JP2013073630A - エイリアシングを除去する改善された方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エイリアシングを除去する改善された方法および装置の提供。
【解決手段】プロセス制御ネットワークにおけるエイリアシングを低減または除去するために、測定信号のフィルタリングをプロセス制御システム内のモジュール実行レートに基づいて設定することができる。当該モジュール用のナイキスト周波数がモジュール実行レートに基づいて決定され、そのナイキスト周波数を実行レートの２倍とすることができる。アナログ−デジタル変換器の後のフィルタリングをモジュール実行レートに基づいて設定することができる。そのアナログ−デジタル変換器において、変換器の後のデジタルフィルタリングをモジュール実行レートに基づいて設定することができ、モジュール実行レートのナイキスト周波数およびそれを超える周波数において、アナログ信号の周波数成分をフィルタによって減衰させることができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、エイリアシングを除去する方法および装置に関する。

化学プロセス、石油プロセス、またはその他のプロセスで使用されるようなプロセスプラントは、典型的には、１つ以上の集中型または分配型プロセスコントローラを含む。これらのプロセスコントローラは、アナログバス、デジタルバスまたはアナログ／デジタルバスの組み合わせを介して、少なくとも１つのホストまたはオペレータワークステーションに通信可能に結合され、かつフィールド装置などの１つ以上のプロセス制御および計測装置に通信可能に結合されている。フィールド装置は、たとえばバルブ、バルブポジショナ、スイッチ、送信器、センサー（例：温度、圧力、および流量センサー）などであり、バルブ開閉、プロセスパラメータ計測などのプロセス内部の機能を実行する。プロセスコントローラは、フィールド装置によって作成されるか、またはフィールド装置に関連したプロセス測定値またはプロセス変数を表す信号および／またはフィールド装置に関するその他の情報を表す信号を通信バスを介して受け取り、この情報を使用して制御ルーチンを実行し、続いて制御信号を生成する。その制御信号が１つ以上のバスを介してフィールド装置に送られることにより、プロセスの動作が制御される。フィールド装置およびコントローラからの情報は、典型的には、オペレータワークステーションが実行する１つ以上のアプリケーションに対して利用可能とされ、これによりオペレータは、プロセスの現在状態の表示、プロセスの動作の修正など、当該プロセスに関して所望の機能を実行することができる。

過去において、従来のフィールド装置は、アナログバスまたはアナログ回線を介してプロセスコントローラとの間でアナログ（たとえば４〜２０ミリアンペア）信号を送受信する目的で使用されていた。これらの４〜２０ｍＡ信号は、当該装置によって作成された測定値または当該装置の動作を制御するために必要なコントローラによって生成された制御信号を表すものという特性上の限定があった。しかし、この１０数年、１つ以上のプロセス制御機能を実行するスマートフィールド装置がプロセス制御業界に普及してきた。各スマートフィールド装置は、プロセス内部の主要な機能を実行するだけでなく、メモリおよびマイクロプロセッサを含み、前記のメモリおよびマイクロプロセッサは当該装置に関するデータを格納し、デジタル形式またはデジタル／アナログ形式の組み合わせでコントローラおよび／またはその他の装置と通信し、自己較正、識別、診断などの補助的タスクを実行する能力を有する。ＨＡＲＴ（登録商標）、ＰＲＯＦＩＢＵＳ（登録商標）、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、ＷＯＲＬＤＦＩＰ（登録商標）、Ｄｅｖｉｃｅ−Ｎｅｔ（登録商標）、ＣＡＮプロトコルなど、多数の標準プロトコル、オープンプロトコル、デジタルまたはデジタル／アナログの組み合わせによる通信プロトコルが開発され、異なるメーカーが製造したスマートフィールド装置をプロセス制御ネットワーク内部で相互接続し、互いに通信して、１つ以上のプロセス制御機能を実行することが可能になっている。

プロセスプラント内部の異なる機能ブロックは、互いに（たとえばバス経由で）通信して１つ以上のプロセス制御ループを形成するように構成され、それぞれの動作はプロセス全体に広がっており、したがって分配型である。上述のように、全体的プロセスの効率的な動作を維持し、それによりプラントの運転停止および利益損失を最小限に抑えるためには、プロセスプラントに関連した装置が適切かつ確実に機能しなければならない。典型的には、１人以上の熟練した人間のオペレータがプロセスプラント内部の装置の効率的な動作ならびに製造装置の修理および交換について一次的な責任を負う。そのようなオペレータは、プロセス内部の装置に関する情報を提供するものとして、たとえば上述のようなツールおよびアプリケーションを使用することができる。

フィールド装置からのアナログ信号は、多くの場合、サンプリングされ、アナログ−デジタル変換器を使用してデジタル信号に変換される。サンプリングでは、時間軸上の複数の点で信号のスナップショットが取られ、時間軸上の各点で信号が測定される。通信理論において以前から知られているように、信号を正確に処理するためには最小サンプリングレートが必要とされる。具体的には、シャノンの定理によれば、信号を正確に表現できるためには信号の最高周波数成分の少なくとも２倍の速さでサンプリングすることが必要である。信号のサンプリングレートがこれよりも低ければ、より高い周波数がより低い周波数として誤って解釈されることにより、信号に歪みが生じる。たとえば、ストロボ光の下では、回転するホイールが逆回転しているように見えることがある。アナログ入力プロセスにおいては、シャノンの定理によって予測されるように、サンプリングレートが測定信号に含まれる最高周波数の少なくとも２倍の速さでなければ、エイリアシングが生じる。測定信号に含まれるプロセスノイズまたは電気的ノイズがエイリアシングによって生じる歪みの原因になりえる。

信号のエイリアシングを除去する方法およびシステムを開示する。フィールド装置の信号を測定信号の最高周波数の２倍でサンプリングし、そのサンプリングレートでデジタル値をフィルタリングして周波数成分を減少させ、プロセス制御モジュールのナイキスト周波数よりも高い周波数を除去することにより、エイリアシングが完全に除去されないとしても低減される。

プロセス制御システムにおけるモジュール実行レートを設定することができ、そのモジュール実行レートに基づいて当該モジュールのナイキスト周波数を決定することができる。そのナイキスト周波数は実行レートの２倍であってよい。サンプリングされた測定値に適用しなければならないフィルタリングを上記モジュール実行レートに基づいて設定することができる。測定信号をサンプリングするアナログ−デジタル変換器のサンプリングレートは、測定信号に含まれる最高周波数の少なくとも２倍のレートで実行されなければならない。

プロセス制御システムのエイリアシングを低減するためのシステムも開示する。そのプロセス制御システムはフィールド装置、アナログ−デジタル変換器およびコントローラを備えるものとして、プロセス制御システム内のプロセス制御モジュールは決定された実行レートで動作する。コントローラは、プロセス制御モジュールの実行レートに基づいて、そのモジュールのナイキスト周波数を計算する。少なくとも１つのフィールド装置と通信するアナログ−デジタル変換器は、アナログ形式からデジタル形式への変換の一部としてモジュールのナイキスト周波数を超える信号を減衰させるフィルタを備える。

本システムおよび方法の利点には、フィールド装置からのより正確な読み取りを与えることが含まれる。結果的に、より正確なデータに基づく、より良好なプラントプロセスの制御および運用が可能になる。これらの利点により、費用がかかるプラントプロセスのエラー訂正および関連する是正措置の必要性が排除される。

エイリアシングを除去する方法および装置を使用するプロセスプラントの概略ブロック図である。 フィールド装置からのサンプル正弦波信号の図である。 サンプリングレートがナイキスト周波数を超える場合について、所与の正弦波信号に対するさまざまな毎秒サンプル数の結果を示した図である。 サンプリングレートがナイキスト周波数を超える場合について、所与の正弦波信号に対するさまざまな毎秒サンプル数の結果を示した図である。 サンプリングレートがナイキスト周波数を超える場合について、所与の正弦波信号に対するさまざまな毎秒サンプル数の結果を示した図である。 サンプリングレートがナイキスト周波数を超える場合について、所与の正弦波信号に対するさまざまな毎秒サンプル数の結果を示した図である。 サンプリングレートがナイキスト周波数を下回る場合について、所与の正弦波信号に対するより遅い毎秒サンプル数の結果を示す図である。 制御ループに渡されるものとして図４ａから得られた再構成信号の結果を示す図である。 アンダーサンプリングの結果として得られた再構成信号を示す図である。 アナログ入力カードおよびその内部のフィルタのサンプルを示す図である。 アナログ入力カードおよびその内部のフィルタのサンプルを示す図である。 プロセス制御環境においてエイリアシングを除去する方法を示す図である。 プロセス制御システムにおけるエイリアシングを低減するシステムを示す図である。

プロセス制御ネットワーク

次に図１を参照すると、プロセスプラント１０は、１つ以上の入出力装置２６および２８を介してプロセスコントローラ１２に接続された複数のフィールド装置１５〜２２を備える。プロセスコントローラ１２は、たとえば、Ｆｉｓｈｅｒ−Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．が販売するＤｅｌｔａＶ（登録商標）コントローラなどの分配制御システム（ＤＣＳ）タイプのコントローラであってよく、または従来方式又は任意の態様でプロセスコントローラ１２に接続されたフィールド装置１５〜２２の制御用のその他任意の種類のコントローラであってよい。図１に示すように、プロセスコントローラ１２は、バス２４を介して１つ以上のオペレータワークステーション１３および１４と通信可能に結合されている。バス２４は、有線または無線の、たとえばＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）ベースのバスであってよく、通信を提供するための所望の、または適切なローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）もしくはワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）プロトコルを使用することができる。オペレータワークステーション１３および１４は、パーソナルコンピュータプラットフォームまたはその他任意の適切な処理プラットフォームをベースとすることができ、また、既知である各種のプロセス制御、保守、その他の機能を実行することができる。オペレータワークステーション１３および１４は、プラントに対してローカルまたはリモートとすることができ、各種のプロトコルおよび各種の通信装置を使用してコントローラと通信することができる。さらに、プロセスプラント１０は、バス２４を介してプロセス制御データを収集するデータヒストリアン２３を備えることができる。データヒストリアン２３は、当技術分野でよく知られており、したがって、これ以上詳しく説明しない。

周知のように、プロセスコントローラ１２は、プロセス内部の装置の測定および制御を目的とする制御スキームを保存および実施し、それにより特定の全体的な制御スキームに従ってプロセスパラメータを制御することができる。プロセスコントローラ１２は、たとえばオペレータワークステーション１３および１４の内部に格納された１つ以上のアプリケーションに対し、プロセスの動作状態および／またはフィールド装置１５〜２２の動作状態に関するステータス情報を報告することができる。当然ながら、これらのアプリケーションは、それぞれオペレータワークステーション１３および１４と関連づけられた表示装置３０および３１を介して、任意の所望の情報をプロセスプラント１０内部のオペレータまたは保守要員に表示することができる。当然理解されるように、図１に示したプロセスプラント１０は、本質的に単なる例示にすぎず、他の種類または構成のプロセスプラントを使用することもできる。

フィールド装置１５〜２２は、センサー、バルブ、送信器、ポジショナなど、任意の種類の装置であってよく、Ｉ／Ｏ装置２６および２８は、所望の通信またはコントローラプロトコルに準拠した任意の種類のＩ／Ｏ装置であってよい。図１に示すように、プロセスコントローラ１２は、アナログ回線３３〜３６を介して従来の（すなわち非スマート型）フィールド装置１５〜１７と通信可能に結合されている。フィールド装置１５〜１７は、たとえば、アナログ回線３３〜３６を介してＩ／Ｏ装置２６と通信する標準的な４〜２０ｍＡアナログフィールド装置である。アナログ−デジタル変換器４０を入力装置２６の一部とすることができる。別の実施形態において、アナログ−デジタル変換器４０を入力装置２６から分離させながら入力装置２６と通信接続することができる。

同様に、フィールド装置１９〜２２は、Ｆｉｅｌｄｂｕｓフィールド装置など、Ｆｉｅｌｄｂｕｓの非プロプライエタリプロトコル通信を使用してＩ／Ｏ装置２８とデジタルバス３８経由で通信するスマート装置でありえる。一般的に言えば、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは、全デジタル、シリアル、双方向通信プロトコルであって、フィールド装置１９〜２２を相互接続する２線ループまたはバスに対し、標準化された物理インタフェースを提供する。Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは、実効上、プロセスプラント１０内部のフィールド装置１９〜２２のためのローカルエリアネットワークを提供し、そのローカルエリアネットワークにより、フィールド装置１９〜２２は、プロセスコントローラ１２と連結して、または独立して１つ以上のプロセス制御ループを実行することができる。当然ながら、その他の種類の装置およびプロトコルを使用することも可能であり、たとえば、ＨＡＲＴ（登録商標）、ＰＲＯＦＩＢＵＳ（登録商標）、ＷＯＲＬＤＦＩＰ（登録商標）、Ｄｅｖｉｃｅ−Ｎｅｔ（登録商標）、ＡＳ−Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、ＣＡＮプロトコルなどがこれに含まれる。

プロセスコントローラ１２は、一般的に機能ブロックと呼ばれるものを使用して制御戦略を実施するように構成されている。各機能ブロックは、全体的な制御ルーチンの一部分（たとえばサブルーチン）であり、通信リンクを介して他の機能ブロックと連動して動作し、プロセスプラント１０内部のプロセス制御ループを実行する。これらの機能ブロックは、入力機能、出力機能、または制御機能のいずれかを実行することができる。入力機能は、送信器、センサー、またはその他のプロセスパラメータ測定装置と関連づけられる。出力機能は、バルブなど一部の装置の動作を制御して、プロセスプラント１０内部の特定の物理的機能を実行することができる。制御機能は、ＰＩＤ、ファジー論理などの制御を実行する制御ルーチンと関連づけられる。当然ながら、混成型およびその他の種類の機能ブロックが存在する。機能ブロックをプロセスコントローラ１２に格納して実行することができ、その典型的な例として、機能ブロックが標準的な４〜２０ｍＡ装置および特定の種類のスマートフィールド装置と関連づけられる。さらに、機能ブロックをフィールド装置自体に格納して実行することもでき、スマート装置がこれに該当する。

Ｆｉｅｌｄｂｕｓ装置

Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルでは、プロセス制御機能を実行することができる特定の種類のエンティティを記述するために「機能ブロック」という用語が使われるが、本明細書中で用いる機能ブロックという用語は、そのような意味に限定されず、プロセス制御ネットワーク内部に分配配置され、任意の態様でプロセス制御機能を実行できる、あらゆる種類の装置、プログラム、ルーチンまたはその他のエンティティを含む。したがって、本明細書に説明するシステムをプロセスプラント１０と組み合わせるためのプロセス制御通信プロトコルまたはスキーム（すでに存在するもの、または今後開発される可能性があるもの）は、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルによって厳密に特定された「機能ブロック」を使用するものに限定されない。

上述のように、フィールド装置１５〜２２との通信は、フィールド装置１５〜２２から信号５０（図２）を受け取るプロセスコントローラ１２および出力装置２６〜２８を使用して発生する。アナログフィールド装置１５〜１７の出力は、波形を有する測定信号５０であり、その信号がサンプリングされる。すなわち、ある時点におけるフィールド装置出力信号の値が測定される。通常、出力信号およびすべての経時的な信号の変動を正確に観察するために、一定の時間間隔で多数のサンプルが抽出される。

プロセス制御システムにおいて、フィールド装置１５〜１７からのアナログ信号５０は、多くの場合、アナログ−デジタル変換器４０を使用してアナログ信号５０からデジタル信号に変換され、そのデジタル信号が制御システムの内部で利用される。アナログ信号５０の出力には最大信号と最小信号の範囲内で無限の種類がありえるが、通常、アナログ−デジタル変換器４０からの出力は１または０で構成されるデジタル表現であり、１は閾値を超える信号によって表され、０は閾値未満の信号によって表される（またはその逆）。したがって、制御システム１２には、元のアナログ信号がそのようなデジタル表現で見えている。

一例として、２５０Ｈｚのアナログ周波数について考察する。周波数２５０Ｈｚを使用すると、信号の周期は次のようになる。
ｔ＝１／ｆ
ｔ＝１／２５０
ｔ＝４ｍｓ

この場合、サンプリングされうる連続時間信号は次のようになる。
ｘ（ｔ）＝ｓｉｎ（２＊ｐｉ＊ｆ＊ｔ）
ｘ（ｔ）＝ｓｉｎ（２＊ｐｉ＊２５０＊ｔ）

２４ｍｓの期間における信号のプロットを図２に示す。

図３Ａにおいて、サンプリングレートが５，０００Ｈｚの場合、サンプリング間隔は次のようになる。
ｔ＝１／５，０００＝０．２ｍｓ

これは、４ｍｓの範囲でシステムが２０サンプルを取ることを意味する。５，０００Ｈｚにおけるサンプルの結果を図３Ａに示す。

しかし、アナログ信号５０のサンプリング周波数が５０％低下して２，５００Ｈｚになると、結果は図３Ｂのようになり、このグラフ上の点をつなぐことによってサンプリング信号５２が作成される。同様に、サンプリング間隔を０．６ｍｓ（１，６６７Ｈｚ）まで低下させると、結果は図３Ｃのようになり、このグラフ上の点をつないでサンプリング信号５２が作成される。最後に、サンプリング間隔を１．２ｍｓ（８３３Ｈｚ）に変更した場合の結果は図３Ｄのようになり、このグラフ上の点をつないでサンプリング信号５２が作成される。信号を２．４ｍｓ（４１６．７Ｈｚ）ごとにサンプリングするようにサンプリングレートを変更すると、図４Ａに示すような、まったく異なる信号（偽信号）が得られ、このグラフ上の点をつなぐことによってサンプリング信号５２が作成される。その処理結果の信号５２が制御ループに投入されると、たとえば図４Ｂに示すような、測定値の誤った変動が生じることになる。

この例から分かるように、サンプリングレートを低下させると、アナログ信号５０の変動を正しく取り込む制御システムの能力が低下する。サンプリングレートがアナログ信号５０の変動を正しく取り込むことができなくなると、「エイリアシング」が発生する。その発生時の周波数がナイキスト周波数と呼ばれるものである。ナイキストのサンプリング定理によれば、アナログ信号５０を正しくサンプリングするためには、サンプリングレートをシステム内に存在する最高周波数成分の少なくとも２倍にしなければならない。ここで取り上げた図３ａ〜図４ｂの例（すなわち２５０Ｈｚ信号）では、少なくとも５００Ｈｚのサンプリング周波数を使用しなければならない。

制御システムがナイキスト周波数よりも低い周波数でサンプリングした結果を図４Ａに示す。図４Ａでは、アナログ信号５０が４１６．７Ｈｚでサンプリングされている。アナログ信号５０のサンプリングレートがナイキスト周波数の２倍よりも小さい場合、より低い誤った周波数成分がサンプリングデータに現れる。ナイキストルールに違反すると、より高い周波数成分が折り返され、サンプル値を歪ませる。プロセスノイズに起因するそのような歪みは、制御の変動を増加させ、たとえばフィールド装置１５〜１７における過度の損耗を生じさせる可能性がある。

別の例として、図５は、６ＭＳ／ｓのアナログ−デジタル変換器４０によってデジタル化された５ＭＨｚの正弦波５０を示す。点線は、アナログ−デジタル変換器４０によって記録されたエイリアス信号５２を示す。５ＭＨｚの周波数は通過帯域にエイリアスを生じさせ、１ＭＨｚの正弦波として誤った信号が現れる。得られた信号５２を制御システムが使用した場合、誤った読み取りによるエラーが発生する可能性がある。

図１に示すような分配制御システム（ＤＣＳ）を使用して達成可能な性能は、制御ループ実行レート、入出力処理によって生じる遅延、およびプロセスの動的特性によって決定されうる。上位レベルでは、制御性能を達成する目的で、プロセスの動的特性に基づいて制御ループ実行レートを設定することができる。どのような制御ループ実行レートを選択した場合でも、測定データのエイリアシングを回避するため、入出力処理の遅延を最小限に抑えるとともにフィルタリングを実施すべきである。

最新のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器は、内部的に非常に高いサンプリングレートで動作する。多くの場合、アナログ−デジタル変換器４０に対して、内部サンプリングレートの１／２、すなわちナイキスト周波数を超えるすべての周波数を除去するためにハードウェアアナログフィルタが必要とされる。

さらに、５０Ｈｚまたは６０ＨｚのＡＣ周波数のようなノイズピックアップを除去し、アナログ−デジタル変換器４０の出力を利用するアプリケーションのナイキスト周波数を超える周波数を除去する目的で、アナログ−デジタル変換器４０の一部としてデジタル有限長インパルス応答（ＦＩＲ）デジタルフィルタを設けることができる。制御ループの実行レートは設定可能であるため、制御ループにおけるエイリアシングを回避するためのナイキスト周波数は下表のように変化する。

従って、モジュール実行レートとともにモジュールのナイキスト周波数が変化するため、すべてのエイリアシングを回避するために固定デジタルフィルタを使用することはできない。

たとえば、プロセス制御システム内の一部のアナログ入力カード２６は、５０〜６０Ｈｚ範囲の不要な信号からの防護を補助するためにフィルタを使用している。図６Ａおよび図６Ｂは、アナログ入力カード２６のサンプルを例示したものである。図６Ｂにおいて、入力カード２６はＤｅｌｔａＶアナログ入力カードであってよく、また、５０〜６０Ｈｚ範囲で減衰を与えるために２極フィルタハードウェア（抵抗／コンデンサ（ＲＣ））のフィルタを使用することができる。一実施形態において、このフィルタは、２．７Ｈｚで−３ｄＢの減衰を与え、５０〜６０Ｈｚ範囲で−４０ｄＢを超える減衰を与えることができる。

図６Ａは、たとえばＣＨＡＲＭアナログ入力カード２６であり、このアナログ入力カード２６は、アナログ−デジタル変換器の後にアナログ−デジタルソフトウェア有限長インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタおよび追加のソフトウェアフィルタを使用することができ、これによっても減衰の補助が与えられる。一実施形態において、このフィルタは、２．７Ｈｚで−３ｄＢの減衰を与え、５０〜６０Ｈｚ範囲で−４０ｄＢを超える減衰を与えることができる。しかし、有限長インパルス応答フィルタ（ＦＩＲ）回路の後ろでは、その時点ですでにアナログデータにエイリアスが生じているため、制御ループデータのエイリアシングを防止するためのフィルタリングはさほど効果的でない。

最新の実施形態では、使用されるアナログ−デジタル変換器４０は、たとえばＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製ＴＩ−ＡＤＳ１２４６／７／８であり、このアナログ−デジタル変換器４０は５０ｍｓの間隔で入力をサンプリングすることができる。続いてこれらのアナログ−デジタル変換器４０の出力を一次ソフトウェアフィルタに通過させたのち、たとえばプロセスコントローラ１２で動作する制御戦略に渡すことができる。このソフトウェアフィルタは、これらの制御戦略の制御実行レートと一致するように調整することができる。

このアプローチには次のようないくつかの制限がある。

１─アナログ−デジタル変換器４０回路を通過するノイズは、測定対象の実際の信号から除去するのが非常に困難である。

２─ソフトウェアフィルタは位相シフトを生じさせることがある。

３─干渉およびプロセスノイズがエイリアシングとして現れる。

ナイキスト周波数減衰

図７は、プロセスプラント１０内のプロセス制御システムのエイリアシングを低減する方法を示す。上位レベルでは、アナログ信号５０がアナログ−デジタル変換器４０によってアナログ信号５０からデジタル信号に変換される前に、フィルタ４２（図８）を使用してモジュールのナイキスト周波数を超える周波数を除去することができる。ナイキスト周波数は、制御ループ実行レートの２倍として決定されうる。フィルタ４２は、アナログ−デジタル変換器４０の一部とすることができ、あるいはアナログ信号５０がアナログ−デジタル変換器４０によって変換される前のプロセス制御システム内の任意の装置の一部とすることができる。非限定的な例として、方法または装置４２をフィールド装置１５〜１７の一部とすることができる。その結果、エイリアシングが大幅に減少し、プロセスプラント１０の性能が大幅に向上する可能性がある。

今日における最高速の制御ループは、通常、１００ｍｓで動作するため、入力信号５０のサンプリングに２０サンプル毎秒（ＳＰＳ）を用いることができる。このサンプリングレートにおいて、たとえば図６Ａおよび図６Ｂに示すような入力カード２６内のアナログ−デジタル有限長インパルス応答デジタルフィルタは、交流（ＡＣ）ピックアップの除去性能に優れ、５０Ｈｚおよび６０Ｈｚにおいて減衰が−７０ｄＢを超える。しかし、下表に示すように、アナログ−デジタル出力における−３ｄＢの帯域幅は１４．８Ｈｚであり、これは制御ループの実行に関連したナイキスト周波数よりもはるかに大きい。

したがって、アナログ入力カード２６内の標準的なアナログ−デジタル有限長インパルス応答デジタルフィルタは、２０サンプル毎秒の動作中、制御ループレベルでは、０〜１４.８Ｈｚ範囲においてプロセスノイズのエイリアシングからの保護をまったく与えない。したがって、モジュール実行レートに基づき、モジュール実行レートのナイキスト周波数と１４.８Ｈｚの間のあらゆる周波数成分が折り返され、閉ループ制御で用いられる信号５０を歪ませる。その歪みは、過度のバルブ開閉動作を生じさせるとともに、セットポイントに関する変動性を増加させる可能性がある。

再び図７を参照すると、ブロック７００では、プロセス制御システム内のモジュール用のモジュール実行レートが決定される。そのモジュール実行レートを決定するために、プロセスコントローラ１２に対する問い合わせまたはモジュール実行レートを設定する制御ソフトウェアに対する問い合わせなど、任意の論理的方法を用いることができる。さらに、そのモジュール実行レートは調整可能である。デフォルト値を与えることができ、そのデフォルト値は毎秒１回であってよい。しかし、コントローラ１２の負荷を減少させるため、モジュール実行レートを調整可能とすることができる。したがって、必ずしもモジュール実行レートを決定する必要はない。

いくつかの実施形態において、モジュール制御ループは、ユーザーによって設定可能な実行レートを有することができる。そのモジュール実行レートは、複数の既定モジュール実行レートから選択するか、またはプロセス制御システム内のコントローラ１２によって理解および実行されうる任意の数とすることができる。プロセス制御環境内の多くの制御ループが実行レートのために選択可能な複数の設定値を有する。非限定的な例として、ワークステーション１３、１４上で動作するＤｅｌｔａＶ（登録商標）制御システムにより、ユーザーは、１００、２００、５００ミリ秒および１、２、５、１０、３０、６０秒の実行レートを選択することができる。所望の制御性能を達成するには、プロセスの動的特性が閉ループ応答に正確に反映されるように制御ループ実行レートを十分高速に設定すればよい。

ループ実行周期の設定に関する経験則として、制御ループ実行周期は、プロセス応答時間の少なくとも４倍高速にすべきである。プロセス応答の４倍よりも遅い速度で実行するように制御ループが構成されている場合、制御の品質が著しく低下する。自己調節プロセスのプロセス応答時間は一次時間（装置が動作を開始すべき時間）＋無駄時間として近似され、プロセス応答時間はプロセス無駄時間＋プロセス時間定数として仮定される。積分プロセスの場合、プロセス応答時間は、無駄時間＋プロセス入力の変化に対する有意な応答に必要とされる時間として仮定することができる。

単純な例において、プロセス応答時間が１秒ならば、制御ループ実行周期を毎秒４サンプルとすべきである。さらに、制御ループ実行周期が毎秒４サンプルの場合には、ナイキスト周波数は制御ループ実行周期（４サンプル毎秒）の２倍、すなわち８サンプル毎秒になる。プロセス応答時間の４倍よりも速く実行するように制御ループを構成しても、セットポイントおよび負荷変動に対する制御応答はほとんど改善されない。しかし、プロセス応答の４倍よりも遅い速度で実行するように制御ループが構成されている場合、制御の品質は著しく低下する。また、そのような低速の実行レートにおいては、安定した応答が得られるようにループをデチューニング（比例利得の減少およびリセット時間の増加）しなければならない。

別の実施形態では、モジュール実行レートがプロセス制御システム内のコントローラ１２によって計算される。非限定的な例として、プロセス制御システムを通じて１つ以上のサンプルコマンドを送り、その応答時間を測定することができる。その応答時間に基づき、たとえば応答レートの４倍高速というようにモジュール実行レートが計算される。さらに、システムは、既知の実行レートおよび実行時間で動作する他のモジュールを使用し、現在の実行時間をその既知の実行時間と比較して実行時間の推定を行うことができる。

プロセス応答時間を機器の種類に基づいて決定することもできる。先に述べたように、自己調節プロセスのプロセス応答時間は一次時間（装置が動作を開始すべき時間）＋無駄時間として近似され、プロセス応答時間はプロセス無駄時間＋プロセス時間定数として仮定される。積分プロセスの場合、プロセス応答時間は無駄時間＋プロセス入力の変化に対する有意な応答に必要とされる時間として仮定することができる。

ブロック７１０では、当該モジュール用のナイキスト周波数がモジュール実行レートに基づいて決定される。先に説明したように、ナイキスト周波数を用いて、エイリアシングを回避するために必要とされるフィルタリングを設定することができる。また、先に述べたように、ナイキスト周波数はモジュールごとに変化しうるため、ナイキスト周波数を正確に決定するために各対象モジュール用にナイキスト周波数を計算することが必要とされることもある。

ナイキスト周波数は、プロセス制御システム内のモジュールにおけるモジュール実行レートの２倍である。いくつかの実施形態において、複数の対象モジュール実行レートに基づいてナイキスト周波数があらかじめ決定される。他の実施形態において、ブロック７００で決定されたモジュール実行レートに基づいて実行時にナイキスト周波数が計算される。いくつかのサンプルモジュール実行周期および関連のナイキスト周波数を下表に示す。

ブロック７２０では、いくつかの実施形態において、ブロック７００のモジュール実行レートに基づいてフィルタの要求条件が決定される。ルックアップテーブルまたはあらかじめデータが埋められたデータベースを使用して、モジュール実行レートに基づくフィルタリングを提示することができる。別の実施形態では、フィルタリングを計算することができる。さらに別の実施形態では、モジュール実行レートのデータまたはその他の関連データ（入出力遅延、無駄時間など）に基づくフィルタリングに関してワークステーション１３、１４などの計算資源にアクセスすることができる。その他の実施形態では、別個のプロセスまたは装置によってアナログ−デジタル変換器４０の後のフィルタリングを決定することができる。

ブロック７３０では、通信可能に結合されてプロセスプラント１０内のフィールド装置１５〜１７からアナログ通信５０を受け取ることができるアナログ−デジタル変換器４０において、モジュール実行レートに基づいてフィルタリングが設定される。このようにしてモジュール実行レートが選択され、アナログ−デジタル変換器４０内のフィルタリングに関する推奨が与えられる。別の実施形態では、選択されたモジュール実行レートに基づいて、アナログ−デジタル変換器４０内のフィルタリングが自動的に設定される。いくつかの追加の実施形態では、アナログ−デジタル変換器４０内のフィルタリングが選択され、モジュール実行レートに関する推奨が与えられる。別の実施形態では、サンプリングレートおよびアナログ−デジタル変換器４０内のフィルタリングに基づいて、モジュール実行レートが自動的に設定される。

制御システムまたはユーザーのいずれかにより、複数の既定データサンプリングレートからフィルタリングが選択される。そのフィルタリングをドロップダウンボックスまたはその他任意の適切なユーザー入力表示として提示することができる。いくつかの実施形態において、プロセス制御システムからアナログ−デジタル変換器４０内でフィルタリングを設定することができる。いくつかの実施形態では、ユーザーによって編集可能なデフォルト値としてフィルタリングが設定される。さまざまな方法によるフィルタリングの調整が可能であり、これには所望の減衰が達成されるようにフィルタ時間定数を調整すること、またはデジタルフィルタの係数を調整することなどが含まれる。

いくつかの追加の実施形態において、データサンプリングレートをユーザーが設定することができ、そのデータサンプリングレートに基づいて制御ループ実行周期が調整される。実際上、ユーザーによっては自分でデータサンプリングレートを調整する方が快適かもしれない。制御ループ実行周期の調整を自動的に変更するか、またはユーザーによって編集可能なデフォルト値に設定することができ、あるいはユーザーが制御ループ実行を手作業で変更するように促してもよい。

ブロック７４０では、当該モジュールのナイキスト周波数およびそれを超える周波数においてモジュール信号を減衰させることができる。いくつかの実施形態において、調整可能なデジタルフィルタ４２はアナログ−デジタル変換器４０の一部である。実際、いくつかの実施形態では、フィルタ４２として、すでにアナログ入力カード２６内に組み込まれた低域アナログ−デジタル有限長インパルス応答デジタルフィルタ４２が使用される。アナログ−デジタル入力カード２６内にフィルタ４２が存在する場合、単純に新規チューニングパラメータをフィルタ４２に伝達しなければならず、所望に応じ、フィルタ４２は信号を減衰させることができる。さらに、コントローラ２６に対する過大な負担を回避し、また、現在のモジュールレートで減衰の必要がないかもしれない信号の減衰を回避する目的で、モジュールレートの変化に応じて減衰を変化させることができる。アナログ−デジタル変換器４０内の既存のフィルタが使用される状況では、更新後のチューニングパラメータを既存のフィルタ４２に与えなければならず、大幅なコスト削減が得られる可能性がある。

一実施形態において、所望の減衰が得られるように信号を調整するためのすべての必要データがフィルタ４２に格納される。たとえば、データレートが２０ＳＰＳに設定されている場合、モジュール実行レートに関する所望の減衰を得るためにフィルタ係数をどのように調整すればよいかフィルタ４２は知っていることになる。それらの係数をローカルメモリまたはリモートメモリに格納することができ、あるいは追加メモリから、または決定によって迅速に取得可能とすることができる。

別の実施形態では、フィルタ４２に関してモジュール実行レートが変更された時点で、所望の減衰を得るために必要なフィルタ係数をフィルタ４２に伝達することもできる。このようにして、必要なフィルタ係数がフィルタ４２に「プッシュド」されることにより、フィルタ４２がフィルタ係数を「プル」する必要がなくなる。さらに別の実施形態では、ユーザーによるモジュール実行レートの変更時に、起こりうるエイリアシングを低減するようなデジタルフィルタの調整を画面表示でユーザーに勧めてもよい。このようにして、プロセス内のあらゆるノイズに対処し、モジュールレベルでのエイリアシングが発生しないようにすることができる。

いくつかの実施形態において、信号を減衰させるために、アナログ−デジタル変換器４０によるアナログ信号５０のサンプリング前および／またはサンプリング後のプロセス内の位置でアナログ信号５０に対してフィルタ４２を適用することが必要になりえる。論理的には、任意の適切なフィルタ４２を使用することができる。一実施形態において、フィルタ４２は、アナログ−デジタル変換器のナイキスト周波数を超える範囲で信号５０を減衰させる低域アナログ−デジタル有限長インパルス応答デジタルフィルタである。いくつかの実施形態において、モジュール実行レートに関連したナイキスト周波数における減衰は少なくとも−１２ｄＢであり、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚにおける減衰は少なくとも−４０ｄＢである。当然ながら、この減衰はより高くなりえる。信号が減衰すると、信号の折り返しがなくなり、エイリアシングの問題が生じなくなる。さらに、アナログ−デジタル変換の前に減衰が生じることにより、変換エラーが防止される。

結果的に、プロセス制御システム内の各特定モジュールについてナイキスト減衰周波数を決定できるため、プロセスプラント１０のより良好な制御が得られる。さらに、新しいフィールド装置１５〜１７の追加、除去、変更など、あるいは通信リンクの改変、プロセスソリューションの変更など、モジュールの変更に応じて減衰周波数を調整することができる。過度のバルブ開閉動作およびセットポイントに関する変動性の増加など、フィールド装置１５〜１７の早期の損耗の原因になりえる誤読み取りも減少する可能性がある。さらに、フィールド装置１５〜１７からの読み取りが正しく変換および解釈されることにより、プロセス制御がより正確になる。さらなる結果として、信号エイリアシングによって生じた誤読み取りが原因となりえる問題およびエラーを診断しようとする際の費消時間が少なくなる。

図８に示すのは、プロセス制御システム内のエイリアシングを低減するために使用できる装置の実施例である。このプロセス制御モジュールには、フィールド装置１５〜１７、アナログ入出力装置２６およびコントローラ１２が含まれる。コントローラ１２は、当該モジュールの実行レートに基づいてプロセス制御モジュール１２用のナイキスト周波数を計算することができる。このコントローラは、実行レートに基づいてアナログ−デジタル変換器４０の後に適用されるフィルタリングを計算することもでき、その値は、たとえば実行レートの４倍である。

入出力装置２６は、アナログ通信回線３３〜３６を介してフィールド装置１５〜１７と通信することができる。アナログ−デジタル変換器４０は入力装置２６の一部であってよい。別の実施形態において、アナログ−デジタル変換器４０を入出力装置２６から分離しながら入力装置２６と通信接続することができる。

フィールド装置１５〜１７および入力装置２６と関連づけられたフィルタ４２は、アナログ信号５０がアナログ形式からデジタル形式に変換される前に、計算されたアナログ−デジタル変換器のナイキスト周波数を超える範囲でアナログ信号５０を減衰させることができる。先に述べたように、当該モジュールの決定されたナイキスト周波数を超える周波数を減衰させるためにアナログ−デジタル変換器の後でフィルタ４２を適用することができる。一実施形態において、アナログ−デジタル変換器の後のフィルタ４２は、ナイキスト周波数を超える周波数を減衰させる低域アナログ−デジタル有限長インパルス応答デジタルフィルタである。いくつかの実施形態において、ナイキスト周波数における減衰は少なくとも−１２ｄＢであり、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚにおける減衰は少なくとも−４０ｄＢである。当然ながら、この減衰はより高くなりえる。

先に述べたように、いくつかの実施形態において、デジタルフィルタをアナログ−デジタル変換器４０の一部とすることができる。実際、いくつかの実施形態では、そのフィルタとして、すでにアナログ入力カード２６内に組み込まれた低域アナログ−デジタル有限長インパルス応答デジタルフィルタ４２が使用され、この新規チューニングパラメータを必要とするフィルタにより、アナログ−デジタル変換器の後で信号周波数成分を減衰させることができる。

当然ながら、フィルタ４２およびその任意のコンポーネント（アナログ−デジタル変換器４０など）をハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはその任意の組み合わせに実装することができる。いずれの場合も、メモリに格納され、プロセッサ上で実行されるルーチンの記述には、ハードウェアおよびファームウェア装置とともにソフトウェア装置が含まれる。たとえば、本明細書に説明するコンポーネントを標準的な多目的ＣＰＵに実装するか、あるいはＡＳＩＣまたはその他の有線接続装置のような特別に設計されたハードウェアまたはファームウェアに実装できるだけでなく、それがプロセッサで実行されるルーチンであってもよい。ソフトウェアに実装する場合、磁気ディスク、レーザーディスク（登録商標）、光ディスク、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、データベース、その他、当業者にとって既知である任意の記憶媒体を含む任意のコンピュータ可読メモリにそのソフトウェアルーチンを格納することができる。

以上、いくつかの具体例とともに本発明の改善を説明したが、これは例示を意図したものであって本発明を限定するものではなく、当業者には明らかなように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に対して変更、追加、または削除を行うことができる。

Claims (20)

1. プロセス制御システムにおけるエイリアシングを低減する方法であって、該プロセス制御システムは少なくとも１つのアナログ装置およびアナログ−デジタル変換器を備え、
   前記プロセス制御システム内のモジュール用のモジュール実行レートを設定することと、
   前記モジュール実行レートに基づいて前記モジュール用のナイキスト周波数を決定することと、
   前記モジュール実行レートに基づいて前記アナログ−デジタル変換器の後のフィルタリングを決定することと、
   前記アナログ−デジタル変換器の後のフィルタにおいて、前記モジュール実行レートに基づいて前記アナログ−デジタル変換器内のデータサンプリングレートを設定することと、
   前記モジュール用の前記ナイキスト周波数およびそれを超える周波数において測定信号の周波数成分を減衰させることとを含む、方法。
2. 前記ナイキスト周波数は前記モジュールが実行される周波数の２倍である、請求項１の方法。
3. 前記モジュール信号を減衰させることは、前記モジュールが実行される周波数に関連した前記ナイキスト周波数を超える範囲で前記測定信号の周波数成分を減衰させるために前記アナログ−デジタル変換器の後に低域デジタル有限長インパルスフィルタを実装することを含む、請求項１の方法。
4. 前記ナイキスト周波数における前記減衰は少なくとも−１２ｄＢである、請求項１の方法。
5. ５０Ｈｚから６０Ｈｚの範囲における前記減衰は少なくとも−４０ｄＢである、請求項１の方法。
6. 前記モジュール実行レートは複数の既定モジュール実行レートから選択される、請求項１の方法。
7. 前記ナイキスト周波数は前記複数の既定モジュール実行レートに基づいてあらかじめ決定される、請求項６の方法。
8. 前記アナログ−デジタル変換器の後の前記デジタルフィルタを前記プロセス制御システムから設定することができる、請求項１の方法。
9. 制御ループがプロセス応答時間の少なくとも４倍の速さで実行される、請求項１の方法。
10. 自己調節プロセスにおける前記プロセス応答時間は一次時間＋無駄時間としてなり、積分プロセスにおける前記プロセス応答時間は無駄時間＋プロセス入力の変化に対する有意な応答に必要とされる時間としてなる、請求項９の方法。
11. プロセス制御システムにおけるエイリアシングを低減するシステムであって、
    決定された実行レートで動作する前記プロセス制御システム内のプロセス制御モジュールを含み、前記プロセス制御システムは、
    アナログ出力を与えるフィールド装置と、
    前記フィールド装置およびコントローラと通信可能に結合された入出力装置であって、該コントローラは前記実行レートに基づいて前記プロセス制御モジュール用のナイキスト周波数を計算する、入出力装置と、
    前記入出力装置と通信可能に結合されたアナログ−デジタル変換器と、
    モジュール信号が前記アナログ−デジタル変換器によってアナログ形式からデジタル形式に変換された後、前記ナイキスト周波数を超える測定信号内の周波数成分を減衰させる前記アナログ−デジタル変換器と通信可能に結合されたフィルタとを備える、エイリアシング低減システム。
12. 前記ナイキスト周波数は前記プロセス制御システムにおける前記モジュール実行レートの２倍である、請求項１１のシステム。
13. 前記モジュール信号を減衰させることは、前記モジュール実行レートに関連した前記ナイキスト周波数を超える前記測定信号内の周波数を減衰させるために、前記アナログ−デジタル変換器の後に低域デジタル有限長インパルス応答デジタルフィルタを実行することを含む、請求項１１のシステム。
14. 前記ナイキスト周波数における前記減衰は少なくとも−１２ｄＢであり、５０Ｈｚから６０Ｈｚの範囲における前記減衰は少なくとも−４０ｄＢである、請求項１１のシステム。
15. モジュール実行レートは複数の既定モジュール実行レートから選択され、前記ナイキスト周波数は前記複数の既定モジュール実行レートに基づいてあらかじめ決定される、請求項１１のシステム。
16. 制御ループがプロセス応答時間の少なくとも４倍の速さで実行され、自己調節プロセスにおける前記プロセス応答時間は一次時間＋無駄時間としてなり、積分プロセスにおける前記プロセス応答時間は無駄時間＋プロセス入力の変化に対する有意な応答に必要とされる時間としてなる、請求項１１のシステム。
17. 測定フィルタリングを前記プロセス制御システムから前記アナログ−デジタル変換器内で設定することができる、請求項１１のシステム。
18. プロセス制御システムにおけるエイリアシングを低減するためにコンピュータ実行可能命令に従って物理的に構成されたプロセッサと、前記コンピュータ実行可能命令を格納するように物理的に構成されたメモリと、アナログフィールド装置と、アナログ−デジタル変換器を含むアナログ入出力装置とを備えるコンピュータシステムであって、前記コンピュータ実行可能命令は、
    前記プロセス制御システム内のモジュール用のモジュール実行レートを設定する命令と、
    前記モジュール実行レートに基づいて前記モジュール用のナイキスト周波数を、該ナイキスト周波数が前記モジュール実行レートの２倍であるように決定する命令と、
    前記アナログ−デジタル変換器の後に適用するためのフィルタリングを前記モジュール実行レートに基づいて決定する命令と、
    前記アナログ−デジタル変換器において、前記アナログ−デジタル変換器の後に適用される前記フィルタリングを前記モジュール実行レートに基づいて設定する命令と、
    前記モジュール用の前記ナイキスト周波数およびそれを超える周波数においてモジュール信号を減衰させる命令とを含む、コンピュータシステム。
19. 請求項１８のコンピュータシステムであって、前記制御ループ実行レートはプロセス応答時間の少なくとも４倍の速さに設定され、自己調節プロセスにおける前記プロセス応答時間は一次時間＋無駄時間としてなり、
    積分プロセスにおける前記プロセス応答時間は無駄時間＋プロセス入力の変化に対する有意な応答に必要とされる時間としてなる、前記コンピュータシステム。
20. 前記ナイキスト周波数における前記減衰は少なくとも−１２ｄＢであり、５０Ｈｚから６０Ｈｚの範囲における前記減衰は少なくとも−４０ｄＢである、請求項１８のコンピュータシステム。

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