专利名称：用于监控过程控制系统中的阀门状态和性能的系统和方法
技术领域：
本公开总的涉及过程控制系统，更具体地涉及用于监控过程控制系 统中的阀门状态和性能的系统和方法。
背景技术：
处理设施通常是使用过程控制系统来管理。处理设施的例子包括制
造设备(plant)、化工设备、原油精炼设备、以及矿石处理设备。在 其他的操作中，过程控制系统通常管理处理设施中的发动^/L、阀门和 其他工业设备的使用。
阀门(不论是控制阀门、转动阀门还是其他类型的阀门)常常是关 键的设备控制元件，并且它们是设备操作期间最常见的破裂来源之一。 阀门故障常常难于检测或者预测，因为大量的设施不具有智能阀门远 程位置调节器。而是，这些设施通常使用简单的电流-到-压力转换器 (具有或不具有外部位置传感器)或者基于正常4-20mA的阀门远程 位置调节器(它基本上是一个包装中的电流-到-压力转换器和位置传 感器)。尽管智能阀门或者智能阀门远程位置调节器具有若干好处， 但是设施通常没有设计置换传统的简单阀门远程位置调节器直到该设 备结束寿命，因为用于这样变动的生产的设备成本和损失常常在财政 上不合理。添加无线智能设备到现有设备上而不要求大的断电的能力 使得无线实现对于工业设施来说财政上可行并且允许诊断和控制数据 都能引入工业设施中来改进维护和过程控制。
发明内容
本公开提供了用于监控过程控制系统中的阀门状态和性能的系统和 方法。
在第一个实施例中，设备包含至少一个无线阀门元件、；故配置为与 至少 一个无线阀门元件通信的第 一 收发信机，以及被配置与第 一收发 信机进行无线通信的笫二收发信机。第二收发信机还被配置与过程控 制系统通信。在特定实施例中，该设备还包括至少一个第二无线阀门元件和被配 置与至少 一 个第二无线阀门元件进行通信的第三收发信机。第二收发
信机还被配置与第三收发信机进行无线通信。
在第二实施例中，过程控制系统包含至少一个控制器。该过程控制 系统还包括能够由该至少 一个控制器控制的至少 一个无线阀门元件。 该过程控制系统还包括被配置与至少 一个无线阀门元件通信的第 一收 发信机和被配置与第一收发信机进行无线通信的第二收发信机。第二 收发信机还被配置与至少 一 个控制器进行通信。
在第三实施例中，方法包括在第一收发信机处接收来自至少一个无 线阀门元件的数据。该方法还包括无线地传送该数据到第二收发信机， 并且将该数据从第二收发信机传送到过程控制系统。
在第四实施例中，设备包括至少一个无线阀门元件、以及被配置为 与至少 一 个无线阀门元件通信的第 一 收发信机。该设备还包括被配置 与第一收发信机进行无线通信的第二收发信机。在一些实施例中，第 二收发信机还被配置与监控系统通信。
利要求可以很容易明白。
为了更完整地理解本公开，现在结合附图参考以下说明，其中
图1图示了根据本公开的一个实施例的示例性过程控制系统；
图2图示了根据本公开的一个实施例的过程控制系统中包括无线部
分的示例性过程元件；以及
图3图示了根据本公开的一个实施例的使用无线设备进行过程控制
的示例性方法。
具体实施例方式
图1图示了根据本公开的一个实施例的示例性过程控制系统100。如 图1所示的过程控制系统100的实施例只用于说明目的。在不背离这 一公开的范围的情况下，可以使用过程控制系统100的其他实施例。
在这个示例性实施例中，过程控制系统100包含一个或多个过程元 件102a-102b。过程元件102a-102b代表可以执行任何各种各样功能的过程或生产系统中的部件。例如，过程元件102a-102b可以代表发动 机、催化裂化装置、阀门和生产环境中的其他工业设备。过程元件 102a-l 02b可以代表在任何适当的过程或生产系统中的任何其他的或 额外的部件。每个过程元件102a-102b包括任何硬件、软件、固件、 或其组合，用于执行过程或生产系统中的一个或多个功能。虽然在这 个例子中示出了仅两个过程元件102a-102b,在过程控制系统100的特 定实现中可以包括任何数量的过程元件。新过程元件102a-102b的实 现可以包括使现有过程元件增加新的无线使能设备(其增加了现有过 程元件)。增加设备将可以提供额外过程数据以及诊断数据给过程控 制系统或者维护系统(控制器、应用、服务器、站)。
在各种实施例中，过程元件102a包括关于图2更具体地加以描述的 收发信机206,用于控制作为过程元件102a —部分的任何过程元件和 与该任何过程元件进行通信。
两个控制器104a-104b被耦合到过程元件102a-102b。控制器 104a-104b控制过程元件102a-102b的操作。例如，控制器104a-104b 可以能够监测过程元件102a-102b的操作，并且提供控制信号给过程 元件102a-102b。控制器104a-104b中的每个包括4壬何硬件、软件、固 件、或其组合，用于控制过程元件102a-102b中的一个或多个。控制 器104a-104b可以例如包括运行GREEN HILLS INTEGRITY才喿作系统的 PowerPC处理器系列的处理器或运行微软^L窗操作系统的X86处理器系 列的处理器。
两个服务器106a-106b耦合到控制器104a-104b。服务器106a-106b 执行各种功能，以支持控制器104a-104b和过程元件102a-102b的操 作和控制。例如，月l务器106a-106b可以记录由控制器104a-104b所 收集或生成的信息，比如有关过程元件102a-102b操作的状态信息。 服务器106a-106b还可以执行应用，所述应用控制控制器104a-104b 的操作，从而控制过程元件102a-102b的操作。此外，服务器106a-106b 可以提供到控制器104a-104b的安全接入。服务器106a-106b中的每 个包括任何硬件、软件、固件、或其組合，用于提供接入或控制控制 器104a-104b。服务器106a-106b可以例如代表执;f亍微软视窗操作系统 的个人计算机(比如台式计算机)。作为另一个例子，服务器106a-106b 可以包括运行GREEN HILLS INTEGRITY操作系统的PowerPC处理器系列的处理器或运行微软视窗操作系统的x86处理器系列的处理器。
一个或多个操作者站108a-108b耦合到服务器106a-106b, —个或多 个操作者站108c耦合到控制器104a-104b。操作者站108a-108b代表 计算或通信设备，其提供到服务器106a-106b的用户接入，然后该服 务器106a-106b可以提供到控制器104a-104b以及过程元件102a-102b 的用户接入。操作者站108c代表计算或通信设备，其提供到控制器 104a-104b的用户接入(不使用服务器106a-106b的资源)。作为具体 实例，使用控制器104a-104b和/或服务器106a-106b所收集的信息， 操作者站108a-108c可以允许用户审查过程元件102a-102b的工作历 史。操作者站108a-108c还可以允许用户调整过程元件102a-102b、控 制器104a-104b、或服务器106a-106b的操作。操作者站108a-108c中 的每个包括任何硬件、软件、固件、或其组合，用于支持用户接入和 控制系统100。操作者站108a-108c可能例如代表了具有显示器和执行 微软视窗操作系统的处理器的个人计算机。
在这个例子中，至少一个操作者站108b远离服务器106a-106b。该 远程站通过网络IIO耦合到服务器106a-106b。网络IIO促进了系统 100中的各个部件之间的通信。例如，网络110可以在网络地址之间传 送互联网协议(IP)分组、帧中继帧、异步转移才莫式 (ATM)单元、 或其他适当的信息。网络110可以包括一个或多个局域网(LAN)、城 域网(MAN)、广域网(WAN)、全部或部分的全球网络比如因特网、 或在 一 个或多个地点上的任何其他 一 个或多个通信系统。
在这个例子中，系统100还包括两个额外的服务器112a-112b。服务 器112a-112b执行各种应用来控制系统100的整体操作。例如，该系 统100可以用于处理或生产设备或其他设施中，并且服务器112a-112b 可以执行用于控制设备或其他设施的应用。作为特定例子，服务器 112a-112b可以执行应用，比如企业资源规划(ERP)、制造执行系统 (MES)、或任何其他的或额外的设备或过程控制应用。服务器 112a-112b中的每个包括任何硬件、软件、固件、或其结合，用于控制 系统100的整体操作。
如图1所示，系统100包括多种冗余网络114a-114b和单一网络 116a-116b,其支持系统100中的部件之间的通信。这些网络114a-114b、 116a-116b中的每个代表任何适当的网络或网络的结合，促进系统100中的部件之间的通信。网络114a-114b、 116a-116b可能例如代表以太 网。过程控制系统100根据特定需要可以具有任何其他适当的网络拓 朴结构。
在操作的一个方面中， 一个或多个过程元件102a-102b中的每个可 能包括无线阀门元件，如下面参考图2具体地加以描述的。例如，在 一些实施例中，过程元件102a-102b中的至少一个^K表阀门(比如4空 制阀门或者其他阀门)，它包括能够无线地控制阀门的无线阀门元件。 虽然下面仅描述了过程元件102a包括无线阀门元件和无线部分，但在 过程控制系统100中的任何数量的过程元件能够包括无线阀门元件和
例如:无线阀门元件可以,使得能够更好地控制阀门和无线地提供关于 阀门的健康情况和状态的额外信息给过程控制系统。各种实施例提供 了智能阀门远程位置调节器具有增加的灵活性、较低成本以及较低风 险的好处。
虽然图1示例了过程控制系统100的一个例子，但是可以对图1做 出各种改变。例如，控制系统可以包括任何数量的过程元件、控制器、 服务器、和操作者站。
图2示例了根据本公开的一个实施例在过程控制系统100中包括无 线部分的过程元件102a的例子。图2中示例的过程元件102a只用于 说明目的。在不背离本公开的范围的情况下，其他过程元件可以用于 过程控制系统中。此外，为了便于解释，图2所示的过程元件102a关 于图1的过程控制系统100进行描迷。图2所示的过程元件102a可以 用于任何其他适当的设备或系统。
在这个例子中，过程元件102a包含一个或多个无线阀门元件202和 由两个收发信机204和206所形成的无线部分，它们通过无线连接208 进行通信。无线阀门元件202包括任何硬件、软件、固件、或其组合， 用于执行过程或生产系统中的 一 个或多个智能阀门功能。在 一 些实施 例中，无线阀门元件202可以是常规的过程阀门，它已经被修改来与 收发信机204进行通信，如下面所描述的。在其他实施例中，设备中 的现有阀门可以使用如这里所描述的无线阀门元件202来翻新改进。
一个或多个无线阀门元件202耦合到收发信机204。在一些实施例 中，无线阀门元件202直接连接到收发信机204。在特定实施例中，收
8发信机204与无线阀门元件202集成或者集成到无线阀门元件202中。 收发信机204通过无线连接208与收发信机206通信，收发信机206 进而又通过网络116b进行通信。根据执行情况，收发信机204可以支 持单向或双向通信。例如，当没有任何指示或其他数据将发送到该无 线阀门元件202时，收发信机204可以能够传输并且不接收。如这里 所使用的，阀门控制数据可以包括通过收发信机206发送到无线阀门 元件202或者收发信机204的任何数据，并且阀门状态数据可以包括 由无线阀门元件202或者收发信机204发送到收发信机206的任何数 据。
无线连接208能够根据特定需要使用任何适当的无线技术来实现。 适当的无线技术可以包括但不仅限于模拟和数字射频UF)信号、以 及特别协议比如WiFi、蓝牙、TDMA、 CDMA、 OFDMA、 RFID、光信令以及 其他。收发信机204和206能够使用与所需要的无线技术一致的任何 适当的收发信机技术来实现。
虽然收发信机204可以通常位于非常接近无线阀门元件202或与无 线阀门元件202集成，但是收发信机206能够根据需要位于靠近或远 离收发信机204,只要无线连接208可靠。在许多实现情况下，无线阀 门元件202和收发信机204是电池供电的，收发信机206可以尽可能 接近收发信机204,以便最小化传输功耗。
在一些实施例中，收发信机206直接连接到网络116b。在特定实施 例中，收发信机206是专用收发信机或实现为数据处理系统、控制器、 或其他设备或系统的一部分。
结合先进的过程控制和优化技术的无线技术，使得关于阀门的额外 信息能够提供给控制器或其他设备。这可以提供更好的控制保真度而 无需与硬连线设备相关的高成本安装。它还可以使得能够更有效地控 制阀门和允许更大能力地检测或者预测阀门故障。在一些实施例中， 无线阀门元件包括事先存在的过程阀门，该过程阀门已经被修改成能 够提供独自相比事先存在的过程阀门来说额外的过程值读取或者诊断 读取。在一些实施例中，这些读取不被发送到完整的过程控制系统， 而是被发送到监控系统，该监控系统能够实现在运行任何数量的监控 或者诊断应用的常规数据处理系统中或者能够实现为控制器104a的一 部分。
9在一些实施例中，过程控制系统100能够接收来自无线阀门元件202 和其他过程元件的数据并且能够聚集来自每个无线阀门元件202的数 据。过程控制系统100可以然后使用这个数据来确定阀门性能的准确 表示。根据阀门性能，过程控制系统100能够确定阀门是否可以继续 被使用，识别出任何阀门性能退化，并且确定阀门是否需要维护。阀 门性能退化可以进一步由过程控制系统100用来确定它的动作和自动 调节任何相关过程来补偿该退化。而且，这个信息能够由过程控制系 统100或者资产管理系统使用来估计或者确定阀门故障的准确点和识 别出适当的预防或者纠正动作。
无线阀门元件202可以提供显著的好处，比如当故障出现时无线地 检测阀门系统故障的能力。能够检测的故障可以包括粘住的阀门、阀 门的緩慢运动、气压故障(比如低压或者阻塞的压力路径)、或者其 他故障。无线阀门元件202还能够使过程控制系统100识别出阀门性 能上的退化和优化阀门维护。这可以包括特别地能够监控特定的阀门 特性，比如总的累积行程、偏离的百分比、所计算的粘附度、滞后现 象、直接的或者次要的阀门位置。在某些实施例中，无线阀门元件202 能够将位置传感器和电流-到-压力转换器与数字协议(如HART、 FOUNDATION Fieldbus (现场总线基金会)、Prof ibus )结合来转接阀 门特性回到过程控制系统100。在一些实施例中，无线阀门元件202和 /或过程控制系统100还能够监控与控制器104a (或其他控制器)、过 程元件102a、以及它可以与之通信的其他元件有关的诊断。
虽然图2示例了在过程控制系统100中的包括无线阀门元件的过程 元件102a的一个例子，但是可以对图2做出各种变化。例如，收发信 机204可以集成到无线阀门元件202中。此外，收发信机206可以被 配置与一个或多个收发信机204连接，其中每个收发信机204与一个 或多个过程元件202相关联。无线阀门元件202能够确定阀门性能数 据或者诊断数据。
在各种实施例中，收发信机206可以包括网关或者编组板 (marshalling panel),它们可以支持一个或多个无线阀门元件2 02 并且可以在一个或多个无线设备和目标控制系统(不管是控制器、操 作者站、服务器、软件应用还是其他)之间接收和发送通信。
在各种实施例中，无线连接208可以包括用于完成无线阀门元件202和控制系统(不管是控制器、操作者站、服务器、软件应用还是其他) 之间的通信所必要的额外收发信机或者转发器。
图3示例了根据本公开的一个实施例用于使用无线设备进行过程控
制的示例性方法300。为了易于解释，方法300关于图2的过程元件 102a (其工作在图1的过程控制系统100中)进行描述。方法300可 以由任何其他适当的设备使用并且可以用于任何其他适当的系统中。
在步骤302中，在收发信机204处接收来自无线阀门元件202的数 据，该数据可以包括阀门性能数据或者诊断数据。在步骤304中，数 据被无线地从收发信机204传送给收发信机206。在步骤306中，数据 (比如通过网络116b)从收发信机206传送给过程控制系统100。在 这一点上，过程控制系统100可以采取任何适当的动作，比如分析阀 门的操作和识别阀门的任何问题。
在步骤308中，在收发信机206处接收来自过程控制系统100的第 二数据。在步骤310中，第二数据被从收发信机206无线地传送给收 发信机204。在步骤312中，第二数据从收发信机204传送给无线阀门 元件202。这样以来，过程控制系统100可以例如提供控制指令给无线 阀门元件202用于控制阀门的操作。
虽然图3示例了为过程元件使用无线通信的方法300的一个例子， 但是可以对图3做出各种变化。例如，可能根据需要多次会出现所述 步骤的一个、 一些或者全部。另外，虽然图3中的各个步骤作为步骤 序列而示出，但是图3中的各个步骤可以平行地或以不同次序地发生。
阐述在整个这个专利文件中使用的某些单词和短语的定义可能是有 利的。术语"耦合"及其派生词是指两个或更多元件之间的任何直接 或间接通信，不论这些元件是否相互物理上接触。术语"应用"是指 一个或多个计算机程序、指令集、程序、功能、对象、类、实例、或 相关数据(其适合于以适当的计算机语言实现)。术语"包括"和"包 含"以及其派生词，意味着包括而非限制。术语"或，，具有包容性， 意味着和/或。短语"与…关联"和"与其关联，，以及其派生词，可能 意味着包括、被包括在其中、互连、包含、包含在其中、连接到或与 其相连、耦合到或与其耦合、与其通信、与其合作、交织、并列、接 近、约束到或者约束、具有、具有特性等等。术语"控制器"是指控 制至少一个操作的任何设备、系统、或其一部分。控制器可以以硬件、
ii固件、软件、或其至少两个的某种组合来实现。与任何特定控制器相 关的功能可以集中或分散，无论是本地还是远程的。
虽然本公开已经描述了某些实施例和 一般的关联方法，但是对这些 实施例和方法的改变和置换对于本领域的技术人员来说将是将显而易 见的。因此，上述示例性实施例的描述没有限定或限制本公开。在不 背离如由以下权利要求所限定的本公开的宗旨和范围的情况下，也可 能有其他的变化、替换和改变。
权利要求
1. 一种设备，包括至少一个无线阀门元件(202)；第一收发信机(204)，其被配置与至少一个无线阀门元件(202)通信；以及第二收发信机(206)，其被配置与第一收发信机(204)进行无线通信，该第二收发信机(206)进一步配置与过程控制系统(100)进行通信。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中过程控制系统(100)能够通 过第一收发信机(204 )和第二收发信机(206 )之间的无线连接接收 来自至少一个无线阀门元件(202 )的阀门状态数据。
3. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括 至少一个第二无线阀门元件(202 );以及第三收发信机(204 ),其被配置来与至少一个第二无线阀门元件 (202 )进行通信，其中第二收发信机(206 )还被配置来与第三收发 信机(204 )进行无线通信。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中第一收发信机(204 )集成到 至少一个无线阀门元件(202 )之一中。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中至少一个无线阀门元件(202 ) 包括已经被修改与第一收发信机(204 )进行通信的常规过程阀门。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中至少一个无线阀门元件(202 ) 能够确定阀门性能数据或者诊断数据。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中至少一个无线阀门元件(202 ) 包括事先存在的过程阀门，该过程阀门已经被修改能够提供独自相比 事先存在的过程阀门来说额外的过程值读取或者诊断读取。
8. —种过程控制系统，包括 至少一个控制器(104a-104b);至少一个无线阀门元件(202 ),其能够由至少一个控制器 (104a-104b)控制； 第一收发信机(204 )，其被配置与至少一个无线阀门元件(202 ) 通信；以及第二收发信机(206 ),其被配置与第一收发信机(204 )进行无线通信，第二收发信机(206 )进一步被配置与至少一个控制器 (104a-104b)通信。
9. 一种方法，包括在第一收发信机(204 )处接收来自至少一个无线阀门元件U02) 的数据；无线地传送该数据给第二收发信机(206 );以及 从第二收发信机(206 )传送数据给过程控制系统(100)。
10. —种设备，包括 至少一个无线阀门元件(202 );第一收发信机(204 ),其被配置与至少一个无线阀门元件(202 ) 通信；以及第二收发信机(206 ),其被配置与第一收发信机(2(M)进行无线 通信，该第二收发信机(206 )进一步被配置与监控系统进行通信。
全文摘要
一种过程控制系统(100)，包括至少一个控制器(104a-104b)和能够由至少一个控制器(104a-104b)控制的至少一个无线阀门元件(202)。该过程控制系统(100)还包括被配置与至少一个无线阀门元件(202)通信的第一收发信机(204)，以及被配置与第一收发信机(204)进行无线通信的第二收发信机(206)。第二收发信机(206)进一步被配置与至少一个控制器(104a-104b)通信。
文档编号G05B19/418GK101467113SQ200780021955
公开日2009年6月24日 申请日期2007年4月10日 优先权日2006年4月12日
发明者P·T·S·拉哈文德拉, Y·T·陈 申请人:霍尼韦尔国际公司