DE102012109132B4

DE102012109132B4 - Verbessertes Verfahren und verbesserte Vorrichtung zur Vermeidung von Aliasing

Info

Publication number: DE102012109132B4
Application number: DE102012109132.3A
Authority: DE
Inventors: Terrence Lynn Blevins; Mark J. Nixon
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN103019170B; DE102012109132A1; JP6307215B2; GB2496718B; JP2013073630A; US8788069B2; CN103019170A; GB2496718A; US20130079901A1; GB201217064D0

Abstract

Verfahren zum Verringern von Aliasing in einem Prozesssteuerungssystem (10), wobei das Prozesssteuerungssystem (10) wenigstens ein analoges Gerät (15-17) und einen Analog-Digital-Umsetzer (40) umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:Einstellen einer Modulausführungsrate für ein Modul im Prozesssteuerungssystem (10);Bestimmen einer Nyquist-Frequenz für das Modul basierend auf der Modulausführungsrate;Bestimmen einer Filterung nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40) basierend auf der Modulausführungsrate;im Filter nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40), Einstellen der Daten-Abtastrate im Analog-Digital-Umsetzer (40) basierend auf der Modulausführungsrate; undAbschwächen eines Frequenzinhalts des Messungssignals auf und oberhalb der Nyquist-Frequenz für das Modul.

Description

Prozessanlangen, wie sie in Chemie-, Erdöl- oder anderen Prozessen verwendet werden, beinhalten üblicherweise eine oder mehrere zentralisierte oder dezentralisierte Prozessteuerung(en), die über digitale oder kombinierte analoge/digitale Busse mit wenigstens einem Host oder einer Bedienerarbeitsstation und mit wenigstens einer oder mehreren Prozesssteuerung(en) und Messgeräten, wie Feldgeräten, in Kommunikationsverbindung steht/stehen. Feldgeräte, bei denen es sich zum Beispiel um Ventile, Ventilsteller, Schalter, Sender und Sensoren (z. B. Temperatur-, Druck- und Durchflussratensensoren) handeln kann, führen Funktionen innerhalb des Prozesses aus, wie das Öffnen oder das Schließen von Ventilen und Messen von Prozessparametern. Die Prozesssteuerung empfängt über die Kommunikationsbusse Signale, die Prozessmessungen oder Prozessvariablen angeben, die von den Feldgeräten erzeugt wurden oder mit diesen in Verbindung stehen, und/oder andere Informationen, die die Feldgeräte betreffen, verwendet diese Informationen, um ein Steuerungsprogramm zu implementieren, und erzeugt anschließend Steuerungssignale, die über einen oder mehrere der Busse an die Feldgeräte gesendet werden, um den Betrieb des Prozesses zu steuern. Informationen von den Feldgeräten und der Steuerung werden üblicherweise an eine oder mehrere durch eine Bedienerarbeitsstation betriebene Anwendung(en) bereitgestellt, um es einem Bediener zu ermöglichen, gewünschte Funktionen in Bezug auf den Prozess durchzuführen, wie zum Beispiel das Anzeigen des aktuellen Status des Prozesses, das Modifizieren des Betriebs des Prozesses usw.
Bisher wurden herkömmliche Feldgeräte verwendet, um über einen anlogen Bus oder analoge Leitungen analoge (z. B. 4 bis 20 Milliampere) Signale an die und von der Prozesssteuerung zu senden oder zu empfangen. Diese Signale mit 4 bis 20 mA waren insofern von Natur aus eingeschränkt, dass vom Gerät erzeugte Messungen oder von der Steuerung erzeugte Steuerungssignale angaben, die erforderlich sind, um den Betrieb des Geräts zu steuern. Im Laufe des letzten Jahrzehnts hat sich jedoch die Verwendung intelligenter Feldgeräte, die eine oder mehrere Prozesssteuerungsfunktionen ausführen, in der Prozesssteuerungsbranche durchgesetzt. Zusätzlich zur Erfüllung einer Primärfunktion im Prozess beinhaltet jedes intelligente Feldgerät einen Speicher und einen Mikroprozessor, die in der Lage sind, das Gerät betreffende Daten zu speichern, in digitalem oder kombiniert digitalem und analogem Format mit der Steuerung und/oder anderen Geräten zu kommunizieren und zweitrangige Aufgaben, wie Selbstkalibrierung, Identifizierung, Diagnostik usw., durchzuführen. Es wurde eine Reihe an standardisierten, freien, digitalen oder kombiniert digitalen und analogen Kommunikationsprotokollen, wie zum Beispiel die HART®, PROFIBUS®, FOUNDATION™ Feldbus, WORLDFIP®, Device-Net® und CAN-Protokolle entwickelt, um die Verknüpfung von intelligenten Feldgeräten verschiedener Hersteller innerhalb eines Prozesssteuerungsnetzwerks zu ermöglichen, damit diese miteinander kommunizieren und eine oder mehrere Prozesssteuerungsfunktion(en) durchführen können.
Die verschiedenen Funktionsblöcke innerhalb einer Prozessanlage sind konfiguriert, um miteinander zu kommunizieren (z. B. über einen Bus), um einen oder mehrere Prozessregelkreis(e) zu bilden, dessen/deren individuelle Tätigkeiten über den Prozess verteilt sind und der/die demnach dezentralisiert ist/sind. Wie oben erwähnt, müssen die mit der Prozessanlage verbundenen Geräte ordnungsgemäß und zuverlässig arbeiten, um den effizienten Betrieb des Gesamtprozesses aufrechtzuerhalten und so Betriebsausfälle der Anlage und Gewinnverluste zu minimieren. Üblicherweise ist/sind ein oder mehrere erfahrene(r), menschliche(r) Bediener primär dafür zuständig, die effiziente Funktion der Geräte innerhalb einer Prozessanlage sicherzustellen und Geräte mit Fehlfunktionen zu reparieren und zu ersetzen. Derartige Bediener können Tools und Anwendungen, wie die obenstehend beschriebenen, verwenden, die Informationen über Geräte innerhalb des Prozesses bereitstellen.
Analoge Signale von Feldgeräten werden häufig abgetastet und unter Verwendung von digitalen Umsetzern in digitale Signale umgewandelt. Bei der Abtastung wird zu verschiedenen Zeitpunkten eine Momentaufnahme des Signals aufgenommen und das Signal wird an jedem Zeitpunkt gemessen. In der Kommunikationstheorie ist seit langem bekannt, dass eine minimale Abtastrate erforderlich ist, um ein Signal richtig verarbeiten zu können. Genau genommen besagt das Shannon-Theorem, dass es erforderlich ist, mit mindestens der doppelten Geschwindigkeit des Signalinhalts mit der höchsten Frequenz abzutasten, um ein Signal genau darzustellen. Wenn ein Signal mit einer geringeren Frequenz abgetastet wird, wird das Signal von höheren Frequenzen, die inkorrekt als tiefe Frequenzen interpretiert werden, verfälscht. Zum Beispiel kann ein sich drehendes Rad unter Stroboskoplicht so aussehen, als würde es sich rückwärts drehen. Wie durch das Shannon-Theorem vorausgesagt, kommt es bei analogen Eingabeprozessen zu Aliasing, wenn die Abtastrate nicht wenigstens doppelt so schnell ist wie die höchste im Messungssignal enthaltene Frequenz. Die durch das Aliasing hervorgerufene Verfälschung kann durch im Messungssignal enthaltene Prozessstörgeräusche oder elektrische Störgeräusche entstehen.
Aus der US 2011 / 0 205 092 A1 ist ein Prozesssteuerungssystem bekannt, das einen frequenzabhängigen Schaltkreis, einen Analog-Digital-Umsetzer, ein Filter sowie einen Entscheiderschaltkreis, umfasst. Durch Änderung der Abtastrate des Analog-Digital-Umsetzers kann Selbstdiagnose des Prozesssteuerungssystems durchgeführt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Verfälschung von Messungssignalen eines Analog-Digital-Umsetzers, hervorgerufen durch Aliasing, verringert.
KURZDARSTELLUNG
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, einem Prozesssteuerungssystem nach Anspruch 11 und einem Computersystem nach Anspruch 18. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Aspekt der Erfindung liegt darin die Signale in Feldgeräten mit dem Doppelten der höchsten Frequenz in einem Messungssignal abzutasten und anschließend den digitalen Wert mit dieser Rate zu filtern, um den Frequenzinhalt zu verringern und Frequenzen, die höher sind als die Nyquist Frequenz des Prozesssteuerungsmoduls, zu beseitigen, wodurch Aliasing verringert oder sogar vollständig beseitigt wird.
Eine Modulausführungsrate im Prozesssteuerungssystem kann eingestellt werden und basierend auf der Modulausführungsrate kann eine Nyquist-Frequenz für das Modul bestimmt werden, wobei die Nyquist-Frequenz das Doppelte der Ausführungsrate betragen kann. Die auf die abgetastete Messung anzuwendende Filterung kann basierend auf der Modulausführungsrate eingestellt werden. Die Abtastrate des Analog-Digital-Umsetzers, der das Messungssignal abtastet, muss mit einer Geschwindigkeit durchgeführt werden, die wenigstens doppelt so hoch ist wie die höchste im Messungssignal enthaltene Frequenz.
Außerdem ist ein System zum Verringern von Aliasing in einem Prozesssteuerungssystem offenbart. Ein Prozesssteuerungsmodul im Prozesssteuerungssystem arbeitet mit einer vorbestimmten Ausführungsrate, wobei das Prozesssteuerungssystem Feldgeräte, einen Analog-Digital-Umsetzer und eine Steuerung beinhaltet. Die Steuerung berechnet basierend auf der Ausführungsrate des Moduls die Nyquist-Frequenz für das Prozesssteuerungsmodul. Ein Analog-Digital-Umsetzer, der mit wenigstens einem der Feldgeräte in Kommunikation steht, beinhaltet einen Filter, der im Rahmen der Umwandlung von analoger Form in digitale Form Signale oberhalb der Nyquist-Frequenz des Moduls abschwächt.
Die Vorteile des Systems und des Verfahrens beinhalten das Bereitstellen von genaueren Ablesungen von Feldgeräten. Dadurch ist basierend auf den genaueren Daten eine Verbesserung der Steuerung und Leistung des Anlagenprozesses möglich. Diese Vorteile beseitigen kostspielige Anlagenprozessfehler und entsprechende Bereinigungen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein schematisches Blockdiagramm einer Prozessanlage, die das Verfahren und die Vorrichtung zur Beseitigung von Aliasing verwendet;
2 ein Diagramm eines beispielhaften sinusförmigen Signals von einem Feldgerät;
3A-3D die Ergebnisse verschiedener Abtastungen pro Sekunde auf einem beliebigen sinusförmigen Signal, wobei die Abtastrate oberhalb der Nyquist-Frequenz liegt;
4A die Ergebnisse einer langsameren Abtastung pro Sekunde auf einem beliebigen sinusförmigen Signal, wobei die Abtastrate unterhalb der Nyquist-Frequenz liegt;
4B die Ergebnisse des sich ergebenden rekonstruierten Signals aus 4a, das an einen Regelkreis weitergegeben wird;
5 das sich ergebende rekonstruierte Signal, das sich aus dem Undersampling ergibt;
6A und 6B beispielhafte analoge Eingabekarten und ihre Filter;
7 ein Verfahren zum Beseitigen von Aliasing in einer Prozesssteuerungsumgebung; und
8 ein System zum Verringern von Aliasing in einem Prozesssteuerungssystem.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Prozesssteuerungsnetzwerk
Mit Bezugnahme auf 1 beinhaltet eine Prozessanlage 10 eine Mehrzahl an Feldgeräten 15-22, die über ein oder mehrere Eingabe-/Ausgabegerät(e) 26 und 28 mit einer Prozesssteuerung 12 verbunden sind. Bei der Prozesssteuerung 12 kann es sich um eine Steuerung für ein dezentrales Steuerungssystem, wie zum Beispiel die von Fisher-Rosemount Systems, Inc. vertriebene Delta V™-Steuerung, oder jede beliebige andere Art von Steuerung, die zum Steuern von auf jede beliebige herkömmliche oder andere gewünschte Art mit der Prozesssteuerung 12 verbundenen Feldgeräten 15-22 verwendet wird, handeln. Wie in 1 dargestellt, steht die Prozesssteuerung 12 über einen Bus 24 mit einer oder mehreren Bedienerarbeitsstation(en) 13 und 14 in Kommunikationsverbindung. Der Bus 24 kann verkabelt oder kabellos sein, zum Beispiel ein Ethernet-basierter Bus, und kann jedes beliebige oder gewünschte Protokoll für lokale Netzwerke (LAN) oder Weitverkehrsnetzwerke (WAN) verwenden, um die Kommunikation bereitzustellen. Die Bedienerarbeitsstationen 13 und 14 können auf einer PC-Plattform oder jeder beliebigen anderen geeigneten Verarbeitungsplattform basieren und eine Vielzahl bekannter Prozesssteuerungs-, Wartungs- und anderer Funktionen ausführen. Die Bedienerarbeitsstationen 13 und 14 können sich vor Ort in der Anlage oder an einem entfernten Standort befinden und unter Verwendung einer Vielzahl von Protokollen und einer Vielzahl an Kommunikationsgeräten mit der Steuerung kommunizieren. Zusätzlich kann die Prozessanlage 10 einen Datenschreiber 23 beinhalten, der über den Bus 24 Prozesssteuerungsdaten sammelt. Der Datenschreiber 23 ist im Stand der Technik allseits bekannt und wird demnach nicht näher beschrieben.
Wie bekannt ist, kann die Prozesssteuerung 12 ein Steuerungsschema speichern und implementieren, um Messungen und die Steuerung von Geräten im Prozess zu veranlassen, wodurch Prozessparameter gemäß einem allgemeinen Steuerungsschema gesteuert werden. Die Prozesssteuerung 12 kann Statusinformationen bezüglich des Betriebsstatus des Prozesses und/oder des Betriebsstatus der Feldgeräte 15-22 an eine oder mehrere zum Beispiel in den Bedienerarbeitsstationen 13 und 14 gespeicherte(n) Anwendung(en) berichten. Selbstverständlich können diese Anwendungen jede beliebige gewünschte Information an einen Bediener oder Wartungsmitarbeiter innerhalb der Prozessanlage 10 über mit den Bedienerarbeitsstationen 13 und 14 verbundene Anzeigegeräte 30 und 31 anzeigen. Es versteht sich, dass die in 1 dargestellte Prozessanlage 10 lediglich beispielhafter Natur ist und andere Arten oder Konfigurierungen von Prozessanlagen ebenfalls verwendet werden können.
Bei den Feldgeräten 15-22 kann es sich um jede beliebige Art von Geräten handeln, wie Sensoren, Ventile, Sender, Steller usw., während die I/O-Geräte 26 und 28 jede beliebige Art von I/O-Geräten sein können, die einem beliebigen gewünschten Kommunikations- oder Steuerungsprotokoll entsprechen. Wie in 1 dargestellt, steht die Prozesssteuerung 12 über analoge Leitungen 33-36 mit herkömmlichen (d. h. nicht intelligenten) Feldgeräten 15-17 in Kommunikationsverbindung. Die Feldgeräte 15-17 können herkömmliche analoge Feldgeräte mit 4-20 mA sein, die über analoge Leitungen 33-36 mit dem I/O-Gerät 26 kommunizieren. Ein Analog-Digital-Umsetzer 40 kann Teil des Eingabegeräts 26 sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Analog-Digital-Umsetzer 40 vom Eingabegerät 26 getrennt sein, jedoch mit dem Eingabegerät 26 in Kommunikation stehen.
Gleichermaßen kann es sich bei den Feldgeräten 19-22 um intelligente Geräte handeln, wie Feldbus-Feldgeräte, die anhand von nicht geschützten Feldbus-Protokollkommunikationen über einen digitalen Bus 38 mit dem I/O-Gerät 28 kommunizieren. Allgemein gesagt, handelt es sich bei dem Feldbus-Protokoll um ein vollständig digitales, serielles wechselseitiges Kommunikationsprotokoll, das einem Zweileiterkreis oder Bus, der die Feldgeräte 19-22 miteinander verbindet, eine standardisierte, physische Schnittstelle bereitstellt. Tatsächlich stellt das Feldbus-Protokoll innerhalb der Prozessanlage 10 ein lokales Netzwerk für die Feldgeräte 19-22 bereit, das es diesen Feldgeräten 19-22 ermöglicht, einen oder mehrere Prozessregelkreise in Verbindung mit oder unabhängig von der Prozesssteuerung 12 auszuführen. Selbstverständlich können auch andere Arten von Geräten und Protokollen, wie HART®, PROFIBUS®, WORLDFIP®, Device-Net®, AS-Interface und CAN-Protokolle verwendet werden.
Die Prozesssteuerung 12 ist konfiguriert, um anhand von allgemein als Funktionsblöcke bezeichneten Elementen, eine Steuerungsstrategie zu implementieren. Jeder Funktionsblock ist ein Teil (z. B. eine Unterroutine) einer allgemeinen Steuerungsroutine und arbeitet über Kommunikationsverknüpfungen in Verbindungen mit anderen Funktionsblöcken, um Prozessregelkreise in der Prozessanlage 10 zu implementieren. Funktionsblöcke können entweder eine Eingabefunktion, eine Ausgabefunktion oder eine Steuerungsfunktion ausführen. Die Eingabefunktion kann mit einem Sender, einem Sensor oder einem anderen Prozessparametermessungsgerät verbunden sein. Die Ausgabefunktion kann den Betrieb mancher Geräte, wie eines Ventils, steuern, um eine physische Funktion innerhalb der Prozessanlage 10 durchzuführen. Die Steuerungsfunktion kann mit einer Steuerungsroutine verbunden sein, die PID-, Fuzzylogik- usw. Steuerung durchführt. Selbstverständlich gibt es auch Mischformen und andere Arten von Funktionsblöcken. Funktionsblöcke können in der Prozesssteuerung 12 gespeichert und ausgeführt werden, was üblicherweise der Fall ist, wenn diese Funktionsblöcke mit herkömmlichen 4-20 mA Geräten und einigen Arten von intelligenten Feldgeräten verbunden sind. Zusätzlich können Funktionsblöcke in bzw. von den Feldgeräten selbst gespeichert und implementiert werden, was bei intelligenten Geräten der Fall ist.
Feldbus-Geräte
Wenngleich das Feldbus-Protokoll die Bezeichnung „Funktionsblock“ verwendet, um eine bestimmte Art von Instanz zu beschreiben, die in der Lage ist, eine Prozesssteuerungsfunktion durchzuführen, versteht es sich, dass die Bezeichnung Funktionsblock, wie sie hierin verwendet wird, nicht derart eingeschränkt ist und jede beliebige Art von Gerät, Programm, Routine oder andere Instanz beinhaltet, die/das in der Lage ist, eine Prozesssteuerungsfunktion auf jede beliebige Art und Weise an verteilten Standorten innerhalb eines Prozesssteuerungsnetzwerks durchzuführen. Demnach kann das hierin beschriebene System mit Prozessanlagen 10 verwendet werden, die andere Prozesssteuerungskommunikationsprotokolle oder -schemata (die derzeit bestehen können oder die eventuell in Zukunft entwickelt werden), die keine vom Feldbus-Protokoll eng als „Funktionsblock“ identifizierten Blöcke verwenden, einsetzen.
Wie oben beschrieben, findet die Kommunikation mit den Feldgeräten 15-22 unter Verwendung einer Prozesssteuerung 12 und eines Ausgabegeräts 26, 28 statt, die Signale 50 (2) von den Feldgeräten 15-22 empfangen. Die Ausgabe der analogen Feldgeräte 15-17 besteht aus Messungssignalen 50, die in einer Wellenform vorliegen. Die Signale werden abgetastet, was bedeutet, dass ein Wert des Feldgerätausgabesignals an einem bestimmten Zeitpunkt gemessen wird. Üblicherweise werden viele Abtastungen in Zeitintervallen gemessen, um das Ausgabesignal und alle Variationen des Signals im Zeitverlauf genau zu beobachten.
In Prozesssteuerungssystemen wird das analoge Signal 50 von den Feldgeräten 15-17 häufig anhand eines Analog-Digital-Umsetzers 40 von einem analogen Signal 50 in ein digitales Signal umgewandelt und das digitale Signal wird im Steuerungssystem verwendet. Während das analoge Signal 50 eine unendliche Vielzahl an Ausgaben innerhalb der maximalen und minimalen Signale umfassen kann, ist die Ausgabe von einem Analog-Digital-Umsetzer 40 üblicherweise eine digitale Darstellung, die aus 1en und 0en besteht, wobei eine 1 dadurch angegeben werden kann, dass das Signal oberhalb eines Grenzwertes liegt, und eine 0 dadurch angegeben werden kann, dass sich das Signal unterhalb des Grenzwertes befindet (oder umgekehrt). Demnach sieht das Steuerungssystem 12 das originale analoge Signal in seiner digitalen Darstellung.
Betrachten wir als Beispiel eine analoge Frequenz mit 250 Hz. Mit einer Frequenz von 250 Hz ist die Zeitdauer des Signals: $t = 1 / f$
$t = 1 / 250$
$t = 4 ms$
Das fortlaufende Zeitsignal, dass abgetastet werden kann, ist dann: $x (t) = sin (2 * pi * f * t)$
$x (t) = sin (2 * pi * 250 * t)$
Die grafische Darstellung des Signals über eine Zeitdauer von 24 ms ist in 2 dargestellt.
Wenn die Abtastrate 5.000 Hz beträgt, ist der Abtastintervall in 3A: $t = 1 / 5.000 = 0, 2 ms$
was bedeutet, dass das System über den Zeitraum von 4 ms 20 Abtastungen vornimmt. Ein Beispiel der Abtastung mit 5.000 Hz ist in 3A dargestellt.
Wenn die Abtastfrequenz des analogen Signals 50 jedoch um 50 % auf 2.500 Hz reduziert wird, ergibt sich das in 3B dargestellte Ergebnis, bei dem die Punkte auf dem Graph verbunden wären, um das abgetastete Signal 52 zu erzeugen. Gleichermaßen führt eine Verringerung des Abtastintervalls auf 0,6 ms (1.667 Hz) zum in 3C dargestellten Ergebnis, in dem die Punkte auf dem Graph verbunden wären, um das abgetastete Signal 52 zu erzeugen. Zu guter Letzt ist die Veränderung des Abtastintervalls auf 1,2 ms (833 Hz) in 3D dargestellt, in der die Punkte auf dem Graph verbunden wären, um das abgetastete Signal 52 zu erzeugen. Ein Verändern der Abtastrate, so dass das Signal alle 2,4 ms (416,7 Hz) abgetastet wird, erzeugt ein vollkommen anderes (inkorrektes) Signal, das in 4A dargestellt ist, bei dem die Punkte auf dem Graph verbunden wären, um das abgetastete Signal 52 zu erzeugen. Wenn das sich ergebende Signal 52 in einen Regelkreis eingegeben werden würde, würde es falsche Variationen in der Messung hervorrufen, wie die in 4B dargestellten.
Wie aus diesem Beispiel ersichtlich ist, verringert sich die Fähigkeit des Steuerungssystems, die Variation im analogen Signal 50 richtig zu erfassen, wenn die Abtastrate verringert wird. Wenn die Abtastrate nicht mehr in der Lage ist, die Abweichung im analogen Signal 50 richtig zu erfassen, kommt es zu „Aliasing“. Die Frequenz bei der dies geschieht, wird als Nyquist-Frequenz bezeichnet. Das Nyquist-Abtasttheorem besagt, dass die Abtastrate wenigstens das Zweifache der höchsten im System vorhandenen Frequenzkomponente betragen muss, um das analoge Signal 50 richtig abtasten zu können. In dem hier verwendeten und in 3a-4b dargestellten Beispiel (bei dem es sich um ein 250 Hz Signal handelt), muss eine Abtastfrequenz von mindestens 500 Hz verwendet werden.
Die Ergebnisse eines Falls, in dem das Steuerungssystem unterhalb der Nyquist-Frequenz abtastet, sind in 4A dargestellt. In 4A wurde das analoge Signal 50 bei 416,7 Hz abgetastet. Wenn das analoge Signal 50 mit einer Abtastrate abgetastet wird, die weniger als das Doppelte der Nyquist-Frequenz beträgt, erscheinen falsche, niedrigere Frequenzkomponente(n) in den Abtastdaten. Wenn gegen die Nyquist-Regel verstoßen wird, fallen höhere Frequenzkomponenten zurück und verzerren die Abtastwerte. Eine derartige Verzerrung durch Prozessstörungen kann zum Beispiel zu verstärkten Variationen in der Steuerung und übermäßigem Verschleiß der Feldgeräte 15-17 führen.
Als weiteres Beispiel zeigt 5 eine 5 MHz Sinuskurve 50, die durch einen 6 MS/s-Analog-Digital-Umsetzer 40 digitalisiert wird. Die gestrichelte Linie zeigt das durch den Alias-Effekt veränderte Signal 52, das vom Analog-Digital-Umsetzer 40 aufgezeichnet wurde. Die 5 MHz-Frequenz gelangt durch den Alias-Effekt zurück in den Durchlassbereich und erscheint fälschlicher Weise als 1 MHz-Sinuskurve. Sollte ein Steuerungssystem das sich ergebende Signal 52 verwenden, würde es zu einem Fehler aufgrund einer falschen Ablesung kommen.
Die Leistung, die durch die Verwendung eines dezentralisierten Steuerungssystems, wie es in 1 dargestellt ist, erreicht werden kann, kann durch die Regelkreisausführungsraten, die durch die Eingabe-Ausgabe-Verarbeitung verursachte Verzögerung und durch die Prozessdynamik bestimmt werden. Auf einer hohen Ebene kann die Regelkreisausführungsrate basierend auf den Prozessdynamiken eingestellt werden, um Steuerleistung zu erreichen. Für jede ausgewählte Regelkreisausführungsrate sollte die Eingabe-Ausgabe-Verarbeitungsverzögerung minimiert und eine Filterung bereitgestellt werden, um Aliasing von Messungsdaten zu vermeiden.
Antialiasing-Filterung
Moderne Analog-Digital-(A/D)-Umsetzer arbeiten mit einer sehr hohen Abtastrate. Häufig ist ein analoger Hardware-Filter erforderlich, um alle Frequenzen oberhalb der Hälfte der internen Abtastrate, d. h. der Nyquist-Frequenz, für den Analog-Digital-Umsetzer 40 zu entfernen.
Zusätzlich kann ein digitaler Filter mit endlicher Impulsantwort als Teil des Analog-Digital-Umsetzers 40 bereitgestellt sein, um störende Nebensignale, wie 50 oder 60 Hz AC-Frequenz zu entfernen und Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz der Anwendung, die die Ausgabe des Analog-Digital-Umsetzers 40 verwendet, zu beseitigen. Da die Ausführungsrate der Regelkreise konfiguriert werden kann, variiert die Nyquist-Frequenz wie nachstehend dargestellt, um Aliasing im Regelkreis zu vermeiden. TABELLE 1

Modulausführungszeit Nyquist-Frequenz

100 ms 5 Hz

200 ms 2,5 Hz

500 ms 1 Hz

1 sec 0,5 Hz

2 sec 0,25 Hz

5 sec 0,1 Hz

10 sec 0,05 Hz

30 sec 0,016 Hz

60 sec 0,008 Hz
Da die Nyquist-Frequenz des Moduls demnach mit der Modulausführungsrate variiert, kann demnach kein festgelegter digitaler Filter verwendet werden, um jede Form von Aliasing zu verhindern.
Zum Beispiel verwenden einige analoge Eingabekarten 26 im Prozesssteuerungssystem Filter, die dabei helfen, vor ungewünschten Signalen im Bereich von 50-60 Hz zu schützen. 6A und 6B zeigen Darstellungen von beispielhaften analogen Eingabekarten 26. In 6B kann die Eingabekarte 26 eine analoge DeltaV-Eingabekarte sein, die einen zweipoligen Hardware-(Widerstand/Kondensator (RC-Glied))-Filter verwendet, um eine Abschwächung im Bereich von 50-60 Hz bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann der Filter eine Abschwächung von -3 dB bei 2,7 Hz und eine Abschwächung von mehr als -40 dB im Bereich von 50-60 Hz bereitstellen.
6A kann eine analoge CHARM-Eingabekarte 26 sein, die einen Analog-Digital-Software-Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR) und zusätzliche Software-Filter nach dem Analog-Digital-Umsetzer verwendet, die ebenfalls die Abschwächung unterstützen können. In einer Ausführungsform kann der Filter eine Abschwächung von -3 dB bei 2,7 Hz und eine Abschwächung von mehr als -40 dB im Bereich von 50-60 Hz bereitstellen. Das Filtern zum Verhindern von Aliasing in Regelkreisdaten nach der (FIR)-Filterschaltung mit endlicher Impulsantwort ist jedoch weniger effektiv, da die analogen Daten an diesem Punkt bereits durch den Alias-Effekt verändert sind.
In manchen derzeitigen Ausführungsformen kann es sich bei dem verwendeten Analog-Digital-Umsetzer 40 um den TI - ADS 1246/7/8 von Texas Instruments handeln und der Analog-Digital-Umsetzer 40 kann Eingaben in Intervallen von 50 ms abtasten. Die Ausgabe dieser Analog-Digital-Umsetzer 40 kann dann durch einen Software-Filter erster Ordnung geleitet werden, bevor sie an Steuerungsstrategien weitergeleitet wird, die zum Beispiel in der Prozesssteuerung 12 arbeiten. Der Software-Filter kann angepasst werden, um der Steuerungsausführungsrate dieser Steuerungsstrategien zu entsprechen.
Bei diesem Ansatz liegen verschiedenen Einschränkungen vor:

1 - Alle Störsignale, die durch den Schaltkreis des Analog-Digital-Umsetzers 40 laufen, sind sehr schwer aus dem tatsächlich gemessenen Signal zu entfernen;
2 - Software-Filter können eine Phasenverschiebung verursachen; und
3 - Interferenzen und Prozessstörungen wirken sich als Aliasing aus.

ABSCHWÄCHUNG DER NYQUIST-FREQUENZ
7 zeigt ein Verfahren zum Verringern von Aliasing in einem Prozesssteuerungssystem in einer Prozessanlage 10. Auf einer hohen Ebene kann ein Filter 42 (8) verwendet werden, um Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz des Moduls zu entfernen, bevor die analogen Signale 50 durch den Analog-Digital-Umsetzer 40 von analogen Signalen 50 in digitale Signale umgewandelt werden. Die Nyquist-Frequenz kann auf das Zweifache der Regelkreisausführungsrate festgelegt werden. Der Filter 42 kann ein Teil des Analog-Digital-Umsetzers 40 oder Teil jeder beliebigen der Vorrichtungen im Prozesssteuerungssystem vor der Umwandlung des analogen Signals 50 durch den Analog-Digital-Umsetzer 40 sein. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Verfahren oder die Vorrichtung 42 Teil eines Feldgeräts 15-17 sein. Daraus ergibt sich eine erhebliche Minderung von Aliasing und eine maßgebliche Verbesserung der Leistung der Prozessanlage 10.

Da die schnellsten Regelkreise üblicherweise mit 100 ms ausgeführt werden, können 20 Abtastungen (Samples) pro Sekunde (SPS) verwendet werden, um das Eingabesignal 50 abzutasten. Bei dieser Abtastrate kann der Analog-Digitalfilter mit endlicher Impulsantwort in einer Eingabekarte 26, wie den in 6A und 6B dargestellten, eine hervorragende Leistung beim Entfernen von Wechselspannungs-(AC)-Nebengeräuschen mit eine Abschwächung von >-70 dB bei 50 und 60 Hz leisten. Die -3 dB Bandbreite in der Analog-Digital-Ausgabe ist jedoch 14,8 Hz, wie in der nachstehenden Tabelle gezeigt wird, und sehr viel höher als die mit der Regelkreisausführung verbundene Nyquist-Frequenz. TABELLE 2

DATENRATE (SPS)	-3dB BANDBREITE (Hz)	ABSCHWÄCHUNG
DATENRATE (SPS)	-3dB BANDBREITE (Hz)	f_IN = 50 Hz ±0,3Hz (dB)	f_IN = 60 Hz ±0,3Hz (dB)	f_IN = 50 Hz ±1Hz (dB)	f_IN = 60 Hz ±1Hz (dB)
5	2,26	-106	-74	-81	-69
10	4,76	-106	-74	-80	-69
20	14,8	-71	-74	-66	-68
40	9,03
80	19,8
160	118
320	154
640	495
1000	732
2000	1465

Demnach bietet der herkömmliche Analog-Digitalfilter mit endlicher Impulsantwort in analogen Eingabekarten 26, wenn er mit 20 Abtastungen pro Sekunde betrieben wird, auf der Regelkreisebene keinen Schutz vor Aliasing von Prozessstörgeräuschen im Bereich von 0-14,8 Hz. Basierend auf der Modulausführungsrate fallen alle Frequenzinhalte zwischen der Nyquist-Frequenz für die Modulausführungsrate und 14,8 Hz zurück und verzerren das in der geschlossenen Kreissteuerung verwendete Signal 50. Eine derartige Verzerrung kann zu exzessivem Ventildurchlaufen führen und die Variabilität um den Sollwert herum erhöhen.
Mit erneuter Bezugnahme auf 7 kann im Block 700 eine Modulausführungsrate für ein Modul im Prozesssteuerungssystem bestimmt werden. Die Modulausführungsrate kann auf jede beliebige logische Art bestimmt werden, zum Beispiel durch Anfragen an die Prozesssteuerung 12 oder durch Anfragen an die Steuerungssoftware, die die Modulausführungsrate vorgibt. Zusätzlich kann die Modulausführungsrate anpassbar sein. Ein Vorgabewert kann bereitgestellt werden und der Vorgabewert kann 1/s betragen. Um die Belastung auf die Steuerung 12 zu verringern, kann die Modulausführungsrate jedoch auch anpassbar sein. Demnach muss unter Umständen die Modulausführungsrate bestimmt werden.
In manchen Ausführungsformen können Modulregelkreise von Benutzern eingestellte Ausführungsraten aufweisen. Die Modulausführungsrate kann aus einer Mehrzahl an voreingestellten Modulausführungsraten ausgewählt sein oder eine beliebige Zahl sein, die von der Steuerung 12 im Prozesssteuerungssystem verstanden und ausgeführt werden kann. Viele Regelkreise in Prozesssteuerungsumgebungen weisen eine Mehrzahl an vorgegebenen Werten auf, die für die Ausführungsraten ausgewählt werden können. Als nicht einschränkendes Beispiel ermöglicht das DeltaV® Steuerungssystem, das auf den Arbeitsstationen 13, 14 betrieben werden kann, es Benutzern, Ausführungsraten von 100, 200 und 500 ms und 1, 2, 5, 10, 30 und 60 Sekunden auszuwählen. Um die gewünschte Steuerungsleistung zu erreichen, kann die Regelkreisausführungsrate schnell genug eingestellt werden, damit die Prozessdynamik tatsächlich in der geschlossenen Kreisreaktion wiedergespiegelt werden kann.
Die Faustregel für das Einstellen der Kreisausführungszeitdauer ist, dass die Regelkreisausführungszeitdauer mindestens vier (4) mal schneller sein sollte als die Prozessreaktionszeit. Die Qualität der Steuerung wird merklich gemindert, wenn ein Regelkreis konfiguriert ist, langsamer ausgeführt zu werden als mit der vierfachen Geschwindigkeit der Prozessreaktion. Die Prozessreaktionszeit eines selbstregulierenden Prozesses kann als erste Ordnung (Zeit, die ein Gerät benötigt, um eine Handlung zu veranlassen) plus Totzeit angenähert werden und es wird angenommen, dass die Prozessreaktionszeit die Summe aus Prozesstotzeit und Prozesszeitkonstante ist. Für integrierende Prozesse kann angenommen werden, dass die Prozessreaktionszeit die Summe der Totzeit und der für eine bedeutsame Reaktion auf eine Veränderung in der Prozesseingabe erforderlichen Zeit ist.
In einem einfachen Beispiel sollte die Regelkreisausführungszeitdauer 4 Abtastungen pro Sekunde betragen wenn die Prozessreaktionszeit 1 Sekunde beträgt. Ferner, wenn die Regelkreisausführungszeitdauer 4 Abtastungen pro Sekunde beträgt, würde sich die Nyquist-Frequenz auf das Doppelte der Regelkreisausführungszeitdauer (4 Abtastungen pro Sekunde) oder 8 Abtastungen pro Sekunde belaufen. Einen Regelkreis so zu konfigurieren, dass er schneller als das Vierfache der Prozessreaktionszeit ausgeführt wird, bietet eine geringe oder gar keine Verbesserung der Steuerungsreaktion auf Sollwert und Laststörwerte. Die Qualität der Steuerung wird jedoch merklich gemindert, wenn ein Regelkreis so konfiguriert ist, dass er langsamer ausgeführt wird als das Vierfache der Prozessreaktion. Bei diesen langsameren Ausführungsraten muss der Kreis außerdem justiert werden, um eine stabile Reaktion bereitzustellen, d. h. die proportionale Verstärkung wird reduziert und die Zeit zum Zurücksetzen wird erhöht.
In einer anderen Ausführungsform kann die Modulausführungsrate durch die Steuerung 12 im Prozesssteuerungssystem berechnet werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann/können ein oder mehrere Abtastbefehl(e) durch das Prozesssteuerungssystem gesendet und die Zeit für die Reaktion bestimmt werden. Basierend auf der für die Reaktion benötigten Zeit kann die Modulausführungsrate als viermal schneller als die Reaktionsrate berechnet werden. Zusätzlich kann das System andere Module verwenden, die mit bekannten Ausführungsraten und -zeiten arbeiten und die vorliegende Ausführungsrate mit der bekannten Ausführungszeit vergleichen, um einen Schätzwert der Ausführungszeit zu erhalten.
Die Prozessreaktionszeit kann außerdem basierend auf der Art der Ausrüstung bestimmt werden. Wie bereits erwähnt, kann die Prozessreaktionszeit eines selbstregulierenden Prozesses als erste Ordnung (Zeit, die ein Gerät benötigt, um eine Handlung einzuleiten) plus Totzeit angenähert werden und es wird angenommen, dass die Prozessreaktionszeit die Summe der Prozesstotzeit und der Prozesszeitkonstante ist. Für integrierende Prozesse kann angenommen werden, dass die Prozessreaktionszeit die Summe aus Totzeit und der für eine bedeutsame Reaktion auf eine Veränderung in der Prozesseingabe erforderlichen Zeit ist.
Im Block 710 kann basierend auf der Modulausführungsrate eine Nyquist-Frequenz für das Modul bestimmt werden. Wie bereits beschrieben, kann die Nyquist-Frequenz verwendet werden, um die für das Vermeiden von Aliasing erforderliche Filterung einzustellen. Wie bereits erwähnt, kann die Nyquist-Frequenz außerdem je nach Modul variieren, was bedeutet, dass die Nyquist-Frequenz unter Umständen für jedes jeweilige Modul berechnet werden muss, um die Nyquist-Frequenz genau zu bestimmen.
Die Nyquist-Frequenz beträgt das Doppelte der Modulausführungsrate im Modul im Prozesssteuerungssystem. In manchen Ausführungsformen ist die Nyquist-Frequenz basierend auf der Mehrzahl an vorgegebenen Modulausführungsraten vorbestimmt. In anderen Ausführungsformen wird die Nyquist-Frequenz während der Betriebszeit basierend auf der bestimmten Modulausführungsrate aus Block 700 berechnet. Einige beispielhafte Modulausführungszeiträume und zugehörige Nyquist-Frequenzen sind nachstehend aufgeführt. TABELLE 3

Modulausführungszeit Nyquist-Frequenz

100 ms 5 Hz

200 ms 2,5 Hz

500 ms 1 Hz

1 s 0,5 Hz

2s 0,25 Hz

5 s 0,1 Hz

10 s 0,05 Hz

30 s 0,016 Hz

60 s 0,008 Hz
In einigen Ausführungsformen kann basierend auf der Modulausführungsrate von Block 700 im Block 720 die Filteranforderung bestimmt werden. Eine Wertetabelle oder vorausgefüllte Datenbank kann verwendet werden, um basierend auf der Modulausführungsrate eine Filterung vorzuschlagen. In einer anderen Ausführungsform kann die Filterung berechnet werden. In einer weiteren anderen Ausführungsform kann durch das Filtern basierend auf den Modulausführungsratendaten oder anderen relevanten Daten, wie Eingabe-Ausgabe-Verzögerungen, Totzeit usw., eine Rechenquelle, wie die Arbeitsstationen 13, 14 kontaktiert werden. In anderen Ausführungsformen kann die Filterung nach dem Analog-Digital-Umsetzer 40 durch einen separaten Prozess oder eine separate Vorrichtung bestimmt werden.
Im Block 730 kann die Filterung im Analog-Digital-Umsetzer 40, der in Kommunikationsverbindung stehen kann, um die analogen Kommunikationen 50 von den Feldgeräten 15-17 in der Prozessanlage 10 zu empfangen, basierend auf der Modulausführungsrate eingestellt werden. Auf diese Weise kann eine Modulausführungsrate ausgewählt und eine Empfehlung für die Filterung im Analog-Digital-Umsetzer 40 bereitgestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Filterung im Analog-Digital-Umsetzer 40 automatisch basierend auf der ausgewählten Modulausführungsrate eingestellt sein. In einigen zusätzlichen Ausführungsformen kann eine Filterung im Analog-Digital-Umsetzer 40 ausgewählt und eine Empfehlung für die Modulausführungsrate bereitgestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Modulausführungsrate automatisch basierend auf der Abtastrate und der Filterung im Analog-Digital-Umsetzer 40 eingestellt werden.
Die Filterung kann entweder vom Steuerungssystem oder vom Benutzer aus einer Mehrzahl an voreingestellten Datenabtastraten ausgewählt werden. Die Filterung kann als Dropdown-Menü oder jede andere geeignete Benutzereingabeanzeige dargestellt sein. In manchen Ausführungsformen kann die Filterung im Analog-Digital-Umsetzer 40 vom Prozesssteuerungssystem eingestellt sein. In manchen Ausführungsformen ist die Filterung als Vorgabewert eingestellt, der von einem Benutzer geändert werden kann. Die Filterung kann auf verschiedene Arten angepasst werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Anpassen einer Filterzeitkonstanten oder Anpassen der Koeffizienten des digitalen Filters, um die gewünschte Abschwächung zu erreichen.
In einigen zusätzlichen Ausführungsformen kann ein Benutzer eine Datenabtastrate einstellen und die Regelkreisausführungszeitdauer kann basierend auf der Datenabtastrate angepasst werden. In der Praxis kann es vorkommen, dass einige Benutzer es bevorzugen, eine Datenabtastrate anzupassen. Die Anpassung an die Regelkreisausführungszeitdauer kann automatisch geändert werden, auf einen Vorgabewert, der von einem Benutzer verändert werden kann, eingestellt werden oder der Benutzer wird angehalten, die Regelkreisausführung manuell zu ändern.
Im Block 740 kann das Modulsignal auf und oberhalb der Nyquist-Frequenz für das Modul abgeschwächt werden. In einigen Ausführungsformen ist ein verstellbarer, digitaler Filter 42 Teil des Analog-Digital-Umsetzers 40. Tatsächlich kann der Filter 42 in einigen Ausführungsformen ein Tiefpass-Analog-Digitalfilter mit endlicher Impulsantwort 42 sein, der sich bereits in der analogen Eingabekarte 26 befinden kann. Wenn der Filter 42 in der analogen oder digitalen Eingabekarte 26 vorhanden ist, müssen die neuen Einstellungsparameter einfach nur an den Filter 42 kommuniziert werden und der Filter 42 kann das Signal wie gewünscht abschwächen. Ferner kann die Abschwächung variieren, wenn die Modulrate variiert, um eine Überlastung der Steuerung 26 und eine Abschwächung von Signalen, die basierend auf der aktuellen Modulrate nicht abgeschwächt werden müssen, zu vermeiden. Falls der bestehende Filter im Analog-Digital-Umsetzer 40 verwendet wird, können erhebliche Kosteneinsparungen erreicht werden, da die aktualisierten Einstellungsparameter an den bestehenden Filter 42 bereitgestellt werden müssen.
In einer Ausführungsform enthält der Filter 42 alle nötigen Daten, um das Signal anzupassen und die gewünschte Abschwächung zu erreichen. Wenn die Datenrate zum Beispiel auf 20 SPS eingestellt ist, weiß der Filter 42, wie er die Filterkoeffizienten anpassen muss, um die gewünschte Abschwächung für eine Modulausführungsrate zu erreichen. Die Koeffizienten können auf einem lokalen Speicher oder einem entfernten Speicher gespeichert oder schnell von einem zusätzlichen Speicher oder durch eine Bestimmung abrufbar sein.
Wenn die Modulausführungsrate für einen Filter 42 geändert wird, können die für das Erreichen der gewünschten Abschwächung benötigten Filterkoeffizienten in einer anderen Ausführungsform auch an den Filter 42 kommuniziert werden. Auf diese Weise können die nötigen Filterkoeffizienten an den Filter 42 „übergeben“ werden, statt dass der Filter 42 die Filterkoeffizienten „ziehen“ muss. Wenn ein Benutzer die Modulausführungsrate ändert, kann einem Benutzer in einer weiteren anderen Ausführungsform eine Anzeige angezeigt werden, die dem Benutzer vorschlägt, den digitalen Filter so anzupassen, dass das Aliasing-Potenzial verringert wird. Auf diese Weise können jegliche Störgeräusche im Prozess behandelt werden, um sicherzustellen, dass es auf Modulebene nicht zu Aliasing kommt.
In einigen Ausführungsformen kann das Abschwächen des Signals die Implementierung eines Filters 42 auf dem analogen Signal 50 an einer Stelle im Prozess bevor und/oder nachdem das analoge Signal 50 vom Analog-Digital-Umsetzer 40 abgetastet wird erforderlich machen. Logischerweise kann jeder beliebige geeignete Filter 42 verwendet werden. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Filter 42 um einen Tiefpass-Analog-Digitalfilter mit endlicher Impulsantwort, der Signale 50 oberhalb der Nyquist-Frequenz des Analog-Digital-Umsetzers abschwächt. In einigen Ausführungsformen beträgt die Abschwächung auf der mit der Modulausführungsrate verbundenen Nyquist-Frequenz mindestens -12dB und die Abschwächung bei 50 Hz bis 60 Hz wenigstens -40dB. Selbstverständlich kann die Abschwächung auch höher sein. Während das Signal abgeschwächt wird, fällt das Signal nicht auf sich selbst zurück und löst so keinen Aliasing-Effekt aus. Zusätzlich findet die Abschwächung vor der Umwandlung von analog in digital um, wodurch Umwandlungsfehler vermieden werden.
Dadurch kann eine bessere Steuerung des Anlagenprozesses 10 erreicht werden, da die Nyquist-Abschwächungsfrequenz für jedes spezifische Modul in einem Prozesssteuerungssystem bestimmt werden kann. Ferner kann die Abschwächungsfrequenz angepasst werden wenn sich das Modul verändert, zum Beispiel wenn neue Feldgeräte 15-17 hinzugefügt, entfernt, verändert usw. werden, Kommunikationsverknüpfungen modifiziert werden, Prozesslösungen geändert werden usw. Dadurch kann die Anzahl an fehlerhaften Ablesungen, die zu vorzeitigem Verschleiß der Feldgeräte 15-17, wie durch exzessiven Ventildurchlauf, führen können und die Variabilität um den Sollwert erhöhen, verringert werden. Zusätzlich wird die Steuerung des Prozesses präziser, da Ablesungen von den Feldgeräten 15-17 richtig konvertiert und interpretiert werden. Ferner wird weniger Zeit damit verbracht, zu versuchen, Probleme und Fehler zu diagnostizieren, die den fehlerhaften Ablesungen zuzuschreiben sind, die unter Umständen durch Signal-Aliasing ausgelöst wurden.
8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung, die verwendet werden kann, um Aliasing im Prozesssteuerungssystem zu verringern. Das kann Feldgeräte 15-17, ein analoges Eingabe-/Ausgabegerät 26 und eine Steuerung 12 beinhalten. Die Steuerung 12 kann basierend auf der Ausführungsrate des Moduls die Nyquist-Frequenz für das Prozesssteuerungsmodul 12 berechnen. Die Steuerung kann außerdem basierend auf der Ausführungsrate die nach dem Analog-Digital-Umsetzer 40 angewandte Filterung berechnen, die das Vierfache der Ausführungsrate betragen kann.
Ein Eingabe-/Ausgabegerät 26 kann über analoge Kommunikationsleitungen 33-36 mit den Feldgeräten 15-17 in Kommunikation stehen. Der Analog-Digital-Umsetzer 40 kann Teil des Eingabegeräts 26 sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Analog-Digital-Umsetzer 40 vom Eingabe-/Ausgabegerät 26 getrennt sein, jedoch mit dem Eingabegerät 26 in Kommunikation stehen.
Der mit den Feldgeräten 15-17 und dem Eingabegerät 26 verbundene Filter 42 kann analoge Signale 50 oberhalb der berechneten Nyquist-Frequenz des Analog-Digital-Umsetzers abschwächen, bevor das analoge Signal 50 von analoger in digitale Form umgewandelt wird. Wie bereits erwähnt, kann der Filter 42 nach dem Analog-Digital-Umsetzer angewandt werden, um Frequenzen oberhalb der bestimmten Nyquist-Frequenz für das Modul abzuschwächen. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Filter 42 nach dem Analog-Digital-Umsetzer um einen Tiefpass-Analog-Digitalfilter mit endlicher Impulsantwort, der Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz abschwächt. In einigen Ausführungsformen beträgt die Abschwächung auf der Nyquist-Frequenz wenigstens -12dB und die Abschwächung bei 50 Hz bis 60 Hz wenigstens -40dB. Selbstverständlich kann die Abschwächung höher sein.
Wie bereits erwähnt, kann der digitale Filter in einigen Ausführungsformen Teil des Analog-Digital-Umsetzers 40 sein. Tatsächlich kann der Filter in einigen Ausführungsformen ein Tiefpass-Analog-Digitalfilter mit endlicher Impulsantwort sein, der sich bereits in der analogen Eingabekarte 26 befindet, die neue Justierungsparameter erfordert, und der Filter kann den Signalfrequenzinhalt nach dem Analog-Digital-Umsetzer abschwächen.
Es versteht sich, dass der Filter 42 und jede beliebige seiner Komponenten, einschließlich des Analog-Digital-Umsetzers 40 usw., als Hardware, Software, Firmware oder eine beliebige Kombination daraus implementiert sein kann. In jedem Fall beinhaltet die Abfrage einer in einem Speicher gespeicherten und auf einem Prozessor ausgeführten Routine Hardware- und Firmware- sowie Software-Geräte. Zum Beispiel können die hierin beschriebenen Komponenten in einer Standard-Mehrzweck-CPU oder auf spezifisch entworfener Hardware oder Firmware, wie einem ASIC- oder anderen festverdrahteten Geräten, implementiert sein und dennoch eine in einem Prozessor ausgeführte Routine sein. Wenn sie als Software implementiert ist, kann die Software-Routine in jedem beliebigen computerlesbaren Speicher gespeichert sein, wie einer Magnetplatte, einer Laserplatte, einer optischen Platte, einem RAM, ROM, EEPROM, einer Datenbank oder jedem beliebigen anderen Fachleuten bekannten Speichermedium.
Wenngleich die vorliegende Verbesserung mit Bezugnahme auf spezifische Beispiele beschrieben wurde, die ausschließlich als Beispiele und nicht als Einschränkungen der Erfindung anzusehen sind, ist es dennoch für Fachleute ersichtlich, dass an den hierin offenbarten Ausführungsformen Veränderungen, Hinzufügungen oder Löschungen vorgenommen werden können, ohne dabei vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Verringern von Aliasing in einem Prozesssteuerungssystem (10), wobei das Prozesssteuerungssystem (10) wenigstens ein analoges Gerät (15-17) und einen Analog-Digital-Umsetzer (40) umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einstellen einer Modulausführungsrate für ein Modul im Prozesssteuerungssystem (10); Bestimmen einer Nyquist-Frequenz für das Modul basierend auf der Modulausführungsrate; Bestimmen einer Filterung nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40) basierend auf der Modulausführungsrate; im Filter nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40), Einstellen der Daten-Abtastrate im Analog-Digital-Umsetzer (40) basierend auf der Modulausführungsrate; und Abschwächen eines Frequenzinhalts des Messungssignals auf und oberhalb der Nyquist-Frequenz für das Modul.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nyquist-Frequenz doppelt so hoch ist wie die Frequenz, mit der das Modul ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Abschwächen des Modulsignals das Implementieren eines Tiefpass-Digitalfilters mit endlicher Impulsantwort (42) nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40) umfasst, um oberhalb der Nyquist-Frequenz, die mit der Frequenz, mit der das Modul ausgeführt wird, verbunden ist, liegenden Frequenzinhalt im Messungssignal abzuschwächen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abschwächung auf der Nyquist-Frequenz wenigstens -12 dB beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abschwächung auf 50 Hz bis 60 Hz wenigstens -40 dB beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Modulausführungsrate aus einer Mehrzahl an voreingestellten Modulausführungsraten ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Nyquist-Frequenz basierend auf der Mehrzahl an voreingestellten Modulausführungsraten vorbestimmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der digitale Filter (42) nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40) vom Prozesssteuerungssystem (10) eingestellt sein kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Regelkreis im Laufe der Prozessreaktionszeit wenigstens viermal ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Prozessreaktionszeit in einem selbstregulierenden Prozess Zeit erster Ordnung plus Totzeit umfasst und wobei die Prozessreaktionszeit in einem integrierenden Prozess die Totzeit plus die für eine bedeutsame Reaktion auf eine Veränderung in einer Prozessangabe erforderliche Zeit umfasst.
System zum Verringern von Aliasing in einem Prozesssteuerungssystem (10), das Folgendes umfasst: ein Prozesssteuerungsmodul (12,15-17,26) im Prozesssteuerungssystem (10), das mit einer vorbestimmten Ausführungsrate arbeitet, wobei das Prozesssteuerungssystem (10) Folgendes umfasst: Feldgeräte (15-22), die eine analoge Ausgabe bereitstellen, ein Eingabe-/Ausgabegerät (26,28), das mit den Feldgeräten (15-22) in Kommunikationsverbindung steht, und eine Steuerung, wobei die Steuerung basierend auf der Ausführungsrate eine Nyquist-Frequenz für das Prozesssteuerungsmodul (12,15-17,26) berechnet; einen Analog-Digital-Umsetzer (40), der mit dem Eingabe-/Ausgabegerät (26,28) in Kommunikationsverbindung steht; und einen Filter, der mit dem Analog-Digital-Umsetzer (40) in Kommunikationsverbindung steht, der den Frequenzinhalt des Messungssignals oberhalb der Nyquist-Sequenz abschwächt, nachdem das Modulsignal durch den Analog-Digital-Umsetzer (40) von analoger Form in digitale Form umgewandelt wurde.
System nach Anspruch 11, wobei die Nyquist-Frequenz das Doppelte der Modulausführungsrate im Prozesssteuerungssystem (10) beträgt.
System nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Abschwächen des Modulsignals das Implementieren eines Tiefpass-Digitalfilters mit endlicher Impulsantwort (42) nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40) umfasst, um oberhalb der mit der Modulausführungsrate verbundenen Nyquist-Frequenz gelegene Frequenzen im Messungssignal abzuschwächen.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Abschwächung auf der Nyquist-Frequenz wenigstens -12 dB beträgt und wobei die Abschwächung auf 50 Hz bis 60 Hz wenigstens -40 dB beträgt.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Modulausführungsrate aus einer Mehrzahl an voreingestellten Modulausführungsraten ausgewählt ist und die Nyquist-Frequenz basierend auf der Mehrzahl an voreingestellten Modulausführungsraten vorbestimmt ist.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Regelkreis im Laufe der Prozessreaktionszeit wenigstens viermal ausgeführt wird und wobei die Prozessreaktionszeit in einem selbstregulierenden Prozess Zeit erster Ordnung plus Totzeit umfasst und wobei die Prozessreaktionszeit in einem integrierenden Prozess Totzeit plus die für eine bedeutsame Reaktion auf eine Veränderung in einer Prozesseingabe erforderliche Zeit umfasst.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Messungsfilterung im Analog-Digital-Umsetzer (40) vom Prozesssteuerungssystem (10) eingestellt sein kann.
Computersystem, das einen Prozessor, der gemäß computerausführbaren Anweisungen physisch konfiguriert ist, um Aliasing in einem Prozesssteuerungssystem (10) zu verringern, einen Speicher, der physisch konfiguriert ist, um die computerausführbaren Anweisungen zu speichern, ein analoges Feldgerät (15-17) und ein analoges Eingabe-/Ausgabegerät (26), das einen Analog-Digital-Umsetzer (40) umfasst, wobei die computerausführbaren Anweisungen die Anweisungen für Folgendes umfassen: Einstellen einer Modulausführungsrate für ein Modul im Prozesssteuerungssystem (10); Bestimmen einer Nyquist-Frequenz für das Modul basierend auf der Modulausführungsrate, wobei die Nyquist-Frequenz das Doppelte der Modulausführungsrate beträgt; Bestimmen einer nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40) anzuwendenden Filterung basierend auf der Modulausführungsrate; im Analog-Digital-Umsetzer (40), Einstellen der nach dem Analog-Digital-Umsetzer (40) anzuwendenden Filterung basierend auf der Modulausführungsrate; und Abschwächen eines Modulsignals auf und oberhalb der Nyquist-Frequenz für das Modul.
Computersystem nach Anspruch 18, wobei die Regelkreisausführungsrate wenigstens viermal so schnell wie eine Prozessreaktionszeit eingestellt ist und wobei die Prozessreaktionszeit in einem selbstregulierenden Prozess eine Zeit erster Ordnung plus Totzeit umfasst und wobei die Prozessreaktionszeit in einem integrierenden Prozess die Totzeit plus die für eine bedeutsame Reaktion auf eine Veränderung in einer Prozesseingabe erforderliche Zeit umfasst.
Computersystem nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Abschwächung auf der Nyquist-Frequenz wenigstens -12 dB beträgt und wobei die Abschwächung auf 50 Hz bis 60 Hz wenigstens -40 dB beträgt.