JP3637061B2 - 情報格納のための現場送信機 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、プロセス制御ループ内の送信機に関する。本発明は、特に、プロセス変数のデジタル化代表値を格納するための現場送信機に関する。
プロセス制御ループは、例えば、精油所におけるプロセスの制御運転に使用される。現場に設置された送信機は、流体流量のようなプロセス変数を監視し、該プロセス変数を代表するデータを制御室内に置かれた制御装置に送信する。前記制御装置は多数の送信機からプロセス変数を代表する信号を受信し、例えばバルブ位置決め装置等の現場の装置に信号を送ることにより、プロセスを変更させる等の、プロセス制御が可能である。前記制御装置は代表的には毎秒１回の更新速度で、送信機からデジタル情報を受信する。いくつかの制御装置は現場送信機から受信した変数を処理し、プロセスの状態を示す診断を与える。例えば、流量が予定のシステム許容値または警報限界値を超過した場合、制御室内の制御装置は現場送信機からデジタル情報を受信し、その後、警報を発してプロセスを遮断するステップをとることができる。
現場に設置されたプロセス制御装置によるプロセスの監視および制御の改善については継続的ニーズがある。
発明の概要
プロセス制御ループに結合されたプロセス制御システム内の送信機は、プロセス変数を感知するためのセンサと、プロセス変数のデジタル代表値およびサンプル時間情報をメモリ内へ格納する回路とを含む。前記センサに結合されたアナログ／デジタル変換器はデジタル化されたプロセス変数を出力する。該デジタル化されたプロセス変数はサンプル時間において取得される。インタフェースは前記送信機をプロセス制御ループに結合し、前記制御ループを介して情報を伝達する。前記送信機は伝達に使用されるのと同じ制御ループによって給電される。送信機はクロックおよびメモリを含む。制御回路はデジタル化されたプロセス変数およびクロック情報を受信し、その後メモリ内に格納する。前記制御回路はこれらの情報を格納し、これによって記憶されたデジタルプロセス変数がそのサンプル時間と関連付けられる。
【図面の簡単な説明】
図１は工業プロセスを監視するプロセス制御システムの図である。
図２はプロセス制御ループに結合された、本発明に係る送信機のブロック図である。
図３は図２の送信機内のマイクロプロセッサの動作のフローチャートである。
図４はプロセス制御ループである。
図５はプロセス制御システムの概要図である。
図６は図５のプロセス制御システムにおける流量対バルブ位置のグラフである。
好ましい実施形態の詳細な説明
図１は工業プロセスを監視するプロセス制御システム10の図である。図１に示した工業プロセスは貯蔵タンク12および14ならびに分配配管16を含む流体貯蔵システムである。プロセス制御システム18は制御室20、流量送信機22,24、バルブ26,28、およびレベルセンサ30,32を含んでいる。制御室20、送信機22,24、バルブ26,28、およびレベルセンサ30,32は２線式制御ループ34上に一緒に結合される。制御ループ34は、例えば、点と点とを結ぶ多数のアナログ４−20mA電流ループまたはデジタル・フィールド・バス・ループから構成することができる。
制御室20は、操業中、パイプ16からの流体の流量を送信機22および24で監視すると共に、レベルセンサ30および32でタンク12および14の流体の液面を監視する制御装置を含んでいる。制御室20内の回路は、送信機22,24およびレベルセンサ30,および32から受信した情報に基づき、バルブ26,28を調節して所望のプロセス制御を実行する。付加的なバルブと送信機（現場装置）とタンクとをシステム18内に含めることができることに注意すべきである。さらに、送信機およびバルブは同じ制御ループ上にある必要はない。
制御室20内の制御装置は、例えば送信機22に質問して送信機22から流体の流れに関する情報を受信する。一般的に多くのループが監視されているため、リアルタイムでの質問は一般的には不可能であり、送信機22からの情報受信のための最大更新速度は、例えば毎秒１回と比較的遅い。制御室20内の回路はこの情報を使用してプロセスの動作を制御し、システム動作の診断を実行する。さらに、感知されたパラメータがある限界を超過した場合、制御室20内の回路はプロセスの誤動作を認識してプロセスの遮断または診断の実行を開始する。
送信機22は、プロセス変数のサンプル時間に関係するクロック出力を計数するソフトウエアまたは回路を有する。前記ソフトウエアまたは回路において、計数値は予め決定した数値にセットできる。計数を進める速度もまた既知ないしは制御されなければならない。「関連（association）」の処理はセンサ出力を代表するデータおよび該センサのデータをデータ要素に取り込む時間の計数値を結合するステップから構成できる。前記データ要素はそれから制御室に送信される。また、センサ出力を代表するデータおよびそのデータが取得されたときの計数値は、固定のオフセット値で互いにメモリに格納されることができる。つぎに、それらは、送信時にデータ要素に結合されることができる。
図２は本発明に係る現場送信機22のブロック図を示す。この例では、送信機22は流体の流量を測定する。送信機22は流量センサ40、アナログ／デジタル変換器42、アナログ／デジタル変換器44、マイクロプロセッサ48、メモリ50、クロック52、およびインタフェース54を含んでいる。送信機22は図示のように、制御室20内の制御装置56に該送信機22を接続する制御ループ34に結合されている。制御装置56は電源58および抵抗R_L60でモデル化され、代表される。制御装置56は制御ループ34および送信機22を通って流れる電流Ｉを発生する。マイクロプロセッサ48は送信機22の動作を制御する制御回路として機能する。しかし、他の制御回路での実施も本発明の範囲内である。
操業中、センサ40はプロセス変数（または多変数）、ここでは流量Ｑを代表する差圧を感知する。PV（プロセス変数）は、デジタル化されたプロセス変数をマイクロプロセッサ48へ供給するアナログ／デジタル変換器42および44でデジタル形式に変換される。マイクロプロセッサ48はインタフェース54を付勢し、プロセス制御ループ34を通じて制御装置56へアナログまたはデジタル情報を送信する。前記情報はエラーを低減するために補償される。アナログ送信機の場合、ループ34を通過する電流Ｉの大きさは感知されたプロセス変数を代表する。例えば、4mA信号は感知されたPVの最小値を代表し、一方、20mA信号はPVの最大値を代表する。デジタル送信機の場合、インタフェース54は制御ループ34内の電流Ｉにデジタル信号を重畳させる。また、制御装置56はインタフェース54で受信されてマイクロプロセッサ48の制御動作に使用されるデジタル信号を制御ループ34上に重畳させる。これらの信号は、例えば、送信機22からの情報の質問要求であることができる。多投下（multi drop）モードで使用される場合は、付加的な送信機（図２には示されていない）を制御ループ34上に設けることができる。
インタフェース54はまた送信機22の構成部品に電力を供給する。電力はループ34を通って流れる電流Ｉから生成される。インタフェース54から符号PWRで示されたラインを介して、前記電力が送信機22の各種構成部品に供給される。送信機22の動作電力のすべては制御装置56から供給されるので、送信機22内の各回路を電力消費量低減のために可能な限り最適化するのが極めて重要になっている。
本発明に従えば、マイクロプロセッサ48にはメモリ50とクロック52が接続される。マイクロプロセッサ48はメモリ50に対して情報を格納し、かつ読み出す。クロック52はリアルタイム情報を維持し、そして特定の外部の時間管理基準に関係して時間を管理するのに利用される。ループ内の各種のクロックは、１の送信機のクロックが他の送信機のクロックと予定の関係を有するように互いに同期がとられる。プロセス制御システムにおけるクロックの同期のための技術は、「制御ネットワークの時間同期（TIME SYNCHRONIZATION OF CONTROL NETWORKS）」と題された米国特許第4,939,753号に説明されている。
基本的な形式の１つにおいて、本発明は、あるサンプル時間に取得されて記憶された変数と前記サンプル時間に関係する情報との間の関連（link）を提供する。これは多くの利益を提供する。例えば、極めて短いサイイプリング時間にわたる情報を後の解析のために記憶できる。該解析は短いサンプリング期間と比べて比較的ゆっくりとできる。記憶された情報は、スペクトル分析の実行に使用できる。さらに、リアルタイムの情報が使用された場合は、時間情報はプロセス制御システムの１つの地点で測定された変数と他の地点で測定された変数との関連を提供する。この関連は、異なった変数を、制御システムが互いに関連付けることを可能にする。このような相関性は、例えば、診断において使用できる。
１の実施例において、送信機22は２つのアナログ／デジタル変換器42,44を含んでいる。アナログ／デジタル変換器42は、アナログ／デジタル変換器44で提供される変換速度および解像度よりも遅い速度および高解像度のアナログ／デジタル変換を行う。（他の実施例においては、可変変換速度の単一のアナログ／デジタル変換器が使用される。）マイクロプロセッサ48はアナログ／デジタル変換器42から受信したデジタル化プロセス変数を、インタフェース54を介し、ループ34を通じて制御装置56に送信する。さらに、マイクロプロセッサ48はクロック52から（クロック出力を）受信する。この情報は、クロック52がマイクロプロセッサ48から質問されたときの、ネットワーク（すなわち図１に示したシステム）上のリアルタイムと関係する。マイクロプロセッサ48はメモリ50にクロック情報を記憶する。デジタル化されたアナログ／デジタル変換器44からのプロセス変数はマイクロプロセッサ48で受信され、メモリ50に記憶される。ある実施例では、この情報は、規則正しい時間間隔、例えば５ミリ秒毎に記憶できる。この処理は、デジタル化プロセス変数が記憶され、かつアナログ／デジタル変換器44によってプロセス変数（PV）がデジタル化される時間と、該プロセス変数が関連付けられたテーブルをメモリ50内に形成する。（これは多くの適当な手段で達成できる。１例として、サンプル時間はある他の時間との関連で比較できる時間にすべきである。）表１はメモリ50内に形成された結果としてのテーブルを示す。
表１に示すように、メモリ50内の位置000に記憶された第１の情報はクロック52から受信した時間である。この例では、初期時間は０である。これはネットワーク上の時間に対応し、他の現場装置に同期される。そして、マイクロプロセッサ48はメモリ50の後続する位置へのデジタル化されたプロセス変数の記憶を続行する。後続の各位置は、時間についての次の点、例えば５ミリ秒毎の時点を表す。こうして、位置011に記憶されたデジタルプロセス変数は、５ミリ秒の時間インクリメントの10倍を初期時間にプラスした（すなわち、初期時間プラス50ミリ秒）時点で取得されたと判断できる。送信機22のすべての動作電力がループ34を通じ

て供給されることから、CMOS EEPROMのような電力消費を低減するメモリが選択されることは重要である。
図３はマイクロプロセッサ48の動作を示す簡単化されたフローチャートである。マイクロプロセッサ48は電力消費を低減するため、CMOSで実現するのが好ましい。好ましい実施例では、マイクロプロセッサ48は約1Kワードのデータ記憶容量を有するオン・チップEEPROMを含んでいる。マイクロプロセッサ48はクロック52をループ34上の他の送信機のクロックと同期させる。マイクロプロセッサ48は感知されたPVおよび該PVを感知したときの時間と関係するクロック52からのリアルタイムクロック出力を受信する。もしもインタフェース54を通じて制御装置56から質問要求を受信したならば、マイクロプロセッサ48はトリガされ、インタフェース54を介して制御装置56にデジタルプロセス変数を送る。１つの実施例において、デジタルプロセス変数はアナログ／デジタル変換器42を使用してデジタル化される。次に、マイクロプロセッサ48は、上述するとともに表１に示したように、メモリ50にデジタルプロセス変数およびリアルタイムクロック入力情報を記憶する。１つの実施例において、マイクロプロセッサ48はメモリ50内に記憶されている情報を予定の許容可能な値の範囲と比較する（いくつかの別の例を以下に詳細に説明する）。記憶されたデータが前記許容範囲から外れている場合、つまりメモリに記憶されているデータポイントの列（PVs）がエラーを示した場合は、マイクロプロセッサ48は警告状態をトリガする。この警告状態は診断を初期化でき、プロセスが許容可能なパラメータ限界から外れて変化したことを制御装置56に通告する。エラーがない場合、処理は繰り返されてマイクロプロセッサ48はアナログ／デジタル変換器からPVを受信する。図３に示したシーケンスのいくつかのステップは例示を目的としており、他のシーケンスも本発明の範囲内である。
図４は図１に示したプロセス制御システム18のブロック図である。図４はループ34を介して送信機22に結合された制御室機器56を格納している制御室20を示す。システム18はバルブ62、送信機64および支援モジュール66を含んでいる。送信機22、バルブ62、および送信機64のすべては、図２に示したメモリ50およびクロック52と同様のメモリおよびクロック回路を含むことができる。この実施例において、バルブ62は、バルブ位置が時間情報と相関付けられた表１と同様のテーブルを作り出す。同様に、送信機64は、それが検出するプロセス変数（例えば流体の液面高さ）を時間情報と関連付けたテーブルを自己のメモリ内に生成することができる。支援モジュール66は、該支援モジュール66がセンサまたはアナログ／デジタル変換器を含んでいない点を除き、図２に示した送信機22と類似である。支援モジュール66はマイクロプロセッサ、メモリ、クロックおよびインタフェースを含んでいる。支援モジュール66はループ34を通じて情報を送信したり受信したりできる。
図５はプロセス制御システム80の概要図であり、バルブ82および流量送信機22を示している。プロセス流体の流れの方法はライン86で示されている。バルブ82は位置決め装置88に結合された制御バルブである。図６には、バルブ82のバルブ特性すなわちバルブ位置と流量との関係を示す。Ｘ軸上のバルブ位置をＹ軸にＱで示す流量の関数として示す。流量送信機22は特定のネットワーク時間においてバルブ位置を代表する情報を制御バルブ82から受信する。流量送信機22内のメモリ50はリアルタイム（ネットワークの）と相関を有する流量に関する情報を格納している。制御バルブ82内の回路は、バルブ位置および関連するリアルタイム値を収容する以外は、表１と同様のテーブルを生成する。制御バルブ82からのこの情報は、該制御バルブ82が流量送信機22から質問されたときに、ループ34を通じて流量送信機22に送られる。リアルタイム値は送信機22で測定された流量と制御バルブ82から供給されるバルブ位置との関連を与える。この情報に基づき、流量送信機22内のマイクロプロセッサ48は、流量／バルブ位置の相関関係と、許容流量／バルブ位置の相関関係とを比較でき、プロセスが正常に機能しているか否かを判断できる。前記相関関係が許容範囲から逸脱していたならば、マイクロプロセッサ48は警報をトリガし、ループ34を通じて制御室回路56に警告信号を送出する。さらに、送信機22は故障の状態に応答してバルブおよび他の現場装置に指示を送ることができる。
１つの実施例において、バルブ82は高性能（smart）バルブであって、図２に示した送信機22と同様、マイクロプロセッサ、メモリ、およびクロックを有する。このような実施例において、前記高性能バルブはバルブ位置を記憶する。バルブ位置は制御されるプロセスに関連したプロセス変数である。
図４の支援モジュール66は図６に示したのと同様の相関関係を展開することができる。さらに、制御室装置56はループ34上の多くの送信機や現場装置に、装置56が同様の相関関係を展開できるように、ループ34を通じてそれらのメモリの内容を送るよう質問できる。情報は直ちにデジタル化されて情報感知装置内に記憶されるので、該情報が通常のシステム更新速度で制御ループ34を通じて周期的に送信される場合よりもサンプル間隔を非常に小さくできる点に注意すべきである。したがって、例えば、メモリ50に記憶された情報または測定された１のプロセス変数と他のプロセス変数との相関関係の高速フーリエ変換で得られるような、有用な周波数分析を生成するための十分な高解像度を得ることが可能である。前記変換は標準のFFT技術を使用してマイクロプロセッサ48で実行される。このような実施例では、マイクロプロセッサ内にデジタル信号処理能力を含ませることができる。さらに、記憶された情報の処理では短いサンプル期間中に収集された情報を参照でき、かつこれに比較して非常に長い期間を通じて該情報を処理するので、前記処理は比較的遅い速度で行え、電力を節減できる。
本発明における相関関係は時間および周波数の両領域（domain）で実行できる。前記相関関係はシステム運転の診断のため、基準線運転と比較される。
一例として、相関関数は流量を制御する。この情報はポンプの摩耗または差圧送信機に結合されたセンサ・インパルス・ラインへの入力の不通を検出するのに使用される。ポンプの異変は周波数の領域を観察したとき特定パターンへの移行（上昇）を生じさせる。
フィールドバス通信プロトコルを使用することによって、制御システム内の多くの装置のクロックをデジタル制御システムのクロックに同期させることができる。
他の実施例では、メモリへ種々の診断情報を記録している間、制御ループ上のPV出力を一定に保持することができる。この診断情報はループ・インピーダンス、電源特性（電圧、電流およびノイズ）または接地ループ情報を含んでいる。これらのオフライン診断結果は許容値と比較されて送信機の動作が診断される。記憶情報は操業中の異変を検出するための基準線を生成するのに使用できる。
好ましい実施例はある現場送信機に関して説明したが、本発明は、各種の現場装置に適用される。これには、送信機、バルブ位置決め装置、スイッチおよび個別の装置を含んでいる。本発明は、好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者は本発明の精神および範囲から逸脱することなく形成上および詳細の変更を為し得ることを認識することができるであろう。

Claims (11)

1. プロセス変数を感知するセンサと、
   前記センサに結合され、サンプル時間においてデジタルプロセス変数を出力するアナログ／デジタル変換器と、
   制御ループを通じて情報を通信し、電力を受入れるように、送信機を制御ループに結合するインタフェースと、
   クロック出力を有するクロックと、
   情報を記憶するためのメモリと、
   前記メモリおよびクロック出力に結合されて、デジタルプロセス変数と該デジタルプロセス変数のサンプル時間に関係するクロック出力とを記憶するための制御回路とを具備し、
   前記制御回路が、情報を送出する更新速度を有し、前記 インタフェースを付勢して、デジタルプロセス変数に関 係する情報をプロセス制御ループを通じて送出するとと もに、
   該制御回路は、前記更新速度の最大より大きい記憶速度 でメモリ内にデジタルプロセス変数を記憶するように構 成されたプロセス制御ループ内の送信機。
2. 前記制御回路が、前記インタフェースを付勢して、複数の記憶されたデジタルプロセス変数および記憶されたクロック出力を前記プロセス制御ループを通じて送信するように構成された請求項１記載の送信機。
3. 制御ループに結合された他の装置から制御システムの運転に関する複数のデータポイントと時間データを受信し、前記制御回路が複数の記憶されたデジタルプロセス値と複数の受信データポイントとの相関関係を生成し、該相関関係に関連した出力を提供する手段をさらに含む請求項１記載の送信機。
4. 前記制御回路が、メモリに記憶された情報のスペクトル分析を実施するように構成された請求項１記載の送信機。
5. プロセスに関連したプロセス変数を監視するための制御装置に結合され、該プロセス変数に関連した情報を該制御装置に送出するためプロセス制御ループ内で使用される現場装置において、
   プロセス変数の値を決定してPV出力を提供する手段と、
   制御ループから電力を受け入れるように制御ループに結合され、前記現場装置に電力を供給するとともに、制御装置と情報の通信を行う結合回路と、
   時間経過に関係した出力を提供する現場装置クロックと、
   複数の時間間隔で取得された複数のPV出力と、前記PV出力が取得された時間に関係する時間データとを記憶するメモリと、
   前記結合回路を介して更新速度に従って前記制御装置にPV出力を送信するとともに、複数のデジタルプロセス変数および時間データを記憶速度に従ってメモリに記憶する制御回路であって、前記記憶速度が前記更新速度の最 大より大きい制御回路と、
   前記制御ループに結合された他の現場装置から制御シス テムの運転に関係する複数のデータポイントおよび時間 データを受信する手段とを具備し、
   前記制御回路が、複数の記憶されたPV出力および複数の 受信したデータポイントの相関関係を展開して該相関関 係に関係した出力を供給するように構成された現場装置。
6. 複数の送信機に結合された２線式プロセス制御ループ内の送信機において、
   プロセス変数を感知するセンサと、
   時間間隔をおいて連続するデジタル値からなるデジタルプロセス変数を出力するアナログ／デジタル変換回路と、
   情報の通信のため、および２線式ループから電力を受け入れるため、制御ループに送信機を結合するインタフェースと、
   時間を計測するクロックと、
   ネットワーク上の現場装置に前記クロックを同期させ、これにより、前記クロックでリアルタイムを計測する手段と、
   情報を記憶するメモリと、
   前記アナログ／デジタル変換器、インタフェース、クロックおよびメモリに結合された制御回路であって、前記連続するデジタル値をメモリに記憶し、前記プロセス変数のサンプル時間に関係するクロックからのリアルタイム情報を記憶する制御回路とを具備し、
   前記制御回路がインタフェースを付勢し、プロセス制御 ループを通じて、予め選択された更新速度に従って、デ ジタルプロセス変数に関係した情報を送出するととも に、
   該制御回路は前記更新速度の最大よりも大きい記憶速度 でメモリにデジタルプロセス変数を記憶するように構成 された送信機。
7. 前記制御回路がインタフェースを付勢し、制御ループを通じて複数の記憶されたデジタルプロセス変数およびクロック出力を送信するように構成された請求項６記載の送信機。
8. 制御システムの運転に関係した複数のデータポイントおよび時間データを前記制御ループに結合された現場装置から受信する手段を具備し、
   前記制御回路が、前記複数の記憶されたデジタルプロセス変数および複数の受信したデータポイントの相関関係を展開し、該相関関係に関係した出力を提供するように構成された請求項６記載の送信機。
9. ２線式プロセス制御ループに結合されてプロセスを監視するためのプロセス制御システムにおいて、
   第１の送信機であって、
   プロセス変数を感知するセンサと、
   前記センサに結合され、サンプル時間におけるデジタルプロセス変数を出力するアナログ／デジタル変換器と、
   該第１の送信機を制御ループに結合して、該制御ループを通じて情報の通信および電力の受入れを行うためのインタフェースと、
   クロック出力を有するクロックと、
   クロックでリアルタイムを計測できるように、クロックの同期をとる手段と、
   情報を記憶するメモリと、
   前記メモリおよびクロック出力に結合され、デジタルプロセス変数および該デジタルプロセス変数のサンプル時間に対応するクロック出力を記憶するための制御回路であって、該制御回路はインタフェースを付勢し、プロセス制御ループを通じて複数の記憶されたデジタルプロセス変数および記憶されたクロック出力を送信する制御回路とからなる第１の送信機、ならびに、
   第２の送信機であって、
   プロセス変数を感知するセンサと、
   前記センサに結合され、サンプル時間におけるデジタルプロセス変数を出力するアナログ／デジタル変換器と、
   該第２の送信機を制御ループに結合して、該制御ループを通じて情報の通信および電力の受入れを行うためのインタフェースと、
   クロック出力を有するクロックと、
   クロックでリアルタイムを計測できるように、クロックの同期をとる手段と、
   情報を記憶するメモリと、
   前記メモリおよびクロック出力に結合され、デジタルプロセス変数および該デジタルプロセス変数のサンプル時間に対応するクロック出力を記憶するための制御回路であって、該制御回路はインタフェースを付勢し、プロセス制御ループを通じて複数の記憶されたデジタルプロセス変数および記憶されたクロック出力を送信する制御回路とからなる第２の送信機、ならびに、
   複数の記憶されたデジタルプロセス変数および記憶されたクロック出力を前記第１の送信機から受信し、複数の記憶されたデジタルプロセス変数および記憶されたクロック出力を前記第２の送信機から受信するために前記プロセス制御ループに結合され、かつ、前記記憶されたクロック出力に基づいて前記第１の送信機のプロセス変数を前記第２の送信機のプロセス変数に関連付け、プロセスの運転の指示を提供するモジュールを具備したプロセス制御システム。
10. 前記モジュールが、前記運転状態の指示を許容運転状態と比較し、前記指示が許容運転状態から外れていた場合に警報を付勢するように構成された請求項９記載のプロセス制御システム。
11. 前記モジュールがメモリ内に記憶された情報のフーリエ解析を実行するように構成された請求項９記載のプロセス制御システム。

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