傳送器及其複製方法
2023-06-16 18:14:36 1
專利名稱：傳送器及其複製方法
技術領域：
本發明關於一種傳送器，其利用具多數步驟計算的機構，將關聯於程序變量的輸入信號，轉換成預定的輸出信號；以及關於複製該傳送器的方法。
背景技術：
公知技術文獻中，有關於利用具多數步驟計算的機構，將關聯於程序變量的輸入信號轉換成預定的輸出信號的傳送器，例如振動式差壓傳送器，包括有如下非專利文獻橫河技報Vol.36 No.1(1992)P21-P28，「DPharp電子式差壓傳送器」。
近來，正在促進安全裝置系統(SIS)的標準化，用以保護人體免於傷害、以及用以保護環境和設備。結果造成市場對下述傳送器的需求，該傳送器能滿足於安全整體等級(safety integrity level，SIL)第2級「也就是說，危險降低係數(RRF)(即操作要求的失敗機率的倒數)，會落在100至1000的範圍」。
為了符合這一市場需求，於要求安全性及可靠性的系統中，通常使用2臺以上的傳送器。
如果傳感器具高可靠性，且不要求雙重冗餘(dual redundant)化，則該傳送器本身可以為單數個，而其信號處理功能為可複製。圖1為一功能方塊圖，顯示具有複製內部信號處理功能的公知技術差壓傳送器的例子。
一由實線所圈住的區域A，表示2線式差壓傳送器，該差壓傳送器，被輸入一程序變量PV(壓力、差壓等)，傳送4-20mA的電流輸出信號Io，並具有與主機通信的功能、及通知該傳送器本身的異常與從該主機取得信息的功能。
在差壓傳送器A中，符號1表示振動式壓力傳感器，用以輸出關聯於程序變量PV的2個頻率信號。由於該傳感器的構造與工作原理，已揭示在上述的非專利文獻1中，以下並不再做詳述。
符號2與3分別表示已雙重冗餘化的第1與第2計算器，並從壓力傳感器1分別輸入2個頻率而加以計數。符號4與5分別表示已雙重冗餘化的第1與第2微處理器，分別從第1計算器2與第2計算器3，輸入脈衝信號並加以計算。
在第1微處理器4中，符號41表示第1計算機構，用以對來自第1計算器2的脈衝信號，進行多數步驟計算以及脈衝寬度調製，而產生計算值輸出Do1；同樣地，在第2微處理器5中，符號51表示第2計算機構，用以對來自第2計算器3的脈衝信號，進行多數步驟計算以及脈衝寬度調製，而產生計算值輸出Do2。
符號6表示EFPROM，用以保留係數等，而能夠在由第1計算機構41所進行的修正計算期間，被予以參照。ROM7與ROM8為存儲機構，使用在第1計算機構41所執行的計算。同樣地，符號9表示EFPROM，用以保留係數等，而能夠在由第2計算機構51所進行的修正計算期間，被予以參照。ROM10與ROM11為存儲機構，使用在第2計算機構51所執行的計算。
第1微處理器4為主處理器，在正常狀態下，該處理器的第1計算機構41的計算值輸出Do1，會被轉換成電流輸出信號Io並被傳送出；而第2微處理器5為次處理器，該處理器的第2計算機構51的計算值輸出Do2，功能僅為檢查其與第1計算機構41的計算值輸出Do1的一致性。
在第1微處理器4中，符號42表示比較器，且第1計算機構41的計算值輸出Do1與第2計算機構51的計算值輸出Do2皆被輸入至比較器42。然後，在預定條件下，檢查輸出Do1與Do2間的一致性。若在該多個兩輸出間發現有任何的不一致，則輸出警告指令AL。
符號43表示輸出選擇器，用以在預定狀態下選擇第1計算機構41的計算值輸出Do1。當接受到來自比較器42的警告指令AL時，輸出選擇器43會選擇來自警告信號發生器44的燒毀信號Da，並將該信號輸入至輸出機構12。符號13為指示器，用以處理第1微處理器4所提供的信息。
在經由輸出選擇器43來輸入第1計算機構41的計算值輸出Do1的正常狀態下，輸出機構12會將數字計算值輸出Do1轉換成模擬值，產生具有4-20mA變化範圍(span)的電流輸出信號Io，並將該信號傳送至外部的傳送線路14。
在經由輸出選擇器43從警告信號發生器44輸入燒毀信號Da的非正常狀態下，輸出機構12會將數字燒毀信號Da轉換成模擬值，產生具3.2mA或21.6mA的燒毀電流輸出信號，並將該信號傳送至外部的傳送線路14。
符號15表示插入在傳送線路14內的外部DC電源裝置；符號16表示連接至傳送線路14的維修用攜帶式通信器；符號17表示同樣連接在傳送線路14的主機；符號18表示連接在輸出機構12的通信接口。通信接口18與第1微處理器4進行通信，並利用重疊於傳送線路14的數位訊號，通知主機17有異常發生，而從主機獲得各種情報。
接著，針對在第1計算機構41與第2計算機構51所執行的多數步驟計算的細節，將藉由以第1計算機構41為代表例來加以說明。首先，從來自第1計算器2的脈衝信號，來計算出傳感器頻率fc及fr。
在第1步驟計算41a中，依據下列方程式，該方程式使用已算出的fc及fr與代表傳感器特性的常數A、B及C，來計算出差壓信號X。
X=Afc2+Bfr2+C---(Eq.1-1)]]>在第2步驟計算41b中，依據下列方程式使用已算出的X值與修正係數Ki，該修正係數Ki為動態的係數取決於溫度及靜壓並儲存在EEPROM6，來計算對溫度及靜壓進行修正的差壓dpcomp。
dpcomp=i=0mkiXi---(Eq.1-2)]]>在第3步驟計算41c中，對已算出值的dpcomp，依據下列方程式，來計算出已被尺度化在urv(100％)至lrv(0％)的使用者指定範圍的差壓dpscaled。
dpscaled=dpcomp-lrvurv-lrv---(Eq.1-3)]]>在第4步驟計算41d中，依據下述多項式，使用已算出值的dpcomp及儲存在EEPROM6且取決於溫度的動態的修正係數Ci，來計算被脈衝調製的數位訊號pwm。
pwm=i=0ncidpscaledi---(Eq.1-4)]]>將經由上述討論的四個步驟所計算出的數位訊號pwm的值，輸入至比較器42作為第1微處理器4的計算值輸出Do1；並且經由輸出選擇器43輸入至輸出機構12，而轉換成4-20mA的電流輸出信號Io。
基於多數計算步驟51a至51d的計算，其中該多個計算步驟皆是由第2微處理器5的第2計算機構51執行且皆輸入有來自第2計算器3的脈衝信號，相同於基於多數計算步驟41a至41b的計算，其中該多個計算步驟皆是由如上所述的第1微處理器的第1計算機構41執行。將計算值輸出Do2導入至比較器42並與Do1進行比較。
比較器42會比較計算值輸出Do1和Do2。如果該多個輸出超過了預定允許條件且不一致時，比較器會判斷該情況為傳送異常，輸出警告指令AL，使輸出選擇器43切換至警告信號發生器44，導致電流輸出信號Io進入燒毀狀態，並通知主機17有傳送器異常。
符號45表示自我診斷機構，用以執行壓力傳感器1的異常診斷(在振動式傳感器時的頻率異常或振動停止)；或者是當計算器2或3的信號停止、或者一段特定的期間內傳送器輸出中斷或沒有改變時，檢查微處理器本身確認操作異常的可能性。若自我診斷機構45檢測到任何異常，它會將信號Ds傳送至輸出選擇器43，導致電流輸出信號Io進入至燒毀狀態。
使用於一要求安全的系統，通常需要2個或2個以上的傳送器，因此裝備成本必須很高。如果該傳感器具高可靠性，因而不需要雙重冗餘，則該系統可以構成如圖1所示構造，即使得傳送器為單數個並會複製內部信號處理功能。
然而，由於即使在圖1所示的傳送器構造中，加入第2計算器3、第2微處理器5及存儲機構9或11，當作硬體構件，成本的問題還是無法完全地解決。另外，硬體構件數量的增加，會對傳送器尺寸的減小造成障礙。
發明內容
因此，本發明的目的為提供一種傳送器，無須增加任何的硬體構件，即可複製它的內部信號處理功能。為了實現上述課題，本發明的構造如下(1)一種傳送器，用以接收一程序變量的輸出，並藉由執行多數的計算步驟，將該程序變量轉換成預定的輸出信號，該傳送器包含反向計算機構，用以使多數的計算步驟，朝相反於通常計算方向的方向進行。
(2)項目1所述的傳送器，還包含驗證機構，用以判斷多數的計算步驟的各計算值、與由反向計算的相對應的各步驟所決定出的計算值之間的一致性。
(3)項目2所述的傳送器，其中，在一致性判斷時，當發生至少一個不一致實例時，該驗證機構會發出差錯警報。
(4)項目2所述的傳送器，其中，在一致性判斷時，當發生多數次相同的不一致實例時，該驗證機構會發出差錯警報。
(5)項目2、3或4所述的傳送器，其中，在一致性判斷時，該驗證機構會設定預定的誤差範圍。
(6)項目2、3、4或5所述的傳送器，其中，該反向計算步驟和該一致性判斷，分別在該多數的計算步驟的備用時間槽(time slot)下進行的。
(7)項目1、2、3、4、5或6所述的傳送器，其中，該輸入信號從傳感器以數字值的形式所提供的。
(8)項目7所述的傳送器，其中，該傳感器為振動式壓力傳感器或振動式差壓傳感器。
(9)一種傳送器的複製方法，包含下列步驟正向計算步驟，利用多數的計算步驟，將輸入信號轉換成輸出信號；反向計算步驟，用以朝相反方向執行多數的計算步驟；驗證步驟，用以執行正向計算步驟所計算出的值、與對應的反向計算步驟所計算出的值之間的一致性判斷。
(10)項目9所述的傳送器的複製方法，其中，當發生至少一個不一致實例時，該驗證步驟會發出差錯警報。
(11)項目9所述的傳送器的複製方法，其中，當發生多數次相同的不一致實例時，該驗證步驟會發出差錯警報。
(12)項目9、10或11所述的傳送器的複製方法，其中，該反向計算步驟和該驗證步驟，分別在該反向計算步驟的備用時間槽進行的。
圖1為功能方塊圖，顯示具有複製內部信號處理功能的公知的差壓傳送器的示例。
圖2為功能方塊圖，顯示應用本發明的差壓傳送器的實施例。
圖3為一示意圖，以對比的方式，顯示正向計算與反向計算的計算步驟的處理方向及方程式。
圖4為一流程圖，顯示以軟體為主的複製方法的單一處理程序。
圖5為一時序圖，顯示正向計算與反向計算之間的時序關係。
元件符號說明1壓力傳感器
10ROM100微處理器101正向計算機構101a-101d多數計算步驟102反向計算機構102a-102d反向計算步驟103驗證機構103a鎖存機構104輸出選擇器105警告信號發生器106自我診斷機構11ROM12輸出機構13指示器14傳送線路15DC電源裝置16維修用攜帶式通信器17主機18通信接口2第1計算器3第2計算器4第1微處理器41第1計算機構41a第1步驟計算41b第2步驟計算41c第3步驟計算41d第4步驟計算42比較器43輸出選擇器44警告信號發生器45自我診斷機構
5第2微處理器51第2計算機構51a-51d計算步驟6EEPROM7ROM8ROM9存儲機構Do1計算值輸出Do2計算值輸出S1-S12步驟具體實施方式
以下，將參照附隨圖示，詳細說明本發明較佳實施例，其中，圖2為功能方塊圖，顯示應用本發明的差壓傳送器的實施例。在圖中，與圖1所示的公知傳送器相同的構件，皆附上相同的符號，以後將不再說明。以下，將針對本發明的特徵部分，加以具體地說明。
在圖2中，符號100指定為應用本發明的單一的微處理器，且輸入有來自單一的計算器2的脈衝信號。在該微處理器100中，符號101指定為正向計算機構，多數計算步驟101a至101d的計算細節及計算值輸出，完全相同於圖1所示公知傳送器的第1計算機構41的步驟41a至41b的計算細節及計算值輸出。
符號103指定為驗證機構，其包含鎖存機構103a，用以保留由正向計算機構101的各計算步驟所獲得的計算值，並驗證該多個計算值，是否與後述反向計算機構的各步驟所獲得的計算值一致。
符號102指定為本發明特有的反向計算機構，其中正向計算機構101的計算值輸出Do1，被輸入至反向計算機構102，使得正向計算機構101各別的計算步驟，朝相反於正常計算方向的方向進行。換句話說，反向計算機構102會執行反向計算，以相反順序處理正向計算機構101的計算步驟，而返回至計算頻率信號fc及fr的步驟。各反向計算步驟的計算值輸入至驗證機構103，並與各對應的正向計算步驟的計算值進行比較，而保留至鎖存機構103a。
如果有任一反向計算值超出正向計算值所設定的誤差範圍、以及在彼此相對應步驟間的比較期間，發生與相對應的正向計算值不一致時；或者，如果相同的不一致現象發生預定次數時，驗證機構103就會將警告指令AL輸出至輸出選擇器104。輸出選擇器104、警告信號發生器105及自我診斷機構106，在功能上相同於圖1所示的構件43至45，以後將不再說明。
用以計算各反向計算步驟的值的方程式，將於以下加以說明。依據下列方程式執行反向計算步驟102d，用以由為正向計算值輸出Do的pwm，來反向計算出dpscaled』。
dpscaled=pwm-c0ncidpscaledi---(Eq.2-4)]]>依據下列方程式執行反向計算步驟102c，用以由正向計算所決定的dpscaled，來反向計算出dpscomp』。
dpcomp′＝dpscaled(urv-lrv)+lrv (Eq.2-3)依據下列方程式執行反向計算步驟102b，用以由正向計算所決定的dpcomp，來反向計算出X』。
X=(dpcomp-ko)i=1mkixi---(Eq.2-2)]]>依據下列方程式執行反向計算步驟102a，用以由正向計算所決定的X，來反向計算出fc』。
fc2=X-Bfr2-CA.---(Eq.2-1)]]>圖3為一示意圖，以對比的方式，顯示正向與反向的計算步驟的處理方向及方程式。圖3亦以容易明白的視覺圖形表示法，來顯示依據本發明的以軟體為基礎的雙重冗餘處理的功能結構。
接著，針對驗證機構103中彼此對應的計算步驟間的一致性判斷的條件，加以說明。反向計算步驟102d的算出值dpscaled』的判斷條件，以下列方程式表示dpscaled-α＜dpscaled′＜dpscaled+α (Eq.3-1)反向計算步驟102c的算出值dpcomp』的判斷條件，以下列方程式表示dpcomp-β＜dpcomp′＜dpcomp+β (Eq.3-2)
反向計算步驟102b的算出值X』的判斷條件，以下列方程式表示X-x＜X′＜X+x (Eq.3-3)反向計算步驟102a的算出值fc』的判斷條件，以下列方程式表示(fc-δ)2＜fc2′＜(fc+δ)2(Eq.3-4)上述各個條件判斷方程式的α、β、x及δ為常數，代表一致性判斷的可容許誤差範圍，依據計算差錯、傳送器的操作範圍、精確度，來設定其適當值的。
圖4為流程圖，顯示以軟體為基礎的複製方法中的單一處理程序。單一處理由步驟Sl開始；並在步驟S2執行各正向計算步驟；在步驟S3保留該多個個別計算步驟的算出值，該多個被保留的值會在判斷步驟S5、S7、S9及S11被予以參照。
在步驟S4中，執行反向計算步驟102d以及計算dpscaled』；在步驟S5中，對dpscaled』與正向計算值dpscaled的一致性進行判斷。若有滿足判斷條件，則在步驟S6執行反向計算步驟102c以計算dpcomp』，並在步驟S7，對dpcomp』與正向計算值decomp的一致性進行判斷。
若滿足判斷條件，則在步驟S8進行反向計算步驟102b以計算X』；並在步驟S9，對X』與正向計算值X的一致性進行判斷。若滿足判斷條件，則在步驟S10進行反向計算步驟102a以計算fc』；並在步驟S11，對fc』與正向計算值fc的一致性進行判斷。
如果滿足了判斷條件在步驟S12進行綜合判斷。如果滿足該多個一致性判斷的條件，則單一處理程序結果為「OK」(正常處理)，並重複上述說明的例行程序。如果在步驟S5、S7、S9或S11中發現有不一致，則單一處理程序會立即跳至步驟S12，用以進行綜合判斷而且判斷結果為「NG」(差錯處理)。
能夠應用一適當的演算法，進行綜合判斷之後的差錯處理，例如當發生任何單一不一致實例時立即進行差錯處理；或當發生相同的不一致有預定次數即開始進行差錯處理。
在圖4所示的流程圖中說明一示例，該示例會依據反向計算各步驟的一致性判斷結果，執行分支處理並執行綜合判斷。另一方案，能夠適用一種方法，該各個步驟的一致性判斷結果的信息，首次會被保留，然後在沒有執行分支處理的情況下，依據這些全部的信息進行綜合判斷。
圖5為時序圖，顯示正向計算與反向計算之間的時序關係。T指定為執行時間，為常數且不會大於100ms。在各執行時間，步驟S2表示對應於圖4所示流程圖的步驟S2的正向計算時間，並且設計成大約為執行時間的2/3長度。正向計算會在各執行時間的期間執行完成。
另一方面，反向計算各步驟分別進行，並且是在各執行時間長度的1/3的備用時間槽內進行。
反向計算的各步驟在各執行時間期間分別執行，而反向計算的時間長度大約估計成執行時間T的1/10。
在第1執行時間(1)，在以影線描畫的期間執行反向計算步驟S3；在第2執行時間(2)執行反向計算步驟S4和S5，然後執行S6和S7。
在第3執行時間(3)執行反向計算步驟S8和S9；在第4執行時間(4)執行反向計算步驟S10和S11；在第5執行時間(5)執行用以進行綜合判斷的判斷步驟S12。
在第6執行時間(6)僅執行正向計算步驟S2而暫停反向計算，且插入該暫停的周期例如為一秒的時間區間。
如上所述，利用正向計算的備用時間槽的優點(當發現這樣的備用時間的話)來分別地執行反向計算步驟，藉此就能夠實現一種傳送器，該傳送器即使加入了如上所述的反向計算步驟，也不會發生應答延遲現象。
雖然以依據本發明，對上述的傳送器的實施例加以說明，但是也可以用壓力或差壓傳送器作用示例來加以說明，本發明的應用範圍不限定於該多個的實施例，甚者，本發明也可以廣泛地應用於如下類型的傳送器，即利用執行多數的計算步驟來將輸入信號轉換成輸出信號。
如上所述，依據本發明就可以實現如下的優點(1)利用在反向方向執行多數的計算步驟，並將各個該反向計算的結果與相對應的正向計算步驟的計算值進行對比，其中該計算值用在單一硬體上，進行以軟體為基礎的單一處理而獲得的，藉由此方式就能夠實現相同於複製硬體的功能，用以核對所計算的輸出。其結果就能夠提供一種體積小、低成本、及具極多功能的傳送器，能夠用於安全設備及一般設備兩者。
(2)利用將正向計算置於最高的優先順序，並將反向計算(確認計算)劃分成區塊變成分區處理程序，使得反向計算步驟以小的單元分配在正向計算的備用時間槽，藉由此方式，就能夠提供一種整個不具應答延遲的高速的傳送器。
權利要求
1.一種傳送器，用以接收一程序變量的輸出，並藉由執行多個的計算步驟，將該程序變量轉換成預定的輸出信號，該傳送器包含反向計算機構，用以朝向與通常計算方向相反的方向進行該多個的計算步驟。
2.如權利要求1所述的傳送器，還包含驗證機構，用以執行該多個的計算步驟的計算值與由反向計算的各步驟所決定的計算值之間的一致性判斷。
3.如權利要求2所述的傳送器，其中，在一致性判斷時，當發生至少一個不一致實例時，該驗證機構會發出差錯警報。
4.如權利要求2所述的傳送器，其中，在一致性判斷中，當發生多個次相同的不一致實例時，該驗證機構會發出差錯警報。
5.如權利要求2、3或4所述的傳送器，其中，在一致性判斷中，該驗證機構會設定預定的誤差範圍。
6.如權利要求5所述的傳送器，其中，該反向計算步驟和該一致性判斷，在該多數的計算步驟的備用時間槽分別進行的。
7.如權利要求6所述的傳送器，其中，由一傳感器以數字值的形式提供一與該程序變量相關的輸入信號。
8.如權利要求7所述的傳送器，其中，該傳感器為振動式壓力傳感器或振動式差壓傳感器。
9.一種傳送器的複製方法，包含下列步驟正向計算步驟，通過多數的計算步驟，將輸入信號轉換成輸出信號；反向計算步驟，用以朝相反方向執行該多數的計算步驟；驗證步驟，用以執行正向計算步驟所計算出的值與該反向計算步驟中的對應步驟所計算出的值之間的一致性判斷。
10.如權利要求9所述的傳送器的複製方法，其中，在該驗證步驟中，當發生至少一個不一致實例時，會發出差錯警報。
11.如權利要求9所述的傳送器的複製方法，其中，在該驗證步驟中，當發生多數次相同的不一致實例時，會發出差錯警報。
12.如權利要求11所述的傳送器的複製方法，其中，該反向計算步驟和該驗證步驟，在該反向計算步驟的備用時間槽分別進行的。
13.如權利要求2所述的傳送器，其中，在一致性判斷時，該驗證機構會設定預定的誤差範圍。
14.如權利要求13所述的傳送器，其中，該反向計算步驟和該一致性判斷，在該多數的計算步驟的備用時間槽分別進行的。
15.如權利要求2所述的傳送器，其中，該反向計算步驟和該一致性判斷，在該多數的計算步驟的備用時間槽分別進行的。
16.如權利要求3所述的傳送器，其中，該反向計算步驟和該一致性判斷，在該多數的計算步驟的備用時間槽分別進行的。
17.如權利要求9所述的傳送器的複製方法，其中，該反向計算步驟和該驗證步驟，在該反向計算步驟的備用時間槽分別進行的。
18.如權利要求10所述的傳送器的複製方法，其中，該反向計算步驟和該驗證步驟，在該反向計算步驟的備用時間槽分別進行的。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種傳送器，無需增加任何的硬體構件，即可複製它的內部信號處理功能。這一傳送器利用多個計算步驟，將輸入信轉換成輸出信號，並包含反向計算機構，用以使朝反方向執行多個的計算步驟。
文檔編號H03M13/00GK1691082SQ200510052760
公開日2005年11月2日 申請日期2005年3月14日 優先權日2004年4月23日
發明者吉野廣樹, 小山越太郎 申請人:橫河電機株式會社