阀定位器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型通常涉及过程控制系统，并且更具体地涉及使用压力控制进行阀的部 分行程测试的装置。
【背景技术】
[0002] 过程控制系统（如在化学、石油或其他过程中使用的系统）通常包括一个或多个 过程控制器和输入/输出（I/O)设备，其通过使用任何所需的通信介质（例如，硬接线、无 线等）和协议（例如，现场总线、Profibus?, HART?等）的模拟、数字或组合的模拟 /数字总线通信地耦接到至少一个主机或操作员工作站以及一个或多个现场设备或仪器。 例如，所述现场设备可以是阀、阀定位器、开关和发射机（例如，温度、压力和流速传感器）， 其在过程中执行过程控制功能，例如打开或关闭阀以及测量过程控制参数。控制器接收指 示由现场设备所进行的过程测量值，处理该信息以实现控制例程，并且生成控制信号，该控 制信号通过总线或其他通信线路发送到现场设备以控制过程的操作。以这种方式，控制器 可以通过可通信地耦接现场设备的总线和/或其他通信链路执行和协调使用现场设备的 控制策略或例程。 【实用新型内容】
[0003] 然而，在对阀进行部分行程测试时，在许多情况下，控制阀的行程位置是困难的， 并且开环的控制方式使得有可能导致阀意外关断。因此，本实用新型针对现有技术中的上 述问题而提出。
[0004] -种示例性阀定位器包括用于将定位器的输出压力朝向压力设定点控制的压力 控制器。所述压力控制器实现用于跟踪累积误差的积分器。所述示例性阀定位器还包括用 于将来自压力控制器的电信号转换为气动信号的电流-压力转换器。所述电流-压力转换 器基于初始电流-压力偏置进行偏移。当输出压力收敛到压力设定点时，所述压力控制器 基于累积误差计算校准的电流-压力偏置来代替初始电流-压力偏置。
[0005] 在一种实现中，所述校准的电流-压力偏置对应于所述初始电流-压力偏置和所 述累积误差的总和。
[0006] 在一种实现中，所述定位器耦接到致动器以致动阀，在控制所述输出压力以计算 所述校准的电流-压力偏置时，所述致动器被保持在硬停止处。
[0007] 另一种示例性阀定位器包括用于限定阀的目标行程位置的行程控制器，所述阀通 过致动器耦接到定位器。所述目标行程位置与部分行程测试相关联。所述示例性阀定位器 还包括压力控制器，用于将定位器的输出压力朝向第一压力设定点控制。所述第一压力设 定点是基于目标行程位置的。当输出压力被朝向第一压力设定点控制时，第一压力设定点 在第一方向上倾斜以将阀朝向目标行程位置致动。
[0008] 在一种实现中，所述行程控制器监控所述阀的位置。
[0009] 在一种实现中，所述阀定位器进一步包括：限制器，其用于限定与所述第一压力设 定点相关的压力阈值，如果在所述阀的位置达到所述目标行程位置之前所述输出压力超过 所述压力阈值，那么所述压力控制器将产生指示所述阀被卡住的警告。
[0010] 在一种实现中，在所述阀的位置达到所述目标行程位置之后，所述压力控制器将 所述定位器的输出压力朝向第二压力设定点控制，所述第二压力设定点用于将所述阀朝向 所述阀的初始位置致动，所述初始位置与所述部分行程测试之前所述阀的位置相关。
[0011] 在一种实现中，所述阀定位器进一步包括：限制器，其用于限定与所述第二压力设 定点相关的压力阈值，并且限定所述阀距所述初始位置的阈值位移，如果所述输出压力超 过所述压力阈值同时所述阀的位置在距所述初始位置的所述阈值位移之外，那么所述压力 控制器产生指示所述阀被卡住的警告。
[0012] 利用本实用新型的阀定位器，基于对应于致动器的压力输出而不是阀的行程的反 馈对阀进行控制，阀的粘滑移动问题以及其他运动损失不再影响控制反馈，从而克服了现 有的部分行程测试的问题。
【附图说明】
[0013] 图1是对应于示例性截止球阀的行程控制的示例性压力曲线100。
[0014] 图2是根据本文所公开的教导构造的一种示例性定位器200的示意图。
[0015] 图3是根据本文所公开的教导构造的另一种示例性定位器300的示意图。
[0016] 图4示出了进行如本文所述的示例性部分行程测试的阀的示例性压力特征。
[0017] 图5-7是表示用于实现图2和/或3的示例性定位器以校准用于实现在气动致动 阀上的定位器的示例性方法的流程图。
[0018] 图8是表示用于实现图2和/或3的示例性定位器以在气动致动阀上执行部分行 程测试的示例性方法的流程图。
[0019] 图9是表示用于实现图2和/或3的示例性定位器以在气动致动阀上执行部分行 程测试的示例性方法的流程图。
[0020] 图10是示例性处理器平台的示意图，所述处理器平台可以用于和/或被编程为执 行图5-9的示例性方法，和/或更具体地实现图2和/或3的示例性定位器。
【具体实施方式】
[0021] 在过程控制系统中，通常有很多长时间持续运转并且不改变其中的流量控制元件 的位置的阀。例如，与安全仪表系统（SIS)相关联的截止阀（shutoffvalve)可保持在打 开位置，除非由于系统中的故障而松开。不经常移动的阀（例如，阀盘、阀塞或者其他阀流 量控制部件不经常移动）可能被卡住，使得它们在需要时不能按照预期运行。因此，系统的 整体可靠性取决于管理具有这种阀的系统的操作员（和/或工程师）在被呼叫时正确操作 的置信度。因此，存在很多已知的操作或使用阀的方法，用于测试和/或验证阀的移动和/ 或识别卡住的阀。例如，阀经常通过部分行程测试程序进行测试，其中该阀被移动（运行） 其行程跨度的一部分，以确认该阀是否仍可移动或者该阀是否被卡住。需要说明的是，在本 文中提及"移动"阀或者阀"移动"是指阀内的阀盘、阀塞或者其他流量控制部件的移动或 运动。类似地，在本文中提及"卡住"阀是指阀的流量控制部件被卡住或者不能响应于控制 信号而正常移动。
[0022] 虽然对于一些阀，部分行程测试是可行的选择，但是很多安全阀被设计成从行程 的第一端（例如，完全打开）尽可能快地运行到第二端（例如，完全关闭），并且通过紧密密 封而确保阀在第二端保持关闭。为了实现快速和可靠的从端到端的移动，用于关闭关断阀 (shutdownvalve)的气动致动器通常具有相对低弹簧率的相对高预载的弹簧。通常地，关 断阀通过完全加压致动器保持完全打开（例如，在正常操作期间）。在这种示例中，一旦空 气压力减小到低于阀的上预紧力（upperbenchset)和相关的摩擦带时，弹簧的力变得足 以以相对小的压力的进一步减少将阀移动到关闭位置。换句话说，相对小的压力变化可以 导致阀的行程位置的相对大的变化。因此，由于预紧力跨度内的压力输入的灵敏度，在许多 情况下，控制阀的行程位置是困难的。此外，为了满足紧密关闭的要求，在很多情况下，阀可 以被双重密封和/或包括在阀内产生大量摩擦的其他类型的紧密密封件。这种阀中的相对 高的摩擦可以导致粘滑（stick-slip)现象，其中在粘滑现象中阀运动的特征在于重复的 点动（jog)而不是光滑的线性运动。这种非线性运动进一步加剧了为了部分行程测试和/ 或一般节流控制而控制这种阀的行程位置的能力。
[0023] 某些关断阀的上述特征以图解的方式在图1中示出。图1是对应于典型的SIS截 止球阀的行程控制的示例性压力曲线100。在图1的示例中，中间实线102表示在没有摩擦 的情况下沿着阀的行程跨度克服致动器中的弹簧力的压力。如图中所示的示例所示，对于 大约lOpsi(镑/平方英寸）的预紧力跨度来说，该阀具有大约32psi到42psi的预紧力。 图1中示出的下部虚线104对应于当阀从行程的第一硬停止端（在这种情况下，旋转95度） 转到行程的第二硬停止端（0度）时输出到致动器的实际压力。上部虚线106对应于当阀从 第二硬停止转回到第一硬停止时输出到致动器的实际压力。下部虚线104和中间实线102 之间的压力差对应于当其沿第一方向从第一硬停止（例如，95度）移动到第二硬停止（例 如，〇度）时阀中的单面摩擦。上部虚线106和中间实线102之间的压力差对应于当其沿 第二方向从第二硬停止（例如，〇度）移动回到第一硬停止（例如，95度）时阀中的单面摩 擦。如图1中的压力曲线100所示，两个方向上的单面摩擦不是恒定的，而是变化约lOpsi 或大致100%的预紧力跨度。通常，在正常情况下压力操作在充分供给（例如，100%的供给 压力）时，其在所示的示例中是大约60psi。因此，在所示的示例中，由图1中的轨迹所表示 的阀在致动器放空至大约32psi(对于单面摩擦，比42psi的上预紧力少lOpsi)之前将不 在第一方向（从旋转95度朝向旋转0度）开始移动，而当压力下降到大约22psi(对于单 面摩擦，比32psi的下预紧力少lOpsi)时，阀将穿过其整个行程跨度。在返回路径（从旋 转〇度朝向旋转95度移动）上，图1中所示的阀在致动器被加压到大约42psi(对于单面 摩擦，32psi的下预紧力加lOpsi)之前将不开始移动，而当压力增加到大约52psi(对于单 面摩擦，42psi的上预紧力加lOpsi)时，阀穿过其整个行程跨度。为了进行比较，对于要被 控制到特定位置而不是端到端的阀（例如，节流阀而不是开关阀），所需的摩擦（例如，单面 摩擦）水平通常小于预紧力跨度的10%。因此，图1中表征的阀中的高摩擦（为了确保紧 密密封）以及窄的预紧力跨度（以确保从端到端的快速移动）使得阀不利于可靠的行程控 制。
[0024] 由于阀中的高摩擦，该阀不会移动（例如，将粘住）直到一定量的压力已经增加到 能够克服静摩擦（有时被称为静态阻力），此时阀会突然点动或移动一小段距离（例如，滑 动）。阀和致动器中的这种突然点动导致致动器的容积突然变化，并因此导致压力变化。因 此，该阀将再次粘住，直到压力增加到足够迫使阀再次滑动。在图1中通过沿着下部和上部 虚线104,106的锯齿状尖峰来表示压力和阀点动的反复变化。由于这些粘滑动力以及高摩 擦开关阀的常规设计，部分行程测试的传统方法是不可靠的，该传统方法需要将阀控制到 相对端之间的行程位置。
[0025] 在典型的部分行程测试中，阀的行程设定点在一段时间内从正常位置移动到行程 跨度的某个部分（例如，1〇%，20%等）（例如，设定点斜坡变化而不是阶跃变化），并且然后 将设定点返回到阀的正常位置（例如，在部分行程测试之前的正常位置）。例如，典型的关 断阀（例如，燃料截止阀）通常工作在100%行程（例如，完全打开），从而部分行程测试可 以将阀移动到90%行程。相反，排气阀（例如，泄压阀）通常工作在0%扬程（lift)，从而 部分行程测试可以将阀移动到10%扬程。由于在部分行程测试期间行程设定点在第一方向 上倾斜然后在第二方向上倾斜，因此阀的实际行程被用作反馈以控制阀跟随设定点。如果 误差信号变得过大（例如，实际阀行程不能跟随设定点），则该测试被中止并且触发阀被卡 警报。然而，如上所述，由于高水平的摩擦和粘滑，一些开关阀并不总是响应于设定点变化 而立即移动（即使内部状态（例如，压力）在变化）。也就是说，高摩擦阀不被设计成跟随 倾斜的行程设定点，因为它们不是设计用于行程控制的。因此，定位器可能不能区分从硬停 止转换到移动的阀以及实际上被卡住的阀。此外，当阀被卡住时