JP4741785B2 - マイクロプロセッサベースの送信機の電子機器ボードの寿命予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御工業における装置の診断に関する。特に、本発明は、電子機器ボードにより取り出される電流を繰り返し測定するマイクロプロセッサベースのフィールド装置の電子機器ボードの寿命予測方法に関する。

米国特許第５，４８１，２００号は作りつけのテスト装置を有するフィールド送信機を開示している。該フィールド送信機の一つの特徴は、送信機の電子機器により取り出される電流を引き出し、送信機電子機器に関わる送信機出力を提供するために該引き出された電流を使用することである。本発明は、米国特許第５，４８１，２００号に記されている開示の改良に関する。明細書中の後ほどの説明から明らかになるように、本発明の一実施形態は問題の状況を素早く検出し、それにより、より効果的な補正動作ができるようにすることである。
米国特許第５，４８１，２００号明細書

制御プロセス中のプロセス変数の効果的な操作は、特定の補正動作または特定の警報が行えるように、フィールド装置の構成又は通信回路中の欠陥が即時に検出されることを必要とする。プロセスを停止しプロセスループからフィールド装置を除去する前に機能不全またはエラーを確認することが、装置に本来備わっている効率を提供する。現在のマイクロプロセッサベースの送信機は、時々故障する恐れのある複雑な電気回路を含む。実際には、単なる漏電又はシャント電流が発生する。例えば、ループ電流に影響を与える回路漏れ電流は送信機故障として報じられる。

フィールド装置は、フィールド装置の電子機器によって取り出される電流に関わるパラメータを連続的に測定するための回路を含む。この測定は、複数の電流に関わる測定を基に診断出力を計算する予測エンジンで行われる。該予測エンジンにより提供される診断予測は、実際の電子機器装置の残余の寿命の評価を提供することができる。該診断の特徴は、フィールド送信機の電子機器ボードの全状態をオンラインで通知することである。

本発明によれば、電子機器装置の寿命を早期に検出し、効果的な補正動作を行えるようになる。

プロセス変数は、典型的には、プロセス中に制御される第１の変数である。ここでは、プロセス変数は、例えば、圧力、流量、温度、価値（value）、レベル、ｐＨ、濁度、振動、位置、モータ電流、あるいはプロセスの他の特徴などのプロセス条件を記述する変数を意味する。制御信号は、プロセスを制御するのに使用される（プロセス変数以外の）信号を意味する。例えば、制御信号は、コントローラにより制御できる、所望の温度、圧力流量、レベル、ｐＨ，あるいは濁度のような所望のプロセス変数値（すなわち、設定値）を含む。さらに、制御信号は、較正値、警報、警報条件、バルブアクチュエータへ逆に供給されるバルブ位置信号のような信号、加熱素子に供給される信号、ソレノイドオン／オフ信号等、またはプロセスの制御に関する他の信号を含む。ここで使用される診断信号は、プロセス制御ループ中の装置や素子の動作に関わる情報を含む。しかし処理変数または制御信号は含まない。例えば、診断信号は、バルブステム位置、印加トルクまたは力、アクチュエータ圧力、バルブを駆動するために使用される圧力をかけられているガスの圧力、電圧、電流、電力、抵抗、容量、インダクタンス、装置温度、スチックション（stiction）、摩擦、一杯及び空の状態、運行、周波数、振幅、スペクトルおよびスペクトル要素、堅さ、電磁場の強度、継続期間、強度、動き、電気モータの逆起電力、モータ電流、（制御ループ抵抗、電圧または電流などの）パラメータに関係するループ、またはシステム中で検出または測定される他のパラメータを含む。さらに、プロセス信号は、例えば、プロセス変数、制御信号または診断信号などのプロセスまたはプロセス中の素子に関連する信号を含む。フィールド装置は、プロセス制御ループの一部を構成するまたは該プロセス制御ループに接続される装置を含み、プロセスの制御または監視に使用される。

図１は、プロセス流体と、ループ電流Ｉを流す２線プロセス制御ループ６を装着されたプロセスパイプ４とを含むプロセス制御システム２の一例を示す図である。フィールド装置８と、アクチュエータ、バルブ、ポンプ、モータ又はソレノイドのようなループ中の最後の制御素子に接続されるコントローラ１０と、通信機１２と、制御室１４とが、プロセス制御ループ６の全ての構成要素である。前記プロセス変数は、コントローラ／バルブアクチュエータ１０、通信機１２および／または制御室装置１４によって受信されることができる。コントローラ１０は、図示では、バルブ１８に接続され、該バルブ１８を調節することによりプロセスを制御することができ、パイプ４中の流量Ｑを変化させることができる。コントローラ１０は、例えば、制御室１４，送信機８、または通信機１２からループ６を経て制御入力を受信し、バルブ１８を応答的に調節する。他の実施形態では、コントローラ１０は、ループ６を経て受信するプロセス信号Ｈを基に制御信号を生成する。通信機１２は、図１に示されているようなポータブルの通信機であってもよいし、プロセスを監視し、計算を実行する固定的に装着されたプロセスユニットであってもよい。“フィールド装置“は、図１に示されているように、例えば（ローズマウント株式会社から調達できる３０９５送信機等の）送信機８、コントローラ１０，通信機１２，および制御室１４を含む。

本発明の実施形態は、マイクロプロセッサベースのフィールド装置の電子機器ボードに焦点を当てている。本発明の実施形態は、４−２０ｍＡ信号により電力を供給されるプロセス制御システム中のフィールド装置に有用である。本発明の実施形態の診断の特徴は、全体の電子供給電流を監視することにより、フィールド装置の全電子機器の状態をオンラインで提供する。供給電流が臨界レベルまで増えると、電子機器、通信プロトコル、および送信機のアナログ出力範囲を劣化させる。例えば、米国特許第５、４８１，２００号を参照して下さい。ここに開示されている診断の特徴は、本発明の実施形態によると、供給電流が予め定められた臨界レベルに到達する前に、ユーザに、残余の時間を評価することにより、電子機器装置の予測解析を提供する。当業者は、供給電流が予め定められた臨界レベルに到達する前に残余の時間を評価することが、電子機器の供給電流に関わる複数の測定が予測診断出力と関連づけることができる唯一の方法であることを認識するであろう。

図２は、代表的な４−２０ｍＡフィールド装置のためのプロセス制御ループの電流割当てを示している。一般に、供給電流、すなわち電子機器の静止電流（Ｉ_Ｑ）は、基底の４ｍＡ以下の一定の直流電流（ＤＣ）である。図２に示されているように、残りの１６ｍＡは所与のプロセス測定のレンジを完全に実現するために取っておかれる。正常な動作条件下では、静止電流は、電気電流が特定の機能を実行するためにより多くの電流を引き出すと、その名目値からわずかに増加するであろう。例えば、実質的なエネルギを要するある仕事（タスク）は、不揮発性メモリにデータを書き込む動作である。さらに、Ｉ_Ｑは、温度や湿気のような周囲条件で影響を受けるであろう。

異常な状態は、フィールド装置の出力レンジに影響を及ぼす４ｍＡ以上のレベルにＩ_Ｑを上昇させることになる。周囲条件は、その中の電気素子（例えば、受動素子または集積回路）の性能に影響を与えることによりＩ_Ｑを増加させることができる。そのため、もしフィールド装置が過酷な環境下に置かれるなら、電気素子の劣化は加速され、アースへの漏れ通路やシャント電流のような他の電気的問題が発生するであろう。一例として、もしＩ_ＱのＤＣ値が６ｍＡになるという問題が起きるなら、ループ電流は６ｍＡより小さくなることができなくなるであろう。電子機器におけるこの問題でさえ、送信機は６−２０ｍＡレンジ以内でプロセス測定するために、正常に動作するであろう（センサ、マイクロプロセッサ通信などは全て機能する）。逆に、もしプロセス測定が４−６ｍＡの範囲であるなら、オペレータまたはアナログ出力信号を用いるプロセス制御装置は不正確なデータを受信することになろう。

本発明の実施形態は、一連の供給電流測定に関わるデータを取得し、供給電流（Ｉ_Ｑ）が予め選択された上限に到達する前に、残余の時間を計算する予測エンジンを備えている。この予測診断を備えたフィールド装置は、本発明の一実施形態によると、それ自身の電子機器ボードの寿命を予測するであろう。これは、機能不全の可能性をユーザに前もって警告するばかりでなく、特定のプロセス制御ループ又はプロセス自体の性能を悪化させる前に、送信機またはその電子機器ボードの一方を交換するための時間をユーザに提供する。

図３は、本発明の実施形態を実現するのに便利なデータ構造を示す。特に、長さＮの一対のアレーが示されている。診断の間、供給電流に関わるパラメータまたは供給電流そのものがサンプリングされ、アレー１００中にＩ_Ｑ値として蓄積される。このプロセスは、アレー１００が予め定められた数（Ｎ）のＩ_Ｑ値で一杯になるまで周期的に繰り返される。概念的には、この一組のＩ_Ｑ値はアレーであるが、数個のフォーマットにモデル化および／または蓄積されることができる。同様のアレーＴは各Ｉ_Ｑ値がサンプリングされる時間に相当する。これらの値は、好ましくは不揮発性メモリに蓄積される。一度両方のメモリが一杯になると、アレーの内容は、マイクロプロセッサ上で走っているソフトウェア内に含まれている予測エンジンに送られる。この予測エンジンは、アレー（Ｔ）で表される時間に対するＩ_Ｑ値のサンプルに適合する曲線を提供し、連続する時間の式Ｉ_Ｑ（ｔ）に対する係数を生成する。もし、Ｉ_Ｑに対する上限（Ｉ _ＱＭＡＸ ）が例えば４ｍＡに設定されているなら、予測エンジンは、Ｉ _Ｑ （ｔ）の係数または勾配を使用して、Ｉ_Ｑ＝Ｉ_ＱＭＡＸになるまでの絶対時間（Ｔ_{ＡＢＳーＬＩＦＥ}）を計算する。Ｔ_{ＡＢＳーＬＩＦＥ}は時間の初期値Ｔ_０（Ｔ［１］）から計算されるので、実際の残余時間は、Ｔ_{ＡＢＳーＬＩＦＥ}とｔ［Ｎ］の差となる。この時間は電子機器ボードの寿命とみなされる。

図４は、種々の時間ｔで得られる複数のＩ_Ｑ値を示す。図示されているように、各サンプル間の周期は、計算を簡単にするために好ましくは一定である。しかし、測定間の周期は、例えば、計算された電子機器ボードの寿命の変化の割合と同様に、計算された電子機器ボードの寿命を含む複数のファクタに基づいて変化させることができる。

図５は、電子機器ボードの寿命予測の計算を示す図である。Ｎは任意の値であってもよいが、一例として、Ｎ＝１０とすると、アレーＩ_ＱとＴは、ｔ＝Ｔ_９で一杯になってしまうであろう（図３参照）。この時、予測エンジンは次のように計算するであろう。
Ｉ_ｑ（ｔ）→ｔ（Ｉ_ｑ）
Ｔ_{ＡＢＳーＬＩＦＥ}＝ｔ（Ｉ_{ｑ−ｍａｘ}） 式１
Ｔ_{ＥＢーＬＩＦＥ}＝ｔ（Ｉ_{ｑ−ｍａｘ}）−ｔ［Ｎ］ 式２

この実施形態では、予測エンジンはＩ_Ｑ（ｔ）を表すために近似線形直線を選択し、Ｔ _{ＥＢ-ＬＩＦＥ} の計算は図５に示されているようにして行われる。当業者はアレー中に含まれるデータ点または他のデータ構造を予測診断出力に相関させる複数の方法があり、またこのような方法が研究されていることを認識するであろう。例えば、非線形関係もまた使用されることができる。さらに、神経回路網分析技術および／またはファジー論理関係が、測定された供給電流パラメータを電子機器ボードの残余の寿命のような診断出力に関係づけるために使用されることができる。

サンプルサイズＮは固定であるので、アレー中の各要素は、Ｉ_Ｑの次の値がサンプリングされる前に移動（シフト）されることを必要とする。このことは、ファーストイン、ファーストアウト動作として知られている。このように、アレーの最後の要素はＩ_Ｑの次の値で置換される。

このため、
Ｉ_ｑ［Ｋ］＝Ｉ_ｑ［ｋ＋１］ ｋは１〜（Ｎ−１） 式３
Ｉ_ｑ［Ｎ］＝次のＩ_ｑの読み 式４
となる。

したがって、Ｉ_ＱアレーはＦＩＦＯ（ファーストイン、ファーストアウト）またはキュー（queue）の働きをする。同様に、図６は、Ｎ＝１０におけるＴ_０ ＝０に対するＩ_Ｑの値と、Ｔの次の組のＩ _Ｑ の値の取得を示している。上述のように、Ｉ_Ｑの前の値はアレー中でシフトされ、Ｉ_Ｑの新しい値がＴ_１０で取得される。Ｔ_１０の取得が行われると、予測エンジンは再度作動し、電子機器ボードの寿命の計算が前述したのと同様に行われる。好ましくは、電子機器ボードの寿命予測は、周期的に行われる。しかし、電子機器ボードの寿命予測は、また、フィールド装置にある局地ユーザインターフェースによってか、または制御ループを経て適当な通信信号をフィールド装置へ送ることによって、手動で起動されることもできる。本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、構成の変更をなすことができることを認識するであろう。

本発明の実施形態が用いられると特に有用であるプロセス制御システムの斜視図である。 ４−２０ｍＡフィールド装置のためのプロセス制御ループ電流の電流配分を示す。 複数の電流値と、それらの図３に示されるアレーに対する関係を示すタイムチャートである。 適合する直線を用いて電子機器ボードの寿命を予測する計算を示すタイムチャートである。 時間Δｔ後に得られる第２組の電流値を示す。

符号の説明

２……プロセス制御システム、４……プロセスパイプ、６……２線プロセス制御ループ、８……フィールド装置、１０……コントローラ、１２……通信機、１４……制御室、１８……バルブ、Ｉ……ループ電流、Ｑ……流量

Claims (10)

1. ４−２０ｍＡプロセス制御ループに結合可能な二つの端子を有するフィールド装置であって、
   ４−２０ｍＡプロセス制御ループから取り出された静止電流（以下、供給電流）で動作する電子機器装置と、
   前記電子機器により消費される供給電流を予め定められた時間間隔で測定する供給電流測定回路と、
   前記供給電流測定回路により測定された供給電流値を複数受信し、蓄積するメモリ構体と、
   前記複数の蓄積された供給電流値に近似する線形曲線又は非線形曲線を適用して、該曲線がある選択された閾値に到達すると予測される時間である電子機器装置の寿命を計算するために、前記メモリ構体に接続された予測エンジンとからなるフィールド装置。
2. 前記フィールド装置がプロセス制御送信機である請求項１に記載のフィールド装置。
3. 前記フィールド装置がバルブである請求項１に記載のフィールド装置。
4. 前記メモリ構体がアレーである請求項１に記載のフィールド装置。
5. 前記メモリ構体が複数のアレーからなり、第１アレーは複数の連続する測定供給電流値を蓄積し、第２アレーは該第１アレーの測定時間を蓄積する請求項１に記載のフィールド装置。
6. 前記予測エンジンは寿命予測の計算のために、神経回路網分析を使用する請求項１に記載のフィールド装置。
7. 前記予測エンジンは寿命予測の計算のために、ファジー論理を使用する請求項１に記載のフィールド装置。
8. ４−２０ｍＡプロセス制御ループに結合可能な二つの端子を有するフィールド装置中の電子機器ボードの寿命を予測する方法であって、
   前記電子機器ボードに４−２０ｍＡプロセス制御ループから取り出された静止電流（以下、供給電流）を予め定められた時間間隔で連続的に測定し、
   前記連続的に測定される供給電流値に近似する線形曲線又は非線形曲線を適用し、
   前記供給電流値に近似する線形曲線又は非線形曲線がある選択された閾値に到達すると予想される時間（以下、到達予想時間）である電子機器ボードの寿命を計算する方法。
9. 前記到達予想時間の計算が神経回路網分析を用いて行われる請求項８の方法。
10. 前記到達予想時間の計算がファジー論理を用いて行われる請求項８の方法。

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