ПРОГНОСТИКА КЛАПАНОВ В ОТНОШЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОНЕНТОВ НА ОСНОВАНИИ МЕТОДОВ УСКОРЕННОГО ИСПЫТАНИЯ НА СТАРЕНИЕ
VALVE PROGNOSTICS FOR POLYMERIC COMPONENTS BASED ON ACCELERATED AGING TECHNIQUES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное описание относится к устройствам управления процессом в технологических установках и, в частности, к методам выполнения прогностики сроков эксплуатации в отношении устройств управления процессом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Существующие системы управления процессами могут выполнять периодическую диагностику устройств управления процессом, таких как клапаны, с целью определять работоспособность и производительность таких устройств. Определение работоспособности устройства управления процессом может обеспечивать более точное планирование технического обслуживания устройства управления процессом, тем самым снижая количество случаев отказа устройства и сокращая время простоя. Это может привести к увеличению эффективности, безопасности и дохода. В системах управления процессами могут применяться различные датчики и другие измерительные устройства с целью наблюдения характеристики устройства управления процессом. Например, в некоторых существующих системах управления может применяться цифровой контроллер клапана для измерения и сбора данных от различных датчиков на клапане управления.
[0003] Из ряда применений данных, полученных от клапанов управления, клиенты хотят получать данные с целью планирования профилактического обслуживания своих технологических установок, в надежде избежать внепланового технического обслуживания и потери производительности по причине неожиданных отказов оборудования. Заказчики, например, хотят знать прогнозируемый срок службы клапана, прежде чем требуется техническое обслуживание, а также то, какие процедуры ремонта и варианты замен имеются в наличии и рекомендуются. Для производителя обеспечение точного прогнозирования срока службы является сложной задачей, поскольку фактические условия процесса сильно отличаются, в зависимости от заказчиков или предприятий, даже в пределах одной технологической установки. Клиентам могут быть предоставлены листы спецификаций, содержащие некоторые проектные данные, а иногда в ответ на запрос заказчика - расчетные условия. Однако такие факторы, как температура и давление, часто сильно отличаются от тех, которые предусмотрены в расчетных условиях, предоставленных заказчиком, или наоборот, при этом другие изменяющиеся условия, такие как состояние флюида (жидкости или пара) и примеси (твердые, жидкие или в виде пара), как правило, не предусмотрены в расчетных условиях, или, как в случае с другими факторами, могут значительно изменяться во время фактического применения.
[0004] Обычно, данные по обслуживанию и данные истории ремонта, предоставленные заказчиками, собирают для определения средней наработки до отказа (СНДО) и среднего времени безотказной работы (СВБР). Затем эти данные относительно СНДО и СВБР можно применять для прогнозирования срока службы клапана. Однако применение этих статистических данных может быть ограниченным, поскольку записи о техническом обслуживании могут быть неполными или могут отсутствовать. Кроме того, заказчики могут не хотеть делиться такой информацией из опасения, что их рабочие условия будут раскрыты для их конкурентов. В результате, данные относительно СНДО и СВБР, основанные на статистических данных, часто являются неполными и недостаточно информативными.
[0005] Другой метод прогнозирования СНДО и СВБР состоит в применении лабораторных данных, полученных в условиях, как можно более приближенных к реальным условиям. Условий давления и температуры обычно без труда достигают в хорошо оборудованной лаборатории. При этом, свойства флюидов и загрязнения гораздо сложнее моделировать; хотя, как правило, можно достичь необходимых свойств флюидов, т.е. окисляющих, не окисляющих, влажных и сухих условий, а также условий со смазкой и без смазки. Иногда можно достичь даже известных видов загрязнения, таких как загрязнение твердыми частицами в потоке флюида. В частности, лабораторные циклические испытания, например, при той же температуре, давлении и с теми же свойствами флюида, которые представляют конкретные условия обслуживания клапанов, могут быть эффективной заменой фактических эксплуатационных данных. Это особенно характерно для компонентов клапана, которые подвергаются нормальному механическому износу или усталости.
[0006] Во время лабораторных испытаний по вышеизложенным или другим причинам обычные способы испытаний с целью определения СНДО и СВБР отсутствуют. Данные способы не могут учитывать изменяющиеся условия и различные факторы, влияющие на срок службы устройства, в частности, те, которые относятся к клапанам с поступательным движением штока и поворотным клапанам, в которых различные компоненты, которые могут подвергаться износу или усталости, что приводит к отказу клапана, очень разнообразны и каждый из которых обладает потенциально другой реакцией на рабочие условия, такие как температура, давление, флюид и т.д.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В соответствии с примером, предложен способ разработки профиля прогнозируемого срока эксплуатации для компонента устройства управления процессом. Данный способ может включать определение компонента, способного с течением времени в процессе работы испытывать механический износ или усталость, получение рабочего параметра, соответствующего данному компоненту. Производительность этого компонента ухудшается с течением времени в результате изменения значений этого рабочего параметра. Этот способ может включать получение ранее записанных эксплуатационных данных типового компонента, собранных во время работы типового компонента в условиях, совместимых с условиями, при которых устройство управления процессом должно работать. Способ может дополнительно включать разработку профиля прогнозируемого срока эксплуатации для компонента на основании ранее записанных эксплуатационных данных, при этом профиль прогнозируемого срока эксплуатации показывает прогнозируемый срок эксплуатации компонента как функцию значений рабочего параметра.
[0008] В соответствии с другим примером, предложен способ определения прогнозируемого остаточного срока эксплуатации для компонента устройства управления процессом. Способ может включать получение профиля прогнозируемого срока эксплуатации для компонента, при этом профиль прогнозируемого срока эксплуатации разработан на основании ранее записанных эксплуатационных данных, собранных во время работы типового компонента в условиях, совместимых с условиями, при которых устройство управления процессом должно работать, и при этом профиль прогнозируемого срока эксплуатации показывает прогнозируемый срок эксплуатации компонента как функцию рабочего параметра. Способ может включать получение текущих данных относительно рабочего параметра для компонента во время работы устройства управления процессом. Способ дополнительно включает анализ этих текущих данных и.профиля прогнозируемого срока эксплуатации для определения прогнозируемого остаточного срока эксплуатации для компонента. Способ может дополнительно включать определение состояния уведомления оператора относительно компонента на основании определенного прогнозируемого остаточного срока эксплуатации. В некоторых примерах данные о состоянии уведомления передаются удаленному персоналу, такому как оператор устройства управления процессом или обслуживающий персонал, с целью планирования работ по обслуживанию компонента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0009] Фиг. 1 иллюстрирует схему технологической установки, выполненной с возможностью получать и координировать передачу данных между многими функциональными областями установки;
[0010] Фиг. 2 иллюстрирует блок-схему типового устройства управления процессом, применяемого в системе управления технологическим процессом, при этом типовое устройство управления процессом представляет собой клапан в сборе, который содержит встроенный интегрированный модуль диагностики;
[0011] Фиг. 3 иллюстрирует блок-схему другого типового устройства управления процессом, применяемого в системе управления технологическим процессом, при этом типовое устройство управления процессом представляет собой клапан в сборе, а удаленный компьютер содержит встроенный модуль диагностики;
[0012] Фиг. 4 иллюстрирует пример клапана в сборе по Фиг. 2 и 3, иллюстрирующий различные компоненты клапана, которые могут быть профилированы;
[0013] Фиг. 5 иллюстрирует блок-схему встроенного модуля диагностики, применяемого для профилирования сроков эксплуатации компонентов клапана по Фиг. 4; и
[0014] Фиг. 6A-6D представляют собой графики профили прогнозируемых сроков эксплуатации, разработанные встроенным модулем диагностики для каждого из компонентов клапана, определенных на Фиг. 3.
[0015] Фиг. 7 иллюстрирует блок-схему типового устройства для профилирования для разработки протоколов ускоренного испытания на старение и профилей срока службы.
[0016] Фиг. 8 иллюстрирует типовую рамку протокола ускоренных испытаний, разработанную устройством для профилирования по Фиг. 7.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Хотя приведенный ниже текст излагает подробное описание многочисленных различных вариантов реализации изобретения, следует понимать, что правовой объем изобретения определяется описанием формулы изобретения, изложенной в заключительной части данного патента. Подробное описание следует рассматривать только как иллюстративное, а не такое, которое описывает каждый возможный вариант реализации изобретения, поскольку описание каждого возможного варианта реализации изобретения было бы непрактичным и/или невозможным. Многочисленные альтернативные варианты реализации изобретения могут быть реализованы с применением либо современной технологии, либо технологии, разработанной после даты подачи данного патента, которая все еще попадает под объем формулы изобретения.
[0018] В соответствии с Фиг. 1, технологическая установка 10 содержит ряд бизнес- и других компьютерных систем, взаимосвязанных с рядом систем управления и обслуживания с помощью одной или более коммуникационных сетей. Технологическая установка 10 содержит одну или более систем управления технологическими процессами 12 и 14. Системой управления технологическим процессом 12 и 14 могут быть, например, блоки управления DeltaVTM, продаваемые Fisher-Rosemount Systems, Inc., Остин, Техас, или любой другой требуемый тип блоков управления или автоматизированной системы управления (DCS), которая может содержать интерфейс оператора 12А, соединенный с блоком управления 12 В и картами ввода/вывода (I/O) 12С, которые, в свою очередь, соединены с различными периферийными устройствами, такими как аналоговые периферийные устройства 15 и периферийные устройства с протоколами взаимодействия с удаленным датчиком с шинной адресацией (HART). Система управления технологическим процессом 14 может содержать один или более интерфейсов оператора 14А, соединенных с одним или более распределенными блоками управления 14 В посредством шины, такой как Ethernet-шина. Блоки управления 14 В соединены через устройства ввода/вывода с одним или более периферийными устройствами 16, например, периферийными устройствами с протоколами HART или Fieldbus, или любыми другими интеллектуальными либо не интеллектуальными периферийными устройствами, включая, например, те, которые используют что-либо из протоколов PROFIBUS, WORLDFIP, Device-Net, AS-Interface и CAN. Как известно, периферийные устройства 16 могут предоставлять аналоговую или цифровую информацию блокам управления 14 В, связанную с технологическими параметрами, а также с другими сведениями об устройствах. Интерфейсы оператора 14А могут хранить и выполнять инструменты, доступные оператору-технологу для управления технологическим процессом, включая, например, оптимизаторы управления, экспертные системы диагностики, нейронные сети, блоки настройки и т.д.
[0019] К тому же, системы технического обслуживания, такие как компьютеры, выполняющие приложение управления ресурсами или любые другие приложения контроля и связи, могут быть подключены к системам управления технологическими процессами 12 и 14 или к находящимся в них отдельным устройствам для выполнения технического обслуживания и операций мониторинга. Например, компьютер технического обслуживания 18 может быть подключен к блоку управления 12В и/или устройствам 15 через любые требуемые линии связи или сети (включая беспроводные сети или сети портативных устройств) с целью связи и, в некоторых случаях, перенастройки или выполнения других работ по техническому обслуживанию устройств 15. Аналогично, приложения управления ресурсами могут быть установлены и выполняться одним или более пользовательских интерфейсов 14А, связанных с распределенной системой управления технологическим процессом 14 для выполнения технического обслуживания и функций мониторинга, включая сбор данных, относящихся к рабочему состоянию устройств 16.
[0020] Технологическая установка 10 также содержит различное вращающееся оборудование 20, такое как турбины, двигатели и т.д., подключенное к компьютеру технического обслуживания 22 через какую-либо постоянную или временную линию связи (такую как шина, беспроводная система связи или портативные устройства, которые подключают к оборудованию 20 для снятия показаний, а потом убирают). Компьютер технического обслуживания 22 может хранить и выполнять известные приложения мониторинга и диагностики 23, обеспечиваемые, например, CSI 2140 Machinery Health Analyzer от Computational Systems, Inc., от Knoxville, TN, или любые другие известные приложения, применяемые для диагностики, мониторинга и оптимизации рабочего состояния вращающегося оборудования 20. Обслуживающий персонал обычно использует приложения 23 для поддержания и контроля производительности вращающегося оборудования 20 в установке 10, чтобы определять проблемы относительно вращающегося оборудования 20 и определять время и необходимость ремонта или замены вращающегося оборудования 20.
[0021] Для облегчения сообщения в отношении технического обслуживания различного оборудования (например, устройств управления процессами) в иллюстрируемом примере предложена компьютерная система 30, которая коммуникативно подключена к компьютерам или интерфейсам, связанными с различными функциональными системами внутри установки 10, включая функции управления процессами 12 и 14, функции технического обслуживания, такие как реализованные на компьютерах 18, 14А, 22 и 26, а также бизнес-функции. В частности, компьютерная система 30 коммуникативно подключена к системе управления технологическим процессом 12 и интерфейсу технического обслуживания 18, связанному с системой управления, подключена к интерфейсам управления процессом и/или интерфейсам технического обслуживания 14А системы управления технологическим процессом 14 и подключена к компьютеру технического обслуживания вращающегося оборудования 22, посредством шины 32. Шина 32 может использовать для обеспечения связи любой требуемый или приемлемый протокол локальной сети (LAN) или глобальной сети (WAN).
Как проиллюстрировано на Фиг. 1, компьютер 30 также подключен через ту же самую или другую сетевую шину 32 к компьютерам бизнес-системы и компьютерам планирования технического обслуживания 35 и 36, которые могут выполнять, например, планирование ресурсов предприятия (ПРП), планирование материальных ресурсов (ПМР), бухгалтерский учет, системы производства и системы клиентских заказов, системы планирования технического обслуживания или любые другие требуемые бизнес-приложения, такие как приложения заказа запчастей, расходных материалов и сырья, приложения планирования производства и т.д. Компьютер 30 может также быть подключен через, например, шину 32 к производственной LAN 37, корпоративной WAN 38, а также к компьютерной системе 40, что позволяет иметь удаленный мониторинг или связь с установкой 10 из удаленных мест.
[0022] В общем, компьютер 30 сохраняет и выполняет систему управления ресурсами 50, которая собирает данные и другую информацию, создаваемую системами управления технологическими процессами 12 и 14, системами технического обслуживания 18, 22 и 26, бизнес-системами 35 и 36, а также информацию, создаваемую инструментами анализа данных, выполняемыми в каждой из этих систем.
[0023] Также, в общем, одна или более программ пользовательского интерфейса 58 могут храниться и выполняться одним или более компьютеров в пределах установки 10. Например, компьютер 30, пользовательский интерфейс 14А, компьютер бизнес-системы 35 или любой другой компьютер может запускать программу пользовательского интерфейса 58. Каждая программа пользовательского интерфейса 58 может получать или подписываться на информацию от системы управления ресурсами 50, и на каждую из программ пользовательского интерфейса 58 могут посылаться одни и те же или разные наборы данных. Любая из программ пользовательского интерфейса 58 может предоставлять различные виды информации, используя разные экраны для разных пользователей. Например, одна из программ пользовательского интерфейса 58 может предоставлять экран или набор экранов оператору-технологу или какому-либо деловому лицу, чтобы дать этому лицу возможность установить ограничения или выбрать параметры оптимизации для применения в стандартной программе управления или в программе оптимизатора управления. Программа пользовательского интерфейса 58 может обеспечивать инструмент указаний по управлению, который позволяет пользователю просматривать индексы, созданные программным обеспечением генерации индекса 51 каким-либо скоординированным образом. Этот инструмент указаний оператору может также позволять оператору или любому другому лицу получать информацию о состоянии устройств, контуров управления, блоков и т.д. и без труда видеть информацию, касающуюся проблем с этими единицами, когда эта информация обнаружена в другом программном обеспечении в пределах технологической установки 10. Программа пользовательского интерфейса 58 может также обеспечивать экраны для мониторинга производительности с помощью данных мониторинга производительности, предоставленных или создаваемых инструментами 23 и 27, программ технического обслуживания, таких как приложение управления ресурсами или любые другие программы технического обслуживания, или программ, создаваемых моделями, связанными с системой управления ресурсами 50. Конечно, программа пользовательского интерфейса 58 может предоставить любому пользователю доступ и разрешить пользователю менять настройки или другие переменные, применяемые в одной или во всех функциональных областях установки 10.
[0024] Установка 10 иллюстрирует различные устройства управления процессом (например, устройствами 14, 15, 16, 20 и 25), которые со временем могут терять производительность и требовать технического обслуживания. Определенные устройства управления процессом, такие как регулирующие клапаны, применяют для модуляции или управления потоком флюида в систему управления технологическим процессом, под управлением систем управления технологическими процессами 12 и 14. (Жидкости, в данном случае, могут включать газообразные жидкости, таких как сжатый газ азот и т.д.). Они приводятся исключительно в качестве примера; специалист в данной области техники поймет, что, хотя типовые варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, основаны на пневматических регулирующих клапанах, другие устройства управления технологическим процессом, такие как насосы, клапана с электроприводом и заслонки, будут также влиять на работу технологической установки и могут быть включены в описанные в данном документе методы.
[0025] В целом, устройства управления процессом, такие как регулирующие клапана в сборе, могут устанавливаться в трубопроводы или трубы, чтобы контролировать поток жидкости, изменяя положение подвижного элемента, такого как клапанный плунжер внутри регулирующего клапана, посредством прикрепленного привода и устройства позиционирования. Корректировки управляющего элемента могут применяться для влияния на какое-либо технологическое условие для поддержания выбранных скорости потока, давления, уровня текучей среды или температуры.
[0026] Регулирующий клапан в сборе обычно работает от регулируемого источника пневматического давления текучей среды, такой как воздух из компрессорной установки. Это давление текучей среды подают на привод (такой как пружина и привод диафрагмы для клапанов с поступательным движением штока или привод поршня для поворотных клапанов) с помощью устройства позиционирования или регулирующего прибора клапана, который регулирует давление текучей среды в ответ на сигнал, полученный от системы управления технологическим процессом. Величина давления текучей среды в приводе определяет движение и положение пружины и диафрагмы или поршня в приводе, тем самым регулируя положение штока клапана, соединенного с подвижным элементом регулирующего клапана. Например, в пружине и приводе диафрагмы, диафрагма должна действовать против пружины перемещения, для расположения подвижного элемента (т.е. плунжера клапана) внутри клапана в проходе между впускным отверстием и выпускным отверстием регулирующего клапана с целью изменения потока в системе управления технологическим процессом. Привод может быть сконструирован таким образом, что повышение давления текучей среды в напорной камере либо увеличивает степень открытия подвижного элемента, либо уменьшает ее (например, прямым воздействием или обратным воздействием), при этом в данном документе предполагается бывшая ситуация. Хотя эти описания могут быть применимы к клапану с поступательным движением штока, соответствующие компонентов и операции могут применяться к поворотным клапанам.
[0027] Фиг. 2 иллюстрирует общий регулирующий клапан в сборе 100, который может быть применен в системе управления технологическим процессом 12 или 14. Регулирующий клапан 102 может иметь подвижный элемент, такой как шток клапана и плунжер клапана (не показан), избирательно располагаемый с помощью привода 104, которым управляет устройство позиционирования для изменения технологического потока. Специалист в данной области техники поймет, что показание положения подвижного элемента плунжера клапана определяется посредством датчика положения 106, который может быть встроен в регулятор положения клапана 108 или может представлять собой автономный передатчик устройства позиционирования. Регулирующий клапан 102 создает регулируемое отверстие внутри линии потока системы управления технологическим процессом для регулирования потока технологических материалов в системе управления технологическим процессом. Система управления технологическим процессом, как правило, может использовать передатчик 110 с целью обнаружения технологического параметра для характеристики процесса. Технологический параметр может быть передан обратно в блок управления технологического устройства 112, направляя работу технологической установки, чтобы управлять процессом.
[0028] Регулятор клапана 114 содержит регулятор положения клапана 108, датчик положения 106 и может также содержать генератор сигналов управления приводом 116, который может включать, например, электропневматический этап (не показан), управляемый микропроцессором, представленным в нем, что генерирует выходной сигнал от регулятора положения клапана 108 для приведения в движение привода 104. Специалисту в данной области техники понятно, что привод может быть электрическим приводом (не показан), и генератор сигналов управления приводом может обеспечивать электрический сигнал управления, чтобы управлять или изменять положение электропривода. Генератор сигналов управления приводом 116 преобразует выходной сигнал от регулятора положения клапана 108 в соответствующее контрольное значение для установки в приводе 104. Датчик положения 106 может контролировать привод 104 в отношении вводной информации о положении (через положение штока привода) или регулирующем клапане 102 (через шток клапана), как проиллюстрировано пунктирной линией.
[0029] В ходе работы пользователь взаимодействует с регулирующим клапаном 102 и процессом 118 в пользовательском интерфейсе управления технологическим процессом 120, который обеспечивает команды, подаваемые блоку управления технологическим процессом 112, ответственному за управление всем технологическим процессом, при этом блок управления технологическим процессом 112 находится в связи с другими устройствами управления (не показаны), применяемыми в установке для управления технологическим процессом. Блок управления технологическим процессом 112 может перевести входные команды, введенные пользователем в интерфейс 120, в заданные команды сигналов. Затем заданные команды сигналов могут посылаться на регулятор клапана 114 и, в частности, на регулятор положения клапана 108. Регулятор положения клапана 108 может иметь встроенный в нем микропроцессор, описанный выше. Микропроцессор может быть запрограммирован выполнять алгоритм для управления регулирующего клапана 102 в ответ получаемые заданные команды сигналов и направления генератора сигналов управления приводом 116 с целью формирования соответствующего управляющего сигнала в приводе 104 для позиционирования регулирующего клапана 102.
[0030] В системе на Фиг. 2 увеличения величин заданных команд могут приводить к соответствующим повышениям пневматического давления, подаваемого генератором сигналов управления приводом 116 в регулятор клапана 114, осуществляя тем самым, через привод 104, соответствующие увеличения отверстия, регулируемого подвижным элементом регулирующего клапана 102. Итоговое положение подвижного элемента может оказывать влияние на технологический процесс и, соответственно, на технологический параметр, наблюдаемый и обнаруживаемый передатчиком технологического параметра 110. Передатчик технологического параметра 110 передает типовой сигнал технологического параметра обратно на блок управления технологическим процессом 112. Специалисту в данной области техники понятно, что блок управления технологическим процессом 112 использует типовой сигнал как показание состояния технологического процесса для обратной связи с целью управления системой.
[0031] Как уже говорилось выше, блок управления технологическим процессом 112 может быть в связи с другими устройствами управления, используемыми в установке для управления технологическим процессом. Блок управления технологическим процессом 112 может также содержать или может быть подключен к компьютеру, имеющему общие вычислительные элементы, такие как процессор или устройство для обработки, запоминающее устройство, устройство ввода и устройство отображения (например, монитор). Процессор может быть подключен к запоминающему устройству, устройству отображения и устройству ввода, как известно специалистам в данной области техники. Кроме того, компьютер может содержать сетевой интерфейс для соединения между сетью и компьютером для обеспечения связи между ними. В одном варианте реализации изобретения компьютер может образовывать часть блока управления технологическим процессом, как, например, в цифровом блоке управления технологическим процессом. В другом варианте реализации изобретения пользовательский интерфейс управления технологическим процессом может представлять собой компьютер. В качестве варианта, компьютер может быть подключен по сети к блоку управления технологическим процессом, но быть физически удаленным от блока управления технологическим процессом.
[0032] Регулятор клапана 114 также содержит или, в качестве варианта, получает информацию от датчика рабочих условий 122, контролирующего одно или более рабочих условий для клапана 102 и/или привода клапана 104 и/или одного или более условий окружающей среды, в которых работает клапан 102. Датчик рабочих условий 122 может представлять собой любой датчик или передатчик, который обнаруживает или как-то иначе контролирует рабочее состояние на или вблизи клапана 102 или привода клапана 104. Например, датчик рабочих условий может контролировать температуру текучей среды, протекающей через клапан 102, температуру текучей среды, управляющей приводом клапана 104, температуру текучей среды, перемещающейся через регулятор положения 108, температуру окружающего воздуха вокруг клапана 102, привода клапана 104 или регулятора положения клапана 108, уровень pH любых текучих сред, указанных выше, давление (выше или ниже по потоку) любых текучих сред, указанных выше, соленость или вязкость любых текучих сред, указанных выше, и т.д. Датчик рабочего состояния 122 подключен для предоставления измеряемых данных о рабочем состоянии регулятору положения клапана 108 с целью регулирования клапана 102 и встроенному модулю диагностики 124. В некоторых вариантах реализации изобретения датчик рабочего состояния 122 передает данные в архив статистических данных или другой элемент централизованного сбора данных, а модуль диагностики 124 извлекает оттуда данные о рабочем состоянии.
[0033] Множественные датчики рабочих условий 122 и/или множественные датчики положения 106 могут быть расположены в рамках всей системы, проиллюстрированной на Фиг. 2, для обнаружения и/или измерения характеристик регулирующего устройства и системы, и могут предоставить эту информацию о характеристике или данные на компьютер или блок управления технологического устройства 112 для отображения на элементе устройства отображения. В одном варианте данные датчика от обоих датчиков 106 и 122 собираются встроенным модулем диагностики 124, который может содержать компьютерный процессор и запоминающее устройство. В некоторых примерах монитор диагностики 126, соединенный с модулем 124, представляет собой дисплейное устройство компьютера, которое отображает данные датчика или выходные данные от модуля 124. Входной элемент устройства компьютера может представлять собой, например, клавиатуру, тачпад, мышь, трекбол, световое перо, микрофон (например, для голосового ввода команд) и т.д. Стоит также отметить, что различные варианты реализации заявляемого способа и системы, описанные ниже, могут быть реализованы в виде набора инструкций в процессоре компьютера для выполнения, как известно специалистам в данной области техники.
[0034] Встроенный модуль диагностики 124 разрабатывает и реализует прогностические алгоритмы для устройств управления технологическим процессом с целью прогнозирования конца срока эксплуатации этих устройств и/или их различных компонентов. Типовые устройства управления технологическим процессом, проиллюстрированные в данном документе, представляют собой клапаны в сборе. Однако, в более широком смысле, встроенный модуль диагностики может быть использован в любом устройстве управления процессом, которое испытывает механический износ или усталость с течением времени, включая устройства, изменяющие поток текучей среды в технологическом процессе, такие как клапаны, насосы и демпферы, и могут быть реализованы для прогнозирования конца срока эксплуатации компонентов каждого или любого из этих устройств.
[0035] Встроенный модуль диагностики 124 собирает прогностические алгоритмы для компонентов, образующих устройство управления процессом, и на их основании можно определять данные об остаточном сроке эксплуатации устройства (например, остаточное время цикла эксплуатации, прогнозируемая дата технического обслуживания). Как будет осуждаться ниже, встроенный модуль диагностики 124 может получать эти алгоритмы из задокументированного среднего или минимального срока службы множественных устройств управления технологическим процессом одного и того же типа и строительных материалов, указанных в конкретной заявке, на основании лабораторных данных, собранных таким образом, который наиболее приближен к реальным условиям устройства (например, условия эксплуатации), и/или из статистических данных идентичных или аналогичных устройств, или деталей приборов, в установке или среде, в которой устройство или его часть установлены. Следовательно, такие алгоритмы могут учитывать те компоненты, которые обычно выходят из строя по причине механического износа или усталости и которые могут быть охарактеризованы как имеющие фиксированный или средний срок эксплуатации в новом состоянии. Например, при планировании цикла эксплуатации встроенный модуль диагностики 124 может уменьшать фиксированный или средний цикл эксплуатации, при этом каждый цикл испытывается в процессе работы. Такое уменьшение происходит автоматически, например, в ответ на сигналы от автоматического датчика в устройстве управления процессом или благодаря данным, вводимым оператором. В качестве другого примера, встроенный модуль диагностики 124 может уменьшить фиксированный или средний срок движения (например, уплотнение вокруг штока клапана) путем кумулятивного движения детали (например, штока клапана), регистрируемого соответствующим датчиком положения 104 в приводе клапана 104 или в клапане 102, управляемым генератором сигналов управления приводом 116, контролируемым регулятором положения клапана 108 или даже контролируемым блоком управления технологическим процессом 112.
[0036] В некоторых примерах остаточный срок эксплуатации определяется на основании по меньшей мере частично данных от датчиков (например, датчиков 106 и 122), измеряющих нормальные условиях эксплуатации, при этом данные собираются в периодические определенные интервалы времени, или на постоянной основе, или в ответ на какое-либо инициирующее событие. В некоторых примерах остаточный срок эксплуатации определяется на основании по меньшей мере частично информации от блока управления технологическим процессом 112, регулятора положения клапана 108 и/или привода клапана 104. Например, остаточный срок эксплуатации может быть определяющим, в некоторых вариантах реализации изобретения, в соответствии с одним или более рабочими условиями, регистрируемыми датчиком 122 и в соответствии с количеством циклов открывания/закрывания в соответствии с инструкциями блока управления технологическим процессом 112 (в противоположность получению количества циклов открывания/закрывания от привода 104 или датчика положения 106).
[0037] Встроенный модуль диагностики 124 может определять остаточный срок эксплуатации для каждого заменяемого компонента устройства управления процессом (например, заглушки, уплотнения, втулки, подшипники и т.д.), а также для устройства управления процессом в целом. В любом случае, остаточный срок эксплуатации может быть основан исключительно на характеристиках конкретного устройства управления процессом или интересующих компонентов, или измеренных характеристиках или данных других устройств технологической установки. Последние могут включать другие устройства, работающие в координации с соответствующим устройством, а также общие рабочие условия технологической установки. Конкретные данные остаточного срока эксплуатации могут храниться в машиночитаемом запоминающем устройстве, например, интеллектуальном устройстве позиционирования в конфигурации клапана, например, внутри регулятора клапана 114 по Фиг. 2.
[0038] Встроенный модуль диагностики 124 имеет возможность сообщаться с удаленным компьютером, таким как системный блок управления 12 или 14, через интерфейс связи 128, который может быть проводным или беспроводным интерфейсом связи, при этом удаленный компьютер может, в некоторых случаях, ваять на себя какое-то действие управления технологическим процессом (например, регулировку использования клапана, например, скорость или частота срабатывания, чтобы продлить срок службы компонента клапана, переключение на резервный прибор/линию потока и т.д.) на основании данных, полученных от встроенного модуля диагностики 124.
[0039] Как проиллюстрировано на Фиг. 2 и как описано выше, встроенный модуль диагностики 124 может получать разнообразные вводные данные в различных вариантах применения. Среди вводных данных есть вводные данные от одного или более датчиков рабочих условий 122, одного или более датчиков положения 106, одного или более передатчиков технологического параметра 110, блока управления технологическим процессом 112 и интерфейса связи 128. Каждый из датчиков рабочих условий 122 может регистрировать другой параметр (например, температуру, давление, вязкость, скорость потока и т.д.) или может регистрировать один и тот же параметр, как еще один датчик, но в другом месте (например, выше и ниже по потоку, температуру текучей среды, протекающей через клапан 102, и температуру текучей среды, регулирующей привод 104 и т.д.). Каждый из одного или более датчиков положения 106 могут регистрировать положение другого элемента (например, положение штока клапана и положение штока привода). Встроенный модуль диагностики 124 может также содержать (например, как хранимые в запоминающем устройстве) или извлекать/получать (например, через интерфейс связи 128) данные и/или алгоритмы для применения при определении остаточного срока эксплуатации устройства или компонентов устройства.
[0040] В примере на Фиг. 2 встроенный модуль диагностики 124 встроен в клапан в сборе 100. Например, модуль 124 может быть реализован с помощью бортового процессора (блока управления 114) или инструкций, выполняемых таким процессором, в интеллектуальном устройстве управления процессом. Фиг. 3 иллюстрирует другую типовую конфигурацию, с клапаном в сборе 100', имеющую аналогичные характеристики, как и клапан в сборе 100, за исключением того, что встроенный модуль диагностики 150 содержится в удаленной компьютерной системе 152, такой как мультиплексированный хост-компьютер, распределенная система управления (DCS), система управления ресурсами предприятия (такая как система управления ресурсами 50) или любая их комбинация. Интерфейс связи 128' пакует данные о рабочих условиях от датчика(ов) 122' и датчика(ов) 106' и передает их на удаленную компьютерную систему 152 для профилирования встроенным модулем диагностики 150.
[0041] Фиг. 4 иллюстрирует типовое устройство управления процессом в виде клапана в сборе 200, сформированного из различных компонентов, каждый из которых имеет потенциально различные профили срока эксплуатации, которые будут определены встроенным модулем диагностики (например, встроенным модулем диагностики 124). В проиллюстрированных примерах эти профили срока эксплуатации являются циклическими профилями срока эксплуатации, поскольку они зависят от количества рабочих циклов клапана (например, количества осуществленных операций полного открытия/закрытия из количества осуществленных операций частичного открытия/закрытия). В проиллюстрированном примере клапан в сборе 200 формируется из ряда компонентов, которые могут быть профилированы с использованием данных лабораторных испытаний или ранее собранных статистических данных фактически используемых клапанов в сборе. Таким образом, профили срока эксплуатации могут быть разработаны на основании реальных данных, отражающих конкретные условия, имеющиеся в работающей технологической установке. Конкретные проиллюстрированные компоненты включают насадочный компонент диафрагмы 202 и приемник штока 204, соединенный с уплотняющим компонентом 206 и находящийся в зацеплении с корпусом клапана 208 посредством компонента (втулки или подшипники) сальниковой коробки 210.
[0042] Регулятор клапана 212, соответствующий регулятору клапана 114, в целом или частично, управляет срабатыванием и положением клапана. Встроенный модуль диагностики в регуляторе клапана 212 собирает различные рабочие данные и данные профиля для определения цикличного профиля срока эксплуатации для каждого из этих различных компонентов, с применением прогностического алгоритма. В некоторых примерах, таких как Фиг. 2, прогностический алгоритм применен с помощью бортового процессора в пределах выделенного инструмента устройства позиционирования, в регуляторе клапана. В некоторых примерах, таких как Фиг. 3, прогностический алгоритм применен с помощью мультиплексированного хост-компьютера, сообщающегося с регулятором клапана 212, такого как компьютерные системы 30, 35 или 36. В еще других примерах могут применять систему распределенного процесса управления (РПУ) или систему управления ресурсами установки, такую как система управления ресурсами 50, сообщающуюся с блоком управления 212. В еще других примерах могут применять комбинацию этих конфигураций анализа, которую могут использовать, когда применяют цикл срока эксплуатации компонента из множественных различных источников.
[0043] Фиг. 5. иллюстрирует типовой встроенный модуль диагностики 400 (соответствующий, например, встроенному модулю диагностики 124 или 150), который может содержаться в регуляторе клапана 312 или удаленной компьютерной системе 152. Модуль 400 выполнен с возможностью доступа к идентификатору устройства 402, который идентифицирует конкретное анализируемое устройство управления процессом (например, клапан в сборе, насос в сборе, заслонку и т.д.). Идентификатор устройства 402 может быть встроен в устройство управления процессом либо производителем, либо заказчиком и может представлять собой файл, хранящийся в запоминающем устройстве, который фиксируется или повторно записывается, в различных вариантах реализации изобретения. В некоторых примерах идентификатор устройства 402 является повторно записываемой или иначе настраиваемой частью пользовательского интерфейс управления технологическим процессом 120, для облегчения идентификации вручную или выбора конкретного устройства управления процессом для профилирования. В любом случае, идентификатор устройства 402 может храниться локально в устройстве управления процессом или в удаленной компьютерной системе, такой как системы 12, 14, 30, 35 или 36.
[0044] Идентификатор устройства 402 обращается к списочному файлу 404, который определяет компоненты, образующие устройство управления процессом и имеет срок эксплуатации, а также может определять для каждого компонента любые данные необходимые для создания профиля срока эксплуатации для компонента, как описано ниже. В примере на Фиг. 4 списочный файл 404 определяет насадочный компонент диафрагмы 302, приемник штока 304, уплотняющий компонент 306 и сальниковую коробку 313, как и профилированные компоненты клапана в сборе 300.
[0045] В некоторых вариантах реализации изобретения компоненты, перечисленные в списочном файле 404, зависят от типа устройства управления процессом. Для клапана с поступательным движением штока, например, списочный файл 404 может определять любой один или более из следующих компонентов, которые будут испытывать механический износ или усталость во время работы: диафрагму привода или уплотнения поршня и штока, направляющие втулки или подшипники привода, сальники клапана, шток клапана, направляющие втулки или подшипники штока или втулки, балансировочные уплотнители плунжера клапана, плунжер клапана, клапанную клетку, сильфонные уплотнители и/или пружины привода. Для поворотного клапана в сборе списочный файл 404 может определять диафрагмы или поршень привода и уплотнители штока, направляющие втулки или подшипники привода, концевые подшипники штока привода, валы клапана, подшипники или втулки клапана, уплотнители, диски, шарики, сегментоядерные шарики или втулки и/или пружины привода.
[0046] В других вариантах реализации изобретения списочный файл 404 может включать все компоненты для конкретной линейки устройств данного типа или все компоненты для всей ассортиментной линии производителей. В этих вариантах реализации изобретения встроенный модуль диагностики 400 может извлекать из списочного файла 404 только данные, относящиеся к устройствам, определенным идентификатором устройства 402. Например, идентификатор устройства 402 может определить (например, путем программирования/настройки оператором или техником) конкретный тип клапана, приводимого в действие с помощью конкретного типа привода. Затем модуль 400 может извлечь из идентификатора устройства 402 данные, относящиеся к компонентам, которые связаны с конкретными типами приводов и клапанов. В некоторых вариантах реализации изобретения списочный файл 404 может храниться удаленно, например, на сервере, доступном через сеть связи, такую как LAN (например, когда списочный файл 404 хранится на сервере установки) или Интернет (например, когда списочный файл 404 хранится на сервере устройства производителя).
[0047] Списочный файл 404 может также определять испытывающие усталость детали, крепящиеся к клапану в сборе или устройству позиционирования клапана, такому как бустеры, электромагнитные клапаны, отключающие клапаны, концевые выключатели, передатчики положения, регуляторы давления снабжения инструмента и пневматические трубопроводы.
[0048] Хотя на Фиг. 5 проиллюстрирован одиночный списочный файл 404, в других примерах могут применять несколько списочных файлов, например, чтобы стандартные компоненты клапана вошли в список одного списочного файла, а поддающиеся усталости детали вошли в список другого списочного файла.
[0049] Когда нескольких компонентов хранятся в идентификаторе устройства 402, можно входить в различные списочные файлы 404 для каждой части, в соответствии с инструкцией от встроенного модуля диагностики 400.
[0050] Списочные файлы 404 могут быть инициированы и обновляться производителем или заказчиком устройства посредством вводимых оператором данных. Например, GUI-интерфейс может быть предложен (посредством интерфейса 120) оператору с целью обеспечить выбор предварительно существующих хранимых вводных данных о компоненте, а также добавление и/или удаление вводных данных о компоненте. Следовательно, формирование списочного файла 404 может быть выполнено до начала работы устройства управления процессом. Списочный файл 404 файл может быть обновлен, чтобы включать дополнительные компоненты, добавленные во время работы частичной сборки. Такое обновление может происходить путем ручного ввода оператором или автоматически, например, для систем, в которых в качестве деталей добавлены к частичной сборке эти детали, автоматически обнаруживаемые частичным блоком управления.
[0051] В дополнение к определению компонентов, списочный файл 404 может определять, для каждого из перечисленных компонентов, операционный параметр, который влияет на механический износ или усталость этого компонента во время работы устройства. Поскольку срок службы каждого компонента может зависеть от различных рабочих условий, в некоторых примерах списочный файл 404 определяет различные рабочие параметры, к которым должен иметь доступ встроенный модуль диагностики 400 при разработке профиль срока эксплуатации компонента. Например, устройство позиционирования клапана может испытывать усталость в ответ на многочисленные параметры, такие как соотношение ток-давление (I/P), испытываемые форсункой/заслонкой клапана, пьезо-кристаллом или перемещаемым компонентом соленоида. Дополнительные параметры включают давление на реле давления, положение соединений в клапане, положение различных устройств обратной связи, возможность такой обратной связи от потенциометра, кодирующего устройства или преобразователя. Как правило, эти рабочие параметры определяют исходные параметры, которые необходимо измерять и анализировать с помощью прогностического алгоритма с целью определения профиля срока службы для компонента и для устройства управления процессом в целом.
[0052] Как будет показано ниже, встроенный модуль диагностики 400 может также иметь доступ к хранимым статистическим данным 406, имея ранее полученные рабочие данные, данные по техническому обслуживанию, среднюю наработку до отказа или другие данные по устройству и его компонентам.
[0053] В иллюстрируемом примере встроенный модуль диагностики 400 также получает доступ к лабораторным данным испытаний 407 для устройства управления процессом и соответствующих компонентов, перечисленных в списочном файле 404. В других примерах только что-либо одно из лабораторных данных испытаний 407 или статистических данных 406 может быть доступно для модуля 400.
[0054] В конфигурации на Фиг. 2 статистические данные 406 и данные лабораторных испытаний 407 могут храниться локально или быть доступны удаленно посредством интерфейса связи 128. В конфигурации на Фиг. 3 статистические данные 406 и данные лабораторных испытаний 407 могут храниться в удаленной компьютерной системе 152, например, доступной для компьютерной системы 12, 14, 30, 35 и/или 36.
[0055] С целью диагностики операций устройства управления процессом и разработки профилей срока эксплуатации встроенный модуль диагностики 400 содержит устройство для профилирования 408, которое собирает и хранит статистические данные 406 и данные лабораторных испытаний 407 по меньшей мере для некоторых компонентов, перечисленных в списочном файле 404. На основании этих данных устройство для профилирования 408 определяет профиль срока эксплуатации для каждого из определенных компонентов, а также на основании определенных соответствующих рабочих параметров, связанных с этим компонентом. Устройство для профилирования 408 может хранить ранее разработанные профили срока эксплуатации или может создавать их.
[0056] Определенные профили срока эксплуатации хранятся во множестве разных профилей 410, как проиллюстрировано. Типовые профили проиллюстрированы на Фиг. 6A-6D.
[0057] Фиг. 6А иллюстрирует профиль срока эксплуатации, разработанный устройством для профилирования 408, для компонента диафрагмы 302, с указанием срока эксплуатации (в часах) степени окисления диафрагмы как функции температуры и иллюстрацией линейного нисходящего наклонного профиля. Фиг. 6 В иллюстрирует циклический профиль срока эксплуатации для компонента сальниковой коробки 310, указывающий на объем утечки (измеряется в частях на миллион) как функцию рабочих циклов для компонента. Циклический профиль срока эксплуатации включает данные профиля для по меньшей мере четырех разных компонентов сальниковой коробки, собранные из статистических данных 406 и/или данные лабораторных испытаний 407.
[0058] Когда устройство для профилирования 408 снабжено несколькими наборами данных, профиль 408 может усреднить данные для определения средней наработки до отказа, т.е. когда наборы данных соответствуют одним и тем же рабочим параметрам. В некоторых примерах сохраненные данные могут включать статистические данные или данные лабораторных испытаний, полученные относительно различных рабочих параметров (например, один набор собранных данных показывает фактический срок эксплуатации как функцию давления, другой набор данных показывает фактический срок эксплуатации как функцию температуры). В таких случаях устройство для профилирования 408 может разрабатывать профили для компонента по каждому из различных рабочих параметров.
[0059] Фиг. 6С иллюстрирует циклический профиль срока эксплуатации, разработанный для уплотняющего компонента 306, с указанием объема утечки (в частях на миллион) как функции количества рабочих циклов. Фиг. 6D иллюстрирует циклический профиль срока эксплуатации для компонента вала 304, с указанием в процентах отказа как функции количества рабочих циклов. Хотя в качестве примера проиллюстрированы четыре цикличных профиля срока эксплуатации, следует иметь в виду, что любое количество цикличных профилей срока эксплуатации может храниться в устройстве для профилирования 408 и использоваться встроенным модулем диагностики 400.
[0060] В некоторых примерах устройство для профилирования 408, например, предварительно заполнено профилями срока эксплуатации для компонентов, определенных в списочном файле 404, при этом компоненты были предварительно профилированы в отношение аналогичных рабочих условий. В любом случае устройство для профилирования 408 может обновлять профили срока эксплуатации на основании прошедшего времени, количества циклов или других параметров. Например, для клапана в сборе устройство для профилирования 408 может получить количество циклов от устройства позиционирования клапана или счетчика состояния клапана 414. Устройство для профилирования 408 может получать значение температуры от датчика температуры (не показан). Устройство для профилирования 408 может получать данные о положении для клапана от датчика положения. Устройство для профилирования 408 может регулировать профили срока эксплуатации для компонентов и для всего клапана в сборе на основании этих параметров.
[0061] Встроенный модуль диагностики 400 собирает данные датчиков (например, от датчиков 106 и 122) и сохраняет данные о рабочих условиях для устройства управления процессом в модуле оперативных данных 410. Рабочие условия могут быть в виде измеренных данных в режиме реального времени, соответствующих рабочим параметрам, определенным в списочном файле 404. Как обсуждалось выше, для клапана в сборе измеренные данные могут включать любой параметр, который будет влиять на механический износ или усталость перечисленных компонентов или всего клапана в сборе, включая соотношение ток-давление (I/P), испытываемое форсунками/заслонками клапана, пьезо-кристаллом или перемещаемым компонентом соленоида, давление, температуру компонента, температуру окружающей среды, скорость потока, утечку, степень окисления, положение соединений в клапане и положение различных устройств обратной связи.
[0062] Предоставляются рабочие данные из модуля 410, наряду с профилями срока эксплуатации, устройством для профилирования 408 определителю остаточного срока эксплуатации 412, который анализирует текущие рабочие данные в отношении соответствующих профилей, для компонентов, с целью определить прогнозируемый остаточный срок эксплуатации каждого компонента и/или всего устройства управления процессом. Что касается последнего, определитель 412 применяет алгоритм многофакторного анализа к полученным данным для определения прогнозируемого срока эксплуатации на основании прогнозируемого времени эксплуатации каждого из компонентов. Значения прогнозируемого остаточного срока эксплуатации могут представлять собой значения цикличного срока эксплуатации, если они поданы, например, как функция остаточных рабочих циклов для клапана в сборе. В других примерах значения прогнозируемого остаточного срока эксплуатации могут быть измерены или показаны в виде счетчика-измерителя интервалов времени или данных о прогнозируемых отказах. Например, определитель срока эксплуатации 412 может получать значение числа циклов от счетчика 414, которое он затем сопоставляет с профилями из устройства для профилирования 408, чтобы определить прогнозируемый остаточный цикличный срок эксплуатации.
[0063] Определитель 412 может включать определение уверенности, которое определяет наличие достаточного объема предоставленных рабочих данных и профилей для достаточно точного определения прогнозируемого цикличного срока эксплуатации устройства управления процессом. Может быть предоставлена предупредительная индикация, если собрано недостаточно данных датчиков и остаточный прогнозируемый срок эксплуатации не может быть определен для конкретного компонента клапана.
[0064] Определитель 412 обеспечивает определение прогнозируемого цикличного срока эксплуатации определительному модулю 418, который определяет состояние уведомления для окончательного определения. В одном примере состояние уведомления имеет одно из трех условий: (i) НОРМАЛЬНОЕ, что указывает на отсутствие необходимости технического обслуживания; (ii) ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ, что указывает на необходимость технического обслуживания или замены при следующем запланированном обслуживании; или (iii) ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ, что указывает на необходимость технического обслуживания или замены до следующего запланированного обслуживания. Предупреждающий механизм может быть обеспечен в устройстве управления процессом с целью указывать на состояние уведомления, например, светом с цветовой кодировкой или с помощью дисплея. Определительный модуль 418 соединен с интерфейсом связи 420 (которые может представлять собой интерфейсы связи 128 или 128') для передачи состояния уведомления и определения прогнозируемого срока эксплуатации на удаленный компьютер или оператору, например, на удаленные компьютерные системы 12, 14, 30, 35 и/или 36, проиллюстрированные на Фиг. 1. В дополнение к предоставлению локальной индикации состояния уведомления, интерфейс связи 420 может представлять собой проводной или беспроводной интерфейс связи, предоставляющий индикацию состояния уведомления хост-компьютеру, РПУ, удаленному компьютеру и т.п., которая по меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения дает регулятору команду изменить работу технологической установки в соответствии с состоянием уведомления, например, путем уменьшения частоты или скорости срабатывания, или путем переключения на резервный путь потока.
[0065] Таким образом, в настоящее время методы могут обеспечивать предупреждение для оператора ПУ, отдела обслуживания или инженерного отдела обеспечения надежности, при этом предупреждение характеризует прогнозируемое остаточное время до отказа компонента. В некоторых примерах предупреждения могут быть установлены достаточно далеко заранее, что они появляются при запланированном обслуживании простоя, возникшего до прогнозируемого времени отказа. Это даст персоналу возможность планировать техническое обслуживание или замены компонента до ожидаемого отказа. Предупреждающие сообщения могут включать такие данные, как рекомендуемые запасные части или рекомендуемые действия по обслуживанию. Предупреждающие сообщения могут быть предоставлены удаленной компьютерной системе для облегчения заказа ручного ремонта или включать автоматический заказ запасных частей от производителя компонента. Предупреждающее сообщение может быть предоставлено компьютерам бизнес-системы и компьютерам планирования технического обслуживания 35 и 36, которые могут не только облегчить заказ или замену запасных частей, как описано, но и планирование такой замены, например, в процессе уже запланированного обслуживания или перебоя в ходе будущего технического обслуживания.
[0066] В некоторых примерах сроки предупреждения могут быть установлены оператором устройства управления процессом, чтобы быть длиннее или короче, чем ранее установленные, в зависимости от оценки состояния устройства управления процессом и прогноза предстоящего технического обслуживания. Например, встроенный модуль диагностики 400 может быть выполнен с возможностью обеспечивать более частые предупреждающие сообщения, когда приближается время прогнозируемого отказа. Сроки предупреждения могут также быть проконтролированы после того, как первоначальное предупреждение было отправлено.
[0067] Когда производительность устройства управления процессом существенно ухудшается и, в частности, когда производительность различных компонентов ухудшается, данные прогнозируемого времени циклического срока эксплуатации, а также данные возможного фактического времени циклического срока эксплуатации сохраняются в статистических данных 406. Отсюда такие данные, как СНДО и СВБР для компонентов могут быть сохранены для дальнейшего использования встроенным модулем диагностики 400 или модулем другого устройства, тем самым улучшая точность будущих прогнозов цикличных сроков эксплуатации. В некоторых примерах такие статистические данные могут использоваться совместно с производителями, через выделенную проводную или беспроводную связь, с согласия владельца компонента. Например, такие данные могут быть предоставлены путем предоставления доступа к общей базе данных, сайту или беспроводной сети, хранящим копию статистических данных 406. Предоставление подобной информации позволяет в конце концов заменять лабораторные данные данными, разработанными с использованием более надежных алгоритмов со стороны изготовителя.
[0068] Прогностические возможности системы в данном документе могут быть настроены на основании эксплуатационного опыта для конкретного применения. Как и в случае устройства для профилирования 408, критерии определителя срока эксплуатации 412 и определительного модуля 418 могут быть установлены на основании многочисленных параметров, таких как прошедшее время, ход клапана, циклы, температура и т.д. Таким образом диагностические возможности могут быть основаны на опыте предыдущих установок и данных, собранных блоком управления устройства.
[0069] Фиг. 7 иллюстрирует типовое устройство для профилирования 500 для разработки и контроля над выполнением ускоренных испытаний в лабораторных условиях и определения профилей прогнозируемых сроков эксплуатации для устройств управления технологическим процессом и/или их компонентов. Устройство для профилирования 500 может быть реализовано в интегрированной системе, такой как встроенный модуль диагностики по Фиг. 5, который обеспечивает прогнозы срока службы и оценки на основании текущих рабочих условий. В других примерах устройство для профилирования 500 может быть реализовано как автономная система. Устройство для профилирования 500 может быть реализовано в рамках устройства управления процессом или выделенного блока управления технологическим процессом, включая, например, любые системы управления технологическими процессами 12, 14, 30, 35 и 36 или их комбинации. В любом случае устройство для профилирования 500 может быть реализовано в виде специально назначенного жестко закодированного процессора с целью выполнять функции устройства для профилирования 500 или специально настроенного процессора общего назначения, выполняющего на компьютере инструкции с целью выполнения функций устройства для профилирования 500.
[0070] В примере на Фиг. 7 устройство для профилирования 500 описано со ссылкой для определения профиля срока эксплуатации для компонента клапана, который подвержен влиянию рабочих параметров в результате старения из-за окисления. Устройство для профилирования 500 разрабатывает испытанные в лабораторных условиях протоколы для применения в испытаниях ускоренного старения, которые определяют, когда компонент выходит из строя из-за окисления. Хотя оценивается и описывается профилирование относительно отказа, вызванного процессом окисления, следует иметь в виду, что ни один из изложенных в данном документе методов не ограничивается конкретными описанными примерами. Скорее, эти методы могут использоваться для индивидуального профилирования сроков эксплуатации компонента для любого количества компонентов (таких как описанные выше), для любого количества различных типов устройств управления технологическими процессами (таких как описанные выше), для множества типов отказов компонентов (таких как те, которые описаны выше и ниже) и для рабочих условий, помимо тех, что обсуждались, например, в данном документе (таких как описанные выше). Более того, устройства для профилирования могут быть выполнены для профилирования одного компонента или нескольких компонентов одновременно, например, в разработке многопеременных профилей сроков эксплуатации, например, при профилировании сроков эксплуатации компонента для многочисленных одновременных рабочих параметров, а также при профилировании устройства управления процессом, имеющего разные компоненты с разными профилями сроков эксплуатации.
[0071] Устройство для профилирования 500 соединено с идентификатором устройства 502 и связанным с ним идентификатором компонента 504, которые, соответственно, определяют устройство управления процессом для профилирования и все его компоненты. Например, идентификатор устройства 502 может определять клапан в сборе 200, в то время как идентификатор компонента 504 может определять компонент диафрагмы 202 или уплотняющий компонент штока привода 206 (как правило, уплотнительное кольцо), по типу, материалу, конфигурации и т.д. Ниже приведены примеры компонентов, испытывающих механический износ или усталость в ответ на различные рабочие условия, что, в итоге, приведет к отказу клапана, вызванному процессом окисления. Модуль идентификатора компонента 504 определит любое количество этих и других компонентов для возможных ускоренных лабораторных испытаний. Другие относящиеся к клапану компоненты включают эластомерные сильфоны для защиты штока привода, которые могут содержаться в упаковочном компоненте 210. Однако другие компоненты, которые отвечают (или указывают) на старение вследствие окисления, включают поршневой привод, в частности, поршневые и штоковые уплотнители, либо уплотнительные кольца, кольца квадратного сечения, уплотнения с поджатыми пружинами, либо пластиковые кольца износа с эластомерными опорными кольцами. Старение вследствие окисления в устройстве позиционирования клапана включают уплотнительные кольца давления и диафрагмы в комплекте реле, уплотнительные кольца датчиков давления и/или ток на датчики давления и уплотнительные кольца различных модулей и/или корпусов или уплотнения устройства позиционирования для защиты от внешней среды.
[0072] Модуль идентификатора компонента 504 может определить дальнейшее нормальное старение компонентов вследствие окисления, содержащихся в клапане в сборе, включая эластомерные уплотнительные кольца, диафрагмы, заглушки и/или гнезда в бустерах, мягкие гнезда или уплотнительные кольца в соленоидах, мягкие гнезда или уплотнительные кольца в отключающих клапанах, эластомерные пылевые уплотнения на концевых выключателях, эластомерные пылевые уплотнения на передатчиках положения, мембраны, уплотнительные кольца и мягкие втулки или гнезда в регуляторах давления снабжающих инструментов и полимерные пневматические трубопроводы.
[0073] Чтобы разработать конкретный профиль прогнозируемого срока эксплуатации, устройство для профилирования 500 создает протоколы ускоренных лабораторных испытаний, специфические условия, т.е. модель ожидаемых рабочих условий, в которых находится устройство и/или компоненты устройства в процессе эксплуатации. Устройство для профилирования 500, следовательно, может быть соединено с модулем рабочих параметров 506, который предоставляет данные об ожидаемых рабочих условиях. Модуль технологических рабочих параметров 506 может находиться в пределах системы управления и содержать автоматически сгенерированные и/или вручную созданные данные условий работы, такие как состав перекачиваемой жидкости, давление, испытываемое соотношение ток-давление (I/P), температура компонента, температура окружающей среды, скорость потока, утечка, степень окисления, положение клапана, положение компонента, максимальный и минимальный ход положений клапана, сжатие диафрагмы, твердость материала и положение различных устройств обратной связи.
[0074] Определитель ускоренного испытания 508 принимает идентификатор устройства, данные компонента и данные рабочего параметра. В некоторых примерах определитель 508 выполняет первоначальный анализ с целью выявления компонентов для профилирования, например, определение компонентов, которые были профилированы в прошлом, определение компонентов, помеченных для профилирования, определение компонентов, которые статистически являются более точными предикторами прогнозируемого срока эксплуатации, определение компонентов, которые могут быть более точно профилированы посредством ускоренных лабораторных испытаний. В некоторых примерах определитель 508 может ранжировать компоненты на основании этих или других факторов. В некоторых примерах определитель 508 может идентифицировать все компоненты, соответствующие пороговому условию пригодности для профилирования.
[0075] Определитель 508 может определить, достаточно ли данных рабочих параметров получено из модуля 506, чтобы сформулировать ускоренные лабораторные испытания. Например, определитель 508 может сопоставить полученные данные от модуля 508 с полученными данными рабочего параметра от модуля 504. Определитель 508 может оценить, предоставлен ли минимальный объем данных рабочего состояния, из которых могут быть разработаны ускоренные лабораторные протоколы испытаний.
[0076] Затем определитель 508 формулирует условия ускоренных лабораторных испытаний на основании полученных данных рабочего состояния, производя, к примеру, ряд рамок данных инструкций, как проиллюстрировано на Фиг. 8. Протокол ускоренных лабораторных испытаний 600 включает поле идентификатора устройства управления процессом 602, поле компонента 604 и множество полей рабочих условий 606A-606D, соответствующих различным рабочим условиям. Поля 606A-606D могут быть выражены в различных форматах, например, в том числе высоких и низких значениях параметров, значениях изменения скорости для этих параметров, длительность испытаний и т.д. Для каждого определенного компонента в полях 604 различные поля из полей рабочего состояния 606A-606D могут быть заполнены инструкциями ускоренных испытаний. Поле 608 сохраняет данные фактора надежности, которые могут использоваться для определения того, получено ли достаточно данных ускоренного испытания на старение. Например, поле 608 может хранить ряд запрошенных ускоренных испытаний на старение, которые должны быть выполнены из представлений компонента с целью гарантии точности данных.
[0077] Для эластомерных компонентов разработаны протоколы ускоренного испытания для моделирования старения срока службы устройства в эксплуатации. Необходимо реплицировать рабочие параметры, такие как количество кислорода, доступного для реакции с эластомерными материалами в диафрагме, а также температура этих реакций, наряду с внутренним давлением устройства.
[0078] В некоторых примерах протоколы испытаний могут включать вводные данные для каждого из рабочих параметров, влияющих на производительность. Протоколы испытаний могут включать не только значения рабочих параметров, но и инструкции о том, как эти параметры должны периодически повторяться, вверх или вниз, во время испытаний. Кроме того, количество общего времени для проведения испытаний (указывается в поле 606i) могут приниматься во внимание при настройке параметров, с тем чтобы избежать слишком больших затрат времени на проведение испытаний на отказ или чтобы не затруднить профилирование из-за активации других механизмов. Например, протокол испытаний, использующий слишком низкую температуру, может занять слишком много времени при установлении отказа в компоненте, тогда как применение слишком высокой температуры может вызвать другие химические реакции в эластомерном материале, такие как активация вулканизирующей системы. Повышенные температуры могут также повлиять на испытательные стенды, особенно если испытательные стенды окрашены, изготовлены из термопластика, цинка или алюминия, вследствие ползучести и/или теплового расширения.
[0079] В некоторых примерах ускоренные испытания должны соответствовать и моделировать доминирующие механизмы отказа, играющие роль в реальных условиях, которые могут изменяться для различных устройств управления технологическим процессом в различных вариантах применения технологической установки и/или при различных рабочих условиях. Например, усиленные тканью диафрагмы в конечном счете подлежат выходу из строя по причине хрупкости вследствие окисления, так что они разрушаются при изгибе. Любой другой режим отказа, такой как удерживающая способность фланца, озоновое растрескивание или деламинация приводят к преждевременному выходу из строя, что должно быть устранено разработкой продукта и/или свойств материала. Статические уплотнительные кольца, в конечном счете, выходят из строя по причине остаточной деформации при сжатии, вызывающей нарушение герметичности. Формулировка того же самого эластомера будет проявлять различную энергию активации при испытании уплотнительного кольца остаточной деформацией при сжатии или когда выходит из строя диафрагма по причине хрупкости из-за окисления. Другими словами, при выполнении ускоренных испытаний необходимо позаботиться о том, чтобы правильно измерить ряд проявляющихся потенциальных рабочих условий, с целью прогнозирования срока эксплуатации до отказа. Таким образом, ускоренные испытания должны воспроизводится с максимально возможной точностью реальных рабочих условий устройства в эксплуатации.
[0080] Кроме того, статистически значительное количество образцов должно быть испытано во избежание погрешности разброса данных. Наличие большего количества точек данных сузит статистический доверительный интервал полученного срока службы профиля и обеспечит получение более надежных моделей.
[0081] Протоколы испытаний 600 могут быть сохранены в локальном запоминающем устройстве 510 и переданы на дополнительный модуль инструкций испытаний 512, который может быть использован для преобразования протоколов в подлежащие исполнению инструкции для автоматически действующего лабораторного оборудования для ускоренных испытаний в системе 514. В других примерах модуль 512 может произвести файл инструкций для оператора, чтобы вручную проводить ускоренные испытания с применением системы 514. Устройство для профилирования 500 может взаимодействовать с системой 514 через проводной или беспроводной канал связи.
[0082] Система ускоренных испытаний 514 выполняет испытания на ускоренное старение на устройстве управления процессом и его компонентах, измеряя рабочие условия до выхода компонента из строя. Собранные данные передаются на профильный модуль анализа данных 516, который разрабатывает профиль прогнозируемого срока эксплуатации для компонентов, прошедших испытания, и/или для самого устройства управления процессом, при этом профиль срока эксплуатации хранится в запоминающем устройстве 518.
[0083] Перед сохранением модуль 516 может выполнить анализ данных относительно полученных данных ускоренных испытаний. Модуль 516 может определить, достаточно ли собрано данных о рабочем состоянии в ходе ускоренного испытания. Модуль 516 может определить, достаточно ли состояние отказа скоррелировано с любым из собранных рабочих состояний, например, с помощью линейного регрессионного анализа. Модуль 516 может определить, какие из данных о рабочем состоянии являются наиболее точными данными в прогнозировании отказа, например, какие из полученных рабочих параметров эластомерного материала (давление, температура, сжатие диафрагмы, твердость и т.д.) лучше всего прогнозирует отказ, вызванный процессом окисления. Таким образом, модуль 516 может хранить выбранные профили из разработанных профилей срока эксплуатации, для применения их встроенным модулем диагностики.
[0084] Другими словами, модуль 516 может быть в состоянии различать разные ускоренные испытания на старение с целью определить, какое или какие из них наиболее прогнозные в отношении срока эксплуатации, и определить такие испытания для применения. Например, для некоторых рабочих условий технологической установки простое испытание на твердость может быть предпочтительным способом оценки степени, в которой эластомерный компонент близок к выходу из строя. Чем жестче эластомерный материал, тем ближе он к выходу их строя. Данные ускоренных испытаний показывают, что конкретный эластомер в конкретном применении может выходить из строя неоднократно, когда приближается к конкретному значению твердости. Такие показатели могут быть, например, характерными именно для эластомерного материала. В некоторых примерах все эластомеры при определенных рабочих условиях могут выходить из строя, когда приближаются к одному и тому же уровню твердости.
[0085] В любом случае модуль 516 может разработать профиль прогнозируемого срока эксплуатации на основании ускоренных лабораторных испытаний, выполненных в различных рабочих условиях и таким образом, что профиль может быть отрегулирован, когда различные из рабочих условий изменяются. Это означает, что по меньшей мере некоторые из рабочих условий могут изменяться для лучшей настройки профиля срока эксплуатации во время работы. Например, в зависимости от жесткости компонента диафрагмы, например, измеренной, когда клапан в сборе находится в эксплуатации, профиль прогнозируемого срока эксплуатации может быть продлен по времени, если измеренная твердость ниже ожидаемого значения, или сокращен по времени, если измеренная твердость больше, чем ожидалось. Эти изменения профиля срока эксплуатации могут быть сделаны автоматически в ответ на данные о рабочем состоянии, собранные во время фактической установки в технологической установке. Например, профиль срока эксплуатации может содержать настраиваемый параметр, который может уточняться пользователем компонента на основании характеристик эластомеров, выведенных из эксплуатации, но еще не вышедших из строя. В зависимости от измеренной твердости этих компонентов, выведенных из эксплуатации, например, настраиваемый параметр может быть отрегулирован, чтобы продлить или сократить прогнозируемое время выхода из строя, если измеренная твердость, соответственно, ниже или выше, чем ожидалось.
[0086] Подобный сценарий для измерения прогрессирующего окисления эластомерного компонента представляет собой относительные размеры численного пика характеристической волны с использованием инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием (FTIR). Подвергнутые окислению эластомеры с углеродным каркасом образуют связи C=O, которые могут быть обнаружены с помощью FTIR приблизительно на волновом числе 1702. Однако это волновое число варьирует, в зависимости от образованных рядом связей. Когда постепенно образуется больше связей, относительная высота пика больше. Хотя эта форма измерения достижима, она может быть менее желательной, чем простое прогностическое измерение твердости, по причине стоимости инструментария и опыта, необходимого для осуществления испытаний, а также ввиду сложности количественного определения относительных высот пиков.
[0087] Следует отметить, что эластомерные компоненты могут выходить из строя не только по причине окисления. Например, динамические уплотнительные кольца и уплотнители могут выходить из строя из-за простого механического износа. Усталость представляет собой один режим отказа, возникающий из-за циклических сдвигов или растягивающих напряжений и ускоряемый старением вследствие окисления. Это явление может быть ускорено методами повышенных температур.
[0088] Устройство для профилирования 500 может запросить не только ускоренные испытания на основании повышения температуры, но и ускоренные испытания, разработанные для проектирования профилей срока эксплуатации при низких температурах работы для эластомерного материала. Растрескивание и разрушение может наступить преждевременно при низких рабочих температурах. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения низкие температуры подразумевают температуры, достигающие -60°C (например, температуры ниже -30°C, температуры ниже -40°C, температуры ниже -50°C и т.д.). При нагревании до комнатной температуры, свойства эластомера возвращаются к первоначальному состоянию, и он не должен проявлять старение вследствие окисления. Однако повышенная жесткость эластомерной диафрагмы (гибкий модуль), вызванная низкой температурой, может приводить к изгибу диафрагмы в более ограниченной зоне, что содействует увеличению приложенного напряжения и образованию усталостных трещин, которые в конечном итоге ведут к выходу изделия из строя. Следовательно, устройство для профилирования 500 может разработать протокол ускоренных испытаний для выполнения цикличного окончания срока эксплуатации как функции температуры, с формированием кривых профиля срока эксплуатации для более чем одного эластомерного состава и множественных точек данных по каждой температуре. Таким образом, устройство для профилирования 500 может прогнозировать профили срока эксплуатации для компонентов на основании воздействия на них только низких температур или в сочетании со старением вследствие окисления.
[0089] Будут понятны многочисленные вариации вышеизложенного. Например, вместо разработки фактических инструкций по ускоренному испытанию на старение, устройство для профилирования может сопоставить определенные протоколы испытаний с базой данных ранее выполненных ускоренных испытаний на старение с целью определить, имеются ли уже пригодные данные испытаний, и тогда можно осуществлять профилирование.
[0090] В различных вариантах реализации изобретения аппаратный модуль может быть реализован механически или в электронном виде. Например, аппаратный модуль может содержать выделенную схему или алгоритм, который надолго настраивают (например, как специализированный процессор, такой как матрица логических элементов с эксплуатационным программированием (FPGA) или заказная специализированная интегральная схема (ASIC)) для выполнения определенных операций. Аппаратный модуль может также содержать программируемый алгоритм или схему (например, находящуюся внутри процессора общего назначения или другого программируемого процессора), которую временно настраивают при помощи программного обеспечения для выполнения определенных операций. Следует иметь в виду, что решение реализовать аппаратный модуль механически в выделенной и настроенной на длительное время схеме или во временно настроенной схеме (например, настроенной при помощи программного обеспечения) может быть обусловлено факторами стоимости и времени.
[0091] Соответственно, термин "аппаратный модуль" следует понимать как охватывающий материальную единицу, будь то созданную физически, настроенную на длительное время (например, аппаратно-реализованную), либо временно настроенную (например, запрограммированную) для работы определенным образом или для выполнения определенных операций, описанных в данном документе. В контексте данного документа "аппаратно-реализованный модуль" относится к аппаратному модулю. С учетом вариантов реализации изобретения, в которых аппаратные модули временно настроены (например, запрограммированы), не обязательно, чтобы каждый из аппаратных модулей был настроен или инстанцирован в какой-либо момент времени. Например, когда аппаратные модули содержат процессор общего назначения, настроенный при помощи программного обеспечения, процессор общего назначения может быть настроен как соответствующие различные аппаратные модули в разные периоды времени. Программное обеспечение может соответственно настроить процессор, например, для того, чтобы создать конкретный аппаратный модуль в определенный момент времени и создать другой аппаратный модуль в другой момент времени.
[0092] Аппаратные модули могут предоставлять информацию другим аппаратным модулям и получать от них информацию. Соответственно, описанные аппаратные модули могут рассматриваться как подключенные через каналы передачи данных. Когда несколько таких аппаратных модулей существуют одновременно, связь может быть достигнута посредством передачи сигнала (например, через соответствующие схемы и шины), который соединяет аппаратные модули. В вариантах реализации изобретения, в которых несколько аппаратных модулей настроены или инстанцированы в разные моменты времени, связь между такими аппаратными модулями может быть достигнута, например, путем хранения и поиска информации в структурах памяти, к которым имеют доступ множественные аппаратные модули. Например, один аппаратный модуль может выполнить операцию и сохранить выходные данные по этой операции в запоминающем устройстве, к которому он подключен через каналы передачи данных. Затем дополнительный аппаратный модуль может спустя некоторое время иметь доступ к запоминающему устройству для получения и обработки сохраненных выходных данных. Аппаратные модули могут также инициировать связь с устройствами ввода или вывода и могут работать на каком-либо ресурсе (например, сборе информации).
[0093] Различные операции типовых способов, описанных в данном документе, могут быть выполнены, по меньшей мере частично, одним или более процессорами, которые временно настроены (например, при помощи программного обеспечения) или настроены на длительное время для выполнения соответствующих операций. Независимо от того, настроены такие процессоры временно или на длительное время, они могут представлять собой реализуемые с помощью процессора модули, работающие для выполнения одной или более операций или функций. Модули, указанные в данном документе, в некоторых типовых вариантах реализации изобретения могут включать модули, реализуемые с помощью процессора.
[0094] Аналогично, способы или программы, описанные в данном документе, могут быть по меньшей мере частично реализованы с помощью процессора. Например, по меньшей мере некоторые операции способа могут выполняться чем-либо одним из процессоров или модулей реализуемого с помощью процессоров аппаратного обеспечения. Выполнение некоторых операций может быть распределено между одним или более процессоров, не только находящихся в одной машине, но и развернутых на нескольких машинах. В некоторых типовых вариантах реализации изобретения процессор или процессоры могут находиться в одном месте (например, в домашней обстановке, офисе или в виде группы серверов), в то время как в других вариантах реализации изобретения процессоры могут быть распределены по нескольким местам.
[0095] К тому же, фигуры иллюстрируют предпочтительные варианты реализации системы редактора карт всего лишь с целью наглядности. Из последующего описания специалист в данной области техники без труда поймет, что альтернативные варианты реализации конструкций и способов, проиллюстрированных в данном документе, могут быть применены без отхода от основных положений, изложенных в данном документе.
[0096] После прочтения этого раскрытия специалисты в данной области техники увидят еще и другие альтернативные конструктивные и функциональные решения в отношении системы и процесса для определения граничных участков раскрытых в данном документе основных положений. Таким образом, в то время как были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты реализации изобретения и заявки, следует понимать, что раскрытые варианты реализации изобретения не ограничиваются точной конструкцией и компонентами, раскрытыми в данном документе. Различные модификации, изменения и вариации, которые будут очевидны для специалистов в данной области техники, могут быть сделаны в конфигурации, эксплуатации и деталях способа и устройства, раскрытых в данном документе, без отхода от сущности и объема изобретения, определенных в прилагаемой формуле.