本公开内容总体上涉及控制阀，并且更具体而言，涉及用于控制阀的故障-安全系统。
背景技术：
控制阀是过程控制系统中的关键部件，并且基于从控制器或定位器接收的压力和/或电信号进行操作。当控制阀经历故障模式(例如，压力和/或电信号丢失或落入未预料到的程度)时，控制阀将不能正确地工作，这可能损坏整个过程控制系统。为了阻止这种情况，某些控制阀利用故障-安全设备以确保过程控制系统在任何工作条件下，特别是在故障模式中都是安全的。故障-安全设备的工作原理是将控制阀移动到安全位置(例如，完全打开、关闭、或其它安全位置)，以在故障(例如，压力损耗、电信号损耗或功率损耗)发生时保护过程控制系统。
目前，典型的控制阀故障-安全系统包括电磁阀(电气故障-安全)和开关阀或跳闸阀(压力故障-安全)，如果需要的话该开关阀或跳闸阀具有体积罐(volume tank)。在电信号损耗的情况下，电磁阀将控制阀移动到安全位置。在压力损耗的情况下或当气动压力下降到预定的设定点以下时，(可能具有体积罐的)开关/跳闸阀将控制阀移动到安全位置。
参考图1，示出了典型的控制阀故障-安全系统的一个示例，其包括具有双动式活塞致动器611的控制阀610。控制阀610由定位器605(例如，DVC 6200)通过助力器606而被控制，并且该控制阀610通过电气位置发送器607和限位开关608传送位置。定位器605通过过滤器601和调节器602，从加压流体供应源600接收加压流体。
用于控制阀610的故障-安全系统，包括：一对电磁阀609、跳闸阀604，该对电磁阀609用于在控制信号损耗的情况向定位器605提供电气故障-安全，该跳闸阀604用于在来自加压流体供应源600的加压流体损耗、或加压流体的压力下降低于设定点的情况下向定位器605提供压力故障-安全。在图1所示的系统中，跳闸阀604与体积罐603进行通信，并且该跳闸阀604具有与控制阀610的致动器611的相对压力室进行通信的输出，该输出中的一个输出通过快速释放阀610被连接。
在图1所示的典型系统中出现的一个问题在于根据IEC60381-1:1982，由定位器605使用的模拟控制信号通常为4-20mA或1-5V。然而，对于驱动电磁阀609来说该控制信号太低。因此，为了驱动电磁阀609，需要功率(信号)比较器和另外的24VDC电源。
技术实现要素：
根据本实用新型的一个示例性方面，一种用于控制阀的故障-安全系统，包括：电信号和功率故障-安全模块以及与该电信号和功率故障-安全模块的输出进行通信的压力故障-安全模块。该电信号和功率故障-安全模块接收还提供给定位器的控制信号和加压流体，并包括超低功率消耗阀。在正常操作中，电信号和功率故障-安全模块处于第一位置，以允许加压流体通过该电信号和功率故障-安全模块到该压力故障-安全模块，并且该压力故障-安全模块处于第一位置，以允许定位器与控制阀的致动器之间的通信。当加压流体的压力下降低于设定点时，压力故障-安全模块移动到第二位置以将致动器移动到安全位置。当控制信号丢失或中断时，电信号和功率故障-安全模块移动到第二位置，以将加压流体的压力节流在设定点以下、或阻止加压流体流向压力故障-安全模块，这将压力故障-安全模块移动到第二位置以将致动器移动到安全位置。
还根据本实用新型的前述示例性方面中的任何一个或多个方面，一种用于控制阀的故障-安全系统还可以以任何组合的方式包括以下优选的形式中的任何一个或多个优选的形式。
在一个优选的形式中，超低功率消耗阀是压电阀或喷嘴-挡板设备。
在另一个优选的形式中，压力故障-安全模块包括开关阀。
在另一个优选的形式中，压力故障-安全模块包括体积罐。
在另一个优选的形式中，控制阀的致动器是弹簧回位致动器。
在另一个优选的形式中，安全位置是以下位置中的一个位置：控制阀的最后位置、控制阀的完全打开位置、或控制阀的完全关闭位置。
在另一个优选的形式中，控制阀的致动器是双动式活塞致动器。
在另一个优选的形式中，故障-安全系统还包括：与电信号和功率安全模块的输出进行通信的第二压力故障-安全模块。第一压力故障-安全模块与致动器的、在活塞的第一侧上的第一压力室通信，并且该第二压力故障-安全模块与致动器的、在活塞的与该第一侧相对的第二侧上的第二压力室通信。
在另一个优选的形式中，第一压力故障-安全模块和第二压力故障-安全模块都包括开关阀。
在另一个优选的形式中，第一压力故障-安全模块和第二压力故障-安全模块都包括体积罐。
在另一个优选的形式中，电信号和功率故障-安全模块由控制信号供电。
根据本实用新型的另一个示例性方面，一种用于控制阀的故障-安全系统，包括：集成的故障-安全模块以及与该集成的故障-安全模块的输出通信的跳闸阀。该集成的故障-安全模块接收控制信号并将该控制信号传送到定位器，并且接收还提供给定位器的加压流体。在正常操作中，集成的故障-安全模块处于第一位置，以允许加压流体传递到跳闸阀，并且该跳闸阀处于第一位置，以允许定位器与控制阀的致动器之间的通信。当加压流体的压力下降至低于设定点时，该跳闸阀移动到第二位置以将致动器移动到安全位置。当该控制信号丢失或中断时，该集成的故障-安全模块移动到第二位置，以将加压流体的压力节流在该设定点以下、或阻止加压流体流向跳闸阀，这将该跳闸阀移动到第二位置以将致动器移动到安全位置。
还根据本实用新型的前述示例性方面中的任何一个或多个方面，一种用于控制阀的故障-安全系统还可以以任何组合的方式包括以下优选的形式中的任何一个或多个优选的形式。
在一个优选的形式中，集成的故障-安全模块包括第一超低功率消耗阀和第二超低功率消耗阀、第一开关阀和第二开关阀。
在另一个优选的形式中，第一超低功率消耗阀和第二超低功率消耗阀是压电阀或喷嘴-挡板设备(nozzle-flap device)。
在另一个优选的形式中，集成的故障-安全模块包括体积罐。
在另一个优选的形式中，控制阀的致动器是弹簧回位致动器。
在另一个优选的形式中，安全位置是以下位置中的一个位置：控制阀的最后位置、控制阀的完全打开位置、或控制阀的完全关闭位置。
在另一个优选的形式中，控制阀的致动器是双动式活塞致动器。
在另一个优选的形式中，故障-安全系统还包括与集成的故障-安全模块的输出通信的第二跳闸阀。第一跳闸阀与致动器的、在活塞的第一侧的第一压力室通信，并且该第二跳闸阀与致动器的、在活塞的与该第一侧相对的第二侧的第二压力室进行通信。
在另一个优选的形式中，集成的故障-安全模块由控制信号供电。
附图说明
图1是用于具有双动式活塞致动器的控制阀的标准的故障-安全系统的示意图；
图2是用于具有弹簧回位致动器的控制阀的示例的故障-安全系统的示意图；
图3是用于具有双动式活塞致动器的控制阀的另一个示例的故障-安全系统的示意图；
图4是用于具有弹簧回位致动器的控制阀的另一个示例的故障-安全系统的示意图；
图5是用于具有双动式活塞致动器的控制阀的另一个示例的故障-安全系统的示意图；以及
图6是可以在图4和图5的故障-安全系统中使用的示例的集成的故障-安全模块的示意图。
具体实施方式
与典型的故障-安全系统不同，本文的示例性故障-安全系统使用电气/功率故障-安全装置，其能够使用由定位器接收的同一控制信号为故障-安全模块供电。因此，不需要(如将被电磁阀要求的)用于电气/功率故障-安全装置的另外的驱动器功率，并且不需要功率(信号)比较器或另外的24VDC电源。
例如，电气/功率故障-安全装置可以使用超低功率消耗阀(例如，压电阀)，以及多个通道和多端口来建立多个空气通道。压电(piezo)阀或压电(piezoelectric)阀使用压电效应(其是某些材料响应于所施加的机械应力而生成电荷的能力)，并且功率消耗非常低。由于低的功率消耗，压电阀可以由定位器使用的控制信号来驱动，并可以被制造为本质安全的并在爆炸性环境中使用。
示例故障-安全系统的某些优点是：
(1)不需要另外的驱动器功率，并且控制信号(4-20mA)可以用作用于故障-安全的驱动功率以及信号；
(2)由于不需要另外的驱动器功率，因此不需要功率信号比较器，这简化了控制系统；
(3)模块化设计可以使用较少的零件，并且每个模块可以单独地使用或被集成以满足不同的要求；以及
(4)故障-安全系统可以是致密的，并且是为恶劣的和/或爆炸性环境提供的鲁棒设计。
参考图2，示出了用于控制阀100的示例故障-安全系统130。控制阀100可以是任何类型的滑动杆或旋转阀，并且在所示示例中，控制阀100包括致动器105，其可以是弹簧回位致动器或任何其它活塞或隔膜类型的气动致动器。定位器110控制控制阀100的致动器105来移动控制阀100并接收来自加压流体供应源115的加压流体和控制信号(其包括功率120和4-20mA信号125)。
故障-安全系统130通常包括电信号和功率故障-安全模块135以及压力故障-安全模块140，该压力故障-安全模块140与电信号和功率故障-安全模块135的输出进行通信。电信号和功率故障-安全模块135接收由定位器110接收的相同的控制信号以及还提供给定位器110的、来自加压流体供应源115的加压流体，并且该电信号和功率故障-安全模块135包括超低功率消耗阀(例如，压电阀或喷嘴-挡板设备)。这样，电信号和功率故障-安全模块135可以由该控制信号供电。压力故障-安全模块140可以包括开关阀并且还可以具有另外的体积罐。
在正常操作中，电信号和功率故障-安全模块135处于第一位置(例如，打开位置)，这允许加压流体通过电信号和功率故障-安全模块135到压力故障-安全模块140。此外，压力故障-安全模块140处于第一位置，这允许定位器110和控制阀100的致动器105之间的通信。
如果加压流体的压力丢失或低于预定的设定点，则电信号和功率故障-安全模块135保持在第一位置中，并且压力故障-安全模块140移动到第二位置，其阻止了定位器110和致动器105之间的通信，并将致动器105移动到安全位置，该安全位置可以是控制阀100的最后位置(last position)、控制阀100的完全打开位置、控制阀100的完全关闭位置、或任何其它期望的位置。
此外，如果控制信号丢失或中断，则电信号和功率故障-安全模块135移动到第二位置，这将提供给压力故障-安全模块140的加压流体的压力节流到低于设定点的电压、或阻止加压流体流向压力故障-安全模块140。节流压力或阻止加压流体流向压力故障-安全模块140，将压力故障-安全模块140移动到第二位置，这阻止了定位器110和致动器105之间的通信，并将致动器105移动到安全位置。
参考图3，示出了用于具有致动器205的控制阀200的另一个示例故障-安全系统230，在该示例中，致动器205是双动式活塞致动器。定位器110控制控制阀200的致动器205以移动控制阀200并接收来自加压流体供应源115的加压流体和控制信号(其包括功率120和4-20mA信号125)。
故障-安全系统230通常包括电信号和功率故障-安全模块235以及压力故障-安全模块240，该压力故障-安全模块240与电信号和功率故障-安全模块235的输出进行通信。电信号和功率故障-安全模块235接收由定位器110接收的相同的控制信号以及还提供给定位器110的、来自加压流体供应源115的加压流体，并且该电信号和功率故障-安全模块235包括超低功率消耗阀(例如，压电阀或喷嘴-挡板设备)。这样，电信号和功率故障-安全模块235可以由该控制信号供电。压力故障-安全模块240可以包括一对开关阀250、255，每个开关阀与电信号和功率故障-安全模块235的输出以及定位器110进行通信，并且每个开关阀还可以具有另外的体积罐。开关阀250与在活塞208的第一侧上的致动器205的第一压力室206进行通信，并且开关阀255与在活塞208的(与第一侧相对的)第二侧上的致动器205的第二压力室207进行通信。
在正常操作中，电信号和功率故障-安全模块235处于第一位置(例如，打开位置)，其允许加压流体通过电信号和功率故障-安全模块235到压力故障-安全模块240。此外，压力故障-安全模块240处于第一位置，其允许定位器110和控制阀200的致动器205之间的通信。
如果加压流体的压力丢失或低于预定的设定点，则电信号和功率故障-安全模块235保持在第一位置中，并且压力故障-安全模块240移动到第二位置，其阻止了定位器110和致动器205之间的通信，并将致动器205移动到安全位置，该安全位置可以是控制阀200的最后位置、控制阀200的完全打开位置、控制阀200的完全关闭位置或任何其它期望的位置。
此外，如果控制信号丢失或中断，则电信号和功率故障-安全模块235移动到第二位置，其将提供给压力故障-安全模块240的加压流体的压力节流在设定点以下、或阻止加压流体流向压力故障-安全模块240。节流压力或阻止加压流体流向压力故障-安全模块240，将压力故障-安全模块240移动到第二位置，这阻止定位器110和致动器205之间的通信，并将致动器205移动到安全位置。
由于本文的故障-安全系统是在设计中模块化，因此每个模块都可以单独地使用或集成在一起以实现(一个或多个)不同的故障-安全模式。例如，如果仅使用电信号和功率故障-安全模块，则故障-安全系统将是双模式故障-安全设备(功率和电信号故障)。它还可以与另外的(一个或多个)跳闸阀一起工作以实现所有故障-安全模式，这可以用于升级标准故障-安全系统。
例如，参考图4，示出了用于控制阀300的另一个示例故障-安全系统330。控制阀300可以是任何类型的滑动杆或旋转阀，并且在所示的示例中，控制阀300包括致动器305，该致动器305可以是弹簧回位致动器或任何其它活塞或隔膜类型的气动致动器。定位器310控制控制阀300的致动器305来移动控制阀300，并接收来自加压流体供应源315的加压流体和来自故障-安全系统330的集成的故障-安全模块335的控制信号(其包括功率320和4-20mA信号325)。
故障-安全系统330通常包括集成的故障-安全模块335和跳闸阀340，该跳闸阀340与集成的故障-安全模块335的输出进行通信。集成的故障-安全模块335接收控制信号以及还提供给定位器310的、来自加压流体供应源315的加压流体，并且将该控制信号传送给定位器310。在该示例中，集成的故障-安全模块335还可以包括一个或多个超低功率消耗阀(例如，压电阀或喷嘴-挡板设备)。这样，集成的故障-安全模块335可以由该控制信号供电。
在正常操作中，集成的故障-安全模块335处于第一位置(例如，打开位置)，其允许加压流体传递到跳闸阀340。此外，跳闸阀340处于第一位置，其允许定位器310和控制阀300的致动器305之间的通信。
如果加压流体的压力丢失或低于预定的设定点，则跳闸阀340移动到第二位置，其阻止了定位器310和致动器305之间的通信，并将致动器305移动到安全位置，该安全位置可以是控制阀300的最后位置、控制阀300的完全打开位置、控制阀300的完全关闭位置、或任何其它期望的位置。
此外，如果控制信号丢失或中断，则集成的故障-安全模块335移动到第二位置，其将提供给跳闸阀340的加压流体的压力节流到低于设定点的压力、或阻止加压流体流向跳闸阀340。节流压力或阻止加压流体流向跳闸阀340，将跳闸阀340移动到第二位置，这阻止了定位器310和致动器305之间的通信，并将致动器305移动到安全位置。
参考图5，示出了用于具有致动器405的控制阀400的另一个示例故障-安全系统430，在该示例中，该致动器405是双动式活塞致动器。定位器310控制控制阀400的致动器405以移动控制阀400，并接收来自加压流体供应源315的加压流体和来自故障-安全系统430的集成的故障-安全模块435的控制信号(其包括功率320和4-20mA信号325)。
故障-安全系统430通常包括集成的故障-安全模块435和一对跳闸阀440、445，每个跳闸阀与集成的故障-安全模块435的输出和定位器310进行通信。跳闸阀440与在活塞408的第一侧上的致动器405的第一压力室406进行通信，并且跳闸阀445与在活塞408的(与该第一侧相对的)第二侧上的致动器405的第二压力室407进行通信。集成的故障-安全模块435接收控制信号以及还提供给定位器310的、来自加压流体供应源315的加压流体，并将该控制信号传送到定位器310。在该示例中，集成的故障-安全模块435还可以包括一个或多个超低功率消耗阀(例如，压电阀或喷嘴-挡板设备)。这样，集成的故障-安全模块435可以由该控制信号供电。
在正常操作中，集成的故障-安全模块435处于第一位置，其允许加压流体传递到跳闸阀440、455。此外，跳闸阀440、455处于第一位置，其允许在定位器310和控制阀400的致动器405之间的通信。
如果加压流体的压力丢失或低于预定的设定点，则一个或两个跳闸阀440、455移动到第二位置，这阻止了定位器310和致动器405之间的通信并将致动器405移动到安全位置。
此外，如果控制信号丢失或中断，则集成的故障-安全模块435移动到第二位置，其将提供给跳闸阀440、445的加压流体的压力节流到低于设定点的压力、或阻止加压流体流向跳闸阀440、445。节流压力或阻止加压流体流向跳闸阀440、445，将一个或两个跳闸阀440、455移动到第二位置，这阻止了定位器310和致动器405之间的通信，并将致动器405移动到安全位置。
参考图6，示出了示例集成的故障-安全模块500，其可以在上述描述的故障-安全系统中使用。集成的故障-安全模块500通常包括超低功率消耗阀505、510(例如，先导压电阀或喷嘴-挡板设备)、以及开关阀515、520或其它气动阀(其还可以各自具有另外的体积罐)。集成的故障-安全模块50还可以具有减压阀525。
在正常操作中，超低功率消耗阀505、510由控制信号供电，并且该控制信号保持超低功率消耗阀505、510打开。来自加压流体源530的加压流体通过减压阀525以将加压流体的压力降低到通过超低功率消耗阀505、510所需的水平并驱动开关阀515、520。开关阀515将处于打开位置并与出口端口535进行通信以驱动压力故障-安全模块或跳闸阀，并且超低功率消耗阀510将处于关闭位置以将加压流体节流到排出端口540。当控制信号丢失时，超低功率消耗阀505，510将被关闭。开关阀515将被关闭，超低功率消耗阀510将被打开，并且出口端口535和排出端口540将被连接。因此，加压流体不会流到压力故障-安全模块或跳闸阀，并将控制阀驱动到安全位置。
尽管上面已经描述了各种实施例，但是本公开内容不旨在限制于此。可以对所公开的实施例进行变化，使得这些变化仍然在所附权利要求的范围内。