АВТОМАТИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА КЛАПАНА БЕЗ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ИНТЕРФЕЙСА
AUTOMATIC CALIBRATION OF VALVE CONTROL DEVICE WITHOUT USER INTERFACE

Уровень техники
Управляющее устройство клапана используется для преобразования управляющего сигнала в заданное положение клапана. Управляющее устройство клапана может определять значение управляющего сигнала в пределах диапазона возможных значений и использовать алгоритм для соответственной установки клапана. Алгоритм может являться прямой пропорцией или может иметь нелинейную характеристику, основанную на конкретном управляющем устройстве клапана и его программировании. Управляющее устройство клапана может устанавливать клапан между полностью открытым и полностью закрытым положениями.
Во время установки и в других случаях при эксплуатации клапана и управляющего устройства клапана, управляющее устройство клапана может быть откалибровано относительно непосредственного перемещения клапана. Калибровка управляющего устройства клапана требует использования встроенного пользовательского интерфейса или калибровочного инструмента. Однако встроенный пользовательский интерфейс увеличивает стоимость управляющего устройства клапана, при том что процесс калибровки используется достаточно редко. В некоторых установках соединение калибровочного инструмента с управляющим устройством клапана может быть физически затруднено, или в других случаях техник при калибровке управляющего устройства клапана может обнаружить, что калибровочный инструмент отсутствует.
Раскрытие изобретения
Управляющее устройство клапана опрашивает по меньшей мере один из сигнальных контактов на присутствие признака, при котором должна быть инициирована автоматическая программа самокалибровки. Согласно одному варианту реализации вспомогательные клеммы, например клеммы, поочередно используемые для событийных входных сигналов, используются для активирования программы самокалибровки. После этого управляющее устройство клапана калибрует само себя с использованием внутренних программ, причем клапан и/или привод останавливается в калибровочных точках при перемещении на 0% и на 100%. Самокалибровка также включает определение диапазона давлений и настройку рабочих характеристик перемещения.
Управляющее устройство клапана содержит процессор или другое управляющее устройство, которое сохраняет настройку, в зависимости от использования вспомогательных клемм, с использованием регистра или энергонезависимого запоминающего устройства. Настройка проверяется при активации управляющего устройства клапана или опрашивается во время работы для отслеживания изменений, сделанных в настройке. При программировании для событийных входных сигналов, сигнал или изменение полного сопротивления на входных клеммах могут вызвать прерывание или установить флаг, который при опросе заставляет процессор передать сигнал тревоги внешнему менеджеру процесса или подобному устройству.
При программировании для самокалибровки сигнал или изменение полного сопротивления, приложенные к клеммам, заставляют процессор начать программу самокалибровки. Настройки режима могут быть проверены или изменены на месте с использованием полевого программного инструмента или проверены, или заданы с использованием дистанционного устройства, такого как внешний менеджер процесса, путем соединения с ним посредством сети с использованием сетевого протокола, например HART, Profibus, или другого сетевого протокола.
В управляющем устройстве клапана используется таймер для определения диапазона времени для активации режима самокалибровки. Например, при приложении короткого замыкания к клеммам управляющее устройство клапана предпринимает шаги для проверки того, что короткое замыкание не является случайным, таким которое может произойти, когда устанавливают или снимают крышку. Короткое замыкание или другой сигнал может вызвать запуск таймера. Короткое замыкание должно быть устранено в пределах заданного периода времени для соответствия критериям входа в режим самокалибровки. Например, только короткое замыкание в пределах 3-5 секунд может вызвать активацию режима самопроверки. Очевидно, что могут быть запрограммированы другие периоды времени.
Вместо короткого замыкания к клеммам может быть приложен сигнал, вызывающий режим самокалибровки. Сигнал может иметь заданную частоту, заданное напряжение, и т.п.
Заданный период времени, в течение которого должны быть приложены короткое замыкание или другой сигнал, также может быть программируемым. В некоторых случаях заданный период времени может быть сокращен, если, например, предполагается частая калибровка. В других случаях заданный период времени может быть удлинен, например, если допускается некоторая вероятность неустойчивого закорачивания вспомогательных клемм.
Для выполнения калибровки не требуется отдельный пользовательский интерфейс, установленный в управляющем устройстве клапана, а также не требуется соединение с внешним полевым калибровочным инструментом. Самокалибровка может быть прервана в соответствии с вторым признаком, таким как закорачивание электрических контактов.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана упрощенная типичная структурная схема управляющего устройства клапана.
На фиг.2 показаны типичные электрические соединения в управляющем устройстве клапана.
На фиг.3 показан способ инициализации программы самокалибровки в управляющем устройстве клапана.
Осуществление изобретения
Несмотря на то что следующий текст содержит подробное описание множественных различных вариантов реализации, следует подразумевать, что объем юридической защиты настоящего изобретения определен пунктами приложенной формулы. Подробное описание следует рассматривать только в качестве примера, который не содержит всех возможных вариантов реализации, поскольку описание каждого возможного варианта реализации является нецелесообразным и даже невозможным. Множественные дополнительные варианты реализации могут быть осуществлены с использованием известной на дату подачи настоящей заявки технологии или с использованием технологии, разработанной после даты подачи настоящей заявки, которая тем не менее находится в пределах объема пунктов приложенной формулы.
Также следует подразумевать, что если некоторый термин явно не определен в настоящей заявке путем использования предложения: "Использованный в настоящей заявке термин "_____" настоящим предназначен обозначать…" или подобного предложения, значение этого термина не ограничивается явно или косвенно пределами его простого или обычного значения, и такой термин не должен интерпретироваться как ограниченный в объеме на основании любого утверждения, сделанного в любой секции настоящего описания (за исключением пунктов приложенной формулы). До степени, в которой любой термин, указанный в пунктах приложенной формулы в конце настоящей заявки, используется в настоящем описании способом, совместимым с одиночным значением, он используется только ради ясности изложения и чтобы не дезориентировать читателя, и не должен толковаться как ограниченный явно или косвенно или иным способом указанным одиночным значением. Наконец, если элемент пункта приложенной формулы не определен указанием выражения "средство" и функции без подробного описания любой структуры, объем любого элемента пункта приложенной формулы не должен быть интерпретирован на основании применения пункта 6, §112, Глава 35 Свода законов США.
Большая часть функциональных средства согласно настоящему изобретению и большая часть принципов настоящего изобретения лучше всего осуществлены в программах или командах и интегральных схемах (ИС) или с их использованием, таких как прикладные специализированные интегральные схемы. Следует ожидать, специалисты, несмотря на возможные значительные усилия и широкий выбор проектных решений, мотивированные, например, достаточным временем, уровнем техники и экономическими соображения, ведомые концепциями и принципами, описанными в настоящей заявке, смогут составить такие программные инструкции, программы и запрограммировать интегральные схемы с минимальным экспериментированием. Таким образом, ради краткости и минимального усложнения изложения принципов и понятий настоящего изобретения дополнительное обсуждение такого программного обеспечения и таких интегральных схем, если таковые вообще имеются, будет ограничено существом указанных принципов и понятий, изложенных на примере предпочтительных вариантов реализации.
Управляющие устройства клапана часто выполняются за одно целое с клапанами, которыми они управляют, и монтируются на месте в установку уже калиброванные для аналогового входного тока, датчиков давления и рабочего хода. Однако во время монтажа или эксплуатации по меньшей мере для одной области может потребоваться перекалибровка.
При перекалибровке может потребоваться переносное испытательное оборудование. Согласно одному варианту реализации испытательное оборудование может быть Полевыми коммуникаторами марки 475, имеющимися в продаже в компании Emerson Process Management. Однако использование такого портативного испытательного оборудования не всегда оказывается удобным.
Различные управляющие устройства клапана имеют вспомогательные клеммы, которые могут быть соединены с наружным датчиком. Управляющее устройство клапана может отправить сигнал тревоги в случае активации наружного датчика. Управляющее устройство клапана, описанное ниже, может обеспечить возможность выборочного программирования вспомогательных выходов, так что на вспомогательных клеммах присутствуют сигналы, такие как короткое замыкание между двумя клеммами вспомогательного входа в течение указанного периода, которые могут заставить управляющее устройство клапана начать процедуру самокалибровки.
На фиг.1 показана упрощенная демонстрационная блок-схема управляющего устройства 100 клапана. Управляющее устройство 100 может содержать процессор 102. Процессор 102 может быть специализированной интегральной схемой, микрокомпьютером или другим аппаратным или программируемым средством, выполненным с возможностью исполнения последовательных этапов или программ, подходящих для осуществления функций управляющего устройства клапана. Таймер 104 может быть интегрирован с процессором 102 или может представлять собой автономную схему синхрогенератора/таймера. Процессор 102 может быть выполнен с возможностью запускать и останавливать таймер 104, или таймер может работать постоянно, а управляющее устройство может использовать временные интервалы путем регистрации конкретных значений таймера и вычисления временного интервала.
Управляющее устройство 100 также может содержать схему 106 для управляющих входных сигналов, например, принятых из управляющих входных линий 108 и 110. Могут поддерживаться различные входные управляющие сигналы, если используется такая сигнальная схема представляет собой известный токовый контур 4-20 мА для управляющих сигналов. Управляющее устройство 100 может использовать управляющие сигналы с токами 4-20 мА для пропорционального управления фактической настройкой клапана. В дополнение к управляющим входным сигналам с токами 4-20 мА может быть добавлен сигнал протокола магистрального адресуемого дистанционного преобразователя (HART™), чтобы управляющее устройство могло обеспечивать диагностирование, обслуживание и дополнительную обработку данных для передачи в управляющее устройство 100 посредством сигнального интерфейса 112 HART.
Сигнальная входная цепь 114 может содержать сигнальные входные клеммы 116 и 118. Согласно некоторым вариантам реализации сигнальные входные клеммы 116 и 118 могут быть непосредственно соединены с процессором 102, но в других случаях сигнальная входная цепь 114 может обеспечивать смещение, входную защиту от переходных процессов или то и другое вместе.
Устройство 128 пневматического управления может быть использовано для регулирования расхода текучей среды под давлением, такой как газ, протекающей от пневматического входа 122 к пневматическому выходу 124. Согласно некоторым вариантам реализации могут быть использованы второй пневматический выход 126 в зависимости от типа управляемого клапана. Например, в некоторых клапанах используется одиночный входной сигнал давления для перемещения привода клапана, который имеет пружину или другой механизм возврата. В других клапанах могут быть использованы два входных сигнала давления для перемещения привода клапана в противоположных направлениях.
Вход 128 датчиков может быть соединен по меньшей мере с одним из датчиков 130 и 132. Вход 128 датчиков может обеспечивать обратную связь с процессором относительно фактического положения привода или непосредственно клапана.
На фиг.1 также показан пример клапана 134, который не является частью управляющего устройства 100 и имеет привод 136, соединенный с устройством 120 пневматического управления и входом 128 датчиков. Как известно, перемещение привода 136 вызывает соответствующее перемещение тарелки клапана или другого механизма управления расходом (не показаны).
При использовании управляющий сигнал с током 4-20 мА может быть принят из управляющих входных линий 108 и 110. Управляющий сигнал может быть обработан в схеме 106 для управляющих входных сигналов и передан в процессор 102. В качестве реакции на указанный управляющий сигнал, процессор 102 может заставить устройство 122 пневматического управления перемещать привод 136 для изменения давления на выходе 124 до тех пор, пока привод 136 или клапанный механизм не достигнут необходимого положения, о котором процессору сообщит вход 128 датчиков.
Вспомогательная сигнальная входная цепь 114 может быть выделенным входом, который может быть запрограммирован для выполнения различных функций. Если цепь 114 запрограммирована в первом режиме в качестве входа для аварийного сигнала или сигнала тревоги, присутствие сигнала или изменение полного сопротивления на входных клеммах 116 и 118 может заставить сигнальную входную цепь 114 сообщить процессору 102 о том, что произошло некоторое событие или что существуют некоторые внешние условия. Процессор 102 может реагировать согласно заложенной в него программе ответом на событие, например, может передать сообщение технологическому управляющему устройству посредством сигнального интерфейса 112 HART.
Если цепь 114 запрограммирована во втором режиме в качестве входа для сигнала самокалибровки, присутствие сигнала или изменение полного сопротивления на входных клеммах 116 и 118 может заставить сигнальную входную цепь сообщить процессору 102 о том, что присутствует некоторый сигнал. Процессор 102 может реагировать командой инициировать программу самокалибровки для калибрования перемещения клапана путем перемещения привода 136 в первую опорную точку, т.е. к первому пределу перемещения клапана, расположенному в одном конце доступного перемещения привода, и затем во вторую опорную точку, т.е. к второму пределу перемещения клапана, расположенному в другом конце доступного перемещения привода, так что может быть определено полное перемещение привода 136 или соответствующего клапанного механизма. После завершения регистрации пределов перемещения может быть рассчитано первое предельное значение управляющего сигнала и задано для первой опорной точки и может быть рассчитано второе предельное значение управляющего сигнала и задано для второй опорной точки.
На фиг.2 показан вид типичных электрических соединений в управляющем устройстве 200 клапана, который может быть идентичен или подобен управляющему устройству 100. Соединения "контура" 202 предназначены для соединения управляющих входных сигналов, таких как управляющий сигнал с током 4-20 мА. Сигнальные входные клеммы 204 и 206, дополнительно используемые как вспомогательные входы, могут программно переключаться между приемом сигналов тревоги или программой самокалибровки в случае присутствия калибровочного сигнала на сигнальных входных клеммах 204 и 206. Согласно одному варианту реализации калибровочный сигнал может быть изменением полного сопротивления между клеммами, например, посредством перемычки, размещенной между сигнальными входными клеммами 204, 206, которая позволяет поданные на один вход известные напряжение или частоту считывать на другом входе. Согласно другому варианту реализации вместо использования перемычки в управляющее устройство 200 может быть установлен переключатель (не показан), который также обеспечивает возможность закорачивания сигнальных входных клемм 204 и 206 друг с другом. Согласно еще одному варианту реализации внешний сгенерированный сигнал, такой как напряжение постоянного тока или сигнал переменного тока может быть приложен к одному или обоим сигнальным входным клеммам 204, 206.
На фиг.3 показан способ 300 инициализации программы самокалибровки и настройки в управляющем устройстве клапана, таком как управляющее устройство 100, показанное на фиг.1. Способ 300 демонстрирует один подход к определению факта изменения сигнала или полного сопротивления, такого как короткое замыкание, действующего в течение заданного периода времени, такого 3-10 секунд, по истечении которого может быть запущена программа самокалибровки. Для ясности изложения замыкатель будет считаться сигналом, извещающим о том, что некоторое напряжение смещения или другой реальный сигнал подан на сигнальные входные клеммы 108 и 110 посредством указанного замыкателя.
Согласно некоторым вариантам реализации сигнальные или вспомогательные входы 204 и 206 могут быть предварительно запрограммированы управляющим устройством 100 в режим приема сигнала для активирования программы самокалибровки. Указанное программирование может быть осуществлено во время изготовления или монтажа на месте, во время сеанса связи для технического обслуживания на месте использования или дистанционным способом с использованием протоколов HART, Profibus или других командных протоколов, принятых от удаленного котроллера. Согласно другим вариантам реализации вспомогательные входы могут быть использованы только для инициирования программы самокалибровки.
На этапе 302 опрашивают вспомогательные клеммы 116, 118 для определения присутствия на них закорачивающего или другого сигнала в течение заданного интервала, например 3-10 секунд. Определение наличия закорачивающего сигнала может включать опрос вспомогательных клемм каждые 30-100 миллисекунд (мс) для проверки наличия короткого замыкания. В случае обнаружения закорачивающего или другого сигнала запускают таймер, посредством которого определяют факт устранения короткого замыкания в пределах заданного диапазона времени. Процессор 102 может проверять наличие короткого замыкания каждые 30-100 мс. Если короткое замыкание устранено в пределах заданного интервала, управление передается этапу 304.
На этапе 304 определяют с использованием процессора, являются ли условия соответствующими запуску программы самокалибровки. Например, настройка может находиться в положении, при котором блокируется самокалибровка. Если указанное условие присутствует и запрещает самокалибровку, управление передается по ветви "Нет" к этапу 302. Если самокалибровка не запрещена, управление от этапа 304 передается по ветви "да" к этапу 306.
На этапе 306 сохраняют параметры текущего рабочего режима и системные переменные. Эти значения могут быть использованы для восстановления текущего состояния в случае автоматического или ручного прерывания какой-либо части самокалибровки. Управление передается этапу 308, на котором загружают и выполняют программу калибровки.
На этапе 310 толкают клапан, т.е. вызывают перемещение вперед-назад в качестве признака начала работы программы самокалибровки.
На этапе 312 определяют тип управления клапана и выполняют самокалибровку для перемещения клапана/привода. Тип управления зависит от того, активируется ли привод управляющим устройством клапана в обоих направлениях, или привод активируется в одном направлении с обратным ходом под действием пружины, и т.п. Известны различные типы управления. Калибровка перемещения может включать активацию привода 136 достижения приводом или клапаном 134 предела перемещения. Полностью открытое и закрытое положения регистрируют и сохраняют.
На этапе 314 в случае успешного завершения калибровки перемещения управление передается от этапа 314 по ветви "да" к этапу 316.
На этапе 316 в случае необходимости выполняют дополнительную калибровку. Калибрование диапазонов давления включает перевод клапана в положения 1% и 99% его перемещения и регистрацию значений давления в указанных положениях. Верхнее и нижнее значения давления на выходе сохраняют и используют при управлении клапаном в режиме регулирования давления.
В случае успешного завершения калибровки давления управление от этапа 318 по ветви "да" передается к этапу 320.
На этапе 320 выполняют автоматическую настройку характеристик. Настройка рабочих характеристик состоит в цифровой настройке управляющего устройства клапана. В процессе настройки перемещают клапан на небольшое расстояние и отслеживают влияние указанного небольшого перемещения для достижения оптимальной реакцию на управляющее воздействие. Настройка может включать регулировку усиления и обратной связи для достижения достаточной чувствительности клапана.
В случае успешного завершения указанной настройки управление от этапа 322 передается по ветви "да" к этапу 324. На этапе 324 задают метку или устанавливают бит, указывающие успешное завершение каждой фазы. Может быть установлен одиночный бит успешного завершения, или согласно другим вариантам реализации может быть установлен бит успешного завершения для каждой фазы.
Согласно некоторым вариантам реализации может быть выполнена только одна из двух фаз калибровки, например, если некоторые фазы не соответствуют некоторому рабочему режиму или когда указанная ситуация запрограммирована принудительно.
Согласно этапу 302, если вспомогательные клеммы закорочены в течение периода времени, превышающего заданный интервал, например больше 10 секунд, управление передается к этапу 326. Если программа калибровки уже находится в стадии выполнения, управление от этапа 326 по ветви "да" передается к этапу 328, на котором программа калибровки прерывается, и устанавливается бит аварийного завершения для последующего опроса. На этапе 330 восстанавливают системные переменные и настройки рабочего режима, и управление передается к этапу 302.
Если на этапе 326 программа калибровки не выполняется, управление от этапа 326 по ветви "нет" передается к этапу 302.
Согласно варианту реализации, показанному на фиг.3, если какая-либо фаза не завершается успешно, управление от этапа завершения этой фазы передается по ветви "нет" и выполняются этапы 332, 334 или 336. На каждом этапе 332, 334 или 336 быть установлен соответствующий флаг ошибки, и управление способом передается к этапу 330. На этапе 330 восстанавливают переменные и настройки режима, сохраненные на этапе 306, и управление передается к этапу 302.
Другие модификации варианта реализации, показанного на фиг.3, могут обеспечить возможность выполнения последовательных фаз калибровки и настройки, даже если предварительная фаза не завершена успешно.
Возможность запускать и останавливать программу самокалибровки в управляющем устройстве клапана без использования внешнего инструмента или дистанционного программного средства обеспечивает дополнительный инструментарий для использования техником на месте проведения работ. Освобожденный от громоздкого встроенного пользовательского интерфейса, клапанный узел, включая управляющее устройство клапана, может быть осуществлен с низкими затратами и с минимальным количеством активных компонентов, которые сами могут нуждаться в техническом обслуживании.
Несмотря на то что изложенный выше текст содержит подробное описание различных вариантов реализации настоящего изобретения, следует отметить, что объем защиты изобретения определяется пунктами приложенной в конце настоящей заявки формулы. Настоящее подробное описание должно рассматриваться только в качестве примера и не может охватывать все возможные варианты реализации настоящего изобретения, поскольку описание каждого возможного варианта реализации является нецелесообразным и даже невозможным. Множественные дополнительные варианты реализации могут быть осуществлены с использованием известной технологии или с использованием технологии, разработанной после даты подачи настоящей заявки, которые тем не менее находятся в пределах объема защиты настоящего изобретения.
Таким образом, в способах и устройствах, описанных и показанных в настоящей заявке, могут быть осуществлены различные модификации и изменения без отступления от идеи и объема защиты настоящего изобретения. Соответственно, подразумевается, что способы и устройства, описанные в настоящей заявке, носят исключительно иллюстративный характер и не являются ограничением объема настоящего изобретения.