УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ УСТРОЙСТВА АВАРИЙНОГО ЗАКРЫТИЯ Российский патент 2011 года по МПК F16K37/00 G05B23/02 

Ссылки на предшествующие заявки

Данная заявка основана на предварительной патентной заявке США №60/760,665, 20.01.2006, содержание которой включено в данное описание посредством ссылки и которая является заявкой, поданной в частичное продолжение патентной заявки США №10/117,007, 05.04.2002, озаглавленной “Система ручного запуска тестирования на аварийное закрытие и сбора диагностических данных при осуществлении управления процессом” и основанной, в свою очередь, на предварительной патентной заявке США №60/281,852, 05.04.2001, озаглавленной "Система для проверки статуса клапана аварийного закрытия", причем содержание названных заявок включено в данное описание посредством ссылки на них.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам аварийного закрытия, используемым в контексте управления процессами, и более конкретно к универсальному контроллеру для использования при тестировании и диагностике устройств аварийного закрытия и поддерживающего оборудования, используемых при управлении процессами.

Уровень техники

Безопасные приборные системы, как правило, снабжаются клапанами аварийного закрытия, которые обычно находятся в полностью открытом или полностью закрытом состоянии. Эти клапаны управляются посредством логического решающего устройства, программируемого логического контроллера или какого-либо контроллера аварийного закрытия, который обеспечивает изменение состояния клапана в случае аварийной ситуации. Чтобы гарантировать способность правильного функционирования данных клапанов, операторы системы управления процессом, как правило, периодически тестируют клапаны аварийного закрытия, осуществляя их диагностику при частичном или полном открывании или закрывании клапана. Поскольку подобная диагностика проводится, когда технологический процесс является действующим или готовым к действию, при осуществлении испытаний важно обеспечить надежность их проведения, а затем как можно быстрее вернуть клапан в нормальное состояние. В данном контексте термин “нормальное состояние” относится к положению или состоянию клапана аварийного закрытия в отсутствие аварийного состояния и испытаний, т.е. при нормальном течении технологического процесса.

Во многих случаях подобные испытания проводятся через заданные промежутки времени посредством удаленных контроллеров. Например, испытания (тестирования) на аварийное закрытие могут производиться только несколько раз в год, поскольку процедура тестирования является громоздкой и требует участия персонала. Кроме того, во время этих испытаний клапан аварийного закрытия (или иное тестируемое оборудование аварийного закрытия) не может быть использован (использовано) в случае возникновения реальной аварийной ситуации. При этом периодическое тестирование не является надежным методом подтверждения функциональности системы испытаний на аварийное закрытие. По данной причине в некоторых случаях, с целью повысить степень автоматизации испытания и сделать его более удобным для проведения и надежным, для участия в проведении испытаний клапана соответственно программировались цифровые клапанные контроллеры.

Кроме того, обычно представляется важным, чтобы любая система аварийного закрытия была способна перевести устройство аварийного закрытия (например, клапан аварийного закрытия) в безопасное состояние, даже если контроллер аварийного закрытия выдает соответствующую команду в маловероятной, но возможной ситуации, когда аварийное событие происходит во время тестирования. В данном контексте термин “безопасное условие” означает такое положение (состояние) устройства аварийного закрытия, которое делает технологическое оборудование или его часть “безопасным” (“безопасной”). Как правило, такое безопасное положение ассоциируется с таким положением устройства аварийного закрытия, которое отключает или останавливает часть производственного оборудования.

Хотя известно много систем диагностики самих устройств аварийного закрытия, таких как клапан аварийного закрытия, во многих случаях с такими устройствами связано также поддерживающее оборудование, которое также следует диагностировать, чтобы гарантировать полную функциональность системы аварийного закрытия для любых участков технологической (производственной) установки или предприятия. Например, в некоторых конфигурациях, использующих пневматические клапаны, между пневматическим исполнительным механизмом клапана аварийного закрытия и контроллером аварийного закрытия устанавливается соленоидный клапан, чтобы обеспечить двойное управление срабатыванием исполнительного механизма клапана в ответ на сигналы контроллера аварийного закрытия. В то время как клапан аварийного закрытия может оставаться функциональным, соленоидное устройство может выйти из строя, т.е. перестать правильно функционировать в качестве дополнительного канала включения данного клапана. В некоторых случаях неправильное функционирование соленоидного устройства может даже препятствовать правильному срабатыванию клапана аварийного закрытия, когда контроллер аварийного закрытия посылает команду на закрытие контроллеру клапана аварийного закрытия.

Хотя представляется возможным разрабатывать и изготавливать для каждой точки установки средств аварийного закрытия в пределах установки или предприятия специализированное оборудование, обеспечивающее диагностику каждого устройства аварийного закрытия и связанного с ним оборудования, предпочтительно создать универсальное оборудование (оборудование широкого применения), пригодное для использования во многих различных ситуациях тестирования устройств аварийного закрытия различных типов и ассоциированного с ними поддерживающего оборудования, а также для выполнения каких-либо иных функций. Например, желательно, чтобы такое универсальное оборудование было способно обеспечить управление и диагностику различных конфигураций клапанов аварийного закрытия и соленоидных клапанов при одновременном или альтернативном функционировании в качестве части системы управления процессом по замкнутому контуру.

Раскрытие изобретения

Многофункциональный или универсальный контроллер устройства аварийного закрытия, такой как контроллер клапана аварийного закрытия, может быть использован в различных конфигурациях системы аварийного закрытия для обеспечения управления и диагностики различных типов и конфигураций устройств аварийного закрытия и ассоциированного с ними поддерживающего оборудования. Кроме того, он может использоваться в других конфигурациях, например в конфигурациях управления процессом по замкнутому контуру. В одном примере цифровой клапанный контроллер для использования с клапаном аварийного закрытия содержит два датчика давления и выполнен с возможностью подключения к пневматическому исполнительному механизму данного клапана и к соленоидному клапану, чтобы способствовать тестированию в онлайновом режиме исполнительного механизма клапана, а также соленоидного клапана.

Для осуществления тестирования соленоидного клапана клапанный контроллер может измерять давление у различных портов соленоидного клапана при активировании соленоидного клапана на очень короткий период времени. Клапанный контроллер способен определить, является ли соленоидный клапан полностью исправным (функциональным), используя производную разности между измеренными сигналами давления, т.е. основываясь на скорости изменения разности измеренных сигналов давления во времени. В этом случае цифровой клапанный контроллер или система тестирования на аварийное закрытие, подсоединенная к цифровому клапанному контроллеру, может определить, что соленоид находится в приемлемом функциональном состоянии, если абсолютное значение найденной производной превышает заданное пороговое значение, и установить наличие проблемы, связанной с соленоидным клапаном, если абсолютное значение найденной производной меньше того же или другого заданного порогового значения.

В одном варианте цифровой клапанный контроллер может быть использован в качестве преобразователя давления для управляющего клапана на основе измерений давления, приложенного к исполнительному механизму, построенному, например, с использованием подпружиненной мембраны. В этом случае цифровой клапанный контроллер может использовать оба датчика давления, один для осуществления управления клапаном, а другой для тестирования соленоида. Альтернативно, цифровой клапанный контроллер может использовать один из датчиков давления для управления на основе измерения давления, т.е. в составе замкнутого контура управления клапаном. Другой датчик давления может служить не для тестирования соленоидного клапана, а для измерения какого-либо иного сигнала давления в пределах технологической установки. Этот другой сигнал давления необязательно должен быть ассоциирован с управлением или тестированием устройства аварийного закрытия или ассоциированного с ним оборудования. В другом варианте цифровой клапанный контроллер может использовать один из датчиков давления для осуществления управления или для ограничения усилия, необходимого для тестирования клапана. В такой конфигурации цифровой клапанный контроллер может минимизировать нежелательные влияния на процесс путем перемодуляции положения клапана в процессе тестирования.

В другом случае цифровой клапанный контроллер может использоваться как позиционер, управляющий перемещениями клапана на основе измерений его положения, которые поступают в цифровой клапанный контроллер от датчиков положения. В этом случае цифровой клапанный контроллер может использовать один из датчиков давления при проведении тестирования соленоида или другого оборудования, ассоциированного с устройством аварийного закрытия, а второй датчик давления - для детектирования другого сигнала давления, не требующегося для замкнутого контура управления устройством аварийного закрытия или для тестирования этого устройства. Например, в этом случае второй датчик давления цифрового клапанного контроллера может быть связан с другим участком технологической установки, в частности с выходом линии подачи текучей среды, проходящей через клапан аварийного закрытия, чтобы подавать сигнал, характеризующий переменную процесса, на контроллер аварийного закрытия или даже на контроллер процесса, обеспечивающий нормальное управление процессом.

Кроме того, тот же цифровой клапанный контроллер может быть использован вне системы аварийного закрытия, причем он может управлять клапаном, используя управление давлением (т.е. в качестве преобразователя давления) или положением (т.е. в качестве позиционера). В первом случае один из датчиков может измерять, для целей управления, давление в пневматической цепи обратной связи клапана, т.е. осуществлять обратную связь по давлению, тогда как другой датчик может измерять давление, не ассоциированное с клапаном или используемое для управления или тестирования данного клапана. Во втором случае оба датчика могут использоваться для измерения давлений, не ассоциированных с клапаном или требующихся для его управления или тестирования.

Контроллер устройства аварийного закрытия может содержать процессор, память, подключенную к процессору, и подключенный к процессору коммуникационный блок, способный принять сигнал на проведение тестирования, например, от контроллера аварийного закрытия, пользователя и т.д. В памяти хранятся одна или более первые рутинные процедуры тестирования, каждая из которых адаптирована для выполнения на процессоре с осуществлением того или иного испытания (теста) аварийного закрытия в качестве отклика на получение соответствующего сигнала на проведение тестирования, например, от контроллера аварийного закрытия. Эти процедуры могут, например, соответствовать тестированию с частичным или полным ходом клапана, процедурам тестирования соленоидного клапана и т.д. В памяти хранятся и одна или более вторые рутинные процедуры, также адаптированные для выполнения на процессоре во время тестирования на аварийное закрытие, например, соленоидного клапана с обеспечением записи в память выходных сигналов от одного или более датчиков для последующего их извлечения и/или обработки с целью определения функционального состояния одного или более устройств, например соленоидного клапана, ассоциированного с устройством аварийного закрытия.

Как уже упоминалось, контроллер устройства аварийного закрытия может содержать коммуникационный блок, который подключен к процессору и осуществляет связь с устройством диагностики или с контроллером по сети или линии связи с использованием открытого коммуникационного протокола, такого как протокол HART, коммуникационный протокол FOUNDATION® Fieldbus или любой другой специальный или открытый коммуникационный протокол. В некоторых конфигурациях коммуникационный блок может посылать по сети или линии связи сигналы, полученные от одного или более датчиков, какому-либо другому устройству в составе системы управления процессом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема с несколькими компонентами одного из вариантов системы аварийного закрытия, содержащей пневматический клапан аварийного закрытия, исполнительный механизм клапана, цифровой клапанный контроллер и соленоидный клапан, сконфигурированный для осуществления операций по аварийному закрытию и тестированию.

На фиг.2 приведена блок-схема цифрового клапанного контроллера в составе системы аварийного закрытия по фиг.1.

На фиг.3 представлена схема варианта системы аварийного закрытия, содержащая цифровой клапанный контроллер по фиг.1 и 2, сконфигурированный для работы в составе системы аварийного закрытия, а также для сбора сигналов, не используемых системой аварийного закрытия и не ассоциированных с ней.

На фиг.4 представлена типичная конфигурация с клапаном и цифровым клапанным контроллером по фиг.1 и 2, сконфигурированным для управления клапаном в составе распределенной системы управления технологической установкой, включая управление клапаном по замкнутому контуру, а также для сбора одного или более вспомогательных сигналов давления, не используемых в замкнутом контуре управления клапаном.

Осуществление изобретения

Во многих отраслях промышленности для быстрого перевода различных процессов в безопасное состояние при возникновении аварийной ситуации применяют клапаны и другие механические устройства в составе систем управления процессом. Чтобы гарантировать требуемую функциональность таких клапанов и ассоциированных с ними электрических/механических устройств, важно обеспечить их периодическое тестирование. Например, чтобы проверить исправность клапана аварийного закрытия, необходимо обеспечить надежную и безопасную проверку механического движения в этом клапане без создания излишних помех для процесса. Кроме того, если клапан связан с вспомогательным оборудованием, таким как подключенные к нему соленоиды, желательно обеспечить тестирование такого поддерживающего оборудования также безопасным и надежным образом без прерывания технологического процесса и без создания нежелательных помех.

На фиг.1 представлен пример системы 10 аварийного закрытия, пригодной для проверки функционирования клапана 12 аварийного закрытия в составе технологической установки. Специалистам должно быть понятно, что, хотя вариант по фиг.1 соответствует системе 10 аварийного закрытия на основе клапана, подобная система может содержать и другие устройства аварийного закрытия, в том числе использующие другие средства управления или клапанные устройства других типов.

Как показано на фиг.1, клапан 12 аварийного закрытия может быть установлен в линии подачи текучей среды технологической установки, например в трубопроводе 13, по одной части которого текучая среда поступает на вход 12а клапана 12 аварийного закрытия. В другую часть данного трубопровода поступает текучая среда с выхода 12b данного клапана 12. Клапан 12 аварийного закрытия, переставляемый посредством исполнительного механизма 14 клапана, в нормальном состоянии может находиться в одном из двух положений, т.е. в полностью открытом положении, в котором текучая среда может свободно течь от входа 12а к выходу 12b, или в полностью закрытом положении, когда поток текучей среды между входом 12а и выходом 12b перекрыт. Чтобы гарантировать правильное функционирование данного клапана 12 в ситуации реального аварийного закрытия, он может периодически тестироваться путем его частичного открывания или закрывания с помощью его исполнительного механизма 14. Такая процедура именуется тестом с частичным ходом. Разумеется, для тестирования функциональных возможностей клапана 12 могут быть использованы и тесты иных типов.

В примере по фиг.1 система 10 аварийного закрытия содержит пневмоуправляемый исполнительный механизм 14 клапана, а также цифровой клапанный контроллер (ЦКК) 16 и соленоидный клапан 18, которые пневматически связаны с исполнительным механизмом 14 для осуществления управления этим механизмом. В дополнение, соленоидный клапан 18 и ЦКК 16 подключены к контроллеру 20 аварийного закрытия посредством соответственно линий (сетей) 22 и 24 управления/питания. В одном варианте ЦКК 16 может представлять собой клапанный контроллер DVC6000, производимый заявителем настоящего изобретения. В варианте по фиг.1 соленоидный клапан 18 содержит соленоид S, питание которого (постоянным напряжением 24 В) осуществляется от контроллера 20 аварийного закрытия по линиям 22 управления/питания. При этом связь между ЦКК 16 и контроллером 20 аварийного закрытия осуществляется посредством сигналов 4-20 мА по линии/сети 24 связи, которая может представлять собой традиционную линию управления, линию управления по протоколу HART и т.д. Разумеется, если это желательно, ЦКК 16 может быть связан с контроллером 20 аварийного закрытия через любую другую специальную или стандартную сеть связи, такую как сеть FOUNDATION® Fieldbus, сеть Profibus или любую другую сеть, которая уже известна или будет разработана позднее. Аналогично, соленоид S в составе соленоидного клапана 18 может получать от контроллера 20 аварийного закрытия сигналы связи или питание по любым пригодным для этого линиям связи и/или питания.

Исполнительный механизм 14 клапана по фиг.1, в котором используется подпружиненная мембрана, рассчитан на поступление пневматического сигнала к одной (например, верхней) стороне мембраны (не изображена) для обеспечения перемещения штока 28 клапана 12. Альтернативно, в исполнительном механизме 14 клапана может быть использован поршень с односторонним или двусторонним приложением давления; возможно применение и других пневматических исполнительных механизмов. Для управления исполнительным механизмом 14 ЦКК 16 получает питающее давление для формирования пневматического сигнала в линии 30 подачи давления и посылает пневматический сигнал по пневматическим линиям 34, 36 соответственно на клапанную часть соленоидного клапана 18 и в верхнюю часть исполнительного механизма 14. Должно быть понятно, что ЦКК 16 управляет перемещениями в исполнительном механизме 14, управляя давлением, подаваемым в верхнюю часть исполнительного механизма 14, и обеспечивая тем самым перемещение штока 28 клапана. Разумеется, ЦКК 16 может обеспечивать перемещение диафрагмы исполнительного механизма 14 при получении управляющих сигналов от контроллера 20 аварийного закрытия по линии 24 связи.

ЦКК 16 может содержать память, в которой записаны одна или более программы тестирования клапана 12, например тестирования с частичным или с полным ходом. При этом ЦКК 16 может инициировать проведение тестирований при получении одного или более сигналов, посылаемых контроллером 20 аварийного закрытия, аналогичного входного сигнала, поступающего на ЦКК 16 непосредственно от пользователя или оператора или каким-то иным образом. Разумеется, ЦКК 16 может быть использован для выполнения любого известного или желательного тестирования (или тестирований) клапана 12 и исполнительного механизма 14 клапана, чтобы гарантировать их правильное функционирование.

В безопасных приборных системах, применяющих исполнительные механизмы (типа показанного на фиг.1), управляемые пневматическим сигналом, пневматический соленоидный клапан 18 часто используется в качестве дополнительного средства гарантии того, что при возникновении аварийной ситуации из исполнительного механизма 14 будет выведен весь воздух, что обеспечит переход сборки клапан/исполнительный механизм в аварийное (т.е. безопасное) состояние с прижатием затвора клапана к его аварийному седлу. В нормальных (неаварийных) условиях исполнительный механизм 14 клапана находится под давлением для удерживания клапана 12 в нормальном (неаварийном) положении (затвор прижат к неаварийному седлу), а соленоидный клапан 18 установлен в положение, в котором он поддерживает пневматическое давление в исполнительном механизме 14 и позволяет ЦКК 16 регулировать это давление по пневматической линии 34. Например, в варианте по фиг.1 при нормальной работе клапана 12 аварийного закрытия (соответствующей его нормальному, т.е. небезопасному, состоянию, отличному от состояния аварийного закрытия) соленоидный клапан 18 соединяет свои порты А и В (см. фиг.1), чтобы ЦКК 16 имел возможность управлять давлением в линии 36 и, следовательно, давлением на соответствующем входе исполнительного механизма 14. Однако в процессе аварийного закрытия соленоидный клапан 18 активируется (обычно в результате снятия питающего сигнала 24 В с линии 22), чтобы связать свой порт А с портом С, одновременно отсоединяя линию 34 от линии 36. Следует при этом отметить, что порт С связан с атмосферой. В результате выполнения описанных действий линия 36, по которой к исполнительному механизму 14 клапана подавалось давление, оказывается связанной с атмосферой. Как следствие, подпружиненная диафрагма в исполнительном механизме 14 и связанные с ней механические звенья заставляют шток 28 и затвор клапана перейти от “нормального” седла к аварийному седлу.

Таким образом, в нормальном режиме работы на вход соленоидного клапана 18 постоянно подается питание, чтобы поддерживать его во включенном состоянии, в котором воздух или иной газ свободно проходит между портами А и В. Это позволяет ЦКК 16 обмениваться воздухом с исполнительным механизмом 14 и тем самым управлять давлением на верхней стороне этого механизма. Для осуществления аварийного закрытия питание соленоида S соленоидного клапана 18 прекращается, что позволяет исправному соленоидному клапану 18 перейти в противоположное положение. В результате перекрывается порт В, а порт А соединяется с портом С, что позволяет воздуху, находящемуся в исполнительном механизме 14, выйти в атмосферу. Данная операция может осуществляться как параллельная или избыточная операция по отношению к снятию, посредством ЦКК 16, давления с линии 34 (например, путем связывания этой линии с атмосферой). Это снятие также заставило бы исполнительный механизм 14 перевести клапан 12 к аварийному седлу в отсутствие перемещения соленоидного клапана 18.

Как уже отмечалось, желательно периодически тестировать соленоидный клапан 18 при нормальной работе установки с целью гарантировать, что в случае реальной аварийной ситуации он будет работать, как ожидается, т.е. отсоединит ЦКК 16 от исполнительного механизма 14 клапана. Этим обеспечится возможность всему или большей части газа/воздуха выйти из верхней части исполнительного механизма 14, тем самым переводя клапан 12 в состояние аварийного закрытия.

Чтобы эффективно реализовать данную процедуру тестирования, ЦКК 16 снабжен двумя датчиками 40, 42 давления, которые установлены с возможностью отслеживать поток воздуха или иного газа через соленоидный клапан 18. Так, датчик 40 давления осуществляет мониторинг выходного давления клапанного контроллера у порта В соленоидного клапана 18, т.е. в линии 34. В то же время датчик 42 связан с исполнительным механизмом клапана и осуществляет мониторинг давления у порта А соленоидного клапана. Как показано на фиг.1, датчик 42 связан с портом А соленоидного клапана 18 линией 45. Кроме того, ЦКК 16 может быть снабжен программой тестирования, которая обеспечивает сбор, хранение и обработку результатов измерений, выполненных датчиками 40, 42, чтобы определить функциональные возможности соленоидного клапана 18, основываясь на измеренных сигналах, как это будет описано далее.

При этом по ходу тестирования соленоидного клапана 18 контроллер 20 аварийного закрытия может на короткое время прерывать питание соленоида S соленоидного клапана 18, заставляя тем самым исправный соленоидный клапан сработать. В это время выходное давление контроллера, измеряемое датчиком 40, должно оставаться номинально постоянным (поскольку ЦКК 16 не свяжет линию 34 с атмосферой), тогда как давление у порта А, измеряемое датчиком 42, быстро упадет, поскольку исполнительный механизм 14 клапана будет освобожден от воздуха/газа. Таким образом, исправность механической части соленоидного клапана 18 можно будет оценить по оценке скорости и величине перемещения при переходе соленоидного клапана 18 из одного положения в другое. Такая оценка может быть получена в результате непрерывного мониторинга или определения абсолютного значения разности между давлениями, измеренными датчиками 40, 42 в зависимости от времени.

Более конкретно, если соленоидный клапан 18 сработает только частично, он не откроет или не закроет полностью порты A, B и/или С. Такой ограниченный ход данного клапана уменьшит скорость выхода воздуха из исполнительного механизма 14 и тем самым уменьшит скорость изменения давления у порта A по сравнению со скоростью, которая наблюдалась бы для исправного (нормально работающего) соленоидного клапана 18. В зависимости от конкретной конструкции соленоидного клапана такое частичное срабатывание может привести к частичному открыванию порта B в атмосферу. Как следствие, произойдет также и падение давления у порта В, измеряемого датчиком 40 (вместо того, чтобы оставаться постоянным). Любой из отмеченных эффектов уменьшит скорость изменения разности давлений между портами A и B. Аналогично, если соленоидный клапан 18 будет срабатывать медленнее в результате трения, обусловленного ухудшением его физического состояния, данный клапан будет с меньшей скоростью открывать и закрывать порты A, B и/или C, что также повлияет на скорость изменения во времени разности давлений между портами A и B.

Соответственно, при тестировании соленоидного клапана 18 (т.е. при снятом напряжении с его соленоида S) ЦКК 16 может принять и сохранить результаты измерений давления датчиками 40, 42. Во время или после тестирования ЦКК 16 может обработать эти результаты, чтобы определить степень исправности (функциональное состояние) соленоидного клапана 18. Так, чтобы оценить состояние этого клапана 18, ЦКК 16 может реализовать цифровой алгоритм, задаваемый уравнением (1) в дискретном временном пространстве:

DP=abs((S1-S2)dt), (1)

где DP - производная дифференциального давления по времени, a S1, S2 -результаты измерений, выполненных датчиками 40, 42 давления соответственно.

Должно быть, однако, понятно, что расчеты на основе приведенного базового уравнения могут быть выполнены различными способами.

Расчеты в соответствии с уравнением (1) могут производиться периодически в процессе тестирования соленоидного клапана или в дискретные моменты времени, ассоциированные с данным тестированием, с целью определения абсолютного значения производной по времени для дифференциального давления между двумя портами А и В соленоидного клапана 18. Результат расчета по данному уравнению описывает скорость изменения падения давления у порта А относительно порта В соленоидного клапана 18. Должно быть понятно, что значение DP будет большим при более быстром изменении данной разности, что соответствует более быстрому срабатыванию соленоидного клапана в ответ на снятие напряжения с линии 22. Сравнение значения DP с ожидаемым порогом MinDP позволяет установить, является ли изменение давления достаточным, чтобы охарактеризовать состояние соленоида как хорошее. Другими словами, соленоидные клапаны, которые функционируют правильным образом и у которых отсутствуют какие-либо препятствия для срабатывания или какое-либо мешающее трение, будут быстро "перескакивать" в новое положение, производя резкое, быстрое изменение давления, соответствующее большему значению DP. Соленоидные клапаны, которые забиты, имеют малую скорость перемещения или не срабатывают полностью; будут давать менее крутые, нерезкие фронты импульсов давления или уменьшенную разность давлений, соответствующую меньшей амплитуде производной по времени (DP). Соленоидные клапаны, для которых DP меньше MinDP, могут рассматриваться как создающие риск отказа в случае возникновения реальной аварийной ситуации. Следовательно, они могут признаваться дефектными, т.е. требующими ремонта или замены.

В процессе реального тестирования внешняя система, такая как контроллер 20 аварийного закрытия, может послать ЦКК 16 команду инициировать тестирование соленоидного клапана, которое начинается со сбора данных измерений от датчиков 40, 42 и с наблюдения за импульсом давления на входе одного или обоих датчиков 40, 42. После приема такого импульса может быть начата периодическая оценка уравнения (1). После посылки на ЦКК 16 команды на тестирование контроллер 20 аварийного закрытия может на короткое время прервать подачу питания соленоида S по линии 22. Реальная длительность такого прерывания будет зависеть от динамических характеристик системы; в типичном варианте она будет составлять десятки или сотни миллисекунд. Эта длительность должна быть достаточно большой для того, чтобы исправный соленоид мог выполнить полный ход при нормальном рабочем давлении, но недостаточной для того, чтобы произошло заметное реальное перемещение клапана 12. Такой выбор предотвратит создание заметных помех для контролируемого процесса. Более конкретно, датчики 40, 42 давления, а также пневматические линии, связывающие эти датчики с портами А и В соленоидного клапана 18, сконфигурированы так, чтобы обнаружить падение или изменение давления у этих портов. При этом длительность активирования соленоидного клапана 18 слишком мала, чтобы исполнительный механизм 14 переместился на достаточное расстояние и соответственно обеспечил заметное перемещение клапана 12. Другими словами, соленоидный клапан 18 может быть отключен на время, меньшее или примерно равное мертвому времени, ассоциированному со срабатыванием конфигурации, образованной этим клапаном, исполнительным механизмом и штоком клапана 12. В результате к моменту, когда клапан 12 реально начнет перемещаться, соленоидный клапан 18 будет снова запитан и вернется в свое нормальное, неаварийное, состояние. Разумеется, описанная процедура подразумевает, что соленоидный клапан 18 срабатывает намного (например, на порядки) быстрее, чем клапан 12 (что соответствует типичной ситуации).

В любом случае после повторной подачи питания на соленоидный клапан 18 на ЦКК 16 может быть подана (например, от контроллера 20 аварийного закрытия по линии 24 связи) команда определить, был ли сигнал DP достаточно большим, чтобы превысить критерий MinDP. Если да, соленоидный клапан 18 может быть признан исправным. Разумеется, расчеты по уравнению (1) могут быть произведены, когда соленоидный клапан движется из одного положения в другое, реагируя на отключение соленоида S, когда этот клапан 18 находится в положении аварийного отключения (т.е. когда он связал порт A с портом C) и/или когда этот клапан движется из одного положения в другое, реагируя на повторное запитывание соленоида S.

Должно быть также понятно, что в общем случае значение MinDP может выбираться оператором или задаваться в зависимости от типа соленоида, используемых давлений и динамических свойств системы, причем оно может задаваться любым удобным образом, например путем экспериментального тестирования. Следует также учесть, что данное описание относится к соленоидам, находящимся в нормальном состоянии под напряжением, и к исполнительным механизмам, находящимся в нормальном состоянии под давлением. Однако описанный подход применим также к системам, в которых соленоид в нормальном состоянии отключен, а питание на него подается только при выдаче сигнала об аварийном состоянии, и/или в которых на исполнительный механизм в нормальном состоянии давление не подано, а его подача производится только в случае аварийного состояния, и/или в которых выполняются оба этих условия. Кроме того, хотя расчеты, связанные с давлением, были описаны как выполняемые ЦКК 16 во время тестирования, эти расчеты могут проводиться на базе собранных (т.е. сохраненных) данных о давлении после срабатывания соленоидного клапана 18, т.е. по завершении испытаний. Альтернативно, расчеты могут производиться любым другим устройством, например контроллером 20 аварийного закрытия. В этом случае ЦКК будет передавать контроллеру 20 аварийного закрытия сигналы, соответствующие давлениям, полученным от датчиков 40, 42, либо в реальном времени, либо как сигналы, записанные в его памяти. Далее, могут быть использованы любые средства для расчета производной в уравнении (1), например, с использованием периодического цифрового семплирования и цифровых расчетов, с использованием механических устройств или аналоговой электроники.

На фиг.2 приведена блок-схема ЦКК 16, иллюстрирующая некоторые из образующих его компонентов. В частности, в дополнение к датчикам 40, 42 давления, показанным на фиг.1, ЦКК 16 содержит также процессор 50, память 52, один или более аналого-цифровые (А/Ц) преобразователи 54, один или более цифроаналоговые (Ц/А) преобразователи 56 и преобразователь 58 ток/давление (Т/Д). Память 52 используется для хранения инструкций или скриптов, в том числе инструкций или скриптов 60 и 62 соответственно для тестирования клапана 12 и его исполнительного механизма 14 и для тестирования соленоидного клапана 18 и любых других ассоциированных устройств. В памяти 52 могут также храниться сигналы от датчиков и данные диагностики (например, в соответствующем буфере - см. фиг.2). А/Ц преобразователи 54 преобразуют входные сигналы от датчиков, включая датчики 40, 42, в цифровые сигналы, пригодные для непосредственной обработки процессором 50 и/или для записи в память 52. Другие примеры сигналов датчика, которые могут приниматься и храниться в ЦКК 16, включают сигналы о перемещении штока клапана или о его положении (или о перемещении затвора клапана или о его положении), сигналы давления на выходной линии, а также сигналы, соответствующие току в линии обратной связи.

Ц/А преобразователи 56 могут осуществлять преобразование различных цифровых сигналов, формируемых процессором 50, в аналоговые сигналы, которые в некоторых случаях могут использоваться преобразователем 58 Т/Д для управления пневматическим переключателем (ПП) 64. Данный переключатель 64 соединяет линию 30 подачи давления (см. фиг.1) с одной или более выходными пневматическими линиями, такими как линия 34 (см. фиг.1). Разумеется, пневматический переключатель 64 в некоторых случаях может также подключать указанную линию 34 к линии 65, связанной с атмосферой, чтобы выпустить газ под давлением в атмосферу. Альтернативно, для выполнения своих функций переключения давлений и управления преобразователь 58 Т/Д может получать цифровые сигналы непосредственно от процессора 50 или аналоговые токовые сигналы, например токовые сигналы в формате 4-20 мА, от коммуникационного блока 70.

Коммуникационный блок 70 служит в качестве интерфейса для линий (сети) 24 связи (см. фиг.1). Коммуникационный блок 70 может представлять собой любой вариант стековой памяти или содержать такую память или программно-аппаратурную комбинацию, ассоциированную с любым желательным коммуникационным протоколом. Как известно, подобный блок 70 может обеспечивать передачу сигналов, получаемых процессором 50, на контроллер 20 аварийного закрытия или на любое другое устройство, связанное с сетью 24 связи, например на контроллер процесса, ответственный за управление одной или более частями процесса, не ассоциированными с клапаном 12, на пользовательский интерфейс или на любое другое устройство. В частности, процессор 50 может получать и обрабатывать сигналы давления от датчиков 40, 42 и подавать один или более такие сигналы в виде цифровых данных для отправки через коммуникационный блок 70 и сеть 24 связи на другие устройства. В таком варианте один или более датчики 40, 42 в составе технологической установки могут быть использованы для проведения измерений, которые не связаны с управлением и/или тестированием системы 10 аварийного закрытия по фиг.1. Такое решение делает ЦКК 16 более универсальным и полезным в процессах или устройствах аварийного закрытия, которые для своего функционирования и/или тестирования компонентов устройства аварийного закрытия не требуют использования двух датчиков 40, 42.

Как показано на фиг.2, ЦКК 16 может содержать также тактовый генератор 72 и вспомогательный интерфейс (ВС. ИНТ.) 74, который может использоваться процессором 50 для мониторинга или получения вспомогательных входных сигналов, например от электрических переключателей или других устройств, связанных с ЦКК 16 через вспомогательный интерфейс 74. В дополнение, если это представляется желательным, ЦКК 16 может быть снабжен взрывобезопасным корпусом 76, используемым для предотвращения попадания искр в зоны, в которых находятся взрывчатые газы. Тем самым будет уменьшена вероятность того, что работа системы 10 аварийного закрытия приведет к взрыву.

Хотя ЦКК 16 был описан как обеспечивающий тестирование с полным или частичным ходом клапана 12, а также проверку его исправности и хранение программ проверки данного клапана, исполнительного механизма 14 и соленоидного клапана 18 (см. фиг.1), должно быть понятно, что ЦКК 16 может также хранить программы и производить проверки других типов, а также любые другие проверки, которые основаны на использовании других диагностических данных, собираемых ЦКК 16 в дополнение (или альтернативно) к данным, собираемым датчиками 40, 42. Данные измерений или диагностические данные, собранные, например, при проведении тестирования на аварийное закрытие, могут собираться и от других датчиков, не показанных на фиг.2. Альтернативно или дополнительно, эти данные могут быть получены с помощью ручного компьютерного устройства, которое может связываться с ЦКК 16 через вспомогательный интерфейс 74 или коммуникационный блок 70. Различные варианты тестирования описаны, например, в патентной заявке США №2002-0145515 А1, содержание которой включено в данное описание посредством ссылки. Если это представляется желательным, ЦКК 16, альтернативно или дополнительно, может посылать собранные данные в центр управления, например, через контроллер 20 аварийного закрытия для обработки другими устройствами.

На фиг.3 иллюстрируется другая конфигурация системы 100 аварийного закрытия, которая использует ЦКК 16 по фиг.1 и 2 несколько иным образом. Эта конфигурация (как и конфигурация по фиг.4, описываемая далее) приведена только в качестве иллюстраций того, что рассматриваемый ЦКК 16 является достаточно универсальным, чтобы использовать его без существенных изменений в различных технологических установках. Система 100 аварийного закрытия по фиг.3 аналогична системе 10 по фиг.1, и ее элементы имеют аналогичные обозначения. Однако в системе 100 по фиг.3 ЦКК 16 не настроен на проведение вышеописанного тестирования соленоидного клапана. Вместо этого он выполнен с возможностью использования сигналов датчика 40 для управления по замкнутому контуру давлением, подаваемым на исполнительный механизм 14, чтобы активировать его любым подходящим образом, например, при получении ЦКК 16 сигнала на аварийное закрытие или на проведение тестирования исполнительного механизма 14 (например, с его частичным ходом). В этом случае ЦКК 16 использует датчик 40 в режиме преобразователя давления для исполнительного механизма 14 клапана, обеспечивая при этом любой вариант управления клапаном 12.

Как показано на фиг.3, второй датчик 42 в составе ЦКК 16 в данном варианте может быть подключен к любой линии подачи текучей среды в рамках управляемого процесса для измерений переменных параметров, не используемых при управлении клапаном 12, исполнительным механизмом 14 или соленоидным клапаном 18 и/или при их тестировании. Хотя датчик 42 на фиг.3 показан подключенным к выходу 12b клапана 12, он может быть связан с любой линией подачи текучей среды или отбора давления, ассоциированной с любым другим устройством или оборудованием управления процессом. Это оборудование может быть, например, ассоциировано с системой 100 аварийного закрытия. Должно быть также понятно, что выходной сигнал датчика 42, соответствующий переменному параметру процесса, может храниться в ЦКК 16 и посылаться им на другие устройства, такие как контроллер 20 аварийного закрытия (по сети 24 связи) или ручное устройство (через коммуникационный контроллер или вспомогательный интерфейс 74 - см. фиг.2), на удаленный контроллер или на пользовательский интерфейс, не ассоциированный с системой 100 аварийного закрытия (например, посредством сети 24 связи или вспомогательного интерфейса 74). Таким образом, сбор и использование данных от датчика 42 не ограничиваются их использованием для целей устройства или системы аварийного закрытия, в которой установлен ЦКК 16. Данное свойство повышает универсальность ЦКК 16, когда он применяется как часть системы аварийного закрытия, поскольку позволяет ЦКК 16 снабжать вспомогательными данными о давлении распределенную систему управления процессом или систему технического обслуживания, ассоциированную с технологической установкой.

Альтернативно, система 100 аварийного закрытия может быть сконфигурирована, как это показано на фиг.3. В таком случае ЦКК 16 обеспечивает управление положением клапана 12, т.е. функционирует в качестве позиционера. При этом, однако, датчик 40 (см. фиг.3) может быть включен так, чтобы осуществлять управление давлением в качестве резервного метода управления в случае возникновения проблем с контуром управления положением (например, при выходе из строя датчика положения, ассоциированного с этим контуром). Этот резервный метод управления подробно описан в американской патентной заявке №11/195,281 от 02.08.2005, озаглавленной “System and Method for Transfer of Feedback Control for Process Control Device” (“Система и способ передачи управления, по цепи обратной связи, устройством управления процессом”), содержание которой включено в данное описание посредством ссылки. Однако в рассматриваемом случае дополнительный датчик 42 может быть также использован для измерения сигнала давления, внешнего по отношению к сборке клапан 12 - исполнительный механизм 14. Хотя датчик 40 был описан выше как осуществляющий управление давлением в схеме по фиг.3, в альтернативном варианте датчик 40 или датчик 42 может использоваться для управления давлением в качестве резервного метода управления. Кроме того, датчик 40 может альтернативно применяться как датчик давления при измерении давления, внешнего по отношению к сборке клапан 12 - исполнительный механизм 14. Таким образом, должно быть понятно, что любой из датчиков, в случае необходимости, может выполнять любую из описанных функций в соответствующем приложении.

На фиг.4 также показан ЦКК 16 по фиг.1 и 2, используемый в системе 110 управления, по замкнутому контуру, сборкой клапан 12 - исполнительный механизм 14, которая не является частью устройства аварийного закрытия. Система 110 управления клапаном по замкнутому контуру содержит компоненты, идентичные или аналогичные использованным в системе 10 по фиг.1 и соответственно имеющие аналогичные обозначения. Однако в системе 110 по фиг.4 ЦКК 16 показан подключенным к контроллеру 200 процесса и служит для осуществления обычного сервоуправления клапаном 12, который в данном случае может быть регулирующим или управляющим клапаном, не ассоциированным с устройством или системой аварийного закрытия. В такой конфигурации датчик 40 в составе ЦКК 16 может быть подключен к входу исполнительного механизма 14 (например, через пневматическую линию 34) для управления давлением в исполнительном механизме 14. При этом ЦКК 16 работает как обычный преобразователь давления в цепи управления клапаном 12. Однако в данном случае, как показано на фиг.4, датчик 42 давления подключен к компоненту вне сборки клапан - исполнительный механизм с целью сбора данных измерений давления, не требующихся для управления клапаном 12. Таким образом, аналогично вышеописанным конфигурациям, ЦКК 16 в данном варианте допускает использование контроллером 200 процесса датчика 42 в качестве другого преобразователя давления в составе технологической установки

Альтернативно, система 110 может быть сконфигурирована, как на фиг.4, когда ЦКК 16 осуществляет управление положением клапана 12, т.е. функционирует как позиционер в составе системы управления процессом. Однако и в этом случае датчик 40 может осуществлять (как это показано на фиг.4), в качестве резервного метода, управление давлением, например в случае возникновения проблем с контуром управления положением при выходе из строя датчика положения. Как уже упоминалось, этот резервный метод управления подробно описан в американской патентной заявке №11/195,281.

Далее, хотя это не показано на фиг.4, если ЦКК 16 служит для управления положением клапана 12 (т.е. в качестве позиционера в системе управления процессом), оба датчика 40, 42 могут использоваться в качестве внешних или вспомогательных преобразователей давления для измерения любых интересующих сигналов давления, ассоциированных с технологической установкой или присутствующих в ней, включая сигналы давления, не ассоциированные с управлением клапаном 12 или его исполнительным механизмом 14 или с тестированием этих компонентов. Разумеется, выходные сигналы датчиков 40, 42 могут сохраняться в ЦКК 16 и/или посылаться в другие устройства, например в контроллер 200 процесса или в соответствующие пользовательские интерфейсы (не показаны), например, через сеть 24 связи.

Из приведенного описания должно быть понятно, что ЦКК 16 может использоваться во многих различных конфигурациях технологических установок и в рамках различных сценариев для обеспечения, с разными целями, различных измерений давления. При выполнении этих измерений давления ЦКК 16 может применяться, например, как часть устройства аварийного закрытия или как устройство в составе распределенной системы управления процессом. Хотя ЦКК 16 был описан и проиллюстрирован как содержащий два датчика 40, 42 давления, должно быть понятно, что он не ограничен применением только двух таких датчиков, а может содержать дополнительные датчики давления для выполнения других измерений давления внутри технологической установки.

Изобретение было описано выше со ссылкой на конкретные примеры, приведенные только в качестве иллюстраций, не ограничивающих объема изобретения. Однако специалистам должно быть понятно, что, без выхода за пределы изобретения, в представленные варианты могут быть внесены различные изменения, дополнения и модификации.

Группа изобретений относится к системам аварийного закрытия клапана и предназначена для тестирования различных типов и конфигураций устройств аварийного закрытия и ассоциированного с ними поддерживающего оборудования. Система управления содержит управляющий клапан, клапанный контроллер, управляющую линию, поддерживающий компонент, два датчика давления, логику, процессор, память для записи в нее пороговой скорости изменения. Клапанный контроллер содержит два датчика давления и выполнен с возможностью подключения к пневматическому исполнительному механизму клапана и к соленоидному клапану для тестирования в онлайновом режиме исполнительного механизма клапана и соленоидного клапана. Для осуществления тестирования соленоидного клапана клапанный контроллер может измерять давление у различных портов соленоидного клапана при активировании соленоидного клапана на очень короткий период времени. Клапанный контроллер способен определить, является ли соленоидный клапан полностью исправным, используя производную разности между измеренными сигналами давления, т.е. основываясь на скорости изменения разности измеренных сигналов давления во времени. Группа изобретений направлена на повышение надежности функционирования системы. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система управления процессом, использующим текучую среду, содержащая: управляющий клапан, выполненный с возможностью перехода между первым положением и положением аварийного закрытия; клапанный контроллер для управления переходом управляющего клапана между первым положением и положением аварийного закрытия; связанную с клапанным контроллером управляющую линию, использующую текучую среду и обеспечивающую указанный переход управляющего клапана; поддерживающий компонент, подключенный к указанной управляющей линии и выполненный с возможностью перевода управляющего клапана из первого положения в положение аварийного закрытия; первый датчик давления, связанный с клапанным контроллером и выполненный с возможностью детектировать, во время функционирования поддерживающего компонента, первое давление на первом участке указанной управляющей линии, причем первое давление является входным давлением поддерживающего компонента; второй датчик давления, связанный с клапанным контроллером и выполненный с возможностью детектировать на втором участке указанной управляющей линии, отличном от первого участка, во время функционирования поддерживающего компонента, второе давление, которое является выходным давлением поддерживающего компонента; логику, реализованную в клапанном контроллере, для определения функционального состояния поддерживающего компонента на основе, по меньшей мере, одного из первого и второго давлений; процессор, реализующий логику для определения разностей между указанными входным и выходным давлениями и скорости изменения указанной разности давлений в процессе срабатывания поддерживающего компонента; и память для записи в нее пороговой скорости изменения, при этом процессор обеспечивает сравнение указанной скорости изменения с пороговой скоростью для определения функционального состояния поддерживающего компонента.

2. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что процессор выполнен с возможностью определения указанной скорости изменения разности давлений путем вычисления производной разности давлений по времени.

3. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что первый датчик давления выполнен с возможностью детектирования множества значений входного давления, соответствующих множеству моментов в процессе срабатывания поддерживающего компонента, а второй датчик давления выполнен с возможностью детектирования множества значений выходного давления, соответствующих указанному множеству моментов.

4. Система управления по п.3, отличающаяся тем, что процессор реализует логику для определения множества разностей давлений на основе множества значений разностей между множеством значений входного давления и соответствующим множеством значений выходного давления и для определения скорости изменения разностей давлений.

5. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что поддерживающий компонент содержит соленоидный клапан для селективного подключения указанной управляющей линии к атмосфере с целью активирования управляющего клапана.

6. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что указанная управляющая линия является пневматической управляющей линией.

7. Способ мониторинга замкнутого контура управления клапаном, содержащего управляющий клапан, выполненный с возможностью перехода между первым положением и положением аварийного закрытия, клапанный контроллер для управления указанным переходом управляющего клапана, связанная с клапанным контроллером управляющая линия, использующая текучую среду и обеспечивающая указанный переход управляющего клапана, и поддерживающий компонент, подключенный к указанной управляющей линии и выполненный с возможностью перевода управляющего клапана, при этом указанный способ включает: активирование поддерживающего компонента; детектирование на первом участке указанной управляющей линии первого давления, которое является входным давлением поддерживающего компонента; детектирование на втором участке указанной управляющей линии, отличном от первого участка, второго давления, которое является выходным давлением поддерживающего компонента; вычисление разности между первым давлением и вторым давлением и определение функционального состояния поддерживающего компонента на основе указанной разности давлений путем определения скорости изменения разности давлений и сравнения указанной скорости изменения с пороговой скоростью изменения.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что определение скорости изменения разности давлений включает вычисление производной разности давлений по времени.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что определение разности давлений включает: детектирование множества значений первого давления на первом участке указанной управляющей линии, соответствующих множеству моментов в процессе активирования поддерживающего компонента; детектирование множества значений второго давления на втором участке указанной управляющей линии, соответствующих указанному множеству моментов; определение множества разностей давлений на основе разностей между множеством значений первого давления и множеством значений второго давления и определение скорости изменения множества разностей давлений.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что определение функционального состояния поддерживающего компонента включает сравнение скорости изменения множества разностей давлений с пороговой скоростью.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что в качестве скорости изменений используют максимальную скорость изменений.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что определение разности давлений между двумя различными участками указанной управляющей линии включает детектирование входного давления на входе поддерживающего компонента и выходного давления на выходе поддерживающего компонента.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что активирование поддерживающего компонента производится в течение интервала времени, который не вызывает, по существу, никакого перемещения управляющего клапана.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что активирование поддерживающего компонента производится в течение интервала времени, меньшего или равного мертвому времени управляющего клапана.

15. Способ по п.7, отличающийся тем, что активирование поддерживающего компонента включает выведение текучей среды из указанной управляющей линии.