FI114507B - Laitediagnostiikkajärjestelmä - Google Patents

Description

114507

Laitediagnostiikkajärjestelmä

Keksintö koskee yleisesti laitediagnostiikkaa teollisuusprosesseissa 5 ja erityisesti kenttäväylää käyttävien prosessinohjausjärjestelmien ja kenttä-laitteiden hallintajärjestelmien yhteydessä.

Prosessinohjausjärjestelmät ohjaavat teollisuusprosessia erilaisten prosessiin liitettyjen kenttälaitteiden, kuten säätölaitteet, ohjauslaitteet, anturit, lähettimet ja vastaavat. Tyypillinen kenttälaite on säätöventtiili, joka on varus-10 tettu venttiilinohjaimella, kuten Neles Automation:in venttiilinohjain ND800. Niin sanotut älykkäät kenttälaitteet on varustettu ohjauslogiikalla tai -ohjelmistolla, joka mahdollistaa kenttälaitteen ohjaamisen paikallisesti esimerkiksi sopivan ohjausalgoritmin avulla, sekä status- ja mittausdatan keräämisen sekä kommunikoinnin automaatiojärjestelmän tai erityisen kenttälaitteiden hallintajär-15 jestelmän kanssa jonkin kenttäkommunikointiprotokollan, kuten HART (Highway Addressable Remote Transducer) protokollan, mukaisesti. Lisäksi älykkäät kenttälaitteet sisältävät jo nykyisin sen verran diagnostiikkaa, että kenttälaite osaa kertoa vikaantumisestaan. Tätä tietoa voidaan hyödyntää kunnossapidon kohdentamisessa, mikä pienentää kunnossapidon kustannuk-20 siä turhien laitetestausten vähentyessä. Lisäksi laitoksen (tehtaan) käyttöaste kasvaa ennakoimattomien seisokkien vähentymisen myötä.

: Tyypillinen automaatiojärjestelmä käsittää valvontahuoneen tieto- koneet, tietokannat sekä prosessinsäätöohjelmat ja käyttöliittymät. Kenttälait-: teiden ja muun järjestelmän välinen yhteys voidaan järjestää erilaisilla vaihto- ·;·· 25 ehtoisilla tavoilla. Perinteisesti kenttälaitteet on kytketty ohjausjärjestelmään .···. kaksijohtimisilla kierrettyjen parien muodostamilla silmukoilla, jolloin kukin laite

.···, on kytketty säätöjärjestelmään yhdellä kierretyllä parilla, joka tuottaa 4-20 mA

analogisen sisääntulosignaalin. Prosessinsäädin (PID) on sijoitettu keskitettyyn tietokonejärjestelmään valvomossa. Tämän tyyppistä prosessinsäätöjär-;;; 30 jestelmää kutsutaan usein suoraksi digitaaliseksi ohjaukseksi (DDC, Direct Di- • ’ gital Control). Säätöjärjestelmien kehityksen seuraavassa vaiheessa käytetään hajautettua säätöjärjestelmää (DCS, Distributed Control System), jossa pro-·. sessisäätimet (PID) on hajautettu useisiin tietokoneisiin teollisuuslaitoksessa.

Hajautetut tietokoneet ja valvomossa oleva keskustietokone voivat olla kyt-35 ketty toisiinsa esimerkiksi paikallisella dataverkolla tai dataväylällä, mutta erillään olevat kenttälaitteet on yhä kytketty prosessisäätimiin kaksijohtimisilla 2 1 1 4507 kierretyillä pareilla. Viime aikoina on säätöjärjestelmissä käytetty uusia ratkaisuja, kuten Highway Addressable Remote Transducer (HART) -protokolla, joka sallii lähettää digitaalista dataa yhdessä perinteisen 4-20 mA analogisen signaalin kanssa kierretyn parin muodostamassa silmukassa. Viimeisin kehi-5 tysvaihe on kenttäohjausjärjestelmä (FCS, Field Control System), joka käyttää digitaalista suurinopeuksista verkkoa tai dataväylää yhdistämään valvomotie-tokoneen ja kenttälaitteet. Perinteiset analogiset 4-20 mA signaalit on jätetty pois FCS:ssä. Instruments Society of America (ISA) on määritellyt uuden lii-kenneprotokollan, jota yleisesti kutsutaan nimellä Fieldbus.

10 Kenttäväylä voidaan kytkeä periaatteessa kaikkiin prosessilaitteisiin, jolloin laitteet voivat raportoida itsediagnostiikkatietonsa kenttäväylää pitkin esimerkiksi kunnossapidon tietokoneelle. Kaikki prosessilaitteet eivät kuitenkaan tue väyläliityntää ja itsediagnostiikkaa. Esimerkiksi pumput, sekoittimet, jauhimet, seulat, telat, vaihteet ovat laitteita, joita ei useinkaan ole ollut tarvetta 15 liittää kenttäväylään. Joissakin tapauksissa olisi kuitenkin hyödyllistä seurata myös sellaisten laitteiden diagnostiikkatietoja, jotta saataisiin ajoissa tietoa esimerkiksi niiden huoltotarpeesta. Kenttäväylän kaapelointi tällaisiin laitteisiin vain tätä tarkoitusta varten on kuitenkin usein liian suuri kustannustekijä. Kymmenien metrien kenttäväyläkaapelien veto sivummalla tehtaassa olevalle 20 laitteelle voi asennustöineen merkitä jopa kymmenien tuhansien markkojen kustannuksia. Lisäksi laitteeseen tarvitaan l/O-elektroniikka kenttäväylään liit- • * tyrnistä ja kommunikointia varten. Esimerkiksi Fieldbus-kenttäväylä vaatii tyy-pillisesti 16-bittisen mikroprosessorin sekä oheiselektroniikan. Tämä liityntä-elektroniikka aiheuttaa myös huomattavia lisäkustannuksia.

25 US-patentti 5793963 tuntee ohjausjärjestelmän, jossa kenttälaitteet on kytketty valvomoon kaapeloidulla Fieldbus-kenttäväylällä. Lisäksi osaan kenttälaitteista on järjestetty langaton Fieldbus-portti, jonka kautta kenttälai-tetta voidaan ohjata langattoman linkin yli kannettavalla ohjauslaitteella tai työasemalta. Toisin sanoen kenttälaitteella on sekä langaton että langallinen 30 Fieldbus-väylä. Tämän langattoman yhteyden tarkoitus on toimia sekundääri-: senä redundanttisena ohjaustienä redundanttisen langoitetun (hardwired) ; , väylän sijasta sekä mahdollistaa kenttälaitteiden ohjaus suoraan huoltohenki- . löstön toimesta kannettavilla laitteilla. Näin vältetään kaksinkertainen kaape lointi. Langaton Fieldbus-portti kykenee käyttämään yhteistä liityntäelektroniik-'' 35 kaa langallisen väyläliitynnän kanssa ja myös tehonsyöttö kenttälaitteelle saa- : daan langoitetun kenttäväylän kautta.

114507 3 Tällaisen langattoman Fieldbus-portin käyttö ilman langoitettua Fieldbus-väylää poistaisi yllä mainitun kaapelointiin liittyvän ongelman diag-nostiikkasovelluksissa. Kaapeloinnin mukana katoaisi myös tehonsyöttö väylä-ja diagnostiikkaelektroniikalle, jolloin tehonsyöttö pitää järjestää paikallisesti.

5 Varsinkin liitäntäelektroniikan tehonkulutus on suuri. Edelleen, vaikka tehonsyöttö kyettäisiinkin järjestämään, diagnostiikka- ja väyläliitäntäelektroniikka nostaisivat diagnostiikkayksikön hinnan merkittävän korkeaksi, tuhansiksi markoiksi. Tämä hinta olisi liian korkea monien prosessilaitteiden tapauksessa, joiden diagnosointi olisi muutoin kiinnostavaa automatisoida.

10 Keksinnön tavoitteena on ratkaisu, jolla voidaan edullisella ja yk sinkertaisella tavalla toteuttaa prosessilaitteiden diagnosointi kenttäväyläym-päristössä.

Tämä saavutetaan patenttivaatimuksen 1 mukaisella järjestelmällä, patenttivaatimuksen 7 mukaisella kenttälaitteella ja patenttivaatimuksen 14 15 mukaisella diagnostiikkalaitteella.

Keksinnön perusajatuksen mukaisesti tarkkailtavan prosessilaitteen yhteyteen sijoitetaan yksinkertainen etädiagnostiikkalaite, jossa ensisijaisesti vain diagnostiikkatietojen keräämiseen tarvittava elektroniikka ja anturit sekä lähetinosa, jolla diagnostiikkatiedot voidaan lähettää lyhyen kantaman 20 päähän yksinkertaisella ja edullisella langattomalla siirtotekniikalla. Laitoksessa, kuten tehtaassa, tarkkailtavan prosessilaitteen lähettyvillä (mainitun lyhyen :.· · kantaman sisällä) oleva älykäs kenttälaite, joka on kytketty langalliseen kent- täväylään, varustetaan vastaanottimella, jolla etädiagnostiikkalaitteen lähettä-: mät diagnostiikkatiedot voidaan vastaanottaa. Tämä älykäs kenttälaite on esi- 25 merkiksi venttiilinohjain, jolla ohjataan kyseisessä pisteessä venttiiliä. Kenttä-. *, laite käsittää venttiilin ohjaukseen sekä kenttäväyläkommunikointiin tarvittavan älykkyyden samoin kuin kenttäväyläliitynnän. Keksinnössä tätä kapasiteettia käytetään myös diagnostiikkatietojen vastaanottamiseen etädiagnostiikkalait-teelta ja tietojen käsittelyyn ainakin siinä määrin että, että diagnostiikkaraportti 30 voidaan lähettää kenttäväylän kautta halutulle ohjaustietokoneelle. Tällä tavoin voidaan etädiagnostiikkalaitteesta jättää pois kaikki tietojen analysointiin ja kenttäväyläliityntään liittyvä prosessointiteho ja elektroniikka, mikä tekee etädiagnostiikkalaitteesta hyvin yksinkertaisen ja edullisen. Näin niitä voidaan sijoittaa mihin tahansa prosessilaitteeseen, jonka lähettyvillä on tätä ominai-35 suutta tukeva kenttälaite. Minkäänlaista kenttäväyläkaapelointia ei tarvita.

Koska keksintö edullisesti hyödyntää olemassa olevaa käsittelykapasiteettia ja 114507 4 elektroniikkaa, perinteisessä älykkäässä kenttälaitteessa tarvitaan yksinkertaisimmillaan vain vastaanotin mainittua langatonta linkkiä varten sekä hieman uudelleenohjelmointia. Siksi myös keksinnön mukaisen kenttälaitteen lisähinta rajoittuu lähes pelkästään langattoman vastaanottimen hintaan. Esimerkiksi 5 Bluetooth-teknologiaan perustuva langaton linkki tulee olemaan hyvin halpa.

Näin voidaan periaatteessa kaikki uudet älykkäät kenttälaitteet varustaa tällä vastaanottimella tai ainakin valmiudella, jolloin ne on voidaan esimerkiksi kenttäväylän kautta joustavasti konfiguroida tukemaan lähettyvillä olevia etä-diagnostiikkalaitteita.

10 Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa kenttälaite suorittaa mahdollisimman paljon diagnostiikkalaitteelta vastaanotetun raakadatan analysointia. Näin kenttäväylän kautta lähetetään vain jalostettuja diagnostiikkara-portteja, mikä vähentää kenttäväylän kuormitusta. Kenttälaite voi esimerkiksi lähettää diagnostiikkaraportin määräajoin, vasteena ohjaustietokoneen pyyn-15 nölle ja/tai diagnostiikkatietojen osoittaessa prosessilaitteen huoltotarpeen tai normaalista poikkeavan toiminnan. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa kenttälaite kuitenkin lähettää diagnostiikkatiedot eteenpäin oleellisesti sellaisenaan, jolloin käsittely rajoittuu lähinnä diagnostiikkatietojen saattamiseen kenttäväylällä siirrettävissä olevaan formaattiin.

20 Etädiagnostiikkalaitteen sijoituspaikka on todennäköisesti usein sellainen, että laitteelle ei voida helposti järjestää kiinteää sähkönsyöttöä. Sähkönsyötön järjestäminen pitkillä kaapeleilla ei tyypillisesti ole järkevää, kun keksinnön eräänä tarkoituksena oli välttää lisäkaapelointia. Tämän vuoksi etä-: diagnostiikkalaite tulee olemaan tyypillisesti akkukäyttöinen ja/tai synnyttää 25 tarvitsemansa sähköenergian paikallisesti. Tämänkin vuoksi keksinnön mu-.·*·, kaisen etädiagnostiikkalaitteen minimaalinen elektroninen piiristö on merkittä- \Y.t vä etu. Sähköenergian generointi voi tapahtua jollakin perinteisellä tavalla, kuten aurinkokennoilla. Yleensä kuitenkin tarkkailtavan prosessilaitteen yhteydessä on mekaanista energiaa, joka on muutettavissa sähköenergiaksi. Täl-: 30 laista on esimerkiksi liike-energia, kuten tärinä. Myös melu eli ilmanpainevaih- telut voidaan muuttaa sähköenergiaksi. Prosessilaitteisiin liittyy hyvin usein pneumaattisia tai hydraulisia ohjauksia, jolloin tällaisen putkiston paineilmaa tai hydraulipainetta voidaan hyödyntää sähköenergian tuottamisessa. Yleisesti keksinnön eräässä suoritusmuodossa etädiagnostiikkalaitteen teholähde kä-: 35 sittää energiakonvertterin, joka muuntaa prosessilaitteen mekaanista energi- aa, kuten liike-energia tai melu, tai prosessilaitteelle syötetyn hydraulisen pai- 114507 5 neen tai paineilman energiaa sähköiseksi energiaksi, josta muodostetaan käyttöjännite diagnostiikkaelektroniikalle ja lähetinosalle.

Keksintöä selitetään seuraavassa ensisijaisten suoritusmuotojen avulla viitaten oheisiin piirroksiin, joissa 5 kuvio 1 esittää lohkokaavion eräästä automaatiojärjestelmästä, jos sa keksintöä voidaan soveltaa, kuvio 2 on lohkokaavio, joka havainnollistaa toista automaatiojärjestelmän arkkitehtuuria, kuvio 3 on keksinnön mukaisen etädiagnostiikkamodulin lohkokaa- 10 vio, kuvio 4 on keksinnön mukaisen digitaalisen venttiilinohjaimen lohkokaavio.

Esillä olevaa keksintöä voidaan soveltaa kaikissa teollisuusprosesseissa tai vastaavissa, joissa on kenttäväylään liitettyjä älykkäitä kenttälaitteita.

15 Älykkäillä kenttälaitteilla tarkoitetaan tässä mitä tahansa prosessiin tai automatisoituun järjestelmään tai sen ohjaukseen liittyvää laitetta, jota halutaan valvoa ja joka kykenee tuottamaan laitteen kuntoa suoraan tai epäsuorasti kuvaavaa tietoa, ns. kuntotietoa. Tyypillinen tällainen älykäs kenttälaite on venttiiliohjaimella varustettu säätöventtiili.

20 Kuviossa 1 on esitetty periaatteellinen lohkokaavio prosessiautomaa- tiojärjestelmästä sekä siihen liitetystä keksinnön mukaisesta kenttälaitteiden • : ; kunnonvalvontajärjestelmästä. Automaatiojärjestelmä muodostuu valvomo- • ·» > . ·, ; ohjelmista ja tietokannoista 11 sekä prosessinohjausohjelmista ja l/O-osasta 12.

. Ohjaus- ja l/O-osa 12 on kytketty HART-standardin mukaisten väylien kautta 25 älykkäille kenttälaitteille, jotka muodostuvat säätöventtiileistä 14, 15 ja 16 sekä venttiiliohjaimista 14A, 15A ja 16A. Venttiilinohjain voi olla esimerkiksi Neles Automation^ ND 800. HART (Highway Addressable Remote Transdurer) pe-•' rustuu digitaalisen datan lähettämiseen yhdessä perinteisen 4-20 mA analogi sen signaalin kanssa. HART mahdollistaa 2-suuntaisen kommunikoinnin, jonka Γ 30 avulla voidaan ohjata älykkäitä kenttälaitteita ja lukea niistä tietoa. HART- *: protokolla seuraa OSI:n (Open System Interconnection) protokollapinon refe- renssimallia, jonka on kehittänyt International Organization for Standardization (ISO). Kerroksissa 7 (sovelluskerroksessa) siirretään HART-käskyjä. HART-käskykanta sisältää kaikkien kenttälaitteiden ymmärtämiä yleiskäskyjä sekä lai- 35 tespesifisiä käskyjä, jotka tuottavat toimintoja, jotka on rajoitettu yksittäiseen *: laitteeseen (laitetyyppiin). HART-protokolla mahdollistaa sekä pisteestä- 114507 6 pisteeseen konfiguraation (point-to-point), jossa kunkin kenttälaitteen ja master-yksikön välillä on oma väylä (lankapari), tai multidrop-konfiguraation, jossa samaan kenttäväylään (lankapariin) on kytketty jopa 15 kenttälaitetta. HART-protokolla on kuvattu tarkemmin esimerkiksi julkaisussa HART Field Communi-5 cation Protocol: An Interduction for Users and Manufacturers, HART Communication Foundation, 1995. HART-protokolla on muodostunut myöskin teollisuusstandardiksi. On kuitenkin ymmärrettävä, että esillä olevan keksinnön kannalta kenttäkommunikointirajapinnan, eli kenttäväylän ja sen käyttämän protokollan tyyppi tai toteutus ei ole merkityksellinen.

10 Kenttälaitteiden kuntoa tarkkaillaan keksinnön mukaisella kenttäiait- teiden kunnonvalvontajärjestelmällä 10, joka kerää tietoa kenttälaitteilta. Tätä varten kenttälaitteet 14, 15 ja 16 on kukin kytketty omalla kenttäväylällään tavanomaiseen HART-multiplekseriin 9, joka puolestaan on kytketty RS-485-väylän 8 kautta PC-tietokoneeseen 6, jossa on käyttöjärjestelmänä esimerkiksi 15 Windows 95/98 tai Windows NT. Työasema 6 on lisäksi liitetty tehtaan paikallisverkkoon LAN (jonka kautta se voi kommunikoida esimerkiksi valvomo-ohjelmistojen kanssa). Keksinnön mukaiset etädiagnostiikkamodulit 1, jotka on sijoitettu esimerkiksi pumppujen 2 päälle, lähettävät diagnostiikkatietoja Blue-tooth-linkin 17 yli kenttälaitteille 14A, kuten alla tullaan tarkemmin selittämään.

20 Pumppu 2 siirtää materiaalivirtaa eteenpäin putkistossa 4. Pumpun moottoria on havainnollistettu viitenumerolla 3. Pumppu on kuitenkin vain yksi esimerkki pro-i : : sessilaitteesta, jonka yhteydessä etädiagnostiikkamodulia voi käyttää. Keksintö soveltuu kuitenkin minkä tahansa laitteen diagnosointiin, muina esimerkkeinä . mainittakoon sekoittimet, jauhimet, seulat, telat ja vaihteet.

25 Työasema 6 sisältää kenttälaitteiden kunnonvalvontaohjelmiston, ,··, jonka tarkoituksena on kerätä tietoa älykkäiltä kenttälaitteilta 14-16. Tämä tie- donkeruu on täysin automaattista eikä siinä tarvita ihmisiä. Kerätystä tiedosta voidaan analysoida laitteen kunto, ja kunnosta kertova viesti voidaan lähettää toiseen järjestelmään kuten tehtaan automaatiojärjestelmän muihin osiin, esi-: 30 merkiksi valvomosovelluksen näytölle.

.: Kuviossa 2 on havainnollistettu esimerkkinä toista kenttäväyläpohjai- sen automaatiojärjestelmän arkkitehtuuria. Joukko tietokoneita, esimerkiksi val-vomotietokone 21 (control room computer), liiketoimintatietokone 21 (business • ‘ computer), huolto-osaston tietokone 23 (service department computer) sekä in- : 35 ternet-linkki 24 on kytketty suurinopeuksiseen (100 Mbps) ethernet-verkkoon et- .: hernet-kytkimellä 20. Ethernet-verkkoon on kytketty myös joukko välitinlaitteita 114507 7 25A, 25B ja 25C (linking devices), jotka yhdistävät ethernet-verkon H1 Fieldbus-tyyppisiin kenttäväylälohkoihin 27, joiden nopeus on 31,25 kbps. Kenttäväylään 27 on kytketty erilaisia älykkäitä kenttälaitteita, kuten lähettimiä (transmitter) 28A ja 28 B tai asennoittimia (positioner) 29A ja 29B. Pumppuihin 2 kiinnitetyt kek-5 sinnön mukaiset diagnostiikkamodulit 1 muodostavat langattoman linkin 17 esimerkiksi asennoittimien 29 kanssa.

On kuitenkin huomattava, että kenttäväylän, kunnonvalvontajärjestelmän tai automaatiojärjestelmän tarkalla rakenteella ei ole keksinnön perusajatuksen kannalta merkitystä eikä keksintöä ole tarkoitus rajoittaa yllä esitettyi-10 hin esimerkkeihin. Seuraavassa kuvataankin tarkemmin vain etädiagnostiikka-modulin 1 ja älykkään kenttälaitteen, kuten asennoittimen 29, toteutusta ja toimintaa.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen etädiagnostiikkkamodulin periaatteellinen lohkokaavio. Luonteensa mukaisesti diagnostiikkamoduli 1 kä-15 sittää aina jonkinlaisen laitteiston, jolla voidaan mitata tai tarkkailla kohdelaitteen haluttua ominaisuutta tai ominaisuuksia. Tyypillisesti tällainen diagnostiikkalait-teisto käsittää jonkin tyyppisen anturin. Tarkkailemalla ja mittaamalla erilaisia laitteiden ominaisuuksia, kuten esimerkiksi paineen, lämpötilan, värähtelytaajuuden yms. muutoksia, voidaan löytää usein riittävällä luotettavuudella laittees-20 sa olevia vikoja, kulumia tai asennusvirheitä. Esimerkiksi suurin osa tuotteista sisältävät niille ominaiset värähtelytaajuudet, joista voidaan päätellä niiden kun- • ;'; to. Syynä siihen ovat laitteissa olevat lukuisat erilliset osat, jotka muodostavat yhdessä monimutkaisen värähtelysysteemin. Nämä taajuudet muuttuvat her- t * . , *, kästi pienimmistäkin mekaanisista muutoksista, ja on mahdotonta rakentaa kak- • * * , , , 25 si erillistä tuotetta, joilla kummallakin olisi täsmälleen samat värähtelytaajuudet.

Näinollen tutkimalla laitteiden ominaisvärähtelytaajuuksia on helppo havaita pienimmätkin niissä esiintyvät muutokset, kulumiset, rikkoutumiset yms. viat. Kuviossa 3 esitetty keksinnön ensisijainen suoritusmuoto on varustettu kiihtyvyysanturilla 31, joka kiinnitetään pumpun tai jonkin muun diagnosoitavan lait-30 teen kylkeen. Kiihtyvyysanturi mittaa pumpun tärinän aiheuttamia kiihtyvyyksiä ja tuottaa siten tärinän taajuuteen ja amplitudiin verrannollisia näytteitä. Muita tyypillisiä antureita voivat olla paineanturi ja lämpötila-anturi. Keksinnön perusajatuksen kannalta on sinänsä merkityksetöntä minkälaista suuretta mitataan tai minkälaista anturia tai muuta laitetta mittaukseen käytetään. Ohjausyksikkö 32 : 35 lukee näytteitä kiihtyvyysanturilta 31 jatkuvasti, tai sopivin väliajoin, tai jonkin : muun kriteerin mukaisesti, ja siirtää näytteet langattomalle lähettimelle 33 lähe- 114507 8 tettäväksi edelleen langattoman linkin 17 yli kenttälaitteelle. Lähetin 33 on edullisesti Bluetooth-teknologiaan perustuva lähetin. Bluetooth on määritelty standardissa ’’Specification of the Bluetooth system, v1.0 B, December 1st 1999”, jota joukko yrityksiä on kehittämässä lyhyen kantaman radiotaajuisen tiedonsiirtoon 5 laitteiden välillä. Esimerkkeinä mainittakoon esimerkiksi langaton tiedonsiirto matkapuhelimen ja tietokoneen välillä tai langaton tiedonsiirto tietokoneen ja oheislaitteen, kuten kirjoittimen välillä. Bluetooth-tekniikassa pyritään suuriin valmistusmääriin, jolloin yksittäisen Bluetooth-lähetin/vastaanotinkomponentin hinta muodostuu hyvin alhaiseksi. Periaatteessa kuitenkin langaton lähetin 33 10 voidaan toteuttaa minä tahansa langattomana radio- tai infrapunalähettimenä, joka tarjoaa kulloiseenkin sovellukseen riittävän kantomatkan. Etädiagnostiik-kamodulin 1 yksinkertaisimmassa konfiguraatiossa anturin 31 näytedata voi olla suoraan Bluetooth-lähettimelle 33 sopivassa muodossa, jolloin ohjausyksikköä 32 ei tarvita lainkaan. Mikäli ohjausyksikkö 32 on mukana, se voi yksinkertai-15 simmillaan muuntaa kiihtyvyysanturin 31 näytesignaalin Bluetooth-lähettimelle 33 sopivaan muotoon ja/tai koordinoida ja ajastaa näytteiden lähetyksen. Monimutkaisemmassa tapauksessa ohjausyksikkö 32 voi sisältää myös erilaista näytteiden prosessointia tai jopa karkeaa analysointia. Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa kuitenkin halutaan etädiagnostiikkalaitteille mahdollisimman 20 yksinkertainen ja halpa sekä vähän virtaa kuluttava rakenne, joten ohjausyksikön 32 prosessointikapasiteetti on jätetty vähäiseksi. Bluetooth-lähetin 33 ja oh- : : jausyksikkö 32 voidaan toteuttaa esimerkiksi yhdellä BluecoreOI integroidulla • « , i piirillä, jota valmistaa Cambridge Silicon Ltd (CSR). BluecoreOI sisältää sekä [,· Bluetooth-lähetinvastaanottimen että 16-bitin Risc-prosessorin.

: 25 Teholähde 34 tuottaa tarvittavan käyttöjännitteen tai käyttöjännitteet : etädiagnostiikkamodulin elektroniikalle. Mikäli teholähde on mahdollista kytkeä sijoituspaikalla sähköverkkoon, se voi olla tavanomainen verkkolaite. Tyypillisesti verkkosähkösyöttöä ei ole helposti saatavilla modulin asennuspaikassa, ,jolloin diagnostiikkamodulin täytyy olla akkukäyttöinen ja/tai tuottaa itse tarvitse-30 mansa sähköenergia. Esimerkiksi pumppu tärisee aina käynnissä ollessaan.

': · ’ Samoin esimerkiksi sekoitin, jauhin tai tela tärisee ja meluaa toimiessaan. Tärinä ' . ja melu ovat energiaa. Tärinä (liike-energia) voidaan muuttaa sähköenergiaksi : esimerkiksi laittamalla magneetti liikkumaan tärinän mukana kelan sisällä, jolloin kelaan indusoituu jännite. Kelaan indusoituvalla jännitteellä voidaan ladata ak-35 kua tai se voidaan varastoida kondensaattoriin. Kun kondensaattorin tai akun varaustila on riittävä, ohjausyksikkö 32 aktivoituu ja lukee kiihtyvyysanturilta 31 114507 9 lyhyehkön aikajakson mittausdataa ja siirtää sen lähettimelle 33 lähetettäväksi Bluetooth-datapakettina kenttälaitteelle. Tällöin siis diagnostiikkamoduli ’’herää” eloon aina, kun kondensaattori tai akun varaustila on riittävä. Vastaavasti myös melu voidaan muuttaa sähköenergiaksi esimerkiksi mikrofonin avulla. Myös 5 pietsosähköisiä kiteitä voidaan käyttää jännitteen generointiin. Lisäksi monet prosessilaitteet, joita halutaan tarkkailla, on kytketty pneumaattiseen tai hydrauliseen putkistoon, missä tapauksissa sähköenergia voidaan tuottaa paineilmasta tai hydraulipaineesta mekaanisen generaattorin kuten turpiinityyppisen ratkaisun avulla. Esimerkiksi venttiilit toimivat tyypillisesti pneumaattisesti paineilmalla.

10 Kuvio 4 havainnollistaa keksinnön mukaista kenttälaitetta. Kuvion 4 esimerkissä keksinnön mukainen toiminnallisuus on toteutettu olemassa olevaan kenttälaitteeseen, kuten digitaalinen venttiilinohjain tai asennoitin ND800. Digitaalinen venttiilinohjain käsittää pneumaattisen ohjausosan 42, joka muodostaa pneumaattisen syöttöpaineen putkien C1 ja C2 kautta toimilaitteen 46 15 sylinteriin männän 460 ylä- ja alapuolelle. Jos paine männän 460 yläpuolella kasvaa mäntä siirtyy alaspäin, ja päinvastoin. Männän liike puolestaan muuttaa venttiilin aukeamaa. Männän liikkeestä voidaan muodostaa venttiilin asentoon verrannollinen signaali anturilla 431. Digitaaliseen venttiiliohjaimeen kuuluu myös sähköinen ohjausosa 43, joka on rakennettu mikroprosessorin 430 ympä-20 rille. Lisäksi digitaalinen venttiilinohjain käsittää väyläliitännän 44, jolla se liitetään 40-20 mA HART-väylään 45, joka menee esimerkiksi multiplekserille 18, : : kuten kuviossa 1 on havainnollistettu. Väylä 45 voi olla myös jokin muu väylä, '· kuten Foundation Fieldbus -väylä. Tavanomainen digitaalinen venttiilinohjain vastaanottaa ohjauksen HART-väylän kautta väyläliityntään 44, josta mikropro-·:·*: 25 sessori 430 lukee ohjaustiedon. Tämän perusteella mikroprosessori 430 sitten :" ’: muodostaa ohjaussignaalit pneumaattiselle ohjaukselle 42. Mikroprosessori 430 .·*. mahdollistaa myös erilaisten diagnostiikkaominaisuuksien rakentamisen venttii- linohjaimen sisään. Mikroprosessori 430 voi esimerkiksi suorittaa reaaliaikaista ,; _ seurantaa keräten diagnostiikkatietoja ja havaiten mahdolliset poikkeamat hy- 30 väksytyistä suoritusarvoista. Täten digitaalisella venttiilinohjaimella on jo nykyi-; sessä muodossaan sekä kaikki kenttäväylään liittymiseen tarvittava elektroniikka ja prosessointikapasiteetti että myös tiedonkäsittelykapasiteettia diagnostiikka-tietojen analysointiin ja raportointiin. Kuvion 4 suoritusmuodossa ainoa lisäkom-ponentti, joka tarvitaan nykyiseen digitaaliseen venttiilinohjaimeen ND800 on 35 langaton vastaanotinpiiri 41, kuten Bluetooth-vastaanotinkomponentti (esimerkiksi BluecoreOI, Cambridge Silicon Radio Ltd). Vastaanotin 41 vastaanottaa 114507 10 diagnostiikkatiedot langattoman linkin 17 yli etädiagnostiikkamodulilta 1. Mikroprosessori 430 lukee vastaanotetut diagnostiikkatiedot vastaanottimelta 41 linjan tai väylän 47 kautta. Mikroprosessori 430 tallentaa diagnostiikkatiedot muistiin ja analysoi niitä. Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa mikroprosessori 430 5 suorittaa mahdollisimman paljon diagnostiikkatietojen analysointia. Sitten mikroprosessori 430 lähettää väyläliitännän 44 ja kenttäväylän 45 kautta esimerkiksi valvontatietokoneelle 6 (kuvio 1) vain jalostettuja diagnostiikkaraportteja. Mikroprosessori 430 voi esimerkiksi lähettää diagnostiikkaraportin määräajoin, vasteena ohjaustietokoneen pyynnölle ja/tai kun analysointi osoittaa tarkkailtavan 10 laitteen huoltotarpeen tai normaalista poikkeavan toiminnan.

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa mikroprosessorin 430 suorittama diagnostiikkatietojen analysointi perustuu TESPAR-menetelmään (Time Encode Signal Processing and Recognition). TESPAR on nykyaikainen signaalianalyysimenetelmä, joka käyttää hyväksi aaltomuotojen aikatasossa 15 olevaa tarkkaa matemaattista kuvausta, joka perustuu polynomiteoriaan ja nollien sijaintiin. TESPARin avulla esimerkiksi kiihdytysanturin antamista näytteistä voidaan eräänlaisen tilastollisen käsittelyn avulla muodostaa esimerkiksi yksiulotteinen tai kaksiulotteinen histogrammi tai matriisi, joka kuvaa laitteen toimintaa tietyssä tilanteessa. Matriisi on siten eräänlainen sormenjälki, joka identi-20 fioi laitteen. Mikäli laitteen toiminta muuttuu esimerkiksi vian seurauksena, myös laitteen värähtelytaajuus ja sitä kautta TESPAR-matriisi muuttuu. Vertaamalla : mitattujen diagnostiikkatietojen tuottamaa TESPAR-matriisia tallennettuun, asi- ’·.*-· anmukaisesti toimivan laitteen TESPAR-matriisiin, voidaan tunnistaa laitteen vi- : . kaantuminen tai huollon tarve. Kuviossa 3 mikroprosessori 430 laskee vastaan- ·:··: 25 otetuista diagnostiikkatiedoista TESPAR-matriiseja, joita verrataan muistiin tal-

Annettuihin matriiseihin. Mikäli vertailun perusteella havaitaan tarkkailtavan laitteen huollon tarve tai epänormaali toiminta, mikroprosessori 430 lähettää kent- » täväylän 45 kautta ilmoituksen valvontatietokoneelle 6. Tämä huoltoilmoitus voi sisältää myös esimerkiksi senhetkisen TESPAR-matriisin. Lisäksi mikroproses- ;;; 30 sori 430 voi lähettää TESPAR-matriisin valvontatietokoneelle 6 sopivin väliajoin # *; * * tai tietokoneen 6 sitä pyytäessä. TESPAR-menetelmää on kuvattu artikkelissa

Time for TESPAR, condition monitor no 105, sivut 6-8.

Kun digitaalinen venttiilinohjain on varustettu Bluetooth-vastaan-:, ottimella ja sitä tukevalla perusohjelmalla, mikroprosessori 430 voidaan kenttä- ; ‘ 35 väylän 45 kautta helposti konfiguroida toimimaan keksinnön mukaisella tavalla.

Tyypillisesti kenttäväyläpohjaisessa järjestelmässä kenttälaitteiden toiminnalli- 11 114507 suus kuvataan toimilohkoilla. Esimerkiksi kuviossa 4 mikroprosessori 430 sisältää pneumaattista ohjausta ja toimilaitetta 46 varten oman toimilohkonsa, eli eräänlaisen parametrimäärityksen. Esimerkiksi Foundation Fieldbus on määritellyt noin 60 standardia toimilohkoa. Laitevalmistajat voivat myös laatia omia 5 toimi lohkojaan, edellyttäen että ne toteuttavat Fieldbus Foundationin yleiset määrittelyt. Neljää keksinnön mukaista etädiagnostiikkamodulia 1 tukeva val-mistajaspesifinen toimilohko, DIAG MODULE, voisi sisältää esimerkiksi seuraavanlaisia parametreja. Moduuli 1 on kiinnitetty pumppuun ja moduuli 2 sekoitti-meen.

10 NR_OF_CONNECTED_DIAG_MODULES "4’’ MODULEJ ,DEVICE_TAG ”Pump_001 ” MODULE _1. DEVICE_STATUS ”OK / warning / alarm” MODULE_1.LAST_RECEIVED_PACKET. VALUE ”0x0BA7FAEF” MODULE_1.LAST_RECEIVED_PACKET.TIME_STAMP ”21/03/2000/16:35:001”

MODULE_1 .TESPAR_SETTINGS

MODULE_2.DEVICE_TAG ”Mixer_001” MODULE_2.DEVICE_STATUS ”OK” / warning / alarm” MODULE_2.LAST_RECEIVED_PACKET. VALUE ”0x0BA7FAEF” i I MODULE_2.LAST_RECEIVED_PACKET.TIME_STAMP ”21/03/2000/17:37:003”

*·! MODULE_2.TESPAR_SETTINGS

f « ;··! MODULE_3...

» * Tällaisen toimilohkon avulla kenttälaite, kuten digitaalinen venttii-linohjain, voidaan helposti konfiguroida tukemaan mitä tahansa etädiagnostiik-, kamodulia ja sen tarkkailemaa laitetta. Mikäli kenttälaitteeseen on langatto- ; 15 maila linkillä 17 kytketty useita etädiagnostiikkamoduleita, kullekin etädiagnos- ; * tiikkamodulille lisätään omat määritykset..

Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät rajoitu yllä kuvattuihin esi-; merkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (15)

114507

1. Järjestelmä prosessilaitteen diagnostisoimiseksi, joka järjestelmä käsittää ainakin yhden ohjaustietokoneen (6,23), joka kerää prosessilait-5 teiden (2, 14, 15, 16)diagnostiikkatietoja, kenttäväylän (27,45), kenttälaitteita (14A,15A,16A,18,A,28A,28B,29A,29B), jotka käsittävät ohjausyksikön (430) ja kenttäväyläliitännän (44) kenttäväylään (45) liittymistä ja mainitun ainakin yhden ohjaustietokoneen kanssa kenttäväylän kautta 10 tapahtuvaa kommunikointia varten, tunnettu siitä, että järjestelmä lisäksi käsittää etädiagnostiikkalaitteen (1) , joka on sijoitettu prosessilaitteen (2) yhteyteen erilleen kenttälaitteista ja käsittää diagnostiikkaelektroniikan (31), joka kerää prosessilaitteen diagnostiikkatietoja, sekä lähetinosan (33) diag-15 nostiikkatietojen lähettämiseksi langattomasti (17) yhdelle mainituista kenttä-laitteista, ja että mainittu yksi kenttälaite käsittää vastaanotinosan (41) diagnostiik-katietojen vastaanottamiseksi langattomasti (17) mainitulta etädiagnostiikka-laitteelta (1), mainitun ohjausyksikön (430) ollessa sovitettu käsittelemään 20 vastaanotettuja diagnostiikkatietoja ja siirtämään diagnostiikkaraportti mainitun ; : kenttäväyläliitännän (44) ja kenttäväylän kautta mainitulle ohjaustietokoneelle (6,27).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että etädiagnostiikkalaitteen (1) lähettämä diagnostiikkatieto on oleellisesti , ··, 25 raakadataa, ja että kenttälaite on sovitettu tallentamaan ja analysoimaan vas- * · !:! taanotettuja diagnostiikkatietoja jalostetun diagnostiikkaraportin tuottamiseksi. ' *'1 ’ 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kenttälaite lähettää diagnostiikkaraportin määräajoin, vasteena ohjaustie-tokoneen pyynnölle ja/tai diagnostiikkatietojen osoittaessa prosessilaitteen ;,,,: 30 huoltotarpeen tai normaalista poikkeavan toiminnan.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kenttälaite lähettää diagnostiikkatiedot eteenpäin oleellisesti analysoimattomassa muodossa. .* 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestelmä, 35 tunnettu siitä, että kenttälaite on konfiguroitavissa vastaanottamaan lan- 114507 gattomasti ja käsittelemään diagnostiikkatietoja kahdelta tai useammalta etä-diagnostiikkalaitteelta (1).

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että langaton siirto etädiagnostiikkalaitteen (1) ja kenttä- 5 laitteen välillä perustuu Bluetooth-teknologiaan tai muuhun vastaavaan lyhyen kantaman langattomaan siirtotekniikkaan.

7. Prosessiautomaatiojärjestelmän kenttälaite, joka käsittää ohjausyksikön (430) ja kenttäväyläliitännän (44) prosessiautomaatiojärjestelmän kenttäväylään (27,45) liittymistä ja ainakin yhden ohjaustietokoneen (6,23) 10 kanssa kenttäväylän kautta tapahtuvaa kommunikointia varten, tunnettu siitä, että kenttälaite (14Α,15Α,16Α,1δ,Α,2δΑ,2δΒ,29Α,29Β) käsittää vastaan-otinosan (41) diagnostiikkatietojen vastaanottamiseksi langattomasi (17) etä-diagnostiikkalaitteelta 61), joka on sijoitettu erilleen kenttälaitteesta keräämään toisen prosessilaitteen (2) diagnostiikkatietoja, ja että mainittu ohjausyksikkö 15 (430) on sovitettu käsittelemään vastaanotettuja diagnostiikkatietoja ja siirtä mään diagnostiikkaraportti mainitun kenttäväyläliitännän (44) ja kenttäväylän (27,45) kautta mainitulle ohjaustietokoneelle. δ. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kenttälaite, tunnettu siitä, että etädiagnostiikkalaitteelta (1) vastaanotettu diagnostiikkatieto on oleelli-20 sesti raakadataa, ja että kenttälaite on sovitettu tallentamaan ja analysoimaan vastaanotettuja diagnostiikkatietoja jalostetun diagnostiikkaraportin tuottamiin j seksi.

9. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen kenttälaite, tunnettu : siitä, että kenttälaite lähettää diagnostiikkaraportin määräajoin, vasteena oh- ·:··· 25 jaustietokoneen pyynnölle ja/tai diagnostiikkatietojen osoittaessa prosessilait- . ·' ·. teen (2) huoltotarpeen tai normaalista poikkeavan toiminnan. ,*··. 10. Jonkin patenttivaatimuksen 7-9 mukainen kenttälaite, tun- * · n e 11 u siitä, että kenttälaite lähettää diagnostiikkatiedot eteenpäin oleellisesti analysoimattomassa muodossa. ; 30 11. Jonkin patenttivaatimuksen 7-10 mukainen kenttälaite, tun- • ‘ n e 11 u siitä, että kenttälaite on konfiguroitavissa vastaanottamaan langatto- masti ja käsittelemään diagnostiikkatietoja kahdelta tai useammalta etädiagnostiikkalaitteelta (1).

12. Jonkin patenttivaatimuksen 7-11 mukainen kenttälaite, tun-;* 35 n e 11 u siitä, että langaton siirto (17) etädiagnostiikkalaitteen ja kenttälaitteen 114507 välillä perustuu Bluetooth-teknologiaan tai muuhun vastaavaan lyhyen kantaman langattomaan siirtotekniikkaan.

13. Diagnostiikkalaite prosessilaitetta varten prosessiautomaatio-järjestelmässä, jossa kenttälaitteet (14A,15A,16A,18,A,28A,28B,29A,29B) 5 kommunikoivat kenttäväylän kautta (27,45), tunnettu siitä, että diagnostiikkalaite (1) on kenttäväylästä (27,45) erilleen prosessilaitteen (2) yhteyteen sijoitettava etädiagnostiikkalaite, joka käsittää diagnostiikkaelektroniikan (31), joka kerää prosessilaitteen (2) diagnostiikkatietoja, 10 lähetinosan (33) diagnostiikkatietojen lähettämiseksi langattomasi yhdelle mainituista kenttälaitteista, joka on kytketty kenttäväylään (27,45).

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen diagnostiikkalaite, tunnettu siitä, että diagnostiikkalaitteen (1) lähettämä diagnostiikkatieto on oleellisesti raakadataa, joka analysoidaan kenttälaitteessa tai muualla proses- 15 siautomaatiojärjestelmässä.

15. Patenttivaatimuksen 13 tai 14 mukainen diagnostiikkalaite, tunnettu siitä, että diagnostiikkalaitteen (1) teholähde (34) käsittää ener-giakonvertterin, joka muuntaa prosessilaitteen mekaanista energiaa, kuten liike-energia tai melu, tai prosessilaitteelle syötetyn hydraulisen paineen tai pai- 20 neilman energiaa sähköiseksi energiaksi, josta muodostetaan käyttöjännite diagnostiikkaelektroniikalle (31) ja lähetinosalle (33). * · · ♦ »» · * ♦ · • * t • · • » * ♦ * * * · • » * I « t I • » » 114507