用於監控過程控制系統中的閥門狀態和性能的系統和方法

2023-08-08 09:37:16 4

專利名稱：用於監控過程控制系統中的閥門狀態和性能的系統和方法
技術領域：
本公開總的涉及過程控制系統，更具體地涉及用於監控過程控制系 統中的閥門狀態和性能的系統和方法。
背景技術：
處理設施通常是使用過程控制系統來管理。處理設施的例子包括制
造設備(plant)、化工設備、原油精煉設備、以及礦石處理設備。在 其他的操作中，過程控制系統通常管理處理設施中的發動^/L、閥門和 其他工業設備的使用。
閥門(不論是控制閥門、轉動閥門還是其他類型的閥門)常常是關 鍵的設備控制元件，並且它們是設備操作期間最常見的破裂來源之一。 閥門故障常常難於檢測或者預測，因為大量的設施不具有智能閥門遠 程位置調節器。而是，這些設施通常使用簡單的電流-到-壓力轉換器 (具有或不具有外部位置傳感器)或者基於正常4-20mA的閥門遠程 位置調節器(它基本上是一個包裝中的電流-到-壓力轉換器和位置傳 感器)。儘管智能閥門或者智能閥門遠程位置調節器具有若干好處， 但是設施通常沒有設計置換傳統的簡單閥門遠程位置調節器直到該設 備結束壽命，因為用於這樣變動的生產的設備成本和損失常常在財政 上不合理。添加無線智能設備到現有設備上而不要求大的斷電的能力 使得無線實現對於工業設施來說財政上可行並且允許診斷和控制數據 都能引入工業設施中來改進維護和過程控制。

發明內容
本公開提供了用於監控過程控制系統中的閥門狀態和性能的系統和 方法。
在第一個實施例中，設備包含至少一個無線閥門元件、；故配置為與 至少 一個無線閥門元件通信的第 一 收發信機，以及被配置與第 一收發 信機進行無線通信的笫二收發信機。第二收發信機還被配置與過程控 制系統通信。在特定實施例中，該設備還包括至少一個第二無線閥門元件和被配 置與至少 一 個第二無線閥門元件進行通信的第三收發信機。第二收發
信機還被配置與第三收發信機進行無線通信。
在第二實施例中，過程控制系統包含至少一個控制器。該過程控制 系統還包括能夠由該至少 一個控制器控制的至少 一個無線閥門元件。 該過程控制系統還包括被配置與至少 一個無線閥門元件通信的第 一收 發信機和被配置與第一收發信機進行無線通信的第二收發信機。第二 收發信機還被配置與至少 一 個控制器進行通信。
在第三實施例中，方法包括在第一收發信機處接收來自至少一個無 線閥門元件的數據。該方法還包括無線地傳送該數據到第二收發信機， 並且將該數據從第二收發信機傳送到過程控制系統。
在第四實施例中，設備包括至少一個無線閥門元件、以及被配置為 與至少 一 個無線閥門元件通信的第 一 收發信機。該設備還包括被配置 與第一收發信機進行無線通信的第二收發信機。在一些實施例中，第 二收發信機還被配置與監控系統通信。
利要求可以很容易明白。


為了更完整地理解本公開，現在結合附圖參考以下說明，其中
圖1圖示了根據本公開的一個實施例的示例性過程控制系統；
圖2圖示了根據本公開的一個實施例的過程控制系統中包括無線部
分的示例性過程元件；以及
圖3圖示了根據本公開的一個實施例的使用無線設備進行過程控制
的示例性方法。
具體實施例方式
圖1圖示了根據本公開的一個實施例的示例性過程控制系統100。如 圖1所示的過程控制系統100的實施例只用於說明目的。在不背離這 一公開的範圍的情況下，可以使用過程控制系統100的其他實施例。
在這個示例性實施例中，過程控制系統100包含一個或多個過程元 件102a-102b。過程元件102a-102b代表可以執行任何各種各樣功能的過程或生產系統中的部件。例如，過程元件102a-102b可以代表發動 機、催化裂化裝置、閥門和生產環境中的其他工業設備。過程元件 102a-l 02b可以代表在任何適當的過程或生產系統中的任何其他的或 額外的部件。每個過程元件102a-102b包括任何硬體、軟體、固件、 或其組合，用於執行過程或生產系統中的一個或多個功能。雖然在這 個例子中示出了僅兩個過程元件102a-102b,在過程控制系統100的特 定實現中可以包括任何數量的過程元件。新過程元件102a-102b的實 現可以包括使現有過程元件增加新的無線使能設備(其增加了現有過 程元件)。增加設備將可以提供額外過程數據以及診斷數據給過程控 制系統或者維護系統(控制器、應用、伺服器、站)。
在各種實施例中，過程元件102a包括關於圖2更具體地加以描述的 收發信機206,用於控制作為過程元件102a —部分的任何過程元件和 與該任何過程元件進行通信。
兩個控制器104a-104b被耦合到過程元件102a-102b。控制器 104a-104b控制過程元件102a-102b的操作。例如，控制器104a-104b 可以能夠監測過程元件102a-102b的操作，並且提供控制信號給過程 元件102a-102b。控制器104a-104b中的每個包括4壬何硬體、軟體、固 件、或其組合，用於控制過程元件102a-102b中的一個或多個。控制 器104a-104b可以例如包括運行GREEN HILLS INTEGRITY才喿作系統的 PowerPC處理器系列的處理器或運行微軟^L窗作業系統的X86處理器系 列的處理器。
兩個伺服器106a-106b耦合到控制器104a-104b。伺服器106a-106b 執行各種功能，以支持控制器104a-104b和過程元件102a-102b的操 作和控制。例如，月l務器106a-106b可以記錄由控制器104a-104b所 收集或生成的信息，比如有關過程元件102a-102b操作的狀態信息。 伺服器106a-106b還可以執行應用，所述應用控制控制器104a-104b 的操作，從而控制過程元件102a-102b的操作。此外，伺服器106a-106b 可以提供到控制器104a-104b的安全接入。伺服器106a-106b中的每 個包括任何硬體、軟體、固件、或其組合，用於提供接入或控制控制 器104a-104b。伺服器106a-106b可以例如代表執;f亍微軟視窗作業系統 的個人計算機(比如臺式計算機)。作為另一個例子，伺服器106a-106b 可以包括運行GREEN HILLS INTEGRITY作業系統的PowerPC處理器系列的處理器或運行微軟視窗作業系統的x86處理器系列的處理器。
一個或多個操作者站108a-108b耦合到伺服器106a-106b, —個或多 個操作者站108c耦合到控制器104a-104b。操作者站108a-108b代表 計算或通信設備，其提供到伺服器106a-106b的用戶接入，然後該服 務器106a-106b可以提供到控制器104a-104b以及過程元件102a-102b 的用戶接入。操作者站108c代表計算或通信設備，其提供到控制器 104a-104b的用戶接入(不使用伺服器106a-106b的資源)。作為具體 實例，使用控制器104a-104b和/或伺服器106a-106b所收集的信息， 操作者站108a-108c可以允許用戶審查過程元件102a-102b的工作歷 史。操作者站108a-108c還可以允許用戶調整過程元件102a-102b、控 制器104a-104b、或伺服器106a-106b的操作。操作者站108a-108c中 的每個包括任何硬體、軟體、固件、或其組合，用於支持用戶接入和 控制系統100。操作者站108a-108c可能例如代表了具有顯示器和執行 微軟視窗作業系統的處理器的個人計算機。
在這個例子中，至少一個操作者站108b遠離伺服器106a-106b。該 遠程站通過網絡IIO耦合到伺服器106a-106b。網絡IIO促進了系統 100中的各個部件之間的通信。例如，網絡110可以在網絡地址之間傳 送網際網路協議(IP)分組、幀中繼幀、異步轉移才莫式 (ATM)單元、 或其他適當的信息。網絡110可以包括一個或多個區域網(LAN)、城 域網(MAN)、廣域網(WAN)、全部或部分的全球網絡比如網際網路、 或在 一 個或多個地點上的任何其他 一 個或多個通信系統。
在這個例子中，系統100還包括兩個額外的伺服器112a-112b。服務 器112a-112b執行各種應用來控制系統100的整體操作。例如，該系 統100可以用於處理或生產設備或其他設施中，並且伺服器112a-112b 可以執行用於控制設備或其他設施的應用。作為特定例子，伺服器 112a-112b可以執行應用，比如企業資源規劃(ERP)、製造執行系統 (MES)、或任何其他的或額外的設備或過程控制應用。伺服器 112a-112b中的每個包括任何硬體、軟體、固件、或其結合，用於控制 系統100的整體操作。
如圖1所示，系統100包括多種冗餘網絡114a-114b和單一網絡 116a-116b,其支持系統100中的部件之間的通信。這些網絡114a-114b、 116a-116b中的每個代表任何適當的網絡或網絡的結合，促進系統100中的部件之間的通信。網絡114a-114b、 116a-116b可能例如代表以太 網。過程控制系統100根據特定需要可以具有任何其他適當的網絡拓 樸結構。
在操作的一個方面中， 一個或多個過程元件102a-102b中的每個可 能包括無線閥門元件，如下面參考圖2具體地加以描述的。例如，在 一些實施例中，過程元件102a-102b中的至少一個^K表閥門(比如4空 制閥門或者其他閥門)，它包括能夠無線地控制閥門的無線閥門元件。 雖然下面僅描述了過程元件102a包括無線閥門元件和無線部分，但在 過程控制系統100中的任何數量的過程元件能夠包括無線閥門元件和
例如:無線閥門元件可以,使得能夠更好地控制閥門和無線地提供關於 閥門的健康情況和狀態的額外信息給過程控制系統。各種實施例提供 了智能閥門遠程位置調節器具有增加的靈活性、較低成本以及較低風 險的好處。
雖然圖1示例了過程控制系統100的一個例子，但是可以對圖1做 出各種改變。例如，控制系統可以包括任何數量的過程元件、控制器、 伺服器、和操作者站。
圖2示例了根據本公開的一個實施例在過程控制系統100中包括無 線部分的過程元件102a的例子。圖2中示例的過程元件102a只用於 說明目的。在不背離本公開的範圍的情況下，其他過程元件可以用於 過程控制系統中。此外，為了便於解釋，圖2所示的過程元件102a關 於圖1的過程控制系統100進行描迷。圖2所示的過程元件102a可以 用於任何其他適當的設備或系統。
在這個例子中，過程元件102a包含一個或多個無線閥門元件202和 由兩個收發信機204和206所形成的無線部分，它們通過無線連接208 進行通信。無線閥門元件202包括任何硬體、軟體、固件、或其組合， 用於執行過程或生產系統中的 一 個或多個智能閥門功能。在 一 些實施 例中，無線閥門元件202可以是常規的過程閥門，它已經被修改來與 收發信機204進行通信，如下面所描述的。在其他實施例中，設備中 的現有閥門可以使用如這裡所描述的無線閥門元件202來翻新改進。
一個或多個無線閥門元件202耦合到收發信機204。在一些實施例 中，無線閥門元件202直接連接到收發信機204。在特定實施例中，收
8發信機204與無線閥門元件202集成或者集成到無線閥門元件202中。 收發信機204通過無線連接208與收發信機206通信，收發信機206 進而又通過網絡116b進行通信。根據執行情況，收發信機204可以支 持單向或雙向通信。例如，當沒有任何指示或其他數據將發送到該無 線閥門元件202時，收發信機204可以能夠傳輸並且不接收。如這裡 所使用的，閥門控制數據可以包括通過收發信機206發送到無線閥門 元件202或者收發信機204的任何數據，並且閥門狀態數據可以包括 由無線閥門元件202或者收發信機204發送到收發信機206的任何數 據。
無線連接208能夠根據特定需要使用任何適當的無線技術來實現。 適當的無線技術可以包括但不僅限於模擬和數字射頻UF)信號、以 及特別協議比如WiFi、藍牙、TDMA、 CDMA、 OFDMA、 RFID、光信令以及 其他。收發信機204和206能夠使用與所需要的無線技術一致的任何 適當的收發信機技術來實現。
雖然收發信機204可以通常位於非常接近無線閥門元件202或與無 線閥門元件202集成，但是收發信機206能夠根據需要位於靠近或遠 離收發信機204,只要無線連接208可靠。在許多實現情況下，無線閥 門元件202和收發信機204是電池供電的，收發信機206可以儘可能 接近收發信機204,以便最小化傳輸功耗。
在一些實施例中，收發信機206直接連接到網絡116b。在特定實施 例中，收發信機206是專用收發信機或實現為數據處理系統、控制器、 或其他設備或系統的一部分。
結合先進的過程控制和優化技術的無線技術，使得關於閥門的額外 信息能夠提供給控制器或其他設備。這可以提供更好的控制保真度而 無需與硬連線設備相關的高成本安裝。它還可以使得能夠更有效地控 制閥門和允許更大能力地檢測或者預測閥門故障。在一些實施例中， 無線閥門元件包括事先存在的過程閥門，該過程閥門已經被修改成能 夠提供獨自相比事先存在的過程閥門來說額外的過程值讀取或者診斷 讀取。在一些實施例中，這些讀取不被發送到完整的過程控制系統， 而是被發送到監控系統，該監控系統能夠實現在運行任何數量的監控 或者診斷應用的常規數據處理系統中或者能夠實現為控制器104a的一 部分。
9在一些實施例中，過程控制系統100能夠接收來自無線閥門元件202 和其他過程元件的數據並且能夠聚集來自每個無線閥門元件202的數 據。過程控制系統100可以然後使用這個數據來確定閥門性能的準確 表示。根據閥門性能，過程控制系統100能夠確定閥門是否可以繼續 被使用，識別出任何閥門性能退化，並且確定閥門是否需要維護。閥 門性能退化可以進一步由過程控制系統100用來確定它的動作和自動 調節任何相關過程來補償該退化。而且，這個信息能夠由過程控制系 統100或者資產管理系統使用來估計或者確定閥門故障的準確點和識 別出適當的預防或者糾正動作。
無線閥門元件202可以提供顯著的好處，比如當故障出現時無線地 檢測閥門系統故障的能力。能夠檢測的故障可以包括粘住的閥門、閥 門的緩慢運動、氣壓故障(比如低壓或者阻塞的壓力路徑)、或者其 他故障。無線閥門元件202還能夠使過程控制系統100識別出閥門性 能上的退化和優化閥門維護。這可以包括特別地能夠監控特定的閥門 特性，比如總的累積行程、偏離的百分比、所計算的粘附度、滯後現 象、直接的或者次要的閥門位置。在某些實施例中，無線閥門元件202 能夠將位置傳感器和電流-到-壓力轉換器與數字協議(如HART、 FOUNDATION Fieldbus (現場總線基金會)、Prof ibus )結合來轉接閥 門特性回到過程控制系統100。在一些實施例中，無線閥門元件202和 /或過程控制系統100還能夠監控與控制器104a (或其他控制器)、過 程元件102a、以及它可以與之通信的其他元件有關的診斷。
雖然圖2示例了在過程控制系統100中的包括無線閥門元件的過程 元件102a的一個例子，但是可以對圖2做出各種變化。例如，收發信 機204可以集成到無線閥門元件202中。此外，收發信機206可以被 配置與一個或多個收發信機204連接，其中每個收發信機204與一個 或多個過程元件202相關聯。無線閥門元件202能夠確定閥門性能數 據或者診斷數據。
在各種實施例中，收發信機206可以包括網關或者編組板 (marshalling panel),它們可以支持一個或多個無線閥門元件2 02 並且可以在一個或多個無線設備和目標控制系統(不管是控制器、操 作者站、伺服器、軟體應用還是其他)之間接收和發送通信。
在各種實施例中，無線連接208可以包括用於完成無線閥門元件202和控制系統(不管是控制器、操作者站、伺服器、軟體應用還是其他) 之間的通信所必要的額外收發信機或者轉發器。
圖3示例了根據本公開的一個實施例用於使用無線設備進行過程控
制的示例性方法300。為了易於解釋，方法300關於圖2的過程元件 102a (其工作在圖1的過程控制系統100中)進行描述。方法300可 以由任何其他適當的設備使用並且可以用於任何其他適當的系統中。
在步驟302中，在收發信機204處接收來自無線閥門元件202的數 據，該數據可以包括閥門性能數據或者診斷數據。在步驟304中，數 據被無線地從收發信機204傳送給收發信機206。在步驟306中，數據 (比如通過網絡116b)從收發信機206傳送給過程控制系統100。在 這一點上，過程控制系統100可以採取任何適當的動作，比如分析閥 門的操作和識別閥門的任何問題。
在步驟308中，在收發信機206處接收來自過程控制系統100的第 二數據。在步驟310中，第二數據被從收發信機206無線地傳送給收 發信機204。在步驟312中，第二數據從收發信機204傳送給無線閥門 元件202。這樣以來，過程控制系統100可以例如提供控制指令給無線 閥門元件202用於控制閥門的操作。
雖然圖3示例了為過程元件使用無線通信的方法300的一個例子， 但是可以對圖3做出各種變化。例如，可能根據需要多次會出現所述 步驟的一個、 一些或者全部。另外，雖然圖3中的各個步驟作為步驟 序列而示出，但是圖3中的各個步驟可以平行地或以不同次序地發生。
闡述在整個這個專利文件中使用的某些單詞和短語的定義可能是有 利的。術語"耦合"及其派生詞是指兩個或更多元件之間的任何直接 或間接通信，不論這些元件是否相互物理上接觸。術語"應用"是指 一個或多個電腦程式、指令集、程序、功能、對象、類、實例、或 相關數據(其適合於以適當的計算機語言實現)。術語"包括"和"包 含"以及其派生詞，意味著包括而非限制。術語"或，，具有包容性， 意味著和/或。短語"與…關聯"和"與其關聯，，以及其派生詞，可能 意味著包括、被包括在其中、互連、包含、包含在其中、連接到或與 其相連、耦合到或與其耦合、與其通信、與其合作、交織、並列、接 近、約束到或者約束、具有、具有特性等等。術語"控制器"是指控 制至少一個操作的任何設備、系統、或其一部分。控制器可以以硬體、
ii固件、軟體、或其至少兩個的某種組合來實現。與任何特定控制器相 關的功能可以集中或分散，無論是本地還是遠程的。
雖然本公開已經描述了某些實施例和 一般的關聯方法，但是對這些 實施例和方法的改變和置換對於本領域的技術人員來說將是將顯而易 見的。因此，上述示例性實施例的描述沒有限定或限制本公開。在不 背離如由以下權利要求所限定的本公開的宗旨和範圍的情況下，也可 能有其他的變化、替換和改變。
權利要求
1. 一種設備，包括至少一個無線閥門元件(202)；第一收發信機(204)，其被配置與至少一個無線閥門元件(202)通信；以及第二收發信機(206)，其被配置與第一收發信機(204)進行無線通信，該第二收發信機(206)進一步配置與過程控制系統(100)進行通信。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中過程控制系統(100)能夠通 過第一收發信機(204 )和第二收發信機(206 )之間的無線連接接收 來自至少一個無線閥門元件(202 )的閥門狀態數據。
3. 根據權利要求1所述的設備，進一步包括 至少一個第二無線閥門元件(202 );以及第三收發信機(204 ),其被配置來與至少一個第二無線閥門元件 (202 )進行通信，其中第二收發信機(206 )還被配置來與第三收發 信機(204 )進行無線通信。
4. 根據權利要求1所述的設備，其中第一收發信機(204 )集成到 至少一個無線閥門元件(202 )之一中。
5. 根據權利要求1所述的設備，其中至少一個無線閥門元件(202 ) 包括已經被修改與第一收發信機(204 )進行通信的常規過程閥門。
6. 根據權利要求1所述的設備，其中至少一個無線閥門元件(202 ) 能夠確定閥門性能數據或者診斷數據。
7. 根據權利要求1所述的設備，其中至少一個無線閥門元件(202 ) 包括事先存在的過程閥門，該過程閥門已經被修改能夠提供獨自相比 事先存在的過程閥門來說額外的過程值讀取或者診斷讀取。
8. —種過程控制系統，包括 至少一個控制器(104a-104b);至少一個無線閥門元件(202 ),其能夠由至少一個控制器 (104a-104b)控制； 第一收發信機(204 )，其被配置與至少一個無線閥門元件(202 ) 通信；以及第二收發信機(206 ),其被配置與第一收發信機(204 )進行無線通信，第二收發信機(206 )進一步被配置與至少一個控制器 (104a-104b)通信。
9. 一種方法，包括在第一收發信機(204 )處接收來自至少一個無線閥門元件U02) 的數據；無線地傳送該數據給第二收發信機(206 );以及 從第二收發信機(206 )傳送數據給過程控制系統(100)。
10. —種設備，包括 至少一個無線閥門元件(202 );第一收發信機(204 ),其被配置與至少一個無線閥門元件(202 ) 通信；以及第二收發信機(206 ),其被配置與第一收發信機(2(M)進行無線 通信，該第二收發信機(206 )進一步被配置與監控系統進行通信。
全文摘要
一種過程控制系統(100)，包括至少一個控制器(104a-104b)和能夠由至少一個控制器(104a-104b)控制的至少一個無線閥門元件(202)。該過程控制系統(100)還包括被配置與至少一個無線閥門元件(202)通信的第一收發信機(204)，以及被配置與第一收發信機(204)進行無線通信的第二收發信機(206)。第二收發信機(206)進一步被配置與至少一個控制器(104a-104b)通信。
文檔編號G05B19/418GK101467113SQ200780021955
公開日2009年6月24日 申請日期2007年4月10日 優先權日2006年4月12日
發明者P·T·S·拉哈文德拉, Y·T·陳 申請人:霍尼韋爾國際公司