專利名稱：用于工業(yè)過程控制和測量系統(tǒng)的診斷的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在過程控制和測量行業(yè)中工作的現(xiàn)場設備。更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有改進了診斷能力的現(xiàn)場設備。
背景技術：
諸如過程變量發(fā)射機之類的現(xiàn)場設備被許多行業(yè)用來遠程地感知過程變量。然后，在修改控制參數的過程中，控制器可以將控制信息傳送到諸如閥門之類的另一個現(xiàn)場設備。例如，在煉油過程中，可以將與過程流體的壓力有關的信息傳送到控制間，并且使用該信息來控制閥門?，F(xiàn)場設備的其他實例包括手持式構造和/或校準設備。
在過程控制和測量中的一個相當新的發(fā)展在于全數字進程通信協(xié)議的實現(xiàn)。這樣的全數字通信協(xié)議的一個實例是基金會現(xiàn)場總線(FOUNDATION fieldbus)?，F(xiàn)場總線用來定義用于在進程通信環(huán)上傳輸信息的通信層或者協(xié)議?，F(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范是由美國工業(yè)協(xié)會在1992年公布的ISA-S50.02-1992?，F(xiàn)場總線是在可從Eden Prairie，MN的Rosemount公司得到的《the Fieldbus technical overviewunderstanding FOUNDATIONTMFieldbus Technology(1998)》中描述的過程工業(yè)通信協(xié)議。如在此所使用的，“現(xiàn)場總線”用來表示依據ISA-S50.02-1992規(guī)范及其等價物工作的任何通信協(xié)議、與ISA-S50.02-1992協(xié)議后向兼容的進程通信協(xié)議、以及依據國際電子技術委員會(IEC)現(xiàn)場總線標準61158工作的其他標準。例如，為了實現(xiàn)本專利文件的目的，將Profibus、ControlNet、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、以及Interbus-S作為現(xiàn)場總線。
現(xiàn)場總線的優(yōu)點包括相當高速的數字通信、以及便于符合在1988年10月由制造廠互助研究組織(Factory Mutual Research)公布的《APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATEDAPPARATUS FOR USE IN CLASS I，II AND III》部分1、危險(被分類為)位置、分類號3610中提出的本質安全的信令電平。需要符合本質安全的工業(yè)處理環(huán)境為電子設備和過程控制系統(tǒng)的自動化提供了另外的挑戰(zhàn)，這是由于這樣的環(huán)境可能包括易燃或者易爆的蒸氣。因此，在這樣的處理環(huán)境中工作的進程通信環(huán)通常能量要受到限制。多個備用電路用于確保通信環(huán)上的能級低于安全能級，從而使該能量即使在故障條件下，也不能夠點燃易燃蒸氣。在這樣的環(huán)境下的現(xiàn)場設備的能量通常也是受到限制的。通過易燃處理環(huán)境的安全區(qū)域到達諸如控制器之類的外部設備的進程通信環(huán)通常要通過諸如本質安全障蔽之類的能量限制障蔽，從而使發(fā)生在易燃環(huán)境之外的故障不在常常易爆的流體處理環(huán)境內產生火花。通常不允許具有產生可以在故障條件下放出火花的高能級信號的可能的進程通信環(huán)，通過或者與易燃處理環(huán)境中的設備連接。
在某些數字進程測量裝置下，所有的現(xiàn)場設備在實質上相同的數字進程通信環(huán)上進行通信。在這樣的情況下，更為重要的是在某些問題變?yōu)殛P鍵問題、并且影響所述的環(huán)的操作之前，對問題進行診斷。例如，如果單一的設備發(fā)生故障并且開始提取非常大的能量，在進程通信環(huán)上的信令電平崩潰，從而抑制了環(huán)上的所有通信，并且實際上使系統(tǒng)發(fā)生故障。
雖然已經證明現(xiàn)場總線在過程控制和測量領域是先進的，但是在相當不能夠容許故障的應用中的全數字通信的特性，不僅對于現(xiàn)場總線設備自身，而且對于整個過程控制系統(tǒng)，推動了對增強診斷的不斷需求。

發(fā)明內容
現(xiàn)場設備包括診斷電路，該診斷電路適合于測量與數字過程控制和測量系統(tǒng)相關的診斷特性。通過將測量的特性與由模型或者歷史數據發(fā)展而來的預測或者期望的特性進行比較，該測量的特性用于提供表示數字過程控制和測量系統(tǒng)的條件的診斷輸出?；跍y量的特性和預測的特性之間的差別，依據監(jiān)控的特性的類型，可以檢測在過程中的故障和/或惡化。


圖1是過程控制和測量系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖。
圖2是包括依據本發(fā)明的實施例的診斷電路的現(xiàn)場設備的系統(tǒng)方框圖。
圖3是用于本發(fā)明的實施例的分析模塊的示意圖。
圖4示出針對本發(fā)明的本質安全的實施例而獲得診斷信息的技術挑戰(zhàn)的現(xiàn)場設備的系統(tǒng)方框圖。
圖5是現(xiàn)場總線設備的電流對時間的曲線圖。
具體實施例方式
圖1示出使用本發(fā)明的實施例的典型系統(tǒng)。系統(tǒng)10包括控制器12、I/O和控制子系統(tǒng)14、本質安全(IS)障蔽(barrier)16、進程通信環(huán)18、以及現(xiàn)場設備20?？刂破?2通過鏈路22與I/O和控制子系統(tǒng)14連接，其中所述的鏈路22可以是諸如依據以太網信令協(xié)議或者其他任何合適的協(xié)議工作的局域網(LAN)的任何合適的鏈路。I/O和控制子系統(tǒng)14與本質安全障蔽16連接，其中所述的本質安全障蔽16又與進程通信環(huán)18連接，以便按照限制其中通過的能量的方式來實現(xiàn)環(huán)18與I/O和控制子系統(tǒng)14之間的數據通信。
進程通信環(huán)18是現(xiàn)場總線進程通信環(huán)，并且與現(xiàn)場設備20連接，所示的現(xiàn)場設備按照多分出式結構與進程通信環(huán)18連接。與諸如星型拓撲等的其他拓撲相比，所示多分出式布線結構極大地簡化了系統(tǒng)布線。
圖2是依據本發(fā)明實施例的現(xiàn)場設備20的系統(tǒng)方框圖。設備20包括電源模塊30、現(xiàn)場總線環(huán)通信裝置32、控制器34、以及診斷電路36。電源模塊30和現(xiàn)場總線環(huán)通信裝置32通過端子38(示出了兩個端子)與進程通信環(huán)18(未示出)連接。電源模塊30從進程通信環(huán)18中接收電能，并且向標記為“到所有組件”的箭頭40表示的現(xiàn)場設備20的所有組件提供電能。
現(xiàn)場總線環(huán)通信裝置32適合于通過端子38，在進程通信環(huán)18上進行數字通信。例如，如果進程通信環(huán)18依據FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線協(xié)議工作，則現(xiàn)場總線環(huán)通信裝置32同樣適合于FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線通信。環(huán)通信裝置32接收環(huán)18上的進程通信信號，并且將基于這樣的信號的進程通信數據提供給控制器34。與此相反，控制器34可以向環(huán)通信裝置32提供數據，然后將該數據轉換為適當的進程通信信號，以便在進程通信環(huán)18上傳輸。
診斷電路36與控制器34連接，并且如虛線42所示，與進程通信環(huán)18連接。此外，診斷電路36還通過虛線44，可操作地與環(huán)通信裝置32連接。如稍后將在說明書中更詳細地描述的，連線42、44可以是直接連接，也可以是間接連接。如在此所使用的，“直接連接”用來表示與所關心的電路進行電連接的任何診斷電路，以便測量其中的參數。與此相反，“間接連接”用來表示測量所關心的電路的參數，而不必與所關心的電路進行電連接的任何診斷電路。連線42和44用于使診斷電路36對環(huán)18的特性(通過連線42)和環(huán)數據(通過連線44)進行取樣。
診斷電路36通過連線42測量與數字進程通信環(huán)18有關的許多參數。通過測量數字環(huán)18上的各種電壓和電流，可以確定所述的各種參數，或者推導出其他的參數。優(yōu)選的是，通過診斷電路36內的模擬數字轉換器來測量這些電壓，然后將數字信號傳送到控制器34。與環(huán)相關的測量的實例包括但不限于在環(huán)上的瞬時DC電壓電平；環(huán)DC電壓的長期變化；由現(xiàn)場設備從環(huán)中提取的瞬時電流；由現(xiàn)場設備從環(huán)中提取的電流的長期變化；關于哪個設備設備具有哪個信號強度的，位于環(huán)上并且由標記(Tag)設備地址標識的消息的峰到峰通信信號強度等(這些測量還包括來自現(xiàn)場設備20自身的那些消息傳輸)；在環(huán)上的最低信號源及其設備ID(標識符)和地址；
在環(huán)上的靜態(tài)噪聲(quiescent noise)電平；以及環(huán)的特性阻抗。
以上列出的各個環(huán)參數中的每一個提供了系統(tǒng)生存能力的表示。例如，測量環(huán)DC電壓的長期變化使現(xiàn)場設備20檢測在其他情況下未檢測到的時間上相當慢的電壓降，并且該電壓降表示在進程通信環(huán)中的惡化。通過測量峰到峰通信信號強度，提供了對合適的裝置、適當數量的總線端連接器、合適的電纜類型、以及正確的網絡診斷的表示。雖然分別提出了以上列出的與網絡相關的測量，但是可以明確地考慮通過組合各種測量、以及/或者對各個測量或者組合的測量進行趨勢分析，能夠確定另外的診斷信息。診斷電路36可以依據以上提到的參數中的全部或者一部分的趨勢，預測設備的故障。實質上，可以將診斷信息通過系統(tǒng)“推進”到計算機化維護管理系統(tǒng)(CMMS)，以便維持工作順序。此外，可以選擇診斷信息，以便警告控制系統(tǒng)的操作人員改變控制策略。
如圖2所示，診斷電路36可以與現(xiàn)場總線環(huán)通信裝置32連接，從而使診斷電路36對通過現(xiàn)場總線環(huán)通信裝置32進行通信的數據進行訪問。此時，診斷電路36能夠確定許多與協(xié)議相關的屬性。這樣的屬性包括但不限于在環(huán)上設備的數量；對循環(huán)冗余校驗(CRC)的頻率監(jiān)控，從而通知操作人員CRC錯誤的頻率、以及這樣的頻率是否表示緊急臨界狀態(tài)；諸如權標輪轉時間的環(huán)性能數據；以及本鏈路活動調度器(LAS)的標識。
最后，診斷電路36還可以提供對現(xiàn)場設備20的設備電子裝置的靜態(tài)電流和電壓軌(rail)的監(jiān)控，以便指示現(xiàn)場設備20內的電子裝置的連續(xù)“正常狀態(tài)”(health)、或者其他方面。
上述的各個或者組合的測量中的任一個自己提供用于數字過程控制和測量系統(tǒng)的有價值的診斷數據。這樣的診斷數據可以使用進程通信環(huán)、或者進程通信環(huán)上的設備，對問題進行較早地檢測，以便可以較早地采用補救措施，從而避免了故障。然而，對測量診斷信息的另外分析提供了與過程控制和測量系統(tǒng)有關的另外的信息。這樣的另外診斷計算和分析通常由可以包括微型處理器的控制器34來進行。在一個實施例中，在控制器34的存儲器(未示出)中的軟件用來實現(xiàn)諸如圖3所示的神經網絡100的控制器34中的神經網絡。神經網絡是公知的，并且可以使用諸如后向傳播網絡(BPN)的已知訓練算法來訓練網絡100，以便開發(fā)神經網絡模塊。該網絡包括輸入節(jié)點102、隱藏節(jié)點104和輸出節(jié)點106。將各種數據測量D1到Dn作為輸入提供給充當輸入緩沖器的輸入節(jié)點102。輸入節(jié)點102依據訓練算法，使用各種方式來修改接收到的數據，并且將輸出提供給隱藏節(jié)點104。隱藏層104用來表征和分析診斷信息的非線性特性。最后的層即輸出層106提供輸出108，該輸出108是與過程控制和測量有關的診斷信息的表示。
神經網絡100可以通過本領域中已知的建?；蛘呓涷灱夹g來進行訓練，在這些技術中，實際進程通信信號和信息傳感器用于向神經網絡100提供訓練輸入。
用于分析由診斷電路36提供的診斷數據的另一技術是通過使用基于規(guī)則的系統(tǒng)，其中，控制器34存儲規(guī)則、所期望的結果、以及靈敏度參數。
另一分析技術是模糊邏輯。例如，在將它們輸入到神經網絡100之前，可以對數據測量D1到Dn采用模糊邏輯算法。另外，神經網絡100可以實現(xiàn)模糊節(jié)點算法，其中，網絡中的各個神經元實現(xiàn)模糊算法。各種分析技術可以單獨地、也可以組合在一起使用。此外，可以在本發(fā)明的范圍內考慮其他分析技術。
如上所述，本質安全的應用對獲得以上所討論的診斷信息提供了另外的障礙。圖4示出針對本質安全現(xiàn)場設備獲得診斷信息的挑戰(zhàn)的現(xiàn)場設備200的方框圖。如同現(xiàn)場設備20，現(xiàn)場設備200包括電學地設置在數字進程通信環(huán)18和設備電路202之間的隔離電路(在圖2中未示出)。隔離電路204的功能與針對圖1所描述的本質安全障蔽16相似，從而該隔離電路能夠限制可以傳送到進程通信環(huán)18上的能量大小。如上所述，通過測量通信環(huán)18上的電壓，可以獲得許多診斷參數。因此，我們會嘗試將診斷電路36直接與環(huán)18進行連接。然而，在本質安全的應用中，這樣的直接連接使隔離電路204旁路，因而，創(chuàng)建了可以將無限制的能量從電路202傳送到環(huán)18上的復制路徑(duplicatepath)，并且可能會產生火花。因此，如果診斷電路206直接與環(huán)18連接，則該診斷電路必須包括它自己的隔離電路。這樣的另外的隔離電路增加了單位成本，消耗了另外的能量，并且占用了現(xiàn)場設備內的額外的較大的空間。然而，可以理解為了在本質安全的環(huán)境中直接地測量網絡或者環(huán)特性，則需要這樣的另外的隔離電路。
獲得與進程通信環(huán)18相關的診斷信息的另一方式是通過間接的方法。如上所述，測量所關心參數的間接方法實現(xiàn)時不需要與所關心的電路進行電連接。在現(xiàn)場總線中，每一個設備提取大致恒定不變的電流Isegment，并且工作在大約9伏直流電壓和大約32伏直流電壓之間的電壓上。通過使設備對提取的電流進行調制，使現(xiàn)場總線通信信令發(fā)揮作用，從而進行通信。圖5示出典型的現(xiàn)場總線裝置的電流對時間Irst的曲線。在大多數時間，電流I等于Isegment。然而，在時間t0和t1之間，電流快速地變化，同時發(fā)生現(xiàn)場總線通信。通信電流被標記為Icommunication。如可以看到的，Icommunication大致以Isegment為中心，因而具有大致為零的直流電流。本領域的技術人員將會理解由現(xiàn)場總線提取的電能通常等于環(huán)電壓(通常在9伏直流電壓和32伏直流電壓之間，但是對于給定的裝置大致恒定不變)的Isegment倍。現(xiàn)場總線信令電路散發(fā)熱量，從而工作在與現(xiàn)場總線信令電路的現(xiàn)場總線的功率和熱電阻相關的高溫下。一旦完成現(xiàn)場總線信令電路的設計，熱電阻大致恒定不變。因此，現(xiàn)場總線信令電路的工作溫度與現(xiàn)場總線設備的功率成比例。由于Isegment大致恒定不變，可以認為現(xiàn)場總線信令電路的溫度工作在與環(huán)電壓粗略地成比例的高溫下。因此，這樣的現(xiàn)場總線信令電路的感測溫度提供了環(huán)電壓的表示。優(yōu)選的是，以將溫度傳感器設置在電路板上相當接近現(xiàn)場總線信令電路的位置的形式，實現(xiàn)這樣的溫度感測，從而由溫度傳感器來感測從信令電路散發(fā)的熱量。溫度傳感器可以是熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度設備(RTD)、或者其他任何合適的溫度感知元件。然后使用測量的溫度來計算環(huán)電壓，從而提供對診斷參數的間接測量。
雖然已經參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，本領域的技術人員將會理解在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行形式和細節(jié)上的改變。
權利要求
1.一種可與現(xiàn)場總線進程通信環(huán)連接的現(xiàn)場設備，所述的設備包括可與所述的環(huán)連接的電源模塊，用于以從所述的環(huán)接收到的電能向所述的設備供電；可與所述的環(huán)連接的，并且適合于在所述的環(huán)上進行雙向通信的現(xiàn)場總線環(huán)通信裝置；與現(xiàn)場總線環(huán)通信裝置連接的控制器；與控制器連接并且可與所述的環(huán)進行可操作地連接的診斷電路，所述的診斷電路適合于測量與環(huán)相關的參數；以及其中，控制器依據與環(huán)相關的參數來提供診斷信息。
2.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于從由FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線(H1)、ProfibusTM、ControlNet、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、Interbus-S、以及FOUNDATIONTM現(xiàn)場總線高速以太網(H2)構成的組中選擇現(xiàn)場總線進程通信環(huán)。
3.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于診斷電路還包括本質安全障蔽，并且診斷電路可直接與現(xiàn)場總線進程通信環(huán)連接。
4.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于診斷電路可間接地與現(xiàn)場總線進程通信環(huán)連接。
5.根據權利要求4所述的現(xiàn)場設備，其特征在于診斷電路包括溫度傳感器，該溫度傳感器適合于提供與現(xiàn)場總線設備中的現(xiàn)場總線通信電路的溫度有關的信號。
6.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于與環(huán)有關的參數是瞬時DC(直流)電壓。
7.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于與環(huán)有關的參數是DC電壓的長期變化。
8.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于與環(huán)有關的參數是由現(xiàn)場總線設備提取的瞬時電流。
9.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于與環(huán)有關的參數是由現(xiàn)場總線設備提取的電流的長期變化。
10.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于與環(huán)有關的參數是在進程通信環(huán)上的峰到峰通信信號強度。
11.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于與環(huán)有關的參數是在環(huán)上的最低信號源、以及該最低信號源的設備標識符和地址。
12.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于與環(huán)有關的參數是在環(huán)上的靜態(tài)噪聲電平。
13.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于與環(huán)有關的參數是環(huán)的特性阻抗。
14.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于控制器對與環(huán)有關的參數執(zhí)行神經網絡分析，以便提供診斷信號。
15.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于控制器對與環(huán)有關的參數執(zhí)行模糊邏輯，以便提供診斷信號。
16.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于診斷電路測量多個與環(huán)有關的參數，并且控制器依據與環(huán)有關的參數的組合來提供診斷信號。
17.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于診斷電路適合于測量多個與環(huán)有關的參數，并且依據多個與環(huán)有關的參數，提供故障預測。
18.根據權利要求1所述的現(xiàn)場設備，其特征在于將診斷信息從環(huán)通信裝置指示到計算機化維護管理系統(tǒng)(CMMS)，以便維持工作順序。
19.根據權利要求18所述的現(xiàn)場設備，其特征在于選擇診斷信息，以便警告操作人員改變控制策略。
20.一種在現(xiàn)場總線進程通信環(huán)上提供診斷的方法，所述的方法包括將診斷電路與現(xiàn)場進程通信環(huán)進行可操作地連接；測量所述的環(huán)的參數；以及對所述參數進行分析，以便提供診斷輸出。
21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于分析所述的參數包括對測量的參數進行神經網絡分析。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于分析所述的參數還包括對測量的參數執(zhí)行模糊邏輯。
23.根據權利要求20所述的方法，其特征在于分析所述的參數包括對測量的參數執(zhí)行模糊邏輯，以便提供診斷輸出。
24.根據權利要求20所述的方法，其特征在于使診斷電路與環(huán)可操作地連接包括使診斷電路通過環(huán)通信裝置與所述的環(huán)可操作地連接，以便使診斷電路對由環(huán)通信裝置進行通信的數據進行訪問。
25.根據權利要求20所述的方法，其特征在于分析參數以提供診斷輸出還包括對測量的參數應用最小平方法分析。
26.根據權利要求20所述的方法，其特征在于分析參數以提供診斷輸出還包括對測量的參數應用神經網絡分析。
27.根據權利要求20所述的方法，其特征在于分析參數以提供診斷輸出還包括對測量的參數應用模糊邏輯算法。
全文摘要
現(xiàn)場設備(20，200)包括診斷電路(36)，所述的診斷電路(36)適合于測量與過程控制和測量系統(tǒng)(10)相關的特性。該測量的特性用來提供表示過程控制和測量系統(tǒng)(10)的條件的診斷輸出?？梢詫y量的特性提供給診斷模塊，該診斷的模塊依據測量的特性進行操作，以便預測或者建模過程控制和測量系統(tǒng)(10)的條件。
文檔編號G05B23/02GK1535403SQ02809847
公開日2004年10月6日 申請日期2002年5月8日 優(yōu)先權日2001年5月14日
發(fā)明者埃爾文·埃里尤雷克, 戴爾·W·鮑格森, 馬爾克思·佩魯索, 格雷戈里·H·羅姆, 韋斯頓·T·羅珀, T 羅珀, W 鮑格森, 埃爾文 埃里尤雷克, 思 佩魯索, 里 H 羅姆 申請人:羅斯蒙德公司