智能致动器以及用于监视致动器健康性和完整性的方法

智能致动器以及用于监视致动器健康性和完整性的方法
【专利摘要】本发明提供了一种智能致动器以及用于监视致动器健康性和完整性的方法。一种用于控制阀的智能致动器包括致动器主体、致动器杆、偏置设备、控制器以及至少一个传感器。该致动器主体包括用于限定腔体的致动器壳体。该致动器杆被适配为耦接到控制阀的控制元件。该偏置设备设置在该致动器壳体的该腔体中并且可操作地耦接到该致动器杆用于将该致动器杆偏置到预先确定的位置。该控制器由该致动器主体承载并且可以包括存储器、处理器和存储在该存储器上的逻辑。该至少一个传感器可操作地耦接到该控制器以用于测量该致动器的各种参数并且将那些参数发送到该控制器。该至少一个传感器可以包括一个或多个振动传感器、一个或多个声音传感器、一个或多个温度传感器等等。
【专利说明】智能致动器以及用于监视致动器健康性和完整性的方法

【技术领域】
[0001] 本公开涉及过程控制系统，并且更具体地涉及用于过程控制系统中的现场设备， 如控制阀致动器。

【背景技术】
[0002] 过程控制系统，如与化工、石油或其他过程中使用的那些过程控制系统类似的分 布式或可扩展过程控制系统，一般包括经由模拟、数字或组合的模拟/数字总线可通信地 耦接到至少一个主机或用户工作站并且耦接到一个或多个现场设备的一个或多个过程控 制器。现场设备可以包括例如控制阀、阀定位器、开关和发射器（例如温度、压强和流速传 感器），其执行过程中的功能，如打开或关闭阀以及测量过程参数。过程控制器接收用于指 示由现场设备做出的过程测量的信号和/或关于现场设备的其他信息，并且使用该信息来 实现控制例程以生成控制信号，该控制信号通过总线发送到现场设备以控制过程的操作。 一般使来自现场设备和控制器中的每一个的信息对于由用户工作站执行的一个或多个应 用可用，以使得操作员能够执行关于过程的任意希望的功能，如查看过程的当前状态、修改 过程的操作等等。在现场设备故障的情况下，整个过程控制系统的操作状态可能受损害。


【发明内容】

[0003] 本公开的一个方面包括一种用于控制阀的致动器。该致动器可以包括致动器主 体、致动器杆、偏置设备、控制器以及至少一个传感器。该致动器主体包括用于限定腔体的 致动器壳体。该致动器杆被适配为耦接到控制阀的控制元件。该偏置设备设置在该致动器 壳体的该腔体中并且可操作地耦接到该致动器杆以用于将该致动器杆偏置到预定的位置。 该控制器由该致动器主体承载并且可以包括存储器、处理器和存储在该存储器上的逻辑。 该至少一个传感器能够可操作地耦接到该控制器以用于测量该致动器的参数并且将所测 量的参数发送到该控制器。该至少一个传感器可以包括（a)由该致动器杆承载的、用于检 测该致动器杆中的振动的振动传感器和/或（b)由该致动器主体承载的、用于感测该致动 器主体中的振动的振动传感器。
[0004] 本发明的另一个方面可以包括一种具有一个或多个用户工作站、过程控制器、多 个现场设备的过程控制系统。该过程控制器可通信地耦接到该一个或多个用户工作站，并 且该多个现场设备可通信地耦接到该过程控制器。该现场设备中的至少一个现场设备可以 包括控制阀和致动器，其中，该致动器包括致动器主体、致动器杆、偏置设备、控制器以及至 少一个传感器。该致动器主体包括用于限定腔体的致动器壳体。该致动器杆可操作地耦接 到控制阀的控制元件。该偏置设备设置在该致动器壳体的该腔体中并且可操作地耦接到该 致动器杆以用于将该致动器杆偏置到预先确定的位置。该控制器由该致动器主体承载并且 可以包括存储器、处理器和存储在该存储器上的逻辑。该至少一个传感器可操作地耦接到 该控制器以用于测量该致动器的参数并且将测量参数发送到该控制器。该至少一个传感器 可以包括（a)由该致动器承载的、用于检测该致动器杆中的振动的振动传感器，和/或（b) 由该致动器主体承载的、用于感测该致动器主体中的振动的振动传感器。
[0005] 本发明的另一个方面包括一种用于监视控制阀致动器的操作健康性和完整性的 方法。该方法可以包括测量该致动器的操作环境的一个或多个参数，其中，该一个或多个参 数包括：(a)该致动器的致动器壳体的腔体中的温度、（b)由该致动器的致动器杆承载的振 动、（c)由该致动器的致动器主体承载的振动和/或（d)致动器组件的声音发射参数。该方 法还可以包括在安装在该致动器上的控制器处接收该一个或多个参数，并且利用该控制器 处理该一个或多个参数以确定该一个或多个参数是否指示预先确定的条件的出现。另外， 该方法可以包括当该控制器确定所检测的参数指示预先确定的条件的出现时，利用该控制 器发送消息到用户工作站，该消息指示该预先确定的条件的出现。

【专利附图】

【附图说明】
[0006] 图1是具有根据本文公开的原理来构造的一个或多个智能致动器的过程控制系 统的示意性表示。
[0007] 图2是耦接到控制阀的根据本文公开的原理来构造的智能致动器的一个版本的 横截面侧视图。
[0008] 图3是图2的智能致动器的控制器的一个版本的示意性方框图。
[0009] 图4是根据本文公开的原理的用于监视控制阀致动器的操作健康性和完整性的 方法的一个版本的流程图。
[0010] 图5是根据本文公开的原理的用于监视控制阀致动器的操作健康性和完整性的 方法的另一个版本的流程图。
[0011] 图6是根据本文公开的原理来构造的智能致动器的另一个版本的横截面侧视图。

【具体实施方式】
[0012] 本文的公开涉及用于过程控制系统的现场设备（如控制阀组件）的智能致动器， 其例如结合一个或多个传感器以感测关于致动器的健康性和完整性的预测和/或诊断信 息。在一些版本中，除了至少一个传感器之外，该致动器还可以装配有机载控制器以用于处 理从传感器获得的数据。通过如此配置，当控制器确定感测到的数据指示可能危及致动器 的健康性和/或完整性的条件时，控制器可以发送消息给例如维护员工或其他系统人员可 访问的用户工作站。该消息可以包括各种信息，包括例如致动器的标识及其位置、用于表示 从传感器获得的数据的信息、关于致动器的特定组件的健康性和/或完整性的信息、组件 或作为整体的致动器的估计剩余使用寿命的预测、用于指示维护人员在致动器上执行特定 维护任务的信息和/或可以通过从传感器获得的数据得到的任意其他希望的信息。因此， 本文公开的致动器和相关系统可以有利地提供与致动器的健康性和完整性相关的实时信 息，并且助于剩余使用寿命的预测以及在故障发生很久之前规划维护事件。该预测能力可 以助于防止与意外事件相关联的计划外停工，其可能是高成本的并且对整个过程控制环境 是破坏性的。
[0013] 现在参考图1，示出了根据本文公开的一个版本构造的过程控制系统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又与数据历史记录12以及一个或多个用户工作站13通信，每个用户工作站13具有 显示屏14。通过如此配置，控制器11向现场设备15、16、17、18、19、20、21、22和71和工作 站13传递信号并且从现场设备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。
[0014] 更具体而言，图1所述的版本的过程控制系统10的过程控制器11经由硬线通信 连接并且经由输入/输出（I/O)卡26和28连接到现场设备15、16、17、18、19、20、21和22。 数据历史记录12可以是任意希望类型的数据采集单元，其具有任意希望类型的存储器和 任意希望或已知的用于存储数据的软件、硬件或固件。此外，虽然在图1中数据历史记录12 被示出为独立的设备，但是其可以改为或另外是一个工作站13或另一个计算设备（如服务 器）的一部分。控制器11可以例如是由Emerson Process Management销售的DeltaV?控 制器，其经由可以例如是以太网连接的通信网络29可通信地连接到工作站13和数据历史 记录12。
[0015] 如上所述，控制器11被示出为使用硬线通信方案可通信地连接到现场设备15、 16、17、18、19、20、21和22,其中，该硬线通信方案可以包括使用用于实现硬线通信（包括例 如标准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?:通信协议等等的任意通信）的任意希望的硬件、软件和/或固件。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所示的实施方式中，现场设备15、16、17、18是通过到I/O卡26的模拟线路进行 通信的标准4-20mA设备，而数字现场设备19、20、21和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到I/O卡28的数字总线进行通 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 括在未来开发的任意标准或协议。
[0016] 另外，图1中描述的过程控制系统10包括设置在将要控制的工厂中的大量无线现 场设备60、61、62、63、64和71。现场设备60、61、62、63、64被描述为发射器（例如过程变 量传感器），而现场设备71被描述为控制阀组件，其包括例如控制阀和致动器。可以使用 任意希望的无线通信设备（包括硬件、软件、固件或现在已知的或以后开发的硬件、软件、 固件的任意组合）在控制器11与现场设备60、61、62、63、64和71之间建立无线通信。在 图1所示的版本中，天线65耦接到发射器60并且专用于执行发射器60的无线通信，而具 有天线67的无线路由器或其他模块66被耦接为集中地处理发射器61、62、63和64的无线 通信。类似地，天线72耦接到控制阀组件71以执行控制阀组件71的无线通信。现场设备 或相关硬件60、61、62、63、64、66和71可以实现由合适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、编码以及发送无线信号，以实现过程控制器11与 发射器60、61、62、63、64与控制阀组件71之间的无线通信。
[0017] 如果需要的话，则发射器60、61、62、63、64可以构成各种过程传感器（发射器）与 过程控制器11之间的专门链路，并且这样的话，依赖于发射器60、61、62、63、64发送准确的 信号到控制器11，以确保不危及过程性能。通常被称为过程变量发射器（PVT)的发射器60、 61、62、63、64因此可以在总体控制过程的控制中扮演重要的角色。另外，作为控制阀组件 71的控制操作的一部分，控制阀组件71可以提供由控制阀组件71内部的传感器完成的测 量值或者可以提供由控制阀组件71生成或计算的其他数据给控制器11。当然，如已知的， 控制阀组件71还可以接收来自控制器11的控制信号，以影响总体过程中的物理参数，例如 流量。
[0018] 过程控制器11耦接到一个或多个I/O设备73和74, I/O设备73和74中的每一 个连接到相应的天线75和76,并且这些I/O设备和天线73、74、75、76作为发射器/接收器 来操作以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。可以使用一个或多个已知无线通信协议，例如无线HART?协议、Ember协议、WiFi协 议、IEEE无线标准等等执行现场设备（例如发射器60、61、62、63、64和控制阀组件71)之间 的无线通信。此外，I/O设备73和74可以实施由这些通信协议使用的协议栈操作以经由 天线75和77接收、解码、路由、编码以及发送无线信号，以实施控制器11与发射器60、61、 62、63、64与控制阀组件71之间的无线通信。
[0019] 如图1中所示的，控制器11通常包括处理器77，其实施或监管存储在存储器78中 的一个或多个过程控制例程（或它的任意模块、块或字例程）。存储在存储器78中的过程 控制例程可以包括或者与在过程工厂中实现的控制环路相关。整体而言并且通常已知，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以及数据历史记录12通信，以用任意希望的方式控制过程。 另外，图1中的现场设备18、22和71中的每一个被描述为控制阀组件，其可以包括根据本 文公开的原理构造的智能控制阀致动器，以用于与过程控制器11进行通信，以助于监视致 动器的健康性和完整性。
[0020] 现在参考图2,为了便于描述，图1中的现场设备71被显示为控制阀组件100,其 包括根据本文的公开构造的控制阀102和智能致动器104。控制阀102可以包括滑动阀杆 型控制阀，其包括球形阀体106和控制元件108,控制元件108被设置为在阀体106中位移 以控制经过那里的流体的流动。阀体106可以限定入口 110、出口 112和在入口 110和出 口 112之间延伸的流体流动路径114。控制元件108可以包括连接到阀杆118的阀塞116。 阀杆118经过阀帽120延伸到阀体106外部以便耦接到致动器104,使得致动器104可以调 整控制元件108的位置，更具体而言调整阀塞116相对于流动路径114的位置，以调整经过 控制阀102的流体的流量。
[0021] 在图2中，致动器104包括致动器主体122、致动器壳体124和定位组件126。致 动器主体122通常是中空结构，其如图所示提供对定位组件126的至少一部分的导向、支撑 和保护。致动器壳体124包括利用多个固定件134固定在一起以限定内部致动器腔体132 的上膜片壳体组件128和下膜片壳体组件130。定位组件126包括膜片组件136、致动器杆 138和偏置设备140。膜片组件136设置在致动器腔体132中并且包括膜片142和膜片板 144。膜片板144通常是刚性盘形组件并且膜片142包括常规薄膜型膜片，其中央部分与膜 片板144接合。膜片142还包括缚在上膜片壳体组件128和下膜片壳体组件130之间的 外围部分，使得膜片142将致动器腔体132分割成上密封腔体部分146和下密封腔体部分 148。致动器杆138包括固定到膜片板144的第一端部138a和经由耦接轭或一些其他合适 的关节可操作地耦接到控制阀102的阀杆118的第二端部138b。最后，图2中所示的致动 器104的偏置设备140包括设置在膜片组件136和在低于膜片组件136的位置处由致动器 主体122承载的弹簧座150之间的压缩圈状弹簧。通过如此配置，偏置设备140在相对于 图2中的致动器104向上的方向中并且远离弹簧座150自然地偏置膜片组件136。在另一 个配置中，当偏置设备倾向于保持阀闭合时，类似的致动器可以使该运动颠倒，并且气动信 号使得膜片组件朝向打开阀芯而移动。
[0022] 通过如上所述那样配置图2的控制阀组件100,基于膜片的致动器104用于相对于 流动路径114定位控制阀102的阀塞116,以满足希望的过程控制参数。例如，如上所述，致 动器104的偏置设备140相对于图2的方向向上自然地偏置膜片组件136,该动作转换成控 制阀102的控制元件108朝向打开位置的向上移动。为了朝向关闭位置向下移动控制元件 108,可以将气动信号提供给致动器腔体132的上腔体部分146,以增加上腔体部分146中 的压强。该压强增加被膜片142感测到并且最终克服由偏置设备140施加的力，从而沿向 下方向移动膜片组件136、致动器杆138和控制元件108。当提供给上腔体部分146的气动 信号降低和/或消除时，偏置设备140可能相对于图2的方向向上扩张并且推动膜片组件 136、致动器杆138和控制元件108。
[0023] 对于致动器104的每个循环，如上所述，膜片142在不同的压强之下扩张、收缩和 变形，并且动态力出现在致动器104中。另外，取决于致动器104进行操作的环境，致动器 腔体132中的温度增加、降低和/或改变能够不利地影响膜片142的完整性。此外，控制阀 102的控制元件108还暴露于流经流动路径114的流体中存在的不同的动态力。这些力传 输到致动器杆138,因而导致直接在致动器杆138上以及在包括膜片板144的膜片组件136 上的不同的振动应力。这些振动可以指示在阀体内部的阀芯组件的磨损或损坏。此外，在 控制阀组件100的整个操作寿命期间，流经控制阀102的各种流体压强造成直接在控制阀 体106上的振动和应力，该振动和应力又被传输到阀帽120、致动器主体122和致动器壳体 124。在致动器104的不同的组件上的这些不同的振动和应力可能最终导致组件故障，例如 膜片142的分裂、破裂和层离，膜片板144的折断或破裂，致动器杆138的折断或破裂，致动 器主体122的折断或破裂和/或致动器壳体124的折断或破裂。这些故障中的任意一个 可能要求整个过程控制系统停工以便执行关于损坏的设备的维护，这是高成本并且耗时间 的。
[0024] 为了监视这些潜在的故障，图2的控制阀组件100的智能致动器104包括智能监 视系统200。智能监视系统200包括可以设置在致动器104上机载的或者致动器104的远 程的控制器202以及以下传感器中的一个或多个：（a)安装在致动器杆138上的第一振动 传感器204、（b)安装在致动器主体122上优选地靠近致动器重心（CG)的第二振动传感器 206、（c)安装在致动器壳体124上用于检测致动器腔体132中的温度的温度传感器208、 (d)安装在膜片板144上的第一声音发射传感器210和/或（e)安装在致动器壳体124上 与膜片142相邻或在膜片自身中一体的第二声音发射传感器212。在一些版本中，一个或多 个传感器204、206、208、210、212可以经由无线通信协议或经由有线通信线路与控制器202 通信。在一些版本中，振动传感器204、206中的每一个可以包括加速计，如PCB模型353815 型加速计，其可从PCB Piezotronics公司购买。在一些版本中，温度传感器208可以包括 由Fluke公司制造的RTD或K型热电偶。在一些版本中，声音发射传感器210、212可以包 括由Vallen Systeme GmbH制造的VS150-RIC型传感器。在一些版本中，其他传感器也可用 于前述任意一个。
[0025] 如上所述，图2中的致动器104的所述版本包括前述传感器204、206、208、210、212 中的每一个，但是这仅仅是举例而言。根据本文公开的原理构造的智能致动器104可以以 不同的组合包括传感器204、206、208、210、212中的任意一个或多个。此外，根据本文公开 的原理构造的智能致动器104的其他版本还可以包括除了这里具体提及的那些传感器之 外的传感器。例如，在另一个版本中，致动器104的智能监视系统200可以包括用于监视致 动器壳体124中的液体压强的一个或多个压强传感器，安装在致动器杆138、偏置设备140、 膜片142、膜片板144和致动器主体中的任意一个或多个上的一个或多个应变计，或者在本 文公开的范围和目标中能够获得关于致动器104的任意一个或多个组件的健康性和/或完 整性的有意义的信息的任意其他类型的传感器。
[0026] 参考图3,本文公开的智能致动器104的控制器202被示意性地显示为方框图。控 制器202可以包括处理器214、存储器216、电源218和通信接口 220。处理器214可以包括 常规的中央处理器（CPU)，其包括能够执行计算机程序和相关逻辑的电子电路。存储器216 可以包括常规的电子存储设备，其包括用于结合处理器214来操作以实现希望的智能致动 器104的机载处理的RAM和/或ROM。在一个版本中，电源218可以例如包括电池，使得控 制器202和整个智能监视系统200是独立供电的。在其他版本中，在可获得的情况下，电源 218可以例如不包括电池电源而是改为可以包括硬线电线。在其他版本中，电源218可以包 括燃料电池、太阳能板、风力涡轮或能够生成并且/或者供应电能给控制器202和智能监视 系统200的其他组件的任意其他设备。通信接口 220可以包括无线接口如无线天线、有线 接口如网络端口、或能够与智能致动器104的一个或多个传感器204、206、208、210、212并 且与上文关于图1所讨论的总体过程控制系统10的过程控制器11通信的任意其他类型的 接口。
[0027] 通过如上所述地配置控制器202,通信接口 220可以直接从一个或多个传感器 204、206、208、210、212获得关于致动器104的各种环境条件的信息。处理器214可以在智 能致动器104上直接机载地处理该信息，以确定致动器104的健康性和完整性的当前状态。 并且，基于该处理的结果，控制器202可以取决于具体的应用，以合适的方式与过程控制器 11通信。
[0028] 例如，现在参考图4,将描述根据本文公开的原理构造的处理方法的一个实例。图 4中的方框300表不启动，在启动之后，本文公开的智能致动器104在被安装到过程控制系 统环境中的现场中之后开始被供电。在通电之后，在方框302处校准智能致动器104。在 校准期间，允许智能致动器104在过程控制系统的正常操作条件之下操作预先确定的时间 段，例如1小时、12小时、48小时等等。在该时间中，假设过程控制环境操作在稳定的条件 之下并且致动器104的各个组件是完全健康的，因而致动器104在无任何故障担忧的情况 下操作。随着致动器104操作，控制器202监视致动器104上的一个或多个传感器204、 206、208、210、212,以建立系统正常的"操作参数或正常范围"的集合，即用于所包括的传感 器204、206、208、210、212中的每一个的一个操作参数或范围。这些操作参数表示在特定过 程控制系统环境中在致动器104的正常健康操作期间由一个或多个传感器204、206、208、 210、212测量的值。该操作参数然后被存储在控制器202的存储器216中。可以用任意多 种方式得到操作参数。在一个版本中，可以例如通过对由每个传感器204、206、208、210、212 获得的测量值在校准周期的时长上求平均来获得操作参数。在另一个版本中，可以通过对 由每个传感器204、206、208、210、212获得的测量值在校准周期的时长上取中值或者通过 任意其他数学或其他方法来获得操作参数。
[0029] 在完成校准周期之后，智能致动器104转变到正常操作模式。即，如图4中的方框 304和306所示，一个或多个传感器204、206、208、210、212开始根据预先建立的正常操作例 程取得测量参数（方框304)，并且将那些测量参数发送（方框306)到控制器202以用于 处理。正常操作例程可以包括该一个或多个传感器204、206、208、210、212通常连续地或间 歇性地（例如每5分钟、每1小时等等）取得并且发射测量参数。在致动器104依赖于电 池作为电源208的版本中，可能希望为了节约电池寿命起见间歇性地取得并且发射测量参 数，但是这当然不是必须的。
[0030] 在测量参数发送到控制器202之后，控制器202可以将它们存储在存储器中，如方 框308所指示的。这个步骤可以包括取决于该过程的属性将测量参数存储在RAM和/或 ROM 中。
[0031] 接下来，如方框310所指示的，控制器204的处理器214将测量参数与以前在方框 302处的校准期间采集并且存储在存储器216中的操作参数进行比较。在方框310处，对于 包括在智能致动器104中的传感器204、206、208、210、212中的每一个执行一个或多个独立 的比较。例如，对于振动传感器204、206,处理器214可以比较振动加速度、方向、频率、时 长、大小等等。对于温度传感器208,处理器214可以比较温度大小、持续时间、波动等等。 对于声音发射传感器210、212,处理器214可以比较声音频率、幅度、时长、能量等等。基于 这些比较，处理器214确定每个测量参数是否相对于在校准期间采集的对应的操作参数处 于可接受的偏差标准之内。
[0032] 如果确定所有测量参数均处于对应的可接受的偏差标准之内，则过程返回到方框 304,如图4中所指示的。但是如果一个或多个测量参数落在对应的可接受偏差标准之外， 则过程前进到图4中的方框312和314。
[0033] 在方框312处，处理器214基于在方框310处执行的处理，构造将要被发送到过程 控制系统10的过程控制器11的消息。例如基于所执行的比较，处理器214可以标识已获 得了在可接受偏差标准之外的测量参数的具体传感器204、206、208、210、212。处理器214 可以将这一个或多个传感器204、206、208、210、212标识为指示出现预定的条件，这可以被 称为例如"警报条件"。因此，在一些版本中，处理器214可以在方框312处构成这样一种消 息，其中，该消息包括报告了出现"警报条件"的一个或多个传感器204、206、208、210、212 的列表。在生成该消息之后，处理器214在方框314处经由通信接口 220将该消息发送到 过程控制器11，并且还可以基于该警报提供推荐动作。过程控制器11然后可以将该消息发 送到一个或多个用户工作站13,在用户工作站13处该消息可以出现在显示器设备14上，以 供合适的操作人员考虑。操作人员然后可以响应于接收的消息，确定要采取的最好的一串 动作。在一些版本中，方框304处的消息发送不中断图4的方法，因此过程返回到方框304 以便进一步操作。在其他版本中，在方框314处的消息发送可以作为停止或修改进一步的 操作的触发事件。
[0034] 如上所述的，在方框312处生成的消息可能是相对简单的，即报告了出现"警报条 件"的一个或多个传感器204、206、208、210、212的简单标识。在其他版本中，该消息可以包 括附加的信息，例如致动器名称、型号和/或其他标识信息、基于GPS信息或一些其他地理 空间坐标系统的致动器位置，或者通常与致动器相关的其他信息。此外，在一些版本中，基 于测量参数的具体值，处理器214还可以将预测的健康性信息包括在该消息中。即，处理器 214可以基于测量参数在可接受偏差标准之外的程度，向包括在该消息中的每个传感器指 定级别符号。例如，对于报告了测量参数仅仅稍微在对应的偏差标准之外的传感器，该消息 可以在传感器的标识附近包括黄色三角形。并且对于报告了测量参数显著在偏差标准之外 的传感器，该消息可以在传感器的标识附近包括红色八角形。如上所述，其他级别符号（包 括级别术语）也包括在本文公开的范围中，并且彩色几何形状的使用仅仅是一个可能的实 例。不管其是如何给出的，该附加信息可以助于操作人员评估所检测的"警报条件"的严重 性和/或紧急性。
[0035] 到此为止，图4的方法被描述为基于与在致动器104在现场中的正常操作期间 (即在方框302处的校准期间）采集的操作参数的比较来评估智能致动器104的健康性和 完整性。该方法的其他版本还可以包括与其他信息的比较。
[0036] 例如，图5提供了基于在现场安装之前存储在控制器202的存储器216中并且用 于指示"警报条件"的出现的预先确定的"事件参数"的可替换的处理方法的流程图。该事 件参数可以例如包括通过实验室测试或历史数据分析得出的参数，并且可以完全取决于致 动器104将使用的具体现场环境。例如，一个事件参数可以是已知当膜片142经历撕裂时 与致动器104的膜片142所发出的声音特别相关的特定声音频率。另一个事件参数可以是 致动器腔体132中的特定温度，其中，已知在该温度处或该温度之上膜片142将经历严重的 结构恶化。另一个事件参数可以是在致动器杆138或致动器主体122上感测的振动的特定 大小、方向、时长或频率，已知在这些参数处或之上致动器杆138或致动器主体122具有结 构异常，例如破裂或折断。
[0037] 因此，参考图5,在致动器104安装到过程控制系统10中之后，在方框400处致动 器104被加电以便启动。在方框402和404处，一个或多个传感器204、206、208、210、212 开始采集测量参数并发射这些测量参数到控制器202。在方框406处，控制器在存储器216 中存储测量参数。与上文关于图4的方法所描述的类似，图5的方法的一个或多个传感器 204、206、208、210、212可以根据任意给定的过程和系统要求按照希望连续地或间歇性地采 集测量参数。在测量参数发送到控制器202之后，在方框408处处理器214将测量参数与 存储在存储器216中的对应的事件参数进行比较。如果处理器214确定所有测量参数都 没有匹配事件参数，即它们相对于该事件参数在预定的偏差标准之外，则该方法回到方框 402。然而，如果处理器214确定一个或多个测量参数确实匹配一个或多个事件参数，即一 个或多个测量参数相对于对应的事件参数在预先确定的偏差标准之内，则该方法回到方框 410 和 412。
[0038] 在方框410处，处理器214构造将要在方框412处被发送到过程控制器11的消 息。与上文关于图4所讨论的类似，在方框410处构造的消息可以包括各种信息，包括致动 器104的名称、型号、位置等等。此外，该消息可以包括用于标识已报告了与事件参数匹配 的测量参数的一个或多个传感器的信息。此外，该消息可以包括与特别匹配的事件参数相 关联的信息并且提供推荐动作。例如，如果处理器214确定声音发射传感器210、212中的 一个声音发射传感器已经报告了与和膜片撕裂或层离相关联的频率和幅度相匹配的频率 和幅度，则该消息可以包括该膜片可能需要修复或替换的指示。此外，基于匹配的一个或多 个特定事件参数，可以由处理器214基于历史数据分析来构造该消息以指示膜片142或其 他致动器组件的剩余使用寿命的估计时长。例如，通过实验室中的测试，趋势数据可以被采 集并且存储在控制器202的存储器216上，其中，该趋势数据可以指示膜片142例如随着时 间的声音发射，因为膜片142最初通过灾难性的故障例示了撕裂或层离的迹象。该趋势数 据可以包括例如由膜片142发射的声音测量的稳定的增加或减小的范围。因此，通过监视 来自一个或多个声音发射传感器210、212的多个顺序的读数，处理器214可以确定膜片142 当前位于趋势数据范围中的哪里。基于该读数前进经过趋势读数范围的速度，处理器214 可以估计膜片142在经历灾难性的故障之前还能操作多久。
[0039] 虽然前文的讨论关注于基于由一个或多个声音发射传感器210、212取得的测量 来在方框410处定制关于膜片142的健康性和完整性的消息，但是这仅仅是一个实例。也 就是说，可以基于任意传感器测量值对于任意致动器组件构造包括类似的信息的类似的消 息。即，可以基于来自温度传感器208和/或振动传感器204、206的测量值，对于膜片142、 致动器杆138、致动器主体122或任意其他组件的健康性和完整性，类似地构造关于剩余使 用寿命和/或特定维护操作的自定义消息。
[0040] 并且，虽然图4和图5的比较方法被描述为是独立地执行的，但是在另一个版本 中，这两个方法可以组合。即，本文公开的智能致动器104的处理器214可以包括如关于图 4所描述的、基于与现场中采集的正常操作参数的比较以及如关于图5所述的、基于与从实 验室测试和/或历史数据采集的预先确定的、预先定义的事件参数的比较来评估健康性和 完整性的能力。
[0041] 如上文关于图2所述的，本文公开的智能致动器104的一个版本包括用于影响致 动器杆138和任意耦接的控制阀杆118的移动的弹簧和膜片致动器组件136。但是，本文 公开不限于基于膜片的致动器。例如图6描述了本文公开的智能致动器104的另一个版 本，其包括基于气动活塞的致动器。即，致动器104包括致动器主体122、致动器壳体124、 活塞组件126、致动器杆138,并且可以包括或不包括偏置设备140如圈状弹簧。致动器壳 体124限定致动器腔体132,其中，活塞组件126设置在致动器腔体132中以用于影响致动 器杆138的移动。虽然在图6中未显示，但是致动器杆138被适配为可操作地耦接到控制 阀（如图2中所述的控制阀）的阀杆。活塞组件126包括连接到致动器杆138的活塞125。 活塞125包括设置在其周边边缘附近并且与致动器腔体132密封接合的密封件127,如图 所示。这样，活塞125将致动器腔体132分割成彼此密封的上腔体部分146和下腔体部分 148。图6的致动器104版本的偏置设备140可以包括一对圈状弹簧151、153,其关于致动 器杆138设置在致动器腔体132的上腔体部分146中并且与活塞125的顶面接合。
[0042] 通过如此配置，偏置设备140相对于图6的方向向下偏置活塞125。同样如本文 所述的，致动器壳体124包括通过致动器腔体132的上腔体部分146的第一流体端口 149， 并且，虽然未显示，但是致动器壳体124可以包括位于致动器腔体132的下腔体部分148中 的第二流体端口。通过如此配置，在操作期间，流体可以通过第二流体端口引入并且进入致 动器腔体132的下腔体部分148以增加活塞125下面的流体压强，并且迫使活塞125对抗 偏置设备140的推动而移动。在该情况中，第一流体端口 149可以作为被动排放端口，因而 致动器腔体132的上腔体部分146中的流体压强对于致动器的操作具有最小的影响。在双 作用（无弹簧）活塞型致动器的情况中，控制活塞两端的差分压强，以根据命令信号移动阀 杆。
[0043] 仍参考图6,致动器104还包括与图2的致动器104的智能监视系统200类似的 智能监视系统200。具体而言，图6的致动器104的智能监视系统200包括控制器202以 及以下传感器中的一个或多个：（a)由致动器杆138承载的振动传感器204、（b)致动器主 体122上承载的振动传感器206和/或（c)由致动器壳体124承载的用于测量致动器腔体 132中的温度的温度传感器208。图6的致动器104被描述为不包括一个或多个声音发射 传感器。然而，这仅仅是个实例，在另一个版本中，图6中的致动器104的版本可以包括一 个或多个声音发射传感器或用于测量活塞组件126和/或其他组件的不同特征的其他类型 的传感器。通过如本文所述地配置图6的致动器，应该理解，控制器202可以执行上文关于 图4和图5所述的方法和过程中的任意一个，以便监视、评估和报告总体致动器104的健康 性和完整性。因此，这些方法不需要重复。
[0044] 基于前文，应该明白，本文的公开提供了用于监视包括与本文公开的致动器104 的不同版本类似的具体控制阀致动器的过程控制系统现场设备的健康性和完整性的独特 的设备、系统和方法。通过如此配置，控制系统操作人员可以接收关于致动器的健康性和完 整性的实时信息，该信息然后可以用于以策略的方式计划并且执行维护操作和相关任务， 以降低致命的组件故障出现的时间、成本和次数。
【权利要求】
1. 一种用于控制阀的致动器，所述致动器包括： 致动器主体，其包括用于限定腔体的致动器壳体； 被适配为耦接到控制阀的控制元件的致动器杆； 设置在所述致动器壳体的腔体中并且可操作地耦接到所述致动器杆以用于将所述致 动器杆偏置到预定的位置的偏置设备； 由所述致动器主体承载并且包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的逻辑的控制 器； 可操作地耦接到所述控制器以用于测量所述致动器的参数并且将测量参数发送到所 述控制器的至少一个传感器，所述至少一个传感器包括（a)由所述致动器杆承载的、用于 检测所述致动器杆中的振动的振动传感器，和/或（b)由所述致动器主体承载的、用于感测 所述致动器主体中的振动的振动传感器。
2. 如权利要求1所述的致动器，其中，所述至少一个传感器进一步包括：由所述致动器 壳体承载的、用于检测所述致动器腔体中的温度的温度传感器。
3. 如权利要求1到2中的任意一项所述的致动器，进一步包括：设置在所述致动器腔 体中并且可操作地耦接在所述致动器杆与所述偏置设备之间、用于响应于所述致动器腔体 中的压强改变来移动所述致动器杆的膜片组件。
4. 如权利要求3所述的致动器，其中，所述至少一个传感器进一步包括：在所述膜片组 件上安装或者在所述膜片组件附近安装的一个或多个声音发射传感器。
5. 如权利要求4所述的致动器，其中，所述膜片组件包括膜片和膜片板，并且其中，所 述一个或多个声音发射传感器包括附接到所述膜片或者与所述膜片一体的第一声音发射 传感器和/或附接到所述膜片板的第二声音发射传感器。
6. 如权利要求1到5中的任意一项所述的致动器，其中，由所述处理器执行存储在所述 控制器的所述存储器中的所述逻辑，以： 接收来自所述至少一个传感器的测量参数； 处理所述测量参数以确定所述测量参数中的一个或多个是否指示预定的条件；并且 当所述测量参数中的一个或多个指示预定的条件时，发送消息到工作站，所述消息指 示所述预定的条件的出现。
7. 如权利要求6所述的致动器，其中，发送消息到工作站的步骤包括：发送用于标识将 在所述致动器上执行的具体维护操作的消息。
8. 如权利要求7到8中的任意一项所述的致动器，其中，发送消息到工作站的步骤包 括：发送用于标识所述致动器的一个或多个具体组件的剩余使用寿命的估计时长的消息。
9. 一种过程控制系统，包括： 一个或多个用户工作站； 过程控制器，其可通信地耦接到所述一个或多个用户工作站；以及 多个现场设备，其可通信地耦接到所述过程控制器，所述现场设备中的至少一个现场 设备包括控制阀和致动器，所述致动器包括： 致动器主体，其包括用于限定腔体的致动器壳体， 可操作地耦接到控制阀的控制元件的致动器杆， 设置在所述致动器壳体的所述腔体中并且可操作地耦接到所述致动器杆以用于将所 述致动器杆偏置到预先确定的位置的偏置设备，由所述致动器主体承载并且包括存储器、 处理器和存储在所述存储器上的逻辑的控制器，以及 可操作地耦接到所述控制器以用于测量所述致动器的参数并且将测量参数发送到所 述控制器的至少一个传感器，所述至少一个传感器包括（a)由所述致动器承载的、用于检 测所述致动器杆中的振动的振动传感器，和/或（b)由所述致动器主体承载的、用于感测所 述致动器主体中的振动的振动传感器。
10. 如权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个传感器进一步包括：由所述致动器 壳体承载的、用于检测所述致动器腔体中的温度的温度传感器。
11. 如权利要求9到10中的任意一项所述的系统，进一步包括：设置在所述致动器腔 体中并且可操作地耦接在所述致动器杆与所述偏置设备之间、用于响应于所述致动器腔体 中的压强改变来移动所述致动器杆的膜片组件。
12. 如权利要求11所述的系统，其中，所述至少一个传感器进一步包括在所述膜片组 件上安装或者在所述膜片组件附近安装的一个或多个声音发射传感器。
13. 如权利要求12所述的系统，其中，所述膜片组件包括膜片和膜片板，并且其中，所 述一个或多个声音发射传感器包括附接到所述膜片或者与所述膜片一体的第一声音发射 传感器和/或附接到所述膜片板的第二声音发射传感器。
14. 如权利要求9到13中的任意一项所述的系统，其中，由所述处理器执行存储在所述 控制器的所述存储器中的所述逻辑，以： 接收来自所述至少一个传感器的测量参数； 处理所述测量参数以确定所述测量参数中的一个或多个是否指示预定的条件；并且 当所述测量参数中的一个或多个指示预定的条件时，发送消息到所述一个或多个工作 站，所述消息指示所述预定的条件的出现。
15. 如权利要求14所述的系统，其中，发送消息到所述一个或多个工作站的步骤包括： 发送用于标识将在所述致动器上执行的具体维护操作的消息。
16. 如权利要求14到15中的任意一项所述的系统，其中，发送消息到所述一个或多个 工作站的步骤包括：发送用于标识所述致动器的一个或多个具体组件的剩余使用寿命的估 计时长的消息。
17. 如权利要求9到16中的任意一项所述的系统，其中，所述一个或多个工作站包括以 下设备中的一个或多个：个人计算机、膝上计算机、平板计算机、智能电话或寻呼机。
18. -种用于监视控制阀致动器的操作健康性和完整性的方法，所述方法包括： 测量所述致动器的操作环境的一个或多个参数，其中，所述一个或多个参数包括：(a) 所述致动器的致动器壳体的腔体中的温度、（b)由所述致动器的致动器杆承载的振动、（c) 由所述致动器的致动器主体承载的振动和/或（d)所述致动器的声音发射参数； 在安装在所述致动器上的控制器处接收所述一个或多个参数； 利用所述控制器处理所述一个或多个参数以确定所述一个或多个参数是否指示预定 的条件的出现；并且 当所述控制器确定所检测的参数指示预定的条件的出现时，利用所述控制器发送消息 到用户工作站，所述消息指示所述预先确定的条件的出现。
19. 如权利要求18所述的方法，其中，处理所述测量参数的步骤包括：将所述参数与在 所述控制器的存储器上存储的一个或多个对应的操作参数进行比较。
20. 如权利要求19所述的方法，其中，当所述参数位于与所述操作参数的可接受偏离 标准之外时，所述控制器发送所述消息到所述用户工作站。
21. 如权利要求19到20中的任意一项所述的方法，还包括：在所述致动器的启动之 后，通过采集并且存储所述一个或多个操作参数来校准所述控制器。
22. 如权利要求18到21中的任意一项所述的方法，其中，处理所述测量参数包括将所 述测量参数与在所述控制器的存储器上存储的一个或多个对应的事件参数进行比较。
23. 如权利要求22所述的方法，其中，当所述测量参数匹配所述一个或多个对应的事 件参数时，所述控制器发送所述消息到所述用户工作站。
24. 如权利要求18到23中的任意一项所述的方法，其中，发送消息到用户工作站包括 发送用于标识要对所述致动器执行的具体维护操作的消息。
25. 如权利要求18到24中的任意一项所述的方法，其中，发送消息到工作站包括发送 用于标识所述致动器的一个或多个具体组件的剩余使用寿命的估计时长的消息。
【文档编号】F16K31/66GK104100754SQ201410136323
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】S·W·安德森 申请人:费希尔控制国际公司