過程現(xiàn)場設備、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種傳感系統(tǒng)，包括濾波器構(gòu)造模塊，其構(gòu)造用于對表示過程變量的傳感器值進行濾波的高通濾波器，濾波器構(gòu)造模塊基于表示產(chǎn)生所述傳感器值的傳感器的溫度的溫度值設置濾波器的參數(shù)的值。還提供了一種過程現(xiàn)場設備和控制系統(tǒng)。
【專利說明】過程現(xiàn)場設備、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及工業(yè)過程的控制，并且具體地，涉及歸一化過程動態(tài)的過程現(xiàn)場 設備、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]在過程工廠中，氣體和液體被發(fā)送通過各種管道和儲罐。為了控制工廠的運作，必 須監(jiān)控在工廠的各個部分中的液體和氣體的當前狀態(tài)，以及例如閥和燃燒器之類的受控裝 置的狀態(tài)。被監(jiān)控以確定這些狀態(tài)的變量統(tǒng)稱為過程變量，并且可以包括壓力、壓差、溫度、 罐的液位、閥的位置等等。使用產(chǎn)生表示過程變量的電信號的一個或多個傳感器來確定這 些過程變量。因為過程工廠是動態(tài)的，為過程變量產(chǎn)生的電信號也是動態(tài)的，而且往往隨著 時間的推移顯著變化。
[0003] 在過去，濾波已被用于去除或抑制過程信號中的變化。最近，統(tǒng)計過程監(jiān)控（SPM) 已被引入，其中，過程變量的動態(tài)被用作過程變量的狀態(tài)的量度。根據(jù)SPM，過程變量信號的 中值或平均值可以被確定為代表過程變量本身，而標準偏差或變量系數(shù)可以計算出來，以 提供過程變量的動態(tài)性質(zhì)的量度。
[0004] 有些過程變量具有正常變化量或正常標準偏差。當標準偏差增加高于或明顯低于 標準偏差的正常量時，這可以表示在過程工廠的一部分中的異常情況。例如,如果壓差傳感 器的標準偏差下降，這可以表示堵塞的脈沖管線。
[0005] 一般是由現(xiàn)場設備內(nèi)的電子元件，例如定位在過程環(huán)境內(nèi)的傳感器、變送器和閥 控制器，確定統(tǒng)稱為SPM數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值。這些現(xiàn)場設備可以被配置為在SPM的數(shù)據(jù)超過表 示異常操作的閾值時產(chǎn)生警報。這些警報被發(fā)送到主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)可以使警報對于操 作者可見。可代替地，現(xiàn)場設備可以通過數(shù)字通信協(xié)議發(fā)送SPM數(shù)據(jù)到主機系統(tǒng)。主機系 統(tǒng)可以被配置為當SPM數(shù)據(jù)跨過多個閾值時產(chǎn)生警報。此外，可以在主機系統(tǒng)處對SPM數(shù) 據(jù)上進行多變量統(tǒng)計分析。 實用新型內(nèi)容
[0006] 一種過程現(xiàn)場設備，包括提供表示過程變量的信號的傳感器和提供表示該傳感器 的溫度的信號的溫度傳感器。轉(zhuǎn)換器電路用于將傳感器信號轉(zhuǎn)換成傳感器值和將溫度傳感 器信號轉(zhuǎn)換成溫度值。處理器實現(xiàn)對傳感器值進行濾波以生成濾波傳感器值，并執(zhí)行從濾 波傳感器值計算統(tǒng)計值的統(tǒng)計過程監(jiān)控指令，其中數(shù)字濾波器是隨溫度變化的，使得該濾 波器隨著溫度值變化而變化。
[0007] 在上述過程現(xiàn)場設備中，處理器可以通過將溫度值應用于一方程式來構(gòu)造所述數(shù) 字濾波器，所述方程式是通過將一曲線與多個參數(shù)值相擬合確定的，所述多個參數(shù)值是為 針對多個溫度值而構(gòu)造的多個濾波器確定的。
[0008] 在上述過程現(xiàn)場設備中，處針對多個溫度值構(gòu)造的所述多個濾波器中的每一個可 以被構(gòu)造成用于產(chǎn)生目標頻率響應。
[0009]在上述過程現(xiàn)場設備中，處目標頻率響應可以包括已被濾波的傳感器值的標準偏 差的頻率響應。
[0010] 在上述過程現(xiàn)場設備中，處目標頻率響應可以包括與模型傳感器相關聯(lián)的頻率響 應，所述模型傳感器在與傳感器不同的范圍中并且在選定的溫度處操作。
[0011]在上述過程現(xiàn)場設備中，處所述目標頻率響應可以包括在所有溫度處都具有恒定 頻率響應的模型傳感器的頻率響應。
[0012] 一種傳感系統(tǒng)包括構(gòu)造濾波器的濾波器構(gòu)造模塊，所述濾波器用于對表示過程變 量的傳感器值進行濾波，濾波器構(gòu)造模塊基于溫度值設定用于濾波器的參數(shù)的值，所述溫 度值表示傳感器的產(chǎn)生所述傳感器值的溫度。
[0013] 在上述傳感系統(tǒng)中，濾波器構(gòu)造模塊可以通過將溫度值應用于一方程式來設定用 于參數(shù)的值，所述方程式是通過將一曲線與多個參數(shù)值相擬合確定的，所述多個參數(shù)值是 為針對多個溫度值而構(gòu)造的多個濾波器確定的。
[0014] 在上述傳感系統(tǒng)中，針對多個溫度值構(gòu)造的所述多個濾波器中的每一個可以被構(gòu) 造成用于產(chǎn)生目標頻率響應。
[0015] 在上述傳感系統(tǒng)中，目標頻率響應可以包括已被濾波的傳感器信號的標準偏差的 頻率響應，其中傳感器信號由在與傳感器相同的范圍內(nèi)并且在選定的溫度處操作的模型傳 感器產(chǎn)生。
[0016] 在上述傳感系統(tǒng)中，目標頻率響應可以包括已被濾波的傳感器信號的標準偏差的 頻率響應，其中傳感器信號由在與傳感器不相同的范圍內(nèi)并且在選定的溫度處操作的模型 傳感器產(chǎn)生。
[0017] 在上述傳感系統(tǒng)中，目標頻率響應可以包括已被濾波的傳感器信號的標準偏差的 頻率響應，其中傳感器信號由在全部溫度處都具有恒定頻率響應的模型傳感器產(chǎn)生。
[0018] 在進一步的實施例中，一種控制系統(tǒng)包括隨溫度變化的濾波器，該響應于溫度值 對一系列傳感器值進行濾波以產(chǎn)生濾波后的值?？刂葡到y(tǒng)進一步包括統(tǒng)計過程監(jiān)控單元， 該統(tǒng)計過程監(jiān)控單元從所述濾波后的值確定統(tǒng)計值，并且在統(tǒng)計值超過閾值時發(fā)出警報。
[0019] 在上述控制系統(tǒng)中，濾波器可以包括隨溫度變化的濾波器，所述隨溫度變化的濾 波器可以是通過將溫度值應用到相應的方程式而被構(gòu)造成的，每個方程式限定該濾波器的 單獨的參數(shù)。
[0020] 在上述控制系統(tǒng)中，每個方程式可以是通過將一曲線與在不同溫度處確定的濾波 器參數(shù)的多個值相擬合而構(gòu)造成的。
[0021] 在上述控制系統(tǒng)中，統(tǒng)計值的目標頻率響應還可以匹配從由在選定的溫度處操作 的傳感器產(chǎn)生的傳感器值產(chǎn)生的統(tǒng)計值的頻率響應。
[0022] 在上述控制系統(tǒng)中，統(tǒng)計值的目標頻率響應可以包括至少部分地由在與產(chǎn)生該系 列傳感器值的傳感器不同的范圍內(nèi)操作的傳感器產(chǎn)生的頻率響應。
[0023] 在上述控制系統(tǒng)中，統(tǒng)計值的目標頻率響應可以包括至少部分地由與產(chǎn)生該系列 傳感器值的傳感器不同地制造的傳感器產(chǎn)生的頻率響應。
[0024] 在一種方法中，調(diào)整用于隨溫度變化的濾波器參數(shù)的系數(shù)。接收傳感器信號和溫 度信號，并且使用隨溫度變化的濾波器參數(shù)和溫度信號構(gòu)造濾波器。將傳感器信號應用到 濾波器以產(chǎn)生濾波信號，并且從濾波信號產(chǎn)生統(tǒng)計值。當統(tǒng)計值超過閾值時警報被激活。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是過程工廠的框圖。
[0026]圖2是由三個變送器產(chǎn)生的原始壓差傳感器信號的曲線圖。
[0027] 圖3是圖2的壓差信號的標準偏差的曲線圖。
[0028]圖4針對壓差傳感器的各種溫度提供作為頻率的函數(shù)的標準偏差的曲線圖。 t〇〇29] 圖5在不同溫度處針對已經(jīng)由高通差分濾波器濾波的壓差信號提供作為頻率的 函數(shù)的標準偏差的曲線圖。
[0030] 圖6針對壓差傳感器的操作范圍的集合提供作為頻率的函數(shù)的標準偏差的曲線 圖。
[0031] 圖7針對由高通差分濾波器濾波的壓差傳感器信號的操作范圍的集合提供作為 頻率的函數(shù)的標準偏差的曲線圖。
[0032] 圖8是在現(xiàn)場設備和工作站中用于實現(xiàn)各種實施例的電路元件的框圖。
[0033] 圖9是用于實現(xiàn)各種實施例的軟件元件的框圖。
[0034] 圖10是構(gòu)造和使用高通濾波器的方法的流程圖。
[0035] 圖11是用于壓差信號的標準偏差的目標頻率響應的曲線圖。
[0036] 圖12是用于壓差信號的標準偏差的第二目標頻率響應的曲線圖。
[0037] 圖13提供作為溫度的函數(shù)的濾波器參數(shù)bQ的曲線圖。
[0038] 圖14提供作為溫度的函數(shù)的濾波器參數(shù)h的曲線圖。
[0039] 圖15提供作為溫度的函數(shù)的濾波器參數(shù)b2的曲線圖。

【具體實施方式】
[0040] 圖1圖示用于描述一個方式的目的的過程工廠的一部分50,在所述方式中，可以 由與異常情況預防系統(tǒng)35相關聯(lián)的部件執(zhí)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集和處理以及在一些情況下進行 異常情況檢測。該異常情況預防系統(tǒng)包括配置和數(shù)據(jù)采集應用程序38、可以包括統(tǒng)計數(shù)據(jù) 收集和處理模塊的觀看或界面應用程序40、以及規(guī)則引擎開發(fā)和執(zhí)行應用程序42。情況預 防系統(tǒng)35還存儲統(tǒng)計過程監(jiān)控數(shù)據(jù)庫43,統(tǒng)計過程監(jiān)控數(shù)據(jù)庫43存儲從各種過程參數(shù)生 成的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
[0041] 在圖1中圖示的過程工廠的該部分50包括分布式過程控制系統(tǒng)54,分布式過程 控制系統(tǒng)54具有通過輸入/輸出（I / 〇)卡或設備68和70連接到一個或多個現(xiàn)場設備 64和66的一個或多個過程控制器60,所述輸入/輸出（I / 0)卡或設備68和70可以是 符合任何所需的通信或控制器協(xié)議的任何期望類型的I / 〇設備?，F(xiàn)場設備64被圖示為 HART現(xiàn)場設備，并且現(xiàn)場設備66圖示為Fieldbus現(xiàn)場設備，雖然這些現(xiàn)場設備可以使用任 何其他期望的通信協(xié)議，并且例如可以通過諸如以太網(wǎng)、光纖和無線HART?之類的有線或 無線通信結(jié)構(gòu)進行通信。此外，例如，現(xiàn)場設備64和66可以是任何類型的設備，如傳感器、 閥、變送器、定位器等，并且可以符合任何期望的開放的、專有的或其他通信或編程協(xié)議，可 以理解，I / 0設備68和70必須與由現(xiàn)場設備Μ和66所使用的目標協(xié)議兼容。
[0042] 在任何情況下，可以由諸如配置工程師、過程控制操作者、維護人員、工廠管理者、 監(jiān)督者等工廠人員訪問的一個或多個用戶界面或計算機72和74 (其可以是任何類型的個 人計算機、工作站等）通過線路或總線76被連接到過程控制器60,可以使用任何期望的硬 連線或無線通信結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)通信，并且例如使用諸如以太網(wǎng)協(xié)議的任何期望的或合適的通 信協(xié)議。此外，數(shù)據(jù)庫78可以連接到通信總線76以作為數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)運行，該數(shù)據(jù)記錄系 統(tǒng)收集并存儲配置信息以及在線過程變量數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和與在過程工廠10中 的過程控制器60和現(xiàn)場設備64和66相關聯(lián)的其它數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)庫78可以作為配置數(shù) 據(jù)庫運行以存儲當前配置，包括過程配置模塊，以及如被下載并被存儲在過程控制器60以 及現(xiàn)場設備64和66內(nèi)的用于在過程控制系統(tǒng)54的控制配置信息。同樣地，數(shù)據(jù)庫78可 以存儲歷史異常情況預防數(shù)據(jù)，包括由在過程工廠內(nèi)的現(xiàn)場設備64和66收集和/或產(chǎn)生 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或從由現(xiàn)場設備64和66收集的過程變量確定的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
[0043] 雖然過程控制器60、I / 0設備68和70以及現(xiàn)場設備64和66通常定位在有時 惡劣的工廠環(huán)境內(nèi)并且分布在有時惡劣的整個工廠環(huán)境中，但工作站72和74以及數(shù)據(jù)庫 78通常定位在方便操作者、維修人員等訪問的控制室、維修室或其他較少惡劣的環(huán)境下。 [0044] 一般來說，過程控制器60存儲并執(zhí)行使用多個不同的、獨立地執(zhí)行的控制模塊或 部件實現(xiàn)控制策略的一個或多個控制器應用程序。每個控制模塊可以由通常稱為函數(shù)塊的 模塊構(gòu)成，其中每個函數(shù)塊是整個控制程序的一部分或子程序，并且與其他函數(shù)塊一起操 作（通過稱為鏈路的通信），以在過程工廠內(nèi)實現(xiàn)過程控制回路。如眾所周知的那樣，函數(shù) 塊（其可以是在面向?qū)ο蟮木幊虆f(xié)議中的對象），典型地執(zhí)行如與變送器、傳感器或其他過 程參數(shù)測量裝置相關聯(lián)的輸入功能、如與執(zhí)行PID、模糊邏輯等控制相關聯(lián)的控制功能、或 控制諸如閥之類的一些設備的操作以在過程工廠內(nèi)執(zhí)行某些物理功能的輸出功能中的一 個。當然，存在混合的和其他類型的復雜函數(shù)塊，如模塊預測控制器（MPC)、優(yōu)化器等?？梢?理解的是，雖然Fieldbus協(xié)議和Del aTM系統(tǒng)協(xié)議使用被以面向?qū)ο蟮木幊虆f(xié)議設計和實 施的控制模塊和函數(shù)塊，但控制模塊可以使用任何期望的控制編程方案設計，包括例如，順 序函數(shù)塊、梯形邏輯等，并且不僅限于被設計成使用函數(shù)塊或任何其他特定編程技術設計。 [0045] 如圖1所示，維護工作站74包括處理器74A、存儲器74B和顯示裝置74C。存儲器 74B以如下方式存儲異常情況預防應用程序38,40和42 :這些應用程序可以在處理器74A 中被執(zhí)行以通過顯示屏74C (或任何其它顯示裝置，例如打印機）將信息提供給用戶。
[0046] 另外，如圖1所示，一些現(xiàn)場設備64和66(并且可能是全部）包括數(shù)據(jù)收集和 處理部件80和82。同時，部件80和82關于圖1被描述為超前診斷部件（ADBS)，該超前 診斷部件是可以添加到現(xiàn)場總線設備以收集和過程在現(xiàn)場總線設備中的過程統(tǒng)計數(shù)據(jù)的 Foundation Fieldbus功能部件，為了本討論的目的，部件80和82可以是或可以包括任何 其他類型的部件或定位在過程裝置內(nèi)的模塊，其收集設備數(shù)據(jù)并計算或確定用于該數(shù)據(jù)的 一個或多個統(tǒng)計測量值或參數(shù)，無論這些部件是否定位在Foundation Fieldbus設備中或 符合Fieldbus協(xié)議。雖然圖1的部件80和82被圖示為定位在一個設備64中和一個設備 66中，但這些或類似的模塊可以定位在任意數(shù)量的現(xiàn)場設備64和66中，可以定位在諸如控 制器60、1 / 0設備68,70之類的其它設備中，定位在位于工廠內(nèi)并且與多個傳感器或變送 器通信以及與控制器60通信的中間設備中，或者定位在工作站72或74中。此外，部件80 和82可以位于設備64和66的任意子集中。
[0047] 一般來說，部件80和82或這些部件的子元件收集諸如過程變量數(shù)據(jù)之類的數(shù)據(jù)， 并且對該數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理或分析。例如，部件80包括一組四個統(tǒng)計過程監(jiān)控（SPM)部件 或單元SPM1-SPM4,其可以收集過程變量或其它數(shù)據(jù)并且對所收集的數(shù)據(jù)執(zhí)行一個或多個 統(tǒng)計計算以確定，例如，所收集的數(shù)據(jù)的均值、中值、標準偏差、均方根（RMS)、變化速度、范 圍、最小值和最大值等，和/或檢測收集到的數(shù)據(jù)中的諸如偏移、偏置、噪音、尖峰等事件。 所生成的具體的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或者生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方法都不是至關重要的。因此，可以額外地或代 替地產(chǎn)生以上描述的特定類型的不同類型的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。此外，各種技術，包括公知的技術， 可以用來產(chǎn)生這樣的數(shù)據(jù)。術語統(tǒng)計過程監(jiān)控（SPM)部件在本文中用于描述對至少一個過 程變量或其他過程參數(shù)執(zhí)行統(tǒng)計過程監(jiān)控的功能性，并且可以通過在該設備內(nèi)或者甚至在 為其收集數(shù)據(jù)的設備外的任何期望的軟件、固件或硬件來執(zhí)行。
[0048] 作為另一個例子，圖1中的被圖示為與變送器82相關的部件82,包括一組四個 SPM部件或單元SPM1-SPM4, SPM部件或單元SPM1-SPM4可以收集變送器內(nèi)的過程變量或其 它數(shù)據(jù)，并且對所收集的數(shù)據(jù)執(zhí)行一個或多個統(tǒng)計計算，例如用于確定所收集的數(shù)據(jù)的平 均值、中值、標準偏差等。雖然部件80和82中的每一個被示為包括4個SPM部件，但在這 些部件80和82中可以具有任何其他數(shù)量的用于收集數(shù)據(jù)和確定與該數(shù)據(jù)相關的統(tǒng)計測 量值的SPM郃件。雖然本文所討論的SPM部件可以是已知的Foundation FieldbusSPM模 塊，但術語統(tǒng)計過程監(jiān)控（SPM)部件在本文中用于指示收集數(shù)據(jù)（如過程變量數(shù)據(jù)）并且 對該數(shù)據(jù)進行一些統(tǒng)計過程以確定統(tǒng)計測量值，如平均值、標準偏差等的任何類型的部件 或元件。因此，這個術語旨在涵蓋軟件或固件或執(zhí)行此功能的其他元件，無論這些元件是 否是功能塊的形式或其他類型的塊、程序、例程或元件，無論這些元件是否符合Foundation Fieldbus 協(xié)議或其他一些協(xié)議，如 PR〇FIBUS、WORLDFIP、Device-Net (設備-網(wǎng)絡）、AS-接 口、HART、CAN 等協(xié)議。
[0049] 現(xiàn)場設備內(nèi)的SPM模塊的參數(shù)可以通過總線或通信網(wǎng)絡76和控制器60被提供給 諸如工作站74的外部客戶端。另外地或代替地，通過部件80和82內(nèi)的SPM模塊所收集或 生成的參數(shù)等信息例如可以通過通信服務器89提供給工作站74。這種連接可以是無線連 接、硬連線連接、間歇性連接（如使用一個或多個手持設備的連接），或使用任何期望的或 合適的通信協(xié)議的任何其他期望的通信連接。當然，本文描述的任何通信連接可以使用通 信服務器，以將從不同類型設備接收到的數(shù)據(jù)以共同的或一致的格式整合。
[0050] 在當前基于SPM的設施中，通過設置用于諸如中值/平均值和標準偏差的各種 SPM參數(shù)的閾值，設置警報。已經(jīng)知道，被設置成在不同的檢測范圍內(nèi)操作的現(xiàn)場設備應該 使用不同的閾值用于其警報極限。在一般情況下，在用于檢測過程變量的值的較小的變化 的范圍內(nèi)操作的傳感器應具有比在較大的范圍內(nèi)操作的傳感器小的警報極限。
[0051] 本實用新型人進一步發(fā)現(xiàn)，為了充分利用SPM的優(yōu)勢，變送器溫度、范圍和制造過 程可變性的影響一己脈沖管線溫度的影響應該被最小化。這將在不同操作條件下提供更多 可重復的測量值和更好的SPM警報。
[0052] 圖2示出用于三個單獨的變送器的原始壓差傳感器信號的例子。圖3示出圖2的 壓差傳感器信號中的每一個的標準偏差。如圖3所示，在變送器3與變送器1和2之間的 標準偏差的變化是在火焰不穩(wěn)定點300期間相當大，變送器3具有明顯低于變送器1和2 的峰值304標準偏差峰值302。因此，圖3示出在在相同范圍內(nèi)并且在相同的溫度處操作的 變送器之間存在標準偏差變化。
[0053] 標準偏差值還受導管或容器內(nèi)的過程中變化的頻率影響。在較高頻率處，傳感器 不能足夠快速響應來檢測過程變量中的變化，并且作為結(jié)果，在較高頻率處的過程信號的 標準偏差趨于下降。換句話說，標準偏差具有非恒定的頻率響應。另外，標準偏差的頻率響 應隨著傳感器的溫度變化。在一般情況下，在傳感器較冷時傳感器更慢地響應，導致在所有 頻率范圍內(nèi)在較低溫度處具有較低的標準偏差。
[0054] 圖4提供在壓差傳感器在一組溫度處的標準偏差的頻率響應的曲線圖。在圖4 中，頻率被顯示沿著水平軸線400并且壓差的標準偏差被顯示沿著垂直軸線402。頻率響 應曲線404,406,408,410和412分別地表示壓差傳感器在185° F，130° F，75° F，20° F 和-40° F處的標準偏差的頻率響應。圖4還示出理想標準偏差414,其表示幅值為1的正 弦波的標準偏差。這個理想的標準偏差對于全部頻率和溫度具有0.71的值。
[0055] 由傳感器所產(chǎn)生的標準偏差的頻率響應是不希望的，因為其在0Hz處具有明顯大 的值。因為這一點，如果標準偏差的頻率響應被直接使用，在過程中的階躍變化會觸發(fā)警 報，因為標準偏差對這種階躍變化會強烈地響應。為了避免這種情況，本領域已經(jīng)在計算標 準偏差之前對傳感器信號采用高通濾波器，以使標準偏差的頻率響應在0赫茲處為0。
[0056] 圖5提供在不同的溫度處的濾波后的傳感器信號的標準偏差的曲線圖。在圖5中， 頻率沿著水平軸線500被顯示，高通濾波后的標準偏差值沿著垂直軸線502被顯示。在圖5 中，曲線504、506、508、510和512分別表示在185、130、75、20和-40華氏度處操作的傳感 器的濾波信號的標準偏差的頻率響應。如從圖5可以看出，即使在應用高通濾波器之后，標 準偏差的頻率響應顯著地根據(jù)傳感器的溫度變化。其結(jié)果是，難以為其中傳感器的溫度可 能正改變或其中類似的傳感器在不同的操作溫度下用在處理工廠中的環(huán)境中的標準偏差 設置警報。
[0057]圖6和7示出由于壓差傳感器的操作范圍中的變化引起的壓差傳感器信號的標準 偏差的頻率響應的變化。在圖6中，沿著水平軸線600顯示頻率和沿著垂直軸線602顯示 標準偏差。曲線6〇4, 6〇6和6〇8分別提供用于在范圍0、范圍1和范圍2處操作的傳感器 的標準偏差的頻率響應。如在圖6中可以看到，當在不同的范圍內(nèi)操作時，壓差傳感器具有 顯著不同的標準偏差頻率響應。圖7提供圖6的當信號在標準偏差被確定之前由高通差分 濾波器濾波時的頻率響應的曲線。在圖7中，沿著水平軸線700顯示頻率和沿著垂直軸線 702顯示標準偏差值。曲線704,706和708提供由分別地在范圍0、范圍1和范圍2處操作 的傳感器產(chǎn)生的濾波信號的標準偏差的頻率響應。如圖7所示，濾波信號的標準偏差的頻 率響應對于在不同范圍處操作的壓差傳感器是明顯不同的。
[0058]本文描述的實施例提供被設計成用于歸一化標準偏差的頻率響應以除去由于溫 度、傳感器范圍和制造變化性引起的變化的動態(tài)高通濾波器。通過歸一化標準偏差的頻率 響應，在此描述的實施例使得能夠針對在不同的溫度處、在不同范圍處操作的傳感器和針 對被以不同方式制造的傳感器設置共同的標準偏差警報閾值。
[0059] 根據(jù)本實用新型的實施例，圖8示出圖1的設備64和工作站74的電路。設備64 被顯示為包括傳感器模塊232和電路模塊234。傳感器模塊232包括傳感器246、模擬電子 元件和傳感器處理器電子元件。設備電路模塊234包括輸出電子元件。在傳感器模塊232 中的模擬電子元件包括調(diào)節(jié)電路252、轉(zhuǎn)換器電路 254和鉑電阻溫度計（PRT) 256。傳感器 處理器電子元件包括傳感器微處理器258、存儲器26〇和時鐘262。輸出電子元件包括輸出 微處理器264、存儲器266以及通信電路268。工作站74包括微處理器270、輸入裝置272、 輸出裝置274、存儲器276、外圍設備278和通信接口 280。電源222提供電力給工作站74 以及通過工作站74提供電力給設備64。
[0060] 在本實施例中，例如，傳感器246傳感過程變量，例如靜壓力、壓差、溫度、和閥位 置。雖然為簡單起見，僅僅示出單個傳感器，但設備64可以具有多個不同傳感器。來自傳感 器246的模擬輸出被發(fā)送到放大和調(diào)節(jié)（如濾波）信號的調(diào)節(jié)電路252。變換器電路254 將由傳感器246生成模擬信號轉(zhuǎn)換成可由微處理器258使用的數(shù)字信號。如圖8所示，轉(zhuǎn) 換器電路包括電壓-數(shù)字（V / D)轉(zhuǎn)換器和電容-數(shù)字（C / D)轉(zhuǎn)換器兩者。PRT256提 供表示鄰近傳感器246的溫度的溫度信號給轉(zhuǎn)換器電路254,以便可以針對溫度變化對傳 感器信號進行補償。微處理器258從轉(zhuǎn)換器電路254接收被數(shù)字化并且被調(diào)節(jié)的傳感器信 號，包括來自PRT256的數(shù)字化溫度信號。微處理器258針對傳感器具體誤差和非線性使用 存儲在存儲器260中的校正常數(shù)來補償和線性化傳感器信號。時鐘262為微處理器258提 供時鐘信號。數(shù)字化、補償和校正的傳感器信號然后被傳送到微處理器264。
[0061] 微處理器264分析傳感器信號來確定過程狀態(tài)。特別地，存儲器266 (其可以是非 易失性隨機存取存儲器（NVRM))包括其中存儲算法系數(shù)的查找表，所述算法系數(shù)用于基于 檢測到的過程變量的幅值確定諸如質(zhì)量流量之類的過程狀態(tài)的特定值。此外，諸如承載過 程流體的管道的類型和孔直徑以及過程流體的粘性和密度之類的硬件參數(shù)和過程流體參 數(shù)通過控制回路218被上傳到存儲器266。在其它實施例中，涉及硬件參數(shù)和流體參數(shù)的數(shù) 據(jù)通過用戶界面（圖8中未表示）被直接輸入變送器264。此外，過程流體參數(shù)也可以是過 程變量的函數(shù)，使得各種過程流體參數(shù)被存儲在查找表中并且基于其它流體參數(shù)和檢測到 的過程變量被選擇。
[0062] 微處理器264使用硬件參數(shù)、過程流體參數(shù)、檢測到的過程變量和算法系數(shù)執(zhí)行 運行時計算。運行時計算評估過程條件方程式，以確定過程條件或流體狀態(tài)，如質(zhì)量流量。 表示計算出的過程條件的過程條件信號和傳感器信號使用通信電路268在控制回路218 上被發(fā)送到工作站74。通信電路268包括電壓調(diào)節(jié)器268A、調(diào)制器電路268B、回路電流控 制器268C和協(xié)議接收器，如4-20mA HART⑩接收器或收發(fā)器268D，以使得變送器電路模塊 234能夠與工作站74的通信接口 280進行通信。
[0063] NVRAM266還包含用于統(tǒng)計過程監(jiān)控（SPM)的指令。這些指令與用于生成過程狀態(tài) 的指令被并行執(zhí)行。SPM指令根據(jù)傳感器信號計算一個或多個傳感器信號的統(tǒng)計值，如平均 值/中值、標準偏差等。特別地，并且如下文詳述，SPM指令引起微處理器264執(zhí)行多個步 驟，在這些步驟中，高通濾波器被動態(tài)地構(gòu)造，以將期望的頻率響應提供至由SPM形成的統(tǒng) 計值。根據(jù)一些實施例，所構(gòu)造的高通濾波器補償在傳感器處的溫度變化、傳感器的由于傳 感器的范圍設定引起的頻率響應的變化、和傳感器中的制造變化性。
[0064] 根據(jù)一些實施例中，NVRAM266還保持警報閾值，并且微處理器2M能夠確定何時 統(tǒng)計值超過閾值，當這種情況發(fā)生時，微處理器使用通信電路268傳達警報以及時間標記 到工作站74。
[0065] 代替地或者另外地，由微處理器264所產(chǎn)生的統(tǒng)計值通過通信電路268被發(fā)送到 工作站74。工作站74可以將統(tǒng)計值存儲在存儲器276中，并且可以在輸出顯示器274上顯 示歷史統(tǒng)計值。工作站74的微處理器270可以比較統(tǒng)計值與存儲在存儲器276中的閾值， 并且可以在統(tǒng)計值超過閾值時發(fā)出警報。注意，可以通過高于或低于給定閾值而超過閾值。
[0066]工作站74通常包括個人計算機，如便攜式計算機，其安裝在工業(yè)過程附近以監(jiān)控 和調(diào)節(jié)過程變量和工業(yè)過程的過程條件。工作站74包括輸入裝置272,如鍵盤、鼠標或其 他用戶界面，使得操作者能夠輸入過程控制輸入到存儲器276中。工作站74還包括輸出裝 置 274,如顯示器，其使得能夠從工作站W(wǎng)4提取數(shù)據(jù)。例如打印機或其它常用的設備的外 圍設備278也可以連接到工作站 74,以將數(shù)據(jù)輸入微處理器270和從微處理器270提取數(shù) 據(jù)。工作站74包括通信接口 280,其發(fā)送數(shù)據(jù)到微處理器264和從微處理器264接收到數(shù) 據(jù)。工作站74被配置為提供模塊234的能力和由傳感器246產(chǎn)生的傳感器信號的完整的 評估和分析。
[0067]圖9提供軟件元件的框圖，所述軟件元件由微處理器264執(zhí)行以計算標準偏差并 且動態(tài)地構(gòu)造和使用歸一化標準偏差的高通濾波器。在圖9中，代表由圖8的微處理器258 提供的數(shù)字化傳感器值的一系列或連串的傳感器測量值900由微處理器264接收并且被應 用到高通濾波器902,以產(chǎn)生濾波后的傳感器值904。濾波后的傳感器值904被應用于標準 偏差計算裝置906,以產(chǎn)生SPM的標準偏差908。
[0068] 圖1〇提供了一種方法的流程圖，該方法用于動態(tài)地構(gòu)造高通濾波器902,使得標 準偏差908的頻率響應匹配目標或期望的頻率響應。在步驟1〇〇〇中，傳感器頻率響應測量 單元910確定在多個溫度處的傳感器頻率響應。要做到這一點，傳感器頻率響應測量單元 910首先使用傳感器溫度控制器912設定傳感器溫度。在各種實施例中，傳感器溫度控制 器912能夠調(diào)節(jié)傳感器的溫度。根據(jù)一個實施例，傳感器溫度控制器 912能夠?qū)鞲衅髟O 置到五個不同溫度處：185° F，l3〇° F，75° F，20° F和-40。F。傳感器頻率響應測量單 元91〇指示傳感器溫度控制器912將傳感器設置到所述多個溫度中的一個處。頻率響應測 量單元910然后激活換能器 914,換能器914例如在由傳感器測量的諸如流體的壓力或液位 之類的流體特征中引起正弦變化。特別地，單元910引起換能器914以特定頻率產(chǎn)生正弦 變化。響應于由換能器914提供的輸入信號所產(chǎn)生的傳感器信號然后被設置為測量值900， 所述測量值9〇〇旁通高通濾波器9〇2而不會被濾波。未經(jīng)濾波的傳感器值被提供給標準偏 差計算裝置906,標準偏差計算這種906計算未濾波的傳感器測量值的標準偏差。未經(jīng)濾波 的傳感器測量值的標準偏差然后被提供給傳感器頻率響應測量單元910。頻率響應測量單 元 91〇將由換能器914引入的正弦變化的頻率的標準偏差值作為傳感器的頻率響應916的 一部分進行存儲。
[0069] 頻率響應測量單元910然后指示換能器914改變流體變化的頻率并且傳感器的所 得測量值被再次轉(zhuǎn)換成標準偏差。這個新的標準偏差值然后由頻率響應測量單元910存 儲。以這種方式，頻率響應測量單元910能夠確定用于多個頻率的標準偏差值，并且因而可 以確定用于在給定溫度處的傳感器的標準偏差的頻率響應。當在選定的溫度處已經(jīng)確定完 整的頻率響應時，頻率響應測量單元910指示傳感器溫度控制器912將傳感器的溫度改變 到新的溫度值。在新的溫度值處，頻率響應測量單元910再次指示換能器914以各種不同 頻率改變流體，以取得在新的溫度處的標準偏差的頻率響應。通過為每個溫度重復這些步 驟，頻率響應測量單元910產(chǎn)生傳感器頻率響應916,傳感器頻率響應916包括傳感器在每 個選定的溫度下的頻率響應。
[0070] 在步驟1002處，目標標準偏差頻率響應918由微處理器264檢索或計算。根據(jù) 一個實施例，目標頻率響應是由在選定的溫度處并且在與現(xiàn)場設備的傳感器相同的范圍內(nèi) 1 Γ? 操作的模型傳感器產(chǎn)生的濾波后的傳感器信號的標準偏差頻率響應，并且由高通差分濾波 器濾波。這樣的目標頻率響應的例子示于圖11，其中頻率沿著水平軸線1100被顯示，通過 在選定的溫度處的模型傳感器產(chǎn)生的濾波傳感器信號的標準偏差在垂直軸線I 102上被顯 示。根據(jù)一個實施例，所選擇的溫度為室溫。通過構(gòu)造濾波器使得標準偏差頻率響應匹配 圖11的目標頻率響應，能夠濾波在不同溫度處獲取的傳感器測量值，從而歸一化在所述溫 度范圍內(nèi)的標準偏差的頻率響應。這是通過隨著溫度變化動態(tài)地改變?yōu)V波器完成的，使得 不考慮傳感器溫度，實現(xiàn)相同的標準偏差頻率響應。
[0071] 在其它實施例中，目標頻率響應是濾波傳感器信號的標準偏差頻率響應，所述濾 波傳感器信號由在選定溫度處并在與本傳感器的范圍無關選定范圍內(nèi)操作的模型傳感器 產(chǎn)生并且通過高通差分濾波器過濾。因為模型傳感器在選定范圍內(nèi)操作，模型傳感器的范 圍有時與在現(xiàn)場設備中的傳感器的范圍不同。通過選擇由在選定溫度處并在與現(xiàn)場設備中 的傳感器的范圍無關的選定范圍內(nèi)操作的模型傳感器產(chǎn)生的目標頻率響應，標準偏差的頻 率響應可以被歸一化，以便去除由于現(xiàn)場設備中的傳感器的溫度和操作范圍引起的變化。
[0072] 在又一個實施例中，目標頻率響應可以是由具有恒定的頻率響應的模型傳感器和 諸如高通差分濾波器之類的模型高通濾波器的組合形成的標準偏差頻率響應。圖I 2提供 了由在所有操作溫度處具有恒定的頻率響應的模型傳感器和高通差分濾波器的組合形成 的目標頻率響應1200的曲線圖。如果使用圖12中的目標頻率響應，則由于溫度、操作范圍 和頻率引起的傳感器響應的變化被歸一化。
[0073] 在步驟1004中，濾波器匹配單元922為從目標頻率響應和在每個溫度處傳感器頻 率響應構(gòu)造的高通濾波器構(gòu)造濾波器參數(shù)924。因此，濾波器擬合單元 922針對每個溫度構(gòu) 造單獨的高通濾波器。
[0074] 濾波器擬合單元922通過首先產(chǎn)生濾波器的頻率響應將濾波器構(gòu)造為：
[0075]

【權(quán)利要求】
1. 一種過程現(xiàn)場設備，其特征在于，包括： 傳感器，該傳感器提供表示過程變量的信號； 提供表示該傳感器的溫度的信號的溫度傳感器； 轉(zhuǎn)換器電路，用于將傳感器信號轉(zhuǎn)換成傳感器值和將溫度傳感器信號轉(zhuǎn)換成溫度值； 處理器，包括數(shù)字濾波器，所述數(shù)字濾波器對從轉(zhuǎn)換器電路接收的傳感器值進行濾波 以生成濾波傳感器值，并且該處理器提供關于濾波傳感器值的統(tǒng)計值，其中數(shù)字濾波器是 隨溫度變化的濾波器，使得該數(shù)字濾波器隨著溫度值變化而變化；和 通信電路，所述統(tǒng)計值和濾波傳感器值通過該通信電路被發(fā)送至一工作站。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程現(xiàn)場設備，其特征在于，處理器通過將溫度值應用于一 方程式來構(gòu)造所述數(shù)字濾波器，所述方程式是通過將一曲線與多個參數(shù)值相擬合確定的， 所述多個參數(shù)值是為針對多個溫度值而構(gòu)造的多個濾波器確定的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的過程現(xiàn)場設備，其特征在于，針對多個溫度值構(gòu)造的所述多 個濾波器中的每一個被構(gòu)造成用于產(chǎn)生目標頻率響應。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的過程現(xiàn)場設備，其特征在于，目標頻率響應包括已被濾波的 傳感器值的標準偏差的頻率響應。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的過程現(xiàn)場設備，其特征在于，目標頻率響應包括與模型傳感 器相關聯(lián)的頻率響應，所述模型傳感器在與傳感器不同的范圍中并且在選定的溫度處操 作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的過程現(xiàn)場設備，其特征在于，所述目標頻率響應包括在所有 溫度處都具有恒定頻率響應的模型傳感器的頻率響應。
7. -種控制系統(tǒng)，其特征在于，包括： 濾波器，該濾波器對一系列傳感器值進行濾波以產(chǎn)生濾波值；和 統(tǒng)計過程監(jiān)控部件，該統(tǒng)計過程監(jiān)控部件收集濾波值，從所述濾波值確定統(tǒng)計值并且 在統(tǒng)計值超過閾值時發(fā)出警報， 其中濾波器對傳感器值進行濾波以實現(xiàn)統(tǒng)計值的目標頻率響應，該目標頻率響應匹配 從由在選定的范圍內(nèi)操作的傳感器所產(chǎn)生的傳感器值產(chǎn)生的統(tǒng)計值的頻率響應，并且 所述統(tǒng)計過程監(jiān)控部件選自定位在過程環(huán)境內(nèi)的傳感器、變送器和閥控制器中的一 種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，濾波器包括隨溫度變化的濾波器，所 述隨溫度變化的濾波器是通過將溫度值應用到相應的方程式而被構(gòu)造成的，每個方程式限 定該濾波器的單獨的參數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，每個方程式是通過將一曲線與在不 同溫度處確定的濾波器參數(shù)的多個值相擬合而構(gòu)造成的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，統(tǒng)計值的目標頻率響應進一步匹配 從由在選定的溫度處操作的傳感器產(chǎn)生的傳感器值產(chǎn)生的統(tǒng)計值的頻率響應。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，統(tǒng)計值的目標頻率響應包括至少部 分地由在與產(chǎn)生該系列傳感器值的傳感器不同的范圍內(nèi)操作的傳感器產(chǎn)生的頻率響應。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，統(tǒng)計值的目標頻率響應包括至少部 分地由與產(chǎn)生該系列傳感器值的傳感器不同地制造的傳感器產(chǎn)生的頻率響應。
【文檔編號】G05B19/418GK204086933SQ201420191899
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】約翰·菲利普·米勒, 羅伯特·卡爾·海德克 申請人:羅斯蒙特公司