JP5603426B2 - サンプリングスキューエラー補正を有するプロセス装置 - 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。より具体的には、本発明は、少なくとも２つのプロセス変数がサンプリングされ、工業用プロセスの監視及び制御に用いられるフィールド装置に関する。

工業用プロセスは、さまざまな製品及び商品、たとえば原油、食品、医薬品、紙パルプ等の製造及び精製に用いられる。そのようなシステムでは、通常、プロセス流体のプロセス変数は、フィールド装置によって測定される。プロセス変数の例は、圧力、温度、差圧、水位、流速及びその他を含む。この測定されたプロセス変数に基づいて、フィードバックシステムを用いて工業用プロセスが制御された場合に、プロセス変数を用いて、工業用プロセスの動作を調節あるいは制御することができる。

いくつかのタイプのプロセス変数は、２又はそれ以上の他のプロセス変数の測定に基づいて測定又は算出される。たとえば、差圧は、２つの別個のプロセス流体圧力を測定し、２つの測定値を減算することによって測定されることができる。差圧は、コンテナ内のプロセス流体の流量又は水位を判定するのに用いることができる。しかし、２つの別個のプロセス変数を用いて第３のプロセス変数を判定する場合、判定に、タイムスキューエラーに起因するエラーを生じさせる可能性がある。

工業用プロセスを監視又は制御するための工業用プロセス装置は、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルを受信するように構成された第１の入力と、第２のプロセス変数に関連する第２の複数のサンプルを受信するように構成された第２の入力とを含む。補償回路は、第１の複数のサンプルと第２の複数のサンプルとの間の時差を補償して、第１及び第２のプロセス変数の少なくとも一方に関連する補償された出力を提供するように構成される。

２つの別個のプロセス変数が検知された工業用プロセス制御システムを示す、簡略化されたブロック図である。 図１のフィールド装置のより詳細な図を示す、簡略化されたブロック図である。 プロセス変数を検知する装置に対する装置出力への影響を示す、コモンモード信号対時間のグラフである。 プロセス変数を検知する装置に対する装置出力への影響を示す、コモンモード信号対時間のグラフである。 ２つの装置間のタイムスキューに対する補償を提供するためにローパスフィルタが導入された、図２と同様のブロック図である。 測定回路内部に図示された補償回路を示す、簡略化されたブロック図である。 増大するコモンモード信号のための線形外挿手法を示すグラフである。 非線形外挿を示すグラフである。 二次多項式を用いるための内挿手法を示すグラフである。 本発明の１つの構成に従った例を示す、簡略化されたブロック図である。 時間を用いた装置出力のグラフである。

詳細な説明
背景のセクションで述べられたように、いくつかの場合、プロセス変数の測定は、２又はそれ以上の異なるプロセス変数の測定を必要とする。１つの一般的な例は、差圧の測定であり、いくつかの場合、２つの別個の圧力、絶対圧力又はゲージ圧力の測定に基づくことができ、それらの差はその後判定される。

いくつかの場合、この測定は、２つの別個のプロセス変数センサからのデータをサンプリングすることによって、電気的に達成され得る。そして、サンプルデータを用いて、２つのサンプリングされた信号間の数学的関係に基づく出力を生成する。一例となる構成は、米国特許第5,870,695号、発明の名称"DIFFERENTIAL PRESSURE MEASUREMENT ARRANGEMENT UTILIZING REMOTE SENSOR UNITS"（1999年2月9日付でGregory C. Brown 及びDavid A. Brodenに付与）に例示されている。

図１は、工業用プロセスコントローラ監視システム１００を示し、ここではプロセス変数トランスミッタ１０２は、容器１０６、たとえばタンク内部のプロセス流体１０４の水位を測定するように構成されているとして示される。トランスミッタ１０２は、主ハウジング１１０及び遠隔センサ１１２を含む。周知の手法を用いて、主ハウジング１１０を、容器１０６内部の圧力を測定し、接続１１４を経由して、遠隔センサ１１２から、容器内部の第２の圧力を表す電気信号を受信するように構成することができる。これら２つの圧力を用いて、容器１０６内部のプロセス流体１０４の水位を判定することができる。この測定に関連する情報は、プロセス制御ループ１２０を経由して遠隔した場所、たとえばプロセス制御室１２２に伝達されることができる。図１では、プロセス制御ループ１２０は、プロセス制御室１２２又は他の場所と結合すると同時に、プロセス制御装置１０２を遠隔した場所に配置することができる２線式プロセス制御ループとして図示されている。そのような構成では、プロセス制御ループ１２０は、情報、たとえばフィールド装置１０２から伝達されたデータを伝送することができることに加えて、制御室１２２からの電力を用いて、フィールド装置１０２用の唯一の電源として用いることができ、ループ抵抗１２４に直列であるバッテリ１２６として図示される。しかし、たとえばＲＦ信号方式手法を用いてデータが伝達される、ワイヤレスプロセス制御ループを含む任意の適切なプロセス制御ループを用いることができる。

フィールド装置１０２は、２つの主な構成要素、本体１１０及び遠隔センサ１１２を有しているとして図示されているが、他の構成もまた用いられることができる。たとえば、２つの遠隔センサ、たとえば遠隔センサ１１２は、本体に結合することができる。別の例の構成では、遠隔センサから２以上のプロセス変数が受信される。

図２は、第１のプロセス変数ＰＶ１を検知するように構成された第１のセンサ１３２と、第２のプロセス変数ＰＶ２を検知するように構成された第２のセンサ１３４とを含むフィールド装置１３０を示す、簡略化されたブロック図である。より具体的には、プロセス変数センサ１４０Ａ及び１４０Ｂは、センサ１３２及び１３４にそれぞれ設けられ、これらはプロセス変数を検知するように構成される。そして、検知されたプロセス変数は、たとえばセンサ１３２内のアナログ・ディジタル変換器１４２Ａ及びセンサ１３４内の１４２Ｂを用いて、サンプリングされてディジタル化される。ディジタル化されたプロセス変数ＰＶ１及びＰＶ２は、その後、測定回路１３６に提供される。測定回路１３６は、２つのプロセス変数の関数である出力を提供する。たとえば、差圧が測定されている場合、出力はＰＶ１−ＰＶ２となり得る。

通常、このような装置では、２つのプロセス変数のサンプリングが正確に同期して生じることはない。サンプリングは、２つのわずかに異なる周波数で動作し得る。図２の例では、センサ１３２が、２０Ｈｚのサンプリングレートで動作し、一方で第２のセンサ１３４は２０．０１Ｈｚのサンプリングレートで動作して示される。好適な構成では、２つのセンサは同期して動作するが、ほとんどの実際の適用では、これは達成されない。

２つのセンサが厳密には同期しないため、いくつかのタイプのコモンモード信号は、測定値にエラーを発生させる可能性がある。１つの更新から次まであまり変化しない静的なコモンモード信号は問題ではないが、これは２つのサンプリングレート間のタイムスキューによって発生するエラーがごくわずかであるためである。しかし、動的なコモンモード信号については、エラーはかなり大きくなる可能性がある。図３Ａは、増大するコモンモード圧力信号を示すグラフであり、プロセス変数ＰＶ１及びＰＶ２のサンプリングは同期している。この例では、コモンモード入力信号に起因するＰＶ１とＰＶ２との間の差はゼロである。しかし、図３Ｂは同様のグラフであり、サンプリングされたプロセス変数の更新は相互同様に行われ、同時には生じない。これにより、コモンモード入力信号に、εとして図示される２つのプロセス変数測定値の間の差を発生させる。εの値は、コモンモード信号の変化率と、２つのサンプルが採取された時間の差との関数である。このエラーの数値の例として、各装置が毎秒２０サンプルで更新している場合、毎分１０ｐｓｉの変化速度で、差圧測定に結果として生じるエラーは、０．２２水柱インチであることを示すことができる。（より悪劣な場合を仮定すると、毎分１０ｐｓｉ＝．００８３ｐｓｉ／５０ｍＳ＝更新ごとに０．２２９水柱インチ（更新が５０ｍＳであると仮定））。時差は、１更新周期である。このエラーは、変化速度が増大するか、又は更新間の時間が増大すると増大する。

本発明は、上記のサンプリングスキューに起因するエラーを低減させるために用いることができる補償回路又は方法を提供する。図４は、そのような補償回路の実施の一例を示す、図２に類似した簡略化されたブロック図である。図４の例では、補償回路１５０Ａ及び１５０Ｂが設けられる。この例では、補償回路は、プロセス変数センサ１４０Ａ及び１４０Ｂからの信号の減衰を増大させる回路を含む。本ケースでは、プロセス信号のサンプリングの前に、ローパスフィルタが設けられる。アナログ・ディジタル変換器は、装置１３２、１３４内に、又は測定回路１３６内に構成要素１４２として配置されることができ、減衰関数は、アナログ・ディジタル変換の前に、又は後に実施されることができることに留意されたい。本方法は、タイムスキューエラーを低減するが、これはローパスフィルタが、ＰＶ１及びＰＶ２信号の変化率又は変化速度を低減させるように働くためである。

図４の構成では、２つの装置１３２及び１３４内のフィルタは、合致していなければならない（すなわち、同一の周波数応答を有する）。これらが合致していない場合、動的なコモンモード信号は、測定回路１３６にはノーマルモード信号として現れる。たとえば、動的なコモンモード信号は、差圧の変化として現れる。本方法の１つの不利な点は、システムの応答時間全体が、増大した減衰に起因して低下することである。

図５は、測定回路１３６内部に補償回路１６０が組み込まれた構成を示す、簡略化されたブロック図である。そのような構成では、さまざまな処理手法を用いて、ＰＶ１及びＰＶ２のサンプル間の時差を保証することができる。以下に２例が述べられるが、本発明は、これらの構成に限定されない。同様に、本発明は、補償回路１５０Ａ、１５０Ｂが検知装置１３２及び１３４内部に組み込まれ、ローパスフィルタを含む上記の構成に限定されない。

第１の例の構成では、補償回路１６０を用いて外挿、たとえば線形外挿を行い、増大するコモンモード入力信号を補償する。図６は、装置１３２及び１３４からのコモンモード出力信号対時間を示すグラフである。また、ＰＶ１及びＰＶ２の更新時間が図示される。そのような構成では、線形外挿を用いて、一方又は両方のプロセス変数の特定の時間における値を予測する。そして、予測値は測定回路１３６によって用いられて、ＰＶ１及びＰＶ２の予測値の関数として出力を提供する。コモンモード信号が上方又は下方に継続的に増大している場合、本方法を正しく機能するようにさせることができる。しかし、コモンモード入力信号が非線形に変動する場合、及び特に方向が変化している場合、予測値にエラーが発生する（図７参照）。

図７は、コモンモード信号が非線形であるときの、線形外挿法のエラーを示すグラフである。二次多項式は、最後の３つのサンプル更新に適合させて、入力信号のためのより良好な推定を提供することができ、コモンモード信号がある程度の曲率を有する状況を含む。

図８は、サンプリングスキューに対応するための別の方法を示すグラフである。図８の例では、内挿手法を用いて、両方のプロセス変数のある過去の時点における値を予測する。図８は、非線形コモンモード信号（破線）を示す。そのような構成では、最も簡易な方法は、線形内挿を用いることであり、２つの最新の更新を用いて、これら２つの更新の間のいくつかの時点における装置出力を予測する。２つの装置が関与している場合、各装置履歴が、選ばれた時間における、又はそれよりも遅れた１つの更新を有し、選ばれた時間により前の１つの更新を有するように時間が選択される。

本手法のさらなる改善は、非線形関数、たとえば多項式近似、スプライン法、又は装置履歴からのいくつもの更新が、予測値に到達するために用いられるような他の内挿手法を用いることによって得ることができる。そのような方法は非常に効果的である可能性があるが、装置出力の変化率がシステムサンプリングレート周期と比べて遅いことを条件とする。本方法との妥協点は、近似を計算するために十分な装置履歴があることを確実にするために必要とされる遅延に起因して、付加的な「デッド」タイムが付加されることである。図８のグラフでは、本方法の例は、二次多項式を用いて装置出力を近似させて図示される。

図８では、出力値を予測するために選択された時間は、ＰＶ１ｂとＰＶ１ｃとの間である。ＰＶ２の予測値は必要とされないが、これは正確に選択された時間が、第２〜最新の値のＰＶ２が受信された時間と一致するためである。このように、ＰＶ２の正確な値がこの例で実現されることができる。そして、そのときのＰＶ１の値は、ＰＶ３点、ＰＶ１ａ、ＰＶ１ｂ及びＰＶ１ｃを通過する二次多項式を用いることによって予測される。この多項式は、図８に太線で図示される。この例での近似のエラーは、記号εによって図示され、比較的小さい。この例では、１つの更新周期ごとに単純な「デッド」タイムが増大している。しかし、通常、このことは、全システム応答に対して、減衰が、たとえば図４に図示されたローパスフィルタに関連して説明されたように、１秒増大することよりも少ない影響を有する。

図９Ａは、本発明の１つの実施形態に従って、例となる工程を示す、簡略化されたブロック図１８０であり、図９Ｂは、装置出力対時間のグラフである。ブロック図１８０は、ブロック１８２で開始し、ブロック１８４でタイマカウンタが始動する。ブロック１８６で、システム１８０は、更新の準備ができて、Ｐ＿ｈｉｇｈあるいはＰ＿ｌｏｗから読み取られる状態にあることの指示を待っている。Ｐ＿ｈｉｇｈ及びＰ＿ｌｏｗは、高圧側圧力センサ及び低圧側圧力センサからの更新をそれぞれ表す。低圧の更新が準備されると、制御はブロック１８８に移り、変数Ｐ＿ｌｏｗ＿ｐｒｅｖが変数Ｐ＿Ｌｏｗの値に割り当てられる。変数Ｔ２＿ｐｒｅｖは、変数Ｔ２の値に割り当てられる。ブロック１９０で変数Ｐ＿Ｌｏｗが読み取られ、ブロック１９２で変数Ｔ２が更新される。これに代えて、高圧の更新がブロック１８６で準備された場合、制御はブロック１９４に移り、ここで変数Ｐ＿Ｈｉｇｈが読み取られ、ブロック１９６で変数Ｔ１が更新される。ブロック１９８で、時間Ｔ１＿ｐｒｅｖにおけるＰ＿Ｌｏｗの値が予測され、変数Ｐ＿Ｌｏｗ*に割り当てられる。予測は、変数（Ｔ２、Ｐ＿Ｌｏｗ），（Ｔ２＿ｐｒｅｖ，Ｐ＿Ｌｏｗ＿ｐｒｅｖ），及びＴ１＿ｐｒｅｖを用いた線形内挿に基づく。現在の値Ｐ＿Ｌｏｗ及び先に読み取られた低圧の値Ｐ＿Ｌｏｗ＿ｐｒｅｖに基づく内挿値が、直線線形内挿手法を用いて算出される。低圧の内挿値に基づいて、ブロック２００で差圧が算出され、図１の制御室１２２に提供される。ブロック２０２で、変数Ｐ＿Ｈｉｇｈ＿ｐｒｅｖがＰ＿Ｈｉｇｈの値に割り当てられ、変数Ｔ１＿ｐｒｅｖが変数Ｔ１の値に割り当てられる。図９に示される工程は、たとえば測定回路１３６のマイクロプロセッサに組み込まれることができる。このように、そのような構成では、マイクロプロセッサは、補償回路１６０として機能する。

上述の記載では、用語「内挿」が用いられている。しかし、このケースには例外があり、ブロック１９８でＰ＿Ｌｏｗの予測値に到達するために外挿が用いられる。より具体的には、通常の状況では、２つのプロセス変数が、ほぼ同じレートで更新され、２つのプロセス変数間のタイムギャップが非常に明確となるような方法で相互ループされる。しかし、いくつかの場合、２つのプロセス変数間の時差は、非常に小さくなり得る。この場合、更新はほとんど同期し、Ｐ＿ｌｏｗから２つの連続した更新、そしてＰ＿ｈｉｇｈからの２つの連続した更新を受信することが可能になり得る。このことは、交互配置パターンを変え、Ｐ＿ｌｏｗの予測値に到達するために内挿よりも外挿が必要とされる。

上述の記載では、本例は２つのプロセス変数のみを提供する。しかし、任意の数のプロセス変数が実施されてもよい。補償回路は、プロセス変数が検知される装置内に、二次装置、たとえばプロセス変数が受信される装置内に、又は他の何らかの場所に組み込まれることができる。これらの手法により、ローパスフィルタリング、線形又は高次外挿、又は線形又は高次内挿を含む適切な手法を用いて、２又はそれ以上の非同期更新装置から、サンプリングスキューエラーが低減される．これらの手法は、サンプリングされたプロセス変数が非同期であるワイヤレス通信を用いるシステムによく適している場合がある。さらに、上記の記述は、少なくとも２つの他のプロセス変数に基づくプロセス変数の展開に関連するが、本発明は、２つのプロセス変数に基づくプロセスの制御、たとえばバルブアクチュエータ又は他のプロセス制御装置の制御にもまた適用可能である。いくつかの構成では、サンプリングされたプロセス変数は、タイムスタンプを押されてもよい。そのような構成では、本明細書に記載された手法を用いて、２つの装置間のサンプリングタイムスキューに起因するエラーを低減することができる。ワイヤレス環境内でのサンプリングタイムスキューは、ワイヤレス無線システム内の変数待ち時間に起因して、全く制御できなくなる場合がある。たとえば、メッシュシステムは、情報をどのようにルーティングしてホストに戻すかを判定するように自己管理する。ＰＶ１からの情報は、ホストに直接ルーティングされ、それによって比較的短い待ち時間を有し得る。ＰＶ２からの情報は、ホストに向かう途中で数個のノードを飛び越して通り、それによって比較的長い待ち時間を有し得る。このように、自己管理するメッシュネットワークは、サンプリングタイムスキューに著しい不確実性を付加する。

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、形状及び詳細に変更がなされてもよいことが認識されよう。

上記の記述では、プロセス変数の一方のみが補償される。しかし、いくつかの構成では、２又はそれ以上のプロセス変数が補償されることが望ましい場合がある。

Claims (26)

1. 工業用プロセスを監視又は制御するための工業用プロセス装置であって、
   第１のプロセス変数を感知し、第１のプロセス変数センサ出力を供給するように構成された第１のプロセス変数センサと、
   第２のプロセス変数を感知し、第２のプロセス変数センサ出力を供給するように構成された第２のプロセス変数センサと、
   第１のサンプリングレートで前記第１のプロセス変数センサ出力をサンプリングし、第１の複数のサンプルを供給するように構成された第１のアナログデジタル変換器と、
   第２のサンプリングレートで前記第２のプロセス変数センサ出力をサンプリングし、第２の複数のサンプルを供給するように構成された第２のアナログデジタル変換器であって、前記第１および第２のサンプリングレートは非同期であり、
   前記第１のプロセス変数に関連する前記第１の複数のサンプルを受信するように構成された第１の入力と、
   前記第２のプロセス変数に関連する前記第２の複数のサンプルを受信するように構成された第２の入力と、
   前記第１及び第２のサンプリングレートが非同期であることにより、第１の複数のサンプルと第２の複数のサンプルとの間の時差によって発生したエラーを補償し、両方のプロセス変数に関連する補償された出力を提供するように構成された補償回路と、
   を含む装置。
2. 補償された出力が、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルの外挿に基づく、請求項１記載の装置。
3. 補償された出力が、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルの内挿に基づく、請求項１記載の装置。
4. 内挿が、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルの２つの隣接するサンプルに基づく、請求項３記載の装置。
5. 補償された出力が、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルのうちの少なくとも３つのサンプル間の曲線適合に基づく、請求項１記載の装置。
6. 曲線適合が、多項式曲線適合を含む、請求項５記載の装置。
7. 第１及び第２の複数のサンプルがタイムスタンプを押される、請求項１記載の装置。
8. 第１のプロセス変数に関連する補償された第１の複数のサンプルと、第２のプロセス変数に関連する第２の複数のサンプルとの関数として、第３のプロセス変数を算出するように構成された測定を含む、請求項１記載の装置。
9. 補償回路が、第１及び第２の複数のサンプルに減衰を提供する、請求項１記載の装置。
10. 補償回路がローパスフィルタを含む、請求項９記載の装置。
11. 第１及び第２の入力の少なくとも一方が、ワイヤレス入力を含む、請求項１記載の装置。
12. 第１のプロセス変数の補償値と、第２のプロセス変数とに基づいて、差圧を算出するように構成された測定回路を含む、請求項１記載の装置。
13. 補償回路が、第２のプロセス変数に関連する補償された出力を提供するようにさらに構成される、請求項２記載の装置。
14. ２つのプロセス変数間の時差を補償するための工業用プロセス装置で用いるための方法であって、
    第１のサンプリングレートでサンプリングされた第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルを受信することと、
    第２のサンプリングレートでサンプリングされた第２のプロセス変数に関連する第２の複数のサンプルを受信することであって、前記第１及び第２のサンプリングレートが非同期であり、前記第１及び第２のプロセス変数のサンプル間に時差があることと、
    前記第１及び第２のサンプリングレートが非同期であることにより、第１の複数のサンプルと第２の複数のサンプルとの間の時差によって発生したエラーを補償し、両方のプロセス変数に関連する補償された出力を提供することと、
    を含む方法。
15. 補償が、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルの外挿に基づく、請求項１４記載の方法。
16. 補償が、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルの少なくとも２つの間の内挿に基づく、請求項１４記載の方法。
17. 内挿が、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルの２つの隣接するサンプルに基づく、請求項１６記載の方法。
18. 補償が、第１のプロセス変数に関連する第１の複数のサンプルのうちの少なくとも３つのサンプル間の曲線適合に基づく、請求項１４記載の方法。
19. 曲線適合が、多項式曲線適合を含む、請求項１８記載の方法。
20. 第１及び第２の複数のサンプルがタイムスタンプを押される、請求項１４記載の方法。
21. 第１のプロセス変数に関連する補償された第１の複数のサンプル、及び第２のプロセス変数に関連する第２の複数のサンプルの関数として、第３のプロセス変数を算出することを含む、請求項１４記載の方法。
22. 補償が、第１及び第２の複数のサンプルを減衰することを含む、請求項１４記載の方法。
23. 減衰が、ローパスフィルタリングを含む、請求項２２記載の方法。
24. 第１及び第２の複数のサンプルの少なくとも一方が、ワイヤレス入力から受信される、請求項１４記載の方法
25. 第１のプロセス変数の補償値と、第２のプロセス変数とに基づいて、差圧を算出することを含む、請求項１４記載の方法。
26. 補償が、第２のプロセス変数を含む、請求項１４記載の方法。

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