一种气动致动器的定位器系统的制作方法

专利名称：一种气动致动器的定位器系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及控制阀，尤其是涉及在用于控制阀的控制回路部件中计 算流体流动特性和执行诊断的方法和装置。本发明也涉及一种气动致动器 的定位器系统。
背景技术：
控制阀用于调节通过管路的工艺用流体的流动。这种阀通常包括设置在 工艺流体流路内的节流部件(throttling element),该部件与致动器(actuator)相 连。各种致动器已为人所熟知，多种控制阀可利用气动致动器，该致动器使 用空气、天然气、或者其它可在加压下调节致动器的位置的流体。举例来说， 在弹簧和薄膜致动器中，弹簧向致动器的另一侧施加一个应力，而控制在致
动器的相反侧流体压力，从而调节上述节流部件的位置。可替换的，还可使 用活塞致动器，活塞将致动器壳体分为上下两室，控制这两个室的流体压力， 可驱动上述致动器到达要求的位置。在任一种气动致动器中，所述控制用流 体都具有流向周围环境泄出的额定量。
定位器(或伺服控制器)控制作用在气动致动器的 一个或两个室上的流 体压力。该定位器通常包括处理器，电流压力转换器(I/P), 二级气动装置(即 滑阀(spool valve)或者气动继电器)，和阀行程反馈传感器。该I/P转换器与供 压源相连，向滑阀附近的柔性薄膜输送要求的控制用流体的压力。上述薄膜 控制滑阀的位置，以将控制用流体导向致动器的腔室。致动器的运动引发上 述节流部件的相应运动，从而控制工艺用流体的流动。上述定位器进一步从 处理控制器接收参考信号，通常为命令信号形式，将该参考信号和阀行程反 馈相比较，驱动上述I/P转换器(和二级气动装置)，从而将阀朝向参考信号移 动。
随着使用以处理器为基础的控制的需求增长，使用在定位器内的滑阀已 经着重地被仪表化。举例来说，在利用活塞致动器时，上述滑阀包括接收供 给压力的入口端，与致动器第一室流体连通的第一出口端，和致动器第二室 流体连通的第二出口端。已知的滑阀在上述入口端、第一出口端和第二出口 端处都设置有压力传感器，为处理器提供反馈。另外，传统滑阀还包括用于 检测滑阀位置的位移传感器，并向处理器提供反馈信号。
传统定位器具有的一些部件易受各种控制用流体泄漏或者阻塞的影响， 从而导致控制阀的功能下降或者无法操作。例如，上述I/P转换器包括与供给 压力密封连接的入口。该I/P转换器包括一节流器，限定初级节流孔和喷嘴， 来导引控制用流体朝向节气门。该I/P转换器进一步包括将控制用流体导向滑 阀的密封出口。上述I/P转换器经常设置在工矿设施上，这些地方的环境空气 已被油、溶解矿物质、沙砾等污染。因此，当这种空气用作为控制用流体时， 上述污染物就可能部分或者全部堵塞上述节流孔或者喷嘴。另外，上述I/P 转换器出入口之间设置的密封也会失效。因而这种堵塞或泄漏会緩慢降低控 制阀的性能，导致效率低下，或者致使整个控制阀完全失效。在两种情况下， 很难决定是由于定位器导致故障的发生，更不用说确定定位器内故障的确切 位置。
类似的，在致动器壳体内可能产生的泄漏或者在滑阀和致动器之间的连 接中可能形成的堵塞都会降低控制阀性能或者导致失效。举例来说，上下致 动器室和大气之间可能形成泄漏，或一个活塞环可能失效导致从一个室到另 一个室之间的泄漏。在这些环境下，处理器就必须调节其用于节流部件给定 位置的控制信号。在控制用介质为天然气时，泄漏检测尤为重要。在嘈杂车 间环境下，随着时间的流逝这种泄漏可能发生并且直到阀停止工作之前仍不 为人们所发视。


图1为安装到控制阀的致动器上的定位器的简要框图。
图2为图1中所示定位器的放大视图。
图3A和3B分别表示出弹簧和薄膜致动器分别经历泄漏和堵塞时，控制 用流体的质量流分布的曲线图。
图4A、 4B和4C分别表示出活塞致动器在第一室、第二室和活塞环内的
控制用流体的质量流分布的曲线图。
图5表示出用于表现特征和定位部件故障的逻辑子程序的简要决策树。 图6是用于二级气动装置的定位器的另一替换实施例，该定位器具有气
动继电器。
具体实施例方式
图1中简要示出的定位器14和致动器12相连。该致动器12和阀体10机械 相连，阀体10控制通过管路例如管道(未示出)的工艺用流体的流动。定位器 14包括具有存储器20的处理器18、 1/P转换器24、 二级气动装置(例如滑阀26)， 控制用流体的阀装置位移传感器84和阀行程传感器68，这些部件在此集成作 为控制回路。参考信号，例如从处理控制器来的命令信号被供到定位器14， 表示要求的致动器位置。该定位器I4比较上述参考信号和行程传感器68所提 供的实际致动器位置，将误差信号发送至处理器18。随后该处理器基于位移 传感器84的误差信号和反馈信号，产生电I/P驱动信号。
如图2所详示，致动器12包括活塞60，该活塞将致动器壳体62分为上室 和下室56、 58。上室56包括将应力施加给活塞的弹簧64。活塞杆66A^活塞62 延伸到阀体10上。行程传感器68用于检测活塞杆66的位置且向处理器18提供 反馈。
根据所示实施例，上述I/P转换器24提供一个信号放大级，滑阀26提供 一个气动放大级。上述I/P转换器24包括与加压的控制用流体的供给源30流体 连通的入口28。入口28和控制用流体源30之间的连接由O形圈32所密封。在 1/P转换器24内设置有节流器34,从而限定出初级节流孔36。在该初级节流孔 36的下游设置有喷嘴38，用于引导控制用流体流向柔性节气门40。在所示实 施例中，螺线管线圈42用于将节气门40相对喷嘴38定位。可替换的，可去掉 该螺线管线圈42,并且节气门40可由压电材料形成，或者利用已知的节气门 构造。出口44和薄膜45流体连通。出口44和薄膜45之间的连接可由0形圏46 所密封。传感器85可用于检测进入上述I/P转换器24的控制用流体的供给压 力。
滑阀26包括从控制用流体供给源30接受控制用流体的入口端50。第一和 第二出口端52、 54可设置得与致动器12的上和下室56、 58流体连通。阀件70 设置在滑阀壳体内，用于控制入口端50和第一、第二出口端52、 54之间的流
体连通。在所示实施例中，阀件70包括承载第一和第二阀盘74、 76的阀杆72。 在滑阀壳体内形成有环形阀室77，尺寸设置得能够紧密装配上述第一和第二 阀盘74、 76。从I/P转换器24接收压力信号的薄膜45和阀件70的第一端相配合。 弹簧82和阀件70的另一端相配合，从而向阀件70提供偏压负载。
在操作中，1/P转换器24所调节的控制用流体压力输出到薄膜45上，该 薄膜在相反于弹簧82偏压负载的方向上将负载施加在阀件70上。第一和第二 阀盘74、 76运动，可部分或者全部地阻止流体从入口端50到第一和第二出口 端52、 54中任意一个的流动。因此，阀件70的位置就确定了控制用流体流过 每一出口端52、 54的节流区域。设置位移传感器84用于检测阀件70的位置， 并向处理器18提供反馈。另外，设置第一和第二出口压力传感器86、 88用于 分别检测在第一和第二出口端52、 54处的控制用流体压力水平。
尽管图2示出了具有常闭(fail-closed)弹簧动作的双作用活塞致动器，但 是可以理解，也可以利用其它类型的气动致动器。这些替换的致动器实施例 可包括具有常开(fail-open)弹簧动作的双作用活塞致动器，无弹簧的双作用活 塞致动器，具有常开或者常闭弹簧动作的单作用弹簧薄膜致动器，或者任一 种已知的替代致动器。如果该致动器为单作用的方式，则滑阀26包括与相反 于弹簧的致动器的室流体连通的单出口端。
而且，定位器14可利用替换的装置作为二级气动装置。为了替代滑阀26， 该定位器包括气动继电器。图6中所示双作用气动继电器200和I/P转换器24 、 阀体12、加压的流体源30相连。该继电器200包括供压室(plenum)202a、 202b。 供压室202a包括和致动器下室58流体连通的第一出口端204，供压室202b具 有和致动器上室56流体连通的第二出口端206。第一提升阀208的一端210可 移动地和第一孔204相配合，第二^l是升阀212的一端214可移动地和第二孔206 相配合。梁216被支承以绕支点218转动，并包括与第一提升阀208的第二端 222相配合的第 一节流孔220以及与第二提升阀212的第二端226相配合的第 二节流孔224。 1/P转换器24的输出^皮供到室228，以在第一方向(例如图6中顺 时针)旋转上述梁216,而此时给参考室230提供参考压力来平衡上述室228的 力。第一提升阀208控制上述控制用流体流向致动器下室58的流动，而第二 ^:升阀212控制流向致动器的上室56的流动。
在操作中，当I/P喷嘴压力增加时，上述梁216顺时针旋转，迫使第一提 升阀208向右运动。第一提升阀208的第二端222关闭第一节流孔220，以防止
流向大气，而第一提升阀208的第一端210打开第一出口端204,以^_控制用 流体以供给压力流向下室58。同时，第二提升阀212打开第二节流孔224，并 关闭第二出口端206，以使得控制用流体从上室56内排放到大气中。当I/P喷 嘴压力降低时，情况相反。可以理解，当第一和第二提升阀201、 212移动到 和离开上述第一和第二出口端204、 206时，出口端的节流面积204、 206就会 改变。因此，上述梁216的位置就可用于推断提升阀208、 212的位置，以及 第一和第二出口端204、 206的节流面积。
设有气动继电器200的定位器包括和上述相同的传感器。因此，第一和 第二出口压力传感器86、 88靠近第一和第二出口端52、 54设置，从而分别检 测到上下致动器室56、 58的控制用流体的压力。入口压力传感器85设置在入 口端50处，用于检测控制用流体的供给压力，而设置致动器行程传感器68用 于检测活塞杆66的位置。另外，设置位移传感器84用于检测梁216的位置。
上述定位器通常已为人所熟知。但是迄今为止，都是严格使用位移传感 器来提供反馈。根据本发明的教导，位移传感器还可用于诊断目的。另外， 各种传感器可用于识别定位器内各种可能的故障之间的条件。这些传感器还 可用于计算控制用流体的质量流，有助于识别故障的根本原因。这种诊断计 算和分析可由与定位器14一起设置的诊断单元来执行，例如由所述处理器l8 和存储器20作为诊断单元的功能，或者与定位器M通信地连通的远程主机19
来咒成。
相对于致动器12,上述诊断单元可由诊断程序所编程，该诊断程序利用 传感器的反馈估算流向致动器室的控制用流体的质量流。该诊断程序可进一 步利用上述计算的质量流、有或没有附加反馈参数，来识别致动器内泄漏或 者其它的故障。尤其是，通过上迷第一和第二出口端的控制用流体的质量流 可利用下列公式近似得出
dm/dt《YAgc(2p(p广p2))1/2
其中
dm/dt =质量流率(lbm/s);
K—非放系数；
Y-膨胀因子；
A-节流面积(ft2);
g^换算常量(lbm/slug);
Pl-上游压力(lbfft2， abs.); P2-下游压力(lbf/ft2， abs.); p =上游流体密度(slug/ft3)。
举例来说，为了计算通过第一出口端52的质量流，将适当的系数和变量 插入上述公式。上游压力p,为由压力传感器85检测的入口压力，p2为传感器 86在第一出口端2检测的压力。上述公式可用于估算供给质量流和排放质量 流。例如，当滑阀正向位移时(即在图2中向右)，端口54向下室供给控制用流 体，而端口52从上室中排出控制用流体。对于端口54，滑阀位移用于计算露 出的端口面积，传感器85、 88提供上游压力和下游压力。对于端口52，滑阀 位移用于计算露出的端口面积，传感器85提供上游压力。由于上述滑阀排放 向已知气压的大气，所以并不需要在排放端口上设置传感器。另外，供到控 制阀的供给压力也经常被调节，从而就可以省略供给压力传感器85,将一接 近上述供给压力的固定值替换到上述气体质量流公式中。
当控制用流体为空气时，上述公式可以推导为
dm/dt=0.048KYA (p"p广p2))"2
上述质量流公式也可以近似推导其它流体，例如天然气。除了上述公式， 用于估算经过节流孔的质量流，还可以使用标准流量公式，例如可以使用在 ISA-575.01-1985中提到的调节控制阀的流量公式。结果发现，由上述公式
获得的质量流估算值非常接近外界空气流量传感器所得到的测量结果，尤其 是在利用低通数字滤波器降噪之后。因此，上述诊断单元18可编程地接受压 力传感器85、 86、 88和位移传感器84的反^t，利用上述^^式计算通过第一和 第二出口端52、 54的质量流。可修改校正上述公式，用于计算经过阀盘的泄 漏流动，也可用于计算通过另一个二级气动装置、例如图6中的气动继电器 200的质量流。
上述诊断程序可利用上述质量流计算来识别滑阀和致动器12之间的泄 漏或者堵塞。例如，在弹簧薄膜致动器中，控制用流体被供到相反于弹簧的 单致动器室。在正常操作过程中，处理器18控制滑阀26的控制用流体的输出， 从而驱动致动器12及被连接的节流部件到达要求的设定点。在稳定状态操作 过程中，少量流体会排放到大气中，从而少量控制用流体会通过上述滑阀出
口端流动。如果在致动器壳体内或者滑阀出口端和致动器之间的连4姿部内产 生泄漏，致动器室内的压力就会降低，弹簧将使致动器从其所需位置移开。
关于工艺用流体压力和/或致动器行程的反馈被供以处理器18，该处理器18 变更上述输入I/P转换器24的驱动信号，以增加流向致动器的控制用流体流 动。因此,流向致动器的质量流就会如图3A的曲线图所示增大。通过估算整 个时间内的控制用流体的质量流，上迷诊断单元可编程地检测流向致动器的 控制用流体流量的增量。该诊断单元可进一步利用最大控制用流体流率进行 编程，超过该最大流率，诊断单元就会产生故障信号。还可利用低通滤波器 来减小产生误差信号的正常瞬变的^L会。
相反，当滑阀位移增加而控制用流体流动恒定时，就可以识别在滑阀和 致动器12之间空气回路内的堵塞。图3B示出了一堵塞位置，其中实线表示质 量流，点划线表示滑阀位移。类似的，如果滑阀位移很大，但是质量流却相 对较小，也可以识别部分堵塞。
活塞致动器内的泄漏;险测稍微有些复杂。这种泄漏可能发生在具有弹簧 的致动器室内，没有弹簧的致动器室内，或者致动器室之间，例如在活塞环 上发生泄漏或者在致动器上的旁通阀打开时。但是对于弹簧薄膜致动器，可 利用空气流量的偏差来对泄漏或者堵塞进行定位和定量。
为了有助于识别故障，可以识别正常操作参数的偏差。 一个这样的参数 就是致动器室内的压力，通常保持为供给压力的大致60-80%。平均或者"交 叉(crossover)"压力可由致动器室内压力的平均值来确定。
如果相反于弹簧的室内产生向大气的泄漏，上述处理器18将移动滑阀 26，从而向该室提供补充空气。这也会使具有该弹簧的室减压，以使上述活 塞致动器能够像弹簧薄膜致动器那样地有效动作。图4A中示出了通过第一和 第二出口端52、 54泄漏的质量流分布。开始时，存在通过两个出口52、 54的 由系统内正常的泄漏而产生的额定的质量流。如图4A中的实线所示，当在点 A处产生泄漏，该泄漏的室的质量流将增大，直到等于排出到大气中的空气 量。对于设有弹簧的室，如图4A中点划线所示，当致动器移动到新位置时， 质量流会暂时离开该室，但是由于室内压力降低，最终还会返回接近于零点。 而且，在致动器内交叉压力大致为相反于弹簧的室内压力的一半。
如果致动器的弹簧侧室内产生泄漏，定位器14不会补充空气，这是因为 需要该定位器从相反于弹簧的室内排出空气(并减小力)。因此，上述处理器 18可使具有该弹簧的室压力降低，并会通过调节相反的室内的压力来控制上 述阀。在稳定状态，该弹簧侧室流入的空气流量会接近于零，相反于弹簧的 室流出的空气流量也会接近于零。交叉压力为没有弹簧的室内压力的 一半。 所以，通过检测交叉压力在质量流分布通过每一端口的降低，就可以确定泄 漏是否存在及其位置。
诊断单元可进一步使用上述质量流计算，以冲企测从一个致动器室流到另 一室过程中控制用流体产生的泄漏，例如在活塞环内的泄漏。由于每一室均 处于加压状态，这种泄漏利用传统的测量技术很难被检测出来。例如，如果 这种泄漏导致控制用流体从下室58流到上室56，定位器14会移动滑阀，向下 室58提供补充控制用流体。但是同时，控制用流体又会从下室58流到上室56 内并且返回滑阀26。
图4C的曲线图示出了活塞环通过每一 出口端52、 54泄漏的流体流动分 布，其中通过第一出口端52的流体流量由点划线所示，通过第二出口端54的 流体流量由实线所示。开始时，每一端口以正常的流率排放到大气中。当活 塞环内产生泄漏时，通过第二出口端54的质量流增大，而通过第一出口端52 的质量流却成比例减小。不像传统质量流传感器不能指示流体流动的方向那 样，上述质量流近似公式就表明了流动方向，其中正数表示流体流到致动器 中，而负数表示流体流出致动器。因此，通过监视流过第一和第二出口端52、 54的控制用流体的流动，处理器18可检测一个持续的情况，其中流体流动通 过一个端口为正，而通过另一端口的流动为负，并且产生了故障信号。
除了检测致动器中控制用流体的泄漏和堵塞以外，还可以利用滑阀的压 力和位移传感器来检测在滑阀26上游的I/P转换器24内的故障。1/P转换器24 内的各种故障会影响或者中断控制用流体流向滑阀26,从而控制阀的操作变 劣或者无效。由于I/P转换器的特定部件，例如节气门40,并不直接应用于伺 服控制，所以这些部件通常不是仪器化的。但是发现，可利用和滑阀26—起 设置的传感器来推导I/P转换器部件的内部状态。
在可能发生在寻址I/P转换器24内的特定故障寻定之前，应该注意的是， 向I/P转换器供以加压流体的控制用流体源30有可能发生故障，从而上述故障 应该在考虑I/P转换器24自身的其它故障之前进行寻定，因此可利用入口压力 传感器85的信号来检测控制用流体源30是否有压力损失。
1/P转换器24内可能产生的 一个故障是初级节流孔36完全堵塞。当该初
级节流孔36被堵塞时，薄膜45上的压力就会降低，从而弹簧82将滑阀70移动 到零压(或者负压)状态，使得致动器相应移动。处理器18将向螺线管线圏42 增大驱动信号，以尝试关闭或者盖住喷嘴38，这通常将增加控制用流体压力 从出口44逸出。相反，堵塞的初级节流孔36将阻碍任何控制用流体的流通。
在上述节气门40上堆积有矿物质或者其它污染物时也会产生故障，从而 使喷嘴38被完全堵塞。此时，流出出口44的控制用流体的压力增加为供给压 力，使上述滑阀从零位置移动到正向位置，从而移动致动器。作为响应，处 理器18将减小I/P转换器24的驱动信号，以尝试打开或者揭开喷嘴38。
可替换的，上述初级节流孔可能部分地被堵塞。与初级节流孔完全被堵 塞的情况一样，部分堵塞将使驱动信号更高，如同处理器18试图向喷嘴38补 充减少的空气一样。部分堵塞的节流孔将延纟爰滑阀响应于I/P信号的变化的运 动。但是由于周围环境温度较低，而使薄膜硬度增加，从而增加了时间常量。 而且当I/P驱动信号较高而其它状态都操作正常时，可以推断该节流孔为部分 被堵塞。
类似的，喷嘴38可能部分被堵塞。喷嘴38的部分堵塞还可以影响上述I/P 转换器的时间常量，如上所述，该时间常量还可由薄膜周围温度的变化所影 响。因此，所有其它状态都正常而I/P驱动信号较低则表示喷嘴部分被堵塞。
由于出口的0形圈46的故障还会引起进一步的错误。为了补偿通过出口 0形圈46的泄漏，处理器18会增大驱动信号，但是I/P转换器的时间常量却不 会显著改变。因此，出口的0形圈46的故障将以类似于初级节流孔36堵塞的 方式，影响控制回路的操作。
除了这些上述特定的故障，1/P转换器中还会产生其它故障。举例来说， 螺线管线圈42失效或者节气门40断裂。尽管不可能辨别特定的故障，但是可 以通过监视I/P转换器驱动信号的显著偏差来检测每一故障。可设定线性或非 线性数字滤波器来处理上述驱动信号，去掉其中高频分量，找出和正常操作 条件的偏差，来实现上述检测。
为了有助于识别并特性化I/P转换器24内的各种故障，诊断单元，例如 定位器14的处理器18和存储器20或者具有处理器和存储器的远程主机19，可 根据定位器14的各种传感器所测得的参数进行编程，来执行诊断程序。该诊 断程序包括一个或多个逻辑子程序，其中测量的参数被特性化以产生故障模 版，用于识别一个或多个故障的根本原因。
故障首先必须在其被特性化之前被检测出。该诊断程序可编程检测出1/P驱动信号内的持续偏差。该I/P驱动信号设定为大约70。/。，将滑阀对中在其 零位置。而驱动信号的正常操作范围为60- 80%。因此，在该I/P驱动信号移 出正常操作范围之外(即小于60%，或者大于80%)时，诊断程序就会产生一 个故障信号。可利用顺序统计滤波器去除正常的瞬变，使故障信号4又仅在I/P 驱动信号移出正常范围持续一段时间后才产生。可替换的，该诊断单元可编 程监视滑阀正常位置内的较大改变，或者监视误差信号(即阀件从参考位置 的行程偏差)，从而启动故障分析。而且如果检测出有故障，首先应该检查 压力源3 0处的控制用流体压力，使其被排除作为故障的原因之外。
一旦检测出有故障，就可以利用特性化来确定其在控制回路内的通常位 置或者特定位置。在检测出I/P驱动信号内的偏差后，可通过跟踪经控制回路 返回的偏差而确定上述故障的位置。例如，对于堵塞的初级节流孔36，控制 回路受到下列影响通过初级节流孔36的流动将^L阻止，导致滑阀移动到其 零压(负压)位置，从而依次降低致动器室内的压力，致使节流部件移动，产 生误差信号反馈回处理器。该处理器将增大I/P驱动信号，以对故障进行补偿。
为了识别故障的特定位置，就必须通过该事件链反向地进行处理。对于 完全堵塞的节流孔实例来说，所述分析由检测1/P驱动信号在正常操作范围 (即正I/P驱动信号偏差)的上限之上开始进行。随后节流部件运动产生的误差 信号基本上被特性化为正，这就意味着实际的致动器行程要小于要求的行 程。出口端压力间的压差，即第二出口端54处的压力减去第一入口端52处的 压力，随后被特性化为负。接着，位移传感器84提供有相关滑阀位置的反馈， 由于控制用流体压力因堵塞而减小，所以该反馈相对其零位置被特性化为基 本为负。以这种方式对这些测量参数进行特性化，某些故障的根本原因可以 被省略。 一些根本原因可具有前述的特性化，堵塞的节流孔就是其中一个。
如图5所述，以类似的方式使用决策树，可以绘制出所有的故障。在图5 中，测量的变量由圆圈指定，这些参数的特性化的值在从上述圓圈所发散的 线上标出，部件故障由方块指定。三角指定为无效区域，例如较大驱动信号 和大的负误差信号相结合，这是不可能的。图5中所述的诊断程序是基于通 常和定位器一起设置的已有传感器，因而某些不能辨别的部件故障就由图5 所分组。还可利用其它的传感器来进一步区分这些分組的部件故障。部件故 障沿着决策树层叠向下直到I/P驱动信号产生偏差处。随后可沿该决策树反推 来识别该偏差的根本原因。
尤其是，诊断程序可在测量处100检测偏出正常操作范围的I/P驱动信
号。如果在该范围之上，该驱动信号特性化为高，如果在该范围之下，则特 性化为低。如果I/P驱动信号为高，存储的诊断程序将沿决策树向上继续进行， 从而特性化一个用在控制回路中的参考信号。该参考信号可以是从处理控制 器发送给定位器的命令信号。该I/P驱动信号为就是作为该参考信号和行程反 馈之间的差值的函数。
1/p驱动信号在其正常工作点之上或者之下有三种情况，其中两种并不 是由设备故障所引起。其中第一种情况是在控制器处于"截止"时产生。当 上述参考信号超过用户限定临界值就会产生这种截止。当处于高截止状态，
上述伺服控制器完全旁通，100e/。的驱动信号被发送给I/P转换器。当处于低 截止状态，该伺服控制器旁通，且0。/。的驱动信号被发送给I/P转换器。高截
止状态和低截止状态都是无效搡作区域，都不会表示设备故障。图5中在方 框103、 131分别示出了高截止和低截止状态。
第二种情况是在阀体遇到行程止挡部时产生。当阀体碰到止挡部，行程
反馈就不再被激活，处理控制器就基本上开环操作。而且，这是正常控制阀 的动作，并不指示设备故障。图5中在方框104、 132处分别示出了高、低行 程止挡部。
第三种情况就是在设备故障引发较大误差信号时产生。为了补偿较大误 差信号，上述I/P驱动信号可作相应调节。 一旦截止和行程止挡部均已被排除， 则可继续沿着图5所示的决策树进行分析。对千较高I/P驱动信号来说，沿着 决策树向上分析，对于较低I/P驱动信号来说，是沿着决策树向下分析。
首先在105处，通过特性化误差信号来分析较高I/P驱动信号。该误差信 号可分类作为基本为正、零或者基本为负。当该I/P驱动信号为高，不可能具 有基本负的误差信号，所以图5右上分支示出的所有结果都是无效的。因此， 特性化误差信号在105处仅可能的结果就是为正(即参考信号大于上述实际 行程反馈信号)或者零。在该两种情况下，如在106、 107处所示，随后诊断 程序将第一和第二出口端52、 54之间的压差，即从第二出口端54处的压力减 去第一出口端52的压力进行特性化。该压差可被特性化为接近供给压力的负 值，额定值或者接近供给压力的正值。负压差表示第一出口端52处的压力大 于第二出口端54处的压力。而对于正压差恰好相反。额定压差表示致动器的
室基本平衡。对于每一压差的特性化，诊断程序将进行处理，以特性化滑阀
的位置，如108-113所示。上述滑阀位置可被特性化基本为正、零或者基本 为负值。基本正值表示薄膜45推压滑阀过远。而基本的负值恰好相反。当滑 阀处于正常操作范围之内时，滑阀在零位置上。
一旦滑阀位置得以特性化，可由I/P驱动信号偏差所识别一或多个潜在 的根本原因。例如，如果上述滑阀在114处拥堵，出口0形圏46在115处失效， 薄膜45在116处产生故障，或者初级节流孔36在117处完全堵塞，诊断程序将 上述故障特性化为I/P驱动信号的基本负的滑阀位置，负压差和基本正的误差 信号。如果上述故障被特性化为I/P驱动信号的基本正的滑阀位置，额定压差 和基本负误差信号，则根本原因可能是外部泄漏118，滑阀磨损119，或者低 供给压力120。对于I/P驱动信号具有基本负的滑阀位置、额定压差和基本正 的误差信号，则根本原因可能是低供给压力121。
对于高I/P驱动信号，如果误差信号基本为正，压差为正，滑阀位置基 本为正，则根本原因可能是阀体卡在低的位置122，滑阀和致动器之间空气 回路堵塞123或者主动互锁124。
如果故障被特性化为高I/P驱动信号的基本正的滑阀位置，额定压差和 零误差信号，则根本原因可能是外部泄漏125。如果对于高I/P驱动信号，滑 阀位置被特性化为零、压差为额定，误差信号为零，则故障的根本原因可能 是初级节流孔36部分被堵塞126, 1/P转换器和衔铁内存有沙砾127,或者I/P 转换器校正转换128。
再来看图5中的下半部分，上述诊断程序可对低I/P驱动信号推导类似的 过程。在取消低截止131和低行程止挡部132后，在133处进行上述分析，特 性化上述误差信号。误差信号特性化类似于上述105处的特性化，其中误差 信号可能为基本为负、零或者基本为正。不可能既具有低I/P驱动信号又具有 基本正的误差信号，因此图5左下方所示的结果均是无效的。在该误差信号 特性化之后，该诊断程序将在134和135处特性化上述压差。最后，诊断程序 在136 - 141处特性化上述滑阀的位置。
和高驱动信号一样，可识别一或多个可能的根本原因，来分析低驱动信 号偏差。如果上述误差信号基本为负，压差为正，滑阀位置基本为正，上述 故障的根本原因可能是喷嘴38被堵塞142， 1/P转换器节气门或者衔铁受挤压 143, 1/P转换器被锁144，或者滑阀堵塞145。如果误差信号基本为负，压差 为负，滑阀位置为负，上述故障的根本原因可能是阀体卡在较高的位置146 或者空气回路堵塞147。最后，如果误差信号为零，压差为额定，滑阀位置 为零，上述故障的根本原因可能是I/P转换器校正转换148，或者喷嘴38部分 被堵149。
根据严格和提供预测的诊断，上述诊断程序进一步将部件故障进行分 类。某些根本原因，例如初级节流孔36或喷嘴38的完全堵塞，将给上述滑阀 26偏压，而这不能被处理器18修正。这些起因可特性化为"红灯"诊断并要 适当地进行报告。其它根本原因可能由I/P驱动信号偏差所导致，但是所有其 它反馈回路中的变量都操作正常。举例来说，初级节流孔36部分被堵塞，为 补偿喷嘴流动损失，1/P驱动信号不得不更费力地被驱动。但是误差信号，致 动器压力，和滑阀位置都将操作正常。通过比较I/P驱动信号偏差和反馈回路 中其它变量，我们可以在变为灾难性故障之前，识别这些功能下降并将其标 出。这些起因可被归类为"黄灯"诊断。
尽管上述诊断单元利用软件优选地执行处理和诊断功能，其还可以利用 硬件、固件等，利用任一种形式的处理器，例如ASIC等进行。无论如何，对
及软件装置。举例来说，这里所示的部分可由例如特定的集成电路(ASIC)或 者其它要求的硬线装置的标准多功能CPU或者特定设计的硬件或固件所完 成并且这些部分仍为一种由处理器所执行的程序。当在软件中执行时，该软 件程序可存储在任一计算机可读存储器中，例如》兹盘，激光盘，光盘，或者 其它存储媒介中，或者存储在计算机或处理器的RAM或ROM中，或者任一 数据库中。同样的，通过已知或要求的传送方式，例如计算机可读盘，或其 它便携式计算机存储机构，或者通过电话线、因特网等通信手段(通过便携 式存储媒介提供这种软件，这些方法被认为是相同的或者可以互换的)，这 种软件还可被发送给使用者或者处理工厂。
上述给定的详细叙述仅仅是为了易于理解，由此并不应该理解为是必要 的限定，所以进行修改对于本领域技术人员来说也是显而易见的。
权利要求
1.一种接收驱动信号且控制与节流部件相连的气动致动器的定位器系统，该致动器具有至少第一控制室，该定位器系统包括接收驱动信号的I/P转换器，该I/P转换器基于该驱动信号产生压力信号；二级气动装置，包括壳体，该壳体具有和控制用流体源流体连通的入口端，和与第一控制室流体相连的第一出口端；设置在壳体上的控制用流体的阀装置，响应于上述压力信号，用于控制上述控制用流体从入口端向第一出口端的流动；位移传感器，用于检测控制用流体的阀装置的位置；与位移传感器通信地连接的诊断单元，该诊断单元包括具有存储的程序的处理器，该程序适合于根据上述控制用流体的阀装置的位置，产生诊断信息。
2、 如权利要求1所述的定位器系统，其中上述控制用流体的阀装置由 滑阀构成，并且其中控制用流体的阀装置的位置由滑阀位置构成。
3、 如权利要求1所述的定位器系统，其中上述控制用流体的阀装置由 具有梁的气动继电器构成，并且其中控制用流体的阀装置的位置由梁位置构 成。
4、 如权利要求1所述的定位器系统，其中上述存储的程序将控制用流 体的阀装置的位置和上述驱动信号相比较，以产生诊断信息。
5、 如权利要求1所述的定位器系统，其中上述致动器进一步限定第二 控制室，上述壳体形成有与第二控制室流体连通的第二出口端，其中控制用 流体的阀装置进一步控制从入口端流向第二出口端的控制用流体的流动。
6、 如权利要求1所述的定位器系统，其中上述诊断信息由致动器诊断 信息构成。
7、 如权利要求1所述的定位器系统，其中上述诊断信息由1/P转换器诊 断信息构成。
全文摘要
本发明涉及一种接收驱动信号且控制与节流部件相连的气动致动器的定位器系统，该致动器具有至少第一控制室，该定位器系统包括接收驱动信号的I/P转换器，该I/P转换器基于该驱动信号产生压力信号；二级气动装置，包括壳体，该壳体具有和控制用流体源流体连通的入口端，和与第一控制室流体相连的第一出口端；设置在壳体上的控制用流体的阀装置，响应于上述压力信号，用于控制上述控制用流体从入口端向第一出口端的流动；位移传感器，用于检测控制用流体的阀装置的位置；与位移传感器通信地连接的诊断单元，该诊断单元包括具有存储的程序的处理器，该程序适合于根据上述控制用流体的阀装置的位置，产生诊断信息。
文档编号F15B9/08GK101368642SQ20081021539
公开日2009年2月18日 申请日期2003年2月7日 优先权日2002年5月3日
发明者安妮特·L·拉特韦森, 肯尼思·W·江克 申请人:费希尔控制国际公司