ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
TEMPORARY JOINT TO DIAGNOSE PRODUCTION PROCESS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к управлению технологическим процессом и системам мониторинга. Более конкретно, настоящее изобретение относится к диагностике, используемой в таких системах.
Уровень техники
Управление технологическим процессом и системы мониторинга используются для мониторинга или управления многими видами технологических процессов. Например, системы мониторинга могут использоваться для мониторинга процесса перекачки рабочих жидкостей, таких как нефть, бензин и т.д., в то время как системы управления технологическим процессом используются для управления технологическими процессами. Например, технологический трансмиттер, такой как датчик давления, может быть сконфигурирован для восприятия технологического давления и передачи информации, относящейся к измеряемому давлению, к удаленному местоположению, например комнате управления через двухпроводной контур управления процессом. Двухпроводной контур управления процессом - это один пример стандарта в области связи, используемый в таких системах. В системе управления в ответ на изменение детектируемых технологических параметров (например, давления), контроллер может быть сконфигурирован для изменения функционирования процесса, как это требуется, управляя, например, положением клапана.
Если технологическое устройство (трансмиттер технологических параметров или контроллер технологического процесса) вышло из строя или по какой-то другой причине не работает, в соответствии со своими техническими характеристиками, управляемый процесс может быть прерван, также как и процесс управления оборудованием. Для определения или «диагностирования» состояния хода процесса использовались различные технологии. Такие технологии могут использоваться для обеспечения сигнала о том, что компонент вышел из строя. После чего процесс может быть остановлен для замены компонента обслуживающим персоналом. Кроме того, в некоторых конструкциях диагностическое оборудование пытается определить неисправный компонент до окончательного выхода его из строя, позволяя, таким образом, выполнять предупреждающий ремонт.
Некоторые технологии часто используют технологический шум для диагностирования процесса управления и систем мониторинга. Технологический шум - это высокое изменение частоты сигнала давления, вызванное оборудованием и обычным потоком жидкости. Одним примером технологического шума может быть высокая частота изменения давления, вызванная течением через измерительную диафрагму или насос турбины. Технологический шум может отслеживаться и использоваться для идентификации неисправностей или неисправного компонента в процессе контроля и мониторинга системы. Такие технологии описаны, например, в патенте США № 6 601 005, озаглавленном как «Устройство диагностики технологического процесса, использующее сигнал датчика технологических параметров», опубликованном 29 июля 2003 года и предназначенном компании Rosemount Inc.
Сущность изобретения
Технологическое соединение для соединения диагностического устройства с рабочей жидкостью технологического процесса включает в себя технологический интерфейс, сконфигурированный для физического соединения с рабочей жидкостью. Путепровод жидкости, распространяющийся от технологического интерфейса, соединяет элемент технологического интерфейса технологического устройства с рабочей жидкостью. Путепровод жидкости сконфигурирован для улучшения передачи технологического шума от рабочей жидкости к технологическому устройству.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - это примерная схема системы управления процессом, включая технологическое соединение в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - это графическая иллюстрация эффекта «водного молотка».
Фиг.3 - это блок-схема диагностического устройства, включающего технологическое соединение изобретения.
Фиг.4 - это схема, иллюстрирующая одну конфигурацию технологического соединения для усиления сигнала технологического шума.
Фиг.5 - это упрощенная схема, иллюстрирующая другую конфигурацию технологического соединения, настроенную на усиление сигналов шума.
Фиг.6 - это вид в перспективе полевого устройства, связанного с технологическим процессом, включающим в себя элемент шумового соединения в путепроводе жидкости, простирающемся между рабочей жидкостью и полевым устройством.
Фиг.7 - это поперечный разрез путепровода жидкости, показывающий регулируемый объем и главный проход.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает технологиями соединения технологических устройств с производственными рабочими жидкостями способом, который улучшает чувствительность устройств к технологическому шуму или ряду интересующих параметров для увеличения диагностических возможностей устройства. Это может включать усиление и/или подавление всего или части сигнала технологического шума.
На фиг. 1 изображено типичное оборудование для диагностического устройства 102 в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения в сборке 100. На фиг. 1 диагностическое устройство 102, например технологический трансмиттер 102, сконфигурированный как датчик давления, изображен в соединении с системой 104 управления. Технологические передатчики могут быть сконфигурированы для мониторинга одного или более технологических параметров, связанных с жидкостями технологической установки такими, как, например, гидросмеси, жидкости, пары и газы на химических, целлюлозных, нефтяных, газовых, фармацевтических, пищевых и других заводах по переработке жидкостей. Измеряемым технологическим параметром может быть давление, расход, уровень, температура или другие свойства текучей среды. Воспринимающий технологический шум датчик технологических параметров - это такое устройство, которое может воспринимать технологический шум, производимый рабочей жидкостью. Например, датчик давления, датчик в кориолисовом расходомере, электроды в магнитном расходомере, датчик в вихревом или ультразвуковом расходомерах или другие датчики. Технологические трансмиттеры включают один или более датчиков, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к трансмиттеру, в зависимости от монтажных требований технологической установки. Технологические трансмиттеры формируют один или более выходных сигналов датчика, которые отображают измененные технологические параметры, или также могут осуществлять мониторинг процесса, используя данные, полученные от удаленных датчиков. Выходные сигналы датчиков сформированы для их передачи на большие расстояния к контроллеру или индикатору через канал 106 связи. На типичных заводах по переработке жидкостей каналом 106 связи может быть 4-20 мА токовый контур, который питает трансмиттер, или соединение промышленной сети, HART протокольная связь или оптико-волоконная связь с контроллером, канал беспроводной связи, управляющая система или выходное устройство. Для обеспечения искробезопасности во взрывоопасных атмосферах в трансмиттерах, питаемых от двухпроводного контура, питание должно удерживаться низким. Другие типы каналов связи могут также быть использованы, например сеть, функционирующая с другими протоколами, такими как tcp/ip, включая проводные и беспроводные технологии.
На фиг. 1 устройство 108 управления насосом и устройство 110 управления клапаном проиллюстрированы как примеры управляющих устройств и источники вибрационного звука. Управляющие устройства запускаются управляющей системой 104, используя канал 106 связи для управления рабочей жидкостью. Системой 104 может быть обслуживающий компьютер, система планирования или мониторинга предприятия, или компьютеризированная обслуживающая измерительная система, или система управления технологическим процессом. Управляющие устройства обычно также являются источниками вибрационного шума. Впрочем, источником вибрационного шума является любой элемент в технологическом процессе, который производит вибрации, переносимые рабочей жидкостью. Сигналы вибрирующего шума - это любые вибрационные сигналы, производимые управляющим устройством или производимые рабочей жидкостью, движущейся через технологическую систему, например вибрации, обусловленные наличием кавитации, или другой шум, имеющий отношение к потоку или процессу. Устройство 110 управления клапаном включает в себя контроллер 112 клапана, который управляет подачей сжатого воздуха в привод 114 клапана, который, в свою очередь, активирует клапан 116. Устройство управления насосом включает в себя двигатель 118, который приводит в движение насос 120, заставляющий рабочую жидкость двигаться через всасывающий фланец трубопровода 122 и выходить через выпускной клапан 124. Все управляющие устройства и трансмиттеры соединены с технологическим трубопроводом 130, который переносит рабочую жидкость. Сигналы 132 вибрационного шума, производимые технологическим процессом, например работой управляющих устройств, проходят через рабочую жидкость и воспринимаются датчиком технологических параметров. Диагностическое устройство включает в себя датчик технологического шума, детектирующий технологический шум для использования его в диагностиках. Датчиком технологического шума может быть специализированный датчик или это может быть датчик технологических параметров, использующий технологии, например те, что описаны в патенте США № 6 601 005, озаглавленном «Устройство диагностики технологического процесса, использующее сигнал датчика технологических параметров», опубликованном 29 июля 2003 года и предназначенном компании Rosemoun Inc. и который включен здесь посредством ссылки полностью.
Фиг.1 иллюстрирует технологическое соединение 136 в соответствии с настоящим изобретением. Технологическое соединение 136 может быть любой формы и конструкции, а конкретная форма показана на фиг. 1 только для иллюстрации. Соединение 136 сформировано оптимизировать взаимодействие сигналов 132 технологического шума с датчиком, установленным в передатчике 102. Примеры улучшения такого шумового сигнала включают в себя увеличение амплитуды, изменение частотного профиля, фильтрование определенных частот и т.д.
Технологическое соединение 136 обеспечивает путепровод рабочей жидкости, сконфигурированный оптимизировать, например усилением, передачу технологического шума от рабочей жидкости к технологическому устройству. Технологическое соединение 136 может использовать любую подходящую технологию для усиления взаимодействия сигнала вибрации с датчиком технологических параметров. Для улучшения диагностических возможностей трансмиттера 102 предпочтительно, чтобы соединительные детали внутри соединения 136, которые несут рабочую жидкость к датчику технологических параметров, увеличивались.
Например, один путепровод, который может быть сконфигурирован для увеличения шума, может использовать технологию, обычно известную как «вколачивание давлением». В одном примере «вколачивания давлением» зажигание легковоспламеняющегося материала в замкнутой трубе или чего-то подобного создает фронт воспламенения. Это генерирует волну давления, которая начинает перемещаться в направлении горючего материала. Горящий материал распространяется быстро, вызывая реактивный эффект и продвигая горение к более высокой скорости и более высокому давлению. Фронт горения перемещается через взрыв к перевозбужденной детонации, достигая своего пика давления и скорости. Затем он стабилизируется и продолжает перемещаться через систему труб в виде устойчивой детонации. Таким образом, маленькая, относительно низкая энергия зажигания может быть преобразована в пределах очень короткого расстояния и времени в грандиозный взрыв. Другой пример «вколачивания давлением» известен как феномен водного «молотка». Например, в трубе, несущей струю жидкости, если клапан внезапно закрывается, столб жидкости резко тормозится до нулевой скорости. Это производит волну давления, проходящую сквозь жидкость в направлении обратном течению, и перемещающуюся со скоростью звука в жидкости. Затем волна давления отражается назад к клапану. На клапане волна давления опять отражается в обратном направлении. Отражения при правильных расчетах по времени могут увеличить сигнал. Этот процесс повторяется до тех пор, пока волна не рассеется. Этот тип «вдавливания давлением» именуется «гидравлическим ударом» или «водяным молотком». Это может быть многократно действующим давлением и может приводить к надоедливому шуму и избыточному напряжению системы трубопроводов. Фиг.2 - это графическое изображение зависимости давления воды от времени во время события типа гидравлического удара (водяной молоток). Когда клапан закрыт, график, показанный на фиг. 2, иллюстрирует возникновение большого избыточного давления.
Другой пример путепровода, который сконфигурирован на усиление шума, - это тот, который усиливает звук. Например, чаше- или рупорообразная конфигурация наподобие человеческого уха. Такая форма фокусирует звук с большой площади на относительно маленькую площадь, увеличивая, таким образом, амплитуду. Далее, путем правильного формирования путепровода различные частоты могут быть уменьшены или увеличены по желанию.
Другой пример конфигурации, увеличивающей передачу технологического шума, подобен действию барабанной перепонки уха человека. Барабанная перепонка состоит из большого количества компонентов, приспособленных для усиления звука. Когда молоточек уха приводится в движение барабанной перепонкой, он движется из стороны в сторону подобно рычагу. Противоположный конец молоточка соединяется с наковальней, которая присоединена к слуховой косточке. Слуховая косточка действует как поршень, создавая волны в жидкости внутреннего уха для предоставления уху колебаний давления звуковых волн. Усиление происходит из-за разницы размеров между барабанной перепонкой и стремечком. Далее, молоточек длиннее наковальни, образующей базовый рычаг между барабанной перепонкой и слуховой косточкой. Молоточек передвигается на большее расстояние, в то время как наковальня движется с большей силой. Кроме того, давление, приложенное к улиточной жидкости уха, приблизительно в двадцать два раза больше давления, получаемого самой ушной перепонкой. Любая из технологий усиления может быть внедренной в путепровод рабочей жидкости соединения 136, чтобы усилить или по-другому увеличить передачу технологического шума от рабочей жидкости к технологическому устройству для использования в диагностике. Аналогично этому, такую же технологию можно использовать для уменьшения нежелаемой шумовой информации.
На фиг. 3 изображена блок-схема, иллюстрирующая один вариант осуществления трансмиттера 102, сконфигурированного как диагностическое устройство в соответствии с изобретением. Примеры других диагностических устройств включают в себя: управляющую систему 104, магнитные расходомеры, вихревые расходомеры, кориолисовы расходомеры и технологические управляющие устройства, например устройство 110 управления клапаном. Трансмиттер 102 воспринимает технологические параметры рабочей жидкости в трубе 130 с датчиком 138 технологических параметров. Датчик 138 может быть датчиком технологических параметров или может быть специализированным датчиком, используемым только для диагностики. Трансмиттер 102 включает в себя технологическое соединение 136, которое соединяет датчик 138 технологических параметров с технологической жидкостью в трубе 130. Например, соединение 136 может быть выполнено любой формы для увеличения или изменения технологического шума или других технологических параметров, которые связаны с датчиком 138 технологических параметров. Несмотря на то что технологическое соединение 136 показано как соединение с датчиком технологических параметров, датчик 138 может также содержать специализированный диагностический датчик 138. Аналого-цифровой преобразователь 144 принимает выходной сигнал 146 датчика из датчика 138 технологических параметров, который относится к технологическим параметрам рабочей жидкости и сигналу 132 шума. Аналого-цифровой преобразователь 144 предоставляет цифровой сигнал датчика системе 148 микропроцессора.
Система 148 микропроцессора включает в себя сигнальный процессор 150, который соединен с выводом 146 датчика через аналого-цифровой преобразователь 144 и изолирует компоненты сигнала 132 шума, такие как частоты, амплитуды или сигнальные характеристики, которые относятся к функционированию процесса. Сигнальный процессор 150 предоставляет изолированный выходной сигнал 152 к блоку 154 оценки сигнала. Сигнальный процессор фильтрованием изолирует часть сигнала технологических параметров, выполняя преобразование элементарных волн, преобразование Фурье, используя нейронную сеть, статистические анализы или другие технологии оценки сигналов. Изолированный выходной сигнал относится к сигналам 132 вибрационного шума в технологической жидкости, детектируемым датчиком 138. Блок 154 оценки сигналов включает в себя память 155 и обеспечивает выходными сигналами 156 параметров, которые относятся к состоянию технологического процесса, включая само технологическое устройство, например заглушенный трубопровод. Блок 154 оценки сигналов оценивает изолированный выходной сигнал 152, основываясь на правилах, нечеткой логике, нейронной сети, экспертной системе, анализе элементарных волн или других технологиях оценки сигналов. Изобретение не ограничено технологиями, перечисленными здесь. Условия обработки включают состояние, диагностику, жизнеспособность или время до информации об отказах, относящееся к клапанам, насосам, герметичности насосов, сливным системам, активаторам, соленоидам, компрессорам, турбинам, смесителям, увлажнителям, сетям трубопроводов, арматуре, резервуарам, датчикам, трансмиттерам или другим компонентам системы управления технологическим процессом. Обработанные выходные сигналы подаются на схему 158 ввода/вывода, которая обычно взаимодействует с двухпроводным контуром 106 управления процессом. В некоторых конструкциях схемы 158 ввода/вывода также обычно обеспечивают питанием для функционирования технологического устройства, используя питание, полностью генерируемое контуром 106 управления процессом. Схемы 158 ввода/вывода используются также для передачи и получения прочих данных 160 через контур 106 управления процессом. Например, если устройство сконфигурировано как трансмиттер, информация о технологических параметрах может быть передана через контур 106.
Датчик 138 также может быть датчиком любого вида, который способен детектировать вибрацию в рабочей жидкости. Датчик 138 должен иметь пропускную способность и частотную характеристику или достаточное разрешение для обнаружения требуемых сигналов вибрационного шума. Обычно она находится между 0 и 200 Гц, когда внедренный в дифференциальный датчик давления трансмиттер потока основан на дифференциальном давлении. Датчик давления технологических параметров, имеющий достаточную пропускную способность, иллюстрируется в патенте США №5637802, опубликованном 10 июня 1997 года. Другие компоненты в устройстве, например аналого-цифровой преобразователь, усилители и другие элементы во входном канале, должны также иметь достаточную пропускную способность. Другие типы датчиков технологических параметров включают ультразвуковой или радиочастотный приемник в измерителе уровня или ультразвуковой приемник в ультразвуковом датчике уровня. Например, трансмиттер 102 может заключать в себе ультразвуковой расходомер или измеритель уровня, а датчик 138 - это ультразвуковой датчик. Кроме того, устройства управления, например устройства управления клапаном, могут включать датчики технологических параметров.
Конкретная реализация технологического соединения 136 может быть определена использованием технологий моделирования или использованием эмпирических анализов. Например, оптимальные диаметры труб, колен, форм и т.д. могут быть использованы для ослабления диагностического шума. Для «захвата» шума может быть использована технология, такая как, например, использующая форму в виде мегафона, в котором шум направляется к датчику по конусу. Для усиления шума может использоваться большая вторичная диафрагма. Усиление происходит благодаря разнице размеров между усиливающей диафрагмой и второй диафрагмой, например изоляционная диафрагма используется для изоляции датчика. Избирательные частоты шума могут проходить через соединение, используя разводку типа закрытого резонатора подобно трубе органа. В такой форме камера выполнена такого размера, чтобы резонировать на нужной частоте, фактически усиливая сигнал. В действующей системе соединение может быть активно настроено на оптимальную производительность.
Датчик технологических параметров, детектирующий вибрацию, - это тот, который может детектировать вибрации, переносимые рабочей жидкостью, например датчик давления, датчик в кориолисовом расходомере, электроды в магнитном расходомере, датчик в вихревом или ультразвуковом расходомере или другие.
Фиг.4 - это упрощенная схема одной формы технологического соединения 136, имеющего путепровод жидкости, в котором большая диафрагма 200 принимает технологическую вибрацию 132. Изолирующая жидкость 202 проносит технологические вибрации к меньшей диафрагме 204. В заключение, вибрации передаются датчику 138 через дополнительную изолирующую жидкость 206. Такая форма усиливает сигнал вибрации благодаря разнице размеров диафрагм 200 и 204.
Фиг.5 иллюстрирует конфигурацию, имеющую путепровод жидкости, в котором технологическое соединение 136 имеет рупорообразную форму, так что сигнал 136 вибрации принимается через большую площадь и направляется перед попаданием на датчик 138 через форму, подобную воронке, к относительно маленькой зоне. Это также обеспечивает усиление вибрации технологической жидкости. Другой пример конфигурации использует различные проходы, изгибы и изменения формы для усиления и/или ослабления определенных частот. Все технологические соединения включают в себя технологический интерфейс, который физически соединяется с рабочей жидкостью прямо или косвенно, и траекторию, которая выходит из технологического сопряжения к датчику сигнала технологического шума. Путепровод жидкости сконфигурирован для оптимизации передачи сигнала технологического шума от рабочей жидкости к датчику.
Фиг.6 - это вид в перспективе примерного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором технологическое устройство 250 соединяется с технологическим трубопроводом 252. Технологическое устройство 250 - это трансмиттер технологических параметров, приспособленный для измерения расхода рабочей жидкости, вызванного дифференциалом давления, генерируемого через основной элемент 254, содержащий измерительную диафрагму. Технологическое соединение 256 простирается между технологическим интерфейсом 258 и технологическим устройством 250. Технологический интерфейс 258 содержит два штуцера для измерения давления, приспособленных для измерения дифференциала давления. Технологическое соединение 256 включает в себя путепровод жидкости (270 по фиг. 7), который простирается между технологическим интерфейсом 258 и полевым устройством 250. Фланец 260 технологического соединения 256 приспособлен для установки на фланец 262 полевого устройства 250. Во время работы дифференциал давления генерируется через измерительную диафрагму 254, когда рабочая жидкость движется через технологический трубопровод 252. Этот дифференциал давления измеряется посредством датчика технологических параметров в полевом устройстве 250 и показывает расход жидкости.
Фиг.6 также иллюстрирует шумовое соединение 264, которое является частью соединения 256 и проиллюстрировано на фиг. 7 более подробно. Шумовое соединение 264 улучшает соединение сигнала технологического шума с датчиком технологических параметров в технологическом устройстве 250.
Фиг.7 - это поперечный разрез соединения 256, который иллюстрирует путепровод 270 жидкости и шумовое соединение 264. Путепровод 270 жидкости включает в себя главный канал 268, который простирается между технологическим интерфейсом 258 и полевым устройством. Шумовое соединение 264 изменяет форму путепровода 270 жидкости и обеспечивает дополнительный внутренний объем 272. Объем 272 соединяется с рабочей жидкостью через канал 274 так, что объем 272 и канал 274 - вся часть формы путепровода жидкости 270.
Шумовое соединение 264 реализовано как резонатор Гельмгольца, имеющий регулируемый объем 272. Объем 272 может быть отрегулирован поворотом винтовой заглушки 276. Кроме того, винт 278 приспособлен выборочно блокировать канал 274, таким образом позволяя регулировать ограничение соединения между объемом 272 и процессом. Главный канал 268, регулируемый объем 272 и путепровод 274 - это вся часть формы путепровода жидкости 270, которая простирается между технологическим интерфейсом 258 и полевым устройством 250. Используя эту конфигурацию, способ, которым путепровод жидкости изменяет передачу сигнала технологического шума от рабочей жидкости к технологическому датчику, может быть отрегулирован по желанию для конкретных установок регулировкой позиции заглушки 276 и винта 278.
В типичных конфигурациях уровня техники для предотвращения и ослабления сигнала технологического шума используется технологическое оснащение. В отличие от этого, настоящее изобретение изменяет передачу технологического шума способом, который увеличивает диагностические возможности устройства. В общем, настоящее изобретение улучшает передачу технологического шума по желанию изменением усиления, ослабления, фильтрации или других характеристик сигнала технологического шума. Любая подходящая технология может быть применена для выполнения этого изменения сигнала шума, например те, что обсуждаются здесь, включая аккумуляторы, резонаторы, глушители, амортизаторы и т.д. В некоторых формах характеристики прохода жидкости регулируются так, что передача сигнала технологического шума может быть изменена по желанию для конкретной установки. Путем модифицирования размера и/или формы технологического соединения во время запуска устройства можно далее оптимизировать соединение для конкретной установки. Примеры включают возможность максимизировать или иным способом увеличить усиление, фокусировать или выделить специальную частоту или набор частот и т.д. Такие регулировки могут быть выполнены, если предусмотреть модификацию геометрии соединения оператором на месте. Другой пример соединения - это использование гибкой системы трубопроводов. Такая система трубопроводов будет двигаться как труба Бурдена, поглощая, таким образом, некоторую часть энергии сигнала технологического шума. Для увеличения передачи шума можно использовать немного более жесткий трубопровод. Например, канал 268, проиллюстрированный на фиг. 7, имеет отверстие, просверленное в твердой отливке. Такая форма передает дополнительный шум через соединение, по сравнению с использованием отдельной трубы.
Несмотря на то что настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочитаемые варианты осуществления, специалисты в данной области техники признают, что изменения могут быть сделаны в форме и деталях без изменения цели и сущности изобретения.