使用压力变送器的紧急关断阀诊断的制作方法

专利名称：使用压力变送器的紧急关断阀诊断的制作方法
技术领域：
本发明涉及紧急关断阀(emergency shutdown valve)的诊断。
背景技术：
紧急关断阀被设计成，如果超过一定的预先指定的操作限制，就将诸如类似炼油的工业过程的过程转到安全状态。紧急关断阀可以采用多种形式的任意一种，例如闸式阀、蝶形阀、旋转或球阀。安全阀(emergency valve)通常使用加压流体源操作。一种操作方法涉及致动器，使用液压或气压以将该阀保持在其正常位置，例如，开启位置。当安全阀将被关闭时，液压或气压被释放，金属弹簧或其它机构关闭该阀。在双向作用的致动器的情况中，控制致动器的介质被改变方向以关闭该阀。该液压或气压的应用通常受到一个或多个电控制电磁阀的控制。电信号由电控制线提供给电磁阀。电信号的任何中断将操作电磁阀以释放液压或气压或使液压或气压转向，从而关闭阀。
维护这种安全阀的一种困难是由于过程本身的性质。例如，诸如炼油的过程通常处于连续操作中，并且关闭任何特定管线以执行维护工作的成本会很高。因此，在可能有时几年的维护间隔之间，安全阀通常不被运动或以其它方式操作。在此期间，污物或其它材料会沉积在阀中，阀会被卡住(stuck)，并可能在紧急事件中不能工作。
因此，高度期望并在一些需要的情况中需要以相对频繁的间隔测试紧急关闭(ESD)阀以确保它们是可操作的。这有助于确保工业过程的总体可靠性和安全。当执行这样的诊断时，系统会被完全关闭，并且执行全行程(full-stroke)测试或诊断。近期的发展允许执行此种紧急关断阀的诊断，而不用关闭其被连接到的整个过程。这些诊断典型地通过紧急关断阀进行部分行程而执行，并且因此不关闭该过程。
不管诊断是进行ESD阀的部分行程，或完全行程，提供给紧急关断阀的流体压力随时受到监控。在致动器或螺线管激励(energization)后的数秒内，获得有关流体压力的多个数据点。这组数据的压力相对于时间的曲线形状，在这里也称作压力特征，被认为揭示有关紧急关断阀的多个诊断状态。能够从压力特征计算或另外导出的ESD阀系统诊断的实例包括阀杆剪断；螺线管故障；螺线管粘着(sticking solenoid)；受限排放端口；和阀或致动器卡住。实际上，已建议只通过在致动器的排放线路中增加压力变送器，并在关闭期间利用微机，捕获阀的信号轮廓或特征，就能够获得大量的ESD阀诊断信息。
使用将随着时间的压力读数提供给微机的压力变送器的当前诊断系统的一个缺点在于微机获得和存储的数据具有相对于事件(典型地在几秒内发生)相对较差的瞬时清晰度。因此，如果在不过度影响成本或不需要技术人员大量时间的情况下，瞬时清晰度能够显著增加，将显著提高诊断或另外维护紧急关断阀的过程。

发明内容
紧急关断阀使用加压流体操作。压力变送器可被可操作地连接到加压流体源，并被构造以接收有关紧急关断阀诊断的指示。该压力变送器响应地捕获有关选定期间加压流体源的压力读数。在一些实施方式中，压力变送器可对捕获的数据执行诊断。在其它实施方式中，捕获的数据被提供给外部设备供分析。


图1是连接到紧急关断阀的压力变送器的示意图；图2是根据本发明的实施例的提供ESD诊断的压力变送器的示意图；图3是根据本发明的实施例的使用压力变送器捕获ESD阀诊断数据的方法的流程图；图4是显示根据本发明实施例的小波分析的三维图形的示意图；图5显示了与已知“良好”特征(signature)成对比的具有阀杆剪断问题的ESD阀系统的压力特征。
具体实施例方式
图1是连接到紧急关断阀的压力变送器的示意图。压力变送器100被流体地连接到管线102内的加压气体，该加压气体控制紧急关断阀104的操作。该加压气体由源106提供。电磁阀108被显示为介于紧急关断阀104和源106之间。当期望阀104的致动时，电磁阀108通过控制线110激励。为了减小阀104的反应时间，如本领域已知的一个或多个快速排放阀112可被设置。
过去，来自变送器100的压力读数被传送到存储着多个这种随着时间的读数的微机(未示出)。然后，该微机能够构造描绘出由变送器100测量的压力随着时间的图表。如上简要提及，这种方法具有显著的缺点。具体地说，微机可获得的分辨率受到压力变送器能够获得的压力测量值与/或将它们与微机通信的速率限制。虽然目前的工业标准通信协议和处理工具可支持每秒多次的更新，但是这种速率对于捕获或以其它方式传送紧急关断(ESD)阀的压力/时间诊断的极短暂的方面是不够的。根据本发明的一个实施例，对应于压力测量的数字数据以比能够由压力变送器传送的速率更快的速率获得。实质上，当如此指示时，压力变送器本身变成捕获设备。这使得压力变送器仅专注于获得和存储尽可能多的压力的数字表示，并可以使变送器的控制器免除了诸如通信的其它任务。
图2是连接到ESD阀104并提供有关ESD阀104诊断的压力变送器200的示意图。如在线202处所示，以任何适合的方式，压力变送器200的压力传感器204被流体地连接到紧急关断阀104。这可以仅通过接入(tapping into)供给ESD阀104的压力线路实现。可选地，压力变送器200可简单地被设置在致动器的排放线路中。压力传感器204可以是具有随施加的压力而改变的电学特征的任何适合结构。例如，压力传感器204可以是已知电容类型的隔膜压力传感器。然而，优选地，传感器204是基于半导体的压力传感器。这些类型的压力传感器在授予本发明的受让人的美国专利5,637,802中进行了教导。这种基于半导体的压力传感器通常提供随半导体传感器的部分的偏转或挠曲(deflection)改变的电容。这种偏转或挠曲响应所施加的压力。
使用半导体，特别是蓝宝石提供了多种优点。蓝宝石是单晶材料的实例，该材料适合地熔化结合(fusion-bonded)时，在两个结合部之间没有材料界面。因此，所获得的结构特别坚固(robust)。此外，基于半导体的传感器具有极有益的磁滞特性，以及极高的频率响应。与基于半导体的压力传感器相关的其它信息可以在美国专利6,079,276；6,082,199；6,089,907；6,484,585；和6,520,020中找到，所有这些均授予本发明的受让人。因此，使用这种压力传感器，在ESD诊断期间出现的即使极短暂的压力事件也将是电学上可测量的。
模-数变换器206被连接到压力传感器204，并基于压力传感器204的电学特性，将数字指示提供给控制器208。在一个实施例中，模-数转换器206能够基于西格马-德耳塔(sigma-delta)转换器技术。每个转换的压力数字表示被提供给控制器208。因其快速转换时间和高精度，西格马-德耳塔转换器通常用于过程测量和控制工业。西格马-德耳塔转换器通常使用内部电容电荷抽运方案(internal capacitor charge pumpingscheme)，该方案通常通过对设定的间隔计正1来产生被分析的数字比特流。由转换器206转换的数字值优选地沿线路210被提供给控制器208。
根据本发明的另一实施例，转换器206能够沿线路212将原始数字比特流提供给控制器208(虚线所示)。这种比特流通常具有比转换器206的转换频率高数个量级的频率。例如，西格马-德耳塔转换器可提供具有约57kHz的频率的数字比特流。因此，当变送器200需要执行高速捕获时，它能够以两种方式的一种实现。首先，可以简单地使用控制器208以转换器206的转换率存储线路210上提供的数字值，这种值然后被存储在存储器214中用于以后分析。因此，这些值被捕获和存储的速率仅由转换器206的转换速率指示。与之明显不同，在过去，与压力变送器通信的微机会受限于两种设备能够通信的速率，以及压力变送器中模-数转换器的转换速率。
为了得到最大的分辨率，压力变送器200能够使用转换器206以将自线路212的原始比特流直接存储入存储器214。因此，对于发生捕获的每一秒，提供具有近似57kHz的数字比特流的西格马-德耳塔转换器将提供57,000比特以存储在存储器214中。在诸如上述列出的多个ESD诊断中，测试能够在约8秒或更少时间完成。因此，存储器214优选地具有可用于捕获数据的至少64千字节的容量。然而，在其中压力变送器将存储诸如已知“良好”阀的轮廓的一个或多个压力-时间阀轮廓的实施例中，会需要额外的容量。
控制器208优选地是适合在相对低的功率等级的微处理器，诸如通常出现在诸如压力变送器的现场设备中的那些微处理器。控制器208与可操作地连接接到环路端子(loop module)222的通信模块220连接。根据诸如但不局限于FOUNDATIONTMFieldbus，HART，Profibus-PA，Modbus，控制器区域网络(CAN)或其它的过程工业标准协议，通信模块200使变送器200在过程通信环路上通信。电源模块224还优选地被连接到环路端子222，并适合将操作功率提供给压力变送器200内的其它元件。例如，诸如HART和FOUNDATIONTMFieldbus的一些工业标准通信协议能够经实现通信的相同线路提供工作电源。
虽然变送器200的描述涉及经端子222连接到过程通信环路的电源模块224和通信模块220，本发明的实施例还可利用不通过线路连接到任何其它设备的压力变送器实现。例如，电源模块224可以是诸如蓄电池的内部电源，或它可以是诸如太阳能电池的能量转换器，或其任意组合。此外，通信模块220可以是使用无线通信的无线通信模块，诸如射频或红外通信技术。
图3是根据本发明的实施例的使用压力变送器的捕获ESD阀诊断数据的方法的流程图。如块302所示，方法300在诸如变送器200的压力变送器接收到捕获开始的通知时开始。该通知能够通过过程工业通信环路被传送到压力变送器，或由技术人员在本地提供给压力变送器。一旦变送器接收到捕获开始的通知，可选地执行虚线示出的块304。块304用于关闭压力变送器内不直接涉及或数据捕获需要的任何预先选择的过程或活动。因此，如果控制器208典型地将一定比例的处理时间用于侦听过程通信环路上的通信，该活动可被停止，控制器208用于高速数据捕获的可用性能够得到增加。一旦可选的块304已结束，控制器208将重新设置或另外地初始化将被用于测量捕获事件的周期的计时器或计数器。例如，如上所述，通过获得约8秒的捕获数据，能够完成多个ESD诊断。在这种情况中，在捕获开始时，控制器208内的计时器将被设置为0秒，并最终地，在8秒过后，捕获事件将停止。
一旦计时器或计数器被初始化，控制转到块308，在这里控制器208从模-数转换器206获得数字值。该数字值能够是完成的模-数转换或比特流中的单个比特。在块310处，由控制器208从模-数转换器206获得的数字值被优选地存储存储器214中。一旦该值被存储，控制转到块312，在那里，在块306中初始化的计时器或计数器被评估以确定是否已经过捕获周期。如果没有，控制沿线314返回到块308，并且重复获得和存储数字值的过程。然而，如果捕获结束，控制沿线318转到块316。在方框316处，完成一段时间捕获的压力数据的分析。这种分析能够通过或者压力变送器本身或通过外部设备进行。如果分析将通过外部设备执行，数据的捕获块优选地使用通信模块220与外部设备通信。
用于捕获数据分析的一个重要工具是称作小波分析的技术。小波分析用于将时域信号转换为频域，这类似于傅里叶变换，使频率分量被识别出。然而，不同于傅里叶变换，在小波变换中，输出包括涉及时间的信息。这可以采用三维图形形式表示(图4中的400)，一个轴显示时间，第二轴显示频率，并且第三轴显示信号幅度。在Eight JOURNAL OFINTELLIGENT MANUFACTURING第271-276(1997)页，L.Xiaoli etal.撰写的On-Line Tool Condition Monitoring System With Wavelet Fuzzy NeuralNetwork给出了小波分析的讨论。在执行连续小波变换中，传感器信号的一部分被加窗，并与小波函数卷积。通过在样本开始时叠加小波函数，将信号与小波函数相乘，然后对样本周期的结果进行积分，从而执行这种卷积。积分的结果被调整尺度，并在时间＝0时，提供用于连续小波变换的第一值。然后，这个点将被映射在三维平面。然后，小波函数被向右移动(时间向前)，并且乘积和积分步骤被重复以获得被映射在三维空间的另一组数据点。这个过程被重复，并且小波被移动通过(卷积)整个信号。然后，改变了变换的频率分辨率的小波函数被调整尺度，并且上述步骤被重复。
根据本发明的实施例还能够使用其它类型的信号分析工具。这种技术包括但不局限于学习技术、神经网络或模糊逻辑。此外，根据本发明的实施例，在美国专利6,397,114中教导的信号分析技术还可用于提供ESD阀系统诊断。此外，能够使用使一个信号与另一信号有效对比的任何分析。因此，本发明的实施例甚至包括提供被捕获的特征给操作人员用于观察。
一旦ESD压力特征被压力变送器捕获时，优选地通过将特征与特定ESD阀系统问题的已知压力特征轮廓比较进行分析。这种问题/特征的实例包括阀杆剪断；螺线管故障；螺线管粘着；受限排放端口，以及阀或致动器卡住。这些比较诊断能够通过压力变送器或外部设备来执行。
在其中由压力变送器执行比较的实施例中，能够使用上述列出的任何分析技术。图5显示了一对压力特征。实线500是指示已知“良好”ESD阀系统操作的特征。通过提供给它具有连接到完全操作系统的指示，已知的“良好”特征能够由变送器本身获得。可选地，“良好”特征能够经通信模块被发送到变送器。除了区域504和506，虚线502沿与线500的相同的路径。在这些区域中，试验的ESD系统下降到比已知“良好”特征略低的压力。这种特殊的行为指示ESD阀系统中的阀剪断。任何数量的技术能够用于识别该模式。然而，简单记录ESD阀系统的局部极小值的幅度和将这些值与用于已知“良好”系统的局部极小值比较将指示阀剪断问题。不考虑使用的技术，优选地，比较结果由压力变送器通信。因此，如果压力变送器判断捕获期间获得的特征类似已知故障特征(或者存储在变送器或发送给它)，在选定或任意窗口内，由压力变送器提供这种误差的指示。
虽然本发明是参考优选实施进行描述的，但本领域中的技术工作人员将会意识到，在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以做一些形式与细节的变动。
权利要求
1.一种在工业过程中诊断由加压流体源致动的紧急关断阀的方法，所述方法包括控制加压流体源；测量与加压流体相关的多个压力；将所述多个测量值存储在压力变送器中；和将压力测量值与至少一个已知压力特征比较，以产生有关紧急关断阀的诊断信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述压力变送器存储选定期间的压力测量值。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将诊断开始指示提供给压力变送器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中提供诊断开始指示包括经过程通信环路将信号传送到压力变送器。
5.根据权利要求1所述的方法，并且还包括在接收指示后，停止压力变送器的控制器的、与压力测量无关的至少一个活动。
6.根据权利要求1所述的方法，其中将压力测量值与至少一个已知压力特征比较包括执行小波分析。
7.根据权利要求1所述的方法，其中将压力测量值与至少一个已知压力特征比较由压力变送器执行。
8.根据权利要求1所述的方法，其中将压力测量值与至少一个已知压力特征比较由与压力变送器通信的外部设备执行。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述诊断信息指示阀杆剪断。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述诊断信息指示螺线管故障。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述诊断信息指示螺线管粘着。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述诊断信息指示受限排放端口。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述诊断信息指示阀被卡住。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述诊断信息指示卡住的(stuck)致动器。
15.一种压力变送器，包括压力传感器，所述压力传感器可连接到可操作地连接到紧急关断阀的加压流体源；模-数转换器，所述模-数转换器被连接到压力传感器并提供数字输出；和可操作地连接到模-数转换器的控制器，所述控制器适合接收有关紧急关断阀的诊断的指示，并且其中在接收诊断指示后，所述控制器适合存储来自模-数转换器数字输出的多个数字值。
16.根据权利要求15所述的压力变送器，其中所述模-数转换器是西格马-德耳塔转换器。
17.根据权利要求16所述的压力变送器，其中所述模-数转换器将数字比特流提供给控制器。
18.根据权利要求17所述的压力变送器，其中数字值是单独的比特。
19.根据权利要求15所述的压力变送器，并且还包括通信模块，所述通信模块连接到控制器并被配置以与外部设备通信。
20.根据权利要求19所述的压力变送器，其中所述控制器适合执行对被存储的多个数字值的分析，以产生有关紧急关断阀的诊断信息。
21.根据权利要求19所述的压力变送器，其中所述通信模块适合将所存储的多个数字值传送到另一个设备，用于分析。
22.根据权利要求15所述的压力变送器，其中所述压力传感器是电容压力传感器。
23.根据权利要求22所述的压力变送器，其中所述压力传感器是基于半导体的压力传感器。
24.根据权利要求15所述的压力变送器，并且还包括连接到控制器以存储多个数字值的存储器。
25.根据权利要求24所述的压力变送器，其中所述存储器具有至少64k字节的容量。
26.根据权利要求15所述的压力变送器，其中所述控制器被构造以使用多个存储值计算ESD阀系统诊断信息。
27.根据权利要求26所述的压力变送器，其中所述诊断信息指示阀杆剪断。
28.根据权利要求26所述的压力变送器，其中所述诊断信息指示螺线管故障。
29.根据权利要求26所述的压力变送器，其中所述诊断信息指示螺线管粘着。
30.根据权利要求26所述的压力变送器，其中所述诊断信息指示受限排放端口。
31.根据权利要求26所述的压力变送器，其中所述诊断信息指示阀被卡住。
32.根据权利要求26所述的压力变送器，其中所述诊断信息指示卡住的致动器。
33.一种紧急关断阀系统，包括加压流体源；阀，所述阀被连接到加压流体源，并具有可基于激励(energization)信号选择的阀输出；和可操作地连接到阀输出的紧急关断阀；和用于诊断紧急关断阀的操作的装置。
34.一种诊断由施加流体压力驱动的ESD阀系统的操作的方法，所述方法包括利用压力变送器测量施加的压力；和利用压力变送器响应地诊断ESD阀系统的操作。
全文摘要
紧急关断阀(104)使用加压流体操作。压力变送器(200)被可操作地连接到加压流体源(106)，并被构造以接收有关紧急关断阀诊断的指示。该压力变送器(200)响应地捕获有关选定期间加压流体源(106)的压力读数。在一些实施例中，该压力变送器(200)可对捕获的数据执行诊断。在其它实施例中，捕获的数据被提供给外部设备用于进行分析。
文档编号G05D7/06GK1918524SQ200580004198
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月4日 优先权日2004年2月5日
发明者埃夫伦·埃尔于雷克 申请人:罗斯蒙德公司