СИСТЕМА АВАРИЙНОГО ОСТАНОВА
EMERGENCY SHUTDOWN SYSTEM

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к системам управления процессом и, более конкретно, к системам аварийного отключения (останова), применяемым в системах управления процессом.
Уровень техники
Промышленные системы управления процессом обычно имеют в своем составе систему аварийного отключения для перевода аварийного клапана в безопасное состояние в случаях выхода какого-то устройства из строя, отключения питания или иной аварийной ситуации. Система аварийного отключения часто строится таким образом, что безопасное состояние соответствует исходному (выключенному) состоянию аварийного клапана. При таком выполнении безопасное состояние достигается и в таких аварийных ситуациях, при которых прерывается подача питания к системе аварийного отключения или к одному из ее компонентов. Например, для достижения безопасного состояния аварийный клапан может переходить в полностью открытое или закрытое положение, тогда как в нормальных условиях он находится соответственно в полностью закрытом или открытом положении (которое является его нормальным состоянием).
Для приведения в действие аварийного клапана базовая система аварийного отключения обычно содержит контроллер отключения и соленоидный клапан. Соленоидный клапан обеспечивает только механизм перевода аварийного клапана в безопасное состояние, так что единственным средством, позволяющим определить положение аварийного клапана при переходах между нормальным и безопасным состояниями, а также при проведении испытаний, является наблюдение со стороны человека.
Усовершенствованная система аварийного отключения содержит контроллер отключения, соленоидный клапан и клапанный позиционер, такой как цифровой клапанный контроллер (ЦКК). Соленоидный клапан является механизмом, обеспечивающим переход аварийного клапана в безопасное состояние, тогда как ЦКК отслеживает и подтверждает положение аварийного клапана при его переходах между нормальным и безопасным состояниями, а также в процессе его испытаний. Кроме того, ЦКК обеспечивает второй, резервный механизм перевода аварийного клапана в безопасное состояние. Надежность системы аварийного отключения по сравнению с базовой системой, использующей только соленоидный клапан, повышается, так как обеспечиваются (i) возможность проведения контролируемых испытаний аварийного клапана и (ii) резервное средство его переключения.
В системах, содержащих и соленоид, и ЦКК, контроллер отключения обычно управляет соленоидным клапаном и ЦКК по двум отдельным цепям управления. Избыточность двух таких цепей управления позволяет контроллеру отключения (и системе управления процессом в целом) обеспечить переход в безопасное состояние путем прерывания питания в первой цепи управления, связанной с соленоидным клапаном, сохраняя при этом цифровую связь с ЦКК по второй цепи. К сожалению, такая способность отслеживать переход клапана достигается за счет повышения стоимости и сложности процессов обеспечения, обслуживания и функционирования отдельной, дополнительной цепи для ЦКК.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним аспектом изобретения система аварийного отключения содержит аварийный клапан, линию управления, по которой передается сигнал, задающий позиционирование аварийного клапана, блок соленоидного клапана, подключенный к линии управления для осуществления позиционирования аварийного клапана, и сопрягающий контур, подключенный к линии управления и к блоку соленоидного клапана. При этом сопрягающий контур содержит ключ, реагирующий на указанный сигнал для осуществления управления блоком соленоидного клапана.
В некоторых вариантах система аварийного отключения дополнительно содержит цифровой клапанный контроллер для мониторинга позиционирования аварийного клапана. Сопрягающий контур может содержать также байпасный путь с обходом указанного ключа, имеющий малый импеданс для сигнала переменного тока. Тем самым обеспечивается возможность передачи сигналов по линии управления от цифрового клапанного контроллера. Ключ при этом может содержать реле, а указанный байпасный путь может содержать конденсатор, включенный параллельно катушке реле. В процессе функционирования контакт реле может размыкаться, обеспечивая тем самым прерывание тока к блоку соленоидного клапана при отсутствии сигнала постоянного тока в линии управления или при снижении уровня указанного сигнала ниже порогового значения.
В данных и в других вариантах ключ и блок соленоидного клапана могут быть включены как параллельные нагрузки, сигнал к которым подается таким образом, что блок соленоидного клапана отключается даже в отсутствие размыкания ключа в ответ на принятый сигнал.
В соответствии с другим аспектом изобретения система аварийного отключения содержит аварийный клапан, линию управления, по которой передается сигнал, задающий установку аварийного клапана в первое или второе состояние, блок соленоидного клапана, обеспечивающий перевод аварийного клапана из первого во второе состояние в соответствии с сигналом тока, и реле, через которое блок соленоидного клапана подключен к линии управления для осуществления управления указанным блоком в соответствии с сигналом тока.
В некоторых случаях система аварийного отключения дополнительно содержит конденсатор, включенный параллельно катушке реле для обеспечения цифровой связи по линии управления. Система аварийного отключения при этом может дополнительно содержать цифровой клапанный контроллер, подключенный к линии управления таким образом, что цифровая связь включает передачу информации от цифрового клапанного контроллера, характеризующую позиционирование аварийного клапана в процессе испытания данного клапана на неполное перемещение. Цифровой клапанный контроллер может реагировать на сигнал тока, осуществляя управление активацией аварийного клапана с обеспечением тем самым резервного механизма перевода аварийного клапана из первого во второе состояние.
Альтернативно или дополнительно реле содержит контакт, размыкающийся при отсутствии сигнала тока или при снижении уровня указанного сигнала ниже порогового значения с прерыванием подачи тока к блоку соленоидного клапана. Катушка реле и блок соленоидного клапана могут быть включены, как параллельные нагрузки, к которым сигнал подается таким образом, что блок соленоидного клапана отключается даже в отсутствие размыкания контакта при отсутствии сигнала тока или при снижении уровня указанного сигнала ниже порогового значения.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения система аварийного отключения содержит аварийный клапан, линию управления, по которой передается сигнал, задающий позиционирование аварийного клапана, клапанный позиционер, подключенный к линии управления и реагирующий на сигнал, задающий позиционирование аварийного клапана, сопрягающий контур, подключенный к линии управления, и блок соленоидного клапана, подключенный к линии управления через сопрягающий контур и выполненный с возможностью осуществления позиционирования аварийного клапана в соответствии с указанным сигналом.
В некоторых вариантах сопрягающий контур содержит реле и конденсатор, подключенный к линии управления параллельно катушке реле. Контакт реле может размыкаться с прерыванием подачи тока к блоку соленоидного клапана при отсутствии сигнала постоянного тока в линии управления или при снижении уровня указанного сигнала ниже порогового значения. Катушка реле и блок соленоидного клапана могут быть включены, как параллельные нагрузки, к которым сигнал подается таким образом, что блок соленоидного клапана отключается даже в отсутствие размыкания ключа при отсутствии сигнала постоянного тока в линии управления или при снижении уровня указанного сигнала ниже порогового значения.
Альтернативно сопрягающий контур содержит резистор, включенный параллельно блоку соленоидного клапана.
В соответствии с другим аспектом изобретения система аварийного отключения содержит аварийный клапан, линию управления, по которой протекает постоянный ток, уровень которого задает позиционирование аварийного клапана, нагрузку, подключенную к линии управления и имеющую для постоянного тока импеданс, на котором происходит падение напряжения, и блок соленоидного клапана, реагирующий на напряжение и подключенный к линии управления и к нагрузке для осуществления позиционирования аварийного клапана в соответствии с уровнем постоянного тока.
Блок соленоидного клапана может быть включен параллельно нагрузке. Альтернативно или дополнительно система аварийного отключения может содержать цифровой клапанный контроллер, подключенный к линии управления последовательно с нагрузкой.
В некоторых вариантах нагрузка может содержать катушку реле или резистор.
В некоторых случаях нагрузка содержит клапанный позиционер, подключенный к линии управления и реагирующий на уровень постоянного тока для осуществления позиционирования аварийного клапана. Клапанный позиционер может быть включен последовательно с блоком соленоидного клапана или параллельно ему.
Краткое описание чертежей
Более полное понимание изобретения обеспечивается при рассмотрении нижеследующего подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых сходные или идентичные элементы имеют одинаковые обозначения.
На фиг.1 схематично представлена система аварийного отключения в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.2-5 схематично изображены альтернативные контуры управления системы аварийного отключения согласно другим вариантам изобретения.
Хотя предлагаемая система может быть реализована во многих различных вариантах, далее будут проиллюстрированы на чертежах (и соответственно описаны) только несколько конкретных вариантов изобретения. Должно быть понятно, что дальнейшее описание имеет только иллюстративный характер и не ограничивает объем прилагаемой формулы изобретения только конкретными примерами, приводимыми в описании и на чертежах.
Осуществление изобретения
Далее описывается система аварийного отключения, которая обеспечивает надежное позиционирование аварийного клапана без необходимости применения нескольких токовых петель. С этой целью некоторые варианты системы содержат сопрягающий контур или, в более общих терминах, импеданс, образующий нагрузку, для обеспечения работы как блока соленоидного клапана, так и клапанного позиционера (например, в виде цифрового клапанного контроллера), каждый из которых может быть использован для перевода аварийного клапана в безопасное состояние. В некоторых вариантах блок соленоидного клапана может являться основным механизмом для позиционирования устройства отключения. Цифровой клапанный контроллер, хотя и связанный с той же самой токовой петлей, повышает надежность системы за счет того, что обеспечивает возможности испытаний и мониторинга позиционирования аварийного клапана, чтобы подтвердить переход этого клапана в безопасное состояние. Кроме того, цифровой клапанный контроллер (или иной клапанный позиционер) может быть использован и в качестве резервного пневматического компонента для управления клапаном и приведения его в действие. Таким образом, цифровой клапанный контроллер действует как резервный (дополнительный) механизм для позиционирования аварийного клапана.
Сопрягающий контур, способствующий подобному обеспечению надежности за счет резервирования, позволяет управлять и блоком соленоидного клапана, и цифровым клапанным контроллером посредством одного и того же управляющего сигнала (в некоторых случаях косвенным путем, как это будет описано далее). В результате системе требуется только единственный двухпроводной кабель, или управляющая токовая петля, т.е. надежность и резервирование достигаются не ценой использования отдельных кабелей для блока соленоидного клапана и цифрового клапанного контроллера.
Как описано выше, в некоторых вариантах сопрягающий контур связывает блок соленоидного клапана и цифровой клапанный контроллер с единственной парой проводов (линий управления), входящих в состав кабеля, способом, обеспечивающим безопасность при любых дефектах. Другими словами, в случае любых возможных неисправностей сопрягающего контура (и составляющих его частей или компонентов) аварийный клапан переводится в безопасное состояние. Поэтому сопрягающий контур может именоваться также безопасным контуром.
Данный контур рассчитан на работу со стандартными управляющими сигналами постоянного тока 4-20 мА, обычно применяемыми в системах управления процессом. Однако в некоторых случаях сопрягающий (безопасный) контур выполнен с возможностью поддерживать цифровую связь на основе одного или более цифровых протоколов управления процессом, таких как HART, Profibus, Fieldbus и др.
Хотя предлагаемая система весьма эффективна для аварийного отключения и рассматривается в данном описании именно в этом контексте, ее использование не ограничивается каким-то единственным приложением или контекстом. Напротив, данная система применима в любом контексте, в котором эффективность функционирования клапана выигрывает от надежного управления и мониторинга и в котором условия работы делают непрактичным использование нескольких специализированных петель управления для обеспечения резервного управления или мониторинга. Подобные условия включают, например, ситуации, когда клапан расположен на значительных расстояниях от других компонентов системы или когда окружающая среда является ненадежной или неблагоприятной для применения многопроводных соединений между клапаном и управляющей зоной.
На фиг.1 иллюстрируется система 10 аварийного отключения согласно варианту изобретения, приведенному в качестве примера. У этой системы имеются пневматический контур 12 и контур 14 управления, совместно обеспечивающие надежное управление блоком 16 аварийного клапана в процессе его срабатывания. Система 10 аварийного отключения, снабженная резервными механизмами для осуществления перевода блока 16 аварийного клапана в безопасное состояние, может функционировать в составе или совместно с системой управления процессом (не изображена), содержащей один или более контроллеров или рабочих мест оператора, связанных с одним или более компонентами описываемой системы.
Пневматический контур 12 содержит цифровой клапанный контроллер (ЦКК) 20, связанный с блоком 16 аварийного клапана через блок 22 соленоидного клапана (БСК). Давление от питающего трубопровода 26 подается на пневматический вход 24 ЦКК 20. С пневматического выхода 28 ЦКК пневматическое давление подается в блок 22 соленоидного клапана по выходной линии 30. Блок 22 соленоидного клапана содержит исполнительный элемент (соленоид) 32, который приводит в действие соленоидный клапан 34 с помощью пневматического давления, приложенного к входу 36 данного элемента, подсоединенному к питающему трубопроводу 26. Соленоидный клапан 34 управляет пневматическим давлением, подаваемым на блок 16 аварийного клапана по питающей линии 38 через выходную линию 30, идущую от ЦКК 20. Блок 22 соленоидного клапана может содержать управляемый пневмоаппарат, например пневмоаппарат ASCO 3/2-4/2 серии IS Piezo Operator, выпускаемый фирмой ASCO Valve Inc. (США). В более общем случае в блоке 22 соленоидного клапана может быть использован пьезоэлектрический или электромагнитный преобразователь или любой другой механизм, соответствующим образом реагирующий на подаваемые на него сигналы напряжения и тока, как это будет описано далее. В любом случае питающий трубопровод 26 может являться общим источником давления для всех устройств в составе пневматического контура 12. Альтернативно он может быть связан с каждым из этих устройств отдельной питающей линией.
Блок 16 аварийного клапана содержит аварийный (предохранительный) клапан 40, механически связанный с исполнительным элементом 42 (ИМ) этого клапана. В примере, представленном на фиг.1, аварийный клапан 40 встроен в трубу (линию) 44 для текучей среды. Он может представлять собой нормально закрытый клапан, который при подаче давления перекрывает поток текучей среды (условно показанный стрелкой F) в трубе 44 при приложении достаточного пневматического давления к исполнительному элементу 42 аварийного клапана. Более конкретно, поток текучей среды через трубу 44 прерывается, когда исполнительный элемент 32 соленоидного клапана заставит соленоидный клапан 34 подать достаточное пневматическое давление через питающую линию 38 аварийного клапана на исполнительный элемент 42 аварийного клапана. Под воздействием этого пневматического давления данный исполнительный элемент 42 закрывает аварийный клапан 40, блокируя поток по трубе 44. Рассмотренный пример соответствует аварийному клапану, который в своем нормальном состоянии закрыт, т.е. перекрывает поток текучей среды в трубе 44, поскольку исполнительный элемент 42 под действием давления закрывает клапан 40. Соответственно, в безопасном состоянии текучая среда может течь по трубе 44, поскольку исполнительный элемент 42, давление с которого снято, позволяет аварийному клапану 40 оставаться открытым.
Альтернативно в системе по изобретению аварийный клапан в нормальном состоянии (при подаче давления) может оставаться открытым, пропуская поток текучей среды, и становиться закрытым в аварийном (безопасном) состоянии системы. В каждом из этих случаев безопасное состояние соответствует снятию давления с исполнительного элемента 42 аварийного клапана. Однако, как это будет описано далее применительно к различным альтернативным вариантам, безопасное состояние может соответствовать не сбросу, а подаче давления на исполнительный элемент 42 аварийного клапана.
В варианте по фиг.1, когда система управления процессом в целом и система 10 аварийного отключения находятся в нормальном состоянии (т.е. в отсутствие аварийных условий или испытаний), ЦКК 20 обеспечивает подачу пневматического давления от питающего трубопровода 26 через пневматический выход 28 ЦКК на соленоидный клапан 34. В результате исполнительный элемент 32 соленоидного клапана устанавливает соленоидный клапан 34 в положение, в котором он подает пневматическое давление от выходной линии 30 на исполнительный элемент 42 аварийного клапана. Таким образом, когда система функционирует в нормальном состоянии, пневматическое давление поддерживает аварийный клапан 40 в открытом или закрытом состоянии.
В экстренном (аварийном) случае подача пневматического давления к блоку 16 аварийного клапана прекращается. Более конкретно, ЦКК 20 уменьшает до низкого уровня пневматическое давление, в обычном состоянии приложенное к пневматическому выходу 28 ЦКК, отводя воздух через выпускной патрубок 46 ЦКК. В результате падает давление в выходной линии 30. В любом случае блок 22 соленоидного клапана соединяет питающую линию 38 аварийного клапана с выпускным каналом 48, понижая таким образом давление на исполнительном элементе 42 до низкого уровня. В результате аварийный клапан 40 закрывается, прерывая поток текучей среды в трубе 44 (т.е. данный вариант клапана является нормально открытым). Запирание данного клапана обусловлено тем, что к соленоидному клапану 34 по выходной линии 30 больше не подается давление, поскольку этот клапан 34 соединил питающую линию 38 и выпускной канал 48.
Если какая-либо неисправность ЦКК препятствует осуществлению сброса пневматического давления через выпускной патрубок 46 ЦКК, исполнительный элемент 32 соленоидного клапана может сбросить давление в питающей линии 38 аварийного клапана и на исполнительном элементе 42 аварийного клапана через выпускной канал 48 соленоидного клапана. С другой стороны, если исполнительный элемент 32 соленоидного клапана окажется не в состоянии пневматически изменить состояние соленоидного клапана 34, ЦКК 20 сбросит пневматическое давление от питающего трубопровода 26 через свой выпускной патрубок 46, чтобы обеспечить изменение состояния блока 16 аварийного клапана. Благодаря такому выполнению система 10 аварийного отключения обеспечивает резервный вариант сброса пневматического давления, подаваемого в нормальном режиме от питающего трубопровода 26, чтобы осуществить перевод аварийного клапана 40 в безопасное состояние в случае аварии.
Далее на примере, представленном на фиг.1, будет описано, каким образом контур 14 управления обеспечивает выполнение пневматическим контуром 12 рассмотренных операций. Контур 14 управления содержит кабель 50, по которому команды от контроллера 52 отключения подаются на ЦКК 20 и блок 22 соленоидного клапана. Таким образом, в данном варианте для осуществления перевода блока 16 аварийного клапана в требуемое состояние контур 14 управления управляет как ЦКК 20, так и блоком 22 соленоидного клапана, т.е. обеспечивается резервный канал управления аварийным отключением. Кабель 50 может представлять собой двухпроводную цепь (петлю) управления, образованную проводами (линиями) 54, 56, способными передавать управляющие сигналы постоянного тока 4-20 мА, а также цифровые данные между контроллером 52 отключения и ЦКК 20. Например, такими данными могут являться данные о положении клапана, поступающие от ЦКК 20 к контроллеру 52 отключения. Для осуществления передачи подобных данных ЦКК 20 получает по линии 57 информацию о положении блока аварийного клапана, осуществляя слежение за этим положением. Таким образом, ЦКК 20 функционирует как интеллектуальный клапанный позиционер, функции которого не ограничиваются простой реакцией на управляющий сигнал 4-20 мА. Одним из вариантов контроллера, пригодного для подобного мониторинга и управления, является цифровой клапанный контроллер DVC6000, выпускающийся одним из предприятий заявителя (фирмы Fisher Controls International LLC). Однако предлагаемая система не ограничивается использованием каких-то конкретных вариантов протокола цифровой связи, цифрового клапанного контроллера или технологией цифровой связи. Более того, некоторые варианты изобретения вообще не применяют цифровое управление или иные цифровые средства, как это будет описано далее.
В состав контура 14 управления входит также сопрягающий, или безопасный контур 58, подключенный к кабелю 50, к блоку 22 соленоидного клапана и к ЦКК 20. Поскольку сопрягающий контур включен в схеме управления процессом последовательно с ЦКК 20, данный контур 58 формирует одну или более линий подачи сигналов постоянного тока 4-20 мА, обеспечивающих как питание, так и управление блоком 22 соленоидного клапана и ЦКК 20. Более конкретно, сопрягающий контур 58 соединяет блок 22 соленоидного клапана с кабелем 50 и с контроллером 52 отключения, а также образует канал связи для передачи цифровых сигналов от ЦКК 20 и к нему. Таким образом, цифровая связь поддерживается в течение всего времени функционирования, включая аварийные ситуации и испытания. Благодаря наличию сопрягающего контура 58 контроллер 52 отключения может передавать управляющие сигналы, определяющие задаваемые положения клапана, и принимать цифровые сигналы, несущие информацию или данные от ЦКК 20. Так, контроллер 52 отключения может поддерживать для управляющих сигналов постоянного тока уровень тока (например, 20 мА) при подаче на ЦКК 20 цифровой команды изменить положение блока 16 аварийного клапана, например, в рамках процедуры испытаний, таких как испытания на неполное перемещение. Наличие результатов подобного испытания может существенно повысить надежность системы аварийного отключения. Предлагаемая система облегчает проведение подобного испытания, поскольку она позволяет как задать последовательность команд, необходимых для данного испытания, так и облегчить сбор и передачу его результатов.
Сопрягающий контур 58 позволяет также передавать по двухпроводной токовой петле, т.е. по линиям 54, 56 управления, как постоянные, так и переменные (цифровые) управляющие сигналы. С этой целью линии 54, 56 управления могут нести цифровые сигналы, наложенные на сигнал постоянного тока. Цифровые сигналы могут соответствовать любому желаемому коммуникационному протоколу, например протоколу HART. Как будет описано далее, сопрягающий контур 58 позволяет передавать подобные цифровые сигналы независимо от уровня сигнала постоянного тока, включая также ситуации, когда подача этого сигнала постоянного тока к блоку 22 соленоидного клапана заблокирована либо намеренно, либо по какой-то иной причине. При таком выполнении, если блок 22 соленоидного клапана или компоненты пневматического контура 12 или контура 14 управления, ассоциированные с этим блоком, не в состоянии функционировать, сохраняется возможность использовать цифровую связь с ЦКК 20, чтобы удостовериться, что блок 16 аварийного клапана находится в безопасном состоянии. В более общем случае цифровая связь между ЦКК 20 и контроллером 52 отключения (или иным компонентом системы управления процессом) может предусматривать передачу статусной информации в зависимости от положения или других характеристик блока 16 аварийного клапана, таких как тревожная информация, уровни постоянных токов в системе, коммуникационный статус, а также от любого желаемого параметра (характеристики) процесса или устройства, поддерживаемого коммуникационным протоколом.
В процессе функционирования при отсутствии аварийного состояния или проводимого испытания контроллер 52 отключения формирует сигнал постоянного тока с уровнем, указывающим на нормальное состояние. Данный уровень может соответствовать, например, 20 мА или любому другому желаемому уровню. Сигнал 20 мА течет по токовой петле, образованной линиями 54, 56, ЦКК 20, блоком 22 соленоидного клапана и сопрягающим контуром 58. Как будет описано далее, данный токовый сигнал 20 мА протекает по токовой петле до тех пор, пока не будет разделен сопрягающим контуром 58 на первую ветвь 60 и вторую ветвь 62. Ток, текущий по второй ветви 62, протекает через блок 22 соленоидного клапана, тогда как ток в первой ветви 60 течет через нагрузку, включенную параллельно блоку 22 соленоидного клапана. В вариантах, в которых блок 22 соленоидного клапана содержит пьезоэлектрический элемент управления, напряжение на нагрузке в ветви 60 определяет, поступает ли питание на блок 22 соленоидного клапана. В других вариантах, в которых блок 22 соленоидного клапана содержит обмотку соленоида или иной элемент управления, приводимый в действие током, поступление питания на блок 22 соленоидного клапана определяется делителем тока, образованным ветвями 60 и 62. В любом случае импеданс ветви 60 выбирается из условия возможности задания (i) тока, текущего в ветвях 60 и 62, и (ii) падения напряжения в блоке 22 соленоидного клапана.
В варианте по фиг.1 сопрягающий контур 58 содержит реле, имеющее контакт 64 и катушку 66, которая выполняет функцию нагрузки в ветви 60. Сопрягающий контур 58 содержит также конденсатор 68, включенный параллельно катушке 66 реле. Конденсатор 68 служит в качестве байпасного (обходного) пути с малым импедансом для переменного тока, обеспечивающего поддержку цифровой связи между ЦКК 20 и контроллером 52 отключения. При работе протекание по кабелю 50 (т.е. по одной из линий 54, 56) тока, превышающего заданный пороговый уровень, заставляет катушку 66 реле замкнуть контакт 64. В результате в ветви 62 и через блок 22 соленоидного клапана будет течь ток. В рассмотренном выше примере с использованием пьезоэлектрического элемента управления в блоке 22 соленоидного клапана ток, текущий в ветви 60, создает достаточное падение напряжения на катушке 66 реле, так что обеспечивается подача питания в блок соленоидного клапана. Например, реле может быть подобрано таким, чтобы контакт 64 замыкался при токе, равном 18 мА, что соответствует падению постоянного напряжения на катушке 66 реле, равному 6 В или более. Исполнительный элемент 32 соленоидного клапана, например, на базе вышеупомянутого пневмоаппарата ASCO с пьезоэлектрическим управлением подбирается или конфигурируется в этом случае таким образом, чтобы для запитывания соленоида требовалось напряжение 6 В. В других вариантах, управляемых силой тока, соленоид может быть подобран или сконфигурирован таким образом, чтобы он срабатывал при подаче на него тока 2 мА. В любом случае управляющий сигнал постоянного тока 20 мА, формируемый контроллером 52 отключения, приводит к тому, что сопрягающий контур 58 подсоединяет блок 22 соленоидного клапана к кабелю 50 и обеспечивает соответствующее управление этим блоком.
При возникновении аварийной (экстренной) ситуации управляющий сигнал постоянного тока уменьшается от уровня 20 мА, например до уровня 4 мА. При этом реле подобрано или сконфигурировано так, что сила тока, при которой катушка 66 реле неспособна замкнуть контакт 64, превышает 4 мА. Реле подбирается также из условия, что при данном уровне тока, превышающем 4 мА, напряжение на катушке 66 реле находится ниже уровня, необходимого для активации блока 22 соленоидного клапана. Например, блок 22 соленоидного клапана может быть подобран или сконфигурирован таким, чтобы он отключался, когда падение постоянного напряжения на нем становится ниже 3 В. Таким образом, при уменьшении подаваемого управляющего сигнала постоянного тока до 4 мА блок 22 соленоидного клапана отключается, обеспечивая тем самым переход в безопасное состояние при получении управляющего сигнала постоянного тока 4 мА.
Разумеется, напряжения, токи и другие указанные параметры электрической схемы приводятся в данном описании только в качестве примеров; при использовании в альтернативных вариантах осуществления иных элементов схемы или ее структурных компонентов, или уровней управляющих сигналов эти параметры могут быть соответственно модифицированы.
Одно из достоинств варианта по фиг.1 состоит в том, что сопрягающий контур 58 работает в режиме, безопасном в отношении сбоев, поскольку все известные варианты выхода реле из строя приводят к отключению питания блока 22 соленоидного клапана, в результате чего блок 16 аварийного клапана переходит в безопасное состояние. Один из вариантов выхода реле из строя заключается в том, что контакт 64 реле остается замкнутым, т.е. он не размыкается, когда токовый сигнал в кабеле 50 падает примерно до 4 мА. В этом варианте постоянный ток 4 мА, текущий в линии 54 управления или, что эквивалентно, в линии 70, не создает достаточного падения напряжения на катушке 66 реле, чтобы обеспечить питание блока 22 соленоидного клапана. Другими словами, блок 22 соленоидного клапана будет выключен, даже если контакт 64 не сможет разомкнуться, поскольку катушка 66 реле и блок 22 соленоидного клапана включены как параллельные нагрузки.
В другом потенциальном режиме сбоя цепь через катушку 66 реле может оказаться разорванной при работе в нормальном режиме. В этом случае прекратится протекание тока в ветви 60, так что контакт 64 реле разомкнется. В результате перестанет протекать ток по линии 72 к блоку 22 соленоидного клапана, что приведет к его отключению. Следовательно, при возникновении описанного дефекта блок 16 аварийного клапана переходит в безопасное состояние. Далее, если катушка 66 реле оказалась бы закороченной, падение напряжения на блоке 22 соленоидного клапана оказалось бы равным нулю, так что и в этом случае блок 22 соленоидного клапана был бы отключен. Таким образом, возникновение каждого из рассмотренных дефектов приводит к переходу блока 16 аварийного клапана в безопасное состояние.
Сбои в системе 10 аварийного отключения вне сопрягающего контура 58 также приведут к ее переходу в безопасное состояние. Например, в случае разрыва в кабеле 50 ток в ветви 60 упадет до нуля, что приведет к размыканию контакта 64 реле. В этом случае блок 22 соленоидного клапана оказывается отсоединенным от остальной части системы 10, т.е. он перейдет в выключенное состояние.
На фиг.2-5 представлены альтернативные варианты системы аварийного отключения. Для облегчения понимания на каждом чертеже представлены только релевантные части контура управления. Во всех этих альтернативных вариантах имеется нагрузка, которая подключена к линии управления и создает импеданс для постоянного тока, текущего в этой линии, т.е. обеспечивает наличие напряжения, приложенного к блоку 22 соленоидного клапана. Благодаря этому варианты по фиг.2-5, как и рассмотренный вариант по фиг.1, позволяют подключить блок 22 соленоидного клапана и клапанный позиционер, такой как ЦКК 20, к одной линии управления.
Так, в варианте по фиг.2 контур 100 управления альтернативной системы аварийного отключения содержит ЦКК 20 и блок 22 соленоидного клапана, которые могут быть включены по любой подходящей пневматической схеме, включая схему, показанную на фиг.1. При этом контур 100 управления дополнительно содержит сопрягающий контур 102, подключающий блок 22 соленоидного клапана к линиям 54, 56 управления, по которым течет управляющий сигнал 4-20 мА. Как и в варианте по фиг.1, импеданс, создаваемый сопрягающим контуром 102, включен в токовой петле управления процессом последовательно с ЦКК 20. Однако в варианте по фиг.2 сопрягающий контур 102 не содержит ключа, такого как реле, показанное на фиг.1. Вместо этого он содержит резистор 104 и конденсатор 106, каждый из которых включен параллельно блоку 22 соленоидного клапана. В процессе функционирования параллельные нагрузки, образованные резистором 104 и блоком 22 соленоидного клапана, взаимодействуют, определяя условие, при котором происходит включение блока 22 соленоидного клапана. Следовательно, варианты по фиг.1 и 2 схожи в том, что используют нагрузку (импеданс), причем для включения блока 22 соленоидного клапана и управления им этот блок включен параллельно данной нагрузке. В рассматриваемом варианте резистор 104 подбирается таким, чтобы обеспечить для постоянного тока импеданс, соответствующий требуемому падению напряжения. При этом блок 22 соленоидного клапана функционирует в зависимости от напряжения на резисторе 104, обеспечивая позиционирование блока 16 аварийного клапана (см. фиг.1).
ЦКК 20 в некоторых случаях (например, когда мониторинг положения клапана не является важным или необходимым) может быть заменен неинтеллектуальным клапанным позиционером. В результате может отпасть необходимость в конденсаторах 68, 106. Подобные варианты могут не обеспечивать такую степень надежности, как системы по фиг.1 и 2. Тем не менее клапанный позиционер, заменяющий ЦКК 20, все же будет служить резервным механизмом для позиционирования блока 16 аварийного клапана (показанного на фиг.1).
На фиг.3 иллюстрируется еще один вариант предлагаемой системы, в которой контур 110 управления системы аварийного отключения содержит сопрягающий контур 112. Этот контур связывает блок 22 соленоидного клапана с одной из линий 54, 56 управления. В отличие от варианта по фиг.2 сопрягающий контур 112 не содержит конденсатора для обеспечения цифровой связи с ЦКК 20. Однако этот контур 112 содержит резистор 114, сопротивление которого выбирается из условия минимизации ослабления сигналов цифровой связи между ЦКК 20 и контроллером 52 отключения (показанным на фиг.1). Сопротивление резистора выбирается также из условия обеспечения управления блоком 22 соленоидного клапана, как это было описано выше на примере вариантов по фиг.1 и 2. Аналогично этим вариантам резистор 114 формирует нагрузку (импеданс), на которой постоянный ток, текущий в линиях 54, 56 управления, создает требуемое напряжение. Данное напряжение прикладывается к блоку 22 соленоидного клапана, который в результате обеспечивает позиционирование блока 16 аварийного клапана (см. фиг.1) в соответствии с уровнем постоянного тока. Как уже упоминалось, ЦКК 20 может быть заменен неинтеллектуальным клапанным позиционером, например, если его задачей является не столько мониторинг положения аварийного клапана, сколько обеспечение резервного механизма управления им.
На фиг.4 и 5 представлены два дополнительных варианта выполнения предлагаемой системы, в которых в качестве нагрузки, подключенной к линиям 54, 56 управления и определяющей напряжение или ток для приведения в действие блока 22 соленоидного клапана, используется сам клапанный позиционер, служащий в качестве резервного механизма. Более конкретно, на фиг.4 и 5 представлены альтернативные контуры 120 и 122 управления соответственно. Каждый из них содержит клапанный позиционер 124, подключенный к блоку 22 соленоидного клапана последовательно (см. фиг.4) или параллельно (см. фиг.5). В каждом случае изменение уровня управляющего сигнала постоянного тока в линиях 54, 56 управления изменяет напряжение на клапанном позиционере 124. В результате в блок 22 соленоидного клапана поступает изменяющийся сигнал напряжения и/или тока, причем уровень этого сигнала определяет функционирование данного блока 22 по обеспечению необходимого состояния блока 16 аварийного клапана (показанного на фиг.1). Клапанный позиционер 124 может быть подобран и/или сконфигурирован таким образом, что падение напряжения на его эффективном импедансе изменяется при изменении уровня тока с 4 до 20 мА достаточно сильно, чтобы обеспечить требуемую перестройку блока 22 соленоидного клапана. При этом данный блок 22 должен быть подобран и/или сконфигурирован в соответствии с уровнями напряжения (или тока), используемыми в клапанном позиционере 124.
В некоторых случаях клапанный позиционер 124 может являться цифровым клапанным контроллером (ЦКК). Чтобы обеспечить цифровую связь, блок 22 соленоидного клапана в этом случае выполняется таким, чтобы сигналы цифровой связи между ЦКК и контроллером 52 отключения (см. фиг.1) не испытывали чрезмерного ослабления или иного нежелательного влияния со стороны блока 22 соленоидного клапана.
Предлагаемая система согласно любому из рассмотренных вариантов может содержать альтернативные или дополнительные пневматические и механические элементы, обеспечивающие управление функционированием блока 16 аварийного клапана посредством исполнительного элемента 32 соленоидного клапана и ЦКК 20. В некоторых случаях предлагаемая система может обеспечивать также приведение в действие одного или более дополнительных аварийных клапанов.
Как было отмечено выше, альтернативные варианты предлагаемой системы могут содержать пневматический контур, выполненный таким образом, что переход в безопасное состояние требует подачу давления на исполнительный элемент аварийного клапана (а не сброс этого давления). С этой целью блок соленоидного клапана может быть рассчитан на то, что при отключении его питания он будет подавать (а не сбрасывать) давление воздуха. В таком случае может оказаться полезным (но не обязательным) связать безопасное состояние с управляющим сигналом 20 мА, а нормальное состояние с управляющим сигналом 4 мА. В вариантах с использованием ЦКК этот компонент может быть соответственно сконфигурирован так, чтобы подавать давление воздуха при наличии управляющего сигнала 4 мА. Несмотря на различия в схеме пневматики и в используемых уровнях постоянного тока, блок соленоидного клапана и ЦКК в данных вариантах также могут управляться с помощью той же токовой цепи (в виде пары проводов или кабеля). При этом сопрягающий контур, использующий простой резистор или иной вариант обеспечения импеданса, может оказаться более надежным, чем варианты с реле, при условии достаточного различия в уровнях управляющих сигналов. В любом случае блок соленоидного клапана будет управляться напряжением на импедансе, включенном последовательно с ЦКК.
Другие особенности предлагаемой системы аварийного отключения, работающей совместно с другими возможными компонентами системы управления процессом, включая процедуры испытаний системы аварийного отключения, можно найти в патенте США №6186167 на систему аварийного отключения, причем содержание этого патента полностью включено в данное описание посредством ссылки.
Хотя настоящее изобретение было описано на примере конкретных вариантов, представленных только с иллюстративными целями и не ограничивающих объем изобретения, специалистам в данной области будет понятно, что, без выхода за пределы изобретения, в него могут быть внесены различные изменения и/или дополнения; альтернативно какие-то признаки могут быть исключены. Другими словами, данное описание, представленное только в целях пояснения изобретения, не вносит каких-либо ограничений, поскольку специалистам должна быть ясна возможность различных модификаций изобретения в пределах его объема.