專利名稱：在無線和其他過程控制系統(tǒng)中的非周期控制通信的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及過程控制系統(tǒng)，更具體地說，涉及過程控制系統(tǒng)中的無線和/ 或非周期控制通信的傳輸和處理。
背景技術(shù)：
過程控制系統(tǒng)，例如用于化學(xué)、石油或其它過程的分布式或可升級式過程控制系 統(tǒng)，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(shù)字或模擬/數(shù)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(xiàn)場設(shè) 備?，F(xiàn)場設(shè)備可以是例如閥、閥定位器、開關(guān)和變送器(例如，溫度、壓力和流速傳感器)，它 們執(zhí)行過程內(nèi)的各功能，例如開啟或關(guān)閉閥以及測量過程參數(shù)。過程控制器接收表示由現(xiàn) 場設(shè)備產(chǎn)生的過程測量值的信號和/或?qū)儆诂F(xiàn)場設(shè)備的其它信息，并使用該信息來實施控 制例程以產(chǎn)生控制信號，這些控制信號通過總線發(fā)送到現(xiàn)場設(shè)備以控制該過程的操作。來 自現(xiàn)場設(shè)備和控制器的信息通?？捎糜谟刹僮鲉T工作站所執(zhí)行的一個或多個應(yīng)用程序，以 使得操作員能夠執(zhí)行與過程有關(guān)的任何所需功能，例如查看過程的當前狀態(tài)、修正過程的 操作等。一些過程控制系統(tǒng)，例如總部設(shè)在得克薩斯州的奧斯汀市的費舍_柔斯芒特系統(tǒng) (Fisher Rosemount System)有限公司銷售的DeltaV 系統(tǒng)，使用位于控制器中或其它現(xiàn) 場設(shè)備中、稱為模塊的功能塊或功能塊組來執(zhí)行控制操作。在這些情況下，該控制器或其它 設(shè)備能夠包括和執(zhí)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(shè)備內(nèi)或在不同設(shè)備內(nèi)的)其它功能塊的輸入和/或為這些其它功能塊提供輸 出，并執(zhí)行一些過程操作，例如測量或檢測過程參數(shù)、對設(shè)備進行控制、或者執(zhí)行諸如實現(xiàn) 比例-微分-積分(PID)控制例程的控制操作例。過程控制系統(tǒng)內(nèi)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回路。過程控制器通常被編程為對許多不同回路中的每一個執(zhí)行不同算法、子例程或控 制回路(這些都是控制例程)，這些不同回路由過程所定義或包含在過程中，例如流量控制 回路、溫度控制回路、壓力控制回路等。一般說來，每個這樣的控制回路包括一個或多個輸 入塊，例如模擬輸入(Al)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?？刂评桃约皩嵤┻@些例程的功能 塊可根據(jù)許多控制技術(shù)進行配置，這些控制技術(shù)包括PID控制、模糊邏輯控制，以及諸如史 密斯預(yù)測器(Smith Predictor)或者模型預(yù)測控制(MPC)的基于模型技術(shù)模型預(yù)測控制。為了支持例程的執(zhí)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(tǒng)，而這些過程控制器和過程I/O 子系統(tǒng)可與一個或多個現(xiàn)場設(shè)備連接。常規(guī)上，模擬現(xiàn)場設(shè)備通過兩線或四線電流回路連接到控制器，既用于信號傳輸又用于供電。發(fā)送信號到控制室的模擬現(xiàn)場設(shè)備(例如傳感 器或變送器)調(diào)制流經(jīng)電流回路的電流，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(zhí)行操作的模擬現(xiàn)場設(shè)備由通過該回路的電流的強度來控制。近來，現(xiàn)場設(shè)備在用來傳送模擬信號的電流環(huán)路上可以疊加數(shù)字數(shù)據(jù)。例如，高速 可尋址遠程傳感器(HART)協(xié)議使用回路電流強度來發(fā)送和接收模擬信號，并在電流回路 信號上疊加數(shù)字載波信號以實現(xiàn)與智能現(xiàn)場裝置的雙向現(xiàn)場通信。另一個通常被稱作現(xiàn)場 總線的協(xié)議定義兩個子協(xié)議，其中之一在對連接到網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備供電的同時支持以高達 每秒31. 25千比特的速率進行數(shù)據(jù)傳送，另一個在不為現(xiàn)場設(shè)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(shù)據(jù)傳送。通過這些類型的通信協(xié)議，通常為全數(shù)字的智 能現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)所不能提供的。隨著數(shù)據(jù)傳送總量的增長，過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一個特別重要的方面包括一種方 式，即現(xiàn)場設(shè)備可互相通信連接、并且可通信連接到控制器以及過程控制系統(tǒng)或加工廠內(nèi) 的其它系統(tǒng)或設(shè)備的方式。通常，使得現(xiàn)場設(shè)備在過程控制系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)功能的各種通 信信道、鏈接和鏈路通常全部稱作輸入/輸出(I/O)通信網(wǎng)絡(luò)。用來實現(xiàn)I/O通信網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲和物理連接或鏈路可能對現(xiàn)場設(shè)備通信 的魯棒性或完整性具有實質(zhì)影響，尤其是在網(wǎng)絡(luò)遭受不利的環(huán)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(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場設(shè)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 更新用于每次例程迭代的過程變量。因此折衷的控制通信可能導(dǎo)致過程控制系統(tǒng)效率和/ 或收益下降，和對設(shè)備過多的磨損和損害，以及許多潛在有害故障。為了確保穩(wěn)定的通信，在歷史上過程控制系統(tǒng)中所用的I/O通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)是硬布 線式的了。但是不幸地，硬布線網(wǎng)絡(luò)帶來許多復(fù)雜性、挑戰(zhàn)和限制。例如，硬布線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量 可能隨著時間的推移而下降。此外，硬布線I/O通信網(wǎng)絡(luò)的安裝通常是昂貴的，尤其是在該 I/O通信網(wǎng)絡(luò)與分布在較大區(qū)域內(nèi)的大型工業(yè)工廠或設(shè)施有關(guān)的情況下，例如，占用數(shù)英畝 土地的煉油廠或化學(xué)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，并可 能因為布線阻抗和電磁干擾而帶來信號衰減的發(fā)生。因為這些和其它的原因，硬布線I/O 通信網(wǎng)絡(luò)通常很難再配置、修正或更新。已經(jīng)建議，可以使用無線I/O通信網(wǎng)絡(luò)來降低一些與硬布線I/O網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的困難。 例如，名為“在分布式控制系統(tǒng)中為現(xiàn)場設(shè)備提供冗余無線訪問的裝置”的第2003/0043052 號美國專利申請公開了一種利用控制器和現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)，其全文在此被引入作為參考。通常說來，由于對其它事情的可靠性考慮，對控制相關(guān)傳輸?shù)臒o線通信的可靠性 受到限制。如上所述，現(xiàn)代過程控制依靠控制器和現(xiàn)場設(shè)備間的可靠數(shù)據(jù)通信以實現(xiàn)最優(yōu) 控制級。此外，典型的控制器以很快的速率執(zhí)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(huán)境因素或其它不利條件可能創(chuàng)建間歇性干擾，這妨礙或阻止對 支持這種控制算法的執(zhí)行來說是必要的快速通信。對于過程控制中的無線通信來說，電力消耗是另一個復(fù)雜因素。從I/O網(wǎng)絡(luò)上斷 開連接，現(xiàn)場設(shè)備可能需要提供它們自己的電源。因此，現(xiàn)場設(shè)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。對于這些設(shè)備，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯?構(gòu)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(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行其它重要操作，例如感知或檢測正被測量的過程變量所采取的步驟 的過程中消耗的電能更多。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)公開內(nèi)容的一個方面，一種用于過程的控制器，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，其適于由該處理器周期性執(zhí)行并配置為對 該過程變量作出響應(yīng)以產(chǎn)生用于該過程的控制信號。該控制模塊的周期性執(zhí)行的迭代包含 和包括實施一例程，該例程配置為產(chǎn)生該控制信號的過程響應(yīng)表示。該例程進一步配置為 在該控制模塊的周期性執(zhí)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。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?yōu)榭傻玫?。所述控制模塊可包括利用所述過程響應(yīng)表示來確定所述控制信號的閉環(huán)控制方 案?？商娲蛟诖酥?，所述例程包括正反饋網(wǎng)絡(luò)以便基于所述控制信號的過往值來確定 所述過程響應(yīng)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(yīng)表
7J\ ο在某些情況下，所述例程進一步配置為根據(jù)所述過程變量的非周期性更新來實 施?？商娲蛟诖酥?，所述過程響應(yīng)表示可包括過程變量響應(yīng)表示，并且其中所述例程進 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(yīng)表示。于是所述例程 可基于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(yù)期響應(yīng)。所述例程還可基于所述過程對前次更新的預(yù)期響應(yīng)和從前 次更新以來所耗時間來確定更新的復(fù)位項。所述預(yù)期過程響應(yīng)包括一模型，該模型包括過 程或測量延遲。根據(jù)公開內(nèi)容的另一方面，一種過程控制系統(tǒng)，包括現(xiàn)場設(shè)備，其發(fā)送代表該過 程的過程變量的過程信號；和控制器，其與該現(xiàn)場設(shè)備進行通信以便通過該過程信號接收 該過程變量的更新并產(chǎn)生用于該過程的控制信號。該控制器具有處理器和適于由該處理器 周期性執(zhí)行的控制模塊。該現(xiàn)場設(shè)備根據(jù)該過程變量的改變是否已經(jīng)超出預(yù)定閾值來非周 期性地無線發(fā)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(jīng)超出了刷新時間，那么所述現(xiàn)場設(shè) 備發(fā)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(zhí)行的多個迭代期間保持由 通過所述控制模塊的周期性執(zhí)行來實施的例程所產(chǎn)生的過程響應(yīng)表示，直至所述現(xiàn)場設(shè)備 發(fā)送所述過程信號為止。所述控制模塊可包括利用所述過程響應(yīng)表示來確定所述控制信號 的閉環(huán)控制方案?？商娲蛟诖酥猓隼炭砂ㄕ答伨W(wǎng)絡(luò)以便基于所述控制信號 的過往值來確定所述過程響應(yīng)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(yīng)表示。可替代或在此之外，所述例程進一步配置為根據(jù)所述過程變量的非周 期性更新來實施。所述過程響應(yīng)表示可包括過程變量響應(yīng)表示，并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(yīng)表示。所述例程可基于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(yù)期響應(yīng)。根據(jù)本公開內(nèi)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 制例程以便基于該過程變量產(chǎn)生用于該過程的控制信號；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(chǎn)生該控制信號的過程響應(yīng)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(yīng)表示直至檢測到該過程變量的更新為止的步驟。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(zhí)行利用所述過程響應(yīng)表示來確定所述 控制信號的閉環(huán)控制方案。在某些情況下，所述過程響應(yīng)表示包括過程變量響應(yīng)表示，并且其中所述實施步 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(yīng)表示。于是所述控 制例程可包括根據(jù)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(yù)期響應(yīng)。所述控制例程實施可進一步包括基于所述過程 對前次更新的預(yù)期響應(yīng)和自從前次更新以來所耗時間來確定更新的復(fù)位項。根據(jù)本公開內(nèi)容的再另一方面，一種方法可用于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 以便基于該過程信號產(chǎn)生用于該過程的控制信號。該接收步驟非周期性地出現(xiàn)，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(yù)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(zhí)行一配置為產(chǎn)生對該控制信號的過程 響應(yīng)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(yīng)表示直至可得 到所述過程變量的更新為止。所述過程控制例程可包括利用所述過程響應(yīng)表示來確定所述 控制信號的閉環(huán)控制方案。所述過程響應(yīng)表示可包括過程變量響應(yīng)表示，并且其中所述實 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(yīng)表示 的步驟。所述實施步驟進一步包括或包含基于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(yù)期響應(yīng)。所述實施步驟可進 一步包括或包含基于所述過程對前次更新的預(yù)期響應(yīng)和從前次更新以來所耗時間來確定 更新的復(fù)位項。


參照下面詳細說明和附圖，以更完全地理解公開內(nèi)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(jù)公開內(nèi)容一個方面的過程控制系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有配置為實施 一個或多個控制例程的控制器，該例程采用通過控制器和許多現(xiàn)場設(shè)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(yīng)、以及對測量傳輸和控制迭代執(zhí)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(jù)公開內(nèi)容一個方面的過程控制系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有配置為實施
6一個或多個控制例程的控制器，該例程采用通過控制器和許多現(xiàn)場設(shè)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(jù)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(chǎn)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(zhí)行速率相比頻率更低的過 程測量的其它傳輸；圖5是根據(jù)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。由于所公開的系統(tǒng)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 (并將在后面描述的)本發(fā)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(fā)明局限于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(tǒng)和方法，它們實施通信和控制技術(shù)來支持在控制器和現(xiàn) 場設(shè)備之間，例如變送器和其它設(shè)備之間的過程控制數(shù)據(jù)的傳輸。在公開內(nèi)容的另一個方 面，所公開的技術(shù)使得過程測量和現(xiàn)場設(shè)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，這些測量是基于定時地、或周期性地獲取并發(fā)送給控制器的，以確保更新 數(shù)據(jù)對于過程控制例程的每個迭代的周期性執(zhí)行都為可用的。相反，所公開的技術(shù)允許對 這種數(shù)據(jù)進行非周期性和/或以大于控制執(zhí)行周期的間隔傳輸。結(jié)果，所公開的技術(shù)很適 于支持間歇性地或不可靠地提供的過程控制測量。非規(guī)律性或非經(jīng)常性傳輸具有優(yōu)勢是有 很多原因的，并可由許多因素、條件或過程控制系統(tǒng)或其環(huán)境的各個方面來產(chǎn)生。根據(jù)一些實施例，所公開的技術(shù)與通信方案結(jié)合利用，例如無線通信，包括在異常 報告(r印ort-by-exc印tion)基礎(chǔ)上進行的過程控制數(shù)據(jù)傳輸。在無線通信環(huán)境中的過程 控制數(shù)據(jù)的異常報告可帶來許多好處。例如，可降低在現(xiàn)場中變送器或其它現(xiàn)場設(shè)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，不同于過去的異常報告，所公開的技術(shù)支持在周期性基礎(chǔ)上執(zhí)行的過程控 制例程中所利用的數(shù)據(jù)的傳輸。并且盡管過去的警告阻止過程控制例程的執(zhí)行利用在事件 觸發(fā)基礎(chǔ)上提供的數(shù)據(jù)，但所公開技術(shù)的實踐可提供對過程控制例程的周期性執(zhí)行而不在 性能上做出有害犧牲。盡管很適于無線通信方案，并在此多次結(jié)合無線通信方案進行描述，但是所公開 技術(shù)的實踐并不局限于任何特定通信方案、環(huán)境、或協(xié)議、或任何過程控制網(wǎng)絡(luò)、架構(gòu)、控制 器或系統(tǒng)。相反，所公開的技術(shù)可應(yīng)用在任何數(shù)目的環(huán)境中，其中過程控制數(shù)據(jù)以相對于控 制例程執(zhí)行周期更不經(jīng)常地被傳送，并用于任何所需的原因。因此，下面的描述是在對所公 開的技術(shù)的實踐并不局限于以下描述的低功率或其它無線通信方案的理解下提出的?，F(xiàn)在參考圖1，過程控制系統(tǒng)10包括連接到歷史數(shù)據(jù)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?？刂破?1還通過輸入/輸出(I/O)卡26 和28連接到現(xiàn)場設(shè)備15-22。歷史數(shù)據(jù)庫12可以是具有任何所需類型的存儲器和任何所 需或現(xiàn)有軟件、硬件或固件的用于存儲數(shù)據(jù)的任何所需類型的數(shù)據(jù)收集單元。該歷史數(shù)據(jù)
7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?？刂破?1，例如示例性 地可以是費舍-柔斯芒特系統(tǒng)有限公司銷售的DeltaV控制器，通過例如以太網(wǎng)連接或任何 其它所需的通信網(wǎng)絡(luò)，通信連接到主計算機13和歷史數(shù)據(jù)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(xiàn)場設(shè)備15-22。無論在哪種情況下，任何 所需的硬件、軟件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(shè)備(當使 用硬布線時)和/或諸如FOUNDATION現(xiàn)場總線協(xié)議、HART協(xié)議之類的任何智能通信協(xié)議 有關(guān)。然而在圖1顯示的示例性實施例中，控制器11和現(xiàn)場設(shè)備15-22之間的通信包括硬 布線連接。更一般地，現(xiàn)場設(shè)備15-22可以是任何類型的設(shè)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(xié)議的任何類型的I/O設(shè)備。在 圖1所示的實施例中，現(xiàn)場設(shè)備15-18是標準4-20毫安設(shè)備，它們通過模擬線路與I/O卡 26進行通信，而現(xiàn)場設(shè)備19-22是智能設(shè)備，例如現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備，它們使用現(xiàn)場總線協(xié) 議通信通過數(shù)字總線與I/O卡28進行通信。當然，現(xiàn)場設(shè)備15-22可遵從任何其它所需的 標準或協(xié)議，包括未來開發(fā)的任何標準或協(xié)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 儲的控制回路，或與其中存儲的控制回路有關(guān)。通常說來，控制器11通過任何所需的方式 與設(shè)備15-22、主計算機13和歷史數(shù)據(jù)庫12進行通信以控制過程。應(yīng)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(xiàn)場設(shè)備來實現(xiàn)或執(zhí)行。同樣，在此描述的將在過程控制系統(tǒng)10中實施的控制例程或模塊 也可采取任何形式，包括軟件、固件以及硬件等。為了公開內(nèi)容的目的，控制模塊可以是過 程控制系統(tǒng)的任何部分或部件，包括例如存儲在任何計算機可讀媒質(zhì)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?qū)ο蟮木幊?，使用階 梯邏輯、時序功能圖表、功能塊圖表、或使用任何其它軟件編程語言或設(shè)計范例。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)、或任何其它硬件或固件元件。而且，控制例程也可以 使用任何設(shè)計工具來設(shè)計，這些設(shè)計工具包括圖形設(shè)計工具或任何其它類型的軟件/硬件 /固件編程或設(shè)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(通過稱為鏈接的通信)結(jié)合其它功能塊操作以實施過程控制系統(tǒng)10中 的過程控制回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(zhí)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(shù)測量設(shè)備有關(guān)；控制功能， 例如與執(zhí)行PID、模糊邏輯等控制的控制例程有關(guān)；或輸出功能，其控制諸如閥之類的設(shè)備 的操作以執(zhí)行過程控制系統(tǒng)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 并可在此被利用。這些功能塊可存儲在控制器11中并由控制器11執(zhí)行，這通常是在功能 塊用于或有關(guān)標準4-20毫安設(shè)備和諸如HART設(shè)備的一些類型智能現(xiàn)場設(shè)備的情況下?？?替代地或在此之外，功能塊可存儲在現(xiàn)場設(shè)備本身或者過程控制系統(tǒng)的其它控制元件內(nèi)并由這些現(xiàn)場設(shè)備或元件實施，這可以是在利用現(xiàn)場總線設(shè)備的系統(tǒng)的情況下。雖然對控制 系統(tǒng)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(shù)和系統(tǒng)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編程語言或范例來實施或 設(shè)計。如圖1的分解塊30所示的，控制器11可包括許多單回路控制例程，圖示為例程32 和34，并且如果需要的話，可以實施一個或多個高級控制回路，圖示為控制回路36。每個這 種回路通常被稱為控制模塊。該單回路控制例程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(zhí)行單回路控制，并連接到合適的模擬輸 入(Al)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(shè)備有關(guān)，可與例如溫 度和壓力變送器的測量設(shè)備有關(guān)，或可與過程控制系統(tǒng)10中的任何其它設(shè)備有關(guān)。高級控 制回路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，盡管該高級控制塊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，并可組成或包括模 型預(yù)測控制(MPC)塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建?；蚩刂茐K、多變量模糊邏輯控制塊、實時優(yōu)化塊等。應(yīng) 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(zhí)行，或可替代地，可位于 任何過程控制系統(tǒng)的任何其它處理設(shè)備或者控制元件內(nèi)并由這些設(shè)備或者元件執(zhí)行，例如 工作站13之一或現(xiàn)場設(shè)備19-22之一。現(xiàn)在參考圖2，對控制回路32、34和36中的每一個的實施，通常都適于通過對控制 例程的多個迭代40而周期性地執(zhí)行。在常規(guī)情況下，每次迭代40都由例如變送器或其它 現(xiàn)場設(shè)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(或控制回路)被設(shè)計為按照系數(shù)的2-10倍對測量進行過采樣。這種過采樣 有助于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(guī)設(shè)計指定 反饋控制應(yīng)按照比過程響應(yīng)時間快4-10倍來執(zhí)行，其在圖2中描述為加上在過程輸入中的 階躍改變44之后的過程延遲的過程時間常數(shù)。更一般地，過程響應(yīng)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(guī)設(shè)計需要，測量值通?？煊谶^程響應(yīng) 進行采樣，如圖2中所示。大體來說，所公開的技術(shù)提出了以這種高速率發(fā)送測量值的挑戰(zhàn)。例如，如上所 述，與測量有關(guān)的感知功能可能并不會消耗傳感器或變送器的大量電源，但是隨著時間的 流逝通過無線通信鏈接傳輸測量值構(gòu)成了相當大的電源消耗。即使測量和控制執(zhí)行同步， 如在基礎(chǔ)現(xiàn)場總線控制方案中那樣，計劃控制4-10倍快于過程響應(yīng)的常規(guī)方法，還會導(dǎo)致 在數(shù)據(jù)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(shù)通常支 持對傳送測量值的頻率的最小化。為此，并根據(jù)公開內(nèi)容的一個方面，所公開的技術(shù)通常將過程控制系統(tǒng)10、控制器 11、發(fā)送和其中的其它現(xiàn)場設(shè)備配置為當滿足特定條件時在非周期性基礎(chǔ)上發(fā)送新的測量 值。在一個實施例中，基于過程變量是否改變超過了預(yù)定閾值(例如，被確定為很大的總 量)來發(fā)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 幅度大于指定的分辨力(resolution)，那么將產(chǎn)生一個觸發(fā)，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(yù)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(zhí)行迭代48和50之間的過程響應(yīng))還是經(jīng)過了默認時間(例如在迭代 52和54之間的耗用時間)都會導(dǎo)致測量傳輸。用于測量傳輸?shù)乃⑿禄蚰J時間在各控制 回路之間會變化，或多或少的因為經(jīng)常的更新根據(jù)過程是否緩慢運行或快速響應(yīng)(例如由 過程時間常數(shù)所表示的)而是合適的。在一些情況下，可在調(diào)諧控制回路的過程中，基于時 間常數(shù)來作出判定，并在之后按照需要進行調(diào)節(jié)。在任何情況下，默認或刷新時間在經(jīng)過了 一段沒有測量更新的時間段之后運行為完整性檢查或撤銷。這種檢查對于例如便于將過程 變量最后驅(qū)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(xiàn)場設(shè)備仍舊以所需的速率周期 性的對測量進行采樣，例如常規(guī)的4-10倍于過程響應(yīng)時間的速率。所公開的技術(shù)然后確定 所采樣的數(shù)值是否被傳送到控制器11。圖3描述了所公開的技術(shù)用于在過程控制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)用于支持控制器11，更一般的，用于支持圖1中的過程控制 系統(tǒng)10的操作。然而在開端，應(yīng)當注意到圖1和3中顯示的硬布線連接也可利用并受益于 所公開的技術(shù)的應(yīng)用程序。例如，一個或多個硬布線設(shè)備也可依賴于有限電源或者以其它 方式受益于減少的數(shù)據(jù)傳輸。在一種示例性實例中，系統(tǒng)10可包括采樣分析器或其它設(shè)計 為以低于控制執(zhí)行速率的速度提供測量數(shù)據(jù)的采樣系統(tǒng)。還應(yīng)注意到，為便于圖示，許多無線現(xiàn)場設(shè)備被添加到過程控制系統(tǒng)10中，而現(xiàn) 場設(shè)備15-22仍然通過I/O設(shè)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(xiàn)場設(shè)備15-22也可以或可選的根據(jù)所公開的技術(shù)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(shù)通常包括對由變送器60-64所測 量或感知的數(shù)據(jù)的無線傳輸。該無線通信可使用所需的裝置來建立，包括硬件、軟件、固件 或現(xiàn)在已知的它們的組合或以后開發(fā)的。該實施例的示例性設(shè)備由連接到并專屬于變送器 60的天線65和具有用來共同處理用于變送器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(gòu)成控制傳感器和控制室之間的單獨鏈路， 并因此對于發(fā)送準確的信號到控制網(wǎng)絡(luò)以確保產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量不被折衷來說是可靠的。因 此經(jīng)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(tǒng)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(shè)備68和70，其分別 具有天線72和74。更一般的，所公開技術(shù)的實踐并不局限于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(fā)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回路或例程中。一般說來，控制器11可 包括用于支持這種無線通信，更具體地說，是用于接收過程信號的許多元件。這些元件可包 括或構(gòu)成例如存儲在存儲器24中的軟件例程或位于控制器11中其它地方的硬件或固件。 在任何情況中，接收無線通信的方式(例如解調(diào)、解碼等)可采取任何所需的形式，并在這 里將僅被大體提出。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。然后檢測例程82可產(chǎn)生標記或其它 信號，來表示正通過通信棧80提供的數(shù)據(jù)包括一個新的測量值或測量更新。然后該新的數(shù) 據(jù)和更新標記可提供給一個或多個控制模塊84，以如上結(jié)合圖1大致所示的例程以及如在
10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(shè)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件、軟件、固件 或任何它們組合，并可包括任何適于比較過程變量的數(shù)值的例程。上面描述的用于無線(或其它)變送器的通信技術(shù)通常會帶來非周期性、不規(guī)律 的或者是其它方式的非經(jīng)常的數(shù)據(jù)傳輸。然而，從現(xiàn)場到控制器11的測量值的傳輸常規(guī)上 被構(gòu)建為以周期性的方式來報告，以支持控制例程的周期性執(zhí)行。換句話說，控制例程通常 被設(shè)計為并依賴于測量值的周期性更新。為適應(yīng)非周期性的測量更新，所公開內(nèi)容的另一方面通常用于修正或重建控制例 程。通過這種方式，過程控制系統(tǒng)10可依賴于非周期性或比控制執(zhí)行周期發(fā)生更不經(jīng)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(zhí)行，所公開的技術(shù)通常 支持對過程變量測量的異常報告形式?？刂圃O(shè)計中的潛在假設(shè)(例如，使用ζ變換、差分方程式等)和控制例程的數(shù)字化 實施，例如比例-積分-微分(PID)控制，是算法在周期性基礎(chǔ)上被執(zhí)行的。如果測量沒有 更新，那么諸如例程的積分(或復(fù)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(xù)使用上次的、過期的測量值進行執(zhí)行，那么輸出將基于復(fù)位調(diào)諧以及上次測 量值與定點之間的誤差來繼續(xù)移動。另一方面，如果控制例程僅在傳送新的測量的時候執(zhí) 行，那么對于定點改變的控制響應(yīng)和根據(jù)測量的干擾的前饋動作可能被延遲?？刂评踢€ 可包括基于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(jīng)常性的 測量傳輸，基于控制執(zhí)行周期(即自從上次迭代以來的時間)來計算復(fù)位項，可能導(dǎo)致過程 可變化性提高?？紤]到以上問題，并為了當測量值未在周期性基礎(chǔ)上更新時提供準確和響應(yīng)的控 制，在此所公開的通常是基于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(shù)。在一些情況中，控制例程可基于自從上次測量更新以來所所需的過程響應(yīng)來根據(jù)所公 開技術(shù)而被重建。圖4示出了根據(jù)所公開技術(shù)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(yīng)，控制器11的部件102配置為提供結(jié)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?？傮w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(tǒng)10中或與過程控制系統(tǒng)10通信的任何其它來源接收定點，以產(chǎn) 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(jīng)受在104示意性圖示的 測量的或未測量的干擾。如上所述，過程輸入信號可控制與閥或任何其它現(xiàn)場設(shè)備有關(guān)的 執(zhí)行器以影響過程操作中的響應(yīng)。對過程輸入信號中的改變的過程響應(yīng)由變送器、傳感器 或其它現(xiàn)場設(shè)備106測量或感知，這些設(shè)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(yīng)。結(jié)果，變送器106和控制器11之間的通信鏈接(用虛線表示)可包括無線連 接?？商娲鼗虺酥猓绻枰脑?，該通信可包括硬布線連接，由于它間歇性地可用 或可操作，所以可受益于所公開的技術(shù)。在該示例性實例中，控制器11實施單閉環(huán)控制例程，例如PI控制例程。因此，控 制回路包括多個標準PI控制方案元件，其包括用于將定點與過程變量數(shù)據(jù)做比較的求和
11點108 ；比例增益元件110 ；用于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(shù)的該實施例還利用修正濾波 器116來提供對控制信號的預(yù)期過程響應(yīng)的指示。在該示例性實例中，所預(yù)期的過程響應(yīng) 近似為一階并由包括在正反饋回路中確定PI控制方案的積分項的修正濾波器來實現(xiàn)。更 一般地，在控制實施中使用的預(yù)期過程響應(yīng)可由任何過程模型來提供，并且并不局限于結(jié) 合在正反饋回路、濾波器或積分或復(fù)位項中。例如，利用模型來提供預(yù)期控制響應(yīng)的控制可 合并微分項，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(guī)復(fù)位或積分項不同。作為背景技術(shù)，常規(guī)PI控
制器可使用正反饋網(wǎng)絡(luò)來實施以確定復(fù)位項。從數(shù)學(xué)上可以看出，用于常規(guī)實施的傳遞函
數(shù)等于用于無約束控制，即輸出無限制的標準公式。 O(s) ρ n 1 權(quán)利要求
一種過程控制系統(tǒng)，用于基于接收到過程的過程變量值的非周期性更新來控制該過程，該過程控制系統(tǒng)包括計算機可讀介質(zhì)；以及存儲在該計算機可讀介質(zhì)上待由處理器執(zhí)行的控制模塊例程，該控制模塊例程在被執(zhí)行時，響應(yīng)于該過程變量值的更新而產(chǎn)生用于控制該過程的控制信號，該控制模塊例程包括第一例程，執(zhí)行以響應(yīng)于接收到該過程變量值的新接收到的更新，確定在該過程變量值的前次更新與該過程變量值的新接收到的更新之間所耗時間，第二例程，執(zhí)行以利用上個控制信號和在該過程變量值的前次更新與該過程變量值的新接收到的更新之間所耗時間來產(chǎn)生反饋控制分量，以及第三例程，執(zhí)行以將所述反饋控制分量合并到根據(jù)該過程變量的設(shè)定點值與該過程變量的新接收到的更新值確定的誤差分量上，以產(chǎn)生所述控制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其中所述第二例程執(zhí)行以在自從所述控制模塊 例程的前次執(zhí)行循環(huán)以來尚未接收到該過程變量的新更新值時，保持所述反饋控制分量不 變。
3.如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其中所述第二例程執(zhí)行以將所述反饋控制分量 確定為積分控制分量。
4.如權(quán)利要求1所述的過程控制系統(tǒng)，其中所述第二例程執(zhí)行以將所述反饋控制分量 確定為在該過程變量值的前次更新與該過程變量的新接收到的更新值之間所耗時間與復(fù) 位時間的比率的函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及在無線和其他過程控制系統(tǒng)中的非周期控制通信。一種控制器包括處理器；和控制模塊，適于由處理器周期性執(zhí)行并配置為對過程變量作出響應(yīng)以產(chǎn)生用于該過程的控制信號?？刂颇K周期性執(zhí)行的迭代包含實施產(chǎn)生該控制信號的過程響應(yīng)表示的例程。該例程進一步在該控制模塊的周期性執(zhí)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。在某些情況下，過程變量的更新通過無線傳輸過程信號而變?yōu)榭傻玫健Ｔ谶@些和其它情況下，該控制器可包括在包括現(xiàn)場設(shè)備的過程控制系統(tǒng)中，以根據(jù)該過程變量的改變是否已超出預(yù)定閾值來非周期性地無線發(fā)送過程信號。在某些實施例中，若從前次傳輸以來已超出刷新時間，則現(xiàn)場設(shè)備還發(fā)送過程信號。
文檔編號G05B19/418GK101963809SQ20101051454
公開日2011年2月2日 申請日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月25日
發(fā)明者格雷戈里·K·麥克米倫, 特瑞思·L·貝利文斯, 陳德基, 馬克·J·尼克松 申請人:費舍-柔斯芒特系統(tǒng)股份有限公司