JP5068822B2 - ２線式プロセス制御ループ診断 - Google Patents

Description

本発明は、工業用プロセス制御及び監視システムに関する。より詳細には、本発明は、２線式プロセス制御ループを利用して情報を伝送する工業用プロセス制御及び監視システムの診断に関する。

工業用プロセス制御及び監視システムは、工業用プロセスの動作を監視及び／又は制御するための多くの用途で用いられる。たとえば、精油所、化学処理プラント、又は製紙工場は、監視され制御される必要がある数多くのプロセスを有する場合がある。

そのような工業用プロセスでは、プロセス変数は、プロセスを経由して離れた場所で測定される。プロセス変数の例は、圧力、温度、流れ他を含む。この情報は、２線式プロセス制御ループを経由して、中心的な場所、たとえば制御室に伝送される。同様に、プロセス変数は、プロセス内に配置されたコントローラを用いて制御することができる。コントローラは、２線式プロセス制御ループから制御情報を受信し、たとえばバルブを開閉する、プロセス流体を加熱するなどによって、プロセス変数を応答的に制御する。

さまざまなプロトコルを用いて、２線式プロセス制御ループ上での通信がなされてきた。一つのプロトコルは、４−２０ｍＡ信号を用いて、ループ上で情報を運ぶ。４ｍＡ信号は、ゼロ又は低い値のプロセス変数を表すことができ、一方で２０ｍＡ信号は、高い値又はフルスケールの値を表すことができる。電流は、プロセス変数トランスミッタによって４〜２０ｍＡの間の値に制御されて、プロセス変数の中間値を表すことができる。より複雑な通信技術は、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルであり、ディジタル情報が４−２０ｍＡ信号の上に重畳される。一般的には、そのような構成では、各フィールド装置に個別の２線式プロセス制御ループが必要とされる。

通常、２線式プロセス制御ループ上で用いられるより複雑な通信技術は、フィールドバスベースプロトコルと呼ばれ、たとえばＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバス（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）である。フィールドバスプロトコルでは、すべての情報がディジタルで伝送され、プロセス制御ループ上のアナログ電流レベルは、情報を運ぶためには必要とされない。そのような構成の一つの利点は、複数のプロセス変数トランスミッタ又はコントローラを、単一のプロセス制御ループ上で直列に結合することができることである。ループ上の各装置はアドレスを有し、各自に宛てられたメッセージを識別することができる。同様に、フィールド装置によって伝送されたメッセージは、デバイスのアドレスを含むことができ、送信機を識別できるようになっている。

プロセス制御ループに結合するための診断装置は、プロセス制御ループからディジタル通信信号を受信するように構成されたディジタル通信回路を含む。ディジタル通信信号は、ディジタル値を表す複数の離散アナログ信号レベルに変調された、プロセス制御ループ上のディジタル変調されたアナログ信号である。診断回路は、ディジタル変調されたアナログ信号に基づいて、プロセス制御ループの動作を診断する。

２線式プロセス制御ループを含むプロセス制御又は監視設備の簡略化された図である。 プロセス制御ループ診断装置の簡略化されたブロック図である。 ループ電流Ｉ対時間のグラフである。 ループ電流Ｉ対時間のグラフである。 図２のディジタル通信回路を示す、より詳細な図である。 プロセス制御ループ診断装置のより詳細な図である。

本発明は、プロセス制御ループの診断に向けられ、２線式プロセス制御ループ自体で用いられる配線に加え、プロセス制御ループに接続された他の装置の診断を含む。特に、本発明は診断を提供し、複数の装置を単一の２線式プロセス制御ループに接続することができる、フィールドバスベースのプロトコルに従って動作する２線式プロセス制御ループ内の、故障した又は故障の可能性がある部品の検知を含む。

図１は、プロセス配管１６に結合されたフィールド装置１２及び１４を含むプロセス制御又は監視システム１０を示す簡略化された図である。装置１２及び１４は、単一の２線式プロセス制御ループ１８に結合され、プロセス制御ループは次に制御室２０に結合される。図１はまた、ループ１８に結合された２線式プロセス制御ループ診断装置２２を図示する。ループ１８は、ループ１８上の全てのフィールド装置に電力を供給することができ、制御室２０で生成することができる電流Ｉを運ぶ。情報は、ループ電流Ｉの上にディジタル信号を変調することにより、ループ１８上でディジタルに伝送される。たとえば、装置１２及び１４は固有のアドレスを含むことができ、それらが送信するメッセージを一意的に識別する他、受信されたメッセージがそれらのどちら宛であるのかを識別することが可能である。装置１２及び１４は、プロセス変数トランスミッタ及びコントローラを含む任意のタイプのフィールド装置を含み得る。プロセス制御ループ１８は、セグメントターミネータ２４で終了する。用語「セグメント」は、２線式プロセス制御ループ１８の一部又は全てを指す。

図２は、本発明の２線式プロセス制御ループ診断装置５０の簡略化されたブロック図であり、図１に示された装置２２に類似している。診断装置５０は、２線式プロセス制御ループ１８に結合し、ディジタル通信回路５２及び診断回路５４を含む。２線式プロセス制御ループ診断装置５０は、構成によっては、フィールド装置１２、フィールド装置１４、スタンドアロン型診断装置２２及び／又は制御室２０に組み入れることができる。

動作中、ディジタル通信回路５２は、２線式プロセス制御ループ１８からディジタル通信信号を受信する。このディジタル通信信号は、ディジタル変調されたアナログ信号を含む。そのような変調は、既知の技術に従っている。たとえば、ループ電流Ｉを、周期的に変動するように生じさせ、一定の閾値を上回る変動が二進法の１を表し、特定の閾値を下回る変動が二進法の０を表すようにすることができる。そのような構成は、ループ電流Ｉ対時間のグラフである図３Ａに図示される。図３Ａでは、グラフの時間軸は、ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３及びｔ_４の５つの時間周期に分割されている。周期ｔ_０の間、電流レベルＩは決定されず、０も１も表さない。周期ｔ_１及びｔ_４の間、電流レベルＩは二進法の０を示す。同様に、周期ｔ_２及びｔ_３の間、電流レベルＩは二進法の１を示す。別のデータ符号化技術は、図３Ｂに示すように、各ビット周期を２つの等しい部分に分けるたりする。二進法の１は、ビット時間の前半の間は電流レベルが閾値を上回り、後半の間は閾値を下回ることによって表される。二進法の０は、前半が閾値を下回り、後半では上回ることによって示される。

図２に図示された診断回路５４は、ディジタル変調されたアナログ信号Ｉに基づいて診断を行う。すなわち、診断回路５４は、信号振幅、波形、電流、ビットエラーレート（ＢＥＲＴ）、セグメントインピーダンス、又はループ１８上の電流を監視することによって得られる他のパラメータを含むディジタル変調されたアナログ信号のアナログ特性に基づいて診断を行う。さらに、いずれの装置が特定の信号を伝送したかを監視することによって、診断回路５４は、ループ１８上の、故障したか又は将来故障するおそれがある特定の装置を識別することができる。

図４は、診断装置５０のより詳細な図であり、ディジタル通信回路５２の一つの構成をより詳細に図示している。ディジタル通信回路５２は、入出力（Ｉ／Ｏ）回路６２及び２線式プロセス制御ループ１８上の他の装置に直列に結合された検出抵抗６０を含む。信号検出回路６４は、検出抵抗６０の両端に結合され、診断回路５４に出力を提供する。診断回路５４は、随意でＩ／Ｏ回路６２に接続する。Ｉ／Ｏ回路６２は、プロセス制御ループ１８を経由してディジタルに通信するように構成され、構成によっては、診断装置回路に、ループ１８を通して、ループ電流Ｉから生成された電力を供給するように構成される。信号検出回路６４は、検出抵抗６０の両端で生成された、ループ電流Ｉに関係する電圧信号を受信する。信号検出回路は、随意でこの信号を増幅し、この信号をディジタル化し、及び診断回路５４に電圧信号のディジタル表現を提供する前に、任意でさらなる前処理を行うことができる。信号検出回路６４は、たとえば、ディジタル信号処理（ｄｓｐ）集積回路及び関連するハードウェアを含むことができる。

図５は、プロセス変数トランスミッタ又はプロセスコントローラとして構成された診断装置の簡略化された図である。図５では、診断回路５４は、ディジタルコントローラ７０及びメモリ７２に組み入れられているとして示される。コントローラ７０は、たとえばメモリ７２内のプログラミング指示に従って動作するマイクロコントローラ等を含むことができる。プロセスインターフェイス７６は、プロセス変数を検出するためのプロセス変数センサを含むことができるか、又はたとえばバルブを設置することによってプロセスを制御するための制御要素を含むことができる。要素７４は、プロセス変数センサとして構成された場合、アナログ・ディジタル変換器と、コントローラ７０にディジタル信号表現を提供する関係する回路とを含む。コントローラ７０は、ループ１８を経由して、検出されたプロセス変数に関係する情報を伝送するように構成される。同様に、プロセスインターフェイス７６が制御要素として構成された場合、要素７４は、ディジタル・アナログ変換器と、コントローラ７０からのディジタル信号を、プロセスを制御するためのアナログ値に変換する関係する回路とを含む。

診断装置は、プロセス変数トランスミッタ又はコントローラ、スタンドアロン型診断装置２２、又は制御室回路２０を含む、図１に図示された例の装置のいずれにおいても組み入れられることができる。ある構成では、オプションのディスプレイ７８が設けられ、これを用いてオペレータに診断情報を表示することができる。ディスプレイは診断ヘルプステータスを提供することができ、ローカル表示は、あるループセグメント上の全ての装置の表示である。本質的に安全な構成では、診断は、本質安全バリアの本質的に安全な側に位置付けられることで、本質安全バリア自体の診断を含むより詳細かつ正確な診断を提供することができる。

診断回路５４によって実行される診断は、セグメントを特徴付けるようにすることによって、個々の２線式プロセス制御ループセグメントに適応させることができる。診断装置は、まず新規又は既存のセグメントに設置されると、各フィールド装置が通常のプロセス通信を実行するとき、各フィールド装置からの通信を分析することができる。この情報は、将来個々の装置それぞれに対する条件を参照するために、たとえばメモリ７２に保存することができる。この保存されたデータは通常動作の識別に用いることができ、続く診断に用いるためのベースラインを提供する。このように各装置を特徴づけることによって、より精密な診断が可能になる。加えて、各装置を、特定の通信プロトコル、たとえばフィールドバスプロトコルに従った規格と比較して、装置が適切な規格に準拠することを保障することができる。

診断回路５４によって実行される測定の一例は、個々のフィールド装置からのディジタル変調されたアナログ信号の振幅に基づく。そのような構成では、振幅を、記憶された閾値（又は振幅シグネチャ）と比較することができ、振幅が閾値外である場合、故障の表示を提供することができる。一つの装置が試験に合格でない場合、このことは、信号を伝送した装置が故障する可能性があることを示している可能性がある。一方、複数の装置がそのような試験に合格でないばあい、このことは、特定の装置以外の何かに問題があることを示している可能性がある。たとえば、ループ１８の特定のセグメント内部の配線、又は制御室２０内に位置付けられた電源の故障等である。そのような診断の利点は、特定の２線式ループセグメントの近い将来の故障を、実際の故障の前に検知することを含む。これにより、２線式プロセスループセグメントを最低限のダウンタイムで修理することが可能になる。さらなる診断は、クリップされた波形の検知を含むことができ、この波形はフィールド装置の零入力電流が増大し、不均衡な変調を生じさせる可能性を示す場合がある。クリップされた信号を生じさせる別の可能性は、フィールド装置における不十分な端子電圧である。このことは、電源電圧か、又は本質的に安全な構成においては、不完全な本質安全バリアかによる場合がある。

別の例の構成では、信号検出回路６４がディジタル変調されたアナログ信号をディジタル化して、診断回路５４が完全な信号波形を入手できるようにする。そのような構成では、診断回路５４は、完全な波形についての診断を実行して、たとえば、信号におけるトランジスタの立ち上がり及び立ち下がり時間を測定できるようにすることができる。さらに、通信信号は、特定の設備において経時的に特徴付け、基準として用いて、ライブ信号を継続的に比較して、振幅の経時変化を検知することができる。各装置からの信号を初期基準と比較することにより、要素の故障又はフィールド装置の破損の表示を検知することができる。また、立ち上がり及び立ち下がり時間は、２線式プロセス制御ループ１８の変化を示すことができる。個々のフィールド装置の振幅及び立ち上がり／立ち下がり時間の振幅の組合せを用いて、セグメント上の全てのフィールド装置の変化と比較して、より詳細な装置及びバスの分析が可能になる。通常動作中のセグメントでは、ある一つの装置が振幅の変化を提供する場合、その装置に、近い将来の故障を潜在的に有するとしてフラグを付けることができる。セグメント上のその他の装置との比較が行われ、それら他の装置が全て同様の振幅変化を示す場合、機械的な／配線上の故障、電源又は本質安全バリアの故障が示される場合がある。

別の例の構成では、診断回路５４は、ループ１８で作り出された電流Ｉを、たとえば検出抵抗６０と、検出抵抗６０の両端の電圧降下を測定するアナログ・ディジタル変換器を用いて監視する。電流ＩのＤＣ値を監視することによって、診断回路５４はＤＣ電流の不適切な変動を検知することができる。たとえば、ＤＣ電流の変動は、ループに接続された装置が、その特定のフィールド装置用のメディアアクセスユニット（ＭＡＵ）回路の未解決の故障を示す可能性があるシャントセット電流の増大を有することを示すことができる。また、２線式ループ配線の電気的短絡を示す場合もある。同様に、セグメント電流の減少はまた、近い将来の故障を示すこともできる。

信号検出回路６４及び診断回路５４は、単一の構成要素に、又は多くの構成要素にわたって組み入れることができ、また個々の構成要素を共有してもよい。好ましくは、本回路は、実質的にリアルタイムの診断を実行するのに適した処理帯域幅を有することが望ましい。このことは、単一のマイクロプロセッサによって、又はディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）もしくは他のタイプの二次的なマイクロプロセッサの使用を通して達成することができる。実質的な処理帯域幅を必要とする診断の一例は、たとえばループ１８に接続するために用いられる２つの端子からのループ１８上での、又はループ１８への接続の一つとハウジングもしくは他の電気接地との間の信号ノイズを監視することである。分析計算、たとえば標準偏差、二乗平均平方根（ＲＭＳ）又は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を、十分な処理速度で行い、これを用いてノイズ特性の相違を検知することができる。たとえば、端子の一つからアースまでの６０Ｈｚでのノイズ増大は、電気的接地に故障の可能性があることを示すことができる。

別の例の診断は、２線式ループ１８に接続された各装置のビットエラーレート（ＢＥＲＴ）の監視を通すことができる。ループ１８上の一つの装置が、特定の設備に対するベースラインよりもビットエラーレートが高くなる傾向を示す場合、このことは、装置が故障しており、修理が必要かもしれないことを示すことができる。ビットエラーレートが増大するレートに依存して、操作者に劣化の警告か又は差し迫った故障の表示を提供することができる。この近い将来の故障を予測することによって、装置が次に予定された保守間隔で修繕されることが可能になる。

別の例の構成では、Ｉ／Ｏ回路６２は、ループ１８に高周波パルスを与えるように構成される。この高周波パルスを、別の装置内の信号検出回路６４によって測定して、２つの装置間で、ループ１８上の電気インピーダンスを判定するために用いることができる。高周波パルスは、通常のバス通信中に、ループ１８を経由した通信を中断させないように配置することができる。受信されたパルスの振幅での立ち上がり及び立ち下がり時間を測定することによって、インピーダンス測定を行うことができる。この測定と設備のベースライン測定との比較を用いて、診断を提供することができる。一つの構成では、高周波パルスは、簡易な装置、たとえば図１に示されるようなループ１８のセグメント端のためのターミネータ２４に含まれる装置によって生成される。

セグメント１８に配置することができる装置の総数は、セグメントに結合される装置全ての電流消費によって制限されるため、本発明の回路は、好ましくは電力消費を低減する技術を用いて動作する。たとえば、診断は、特定のフィールド装置内の他の回路がさらなる電力を必要としない期間中に行うことができる。

本発明の診断の態様は、離散型の構成要素として図示されているが、単一の構成要素によってさまざまな機能を組み入れたり、構成要素間で共有したりすることができる。本発明の態様は、ソフトウェアプログラミング（たとえばメモリ７２に記憶されている）で組み入れられることができるか、ハードウェアに組み入れられることができるか、又はハードウェアと、Ｌｉｎｋ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｃｈｅｄｕｌａｒ（ＬＡＳ）を含むソフトウェアとの間で共有することができる。Ｌｉｎｋ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｃｈｅｄｕｌａｒ（ＬＡＳ）は、決定性、集中型のバススケジューラであり、循環的に伝送される必要がある全ての装置の全てのデータバッファの伝送時間のリストを保持している。Ｈ１フィールドバスリンク上の一つのＬｉｎｋ Ｍａｓｔｅｒ（ＬＭ）装置のみが、そのリンクのＬＡＳとして機能することができる。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形態及び細部に変更を加えてもよいことが認識されよう。本明細書で用いられる２線式プロセス制御ループとは、ループ配線に加えて、ループに結合されるフィールド装置を含む。

Claims (25)

1. 工業用プロセス制御又は監視システムの２線式プロセス制御ループに結合するための診断装置であって、
   ２線式プロセス制御ループから、ディジタル値を表す複数の離散アナログ信号レベルに変調された、２線式プロセス制御ループ上のディジタル変調されたアナログ信号を含むディジタル通信信号を受信するように構成されたディジタル通信回路と、
   ２線式プロセス制御ループに直列に結合され、ディジタル変調されたアナログ信号に基づいて２線式プロセス制御ループの動作を診断するように構成された診断回路と、
   を含む診断装置。
2. ディジタル通信回路が検出抵抗を含む、請求項１記載の装置。
3. ディジタル変調されたアナログ信号をディジタル化するように構成されたアナログ・ディジタル変換器を含む、請求項１記載の装置。
4. 診断回路が、ディジタル変調されたアナログ信号の振幅を監視する、請求項１記載の装置。
5. 診断回路が、ディジタル変調されたアナログ信号の波形を監視する、請求項１記載の装置。
6. 診断回路が、２線式プロセス制御ループ上のディジタル通信のビットエラーレート（ＢＥＲＴ）を監視する、請求項１記載の装置。
7. 診断回路が、２線式プロセス制御ループのインピーダンスを監視する、請求項１記載の装置。
8. インピーダンスが、２線式プロセス制御ループ上の高周波信号の受信によって監視される、請求項７記載の装置。
9. 診断回路が、ディジタル変調されたアナログ信号のパラメータと、記憶された値とを比較し、応答的に診断出力を提供する、請求項１記載の装置。
10. 診断回路が、ディジタル変調されたアナログ信号と、ディジタル変調されたアナログ信号を伝送した２線式プロセス制御ループ上の特定の装置とに基づいて、診断情報を相関させる、請求項１記載の装置。
11. 診断回路が、２線式プロセス制御ループに結合された装置の診断を行う、請求項１記載の装置。
12. 診断回路が、２線式プロセス制御ループの配線の診断を行う、請求項１記載の装置。
13. 診断情報を表示するように構成されたディスプレイを含む、請求項１記載の装置。
14. プロセスのプロセス変数を検出又は制御するためのプロセスインターフェイスを含む、請求項１記載の装置。
15. 診断装置が、工業用プロセス制御又は監視システムのフィールドに取り付けられるように構成される、請求項１記載の装置。
16. ディジタル通信回路及び診断回路が、２線式プロセス制御ループから受けた電力によって電力供給される、請求項１記載の装置。
17. 診断回路が、２線式プロセス制御ループのプロセス装置の動作を診断する、請求項１記載の装置。
18. 工業用プロセス制御又は監視システムで用いられるタイプの２線式プロセス制御ループを診断する方法であって、
    ２線式プロセス制御ループに結合された複数の装置から、ディジタル値を表す複数の離散アナログ信号レベルに変調されたディジタル変調されたアナログ信号を含むディジタル通信信号を受信することと、
    ディジタル変調されたアナログ信号の特性を測定することと、
    ２線式プロセス制御ループへの直列接続を通して測定されたディジタル変調されたアナログ信号の測定された特性に基づいて、２線式プロセス制御ループの動作を診断することと、
    診断に基づいて出力を提供することと、
    を含む方法。
19. 特性を測定することが、ディジタル変調されたアナログ信号の振幅を監視することを含む、請求項１８記載の方法。
20. 特性を測定することが、ディジタル伝送の波形を監視することを含む、請求項１８記載の方法。
21. 特性を測定することが、２線式プロセス制御ループ上のディジタル変調されたアナログ信号のビットエラーレート（ＢＥＲＴ）を監視することを含む、請求項１８記載の方法。
22. 特性を測定することが、２線式プロセス制御ループのインピーダンスを監視することを含む、請求項１８記載の方法。
23. 特性を測定することが、２線式プロセス制御ループ上で高周波信号を受信することによって監視することを含む、請求項２２記載の方法。
24. ディジタル変調されたアナログ信号のパラメータを、記憶された値と比較して、応答的に診断出力を提供することを含む請求項１８記載の方法。
25. ディジタル変調されたアナログ信号と、信号を伝送した２線式プロセス制御ループ上の特定の装置とに基づいて、診断情報を相関させることを含む、請求項１８記載の方法。

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