JP5249410B2 - 多変数プロセス流体フロー装置の改良された構成 - Google Patents

Description

背景
工業用環境では、あらゆる工業用および化学用プロセス等を監視および制御するため、制御システムが使用される。通常、制御システムは、工業用プロセスにおける主要な位置に分散され、プロセス制御ループによって制御室内の制御電気回路に連結されたフィールド装置を使用して、これらの機能を実施する。「フィールド装置」という用語は、工業用プロセスの測定、制御および監視に使用される、分散した制御またはプロセス監視システムにおいて機能を実施する装置を指す。通常、フィールド装置は、長期間の時間、例えば、数年にわたり、屋外で動作する能力によって特徴付けられる。したがって、フィールド装置は、極端に厳しい温度および極端な湿度を包含する、様々な極端な気候で動作することができる。そのうえ、フィールド装置は、有意な振動、例えば、近接する機械からの振動の存在下で機能することができる。さらに、フィールド装置は、電磁干渉の存在下でも動作することができる。

フィールド装置の一つの例は、多変数プロセス流体フロー装置、例えば、ミネソタ州チャナッセンのEmerson Process Managementにより、Model 3051 SMV Multivariable Transmitterの商品名称で販売されているものである。多変数プロセス流体フロー装置は、液体および気体の差圧発生器を通じ、質量流量を計算することができる。一般的に、そのような計算には、差圧圧力発生器にわたる差圧圧力の測定のみならず、プロセス流体の静圧またはライン圧力および温度の測定が求められる。

差圧発生器を通して流量を算出するための一般式は、以下のように記述することができる。

ここで、
Ｑ＝質量流量（質量／単位時間）
Ｎ＝単位換算率（単位変化）
Ｃ_ｄ＝流出係数（無次元）
Ｅ＝進入速度率（無次元）
Ｙ_１＝気体膨張率（無次元）
ｄ＝差圧発生器の口径（長さ）
ρ＝流体濃度（質量／単位体積）
ｈ＝差圧圧力（力／単位面積）
である。

この表式中の項のうち、定数である単位換算率のみが簡易に算出される。他の項は、比較的簡易なものから非常に複雑なものまでの範囲にわたる式によって表される。一部の表式は、多くの項を含有し、数の非整数乗が求められる。これは、計算的に手間のかかる作業である。

プロセス流体フロー装置をできるだけ多くの種類の差圧発生器と互換的に動作させることが望ましい。さらに、様々なプロセス流体の流量を様々な動作条件で測定することができる、プロセス流体フロー装置を提供することも望ましい。

差圧発生器を通してプロセス流体の流れを正確に測定するには、差圧圧力、静圧またはライン圧力および温度を非常に正確に測定する必要があるだけでなく、差圧圧力発生器自体およびプロセス流体についての実質的な情報が求められる。さらに、求められる情報の一部は、技術者による特定および／または動作範囲への外挿が困難であることがある。したがって、プロセス流体フロー装置に必須の事前の情報を提供することは、極めて困難であり、時間がかかることがある。幸いにも、このプロセスは、Emerson Process Managementから入手可能であるEngineering Assistantの商品名称で販売されているソフトウェアアプリケーションにより、相当に支援される。このソフトウェアアプリケーションは、標準的な差圧圧力発生器およびプロセス流体に対する各種パラメータのデータベースを包含する。したがって、技術者は、ソフトウェアアプリケーションを実行しているコンピュータにプロセス流体フロー装置を連結することと、各種要素の情報を要求し、自動的にプロセス流体フロー装置の設定情報、例えば、多項式係数をプロセス流体フロー装置に提供する設定ウィザードに従うことのみを要する。プロセス流体フロー装置を設定することの複雑さの一つは、技術者が入力したデータのみならず、ソフトウェアが実施した計算結果も、警告を発生させたり、あるいは他のパラメータに影響を与えることである。例として、デフォルトの動作範囲では流体濃度を適正に算出することができるが、デフォルトの範囲外において、技術者がプロセス流体フロー装置による流体の測定を指示した場合、必要な精度で流体濃度を算出することはできない。それゆえに、ソフトウェアは、与えられた動作範囲に関してユーザに警告することができる。したがって、プロセス流体フロー装置の設定において技術者をガイドするプロセスは、一般的に、比較的直線的なやり方で達成することができる一方、入力された各種データの相関性および与えられた警告により、技術者は、前のステップに戻って、変更を加えることを所望するかもしれない。これは、すべてのデータの相関性を考慮すると、混乱を招くかもしれない。

複雑なプロセス流体フロー装置のユーザフレンドリな設定を提供するシステムおよび方法は、工業用プロセス流体フロー分野にとって有益となるであろう。

概要
プロセス流体フロー装置の設定情報を提供する方法を提供する。その方法は、プロセス流体の選択を受信する工程と、選択されたプロセス流体に関する少なくとも一つの選択可能な流体特性を提供し、少なくとも一つのプロセス流体特性の選択を受信する工程とを包含する。主要エレメントに関する情報も受信する。プロセス流体の選択、プロセス流体特性の選択、および主要エレメントの選択に対するリセットの受信により、それぞれの情報がクリアされる。プロセス流体の選択、プロセス流体特性および主要エレメント情報に基づいて、プロセス流体フロー装置に設定情報が提供される。

プロセス流体フロー装置に動作可能に連結された汎用コンピュータの概略図である。 本発明の態様に従い、プロセス流体フロー装置を設定する方法のフロー図である。 本発明の態様に従い、プロセス流体フロー装置からのプロセスフロー情報を修正する方法のフロー図である。 本発明の態様に従い、プロセス流体フロー装置設定ファイルを修正する方法のフロー図である。 本発明の態様で使用されるユーザインターフェイスディスプレイの概略図である。

例示的な態様の詳細な説明
図１は、本発明の態様が特に有効なプロセス流体フロー装置の概略図である。装置１０は、集合的にプロセス流体フロー装置を収容する、エレクトロニクスモジュール１８およびセンサモジュール２２を含む。エレクトロニクスモジュール１８は、好ましくは、通常、プロセス流体温度を測定するために配管に直接挿入されるか、配管に挿入されたサーモウエルに挿入される抵抗温度装置（ＲＴＤ）、好ましくは、１００オームのＲＴＤからインプットを受けるためのポートも包含する。ＲＴＤからの配線は、温度トランスデューサ３６内の端子台の一方の側に接続されている。端子台の他方の側には、電線用導管３５を通して走る配線が接続されている。

センサモジュール２２は、差圧圧力センサおよび絶対圧力センサを包含する。差圧圧力センサおよび絶対圧力センサは、調整およびデジタル化電気回路ならびに線形化および補償回路に圧力信号を提供する。補償、線形化およびデジタル化された信号は、エレクトロニクスモジュール１８に提供される。プロセス流体フロー装置１０内のエレクトロニクスモジュール１８は、フレキシブル導管（図示せず）を介して、好ましくは、ツイストペア導線を使用して形成される４〜２０mAの二配線ループにより、遠隔位置への配管内を流れるプロセス流体のプロセス状態を示す出力信号を提供する。一つの態様では、装置１０は、HART（登録商標）またはFOUNDATION（商標）フィールドバス規格により、三つのプロセス変数（温度、静圧圧力および差圧圧力）を示す信号を提供する。さらに、本発明の態様に従い、プロセス流体フロー装置１０は、流量を示す出力信号も提供する。

図１は、リンク３２を介してプロセス流体フロー装置１０に動作可能に連結された汎用コンピュータ３０を示す。汎用コンピュータ３０は、任意の好適な計算用装置、例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータまたはモバイル装置であることができる。コンピュータ３０は、プロセス流体フロー装置の初期設定を容易にする、インストールされたソフトウェアを包含する。そのようなソフトウェアの一つの例は、ミネソタ州チャナッセンのEmerson Process ManagementからEngineering Assistantの商品名称で販売されている。Engineering Assistantソフトウェアは、プロセス通信アダプタ、例えば、HART（登録商標）モデムまたはFOUNDATION（商標）フィールドバス通信カードを採用している。コンピュータ３０内のアダプタは、技術者がプロセス流体フロー装置１０と対話することができるプロセス通信リンク３２を確立する。装置１０は、複数のプロセス流体変数を測定することができる、多変数フィールド装置である。好ましくは、マニフォルド３４を介して圧力を測定し、温度トランスデューサ３６を介してプロセス流体温度を測定する。オリフィスプレートのような好適な差圧発生器に連結されることによって、プロセス流体がオリフィス板を通過する間にオリフィス板の反対側で測定される圧力は、公知の手法に従い、プロセス流体の流量に関連付けることができる。

装置１０の設定中、技術者は、通常、フロー装置のいくつかの項目を設定する。そのような項目は、測定単位の選択、プロセス流体の選択、流体特性の検証ならびに主要エレメントのサイズおよび形状の選択を包含する。これらの各種選択は、データベースに格納されたデータに対応しており、そのデータは、通信リンク３２を介して、プロセス流体フロー装置１０に供給される流体の質量流量を算出するための適切な係数をもたらす。

技術者がエンジニアリング設定支援ソフトウェアを使用し、プロセス流体フロー装置の新たな設定を行う場合、すべての選択および入力データは、新たな情報である。それゆえに、連続する最初の設定プロセスの途中においては、技術者が戻ることを希望するような状況はない。しかし、ユーザがすべての選択および入力データをそのままにしつつ、選択を取り消し、元の状態に戻すことを希望する状況があるかもしれない。そのような状況のいくつかを以下に記載する。

１つめの状況は、初期設定のプロセスにおいて、技術者が完了した画面に戻ることを希望するときに起こる。例えば、技術者は、流体特性画面が終了した後に、流体選択画面に戻るかもしれない。あるいは、技術者は、主要エレメント選択画面で作業している間に、気体組成入力画面に戻ることを希望するかもしれない。基本的に、技術者は、設定プロセスの前のステップに戻ることを希望することがある。

もう一つの状況は、ユーザが既存のプロセス流体フロー装置設定ファイルを開いた元の状態に戻ることを、技術者が所望する場合に起こる。

最後に、もう一つの状況は、技術者がプロセス流体フロー装置から設定をアップロードした前の状態または元の状態に戻ることを、技術者が所望する場合に起こる。

これらすべてのケースにおいて、技術者は、変更を加え、設定パラメータを試すことができる一方、技術者が変更を保持しないことを選んだ場合、元の状態に戻ることができることが望ましい。それゆえに、本発明の態様は、一般的に、ユーザとの対話を提供し、前の状態に戻る直感的な能力および／または与えられたアレンジメントを特に保存もしくはチェックポイントできる能力を提供する。

図２は、本発明の態様に従い、プロセス流体フロー装置を設定する方法のフロー図である。方法５０は、新たな装置設定ウィザードまたはガイドが呼び出されるブロック５２から開始する。ブロック５４では、技術者は、プロセス流体フロー装置で流量を測定するプロセス流体を選択する。選択された流体は、パラメータがプロセス流体データベースに格納されているプロセス流体、あるいは、カスタムプロセス流体であることができる。ブロック５６では、技術者に対し、プロセス流体選択をリセットする機会が与えられる。技術者がリセットを選んだ場合、制御は、プロセス流体選択情報がクリアされるブロック５８に進み、制御は、技術者によるプロセス流体の選択が可能なブロック５４に戻る。技術者がリセットを生じさせなかった場合、制御は、ブロック５４で選択された流体に関する流体特性を検証することができるブロック６０に移動する。そのような特性は、例えば、気体圧縮率または他の好適なパラメータを包含する。流体特性が検証あるいは入力されると、制御がブロック６２に進み、技術者に対し、流体特性の選択をリセットする機会が与えられる。リセットを受信した場合、制御は、技術者によって入力された流体特性がクリアされるブロック６４に進み、制御は、ブロック６０に戻る。リセットを受信しなかった場合、制御は、主要エレメントの選択を実行するブロック６６に進む。主要エレメントの選択は、主要エレメントの種類およびサイズの入力あるいは選択のみならず、主要エレメントに関する任意の他の好適なパラメータの修正を伴うことができる。主要エレメントの選択が完了すると、技術者に対し、ブロック６８において、主要エレメントの選択をリセットする機会が与えられる。リセットを受信した場合、制御は、主要エレメント情報がクリアされるブロック７０に進み、制御は、ブロック６６に戻る。リセットを受信しなかった場合、制御は、例えば図１に示したリンク３２を介して技術者によって入力されたデータがプロセス流体フロー装置に提供されるブロック７２に進む。プロセス流体フロー装置は、その後、一般的に多項式係数の形態の情報を使用してプロセス流体の流量を算出する。任意の実施例によれば、ブロック６６で主要エレメントの選択が完了したときに、ブロック７４に示すように技術者がチェックポイントを確立することもできる。ユーザがチェックポイントの確立を希望する場合、入力されたすべての情報を一時的に保存することが可能であり、技術者は任意の選択画面またはステップに戻ってデータに修正を加えることができる。その後、技術者が修正のリセットを選択した場合、データは、チェックポイントステップ７６で保存されたデータに復帰する。

図３は、本発明の態様に従い、プロセスフロー装置からのプロセスフロー情報を修正する方法の概略図である。方法８０は、プロセス流体フロー装置へのデータ接続が確立されるブロック８２から開始する。そのようなデータ接続の一つの例は、図１にリンク３２として例示されている。接続が確立すると、制御は、プロセス流体フロー装置から情報がコンピュータまたは他の好適な装置にロードされるブロック８４に移動する。ブロック８６では、プロセス流体フロー装置から受信した情報が初期装置情報として保存される。次に、ブロック８８では、流体選択情報の修正を技術者または他の好適な実在者から受信する。流体選択の修正を受信すると、技術者に対し、ブロック９０に例示するように、リセットを発生させる機会が与えられる。リセットを受信した場合、制御は、流体選択情報が修正された情報からブロック８６で保存された初期流体選択情報に復帰するブロック９２に進む。リセットを受信しなかった場合、制御は、流体特性の修正を受信することができるブロック９４に進む。流体特性の修正を受信した場合、技術者に対し、ブロック９６においてその情報をリセットする機会が提供される。そのようなリセットが起こった場合、制御は、流体特性情報がブロック８６で保存された初期情報に復帰するブロック９８に進み、制御は、ブロック９４に戻る。リセットを受信しなかった場合、制御は、主要エレメントの修正を受信するブロック１００に進む。次に、ブロック１０２では、技術者に対し、主要エレメント情報をリセットする機会が与えられる。そのようなリセットを受信した場合、制御は、主要エレメントの修正が廃棄され、かつ、主要エレメント情報がブロック８６で保存された情報に復元されるブロック１０４に進み、制御は、ブロック１００に戻る。リセットを受信しなかった場合、制御は、修正された流体特性情報がプロセス流体フロー装置にロードされるブロック１０６に進む。

図４は、本発明の態様に従い、プロセス流体フロー装置設定ファイルを修正する方法のフロー図である。方法１１０は、方法８０と一部類似点を持つ。方法１１０は、既存のプロセス流体フロー装置設定ファイルが開かれるか、あるいはアクセスされるブロック１１２から開始する。つぎに、制御は、新たに開かれたか、あるいはアクセスされた設定ファイルからの初期装置情報が初期装置情報として保存されるブロック１１４に移動する。次に、ブロック１１６では、初期流体選択情報への修正を受信する。流体選択の修正を受信すると、技術者に対し、ブロック１１８に例示するように、リセットを発生させる機会が与えられる。リセットを受信した場合、制御は、流体選択情報が修正情報からブロック１１４で保存された初期流体選択情報に復帰するブロック１２０に進む。リセットを受信しなかった場合、制御は、流体特性の修正および／または検証を受信することができるブロック１２２に移動する。流体特性の修正を受信した場合、技術者に対し、ブロック１２４においてその情報をリセットする機会が与えられる。そのようなリセットが起こった場合、制御は、流体特性情報がブロック１１４で保存された初期情報に復帰するブロック１２６に移動し、制御は、ブロック１２２に戻る。リセットを受信しなかった場合、制御は、主要エレメント修正情報を受信するブロック１２８に移動する。次に、ブロック１３０では、技術者に対し、主要エレメント情報をリセットする機会が与えられる。そのようなリセットを受信した場合、制御は、主要エレメントの修正が廃棄され、かつ、主要エレメント情報がブロック１１４で保存された主要エレメント情報に復元されるブロック１３２に移動し、制御は、ブロック１２８に戻る。リセットを受信しなかった場合、制御は、修正された流体特性情報がプロセス流体フロー装置にロードされるブロック１３４に進む。

図５は、本発明の態様で使用されるユーザインターフェイスの概略図である。ディスプレイ２００は、環境設定、流体選択、流体特性および主要エレメント選択のそれぞれに関するデータを入力あるいは確認することのできる機能を技術者に提供する複数のタブ２０２、２０４、２０６、２０８を含む。図５に例示するように、タブ２０４が選択され、データベースからプロセス流体を選択する機能がユーザに提供されている。図示された例では、ユーザは、気体、より具体的には、データベース上の気体、例えば、空気を選択している。データベースは、格納されたデータベース上の気体に関する情報、例えば、濃度、圧縮率などを含む。部分２１０では、技術者に対し、選択された気体の基準条件を入力する機能も提供されている。提供された例では、技術者は、１４．６９６ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）絶対値の基準圧力を入力している。また、技術者は、華氏６８．００度の基準温度を入力している。さらに、技術者に対し、技術者による公称動作圧力および公称動作温度の入力を可能にする、動作条件部分２１２も提供されている。システムは、好ましくは、ウィンドウ２１４および２１６のそれぞれにおいて、正常な動作圧力および温度に関する推奨された範囲を提供する。また、システムが動作圧力および温度範囲を推奨することができるにもかかわらず、技術者は、それらの値を修正することも可能である。入力された動作温度および圧力に基づき、システムは、入力データに基づくプロセス流体の流量値または他の関連する変数、例えば、流体濃度の予測される精度を示す警告を発生させることができる。そのような警告に応じ、ユーザは、流体選択情報の変更あるいはリセットを所望することができる。それゆえに、ユーザインターフェイス２００は、ボタン２２０で例示したリセット項目を包含する。技術者がリセットボタン２２０を選択した場合、流体選択情報は、図２〜４に関して先に記載したように、もしそれがある場合には、以前に保存された流体選択情報に復帰するか、流体選択情報をクリアする。同様のリセット項目がタブ２０６および２０８にも提供されている。

本発明の態様の利点の一つは、設定データのセットへ復帰する能力である。これは、設定データの多数のセットの比較も容易にする。例えば、設定データの異なるセットの相対的な精度を比較することができる。ファイルまたはプロセス流体フロー装置のメモリからフロー設定を読み込むことができる。技術者は、各種パラメータを変更することができる。ソフトウェアアプリケーション、例えば、エンジニアリングアシスタント（Engineering Assistant）は、修正されたパラメータに関する計算または分析を提供することができ、ユーザは、変更による精度または他の適当な変数への影響を確認することができる。ユーザによって加えられた変更が改良をもたらさない場合、ユーザは、リセット項目を使用して簡易に元の設定データに復帰することができる。これが有利である理由として、別の手段においては、設定データの最初のセットを入力し、分析を実行し、結果を書き込み、もしくは適当な方法を用いて結果を保存する。その後、設定データの第二のセットを入力し、分析するであろう。第二のセットがより良い設定をもたらさない場合、ユーザは、設定データの最初のセットの再入力を要するであろう。そのようなプロセスは、煩雑であるだけでなく、人為的ミスを招きやすいであろう。

本発明は、好ましい態様を基準にして記載されているが、当業者は、本発明の本質および範囲を逸することなく、形態および詳細に対して変更を加えることができることを認識する。

Claims (5)

1. プロセス流体フロー装置の設定情報を提供する方法であって、
   プロセス流体の選択を受信する工程と、
   選択されたプロセス流体に関する少なくとも一つの選択可能な流体特性を提供し、少なくとも一つのプロセス流体特性の選択を受信する工程と、
   主要エレメントに関する情報を受信する工程と、
   を含み、
   プロセス流体選択、プロセス流体特性および主要エレメント選択に関するリセットの受信により、それぞれの情報がクリアされ、
   プロセス流体選択、プロセス流体特性および主要エレメント情報に基づき、プロセス流体フロー装置に設定情報が提供され、
   チェックポイントの要求を受信する工程および入力されたすべての情報を一時的に保存する工程を含み、
   チェックポイントに引き続いて受信したリセットにより、リセット情報が一時的に保存された情報に復帰する、方法。
2. ユーザインターフェイス上のリセット項目の作動からリセットを受信する、請求項１記載の方法。
3. プロセス流体フロー装置の設定情報を修正するためのコンピュータで実行される方法であって、
   プロセス流体フロー装置設定情報を含むプロセス流体フロー装置設定ファイルにアクセスする工程と、
   プロセス流体フロー装置設定情報を初期設定情報として一時的に保存する工程と、
   プロセス流体選択情報、プロセス流体特性情報および主要エレメント情報の少なくとも一つに対する修正を受信する工程と、
   を含み、
   プロセス流体選択、プロセス流体特性および主要エレメント選択に対するリセットの受信により、修正された情報が初期設定情報に復帰し、
   修正されたプロセス流体選択、プロセス流体特性および主要エレメント情報に基づき、プロセス流体フロー装置に修正された設定情報が提供され、
   チェックポイント要求を受信する工程および入力されたすべての情報を一時的に保存する工程を含み、
   チェックポイントに引き続いて受信したリセットにより、リセット情報が一時的に保存された情報に復帰する、方法。
4. さらに、初期設定情報の少なくとも一つのパラメータと修正とを比較する工程を含む、請求項３記載の方法。
5. 比較後にリセットを受信する、請求項４記載の方法。

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