СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ, УПРАВЛЯЮЩЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ
PROCESS CONTROL EQUIPMENT INTEGRITY EVALUATING METHOD AND DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к технологическим установкам и, в частности, к отслеживанию целостности компонентов технологической установки.
Раскрытие изобретения
Согласно одному варианту реализации способ указания на потерю целостности корпуса клапана содержит этапы, на которых
принимают посредством системы обнаружения и определения местоположения неисправностей первую последовательность измерений импеданса,
сохраняют первую последовательность измерений,
принимают посредством системы обнаружения и определения местоположения неисправностей вторую последовательность измерений от периферийного устройства,
сохраняют вторую последовательность измерений,
сравнивают первую последовательность измерений и вторую последовательность измерений и
генерируют указание, если первая последовательность измерений отклонена от второй последовательности измерений.
Согласно другому варианту реализации способ указания на потерю целостности корпуса клапана содержит этапы, на которых принимают измерения импеданса, выполненные с использованием электрических сигналов с некоторыми частотами. Согласно другому варианту реализации способ содержит этап, на котором принимают измерения импеданса, выполненные с использованием частот, находящихся в целом в диапазоне от 30 кГц до 400 кГц. Согласно одному варианту реализации сигналы с указанными частотами подают на пьезоэлектрический датчик, соединенный с внешней поверхностью корпуса клапана рядом с затворным элементом.
Краткое описание графических материалов
На фиг.1 показан пример структурной схемы технологической установки, имеющей распределенное управление и сеть обслуживания, включая одну или большее количество рабочих станций оператора и обслуживания, контроллеров, периферийных устройств и вспомогательного оборудования, с использованием которых может быть реализована система обнаружения и определения местоположения неисправностей.
На фиг.2 показана структурная схема блока для сбора и анализа статистических данных, реализующая способ обнаружения изменений целостности корпуса клапана.
На фиг.3 показан разрез корпуса клапана, показывающий возможное место расположения пьезоэлектрического датчика, от которого могут быть приняты результаты измерений импеданса.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1, технологическая установка 10 согласно одному варианту реализации, в которой может быть реализована система обнаружения и определения местоположения неисправностей, содержит различные системы управления и обслуживания, соединенные со вспомогательным оборудованием посредством одной или большего количества коммуникационных сетей. В частности, технологическая установка 10, показанная на фиг.1, содержит одну или большее количество систем 12 и 14 управления технологическим процессом. Система 12 может быть традиционной системой управления технологическим процессом, такой как система PROVOX или RS3, или любой другой системой управления, которая содержит операторский интерфейс 12А, соединенный с контроллером 12В и с картами 12С ввода-вывода, которые, в свою очередь, соединены с различными периферийными устройствами, такими как аналоговые устройства и периферийные устройства 15 с магистральными адресуемыми дистанционными преобразователями (HART). Система 14 управления технологическим процессом, которая может быть распределенной системой, содержит одно или большее количество операторских интерфейсов 14А, соединенных с одним или большим количеством распределенных контроллеров 14В посредством шины, такой как шина локальной сети Ethernet. Контроллеры 14В могут быть, например, контроллерами Delta VTM, производимыми компанией Emerson Process Management (г. Остин, штат Техас), или контроллерами любого другого подходящего типа. Контроллеры 14В соединены посредством устройства ввода/вывода с одним или большим количеством периферийных устройств 16, таких как, например, преобразователь HART или периферийные устройства с шиной Fieldbus, или любые другие интеллектуальные или неинтеллектуальные периферийные устройства, включая, например, устройства, в которых использован любой из протоколов PROFIBUS, WORLDFIP, Device-Net, AS-lnterface и CAN. Как известно, периферийные устройства 16 могут передавать контроллерам 14В аналоговую или цифровую информацию, относящуюся к технологическим параметрам, а также информацию, относящуюся к другим устройствам. Для управления ходом процесса операторские интерфейсы 14А могут сохранять и исполнять команды, доступные управляющему технологическим процессом оператору, включая, например, управляющих оптимизаторов, диагностических экспертов, нейросети, наладчиков, и т.п.
Другие системы обслуживания, такие как компьютеры, исполняющие приложения AMS (автоматической системы контроля), или любые другие отслеживающие устройства и коммуникационные приложения могут быть соединены с системами 12 и 14 управления технологическим процессом или с отдельными устройствами в указанных системах для осуществления обслуживающих и отслеживающих операций. Например, обслуживающий компьютер 18 может быть соединен с контроллером 12В и/или с устройствами 15 посредством любых предпочтительных коммуникационных линий или сетей (включая беспроводные сети или сети на основе мобильных устройств) для связи с ними и в некоторых случаях для изменения конфигурации или осуществления других действий, относящихся к обслуживанию устройств 15. Схожим образом служебные приложения 17 и 19, такие как приложение AMS, могут быть установлены и исполнены в одном или большем количестве пользовательских интерфейсов 14А, связанных с распределенной системой 14 управления технологическим процессом, для выполнения обслуживающих и отслеживающих функций, включая сбор данных, относящихся к рабочим состояниям устройств 16.
Технологическая установка 10 также содержит различное вращающееся оборудование 20, такое как турбины, двигатели, и т.п., которые соединены с обслуживающим компьютером 22 посредством некоторых постоянных или временных линии связи (таких как шина, система беспроводной связи или портативные устройства, которые соединяют с оборудованием 20 для считывания данных и затем удаляют). Обслуживающий компьютер 22 может сохранять и исполнять известные отслеживающие и диагностические приложения 23, поставляемые, например, компанией CSI (Emerson Process Management Company), или любые другие известные приложения, используемые для диагностирования, отслеживания и оптимизации рабочего состояния вращающегося оборудования 20. Обслуживающий персонал обычно использует приложения 23 для поддерживания рабочих характеристик вращающегося оборудования 20 в установке 10 и наблюдения за ними, определения проблем, связанных с вращающимся оборудованием 20, и определения времени и необходимости ремонта или замены вращающегося оборудования 20. В некоторых случаях сторонние консультанты или сервисные организации могут временно получать или измерять данные, относящиеся к оборудованию 20, и использовать указанные данные для выполнения исследований оборудования 20 с целью обнаружения проблем, недостаточных рабочих характеристик или других проблем, возникших в оборудовании 20. В таких случаях компьютеры, с помощью которых выполняют указанные исследования, не могут быть соединены с остальной частью системы 10 посредством любых коммуникационных линий или могут быть соединены с ними только временно.
Схожим образом, система 24 генерации и распределения энергии, содержащая оборудование 25 для генерации и распределения энергии, связанная с установкой 10, соединена посредством, например, шины с другим компьютером 26, который работает и отслеживает работу оборудования 25 в установке 10. Компьютер 26 может исполнять известные приложения 27 для управления энергией и диагностики, такие как поставляемые, например, компаниями Liebert и ASCO, или другими компаниями, для управления оборудованием 25 и поддерживания указанного оборудования. Кроме того, во многих случаях сторонние консультанты или обслуживающие организации могут использовать сервисные приложения, которые временно получают или считывают данные, имеющие отношение к оборудованию 25, и используют указанные данные для выполнения исследований оборудования 25 с целью обнаружения проблем, недостаточных рабочих характеристик или других проблем, возникающих в оборудовании 25. В этих случаях компьютеры (такие как компьютер 26), с помощью которых выполняют исследования, не могут быть соединены с остальной частью системы 10 посредством любых коммуникационных линий или может быть соединены только временно.
Как показано на фиг.1, компьютерная система 30 содержит по меньшей мере часть системы 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей (FDI), в которой использован анализ основных компонентов (РСА) на основании статистических характерных данных. Статистические характерные данные могут содержать помимо прочего результаты статистических измерений, такие как среднее значение, изменение среднего значения, срединное значение (медиана), изменение срединного значения, среднеквадратичное отклонение, изменение среднеквадратичного отклонения, дисперсия, асимметрия, эксцесс, среднеквадратичное значение (RMS), скорость изменения, диапазон, минимум, максимум и т.п. В частности компьютерная система 30 сохраняет и исполняет приложение 38, предназначенное для конфигурирования и сбора данных (CDCA), одно или большее количество просмотровых или интерфейсных приложений 40, модуль 42 анализа основных компонентов (РСА), который может содержать этапы статистической обработки и обеспечивает многомерный статистический анализ, а также модуль 44 обнаружения неисправностей. Система 30 также сохраняет статистическую базу 43 данных отслеживания технологического процесса, в которой сохранены статистические характерные данные, сгенерированные в некоторых устройствах в указанном процессе. Вообще говоря, приложение 38, предназначенное для конфигурирования и сбора данных, конфигурирует и подключает каждый из множества блоков и анализа статистических данных (не показаны на фиг.1), расположенных в периферийных устройствах 15, 16, контроллерах 12В, 14В, вращающемся оборудовании 20 или в обеспечивающем его поддержку компьютере 22, оборудовании 25 или в обеспечивающем его поддержку компьютере 26, а также в любых других желательных устройствах и оборудовании в технологической установке 10, для сбора таким образом статистических характерных данных (или в некоторых случаях исходных данных технологического процесса) из каждого из указанных блоков с целью осуществления обнаружения и определения местоположения неисправностей. Приложение 38 для конфигурирования и сбора данных может быть коммуникативно соединено посредством аппаратной шины 45 с каждым из компьютеров или устройств в установке 10 или согласно другому варианту реализации может быть соединено посредством любого другого желательного коммуникационного средства, включая, например, беспроводные соединения, выделенные соединения с использованием сопряжения фаз оптических сигналов (ОРС), временные подключения, такие как, подключение переносных устройства для сбора данные, и т.п. Аналогично, приложение 38 для конфигурирования и сбора данных может получать данные, имеющие отношение к периферийным устройствам и оборудованию в технологической установке 10 посредством локальной вычислительной сети или общедоступного соединения, такого как Интернет, телефонная линия, и т.п., (как показано на фиг.1 в качестве Интернет-соединения 46), причем указанные данные могут быть собраны, например, сторонним поставщиком услуг. Кроме того, приложение 38 для конфигурирования и сбора данных может быть коммуникативно соединено с компьютерами/устройствами в установке 10 с использованием различных способов и/или протоколов, включая, например, сеть Ethernet, шину Modbus, протоколы HTML, XML, специализированные способы и протоколы, и т.п.. Таким образом, не смотря на то, что в настоящей заявке описаны конкретные варианты реализации, в которых использовано сопряжение фаз оптических сигналов (ОРС) для коммуникативного соединения приложения 38 для конфигурирования и сбора данных с компьютерами/устройствами в установке 10, специалисту может быть понятно, что также могут быть использованы различные другие способы соединения приложения 38 с компьютерами/устройствами в установке 10. Собранные данные могут быть справочными данными, связанными с известным нормальным или известным ненормальным состояниями технологического процесса, или отслеженными данными, для которых состояние технологического процесса является неизвестным. В приложении 38 для конфигурирования и сбора данных собранные данные в целом могут быть сохранены в базе 43 данных.
Несмотря на то, что технологическая установка 10 показана как содержащая систему 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей (FDI), следует понимать, что система FDI 35 не ограничивается обнаружением существующих неисправностей или других ненормальных состояний, но также может предсказывать возникновение ненормального состояния, примеры которого дополнительно описаны ниже. Также, система FDI 35 может быть использована для обнаружения существующих неисправностей и других ненормальных состояний в процессе в качестве части обнаружения и определения местоположения неисправностей и для предсказания возникновения отказов и других ненормальных состояний в процессе в качестве части предотвращения ненормального состояния. Например, модуль 44 обнаружения неисправностей может быть использован для обнаружения существующих и предсказанных ненормальных состояний, как описано в настоящей заявке.
Кроме того, не смотря на то, что анализ основных компонентов прежде всего описан как многомерный способ статистического анализа, который может быть использован, следует отметить, что анализ основных компонентов используется только в качестве варианта реализации, и анализ основных компонентов описан в настоящей заявке для улучшенного понимания обнаружения неисправностей и используемого способа предотвращения ненормального состояния. Также могут быть использованы другие многомерные способы статистического анализа, включая помимо прочего способ частных наименьших квадратов (PLS), способ регрессии основных компонентов (PCR), дискриминантный анализ и канонический анализ варьируемой величины (CVA). Различные способы многомерного статистического анализа могут быть использованы в зависимости от обнаруживаемого ненормального состояния. Например, в то время как анализ основных компонентов может быть использован как для обнаружения и предсказывания ненормальных состояний, а анализ основных компонентов может быть использован для обнаружения возникновения ненормальных состояний, способ частных наименьших квадратов и/или способ регрессии основных компонентов могут быть использованы для предсказания возникновения ненормальных состояний. Кроме того, система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей может содержать дополнительные модули для различных способов многомерного анализа, и/или модуль 42 анализа основных компонентов (РСА) может быть заменен модулем частных наименьших квадратов, модулем регрессии основных компонентов, модулем дискриминантного анализа, модулем анализа канонической величины или любым другим модулем многомерного статистического анализа.
Как показано на фиг.1, после того, как приложение 38 для конфигурирования и сбора данных соберет данные о статистических характеристиках (или исходных технологических параметрах), модуль 42 анализа основных компонентов может провести многомерный статистический анализ для обработки указанных данные одним из нескольких способов. Модуль 42 анализа основных компонентов может использовать собранные статистические характерные данные в качестве справочных данных, связанных с нормальными условиями и одним или большим количеством ненормальных состояний, для определения основных компонентов, связанных с двумя и большим количеством состояний процесса, и формирования матрицы нагружения, связанной с комбинированными состояниями. Согласно другому варианту реализации в модуле 42 анализа основных компонентов (РСА) собранные статистические характерные данные могут быть использованы в качестве справочных данных, связанных с нормальным или ненормальным состоянием процесса, для определения основных компонентов, связанных с состоянием процесса, и формирования матрицы нагружения, связанной с каждым состоянием. В модуле 42 анализа основных компонентов также могут быть использованы исходные данные о технологических параметрах, если они связаны с известным нормальным или известным ненормальным состоянием процесса, для вычисления эталонных статистических характерных данных, необходимых для определения основных компонентов, связанных с одним или большим количеством технологических режимов. Данные об исходных технологических параметрах могут содержать помимо прочего данные, полученные в результате измерения параметров процесса, включая данные, измеренные в устройствах, участвующих в процессе, такие как температура, давление, расход, положение и т.п.. Модуль 42 анализа основных компонентов дополнительно может сохранять результаты анализа основных компонентов, а также эталонные статистические характерные данные в базе 43 данных для использования модулем 44 обнаружения неисправности или просмотровым приложением 40. Кроме того, модуль 42 анализа основных компонентов может определять с использованием параллельного анализа или другого подобного способа, сколько основных компонентов, вычисленных модулем 42 анализа основных компонентов, необходимо держать под наблюдением модуля 44 обнаружения неисправности.
Модуль 44 обнаружения неисправностей анализирует отслеженные данные о статистических характеристиках (или исходных технологических параметрах) с использованием результатов основного анализа компонентов, выполненного модулем 42 анализа основных компонентов, для определения наличия или будущего наличия аварийного состояния процесса. Как подробно описано ниже, модуль 44 обнаружения неисправностей может передать отслеженную статистическую характеристику или исходные данные о технологических параметрах в оценочную матрицу с использованием матрицы нагружения, предварительно определенной модулем 42 анализа основных компонентов. Затем модуль 44 обнаружения неисправности может сгенерировать один или большее количество сигналов тревоги или предупреждений об опасности для операторов или обслуживающего персонала на основании результатов анализа или предупредить иным способом операторов процесса или обслуживающий персонал, что ненормальное состояние уже существует или может возникнуть. Схожим образом, модуль 44 обнаружения неисправности может сохранять результаты анализа, включая обнаруженные неисправности, сгенерированные сигналы тревоги или предупреждения об опасности, а также данные, переданные в оценочную матрицу (описанную ниже), в базу 43 данных, или может передать указанные результаты просмотровому и интерфейсному приложению 40.
Приложение 40 для обеспечения просмотра и интерфейса содержит интерфейс для персонала установки, такого как инженеры по конфигурированию, операторы управления технологическим процессом, обслуживающий персонал, начальники смен, диспетчеры, и т.п., для просмотра сигналов тревоги и аварийных предупреждений, сгенерированных модулем 44 обнаружения неисправности. Приложение 40 для обеспечения просмотра также может содержать интерфейс, который обеспечивает возможность манипулирования различными параметрами управления технологическим процессом, манипулирования модулем 42 анализа основных компонентов и модулем 44 обнаружения неисправности и отображения соответствующих данных, включая статистические характерные данные, исходные данные о технологических параметрах, данные подвергнутые автомасштабированию, данные, отображенные на оценочных матрицах, или любые другие данные, пригодные для использования при отображении для персонала установки.
Приложение 40 для обеспечения просмотра и интерфейса может предоставить графический пользовательский интерфейс (GUI), который интегрирован с системой 30, или, в частности, с системой 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей, для облегчения взаимодействия пользователя с отслеживающими средствами, предоставленными системой 35. Однако, перед подробным описанием графического интерфейса пользователя следует отметить, что графический интерфейс пользователя может содержать одно или большее количество программ, написанных с использованием любых подходящих языков и способов программирования. Кроме того, программы, реализующие графический интерфейс пользователя, могут сохраняться и исполняться в одиночной технологической установке или блоке, таком как, например, автоматизированное рабочее место, контроллер, и т.п., в установке 10, или согласно другому варианту реализации программы графического интерфейса пользователя могут сохраняться и исполняться распределенным способом с использованием множества процессоров, которые коммуникативно соединены друг с другом в пределах система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей.
Предпочтительно, но не обязательно, графический интерфейс пользователя может быть реализован с использованием известной графической оконной структуры и внешнего представления, в которых множество связанных графических экранов или страниц содержат одно или большее количество выпадающих меню, которые предоставляют пользователю возможность перемещения по страницам желательным способом для просмотра и/или извлечения конкретной информации. Особенности и/или возможности системы 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей могут быть показаны, открыты для доступа, использованы и т.п. посредством одной или большего количества соответствующих страниц, видов или экранов графического интерфейса пользователя. Кроме того, различные экраны, формирующие графический интерфейс пользователя, могут быть связаны логическим способом для облегчения быстрой и интуитивной навигации пользователя по указанным экранам для извлечения конкретной информации или получения доступа к конкретному средству системы 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей и/или использования указанного конкретного средства.
Специалисту может быть понятно, что система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей, описанная в настоящей заявке, может работать одна или совместно с другими системами, включая другие обнаруживающие неисправность и предотвращающие ненормальное состояние системы. Схожим образом, отдельные приложения 38, 40, 42 и 44, описанные в настоящей заявке в качестве части системы 35 могут работать совместно с другими приложениями (не показаны) для обнаружения неисправности, генерирования сигналов тревоги и предупреждений об опасности, предоставления данных персоналу установки, предоставления возможности конфигурирования процесса или устройств, или любой комбинации вышеуказанного.
Как показано на фиг.1, клапаны 15 и 16, например, могут быть использованы для управления расходом материалов в полутвердом, жидком или газообразном состоянии в указанной технологической установке. В некоторых случаях эти материалы могут включать взвешенный зернистый материал. В других случаях материалы могут взаимодействовать с корпусами клапанов 16, например, вызывая ускоренное корродирование корпуса клапана. Взвешенные твердые частицы могут шлифовать внутреннюю поверхность корпуса клапана и таким образом вызывать эрозионное повреждение. Свойства технологической текучей среды в комбинации с перепадами давления могут вызвать кавитацию текучей среды, которая также может разрушать материал внутри корпуса клапана.
В некоторых случаях корпус клапана может быть оснащен датчиками. Такие датчики включают, например, помимо прочего пьезоэлектрические датчики (PZT). Используемые датчики могут быть активными или пассивными. Активные датчики в целом запускаются внешним инициирующим сигналом. Пассивные датчики в целом не запускаются внешним инициирующим сигналом. В некоторых случаях датчики могут быть соединены с корпусом клапана. В других случаях корпус клапана может быть изготовлен вместе с расположенным в нем датчиком. В таких случаях клапаны могут быть снабжены каналом для доступа к датчику. В некоторых случаях датчики отслеживаются и управляются блоками для сбора и анализа статистических данных, которые, например, могут быть расположены в установочных приспособлениях клапана или корпусах 15 клапана. В этом случае датчик снабжен шинным разъемом, выполненным с возможностью приема электропитания, инициирующих сигналов и передачи электрических данных от датчика в блок для сбора данных. В других случаях датчики, например, могут отслеживаться и управляться картами 12С ввода/вывода. В некоторых случаях данные, принятые блоком для сбора и анализа данных, также принимаются системой 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей.
Согласно некоторым вариантам реализации модуль 42 анализа основных компонентов анализирует данные от датчика, соединенного с корпусом клапана. Согласно данному варианту реализации модуль 42 обеспечивает отслеживание целостности корпуса клапана в режиме реального времени. Обнаружение кавитаций может быть автоматизировано посредством модуля 42 анализа основных компонентов без необходимости визуальной проверки корпуса клапана. Модуль 42 анализа основных компонентов согласно данному варианту реализации создает характеристику на основании данных, принятых от датчика, соединенного с корпусом клапана. Согласно другим вариантам реализации данные, переданные датчиком, соединенным с корпусом клапана, например, анализируются автоматической системой контроля (AMS).
На фиг.2 показана структурная схема блока для сбора и анализа статистических данных, расположенного в периферийных устройствах 15, 16, например, которая осуществляет вариант 200 реализации, например, для обнаружения конструктивных изменений клапана 16. Согласно данному варианту реализации пьезоэлектрический датчик 204 соединен с корпусом 202 клапана с использованием подходящего способа соединения. Пьезоэлектрический датчик 204 выполнен из пьезокерамического материала, такого как цирконат-титанат свинца согласно данному варианту реализации. Специалисту может быть понятно, что в качестве датчика может быть использован любой материал, создающий пьезоэлектрический эффект. Согласно данному варианту реализации пьезоэлектрический датчик 204 припаян к корпусу 202 клапана. Согласно другим вариантам реализации датчик 204 соединен с корпусом 202 клапана посредством связующего материала или адгезива. Согласно другим вариантам реализации датчик 204 встроен в корпус 202 клапана. Согласно данному варианту реализации доступ к датчику 204 обеспечен посредством соединителя 212.
Согласно данному варианту реализации пьезоэлектрический датчик 204 принимает сигнал с частотой возбуждения от блока 204 возбуждения (ЕМ). Согласно данному варианту реализации блоком 204 возбуждения управляет микроконтроллер 210. Согласно данному варианту реализации микроконтроллер 210 связан с блоком 204 возбуждения посредством последовательной шины 12С. Блок 204 возбуждения выполнен с возможностью генерирования электрических сигналов, частоты которых согласно данному варианту реализации находятся в диапазоне 30-400 кГц. Согласно данному варианту реализации микроконтроллер 210 сообщает блоку 204 возбуждения о необходимой частоте генерируемого возбуждения. Кроме того, согласно данному варианту реализации микроконтроллер 210 сообщает блоку 204 возбуждения о необходимом уровне напряжения электрических сигналов, которые должны генерироваться блоком 204 возбуждения. Согласно другому варианту реализации микроконтроллер 210 сообщает блоку 204 возбуждения о диапазоне частот возбуждения, которые должны генерироваться. Согласно данному варианту реализации блок 204 возбуждения последовательно генерирует электрические сигналы, имеющие частоты возбуждения, соответствующие диапазону частот возбуждения, назначенному микроконтроллером.
Согласно одному варианту реализации блок 204 возбуждения содержит цифроаналоговый преобразователь (DAC), электрический соединенный с управляемым напряжением генератором (VCO). Согласно данному варианту реализации цифроаналоговый преобразователь принимает цифровое представление частоты возбуждения от микроконтроллера 210. Цифроаналоговый преобразователь формирует аналоговое напряжение, которое соответствует частоте возбуждения электрического сигнала для генерирования. Управляемый напряжением генератор генерирует сигнал с частотой возбуждения, которая согласно данному варианту реализации соответствует аналоговому напряжению, сформированному цифро-аналоговым преобразователем. Согласно другим вариантам реализации блок 204 возбуждения выполнен с возможностью генерирования комплекса электрических сигналов, имеющих две или большее количество частот возбуждения.
При приеме электрического сигнала от блока 204 возбуждения пьезоэлектрический датчик 204 генерирует электрический ток, который соответствует импедансу измеренному в комбинированных пьезоэлектрическом датчике 204 и корпусе 202 клапана. Электрический ток, сгенерированный пьезоэлектрическим датчиком 204, изменяется в соответствии с изменением частоты возбуждения электрического сигнала, сгенерированного блоком 204 возбуждения.
Электрический ток, сгенерированный пьезоэлектрическим датчиком 204, принимается блоком 208 для измерения импеданса (IMU). Блок 208 для измерения импеданса соединен с микроконтроллером 210 посредством последовательной шины 12С. Микроконтроллер 210 передает команду блоку 208 для измерения импеданса измерить в качестве пробы электрический ток, сгенерированный пьезоэлектрическим датчиком 204. Блок 208 для измерения импеданса содержит электронную схему и оборудование для согласования сигнала. Такая электронная схема содержит помимо прочего преобразователи тока в напряжение, малошумящие усилители (МШУ), полосовые и заграждающие фильтры. Специалисту понятно, что измеренный импеданс содержит активную и реактивную составляющие. Согласно данному варианту реализации блок 208 для измерения импеданса генерирует цифровое представление активной компоненты электрического тока, которая соответствует импедансу комбинации пьезоэлектрического датчика 204 с корпусом 202 клапана. Цифровое представление импеданса комбинированных пьезоэлектрического датчика 204 и корпуса 202 клапана передается в микроконтроллер 210. Согласно одному варианту реализации блок 208 для измерения импеданса содержит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Согласно данному варианту реализации аналогово-цифровой преобразователь представляет собой аналогово-цифровой преобразователь последовательных приближений. Согласно другому варианту реализации может быть использован АЦП с двойным интегрированием.
Согласно одному варианту реализации микроконтроллер 210 сообщает блоку 206 возбуждения о необходимой частоте возбуждения электрического сигнала для его генерирования. Блок 206 возбуждения генерирует электрический сигнал с указанной частотой возбуждения и передает указанный электрический сигнал пьезоэлектрическому датчику 204. Микроконтроллер 210 передает команду блоку 208 для измерения импеданса взять пробу электрического тока, сгенерированного пьезоэлектрическим датчиком 204 в ответ на указанный электрический сигнал. Цифровое представление принимается микроконтроллером 210. Микроконтроллер 210 сообщает блоку 206 возбуждения о другой частоте возбуждения для генерирования электрического сигнала и передает блоку 208 для измерения импеданса команду взять пробу электрического тока, сгенерированного пьезоэлектрическим датчиком 204 в ответ на принятый электрический сигнал о генерировании другой частоты возбуждения. Согласно данному варианту реализации микроконтроллер последовательно сообщает блоку 206 возбуждения о частотах возбуждения, которые находятся в диапазоне 30-400 кГц с шагом 1 кГц, например 30 кГц, 31 кГц…, 399 кГц и 400 кГц. После сообщения блоку 206 возбуждения о каждой частоте возбуждения микроконтроллер 202 передает блоку 208 для измерения импеданса команду взять пробу электрического тока, сгенерированного пьезоэлектрическим датчиком 204 в ответ на прием электрического сигнала для генерирования на другой частоте возбуждения. Таким образом, микроконтроллер 210 создает запись импеданса для комбинированных пьезоэлектрического датчика 204 и корпуса 202 клапана, а также соответствующих частот возбуждения для электрических сигналов, сгенерированных блоком 206 возбуждения.
Как показано на фиг.1, согласно данному варианту реализации микроконтроллер 210 передает указанную запись, содержащую измеренные импедансы и соответствующие им частоты возбуждения, вычислительной системе 30. Согласно данному варианту реализации микроконтроллер 210 реализует протокол локальной сети контроллеров (CAN) для соединения с вычислительной системой 30. Согласно данному варианту реализации приложение 38 для конфигурирования и сбора данных, действующее в качестве части системы 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей, которая в свою является частью вычислительной системы 30, передает микроконтроллеру 210 команду о создании записи импеданса. Приложение 38 для конфигурирования и сбора данных извещает микроконтроллер 210 о начале подачи частоты возбуждения, окончании подачи частоты возбуждения и пошаговых изменениях частоты. Приложение 38 для конфигурирования и сбора данных принимает запись импеданса от микроконтроллера 210. Согласно данному варианту реализации приложение 38 сохраняет запись импеданса в базе 43 данных.
Модуль 42 анализа основных компонентов (РСА) извлекает сохраненную запись импеданса из базы 43 данных и применяет способы аппроксимации кривых по точкам к записи импеданса. Согласно одному варианту реализации модуль 42 анализа основных компонентов генерирует аппроксимацию с помощью полинома, имеющую n-ый порядок, данной записи импеданса. Модуль 42 анализа основных компонентов сохраняет коэффициенты сгенерированного полинома в базе 43 данных 43. Согласно одному варианту реализации указанные коэффициенты соответствуют, например, характеристике импеданса корпуса 202 клапана 202. Согласно другому варианту реализации запись импеданса, например, служит характеристикой импеданса корпуса 202 клапана.
Согласно одному варианту реализации приложение 38 для конфигурирования и сбора данных периодически передает команду микроконтроллеру 210 создать запись импеданса. Приложение 38 для конфигурирования и сбора данных принимает запись импеданса от микроконтроллера 210.
Согласно одному варианту реализации приложение 38 для конфигурирования и сбора данных принимает запись импеданса и извлекает предварительную сохраненную запись импеданса, например, для корпуса 202 клапана. Согласно данному варианту реализации приложение 38 для конфигурирования и сбора данных передает принятую запись импеданса и извлеченную запись импеданса в модуль 42 анализа основных компонентов. Модуль 42 анализа основных компонентов сравнивает записи импеданса для обнаружения изменения в характеристике импеданса. Согласно одному варианту реализации заводская запись импеданса сравнивается с новой записью импеданса. Согласно одному варианту реализации изменение сигнализирует об отклонении коэффициентов, вычисленных для аппроксимации с помощью полинома записи импеданса, от заданных порогов для указанных коэффициентов. Согласно некоторым вариантам реализации модуль 42 анализа основных компонентов вычисляет среднее значение из архивные записей импеданса, сохраненных в базе 43 данных, например, для корпуса 202 клапана. Среднее значение записей импеданса сравнивается с принятой записью импеданса для обнаружения отклонения от указанного среднего значения. Согласно другим вариантам реализации модуль 42 анализа основных компонентов вычисляет среднеквадратичное отклонение записи импеданса, принятой от приложения 38 для конфигурирования и сбора данных, от архивных записей импеданса, сохраненных в базе 43 данных.
Согласно данному варианту реализации пользователь определяет пороговое значение среднеквадратичного отклонения в приложении 40, которое встроено в систему 30, или, более конкретно, в систему 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей. Если принятая запись импеданса выходит за пределы заданного пользователем порога, согласно данному варианту реализации генерируется указание в форме визуальной подсказки и звукового сигнала. Согласно данному варианту реализации отклонение указывает на потерю материала корпуса клапана или разрыва в форме трещины.
Согласно одному варианту реализации пользователь посредством приложения 40 дает команду микроконтроллеру 210 создать запись импеданса. Согласно некоторым вариантам реализации система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей предоставляет пользователю указание, соответствующее, например, сроку службы корпуса 202 клапана. Согласно данному варианту реализации данное указание предоставляется посредством просмотрового и интерфейсного приложения 40.
Как показано на фиг.2, специалисту понятно, что согласно некоторым вариантам реализации система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей осуществлена в микроконтроллере 210. Согласно данному варианту реализации система 200 содержит автономную систему для отслеживания целостности корпуса 202 клапана.
Согласно некоторым вариантам реализации пьезоэлектрический датчик может использоваться в пассивном режиме. В этом режиме работы пьезоэлектрический датчик не активируется инициирующим сигналом. Согласно данному варианту реализации пьезоэлектрический датчик обнаруживает звуковые изменения, которые являются следствием конструктивных изменений, например, в клапане. Звуковые изменения могут быть вызваны акустической эмиссией материала клапана при распространении в нем трещин.
Согласно одному варианту реализации пьезоэлектрический датчик обнаруживает неисправность, например, корпуса клапана. Согласно данному варианту реализации микроконтроллер 210 передает блоку 208 для измерения импеданса команду измерить уровень звука, обнаруженного, например, датчиком 204. Согласно данному варианту реализации система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей генерирует характеристику на основании уровня звука, принятого от микроконтроллера 210. Согласно данному варианту реализации система 35 конфигурирует порог для звукового уровня в микроконтроллере 210. Микроконтроллер 210 генерирует указание в случае, если звуковой сигнал превышает указанный порог. Согласно данному варианту реализации изменение звукового сигнала соответствует конструктивным изменениям в клапане. Конструктивное изменение может включать, например, неисправность корпуса клапана или засорение клапана. Согласно данному варианту реализации система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей асинхронно принимает указание, когда микроконтроллер обнаруживает изменение уровня звука, которое превышает указанный порог. Система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей согласно данному варианту реализации может генерировать предупреждение об опасности или изменить работу технологической установки. Согласно любым вариантам реализации система 35 обнаружения и определения местоположения неисправностей использует подходящие алгоритмы для анализа частот и энергетических уровней акустической эмиссии.
На фиг.3 показан разрез корпуса 202 клапана согласно одному варианту реализации. Как показано на фиг.1, клапан 300 соответствует клапану 15 в описанном выше варианте реализации. Согласно данному варианту реализации пьезоэлектрический датчик 304 соединен с корпусом 310 клапана рядом с затворным элементом. Пьезоэлектрический датчик 304 соединен посредством подходящего связывающего материала. Пьезоэлектрический датчик 304 оснащен электрическим соединителем 306. Соединитель 306 соответствует соединителю 212 в описанном выше варианте реализации. Корпус 310 клапана имеет кавитационные полости 308, которые могут привести к потере материала корпуса клапана. Согласно данному варианту реализации запись импеданса, принятая приложением 38 для конфигурирования и сбора данных, отклоняется от архивных записей импеданса для корпуса 310 клапана, сделанных перед возникновением кавитационных полостей 308. Предупреждение об опасности, указывающее на потерю целостности корпуса клапана, представлено в графическом интерфейсе пользователя, который согласно данному варианту реализации встроен в систему 30.
Согласно другому варианту реализации приложение 38 для конфигурирования и сбора данных принимает записи импеданса от пьезоэлектрического датчика, связанного с опорой привода. Согласно данному варианту реализации отклонение принятой записи импеданса от архивной записи импеданса для опоры привода вызывает генерирование сигнала, указывающего на образование усталостных трещин в опоре привода. Как показано на фиг.3, согласно другому варианту реализации клапан 300 может быть использован для передачи твердого или полутвердого материала, например, шлама или кокса. Согласно данному варианту реализации отклонение записи импеданса от архивной записи импеданса может указывать на закупоривание клапана.
Согласно другому варианту реализации с корпусом 310 клапана может быть связано множество пьезоэлектрических датчиков 304. Согласно данному варианту реализации могут быть приняты записи импеданса, содержащие последовательность сигналов от указанного множества датчиков. Согласно данному варианту реализации приложение 38 для конфигурирования и сбора данных может сгенерировать объемное отображение целостности корпуса клапана.