DE112015001348T5

DE112015001348T5 - Reduzierung von Controller-Aktualisierungen in einem Regelkreis

Info

Publication number: DE112015001348T5
Application number: DE112015001348.2T
Authority: DE
Inventors: Terrence L. Blevins; Mark J. Nixon; Kevin Jensen Kurtis; S. Panther Mitchell; Deji Chen; Eric Rotvold
Original assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Current assignee: Fisher Rosemount Systems Inc
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2017-01-19
Also published as: WO2015143298A1; GB2543156A; GB2543156B; GB202020175D0; JP2017516190A; GB201615542D0; JP6835589B2; CN106133624A; GB2587576A; CN109976144B; CN106133624B; CN109976144A; GB2587576B

Abstract

Ein Steuerungsverfahren steuert einen Prozess in einer Weise, die die Anzahl der Steuerungsänderungen, die einer Steuervorrichtung bereitgestellt werden, reduziert und so den Stromverbrauch der Regeleinrichtung zusammen mit der Belastung eines Prozesssteuerungskommunikationsnetzwerk, das zwischen der Steuerung und der gesteuerten Vorrichtung angeordnet ist, reduziert. Diese Technik ist in einem Steuersystem sehr nützlich, welches drahtlos verbundene Feldgeräte aufweist, wie beispielsweise Sensoren und Ventilen, die in vielen Fällen ohne Batterie arbeiten. Außerdem ist die Steuertechnik zur Umsetzung eines Steuerungssystems sinnvoll, in dem Steuersignale intermittierender, nicht synchronisierter oder signifikant verzögerter Kommunikation unterliegen und/oder in einem Steuerungssystems, das intermittierende, nicht synchronisierte oder signifikant verzögerte Prozessvariablen-Messungen empfängt, die als Rückkopplungssignale in der Leistung der Regelung verwendet werden.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine regulär eingereichte Anmeldung welche die Priorität der am 20. März 2014 eingereichten vorläufigen U.S. Patentanmeldung Nummer 61/968,159 mit dem Titel „Reducing Regler Updates in a Control Loop,“ beansprucht, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich einbezogen wird. Diese Anmeldung ist auch eine Continuation-in-part der am 17. Januar 2012 eingereichten U.S. Patent Anmeldung Nummer 13/351,802 mit dem Titel „Compensating for Setpoint Canges in a Non-Periodically Updated Regler,“, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich einbezogen wird. Diese Anmeldung steht auch in Zusammenhang mit der am 6. September 2007 eingereichten U.S. Patent Anmeldung Nummer 11/850,810 mit dem Titel „Wireless Comunication of Process Measurements,“, die eine Continuation-in-part der U.S. Patent Anmeldung No. 11/499,013 mit dem Titel „Process Control With Unreliable Communications,“ ist, die am 4. August 2006 eingereicht wurde und als U.S. Patent No. 7,620,460 erteilt wurde, welche eine continuation-in-part der U.S. Patent Anmeldung No. 11/258,676 mit dem Titel „Non-periodic Control Communications in Wireless and Other Process Control Systems,“ ist, die am 25. Oktober 2005 eingereicht wurde und als U.S. Patent No. 7,587,252 , erteilt wurde, womit die gesamte Offenbarung jeder einzelnen dieser Anmeldungen hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich einbezogen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Dieses Patent betrifft ein Regelungsverfahren in einem Regelkreis mit langsamer, unterbrochener oder nicht-periodischer Kommunikation und, insbesondere eine Regelungsroutine, welche nicht periodische Signalgebung in einem Regelkreis verwendet, auf einer Weise, die die Anzahl von Regler-Updates verringert, die einem geregelten Gerät bereitgestellt werden.
BESCHREIBUNG DES ZUGEHÖRIGEN STANDS DER TECHNIK
Prozessregelungssysteme, wie zum Beispiel dezentrale oder skalierbare Prozessregelungssysteme, wie sie in chemischen, petrochemischen oder anderen Prozessen verwendet werden, beinhalten typischerweise einen oder mehrere Prozesscontroller, welche miteinander, mit mindestens einer Host- oder Bediener-Workstation und einem oder mehreren Feldgeräten über analoge, digitale oder kombinierte analog/digitale Verteilerschienen kommunikativ gekoppelt sind. Die Feldgeräte, die zum Beispiel Ventile, Ventil-Stellungsregler, Schalter und Transmitter (z.B. Temperatur, Druck und Fluss-Sensoren) sein können, erfüllen innerhalb des Prozesses Funktionen wie z.B. das Öffnen oder Schließen von Ventilen und das Messen von Prozessparametern. Der Prozess-Regler empfängt Signale, welche von den Feldgeräten gemachte Prozess-Messungen anzeigen und/oder andere die Feldgeräte betreffende Informationen, und verwendet diese Information, um eine Regelungsroutine zur Erzeugung von Regelungssignalen umzusetzen, die über die Leitungen oder Busse zu den Feldgeräten gesendet werden um den Prozessablauf zu steuern. Die Information von den Feldgeräten und vom Regler wird typischerweise einer oder mehreren Applikationen zur Verfügung gestellt, die vom Bediener-Arbeitsplatz ausgeführt wird, um einen Bediener in die Lage zu versetzen, jede gewünschte Funktion in Bezug auf den Prozess auszuführen, wie zum Beispiel den aktuellen Zustand des Prozesses zu sehen, den Ablauf des Prozesses zu modifizieren, etc.
Einige Prozessregelungssysteme, wie zum Beispiel das von Emerson Process Management verkaufte Delta V^TM System, verwenden als Module bezeichnete Funktionsblöcke oder Gruppen von Funktionsblöcken, die sich im Regler oder den verschiedenen Feldgeräten befinden, zur Ausübung von Regelung und/oder Überwachung von Abläufen. In diesen Fällen ist der Regler oder ein anderes Gerät in der Lage, einen oder mehrere Funktionsblöcke oder Module einzufügen und auszuführen, von denen jedes von anderen Funktionsblöcke Eingaben erhält und/oder an diese Ausgaben liefert (entweder innerhalb desselben Geräts oder zwischen verschiedenen Geräten), und einige Prozessabläufe ausführt, wie zum Beispiel die Messung oder Detektion von Prozessparametern, die Überwachung eines Geräts, die Regelung eines Geräts, oder die Ausführung einer Regelungsoperation, wie zum Beispiel die Ausführung einer proportional-integral-derivativen (PID) Regelung. Die unterschiedlichen Funktionsblöcke und Module innerhalb eines Prozessregelungssystems sind im Allgemeinen konfiguriert um miteinander zu kommunizieren (z.B. über eine Verteilerschiene) um einen oder mehrere Prozess-Regelkreise zu bilden.
Prozessregler sind typischerweise programmiert um verschiedenartige Algorithmen, Subroutinen oder Regelkreise (die allesamt Regelungsroutinen sind) auszuführen, für jeden einer Anzahl unterschiedlicher Schleifen die für einen Prozess definiert, oder in ihm enthalten sind, wie zum Beispiel Flussregelkreise, Temperaturregelkreise, Druckregelkreise, etc. Im Allgemeinen enthält jeder solcher Regelkreis einen oder mehrere Eingabeblöcke, wie zum Beispiel einen Analogeingang (AI) Funktionsblock, einen oder mehrere Steuerblöcke, wie beispielsweise einen proportional-integral-derivative (PID) oder einen Fuzzy-Regler Steuerfunktionsblock, und einen Ausgabeblock, wie zum Beispiel einen Analogausgang (AO) Funktionsblock. Regelungsroutinen, und die Funktionsblöcke die solche Routinen einsetzen, wurden einer Vielzahl von Regelungstechniken entsprechend ausgestaltet, einschließlich PID Regler, Fuzzy-Regler, und Modellbasierter Techniken wie zum Beispiel Smith Predictor oder Model Predictive Control (MPC).
Um die Ausführung der Regelungsroutinen zu unterstützen, hat die typische Industrie- oder Prozessanlage einen zentralen Kontrollraum, der kommunikativ mit einem oder mehreren Prozessreglern und Prozess I/O- Subsystemen verbunden ist, die wiederum mit einem oder mehreren Feldgeräten verbunden sind. Herkömmlicherweise waren analoge Feldgeräte über Zweileiter- oder Vierleiter-Stromschleifen mit den Reglern verbunden sowohl für die Signalübertragung als auch für die Stromversorgung. Ein analoges Feldgerät, wie zum Beispiel ein Sensor oder ein Transmitter, der ein Signal an den Regler schickt, moduliert den Strom, der durch die Stromschleife fließt in der Weise, dass der Strom proportional zur erfassten Prozessvariablen ist. Andererseits werden analoge Feldgeräte, die eine Aktion unter der Kontrolle des Reglers ausführen, durch die Höhe des Stromflusses durch die Schleife geregelt. Viele digitale oder kombinierte analoge und digitale Feldgeräte empfangen oder senden Regelungs- oder Messsignale über ein digitales Kommunikationsnetzwerk oder ein kombiniertes analoges und digitales Netzwerk.
Mit dem gestiegenen Umfang der Datenübertragung beinhaltet ein besonders wichtiger Aspekt des Designs von Prozessregelungssystemen die Art und Weise, auf die Feldgeräte kommunikativ miteinander, mit Reglern und mit anderen Systemen oder Geräten innerhalb eines Prozessregelungssystems oder einer Prozessanlage gekoppelt sind. Im Allgemeinen sind die verschiedenen Übertragungskanäle, -verbindungen und -pfade, die das Funktionieren des Feldgeräts innerhalb eines Prozessregelungssystems ermöglichen, unter der Bezeichnung Input/Output (I/O) Kommunikationsnetzwerk bekannt.
Die Kommunikationsnetzwerktopologie und die physischen Verbindungen oder Pfade, die zur Implementierung eines I/O Kommunikationsnetzwerks verwendet werden, können eine erhebliche Auswirkung auf die Stabilität und Integrität der Feldgerätkommunikation haben, insbesondere, wenn das Netzwerk nachteiligen Umweltfaktoren oder rauen Bedingungen ausgesetzt ist. Diese Faktoren und Bedingungen können die Integrität der Kommunikation zwischen einem oder mehreren Feldgeräten, Reglern, etc. beeinträchtigen. Die Kommunikation zwischen den Reglern und den Feldgeräten sind gegenüber jeder solchen Unterbrechung besonders empfindlich, insofern als die überwachenden Applikationen oder Regelungsroutinen typischerweise periodische Aktualisierungen der Prozessvariablen für jede Iteration der Routine benötigen. Eine beeinträchtigte Regelungskommunikation kann deshalb zu einer verminderten Effizienz und/oder Profitabilität des Prozessregelungssystems führen, und zu übermäßiger Abnutzung oder Beschädigung der Anlage, und ebenso zu einer beliebigen Zahl potentiell schädlicher Ausfälle.
Im Interesse der Gewährleistung einer robusten Kommunikation wurden I/O Kommunikationsnetzwerke, die in Prozessregelungssystemen verwendet wurden, traditionell fest verkabelt. Unglücklicherweise bringen fest verkabelte Netzwerke eine Zahl an zusätzlichen Schwierigkeiten, Herausforderungen und Beschränkungen mit sich. Zum Beispiel kann sich die Qualität von fest verkabelten Netzwerken mit der Zeit vermindern. Darüber hinaus sind fest verkabelte I/O Kommunikationsnetzwerke typischerweise teuer in der Installation, besonders in Fällen, in denen das I/O Kommunikationsnetzwerk mit einer großen Industrieanlage oder einer weitläufigen Einrichtung verbunden ist, zum Beispiel einer Ölraffinerie oder eines über mehrere Hektar ausgedehnten Chemiewerks. Die notwendigen langen Verkabelungsstrecken erfordern typischerweise beträchtlichen Aufwand an Arbeit, Material und Kosten, und können eine Signalverschlechterung herbeiführen, die aus Impendanzen der Verkabelung und elektromagnetischen Interferenzen hervorgeht. Aus diesen und anderen Gründen sind fest verkabelte I/O Kommunikationsnetzwerke im Allgemeinen schwierig umzukonfigurieren, zu modifizieren oder zu aktualisieren.
Eine neuerer Trend ist es, drahtlose I/O Kommunikationsnetzwerke zu verwenden, um einige der Schwierigkeiten, die mit einem fest verkabelten I/O Netzwerk verbunden sind, zu beheben. Zum Beispiel offenbart die Veröffentlichung der U.S. Patentanmeldung No. 2003/0043052 mit dem Titel „Apparatus for Providing Redundant Wireless Access to Field Devices in a Distributed Control System“, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich einbezogen wird, ein System, das sich drahtlose Kommunikation zu Nutze macht, um die Verwendung von fest verkabelter Kommunikation zu verbessern und zu ergänzen.
Allerdings ist das Vertrauen auf drahtlose Kommunikation für regelungs-bezogene Übertragungen traditionell beschränkt gewesen, unter anderem aufgrund von Zuverlässigkeitsbedenken. Wie oben beschrieben, sind moderne Überwachungsapplikationen und Prozesssteuerungsapplikationen auf eine zuverlässige Datenübertragung zwischen dem Regler und den Feldgeräten angewiesen, um ein Optimum an Regelverhalten zu erzielen. Darüber hinaus führen typische Regelungsalgorithmen mit einer hohen Rate aus, um schnell unerwünschte Prozessabweichungen zu korrigieren. Unerwünschte Umweltfaktoren oder andere nachteilige Bedingungen können zeitweise Störungen hervorrufen, die die schnelle oder periodische Kommunikation behindern oder verhindern, welche zur Aufrechterhaltung einer derartigen Ausführung von Überwachungs- und Regelungsalgorithmen notwendig ist. Glücklicherweise sind drahtlose Netzwerke über das letzte Jahrzehnt viel robuster geworden, was die zuverlässige Verwendung drahtloser Kommunikation bei einigen Typen von Prozessregelungssystemen ermöglicht hat.
Allerdings ist der Stromverbrauch immer noch ein erschwerender Faktor bei der Verwendung von drahtloser Kommunikation in Prozessregelungssystemen. Weil drahtlose Feldgeräte physisch vom I/O Netzwerk getrennt sind, müssen die Feldgeräte typischerweise ihre eigene Stromversorgung aufweisen. Dementsprechend können Feldgeräte batteriebetrieben sein, Solarenergie beziehen, oder der Umgebung Energie entziehen wie zum Beispiel Vibration, Wärme, Druck, etc. Für diese Geräte kann die für Datenübertragung verbrauchte Energie einen beträchtlichen Anteil des gesamten Energieverbrauchs darstellen. Tatsächlich kann mehr Energie während des Prozesses der Herstellung und Aufrechterhaltung einer drahtlosen Kommunikation verbraucht werden als während anderer wichtiger Arbeitsvorgänge, die durch das Feldgerät durchgeführt werden, wie zum Beispiel die Schritte, die vorgenommen werden um die zu messenden Prozessvariablen zu erfassen oder zu detektieren. Um den Energieverbrauch in drahtlosen Prozessregelungssystemen zu senken und damit die Akkulaufzeit zu verlängern, wurde vorgeschlagen, ein drahtloses Prozessregelungssystem zu implementieren, in dem die Feldgeräte, wie zum Beispiel die Sensoren, mit dem Regler in einer nicht-periodischen Weise kommunizieren. In einem Fall kann das Feldgerät nur dann mit dem Regler kommunizieren oder diesem Prozessvariablenmessungen schicken, wenn eine signifikante Änderung in einer Prozessvariable detektiert wurde, was zu einer nicht-periodischen Kommunikation mit dem Kontroller führt.
Eine Regelungstechnik, die entwickelt wurde, um mit nicht-periodischen Aktualisierungen von Prozessvariablenmessungen umzugehen, verwendet ein Regelungssystem, welches zwischen den unregelmäßigen, nicht-periodischen Messungsaktualisierungen eine Rückmeldung für eine erwartete Prozessantwort auf das vom Regler erzeugte Regelungssignal liefert und aufrechterhält. Eine erwartete Prozessantwort kann durch ein mathematisches Modell entwickelt werden, welches die erwartete Prozessantwort auf ein Regelungssignal für eine gegebene Messungsaktualisierung ermittelt. Ein Beispiel dieser Technik ist in U.S. Patent No. 7,587,252 , mit dem Titel „Non-Periodic Control Communications in Wireless and Other Process Control Systems“ beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich einbezogen wird. Insbesondere offenbart dieses Patent ein Regelungssystem, welches einen Filter besitzt, der eine Rückmeldung einer erwarteten Prozessantwort auf ein Regelungssignal generiert, nach Empfang einer nicht-periodischen Aktualisierung einer Prozessvariablenmessung, und welches die generierte Rückmeldung der erwarteten Prozessantwort aufrechterhält bis zur Ankunft der nächsten nicht-periodischen Aktualisierung einer Prozessvariablenmessung. Als weiteres Beispiel offenbart U.S. Patent No. 7,620,460 , mit dem Titel „Process Control With Unreliable Communications,“, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich einbezogen wird, ein System, welches einen Filter beinhaltet, der eine Rückmeldung einer erwarteten Prozessantwort auf das Regelungssignal liefert, die jedoch den Filter zusätzlich modifiziert, indem eine Messung der Zeit miteinbezogen wird, die seit der letzten nicht-periodischen Messungsaktualisierung vergangen ist, um eine genauere Rückmeldung der erwarteten Prozessantwort zu generieren.
Allerdings haben über die letzten fünf Jahre Hersteller von Feldinstrumentierung eine breite Palette an WirelessHART^®Transmittern eingeführt. Anfangs wurden diese Transmitter nur eingesetzt, um den Prozess zu überwachen. Allerdings ist es mit Einführung der oben beschriebenen Techniken möglich, drahtlose Messungen in geschlossenen Regelkreisapplikationen zu verwenden. Basierend auf der weiten Akzeptanz von drahtlosen Transmittern sind viele Hersteller im Begriff drahtlose An/Aus-Ventile und Drosselventile zu entwickeln und einzuführen.
Allerdings gibt es eine Reihe von technischen Herausforderungen, die gelöst werden müssen, um in der Lage zu sein, solche drahtlosen Ventile in geschlossenen Regelkreisen zu verwenden. Ins Besondere gibt es typischerweise nur eine begrenzte Energiemenge, die am Ventil zur Verfügung steht, und es ist zu erwarten, dass ein Großteil der verfügbaren Energie benötigt wird, um Änderungen in der Zielventilstellung zu veranlassen, z.B. um das Ventil in seine Zielposition zu fahren als Reaktion auf den Empfang eines Regelungssignals. Typische Regelungstechniken versuchen jedoch, zahlreiche Regelungssignale an die zu steuernden Geräte zu schicken, um ein robustes Regelverhalten zu gewährleisten. Die hohe Zahl von Regler-basierten Aktionen, die durch diese Techniken eingeführt wird, kann jedoch rasch die Batterieressourcen am geregelten Gerät verbrauchen. Es kann daher erstrebenswert sein, wenn möglich die Zahl der Ventilschaltungen zu reduzieren, die im Rahmen des Regelkreises gemacht werden, z.B. in Reaktion auf eine Sollwertänderung, eine Prozessstörung, etc.
Darüber hinaus können in vielen Fällen die Aktionen des Regelungssystems nicht mit der Gateway-Kommunikation synchronisiert werden, die erfolgen muss, um eine Kommunikation zwischen einem Regler und einem drahtlosen Ventil oder einem anderen in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk angeordneten Stellgerät zu ermöglichen. Zum Beispiel kann die derzeitige Ausgestaltung von drahtlosen Gateways, wie z.B. das WirelessHART^®Gateway, nicht unmittelbar auf eine Anforderung reagieren, eine Veränderung in der Ventilstellung an einen Ventilantrieb weiterzuleiten, und dementsprechend kann das Ventil oder Stellgerät ein Regelungssignal zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt erhalten als der Erzeugung dieses Regelungssignals am Regler. Darüber hinaus kann der Regler nur eine Bestätigung vom Ventil oder dem Stellgerät zu einem noch erheblich späteren Zeitpunkt erhalten, nachdem die Veränderung der Ventilstellung durch den Regler gesendet wurde. Demzufolge führt in diesem Fall die drahtlose Kommunikation der Zielventilstellung (z.B. das Regelungssignal) und der Ventil-Antwort eine erheblich schwankende Verzögerung in den Regelkreis ein, und diese Verzögerung, die die PID-Regelung beeinträchtigt, macht eine robuste Regelung der Regelgröße schwieriger.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Regelungstechnik, welche zum Beispiel in einem PID-Regelkreis verwendet werden kann, verringert wesentlich die Anzahl von Kommunikationen vom Regler (z.B. einem PID-Regler) zu einem drahtlosen Ventil oder anderem Regelungselement in einer Prozessanlage, während sie dennoch die robuste Regelung einer Prozessregelgröße ermöglicht. Als solches kann das drahtlose Ventil oder das andere Regelungselement weniger Energie verbrauchen, weil das Ventil auf weniger Änderungen in der Zielventilstellung reagieren muss, wobei dennoch eine akzeptable und robuste Regelung ermöglicht wird. Darüber hinaus wird die Verwendung dieser Regelungstechnik in einer Anlage, in der der Regler kommunikativ mit dem zu steuernden Gerät über ein Gateway in ein drahtloses Netzwerk verbunden ist, die Gateway-Kommunikationslast verringern, weil diese Technik weniger Kommunikationen zum drahtlosen Ventil oder anderen Regelungselement zur Folge haben kann. Diese Regelungstechnik kann in Verbindung mit anderen diskontinuierlichen oder nicht-periodischen Regelungsmethoden verwendet werden und somit die Regelung übernehmen, indem sie jeweils einen drahtlosen Transmitter oder ein drahtloses Ventil (oder anderes drahtloses Regelungselement), oder beides in einem Regelkreis verwendet. Darüber hinaus kann diese Technik verwendet werden, um die Regelung in einem verkabelten oder periodischen Regelungssystem zu übernehmen um unnötige oder unwirksame Ventilbewegungen zu reduzieren, wie zum Beispiel den Ventilpositions-„Hunting“-Effekt, der typischerweise in lauten Regelungssystemen festgestellt wird, wie zum Beispiel denen, in welchen Feedbackwerte Lärm beinhalten oder in welchen Lärm zu relativ zufälligen Prozessstörungen führt.
Zusätzlich kann ein neue Regelungssignal-Befehl verwendet werden, um Regelungssignale über ein drahtloses oder ein anderes diskontinuierliches, nicht-periodisches oder asynchrones Kommunikationsnetzwerk zu senden um damit das Regelverhalten der hier beschriebenen Regelungstechnik zu unterstützen. Das neue Regelungssignal kann sowohl einen Zielsollwert als auch eine Zeit zur Implementierung des Sollwerts beinhalten. Dieses Regelungskommando oder andere Signal erlaubt es, eine eingenommene Ventilstellung genauer am Regler zu berechnen und kann dadurch verwendet werden, um eine bessere oder robustere Regelung in einem System auszuüben, welches erhebliche Kommunikationsverzögerungen in der Regelkreiskommunikation erfährt (z.B. zwischen einem Prozessregler und einem geregelten Gerät wie einem Ventil).
Im Allgemeinen kann ein Regelkreis, der die neue nicht-periodische Kommunikationstechnik implementiert, einen drahtlosen, langsamen, nicht-periodischen oder nicht-synchronisierten Kommunikationsanschluss oder -Pfad zwischen einem Regler, der eine Regelungsroutine (wie eine PID-Regelung) implementiert, beinhalten und einem geregelten Gerät, wie zum Beispiel einem Ventil oder einem Ventilantrieb. Die Verbindung kann unter Verwendung einer drahtlosen oder einer kabelgestützten Kommunikationsinfrastruktur implementiert werden. In diesem Fall verwendet die Regelungstechnik einen nicht-periodischen Kommunikationsblock, der zwischen dem Regler und dem geregelten Gerät abgesetzt wird, wobei der Kommunikationsblock bewirkt, dass die Anzahl von Änderungen in der Zielstellung des geregelten Geräts minimiert wird, indem die Anzahl von Regelungssignalen, die an das geregelte Gerät geschickt werden, reduziert werden.
Im Besonderen kann, zur Minimierung der vom Ventilantrieb verbrauchten Energie, der berechnete PID-Output des Reglers nur dann zum drahtlosen Ventil übertragen werden, wenn bestimmte Kriterien erfüllt sind, die durch den nicht-periodischen Kommunikationsblock bestimmt werden. Weil der Regler typischerweise dazu vorgesehen ist, die Erzeugung eines Regelungssignals viel schneller auszuführen als die kleinste Periode, in der der Sollwert an das drahtlos geregelte Gerät kommuniziert werden kann, wird die Anwendung dieser Kriterien die Anzahl der Regelungssignale, die an das geregelte Gerät gesendet werden, reduzieren und dabei die Steuerbewegungen reduzieren, die durch das geregelte Gerät ausgeführt werden. Die Anwendung der Kriterien innerhalb des Kommunikationsblocks funktioniert jedoch immer noch, um zu gewährleisten, dass ein ausreichendes Regelverhalten in Gegenwart der reduzierten Anzahl von Regelungssignalen und der Kommunikationsverzögerungen der Regelungssignale zu einem kontrollierten Gerät erreicht wird. Beispielsweise kann der nicht-periodische Kommunikationsblock in der folgenden Art und Weise arbeiten, um eine neue Zielstellung an das kontrollierte Gerät zu kommunizieren (über den drahtlosen, diskontinuierlichen, nicht-periodischen Pfad). Zuerst wird der nicht-periodische Kommunikationsblock nur ein Regelungssignal senden, wenn die Zeit seit der letzten Kommunikation an das drahtlos kontrollierte Gerät gleichlang oder größer ist als die eingestellte Kommunikationsperiode, und eine Kommunikation der Bestätigung eines kontrollierten Geräts zur letzten Zielstellungsänderung, welche an das geregelte Gerät geschickt wurde, empfangen wurde. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, wird der nicht-periodische Kommunikationsblock dann ein neues oder aktualisiertes Regelungssignal kommunizieren, wenn wahlweise oder zusammen, der Absolutwert der Differenz zwischen dem berechneten Regler-Output und dem letzten an das kontrollierte Gerät kommunizierten Sollwert einen eingestellte Wert für die Totzone (Schwelle) überschreitet und/oder die Zeit seit der letzten Kommunikation an das kontrollierte Gerät einen eingestellten Standardmeldezeitraum überschreitet.
Die Zielstellung, die an das drahtlos geregelte Gerät kommuniziert wird ist normalerweise der berechnete Output des Reglers, wie z.B. der eines PID-Reglers. Allerdings kann das Ausmaß der Zielstellungsänderung optional auf den letzten kommunizierten Wert plus oder minus eines maximalen Änderungswerts begrenzt werden, wenn festgestellt wird, dass der Absolutwert der Veränderung im Regler-Output seit dem letzten kommunizierten Ziel den eingestellten maximalen Änderungswert überschreitet.
Wenn eine minimale Verzögerung in die Kommunikation zwischen einem drahtlos geregelten Gerät und einem Regler eingeschleppt wird, dann kann ein Rückmeldesignal in Form einer Ventilstellung, wie sie durch das drahtlos kontrollierte Gerät (z.B. einen Aktuator/ein Ventil) an den Regler kommuniziert wird, im positiven Rückkopplungsnetzwerk verwendet werden, um beispielsweise einen Nachstellbeitrag des PID-Regelungssignal zu erzeugen. Wenn jedoch Kommunikationen mit dem drahtlos geregelten Gerät verloren gehen oder nicht in periodischen Abständen aktualisiert werden, dann kann die Rückmeldung der letzten Zielposition des geregelten Geräts (z.B. die Zielstellung, an deren Erreichung ein Ventilantrieb arbeitet), die durch das drahtlose Ventil kommuniziert wird, verwendet werden, um den Nachstellbeitrag des Regelbetriebs zu bestimmen. Um den Regelkreis des Steuersystems dabei zu unterstützen, die Ventilstellung für die Verwendung zur Berechnung der Nachstellbeitrags zu bestimmen, kann das Steuersystem (oder drahtlose Gateway) ein Regelungssignal liefern, das einen Kontrollwert festlegt (z.B. eine Position zu der sich ein Ventil bewegen soll) und einen Zeitpunkt an dem das Ventil eine solche Bewegung ausführen soll. Ein solches Regelungssignal ist nützlich in Situationen in denen die Zeit die das Regelungssignal benötigt um das geregelte Gerät zu erreichen maßgebend ist (z.B. verursacht durch ein drahtloses Gateway oder eine andere langsame oder nicht-synchronisierte Kommunikationsverbindung). Die Zeit die in dem Regelungssignal spezifiziert wird kann eine absolute Zeit definieren, oder einen Zeitversatz, zum Beispiel vom Zeitstempel des Regelungssignals. Wenn der Zeitversatz konfiguriert ist, größer zu sein als die Zeit, die das Regelungssignal benötigt um vom Regler aus das geregelte Gerät zu erreichen, dann wird das geregelte Gerät das Regelungssignal erhalten und die Änderung zur spezifizierten Zeit ausführen. In diesem Fall kann der Regler davon ausgehen dass das Regelungssignal empfangen wurde und zur spezifizierten Zeit durch das geregelte Gerät ausgeführt wurde, und kann so zu dieser Zeit die Ventilstellung im Regelkreis des Reglers aktualisieren, ohne ein Rückmeldesignal vom geregelten Gerät empfangen zu müssen, das anzeigt dass der Regelschritt ausgeführt wurde. Diese Funktionsweise kann zu einem besseren Regelverhalten in einem PID Regler führen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines typischen, periodisch aktualisierten, fest-verkabelten Prozesssteuersystems.
2 ist ein Graph, der eine Prozessausgabe-Rückmeldung auf eine Prozesseingabe für ein beispielhaftes, periodisch aktualisiertes, fest verkabeltes Prozesssteuersystem veranschaulicht.
3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Prozessregelungssystem veranschaulicht, welches einen Regler besitzt, der in nicht-periodische oder drahtloser Weise Regelungssignale an ein geregeltes Gerät über ein drahtloses Gateway-Gerät sendet, und/oder nicht-synchronisierte oder signifikant verzögerte Rückmeldesignale über ein drahtloses Netzwerk empfängt.
4 ist ein Blockdiagramm eines Beispielreglers, der Regelung unter Verwendung eines nicht-periodischen Regelungssignal-Kommunikationsmoduls ausübt, welches zwischen einem Regler und einem geregelten Gerät angeordnet ist, und in dem Kommunikationen zwischen dem Regler und dem geregelten Gerät über ein drahtloses Kommunikationsnetz stattfinden, indem das Kommunikationsmodul agiert, um die Anzahl der Regelungssignale zu reduzieren, die zum geregelten Gerät gesendet werden.
5 ist ein Blockdiagram eines Prozessregelungssystems, das eine nicht-periodische Steuerkommunikationstechnik anwendet um die Anzahl der an ein geregeltes Gerät gesendeten Regelungssignale zu reduzieren, die über ein drahtloses oder nicht kontinuierliches, langsames oder nicht-synchrones Kommunikationsnetzwerk gesendet werden, und das auch Rückmeldesignale über einen drahtloses, langsamen oder nicht kontinuierlichen Pfad empfängt.
6 ist ein Blockdiagramm eines Prozessregelungssystems, das eine nicht-periodische Regelungskommunikationstechnik anwendet, welche die Anzahl der Regelungssignale reduziert, die in einem Kommunikationsnetzwerk mit verkabelter oder synchroner Kommunikation an ein geregeltes Gerät gesendet werden.
7 ist ein Blockdiagramm, welches einen Prozess darstellt, in dem Schreibanforderungen und Schreibantwortsignale verwendet werden, um die nicht-periodische Regelungskommunikation in den 4–6 zu bewirken.
8 stellt ein Zeitdiagram eines Sets von Signalen dar, das verwendet wird, um die Kommunikation eines Regelungssignals von einem Regler an ein geregeltes Gerät zu bewirken, unter Verwendung der hier beschriebenen Kommunikationstechniken, einschließlich eines Regelungssignals, welches einen Time-to-apply-Regelschritt angibt.
9 und 10 stellen Graphen von verschiedenen Parametern dar, die im Zusammenhang mit zwei Regelkreissimulationen stehen, welche unter Verwendung der hier beschriebenen Kommunikationstechniken implementiert wurden, und dieselben Parameter in ähnlichen Regelkreisen, die typische drahtgestützte oder periodische Regelungskommunikationen verwenden.
DETEILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Regelungstechnik versetzt einen Regler in die Lage, mit einem in einem Prozess geregelten Gerät, wie zum Beispiel einem Ventilantrieb, zu kommunizieren oder diesem Signale zu schicken, auf eine nicht-periodische, drahtlose, langsame, signifikant verzögerte oder andersgeartete nicht-synchrone Weise, um die Zahl der Antriebsbewegungen, die durch den Antrieb bewirkt werden, zu reduzieren unter Bereitstellung eines nach wie vor robusten Regelverhaltens. Als solches implementiert die Regelungstechnik ein Regelungsverfahren, das einen Antrieb oder ein anderes kontrolliertes Gerät in einer Weise ansteuert, so dass der Energieverbrauch des geregelten Geräts reduziert wird, häufige Änderungen des geregelten Geräts die zu einem „Hunting“ Phänomen führen, welches oft in Regelkreisen die erheblichem Lärm oder Prozessstörungen ausgesetzt sind, auftritt, minimiert werden, und Kommunikationslast in Kommunikationsgeräten in einem drahtlosen Netzwerk, das zur Implementierung eines Regelkreises verwendet wird, wie zum Beispiel in drahtlosen Gateway-Geräten, vermindert wird.
Ins Besondere funktioniert ein Steuerkommunikationsblock innerhalb des Regelkreises dahingehend, neu erzeugte Regelungssignale, die von einem Regler generiert wurden, in einer nicht-periodischen Weise zu senden, basierend auf einer Reihe von Konfigurationsfaktoren, wie zum Beispiel einem Kommunikations-Totband, einem Änderungsschwellenwert für das Regelungssignal, und einer Kommunikationsperiode. Um die Regelung eines Geräts in Anwesenheit eines verzögerten Regelungssignals unterzubringen, erzeugt darüberhinaus ein beständig aktualisierter Filter im Regler während jeder Iteration der Regelungsroutine des Reglers eine Angabe über eine erwartete Prozessantwort (auch Rückkopplungsanteil genannt), die auf einer tatsächlichen oder einer implizierten Stellung des geregelten Geräts beruht. Dieser Rückkopplungsanteil wird im Regler verwendet, um eine korrekte Regelung in Anwesenheit einer signifikanten Verzögerung zwischen der Erzeugung eines Regelungssignals durch den Regler und dem Empfang und der Ausführung des Regelungssignals durch das geregelte Gerät sicherzustellen. In einigen Fällen kann der kontinuierlich aktualisierte Filter zu einem Teil eine zuvor erzeugte Angabe über eine erwartete Rückmeldung aus der letzten Iteration der Regelungsroutine und der Ausführungsperiode der Regelungsroutine verwenden, um ein Angabe über die erwartete Rückmeldung während jeder Iteration der Regelungsroutine zu generieren.
Wenn an den Regler zusätzlich Prozessmessungs-Feedback-Signale in einer diskontinuierlichen, nicht-periodischen oder verzögerten Weise geliefert werden, kann ein Ausgangsstrom des kontinuierlich aktualisierten Filters als Rückkopplungsanteil nur verwendet werden, wie zum Beispiel ein Integral Anteil (auch als Reset bekannt) und/oder ein Differential Anteil (auch als Rate bekannt) im Regler, wenn eine neue Messungsangabe erhalten wurde. Im Allgemeinen behält in diesem Fall ein integraler Ausgangs-Switch die erwartete Prozess-Antwort, die durch den kontinuierlich aktualisierten Filter zu dem Zeitpunkt, an dem die letzte Messwertaktualisierung durch den Regler empfangen wurde, generiert wurde, als Integral- oder Reset Anteil bei. Wenn eine neue Messwertaktualisierung verfügbar ist, hält sich der integrale Ausgangs-Switch an einer neuen Anzeige der erwarteten Prozessantwort fest, die durch den kontinuierlich aktualisierten Filter erzeugt wird (basierend auf einer Anzeige der neuen Messwertaktualisierung), und liefert die neue erwartete Prozessantwort als Integral oder Rate Anteil des Regelungssignals. Demzufolge verwendet der Regler den kontinuierlich aktualisierten Filter, um eine neue erwartete Prozessrückmeldung während jeder Regelungsiteration zu bestimmen, wobei jede neue erwartete Prozessrückmeldung die Auswirkung von Veränderungen, die in der Zeitspanne zwischen Messungsaktualisierungen gemacht wurden, widerspiegelt, und damit die Regler-Ausgabe während der Entwicklung des Regelungssignals beeinflusst, obwohl der Integral oder Reset Anteil des durch den Regler erzeugten Regelungssignals nur verändert wird, wenn ein neuer Rückmeldungswert am Regler verfügbar ist.
Ein Prozessregelungssystem 10 in 1 dargestellt, das verwendet werden kann, um die hier beschriebene Regelungsmethodik zu implementieren, beinhaltet einen Prozessregler 11, der über die Kommunikationsverbindung oder den Bus 9 mit einem Daten Historian 12 und mit einer oder mehreren Host Workstations oder Computern 13 (bei denen es sich um jede beliebige Art von Personal Computer, Workstations, etc. handeln kann) verbunden ist, die alle eine Displayanzeige 14 besitzen. Das Kommunikationsnetzwerk 9 kann zum Beispiel ein Ethernet Netzwerk, ein WiFi Netzwerk oder jedes andere drahtgestützte oder drahtlos Netzwerk sein. Der Regler 11 ist ebenfalls mit Feldgeräten 15–22 über Input/Output (I/O) Karten 26 und 28 verbunden und ist kommunikativ mit den Feldgeräten 15–22 unter Verwendung von einem oder mehreren fest verkabelten Kommunikationsnetzwerken und Kommunikationsschemata verbunden dargestellt. Der Daten Historian 12 kann jede gewünschte Art von Datenspeichergerät sein mit jedem gewünschten Speichertyp und jeder gewünschten oder bekannten Software, Hardware oder Firmware zur Speicherung von Daten.
Im Allgemeinen können die Feldgeräte 15–22 jede Art von Gerät sein, wie zum Beispiel Sensoren, Ventile, Transmitter, Stellungsregler, etc., während die I/O Karten 26 und 28 jeder Typ von I/O Gerät das mit jedem gewünschten Kommunikations- oder Steuerprotokoll konform ist, sein kann. Der Regler 11 enthält einen Prozessor 23, der eine oder mehrere Prozesssteuerungs-Routinen (oder jedes Modul, jeden Block oder jede Subroutine davon) implementieren oder überwachen kann, welche in einem Speicher 24 gespeichert sind. Im Allgemeinen kommuniziert der Regler 11 mit den Geräten 15–22, den Host Computern 13 und dem Daten Historian 12, um einen Prozess in jeder erwünschten Art zu steuern. Darüber hinaus implementiert der Regler 11 eine Regelungsstrategie oder Schema unter Verwendung dessen was üblicherweise als Funktionsblöcke bezeichnet wird, wobei jeder Funktionsblock ein Objekt oder anderes Teil (z.B. eine Subroutine) einer allgemeinen Regelungsroutine ist, die in Verbindung mit anderen Funktionsblöcken (über als Links bezeichnete Kommunikationen) arbeitet um Prozessregelkreise innerhalb des Prozessregelungssystems 10 auszuführen. Typischerweise führen Funktionsblöcke entweder eine Eingabefunktion, wie z.B. die mit einem Transmitter, einem Sensor, oder anderen Prozessparametermessgerät verbundene, eine Steuerfunktion, wie z.B. die mit einer Steuer Routine, die eine PID, Fuzzy-Logic, etc. Regelung ausführt, verbundene, oder eine Ausgabefunktion aus, die den Betrieb eines Geräts, wie z.B. eines Antriebs oder eines Ventils kontrolliert, um eine bestimmte physische Funktion innerhalb des Prozessregelungssystems 10 auszuführen. Natürlich existieren hybride Formen und andere Typen von Funktionsblöcken und können hier verwendet werden. Die Funktionsblöcke können im Regler 11 gespeichert und von diesem ausgeführt werden, oder in anderen Geräten wie unten beschrieben.
Wie anhand des als Explosionszeichnung dargestellten Blocks 30 in 1, kann der Regler 11 eine Reihe von Einzelkreisregel-Routinen beinhalten, die als Regelungsroutinen 32 und 34 dargestellt sind, und, falls erwünscht, eine oder mehrere verfeinerte Regelkreise ausführen, wie als Regelkreis 36 gezeigt. Jeder solche Regelkreis wird typischer weise als Regelmodul bezeichnet. Die Einzelkreisregel-Routinen 32 und 34 werden bei der Ausführung einer Einzelkreissteuerung gezeigt unter Verwendung eines Single-Input/Single-Output Fuzzy-Logic Steuerblocks beziehungsweise eines Single-Input/Single-Output PID Steuerblocks welche mit geeigneten Analog Input (AI) und Analog Output (AO) Funktionsblöcken verbunden sind, die mit Prozessteuerungsgeräten wie z.B. Ventilen, mit Messgeräten, wie z.B. Temperatur- und Drucktransmittern, oder mit Sensoren, oder jedem anderen Gerät in Prozessregelungssystem 10 in Verbindung stehen können. Der verfeinerte Regelkreis 36 ist dargestellt enthaltend einen verfeinerten Kontrollblock 38 welcher kommunikativ an einen oder mehrere AI Funktionsblöcke angeschlossene Eingänge und kommunikativ an einen oder mehrere AO Funktionsblöcke angeschlossene Ausgänge besitzt, obwohl die Eingänge und Ausgänge des verfeinerten Kontrollblocks 38 mit jedem anderen gewünschten Funktionsblock oder Regelelement verbunden sein können um andere Input-Arten zu empfangen und andere Arten von Regel-Outputs zu liefern. Der verfeinerte Kontrollblock 38 kann jede Art von Multiple-Input, Multiple-Output Kontrollschema ausführen und kann einen Modellprädiktiven Regelungsblock (MPC), einen Neuronales Netzwerk Bildenden- oder Steuerblock, einen multi-variablen Fuzzy-Logic Steuerblock, einen Echtzeit-Optimierer Block, etc. darstellen oder enthalten. Es ist verständlich dass die Funktionsblöcke die in 1 dargestellt sind, einschließlich des verfeinerten Steuerblocks 38, durch den Stand-alone Regler 11 ausgeführt werden können, oder alternativ in jedem anderen Verarbeitungsgerät oder Regelelement des Prozesssteuersystems befindlich sein und von diesem ausgeführt werden können, wie zum Beispiel eine der Workstations 13 oder eines der Feldgeräte 19–22. Beispielsweise können die Feldgeräte 21 und 22, bei denen es sich um einen Transmitter beziehungsweise um ein Ventil handeln kann, Regelelemente zur Implementierung einer Regelungsroutine ausführen und als solche Prozess- und andere Komponenten zur Ausführung eines Teils der Regelungsroutine, beinhalten, wie zum Beispiel einen oder mehrere Funktionsblöcke. Insbesondere kann das Feldgerät 21 einen Speicher 39A aufweisen, um die zu einem analogen Input-Block gehörende Logik und Daten zu speichern, während das Feldgerät 22 einen Antrieb mit einem Speicher 39B zur Speicherung der zu einem PID oder anderen, in Kommunikation mit einem analogen Output (AO) Block stehenden Steuerblock gehörenden Logik und Daten beinhalten kann, wie in 1 gezeigt.
Der Graph von 2 veranschaulicht allgemein einen Prozess-Output, der als Antwort auf einen Prozess Input für ein Prozessregelungssystem entwickelt wurde, das auf der Implementierung einer oder mehrerer der Regelkreise 32, 34 und 36 (und/oder jedem Regelkreis der die in den Feldgeräten 21 und 22 befindlichen Funktionsblöcke inkludiert) beruht. Die implementierte Regelungsroutine wird in der Regel in einer periodischen Weise über eine Reihe von Regler-Iterationen ausgeführt, wobei die Zeitpunkte der Regelungsroutinen-Ausführung in 2 durch die fettgedruckten Pfeile 40 entlang der Zeitachse angezeigt ist. Im konventionellen Fall wird jede Iteration der Regelungsroutine durch eine aktualisierte Prozessmessung unterstützt, die durch die dünnen Pfeile 42 dargestellt wird, welche beispielsweise von einem Transmitter oder anderen Feldgerät zur Verfügung gestellt wird. Wie in 2 dargestellt, werden typischerweise zwischen jedem der periodischen Ausführungszeitpunkten der Regelungsroutine 40 zahlreiche periodische Prozessmessungen 42 gemacht und durch die Regelungsroutine erfasst. Um die Einschränkungen zu vermeiden, die mit der Synchronisation von Messwert und Regelungsausführung verbunden ist, sind viele bekannte Prozessregelungssysteme (oder Regelkreise) so ausgestaltet dass sie die Prozessvariablenmessungen mit einem 2–10 fachen Faktor überabtasten. Eine solche Überabtastung hilft um sicherzustellen, dass die Prozessvariablenmessung zur Verwendung in dem Steuerschema während jeder Regelungsroutinen-Ausführung oder Iteration aktuell ist. Auch spezifizieren konventionelle Ausführungen, dass zur Minimierung von Steuerabweichungen eine rückkopplungsbasierte Regelung 4–10 mal schneller sein sollte als die Prozessreaktionszeit. Darüber hinaus wird in konventionellen Ausführungen, zur Sicherstellung der besten Regelungsleistung, das während jeder Regler-Ausführungsperiode am Ausgang des Reglers generierte Regelungssignal zu dessen Ausführung oder zur Einwirkung auf die Arbeitsweise des geregelten Geräts, an das geregelte Gerät geschickt. Die Prozessantwortzeit ist durch die Prozessausgangskennlinie 43 im Graph von 2 als die Zeit dargestellt, die mit einer Prozesszeitkonstanten (τ) (z.B. 63% der Prozessvariablenänderung) zusammenhängt plus einer Prozessverzögerung oder Totzeit (T_D) nach Ausführung eines Schrittwechsels 44 in einem Prozesseingang (wie in der unteren Linie 45 von 2 gezeigt). Auf jeden Fall müssen, um diesen konventionellen Designanforderungen Genüge zu tun, die Prozessmesswertaktualisierungen (dargestellt durch die Pfeile 42 in 2) mit einer viel höheren Rate abgetastet und dem Regler zu Verfügung gestellt worden sein als die Regelungsroutinenausführungsrate (angezeigt durch die Pfeile 40 in 2), die wiederum viel schneller oder höher als die Prozessantwortzeit ist.
Allerdings kann es in einigen Regelungssystemkonfigurationen, wie zum Beispiel in solchen, in denen ein Regler drahtlos Regelungssignale sendet oder Prozessvariablenmessungen von einem oder mehreren Feldgeräten empfängt, nicht möglich sein, ein Regelungssignal auf eine Weise an das geregelte Gerät zu schicken, die sicherstellt, dass jeder Output des Reglers das geregelte Gerät in synchroner Art oder nur mit minimaler Zeitverzögerung zwischen dem Senden des Regelungssignals und dem Empfang dieses Signals am geregelten Gerät erreicht. Darüber hinaus kann die Einholung von häufigen und periodischen Messwertproben vom Prozess in diesen Systemtypen nicht praktikabel oder sogar unmöglich sein. Ins Besondere kann der Regler in diesen Fällen nur in der Lage sein, nicht-periodische Prozessvariablenmessungen zu empfangen, und/oder es kann die Zeit zwischen den nicht-periodischen und gleichbleibend periodischen Prozessvariablenmessungen größer als die Regelungsroutinenausführungsrate (angezeigt durch die Pfeile 40 in 2) sein.
3 zeigt exemplarisch ein partiell drahtloses Prozessregelungssystem 10, welches die oben diskutierten Probleme aufweisen kann, und welches demzufolge nicht in der Lage sein kann, eine akzeptable oder erstrebenswerte Regelung unter Verwendung der typischen Steuertechniken, wie sie bezüglich 2 beschrieben sind, auszuüben. Allerdings kann in der Anlagenkonfiguration von 3 eine neue Regelungstechnik, wie sie hier bezüglich der 4–10 beschrieben ist, implementiert werden, um die Regelung in einer Art auszuüben, welche die Steuerbewegungen der geregelten Geräte minimiert, während sie Regelung in Anwesenheit von nicht-periodischen, drahtlosen und/oder signifikant verzögerten Prozesssignal-Kommunikationen zwischen einem Regler und einem geregelten Gerät und/oder Prozessvariablenmessungen zwischen Sensoren oder Transmittern und einem Regler ausübt. Vor allem ist das Regelungssystem 10 von 3 von einer ähnlichen Art wie das Steuersystem 10 von 1 mit gleicher Nummerierung von identischen Elementen. Allerdings beinhaltet das Regelungssystem 10 von 3 eine Reihe von Feldgeräten 60–70, die auf drahtlose Weise kommunikativ miteinander in einem drahtlosen Netzwerk 72, wie zum Beispiel einem WirelessHART^®Kommunikationsnetzwerk, verkoppelt sind, und die über eine Gateway Gerät 73 an den Regler 11 gekoppelt sind. Wie in 3 dargestellt, sind die drahtlos verbundenen Feldgeräte innerhalb des Netzwerks 72 angeschlossen an oder umfassen Antennen 75, die miteinander und mit einer Antenne 76 (die an das Gateway Gerät 73 angeschlossen ist) kooperieren um drahtlos innerhalb des Netzwerks 72 zu kommunizieren. In einem Fall sind einige der Feldgeräte, dargestellt als Geräte 61–64, über festverkabelte Leitungen an ein drahtloses Gateway-Gerät oder ein Gerät zur Protokollanpassung 76 angeschlossen, das für diese Geräte die Kommunikation innerhalb des Netzwerks 72 übernimmt. Natürlich können andere Geräte im drahtlosen Netzwerk 72 drahtlos sein und jeweils ihr eigenes drahtloses Kommunikationsmodul besitzen um eine drahtlose Kommunikation innerhalb des Netzwerks 72 auszuführen. Darüber hinaus können die Feldgeräte 60–70 jede Art von Feldgerät darstellen, einschließlich zum Beispiel Transmitter, Antriebe (wie Ventilantriebe), Ventile, etc.
Wie ersichtlich ist, kann jeder der Transmitter 60–64 und 66–69 in 3 ein Signal übertragen, welches dem Regler 11 eine entsprechende Prozessvariable (z.B. einen Fluss, einen Druck, eine Temperatur, oder einen Signalpegel) über das drahtlose Kommunikationsnetzwerk 72, das Gateway Gerät 73, und das Netzwerk 9, zur Verwendung in einem oder mehreren Regelkreisen oder Routinen die in Regler 11 implementiert sind, anzeigt. Andere drahtlose Geräte, die als geregelte Geräte bezeichnet werden, wie zum Beispiel die in 3 dargestellten Ventile oder Ventilantriebe 65 und 70, können vom Regler 11 Prozesssteuerungssignale drahtlos oder partiell drahtlos (z.B. über das Netzwerk 9, den Gateway 73 und das drahtlose Netzwerk 72) empfangen. Darüberhinaus können diese Geräte konfiguriert werden um andere Signale (z.B. Signale die jeden anderen Prozessparameter anzeigen wie zum Beispiel die aktuelle Position oder den Zustand des Geräts, Quittiersignale, etc.) an den Regler 11 und oder andere Geräte in der Anlage 10 über das drahtlose Netzwerk 72 zu übertragen. Im Allgemeinen beinhaltet der Regler 11, wie in 3 dargestellt, einen Kommunikations-Stack 80, der auf einem Prozessor 23 ausgeführt wird, um die eingehenden Signale zu verarbeiten, ein Modul oder eine Routine 82, die auf dem Prozessor 23 ausgeführt wird um zu detektieren wenn ein eingehendes Signal eine Messungsaktualisierung beinhaltet oder um andere Signale von den Geräten, die in einem oder im Zusammenhang mit einem Regelkreis sind, zu detektieren, sowie eines oder mehrere Regelungsmodule 84, die auf dem Prozessor 23 ausgeführt werden, um Regelung auf Basis der Messungsaktualisierung auszuüben. Die Erkennungsroutine 82 kann ein Flag oder ein anderes Signal generieren, um zu markieren, dass die Daten, die über den Kommunikations-Stack 80 bereitgestellt werden, eine neue Prozessvariablenmessung oder eine andere Art von Aktualisierung beinhalten. Die neuen Daten und das Aktualisierungs-Flag können dann einem oder mehreren Steuermodulen 84 (bei denen es sich um Funktionsblöcke handeln kann) zur Verfügung gestellt werden, die dann durch den Regler 11 zu einer vorbestimmten periodischen Ausführungsrate ausgeführt werden, wie unten im näheren Detail beschrieben. Alternativ oder zusätzlich dazu können die neuen Daten und die Aktualisierungs-Flags einem oder mehreren Überwachungsmodulen oder Applikationen, die auf dem Regler 11 oder an einem anderen Ort in Steuersystem 10 ausgeführt werden, zur Verfügung gestellt werden.
Von daher verwendet, wie oben beschrieben, das Prozessregelungssystem 10 der 3 im Allgemeinen die drahtlose Übertragung von Regelungssignalen und Messdaten, die durch die Transmitter 60–64 und 66–69 oder andere Regelelemente wie zum Beispiel die Feldgeräte 65 und 70, aufgenommen oder berechnet werden, zur Regelungsausübung. Beispielsweise werden im Regelungssystem 10 der 3 neue Regelungssignale vom Regler 11 an ein geregeltes Gerät, wie zum Beispiel eines der Ventile 65 oder 70, zu diesem Gerät über das Gateway Gerät 73 und das drahtlose Netzwerk 72 übertragen. Darüberhinaus können in einigen Fällen die neuen Prozessvariablenmessungen oder andere Signalwerte, die in der Feedback-Berechnung des Reglers 11 verwendet werden, an den Regler 11 über das drahtlose Netzwerk 72 durch die Geräte 60–64 und 66–69 auf einer nicht-periodischen, diskontinuierlichen oder langsamen Basis übertragen werden, und zwar nur dann wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Zum Beispiel kann eine neue Prozessvariablenmessung an den Regler 11 geschickt werden, wenn sich der Prozessvariablenwert um einen vorbestimmten Wert bezüglich des letzten Prozessvariablenmesswertes ändert, der durch das Gerät an den Regler 11 gesendet wurde. Natürlich können andere Verfahren zur Bestimmung, wann Prozessvariablenmesswerte in einer nicht-periodischen Weise gesendet werden sollen, zusätzlich oder stattdessen implementiert werden.
In jedem Fall kann die Anwesenheit des drahtlosen Kommunikationsnetzwerks 72 und/oder die Verwendung des Gateway-Geräts 73 innerhalb des Kommunikationspfads zwischen Regler 11 (der Regelungsberechnungen ausführt) und dem geregelten Gerät (z.B. einem Ventil oder Antriebsgerät) das das Regelungssignal empfängt, und zwischen den Sensoren (die die kontrollierten Prozessvariablen messen) und dem Regler 11 (der die Sensorsignale in einer Rückkopplungsschleife der Steuerberechnungen verwendet), die Kommunikationen im Regelkreis asynchron, nicht-periodisch machen und /oder signifikante Verzögerungen während der Kommunikationen erfahren. Beispielsweise können typische drahtlose Gateways in ein WirelessHART^®Netzwerk Steuerkommunikationen um 3–6 Sekunden verzögern, was die Verwendung dieser Netzwerke für die Hochgeschwindigkeits-Synchronsteuerung schwierig macht. Solche Verzögerungen können auch bei der Signalübertragung von einem Sensor oder Transmittergerät innerhalb eines drahtlosen Kommunikationsnetzwerkes zu einem Regler außerhalb dieses Netzwerks auftreten.
Demzufolge führt die Existenz von drahtloser Kommunikation zwischen dem Regler 11 und den Geräten innerhalb des drahtlosen Netzwerks 72 der 3 generell zu einer asynchronen, signifikant verzögerten, und/oder nicht-periodischen Kommunikation, welche wiederrum irreguläre oder auf andere Art weniger häufige Datenübertragungen zwischen dem Regler 11 und den Feldgeräten 60–64 und 66–69 und/oder umgekehrt erzeugt. Wie oben dargestellt, wurde jedoch die Kommunikation eines Regelungssignals an und die Kommunikation von Messwerten von den verkabelten Feldgeräten 15–22 üblicher Weise strukturiert um in einer periodischen Weise ausgeführt zu werden um die wiederum periodische Ausführung der Regelungsroutine(n) innerhalb des Reglers 11 zu unterstützen. In Folge dessen sind typische Regelungsroutinen im Regler 11 allgemein für periodische Aktualisierungen der Prozessvariablenmesswerte ausgelegt, die in den Rückkopplungsschleifen des Reglers 11 verwendet werden.
Um nicht-periodische oder auf andere Art signifikant verzögerte Regelungs- und Messsignale in einem Regelkreis unterzubringen, die beispielsweise durch den Einsatz drahtloser Kommunikations-Hardware zwischen dem Regler 11 und mindestens einem der Feldgeräte eingeführt werden, kann/können die Regelungs- und Überwachungsroutine(n) des Reglers 11 wie unten beschrieben restrukturiert oder modifiziert werden, um das Prozessregelungssystem 10 in die Lage zu versetzten, korrekt zu funktionieren, wenn nicht-periodische oder auf andere Art diskontinuierliche oder signifikant verzögerte Kommunikationssignale verwendet werden, und besonders wenn diese Signalübertragungen weniger häufig auftreten als die Ausführungsrate (z.B. die periodische Ausführungsrate) des Reglers 11.
Ein exemplarisches Regelungsschema oder Regelungssystem 400, das für die Verwendung von nicht-periodischen regelungsbezogenen Kommunikationen konfiguriert ist, ist in genauerem Detail dargestellt in 4, welche einen Prozessregler 100, der zur Regelung eines Prozesses 101 gekoppelt ist, schematisch darstellt. Vor allem ist der Regler 100 an den drahtlosen Aktuator 102 des Prozesses 101 über eine drahtlose Kommunikationsverbindung 103 (als gestrichelte Linie in 4 dargestellt) gekoppelt. In diesem Fall ist der Aktuator 102 ein geregeltes Gerät und kann ein Antrieb für ein Ventil sein, welches zum Beispiel den Durchfluss innerhalb des Prozesses 101 steuert. Das Regelungsschema, das durch den Regler 100 (der Regler 11 in 1 und 3 oder ein Regelelement eines Feldgeräts, z.B. eines der drahtlosen Feldgeräte von 3, etc. sein kann) implementiert wird, beherbergt im Allgemeinen die Funktionalität des Kommunikations-Stacks 80, das Aktualisierungs-Erkennungsmodul 82 und eines oder mehrere der Regelungsmodule 84, die in Verbindung mit 3 dargestellt und beschrieben sind.
Im exemplarischen System von 4 empfängt der Regler 100 ein Sollwertsignal, zum Beispiel von einem der Arbeitsplätze 13 (1 und 3) oder von jeder anderen Quelle innerhalb oder in Kommunikation mit dem Prozessregelungssystem 10, und arbeitet zur Erzeugung eines oder mehrerer Regelungssignale 105 (oder Regelungsschritte), die von einem Ausgang des Reglers 100 dem drahtlosen Aktuator 102 über die drahtlose Kommunikationsverbindung 102 zur Verfügung gestellt werden. Neben dem Empfang des Regelungssignals 105, kann der Prozess 101 (oder der Aktuator 102, der innerhalb des Prozesses 101 sein kann) gemessenen oder ungemessenen Störungen ausgesetzt sein. Abhängig von der Art der Prozesssteuerungsapplikation kann das Sollwertsignal jederzeit während der Regelung des Prozesses 101 verändert werden, beispielsweise durch einen Benutzer, eine Abstimmungsroutine, etc. Natürlich kann das Prozesssteuerungssignal einen Aktuator kontrollieren, der mit einem Ventil oder jedem anderen Typ eines beweglichen Regelelements verbunden ist, oder es kann jedes andere Feldgerät kontrollieren um eine Veränderung im Betrieb des Prozesses 101 zu bewirken. Die Antwort von Prozess 101 auf Veränderungen im Prozesssteuerungssignal 105 wird durch einen Transmitter, Sensor oder anderes Feldgerät 106 aufgenommen oder gemessen, das zum Beispiel jedem der in 3 dargestellten Transmitter 60–64 oder 66–69 entsprechen kann. Die Kommunikationsverbindung zwischen dem Transmitter 106 und dem Regler 100 ist in 4 als festverkabelte Kommunikationsverbindung dargestellt, welche synchrone, periodische oder unmittelbare Rückkopplungssignale an den Regler 100 liefert, kann aber jede andere Art von Kommunikationsverbindung sein, die Rückkopplungssignale mit geringer oder keiner Verzögerung bereitstellt.
In einer einfachen Ausführungsform kann der Regler 100 eine geschlossene Single/Input, Single/Output Regelkreis Routine, wie eine PID Regelung, implementieren, welche eine Form einer PID Regelungsroutine ist. Im hier verwendeten Sinn umfasst der PID Typ einer Regelungsroutine jede Form eine Proportional (P), Integral (I), Derivative (D), Proportional-Integral (PI), Proportional-Derivative (PD), Integral-Derivative (ID), oder Proportional-Integral-Derivative (PID) Regelungsroutine. Dementsprechend beinhaltet der Regler 100 mehrere Standard PID-Regelungsglieder, einschließlich einer Regelungssignalerzeugungseinheit mit einem Summierungs-Block 108, der ein Fehlersignal zwischen einem Sollwert und einer gemessenen Prozessvariablen erzeugt, einem Proportionalverstärkungs-Element 110, einem weiteren Summierungs-Block 112 und einem Hoch-Tief Begrenzer 114. Die Regelungsroutine 100 beinhaltet auch einen direkten Feedbackpfad einschließlich eines Filters 116. Der Filter 116 kann in diesem Fall an den Ausgang des Hoch-Tief Begrenzers 114 gekoppelt werden, oder kann, wie in 4 dargestellt, an den Aktuator 102 gekoppelt werden, um ein implizites Aktuatorspositionssignal zur Verwendung bei der Berechnung der Reset (oder einer anderen) Regelungskomponente des vom Prozesscontroller 100 generierten Regelungssignals zu empfangen. Im Allgemeinen ist der Ausgang des Filters 116 mit dem Summierer 112 verbunden, der die durch den Filter 116 generierte Reset (Integral) Komponente zur Proportional-Komponente addiert, welche vom Verstärkungselement 110 erzeugt wird. Zusätzlich kann der Regler 100 wie in 4 dargestellt, einen Block 132 zur Berechnung des Derivative-Anteils enthalten, der das Fehlersignal vom Summierungs-Block 108 empfängt parallel zu den Elementen, die für die Berechnung der Proportional und Integral-Anteile bestimmt sind. Hier addiert ein Summierer 134 den Derivativ-Anteil des Regelungssignals zum Output des Summierers 112, um das PID Reglersignal mit Proportional-, Derivativ- und Integral-Anteil zu erzeugen. Natürlich können die Summierer 112 und 134 in einer einzelnen Einheit kombiniert werden, falls gewünscht. Darüber hinaus sind, während andere PID Konfigurationen verwendet werden können (z.B. eine serielle Konfiguration), die Proportional-, Integral-, und Derivative-Anteile als, zur Erzeugung eines unbegrenzten Regelungssignals, in den Summierungs-Blöcken 112 und 134 kombiniert, dargestellt.
Insbesondere vergleicht der Summierungs-Block 108 während des Betriebs des Reglers 100 das Sollwertsignal mit dem letzten Prozessvariablenmesswert, der vom Transmitter 106 bereitgestellt wird, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Proportionalverstärkungs-Element 110 verarbeitet das Fehlersignal indem es, zum Beispiel, das Fehlersignal mit einem Proportionalverstärkungswert K_P multipliziert, um den Proportional-Anteil oder die Proportional-Komponente des Regelungssignals zu erzeugen. Der Summierungs-Block 112 kombiniert dann den Output des Verstärkerelements 110 (d.h. den Proportional-Anteil) mit dem Integral- oder Reset-Anteil/Komponente des Regelungssignals, das durch einen Rückkopplungspfad erzeugt wurde, und insbesondere durch Filter 116. Der Summierer 134 addiert den Derivative-Anteil, der von Block 132 erzeugt wurde, um ein unbegrenztes Regelungssignal zu generieren. Der Begrenzer-Block 114 wendet dann eine Hoch-Tief Begrenzung auf den Ausgang des Summierers 134 an um das Regelungssignal 105 zu erzeugen, das zur Kontrolle des Prozesses 101 und ins Besondere des Aktuators 102 verwendet wird.
Darüber hinaus ist, wie in 4 dargestellt, der Filter 116 zum Empfang einer impliziten Position vom Aktuator 102 über eine drahtlose Kommunikationsverbindung gekoppelt (welche dieselbe Verbindung wie Verbindung 103 sein kann, die verwendet wird um das Regelungssignal an den Aktuator zu kommunizieren). Der Filter 106 verwendet den impliziten Positionswert zur Bestimmung der Reset (Integral) Komponente des Regelungssignals 105 in einer Weise, die unten genauer detailliert diskutiert wird. Im Allgemeinen kann, wenn eine minimale Verzögerung durch die Kommunikation zwischen dem Regler 100 und dem drahtlosen Ventil oder Aktuator 102 eingeführt wurde, ein Ventil-Positions-Feedback, das an den Regler 100 vom drahtlosen Aktuator/Ventil 102 (d.h. der implizite Positionswert) rückkommuniziert wird, im positiven Rückkopplungs-Netzwerk (d.h. im Filter 116) verwendet werden, um den Reset-Anteil des PID Reglers 100 zu erzeugen. Hier wird dann, falls Kommunikationen zum drahtlosen Ventil 102 verloren gehen oder nicht in einer periodischen Weise aktualisiert werden, das Feedback der letzten Sollventilposition (d.h. die letzte bekannte Zielposition an deren Erreichung der Ventilantrieb 102 gearbeitet hat), welches vom drahtlosen Ventil oder dem Aktuator 102 kommuniziert wurde, als implizite Position, das heißt als Input für den kontinuierlich aktualisierten Filter 116 verwendet.
Wichtig ist auch, dass, wie in 4 dargestellt, die durch den Regler 100 implementierte Regelungsroutine auch einen Kontrollkommunikationsblock 135 beinhaltet, der dazu verwendet werden kann, um die Zahl von Sollpositionsänderungen zu minimieren, welcher durch den Aktuator 102 verwendet werden oder diesem zur Verfügung gestellt wird, wenn die Regelung unter Verwendung eines drahtlosen Ventils oder eines anderen Kommunikationsnetzwerks implementiert wird, welches eine signifikante Verzögerung in der Übertragung eines Regelungssignals an das geregelte Gerät verursacht. Ins Besondere, um die Anzahl der gesendeten Regelungssignale an den Aktuator 102 zu minimieren und dabei die Energie zu minimieren, die durch den Aktuator 102 verbraucht wird, überträgt der Block 135 nur dann berechnete Regelungs-Outputs oder Regelungssignale 105 (wie in periodischer Weise durch die Regelungsroutine generiert) an den drahtlosen Aktuator 102, wenn bestimmte Kriterien erfüllt sind. Im Allgemeinen reduziert oder minimiert die Verwendung dieser Kriterien die Zahl von Regelungssignal-Änderungen, die an den Aktuator 102 gesendet werden, bei unverminderter Ausübung einer robusten Prozesssteuerung.
Im Allgemeinen ist der PID Regler 100 typischerweise dazu vorgesehen, mit einer Rate auszuführen, welche viel schneller ist als die maximale Rate mit der der Sollwert für den Aktuator 102 an den drahtlosen Aktuator 102 unter Verwendung von Block 135 kommuniziert wird. Ins Besondere wird der Block 135 nur einen neuen Wert des Regelungssignals 105 an den Aktuator 102 schicken, wenn die Zeit seit der die letzte Kommunikation, die an den drahtlosen Aktuator 102 gesendet wurde, gleich oder größer als die konfigurierte Kommunikationsperiode ist und die Kommunikation der Aktuators-Rückmeldung zur letzten Änderung der Sollposition von Block 135 erhalten worden ist. Wenn gewünscht, kann die konfigurierte Kommunikationsperiode kleiner oder gleich der Ausführungsrate des Kommunikationsblocks 135 sein, der Kommunikationen mit dem geregelten Gerät implementiert, so dass die Abarbeitung oder Ausführung des Kommunikationsblocks 135 eine stillschweigende Festlegung ist, dass die konfigurierte Kommunikationsperiode verstrichen ist (d.h., das die vergangene Zeit seit dem Senden eines vorhergehenden Regelungssignals an das geregelte Gerät größer ist als eine minimale Zeitschwelle). In jedem Fall wird, falls diese Bedingungen erfüllt sind, der Block 135 eine neue Sollposition an den Aktuator 102 übermitteln (d.h., ein neues oder aktualisiertes Regelungssignal 105), wenn entweder eines oder beide zusätzlichen Signalgebungskriterien erfüllt sind. Ins Besondere wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem neu berechneten Kontrollsignal und dem letzten Kontrollsignal, welches an den Aktuator 102 kommuniziert wurde, einen konfigurierten Totban-Wert (d.h. einen Schwellenwert) und/oder wenn die Zeit seit der letzten Kommunikation an den Aktuator 102 eine konfigurierte Standard-Meldezeit überschreitet, dann wird der Kontrollkommunikationsblock 135 das neu berechnete Regelungssignal 105 an den Aktuator 102 kommunizieren. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, dann wird der Kontrollkommunikationsblock 135 das neu berechnete Regelungssignal 105 nicht an den Aktuator 102 schicken.
Demzufolge wird im Allgemeinen die Routine, die durch den Kontrollkommunikationsblock 135 implementiert wird, höchstens einmal ein Regelungssignal pro konfigurierter Kommunikationsperiode (die typischerweise eingestellt ist, großer als oder gleich groß zur Reglerausführungsperiode zu sein) und nur wenn der Regler eine Bestätigung erhalten hat, dass das letzte Regelungssignal das an den Aktuator gesendet wurde auch tatsächlich vom Aktuator erhalten worden ist. Diese Anfangsbedingungen stellen sicher, dass der Regler Regelungssignale nicht häufiger als mit einer bestimmten Rate schickt und kein neues Regelungssignal schickt wenn das vorausgegangene Regelungssignal vielleicht noch nicht vom Aktuator empfangen wurde (wie durch die Aktuatorsbestätigung des vorhergehend geschickten Regelungssignals bestimmt). Darüber hinaus wird, wenn diese Bedingungen erfüllt sind (d.h., die Zeit seit das letzte Regelungssignal an den Aktuator 102 geschickt wurde ist größer als eine konfigurierte oder voreingestellte Zeit und der Aktuator 102 hat den Empfang des letzten Regelungssignals bestätigt), nur dann ein neues Regelungssignal gesendet, wenn der Umfang des neuen Regelungssignals vom Umfang des vorausgehend geschickten Regelungssignals um einen vordefinierten Schwellenwert abweicht und/oder wenn die Zeit seit der letzten Kommunikation an den Aktuator 102 eine konfigurierte Standard Meldezeit überschreitet.
Der Kommunikationsblock 135 stellt demzufolge sicher, dass neue Regelungssignale nur zum Aktuator 102 gesendet werden, wenn verifiziert wurde, dass das vorausgegangene Regelungssignal am Aktuator 102 erhalten worden ist, und eine bestimmte Mindestzeit vergangen ist, seit das letzte Regelungssignal gesendet wurde (wie durch die konfigurierte Kommunikationsperiode festgelegt), und nur wenn sich entweder der Umfang des neuen zu sendenden Regelungssignals und der Umfang des zuletzt empfangenen Regelungssignals um einen Schwellenwert unterscheiden, oder wenn die Zeit seit der Sendung des letzten gesendeten Regelungssignals und die gegenwärtige Zeit einen bestimmten Schwellenwert überschreiten (selbst wenn der Unterschied im Umfang der Regelungssignale den Schwellenwert nicht erreicht oder überschreitet.) Diese Arbeitsweise reduziert im Allgemeinen die Anzahl der zum Aktuator 102 gesendeten Regelungssignale, um die vom Regler angeforderte Anzahl von Aktuatorsbewegungen zu reduzieren, jedoch in einer Weise welche eine robuste Regelung innerhalb des Prozesses ermöglicht.
Darüberhinaus kann, wenn gewünscht, die Sollposition des Ventils, die durch den Block 135 als Teil den Regelungssignals an den drahtlosen Aktuator 102 kommuniziert wird, normalerweise der kalkulierte Output der Regelungsroutine sein (d.h., er Wert des letzten Regelungssignals 105). Allerdings kann als Option der Umfang der Änderung in der Sollposition (d.h., der Umfang der Änderung im Regelungssignal zwischen aufeinander folgend an den Aktuator 102 gesendeten Signalkommunikationen) auf den letzten kommunizierten Steuer- oder Signalwert zu- oder abzüglich eines maximalen Änderungswertes begrenzt werden. Demzufolge wird, wenn der Absolutwert der Änderung im Regelungssignal zwischen einem neuen Regelungssignal und dem zuletzt kommunizierten Regelungssignal den konfigurierten maximalen Änderungswert überschreitet, das neu gesendete Regelungssignal (oder der Sollwert) auf einen Signalwert beschränkt, der diese maximale Änderung aufweist. Auf diese Art kann der Kontrollkommunikationsblock 135 den Umfang der Änderung im Regelungssignal zwischen aufeinander folgenden Regelungssignalkommunikationen an den Aktuator 102 beschränken. So eine limitierende Wirkung kann erstrebenswert sein, wenn das Feedback oder die Bestätigung des letzten kommunizierten Regelungssignals eine signifikante Verzögerung erfährt, um große Sprünge im Regelungssignal zu verhindern, die zu einem mangelhaften Regelverhalten führen können.
Als Vorteil dieser Kommunikationsmethode kann, wenn das Feedback oder die Bestätigung der letzten kommunizierten Überwachungswerts oder Sollposition, die dem Regler 100 durch den drahtlosen Aktuator 102 zur Verfügung gestellt werden (d.h., die implizite Aktuatorsposition) mit minimaler Verzögerung kommuniziert wird, dieser Wert im positiven Feedback-Netzwerk (z.B. durch den Filter 116) verwendet werden, um den PID Reset Anteil zu berechnen. Diese Arbeitsweise kompensiert automatisch jede Verzögerung oder Variation die durch Kommunikation mit dem drahtlosen Aktuator 102 eingeführt wird, und somit sind keine Änderungen in den PID Einstellungen notwendig um die Verzögerungen bei der Kommunikation der Sollposition an das Ventil zu kompensieren. Daraus folgt, dass die PID Reglungsoptimierung ausschließlich durch den Prozess-verstärkungswert und Dynamik bewerkstelligt wird, unabhängig von Verzögerungen die durch Kommunikation eingeführt werden.
Ins erster Linie wird, bei Verwendung der oben beschriebenen Kontrollkommunikationsroutine, der Filter 116 nach wie vor in die Lage versetzt, zu arbeiten um die Integral oder Reset-Anteil Komponente des Regelungssignals in einer Weise zu erzeugen, die eine robuste Prozessregelung ermöglicht während sie simultan die Kommunikationen zwischen dem Regler 100 und dem Aktuator 102 reduziert. Ins Besondere der Filter 116, der gekoppelt ist um eine implizite Aktuatorsposition zu erhalten (wie sie vom Aktuator 102 beispielsweise über einen drahtlosen Kommunikationspfad geschickt wird) produziert eine Anzeige der erwarteten Prozessantwort auf das Regelungssignal 105 basierend auf der impliziten Aktuatorsposition und der Ausführungsperiode oder -zeit des Kontrollalgorithmus 100. In diesem Fall kann die implizite Aktuatorsposition das letzte Regelungssignal sein (oder die Sollposition des letzten Regelungssignals), das am Aktuator 102 empfangen wird, wobei das Regelungssignal die Position anzeigt, zu welcher sich der Aktuator bewegen soll. Bei Ausführung liefert der Filter 116, wie in 4 dargestellt, das erwartete Prozessantwortsignal an den Summierer 112. Wenn gewünscht, kann die erwartete Prozessantwort auf Änderungen im Output des Summierers 108, wie durch den Filter 116 produziert, unter Verwendung eines Modells erster Ordnung angenähert werden, wie unten in genauerem Detail beschrieben. Ganz allgemein kann jedoch die erwartete Prozessantwort unter Verwendung eines geeigneten Modells des Prozesses 101 erzeugt werden, und ist nicht beschränkt auf ein Prozessmodell das mit der Bestimmung des Integral- oder Reset-Beitrags für ein Regelungssignal verbunden ist. Zum Beispiel Regler, die ein Prozessmodell verwenden um die erwartete Prozessantwort zur Verfügung zu stellen, können, müssen jedoch nicht einen Derivative-Anteil beinhalten, so dass die Regelungsroutine 100 ein PID oder PI Kontrollschema implementieren kann.
Bevor die Funktionsweise des Filters 116 in 4 in genauerem Detail diskutiert wird, ist es nützlich zu erwähnen, dass ein herkömmlicher PI-Regler unter Verwendung eines positiven Feedback-Netzwerks implementiert werden kann, um den Integral- oder Reset-Anteil zu bestimmen. Mathematisch kann gezeigt werden, dass die Übertragungsfunktion für eine herkömmliche PI Implementierung äquivalent zu der Standardformulierung für Nicht-beschränkte Kontrolle ist, d.h. wobei der Output nicht limitiert ist. Insbesondere:
worin

K_P: = Proportional Gain
T_Reset: = Reset, Sekunden
O(s): = Regelungs-Output
E(s): = Regelungsfehler

Ein Vorteil der Verwendung des positiven Feedback Pfads vom Aktuator 102 um eine implizite Aktuatorsposition zur Verfügung zu stellen, wie in 4 dargestellt, ist dass der Reset-Anteil automatisch daran gehindert wird, sich in die Höhe zu schrauben, wenn der Controlle-Output Hoch- oder Tiefbegrenzt ist, d.h. durch den Begrenzer 114.
In jedem Fall ermöglicht es die hier beschriebene Regelungstechnik, einen positiven Feedback-Pfad zur Bestimmung des Reset-Anteils zu verwenden, wenn der Regler periodische oder nicht-periodische Prozessvariablenaktualisierungen erhält, während nach wie vor eine robuste Regelantwort im Fall von Sollwertänderungen oder Störgrößenänderungen, die zwischen dem Empfang von neuen Prozessvariablenmessungen auftreten, ermöglicht wird, und während auch die Zahl von Aktuatorsbewegungen während des Betriebs des Regelkreises limitiert wird. Im Besonderen ist der Filter 116 zur Bereitstellung eines robusten Betriebs unter Sollwertänderungen konfiguriert, um eine neue Anzeige oder einen Wert einer erwarteten Prozessantwort während jeder einzelnen Ausführung des Reglers 100 zu berechnen. Daraus ergibt sich dass der Output des Filters 116 während jedem Ausführungszyklus der Regelungsroutine erneut regeneriert wird, obwohl der Input in den Filter 116 (die implizierte Position des Aktuators 102) nicht mit so einer Regelmäßigkeit aktualisiert wird.
Im Allgemeinen wird die neue Anzeige der erwarteten Prozessantwort, wie sie durch den Filter 116 produziert wird, während jedes Ausführungszyklus des Reglers aus der implizierten Stallantriebsposition, der durch den Filter 116 während des letzten (d.h. unmittelbar vorausgehenden) Reglerausführungszyklus generierten Anzeige einer erwarteten Antwort, und der Reglerausführungsperiode berechnet. Daraus folgt, dass der Filter 116 hier als kontinuierlich aktualisiert beschrieben wird, weil er zur Erzeugung einer neuen Prozessantwortabschätzung während jedes Ausführungszyklus des Reglers ausgeführt wird. Eine Beispielgleichung die durch den kontinuierlich aktualisierten Filter 116 implementiert werden kann um eine neue erwartete Prozessantwort oder Filter während jedes Reglerausführungszyklus zu produzieren ist unten dargelegt:
worin

F_N: = Neuer Filter Output
F_N-1: = Filter Output der letzten Ausführung
O_N-1: = Implizierte Aktuatorsposition (z.B. letztes Kontrollsignal durch den Aktuator empfangen
∆T: = Reglerausführungsperiode

Hier ist festzustellen, dass der neue Filter Output F_N iterativ bestimmt wird als der letzte Filteroutput F_N-1 (d.h. der aktuelle Filterausgangswert) plus einem zerfallenden Anteil, der bestimmt wird als Differenz zwischen dem letzten Regler-Output-Wert (oder Sollwert), der vom Aktuator empfangen wurde O_N-1 (der implizierte Aktuatorswert) und dem aktuellen Filter-Output-Wert F_N-1 multipliziert mit einem Faktor, der abhängig ist von der Reset-Zeit T_Reset und der Regler-Ausführungsperiode ΔT.
Unter Verwendung eines Filters, der sich kontinuierlich auf diese Art aktualisiert, ist die Störungsroutine 100 besser in der Lage, die erwartete Prozessantwort zu bestimmen, wenn die integrale Regelungssignalkomponente bestimmt wird, immer wenn eine neue Prozessvariablen-Messung erhalten wird, wodurch diese in Bezug auf Wechsel im Setpoint oder anderen Feedforward-Störungen, die zwischen dem Erhalt von zwei Prozessvariablen-Messungen auftreten reaktiver wird. Insbesondere ist festzuhalten, dass ein Wechsel im Setpoint (ohne den Erhalt eine neuen Prozessmessungswerts) sofort in einem Wechsel im Fehlersignal am Ausgang des Summers 108 resultiert, das die proportionale Beitragskomponente des Regelungssignal ändert und damit das Regelungssignal selbst ändert. Als Ergebnis davon wird der Filter 116 sofort anfangen, eine neue erwartete Antwort des Verfahrens auf das geänderte Regelungssignal zu produzieren und kann daher sein Output vor dem Regler 110 updaten, der einen neuen Prozessmesswert, der in Antwort auf diesen Wechsel gemessen wurde, erhält. Dann, wenn der Regler 110 einen neue Prozessmesswert erhält und ein Beispiel des Filter Outputs am Input des Summers 112 geklemmt wird und als integral oder reset Beitragskomponente des Regelungssignal verwendet wird, wird der Filter 116 bis zu einem erwarteten Prozessantwort iteriert, die, wenigstens zu einem gewissen Grad, reagiert hat auf oder eingebaut hat die Antwort des Prozesses 101 zum Wechsel im Setpoint.
Es wird daher verstanden, dass die Regelungstechnik, wie sie in 1 dargestellt wird, ungefähre Angabe einer erwarteten Prozessantwort über einen kontinuierlich upgedateten Filter 116 (beispielsweise den Resetbeitragsfilter) für jede Durchführung des Regelungsblock oder der Routine 100 berechnet. In der Ausführungsform der 4 konfiguriert der Regler 100 den kontinuierlich upgedateten Filter 116, um eine neue Annäherung einer erwarteten und eine neue ungefähre Angabe einer erwarteten Antwort für jede Durchführung des Regelblocks zu berechnen. Daher fährt der kontinuierlich aktualisierte Filter 116 fort, eine ungefähre Angabe einer erwarteten Antwort für jede Iteration der Regelungsroutine zu berechnen, die auf dem implizierten Aktuatorposition basiert (beispielsweise, das Regelungssignal, das zuletzt am Aktuator 102 erhalten wurde) und diese neue ungefähre Angabe eine erwartete Antwort wird während jedes Ausführungszyklus zum Summing Block 112 wird gesandt.
Diese Kontrolltechnik erlaubt dem kontinuierlich upgedateten Filter 116, die erwartete Prozessantwort kontinuierlich zu modellieren, unabhängig davon, ob ein neuer Messwert mitgeteilt wird und ohne den Zwang zu bestimmen, ob der momentane Regelungs-Output zum Aktuator 102 gesendet wird. Wenn der Regelungs-Output wechselt als Ergebnis einer Setpoint-Änderung oder einer Feedforward-Aktion, die auf einer gemessenen Störung basiert, reflektiert der kontinuierlich upgedatete Filter 116 korrekt die erwartete Prozessantwort, in dem eine neue ungefähre Angabe einer erwarteten Antwort an jeder Regelungsroutineiteration, die auf der implizierten Position des Aktuators 102 basiert, berechnet wird.
Es ist festzuhalten, dass die einfache PID Regelungskonfiguration der 4 zu dem Output des Filters 116 direkt als Resetbeitrag des Regelungssignals verwendet und in diesem Fall der Resetbeitrag einer geschlossenen Closed-loop Regelungsroutine (beispielsweise der kontinuierlich upgedateten Filtergleichung wie vorstehend dargestellt ist) eine genaue Darstellung der Prozessantwort liefert, indem bestimmt wird, ob der Prozess ein steady-state Verhalten zeigt. Jedoch können andere Prozesse, wie die Totzeitdominantenprozesse, die Inkorporierung zusätzlicher Komponenten im Regler der 4 erfordern, um die erwartete Prozessantwort zu modellieren. Im Hinblick auf die Verfahren, die durch ein Modell erster Ordnung gut dargestellt sind, kann die Prozesszeitkonstante im Allgemeinen verwendet werden, um die Resetzeit für den PI (oder PID) Regler zu bestimmen. Genauer gesagt, wenn die Resetzeit gleich der Prozesszeitkonstante gesetzt wird, eliminiert der Resetbeitrag üblicherweise die proportionalen Beiträge derart über die Zeit, sodass die Regelungsroutine 100 die erwartete Prozessantwort darstellt. Im Beispiel, das in 4 dargestellt ist, kann der Resetbeitrag durch ein positives Feedbacknetwork ausgeführt werden, das den Filter 116 mit der gleichen Zeitkonstante wie die Prozesszeitkonstante aufweist. Während andere Modelle eingesetzt werden können, liefert das positive Feedbacknetwork, der Filter oder Modell einen sinnvollen Mechanismus zur Bestimmung der erwarteten Antwort eines Prozesses, der eine bekannte oder angenäherte Prozesszeitkonstante aufweist.
Die 5 und 6 zeigen weitere Beispiele von Kontrollsystemen, die die Kommunikationssteuerung und Filtertechnik, wie sie vorstehend in Bezug auf 4 beschrieben sind, verwenden können, um eine robuste Regelung als Reaktion auf Setpoint-Änderungen zu liefern, wobei auch die Regler-Bewegungen in einem geregelten Gerät zu minimiert werden. Insbesondere können in bestimmten Anwendungen unterschiedliche verschiedene Kombinationen von drahtgebundenen oder drahtlosen Transmittern oder Sensoren oder drahtgebundene oder drahtlose Regelungsgeräte wie Ventile im Kontrollschema verwendet werden. Insbesondere kann es wünschenswert sein, die Kontrolltechnik, wie sie vorstehend beschrieben ist, zu implementieren, um Reglerbewegungen in einem Regelkreis zu minimieren, der einen drahtlosen Transmitter beinhaltet und ein drahtgebundenes Ventil oder Aktuator, in einem Regelkreis, der einen drahtgebunden Transmitter umfasst und ein drahtloses Ventil oder Aktuator (wie in 4 dargestellt), in einem Regelkreis, der einen drahtlosen Transmitter und ein drahtloses Ventil oder Aktuator umfasst und/oder in einem Regelkreis, der einen drahtgebundenen Transmitter und ein drahtgebundenem Ventil oder Aktuator umfasst. Vorliegend wird unter einem drahtlosen Kommunikationsweg in den hier beschriebenen Beispielen verstanden, dass diese typischerweise langsame, intermittierende, nicht-synchrone, nicht-periodische und/oder signifikant verzögerte Mittlungen zwischen dem Regler und dem Aktuator und/oder zwischen dem Transmitter (Sensor) und dem Regler einführen und dass die gleichen Konzepte oder Kontrolltechniken, wie sie hier für diese Netzwerke beschrieben sind, auch für Regelungssysteme verwendet werden können, die jedes beliebige Kommunikationsnetzwerk, das ein oder mehrere dieser Eigenschaften aufweist, haben, selbst wenn diese Kommunikationsnetzwerke oder Regelungssysteme im Grundsatz nicht drahtlos sind.
5 illustriert ein beispielhaftes Regelungsystem 500 oder einen Regelkreis, der sowohl einen drahtlosen Transmitter (und daher einen drahtlosen Feedbackkommunikationsweg) umfasst als auch ein drahtloses Ventil oder Aktuator (und daher einen drahtlosen Regelungssignalkommunikationsweg). Es wird angenommen, dass signifikante Verzögerungen, verlorene Signale, nicht periodische oder asynchrone Kommunikation bei jedem der beiden dieser drahtlosen Kommunikationswege eingeführt werden können. Das Regelungssystem 500, das in 5 dargestellt wird, ist ähnlich zu dem in 4, mit der Ausnahme, dass der Regler 100 in 5 weitere Komponenten umfasst, die benötigt werden, um mit der potenziellen Verzögerung oder Verlust von Übertragungen zurechtzukommen oder mit dem Verlust von synchron oder periodischen Übertragungen innerhalb des Feedbackübertragungsweges zwischen dem Sensor 106 und dem Regler 100. Wie noch gesehen werden wird, wird dieser Weg nun mit der gepunkteten Linie in 5 dargestellt, um anzuzeigen, dass dieser Übertragungsweg drahtlos, nichtperiodisch, asynchron ist und/oder signifikante Verzögerungen aufweist.
Wie in 5 dargestellt, umfasst der Regler 100 Standard-PID-Regler-Elemente, wie sie vorstehend in Bezug auf 4 beschrieben sind, die eine Regelungssignalerzeugungseinheit umfassen, die einen Summing Block 108, ein proportionales Gain Element 110, einen weiteren Summing Block 112, einen derivativen Rechnungsblock 132, noch einen weiteren Summing Block 134 und einen Hoch-Niedrig-Begrenzer 114 aufweist. Die Regelungsroutine 100 umfasst ebenfalls einen Feedbackweg, der den Filter 116 umfasst, aber in diesem Fall außerdem ein integrales Output-Switch umfasst, das einen Auswahlblock 118 umfasst, der an einen Kommunikationsblock 80 und den Filter 116 gekoppelt ist. Wie in 5 dargestellt, ist der Filter 116 immer noch gekoppelt, um die implizierte Aktuatorposition zu erhalten, aber liefert nun ein Output des Filters 116 zum Block 118, der wiederum das Integral oder die Resetkomponente des Regelungssignals liefert, das durch den Regler 100 für den Summing Block 112 erzeugt wird.
Während des Betriebs des Reglers 100, vergleicht der Summing Block 108 das Setpointsignal mit dem zuletzt erhaltenen Prozessvariablen-Messwert (der vom Kommunikationsstack 80 innerhalb des Reglers 100 geliefert wird), um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das proportionale Gain Element 110 handhabt das Fehlersignal, indem es beispielsweise das Fehlersignal mit einen proportionalen Gainwert K_p multipliziert, um einen proportionalen Beitrag oder Komponente des Regelungssignals zu produzieren. Der Summing Block 112 kombiniert anschließend den Output des Gain Elements 110 (d. h. den proportionalen Beitrag) mit dem Integral oder dem Resetbeitrag oder der Komponente des Regelungssignals, das durch den Feedbackweg erzeugt wird (umfassend den Filter 116 und den Block 118). Der derivative Komponentenblock 132 handhabt den Output des Summers 108 (das Fehlersignal), um eine derivative Komponente des Regelungssignals zu erzeugen, das dem Output des Summers 112 durch den Summer 134 zugefügt wird. Der Begrenzungsblock 114 führt anschließend eine Hoch-Niedrig-Begrenzung des Outputs des Summers 134 durch, um das Regelungssignal 105 zu erzeugen, das dem Kontrollkommunikationsblock 135 zur Verfügung gestellt wird. Der Block 135 funktioniert in der Art, wie es vorstehend in Bezug auf 4 beschrieben wurde, zur Bestimmung, wann ein neues Regelungssignal 105 zum Aktuator 102 über den drahtlosen Link 103 (der signifikante Verzögerungen erleiden kann) gesendet werden soll.
In diesem Fall funktionieren der Filter 116 und der Block oder der Switch 118 innerhalb des Feedbackwegs des Reglers 100, um das Integral oder die Resetbeitragskomponente des Regelungssignals folgendermaßen zu erzeugen. Der Filter 116, der gekoppelt ist, um den Output des Begrenzers 114 zu bekommen, produziert eine ungefähre Angabe der erwarteten Prozessantwort auf das Regelungssignal 105, basierend auf der implizierten Aktuatorposition und der Durchführungsperiode oder Zeit des Kontrollalgorithmus 100, wie es vorstehend in Bezug auf 4 beschrieben wurde. Jedoch liefert in diesem Fall der Filter 116 diese erwartete Prozessantwortsignal dem Switch oder Block 118. Der Switch oder Block 118 erprobt und klemmt den Output des Filters 116 an den Output des Switches oder Blocks 118, wann immer ein neuer Prozessvariablen-Messwert am Regler 100 erhalten wird (wie es über den Kommunikationsstack 80 bestimmt wurde) und behält diesen Wert, bis der nächste Prozessvariablen-Messwert am Kommunikationsstack 80 erhalten wird. So verbleibt der Output des Switches 118 der Output des Filters 116, der zu der Zeit erzeugt wurde, in der der Regler 100 das letzte Prozessvariablen-Messupdate erhalten hat.
Insbesondere zeigt die in 5 dargestellte Kontrolltechnik eine ungefähre Angabe einer erwarteten Antwort über den kontinuierlichen upgedateten Filter 116 (beispielsweise den Resetbeitragsfilter) für jede Durchführung des Kontrollblocks oder der Routine 100. Um jedoch zu bestimmen, ob der Output des Filters 116 als Input für den Summing Block 112 verwendet werden sollte, verarbeiten der Kommunikationsstack 80 und, in einigen Beispielen, das Update-Detektionsmodul 82 (3) die einkommenden erhaltenen Daten vom Transmitter 106, um einen neuen Wertsatz zum integralen Output Switch 118 zu erzeugen, wenn ein neuer Prozessvariablen-Messwert erhalten wird. Dieser neue Wertsatz informiert den Switch 118 den Output des Filters 116 für diese Regleriteration zu erproben und klemmen und liefert diesen Wert an den Input des Summers 112.
Unabhängig davon, ob ein neuer Wertsatz kommuniziert wurde, setzt der kontinuierlich upgedatete Filter 116 die Berechnung einer ungefähren Angabe einer erwarteten Antwort für jede Iteration der Regelungsroutine fort. Diese neue ungefähre Angabe einer erwarteten Antwort wird dem integralen Output Switch oder dem Block 118 bei ihrer Durchführung des Kontrollblocks geliefert. In Abhängigkeit von der Gegenwart eines neuen Wertsatzes wechselt der integrale Output Switch 118 zwischen Zulassen der neuen ungefähren Angabe der erwarteten Antwort vom kontinuierlich upgedateten Filter 116 zum Summing Block 112 und Beibehalten des Signals, das vorher zum Summing Block 112 während der letzten Durchführung des Kontrollblocks geliefert wurde. Wenn insbesondere ein Wertsatz kommuniziert wird, erlaubt der integrale Output Switch 118 der zuletzt berechneten ungefähren Angabe der erwarteten Antwort, vom kontinuierlich upgedateten Filters 116 zum Summing Block 112 zu passieren. Umgekehrt, wenn der neue Wertsatz nicht vorliegt, wird der integrale Output Switch 118 erneut die ungefähre Angabe der erwarteten Antwort von der letzten Kontrollblockiteration zum Summing Block 112 senden. So klemmt der integrale Output Switch 118 auf die neue ungefähre Angabe der erwarteten Antwort jedes Mal, wenn ein neuer Wertsatz vom Stack 80 übermittelt wurde, aber erlaubt nicht, dass jede neue berechnete ungefähre Angabe der erwarteten Antwort, die vom Filter 116 erzeugt wurde, den Summing Block 112 erreicht, wenn ein neuer Wertsatz nicht vorhanden ist.
Es wird daher verständlich, dass die Verwendung des Blocks 118 es dem kontinuierlich upgedateten Filter 116 ermöglicht, die erwartete Prozessantwort kontinuierlich zu modellieren, unabhängig davon, ob ein neuer Messwert übermittelt wurde. Wenn der Kontroll-Output als Ergebnis einer Setpoint-Änderung oder einer Feedforward-Aktion, die auf einer gemessenen Störung basiert, wechselt, unabhängig von der Gegenwart eines neuen Wertsatzes, spiegelt der kontinuierlich abgeleitet Filter 116 richtigerweise die erwartete Prozessantwort wieder, indem er eine neue ungefähre Angabe einer erwarteten Antwort für jede Regelungsroutine-Iteration berechnet. Jedoch wird eine neue Angabe der erwarteten Antwort (d. h. der Resetbeitrag oder Integrationskomponente) nur dann in die Reglerberechnungen einfließen, wenn ein neuer Wertsatz mitgeteilt wurde (über den integralen Output Switch 118).
Allgemein gesagt produziert somit die Regelungsroutine 100 der 5 eine erwartete Prozessantwort, indem sie ihre Berechnungen auf nicht-periodische, verzögerte oder asynchrone Messwerte, die vom Kommunikationsstack 80 erhalten werden, basiert, während sie darüber hinaus die erwartete Antwort zwischen dem Erhalt der zwei Messwerte bestimmt, um Änderungen, die durch eine Setpoint-Änderung oder durch jede gemessene Störung, die als Feedforward Input für den Regler 100 verwendet werden, zu berücksichtigen. Die Regelungstechnik, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ist als solche in der Lage, Setpoint-Änderungen, Feedforward-Aktionen auf gemessene Störungen etc., auszugleichen, die die erwartete Prozessantwort beeinflussen, und somit eine stabilere Regelungsantwort in Gegenwart von Übermittlungsverzögerung zu liefern, die mit der Übermittlung von sowohl dem Regelungssignal zum Aktuator 102 und dem Erhalt des Feedbacks oder der gemessenen Prozessvariablen-Signale am Regler 100 zusammenhängen.
Wie außerdem in 5 angegeben ist, stellt der Kommunikationsstack 80 das zuletzer erhaltene Feedback-Signal für den Summer 108 zur Verfügung zur Verwendung bei der Berechnung des Fehlersignals am Output des Summers 108. Wie ebenso in 5 dargestellt wird, wird der neue Wertsatz, der durch den Kommunikationsstack 80 erzeugt wird, ebenfalls für die Ableitungsberechnungseinheit 132 zur Verfügung gestellt und kann verwendet werden, um anzugeben, wann die Ableitungsberechnungseinheit die Ableitungskontrollkomponente erneut rechnen oder die Ableitungskontrollkomponente erzeugen sollte. Beispielsweise kann der Ableitungsbeitragsblock 132 restrukturiert werden, um auf der seit dem letzten Messupdate vergangenen Zeit basiert zu werden. Auf diese Art kann eine Spitze im Ableitungsbeitrag (und im resultierten Output-Signal) vermieden werden.
Insbesondere kann der Ableitungsbeitrag auf dem letzten bestimmten Wert beibehalten werden, um unzuverlässige oder verspätete Übermittlungen im dem Feedback-Kommunikationsweg auszugleichen und allgemeiner die Nicht-Verfügbarkeit von Messupdates auszugleichen, bis ein Messupdate erhalten wird, wie es durch einen neuen Wertsatz von Kommunikationsstack 80 gezeigt ist. Diese Technik ermöglicht der Regelungsroutine mit der periodischen Durchführung gemäß der normalen oder tabellierten Durchführungsgeschwindigkeit der Regelungsroutine weiter zu machen. Nach Erhalt der upgedateten Messung kann der Ableitungsblock 132, wie es in 5 gezeigt wird, den Ableitungsbeitrag gemäß der folgenden Gleichung bestimmen:
wobei

e_s: = Üblicher Irrtum
e_s-1: = letzter Irrtum
ΔT: = abgelaufene Zeit, seitdem ein neuer Wert übermittelt wurde
O_D: = CXontroller-Ableitungsterm
K_D: = Ableitungs-Gain-Faktor

Mit dieser Technik zur Bestimmung des Ableitungsbeitrags können die Mess-Updates für die Prozessvariable (d. h. Kontroll-Input) für eine oder mehrere Durchführungsperioden ohne das Entstehen von Output-Spitzen verloren werden. Wenn die Übermittlung wiederhergestellt wird, kann der term (e_N – e_N-1) in der Ableitungsbeitragsgleichung den gleichen Wert generieren, wie derjenige, der in den Standardberechnungen der Ableitungsbeitrags generiert wurde. Bei einer Standard PID-Technik ist jedoch der Divisor bei der Bestimmung des Ableitungsbeitrags die Durchführungsperiode. Im Gegensatz dazu verwendet die vorliegend beschriebene Regelungstechnik die zwischen zwei erfolgreich erhaltenen Messungen vergangene Zeit. Bei einer vergangenen Zeit, die größer als die Durchführungsperiode ist, produziert die Kontrollsteuerungstechnik einen geringeren Ableitungsbeitrag und einen reduzierten Spitze als die Standard-PID-Technik.
Um die Bestimmungd der vergangenen Zeit zu erleichterun, kann der Kommunikationsstack 80 einen neuen Wertsatz, wie er vorstehend beschrieben wurde, zum Ableitungsblock 132 liefern, wie es in 5 zusammen mit der zwischen den zwei zuletzt erhaltenen Werten vergangenen Zeit gezeigt ist. Darüber hinaus kann die Prozessmessung anstelle des Fehlers in der Berechnung der proportionalen oder der Ableitungskomponente verwendet werden. Noch allgemeiner kann der Kommunikationsstack 80 jede Software, Hardware oder Firmware (oder jede Kombination davon) umfassen oder beinhalten, um ein Kommunikationsinterface mit dem Prozess 101 zu implementieren, wobei jedes Feldgerät innerhalb des Verfahrens des Prozesses 101, Prozesskontrollelemente, die extern zum Regler sind, etc. umfasst wird.
Als ein weiteres Beispiel illustriert 6 ein Prozesskontrollsystem 600, das ähnlich zu demjenigen ist, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben wurde, dahingehend, dass es einen Regelungskommunikationsblock 135 wie vorstehend beschrieben implementiert, aber dies in einer Kontrollsystemkonfiguration tut, die einen drahtgebundenen Übermittlungskommunikationsweg umfasst (oder andere synchrone, periodische oder nicht verzögerte Kommunikationswege) zwischen dem Regler 100 und dem Aktuator 102 und zwischen dem Transmitter 106 und dem Regler 100. Im System der 6 kann der kontinuierlich abgebildete Filter 116 direkt verbunden sein, um den implizierten Aktuatorwert zu erhalten, und kann verbunden werden, um den Output direkt zum Summer 112 zu liefern. Darüber hinaus kann die Prozessvariablen-Messung vom Transmitter 106 direkt zum Summer 108 verbunden werden. Hier kann der Kontrollkommunikationsblock 135 bereitgestellt werden, um die Zahl der Regler Updates (Regelungssignale) zu reduzieren, die zum Aktuator 102 gesendet werden, um Aktuatorbewegungen zu reduzieren. Daher kann wie in 6 dargestellt der Kontrollkommunikationsblock 135 in der Art funktionieren wie vorstehend in einem drahtgebundenen oder nicht verzögerten Kommunikationsnetzwerk beschrieben verwendet wird, um die „Hunting“-Phänomäne, die in vielen Situationen gesehen werden, zu reduzieren und/oder um andere exzessive Bewegungen des Aktuators 102 zu reduzieren, selbst in Gegenwart von synchronisierten, periodischen oder nichtverzögerten Kontroll- und Feedbackübertragungen. In noch einem anderen Fall, der nicht in den Figuren dargestellt wird, kann der Kommunikationsblock 135 in einer Situation verwendet werden, in der drahtlose Übertragungen (damit potentiell langsame, nicht-synchronisierte, verzögerte oder nicht-periodische Übertragungen) zwischen einem Transmitter oder Sensor und dem Regler und drahtgestützte (oder sychrone, periodische oder nicht-verzögerten) Übertragungen zwischen dem Regler und dem Aktuator in einem Regelkreis bereitgestellt werden.
Darüber hinaus kann der Kontrollkommunikationsblock 135 (oder die damit verbundene Funktionalität), obwohl er als innerhalb des Kontrollblocks 100 gezeigt wird, an jedem Punkt zwischen dem Regler Output und dem geregelten Gerät, das nichtperiodische Regler-Output, wie er vom Block 135 gezeigt wird, erhält, implementiert werden. Beispielsweise kann der Block 135 in den Regelkreis oder an jedem Punkt entlang des Regelungssignalwegs enthalten sein, nachdem der PID Output berechnet wurde und bevor das Signal am Aktuator oder einem anderen geregelten Gerät erhalten wird. Beispielsweise kann der nicht periodische Kontrollkommunikationsblock 135 in einen Output-Block integriert werden, das dem PID Control Regler folgt, in ein Gatewaygerät oder in jedes andere Gerät, das innerhalb des Regelungssignalübertragungsweges zwischen dem Regler und dem Aktuator, der geregelt wird, angeordnet ist. Falls gewünscht, kann diese Funktionalität im Aktuator selbst implementiert werden.
Ein Schlüssel bei der Verwendung des nichtperiodischen Regelungskommunikationsblockes 135, wie er vorliegend beschrieben ist, besteht darin, dass die PID Resetberechnung implementiert wird unter Verwendung eines positiven Feedback-Netzwerkes, das auf der implizierten Ventilposition basiert, die wiederum dem Regler vom Aktuator vorzugsweise mit minimaler Verzögerung übermittelt wird. Idealerweise würde das Feedback der implizierten Ventilposition (d. h. der Zielposition, die der Ventilaktuator akzeptiert und versucht zu erreichen) über einen drahtlosen Aktuator zurück zum drahtlosen Gateway kommuniziert in Antwort auf die Zielpositionsschreibanforderung. Solch ein System ist in 7 dargestellt. Insbesondere sendet während der Operation, wie es in 7 dargestellt wird, der Kontrollkommunikationsblock 135 eine Schreibanforderung, die ein neues Kontrollziel beinhaltet, an den drahtlosen Aktuator 102 über den drahtlosen Pfad (d.h. einen verzögerten oder asynchronen Übermittlungslink), wie durch die gestrichelte Linie 200a dargestellt ist. Anschließend, wenn der drahtlose Aktuator 102 ein neue Regelungssignal oder Ziel erhält, antwortet der drahtlose Aktuator 102 dem Block 135 (über eine drahtlosen Verbindung, wie durch die gestrichelten Linie 200b dargestellt) mit einer Schreibantwort, die angibt, dass der Aktuator 102 das Regelungssignal erhalten hat. Die Schreibantwort ist im Wesentlichen eine Bestätigung des Erhalts des Regelungssignals. Darüber hinaus spiegelt die Schreibantwort (auf die Schreibanforderung) die akzeptierten Regelung oder Zielwert wider. Nach Erhalt der Schreibantwort kann der Block 135 die implizierte Aktuatorposition zur der Position ändern, die durch das Regelungssignal angegeben wird, das in der Schreibanforderung gesendet wurde, oder durch den akzeptierten Zielwert, der in der Schreibantwort angegeben ist. Der Kontrollblock 135 kann daher beim Senden der implizierten Aktuatorpositionen an den Filter 116 der 4 bis 6 unter Verwendung der implizierten Aktuatorposition verwendet werden. Selbstverständlich kann die Schreibanforderung oder die Bestätigung in Form einer Schreibantwort unter Verwendung jedes Gerätes innerhalb des Übertragungslinks zwischen Regler und Aktuator implementiert werden, wie beispielsweise in einer Gateway-Vorrichtung (beispielsweise das Gateway 73 der 3).
In einigen Implementierungen drahtloser Kommunikation kann es zu einer signifikanten Verzögerung kommen zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Aktuator 102 einen Befehl, die Zielposition zu wechseln, erhält und dem Zeitpunkt, an dem die Aktuatorantwort dem Regler (oder dem Block 135) zurückkommuniziert wird und für ihn zugänglich ist. In diesem Fall ist der Regler durch die Operation des Blocks 135 begrenzt bei der Sendung eines neuen Regelungssignals bis zum Erhalt der Bestätigung durch den Aktuator. Um dem Regler 100 die automatische Kompensierung für diese signifikante und variable Verzögerung bei der drahtlosen Kommunikation der Schreibantwort zu ermöglichen, kann ein neues Regelungssignaldatenformat verwendet werden, um die Regelung, die einen drahtlosen Aktuator wie einen drahtlosen Ventilaktuator verwendet, zu unterstützen.
Insbesondere kann dem Regelungssignal ein time-to-apply Feld hinzugefügt werden, wenn der Kontroll-Output-Wert dem drahtlosen Aktuator gesendet wird. Dieses Feld kann eine Zeit in der Zukunft spezifizieren, wann der Outputwert greifen oder durch den Aktuator umgesetzt werden soll. Vorzugsweise sollte die Verzögerungszeit so eingestellt werden, dass sowohl die Output-Kommunikation zum Aktuator und die Read-back-Kommunikation zum Regler vor dieser Zeit in der Zukunft durchgeführt wurde. Anders gesagt, wird die Zeit in der Zukunft, bei der der Aktuator den Wechsel zur Durchführung der Bewegung des Regelungssignalzielwertes implementieren soll, vorzugsweise eine Zeit sein, die gleich oder größer der erwarteten Verzögerung, die in die Übermittlungen eingeführt wird durch eine oder beide der Kommunikationen eines neuen Regelungssignals durch Block 135 zum Aktuator und/oder der Kommunikation der Bestätigung der Schreibantwort im Aktuator zum Block 135 oder zum Regler 100. Die Verwendung dieses Befehls macht es jedoch möglich, die implizierte Aktuatorposition genau zu berechnen, basierend auf der Zielposition, die dem Aktuator übermittelt wurde, und der angegebenen Zeit, zu der der Aktuator auf der neuen Zielposition handeln soll. Wenn beispielsweise die Zeit, die im Output angegeben wird, immer eine feste Zahl von Sekunden Y in der Zukunft ist, dann kann die implizierte Aktuator- (oder Ventil)-position im Regler, Gateway etc. berechnet werden, indem einfach die Zielposition um Y Sekunden verzögert wird. Die berechnete implizierte Aktuatorposition wird daher mit dem vom Aktuator verwendeten Zielwert übereinstimmen, solange die Verzögerungszeit, die in dem neuen Befehl angegeben ist, gleich oder länger der Zeit ist, die nötig ist, um dem Aktuator eine neue Zielposition zu übermitteln (und wenn möglich die Bestätigung des Empfangs dieses Ziels vom Aktuator zu erhalten). Um sicherzustellen, dass die berechnete implizierte Aktuatorposition die Zielposition im Aktuator genau wiederspiegelt, kann ein neuer Output im Aktuator nur dann gestellt werden, wenn die Bestätigung der letzten Übermittlung erhalten wurde.
Allgemein gesprochen kann daher der neue Befehl ein oder mehrere neue Zielwerte und Zeiten enthalten, bei denen der Aktuator oder das Ventil auf die neue Anfrage reagieren soll. Wenn das Ventil oder der Aktuator eine neue Anfrage erhält, wartet er in diesem Fall die geplante Zeit ab, bis er auf die neuen Zielwerte hin handelt. Wenn jedoch das Ventil oder der Aktuator einen neuen Befehl erhält, kann er sofort eine Anstrengung unternehmen, eine Antwort senden, die eine Bestätigung enthält und/oder den neuen Zielwert(e) enthält (um so Erhalt zu bestätigen und eine neue implizierte Aktuatorposition zu erzeugen), noch bevor das Ventil sich auf den neuen Zielwert hin handelt. Dieser Befehl reduziert oder erleichtert die Probleme, die damit verbunden sind, dass der Block 135 (oder dem Regler unter Verwendung des Filters 116) signifikant verzögerte implizierte Aktuatorpositionswerte erhält, und liefert damit eine bessere Regelung unter diesen Umständen. Es wird daher vorgeschlagen worden, um den Einfluss dieser Übermittlungsverzögerung zu minimieren, dass ein solcher neuer Befehl verwendet wird, wenn die Regelung mit einem drahtlosen Ventil durchgeführt wird und dass die implizierte Aktuatorposition, die im Feedback-Loop des Reglers verwendet wird, auf dem Zielwert basiert, der dem Ventil gesendet wird, verzögert um die Zeit zwischen der Zeit für die Ausführung des Befehls und der Zeit, bei der der neue Zielwert gepuffert wurde, um zum Ventil gesendet zu werden. Der externe Resetwert, der im Regler verwendet wird, könnte daher in der Übermittlungsebene oder im Kontrollmodul berechnet werden und könnte als die „implizierte Ventilposition“ bereitgestellt werden zur Verwendung als der PID externe Resetwert (beispielsweise als Input für den Filter 116). Jedoch ist es in jedem Fall wünschenswert zu warten, bis ein neuer Störungsbefehl generiert, bis eine Bestätigung von dem Ventil erhalten wird, dass das Ventil oder der Aktuator seinen vorherigen Befehl, der zum Ventil gesendet wurde, zu erhalten.
Selbstverständlich kann der Zeitwert, der in diesem Befehl verwendet wird, auf der Zeit basiert werden, bei der der neue Zielwert am Block 135 akzeptiert wird, zuzüglich einer präkonfigurierten Verzögerungszeit. Diese Verzögerungszeit kann beispielsweise durch einen Anwender eingestellt werden, einen Konfigurationsingenieur, einen Hersteller etc. oder kann auf einer statistischen Eigenschaft des Übermittlungslinks basiert sein (beispielsweise einer Durchschnittsverzögerung, einer Medianverzögerung, einer Maximalverzögerung, die innerhalb des Übermittlungslinks über eine bestimmte Zeitspanne gemessen oder beobachtet wurde, ein oder mehrere Standardabweichungen der erwarteten Verzögerungen basierend auf zahlreichen Verzögerungsmessungen etc.).
Als Beispiel einer Operation eines solchen Befehls zeigt 8 ein Timing-Diagramm 800 von verschiedenen Signalen, die bei dem Übermittlungsverfahren involviert sind, bei dem ein AO Output-Block arbeitet, um ein Regelungssignal mit einem neuen Zielwert zu erzeugen, der neue Zielwert einem Ventil (oder Aktuator) übermittelt wird und anschließend von dem Ventil oder dem Aktuator verarbeitet. Im Beispiel von 8 stellt die Linie 801 das Regelungssignal dar, das durch die Regelungsroutine entwickelt wurde und als Input für den Kontrollkommunikationsblock 135 bereitgestellt wird. Eine Linie 802 stellt die Erzeugung des Zieloutputs oder des Output-Regelungssignals dar, das durch den Kontrollkommunikationsblock 135 dem Aktuator bereitgestellt wird. Eine Linie 804 zeigt den Erhalt des neuen Zielwerts beim Aktuator und kann der Übermittlung eines Erhalts einer Bestätigung des Zielwerts zwischen Aktuator (Ventil) zurück zum Regler entsprechen. Eine Linie 806 stellt das Timing der Operation des Aktuators oder des Ventils als Reaktion auf das Regelungssignal dar und stellt eine Verzögerungszeit des Regelungssignals dar, die größer ist als die Zeit, die ein Wechsel im Zielwert in der Linie 802 gebraucht hat, um den Aktuator zu erreichen. Die letzte Linie 808 stellt die letzte Ventilantwort dar, wie sie vom Block 135 erhalten wurde. Es wird festgestellt, dass der Block 135 aufgrund der Operation, wie sie vorstehend erklärt wurde, kein neues Regelungssignal oder geändertes Regelungssignal sendet, bis er eine Schreibantwort erhält, die angibt, dass der Aktuator oder das Ventil das vorherigen Regelungssignal erhalten hat. Das ist auch der Grund, warum die Änderungen in der Linie 808 zeitlich (oder beinahe zeitlich) den Änderungen in der Erzeugung eines neuen Regelungssignals vom Block 135 (angegeben durch Linie 802) entsprechen.
In jedem Fall ermöglicht die Verwendung dieser Verzögerungszeit als Teil des Regelungssignals es dem Regler, eine implizierte Aktuatorposition, die in den Feedback-Berechnungen (beispielsweise im Filter 116 vorstehend beschrieben wurde) verwendet wird, zu ändern und zwar gleichzeitig oder beinahe gleichzeitig, wenn der Aktuator tatsächlich auf das Regelungssignal hin agiert, um sich vorwärts zum neuen Zielwert zu bewegen, selbst in Gegenwart von signifikanten Übertragungsverzögerungen zwischen dem Regler und dem Aktuator. Diese Operation synchronisiert die Kontroll-Feedback-Berechnungen besser mit der wirklichen Operation des Ventils und liefert daher eine bessere oder stabilere Regelungsoperation.

Die unten stehende Tabelle 1 liefert eine Definition eines Beispiels WirelessHART custom command definiert für einen drahtlosen Monitor, der dieses Verzögerungszeitkonzept komplementiert. Der Befehl, wie in Tabelle 1 illustriert ist, schreibt einen Output-Wert oder Werte (definiert in 3 und 4 Bytes für ein oder mehrere Parameter, die in 0 und 1 Byte identifiziert sind) zum Monitor (z. B. dem Aktuator) und umfasst ein time-to-apply Feld (in Bytes 6 bis 13). Das time-to-apply Feld kann ein Offset oder eine Verzögerungszeit von einem bestimmten Zeitpunkt (beispielsweise dem mit dem Senden des Regelungssignals vom Block 135 verbundenen Zeitpunkt) angeben, eine absolute Zeit, wie sie über eine Systemuhr bestimmt wird und die über verschiedene Geräte innerhalb der Prozesssteuerungsübertragungsnetzwerks synchronisiert werden kann, eine Offset-Zeit von einer Systemuhr etc. Falls gewünscht kann darüber hinaus der neue Befehl multiple Regelungssignale aussenden, um simultan oder sequenziell verschiedenen Offset-Zeiten oder die gleichen Offset-Zeiten anzuwenden. Die Anzahl der Befehle kann beispielsweise in einem zweiten Byte, wie es in Tabelle I dargestellt wird, angegeben werden.

HART Befehl	Befehlsdefintion
HART Befehl	Byte	Format	Beschreibung
64387	0–1	Unsigned-16	Index der ersten diskreten Variable zum Schreiben (1)
	2	Unsigned-8	Nummer der diskreten Varibalen zum Schreiben (1)
	3–4	Unsigned-16	Erster diskreter Variablenwert (5- offen, 6- geschlossen)
	5	Bits-8	Erster diskreter Variablenstatus (Egal)
	6–13	Unsigned-64	Time-to-apply in UTC (ms)

Tabelle 1

In jedem Fall resultiert die Verwendung dieses Datenformats für Ventil- oder andere Aktuatorsteuerungen in oder ist äquivalent mit null Readback- oder Erhaltverzögerung, solange das Kontrollsystem oder das drahtlose Netzwerk einen gemeinsame Begriff oder Messung von Zeit für diesen Befehl haben, und die Verzögerungszeit, die im Befehl angegeben ist, größer ist als die Verzögerung Schreibanforderung und einer Schreibantwort auf einer Strecke oder hin und zurück einer ist.
Zwei Sets von Testen wurden durchgeführt, um die Funktionalität der Regelung und des Übermittlungssystems, wie es hier beschrieben ist, zu demonstrieren. Das erste Set von Tests wurde durchgeführt, indem eine minimale Antwort-(Bestätigungs-)Verzögerung angenommen wurde, und das zweite Set von Tests wurde durchgeführt, um eine signifikante Antwort-Verzögerung zu umfassen, die abgeschwächt wurde durch die Verwendung des time-to-apply-Konzepts als Teil des Regelungssignals, wie es vorstehend beschrieben wurde. Jeder dieser Tests, die hier beschrieben wurden, wurde unter Verwendung eines simulierten Prozesskontrollsystems durchgeführt.
In dem Set von Tests in Verwendung der minimalen Antwortverzögerung wurde eine Gesamtzahl von acht Testen durchgeführt, um zu zeigen, dass eine PID Kontrolle unter Verwendung von nicht-periodischen Übertragungen durch ein drahtloses Ventil ein effektives Mittel darstellt zur Reduktion der Anzahl der Kommunikationen mit dem Ventil. Eine Simulation mit Regelung, Kommunikation und Prozessantwort wurde erzeugt, um die Leistung eines Kontrollsystems mit einer nicht-periodischen Kontrollkommunikation die zu einem drahtlosen Ventil gesendet werden, mit einem traditionellen PID-Kontrollsystem mit einem drahtgestützten Ventil. In diesen Test wurde eine signifikante Verzögerung in den Kommunikationen des Reglers zum Ventil eingeschlossen, aber eine Bestätigung, dass das Ventil die Mitteilung erhalten hat, war minimal verzögert.
Verfahrensausbeute und Dynamik des PID-Tunings waren identisch für diese acht Tests und wurde wie folgt verwendet:

Proces PID Tuning

Gain = 1 GAIN = 1

Time Constant = 6 sec RESET = 8 sec/repeat

Dt = 2 sec RATE = 0

Die gleichen Setpoint-Änderungen (10%) und nicht gemessenen Beladungsstörungsänderung (10%) wurden in jedem dieser Tests eingeführt. Die Testgegebenheiten sind wie folgt in Tabelle II angegeben.

Test	Drahtloses Ventil Nicht-periodische Kommunikation
Test	Deadband	Periode	Default	Max. Änordnung	Messung
1	3%	2sec	8sec		Drahtgestützt
2	3%	10sec	30sec		Drahtgestützt
3	1%	2sec	8sec		Drahtgestützt
4	1%	10sec	30sec		Drahtgestützt
5	1%	2sec	8sec	1,5%	Drahtgestützt
6	1%	10sec	30sec	1,5%	Drahtgestützt
7	1%	2sec	8sec		Drahtlos
8	1%	10sec	30sec		Drahtlos

Tabelle II

Die Ergebnisse dieser Tests sind zusammengefasst in Tabelle III

Test	Anz. neuer Targetwerte		Integraler abs. Fehler (IAE)		Gesamte Ventil-Bewegung (%)
Test	Drahtloses Ventil	Drahtgest. Ventil	Drahtloses Ventil	Drahtgest. Ventil	Drahtloses Ventil	Drahtgest. Ventil
1	25	363	416	332	41,4	51,1
2	8	353	553	328	39,7	51
3	25	266	345	317	47	50,7
4	10	401	581	333	40,1	51,2
5	41	353	509	330	42,7	51,1
6	22	713	1179	339	39,8	51,3
*7	30	369	463	333	46,4	51,1
*8	13	594	763	339	40,7	51,3

Tabelle III *Drahtloser Transmitter benutzt mit drahtlosem Ventil

Unter Verwendung der vorgeschlagenen Änderungen in der PID (d. h. mit der Resetberechnung, die auf der implizierten Ventilposition, die über das drahtlose Ventil mitgeteilt wurden, basiert ist und unter Verwendung der nicht-periodischen Mitteilungen zum drahtlosen Ventil) wurde die Anzahl der Verbindungen zum Ventil in großem Ausmaß reduziert, wie es in der Tabelle III angegeben ist. In den meisten Fällen war die Regelungsleistung noch akzeptabel. Die Antwort während des Tests 4 ist in Schaubild 900 der 9 dargestellt und ist typisch für die, die während dieser Tests beobachtet wurde. Insbesondere zeigt das erste Set von Linien im Schaubild 900 den Setpoint-Wert 901, die gemessene geregelte Variable, die unter Verwendung eines drahtlosen Ventils 902 (mit den Regelungs- und Kommunikationsver-fahren, wie sie hier beschrieben sind) und dem gemessenen geregelten Variablen, die unter Verwendung eines drahtgestützten Ventils 903 (und einer typische PID Regelungsroutine) erhalten wurden, an. Das zweite Set von Linien zeigt die Ventilbewegungen oder die Ventilposition für das drahtlose Ventil 911 (unter Verwendung der Regelungs- und Kommunikationsverfahren, wie sie hier beschrieben sind, an) und die Ventilposition für das drahtgestützte Ventil 911 (unter Verwendung einer typischen PID Regelungsroutine). Die Linie am unteren Ende 915 ist eine nicht gemessene Störung, die für Simulationszwecke eingeführt wurde. Das Schaubild 900 zeigt als solches die Vergleichsleistung des Prozess-Regelkreises unter Verwendung der Kontroll- und Kommunikationsverfahren, die hier für Test 4 in Antwort auf sowohl auf Setpoint-Änderungen und nichtgemessenen Störungen im Verfahren beschrieben wurden.
Darüber hinaus wurden, als weiterer Test, die Kontroll- und Kommunikationssimulationen, die in einigen hier vorstehend beschriebenen Tests durchgeführt wurden, modifiziert zur Verwendung eines neuen Regelungssignaldatenformats, das signifikante Übertragungsverzögerungen zwischen dem Regler und dem Ventil zulässt und signifikante Verzögerungen in der Übertragung der Ventilantwort oder der Bestätigung. Tests 9 bis 12 wurden durchgeführt unter Verwendung dieser modifizierten Simulation, die signifikante Übertragungsverzögerungen im Feedback-Weg zwischen dem Aktuator und dem Regler einschloss. Die gleich Prozessausbeute und Dynamik und das Regler-tunining, die in den vorherigen Tests verwendet wurden, wurden für diese weiteren Tests verwendet.

In den Tests 9 und 10 werden eine drahtgestützte Messung und ein drahtloses Ventil mit einer drahtgestützten Messung und einem drahtgestützten Ventil verglichen. In den Tests 11 und 12 wurde eine drahtlose Messung mit dem drahtlosen Ventil mit einer drahtgestützte Messung und einem drahtgestützten Ventil verglichen. Während dieser Tests wurden identische Änderungen im Setpoint und der nichtgemessenen Störungen in beide Regelkreise eingeführt. Das Setup der nicht-periodischen Übertragung zur Minimierung der Ventilbewegung, der Übertragungsverzögerung zum Ventil und der Übertragungsverzögerung bei der Ventilantwort sind in Tabelle IV gezeigt.

Test	Minimere Ventilbewegung			Kommunikationen
Test	Deadband	Periode	Default Time	Befehlsverzögerung	Antwortverzögerung
9	3%	6 sec	12 sec	3 sec	3 sec
10	3%	6 sec	12 sec	6 sec	6 sec
11	3%	6 sec	12 sec	3 sec	3 sec
12	3%	6 sec	12 sec	6 sec	6 sec

Tabelle IV

Die Ergebnisse, die für die drahtlose Regelung unter Verwendung der Modifikation für das drahtlose Ventil gegenüber einem drahtgestützten Transmitter und Ventil unter Verwendung der typischen PID-Regelung erreicht wurden, sind in Tabelle V zusammengefasst.

Test	Drahtgestütztes Ventil			Drahtloses Ventil
Test	Zieländerung	Gesamtbewegung	IAE	Zieländerung	Gesamtbewegung	IAE
9	323	51	327	14	40	681
10	356	51	332	14	42	739
11	397	51	335	17	40	834
12	389	51	334	16	47	929

Tabelle V

Die Testergebnisse zeigen, dass es möglich ist, den Einfluss der Kommunikationsverzögerung zu minimieren unter Verwendung des vorgeschlagenen neuen Output-Datensignalformats in Verbindung mit der berechneten implizierten Ventilposition für das externe Reset. Eine stabile Kontrolle bei Verwendung des drahtlosen Ventils wurde für die Änderungen im Setpoint und für Beladungsstörung beobachtet. Die Anzahl der Änderungen im Ventilziel wurde um Faktor 23 reduziert. Die Antwort während des Tests ist gezeigt in Schaubild 1000 der 10 dargestellt und ist typisch für die, wie während dieser Tests beobachtet wurde. Das erste Set von Linien im Schaubild 1000 zeigt den Setpointwert 1001 an, und die gemessene geregelte Variable unter Verwendung eines drahtlosen Ventils 1002 (mit dem Kontroll- und Kommunikationsverfahren, wie es hier beschrieben ist) und die geregelten Variablen unter Verwendung eines drahtgestützten Ventils 1003 (und einer typischen PID Regelungsroutine). Das zweite Set von Linien zeigt die Ventilbewegung oder die Ventilposition für das drahtgestützte Ventil 1010 (mit dem Kontroll- und Kommunikationsverfahren, wie es vorstehend beschrieben ist, an) und die Ventilposition für das drahtgestützte Ventil 1011 (unter Verwendung einer typischen PID Regelungsroutine). Die untere Linie 1015 ist eine nicht gemessene Störung. Als solches zeigt das Schaubild 1000 die Vergleichsleistung des Prozess-Regelkreises unter Verwendung der Kontroll- und Kommunikationsverfahren, wie sie hier für Test 10 in Antwort auf sowohl die Setpoint-Änderungen und die nichtgemessenen Störungen im Verfahren beschrieben wurden.
Als weiteres Experiment wird ein WirelessHART Netzwerk simuliert unter Verwendung eines WirelessHART Moduls in einer Laborumgebung, das sowohl als Sensor als Aktuator fungierte. Ein simuliertes Verfahren wurde innerhalb des Modules durchgeführt, um die Werte des Sensors und des Aktuators zuzuordnen. Weil ein tatsächliches drahtloses Netzwerk verwendet wurde, wird angenommen, dass das Experiment realitätsnahen Anwendungen sehr nahe kommt.
Um das Experiment besser zu verstehen, werden die relevanten Komponenten des DCS (distributed control system) mit einem WirelessHART Netzwerk und den Modifikationen, die durchgeführt wurden, um das Experiment durchzuführen, beschrieben werden. Insbesondere umfasst das Test-DCS ein WirelessHART Netzwerk, das alle WirelessHART-Vorrichtungen verwendete, die Input-Vorrichtungen waren. Die Vorrichtungen veröffentlichten Daten ans Gateway, das die Daten im Cache speicherte und die Daten auf Anforderung hin zum Host weiterleitete. Im verwendeten DCS System wird die Komponente, die zum Gateway spricht, PIO genannt. Die Kontrollmodule, einschließlich des PID, sprachen zum PIO. Das Gateway antwortete auf sämtliche andere Anforderungen des PIO sofort mit einer verzögerten Response(DR)-Status, wann immer es nicht ID angeforderte Antwort senden konnte. Das Gateway antwortete auf alle Anforderungen außer vom PID sofort mit einem Verzögeren-Antwort-Status (Delayed Response, DR), wann immer es keine angeforderte Antwort senden konnte. Das Gateway leitete anschließend die Anforderungen an das geregelte Gerät innerhalb des WirelessHART Netzwerkes weiter. Somit hatte das PIO das Gateway wiederholt zu fragen und wiederholt eine DR zu bekommen, bis die Antwort des geregelten Geräts vom Gateway erhalten wurde, welches dann anschließend ohne ein DR Signal antwortete. Dieser Mechanismus wurde auch auf die Output-Schreibung zum Aktuator angewandt. Jedoch kann es vorkommen, dass ein zukünftiger WirelessHART Standard eine nicht bestätigte Antwort vom PIO zum Gerät zulassen wird, d. h. ein sogenanntes downstream publishing.
Die Kontrollkommunikationskomponente, die ähnlich ist zu der, die vorstehend für den Block 135 beschrieben wurde, wurde in der PIO in diesem Experiment implementiert. Außerdem wurde das HART write command verwendet, um ein Output zum Ventil zu schreiben unter Verwendung des Time-to-apply-Konzepts, wie es vorstehend beschrieben wurde. Die Zielventilposition, die von dem drahtlosen Ventil beibehalten wurde, wurde daher unter Verwendung des HART commands mit einer Verzögerungs- oder Time-to-apply Komponente geändert. Wenn die Zielventilposition, die im Befehl angegeben wurde, ein Wert verschieden von demjenigen war, der in der vorherigen Änderungsanfrage enthalten war, die dem Gateway mitgeteilt wurde, dann wurde dieser Befehl als neue Anfrage betrachtet. Wenn das Gateway vorher eine drahtlose Ventilantwort erhalten hatte in Bezug auf die letzte angefragte Änderung in der Position, dann handelte das Gateway in Bezug auf die neue Wechselanfrage. Andernfalls wurde die neue Wechselanfrage durch das Gateway gebuffert. Um zu gewährleisten, dass der letzte PID Output verwendet wurde und dem Ventil mit minimaler Verzögerung mitgeteilt wurde, wurden die nicht-periodische Übertragung, die vom Regler (dem PIO Block) implementiert wurde, so ausgestaltet, dass sie die folgenden Bedingungen erfüllte:

(1) Der PID Block führte viel schneller aus als die Zeit, die das Gateway braucht, um einen neuen Zielwert zu übertragen und einen Antwort zu erhalten.
(2) Jedes Mal, wenn die PID ausführte (einmal pro Sekunde oder schneller), wurde ein ein Wechselanfragebefehl wurde zum PIO gesendet. Wenn jedoch der gleiche Befehl (der gleiche Zielwert) dem PIO gesendet wurde, dann wurde die damit verbundene Ventilantwort zurückgegeben. Der damit verbundene Zielwert wurde im AO Block READ_BACK Parameter wiedergegeben.
(3) Wenn ein Status des AO Blocks READ_BACK Parameter auf Bad Communication Failure geändert wurde, dann wurde die gleiche Änderungsanfrage dem Gateway weiterhin übermittelt und wurde als neuer Befehl angesehen.

Ein Kommunikationsdiagramm, das den Wechsel im PID Output nach Anwendung der nicht-periodischen Kontrollkommunikationsblock in diesem Experiment zeigt, ist in Tabelle VI dargestellt.

Schritt	Regler
Schritt	AO/READBACK	AO/OUT	PIO	Gateway	Drahtloses Ventil
1	40 GoodNC	40		<= Antwort 40
2	40 GoodNC	50	Schreib 50 =>
3	40 GoodNC	50		<= Antwort DR
4	40 GoodNC	50	Schreib 50 =>
5	40 GoodNC	50		<= Antwort DR
6	40 GoodNC	50		Schreib Bef. =>
7	40 GoodNC	50	Schreib 50 =>
8	40 GoodNC	50		<= Antwort DR
9	40 GoodNC	50			<= Antwort 50
10	40 GoodNC	50	Schreib 50 =>
11	40 GoodNC	50		<= Antwort 50
12	40 GoodNC	52	Schreib 50 =>
13	40 GoodNC	52		<= Antwort DR

Tabelle VI

Wie in Tabelle VI dargestellt wird, wurde bei Schritt 2 eine neue Wechselanforderung durch den Regler AO/Out Block und durch das PIO ausgegeben, um das Ventilziel auf 50 zu ändern. Diese unmittelbare Antwort des Gateways war eine Antwort mit eine DR-Signal (delayed response). Eine Sekunde später bei Schritt 4 wurde dieselbe Wechselanforderung noch einmal an das Gateway ausgegeben. Das Gateway gab anschließend bei Schritt 6 den HART-Befehl zum Ventil (um das Ziel beim Ventil zu ändern), erhielt aber keine Antwort (Schreibantwort) bis Schritt 9. Jedoch wurde bei Schritt 8 nach der Verzögerungszeit, die im ursprünglichen Regelungsbefehl für das Ventil bereitgestellt worden war, die Wechselanforderung im AO/READBACK Wert wiedergegeben, der im PID positiven Feedback-Netzwerk des Reglers als implizierten Ventilposition verwendet werden sollte. Bei Schritt 11 (als Reaktion darauf, dass der Regelungsbefehl bei Schritt 10 wieder ausgegeben wurde) wurde die Zielventilposition durch das Ventil zurück zum Gateway (Schritt 9) gegeben und zum PIO zurückgegeben. Anschließend wurde ein neuer Wechsel im PID Output durch das PIO bei Schritt 12 ausgegeben, alles wie es in Tabelle VI gezeigt ist.
Wenn hypothetischerweise die Kommunikation vom Gateway zum Ventil nach Schritt 6 verloren würde, wäre anschließend nach einer gewissen Zeit der Verlust der Ventilantwort durch das Gateway detektiert worden und dieses Fehlen wäre in der Antwort beim der nächsten controller-Schreibanfrage angegeben worden. Dieses Fehlen wäre anschließend durch den AO/READBACK Status, der auf Bad Communications geändert würde, angezeigt worden. Das nächste Regler-Schreiben nach der Detektion einer Kommunikation wäre anschließen als neue Schreibanfrage behandelt worden. Jedoch hätte das AO/READBACK weiter den Status als Bad Com angezeigt, bis eine Antwort des Ventils erhalten worden wäre als Antwort auf die wiederholten Wechselanfrage.
Allgemein gesagt können Regler oder PID Modifikationen, wie vorstehend für die Regelung unter Verwendung eines drahtlosen Ventils diskutiert wurden, ebenso in einem PID Regler unter Verwendung eines drahtgestützten Ventils verwendet werden, um den Ventilabrieb zu minimieren, indem die Häufigkeit der Wechsle in der Zielventilposition reduziert werden. Um derartige Anwendungen zu adressieren, kann die nicht-periodische Kommunikationsfunktion in die PID- oder IO-Funktionsblöcke eingebaut werden, und die implizierte Ventilposition kann basiert sein auf dem Regelungssignalwert-Output zum Ventil. Darüber hinaus können die Kriterien, die verwendet werden, um zu bestimmen, ob der berechnete PID-Output zum drahtlosen Ventil übermittelt werden sollte, ebenfalls die Geschwindigkeit, mit der sich der berechnete Regler-Output ändert, einschließen oder berücksichtigen. In einigen Fällen wird dieses Merkmal einer schnellen Reaktion von nicht gemessenen Prozessstörungen ermöglichen. Außerdem könnte weiter als Teil der nicht-periodischen Kontrollkommunikationsfunktionen, die hier beschrieben wurden, eine Filterung der berechneten Kontroll-Outputs angewandt werden, bevor die Kontrollkommunikationskriterien, die vorstehend diskutiert wurden, angewendet werden, um zu bestimmen, ob ein neuer Kontrollwert übermittelt werden sollte. Genauso kann ein metrisches System, dass die Anzahl der Änderungen in der Ventilposition und der gesamten Ventilbewegungen anzeigt, in das Kontrollsystem eingebaut werden sowie in ein drahtloses Gateway, ein drahtloses Ventil etc., um die Effizienz der nicht-periodischen Kontrollkommunikationen bei der Reduzierung der Häufigkeit der Wechsel in der Zielventilposition zu bestimmen.
Ganz allgemein ist die Durchführung der Kontrolltechnik, wie sie hier beschrieben ist, nicht beschränkt auf die Verwendung mit Single-Input, Single-Output PID Regelungsroutine (einschließlich P, PI und PD Routinen), sondern kann eher in einer Anzahl von verschiedenen multiplen Input- und/oder verschiedenen Output-Kontrollschemata angewandt werden, kaskadierenden Kontrollschemata oder anderen Kontrollschemata. Noch allgemeiner können die vorliegend beschriebenen Kontrolltechniken ebenfalls im Kontext von jeder closed-loop model-basierten Regelungsroutine (wie die Modellvorhersagekontrollroutine) angewendet werden unter Verwendung oder Erzeugung von einer oder mehreren Prozess Output-Variablen, einer oder mehrerer Prozess-Input-Variablen oder anderen Regelungssignalen.
Der Begriff „Feldgerät“ („field device“) wird hier in einem breiten Sinn verstanden, um eine Anzahl von Geräten oder Kombinationen von Geräten (d. h. Geräten, die verschiedene Mehrfachfunktionen zur Verfügung stellen, wie Transmitter/Aktuatorhybride) zu umfassen, genauso wie alle anderen Geräte, die eine Funktion in einem Kontrollsystem ausführen können. Jedenfalls können Feldgeräte beispielsweise Input-Geräte umfassen (z.B. Geräte wie Sensoren und Instrumente, die den Status, die Messung oder andere Signale, die hinweisend sind für Prozesskontrollparameter als solche, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Flussrate, etc.) umfassen, ebenso Kontrolloperatoren oder Aktuatore, die als Reaktion auf Befehle, die von Reglern erhalten wurden, durchführen und/oder anderen Feldgeräte wie Ventile, Switches, Flusskontrollgeräte etc.
Es sollte festgehalten werden, dass alle Regelungsroutinen oder -Module, die hier beschrieben sind, teilweise auf eine aufgeteilte Art und Weise über mehrere Geräte hinweg implementiert oder ausgeführt werden können. Im Ergebnis können die Regelungsroutine oder -Module Teile aufweisen, die, wenn erwünscht, über verschiedene Regler, Feldgeräte (beispielsweise smart field devices) oder andere Geräte oder Kontrollelemente, implementiert werden. Genauso können die Regelungsroutinen oder -Module, die hier beschrieben sind, dass sie innerhalb eines Prozesskontrollsystems implementiert werden sollen jede Form einschließlich Software, Firmware, Hardware etc. annehmen. Jedes Gerät oder Element, das in der Bereitstellung einer derartigen Funktionalität involviert ist, kann vorliegend allgemein als „Kontrollelement“ bezeichnet werden, unabhängig davon, ob die Software, Firmware oder Hardware, die damit verbunden ist, in einem Regler, Feldgerät oder jedem anderen Gerät (oder einer Sammlung von Geräten) innerhalb des Prozesskontrollsystems angeordnet ist. Ein Kontrollmodul, -Routine oder -Block können jeder Teil oder Bereich eines Prozesskontrollsystems sein, umfassend beispielsweise eine Routine, einen Block oder jedes Element davon, die auf jedem Computer-lesbaren Medium auf einem Prozessor ausgeführt werden können. Derartige Kontrollmodule, Regelungsroutine oder Teile davon (beispielsweise ein Block) können durch jedes Element oder Gerät des Prozesskontrollsystems werden, hier im Allgemeinen als Kontrollelement bezeichnet, implementiert oder ausgeführt. Regelungsroutinen, die Module oder Teile von Kontrollverfahren wie eine Subroutine, Teile einer Subroutine (wie Zeilen eines Codes) etc., können in jedem gewünschten Softwareformat implementiert werden, wie beispielsweise unter Verwendung einer objektorientierten Programmierung, unter Verwendung von Leiterlogik, sequenziellen Funktionscharts, Funktionsblockdiagrammen oder unter Verwendung von jeder anderen Softwareprogrammiersprache oder Designparadigmas. Genauso können die Regelungsroutinen hardcodiert werden in beispielsweise einem oder mehrere EPROMs, EEPROMs, applikationsspezifische integrierte Schaltkreisen (ASICs) oder jedem andere Hardware- oder Firmware-Element. Darüber hinaus können die Regelungsroutinen unter Verwendung jedes Designtools, einschließlich grafische Designtools oder jede andere Art von Software/Hardware/Firmware-Programmier- oder Designtools, gestaltet werden. Daher können die Regler 11, wie sie hier beschrieben sind, so konfiguriert werden, dass sie eine Kontrollstrategie oder eine Regelungsroutine in jeder gewünschten Art implementieren.
Alternativ oder zusätzlich können die Funktionsblöcke aufbewahrt oder in den Feldgeräten an sich implementiert werden oder in anderen Kontrollelementen eines Prozesskontrollsystems, was der Fall sein kann in Systemen, die Fieldbus-Geräte verwenden. Während die Beschreibung des Kontrollsystems hier allgemein unter Verwendung einer Funktionsblockkontrollstrategie bereitgestellt wird, können die Kontrolltechniken und das System ebenfalls implementiert oder gestaltet werden unter Verwendung anderer Konventionen wie Leiterlogik, sequentielle Funktionscharts etc., oder unter Verwendung jeder anderen gewünschten Programmiersprache oder -Paradigmas.
Jede der hier beschriebenen Software kann, wenn sie implementiert ist, in jedem Computer-lesbaren Speicher, wie auf einer magnetischen Disk, einer Laserdisk oder einem anderen Speichermedium, in einem RAM oder ROM eines Computers oder Prozessors oder eines Flashspeichers etc. gespeichert werden. Genauso kann diese Software einem Anwender, einer Prozessanlage oder einer Operator-Arbeitsplatz unter Verwendung jeder bekannten oder gewünschten Übermittlungsmethode geliefert werden, einschließlich beispielsweise auf einer Computer-lesbaren Disk oder anderen transportierbaren Computerspeichermechanismen oder über einen Kommunikationskanal wie eine Telefonverbindung, das Internet, das World Wide Web, jedes anderen lokale Netzwerk oder ein wide area-Netwerk etc. Außerdem kann diese Software direkt ohne Modulierung oder Schlüsselung bereitgestellt werden oder kann moduliert und/oder verschlüsselt werden unter Verwendung jeder geeigneten Modulationsträgerwelle und/oder Verschlüsselungstechnik, bevor sie über einen Kommunikationskanal übermittelt wird.
Es ist daher für einen Fachmann offensichtlich, dass, während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele, die nur beabsichtigt sind, illustrativ zu wirken, und die Erfindung nicht beschränken sollen, beschrieben wurde, Änderungen, Hinzufügungen und Streichungen für die Kontrolltechniken, wie hier beschrieben sind, möglich sind, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Regelung eines geregelten Geräts innerhalb eines Prozesses unter Verwendung eines Regelungssignals, umfassend: Implementieren, auf einem Prozessregelungsberechnungsgerät, mehrerer Iterationen einer Regelungsroutine um, während jeder der mehreren Iterationen, einen Regelungssignalwert zur Regelung des geregelten Geräts zu erzeugen; Implementieren einer Kommunikationsroutine innerhalb des Computer-prozessierenden Geräts, das an das Prozessregelungsberechnungsgerät gekoppelt ist, umfassend, während jeder der Vielzahl der Iterationen der Regelungsroutine, Bestimmen, ob ein eine minimale vorbestimmte Kommunikationszeitspanne vergangen ist, und Bestimmen, ob eine Bestätigung vom geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherige Regelungssignal erhalten hat; und, mindestens, wenn die minimale vorbestimmte Kommunikationszeitspanne vergangen ist und eine Bestätigung vom geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherige Regelungssignal erhalten hat, Bestimmen, ob eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist; und Senden eines neuen Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine Kommunikationsverbindung nur dann, wenn die minimale vorbestimmte Kommunikationszeitspanne vergangen ist und eine Bestätigung vom geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherige Regelungssignal erhalten hat, und wenn ein weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, Bestimmen, ob die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert, der für eine Regelungsroutineiteration generiert wurde, und dem Wert des vorherigen Regelungssignal, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer als ein Schwellenwert ist, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, Bestimmen, ob die Zeit, seitdem das letzte Regelungssignal an das geregelte Gerät gesendet wurde, einen maximalen Zeitschwellenwert überschreitet, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Bestimmen, ob eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, Bestimmen, ob entweder die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert, der für eine Regelungsroutineiteration generiert wurde, und dem Wert des letzten Regelungssignal, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer ist als ein Schwellenwert oder die Zeit, seitdem das letzte Regelungssignal an das geregelte Gerät gesendet wurde, einen maximalen Zeitschwellenwert überschreitet, umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Implementieren der Kommunikationsroutine innerhalb eines Computer-prozessierenden Geräts, das an das Prozessregelungsberechnungsgerät gekoppelt ist, Implementieren der Kommunikationsroutine während jeder der Vielzahl der konsekutiven Iterationen der Regelungsroutine umfasst.
Verfahren gemäß eines einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Senden eines neuen Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine Kommunikationsverbindung Bestimmen, ob die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert für die Regelungsroutineiteration und dem Wert des vorherigen Regelungssignal, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer ist als ein maximaler Änderungsschwellenwert und Senden des neuen Regelungssignals als eine begrenzte Version des Regelungssignal für die Regelungsroutineiteration, wenn die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert für die Regelungsroutineiteration und der Wert des letzten Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer als der maximale Änderungsschwellenwert ist, umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Senden des neuen Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine Kommunikationsverbindung Senden des neuen Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine drahtlose Kommunikationsverbindung umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Senden des neuen Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine Kommunikationsverbindung Senden des neuen Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine drahtgestützte Kommunikationsverbindung umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Senden des neuen Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine Kommunikationsverbindung Senden des neuen Regelungssignals als einem neuen Regelungssignals und einer Zeit, um den neuen Regelungssignalswert an dem geregelten Gerät zu implementieren, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei Senden der Zeit, um den neuen Regelungssignals Wert zu implementieren, Senden der Zeit als eine Abstandszeit umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei Senden der Zeit, um den neuen Regelungssignals Wert zu implementieren, Sende der Zeit als absolute Zeit umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei Implementieren, auf einem Prozessregelungsberechnungsgerät, von mehreren Iterationen einer Regelungsroutine Implementieren einer Regelungsroutine vom proportionalen, integralen, derivativen Typ umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei Implementieren der Regelungsroutine vom proportionalen, integralen, derivativen Typ Verwenden eines Feedbacksignals, das bezeichnend für eine Eigenschaft des geregelten Geräts ist, um einen Regelungssignalwert zu erzeugen, umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei Senden des neuen Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine Kommunikationsverbindung Senden eines neuen Signalregelungswerts und einer vorbestimmten Zeit, um den neuen Regelungssignalwert am geregelten Gerät zu implementieren, umfasst und wobei Verwenden des Feedbacksignals Annehmen, dass das geregelte Gerät den Regelungssignalwert zu der vorbestimmten Zeit implementiert hat, um den neuen Regelungssignals Wert implementieren, um das Feedbacksignal zu bestimmen, umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 14, weiter umfassend Empfangen des Feedbacksignals über eine drahtlose Kommunikationsverbindung.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 14, weiter umfassend Empfangen des Feedbacksignals über eine drahtgestützte Kommunikationsverbindung.
Prozessregelungssystem zur Verwendung bei der Regelung eines geregelten Geräts innerhalb eines Prozesses unter Verwendung eines Regelungssignals, umfassend: einen Prozessregler, der die Regelungsroutine speichert und der die Regelungsroutine während mehrerer Iterationen implementiert, um, während jeder der mehreren Iterationen, einen Regelungssignalwert zu erzeugen zum Regeln des geregelten Geräts; und eine Kommunikationsroutine, die innerhalb eines Computer-prozessierenden Geräts, das an den Prozessregler gekoppelt ist, implementiert wird, wobei die Kommunikationsroutine den generierten Regelungssignalwert für jede der mehreren Iterationen der Regelungsroutine erhält und ausführt, um zu: bestimmen, ob eine minimale vorbestimmte Kommunikationszeitspanne vergangen ist, und bestimmen, ob eine Bestätigung vom geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherige Regelungssignals empfangen hat; und weiter ausführt um zu bestimmen, ob eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist mindestens, wenn die minimale vorbestimmte Kommunikationszeitspanne vergangen ist und eine Bestätigung vom geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherige Regelungssignals erhalten hat; und und ein neues Regelungssignals an das geregelte Gerät über eine Kommunikationsverbindung sendet, nur dann, wenn die minimale vorbestimmte Kommunikationszeitspanne vergangen ist und eine Bestätigung vom geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherige Regelungssignals erhalten hat, und wenn eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 17, wobei die Kommunikationsroutine bestimmt, ob eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, indem sie bestimmt, ob die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert, der für die Regelungsroutineiteration generiert wurde, und dem Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer als ein Schwellenwert ist.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 17, wobei die Kommunikationsroutine bestimmt, ob die weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, indem sie bestimmt, ob die Zeit, seitdem das vorherige Regelungssignals an das geregelte Gerät gesendet wurde, einen maximalen Zeitschwellenwert überschreitet.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 17, wobei die Kommunikationsroutine bestimmt, ob die weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, indem sie bestimmt, ob entweder die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert, der für die Regelungsroutineiteration generiert wurde, und dem Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer ist als ein Schwellenwert oder die Zeit, seitdem das vorherige Regelungssignals an das geregelte Gerät gesendet wurde, einen maximalen Zeitschwellenwert überschreitet.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Kommunikationsroutine mit einem Computer-prozessierenden Gerät innerhalb des Prozessreglers implementiert wird.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Kommunikationsroutine bestimmt, ob die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert für die Regelungsroutineiteration und dem Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer ist als ein maximaler Änderungsschwellenwert, und ein neues Regelungssignals als eine begrenzte Version des Regelungssignalwerts für die Regelungsroutineiteration generiert, wenn die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert für die Regelungsroutineiteration und dem Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer ist als der maximale Änderungsschwellenwert.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Kommunikationsroutine ein neues Regelungssignals an das geregelte Gerät als ein drahtloses Kommunikationssignal sendet.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die Kommunikationsroutine ein neues Regelungssignal generiert, das einen neuen Regelungssignalwert und eine Zeit, um den neuen Regelungssignalwert am geregelten Gerät zu implementieren, umfasst.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 24, wobei die Zeit, um den neuen Regelungssignalwert zu implementieren, eine Abstandszeit ist.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 24, wobei die Zeit, um den neuen Regelungssignalwert zu implementieren, eine absolute Zeit ist.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die Regelungsroutine ein Feedbacksignal verwendet, das bezeichnend ist für eine Eigenschaft des geregelten Geräts, um einen Regelungssignalwert zu erzeugen, und die Regelungsroutine annimmt, dass das geregelte Gerät den neuen Regelungssignalwert zu der vorbestimmten Zeit implementiert hat, um das Feedbacksignal zu bestimmen, wenn das Regelungssignal für mindestens eine Regelungsroutineiteration generiert wird.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei die Regelungsroutine einer Regelungsroutine vom proportionalen, integralen, derivativen Typ ist.
Prozesskontrollsystem gemäß einem der Ansprüche 17 bis 28, wobei die Regelungsroutine eine Regelungsroutine vom proportionalen, integralen, derivativen (PID) Typ ist und wobei der Prozessregler ein Feedbacksignal über eine drahtlose Kommunikationsverbindung erhält, die als Feedbacksignal in der Regelungsroutine vom PID-Typ verwendet wird.
Prozessregelungssystem zum Regeln eines Prozesses, umfassend: ein Prozessregler umfassend einen oder mehrere Prozessoren, einen Speicher, und eine Kommunikationsschnittstelle; eine Kommunikationsverbindung; und ein geregeltes Gerät angebracht innerhalb des Prozesses und kommunikativ gekoppelt mit den Prozessregler über die Kommunikationsverbindung; wobei der Prozessregler eine Regelungsroutine umfasst, die auf dem Speicher gespeichert ist, der auf dem einen oder mehreren Prozessoren während einer Vielzahl von Iterationen ausführt, um einen Regelungssignalwert zu erzeugen zur Verwendung bei der Regelung des geregelten Geräts, und wobei die Kommunikationsschnittstelle eine Schnittstellenroutine umfasst, die auf dem Speicher gespeichert ist, der auf dem einen oder mehreren Prozessoren ausführt um zu; (1) bestimmen, ob eine minimale vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist, seitdem ein vorheriges Regelungssignals an das geregelte Gerät gesendet wurde, (2) bestimmen, ob eine Bestätigung von dem geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherige Regelungssignals erhalten hat; und (3) bestimmen, ob eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist; und wobei die Schnittstellenroutine ein neues Regelungssignals, basierend auf dem Regelungssignalwert, der von der Regelungsroutine während einer Iteration generiert wurde, an das geregelte Gerät über die Kommunikationsverbindung sendet, wenn (1) die minimale vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist, seitdem ein vorheriges Regelungssignals an das geregelte Gerät gesendet wurde, und (2) eine Bestätigung vom geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherige Regelungssignals erhalten hat, und (3) eine weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, und kein neues Regelungssignals, basierend auf dem Regelungssignalwert, der von der Regelungsroutine während einer Iteration generiert wird, an das geregelte Gerät über die Kommunikationsverbindung sendet, wenn (1) die minimale vorbestimmte Zeitspanne nicht vergangen ist, seitdem ein vorheriges Regelungssignals an das geregelte Gerät gesendet wurde, oder (2) keine Bestätigung von dem geregelten Gerät erhalten worden ist, die angibt, dass das geregelte Gerät das vorherigen Regelungssignals erhalten hat, oder (3) die weitere Signalisierungsbedingung nicht erfüllt ist.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 30, wobei die Schnittstellenroutine bestimmt, dass die weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, wenn die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert, der für die Regelungsroutineiteration generiert wurde, und dem Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer als ein Schwellenwert ist.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 30, wobei die Schnittstellenroutine bestimmt, dass die weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, wenn die Zeit, seitdem das vorherige Regelungssignals an das geregelte Gerät geschickt wurde, einen maximalen Zeitschwellenwert überschreitet.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 30, wobei die Schnittstellenroutine bestimmt, dass die weitere Signalisierungsbedingung erfüllt ist, wenn entweder die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert für die Regelungsroutineiteration und dem Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer als ein maximaler Änderungsschwellenwert ist und der Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer als ein Schwellenwert ist, oder die Zeit, seitdem das vorherige Regelungssignals an das geregelte Gerät gesendet wurde, einen maximalen Zeitschwellenwert überschreitet.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 33, wobei die Schnittstellenroutine weiter bestimmt, ob eine Differenz zwischen dem Regelungssignalwert für die Regelungsroutineiteration und dem Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer als ein maximaler Änderungsschwellenwert ist und ein neues Regelungssignals generiert als eine begrenzte Version des Regelungssignalwerts für die Regelungsroutineiteration, wenn die Differenz zwischen dem Regelungssignalwert für die Regelungsroutineiteration und dem Wert des vorherigen Regelungssignals, das an das geregelte Gerät gesendet wurde, größer als der maximale Änderungsschwellenwert ist.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 34, wobei die Kommunikationsverbindung eine drahtlose Kommunikationsverbindung ist.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 34, wobei die Kommunikationsverbindung eine drahtgestützte Kommunikationsverbindung umfasst.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 36, wobei die Schnittstellenroutine ein neues Regelungssignals generiert als ein Signal, das einen Zielwert und eine Zeit, um den Zielwert am geregelten Gerät zu implementieren, umfasst.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 37, wobei die Zeit, um den Zielwert zu implementieren, eine Abstandszeit ist.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 38, wobei die Regelungsroutine eine Regelungsroutine vom proportionalen, integralen, derivativen (PID) Typ ist.
Prozess Regelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 39, wobei die Regelungsroutine ein Feedbacksignal verwendet, das bezeichnend für eine Eigenschaft des geregelten Geräts ist, um den Regelungssignalwert zu erzeugen.
Prozessregelungssystem gemäß Anspruch 40, wobei die Regelungsroutine ein weiteres Feedbacksignal verwendet, das bezeichnend für eine gemessene Prozessvariable ist, um den Regelungssignalwert zu erzeugen.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 41, wobei die Schnittstellenroutine ein neues Regelungssignals generiert als ein Signal, das einen Zielwert und eine Zeit, um den Zielwert am geregelten Geräts implementieren, umfasst, und wobei die Regelungsroutine eine Eigenschaft des geregelten Geräts verwendet, um den Regelungssignalwert zu erzeugen, und wobei die Regelungsroutine annimmt, dass das geregelte Gerät den Zielwert zu der Zeit implementiert, um den Zielwert zu implementieren, um die Eigenschaft des geregelten Geräts zu bestimmen.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 43, weiter umfassend einen Sensor, der innerhalb des Prozesses angebracht ist, um eine Prozessvariable zu messen, und eine weitere Kommunikationsverbindung, die zwischen dem Prozessregler und dem Sensor angebracht ist, wobei die Regelungsroutine die Prozessvariable, die vom Sensor gemessen wird, verwendet, um den Regelungssignalwert zu bestimmten.
Prozessregelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 43, wobei die Kommunikationsverbindung und die weitere Kommunikationsverbindung beide drahtlose Kommunikationsverbindungen sind.
Prozess Regelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 43, wobei die Kommunikationsverbindung und die weitere Kommunikationsverbindung beide drahtgestützte Kommunikationsverbindungen sind.
Prozess Regelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 43, wobei die Kommunikationsverbindung eine drahtgestützte Kommunikationsverbindung ist und die weitere Kommunikationsverbindung eine drahtlose Kommunikationsverbindung ist.
Prozess Regelungssystem gemäß einem der Ansprüche 30 bis 43, wobei die Kommunikationsverbindung eine drahtlose Kommunikationsverbindung ist und die weitere Kommunikationsverbindung eine drahtgestützte Kommunikationsverbindung ist.
Prozessregler zur Verwendung bei der Regelung eines geregelten Geräts innerhalb eines Prozesses, umfassend: einen Regler; einen Speicher; eine Prozessregelungsroutine, die auf dem Speicher gespeichert ist, die auf dem Prozessor während einer Vielzahl von Iterationen ausführt, um einen Regelungssignalwert zu produzieren zum Regeln des geregelten Geräts innerhalb des Prozesses und wobei die Prozessregelungsroutine einen Feedbacktyp von Regelungsroutine umfasst, die eine Eigenschaft des geregelten Geräts als Feedbackvariable verwendet, um den Regelungssignalwert zu erzeugen; und eine Kommunikationsroutine, die auf dem Speicher, der auf dem Prozessor während einer oder mehrerer der Vielzahl von Iterationen ausführt, gespeichert ist, um ein neues Regelungssignals an das geregelte Gerät zu senden, basierend auf dem Regelungssignalwert, wobei das neue Regelungssignal einen Zielwert für das geregelte Gerät und eine Zeit, um den Zielwert zu implementieren, umfasst; wobei die Prozessregelungsroutine die Eigenschaft des geregelten Geräts als Feedbackvariable bestimmt, unter der Annahme, dass das geregelte Gerät den Zielwert zu der Zeit implementiert, um den Zielwert während einer oder mehrerer der Vielzahl von Iterationen zu implementieren.
Prozessregler gemäß Anspruch 48, wobei die Prozessregelungsroutine die Eigenschaft des geregelten Geräts als Feedbackvariable bestimmt, unter der Annahme, dass das geregelte Gerät den Zielwert zu der Zeit implementiert, um den Zielwert zu implementieren, bevor eine ungefähre Angabe des gemessenen Eigenschaftswert des geregelten Geräts von dem geregelten Gerät erhalten wird.
Prozessregler gemäß einem der Ansprüche 48 bis 49, wobei die Prozessregelungsroutine eine Regelungsroutine vom proportionalen, integralen, derivativen Typ umfasst.
Prozessregler gemäß einem der Ansprüche 48 bis 50, wobei die Prozessregelungsroutine die Feedbackvariable verwendet, um den Resetbeitrag zum Regelungssignalwert zu bestimmen.
Prozessregler gemäß einem der Ansprüche 48 bis 51, wobei die Kommunikationsroutine das neue Regelungssignal an das geregelte Gerät über eine drahtlose Kommunikationsverbindung sendet.
Prozessregler gemäß einem der Ansprüche 48 bis 52, wobei die Zeit, um den Zielwert implementieren, eine Abstandszeit ist.
Prozessregler gemäß einem der Ansprüche 48 bis 52 wobei die Zeit, um den Zielwert zu implementieren, eine absolute Zeit ist.
Verfahren zum Regeln eines geregelten Geräts innerhalb eines Prozesses unter Verwendung eines Regelungssignals, umfassend: Implementieren, auf einem Prozessregelungsberechnungsgerät, mehrerer Iterationen einer Regelungsroutine, um, während jeder der mehreren Iterationen, einen Regelungssignalwert zu erzeugen zum Regeln des geregelten Geräts, weiter umfassend Verwenden einer Eigenschaft des geregelten Geräts als Feedbackvariable, um den Regelungssignalwert während jeder der mehreren Iterationen der Regelungsroutine zu erzeugen; Erzeugen eines neuen Regelungssignals für eine oder mehrere der mehreren Iterationen, wobei das neue Regelungssignal einen Zielwert für das geregelte Gerät und eine Zeit, um den Zielwert zu implementieren, umfasst; und Senden des neuen Regelungssignals über eine Kommunikationsverbindung an das geregelte Gerät; weiter umfassend Bestimmen der Eigenschaft des geregelten Geräts als Feedbackvariable, unter der Annahme, dass das geregelte Gerät den Zielwert implementiert hat zu der Zeit, um den Zielwert zu implementieren, während einer oder mehrerer der mehreren Iterationen der Regelungsroutine.
Verfahren gemäß Anspruch 55, wobei Bestimmen der Eigenschaft des geregelten Geräts als Feedbackvariable, unter der Annahme, dass das geregelte Gerät den Zielwert zu der Zeit implementiert hat, um den Zielwert zu implementieren, Bestimmen der Eigenschaft des geregelten Geräts als Feedbackvariable umfasst, unter der Annahme, dass das geregelte Gerät den Zielwert implementiert hat zu der Zeit, um den Zielwert zu implementieren, in mindestens einer der mehreren Iterationen, bevor eine ungefähre Angabe eines gemessenen Eigenschaftswert des geregelten Geräts von geregelten Gerät beim Prozessregelungsberechnungsgerät empfangen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 55 bis 56, wobei Implementieren der Regelungsroutine Implementieren einer Regelungsroutine eines proportionalen, integralen, derivativen Typs umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 55 bis 57, weiter umfassend Verwenden der Feedbackvariablen, um den Resetbeitrag zum Regelungssignalwert zu bestimmen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 55 bis 58, wobei Senden des neuen Regelungssignals über die Kommunikationsverbindung an das geregelte Gerät Senden des neuen Regelungssignals über eine drahtlose Kommunikationsverbindung umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 55 bis 59, wobei Erzeugen eines neuen Regelungssignals Erzeugen der Zeit, um den Zielwert implementieren, als einer Abstandszeit umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 55 bis 59, wobei Erzeugen eines neuen Regelungssignals Erzeugen der Zeit, um den Zielwert zu implementieren, als einer absolute Zeit umfasst.