用于检测粘滑的系统和方法与流程

本公开的领域一般涉及粘滑（stick-slip）检测，更具体来说涉及用于通过对阀执行联机诊断来检测粘滑的发生的系统和方法。

背景技术：

控制阀中的粘滑指的是因阀杆（valve stem）与阀填料（valve packing）之间的高静摩擦和低动摩擦而不能控制阀的位置。粘滑现象在尝试将阀的位置移动到设置点时发生。但是，当施加力以移动阀时，力没有立即克服静摩擦。因此，增加力直到克服静摩擦为止，这因低动摩擦而引起突跳。可惜，克服静摩擦所需的力迫使阀超过期望的设置点，并且因此阀卡在新的不期望的位置。这个过程沿相反方向重复，从而引起阀按照没有良好控制的不期望的方式跨期望的设置点来回循环。由于粘滑循环，阀更快地磨损，并且由阀所控制的过程受到不利影响。但是，如果已知控制阀正经受粘滑，则可进行调整或者执行维护以改正问题。

现有系统通过对控制阀执行周期诊断来检测粘滑，以确定阀的可操作性和性能。这些现有系统使用各种传感器和其他测量装置（例如数字阀控制器）以便从控制阀上的各种传感器测量和收集数据。但是，确定粘滑是否发生在这些现有系统中通常是未知的，直到由操作员检查所收集的数据，操作员然后确定所收集的数据是否展示粘滑的发生的特性。因此，现有系统证明是在粘滑检测方面极为低效的，因为如果脱机分析数据以及如果粘滑的特性与其他系统误差相似，则粘滑的检测无法很迅速或者很可靠地实现。这不仅引起粘滑检测的不适当定时，而且还引起粘滑检测的错误诊断。

技术实现要素：

在一个方面，提供一种对阀执行联机诊断的方法。该方法包括在阀处于操作中时接收阀信息。阀信息包括与阀关联的设置点数据和位置数据。该方法还包括在多个时间间隔处理设置点数据和位置数据，并且基于该处理来检测粘滑的发生。

在另一方面，提供一种对阀执行联机诊断的系统。该系统包括过程控制器，其生成多个设置点以用于通过一系列渐进移动来操作阀。该系统还包括定位器组件，其接收多个设置点并且基于所述多个设置点来生成用于定位阀的信号。该系统还包括处理器，其编程为从定位器组件接收阀信息。阀信息包括与阀关联的设置点数据和位置数据。处理器还编程为在多个时间间隔处理设置点数据和位置数据，并且基于该比较来检测粘滑的发生。

在另一方面，提供一个或多个非暂时计算机可读介质。一个或多个非暂时计算机可读介质包括用于对阀执行联机诊断的计算机可执行指令。计算机可执行指令使至少一个处理器在阀处于操作中时接收阀信息。阀信息包括与阀关联的设置点数据和位置数据。计算机可执行指令还使所述至少一个处理器在多个时间间隔处理设置点数据和位置数据，并且基于该处理来检测粘滑的发生。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本公开的这些及其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中贯穿附图相似标号表示相似部件，其中：

图1是用于通过对阀执行联机诊断来检测粘滑的发生的系统的示范框图；

图2是用于使用图1所示系统通过对阀执行联机诊断来检测粘滑的发生的示范方法的流程图；

图3是示出使用如本文所述的处理阀信息中使用的设置点数据和位置数据将时间分段为区域的示范图；

图4是用于使用图1所示系统通过对阀执行联机诊断来检测粘滑的发生的示范方法的流程图；以及

图5示出可用于如本文所述检测粘滑的发生的计算装置内的数据库连同其他相关计算组件的示范配置。

除非另外指示，否则本文所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种各样的系统。因此，附图不是意在包括本领域普通技术人员已知的实施本文所公开的实施例所需的所有常规特征。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求书中，将参照多个术语，所述术语将定义成具有以下含意。

单数形式“一”和“该”包括复数引用，除非上下文另外明确指示。

“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，以及本描述包括其中发生事件的实例以及其中没有发生事件的实例。

如本文贯穿说明书和权利要求书使用的近似语言可适用于修改可允许改变的任何定量表示，而不引起与其相关的基本功能中的变化。相应地，通过诸如“大约”、“近似”和“基本上”的一个或多个术语所修改的值不是要局限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里并且贯穿说明书和权利要求书，范围限制可被组合和/或互换；这样的范围被标识，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指示。

如本文所使用的，术语“非暂时计算机可读介质”意在表示在任何方法或技术中实现以用于信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块或者任何装置中的其他数据)的短期和长期存储的任何有形的基于计算机的装置。因此，本文所述的方法可编码为包含在有形非暂时计算机可读介质(非限制性地包括存储装置和/或存储器装置)中的可执行指令。这类指令在由处理器运行时使该处理器执行本文所述方法的至少一部分。此外，如本文所使用的，术语“非暂时计算机可读介质”包括所有有形计算机可读介质，非限制性地包括非暂时计算机存储装置(非限制性地包括易失性和非易失性介质，以及可移动和不可移动介质，例如固件、物理和虚拟存储装置、CD-ROM、DVD)和任何其他数字源(例如网络或因特网)以及仍要开发的数字部件，其中唯一例外是暂时传播信号。

此外，如本文所使用的，术语“实时”指的是关联事件的发生时间、预定数据的测量和收集的时间、处理数据的时间以及对事件和环境的系统响应的时间中的至少一个。在本文所述的实施例中，这些活动和事件基本上瞬时发生。

本文所述的实施例通过使用控制阀的操作期间(例如在控制阀处于操作中时)所收集的数据来实现控制阀中的粘滑循环的联机检测。例如，在控制阀的操作期间，在某个时间段(例如收集定义的数量的设置点、位置和/或压力样本所花费的时间量)在多个时间间隔收集诸如控制阀的设置点、控制阀的位置以及甚至施加到控制阀的压力的数据。使用本文所述的各种算法，处理设置点数据和/或位置数据以检测粘滑循环的存在和程度。如果检测到粘滑循环，则通过例如用户界面向操作员报告检测的粘滑循环，和/或提供/实现一个或多个推荐以改正检测的粘滑循环。通过检测粘滑循环而不是通过检测控制误差、检测控制系统循环或者检测控制阀不稳定性来推测粘滑的存在，提供了一种更可靠的检测过程，其还使得能够以及时的方式向操作员提供关于如何改正问题的指示。

现在参照图1，现在将描述按照本公开的实施例示出用于在对控制阀102执行联机诊断中使用的示范系统100的框图。虽然系统100在本文中描述为与控制阀102关联，但是系统100对执行本文所示和所述功能性或其等同物的任何装置或设备是可适用的。例如，本公开的实施例在检测具有滑动表面（所述滑动表面具有接触摩擦部分）的许多其他装置(例如气体调节器、钻机和活塞)中的粘滑方面是可操作的。

系统100包括计算装置(非限制性地例如控制器) 104，其在连网环境中使用到一个或多个其他计算装置的逻辑连接进行操作。虽然结合示范计算系统环境来描述本公开的实施例，但是本公开的实施例对于执行本文所示和所述功能性的许多其他通用或专用计算系统环境或配置是可操作的。适合用于本公开的方面的众所周知的计算系统、环境和/或配置的示例包括但不限于个人计算机、服务器计算机、手持或膝上型装置、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程消费者电子设备、移动电话、网络PC、小型计算机、大型计算机、一组处理单元、包括上述系统或装置中的任一个的分布式计算环境。

在实施例中，计算装置104具有至少一个处理器106，处理器106包括任何数量的处理单元并且编程为运行计算机可执行指令以便实现本公开的方面。在一个实施例中，指令由处理器106、由计算装置104中运行的多个处理器或者由计算装置104外部的处理器执行。在实施例中，处理器106是集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和/或任何其他可编程电路。在一个实施例中，处理器106包括多个处理单元(例如采用多核配置)。在一些实施例中，处理器106编程为运行例如图2和图4中所示的那些的指令。

计算装置104还具有一个或多个计算机可读介质，例如存储器区域108。存储器区域108包括与计算装置104关联或者计算装置104可访问的任何数量的介质。在一个实施例中，存储器区域108在计算装置104内部(如图1所示)、在计算装置104外部(未示出)或者两者(未示出)。存储器区域108是允许诸如可执行指令和/或其他数据的信息被存储和检索的任何装置。例如，存储器区域108可存储用于检测粘滑和操作测量(非限制性地包括阀杆的实时和历史位置、阀杆的行进方向、阀杆与填料之间的摩擦、设置点数据、阈值水平数据、压力数据和/或任何其他类型数据)的计算机可读指令。另外，存储器区域108非限制性地包括充分数据、算法和命令以促进与控制阀102关联的组件的监测和控制。

在一个实施例中，存储器装置108可远离计算装置104。在另一个实施例中，数据和计算机可执行指令可存储在云服务、数据库和/或由计算装置104可访问的其他存储器区域中。这类实施例降低计算装置104上的计算和存储负担。

在一些实施例中，计算装置104包括用于呈现信息的至少一个呈现装置110，例如用户界面、警报和/或向操作员的推荐。呈现装置110是能够向用户传达信息的任何组件。呈现装置110可非限制性地包括显示装置(例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器或“电子墨水”显示器)和/或音频输出装置(例如扬声器或耳机)。在一些实施例中，呈现装置110包括输出适配器，例如视频适配器和/或音频适配器。输出适配器在操作上耦合到处理器106，并且配置成在操作上耦合到诸如显示装置或音频输出装置的输出装置。

在一些实施例中，计算装置104包括输入装置112以用于接收来自用户/操作员的输入。输入装置112可包括例如键盘、指点装置、鼠标、记录笔、触敏面板(例如触摸板或触摸屏)、位置检测器和/或音频输入装置。单个组件（例如触摸屏）可用作呈现装置110的输出装置以及输入装置112。计算装置104还包括通信接口114，其配置成使用例如网络122在通信上耦合到其他装置/组件，例如定位器116、位置传感器118和致动器120。网络122可非限制性地包括因特网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线LAN(WLAN)、网格网络和/或虚拟专用网络(VPN)。

图2是示出用于对控制阀102(图1所示)执行联机诊断的计算装置104(图1所示)的操作的示范流程图200。计算装置104在控制阀102处于操作中时接收202阀信息。在一个实施例中，阀信息包括在控制阀102被监测时的时间段收集的压力数据、设置点数据和位置数据。在一个实施例中，设置点数据和位置数据可从存储器区域108、定位器116、位置传感器118和/或致动器120(各在图1中示出)接收。在另一个实施例中，阀信息自动地：存储在存储器区域108中，发送给计算装置104，和/或通过计算装置使用请求阀信息的命令轮询控制阀102来访问。在一个实施例中，一次收集大约80至大约140个样本。在另一个实施例中，一次收集大约100至大约120个样本。

使用在控制阀102的操作期间的时间段所收集的预定义数量的设置点样本和位置样本，计算装置104通过将时间分段为区域来定义204多个区域。例如，现在参照图3，图300示出使用设置点数据和位置数据将时间分段为多个区域。更具体来说，如图3所示，设置点302和位置304的每个用于将时间306分段为多个区域308-326。更具体来说，使用设置点302和位置304，区域边界通过设置点302和位置304相互交叉的时间点328来定义。因此，对于区域308-326的任一个，位置大于设置点或者位置小于设置点。在一个实施例中，位置大于设置点的区域被识别为正误差区域(例如区域308、312、316、320和324)，并且位置小于设置点的区域被识别为负误差区域(例如区域310、314、318、322和326)。如图3所示，通过此示范过程所创建的区域在正误差区域与负误差区域之间的时间中交替。

又参照图2，计算装置104(或定位器116)在多个时间间隔处理206位置数据和/或设置点数据。也就是说，对于各分段区域308-326(图3所示)，计算装置104(或定位器116)计算208控制阀102的设置点和/或位置之间的面积。如所示，图300中的水平单位是单位为秒的时间，以及图300的垂直单位是按照阀位置，例如，其根据全阀行程的百分比来测量。因此，计算面积越大，则位置超过设置点越极端。通过将计算面积与例如存储器区域108中存储的面积阈值水平进行比较，识别210超过面积阈值水平的区域308-326的各计算面积。在图3所示的示范实施例中，面积阈值水平处于从大约2至大约10(百分比-秒的单位)的范围之间。

又参照图2，计算装置104(或定位器116)在定义的连续数量的识别的计算面积超过面积阈值水平时检测212粘滑循环的发生。在一个实施例中，为了检测粘滑循环的发生，超过面积阈值水平的定义的连续数量的识别的计算面积是2个连续面积至大约8个连续面积，并且更具体来说是大约5个连续面积。在另一个实施例中，连续面积的定义数量是预定义时间段之内的面积的总数的百分比。

在另一个实施例中，在检测粘滑循环的发生之前，计算装置104(或定位器116)从所述多个计算面积识别214最低计算面积。在这个实施例中，计算装置104(或定位器116)在来自所述多个计算面积的最低计算面积超过面积阈值水平时检测粘滑循环的发生。在一个实施例中，连续区域/计算面积的数量大约是5，以及面积阈值水平从大约2.0至大约10.0 (采用百分比-秒的单位)。为了进一步对此进行说明，在以下示例中，在220秒间隔上对10个区域计算面积。对于这10个区域，存在6组N=5个连续区域(例如1至5，2至6，…，6至10)。如果这些组中的任一个具有大于面积阈值水平的组度量(例如最低计算面积)，则这是粘滑已经发生的指标。

在另一个实施例中，能够对任何时间间隔计算粘滑度量。例如，通过上述示例中所考虑的整个信号，对于10个计算区域内的所有组，识别最大计算面积。如果最大计算面积大于面积阈值水平，则向用户提供指示粘滑/或者粘滑的可能性已经发生的标志/警告。

在一个实施例中，确定组度量或粘滑度量的处理能够以批模式(如上所述)或者以连续方式通过对数据进行缓冲来进行。例如，在一个实施例中，对于连续操作，入局设置点和位置数据(例如样本)被置于缓冲器中。当设置点和位置交叉以创建区域并且计算区域的面积时，则可丢弃自交叉点的时间之前缓冲器上的数据。当形成区域并且其计算面积置于面积缓冲器时，组度量(例如最低计算面积或最高计算面积)能够从面积缓冲器中的面积来计算。这个组度量然后与面积阈值水平进行比较，和/或可存储在例如存储器区域108中。在一个实施例中，连续数据按照这种方式连续地处理和/或存储。

在一个实施例中，为了减少粘滑检测的错误指示的数量，以下中的一个或多个在检测粘滑之前被确认/确定：没有检测到关闭循环；如果启用紧密关闭，则阀的位置超过位置阈值；如果启用紧密关闭，则阀的设置点超过设置点阈值；以及检测到阀的位置中的非预期移动。

在一个实施例中，由于粘滑检测，使用例如呈现装置110(图1所示)向操作员呈现警报。那个警报能够是可听或可视的，例如标志或彩色编码文本。此外，一旦检测到粘滑，计算装置104为操作员提供推荐和/或基于检测的粘滑自动地实现推荐中的一个或多个。例如，向操作员呈现下列推荐中的一个或多个：调整阀填料，向阀填料施加填料润滑剂，更换阀填料，更换控制阀的阀杆，和/或调整阀控制器或过程控制器中的控制算法。因此，在检测粘滑时，计算装置104(向用户)提供或者实现这些推荐中的一个或多个。

图4是示出用于对控制阀102(图1所示)执行联机诊断的计算装置104(图1所示)的另外操作的示范流程图400。检测粘滑的困难之一在于，控制阀(例如控制阀102)的突然移动也能够响应于设置点的突然移动。由于系统中的滞后，常常难以将阀移动与设置点移动直接关联。以下关于图4所述的方法使粘滑能够通过寻找比设置点进行更大的“步伐”的位置来检测。这通过计算对大移动相比小移动赋予大权重的量度来实现，由此当对于位置的这个量度与对于设置点相比大许多时推断粘滑。

又参照图4，计算装置104在控制阀102处于操作中时接收402阀信息。在一个实施例中，阀信息包括在控制阀102被监测的时间段(例如收集设置点、位置和/或压力数据的定义数量的样本所花费的时间)收集的压力数据和/或设置点数据、位置数据。在一个实施例中，设置点数据和位置数据可从存储器区域108、定位器116、位置传感器118和/或致动器122(各在图1中示出)接收。在另一个实施例中，阀信息自动地：存储在存储器区域108中，发送给计算装置104，和/或通过使用请求阀信息的命令轮询控制阀102来访问。在一个实施例中，一次收集大约80至大约140个样本。在另一个实施例中，一次收集大约100至大约120个样本。

使用在某个时间段(例如收集多个设置点和位置样本所花费的时间量)在控制阀102的操作期间所收集的设置点数据和位置数据，计算装置104(或定位器116)在该时间段内在多个时间间隔中的每个时间间隔基于设置点数据来计算404设置点值，并且在该时间段之内在多个时间间隔中的每个时间间隔基于位置数据来计算406位置值。在一个实施例中，设置点值是设置点的第一差的p范数，以及位置值是位置的第一差的p范数。计算装置104(或定位器16)将位置值与设置点值的比率和粘滑阈值进行比较。此后，计算装置104(或定位器116)在位置值与设置点值的比率大于粘滑阈值时检测410粘滑的发生。

更具体来说，使用以下所述等式(1)计算设置点的第一差的p范数(例如RSp)，其中“N”是点的数量，并且“p”是例如2.0与6.0之间的算法参数，以及∆SP是各设置点之间的差。

等式(1)。

此外，使用以下所述等式(2)计算位置的第一差的p范数(例如RPos)，其中“N”是点的数量，并且“p”是例如2.0与6.0之间的算法参数，以及∆Pos是各位置之间的差。

等式(2)。

然后通过获取RPos与Rsp之比来计算度量(度量=RPos/Rsp)。计算的度量的值然后和粘滑阈值进行比较。在一个实施例中，粘滑阈值在1与3之间。如果度量大于粘滑阈值，则检测到粘滑，并且计算装置104为操作员提供推荐，和/或基于检测的粘滑自动地实现推荐中的一个或多个推荐。

在一个实施例中，所收集的位置数据、设置点数据和/或压力数据限于落入定义范围之内的数据。例如，如果数据在5%至95%之间，则收集位置、设置点和/或压力。落在这个范围之外的数据表示作为异常值并且因而未使用的数据点。在另一个实施例中，所收集的位置数据、设置点数据和/或压力数据限于落入控制阀的操作范围的特定部分之内的数据。例如，如果数据在50%至70%之间，则收集位置、设置点和/或压力。落在这个范围之外的数据表示作为控制阀的操作范围的感兴趣部分的一部分的数据点。

图5示出计算装置504(例如图1所示的计算装置104)内的数据库502(例如图1所示的存储器108)连同可在如本文所述检测粘滑的发生期间所使用的其他相关计算组件的示范配置500。数据库502耦合到计算装置504内执行特定任务的若干独立组件。

在示范实施例中，计算装置504包括数据库502(其包括位置数据506、设置点数据508和/或压力数据510)。还包含收集组件512以便收集位置数据506、设置点数据508和/或压力数据510。此外，计算装置504包括：用于处理所收集数据的处理组件514；以及基于所述处理来检测粘滑的发生的检测组件516。

上述实施例使阀信息(例如设置点数据和位置数据)能够在控制阀的操作期间被收集，以便检测控制阀中的粘滑循环。在控制阀的操作期间对于定义数量的样本或者在定义时间段在多个时间间隔收集控制阀信息，诸如控制阀的设置点、控制阀的位置以及甚至施加到控制阀的压力。使用以上所述的各种算法，处理设置点数据和位置数据以检测粘滑循环的存在和程度。如果检测到粘滑循环，则向操作员报告检测的粘滑循环，和/或提供/实现一个或多个推荐以便改正检测的粘滑循环。

本文所述的方法、系统和设备的示范技术效果包括下列至少一个：(a) 准确检测粘滑；(b) 使用控制阀的操作期间所收集的数据来检测粘滑；(c) 在检测到粘滑时向操作员提供推荐/警告；以及(d) 实现方法(例如推荐中的一个或多个推荐)以改正粘滑。

上面详细描述了用于检测粘滑的系统和方法的示范实施例。本文所述的系统和方法并不限于本文所述的具体实施例，而是可单独并且独立于本文所述的其他组件和/或步骤来利用系统的组件和/或方法的步骤。例如，方法还可与要求粘滑检测系统和方法的其他系统组合使用，并且不限于仅采用如本文所述的系统方法来实施。而是，示范实施例能够与许多其他系统和方法结合来实现和使用。

虽然各个实施例的具体特征可在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但是这只是为了方便。按照本文所述的系统和方法的原理，可与任何其他附图的任何特征组合引用和/或要求保护附图的任何特征。

一些实施例涉及一个或多个电子或计算装置的使用。这类装置通常包括处理器或控制器，例如通用中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)和/或能够运行本文所述功能的任何其它电路或处理器。本文所述的方法可编码为包含在非限制性地包括存储装置和/或存储器装置的计算机可读介质中的可执行指令。这类指令在由处理器运行时使该处理器执行本文所述方法的至少一部分。上述示例只是示范性的，并且因此不意图以任何方式限制术语处理器的定义和/或含意。

本书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实施实施例，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本公开的可取得专利的范围由权利要求书定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言没有不同的结构元素，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言无实质差异的等同结构元素，则预期它们在权利要求的范围之内。