DE60005849T2

DE60005849T2 - Verfahren und vorrichtung zum bertreiben eines digitalen massendurchflussreglers

Info

Publication number: DE60005849T2
Application number: DE60005849T
Authority: DE
Inventors: E. Kenneth TINSLEY; Faisal Tariq
Original assignee: Mykrolis Corp
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: EP1212665B1; CN1249545C; CN1371492A; US20020139418A1; DE60036649T2; ATE374964T1; EP1359487A2; ATE251773T1; DE60036649D1; KR100718209B1; KR20020039317A; WO2001004715A1; EP1359487B1; US6640822B2; JP2003504748A; US20020117202A1; AU5498700A; US6681787B2; US6343617B1; DE60005849D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Massenflusskontrollvorrichtung, umfassend einen Sensor, ein mit einem Ausgang des Sensors gekoppeltes elektronisches Kontrollsystem, ein Kontrollventil und eine, ein Kontrollsignal von dem elektronischen Kontrollsystem empfangende Ventilsteuerung, wobei das Kontrollsignal verwendet wird, um einen ersten Gasfluss durch das Kontrollventil zu regulieren, ein Umgehungsventil, welches einen Druckabfall erzeugt und ein konstantes Verhältnis eines Flusses durch den Sensor und des Gasflusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung aufrechterhält, wobei das elektronische Kontrollsystem einen Echtzeit-Flussfehler berechnet, indem ein Algorithmus verwendet wird, welcher ein Eingangssignal einer Reihe von Systemvariablen empfängt, welche einen gewünschten Ausgangsflusssollwert, einen Spulenstrom, eine Umgebungstemperatur, einen Basiswiderstand des Sensors, eine Einlassdruckangabe, wenigstens eine Versorgungsspannung, eine Leckrate durch das Kontrollventil, einen Überschuss des tatsächlichen Ausgangsflusses im Vergleich zu dem gewünschten Ausgangsflusssollwert umfassen, und das Kontrollsignal dem Kontrollventil anpasst, um den gewünschten Ausgangsfluss, basierend auf einen in Echtzeit berechneten Flussfehler, zu erzielen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen des Massenflusses durch eine Massenflusskontrollvorrichtung mit den Schritten, Erfassen eines Flusses durch einen Sensor und Ausgeben des erfassten Flusses an ein elektronisches Kontrollsystem, Aufrechterhalten eines konstanten Verhältnisses zwischen dem Fluss durch den Sensor und dem Fluss durch die Massenflusskontrollvorrichtung, Berechnen eines tatsächlichen Echtzeit-Flusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung innerhalb des elektronischen Kontrollsystems, Bestimmen eines Flussfehlers zwischen einem gewünschten Flusssollwert und dem tatsächlichen Echtzeit-Fluss und Erzeugen eines Kontrollsignals innerhalb des elektronischen Kontrollsystems, durch welches die Position eines Kontrollventils innerhalb der Massenflusskontrollvorrichtung eingestellt werden kann, Drosseln des Flusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung um den Flussfehler zu minimalisieren, wobei beim Berechnen des tatsächlichen Echtzeitflusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung ein Algorithmus verwendet wird, welcher als Eingang eine Reihe von Variablen empfängt.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer Massenflusskontrollvorrichtung, umfassend die Schritte, Messen des tatsächlichen Echtzeit-Flusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung mit einem Flussmessinstrumentensystem, Erfassen einer Reihe von Systemvariablen, die zur einer Massenflusskontrollvorrichtung gehören, wobei die Variablen einen gewünschten Ausgangsflusssollwert, einen Spulenstrom, eine Umgebungstemperatur, einen Basiswiderstand eines Sensors, eine Einlassdruckangabe, wenigstens eine Stromversorgungsspannung, eine Leckrate durch ein Kontrollventil, einen Echtzeit-Flussfehler zwischen einem tatsächlichen Ausgangsfluss im Vergleich zu dem gewünschten Ausgangsflusssollwert umfassen.
Eine derartige Massenflusskontrollvorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der Druckschrift EP 0 110 325 A1 bekannt. Weiterer Stand der Technik ist aus der Druckschrift US 5,062,446 und EP 0 834 723 A1 bekannt.
US 5,062,446 offenbart eine intelligente Massenflusskontrollvorrichtung zum Kontrollieren des in eine Kammer zur Bearbeitung von Halbleitern strömenden Gasmassenflusses. Ein Erfassungskreis misst eine Temperaturdifferenz über ein Erfassungsrohr und wandelt diese Differenz zum Einstellen eines Ventils zum Kontrollieren des Massenflusses um. Ein Mikrokontroller, welcher eine CPU, Signalverarbeitung und Softwareroutinen umfasst, überwacht die verschiedenen Parameter kontinuierlich und stellt "im Flug"-Korrekturen, sowie Diagnostik und eine Aufzeichnung der Retention bereit.
EP 834 723 A1 offenbart eine Massenflusskontrollvorrichtung, welche einen Fluidflusssensor, ein elektronisches Kontrollsystem, ein von dem elektronischen Kontrollsystem gesteuertes Kontrollventil und eine Umgehungsleitung umfasst. Das elektronische Kontrollsystem umfasst eine Kontrolleinheit, die auf einen Kalibrierdatensatz zugreift, um die von dem Kontrollventil bereitzustellende Fluidmenge zu bestimmen.
Diese Erfindung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zum Betätigen einer Massenflusskontrollvorrichtung (MFC) mit einem geschlossenkreisigen Kontrollsystem, welches einen fortgeschrittenen digitalen Kontrollalgorithmus verwendet. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein geschlossenkreisiges Kontrollsystem zum Betätigen einer Massenflusskontrollvorrichtung bereit, bei welchem alle mathematischen Operationen innerhalb eines digitalen Prozessors ausgeführt werden.
Viele Herstellungsprozesse erfordern, dass die Raten zum Zuführen von Prozessgasen in eine Prozesskammer streng kontrolliert werden. Diese Prozesstypen verwenden Massenflusskontrollvorrichtungen (MFCs), um die Flussrate von Gasen zu kontrollieren. Bei den Massenflusskontrollvorrichtungen des Stands der Technik gibt es viele Probleme.
MFCs sind mit hohen Unterhaltskosten aufgrund der unregelmäßigen Wartung der Werkzeuge, in welchen die MFC eingerichtet sind, verbunden. Oft gibt es keinen Hinweis auf eine bestimmte Art des Ausfalls. Es ist deshalb üblich, die MFC auszutauschen, da sie als dynamisches Gerät von vorneherein als unzuverlässig angesehen wird. Als Folge hiervon wird eine signifikante Zahl von MFCs an das Werk zurückgegeben und es wird festgestellt, dass sie wie gewünscht arbeiten, was zu der Ausfallsanalyse führt, dass kein Problem gefunden wurde.
Der Mangel an einer internen Diagnostik oder der Fähigkeit einen Fernservice für die MFC und Ferndiagnostik anzubieten, erfordert, dass ein gut ausgebildeter Service-Ingenieur oder Anwendungsingenieur den Kunden vor Ort besuchen muss, um eine technische Vor-Ort-Unterstützung und Ausfallsanalyse zu machen, wenn eine MFC einmal eingerichtet worden ist. Ein weiterer Mangel ist, dass die individuelle Geräteleistung, spezifische Genauigkeit und Antwortzeit oder Momentanleistung von einem zeitraubenden, arbeitsintensiven, manuellen Kalibrier- und Einstellprozess abhängt, bei dem Potentiometer oder variable Widerstände verwendet werden.
Heutzutage ist der Herstellungsprozess ein in hohem Maße manueller Vorgang, der es erforderlich macht, dass ein Techniker verschiedene Geräte, wie Oszilloskope, verschiedene sekundäre Flussmessgeräte und dergleichen, benutzt und diese Geräte zum Bestimmen bestimmter Signale visuell betrachtet und die Potentiometer zu seiner Zufriedenheit einstellt.
Dies verlangt eine Gerätschaft, welche von dem Personal abhängt, das die Geräte einstellt. Die Geräte sind oft nicht einheitlich und von einer Einheit zu nächsten nicht austauschbar, was eine komplexe Prozessverarbeitung und Charakterisierungsprobleme verursacht, da jedes Gerät sein eigenes, zu dem Gerät gehörendes, spezifisches Verhalten zeigt. Das MFC-Verhalten ist direkt von dem manuellen Einstellprozess und dem den Prozess durchführenden Techniker abhängig. Zudem ist die transiente Antwort herkömmlicher Massenflusskontrollvorrichtungen nicht einheitlich. Die Leistung von zum Beispiel 0 oder 10% des Sollwerts ist verschieden von 0–100. Diese variierende Antwort erzeugt ein von den Geräten abhängendes Problem der Prozesskontrolle. Die spezifische Antwort eines einzelnen Geräts zwingt die Ingenieure ein einzelnes MFC-Geräteverhalten zu charakterisieren, um der Variabilität und den Antwortzeiten, welche von bestimmten Situationen abhängen, Rechnung zu tragen. Dieser Charakterisierungsprozess ist sowohl teuer als auch zeitraubend.
Derzeitige MFCs sind empfindlich auf den Einlassdruck. Die Massenflusskontrollvorrichtung erfordert eine bestimmte Einlassdruckspezifizierung und der differenzielle Druck wird normalerweise auf ungefähr 45 PSID eingestellt, so dass die Leistung bestehender MFC-Geräte typischer Weise auf einen bestimmten Druck optimiert ist. Wenn der Einlassdruck über einen bestimmten Druckbereich variiert wird, entstehen Verluste, was zu einer stärkeren Variabilität der Antwortzeit und Charakterisierung eines Geräts führt.
Eine Lösung für die Einlassdruckempfindlichkeit erfordert, dass der Nutzer oftmals teure Druckregler einrichtet.
In den Gasleitungen, welche das Gas der MFC zuführen, wäre es vorteilhaft, eine Massenflusskontrollvorrichtung zu haben, welche nicht empfindlich auf Druckschwankungen ist, so dass auf eine teure Druckreglerausrüstung verzichtet werden kann. Ferner weist jedes Gerät einen Druckwandler nahe dem Druckregler auf, dessen einziger Zweck darin liegt, anzuzeigen, dass der Druckregler funktioniert.
Ferner ist es notwendig zukünftige Standards, Standards der offenen Kommunikation und Instrumentierung zu erfüllen. EIARS485 ist ein offener Standard für Multi-Drop, beschreibt jedoch nur die physikalische Schicht. So ist der Software-Protokollstapel Gegenstand eigener Implementierungen des eines oder anderen Herstellers. So ist es wünschenswert, Massenflusskontrollvorrichtungen zu haben, die die Eignung zu einem Hochleistungskommunikationsservice haben, welche offene Protokolle implementieren, während Flusskontrollparameter nicht aufgegeben werden.
Eine leistungsfähige Lösung zum Verständnis unbekannter oder wenig verstandener Prozesse liegt darin, von dem Prozess durch Regressionsanalyse zu lernen. Die Regressionsanalyse ist ein strukturierter Ansatz, welcher sorgfältig gestaltete Experimente nutzt, um multivariable technische Prozesse zu optimieren. Diese Technik ermöglicht, dass ein Prozess verstanden und gegebenenfalls durch eine Reihe von Experimenten ausgenutzt wird. Die übliche Methode der Abschätzung für das Regressionsmodell ist die der durchschnittlichen geringsten Quadrate (OLS).
Die Regressionsanalyse erlaubt auch die Schaffung von Diagnostikprozeduren, welche die vorhergesagten Werte mit den tatsächlichen Werten vergleichen, um die Leistungsfähigkeit der Regressionsschätzungen durch die Verwendung von Abweichungen zu bestimmen.
Die generelle Aufgabe liegt darin, die bestmögliche Flusskontrollleistung bereitzustellen, während andere Funkte, wie Kommunikation, Mehrfachgaskalibrierungen und Unterhaltskosten nicht aufgegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch eine eingangs genannte Massenflusskontrollvorrichtung gelöst, bei welcher der Algorithmus als ein polynomischer Ausdruck unter Verwendung von Regressionstechniken abgeleitet ist, wobei der Ausdruck als eine Reihe von Konstanten in einem dem elektronischen Kontrollsystem zugänglichen Speicherort gespeichert ist.
Ferner wird diese Aufgabe durch ein eingangs genanntes Verfahren zum Bestimmen des Massenflusses durch eine Massenflusskontrollvorrichtung gelöst, bei welchem der Algorithmus unter Verwendung einer Regressionsanalyse bestimmt und durch eine Reihe von Konstanten dargestellt wird, welche Faktorwirkungen für die Eingangsvariablen darstellen.
Darüber hinaus wird diese Aufgabe durch ein eingangs genanntes Verfahren zum Kalibrieren einer Massenflusskontrollvorrichtung gelöst, mit den weiteren Schritten, Modellieren eines vorhergesagten Flusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung mit einer Regressionsanalysetechnik um eine multivariable Antwortfunktion zu erzeugen, die eine Antwort der Massenflusskontrollvorrichtung an die Systemvariablen beschreibt, und Eingeben der multivariablen Antwortfunktion in ein elektronisches Kontrollsystem, durch welches der Fluss durch die Massenflusskontrollvorrichtung geregelt werden kann.
Die vorliegende Erfindung zeigt ein System und Verfahren zum Betätigen einer Massenflusskontrollvorrichtung, durch welche Nachteile und Probleme von zuvor entwickelten Systemen und Verfahren zum Betätigen einer Massenflusskontrollvorrichtung im wesentlichen beseitigt oder verringert werden.
Der gewählte Aufbau der vorliegenden Erfindung gibt nicht die Flusskontrolle zugunsten der Eignung, ein Kommunikationsnetzwerk zu unterstützen, auf.
Die vorliegende Erfindung stellt eine innerhalb des gewählten Aufbaus oder Systems eingebettete Diagnostik bereit. Insbesondere überwacht der digitale Mechanismus der vorliegenden Erfindung in diskreter Weise die Systemvariablen.
Diese Variablen umfassen, sind jedoch nicht eingeschränkt auf, den Flusssollwert, Spulenstrom, Umgebungstemperatur, Widerstand des Flusssensors und Einlassdruck, der durch einen externen Druckwandler gemessen werden kann. Mehrere dieser Variablen sind eine wertvolle Informationsquelle um die MFC-Druckempfindlichkeit zu überwachen und zu verringern. Der digitale Mechanismus überwacht auch die Stromversorgungsspannungen.
Die Systemarchitektur mit eingebetteter, interner, digitaler Massenflusskontrollvorrichtung verbessert insbesondere die Leistung einer MFC gegenüber Systemen des Stands der Technik und fügt mehrere wertvolle Merkmale hinzu.
Die Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält keine variablen, manuellen Einstellungen. Dies hat den Vorteil, dass jegliche Kalibrierung und Einstellung über eine Speicherung eines einzelnen Satzes von Konstanten, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden, digital vervollständigt wird. Ein Zugriff zu den relevanten Speicherorten wird über die zugewiesene RS485-Schnittstelle bereitgestellt. Der Kalibriersystemhost, auf welchem die geeignete Software läuft und eine Schnittstelle zu spezifischen Flussmessinstrumenten hat, kann die Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung für eine einheitlich wiederholbare Leistung bei statischem und transientem Fluss automatisch kalibrieren und einstellen. Diese einheitlichen Momentanantworten ergeben einen zusätzlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung. Diese einheitlichen Momentanantworten werden durch Verwenden der Rechenleistung, welche von dem ausgewählten und in dem gewählten Aufbau angewendeten digitalen Signalprozessor bereitgestellt wird, erzielt. Dieser Aufbau ermöglicht, dass 100% der Kontrollalgorithmen über Software implementiert werden. Diese Software-Algorithmen können Mechanismen enthalten, um einzelne, fallabhängige oder situationsbedingte Parameter aufzurufen, die ausgewählt oder eingestellt werden können, um eine einheitliche und wiederholbare transiente Antwort zu erhalten.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass keine Notwendigkeit für teure, stromaufwärts angeordnete Druckregler innerhalb einer Gaszuführung mehr vorliegt. Der digitale Mechanismus der vorliegenden Erfindung hat die Eignung den Einlassdruck über einen verfügbaren A/D-Eingang in diskreter Weise zu überwachen. Es ist wünschenswert, den Eingangsdruck zu überwachen und die Massenflusseigenschaften des Ausgangs der vorliegenden Erfindung unempfindlich zu machen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie mehrere, autonome, zugewiesene, digitale Kommunikationsanschlüsse enthalten kann. Dieser Aufbau ermöglicht, dass multiple, digitale Netzwerke simultan unterstützt werden. Spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen, dass ein Netzwerk ein RS485-Netzwerk ist. Der gewählte DSP umfasst ein eingebettetes UART-Peripheriegerät, welches zur Unterstützung von RS485-Netzwerken dient. Ein zusätzliches Netzwerk kann über Lesen und Schreiben auf einen Zweifachanschluss-SRAM unterstützt werden. Die Auswahl des Zweifachanschluss-SRAM als eine Kommunikationspartition ermöglicht die Unterstützung von austauschbaren Schnittstellen. Die vorliegende Erfindung ist nicht notwendigerweise auf diese beiden Kommunikationsanschlüsse eingeschränkt. Mehrfachkommunikationsanschlüsse verschiedener Kommunikationsprotokolle, welche den Fachleuten bekannt sind, können in der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um autonome, austauschbare Schnittstellen zu erzielen.
Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das eingebettete System Ereignisse, basierend auf dem Empfang von Probendaten des Flusssignals zu genauen, diskreten Intervallen von 1,68 Millisekunden, verwaltet. Aufgrund der Rechenleistung des gewählten Aufbaus beendet der Algorithmus der Kontrolle seine Aufgabe in weniger als 30% dieses Zeitraums.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und derer. Vorteile kann durch die folgende Beschreibung erreicht werden, welche in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen, in denen:
1 ein Blockdiagramm für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Zeitdiagramm der Ereignisverarbeitung im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 zwei Sätze von Flussdiagrammen enthält, welche das Verfahren der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
4 Speicherinteraktionen innerhalb der vorliegenden Erfindung beschreibt;
5 einen Überblick der Kommunikationen zeigt, die zu einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehören;
6 ein Verfahren und System zum Bereitstellen einer automatischen Kalibrierung der Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung beschreibt; und
7 einen Überblick der diagnostischen Fähigkeiten der vorliegenden Erfindung angibt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren angegeben, wobei gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche und entsprechende Teile der verschiedenen Zeichnungen zu bezeichnen.
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Aufbausystem für ein Kontrollsystem für eine digitale Massenflusskontrollvorrichtung, welches eine innerhalb des Kontrollsystems eingebettete Diagnostik umfasst. Insbesondere überwacht der digitale Mechanismus der vorliegenden Erfindung diskret spezifische Systemvariablen zum Zwecke einer Verbesserung der Problemlösung und vorsorglicher Wartungsprogramme. Diese Variablen umfassen, sind jedoch nicht eingeschränkt auf, Flusssollwert, Spulenstrom, Umgebungstemperatur, Basiswiderstand des Flusssensors und Einlassdruck, der durch einen externen Druckwandler gemessen werden kann. Diese Variablen sind eine wertvolle Informationsquelle, um die MFC-Druckempfindlichkeit zu überwachen und zu verringern. Der digitale Mechanismus überwacht auch Stromversorgungsspannungen.
Die überwachten Variablen werden verwendet, um eine genauere Flussmessung innerhalb der MFC der vorliegenden Erfindung zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen digitalen Mechanismus, was einen digitalen Signalprozessor, der eine Schnittstelle zu einem A/D-Wandler aufweist, meint. Insbesondere ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Aufbau bzw. ein digitaler Signalprozessor, der 16 Kanäle einer 10 bit A/D-Wandlung aufweist, gewählt worden.
In diesem Aufbau werden eingebettete A/D-Kanäle verwendet, um die gewünschten Daten einzuholen. Die vorliegende Erfindung verwendet einen externen, intelligenten A/D-Wandler, um den Sensorausgang zu digitalisieren, da er eine höhere Auflösung als 10 bit erfordert. Zusätzlich zu diesen überwachten Parametern, werden mehrere Flusskontrollereignisse überwacht, einschließlich dem Fließgleichgewichtsfehler. Ferner wird die Genauigkeit der Flusskontrollvorrichtung in Bezug auf den von dem Anwenderwerkzeug bereitgestellten Sollwert kontinuierlich überwacht. Die vorliegende Erfindung misst auch die Ventilleckrate.
Die vorliegende Erfindung enthält einen einzelnen Algorithmus, der von einem digitalen Mechanismus ausgeführt wird. Der spezifische Algorithmus bestimmt, ob der Sollwert für die Flusskontrolle Null ist, und ob der gemessene Flussgrößer als 2% des Vollausschlags ist, was einen Industriestandard darstellt, um eine Warnung auszugeben, dass das Ventil leckt. Eine herkömmliche Art des Versagens einer MFC ist ein ausgefallener Aktuator oder Ventil. Dieser Ausfall manifestiert sich entweder als Leck oder eine Unfähigkeit zur Kontrolle. Deshalb würde man den Fließgleichgewichtsfehler und das Ventilleck messen, und feststellen, ob ein Überschießen der Antwort beim Ansteigen oder Abfallen der Sollwerte vorliegt. Zum Beispiel, wenn man den Sollwert 2,0 von Null bis 100% Vollausschlag beobachtet, und wenn der Sollwert überschießt oder die Antwort über einen vorbestimmten Wert übersteigt, dann wird eine Warnung an den Nutzer ausgegeben. Das Bereitstellen von Zugriff auf alle diese überwachten Parametern reduziert die Zeit und das unnötige Entfernen von MFC-Geräten, die andererseits gut funktionieren. Der Aufbau der vorliegenden Erfindung minimalisiert die erforderliche Zeit zum Warten und Reparieren der nicht ordentlich funktionierenden MFC-Geräte durch den Grad der bereitgestellten Diagnostik um das volle Analyseverfahren auf bestimmte Bereiche zu lokalisieren.
Es ist wünschenswert, dass offene Kommunikationsnetzwerke, wie Devicenet^TM und dergleichen, zur Kontrolle des Geräts für das Flusskontrollprozessmanagementsystem verfügbar sind. Ein weiterer Kommunikationsanschluss ist der Wartung gewidmet. Deshalb ist ein RS485-Anschluss oder ein anderer ähnlicher Anschluss der Wartung zugewiesen. Deshalb ist eine Kommunikation über den offenen Kommunikationsanschluss zur Prozesskontrolle eingerichtet. Es gibt ein zugewiesenes RS485-Netzwerk, das ein eigenes Kommunikationsnetzwerk aufweist, das mit dem OSI-Modell zur Netzwerkverbindung innerhalb der vorliegenden Erfindung verträglich ist.
Ein OSI-Modell für eine Netzwerkverbindung ist ein offenes System. Das OSI-Modell ist ein Verfahren, das oft zur Vernetzung von PCs verwendet wird. Dieses Modell auf einem geringem Niveau ist ein verbreitetes Modell zum Implementieren von offenen Systemzusammenschaltungen für PCs.
Der zugewiesene Fabrikwartungsanschluss ermöglicht der vorliegenden Erfindung eine Ferndiagnostik bereitzustellen. Der Anschluss kann verwendet werden, um eine lokale Überwachung einzurichten, wenn er mit einem zugewiesenen Laptop, Notebook oder PC verbunden ist. Eine Netzwerküberwachung über den Anschluss kann implementiert werden, indem ein Laptop, Notebook oder PC mit der RS485-Schnittstelle verbunden wird, und indem ein Modem in den PC eingebaut oder integriert wird. Deshalb kann sich ein Ingenieur mit Modemzugriff in den lokalen Computer einwählen und die vorliegende Erfindung, welche für die Flusskontrollereignisse durchsichtig ist, abfragen. Ferner kann die eingebettete Diagnostik von diesem Ingenieur verwendet werden, um einen höheren Detailgrad in Bezug auf mögliche Ausfallsarten bereitzustellen.
Die Figuren stützen die von der vorliegenden Erfindung angesprochenen Probleme, und veranschaulichen, warum der Aufbau der vorliegenden Erfindung Vorteile und Merkmale liefert, welche eine Lösung der zum Stand der Technik gehörenden Probleme sind.
1 zeigt ein Blockdiagramm für eine Ausführungsform des eingebetteten Systems bzw. Aufbau der vorliegenden Erfindung. Block 12 stellt den Flusssensor dar. Ein A/D-Wandler 14 überwacht den Flusssensor 12. Der A/D-Wandler 14 ist über eine Schnittstelle mit einem 16-bit-Mikrokontroller bzw. digitalen Signalprozessor (DSP) 16 verbunden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet einen Texas Instrument TMS320F240 DSP als DSP 16. Dieser DSP enthält einen eingebetteten Flash-Speicher, welcher ermöglicht, dass der Softwarekode innerhalb des DSP von einer externen Netzwerkverbindung erneuert wird.
Der DSP 16 speichert einen internen Algorithmus bzw. Software, welcher ausgeführt werden kann, um ein geschlossenkreisiges Kontrollsystem einzurichten. Der DSP 16 liefert ein elektronisches Signal 72 zu dem Ventilsteuermodul 18. Das Ventilsteuermodul 18 liefert seinerseits Strom zur Spule 20. Die Spule 20 dient als Aktuatormechanismus des Kontrollventils 22.
Der Block 24 liefert eine Referenzspannung zum A/D-Wandler 14. Der A/D-Wandler 14 ist in dem Flusskontroller oder DSP 16 eingebettet.
Es gibt zwei Typen von A/D-Wandlern: (1) jene, die im Flusskontroller oder DSP 16 eingebettet sind, und (2) A/D-Wandler, die zur externen Instrumentierung gehören. Benachbart der Spannungsreferenz befindet sich ein serieller, elektronisch löschbarer, programmierbarer, Nur-Lesespeicher (EEPROM) oder nicht-flüchtiger Speicher RAM (NVRAM) 26. Der EEPROM 26 wird verwendet, um einzelne Kalibrier- und gasspezifische Daten mit Seriennummer, Wartungsdaten und verschiedenen diagnostischen Kodes zu speichern. Diagnostik ist eines der wesentlichen Merkmale, welche der Aufbau der vorliegenden Erfindung mit sich bringt. Zur rechten Seite des DSP 16 befindet sich ein zweifarbiger LED-Kreis 28 und ein statischer Speicher oder SRAM 30. Zusätzlich zu dem SRAM 30 ist ein externer Zweifachanschlussspeicher 32 (DPRAM) angeordnet. Der DRAM 32 ist mit dem Kommunikationskoprozessor 34 verbunden. Der Kommunikationskoprozessor 34 ist über eine Schnittstelle mit einem Sensorbusnetzwerk mit dem Sender-Empfänger 36 verbunden. Dieses Sensorbusnetzwerk kann ein DeviceNet, LonWorks, Profbus, Ethernet oder anderes ähnliches Netzwerk sein, wie den Fachleuten bekannt ist.
Eine zusätzliche Netzwerk-Schnittstelle ist über einen RS485-Sender-Empfänger 38, der innerhalb der Flusskontrollvorrichtung oder DSP 16 eingebettet ist, angeordnet.
Die obigen Blöcke stellen die wesentlichen Funktionsblöcke dar, die innerhalb des eingebetteten Systems einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.
Verschiedene Netzwerke können eine Schnittstellenverbindung zur vorliegenden Erfindung haben. Die obige Ausführungsform zeigt zwei Netzwerkverbindungen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf zwei Verbindungen eingeschränkt und kann zusätzliche Netzwerkverbindungen enthalten. Das Multi-Drop-Netzwerk 40 kann eine Schnittstellenverbindung mit dem RS485-Anschluss 38 haben. Das Multi-Drop-Netzwerk 40 und DeviceNet-Netzwerk 42 sind Beispiele möglicher Netzwerkverbindungen. Das Multi-Drop-Netzwerk 40 benötigt einen lokalen PC 44 als Host. Der lokale PC-Host 44 kann eine Modemverbindung 48 enthalten, welche ermöglicht, dass auf die vorliegende Erfindung über ein weiteres Modem 48, das sich im entfernten PC 50 befindet oder über eine Schnittstelle damit verbunden ist, zugegriffen wird.
Das DeviceNet-Netzwerk 42 kann entweder ein Peer-to-Peer- oder eine Peer-to-Host-Netzwerk sein. Wenn das Netzwerk einen Peer-to-Host-Zusammenhang in Bezug auf das DeviceNet-Netzwerk 42 aufweist, kann der PC-Host auch das Netzwerk überwachen. Dieser PC-Host kann der PC 44 sein, muss jedoch nicht vom dem PC 44 überwacht werden. Deshalb ist dieser möglicherweise getrennte PC als PC 52 bezeichnet. Dieser bestimmte PC-Host 52 kann auch eine Schnittstellenverbindung zu einem Modem 54 haben. Das Modem 54 kann über eine Telekommunikationsverbindung verbunden sein, welche das entfernte Modem 48 und den zugehörigen entfernten PC 50 verbinden kann.
Mehrere Signale und zugehörige Pfadketten sind innerhalb dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten. Zunächst wird der Flusssensor 12 mit einer Stromquelle 13 angeregt, welche ungefähr 11 Milliampere erzeugt. Unter Verwendung von Gesetzen der thermischen bzw. Wärmeübertragung, die den Fachleuten bekannt sind, wird die Massenflussrate erfasst. Das Signal 15, das von dem Flusssensor 12 erzeugt wird, wird von dem A/D-Wandler 14 überwacht. Dieser A/D-Wandler ist intelligent. Nicht nur dass der A/D-Wandler 14 das Flusssignal überwacht; der A/D-Wandler 14 ist in Bezug auf die Auflösung und Erfassungsfrequenz programmierbar.
Die für eine Ausführungsform gewählte Probenentnahmefrequenz beträgt 610 Hz. 610 Hz ergibt eine Probenentnahmeperiode von 1,6 Millisekunden. Es ist wichtig festzustellen, dass der A/D-Wandler 14 ein Datenendsignal aufweist, welches den Mikrokontroller unterbricht, um ihm mitzuteilen, dass er einen vollen Satz von Probenentnahmedaten hat. Dies ist bei einem eingebetteten Mehrfachaufgaben-System wichtig, das mehrere Eingabe/Ausgabe-Funktionen unterstützt. Das Datenendsignal unterbricht die gesamte Software und minimalisiert den Effekt von Zeitverzögerungen, welcher ungenaue Flussprobenentnahmen bewirkt. Das abgegebene Datenendsignal ist der hauptsächliche Trigger für den Hauptfunktionssoftwareblock bzw. Softwaremechanismus. Als nächstes kann ein Datensignal über eine serielle Schnittstelle 56 des A/D-Wandlers 14 gesendet werden, welche eine SPI^TM-Schnittstelle sein kann.
Über die serielle Schnittstelle 56 überwacht die Flusskontrollvorrichtung 16 den A/D-Wandler 14 und holt eine für das gemessene Flusssignal 15 repräsentative Probe ein. Dies wird jedes Mal wiederholt, wenn das Datenendsignal angibt, dass der A/D-Wandler 14 eine neue Probe hat. In einer Ausführungsform macht der A/D-Wandler 14 dies genau in Abständen von 1,6 Millisekunden. Jedoch sei bemerkt, dass dieser Abstand programmiert und deshalb flexibel ist. 1,6 Millisekunden wurden für diese Ausführungsform gewählt, weil der Flusssensor 12 eine effektive Bandbreite von ungefähr 100 bis 120 Hz hat. Deshalb wurden 610 Hz als eine effektive Probenentnahmefrequenz gewählt, um das Flusssignal durch die analog-zu-digital-Wandlung in geeigneter Weise wiederzugeben. Zudem wurden 610 Hz gewählt, um genug Zeit zum Unterstützen anderer Funktionen bereitzustellen, in einer Weise, welche das Datensignal nicht unterbricht oder andere unterstützte Ereignisse stört. Dies ermöglicht ein Mastersignal als einen Trigger zu verwenden, was Zeit zum Unterstützen anderer Ereignisse übrig lässt.
Auf der linken Seite der Flusskontrollvorrichtung 16 werden mehrere externe Signale bzw. analoge Signale 58–68, die entweder von einer zur vorliegenden Erfindung internen oder externen Quelle kommen, überwacht oder über eine Schnittstelle verbunden. Ein Beispiel ist ein analoger Sollwert 58. Der Sollwert 58 ist eine Anfrage von dem Host durch den Nutzer für die beabsichtigte Flussrate. Typisch wird dieser Sollwert 58 von einem Waferverarbeitungswerkzeug eines Nutzers bereitgestellt, wenn die vorliegende Erfindung im Umfeld der Halbleiterbearbeitung verwendet wird. Zudem werden ein digitales 5 Volt-Signal 60, +15 Volt-Spannungsversorgungssignal 62, –15 Volt-Spannungsversorgungssignal 64, ein Einlassdruck 66 des Nutzers und eine interne Umgebungstemperatur 68 innerhalb des Gehäuses der Massenflusskontrollvorrichtung durch den DSP 16 überwacht.
Das Signal für die interne Umgebungstemperatur 68 kann als ein zusätzliche Funktion durch das Spannungsreferenzgerät 24 bereitgestellt werden. Deshalb kann das Spannungsreferenzgerät 24 zusätzlich zu einem Temperaturausgang eine genaue 2,5 Volt-Referenz dem A/D-Wandler 14 zur Verfügung stellen. Eine Ausführungsform des Spannungsreferenzgeräts 24 weist eine eingebettete Bandlückenreferenz und temperaturunterstützte Komponente bzw. Platinenwiderstand auf, sowie eine Übertragungsfunktion, welche eine Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur in Grad Celsius erstellt. Deshalb ergibt eine Messung bei Raumtemperatur in Verbindung mit der Übertragungsfunktion eine Echtzeit-Auslesung der internen Gehäusetemperatur.
Auf der Leitung 72 konditioniert der Ventilsteuerkreis 18 das Signal 72 zum Steuern einer Spule, jedoch führt er auch den tatsächlichen Spulenstrom 70 für Erfassungszwecke zurück. Der erfasste Spulenstrom 72, Sollwertsignal 58 und der gemessene Fluss 15 können verwendet werden, um Beziehungen zu erzeugen, die eine schnellere Diagnose von Problemen ermöglichen.
Ein Universeller Asynchroner Sender-Empfänger (UART) wird verwendet, um ein Halbduplex zu erzeugen, wobei eine Schnittstelle zu einem externen Host, wie beispielsweise ein PC RS485-Netzwerk, verwendet wird. Dieser UART-Kreis macht mehrere Dinge. Der Kreis verschafft während der Herstellung Zugriff zu allen Kalibrierungs- und Einstellungsparametern. Der UART ist auch ein weiteres Mittel für einen Nutzer, um die MFC der vorliegenden Erfindung zu kontrollieren.
2 zeigt ein Zeitdiagramm der Ereignisverarbeitung. Der UART der Flusskontrollvorrichtung 16 ist mit einer Übertragungsleitung 74 und Empfangsleitung 76 an das RS485 gekoppelt. TX bezeichnet ein übertragenes Signal an und RX bezeichnet ein empfangenes Signal von dem Hostsystem der Flusskontrollvorrichtung und DSP 16.
Eine 9600-Baud-Halbduplex-zyklisch abgefragte-Protokollleitung koppelt das RS485 XCVR 38 an das Multi-Drop-Netzwerk 40. 9600 Baud wurden in einer zur Probenentnahmefrequenz ähnlichen Weise gewählt. Dies stellt eine Schnittstelle an einen externen Host bereit. Diese Geschwindigkeit erlaubt einen Sicherheitsabstand in Bezug auf andere Ereignisse, welche unterstützt werden, wobei solche anderen Ereignisse nicht gestört werden. Mehrere Ereignisse innerhalb der Flusskontrollvorrichtung werden überwacht, um eine Diagnostik bereitzustellen. Eine lokale Anzeige des Status solcher Ereignisse wird über einen zweifarbigen LED-Kreis 28 bereitgestellt, der entweder rot oder grün sein kann. Wenn der LED-Kreis 28 rot aufleuchtet, dann ist ein überwachter Zustand bzw. Ereignis oberhalb einer Warnbedingung oder einer Warnschwelle. Wenn der LED-Kreis 28 dauerhaft rot ist, dann ist die Warnung zu einem Alarm geworden. In den meisten Fällen zeigt ein Alarmzustand an, dass die Flusskontrollvorrichtung eine nicht behebbare Störung aufweist.
Die Flusskontrollvorrichtung, DSP 16, versucht weiterhin in Funktion zu bleiben. Das Ereignis, welches den nicht behebbaren Zustand verursacht hat, wird in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert. Deshalb kann auf das Ereignis über den RS485-Sender-Empfänger 38 zugegriffen werden.
Ein den Strom begrenzender Widerstand stellt einen Rückkopplungspfad von dem zweifarbigen LED-Kreis 28 zu einem zweiten IO-Anschluss an der Flusskontrollvorrichtung 16 bereit. Die Farbe des zweifarbigen LED-Kreises 28 wird durch die Richtung des Stromflusses durch den LED-Kreis 28, bereitgestellt durch die beiden IO-Anschlüsse des DSP 16, kontrolliert.
Ein eingebetteter Pulsbreitenmodulator (PWM) wird verwendet, um das angegebene Flusssignal 80 zu erzeugen. Der gleiche Typ Kreis wird auch verwendet, um den erfassten Spulenstrom 82 wiederherzustellen.
Der DSP 16 weist eine externe Speicherschnittstelle auf. Die externe Speicherschnittstelle stellt eine Schnittstellenverbindung zum SRAM 30 her. Dieser SRAM wird während des Hochfahrens verwendet und empfängt den Inhalt eines seriellen EEPROM 32 für einen schnelleren Zugriff.
Der Sender-Empfänger 36 kann entweder zu einem DeviceNet-Netzwerk gehen, oder kann durch einen anderen Typ Netzwerk, wie LonWorks, Profibus, Ethernet oder andere, welche den Fachleuten bekannte sind, verbunden werden.
Zusätzlich zur Unterstützung bestehender Drop-In-Anwendungen, die analog sind, können ein zukünftiges Standard-Digitalprotokoll oder mehrere konkurrierende Protokolle durch den Aufbau der vorliegenden Erfindung unterstützt werden. Dies ermöglicht eine volle Kompatibilität bei Änderungen in der Netzwerktechnologie und Protokolle. Die vorliegende Erfindung stellt eine autonome Schnittstelle bereit, derart, dass das Flusskontrollersystem durch modulare Kompatibilität in einem modularen Schema nicht beeinträchtigt ist. Der DPRAM stellt eine digitale Partition zwischen dem DSP 16 und einem zu bestimmenden Sensor-BUS-Netzwerk 84 bereit.
Der SRAM 30 ist nicht ausschließlich extern. Ein Teil oder der gesamte SRAM 30 kann als interner SRAM in den DSP 16 bzw. die digitale Flusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung eingebracht werden.
In der gezeigten Ausführungsform ist der SRAM in zwei Teile unterteilt, der externe SRAM 30 und der interne SRAM innerhalb des Flash-Speichers des DSP 16. Die Verwendung des SRAM innerhalb des DSP 16 der digitalen Flusskontrollvorrichtung ermöglicht, dass alle Kontrollfunktionen innerhalb des DSP 16 ausgeführt werden.
Wesentliche Merkmale des oben beschriebenen Aufbaus machen manuell eingestellte Potentiometer unnötig. Dies wird in der vorliegenden Erfindung erreicht, indem ein Aufbau mit einer ausreichenden digitalen Bandbreite gewählt wird, um Flusssensoren zu überwachen, Kontrollsignale, wie gemeinsame Differentiatoren und Proportionalintervallkontroller, zu erzeugen und mehrere Kalibrierkonstanten zu speichern, wobei ein Zugriff auf solche Konstanten in Echtzeit bereitgestellt wird. Weiterhin hängt die digitale Flusskontrollvorrichtung nicht von mehreren Potentiometern zum Einstellen des Kontrollsystems ab, vielmehr hängt die vorliegende Erfindung von mehreren Variablen, die als Kostanten erklärt sind, ab. Ein Zugriff auf diese Variablen wird über den RS485-Kommunikationsanschluss 38 bereitgestellt.
Digitale Kommunikationsdienste, wie das Unterstützen eines RS485-Host oder eines DeviceNet-Host, beeinflussen nicht Flusskontrollereignisse. Der DPRAM 32 ermöglicht eine Unterstützung auf Basis eines Schemas.
Mehrere Punkte werden für die Diagnostik überwacht. Einem Nutzer wird eine visuelle Rückkopplung über den zweifarbigen LED-Kreis 28 bereitgestellt, welcher zwei Anzeigegrade aufweist, entweder Warnung oder Alarm, blitzend oder dauerhaft leuchtend. Die gleiche Information ist von dem RS485-Anschluss erhältlich und kann durch eine Software-Anwendung erhalten werden, die innerhalb eines PC in einer GUI-Schnittstelle ausgeführt wird. Kontrollsystemfunktionen werden über Software implementiert. Die vorliegende Erfindung bietet Vorteile gegenüber herkömmlicher Technik, welche analoge Kreise verwendet, die empfindlich auf Alterungseffekte und Temperatur sind, um das geschlossenkreisige Kontrollsystem aufzubauen.
Der Aufbau der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass die gesamte ausführbare, eingebettete Software über den RS485-Anschluss programmiert wird. Ein neuer Kode kann eingerichtet werden, ohne die Massenflusskontrollvorrichtung zu entfernen. Es ist wichtig festzuhalten, dass der im DSP 16 eingebettete Flash-Speicher nicht verwendet wird, um irgendwelche Kalibrierkonstanten oder einzelne Daten für den Flusskontroller zu speichern. Diese Daten werden in einem externen, seriellen EEPROM gespeichert. Das Flusskontrollsystem der vorliegenden Erfindung schafft Autonomie und Kompatibilität mit bestehenden und zu bestimmenden Kommunikationsprotokollen, wie zum Beispiel DeviceNet.
2 betrifft technische Vorteile der Ereignisverarbeitung innerhalb des Aufbaus der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt die Ereigniszeitabfolge, welche von dem A/D-Wandler 14 von 1 ausgeführt wird. Wenn der A/D-Wandler 14 Daten eingeholt hat und bereit ist, die eingeholten Daten über den Daten-BUS an den DSP 16 zu senden, wird ein Fertigsignal gesendet.
Die gesamte Datenverarbeitung findet innerhalb des Zeitrahmens A-B statt, wenn die Daten erst einmal von dem A/D-Wandler 14 übertragen worden sind. Dies ist der Zeitumfang, der von dem Kontrollsystem für die gesamte Datenverarbeitung beansprucht wird. Zwischen den Ereignissen B und C ist genug Zeit für andere durchführende Aufgaben übrig. DeviceNet-Unterbrechung 112, Echtzeit-Unterbrechung 114 und RS485-Unterbrechung 116, wie in 2 gezeigt, erfolgen zwischen den Ereignissen B und C. Wenn diese Unterbrechungen zwischen den Ereignissen A und B erfolgen, hat das Verarbeiten von gesammelten Daten noch Vorrang. Somit werden diese Unterbrechungen noch zwischen den Ereignissen B und C verarbeitet.
3 enthält zwei Sätze von Flussdiagrammen. 3 beschreibt und führt Einzelheiten der zuvor in dem in 2 gezeigten Taktdiagramm gezeigten Unterbrechungen aus. Ein Verfahren der vorliegenden Erfindung beginnt bei Schritt 100. Alle Initialisierungen des DSP 16 und von Peripheriegeräten erfolgen in Schritt 101. Während des Initialisierungsschritts 101 des DSP und der zugehörigen Peripheriegeräte wird der A/D-Wandler 14 programmiert, Proben bei einer spezifischen Frequenz zu entnehmen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird diese Frequenz als 610 Hz gewählt. Diese 610 Hz sind ein Signal zum Starten des Einholens von Datenentnahmen von dem A/D-Wandler 14 und sind der Trigger für die externe ADC-Unterbrechung zu Schritt 105. In Schritt 103 ist der Softwarekode der vorliegenden Erfindung kontinuierlich in einer Schleife und wartet auf eine von vier Unterbrechungen. Diese Unterbrechungen umfassen die externe ADC-Unterbrechung, die alle 1,68 Millisekunden erfolgt, die Echtzeit-Unterbrechung, die alle 1,04 Sekunden erfolgt, eine DeviceNet-Unterbrechung und eine RS485-Unterbrechung. Die externe ADC-Unterbrechung 105 ermöglicht, dass die gesamte Datenverarbeitung während des Unterstützens der ADC-Unterbrechung erfolgt.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung braucht die Datenverarbeitung ungefähr 30% der Gesamtzeit zwischen ADC-Unterbrechungen, 1,68 Millisekunden. Während dieser Zeit, in Schritt 102, holt die Flusskontrollvorrichtung alle ADC-bezogenen Daten von dem A/D-Wandler 14 von 1 ein. Als nächstes, in Schritt 104, werden diese Daten linearisiert. Ein solches Verfahren zum Linearisieren ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/350,747 mit dem Titel "System and Method for Sensor Response Linearization", eingereicht am 9. Juli 1999 von Thomas Pattantyus, et al., im einzelnen ausgeführt. In diesem Linearisierungsverfahren werden zuvor bestimmte Koeffizienten verwendet, um eingeholte ADC-Daten auf einen genaueren Flusswert zu beziehen. In Schritt 106 werden linearisierte Daten und Werte zur Kontrollsystemschleife gesendet, welche die Massenflusskontrollvorrichtung regeln, um die gewünschte Massenflussrate zu erzielen.
Schritt 108 involviert den zweifarbigen LED-Kreis 28 von 1. Abhängig von dem Zustand der Flusskontrollvorrichtung 16, leuchtet der LED-Kreis 28 in geeigneter Weise entsprechend einem Signal und Stromrichtung, welches dem zweifarbigen LED-Kreis 28 in Schritt 108 zugeführt wird.
In Schritt 110 wird eine Diagnostik durchgeführt. Diese Diagnostik ist direkt auf den angezeigten Zustand des zweifarbigen LED-Kreises 28 bezogen. Die Handhabung des DeviceNet erfolgt in Schritt 112. In Schritt 114 werden Daten von dem seriellen EEPROM 26 ausgewählt oder gelesen. Diese Daten können Kalibrierkonstanten, gasspezifische Daten, Seriennummern der Massenflusskontrollvorrichtung und zugehörigen Kontrollvorrichtungen, Servicedaten und Diagnostikkodes umfassen. In Schritt 116 werden Daten von der RS485-Schnittstelle eingeholt. In Schritt 118 zählt oder integriert der Zähler die Zeit und Flussmessungen innerhalb der Flusskontrollvorrichtung 16. In Schritt 120 können verschiedene organisatorische Funktionen erfolgen, nach welchen eine Rückkehr von dieser Vorrangsunterbrechung erfolgen kann.
Der Rückkehr von der externen ADC-Unterbrechung 105 folgend, kehrt der Prozess zum Anfangsschritt 100 zurück.
Alle zusätzlichen erfassten Daten, die zusätzliche bzw. andere Unterbrechungen verursachen würden, wie die Echtzeit-Unterbrechung 126, die DeviceNet-Unterbrechung 122 oder die RS485-Unterbrechung 130, werden während der externen ADC-Unterbrechung 105 gehalten. Die externe ADC-Unterbrechung 105 nimmt eine Vorrangstellung gegenüber allen anderen Datenverarbeitungen ein. Während der Verarbeitungszeit von ungefähr 50 Millisekunden werden Daten, die zu anderen Unterbrechungen gehören, in dem SRAM 30 bzw. dem innerhalb des DSP 16 angeordneten inneren RAM gespeichert. Ungeachtet dessen, welcher Unterbrechungsprozess erfolgt, kehrt das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu Schritt 103 zurück, wenn der Unterbrechungsprozess beendet ist, und wartet auf eine zukünftige Unterbrechung.
Echtzeit-Unterbrechung 124, DeviceNet-Unterbrechung 126 und RS485-Unterbrechung 130 ermöglichen alle, dass Daten gelesen und in Variablen geschrieben und innerhalb des DSP 16 gespeichert werden. Minimale Operationen erfolgen während dieser Unterbrechung, um diese Daten zu handhaben. Die eigentliche Verarbeitung dieser Daten erfolgt, wenn auf sie während der externen ADC-Unterbrechung 105 zugegriffen wird. Ein zusätzlicher denkbarer Weg ist, dass diese Unterbrechungen ein, durch Speicherorte verbundenes, objektorientiertes System bereitstellen. Deshalb werden, wenn eine Unterbrechung erfolgt, Daten in dem geeigneten Speicherort gespeichert bis die externe ADC-Unterbrechung 105 erfolgt und die Daten verarbeitet werden.
4 beschreibt Speicherinteraktionen innerhalb der vorliegenden Erfindung. Diese Figur beschreibt, wie SRAM 30, EEPROM 26 und DPRAM 32 interagieren. Für die Zwecke dieses Diagramms erfolgt kein Unterschied für Datenspeicher bzw. SRAM 30 zwischen internem RAM, welcher auf dem Flash-Speicher des DSP 16 angeordnet ist, oder externem RAM 30, auf welchen der DSP 16 zugreifen kann. SRAM 30 beschreibt in diesem Fall lediglich einen Speicherort zum Speichern von Daten. Während der Initialisierung werden alle EEPROM-Daten in den SRAM 30 kopiert, wie durch die Verknüpfung 142 angegeben ist.
Zusätzlich werden die oberen 1K EEPROM-Daten während der Initialisierung über die Verknüpfung 144 in den DPRAM 32 kopiert.
Eine zusätzliche Verknüpfung 146 erfolgt zwischen EEPROM 26 und SRAM 30, wobei kritische Daten in den SRAM 30 während der Initialisierung in den SRAM 30 kopiert werden. Diese zweite Verknüpfung ist gezeigt, weil das Kopieren von Initialisierungsdaten in den DPRAM 32 ein zweistufiger Prozess ist. EEPROM-Daten können nicht direkt in den DPRAM 32 kopiert werden. Deshalb werden EEPROM-Daten zunächst in einen Ort innerhalb des SRAM 30 kopiert. Von dem SRAM 30 werden diese Daten dann über die Verknüpfung 144 in den DPRAM 32 kopiert. Kritische Daten, die während der Initialisierung in den SRAM 30 kopiert werden, enthalten Kontrollsystemdaten, welche zu dem internen Speicherplatz gehen, und Daten für Zähler und dergleichen.
Eine dritte Verknüpfung 150 gibt Daten an, die von dem SRAM 30 zu dem EEPROM 26 übertragen werden. Diese Verknüpfung ermöglicht, dass Zähler- und Diagnostikdaten während der DSP 16-Operation übertragen werden. Die Verknüpfung 152 ist eine Zweiwegeverknüpfung zwischen SRAM 30 und RS485-Kommunikationsanschluss 38, welche ermöglicht, dass Daten von dem SRAM 30 gelesen und geschrieben werden können.
Ein zweiter Kommunikationspfad existiert zwischen EEPROM 26 und RS485-Kommunikationsanschluss 38 über die Verknüpfung 154, welcher ermöglicht, dass die gesamten Daten von dem RS485-Kommunikationsanschluss 38 in den EEPROM 26 geschrieben und gelesen werden können. Deshalb ermöglicht die vorliegende Erfindung einen vollen Zugriff zu Daten von sowohl EEPROM 26 als auch SRAM 30.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass auf die gesamten Daten innerhalb SRAM 30 und EEPROM 26 über den RS485-Kommunikationsanschluss zugegriffen werden. Jedoch kann ein Nutzer von dem vollen Zugriff auf EEPROM- oder SRAM-Daten ausgeschlossen werden. Die kann aus Sicherheitsgründen erfolgen, um sicherzustellen, dass die einzelne Seriennummer und andere Daten des Verkäufers nicht durch den Nutzer geändert werden können. Ein Beispiel sind Garantiedaten oder Seriennummern einzelner Komponenten.
Die vorliegende Erfindung stellt einen objektorientierten Ansatz bereit, bei dem ein Verfahren und eine Schnittstelle von einem Objekt zu einem anderen vorliegt, um zu ermöglichen, dass eine Diagnostik durchgeführt wird oder Daten von einem anderen Objekt angefordert oder übergeben werden. Bestimmte frühere Technologien können ein RS485-Protokoll aufweisen, welche in dem Protokoll eingebettete Speicherorte verwenden.
Diese Lösung des Stands der Technik hat ein Problem, welches darin liegt, dass wenn die falschen Daten zu einem spezifizierten Speicherort übertragen werden, ein Gerät zu einer Fehlfunktion tendiert und sich außerhalb seiner spezifizierten Leistung befindet. Die vorliegende Erfindung ist gemacht, um Tests durchzuführen, um zu bestimmen, ob die angeforderten Daten geliefert werden sollen, die Daten zu schützen, welche nicht zugänglich gemacht werden sollen, und Daten zu testen, bevor sie verarbeitet werden, um sicherzustellen, dass sie geeignet sind.
Eine Datenübertragung erfolgt über die Verknüpfung 154, und weil der EEPROM 26 nichtflüchtig ist, können wichtige Daten hier für den DSP 16 gespeichert werden. Der EEPROM 26 bewahrt Daten, wenn die Stromversorgung für den DSP 16 verloren geht. Zudem kann auf diese Daten über den RS485-Kommunikationsanschluss 38 zugegriffen werden. Andere hier gespeicherte Daten sind gasspezifische Kalibrierungsdaten. Die Konfiguration jeder Massenflusskontrollvorrichtung kann von der mechanischen Konfiguration abhängig sein. Deshalb kann die Verknüpfung 154 von dem RS485-Kommunikationsanschluss 38 verwendet werden, um einen direkten Zugriff zum EEPROM 25 zu erreichen, um die Mehrzahl jener Parameter in einer Weise zu laden, welche keine einzelne Auswahl und Einstellung erfordert, um so den Herstellungsprozess zu beschleunigen. Deshalb ist in dem Herstellungsprozess eine einmalige Auswahl und Einstellung nicht erforderlich, was die Geschwindigkeit dieses Prozesses erhöht. Wenn das Gerät initialisiert wird, ist der EEPROM 26 leer. Die Kalibrierungstabellen und andere solche Daten können in Menge über die RS485-Kommunikationsverknüpfung 156 in ein Multi-Drop-Netzwerk 40 geladen werden. Das Multi-Drop-Netzwerk 40 ist seinerseits mit einem PC-Host 44 verbunden.
Die vorliegende Erfindung ist auch derart gestaltet, dass sie zu früheren Systemen kompatibel ist. Diese Rückwärtskompatibilität ermöglicht den Nutzern mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem analogen Signal zu kommunizieren. Die analogen Kommunikationen 160, wie gezeigt, liefern eine funktionelle Verknüpfung, um entweder ein Flusssignal zu überwachen oder eine Sollwertkontrolle für ein früheres System, wie den Fachleuten bekannt ist, bereitzustellen. Diese analogen Kommunikationen können durch innerhalb des A/D-Wandlers 14 angeordnete A/D-Wandler-Funktionen realisiert werden. Diese analogen Kommunikationen 162 erfolgen zwischen dem analogen Kommunikationssystem 160 und einem Nutzerhost für das frühere Hostsystem.
Das DeviceNet-Schnittstellenmodul 42 ist mit dem DPRAM 32 verknüpft. Ein Kommunikationskoprozessor kann eine Unterbrechung zu dem DPRAM senden, um seine Verfügbarkeit zum Empfangen von Daten abzufragen. Jede Datenübertragung wird eine Unterbrechung sein, mit Ausnahme von statischen Daten, wie eine Identitätsnummer. Häufig zugegriffene Daten werden im DPRAM 32 gespeichert um die Unterbrechung gegenüber dem Zugreifen auf den EEPROM 26 zu vermeiden. Diese erhöht die Gesamteffizienz durch Vermeiden von Unterbrechungen, indem die gut zugreifbaren Daten im DPRAM 32 sind.
5 zeigt einen Überblick der zu einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehörenden Kommunikationen. 5 zeigt und gibt einen Überblick von drei Typen von Kommunikationsprotokollen an, die mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt werden können oder damit kompatibel sein können, das DeviceNet, analog, oder RS485-Protokolle. Die vorliegende Erfindung soll nicht auf diese Typen von Protokollen oder Kommunikationssysteme oder eine Kombination dieser Kommunikationssysteme eingeschränkt sein. Es ist wichtig festzustellen, dass der Aufbau der vorliegenden Erfindung analoge Sollwerte früherer Systeme akzeptieren und mit verschiedenen Quellen eine Schnittstelle haben kann. Sie kann auch digitale Sollwerte und Informationen über DeviceNet, wie den Fachleuten bekannt ist, oder ein eigenes RS485-System akzeptieren. Dies wird innerhalb eines gemeinsamen Aufbaus erreicht.
Innerhalb jeder Kommunikationsquelle, zum Beispiel mit der RS485-Schnittstelle, ist es wichtig festzustellen, dass das Gerät einen Servicemodus und einen normalen Funktionsmodus und möglicherweise jede Zahl zusätzlicher Modi aufweist. Der normale Funktionsmodus hat einen begrenzten Zugriff. Der Servicemodus oder Befehlsmodus ist geeignet, einem autorisierten Lieferanten einen vollen Zugriff zu dem Gerät zu gestatten, wohingegen diese Befehle und Systeme in dem normalen Funktionsmodus für den normalen Nutzer nicht verfügbar oder notwendig sind.
Dieser Systems- oder Befehlsmodus ermöglicht Zugriff auf diagnostische Informationen. In dieser in 5 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Kalibrierung und Einstellung durch den RS485-Anschluss und ist nicht über den DeviceNet-Anschluss zugänglich. Der DeviceNet-Anschluss wird nur für die Prozesskontrolle verwendet. Zusätzlich zur Prozesskontrolle kann der DeviceNet-Anschluss Zugriff zu einer Diagnostik, welche in einer DeviceNet-Sprache vorliegt, Alarme oder Ausnahmen, bereitstellen.
In dem analogen Modus können Ausgangsflusswerte und Ventilspannungen bereitgestellt werden. Analoge Systeme liefern grundsätzlich einen linearen Operationsverstärkerkreis, welcher die an der Spule anliegende Spannung bereitstellt. Die vorliegende Erfindung bereichert die Technik durch eine genaue Kontrolle des gelieferten Stroms, was einen direkten Zusammenhang mit der Kraft zum Manipulieren der Ventilposition bereitstellt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die vorliegende Erfindung nicht-intrusiv ist. Daten müssen nur überwacht und analysiert werden. Durch Verwendung von Vorhersagealgorithmen ist es möglich, Herstellungs- und Wartungskosten zu sparen, indem ein Vorhersagewartungssystem für die reguläre Wartung entwickelt wird. Zusätzlich ist es möglich, mit dem System verbundene potenzielle Ausfälle zu bestimmen. Diese Analyse kann eine Funktion außerhalb des normalen Bereichs, welche jedoch noch innerhalb der Spezifikation ist, feststellen. Dies kann eine abnorme Funktion anzeigen, oder dass ein Trend oder andere Analyse eine zu dem System gehörenden möglichen Ausfallsmodus anzeigt. Deshalb kann eine Sensorverschlechterung oder Ventilfehlfunktion bestimmt werden, und es kann ausgetauscht werden, bevor eine ernsthafte Schädigung des Host-Systems eintritt.
Eine Trendanalyse und relationale Daten werden innerhalb eines diagnostischen Systems analysiert. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung macht keine Entscheidungen in dem eingebetteten System darüber, ob das System arbeiten soll, sondern vielmehr bildet die vorliegende Erfindung einen Alarm- oder Warnzustand aus. Die vorliegende Erfindung kann an ein externes System gekoppelt sein, welches eine graphische Nutzerschnittstelle auf einem PC oder ein ähnliches Software-Analysepacket enthält, welche den Fachleuten bekannt sind, um einen Trend und Zusammenhänge zwischen verschiedenen Daten zu entwickeln und den Wert der Diagnostik zu verbessern.
In 1 kann der lokale PC-Host 44 der Host eines Multi-Drop-Netzwerks sein, das mit einem Modem 46 verbunden werden kann. Das Ziel ist, einen Fernzugriff auf Daten der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. 1 zeigt in funktioneller Weise ein zweites Modem 48 in einem fernen PC 50, wo ein Fernzugriff auf Daten erfolgt. Jedoch kann die Anwendungs- bzw. Transportschicht des Netzwerks aus einer TCPIP oder anderen Internetanwendung bestehen. Modem 46 und Modem 48 stellen lediglich ein Mittel zum Realisieren einer Transportschicht für die Netzwerkfähigkeit, Fernzugriff auf Daten der vorliegenden Erfindung bereitzustellen, dar. Das 9600 Baud-Halbduplexmodus-Protokoll, das von der vorliegenden Erfindung verwendet wird, passt zu dem Sieben-Schichten-OSI-Modell zur Netzwerkverbindung, welches es mit einem TCPIP-Stapel kompatibel macht, wenn man wählen sollte, die vorliegende Erfindung über eine Internetverbindung mit einem Netzwerk zu verbinden.
6 beschreibt ein Verfahren und System zum Bereitstellen einer automatischen Kalibrierung der Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Eine Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird nicht kalibriert, wie frühere Lösungen, durch Vornahme von mechanischen Einstellungen. Vielmehr wird ein Satz gespeicherter Koeffizienten geändert, um die Genauigkeit der Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung zu kalibrieren. Die Kalibrierung besteht hauptsächlich aus zwei Schritten. Zunächst, Linearisierung. Dieser Schritt gleicht im Grunde das nichtlineare Verhalten des Sensors aus und liefert einen linearen Wert für die digitale Flusskontrollvorrichtung 16. Der in 7 gezeigte Aufbau wird verwendet, wobei der Kalibrierer entweder einen analogen oder digitalen Sollwert liefert. Für jeden angewendeten Sollwert wird ein entsprechender Sensor- und kontrollierter "Flussstandard"-Wert aufgezeichnet. Eine Regressionstechnik, wie den Fachleuten bekannt ist, wird auf diese Punkte angewendet. Einmal berechnet, werden diese Koeffizienten im EEPROM 26 der vorliegenden Erfindung zur Verwendung gespeichert. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird dann zu einer numerischen Übung, wo ein Polynom mit den bestimmten Koeffizienten verwendet wird, um den korrekten Fluss aus den erfassten Variablen zu berechnen. Diese Linearisierung kann für einzelne Gase wiederholt und innerhalb des EEPROM oder anderen Speicherorten innerhalb der vorliegenden Erfindung gespeichert werden.
Eine dynamischen Einstellung bietet die Fähigkeit, den Fluss während Momentanereignisse zu messen. Eine Logik ist in den Host-PC eingebracht, welche die Sollwertbedingungen einstellt, um so die Flussbedingungen zu kontrollieren und den erwarteten Fluss in einem Momentanzustand zu erzielen.
Eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein System zum Aufzeichnen der tatsächlichen Flusszustände und der erfassten Flusszustände umfassen. Diese Daten können für verschiedene mechanische Plattformen, an welchen die Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung befestigt werden kann, statistisch analysiert werden. Diese Daten können verwendet werden um Trends zu erkennen, in Verbindung mit logischer bzw. künstlicher Intelligenz, wie den Fachleuten bekannt ist. Kontrollparameter können für ein gegebenes Leistungskriterium inkrementiert werden, bis eine solche Leistung optimiert ist.
7 bietet einen Überblick über die diagnostischen Fähigkeiten der vorliegenden Erfindung. Der zweifarbige LED-Kreis 28 stellt eine Statusanzeige bereit. Der LED-Kreis 28 zeigt mit Grün an, dass die vorliegenden Erfindung funktionsbereit ist. Wenn der zweifarbige LED-Kreis 28 rot blitzt, wird ein geringer, behebbarer Fehler angezeigt. Wenn der zweifarbige LED-Kreis 28 dauerhaft Rot anzeigt, ist ein nichtbehebbarer Fehler aufgetreten. Ein Endzustand des zweifarbigen LED-Kreises 28 ist kein Licht, was anzeigt, dass die MFC der vorliegenden Erfindung keinen Strom mehr hat. Der Zustand des zweifarbigen LED-Kreises 28 wird bestimmt, nachdem ein Softwarekode innerhalb der Massenflusskontrollvorrichtung feststellt, ob überwachte Variablen innerhalb spezifizierter Parameter arbeiten. Diese Variablen umfassen Ausgänge aus dem Sensor, Spulenventil, die Umgebungstemperatur des Geräts der vorliegenden Erfindung, die Stromversorgung zur vorliegenden Erfindung, und eine Messung der dynamischen Leistung der vorliegenden Erfindung. Alle nichtbehebbaren Fehler, welche durch den Softwarekode bestimmt werden, werden innerhalb des EEPROM nichtflüchtiger Speicher 26 gespeichert. Zusätzlich können alle Datenwerte über den DeviceNet-Anschluss oder RS485-Anschluss 38 verfügbar gemacht werden. Die Daten von dem RS485-Anschluss oder dem DeviceNet-Anschluss können von einem Software-Diagnostikprogramm erfasst werden, das auf einem tragbaren Computer, wie beispielsweise ein Laptop oder ein anderes Computergerät, läuft. Diese Software stellt dem Nutzer eine Schnittstelle bereit, welche dem Nutzer eine genaue Übersicht der Ergebnisse der innerhalb der vorliegenden Erfindung ablaufenden diagnostischen Routinen bietet. Ein spezialisiertes Werkzeug, wie ein Hand-Diagnostikwerkzeug, kann auch Software-Diagnostikdaten von dem RS485-Anschluss oder von spezifizierten Testpunkten innerhalb der vorliegenden Erfindung erfassen. Für den DeviceNet-Anschluss wird ein getrennter und einzelner Übersetzungsmechanismus eingebracht, um die Ergebnisse der Software-Diagnostik zu lesen. Ein zweites Software-Programm, welche auf einem tragbaren Computer oder einem tragbaren Diagnostikwerkzeug läuft, kann in einer zusätzlichen Ausführungsform konfiguriert werden, um die Ergebnisse der Software-Diagnostik von dem DeviceNet-Anschluss zu lesen.
Die vorliegende Erfindung widmet sich vielen Problemen des Stands der Technik. Hohe Unterhaltskosten eines Nutzers aufgrund nicht geplant und unerwartet versagender Massenflusskontrollvorrichtungen, welche ohne eine Rechtfertigung oft willkürlich ausgetauscht werden. Der Grund ist, dass frühere Massenflusskontrollvorrichtungen als unzuverlässig und nicht verlässlich erkannt wurden, und dass viele Nutzer nicht verstehen, wie eine Massenflusskontrollvorrichtung arbeitet. Wegen diesem Mangel die Funktion der Massenflusskontrollvorrichtung und die mit einer Kalibrierung einer Massenflusskontrollvorrichtung verbundenen Probleme .zu verstehen, ist eine Unterstützung vor Ort erforderlich, um eine technische Unterstützung und Ausfallsanalyse von auffälligen Massenflusskontrollvorrichtungen bereitzustellen, die einmal auf einem System installiert sind. Früher sind Massenflusskontrollvorrichtungen auf der Basis des ausführlichen Sachverstands der Gerätleistung eines einzelnen Technikers eingestellt oder kalibriert worden, wobei Wendelpotentiometer oder veränderliche Widerstände verwendet wurden. Diese Kalibrierung ist eine zeit- und arbeitsraubende Tätigkeit, welche direkt die Gerätleistung beeinträchtigt. Wegen der manuellen Einstellung und Kalibrierung der Massenflusskontrollvorrichtungen des Stands der Technik wird oft eine nichteinheitliche Momentanantwort bei ihrem Einsatz festgestellt. Ferner hat sich gezeigt, dass die Massenflusskontrollvorrichtungen des Stands der Technik äußerst empfindlich auf den Einlassdruck sind. Zudem sind die Massenflusskontrollvorrichtungen des Stands der Technik im allgemeinen analoge Systeme oder eigene RS485-Netzwerke.
Die vorliegende Erfindung zeigt ein System, welches die Fähigkeit für eine Vorwärtskompatibiliät mit mehreren offenen Kommunikationsstandards, wie DeviceNet, LonWorks und Profibus, mit einer noch erhaltenen Rückwärtskompatibilität mit früheren Schnittstellen, enthält.
Die Problemlösung und Analyse von ausgefallenen Massenflusskontrollvorrichtungen haben erfordert, dass die Massenflusskontrollvorrichtungen vom Betrieb und der Einrichtung innerhalb von deren installierten System entfernt werden. Dies ist ein kostspieliger Vorgang, der durch ein direktes Überwachen der Massenflusskontrollvorrichtung im Betrieb vermieden werden kann, wie durch die vorliegende Erfindung erreicht wird. Die vorliegende Erfindung enthält einen digitalen Mechanismus, welcher Sollwert, Spulenstrom, Umgebungstemperatur, Sensorbasiswiderstand und Einlassdruckanzeige, sowie Stromversorgungsspannungen, Flussfehler, Ventilleck und Momentanantwort diskret überwacht. Diese überwachten Parameter können analysiert werden (manuell oder automatisch), um abnorme Trends bei der Funktion des Geräts der vorliegenden Erfindung aufzuspüren und zu bestimmen. Ferner können diese Daten über ein Modem oder eine andere Netzwerkverbindung zu einem Host-PC fernüberwacht werden.
Die Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung enthält keinerlei variable Einstellungen. Dies bietet den Vorteil, dass die gesamte Kalibrierung und Einstellung über eine Speicherung eines einzelnen Satzes von Konstanten, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, digital vervollständigt wird. Ein Zugriff auf die relevanten Speicherorte wird über die zugewiesene RS485-Schnittstelle bereitgestellt. Der Kalibrierungssystemhost, auf welchem die geeignete Software läuft, zusammen mit einer Schnittstellenverbindung zu einer spezifischen Flussmessinstrumentierung, kann die Massenflusskontrollvorrichtung der vorliegenden Erfindung für eine einheitliche, wiederholbare Leistung in statischen und transienten Flusszuständen automatisch kalibrieren und einstellen. Diese einheitlichen transienten Antworten ergeben einen zusätzlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung. Diese einheitlichen transienten Antworten werde durch Verwenden der von dem ausgewählten digitalen Signalprozessor, wie er in dem gewählten Aufbau angewendet wird, bereitgestellten Rechenleistung erzielt. Dieser Aufbau ermöglicht, dass 100% der Kontrollalgorithmen über Software implementiert werden. Die Softwarealgorithmen können Mechanismen enthalten, um einzelne, fallbezogene oder situationsabhängige Parameter aufzurufen, die ausgewählt oder eingestellt werden können, um eine einheitliche und wiederholbare transiente Antwort zu erzielen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Notwendigkeit für teure, stromaufwärts angeordnete Druckregler innerhalb einer Gaszuführung wegfällt. Der digitale Mechanismus der vorliegenden Erfindung hat die Fähigkeit den Einlassdruck über einen zur Verfügung gestellten A/D-Eingang diskret zu überwachen. Es ist wünschenswert, den Einlassdruck zu überwachen und die Massenflusseigenschaften des Ausgangs der vorliegenden Erfindung unempfindlich zu machen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie mehrere, autonome, zugewiesene, digitale Kommunikationsanschlüsse enthält. Der Aufbau der oben beschriebenen Ausführungsform ermöglicht die gleichzeitige Unterstützung von zwei digitalen Netzwerken, vorausgesetzt, dass eines ein RS485-Typ-Netzwerk ist. Der gewählte DSP umfasst ein eingebettetes UART-Peripheriegerät, welches RS485-Netzwerke unterstützen soll. Ein zusätzliches Kommunikationsnetzwerk kann über Lesen und Schreiben auf einen Zweifachanschluss-SRAM unterstützt werden. Die Auswahl des Zweifachanschluss-SRAM als eine Kommunikationspartition ermöglicht die Unterstützung von mehreren, autonomen, austauschbaren Schnittstellen. Die vorliegende Erfindung ist nicht notwendigerweise auf diese beiden Kommunikationsanschlüsse eingeschränkt. Mehrere Kommunikationsanschlüsse von verschiedenen Kommunikationsprotokollen, wie den Fachleuten bekannt ist, können in die vorliegende Erfindung eingebracht werden, um mehrere, autonome, austauschbare Schnittstellen zu erreichen.
Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das eingebettete System Ereignisse basierend auf dem Empfangen von Probenentnahmedaten von dem Flusssignal bei genauen, diskreten Intervallen von 1,68 Millisekunden, verarbeitet. Aufgrund der Rechenleistung des gewählten Aufbaus, beendet der Algorithmus der Kontrolle seine Aufgabe in weniger als 30% dieser Zeit.
Die vorliegende Erfindung stellt frühere Daten, Trends, Analysen und relationale Daten bereit. Solche Daten können archiviert werden, was die Fähigkeit eines Servicetechnikers über ein Hostsystem, das mit einem zugewiesenen Serviceanschluss zum Bestimmen der aktuellen Funktion verbunden ist, zur Ferndiagnose oder lokalen Diagnose verbessert.
Verschiedene Massenflusskontrollvorrichtungen gibt es auf dem Markt. Eine Massenflusskontrollvorrichtung kann einen Linearisierungskreis umfassen, um eine Unterstützung bei der Linearisierung des erfassten Flusssignals zu erhalten. Insbesondere wird Bezug genommen auf die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/350,747, eingereicht am 9. Juli 1999 von T.T. Pattantyus, et al., mit dem Titel "System and Method for Sensor Response Linearization.". Eine Massenflusskontrollvorrichtung kann auch einen verbesserten Massenflussschnittstellenkreis umfassen, der den Massenfluss innerhalb einer Massenflusskontrollvorrichtung durch Erfassen der Widerstandsänderung eines Erfassungswiderstands bzw. Widerstands in Antwort auf den Gasfluss misst. Insbesondere wird Bezug genommen auf den verbesserten Massenflussschnittstellenkreis, welcher offenbart ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/350,746, eingereicht am 9. Juli 1999 von D.S. Larson et al., mit dem Titel "Improved Mass Flow Sensor Interface Circuit.". Ein Massenflusskontrollvorrichtung kann auch eine Differentialkontrollvorrichtung umfassen, welche das erfasste Flusssignal korrigiert, um den tatsächlichen Fluss durch die Massenflusskontrollvorrichtung genauer abzuschätzen. Insbesondere wird Bezug genommen auf die Differentialkontrollvorrichtung, welche offenbart ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/351,120, eingereicht am 9. Juli 1999 von E. Vyers, mit dem Titel "System and Method for a Digital Mass Flow Controller.". Eine PI-Kontrollvorrichtung kann auch in einer Massenflusskontrollvorrichtung umfasst sein, um ein Ventilsteuersignal zur Kontrolle eines Ventils in der Massenflusskontrollvorrichtung zu erzeugen. Die PI-Kontrollvorrichtung kann die Antwortgeschwindigkeit der Massenflusskontrollvorrichtung erhöhen und für eine nichtlineare Antwort des Ventils an das Ventilsteuersignal ausgleichen. Insbesondere wird Bezug genommen auf die PI-Kontrollvorrichtung, welche offenbart ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/351,098, eingereicht am 9. Juli 1999 von E. Vyers, mit dem Titel "System and Method for a Variable Gain Proportional-Integral (PI) Controller.". Schließlich kann das Ventilsteuersignal in einer Massenflusskontrollvorrichtung dem Ventilsteuerkreis zugeführt werden, um ein Spulen-betätigtes Ventil zu regeln. Es wird Bezug genommen auf die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/351,111, eingereicht am 9. Juli 1999 von T.T. Pattantyus, mit dem Titel "Method and System for Driving a Solenoid.". Es ist wichtig festzustellen, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, eine Massenflusskontrollvorrichtung zu verwenden, welche die oben beschriebenen Bauteile enthält.

Claims

Massenflusskontrollvorrichtung, welche umfasst: einen Flusssensor (12); ein elektronisches Kontrollsystem (16), welches mit einem Ausgang des Flusssensors gekoppelt ist; ein Kontrollventil (22) und einen Ventiltrieb (18), welcher ein Kontrollsignal (72) von dem elektronischen Kontrollsystem (16) empfängt, wobei das Kontrollsignal (72) verwendet wird, um einen ersten Gasfluss durch das Kontrollventil (22) zu regulieren; ein Umgehungsventil, welches einen Druckabfall erzeugt und ein konstantes Verhältnis eines Flusses durch den Sensor (12) und des Gasflusses durch die Massenflusskontrolleinrichtung aufrechterhält, und wobei das elektronische Kontrollsystem (16) einen Echtzeit-Flussfehler berechnet, wobei ein Algorithmus verwendet wird, welcher ein Eingangssignal einer Reihe von Systemvariablen empfängt, umfassend: ein gewünschter Ausgangsflusssollwert (58); ein Spulenstrom (70); eine Umgebungstemperatur (68); ein Basiswiderstand des Sensors (12); eine Einlassdruckangabe (66); wenigstens eine Versorgungsspannung (62, 64); eine Leckrate durch das Kontrollventil (22); ein Überschuss des tatsächlichen Ausgangsflusses (80) verglichen mit dem gewünschten Ausgangsflusssollwert (58); und das Kontrollsignal (72) dem Kontrollventil (22) anpasst, um den gewünschten Ausgangsfluss basierend auf einen in Echtzeit berechneten Flussfehler zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus als ein polynomischer Ausdruck unter Verwendung von Regressionstechniken abgeleitet ist, wobei der Ausdruck als eine Reihe von Konstanten in einem Speicherort (26), welcher dem elektronischen Kontrollsystem (16) zugänglich ist, gespeichert ist.
Massenflusskontrollvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner ein eingebettetes Diagnosesystem (16, 28) umfasst, wobei das Diagnosesystem (16, 28) Fehlerzustände oder mögliche Fehlerzustände in der Massenflusskontrollvorrichtung identifiziert.
Massenflusskontrollvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das eingebettete Diagnosesystem (16, 28) eine visuelle Anzeige der Fehlerzustände oder möglichen Fehlerzustände in der Massenflusskontrollvorrichtung bereitstellt.
Massenflusskontrollvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das eingebettete Diagnosesystem (16, 28) ferner eine Schnittstelle (36, 38) umfasst, um Fehlerzustände oder mögliche Fehlerzustände in der Massenflusskontrollvorrichtung an ein Ferndiagnosesystem (50) zu übermitteln.
Massenflusskontrollvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Ferndiagnosesystem (50) eine historische Datenbank von Fehlerzuständen der Massenflusskontrollvorrichtung und Angaben dieser Fehlerzustände umfasst.
Massenflusskontrollvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das elektronische Kontrollsystem (16) einen Kontrollalgorithmus verwendet, um einen gewünschten Ausgangsfluss durch die Massenflusskontrollvorrichtung unabhängig von Druck- und Flussfluktuationen innerhalb eines Speisungsflusses zu der Massenflusskontrollvorrichtung bereitzustellen.
Massenflusskontrollvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner umfasst: ein Kalibriersystem um die Reihe von Systemvariablen und den tatsächlichen Flussausgang (80) zu überwachen und die Reihe von Konstanten, welchen den polynomischen Ausdruck darstellen, zu berechnen.
Massenflusskontrollvorrichtung nach Anspruch 7, welche ferner umfasst: wenigstens einen Datenkommunikationsanschluss (35), welcher mit dem elektronischen Kontrollsystem (16) gekoppelt ist, und geeignet ist Daten zwischen dem elektronischen Kontrollsystem (16) und wenigstens einem externen Netzwerk auszutauschen.
Massenflusskontrollvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der wenigstens eine Datenkommunikationsanschluss (35) Peripheriegeräte unterstützt, die aus der Gruppe von RS485 oder UART gewählt sind.
Verfahren zum Bestimmen des Massenflusses durch eine Massenflusskontrollvorrichtung, welches die Schritte umfasst: Erfassen eines Flusses durch einen Sensor (12) und Ausgeben des erfassten Flusses (15) an ein elektronisches Kontrollsystem (16); Aufrechterhalten eines konstanten Verhältnisses zwischen dem Fluss durch den Sensor (12) und dem Fluss durch die Massenflusskontrollvorrichtung; Berechnen eines tatsächlichen Echtzeit-Flusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung innerhalb des elektronischen Kontrollsystems (16); Bestimmen eines Flussfehlers zwischen einem gewünschten Flusssollwert und dem tatsächlichen Echtzeit-Fluss; und Erzeugen eines Kontrollsignals innerhalb des elektronischen Kontrollsystems (16), welches geeignet ist die Position eines Kontrollventils (22) innerhalb der Massenflusskontrollvorrichtung einzustellen; Drosseln des Flusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung um den Flussfehler zu minimalisieren, wobei der Schritt der Berechnung des tatsächlichen Echtflusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung einen Algorithmus verwendet, welcher ein Eingangssignal einer Reihe von Variablen empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus unter Verwendung einer Regressionsanalyse bestimmt wird und durch eine Reihe von Konstanten dargestellt wird, welche Faktorwirkungen für die Eingangsvariablen darstellen.
Verfahren zum Kalibrieren einer Massenflusskontrollvorrichtung, welches die Schritte umfasst: Messen des tatsächlichen Echtzeit-Flusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung mit einem Flussmessinstrumentensystem; Erfassen einer Reihe von Systemvariablen, die mit einer Massenflusskontrollvorrichtung verbunden sind, wobei die Variablen umfassen: einen gewünschten Ausgangsflusssollwert (58); einen Spulenstrom (70); eine Umgebungstemperatur (68); einen Basiswiderstand eines Sensors (12); eine Einlassdruckangabe (66); wenigstens eine Versorgungsspannung (62, 64); eine Leckrate durch das Kontrollventil (22); einen Echtzeit-Flussfehler zwischen einem tatsächlichen Ausgangsfluss (80) verglichen mit dem gewünschten Ausgangsflusssollwert (58); gekennzeichnet durch Modellieren eines vorhergesagten Flusses durch die Massenflusskontrollvorrichtung mit einer Regressionsanalysetechnik, um eine multivariable Antwortfunktion zu erzeugen, die eine Antwort der Massenflusskontrollvorrichtung an die Systemvariablen beschreibt; und Eingeben der multivariablen Antwortfunktion in ein elektronisches Kontrollsystem (16), welches geeignet ist den Fluss durch die Massenflusskontrollvorrichtung zu regulieren.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner die Schritte umfasst: Ablegen der multivariablen Antwortfunktion in einem Speicherort innerhalb des elektronischen Kontrollsystems.