用于检测与反应器相关的异常情况的系统和方法

摘要

本发明公开了一种用于检测与加工厂内的反应器相关的异常情况的系统，其接收与反应器容器内的压力相关的统计数据。例如，至少部分地置于所述反应器容器内的压力传感器设备可以基于压力信号生成统计数据。分析这些统计数据以检测是否存在一个或更多与所述反应器的搅拌器相关的异常情况。例如，可以分析所述统计数据以检测所述搅拌器是否不再转动，所述搅拌器是否未以期望的速率转动，所述搅拌器是否失去平衡，所述搅拌器是否故障等等。如果检测到异常情况，可以生成异常情况指示符。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及在加工厂中进行诊断和维护，更具体地说，涉及提供与反应器相关的诊断功能。

背景技术

过程控制系统，例如用于化学、石油或者其他过程中的那些过程控制系统，通常包括一个或多个集中式或分布式过程控制器，这些过程控制器通过模拟总线、数字总线或者数模混合总线，与至少一个主机或者操作员工作站以及与一个或者多个类似现场设备这样的过程控制和仪表设备通信连接。现场设备，例如可以是阀、阀定位器、开关、变送器或者传感器(例如温度传感器、压力传感器以及流速传感器)，被设置在加工厂环境中，并且执行过程中的各项功能，例如开关阀、测量过程参数、增大或者减小流体流动等等。智能现场设备，例如符合众所周知的FOUNDATION^TM现场总线(下文中称为“现场总线(Fieldbus)”)协议或者HART协议的现场设备，还可以执行控制计算、告警功能以及其他通常在过程控制器中实现的控制功能。

过程控制器通常位于加工厂环境中，接收由现场设备做出的或者与现场设备相关的表示过程测量结果或者过程变量的信号和/或有关该现场设备的其他信息，并且执行控制器应用程序。控制器应用程序实现例如不同的控制模块，这些控制模块做出过程控制决策、基于收到的信息生成控制信号，以及与在诸如HART和Fieldbus现场设备的现场设备中执行的控制模块或控制块协调一致。过程控制器中的控制模块在通信线路或者信号路径上向现场设备发送控制信号，从而控制过程中的操作。

来自现场设备和过程控制器的信息通常可用于一个或更多硬件设备，例如用于操作员工作站、维护工作站、个人计算机、手持设备、数据历史库、报告生成器以及集中数据库等等，以使操作员或者维护员可以执行所需要的关于该过程的功能，例如改变过程控制例程的设置、修改过程控制器或者智能现场设备中控制模块的操作，查看该过程或者加工厂中特定设备的当前状态，查看现场设备和过程控制器产生的告警，用于人员培训或者过程控制软件测试的目的而对过程的操作进行仿真，以及诊断加工厂中的问题或者硬件故障等等。

虽然典型的加工厂可能具有许多连接到一个或更多过程控制器的过程控制和仪表设备，例如阀、变送器、传感器等等，但是同时还存在许多过程操作所必需的或者与过程操作相关的其他支持设备。举例来说，这些附加设备包括放置在典型工厂的许多地方的供电装置、发电和配电装置、以及诸如涡轮和马达之类的旋转装置等等。虽然这些附加装置并不一定产生或者使用过程变量，并且在多数情况下，也不会为了实现过程操作的目的而由过程控制器来控制，甚至也不与过程控制器连接，但是这些装置对于正确的过程操作而言仍然是重要的，并且归根结底是必需的。

所周知的是，加工厂环境中时常出现问题，特别是拥有大量现场设备和支持装置的加工厂。这些问题的形式可以是设备故障或者失灵、诸如软件例程的逻辑元件处于不当模式、过程控制回路被不正确的调节以及加工厂的设备之间的一个或者多个通信故障等等。大量这样或其它的故障通常导致过程工作在异常状态(即加工厂处于异常情况)，而这些异常状态通常与加工厂的非最优性能有关。已经有许多诊断工具和应用程序被开发出来，以在一旦问题出现并且被检测到时，用于检测和确定加工厂中问题的原因，并且帮助操作员或者维护员对这些问题进行诊断和纠正。例如，通过诸如直接总线或无线总线、以太网、调制解调器、电话线之类的通信连接通常与过程控制器相连的操作员工作站，其具有适于运行软件或者固件的处理器和内存，例如由爱默生过程管理公司(Emerson Process Management)出售的具有大量控制模块和控制回路诊断工具的DeltaV^TM和Ovation控制系统。类似的，通过与控制器应用软件相同的通信连接或者通过诸如OPC连接、手持连接之类的不同的通信连接而与例如现场设备这样的过程控制设备相连的维护工作站，其通常包括一个或多个应用软件，以查看由加工厂中的现场设备生成的维护告警或者警报，测试加工厂中的设备，以及对加工厂中的现场设备和其他设备进行维护行为。类似的诊断应用程序已经被开发出来，以用于对加工厂中的支持设备的问题进行诊断。

这样，举例来说，由爱默生过程管理公司出售的资产管理解决方案(AMS)应用程序(其中的至少一部分由专利号为5,960,214，标题为“用于现场设备管理系统的集成通信网络”的美国专利所公开)，可以与现场设备通信并且保存有关现场设备的数据，从而确定并追踪现场设备的操作状态。在一些情况下，AMS应用程序可以用于与现场设备通信，来改变现场设备中的参数，使现场设备自行运行例如自校准例程或者自诊断例程这样的应用程序，并且获取现场设备的状态或健壮信息，等等。举例来说，这些信息可以包括状态信息(例如，是否发生了告警或者其他类似事件)、设备配置信息(例如，现场设备当前所处的或者可以被配置成的方式以及现场设备所用的测量单元的类型)、设备参数(例如，现场设备范围值和其他参数)，等等。当然，这些信息可以被维护员用来监控、维护、和/或诊断现场设备的问题。

类似的，许多加工厂包括装置监控和诊断应用程序，例如由CSI系统提供的RBMware软件，或者其他已知的用于监控、诊断以及优化各种旋转装置运行状态的应用软件。维护员通常利用这些应用软件来维护和检查工厂中旋转装置的性能，以确定旋转装置的问题，以及确定旋转装置是否和在什么时候需要修理或替换。类似的，许多加工厂包括电力控制和诊断应用软件，例如由Liebert和ASCO公司提供的那些应用软件，以控制和维护发电和配电装置。已知的还有通过在加工厂中运行控制优化应用软件，例如实时优化器(RTO+)来优化加工厂中的控制行为。这些优化应用软件通常使用复杂的算法和/或加工厂模型，以预报怎样通过改变输入来优化加工厂的操作，从而达到一些例如效益的目标优化值。

这样或者其它的诊断和优化应用程序通常在基于一个或者多个操作员或者维护工作站的系统尺度上实现，并且可以向操作员或者维护人员提供关于加工厂或者加工厂内设备和装置的运行状态的预先配置的显示器。典型的显示器包括：告警显示器，其接收由加工厂内的过程控制器或者其他设备产生的告警；控制显示器，其表示加工厂内的过程控制器或者其他设备的运行状态；维护显示器，表示加工厂内设备的运行状态，等等。类似的，这样或者其它的诊断应用程序可以使操作员或者维护员能够重调节控制环或者重置其他控制参数，在一台或者多台现场设备上运行测试以确定这些现场设备的当前状态，校准现场设备或者其他装置，或者在加工厂的设备和装置上进行其他的问题检测和纠正行为。

虽然这些各种应用程序和工具有助于确定和纠正加工厂中的问题，但是这些诊断应用程序通常被配置为只有在加工厂中已经发生问题后，也就是在工厂中已经存在异常情况后，才能起作用。不幸的是，在被这些工具检测、确定和纠正之前，异常情况可能已经存在了一段时间，从而导致在问题被检测、确定和纠正的时间段里加工厂的非最优性能。在许多情况下，基于告警、警报或者加工厂的不良表现，控制操作员最先检测到问题的存在。操作员会将潜在的问题告知维护人员。维护人员可能会检测到实际发生的问题，也可能检测不到，并且在实际运行测试或者其他诊断程序之前可能需要更多的提示，或者进行确定实际问题所需要的其他行为。一旦问题被确定，维护人员可能会需要整理各部分并且安排维护程序，所有这些都会导致在问题发生和问题纠正之间需要大量的时间，而在这段时间中，加工厂运行在通常与工厂的非最优操作相关的异常情况中。

此外，许多加工厂可能都经历过在较短时间内就对加工厂造成大量开销或者破坏的异常情况。例如，一些异常情况可能导致对装置的显著破坏，对原料的浪费，或者加工厂内的长时间意外停工，即使这些异常情况仅仅存在了很短时间。这样，仅仅在工厂的问题发生之后才检测问题，无论问题被纠正得多快，都仍然可能导致加工厂中的重大损失或者破坏。结果是，需要首先努力防止异常情况的出现，而不是仅仅在异常情况出现后试图对加工厂中的问题进行反应和纠正。

一种可以用于收集数据从而让用户可以在加工厂内的异常情况出现之前就预测到异常情况的发生的技术，其用于采取措施来在加工厂中的重大损失发生之前阻止所预测到的异常情况。该程序由申请序列号为09/972,078，标题为“根本原因诊断”的美国专利申请(部分基于申请序列号为08/623,569，专利号为6,017,143的美国专利)所公开。这些申请所公开的内容整体在此通过引用并入。一般而言，这些技术在加工厂内许多例如现场设备这样的设备的每一个中，放入统计数据收集和处理块或者统计处理监视(SPM)块。举例来说，统计数据收集和处理块收集过程变量数据，并且确定与所收集的数据相关的统计测量结果，例如平均值、中值、标准差，等等。之后这些统计测量结果可以发送给用户，并且被分析以识别出暗示在未来会发生的已知异常情况的模式。一旦检测到特定的被怀疑的未来异常情况，就可以采取措施来纠正潜在的问题，从而首先避免异常情况。

反应器通常用于化学和制药工业中。一般来说，反应器包括用于将不同物质混合在一起的搅拌器。在一些过程中，所述混合导致放热反应。物质被加到反应器的速度至少部分地基于反应器的冷却能力，因为如果反应器变得过热，可能发生爆炸或者可能降低反应器输出的质量和/或数量。如果搅拌器意外地停止工作，过程的成份可能沉入反应器内的未反应原料层中。如果搅拌器重新启动，大量的成分可能突然之间反应而引发爆炸。

用于监控搅拌器是否在工作的一种技术包括监控驱动所述搅拌器的马达。例如，如果马达正在运转，则可以假定搅拌器正在工作。然而，存在搅拌器停止工作而马达继续运转的情况。例如，搅拌器的轴可能与马达断开。再例如，马达和轴之间的连接机制可能产生故障。

另外，如果搅拌器故障，可能导致反应器的损坏。例如，一些反应器是搪玻璃制的。举例来说，当搅拌器的叶轮脱落时，可能导致昂贵的搪玻璃反应器无法使用。然而，使用现有技术却难以预测这样的故障。

发明内容

一种用于检测与加工厂内的反应器相关的异常情况的系统，其接收与反应器容器内的压力相关的统计数据。例如，至少部分地置于所述反应器容器内的压力传感器设备可以基于压力信号生成统计数据。分析这些统计数据以检测是否存在一个或更多与所述反应器的搅拌器相关的异常情况。例如，可以分析所述统计数据以检测所述搅拌器是否不再转动，所述搅拌器是否未以期望的速率转动，所述搅拌器是否失去平衡，所述搅拌器是否故障等等。如果检测到异常情况，可以生成异常情况指示符。

附图说明

图1是示例加工厂控制和诊断网络的结构图；

图2是基于压力信号生成异常情况指示符的示例子系统的结构图；

图3是用于检测与加工厂中反应器的搅拌器相关的异常情况的示例性方法的流程图；

图4是用于检测反应器的搅拌器故障和/或停止移动的示例方法的流程图；

图5是用于检测搅拌器故障和/或移动得比期望的慢的示例方法的流程图；

图6是用于检测搅拌器故障和/或移动得比期望的慢的另一示例方法的流程图；

图7是用于检测不平衡和/或故障的搅拌器的示例方法的流程图；和

图8是可以实现图2中子系统的全部或者部分的示例性基于规则的系统的结构图。

具体实施方式

图1是示例加工厂控制和诊断网络10的结构图，示例加工厂控制和诊断网络10包括通过通信链路15连接到工作站14的过程控制器12。通信链路15可以包括例如以太网通信连接，或者其他任何类型的有线、光学或者无线通信连接。另外，通信链路15可以是连续的或者间歇的链路。控制器12还通过输入/输出(I/O)设备(未示出)和一组通信线路或者总线18而连接到加工厂中的设备或者装置。在图1的示例中，控制器12连接到与反应器单元16相关的设备和装置。控制器12，仅仅为了示例可以是爱默生过程管理有限公司出售的DeltaV^TM控制器，其能够与诸如遍布加工厂的现场设备和现场设备中的功能块这样的控制元件通信，以执行一个或更多过程控制例程，从而实现期望的对反应器单元16的控制。这些过程控制例程可以是连续的或者分批的过程控制例程或程序。工作站14(可以包括例如个人计算机、服务器等等)可以由一个或更多工程师或者操作员使用，以设计将由控制器12执行的过程控制例程，并且与控制器12通信从而下载这些过程控制例程，以及在加工厂的运行期间接收和显示关于反应器单元16的信息，或者以其它方式与由控制器12执行的过程控制例程交互。

工作站14包括用于存储应用程序和数据的存储器(未示出)，所述应用程序诸如配置设计应用程序、维护应用程序、用户接口应用程序、诊断应用程序等等，而所述数据诸如与反应器单元16的配置相关的配置数据、维护数据、诊断数据等等。工作站14还包括处理器(未示出)，所述处理器执行应用程序以使得使用者可以设计过程控制例程并且将这些过程控制例程下载到控制器12。类似地，控制器12包括存储器(未示出)和处理器(未示出)，所述存储器用于存储配置数据和将用于控制反应器单元16的过程控制例程，所述处理器执行过程控制例程以实现过程控制策略。如果控制器12是DeltaV^TM处理器，其与一个或更多由工作站14实现的应用程序一起，可以向使用者提供控制器12中的过程控制例程的图形描述，该图形描述用于图示过程控制例程中的控制元件以及配置这些控制元件以提供对反应器单元16的控制的方式。

在图1所示的示例加工厂控制和诊断网络10中，控制器12通过总线18与反应器单元16通信地连接。反应器单元16包括反应器容器20；两个输入阀22和24，其被连接以控制从例如原料罐(未示出)向反应器容器20提供流体的流体入口线路；和输出阀26，其被连接以控制通过出口流体线路从反应器容器20流出的流体。搅拌器30被放置于反应器容器20内。搅拌器30包括轴32和连接到轴32的叶轮34。连接到轴32的马达36使得轴32和叶轮34旋转。马达控制元件40被用来控制马达36，并从而控制搅拌器30。可以包括例如振动传感器、当前负载传感器等的马达传感器42，其可以用来监控马达40的运转。

压力感测设备50可以至少部分地放置于反应器容器20内从而允许对反应器容器20内的压力进行感测，所述压力感测设备50可以包括法兰式差压传感器和吹气管压力传感器等等。压力感测设备50还可以用于感测反应器容器20内部的原料水平。

如图1所示，控制器12通过总线18而通信地连接到阀22、24和26、马达控制元件40、马达传感器42以及压力感测设备50，从而控制这些元件的运转和/或从这些元件接收数据。当然，控制器12可以通过另外的总线，以及诸如4-20ma线路、HART通信线路之类的专用通信线路而连接到反应器单元16的元件。

图1中所示的阀、传感器和其他装置可以是期望的任何类型或类别的装置，其包括例如Fieldbus现场设备、标准的4-20ma现场设备、HART现场设备等等，并且可以通过诸如Fieldbus协议、HART协议、4-20ma模拟协议之类的已知的或期望的任何通信协议与控制器12通信。更进一步，可以用期望的任何方式将其他类型的设备连接到控制器12并且由控制器12来控制。另外，其他的控制器可以通过例如通信链路15而连接到控制器12和工作站14，以控制与加工厂相关的其他设备或区域，并且这些其他控制器的运转可以以期望的或者已知的任何方式而与如图1所示的控制器12的运转相协调。

压力感测设备50可以包括用于存储例程的存储器(未示出)，所述例程诸如用于实现与由压力感测设备50感测到的压力有关的统计数据收集的例程。压力感测设备50还可以包括处理器(未示出)，所述处理器执行的例程诸如实现统计数据收集的例程。由压力感测设备50存储和实现的例程可以包括一个或更多块54，所述块54用于收集和/或处理与压力感测设备50相关的统计数据。例如，块54可以包括高级诊断块(ADB)，该ADB是已知的Foundation Fieldbus功能块，其可以加入到Fieldbus设备以收集和处理Fieldbus设备中的统计数据。其他类型块或者模块也可以用于收集设备数据，并且为该数据计算、确定和/或处理一个或更多统计测量结果或者参数。并且，压力感测设备50无需包括Fieldbus设备。进一步，块54可以由压力感测设备50内的软件、固件和/或硬件的任意组合来实现。

虽然块54被示为位于压力感测设备50内，不过块54或者类似的块可以部分地或者全部地位于其他现场设备22、24、26、40和42的任何构件中，并且可以部分地或者全部地位于诸如控制器12、I/O设备(未示出)、工作站14或者其他一些设备的其他设备中。应该理解，其他设备22、24、26和40中的一些或者全部可以实现其他块或者模块，以收集与那些其他设备相关的数据，并且为该数据计算、确定和/或处理一个或更多统计测量结果或者参数。

一般来说，块54或者块54的子元件用于收集数据并且对该数据进行统计处理或者分析，所述数据诸如与反应器容器20中感测到的压力相关的数据。块54可以包括诸如一个或更多统计处理监控(SPM)块或单元的子元件，其可以收集与反应器容器20中感测到的压力相关的数据，或者与压力感测设备50相关的数据，并且对所收集的数据进行一个或更多统计计算，以确定所收集数据的例如平均值、中值、标准差等等。

这里使用对术语“统计处理监控(SPM)块”所描述的功能执行对至少一个过程变量或者其他过程参数的统计过程监控，并且该功能可以用期望的任何软件、固件或者硬件执行，而所述软件、固件或硬件由对其进行数据收集的设备实现，或者在该设备内部甚至是该设备外部实现。应该理解，由于SPM通常由收集到设备数据的设备实现，或者作为该设备的一部分，SPM可以得到数量上更多并且质量上更加精确的过程变量数据。结果是，较之在进行过程变量数据收集的设备外部实现的块，SPM块通常能够确定关于所收集过程变量数据的更佳的统计计算。

虽然此处描述的SPM块是ADB的子元件，不过作为替换地，SPM块可以是位于设备内的独立块。同样，虽然此处所阐述的SPM块可以是已知的Foundation Fieldbus SPM块，不过术语统计过程监控(SPM)块在这里用于表示任何类型的完成下列功能的块或者元件，即收集诸如过程变量数据的数据，并且对这些数据执行某些统计处理以确定诸如平均值、标准差之类的统计测量结果。其结果是，该术语意图覆盖执行这种功能的软件、固件、硬件和/或其他元件，而不管这些元件采用功能块的形式或者其他类型的块、程序、例程或者元件，也不管这些元件是否符合Foundation Fieldbus协议或者诸如Profibus、HART、CAN之类协议的一些其他协议。如果需要，可以如同在美国专利No.6,017,143中描述的那样执行或者实现块54的潜在运行。

然而，应该理解，可以使用不同于美国专利No.6,017,143中所描述的技术而完成或者实现块54。仅仅作为一个实例，Blevins等的美国专利No.6,615,090描述了可变性索引发生器，其为加工厂中的功能块生成可变指示。一般来说，该可变指示提供对与设备或者功能块相关的参数相对与设备或者功能块相关的设定点或者其他值的偏离的统计测量结果。出于所有目的，美国专利No.6,615,090通过引用以其全部内容合并于此。

由块54收集和生成的数据可以通过控制器12和通信链路15而被诸如工作站14的外部客户端访问。作为增加地或者作为替换地，由块54收集和生成的数据可以通过例如通信服务器60而被工作站14访问。通信服务器60可以包括例如用于过程控制的对象链接和嵌入(OLE)(OPC)服务器、被配置为运行在Ovation通信网络中的服务器，以及网络服务器等等。通信服务器60可以通过通信连接来接收由块54收集和生成的数据，所述通信连接诸如无线连接、硬连线连接、间歇连接(例如使用一个或更多手持设备的那种)或者其他任何使用期望的或者合适的任何通信协议的期望通信连接。当然，此处描述的任何通信连接可以使用OPC通信服务器来集成从不同类型的设备接收到的具有共同或者一致格式的数据。

更进一步地，可以在工作站、服务器、个人计算机等或者从设备50分离的其他现场设备中实现SPM块，从而在收集或者生成诸如压力数据的原始数据的设备50外部执行统计过程监控。这样，例如，一个或更多SPM块可以由工作站14实现。这些SPM块可以通过例如控制器12或者通信服务器60收集原始压力数据，并且可以为该压力数据计算某些统计测量结果或者参数，例如计算平均值、标准差等。虽然这些SPM块并不位于收集数据的设备50内，并且由于对这些数据的通信需要而通常不能收集那么多的压力数据来进行统计计算，但是这些块有助于为不具有或者不支持SPM功能的设备确定统计参数。这样，在下面的阐述中应该理解，任何被描述为由SPM块生成的统计测量结果或者参数，可以由设备50或者其他设备所实现的SPM块生成。

一般来说，图1中的过程控制和诊断系统可以被用来实现分批过程，在所述分批过程中，例如工作站14执行分批执行系统，而所述分批执行系统实现并且合并使用反应器单元16的不同批运行。这样的分批执行系统可以存储在图1的工作站14。可以在其他工作站中存储并执行所述分批执行系统，或者可以在其他以任何期望的方式，包括任何无线方式，通信地连接到通信链路15或者总线18的计算机中存储并执行所述分批执行系统。类似地，分批执行系统可以被分为各种部件，或者与存储并执行于加工厂中的不同计算机或者工作站的各种部件相关联。图1的过程控制和诊断系统可以类似地被用来实现连续过程。

在运行中，控制器12可以通过马达控制元件40而让马达36使搅拌器30转动。马达传感器42可以提供指示马达36是否运转或者以何种速度运转的数据。然而，基于马达传感器42所提供的数据，难以确定搅拌器32是否的确在转动。例如，如果轴32故障或者马达36和轴32之间的连接机制(未示出)故障，马达36可以继续运转但是搅拌器30可能不转动或者转动得远远低于所期望的速度。

由于搅拌器30的叶轮34经过压力感测设备50而移动，由压力感测设备50感测到的压力可能变化。例如，可能出现压力峰值。如果搅拌器30包括两个叶轮34，搅拌器30每次旋转都可能出现两次压力峰值。类似地，如果搅拌器30包括三个叶轮34，搅拌器30每次旋转都可能出现三次压力峰值。由压力感测设备50感测到的压力可以用来检测与搅拌器30相关的异常情况。例如，由压力感测设备50感测的压力可以用来检测所述搅拌器停止转动或者低于所期望速度转动。同样，由压力感测设备50感测的压力可以用来检测其他异常情况，例如搅拌器30失去平衡、叶轮34故障等等。

虽然在图1中仅仅示出了一个压力感测设备，但是也可以包括一个或者更多附加的压力感测设备。这些附加的压力感测设备中的每一个均可以包括或者关联到一对应的块，其用于收集和/或处理统计数据，这类似于块54。类似地，可以包括其他类型的感测设备，例如音频传感器，以生成与反应器容器相关的附加数据，这些附加数据可以用来确定是否存在与搅拌器30相关的异常情况。

图2是用于生成与压力感测设备50相关的统计数据的示例子系统100的结构图。子系统100可以例如作为图1的块54的一部分实现，并且可以全部地或者部分地由压力感测设备50实现。进一步，图2所示的每个块可以全部地或者部分地由压力感测设备50实现。这样，子系统100的一些或者全部可以由一个或者更多其他设备实现，所述其他设备例如加工厂中的现场设备、控制器12、工作站14、通信服务器60或者一些其他与加工厂相关的计算设备。子系统100包括类似于美国专利No.6,017,143所描述的过程设备的各方面。

统计参数发生器104接收由压力感测设备50生成的压力信号，并且为该压力信号计算统计参数。这些统计参数可以包括例如压力信号的标准差、平均值、采样方差、均方根(RMS)、范围(ΔR)和变化率(ROC)中的一个或多个。生成这些参数的等式的例子如下：

(等式1)