CN1691082B - 传送器及其复制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种传送器,无需增加任何的硬件构件,即可复制它的内部信号处理功能。这一传送器利用多个计算步骤,将输入信转换成输出信号,并包含反向计算机构,用以使朝反方向执行多个的计算步骤。
Description
技术领域
本发明关于一种传送器,其利用具多数步骤计算的机构,将关联于程序变量的输入信号,转换成预定的输出信号;以及关于复制该传送器的方法。
背景技术
公知技术文献中,有关于利用具多数步骤计算的机构,将关联于程序变量的输入信号转换成预定的输出信号的传送器,例如振动式差压传送器,包括有如下:
非专利文献:横河技报Vol.36No.1(1992)P21-P28,“DPharp电子式差压传送器”。
近来,正在促进安全装置系统(SIS)的标准化,用以保护人体免于伤害、以及用以保护环境和设备。结果造成市场对下述传送器的需求,该传送器能满足于安全整体等级(safety integrity level,SIL)第2级“也就是说,危险降低系数(RRF)(即操作要求的失败机率的倒数),会落在100至1000的范围”。
为了符合这一市场需求,于要求安全性及可靠性的系统中,通常使用2台以上的传送器。
如果传感器具高可靠性,且不要求双重冗余(dual redundant)化,则该传送器本身可以为单数个,而其信号处理功能为可复制。图1为一功能方块图,显示具有复制内部信号处理功能的公知技术差压传送器的例子。
一由实线所圈住的区域A,表示2线式差压传送器,该差压传送器,被输入一程序变量PV(压力、差压等),传送4-20mA的电流输出信号Io,并具有与主机通信的功能、及通知该传送器本身的异常与从该主机取得信息的功能。
在差压传送器A中,符号1表示振动式压力传感器,用以输出关联于程序变量PV的2个频率信号。由于该传感器的构造与工作原理,已揭示在上述的非专利文献1中,以下并不再做详述。
符号2与3分别表示已双重冗余化的第1与第2计算器,并从压力传感器1分别输入2个频率而加以计数。符号4与5分别表示已双重冗余化的第1与第2微处理器,分别从第1计算器2与第2计算器3,输入脉冲信号并加以计算。
在第1微处理器4中,符号41表示第1计算机构,用以对来自第1计算器2的脉冲信号,进行多数步骤计算以及脉冲宽度调制,而产生计算值输出Do1;同样地,在第2微处理器5中,符号51表示第2计算机构,用以对来自第2计算器3的脉冲信号,进行多数步骤计算以及脉冲宽度调制,而产生计算值输出Do2。
符号6表示EFPROM,用以保留系数等,而能够在由第1计算机构41所进行的修正计算期间,被予以参照。ROM 7与ROM 8为存储机构,使用在第1计算机构41所执行的计算。同样地,符号9表示EFPROM,用以保留系数等,而能够在由第2计算机构51所进行的修正计算期间,被予以参照。ROM 10与ROM 11为存储机构,使用在第2计算机构51所执行的计算。
第1微处理器4为主处理器,在正常状态下,该处理器的第1计算机构41的计算值输出Do1,会被转换成电流输出信号Io并被传送出;而第2微处理器5为次处理器,该处理器的第2计算机构51的计算值输出Do2,功能仅为检查其与第1计算机构41的计算值输出Do1的一致性。
在第1微处理器4中,符号42表示比较器,且第1计算机构41的计算值输出Do1与第2计算机构51的计算值输出Do2皆被输入至比较器42。然后,在预定条件下,检查输出Do1与Do2间的一致性。若在该多个两输出间发现有任何的不一致,则输出警告指令AL。
符号43表示输出选择器,用以在预定状态下选择第1计算机构41的计算值输出Do1。当接受到来自比较器42的警告指令AL时,输出选择器43会选择来自警告信号发生器44的烧毁信号Da,并将该信号输入至输出机构12。符号13为指示器,用以处理第1微处理器4所提供的信息。
在经由输出选择器43来输入第1计算机构41的计算值输出Do1的正常状态下,输出机构12会将数字计算值输出Do1转换成模拟值,产生具有4-20mA变化范围(span)的电流输出信号Io,并将该信号传送至外部的传送线路14。
在经由输出选择器43从警告信号发生器44输入烧毁信号Da的非正常状态下,输出机构12会将数字烧毁信号Da转换成模拟值,产生具3.2mA或21.6mA的烧毁电流输出信号,并将该信号传送至外部的传送线路14。
符号15表示插入在传送线路14内的外部DC电源装置;符号16表示连接至传送线路14的维修用携带式通信器;符号17表示同样连接在传送线路14的主机;符号18表示连接在输出机构12的通信接口。通信接口18与第1微处理器4进行通信,并利用重叠于传送线路14的数字信号,通知主机17有异常发生,而从主机获得各种情报。
接着,针对在第1计算机构41与第2计算机构51所执行的多数步骤计算的细节,将藉由以第1计算机构41为代表例来加以说明。首先,从来自第1计算器2的脉冲信号,来计算出传感器频率fc及fr。
在第1步骤计算41a中,依据下列方程式,该方程式使用已算出的fc及fr与代表传感器特性的常数A、B及C,来计算出差压信号X。
X=A·fc 2+B·fr 2+C (Eq.1-1)
在第2步骤计算41b中,依据下列方程式使用已算出的X值与修正系数ki,该修正系数ki为动态的系数取决于温度及静压并储存在EEPROM 6,来计算对温度及静压进行修正的差压dpcomp。
在第3步骤计算41c中,对已算出值的dpcomp,依据下列方程式,来计算出已被尺度化在urv(100%)至lrv(0%)的使用者指定范围的差压dpscaled。
在第4步骤计算41d中,依据下述多项式,使用已算出值的dpcomp及储存在EEPROM 6且取决于温度的动态的修正系数ci,来计算被脉冲调制的数字信号pwm。
将经由上述讨论的四个步骤所计算出的数字信号pwm的值,输入至比较器42作为第1微处理器4的计算值输出Do1;并且经由输出选择器43输入至输出机构12,而转换成4-20mA的电流输出信号Io。
基于多数计算步骤51a至51d的计算,其中该多个计算步骤皆是由第2微处理器5的第2计算机构51执行且皆输入有来自第2计算器3的脉冲信号,相同于基于多数计算步骤41a至41b的计算,其中该多个计算步骤皆是由如上所述的第1微处理器的第1计算机构41执行。将计算值输出Do2导入至比较器42并与Do1进行比较。
比较器42会比较计算值输出Do1和Do2。如果该多个输出超过了预定允许条件且不一致时,比较器会判断该情况为传送异常,输出警告指令AL,使输出选择器43切换至警告信号发生器44,导致电流输出信号Io进入烧毁状态,并通知主机17有传送器异常。
符号45表示自我诊断机构,用以执行压力传感器1的异常诊断(在振动式传感器时的频率异常或振动停止);或者是当计算器2或3的信号停止、或者一段特定的期间内传送器输出中断或没有改变时,检查微处理器本身确认操作异常的可能性。若自我诊断机构45检测到任何异常,它会将信号Ds传送至输出选择器43,导致电流输出信号Io进入至烧毁状态。
使用于一要求安全的系统,通常需要2个或2个以上的传送器,因此装备成本必须很高。如果该传感器具高可靠性,因而不需要双重冗余,则该系统可以构成如图1所示构造,即使得传送器为单数个并会复制内部信号处理功能。
然而,由于即使在图1所示的传送器构造中,加入第2计算器3、第2微处理器5及存储机构9或11,当作硬件构件,成本的问题还是无法完全地解决。另外,硬件构件数量的增加,会对传送器尺寸的减小造成障碍。
发明内容
因此,本发明的目的为提供一种传送器,无须增加任何的硬件构件,即可复制它的内部信号处理功能。
为了实现上述课题,本发明提供了一种传送器,其输入程序变量并利用多个步骤的计算转换成既定的输出信号,其特征为:具备执行该多个步骤的计算的正向计算机构,同时具备根据该多个步骤的每一步骤所算出的数值执行通常的各计算步骤的反向计算的反向计算机构,关联于该程序变量的输入信号被传感器赋予数字值,该传感器为振动式差压或压力传感器,该反向计算的步骤包含:使用修正系数ci与经过尺寸化的差压dpscaled,根据该正向计算机构所算出的计算值的输出pwm,以下述公式(1)算出经过尺寸化的差压dpscaled’;使用温度以及静压经过修正的差压dpcomp与范围urv、lrv,根据该正向计算机构所算出的该经过尺寸化的差压dpscaled,以下述公式(2)算出温度以及静压经过修正的差压dpcomp’;使用修正系数ki与差压信号X,根据该正向计算机构所算出的该温度以及静压经过修正的差压dpcomp,以下述公式(3)算出差压信号X’;以及使用传感器频率fc、fr与常数A、B、C,根据该正向计算机构所算出的该差压信号X,以下述公式(4)算出传感器频率fc’;
dpcomp′=dpscaled(urv-lrv)+lrv 公式(2)
其中,ci为取决于温度的动态的修正系数,urv与lrv为使用者指定范围的100%与0%,ki为取决于温度以及静压的动态的修正系数,A、B、C为表示该传感器特性的常数;其中,还包含:验证机构,其执行该多个步骤的各步骤的计算值与该反向计算的各步骤的计算值的一致性判断。
为了实现上述课题,本发明还提供了一种传送器的复制方法,包含:将输入信号以多个步骤的计算转换成输出信号的正向计算步骤;根据该多个步骤的每一步骤所算出的数值执行通常的各计算步骤的反向计算的反向计算步骤;以及执行该正向计算步骤与该反向计算步骤的对应步骤的计算值的一致性判断的验证步骤;该输入信号被传感器赋予数字值,该传感器为振动式差压或压力传感器,该反向计算的步骤包含:使用修正系数ci与经过尺寸化的差压dpscaled,根据该正向计算步骤所算出的计算值的输出pwm,以下述公式(5)算出经过尺寸化的差压dpscaled’;使用温度以及静压经过修正的差压dpcomp与范围urv、lrv,根据该正向计算步骤所算出的该经过尺寸化的差压dpscaled,以下述公式(6)算出温度以及静压经过修正的差压dpcomp’;使用修正系数ki与差压信号X,根据该正向计算步骤所算出的该温度以及静压经过修正的差压dpcomp,以下述公式(7)算出差压信号X’;使用传感器频率fc、fr与常数A、B、C,根据该正向计算步骤所算出的该差压信号X,以下述公式(8)算出传感器频率fc’;
dpcomp′=dpscaled(urv-lrv)+lrv 公式(6)
ci为取决于温度的动态的修正系数,urv与lrv为使用者指定范围的100%与0%,ki为取决于温度以及静压的动态的修正系数,A、B、C为表示该传感器特性的常数。
附图说明
图1为功能方块图,显示具有复制内部信号处理功能的公知的差压传送器的示例。
图2为功能方块图,显示应用本发明的差压传送器的实施例。
图3为一示意图,以对比的方式,显示正向计算与反向计算的计算步骤的处理方向及方程式。
图4为一流程图,显示以软件为主的复制方法的单一处理程序。
图5为一时序图,显示正向计算与反向计算之间的时序关系。
元件符号说明:
1:压力传感器
10:ROM
100:微处理器
101:正向计算机构
101a-101d:多数计算步骤
102:反向计算机构
102a-102d:反向计算步骤
103:验证机构
103a:锁存机构
104:输出选择器
105:警告信号发生器
106:自我诊断机构
11:ROM
12:输出机构
13:指示器
14:传送线路
15:DC电源装置
16:维修用携带式通信器
17:主机
18:通信接口
2:第1计算器
3:第2计算器
4:第1微处理器
41:第1计算机构
41a:第1步骤计算
41b:第2步骤计算
41c:第3步骤计算
41d:第4步骤计算
42:比较器
43:输出选择器
44:警告信号发生器
45:自我诊断机构
5:第2微处理器
51:第2计算机构
51a-51d:计算步骤
6:EEPROM
7:ROM
8:ROM
9:存储机构
Do1:计算值输出
Do2:计算值输出
S1-S12:步骤
具体实施方式
以下,将参照附随图示,详细说明本发明较佳实施例,其中,图2为功能方块图,显示应用本发明的差压传送器的实施例。在图中,与图1所示的公知传送器相同的构件,皆附上相同的符号,以后将不再说明。以下,将针对本发明的特征部分,加以具体地说明。
在图2中,符号100指定为应用本发明的单一的微处理器,且输入有来自单一的计算器2的脉冲信号。在该微处理器100中,符号101指定为正向计算机构,多数计算步骤101a至101d的计算细节及计算值输出,完全相同于图1所示公知传送器的第1计算机构41的步骤41a至41b的计算细节及计算值输出。
符号103指定为验证机构,其包含:锁存机构103a,用以保留由正向计算机构101的各计算步骤所获得的计算值,并验证该多个计算值,是否与后述反向计算机构的各步骤所获得的计算值一致。
符号102指定为本发明特有的反向计算机构,其中正向计算机构101的计算值输出Do1,被输入至反向计算机构102,使得正向计算机构101各别的计算步骤,朝相反于正常计算方向的方向进行。换句话说,反向计算机构102会执行反向计算,以相反顺序处理正向计算机构101的计算步骤,而返回至计算频率信号fc及fr的步骤。各反向计算步骤的计算值输入至验证机构103,并与各对应的正向计算步骤的计算值进行比较,而保留至锁存机构103a。
如果有任一反向计算值超出正向计算值所设定的误差范围、以及在彼此相对应步骤间的比较期间,发生与相对应的正向计算值不一致时;或者,如果相同的不一致现象发生预定次数时,验证机构103就会将警告指令AL输出至输出选择器104。输出选择器104、警告信号发生器105及自我诊断机构106,在功能上相同于图1所示的构件43至45,以后将不再说明。
用以计算各反向计算步骤的值的方程式,将于以下加以说明。依据下列方程式执行反向计算步骤102d,用以由为正向计算值输出Do的pwm,来反向计算出dpscaled’。
依据下列方程式执行反向计算步骤102c,用以由正向计算所决定的dpscaled,来反向计算出dpscomp’。
dpcomp′=dpscaled(urv-lrv)+lrv (Eq.2-3)
依据下列方程式执行反向计算步骤102b,用以由正向计算所决定的dpcomp,来反向计算出X’。
依据下列方程式执行反向计算步骤102a,用以由正向计算所决定的X,来反向计算出fc’。
图3为一示意图,以对比的方式,显示正向与反向的计算步骤的处理方向及方程式。图3亦以容易明白的视觉图形表示法,来显示依据本发明的以软件为基础的双重冗余处理的功能结构。
接着,针对验证机构103中彼此对应的计算步骤间的一致性判断的条件,加以说明。反向计算步骤102d的算出值dpscaled’的判断条件,以下列方程式表示:
dpscaled-α<dpscaled′<dpscaled+α (Eq.3-1)
反向计算步骤102c的算出值dpcomp’的判断条件,以下列方程式表示:
dpcomp-β<dpcomp′<dpcomp+β (Eq.3-2)
反向计算步骤102b的算出值X’的判断条件,以下列方程式表示:
X-χ<X′<X+χ (Eq .3-3)
反向计算步骤102a的算出值fc’的判断条件,以下列方程式表示:
(fc-δ)2<fc′2<(fc+δ)2 (Eq.3-4)
上述各个条件判断方程式的α、β、χ及δ为常数,代表一致性判断的可容许误差范围,依据计算差错、传送器的操作范围、精确度,来设定其适当值的。
图4为流程图,显示以软件为基础的复制方法中的单一处理程序。单一处理由步骤S1开始;并在步骤S2执行各正向计算步骤;在步骤S3保留该多个个别计算步骤的算出值,该多个被保留的值会在判断步骤S5、S7、S9及S11被予以参照。
在步骤S4中,执行反向计算步骤102d以及计算dpscaled’;在步骤S5中,对dpscaled’与正向计算值dpscaled的一致性进行判断。若有满足判断条件,则在步骤S6执行反向计算步骤102c以计算dpcomp’并在步骤S7,对dpcomp’与正向计算值decomp的一致性进行判断。
若满足判断条件,则在步骤S8进行反向计算步骤102b以计算X’;并在步骤S9,对X’与正向计算值X的一致性进行判断。若满足判断条件,则在步骤S10进行反向计算步骤102a以计算fc’;并在步骤S11,对fc’与正向计算值fc的一致性进行判断。
如果满足了判断条件在步骤S12进行综合判断。如果满足该多个一致性判断的条件,则单一处理程序结果为“OK”(正常处理),并重复上述说明的例行程序。如果在步骤S5、S7、S9或S11中发现有不一致,则单一处理程序会立即跳至步骤S12,用以进行综合判断而且判断结果为“NG”(差错处理)。
能够应用一适当的演算法,进行综合判断之后的差错处理,例如当发生任何单一不一致实例时立即进行差错处理;或当发生相同的不一致有预定次数即开始进行差错处理。
在图4所示的流程图中说明一示例,该示例会依据反向计算各步骤的一致性判断结果,执行分支处理并执行综合判断。另一方案,能够适用一种方法,该各个步骤的一致性判断结果的信息,首次会被保留,然后在没有执行分支处理的情况下,依据这些全部的信息进行综合判断。
图5为时序图,显示正向计算与反向计算之间的时序关系。T指定为执行时间,为常数且不会大于100ms。在各执行时间,步骤S2表示对应于图4所示流程图的步骤S2的正向计算时间,并且设计成大约为执行时间的2/3长度。正向计算会在各执行时间的期间执行完成。
另一方面,反向计算各步骤分别进行,并且是在各执行时间长度的1/3的备用时隙内进行。
反向计算的各步骤在各执行时间期间分别执行,而反向计算的时间长度大约估计成执行时间T的1/10。
在第1执行时间(1),在以影线描画的期间执行反向计算步骤S3;在第2执行时间(2)执行反向计算步骤S4和S5,然后执行S6和S7。
在第3执行时间(3)执行反向计算步骤S8和S9;在第4执行时间(4)执行反向计算步骤S10和S11;在第5执行时间(5)执行用以进行综合判断的判断步骤S12。
在第6执行时间(6)仅执行正向计算步骤S2而暂停反向计算,且插入该暂停的周期例如为一秒的时间区间。
如上所述,利用正向计算的备用时隙的优点(当发现这样的备用时间的话)来分别地执行反向计算步骤,借此就能够实现一种传送器,该传送器即使加入了如上所述的反向计算步骤,也不会发生应答延迟现象。
虽然以依据本发明,对上述的传送器的实施例加以说明,但是也可以用压力或差压传送器作用示例来加以说明,本发明的应用范围不限定于该多个的实施例,甚者,本发明也可以广泛地应用于如下类型的传送器,即利用执行多数的计算步骤来将输入信号转换成输出信号。
如上所述,依据本发明就可以实现如下的优点:
(1)利用在反向方向执行多数的计算步骤,并将各个该反向计算的结果与相对应的正向计算步骤的计算值进行对比,其中该计算值用在单一硬件上,进行以软件为基础的单一处理而获得的,藉由此方式就能够实现相同于复制硬件的功能,用以核对所计算的输出。其结果就能够提供一种体积小、低成本、及具极多功能的传送器,能够用于安全设备及一般设备两者。
(2)利用将正向计算置于最高的优先顺序,并将反向计算(确认计算)划分成区块变成分区处理程序,使得反向计算步骤以小的单元分配在正向计算的备用时隙,藉由此方式,就能够提供一种整个不具应答延迟的高速的传送器。
Claims (9)
1.一种传送器,其输入程序变量并利用多个步骤的计算转换成既定的输出信号,其特征为:
具备执行该多个步骤的计算的正向计算机构,同时具备根据该多个步骤的每一步骤所算出的数值执行通常的各计算步骤的反向计算的反向计算机构,
关联于该程序变量的输入信号被传感器赋予数字值,
该传感器为振动式差压或压力传感器,
该反向计算的步骤包含:
使用修正系数ci与经过尺寸化的差压dpscaled,根据该正向计算机构所算出的计算值的输出pwm,以下述公式(1)算出经过尺寸化的差压dpscaled’;
使用温度以及静压经过修正的差压dpcomp与范围urv、lrv,根据该正向计算机构所算出的该经过尺寸化的差压dpscaled,以下述公式(2)算出温度以及静压经过修正的差压dpcomp’;
使用修正系数ki与差压信号X,根据该正向计算机构所算出的该温度以及静压经过修正的差压dpcomp,以下述公式(3)算出差压信号X’;以及
使用传感器频率fc、fr与常数A、B、C,根据该正向计算机构所算出的该差压信号X,以下述公式(4)算出传感器频率fc’;
dpcomp′=dpscaled(urv-lrv)+lrv 公式(2)
其中,ci为取决于温度的动态的修正系数,urv与lrv为使用者指定范围的100%与0%,ki为取决于温度以及静压的动态的修正系数,A、B、C为表示该传感器特性的常数;
其中,还包含:验证机构,其执行该多个步骤的各步骤的计算值与该反向计算的各步骤的计算值的一致性判断。
2.如权利要求1所述的传送器,其中,
该验证机构在一致性判断中于至少1个以上的不一致发生时发出差错警报。
3.如权利要求1所述的传送器,其中,
该验证机构在一致性判断中于相同的不一致发生多次时发出差错警报。
4.如权利要求1、2或3所述的传送器,其中,
该验证机构在一致性判断中根据该计算的误差、该传送器的动作范围、精度设定误差范围。
5.如权利要求1、2或3所述的传送器,其中,
该反向计算以及该一致性判断分别在该多个计算步骤的备用时间内执行,并周期性停止。
6.一种传送器的复制方法,包含:
将输入信号以多个步骤的计算转换成输出信号的正向计算步骤;
根据该多个步骤的每一步骤所算出的数值执行通常的各计算步骤的反向计算的反向计算步骤;以及
执行该正向计算步骤与该反向计算步骤的对应步骤的计算值的一致性判断的验证步骤;
该输入信号被传感器赋予数字值,该传感器为振动式差压或压力传感器,
该反向计算的步骤包含:
使用修正系数ci与经过尺寸化的差压dpscaled,根据该正向计算步骤所算出的计算值的输出pwm,以下述公式(5)算出经过尺寸化的差压dpscaled’;
使用温度以及静压经过修正的差压dpcomp与范围urv、lrv,根据该正向计算步骤所算出的该经过尺寸化的差压dpscaled,以下述公式(6)算出温度以及静压经过修正的差压dpcomp’;
使用修正系数ki与差压信号X,根据该正向计算步骤所算出的该温度以及静压经过修正的差压dpcomp,以下述公式(7)算出差压信号X’;
使用传感器频率fc、fr与常数A、B、C,根据该正向计算步骤所算出的该差压信号X,以下述公式(8)算出传感器频率fc’;
dpcomp′=dpscaled(urv-lrv)+lrv 公式(6)
ci为取决于温度的动态的修正系数,urv与lrv为使用者指定范围的100%与0%,ki为取决于温度以及静压的动态的修正系数,A、B、C为表示该传感器特性的常数。
7.如权利要求6所述的传送器的复制方法,其中,
在该验证步骤中,于至少1个以上的不一致发生时发出差错警报。
8.如权利要求6所述的传送器的复制方法,其中,
在该验证步骤中,于相同的不一致发生多次时发出差错警报。
9.如权利要求6、7或8所述的传送器的复制方法,其中,
该反向计算以及该验证步骤分别在该正向计算步骤的备用时间内执行,并周期性停止。
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