden.
Unter Bezugnahme auf 9 kann ein Schrittantworttest 400 auch dann durchgeführt werden, während das Ventil 10 betrieben wird. In Schritt 402 wird das Ventil 10 auf eine Startposition eingestellt, indem es der automatischen Positionierungsroutine ermöglicht wird, den Betätigungsmitteldruck einzustellen. In Schritt 404 wartet der Positionierer 12, bis das Ventil an der Startposition stabil ist, indem entweder der Druck über das Drucksensorsignal 40 und/oder die Position über das Positions-Rückkopplungssignal 42 untersucht wird, bis sich der Wert um weniger als einen vorbestimmten Wert verändert.
In Schritt 406 erfolgt eine Bestimmung, ob eine vordefinierte Zeit T_T der Positionsabtastung abgelaufen ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird die Routine angehalten. Andererseits wird in Schritt 408 die Position mit einer feststehenden Rate abgetastet, und die entsprechende Zeit und die Position werden in einem Speicher gespeichert. In Schritt 410 erfolgt eine Bestimmung, ob eine andere zwischenliegende Zeit T_S abgelaufen ist. Wenn dies der Fall ist, dann befehligt der Positionierer 12 in Schritt 412 die automatische Positionierungsroutine, das Ventil in die Endposition zu bewegen, und die Durchführung kehrt zu Schritt 404 zurück. Anderenfalls kehrt die Durchführung zu Schritt 406 zurück.
Wenn der Schrittantworttest 400 beendet ist, oder zwischenzeitlich während des Tests, können die gemessenen Daten in dem nichtflüchtigen Speicher 48 gespeichert werden, können digital zu einem externen Prozessor gesendet werden, der mit dem Positionierer 12 verbunden ist, oder können graphisch auf dem Display 52 dargestellt werden.
Ventilantwort-Rückkopplung um die Prozessorsteuerung
Wenn ein Programm in dem Positionierer 12 läuft, dann liefert der Positionierer eine Rückkopplung an einen Benutzer, die die Ventilantwort angibt. Dem Benutzer wird eine visuelle Rückkopplung des Ventilbetriebs gegeben, die einfach zu identifizieren, zu verstehen und zu diagnostizieren ist. Wenn beispielsweise das Ventil 10 bei 15% liegt (unter der Annahme, dass das Ventil eine gleiche Prozentsatzcharakterisierung hat), und die Steuerung ein Signal sendet, um auf 50% zu bewegen, dann wird das Ventil entsprechend bewegt. Der Positionierer 12 zeigt eine Graphik auf dem Display 52, die sowohl die Ventilposition P_akt als auch die charakterisierte Position P_s angibt. Die Charakterisierungsfunktion F_c definiert die Beziehung zwischen dem Eingangssignal (Eingangssignal 54) als ein Prozentsatz des gemessenen Bereichs und der gewünschten Ventilposition als ein Prozentsatz des Bereichs gemäß den obigen Gleichungen 3a und 3b. Idealerweise sollten die Position P_akt und die charakterisierte Position P_s immer zusammenpassen. Falls nicht, dann ist mit dem Ventil etwas falsch. Es ist gewünscht, Daten graphisch anzuzeigen, die den Benutzer dabei unterstützen zu erfahren, wann das Ventil 10 korrekt arbeitet.
Unter Bezugnahme auf 10a kann zwecks eines Beispiels ein Fenster 450 auf dem Display 52 angezeigt werden. Ein Ventileinstellpunkt S_p von 50,5% ist gewünscht.
Das Fenster enthält eine Graphik 452, die einen Ventilpositionswert 454 aus dem Positions-Rückkopplungssignal 42 und der charakterisierten Ventilposition 456 (P_s) zeigt. Die charakterisierte Ventilposition 456 wird durch die Charakterisierungsfunktion F_c von dem Ventileinstellpunkt bestimmt (siehe Gleichung 3a). Durch Verwendung des charakterisierten Positionswertes 456 können die Werte 454 und 456 unter Verwendung des gleichen Maßstabs ausgedruckt werden, und wenn sie sich in Ausrichtung befinden, kann der Benutzer schnell und einfach bestimmen, ob das Ventil korrekt arbeitet.
Unter Bezugnahme auf 10b kann in einem anderen Beispiel ein Fenster 460 auf dem Display 52 gezeigt werden. Das Fenster enthält eine Graphik 462, die die Strömungsrate in Kubikfuß pro Minute (cfm) angibt. Eine Strömungsrate von 43,07 cfm ist gewünscht. Eine zweite Graphik 462 zeigt einen Steuerungsausgabewert 468 (S_p) und einen inversen charakterisierten Ventilpositionswert 470. Der inverse charakterisierte Ventilpositionswert 470 wird durch die inverse Charakterisierungsfunktion F_c ^–1 des Positions-Rückkopplungssignals 42 bestimmt (siehe Gleichung 3b). Durch Verwendung des inversen charakterisierten Positionswertes 470 anstelle der aktuellen Ventilposition, die durch den Rückführungssensor 46 bereitgestellt wird, können die Werte 468 und 470 unter Verwendung des gleichen Maßstabs gedruckt werden, und wenn sie sich in Ausrichtung befinden, kann der Benutzer schnell und einfach bestimmen, ob das Ventil korrekt arbeitet.
Ventil-Positionierer mit automatischer Kompensation für Schaftverdrehung
Unter Bezugnahme auf 11 ist ein Ausführungsbeispiel von dem Ventil 10 gezeigt, das einen Schaft 486 aufweist, um den sich ein Kolben 62 dreht. Das Ventil 10 ist beispielhaft als ein sich durch Strömung öffnendes Ventil gezeigt, es soll aber verstanden werden, dass auch andere Typen von Ventilen verwendet werden können. Zwei Drücke P1 und P2 sind angegeben, wobei Druck P1 vor dem Ventil 10 vorherrscht und Druck P2 hinter dem Ventil vorherrscht. Wegen einer Druckdifferenz (P1 – P2) des Fluids über den Ventilkolben 62 kann es eine Differenz zwischen der gewünschten Position des Ventilkolbens und der aktuellen Position des Ventilkolbens infolge einer Verdrehung des Ventilschafts geben. Die verlagerte Position des Ventilkolbens 62 ist durch die gestrichelte Linie des Kolbens 488 dargestellt. Es ist insbesondere nicht erwünscht, wenn das Ventil 10 nahezu geschlossen ist und/oder sich die Druckdifferenz P1 – P2 bei ihrem Maximum befindet, wodurch der verwendbare Steuerungsbereich des Ventils begrenzt wird. Außerdem, da der Positionssensor 46, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Potentiometer ist, am Ventilschaft 486 misst, kann er keine korrekte Position darstellen, wobei diese korrekte Position insbesondere dann kritische ist, wenn das Ventil 10 nahezu geschlossen ist.
Anfänglich ist der Positionierer 12 kalibriert, wobei keine Prozesskräfte auf den Ventilkolben 62 wirken. Die Kolbenposition über den Betätigungsmitteldruck wird durch Berechnung der Verlagerung bestimmt: Verlagerung = FD(Betätigungsmitteldruck) (9)
F_D(Betätigungsmitteldruck) kann experimentell bestimmt werden, und die Funktion kann durch den Mikroprozessor 18 durchgeführt werden. Das auf den Ventilschaft 486 wirkende Drehmoment ist direkt proportional zu dem Betätigungsmitteldruck. Außerdem ist ein Gradient für den Schaft 486 in der Funktion F_D fakturiert.
Beispielsweise kann eine Tabelle mit getesteten Werten in einem nichtflüchtigen Speicher 48 gespeichert werden. Für einen gegebenen Ventiltyp, Größe und Strömungsrichtung wird der Gradient (Winkelverlagerung über Ventilkolbenkraft) bestimmt. Die Differenz zwischen dem Druck unter Null-Last und aktueller Last, dividiert durch den Gradienten, ist proportional zur Verdrehung.
Wenn die Funktion F_D bestimmt wird, dann basiert die Position des Ventilschafts 468 korrekt auf der geschätzten Verdrehung entsprechend der folgenden Gleichung: wahre Position = Positions-Rückkopplungssignal(42) + FD(Betätigungsmitteldruck) (10)
Als Ergebnis wird durch die vorliegende Erfindung eine Verdrehung des Ventilschafts 486 kompensiert, wie diese durch Prozessfluidkräfte entsteht, die auf den Ventilkolben 62 wirken. Diese Verdrehung, die eine Differenz zwischen der an einem Ende des Schaftes gemessenen Position und der tatsächlichen Position des Ventilkolbens bewirkt, würde andererseits ungenaue Positionsmessungen bewirken.
Nicht-lineare umfassende Ventilpositionssteuerroutine
Normalerweise ist das Steuerventil 10 ein nicht-lineares asymmetrisches System. Es kann beispielsweise gewünscht sein, das Ventil bei 10% zu positionieren. In Fortsetzung des Beispiels hat die Luftzufuhr 32 einen Zuführdruck von 20 psi und einen Betriebsbereich von 3 bis 16 psi. Vier psi sind erforderlich, damit das Betätigungsmittel 26 das Ventil 10 bei 10% einstellt. Da der Zuführdruck für die Luftzufuhr 32 bei 20 psi liegt, herrscht eine antreibende Kraft für das Betätigungsmittel in der Höhe von 16 psi (20 psi – 4 psi). Als ein Ergebnis wird das Ventil aufgrund der großen antreibenden Kraft sehr schnell geöffnet.
Es wird mit dem Beispiel fortgefahren, wobei 14 psi erforderlich sind, damit das Betätigungsmittel 26 das Ventil 10 bei 90% positioniert. Die antreibende Kraft für dieses Szenario beträgt 6 psi (20 psi – 14 psi). Als Ergebnis öffnet das Ventil sehr langsam, und zwar aufgrund der kleinen antreibenden Kraft. Dies ist nur ein Beispiel wie und warum das Steuerventil 10 nicht-linear ist.
Wenn eine lineare Steuerung hinsichtlich des Ventils 10 implementiert werden soll, dann ist die Ventilleistung inkonsistent. Ein Steueralgorithmus, wie beispielsweise jener der vorliegenden Erfindung, kompensiert die Nicht-Linearitäten, um eine gleichmäßige Leistung über einen breiten Bereich von Positionen zu erreichen (von 0 bis 100 %). Der Steueralgorithmus stellt drei Verfahren bereit, um die Nicht-Linearitäten des Steuerventils 10 zu kompensieren und eine konstante Schleifenverstärkung K bereitzustellen. Die Verstärkung K für die Steuerung ist die gesamte Dauerzustandsverstärkung und das Verhältnis der Veränderung der Dauerzustandsausgabe zu einer Schrittänderung am Eingang. Zuerst werden zwei separate zwischenliegende Dauerzustandsverstärkungen verwendet. Jede separate Dauerzustandsverstärkung ist ein Verhältnis, das in dem I/P-Wandler 22 verwendet wird, wenn das AUS-Signal in das Luftsignal für das Schieberventil 24 konvertiert wird. Eine Verstärkung P_F wird verwendet, wenn das Betätigungsmittel 26 gefüllt wird, und eine andere Verstärkung P_E wird verwendet, wenn das Betätigungsmittel ausstößt.
Zweitens, eine einstellbare Verstärkung β für die Steuerung zieht Positionsfehler in Betracht, die aus Veränderungen in der Bewegung in der Membran (nicht gezeigt) des Betätigungsmittels 26 resultieren, die mit der Richtung und mit der Position variieren (z.B. nahezu geschlossen über nahezu geöffnet).
Drittens, ein Positionskompensationsfaktor γ für die Steuerung zieht Veränderungen in dem Luftvolumen des Betätigungsmittels 26 in Betracht, der ein unterschiedliches Verhalten des Betätigungsmittels bewirkt. Ein Koeffizient γ_E wird verwendet, um zu kompensieren, wenn die Luft ausgestoßen wird, und ein Koeffizient γ_F wird verwendet, um zu kompensieren, wenn Luft eingefüllt wird.
Unter Bezugnahme auf 12 verwendet eine Ventilpositionssteuerroutine 500 die separaten Verstärkungen P_F, P_E für beide Bewegungsrichtungen des Ventils 10, wendet die einstellbare Verstärkung β an, um sowohl Fehlergrößenbezogene und Ventilpositions-bezogenen Nicht-Linearitäten zu kompensieren, und wendet den Positionskompensationsfaktor γ an, um eine einstellbare Totzone zur Verfügung zu stellen, um die Festsitzen-/Rutsch-Probleme des Ventils zu überwinden.
Ein Dämpfungskoeffizient wird ebenfalls zur Einstellung der von Kunden gewünschten Ventilantwortgeschwindigkeit verwendet, und eine integrierte Steuerung ist in die Routine integriert, um Dauerzustandspositionsfehler und Hysterese zu minimieren, die durch zahlreiche Faktoren bewirkt werden, ohne einen nachteiligen Effekt auf dynamische Antworten zu haben. Die Routine 500 minimiert außerdem das Totband, eliminiert begrenzte zyklische Bewegungen und maximiert dynamische Antworten für Ventile mit hoher Reibung mit einer Festsitzen-/Rutsch-Bewegung, wie in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird.
Es gibt einige verschiedene Merkmale, die durch die Routine 500 bereitgestellt werden: sie stellt eine spezielle nicht-lineare Verstärkungskompensationsgleichung bereit, die zuverlässig und einfach anzuwenden ist, insbesondere hinsichtlich ihrer Anwendung auf fehlerbezogene und positionsbezogene Ventil-Nichtlinearitäten; sie schafft ein integrales Dauerzustandssteuerschema, um Dauerzustandspositionsfehler und Festsitzen-/Rutsch-Bewegung zu minimieren; sie verwendet eine Totzone, um Festsitzen-Rutsch-Ventilverhalten mit hoher Reibung zu überwinden; und sie steuert das Ventil unabhängig sowohl in Öffnung- und Schließrichtung, um eine gleichmäßige Leistung oder eine vom Kunden gewünschte Leistung zu erreichen.
Die Ventilpositionssteuerroutine 500 empfängt einen entfernten Positionseinstellpunkt (Z_RSP) vom Mikroprozessor 18. Der entfernte Einstellpunkt Z_RSP ist ähnlich der Einstellpunktposition S_P aus Gleichung 3. In Schritt 502 wird Z_RSP Skaliert, falls erforderlich, und zwar auf einen Standardbereich, und in Schritt 504 wird unter Verwendung einer Charakteristikfunktion F_c charakterisiert, um einen normalen Positionseinstellpunkt (Z_NSP) zu erzeugen. Der normale Positionseinstellpunkt Z_NSP ist ähnlich der charakterisierten Position P_s aus Gleichung 3. Der Ventilcharakterisierungsschritt 504 wird verwendet, um eine Kompensation der Prozesssteuerschleife zu erreichen, und ist wichtig, um eine Gleichmäßigkeit der Steuerleistung unter einem breiten Betriebsbereich zu erhalten. Eine Verstärkungskompensation bewirkt eine Einstellung der Steuerungsverstärkung K infolge von Verstärkungsveränderungen von anderen Komponenten in der Steuerschleife. Die Positionssteuerroutine 500 wählt das Z_NSP aus, wenn sich der Positionierer 12 in der normalen (oder automatischen) Betriebsart befindet. Anderenfalls wählt die Routine einen manuellen Positionseinstellpunkt (Z_MSP) für die manuelle Betriebsart aus.
Ein Hoch/Tief-Grenzwertschritt 506 prüft den ausgewählten Positionseinstellpunkt (Z_MSP oder Z_NSP), wenn Hoch/Tief-Grenzwertflaggen gesetzt sind, und begrenzt die Einstellpunkte entsprechend. Die Hoch/Tief-Grenzwertflaggen ermöglichen es dem Kunden, einen gewünschten Betriebsbereich für das Ventil 10 zu konfigurieren. Der Kunde kann außerdem einen eine enge Abschaltflagge für das Ventil 10 einstellen. Wenn in Schritt 508 die enge Abschaltflagge gesetzt ist und der Positionseinstellpunkt (Z_SP) unter die enge Abschaltposition fällt (z.B. 5%), dann stellt die Routine 500 das AUS-Signal entweder seinen hohen oder niedrigen Grenzwert, um die maximale Kraft zum Schließen des Ventils zu erzeugen, Eine enge Abschalt-Totzone, normalerweise 0,5 bis 1%, wird verwendet, um eine Ventilbewegung nahe der Abschaltposition zu vermeiden. Das Ventil 10 bleibt vollständig geschlossen, bis der Einstellpunkt die enge Abschaltposition plus einer engen Abschalt-Totzone (z.B. 5% + 0,5%) überschreitet.
Ein Dämpfungsschritt 510 wird verwendet, um die Ventilantwortgeschwindigkeit zu manipulieren, indem ein aktueller Positionseinstellpunkt (Z_CSP) mit einem einstellbaren Dämpfungskoeffizienten (α) oder einem feststehenden Dämpfungskoeffizienten (α₀) berechnet wird, wie in den folgenden Gleichungen beschrieben: ZCSP(t) = αZM(t) + (I – α)ZSP(t),(11) wenn abs(ZSP – ZM) > ΔZD = α0ZM(t)+(1 – α0)ZSP(t), wenn abs(ZSP – ZM) ≤ ΔZD (11)wobei 0 ≤ α < 1, 0 ≤ α0 < 1 (12)

t: = Zeit, Sec
Z_M: = gemessene Ventilposition,
Z_SP: = Ventilpositionseinstellpunkt,
ΔZ_D: = Ventilantwortdämpfungstotzone,

Es gibt keine Dämpfung bei α = 0 und die maximale Dämpfung, wenn α sich dem Wert 1 annähert. Wenn eine schnelle Ventilantwort gewünscht ist, dann muss der Dämpfungskoeffizient auf Null eingestellt werden (keine Dämpfung). Es ist wichtig, die Dämpfung (stelle α₀ = 0 oder nahe 0 ein) in einer Dämpfungstotzone (normalerweise 0,3 bis 1%) zu begrenzen, so dass die Leistungsgenauigkeit und das Totband nicht verschlechtert werden.
Alternativ kann Gleichung 11 umgeschrieben werden, um den Dämpfungskoeffizienten in einem Ganzzahlformat zu verwenden, wie folgt: ZCSP(t) = [αZM(t)/10+[(10 – α)ZSP(t)]/10, wenn abs(ZSP – ZM)>ΔZD =[α0ZM(t)/10+[(10 – α0)ZSP(t)]/10, wenn abs(ZSP – ZM)≤ΔZD (13) wobei 0 ≤ α ≤ 9, 0 ≤ α0 ≤ 9 (14)
Der Positionsfehler ist gleich dem aktuellen Einstellpunkt minus der gemessenen Position. Abhängig davon, ob das Ventilbetätigungsmittelsystem direkt oder umgekehrt wirkt, kann das Vorzeichen des Fehlers in Schritt 512 umgekehrt werden, so dass die Positionssteuerung immer eine negative Rückkopplungsschleife ist.
In Schritt 514 ist ein Rauschfilter konstruiert, um Positionsfehlerrauschen herauszufiltern. Die Positionsfehler werden gemittelt, wenn das Rauschen einen signifikanten Bereich periodischen Rauschens enthält. Eine geeignete Totzone (z.B. 0,03 bis 0,08%), basierend auf dem Rauschpegel, kann ebenfalls angewendet werden, um das Rauschen herauszufiltern.
In Schritt 516 ist eine Totzone ausgestaltet, um das Problem des Festsitzen-/Rutsch-Verhaltens der Ventilbewegung zu überwinden, das typisch ist, wenn das Ventil 10 ein Ventil mit hoher Reibung ist. Die hohe Reibung hinsichtlich der Bewegung des Ventilschafts 64 führt manchmal zu einem Festsitzen-/Rutsch-Verhalten, da die statische Reibung höher ist als die dynamische Reibung. Die hohe Reibung und das Festsitzen-/Rutsch-Verhalten können zu einer langsamen Antwort, einer hohen Hysterese plus Totband und/oder zu einer begrenzten zyklischen Bewegung des Ventils führen. Wenn das Ventil 10 ein Ventil mit geringer Reibung ohne Festsitzen/Rutsch-Verhalten ist, dann ist die Totzone gleich Null.
Als nächstes wird eine nicht-lineare Proportional-Differential-Dauerzustands-Integral-Routine 520 (PD-SSI) durchgeführt. Die PD-SSI-Routine 520 verwendet eine nichtlineare Proportional-Differential-Steuerung, um die Position des Ventils 10 schnell auf oder in die Nähe seines Einstellpunkts einzustellen, wobei dann eine spezielle Dauerzustands-Integral-Steuerung eingeschaltet wird, um den Dauerzustandsfehler zu eliminieren oder zu minimieren. Durch Verwendung der PD-SSI-Routine 520 kann die Hyterese (plus Totband) von einem Ventil mit hoher Reibung signifikant auf 0,05–0,3% reduziert werden, wobei immer noch eine schnelle dynamische Antwort erhalten wird. Die Totzone wird daher eingestellt (in Schritt 516), um eine minimale Ventilbewegungsauflösung zu erhalten, so dass dann, wenn das Ventil 10 in seiner minimalen Totzone bewegt wird, die Steuerung aufhört, ihren Ausgang zu verändern, um eine mögliche begrenzte zyklische Bewegung zu vermeiden.
Die PD-SSI-Routine 520 kann in der Laplace-Transformation wie folgt ausgedruckt werden: OUT(s) = K[1 + DTERM + ITERM] (15)

OUT(s): = Steuerungsausgang in der Laplace-Transformation
K: = Verstärkung
ITERM: = BIAS(s) Ausgleichsausgang in der Laplace-Transformation

K_D: = abgeleitete Verstärkung, normalerweise 8–15 sec^–1
T_D: = abgeleitete Zeit
Z_E(S): = Positionsfehler in der Laplace-Transformation

Die nicht-lineare Verstärkung K wird nachfolgend in größerem Detail erläutert.
Üblicherweise haben nicht-integrale Steuerroutinen inhärente Dauerzustandsfehler oder einen Versatz. Diese Dauerzustandsfehler werden durch zahlreichen Faktoren beeinflusst, wie z.B. Umgebungstemperatur und Alterungseffekte, die die Charakteristiken der Komponenten negativ beeinflussen können. Die Dauerzustandsfehler, falls signifikant, führen zu einer reduzierten Kapazität oder zu einem schlechten Schließen, was Feldkalibrierung oder Einstellung erforderlich macht. Im Gegensatz dazu wird integrale Steuerung bei der Vermeidung dieser Dauerzustandsfehler wirksam, und sie reduziert daher die Genauigkeit und die Linearitätsanforderung von verschiedenen Komponenten, die beispielsweise der I/P-Wandler 22 und das Schieberventil 24.
Jedoch neigt die integrale Steuerung dazu, Positions-Überschwingen und begrenzte zyklische Bewegung sowie Hochdrehen zu bewirken. Um von den Vorteilen der integralen Steuerung die vollen Vorteile zu genießen und um gleichzeitig ihre Nachteile zu vermeiden, verwendet die PD-SSI-Routine 520 eine integrale Dauerzustandssteuerung, die während einer momentanen Antwort abgeschaltet wird, und wenn sich das Ventil bei oder nahe seiner vollständig geschlossenen oder vollständig geöffneten Position befindet, und im Dauerzustand eingeschaltet wird. Die integrale Steuerung, die in der PD-SSI-Routine 520 verwendet wird, kann wie folgt ausgedrückt werden:

P_F: = proportionale Verstärkung beim Luftfüllbetrieb für einzeln wirkendes Betätigungsmittel und für Öffnungsbetrieb für doppelt wirkendes Betätigungsmittel
T₁: = Intervallzeit
nΔT: = Integralsteuerungsberechnungsperiode
Z_E: = Positionsfehler nach Rauschfilter (Schritt 514) und eingestellt für Totzone (516).

Die obige Gleichung wird nur ausgeführt, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: 0,3–1% ≤ ZM(t) ≤ 98–99,7% (17) 0,3–1% ≤ ZM(t) ≤ 98–99,7% (18) abs[ZE(t) – ZE(t – kΔt)] ≤ 0,1–0,2%, wenn k = 1,2, ..., m (19) nΔt = 3 – 10sec (20)
Das Zeitintervall TI sollte auf einen geeignet großen Wert eingestellt werden (normalerweise 0,3 bis 2,0 Sekunden), so dass die Integralsteuerung nur eingeschaltet wird, wenn sich das Ventil bei oder nahe einem Dauerzustand befindet. Die integrale Steuerung wird nach einem sehr viel größerem Intervall nΔT als die Positionsroutinen-Berechnungsperiode (ΔT) ausgeführt, wobei die größere Zeitdauer in Betracht gezogen wird, die erforderlich ist, um den Druck des Betätigungsmittels zu verändern, um die Ventilreibung zu überwinden, wenn die Position Z_E bei nahe Null liegt. Dies trägt zur Verhinderung von begrenzter zyklischer Bewegung bei. Eine nicht-lineare integrale Steuerung, die eine große Auswirkung für große Fehler hat, kann gewünscht sein, um große Dauerzustandsfehler beim Starten des Ventils oder während plötzlicher Veränderung in der Umgebung schneller zu vermindern, wie beispielsweise Umgebungstemperatur und Vibration.
Die Ventilsteuerung ist inhärent nicht-linear. In der PD-SSI-Routine 520 wird eine nicht-lineare Verstärkung K verwendet, um diese inhärenten Nicht-Linearitäten zu kompensieren. Die folgende Beschreibung basiert auf die Annahme, dass ein Anstieg der Steuerungsausgabe zu einer Luftbefüllung des Betätigungsmittels 26 für ein einfach wirkendes Betätigungsmittel oder zum Öffnen des Ventils für einen doppelt wirkenden Betätigungsmittel führt. Dies wird jedoch auch in der entgegengesetzten Situation angewendet, mit einiger Veränderung in den nachfolgenden entsprechenden Gleichungen.
Die Steuerungsverstärkung K kann ausgedruckt werden durch: K = f(β,ZE)f(γF,ZM,ZE)PF wenn ZE ≥ 0 = f(β,ZE)f(γE,ZM,ZE)PE wenn ZE ≺ 0 (21)wobei:

f(β,Z_E): = nicht-lineare fehlergrößenbezogener Verstärkungsfaktor
f(γ_E,Z_M,Z_E): = nicht-lineare funktionsbezogener Verstärkungsfaktor in Luftausstoßbetrieb für einfach wirkendes Betätigungsmittel, und in geschlossenem Betrieb für doppelt wirkendes Betätigungsmittel
f(γ_F,Z_M,Z_E): = nicht-lineare positionsbezogener Verstärkungsfaktor bei Luftfüllbetrieb für einfach Wirkendes Betätigungsmittel, und bei offenem Betrieb für doppelt wirkendes Betätigungsmittel
P_E: = proportionale Verstärkung bei Luftausstoßbetrieb für einfach wirkendes Betätigungsmittel, und in geschlossenem Betrieb für doppelt wirkendes Betätigungsmittel
P_F: = proportionale Verstärkung bei Luftbefüllbetrieb für einfach wirkendes Betätigungsmittel, und für offenen Betrieb für doppelt wirkendes Betätigungsmittel
β: = fehlergrößenbezogener nicht-linearer Koeffizient
γ_E: = positionsbezogener nicht-linearer Koeffizient bei Luftausstoßbetrieb für einfach wirkendes Betätigungsmittel, und im geschlossenen Betrieb für doppelt wirkendes Betätigungsmittel
γ_F: = positionsbezogener nicht-linearer Koeffizient bei Luftbefüllbetrieb für einfach wirkendes Betätigungsmittel, und bei offenem Betrieb für doppelt wirkendes Betätigungsmittel
Z_E: = skalierte Version von manuellem Positionswert Z_POS

Wenn das Betätigungsmittel 26 ein Feder-Membran-Betätigungsmittel ist, dann hängt die Geschwindigkeit der Luftbefüllung des Betätigungsmittels von dem Luftzufuhrdruck ab, wohingegen die Geschwindigkeit des Luftausstoßes des Betätigungsmittels von dem Luftzufuhrdruck unabhängig ist. Dies führt zu recht unterschiedlichen Antworten in Öffnungs- und Schließrichtung, wenn eine einzelne proportionale Verstärkung verwendet wird. Um dieses asymmetrische Verhalten zu kompensieren, und um sowohl die Öffnungs- wie auch die Schließantworten unabhängig einstellbar zu machen, werden separate proportionale Verstärkungen in dieser Routine verwendet, um sowohl die Öffnungs- wie auch die Schließantworten des Ventils unabhängig zu steuern. Ein Verstärkungsauswahlschritt 522 bestimmt automatisch, welche Verstärkung verwendet werden sollte, und zwar basierend auf der Richtung der Ventilbewegung. Außerdem, wenn das Betätigungsmittel 26 ein doppelt wirkendes Betätigungsmittel ist, dann ist es häufig gewünscht, verschiedene Verstärkungen zu verwenden, um die Öffnungs- und Schließantworten unabhängig zu verändern.
In Schritt 524 wird ein fehlergrößenbezogener nichtlinearer Verstärkungsfaktor verwendet, um die Verstärkung zu kompensieren, die beispielsweise durch eine nicht-lineare federähnliche Membrankraft in dem Betätigungsmittel 26 oder dem Ventil 10 bewirkt wird. Die folgende typische Verstärkungskompensationsgleichung wird verwendet
0 ≤ β < 1 (23)
Wenn β = 0 ist, dann ist der Faktor f = 1,0, und die Steuerungsverstärkung K ist unabhängig vom Fehler. Je größer β ist, desto größer ist die Nicht-Linearität der Steuerungsverstärkung. Ein typischer mittelgroßer Fehler von 2% bis 6% kann als Referenzfehler in der obigen Gleichung verwendet werden. Beim Referenzfehler beträgt der nicht-lineare Faktor immer 1,0.
Eine entsprechende Verstärkungskompensationsgleichung im Ganzzahlformat kann gewünscht sein, um Berechnungszeit und Speicher zu sparen:
β⁰ ist auf einem Bereich von 0 bis 9 begrenzt. Wenn ein Referenzfehler von 5% ausgewählt ist, kann der nicht-linear Verstärkungsfaktor dargestellt werden, wie in Tabelle 1.
Tabelle 1
Die Ventilantworten sind auch abhängig von der Position (d.h. die Ventilantworten sind in verschiedenen Positionen verschieden), abhängig vom Typ des Betätigungsmittels und abhängig vom Typ des Ventils. Für ein Ventil mit einem einfach wirkenden Betätigungsmittel ist die von der Position abhängige Nicht-Linearität sehr viel höher in der Luftbefüllrichtung als in der Luftausstoßrichtung. Es wird beispielsweise eine schrittweise 5%-Änderung betrachtet. Ein Luft-Öffnen-Ventil öffnet sehr viel schneller von 10% bis 15% als von 90% bis 95%, und zwar infolge der Luftbefüllung, wie vorstehend in Detail beschrieben. Jedoch ist die Antwort von diesem Ventil beim Schließen (Luftausstoß) nicht wesentlich verschieden gegenüber dem gesamten Betriebsbereich.
Durch mathematisches Modellieren können die obigen Antworten simuliert werden. Für ein typisches einfach wirkendes Schieberventil kann die Luftmassenströmung durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden:
(PS – P)/Ps ≤ XT (27) (P – Pe)/P ≤ XT (28)wobei

k_i: = Strömungskoeffizient von Zuführanschluss zu Betätigungsmittel
k_o: = Strömungskoeffizient von Betätigungsmittel zu Auslassanschluss
P_e: = Auslassanschlussdruck
P: = Betätigungsmitteldruck
P_s: = Zuführanschlussdruck
T: = Lufttemperatur
T_ref: = Referenztemperatur
w_i: = Luftbefüllmassenströmung
w_o: = Luftauslassmassenströmung
x: = Kolbenverlagerung
x_T: = 0,84 (Druckverlustverhältnisfaktor, dimensionslos)

Gleichungen 25–28 sind Annäherungen der Basisöffnungsströmung unter der Annahme, dass Luft ein ideales Gas bei einer Umgebungstemperatur und bei einem Druck unter 80 psi ist.
Unter den Annahmen, dass Luft in dem Betätigungsmittel ein ideales Gas ist und der Prozess in dem Betätigungsmittel adiabatisch ist, kann gezeigt werden, dass:
pνλ = const, @m = const (30)

m: = Luftmasse, LB_m
M: = Luft-Molekulargewicht
R: = Gaskonstante
v: = Luftvolumen, in³
λ: = Verhältnis des spezifischen Luftgewichts, 1,40
P: = Druck
T: = Temperatur

Die folgende Gleichung kann aus den beiden obigen Gleichungen abgeleitet werden:
Unter der Annahme eines konstanten effektiven Bereichs kann die obige Gleichung für die Luft in beiden Seiten des Ventilkolbens 62 umgeschrieben werden:

A_a: = effektives Gebiet des Ventilstopfens 62
Z: = Ventilschaftposition in Zoll oder Millimeter

Wenn das anfängliche Luftvolumen bei Null angenommen wird und v proportional z ist, dann können wir die obige Gleichung vereinfachen als:
Für die Luftbefüllung ist w_i die Veränderung in der Luftmasse (dm/dt). Für den gleichen Versatz für das Schieberventil 24 ist die Luftbefüllmassenströmung die größte, wenn das Luftvolumen das größte ist. Der erste Begriff ist der größte, und der zweite Begriff ist der kleinste auf der rechten Seite der obigen Gleichung, was bewirkt, dass die Ventilbewegung (dz/dt) am schnellste ist, wenn der Betätigungsmittelluftdruck am niedrigsten ist. Die Antwort des Ventils 10 wird langsamer, wenn der Luftdruck des Betätigungsmittels 26 ansteigt und das Luftvolumen abnimmt (dm/pdt fällt schnell ab).
Für austretende Luft, w_o = dm/dt, wird die Luftauslassmassenströmung größer, wenn der Druck für das Betätigungsmittel 26 ansteigt. Dies führt zu einer dm/pdt-Veränderung, die sehr viel weiniger signifikant ist als beim Luftbefüllvorgang. Daher ist die Verstärkungskompensation für den Luftbefüllvorgang sehr viel wichtiger als für den Luftausstoßvorgang. Als ein Ergebnis muss die positionsbezogene Verstärkungskompensation bei Luftbefüll/und Luftausstoßvorgängen unterschiedlich sein.
Aus der obigen Analyse wird es erforderlich, eine positionsbezogene Verstärkungskompensation 526 für den Luftbefüllvorgang anzuwenden, um eine gleichmäßigere dynamische Leistung in einem weiten Ventilbetriebsbereich für den Fall zu haben, wenn das Betätigungsventil 26 einfach wirkend ist. Wie bei der Fehlergrößen-bezogenen Verstärkungskompensation 524 werden daher die nachfolgenden ähnlichen Verstärkungskompensationsgleichungen für das einfach wirkende Betätigungsmittel 26 verwendet.
0 ≤ λF ≺ 1, 0 ≤ λE ≺ 1 (36) ZRM = ZM für Luft-Öffnen-Ventil = 100% – Zm für Luft-Schließen-Ventil (37) wobei Z^ref eine Referenzposition ist, bei der der Faktor f immer 1,0 ist, unabhängig von dem Wert der nicht-linearen Koeffizienten γ_F oder γ_E. Eine typische 30% zu 70%-Ventilposition kann als die Referenzposition verwendet werden, bei der ein selbsteinstellendes oder manuell einstellbares Verfahren angewendet werden kann, um den Einstellparameter zu bestimmen, einschließlich der proportionalen Verstärkung. Die proportionalen Verstärkungen in anderen Positionen können durch die nicht-linearen Koeffizienten γ_Fund γ_E eingestellt werden, um eine ähnliche dynamische Leistung hinsichtlich der Referenzposition zu erreichen.
Gemäß der obigen Analyse ist die positionsbezogene Nicht-Linearität in der Luftbefüllrichtung sehr viel höher als in der Luftausstoßrichtung für das einfach wirkende Betätigungsmittel 26, was zu der Relation zwischen zwei nicht-linearen Koeffizienten führt: γF ≻ γE (38)
Zwei entsprechende Verstärkungskompensationsgleichungen in Ganzzahl-Format für ein einfach wirkendes Betätigungsmittel können zur Einsparung von Rechenzeit und Speicher gewünscht sein:
wobei die Ganzzahlen γ 0 / F und γ 0 / E auf dem Bereich von 0 bis 11 begrenzt sind. Auch hier werden die positionbezogenen nicht-linearen Koeffizienten so gewählt, dass γ 0 / F > γ 0 / E ist.
Wenn ein Referenzfehler von 40% für ein Luft-Öffnen-Ventil gewählt wird, dann ist der Wert der obigen nichtlinearen Verstärkungsfaktoren nachfolgend in Tabelle 2 dargestellt. Es gibt ein Hoch/Tief-Begrenzungsmodul 530, um die Ausgabe 534 zu begrenzen, berechnet durch Gleichung 15. Die Ausgabe 534 von dem Begrenzungsmodul 530 wird in ein analoges Signal umgewandelt, beispielsweise ein Strom, der dem I/P-Wandler 22 zugeführt wird und dazu dient, um den Ventilbetätigungsdruck und die Ventilposition zu steuern.
Tabelle 2
Wenn beispielsweise γ_E gleich 2 ist und die gemessene Ventilposition Z_M gleich 20% ist, dann hat die Funktion f(γ_E,Z_M,Z_E) den Wert 0,963, der in der obigen Gleichung 21 verwendet werden kann.
Ventilpositionssteuerungsselbsteinstellungsroutine
Die Ventilpositionssteuerungscharakteristiken weichen infolge unterschiedlicher Typen und Größen von Betätigungsmitteln und Ventilen, die von verschiedenen Herstellern hergestellt sind, unterschiedlicher Charakteristiken von I/P-Wandlern und Relais-Vorrichtungen, Luftzuführdrücken, Kapazitäten und Prozessbedingungen, etc. wesentlich voneinander ab. Dies führt dazu, dass die Einstellung der Ventilpositionssteuerung schwierig und zeitintensiv ist. Durch die vorliegende Erfindung wird eine Selbsteinstellungsroutine zur Verfügung gestellt, die Variablen, wie z.B. die Steuerungsverstärkung, Dauerzustandsfehler und Totzone, in Betracht zieht und automatisch die Steuerungsparameter für das Steuerventil bestimmt.
13 zeigt eine Darstellung 540, die beschreibt, wie die Ventilposition auf eine Veränderung des Einstellpunkts antwortet. 14 zeigt eine Darstellung 542, die eine verbesserte Ventilpositionsantwort beschreibt, die durch die nachfolgend beschriebene Selbsteinstellungsroutine erreicht wird. Die Darstellung 540 zeigt eine typische Schrittantwort der Ventilposition nach einer erfolgreichen Selbsteinstellung. Durch den Vergleich mit der Darstellung 540 zeigt die Darstellung 542 eine schnellere Antwort mit weniger Ausschlägen, z.B. eine bessere dynamische Leistungsverhalten. Eine Aufgabe der Selbsteinstellung besteht darin, Parameter für das Steuerungsmodul zu erhalten, das in dem Mikroprozessor 18 läuft.
Die nachfolgenden Selbsteinstellungs-Flussdiagramme verwenden die folgenden Definitionen:

Steuerungsverstärkung (P) – das Verhältnis von Ausgabe gegenüber Eingabe. Die Ausgabe ist das AUS-Signal, das dem I/P-Wandler zugeführt wird; die Eingabe ist der Positionsfehler, die Differenz zwischen den Positionseinstellwert und dem tatsächlichen Positionswert.
Integrale Dauerzustandssteuerung (I) – I wird verwendet, um den Dauerzustandsfehler zu vermeiden, wie in Gleichung 21 beschrieben.
Ableitungszeit (T_D) – Zuführsteuervariable, um die Antwort des Ventils zu beschleunigen: um beispielsweise das Ventil von 40 auf 50 zu bewegen, erhöht T_D-Steuerung die Antwort zuerst, und wenn sich das Ventil in Richtung auf den Einstellpunkt 50% bewegt, dann wird der T_D-Wert die Antwort verlangsamen, um Ausschläge zu vermeiden.
Totzeit (T_d) – das Zeitintervall zwischen der Einleitung einer Positionseinstellpunktveränderung und dem Start der resultierenden beobachtbaren Antwort.
Zeitverzögerung (τ_d) – das Zeitintervall, um eine Ventilbewegung während eines Tests mit offener Regelschleife umzukehren.
Totzone (Z_dx) – die Zone des Positionsfehlers, in der der Positionsfehler zur Verarbeitung, um einen Steuerausgang zu erzeugen, bei Null angenommen wird. Er wird absichtlich verwendet, um das Problem des Festsitzen-/Rutsch-Verhaltens des Ventils und des Rauschens zu lösen.
Endposition (Z_∞) – die Position des Ventils nach einer ausreichenden Zeit (T_∞).
Maximale Geschwindigkeit (V_max) – die maximale Ventilbewegungsgeschwindigkeit während der momentanen Ventilantwort.
Minimale Geschwindigkeit (V_min) – die minimale Ventilbewegungsgeschwindigkeit während der Periode von (T_d+ 0,1T_p) bis (0,8T_p), wobei 0,7 T_p> T_d.
Überschwingen (IS₊) – maximale Auslenkung über den endgültigen Dauerzustandswert hinaus (siehe 13). IS₊ = abs⎣(Z_p – Z_∞)/Z_∞⌋.
Überschwingen (IS_) – maximale Auslenkung über den endgültigen Dauerzustandswert in entgegengesetzter Richtung. IS_ = abS[(Z_∞ – Z_m)/Z_∞
Überschwinggrenze (IS_M) – maximal erlaubtes Überschwingen, d. h. IS₊, IS_ ≤ IS_M.
Spitzenwertposition (Z_p) – maximale Auslenkung über die Anfangsposition hinaus.
Spitzenwertzeit (T_p) – Zeitintervall, das für ein Ventil erforderlich ist, um sich vom Anfang der Positionseinstellpunktveränderung zu seiner Spitzenwertposition (Z_p) zu bewegen.
Antwortzeit (T_r) – Zeitintervall, das für eine Positionsveränderung vom Anfang der Postionseinstellpunkt veränderung zu 98% der endgültigen Position (Z_∞) erforderlich ist.
Dauerzustandsfehler (ΔZ_∞) – Differenz zwischen der Endposition und dem Positionseinstellpunkt ΔZ_∞ = Z_∞– Z_sp.

Unter Bezugnahme auf 15 bestimmt eine Selbsteinstellungsroutine 550 schnell und automatisch geeignete Steuerparameter, um das Erfordernis einer manuellen Einstellung zu vermeiden. Außerdem kann die Routine 550 Probleme erfassen, die die Funktion und das Leistungsverhalten des Systems nachteilig beeinflussen können. Die Selbsteinstellungsroutine 550 enthält drei Unterroutinen: eine Finde-BIAS-Routine 552, ein Test 554 mit offener Regelschleife und ein Test 556 mit geschlossener Regelschleife.
Unter Bezugnahme auf 16 ist die Finde-BIAS-Routine 552 ausgestaltet, um einen korrekten Wert für das BIAS zu dem I/P-Wandler 22 für den zweiten Schritt von einem Test mit offener Regelschleife zu finden. In Schritt 560 wird BIAS anfänglich auf den Mittelwert von einem vorbestimmten Minimalwert für BIAS, "Bmin", den aktuellen Wert für BIAS (oder ein Mittelwert, wenn kein aktueller Wert existiert) und einen vorbestimmten Maximalwert für BIAS eingestellt, "Bmax". Ein BIAS-Veränderungswert, "ΔB", wird auf einen vorbestimmten Anfangswert eingestellt. In Schritt 562 wird das AUS-Signal auf BIAS eingestellt.
In Schritten 564–568 wird die Ventilposition innerhalb eines vorbestimmten Hoch-Grenzwerts ""hi_limit" und eines vorbestimmten Tief-Grenzwerts "lo_limit" eingestellt. In Schritten 570–574 wartet der Positionierer 12 bis die absolute Veränderung des Drucks "P1" von dem Drucksignal 40 größer als 0,5% ist. In Schritt 576 wird eine erste Druckrate "PR₁" als die Veränderung des Drucks über die abgelaufene Zeit "Δt" bestimmt.
In Schritten 578–582 wartet der Positionierer 12 wieder bis die absolute Veränderung des Drucks von dem Drucksignal 40 größer als 0,5% ist. In Schritt 584 wird eine zweite Druckrate "PR₂" als die Veränderung des Drucks über die abgelaufene Zeit Δt bestimmt.
Wenn in Schritt 586 die Druckraten PR₁, PR₂ das gleiche arithmetische Vorzeichen haben, dann wird in Schritt 588 der BIAS-Wert entsprechend eingestellt, und die Durchführung kehrt zu Schritt 562 zurück. Anderenfalls wird in Schritt 590 BIAS auf einen neuen Wert umdefiniert, der auf den Druckraten PR₁, PR₂ und dem BIAS-Veränderungswert ΔB basiert.
Wenn in Schritt 592 eine der Druckraten PR₁, PR₂ über der Hoch-Druckgrenze "hi_limit" liegt, dann wird in Schritt 594 der BIAS-Veränderungswert ΔB eingestellt, und die Durchführung kehrt zu Schritt 562 zurück. Wenn andererseits in Schritt 596 eine der Druckraten PR₁ oder PR₂ unter der Tief-Druckgrenze "lo_limit" liegt, dann wird in Schritt 598 der BIAS-Veränderungswert ΔB eingestellt, und die Durchführung kehrt zu Schritt 562 zurück. Wenn in Schritt 600 die Veränderung in den Druckraten relativ klein ist, dann kehrt die Durchführung zu Schritt 562 zurück. Anderenfalls führt die Finde-BIAS-Routine 552 den berechneten BIAS-Wert auf die Selbsteinstellungsroutine 550 zurück.
Unter Bezugnahme auf 17 wird der Einstellungstest 554 mit offener Regelschleife verwendet, um Systemcharakte ristiken zu erhalten und Steuerparameter zu berechnen. In Schritt 620 ist das Ventil 10 geöffnet, und Schrittgrößen für den I/P-Wandler "ΔU_F", "ΔU_E" und "ΔU_o" werden auf einen Anfangswert gestellt. In Schritt 622 wird eine SCHRITT-Unterroutine 523 (18) aufgerufen, um eine Verzögerungszeit τ_d1 und eine erste Ventilöffnungsgeschwindigkeit V₁ für eine momentane Ventilantwort zu erhalten. Ein zwischenliegender Verstärkungswert K_p1 wird ebenfalls definiert. In Schritt 624 wird die SCHRITT-Unterroutine 523 erneut aufgerufen, um eine zweite Zeitverzögerung τ_d2 und eine zweite Ventilbewegungsgeschwindigkeit V₂ zu erhalten. Ein zweiter zwischenliegender Verstärkungswert K_p2 wird ebenfalls definiert.
Wenn in Schritt 626 die erste Ventilbewegungsgeschwindigkeit V₁ nicht zwischen der minimalen Geschwindigkeit V_min und der maximalen Geschwindigkeit V_max liegt, dann wird die Schrittgröße ΔU_p aktualisiert, und die Durchführung kehrt zu Schritt 622 zurück. Anderenfalls geht die Routine zu Schritt 628 weiter. Wenn in Schritt 628 die zweite zwischenliegende Geschwindigkeit V₂ nicht zwischen der minimalen Geschwindigkeit V_min und der maximalen Geschwindigkeit V_max liegt, dann wird die Schrittgröße ΔU_E aktualisiert, und die Durchführung kehrt zu Schritt 622 zurück.
Anderenfalls geht die Durchführung weiter zu Schritt 630, wo Positionseinstellwerte P_F und P_E sowie die Totzeit T_d bestimmt werden. In Schritt 632 wird das Zeitintervall T₁ und die Totzone Z_ea entsprechend berechnet. Dann kehrt die Einstellroutine 554 mit offener Regelschleife zu der Selbsteinstellungsroutine 550 zurück.
Unter Bezugnahme auf 18 werden durch die SCHRITT-Unterroutine 623 kontinuierlich Positionsdaten Z gelesen und gespeichert, und zwar für verschiedene AUS-Signalwerte zu dem I/P-Wandler 22. In Schritt 650 wird das AUS-Signal auf BIAS eingestellt. In Schritten 652–658 werden zwei Positionen Z₁ und Z kontinuierlich gelesen und gespeichert, bis die Ventilposition relativ stabil ist. In Schritt 660 wird das AUS-Signal dann auf BIAS-ΔU/2 eingestellt, und in Schritten 662–664 werden die beiden Positionen Z₁ und Z kontinuierlich gelesen und gespeichert, bis die Ventilposition relativ stabil ist.
In Schritt 666 wird das AUS-Signal wieder auf BIAS eingestellt. In Schritt 668 wartet der Positionierer 12 bis das Ventil 10 stabil ist. In Schritt 670 wird das AUS-Signal auf BIAS+ ΔU eingestellt, und die Anfangsposition Z₁ wird wieder hergestellt. In Schritten 672–674 zählt ein Zähler "I", wie lange zuvor sich das Ventil 10 bewegt hat (Position Z ist wesentlich verschieden von der Anfangsposition Z₁). In Schritt 676 wird die Zeitverzögerung τ_d berechnet. In Schritten 678–682 wird der Geschwindigkeitswert V als die Veränderung hinsichtlich der Position über eine diskrete Zeitperiode bestimmt. In Schritt 684 kehrt die SCHRITT-Unterroutine 623 zu der Prozedur zurück, die sie aufgerufen hat.
Unter Bezugnahme auf 19 schließt der Test 556 mit geschlossener Regelschleife die Positionsschleife und stellt die Steuerparameter ein, um gute dynamische Antworten sowohl in öffnender wie auch in schließender Ventilbewegungsrichtung durch Verwendung von Einstellroutinen zu erreichen. Eine Positionsschleife ist ein Pfad, der einen Vorwärtspfad für das Signal, um das Betätigungsmittel und somit die Ventilposition zu steuern, einen Rückwärtspfad, der den Positionssensor 46 beinhaltet, und einen Komparator aufweist, um den Vorwärtspfad und den Rückwärtspfad zu vergleichen.
Da sich individuelle Komponenten (z.B. das Schieberventil 24) hinsichtlich der Verstärkung verändern, ist es nicht möglich, eine konstante Gesamtschleifenverstärkung zu haben. In Schritt 700 werden zwei Zähler COUNT und CASE auf Null gesetzt. Wenn in Schritt 702 COUNT eine vorbestimmte Grenze überschritten hat, dann wird in Schritt 704 eine Fehlernachricht auf dem Display 52 angezeigt. Anderenfalls wird in Schritten 706–708 das Ventil wiederholt bewegt, so dass die Werte T_d, T_p, Z_P, Z_∞, T_r, IS₊, IS_, V_max und V_min bestimmt werden können, wie vorstehend beschrieben. In Schritt 710 wird eine Flagge D_Groß eingestellt. Wenn in Schritt 712 der Zähler CASE unter einer vordefinierten Grenze liegt, dann geht die Durchführung weiter zu Schritt 714, indem das Ventil in eine erst Richtung eingestellt wird. Anderenfalls wird geht die Durchführung weiter zu Schritt 716, indem das Ventil 10 in die entgegengesetzte Richtung eingestellt wird.
Unter Bezugnahme auf 20 und 21 berechnen die Vorwärtseinstellunterroutine 714 und die Rückwärtseinstellunterroutine 716 die Werte T_D, P_F und P_E und stellen den Zähler CASE entsprechend ein. Wenn die Vorwärtseinstellunterroutine 714 erfolgreich ist, dann wird CASE auf einen Wert eingestellt, um zu gewährleisten, dass die Rückwärtseinstellunterroutine 716 anschließend ausgeführt wird. Wenn die Rückwärtseinstellunterroutine 716 erfolgreich ist, dann wird der Test mit geschlossener Regelschleife 556 beendet.
Unter erneuter Bezugnahme auf 15 hat die Selbsteinstellroutine 550 einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Routinen. Die Routine 550 wird auf ein in hohem Maße nicht-lineares elektropneumatisches mechanisches System angewendet, und sogar auf solche mit einem großen Totband. Außerdem handhabt die Routine 550 das asymmetrische Verhalten der Ventilpositionsteuerung durch Einstellen von Steuerverstärkungen für beide Ventilbewegungsrichtungen. Außerdem schätzt die Routine 550 Totzonen für Ventile mit Festsitzen/Rutsch-Verhalten ab. Weiterhin wird durch die Routine 550 das Modellieren vereinfacht, indem lediglich die wichtigsten Charakteristiken abstrahiert werden, und verwendet diese Daten nur für die Steuerparameterabschätzung. Die abgeschätzten Parameter werden durch Schrittantworten von geschlossenen Regelschleifen verfeinert. Außerdem erfasst die Routine 550 Probleme, die das Leistungsverhalten und die Funktion des Ventils beeinflussen.
Software-Nocken für Ventil-Selbstcharakterisierung
Ein mechanischer Nocken ist eine Metallplatte, der in Ventilen verwendet wird. Verschieden Formen von Metallplatten verleihen dem Ventil verschiedene Charakteristiken. Die Ventilcharakteristiken sind sehr wichtig für die Strömungssteuerung in einer geschlossenen Regelschleife, wie z.B. dann, wenn eine lineare Beziehung zwischen der Ventilposition und der Strömungsrate verwendet wird. Ventilcharakteristikeinstellung ist eines der effektivsten Verfahren zum Erhalten einer konstanten Schleifenverstärkung. Die Prozessbeschränkung auf die Steuerungsausgabe, Ventilöffnung und/oder Prozessvariable muss anfänglich eingestellt werden, so dass keine unakzeptierbaren Störungen auf den Prozess während des On-Line-Testens stattfinden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Software-Routine zur Verfügung, die sich wie ein mechanischer Nocken verhält und hier als ein "Software-Nocken" bezeichnet wird. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 wird in einem Ausführungsbeispiel ein Software-Nocken 750 zwischen der Ausgabe des Mikroprozessors 18 und dem D/A-Wandler 20 eingesetzt, um eine gewünschte Beziehung der Steuerungsausgabe über der Prozessvariablen zu erhalten. Es soll verstanden werden, dass der Software-Nocken 750 an verschiedenen Stellen in dem Positionierer 12 gespeichert sein kann.
Unter Bezugnahme auf 22 leitet die Selbstcharakterisierungsroutine 552 einen On-Line-Test ein und bestimmt automatisch geeignete Ventilcharakteristiken basierend auf den Testdaten. Zuerst wird in Schritt 554 eine feststehende Ventilcharakteristik angenommen, wie zum Beispiel gleichprozentig oder linear. In Schritt 556 bewegt die Steuerung das Ventil. In Schritt 558 werden die entsprechenden Dauerzustandsvariablen (Strömung, Pegel, etc.) gemessen. In Schritt 760 werden die gemessenen Dauerzustandsvariablen mit einer gewünschten Kurve der Steuerungsausgabe gegenüber der Prozessvariablen verglichen. In Schritt 760 wird die Differenz zwischen den Dauerzustandsvariablen und einer gewünschten Beziehung der Steuerungsausgabe über der Prozessvariablen verwendet, um die Software-Ventilcharakteristik einzustellen, wodurch die Differenz minimiert wird. Der Nocken 750 wird entsprechend aktualisiert.
Die Selbstcharakterisierungsroutine 752 kann Trial-and-Error-Verfahren bei der Bestimmung einer Ventilcharakteristik ersetzten. Die Routine kann auf einfacher Weise auf die Mikroprozessor-basierte 18 Ventilsteuerung des Positionierers 12 angewendet werden, die ein variables Prozesssignal akzeptieren kann. Durch die Selbstcharakterisierungsroutine 552 wird die Gleichförmigkeit des Steuerleistungsverhaltens unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet, wodurch Prozess-Nicht-Linearitäten kompensiert werden. Dadurch wird die Konstruktion der Steuerung vereinfacht, und die Einstellung der Steuerung auf einen typischen Prozesszustand vereinfacht. Außerdem kann eine Neueinstellung der Steuerung üblicherweise vermieden werden, wenn sich Prozessbedingungen verändern, und ein gleichförmiges Steuerleistungsverhalten auf einfache Weise beibehalten werden.
Ausfall der I/P-Betriebsart für Ventil-Positionierer
Es wurde eine Positionsrückkopplung hinzugefügt, um die Genauigkeit von Positionierern zu verbessern. Wenn jedoch der Positionssensor oder das Positions-Rückkopplungssignal ausfällt, dann arbeitet die Positionsrückkopplung nicht mehr, die Steuerung geht verloren, und der Positionierer 12 fällt aus. In Reaktion darauf sind einige Mikroprozessor-basierte Positionierer konfiguriert, so dass im Fall von einigen Typen des Positionierer-Ausfalls, das Ventil in einem sicheren Zustand angeordnet oder arretiert wird. Wenn die Positionsrückkopplung ausfällt, dann verwendet die vorliegende Erfindung den Druckrückkopplungssensor 44 zur Steuerung der Positionierung mit einem minimalen Verlust an Genauigkeit. Daher wird durch die vorliegende Erfindung die Option der Positionierung des Ventils 10 basierend auf der Position erreicht, die von dem Betätigungsmitteldruck-Rückkopplungssignal 40 impliziert wird, und zwar auch im Fall von Positionsmessungsausfall.
Unter Bezugnahme auf 23 steuert die Routine 800 den Positionierer 12, um einen ausgefallenen Positionssensor 46 zu identifizieren, wie zum Beispiel dann, wenn der Positionierer 12 auf ungenauen Ablesungen von dem Positions-Rückkopplungssignal 42 in Reaktion von Positionssteuerungen basiert. Wenn ein ausgefallener Positionssensor erfasst wird, dann berechnet der Positionierer 12 den Betätigungsmitteldruck, der erforderlich ist, und die gewünschte Position zu erreichen, und verwendet einen Drucksteueralgorithmus, um das Ventil einzustellen.
In Schritten 802 und 804 wird der Strom- und Spannungspegel des Positionssensors 46 gemessen. In Schritten 806 und 808 wird das Positions-Rückkopplungssignal 42 empfangen und mit vorbestimmten Grenzen verglichen. Wenn die Zustände aus Schritten 80–808 die vorbestimmten Grenzen verfehlen, dann geht die Durchführung weiter zu Schritt 810, wo der Betätigungsmitteldruck durch das Druck-Rückkopplungssignal 40 gelesen wird.
In Schritt 812 konvertiert die Steuerung eine gewünschte Ventilposition in einen entsprechenden Betätigungsmitteldruck. Eine typische Beziehung zwischen Ventilposition und Betätigungsdruck wird in dem Mikroprozessor 18 gespeichert. Diese Beziehung kann vorprogrammiert sein, wie zum Beispiel während der Herstellung des Positionierers 12, während der Kalibrierungsroutinen bestimmt werden, oder kontinuierlich während des normalen Betriebs erhalten werden. Beispielsweise kann das Ventil 10 von einem Extrem zum anderen schlagen, und die Drücke an verschiedenen Positionen werden aufgezeichnet. Eine allgemeine Regel ist die Ventilposition als eine Funktion von mehreren Variablen: Ventilposition = F(Betätigungsmitteldruck, Prozessdruck, Temperatur, Reibung) (41)
Bei einem Federmembranbetätigungsmittel sind die Effekte vom Prozessdruck, Temperatur und Reibung im Vergleich zu dem Betätigungsmitteldruck relativ gering. Daher kann die obige Gleichung alternativ ausgedrückt werden als: Ventildruck = F(Betätigungsmitteldruck) (42)und umgekehrt Betätigungsmitteldruck = F–1(Ventilposition) (43)
Daher kann der Positionierer 12 den Betätigungsmitteldruck aus der gewünschten Ventilposition mit einem moderaten Genauigkeitspegel bestimmen.
In Schritt 814 stellt eine Positionssteuerroutine den Betätigungsmitteldruck ein, um die gewünschte Position zu erreichen, die aus dem Druck-Rückkopplungssignal 40 bestimmt wird. Wenn alternativ in Schritt 808 alle Spannungs- und Positionsüberprüfungen akzeptierbar waren, dann stellt die Positionssteuerroutine in Schritt 816 den Betätigungsmitteldruck ein, um die gewünschte Position zu erreichen, die aus dem Positions-Rückkopplungssignal 42 bestimmt wird.
Positionierer mit Sitzzustandsdiagnoseroutine
Das Lecken an dem Sitz von einem Ventil war schon immer ein wesentliches Steuersystemproblem und eine Ursache für Wartungskosten für Ventile allgemein. Das Lecken kann durch normale Abnutzung, übermäßige Abnutzung in Folge von eingeschlossenen Fremdmaterialien oder übermäßiges Drosseln bei geringer Anhebung verursacht werden.
Eine Ursache von Sitzleckproblemen, die nicht genau vorhergesagt werden können, ist der Einschluss von Fremd material zwischen den Elementen des Ventilsitzes 68, wenn das Ventil geschlossen wird. Das Fremdmaterial kann während der nachfolgenden Schließvorgänge nicht mehr vorhanden sein, und das Ventil kann vollständig geschlossen erscheinen. Abhängig von Anwendungsbedingungen, sogar bei den kleinsten Beschädigungen des Sitzes 68 infolge von eingeschlossenem Material, können übermäßige Sitzabnutzung und Beschädigungen während zukünftiger langer Perioden im geschlossenen Zustand zu hohem Druckabfall führen.
Ein weiteres Problem, das Sitzlecken verursachen kann, tritt in Ventilen auf, die sehr fest schließen (es ist annähernd kein Lecken erlaubt), und bei Verwendung von weichen elastischen Materialien für den Sitz 68, um das beste Schließverhalten zu erreichen. Bei moderaten bis hin zu hohen Druckabfallzuständen kann das Drosseln bei sehr geringer Anhebung zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen, wodurch das elastische Sitzmaterial leicht beschädigt oder zerstört werden kann.
Eine Vielzahl von Verfahren wurde verwendet, um die Leckprobleme zu lösen, einschließlich die Überwachung von stromabwärts gelegenen Komponenten unter Verwendung pneumatischer Relais, um das Drosseln bei geringer Anhebung zu überwinden, und es wurde Wartungspläne erstellt, die auf einer abgeschätzten Abnutzung beruhten. Al diese Verfahren haben Nachteile, die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung überwunden werden.
Durch das Überwachen der Temperatur von stromabwärts gelegenen Komponenten (Rohrleitungen) und/oder Ultraschallvibrationsüberwachung des Steuerventilschafts wird lediglich ein Leckproblem erkannt, das bereits aufgetreten ist, und signifikante Schäden und Verlust an Prozesseffizienz können resultieren, bevor das System zwecks Reparatur heruntergefahren werde kann. Im Gegensatz dazu wird durch die Routinen der vorliegenden Erfindung, wie im Detail unter Bezugnahme auf 24–26 beschrieben, ein verbessertes Vorhersageverfahren zur Verfügung gestellt, um eine korrekte Steuerventilwartung zu ermöglichen, bevor das Lecken aufgetreten ist, was daher zu einer preiswerteren Lösung führt.
Ein pneumatisches Relais, das an dem pneumatischen Betätigungsmittel installiert ist, erlaubt es dem Ventil nicht, sich bei Anhebesignalen unterhalb eines minimalen Einstellsteuersignals zu öffnen, wodurch Abnutzung durch Drosseln bei geringer Anhebung verhindert wird. Das Problem bei dieser Lösung besteht darin, dass es dem Ventil nicht erlaubt wird, sich auch nicht in dem Bereich zwischen geschlossen (abgedichtet) und dem unteren Anhebeeinstellpunkt für eine kurze Zeitdauer zu öffnen, was nicht schädigend sein kann. Die vorliegende Erfindung stellt einige Sitzzustandsdiagnoseroutinen (24–26) für den Positionierer 12 zur Verfügung, die kontinuierlich die Zeit überwachen, die das Ventil 10 mit Drosseln bei sehr geringer Anhebung verbringt. Diese Routinen überwachen sowohl die Zeit, in der das Ventil 10 geschlossen ist, als auch die Zeit, in der das Ventil unter Schließzuständen annähernd geschlossen ist, wobei eine laufende Gesamtaufzeichnung dieser Zeiten gespeichert wird. Die Routinen können ein Drosseln (Throttling) über den Bereich mit geringer Anhebung für eine spezielle Zeit erlauben, bevor eine Warnung erfolgt oder der minimale Einstellpunkt angewendet wird (das Ventil wird geschlossen). Die aufgezeichneten Daten können dann mit der Zeitdauer verglichen werden, die das Ventil 10 während des Systembetriebs in geschlossenem Zustand verbracht hat, um die Wahrscheinlichkeit von Sitzleckproblemen zuzuweisen.
Wartungspläne werden für Steuerventile basierend auf den vergangenen Service-Erfahrungen von ähnlichen Ventilen in ähnlichen Service- und Anwendungsbedingungen erstellt, und nicht basierend auf dem tatsächlichen Leistungsverhalten des speziellen Ventils. Die Verwendung dieser Zeitpläne kann zu einer vorzeitigen Wartung des Systems führen, das effizient arbeitet, oder zu Ventilsitzlecken führen, und zwar vor dem vorhergesagten Wartungstermin, wodurch Betriebsprobleme des Systems und eine signifikante Stillstandszeit außerhalb des Wartungsplans bewirkt werden. Ein leckendes Steuerventil kann außerdem übermäßiges Ventiltrimmen und Körperabnutzung hervorrufen, was zu signifikanten zusätzlichen Reparaturkosten führt, die sonst durch frühere Erfassung hätten vermieden werden können. Im Gegensatz dazu stellen die Routinen der vorliegenden Erfindung (24–26) wahre Betriebsdaten zur Verfügung, die zu einer genaueren Vorhersage für die erforderlichen Ventilwartungspläne führen, wodurch die gesamten Betriebskosten der Steuerventilanwendung verringert werden. Die vorliegenden Routinen erfordern kein unabhängiges Testen, Systemisolation oder Systemabschaltung für prädiktive Ventilsitzwartungsanforderungen. Diese Entscheidungen können während des normalen Systemsbetriebs erfolgen, wodurch zusätzliche Kosten der Isolation und des Testens von Programmen eingespart werden.
Die vorliegende Routinen (24–26) beinhalten eine Sitzabnutzungsdiagnoseroutine 830 für geringe Anhebung, eine Ventilsitzschließdiagnoseroutine 832 und eine Einstellroutine 834 für minimal steuerbare Anhebung. Diese Routinen können das Ventil 10 schließen, wenn das Steuerventil eingangssignal eine Drosselanhebung unterhalb eines vorbestimmten Einstellpunkts erforderlich macht (basierend auf Anwendungsservicebedingungen). Wenn es für den Systemsteuerbetrieb akzeptierbar ist, können die Routinen das Drosseln bei geringer Anhebung verhindern, wodurch der Ventilsitz beschädigt werden kann.
Unter Bezugnahme auf 24 beginnt die Sitzabnutzungsdiagnoseroutine 830 für geringe Anhebung bei Schritt 840, wenn der Benutzer oder die Fabrik diese Option wählt und basierend auf Servicebedingungen Grenzwerte einstellt. Die Grenzwerte beinhalten eine Minimum-Drossel-Anhebeposition(L_m), bei der nur eine geringe oder keine Erosion des Sitzes 62 stattfindet, und eine maximale Drosselzeit (t_m), die unterhalb dieser Anhebung erlaubt ist. Diese Grenzwerte werden in einem nichtflüchtigen Speicher 48 gespeichert. In Schritt 842, während des normalen Betriebs, misst der Positionierer 12 periodisch die aktuelle Anhebeposition (L_c) und liefert eine Rückkopplung 42 an den Mikroprozessor 18. In Schritt 844 wird die aktuelle Anhebung L_c mit der minimalen Anhebung L_m durch den Mikroprozessor 18 verglichen. In Schritt 846 bestimmt der Mikroprozessor, ob sich das Ventil in der geschlossenen Position befindet. Wenn das Ventil 10 nicht geschlossen ist (L_c > geschlossenen Position) und wenn L_c < L_m, dann wird die gesamte Laufzeit t_c aufgezeichnet, bis entweder L_c ≥ L_m oder bis das Ventil geschlossen ist. In Schritt 848 wird die Zeit t_c periodisch mit der maximalen Zeit t_m verglichen. In Schritt 850, wenn t_c> t_m, wird eine Diagnosenachricht, wie z.B.
"VENTILSITZINSPEKTION IST ERFORDERLICH"
auf dem Display 52 angezeigt.
Unter Bezugnahme auf 25 beginnt die Ventilsitzschließdiagnoseroutine 832 bei Schritt 860, wenn der Benutzer oder die Fabrik diese Option wählt und Grenzwerte basierend auf Servicebedingungen einstellt. Die Grenzwerte beinhalten eine maximale Sitzleckzeit (t_i) während des geschlossenen Zustands des Ventils 10. Außerdem wird ein Anfangswert für die Laufzeit t_s bestimmt. In Schritt 862, nach der anfänglichen Installation oder dem Ventileinstellungspolieren und der Kalibrierung, wird die genaue Ventilposition für Öffnen und Schließen (L_s) durch das Positions-Rückkopplungssignal 42 an den Mikroprozessor 18 geleitet. In Schritt 864, für nachfolgende Schließvorgänge des Ventils 10, wird eine Position des geschlossenen Ventils (L_si) durch das Positions-Rückkopplungssignal 62 an den Mikroprozessor 18 geführt und aufgezeichnet. In Schritt 866 wird die geschlossenen Anhebeposition L_si mit der exakten Ventilposition für das Schließen L_s verglichen. Wenn in Schritt 868 die geschlossene Hebeposition L_si größer ist als die exakte Ventilposition für das Schließen L_s, dann wird in Schritt 870 die gesamte Laufzeit t_s aufgezeichnet. Die Durchführung geht dann weiter zu Schritt 872, wo die Laufzeit t_s mit der maximalen Sitzleckzeit t_i verglichen wird. Wenn t_s > t_i, dann stellt der Positionierer 12 eine Diagnosenachricht auf dem Display 52 zur Verfügung, wie z.B.
"VENTILSITZINSPEKTION IST ERFORDERLICH".
Anderenfalls kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 864.
Unter Bezugnahme auf 26 beginnt die Einstellroutine 834 für minimal steuerbare Ventilanhebung in Schritt 880, wenn der Benutzer oder die Fabrik diese Option wählt und Grenzwerte basierend auf Servicebedingungen einstellt. Diese Grenzwerte beinhalten eine minimale steuerbare Hebeposition (L_cm) basierend auf dem minimal erforderlichen steuerbaren Strömungspegel in Prozent der maximalen Ventilbewegung. In Schritt 882, während des normalen Betriebs, misst der Positionierer 12 periodisch eine aktuelle Hebeposition (L_ci), die durch das Positions-Rückkopplungssignal 42 an den Mikroprozessor 18 geliefert wird. Die aktuelle Hebeposition L_ci ist ein Durchschnitt von zwei Messwerten, die im Abstand von 10 Sekunden aufgenommen werden. In Schritt 884 wird die aktuelle Hebeposition L_ci mit der minimalen steuerbaren Hebeposition L_cm verglichen. Wenn L_ci < L_cm, dann liefert der Positionierer 12 eine Diagnosenachricht auf dem Display 52, wie z.B.
"VERLETZUNG DER VENTIL-MINIMUM-HEBEEINSTELLUNG".
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Ventil 10 über die Position L_cm hinaus geöffnet werden. Anderenfalls kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 882.
Die vorstehend beschriebenen Diagnosenroutinen (24–26) stellen einige zusätzliche Vorteile zur Verfügung. Die Routinen liefern den minimalen steuerbaren Ventilhebepunkt L_cm, der basierend auf dem Ventiltyp 10 und Anwendungsservicebedingungen eingestellt werden kann. Die Routinen zeichnen außerdem die funktionale Drosselzeit t_c des Ventils auf, die an oder unter dem Hebepunkt L_m verstreicht. Die Routine liefert eine Warnmeldung, wenn mehrere Zeitperioden vorbestimmte Grenzwerte überschreiten. Die Routinen können so kombiniert werden, um das Ventil 10 zu schließen, wenn die funktionale Drosselzeit t_s des Ventils bei oder unter dem minimal steuerbaren Hebepunkt L_cm die Zeit t_m übersteigt.
Außerdem liefern die Routinen einen genauen Ventilschließpositionsvergleich bezüglich der anfänglich eingestellten Schließposition (Schließableitung). Die Routinen können außerdem die Zeit aufzeichnen, die das Ventil in einer Schließableitungsposition verbracht hat. Die Routinen liefern eine Warnung, wenn die Schließableitung während einer eingestellten Dauer auftritt. Die Routinen zeichnen außerdem eine Gesamtzeit auf, die das Ventil während des Systemsbetriebs geschlossen war. Außerdem vergleichen die Routinen die funktionale Drosselzeit, die an oder unter dem minimal steuerbaren Anhebepunkt verstrichen ist, und die Gesamtzeit, die das System während des Systembetriebs geschlossen war, und zwar hinsichtlich einer bestimmten Grenzwerteinstellung für die Anwendung, und liefert die verbleibende Betriebszeit, die erlaubt wird, bevor eine Ventilsitzwartung erforderlich ist.
Expertensystembeschränkungen bei Kundencharakterisierung
Um eine Kunden-Strömungscharakteristik für das Ventil 10 zur Verfügung zu stellen, hat der Positionierer 12 eine Betriebsart, wie eine Darstellung auf dem Display 52 zur Verfügung stellt, die einen vollständigen Bereich der Strömungskapazität und einen vollständigen Bereich des Eingangssignals darstellt. Obwohl die extremen Punkte für Strömungskapazität sowie Eingangsignal von 0 und 100% voreingestellt sind, sind zwischenliegende Punkte auf der Darstellung vollständig nach Kundenwunsch wählbar. Daher kann der Benutzer die Punkte auf der Darstellung verändern und dadurch die Strömungscharakteristik nach Kundenwunsch einstellen.
Unter Bezugnahme auf 27–28 kann das Display 52 beispielsweise eine Darstellung 890 enthalten. Die Darstellung 890 hat eine vertikale Achse, die bezüglich der Strömungskapazität des Ventils 10 normalisiert ist, und eine horizontale Achse, die bezüglich des Ventileingangssignals normalisiert ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei Werte für die Darstellung 890 voreingestellt: Punkt 891 gibt eine Strömungskapazität von 0% an, wenn das Ventil vollständig geschlossen ist, und Punkt 892 gibt eine Strömungskapazität von 100% an, wenn das Ventil vollständig geöffnet ist. Es soll verstanden werden, dass andere Ausführungen solche Beschränkungen nicht haben müssen.
Zwischen den Punkten 891 und 892 gibt es einige zusätzliche Punkte, die die vom Kunden gewünschte Charakterisierungsfunktion F_c für das Ventil definieren. Jeder der einzelnen Punkte kann bewegt werden, wodurch ein sehr einfaches Verfahren zum Modifizieren der Charakterisierungsfunktion zur Verfügung gestellt wird. Durch Vorsehen der Charakterisierungsfunktion, die beschrieben wurde, kann diese außerdem einfach als eine Tabelle von (Position, Kapazität) Koordinaten in dem Speicher 48 gespeichert werden.
Beispielsweise kann der Benutzer einen Punkt 893 auswählen oder bewegen, und diesen in eine neue Position auf der Darstellung 890 bewegen, und zwar unter Verwendung einer Zeigervorrichtung 894. Wenn die Punkte bewegt wurden, dann verbindet die Steuerung die Punkte wieder, um für das Ventil eine vollständig auf den Kunden zugeschnittene Strömungscharakteristik zur Verfügung zu stellen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Positionierer eine gewisse Steuerung über die Punktauswahl, um eine schädlich Charakterisierung zu verhindern. Wenn der Benutzer beispielsweise versucht, den Punkt 893 in eine Position 895 zu bewegen, dann kann in dem vorliegenden Beispiel gesehen werden, dass diese Position eine Neigungsumkehr bewirkt (d.h. das Vorzeichen der Neigung für die Strömungscharakteristik wird umgeschaltet). In Reaktion darauf alarmiert die Steuerung den Benutzer und verhindert eine Eingabe des Wertes, wie dies beispielsweise in der Dialog-Box 898 in 28 gezeigt ist.
Die Steuerung kann ebenfalls erfordern, dass die Strömungscharakteristik gewissen Industriestandard-Strömungscharakteristiken entspricht. Beispielsweise darf die Neigung zwischen zwei beliebigen Punkten nicht größer sein als das Doppelte oder nicht kleiner als die Hälfte der Neigung der vorhergehenden zwei Punkte. Wenn dies der Fall ist, kann eine Dialog-Box, ähnlich der Box 898, den Benutzer alarmieren.
Unter Bezugnahme auf 29 führt die Routine 900 einige der vorstehend beschriebenen Merkmale aus. In Schritt 902 empfängt die Steuerung die Charakterisierungsveränderungsanfrage von dem Benutzer. In Schritt 904 überprüft die Steuerung, um zu sehen, ob diese eine Neigungsumkehr der Strömungscharakteristik in dem Ventil 10 ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird der Benutzer in Schritt 906 informiert (z.B. über das Display 52), und in Schritt 906 überprüft die Steuerung, um zu sehen, ob der Benutzer den erfassten Zustand übersteuert hat. Wenn dies nicht der Fall ist, dann kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 902. Wenn der Benutzer den Zustand übersteuert hat, oder wenn es keine Neigungsumkehr gibt, dann bestimmt der Positionierer in Schritt 910, ob die Neigungsumkehr eine unerwünschte Umkehr in der Ventilverstärkung bewirkt. Wenn dies der Fall ist, dann wird der Benutzer in Schritt 912 informiert (z.B. über das Display 52), und die Steuerung prüft in Schritt 914, um zu sehen, ob der Benutzer den erfassten Zustand übersteuert hat. Wenn dies nicht der Fall ist, dann kehrt die Durchführung zurück zu Schritt 902. Wenn der Benutzer den Zustand übersteuert hat, oder wenn die Ventilverstärkung akzeptierbar ist, dann aktiviert die Steuerung in Schritt 916 den vom Benutzer angeforderten Positionswechsel.
Es soll verstanden werden, dass Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen in der vorhergehenden Offenbarung beabsichtigt sind und in den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines pneumatisch steuerbaren Ventils (10), das ein Betätigungsmittel (26) aufweist, das auf pneumatische Positionierungssignale von einem Strom/Druck (I/P) Messwandler (22) anspricht, um eine Selbsteinstellung von dessen Positionierungsantwort zu bewirken, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Auffinden von einem Strom zu dem I/P-Messwandler, um das Betätigungsmittel in einen Zustand zu versetzen, in dem es weder füllt noch ausstößt (552); Durchführen von einem Test mit offenem Regelkreis hinsichtlich des Ventils, indem der aufgefundene Strom der I/P-Steuerung zugeführt wird, um eine Systemcharakteristik und einen Steuerparameter (554) zu erhalten; und Justieren des Steuerparameters, um eine verbesserte dynamische Antwort des Ventils (556) zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch den Test mit offenem Regelkreis Positionseinstellpunkte für Füll- und Ausstoßoperationen des Betätigungsmittels bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch den Test mit offenem Regelkreis eine Totzeit und eine Totzone für das Ventil bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Steuerparameter durch einen Test mit offenem Regelkreis justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem durch den Test mit offenem Regelkreis das Ventil in eine einzige Richtung bewegt und der Steuerparameter bezüglich der Richtung justiert wird.
Selbstjustierender Positionierer (12) zur Steuerung eines pneumatisch steuerbaren Ventils (10), das auf elektronische Positionierungssignale zu einem Strom/Druck (I/P) Messwandler (22) anspricht, wobei der Positionierer aufweist: Einrichtungen zum Bestimmen von einem Strom zu dem I/P-Messwandler, um ein Betätigungsmittel (26) in einen Zustand zu versetzen, in dem es weder füllt noch ausstößt (18); Einrichtungen zum Durchführen von einem Test mit offenem Regelkreis hinsichtlich des Ventils, indem der aufgefundene Strom dem I/P-Wandler zugeführt wird, um eine Systemcharakteristik und einen Steuerparameter (18) zu erhalten; und Einrichtungen zum Justieren des Steuerparameters, um eine verbesserte dynamische Antwort des Ventils (18) zu erreichen.
Positionierer nach Anspruch 6, bei dem durch den Test mit offenem Regelkreis Positionseinstellpunkte für Füll- und Ausstoßoperationen des Betätigungsmittels bestimmt werden.
Positionierer nach Anspruch 6, bei dem durch den Test mit offenem Regelkreis eine Totzeit und eine Totzone für das Ventil bestimmt werden.
Positionierer nach Anspruch 6, bei dem der Steuerparameter durch einen Test mit offenem Regelkreis justiert wird.
Positionierer nach Anspruch 9, bei dem durch den Test mit offenem Regelkreis das Ventil in eine einzige Richtung bewegt und der Steuerparameter bezüglich der Richtung justiert wird.