MXPA04010519A - Metodo y aparato para realizar diagnosticos con un circuito de control de una valvula de control. - Google Patents

Metodo y aparato para realizar diagnosticos con un circuito de control de una valvula de control.

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Abstract

Metodo y aparato para realizar diagnosticos en un circuito de control neumatico para una valvula de control. Se usan sensores de presion y desplazamiento (68, 84) provistos normalmente con un posicionador (14) para detectar parametros de operacion del circuito de control. Un procesador (18, 20) que esta programado para recibir retroalimentacion de los sensores y generar senales de falla de acuerdo con una sub-rutina. La sub-rutina logica puede incluir calcular el flujo de masa de fluido de control a traves de los orificios de salida de la valvula (26) de carrete y comparar otros parametros de operacion del fluido de control para detectar fugas y bloqueos en el circuito de control. Una vez que se detecta la falla, se puede identificar la localizacion de la causa de raiz de la falla mediante la caracterizacion de parametros de operacion del circuito de control en el momento de la falla.

Description

M ETODO Y APARATO PARA REALIZAR DIAGNOSTI COS EN U N CI RCU ITO DE CO NTROL DE U NA VALVU LA DE CONTROL CAM PO DE LA I NVENCION La presente invención se refiere generalmente a válvu las de control y, más particularmente, a métodos y aparato para calcular características de flujo de fluidos y realizar diagnósticos en componentes de circuito de control para una válvula de control.
ANTECEDENTES DE LA I NVENCION Las válvulas de control se usan para regular *¿l flujo de fluidos de procesos a través de un tubo o conducto. Tales válvulas incluyen típicamente un elemento de estrangulación dispuesto en la trayectoria de flujo del fluido de proceso y conectada a un actuador. Aunque se conocen varios tipos de actuadores, muchas válvulas de control usan un actuador neumático el cual usa aire, gas natural u otro fluido bajo presión para ajusfar la posición del actuador. En un actuador de resorte y diafragma, por ejemplo, un resorte aplica una fuerza a un lado del actuador mientras que la presión del fluido es controlada en un lado opuesto del actuador, por lo que se ajusta la posición del elemento de estrangulamiento. Alternativamente, se puede usar un actuador de pistón en el cual el pistón divide el alojamiento del actuador en cámaras superior e inferior y las presiones del fluido de ambas cámaras se controlan para impulsar el actuador a una posición deseada. En cualquier tipo de actuador neumático puede haber un sangrado nominal del fluido de control a la atmósfera. Un posicionador (o servo-controlador) controla la presión del fluido suministrado a una o ambas cámaras de un actuador neumático. El posicionador incluye típicamente un procesador, un convertidor de corriente a presión (l/P) , neumáticos de segunda etapa (es decir, una válvula de carrete o relevador neumático) y un sensor de retroalimentación de viaje de válvula. El convertidor de l/P está conectado a una presión de suministro y entrega u na presión deseada de fluido de control a un diafragma que delimita a la válvula de carrete. El diafragma controla la posición de la válvula de carrete para dirigir el fluido de control hacia una cámara del actuador. El movimiento del actuador causa un movimiento correspondiente del elemento de estrangulación , para controlar así el flujo de su fluido de proceso. El posicionador recibe además una señal de referencia, típicamente en la forma de una señal de comando, desde un controlador de proceso, compara la señal de referencia con retroalimentación de viaje de válvula e impulsa el convertidor de l/P (y neumáticos de segunda etapa) para mover la válvula hacia la señal de referencia. Con el uso creciente de control con base en procesadores, las válvulas de carrete usadas en posicionadores se han vuelto demasiado instrumentados. Cuando se usan con un actuador de pistón , por ejemplo, la válvula de carrete incluirá un orificio de entrada para recibir presión de suministro, un primer orificio de salida que comunica fluidamente con una primera cámara del actuador, y un segundo orificio de salida que comunica fluidamente con una segunda cámara del actuador. Las válvulas de carrete son conocidas porque un sensor de presión está colocado en el orificio de entrada, primer orificio de salida y segundo orificio de salida para proporcionar retroalimentación al procesador. Además, las válvulas de carrete convencionales incluyen un sensor de desplazamiento para detectar la posición de la válvula de carrete y proporcionar una señal de retroalimentación al procesador. Los posicionadores convencionales tienen componentes que son susceptibles de diferentes fugas o bloqueos del fluido de control que pueden degradar o deshabilitar la operación de la válvula de control. El convertidor de l/P, por ejemplo, incluye una entrada que tiene una conexión sellada con la presión de suministro. El convertidor de l/P incluye una restricción que define un orificio primario y una boquilla para dirigir fluido de control hacia una chapaleta. El convertidor l/P incluye además una salida sellada para dirigir fluido de control a la válvula de carrete. El convertidor de l/P está colocado con frecuencia en un lugar industrial donde el aire circundante puede estar contaminado con acéite, minerales disueltos, arenilla y similares. En consecuencia, cuando tal aire se usa como el fluido de control, los contaminantes pueden tapar parcial o completamente el orificio primario o boquilla. Además, los sellos provistos en la entrada y la salida del convertidor de l/P pueden fallar. Tales bloqueos o fugas pueden degradar lentamente el comportamiento de la válvu la de control , resultando en ineficiencias, o pueden causar la falla completa de la válvu la de control. En cualquier caso, es difícil determinar que el posicionador es la causa de la falla, quedando solo la determinación de la ubicación específica de la falla dentro del posicionador. De manera similar, se pueden desarrollar fugas en el alojamiento del actuador o se pueden formar bloq ueos en las conexiones entre la válvula de carrete y el actuador que pueden degradar el funcionamiento o causar la falla de la válvula de control. Por ejemplo, se puede formar una fuga entre la cámara superior o inferior del actuador y la atmósfera, o puede fallar un anillo de pistón causando la fuga de una cámara a otra. En cualquiera de estas circunstancias, el procesador debe ajustar su señal de control para una posición dada del elemento de estrangulación. La detección de la fuga es particularmente importante cuando el medio de control es gas natural. Tales fugas se pueden desarrollar con el tiempo y, en un entorno ruidoso de planta, pueden pasar inadvertidas hasta que la válvula ya no opera.
BREVE DESCRIPCI ON DE LOS DI BUJOS La Figura 1 es un diagrama esquemático de bloques de un posicionador unido a un actuador para una válvula de control. La Figura 2 es una representación esquemática agrandada del posicionador mostrado en la Figura 1. Las Figuras 3A y 3B son gráficas que ilustran perfiles de flujo de masa de fluido de control para un actuador de resorte y diafragma que experimenta fuga y bloqueo, respectivamente. Las Figuras 4A, 4B y 4C son gráficas que ilustran perfiles de flujo de masa de fluido de control para un actuador de pistón que experimenta fugas de fluido de control en una primera cámara, segunda cámara y anillo de pistón respectivamente. La Figura 5 es un diagrama de decisiones que ilustra esquemáticamente una sub-rutina lógica para caracterizar y ubicar fallas de componentes. La Figura 6 es un esquema de una modalidad alternativa del posicionador que tiepe un relevador neumático para los neumáticos de segunda etapa.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Un posicionador 14 está ilustrado esquemáticamente en la Figura 1, conectado a un actuador 12. El actuador 12 está acoplado mecánicamente a un cuerpo 10 de válvula, que controla el flujo de un fluido de proceso a través de un conducto, tal como un tubo (no mostrado). El posicionador 14 incluye un procesador 18 que tiene una memoria 20, un convertidor 24 de l/P, neumáticos de segunda etapa (tal como la válvula 26 de carrete), un sensor 84 de desplazamiento de ensamble de válvula de fluido de control, y un sensor 68 de viaje de válvula, aludidos colectivamente en la presente como un circuito de control. Se proporciona una señal de referencia, tal como una señal de comando a partir de un controlador de proceso, al posicionador 14 y representa una posición deseada del actuador. El posicionador 14 compara la señal de referencia con la posición real del actuador provista por el sensor 68 de viaje y envía una señal de error al procesador 18. El procesador genera entonces una señal electrónica de impulsión de l/P con base en la señal de error y retroalimentación del sensor 84 de desplazamiento. Como se muestra con mayor detalle en la Figura 2, el actuador 12 incluye un pistón 60 que divide el alojamiento 62 del actuador en las cámaras 56, 58 superior e inferior. La cámara 56 superior incluye un resorte 64 para aplicar una fuerza al pistón. Un vástago 66 se extiende desde el pistón 62 hasta el cuerpo 10 de válvula. El sensor 68 de viaje puede proporcionarse para detectar la posición del vástago 66 y proporcionar retroalimentación al procesador 18. De acuerdo con la modalidad ilustrada, el convertidor 24 de l/P proporciona una etapa de amplificación de señal y la válvula 26 de carrete proporciona una etapa de amplificación neumática. El convertidor 24 de l/P incluye una entrada 28 en comunicación de fluido con un suministro de fluido de control bajo presión 30. Una conexión entre la entrada 28 y el suministro 30 de fluido de control se puede sellar con un anillo O 32. Una restricción 34 dispuesta en el conector 24 de l/P define un orificio 36 primario. Se proporciona una boquilla 38 corriente abajo del orificio 36 primario para dirigir el fluido de control hacia una chapaleta 40 flexible. En la modalidad ilustrada, se proporciona una bobina 42 solenoide para colocar la chapaleta 40 con respecto a la boquilla 38. Alternativamente, la bobina 42 de solenoide puede ser removida y la chapaleta 40 puede formarse de un material piezoeléctrico, o se puede usar cualquiera otra construcción de chapaleta conocida. U na salida 44 comunica fluidamente con un diafragma 45. La conexión entre la salida 44 y el diafragma 45 se puede sellar mediante un anillo O 46. Se puede proporcionar u n sensor 85 para detectar una presión de suministro del fluido de control que entra al convertidor 24 de l/P. La válvu la 26 de carrete incluye un orificio 50 de entrada para recibir fluido de control desde el suministro 30 de fluido de control. Se pueden proporcionar primer y segundo orificios 52, 54 de salida en comunicación de fluido con las cámaras 56, 58 superior e inferior del actuador 1 2. Un miembro 70 de válvula está dispuesto dentro del alojamiento de válvula de carrete para controlar la comunicación de fluido entre el orificio 50 de entrada y los primer y segundo orificios 52, 54 de salida. En la modalidad ilustrada, el miembro 70 de válvula incluye una varilla 72 que lleva primera y segunda superficies 74, 76 entre estrías. Una cámara 77 anular de válvula se forma en el alojamiento de válvula de carrete y está dimensionada para acomodar estrechamente con las primera y segunda superficies 74, 76 de estrías. El diafragma 45, que recibe una señal de presión del convertidor 24 de l/P, acopla con un primer extremo del miembro 70 de válvu la. Un resorte 82 acopla con un extremo opuesto del miembro 70 de válvula para aplicar una carga de empuje ai miembro 70 de válvula. En operación , se produce una presión de fluido de control regulada mediante el convertidor 24 de l/P para el diafragma 45 el cual aplica una carga al miembro 70 de válvula en una dirección opuesta a la carga de empuje del resorte 82. El movimiento de los primer y segundo discos 74, 76 bloqueará parcial o completamente el flujo de fluido desde el orificio 50 de entrada a cualquiera de los primer y segundo orificios 52 , 54 de salida. En consecuencia, la posición del miembro 70 de válvula determina un área de restricción para cada orificio 52, 54 de salida a través de los cuales puede fluir flujo de control. Un sensor 84 de desplazamiento está colocado para detectar una posición del miembro 70 de válvula y proporcionar retroalimentación al procesador 1 8. Además, se proporcionan primer y segundo sensores 86, 88 de presión de salida para detectar niveles de presión del fluido de control en los primer y segundo orificios 52 , 54 de salida, respectivamente. Aunque la Figura 2 ilustra un actuador de pistón de doble acción con acción de resorte cerrada por falla, se apreciará que se pueden usar otros tipos de actuadores. Ejemplos de actuadores alternativos incluyen un actuador de pistón de doble acción con acción de resorte abierta por falla, un actuador de pistón de doble acción sin resorte, un actuador de resorte y diafragma de acción sencilla con acción por resorte abierto por falla o cerrado por falla, o cualquier substituto conocido. Si el actuador es de acción sencilla, la válvula 26 de carrete incluye un solo orificio de salida en comunicación de fluido con la cámara del actuador opuesta al resorte. Aún más, el posicionador 14 puede usar medios alternativos para los neumáticos de segu nda etapa. El lugar de la válvula 26 de carrete, el posicionador puede incluir, por ejemplo, un relevador neumático. Un relevador 200 neumático de doble acción se ilustra en la Figura 6 unido al convertidor 24 de l/P, cuerpo 12 de válvula y una fuente de fluido 30 de suministro presurizado. El relevador 200 incluye plenos 202a, 202b de presión de suministro. El pleno 202a incluye u n primer orificio 204 de salida en comunicación de fluido con la cámara 58 inferior del actuador, mientras que el pleno 202b tiene un seg undo orificio 206 de salida en comunicación de fluido con la cámara 56 superior del actuador. Una primera válvula 208 de disco con movimiento vertical tiene un extremo 21 0 posicionado para acoplar de manera removible con la primera abertura 204, mientras que una segunda válvula 212 de disco con movimiento vertical tiene un extremo 214 posicionado para acoplar de manera removible con la segunda abertura 206. Un balancín 216 está soportado para rotación alrededor del fulcro 21 8, e incluye un primer orificio 220 posicionado para acoplar con un segundo extremo 222 de la primera válvula 208 de disco con movimiento vertical y un segundo orificio 224 posicionado para acoplar con un segundo extremo 226 de la segunda válvula 21 2 de disco con movimiento vertical. Se proporciona salida del convertidor 24 de l/P a la cámara 220 para rotar el balancín 216 en una primera dirección (es decir, en el sentido de las manecillas del reloj en la Figura 6) mientras que se proporciona una cámara 230 de referencia con una presión de referencia para contrarrestar la fuerza de la cámara 228. La primera válvula 208 de disco con movimiento vertical controla el flujo del fluido de control a la cámara 58 inferior del actuador mientras que la segunda válvu la 21 2 de disco con movimiento vertical controla el flujo a la cámara 56 superior del actuador. En operación, cuando aumenta la presión en la boquilla de l/P , el balancín 216 girará en el sentido de las manecillas del reloj forzando a la derecha a la primera válvula 208 de disco con movimiento vertical. El segundo extremo 222 de la primera válvula 208 de disco con movimiento vertical cierra el primer orificio 220 para evitar el flujo a la atmósfera, mientras que el primer extremo 210 de la primera válvula 208 de disco con movimiento vertical abre el primer orificio 204 de salida para permitir que fluya fluido de control a la presión de suministro hacia la cámara 58 inferior. Al mismo tiempo, la segunda válvula 212 de disco con movimiento vertical abre el segundo orificio 224 y cierra el segundo orificio 206 de salida para permitir q ue escape fluido de control desde la cámara 56 superior a la atmósfera. Lo opuesto ocurre cuando disminuye la presión en la boquilla de l/P. Se apreciará que conforme las primera y segunda válvulas 208, 212 de disco con movimiento vertical se mueven hacia y fuera de los primer y segundo orificios 204, 206 de salida, se varía el área de restricción de los orificios 204, 206 de salida. En consecuencia, se puede usar la posición del balancín 216 para inferir la posición de las válvulas 208, 21 2 de disco con movimiento vertical y, por lo tanto, el área de restricción a través de los primer y seg und o orificios 204, 206 de salid a. El posicionador con relevador neu mático 200 puede inclu ir los mismos sensores que los descritos anteriormente . En consecuencia , los primer y seg u ndo sensores 86, 88 de presión de sal ida se colocan cerca de los primer y seg u ndo orificios 52 , 54 de salida para detectar la presión del flu ido de control para las cámaras 56 , 58 superior e inferior del actuador, respectivamente. El sensor 85 de presión de entrada está colocado en el orificio 50 de entrada pa ra detectar la presión de sumin istro de fluido de control, mientras que el sensor 68 de viaje del actu ador está colocado para detectar la posición del vástago 66. Además , el sensor 84 de desplazamiento está colocado para detectar la posición del balancín 216. Los posicionadores antes descritos son generalmente conocidos en la técnica. Hasta ahora, sin embargo, el sensor de desplazamiento se ha usado estrictamente para proporcionar retroalimentación . De acuerdo con las enseñanzas de la presente invención , el sensor de desplazamiento se puede usar también para propósitos de diag nóstico . Además, se pueden usar los varios sensores para discriminar entre las varias condiciones de falla posibles en el posicionador. Los sensores se pueden usar también para calcular el flujo de masa de fl uido de control , que se puede usar para ayudar a identificar las causas de raíz de las fallas. Los cálculos y análisis de diag nóstico se pueden realizar mediante u na un idad de d iag nósticos provista con el posicionador 14, tal como cuando el procesador 18 y la memoria 20 funcionan como la unidad de diagnósticos, o en un huésped 19 remoto acoplado comunicativamente con el posicionador 14. Con respecto al actuador 12, la unidad de diagnósticos se puede programar con una rutina de diagnóstico que usa la retroalimentación de los sensores para estimar el flujo de masa del fluido de control a las cámaras del actuador. La rutina de diagnóstico puede usar también los flujos de masa calculados, con o sin parámetros adicionales de retroalimentación, para identificar fugas u otras fallas en el actuador. Más específicamente, el flujo de masa de fluido de control a través de los primer y segundo orificios de salida puede aproximarse usando la siguiente ecuación. dm/dt = KYAgc(2p(p1-p2))½ donde: dm/dt = régimen de flujo de masa (kgm/s); K = un coeficiente de descarga; Y = un factor de expansión; A = un área de restricción (m2); gc = una constante de conversión (kgm/slug*); Pi = presión corriente arriba (kgm/m2, abs.); p2 = presión corriente abajo (kgm/m2, abs.); y p = una densidad de fluido corriente arriba (slug*/m3). * Unidad de masa; la masa de un cuerpo que, cuando actúa bajo la fuerza de una libra, adquiere una aceleración de un pié por segundo por segundo; tiene el valor de aproximadamente 14.59 kilogramos. Para calcular el flujo de masa a través del primer orificio 52 de salida, por ejemplo, se insertan en la ecuación anterior los coeficientes y variables apropiados. La presión corriente arriba es la presión de entrada detectada por el sensor 85 de presión y p2 es la presión detectada por el sensor 86 en el primer orificio 52 de salida . La ecuación se puede usar para estimar flujos de masa tanto de suministro como de escape. Por ejemplo, cuando el desplazamiento de la válvula de carrete es positivo (es decir, a la derecha en la Figura 2), el orificio 54 suministrará fluido de control a la cámara inferior del actuador mientras que el orificio 52 deja escapar fluido de control de la cámara superior del actuador. Para el orificio 54, se puede usar el desplazamiento de la válvula de carrete para calcular el área de orificio expuesta y los sensores 85, 88 pueden proporcionar las presiones de corriente arriba y corriente abajo. Para el orificio 52, se puede usar el desplazamiento de la válvula de carrete para calcular el área expuesta del orificio y el sensor 85 puede proporcionar la presión corriente arriba. No se requiere un sensor en el orificio de escape puesto que la válvula de carrete deja escapar a la atmósfera, que está a una presión conocida. Además, la presión de suministro a la válvula de control es regulada con frecuencia y, por lo tanto, se puede eliminar el sensor 85 de presión de suministro y se puede sustituir un valor fijo que se aproxima a la presión de suministro en la ecuación de flujo de masa de aire. Cuando el fluido de control es aire, la ecuación anterior se puede reducir a: dm/dt = 0.048 KYAÍp^p-^ps))1'2 La ecuación de flujo de masa se puede reducir de manera similar para otros fluidos, tal como gas natural. Además de las ecuaciones antes indicadas para estimar flujos de masa a través de un orificio, se pueden usar ecuaciones de flujo normales, tales como aquellas indicadas en ISA-575.01-1985: Flor Equations For Sizing Control Valves. Se ha encontrado que los estimados de flujo de masa obtenidos mediante las ecuaciones anteriores se aproximan estrechamente a las mediciones hechas con un sensor externo de flujo de masa de aire, especialmente cuando se usa un filtro digital de paso bajo para atenuar un poco el ruido. En consecuencia, la unidad 18 de diagnóstico se puede programar para recibir retroalimentación desde los sensores 85, 86, 88 de presión y el sensor 84 de desplazamiento y calcular el flujo de masa a través de los primer y segundo orificios 52, 54 de salida usando la ecuación anterior. Las ecuaciones anteriores se pueden modificar para corregir el flujo de fuga a través de las superficies entre estrías y se pueden usar también para calcular el flujo de masa a través de neumáticos de segunda etapa alternativos, tal como el relevador 200 neumático de la Figura 6. La rutina de diagnóstico puede usar los cálculos de flujo de masa para identificar fugas o bloqueos entre la válvula de carrete y el actuador 12. Por ejemplo, se proporciona fluido de control, en un actuador de resorte y diafragma, para una cámara de actuador sencillo opuesta al resorte. Durante la operación normal , el procesador 18 controla la salida de fluido de control de la válvula 26 de carrete para impulsar el actuador 1 2 y el elemento de estrangulación conectado a u n punto fijado deseado. Durante el estado de operación estable, puede sangrar a la atmósfera una pequeña cantidad de fluido, y por lo tanto una peq ueña cantidad de fluido de control fluirá a través del orificio de salida de la válvula de carrete. Si se desarrolla una fuga en la cámara del actuador o en la conexión entre el orificio de salida de la válvula de carrete y el actuador, el nivel de, presión dentro de la cámara del actuador caerá y el resorte causará que el actuador se mueva desde su posición deseada. Se proporciona retroalimentación con respecto a la presión de fluido de proceso y/o el viaje del actuador para el procesador 1 8, y el procesador 18 alterará la señal de impulsión para el convertidor 24 de l/P para aumentar el flujo de fluido de control hacia el actuador. En consecuencia, el flujo de masa al actuador aumentará como se ilustra en la gráfica proporcionada en la Figura 3A. Estimando el flujo de masa de fluido de control durante un tiempo, la unidad de diagnóstico se puedé prog ramar para detectar incrementos en el flujo de fluido de control hacia el actuador. La unidad de diagnóstico se puede programar además con un índice de flujo de fluido de control máximo arriba del cual la rutina de diagnóstico generará una señal de falla. Se puede usar un filtro de paso bajo para minimizar la oportunidad de transitorios normales que generan una señal falsa. Inversamente, el bloqueo en la línea de aire entre la válvula de carrete y el actuador 12 se puede identificar cuando el flujo de fluido de control es constante a medida que aumenta el desplazamiento de la válvula de control. La Figura 3B ilustra una situación de bloqueo, donde la línea sólida representa el flujo de masa y la línea punteada representa el desplazamiento de carrete. De manera similar, se puede identificar un bloqueo parcial si el desplazamiento es grande, pero el flujo de masa es relativamente pequeño. Detectar fugas en un actuador de pistón es ligeramente más complicado. La fuga puede ocurrir en la cámara del actuador con el resorte, la cámara del actuador sin el resorte, o entre las cámaras del actuador, tal como cuando hay una fuga en un anillo pistón o cuando una válvula de reserva en el actuador se ha dejado abierta. Como con el actuador de resorte y diafragma, sin embargo, se puede usar la desviación en flujo de masa de aire para localizar y cuantificar fugas o obstrucciones. Para ayudar a identificar fallas, se pueden identificar desviaciones de parámetros normales de operación. Uno de tales parámetros es la presión dentro de las cámaras del actuador, la cual se mantiene típicamente del 60 al 80% en números gruesos de la presión de suministro. Se puede determinar una presión promedio o de "cruce" promediando las presiones en las cámaras del actuador. Si hay una fuga a la atmósfera en la cámara opuesta al resorte, el procesador 18 moverá la válvula 26 de carrete para proporcionar aire de reposición a esa cámara. Esto también despresurizará la cámara con el resorte, de manera que el actuador de pistón se comporta efectivamente como un actuador de resorte y diafragma. El perfil de flujo de masa a través de los primer y segundo orificios 52, 54 de salida para tal fuga se muestran en la Figu ra 4A. I nicialmente, hay u n flujo de masa nominal a través de ambos orificios 52 , 54 de salida debido a las fugas normales del sistema. Cuando se desarrolla una fuga en el pu nto A, el flujo de masa a la cámara con la fuga aumentará para igualar la cantidad de aire escapado a la atmósfera, como se muestra por la línea contin ua en las Figura 4A. Para la cámara con el resorte, el flujo de masa será temporalmente fuera de las cámaras ya q ue el actuador se mueve a una nueva posición , pero regresará eventualmente hasta cerca de cero puesto que la cámara se despresuriza, como se muestra en la línea punteada en la Figura 4A. Además, la presión de cruce en el actuador será de aproximadamente un medio de la presión en la cámara opuesta al resorte. Si se desarrolla una fuga en la cámara del actuador en el lado del resorte, el posicionador 14 no proporciona aire de reposición puesto que eso requeriría que el posicionador dejara escapar aire (y reducir la fuerza) de la cámara opuesta al resorte. En consecuencia, el procesador 1 8 permite que la cámara con el resorte se despresurice y controle la válvula mediante el ajuste de la presión en la cámara opuesta. En el estado estable, el flujo masa de aire a la cámara del lado del resorte será cercano a cero, el flujo de masa de aire de la cámara opuesta al resorte será de cerca de cero y la presión de cruce será de un medio de la presión en la cámara sin resorte. En consecuencia, detectando la presión de cruce disminuida en los perfiles de flujo de masa a través de cada orificio, se puede determinar la presencia y localización de una fuga. Los cálculos de flujo de masa se pueden usar adicionalmente por la unidad de diagnóstico para detectar fugas que resultan en el fluido de control que fluye de una cámara del actuador a la otra, tal como fugas en el anillo del pistón. Tal fuga puede ser difícil de detectar usando las técnicas de medición tradicionales puesto que cada cámara puede permanecer presurizada. Si la fuga causa que el fluido de control fluya desde la cámara 58 inferior a la cámara 56 superior, por ejemplo, el posicionador 14 moverá el carrete para proporcionar reposición de fluido de control a la cámara 58 inferior. Al mismo tiempo, sin embargo, el fluido de control fluirá de la cámara 58 inferior a la cámara 56 superior y de regreso a la válvula 26 de carrete. En la Figura 4C se proporciona una gráfica que ilustra los perfiles de flujo de fluido a través de cada orificio 52, 54 de salida para una fuga por anillo de pistón, en donde el flujo de fluido a través del primer orificio 52 de salida se muestra en una línea punteada mientras que el flujo de fluido a través del segundo orificio 54 de salida se muestra en una línea continua. Inicialmente, cada orificio tiene un índice de flujo nominal que se descarga a la atmósfera. Cuando se desarrolla la fuga en el anillo del pistón, aumenta el flujo de masa a través del segundo orificio 54 de salida mientras que el flujo de masa a través del primer orificio 52 de salida disminuye en una cantidad proporcional. A diferencia de los sensores de flujo de masa convencionales que no indican la dirección del flujo de masa, la ecuación de aproximación de flujo de masa indica la dirección del flujo, en donde un n úmero positivo representa el flujo de fluido al actuador mientras que un número negativo representa el flujo de fluido fuera del actuador. En consecuencia, monitoreando el flujo de fluido de control a través de los primer y segundo orificios 52 , 54 de salida, el procesador 1 8 puede detectar una situación sostenida donde el flujo de fluido a través de un orificio es positivo, mientras que el flujo de fluido a través del otro orificio es negativo, y genera una señal de falla. Además de detectar las fugas y bloqueos del fluido de control para el actuador, los sensores de presión y desplazamiento de la válvula de carrete se pueden usar también para detectar fallas en el convertidor 24 de l/P ubicado corriente arriba de la válvula 26 de carrete. Pueden ocurrir varios tipos de fallas en el convertidor 24 de l/P que obstaculizarán o detendrán el flujo de fluido de control a la válvula 26 de carrete, degradando o deshabilitando así la operación de la válvula de control. Debido a que los componentes específicos del convertidor de l/P, tal como la chapaleta 40, no son directamente aplicables para servo control, estos componentes no están instrumentados típicamente. Se ha encontrado, sin embargo, que los sensores provistos con la válvula 26 de carrete se pueden usar para inferir los estados internos de los componentes del convertidor de l/P. Antes de tratar las fallas específicas que pueden ocurrir en el convertidor 24 de l/P , se debe notar que el suministro 30 de fluido de control que proporciona fluido de control presu rizado al convertidor de l/P puede fallar, y por lo tanto esta falla no será tratada antes de considerar otras fallas en el convertidor 24 de l/P mismo. En consecuencia, la señal provista por el sensor 85 de presión de entrada se puede usar para detectar si el suministro 30 de fluido de control ha perdido presión . Una falla que puede ocurrir dentro del convertidor 24 de l/P es el taponamiento completo del orificio 36 primario. Cuando se tapa el orificio 36 primario, la presión para el diafragma 45 disminuirá de manera que el resorte 82 mueve la válvula 70 de carrete a un estado de presión 0 (o negativa), causando que el actuador se mueva en consecuencia. El procesador 1 8 aumentará la señal de impulsión para la bobina 42 solenoide en un intento de cerrar o tapar la boquilla 38, la cual normalmente aumentaría la presión de fluido de control que sale por la salida 44. En su lugar, el orificio 36 primario tapado evita cualquier flujo de fluido de control. También puede surgir una falla cuando se acumulan depósitos minerales u otros contaminantes en la chapaleta 40 de manera que la boquilla 38 se tapa completamente. En este caso, la presión de fluido de control fuera de la salida 44 aumenta hasta la presión de suministro y causa que la válvula de carrete se mueva lejos de una posición nula a una posición positiva, por lo que se mueve el actuador. En respuesta, el procesador 1 8 disminuirá la señal de impulsión para el convertidor 24 de l/P en un intento de abrir o destapar la boquilla 38.
Alternativamente el orificio primario se puede tapar parcialmente. Como con un orificio primario tapado completamente, un taponamiento parcial moverá más alto la señal de impulsión a medida que el procesador 1 8 intenta compensar el aire reducido a la boquilla 38. U n orificio primario tapado parcialmente hará lento el movimiento de la válvula de carrete en respuesta a cambios en la señal de l/P. La constante de tiempo incrementada, sin embargo, puede resultar a partir de una baja temperatura ambiental, la cual entiesa el diafragma. En cualquier caso, cuando la señal de impulsión de l/P es alta y todos los otros estados están operando apropiadamente, entonces se puede inferir que el orificio primario está tapado parcialmente. De manera similar, la boquilla 38 se puede tapar parcialmente. El taponamiento parcial de la boquilla 38 afecta también a la constante de tiempo del convertidor de l/P el cual , como se indicó antes, puede ser causado también por el efecto de cambios en la temperatura ambiental en el diafragma. En consecuencia, una señal de impulsión de l/P baja con todos los otros estados nominales puede indicar una boquilla tapada parcialmente. Una falla más puede surgir del anillo O 46 de salida. Para compensar una fuga a través del anillo 46 de salida, el procesador 18 aumentará la señal de impulsión, pero la constante de tiempo del convertidor de l/P no será alterada significativamente. En consecuencia, la falla del anillo O 46 de salida afectará la operación del circuito de control en una manera similar a un orificio 36 primario tapado.
Pueden ocurrir también fallas adicionales además de aq uellas antes indicadas específicamente en el convertidor de l/P. Por ejemplo, la bobina 42 de solenoide puede fallar o la chapaleta 40 puede romperse. Aunque puede no ser posible discernir la falla específica, cada falla puede ser detectada monitoreando las desviaciones significativas en la señal de impulsión para el convertidor de l/P. Esto se puede realizar poniendo un filtro digital lineal o no lineal en la señal de impulsión para remover el contenido de alta frecuencia y buscar desviaciones de las condiciones normales de operación. Para ayudar a identificar y caracterizar varias fallas en el convertidor 24 de l/P, la unidad de diagnóstico, tales como el procesador 1 8 y la memoria 20 del posicionador 14 o el huésped 19 remoto que tiene un procesador y una memoria, puede ser programada para realizar una rutina de diagnóstico con base en ios parámetros medidos por varios sensores del posicionador 14. La rutina de diagnóstico puede incluir una o más sub-rutinas en las cuales están caracterizados los parámetros medidos para desarrollar un patrón de falla, que se puede usar para identificar una o más causas de raíz para una falla. Una falla debe detectarse primero antes de ser caracterizada. La rutina de diagnosis se puede programar para detectar desviaciones sostenidas en la señal de impulsión de l/P. La señal de impulsión de l/P puede fijarse en aproximadamente 70% para centrar la válvula de carrete en su posición nula. Un rango de operación normal para la señal de impulsión puede ser de 60 a 80% en consecuencia, la rutina de diagnóstico puede generar u na señal de falla cuando la señal de impulsión de l/P se mueve fuera del rango de operación normal (es decir, menos que 60% o más que 80%). Un filtro de estadísticas en orden se puede usar para transitorios normales, de manera que se genera una señal de falla solamente cuando la señal de impulsión de l/P está fuera del rango normal para un período de tiempo sostenido. Alternativamente, la unidad de diagnóstico se puede programar para monitorear cambios grandes en la posición nominal de la válvula de carrete, o para monitorear una señal de error (es decir, la desviación de viaje de vástago de la válvula de la referencia) , disparar un análisis de falla. En cualquier caso, una vez que se ha detectado una falla, se debe revisar primero la presión del fluido de control en el suministro 30 de manera q ue se puede dictaminar como una causa de la falla. U na vez que se ha detectado una falla, se puede caracterizar para determinar su ubicación general o específica dentro del circuito de control. Después que se ha detectado la desviación en la señal de impulsión de l/P, la falla se puede localizar rastreando la desviación en reversa a través del circuito de control. Por ejemplo, para un orificio 36 primario bloqueado, por ejemplo, el circuito de control será afectado como sigue: el flujo a través del orificio 36 primario se detendrá, causando que la válvula de carrete se mueva a su estado de presión 0 (negativa), lo cual a su vez disminuye la presión en la cámara del actuador, lo que causa que se mueva el elemento de estrangulación, el cual genera una señal de error de regreso al procesador. El procesador aumentará la señal de impulsión de l/P para compensar la otra falla. Para identificar la ubicación específica de la falla, se debe proceder de regreso a través de esta cadena de eventos. Para el ejemplo de orificio primario tapado completamente, el análisis empieza con la detección de una señal de impulsión de l/P arriba del límite superior del rango normal de operación (es decir, una desviación de señal de impulsión de l/P positiva). Enseguida, la señal de error generada mediante el movimiento del elemento de estrangulación se caracteriza como grandemente positiva , lo cual significa que el viaje real del actuador es menor que el deseado. Una presión diferencial entre presiones de orificio de salida, donde la presión en el primer orificio 52 de entrada es substraída de la presión en el segundo orificio 54 de salida, se puede caracterizar entonces como siendo negativo. Enseguida, el sensor 84 de desplazamiento proporciona retroalimentación con respecto a la posición de válvula de carrete, lo cual sería caracterizado como grandemente negativo con respecto a la posición nula debido a la reducción de presión del fluido de control causada por el bloqueo. Caracterizando los parámetros medidos en este modo, se pueden eliminar ciertas causas de raíz para la falta. Varias causas de raíz pueden tener las características precedentes, de las cuales una es un orificio primario bloq ueado. De un modo similar, todas las fallas pueden ser colocadas en mapa usando un diagrama de decisión , como se ilustra en la Figura 5.
En la Figura 5, las variables medidas están indicadas mediante círculos, los valores caracterizados de esos parámetros están etiquetados en las líneas que salen de los círculos, y las fallas de los componentes están indicadas mediante cuadrados. Los triángulos indican regiones inválidas tales como, por ejemplo, la combinación de una señal de impulsión grande y una señal de error negativa grande, lo cual no es posible. La rutina de diagnóstico ilustrada en la Figura 5 se basa en sensores existentes proporcionados comúnmente con posicionadotes y por lo tanto ciertas fallas de componentes q ue son indisting uibles han sido agrupadas juntas en la Figura 5. Se pueden usar sensores adicionales para distinguir más las fallas de componentes agrupadas. Las fallas de componentes caen en cascada a través del diagrama hasta que la señal de impulsión de l/P se desvía. La causa de raíz de la desviación puede ser identificada, entonces, moviéndose hacia atrás a través del diagrama de decisiones. Más específicamente, en la medición 1 00 la rutina de diagnóstico puede detectar una señal de impulsión de l/P que se desvía del rango normal de operación . La señal de impulsión se puede caracterizar como alta si está por encima del rango y como baja si está por debajo del rango. Si la señal de impulsión de l/P es alta, la rutina de diagnóstico almacenada procederá en el diagrama para caracterizar una señal de referencia usada en el circuito de control. La señal de referencia puede ser la señal de comando enviada al posicionador desde un controlador de proceso. La señal de impulsión de l/P es una función de la diferencia entre la referencia y retroalimentación de viaje. Estos son tres escenarios donde la señal de impu lsión de l/P puede estar arriba o debajo de su punto normal de operación , dos de los cuales no son el resultado de una falla de equipo. La primera es cuando el controlador está en "corte". El corte ocurre cuando la señal de referencia excede un umbral definido por el usuario. Cuando está en corte alto, el servo controlador es derivado totalmente y un 100% de señal de impulsión se envía al l/P. Cuando está en corte bajo, el servo controlador es derivado y un 0% de señal de impulsión es enviado al l/P. Ambos cortes alto y bajo son regiones de operación válidas y no indican una falta de equipo. Los cortes alto y bajo se indican en la Figura 5 en los cajones 103, 131 , respectivamente. El segundo escenario es cuando el cuerpo de válvula acopla con un alto de viaje. Cuando el cuerpo de válvula golpea un alto, la retroalimentación de viaje ya no está activa y el controlador de proceso opera esencialmente en circuito abierto. Otra vez, este es un comportamiento normal de la válvula de control y no indica una falla de equipo. Los altos de viaje alto y bajo están indicados en la Figura 5 en los cajones 1 04, 132, respectivamente. El tercer escenario es donde una falla de equipo ha causado una señal de error grande. Con el fin de compensar una señal de error grande, la señal de impulsión de l/P se ajusta en consecuencia. Una vez que los cortes y altos de viaje son reglamentados, puede proceder el análisis a lo largo del diagrama de decisión expuesto en la Figura 5. Para una señal de impulsión alta de l/P, el análisis procede arriba del diagrama, mientras que para una señal de impulsión baja de l/P, el análisis procede abajo del diagrama. Una señal de impulsión alta de l/P se analiza primero caracterizando la señal de error en 105. La señal de error puede clasificarse como grandemente positiva, nula o grandemente negativa. Cuando la señal de impulsión de l/P es alta, no es posible tener una señal de error negativa grande y por lo tanto la rama derecha superior de la Figura 5 indica que todas las consecuencias no son válidas. En consecuencia, las únicas consecuencias posibles de la caracterización 105 de señal de error son grandemente positivas (es decir, la señal de referencia es mayor que la señal de retroalimentación de viaje real) o nulas. En cualquier caso, la rutina de diagnóstico procederá enseguida a caracterizar una diferencial de presión entre los primer y segundo orificios 52, 54 de salida mediante la substracción de la presión en el primer orificio 52 de salida de la presión en el segundo orificio 54 de salida, como se indica en 106, 107. La diferencial de presión se puede caracterizar como negativa cerca de la presión de suministro, nominal o positiva cerca de la presión de suministro. Una diferencial de presión negativa indica que la presión en el primer orificio 52 de salida es mayor que en el segundo orificio 54 de salida. Lo inverso es cierto para una diferencial de presión positiva. Una diferencial de presión nominal indica que las cámaras del actuador están equilibradas substancialmente. - Para cada caracterización de diferencial de presión, la rutina de diagnóstico procederá para caracterizar la posición de la válvula de carrete, como se indica en 108-113. La posición de la válvula de carrete se puede caracterizar como grandemente positiva, nula, o grandemente negativa. Una posición positiva grande indica que el diafragma 45 ha empujado a la válvula de carrete muy lejos mientras que una negativa grande significa lo opuesto. La válvula de carrete está en la posición nula cuando permanece dentro de un rango normal de operación. Una vez que se ha caracterizado la posición de la válvula de carrete, se pueden identificar una o más causas de raíz potenciales para la desviación de señal de impulsión de l/P. Por ejemplo, si la válvula de carrete se atasca 114, el anillo O 46 de salida ha fallado 115, el diafragma 45 ha fallado 116, o el orificio 36 primario está completamente tapado 117, la rutina de diagnóstico habrá caracterizado la falla como teniendo la posición de carrete grandemente negativa, una diferencial de presión negativa y una señal de error grandemente positiva para una señal de impulsión de l/P alta. Si la falta se caracteriza como teniendo una posición de válvula de carrete grandemente positiva, una diferencial de presión nominal y una señal de error grandemente positiva para una señal de impulsión de l/P alta, la causa de raíz puede ser una fuga 118 externa, una válvula 119 de carrete gastada o una presión 120 de suministro baja. Para una falta que tiene una posición de válvula de carrete grandemente negativa, diferencial de presión nominal y una señal de error grandemente positiva para una señal de impulsión de l/P alta, la causa de raíz puede ser un suministro 1 21 de presión baja.
Si, para una señal de impulsión de i/P alta, la señal de error es muy positiva, la diferencial de presión es positiva y la posición de la válvula de carrete es muy positiva, la causa de raíz puede ser que el cuerpo de la válvula está atascado en una posición 122 baja, una línea de aire bloqueada entre la válvula de carrete y el actuador 1 23, o un trabado 124 activo. Si una falla se caracteriza como teniendo una posición de válvula de carrete muy positiva, una presión diferencial nominal y una señal de error nula para una señal de impulsión de l/P alta, la causa de raíz puede ser una fuga 125 externa. Si la posición del carrete se caracteriza como nula, la diferencial de presión es nominal y la señal de error es nula para una señal de impulsión de l/P alta, la causa de raíz para la falla puede ser un orificio 36 primario que está tapado 1 26 parcialmente, la presencia de arenilla en la chapaleta o armadura 127 de l/P, o un cambio 128 de calibración de l/P. Volviendo a la mitad del fondo de la Figura 5, la rutina de diagnóstico puede cond ucir a un proceso similar para una señal de impulsión baja de l/P. Después de descartar el corte bajo 131 y un tope 132 de viaje bajo, el análisis procede a caracterizar la señal de error en 133. La caracterización de la señal de error es similar a aquella en 105 antes descrita, en donde la señal de error puede ser muy negativa, nula o muy positiva. No es posible tener ambas, una señal de impulsión de l/P baja y una señal de error muy positiva, y por lo tanto las consecuencias mostradas en la porción izquierda del fondo de la Fig ura 5 están ind icadas todas como siendo no válidas. Después de la caracterización de señales de error, la rutina de diagnóstico caracterizará una diferencial de presión en 1 34 y 1 35. Finalmente, la rutina de diagnóstico caracterizará la posición de la válvula de carrete en 1 36 a 141 . Como con una desviación de señal de impulsión alta, el análisis de una desviación de señal de impulsión baja procede con la identificación de una o más causa de raíz posibles. Si la señal de error es muy negativa, la diferencial de presión positiva y la posición de válvula de carrete muy positiva, la causa de raíz para la falla puede ser una boq uilla 38 que está bloqueada 142, una chapaleta o armadura 143 de l/P presionada, un l/P sujeto con pestillo 144, o una válvula 145 de carrete atascada. Si la señal de error es muy negativa la diferencial de presión es negativa, y la posición de válvula de carrete es negativa, la causa de raíz para la falla puede ser el cuerpo de la válvula atascado en una posición 146 alta o una línea 147 de aire bloqueada. Finalmente, si la señal de error es nula, la diferencial de presión es nominal y la posición de la válvula de carrete es nula, la causa de raíz para la falla puede ser un cambio 148 de calibración de l/P, o una boquilla 38 que está tapada 149 parcialmente. La rutina de diagnóstico puede clasificar además las fallas de componentes de acuerdo con diagnósticos severos y proporciona diagnósticos pronosticadores. Ciertas causas de raíz, tales como un orificio 36 primario o boquilla 38 tapado, empujará a la válvula 26 de carrete en una manera que no puede ser corregida por el procesador 18. Tales causas se pueden caracterizar con diagnósticos de "luz roja" y reportarse apropiadamente. Otras causas de raíz pueden resultar en una gran desviación en la señal de l/P, pero todas las otras variables en el circuito de retroalimentación están operando normalmente. Por ejemplo, el orificio 36 primario puede bloquearse parcialmente de manera que la señal de l/P tendrá que ser impulsada más fuerte con el fin de compensar la degradación en flujo hasta la boquilla. Sin embargo, la señal de error, la presión del actuador y la posición de la válvula de carrete operarán normalmente. Haciendo la comparación de la desviación de la señal de l/P con otras variables en el circuito de retroalimentación , podemos identificar la degradación y marcándola con bandera antes de que se vuelva una falla catastrófica. Estas causas pueden ser clasificadas como diagnósticos de "luz amarilla". Aunq ue se ha descrito la unidad de diagnóstico como de preferencia realizando el procesamiento y diagnósticos usando software, se puede usar hardware, firmware, etc. , usando cualquier tipo de procesador, tal como un ASIC, etc. En cualquier caso, la mención de una rutina almacenada en una memoria y ejecutada en un procesador incluye dispositivos de hardware y firmware así como también dispositivos de software. Por ejemplo, los elementos descritos en la presente pueden ser implementados en un CPU normal de propósito múltiple o en hardware o firmware específicamente diseñados tales como un circuito integrado de aplicación específica (ASIC) u otros dispositivos integrados según se desee y ser aún una rutina ejecutada en u n procesador. Cuando se implementa en software, la rutina de software se puede almacenar en cualquier memoria legible por computadora tal como en un disco magnético, u n disco láser, un disco óptico u otro medio de almacenamiento, en una RAM o ROM de una computadora o procesador, en cualquier base de datos, etc. De manera similar, este software puede ser entregado a un usuario o una planta de proceso vía cualquier método de entrega conocido o deseado que incluye, por ejemplo, un disco legible por computadora u otro mecanismo de almacenamiento para computadora transportable o por un canal de comunicación tal como una línea telefónica, la internet, etc. (Los cuales se ven como los mismos o intercambiables con la provisión de tal software vía un medio de almacenamiento portátil). La descripción detallada precedente se ha dado para claridad de entendimiento solamente, y no se deben concluir limitaciones innecesarias a partir de la misma, ya que serán obvias las modificaciones para aquellos expertos en la técnica.

Claims (70)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema posicionador para controlar un actuador neumático acoplado a un elemento de estrangulación, el actuador que tiene por lo menos una primera cámara de control, el sistema posicionador que comprende: un convertidor de l/P que entrega una señal de presión; neumáticos de segunda etapa que incluyen un alojamiento con un orificio de entrada en comunicación de fluido con un suministro de fluido de control y un primer orificio de salida en comunicación de fluido con la primera cámara de control y un ensamble de válvula para fluido de control dispuesto en el alojamiento y que responde a la señal de presión para controlar el flujo del fluido de control desde el orificio de entrada hasta el primer orificio de salida; un sensor de presión de entrada en comunicación de fluido con el orificio de entrada del alojamiento para medir una presión del orificio de entrada; un primer sensor de presión de salida en comunicación de fluido con el primer orificio de salida para medir una primera presión de orificio de salida; un sensor de desplazamiento para detectar una posición del ensamble de válvula de fluido de control; y una unidad de diagnóstico acoplada en comunicación con el sensor de presión de entrada, primer sensor de presión de salida y sensor de desplazamiento, la unidad de diagnóstico que incluye un procesador que tiene una rutina almacenada adaptada para determinar un primer régimen de flujo de masa de salida de fluido de control con base en la presión del orificio de entrada, la primera presión de orificio de salida y una primer área de restricción de orificio de salida.
2. El sistema posicionador de la reivindicación 1, en el cual el actuador define además una segunda cámara de control y el alojamiento define un segundo orificio de salida en comunicación de fluido con la segunda cámara de control, en donde el ensamble de válvula de fluido de control controla además el flujo de fluido de control desde el orificio de entrada hasta el segundo orificio de salida y en el cual el posicionador comprende además un segundo sensor de presión de salida en comunicación de fluido con el segundo orificio de salida para medir una segunda presión de orificio de salida, en donde la unidad de diagnóstico está acoplada en comunicación con el segundo sensor de presión de salida y la rutina está adaptada además para determinar un segundo régimen de flujo de masa del orificio de salida de fluido de control con base en la presión de orificio de entrada, la segunda presión de orificio de salida y una segunda área de restricción de orificio de salida.
3. El sistema posicionador de la reivindicación 1, en el cual el ensamble de válvula de fluido de control comprende una válvula de carrete y la posición del ensamble de válvula de fluido de control comprende una posición de válvula de carrete.
4. El sistema posicionador de la reivindicación 3, en el cual la rutina está adaptada para determinar la primer área de restricción de orificio de salida co n base en la posición de válvu la de carrete .
5. El sistema posicionador de la reivind icación 1 , en el cual el ensamble de válvula de fluido de control comprende u n relevador neumático que tiene un balancín y la posición del ensamble de válvula de fl u ido de control comprende u na posición de balancín , en donde la rutina está adaptada para determ inar una primer área de restricción de orificio de salida con base en la posición del balancín .
6. El sistema posicionador de la reivindicación 1 , en el cual la rutina determi na el primer rég imen de d m/d^ de flujo de masa de orificio de sal ida de acuerdo con : dm/dt, = KYA-i gc(2p(p1-p2))½ donde: P! es la presión de orificio de entrada ; p2 es la presión de orificio de salida ; A-i es el área de restricción del primer orificio de salida; K es un coeficiente de descarga; Y es un factor de expansión ; gc es una constante de conversión ; y p es u na densidad de fluido corriente arriba .
7. El sistema posicionador de la reivindicación 6, en el cual el actuador define además una seg unda cámara de control y el alojamiento define un segundo orificio de salida en comunicación de fluido con la segunda cámara de control, en donde el ensamble de válvu la de flu ido de control controla además el flujo de fluido de control desde el orificio de entrada hasta el segundo orificio de salida y en el cual el posicionador comprende además un segundo sensor de presión de salida en comunicación de fluido con el segundo orificio de salida para medir una presión de segundo orificio de salida, en donde la unidad de diag nóstico está acoplada en comunicación con el segundo sensor de presión de salida y la rutina está adaptada para determinar un régimen de flujo de masa de segundo orificio de salida de fluido de control con base en la presión de orificio de entrada, la presión de segundo orificio de salida y un área de restricción de segundo orificio de salida.
8. El sistema posicionador de la reivindicación 7, en el cual la rutina determina el régimen de dm/dt2 de flujo de segundo orificio de salida de acuerdo con : dm/dt2 = KYA2 gc(2p(P l-p3))½ donde: p1 es la presión de orificio de entrada; p3 es la presión de segundo orificio de salida; A2 es el área de restricción del segundo orificio de salida; K es un coeficiente de descarga; Y es un factor de expansión; gc es una constante de conversión; y p = una densidad de fluido corriente arriba.
9. El sistema posicionador de la reivindicación 1 , en el cual el fluido de control comprende aire, y en el cual la rutina determina el régimen de dm/dti de flujo de masa de primer orificio de salida de acuerdo con: dm/dt-, = 0.048???·, (pi(Pi-p2))½ donde: Pi es la presión de orificio de entrada; p2 es la presión de orificio de salida; A-i es el área de restricción del primer orificio de salida; K es un coeficiente de descarga; e Y = un factor de expansión;
10. El sistema posicionador de la reivindicación 1 , en el cual el posicionador comprende la unidad de diagnóstico.
11. El sistema posicionador de la reivindicación 1, en el cual un huésped remoto comprende la unidad de diagnóstico.
12. En un circuito de control para una válvula de control que tiene un elemento de estrangulación, el circuito de control que incluye un actuador acoplado al elemento de estrangulación y que define una primera cámara de control y un posicionador que incluye neumáticos de segunda etapa que tienen un alojamiento que define un orificio de entrada en comunicación de fluido con un suministro de fluido de control y un primer orificio de salida en comunicación de fluido con la primera cámara de control, un ensamble de válvula de fluido de control dispuesto en el alojamiento para controlar el flujo del fluido de control desde el orificio de entrada hasta el primer orificio de salida, un método para determinar un régimen de flujo de masa del primer orificio de salida de fluido de control que comprende: generar un valor de presión de orificio de entrada midiendo la presión del fluido en el orificio de entrada del alojamiento; generar un valor de presión del primer orificio de salida midiendo la presión en el primer orificio de salida del alojamiento; generar un valor de viaje de ensamble de válvula de fluido de control mediante le detección de una posición del ensamble de válvula de fluido de control; y calcular el régimen de flujo de masa del primer orificio de salida con base en el valor de presión del orificio de entrada, el valor de presión del primer orificio de salida y un área de restricción del primer orificio de salida.
13. El método de la reivindicación 12, en el cual el actuador define además una segunda cámara de control y el alojamiento define un segundo orificio de salida en comunicación de fluido con la segunda cámara de control, en donde el ensamble de válvula de fluido de control controla además el flujo del fluido de control desde el orificio de entrada hasta el segundo orificio de salida, el método que comprende además: generar un valor de presión del segundo orificio de salida midiendo la presión del fluido en el segundo orificio de salida del alojamiento; y calcular un régimen de flujo de masa del segundo orificio de salida con base en el valor de presión del orificio de entrada, el valor de presión del segundo orificio de salida y un área de restricción del segundo orificio de salida.
14. El método de la reivindicación 13, en el cual los regímenes de flujo de masa de los primer y segundo orificios de salida se calculan usando una ecuación de régimen de flujo de masa.
15. Un método para calcular fallas en un circuito de control neumático para una válvula de control que tiene un elemento de estrangulación, el circuito de control que incluye un actuador acoplado al elemento de estrangulación y que define una primera cámara de control, un posicionador que incluye neumáticos de segunda etapa que tiene un alojamiento con un orificio de entrada en comunicación de fluido con un suministro de fluido de control y un primer orificio de salida en comunicación de fluido con la primera cámara de control, un ensamble de válvula de fluido de control dispuesto en el alojamiento, un sensor de presión de entrada en comunicación de fluido con el orificio de entrada, un primer sensor de presión de salida en comunicación de fluido con el primer orificio de salida y un sensor de desplazamiento para' detectar una posición de ensamble de válvula de fluido de control, el método que comprende: calcular un primer régimen de flujo de masa del fluido de control a través del primer orificio de salida usando el sensor de presión de entrada, primer sensor de presión de salida y sensor de desplazamiento para desarrollar un primer perfil de flujo de masa; y generar una señal de falla con base en el primer perfil de flujo de masa de acuerdo con una sub-rutina lógica.
16. El método de la reivindicación 15, en el cual la sub-rutina lógica genera una señal de falla cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe un incremento sostenido.
17. El método de la reivindicación 15, en el cual la sub-rutina lógica genera una señal de falla cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe una disminución sostenida.
18. El método de la reivindicación 1 5, en el etial la sub-rutina lógica genera una señal de falla cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe una disminución sostenida mientras que el sensor de desplazamiento indica que el ensamble de válvula de fluido de control está fuera de una posición nula.
19. El método de la reivindicación 15, en el cual el actuador define además una segunda cámara de control y el alojamiento de válvula de carrete define además un segundo orificio de salida en comunicación de fluido con una segunda cámara de control, el circuito de control que incluye además un segundo sensor de presión de salida, en donde el método comprende además calcular un segundo régimen de flujo de masa de fluido de control a través del segundo orificio de salida usando el sensor de presión de entrada, segundo sensor de presión de salida y sensor de desplazamiento para desarrollar un segundo perfil de flujo de masa y en donde la sub-rutina lógica genera la señal de falla con base en por lo menos los primer y segundo perfiles de flujo de masa.
20. El método de la reivindicación 1 9, en el c ual la sub-rutina lógica genera una primera señal de falla de fuga de cámara cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe un incremento sostenido y el segundo perfil de flujo de masa es sustancialmente constante.
21 . El método de la reivindicación 19, en el cual la sub-rutina lógica genera una señal de falla de anillo de pistón cuando uno de los primer y segundo perfiles de flujo de masa exhibe un incremento sostenido y el restante de los primer y segundo perfiles de flujo de masa exh ibe una disminución sostenida.
22. El método de la reivindicación 1 9, que comprende además calcular una presión de cruce promed iando los valores de presión de los primer y segundo sensores de presión de salida, en donde la sub- rutina lógica basa además la señal de falla en la presión de cruce.
23. El método de la reivindicación 22, en el cual la sub-rutina lógica genera una primera señal de falla de fuga de cámara cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe un incremento sostenido y el segundo perfil de flujo de masa es de cerca de cero y la presión de cruce es reducida.
24. El método de la reivindicación 22, en el cual la sub-rutina lógica genera una segunda señal de falla de fuga de cámara cuando los primer y segundo perfiles de flujo de masa son cercanos a cero y la presión de cruce es reducida.
25. Un circuito de control para posicionar un elemento de estrangulación de una válvula de control operada neumáticamente, el circuito de control que comprende: un actuador para impulsar el elemento de estrangulación, el actuador q ue está dispuesto en una alojamiento para actuador que define por lo menos una primera cámara de control; un posicionador que incluye neumáticos de segunda etapa que tienen un alojamiento q ue define un orificio de entrada en comu nicación de fluido con u n sumin istro de fluido de control y un primer orificio de salida en comunicación de fluido con la primera cáma ra de control y u n ensamble de válvula de fl uido de control d ispuesto en el alojamiento para controlar el flujo del fluido de control desde el orificio de entrada hasta el primer orificio de salida ; un sensor de presión de entrada en com unicación de fl u ido con el orificio de entrada del alojamiento para medir u na presión de orificio de entrada ; u n primer sensor de presión de salida en comunicación de flu ido con el primer orificio de salida para med ir una presión de primer orificio de salida; un sensor de desplazamiento para determinar u na posición de ensamble de válvula de fluido de control; y una u nidad de diagnóstico acoplada en comun icación con el sensor de presión de entrada, primer sensor de presión de salida y sensor de desplazamiento, la unidad de diag nóstico que incluye u n procesador que tiene una rutina almacenada adaptada para determinar un régimen de flujo de masa de primer orificio de salida de fluido de control con base en la presión del orificio de entrada, la presión del primer orificio de salida y un área de restricción de primer orificio de salida para desarrollar un primer perfil de flujo de masa y u na sub-rutina lógica adaptada para generar una señal de falla en respuesta al perfil de régimen de flujo de masa.
26. El circuito de control de la reivindicación 25 , en el cual la sub-rutina lógica genera una señal de falla cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe un incremento sostenido.
27. El circuito de control de la reivindicación 25, en el cual la sub-rutina lógica genera una señal de falla cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe una disminución sostenida.
28. El circuito de control de la reivindicación 25, en el cual la sub-rutina lógica genera una señal de falla cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe una disminución sostenida mientras que el sensor de desplazamiento indica que el ensamble de válvula de fluido de control está fuera de una posición nula.
29. El método de la reivindicación 25, en el cual el actuador define además una segunda cámara y el alojamiento define además un segundo orificio de salida en comunicación de fluido con la segunda cámara, en donde el ensamble de válvula de fluido de control controla además el flujo del fluido de control desde el orificio de entrada hasta el segundo orificio de salida, el circuito de control que incluye además un segundo sensor de presión de salida acoplado en comunicación con la unidad de diagnóstico, en donde la rutina está adaptada además para calcular u n segundo régimen de flujo de masa de fluido de control a través del segundo orificio de salida con base en la presión del orificio de entrada, la presión del segundo orificio de salida y un área de restricción del segundo orificio de salida para desarrollar un segundo perfil de flujo de masa y en donde la sub-rutina lógica genera la señal de falla con base en por lo menos los primer y segundo perfiles de flujo de masa.
30. El circuito de control de la reivindicación 29, en el cual la sub-rutina lógica genera una primera señal de falla de fuga de cámara cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe un incremento sostenido y el segundo perfil de flujo de masa es sustancialmente constante.
31. El circuito de control de la reivindicación 29, en el cual la sub-rutina lógica genera una señal de falla de anillo de pistón cuando uno de los primer y segundo perfiles de flujo de masa exhibe un incremento sostenido y el restante de los primer y segundo perfiles de flujo de masa exhibe una disminución sostenida.
32. El circuito de control de la reivindicación 29, en el cual la rutina está adaptada además para calcular una presión de cruce promediando los valores de presión de los primer y segundo sensores de presión de salida, en donde la sub-rutina lógica basa además la señal de falla en la presión de cruce.
33. El circuito de control de la reivindicación 32, en el cual la sub-rutina lógica genera una primera señal de falla de fuga de cámara cuando el primer perfil de flujo de masa exhibe un incremento sostenido, el segundo perfil de flujo de masa es de cerca de cero y la presión de cruce es reducida.
34. El circuito de control de la reivindicación 32, en el cual la sub-rutina lógica genera una segunda señal de falla de fuga de cámara cuando los primer y segundo perfiles de flujo de masa son cercanos a cero y la presión de cruce es reducida.
35. Un método para detectar fallas en un circuito de control para una válvula de control operada neumáticamente, el circuito de control q ue incluye un actuador, neumáticos de segunda etapa que tienen un ensamble de válvula de fluido de control que responde a una señal de presión para controlar el flujo del fluido de control para el actuador, un convertidor de l/P adaptado para recibir una señal de impulsión de l/P y generar la señal de presión y un procesador para entregar la señal de impulsión de l/P al convertidor de l/P, el método que comprende: definir un rango normal de un parámetro de control del circuito de control; disparar una señal de falla para operación del parámetro de control fuera del rango normal; caracterizar parámetros de operación del circuito de control durante la señal de falla para derivar un patrón de falla; comparar el patrón de falla con conjuntos de parámetros de operación almacenados asociados con fallas de componentes específicas; y identificar por lo menos una falla específica de componente que tiene un conjunto de parámetros de operación almacenados que iguala al patrón de falla.
36. El método de la reivindicación 35, en el cual el neumático de segunda etapa comprende una válvula de carrete y en el cual el parámetro de control comprende una señal de posición de válvula de carrete.
37. El método de la reivindicación 35, en el cual el neumático de segunda etapa comprende un relevador neumático que tiene un balancín, y en el cual el parámetro de control comprende una señal de posición de balancín.
38. El método de la reivindicación 35, en el cual el parámetro de control comprende una señal de impulsión de l/P.
39. El método de la reivindicación 35, en el cual la caracterización de los parámetros de operación incluye: caracterizar una desviación de señal de impulsión de l/P como alta o baja; caracterizar una señal de error como muy positiva, nula o muy negativa, en donde la señal de error es igual a una señal de referencia menos una señal de viaje del actuador; caracterizar una presión diferencial de orificio de salida como negativa, nominal o positiva, en donde la presión diferencial del orificio de salida es igual a una presión del primer orificio de salida menos una presión del segundo orificio de salida; y caracterizar una posición del ensamble de válvula de fluido de control como muy positiva, nula o muy negativa.
40. El método de la reivindicación 39, en el cual la caracterización de los parámetros de operación incluye caracterizar la señal de referencia después de que ha sido caracterizada la desviación de señal de impulsión de l/P, pero antes de que se han caracterizado la señal de error, la presión diferencial de orificio de salida y la posición de la válvula de carrete.
41. El método de la reivindicación 39, en el cual un patrón de falla que comprende una alta desviación de señal de impulsión de l/P, señal de error muy positiva, presión diferencial de orificio de salida negativa y posición de ensamble de válvula de fluido de control muy negativa es atribuible a uno de un grupo de fallas de componente que consiste de una válvula de carrete atascada, una falla de anillo O , una falla de diafragma y un orificio primario bloqueado.
42. El método de la reivindicación 39, en el cual un patrón de falla que comprende una alta desviación de señal de impulsión de l/P, señal de error muy positiva, presión diferencial de orificio de salida nominal y posición de ensamble de válvu la de fluido de control muy positiva es atribuible a uno de un grupo de fallas de componente que consiste de una fuga externa, una válvula de carrete gastada y una presión de suministro baja .
43. El método de la reivindicación 39, en el cual un patrón de falla q ue comprende una alta desviación de señal de impulsión de l/P, señal de error muy positiva, presión diferencial de orificio de salida nominal y posición de ensamble de válvula de fluido de control muy negativa es atribuible a una presión de suministro baja.
44. El método de la reivindicación 39, en el cual un patrón de falla que comprende una alta desviación de señal de impulsión de l/P, señal de error muy positiva, presión diferencial de orificio de salida positiva y posición de ensamble de válvula de fluido de control muy positiva es atribuible a una de un grupo de fallas de componente que consiste de un atascamiento de elemento de estrangulación en viaje bajo, una línea de aire bloq ueada y un trabado activo.
45. El método de la reivindicación 39, en el cual un patrón de falla q ue comprende una alta desviación de señal de impu lsión de l/P , señal de error nula, presión diferencial de orificio de salida nominal y posición de ensamble de válvula de fluido de control n ula es atribuible a una de un g rupo de fallas de componente que consiste de un orificio primario tapado parcialmente, arenilla en la armadura y un cambio en calibración de l/P.
46. El método de la reivindicación 39, en el cual un patrón de falla que comprende una baja desviación de señal de impulsión de l/P, señal de error muy negativa, presión diferencial de orificio de salida positiva y posición de ensamble de válvula de fluido de control muy positiva es atribuible a una de un grupo de fallas de componente que consiste de una boquilla de l/P bloqueada, una armadura de l/P presionada, un l/P con pestillo y una válvula de carrete atascada.
47. El método de la reivindicación 39, en el cual un patrón de falla que comprende una baja desviación de señal de impulsión de l/P, señal de error muy negativa, presión diferencial de orificio de salida negativa y posición de ensamble de válvula de fluido de control muy negativa es atribuible a una de un grupo de fallas de componente que consiste de una válvula atascada en una alta posición y una línea de aire bloqueada.
48. El método de la reivindicación 39, en el cual un patrón de falla que comprende una baja desviación de señal de impulsión de l/P, señal de error nula, presión diferencial de orificio de salida nominal y posición de ensamble de válvula de fluido de control nula es atribuible a una de un grupo de fallas de componente q ue consiste de un cambio en calibración de l/P y una boquilla de l/P tapada parcialmente.
49. Un circuito de control para posicionar un elemento de estrangulación de una válvula de control operada neumáticamente, el circuito de control que comprende: un actuador para impulsar el elemento de estrangulación , el actuador que define primera y segunda cámaras de control; neumática de segunda etapa q ue tiene un orificio de entrada en comunicación de fluido con u n suministro de fluido de control, primer y segundo orificios de salida en comunicación de fluido con las primera y seg unda cámaras de control del actuador, respectivamente, y un ensamble de válvula de fluido de control para controlar el flujo del fluido de control desde el orificio de entrada hasta los primer y segundo orificios de salida; un convertidor de l/P que tiene un diafragma que responde a la presión q ue acopla con el ensamble de válvula de fluido de control, el convertidor de l/P que incluye además una entrada en comunicación de fluido con el suministro de fluido de control y una salida para dirigir el fluido de control al diafragma; por lo menos un sensor para detectar un parámetro de operación; un procesador acoplado en comunicación con el por lo menos un sensor para proporcionar una señal de impulsión al convertidor de l/P; y una unidad de diagnóstico acoplada en comunicación con el procesador, la u n idad de diagnóstico que incluye una memoria programada para: definir un rango normal para el parámetro de operación; disparar una señal de falla para operación del parámetro de control fuera del rango normal; caracterizar parámetros de operación del circuito de control durante la señal de falla para derivar un patrón de falla; comparar el patrón de falla con conjuntos de parámetros de operación almacenados asociados con fallas específicas de componente; y identificar por lo menos una falla específica de componente potencial que tiene un conjunto de parámetros de operación almacenados que corresponden al patrón de falla.
50. El circuito de control de la reivindicación 49, en el cual el ensamble de válvula de fluido de control comprende una válvula de carrete y en el cual el parámetro de control comprende una señal de posición de la válvula de carrete.
51 . El circuito de control de la reivindicación 49, en el cual el ensamble de válvula de fluido de control comprende un relevador neumático que tiene un balancín , y en el cual el parámetro de control comprende una señal de posición de balancín .
52. El circuito de control de la reivindicación 49, en el cual el parámetro de control comprende una señal de impulsión de l/P.
53. El circuito de control de la reivindicación 49, en el cual el por lo menos un sensor comprende un sensor de orificio de entrada en comunicación de fluido con el orificio de entrada de la neumática de segunda etapa, un sensor de primer orificio de salida en comunicación de fluido con el primer orificio de salida de neumática de segunda etapa, un sensor de segundo orificio de salida en comunicación de fluido con el segundo orificio de salida de neumática de segunda etapa y un sensor de desplazamiento para determinar una posición de ensamble de válvula de fluido de control y en el cual la memoria está programada para: caracterizar una desviación de señal de impulsión de l/P como alta o baja; caracterizar una señal de error como muy positiva, nula o muy negativa, en donde la señal de error es igual a una señal de referencia menos una señal de viaje del actuador; caracterizar una presión diferencial de orificio de salida como negativa, nominal o positiva, en donde la presión diferencial del orificio de salida es igual a una presión del primer orificio de salida menos una presión del segundo orificio de salida; y caracterizar la posición del ensamble de válvula de fluido de control como muy positiva, nula o muy negativa.
54. El circuito de control de la reivindicación 53, en el cual la memoria está programada además para caracterizar la señal de referencia después de que ha sido caracterizada la desviación de señal de impulsión de l/P, pero antes de haber sido caracterizadas la señal de error, la presión diferencial de orificio de salida y la posición de la válvula de carrete.
55. Un método para detectar fallas en un circuito de control para una válvula de control operada neumáticamente, el circuito de control que incluye un actuador, un ensamble de válvula de fluido de control adaptado para recibir una señal de presión y control de flujo del fluido de control al actuador, un convertidor de l/P acoplado al ensamble de válvula de fluido de control y un procesador para entregar una señal de impulsión de l/P al convertidor de l/P, el método que comprende: monitorear la señal de falla con base en la señal de impulsión de l/P y el por lo menos un parámetro de acuerdo con una sub-rutina lógica.
56. El método de la reivindicación 55, en el cual el por lo menos un parámetro de operación comprende una posición de ensamble de válvula de fluido de control.
57. El método de la reivindicación 56, en el cual la señal de falla se genera cuando la señal de impulsión de l/P exhibe un incremento sostenido y la posición del ensamble de válvula de fluido de control está en nula.
58. El método de la reivindicación 57, en el cual la señal de falla indica un orificio primario tapado en el convertidor de l/P.
59. El método de la reivindicación 57, en el cual la señal de falla indica una falla de un anillo O de salida en el convertidor de l/P.
60. El método de la reivindicación 56, en el cual la señal de falla se genera cuando la señal de impulsión de l/P exhibe una disminución sostenida y la posición del ensamble de válvula de fluido de control es positiva.
61 . El método de la reivindicación 60, en el cual la señal de falla indica una boq uilla tapada en el convertidor de l/P.
62. El método de la reivindicación 60, en el cual el ensamble de válvula de fluido de control comprende una válvula de carrete y la posición del ensamble de válvula de fluido de control comprende una posición de la válvula de carrete.
63. El método de la reivindicación 60, en el cual el ensamble de válvula de fluido de control comprende un relevador neumático que tiene un balancín y la posición del ensamble de válvula de flu ido de control comprende una posición de balancín .
64. Un sistema posicionador para recibir una señal de impulsión y controlar un actuador neumático acoplado a un elemento de estrangulación, el actuador que tiene por lo menos una primera cámara de control, el sistema posicionador que comprende: un convertidor de l/P adaptado para recibir la señal de impulsión, el convertidor de l/P que genera una señal de presión con base en la señal de impulsión; neumática de segu nda etapa que incluye un alojamiento con un orificio de entrada en comunicación de fluido con un suministro de fluido de control y un primer orificio de salida en comunicación de fluido con la primera cámara de control y un ensamble de válvula para fluido de control dispuesto en el alojamiento y que responde a la señal de presión para controlar el flujo del fluido de control desde el orificio de entrada hasta el primer orificio de salida; un sensor de desplazamiento para determinar una posición del ensamble de válvu la de fluido de control; y u na un idad de diag nóstico acoplada en com u n icación con el sensor de desplazamiento y que incl uye u n procesador q ue tiene una rutina almacenada adaptada para generar información de d iagnósticos con base en la posición el ensamble de válvula de flu ido de control .
65. El sistema posicionador de la reivindicación 64, en el cual el ensamble de válvula de flu ido de control comprende una válvu la de carrete y en el cual la posición del e nsamble de válvula de flu ido de control comprende una posición de la válvula de carrete.
66. El sistema posicionador de la reivindicación 64 , en el cual el ensamble de válvu la de flu ido de control comprende u n relevador neumático que tiene u n balancín y en el cual la posición del ensamble de válvula de control comprende una posición de balancín .
67. El sistema posicionador de la reivindicación 64, en el cual la rutina almacenada compara la posición del ensamble de válvula de fluido de control con la señal de impulsión para generar la información de diagnósticos .
68. El sistema posicionador de la reivindicación 64, en el cual el actuador define además u na seg unda cámara de control y el alojamiento define un segundo orificio de salida en comunicación de fluido con la segu nda cámara de control , en donde el ensamble de válvula de flu ido de control controla además el flujo del fluido de control desde el orificio de entrada hasta el segundo orificio de salida.
69. El sistema posicionador de la reivindicación 64, en el cual la información de d iag nósticos compre nde información de diagnósticos del actuador.
70. El sistema posicionador de la reivindicación 64, en el cual la información de diagnósticos comprende información de diagnósticos de l/P.
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