热交换器积垢检测的制作方法

专利名称：热交换器积垢检测的制作方法
热交换器积垢检测技术领域本专利总的来说涉及在加工厂中执行诊断和维护，更具体地，涉及以能 够评估和预测热交换器的健康状况和性能的方式在加工厂内提供诊断能力。
背景技术：
过程控制系统，例如化学、石油、或其它过程中所使用的过程控制系统， 通常包括一个以上通过模拟总线、数字总线或模拟/数字相结合的总线以可 通信方式连接至至少一个主机或操作员工作站以及一个以上过程控制和仪 表设备的集中式或分散式过程控制器。现场设备可以是例如阀、阀定位器、 开关、变送器和传感器(例如温度传感器、压力传感器和流速传感器)，它 们位于加工厂环境中，并在诸如开启或关闭阀和测量过程参数、增加或减小流体流量等的过程中施行功能。诸如符合公知的FOUNDATION Fieldbus (以下称作Fieldbus)协议或HART⑧协议的现场设备之类的智能现场设备 还施行控制运算、报警功能和过程控制器中通常实现的其它控制功能。通常位于加工厂环境中的过程控制器接收表示现场设备所进行的或所 关联的过程测量值或过程变量的信号和/或与现场设备有关的其它信息，并 执行控制器应用程序。控制器应用程序实现例如不同的控制模块，这些控制 模块进行过程控制决策，基于所接收的信息生成控制信号，并且与诸如 HART⑧和Fieldbus现场设备之类的现场设备中正在施行的控制模块或块一 起协调工作。过程控制器中的控制模块通过通信线路或信号路径向现场设备 发送控制信号，从而控制过程的操作。来自现场设备和过程控制器的信息对于诸如操作员工作站、维护工作 站、个人计算机、手持设备、历史数据库、报告发生器、集中式数据库等的一个以上其它硬件设备可用，从而使操作员或维护人员能够施行针对过程的 期望的功能，例如改变过程控制例程的设置、更改过程控制器或智能现场设 备中的控制模块的操作、查看过程的当前状态或加工厂中的特定设备的当前 状态、查看由现场设备和过程控制器生成的警报、对过程操作进行仿真以训 练人员或测试过程控制软件，诊断加工厂中的问题或硬件故障。尽管典型的加工厂有很多诸如阀、变送器、传感器等的连接至一个以上 过程控制器的过程控制和仪表设备，但是还有很多对过程操作来说也是必需 的或与过程操作有关的其它支持设备。这些附加设备包括例如位于典型工厂 中的诸多位置的供电装置、发电和配电装置、诸如涡轮机、发动机等的旋转 装置。尽管附加装置不一定会创建或使用过程变量，并且在很多情况下不会 为了影响过程操作而被控制或甚至被连接至过程控制器，但是该装置对于过 程的正确操作来说很重要，并且基本上是过程的正确操作所必需的。已知的是，在加工厂环境中，尤其是在具有大量现场设备和支持装置的 加工厂中，经常会有问题出现。这些问题可能是坏了的、故障的或运行较差 的设备，被堵塞的流体线路或导管，诸如软件例程之类的逻辑元件被不正确 地配置或处于不正确的模式，过程控制环路被不正确地调谐，加工厂中的设 备之间的通信失败一次以上，等等。这些和其它问题实际上会出现多个，通 常会导致过程在异常状态下操作(即加工厂处于异常情况)，这经常与加工 厂的次最佳性能相关联。已经建立了很多诊断工具和应用程序来检测和确定 加工厂中问题的产生原因，并且一旦问题发生并被检测到，就协助操作员或 维护人员诊断并校正这些问题。例如，通常通过诸如直接或无线总线、以太 网、调制解调器、电话线等的通信连接连接至过程控制器的操作员工作站具有适于运行诸如由爱默生过程管理公司出售的DeltaVTM和Ovation控制系统 之类的软件或固件的处理器和存储器，其中软件包括大量的控制模块和控制 环路诊断工具。同样，维护工作站可以通过与控制器应用程序相同的通信连 接，或通过诸如OPC连接、手持连接等不同的通信连接连接至过程控制设 备，维护工作站通常包括被设计为查看由加工厂中的现场设备生成的维护警报和警告、对加工厂中的设备进行测试并对现场设备和加工厂中的其它设备 施行维护活动的 一 个以上应用程序。已经建立出类似的诊断应用程序来诊断 加工厂中的支持装置的问题。因此，例如AMS程序组由爱默生过程管理公司出售的智能设备管理 器应用程序(在美国专利号5,960,214、名称为"Integrated Communication Network for use in a Field Device Management System (用于现场设备管理系 统的集成通信网络)"中至少部分地被公开)能够与现场设备进行通信，并 存储与现场设备有关的数据，以确定并跟踪现场设备的操作状态。在某些情 况下，AMS应用程序可以用来与现场设备进行通信以改变现场设备中的参 数，从而使现场设备本身运行诸如自校准例程或自诊断例程之类的应用程 序，以获取关于现场设备的状态或健康等的信息。这些信息可以包括例如状 态信息(例如是否发生了警报或其它类似的事件)、设备配置信息(例如现 场设备当前或可能被配置的方式以及现场设备所使用的测量单元的类型)、 设备参数(例如现场设备范围值和其它参数)等。当然，这些信息可以被维 护人员用来监控、维护和/或诊断现场设备的问题。类似地，很多加工厂都包括诸如CSI所提供的Machinery Health 之类 的装置监控和诊断应用程序或任意其它已知的应用程序，用于监控、诊断和 优化各种旋转装置的操作状态。维护人员经常使用这些应用程序来维护或检 查工厂中的旋转装置的性能，以确定旋转装置的问题，并确定旋转装置是否 必须被修理或更换以及修理或更换的时间。类似地，很多加工厂包括电力控 制和诊断应用程序，例如由Liebert和ASCO公司提供的那些电力控制和诊 断应用程序，以控制并维护发电和配电装置。同时已知的是，在加工厂中运 行诸如实时优化器(RTO+)之类的控制优化应用程序，以优化加工厂的控 制活动。这种优化应用程序通常使用复杂的算法和/或加工厂的模型来预测 可以以何种方式改变输入以针对诸如利润之类的某个期望的优化变量优化加工厂的#:作。这些和其它诊断和优化应用程序通常以全系统为基础在一个以上操作7员或维护工作站中实现，并且可以给操作员或维护人员提供关于加工厂或加 工厂中的现场设备和装置的操作状态的预配置显示。典型的显示包括接收过 程控制器或加工厂中的其它设备所生成的警报的报警显示、指示过程控制器 和加工厂中的其它设备的操作状态的控制显示、指示加工厂中的设备的操作状态的维护显示等。同样地，这些和其它诊断应用程序可以使操作员或维护 人员能够重新调谐控制环路或重新设置其它控制参数，以运行对一个以上现 场设备的测试，从而确定那些现场设备的当前状态，校准现场设备或其它装 置，或者对加工广内的设备和装置执行其它的问题检测和校正。尽管这些多种应用程序和工具可以方便加工厂中的问题识别和校正，但 是这些诊断应用程序通常被配置为仅在加工厂中已经发生问题之后使用，因 此这些诊断应用程序仅在加工厂中已经存在异常情况之后使用。不幸的是， 在使用这些工具来检测、识别和校正异常情况之前，异常情况可能已经存在 一段时间，这导致问题被检测、识别和校正之前的期间加工厂呈现次最佳性 能。在很多情况下，控制操作员首先基于警报、警告或加工厂的不良性能检 测到存在某个问题。然后操作员会通知潜在问题的维护人员。维护人员可能 检测到也可能检测不到实际的问题，并且可能在实际运行测试或其它诊断应 用程序之前需要进一步的提示，或施行识别实际问题所需的其它活动。 一旦 问题被识别出，维护人员就可能需要定购零件并调度维护程序，所有这些都加工厂可能在通常与工厂的次最佳操作相关联的异常情况下运行。另夕卜，很多加工厂可能会经历在相对较短的时间量内在工厂中产生严重 的代价或损坏的异常情况。例如，如果某些异常情况存在，则即使存在极短 的时间量，这些异常情况也会引起对装置的重大损坏、原材料的损耗或加工 厂中的明显不期望的停工。因此，仅仅在问题已经发生后检测工厂中的问题， 则不管该问题被校正得多快，都会在加工厂中造成严重的损耗或损坏。因此， 期望首先设法预防异常情况的出现，而不是在异常情况出现后再设法作出反 应并校正加工厂中的问题。为了采取措施在加工厂中发生任何重大损失之前阻止已预测到的异常 情况或校正异常情况， 一种技术采集使用户能够在加工厂中的某些异常情况 实际出现之前或在异常情况出现之后立刻预测到这些异常情况的发生的数据。在美国专利申请No.09/972，078、现为美国专利No. 7，085，610、名称为 "Root Cause Diagnostics (根本原因诊断)"(部分地基于美国专利申请 No.08/623，569,现为美国专利No.6，017，143 )中公开了该程序。这两个申请 /专利的全部公开内容由此通过引用合并于此。 一般而言，该技术在加工厂 中的诸如现场设备之类的多个设备中的每一个设备中布置统计数据采集和 处理块或统计处理监控(SPM)块。该统计数据采集和处理块采集例如过程 变量数据，并确定与所采集的数据相关联的某些统计量，例如均值、中值、 标准差等。然后这些统计量被发送给用户界面或其它处理设备，并被分析， 以识别已知异常情况在未来发生或实际发生的模式。 一旦检测到特定的可疑 异常情况，即采取措施以校正潜在的问题，从而在第一时间避免异常情况或 快速校正异常情况。然而，这种数据的釆集和分析对于通常的维护操作员来 说费时且冗长，尤其是在具有采集这种统计数据的大量现场设备的加工厂中 更是如此。更进一步，虽然维护人员能够采集统计数据，但是该维护人员可 能不知道如何最好地分析并查看这类数据，或不知道这些数据所暗示的是什 么样的未来的异常情况(如果有的话)。检测和预测一种以上异常情况的另 一技术通过使用工厂内的统计过程 监控(SPM)所确定的过程参数或变量测量值的诸如均值、中值、标准差等 的多种统计量来施行。该检测在多种情况下通过使用专用的数据滤波器和数 据处理技术而被增强，这些数据滤波器和数据处理技术被设计为在计算上筒 单，因此能够被应用于以高采样速率在具有有限的处理能力的现场设备中所 采集的数据。被增强的数据或测量值可以用于提供过程变量或过程参数的更 好或更准确的统计量，可以用于对数据进行削减以从这些数据中去除非正常 值，可以用于将这些数据拟合为非线性函数，或可以用于快速检测诸如分裂 蒸馏塔和精炼厂催化裂化装置之类的具体工厂装置内的各秤异常情况的发生。尽管统计数据采集和处理以及异常情况检测可以在加工厂内的用户界面 设备或其它维护设备中执行，但是这些方法也可以并且有利地在诸如阀、变 送器等首先采集数据的现场设备中使用，从而从集中式用户界面设备中去除 处理负担，并且去除从现场设备向用户界面设备发送统计数据所关联的通信开销。使用前述技术的异常情况检测和预测在2005年4月4日递交的美国 专利申请No. 60/668,243、名称为"Process Diagnostics (过程诊断)"和2006 年8月17日递交的美国专利申请No. 10/668,243 (代理所编号No. 30203/41615 )、名牙尔为"Statistical Processing Methods Used in Abnormal Situation Detection (异常情况检测中使用的统计处理方法)"中公开，由此佳状态操作之前，或者在对加工厂引起损伤之前，揭示加工厂内的问题。进 一步地，特定的问题可能会"i正明更难通过统计方法来4全测。例如，在可用测 量参数与一个以上问题或故障相关的情况下，可能无法隔离特定的故障。必 须寻找另外的相关性来根据可用数据区分故障。在极普遍的化学和石油工业 应用，如流过包含热交换器的级联环路的温度中，就经常存在这种情况。期 望能够检测到该环路中会导致次最佳性能的热交换器积垢。然而，表示热交 换器积垢的测量值的变化可能与过程流体流速的测量值飘移的变化相等，从 而使得使用统计方法的检测很困难并且不切实际。


图1是具有包括一个以上操作员和维护工作站、控制器、现场设备和支 持装置的分布式控制和维护网络的加工厂的示例性框图；图2是图1的加工厂的一部分的示例性框图，图示出位于加工厂的不同 元件内的异常情况预防系统的各种部件之间的通信互连，包括统计过程监控 (SPM)块的使用；图3是示例SPM块的框图；图4是可以在加工厂中使用的典型热交换器的示意图； 图5是示出在积垢出现时热交换器的总热阻与时间的曲线图； 图6是指示可以被选择用于确定热交换器积垢的根本原因诊断参数的 表；以及图7是连接至加工厂的接口设备的绘图。
具体实施方式
图1示出可以被配置有异常情况预防系统的示例加工厂10。在一个可 能的配置中，异常情况预防系统可以被配置为与包括过程流体飘移的其它可 能的过程状况区分以识别热交换器积垢。该加工厂可以包括通过一个以上通 信网络与支持装置一起互连的若干个控制和维护系统。图1所示的加工厂 10包括一个以上过程控制系统12和14。过程控制系统12可以是诸如 PROVOX或RS3系统之类的传统过程控制系统，也可以是任何其它控制系 统，所述其它控制系统包括连接至控制器12B和输入/输出(1/0)卡12C的 操作员接口 12A，控制器12B和输入/输出(I/O)卡12C又连接至诸如模拟 和高速可寻址远程变送器(HART)现场设备15之类的各种现场设备。过程 控制系统14可以是分布式过程控制系统，并且包括通过诸如以太网总线之 类的总线连接至一个以上分布式控制器14B的一个以上操作员接口 14A。控 制器14B可以是例如得克萨斯州奥斯汀市的爱默生过程管理公司销售的 DeltaVTM控制器或任何其它期望类型的控制器。控制器14B通过I/0设备连 接到一个以上现场设备16，例如HART或Fieldbus现场i殳备，或4壬何其它 包括例如使用PROFIBUS 、 WORLDFIP 、 Device-Net 、 AS-Interface以及 CAN协议中的任一种的智能或非智能现场设备。已知现场设备16可以向控 制器14B提供与过程变量和其它设备信息有关的模拟或数字信息。操作员接 口 14A可以存储和执行过程控制操作员可用的工具以控制过程的操作，所 述工具包括例如控制优化器、诊断专家、神经网络、调谐器等。更进一 步，维护系统，例如4丸行AMS应用程序或任何其它设备监控和通信应用程序的计算机，可以连接到过程控制系统12和14或连接到其中的单个设备以施行维护和监控活动。例如，维护计算机18可以通过任何期望 的通信线路或网络12C (包括无线或手持设备网络)连接到控制器12B和/ 或连接到设备15，以与设备15通信，并且在某些情况下重新配置设备15 或对设备15施行其它维护活动。类似地，诸如AMS应用程序之类的维护应 用程序可以安装在与分布式过程控制系统14相关联的一个以上用户接口 14A上，并由所述用户接口 14A执行，以施行包括与设备16的操作状态有 关的数据采集的维护和监控功能。加工厂IO还可以包括诸如涡轮机、发动机等的各种旋转装置20,这些 装置20通过一些永久性或临时性通信链路(例如，总线、无线通信系统或 连接到装置20以进行读取而后被拿走的手持设备)连接到维护计算机22。 维护计算机22可以存储和执行由例如CSI (—爱默生过程管理公司)提供 的巳知的监控和诊断应用程序23以及用于诊断、监控和优化旋转装置20的 操作状态的任何其它已知的应用程序。维护人员通常使用应用程序23维护 和检查工厂10中的旋转装置20的性能，以确定旋转装置20的问题并确定 是否必须维修或更换旋转装置20以及维修或更换的时间。在某些情况下， 外界顾问或服务组织可以临时获取或测量与装置20有关的数据，并使用该 数据对装置20进行分析，以检测问题、不良性能或影响装置20的其它事件。 在这些情况下，运行分析的计算机可以通过任何通信线路连接到系统10的 其余部分，也可以仅临时连接到系统10的其余部分。类似地，具有与工厂IO相关联的发电和配电装置25的发电和配电系统 24通过例如总线连接到运行并检查工厂10内的发电和配电装置25的操作 的另 一计算机26。计算机26可以^L行例如由Liebert和ASCO或其它乂〉司 提供的已知电力控制和诊断应用程序27，以控制和维护发电和配电装置25。 再次，在很多情况下，外界顾问或服务组织可以使用临时获取或测量与装置 25有关的数据并使用该数据对装置25施行分析的服务应用程序来检测问 题、不良性能或影响装置25的其它事件。在这些情况下，运行分析的计算机(例如计算机26 )可以不通过任1^通信线路连接到系统10的其余部分， 也可以仅临时连接到系统10的其余部分。如图1所示，计算机30实现异常情况预防系统35的至少一部分，具体 而言，计算机系统30存储并实现配置和数据采集应用程序38、可以包括统 计采集和处理块的查看或界面应用程序40以及规则引擎开发和执行应用程 序42，并且另外还存储统计过程监控数据库43,用于存储过程内的某些设 备中产生的统计数据，例如各种过程参数的统计量。 一般而言，配置和数据 采集应用程序38对位于加工厂10内的现场设备15、 16、控制器12B、 14B、 旋转装置20或其支持计算机22、发电装置25或其支持计算机26、以及任 何其它期望设备和装置中的若干个统计数据采集和分析块(未在图1中示 出)中的每一个进行配置，或与之通信，从而从这些块中的每一个中釆集用 于执行异常情况检测的统计数据(或在某些情况下是实际的原始过程变量数 据)。配置和数据釆集应用程序38可以以可通信的方式通过硬线总线45连 接到工厂10内的计算才儿或设备中的每一个，或者可替代地，可以通过包括 例如无线连接、使用OPC的专用连接、诸如依靠手持设备采集数据等的间 歇性连接的任何其它期望通信连接连接到工厂10内的至少某些计算机或设 备中的每一个。同样，应用程序38可以通过LAN或诸如因特网、电话连接等的/>共连 接(在图1中示出为因特网连接46)获取与加工厂10内的现场设备和装置 有关的数据以及由例如第三方服务提供商采集的这种数据。进一步，应用程 序38可以以可通信方式通过包括例如以太网、Modbus、 HTML、专有技术/ 协议等的各种技术和/或协议连接至工厂10中的计算机/设备。因此，尽管这 里描述了使用OPC以可通信方式将应用程序38连接至工厂10中的计算机/ 设备的具体示例，但是本领域普通技术人员将认知到，也可以使用各种其它 方法将应用程序38连4矣至工厂10中的计算才几/设备。应用程序38通常可以 将采集的数据存储在数据库43中。一旦采集了统计数据，查看应用程序40就可以用于对这些数据进行处理，和/或以不同的方式显示所釆集的或处理后的统计数据(例如，如数据库43中所存储的)，以使诸如维护人员之类的用户能够更好地确定存在异常情况或预测未来存在异常情况，并采取抢先的或实际的校正行为。规则引擎开发和执行应用程序42可以使用存储在其中的一条以上规则来分析所采 集的数据，以确定加工厂10内存在异常情况，或预测加工厂10内未来存在 异常情况。另外，规则引擎开发和执行应用程序42可以使得操作员或其它 用户能够创建由规则引擎执行的附加规则来检测或预测异常情况。可以理 解，这里所描述的异常情况的检测涵盖了对未来出现异常情况的预测。图2示出图1的示例加工厂10的一部分50,以描绘统计数据采集和处 理以及在某些情况下是异常情况检测可以由包括位于现场设备内的块的异 常情况预防系统35所关联的组件来执行的一种方式。尽管图2示出异常情 况预防系统应用程序38、 40和42和数据库43与HART和Fieldbus现场设 备内的一个以上数据采集和处理块之间的通信，但是应当理解，类似的通信 可以发生在异常情况预防系统应用禾呈序38、 40和42与加工厂10内的其它 设备以及装置，包括图1中示出的设备和装置中的任一种之间。图2中示出的加工厂10的部分50包括具有一个以上过程控制器60的 分布式过程控制系统54，过程控制器60通过可以是符合任何期望通信或控 制器协议的任何期望类型的I/O设备的输入/输出(I/O)卡或设备68和70 连接到一个以上现场设备64和66。现场设备64被示出为HART现场设备， 现场设备66被示出为Fieldbus现场设备，但是这些现场设备可以使用任何 其它期望的通信协议。另外，现场设备64和66可以是任何类型的设备，例 如传感器、阀、变送器、定位器等，并且可以符合任何期望的开放、专有或 其它通信或编程协议，应当理解I/O设备68和70必须与现场设备64和66 所使用的期望协议相兼容。在任何情况下，可由诸如配置工程师、过程控制操作员、维护人员、工 厂管理员、监管员等的工厂人员访问的 一 个以上用户接口或计算机7 2和7 4 (可以是任意类型的个人计算机、工作站等)通过通信线路或总线76被连接至过程控制器60，其中通信线路或总线76可以使用任意期望的硬线或无 线通信结构和使用诸如以太网协议之类的任意期望的或合适的通信协议来 实现。另外，数据库78可以连接至通信总线76，以操作为采集并存储配置 信息以及在线过程变量数据、参数数据、状态数据和与加工厂10中的过程 控制器60以及现场设备64和66相关联的其它数据的历史数据库。因此， 数据库78可以操作为配置数据库，以存储包括过程配置模块的当前配置， 并且在过程控制系统54的控制配置信息下载并存储到过程控制器60以及现 场设备64和66时存储过程控制系统54的控制配置信息。同样地，数据库 78可以存储历史异常情况预防数据，包括由加工厂10中的现场设备64和 66采集和/或产生的统计数据或根据由现场设备64和66采集的过程变量确 定的统计数据。过程控制器60、 I/O设备68和70以及现场设备64和66通常位于且遍 布于有时严峻的工厂环境中，而工作站72、 74和数据库78经常位于可由操 作员、维护人员等轻松访问的控制室、维护室或其它不太严峻的环境中。一般而言，过程控制器60存储并执行使用多个不同的独立执行的控制 模块或块实现控制策略的一个以上控制器应用程序。控制模块中的每一个可 以由通常所说的功能块组成，其中每个功能块是总控制例程中的一部分或子 例程，并且与其它的功能块结合起来操作(通过称为链路的通信)，以实现 加工厂10中的过程控制环路。公知的是，可以作为面向对象的编程协议中 的对象的功能块通常施行输入功能、控制功能或输出功能之一，输入功能可 以与例如变送器、传感器或其它过程参数测量设备相关联，控制功能可以与 例如施行PID、模糊逻辑等控制的控制例程相关联，输出功能控制诸如阀之 类的一些设备的操作，以施行加工厂10中的某些物理功能。当然，还存在 诸如模型预测控制器(MPC)、优化器等的混合和其它类型的复杂功能块。 应当理解的是，尽管Fieldbus协议和DeltaV 系统协议使用以面向对象的 编程协议设计和实现的控制模块和功能块，但是控制模块也可以使用包括例 如顺序功能块、梯形逻辑等的任意期望的控制编程方案来设计，并且不限于页使用功能块或任意其它特定的编程技术来设计。如图2所示，维护工作站74包括处理器74A、存储器74B和显示设备 74C。存储器74B以下面的方式存储针对图1所讨_沦的异常情况预防应用程 序38、 40和42，即可以在处理器74A上实现这些应用程序以通过显示器 74C (或诸如打印机之类的任意其它显示设备)向用户提供信息。另外，如图2所示，现场设备64和66中的某些(和可能所有)现场设 备包括数据采集和处理块80和82。尽管块80和82针对图2被描述为高级 诊断块(ADB)，其中高级诊断块是可以被添加到Fieldbus设备中以采集和 处理Fieldbus设备内的统计数据的已知FOUNDATION现场总线功能块，但 是为了该讨论的目的，块80和82可以是或者可以包括位于过程设备内的用 于采集设备数据并计算或确定该数据的一个以上统计量或参数的任意其它 类型的块或模块，不管这些块是位于Fieldbus设备内，还是符合Fieldbus协 议。尽管图2的块80和82被示为位于设备64之一和设备66之一中，但是 这些块或类似的块可以位于任意数目的现场设备64和66中，或者位于其它 设备中，例如控制器60、 1/0设备68、 70,或者位于工厂内与多个传感器或 变送器以及与控制器60通信的中间设备中，或者位于图1中所示的任意设 备中。另外，块80和82可以在现场设备64和66的任意子集中。一般而言，块80和82或这些块的子元件采集它们所位于的设备内的数 据，例如过程变量数据，并出于若干原因而对这些数据进行统计处理或分析。 例如，被示为与阀相关联的块80可以对阀过程变量数据进行分析以确定阀 本身的操作状况，例如阀是否处于阻塞状况。另外，块80包括一组四个统 计过程监控(SPM)块或单元SPM1 - SPM4,这些块或单元可以采集阀中的 过程变量或其它数据，不管这些数据与阀的性能还是与其它过程直接相关， 并对所采集的数据施行一个以上统计计算，以确定例如所采集的数据的均 值、中值、标准差、均方根(RMS)、变化率、范围、最小值、最大值等和 /或检测所采集的数据中的诸如漂移、偏置、噪音、毛刺等事件。所生成的 具体统计数据和生成的方法并不重要。因此，针对任意目的，还可以生成不同类型的统计数据，作为以上所述的具体类型的补充或替代。另外，包括已 知技术的多种技术可以用于生成这类数据。这里词语"统计过程监控(SPM) 块"被用于描述对至少一个过程变量或其它过程参数施行统计过程监控的功 能，该功能可以由数据被采集的设备中的或甚至是该设备外部的任意期望的 软件、固件或硬件来实现。应当理解，由于SPM通常位于在其中设备数据被采集的设备中，因此SPM能够获得数量和质量更准确的过程变量数据。 因此对于所釆集的过程变量数据，SPM块通常能够比位于其中过程变量数 据被采集的设备外部的块确定更好的统计计算。作为另一示例，图2的被示出为与变送器相关联的块82可以分析由变 送器采集的过程变量数据和其操作状况，例如确定工厂内的线路是否被插 接。另外，块82包括一组四个SPM块或单元SPM1-SPM4,其可以采集变 送器内的过程变量或其它数据，并对所采集的数据施行一种以上统计计算以 确定所采集的数据的例如均值、中值、标准差等。如果期望的话，可以如以 上所引用的美国专利No. 6，010，143中描述的那样，施行或实现块80和82 的基本操作。尽管块80和82被示出为各自包括四个SPM块，但是块80和 82中也可以具有任意其它数目的SPM块来采集数据并确定与该数据相关联 的统计量。同样，尽管块80和82被示为包括用于检测工厂10内的特定状 况的检测软件，但是它们并不是必须具有这种检测软件，它们也可以包括以 下所述的用于检测工厂内的其它状况的检测软件。更进一步地，尽管这里所 讨论的SPM块被示为ADB的子元件，但是它们可以也可以是位于设备内的 独立块。并且，尽管这里所讨论的SPM块可以是已知的FOUNDATION现 场总线SPM块，但是这里所使用的词语统计过程监控(SPM)块是指采集 诸如过程变量数据之类的数据并对这些数据施行某些统计处理以确定诸如 均值、标准差等的统计量的任意类型的块或元件。因此，该词语意在覆盖施 行该功能的软件或固件或其它元件，不管这些元件是功能块的形式，还是其 它类型的块、程序、例程或元件，也不管这些元件是符合FOUNDATION现 场总线协议，还是符合某些其它协议，例如PROFIBUS、 WORLDFIP、Device-Net、 AS-interface、 HART、 CAN等协议。图3示出SPM块90 (其可以是图2的块80和82中的任意SPM块或 任意其它设备)的框图，SPM块卯在输入端92处接收原始数据，并操作 为计算该数据的多个统计量，包括均值、RMS值和一个以上标准差。对于 原始输入数据的给定集合，块卯还可以确定最小值(Min)、最大值(Max) 和值域。如果期望的话，该块还可以计算这些数据内的特定点，例如Q25、 Q50和Q75点，并且可以基于分布来施行非正常值的去除。当然，该统计处 理可以使用任意期望的或已知的处理技术来施行。尽管图2中示出了特定的统计监控块，但是应当理解，也可以或者另外 可以对其它参数进4亍监控。例如，SPM块或针对图2所讨论的ADB可以计 算与过程相关联的统计参数，并且可以基于这些值的变化而触发特定的警 告。举例来说，Fieldbus型的SPM块可以对过程进行监控，并提供与被监 控的过程变量或配置参数相关联的若干不同的数据。这些数据可以包括块标 签、块类型、均值、标准差、均值变化、标准差变化、基线均值、基线标准 差、高变化限、低动态限、均值限、状态、参数指标、时间戳和用户命令。 两个最常用的参数是均值和标准差。然而，经常有用的其它SPM参数是基 线均值、基线标准差、均值变化、标准差变化和状态。当然，SPM块可以 确定任何其它期望的统计量或参数，并且可以向用户或请求应用程序提供与 特定的块相关联的其它参数。因此，SPM块不限于这些所讨论的块。还可以理解的是，现场设备内的SPM块(SPM1 - SPM4)的参数可以 通过总线或通信网络76和控制器60而对诸如工作站74的外部客户端可用， 或对例如适于运行应用程序38的任何其它外部设备可用 附加地或可替代 地，由ADB 80和S2中的SPM块〔SPM1 _ SPM4 )收集或产生的参数和其 它信息可以通过例如合适的服务器，例如OPC服务器89，而对诸如工作站 74的外部工作站可用。该连接可以是无线连接、硬线连接、间歇性连接(例 如使用 一个以上手持设备的连接)或使用任何期望的或合适的通信协议的任 何其它期望的通信连接。当然，这里所描述的任意通信连接可以使用OPC通信服务器将从不同类型的设备接收到的数据整合为通用的或一致的格式。 更进一步，可以将SPM块放置在除现场设备之外的其它主设备中，或 放置在其它现场设备中，以在采集或产生诸如原始过程变量数据的原始数据的设备外部施4亍统计过程监控。因此，例如，图2的应用程序38可以包括 通过例如OPC服务器89采集原始过程变量数据并且针对该过程变量数据来 计算诸如均值、标准差等的某些统计量或参数的一个以上SPM块。尽管这 些SPM块并不位于采集数据的设备中，因此通常由于对这些数据的通信需 求而无法采集足够施行统计计算的过程变量数据，但是这些块对确定不具有 或不支持SPM功能的设备的统计参数或这类设备内的过程变量有所帮助。 另外，随着技术的改进，网络的可用吞吐量会随时间增加，并且不位于釆集 原始数据的设备中的SPM块也能够采集更多的过程变量数据来施行统计计 算。因此，在以下的讨-沦中应当理解，被描述为由SPM块产生的任《可统计 量或参数可以由诸如ADB 80和82中的SPM1 - SPM4块或主机或包括其它 现场设备的其它设备中的SPM块之类的SPM块产生。而且，异常情况检测 和其它数据处理可以使用SPM块所位于的现场设备或其它设备中的统计量 来施行，因此基于SPM块所生成的统计量的检测并不限于在诸如用户界面 之类的主设备中施行的检测。重要的是，数据的最大程度的有益使用以及如上所述基于这些数据的各 种统计量的计算在纟艮大程度上首先依赖于这些数据的准确率。可以在SPM 块中应用多种数据处理功能或方法或以其它方式增加数据的准确率或有用 性和/或对数据进行预处理并开发更准确或更好的统计数据。因此，可以采 用诸如削减和滤波之类的各种数据处理技术。削减在检测然后消除尖峰、非 正常值和不好的数据点以使这些数据点不会歪曲统计参数时有用。削减可以 基于分类和去除数据的特定顶部百分比和底部百分比来施^f亍，也可以使用基 于标准差或其它加权的动态平均值的阈值来施行。被削减的点可以从数据序 列中去除，或者可以施行插值，以便使用基于所采集的在非正常值数据之前 和/或之后的其它数据而对该数据的估计来替换该数据。滤波器可以使用任何已知的或可用的数字信号处理技术来实现，并且可以使用任何已知的滤波 器参数来指定或定义，这些滤波器参数例如滤波器的期望斜率、滤波器的通 过和抑制频率等。^吏SPM块(或其它地方)中的统计确定准确和有用的另 一重要方面涉及选择正确的用于计算诸如均值、标准差等的统计量的数据块 或时间长度。可以使用纯统计准则来选择点数，以确定采样。可替换地，可 以使用块长度计算技术。这种技术可以基于所采集的测试点来预期信号的频 率分量(例如频域)，以及预期根据频率分量而确定的支配系统时间常数， 以便将块长度设置为支配系统时间常数的几倍(其可以是整数或非整数倍)。使用SPM'块和这里所描述的技术的 一个有利方面涉及对热交换器进行监控和使用针对热交换器的统计过程监控执行诊断。具体而言，基于过程流 体入口和出口温度、控制流体入口和出口温度以及设备操作状态和/或参数的各种诊断方法可以用于确定热交换器的健康状况和性能，尤其是确定热交 换器积垢的出现。如上所述，这里所描述的方法可以或者在工厂内的现场设 备中或者在主机系统中被实现为软件。这些方法的主要优点是使用可以由现 场仪表估测的统计过程参数来提供高质量的测量值和快速估计。图4示出可以在诸多加工厂中见到的典型热交换器100的示意图。如图 4所示，热交换器具有外套管102。第一分隔物104和第二分隔物106将套 管102的内部划分为入口室108、出口室110和套管腔112。多个管3各114 将入口室108与出口室IIO连通，因此将入口管路116与出口管路118连通。 套管入口 120和套管出口 122连接至腔112，并且套管入口 120,皮布置得邻 近分隔物106，而套管出口 122被布置得邻近分隔物104。可选的多个折流 板124在从套管入口 120到套管出口 122的腔中定义了迂回路径。如图4所 描绘的，"过程"流体或"热"流体可以通过入口管路116和入口室108进 入热交换器100。热流体通过/人入口室108到出口室110的管^各114传送， 并且热流体通过出口管路118从出口室退出热交换器。该热流体流由箭头 hin和h。ut描绘。"控制"流体或"冷"流体通过套管入口 120进入腔112， 在管^各114周围沿着折流板124定义的迂回路径传送，通过套管出口 122退出腔112。冷流体流由箭头Cin和C加描绘。如这里所使用的，词语过程流体 或热流体用于表示温度被控制流体或热流体，如第二流体，通过热交换器控 制的流体，如第一流体。在理解一种流经热交换器的流体的温度由另一流经 热交换器的流体流所控制的情况下可以普遍地和互换的使用这些词语。应当 进一步理解，这里所描述的发明适用于使用热流体和冷流体词语更易理解的 简单热交换器，也适用于使用过程流体和控制流体词语更易理解的温度流(temperature-to-flow)级Jf关环路i殳置。热流体具有热流体入口温度T(h，in)、热流体出口温度T(h,out)和热流体 流速Flow(h)。类似地，冷流体具有冷流体入口温度T(c，in)、冷流体出口温 度T(c,out)和冷流体流速Flow(c)。热交换器100仅示出具有一个套管通道和一个管路通道以及交叉逆流 操作的套管-管路热交换器。其用于方便对这里所描述的预测和诊断热交换 器的性能的方法的理解。无论是单通道或多通道、交叉流或平行流、管路和 套管等的特定的热交换器结构对于这里所描述的方法的工作来说并不重要， 该方法可以用于监控几乎任意热交换器结构的健康状况和性能。图4中并没有描绘可操作为提供与热流体和冷流体有关的数据的现场 设备或其它传感器或仪表。例如可从柔斯芒特得到的诸如变送器设备之类的 合适的设备或用于控制相应的流速特别是冷流体流速的阀可以适当地耦接 至每个入口和出口。也可以使用可替换的设备和仪表，并且任意合适的设备 可以用于获取与入口处和出口处的热流体以及入口处和出口处的冷流伴、有 关的数据。此外，设备和/或仪表可以提供初步的数据筛选(采样、削减和 滤波)，并且这些数据可以由例如均值和标准差的统计数据组成。热交换器性能和健康状况可以基于例如热交换器的热阻之类的热交换 器的操作特征的确定而确定。热阻可以通过能量守恒公式来确定。=磁r腳=<cA at; = <cc Arc (i)其中^是热传送速率，a是热传送的表面积，u是每单位表面积的平均热传送系数，ATLMTD是热交换器的对数平均温度差。A丁LMTD可以被定义为a;腳- a 1—a 2 (2)对于逆流热交换器100, At,和At2可以与热流体和冷流体入口和出口温度有 关，假设热流体正在^皮冷却，则它们的关系如下△A = - ， = 4,ow -《ow ( 3 )对于平行流热交换器，At,和At2可以与热流体和冷流体入口和出口温度有 关，假i殳热流体正在被冷却，则它们的关系如下MU一； a^U一 (4) a针对热交换器^皮定义，然而u^f艮难以分析方式确定。不过，乘积ua可以 基于其它测量值来计算得到。根据公式(1): 1 at atw — at; 一 &ccc Arcl项已知是总热阻。总热阻可以基于在热交换器控制环路中通常可获得的 c/」测量值而计算得到。具体来说，可以用于计算总热阻的测量值的集合包括热 流体的入口温度和出口温度和冷流体的入口温度和出口温度以及热流体流 速和冷流体流速。也可以使用或可替代地使用可能与总热阻相关的其它测量 值。可以查看并评估基于热交换器的热阻的统计数据，以确定热交换器的健康状况，并预测热交换器积垢。图5示出热交换器的总热阻随时间的百分比 变化。该数据可以提供若干指示。对于绝对值水平，热阻超过预定阈值例如 25%可以指示热交换器积垢。热阻的变化速率，例如图的斜率，可以预测热 交换器什么时候会被积垢到对工厂性能产生不利影响的水平。这里所描述的方法可以被实施为更宽泛的根本原因诊断(RCD)规则基 础的一部分。在这种情况下，大量过程数据和参数可用于估测，其中少部分 在图6所示的表中示出。该表示出若干故障状况140和若干过程参数142。22过程参数142中包括热流体入口温度T(h,in)、热流体出口温度T(h，out)、冷 流体入口温度T(c，in)、冷流体出口温度T(c,out)、热流体流Flow(h)、热流体 控制阀的控制需求CD(h)、冷流体控制阀的控制需求CD(c)、主级联控制环 路的温度设定点SP(t)、热流体流速控制的设定点SP(h)、热交换器两端热流 体方面的差压DP(h)、热流体控制阀的阀位置VP(h)、冷流体控制阀的阀位 置VP(c)和冷流体流速的设定点SP(c)。另外，还示出计算得到的热交换器总 热阻值1/UA。该表示出表示热流体流测量值飘移的状况的第一集合144, 和表示热交换器积垢的状况的第二集合146。状况集合反应出特定监控参数 的变化，例如相对于学习到的基线均值ju和/或标准差ct，参数是"高，，还是 "低"。也就是说，在初始学习过程期间，建立基线参数，例如但不限于， 均值和标准差。监控参数可以相对于基线参数或其乘积以高或低为基础进行 比较，例如，如果监控值在正方向或负方向从基线值偏离3个标准差，则该 参凄M皮i人为是高或低。在图示的示例中，所有事情相同的情况下，可用的过程数据并没有提供 足够的证据来确定该故障是热交换器积垢146还是热流体流测量值飘移 144。然而，已经可用的附加计算值，即热交换器总热阻1/UA,允许识别热 交换器积垢146。统计过程监控可以被用于使用可从工厂SPM块获得的数据来确定指示 热交换器积垢的总热阻的基线。可以在SPM块或其它块中使用监控阶段， 结合其它过程数据来检测热交换器总热阻的增加、增加的速率和总热阻的 值。这些附加的过程数据可以包括图6的表中所示的冷流体出口温度 T(c,out)、热流体流Flow(h)、热流体控制器的控制需求CD(h)、冷流体控制 器的控制需求CD(c)、热交换器两端热流体方面的差压DP(h)、热流体控制 阀的阀位置VP(h)、冷流体控制阀的阀位置VP(c)和冷流体流速的设定点 SP(c)。另外，使用统计过程监控的诊断可以针对热交换器100而有利地施行。具体而言，可以使用各种诊断方法确定热交换器的健康状况。该统计处理方法可以在诸如各种柔斯芒特变送器设备之类的现场设备中或在主机系统处 被实现为软件。这些方法的优点是使用由现场设备仪器所估测的、提供高质 量测量值和快速估计的统计过程参数的能力。有很多可能的实现这些统计方法和检测的平台。具体而言，这些状况可 以被检测为与热交换器100相关联的阀或变送器、温度传感器/变送器、电 平传感器/变送器、压力传感器/变送器等中的变送器高级诊断块的一部分。 具体而言，可以在系统健康时，训练诊断块以检测或确定基线热阻，在建立 基线之后，诊断块可以监控热阻的均值和任意其它合适的参数。另一方面， 可以使用变送器或其它现场设备中的SPM块由简单的阈值逻辑来实现监控和4全测。也就是说，SPM块可以对热阻进4亍监控，以确定其均值、标准差等，并将这些统计量与预先建立的阈值(可以由用户设置或可以基于训练期 间的合适过程变量的测量值计算得到的基线统计量)进行比较。而且，如果 期望的话，与现场设备连接的用户界面设备或其它计算设备中所运行的主机 水平软件，例如高级诊断块探测器或专家，可以用于设置和监控正常值和异常值，并基于上述概念来施行异常情况;险测。图7示出加工厂系统200和在一系列现场i殳备204 (形成热交换器206 的一部分)与可以根据这里所描述的实施例中的一个以上实施热交换器积垢检测的过程控制器系统208之间连接的接口设备202。这里，接口设备202 可以向主机210提供用于查看的数据，并且可以向控制器系统208提供警告 或警报。控制器系统208可以将这些警告或警报与其它控制器类型的警告和 警报集成在一起，以供如操作员工作站212处的控制操作员查看。当然，如 果期望的话，主机工作站212也可以包括任意期望的查看应用程序，以便以 几乎任意期望的方式查看接口设备202中所采集的和由接口设备202提供的 数据。同样，可以使这些数据能由其它用户通过网页浏览器214来查看。因 此，可以理解，这里所讨论的与异常情况预防系统相关联的各种应用程序、 SPM块(如果使用的话)以及其并且将该数据发送给诸如接口设备202的实现热交换器积垢检测系统的另一设备。警告、警报或其它指示可以被发送给诸如工作站212的用于向用户 呈现的再一设备。同样，配置信息可以通过诸如主机、网页浏览器、PDA 等的用户界面设备输入，并且被发送给诸如接口设备202之类的不同的设 备。这里所示出和描述的诸如SPM或ADB块之类的块中的一些或全部都可 以完全或部分地4吏用软件、固件或石更件来实施。类似地，这里所讨论的示例 方法可以完全或部分地使用软件、固件或硬件来实施。如果至少部分地使用 软件程序来实施，则该程序可以被配置为由处理器执行，并且可以具体体现 为存储在诸如CD-ROM、软盘、硬盘、数字通用盘(DVD)之类的有形介 质或与处理器相关联的存储器上的软件指令。然而，本领域技术人员容易理 解，整个程序或程序的一部分也可以由处理器之外的设备执行，和/或以公 知的方式被具体体现为固件和/或专用硬件。尽管本发明可以容许各种修改和替换架构，但还是在附图中示出并在此 详细描述了本发明的特定示例性实施例。然而，应当理解，并没有将本公开 内容限制为所公开的具体形式的意图，相反，意在覆盖落于所附权利要求所 限定的本公开内容的精神和范围内的所有修改、替换架构及等同物。
权利要求
1、一种检测与热交换器相关联的异常情况的方法，包括接收与热交换器所关联的至少一个传感器设备所检测的过程参数有关的测量数据；使用所述测量数据确定与所述过程参数相关联的一个以上统计量；和使用与所述过程参数相关联的一个以上统计量来检测热交换器内的异常情况。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述异常情况包括热交换器积垢。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中所述过程参数涉及热交换器的总 热阻。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中所述过程参数涉及以下中至少之 一第一流体入口温度、第一流体出口温度、第一流体流速、第二流体入口 温度、第二流体出口温度或第二流体流速。
5、 根据权利要求1所述的方法，其中所述过程参数是由以下组成的过 程参数的组中的一项第一流体入口温度、第一流体出口温度、第二流体入 口温度、第二流体出口温度、第一流体流量、第二流体流量、第一流体控制 阀的控制需求CD(h)、第二流体控制阀的控制需求CD(c)、主级联控制环路 的温度设定点SP(t)、第一流体流速控制的设定点SP(h)、热交换器两端第一 流体方面的差压DP(h)、第一流体控制阀的阀位置VP(h)、第二流体控制阀 的阀位置VP(c)和第二流体流速的设定点SP(c)。
6、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括对所述测量数据进行处理 以生成处理后的数据，并且其中确定与所述过程参数相关联的一个以上统计 量包括使用所述处理后的数据确定所述一个以上统计量。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中确定与所述过程参数相关联的一 个以上统计量包括确定所述过程参数的第一统计量的基线值，和根据所述 测量数据确定所述过程参数的另外的统计量，并且其中使用与所述过程参数相关联的一个以上统计量来检测热交换器内的异常情况包括将所述过程参数的第一统计量的基线值与所述过程参数的另外的统计量进行比较以确定 异常情况的存在。
8、 根据权利要求7所述的方法，其中确定所述过程参数的第一统计量 的基线值包括将所述基线值确定为所述测量数据的第一集合的统计量，并 且其中根据所述测量数据确定所述过程参数的另外的统计量包括根据所述 测量数据的第二集合确定所述过程参数的另外的统计量。
9、 根据权利要求7所述的方法，其中确定所述过程参数的第一统计量 的基线值包括使用所述过程参数的预定值作为所述过程参数的第一统计量 的基线值。
10、 根据权利要求1所述的方法，其中使用与所述过程参数相关联的一 个以上统计量来检测热交换器内的异常情况包括检测所述过程参数的变化速率。
11、 根据权利要求1所述的方法，其中使用与所述过程参数相关联的一 个以上统计量来检测热交换器内的异常情况包括相对于设定值评估所述过 程参数。
12、 根据权利要求1所述的方法，包括根据根本原因诊断故障表組织 所述测量数据，并且其中使用与所述过程参数相关联的一个以上统计量来检 测热交换器内的异常情况包括评估所述一个以上统计量中的每一个统计量 与学习到的基线值的相对偏离。
13、 根据权利要求1所述的方法，其中接收与过程参数有关的测量数据 和使用所述测量数据来确定与所述过程参数相关联的一个以上统计量包括 提供与过程设备相关联的统计过程监控(SPM)块，所述SPM块被配置为 获取所述数据并提供所述统计量。
14、 一种检测热交换器中的异常情况的方法，包括 提供与热交换器相关联的多个统计过程监控(SPM)块，每个SPM块接收与热交换器相关联的过程参数的测量值，并且根据所述过程参数测量值来确定所述过程参数的统计量，以提供多个统计量；提供所述统计量中的每个统计量的基线值；确定每个统计量与其所关联的基线值之间的差；和基于所述过程参数的统计量与所述基线值的比较来检测热交换器内异 常情况的存在。
15、 根据权利要求14所述的方法，包括提供根本原因诊断(RCD) 表，并且在所述RCD表内组织所述统计量。
16、 根据权利要求14所述的方法，其中所述异常情况包括热交换器积垢。
17、 根据权利要求14所述的方法，其中所述过程参数涉及热交换器的 总热阻。
18、 根据权利要求14所述的方法，其中所述过程参数涉及以下中至少 之一第 一流体入口温度、第 一流体出口温度、第 一流体流速、第二流体入 口温度、第二流体出口温度或第二流体流速。
19、 根据权利要求14所述的方法，其中所述过程参数是由以下组成的 过程参凄t的组中的一项第一流体入口温度、第一流体出口温度、第二流体 入口温度、第二流体出口温度、第一流体流量、第二流体流量、第一流体控 制阀的控制需求CD(h)、笫二流体控制阀的控制需求CD(c)、主级l^关控制环 路的温度设定点SP(t)、第一流体流速控制的设定点SP(h)、热交换器两端第 一流体方面的差压DP(h)、第一流体控制阀的阀位置VP(h)、第二流体控制 阀的阀位置VP(c)和第二流体流速的设定点SP(c)。
20、 根据权利要求14所述的方法，其中所述基线值包括以下中至少之 一学习到的均值、学习到的标准差值、学习到的均值的倍数、学习到的标 准差值的倍数、或学习到的均值与学习到的标准差值的线性组合。
全文摘要
使用工厂内的统计过程监控块得到的一个以上过程参数或变量测量值的诸如均值、中值、标准差等的多个统计量来施行一种以上异常情况的检测。该检测可以包括确定工厂中的一个以上热交换器的健康状况和性能，特别是检测一个以上热交换器的积垢状况。在所述统计量中，该检测可以包括热交换器的总热阻的计算，热交换器的总热阻可以指示热交换器性能的某些情况，特别是由于热交换器积垢导致的热交换器性能的降低。
文档编号G06F15/00GK101601023SQ200880003812
公开日2009年12月9日 申请日期2008年1月15日 优先权日2007年1月31日
发明者约翰·菲利普·米勒 申请人:费舍-柔斯芒特系统股份有限公司