JP2016522480A - 統合光センシングを備えたプロセスコントローラ - Google Patents

Abstract

本発明は、一般的にプロセスコントローラーに、より具体的には統合光センシングを備えたプロセスコントローラーに関するものである。

Description

本出願は２０１３年４月１６日提出の暫定出願番号第６１／８１２，６２５号の利益を請求する。上記出願の開示は引用文献としてここに内包される。

本発明は一般にプロセスコントローラ及び光センシングに関するものである。

この節における記述は、本発明に関する背景情報を単に提供しているにすぎず、従来技術を構成しなくともよい。

多くの工業プロセスは、極めて高い電圧環境において正確かつ繰り返し可能な温度制御を提供し得るプロセス制御システムを必要とする。プロセス変数の測定に通常適用される従来の電気センサーは、高電圧に起因する電磁干渉により悪影響を受けるため、高電圧環境に良好に適さない。

米国特許第７，６３６，６１５号

一態様においては、複数のプロセス入力、複数の連結ポート及び少なくとも１つのプロセスコントローラ内に組み込まれた光センサを備えたプロセスコントローラを含み、光センサーのデータをプロセスコントローラ内に常駐するプロセス制御システムが提供される。コントロールユニットは、複数の連結ポート及び少なくとも１つの光センサーと接続されている。

他の態様においては、コントローラ、複数の連結ポート及び複数の光センサーを含むプロセス統合制御装置が提供される。複数の連結ポート及び光センサーはコントローラに接続され、コントローラは複数の光センサーから第１光信号及び第２光信号を受信し、第１光信号及び第２光信号に対応する少なくとも１つの制御信号を制御される装置に送信するように構成されている。

適用性のさらなる領域はここに提供された記載から明らかになるであろう。記載及び特定の例示は説明のみを意図しており、本発明の趣旨を限定することを意図したものではないことは理解されるべきである。

本発明を良好に理解するために、付随する図面を参照する実施例により示されたその様々な形態が記載される。
本発明の光温度センサー用の統合制御を備えたプロセスコントローラのブロック図である。 本発明の光センサー用の統合制御を備えたプロセスコントローラのブロック図である。 本発明の光センサー用の統合制御により実施されたＰＩＤ制御の方法のフローチャートである。 本発明により構成された光センサー用の統合制御を備えた密閉プロセスコントローラの斜視図である。 本発明により構成された開放的な基板構造を有する光センサー用の統合制御を備えたプロセスコントローラーの正面図である。 本発明により構成された統合光センシングを備えた密閉プロセスコントローラーの他の実施形態の斜視図である。 本発明により構成された統合光センシングを備えた密閉プロセスコントローラーのさらなる他の実施形態の斜視図である。

ここに記載された図面は、説明のみを目的とするものであり、本発明の趣旨を限定することを意図していない。

以下の記載は、本質的に単なる説明であり、本発明、用途又は使用を限定することを意図していない。図面を通して対応する符号が類似の又は対応する部分及び態様を示すことは理解されるべきである。

図１を参照すると、例えば光温度センサーのような光センサーのための統合制御を備えたプロセス制御用のシステム１０１のブロック図が示されている。システム１０１は、一般的に複数の光センサー１０４を含むコントローラー１０２を備える。各光センサー１０４は、光源１０６及び光検出器１０８を備える。この例においては、各光センサー１０４は、加熱室１１８の第１ゾーン１１４及び第２ゾーン１１６の温度を検出するために、光ファイバケーブル１１０により光プローブ１１２に連結される。この実施は、各光プローブ１１２から温度信号を測定し、比例積分導関数（ＰＩＤ）制御を含む様々な閉ループプロセス制御法により加熱室１１８の温度を制御する統合システム１０１を提供する。

システム１０１は、高無線周波（ＲＦ）動作を有する環境における温度測定に特に有益である。いくつかの環境は、例えばプラズマ強化化学的及び物理的反応、高電圧転移、高電界強度医療装置、工業用ヒーター、電子部品、モーター、及び高ＲＦレベルを生じる他の高電圧装置のような極めて高い電圧を必要とするプロセスを含んでもよい。これらの環境は、付近の高電界部品、ワイヤ及びセンサー（導通された）により生じた電磁（ＥＭ）干渉に起因して従来の電気測定装置の操作に悪影響を及ぼす。従来のコントローラーは、ＲＦ干渉に起因する温度を正確に測定できなくてもよい電気接続に依拠する。本発明のコントローラー１０２は、光センサーの積分に起因する高電界環境における環境要因の測定を必要とする様々なプロセスの正確で繰り返し可能な測定及び制御を提供してもよい。光センサー１０４の積分は、他の方法では不可能な光センサーから高レベル情報の積分をさらに提供してもよい。

従来の電気的温度測定装置とは異なり、光センサー１０４は、上記で挙げられたように電場又は磁場により影響を受けない。このシステム１０１は、他のシステムによる他の方法では不可能な連続温度測定を提供する。光ファイバケーブルが導電性ではないため、光を光ファイバケーブル１１０に通すことにより、温度信号が実環境中で確立される。

各プローブ１１２の温度を測定するために、光センサーは、光ファイバケーブル１１０を通した各光源１０６（例えばポンピングライト又はＬＥＤ）からの光パルスを適用してもよい。パルスからの光は、温度プローブ１１２まで光ファイバケーブル１１０を伝わる。温度プローブ１１２は、その温度に基づくパルスから光を吸収及び反射するゲル又は結晶のような温度感受性材料から構成されてもよい。光は、戻された光のプロフィールがコントローラーにより解釈される光検出器１０８に光ファイバケーブルを通して吸収され、再放出される。この解釈は、用途及びコントローラーデザインに依存して幅広く変化するアルゴリズムにより達成される。当業者は、ここで詳細に述べることなくその用途におけるこのようなアルゴリズムの具体例を容易に認識及び理解することができる。

光検出器１０８からの電気信号は、検出器の具体的な操作に依存してた様々なデジタル又はアナログ信号からなる。各温度ゾーン１１４，１１６の温度を測定するためにその温度を適用してもよく、ヒーター１２０の温度或いはプロセス、装置又は目的を制御するためにその温度を適用してもよい。

図２を参照すると、本発明の統合光センシングを備えたプロセスコントローラー２０２のブロック図が示されている。プロセスコントローラー２０２は、高無線周波（ＲＦ）環境における温度制御のための入力として統合光センシングに適用される。プロセスコントローラー２０２は、一般的に様々なプロセスの制御のためのコントローラー２０４、複数の光センサー２０６及び複数の通信回路（Ｉ／Ｏ）２０８を備える。図１に記載されているように、各光センサーは、光源２１０及び光検出器２１２を備える。各光センサー２０６は、光ファイバーケーブルに連結される形態のケーブルインターフェース２１４をさらに備える。コントローラー２０２は、タイトルが「電力制御システム」であり、その内容が参照によりここに含まれている本出願と共通の出願人による特許文献１に開示されたものと同様であってもよい。

高強度ＥＭ場に関する悪影響を避けるように環境における電気温度信号を供給及び検出するために、光センサー２０６を実施してもよい。プロセスに関する様々な温度を測定するために、光センサー２０６を実施してもよく、いくつかの実施においては、関連する光装置を実施することにより、圧力及び張力、又は、例えば浸食のような他の条件の中でもガス濃度を測定するために、さらに適用される。プロセスコントローラー２０２は、光センサー２０６を環境に組み込むことにより、光センサー２０６により測定される様々な光信号の改良された監視による改良された光センシングを提供する。例えば、改良されたセンシングは、合理化されたデータパス、サンプルレート、精度に対する改良された速度及び管理された信頼性を含んでもよい。したがって、改良された監視は、統合光センサー２０６により記録される追加のプロセス情報に起因して改良されたプロセス制御を生じる。

コントローラー２０４は、一般的に処理装置を含み、いくつかの例においては、様々な回路により統合されたマイクロコントローラー又は複数のプロセッサを含んでもよい。コントローラー２０４は、光センサー２０６からの温度信号を制御及びサンプリングするよう構成されてもよい。コントローラー２０４が光センサー２０６の測定、この場合においては、温度測定をサンプリングするため、測定は、コントローラー２０４に組み込まれたメモリー内に記憶されてもよい。温度測定は、Ｉ／Ｏ回路２０８に通す少なくとも１つの出力を計算及び調整するために適用される。少なくとも１つの出力は、ヒーター又はプロセス制御入力として制御される他のシステム（制御システム）に送信される。

典型的な実施においては、温度測定は、ＰＩＤ制御方法により経時的に解釈されてもよい。ＰＩＤ制御方法は、制御システムにおける標的温度と比較される温度測定から誤差を計算してもよい。誤差は、現在の誤差に基づき、過去の誤差の蓄積に一体的に基づき、将来の誤差の予測に基づき、比例的に監視される。この実施においては、プロセスは、温度測定を監視し、複数の光センサー２０６用の標的温度から誤差を計算するよう構成されてもよい。誤差の計算により、コントローラーは、温度測定の監視を継続し、将来の制御信号を計算しつつ、誤差を修正する制御システムに１つ以上の制御信号を出力する。

プロセスコントローラー２０２は、制御性能、測定データ及び統計情報を通知サーバーに通信するようにさらに構成されてもよい。通知機能性は、プロセスコントローラー２０２を適用する追加的な利点を提供する。１つ以上の制御システムについての通知情報により、コントローラーの性能を監視してもよい。特定のプロセス又は操作における短所は、Ｉ／Ｏ回路２０８により監視又は安全システムを提供してもよい。制御システムの不適当な操作を避けるために、このような安全システムを実施してもよい。

いくつかの場合においては、光センサー及び電気測定源の組み合わせは、コントローラー２０２への入力として供給されてもよい。多くの電気測定源及び光測定源は、モジュラー回路デザインにより調整されてもよい。プロセスコントローラーは、広い範囲の制御用途、それぞれ要求される多様な処理及び通信要求に提供されてもよい。光センサー２０６からのデータのコントローラーによる特別なサンプリングレートは、監視され、制御されるプロセスに依存して幅広く変化してもよい。ここで論じられたようなメモリーは、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、揮発性メモリー、非揮発性メモリー、スタティックメモリー、ダイナミックメモリー、フラッシュメモリー、及び／又はデジタル情報を記憶するいずれかの装置を含む。

ここで論じられたＩ／Ｏ回路２０８は、複数の通信規格を含む。コントローラーは、ＲＳ−２３２又はＲＳ−４８５トランシーバー、シリアル通信（ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ）、ＣＡＮバス、Ｍｏｄバス、ＣＩＰ、ＣＣ−Ｌｉｎｋ及びＢＡＣｎｅｔ、ローカルバス、ＰＣＩ、イーサーネット、ワイヤレス８０２．１（ａ，ｂ，ｇ，ｎ）、イーサ−ＣＡＴ、Ｄｅｖｉｃｅネット、ブルートゥース、及び／又は、ＤＡＬＩ、或いは、他の公知及び将来の通信規格のような様々な方法によりプロセス操作を監視、制御及び通知してもよい。これらの通信プロトコールは単なる例示であることを理解すべきであり、本発明の趣旨を限定するものと解釈すべきではない。

図３を参照すると、本発明のプロセスコントローラーにより実施されるＰＩＤ制御方法３０２のフローチャートが示されている。ＰＩＤ制御３０４の初期化により、図２に示されたものと同様なプロセスコントローラーは、高ＲＦ動作を有する環境の温度を測定及び制御するように実施される。この実施においては、プロセスコントローラーは、２つの独立した加熱ゾーンの温度を測定するために適用される。ＰＩＤ制御の初期化に応じて、各光センサー３１０，３１２は、ケーブルインターフェースにより光のパルスを送信するよう作動されてもよい。コントローラーは、光のパルスが各温度プローブから伝わり、反射し、又は再照射される光ファイバーケーブルにケーブルインターフェースを通して連結される。反射パルスは、各ゾーンの温度を供給するために、各ゾーンに対して解釈される３１４。

温度データを有するプロセスコントローラーは、設定点又は所望温度３１６と比較して測定温度内の誤差を測定してもよい。温度誤差に応じて、プロセスコントローラーからの第１熱制御出力３１８及び第２熱制御出力３２０は、第１ゾーン３２２及び第２ゾーン３２４のそれぞれに対する温度誤差を相殺するために、第１ゾーン３２２及び第２ゾーン３２４に対して調整される。ＰＩＤ温度制御が作動される３２６場合、その方法は、各光センサーにより各ゾーン３０８の温度を測定し続けてもよい。光センサーを実施する性能を統合することにより、コントローラーは、上記の他のプロセス／環境情報の監視及び作動に加えて、高無線周波（ＲＦ）環境におけるプロセス温度を安全及び正確に制御する統合プロセスコントローラーを提供する。他の形態においては、追加回路は、例えば熱電対、ＲＴＤ及びサーミスタを含む光センサー以外の装置からの入力を受信するコントローラー内に設けられる。

図４を参照すると、本発明の一形態の統合光センシングを備えた密閉プロセスコントローラー４０２の斜視図が示されている。機械的容器４０４は、一般的な回路及び電気部品を有する１つ以上のプリント回路カードを収容する。機械的容器４０４内に収容された電機部品の例示には、温度センシング及びヒーター操作制御並びに制御システム内の他の電子的構成要素を備えた通信用の通信Ｉ／Ｏモジュール又は回路のために構成された電気温度コントローラーが含まれる。この実施においては、プロセスコントローラー４０２は、プロセスコントローラー内に統合された複数の光センサー４０６を含む。光センサー４０６は、４つの温度ゾーンの温度を測定するために、光ファイバケーブルを通した通信に適用される。

プロセスコントローラーは、一連の通信ポート４０８、複数のパラレルポート４１０、イーサーネットポート４１２及びＵＳＢポート４１４を含む複数のポートをさらに含む。Ｉ／Ｏポートは、プロセスコントローラー４０２から複数の制御装置又はシステムへの通信命令に適用される。様々な通信ポートは、通知サーバーへの通知システム性能、測定データ及び統計情報をさらに備えてもよい。１つ以上の制御システムの操作に関する通知情報により、システム及びコントローラー４０２の性能が監視される。特定のプロセス又は操作における短所は、コントローラー４０２により検出され、不適当な操作を防ぐために実施される監視又は安全システムに通知される。

図５を参照すると、本発明の他の形態の開放的な基板構造を有する統合光センシングを備えたプロセスコントローラー５０２の正面図が示されている。この実施においては、プロセスコントローラー５０２は、密閉されていない開放的な基板構造５０４を備える。プロセスコントローラー５０２は、制御されるプロセス又はシステムに依存して様々なオプションとともに実施されてもよい。図５に示された実施と同様に、プロセスコントローラーは、プロセスコントローラー内に統合された複数の光センサー５０６を含む。この実施においては、光センサー５０６は、２つの温度ゾーンの温度を測定するために、光ファイバケーブルを通した通信に適用されてもよい。

プロセスコントローラー５０２は、シリアル通信ポート５０８、複数のパラレルポート５１０、イーサーネットポート５１２及びＵＳＢポート５１４を含む複数の通信（Ｉ／Ｏ）ポートをさらに備えてもよい。この実施においては、プロセスコントローラーは、マイクロＵＳＢポート５１６及び制御システムの１つ以上の装置間の通信チャンネルを特定する装置アドレスダイアル５１８をさらに備える。Ｉ／Ｏポートは、プロセスコントローラー４０２から図４に示されたプロセスコントローラー４０２に類似の複数の制御装置又はシステムへの通信命令に適用されてもよい。

図６を参照すると、統合光センシングを備えた密閉プロセスコントローラー６０２の他の形態が示され、符号６０２により一般に示されている。上記の図４における実施と同様に、コントローラー６０２は、温度センシング及びヒーター操作制御値用の電子部品を備えた１つ以上プリント回路カード並びに制御システム内の他の電子的構成要素を備えた通信用の通信Ｉ／Ｏモジュール又は回路を収容する機械的容器６０４を含む。プロセスコントローラー６０２は、プロセスコントローラー内に統合された複数の光センサー６０６を備える。また、プロセスコントローラーは、例えばパラレルポート６１０を含む前記したような様々な通信（Ｉ／Ｏ）ポートをさらに備えてもよい。

統合光センシングを備えた密閉プロセスコントローラー７０２であるさらなる他の形態が図７に示されている。上記の図５における実施と同様に、コントローラー７０２は、温度センシング及びヒーター操作制御用の電子部品を備えた１つ以上のプリント回路カード、及び、制御システム内の他の電子的構成要素を備えた通信用の通信（Ｉ／Ｏ）モジュール又は回路を収容する機械的容器７０２を含む。（温度センシング及びヒーター制御は単なる例示であることは理解されるべきであり、本発明の趣旨を限定するものとして理解されるべきではない。）プロセスコントローラー７０２は、複数の統合光センサー７０６を含む。また、プロセスコントローラー７０２は、例えばパラレルポート７１０、イーサーネットポート７１２及びＵＳＢポート７１４を含む様々な通信（Ｉ／Ｏ）ポートをさらに備えてもよい。プロセスコントローラーは、制御システムの１つ以上の装置間の通信チャンネルを特定する装置アドレスダイアル７１８をさらに含んでもよい。
Ｉ／Ｏポートは、プロセスコントローラー７０２から図４に示されたプロセスコントローラー４０２と同様な複数の制御装置又はシステムへの通知命令に適用されてもよい。

ここに記載された様々なモジュール及び／又は回路（例えばコントローラー、マイクロコントローラー、プロセッサー等）は、単一の処理装置又は複数の処理装置であってもよい。このような処理装置は、マイクロプロセッサー、マイクロコントローラー、デジタル信号プロセッサー、マイクロコンピューター、中央処理装置、現場プログラム可能ゲートアレイ、プログラム可能論理装置、状態機械、論理回路、アナログ回路、デジタル回路、及び／又は、操作命令に基づく信号（アナログ及び／又はデジタル）を操作するいずれかの装置であってもよい。操作命令はメモリー内に記憶される。メモリーは、単一のメモリー装置又は複数のメモリー装置であってもよい。このようなメモリー装置は、読み出し専用メモリー（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、揮発性メモリー、非揮発性メモリー、スタティックメモリー、ダイナミックメモリー、フラッシュメモリー、及び／又は、デジタル情報を記憶するいずれかの装置であってもよい。処理モジュールが状態機械、アナログ回路、デジタル回路、及び／又は、論理回路に対する１つ以上の機能を実施する場合には、対応操作命令を記憶するメモリーは、状態機械、アナログ回路、デジタル回路、及び／又は、論理回路を備える回路を埋め込んでもよい。このような実施形態においては、メモリーが記憶し、ここに連結された処理モジュールがここに示され及び／又は記載されたステップ及び／又は機能の少なくともいくつかに対応する操作命令を実施する。

開示の記載は本質的に単なる説明であり、したがって、本発明の要旨から逸脱しない変更は本発明の趣旨の範囲内であることを意図するものである。このような変更は、本発明の精神及び趣旨からの逸脱としてみなされない。

Claims (13)

1. プロセスコントローラーを備え、
   前記プロセスコントローラーは、
   複数のプロセス入力と、
   複数の通信ポートと、
   前記プロセスコントローラー内で統合された少なくとも１つの光センサーと、
   前記複数の通信ポート及び前記少なくとも１つの光センサーと通信する制御ユニットとを備え、
   前記光センサーのデータが前記プロセスコントローラー内に常駐することを特徴とするプロセス制御用システム。
2. 前記コントローラーは、前記少なくとも１つの光センサーからの光信号を測定するよう構成された少なくとも１つのモジュールを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記光信号は装置を制御する制御信号を計算するために用いられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 光温度プローブをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つの光センサーは、前記光温度プローブからの温度信号を測定するよう構成されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記温度信号は、制御計算からの誤差を測定し、計算された誤差に対応する制御信号を熱装置に出力する前記コントローラーにより解釈されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つの光センサーは、光プローブからの信号を測定するよう構成され、前記信号は、圧力、張力、ガス濃度及び浸食からなる一群から選択されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
8. 前記信号は、制御計算からの誤差を測定し、計算された誤差に対応する制御信号を装置に出力する前記コントローラーにより解釈されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. コントローラーと、
   複数の通信ポートと、
   複数の光センサーとを備え、
   前記複数の通信ポート及び前記光センサーは、前記コントローラーと通信し、前記コントローラーは、前記複数の光センサーから第１光信号及び第２光信号を受信し、前記第１光信号及び前記第２光信号に対応する制御装置に少なくとも１つの制御信号を送信するよう構成されることを特徴とする統合プロセス制御装置。
10. 前記制御装置は熱装置であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記複数の光センサーは光温度センサーであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 前記複数の光センサーは圧力、張力、ガス濃度及び浸食からなる一群から選択されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
13. 前記複数の光センサーは環境における独立したゾーンと通信することを特徴とする請求項９に記載の装置。

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