專利名稱：過程控制和監(jiān)測系統(tǒng)中的診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)過程的過程控制和監(jiān)測系統(tǒng)的診斷方法。更 具體地，本發(fā)明涉及在工業(yè)過程中識別部件的磨損或退化的診斷方法。
背景技術(shù)：
過程控制裝置用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中以監(jiān)測和/或控制過程?？刂蒲b 置是用于控制所述過程的現(xiàn)場裝置，并且包括泵、閥門、致動器、螺線管、 馬達(dá)、混合器、攪動器、斷路器、壓碎機(jī)、壓輥、磨碎機(jī)、球磨機(jī)、混捏 機(jī)、攪拌機(jī)、過濾器、旋流器、離心分離機(jī)、塔架、干燥器、輸送機(jī)、 分離器、升降機(jī)、起重機(jī)、加熱器、冷卻器和其他。過程變量變送器是現(xiàn)
場裝置，其用于測量例如溫度、流量、壓力、渾濁度、pH值等過程變量。 在執(zhí)行工業(yè)過程期間，用在所述工業(yè)過程中或用于控制或監(jiān)測所述工 業(yè)過程的多種部件通過連續(xù)的使用傾向于退化。多種診斷技術(shù)已經(jīng)用來在 部件最終失效前識別部件，使得不中斷所述過程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)就能夠替換所 述部件。
一種用來在失效前替換部件的技術(shù)是識別所述部件的正常壽命。然后 所述部件在其預(yù)期的壽命期滿前能夠被更換掉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于診斷工業(yè)過程的狀態(tài)的方法和設(shè)備，且所述方法 和設(shè)備包括獲得測出的過程變量。確定與所測出的過程變量的值相關(guān)的過 程變量信息。根據(jù)所述確定的過程變量信息和與所述測出的過程變量具有 一個(gè)值所持續(xù)的時(shí)間相關(guān)的時(shí)間信息重新計(jì)算直方圖信息。根據(jù)所計(jì)算的直方圖信息診斷所述工業(yè)過程的狀態(tài)。


圖1是顯示可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)的簡化圖2是顯示圖1中過程現(xiàn)場裝置的簡化的方框圖； 圖3是過程變量值隨時(shí)間變化的圖4是時(shí)間(總的持續(xù)時(shí)間)隨過程變量值變化的圖，其中多個(gè)范圍
以直方圖示出；
圖5是磨損比例因子隨過程變量值變化的圖； 圖6是另一個(gè)磨損比例因子隨流速(英尺/秒)變化的圖； 圖7是順著整個(gè)有效磨損、有效磨損隨過程變量值(對應(yīng)各個(gè)過程變
量范圍)變化的直方圖的；
圖8是根據(jù)本發(fā)明顯示步驟的簡化的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供用于根據(jù)部件的總壽命識別工業(yè)過程部件中的磨損或其 它退化的診斷方法。更具體地，根據(jù)部件暴露在不同過程條件中所持續(xù)的 時(shí)間，增加或減少所預(yù)期的部件壽命。根據(jù)本發(fā)明，監(jiān)測所述暴露的持續(xù) 時(shí)間，所述持續(xù)時(shí)間與量化所述暴露的變量一起用于確定所述部件的預(yù)期 壽命的增加或減少。在一個(gè)例子中，用比例因子加權(quán)所述暴露的持續(xù)時(shí)間。 一般情況下，制作連續(xù)的或離散的直方圖，在所述直方圖中測出的過程變 量的值與過程變量在那個(gè)值或值的范圍內(nèi)所持續(xù)的時(shí)間相關(guān)。作為特定例 子，如果過程流體緩慢地流過管道，所述管道的特定部分會以低的速度磨 損，但隨著過程流體的流速增加，磨損速度會增大。此外，在更高流速時(shí)， 所述磨損速度實(shí)際上會開始下降，因?yàn)榱鲃幼兂闪藢恿鳌Ｒ虼?，以低流?或高流速長期運(yùn)行可能不縮短所述過程管道的壽命，但長期以中等流速使 用會顯著縮短壽命。
圖1是示出包括連接到過程管道14的過程裝置12的過程控制或監(jiān)測 系統(tǒng)10的簡化圖。所述過程裝置12可以是任何類型的過程裝置12，例如 過程變量變送器、控制器或獨(dú)立的裝置。所述裝置12通過兩金屬線過程
5控制回路18連接到遠(yuǎn)程位置，例如過程控制室16。例如，回路18可以包
括4-20mA電流回路，所述4-20mA電流回路也可以用于連接到所述回路 18上的功率器件。根據(jù)任何適當(dāng)?shù)膮f(xié)議可以在回路18上傳送數(shù)據(jù)，例如， 在4到20mA之間變化的模擬電流水平，根據(jù)4-20mA電流調(diào)制數(shù)字信息 的哈特(HART )通信協(xié)議、現(xiàn)場總線或Profibus通信協(xié)議等，包括無線 通信技術(shù)。
圖2是簡化的圖示為過程變送器的過程裝置12的方框圖。裝置12包 括構(gòu)造成測量所述工業(yè)過程的過程變量的過程變量傳感器20。例如，過程 變量包括流量、壓力、溫度和pH值等。測量電路22連接到所述過程變量 傳感器并且用于提供對所感測的過程變量的初始特征化。例如，所述測量 電路包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和濾波器等。隨后，所感測的過程變量提供 給依照存儲在例如存儲器26中的指令運(yùn)行的微處理器24或其他數(shù)字控制 器。存儲器26也可以用于存儲數(shù)據(jù)或其他信息。微處理器24以通過時(shí)鐘 28確定的速率運(yùn)行。輸入/輸出電路30用于將微處理器24連接至過程控 制回路18。通過微處理器應(yīng)用I/O30在回路18上發(fā)送信息。類似的，在 一些結(jié)構(gòu)中，I/O電路30可以用來給微處理器24提供信息或命令。在一 些結(jié)構(gòu)中，I/O電路30也提供用于所述過程裝置12的電源電路的電源輸 出。
圖3是過程變量隨時(shí)間變化的圖。在所述工業(yè)過程的運(yùn)行期間，所感 測的過程變量根據(jù)所述過程的狀態(tài)變化。在一些結(jié)構(gòu)中，可以例如通過調(diào) 整閥門、控制加熱元件等控制所感測的過程變量。
圖4是離散的直方圖的示例圖形，其中時(shí)間(總的持續(xù)時(shí)間)隨所感 測的過程變量變化，所感測的過程變量已分成六個(gè)不同的數(shù)值范圍。在這 樣的結(jié)構(gòu)中，圖4的圖形中每個(gè)條柱對應(yīng)所感測的過程變量(見圖3)落 在特定值范圍內(nèi)的總時(shí)間。在圖4中，所述數(shù)值范圍顯示出基本上相等的 寬度，然而，本發(fā)明并不限于這種結(jié)構(gòu)。此外，可以產(chǎn)生不需要這種范圍 的連續(xù)的或基本上連續(xù)的直方圖。連續(xù)的直方圖就是所述范圍的寬度為零 的情況。為了得到直方圖，如圖2所示的所述微控制器24監(jiān)測所感測的 過程變量。盡管所感測的變量落在任何所述范圍內(nèi)，然而，所述微處理器 記錄總的時(shí)間(例如，用時(shí)鐘28)并且針對特定范圍把該值與任何先前的值相加。
通常，直方圖把數(shù)據(jù)分組到"箱"或"級別"。直方圖也稱作數(shù)據(jù)的 頻率分布。如果頻率分布增加到極限情況(并且"箱"或"級別"的寬度 減小到零)使得所述分布是連續(xù)的，這樣的圖形也稱為"頻率曲線"。
圖4中示出的頻率分布數(shù)據(jù)可以存儲在圖2所示的過程裝置12的存
儲器26中，或在遠(yuǎn)程位置處進(jìn)行計(jì)算和/或存儲。例如，任何連接到回路 18的過程裝置12可以計(jì)算和/或存儲所述頻率分布數(shù)據(jù)。類似的，控制室 16包括用于計(jì)算或存儲所述數(shù)據(jù)的受控制的存儲器19。
如上面所討論的，在工業(yè)過程中的各種部件會由于持續(xù)暴露到所述過 程的要素環(huán)節(jié)中而磨損。例如， 一些部件在暴露到過程流體中會腐蝕。當(dāng) 過程管道、襯套、聯(lián)接器和傳感器等放置到泥漿流中將會以與流速相關(guān)的 方式磨損。在一些情形下，由研磨劑的磨損導(dǎo)致的腐蝕速率隨流速指數(shù)地 增加。在其他情況下，當(dāng)流速增加并且顆粒分布變得同質(zhì)時(shí)腐蝕磨損的速 率開始下降。
通過本發(fā)明，提供一種相對于時(shí)間測量過程變量的預(yù)測性的診斷技 術(shù)。例如，根據(jù)流速直方圖能預(yù)測部件磨損。在本發(fā)明的一方面，過程裝 置存儲隨時(shí)間流逝獲得的直方圖數(shù)據(jù)。在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，流量變送器存儲隨 時(shí)間流逝獲得的流速直方圖。所述直方圖提供指示流體在每個(gè)流速級別花 費(fèi)的時(shí)間量的信息。這也讓操作者調(diào)整所述控制回路以優(yōu)化所述過程。這 在與主控制器沒有數(shù)字通信的控制方案中變得尤其有用，例如一些 4-20mA控制回路。在所述過程裝置中存儲測量數(shù)據(jù)并且在所述裝置中生 成直方圖能降低執(zhí)行成本、同時(shí)增加精確性。然而，本發(fā)明并不限于這種 結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還包括使用應(yīng)用于速度范圍的比例因子。所述比例因子在各個(gè) 范圍之間可以是離散的，或是連續(xù)函數(shù)。所述比例因子用于調(diào)整部件的對 應(yīng)特定過程變量值的磨損速率。所述比例因子乘以每個(gè)過程變量值對應(yīng)的 時(shí)間量(持續(xù)時(shí)間)，并且所得結(jié)果用于計(jì)算總的有效磨損時(shí)間。
圖5是連續(xù)磨損比例因子隨過程變量值變化的曲線。在這個(gè)特定結(jié)構(gòu) 中，所述磨損比例因子在過程變量值較小時(shí)具有相對大的值。所述磨損比 例因子減小到最小，然后又隨著所述過程變量值升高而增大。類似的，圖
76是具有大顆粒尺寸的泥漿應(yīng)用中磨損比例因子關(guān)于流速(英尺/秒)的變 化曲線。隨所述速度升高到4英尺/秒，所述磨損增加，然后隨著顆粒分布
變得更加同質(zhì)而開始下降。這說明，部件磨損速率在4英尺/秒時(shí)是在8 英尺/秒時(shí)的兩倍。換句話說，當(dāng)流速為4英尺/秒時(shí)比流速為8英尺/秒的 總的有效磨損時(shí)間增加兩倍。例如，如果在給定的裝置中，流體管襯里在 流速為4英尺/秒的條件下六個(gè)月后需要更換，如果流速為8英尺/秒，相 同的流體管襯里將會持續(xù)用一年。
圖7是應(yīng)用圖4中示出的所述過程變量值直方圖和圖6中示出的所述 磨損比例因子的有效磨損隨過程變量值變化的圖形。在圖7的例子中，應(yīng) 該在所述磨損達(dá)到100%前更換所述部件?？偟挠行p由所有范圍內(nèi)的 有效磨損總和確定。在圖7的例子，總的有效磨損是75%?？梢栽O(shè)置觸發(fā) 器，使得當(dāng)有效磨損達(dá)到所期望的極限水平時(shí)，發(fā)出指示所述部件需要更 換的警報(bào)。這允許在部件最終失效前更換所述部件。例如，可以在過程停 歇期間更換部件，而不是在不便的時(shí)候?qū)嵤┚o急維修而停止過程處理。
可以設(shè)定根據(jù)各種部件的有效磨損進(jìn)行觸發(fā)的多個(gè)觸發(fā)水平。另外， 各種部件可以具有不同的磨損比例因子。例如，流體管的有效磨損速率可 以與工業(yè)過程中的泵、過濾器和其他部件的有效磨損速率不同。各個(gè)觸發(fā) 水平、累積磨損時(shí)間和流量直方圖信息優(yōu)選地存儲在非易失性的存儲器， 例如圖2所示的存儲器26。因此，如果電源被斷開，所述有效磨損信息可 以恢復(fù)。
在圖7的例子中，所述有效磨損作為部件的總壽命的百分比示出。但 是，本發(fā)明并不限于這樣的結(jié)構(gòu)。為了參考和監(jiān)測的目的可以顯示所述總 的有效磨損，并使操作者能預(yù)測壽命的終點(diǎn)和在所述部件失效前更換它。
在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明可以根據(jù)現(xiàn)場總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)為功能塊。所述功 能塊可以連接到任何裝置或測量變量。例如，操作者可以具有過濾器的依 賴于流體pH值的維護(hù)計(jì)劃的圖形。pH值過程變量變送器的輸出可以作為 功能塊的輸入，并用來計(jì)算所述過濾器的有效磨損時(shí)間。當(dāng)達(dá)到所述磨損 觸發(fā)水平，就發(fā)出警報(bào)。通過在現(xiàn)場裝置內(nèi)執(zhí)行測量和計(jì)算，減輕了主系 統(tǒng)的額外的計(jì)算需要。所述主系統(tǒng)只需要監(jiān)測任何警報(bào)或提醒，所述警報(bào) 或提醒是通過測量裝置指示已經(jīng)超過有效磨損極限而產(chǎn)生的。圖8是根據(jù)本發(fā)明示出步驟的實(shí)例流程圖50。流程圖50在開始方框 52開始，并且在方框54處收集隨時(shí)間變化的過程變量數(shù)據(jù)。在方框56， 根據(jù)所收集的過程變量信息和時(shí)間之間的關(guān)系得出診斷信息。然后，將控 制傳送回方框54以繼續(xù)運(yùn)行。
除了用在診斷部件的所述有效磨損，以上討論的所述直方圖確定方法 可以用于其他應(yīng)用。例如，磁流量表經(jīng)常會在諸如泥槳流等噪音環(huán)境下運(yùn) 行。這會導(dǎo)致不穩(wěn)定的流量。典型的已有技術(shù)的方法是應(yīng)用額外的過濾去 除噪音。然而，這會減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。流量直方圖的應(yīng)用可以用來測 量和顯示所述系統(tǒng)的變化性。例如，操作者可以重新設(shè)置直方圖并且運(yùn)行 具有一秒響應(yīng)時(shí)間的過濾器值的所述過程。對于具有兩秒等的過濾器值進(jìn) 行相同的測試。比較從多個(gè)測試得到的結(jié)果，并且根據(jù)流量直方圖數(shù)據(jù)的 展開得出結(jié)論。所述直方圖提供噪音的指示，這比嘗試通過監(jiān)測在本地顯 示器上的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)或從模擬回路上的電壓表上讀取這樣的數(shù)據(jù)來評 估噪聲更準(zhǔn)確。此外，其它技術(shù)需要額外的導(dǎo)致隱藏的噪音的過濾或平均， 并且影響過程控制回路的運(yùn)行。流量直方圖數(shù)據(jù)可以在本地顯示器上顯 示，因而不需要數(shù)字通信。
流量直方圖信息也可以用于監(jiān)測不能有效被控制的遠(yuǎn)程應(yīng)用。 一個(gè)例 子是廢水管線。操作者可以定期察看遠(yuǎn)程位置并檢查顯示通過所述廢水管 線的流量的所述直方圖。然后，所述操作者就能確定流過所述系統(tǒng)的最大 值，以確定所述系統(tǒng)是否在接近其最大容量的水平運(yùn)行。所述直方圖也可 以告知操作者所述流量是否太低以及所述管線應(yīng)該沖洗以防止在所述管 線中集結(jié)和堵塞。
在其他例子中，直方圖信息可以用來確定流體管線沒有使用的頻率。 這個(gè)信息可以通過確定從總的時(shí)間分出來的流量為零的時(shí)間量來獲得。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)所述總的有效磨損時(shí)間計(jì)算，可以考慮其它起作用的 因素。例如，圖7中示出的所述有效磨損數(shù)據(jù)可以是多個(gè)變量的函數(shù)，所 述多個(gè)變量諸如是過程溫度、壓力、過程流體的化學(xué)成分等?？梢岳鐟?yīng) 用為特定的變量和特定的部件制定的磨損比例因子，計(jì)算所述有效磨損和 這些其它過程變量之間的特定的關(guān)系。為了獲得這些輔助變量，這些過程 變量可以例如通過其他基于哈特(HART )通信技術(shù)的裝置或通過監(jiān)測信息，在本地重新找回或通過所述過程控制回路重新找回?，F(xiàn)場總線和無線 通信技術(shù)也可以用于獲得這些變量。所述磨損監(jiān)測可以用于包括壓力和溫 度測量裝置等任何過程裝置，并不限于流量測量裝置。通過過程變量傳感
器感測的或從這樣的傳感器的輸出計(jì)算的示例性的過程變量包括壓力、pH
值、溫度、渾濁度、密度(通過密度可以推斷顆粒尺寸)、水平、特別成 分的濃度等。本發(fā)明可以在例如圖1中示出的控制室16的主系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。 然而，過程變量的測量需要定期地傳達(dá)到所述主系統(tǒng)。
雖然結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會認(rèn)識 到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的同時(shí)可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的改變。部 件的所述總的有效磨損是整個(gè)直方圖范圍的全部有效磨損的總和或連續(xù) 直方圖(也就是頻率分布)的總。典型地，當(dāng)部件被更換，所述直方圖信 息被重置并且所述過程重新開始。正如這里用到的，所述工業(yè)過程的狀況 包括工業(yè)過程中的任何部件的狀況，包括對于進(jìn)行診斷的過程裝置來說在 本地的部件以及位于遠(yuǎn)程的部件。
權(quán)利要求
1. 一種診斷工業(yè)過程的狀況的方法，其包括獲得測出的過程變量；確定與所述測出的過程變量的值相關(guān)的過程變量信息；根據(jù)所述確定的過程變量信息和與所測出的過程變量具有所述值所持續(xù)的時(shí)間相關(guān)的時(shí)間信息計(jì)算直方圖信息；和根據(jù)所述計(jì)算的直方圖信息診斷工業(yè)過程的狀況。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中還根據(jù)與所述測出的過程變量具有 所述值所持續(xù)的時(shí)間相關(guān)的信息計(jì)算直方圖信息。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中還根據(jù)磨損比例因子診斷工業(yè)過程 的狀況。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述磨損比例因子是所述過程變量 值的函數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，包括根據(jù)所述計(jì)算的直方圖信息提供警報(bào)。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計(jì)算的直方圖信息包括離散范圍。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述計(jì)算的直方圖信息是連續(xù)的。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述測出的過程變量包括流速并且 所述診斷狀況是指示磨損。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，包括顯示所述計(jì)算的直方圖信息。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，包括當(dāng)部件被更換時(shí)重新設(shè)置直方圖"(曰息。
11. 一種構(gòu)造用于實(shí)施權(quán)利要求l所述方法的現(xiàn)場裝置。
12. —種用于工業(yè)過程控制或監(jiān)測系統(tǒng)的過程裝置，其包括 過程變量輸入，構(gòu)造用于獲得過程變量；數(shù)字控制器，構(gòu)造用于根據(jù)所述過程變量計(jì)算直方圖信息；和 根據(jù)所述計(jì)算的直方圖信息診斷所述工業(yè)過程的狀況。
13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述直方圖信息還基于與所述測出的過程變量具有值所持續(xù)的時(shí)間相關(guān)的信息。
14. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述工業(yè)過程的所診斷的狀況還 基于磨損比例因子。
15. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述磨損比例因子是所述過程變量值的函數(shù)。
16. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述數(shù)字控制器根據(jù)所述計(jì)算的 直方圖信息提供警報(bào)。
17. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述計(jì)算的直方圖信息包括離散 范圍。
18. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述計(jì)算的直方圖信息是連續(xù)的。
19. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述測出的過程變量包括流速并 且所述診斷狀況指示磨損。
20. 如權(quán)利要求12所述的裝置，包括顯示所述計(jì)算的直方圖信息的顯示器。
21. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中當(dāng)部件被更換時(shí)重新設(shè)置直方圖{曰息。
22. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述測出的過程變量選自包括壓 力、溫度、pH值、密度、水平、渾濁度和成分濃度的過程變量組。
全文摘要
根據(jù)與測出的過程變量的值相關(guān)的過程變量信息診斷工業(yè)過程的狀況。根據(jù)所述確定的過程變量信息和與所述測出的過程變量具有所述值所持續(xù)的時(shí)間相關(guān)的時(shí)間信息計(jì)算直方圖信息。根據(jù)所計(jì)算的直方圖診斷所述工業(yè)過程的狀況。
文檔編號G05B19/042GK101449219SQ200780017797
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者斯考特·R·弗斯, 泰瑞·A·柯瑞通 申請人:羅斯蒙德公司