在过程在线操作的同时确定性地获得对过程控制装置参数测量的方法和设备的制作方法

专利名称：在过程在线操作的同时确定性地获得对过程控制装置参数测量的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及过程控制系统诊断技术，尤其涉及确定性地获得连接在操作过程环境中的过程控制装置的一个或多个参数的测量值的方法和设备。
背景技术：
大规模商业制造和提炼过程通常采用过程控制器来控制诸如控制阀门的一个或多个过程控制装置的操作，控制阀门继而控制诸如过程中的流体流动、温度或压力等一个或多个过程变量。通常，每个控制阀门有一个受定位器控制的致动器，致动器响应于过程控制器所产生的控制信号使相关控制元件(诸如阀塞、阻尼器(damper)或一些其它可变开启部件)移动。例如，控制阀门的控制元件可以响应于弹簧偏移(spring-biased)隔膜或活塞头上的变化液体压力或者响应于轴的旋转而移动，每一种情况都可能由控制信号的变化引起。在一种标准阀门机构中，量值在4至20mA(毫安)范围内变化的控制信号引起定位器与控制信号的量值成正比地改变压力室中的流体量继而流体压力。压力室中变化的流体压力引起隔膜向偏移弹簧移动，继而偏移弹簧又引起与隔膜耦合的阀塞的移动。
过程控制装置通常形成或产生表示该装置对控制信号的响应的反馈信号，并将此反馈信号(或响应指示)提供给过程控制装置，用以对过程进行控制。例如，控制阀门通常产生反馈信号，该信号表示阀塞或其它可移动阀门部件的位置(例如，行程)。
即使控制阀门可使用这些反馈信号在过程控制回路内执行功能，但是现已发现，由于控制阀门处的操作情况较差仍然会引起控制回路性能较差。在许多情况下，过程控制器不能在控制回路之外调整有关各个过程控制装置的问题，结果，把性能差的控制回路放置为人工方式或者以人工方式把它解调至它们有效的点。在此情况下，有关这些控制回路的过程需要由一个或多个有经验的操作人员进行持续监控，这是不希望的。
通常，通过监视连接于过程回路内的过程控制装置的操作情况或“健康状况”并修理或替换性能差的过程控制装置，可以克服差的控制回路性能。通过测量有关一个或多个过程控制装置的参数并确定一个或多个参数是否在可接受范围之外，可确定过程控制装置的健康状况。
可用来确定即表示过程控制装置的健康状况的一个过程控制装置参数是静区(dead band)。一般讲，在过程仪器中，静区是这样一个范围，输入信号可在方向反转时在该范围内改变，而不引发输出信号的可观测变化。当控制信号引起过程控制装置的可移动元件的移动方向反转时，能够最好地观察静区，它可能由机械互连部件之间的物理作用、摩擦和／或其它公知的物理现象引起。在此反转期间，在过程控制装置的可移动元件实际沿新的方向上表现出移动前，控制信号经历一离散变化量(静区)。换句话说，最后一次发生过程控制装置元件沿第一方向移动的控制信号值与首次发生过程控制装置元件沿第二不同方向移动的控制信号值之差是过程控制装置的静区的一个测量值。
参考

图1，通过把分块的正弦信号加到过程控制装置上获得了静区的粗略估计。此分块正弦信号包括量值相等的交变阶跃的周期，按照一个个周期把幅度增加诸如1％、2％、5％等。一旦发生阀门元件或过程变量的移动沿着反转方向，则该阶跃的幅度(加倍)提供了静区的上界。下界由前一周期中阶跃的幅度来提供。
可用来确定过程控制装置的健康状况的其他装置参数是静时间和响应时间增益和过调(overshoot)。静时间与过程控制装置实际响应于控制信号的变化而开始移动可移动元件所用的时间量有关，可以认为是该时间量的测量结果。响应时间是过程控制装置的可移动元件响应于控制信号的变化达到其最终值的一定百分比(例如63％)所用的时间量。过程控制装置的增益表示控制信号的变化所引起的放大量。可把该增益表示为阀门行程的相对变化与控制信号的相对变化之比。过程控制装置的过调量指示阀门行进到超过其最终稳定状态位置多少。
如果过程控制装置的静区、静时间、响应时间或其它过程控制装置参数增加的数量明显超过它们的标定值，则可能需要修复或替换过程控制装置，以在过程控制回路中建立适当的控制。然而，当这些装置在线连接于控制回路中时，测量过程控制装置的参数(诸如静区、静时间、响应时间、增益和过调)以监视运行的过程控制装置的健康状况通常不是很容易。
过去，操作人员必须将过程控制装置从控制回路中移去，以对该装置进行工作台测试，或者给控制回路设置旁通阀和冗余过程控制装置，使得有可能绕过特定的过程控制装置，从而在过程进行操作时对该设备进行测试。另外，操作人员必须在过程操作中引入明显的扰动或等待，直到过程被中断或者进行预定的关机，以测试过程中的各个过程控制装置。这些方案中每一种都费时、昂贵且可能中断此过程，同时只能提供确定这些控制装置的操作情况所需的各个过程控制装置的参数的间歇测量值。
发明概要本发明旨在当过程进行操作时(即，当过程在线时)确定地测量连接在该过程中的过程控制装置的一个或多个装置参数的方法和设备，这些参数诸如静区、静时间、响应时间、增益或过调等。本发明的方法和设备使得过程操作人员能够监测过程中的一个或多个过程控制装置的健康状况或操作情况，而不必把过程控制装置从控制回路中移去，不必绕过控制回路中的过程控制装置，也不必停止此过程或以任何其它明显的方式干预此过程。为此，在依据本发明的诊断测试前进行对过程的影响可能最小的确定。
依据本发明的一个方面，诊断测试单元确定有关置于操作过程内的过程控制装置的装置参数。诊断测试单元包括监测过程操作期间的过程信号的开关控制器。诊断测试单元还包括产生诊断测试信号的信号发生器及响应于开关控制器并可用来在过程操作期间以诊断测试信号替换过程控制装置的控制信号的开关。该设备还包括用于获得过程控制装置对该诊断测试信号的响应指示的机构以及从诊断测试信号和响应指示中确定装置参数的分析器单元。
过程控制装置可以是具有可移动阀门部件的控制阀。在此情况下，响应指示最好是位置传感器结合阀门部件所产生的位置信号，该位置信号代表阀门部件的位置。位置信号还可用作开关控制器所监测的过程信号。
依据本发明的另一个方面，一种当过程控制装置置于一操作过程内时确定有关过程控制装置的装置参数的方法，该方法包括在过程操作期间监测过程信号并确定该过程信号是否基本上稳定的步骤。该方法还包括产生诊断测试信号并在过程信号基本上稳定时在过程操作期间以诊断测试信号来替换控制信号的步骤。然后接收过程控制装置对诊断测试信号的响应指示并从中确定装置参数。
附图概述图1包括可被本发明的诊断测试单元所使用来测量过程控制装置的静区的已有技术的确定性测试信号的图；图2包括置于一控制回路中的过程控制装置的方框图，其中该过程控制装置包括置于控制回路中的依据本发明的诊断测试单元；图3包括用来测量依据本发明的过程控制装置的静区的诊断测试信号及其响应的图；以及图4A-4D包括用于测量依据本发明的过程控制装置的参数的确定性测试信号的图。
详细描述参考图2，典型的单输入、单输出过程控制回路10包括过程控制器11，该控制器11将例如4到20mA的控制信号发送到过程控制装置13。过程控制装置13示为包括开关14、印刷布线板(PWB)15、电流-压力换能器(I／P)16、继电器(relay)17和致动器／阀门组件18的控制阀。在正常操作期间，通过开关14把来自控制器11的控制信号提供给PWB 15。位置传感器19把表示置于致动器／阀门组件18内的可移动阀门部件(未示出)的移动和位置的反馈信号提供给PWB 15。阀门部件的位置控制过程20内的过程变量。
PWB 15依据输入的控制和反馈信号执行控制算法，以产生用于电流-压力换能器16的信号，继而产生相应的压力信号。由继电器17来放大此压力信号，该继电器17可包括提升阀或更普通的任意气动放大器。经放大的压力信号气动地控制致动器／阀门组件18内的致动器(未示出)，以把阀门部件移至所需的位置。电流-压力换能器16和继电器17都使用耦合到过程控制装置13的压力源27来产生各自的压力信号。
位置传感器19可包括任何所需的运动或位置测量装置，这些装置包括例如电位计、线性可变差动变压器(LVDT)、旋转可变差动变压器(RVDT)、霍尔效应运动传感器、永磁限制性(magneto restrictive)运动传感器或可变电容器运动传感器。除了图1所示包括例如分开的气动定位器和I／P单元等阀门机构或元件，如果需要，过程控制装置13还可包括其它类型的阀门机构或元件。此外，应理解，过程控制装置13可以是诸如阻尼器或风机等任意其它类型的装置，用来以任何其它所需或公知的方式来控制过程变量。
如图1所示，发送器22测量过程20的过程变量并把测得的过程变量的指示发送给求和接点24。求和接点24把过程变量的测量值(已转换成归一化百分数)与设定点相比较，以产生表示它们之差的误差信号，并把该误差信号提供给过程控制器11。设定点可由用户、操作人员或其它控制器(未示出)产生，通常把它归一化到百分之0和100之间并指示过程变量的所需值。在过程20的正常操作期间，过程控制器11使用误差信号依据任何所需的技术来产生控制信号，并把此控制信号传送到过程控制装置13以控制过程变量。
依据本发明，诊断测试例程(可经预编程)用来测试正常过程操作条件下(即，当过程20在线时)的过程控制装置13。在已确定诊断测试例程的实现对过程20的影响最小时，诊断测试例程使过程控制装置13断开控制器11，并强制过程控制装置13进行预定或确定的一组操作(设计成仅对过程20造成最小的影响)。该例程还接收测量或收集表示过程控制装置13对此诊断测试信号的响应的信息，然后把此过程控制装置13重新连到控制器11，这些都在有限的时间量内完成，以基本上避免干扰过程20的正常操作。为了确定过程控制装置13的操作情况，可使用收集到的信息来计算诸如静区、静时间、响应时间、增益和过调量等过程控制装置参数。由于当过程20在线时实现此诊断例程，所以可确定过程控制装置13的“健康状况”或操作情况，而不隔离或绕过过程控制装置13和／或停止过程20。
在将依据本发明来进行过程控制装置13的诊断测试时，开关控制器25产生(或更改)使开关14从第一位置(或状态)到第二位置(或状态)来回切换(toggle)的开关信号，在第一位置中，开关14把来自控制器11的控制信号提供给PWB 15，在第二位置中，开关14断开控制器11，因而断开来自PWB 15的控制信号，并把PWB 15连到信号发生器26的输出，该信号发生器26产生确定(即，已知或预定)的诊断测试信号。如上所述，即使开关控制器25以诊断测试信号来替换控制信号，过程20在诊断测试例程中仍保持在线。
开关控制器25和信号发生器26都是诊断测试单元27的一部分，诊断测试单元27可位于图2所示的过程控制装置13内部，或者它可以是耦合到过程控制装置13的外部测试设备。类似地，开关14可位于过程控制装置13内部或外部。
诊断测试单元27还包括响应累积器28，该累积器28收集或接收过程控制装置13对诊断测试信号的响应的一个或多个指示。响应累积器28可包括存储响应指示以给分析器单元29提供代表响应指示的数据的存储器或存储装置。分析器单元29也可接收代表来自信号发生器26的诊断测试信号的数据，它分析测试信号和响应指示数据以确定一个或多个所需的过程控制装置参数。
如图1所示，响应累积器28可接收表示来自位置传感器19的阀门移动或位置(阀门行程)的响应指示。或者，除此之外，响应累积器28可接收继电器17(经由压力传感器36)所产生的致动器命令信号和／或规定或有关过程控制装置13的控制的任何其它信号(诸如，指示过程变量的值的发送器22的输出)作为响应指示。应注意，其它类型的过程控制装置可具有与其有关的其它信号或现象，这些信号或现象也可指示对诊断测试信号的响应。因而，总之，响应累积器28可收集或接收指示过程控制装置13响应于诊断测试信号的变化所作的移动或操作的任何信号或现象。然而，诸如阀门位置等一些响应指示避免了与被测试的过程控制装置13无关的噪声(例如，过程噪声)源，从而对装置参数提供了更准确的估计。另一方面，进一步除去诸如过程变量等的响应指示可表现出仍应考虑的与过程控制装置13的健康状况或性能无关的延迟。因此，在某些情况下，某些响应指示(或其组合)可能是最好的。
为了确定是否开始诊断测试，开关控制器25在过程20在线时监测有关过程20的信号，以确定过程变量或过程控制装置13是否基本上稳定。监测到的过程信号可经由响应累积器28被开关控制器25接收或由开关控制器25直接收集。过程信号可以是控制信号、阀门部件位置、过程变量或提供过程控制装置13、过程变量和／或设定点的静止程度指示的任何其它变量或信号。如果发现设定点、控制信号或其它变量波动或波动程度较大，则不开始诊断测试例程。为了提高确定的精度，以及在过程20在线时实现诊断测试例程的影响减到最小，开关控制器25可监测过程回路10内的不止一个变量。
监测到的过程信号的稳定性表现出过程变量、过程控制装置13或设定点的稳定性。即使过程变量、过程控制装置13或设定点稳定时，基本上稳定或静止的过程信号仍可能在某种程度上波动。因此，“基本上稳定”的确定应至少考虑到信号内固有的噪声。如果过程信号的变化程度表现出明显地改变过程20或过程变量，则不应实行诊断测试例程。结果，认为监测到的过程信号基本上稳定还是静止在很大程度上与用作被监测过程信号的信号有关。例如，当一控制信号在某些过程控制回路中的波动高达或超过5％时，仍可实行诊断测试例程，而当过程变量在其它过程控制回路内的变化少到1％时，该例程也可能不利于过程20。这些差别可能是过程20和／或过程变量本身的结果，或者源于不同过程控制装置13之间静区的较大差别。依据致动器／阀门组件18的健康状况和／或质量，大的静区允许诊断测试例程在控制信号的变化高达10％时也可运行。此外，过程20对过程变量的低的灵敏度把可允许的变化推到更高。
诊断测试单元27及其任何元件(包括开关控制器25、信号发生器26、响应累积器28和／或分析器单元29)可以硬件、软件、固件或其任意组合来实现。如果以软件来实现，则可把诊断测试单元27的元件存储在任何存储装置(诸如软盘、硬驱、CD-ROM、RAM、ROM、EEPROM或本领域内的技术人员所公知的任何其它存储媒体等)中，如果需要，可经由任何通信媒体从远程位置(诸如经由电话线、因特网、以太网或本领域内的技术人员所公知的任何其它类型的通信网络的传输)来提供这些元件。类似地，可以硬件、软件、固件或其任意组合来实现开关14。
如果需要，分析器单元29可把所确定的过程控制装置参数与所存储的一个或多个值相比较，以确定测得的参数是否可接受或在一个或多个规定的范围内。如果过程控制装置参数不在一个或多个规定的范围内，则分析器单元29或诊断测试单元27的其它元件通过显示器38提醒用户可能需要修复或替换过程控制装置13，显示器38包括例如CRT屏、打印机、话音发生器、警报器或任何其它所需的通信装置，此外，如果需要，分析器单元29可通过显示器38向用户提供测得的装置参数的清单。
信号发生器26所产生的诊断测试信号可呈现使得可测试过程控制装置参数的任意所需形状。然而，可利用如下所述并在图1、3和4A-4D中所示的几个诊断测试信号波形来获得参数测量值，从而把对过程20的不利干扰的可能性减到最小。总之，在时间轴上绘制诊断测试信号，以示出从零基准点开始的信号幅度，该幅度可构成任何DC电平(包括零)。例如，在图4A-4C中所绘制的幅度值可代表，当命令信号从过程控制装置13断开时，诊断测试信号的幅度偏离4-20mA命令信号幅度的量。所示的一些诊断测试信号还具有示出向响应指示相对于零(它可代表测试例程开始处的位置或信号值)移动的典型响应指示图。
现在参考图1，有用于测量过程控制装置参数(尤其是静区)的第一诊断测试信号包括具有以在多个周期中排列的一系列阶跃的脉动正弦信号。每个周期(例如，从时间T1到时间T4)可包括一对交变脉冲，更具体来说，这对交变脉冲包括一正阶跃(例如，在时间T1)、归零(例如，在时间T2)、同一量值的负阶跃(例如，在时间T3)及另一个归零。最好，脉冲的量值在随后的周期中增加。
为了使用图1的脉动正弦信号来测量静区，信号发生器26首先提供一个或多个周期的交变脉冲，直到例如由位置传感器19在任意特定周期的帧和负脉冲期间侦测到阀门部件的移动。以阀门部件响应于正和负脉冲而首次发生移动的周期的幅度(通常以跨度的百分比来表示)之间的绝对差作为测量静区的尺度。当然，此测量实际上过高估计了静区。从低的脉冲幅度(例如，a1)到较高的脉冲幅度(例如，a4)为静区提供了下界和上界。确定静区的另一个例程可使用在多个连续周期内侦测到的移动。例如，如果首次侦测到沿一个周期的第一方向(例如，由于负脉冲)的移动以及首次侦测到由于随后周期的正脉冲引起的沿第二方向的移动，则可把负脉冲幅度与正脉冲幅度之差用作测量装置的静区的尺度。
可以理解，图1的脉动正弦信号使得可在一给定操作点的左右双向地测试过程控制装置13。还可把此脉动正弦信号用作保证过程控制装置13碰到静区边缘的初始化或预测试序列。脉冲幅度可以线性方式(如图1所示)、非线性方式或任何其它所需的方式增加。此外，诊断测试信号的频率应保持低到足以保证阀门18(或其它可移动元件)在每个阶跃之间达到稳态。诊断测试信号的频率通常与被测试的特定控制装置13有关，但它通常可以低到例如0．2Hz到20Hz。
现在参考图3，有用于测量估测控制装置参数(尤其是静区)的第二诊断测试信号包括具有初始化阶段、测试阶段和后测试阶段的斜坡阶跃信号。在时间T0，开关控制器25通过来回切换开关14来开始诊断测试，信号发生器26开始初始化阶段。在初始化阶段中，诊断测试信号以线性或可变速率阶跃增加(或减小)，直到首次检测到阀门元件或其它过程变量的移动(例如，直到时间T1)。还把阀门元件移动(即，响应指示的变化)示为相对于零(它可代表任何初始位置或响应指示值)的幅度。然后，当阀门元件或过程变量达到一个新的稳态值(例如，位置P)时，把诊断测试信号保持恒定。测试阶段在时间T2处开始，并保持诊断测试信号的方向。然后，以线性或可变速率方式减小(或增加)测试信号，直到第二次检测到阀门机构或过程变量的移动(例如，在时间T3处)。在此第二个移动后，可估计静区为时间T2与时间T3之间测试信号幅度的绝对差。
一旦已估计静区，诊断测试信号可在后测试阶段中以加速的速率归零。例如，如图3所示，在时间T3后，阶跃以两倍于测试阶段期间的速率前进。一旦诊断测试信号的幅度接近于零，如果两倍速率阶跃可能使零过调，则信号发生器26可以正常速率使诊断测试信号归零。在时间T4处，诊断测试结束，且开关控制器25可来回切换开关14，以把过程控制装置13的控制回到控制器11或继续不同的测试例程。
控制信号幅度的过度偏离(即，与零的大偏离量)可导致对过程20的不利干扰。相应地，诊断测试信号最好从零仅偏离必要的程度。图3所示的诊断测试例程通过在测试例程中使用非常小的阶跃(例如，低到跨度的25％)实现了这一功能。这样，到达静区的边缘而仅稍稍超过，从而位置(或值)P与零所代表的初始位置(或值)的变化非常小。
由于初始信号阶跃如此小，所以检测阀门移动(或响应指示的变化)的灵敏度极为重要。为此，某些信号可能比其它信号更好地用作响应指示。例如，与监测过程变量所提供的估计相比，通过位置传感器19监测阀门元件移动可更准确地估计致动器／阀门组件18的静区。此外，监测阀门元件移动是较佳的，这是还因为可在过程变量变化前检测移动，从而在阀门元件可快速地返回其测试位置时，可把诊断测试例程对过程20的影响减到最小。
从上述讨论和图1和3中很明显的是，诊断测试单元27尤其是信号发生器26能提供许多不同的诊断测试信号。此外每个诊断测试例程可包括用来确定一个或多个装置参数的多个估计的一个或多个不同的诊断测试信号。获得每个装置参数的多个估计是较佳的，因为装置参数估计可依据过程控制装置13是否移动而穿过过程控制装置13的静区而改变。根据这一潜在的误差或在最低限度上的变化的可能性，诊断测试信号还可包括通过先把过程控制装置13移至静区的一边而开始的初始化波形。
如果已预先估计了静区，则信号发生器26可提供一诊断测试信号，它包括幅度等于静区加上相应于例如阀门元件移动范围百分之一的量的阶跃。此阶跃可以是正的，也可以是负的，并可在静区内部或边缘上的任何地方开始。这样，阶跃响应应总是大到足以超过静区。然后，响应累积器28和／或分析器单元29可测量(1)到阀门18的初始移动为止的时间，以确定静时间，(2)阀门18移动阀门位置整个变化的预定百分比所需的时间(例如，63％)，以确定响应时间，(3)在最终到达其实际稳态值前阀门18使所需稳态值过调的量，以及(4)作为诊断测试信号变化的结果，在实际和所需稳态值之间的增益(如果有的话)。在测试过程控制装置13的响应时间时，由例如操作人员、控制回路设计者或诊断测试单元27的一个元件来规定预定百分比。
很明显，诊断测试单元27包括时钟或其它定时装置来测量静时间或响应时间。还应注意，对于静时间和响应时间测量(以及任何其它测量)，诊断测试单元27只可能在终止诊断测试并产生通过显示器38(图2)提醒操作人员或用户阀门18可能出故障的误差信号前等待预定的时间(例如，三到四秒钟)。此时限还有用于避免诊断测试例程不利地干扰过程20。当然，诊断测试单元27可连到过程控制装置13的输入的时间量可依据控制信号的易失性以及控制回路10的其它特性而改变。
在本发明的一个较佳实施例中，诊断测试例程包括用来确定静时间、响应时间、增益和过调量这四个测量的子程序。每个子程序可独立运行或结合其它子程序来运行，且假设已通过诊断测试单元27预先获得了静区的估计和／或此估计被存储在诊断测试单元27中。这里把这四个子程序叫做Up／Up测试、UP／Down测试、Down／Down测试及Down／Up测试。
现在参考图4A，Up／Up测试使用包括初始化阶段、测试阶段和后测试阶段的诊断测试信号并将确定阀门处于其上静区边缘及上移时的几个装置参数。如图3所示的静区测试，诊断测试例程在时间T0处开始，在这一时间处，诊断测试信号进入初始化阶段。在初始化阶段中，诊断测试信号以线性或可变速率阶跃(即，斜坡阶跃信号)增加，直至检测到阀门元件(或其它过程变量)的移动(即，直到时间T1)。在该点处，当阀门元件位置(或过程变量)达到一新的稳态值时(其后，测试阶段开始)，诊断测试信号保持恒定。在测试阶段(时间T2处)期间，把幅度等于静区加上相应于例如阀门元件移动范围百分之一的量的单个正阶跃应用于过程控制装置13。然后，分析器单元29可如上所述确定静时间、响应时间、过调量和增益。
在阀门元件位置(或其它过程变量)达到一新的稳态时(即，在时间T3处)，诊断测试进入后测试阶段，其中诊断测试信号可以正常或加速速率以阶梯方式归零。
除了诊断测试信号包括相等量值的单个负阶跃以外，Up／Down测试(图4B)类似于Up／Up测试。Up／Down测试测量超过静区的向下阀门元件移动的装置参数。继而，除了具有在加上单个负阶跃信号前把阀门元件移向下静区边缘的负幅度阶跃的斜坡阶跃信号以外，Down／Down测试(图4C)类似于Up／Down测试。Down／Down测试测量从其下静区边缘的向下阀门元件移动的装置参数。最后，Down／Up测试(图4D)使用包括具有负阶跃及结合Up／Up测试所述的单个正阶跃的斜坡阶跃信号的诊断测试信号。Down／Up测试通过静区的向上阀门元件移动的装置参数。然后，可由分析器单元29对这四个测试获得的装置参数求平均或组合，以确定过程控制装置13的静时间、响应时间、增益和过调量的统计测量值。
虽然以上描述提供了对过程控制装置13的静区、静时间、响应时间、增益和过调量的计算，但可使用诊断测试信号和响应指示来计算其它过程控制装置参数。尤其是，可获得任何其它所需的过程控制装置参数，只要可使用受控的诊断测试信号和测得的响应指示来确定地获得该参数。
由于过程仍旧在线，所以可限制诊断测试信号的时间和量值，以保证过程20所受的干扰不达到不利的程度。在控制信号幅度的变化几乎不超过百分之十的情况下，诊断测试信号可偏离控制信号幅度(当除去控制信号时)的程度可能相当小，诸如小于控制信号幅度的约百分之五。幸运的是，通常过程控制装置13不需要经历全冲程或测试冲程序列来确定这里所识别的装置参数。事实上，在大多数情况下，可根据与控制信号幅度的非常小的偏离来估计装置参数，诸如小于约百分之五，最好小于约百分之一。此外，考虑到诊断测试的最大时间将与所涉及的过程控制装置13和过程20有关，它通常小于大约五秒。
在诊断测试例程期间，诊断测试单元27或其一些元件(诸如开关控制器25、信号发生器26或分析器单元29)可继续监测控制信号(或任何其它过程变量或响应指示)，以保证诊断测试例程不对过程20的操作造成不利影响。例如，诊断测试单元27可监测诊断测试信号的幅度偏离控制信号的幅度(可在诊断测试期间变化)的程度。在两个幅度之间的偏离可能超过由用户、操作人员或诊断测试单元27所设定的预定量时，诊断测试单元27通过指示开关控制器25来回切换开关14从而以控制信号来替换诊断测试信号，和／或通过指导信号发生器26产生幅度返回控制信号的当前值的诊断测试信号，可中断或终止诊断测试例程。诊断测试信号可能偏离控制信号的的程度将依据特定过程20及使用该诊断测试单元27的过程控制装置13的特性。
为了进一步避免对过程20的操作造成不利影响，依据本发明的诊断测试例程可结合能以被动方式测量过程控制装置的测试设备一起进行操作。例如，当过程20要求相对更改控制信号或设定点的频率时，可把代表频率改变的控制信号及响应指示的数据提供给分析器单元29，以计算装置参数。在此情况下，分析器单元29必需还包括对数据进行初始分析以确定何时及是否可用此数据来计算所需的装置参数的硬件、软件和／或固件。
相反，当设定点不频繁地改变因此此被动方案不产生数据时，可能需要如上所述使依据本发明的过程控制装置13断开控制器11并应用诊断测试信号来测试该过程控制装置13。
应注意，可把开关14置于气动定位器(未示出)前电流一压力换能器16的下游，或者可把它作为控制器11的一元件部分置于上游。在前一种情况下，诊断测试信号为气动信号。在后一种情况下，可利用测试诊断测试信号的同一信号发生器来测试控制信号。结果，应理解，开关14包括仅通过改变输出序列而以另一个信号替换一个信号的机构。在另一个实施例中，可由用户、操作人员或另一个控制器(未示出)来产生使开关14来回切换的开关信号，从而以人工方式强制开始或终止诊断测试例程。
虽然已参考特定的例子描述了本发明，但它们只是示意性的，而非对本发明的限制，可对所揭示的实施例进行改变、增删而不背离本发明的精神和范围，这将对本领域内的技术人员变得明显起来。
权利要求
1．一种用于确定有关一过程控制装置的装置参数的诊断测试单元，所述过程控制装置置于一操作过程内以接收控制信号，其特征在于所述诊断测试单元包括在过程操作期间监测过程信号的开关控制器；产生诊断测试信号的信号发生器；响应于开关控制器，在过程操作期间以诊断测试信号替换控制信号的开关；获得过程控制装置对该诊断测试信号的响应指示的机构以及从诊断测试信号和响应指示中确定装置参数的分析器单元。
2．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于开关控制器包括用于确定过程信号是否基本上稳定的装置。
3．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于过程信号为控制信号。
4．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于过程信号代表由过程控制装置所控制的过程变量。
5．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于过程控制装置包括具有可移动阀门部件的阀门。
6．如权利要求5所述的诊断测试单元，其特征在于还包括产生代表阀门部件的位置的位置信号的位置传感器，其中位置信号为过程信号，获得装置获得此位置信号作为响应指示。
7．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于装置参数为静区。
8．如权利要求7所述的诊断测试单元，其特征在于诊断测试信号包括斜坡阶跃信号。
9．如权利要求8所述的诊断测试单元，其特征在于信号发生器包括用于改变诊断测试信号的倾斜率的装置。
10．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于过程控制装置具有与其有关的静区，诊断测试信号包括幅度大于静区的阶跃信号。
11．如权利要求10所述的诊断测试单元，其特征在于诊断测试信号包括具有斜坡阶跃信号的初始化阶段以使过程控制装置来到静区边缘。
12．如权利要求11所述的诊断测试单元，其特征在于装置参数是从由响应时间、静时间、增益和过调量组成的组中选出的。
13．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于还包括在装置参数不能满足预定标准时提醒用户的装置。
14．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于信号发生器包括用于提供多种不同的诊断测试信号的装置，分析器单元包括用于确定多种诊断测试信号中每一种的装置参数估计的装置以及组合这些装置参数估计来计算装置参数的装置。
15．如权利要求1所述的诊断测试单元，其特征在于诊断测试信号的幅度与控制信号的幅度的偏离不小于控制信号范围的约百分之五。
16．一种控制阀门，具有置于一操作过程中以接收控制信号的可移动阀门部件，其特征在于所述控制阀门包括在过程操作期间监测过程信号的开关控制器；产生诊断测试信号的信号发生器；响应于开关控制器，在过程操作期间以诊断测试信号替换控制信号的开关；结合阀门部件以产生代表阀门部件的位置的位置信号的位置传感器；以及从诊断测试信号和位置信号中确定装置参数的分析器单元。
17．如权利要求16所述的控制阀门，其特征在于开关控制器包括用于确定过程信号是否基本上稳定的装置。
18．如权利要求16所述的控制阀门，其特征在于过程信号为位置信号。
19．一种在一过程控制装置置于一操作过程中以接收控制信号时确定有关该过程控制装置的装置参数的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤在过程操作期间监测过程信号以确定此过程信号是否基本上稳定；产生诊断测试信号；如果过程信号基本上稳定，则在过程操作期间以诊断测试信号替换控制信号；接收过程控制装置对该诊断测试信号的响应的指示；以及从响应指示中确定装置参数。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于还包括在接收响应指示后以控制信号替换诊断测试信号的步骤。
21．如权利要求19所述的方法，其特征在于诊断测试信号包括斜坡阶跃信号。
22．如权利要求2l所述的方法，其特征在于斜坡阶跃信号包括沿第一方向的第一系列阶跃和沿第二方向的第二系列阶跃，装置参数为静区，确定步骤包括以下步骤检测在诊断测试信号的第一系列阶跃期间响应指示发生第一变化的诊断测试信号的第一幅度，检测在诊断测试信号的第二系列阶跃期间响应指示发生第二变化的诊断测试信号的第二幅度，以及从第一幅度和第二幅度中确定静区。
23．如权利要求19所述的方法，其特征在于过程控制装置具有静区，诊断测试信号包括具有使过程控制装置来到静区的第一边缘的斜坡阶跃信号的第一初始化阶段，接着是具有幅度阶跃大于静区的第一测试阶段。
24．如权利要求23所述的方法，其特征在于诊断测试信号还包括具有使过程控制装置来到静区第二边缘的斜坡阶跃信号的第二初始化阶段，接着是具有幅度阶跃大于静区的第二测试阶段，接收步骤包括接收响应于第一阶跃的第一响应指示及响应于进一步阶跃的第二响应指示，以及确定步骤还包括组合从第一响应指示和第二响应指示计算得到的装置参数值，以确定统计的装置参数测量值。
25．如权利要求19所述的方法，其特征在于装置参数是从由静时间、响应时间、增益和过调量组成的组中选出的。
26．如权利要求7所述的方法，其特征在于还包括以下步骤把确定的装置参数与预定步骤相比较，以及在确定的装置参数不能满足预定标准时提醒用户。
27．如权利要求19所述的方法，其特征在于过程信号为控制信号。
28．如权利要求27所述的方法，其特征在于还包括以下步骤把控制信号的幅度与诊断测试信号的幅度相比较，以及如果诊断测试信号的幅度与控制信号的幅度至少偏离预定的数量，则以控制信号替换诊断测试信号。
29．如权利要求27所述的方法，其特征在于还包括在控制信号的幅度至少改变预定的数量时以控制信号替换诊断测试信号的步骤。
30．如权利要求19所述的方法，其特征在于过程控制装置包括具有用于控制有关过程的过程变量的可移动阀门部件的阀门，响应指示为代表阀门部件的位置的位置信号。
全文摘要
一种诊断测试单元,用于在一过程的操作期间确定性地测量连接在过程控制回路中的过程控制装置的一个或多个参数(诸如静区、静时间、响应时间、增益或过调量),该单元包括开关控制器、信号发生器、开关、响应累积器机构和分析器机构。开关控制器监测过程操作期间的过程信号,以确定此过程信号是否基本上稳定。在过程信号基本上稳定的情况下,开关以信号发生器所产生的诊断测试信号替换控制信号。响应累积器与过程控制回路进行通信,以获得过程控制装置对诊断测试信号的响应指示。然后,分析器单元从测试信号和响应指示确定装置参数。
文档编号G01M99/00GK1280659SQ98811643
公开日2001年1月17日 申请日期1998年9月17日 优先权日1997年9月29日
发明者B·F·格鲁姆斯特拉普, K·W·容克, J·L·斯诺巴格, 小E·R·泰勒 申请人:费希尔控制产品国际公司