CN106556416A - 具有自我学习环诊断的过程变量变送器 - Google Patents

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Abstract

一种在工业过程中使用的两线过程变量变送器，包括过程变量传感器，被配置为感测工业过程的过程流体的过程变量。输出电路在两线过程控制环上提供与感测到的过程变量有关的输出。端子电压测量电路测量在过程变量变送器的端子处的电压。端子电压是在两线过程变量变送器与两线过程控制环的电连接两端上测量的电压。微处理器基于环电流和测量的端子电压来对两线过程控制环进行环诊断。微处理器确定与两线过程变量变送器正常操作期间的环电流和端子电压有关的多项式的系数，并基于多项式的系数来执行后续的诊断。

Description

具有自我学习环诊断的过程变量变送器
技术领域
本发明涉及用于监视工业过程中的过程变量的两线工业过程控制变送器。具体地，本发明涉及能够对两线过程控制环(loop)执行诊断的过程变量变送器。
背景技术
过程变量变送器在工业过程中使用，用于测量在“区域”中的远距离位置处的一个或多个过程变量，并且中心位置(控制室)发送回与过程变量有关的信息。示例过程变量包括压力、温度、流量、液位等。
在一个配置中，过程变量在两线过程控制环上发送。两线过程控制环将过程变量变送器连接到控制室，并且除了输送通信之外，还可以用于向过程变量变送器提供电能。一个示例两线过程控制环是电流电平在4mA与20mA之间的4-20mA过程控制环，并且可以控制来表现感测到的过程变量。另一个示例过程控制环根据通信协议来操作。在使用通信技术的过程控制环中，将数字信号叠加在环上输送的直流电流电平上。这允许过程控制环输送模拟信号和数字信号二者。数字信号可以用于从过程变量变送器向控制室发送附加信息，或者从控制室向过程变量变送器发送数据。另一个示例两线过程控制环根据通常所有的数据以数字格式输送的Fieldbus通信协议来操作。
如果过程控制环不是最优地操作，则过程变量变送器可能发送错误内容，或者环可以向过程变量变送器的操作提供不充足的电能。还可能出现由与两线过程控制环相关联的问题导致的包括部分故障或完全故障的其它故障。因此，人们期望对两线过程控制环执行诊断，以确保恰当的操作。在以下文献中示出并描述了这样的诊断的示例以及有关方案：美国专利No.5,481,200，1996年1月2日公告，授予Voegle等人，以及美国专利公开No.US 2011/0010120，2011年1月13日公布，Wehrs，美国专利No.7,018,800，2006年3月28日公告，授予Huisena等人，美国专利No.7,321,846，2008年1月22日公告，授予Huisenga等人，以及美国专利No.7,280,048，2007年10月9日公告，授予Longsdorf等人，以上全部转让给Rosemount Inc。
发明内容
一种在工业过程中使用的两线过程变量变送器，包括过程变量传感器，被配置为感测工业过程的过程流体的过程变量。输出电路在两线过程控制环上提供与感测到的过程变量有关的输出。端子电压测量电路测量在过程变量变送器的端子处的电压。端子电压是在两线过程变量变送器与两线过程控制环的电连接两端上测量的电压。微处理器基于环电流和测量的端子电压来对两线过程控制环进行环诊断。微处理器确定将两线过程变量变送器正常操作期间的环电流与端子电压相关的多项式的系数，并基于多项式的系数来执行后续的诊断。
发明内容和说明书摘要提供了将在具体实施方式中详细说明的简化形式的本发明的理念的选择。发明内容和说明书摘要不意图标明所请求保护主题的关键特征或基本特征，也不意图用于确定所请求保护主题的范围。
附图说明
图1是示出了包括过程变量变送器的过程控制系统的简化框图。
图2是图1的变送器的组件的框图。
图3是示出了图1的变送器中的诊断电路的简化示意图。
图4A是端子电压相对于环电流的曲线图。
图4B是示出了关于确定的多项式的上限和下限的、与环电流相对的端子电压的曲线图。
图4C是示出了后续的多项式与基线多项式的比较的、与环电流相对的端子电压的曲线图。
图5是示出了用于生成与过程控制环的正常操作期间的系数相匹配的曲线的简化框图。
图6是示出了用于基于在图5的步骤中生成的系数来执行诊断的步骤的简化框图。
具体实施方式
耦合到两线过程控制环的工业过程变量变送器测量环的端子电压，并且基于测量出的端子电压和流过环的环电流来执行诊断。这样的诊断包括：检测例如当在接线端(terminal block)或其它接线盒中存在水汽或其它污染物是可能出现的高泄漏电流或分路电流。此外，可以检测明显的电源电压偏离。
图1是工业过程控制或监视系统10的简化框图。系统10包括具有过程变量传感器14的过程变量变送器12，过程变量传感器14被布置用于感测过程流体的过程变量。在该示例中，过程流体示出为包含在过程管道16中。过程变量可以是与过程流体有关的任意适当的属性，例如流量、温度、压力、液位、pH等。过程变量变送器12耦合到输送环电流I的两线过程控制环18。在示例装置中，过程变量变送器位于工业过程的“区域”中的远距离位置，并且通过两线过程控制环18耦合到位于中心位置的控制室20。在该示例中，控制室20示出为感测电阻器22和电压源24。变送器12控制环电流I，使得环电流表示感测的过程变量。例如，环电流可以在4mA到20mA的范围内。根据通信协议，除了模拟电流电平以外，过程控制环18上还可以传输数字信息。这允许在过程变量变送器12与控制室20之间的可选择的两种通信方式。
提供了自动/自我学习环特征化(characterization)功能，被配置为生成并存储与电源和环电阻有关的基线信息。基线信息可以用于确定电源、相关联的环线路、负载电阻和电连接是否全部正常运作，使得变送器12可以输出处于用于例如指示警告条件的最小输出电平和最大输出电平的正确的电流值。该能力确保变送器能够提供在电流I的值的期望范围上的输出。
图2是示出了过程变量变送器12的简化框图。过程变量变送器12包括根据存储在存储器32中的指令来操作的微处理器。微处理器30通过测量电路34来从过程变量传感器14接收输出。测量电路34可以包括模拟组件和/或数字组件以处理来自传感器14的输出。应当认识到的是，传感器14可以定位为与变送器电子外壳分离，但仍构成变送器的一部分。此外，过程变量变送器12包括耦合到两线过程控制环18的I/O与诊断电路36。微处理器30耦合到I/O与诊断电路，并且被配置为使用电路36在两线过程控制环18上通信。该通信可以是模拟的和/或数字的，并且可以选择的是双向的。一个示例通信技术是4mA至20mA通信技术，其中，过程控制环18输送范围在4mA至20mA之间的信号，来表示与来自过程变量14的输出有关的值。在该范围之外的电流电平可以用于表示警告条件。该通信协议的变化是将数字信息调制到两线过程控制环18上输送的模拟电流电平上的通信协议。
根据一个实施例，图3是I/O与诊断电路的更详细地框图。I/O与诊断电路通过端子40耦合到两线过程控制环18。这向两线过程控制环18提供了Loop+连接和Loop-连接。微处理器30(图3中未示出)耦合到控制器42中的数模转换器，该控制器42用于控制流过环18的电流。数模转换器和控制器42提供模拟控制信号。环回读(readback)和感测电阻器66还与两线过程控制环18串联耦合，并且在下文中更详细地描述。R传感器64向HART控制器42提供反馈，以设置环电流。保护二极管70连接环端子40两端。TERMINAL_VOLTAGE测量电路80被配置为耦合到端子40，并且提供表示端子40两端上的电压的TERMINAL_VOLTAGE输出。电路80包括由电阻器82和84形成的电阻分压器网络。组件86、88和70用于安全和滤波。放大器92连接到分压器网络，并且反馈网络96和94对分压的电压进行缩放，用于向210输入。在操作期间，从差分放大器92输出的TERMINAL_VOLTAGE输出表示端子40两端上的电压。
电路36还包括可选的回读电路120，被配置为提供与流过两线过程控制环18的电流电平I有关的LOOP_READ_BACK输出。LOOP_READ_BACK电路120包括连接回读感测电阻器66两端的差分放大器122。差分放大器122通过由126、132和136建立的滤波来向操作放大器124提供输出。通过电阻器130来实现运算放大器124的增益调节，以实现210的适当的值。在另一个示例中，不直接测量环电流，并且基于由微处理器30设置的期望的电流电平来简单地确定环电流。
根据一个实施例，还使用温度测量电路160来对过程变量变送器12的温度进行测量。温度测量电路160包括具有随着温度而变化的电阻的RTD元件162。元件162通过电阻器164耦合到电压源VDD。电容166连接到元件162两端。通过运算放大器168来测量元件162两端上的电压降。电阻器170、172、176和电容器174提供运算放大器168的滤波和增益。通过电阻器170、172以及电容器174来提供负反馈。运算放大器168的逆变输入还耦合到电接地以及电阻176。电路160提供表示元件162的温度的输出TEMP。
提供了复用器200，该复用器200具有耦合到来自电路92和电路120的输出的输入。复用器200用于从来自电路的LOOP_READ_BACK、TERMINAL_VOLTAGE或TEMP输出中选择一个。使用向复用器的输入来控制复用器200的信道，该复用器的输入耦合到图2中示出的微处理器30。来自复用器200的输出202连接到模数转换器210。模数转换器将输出202上的模拟信号转换成向图2中示出的微处理器30提供的数字格式。在操作期间，微处理器30控制复用器200，使得选择各种电压，并且将各种电压耦合到模数转换器210，然后可以由微处理器30读取电压。
在操作期间，配置微处理器30运行的软件来执行三种测量：
LOOP_READ_BACK：测量环电流。(可选择)
TERMINAL_VOLTAGE：测量变送器12的Loop+端子和Loop-端子之间存在的电压。
TEMP：用于温度补偿的可选择测量。
在监视4mA-20mA电流环上的异常电力状况中使用的各种诊断技术是已知的。诊断可以用于检测变送器的接线端中的水或水汽、较差的连接导致的电阻变化以及电源变化。示例现有技术包括阈值比较或基线表征。例如，在调试过程期间，可以通过操作人员确定基线配置。端子电压和/或环电流电平可以设置为一个或多个固定值以及得到的测量的环电流/端子电压。通过针对该表征选择多个固定值，可以得到一阶多项式。然而，该表征过程需要使变送器离线，使得可以设置具体的电流/电压值。这对于用户可能很困难，因为用户可能不知道哪个过程变量变送器需要表征步骤。此外，如果跳过表征步骤，诊断功能将保持闲置(inactive)。此外，对系统的改变可以导致诊断的故障，因为各种测量的参数与过时的基线相比较。例如，环加载、控制器、电源、负载电阻等的变化可能需要生成新的表征。
在本文讨论的配置中，过程变量变送器12测量端子电压以确定变送器12是否在适当的电压范围内操作。通过周期的测量，可以通知操作人员电压是否太高或太低。在该操作模式下，微处理器30将环端子电压与高阈值以及低阈值相比较。如果电压在阈值范围之外，则表示故障。故障可以本地显示，向本地校准设备(例如手持设备)传输，或者(例如在过程控制环18上)向远程位置发送。该诊断可以在启动时立即使用，然而，其不能预测端子电压将如何变化，因为在还没有建立任何基线时输出电流发生变化。
通过确定端子电压Vterminal_voltage和环电流Iloop_current，可以建立基线曲线的系数，根据该系数来测量过程变量变送器12、环18以及相关联的组件的变化。端子电压必须在环电流的范围内测量。该范围应该宽到足以建立准确的基线。在过程变量变送器12的启动期间，设备可以在最小环电流值(例如3.6mA)处测量端子电压。随着设备的操作以及根据感测到的过程变量来控制环电流，积累额外的测量。这允许设备在正常操作期间生成“实时的”基线。可以使用环电流与端子电压数据的最小平方曲线拟合技术来创建基线。例如，基线可以具有根据方程式1的一阶曲线拟合的形式：
V端子电压＝V电源-I环电流x R环
图4A是示出了相对于环电流的端子电压的方程式1的示例曲线图。如果使用一阶曲线拟合，则用于表征的跨度应当最小为环电流的总范围的15％。例如，对于典型的4mA至20mA环来说，从3.6mA到6mA。例如，图4A示出了当环电流在大约3.6mA与6mA之间变化时收集的一系列数据点。图4A示出了使用扩展到22mA的最小平方拟合获得的结果线性端子电压基线。如果使用更高阶的曲线拟合，例如二阶或三阶曲线拟合，将数据与相对小的跨度拟合的尝试可能导致较大误差。随着环电流基于感测到的过程变量而变化，将不能保证快速建立基线甚至根本不能保证建立基线。由此，对建立“实时”基线所需要的跨度进行限制将提高最终创建该基线的可能性。增加用于曲线拟合的数据点的数量以及增大这些数据点的跨度将通过减小各个测量点的噪声的影响来提高基线的准确性。在建立基线之前，可以将端子电压与允许的最小和最大端子电压相比较。(变送器中)测量的环电流可以与输出(微)电流相比较。这应当在容忍范围之内。环电流与端子电压的关系是未知的，所以不能进行比较，直到存在基线为止。
微处理器30可以基于收集的数据点的数量和/或收集的数据点的跨度来确定什么时候已经建立了基线。一旦建立，基线可以用于估计电源电压是否在针对所有期望的环电流值的变送器操作范围内。可以通过两线过程控制环上的传输来通知过高或过低的端子电压的警告。
端子电压的周期测量可以与基线多项式相比较(一次比较一个测量)，以确定相比于基线，输出电压或环电流是否已经发生变化。如果例如端子电压不稳定，则可以提供警告。
如果建立了不稳定的过程控制环的基线(例如由于潮湿的接线端导致的)，将仍然提供指示端子电压过高、过低或不稳定的警告。当将其与一阶线性曲线拟合相比较时，可以检测到过程控制环的非线性行为。例如，在这样的情况下，在图4A中示出的数据点将是分散的并且不是线性地排列。
图4B是与环电流相对的端子电压的曲线图，并且示出了基于确定的多项式的高和低边界或限制。收集的数据的区域在附图中标识为“数据集”，并用于确定多项式。如果测量的端子电压在示出的边界之外，则可以设置故障情况。在另一个示例配置中，可以使用本文中讨论的相同技术来创建后续的多项式。通过该方法，可以独立地估计多项式的增益项(电阻)和补偿项(电源电压)。图4C是用于示出该技术的与环电流相对的端子电压的曲线图。在该示例中，示出了所有单独的点都在根据基线数据(没有指示故障)形成的端子电压阈值中的两个数据集。两个数据集之间的增益的差可以用于检测变化，如图4C所示。可以在已经使用参照图4B示出的阈值技术检测到各个测量之前，检测端子电压增益变化。该变量的分离提供了对环上的电阻变化和电压变化的额外视角。增益或电阻的变化是电流变化的指示，直接影响输出信号。4/20mA系统基本不受电压变化的影响，所以多项式的补偿项或电源电压的变化不太严重。捕捉变化状况(例如电阻变化或电压变化)的数据集将影响增益和补偿参数二者。数据集缓慢变化(其中由于例如端子的隔间中的水汽导致的电阻变化)将影响增益项。电压补偿(常数)将被看做补偿项变化。分离的变量可以向用户提供更好的故障排除信息。用于获得后续多项式的数据可以在正常操作期间获得，提供的输出电流在足够宽的跨度上变化以获得准确的增仪测量。在另一个示例配置中，可以在用户发起测试序列的离线模式下获得序列多项式，以手动地改变环电流。这样的方法可以用于故障排除或设备验证。
图5是示出了用于生成曲线拟合方程式的系数的步骤的简化框图248。过程248开始于方框252。在方框254和256处，分别测量环电流和端子电压。方框258和260用于确定是否已经收集了足够的数据来创建曲线拟合。如果使用线性曲线拟合，则需要至少两个数据点，如方框258所示。此外，为了获得充分的和精确的曲线，获得数据的跨度应当至少是总的跨度的选择的百分比，如方框260所示。例如，这可以是总的跨度的15％，即范围在3.6mA与6mA之间。一旦已经获得了数量足够的数据点，在方框260处生成曲线拟合的系数。例如，这可以是线性曲线拟合的两个系数。在系数存储在能够由图2中示出的微处理器30访问的存储器32中之后，过程停止于方框264。示例将说明对端子电压噪声和有限的跨度测量的敏感性。通过环电流结果的整个跨度之间的0.1Vpp的端子电压创建的基线导致的0.1Vpp误差。在环电流的15％跨度之间测量的0.1Vpp端子电压误差导致的0.1Vpp/0.15基线误差或0.7V误差。通过噪声滤波或在较大的环电流跨度之间创建基线测量来减小端子电压误差将导致用于比较的更好的基线。
图6是示出了使用利用图5中示出的过程生成的曲线拟合系数来对环18的操作执行诊断的简化框图。诊断过程270开始于方框272。在方框274和276处，测量环电流和端子电压。在方框278处，将这些测量出的值中的一个应用到曲线拟合方程式。(方框278示出为使用环电流来求解曲线拟合方程式，然而还可以使用端子电压。)然后，在方框280处，将计算出的参数与测量的参数相比较。如果二者在可接受的阈值或限制、百分比或固定值或二者之内，则可以做出系统正常操作的决定并且重复过程。然而，如果值在选择的范围之外，则在方框282处生成诊断输出，并且过程停止于方框284。
在图6中，虽然只示出了数据点的单个集合，可以基于多个测量来进行诊断确定。例如，多个测量可以用于生成平均值。在额外的配置中，使用多个测量，并且仅当这些测量中的一个以上在期望的范围之外才确定诊断状况。
在另一个示例配置中，针对端子电压/环电流数据的集合来获得多个曲线拟合方程式的系数，并且多个曲线拟合方程式的系数用于确定电源电压是否发生变化，例如作为来自线性方程式的补偿。这还可以用于通过监视线性方程式的增益项来表示负载电阻是否发生变化。在这样的配置中，图5中示出的步骤周期性重复。将后续测量中的系数与在过程控制环的正常操作期间生成的系数相比较。通过比较这两个系数的集合来执行诊断。此外，这样的配置可以用于识别环是否在不稳定的状况下操作。该方法具有使用多个数据点由此对任意高频率噪声进行滤波的优点。同样，需要监视环电流中足够的跨度(例如大于总跨度的15％)，以便准确地对数据进行曲线拟合。
在一个配置中，微处理器30周期地测量这些值(例如每秒测量一次)，并且使用这些测量来进行环诊断。通过连续地获得电压测量，可以监视曲线拟合的系数来确定电压是否稳定或者电压是否存在大量噪声，并且可以因此提供诊断输出。可以使用最小平方拟合算法来分析电压。该方法还减小电压噪声，以更准确地随着时间测量直流电源电压和环电阻。如参照图3讨论的，还可以基于温度来补偿各种测量。应当同步执行测量以帮助确保其准确性。
虽然已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将会认识到的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现形式和细节上的修改。通过确定环电阻和环电源，系统可以在正常操作期间执行电表征。在一个配置中，在过程控制环的“正常”操作期间生成曲线拟合的系数。正常操作是指过程控制环在额定参数内操作的状况。在一个配置中，当设备最初启动或授权时，假设操作“正常”。在另一个配置中，通过监视环电流和端子电压的多个数据点以确定这些数据点是否足够线性相关来识别正常操作。提供了使用小于整个环电流/端子电压的跨度来执行曲线拟合的技术。基于该曲线拟合，可以执行后续诊断。在一个示例配置中，曲线拟合生成的跨度大约是总的操作跨度的15％。例如，这可以是大约3.6mA到6mA环电流的跨度。因此，数据点的跨度可以用于确定是否已经收集了用于确定曲线拟合的系数的足够的数据。备选地，或除了跨度确定之外，数据点的总数量还可以用于确定是否执行曲线拟合。例如，对于线性曲线拟合，必须获得至少两个数据点的集合。虽然具体示出了线性曲线拟合，还可以使用其它阶的多项式。由于收集了额外的数据，可以重新计算曲线拟合系数以实现更高的准确性。还可以使用分流电流来执行诊断。可以周期地重复曲线拟合并且可以周期地获得新系数，以考虑到环参数中可接受的变化。

Claims (24)

1.一种在工业过程中使用的两线过程变量变送器，包括：
过程变量传感器，被配置为感测所述工业过程的过程流体的过程变量；
输出电路，被配置为在两线过程控制环上提供与感测到的过程变量有关的输出；
端子电压测量电路，被配置为测量与所述过程变量变送器的端子电压有关的电压，所述端子电压包括在所述两线过程变量变送器与所述两线过程控制环的电连接的两端上测量的电压；
微处理器，被配置为基于确定的环电流和测量的端子电压来对所述两线过程控制环执行环诊断，其中，所述微处理器确定将所述两线过程变量变送器的正常操作期间的环电流与端子电压相关的多项式方程的系数，并且基于所述多项式的系数来执行后续诊断。
2.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，所述诊断包括确定所述两线过程控制环的电阻。
3.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，所述诊断包括确定所述两线过程控制环的电源的电压。
4.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，包括温度传感器，其中，基于感测到的温度对所述诊断进行补偿。
5.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，所述环电流和端子电压的测量是同步执行的。
6.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，所述微处理器还确定用于执行诊断的多个多项式方程的额外系数。
7.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，获得端子电压测量的至少两个值以确定所述多项式方程的系数。
8.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，当环电流的范围超过所述环电流的总范围的百分比时，在环电流的范围中测量端子电压并且确定所述多项式方程的系数。
9.根据权利要求8所述的两线过程变量变送器，其中，所述百分比至少是大约15％。
10.根据权利要求8所述的两线过程变量变送器，其中，环电流的范围至少是在大约3.6mA与6mA之间。
11.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，所述微处理器基于所述多项式方程的系数来检测所述过程控制环中的变化。
12.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，响应于所述环电流与所述端子电压之间的关系的变化，所述微处理器生成所述多项式方程的新的系数。
13.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，在所述两线过程变量变送器的开启时确定所述多项式方程的系数。
14.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，所述多项式方程具有以下形式：V端子电压＝V电源-I环电流xR环。
15.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，其中，用于执行诊断的环电流值由所述微处理器基于感测到的过程变量的值来确定。
16.根据权利要求1所述的两线过程变量变送器，包括：环电流测量电路，被配置为测量流过所述两线过程控制环的环电流。
17.一种在工业过程的两线过程变量变送器中执行诊断的方法，包括：
感测所述工业过程的过程流体的过程变量；
在两线过程控制环上提供与感测到的过程变量有关的输出；
确定流过所述两线过程控制环的环电流；
将端子电压测量电路耦合到所述两线过程变量变送器的端子，所述端子电压测量电路被配置为测量端子两端的端子电压，所述端子被配置为耦合到所述两线过程控制环；
确定将在所述两线过程控制环的正常操作期间确定的环电流与测量的端子电压相关的多项式方程的系数；以及
基于所确定的系数对所述两线过程控制环执行诊断。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，执行诊断包括确定所述两线过程控制环的电阻。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，执行诊断包括确定所述两线过程控制环的电源的电压。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，执行诊断包括执行初步诊断检查。
21.根据权利要求17所述的方法，包括：确定用于执行诊断的多个多项式方程的额外系数。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，当所监视的环电流的范围超过环电流的总范围的百分比时，在环电流的范围中测量端子电压并且确定所述多项式方程的系数。
23.根据权利要求17所述的方法，包括：基于所述多项式方程的系数来检测所述过程控制环中的变化。
24.根据权利要求17所述的方法，其中，在所述两线过程变量变送器的开启时确定所述多项式方程的系数。
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