一种控制阀的离线故障诊断的方法与流程

本专利涉及一种对控制阀实施的通过给定设定信号、分析采集信号来进行故障诊断和辨别的方法。

背景技术：

控制阀通常用于连续控制不同管道和工艺过程中的液体流或气体流。在工业中比如纸浆造纸、石油化工、炼油工业中,不同类型的控制阀安装在各种设备的管道中来控制物料流。物料流包含流体、液体。控制阀通常与执行机构相连接,所述执行机构使得阀芯运动到完全打开位置与完全闭合位置之间的期望的打开位置。执行机构可以是气动的也可以电动的。执行机构通常由阀门定位器控制，阀门定位器接收由位置传感器采集回来的百分比阀位信号与设定信号作对比，通过一定的PID算法来控制控制阀的开启程度。

当需要长期的控制方案时,高性能智能化的阀门定位器是重要的装置。但是控制阀控制性能的优劣不仅仅由阀门定位器导致的。控制阀也必须保持良好的工作状态，即处于正常状态不发生故障。诸如高摩擦和后冲的问题与控制阀有关联。实现回路性能从对阀进行正确选择和使阀具有正确尺寸开始。为了优化控制性能,分析安装后的流动特性很重要。只要控制回路中的所有部件都正确地行使功能,就能保持回路性能。为了保持工艺过程足够高效并且在整个寿命周期内保持回路性能，定期检修控制阀是非常重要的。在实际上对所有控制阀进行一一检修是一种费用高而且费时的维修方式。而使用直到控制阀产生较为严重的故障而导致计划之外的停工的成本可能也很高。理想地,在停工期间应当仅仅检修那些真正需要维修的阀。在工艺过程停工期间进行所谓的离线诊断。在停工期间,可监控并且分析阀,以通过使用例如控制阀特征测试来检查这些阀是否出现故障，产生故障的具体部件。控制阀特征曲线描绘出执行机构压力与定位器行进之间的关系，比较新产生的阀特征曲线与原厂曲线可发现性能方面的退化是十分重要的。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的上述缺点，提出一种控制阀的离线故障诊断方法。

现将本发明方法构思即技术解决方案叙述如下：

一种控制阀的离线故障诊断方法，根据控制阀在出厂时运行闭环正弦信号，并采集控制阀行程PV，定位器控制信号OP，与控制阀气室的压力PS作为特征量，在定期检修时同样进行以上操作，对比特征量之间的关系，确定故障类型。通过对比出厂时和定期检修时特定输入信号下的行程与气室压力的关系和控制信号与气室气压的关系，对弹簧老化、气室漏气、反馈故障这三种故障进行准确的判断。具体步骤如下：

步骤1：检查控制阀各个部件保持正常。

步骤2：检查信号发送和采集板卡的连接正确，确保实验数据采集设备能正常工作。

步骤3：搭接气动控制阀实验回路，给系统上电，打开气源，使实验回路正常运行。

步骤4：检测气室气压、行程、控制信号，为特征提取提供条件。采集正常控制阀气室气压、行程、控制信号，绘制行程与气室气压的关系图和控制信号与气室气压的关系图。具体包括：

步骤4.1：采集正常控制阀气室气压、行程、控制信号，绘制行程与气室气压的关系图和控制信号与气室气压的关系图；

步骤4.2：采集产生弹簧老化、气室漏气、反馈故障三种故障时的控制阀气室气压、行程、控制信号，绘制行程与气室气压的关系图和控制信号与气室气压的关系图。

步骤5：分别设置弹簧老化、气室漏气和反馈故障。具体包括：

步骤5.1：检查信号发送和采集板卡的连接正确，确保实验数据采集设备能正常工作。

步骤5.2：检查气动控制阀实验回路正常，给系统上电，打开气源，使实验回路正常运行。

步骤5.3：采集产生弹簧老化、气室漏气、反馈故障三种故障时的控制阀气室气压、行程、控制信号，绘制行程与气室气压的关系图和控制信号与气室气压的关系图。

步骤6：确定故障类型。具体包括：

步骤6.1：对比分析行程与气室压力的关系图与控制信号与气室气压的关系图。

步骤6.2：如果阀位与气室气压关系曲线较正常阀位与气室气压关系曲线向下偏移且斜率发生变化，同时控制信号OP与气室气压关系曲线校正常情况下的控制信号OP与气室气压关系曲线有所偏移，则判定控制阀发生弹簧故障。

步骤6.3：如果阀位与气室气压关系曲线重合，而气室气压与控制信号关系OP曲线和未发生故障时的气室气压与控制信号关系OP曲线不重合，则判定发生气室漏气故障，且此时故障程度较小。

步骤6.4：如果阀位与气室气压的关系曲线在发生阀位反馈故障时较正常情况下会发生偏移，而控制信号OP与气室气压关系曲线是一致的，则判定控制阀发生反馈故障。

本发明提出的控制阀的离线故障诊断方法利用采集控制阀行程Pv，定位器控制信号OP，与控制阀气室的压力Ps作为特征量，通过控制阀在出厂时运行闭环正弦信号，所得到的的特征作对比，确定故障类型。

本发明的优点是可以在不用拆除定位器的情况下，用较为简单的方法检测并辨别出弹簧故障，气室漏气和反馈故障三种故障，具有信号易提取，成本低等优点。

附图说明

图1是本发明方法测试的控制阀的结构原理图。

图2是本发明方法测试的控制阀实验回路结构图。

图3是弹簧故障和正常情况下阀位与气室气压的关系图。

图4是弹簧故障和正常情况下控制信号与气室气压的关系图。

图5是气室漏气故障和正常情况下阀位与气室气压的关系图。

图6是气室漏气故障和正常情况下控制信号与气室气压的关系图。

图7是阀位反馈故障和正常情况下阀位与气室气压的关系图。

图8是阀位反馈故障和正常情况下控制信号与气室气压的关系图。

具体实施方式

现结合附图对本发明具体实施方式阐述如下：

一种控制阀的离线故障诊断方法，根据控制阀在出厂时运行闭环正弦信号，并采集控制阀行程PV，定位器控制信号OP，与控制阀气室的压力PS作为特征量，在定期检修时同样进行以上操作，对比特征量之间的关系，确定故障类型。通过对比出厂时和定期检修时特定输入信号下的行程与气室压力的关系和控制信号与气室气压的关系，对弹簧老化、气室漏气、反馈故障这三种故障进行准确的判断。具体步骤如下：

步骤1：检查控制阀各个部件，确保控制阀气室没有漏气，输气管道没有漏气，各个接口处没有松动，反馈杆没有损坏，弹簧未出现老化的问题。

步骤2：检查信号发送和采集板卡的连接正确，确保实验数据采集设备能正常工作。具体包括：

步骤2.1：检查信号发送和采集板卡的接线是否正确，是否有虚接，断接的情况出现，实验中采用的是NI公司的CRIO-9024作为板卡控制器模块，NI9203作为采集信号的模块，采用NI9265作为设定信号输出板卡，输出的信号由labview设定，为正弦信号，传输到定位器。

步骤2.2：检查定位器是否能接收到阀位信号，并与设定信号做对比，选择合适的PID参数对控制阀进行控制，需要预先输入一个信号，检测其跟踪效果。

步骤3：搭接气动控制阀实验回路，原理图如图2所示，给系统上电，打开气源，使实验回路正常运行。

步骤4：检测气室气压、行程、控制信号，为特征提取提供条件。具体包括：

步骤4.1：采集控制阀气室气压信号，分析气室气压与阀位之间的关系，参见图3，其中图中横轴阀位的单位是百分比，纵轴气室气压的单位是KPa。

步骤4.2：采集定位器控制信号，分析气室气压与控制信号之间的关系，参见图4，其中图中横轴控制信号的单位是百分比，纵轴气室气压的单位是KPa。

步骤5：分别设置弹簧老化、气室漏气和反馈故障。具体包括：

步骤5.1：控制阀弹簧老化。方法是拧开气室，取出气室中的弹簧，放出同样个数但弹簧刚度系数较小的弹簧，即可模拟出弹簧老化的故障。

步骤5.2：控制阀气室漏气。方法是在定位器通往气室的气路管道上安装三通阀，将三通阀拧开一定角度，即可模拟出气室漏气的故障。

步骤5.3：控制阀反馈杆故障。方法是将反馈杆上的弹簧调松，让反馈杆在受力时会产生一定的滑动，即可模拟出反馈杆故障。

步骤6：确定故障类型。具体包括：

步骤6.1：对比分析行程与气室压力的关系图与控制信号与气室气压的关系图。

步骤6.2：如图3所示由于弹簧故障前后，同样阀位对应的气室气压不一样，因此阀位与气室气压关系曲线较正常阀位与气室气压关系曲线向下偏移且斜率发生变化；同时如图4所示由于弹簧老化弹簧刚度系数减小，移动相同距离的所需要的气室气压增加量不同，控制信号OP与气室气压关系曲线校正常情况下的控制信号OP与气室气压关系曲线有所偏移，则判定控制阀发生弹簧故障。

步骤6.3：如图5所示，由于当气室气压降低到不严重时，阀位仍然可以跟随设定信号变化，因此阀位与气室气压关系曲线重合；同时如图6所示，由于气室漏气，达到相同的阀位仍需要达到漏气前相同气室气压需要更大的控制信号来控制气动放大器来冲气，因此气室气压与控制信号OP关系曲线和未发生故障时的气室气压与控制信号OP关系曲线不重合，则判定发生气室漏气故障，且故障程度较小。

步骤6.4：如图7所示，由于在发生反馈故障和未发生故障时，达到相同阀位所对应的气室气压不同，因为两种状态下，虽然定位器反馈回来的阀位大小一致，但是实际阀位并不相同，故反馈相同阀位对应的气室气压不一样，因此阀位与气室气压的关系曲线在发生阀位反馈故障时较正常情况下会发生偏移；同时如图8所示，此时OP控制信号与气室气压关系曲线是一致的，则判定控制阀发生反馈故障。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。