具有过压保护能力的阀定位器的制造方法

具有过压保护能力的阀定位器的制造方法
【专利摘要】一种用于限制提供给与阀定位器耦接的阀的致动器的控制压强的方法，向该阀定位器的气动级提供驱动信号。该气动级被配置为根据该驱动信号控制该阀定位器的输出压强。从可通信地耦接到该阀定位器的压强传感器获取压强测量值，并且基于该压强测量值检测异常压强。响应于检测到该异常压强，控制该驱动信号从而限制该阀定位器的该输出压强，其中该输出压强向该致动器提供控制压强。
【专利说明】
具有过压保护能力的阀定位器
技术领域
[0001] 本发明概括而言涉及过程控制系统，更具体而言，涉及为过程控制系统中的过程 控制设备提供过压保护。
【背景技术】
[0002] 过程控制系统，如分布式或可扩展的过程控制系统（如用于化工、石油或其他过 程中使用的过程控制系统），通常包括一个或多个过程控制器，该过程控制器经由模拟、数 字或组合的模拟/数字总线可通信地耦接到一个或多个现场设备。现场设备可以包括例 如控制阀组件（例如控制阀、致动器、阀控制器）、阀定位器、开关和发射器（例如温度、压 强和流速传感器），执行过程中的功能，例如打开或关闭阀、测量过程参数和执行基本诊断。 过程控制器接收指示由现场设备进行的过程测量值和/或与现场设备有关的其他信息，并 且使用该信息来执行或实现一个或多个控制例程来产生控制信号，该控制信号通过总线发 送给现场设备以控制过程的操作。来自每个现场设备和控制器的信息通常可用于由一个或 多个其他硬件设备（如主机或用户工作站、个人计算机或计算设备）执行的一个或多个应 用，以使得操作员能够执行与过程有关的任何希望的功能，如设置过程参数、观察过程的当 前状态、修改过程的操作，等等。
[0003] 过程控制系统通常采用电动-气动控制器（例如电动-气动定位器）来控制在过 程控制系统中操作的过程控制设备（例如控制阀、栗、节气闸等）。电动-气动控制器通常 被配置为接收一个或多个控制信号并将那些控制信号转换为提供给气动致动器的压强以 使得耦接到该气动致动器的过程控制设备执行希望的操作。例如，如果过程控制例程需要 气动致动的阀来传递更大量的过程流体，则施加给与阀相关联的电动-气动控制器的控制 信号的大小可能增加（例如在电动-气动致动器被配置为接收4-20mA控制信号的情况下 从10毫安（mA)增加到15mA)。
[0004] 电动-气动致动器通常包括气动模块，其可以包括第一气动级（如电流到压强（1/ P)换能器或者电压到压强（E/P)换能器）和第二气动级（如继电器）。气动模块通常接收 加压的供应流体，如空气，并且根据控制信号（例如电流驱动信号）对加压的供应流体进行 调整以严生响应于该控制信号的气动输出信号。供应流体通常经由位于电动-气动设备的 压强源和压强供应输入之间的供应压强调节器（如过滤减压器（airset)设备或空气过滤 器设备）被提供给电动-气动控制器，并且更具体而言，提供给电动-气动控制器的气动 级。压强调节器通常被配置来提供适当的供应压强，以保证电动-气动控制器的控制压强 输出不超过某个最大压强（例如正由电动-气动控制器控制的致动器的最大控制压强额定 值），从而为被控制的设备提供过压保护。
[0005] 然而，压强调节器的失灵或故障可能造成该电动-气动控制器所控制的设备的过 压，这可能损坏正在被控制的设备（例如使致动器破裂）并且可能导致过程控制系统中的 可能的危险情况。为了在压强调节器失灵或故障的情况下保护设备，通常在电动-气动控 制器的控制压强输出和被控制器控制的设备的控制压强输入之间耦接安全阀。当控制流体 的压强例如由于压强调节器设备的失灵或故障而升高时，该安全阀例如将控制流体放出到 大气中。这样，安全阀为设备提供了冗余的过压保护以在供应流体调节器设备失灵或故障 情况下避免设备过压。然而，这种安全阀可能非常昂贵并且不方便，并且/或者可能难以安 装到过程控制设备中。

【发明内容】

[0006] 根据第一示例性方面，提供了一种用于限制提供给与阀定位器耦接的阀的致动器 的控制压强的方法。该方法包括向该阀定位器的气动级提供驱动信号，其中该气动级被配 置为根据该驱动信号控制该阀定位器的输出压强。该方法还包括从可通信地耦接到该阀定 位器的压强传感器获取压强测量值，并且基于该压强测量值检测异常压强。该方法还包括 响应于检测到该异常压强，控制该驱动信号从而限制该阀定位器的该输出压强，其中该输 出压强向该致动器提供控制压强。
[0007] 根据第二示例性方面，一种过程控制设备包括阀；耦接到该阀并且被配置来控制 该阀的位置的致动器；以及耦接到该阀和该致动器的阀定位器，该阀定位器被配置为向该 致动器提供控制压强以控制该致动器的位置。该阀定位器包括被配置为接收驱动信号并且 根据该驱动信号控制该阀定位器的输出压强的气动级。该阀定位器还包括过压保护模块， 该过压保护模块被配置为：从可通信地耦接到该阀定位器的压强传感器获取测量值；基于 该压强测量值检测异常压强；以及响应于检测到该异常压强，控制该驱动信号以限制该阀 定位器的输出压强，其中该输出压强向该致动器提供该控制压强。
[0008] 根据第三示例性方面，一种阀定位器，该阀定位器耦接到包括阀和致动器的过程 控制设备，该阀定位器被配置为接收来自过程控制系统的控制信号并且根据该控制信号控 制提供给该致动器的压强。该阀定位器包括被配置为接收驱动信号并且根据该驱动信号控 制该阀定位器的输出压强的气动级。该过压保护模块还包括过压保护模块，该过压保护模 块被配置为从可通信地耦接到该阀定位器的压强传感器获取测量值；基于该压强测量值检 测异常压强；以及响应于检测到该异常压强，控制该驱动信号以限制该阀定位器的输出压 强，其中该输出压强向该致动器提供控制压强。
[0009] 根据上述第一、第二或第三方面的任意一个或多个，一种方法、过程控制设备和/ 或阀定位器还可以包括以下优选形式中的任意一种或多种。
[0010] 在一种优选形式中，该压强传感器被配置为感测提供给该阀定位器的供应压强的 水平。
[0011] 在另一种优选形式中，该压强传感器被配置为感测该阀定位器的该输出压强的水 平。
[0012] 在另一种优选形式中，检测该异常压强包括：将该压强测量值与预定阈值进行比 较；并且当所测量的压强超过该预定阈值时，确定该压强异常。
[0013] 在另一种优选形式中，该阀定位器包括处理器和存储器，并且检测该异常压强和 控制该驱动信号包括执行存储在该存储器中的计算机可读指令。
[0014] 在另一种优选形式中，该阀定位器包括被配置来接收该压强测量值的控制电路， 并且检测该异常压强和控制该驱动信号由该控制电路执行。
[0015] 在另一种优选形式中，该驱动信号是电流信号，并且控制该驱动信号包括将该驱 动信号设置为零毫安或接近零毫安的值。
[0016] 在另一种优选形式中，该驱动信号是电压信号，并且控制该驱动信号包括将该驱 动信号设置为零毫伏或接近零毫伏的值。
[0017] 在另一种优选形式中，该过压保护模块被配置为将该压强测量值与预定阈值进行 比较；并且当所测量的压强超过该预定阈值时，确定该压强异常。
[0018] 在另一种优选形式中，该阀定位器包括处理器和存储器，并且该过压保护模块包 括存储在该存储器中并且可由该处理器执行的计算机可读指令。
[0019] 在另一种优选形式中，该过压保护模块包括硬件控制电路。
[0020] 在另一种优选形式中，该驱动信号是电流驱动信号，并且该过压检测模块被配置 为响应于检测到该异常压强，将该驱动信号设置为零毫安或接近零毫安的值。
[0021] 在另一种优选形式中，该驱动信号是电压驱动信号，并且其中该过压检测模块被 配置为响应于检测到该异常压强，将该驱动信号设置为零毫伏或接近零毫伏的值。
【附图说明】
[0022] 图1是根据本发明的原理配置的具有一个或多个现场设备的过程控制系统的示 意性表不。
[0023] 图2是根据本发明的实施例配置的示例性现场设备的方框图。
[0024] 图3是根据本发明的另一实施例配置的示例性现场设备的方框图。
[0025] 图4是根据一个实施例的过压保护方案的流程图。
[0026] 图5是根据本发明的另一实施例配置的示例性现场设备的方框图。
[0027] 图6是根据本发明的又一实施例配置的示例性现场设备的方框图。
[0028] 图7是用于限制提供给与阀定位器耦接的阀的致动器的控制压强的示例性方法 的流程图。
【具体实施方式】
[0029] 现在参考图1，示出了根据本发明的一个版本构建的过程控制系统10,其包括与 过程控制器11通信的一个或多个现场设备15、16、17、18、19、20、21、22和71，过程控制器 11又与数据历史库12和一个或多个用户工作站13通信，每个用户工作站13具有显示器屏 幕14。通过这样配置，控制器11将信号传递给现场设备15、16、17、18、19、20、21、22和71 以及工作站13并且从现场设备15、16、17、18、19、20、21、22和71和工作站13接收信号，以 控制过程控制系统。
[0030] 更详细地，图1所示版本的过程控制系统10的过程控制器11经由硬连线通信连 接与现场设备15、16、17、18、19、20、21和22经由输入/输出（I/O)卡26和28相连。数据 历史库12可以是任意希望类型的数据收集单元，具有用于存储数据的任何类型的存储器 和任意希望或已知的软件、硬件或固件。此外，虽然在图1中将数据历史库12显示为一个单 独的设备，但是其可以替代地或另外是其中一个工作站13或另一计算机设备（如服务器） 的一部分。控制器11例如可以是由艾默生过程管理公司销售的DeltaV ?控制器，其经由 通信网络29可通信地连接到工作站13和数据历史库12,通信网络29例如可以是以太网连 接。
[0031] 如上所述，控制器11被示出为使用硬连线通信方案与现场设备15、16、17、18、 19、20、21和22通信连接，硬连线通信方案可以包括使用任何希望的硬件、软件和/或 固件来实现硬连线通信，例如包括标准4-20mA通信和/或使用任意智能通信协议（如 FOUNDATION?现场总线通信协议、HART?:通信协议等等）的任何通信。现场设备 15、16、17、18、19、20、21和22可以是任意类型的设备，如传感器、控制阀组件、发射器、定位 器等等，而I/O卡26和28可以是符合任意希望的通信或控制器协议的任意类型的I/O设 备。在图1所示的实施例中，现场设备15、16、17、18是标准4-20mA设备，其通过模拟线路 与I/O卡26通信，而数字现场设备19、20、21、22可以是智能设备，如HART?通信设备和 现场总线现场设备，其使用现场总线协议通信通过数据总线与I/O卡28通信。当然，现场 设备15、16、17、18、19、20、21和22可以符合任意其他希望的标准或协议，包括未来开发的 任何标准或协议。
[0032] 此外，图1中所示的过程控制系统10包括多个布置在要被控制的工厂中的无线现 场设备60、61、62、63、64和71。现场设备60、61、62、63、64被示出为发射器（例如过程变量 传感器），而现场设备71被示出为控制阀组件，例如包括控制阀和致动器。可以使用任意希 望的无线通信设备，包括当前已知或将来开发的硬件、软件、固件或其任意组合在控制器11 和现场设备60、61、62、63、64和71之间建立无线通信。在图1中所示的版本中，天线65耦 接到发射器60，专用于为发射器60执行无线通信，而具有天线67的无线路由器或其他模块 66耦接用于为发射器61、62、63和64集中处理无线通信。类似的，天线72耦接到控制阀组 件71以用于为控制阀组件71执行无线通信。现场设备或相关联的硬件60、61、62、63、64、 66和71可以实现由适当的无线通信协议使用的协议栈操作，以经由天线65、67和72接收、 解码、路由、编码和发送无线信号，以实现过程控制器11和发射器60、61、62、63、64和控制 阀组件71之间的无线通信。
[0033] 如果希望，发射器60、61、62、63、64可以构成各种过程传感器（发射器）和过程控 制器11之间的单一链路，从而可以依赖其来向控制器11发送准确的信号以保证过程性能 不被危及。发射器60、61、62、63、64通常称为过程变量发射器（?￥1〇，因此可以在整个控制 过程的控制中扮演重要的角色。此外，控制阀组件71可以提供由控制阀组件71内的传感 器得出的测量值，或者作为其操作的一部分，可以向控制器11提供由控制阀组件71产生或 计算的其他数据。当然，众所周知，控制阀组件71还可以从控制器11接收控制信号以影响 整个过程中的物理参数，例如流量。
[0034] 过程控制器11耦接到一个或多个I/O设备73和74,每个I/O设备73和74连接 到相应的天线75和76,并且这些I/O设备和天线73、74、75、76操作为发射器/接收器来 经由一个或多个无线通信网络执行与无线现场设备61、62、63、64和71的无线通信。现场 设备（例如发射器60、61、62、63、64和控制阀组件71)之间的无线通信可以使用一个或多 个已知的无线通信协议，如WireleSsHART?'协议、Ember协议、WiFi协议、IEEE无线标 准等等，来执行。进一步的，I/O设备73和74可以实现由这些通信协议使用的协议栈操作 以经由天线75和76接收、解码、路由、编码和发送无线信号以实现控制器11和发射器60、 61、62、63、64和控制阀组件71之间的无线通信。
[0035] 如图1中所示，控制器11通常包括处理器77,其实现或监视存储在存储器78中的 一个或多个过程控制例程（或者任意模块、块或子例程）。存储在存储器78中的过程控制 例程可以包括在过程工厂中实现的控制环路或者与这样的控制环路相关联。概括而言，并 且如通常所知的，过程控制器11执行一个或多个控制例程并且与现场设备15、16、17、18、 19、20、21、22、60、61、62、63、64和71、用户工作站13以及数据历史库12通信来以任意希望 的方式控制过程。
[0036] 图2是根据本发明的实施例配置的示例性现场设备200的方框图。现场设备200 可以集成在过程控制系统中，例如图1的示例性过程控制系统100中。参考图1，现场设备 200例如可以是使用标准4-20mA通信通过模拟连接与控制器11通信的现场设备15-18之 一。在另一个实施例中，现场设备200可以是使用数字通信协议（如HART或现场总线协议 或者任意其他适当的数字通信协议）通过数字总线与控制器11通信的现场设备19-22之 一。在又一个实施例中，现场设备200可以是使用任意适当的无线通信协议经由无线连接 与控制器11通信的现场设备72。在该实施例中，现场设备200包括天线（未示出），其被 包括在现场设备200中或者与现场设备200耦接，以使现场设备200与控制器11之间能够 无线通信。
[0037] 现场设备200在图2中被示出为具有阀202、致动器204和与阀202和致动器204 可通信地耦接的阀定位器206的控制阀组件。阀202例如可以是旋转阀、四分之一转动阀、 节气闸或者任何其他控制设备或装置。致动器204可以是例如经由阀杆可操作地耦接到阀 202内的流量控制元件的气动致动器。阀杆可以沿第一方向（例如远离阀座）移动流量控制 元件，以允许入口和出口之间的流体流动，并且可以沿第二方向（例如朝向阀座）移动流量 控制元件，以限制或阻止入口和出口之间的流体流动。在各种实施例中，致动器204可以包 括双作用活塞致动器、单作用弹簧回返式膜（single-acting spring return diaphragm) 或活塞致动器，或者任何其他适当的致动器或过程控制设备。
[0038] 在图2中，阀定位器206被显示为具有处理器208、存储器210和接口模块212的 数字阀定位器。此外，阀定位器206包括具有第一气动级215和第二气动级216的气动模 块214。第一气动级215可以是电动气动换能器，如电流到压强（Ι/P)换能器、电压到压强 (E/P)换能器等等，其可以产生与提供给第一气动级215的驱动信号成比例的输出压强。第 二气动级216可以操作以放大由第一气动级215产生的压强，以产生适合致动器204的操 作的压强。第二气动级216例如可以是短管阀（spool valve)、提升阀（poppet valve)、继 电器等等。阀定位器206的网络接口 212被配置为根据现场设备200所属的过程控制系 统的特定通信协议发送和/或接收信号。在一些实施例中，该通信协议是无线网格网络协 议，如WirelessHART或ISA 100.1 la协议。或者，网络接口 212可以支持有线通信，如标准 4-20mA通信，和/或使用任何智能通信协议（如FOUNDATION?现场总线通信协议、 HART?:通信协议等等）的任何通信。在一些实施例中，网络接口 212包括收发器（未显 示）。该收发器通常包括一个或多个处理器（也未示出），用于根据过程控制系统所使用的 无线通信协议执行与物理（PHY)层和其他层（例如媒体访问控制（MAC)层）任务有关的指 令。网络接口可以耦接到一个或多个天线（未示出）。经由该一个或多个天线，网络接口 212根据无线通信协议发送和/或接收数据分组。网络接口 212优选的被配置为既发送又 接收数据分组。
[0039] 处理器208可以是通用处理器、数字信号处理器、ASIC、现场可编程门阵列，或者 任何其他已知或未来开发的处理器。处理器208根据存储在存储器210中的指令进行操 作。虽然图2的示例性现场设备200包括一个处理器208,但是其他实施例可以包括执行处 理器208的功能的两个或更多个处理器。存储器210可以是易失性存储器或非易失性存储 器。存储器210可以包括一个或多个只读存储器（ROM)、随机访问存储器（RAM)、闪存、电可 擦除可编程只读存储器（EEPROM)或其他类型的存储器。存储器210可以包括光、磁（硬盘 驱动器）或任何其他形式的数据存储设备。
[0040] 在操作时，处理器208接收代表阀202的希望位置的命令信号，如4至20mA命令 信号或者0至IOV命令信号。处理器208还接收由行程传感器218提供给处理器208的阀 202的实际位置的指示。行程传感器218可以是模拟行程传感器并且可以经由模数转换器 219耦接到处理器208。模数转换器219可以将行程传感器218产生的模拟信号转换为适 合于处理器208使用的数字信号。在另一个实施例中，行程传感器218可以是数字传感器。 例如，行程传感器218可以包括在行程传感器218内部的模数转换器。在这种情况下，模数 转换器219可以省略，并且行程传感器218的输出可以直接提供给处理器208。
[0041] 处理器208将由从过程控制器接收的命令信号所指示的阀202的希望位置与由行 程传感器218指示的阀202的实际位置进行比较，并且基于阀202的希望位置和实际位置 之间的差来产生用于气动模块214的驱动信号。该驱动信号例如可以是电流驱动信号或电 压驱动信号。该驱动信号对应于阀定位器206要将耦接到阀202的致动器204的位置改变 的量。由处理器208产生的驱动信号被经由数模转换器217提供给气动模块214的第一气 动级215,数模转换器217将由处理器208产生的（数字）驱动信号转换为适合于驱动第一 气动级215的模拟驱动信号。第一气动级215根据驱动信号对提供给第一气动级215的加 压的供应流体进行调整以产生与该驱动信号成比例的输出压强。第一气动级215的输出压 强被提供给第二气动级216,第二气动级216可以放大第一气动级215的压强输出并且可 以将放大的压强提供给阀定位器206的压强输出。阀定位器206的压强输出耦接到致动器 204的控制压强输入，并且提供用于致动器204的控制压强以控制致动器204的位置，从而 控制阀202以朝向阀202的希望位置移动。
[0042] 应当注意，虽然这里将第一气动级215 -般性地描述为比例Ι/P换能器，但是第一 气动级215也可以是开/关换能器。在这种情况下，气动模块214可以在向致动器204的控 制压强输入提供加压的供应流体和释放加压的供应流体（例如释放到大气中）之间交替， 从而控制致动器204的位置。还应当注意，代替或除了图2中所示的之外，阀定位器206可 以包括其他类型的位置控制机制。此外，应当理解，现场设备200可以是在过程控制系统内 操作的任何其他类型的气动控制的设备。例如，现场设备200可以是节气闸等等。
[0043] 继续参考图2,供应压强可以经由压强调节器（如过滤减压器220)提供给阀定位 器206,更具体而言，提供给第一气动级215和第二气动级216。过滤减压器220可以对过 程控制系统中的压强供应源提供的加压的供应流体（如空气）进行调节和过滤，并且可以 将由压强供应源提供的压强降低到适合于阀定位器206和致动器204使用的压强水平。通 常，阀定位器206通过调节供应压强产生输出压强，并且所产生的输出压强通常被以低于 供应压强的水平进行加压。在一些情况下，阀定位器206可以向致动器204输出提供给阀 定位器206的全部供应压强以向致动器204提供最大力，例如以迫使阀202进入阀座。通 过调节和/或降低由压强供应源提供的压强，压强调节器220通常保证阀定位器206的输 出控制压强不超过某个最大水平，如致动器204的最大压强额定值，从而为致动器204提供 过压保护。然而，在过滤减压器220失灵或故障的情况下（例如当过滤减压器220常开并 且从而提供完全供应压强而非降低的供应压强给阀定位器206时），阀定位器206可以产 生超过致动器204的最大额定值或者致动器204的其他希望的最大控制压强水平的压强输 出，例如在阀定位器206向致动器204输出阀定位器206的完全供应压强的情况下，从而超 出致动器204的最大控制压强。超出致动器204的最大压强可能使得致动器204过压，这 可能损坏致动器204和/或可能导致过程控制系统中的可能的危险情况。
[0044] 阀定位器206包括过压保护模块222和压强传感器224。过压保护模块222通常 保证即使在过滤减压器220失灵或故障的情况下也将安全控制压强提供给致动器204,从 而为致动器204提供额外或冗佘的过压保护。在图2的实施例中，过压保护模块222包括 存储在存储器210中的计算机可读指令。处理器208被配置为执行该计算机可读指令以提 供致动器204的过压保护。过压保护模块222可以操作以限制提供给第一气动级215的驱 动信号，以保证阀定位器206的压强输出不超过某个最大值，如致动器204的最大压强额定 值，或者致动器204的操作所需或所希望的任何其他适当值。
[0045] 压强传感器224耦接到阀定位器206的输出压强，并且被配置为将阀定位器206 的输出压强的测量值提供给处理器208。压强传感器224可以是模拟压强传感器，在这种情 况下，压强传感器224的输出可以耦接到模数转换器225。模数转换器225可以将压强传感 器224产生的模拟信号转换为适合于处理器208使用的数字信号。在另一实施例中，压强 传感器224可以是数字压强传感器。例如，压强传感器224可以包括在压强传感器224内 部的模数转换器。在这种情况下，模数转换器225可以省略，并且压强传感器224的输出可 以直接提供给处理器208。
[0046] 过压保护模块222可以通过周期性地获取压强传感器224提供的压强测量值来监 控阀定位器206的压强输出。过压保护模块222可以将从压强传感器224获取的测量值与 预定阈值进行比较，并且当测量的压强超过预定阈值时可以检测到异常（例如异常高）压 强。响应于检测到异常压强，过压保护模块222可以控制由处理器208提供给第一气动级 215的驱动信号的水平以限制第一气动级215的输出压强并且从而限制阀定位器206的输 出压强。例如，过压保护模块222可以将驱动信号设置为预定值，如零毫安或接近零毫安的 值（在驱动信号是电流驱动信号的情况下）或者零毫伏或者接近零毫伏的值（在驱动信号 是电压驱动信号的情况下）。或者，过压保护模块222可以将驱动信号设置为另一适当值， 或者可以以另一适当方式调整驱动信号，从而降低或限制阀定位器206的压强输出。
[0047] 作为又一实例，响应于检测到异常压强，过压保护模块222可以操作以阻止对驱 动信号的任何进一步调整，从而停止对阀定位器206的输出压强水平的任何进一步调整。 在这种情况下，阀定位器206的输出压强水平将停止响应于阀定位器206接收到的命令信 号中的进一步改变。这样，阀定位器206的输出压强将在检测到异常压强之前，例如在该实 施例中在检测到过滤减压器220的失灵或故障之前，保持在由阀定位器206产生的水平。或 者，响应于检测到异常压强，过压保护模块222可以操作以阻止驱动信号的水平的任何进 一步增加，同时仍然允许驱动信号的水平响应于接收到导致驱动信号水平降低的命令信号 而降低。在任一情况下，过压保护模块222响应于检测到异常压强，操作以保证输出压强水 平不增加到将会使致动器204的操作不安全和/或不希望的水平。
[0048] 阀定位器206的组件可以可通信地如图2中所示的耦接或者可以以任何其他适当 的形式耦接。进一步，除了图2中所示的组件之外或者代替图2中所示的组件，阀定位器 206可以包括用于控制和/或提供压强给致动器204的任何其他组件。另外或者替换的，虽 然未示出，但是阀定位器206可以包括其他信号处理组件，例如模数转换器、数模转换器、 滤波器（低通滤波器、高通滤波器和数字滤波器）、放大器，等等。
[0049] 图3是根据本发明的另一实施例配置的现场设备200的方框图。在图3的实施例 中，图2的阀定位器206被阀定位器306取代。阀定位器306通常类似于阀定位器206并 且包括许多与阀定位器206类似标号的元件。然而，阀定位器306被配置为检测提供给阀 定位器306的异常供应压强而不是像阀定位器206 -样检测异常输出压强。
[0050] 阀定位器306包括过压保护模块322和压强传感器324。压强传感器324耦接到 阀定位器306的供应压强并且被配置为测量提供给阀定位器306的供应压强的水平。压强 传感器324可以将供应压强测量值提供给处理器208。压强传感器324可以是模拟压强传 感器，在这种情况下，压强传感器324的输出可以耦接到模数转换器325。模数转换器325 可以将压强传感器324产生的模拟信号转换为适合于处理器208使用的数字信号。或者， 压强传感器324可以是数字压强传感器。例如，压强传感器324可以包括在压强传感器324 内部的模数转换器。在这种情况下，模数转换器325可以从阀定位器306中被省略，并且压 强传感器324的输出可以直接提供给处理器208。
[0051] 过压保护模块322包括存储在存储器210中并且可由处理器208执行的计算机可 读指令。过压保护模块322可以与图2的过压保护模块222相同或类似。过压保护模块322 可以按照与过压保护模块222相同或类似的方式操作以检测异常压强，并且响应于检测到 异常压强，控制提供给第一气动级215的驱动信号的水平，从而限制阀定位器306的输出压 强。然而，在图3的实施例中，过压模块322通过基于压强传感器324提供的供应压强测量 值来检测异常压强而进行操作。例如，过压保护模块322可以从压强传感器324获取供应压 强的测量值，并且可以将所获取的供应压强测量值与预定阈值进行比较。当供应压强测量 值超过预定阈值时，过压保护模块322可以检测到异常压强。响应于检测到该异常压强，过 压保护模块322可以控制提供给第一气动级215的驱动信号的水平。例如，过压保护模块 322可以将驱动信号设置为零毫安，将驱动信号设置为零毫伏，将驱动信号设置为另一适当 值，阻止驱动信号的进一步调整，阻止驱动信号的进一步增加，等等，如上面参考图2的过 压保护模块222所描述的。
[0052] 图4是可以由图2的过压保护模块222或图3的过压保护模块322实现的过压保 护方案400的流程图。参考图2和图3,过压保护模块222或过压保护模块322可以根据方 案400操作以控制提供给第一气动级215的驱动信号从而限制阀定位器206的输出压强。 在方框402处，过压保护模块获取来自压强传感器的测量值，该压强传感器如耦接到阀定 位器的输出的压强传感器或者耦接到阀定位器的供应压强的压强传感器。在方框404处， 过压保护模块将在方框402处获取的压强测量值与预定阈值进行比较。如果测量的压强超 过预定阈值，则方案400在方框406继续，其中过压保护模块控制提供给阀定位器的气动级 的驱动信号以降低阀定位器的输出压强。例如，过压保护模块将驱动信号设置为零毫安或 接近零毫安的值，将驱动信号设置为零毫伏或接近零毫伏的值，或者将驱动信号设置为任 意其他适当的值。或者，过压保护模块可以阻止对驱动信号的进一步调整，从而将驱动信号 锁定在驱动信号的当前值。在另一实例中，过压保护模块可以阻止驱动信号的进一步增加， 同时仍然允许驱动信号降低，或者可以以另一适当的方式控制驱动信号以限制阀定位器的 输出压强水平。在任一情况下，方案400然后返回到方框402,其中处理器从压强传感器获 取下一测量值。
[0053] 返回方框404,如果方框404的比较指示测量的压强不超过（例如小于或等于）该 预定阈值，则方案400仅仅返回方框402以从压强传感器获取下一测量值。
[0054] 图5是根据本发明的另一实施例配置的现场设备200的方框图。在图4的实施例 中，阀定位器206 (图2)被阀定位器506取代。阀定位器506通常类似于图2的阀定位器 206并且包括许多与图2的阀定位器206类似标号的元件。在图5的实施例中，过压保护由 硬件模块提供，如控制电路，该硬件模块耦接到第一气动级215并且被配置为控制提供给 第一气动级215的驱动信号以响应于检测到阀定位器506的异常输出压强而限制阀定位器 506的输出压强。
[0055] 阀定位器506包括耦接在处理器208和气动模块214之间的过压保护模块522。 压强传感器524耦接到阀定位器506的输出压强并且被配置为测量阀定位器506的输出压 强的水平。压强传感器524向过压保护模块522提供输出压强测量值。过压保护模块522 可以包括模拟电路和/或数字电路，其被配置为基于压强传感器524提供的输出压强测量 值检测阀定位器506的异常输出压强。如果必要，压强传感器524可以耦接到模数转换器， 或者耦接到数模转换器，以产生适合过压保护模块522使用的信号。
[0056] 响应于基于从压强传感器524获得的测量值检测到异常压强，过压保护模块522 操作以影响提供给气动级215的驱动信号的水平，从而限制阀定位器506的压强输出。例 如，过压保护模块522可以响应于检测到该异常压强，将驱动信号设置为零毫安或接近零 毫安的水平或者零毫伏或接近零毫伏的水平（断开驱动信号），将驱动信号设置为另一适 当值，阻止驱动信号的进一步调整，阻止驱动信号的进一步增加，等等，如上面参考图2的 过压保护模块222所描述的。
[0057] 图6是根据本发明的另一实施例配置的现场设备200的方框图。在图6的实施例 中，阀定位器206 (图2)被阀定位器606取代。阀定位器606通常类似于图5的阀定位器 506并且包括许多与图5的阀定位器506类似标号的元件。在图6的实施例中，过压保护由 硬件模块提供，如控制电路，该硬件模块耦接到第一气动级215并且被配置为控制提供给 第一气动级215的驱动信号以响应于检测到阀定位器606的异常供应压强而限制阀定位器 606的输出压强。
[0058] 阀定位器606包括耦接在处理器208和气动级214之间的过压保护模块622。压 强传感器624耦接到阀定位器606的供应压强并且耦接到过压保护模块624。压强传感器 624被配置为测量阀定位器606的供应压强的水平并且将供应压强测量值提供给过压保护 模块622。过压保护模块622可以包括模拟电路和/或数字电路，其被配置为基于从压强传 感器624获得的供应压强测量值检测异常压强。如果必要，压强传感器624可以耦接到模 数转换器，或者耦接到数模转换器，以产生适合过压保护模块622使用的信号。
[0059] 响应于基于从压强传感器624获得的测量值检测到异常压强，过压保护模块622 控制提供给气动级215的驱动信号的水平，从而限制阀定位器606的压强输出。例如，过压 保护模块622可以响应于检测到该异常压强，将驱动信号设置为零毫安或接近零毫安的水 平或者零毫伏或接近零毫伏的水平（断开驱动信号），将驱动信号设置为另一适当值，阻止 驱动信号的进一步调整，阻止驱动信号的进一步增加，等等，如上面参考图2的过压保护模 块222所描述的。
[0060] 参考图5和6,虽然阀定位器506和606被显示为数字阀定位器，但是阀定位器506 和606可以替代的为模拟阀定位器，其被配置来接收模拟命令信号，如4-20mA命令信号，并 且根据该模拟命令信号控制阀202的位置。在一些这种实施例中，接口 212和/或处理器 208以及存储器210可以从阀定位器506、606省略。在这种情况下，模拟命令信号可以经由 过压保护模块522、622提供给气动级214来为致动器204提供过压保护。
[0061] 在上面描述的各个实施例中，过压保护模块222、322、522、622可以被配置为响应 于检测到异常压强（例如供应输入异常压强或控制压强输出异常压强），使得向现场设备 200所属的过程控制系统中的控制器和/或主机设备发送指示该异常压强的信号，例如发 送给图1的过程控制器11。将指示检测到的异常压强的信号发送给过程控制系统中的控制 器或主机设备可以向监控该过程控制系统的操作员指示过滤减压器220故障，并且可以允 许该操作员采取适当的动作，如修复或替换该过滤减压器，关闭现场设备200,关闭包括现 场设备200的过程控制系统（或其一部分），等等。
[0062] 图7是用于限制提供给与阀定位器耦接的阀的致动器的控制压强的示例性方法 700的流程图。在各个实施例中，方法700由图2的现场设备200实现。在一个实施例中， 方法700由处理器208根据存储在存储器210中的过压保护模块222来实现。在另一实 施例中，方法700使用耦接到阀定位器的气动级的电流驱动输入的硬件过压保护模块来实 现。在其他实施例中，方法700至少部分地使用现场设备200的其他组件来实现，或者由现 场设备200之外的设备来实现。
[0063] 在方框702,获取压强测量值。在一个实施例中，该压强测量值是从耦接到阀定位 器的控制压强输出的压强传感器获得的。在另一实施例中，该压强测量值是从耦接到阀定 位器的供应压强输入的压强传感器获得的。在方框704,基于方框702处获得的压强测量 值检测异常压强。例如，将该压强测量值与预定阈值进行比较，并且当在方框702获得的压 强测量值超出预定阈值时检测到异常压强。然后，在方框706,响应于在方框704检测到异 常压强，控制提供给阀定位器的气动级的驱动信号从而限制阀定位器的输出控制压强。例 如，方框706可以包括将驱动信号设置为零毫安，将驱动信号设置为零毫伏，将驱动信号设 置为另一适当值，阻止驱动信号进一步调整，阻止驱动信号进一步增加，等等，如上在各个 具体实施例中所述。
[0064] 虽然本文已经将现场设备的各种功能和/或系统描述为"模块"、"组件"或"功能 块"，但是应当注意，这些用语并不局限于单个的集成单元。此外，虽然已经参考具体实例描 述了本发明，但是那些实例仅仅是示意性的，并不意在限制本发明。对于本领域技术人员来 说，显然可以对所公开的实施例进行改变、添加或删除，而不脱离本发明的精神和范围。例 如，上述方法的一个或多个部分可以按照不同顺序（或同时）执行，并且仍然实现希望的结 果。
【主权项】
1. 一种用于限制提供给与阀定位器耦接的阀的致动器的控制压强的方法，所述方法包 括： 向所述阀定位器的气动级提供驱动信号，其中所述气动级被配置为根据所述驱动信号 控制所述阀定位器的输出压强； 从可通信地耦接到所述阀定位器的压强传感器获取压强测量值； 基于所述压强测量值检测异常压强；以及 响应于检测到所述异常压强，控制所述驱动信号从而限制所述阀定位器的所述输出压 强，其中所述输出压强向所述致动器提供控制压强。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述压强传感器被配置为感测提供给所述阀定位器 的供应压强的水平。3. 如权利要求1所述的方法，其中所述压强传感器被配置为感测所述阀定位器的所述 输出压强的水平。4. 如权利要求1所述的方法，其中检测所述异常压强包括： 将所述压强测量值与预定阈值进行比较；并且 当所测量的压强超过所述预定阈值时，确定所述压强为异常。5. 如权利要求1所述的方法，其中所述阀定位器包括处理器和存储器，并且其中检测 所述异常压强和控制所述驱动信号包括执行存储在所述存储器中的计算机可读指令。6. 如权利要求1所述的方法，其中所述阀定位器包括被配置来接收所述压强测量值的 控制电路，并且其中检测所述异常压强和控制所述驱动信号由所述控制电路执行。7. 如权利要求1所述的方法，其中所述驱动信号是电流信号，并且其中控制所述驱动 信号包括将所述驱动信号设置为零毫安或接近零毫安的值。8. 如权利要求1所述的方法，其中所述驱动信号是电压信号，并且其中控制所述驱动 信号包括将所述驱动信号设置为零亳伏或接近零毫伏的值。9. 一种过程控制设备，包括： 阀； 耦接到所述阀并且被配置来控制所述阀的位置的致动器；以及 耦接到所述阀和所述致动器的阀定位器，所述阀定位器被配置为向所述致动器提供控 制压强以控制所述致动器的位置，所述阀定位器包括： 被配置为接收驱动信号并且根据所述驱动信号控制所述阀定位器的输出压强的气动 级，以及 过压保护模块，所述过压保护模块被配置为： 从可通信地耦接到所述阀定位器的压强传感器获取测量值； 基于所述压强测量值检测异常压强；以及 响应于检测到所述异常压强，控制所述驱动信号以限制所述阀定位器的输出压强，其 中所述输出压强向所述致动器提供所述控制压强。10. 如权利要求9所述的过程控制设备，其中所述压强传感器被配置为测量提供给所 述阀定位器的供应压强的水平。11. 如权利要求9所述的过程控制设备，其中所述压强传感器被配置为测量所述阀定 位器输出的压强的水平。12. 如权利要求9所述的过程控制设备，其中所述过压保护模块被配置为： 将所述压强测量值与预定阈值进行比较；并且 当所测量的压强超过所述预定阈值时，确定所述压强为异常。13. 如权利要求9所述的过程控制设备，其中所述阀定位器包括处理器和存储器，并且 其中所述过压保护模块包括存储在所述存储器中并且可由所述处理器执行的计算机可读 指令。14. 如权利要求9所述的过程控制设备，其中所述过压保护模块包括硬件控制电路。15. 如权利要求9所述的过程控制设备，其中所述驱动信号是电流驱动信号，并且其中 所述过压检测模块被配置为响应于检测到所述异常压强，将所述驱动信号设置为零毫安或 接近零晕安的值。16. 如权利要求9所述的过程控制设备，其中所述驱动信号是电压驱动信号，并且其中 所述过压检测模块被配置为响应于检测到所述异常压强，将所述驱动信号设置为零毫伏或 接近零毫伏的值。17. -种阀定位器，所述阀定位器耦接到包括阀和致动器的过程控制设备，所述阀定位 器被配置为接收来自过程控制系统的控制信号并且根据所述控制信号控制提供给所述致 动器的压强，所述阀定位器包括： 被配置为接收驱动信号并且根据所述驱动信号控制所述阀定位器的输出压强的气动 级，以及 过压保护模块，所述过压保护模块被配置为： 从可通信地耦接到所述阀定位器的压强传感器获取测量值； 基于所述压强测量值检测异常压强；以及 响应于检测到所述异常压强，控制所述驱动信号以限制所述阀定位器的输出压强，其 中所述输出压强向所述致动器提供控制压强。18. 如权利要求17所述的阀定位器，其中所述压强传感器被配置为测量提供给所述阀 定位器的供应压强的水平。19. 如权利要求17所述的阀定位器，其中所述压强传感器被配置为测量所述阀定位器 输出的压强的水平。20. 如权利要求17所述的阀定位器，其中所述阀定位器包括处理器和存储器，并且所 述过压保护模块包括存储在所述存储器中并且可由所述处理器执行的计算机可读指令。21. 如权利要求17所述的阀定位器，其中所述过压保护模块包括硬件控制电路。22. 如权利要求17所述的阀定位器，其中所述驱动信号是电流驱动信号，并且其中所 述过压检测模块被配置为响应于检测到所述异常压强，将所述驱动信号设置为零毫安或接 近零晕安的值。23. 如权利要求17所述的阀定位器，其中所述驱动信号是电压驱动信号，并且其中所 述过压检测模块被配置为响应于检测到所述异常压强，将所述驱动信号设置为零毫伏或接 近零毫伏的值。
【文档编号】G05D16/20GK105843268SQ201510017355
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】B·F·格鲁姆斯特鲁普, L·D·米勒, J·L·斯诺巴杰, A·J·威特科普
【申请人】费希尔控制国际公司