CN102365532B

CN102365532B - 具有采样偏斜误差校正的过程设备

Info

Publication number: CN102365532B
Application number: CN2010800142695A
Authority: CN
Inventors: 约翰·P·舒尔特
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN102365532A; US8340791B2; JP2013506840A; EP2483644B1; WO2011041480A1; EP2483644A1; JP5603426B2; US20110082568A1

Abstract

一种用于监视或控制工业过程的工业过程设备(130)包括：第一输入，被配置为接收与第一过程变量PV1相关的第一多个采样；以及第二输入，被配置为接收与第二过程变量PV2相关的第二多个采样。补偿电路(150A、B)被配置为：补偿所述第一多个采样与所述第二多个采样之间的时间差值，以及提供与所述第一过程变量和所述第二过程变量中的至少一个相关的补偿输出。所述补偿输出可以包括，或可以用于，计算第三过程变量。所述第三过程变量可以用于监视或控制所述工业过程。

Description

具有采样偏斜误差校正的过程设备

技术领域

本发明涉及工业过程控制和监视系统。更具体地，本发明涉及现场设备，在该现场设备中，采样至少两个过程变量，以在监视或控制工业过程中使用。

背景技术

在制造和精炼各种货物和日用品(比如油、食品、药剂、纸浆等等)中使用工业过程。在这种系统中，一般由现场设备来测量过程流体的过程变量。过程变量的示例包括：压力、温度、差压、液平面(level)、流速等等。基于测量出的过程变量，如果使用反馈系统控制工业过程，则过程变量可以用来调整或以其他方式控制工业过程的操作。

基于两个或更多其他过程变量的测量来测量或计算某些类型的过程变量。例如，可以通过测量两个分离的过程流体压力并将两个测量相减来测量差压。差压可以用于确定容器中的过程流体的流速或液平面。然而，在使用两个分离的过程变量来确定第三过程变量时，可能在确定中引入由于时间偏斜误差所产生的误差。

发明内容

一种用于监视或控制工业过程的工业过程设备包括：第一输入，被配置为接收与第一过程变量相关的第一多个采样；以及第二输入，被配置为接收与第二过程变量相关的第二多个采样。补偿电路被配置为：补偿所述第一多个采样与所述第二多个采样之间的时间差值，以及提供与所述第一过程变量和所述第二过程变量中的至少一个相关的补偿输出。

附图说明

图1是示出了工业过程控制系统的简化框图，在该工业过程控制系统中感测两个分离的过程变量。

图2是示出了图1的现场设备的更详细视图的简化框图。

图3A和图3B是公共模式信号对时间的图及其对感测过程变量的设备的设备输出的效果的图。

图4是类似于图2的框图，其中，引入低通滤波器以提供对两个设备之间的时间偏斜的补偿。

图5是示出了在测量电路中所示的补偿电路的简化框图。

图6是示出了针对斜坡公共模式信号的线性外插技术的图。

图7是示出了非线性外插的图。

图8是示出了使用二次多项式的内插技术的图。

图9A是示出了根据本发明的一个配置的示例步骤的简化框图，以及图9B是设备输出对时间的图。

具体实施方式

如背景技术中所讨论的，在一些实例中，对过程变量的测量要求对两个或多个不同的过程变量的测量。一个普通示例是对差压的测量，其在一些实例中可以基于对两个分离的压力的测量(绝对的或量规(gauge)的)，然后确定其差值。

在一些实例中，可以通过对来自两个分离的过程变量传感器的数据进行采样来以电子方式实现该测量。然后使用采样数据以基于两个采样信号之间的数学关系产生输出。在于1999年2月19日发布的授予Gregory C.Brown和David A.Broden的标题为“DIFFERENTIALPRESSURE MEASUREMENT ARRANGEMENT UTILIZINGREMOTE SENSOR UNITS”的美国专利No.5,870,695中示意了一个示例配置。

图1示出了工业过程控制器监视系统100，在该系统100中，将过程变量变送器102示出为被配置为测量容器106(比如，罐)中的过程流体104的液平面。变送器102包括主外壳110和远程传感器112。使用已知的技术，主外壳110可以被配置为测量在容器106中的压力，并通过连接114从远程传感器112接收表示容器中第二压力的电信号。这两个压力可以用于确定容器106中的过程流体104的液平面。可以将与该测量相关的信息通过过程控制环路120发送至远程位置，比如过程控制室122。在图1中，将过程控制环路120示出为双线过程控制环路，其耦合到过程控制室122或其他位置，同时过程现场设备102可以位于远程位置。在这种配置下，过程控制环路120可以传送信息(比如从现场设备102发送的数据)，以及被用作针对现场设备102的唯一电源，使用来自控制室122的电力(被示意为与环路电阻124串联的电池126)。然而，可以使用包括无线过程控制环路在内的任何恰当的过程控制环路，在无线过程控制环路中，使用例如RF信令技术来发送数据。

尽管将现场设备102示出为具有两个主要组件：主体110和远程传感器112，还可以使用其他配置。例如，可以将两个远程传感器(比如远程传感器112)耦合到主体。在另一示例配置中，从远程传感器接收多于两个过程变量。

图2是示出了现场设备130的简化框图，现场设备130包括被配置为感测第一过程变量PV1的第一传感器132以及被配置为感测第二过程变量PV2的第二传感器134。更具体地，在被配置为感测过程变量的传感器132和134中分别提供过程变量传感器140A和140B。然后使用例如传感器132中的模数转换器142A和传感器134中的142B，对感测到的过程变量进行采样和数字化。然后向测量电路136提供数字化的过程变量PV1和PV2。测量电路136提供作为两个过程变量的函数的输出。例如，如果正在测量差压，则输出可以是PV1-PV2。

在这种设备中，对两个过程变量的采样一般不严格同步发生。采样可能在两个些微不同的频率上操作。在图2的示例中，示出了在采样率20Hz上操作的传感器132，同时示出了在采样率20.01Hz上操作的第二传感器134。尽管在理想的配置下，两个传感器将同步操作，在大多数实际应用中，这是无法实现的。

由于两个传感器不是精确同步的，某些类型的公共模式信号可能在测量结果中引入误差。在从一个更新到下一个更新中不明显改变的静态公共模式信号不是问题，因为两个采样率之间的时间偏斜所引入的误差是可忽略的。然而，对于动态公共模式信号，误差可能变得相当大。图3A是示出了斜坡公共模式压力信号的图，其中，过程变量PV1和PV2的采样是同步的。在该示例中，由于公共模式输入信号而引起的PV1和PV2之间的差值是零。然而，图3B是类似的图，其中，采样过程变量的更新是交错的，且不同时发生。这使得公共模式输入信号引入两个过程变量测量之间的差值，示出为ε。ε的值是公共模式信号的改变速率和获取两个采样的时间差值的函数。作为该误差的数值示例，可以示出每分钟10psi的斜率(ramp rate)，如果每个设备以每秒20个采样的速度更新，则差压测量中作为结果的误差将是0.22英寸的水。(假定最差情况偏斜误差，其中，每分钟10psi＝每50毫秒0.0083psi＝每次更新0.229英寸水，假定更新是50毫秒)。时间差值是1个更新周期。如果斜率增加，或如果更新之间的时间增加，则该误差将增加。

本发明提供了可以用于减少由于上述采样偏斜所引起的误差的补偿电路或方法。图4是类似于图2的简化框图，其示出这种补偿电路的一个示例实现。在图4的示例中，提供补偿电路150A和150B。在该示例中，补偿电路包括增加来自过程变量传感器140A和140B的信号的衰减的电路。在该情况下，在对过程信号采样之前，提供低通滤波器。注意，模数转换器可以位于设备132、134中，或位于测量电路136中作为单元142，且可以在模数转换之前或之后实现衰减功能。该方法减少了时间偏斜误差，因为低通滤波器减少了改变的速率，或PV1和PV2信号的斜率。

在图4的配置中，应当将两个设备132和134中的滤波器相匹配(即，具有相同的频率响应)。如果他们不匹配，则动态公共模式信号将作为普通模式信号出现在测量电路136。例如，动态公共模式信号将作为差压中的改变而出现。该方法的一个缺点是由于增加的衰减而使得系统的整体响应时间恶化。

图5是示出了在测量电路136中实现补偿电路160的配置的简化框图。在这种配置中，可以使用各种处理技术来补偿在PV1和PV2的采样之间的时差。下面描述两个示例，然而，本发明不局限于这些配置。类似地，本发明不局限于上述在感测设备132和134中实现补偿电路150A和150B并包括低通滤波器的配置。

在第一示例配置中，补偿电路160用于执行外插，比如线性外插，以补偿斜坡公共模式输入信号。图6是示出了来自设备132和134的公共模式输出信号对时间的图。还示出了PV1和PV2的更新时间。在这种配置下，使用线性外插来预测在特定时间处一个或两个过程变量的值。然后测量电路136使用该预测值来提供作为PV1和PV2的预测值的函数的输出。如果公共模式信号是连续斜坡向上或向下的，则该方法可以正确工作。然而，如果公共模式输入信号非线性地变化，且具体地，如果其改变方向，则在预测值中引入了误差(参见图7)。

图7是示出了在公共模式信号是非线性时的线性外插方法的误差的图。二阶多项式可以拟合最近三个采样更新，以提供对输入信号的更好估计，包括在公共模式信号具有某种程度的曲率的情况下。

图8是示出了用于处理采样偏斜的另一方法的图。在图8的示例中，使用内插技术来预测过去时间处两个过程变量的值。图8示出了非线性公共模式信号(虚线)。在这种配置下，最简单的方法是使用线性内插，其中，使用两个最近的更新来预测在这两个更新之间的某个时间点处的设备输出。如果涉及两个设备，则选择时间，使得每个设备历史具有一个在所选时间处或晚于所选时间处的更新，以及一个早于所选时间的更新。

可以通过使用非线性函数(比如多项式近似、样条方法(splinemethod)或其他内插技术)来获得该技术的另一增强，使得使用设备历史的多个更新，以得到预测值。假如设备输出的改变速率相对系统采样速率周期较慢，则这种方法是非常有效的。该方法的折衷在于：为了确保存在充足的设备历史以计算近似所需的延迟而添加了附加的“死亡”时间。在图8的图中，示出了使用二次多项式来近似设备输出的该方法的示例。

在图8中，为了预测输出值而选择的时间在PV1b和PV1c之间。因为选择的时间与接收PV2的倒数第二个值的时间刚好重合，从而不需要PV2的预测值。因此，在本示例中可以实现PV2的精确值。然后通过使用通过PV的三个点PV1a、PV1b和PV1c的二阶多项式来预测此时的PV1的值。在图8中将该多项式示出为实线。该示例中的近似误差由符号ε示意，且是相对小的。在该示例中，将简单的“死亡”时间增加了一个更新周期。然而，这对于整体系统响应来说，一般比通过图4示意的低通滤波器所描述的将衰减增加到例如1秒要具有更少的效果。

图9A是示出了根据本发明的一个实施例的示例步骤的简化框图180，以及图9B是设备输出对时间的图。框图180开始于开始框182，且在框184，启动定时器计数器。在框186，系统180等待已准备好从P_high或P_low读取更新的指示。P_high和P_low分别表示来自高压侧压力传感器和低压侧压力传感器的更新。当低压更新准备好时，控制进行至框188，且向变量P_low_prev赋予变量P_Low的值。向变量T2_prev赋予变量T2的值。在框190，读取变量P_Low，且在框192，更新变量T2。备选地，如果在框186，高压更新准备好，则控制进行至框194，其中，读取变量P_High，且在框196，更新变量T1。在框198，预测在时间T1_prev处的P_Low的值，并将其赋予变量P_Low^*。预测是基于使用变量(T2，P_Low)、(T2_prev，P_Low_prev)、以及T1_prev的线性内插的。使用直线线性内插技术来计算基于当前P_Low和之前读取的低压P_Low_prev值的内插值。在框200，基于低压的内插值来计算差压，并将其提供给图1的控制室122。在框202，向变量P_High_prev赋予P_High的值，且向变量T1_prev赋予变量T1的值。可以在例如测量电路136的微处理器中实现图9所示的框。因此，在这种配置下，微处理器作为补偿电路160工作。

在上述讨论中，使用术语“内插”。然而，在该情况下存在例外，其中，在框198处使用外插来得到P_low的预测值。更具体地，在典型情况下，以大约相同的速率来更新两个过程变量，且这两个过程变量以两个过程变量之间的时间空隙非常可辨别的方式来相互循环(interloop)。然而，在一些实例中，在两个过程变量之间的时间差值可能变得非常小。在该情况下，更新是接近同步地，且可能从P_low接收到两个连续更新，然后从P_high接收到两个连续更新。这将改变交错模式，且将需要外插而不是内插来得到P_low的预测值。

在上述描述中，仅针对两个过程变量提供了示例。然而，可以实现任何数目的过程变量。可以在感测过程变量的设备中、在辅助设备中(例如，接收过程变量的设备)、或某个其他位置处实现补偿电路。使用这些技术，使用包括低通滤波、线性或高阶外插、或线性或高阶内插在内的恰当技术来减少两个或更多异步更新设备的采样偏斜误差。这些技术可以非常好的适合使用无线通信的系统，其中，采样过程变量是异步的。此外，尽管上述讨论涉及基于至少两个其他过程变量来得到过程变量，本发明还可应用于控制过程，比如基于两个过程变量来控制阀门致动器或其他过程控制设备。在一些配置中，采样过程变量可以具有时间戳。在这种配置下，本文所述的技术可以用于减少由于在两个设备之间的采样时间偏斜所引起的误差。由于无线射频系统中的可变延迟，无线环境中的采样时间偏斜可能变得非常不可控。例如，网格系统本身进行组织，以确定信息如何路由回主机。来自PV1的信息可能直接路由到主机，且从而具有相对低的延迟。来自PV2的信息可能通过到主机的途中的若干节点进行跳跃，并从而具有相对高的延迟。这样，自组织网格网络对采样时间偏斜添加了显著的不确定性。

尽管已参照优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出改变。

在上述讨论中，仅补偿一个过程变量。然而，在一些配置下，可以期望补偿两个或更多过程变量。

Claims

1.一种用于监视或控制工业过程的工业过程设备，包括：

第一输入，被配置为接收与第一过程变量相关的第一多个采样；

第二输入，被配置为接收与第二过程变量相关的第二多个采样，所述第一过程变量和所述第二过程变量用于产生第三过程变量；

补偿电路，被配置为：补偿由所述第一多个采样与所述第二多个采样之间的时间差值所引入的误差，以及提供与两个过程变量相关的补偿输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述补偿输出基于与所述第一过程变量相关的所述第一多个采样的外插。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述补偿输出基于与所述第一过程变量相关的所述第一多个采样的内插。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述内插基于与所述第一多个采样中的与所述第一过程变量相关的两个相邻采样。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述补偿输出基于所述第一多个采样中的与所述第一过程变量相关的至少三个采样之间的曲线拟合。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述曲线拟合包括多项式曲线拟合。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一多个采样和所述第二多个采样具有时间戳。

8.根据权利要求1所述的装置，包括测量电路，所述测量电路被配置为将第三过程变量作为与所述第一过程变量相关的已补偿的第一多个采样和与所述第二过程变量相关的所述第二多个采样的函数来计算。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述补偿电路向所述第一多个采样和所述第二多个采样提供衰减。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述补偿电路包括低通滤波器。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一输入和所述第二输入中的至少一个包括无线输入。

12.根据权利要求1所述的装置，包括测量电路，所述测量电路被配置为基于所述第一过程变量和所述第二过程变量的补偿值计算差压。

13.根据权利要求2所述的装置，其中，所述补偿电路还被配置为：提供与所述第二过程变量相关的补偿输出。

14.一种在工业过程设备中使用的用于补偿两个过程变量之间的时间差值的方法，包括：

接收与第一过程变量相关的第一多个采样；

接收与第二过程变量相关的第二多个采样，其中，在所述第一过程变量的采样与所述第二过程变量的采样之间存在时间差值；

补偿由所述第一多个采样与所述第二多个采样之间的时间差值所引入的误差；

提供与作为所述第一过程变量和所述第二过程变量的补偿值的函数的第三过程变量相关的输出。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述补偿基于与所述第一过程变量相关的所述第一多个采样的外插。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述补偿基于所述第一多个采样中的与所述第一过程变量相关的至少两个采样之间的内插。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述内插基于所述第一多个采样中的与所述第一过程变量相关的两个相邻采样。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述补偿基于所述第一多个采样中的与所述第一过程变量相关的至少三个采样之间的曲线拟合。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述曲线拟合包括多项式曲线拟合。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一多个采样和所述第二多个采样具有时间戳。

21.根据权利要求14所述的方法，包括：将第三过程变量作为与所述第一过程变量相关的已补偿的第一多个采样和与所述第二过程变量相关的所述第二多个采样的函数来计算。

22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述补偿包括：使所述第一多个采样和所述第二多个采样衰减。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述衰减包括低通滤波。

24.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一多个采样和所述第二多个采样中的至少一个是从无线输入接收的。

25.根据权利要求14所述的方法，包括：基于所述第一过程变量和所述第二过程变量的补偿值计算差压。

26.根据权利要求14所述的方法，包括：补偿所述第二过程变量。