JP2001507834A - 現場装置からの制御信号を有効化するためのプロセスシステム内の装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プロセス制御システム（２）の装置（４０）は、一連の、感知されたプロセス変数と学習されたプロセス・サイクルを表わす命令出力とを記憶するためのメモリ（４８）を含む。比較回路（８０）は、現在のプロセス情報とメモリ（４８）に記憶された、学習されたプロセス情報とを比較し、それに応じて有効化された出力信号を供給する。方法は、プロセスを反復学習し、ある期間にわたって記憶されたプロセス変数と制御信号とから成る学習されたプロセス情報を供給すること、プロセス内のプロセス変数を測定し、それに応じて制御出力を算出すること、制御出力内のプロセス変数を記憶して現在のプロセス情報を供給すること、および現在のプロセス情報と学習されたプロセス情報とを比較し、それに応じて有効化された出力信号を供給することを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 現場装置からの制御信号を有効化するための プロセスシステム内の装置 発明の背景 本発明は、産業上に使用される様式のプロセス制御ループに接続される装置に 関する。より具体的には、本発明は現場装置からの制御信号を有効化することに 関する。 プロセス制御ループは、石油精製などの産業において、プロセスの動作を制御 するために使用される。典型的には、伝送器はループの一部であり、現場に設置 されて、圧力、流量、あるいは温度などのプロセス変数を測定し、それらのプロ セス変数を、例えば、制御室装置に伝送する。バルブコントローラなどのコント ローラもまたプロセス制御ループの一部であり、制御ループを介して受信される か、または内部で発生させられた制御信号に基づいて、バルブの位置を制御する 。 他のコントローラは、例えば、電気モーターやソレノイドを制御する。制御室 装置もまた、プロセス制御ループの一部であり、制御室内の作業者あるいはコン ピュータは、現場の伝送器から受信するプロセス変数に基づいてプロセスを監視 することができ、これに応じて、適当な制御装置に制御信号を伝送することによ って、プロセスを制御することができる。制御ループの一部であり得る他のプロ セス装置は可搬式通信機であり、プロセス制御ループ上のプロセス信号を監視し 、伝送する機能を有する。これらの装置は、通常、ループを形成する装置を構成 するために用いられる。 プロセス制御システム内の制御信号を有効化してループ系全体の信頼性を向上 させることが所望される。典型的には、先行技術は、制御信号を監視すること、 および制御信号が予定限度を超えた場合に警報を鳴らすか、または安全停止を行 なうなどの単純な有効化（validation）技術に限定されていた。他の先行技術は 、同一あるいは異なる制御アルゴリズムを用いて冗長性制御信号を発生し、２つ の制御信号を比較するものである。制御信号が冗長性信号と異なる場合には、制 御信号は有効化されない。 発明の概要 プロセス制御システム内の装置は、一連の感知されたプロセス変数および学習 されたプロセス・サイクルを代表する命令出力を記憶するためのメモリを含む。 比較回路は、新しいプロセス情報とメモリに記憶された学習されたプロセス情報 とを比較し、それに応じて有効化された出力信号を供給する。本発明の１つの特 徴による方法は、プロセスを反復学習し、ある期間にわたって記憶されたプロセ ス変数と制御信号とから成る学習されたプロセス情報を供給すること、プロセス 内のプロセス変数を測定し、それに応じて制御出力を算出すること、制御出力内 のプロセス変数を記憶して新たなプロセス情報を供給すること、および新たなプ ロセス情報と学習されたプ ロセス情報とを比較し、それに応じて有効化された出力信号を供給することを含 む。 図面の簡単な説明 図１は、伝送器、コントローラ、手持ち型通信機、および制御室を含むプロセ ス制御ループの概略図である。 図２は、本発明によるプロセス装置のブロック図である。 図３は、本発明による処理ステップの概略ブロック図である。 図４Ａは２つのプロセス変数と制御信号の学習サイクルの図であり、図４Ｂは 前記２つのプロセス変数と制御信号の処理サイクルの図である。 好ましい実施例の詳細な説明 本発明は、プロセス制御システム内の制御信号を有効化し、プロセス変数を制 御する技術を提供する。典型的には、プロセス変数は当該プロセス内で制御され る一次変数である。本明細書においてプロセス変数とは、例えば圧力、流量、温 度、製品の表面高さ（product level）、ペーハー（ｐＨ）、濁度、振動、位置 、モーター電流、その他のあらゆるプロセス特性などのプロセスの状態を表わす 変数を意味する。制御信号とは、プロセスを制御するのに用いられる、（プロセ ス変数以外の）あらゆる信号を意味する。例えば、制御信号は、所望の温度、圧 力、流量、製品の表面高さ、ペーハー、あるいは濁度などの所望のプロセス変数 値（すなわち設定値）を意味し、その信号は、コントローラによって調整される か、あるいは プロセスを制御するのに用いられる。 さらに制御信号は、較正値、警報、警報状態、バルブアクチュエータに供給さ れるバルブ位置信号などの、制御要素に供給される信号、加熱要素に供給される エネルギーレベル、ソレノイドのオン／オフ信号など、あるいはプロセス制御に 関するその他のあらゆる信号をも意味する。プロセス装置は、プロセス制御ルー プの一部を形成するか、あるいはプロセス制御ループに接続するあらゆる装置を 含み、プロセスの制御または監視に用いられる。 図１は、プロセス制御システム２の１つの例を示す図であり、そのシステムは 、プロセス流体を流すプロセス・パイプ４、およびループ電流Ｉが流れる２線式 プロセス制御ループ６を含む。伝送器８、（アクチュエータ、バルブ、ポンプ、 モーターあるいはソレノイドなどのループ内の最終制御要素に接続する）コント ローラ１０、通信機１２、ｐｃ１３、および制御室１４はすべて、プロセス制御 ループ６の要素である。ループ６の構成が１つの例で示されているが、４−２０ ｍＡループ、２，３，あるいは４線式ループ、マルチードロップ（multi-drop） ループ、およびＨＡＲＴ（登録商標）、フィールドバス（Fieldbus）、あるいは その他のデジタル式かアナログ式の通信プロトコルにしたがって作動するループ などの、あらゆる適当なプロセス制御ループが使用可能なことが理解されるであ ろう。 動作時において、伝送器８は、ケンサ１６を用いて流量などのプロセス変数を 感知し、ループ６を介して、感知したプロセス変数を 伝送する。プロセス変数は、コントローラ／バルブ・アクチュエータ１０、通信 機１２、ｐｃ１３、および／あるいは制御室装置１４によって受信されることも できる。コントローラ１０はバルブ１８に連結されるように図示されており、バ ルブ１８を調整してプロセスを制御し、パイプ４内の流量を変化させる。コント ローラ１０は、例えば制御室１４、伝送器８、あるいは通信機１２から、ループ ６を介して制御入力を受信し、それに応じてバルブ１８を調整する。 他の実施例においては、コントローラ１０は、ループ６を介して受信したプロ セス信号に基づいて制御信号を内部発生する。通信機１２は、図１に示されるよ うに可搬式通信機であってもよいし、プロセスを監視し、演算を行なう固定搭載 のプロセス装置であってもよい。プロセス装置は、例えば、図１に示される伝送 器８、コントローラ１０、通信機１２、および制御室１４を含む。他の様式のプ ロセス装置は、監視、管理、および／あるいは伝送を行なうのに適当なＩ／Ｏ回 路を用いて、ループに接続されたＰＣ、プログラム可能な論理ユニット（ＰＬＣ ）、あるいはその他のコンピュータである。 図１に示されるプロセス装置８、１０、１２、１３、あるいは１４のいずれも 、本発明による制御信号有効化回路を含む。図２は、ループ６の一部を構成する プロセス装置４０のブロック図である。装置４０は包括的に図示されており、プ ロセス装置８から１４のいずれかで構成されてもよい。１つの好ましい実施例で は、装置４０ はｐｃ１３で構成される。制御室装置１４は、例えば、ＰＬＣを含むＤＣＳシス テムで構成されることができ、コントローラ１０もまた、「スマート」（smart ）モーターおよびポンプで構成されることができる。 プロセス装置４０は、ターミナル４４でループ６に接続されたＩ／Ｏ（入出力 ）回路４２を含む。Ｉ／Ｏ回路は、当該技術において既知の、あらかじめ選択さ れた入力および出力インピーダンス有し、装置４０との間の適当な交信を容易に する。装置４０は、Ｉ／Ｏ回路４２に接続されたマイクロプロセッサ４６、マイ クロプロセッサ４６に接続されたメモリ４８、およびマイクロプロセッサ４６に 接続されたクロック５０を含む。マイクロプロセッサ４６は、プロセス信号入力 ５２を受信する。入力５２は、あらゆるプロセス信号の入力を特定するためのも ので、前述したように、プロセス信号入力は、プロセス変数また制御信号であっ てよく、Ｉ／Ｏ回路４２を用いてループ６から受信されるか、あるいは現場装置 ４０で内部発生されてもよい。 現場装置４０は、センサ入力チャンネル５４および制御チャンネル５６を有す るように図示されている。多くの例では、伝送器８のような伝送器はセンサ入力 チャンネル５４を専用に含み、一方、コントローラ１０のようなコントローラは 制御チャンネル５６を専用に含むであろう。通信機１２および制御室装置１４な どの、ループ６上の他の装置は、チャンネル５４および５６を含まないであろう 。 装置４０は、複数のプロセス変数を監視し、および／あるいは複数の制御要素を 適当に制御するための、複数のチャンネルを含むことが理解されるであろう。 センサ入力チャンネル５４はセンサ１６を含み、プロセス変数を感知して、そ のセンサ出力を増幅器５８に供給し、前記増幅器の出力がアナログ／デジタル変 換器６０によってデジタル化される。典型的には、チャンネル５４は伝送器８の ような伝送器内で用いられる。補償回路６２はデジタル信号を補償し、デジタル プロセス変数信号をマイクロプロセッサ４６に供給する。 プロセス装置４０がコントローラ８のようなコントローラとして動作するとき 、装置４０は、例えば、バルブなどの制御要素１８を有する制御チャンネル５６ を含む。制御要素１８は、アクチュエータ６８、増幅器６６、およびデジタル／ アナログ変換器６４を介して、マイクロプロセッサ４６に接続される。マイクロ プロセッサ４６からの命令出力は、デジタル／アナログ変換器６４でデジタル化 され、増幅器６６で増幅される。アクチュエータ６８は、増幅器６６からの出力 に基づいて制御要素１８を制御する。１つの実施例においては、アクチュエータ ６８はループ６に直接に接続され、圧縮気体供給源（図示されず）を制御して、 ループ６を流れる電流Ｉに応じて制御要素１８の位置を定める。 １つの実施例においては、Ｉ／Ｏ回路４２は、ループ６から受け取る電力を用 いて、プロセス装置４０の全回路に完全に給電する。 典型的には、伝送器８やコントローラ１０のような現場装置はループ６から給電 され、一方、通信機１２や制御室１４は別の電源を有する。前述のように、プロ セス信号入力５２は、プロセス信号をマイクロプロセッサ４６に供給する。プロ セス信号は、センサ１６からのプロセス変数、制御要素１８に供給された制御出 力、またはループ６を介して受信された制御信号、プロセス変数または診断信号 、あるいは他のＩ／Ｏチャンネルなどの他の媒体によって受信または発生される プロセス信号であってもよい。 ユーザ−Ｉ／Ｏ回路７６もまたマイクロプロセッサ４６に接続され、装置４０ とユーザーとの間の通信を行なう。例えば、ユーザーＩ／Ｏ回路７６は、出力用 表示装置および入力用キーパッドを含む。典型的には、通信機１２および制御室 １４はＩ／Ｏ回路７６を含む。これにより、ユーザーは、プロセス変数および制 御信号（設定値、較正値、警報、警報状態など）のようなプロセス信号を監視し 、入力することができる。ユーザーは、通信機１２や制御室１４内の回路７６を 用いて、ループ６を介して、伝送器８とコントローラ１０との間で該プロセス信 号を送受信することもできる。さらに、これらの回路は伝送器８、コントローラ １０、あるいはその他のあらゆるプロセス装置４０の内部に直接に装備されるこ とができる。 マイクロプロセッサ４６はメモリ４８に記憶された命令によって４作動し、あ る実施例では、センサ補償機能８０、および／あるいは制御機能８２を提供する 。さらに、マイクロプロセッサ４６は、本 発明による制御信号有効化機能８４を提供する。例えば、有効化されるべき命令 信号は、あらゆるさまざまな入力を介して、前述のマイクロプロセッサ４６に供 給されることができる。 図３は、図２に示されたメモリ４８に記憶された命令に応じてマイクロプロセ ッサ４６が行なう、本発明による命令有効化機能（処理）の簡略ブロック図８０ である。この機能は、反復可能なプロセス・サイクル８２の間に開始され、プロ セス学習サイクル８４に進む。プロセス学習サイクル８４は、メモリ４８にプロ セス信号を取得するブロック８６と、メモリ４８にプロセス信号を記憶するブロ ック８８を含む。１つ以上のプロセスパターンが取得されてメモリ４８に記憶さ れる。サイクル８４は、プロセス制御ループのコミッショニング（commissionin g）中、あるいはプロセスのマニュファクチュアリング（manufacturing）中（例 えば、ループが作動している間）に処理されることができる。 さらに、制御はブロック９０に進んで制御信号が取得され、ブロック９２で制 御信号がメモリ４８に記憶される。ブロック９４で、プロセス信号および制御信 号の最新（現在）値が取得される。ブロック９６は比較機能であり、学習サイク ル８４で学習されたプロセス・サイクルが、最新のプロセス信号および最新の制 御信号と比較される。最新の制御信号が学習されたプロセス・サイクルに基づい て決定される限度以内の場合、制御はブロック８２に戻る。一方、制御信号があ らかじめ決められた限度を超えた場合、制御はブロッ ク９８に進み、エラー状態が開始される。 本明細書では、このエラー状態はまた、マイクロプロセッサ４６によって発生 される有効化信号をも意味する。有効化信号は、ループ６を通って発信されるエ ラー事象をトリガするか、あるいは緊急停止などの特別制御状態を開始する。さ らに、制御は任意にブロック１００へ進み、ブロック１００では、代替コントラ ーラが制御信号を発生し、またリアルタイムでプロセスを制御するのに使用され る。 図４Ａおよび図４Ｂは、制御信号Ｃおよび２つのプロセス変数信号ＰＶ１，Ｐ Ｖ２の時間変化を示し、図３のブロック８０の処理を示すものである。ＰＶ１お よびＰＶ２は、制御システム内で有効なプロセス変数のどれであってよい。図４ Ａは学習プロセス・サイクル８４でのプロセス・サイクルを示し、プロセス変数 ＶＰ１、ＶＰ２および制御信号Ｃが監視され、メモリ４８に記憶される。 本例において、プロセス・サイクルは段階（phase）１および段階２の２段階 に分けられる。各段階のために、２つのプロセス変数に関する情報が選択され、 記憶されるので、どの段階のプロセスが現在実行されているかが順次認識される であろう。例えば、前述の情報はＰＶ１，ＰＶ２の最大値、最小値、および変化 率などであり、これらの情報が、各段階の制御信号Ｃの最大値、最小値、および 変化率と共に記憶されるであろう。メモリ容量が十分な場合には、全段階のデー タ値（points）が記憶される。 図４Ｂは、制御信号Ｃが誤差を生じている間の学習期間後のプロセス・サイク ルを示し、図３の比較ブロック９６の処理を図示するものである。はじめに、Ｐ Ｖ１およびＰＶ２が監視され、プロセスが現在サイクルのどの場所を、例えば段 階１あるいは段階２のどちらを、進行しているのかが決定される。次に、制御信 号と制御信号の変化率が（学習されて）記憶された値の予定割合を越えていた場 合には、例えば、ルール準拠（rule based）システムを用いてエラーが発生させ られる。このことは図４ｂのフェーズ２に示されており、制御信号Ｃはあらかじ め決められた割合（しきい値）を越えている。例えば、あらかじめ決められた割 合はコミッショニング中に設定され、メモリ４８に記憶される。 本発明による学習サイクルは、単一のプロセス・サイクルにわたって生ずるこ とができ、あるいはまた多数の反復サイクルの観察に依存するかもしれない。さ らに、学習された値は、その後のプロセス・サイクル中に選択的に更新されるこ ともできる。比較機能は、ファジィ論理アルゴリズム、複数の神経回路網、回帰 アルゴリズム、あるいは、その他のより複雑なルール準拠を含むあらゆる適当な 技術で実行することができる。ルール設定のためのしきい値を含む、異なるプロ セスのためのモデルがメモリ４８に記憶され、これをユーザーが選択し、多数の プロセス・サイクルにわたり、任意に最適化することもできる。 本発明を好ましい実施例によって説明してきたが、本発明の精神 や範囲を逸脱することなく詳細や形式上の変更が可能なことが、当業者には理解 できるであろう。例えば、本明細書に述べられた種々の機能や回路構成はすべて 、プログラムソフト、ＡＳＩＣｓ、ファジィ論理技術、あるいはアナログ装置さ えも含む、その他の適当な回路によって実現できる。さらに、プロセス装置は、 任意数の入力チャンネルと制御チャンネルまたはその組合せを含むことができ、 また任意数のプロセス信号のそれぞれまたはその組合せに対して機能することが できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． プロセス内の現場装置からの制御出力を有効化するための方法であって 、 プロセスを反復学習し、ある特定の期間にわたって記憶されたプロセ ス変数と制御出力とから成る学習されたプロセス情報とを提供するステップと、 プロセス内のプロセス変数の現在値を測定し、現在のプロセス変数の 関数として、プロセスの現在の制御出力を算出して、現在のプロセス情報を供給 するステップと、 現在のプロセス情報と学習されたプロセス情報とを比較して、有効化 信号を供給するステップとを含む方法。 ２． 各ステップが現場装置内で実行される請求項１の方法。 ３． 第１の位置（location）でプロセス変数が測定され、第２の位置で制御 信号の算出とそれらの比較が実行される請求項１の方法。 ４． 第１の位置でプロセス変数が測定され、第２の位置で制御信号が算出さ れ、さらに第３の位置でそれらの比較が実行される請求項１の方法。 ５． 学習されたプロセス情報が、ファジィ論理アルゴリズムでモデル化され る請求項１の方法。 ６． 学習されたプロセス情報が、神経回路網によってモデル化される請求項 １の方法。 ７． 学習されたプロセス情報が、回帰アルゴリズムによってモデル化される 請求項１の方法。 ８． プロセス制御産業で使用される様式の２線式装置であって、 プロセス変数を受信するプロセス変数入力と、 感知されたプロセス変数と設定値との関数として、制御出力を算出す るための制御回路と、 一連の、感知されたプロセス変数および学習プロセス・サイクルを表 わす命令出力を記憶するためのメモリと、 ２線上に制御出力をフォーマット（format）するための出力回路と、 学習されたプロセス・サイクルと感知されたプロセス変数および命令 出力とを比較し、それに応じて、命令出力の状態を表わす有効化された信号を供 給する有効化回路とを含む装置。 ９． プロセス変数を補償する補償回路を含む請求項８の装置。 １０． 学習されたプロセス・サイクルが、ファジィ論理アルゴリズムでモデル 化される請求項８の装置。 １１． 学習されたプロセス・サイクルが、神経回路網によってモデル化される 請求項８の装置。 １２． 学習されたプロセス・サイクルが、回帰アルゴリズムによってモデル化 される請求項８の装置。 １３． プロセス変数入力が、プロセス変数を感知するためのセン サを含む請求項８の装置。 １４． 装置が、２線式ループを介して完全に給電される請求項８の装置。 １５． 装置が、伝送器を含む請求項８の装置。