JP5993439B2 - プロセス変数トランスミッタ及びセンサ信号の特性を特定する方法 - Google Patents

Description

本開示は、プロセス制御及び監視システムに用いられるプロセス変数トランスミッタに関する。より具体的には、本開示は、トランスミッタに組み込まれたコンポーネントを用いて、センサの劣化又は故障を検出することに関する。

プロセス変数トランスミッタは、プロセス制御監視システムにおけるプロセスパラメータを測定するために用いられる。マイクロプロセッサベースのトランスミッタは、多くの場合、センサ、センサからの出力をデジタル形式に変換するためのアナログ・デジタル変換器、デジタル化された出力を補償するためのマイクロプロセッサ、及び補償された出力を送信するための出力回路を含む。現在、この送信は、普通はプロセス制御ループ、たとえば４−２０ミリアンペア制御ループを経由して、又は無線で行われる。

そのようなプロセス変数トランスミッタは、多くの場合、プロセス制御ループによってホストシステムに接続される。いくつかの現行のホストシステムは、標準推定誤差（標準推定誤差（Ｓｅ））統計と呼ばれる統計を用いて測定データを分析し、センサ又は他のプロセスコンポーネントが故障しているかを、そのような故障が深刻になる前に予測する。たとえば、いくつかのそのようなホストシステムは、Ｓｅ統計を用いて、センサ（たとえば熱電対）のうち１つが劣化しているがまだ故障していないかを判断する。他のホストシステムは、Ｓｅ統計を用いて、あるプロセスの故障（たとえば原子炉の暴走）を、重大な損傷が生じる前に特定する。このタイプの情報を十分な精度で提供するために、従来のＳｅ数式は、少なくとも毎秒１回、又はさらなる頻度で更新されなければならない。

より具体的には、Ｓｅ統計を用いて、全線形化領域にわたるセンサ信号の標準偏差を判定する。これは、データがどの程度良好に線形化されているか、又はどの程度良好に線形化を追跡しているかを特定することの助けとなる。この統計のために用いられる数式の一例を以下に示す。

これらの数式は、多くのプロセストランスミッタ上で組み込まれて用いられるマイクロコントローラシステムに対して資源集約的である。それらは、分析されている各センサに対してかなり大量のランダムアクセスメモリを必要とする。また、数式の解は極めて時間集約的であり、このことは、センサによって入力された正常な測定信号を処理することに利用可能である時間量を低減させる可能性がある。

プロセス変数トランスミッタは、先に受信されたセンサ値に基づいて算出されたフィルタリングされたセンサ値と、先の変化率値に基づいて算出されたフィルタリングされた変化率値とを記憶するメモリを含む。プロセス変数トランスミッタは、センサ値を受信して、それをフィルタリングされたセンサ値と比較し、変化率値を得るプロセッサをさらに含む。また、プロセッサは、変化率値を、フィルタリングされた変化率値と比較してずれ値を得て、ずれ値に基づいて出力表示、たとえばセンサ故障警告出力を生成する。これは、プロセス変数トランスミッタ内部で行われる。

ホストシステム及びプロセス内のセンサに結合されたプロセス変数トランスミッタの簡略化されたブロック図である。 図１に示されたシステムの動作の一実施形態を図示するフロー図である。 図１に示されたシステムの動作の、多数のセンサ向けの一実施例を図示するフロー図である。 多数のプロセス変数トランスミッタ及び多数のセンサの一実施例を図示するブロック図である。 図４に示されたシステムの動作の一実施例を図示するフロー図である。

図１は、一実施形態によるトランスミッタ１０の簡略化されたブロック図である。トランスミッタ１０は、図１に示された実施形態では、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１２、プロセッサ１４、メモリ１６及び入出力（Ｉ／Ｏ）コンポーネント１８を含む。また、プロセス変数トランスミッタ１０は、調整コンポーネント１９を説明的に含む。トランスミッタ１０は、複数の異なるプロセス変数（ＰＶ）センサ２２及び２４に結合されて示される。また、トランスミッタ１０は、制御ループ２６を経由してホストシステム２０に結合されて示される。当然ながら、トランスミッタ１０は、プロセス制御ループ２６に代えて、又はそれに加えて、無線通信リンクに接続されることができる。一実施形態では、プロセス制御ループ２６は、トランスミッタ１０に電力を提供する。

センサ２２及び２４は、説明的には、検知されているプロセス２８からの入力を受信するプロセス変数センサである。たとえば、センサ２２は、説明的には、温度を検知する熱電対であってもよく、センサ２４もまた熱電対、又は異なるセンサ、たとえば流量センサであってもよい。他のＰＶセンサが、多様なセンサ、たとえば圧力センサ、ｐＨセンサ、等を含むことができる。センサ２２及び２４は、説明的には、検知されたプロセス変数を示す出力を調整コンポーネント１９に提供する。

調整コンポーネント１９は、説明的には、センサ２２及び２４から受信された信号を、たとえばそれらを増幅すること、それらを線形化すること等によって調整し、それらをＡ／Ｄ変換器１２に提供する。こうして、Ａ／Ｄ変換器１２に提供されたアナログ信号は、検知されたパラメータを示す。Ａ／Ｄ変換器１２は、アナログ信号をデジタル信号に変換し、それらをプロセッサ１４に提供する。

一実施形態では、プロセッサ１４は、関連するメモリ１６及びクロック回路（図示せず）を有し、検知されたパラメータに関する情報を、Ｉ／Ｏコンポーネント１８に提供するコンピュータマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラである。そして、Ｉ／Ｏコンポーネント１８は、同様に、制御ループ２６を経由して、その情報をホストシステム２０に提供する。Ｉ／Ｏコンポーネント１８は、制御ループ２６を経由して、ループ２６を通る電流（Ｉ）を制御することによって、情報をデジタル形式かあるいはアナログ形式で提供することができる。いずれの場合も、検知されたパラメータに関する情報は、トランスミッタ１０によってプロセス制御ループを経由して提供される。

図１に示された実施形態では、プロセッサ１４は、センサずれ検出器３０をさらに含む。検出器３０は、センサ２２及び２４によって提供されたセンサ信号に関する統計を検出し、センサ２２及び／又は２４が劣化しているか、故障しているか、又は故障しつつあるかを特定する。図２は、プロセス変数トランスミッタ１０の動作を図示するフロー図であり、詳細には、故障しているか又は故障しつつあるセンサを特定するセンサずれ検出器３０である。

上述のように、いくつかの従来のホストシステムは、標準推定誤差（Ｓｅ）統計を算出し、故障しているセンサを特定する目的で、測定データを分析した。しかし、これはトランスミッタ１０内に組み込まれたコンポーネントでは行われなかったと考えられる。一方、センサずれ検出器３０は、Ａ／Ｄ変換器１２から受信されたセンサ信号を処理し、劣化しているか、故障しているか又は故障しつつあるセンサを特定することができる。そうすることで、プロセッサ１４はまずＡ／Ｄ変換器１２からセンサ入力値を受信する。このことは、図２にブロック４０によって示される。そして、Ｓｅ値を算出することに代えて、センサずれ検出器３０は、遅延演算器（又はフィルタ）を用いてメモリ１６にアクセスし、センサから入ってくるデータを、フィルタリングされたセンサ信号と比較して、センサ信号の変化率値の推定を得る。これは、以下のように行われる。

ここで、ｘは、センサ信号の変化率値の推定であり、
ｙは、センサからの入力信号であり（Ａ／Ｄ変換器１２によってデジタル化された）、

は、この所与のセンサについて行われ、メモリ１６に記憶された、先のセンサ入力サンプルのいくつかの数字の平均である。

センサ入力値（ｙ）を、フィルタリングされたセンサ値

と比較して、変化率値の推定（ｘ）を得ることが、図２のブロック４２によって示される。

そして、センサずれ検出器３０は、メモリ１６にアクセスし、上記の式５で得られた変化率値の測定（ｘ）に同様のフィルタリング動作を行い、以下のようにずれ値を得る。

ここで、

は、この所与のセンサについて行われ、メモリ１６に記憶された、先の変化率値算出のいくつかの数字ｉの平均である。電流信号についての変化率値の推定を、フィルタリングされた変化率値と比較して、式６に示されたずれ値を得ることが、図２のブロック４４によって示されている。

そして、センサずれ検出器３０は、新しいずれ値（ｄｅｖ）を閾値と比較して、電流センサ入力に対応するずれが、センサが劣化しているか、故障しているか又は完全に故障しつつあるかを示すある閾値を越えているかを判断する。閾値に対する特定の値は、経験的に判断されることができるか、又は処理されているセンサの特定のタイプに基づくことができる。たとえば、センサが、第１のタイプのプロセスで温度を検知する熱電対である場合、閾値はその後１つのレベルに設定され得るのに対し、センサが異なるタイプのプロセッサ内の熱電対である場合、異なるタイプのセンサ（たとえば、ｐＨセンサ又は流量センサ）であれば、閾値はその後各様に、所望のように設定され得る。ずれ値を閾値と比較することが、図２のブロック４６によって示されている。

ずれ値がブロック４６において閾値を上回るか又は越えた場合、センサずれ検出器３０はその後、ユーザに対しこのことの表示を生成する。一実施形態では、この表示は、Ｉ／Ｏコンポーネント１８に提供される、ホスト２０への通信用のセンサ故障警告３６の形式をとる。これは、図２のブロック４８によって示される。

しかし、ブロック４６において、ずれ値が閾値を超えていないと判断された場合、センサずれ検出器３０はその後、トランスミッタ１０におけるフィルタリングされたセンサ値及びフィルタリングされた変化率値の推定を更新し、更新された値をメモリ１６に記憶する。これは、図２のブロック５０によって示される。

そして、プロセッサ１４は、点検するセンサがさらにあるかを判断する。これは、図２のブロック５２によって示される。そうでない場合、処理を完了し、検出器３０は再度その検出を行う時間になるまで待機する。しかし、ブロック５２において、点検するセンサがさらにあると判断された場合、その後、図２のブロック５４で示されるように、次のセンサが選択され、処理はブロック４０に戻る。
このように、上述からわかるように、センサずれ検出器３０は、数式５及び６を実行することによって、センサが故障しているかを検出することができ、これはすべてプロセス変数トランスミッタ１０内部に組み込まれたコンポーネントによって行われる。これは、それぞれの新しいデータポイントを有する多数のプロセスを必要とし、さらには平均化すること、傾向線を算出すること、多くのあらかじめ修正されたサンプル全体にわたる傾向から理論値を検証すること、及び多くの自乗及び平方根等の複雑な数値演算を用いることを含むＳｅ数式を用いることに代えて、センサずれ検出器３０が、新しいセンサ入力値を前の値の移動平均と比較することによって動作し、ずれ値に対しても同じことを行うためである。これは、プロセッサオーバヘッド及び時間の観点ではほとんど消費されないが、それでもなおセンサ故障を検出するためにホストシステムによって用いられるものと同様の特性を提供する。このように、センサ劣化及び故障は、ホストシステム２０での算出の必要なく、プロセス変数トランスミッタ１０自体の内部で検出されることができる。

図２は、図１に示されたシステムの、個別ベースでセンサを処理するための動作を図示しているが、本システムは、プロセス２８内の変数を検知して、同じプロセス変数トランスミッタ１０にセンサ信号を提供するか、又は多くの異なるプロセス変数トランスミッタに信号を提供する複数の異なるセンサ２２及び２４からの入力を処理するために用いられることもできる。多くの異なるセンサから信号を受信すると、センサずれ検出器３０は、センサからの値を、それらの値の間の予測される関係と比較することによって、異常を検出又は検知することができる。たとえば、センサ２２及び２４は、共にプロセス２８内の異なるポイントで温度を測定しており、それら２つのセンサ値間に予測される関係がある場合がある（たとえば、一方が、あるパーセンテージで他方よりも低温か又は高温である）。同様に、それらのセンサからの値は、所与の、所定の関係に従って、互いに関連して変化することを予測することができる。例示を目的として、センサ信号が直線的に関連していることが予測される場合、及びセンサのうち１つが温度の急速な上昇を示すが、他はそうではない場合、それら２つのセンサの間の予測される関係はその後観測されず、センサのうち１つが故障しているか、又は故障しつつあるおそれがある。図３は、図１に示されたシステムの、これらのタイプの検出を行うための動作を図示するフロー図である。

トランスミッタ１０は、図２に示されるように、まず多くのセンサ入力を受信して処理する。当然ながら、センサ入力は、任意には多くの異なるトランスミッタからであることができるか、又はそれらは多くの異なるプロセスからであるか、又は両方からであることができる。図２に関して上述されたように、センサ入力を受信して処理することが、図３のブロック６０によって図示されている。

そして、センサずれ検出器３０は、図２に関して上述されたように、処理によって得られた値を比較して、何らかの関係のあるセンサ異常があるかを、ブロック６０で処理された多くの異なるセンサ入力全体にわたって値を比較することによって判断する。これは、図３のブロック６２によって示される。ブロック６２で判断されたようなセンサ異常がある場合、センサずれ検出器３０はその後、ブロック６４によって示されるように、このことの表示（たとえば、センサ故障警告３６）を出力する。そうでない場合、処理を完了する。

図３に示された実施形態では、センサ入力間の予測された相関は、メモリ１６に記憶されて、何らかの関係するセンサ異常があるかについての判断を行うにあたり、センサずれ検出器３０によってアクセスされることができることに留意すべきである。関係は、メモリ１６に数式として、又はルックアップテーブルとして用いられることができる値の表として、もしくは他の方法で記憶されることができる。例示のみを目的として、トランスミッタ１０は、センサ間から、又はプロセス間から線形相関が予測される１又はそれ以上のプロセスで用いられる場合がある。図３に示された検出を行うにあたり、センサずれ検出器３０は、関係するプロセス又はセンサ異常があるかを、単に入力値の間に予測された線形関係が観測されたかを判断することによって判断することができる。当然ながら、他の関係を同様に用いることができる。

図４は、プロセス変数トランスミッタ１０を、センサ２２及び２４ならびにホストシステム２０とともに示す、簡略化されたブロック図である。図４は、センサ２２及び２４がプロセス（又は管）２８内のプロセス変数を検知していることを示す。図４は、さらなるプロセス変数トランスミッタ７０が、別のセンサ７２とともにさらに配置されて、プロセス（又は管）２８からのプロセス変数を検知することを示す。トランスミッタ１０及び７０は、通信のために互いに結合されている。

当然ながら、センサずれ検出器３０を用いて多くのトランスミッタ又はセンサ入力についての偏差を算出することは、センサ２２、２４、及び７２の間の距離がわかっている限りは、検出器３０がプロセス可変速度及び加速度を算出することを可能にする。説明的には、距離は、ユーザが構成可能なエントリによって、又は他の方法でセンサずれ検出器３０に入力されることができる。

より具体的には、センサが、図４に図示されるように同じプロセス２８に異なるポイントで接続され、かつセンサ間の距離がわかっている場合、センサずれ検出器３０はその後、プロセス変数の増減を表す各センサチャネルの特性を検出することができる。このプロセス変数の増減が、２又は３（もしくはそれ以上）のチャネルにそってみられる場合、センサずれ検出器３０は、プロセス変数についての速度及び加速度の両方を算出することができる。たとえば、センサ２２、２４及び７２がすべて温度センサである場合、センサずれ検出器３０は、図２及び／又は３に関して上述されたように、その後それらのセンサから入力された信号を処理することによって、温度の増減を表す各センサチャネルの特性を特定することができ、したがってプロセス２８における温度変化の速度及び加速度を算出することができる。同様に、センサずれ検出器３０は、１つのセンサチャネルから次への入力における山及び谷を特定して、プロセス２８全体にわたる温度放散又は熱損失を、チャネル間の山又は谷の相違を観察することによって特定することができる。センサずれ検出器３０はまた、所与のセンサチャネルの状態を、通常の関係からのずれがあるとして特定し、それによってそのチャネル上の信号の精度が不確かであることを示すことができる。

図５は、図４に示されたシステムの、これらのタイプの計算を行うための動作を図示するフロー図である。プロセス変数トランスミッタ１０は最初に、同じプロセス２８に沿って間隔を置いて配置されたセンサ２２、２４、及び７２からのセンサ入力を（プロセス変数トランスミッタ７０を介して）受信する。これは、図５のブロック８０によって示される。そして、プロセス変数トランスミッタ１０のセンサずれ検出器３０は、図２に関して上述されたように、センサ入力を処理する。これは、図５のブロック８２によって示される。

そして、センサずれ検出器３０は、センサ入力に対応する異常な特性を探す。これは、たとえば予測された関係からのずれ、異常な速度及び加速度に対応する特性、プロセス全体にわたるプロセス変数の相違に対応する特性（たとえば温度放散又は熱損失）等であることができる。これは、図５のブロック８４によって示される。

そして、センサずれ検出器３０は、特定された結果をメモリ１６に記録し、任意の適用可能な警告３６を生成する。これは、図５のブロック８６によって示される。

上述の説明では、検知されることができるプロセス変数についての数多くの例が挙げられてきたが、当然ながら、多様な他のプロセス変数を検知して、実質的に同じ方法で処理することができる。そのような他のプロセス変数の例は、圧力、水位、流れ又は流量等を含む。

例示的な実施形態を参照して本開示を説明してきたが、当業者においては、本開示の本質及び範囲から逸脱することなく、形式及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。

Claims (20)

1. プロセス変数を検知し、検知されたプロセス変数を示すセンサ値を提供するセンサに結合されるプロセス変数トランスミッタであって、
   先に受信されたセンサ値に基づいて算出されたフィルタリングされたセンサ値と、先の変化率値に基づいて算出されたフィルタリングされた変化率値とを記憶するメモリと、
   プロセス変数を検知するセンサからセンサ値を受信し、センサ値を、フィルタリングされたセンサ値と比較して変化率値を得るプロセッサであって、さらに、変化率値を、フィルタリングされた変化率値と比較してずれ値を得て、ずれ値に基づいたセンサに関する出力表示を生成するプロセッサと、
   を含む、プロセス変数トランスミッタ。
2. 通信リンクを経由して、ホストシステムにセンサ故障又は劣化警告としての出力表示を提供する出力コンポーネントをさらに含む、請求項１記載のプロセス変数トランスミッタ。
3. 出力コンポーネントが、プロセス制御ループを経由して出力されるセンサ故障警告を提供する、請求項２記載のプロセス変数トランスミッタ。
4. プロセッサが、先に受信されたセンサ値の移動平均を生成することによって、フィルタリングされたセンサ値を算出する、請求項１記載のプロセス変数トランスミッタ
5. プロセッサが、センサ値及びフィルタリングされたセンサ値に基づいて更新されたフィルタリングされたセンサ値を生成し、更新されたフィルタリングされたセンサ値を、フィルタリングされたセンサ値としてメモリに記憶する、請求項４記載のプロセス変数トランスミッタ。
6. プロセッサが、先の変化率値の移動平均を生成することによって、フィルタリングされた変化率値を算出する、請求項５記載のプロセス変数トランスミッタ。
7. プロセッサが、変化率値及びフィルタリングされた変化率値に基づいて更新されたフィルタリングされた変化率値を生成し、更新されたフィルタリングされた変化率値を、フィルタリングされた変化率値としてメモリに記憶する、請求項６記載のプロセス変数トランスミッタ。
8. プロセッサが、複数の異なるセンサから複数のセンサ値を受信し、複数のセンサ値のそれぞれに対応する変化率値を得る、請求項１記載のプロセス変数トランスミッタ。
9. プロセッサが、複数のセンサ値のそれぞれの特性を互いに比較し、特性が、互いに対して予測された関係を呈するかを判断する、請求項８記載のプロセス変数トランスミッタ。
10. プロセッサが、式
    
    に従って、センサ値を、フィルタリングされたセンサ値と比較し、ここで、
    ｘは、変化率値の推定であり、
    ｙは、受信されたセンサ値であり、
    
    は、先に受信されたセンサ値のｉ番の平均であり、
    プロセッサが、式
    
    に従ってずれ値を得て、
    ここで、
    
    は、先の変化率値のｉ番の平均である、請求項１記載のプロセス変数トランスミッタ。
11. プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサを用いてセンサ信号の特性を特定する方法であって、
    プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサにおいて、プロセス変数を検知するセンサからプロセス変数を示すセンサ値を受信することと、
    プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサによって、受信したセンサ値を、プロセス変数トランスミッタ内のメモリに記憶されたセンサ値と比較することであって、記憶されたセンサ値が、複数の先に受信されたセンサ値を示し、変化率を決定することと、
    前記センサ内の変化率値とメモリ内に記憶された前のセンサ値の変化率を比較してずれ値を決定することと、
    プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサによって、前記ずれ値に基づいてセンサが正しく動作しているかを示すセンサ特性を特定することと、
    センサが正しく動作していない場合、プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサによって、出力表示を生成することと、
    を含む、方法。
12. プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサを用いてセンサ信号の特性を特定する方法であって、
    プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサにおいて、プロセス変数を検知するセンサからセンサ値を受信することと、
    プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサによって、センサ値を、プロセス変数トランスミッタ内のメモリに記憶されたセンサ値と比較することであって、記憶されたセンサ値が、複数の先に受信されたセンサ値を示すことと、
    プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサによって、センサが正しく動作しているかを示すセンサ特性を、比較に基づいて特定することと、
    センサが正しく動作していない場合、プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサによって、センサに関する出力表示を生成することと、
    を含み、
    前記比較が、変化率値を生成し、
    プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサによって、プロセス変数トランスミッタ内のメモリに記憶された変化率値と比較することであって、記憶された変化率値が、複数の先の変化率値を示すことをさらに含み、
    前記特定することが、プロセス変数トランスミッタ内のプロセッサによって、変化率値と記憶された変化率値との比較に基づいて、センサ特性を特定することを含む、方法。
13. 記憶された変化率値が、互いに異なる値の複数の変化率値を含み、変化率値を、記憶された変化率値と比較することが、
    変化率値を、複数の変化率値のそれぞれと比較すること
    を含む、請求項１２記載の方法。
14. 変化率値を記憶された変化率値と比較することが、ずれ値を提供し、センサ特性を特定することが、ずれ値を記憶された閾値と比較することを含む、請求項１２記載の方法。
15. 複数の異なるセンサのそれぞれに対応するセンサ値を受信することと、
    複数の異なるセンサに対応するセンサ値を比較することであって、特定することが、センサ特性を、センサ値が互いに対して関連する予測された関係を呈するかを示すとして特定することと、
    を含む、請求項１１又は１２記載の方法。
16. 出力表示を生成することが、複数の異なるセンサからのセンサ値が、予測された関係を呈しない場合にはセンサ警告出力を生成することを含む、請求項１５記載の方法。
17. センサ警告出力としての出力表示を、プロセス制御ループを経由してホストシステムに送信することをさらに含む、請求項１１又は１２記載の方法。
18. センサ警告出力としての出力表示を、無線通信リンクを経由してホストシステムに送信することをさらに含む、請求項１１又は１２記載の方法。
19. 複数の異なるセンサから入力されたセンサ値の変化率値のずれの間の予測された関係を示す既定のセンサ関係を記憶するメモリと、
    プロセス制御トランスミッタ内部に配置され、複数の異なるセンサから入力されたセンサ値を受信するプロセッサであって、プロセッサが、メモリ内の既定のセンサの関係にアクセスして、入力されたセンサ値が予測された関係を呈するかを判断し、そうでない場合は、プロセッサがセンサ警告出力を生成する、プロセッサと、
    を含む、プロセス変数トランスミッタ。
20. 複数の異なるセンサが、すべて同じプロセス上の１又はそれ以上のプロセス変数を検知するように配置され、プロセッサが、第２のプロセス変数トランスミッタから入力されたセンサ値の少なくとも１つを受信する、請求項１９記載のプロセス変数トランスミッタ。