JP4279988B2 - プロセスがオンラインで動作しているときにプロセス制御装置パラメータの測定値を確定的に得る方法および装置 - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は一般にプロセス制御システム診断に関し、より特定的には、動作プロセス環境内で接続されたプロセス制御装置のひとつ以上のパラメータの測定値を確定的に得る方法および装置に関する。
（背景技術）
大規模な商業的製造および精製プロセスは典型的には、プロセス制御器を用いて、プロセス内で、流体流量、温度、または圧力のようなひとつ以上のプロセス変数を制御する制御弁のようなひとつ以上のプロセス制御装置の動作を制御する。一般に、プロセス制御弁は、プロセス制御器により生成された制御信号に応答して弁体、ダンパ、または他の変更可能な開口部材のような関連の制御要素を移動させるポジショナにより制御されるアクチュエータを有する。制御弁の制御要素は、例えば、ばね付勢のダイアフラムまたはピストンヘッド上の変化する流体圧力に応答して、またはシャフトの回転に応答して（これらの各々は制御信号の変化により引き起こされ得る）、移動する。ある標準的な弁機構においては、大きさが４−２０ｍＡ（ミリアンペア）の範囲で変動する制御信号によって、ポジショナは、制御信号の大きさに比例して圧力チャンバ内の流量、従って流体圧力を変更する。圧力チャンバ内の変化する流体圧力によって、ダイアフラムは、付勢ばねに抗して動き、これにより、ダイアフラムに取りつけられた弁体が動く。
【０００１】
プロセス制御装置は通常、装置の制御信号に対する応答を示すフィードバック信号を生じさせるか生成し、このフィードバック信号（または応答指標）を、プロセスを制御するのに用いられるプロセス制御装置に与える。例えば、制御弁は典型的には、弁体または移動可能な（可動）弁部材の位置（例えば行程）を示すフィードバック信号を生成する。
【０００２】
制御弁はこれらのフィードバック信号を用いてプロセス制御ループ内で機能を実行してもよいが、低い制御ループ性能は、制御弁での不充分な動作状況により引き起こされるかもしれないことが発見された。多くの場合、個々のプロセス制御装置に付随する問題は、制御ループの外ではプロセス制御器によりチューニングできない。その結果、不充分に動作する制御ループは手操作で配置されるか、またはそれらが事実上手操作で配置されているような状態であるぐらいにチューニングされていない。この場合、これらの制御ループと関連するプロセスは、ひとり以上の熟練の操作員により絶え間なく監視される必要があり、これは望ましくないことである。
【０００３】
低い制御ループ性能は、プロセスループ内で接続されたプロセス制御装置の動作状況または「調子」を監視し、不充分に動作しているプロセス制御装置を修理するか取りかえることで、克服することが出来る。プロセス制御装置の調子は、プロセス制御装置と関連するひとつ以上のパラメータを測定すること、ひとつ以上のパラメータが受け入れ可能な範囲の外にあるかどうか決定することにより、決定可能である。
【０００４】
プロセス制御装置の調子を決定するのに用いられ、この調子を示すあるプロセス制御装置パラメータは不感帯である。一般的に、プロセス機器においては、不感帯は、入力信号が、方向が逆になるとすぐに、出力信号において観察可能な変化を起こすことなく変動し得る範囲である。不感帯は、機械的に相互接続された構成部品間の物理的な可動空間、摩擦、および／または他の公知の物理的な現象により引き起こされるものであるが、制御信号がプロセス制御装置の移動可能な（可動）要素の動きを逆にするときに一番よく観察される。この動きが逆になる間、プロセス制御装置の可動要素が実際に別の方向に動く前に、制御信号は離散的量の変化（不感帯）を経る。別の言い方をすれば、プロセス制御装置要素が前に第１の方向に動いていたときの制御信号の値と、プロセス制御装置が異なる第２の方向に最初に動くときの制御信号の値との間の差が、プロセス制御装置の不感帯の測定値である。
【０００５】
図１を参照して、不感帯の粗推定値は、ブロック化された正弦波信号をプロセス制御装置に与えることにより得られた。ブロック化された正弦波信号は、１パーセント、２パーセント、５パーセントなどのような周期から周期までの振幅において増大する、等しい大きさの交互のステップの周期を含む。方向の反転（逆）に続いて弁要素またはプロセス変数の動きが生じると、ステップの振幅（倍の）は、不感帯の上限（上界）を与える。下限（下界）は、前の周期におけるステップの振幅により与えられる。
【０００６】
プロセス制御装置の調子を決定するのに用いられてよい他の装置パラメータは、不動作時間、応答時間、ゲイン、およびオーバーシュートである。不動作時間は、制御信号の変化に応答してプロセス制御装置が実際に移動可能要素を移動させ始めるのにかかる時間の測定値と関連しており、この測定値であると考えられてよい。応答時間は、プロセス制御装置の可動要素が、制御信号の変化に応答してその最終値のあるパーセント、例えば６３パーセントに達するのにかかる時間である。
【０００７】
プロセス制御装置のゲインは、制御信号の変化により引き起こされる振幅の量を示す。ゲインは、弁行程の相対的な変化の制御信号の相対的な変化に対する比として表現される。プロセス制御装置のオーバーシュートは、弁がその最終的な定常状態位置を超えてどれぐらい移動するかを示す。
【０００８】
プロセス制御装置の不感帯、不動作時間、応答時間、または他のプロセス制御装置パラメータが、それらの名目（公称）値に対しかなり増大するならば、プロセス制御ループ内の十分な制御を確立すべくプロセス制御装置を修理するか取りかえる必要があるかもしれない。しかしながら、それらの装置が制御ループ内でオンラインで接続されるときに、不感帯、不動作時間、応答時間、ゲインおよびオーバーシュートのようなプロセス制御装置パラメータを測定して、機能しているプロセス制御装置の調子を監視することはあまり簡単とは言えない。
【０００９】
従来、操作員は、制御ループからプロセス制御装置を外してその装置のベンチテストをおこなわなければならなかった。代替的には、制御ループには、プロセスが動作している間に特定のプロセス制御装置をバイパスしてそれによりその装置をテストすることが出来るようにバイパス弁と冗長なプロセス制御装置とが設けられていた。そうでなければ、操作員は、プロセス動作に重要な摂動を導入しなければならないか、またはプロセス内の個々のプロセス制御装置をテストするのにプロセスが停止されるかもしくは予定された遮断を経るまで待たなければならなかった。これらの選択肢の各々は、個々のプロセス制御装置の動作状態を決定するのに必要なこれらのプロセス制御装置のパラメータを間欠的に測定するだけであるが、時間がかかり、高価であり、潜在的にプロセスを崩壊させるおそれがある。
（発明の概要）
本発明は、プロセスが動作している（即ちプロセスがオンラインにある）間に、プロセス内で接続されたプロセス制御装置の不感帯、不動作時間、応答時間、ゲイン、またはオーバーシュートのようなひとつ以上の装置パラメータを確定的に測定する方法および装置に向けられている。本発明の方法および装置の動作により、プロセスの操作員は、プロセス制御装置を制御ループから外す必要なく、制御ループ内でプロセス制御装置をバイパスする必要なく、他のどんな重要な方法でプロセスを断つかまたはプロセスに干渉する必要なく、プロセス内のプロセス制御装置の調子または動作状況を監視できるようになる。この目的のために、本発明に従った診断テストの前に、プロセスに対する影響がおそらくは最小であるという決定がある。
【００１０】
本発明のある態様によれば、診断テストユニットは、動作プロセス内に配置されるプロセス制御装置と関連する装置パラメータを決定する。診断テストユニットは、プロセスの動作の間にプロセス信号を監視するスイッチ制御器を含む。診断テストユニットはさらに、診断テスト信号を生成する信号発生器と、スイッチ制御器に応答して、プロセスの動作の間にプロセス制御装置の制御信号を診断テスト信号に置き換えるように動作可能なスイッチとを含む。装置はさらに、診断テスト信号に対するプロセス制御装置の応答の指標を得る機構と、診断テスト信号と応答指標とから装置パラメータを決定する解析ユニットとを含む。
【００１１】
プロセス制御装置は、可動弁部材を有する制御弁であってよい。その事象において、応答指標は好ましくは、弁部材と通信する位置センサにより生成される位置信号であり、位置信号は、弁部材の位置を表している。位置信号は、スイッチ制御器により監視されるプロセス信号の役割もする。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、プロセス制御装置が動作プロセス内に配置される間にプロセス制御装置と関連する装置パラメータを決定する方法は、プロセスの動作の間にプロセス信号を監視するステップと、プロセス信号が実質的に安定しているかどうか決定するステップとを含む。この方法はさらに、診断テスト信号を生成するステップと、プロセス信号が実質的に安定しているならば、プロセス動作の間に制御信号を診断テスト信号に置き換えるステップとを含む。診断テスト信号に対するプロセス制御装置の応答の指標は次いで受けとられ、装置パラメータがそれから決定される。
（詳細な説明）
図２を参照して、単一入力、単一出力プロセス制御ループ１０はプロセス制御器１１を含み、制御器１１は、例えば４―２０ｍＡ制御信号をプロセス制御器１３に送る。プロセス制御装置１３は、スイッチ１４、プリント配線板（ＰＷＢ）１５、電流対圧力トランスデュサー（Ｉ／Ｐ）１６、リレー１７、およびアクチュエータ／弁アセンブリ１８を含む制御弁装置として示される。正規動作の間に、制御器１１からの制御信号は、スイッチ１４を介してＰＷＢ１５に与えられる。位置センサ１９は、アクチュエータ／弁アセンブリ１８内に配置される可動弁部材（図示せず）の移動および位置を示すフィードバック信号をＰＷＢ１５に与える。弁部材の位置はプロセス２０内でプロセス変数を制御する。
【００１３】
ＰＷＢ１５は、入来する制御信号およびフィードバック信号に従って制御アルゴリズムを実行し、電流対圧力トランスデュサー（Ｉ／Ｐ）１６のための信号を生じさせ、トランスデュサー１６は、対応する圧力信号を生じさせる。圧力信号は、ポペット弁または一般的には空圧振幅器を含んでよいリレー１７により増幅される。増幅された圧力信号は、アクチュエータ／弁アセンブリ１８内のアクチュエータ（図示せず）を空圧で制御して弁部材を所望の位置に移動させる。電流対圧力トランスデュサー１６とリレーの両方は、プロセス制御機１３に結合された圧力源２７を用いてそれぞれの圧力信号を生じさせる。
【００１４】
位置センサ１９は例えば、電位差計、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）、ロータリ可変差動変圧器（ＲＶＤＴ）、ホール効果動作センサ、磁気制限（ magneto restrictive）動作センサ、可変コンデンサ動作センサなど含め、所望の動作または位置測定装置を含んでもよい。所望であれば、プロセス制御装置１３は、例えば、別個の空圧ポジショナおよびＩ／Ｐユニットを含め、図１に示されるものの代わりにまたはこれに付け加えて他の種類の弁機構または要素を含んでよい。さらに、プロセス制御装置１３は、他の所望のまたは公知の方法でプロセス変数を制御するダンパまたはファンのような他の種類の装置であってもよい。
【００１５】
図１に示されるように、送信器２２は、プロセス２０のプロセス変数を測定し、測定されたプロセス変数の指標を加算接合点２４に送信する。加算接合点２４は、プロセス変数の測定された値（正規化されたパーセンテージに変換された）を設定点と比較して、その間の差を示す誤差信号を生成し、この誤差信号をプロセス制御器１１に与える。設定点は、ユーザ、操作員、または別の制御器（図示せず）により生成されてよく、典型的には、０から１００パーセントの間であるように正規化され、プロセス変数の所望の値を示す。プロセス２０の正規動作の間、プロセス制御器１１は、誤差信号を用いて、所望の技術に従って制御信号を生成し、この制御信号をプロセス制御装置１３に送り、それによりプロセス変数の制御を実行する。
【００１６】
本発明に従えば、予プログラムされてよい診断テストルーチンは、正規プロセス動作状態の間、即ち、プロセス２０がオンラインであるときに、プロセス制御装置１３をテストするように実行される。診断テストルーチンの実行がプロセス２０に対し最小の影響を与えるであろうと決定された事象においては、診断テストルーチンは制御器１１からプロセス制御器１３を切断し、プロセス制御装置１３に、プロセス２０にごくわずかしか影響を与えないように設計された予め定められたまたは確定的な組の動作を行うように強制する。ルーチンは、診断テスト信号に対するプロセス制御装置１３の応答を示す情報を受け取り、測定し、または集め、その後プロセス制御装置１３を制御器１１に再接続するが、これら全ては、実質的な方法でプロセス２０の正規動作を妨害するのをさけるために限られた時間内で行われる。集められた情報は、プロセス制御装置１３の動作状態を決定しようと、不感帯、不動作時間、ゲイン、およびオーバーシュートのようなプロセス制御装置パラメータを計算するのに用いられてよい。プロセス２０がオンラインである間に診断ルーチンは実行されるので、プロセス制御装置１３の「調子」または動作状態は、プロセス制御装置１３を分離するかまたはバイパスすること、および／またはプロセス２０を遮断することなく決定される。
【００１７】
プロセス制御装置１３の診断テストが本発明に従って実行されようとするとき、スイッチ制御器２５は、スイッチ信号を生成（または修正）して、スイッチ１４を第１の位置（または状態）から第２の位置（または状態）にトグルする（切り換える）。第１の位置とは、スイッチ１４が制御器１１からの制御信号をＰＷＢ１５に与える位置であり、第２の位置とは、スイッチ１４が制御器１１を、従って制御信号をＰＷＢ１５から切断し、ＰＷＢ１５を信号発生器２６の出力に接続し、信号発生器２６は確定的（即ち公知のまたは予め定められた）診断テスト信号を生成する位置である。上で述べたように、スイッチ制御器２５は、制御信号を診断テスト信号に置き換えるが、プロセス２０は診断テストルーチンの間オンラインのままである。
【００１８】
スイッチ制御器２５および信号発生器２６は診断テストユニット２７の一部であってよく、診断テストユニット２７は図２に示されるようにプロセス制御装置１３の内部にあってよく、または代替的には、プロセス制御装置１３に結合された外部テスト装置であってもよい。同様に、スイッチ１４はプロセス制御装置１３の内部にあっても、外部にあってもよい。
【００１９】
診断テストユニット２７は、診断テスト信号に対するプロセス制御装置１３の応答の１つ以上の指標を集めるか受け取る応答アキュムレータ２８をさらに含む。応答アキュムレータ２８は、応答指標を記憶するメモリまたは記憶装置を含んでよく、これは、応答指標を表すデータを解析ユニット２９に供給する。解析ユニット２９は、信号発生器２６からの診断テスト信号を表すデータも受信し、テスト信号および応答指標データを解析してひとつ以上の所望のプロセス制御装置パラメータを決定する。
【００２０】
図１に示されるように、応答アキュムレータ２８は、位置センサ１９から弁の移動または位置（弁行程）を示す応答指標を受け取ってよい。代替的には、または付け加えると、応答アキュムレータ２８は、応答指標として、リレー１７により生じさせられたアクチュエータコマンド信号を（圧力センサ３６を介して）、および／または、プロセス変数の値を示す送信器２２の出力のようなプロセス制御装置１３の制御を特定するかまたはこれに関する他の信号を受信してよい。尚、他の種類の制御装置は、診断テスト信号に対する応答を示し得るそれと関連する他の信号または現象を有してよい。このように、一般的に、応答アキュムレータ２８は、診断テスト信号の変化に応答してプロセス制御装置１３の移動または動作を示す信号または現象を集めるか受信してよい。しかしながら、弁位置のような応答指標は、テストされているプロセス制御装置１３と関連しないノイズの源（例えばプロセスノイズ）を回避することにより、装置パラメータのより正確な推定値を与えるかもしれない。一方、プロセス変数のようなさらに向こうへ送られた応答表示は、依然として考慮しなければならない、プロセス制御装置１３の調子または性能に無関係な遅延を示すかもしれない。従って、ある応答表示（またはその組み合わせ）がある状況においては好ましいかもしれない。
【００２１】
診断テストを開始すべきかどうか決定するために、スイッチ制御器２５は、プロセス２０がオンラインであるときにプロセス２０と関連する信号を監視し、プロセス変数またはプロセス制御装置１３が実質的に安定しているかどうか決定する。監視されたプロセス信号は、応答アキュムレータに２８によって受信されても、直接スイッチ制御器２５により集められてもよい。プロセス信号は、制御信号、弁部材位置、プロセス変数、または、プロセス制御装置１３、プロセス変数、および／または設定点が静止している範囲の指標を与える他の変数もしくは信号であってよい。設定点、制御信号、または他の変数が変動しているか、またはかなり変動していると発見されたならば、診断テストルーチンは開始されないだろう。プロセス制御ループ１０内のひとつ以上の変数は、プロセス２０がオンラインである間に、決定の正確度を向上させるとともに診断テストルーチンを実行することの影響を最小化させるべくスイッチ制御器２５により監視されてよい。
【００２２】
監視されるプロセス信号の安定性（安定度）は、プロセス変数、プロセス制御装置１３、または設定点の安定性を示す。実質的に安定しているまたは静止しているプロセス信号は、プロセス変数、プロセス制御装置１３、または設定点が安定しているにもかかわらず、ある程度は変動するかもしれない。このように、「実質的に安定している」と決定するときは、信号に固有のノイズを少なくとも許容すべきである。もしもプロセス信号が、プロセス２０またはプロセス変数に対して重大な変化を示すと考えられる範囲で変化しているならば、診断テストルーチンは実行されるべきではない。その結果、監視されたプロセス信号が実質的に安定しているのかまたは静止しているのかは、大部分、監視されたプロセス信号として用いられる信号に依存している。例えば、あるプロセス制御ループにおいては制御信号が５パーセントまで変動し、そして５パーセントを超えて変動しているときに診断テストルーチンは依然として実行されるかもしれない。一方、他のプロセス制御ループにおいてはプロセス信号が１パーセントだけ変動しているならば、ルーチンはプロセス２０に有害かもしれない。これらの相違は、プロセス２０のおよび／またはプロセス変数の性質の結果であるかもしれないし、異なるプロセス制御装置１３間の不感帯における大きな差分から生じているのかもしれない。アクチュエータ／弁アセンブリ１８の調子および／または質に依って、大きな不感帯によって、１０パーセントの大きさの制御信号の変動があっても、診断テストルーチンを実行することが可能となる。さらに、プロセス変数に対するプロセス２０の低感度は、許容可能な変動をさらに高めるかもしれない。
【００２３】
診断テストユニット２７と、スイッチ制御器２５、信号発生器２６、応答アキュムレータ２８および／または解析ユニット２９を含むそのなんらかのコンポーネントとは、ハードウェア、ファームウェア、またはその組み合わせで実行されてもよい。ソフトウェアで実行されるならば、診断テストユニット２７のコンポーネントは、フロッピイディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭまたは当業者に公知の他の記憶媒体のようなメモリ素子に記憶されてよく、所望であれば、電話回線、インターネット、イーサネット、または当業者には公知の他の種類の通信ネットワークによる伝送のようになんらかの通信媒体によって遠隔位置から供給されてもよい。同様に、スイッチ１４は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはその組み合わせで実行されてもよい。
【００２４】
所望であれば、解析ユニット２９は、決定されたプロセス制御装置パラメータをひとつ以上の記憶された値と比較して、測定されたパラメータが許容可能であるかまたはひとつ以上の特定された範囲内にあるかどうか決定する。プロセス制御装置パラメータがひとつ以上の特定された範囲内になければ、診断テストユニット２７の解析ユニット２９または他のコンポーネントは、例えば、ＣＲＴ画面、プリンタ、音声発生器、警報装置、または他の所望の通信装置を含むディスプレイ３８によって、プロセス制御装置１３を修理するか取り替える必要があるとユーザに警報を出してよい。また、所望であれば、解析ユニット２９は、ディスプレイ３８によって、ユーザに測定された装置パラメータのリストを与えてよい。
【００２５】
信号発生器２６により生成された診断テスト信号は、プロセス制御装置パラメータの測定を可能とする所望の形状を有してよい。しかしながら、以下に説明され、図１、３および４Ａ−４Ｄに示される複数の診断テスト信号波形は、プロセス２０に有害に干渉する可能性を最小化する方法でパラメータ測定値を得るのに利用されてよい。一般に、診断テスト信号波形は時間軸上にプロットされ、ゼロを含め、ＤＣレベルを構成し得るゼロ基準点からの信号の振幅を示す。例えば、図４Ａ−４Ｃにプロットされる振幅値は、コマンド信号がプロセス制御装置１３から切断されるときに、診断テスト信号振幅が４−２０ｍＡコマンド信号波形からずれる量を表す。診断テスト信号の幾つかは、ゼロに対して応答指標の動きを示す例示的な応答指標のプロットで示され、これは、テストルーチンの開始時点で位置または信号値を表して良い。
【００２６】
図１を参照して、プロセス制御装置パラメータ（特に不感帯）を測定するのに有用な第１の診断テスト信号は、多数の周期で構成されたステップのシーケンスを有するパルス化された正弦波信号を含む。各周期（例えば時間Ｔ1 から時間Ｔ4 ）は、一対の交互パルスを含んでよく、これは、より特定的には正ステップ（例えば時間Ｔ1で）と、ゼロ復帰（例えばＴ2で）と、同じ大きさの負ステップ（例えば時間Ｔ3で ）と、別のゼロ復帰とを含む。好ましくは、パルスの大きさは連続的な周期の間に増大する。
【００２７】
図１のパルス化された正弦波信号を用いて不感帯を測定するには、信号発生器２６はまず、特定の周期の正および負のパルスの間に例えば弁部材の移動が位置センサ１９により検出されるまでは、交互パルスのひとつ以上の周期を与える。正および負パルスの両方に応答して弁部材の移動が最初に生じる周期の振幅間の絶対差（通常はスパンのパーセントで表される）が、不感帯の測定値である。当然、この測定値は実際は、不感帯よりも高い推定値である。低パルス振幅（例えばａ1）から高パルス振幅（例えばａ4）へ進むと不感帯の下界（下限）および上界（上限）が得られる。不感帯を決定する別のルーチンは、多数の連続周期において検出された動きを用いてよい。例えば、動きがある周期の第１の方向において最初に検出され（例えば負パルスによって）、後の周期の正パルスによって第２の方向に最初に検出されるならば、負パルス振幅および正パルス振幅（後の周期の）の差は、装置の不感帯の測定値として用いられてよい。
【００２８】
理解されるように、図１のパルス化された正弦波信号によって、プロセス制御装置１３を所与の動作ポイントについて双方向にテストすることが可能となる。パルス化された正弦波信号は、確実にプロセス制御装置１３が不感帯のエッジに接触するように初期化または予テストシーケンスとして利用されてもよい。パルス振幅は線形的に増大しても（図１に示されるように）、非線形的に増大しても、または他の所望の方法で増大してもよい。さらに、診断テスト信号の周波数は、確実に弁１８（または他の可動要素）がステップの各々間で定常状態に達するほど低いままでなければならない。診断テスト信号周波数は通常は、テストされている特定のプロセス制御装置１３に依存しているが、一般には、例えば、０．２Ｈｚ−２０Ｈｚであるほど低くてよい。
【００２９】
さて図３を参照して、プロセス制御パラメータ（特に不感帯）を測定するのに有用な第２の診断テスト信号は、初期化段階と、テスト段階と、後テスト段階とを有する傾斜を成す（ ramped）ステップ信号を含む。時間Ｔ0で、スイッチ制御器２５は、スイッチ１４をトグルすることにより診断テストを開始し、信号発生器２６は初期化段階をスタートさせる。初期化段階において、診断テスト信号は、弁要素または他のプロセス変数の動きが最初に検出されるまで（例えば時間Ｔ1まで）、線形のまたは可変レート( rate)のステップ状に増大する（または減少する）。弁要素の移動（即ち応答指標の変化）がゼロに対する振幅としても示され、これは、初期位置または応答指標値を表してもよい。診断テスト信号はその後一定に保たれ、弁要素またはプロセス変数は新たな定常値（例えば位置Ｐ）に達する。テスト段階は時間Ｔ2 で始まり、診断テスト信号の方向は逆になる。次いで、テスト信号は、弁機構またはプロセス変数の動きが第２の時間の時間（例えば時間Ｔ3で ）で検出されるまでは線形にまたは可変レートで減少する（増大する）。この第２の動きの後、不感帯値は、時間Ｔ2とＴ3との間のテスト信号振幅の絶対差として推定されてもよい。
【００３０】
不感帯値がいったん推定されてしまうと、診断テスト信号は、後テスト段階において加速的にゼロに復帰してよい。例えば、図３に示されるように、時間Ｔ3 後に、ステップは、テスト段階のステップの２倍の速度で進行する。いったん、診断テスト信号の振幅がゼロ近くなると、２倍速度ステップがゼロをオーバーシュートするかもしれないならば、信号発生器２６は、テスト信号を通常の速度でゼロに戻してよい。時間Ｔ4 で、診断テストは終了し、スイッチ制御器２５は、プロセス制御装置３の制御を制御器１１に戻すかまたは異なるテストルーチンに取りかかるようにスイッチ１４をトグルしてよい。
【００３１】
制御信号振幅からの過度の偏差（例えばゼロからの大きな偏差）は、プロセス２０に有害な干渉を引き起こす恐れがある。従って、診断テスト信号は必要な範囲だけゼロからずれることが好ましい。これは、テストルーチンを通じてごくわずかなステップ（例えば、スパンの０．２５パーセントの低さ）を用いて、図３に示される診断テストルーチンにおいて達成される。このようにして、不感帯のエッジに達し、このエッジは、位置（または値）Ｐが、ゼロによって表される初期位置（または値）からの相違がほとんどないように達せられ、そしてかろうじて越される。
【００３２】
このようなわずかなテスト信号とともに、弁の移動を検出する際の感度（または応答指標の変化）は非常に重要である。この目的のために、ある信号は、応答指標として用いられるために他の信号にとっては好ましいかもしれない。例えば、位置センサ１９によって弁要素の移動を監視すれば、プロセス変数を監視することにより与えられる推定値よりもアクチュエータ／弁アセンブリ１８の不感帯のより正確な推定値を与えるかもしれない。弁要素の移動を監視するのは好ましくもある。なぜならば、プロセス変数が変化してしまう前に移動が検出されるかもしれないからであり、それにより、弁要素が迅速にその初期位置に戻されることが可能であればプロセス２０上の診断テストルーチンの影響を最小化する。
【００３３】
前述の説明および図１および図３から明らかであるように、診断テストユニット２７、そして特に信号発生器２６は、多数の様々な診断テスト信号を与えることが出来る。さらに、各診断テストルーチンは、ひとつ以上の装置パラメータの多数の推定値を決定するためのひとつ以上の異なる診断テスト信号を含んでよい。各装置パラメータの多数の推定値を得るのが好ましい。なぜならば、プロセス制御装置１３がプロセス制御装置１３の不感帯を経て移動しているかどうかに依って、装置パラメータ推定値は変動するかもしれないからである。このエラーの可能性またはごくわずかな変動性を考慮して、診断テスト信号は、プロセス制御装置１３を不感帯のあるエッジに移動させることで始まる初期化波形も含んでよい。
【００３４】
不感帯値が以前に推定されていたならば、信号発生器２６は、（不感帯値プラス、例えば弁要素の移動の範囲の１パーセントに相当する量）に等しい振幅を有するステップを含む診断テスト信号を与えて良い。このステップは、正であっても負であってもよく、不感帯内のいづれかでまたは不感帯のエッジ上で開始されてよい。このようにして、ステップ応答は、不感帯を超えるほど十分に大きくなければならない。応答アキュムレータ２８および／または解析ユニット２９は、（１）不感帯を決定するために弁１８の初期の移動までの時間と、（２）応答時間を決定するために弁１８が弁位置の全変化の予め定められたパーセント（例えば６３パーセント）移動するのにかかる時間と、（３）その実際の定常状態値に最終的に達する前に弁１８が所望の定常状態値をオーバーシュートする量と、（４）もしあれば、診断テスト信号の変化の結果として実際の定常状態値と所望の定常状態値との間のゲインとを測定してよい。プロセス制御装置１３の応答時間をテストする際、あらかじめ定められたパーセントは、操作員、制御ループ設計者、または診断テストユニット２７のコンポーネントにより指定されてよい。
【００３５】
明らかであるが、診断テストユニット２７は、不動作時間または応答時間を測定するクロックまたは他のタイミング装置を含む。尚、不動作時間および応答時間の測定値（他の測定値だけでなく）のために、診断テストユニット２７は、診断テストを終了する前に、またエラー信号を生成してディスプレイ３８（図２）によって操作員またはユーザに弁１８が誤動作しているかもしれないと警報を出す前に、予め定められた時間期間（例えば３−４秒）待つだけでよい。この時間制限も、診断テストルーチンによるプロセス２０に対する有害な干渉を回避することにおいて有用である。当然、診断テストユニット２７がプロセス制御装置１３の入力に接続される時間量は、制御信号の変動性と制御ループ１０の他の特性とに依って変動する。
【００３６】
本発明の好ましい実施例において、診断テストルーチンは、不動作時間、応答時間、ゲイン、およびオーバーシュートの４つの測定値を決定するのに実行される４つのサブルーチンを含む。各ルーチンは、他のルーチンから独立してまたは他のサブルーチンと関連して実行されてよく、不感帯の推定値が診断テストユニット２７により前に得られた、および／またはテストユニット２７内に記憶されていると仮定する。４つのサブルーチンは、Ｕｐ／Ｕｐテスト、Ｕｐ／Ｄｏｗｎテスト、Ｄｏｗｎ／Ｄｏｗｎテスト、およびＤｏｗｎ／Ｕｐテストとここでは称される。
【００３７】
図４Ａを参照して、Ｕｐ／Ｕｐテストは、初期化段階、テスト段階、および後テスト段階を含む診断テスト信号を用い、弁がその上側の不感帯エッジにあるとともに上に移動しているときに複数の装置パラメータを決定するように意図されている。図３に示される不感帯テストと同様に、診断テストルーチンは時間Ｔ0 で開始され、このときに、診断テスト信号は初期化段階に入る。初期化段階においては、診断テスト信号は、弁要素（または他のプロセス変数）の動きが検出されるまで（即ち時間Ｔ1 まで）、線形のまたは可変レートステップ状に増大する（即ち傾斜を成すステップ信号）。その点で、診断テスト信号は一定に保たれ、一方、弁要素位置（または他のプロセス変数）が新たな定常状態値に達し、その後テスト段階が始まる。テスト段階（時間Ｔ2 で）の間、（不感帯値プラス、例えば弁要素の移動の範囲の１パーセントに相当する量）に等しい振幅を有する単一の正のステップがプロセス制御装置１３に与えられる。不動作時間、応答時間、オーバシュートおよびゲインは、上で述べたように解析ユニット２９により決定されてよい。
【００３８】
弁要素位置（または他のプロセス変数）が新たな、定常状態状況に（即ち時間Ｔ3で ）達した後、診断テスト信号は後テスト段階に入り、ここでは、診断テスト信号は、正規のまたは加速的に階段ステップ状にゼロに復帰してよい。
【００３９】
Ｕｐ／Ｄｏｗｎテスト（図４Ｂ）は、診断テスト信号が等しい大きさの単一の負ステップを含むということを除いてはＵｐ／Ｕｐテストに似ている。Ｕｐ／Ｄｏｗｎテストは、不感帯を経る下方向の弁要素移動の装置パラメータを測定する。Ｄｏｗｎ／Ｄｏｗｎテスト（図４Ｃ）は、Ｕｐ／Ｄｏｗｎテストと似ているが、傾斜をなすステップ信号は、単一の負ステップ信号が与えられる前に弁要素を下側の不感帯エッジにまで移動させる負の振幅ステップを有する。Ｄｏｗｎ／Ｄｏｗｎテストは、その下側の不感帯エッジから下方向の弁要素移動の装置パラメータを測定する。最後に、Ｄｏｗｎ／Ｕｐテスト（図４Ｄ）は、負ステップと、Ｕｐ／Ｕｐテストと関連して説明される単一の正ステップとを有するステップ化傾斜（stepped-ramp）信号を含む診断テスト信号を用いる。Ｄｏｗｎ／Ｕｐテストは、不感帯を経る上方向の弁要素の移動の装置パラメータを測定する。これら４つのテストにより得られる装置パラメータ推定値は次いで平均化され、またはそうでなければ、解析ユニット２９により組み合わされて、プロセス制御装置１３の不動作時間、応答時間、ゲイン、およびオーバーシュートの統計的な測定値を決定する。
【００４０】
以上、プロセス制御装置１３の不感帯、不動作時間、応答時間、ゲイン、およびオーバーシュートを説明してきたが、診断テスト信号および応答指標は、同様に他のプロセス制御装置パラメータを計算するのに用いられてよい。より特定的には、制御される診断テスト信号と測定された応答指標とを用いて確定的に得られる限りは、他の所望のプロセス制御装置パラメータを得てもよい。
【００４１】
プロセスは依然としてオンラインであるので、診断テスト信号は、確実にプロセス２０が有害に干渉されないように時間および大きさの両方において制限されてよい。制御信号振幅がめったに１０パーセントを上回っては変化しない事象においては、診断テスト信号振幅が制御信号振幅からずれる（制御信号が除かれたとき）程度は、制御信号振幅の約５パーセント未満のように極めてわずかである。幸いなことに、ここで特定された装置パラメータを決定するのに、プロセス制御装置１３が完全なストロークまたはテストシーケンスを経る必要はない。事実、たいていの場合、約５パーセント未満のような、そして好ましくは約１パーセント未満のような制御信号振幅のごく少量の偏差に基づいて、装置パラメータは推定されてよい。さらに、診断テストのために許容される最大時間は、プロセス制御装置１３および関係するプロセス２０に依存しているが、通常は約５秒未満である。
【００４２】
診断テストルーチンの間、診断テストユニット２７、またはその何らかのコンポーネント（スイッチ制御器２５、信号発生器２６または解析ユニット２９のような）は、確実に診断テストルーチンがプロセス２０の動作に悪影響を与えないように、制御信号（または他のプロセス変数または応答指標）を監視続けてもよい。例えば、診断テストユニット２７は、診断テスト信号の振幅が制御信号の振幅（診断テストの間に変化し得る）からずれる範囲を監視してよい。２つの振幅間の偏差が予め定められた量（ユーザ、操作員または診断テストユニット２７により設定されてよい）を超える事象においては、診断テストユニット２７は、診断テスト信号を制御信号に置き換えるためにスイッチ制御器２５にスイッチ１４にトグルするように指示すること、および／または、信号発生器２６に、制御信号の現在値に戻る振幅を有する診断テスト信号を生成するように指示することにより、診断テストルーチンを中断させても、終了させもよい。診断テスト信号が制御信号からずれる範囲は、特定のプロセス２０および診断テストユニット２７が用いられているプロセス制御装置１３の特性に依存している。
【００４３】
プロセス２０の動作に対する悪影響をさらに回避するには、本発明に従った診断テストルーチンは、受動的にプロセス制御装置パラメータを測定することが出来るテスト装置と関連して動作してもよい。例えば、プロセス２０が、制御信号または設定点を比較的頻繁に修正することを要求するとき、制御信号を頻繁に変化させることを表すデータおよびそれに対する応答指標は、装置パラメータの計算のために解析ユニット２９に与えられてよい。この場合、解析ユニット２９は、最初にデータを解析して、いつデータが所望の装置パラメータを計算するのに用いられるのか、そしてこのデータは装置パラメータを計算するのに用いられてよいのか決定するためのハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェアも含まなければならない。
【００４４】
対照的に、設定点があまり変化せず、従ってこのような受動的なアプローチがデータを生じさせないときに、上で述べたように制御器１１を切断すること、診断テスト信号を与えることにより、本発明に従ってプロセス制御装置１３をテストすることが必要であるかもしれない。
【００４５】
尚、スイッチ１４は、空圧ポジショナ（図示せず）前で電流対圧力トランスデューサ１６の下流側に配置されても、制御器１１の構成部分として上流側に配置されてもよい。前者の場合、診断テスト信号は空圧信号である。後者の場合、診断テスト信号を生成する同じ信号発生器が制御信号を生じさせるのに利用されてよい。その結果、スイッチ１４は、出力シーケンスを変更することによりある信号を別の信号と単に置きかえるだけの機構を含むように理解されるべきである。さらにべつの実施例においては、スイッチ１４をトグルするスイッチ信号は、手操作で診断テストルーチンの開始または終了を強制するために、ユーザ、操作員、または別の制御器（図示せず）により生成されてもよい。
本発明は具体的な例を参照して説明されたが、これはあくまで例示であり、本発明の限定を意図するものではないが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、変更、付加、または消去が開示された実施例に行なわれてよいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 プロセス制御装置の不感帯値を測定するのに本発明の診断テストユニットにより用いられてよい従来技術の確定的テスト信号のグラフを含む図である。
【図２】 制御ループ内に配置されたプロセス制御装置のブロック図であり、プロセス制御装置は制御ループ内に配置された、本発明に従った診断テストユニットを含む図である。
【図３】 本発明に従ってプロセス制御装置の不感帯を測定するのに用いられる診断テスト信号およびそれに対する応答のグラフを含む図である。
【図４Ａ】 本発明に従ってプロセス制御装置のパラメータを測定するのに用いられる確定的テスト信号のグラフを含む図である。
【図４Ｂ】 本発明に従ってプロセス制御装置のパラメータを測定するのに用いられる確定的テスト信号のグラフを含む図である。
【図４Ｃ】 本発明に従ってプロセス制御装置のパラメータを測定するのに用いられる確定的テスト信号のグラフを含む図である。
【図４Ｄ】 本発明に従ってプロセス制御装置のパラメータを測定するのに用いられる確定的テスト信号のグラフを含む図である。

Claims (30)

1. 動作プロセス内で配置されて制御信号を受信するプロセス制御装置と関連する装置パラメータを決定する診断テストユニットであって、
   プロセスの動作の間にプロセス信号を監視するスイッチ制御器と、
   診断テスト信号を生成する信号発生器と、
   プロセスの動作の間に、前記スイッチ制御器に応答して、制御信号を診断テスト信号に置き換えるスイッチと、
   診断テスト信号に対するプロセス制御装置の応答の指標を得る手段と、
   診断テスト信号と応答指標とから装置パラメータを決定する解析ユニットと
   を備えてなる診断テストユニット。
2. 前記スイッチ制御器が、プロセス信号が実質的に安定しているかどうか決定する手段を備えてなる請求項１に記載の診断テストユニット。
3. プロセス信号が制御信号である請求項１に記載の診断テストユニット。
4. プロセス信号が、プロセス制御装置により制御されるプロセス変数を表す請求項１に記載の診断テストユニット。
5. 前記プロセス制御装置が、移動可能な弁部材を有する弁を備えてなる請求項１に記載の診断テストユニット。
6. 弁部材の位置を表す位置信号を生成する位置センサをさらに備え、該位置信号がプロセス信号であり、該位置信号が、応答指標として前記得る手段により得られる請求項５に記載の診断テストユニット。
7. 前記装置パラメータが不感帯である請求項１に記載の診断テストユニット。
8. 前記診断テスト信号が、傾斜を成すステップ信号を含んでなる請求項７に記載の診断テストユニット。
9. 前記信号発生器が、診断テスト信号の傾斜率を変化させる手段を含んでなる請求項８に記載の診断テストユニット。
10. 前記プロセス制御装置が、該装置と関連する不感帯を有し、診断テスト信号が、不感帯よりも大きな振幅を有するステップ信号を含んでなる請求項１に記載の診断テストユニット。
11. 前記診断テスト信号が、プロセス制御装置を不感帯のエッジまで移動させるように、傾斜を成すステップ信号を有する初期化段階を含んでなる請求項１０に記載の診断テストユニット。
12. 前記装置パラメータが、応答時間、不動作時間、ゲイン、およびオーバーシュートから成る群から選択されてなる請求項１１に記載の診断テストユニット。
13. 装置パラメータが予め定められた基準を満たさないときに、ユーザに警報を出す手段をさらに備えてなる請求項１に記載の診断テストユニット。
14. 前記信号発生器が、多数の異なる診断テスト信号を与える手段を含み、前記解析ユニットが、多数の診断テスト信号の各々に対する装置パラメータ推定値を決定する手段と、装置パラメータ推定値を組み合わせて装置パラメータを計算する手段とを備えてなる請求項１に記載の診断テストユニット。
15. 前記診断テスト信号が、制御信号範囲の約５パーセント未満だけ制御信号の振幅からずれる振幅を有する請求項１に記載の診断テストユニット。
16. 動作プロセス内に配置されて制御信号を受信する移動可能な弁部材を有する制御弁であって、
    プロセスの動作の間にプロセス信号を監視するスイッチ制御器と、
    診断テスト信号を生成する信号発生器と、
    プロセスの動作の間に、前記スイッチ制御器に応答して制御信号を診断テスト信号に置き換えるスイッチと、
    前記弁部材と通信して、前記弁部材の位置を表す位置信号を生成する位置センサと、
    診断テスト信号と位置信号とから装置パラメータを決定する解析ユニットと
    を備えてなる制御弁。
17. 前記スイッチ制御器が、プロセス信号が実質的に安定しているかどうか決定する手段を備えてなる請求項１６に記載の制御弁。
18. 前記プロセス信号が位置信号である請求項１６に記載の制御弁。
19. プロセス制御装置が動作プロセス内に配置されて制御信号を受信するときに、プロセス制御装置と関連する装置パラメータを決定する方法であって、
    スイッチ制御器によって、プロセスの動作の間にプロセス信号を監視して、プロセス信号が実質的に安定しているかどうか決定する工程と、
    テスト信号発生器によって診断テスト信号を生成する工程と、
    プロセス信号が実質的に安定しているならば、プロセスの動作の間にスイッチによって制御信号を診断テスト信号に置き換える工程と、
    診断テスト信号に対するプロセス制御装置の応答の指標を位置センサから受け取る工程と、
    解析ユニットによって、前記応答の指標から装置パラメータを決定する工程とを含んでなる方法。
20. 応答指標を受け取るのに続いて、スイッチによって診断テスト信号を制御信号に置き換える工程をさらに含んでなる請求項１９に記載の方法。
21. 前記診断テスト信号が、傾斜を成すステップ信号を含んでなる請求項１９に記載の方法。
22. 前記傾斜を成すステップ信号が、第１の方向における第１の一連のステップと、第２の方向における第２の一連のステップとを含み、前記装置パラメータが不感帯であり、前記解析ユニットによって決定する工程が、
    診断テスト信号の第１の一連のステップの間に応答指標の第１の変化が生じる、診断テスト信号の第１の振幅を検出する工程と、
    診断テスト信号の第２の一連のステップの間に応答指標の第２の変化が生じる、診断テスト信号の第２の振幅を検出する工程と、
    前記第１の振幅と前記第２の振幅とから不感帯を決定する工程とを含んでなる請求項２１に記載の方法。
23. 前記プロセス制御装置が不感帯を有し、前記診断テスト信号が、プロセス制御装置を不感帯の第１のエッジまで移動させるように、傾斜を成すステップ信号を有する第１の初期化段階を含み、この後に不感帯よりも大きな振幅のステップを有する第１のテスト段階が続く請求項１９に記載の方法。
24. 前記診断テスト信号がさらに、プロセス制御装置を不感帯の第２のエッジまで移動させるように、傾斜を成すステップ信号を有する第２の初期化段階を含み、この後に不感帯よりも大きな振幅のステップを有する第２のテスト段階が続いており、
    前記位置センサから応答の指標を受け取る工程が、第１のステップに応答して第１の応答指標と、さらなるステップに応答して第２の応答指標とを受け取る工程を含み、
    前記解析ユニットによって決定する工程がさらに、第１の応答指標と第２の応答指標とから計算されたそれぞれのパラメータ値を組み合わせて統計的な装置パラメータ測定値を決定する請求項２３に記載の方法。
25. 前記装置パラメータが、不動作時間、応答時間、ゲイン、およびオーバーシュートから成る群から選択される請求項１９に記載の方法。
26. 解析ユニットにより、決定された装置パラメータを予め定められた基準と比較する工程と、
    決定された装置パラメータが予め定められた基準を満たさないときに解析ユニットによってユーザに警報を出す工程とを含んでなる請求項１９に記載の方法。
27. 前記プロセス信号が制御信号である請求項１９に記載の方法。
28. 解析ユニットにより、制御信号の振幅を診断テスト信号の振幅と比較する工程と、
    少なくとも予め定められた量だけ診断テスト信号振幅が制御信号からずれるならば、スイッチによって診断テスト信号を制御信号に置き換える工程とを含んでなる請求項２７に記載の方法。
29. 制御信号振幅が少なくとも予め定められた量だけ変化するならば、診断テスト信号を制御信号に置き換える工程をさらに含んでなる請求項２７に記載の方法。
30. 前記プロセス制御装置が、プロセスと関連するプロセス変数を制御する移動可能な弁部材を有する弁を備えており、応答指標が、弁部材の位置を表す位置信号である請求項１９に記載の方法。

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