JP5079501B2 - 安全計装システム、診断システム及び診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、産業プロセスの動作を監視または制御するために用いられるタイプのプロセス装置に関する。より詳細には、本発明は、安全計装システム（Safety Instrumented Systems）およびプロセス装置の診断方法に関する。

プロセス装置は、産業プロセスを監視および／または制御するための産業プロセス制御システム内で用いられる。制御装置は、プロセスを制御するために用いられるプロセス装置である。制御装置の例としては、ポンプ、バルブ、アクチュエータ、ソレノイド、モータ、混合機、撹拌機、遮断器、粉砕機、ローラ、摩砕機、ボールミル、捏和機、濾過器、混合機、サイクロン、遠心分離機、塔、乾燥機、搬送機、分離機、昇降機、巻き上げ機、加熱器、冷却器、およびその他の装置がある。送信機は、例えば温度、圧力、流量などのプロセス変数を監視することによって、プロセスの動作を感知（または監視）するために用いられるプロセス装置である。監視されたプロセス変数は送信されて、例えば中央制御室といったプロセス内の他の装置によって用いられる。別のプロセス装置の例としては、プロセス、プロセス送信機やプロセスコントローラなどのプロセス内で用いられる装置を監視し、例えば装置に対する指令をプログラミングするか送信することによって、プロセス装置を制御するために用いられるプロセス監視装置または通信機がある。

典型的には、プロセス装置はかなり丈夫に設計されており、故障率が低く、長寿命になるように製造されている。プロセス装置の故障は、プロセスへの影響が非常に大きく、装置が修理されるか交換される間、プロセスを一時的に遮断しなければならない。しかしながら、一般のプロセス装置が提供するレベルをはるかに越える性能レベルを必要とするプロセス装置が要求されることがある。そのような装置は、「安全認可プロセス（safety certification process）」に適合しなければならない。この認可は、所望の安全基準を満たすようにプロセスを形成するための測定基準を示すものである。

国際的基準は、プロセスの安全性を測定するために用いられる測定基準を示している。安全度水準（Safety Integrity Levels：ＳＩＬｓ）は、情報を提供し、プロセスが安全に動作することができるかどうか、および故障の場合には、プロセスが故障しても安全であるかどうかに関して予測する手順を提供する。ＳＩＬ評価は、製品の信頼性に関するものである。例えば、製品は、ある予め定められた速度で、指定された機能を実行するのが「可能である」ことを示されなければならない。この可能性表示は、製品の平均復旧時間（ＭＴＴＲ）だけでなく製品の平均故障間隔（ＭＴＢＦ）、および機能失敗確率（ＰＦＤ）に関係する。安全計装システム（Safety Instrumented Systems：ＳＩＳ）は、基本プロセス制御システム（Basic Process Control System：ＢＰＣＳ）の動作を監視するために用いられるシステムである。ＳＩＳは、故障、あるいは切迫した故障を検知するために用いられるので、プロセス装置の有効性を高めるか、プロセス構成要素の故障の影響を軽減するための適切な措置を取ることができるようになる。

プロセス制御システムで用いられる方法および装置は、プロセス配管内のプロセス流体の圧力を受信するように構成される。バルブポジショナは、プロセス配管を流れるプロセス流体の流量を制御するバルブの位置を決定する。バルブポジショナは、バルブの部分的な振動を発生するか、プロセス内に摂動を引き起こす。摂動によって起きる圧力の変化は、プロセスの動作を診断するために用いられる。

多くの産業プロセスは、本質的に危険である。これらのプロセスは、有毒物質、可燃性物質、または反応性物質を含み、高温・高圧であることが多い。これらのプロセスにおける装置の機能不良または人的過失の際には、大惨事が起こる可能性がある。安全計装システム（ＳＩＳ）は、このような事故を防ぐように設計されたオートメーションシステムである。特に化学薬品、石油化学製品および精製産業においては、これらの安全システムについての関心は、新しい国際規格のために、最近の数年の間に、高まってきている。

安全計装システムは、次の目的で設計された、センサ、論理ソルバ、および最終制御要素で構成されたシステムとして定義される。

−予め定められた状態が乱された時に、自動的にプロセスを安全な状態にすること。

−指定された状態になった時に、プロセスが安全に動作し続けるようにすること。

−産業上の危険によってもたらされる重大な結果を軽減するための処置をとること。

安全計装システム（ＳＩＳ）と基本プロセス制御システム（Basic Process Control Systems：ＢＰＣＳ）とは、それらが同じような構成要素を用いる点で類似している。これらのシステムは、センサから、入力、出力、ＳＩＳユーザインタフェース、電源、および論理ソルバを含むプロセスに結合された最終制御要素までのすべての要素を含む。ＳＩＳ構成要素は、通常ＢＰＣＳから分離・独立している。ＳＩＳの目的のために、追加の設計要求が満たされなけらばならない。基本プロセス制御システム（ＢＰＣＳ）は、警報を伝え、安全計装システム（ＳＩＳ）は、すべて防止層である。残りの層は、緩和層である。

例えば、ある産業プラントは、大惨事から人員、装置、および地域社会を保護するために多くの保護層を有する。いくつかの保護層は防止層であり、いくつかの保護層は緩和層である。防止層は、大惨事が発生するのを防ぐためのものである。緩和層は、大惨事を抑制し、大惨事が発生した後の損失を低減するために用いられる。

保護層を説明するために、管内の反応の例を挙げる。ある条件下で、反応は「暴走し」、別の保護層がなければ、タンクは爆発し、かなりの損害をもたらすことになる。保護層の例としては次のものがある。
層１：温度／圧力を制御するための基本プロセス制御システム
層２：手動でバルブを閉じて、反応を停止するようにオペレータに知らせる可聴警報
層３：タンクが破裂する前に圧力を低減するためのＳＩＳ
緩和層の例としては次のものがある。
層４：タンクが破裂する前に開く圧力安全弁
層５：圧力安全逃し弁によって放たれた蒸気によるさらなる損害を防ぎ、周囲の汚染を最小限にとどめるのを確実にするためのプラント緊急対応チーム（Plant Emergency Response team）

ＳＩＳ層は、最終防止層である。ＳＩＳが故障していると、危険を阻止することができず、緩和層だけが、結果として起こる損害規模を抑える。重大な損害、あるいは人命の損失を防ぐために、ＳＩＳ層が十分な保護を提供することが重要である。必要な保護の規模は、リスク管理の範囲に等しい。

ＳＩＳを特定する時には、全ての要素および構成要素を考慮すべきだが、予測において重要な３つの構成要素は、センサ、論理ソルバ、および最終制御要素である。

センサは、圧力、温度、流量、質量流量、レベル、炎検知、ｐＨ、または他のパラメータを測定する。センサは、単純な空気圧型または電気型スイッチから、オンボード診断を備えたスマートトランスミッタ（Smart transmitters）にまで及ぶ。ＳＩＳセンサは、通常のプロセスセンサと同じであるか、ＳＩＳ用に特別に設計されたセンサである。ＳＩＳ用に特別に設計されたセンサは、故障検知および装置のセットアップと較正のための制御動作を行う、追加の内部診断方法およびソフトウェアを有する。

安全規格によって、ＳＩＳ用途で用いられるセンサが、特定のタイプまたは技術に制限されることはない。安全規格を満たすために最適化された／安全な技術を確定することは、システム設計者の義務である。

しかしながら、エンドユーザが、ＳＩＳセンサを指定、インストール、および維持する時に従わなければならない特定の要求事項が、安全規格によって規定されている。

論理ソルバは、典型的には、センサから信号を読み、危険を防止するために予めプログラムされた動作を実行するコントローラである。安全論理ソルバと従来のデジタル制御システム（Digital Control System：ＤＣＳ）またはプログラマブルロジックコントローラ（Programmable Logic Controller：ＰＬＣ）とは、多くの類似点を有している。それらはどちらも論理関数を実行し、センサおよび最終制御要素から又はへの入出力機能を有する。相違点は、ＳＩＳ論理ソルバ（SIS Logic Solver）が、耐障害性に設計され、内部冗長性を有し、かつセーフモードで故障するように設計されていることである。それらは、故障検知を可能にする追加の内部診断およびハードウェアおよびソフトウェアで設計されている。さらに、安全論理ソルバには、偶発的な構成変化から守るためのセキュリティ機能が追加されている。

センサと同様に、適用可能な規格は、用いられる論理ソルバのタイプを規定することはなく、その用途のための要求事項だけを規定する。

最終制御要素（Final Control Elements）は、安全遮断の実行における最終段階を実行する。これは、安全な状態を達成するために作動する構成要素である。これらの要素は、ソレノイドバルブ、オン／オフバルブ、およびモータスタータを含む。最も一般的なものは、ダイアフラムまたはプロセス遮断バルブのピストンアクチュエータに空気を送り込むソレノイドバルブである。バルブ供給業者は、ＳＩＳ用途のために特別に設計されたスマートポジショナを最近発売した。センサと同様に、ＳＩＳ最終要素は、ある限定的な状態における通常のプロセス最終要素と同じであってもよいし、ＳＩＳ用途のために特別に設計されたものであってもよい。これらの特別に設計された最終要素は、故障検知を可能にする追加の内部診断およびソフトウェアを有する。

さらに、センサと同様に、ＳＩＳ用途に用いられる最終制御要素が、安全規格によって特定の技術に制限されることはない。最適化された／安全な技術を決定することは、システム設計者の義務である。安全規格は、エンドユーザが従わなければならない要求事項だけを明示する。

ＳＩＳの３つの構成要素には、同じ課題がある。その課題とは診断である。ＳＩＳは、プロセスの不調を検知し、プロセスを安全な状態にするように設計されている。オペレータが、任意のＳＩＳ故障に気付き、それに応答することができることが絶対に必要である。

本発明は、プロセスに適用された摂動信号を用い、印加された摂動によるプロセス動作の変化に基づいて診断を実行する安全計装システム（ＳＩＳ）を提供する。例えば、プロセス内のバルブの位置が変えられ、それによるプロセス内の変化が監視されて、その変化は診断を実行するために用いられる。監視される変化は、例えば、蓄積されたしきい値またはシグネチャなどの蓄積された値と比較され、システム動作を診断するために用いられる。本発明は、基本プロセス制御システムだけでなく安全計装システムにも適用可能である。一般的には、本発明は、測定（センサ）、制御、およびホスト（論理ソルバ）装置を含む任意のプロセス装置に適用可能である。

図１は、プロセスパイプ１６に結合された送信機１２を含むプロセス制御システム１０の図である。システム１０は、基本プロセス制御システムであるか、または安全計装システムである。以下に述べられるように、送信機１２は、あるタイプのプロセス装置であり、本発明は、任意のプロセス装置に適用可能である。ＳＩＳ構成内で実施される場合には、図１に示された構成要素は、基本プロセス制御システムに冗長層を提供するために用いられる。この冗長層は、ＳＩＳの実行によるＢＰＣＳ（基本プロセス制御システム）の動作を監視する。

送信機１２は、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、またはＨＡＲＴ（登録商標）規格などの通信プロトコルによって作動する２線式プロセス制御ループ１８に結合されている。現在、ＳＩＳシステムは、分割されたプロセス制御ループが各プロセス装置に結合している２線式４−２０ｍＡのループを有する条件で認可されている。しかしながら、本発明は、これらの規格あるいは２線式構成に制限されない。２線式プロセス制御ループ１８は、送信機１２、バルブポジショナ２２、および制御室２０の間に延びている。ループがＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルで作動する場合には、ループは、感知されたプロセス変数を示す電流Ｉを流す。さらに、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルによって、ループを流れる電流にデジタル信号を重畳することができるので、デジタル情報を送信機１２に対して送受信することができる。Ｆｉｅｌｄｂｕｓ規格によって作動する場合には、ループ１８は、デジタル信号を伝達し、他の送信機などの複数のフィールド装置に結合される。ループ１８は、マルチドロップ構成であってもよいし、プロセス装置と制御室２０との結合を分離した構成であってもよい。

本発明は、プロセス制御環境内で用いられる任意のプロセス装置に適用可能である。一般的には、図１に示される送信機１２のようなプロセス装置は、プロセス変数を監視または制御するために用いられる。プロセス変数は、典型的にはプロセス内で制御されている一次変数である。本明細書において、プロセス変数とは、例えば、圧力、流量、温度、製品レベル、ｐＨ、濁度、振動、位置、モータ電流、プロセスの他特性などのプロセスの状態を記述する任意の変数を意味する。制御信号とは、プロセスを制御するために用いられる（プロセス変数以外の）任意の信号を意味する。例えば、制御信号とは、コントローラによって調節されるか、プロセスを制御するために用いられる、所望の温度、圧力、流量、製品レベル、ｐＨ、または濁度などの所望のプロセス変数値（すなわち設定値）を意味する。さらに、制御信号は、較正値、警報、警報状態、バルブアクチュエータに提供されるバルブ位置信号などの制御要素に提供される信号、発熱要素に提供されるエネルギレベル、ソレノイドオン／オフ信号などのプロセスの制御に関連する他の信号を含む。ＳＩＳ構成においては、制御信号は、安全にプロセスを遮断する信号である。本明細書で用いられる診断信号は、プロセス制御ループ内の装置および要素の動作に関する情報を含むが、プロセス変数や制御信号を含まない。例えば、診断信号は、バルブ軸位置、印加されるトルクあるいは力、アクチュエータ圧力、バルブを動かすのに用いられる加圧ガスの圧力、電圧、電流、電力、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、装置温度、静止摩擦、摩擦、フルオンおよびフルオフ位置、動き、周波数、振幅、スペクトルおよびスペクトル成分、強度電気的または磁気的強度、存続時間、強度、運動、電気モータ逆起電力、モータ電流、（制御ループ抵抗、電圧、または電流などの）ループ関連パラメータ、あるいはシステム内で検知されるか測定される（プロセス変数以外の）他のパラメータを含む。さらに、プロセス信号とは、例えばプロセス変数、制御信号、または診断信号などの、プロセス内のプロセスや要素に関連する任意の信号を意味する。プロセス装置は、プロセス制御ループの一部を形成するか、プロセス制御ループに結合されて、プロセスの制御または監視に用いられるいかなる装置も含む。

前述の通り、図１は、プロセス流体が流れる配管１６およびループ電流Ｉを流す２線式プロセス制御ループ１８を含むプロセス制御システム１０の例を示す図である。バルブポジショナ２２は、バルブ２４に結合されている。しかしながら、ループ内の任意の最終制御要素は、例えばアクチュエータ、バルブ、ポンプ、モータ、またはソレノイドのように用られることができる。送信機１２、ポジショナ２２、通信機２６、および制御室２０は、プロセス制御ループ１８の全ての部分である。ループ１８は１つの構成で示されており、４−２０ｍＡループ、２，３または４線式ループ、マルチドロップループ、およびＨＡＲＴ（登録商標）、Ｆｉｅｌｄｂｕｓあるいは他のデジタルまたはアナログ通信プロトコルによって作動するループなどの任意の適当なプロセス制御ループを用いてもよいことが理解される。動作においては、送信機１２は、センサ２１を用いて流量などのプロセス変数を感知し、感知されたプロセス変数をループ１８を介して送信する。プロセス変数は、バルブアクチュエータまたはポジショナ２２、通信機２６および／または制御室装置２０で受信される。ポジショナ２２は、バルブ２４に結合されて示されており、バルブ２４を調節することによってプロセスを制御することができ、そのことによってパイプ１６内の流量が変化する。ポジショナ２２は、例えば制御室２０、送信機１２、または通信機２６からループ１８を介して制御信号を受信し、それに応答してバルブ２４を調節する。別の実施例では、ポジショナ２２は、ループ１８を介して受信されたプロセス信号に基づいて、内部に制御信号を生成する。通信機２６は、図１に示される携帯用通信機であってもよいし、常設的に取り付けられたプロセスユニットであってもよく、プロセスを監視し、演算や評価を行う。プロセス装置は、例えば、図１に示されるように、（ローズマウント インコーポレイテッド（Rosemount Inc.）から入手可能な３０５１Ｓ送信機などの）送信機１２、ポジショナ２２、通信機２６、および制御室２０を含む。別のタイプのプロセス装置は、ＰＣ、プログラマブルロジックユニット（ＰＬＣ）、あるいはループ上での監視、管理、および／または送受信を可能にする適当な入／出力回路を用いるループに結合された他のコンピュータまたはデジタル装置である。

図１に示されたプロセス装置１２、２０、２２あるいは２６のうちのいずれか、または特に図示されない他のプロセス装置が、本発明の一部またはすべてを実行するようにしてもよい。

図２は、本発明の１つの実施例を実行するように構成されたプロセス装置１００の概略ブロック図である。プロセス装置１００は、制御信号摂動源１０４を有する診断回路１０２を含む。制御信号摂動源１０４は、制御信号摂動１０６を提供する。さらに、プロセス変数信号１０８が、診断回路１０２に提供される。信号１０６および１０８は、任意の適当な技術を介してプロセスに接続される。

制御信号摂動１０６は、プロセス内の最終制御要素（例えば図１に示されたバルブ２４）を摂動させるために用いられる。この摂動は、任意の適当な技術を用いて発生させられる。例えば、バルブ２４の設定値または位置が、アナログ電流値の形式で、４−２０ミリアンペア２線式プロセス制御ループを通じてポジショナ２２に提供されると、制御摂動信号１０６は、ポジショナ２２に印加される信号を摂動させるか変化させて、バルブ位置２４に変化を生ずる。制御摂動信号は、単純な事象又はイベント（a single occurrence or event）であってもよいし、波形などのより複雑な信号であってもよい。典型的には、単純な変化（a single variation）は、「部分的ストローク（partial stroke）」と呼ばれる。最終制御要素内の変化は、プロセスが正常に機能するのを妨げないように十分小さいのが望ましい。しかしながら、大きな摂動は、より正確な診断情報を提供する。

バルブポジショナ２２がバルブの設定値に関するデジタル信号を受信する実施例では、摂動信号は、そのデジタル信号を調節するか、コントローラに付加的な信号を送信するために用いられる。ポジショナ２２で実行される場合には、制御信号摂動源１０４は、直接的にバルブ２４の位置に影響を及ぼす。同様に、制御室または他のプロセスコントローラで実行される場合には、摂動信号は、フィールド機器に送信される設定値に直接的に印加される。別の実施例においては、ＤＣＳなどのコントローラに提供される設定値情報が、摂動信号１０６を提供するために変更される。

同様に、プロセス変数信号１０８は、任意の適当な技術を介して受信される。この信号は、プロセス制御ループで伝送されるアナログまたはデジタル値から、またはプロセス制御システムに送信されるか蓄積される他のデータから、直接的に読まれる。プロセス変数を直接的に感知するプロセス送信機で実行される場合には、プロセス変数信号１０８は、診断回路１０２で直接的に受信される。

診断回路１０２は、受信されたプロセス変数を、メモリ１１０に蓄積された情報と比較する。前記情報は、例えばしきい値、最大偏差値、あるいはそれらに類似の単純な値であってよい。より複雑な診断のためには、前記情報は、連続した値、あるいは摂動信号に応答したプロセス変数の期待されたシグネチャ（expected signature）のように、より複雑である。プロセス変数との比較は、プロセスの状態に基づいて動的に変化する。例えば、いくつかのプロセスは、印加される摂動信号に応じて、あるプロセス状態下では、ある様式で変化し、他のプロセス状態下では異なる様式で変化する。前記比較に基づいて、診断回路１０２は診断出力１１２を提供する。診断出力１１２は、プロセス動作が故障しているか、今後故障するかを表わす異常な状態にプロセスが反応したことを示す示度を提供する。故障の特定の原因が、診断出力１１２によって明らかにされる必要はない。安全計装システムにおいては、診断出力は、安全にプロセスを遮断するか、そうでなければプロセス装置の修理が必要であることを示すために用いられる。診断出力１１２は、バルブ２４、制御要素に関連する回路、プロセス変数センサに関連する回路、プロセス変数センサ自身、制御ループ、あるいは詰まったインパルス配管またはその他の構成要素を含むプロセス内で用いられる他の回路や機械的構成要素などの最終制御要素の問題や故障を示す。

図２に示されたプロセス装置１００は、一般的なプロセス装置を示す。特定の診断回路１０２は、本明細書に特に示されるような任意の適当なプロセス装置、または他の装置内で実行される。プロセス装置１００は、基本プロセス制御システム（ＢＰＣＳ）の一部であり得る。別の実施例においては、プロセス装置は、基本プロセス制御システムの動作を監視するために用いられる安全計装システム（ＳＩＳ）の一部であるか、その全体を形成する。

図３は、本発明の実施例によるステップを示す概略ブロック図１５０である。ブロック図１５０は、スタートブロック１５２で始まり、制御は、摂動信号がプロセスの動作に注入されるブロック１５４に進む。摂動信号は、例えば図２に示された制御摂動信号１０６である。ブロックは、ブロック１５６で監視される。プロセスの監視は、センサを用いて直接的に実行されるか、プロセスまたはプロセス装置の直接的な呼びかけ信号に接続された構成要素によってデータ通信を監視することにより実行される。ブロック１５８では、監視されたプロセス変数が、蓄積された値と比較される。蓄積された値は、例えば、前述の、図２に示されたメモリ１１０に蓄積された値である。比較が、プロセスが通常に、あるいは指定された範囲内で作動していることを示す場合、診断は終了し、その後繰り返される。反対に、比較が、異常なプロセス状態、あるいはプロセスが所望の範囲外で作動していることを示す場合、制御は、ブロック１６０に進み、診断出力が提供される。診断出力は、所望通りに、例えば安全計装システム（ＳＩＳ）の技術によって用いられる。図３に示された特定のステップは、図２に示されたメモリ１１０、またはプロセス制御システム内の他の場所に蓄積されたコンピュータプログラミングコードで実施される。プログラム指令は、図２に示されたマイクロプロセッサ１２０などのデジタル処理システムによって実行されるように構成されている。

１つの実施例では、本発明は、安全計装システムに結合された、ＳＩＳ論理ソルバ、あるいは他のある診断ホスト内で実行される。診断ホストは、バルブを現在の位置から部分的に閉じるかまたは開くための信号をバルブポジショナに送る。これにより、プロセス流体内の圧力が変化し、圧力送信機は、その変化の結果起きた乱れを例えば監視する。この結果は、送信機に蓄積されるか、例えば、直前のテストからの正常なシグネチャなどの正常値との比較のために診断ホストに提供される。

図４は、圧力送信機２０２およびバルブポジショナ２０４がプロセス配管２０６に結合されている安全計装システム２００の実施例の図である。論理ソルバ２０８は、バルブ２１２の位置を部分的に変化させるために、バルブポジショナ２０４に摂動信号２１０を提供するように構成される。これにより、プロセス配管２０６に沿ってプロセス圧力の変化２１４が発生し、圧力送信機２０２からの出力にその結果起きた変化２１６が生ずる。

論理ソルバ２０８は、圧力送信機２０２からの変化２１６を監視し、摂動信号２１０に応じたプロセス内の期待された変化と比較する。監視は、信号２１６内の位相（あるいは遅延）、信号２１６の振幅、あるいは信号２１６の特定の波形を監視することを含む。監視は、時間領域、周波数領域、あるいはそれらの組み合わせであり得る。図４の例では、バルブコントローラ２０４は、１０パーセントの部分的なストローク変化を印加するように示されている。しかしながら、特定の設備の必要性に応じて、摂動パーセントあるいは絶対値を選択することができる。その結果起きる圧力信号変化２１６は、印加される摂動信号の大きさに基づいて変化する。以下に述べられるように、摂動信号は、ディザリング信号（dithering signal）であってもよい。

図５は、１つの実施例によるテスト手順のステップを示す概略ブロック図である。ブロック２５０でテストが開始され、摂動信号がバルブコントローラ２０４に印加される。（図４に示される）論理ソルバ２０８のような診断ホストは、ブロック２５２で、圧力送信機２０２内のメモリに時間と日付を記録し、かつ／または数情報（number information）を伝える。診断が始まり、ブロック２５４でデータが記録される。例えば、圧力送信機２０２は、較正されたレンジの出力のパーセントを記録し、次に、圧力データポイントを記録し始める。バルブ２０４は、オペレータまたはシステムが設定する、あるパーセントで閉じる（あるいは開く）。１つの実施例では、バルブ２０４は、通常は１００パーセントの開位置で維持されており、摂動入力信号によって部分的な閉位置へ移動される。ブロック２５６で記録が終了し、典型的には、その後、バルブはその１００パーセント開位置か通常の位置まで戻る。テストの最後の結果は、所望のように選択することができる。テスト期間は、摂動量、プロセスの状態、所望のウィンドウ期間（window period）、あるいは他の基準に基づいて選択される。さらに、テストは、最長期間を超えると、例えば自動的に終了する。これにより、送信機が過度にオフライン状態になることはない。別の例においては、送信機によって提供されたプロセス変数のテストが終わると、制御要素の制御ポイントは、テスト前の状態、あるいはテスト期間中に決定されるか測定された値に戻る。テストがプロセス装置または構成要素に一時的にオフラインまたは利用不可能とすることを要求するような構成においては、この情報が、制御室または他のプロセス装置に提供される。例えば、ＳＩＳが装置の稼働を必要とする時、テストを終了することもできる。早まって実行されなければならないイベントがある場合には、その情報が記録される。

ブロック２５８で、診断システムが学習モードならば、ブロック２６０でシグネチャが蓄積され、診断モードならば、ブロック２６２で記録データが既存のシグネチャと比較される。負荷バイアス２６４は、バルブ上の負荷の関数として、記録されたデータを補償または修正するために用いられる。この負荷は、送信機の較正されたレンジの出力パーセントによって決定される。例えば、部分的なストロークのパーセントが一定であると仮定すると、テストシグネチャは、テスト開始時に記録された出力パーセントを用いる関数として修正される。

前述のように、圧力信号の位相変位および／または振幅は、診断のために、またテストが成功したかどうかを判断するために用いられる。例えば、図６は、時間に対するバルブ制御信号およびその結果起きた圧力信号のグラフである。圧力信号の大きな位相変化（すなわち、遅延）、あるいは圧力信号の低減された振幅は、ラインの閉塞状態またはシステム内の他の問題を示す又は表すことができる。それらの値はまた、例えばバルブの詰まり（stuck valve）などのバルブポジショナの問題を示す又は表すことができる。ブロック２６６で、診断結果が記録されるか、出力される。診断出力は、単純な合格／不合格の出力であってもよいし、テスト結果が疑わしいことを示す情報などの付加的な情報を含んでもよい。

本発明は、診断テストが基本プロセス制御システムの構成要素、または安全計装システムの他の構成要素を用いて実行される実施例と同様に、診断の為の専用バルブコントローラ（あるいは専用圧力送信機）を有する実施例に適用できる。典型的なプロセス制御システムにおいては、逸脱が検知されると、コントローラはバルブポジショナに信号を送り、バルブの位置を変化させて、プロセスを所望の設定点に戻す。バルブを動作するために用いられる特定の制御アルゴリズムは、バルブを所望のように位置決めするためのフィードバックを用いる。しかしながら、そのような装置内のプロセスの正確さは、測定を実行するために用いられる装置の能力および正確さにかなり依存する。信号の品質は、送信機、送信機へのインパルス配管、配線、および他の構成要素を含む測定システムを構築する構成要素のすべてに依存して決まる。本発明は、そのような構成に適用可能であり、フィードバック制御ループの品質および正確さを測定するために、前述の構成要素のすべてを検査する技術を提供する。

図１に戻って、図１のような構成においては、バルブポジショナ２２の設定点は、既知の方法で変えられる。例えば、既知の周波数および振幅の特定の波形を有するノイズ信号あるいは信号が、摂動信号としてプロセス制御ループに印加される。その信号が、バルブの位置を制御するために用いられるアナログ値に付加されてもよいし、バルブの位置決めを制御するために用いられるデジタル信号が修正されるか、適用されてもよい。圧力送信機１２は、印加された摂動信号によるプロセス圧力のその結果起きた変化を読み、前述の技術を用いて、このその結果起きた信号を比較する。ルール、ファジー理論、ニューラル・ネットワーク、人工知能技術などを含む任意の技術を用いることができる。この比較は、ループ全体の品質および正確さを示すために用いられる。この比較には診断出力のみを用いてもよいし、又は決定木分析手法（decision tree analysis）が診断テスト中に検知された任意の誤差の原因を判断するための根本原因解析（root cause analysis）を実施するために用いられてもよい。

図７は、時間に対するバルブ位置のグラフであり、設定点３０２および摂動信号による実際のバルブ位置３００と、印加された摂動信号の負荷変化に応じた実際のバルブ軸の位置３０４とを示す。

本発明のいくつかの実施例では、測定装置およびバルブポジショナは、診断の目的で互いに直接通信するように構成される。摂動信号は、バルブポジショナあるいは前述のような他の技術を用いて印加され、典型的には、既知の周波数、振幅および存続時間を有する。いくつかの実施例では、２つ以上の摂動信号を適用して、異なる診断あるいは追加の診断が実施される。このような構成では、異なる蓄積されたシグネチャが用いられ、特定の印加された摂動信号に基づいて比較される。印加された摂動信号は、テストされる特定のループの個々の特性に対して、修正または調整される。摂動信号は、コントローラ自身によるか、またはコントローラに提供される設定点を変化させるかのどちらかによって、制御室または中央コントローラでループに印加される。診断出力は、バルブの詰まりの表示であるか、バルブの周波数応答に関する表示である。

１つの実施例においては、本発明の診断は、既存のプロセス制御および監視ソフトウェアに適用されるソフトウェアモジュールとして構成される。摂動信号は、所望のように調節されることができる。１つの特定の実施例では、バルブ位置の１パーセント未満の摂動信号が適用される。同様に、信号の周波数が任意の時間に変化するように制御されることができる。例えば、２Ｈｚの摂動信号を印加することができる。摂動信号は、より複雑な波形で構成されてもよい。診断は、様々なプロセス装置が互いに通信することができる、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｂｕｓのような、より複雑なプロセス制御ループで実行される。本発明の構成によって、診断は、電流の設定点を認識する必要はなく、その代りに、感知された圧力の変化を監視することができる。いくつかの実施例では、摂動信号は、再配置か、バルブへ送られた実際の制御信号の変更かによって発生し、追加の信号または摂動を必要としない。

本発明の別の態様では、サービスやメンテナンス、保証試験、診断テスト等に関する情報が、例えば図２のメモリ１１０のようなメモリに、蓄積または「記録」される。例えば、安全規格に適合し続けるために、様々な装置を定期的にテストしなければならない。本発明では、このテストやメンテナンスがプロセス装置に記録されるので、適切な間隔で、あるいは他の目的のために、メンテナンスが行われたことを呼び出して確認することができる。このことは、構成要素の故障の原因の分析または識別にも有効である。このことは、基本プロセス制御システムだけでなく、安全計装システムにも適用可能である。「保証試験」は、適切な安全計装システム（ＳＩＳ）の動作を実証し、装置診断または他のシステム診断によって検知されなかった任意の隠れた故障を検知するために設計されたテストを含む。保証試験は、センサ、論理ソルバ、最終制御要素、およびそれらの構成要素とプロセスとの間の結合を含む全てのＳＩＳ構成要素を網羅するように設計されるのが望ましい。いくつかの装置では、そのようなテストは、機能している安全計装システムの維持および保証のために必要とされる。

保証試験が行なわれるべき間隔は、保証試験間隔（proof test interval：ＰＴＩ）と呼ばれる。これは保証試験の間隔であり、ＳＩＳ構成要素またはシステムの機能失敗確率（probability of failure on demand：ＰＦＤ）を確定するのに重要な要素である。構成要素やシステムが、長い間テストされることなく稼働すると、故障が発見されない可能性が高くなる。言いかえれば、テストされない構成要素やシステムのＰＦＤは、時間が経過するにつれて増大する。機能失敗確率とは、要求時にＳＩＳがその意図された機能を実行しない可能性である。ＳＩＳ構成要素のメーカーは、典型的には、保証試験間隔に対するＰＦＤのグラフを提供する。そのグラフの例が、図８に示される。ＳＩＳ設計者は、この情報を、ＳＩＳのＰＦＤ平均を確定するために用いる。

本発明のこの態様では、安全計装システムにおいて用いられるプロセス装置や構成要素は、図８に示される保証試験間隔に対するＰＦＤのグラフに関連する情報を有することができる。例えば、安全計装システム内のプロセス装置は、時間の経過に伴い増加する装置の最新ＰＦＤを監視し、プロセス制御室を含む他の装置や構成要素にその最新ＰＦＤを伝えることができる。保証試験が実行される時、プロセス装置は、ＰＦＤを、保証試験の結果が「合格」の時の初期値にリセットする。時間の推移は、プロセス装置内のリアルタイムクロックによって、または最後の保証試験が行なわれた後の時間など他の技術を用いて追跡される。同様に、例えば図５に関して説明したように、論理ソルバなど他の構成要素は、時間あるいはタイムスタンプ情報を提供することができる。この情報は、保証試験が必要とされていることを示すか、あるいは保証試験を自動的に開始するために、ループ内のいずれかの装置によって用いられる。この同じ技術を、ＳＩＳ全体にわたって用いることができる。例えば、ＳＩＳ設計者は、ＳＩＳ全体のＰＤＦ関係を、装置メモリ内の蓄積用システム内の構成要素に提供することができる。これにより、ＳＩＳ全体のＰＤＦ情報を監視することができる。これにより、システムは、提供されたＳＩＳの実際のＰＤＦ関係、および保証試験が所望通りに実行または計画されたかどうかの独立した検証に基づいて保証試験を行う。ＰＤＦ情報は、例えば図２のメモリ１１０のようなシステム装置のメモリを含むシステム内の任意の場所に蓄積される。

本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識できるであろう。本明細書で特に記載された例は、単に実施例を説明するための目的であげられただけである。診断は、故障あるいは他の状態を検知し、プロセスの遮断および／または警報信号の送信などの制御応動を起すために用いられる。本発明は、２線式プロセス制御ループからの電力で完全に電力供給されるか、別の電源から電力を受信する装置で実施される。摂動信号は、バルブの静止摩擦を低減するために用いられる。安全計装システムとして実行される場合、本発明は基本プロセス制御システムの動作を監視するように構成される。そのような構成では、バルブポジショナおよび送信機は、ＢＰＣＳから独立している。別の構成では、１つ以上の構成要素をＢＰＣＳと共有する。診断技術の１つは、統計的プロセス監視の使用を含む。本明細書に説明されたループ試験は、任意の装置で使用されることができる。さらに、任意の装置が、ループ試験情報を蓄積し、ＰＦＤを追跡および／または予測することができる。証明試験またはループ試験の間隔の個々の検証によって、安全計装システムまたは基本プロセス制御システムが任意のループ設計基準を完全に満足しているかどうかを、所望の周波数でテストすることが、一定レベルで保証される。この情報の蓄積は、故障の発生の診断にも有効である。診断状態の決定に基づいて、切迫している故障を知らせるために情報が遠隔装置へ送信され、予防的な保守を計画するために用られる。

プロセス制御システムまたは安全計装システムを示す概略図である。 本発明を実行する際に用いるプロセス装置の図である。 本発明によるステップを示すブロック図である。 本発明を実行する際に用いるバルブポジショナおよび圧力送信機を示す概略図である。 図４に示された構成によって実行されるステップを示すブロック図である。 図５で実行されるバルブ駆動信号および圧力シグネチャを示すグラフである。 時間に対する制御バルブ軸の位置のグラフである。 保証試験間隔に対する機能失敗確率（ＰＦＤ）のグラフである。

符号の説明

１０…プロセス制御システム、 １２…送信機、 １６…プロセスパイプ、 １８…２線式プロセス制御ループ、 ２０…制御室、 ２１…センサ、 ２２…バルブアクチュエータまたはポジショナ、 ２４…バルブ、 ２６…通信機、 １００…プロセス装置、 １０２…診断回路、 １０４…制御信号摂動源、 １０６…制御信号摂動、 １０８…プロセス変数信号、 １１０…メモリ、 １１２…診断出力、 １２０…マイクロプロセッサ、 ２００…安全計装システム、 ２０２…圧力送信機、 ２０４…バルブポジショナ、 ２０６…プロセス配管、 ２０８…論理ソルバ、 ２１０…摂動信号、 ２１２…バルブ、 ２１４…プロセス圧力の変化

Claims (45)

1. 基本プロセス制御システム（ＢＰＣＳ）の動作の診断に用いられる安全計装システムであって、
   プロセス配管内のプロセス流体の圧力を測定するように構成されたプロセス配管に結合された圧力センサ、
   前記プロセス配管を流れるプロセス流体の流量を制御するバルブを制御信号に応答して制御するように構成されたバルブポジショナ、および
   前記バルブポジショナが、前記バルブの前記制御信号に応答した位置からの部分的な変化であり、且つ前記基本プロセス制御システムが正常に動作するのを妨げない程度に小さい部分的なストロークを発生させるように、前記制御信号に所定周波数を有する摂動信号を印加されるように構成され、さらに、前記圧力センサによって感知された前記部分的ストロークに起因する圧力の変化を、蓄積された、圧力の所定の時間変化特性である圧力シグネチャと比較し、その比較に基づいて前記基本プロセス制御システムの動作を診断するように構成された診断回路からなる安全計装システム。
2. 前記圧力センサに連結され、圧力を監視または制御する圧力送信機を含む請求項１の安全計装システム。
3. 前記診断回路が、圧力送信機内で実行される請求項２の安全計装システム。
4. 前記比較が、振幅比較からなる請求項１の安全計装システム。
5. 前記比較が、位相比較からなる請求項１の安全計装システム。
6. 前記診断回路が、前記蓄積された圧力シグネチャを学習モードで習得するように構成された請求項１の安全計装システム。
7. 論理ソルバを含み、前記診断回路が前記論理ソルバで実行される請求項１の安全計装システム。
8. 前記診断回路が、前記バルブポジショナによって前記バルブに複数の部分的なストロークを発生させるようにした請求項１の安全計装システム。
9. 前記複数の部分的なストロークが、実質的に連続した信号を提供する請求項８の安全計装システム。
10. 前記信号がノイズからなる請求項９の安全計装システム。
11. 前記複数の部分的なストロークが、バルブの静止摩擦を低減する請求項８の安全計装システム。
12. 前記比較が、周波数レスポンス比較からなる請求項１の安全計装システム。
13. 前記診断回路による診断の結果に関連する情報を蓄積するように構成されたメモリを含む請求項１の安全計装システム。
14. 機能失敗確率（ＰＦＤ）に関連する情報を蓄積するように構成されたメモリを含み、前記診断回路が、前記機能失敗確率および保証試験の間隔に関連する出力を提供するように構成された請求項１の安全計装システム。
15. 前記診断回路によって実行される診断の開始時に、前記機能失敗確率が初期値にリセットされる請求項１４の安全計装システム。
16. 保証試験が必要であることを示す保証試験出力を含む請求項１の安全計装システム。
17. 前記診断回路が、前記保証試験出力に応答して診断を実行する請求項１６の安全計装システム。
18. 前記部分的なストロークの期間が限定されている請求項１の安全計装システム。
19. 制御点またはプロセス変数出力が、前記部分的なストロークに先立って制御システムに提供される請求項１の安全計装システム。
20. プロセス配管内のプロセス流体の圧力を測定するように構成された前記プロセス配管に結合された圧力センサ、
    前記プロセス配管を流れるプロセス流体の流量を制御するバルブの位置を制御するように構成された制御信号に応答するバルブポジショナ、および
    プロセス制御システムの正常な動作中に前記制御信号に所定周波数を有する摂動信号を印加されるように構成され、さらに、前記圧力センサによって感知された前記制御信号の前記摂動信号による変化に起因し、且つ前記正常な動作を妨げない程度に小さい圧力の変化を、蓄積された、圧力の所定の時間変化特性である圧力シグネチャと比較し、それに応答して前記プロセス制御システムの動作を診断するように構成された診断回路からなる、プロセス制御システムの動作を診断するための診断システム。
21. 前記圧力センサに連結され、圧力を監視または制御する圧力送信機を含む請求項２０の診断システム。
22. 前記制御信号の変化の期間が限定されている請求項２０の診断システム。
23. 前記診断回路が、圧力送信機内で実行される請求項２１の診断システム。
24. 前記比較が、振幅比較からなる請求項２０の診断システム。
25. 前記比較が、位相比較からなる請求項２０の診断システム。
26. 前記診断回路が、前記蓄積された圧力シグネチャを学習モードで習得するように構成された請求項２０の診断システム。
27. 論理ソルバを含み、前記診断回路が前記論理ソルバ内で実行される請求項２０の診断システム。
28. 前記診断回路が、前記バルブポジショナによって前記バルブに当該バルブの位置の部分的な変化である部分的なストロークを複数発生させる請求項２０の診断システム。
29. 前記複数の部分的なストロークが、実質的に連続した信号を提供する請求項２８の診断システム。
30. 前記信号がノイズからなる請求項２９の診断システム。
31. 前記比較が、周波数レスポンス比較からなる請求項２０の診断システム。
32. 前記複数の部分的なストロークが、バルブの静止摩擦を低減する請求項２８の診断システム。
33. 前記診断回路による診断の結果に関連する情報を蓄積するように構成されたメモリを含む請求項２０の診断システム。
34. 機能失敗確率（ＰＦＤ）に関連する情報を蓄積するように構成されたメモリを含み、前記診断回路が機能失敗確率に関連する出力と保証試験の間隔を提供するように構成された請求項２０の診断システム。
35. 前記診断回路によって実行された診断の開始時に、機能失敗確率値が初期値にリセットされる請求項３４の診断システム。
36. 保証試験が必要であることを示す保証試験出力を含む請求項２０の診断システム。
37. 前記診断回路が、前記保証試験出力に応答して診断を実行する請求項３６の診断システム。
38. プロセス配管内を流れるプロセス流体の圧力を感知すること、
    前記プロセス配管に接続され、制御信号に応答して位置するバルブに、当該バルブの位置の部分的な変化であり且つプロセス制御システムが正常に動作するのを妨げない程度に小さい部分的なストロークを、前記制御信号に所定周波数を有する摂動信号を印加することにより発生させること、
    前記部分的なストロークの次にプロセス流体の圧力を監視すること、および
    前記監視されたプロセス流体の圧力と、蓄積された圧力の所定の時間変化特性である圧力シグネチャとの比較に基づいてプロセス制御システムの動作を診断することを含む、プロセス制御システムの動作の診断に用いられる安全計装システム内の診断方法。
39. 前記プロセス制御システムの動作を診断すること、の実行に関連する情報を蓄積することを含む請求項３８の診断方法。
40. 機能失敗確率（ＰＦＤ）に関連する保証試験出力を提供することを含む請求項３８の診断方法。
41. 前記診断が、振幅比較からなる請求項３８の診断方法。
42. 前記診断が、位相比較からなる請求項３８の診断方法。
43. 学習モードでの圧力の所定の時間変化特性である圧力シグネチャの習得を含む請求項３８の診断方法。
44. 前記バルブに複数の部分的なストロークを発生させることを含む請求項３８の診断方法。
45. 前記診断が、周波数レスポンス比較からなる請求項３８の診断方法。

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