过程设备验证的制作方法

专利名称：过程设备验证的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于监视或控制工业过程操作的类型的过程设备。更具体地说，本发明涉及安全仪表系统(Safety Instrumented System)和过程设备的诊断。
背景技术：
过程设备被用于工业过程控制系统以监视和/或控制工业过程。控制设备是用于控制过程的过程设备。实例控制设备包括泵、阀、致动器、电磁线圈、电机、混合器、搅拌器、轧碎机、断路器、辊、压榨机、研磨机、球磨机、揉面团机、过滤器、掺合器、旋分离器、离心分离机、塔、干衣机、运送装置、分离器、电梯、起重机、加热器、冷却器和其它此种设备。发射机是一种用于例如通过监视诸如温度、压力、流量等的过程变量感应(或监视)过程操作的过程设备。监视过程变量被传送，以便它能够被例如中央控制室的过程中的其它设备使用。另一实例过程设备是过程监视器或通信器，其例如通过编程或向设备发送指令用于监视过程的操作、诸如过程发射机或过程控制器的过程中使用的设备和控制过程设备。
典型地，过程设备具有相当稳定的设计，并且寿命长久且故障率低。过程设备的故障会对过程产生显著影响，并且可能在修理或更换设备时需要暂时关闭过程。然而，一些过程设备应用需要的性能水平明显超过典型过程设备所提供的水平。这种设备必须满足“安全认证过程”。这种认证提供了配置过程以满足期望的安全要求的衡量标准。
国际标准提供了能够用于度量过程安全的衡量标准。安全完整性等级(SIL)能够提供信息，并提供一种度量关于过程能否安全执行和在故障的情况中，过程能否以安全方式失效的期望(值)的方法。SIL分级涉及产品可靠性。例如，产品必须显示“可用于”在某一预定级执行其指定的任务。这种可用性涉及产品的平均故障间隔时间(MTBF)以及平均修复时间(MTTR)，和要求动作失效概率(PFD)。安全仪表系统(SIS)是用于检查基本过程控制系统(BPCS)的操作的系统。该SIS能够用于探测故障，或即将发生的故障，以便能够采取适合的步骤增加过程设备的可用性或减轻过程部件的故障后果。

发明内容
一种与过程控制系统一起使用的方法和装置被配置以接收过程管道系统中过程流体的压力。阀定位器定位控制经过过程管道系统的过程流体的流量或过程流体流的阀。该阀定位器被导致执行阀的部分行程或否则，将扰动或摄动引入过程。因扰动或摄动产生的压力变化被用于诊断过程的操作。


图1是显示过程控制系统或安全仪表系统的简化图。
图2是用于实现本发明的过程设备的图。
图3是显示根据本发明的步骤的框图。
图4是显示用于实现本发明的阀定位器和压力发射机的示意图。
图5是显示图4列出配置实现的步骤的框图。
图6是显示图5中实现的阀驱动信号和压力特征的曲线。
图7是控制阀杆位置与时间的曲线。
图8是要求动作失效概率(PFD)与验收试验间隔的曲线。
具体实施例方式
许多工业过程存在固有的危险。这些过程可能涉及有毒、易燃或反应材料，并经常处于高温和高压。这些过程中存在设备故障或人为错误时，会出现灾难性事件。安全仪表系统(SIS)是设计以防止这些事件的自动化系统。由于新的国际标准，在过去的几年中，特别是在化学、制药和治炼工业中，对这些安全系统的兴趣不断增长。
安全仪表系统可被定义为包括传感器、逻辑解算器和最终控制元件的系统，该系统设计用于如下目的当预定条件被破坏时，自动将过程带入安全状态。
当特定条件允许时，使过程以安全的方式继续。
采取行动以消除工业危险的后果。
安全仪表系统(SIS)与基本过程控制系统(BPCS)的类似之处在于它们均使用类似的部件。该系统包括连接到过程的从传感器到最终控制元件的所有元件，包括输入；输出；SIS用户接口；电源；和逻辑解算器。SIS部件通常是分离的，并独立于BPCS。考虑到SIS的目的，必须满足另外的设计要求。该基本过程控制系统(BPCS)告警，并且安全仪表系统(SIS)均为预防层次。其余层是缓解层次。
例如，工厂可具有多层次保护以保护人员、设备和本地组织避免灾难事件。一些层次的保护是防止层次，和一些层次是缓和层次。防止层次用于防止出现灾难事件。缓和层次被用于包容事件，并在出现事件后，减小其代价。
为了说明保护层次，可以使用容器中的反应的实例。给定正确的条件，反应会“失控”，并且没有不同层次的保护，箱子会爆炸并导致大破坏。
实例保护层包括层1控制温度/压力的基本过程控制系统。
层2声响报警，声响报警告知操作人员手动关闭阀门以停止反应。
层3SIS，在罐破裂前，SIS减小压力。
实例缓解层包括层4压力释放阀，在罐破裂前，压力释放阀开启。
层5工厂应急反应(Plant Emergency Response)小组，确保由压力释放阀释放的蒸汽不会导致进一步的破坏，并使对环境的污染减至最小。
SIS层是最后防止层。如果SIS失败，危险无法被抑制，只有缓解层保持以限制导致损坏的量。很重要的是SIS层提供足够的保护，以防止明显的破坏或生命损失。所需的保护量等于风险管理。
虽然当确定SIS时，必须考虑所有元件和部件，但在计算中的三个关键部件包括传感器；逻辑解算器(logic solver)；和最终控制元件。
传感器测量压力、温度、流量、质量流量、水平或高度、火焰探测器、pH值或其它参数。对于车载自动诊断系统(on-boarddiagnostics)，传感器从简单的气动或电开关到智能发射机。SIS传感器可以与典型的过程传感器相同，或可以是专为SIS应用设计的传感器。为SIS专门设计的传感器可以具有额外的内部诊断和软件，允许故障探测并受控访问设备启动和校准。
安全标准没有规定用于SIS应用的传感器的任何具体类型或技术。系统的设计人员应该确定最优/安全技术以满足标准。
然而，标准确定了当指定、安装和维护SIS传感器时最终用户必须遵守的具体要求。
该逻辑解算器典型地是从传感器读取信号并执行预编程动作以防止危险的控制器。安全逻辑解算器和传统的数字控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)之间存在许多类似处。它们均执行逻辑功能并均具有自传感器和最终控制元件的输入和输出能力。其区别在于SIS逻辑解算器被设计以容错，具有内部冗余，并被设计以安全模式失效。它们利用额外的内部诊断和硬件和软件设计，内部诊断和硬件和软件将使其探测故障。该安全逻辑解算器也增加了安全性以防止偶然的配置变化。
类似于传感器，适用的标准并未规定使用的逻辑解算器的类型，仅规定了其应用的要求。
最终控制元件表示实现安全停工的最后阶段。这是动作以致使安全状态的部件。这些元件包括电磁线圈阀、开/关阀和电机启动器。最普通的是将空气提供到隔膜的电磁阀或过程关闭阀的活塞致动器。阀供应商近期发布了明确设计用于SIS应用的智能定位器。类似于传感器，在特定的限制条件下，SIS最终元件可以与典型过程最终元件相同，或它们可以专门设计用于SIS应用。这些特殊设计的最终元件具有实现缺省探测的额外内部诊断和软件。
此外，类似于传感器，标准没有规定用于SIS应用中的最终控制元件的任何具体技术。系统的设计人员应该确定最优/安全技术。该标准仅阐述了最后用户必须遵守的要求。
在SIS的三个部件中存在类似的主题。该主题是诊断。SIS被设计以探测过程干扰，并使过程返回到安全状态。操作人员必须注意任何SIS故障并能够对其作出反应。
本发明提供了使用应用于过程的扰动或摄动信号的安全仪表系统(SIS)，并基于过程操作由于施加的扰动或摄动变化，执行诊断。例如，过程中的阀的位置改变，并且过程中结果的变化被监视并用于执行诊断。所监视到的变化与存储值比较，例如与存储的门限值或特征值比较，并用于诊断系统操作。本发明适用于安全仪表系统以及基本过程控制系统(Basic Process Control Systems)。通常，本发明适用于包括测量(传感器)、控制和主机(逻辑解算器)设备的任何过程设备。
图1是包括连接到过程管16的发射机12的过程控制系统10的图。系统10可以是基本过程控制系统，或可以是安全仪表系统。如下面讨论，发射机12是一种类型的过程设备，并且本发明适用于任何过程设备。当采用SIS配置实现时，图1中所示的部件被用于为基本过程控制系统提供冗余层。根据SIS工具或SIS的实现(SIS implementation)，该冗余层监视BPCS的操作。
发射机12被联接到根据诸如Fieldbus，Profibus或HART标准的通信协议操作的双线过程控制环路18。目前，SIS系统仅批准利用其中分离的过程控制环联接到每个过程设备的双线4-20mA环。然而，本发明并不局限于这些标准或双线配置。双线过程控制环路18运行在发射机12、阀定位器22和控制室20之间。如果该环路根据HART协议操作，该环承载表示感应到的过程变量的电流I。此外，HART协议允许通过该环路将数字信号添加或叠加到电流，以便数字信息可以被发送到或从发射机12接收。当根据Fieldbus标准操作时，环路18承载数字信号，并可以联接到诸如其它发射机的多个现场设备。环路18可以采用多站或多点配置，或可以是过程设备和控制室20之间的单独连接。
本发明适用于在过程控制环境中使用的任何过程设备。通常，诸如图1所示的发射机12的过程设备被用于监视或控制过程变量。过程变量典型地是在过程中正被控制的主变量。如在这里使用的，过程变量意味着诸如例如压力、流量、温度、产品级、pH值、混浊度、震动、位置、电机电流、过程任何其它的特征等的描述过程条件的任何变量。控制信号意味着用于控制过程的任何信号(除了过程变量)。例如，控制信号意味着由控制器调节或用于控制过程的诸如期望的温度、压力、流量、产品级、pH值或混浊度等的期望过程变量值(即，设定点)。此外，控制信号可包括校准值；告警、告警条件；诸如被提供给阀致动器的阀位置信号的提供到控制元件的信号；提供给加热元件的能量级；电磁线圈开/关信号等；或有关过程控制的任何其它信号。关于SIS，控制信号可以是安全关闭过程的信号。如这里使用的诊断信号包括有关过程控制环路中的设备和元件的操作的信息，但并不包括过程变量或控制信号。例如，诊断信号可包括阀杆位置；施加的扭矩或力；致动器压力；用于致动阀的加压气体的压力；电压；电流；功率；电阻；电容；电感；设备温度；静摩擦力；摩擦力；完全开和关位置；行程；频率；幅度；频谱和频谱分量；硬度；电或磁场强度；持续时间；强度；运动；电机反电动势；电机电流；环路相关参数(例如控制环电阻、电压或电流)；或可在系统中探测或测量的任何其它参数(除了过程变量)。此外，过程信号意味着有关过程或过程中的元件的任何信号，诸如例如过程变量、控制信号或诊断信号。过程设备包括形成部分过程控制环或联接到过程控制环并用于过程的控制或监视的任何设备。
如上所述，图1是显示包括运送过程流体的过程管道系统16和承载环路电流I的双线过程控制环18的过程控制系统10的实例。阀定位器22联接到阀24。然而，环路中的任何最终控制元件可以被使用，例如致动器、阀、泵、电机或电磁线圈。发射机12、定位器24、通信器26和控制室20均为过程控制环路18的部分。应该理解环路18显示为一种配置，并且诸如4-20mA环路、2，3或4线环路、多站环路和根据HART，Fieldbus或其它数字或模拟通信协议操作的环路的任何适合的过程控制环路可被使用。在操作中，发射机12使用传感器21感应诸如流量的过程变量，并通过环路18发送感应到的过程变量。该过程变量可被阀致动器或定位器22、通信器26和/或控制室设备20接收。定位器22被显示联接到阀24，并可以通过调节阀24控制过程，从而改变管道16中的流量。定位器22通过环路18从例如控制20、发射机12或通信器26接收控制信号，并响应地调节阀24。在另一实施例中，基于经环路18接收的过程信号，定位器22内部产生控制信号。通信器26可以是图1所示的便携式通信器，或可以是监视过程并执行计算的永久安装的过程单元。过程设备例如包括图1所示的发射机12(诸如可从Rosemount公司得到的3051S发射机)、定位器22、通信器26和控制室20。另一种类型的过程设备是PC、可编程逻辑单元(PLC)或其它计算机，或使用适合的I/O电路联接到环路的数字设备，以允许在环路上监视、管理和/或传送。
图1所示的任何过程设备12，20，22或26，或未具体显示的其它过程设备可以实现本发明的部分或全部。
图2是被配置以实现本发明的一个实例实施例的过程设备100的简化框图。过程设备100包括具有控制信号扰动或摄动源104的诊断电路102。控制信号扰动或摄动源104提供了控制信号扰动或摄动106。此外，过程变量信号108被提供给诊断电路102。信号106和108经任何适合的技术被联接到过程。
控制信号扰动或摄动106被用于扰动或摄动过程中的最终控制元件，例如图1中所示的阀24。这种扰动或摄动可以通过任何适合的技术。例如，如果阀24的设定点或位置以模拟电流值的形式通过4-20毫安双线过程控制环路，被提供给定位器22，控制扰动或摄动信号106可以扰动或摄动或改变应用于定位器22的信号以导致阀位置24变化。这种控制扰动或摄动信号可以是单个具体值或事件，或可以是诸如波形的更复杂的信号。典型地，单个变化被称作“部分行程或部分冲程(partialstroke)”。优选地，最终控制元件中的变化足够小以防止过程的负面功能。然而，大的扰动或摄动提供了更精确的诊断信息。
在其中阀定位器22接收有关阀的设定点的数字信号的实施例中，扰动或摄动信号被用于调节该数字信号或将附加信号发送到控制器。当在定位器22中实现时，源104可以直接影响阀24的位置。类似地，当在控制室或其它过程控制器中实现时，扰动或摄动信号可以被直接应用于发送到现场设备的设定点。在另一实例中，诸如DCS的提供给控制器的设定点信息改变以提供扰动或摄动信号106。
类似地，过程变量信号108可以通过任何适合的技术接收。该信号可以直接从在过程控制环路上运送的模拟或数字值或从在过程控制系统中发送或存储的其它数据读取。当在直接感应过程变量的过程发送器中实现时，过程变量信号108被诊断电路102直接接收。
该诊断电路102将接收到的过程变量与在存储器110中存储的信息进行比较。该信息可采取单个值的形式，例如阈值、最大偏离值或相类似值。对于更复杂的诊断，该信息可以更复杂，诸如一系列值，或响应扰动或摄动信号的过程变量的期望特征。与过程变量的比较可以基于过程的条件动态改变。例如，响应施加的扰动或摄动信号，一些过程可在特定过程条件下以特定方式和在其它过程条件下以不同的方式改变。根据比较，该诊断电路102提供了诊断输出112。该诊断输出112提供了过程已以可指示过程操作已出现故障或将来会出现故障的异常方式反应的指示。该故障的特殊来源无需由诊断输出112识别。在安全仪表系统中，该诊断输出可以被用于安全关闭过程，或否则，指示需要对过程设备进行修理。该诊断输出112可以指示诸如阀24、与控制元件相关的电路、与过程变量传感器相关的电路、过程变量传感器本身、控制环路或过程中使用的其它电路或机械部件的最终控制元件的问题或故障，包括插入导压管道(plugged impulse piping)或其它部件。
图2所示的过程设备100意图显示总的过程设备。该特定诊断电路102可以在诸如在这里具体显示的那些的适合过程设备或其它设备中实现。该过程设备100可以是基本过程控制系统(BPCS)的一部分。在另一实例中，过程设备可以是用于监视基本过程控制系统的操作的安全仪表系统(SIS)的部分或形成用于监视基本过程控制系统的操作的安全仪表系统(SIS)。
图3是显示根据本发明的实例实施例的步骤的简化框图150。该方框图150在开始方框152处开始，并且控制被转到其中扰动或摄动信号被注入过程的操作中的方框154。该扰动或摄动信号可以是例如图2所示的控制扰动或摄动信号106。该方框在方框156处被监视。该过程的监视可以直接使用传感器执行，或它可以通过监视联接到过程的部件的数据通信执行，或通过监视联接到过程设备的直接询问部分(directinterrogation)的部件的数据通信执行，或通过监督过程设备的询问而执行。在方框158，监视的过程变量与存储值比较。例如，存储值可以如同上述讨论的值，并存储在图2中所示的存储器110中。如果比较指示过程操作正常，或在特定范围内，诊断可以终止并在以后时刻重复进行。可选地，如果比较指示异常过程条件，或过程在期望范围外操作，控制被转到方框160并提供诊断输出。该诊断输出可以例如根据安全仪表系统(SIS)的技术根据期望地使用。图3中所示的特定步骤可以用在图2所示的存储器110中或否则在过程控制系统中存储的计算机程序码实施。程序指令被配置以由数字处理系统执行，诸如图2中所示的微处理器120。
在一个实施例中，本发明在连接到安全仪表系统的SIS逻辑解算器或一些其它诊断主机中实现。该诊断主机将信号发送到阀定位器以从其当前位置部分关闭或开启阀。这导致过程流体中的压力变化，以便例如压力发射机监视产生的扰动或摄动。这种结果可以被存储在发射机中，或被提供给诊断主机，用于与标称值比较。例如，来自先前测试的正常特征。
图4是其中压力发射机202和阀定位器204被联接到过程管道206的安全仪表系统200的实例图。逻辑解算器208被配置以将扰动或摄动信号210提供给阀定位器204，以导致阀212的位置的部分变化。这导致沿过程管道206的过程压力的变化214，产生的变化216在来自压力发射机202的输出中。
逻辑解算器208监视自压力发射机202的变化216，并将其与响应扰动或摄动信号210的过程中的期望变化比较。该监视可以包括监视信号216中的相位(或延迟)、信号216的幅度或信号216的特定波形。这种监视可以在时域中、频域或其组合中。在图4的实例中，阀控制器204被显示应用了10％的部分行程(stroke)变化。然而，对于特定的装置，扰动或摄动百分比或绝对值可以根据期望选择。结果的压力信号变化216将基于施加的扰动或摄动信号的大小改变。如下讨论，扰动或摄动信号也可以是抖动信号。
图5是显示根据一个实施例的测试程序的步骤的简化框图。在方框250，测试被初始化，并且扰动或摄动信号被施加到阀控制器204。在方框252，诸如逻辑解算器208(如图4所示)的诊断主机将时间和日期和/或序列数(run number)信息写入压力发射机202中的存储器。在方框254，该诊断开始并且数据被记录。例如，压力发射机202可以记录校准范围的输出的百分比，并且然后开始记录压力数据点。该阀204将关闭(或开启)特定百分比，如操作人员或系统所配置。在一个实施例中，该阀204被通常保持在100％开启位置，并且扰动或摄动输入信号导致阀的部分关闭。在方框256，典型地在阀返回到其100％开启或正常位置后，记录结束。测试结束的事件可以根据期望选择。该测试持续时间可以根据扰动或摄动量、过程的条件、期望的窗口周期(window period)或其它准则选择。此外，例如如果测试超过最大持续时间，可以实现自动终止。这将防止发射机极端脱机条件。在另一实例中，当测试终止时，由发射机提供的过程变量，或者控制元件的控制点，可以被返回到测试前的条件，或在测试期间确定或测量的值。在其中测试要求过程设备或部件暂时脱机或否则不可用的配置中，这种信息可以被提供给控制室或其它过程设备。例如如果SIS要求致动或启动设备，该测试也可以被终止。如果事件要求过早启动或致动，这种信息可以被记录。
在方框258，如果诊断系统处于学习模式，特征(signature)在方框260被存储。可选地，如果系统处于诊断模式中，在方框262，记录数据与现有特征比较。作为关于阀的负载的函数，负载偏差(load bias)264可以被用于补偿或否则纠正记录数据。该负载由发射机的校准范围的输出的百分比确定。例如，假设部分行程的百分比保持恒定，作为函数，利用测试开始时记录的输出的百分比，测试特征得到纠正。
如上讨论，压力信号的相移和/或幅度可以被用于诊断并确定测试是否成功。例如，图6是阀控制信号和作为结果的压力信号与时间的曲线。压力信号的大相移(即，时延)或压力信号的减小幅度或振幅可以指示堵塞线路条件或系统中的其它问题。该值还可以指示阀定位器的问题，例如卡住的阀。在方框266处，诊断结果可以被记录或否则输出。该诊断输出可以是简单的通过/故障输出，或可包括诸如指示测试结果是有问题的信息的附加信息。
本发明适用于其中具有用于诊断的专用阀控制器(或专用压力发送器)的实施例；以及其中使用基本过程控制系统的部件或安全仪表系统的其它部件执行诊断测试的实施例。在典型的过程控制系统中，如果检测到偏差，控制器向阀定位器发送信号以改变阀的位置，以驱动过程返回到期望的设定点。用于操作阀的特定控制算法根据期望使用反馈以定位阀。然而，采用这种配置的过程的精度特别依赖于用于执行测量的仪器的能力和精度。信号质量取决于组成测量系统的所有部件，包括发射机、到发射机的导压管路(impulse piping)、线路和其它部件。本发明适用于这种配置并提供了用于检验所有这些部件的技术，以确定反馈控制环的质量和精度。
回过来参照图1，在这种配置中，阀定位器22的设定点以已知方式得到改变。例如，作为扰动或摄动信号，噪声信号或具有已知频率和幅度的特殊波形的信号被注入过程控制环路。该信号可以被增加到用于控制阀的位置的模拟值，或用于控制阀定位的数字信号可以修改或应用。该压力发射机12读取由于注入扰动或摄动信号在过程压力中产生的变化，并使用上述讨论的技术比较该结果信号。可以使用包括规则(rule)、模糊逻辑、神经网络、人工智能技术等的任意技术。这种比较可以被用于提供整个环路的质量和精度的指示。这可以被独立用作诊断输出，或判断树分析可以被用于驱动根原因分析，以确定通过诊断检测的任何误差的来源。
图7是阀位置与时间的曲线，显示了由于设定点302和扰动或摄动信号304的实际阀位置300，该实际阀位置300采用了响应注入扰动或摄动信号的负载变化的实际阀杆位置304。
在本发明的一些实施例中，为了诊断的目的，测量仪器和阀定位器被配置以彼此直接通信。该扰动或摄动信号可以由阀定位器注入，或通过上述讨论的其它技术注入，并典型地具有已知频率、幅度和持续时间。在一些实施例中，通过应用一个以上扰动或摄动信号可以执行不同的诊断或附加诊断。在这种配置中，不同的存储特征可以被使用，并且可以基于特定应用的扰动或摄动信号进行比较。该注入扰动或摄动信号可以修改，或否则调节为正在被测试的特定环路的个别特征。或者由控制器本身或通过改变提供给控制器的设定点，该扰动或摄动信号可以被注入控制室或在中央控制器处的环路。该诊断输出可以是卡住阀的指示，或关于阀的频率响应的指示。
在一个实施例中，本发明的诊断被配置作为可以应用于现有过程控制和监视软件的软件模块。该扰动或摄动信号可以根据期望进行调节。在一个特定实施例中，施加小于阀位置1％的扰动或摄动信号。相似地，可以根据期望控制任何时间变化信号的频率。例如，可以应用2Hz扰动或摄动信号。该扰动或摄动信号还可以包括更复杂的波形。该诊断可以在诸如Foundation Field Bus的更复杂的过程控制环路中实现，以便多种过程设备可以彼此通信。利用本发明的配置，诊断无需了解当前设定点，但可以监视感应的压力的变化。在一些实施例中，扰动或摄动信号是发送到阀的重新定位或实际控制信号的变化的结果，并且不需要附加信号或扰动或摄动。
在本发明的另一方面，有关服务或维护、验收试验、诊断实验等的信息被存储或“记录”在存储器中，例如图2中所示的存储器110。例如，为了保持符合安全规定，必须周期性测试多种设备。在本发明中，这种测试或维护可以被记录在过程设备中，以便它可以被检索用作以适合的间隔进行维护的校验或为了其它目的。这还可以用于诊断，或否则指示部件故障源。这适用于安全仪表系统以及基本过程控制系统。“验收试验”包括设计以展示合适的安全仪表系统(SIS)功能操作并探测未被设备或其它系统诊断探测的任何未揭露的故障的实验。验收试验优选地被设计以保证覆盖包括传感器、逻辑解算器、最终控制元件和这些部件和过程之间连接的所有SIS部件。在一些设备中，这种试验可能需要保持或确保运行安全仪表系统。
应该执行验收试验的间隔被称作验收试验间隔(PTI)。这是验收试验之间的期间，并且它是确定SIS部件或系统的要求动作失效概率(PFD)的重要因素。部件或系统未测试的时间越长，存在未探测的故障的概率就越高。换言之，随着时间的过去，未测试部件或系统的PFD增加。要求动作失效概率是SIS被要求时将无法执行其预期功能的可能性。SIS部件的制造商典型地提供PFD与验收试验间隔的曲线。这种曲线的实例在图8进行了显示。这种信息被SIS设计人员用于确定SIS的PFD均值。
在本发明的这个方面，用于安全仪表系统中的过程设备或部件可以包括图8中所示的有关PFD与验收试验间隔曲线的信息。例如，当PFD随时间增加时，安全仪表系统中的过程设备可以监视其当前的PFD，并将其当前PFD传送到包括过程控制室的其它设备或部件。当执行验收试验时，在验收试验“成功”完成结束时，过程设备可以将PFD重新设置为其初始值。时间的流逝可以通过过程设备中的实时时钟或使用其它技术跟踪，诸如自执行最后验收试验的相对时间。类似地，诸如逻辑解算器的其它部件可以提供时间或时戳信息，例如如参照图5上面所讨论。这种信息可以被环路中的任何设备使用，以指示需要验收试验，或导致验收试验的自动开始。这种相同的技术可以在整个SIS使用。例如，SIS设计人员可以将整个SIS的PDF关系提供给系统中的部件，用于存储在设备存储器中。这允许整个SIS的PDF信息的监视。这允许系统具有基于给定SIS的实际PDF关系的验收试验提示器，和验收试验已按需要进行或计划的独立校验。该信息可以被存储在系统中的任意位置，包括存储在系统设备的存储器中，例如图2所示的实例存储器110。
虽然本发明是参考优选实施进行描述的，但本领域所属技术人员将会意识到在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以做形式与细节的变动。这里具体列出的实例仅用于说明目的。该诊断可以探测故障或其它条件，并被用于导致诸如关闭过程和/或发送告警信号的受控响应。本发明可以在完全利用自双线过程控制环路的电力供电或可以从其它源接收电力的设备中实现。该扰动或摄动信号可以被用于减小阀的静摩擦。当作为安全仪表系统实现时，本发明可以被配置以检查基本过程控制系统的操作。在这种配置中，该阀定位器和发射机可以独立于BPCS。在另一配置中，一个或多个部件可以与BPCS共用。一种诊断技术包括使用统计过程监视。这里描述的环路测试可以由任意设备开始。此外，任意设备可以存储环路测试信息、跟踪和/或预测PFD。验收或环路测试间隔的独立校验提供了安全仪表系统或基本过程控制系统以期望的频率测试以确保它履行任何环路设计准则的一定水平的保证。这种信息的存储也可以用于在如果发生故障时的诊断。在确定诊断条件时，信息可以被发送到远程位置以指示未决故障或用于安排预防性维护。
权利要求
1.一种用于基本过程控制系统(BPCS)的诊断操作的安全仪表系统，包括压力传感器，所述压力传感器被联接到过程管道系统，配置以测量过程管道系统中的过程流体的压力；阀定位器，所述阀定位器配置以控制控制经过过程管道系统的过程流体的流量或过程流体流的阀；和诊断电路，所述诊断电路被配置以导致阀定位器执行阀的部分行程，所述诊断电路还被配置以将由于部分行程被压力传感器感应到的压力变化与存储的压力特征比较，并基于比较，响应地诊断过程控制系统的操作。
2.根据权利要求1所述的装置，包括联接到压力传感器的压力发射器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述诊断电路在压力发射器中实现。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述比较包括幅度比较。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述比较包括相位比较。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述诊断电路被配置以在学习模式中学习存储的压力特征。
7.根据权利要求1所述的装置，包括逻辑解算器，并且其中所述诊断电路在逻辑解算器中实现。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述诊断电路导致所述阀定位器执行阀的多个部分行程。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述多个部分行程提供基本上连续的信号。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述信号包括噪声。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述多个部分行程减小阀的静摩擦。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述比较包括频率响应比较。
13.根据权利要求1所述的装置，包括存储器，所述存储器被配置以存储关于诊断电路的诊断测试的性能的信息。
14.根据权利要求1所述的装置，包括存储器，所述存储器被配置以存储关于要求动作失效概率(PFD)的信息；和所述诊断电路被配置以提供关于要求动作失效概率(PFD)和验收试验之间的间隔的输出。
15.根据权利要求14所述的装置，其中诊断电路执行的诊断测试发生时，要求动作失效概率值被重新设定为初始值。
16.根据权利要求1所述的装置，包括指示需要验收试验的验收试验输出。
17.根据权利要求16所述的装置，其中响应验收试验输出，所述诊断电路响应地执行诊断测试。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述部分行程为受限持续时间。
19.根据权利要求1所述的装置，其中在部分行程前，控制点或过程变量输出被提供给控制系统。
20.一种用于诊断过程控制系统的操作的诊断系统，包括压力传感器，所述压力传感器被联接到过程管道系统，配置以测量过程管道系统中的过程流体的压力；响应控制信号的阀定位器，所述阀定位器配置以控制控制经过过程管道系统的过程流体的流量或过程流体流的阀的位置；诊断电路，被配置以导致在过程控制系统的正常操作期间的控制信号中很小的变化；所述诊断电路还被配置以将由于控制信号的变化被压力传感器感应到的压力变化与存储的压力特征比较，并响应地诊断压力控制系统的操作。
21.根据权利要求20所述的装置，包括联接到压力传感器的压力发射器。
22.根据权利要求20所述的装置，其中控制信号的变化是受限持续时间的。
23.根据权利要求20所述的装置，其中所述诊断电路在压力发射器中实现。
24.根据权利要求20所述的装置，其中所述比较包括幅度比较。
25.根据权利要求20所述的装置，其中所述比较包括相位比较。
26.根据权利要求20所述的装置，其中所述诊断电路被配置以在学习模式中学习存储的压力特征。
27.根据权利要求20所述的装置，包括逻辑解算器，并且其中所述诊断电路在逻辑解算器中实现。
28.根据权利要求20所述的装置，其中所述诊断电路导致所述阀定位器执行阀的多个部分行程。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述多个部分行程提供基本上连续的信号。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述信号包括噪声。
31.根据权利要求20所述的装置，其中所述比较包括频率响应比较。
32.根据权利要求28所述的装置，其中所述多个部分行程减小阀的静摩擦。
33.根据权利要求20所述的装置，包括存储器，所述存储器被配置以存储关于诊断电路的诊断测试的性能的信息。
34.根据权利要求20所述的装置，包括存储器，所述存储器被配置以存储关于要求动作失效概率(PFD)的信息，和所述诊断电路被配置以提供关于要求动作失效概率(PFD)和验收试验之间的间隔的输出。
35.根据权利要求34所述的装置，其中诊断电路执行的诊断测试发生时，要求动作失效概率值被重新设定为初始值。
36.根据权利要求20所述的装置，包括指示需要验收试验的验收试验输出。
37.根据权利要求36所述的装置，其中响应验收试验输出，所述诊断电路响应地执行诊断测试。
38.一种用于过程控制系统的诊断操作的安全仪表系统中的方法，包括感应在过程管道系统中运送的过程流体的压力；导致联接到过程管道系统的阀执行部分行程；监视按照部分行程的过程流体的压力；基于监视的过程流体的压力，诊断过程控制系统的操作。
39.根据权利要求38所述的方法，包括存储有关执行诊断操作的步骤的信息。
40.根据权利要求38所述的方法，包括提供关于要求动作失效概率(PFD)的验收试验输出。
41.根据权利要求38所述的方法，其中所述诊断包括幅度比较。
42.根据权利要求38所述的方法，其中所述诊断包括相位比较。
43.根据权利要求38所述的方法，包括在学习模式中，学习压力特征。
44.根据权利要求38所述的方法，包括导致所述阀执行阀的多个部分行程。
45.根据权利要求38所述的方法，其中所述诊断包括比较频率响应比较。
46.一种诊断过程控制系统的操作的方法，包括将小的变化引入联接到过程管道系统的阀的受控位置；监视按照小的变化引入阀的受控位置的过程流体的压力；基于监视的过程流体的压力，诊断过程控制系统的操作。
47.根据权利要求46所述的方法，包括存储有关执行诊断操作的步骤的信息。
48.根据权利要求46所述的方法，包括提供关于要求动作失效概率(PFD)的输出。
49.根据权利要求46所述的方法，其中所述诊断包括幅度比较。
50.根据权利要求46所述的方法，其中所述诊断包括相位比较。
51.根据权利要求46所述的方法，包括在学习模式中，学习压力特征。
52.根据权利要求46所述的方法，其中所述诊断包括频率响应比较。
全文摘要
一种与过程控制系统一起使用的安全仪表系统(200)接收过程管道系统(206)中过程流体的压力。阀定位器(204)定位控制经管道系统(206)的过程流体的流量的阀(212)。该阀定位器(204)被导致执行阀(212)的部分行程或否则，将扰动或摄动引入过程。因扰动或摄动在感应压力中的结果变化(214)被用于诊断过程的操作。
文档编号G05B23/02GK1969240SQ200580019486
公开日2007年5月23日 申请日期2005年6月7日 优先权日2004年6月14日
发明者戴尔·H·佩里, 马克·S·舒马彻, 奥里叶·D·汇森卡, 兰迪·J·龙斯道夫 申请人:罗斯蒙德公司