专利名称：过程控制和监测系统中的诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种用于工业过程的过程控制和监测系统的诊断方法。更 具体地，本发明涉及在工业过程中识别部件的磨损或退化的诊断方法。
背景技术：
过程控制装置用在工业过程控制系统中以监测和/或控制过程。控制装 置是用于控制所述过程的现场装置，并且包括泵、阀门、致动器、螺线管、 马达、混合器、搅动器、断路器、压碎机、压辊、磨碎机、球磨机、混捏 机、搅拌机、过滤器、旋流器、离心分离机、塔架、干燥器、输送机、 分离器、升降机、起重机、加热器、冷却器和其他。过程变量变送器是现
场装置，其用于测量例如温度、流量、压力、浑浊度、pH值等过程变量。 在执行工业过程期间，用在所述工业过程中或用于控制或监测所述工 业过程的多种部件通过连续的使用倾向于退化。多种诊断技术已经用来在 部件最终失效前识别部件，使得不中断所述过程的正常运转就能够替换所 述部件。
一种用来在失效前替换部件的技术是识别所述部件的正常寿命。然后 所述部件在其预期的寿命期满前能够被更换掉。
发明内容
本发明提供一种用于诊断工业过程的状态的方法和设备，且所述方法 和设备包括获得测出的过程变量。确定与所测出的过程变量的值相关的过 程变量信息。根据所述确定的过程变量信息和与所述测出的过程变量具有 一个值所持续的时间相关的时间信息重新计算直方图信息。根据所计算的直方图信息诊断所述工业过程的状态。
图1是显示可以实现本发明的过程控制系统的简化图2是显示图1中过程现场装置的简化的方框图； 图3是过程变量值随时间变化的图4是时间(总的持续时间)随过程变量值变化的图，其中多个范围
以直方图示出；
图5是磨损比例因子随过程变量值变化的图； 图6是另一个磨损比例因子随流速(英尺/秒)变化的图； 图7是顺着整个有效磨损、有效磨损随过程变量值(对应各个过程变
量范围)变化的直方图的；
图8是根据本发明显示步骤的简化的流程图。
具体实施例方式
本发明提供用于根据部件的总寿命识别工业过程部件中的磨损或其 它退化的诊断方法。更具体地，根据部件暴露在不同过程条件中所持续的 时间，增加或减少所预期的部件寿命。根据本发明，监测所述暴露的持续 时间，所述持续时间与量化所述暴露的变量一起用于确定所述部件的预期 寿命的增加或减少。在一个例子中，用比例因子加权所述暴露的持续时间。 一般情况下，制作连续的或离散的直方图，在所述直方图中测出的过程变 量的值与过程变量在那个值或值的范围内所持续的时间相关。作为特定例 子，如果过程流体缓慢地流过管道，所述管道的特定部分会以低的速度磨 损，但随着过程流体的流速增加，磨损速度会增大。此外，在更高流速时， 所述磨损速度实际上会开始下降，因为流动变成了层流。因此，以低流速 或高流速长期运行可能不縮短所述过程管道的寿命，但长期以中等流速使 用会显著縮短寿命。
图1是示出包括连接到过程管道14的过程装置12的过程控制或监测 系统10的简化图。所述过程装置12可以是任何类型的过程装置12，例如 过程变量变送器、控制器或独立的装置。所述装置12通过两金属线过程
5控制回路18连接到远程位置，例如过程控制室16。例如，回路18可以包
括4-20mA电流回路，所述4-20mA电流回路也可以用于连接到所述回路 18上的功率器件。根据任何适当的协议可以在回路18上传送数据，例如， 在4到20mA之间变化的模拟电流水平，根据4-20mA电流调制数字信息 的哈特(HART )通信协议、现场总线或Profibus通信协议等，包括无线 通信技术。
图2是简化的图示为过程变送器的过程装置12的方框图。装置12包 括构造成测量所述工业过程的过程变量的过程变量传感器20。例如，过程 变量包括流量、压力、温度和pH值等。测量电路22连接到所述过程变量 传感器并且用于提供对所感测的过程变量的初始特征化。例如，所述测量 电路包括放大器、模数转换器和滤波器等。随后，所感测的过程变量提供 给依照存储在例如存储器26中的指令运行的微处理器24或其他数字控制 器。存储器26也可以用于存储数据或其他信息。微处理器24以通过时钟 28确定的速率运行。输入/输出电路30用于将微处理器24连接至过程控 制回路18。通过微处理器应用I/O30在回路18上发送信息。类似的，在 一些结构中，I/O电路30可以用来给微处理器24提供信息或命令。在一 些结构中，I/O电路30也提供用于所述过程装置12的电源电路的电源输 出。
图3是过程变量随时间变化的图。在所述工业过程的运行期间，所感 测的过程变量根据所述过程的状态变化。在一些结构中，可以例如通过调 整阀门、控制加热元件等控制所感测的过程变量。
图4是离散的直方图的示例图形，其中时间(总的持续时间)随所感 测的过程变量变化，所感测的过程变量已分成六个不同的数值范围。在这 样的结构中，图4的图形中每个条柱对应所感测的过程变量(见图3)落 在特定值范围内的总时间。在图4中，所述数值范围显示出基本上相等的 宽度，然而，本发明并不限于这种结构。此外，可以产生不需要这种范围 的连续的或基本上连续的直方图。连续的直方图就是所述范围的宽度为零 的情况。为了得到直方图，如图2所示的所述微控制器24监测所感测的 过程变量。尽管所感测的变量落在任何所述范围内，然而，所述微处理器 记录总的时间(例如，用时钟28)并且针对特定范围把该值与任何先前的值相加。
通常，直方图把数据分组到"箱"或"级别"。直方图也称作数据的 频率分布。如果频率分布增加到极限情况(并且"箱"或"级别"的宽度 减小到零)使得所述分布是连续的，这样的图形也称为"频率曲线"。
图4中示出的频率分布数据可以存储在图2所示的过程装置12的存
储器26中，或在远程位置处进行计算和/或存储。例如，任何连接到回路 18的过程装置12可以计算和/或存储所述频率分布数据。类似的，控制室 16包括用于计算或存储所述数据的受控制的存储器19。
如上面所讨论的，在工业过程中的各种部件会由于持续暴露到所述过 程的要素环节中而磨损。例如， 一些部件在暴露到过程流体中会腐蚀。当 过程管道、衬套、联接器和传感器等放置到泥浆流中将会以与流速相关的 方式磨损。在一些情形下，由研磨剂的磨损导致的腐蚀速率随流速指数地 增加。在其他情况下，当流速增加并且颗粒分布变得同质时腐蚀磨损的速 率开始下降。
通过本发明，提供一种相对于时间测量过程变量的预测性的诊断技 术。例如，根据流速直方图能预测部件磨损。在本发明的一方面，过程装 置存储随时间流逝获得的直方图数据。在一个结构中，流量变送器存储随 时间流逝获得的流速直方图。所述直方图提供指示流体在每个流速级别花 费的时间量的信息。这也让操作者调整所述控制回路以优化所述过程。这 在与主控制器没有数字通信的控制方案中变得尤其有用，例如一些 4-20mA控制回路。在所述过程装置中存储测量数据并且在所述装置中生 成直方图能降低执行成本、同时增加精确性。然而，本发明并不限于这种 结构。
本发明还包括使用应用于速度范围的比例因子。所述比例因子在各个 范围之间可以是离散的，或是连续函数。所述比例因子用于调整部件的对 应特定过程变量值的磨损速率。所述比例因子乘以每个过程变量值对应的 时间量(持续时间)，并且所得结果用于计算总的有效磨损时间。
图5是连续磨损比例因子随过程变量值变化的曲线。在这个特定结构 中，所述磨损比例因子在过程变量值较小时具有相对大的值。所述磨损比 例因子减小到最小，然后又随着所述过程变量值升高而增大。类似的，图
76是具有大颗粒尺寸的泥浆应用中磨损比例因子关于流速(英尺/秒)的变 化曲线。随所述速度升高到4英尺/秒，所述磨损增加，然后随着颗粒分布
变得更加同质而开始下降。这说明，部件磨损速率在4英尺/秒时是在8 英尺/秒时的两倍。换句话说，当流速为4英尺/秒时比流速为8英尺/秒的 总的有效磨损时间增加两倍。例如，如果在给定的装置中，流体管衬里在 流速为4英尺/秒的条件下六个月后需要更换，如果流速为8英尺/秒，相 同的流体管衬里将会持续用一年。
图7是应用图4中示出的所述过程变量值直方图和图6中示出的所述 磨损比例因子的有效磨损随过程变量值变化的图形。在图7的例子中，应 该在所述磨损达到100%前更换所述部件。总的有效磨损由所有范围内的 有效磨损总和确定。在图7的例子，总的有效磨损是75%。可以设置触发 器，使得当有效磨损达到所期望的极限水平时，发出指示所述部件需要更 换的警报。这允许在部件最终失效前更换所述部件。例如，可以在过程停 歇期间更换部件，而不是在不便的时候实施紧急维修而停止过程处理。
可以设定根据各种部件的有效磨损进行触发的多个触发水平。另外， 各种部件可以具有不同的磨损比例因子。例如，流体管的有效磨损速率可 以与工业过程中的泵、过滤器和其他部件的有效磨损速率不同。各个触发 水平、累积磨损时间和流量直方图信息优选地存储在非易失性的存储器， 例如图2所示的存储器26。因此，如果电源被断开，所述有效磨损信息可 以恢复。
在图7的例子中，所述有效磨损作为部件的总寿命的百分比示出。但 是，本发明并不限于这样的结构。为了参考和监测的目的可以显示所述总 的有效磨损，并使操作者能预测寿命的终点和在所述部件失效前更换它。
在一个结构中，本发明可以根据现场总线协议实现为功能块。所述功 能块可以连接到任何装置或测量变量。例如，操作者可以具有过滤器的依 赖于流体pH值的维护计划的图形。pH值过程变量变送器的输出可以作为 功能块的输入，并用来计算所述过滤器的有效磨损时间。当达到所述磨损 触发水平，就发出警报。通过在现场装置内执行测量和计算，减轻了主系 统的额外的计算需要。所述主系统只需要监测任何警报或提醒，所述警报 或提醒是通过测量装置指示已经超过有效磨损极限而产生的。图8是根据本发明示出步骤的实例流程图50。流程图50在开始方框 52开始，并且在方框54处收集随时间变化的过程变量数据。在方框56， 根据所收集的过程变量信息和时间之间的关系得出诊断信息。然后，将控 制传送回方框54以继续运行。
除了用在诊断部件的所述有效磨损，以上讨论的所述直方图确定方法 可以用于其他应用。例如，磁流量表经常会在诸如泥桨流等噪音环境下运 行。这会导致不稳定的流量。典型的已有技术的方法是应用额外的过滤去 除噪音。然而，这会减少系统的响应时间。流量直方图的应用可以用来测 量和显示所述系统的变化性。例如，操作者可以重新设置直方图并且运行 具有一秒响应时间的过滤器值的所述过程。对于具有两秒等的过滤器值进 行相同的测试。比较从多个测试得到的结果，并且根据流量直方图数据的 展开得出结论。所述直方图提供噪音的指示，这比尝试通过监测在本地显 示器上的实时流量数据或从模拟回路上的电压表上读取这样的数据来评 估噪声更准确。此外，其它技术需要额外的导致隐藏的噪音的过滤或平均， 并且影响过程控制回路的运行。流量直方图数据可以在本地显示器上显 示，因而不需要数字通信。
流量直方图信息也可以用于监测不能有效被控制的远程应用。 一个例 子是废水管线。操作者可以定期察看远程位置并检查显示通过所述废水管 线的流量的所述直方图。然后，所述操作者就能确定流过所述系统的最大 值，以确定所述系统是否在接近其最大容量的水平运行。所述直方图也可 以告知操作者所述流量是否太低以及所述管线应该冲洗以防止在所述管 线中集结和堵塞。
在其他例子中，直方图信息可以用来确定流体管线没有使用的频率。 这个信息可以通过确定从总的时间分出来的流量为零的时间量来获得。
为了进一步增强所述总的有效磨损时间计算，可以考虑其它起作用的 因素。例如，图7中示出的所述有效磨损数据可以是多个变量的函数，所 述多个变量诸如是过程温度、压力、过程流体的化学成分等。可以例如应 用为特定的变量和特定的部件制定的磨损比例因子，计算所述有效磨损和 这些其它过程变量之间的特定的关系。为了获得这些辅助变量，这些过程 变量可以例如通过其他基于哈特(HART )通信技术的装置或通过监测信息，在本地重新找回或通过所述过程控制回路重新找回。现场总线和无线 通信技术也可以用于获得这些变量。所述磨损监测可以用于包括压力和温 度测量装置等任何过程装置，并不限于流量测量装置。通过过程变量传感
器感测的或从这样的传感器的输出计算的示例性的过程变量包括压力、pH
值、温度、浑浊度、密度(通过密度可以推断颗粒尺寸)、水平、特别成 分的浓度等。本发明可以在例如图1中示出的控制室16的主系统上实现。 然而，过程变量的测量需要定期地传达到所述主系统。
虽然结合优选的实施例描述了本发明，本领域的技术人员将会认识 到，在不脱离本发明的精神和范围的同时可以进行形式和细节的改变。部 件的所述总的有效磨损是整个直方图范围的全部有效磨损的总和或连续 直方图(也就是频率分布)的总。典型地，当部件被更换，所述直方图信 息被重置并且所述过程重新开始。正如这里用到的，所述工业过程的状况 包括工业过程中的任何部件的状况，包括对于进行诊断的过程装置来说在 本地的部件以及位于远程的部件。
权利要求
1. 一种诊断工业过程的状况的方法，其包括获得测出的过程变量；确定与所述测出的过程变量的值相关的过程变量信息；根据所述确定的过程变量信息和与所测出的过程变量具有所述值所持续的时间相关的时间信息计算直方图信息；和根据所述计算的直方图信息诊断工业过程的状况。
2. 如权利要求1所述的方法，其中还根据与所述测出的过程变量具有 所述值所持续的时间相关的信息计算直方图信息。
3. 如权利要求1所述的方法，其中还根据磨损比例因子诊断工业过程 的状况。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述磨损比例因子是所述过程变量 值的函数。
5. 如权利要求1所述的方法，包括根据所述计算的直方图信息提供警报。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述计算的直方图信息包括离散范围。
7. 如权利要求l所述的方法，其中所述计算的直方图信息是连续的。
8. 如权利要求1所述的方法，其中所述测出的过程变量包括流速并且 所述诊断状况是指示磨损。
9. 如权利要求l所述的方法，包括显示所述计算的直方图信息。
10. 如权利要求1所述的方法，包括当部件被更换时重新设置直方图"(曰息。
11. 一种构造用于实施权利要求l所述方法的现场装置。
12. —种用于工业过程控制或监测系统的过程装置，其包括 过程变量输入，构造用于获得过程变量；数字控制器，构造用于根据所述过程变量计算直方图信息；和 根据所述计算的直方图信息诊断所述工业过程的状况。
13. 如权利要求12所述的装置，其中所述直方图信息还基于与所述测出的过程变量具有值所持续的时间相关的信息。
14. 如权利要求12所述的装置，其中所述工业过程的所诊断的状况还 基于磨损比例因子。
15. 如权利要求14所述的装置，其中所述磨损比例因子是所述过程变量值的函数。
16. 如权利要求12所述的装置，其中所述数字控制器根据所述计算的 直方图信息提供警报。
17. 如权利要求12所述的装置，其中所述计算的直方图信息包括离散 范围。
18. 如权利要求12所述的装置，其中所述计算的直方图信息是连续的。
19. 如权利要求12所述的装置，其中所述测出的过程变量包括流速并 且所述诊断状况指示磨损。
20. 如权利要求12所述的装置，包括显示所述计算的直方图信息的显示器。
21. 如权利要求12所述的装置，其中当部件被更换时重新设置直方图{曰息。
22. 如权利要求12所述的装置，其中所述测出的过程变量选自包括压 力、温度、pH值、密度、水平、浑浊度和成分浓度的过程变量组。
全文摘要
根据与测出的过程变量的值相关的过程变量信息诊断工业过程的状况。根据所述确定的过程变量信息和与所述测出的过程变量具有所述值所持续的时间相关的时间信息计算直方图信息。根据所计算的直方图诊断所述工业过程的状况。
文档编号G05B19/042GK101449219SQ200780017797
公开日2009年6月3日 申请日期2007年5月4日 优先权日2006年5月16日
发明者斯考特·R·弗斯, 泰瑞·A·柯瑞通 申请人:罗斯蒙德公司