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
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(130)は、第1のプロセス変数PV1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PV2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(150A、B)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。補償された出力を含むことができるか、又はそれを用いて第3のプロセス変数を算出することができる。第3のプロセス変数を用いて、工業用プロセスを監視又は制御することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【発明の概要】
【0004】
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。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】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2】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。
【図3A】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。
【図3B】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】非線形外挿を示すグラフである。
【図8】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。
【図9A】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。
【図9B】時間を用いた装置出力のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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)。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【発明の概要】
【0004】
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。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】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2】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。
【図3A】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。
【図3B】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】非線形外挿を示すグラフである。
【図8】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。
【図9A】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。
【図9B】時間を用いた装置出力のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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)。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項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の入力であって、第1及び第2のプロセス変数を用いて第3のプロセス変数を生成する第2の入力と、
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、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、
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することと、
第1のプロセス変数の補償値と、第2のプロセス変数との関数として、第3のプロセス変数に関連する出力を提供することと、
を含む方法。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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
【請求項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。
【請求項26】
補償が、第2のプロセス変数を含む、請求項1記載の方法。
【請求項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の入力であって、第1及び第2のプロセス変数を用いて第3のプロセス変数を生成する第2の入力と、
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、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、
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することと、
第1のプロセス変数の補償値と、第2のプロセス変数との関数として、第3のプロセス変数に関連する出力を提供することと、
を含む方法。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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
【請求項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。
【請求項26】
補償が、第2のプロセス変数を含む、請求項1記載の方法。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【公表番号】特表2013−506840(P2013−506840A)
【公表日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−532295(P2012−532295)
【出願日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【国際出願番号】PCT/US2010/050814
【国際公開番号】WO2011/041480
【国際公開日】平成23年4月7日(2011.4.7)
【出願人】(597115727)ローズマウント インコーポレイテッド (240)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【国際出願番号】PCT/US2010/050814
【国際公開番号】WO2011/041480
【国際公開日】平成23年4月7日(2011.4.7)
【出願人】(597115727)ローズマウント インコーポレイテッド (240)
【Fターム(参考)】
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