专利名称：操作数字质量流量控制器的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及应用利用先进的数字控制算法的闭环控制系统操作质量流量控制器(MFC)的系统和方法。更具体地说，本发明提供一种操作质量控制器的闭环控制系统，其中在数字处理器内实现所有的数学运算。
由于安装了质量流量控制器的设备的不定期保养，造成质量流量控制器具有较高的成本。特定类型的失效经常没有指示。由于认为质量流量控制器是一种固有的不可靠的动态装置，所以常规的做法是更换质量流量控制器。结果，非常多的质量流量控制器返回到工厂并按照指定操作在失效分析中没有发现问题。
由于缺乏内部诊断或不能提供远程质量流量控制器服务和远程诊断，所以一旦安装了质量流量控制器就要求非常熟练的现场服务工程师或应用工程师必需亲临用户现场以提供现场的技术支持和故障分析。另一缺点是单个的设备的性能(特别是精度和响应时间或过渡性能)取决于消耗时间、劳动强度、应用电位器或可变电阻器的手工校准和调整过程。
如今的制造过程仍然是一种高度的手工操作过程要求技术人员应用几种装置比如示波器、不同的二次流测量装置等以及那些其它的装置的可视检查以确定一定的信号并将电位器调整到他满意的程度。
这就产生了与调整该装置的个人相关的一系列装置。这些装置一般是不一致的并且不能从一个单元替换到另一个单元，造成了复杂的工艺设计和特征化问题，即每个装置都具有与该装置相关的它本身独特的特性。质量流量控制器特性与手工调整过程和执行该过程的技术人员直接相关。此外，常规的质量流量控制器的过渡响应并不一致。例如0或10％的设定点性能不同于0-100％。对于与这些装置相关的过程控制工程师这种不同的响应带来了问题。每个装置的不同响应使工程师不同地特征化质量流量控制器装置特性以便考虑与一定状态相关的响应时间和可变性。这种特征化的过程昂贵且耗时。
当前的质量流量控制器对入口压力敏感。质量流量控制器要求一定的入口压力规范，通常指定差压为大约45PSID以使已有的质量流量控制器装置的性能典型地最佳化到一种特定的压力。当入口压力在特定的压力范围上改变时进行折中，这就造成了响应时间的更大的可变性和装置的特征化。
对入口压力敏感的一种解决方案要求使用者安装通常非常昂贵的压力调节器。
在给质量流量控制器输送气体的气体输送线中，比较有利的是质量流量控制器对压力波动不敏感以便可以消除昂贵的压力调整硬件。此外，每种装置在压力调节器附近都具有压力传感器，这种压力传感器的唯一目的是指示压力调节器正在运行。
此外，需要使新出现的标准符合开放式通信标准和检测仪表。EIARS485是一种单线多站通信的开放式标准，但它仅描述了物理层。因此软件协议堆栈专用于不同的供应商。因此，理想的是使质量流量控制器具有较高的性能的通信服务能力，它能够实施开放式协议同时还不牺牲流量控制参数。
理解未知的或难以理解的过程的有利的方案是通过回归分析的过程学习。回归学习是一种利用仔细设计的实验来使多变量设计过程最佳化的结构方法。这种技术允许通过一系列的实验来使过程可理解和潜在地利用。估计回归模型的通常的方法是普通最小平方法(OLS)。
回归分析还允许形成将预期值与实际值进行比较以通过应用残数来估计回归估计的性能的诊断程序。
总体任务是提供可能的最佳的流量控制性能同时不牺牲其它的方面比如通信、多路气体校准和本身的成本本发明的所选择的结构并不牺牲流量控制能力来服务通信网络。
本发明提供了一种嵌入在所选择的结构或系统中的诊断程序。具体地说，本发明的数字引擎不连续地检测系统变量。这些变量包括(但并不限于)流量设定点、螺线管电流、环境温度、流量传感器的电阻和通过外部压力传感器可以测量的入口压力。这些变量中的几个变量是检测并减少质量流量控制器的压力的灵敏度的信息的重要来源。数字引擎还检测电源电压。
相对于已有的系统，嵌入在系统的结构内的内部数字质量流量控制器特别改善了质量流量控制器的性能并加入了几种增加价值的特征。
本发明的质量流量控制器不包含任何可变的手工调节。这就提供了这样的优点通过存储在非易失的存储器中的唯一的一组常数数字地完成所有的校准和调整。通过专用的RS485接口提供访问有关存储器位置。运行适当的软件并连接到特定的流量测量仪表的校准系统主机自动地运行校准和调整本发明的质量流量控制器以在静态和过渡流量状态中实现一致的可重现的性能。这些均匀的过渡响应提供了本发明的进一步的优点。通过应用由所选择的数字信号处理器所提供的在所选择的结构中实施的计算能力实现这些均匀的过渡响应。这种结构允许通过软件实现100％的控制算法。软件算法可以包含调用可以选择或调整以实现均匀的可重现的过渡响应的唯一的敏感状态或位置参数的机构。
本发明的另一优点是在气体输送管中不需要昂贵的上游压力调节器。本发明的数字引擎具有通过可用的A/D输入不连续地监测内部压力的能力。理想的是监测输入压力并使本发明的输入的质量流量特性不敏感。
本发明的进一步的优点在于它包含了多个独立专用的数字通信端口。这种结构允许多路数字网络同时服务。本发明的具体实施例提供的一种网络是RS485型网络。所选择的DSP包括专用于服务RS485网络的嵌入型UART外设。通过读取或写入到双端端口SRAM可以服务于其它的通信网络。作为通信分配选择双端口SRAM可以实现支持独立的可交换的连接。本发明并不需要局限于这两种通信端口。在本领域中熟练技术人员公知的各种通信协议的多路通信口都可以并入到本发明中以实现独立可交换的连接。
本发明的其它优点在于嵌入型系统基于以1.68毫秒的精确的离散间隔从流量信号中接收采样数据管理事件。由于所选择的结构的计算能力，控制算法在小于这个时间的30％内完成了它的任务。
本发明提供了一种数字质量流量控制器控制系统的结构体系，该数字质量流量控制器控制系统包括在控制系统内的嵌入的诊断程序。具体地说，本发明的数字引擎不连续地监测具体的系统变量以改善故障诊断和预防性维护程序。这些变量包括(但不限于)流量设定值、螺线管电流、环境温度、流量传感器的基极电阻和通过外部压力传感器可以测量的入口压力。这些变量都是检测并减少质量流量控制器的压力灵敏度的重要的信息源。数字引擎还检测电源电压。
应用所监测的变量来确定在本发明的质量流量控制器内的更精确的流量测量。
本发明应用数字引擎，即连接到模拟数字转换器的数字信号处理器。具体地说，在本发明的一种实施例中，已经选择了具有10位的模拟数字转换的16通道的数字信号处理器或结构。在这种结构中，嵌入的模拟数字通道用于采集所需的数据。本发明应用外部智能模拟数字转换器以将传感器的输出数字化，因为它要求比10位更高的分辨率。除了这些所监测的参数之外，监测几个流量控制事件，包括稳态的状态误差。此外，相对通过使用者设备所提供的设定点连续地监测流量控制器的精度。本发明还测量阀泄漏。
本发明包含通过数字引擎所执行的专用算法。特定的计算确定流量控制设定点是否为零以及所测量的流量是否大于满量程的2％，这是一个阀泄漏报警的工业标准。质量流量控制器的普遍失效模式是失效的启动器或阀。这种失效本身表明泄漏或不能控制。因此，可以测量稳定的状态误差、阀泄漏以及测量在上升或下降设定点处的响应是否存在严重的过冲量。例如，如果观察到设定点2.0从零到100％满量程以及如果设定点超过或响应超过预定值，则给使用者提供报警。只要访问所有的这些所监测的参数降低时间，则不需要消除质量流量控制器装置同样正确运行。本发明的结构使保养和维修不正确运行的质量流量控制器装置所需的时间最小化，因为所提供的诊断水平使整个分析过程定位到特定区域。
理想的是开放式通信网络比如DeviceNetTM等可用于流量控制过程管理系统来控制该装置。另一通信端口是专用于服务。因此，RS485端口等端口是专用于提供服务。因此，通过开放式通信端口建立通信以进行过程控制。存在专用RS485网络，这种RS485网络具有与在本发明内的连网的OSI模型兼容的专有的通信协议。
OSI连网模型是一种开放式系统。OSI模型是网络PC中通用的方法。这种模型是一种用于实施PC的开放式系统互连的低级宽模型。
专用的工厂服务端口使本发明能够提供远程诊断。当连接到专用的膝上型笔记本或PC时应用该端口来实施本地监测。通过将膝上型笔记本或PC连接到RS485接口并将调制解调器配备或集成到PC中可以实现通过该端口的网络监测。因此，工程师通过调制解调器入口可以拨号进入本地计算机并查询对于流量控制事件透明的本发明的装置。此外，这个工程师还可以利用嵌入的诊断程序提供更高级的与潜在的失效模式相关的细节。
附图支持由本发明所解决的问题，并说明了为什么本发明的结构能够提供解决与已有技术相关的问题的功能的优点和特征。
附
图1所示为本发明的嵌入系统或结构的一种实施例的方框图。方块12表示流量传感器。模拟数字转换器14监测流量传感器12。模拟数字转换器14连接到16位微控制器或数字信号处理器(DSP)16。
本发明的一个实施例应用Texas Instrument TMS320F240 DSP作为数字信号处理器16。这种数字信号处理器包含有从外部网络连接可以更新在数字信号处理器内的软件代码的嵌入式快速存储器。
数字信号处理器16存储内部算法或软件，执行这些内部算法或软件可以实施闭环控制系统。数字信号处理器16给阀驱动模块18提供电子信号72。阀驱动模块18反过来又给螺线管20提供电流。螺线管20起控制阀22的启动机构的作用。
块24给模拟数字转换器14提供电压基准。模拟数字转换器14嵌入在流量控制器或数字信号处理器16中。
有两种类型的模拟数字转换器(1)嵌入在流量控制器或数字信号处理器16内的模拟数字转换器，以及(2)外部仪表级的模拟数字转换器。在电压基准附近的是串联的电子可擦可编程序只读存贮器(EEPROM)或非易失随机存储器(NVRAM)26。应用EEPROM26来存储带有序号、服务数据和各种诊断码的特定气体数据和专用校准数据。诊断是本发明的的结构所带来的主要特征中的一种特征。在数字信号处理器16的右边是双色LED电路28和静态随机存取存储器或SRAM30。除了SRAM以外还有外部双端口随机存取存储器32(DPRAM)。DRAM32连接到通信协处理器34。通信协处理器34连接到带有收发器36的传感器总线网络。这种传感器总线网络可以是在本领域的熟练技术人员所熟知的DeviceNet、LonWorks、Profibus、Ethernet等网络。
通过嵌入在流量控制器或数字信号处理器16内的RS485收发器38提供附加的网络接口。
上述的块代表位于本发明的一种实施例中的嵌入的系统内的主要的功能块。
各种网络可以与本发明连接。上述的实施例所示为两个网络连接。然而，本发明并不需要限制到两个连接，而是可以包含其它的网络连接。多点网络40可以与RS485端口38连接。多点网络40和DeviceNet网络42是可能的网络连接的实例。多点网络40要求本地PC44作为主机。本地PC主机44可以包含调制解调器连接48，以允许通过位于或连接到远程PC50的另一调制解调器48可访问本发明的结构。
DeviceNet网络42可以是对等型或客户-主机型(peer-to-host)网络。如果相对于DeviceNet网络42该网络具有客户-主机型关系，则PC主机还可以监测该网络。这种PC主机可以是PC44但不需要通过PC44监测。因此，这种可能的分离的PC表示为PC52。这种特定的PC主机52还连接到调制解调器54。调制解调器54通过可以链接远程调制解调器48和相关的远程PC50的电信连接进行链接。
在本发明的这种实施中包含了几种信号和相关的通路弯曲。首先，应用产生大约11毫安的电源13激励流量传感器12。应用在本领域中熟练人员公知的热传递定律可以感测质量流量。通过模拟数字转换器14监测由流量传感器12所产生的信号15。模拟数字转换器是智能型的。模拟数字转换器14不仅监测流量信号，而且还可以在分辨率和采样频率方面对模拟数字转换器14进行编程。
在一种实施例中所选择的采样频率是610赫兹。610赫兹提供1.6毫秒的采样周期。重要的是模拟数字转换器14具有中断微控制器以使它知道它具有全部的采样数据组的数据就绪信号。这是很重要的，因为多任务嵌入系统具有几种输入/输出功能。数据就绪信号中断了整个软件，使产生不精确的流量采样的时间延迟的影响最小。所发出的数据就绪信号给主功能软件块或软件引擎提供主要的触发。接着，可以通过模拟数字转换器14的串行接口56发送数据信号，串行接口56可以称为SPTTM接口。
通过串行接口56，流量控制器16监测模拟数字转换器14并采集表示所测量的流量信号15的采样。在每次数据就绪信号表示模拟数字转换器14具有新的采样时重复这些。在一种实施例中，模拟数字转换器14以1.6毫秒的间隔精确做这些。然而，应该指出的是可以对这种间隔进行编程，因此它比较灵活。因为流量传感器12具有大约100到120赫兹的有效宽度，所以本实施例中选择1.6毫秒。因此，由于模拟数字转换过程，选择610赫兹作为有效采样频率以正确地重构流量信号。此外，选择610赫兹以提供足够的时间来进行其它的功能而不中断数据信号或干扰其它的服务事件。这就允许应用主信号作为触发器，以便有时间来为其它的事件服务。
在流量控制器16的左侧，监测或连接来自本发明的内部或外部源的几种外部信号或模拟信号58-68。一种实例是模拟设定点58。设定点58是来自主机的用户希望设定的流量的请求。当本发明应用在半导体处理环境中时，通常通过使用者的晶片处理工具来提供设定点58。此外，数字信号处理器16还监测数字5-伏特的信号60、+15伏特的电源62、-15伏特的电源64、用户的入口压力66和在质量流量控制器的内部的内部环境温度68。
通过电压基准装置24提供内部环境温度68的信号作为辅助功能。因此，除了温度输出以外电压基准装置24还可以给模拟数字转换器14提供精确的2.5伏特的基准。在电路板上电压基准装置24的一种实施例具有嵌入的带隙基准和辅助温度部件或电阻，并具有将电阻与摄氏温度相关起来的传递功能。因此，在室温下的测量值并结合传递功能提供了内部温度的实时读数。
在线72上，阀驱动电路18调节信号72以驱动螺线管，但它还反馈回实际的螺线管电流70以进行感测。可以应用所感测的螺线管电流72、设定点信号55和所测量的流量15来产生能够提供更快的问题诊断的关系。
应用通用异步收发器(UART)来形成连接到外部主机比如PC RS485网络的半双工。这种UART电路具有几种作用。在制造的过程中这种电路提供到所有的校准和调整参数的访问。UART还给使用者提供另一种装置以控制本发明的质量流量控制器。
附图2所示为事件管理的时序图。应用发射线74和接收线76将流量控制器16的UART连接到RS485。TX表示所发射的信号，RX表示从流量控制器和数字信号处理器16的主机系统所接收的信号。
9600波特半双工轮询协议线将RS485 XCVR38连接到多点网络40。以类似于采样频率的方式选择9600波特。这给外部主机提供了一种接口。这种速度允许相对于所服务的其它的事件的一种安全裕度而同时不干扰这些其它的事件。监测在流量控制器内的几种事件以提供诊断。通过可以是红色或绿色的双色LED电路28提供这些事件的状态的本地指示。如果LED电路28是红色闪烁，则上述的被监测的状态或事件是警告状态或警告阈值。如果LED电路28是连续的红色，则警告已经变成了报警。在大多数情况下，报警状态表示流量控制器遇到了不可恢复的故障。
流量控制器即数字信号处理器16继续并试图运行。将造成不可恢复的状态的事件存储在非易失存储器中。因此，通过RS485收发器38可以访问该事件。
电流限制电阻还提供从双色LED电路28到在流量控制器16上的第二IO端口的反馈通路。通过从数字信号处理器16的两个IO端口提供的流经LED电路28的电流的方向来控制双色LED电路28的颜色。
利用嵌入的脉冲宽度调制器(PWM)来构造所指示的流量信号80。还可以应用相同类型的电路来重构所感测的螺线管电流82。
数字信号处理器16具有外部存储器接口。外部存储器接口连接到SRAM30。在引导的过程中应用这种SRAM并接收串行EEPROM32的内容以更快访问。
收发器36可以进入DeviceNet网络42或可以通过其它类型的网络比如LonWorks、Profibus、Ethernet或在本领域的熟练技术人员所熟知的其它网络进行连接。
除了用于已有的模拟的偶入应用以外，本发明的结构还可以用于将来的标准的数字协议或几种竞争协议。在选择连网技术和协议时这就允许完全的兼容性。本发明提供一种独立接口比如通过在模块方案中的模块兼容性并不能影响流量控制器系统。DPRAM提供了一种在数字信号处理器16和将要确定的传感器总线网络84之间的数字分区。
SRAM30并不专用用于外部。整个或一部分SRAM30可以作为内部SRAM并入到本发明的数字信号处理器16或数字流量控制器中。
在所示的实施例中，将SRAM划分为两部分外部SRAM30和在数字信号处理器16的快速存储器内部的内部SRAM。应用数字流量控制器的数字信号处理器16的内部的SRAM，可以使所有的控制功能在数字信号处理器16内部执行。
上文所描述的结构的关键作用是消除了对手工调整的电位器的依赖。这在本发明中通过如下的方式实现选择具有足够的数字带宽的结构以监测流量传感器，产生控制信号，比如连接微分器和比例间隔控制器，并存储多个校准常数同时提供对这些常数的实时访问。接着，数字流量控制器并不依赖于多个电位器来调整控制系统，而本发明根据表示为常数的几个变量。通过RS485通信端口38提供对这些变量的访问。
数字通信服务比如服务RS485主机和DeviceNet主机并不影响流量控制事件。DPRAM32允许按照所安排的时间表进行服务。
监测几个点以进行诊断。通过双色LED电路28给使用者提供可视的反馈，双色LED电路28具有两级指示，警告或报警，闪烁或连续。从RS485端口中可以获得这些相同的信息并可以通过在PC内执行的软件应用程序以GUI接口提供。通过软件可以实施控制系统的功能。本发明相对于应用对老化效应和温度敏感的模拟电路来构造闭环控制系统的已有技术具有优点。
本发明的结构允许通过RS485对所有的可执行的嵌入软件进行编程。安装新的代码而不取下质量流量控制器。重要的是不应用嵌入在数字信号处理器16中的快速存储器来存储任何校准常数或流量控制器的专用数据。这种数据存储在外部串联的EEPROM中。本发明的流量控制系统提供了与已有的和将要确定的通信协议比如DeviceNet的独立性和兼容性。
附图2涉及在本发明的结构内的事件管理的技术优点。附图2所示为通过附图1的模拟数字转换器14执行的事件时间线。当模拟数字转换器14已经采集数据并准备通过数据总线将所采集的数据发送到数字信号处理器16时，发送就绪信号。
一旦数据已经从模拟数字转换器14中转储，在这种时间帧A-B中进行所有的数据处理。这是由控制系统进行所有的数据处理所花费的时间量。在事件B和C之间留下足够的时间以进行其它要完成的任务。如附图2所示，在事件B和C之间产生了DeviceNet中断112、实时中断114和RS-485中断116。如果这些中断都产生在事件A和B之间，则处理所采集的数据仍然具有优先权。因此，这些中断仍然在事件B和C之间处理。
附图3包含两组流程图。附图3进一步详细地描述了先前在附图2中所提供的时序中所示的中断。本发明的方法以步骤100开始。在步骤101中进行数字信号处理器16和外设的所有的初始化。在数字信号处理器和相关的外设的初始化步骤101的过程中，对模拟数字转换器14进行编程以便以特定的频率进行采样。在本发明的一种实施例中，选择这种频率为610赫兹。这个610赫兹是开始从模拟数字转换器14采集数据采样并为步骤105启动外部ADC中断的信号。在步骤103中，本发明的软件代码连续地循环并等待四个中断中的一个。这些中断包括每1.68毫秒产生的外部ADC中断、每1.04秒产生的实时中断、DeviceNet中断和RS485中断。外部ADC中断105允许在ADC中断的服务的过程中进行所有的数据处理。
在本发明的一个实施例中，数据处理耗时大约在ADC中断的总的时间(1.68毫秒)的大约30％。在这个时间里，在步骤102中，流量控制器从附图1的模拟数字转换器14中采集与所有的ADC相关的数据。接着，在步骤104中，线性化这些数据。在美国专利申请09/350,747(题为“System and Method for Sensor Response Linearization”，ThomasPattantynus等人在1999年7月9日申请)中详细地描述了一种这样的线性化方法。在这种线性化过程中，应用先前所确定的系数来将所采集的ADC数据相关到更精确的流量值中。在步骤106中，将线性化的数据和值输送到控制质量流量控制器的控制系统环路中以实现所需的质量流量。
步骤108涉及附图1的双色LED电路28。在步骤108中，根据流量控制器16的状态，LED电路28根据输送到双色LED电路28的信号和电流方向适当地点亮。
在步骤110中执行诊断。这些诊断直接与双色LED电路28的所显示的状态相关。在步骤112中进行DeviceNet处理。在步骤114中，从串行EEPROM26中选择或检索数据。这些数据包括校准常数、特定气体数据、质量流量控制器的序号和相关的控制器、服务数据和诊断码。在步骤116中，从RS485接口中采集数据。在步骤118中，累加器求和或对在流量控制器16内的流量测量值和时间进行积分。在步骤120，可以进行各种各样的辅助管理功能，在这个步骤之后从这个优先的中断返回。
从外部ADC中断105返回之后，过程返回到开始步骤100。
在外部ADC中断105的过程中保持可能造成任何其它的附加中断比如实时中断126、DeviceNet中断122或RS485中断130的所感测的任何附加数据。外部ADC中断105优先于所有的其它的数据处理。在大约50毫秒的处理时间的过程中，与其它的中断相关的数据都存储在SRAM30中或在数字信号处理器16的内部RAM中。不管产生了什么中断过程，当中断过程完成时，本发明的方法都返回到步骤103并等待将来的中断。
实时中断124、DeviceNet中断126或RS485中断130都允许读取数据并将其写入到变量和存储在数字信号处理器16内。在这种中断的过程中进行最小的操作以处理这些数据。在外部ADC中断105的过程中当访问它时进行这些数据的实际处理。其它的方法是这些中断提供通过存储器位置链接的目标定位系统。因此，当中断发生时，数据存储在适当的存储器位置中直到外部ADC中断105发生并处理数据。
附图4描述了在本发明内的存储器互连。这个附图描述了SRAM30、EEPROM26和DPRAM32相互作用。对于这个附图来说，在位于数字信号处理器16的快速存储器上的内部RAM或数字信号处理器16可访问的外部SRAM30之间的数据RAM和SRAM30没有差别。在这种情况下SRAM30仅描述了在其中存储数据的存储器位置。在初始化的过程中，如链接142所示将所有的EEPROM数据复制到SRAM30中。此外，在初始化的过程中通过链接144将EEPROM数据的顶部1k复制到DPRAM32中。
在EEPROM26和SRAM30之间产生了附加的链接146，在初始化的过程中通过这个链接将电信号复制到SRAM30。因为将初始化数据复制到DPRAM32是两步过程因此示出了这个第二链接。不能将EEPROM数据直接复制到DPRAM32中。因此，EEPROM数据首先复制到在SRAM30中的位置。从SRAM30，然后通过链接144将这些数据复制到DPRAM32。在初始化的过程中复制到SRAM30的电数据包含进入到内部存储器位置的控制系统的数据和用于累加器等的数据。
第三链接150表示从SRAM30传递到EEPROM 26的数据。这个链接允许在数字信号处理器16的操作的过程中传递累加器和诊断数据。链接152是在SRAM30和RS485通信端口38之间的双向链接，允许从SRAM30读取数据并将数据写入到SRAM 30。
在EEPROM26和RS485通信端口38之间存在通过链接154的第二通信通路，链接154允许从RS485通信端口38将所有的数据读取并写入到EEPROM26中。因此本发明允许全部存取EEPROM26和SRAM30的数据。
本发明允许通过RS485通信端口38访问在SRAM和EEPROM26内的所有的数据。然而，使用者可以限制对SRAM和EEPROM的数据的全权存取。为了安全的目的这样做以确保使用者不能改变来自供应商的唯一的序号和其它数据。一种实例是使其与单个部件的授权号或序号关联。
本发明提供一种目标定位方法，在这种方法中需要从一个目标到另一目标启动要执行的诊断或来自或经过另一目标请求数据的方法和连接。某些已有技术具有RS485协议，这种RS485协议应用在协议中嵌入的存储器定位。这种已有技术的方案具有的问题是如果将错误的数据发送到特定的存储器位置，装置可能使它的外部特定的性能不正常。本发明被构造成执行测试以确定是否提供所请求的数据、保护不应该被访问的数据并在处理数据之前测试数据以确保它是适当的。
通过链接154传递数据，因为EEPROM26是非易失性的，在此存储数字信号处理器16的电数据。在数字信号处理器16的电源断电时EEPROM26保持数据。此外，通过RS485通信端口38访问这些数据。在此所存储的其它的数据是特定气体的校准数据。每种质量流量控制器的结构取决于机械结构。因此，可以从RS485通信端口38应用链接154以便直接访问EEPROM26以不要求唯一的选择和调整的方式下载这些参数中的主要参数以便加速制造过程。因此，在制造过程中，不要求唯一的选择和调整，增强了这个过程的速度。当初始化该装置时，EEPROM26是空白的。通过RS485通信链接156到多点网络40可以全部地下载校准表和其它的数据。多点网络40再次链接到PC主机44。
还可以将本发明设计成与传统的系统兼容。这种反向兼容性使用户可以使本发明的实施例与模拟信号通信。如本领域的熟练人员所知，如图所示的模拟通信160提供了功能链接以监测流量信号或给传统的系统提供设定点控制。通过在模拟数字转换器14内的模拟数字转换功能可以实现这些模拟通信。在模拟通信系统160和传统的主机系统的用户主机之间进行这些模拟通信162。
DeviceNet接口模块142链接到DPRAM32。通信协处理器可以将中断发送到DPRAM以查询它接收数据的有效性。除了静态数据比如ID号以外每个数据的传递都可以被中断。将经常访问的数据存储在DPRAM32中以免与访问EEPROM26相反的中断。通过提供在DPRAM32中容易存取的数据来避免中断可以提高综合效率。
附图5提供了与本发明的一种实施例相关的通信的概述。附图5所示为三种类型的通信协议的概述，这三种通信协议与本发明的一种实施例、DeviceNet、模拟的或RS485协议相兼容。本发明不应该局限于这些类型的协议或通信系统，而是还可以是这些通信系统的任何组合。重要的是，本发明的结构可以接收来自传统的系统的模拟信号并与不同的源连接。它还可以通过在本领域的熟练人员所公知的DeviceNet或专用的RS485系统接收数字设定点和信息。这可以在一种普通的结构中实现。
在每种通信源内，例如应用RS485接口，重要的是该装置具有服务模式和普通的操作模式和可能的任何数量的其它的模式。普通的操作模式限制访问。服务模式或指令模式具有允许授权的供应商具有全权访问该装置的能力，而对于普通的使用者在这种普通的操作模式中并不能得到或需要这些指令和系统。
这些系统或指令模式允许访问诊断信息。在附图5所示的本发明的实施例中，通过RS485端口校准和调整但不能通过DeviceNet端口访问。仅将DeviceNet端口用于过程控制。除了过程控制以外，DeviceNet端口还可以访问处于DeviceNet语言、报警和异常中的诊断。
在模拟模式中，可以提供输出流量值和阀控制。模拟系统基本提供线性运算放大器电路，该运算放大器电路提供了在螺线管中出现的电压。本发明通过精确地控制提供与控制阀位置所需的力和方向的关系的电流使其优于已有技术。
与本发明相关的另一优点在于本发明是非侵入性的。仅需要监测并分析数据。应用预估算法，通过开发预保养系统进行定期保养可以节省制造和保养成本。此外，还可以确定与该系统相关的可能的失效。这种分析能够识别在正常范围之外但仍然处于规范之内的操作。这可指示异常操作或一种趋势或其它的分析可以指示与该系统相关的可能的失效模式。因此，可以确定传感器老化或阀故障并在严重损坏主机系统之前更换它。
在诊断系统内分析趋势分析和关系数据。本发明的一种实施例并不能在嵌入的系统内决定该系统是否应该运行，而是本发明开发了一种警告或报警状态。本发明还连接到包含了在PC上的图形用户接口或在本领域的熟练人员所公知的类似的软件分析包的外部系统以形成在不同的数据之间的趋势和关系并改善诊断值。
在附图1中，本地PC主机44可以是能够连接到调制解调器46的多点网络的主机。目标是从本发明提供远程访问数据。附图1从功能方面描述了在进行远程数据访问的远程PC50中的第二调制解调器48。然而，网络的应用或传输层可以由TCP/IP或其它的因特网应用层组成。调制解调器46和调制解调器48仅表示一种能够实现提供从本发明远程访问数据的连网能力的传输层的一种装置。通过本发明所应用的9600波特半双工模式协议符合连网的七层OSI模型，这种模型使它与TCPIP堆栈兼容，通过因特网连接使得本发明可以选择网络。
附图6描述了提供本发明的质量流量控制器的自动校准的方法和系统。不需要通过如在已有技术方案中那样通过机械调整来校准本发明的质量流量控制器。而是通过改变一组存储的系数来校准本发明的质量流量控制器的精度。校准主要由两步组成。第一步是线性化。这个步骤基本消除传感器的非线性特性并提供数字流量控制器16的线性值。在校准器提供模拟或数字设定点的地方使用在附图7中所描述的结构。对于每个所应用的设定点，记录相应的传感器和控制的“流量标准”值。可以将如在本领域中熟练人员所公知的回归技术应用到这些点中。一旦计算了这些系数，就将这些系数记录在本发明的EPPROM26中以便应用。然后本发明的任务是成为数值运算，应用所确定的系数应用多项式来从所感测的变量中计算正确的流量。可以对每种气体重复这种线性化的过程并存储在本发明的EPPROM或其它的存储位置中。
动态调整提供了在过渡事件中测量流量的能力。将逻辑电路并入在主机PC中，主机PC调整设定点状态以控制流量状态并在过渡状态中实现预期的流量。
本发明的其它实施例可以并入系统以记录实际的流量状态和所感测的流量状态。对于本发明的质量流量控制器可以连接的各种机械平台静态地分析这些数据。应用这些数据并结合如在本领域中熟练人员所公知的人工智能或逻辑可以建立发展趋势。对于给定的性能标准可以增加控制参数直到使这种性能最佳化。
附图7提供了本发明的诊断能力的概述。双色LED电路28提供状态指示。当绿色时LED电路28指示本发明可运行。如果双色LED电路28红色闪烁，则表示较小的可恢复的故障。如果双色LED电路28指示连续的红色，则表示产生了不可恢复的故障。最后双色LED电路28的状态没有光，意味着本发明的质量流量控制器没有电了。在质量流量控制器内的软件代码估计所监测的变量是否在特定的参数内正运行之后，确定双色LED电路28的状态。这些变量包括来自传感器、电磁阀的输出、本发明的装置的环境温度、本发明的电源以及本发明的动态性能的测量值。通过软件码所确定的不可恢复的故障存储在EEPROM非易失存储器26中。此外，通过DeviceNet端口或RS485端口38可获得所有的数据值。通过在便携式计算机比如膝上型计算机或其它专用计算装置上运行的软件诊断程序可以感测来自RS485端口38或DeviceNet端口的数据。这种软件给用户提供了向用户给出在本发明内所运行的诊断程序的结果的详细视图的接口。专门的工具比如手持诊断工具也可以感测来自RS485端口38的软件诊断数据或在本发明内的特定测试点。对于DeviceNet端口，并入分离的且独立的解释机构以读取软件诊断的结果。可以在附加的实施例种构造在便携式计算机或便携式诊断工具上运行的第二种软件程序以读取来自DeviceNet端口的软件诊断的结果。
本发明解决了与已有技术相关的许多问题。由于不定期的且不可预期的失效的质量流量控制器，通常不作任何调整就随意地更换，因此用户认为成本较高。这是因为以前的质量流量控制器已经被认为不可靠的且不可信赖的，许多用户并不理解质量流量控制器如何运行。因为这种失效而理解到质量流量控制器的运行和与校准质量流量控制器相关的问题，所以一旦质量流量控制器安装在系统上就要求现场服务提供技术支持和对所怀疑的质量流量控制器的失效分析。过去，应用多匝电位器或可变电阻器，基于每个技术人员对该装置的性能的简单了解调整或校准质量流量控制器。这种校准费时费力，主观事件直接影响该装置的性能。因为已有技术的质量流量控制器采用手工调整和校准，在应用它们时通常产生非均匀的过渡响应。此外，已经发现已有技术的质量流量控制器对入口压力非常敏感。此外，已有技术的质量流量控制器通常是模拟系统或专用的RS485网络。
本发明提供了一种包含与多路开放式通信标准比如DeviceNet、Lonworks和Profibus前向兼容的能力，而同时仍然保持与传统的系统的后向兼容性。
失效的质量流量控制器的故障诊断和分析要求从在它所安装的系统内的操作和安装中消除质量流量控制器。通过本发明所提供的直接监测质量流量控制器可以消除这一昂贵的过程。本发明包含数字引擎，该数字引擎不连续地监测设定点、螺线管电流、周围温度、传感器基极电阻和入口压力指示以及电源电压、流量误差、阀泄漏以及过渡响应。分析这些所监测的参数(手工或自动地)以跟踪并确定与本发明的装置的操作相关的异常的发展趋势。此外，通过到主机PC的调制解调器或其它的网络连接可以远程地监测这些数据。
本发明的质量流量控制器并不包含任何可变的手工调整。这就提供了这样的优点通过存储在非易失存储器中的唯一的一组常数的存储可以数字地完成所有的校准和调节。通过专用的RS485接口提供访问相关的存储器位置。运行适当的软件并且同时连接到特定的流量测量仪表的校准系统主机可以自动地校准并调节本发明的质量流量控制器以在静态和过渡流量状态中都得到一致的可重现的性能。这些一致的过渡响应提供了本发明附加的优点。当在所选择的结构中应用时，通过应用由选择的数字信号处理器所提供的计算能力来实现这些均匀的过渡响应。这种结构允许通过软件实现100％的控制算法。软件算法包含了调用可选择或调整以实现一致的且可重现的过渡响应的唯一的敏感状态或位置参数。
本发明的另一优点是不需要在气体的输送线内的昂贵的上游压力调整器。本发明的数字引擎具有通过可用的模拟到数字输入不连续地监测入口压力的能力。理想的是监测入口压力并使本发明的输出的质量流量特性不敏感。
本发明的进一步优点在于包含多路打开的专用数字通信端口。上文所描述的实施例的结构允许两个数字网络同时服务，只要它们之中的一个是RS485型网络。所选择的DSP包括专用于服务RS485网络的嵌入型UART外设。通过读取并写入到双端口SRAM可以服务于其它的通信网络。选择双端口SRAM作为通信分区使得能够支持多路独立的可交换的连接。本发明并不需要限制于这些通信端口。在本领域中熟练人员公知的各种通信协议的多种通信端口都可以并入到本发明中以实现多种独立的可交换的连接。
本发明的其它的优点在于嵌入的系统基于以精确的1.68毫秒的离散间隔从流量信号中接收采样数据管理事件。由于选择的结构的计算的能力，控制算法在小于这个时间的30％内完成它的任务。
本发明提供了历史数据、趋势、分析、关系数据。通过对这些数据进行归档增强了服务技术人员通过连接到专用服务端口的主机系统进行远程诊断和本地诊断以确定当前操作的能力。
在市场上有各种各样的质量流量控制器。一种质量流量控制器可以包括有助于线性化流量感测信号的线性化电路。具体可以参考美国专利申请No.09/350,747(T.T.Pattantynus等人在1999年7月9日申请，题为“System and Method for Sensor Response Linearization”)。质量流量控制器还可以包括改进的质量流量接口电路，这种质量流量接口电路通过感测响应气体流量的感测电阻的电阻的变化来测量在质量流量控制器内的质量流量。具体可以参考在美国专利申请No.09/350,746(D.S.Larson等人在1999年7月9日申请，题为“Improved Mass Flow SensorInterface Circuit)中公开的改进的质量流量接口电路。质量流量控制器还可以包括通过质量流量控制器校正所感测的流量信号以更精确地接近实际的流量的导数控制器。具体可以参见美国专利申请No.09/351,120中公开的导数控制器(E.Vyers在1999年7月9日申请，题为“System andMethod for a Digital Mass Flow Controller”)。在质量流量控制器中也可以包括PI控制器以产生阀驱动信号以控制在质量流量控制器中的阀。PI控制器可以增加质量流量控制器的响应速度并将阀的非线性响应补偿到阀驱动信号。具体可以参见在美国专利申请No.09/351,098中公开的PI控制器(E.Vyers在1999年7月9日申请，题为“System and Method fora Variable Gain Proportional-Integral(PI)Controller”)。最后，还可以将在质量流量控制器中的阀驱动信号输入到阀驱动电路中以控制启动阀的螺线管。具体可以参考美国专利申请No.09/351,111(T.T.Pattantynus等人在1999年7月9日申请，题为“System and Method forDriving a Solenoid”，)。应该注意，重要的一点是，本发明并不限于应用在包括如上所描述的部件的质量流量控制器中。
虽然参考实例性的实施例在此已经详细地描述了本发明，应该理解的是上述的描述仅是实例性的并不构成对本发明的限制。因此，进一步应该理解的是，对于在本领域的熟练人员来说，通过参考上文的描述在本发明的实施例的细节方面作出许多改变以及本发明的其它实施例都是显然的。可以设想的是这些所有的变化和其它实施例都将落在如下文所请求的本发明的真正的精神范围内。
权利要求
1.一种质量流量控制器，包括传感器；耦合到传感器的输出中的电子控制系统；从电子控制系统中接收控制信号的控制阀，其中应用该控制信号来通过控制阀调节第一气流；以及旁通阀，该旁通阀产生压力降并维持流经传感器的流量和在传感器和流经质量流量控制器的气体流量之间的恒定比率。
2.权利要求1所述的质量流量控制器，进一步包括嵌入的诊断系统，其中诊断系统识别在质量流量控制器中的故障或潜在的故障状态。
3.权利要求2所述的质量流量控制器，其中嵌入的诊断系统提供在质量流量控制器中的故障或潜在故障状态的可视指示。
4.权利要求2所述的质量流量控制器，其中嵌入的诊断系统进一步包括接口以使在质量流量控制器中的故障或潜在故障状态与远程诊断系统进行通信。
5.权利要求4所述的质量流量控制器，其中远程诊断系统包括质量流量控制器的故障状态的历史数据库和这些故障状态的指示。
6.权利要求1所述的质量流量控制器，其中电子控制系统应用控制算法通过独立于供应流中的压力和流量波动的质量流量控制器向质量流量控制器提供所需的输出流量。
7.权利要求1所述的质量流量控制器，其中电子控制系统应用接收一系列系统变量的输入的算法计算实时流量误差，这些系统变量包括所需的输出流量设定点；螺线管电流；环境温度；传感器的基极电阻；入口压力指示；至少一个电源电压；通过控制阀的泄漏；与所需的输出流量设定点相比较的实际的输出流量的过冲量；以及基于实时计算的流量误差调整到控制阀的控制信号以实现所需的输出流量。
8.权利要求7所述的质量流量控制器，其中导出的算法是应用回归技术的多项表达式，其中将该表达式作为一系列常数存储在通过电子控制系统可访问的存储器位置中。
9.权利要求8所述的质量流量控制器，进一步包括监测该系列的系统变量和实际的流量输出并计算表示多项表达式的一系列常数的校准系统。
10.权利要求9所述的质量流量控制器，进一步包括连接到电子控制系统并可操作以在该电子控制系统和至少一个外部网络之间进行数据通信的至少一个数据通信端口。
11.权利要求9所述的质量流量控制器，其中至少一个数据通信端口支持从RS485或UART组中所选择的外设。
12.一种确定通过质量流量控制器的质量流量的方法，包括如下步骤感测流经传感器的流量并将所感测的流量输出到电子控制系统；在流经传感器的流量和流经质量流量控制器的流量之间保持恒定比率；在电子控制系统内计算流经质量流量控制器的实际的实时流量；确定在所需的流量设定点和实际的实时流量之间的流量误差；以及在电子控制系统内产生控制信号，该电子控制系统可操作以调节在质量流量控制器内的控制阀的位置；调节流经质量流量控制器的流量以使流量误差最小化。
13.权利要求12所述的方法，其中计算流经质量流量控制器的实际的实时流量的步骤应用接收一系列变量的输入的算法。
14.权利要求13所述的方法，其中应用回归分析确定该算法并通过代表输入变量的因素结果的一系列常数表示。
15.一种校准质量流量控制器的方法，包括如下的步骤应用流量测量仪表系统测量流经质量流量控制器的实时实际的流量；感测与质量流量控制器相关的一系列系统变量，这些系统变量包括所需的输出流量设定点；螺线管电流；环境温度；传感器的基极电阻；入口压力指示；至少一个电源电压；通过控制阀的泄漏；当比较时在实际的输出流量和所需的输出流量设定点之间的实时流量误差；应用回归分析技术对流经质量流量控制器的预期流量进行模拟以产生描述系统变量的质量流量控制器的响应的多变量响应函数；以及将多变量响应函数输入到电子控制系统以调节流经质量流量控制器的流量。
16.权利要求20所述的方法，进一步包括将多变量响应函数存在电子控制系统内的存储器位置中。
全文摘要
本发明涉及操作数字质量流量控制器的系统和方法,本发明的质量流量控制器包括传感器(12)。应用这种传感器监测在气体输送线内的质量流量。此外,这种传感器还给连接到传感器的电子控制系统(16)提供输出(15)。电子控制系统基于传感器的输出确定预期的质量流量。该电子控制系统还应用控制信号调节控制阀(22)以调整流经控制阀的第一气体流量。
文档编号G05B23/02GK1371492SQ00811323
公开日2002年9月25日 申请日期2000年6月21日 优先权日1999年7月9日
发明者肯尼思·E·廷斯利, 菲索·塔里克 申请人:米里坡公司