閥控制器的製造方法

2023-05-06 09:02:16

閥控制器的製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種閥控制器，其包括閥致動器、致動器控制信號發生器、閥位置控制器、操作條件傳感器以及集成的診斷模塊，從而可制定用於諸如閥等過程控制裝置的組件的使用壽命配置文件，並使用所述壽命配置文件來確定操作中的裝置組件的預期剩餘壽命。所述壽命配置文件使用相似過程控制裝置的真實世界數據來制定，相似過程控制裝置在與操作中將要經歷的基本相同的操作條件下使用。配置文件可被制定用於多個裝置組件，由此制定整個過程控制裝置的預期壽命配置文件。基於預期剩餘壽命，通知警告可被發送到遠程計算機，並且可以自動地實現維護計劃。
【專利說明】閥控制器

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及過程工廠中的過程控制裝置，更具體地，涉及一種對過程控制裝 置進行壽命預測的技術。

【背景技術】
[0002] 現有的過程控制系統可對例如閥等過程控制裝置進行周期診斷，以確定這些裝置 的操作和性能。確定過程控制裝置的操作可允許更好地安排過程控制裝置的維護，由此減 少失效發生和中斷時間。這可引起增強的效率、安全和收益。該過程控制系統可使用不同 傳感器和其它的測量裝置來觀察過程控制裝置的特性。例如，一些現有控制系統可使用數 字閥控制器來測量和收集來自控制閥上的不同傳感器的數據。
[0003] 在使用從控制閥收集的數據的過程中，用戶希望該數據為他們的處理工廠安排預 防性維護，希望避免由意外失效而引起的非計劃的維護和產品的損耗。例如，用戶希望了解 在需要維護之前閥的預期壽命以及哪些修理步驟和替換選擇是可用的或推薦的。對於製造 商來說，由於實際的過程條件在不同用戶之間、或不同設施之間、甚至在一個過程工廠中也 會發生很大變化，所以提供精確的壽命預測是具有挑戰性的。說明書可被提供給用戶，以提 供一些預測數據，並有時基於設計條件來反饋用戶。但是，例如溫度和壓力等因素通常與來 自用戶的設計條件中提供的因素明顯不同，總之，例如流體狀態（液體或水汽）和雜質（固 體、液體或水汽）等其它變化條件典型地沒有提供在設計條件中，或者與其它因素一樣在 實際使用中顯著地變化。
[0004] 常規地，來自用戶的服務和修理歷史數據將被收集來建立平均失效時間（MTTF) 和平均無故障時間（MTBF)。然後，MTTF和MTBF數據可用來預測閥的使用壽命。然而，由於 維護記錄可能不完整或者不存在，所以使用歷史數據是有限制的。而且，用戶考慮到他們的 操作條件可能公開給他們的競爭對手，所以不希望分享這些信息。結果是基於歷史數據的 MTTF和MTBF數據通常不完整並且不能充分提供信息。
[0005] 用來預測MTTF和MTBF的另一種技術是通過使用儘可能接近實際壽命條件的條 件中產生的實驗數據。壓力和溫度條件通常在完備的實驗室中能夠輕易獲得。但是，流體 特性和汙染物是很難模擬的，儘管基本的流體特性通常是可以獲得的，即，氧化、非氧化、潮 溼、乾燥、潤滑或者非潤滑。有時候，例如通過流體流中的顆粒甚至能夠獲得已知的汙染物。 特別是在表示特定閥使用應用的例如在相同溫度、壓力和流體特性下的實驗周期測試可以 是實際現場數據的有效替代。對於受到正常機械磨損或疲勞的閥組件更是如此。
[0006] 雖然對於前述和其它原因使用了實驗測試，但缺乏確定MTTF和MTBF的常規測試 方法。這些方法不能說明特別是與滑杆閥和旋轉閥相關的影響裝置壽命的變化的條件和不 同因素，其中可能磨損或疲勞引起閥失效的不同組件是很多的，每個組件對於諸如溫度、壓 力、流體等操作條件可能具有不同的反應。 實用新型內容
[0007] 本實用新型的目的是提供一種閥控制器，使得能夠確定閥的組件或閥致動器的組 件的預測剩餘壽命，以便在預期失效之前安排組件的檢修或更換。
[0008] 根據本實用新型一個實施方式的閥控制器，包括：
[0009] 閥致動器，其耦接到閥並能夠操作來致動所述閥的可移動的控制部件；
[0010] 致動器控制信號發生器，其被設置成接收閥控制信號，並生成相應的致動器控制 信號並將所述致動器控制信號傳送到所述閥致動器；
[0011] 閥位置控制器，其從控制器接收設定點值，並執行控制算法來輸出用於控制所述 閥的所述閥控制信號；
[0012] 操作條件傳感器，其被設置成檢測操作所述閥或所述閥致動器的操作環境的參 數；以及
[0013] 集成的診斷模塊，其接收下列信息：
[0014] (a)所檢測的所述操作環境的參數的指示；以及
[0015] (b)⑴所述可移動的控制部件的位置；
[0016] (ii)所述可移動的控制部件的運動；
[0017] (iii)所述閥控制信號；
[0018] (iv)所述相應的致動器控制信號；或者
[0019] (v)所述設定點值，
[0020] 所述集成的診斷模塊被設置成分析所接收的信息（a)和（b)，並基於所接收的信 息（a)和（b)以及基於用於所述閥或所述閥致動器的預定配置文件數據來確定所述閥的組 件或所述閥致動器的組件的預測剩餘壽命。
[0021] 優選地，所述預定配置文件數據識別在給定的操作條件下具有可預測的壽命的所 述閥的一個或多個組件和/或所述致動器的一個或多個可更換的組件。
[0022] 優選地，所述預定配置文件數據還識別所述可預測的壽命和所述給定的操作條件 之間的關係。
[0023] 優選地，所述集成的診斷模塊接收所檢測的所述操作環境的參數的指示，並根據 接收的所檢測的所述操作環境的參數的指示來選取相應的預定配置文件數據的子集，並使 用所述預定配置文件數據的所述子集來確定所述預測剩餘壽命。
[0024] 優選地，所述集成的診斷模塊執行計數，所述計數根據信息（b)增加或減小。
[0025]優選地，所述信息（b)被從位置傳感器接收。
[0026] 優選地，所述預定配置文件數據被從在對應於所述操作環境的條件下操作的相同 閥或相同致動器的實驗數據獲取。
[0027] 優選地，所述集成的診斷模塊被設置成生成通知狀態數據並將所述通知狀態數據 傳送到遠程計算機或遠程操作員，其中所述通知狀態數據指出所述組件的預測剩餘壽命。
[0028] 優選地，所述通知狀態數據包括用來對所述組件進行維護或更換的推薦更換部件 和/或推薦檢修行為。
[0029] 優選地，所述組件是所述閥裝置的隔膜組件、填料壓蓋組件、軸襯組件、密封組件 或軸組件。
[0030] 優選地，所述預測剩餘壽命是用於所述組件的周期壽命，其基於所述閥裝置的操 作周期的預期數目將所述組件的理想壽命表徵為所述操作環境的參數的函數。
[0031] 本實用新型的閥控制器能夠通過確定閥的組件或閥致動器的組件的預測剩餘壽 命來向控制室操作人員、維護部門或可靠性工程部門等提供警告信息，以在預期失效之前 安排組件的檢修或更換。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1是被配置成接收和協調在工廠的多個功能區域之間的數據傳遞的過程工廠 的不意圖；
[0033] 圖2是過程控制系統中使用的示例性的過程控制裝置的框圖，其中，示例性的過 程控制裝置是具有嵌入的集成診斷模塊的閥組件；
[0034] 圖3是過程控制系統中使用的另一示例性的過程控制裝置的框圖，其中示例性的 過程控制裝置是閥組件，並且遠程計算機包括集成的診斷模塊；
[0035] 圖4示出了圖2和圖3的閥組件的實施例，顯示了可被配置文件的不同的閥組件；
[0036] 圖5示出了用來對圖4的閥組件的壽命配置文件的集成的診斷模塊的框圖；
[0037] 圖6A-6D是通過集成的診斷模塊來制定用於圖3中所示的每個閥組件的預期壽命 配置文件的曲線圖。

【具體實施方式】
[0038] 儘管下文給出了多個不同實施例的詳細描述，但是應理解該描述的法律範圍由本 申請的權利要求的詞語來限定。如果可能，描述各個可能的實施例將是不切實際的，所以該 詳細描述僅被解釋為示例性的，並沒有描述每個可能的實施例。使用當前技術或在本申請 的申請日以後發展的技術，還可實施多種可替換的實施例，這些實施例仍落入權利要求的 範圍內。
[0039] 現參見圖1，過程工廠10包括多個商業和其它的計算機系統，這些計算機系統通 過一個或多個通信網絡與多個控制和維護系統互連。
[0040] 過程控制系統12、14可以是例如德克薩斯州奧斯汀的費希爾-羅斯蒙德系統公司 (Fisher-Rosemount Systems, Inc.)銷售的DeltaVTM控制器，或任何其它理想類型的控制 器，或005,005可包括耦接到控制器128和輸入/輸出（1/0)卡12(：的操作員界面12八， 輸入/輸出（I / 〇)卡12C然後被耦接到不同的現場裝置，例如，模擬和高速可尋址遠程發 射機（HART)現場裝置15。過程控制系統14可包括通過例如乙太網總線等總線耦接到一個 或多個分布式控制器14B的一個或多個操作員界面14A。控制器14B通過I / 0裝置連接 到一個或多個現場裝置16,例如HART或現場總線等現場裝置或任何其它智能或非智能現 場裝置，包括例如使用PROFIBUS?、W _ORLDFIP?、Device-Net?、AS-接口和 can協議中任一個的現場裝置。已知地，現場裝置16可向控制器14B提供與過程變量相關 的模擬或數字信息以及其它裝置信息。操作員界面14A可存儲並執行過程控制操作員可用 的工具以控制過程的操作，包括例如控制優化程序、診斷專家、神經網絡、調諧器等。
[0041] 進一步地，例如執行資產管理應用程式或其它裝置監測和通信應用程式的計算機 等維護系統可被連接到過程控制系統12、14或其中的各個裝置，以執行維護和監視工作。 例如，維護計算機18可通過任何理想的通信線路或網絡（包括無線或手持裝置網絡）連接 到控制器12B和/或裝置15,以在裝置15上進行通信，並在一些情形下進行重新配置或其 它維護工作。相似地，資產管理應用程式可安裝在與分布式過程控制系統14相關的一個或 多個用戶界面14A中，並通過用戶界面14A來執行，以實施維護和監視功能，包括與裝置16 的操作狀態相關的數據收集。
[0042]過程工廠10還包括不同的旋轉設備20,例如渦輪機、馬達等，其通過永久或臨時 通信線路（例如，總線、無線通信系統或連接到設備20進行讀取然後被移除的手持裝置） 連接到維護計算機22。維護計算機22可存儲並執行由例如來自田納西州諾克斯維爾的CSI 計算系統公司（CSI-Computational Systems, Inc.)的CSI2140機械診斷採集器提供的已 知的監視和診斷應用程式23或其它任何已知的應用程式，以診斷、監視和優化旋轉設備20 的操作狀態。維護操作人員通常使用應用程式23來維護和監視工廠10中的旋轉設備20 的性能，以確定關於旋轉設備20的問題並確定何時以及是否必須修理或更換旋轉設備20。 [0043] 為了便於有關不同設備（即，過程控制裝置）的維護的通信，在所示實施例中，提 供計算機系統30,其通信地連接到與工廠10中的不同功能系統相關的計算機或界面，包括 過程控制功能12和14以及例如在計算機18、14A、22和26以及商業功能中實施的那些維護 功能。特別地，計算機系統30被通信地連接到過程控制系統12和與該控制系統相關的維 護接口 18、被連接到過程控制系統14的過程控制和/或維護界面14A、並被連接到旋轉裝 置維護計算機22,所有連接通過總線32。總線32可使用任何理想的或適當的區域網（LAN) 或廣域網（WAN)協議來提供通信。
[0044] 如圖1中所示，計算機30還通過相同或不同的網絡總線32連接到商業系統計算 機35和維護計劃計算機36,這些計算機可執行例如企業資源計劃（ERP)、物料需求計劃 (MRP)、帳目、生產和客戶定購系統、維護計劃系統，或者任何其它所需的商業應用程式，例 如零件、供給和原材料定購應用程式、生產調度應用程式等等。計算機30還可通過例如總 線32連接到工廠範圍區域網37、公司廣域網38以及允許從遠程位置遠程監測或通信工廠 10的計算機系統40。
[0045] 一般來說，計算機30存儲並執行資產管理系統50,資產管理系統50收集通過過程 控制系統12和14、維護系統18、22和26以及面業系統35和36產生的數據和其它信息以 及通過在這些系統中各自實施的數據分析工具而產生的信息。
[0046] 同樣，一般而言，一個或多個用戶界面程序58可由過程工廠10中的一個或多個計 算機來存儲和執行。例如，計算機30、用戶界面14A、商業系統計算機35或任何其它的計算 機可運行用戶界面程序58。每個用戶界面程序58可接收或預定來自資產管理系統50的 信息，相同或不同組的數據可發送到每一個用戶界面程序58。任一個用戶界面程序58可 使用不同的屏幕向不同的用戶提供不同類型的信息。例如，一個用戶界面程序58可提供屏 幕或一組屏幕給控制操作員或商業人員，使其能夠設定限制或選擇用於標準控制程序或控 制優化器程序的最優化變量。用戶界面程序58可提供控制引導工具，該控制引導工具允許 以一些協調的方式看見由索引生成軟體51建立的索引。操作員引導工具還允許操作員或 任何其它人員獲得關於設備狀態、控制環路、單元等的信息，並且該信息已經被過程工廠10 中的其它軟體檢測到，所以容易地看到與這些實體的問題相關的信息。用戶界面程序58還 可使用由工具23、27、諸如資產管理應用程式等維護程序或任何其它維護程序提供或產生、 或由模型與資產管理系統50 -起產生的性能監視數據來提供性能監視屏幕。當然，用戶界 面程序58可提供任何用戶訪問並允許用戶改變在工廠10的一些或所有功能區域中使用的 參數選擇或其它變量。
[0047] 工廠10示出了不同的過程控制裝置（例如，裝置14、15、16、20和25)，這些裝置的 性能隨著時間下降並需要維護。在過程控制系統12和14的控制下，諸如控制閥或其它裝 置等某些過程控制裝置被用來調整或控制過程控制系統中的流體流動。在這種情形下，流 體可包括氣態流體，例如壓縮氮氣等。這些作為示例來提供，本領域普通技術人員應該理解 儘管這裡描述的示例性實施例是基於氣動控制閥，但是諸如泵、電致動閥和阻尼器等其它 過程控制裝置也將影響過程工廠操作並可被包含在這裡描述的技術中。
[0048] 一般地，諸如控制閥組件之類的過程控制裝置可被放置在管道或導管中，通過使 用相連的致動器和定位器改變諸如控制閥中的閥塞等可移動的部件的位置以控制流體流 動。對於控制部件的調節可用來影響一些過程條件以維持選定的流速、壓力、液位或溫度。 [0049]控制閥組件通常由例如來自工廠壓縮機的空氣等被調節的氣動流體壓力源來操 作。響應於從過程控制系統接收的信號，通過控制流體壓力的定位器或閥控制儀器，流體 壓力被引入致動器（例如，用於滑杆閥的彈簧和隔膜致動器或用於旋轉閥的活塞致動器）。 致動器中流體壓力的大小確定致動器中的彈簧和隔膜或活塞的運動和位置，由此控制耦接 到控制閥的可移動部件的閥杆的位置。例如，在彈簧和隔膜致動器中，隔膜必須相對於偏置 彈簧工作，以將可移動的部件（即，閥塞）放置到在控制閥的入口和出口之間的閥通道中， 以改變過程控制系統中的流動。致動器還可被設計成使得壓力腔中的增加的流體壓力增加 或者減小可移動部件打開的程度（例如，直接作用或者反向作用），在這裡假設為前一種情 形。儘管這些描述可應用於滑杆閥，但是相應的組件和操作還將應用於旋轉閥。
[0050] 圖2示出了一般的控制閥組件100,其可用於過程控制系統12或14。控制閥102 可具有可移動的部件，例如閥杆和閥塞（未示出），其通過定位器控制的致動器104來選擇 性地布置，以改變過程流動。本領域普通技術人員應該理解，閥塞的可移動部件的位置指示 通過定位傳感器106提供，定位傳感器106可結合到閥位置控制器108,或可以為單獨的定 位發送器。控制閥102形成過程控制系統的流動通路中的可變孔口，以控制過程控制系統 中過程材料的流動。過程控制系統一般使用發送器110來檢測過程變量以表徵處理過程。 過程變量可被傳遞迴引導過程工廠的操作來控制處理過程的過程裝置控制器112。
[0051] 閥控制器114包括閥位置控制器108、位置傳感器106,並還可包括致動器控制信 號發生器116,致動器控制信號發生器116可包括例如電動-氣動級（未示出），其由設置 在其中的微型計算機控制，從閥位置控制器108生成輸出信號來驅動致動器104。本領域的 普通技術人員應該理解致動器可以是電致動器（未示出），致動器控制信號發生器可提供 電控制信號來控制或改變電致動器的位置。致動器控制信號發生器116將來自閥位置控制 器108的輸出信號轉換成建立在致動器104中的相應的控制值。位置傳感器106可監視致 動器104 (通過致動器杆的位置）用以位置輸入信息，或控制閥102 (通過閥杆），如虛線所 /_J、i〇
[0052] 在操作中，用戶在用戶過程控制界面120上與控制閥102和過程118交互，用戶過 程控制界面120提供指令到負責整個過程的控制的過程控制器112,過程控制器112與工 廠中使用的其它控制裝置（未示出）通信以進行過程控制。過程控制器112可將用戶在界 面120提供的輸入指令轉變成設定點信號指令。然後，設定點信號指令被發送到閥控制器 114,特別是閥位置控制器108。閥位置控制器108可具有上述的微型計算機。微型計算機 可被編程以遵循這樣的算法，該算法響應於接收到的設定點信號指令來控制控制閥102,並 指揮致動器控制信號發生器116在致動器104中產生用於定位控制閥102的相應的控制信 號。
[0053] 在圖2的系統中，設定點指令的量值的增加可引起閥致動器114中由致動器控制 信號發生器116所提供的氣動壓力的相應增加，由此通過致動器104影響由控制閥102的 可移動的部件所控制的開度的對應增加。所得到的可移動部件的位置可以影響過程並相應 地影響由過程變量發送器110監測和檢測的過程變量。過程變量發送器110將過程變量的 表徵信號發送回過程控制器112。本領域的普通技術人員應該理解過程控制器112使用該 表徵信號作為過程的狀態的指示，以反饋來控制系統。
[0054] 如上所述，過程控制器112可以與工廠中使用的其它控制設備進行通信，以對過 程進行控制。過程控制器112還可包括或可連接到具有諸如處理器或處理裝置、存儲器、輸 入裝置和顯示裝置（例如，監視器）等一般計算元件的計算機。正如本領域技術人員所知 的，處理器可被連接到存儲器、顯示裝置和輸入裝置。而且，計算機可包括用於連接網絡和 計算機的網絡接口，以提供其間的通信。在一個實施例中，計算機可形成過程處理器的一部 分，例如，在數字過程控制器中。在另一個實施例中，用戶過程控制接口可代表計算機。可 替換地，計算機可在網絡上連接到過程控制器，但是在物理上遠離過程控制器。
[0055] 閥控制器114還包括操作條件傳感器122,或者可替換地，從操作條件傳感器122 接收信息，操作條件傳感器122監視用於閥102和/或閥致動器104的一個或多個操作條 件和/或操作閥102的一個或多個環境條件。操作條件傳感器122可以是任何傳感器或發 送器，其探測或者監測閥102或閥致動器104處或周圍的操作條件。例如，操作條件傳感器 可監測通過閥102流動的流體的溫度、操作閥致動器104的流體的溫度、移動通過位置控制 器108的流體的溫度、閥102、閥致動器104或閥位置控制器108的周圍大氣溫度、上述任一 流體的pH等級、上述任一流體的壓強（上遊或下遊）、上述任一流體的鹽度或粘度等。操作 條件傳感器122被耦接來提供感測的操作條件數據到閥位置控制器108來影響閥102的控 制並提供到集成的診斷模塊124。在一些實施例中，操作條件傳感器122將數據發送到數據 歷史器或其它的集中數據收集元件，診斷模塊124從其獲取操作條件數據。
[0056] 多個操作條件傳感器122和/或多個位置傳感器106可設置在整個系統中，如圖 2中所示，用來探測和/或測量控制裝置和系統的特徵，並可提供該特徵信息或數據到計算 機或過程裝置控制器112,以顯示在顯示裝置元件上。在一個實施例中，來自傳感器106、 122的傳感器數據由集成的診斷模塊124收集，診斷模塊124可包括計算機處理器和存儲 器。在一些實施例中，耦接到模塊124的診斷監視器126代表計算機顯示裝置，其顯示通 過模塊124輸出的傳感器數據或數據。計算機的輸入設備元件可以是例如鍵盤、觸摸板、鼠 標、軌跡球、光筆或麥克風（例如，用於語音指令輸入）等。還應該注意，正如本領域技術人 員所知的，下述要求保護的方法和系統的不同實施例可以作為在計算機處理器中運行的一 組指令被實施。
[0057] 集成的診斷模塊124制定和執行用於過程控制裝置的預測算法，以預測這些裝置 和/或其不同組件的使用壽命的終止。這裡例舉的示例性的過程控制裝置是閥組件。然 而，更廣泛地，集成的診斷模塊可用於隨著時間而經受磨損或疲勞的任何過程控制裝置，包 括調整過程中流體流動的裝置，例如，閥、泵、阻尼器等，並且被實施來預測這些裝置中的任 一和任何裝置的組件的使用壽命的終止。
[0058] 集成的診斷模塊124組合用於形成過程控制裝置的組件的預測算法，並由此可確 定使用剩餘壽命（例如，剩餘周期壽命時間、預期維護日期）數據。正如下面所討論的，集成 的診斷模塊124可從在給定的應用中使用的相同類型和結構材料的多個過程控制裝置的 記載的平均或最小使用壽命、從通過最接近現場使用條件（例如，操作環境）的方式收集的 實驗數據和/或從安裝裝置或部件的工廠或環境中的相同或相似的裝置或裝置的部分的 歷史數據獲得這些算法。因此，這些算法考慮了這些組件，它們通過機械磨損或疲勞而正常 地失效，並能夠被定性為在全新的時候具有固定或平均的壽命。例如，當預測周期壽命時， 集成的診斷模塊124在操作過程中每經歷一個周期就消耗固定或平均周期壽命。這種消耗 可自動地發生，例如，以響應於過程控制裝置的自動傳感器或者來自操作員輸入。作為另一 個示例，集成的診斷模塊124可通過在閥致動器104或閥102中由位置傳感器106感測到 的部件（例如閥杆）的累積的運動來消耗固定或平均運動壽命（例如，圍繞閥杆的密封件 的壽命），這由致動器控制信號發生器116控制，由閥位置控制器108控制，或者甚至由過程 控制器112控制。
[0059] 在一些實施例中，至少部分基於來自測量正常操作條件的傳感器（例如，傳感器 106和122)上的數據來確定剩餘壽命，其中，在周期的確定的時間間隔上，或者在連續的基 礎上或者響應於一些觸發事件來收集數據。在一些實施例中，至少部分基於來自過程控制 器112、閥位置控制器108和/或閥致動器104的信息來確定剩餘壽命。例如，在一些實施 例中，剩餘壽命可根據由傳感器122感測的一個或多個操作條件並根據由過程控制器112 指示的打開/關閉周期的數目（相對於從致動器104或位置傳感器106接收打開/關閉周 期的數目）來確定。
[0060] 集成的診斷模塊124能夠確定過程控制裝置的各個可更換的組件（例如，閥塞、密 封件、軸襯、軸承等）以及作為一個整體的過程控制裝置的剩餘壽命。在任一情形下，剩餘 壽命可僅僅基於考慮的特定過程控制裝置或組件的特徵或者基於從其它過程工廠裝置或 數據測量的特徵。後者可包括與考慮的裝置協調的其它裝置操作以及過程工廠的一般操作 條件。特定剩餘壽命數據可存儲在計算機可讀取的存儲裝置中，例如通過諸如圖2的閥控 制器114等閥結構中的智能定位器裝置。
[0061] 集成的診斷模塊124能夠通過通信接口 128與諸如系統控制器12或14等遠程計 算機通信，通信接口 128可以是有線或無線通信接口，在一些情形下，該遠程計算機可基於 從集成的診斷模塊124接收的數據進行一些過程控制行為（例如，切換到多餘裝置/流動 通路，或調節閥的使用，例如，致動的速度或頻率以延長閥的組件的壽命等）。
[0062] 如圖2中所示，並如上所述，集成的診斷模塊124可在不同的實施中接收不同的輸 入。這些輸入中是來自一個或多個操作條件傳感器122、一個或多個位置傳感器106、一個 或多個過程變量發送器110、過程控制器112和通信接口 128的輸入。每個操作條件傳感器 122可感測不同的參數（例如，溫度、壓力、粘度或流速等），或者可感測與另一傳感器相同 但是在不同位置的參數（例如，上遊和下遊壓力、流動通過閥102的流體的溫度以及控制致 動器104的流體的溫度等）。一個或多個位置傳感器106可分別感測不同元件的位置（例 如，閥杆的位置和致動器杆的位置）。集成的診斷模塊124還可包括（例如，存儲在存儲裝 置中）或獲取/接收（例如，通過通信接口 128)數據和/或算法，以用於確定裝置或裝置 的組件的剩餘使用壽命。
[0063] 在圖2的實施例中，集成的診斷模塊124可嵌入閥組件100中。例如，模塊124可 通過（控制器114的）單板處理器來實施，或者在智能過程控制裝置中通過該處理器執行 的指令來實施。圖3示出了另一種示例結構，閥組件100'具有與閥組件100相似的特徵， 除了集成的診斷模塊150包含在遠程計算機系統152中，例如，復用主機、DCS系統、工廠資 產管理系統（例如，資產管理系統50)或這些系統的任意組合。通信接口 128'封裝來自傳 感器122'和傳感器106'的操作條件數據，並將這些數據傳送到遠程計算機系統152,用於 通過集成的診斷模塊150進行配置文件。
[0064] 圖4是由不同的組件構成的閥組件200形式的示例性的過程控制裝置，每個組件 潛在地具有由集成的診斷模塊（例如，集成的診斷模塊124)確定的不同的壽命配置文件。 在所示的實施例中，由於這些壽命配置文件取決於閥經歷的操作周期的數目（例如，經受 完全打開/關閉操作的數目，經受部分打開/關閉操作的數目），它們是周期壽命配置文 件。在所示的實施例中，閥組件200由一系列組件形成，這些組件可使用實驗測試數據或先 前收集的實際使用閥組件的歷史數據來進行配置文件。通過這種方式，壽命配置文件可根 據反映在過程工廠安裝中經受的特定條件的真實世界數據來制定。所示的特定組件包括隔 膜頭組件202和軸插座204,軸插座204連接到密封組件206並通過填料壓蓋（軸襯、軸承 等）組件210接合閥體208。
[0065] 對應於閥控制器114的閥控制器212全部地或者部分地控制閥致動和位置。閥控 制器212中的集成的診斷模塊收集不同的操作數據和配置文件數據，以使用預測算法來確 定這些不同的組件中的每一個的周期壽命配置文件。在一些實施例中，例如圖2,預測算法 由閥控制器中的專用定位器中的單板處理器來應用。在一些實施例中，例如圖3,預測算法 由與閥控制器212通信的復用主機來應用，例如，計算機系統30、35或36。在其它實施例 中，可使用與控制器212通信的分布式過程控制（DCS)系統或諸如資產管理系統50等工廠 資產管理系統。在其它實施例中，可使用這些分析結構的組合，當使用來自多個不同源的組 件周期壽命時，這是有利的。
[0066] 圖5示出了示例性的集成的診斷模塊400 (例如，對應於集成的診斷模塊124)，其 可包含在閥控制器312或遠程計算機系統152中。模塊400被配置成訪問設備描述器402， 設備描述器經過分析識別特定的過程控制裝置（例如，閥組件、泵組件、阻尼器等）。設備描 述器402可通過製造商或用戶嵌入過程控制裝置中，並可以是文件，其存儲在存儲裝置中， 在不同的實施例中，該存儲裝置是不可調的或者可重寫的。在一些實施例中，設備描述器 402是可重寫的，或者是用戶過程控制界面120的可設置部分，以便於待配置文件的特定過 程控制裝置的手動識別或選擇。在任何情形下，設備描述器402可存儲在本地過程控制裝 置或諸如系統12、14、30、35或36等遠程計算機系統上。
[0067] 設備描述器402訪問列表文件404,列表文件404識別形成過程控制裝置的組件 並具有可配置文件的壽命，並可向任一個組件識別形成組件的壽命配置文件所需的任何數 據，如下所述。在圖4的實施例中，列表文件404將隔膜頭組件302、軸插孔304、密封組件 306和填料壓蓋組件310識別為閥組件300的可配置文件的組件。
[0068] 在一些實施例中，列表文件404中列出的組件取決於過程控制裝置的類型。例如， 對於滑杆閥組件，列表組件404可識別在操作中將經受機械磨損或疲勞的任何一個或多個 下列組件：致動器隔膜或活塞和杆密封件、致動器導向軸襯或軸承、閥填料、閥杆、閥杆或閥 塞導向軸襯或軸承、閥塞平衡密封件、閥塞、閥籠、波紋管密封件和/或致動器彈簧。對於旋 轉閥組件，列表文件404可識別致動器隔膜或活塞和杆密封件、致動器導向軸襯或軸承、致 動器杆端軸承、閥軸、閥軸承或軸襯、密封件、閥盤、閥球、分段閥球或閥塞和/或致動器彈 簧。
[0069] 在其它實施例中，列表文件404可包括用於特定類型的裝置的特定線的所有組件 或者用於製造商整個生產線的所有組件。在這些實施例中，集成的診斷模塊400僅從列表 文件404獲取通過設備描述器402識別的與裝置相關的數據。例如，設備描述器402可識 別（例如，通過操作員或技術人員編程/配置）由特定類型的致動器致動的特別類型的閥。 然後，模塊400可從設備描述器402獲取與組件相關的數據，這些組件與特定的致動器和閥 的類型相關聯。在一些實施例中，列表文件404可以通過諸如LAN(例如，當列表文件404 存儲在工廠伺服器上時）或網際網路（例如，當列表文件404存儲在設備製造商伺服器上時） 等通信網絡遠程存儲在例如可讀取的伺服器上。
[0070] 列表文件404還可識別安裝到閥組件或閥定位器的疲勞配件，例如，體積增壓器、 螺線管、切斷閥、限位開關、位置發送器、儀器供給壓力調節器和氣動導管。
[0071] 儘管圖5中示出了單個列表文件404,但是在其它實施例中，可使用多個列表文 件，例如，用來允許標準閥組件列在一個列表文件中，疲勞配件列在另一個列表文件中。
[0072] 當多個組件存儲在設備描述器402中時，用於每個部分的不同的列表文件404可 在來自集成的診斷模塊400的指令下被訪問。
[0073] 列表文件404可通過設備製造商或用戶由操作員輸入來初始化和更新。例如，向 操作員提供⑶I界面（通過界面120提供），以允許選擇預先存儲的組件表目，以及增加 和/或刪除組件表目。因此，列表文件404的形成可在過程控制裝置的操作之前進行。列 表文件404可被更新來包括在部件組件的操作過程中增加的其它組件。這種更新可由操作 員手動輸入或例如對於一些系統自動地發生，在這些系統中，由於配件被增加到部件組件， 所以這些配件通過部件控制器自動地刪除。
[0074] 除了識別組件以外，對於每個列出的組件，列表文件404可識別在裝置的操作中 影響該組件的機械磨損或疲勞的操作參數。由於每個組件的壽命可受不同操作條件影響， 在一些實施例中，列表文件404識別不同的操作參數，在制定組件壽命配置文件的過程中， 這些操作參數被集成的診斷模塊400訪問。例如，閥定位器可變得疲勞，以響應於多個參 數，例如，閥噴嘴/擋板、壓電晶體或移動的螺線管組件經受的電流壓力比（I / P)。其它的 參數包括壓力繼電器上的壓力、閥中聯動裝置的位置、不同的反饋裝置的位置，不論這種反 饋是來自電位計、編碼器或解析器。一般地，這些操作參數使用預測算法識別感測和評估的 度量（metrics)，以確定組件和整個過程控制裝置的壽命配置文件。
[0075] 正如下面所討論的，集成的診斷模塊400還可訪問存儲的歷史數據406,歷史數據 406包括先前獲得的操作數據、維護數據、疲勞平均時間或裝置及其組件上的其它數據。
[0076] 在所示的實施例中，集成的診斷模塊400還訪問用於過程控制裝置和列表文件 404中列出的相應組件的實驗測試數據407。在其它實施例中，實驗測試數據407或歷史數 據406中僅一個由模塊400訪問。
[0077] 在圖2的配置中，歷史數據406和實驗測試數據407可本地存儲或者通過通信接 口 128遠程訪問。在圖3的配置中，歷史數據406和實驗測試數據407可存儲在遠程計算 機系統152中，例如，通過計算機系統12、14、30、35和/或36訪問。
[0078] 為了診斷過程控制裝置的操作並制定壽命配置文件，集成的診斷模塊400包括配 置文件器408,配置文件器408收集並存儲用於在列表文件404中列出的至少一些組件的歷 史數據406和實驗測試數據407。根據該數據，配置文件器408基於識別的與該組件相關的 對應的操作參數來確定每個識別的組件的壽命配置文件。配置文件器408可存儲先前制定 的壽命配置文件或可建立這些配置文件。
[0079] 如圖所示，確定的壽命配置文件被存儲在多個不同的配置文件410中。每個示例 性的配置文件在圖6A、6B、6C、6D中示出。
[0080] 圖6A是由配置文件器408制定的壽命配置文件，用於隔膜組件302,示出了根據溫 度的隔膜的氧化等級的壽命（小時），並顯示了線性向下傾斜的曲線分布。圖6B示出了用 於填料壓蓋組件310的周期壽命配置文件，示出了根據組件的操作周期的洩漏量（以百萬 分率測量）。周期壽命配置文件包括從歷史數據406和/或實驗測試數據407收集的用於 至少4個不同的填料壓蓋組件的配置文件數據。
[0081] 當配置文件器408設有多個數據集時，配置文件器408可平均數據，以獲得疲勞的 平均時間，即，數據集對應於相同的操作參數。在一些實施例中，存儲的數據可包括在不同 的操作參數下獲取的歷史或實驗測試數據（例如，收集的一個數據集表示根據壓力的實際 壽命，另一個表示根據溫度的實際壽命）。在這些情形下，配置文件器408可在各個不同的 操作參數下制定組件的配置文件。
[0082] 圖6C示出了針對密封組件306制定的周期壽命配置文件，示出了根據操作周期的 數目的洩漏量（ppm)。圖6D是關於軸組件304的周期壽命配置文件，示出了根據操作周期 數目的失效百分比。儘管為了例舉目的示出了 4個周期壽命配置文件，但是應該理解任何 數目的周期壽命配置文件都可存儲在配置文件器408中，並由集成的診斷模塊400使用。
[0083] 在一些實施例中，配置文件器408預先加入例如用於列表文件404中識別的組件 的壽命配置文件，其中，這些組件已經在相似的操作條件下預先進行配置文件。在任一情形 下，配置文件器408能夠基於過去的時間、周期的數目或其它參數來更新壽命配置文件。例 如，對於閥組件，配置文件器408可從閥定位器或閥狀態計數器414接收周期計數。配置文 件器408可從溫度傳感器（未示出）接收溫度值。配置文件器408可從定位傳感器接收閥 的位置數據。配置文件器408還能夠基於這些參數來調節組件或整個閥組件的壽命配置文 件。
[0084] 集成的診斷模塊400收集傳感器數據（例如，從傳感器106和122)，並將用於過程 控制裝置的操作條件存儲到操作數據模塊410。操作條件可以是對應於列表文件404中識 別的操作參數的實時感測數據。如上所述，對於閥組件，感測的數據可包括影響列出的組件 或整個閥組件的機械磨損或疲勞的任何參數，包括閥噴嘴/擋板、壓電晶體或移動的螺線 管組件經受的電流壓力比（I / P)、壓力、組件溫度、環境溫度、流速、洩漏、氧化等級、閥中 聯動裝置的位置以及不同反饋裝置的位置。
[0085] 來自模塊410的操作數據連同來自配置文件器408的壽命配置文件被提供到剩餘 壽命分析器412,剩餘壽命分析器412針對組件的對應的配置文件分析當前操作數據，以確 定每個組件和/或整個過程控制裝置的預期剩餘壽命。對於後者，分析器412將多因素分 析算法應用到接收的數據，以基於每個組件的預期壽命時間來確定預期壽命。例如，當根據 閥組件的剩餘操作周期來表徵時，預期的剩餘壽命值可以是周期壽命值。但在其它實施例 中，預期剩餘壽命值可在計數器時間或預期的失效時間內測量或標示。例如，壽命分析器 412可從計數器414接收周期計數值，然後將周期計數值與來自配置文件器408的配置文件 對比以確定預期的剩餘周期壽命。
[0086]分析器412可包括置信測定，其評估是否已經向其提供了足夠的操作數據和配置 文件以對過程控制裝置的預期周期壽命作出足夠精確的測定。如果沒有收集足夠的傳感器 數據，並且不能確定給定閥組件的剩餘預期壽命，則提供警報指示。
[0087]分析器412向確定測定的通知狀態的決策模塊418提供預期周期壽命測定。在 一個示例中，通知狀態具有3個條件中的一個：（i)正常，指示不需要維護；（ii)維護，指示 在下一個定期使用時需要維護或更換；或者（iii)警報，指示在下一個定期使用之前需要 維護或更換。警報機構可以設置在過程控制裝置上來指示通知狀態，例如，通過顏色編碼 燈或顯示器。決策模塊418被耦接到通信接口 420 (其可以是通信接口 128或128'）以將 通知狀態和預期壽命測定通信到遠程計算機或操作員，例如，遠程計算機系統12、14、30、35 和/或36,如圖1中所示。除了提供通知狀態的本地指示以外，通信接口 420可以是有線或 無線通信接口，提供通知狀態的指示到主機、DCS、遠程計算機等等，在至少一些實施例中， 例如通過減小致動的頻率或速度或者通過切換到多餘的流動通路，使得控制器根據通知狀 態改變過程工廠的操作。
[0088] 通過這種方式，該技術可提供警告信息到控制室操作人員、維護部門或可靠性工 程部門，其中警告信息量化組件的預期剩餘失效時間。在一些實施例中，在預期失效時間之 前發生的定期維護停用過程中，警告可在出現之前足夠早地設置。這將向操作人員提供機 會，以在預期失效之前安排組件的檢修或更換。該警告信息可包括修理數據，例如，推薦備 件或推薦檢修行為。警告信息可被提供到遠程計算機系統，以幫助手動修理定購或允許來 自組件製造商的更換部件的自動定購。警告信息可被提供到商業系統計算機35和維護計 劃計算機36,這不僅如上所述的幫助定購或更換部件，並且還安排這種更換，例如，在已經 安排的維護停用期間或在將來的維護停用期間。
[0089]在一些實施例中，根據過程控制裝置的評定條件以及將來的檢修預測，警告信息 的定時可通過過程控制裝置的操作員設定成長於或短於先前設定。例如，當接近預期的失 效點時，集成的診斷模塊400可被配置成提供更頻繁的警告信息。警告信息的定時還可在 已經發出最初的警告信息之後進行控制。
[0090] 當過程控制裝置的性能退化時，更具體地，當不同組件的性能退化時，預期周期壽 命數據以及最終的實際周期壽命數據被存儲在歷史數據406中。於此，諸如組件的MTTF和 MTBF等數據可被存儲，用於集成的診斷模塊400或用於另一裝置的模塊日後進行參考，由 此改進了將來周期壽命預測的精確性。在一些實施例中，這種歷史數據可經過組件擁有者 的同意通過專用有線或無線通信與製造商分享。例如，可通過授權訪問共享資料庫、網頁或 無線網絡、存儲歷史數據406的副本來提供這種數據。提供這種數據允許通過使用製造商 一方的更可靠算法制定的數據來最終替換實驗數據。
[0091] 這裡的系統的預測能力可基於對於具體應用的現場實驗來定製。如同配置文件器 408,壽命分析器412和決策模塊418的標準可基於諸如過去時間、閥行程、周期或溫度等數 個參數來設定。通過這種方式，診斷能力可基於在安裝之前的現場實驗和由裝置控制器收 集的數據。
[0092] 在各種實施例中，模塊可以在硬體或軟體中實施。例如，在硬體中實施的模塊可包 括被永久性配置以進行特定操作的專用電路或邏輯（例如，諸如現場可編程門陣列（FPGA) 或專用集成電路（ASIC)等專用處理器）。在軟體中實施的模塊可包括通過軟體臨時性配 置以執行特定操作的可編程序邏輯或電路（例如，包含在通用處理器或其它可編程處理器 中）。應該理解，在專用且永久性配置的電路中的硬體中或者在臨時性配置的電路的軟體中 實施該模塊的決定通過成本和時間考慮事項來驅動。
[0093] 因此，術語"硬體模塊"應被理解為包含有形實體，該有形實體是被物理構造、永久 性配置（例如，被硬連線）或被臨時性配置（例如，被編程）來以特定的方式工作或執行這 裡描述的操作。正如這裡所使用的，"硬體實施模塊"是指硬體模塊。考慮到其中硬體模塊 被臨時性配置（例如，被編程）的實施例，每個硬體模塊不需要在任何一個時刻被配置或實 例化。例如，在硬體模塊包括使用軟體配置的通用處理器時，通用處理器可在不同的時間被 配置成各個不同的硬體模塊。軟體可相應地配置處理器，例如在一個時刻構成一特定的硬 件模塊，並在另一時刻構成另一不同的硬體模塊。
[0094] 硬體模塊可向其它硬體模塊提供信息或從其它硬體模塊接收信息。因此，描述的 硬體模塊可被認為是通信地耦接。當多個這種硬體模塊同時存在時，通信可通過連接硬體 模塊的信號傳輸（例如，通過適當的電路和總線）來實現。在不同的時間配置或實例化多 個硬體模塊的實施例中，這種硬體模塊之間的通信可例如通過多個硬體模塊能夠訪問的存 儲結構中的信息存儲和獲取來實現。例如，一個硬體模塊可執行一操作並將該操作的輸出 存儲到與其通信耦接的存儲裝置中。然後，另一個硬體模塊可在之後的時間訪問存儲裝置 以獲得並處理存儲的輸出。硬體模塊還可促使與輸入或輸出裝置的通信並對資源進行操作 (例如，信息的收集）。
[0095] 這裡描述的示例性方法的各種操作可至少部分通過被臨時性配置（例如，通過軟 件）或被永久性配置來進行相關操作的一個或多個處理器來進行。無論是臨時性還是永久 性配置，這種處理器可構成用來執行一個或多個操作或功能的處理器應用模塊。在一些示 例性的實施例中，這裡涉及的模塊包括處理器應用模塊。
[0096] 類似地，這裡描述的方法或程序可至少部分地採用處理器來實現。例如，方法的至 少一些操作可通過一個或多個處理器或處理器應用硬體模塊來執行。特定操作的執行可分 布在一個或多個處理器中，不僅設置在單個機器中，而且在多個機器之間展開。在一些示例 性的實施例中，一個或多個處理器可位於單個位置（例如，在家庭環境、辦公室環境中或作 為伺服器場），而在其它實施例中，處理器可以分布在多個位置。
[0097]另外，附圖示出了僅用於例舉目的的映射編輯系統的優選實施例。本領域技術人 員將從下面的討論中意識到，在不偏離這裡描述的原理的情況下，可使用這裡例舉的結構 和方法的替換實施例。
[0098] 通過閱讀該公開內容，本領域技術人員將通過這裡公開的原理理解用於識別終端 路段的系統和過程的其它替換結構和功能設計。因此，儘管已經例舉並描述了特定的實施 例和應用，但是應該理解公開的實施例並非用來限制這裡公開的具體結構和組件。在不偏 離所附權利要求限定的精神和範圍的情況下，這裡公開的方法和裝置的設置、操作和細節 可進行各種改進、變化和變形，這些改進、變化和變形對於本領域技術人員來說是顯而易見 的。
【權利要求】
1. 閥控制器，其特徵在於，包括： 閥致動器，其耦接到閥並能夠操作來致動所述閥的可移動的控制部件； 致動器控制信號發生器，其被設置成接收閥控制信號，並生成相應的致動器控制信號 並將所述致動器控制信號傳送到所述閥致動器； 閥位置控制器，其從控制器接收設定點值，並執行控制算法來輸出用於控制所述閥的 所述閥控制信號； 操作條件傳感器，其被設置成檢測操作所述閥或所述閥致動器的操作環境的參數；以 及 集成的診斷裝置，其用於接收下列信息： (a) 所檢測的所述操作環境的參數的指示；以及 (b) (i)所述可移動的控制部件的位置； (ii) 所述可移動的控制部件的運動； (iii) 所述閥控制信號； (iv) 所述相應的致動器控制信號；或者 (v) 所述設定點值， 所述集成的診斷裝置被設置成分析所接收的信息（a)和（b)，並基於所接收的信息（a) 和（b)以及基於用於所述閥或所述閥致動器的預定配置文件數據來確定所述閥的組件或 所述閥致動器的組件的預測剩餘壽命。
2. 根據權利要求1所述的閥控制器，其特徵在於，所述預定配置文件數據識別在給定 的操作條件下具有可預測的壽命的所述閥的一個或多個組件和/或所述致動器的一個或 多個可更換的組件。
3. 根據權利要求2所述的閥控制器，其特徵在於，所述預定配置文件數據還識別所述 可預測的壽命和所述給定的操作條件之間的關係。
4. 根據權利要求3所述的閥控制器，其特徵在於，所述集成的診斷裝置用於接收所檢 測的所述操作環境的參數的指示，並根據接收的所檢測的所述操作環境的參數的指示來 選取相應的預定配置文件數據的子集，並使用所述預定配置文件數據的所述子集來確定所 述預測剩餘壽命。
5. 根據權利要求4所述的閥控制器，其特徵在於，所述集成的診斷裝置用於執行計數， 所述計數根據信息（b)增加或減小。
6. 根據權利要求1所述的閥控制器，其特徵在於，所述信息（b)被從位置傳感器接收。
7. 根據權利要求1所述的閥控制器，其特徵在於，所述預定配置文件數據被從在對應 於所述操作環境的條件下操作的相同閥或相同致動器的實驗數據獲取。
8. 根據權利要求1所述的閥控制器，其特徵在於，所述集成的診斷裝置用於被設置成 生成通知狀態數據並將所述通知狀態數據傳送到遠程計算機或遠程操作員，其中所述通知 狀態數據指出所述組件的預測剩餘壽命。
9. 根據權利要求8所述的閥控制器，其特徵在於，所述通知狀態數據包括用來對所述 組件進行維護或更換的推薦更換部件和/或推薦檢修行為。
10. 根據權利要求1所述的閥控制器，其特徵在於，所述組件是所述閥裝置的隔膜組 件、填料壓蓋組件、軸襯組件、密封組件或軸組件。
11.根據權利要求1所述的閥控制器，其特徵在於，所述預測剩餘壽命是用於所述組件 的周期壽命，其基於所述閥裝置的操作周期的預期數目將所述組件的理想壽命表徵為所述 操作環境的參數的函數。
【文檔編號】F16K31/00GK204164465SQ201420119543
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2013年3月14日
【發明者】T·D·格雷博, S·W·安德森 申請人:費希爾控制國際公司