在無線和其他過程控制系統中的非周期控制通信的製作方法
2023-06-10 04:40:11
專利名稱：在無線和其他過程控制系統中的非周期控制通信的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及過程控制系統，更具體地說，涉及過程控制系統中的無線和/或非周期控制通信的傳輸和處理。
背景技術：
過程控制系統，例如用於化學、石油或其它過程的分布式或可升級式過程控制系統，通常包括一個或多個過程控制器，這些過程控制器通過模擬、數字或模擬/數字混合總線，互相通信連接以及通信連接到至少一個主機或操作員工作站以及一個或多個現場設備。現場設備可以是例如閥、閥定位器、開關和變送器(例如，溫度、壓力和流速傳感器)，它們執行過程內的各功能，例如開啟或關閉閥以及測量過程參數。過程控制器接收表示由現場設備產生的過程測量值的信號和/或屬於現場設備的其它信息，並使用該信息來實施控制例程以產生控制信號，這些控制信號通過總線發送到現場設備以控制該過程的操作。來自現場設備和控制器的信息通常可用於由操作員工作站所執行的一個或多個應用程式，以使得操作員能夠執行與過程有關的任何所需功能，例如查看過程的當前狀態、修正過程的操作等。
一些過程控制系統，例如總部設在德克薩斯州的奧斯汀市的費舍-柔斯芒特系統(Fisher Rosemount System)有限公司銷售的DeltaV系統，使用位於控制器中或其它現場設備中、稱為模塊的功能塊或功能塊組來執行控制操作。在這些情況下，該控制器或其它設備能夠包括和執行一個或多個功能塊或模塊，這些功能塊或模塊的每一個接收來自(無論是在相同設備內或在不同設備內的)其它功能塊的輸入和/或為這些其它功能塊提供輸出，並執行一些過程操作，例如測量或檢測過程參數、對設備進行控制、或者執行諸如實現比例-微分-積分(PID)控制例程的控制操作例。過程控制系統內的不同功能塊和模塊通常配置為(例如通過總線)互相通信以形成一個或多個過程控制迴路。
過程控制器通常被編程為對許多不同迴路中的每一個執行不同算法、子例程或控制迴路(這些都是控制例程)，這些不同迴路由過程所定義或包含在過程中，例如流量控制迴路、溫度控制迴路、壓力控制迴路等。一般說來，每個這樣的控制迴路包括一個或多個輸入塊，例如模擬輸入(AI)功能塊；單輸出控制塊，例如比例-積分-微分(PID)或模糊邏輯控制功能塊；以及輸出塊，例如模擬輸出(AO)功能塊。控制例程以及實施這些例程的功能塊可根據許多控制技術進行配置，這些控制技術包括PID控制、模糊邏輯控制，以及諸如史密斯預測器(Smith Predictor)或者模型預測控制(MPC)的基於模型技術模型預測控制。
為了支持例程的執行，典型的工廠或加工廠具有集中控制室，該集中控制室以可通信方式連接到一個或多個過程控制器和過程I/O子系統，而這些過程控制器和過程I/O子系統可與一個或多個現場設備連接。常規上，模擬現場設備通過兩線或四線電流迴路連接到控制器，既用於信號傳輸又用於供電。發送信號到控制室的模擬現場設備(例如傳感器或變送器)調製流經電流迴路的電流，使得該電流與測量到的過程變量成比例。另一方面，在控制室的控制下執行操作的模擬現場設備由通過該迴路的電流的強度來控制。
近來，現場設備在用來傳送模擬信號的電流環路上可以疊加數字數據。例如，高速可尋址遠程傳感器(HART)協議使用迴路電流強度來發送和接收模擬信號，並在電流迴路信號上疊加數字載波信號以實現與智能現場裝置的雙向現場通信。另一個通常被稱作現場總線的協議定義兩個子協議，其中之一在對連接到網絡的現場設備供電的同時支持以高達每秒31.25千比特的速率進行數據傳送，另一個在不為現場設備提供電源的情況下支持以高達每秒2.5兆比特的速率進行數據傳送。通過這些類型的通信協議，通常為全數字的智能現場設備可以支持許多維護模式和增強功能，而這些維護模式和增強功能是以前的控制系統所不能提供的。
隨著數據傳送總量的增長，過程控制系統設計的一個特別重要的方面包括一種方式，即現場設備可互相通信連接、並且可通信連接到控制器以及過程控制系統或加工廠內的其它系統或設備的方式。通常，使得現場設備在過程控制系統中能夠實現功能的各種通信信道、連結和鏈路通常全部稱作輸入/輸出(I/O)通信網絡。
用來實現I/O通信網絡的通信網絡拓撲和物理連接或鏈路可能對現場設備通信的魯棒性或完整性具有實質影響，尤其是在網絡遭受不利的環境因素或苛刻的條件時。這些因素和條件可能在一個或多個現場設備、控制器等之間的通信的完整性方面作出折衷。控制器和現場設備之間的通信對這種中斷尤其敏感，這是因為控制例程通常需要周期性地更新用於每次例程迭代的過程變量。因此折衷的控制通信可能導致過程控制系統效率和/或收益下降，和對設備過多的磨損和損害，以及許多潛在有害故障。
為了確保穩定的通信，在歷史上過程控制系統中所用的I/O通信網絡已經是硬布線式的了。但是不幸地，硬布線網絡帶來許多複雜性、挑戰和限制。例如，硬布線網絡質量可能隨著時間的推移而下降。此外，硬布線I/O通信網絡的安裝通常是昂貴的，尤其是在該I/O通信網絡與分布在較大區域內的大型工業工廠或設施有關的情況下，例如，佔用數英畝土地的煉油廠或化學工廠。這些必需的長布線的運行通常包括大量人力、材料和費用，並可能因為布線阻抗和電磁幹擾而帶來信號衰減的發生。因為這些和其它的原因，硬布線I/O通信網絡通常很難再配置、修正或更新。
已經建議，可以使用無線I/O通信網絡來降低一些與硬布線I/O網絡有關的困難。例如，名為「在分布式控制系統中為現場設備提供冗餘無線訪問的裝置」的第2003/0043052號美國專利申請公開了一種利用控制器和現場設備之間的無線通信來增強或補充對硬布線通信使用的系統，其全文在此被引入作為參考。
通常說來，由於對其它事情的可靠性考慮，對控制相關傳輸的無線通信的可靠性受到限制。如上所述，現代過程控制依靠控制器和現場設備間的可靠數據通信以實現最優控制級。此外，典型的控制器以很快的速率執行控制算法，從而快速更正過程中不必要的偏差。不幸的是，令人討厭的環境因素或其它不利條件可能創建間歇性幹擾，這妨礙或阻止對支持這種控制算法的執行來說是必要的快速通信。
對於過程控制中的無線通信來說，電力消耗是另一個複雜因素。從I/O網絡上斷開連接，現場設備可能需要提供它們自己的電源。因此，現場設備可由電池供電、太陽能供電，或者竊取周圍能量，例如振動、熱量、壓力等。對於這些設備，用於數據傳輸的能量消耗構成總能量消耗的相當大的一部分。實際上，對努力建立或保持無線連接的過程中消耗的電能比由現場設備執行其它重要操作，例如感知或檢測正被測量的過程變量所採取的步驟的過程中消耗的電能更多。
發明內容
根據公開內容的一個方面，一種用於過程的控制器，其中過程信號代表該過程的過程變量。該控制器包括處理器；和控制模塊，其適於由該處理器周期性執行並配置為對該過程變量作出響應以產生用於該過程的控制信號。該控制模塊的周期性執行的迭代包含和包括實施一例程，該例程配置為產生該控制信號的過程響應表示。該例程進一步配置為在該控制模塊的周期性執行的多個迭代期間保持該表示，直至可得到該過程變量的更新為至。
在某些情況下，所述過程變量的更新通過無線傳輸所述過程信號而變為可得到。
所述控制模塊可包括利用所述過程響應表示來確定所述控制信號的閉環控制方案。可替代或在此之外，所述例程包括正反饋網絡以便基於所述控制信號的過往值來確定所述過程響應表示。可替代或在此之外，所述例程實施濾波器算法來確定所述過程響應表示。
在某些情況下，所述例程進一步配置為根據所述過程變量的非周期性更新來實施。可替代或在此之外，所述過程響應表示可包括過程變量響應表示，並且其中所述例程進一步配置為一旦可得到所述過程變量的更新就更新所述過程變量響應表示。於是所述例程可基於所述過程變量的前次更新、所述控制信號和從所述過程變量的前次更新以來所耗時間來確定所述過程的預期響應。所述例程還可基於所述過程對前次更新的預期響應和從前次更新以來所耗時間來確定更新的復位項。所述預期過程響應包括一模型，該模型包括過程或測量延遲。
根據公開內容的另一方面，一種過程控制系統，包括現場設備，其發送代表該過程的過程變量的過程信號；和控制器，其與該現場設備進行通信以便通過該過程信號接收該過程變量的更新並產生用於該過程的控制信號。該控制器具有處理器和適於由該處理器周期性執行的控制模塊。該現場設備根據該過程變量的改變是否已經超出預定閾值來非周期性地無線發送該過程信號。
在某些實施例中，如果自從前次傳輸以來已經超出了刷新時間，那麼所述現場設備發送所述過程信號。
所述例程可進一步配置為在所述控制模塊的周期性執行的多個迭代期間保持由通過所述控制模塊的周期性執行來實施的例程所產生的過程響應表示，直至所述現場設備發送所述過程信號為至。所述控制模塊可包括利用所述過程響應表示來確定所述控制信號的閉環控制方案。可替代或在此之外，所述例程可包括正反饋網絡以便基於所述控制信號的過往值來確定所述過程響應表示。可替代或在此之外，所述例程實施濾波器算法以確定所述過程響應表示。可替代或在此之外，所述例程進一步配置為根據所述過程變量的非周期性更新來實施。所述過程響應表示可包括過程變量響應表示，並且其中所述例程進一步配置為一旦可得到所述過程變量的更新就更新所述過程變量響應表示。所述例程可基於所述過程變量的前次更新、所述控制信號和從所述過程變量的前次更新以來所耗時間來確定所述過程的預期響應。
根據本公開內容的再另一方面是控制過程的方法，該方法包括步驟實施過程控制例程以便基於該過程變量產生用於該過程的控制信號；和檢測是否可得到該過程變量的更新。實施所述過程控制例程包括或包含產生該控制信號的過程響應表示的步驟，和在該實施步驟的多個迭代期間保持該過程響應表示直至檢測到該過程變量的更新為至的步驟。
在某些情況下，該方法進一步包括接收代表所述過程變量的更新的過程信號的無線傳輸。
所述控制例程的實施進一步包括或包含執行利用所述過程響應表示來確定所述控制信號的閉環控制方案。
在某些情況下，所述過程響應表示包括過程變量響應表示，並且其中所述實施步驟進一步包括一旦可得到所述過程變量的更新就更新所述過程變量響應表示。於是所述控制例程可包括根據所述過程變量的前次更新、所述控制信號和從所述過程變量的前次更新以來所耗時間來確定所述過程的預期響應。所述控制例程實施可進一步包括基於所述過程對前次更新的預期響應和自從前次更新以來所耗時間來確定更新的復位項。
根據本公開內容的再另一方面，一種方法可用於控制具有過程變量的過程的。該方法包括或包含無線接收過程信號以獲取該過程變量的更新和周期性實施過程控制例程以便基於該過程信號產生用於該過程的控制信號。該接收步驟非周期性地出現，使得該過程控制例程配置為使用因該過程變量的改變超過預定閾值或因從該過程變量的前次更新以來所耗時間而接收的該過程變量的非周期性更新。
在某些情況下，所述實施步驟包括或包含執行一配置為產生對該控制信號的過程響應表示的例程的步驟，和在所述實施步驟的多個迭代期間保持該過程響應表示直至可得到所述過程變量的更新為至。所述過程控制例程可包括利用所述過程響應表示來確定所述控制信號的閉環控制方案。所述過程響應表示可包括過程變量響應表示，並且其中所述實施步驟進一步包括或包含一旦可得到所述過程變量的更新就更新所述過程變量響應表示的步驟。所述實施步驟進一步包括或包含基於所述過程變量的前次更新、所述控制信號和從所述過程變量的前次更新以來所耗時間來確定所述過程的預期響應。所述實施步驟可進一步包括或包含基於所述過程對前次更新的預期響應和從前次更新以來所耗時間來確定更新的復位項。
參照下面詳細說明和附圖，以更完全地理解公開內容，其中相同的附圖標記在圖中表示相同的元件，其中圖1是根據公開內容一個方面的過程控制系統的示意圖，該系統具有配置為實施一個或多個控制例程的控制器，該例程採用通過控制器和許多現場設備之間的硬布線連接傳送的非周期性或低頻率控制通信；圖2是通過描述了對過程輸入的過程響應、以及對測量傳輸和控制迭代執行的示例性實例的圖，由圖1中的控制器實施控制例程的圖形表示；圖3是根據公開內容一個方面的過程控制系統的示意圖，該系統具有配置為實施一個或多個控制例程的控制器，該例程採用通過控制器和許多現場設備之間的無線連接傳送的非周期性或低頻率控制通信；圖4是根據一個實施例的圖1或圖3中的控制器的示意圖，其中控制器產生過程輸入信號來控制過程，無論是無線的、非周期性的還是與控制執行速率相比頻率更低的過程測量的其它傳輸；圖5是根據可替換實施例的控制器的示意圖，該控制器配置為控制具有過程和/或測量延遲的過程。
由於所公開的系統和方法容易受到各種形式的實施例的影響，所以在圖中示出了(並將在後面描述的)本發明的特定實施例，可以理解為該公開意在示例性的，而不是意在將本發明局限於在此描述和圖示的特定實施例。
具體實施例方式
此處描述了過程控制系統和方法，它們實施通信和控制技術來支持在控制器和現場設備之間，例如變送器和其它設備之間的過程控制數據的傳輸。在公開內容的另一個方面，所公開的技術使得過程測量和現場設備收集的其它信息能夠在一個或多個過程控制例程的實施中由控制器來使用。
在過去，這些測量是基於定時地、或周期性地獲取並發送給控制器的，以確保更新數據對於過程控制例程的每個迭代的周期性執行都為可用的。相反，所公開的技術允許對這種數據進行非周期性和/或以大於控制執行周期的間隔傳輸。結果，所公開的技術很適於支持間歇性地或不可靠地提供的過程控制測量。非規律性或非經常性傳輸具有優勢是有很多原因的，並可由許多因素、條件或過程控制系統或其環境的各個方面來產生。
根據一些實施例，所公開的技術與通信方案結合利用，例如無線通信，包括在異常報告(report-by-exception)基礎上進行的過程控制數據傳輸。在無線通信環境中的過程控制數據的異常報告可帶來許多好處。例如，可降低在現場中變送器或其它現場設備消耗電力的速率，以此保存電池電量或其它有限的電源供給。
然而，不同於過去的異常報告，所公開的技術支持在周期性基礎上執行的過程控制例程中所利用的數據的傳輸。並且儘管過去的警告阻止過程控制例程的執行利用在事件觸發基礎上提供的數據，但所公開技術的實踐可提供對過程控制例程的周期性執行而不在性能上做出有害犧牲。
儘管很適於無線通信方案，並在此多次結合無線通信方案進行描述，但是所公開技術的實踐並不局限於任何特定通信方案、環境、或協議、或任何過程控制網絡、架構、控制器或系統。相反，所公開的技術可應用在任何數目的環境中，其中過程控制數據以相對於控制例程執行周期更不經常地被傳送，並用於任何所需的原因。因此，下面的描述是在對所公開的技術的實踐並不局限於以下描述的低功率或其它無線通信方案的理解下提出的。
現在參考圖1，過程控制系統10包括連接到歷史資料庫(historian)12和一個或多個主機工作站或計算機13(可以是任何類型的個人計算機、工作站等)的過程控制器11，每個主機工作站或計算機13都具有顯示屏14。控制器11還通過輸入/輸出(I/O)卡26和28連接到現場設備15-22。歷史資料庫12可以是具有任何所需類型的存儲器和任何所需或現有軟體、硬體或固件的用於存儲數據的任何所需類型的數據收集單元。該歷史資料庫12可與工作站13分離(如圖1所示)或為工作站13的一部分。控制器11，例如示例性地可以是費舍-柔斯芒特系統有限公司銷售的DeltaV控制器，通過例如乙太網連接或任何其它所需的通信網絡，通信連接到主計算機13和歷史資料庫12。如在此將進一步描述地，控制器11還可使用硬布線通信方案通信連接到現場設備15-22。無論在哪種情況下，任何所需的硬體、軟體和固件都可被利用來實施這些方案，其與例如標準4-20毫安設備(當使用硬布線時)和/或諸如FOUNDATION現場總線協議、HART協議之類的任何智能通信協議有關。然而在圖1顯示的示例性實施例中，控制器11和現場設備15-22之間的通信包括硬布線連接。
更一般地，現場設備15-22可以是任何類型的設備，例如傳感器、閥、變送器、定位器等，I/O卡26和28可以是遵從任何所需的通信或控制器協議的任何類型的I/O設備。在圖1所示的實施例中，現場設備15-18是標準4-20毫安設備，它們通過模擬線路與I/O卡26進行通信，而現場設備19-22是智能設備，例如現場總線現場設備，它們使用現場總線協議通信通過數字總線與I/O卡28進行通信。當然，現場設備15-22可遵從任何其它所需的標準或協議，包括未來開發的任何標準或協議。
控制器11包括處理器23，其實施或察看存儲在存儲器24中的一個或多個過程控制例程(或任何模塊、塊、或其子例程)。存儲在存儲器24中的過程控制例程可包括其中存儲的控制迴路，或與其中存儲的控制迴路有關。通常說來，控制器11通過任何所需的方式與設備15-22、主計算機13和歷史資料庫12進行通信以控制過程。應該注意到在此描述的任何控制例程或模塊可具有多個部分，這些部分如果希望的話，可以由不同控制器或其它現場設備來實現或執行。同樣，在此描述的將在過程控制系統10中實施的控制例程或模塊也可採取任何形式，包括軟體、固件以及硬體等。為了公開內容的目的，控制模塊可以是過程控制系統的任何部分或部件，包括例如存儲在任何計算機可讀媒質上的例程、模塊或任何其中的元件。可以是模塊或諸如子例程、子例程的部分(例如代碼線)的控制程序的任何部分的控制例程，可以通過以任何所需的格式來實施，例如使用面向對象的編程，使用階梯邏輯、時序功能圖表、功能塊圖表、或使用任何其它軟體程式語言或設計範例。同樣，控制例程可以是硬編碼燒入的，例如一個或多個電可編程只讀存儲器(EPROM)、電可擦除只讀存儲器(EEPROM)、專用集成電路(ASIC)、或任何其它硬體或固件元件。而且，控制例程也可以使用任何設計工具來設計，這些設計工具包括圖形設計工具或任何其它類型的軟體/硬體/固件編程或設計工具。因此，控制器11可配置為通過任何需要方式來實施控制策略或控制例程。
在一些實施例中，控制器11使用通常所稱的功能塊來實施控制策略或方案，其中每個功能塊都是(通過稱為連結的通信)結合其它功能塊操作以實施過程控制系統10中的過程控制迴路的總控制例程的對象或其它部分(例如子例程)。功能塊通常執行以下功能中的一個輸入功能，例如與變送器、傳感器或其它過程參數測量設備有關；控制功能，例如與執行PID、模糊邏輯等控制的控制例程有關；或輸出功能，其控制諸如閥之類的設備的操作以執行過程控制系統10中的某些物理功能。當然，混合和其它類型的功能塊也存在並可在此被利用。這些功能塊可存儲在控制器11中並由控制器11執行，這通常是在功能塊用於或有關標準4-20毫安設備和諸如HART設備的一些類型智能現場設備的情況下。可替代地或在此之外，功能塊可存儲在現場設備本身或者過程控制系統的其它控制元件內並由這些現場設備或元件實施，這可以是在利用現場總線設備的系統的情況下。雖然對控制系統10的描述在此使用功能塊控制策略來提供，但是所公開的技術和系統也可使用其它諸如階梯邏輯、時序功能圖表之類的慣例或使用任何其它所需的程式語言或範例來實施或設計。
如圖1的分解塊30所示的，控制器11可包括許多單迴路控制例程，圖示為例程32和34，並且如果需要的話，可以實施一個或多個高級控制迴路，圖示為控制迴路36。每個這種迴路通常被稱為控制模塊。該單迴路控制例程32和34圖示為分別使用單輸入/單輸出模糊邏輯控制塊和單輸入/單輸出PID控制塊來執行單迴路控制，並連接到合適的模擬輸入(AI)和模擬輸出(AO)功能塊，這些功能塊可與例如閥的過程控制設備有關，可與例如溫度和壓力變送器的測量設備有關，或可與過程控制系統10中的任何其它設備有關。高級控制迴路36被圖示為包括高級控制塊38，該高級控制塊具有通信連接到一個或多個AI功能塊的輸入，和通信連接到一個或多個AO功能塊的輸出，儘管該高級控制塊38的輸入和輸出也可連接到任何其它所需的功能塊或控制元件以接收其它類型的輸入以及提供其它類型的控制輸出。高級控制塊38可實施任何類型的多輸入多輸出控制方案，並可組成或包括模型預測控制(MPC)塊、神經網絡建模或控制塊、多變量模糊邏輯控制塊、實時優化塊等。應當理解，圖1所示的包括高級控制塊38的功能塊，可由控制器11執行，或可替代地，可位於任何過程控制系統的任何其它處理設備或者控制元件內並由這些設備或者元件執行，例如工作站13之一或現場設備19-22之一。
現在參考圖2，對控制迴路32、34和36中的每一個的實施，通常都適於通過對控制例程的多個迭代40而周期性地執行。在常規情況下，每次迭代40都由例如變送器或其它現場設備提供的更新的過程測量42來支持。為避免對與控制的測量值同步的限制，許多以前的控制器(或控制迴路)被設計為按照係數的2-10倍對測量進行過採樣。這種過採樣有助於確保用在控制方案中的過程測量是最新的。同樣，為最小化控制變化，常規設計指定反饋控制應按照比過程響應時間快4-10倍來執行，其在圖2中描述為加上在過程輸入中的階躍改變44之後的過程延遲的過程時間常數。更一般地，過程響應由過程輸出中的改變或隨著時間的變化46來表示。因此，為了滿足這些常規設計需要，測量值通常快於過程響應進行採樣，如圖2中所示。
大體來說，所公開的技術提出了以這種高速率發送測量值的挑戰。例如，如上所述，與測量有關的感知功能可能並不會消耗傳感器或變送器的大量電源，但是隨著時間的流逝通過無線通信連結傳輸測量值構成了相當大的電源消耗。即使測量和控制執行同步，如在基礎現場總線控制方案中那樣，計劃控制4-10倍快於過程響應的常規方法，還會導致在數據傳輸過程中過多的功率消耗。因此，為了減少變送器功率消耗，所公開的技術通常支持對傳送測量值的頻率的最小化。
為此，並根據公開內容的一個方面，所公開的技術通常將過程控制系統10、控制器11、發送和其中的其它現場設備配置為當滿足特定條件時在非周期性基礎上發送新的測量值。在一個實施例中，基於過程變量是否改變超過了預定閾值(例如，被確定為很大的總量)來發送一個新的測量值。更具體地，如果新的測量值和上次傳送的測量值之間差值的幅度大於指定的分辨力(resolution)，那麼將產生一個觸發，以使得測量可以被更新。
在其它的情況下，新的測量值在差值超出了指定分辨力(如在前面的例子中)，以及在自從上次傳送以來的時間超出了預定刷新時間時被傳送。換句話說，無論是過程變量的改變(例如控制執行迭代48和50之間的過程響應)還是經過了默認時間(例如在迭代52和54之間的耗用時間)都會導致測量傳輸。用於測量傳輸的刷新或默認時間在各控制迴路之間會變化，或多或少的因為經常的更新根據過程是否緩慢運行或快速響應(例如由過程時間常數所表示的)而是合適的。在一些情況下，可在調諧控制迴路的過程中，基於時間常數來作出判定，並在之後按照需要進行調節。在任何情況下，默認或刷新時間在經過了一段沒有測量更新的時間段之後運行為完整性檢查或撤銷。這種檢查對於例如便於將過程變量最後驅動到目標值是有用的。
同時，變送器、傳感器或負責獲取測量值的其它現場設備仍舊以所需的速率周期性的對測量進行採樣，例如常規的4-10倍於過程響應時間的速率。所公開的技術然後確定所採樣的數值是否被傳送到控制器11。
圖3描述了所公開的技術用於在過程控制數據的無線通信過程中減小功率消耗的示例性實例，該過程控制數據用於支持控制器11，更一般的，用於支持圖1中的過程控制系統10的操作。然而在開端，應當注意到圖1和3中顯示的硬布線連接也可利用並受益於所公開的技術的應用程式。例如，一個或多個硬布線設備也可依賴於有限電源或者以其它方式受益於減少的數據傳輸。在一種示例性實例中，系統10可包括採樣分析器或其它設計為以低於控制執行速率的速度提供測量數據的採樣系統。
還應注意到，為便於圖示，許多無線現場設備被添加到過程控制系統10中，而現場設備15-22仍然通過I/O設備26和28硬布線連接到控制器11。在可選實施例中，一個或多個現場設備15-22也可以或可選的根據所公開的技術與控制器11進行無線通信。
然而，在圖3所示的示例性實例中，所公開的技術通常包括對由變送器60-64所測量或感知的數據的無線傳輸。該無線通信可使用所需的裝置來建立，包括硬體、軟體、固件或現在已知的它們的組合或以後開發的。該實施例的示例性設備由連接到並專屬於變送器60的天線65和具有用來共同處理用於變送器61-64的通信的天線67的無線路由器或其它模塊66來表示。在一些情況下，變送器60-64可構成控制傳感器和控制室之間的單獨鏈路，並因此對於發送準確的信號到控制網絡以確保產品質量和產量不被折衷來說是可靠的。因此經常被稱作過程變量變送器(PVT)的變送器60-64可在過程控制系統10中起重大作用。
在無線通信鏈路的接收端，控制器11可具有一個或多個I/O設備68和70，其分別具有天線72和74。更一般的，所公開技術的實踐並不局限於任何變送器或無線裝置的配置。
變送器60-64中的每一個可以發送表示各自過程變量(例如流量、壓力、溫度或電平)的過程信號到控制器11以用在一個或多個控制迴路或例程中。一般說來，控制器11可包括用於支持這種無線通信，更具體地說，是用於接收過程信號的許多元件。這些元件可包括或構成例如存儲在存儲器24中的軟體例程或位於控制器11中其它地方的硬體或固件。在任何情況中，接收無線通信的方式(例如解調、解碼等)可採取任何所需的形式，並在這裡將僅被大體提出。在一個實例中，控制器11可包括通信棧80來處理輸入信號，以及包括模塊或例程82來檢測輸入信號何時提供了測量更新。然後檢測例程82可產生標記或其它信號，來表示正通過通信棧80提供的數據包括一個新的測量值或測量更新。然後該新的數據和更新標記可提供給一個或多個控制模塊84，以如上結合圖1大致所示的例程以及如在下面進一步詳細描述的來實施。
在一些情況中，通信棧80和更新檢測模塊82通過一個或多個I/O設備26、28、68和70(圖1和3)來實施。此外，更新檢測模塊82做出判定的方式可包括硬體、軟體、固件或任何它們組合，並可包括任何適於比較過程變量的數值的例程。
上面描述的用於無線(或其它)變送器的通信技術通常會帶來非周期性、不規律的或者是其它方式的非經常的數據傳輸。然而，從現場到控制器11的測量值的傳輸常規上被構建為以周期性的方式來報告，以支持控制例程的周期性執行。換句話說，控制例程通常被設計為並依賴於測量值的周期性更新。
為適應非周期性的測量更新，所公開內容的另一方面通常用於修正或重建控制例程。通過這種方式，過程控制系統10可依賴於非周期性或比控制執行周期發生更不經常的其它間斷更新。這樣，在有些情況下，不管過程控制例程的周期性執行，所公開的技術通常支持對過程變量測量的異常報告形式。
控制設計中的潛在假設(例如，使用z變換、差分方程式等)和控制例程的數位化實施，例如比例-積分-微分(PID)控制，是算法在周期性基礎上被執行的。如果測量沒有更新，那麼諸如例程的積分(或復位)部分或者項之類的步驟可能是不合適的。例如，如果控制算法繼續使用上次的、過期的測量值進行執行，那麼輸出將基於復位調諧以及上次測量值與定點之間的誤差來繼續移動。另一方面，如果控制例程僅在傳送新的測量的時候執行，那麼對於定點改變的控制響應和根據測量的幹擾的前饋動作可能被延遲。控制例程還可包括基於自從上次迭代以來所耗用的時間的計算。但是通過非周期性和/或非經常性的測量傳輸，基於控制執行周期(即自從上次迭代以來的時間)來計算復位項，可能導致過程可變化性提高。
考慮到以上問題，並為了當測量值未在周期性基礎上更新時提供準確和響應的控制，在此所公開的通常是基於對過程變量的更新是否為可用來修正過程控制例程的控制技術。在一些情況中，控制例程可基於自從上次測量更新以來所所需的過程響應來根據所公開技術而被重建。
圖4示出了根據所公開技術的一方面而配置的控制方案的示例性實施例，其中在100基本示意性地表示了過程。該示例性控制方案可與控制器11的部件102(或一組部件，如果所需的話)相對應，控制器11的部件102配置為提供結合圖3進行顯示和描述的通信棧80、更新檢測模塊82和控制模塊84的功能。總體來說，控制器11從例如工作站13(圖1)之一或從過程控制系統10中或與過程控制系統10通信的任何其它來源接收定點，以產生一個或多個過程輸入或其它控制信號來控制過程100，其可能經受在104示意性圖示的測量的或未測量的幹擾。如上所述，過程輸入信號可控制與閥或任何其它現場設備有關的執行器以影響過程操作中的響應。對過程輸入信號中的改變的過程響應由變送器、傳感器或其它現場設備106測量或感知，這些設備例如可以與圖3中所示的變送器60-64中的任何一個對應。結果，變送器106和控制器11之間的通信連結(用虛線表示)可包括無線連接。可替代地或除此之外，如果需要的話，該通信可包括硬布線連接，由於它間歇性地可用或可操作，所以可受益於所公開的技術。
在該示例性實例中，控制器11實施單閉環控制例程，例如PI控制例程。因此，控制迴路包括多個標準PI控制方案元件，其包括用於將定點與過程變量數據做比較的求和點108；比例增益元件110；用於組合例如比例和積分項的另一個求和點112；以及高-低限制器114。除了控制方案的標準元件之外，所公開的控制技術的該實施例還利用修正濾波器116來提供對控制信號的預期過程響應的指示。在該示例性實例中，所預期的過程響應近似為一階並由包括在正反饋迴路中確定PI控制方案的積分項的修正濾波器來實現。更一般地，在控制實施中使用的預期過程響應可由任何過程模型來提供，並且並不局限於結合在正反饋迴路、濾波器或積分或復位項中。例如，利用模型來提供預期控制響應的控制可合併微分項，以使得控制例程可以實施PID控制方案。
修正濾波器116在許多方面與常規復位或積分項不同。作為背景技術，常規PI控制器可使用正反饋網絡來實施以確定復位項。從數學上可以看出，用於常規實施的傳遞函數等於用於無約束控制，即輸出無限制的標準公式。
其中，Kp為比例增益；TReset為復位，秒；正反饋網絡的一個優勢是在控制器輸出被限制器114進行高或低限制時，自動阻止復位項終止(winding up)。
根據公開內容的一方面，由所公開的系統和方法實施的控制技術包括對過程變量使用非周期性測量更新。復位項(或其它濾波器或例程)的正反饋網絡可以修正以適應這種更新。特別地，濾波器116(或其它例程)可被配置以使得前次計算的濾波器輸出被保持一直到傳送(例如，被接收)新的測量為止。當接收到新的測量時，濾波器116基於前次控制器輸出(即控制信號)和自從傳送新的測量值以來耗用時間來計算新的濾波器輸出。這種控制技術的示例性實例在以下提出FN=FN-1+(ON-1+FN-1)*(1-e-TTReset)]]>其中，FN為新的濾波器輸出；FN-1為前次執行的濾波器輸出，即前次新的測量後的濾波器輸出；ON-1為前次執行的控制器輸出；ΔT＝自從傳送新值後的耗用時間。
通過這種方式，在基於新的測量計算控制輸入時，控制例程對前次測量傳輸的預期過程響應進行說明。結果，變送器可實施任何通信技術，該技術中更新不提供給控制執行的每次迭代，就像上面描述的技術那樣。對於那些包括無線傳輸的通信技術，這樣可以允許變送器和其它設備最小化由於過程控制的數據傳送所消耗的功率總量。
應注意到，如上面描述的閉環控制例程的復位項，可通過許多方式提供對過程響應的準確表示，例如過程是否呈現出穩態行為。其它過程，例如死時間支配的過程，可包括在為預期過程響應進行建模的例程合併附加部件，如下面描述的。但是考慮到由一階模型較佳表示的過程，過程時間常數可被用來確定PI(或PID)控制器的復位時間。更特別地，如果將復位時間設置為與過程時間常數相等，則復位項通常抵消比例項，以使得隨著時間的流逝，例程可反映預期的過程響應。該方法在圖4的示例性實施例中被反映，其中復位項受到具有與過程時間常數相同的時間常數的濾波器的正反饋網絡的影響。雖然可以利用其它模型，但是正反饋網絡、濾波器或模型提供了用於確定對具有已知或近似過程時間常數的過程的預期響應的方便機制。
作為實例，在包括所公開的技術的測試的持續過程中，通信的數目減少了96％以上。非周期性測量更新對控制性能的影響也通過使用以上描述的修正PI算法而被最小化。特別地，通過比較周期性測量更新與非周期性測量更新的積分絕對誤差(IAE)，控制性能的差異顯示在下表1中。
表1-控制性能差異
對於需要PID控制的那些過程，PID輸出的比率，也可僅在接收到新測量時被重新計算和更新。在那些情況中，微分計算可類似地使用自從上次新的測量以來的耗用時間。
如圖4所示，通信棧80和在一些實施例中的更新檢測模塊82(圖3)處理來自變送器106的輸入數據，以產生用於修正濾波器116的新的數值標記。該新的數值標記被提供給修正濾波器116以確定應該在什麼時候計算新的濾波器輸出。
現在參考圖5，根據所公開的控制技術配置的可替換控制器(或者控制元件)120在很多方面與圖4中所示的控制器11類似。結果，這兩個控制器中相同的元件被標以相同的附圖標記。然而控制器120在確定測量傳輸之間的預期過程響應的例程中合併了附加元件。在這種情況下，該過程可具有相當大的死時間量，結果，單元或塊122被包括在模型中用於死時間補償。對死時間單元122的合併通常有助於得到對過程響應更準確的表示。更特別地，死時間單元122可以任何所需的方式來實施並可包括或利用為史密斯預測器或其它已知控制例程所共用的方法。
如上面描述的實施例所示的，用於確定控制信號的預期過程響應的反饋、濾波器或其它例程可包括任何類型的模型、網絡或幫助從過程控制例程的剩餘部分中移除任何偏移或其它誤差的過程控制元件的其它配置。通過這種方式，所公開的技術可很好地適用於各種不同的過程，而且並不局限於那些呈現為一階的行為。恰恰相反，所公開的技術可應用於包括不同模型、濾波器或塊來確定預期過程響應的環境中，也不局限於僅使用在高精度的過程模型的環境中。
如上所述，所公開的技術支持過程控制配置，該配置避免了對過程變量過採樣的需求，因此便於使用無線通信和在其它測量值不能被規律性地或與控制執行周期一樣經常地可用的情況下的變送器。簡而言之，所公開的技術避免了不斷傳送用於過程控制例程執行的測量數據。所公開的在變送器(或其它現場設備)設計或控制修正中的改變帶來的結果是，測量數據通常被發送以傳輸明顯改變(來自前次通信數值)或在刷新時間之後被發送。結果，變送器通信頻率和用於數據傳輸的功率總量都大大降低。
對所公開的方法、系統和技術的實踐並不局限於任何一個特定的無線構架或通信協議。適合的示例性結構和通信支持方案在已於2005年6月17日提交的名為「用於過程控制系統的無線構架和支撐」的第11/156,215號美國專利申請中有描述，其全部公開內容合併於此作為參考。實際上，所公開的對控制例程的修正很適於控制例程以周期性方式實施的任何環境中，而且不需要對每次控制迭代進行過程變量測量更新。其它示例性環境包括採樣值由例如分析器或通過實驗室樣本非規律性的或更少地提供的情況。
對所公開技術的實踐並不局限於使用具有單輸入、單輸出的PI或PID控制例程，而是可被應用在許多不同的多輸入和/或多輸出控制方案和級聯控制方案中。更一般地，所公開的技術也可應用在包括一個或多個過程變量、一個或多個過程輸入或其它控制信號的任何基於模型的閉環控制例程中，例如模型預測控制(MPC)中。術語「現場設備」在此被廣義的使用為包括許多設備或設備的組合(即提供多種功能的設備，例如混合變送器/執行器)，以及在控制系統中執行功能的任何其它設備。在任何情況下，現場設備可包括例如輸入設備(例如傳感器和提供狀態、測量或表示諸如溫度、壓力、流率等的過程控制參數的其它信號的裝備的裝置)以及響應從控制器和/或其它現場設備接收到的指令以執行操作的控制操作站或執行裝置。
在實施時，在此描述的任何軟體可被存儲在任何計算機可讀存儲中，例如存儲在磁碟、光碟、或其它存儲介質上，存儲在計算機或處理器的RAM或ROM中等。同樣，該軟體也可使用任何已知或所需的傳送方法，包括例如在計算機可讀磁碟上或其它可攜式計算機存儲機制或通過通信信道，例如電話線、網際網路、全球資訊網、任何其它區域網或廣域網等(其傳送被視為與通過可攜式存儲介質來提供這種軟體相同或可替換)，來傳送給用戶、加工廠或操作員工作站。此外，該軟體也可不通過調製或加密而直接提供，或在通過通信信道發送之前使用任何適合的調製載波和/或加密技術進行調製和/或加密。
雖然參照特定實例對本發明進行了描述，但這些實例僅為示例性的，並不用於限制本發明，對本領域普通技術人員來說，很明顯地，可以在不偏離本發明的精神和範圍的情況下對公開的實施例進行各種修正、添加或刪除。
權利要求
1.一種用於過程的控制器，其中過程信號代表該過程的過程變量，該控制器包括處理器；和控制模塊，其適於由該處理器周期性執行並配置為對該過程變量作出響應以產生用於該過程的控制信號；其中該控制模塊的周期性執行的迭代包括實施一例程，該例程配置為產生該控制信號的過程響應表示，並且其中該例程進一步配置為在該控制模塊的周期性執行的多個迭代期間保持該表示，直至可得到該過程變量的更新為止。
2.如權利要求1所述的控制器，其中所述過程變量的更新通過無線傳輸所述過程信號而可得到。
3.如權利要求1所述的控制器，其中所述控制模塊包括利用所述過程響應表示來確定所述控制信號的閉環控制方案。
4.如權利要求1所述的控制器，其中所述例程包括正反饋網絡以便基於所述控制信號的過往值來確定所述過程響應表示。
5.如權利要求1所述的控制器，其中所述例程實施濾波器算法來確定所述過程響應表示。
6.如權利要求1所述的控制器，其中所述例程進一步配置為根據所述過程變量的非周期性更新來實施。
7.如權利要求1所述的控制器，其中所述過程響應表示包括過程變量響應表示，並且其中所述例程進一步配置為一旦可得到所述過程變量的更新就更新所述過程變量響應表示。
8.如權利要求7所述的控制器，其中所述例程基於所述過程變量的前次更新、所述控制信號和從所述過程變量的前次更新以來所耗時間來確定所述過程的預期響應。
9.如權利要求8所述的控制器，其中所述例程基於所述過程對前次更新的預期響應和從前次更新以來所耗時間來確定經過更新的復位項。
10.如權利要求9所述的控制器，其中所述預期過程響應包括一模型，該模型包括過程或測量延遲。
11.一種用於具有過程變量的過程的過程控制系統，包括現場設備，其發送代表該過程的過程變量的過程信號；和控制器，其與該現場設備進行通信以便通過該過程信號接收該過程變量的更新並產生用於該過程的控制信號，該控制器具有處理器和適於由該處理器周期性執行的控制模塊；其中該現場設備根據該過程變量的改變是否已經超出預定閾值來非周期性地無線發送該過程信號。
12.如權利要求11所述的過程控制系統，其中如果自從前次傳輸以來已經超出了刷新時間，那麼所述現場設備發送所述過程信號。
13.如權利要求11所述的過程控制系統，其中所述控制模塊的周期性執行實施一例程，該例程配置為產生所述控制信號的過程響應表示。
14.如權利要求13所述的過程控制系統，其中所述例程進一步配置為在所述控制模塊的周期性執行的多個迭代期間保持所述過程響應表示，直至所述現場設備發送所述過程信號為止。
15.如權利要求14所述的過程控制系統，其中所述控制模塊包括利用所述過程響應表示來確定所述控制信號的閉環控制方案。
16.如權利要求14所述的過程控制系統，其中所述例程包括正反饋網絡以便基於所述控制信號的過往值來確定所述過程響應表示。
17.如權利要求14所述的過程控制系統，其中所述例程實施濾波器算法以確定所述過程響應表示。
18.如權利要求14所述的過程控制系統，其中所述例程進一步配置為根據所述過程變量的非周期性更新來實施。
19.如權利要求14所述的過程控制系統，其中所述過程響應表示包括過程變量響應表示，並且其中所述例程進一步配置為一旦可得到所述過程變量的更新就更新所述過程變量響應表示。
20.如權利要求19所述的過程控制系統，其中所述例程基於所述過程變量的前次更新、所述控制信號和從所述過程變量的前次更新以來所耗時間來確定所述過程的預期響應。
21.一種控制具有過程變量的過程的方法，該方法包括步驟實施過程控制例程以便基於該過程變量產生用於該過程的控制信號；和檢測是否可得到該過程變量的更新；其中實施所述過程控制例程的步驟包括產生該控制信號的過程響應表示的步驟，和在該實施步驟的多個迭代期間保持該過程響應表示直至檢測到該過程變量的更新為止的步驟。
22.如權利要求21所述的方法，進一步包括接收代表所述過程變量的更新的過程信號的無線傳輸的步驟。
23.如權利要求21所述的方法，其中所述實施步驟進一步包括執行利用所述過程響應表示來確定所述控制信號的閉環控制方案的步驟。
24.如權利要求21所述的方法，其中所述過程響應表示包括過程變量響應表示，並且所述實施步驟進一步包括一旦可得到所述過程變量的更新就更新所述過程變量響應表示的步驟。
25.如權利要求24所述的方法，其中所述實施步驟進一步包括步驟根據所述過程變量的前次更新、所述控制信號和從所述過程變量的前次更新以來所耗時間來確定所述過程的預期響應。
26.如權利要求25所述的方法，其中所述實施步驟進一步包括步驟基於所述過程對前次更新的預期響應和自從前次更新以來所耗時間來確定經過更新的復位項。
27.一種控制具有過程變量的過程的方法，該方法包括步驟無線接收過程信號以獲取該過程變量的更新；和周期性實施過程控制例程以便基於該過程信號產生用於該過程的控制信號；其中該接收步驟非周期性地出現，使得該過程控制例程配置為使用因該過程變量的改變超過預定閾值或因從該過程變量的在先更新以來所耗時間而接收的該過程變量的非周期性更新。
28.如權利要求27所述的方法，其中所述實施步驟包括執行一配置為產生對該控制信號的過程響應表示的例程的步驟，和在所述實施步驟的多個迭代期間保持該過程響應表示直至可得到所述過程變量的更新為止。
29.如權利要求28所述的方法，其中所述過程控制例程包括利用所述過程響應表示來確定所述控制信號的閉環控制方案。
30.如權利要求29所述的方法，其中所述過程響應表示包括過程變量響應表示，並且所述實施步驟進一步包括一旦可得到所述過程變量的更新就更新所述過程變量響應表示的步驟。
31.如權利要求30所述的方法，其中所述實施步驟進一步包括步驟基於所述過程變量的前次更新、所述控制信號和從所述過程變量的前次更新以來所耗時間來確定所述過程的預期響應。
32.如權利要求31所述的方法，其中所述實施步驟進一步包括步驟基於所述過程對前次更新的預期響應和從前次更新以來所耗時間來確定經過更新的復位項。
全文摘要
公開了一種控制器，包括處理器；和控制模塊，其適於由該處理器周期性執行並配置為對該過程變量作出響應以產生用於該過程的控制信號。該控制模塊的周期性執行的迭代包含實施一例程，該例程配置為產生該控制信號的過程響應表示。該例程進一步配置為在該控制模塊的周期性執行的多個迭代期間保持該表示，直至可得到該過程變量的更新為至。在某些情況下，所述過程變量的更新通過無線傳輸所述過程信號而變為可得到。在這些和其它情況下，該控制器可包括在包括現場設備的過程控制系統中，以便根據該過程變量的改變是否已經超出預定閾值來非周期性地無線發送該過程信號。在某些實施例中，如果從前次傳輸以來已經超出了刷新時間，那麼所述現場設備還發送所述過程信號。
文檔編號G05B19/418GK1955867SQ200610149999
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月25日 優先權日2005年10月25日
發明者特瑞思·L·貝利文斯, 陳德基, 馬克·J·尼克森, 格雷戈裡·K·麥克米倫 申請人:費舍-柔斯芒特系統股份有限公司