专利名称：供电动气动控制器使用的关闭装置和方法
技术领域：
本发明一般涉及一种电动气动控制器，并且更具体地，涉及一种可以由电动气动控制器使用的关闭装置和方法。
背景技术：
过程控制工厂或系统通常包括大量的阀门、泵、阻尼器、锅炉，以及许多其他类型的众所周知的过程控制设备或操作设备。在现代过程控制系统中，如果不是所有的话，那么大部分过程控制设备或操作设备都装备有电子监控(例如，温度传感器、压力传感器、位置传感器等)和电子控制设备(例如，可编程控制器、模拟控制电路等)，以便协调所述过程控制设备或操作设备的活动，从而执行一个或更多过程控制例程。
为了安全、成本效率和可靠性的目的，许多过程控制设备都使用众所周知的隔膜式或活塞式气动致动器来气动致动。典型地，气动致动器直接或者经由一个或更多机械联动装置连接至过程控制设备。另外，气动致动器通常经由电动气动控制器连接至整个过程控制系统。电动气动控制器常常配置为接收一个或更多控制信号(例如，4-20毫安(mA)、0-10伏直流电(VDC)、数字命令，等等)，并将这些控制信号转换为提供给气动致动器的压力，以便引发过程控制设备的所需操作。例如，如果过程控制例程要求气动致动的，常闭冲程式阀门通过更大容量的过程流体，那么可以增大施加给与该阀门相关联的电动气动控制器的控制信号的幅度(例如，在将电动气动控制器配置为接收4-20mA控制信号的情况下，从10mA增大到15mA)。进而至少局部地增大由电动气动控制器向连接至该阀门的气动致动器提供的输出压力，以便将该阀门冲程为全打开状态。
在某些工业过程控制系统中，例如石油和天然气处理系统中，安全是至关重要的。可能有毒的或可燃的化学药品、气体等的漏泄或其他不受控制的排放对工厂人员和设备带来了重大风险。因此，除了过程控制系统之外，许多工业生产设备还使用安全关闭系统。这些安全关闭系统常常包括阀门和已经被配置为提供关闭操作模式(例如在应急情况下)的其他控制设备，在该关闭操作模式中强制过程进入已知的安全控制状态。例如，应急关闭阀门、应急放空阀门、应急排放阀门、应急隔离阀门、危急开/关阀门，等等可以用来提供工业过程工厂内想要的安全等级。
由许多现代气动致动过程控制设备使用的电动气动控制器经常使用相对复杂的数字控制电路来实现。例如，可以使用微控制器，或任意其他类型的处理器来实现这些数字控制电路，这些处理器执行机器可读指令、代码、固件、软件等等，以控制与之相关联的过程控制设备的操作。
用来执行有关安全的关闭操作的软件的正确执行，以及相关的复杂数字电路操作的可靠性是不符合要求的，这是因为这些软件和数字电路的安全鉴定是相对昂贵和耗时的。另外，由于软件/处理器控制的安全操作的内在复杂性，对于许多应用程序而言，使用这些安全操作的过程控制或安全关闭设备的预期故障率可能高得不能接受。
为了当使用气动致动的过程控制或安全关闭设备时提供适当可靠的关闭操作，某些控制设备制造商推荐使用冗余器具，例如连接至电动气动控制器压力输出端(即，连接至该过程控制设备的气动致动器的输入端)的螺线管致动排放阀。以这种方式，当需要过程控制或应急关闭设备的关闭时，可以将关闭信号(例如经由电源施加或切除)施加给排放阀的螺线管，由此使该气动致动器排气至大气中，从而使该致动器将应急关闭设备驱动到已知安全状态(例如零冲程状态，这种状态下该阀门是全闭合的、全打开的，等等)。尽管诸如上述排放阀的冗余安全或故障安全器具的使用能够提供适当可靠的关闭，但是这些螺线管致动阀门的相关费用以及现场安装(例如装配、布线等等)所招致的费用相对较高。
另外地或可替代地，某些电动气动控制器配置为响应于电源的切除，提供的关闭或故障安全操作模式。这是相对可靠的途径，因为软件和复杂数字电路不会发生故障而阻碍对电动气动控制器内电动气动设备的电源切除。然而，对电动气动控制器的电源切除以执行关闭或故障安全操作的可靠性可能是不利的，这是因为一旦切除了电源，则该电动气动控制器通常就不能与整个过程控制系统或应急关闭系统进行通信，并提供操作或其他状况或控制反馈信息给这些系统。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种供电动气动控制器使用的关闭单元包括电子开关，配置为接收来自电动气动控制器的控制单元的第一信号，并将第一信号传送给电动气动控制器的电动气动转换器。另外，该电子开关还被配置为接收与控制信号输入相关联的第二信号，并且使所述电子开关阻止将第一信号传送给电动气动转换器。
在另一示例性实施例中，一种电动气动控制器包括电动气动转换器，和可操作地连接至该电动气动转换器的关闭单元。该关闭单元可以被配置为响应于由电动气动控制器接收的信号，并且当该信号的幅度穿越阈值时，使所述电动气动转换器提供与关闭状态相关联的压力输出。
图1是示例性电动气动控制系统的方框图。
图2是可以供图1的系统使用的、具有整体式关闭装置的电动气动控制器的例子的详细方框图。
图3和图4是可以用来实现图2的关闭单元和关闭选择器的示例性电路的示意图。
图5是可以用来实现图2的控制单元的示例性处理器系统。
具体实施例方式
此处描述的示例性电动气动控制器关闭装置和方法提供一种现场可选的(例如启用/禁用)关闭单元，该关闭单元自动地使电动气动控制器的输出压力达到故障安全或已知的安全压力(例如，零磅每平方英寸)。更具体而言，响应于检测到提供给电动气动控制器的控制信号(例如设定点信号)已经超出了预定阈值或落到预定阈值以下，该关闭单元可以切除或增加送至该电动气动控制器内电动气动转换器的输入信号，以便使致动器和连接至该致动器的过程控制或应急关闭设备(例如阀门)达到所期望的关闭、故障安全、或已知的安全状态。
在此处描述的实例中，电动气动控制器包括关闭选择器，它在电动气动控制器的现场安装之前、期间或之后，启用或禁用该关闭单元的操作。另外，如以下所进行的更为详细的描述，在启用关闭单元以便使电动气动控制器关闭的情况下，该关闭单元并不禁用该电动气动控制器的通信功能。因此，与某些需要完全切除电源并因此丧失通信能力的已知设备相比，整个过程控制系统或应急关闭系统能够与该示例性电动气动控制器进行通信，以便响应于关闭命令，确认已经成功地完成关闭操作。
此外，此处描述的示例性关闭装置和方法不需要干涉或增加电动气动控制器的正常操作功能。例如，有关安全的应用程序中使用的诊断活动，例如过程设备的局部冲程测试，不会受到未检测到要求关闭操作的控制信号等级的已启动关闭单元的影响。更进一步地，此处描述的示例性关闭装置和方法独立于电动气动控制器内的控制单元而操作运行，因此消除了经常与控制单元电子设备相关联的，保证操作或考虑复杂故障机制的需要。另外，与此处描述的示例性关闭装置和方法相关联的示例性关闭单元和关闭选择器集成在电动气动控制器内，由此消除了通常与如上所述必须现场安装螺线管致动的排气阀门相关的额外成本。
现在转到图1，示出了已知的示例性电动气动控制系统100的方框图。该电动气动控制系统100可以是过程控制系统或应急关闭系统(未示出)的一部分，所述过程控制系统或应急关闭系统执行工业处理应用程序、商业应用程序，或任意其他所需的应用程序。例如，系统100可以是处理石油、天然气、化学产品等的工业过程控制系统或应急关闭系统的一部分。如图1所示，系统100包括电动气动控制器102，它通过连接器或端接器104接收电源和控制信号。一般而言，电动气动控制器102接收一个或更多控制信号，例如4-20mA信号、0-10VDC信号、和/或数字命令，等等。电动气动控制器102可以将该控制信号用作设定点，以控制其输出压力和/或过程控制设备或应急关闭设备106(举了阀门的例子来描述)的操作状态(例如位置)。
在某些实例中，电源和控制信号可以共用连接至端接器104的一条或更多线路或导线。例如，在控制信号为4-20mA信号的情况下，该4-20mA信号也可以向电动气动控制器102提供电源。在其他例子中，控制信号可以例如是0-10VDC信号，并且可以将分离的电源导线或电力线(例如，24VDC或24交流电(VAC))提供给该电动气动控制器102。在又一情况下，电源和/或控制信号可以共用具有数字数据信号的导线或线路。例如，在控制信号为4-20mA信号的情况下，数字数据通信协议，例如众所周知的高速干线可寻址远程转换器(HART)协议可以用来与电动气动控制器102进行通信。这些数字通信可以由整个过程操作系统或应急关闭系统使用，系统100连接至这些系统以便从电动气动控制器102检索识别信息、操作状态信息，等等。可替代地或另外地，这些数字通信可以用来控制或命令电动气动转换器102执行一个或更多控制功能。
端接器104可以是螺丝接线端、绝缘层剥离连接器、绞编连接器，或任意其他类型的适当电连接件或其组合。当然，端接器104可以用一个或更多无线通信链接来替换或补充。例如，电动气动控制器102可以包括一个或更多无线收发机单元(未示出)，以便使电动气动控制器102能够与整个过程控制系统或应急关闭系统交换控制信息(设定点、操作状况信息，等等)。在电动气动控制器102使用一个或更多无线收发机的情况下，电源可以经由例如连至本地或远程电源的导线提供给电动气动转换器。
如图1的示例性系统100所示，将电动气动控制器102的输出压力提供给连接至过程控制操作装置或设备106的气动致动器108。尽管将过程控制操作装置或设备106描绘为阀门，但是也可以替代地使用其他设备或操作装置(例如，阻尼器)。气动致动器108可以直接连接至设备106，或者替代地，经由联结机构等连接至设备106。例如，在过程控制设备106是冲程式阀门的情况下，气动致动器108的输出轴可以直接连接至设备106的控制轴。
在正常操作状态下，位置检测器或传感器110可以用来向电动气动控制器102提供位置反馈信号112。如果提供了该反馈信号，则电动气动控制器102可以使用该反馈信号改变其输出压力，以便精确地控制过程控制设备或应急关闭设备106的位置(例如，阀门打开/闭合的百分比)。位置传感器110可以使用合适的传感器来实现，例如霍尔效应传感器、线性电压位移变换器、电位计，等等。
也如图1的示例性系统100所示，关闭阀或排气阀114介于电动气动控制器102提供的输出压力和致动器108之间，并且响应于关闭信号116，通过排气端口118使致动器108排气，以便使致动器108将过程控制设备106的冲程转到已知的安全状态。众所周知，排气阀门110可以使用螺线管致动的三通阀来实现，该三通阀接收24VDC或24VAC的关闭信号112。然而，如上所述，与现场安装该排气阀114相关的额外费用在许多应用情况下是招致反对的。
本领域技术人员也能够明白，尽管将图1所示的电动气动控制器102描述为具有供单动式致动器(例如致动器108)使用的单个输出压力，但是也可以使用供双动应用使用的具有两个压力输出的气动控制器。例如，一个商业上可获得的双动电动气动控制器是由爱荷华州马歇尔敦的费希尔控制产品国际有限公司(Fisher Controls International Inc.)制造的DVC6000系列数字阀门控制器。
图2是可以供图1的系统100使用的、具有整体式关闭装置的电动气动控制器200的例子的详细方框图(例如，代替电动气动控制器102)。该示例性电动气动控制器200包括控制单元202，电动气动转换器204和气动继电器206，所有这些都是通用的众所周知的结构。然而，与已知的电动气动控制器200相比，该电动气动控制器200包括介于控制单元202和电动气动转换器204之间的关闭单元208，并且还包括关闭选择器210。
一般而言，控制单元202接收来自以可通信联络方式与之连接的整个过程控制系统或应急关闭系统的一个或更多控制信号(例如，4-20mA控制信号)，并向电动气动转换器204提供控制信号212，以便获得预期的输出压力，和/或可操作地与之连接的过程控制设备(例如图1的设备106)的预期控制位置。控制单元202可以使用基于处理器的系统(例如，以下关于图5所描述的系统500)、离散数字逻辑电路、专用集成电路、模拟电路，或其任意组合来实现。在基于处理器的系统被用来实现控制单元102的情况下，控制单元202可以执行存储在控制单元内存储器(未示出)上的机器可读指令、固件、软件等，以便执行其控制功能。
电动气动转换器204可以是电流-压力式转换器，在这种情况下，控制信号212是电流，该电流由控制单元202来改变以便获得过程控制设备106(图1)的所需状态(例如，位置)。可替代地，电动气动转换器204可以是电压-压力式转换器，在这种情况下，控制信号212是电压，对该电压进行改变以控制过程控制设备106(图1)。气动继电器206将相对较低输出量(即低流动速率)的输出压力214，转换为相对较高输出量的输出压力，以便控制致动器(例如图1的致动器108)。如图2所示，电动气动转换器204可以接收输出压力反馈信号216，以便对电动气动控制器200的输出压力提供更精确的闭环控制。
关闭单元208介于控制信号212和电动气动转换器204之间，并接收信号218，信号218至少代表送至电动气动控制器200的控制信号输入(例如，4-20mA控制信号输入或设定点信号输入)。如以下关于图3和图4所要进行的更为详细的描述，关闭选择器210可操作地连接至关闭单元208，以便允许关闭单元208的选择性启用/禁用。
在已经将关闭选择器210设置为禁用关闭单元208的情况下，控制单元202接收来自以可通信联络方式与之连接的过程控制系统的设定点信号或控制信号，并输出控制信号212以改变电动气动转换器204的输出压力214，以便获得过程控制设备106(图1)处的所需状态(例如打开/闭合的百分比)。在这种情况下，关闭单元208对于电动气动控制器200的操作而言是完全透明的，因此不管送至电动气动控制器200的控制信号输入的幅度如何，都不会影响电动气动控制器200的操作。
在已经将关闭选择器210设置为启用关闭单元208的操作的情况下，当控制信号幅度高于或低于预定阈值时，电动气动控制器200可以根据它接收的控制信号的幅度变化，改变其输出压力。也就是说，电动气动控制器200可以根据它接收的控制信号的变化，以通常的方式(即改变其输出压力(例如，以成比例方式))操作。然而，当电动气动控制器200接收的控制信号穿越预定阈值时(例如，落到预定阈值以下)，关闭单元208可以中断，或者以其他方式阻止控制单元信号212到达电动气动转换器204。例如，关闭单元208可以打开电路通道，短路电路通道，向电动气动转换器204施加预定的关闭电压和电流，等等，以便使电动气动转换器204驱动压力214，并由此通过继电器206将控制器200的输出压力驱动至关闭压力(例如，基本上为零磅每平方英寸的标准)。
在一个特别有用的应用中，将关闭选择器210设置为启用关闭单元208，并且电动气动控制器200用来控制过程控制设备(例如，图1的设备106)以用作应急关闭设备。特别地，在过程控制设备106是应急隔离阀并且将电动气动控制器200配置为接收4-20mA控制信号的情况下，在非应急状态下，可以向控制器200持续地施加20mA的信号，以便将该阀门保持在全打开状态。可以将关闭单元208使用的预定阈值设置为大约12mA，从而一旦检测到应急状态，过程控制系统(未示出)就将控制信号降低至充分低于12mA(例如降低至4mA)，由此使关闭单元208阻止信号212到达电动气动转换器204。因此，可以将电动气动转换器204的输出压力降低至基本上接近零，并由此也可以将控制器200的输出压力降低至基本上接近零，以关闭阀门106。
在预定阈值之上(例如高于12mA)，当启用关闭单元208时，电动气动转换器200对控制信号的变化作出响应，从而输出压力与控制信号的变化成比例地改变。因此，可以执行众所周知的实况可靠性测试，例如局部冲程测试，以便确定控制器200和与之相连接的过程控制设备(例如图1的设备106)是可操作的。另外，由于关闭单元208能够使电动气动控制器200执行关闭操作，而无须切除它的电源(如许多已知电动气动控制器所具有的情况那样)，因此控制单元202可以将连接至控制器200的过程设备的状况(例如成功关闭)传达给整个过程控制系统。更进一步地，整体式关闭单元208消除了与现场安装附加安全设备(例如螺线管致动的排放阀)，以便响应于应急状态使连接至控制器200的过程控制设备排气相关的费用。
图3和图4是可以用来实现图2的关闭单元208和关闭选择器210的示例性电路300和400的示意图。如图所示，电路300和400可以包括比较器302、关闭选择器210、电阻器304和电子开关306。该电子开关306被描绘为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。然而，可以替代地使用任意其他合适的开关设备，例如双极型结型晶体管(BJT)、场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极型结型晶体管(IGBT)、电动机械继电器，和任意其他合适的开关结构。同样，尽管将关闭选择器210描绘为单刀单掷开关，但是也可以替代地使用其他设备，例如一个或更多可移动导线、跳线或电路迹线(circuit trace)、头端和跳线组合，等等。正如能够从图3中看出的，关闭选择器210的闭合状态(例如闭合电路状态)能够使电路300进行关闭操作。在图4中，关闭选择器210的打开状态能使电路400进行关闭操作。
如示例性电路300和400所示，将比较器302的非反相输入端连接至参考电压(Vref)，并将反相输入端连接至代表经由过程控制系统提供给控制器200的控制信号的电压(Vcontrol)。最好是选择参考电压Vref，以便使它对应于控制信号的预期阈值(例如，如上所述关于图2例子的12mA)。因而，在控制器200用于应急关闭应用中时，控制信号通常处于其最高(低)值，由此Vcontrol通常也处于其最高(低)值。例如，控制信号可以保持在20mA，在这种情况下Vcontrol能够保持在其最大值，该最大值大于Vref。结果，在非应急状态下(Vcontrol处于其最大值)，比较器302的输出处于其逻辑低状态(例如，基本上接近于或等于其低供应电压，该低供应电压可以是地参考基准)。比较器302的逻辑低输出将开关306驱动至导通状态，在该状态下将来自控制单元202的信号212传递给电动气动转换器204。
在应急状态下，过程控制系统可以将施加给电动气动控制器200的控制信号降低至低值或其最低可能值(例如4mA)，这使得电压Vcontrol落到参考电压Vref以下。结果，比较器302的输出转变为逻辑高输出(例如其最高输出电压)以便断开电子开关306，由此阻止将信号212施加给电动气动转换器204。
如图3和图4的实例所示，关闭选择器210可以以与电子开关306的开关控制端子(例如栅极)串联连接的方式(图3)来使用，可以跨过两个端子来放置(图4)，或者以任意其他合适的配置来提供启用/禁用关闭单元208的操作的能力。
图5是可以用来实现图2的控制单元202的示例性处理器系统500。如图5所示，处理器系统500包括连接至互连总线或网络514的处理器512。处理器512可以是任意合适的处理器、处理单元或微处理器，例如来自因特尔Itanium系列、因特尔X-Scale系列、因特尔Pentium系列等的处理器。尽管在图5中未示出，但是系统500可以是多处理器系统，并由此可以包括一个或更多额外的处理器，这些处理器与处理器512相同或类似，并且可以连接至互连总线或网络514。
图5的处理器512连接至芯片组518，芯片组518包括存储器控制器520和输入/输出(I/O)控制器522。众所周知，芯片组通常提供I/O和存储器管理功能块，以及多个通用目的和/或专用目的寄存器，计时器，等等，这些设备可以由连接至该芯片组的一个或更多处理器访问和使用。存储器控制器520执行的功能，使处理器512(或多个处理器，如果有多个处理器的话)能够访问系统存储器524，系统存储器524可以包括任意所需类型的非易失性存储器，例如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)，等等。I/O控制器522执行的功能，使处理器512能够通过I/O总线530与外围输入/输出(I/O)设备526和528进行通信。I/O设备526和528可以是任意所需类型的I/O设备，例如键盘或小键盘、视频显示器或监视器，等等。尽管在图5中将存储器控制器520和I/O控制器522描绘为芯片组128内的分离功能块，但是这些功能块所执行的功能也可以集成在单个半导体电路内，或者可以使用两个或更多分离的集成电路来实现。
尽管在此已经描述了特定的方法和装置，但是本专利的覆盖范围并不局限于此。恰恰相反，本专利覆盖了相当地落在所附权利要求范围之内的所有实施例，不管它是字面意义上还是教义上等同的。
权利要求
1.一种供电动气动控制器使用的关闭单元，包括电子开关，被配置为接收来自电动气动控制器的控制单元的第一信号，并将第一信号传送给电动气动控制器的电动气动转换器；其中该电子开关还被配置为接收与控制信号输入相关联的第二信号，并且使所述电子开关阻止将第一信号传送给电动气动转换器。
2.根据权利要求1的关闭单元，其中所述电子开关包括晶体管和继电器之一。
3.根据权利要求2的关闭单元，其中所述晶体管包括对第二信号作出响应的栅极接线端子。
4.根据权利要求1的关闭单元，还包括比较器，该比较器被配置为将第二信号与参考电压进行比较，并基于该比较，阻止将第一信号传送给电动气动转换器。
5.一种电动气动控制器，包括电动气动转换器，和关闭单元，可操作地连接至该电动气动转换器，并且被配置为响应于由电动气动控制器接收的信号，并且当该信号的幅度穿越阈值时，使所述电动气动转换器提供与关闭状态相关联的压力输出。
6.根据权利要求5的电动气动控制器，其中所述关闭单元包括比较器，该比较器被配置为将由电动气动控制器接收的信号与所述阈值进行比较，并基于该比较改变关闭单元的状态，以便使电动气动转换器提供与关闭状态相关联的压力输出。
7.根据权利要求5的电动气动控制器，其中所述关闭单元包括开关，该开关被配置为响应于提供给电动气动控制器的信号，以便使电动气动控制器提供与关闭状态相关联的输出压力。
8.根据权利要求7的电动气动控制器，其中所述开关包括晶体管和继电器之一。
9.根据权利要求5的电动气动控制器，还包括选择器，该选择器被配置为有选择地启用所述关闭单元的操作。
10.根据权利要求9的电动气动控制器，其中所述选择器包括手动致动的开关。
11.一种电动气动控制器，包括控制单元；关闭单元，以可通信联络方式连接至该控制单元；和电动气动转换器，以可通信联络方式连接至该关闭单元，其中所述关闭单元被配置为响应于由电动气动控制器接收的控制信号的值，使电动气动转换器的输出压力处于与关闭状态相关联的压力。
12.根据权利要求11的电动气动控制器，其中所述关闭单元包括比较器，和可操作地连接至该比较器的电子开关。
13.根据权利要求12的电动气动控制器，其中所述电子开关包括晶体管和继电器之一。
14.根据权利要求11的电动气动控制器，还包括关闭选择器，该关闭选择器可操作地连接至所述关闭单元，并且被配置为有选择地启用所述关闭单元的操作。
15.一种关闭气动致动设备的方法，包括将由电动气动控制器接收的控制信号与预定值进行比较；中断由电动气动控制器的控制单元向电动气动转换器提供的信号；响应于所述信号的中断，改变由电动气动控制器提供的输出压力，以便使所述气动致动设备关闭。
16.根据权利要求15的方法，其中中断由控制单元向电动气动转换器提供的信号包括，断开控制单元和电动气动转换器之间的电通路。
17.根据权利要求15的方法，其中中断由控制单元向电动气动转换器提供的信号包括，仅当将关闭选择器设置为启用状态时，中断该信号。
18.根据权利要求15的方法，其中改变由电动气动控制器提供的输出压力包括，将输出压力降低至基本上为零的压力。
19.根据权利要求15的方法，其中所述气动致动设备包括阀门和阻尼器之一。
全文摘要
一种供电动气动控制器使用的关闭单元包括电子开关，该电子开关被配置为接收来自电动气动控制器的控制单元的第一信号，并将第一信号传送给电动气动控制器的电动气动转换器。该电子开关还被配置为接收与控制信号输入相关联的第二信号，并且使所述电子开关阻止将第一信号传送给电动气动转换器。
文档编号G05B9/02GK1871558SQ200480031498
公开日2006年11月29日 申请日期2004年10月20日 优先权日2003年11月25日
发明者史蒂文·G·斯波格 申请人:费希尔控制产品国际有限公司