JP3698444B2 - プロセスに於ける欠陥センサの検出と特定を行うための方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、プロセス内のプロセスパラメータを測定するためのセンサのセットを含むプロセスコントローラに関し、更に詳細には、それに関連するそれらのセンサの一又はそれ以上の欠陥を検出し及び特定するプロセスコントローラに関するものである。
技術背景
典型的には、プロセス制御システムは、プロセスの運転中の種々のプロセスパラメータ測定するセンサのセットと、検出されたパラメータに基づいてプロセスを制御するプロセスコントローラとを含んでいる。このようなセンサのセットの測定値に応答してプロセスを制御する多くの方法が知られているが、一又はそれ以上のセンサが、偽りの又は不正確な測定を生じるような欠陥を生じると、プロセスの制御の特有の問題を生じる。もし欠陥を生じたセンサが著しく不正確な値を反映し、及び/又はセンサの欠陥が短時間内に検出されなければ、プロセスコントローラは、プロセスを望ましくない又は有害な方向へ制御を行うことになる。
センサの欠陥は種々の方法で発生し得るが、センサの欠陥は、センサバイアスの欠陥、センサのドリフトの欠陥、センサの精度の低下の欠陥、及び完全なセンサの欠陥の4つのカテゴリーの一つに要約される。
センサ内に現れる欠陥の種々のタイプが図1a〜1dに示されており、白丸の点は真の値と計測されているプロセスパラメータの実際の値とを示し、黒丸は欠陥のあるセンサの出力を表している。図1aはセンサのバイアスの欠陥を示し、センサは実際のプロセスパラメータに定数のバイアス値を加えている。図1bは、センサの完全な欠陥を表し、センサの出力は一定であるか、又はプロセスパラメータの実際の値に無関係な方法で失墜している。図1cはセンサのドリフト欠陥を示しており、センサの出力は、定数の駆動関数を有する自己相関項がプロセスパラメータの実測値に加えられている。図1dは、センサの精度が低下する欠陥を示しており、センサの出力は、プロセスパラメータの実測値にランダムなノイズ項に加えられている。
プロセス制御システム内のセンサが上記で特定した形式の一つの欠陥を生じたときに決定を行い、このような欠陥が生じたことをオペレータに知らせるコントローラは公知である。プロットセンサに欠陥が生じたときを決定する一つの従来技術の方法は、プロセス制御システムに関連するセンサのセットのそれぞれに対するセンサ評価信号を、センサによって出される実際のセンサ出力信号から計算する公知の数学的ルーチンを使用する。次に、この方法は、もしセンサ評価信号とセンサ出力信号との間の誤差が予め決められたしきい値よりも大きければ、その方法はプロセス制御システムのセンサの一つに欠陥が生じたことを検出する。
センサ評価信号のセットを得るのに使用される従来技術による数学的ルーチンは、主成分分析(PCA)である。PCAは、相関関係のあるセンサの測定値のような相関変数のセットを、相関関係のない変数のより小さいセットに変換する変換技術である。この変換技術の効果は、例えばセンサ測定値のセットの座標系を、オリジナルの座標システムに於けるより数の少ない座標軸上のセンサ測定値によって表現される情報の配列を生ずるように、回転させることである。この変換は、互いに高度に相関するこれらの変数を単一の変数として取り扱われることを許容することにより、変数の圧縮をもたらす。プロセスに対してPCAが行われた後、m個のセットの相関関係のない変数又は主成分、一般的にはt1、t2,...tmとして言及されるが、これは変数のオリジナルのセットにある情報の殆どを表す。PCAはGeladi,Kowalski,"Partial Least-Squares Regression:A Tutorial,"185 Analytica Chimica Acta 1(1986)に一般的に記載されており、その開示は参照によってここに取り入れられる。
重要なのは、n個のセンサを有する特定のプロセスに対する主成分t1、t2,...tmの決定に於いて、主成分の重み係数Pij(ここで、iは1から主成分の数mまで変化し、jは1からセンサの数nまで変化する)は、主成分の適当な主成分重み係数との積が、それぞれセンサs1,s2...smによって計測されるセンサ出力信号x1,x2...xmに近似的に等しいセンサ評価信号
のセットを提供するように、決定される。一般的には:
式(1)は以下のようにベクトル形式で表される:
Tは、関連するマトリックスの転置を表す。
ひとたび全てのi=1からm及びj=1からnに対する主成分の重み係数Pijが特定のプロセスについて決定されると、これらの主成分重み係数は、公知のPCA技術のどのような期間に於いてもセンサ評価信号
を得るのに使用することができる。より詳細には、センサ評価信号は式(1)及び(2)によって決定することができ、ここでは、主成分t1〜tmが、主成分の重み係数Pijとセンサ出力信号x1〜xnからその期間について計算される。
多くのセンサを有するどのような特定のシステムについても使用される主成分重み係数を定義する方法は、従来技術に於いて知られ、Geladi,Kowalski,"Partial Least-Squares Regression:A Tutorial,"185 Analytica Chimica Acta 1(1986)と、Wise,Ricken,"Recent Advances in Multivariate Statistical Process Control:Improving Robustness and Sensitivity,"IFAC International Symposium,ADCHEM’91,Toulouse France,pp.125-130(1991)とその引用文献に、一般的に記載されている。一般的に、主成分の分析を使用して材料成分と物質のポリマー的性質とを測定する方法は、Smith,米国特許第5,420,508号と、Dechene et al.米国特許第5,408,181号とに記載されている。主成分の抽出と主成分の変換を使用する信号データ処理は、Russo,米国特許第5,377,305号及びSirat et al.米国特許第5,379,352号に記載されている。Haramaty他の米国特許第5,406,502号は、主成分分析を使用して装置の正常な運転を示す多次元仮想センサ空間を規定する装置の操作性を測定するためのシステムが開示している。
図2は、5つのセンサS1〜S5を有するプロセスで使用するための主成分分析変換ルーチンを図示している。このルーチンは、2つの主成分t1及びt2と、センサS1〜S5によって生成されるセンサ出力信号x1,x2...x5の、センサ評価信号
への変換とを使用している。図2に示すように、センサ出力信号x1,x2...x5は、主成分重み係数Pijの予め決められたセットと乗算されて、2つの主成分t1及びt2を得る。主成分t1及びt2は、次に、主成分重み係数Pij(ここで、iは1から2まで変化し、jは1から5まで変化する)のセットと乗算されて、センサ評価信号
を得る。通常の条件、即ち、センサS1〜s5が全て適切に作動しているときは、センサ評価信号
は、センサ出力信号x1,x2...x5にほぼ等しい。
上述のように、従来技術のシステムは、プロセス制御システムのセンサS1〜Snの一つが欠陥を生じたことを、センサ評価信号
とセンサ出力信号x1〜xnとの間の誤差の2乗の総和として定義される誤差信号eを計算することにより、典型的に検出する。より詳細には、誤差信号は、通常、以下のように定義される:
これらの従来技術のシステムに於いて、誤差信号eが予め決められた値に近づいたとき、システムはセンサS1〜Snの一つが欠陥を生じていることを示す。典型的には、これらの従来技術のシステムは、単に各センサの出力信号とセンサ評価信号とのペア
の間の差を求めることにより、そして関連する差の最も大きいペアに関係するセンサを欠陥を生じたセンサとして特定することにより、どのセンサに欠陥が生じたかを評価する。しかしながら、通常の(欠陥のない)センサは、どのようなときに於いてもこのような直線的な比較を使用すれば欠陥センサの誤った特定に導くような大きな誤差を有しているという事実により、欠陥を生じているセンサを特定するこの方法は、そんなには正確ではなく、又は信頼性のあるものではない。
発明の概要
本発明は、一又はそれ以上のセンサの欠陥を素早く正確に検出し、信頼性のある方法でどのセンサに欠陥が生じているを特定することができるプロセス制御を提供する。特に、本発明は、センサ評価信号のセットを決定するために、センサ出力信号のセットに対する主成分分析のような相関分析を行い、そして、センサ評価信号とセンサ出力信号との差の関数として決定される一又はそれ以上の残差に基づいて、各センサについてのセンサ有効性指標を決定する方法及び装置を提供する。センサ有効性指標は、センサのうちのどの一つに欠陥を生じているかを決定するのに用いられる。
本発明の一つの見地によれば、それぞれが関連するセンサ出力信号を生成するセンサのセットを有するプロセス制御システム内の欠陥センサの検出に用いられる方法及び装置が提供される。この方法及び装置は、例えば主成分分析を使用してセンサ出力信号からセンサ評価信号のセットを生成し、センサ評価信号から複数のセンサのそれぞれに対するセンサ有効性指標を決定する。この方法及び装置は、次に、センサの一つに欠陥を生じているかを確かめるためにセンサの一つに関連するセンサ有効性指標を使用する。もし必要なら、対話的及び/又は適応的にフィルターをかけることもできる。
好ましくは、センサの何れか一つに関連するセンサ有効性指標は、それぞれがセンサ評価信号とセンサ出力信号との差を示す2つの残差の関数として決定される。残差の一つは、有効性指標が決定されつつある特定のセンサとは独立した方法、例えば、センサ評価信号とセンサ出力信号との間の差の2乗の総和により計算され得る。しかし、他方の残差は、有効性指標が決定されつつある特定のセンサの関数として決定され、一実施態様では、センサ評価信号を求めるために主成分分析によって使用される重み係数に関係する相互相関マトリックスの関数である。最も好ましくは、特定のセンサに対する有効性指標は、この2つの残差の比として決定される。
本発明の他の見地では、それぞれが関連するセンサ出力信号を生成する多重センサを有するプロセスに於ける欠陥センサを特定するための方法及び装置は、センサ出力信号からセンサ評価信号のセットを決定するために相関分析を使用し、センサ出力信号とセンサ評価信号との間の誤差を表す一又はそれ以上の残差を計算する。この方法及び装置は、センサの一つに欠陥を生じているかどうかを、一又はそれ以上の残差から決定し、センサの一つに欠陥を生じていると決定されたときに、それぞれのセンサに対して有効性指標を残差の関数として計算する。欠陥を生じている特定のセンサは、計算された有効性指標から特定される。オペレータは、どれが欠陥センサかを告知される。
このプロセス制御システムは、欠陥センサが検出され特定されたときは、欠陥センサによる出力信号の代わりに、欠陥センサに関連するセンサ評価信号に従ってプロセスを制御するように運転される。
2つの残差の比の関数として有効性指標のセットを計算する本発明の方法は、本発明の有効性指標が、欠陥センサを特定する従来技術に使用される標準より、センサ出力信号及びセンサ評価信号に存在するどのようなノイズからも影響をあまり受けないため、欠陥を生じている特定のセンサを特定する点に於いて、従来技術よりも信頼性が高い。また、本発明によって遂行されるように、2つの残差の比として有効性指標のセットを計算することは、異なる有効性指標の間の差を増大させ、換言すれば、有効性指標のセットの一つが下がれば、他方は上がる。結果として、本発明の有効性指標を使用してどの特定のセンサに欠陥を生じたかを検出することは、互いに関連性のない欠陥センサ特定指標を使用する従来技術の方法よりも、より容易である。
【図面の簡単な説明】
図1a〜1dは、センサに典型的に見られるセンサ欠陥のタイプを表すグラフを含んでいる;
図2は、主成分分析ルーチンに従ってセンサ出力信号からセンサ評価信号が得られる方法のグラフ説明図を含んでいる;
図3は、本発明による欠陥センサの検出と特定のための装置を有するプロセスコントローラを示すブロックダイヤグラムを含んでいる;
図4は、図3の欠陥センサ特定装置及び再構築ブロックを図示するブロックダイヤグラムを含んでいる;
図5は、本発明により欠陥センサを検出し特定する方法を図示するフローチャートを含んでいる;
図6は、プロセス制御システムの6個のセンサのセットのそれぞれに対するセンサ有効性指標のグラフを含んでいる;
図7は、図6に関連するプロセス制御システムのために計算された残差を図示するグラフを含んでいる;及び
図8は、本発明に従って、欠陥センサを検出し特定するための更なる方法を図示するフローチャートを含んでいる。
詳細な説明
図3を参照すれば、プロセス制御システム10がプロセス12の制御に採用されている。プロセス制御システムに於いては典型的であるが、コントローラ14は、センサ16のセットと欠陥センサ特定装置及び再構築ブロック18と、和回路網20とを有するフィードバックループによって生成される信号に従って、プロセス12を制御する。センサ16のセットは、独立したセンサS1、S2...Sn(ここでnはセンサの全数である)を任意の数だけ有しており、それぞれは、温度及び/又は圧力のような一又はそれ以上のプロセスパラメータを計測する。センサS1、S2...Snはそれぞれ、計測されたプロセスパラメータを示すセンサ出力信号x1,x2...xnを出力し、ブロック18にこれらの出力信号を供給する。もし必要なら、センサ16のセットは余分なセンサ、即ち、プロセス12の同じか又は異なる位置で同様の又は関連あるプロセスパラメータを測定する2つ又はそれ以上のセンサを含んでいてもよい。
欠陥センサ及び再構築ブロック18は、センサ出力信号x1〜xnを解析し、そして、センサS1,S2...Snにそれぞれ関連するセンサ評価信号
のセットを計算する。次に、ブロック18はセンサの一つに欠陥を生じているかを検出し、もしそうなら、センサS1,S2...Snのどれに欠陥が生じたかを、センサ評価信号
を使用して特定する。もしブロック18がセンサS1,S2...Snの何れにも欠陥が生じていないと決定したときは、ブロック18はセンサ出力信号x1〜xnを表す信号をバス22を介して和回路網20に供給する。和回路網20は、センサ出力信号x1〜xnを表す信号を一又はそれ以上のセットポイント値と比較して誤差信号のセットを決定し、これは、続いて、プロセス12の制御に使用するためにプロセスコントローラ14に供給される。
もしブロック18がセンサS1,S2...Snの一つに欠陥を検出したら、ブロック18はどのセンサに欠陥が生じたか、以後欠陥センサSfとして言及するが、を検出し、センサ出力信号を和回路網20に送る前に、欠陥センサSfによって生成されるセンサ出力信号xfを、欠陥センサSfのために計算されたセンサ評価信号
で置き換える。同時に、ブロック18は、欠陥センサSfについて、適当なアラーム若しくはメッセージをコンピュータ端末若しくはコントロールボードに送ることにより、又は欠陥センサの存在をオペレータに示す他の望ましい方法を使用することにより、ユーザ又はオペレータに警告し、これによって、オペレータが欠陥センサSfを修理し又は交換し得るようにする。このような方法で、ブロック20はオペレータに欠陥センサの存在を警告する一方、同時にコントローラ14が欠陥センサの測定に基づいてプロセス12を制御するのを防止する。
この置き換え技術の結果として、プロセスコントローラ14は、欠陥センサの存在下、測定されているプロセスパラメータの実際の値と殆ど又は全く関係のない欠陥センサの出力信号xfに代えて、欠陥センサSfによって測定されているパラメータの値の評価に従い、プロセス12を制御する。この制御方法は、センサの一つに欠陥が生じたときにプロセス12のより正確な制御を可能に、このことは核プロセス制御システムのようなプロセス制御システムでは重要である。
プロセス12はどのようなタイプのプロセスであってもよいし、プロセスコントローラ14は、比例積分(PI)コントローラ、比例積分微分(PID)コントローラ、ファジー論理コントローラ、又は一又はそれ以上の制御信号をプロセス12のために生成する望ましいタイプのようなどのようなものであってもよい。プロセス制御システム10は、センサS1,S2...Snによって測定されるようなプロセス12の一又はそれ以上の出力に応答して、プロセス12の運転の間にコントローラ14を再調節するチューナ(図示せず)を含んでいてもよい。使用し得るコントローラ及び/又はチューナは、その開示がここに参照によって取り入れられる米国特許第5,283,729号、「自動チューニングを行うファジー論理制御のための方法及び装置」と題された1993年8月11日の米国特許出願第08/105,999号、「プロセスコントローラを自動的にチューニングするシステム及び方法」と題された1993年5月28日の米国特許出願第08/707,090号、及び/又は「非線型プロセスコントローラに於ける制御パラメータの適用及び応用方法」と題された1995年2月21日の米国特許出願第08/391,717号に記載され、これらの全てが、本発明の譲受人に譲渡され、それぞれの開示はここに参照によって取り入れられる。
図4を参照すれば、センサ欠陥特定装置及び再構築ブロック18がより詳細に示されている。マイクロプロセッサ又はコンピュータの他の望ましいタイプを使用して装備され得るブロック18は、センサアナライザ26及び制御ライン30を通じてセンサアナライザ26に結合したマルチプレクサ28を包含している。適切にプログラムされたデジタル若しくはアナログのコンピュータ、マイクロプロセッサ又は他の望ましい処理機を有し得るセンサアナライザ26は、センサ出力信号x1〜xnに応答し、そして、センサS1〜Snのそれぞれに関連するセンサ評価信号
のセットを生成する。センサ出力信号x1〜xn及びセンサ評価信号
は、図4に示されたマルチプレクサ28に供給される。
センサアナライザ26がセンサS1〜Snの何れもが欠陥を生じていないことを決定したとき、マルチプレクサ28はセンサ出力信号x1〜xnを直接図3の和回路網20にバス22を通じて供給する。しかし、センサアナライザ26がセンサS1〜Snの一又はそれ以上に欠陥を生じたことを決定したとき、センサアナライザ26はアラーム信号又はエラーが発生したことを示す他の信号をオペレータに信号ライン32を介して送る。また、センサアナライザ26は、特定のセンサに欠陥が生じたことを決定し、そうするに際して、欠陥センサSfに関連するセンサ評価信号
を、欠陥センサSfから得られるセンサ出力信号xfに代えて、(図3の)和回路網20に送るように、制御ライン30を介してマルチプレクサ28を制御する。センサアナライザ26はまた、一又は複数の欠陥センサを示す信号を信号ライン32を介してオペレータに送る。このように、センサアナライザ26は、マルチプレクサ28と組み合わせて、センサS1〜Snが適正に動作しているときは、センサ出力信号x1〜xnをプロセス12の制御に使用するために和回路網20に送り、センサSfに欠陥を生じているときには、欠陥センサSfに関連するセンサ評価信号
に加えて欠陥を生じていないセンサに関連するセンサ出力信号を送る。
一般的に、図4のセンサアナライザ26は、(1)センサS1〜Snの一又はそれ以上に欠陥が生じたかを検出するために、(2)センサS1〜Snのうちのどのセンサに欠陥を生じたのかを特定するために、及び(3)プロセス12の制御に於ける欠陥センサのセンサ出力信号を置き換えるのに使用されるように各欠陥センサに対応するセンサ評価信号
を生成するために、センサ出力信号x1〜xn上で主成分分析(PCA)のような相関分析を行う。本発明はPCAに関連して記載されるけれども、多重線型回帰分析、主成分回帰分析、部分最小二乗回帰分析の他、全ての公知のもの、Geladi,Kowalski,「部分最小二乗回帰:論文」,185 Analytica Chimica Acta 1(1986)により詳細に記載されているものを含む他の好ましい相関分析が代わりに使用され得る。
一般的には、本発明に従って欠陥センサを検出し特定する方法は、それぞれセンサS1〜Snのためのセンサ評価信号
を計算する繰り返しルーチンを実行又はシュミレートする。この繰り返しルーチンでは、センサS1に対するセンサ評価信号
は、式(1)及び(2)により定義されるPCA技術を使用する多くの繰り返しのそれぞれの間に再計算され、そこでは、各繰り返しに於いて、センサ出力信号xiが前の繰り返しで計算されたセンサ評価信号
で置き換えられる。ルーチンの繰り返しは、論理的には、センサ評価信号
が漸近値に近づくまで繰り返される。
全てのセンサ評価信号
が計算されたとき、欠陥センサを検出し特定するこの方法は、センサ出力信号x1〜xnとセンサ評価信号
との間の誤差を測定する一又はそれ以上の残差を計算し、次に、各センサに対するセンサ有効性指標を一又はそれ以上の残差の関数として計算する。この方法は、センサに欠陥が生じているかを残差又はセンサ有効性指標から決定し、そしてどのセンサが欠陥を生じているかをセンサ有効性指標から特定する。欠陥センサの検出と特定に際し、この方法は欠陥センサのセンサ出力信号を欠陥センサについて計算されたセンサ有効性指標で置き換える。
図5のフローチャートは、図4のセンサアナライザ26によって装備された本発明による欠陥センサの検出と特定の方法を図示している。図5の方法によれば、ブロック100は、最初に、センサS1,S2,...Snによって測定されるパラメータを有するプロセス12に対する主成分の重み係数Pij(ここで、iは1から主成分の数mまで変化し、jは1からセンサの数nまで変化する)を決定する。
ブロック102は、次に、以下の主成分相互相関係数Crs(ここで、r及びsは、1からnまで変化する)のセットを計算する:
ここで、Crs=主成分重み係数から求められるn2の相互相関係数の一つ
Pir=j番目の主成分とr番目のセンサに関連する主成分重み係数
Pis=i番目の主成分とs番目のセンサに関連する主成分重み係数
式(4)は、以下のようにマトリックスの形式で表される。
C=PPT (5)
ここで、C=全てのr=1からn及びs=1からnに対する相互相関係数を含むn行n列のマトリックス
P=mの主成分重み係数のnのセットを含む長さnの行マトリックス
式(5)の相互相関係数マトリックスCは、以下の列マトリックスのセットとして表現され得る:
C=[C1C2...Cn] (6)
ここで、列マトリックスCiは、以下の相互相関係数Crsを含んでいる。
ブロック100及び102によって行われる計算は、プロセス12の運転の前又は最中の何れの時点に於いても行われ得て、もし望むなら、r及びsの全ての値、即ちCマトリックスに対する相互相関係数Crsが、センサ評価信号
を得るのに使用するために、センサアナライザ26に関連するメモリ(図示せず)に格納され得る。
上記で示したように、プロセス12の運転の間、図3に示すセンサ16のセットのそれぞれは、測定されたプロセスパラメータを表すセンサ出力をセンサアナライザ26に、周期的又は連続的な方法で供給する。ブロック104は、これらのセンサの測定値を、センサ出力信号x1〜xnを得るためにサンプリング又はラッチする。
ブロック106〜112は、次に、各センサS1〜Snに対するセンサ評価信号
を計算する。ブロック106は、変数iを1(最初のセンサS1に対するセンサ評価信号
が計算されることを示す)にセットし、ブロック108はセンサSiに対するセンサ評価信号
を以下のように計算する:
式(8)はまた、以下のように表される:
ここで、Xi-=最初のi−1個のセンサ出力信号を有する長さi−1の行マトリックス;
0=ゼロマトリックスエレメント;
Xi+=最後のn−1個のセンサ出力信号を有する長さn−1の列マトリックス;
Ci=式(6)のマトリックスCのi番目の列マトリックス
式(8)及び(9)は、上述の繰り返しルーチンによって得られた
の漸近値をどのような繰り返しをも実際に行うことなく決定する。しかし、繰り返しの計算は、以下の式を用いて行われる:
次に、ブロック110はセンサ評価信号が全てのセンサに対して決定されたか否か、即ち、変数iがセンサの数nに等しいか否かを見るためにテストを行う。もしそうでなかったら、ブロック112は変数iを1だけ増加させ、制御をブロック108に戻す。そうでないときは、センサS1〜Snのそれぞれに対してセンサ評価信号が計算され、制御はブロック114に向かう。
ブロック114は、センサ評価信号
の計算されたセットとセンサ出力信号x1〜x5のセットとに関連する一又はそれ以上の残差を計算する。残差は、センサ評価信号のセットと実際のセンサ出力信号のセットとの差の測定であり、公知の又は所望の方法によって計算され得る。一又はそれ以上の残差は、欠陥が何れかのセンサに生じたかを決定するためにブロック114によって使用され、及び/又は特定のセンサに欠陥を生じているか否かを決定するのに使用され得る。好ましくは、ブロック114は、センサ出力信号と計算されたセンサ評価信号との間の差の2乗の総和として、残差Aを計算する。より詳細には、ブロック114は残差Aを以下のように決定する:
これに代えて、又はこれに加えて、ブロック114は他の何れかの特定のセンサに対する他の残差Bi,Ci,Di及びEiを計算することができ、ここで、:
一般的に、残差Biは、センサ出力信号と、センサ出力信号xiをセンサ評価信号
で置換することにより得られたセンサ評価信号との間の差を示すものを含んでいる。残差Ciは、センサ評価信号
で置換されたセンサ出力信号xiを有するセンサ出力信号と、センサ評価信号との間の差を示すものを含んでいる。残差Diは、センサ出力信号と、センサ評価信号
で置換されたセンサ出力信号xiを有するセンサ出力信号との間の差を示すものを含んでいる。残差Eiは、センサ評価信号
で置換されたセンサ出力信号xiと、センサ出力信号xiをセンサ評価信号
で置換することにより得られたセンサ評価信号との間の差を示すものを含んでいる。ブロック114は、センサ出力信号とセンサ評価信号との間の差を示す他の所望の残差を矛盾のない定量可能な方法で計算することができる。
ひとたび所望の一つの残差又は複数の残差が計算されると、ブロック114は、一つのセンサに欠陥が生じているか否かを決定するために、残差を予め決められた値と比較する。もし、残差が予め決められた値より大きいか、又は残差がいくつかの所望の予め決められた判定基準、例えば、長期間に亘る残差の平均が予め決められた値より大きい等の判定基準に一致したら、ブロック114はセンサの一つに欠陥を生じたことを検出する。
ブロック114の計算に代えて又は加えて、ブロック116〜122は、センサS1〜Snのそれぞれについてのセンサ有効性指標ηを計算する。実際上、センサSiに対するセンサ有効性指標ηiは、センサSiの有効性を示している。一般的には、各センサの有効性指標は、残差の何れか2つ又はそれ以上の関数として計算され、より詳細には、残差の何れか2つ又はそれ以上の比の関数として計算される。最も詳細には、各センサ有効性指標は、ブロック118に於いて、式(11)の残差Aに対する式(15)の残差Eiの比の関数として、又は式(11)の残差Aに対する式(14)の残差Diの比の関数として計算される:
より詳細には、センサSiに対するセンサ有効性指標ηiは、以下のように計算される:
実際に欠陥を生じているセンサのセンサ有効性指標は、長期間に亘ってゼロに向かって減少するからであろうが、欠陥を生じていないセンサのセンサ有効性指標は、1近くを維持するであろう。一般的には、図5の方法は、もし、特定のセンサに関連するセンサ有効性指標が、他の所望の予め決められた値をしようし得るが例えば0.5のような予め決められた値より小さくなると、そのセンサを欠陥センサとして認識する。
もし必要なら、ブロック120は、センサ有効性指標のノイズを減少させるために、各センサに対するセンサ有効性指標ηにフィルターをかける。一般的には、何れのセンサに対するセンサ有効性指標も、繰り返し技術を使用してフィルターをかけることができ、以下のように計算される:
初期のフィルター係数は、以下のように設定するのが好ましく:
ここで、nw=フィルターウインドウ内の期間の数であり;
そして、フィルターをかけた有効性指標
の初期値はIa〜のように競っているのが好ましい:
これらの初期条件で、フィルターをかけたセンサ有効性指標
から初期条件の影響を除くために、nwの期間をとる。
もし必要なら、適応フィルタリングが、何れかの又は全てのセンサS1〜Snに対するセンサ有効性指標に適用され得る。適用フィルタリングの技術は、フィルタリング係数λを、以下のように変更することにより達成される:
λnew=λold−αΔIfa (21)
ここで、λnew=新たなフィルタリング係数(filtering index)又はフォゲッティングファクター(forgetting factor)
λold=古いフィルタリング係数(filtering index)又はフォゲッティングファクター(forgetting factor)
α=誤警報率Ifaを使用したときの適用フィルタリングに関連する学習係数(learning coefficient)
ΔIfa=誤警報率の変化の速度
又は
λnew=λold+βΔIma (21)
ここで、λnew=新たなフィルタリング係数(filtering index)又はフォゲッティングファクター(forgetting factor)
λold=古いフィルタリング係数(filtering index)又はフォゲッティングファクター(forgetting factor)
β=欠落警報率Imaを使用したときの適応フィルタリングに関連する学習係数(learning coefficient)
ΔIma=欠落警報率の変化の速度
式(21)及び(22)に於いて、学習係数α及びβは、オペレータによって手動で決定されることを含めて、どのような所望の方法によっても決定され又は設定され得る。誤警報率に於ける変化ΔIfa及び欠落警報率の変化ΔImaは、コンピュータ又はその方法により生成する多くの誤警報Ifa及び/又は欠落警報Imaを記憶する他の装置を使用して、これらの誤警報及び/又は欠落警報が出現する期間と、予め決められた長さの時間に亘ってこれらの値の変化の速度とに沿って、オペレータによって決定され得る。
ブロック116〜122がセンサS1〜Snにそれぞれ関連する特定の期間に対するセンサ有効性指標η1〜ηnを計算した後、ブロック124はセンサに欠陥が生じているかどうか、及びどの一つに欠陥が生じたかを、センサ有効性指標η1〜ηnを用いて検出する。ブロック124はセンサ有効性指標からどのセンサに欠陥を生じているかを、センサ有効性指標の何れかが予め決められた値より小さくなったかどうかから決定し、もしそうなら、関連するセンサを欠陥センサとして特定することにより、決定する。センサの一つに、例えばブロック114により欠陥が生じていることが既に決定されたとき、センサS1〜Snのどれに欠陥が生じているのかを決定するために、センサ有効性指標はまた或いはこれに代わって互いに比較される。
欠陥が生じたことが決定され、センサ有効性指標の何れもが予め決められた値より小さくない若しくは他のセンサ有効性指標より著しく大きくないとき、又はもし他の所望される欠陥検出若しくは特定の判定基準に何れのセンサ有効性指標も合致しているなら、欠陥センサは不確定であり、センサ欠陥状態はより後の期間まで決定されない。このような不確定な状態は、通常、残差を使用してブロック114によって欠陥センサの存在が検出された後の多くの期間に対して起こる。一般的には、センサ有効性指標に適用されるより高度なフィルタリングは、残差を使用して欠陥センサの存在が検出された後では、どのセンサに欠陥が生じているかをもはや検出できない。もし必要なら、センサ有効性指標は欠陥センサの存在の検出とどのセンサに欠陥が生じているかの両方に使用され得る。このような場合には、ブロック114は図5の方法から除かれ得る。
もしブロック114及び/又は124がセンサの一つに欠陥が生じたことを検出しないとき、制御はブロック104に戻る。しかし、もしブロック114又は124の一つがセンサの一つに欠陥を生じたことを検出したら、ブロック126はオペレータに欠陥を告知し、そしてもし可能なら、オペレータに特定のセンサに欠陥を生じたことを告知する。この告知は、オペレータが欠陥センサを修理し又は交換することを可能とする。
次に、ブロック128は、ブロック108によって欠陥センサSfのセンサ出力信号xfをそのセンサのために計算されたセンサ評価信号
で置き換えるように、図4のマルチプレクサ28を制御する。もし必要なら、ひちたび欠陥センサが検出されたら、ブロック128は、計算されたセンサ評価信号
を欠陥センサSfのセンサ出力信号xfのために、欠陥センサSfが修理され又は交換されるまで、自動的に置き換えることができる。ブロック128は、次に、次に期間のセンサの測定値をサンプリングするブロック104に制御を戻す。ブロック104〜128を有するこのループは、プロセス12の運転中、連続的に繰り返される。
ブロック128によって行われる信号置換プロセスは、これらの制御信号がセンサに欠陥を生じたときの欠陥センサの測定値に代わるセンサ評価信号に基づいているため、プロセス12の制御の間、コントローラ14(図3)によって生成される制御信号の完全性を維持するのを助ける。この置換技術は、ブロック104〜128を有するループによる連続した計算に関連して、もし検出され及び特定された欠陥センサが修理され又は取り替えられる前にこのような欠陥が生じたら、他のセンサの更なる欠陥の検出を可能とする。
図6は、期間510及び630の間に本発明の方法を使用したシステムによって計算された6個のプロセスセンサのグループに対するセンサ有効性指標のグラフを含んでいる。図7は、同じ6個のセンサ及び期間に対する残差Aのグラフを含んでいる。図6及び図7の垂直の鎖線は、センサの一つに欠陥が生じた(図6で点線で示されている)期間を示している。図7の点200は、本発明の方法によるシステムが、ある設定点を有する残差Aの比較に基づいてセンサの一つに欠陥が生じたことを検出した期間を示している。図6の点202は、同じシステムが、ある設定点を有する計算されたセンサ有効性指標の比較に基づいて、欠陥を生じた特定のセンサを特定した期間を示している。
センサの欠陥をモニタするために、残差A,Bi,Ci,Di及び/又はEiの一又はそれ以上の残差を使用することが好ましく、欠陥センサがこの残差に基づいて欠陥センサが検出されたとき、どのセンサに欠陥が生じたかを特定するために、センサのそれぞれに対する計算された有効性指標を使用することが好ましい。このような欠陥センサ検出及び特定の方法論は、残差がセンサ有効性指標よりノイズ及び散発的な変動によって受ける影響がより小さく、従って、残差はセンサの欠陥の検出のベースとなるより安定なセンサ出力信号を示すので、よりよい欠陥検出を提供する。センサ有効性指標は、実際には正常な運転の間にかなりの範囲を変動し、即ち、それらは残差より正常値からのズレのより大きな基準値を有している。結果として、最初からセンサの一つに欠陥が生じたかどうかを決定するためにセンサ有効性指標を使用することは、センサの一つに欠陥が生じたかどうかを単に残差を使用するよりも、誤警報の生成にとってより好ましい。また、二重の検出及び特定の仕組みは、この仕組みが各期間でセンサのそれぞれに対するセンサ有効性指標を計算するのを不要とするのでより少ない計算しか必要とされないため、処理を節約し得る。事実、この方法は、計算されるべきセンサ有効性指標を、どのセンサに欠陥が生じたかを特定するのにセンサ有効性指標が必要とされる、センサの一つに欠陥が生じたときにのみ計算することを可能とする。
図8のフローチャートは、本発明による欠陥センサの検出及び特定方法の更なる実施例を示しており、図4のセンサアナライザ26を備えている。図5のブロックと本質的に同様の機能を果たす図8のブロックは、同様に符号が付されている。図8の方法は、センサの欠陥が生じたかどうかを検出するためにブロック130によってブロック114で計算された一又はそれ以上の残差が使用される点、及びもし何れのセンサにも欠陥が生じていなければ制御は次の期間のためにすぐにブロック104に戻される点を除いて、図5の方法と同様である。しかし、もし、ブロック130がブロック114によって計算された残差に基づいてセンサの欠陥を検出したら、制御は、各センサに対するセンサ有効性指標を計算するブロック116〜122にスイッチされる。上述のように、ブロック120は、ブロック118によって計算されたセンサ有効性指標に対してフィルタリングを適用することができる。しかし、もしフィルタリングが適用されるなら、ブロック130が図のセンサにも欠陥を生じていないと決定したときでも、ブロック116〜122のステップを実行するのが好ましい。
次に、ブロック124はどのセンサに欠陥が生じたかをセンサ有効性指標η1〜ηnに基づいて決定する。ブロック124によって欠陥センサが特定されたとき、ブロック126はアラームを鳴らすか、又はどのセンサに欠陥が生じたかの表示をオペレータに与える。次に、ブロック128は、欠陥センサの出力を、ブロック108によって計算されたその欠陥センサに関連するセンサ評価信号で置き換える。ブロック128がこの置き換え手法を実行した後、又はまだ欠陥センサを検出することができないことを決定した後、制御は更なる処理のためにブロック104に戻される。
上記の方法は、特に線型プロセスでの使用に適しているが、同様に、非線型プロセスにも使用され、又は公知の技術によって改変して使用され得る。
ここで図5及び/若しくは図8又は他に記載された方法の何れも、ハードウエアに於いて実現され、又は適切にプログラムされたデジタルコンピュータ又は独立したプログラムとして若しくは共通のプログラムのモジュールとしてのソフトウエアでプログラムされたプロセッサに於いて実現され得る。更に、本発明は、図示により意図される特定の実施例に言及して記載されているけれども、この技術分野の通常の技術者には、開示された実施例に対して、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、変更、付加及び/又は削除がなされ得ることは明らかであろう。
Claims (40)
- 関連するセンサ出力信号をそれぞれ出力するセンサのセットを有するプロセス制御システム内の欠陥センサを検出する方法であって、
複数のセンサ出力信号の組み合わせからセンサ評価信号のセットを生成し、各センサ評価信号は異なるセンサの一つの出力の評価を含み、
センサのセットの一つに対する有効性指標をセンサ評価信号とセンサ出力信号との間の差の測定値を表す残差の関数として決定し、及び
センサの一つに欠陥が生じたかどうかを突きとめるために、センサの一つに関連する有効性指標を使用する
ステップを備えている方法。 - 請求項1記載の方法であって、前記有効性指標を決定するステップが、前記センサ評価信号と前記センサ出力信号との間の差の他の測定値を表す更なる残差の関数として前記有効性指標を決定するステップを更に備えている方法。
- 請求項2記載の方法であって、前記有効性指標を決定するステップが、前記残差と前記更なる残差との比の関数として前記有効性指標を決定するステップを備えている方法。
- 請求項3記載の方法であって、前記有効性指標を決定するステップが、該有効性指標を決定するために、その値がセンサ評価信号とセンサ出力信号との間の差の2乗の総和の測定値である残差を使用するステップを備えている方法。
- 請求項3記載の方法であって、前記有効性指標を決定するステップが、該有効性指標を決定するために、その値が前記有効性指標が測定されつつあるセンサに依存する更なる残差を使用するステップを備えている方法。
- 請求項3記載の方法であって、前記センサ評価信号のセットを生成するステップが、該センサ評価信号を生成するために、前記プロセス制御システムのために得られた重み係数のセットを使用するステップを包含し、前記有効性指標を決定するステップが、該有効性指標を決定するために、その値が前記重み係数のセットに関連する相互関係数マトリックスの要素に依存する更なる残差を使用するステップを包含している方法。
- 請求項1記載の方法であって、前記センサ評価信号を生成するステップが、該センサ評価信号のセットを生成するために、主成分分析によって得られる重み係数のセットを使用するステップを備えた方法。
- 請求項8記載の方法であって、前記センサ評価信号を生成するステップが、前記センサのセットの一つに対するセンサ評価信号の漸近値を計算するステップを備えている方法。
- 請求項8記載の方法であって、前記有効性指標を決定するステップが、有効性指標を決定するために、その値が前記重み係数のセットに関連する相互相関係数マトリックスの要素の関数である残差を使用するステップを備えている方法。
- 請求項8記載の方法であって、前記センサ評価信号セットを生成するステップが、前記センサ評価信号セットを生成するために、非線型主成分分析によって得られる重み係数のセットを使用するステップを備えた方法。
- 請求項1記載の方法であって、前記有効性指標を決定するステップが、前記有効性指標を決定するために、その値が、センサ評価信号とセンサ出力信号の一つがセンサ評価信号の一つによって置き換えられたセンサ出力信号との間の差の関数である残差を使用するステップを備えた方法。
- 請求項1記載の方法であって、前記有効性指標のフィルタリングを行うステップを更に備えた方法。
- 請求項14記載の方法であって、前記有効性指標のフィルタリングを行うステップが、繰り返しルーチンを使用して前記有効性指標のフィルタリングを行うステップを備えている方法。
- 請求項14記載の方法であって、前記有効性指標のフィルタリングを行うステップが、適応の方法で前記有効性指標のフィルタリングを行うステップを備えている方法。
- 請求項1記載の方法であって、センサの一つに欠陥が生じたことが突きとめられたときに、センサの一つに欠陥が生じていることをオペレータに告知するステップを更に備えている方法。
- 請求項1記載の方法であって、前記プロセス制御システムは、センサ出力信号に従ってプロセスを制御し、前記プロセスの制御に於いて欠陥が生じたとして突きとめられたセンサのセンサ出力信号を前記プロセス制御システムが使用する前に、欠陥が生じたとして突きとめられたセンサのセンサ出力信号を、欠陥が生じたとして突きとめられたセンサに関連するセンサ評価信号で置き換えるステップを更に備えている方法。
- 関連するセンサ出力信号をそれぞれが生成する多重センサを有するプロセスに於ける欠陥センサを特定するための方法であって、
複数の前記センサ出力信号の組み合わせからセンサ評価信号のセットを決定するために相関分析を使用し、
センサ出力信号とセンサ評価信号のセットとの間の差を表す残差を計算し、
前記残差からセンサの一つに欠陥が生じたかどうかを決定し、
前記センサの一つに欠陥が生じたと決定されたときにセンサのそれぞれに対して有効性指標を前記残差の関数として計算し、及び
前記計算された有効性指標から欠陥を生じた特定のセンサを特定する
ステップを備えた方法。 - 請求項19記載の方法であって、前記有効性指標を計算するステップが、前記センサ評価信号と前記センサ出力信号の間の他の差を表す更なる残差の関数として前記有効性指標を決定するステップを備えている方法。
- 請求項20記載の方法であって、前記有効性指標を決定するステップが、前記残差と前記更なる残差の比の関数として前記有効性指標を決定するステップを備えている方法。
- 請求項21記載の方法であって、前記有効性指標を決定するステップが、前記有効性指標を決定するために、その値が前記有効性指標が決定されつつあるセンサの関数である更なる残差を使用するステップを備えている方法。
- 関連するセンサ出力信号をそれぞれ出力するセンサのセットを有するプロセス制御システム内の欠陥センサを検出する装置であって、
複数のセンサ出力信号の組み合わせからセンサ評価信号のセットを生成する手段であって、各センサ評価信号は異なるセンサの一つの出力の評価を含んでいる手段と、
センサのセットの一つに対する有効性指標を、センサ評価信号とセンサ出力信号との間の差を表す残差の関数として決定する手段と、
決定された有効性指標から、センサの一つに欠陥が生じたかどうかを突きとめる手段と
を備えている装置。 - 請求項24に記載の装置であって、前記決定する手段は、前記センサ評価信号と前記センサ出力信号との間の他の差を表す更なる残差の関数として前記有効性指標を計算するステップを更に備えている装置。
- 請求項25記載の装置であって、前記計算する手段は、前記残差と前記更なる残差の比の関数として前記有効性指標を計算する装置。
- 請求項25記載の装置であって、前記計算する手段は、前記更なる残差の関数として前記有効性指標を計算し、前記更なる残差は、前記有効性指標が決定されつつあるセンサに依存する値を有している装置。
- 請求項25記載の装置であって、前記生成する手段は、前記センサ評価信号を計算するために、前記プロセス制御システムのために得られた重み係数のセットを使用する手段を備え、前記計算するステップは、前記更なる残差の関数として前記有効性指標を計算し、前記更なる残差は、前記重み係数のセットに関連する相互相関係数に依存する値を有している装置。
- 請求項24記載の装置であって、前記有効性指標のフィルタリングを行うための手段を更に備えている装置。
- 請求項31記載の装置であって、前記フィルタリングを行う手段は、前記有効性指標のフィルタリングを繰り返し行う手段を備えている装置。
- 請求項31記載の装置であって、前記フィルタリングを行う手段は、適応的にフィルタリングを行う手段を備えている装置。
- 請求項24記載の装置であって、前記突きとめる手段がセンサの一つに欠陥が生じたことを突きとめたときに、どのセンサに欠陥が生じたかの特定をオペレータに告知する手段を更に備えている装置。
- 請求項24記載の装置であって、前記プロセス制御システムは、センサ出力信号に従ってプロセスを制御し、前記プロセスの制御に於いて欠陥が生じたとして突きとめられたセンサのセンサ出力信号を前記プロセス制御システムが使用する前に、欠陥が生じたとして突きとめられたセンサのセンサ出力信号を、欠陥が生じたとして突きとめられたセンサに関連するセンサ評価信号で置き換える手段を更に備えている装置。
- 関連するセンサ出力信号をそれぞれが生成する多重センサを有するプロセスに於ける欠陥センサを特定するための装置であって、
複数の前記センサ出力信号の組み合わせからセンサ評価信号のセットを決定するために相関分析を実行する手段と、
前記センサ出力信号と前記センサ評価信号のセットとの間の差を表す残差を計算する手段と、
前記残差から前記センサの一つに欠陥が生じたかどうかを決定する手段と、
前記センサの一つに欠陥が生じたと決定されたときに、センサのそれぞれに対して有効性指標を前記残差の関数として得る手段と、
前記計算された有効性指標から欠陥を生じた特定のセンサを特定する手段と
を備えた装置。 - 請求項36記載の装置であって、前記得る手段は、前記残差と、前記センサ評価信号及び前記センサ出力信号の間の他の差を表す更なる残差との関数として、センサに対する前記有効性指標を得る装置。
- 請求項37記載の装置であって、前記得る手段は、前記残差と前記更なる残差の比の関数として、センサに対する前記有効性指標を得る装置。
- 請求項36記載の装置であって、前記プロセス制御システムは、センサ出力信号に従ってプロセスを制御し、前記プロセスの制御に於いて欠陥が生じたとして特定された特定のセンサのセンサ出力信号を前記プロセス制御システムが使用する前に、前記特定手段によって欠陥が生じたとして特定された特定のセンサのセンサ出力信号を、欠陥が生じたとして特定された特定のセンサに関連するセンサ評価信号で置き換える手段を更に備えている装置。
- 請求項39記載の装置であって、前記特定する手段によって欠陥が生じたとして特定された特定のセンサを特定したことをオペレータに告知する手段更に備えている装置。
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