专用过程诊断设备的制作方法

专利名称：专用过程诊断设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及过程控制系统，所述过程控制系统是用于对工业过程 的操作进行监测和/或控制的类型。更具体地，本发明涉及对这样的过 程控制系统的诊断。
背景技术：
在过程控制工业中使用现场设备(诸如过程控制器、监测器、以
及变送器(transmitter)之类的设备)来遥控或感测过程变量。例如， 可以由变送器将过程变量传输至控制室，用于对过程进行控制或用于 将与过程操作有关的信息提供给控制器。例如，可以将涉及过程流体 的压力的信息传输至控制室并且使用该信息来控制诸如炼油之类的过 程。
当工业过程中使用的设备发生故障时，通常有必要停止整个过程 以便能够修复或替换发生故障的设备。典型地，很难在过程设备发生 故障出现之前预测即将发生的过程设备故障。因此，当过程设备确实 发生故障时，它总是出乎意料地或仅带有很少警告地出现，并且可能 要求将整个过程意外停止。尽管在检测和/或预测故障或即将发生的故 障方面已经进行了各种尝试，然而仍然存在对这样的诊断技术的需求。 对未决故障的现有预测允许在设备最终发生故障之前根据需要替换发 生故障的设备。

发明内容
提供了一种现场可安装专用过程诊断设备以及方法，用于对工业 控制或监测系统的操作进行诊断监测。输入接收与工业过程的操作有 关的至少一个过程信号。存储器包含诊断程序指令，将所述诊断程序 指令配置为使用至少一个过程信号来实现诊断算法。诊断算法可以专用于工业过程，在所述工业过程中实现设备或方法。微控制器执行诊 断程序指令以及根据至少一个过程信号有响应地对过程的操作进行诊 断。


图l是包括现场可安装专用过程诊断设备的过程控制系统的简
图2是图1所示的现场可安装专用过程诊断设备的方框图3是现场安装的诊断设备的方框图4是与热交换器一起使用的、现场安装的诊断设备的图。
具体实施例方式
本发明提供了供工业过程控制或监测系统的诊断操作中使用的 专用过程诊断设备以及方法。专用过程诊断设备不执行除了在过程控 制系统中的诊断以外的功能。换言之，该设备不用于测量在执行或监 测过程控制中使用的过程变量，也不用于控制过程操作。在一些实施 例中(其中设备专用于执行诊断)，能够将设备的计算能力充分集中在
该活动上。能够将设备配置为服从在现场中远距离(remote)位置进 行安装的要求，所述要求包括固有安全性要求以及将设备"现场强化
(field hardened)"所需要的其它要求。
图1是包括专用现场安装的诊断设备8在内的过程控制系统10的 图。过程控制系统10还包括变送器12以及与过程管道16耦合的阀门定 位器22。在图1中一般地示出了传感器21，并且传感器21与变送器12 耦合。图1还示出了与诸如阀门之类的控制元件24耦合的阀门定位器 22。还示出了与回路18耦合的过程监视器26 (作为手持设备示出)。
传输信息的一种典型技术包括对通过过程控制回路流动的电力 的数量加以控制。从控制室中的电流源提供电流，变送器根据其在现 场中的位置来控制电流。例如，4mA的信号能够用于指示0读数
(reading), 20mA的信号能够用于指示满刻度(full scale)读数。最 近，变送器采用了使用数字信号与控制室进行通信的数字电路，其中将所述数字信号叠加到流过过程控制回路的模拟电流信号上。这样的
技术的一个示例是由Rosemount Inc提出的HART⑧通信协议。HART 协议以及其它这样的协议典型地包括一组命令或指令，其中能够将所 述命令或指令发送至变送器以得到(elicit)期望的响应，如变送器控 制或询问。
Fieldbus是由现场总线协会(Fieldbus Foundation)提出的通信协 议，旨在定义用于在过程控制回路上传输信息的通信层或协议。在 Fieldbus协议中，流过回路的电流不用于传输模拟信号。相反，以数字 方式传输所有信息。此外，Fiddbus标准以及称作Profibus的标准允许 以多站(multi-drop)配置来配置变送器，在所述多站配置中，将多于 一个的变送器连接在相同的过程控制回路上。其它通信协议包括 MODBUS⑧协议以及Ethemet。在一些配置中，能够使用2条、3条、4 条或任何数目的导线来与过程设备连接，包括诸如RF (射频)之类的 非物理连接。
诊断设备8、变送器12以及定位器22与二线过程控制回路18耦合， 其中二线过程控制回路根据Fieldbus、Profibus或HART⑧标准进行操作。
然而，本发明即不限于这些标准也不限于二线配置。二线过程控制回路 18在现场中的位置与控制室20之间行进。在回路18根据HART⑧协议进 行操作的实施例中，回路18能够承载代表第二过程变量的电流I。此外， HART⑧协议允许将数字信号叠加在通过回路18的电流上，以便能够将 数字信息发送至变送器12或从变送器12接收数字信息。在根据Fiddbus 标准进行操作时，回路18承载数字信号并且能够与诸如其它变送器之 类的多个现场设备耦合。能够使用任意数目的二线过程控制回路18， 并且将所述任意数目的二线过程控制回路18在适当情况下与现场安装 的设备耦合。这里所示的配置仅出于示例目的。
典型地，过程变量是在过程中受控制的主要变量。如这里所使用的， 过程变量是指对过程的情况(condition)(例如，压强、流(flow)、温 度、产品等级(level)、 PH、浊度、振动、位置、发动机电流、过程的 任何其它特性等)进行描述的任何变量。控制信号是指用于对过程进行 控制的任何信号(除了过程变量以外)。例如，控制信号是可以受控制器调整或用于对过程进行控制的期望的过程变量值(即，设置点
(setpoint))，如期望的温度、压强、流、产品等级、PH或浊度等。此 外，控制信号是指，校准值(calibration value)、警报、警报条件、提 供给控制元件的信号(如提供给阀门致动器的阀门位置信号、提供给加 热元件的能级(energy level)、螺线管开/关信号等，或与对过程的控 制有关的任何其它信号)。如这里使用的诊断信号包括与过程控制回路 中的设备和元件的操作有关的信息，而不包括过程变量或控制信号。 例如，诊断信号包括阀门杆(stem)位置、施加的扭矩(torque)或力、 致动器压强、用于开动阀门的加压气体的压强、电压、电流、功率、 电阻、电容、电感、设备温度、静态阻力(stiction)、全开(full on) 和全关(full off)位置、行程(travel)、频率、幅度、谱和谱分量、 硬度、电或磁场强度、持续时间、强度、运动、电动机反电动势(electric motor back emf)、发动机电流、回路相关的参数(如控制回路电阻、 电压、或电流)、或在系统中可以被检测和测量的任何其它参数。此外， 过程信号是指在过程中与过程或元件有关的任何信号，如过程变量、 控制信号或诊断信号。过程设备包括构成过程控制回路的一部分或与 过程控制回路耦合的任何设备，并且将所述过程设备用于对过程的控 制或监测中。
如以上讨论的，图1是示出了过程控制系统10的示例的图，过程 控制系统10包括承载过程流体的过程管道16以及承载回路电流I的二 线过程控制回路18。变送器12、(与回路中的最终控制元件，如致动器、 阀门、泵、发动机或螺线管，耦合的)控制器22、过程监视器26以及 控制室20是过程控制回路18的所有部分。将理解，以一种配置示出了 回路18，可以使用任何合适的过程控制回路，如4-20mA回路，2、 3、 或4线回路，多站回路，以及根据HART⑧、Fieldbus或其它数字或模拟 通信协议进行操作的回路。在工作中，变送器12使用传感器21感测诸 如流之类的过程变量，并且通过回路18传输感测到的过程变量。可以 由控制器/阀门致动器22、诊断设备8、控制室设备20和/或过程监视器 26来接收过程变量。示出了与阀门24耦合的控制器22，并且控制器22 能够通过调节阀门24从而改变管道16中的流而对过程进行控制。例如，
9控制器22通过回路18从控制室20或变送器12接收控制输入，并且做出 响应地调节阀门24。在另一实施例中，控制器22根据通过回路18接收 的过程信号内部地产生控制信号。例如，过程设备包括图l所示的变送 器12 (如来自Rosemountlnc的3051S变送器)、控制器22、手持过程监 视器26、诊断设备8、以及控制室20。另一类型的过程设备是PC、可 编程逻辑单元(PLC)、或使用适当的I/0电路与回路耦合以允许在回 路上进行监测、管理、和/或传输的其它计算机。
图2是现场安装的专用诊断设备8的方框图。将设备8配置为与图1 的过程控制系统10耦合并且设备8包括过程信号输入40，将过程信号输 入40配置为从过程控制系统10接收一个或更多个过程信号。微处理器 42接收过程信号并且与存储器44耦合。存储器44包含诊断程序指令， 将所述诊断程序指令配置为在微处理器42中实现诊断算法。诊断算法 使用由输入40从过程接收的至少一个过程信号。在微处理器中实现的 诊断算法专用于正在被监测的具体过程和配置。例如，用于对过程(所 述过程对箱体中过程流体的高度(level)进行控制)的操作进行监测 的算法与对控制系统过程(所述控制系统过程对通过管道的过程流体 的流加以控制)的操作进行诊断的算法不同。根据该算法以及该过程 信号，微处理器42提供某一类型的诊断输出46。诊断输出46可以是仅 由设备8内部使用的输出，或可以是例如通过图l所示的过程控制回路 18而传输至远距离位置的输出。设备8还包括电源50,在某些实施例中， 将电源50配置为从二线过程控制回路18接收电力以对设备8内的所有
电子部件进行完全供电。
通常，本发明提供了新类型的现场可安装过程设备，所述现场可 安装过程设备用于监测过程条件、检测过程异常(abnormality)和改 变、以及提供与过程操作和最优化有关的诊断。当前需要提高生产力、 改进质量、降低成本、以及服从工业过程中的规则。典型的过程设备 不具有支持附加的复杂诊断的计算能力。该局限性是由于功率约束以 及对设备进行现场强化(以经受危险的位置以及苛刻的环境条件)的 需要导致的。通过使用专用设备执行诊断，能够使专用过程诊断设备 的有限资源集中在执行诊断的单个任务上并且不需要执行其它过程相关的任务。专用设备向操作员提供了如下监测功能监测过程条件和 签名、趋势、改变、混乱(upset)、或能够被分析并且用于对系统操 作进行故障寻找(troubleshoot)的其它异常。然后，能够将诊断信息 传达给主机系统以供在适当情况下(包括受控工厂(controlled plant) 停止)使用。此外，通过使用专用过程设备而不是位于控制室的设备 来实现诊断，专用设备能够访问实时过程信息。相反，当使用位于远 距离位置的设备(如控制室)来执行诊断时，诊断的能力是有限的， 这是因为控制设备对过程信号的访问受限。例如，控制室设备具有有 限的输入/输出能力、有限的扫描或更新次数、以及有限的带宽。对设 备的现场强化允许在危险的环境中或在设备遭受苛刻条件的环境中操 作。优选地，设备使用足够低的功耗进行操作，以允许使用完全从二 线过程控制回路接收的电力进行操作。然而，在一些实施例中，使用 诸如四线配置的其它配置。存储器44能够用于提供诸如日志记录 (logging)、趋势、以及分析之类的附加能力。专用设备8还能够用于 在将这样的功能添加到其它过程设备之前对诊断算法和技术进行测 试。通过对过程控制回路上的传输进行监测，能够接收由设备8使用的 过程信号。然而，还能够通过与诊断设备8直接耦合的专用传感器来接 收过程信号。由设备执行的诊断可以依靠附加信息，例如像设置点、 阀门位置等的控制信息，以执行针对更高级的回路或设备的诊断。设 备8能够单独地或一起提供多种类型的诊断输出，包括通告、警报信号、 控制信号等。可以使用标准通信技术通过过程控制回路来与过程设备
进行通信，或可以通过包括无线通信的其他技术或使用网络连接来与 过程设备进行通信。
图3是专用现场安装的过程诊断设备100的示例实施例的方框图。 设备100通常包括输入102、转换电路104、计算电路106、应用特定数 据108、以及输出电路110。输入102能够与任意数目的诊断传感器 112A， 112B…112N耦合。传感器能够是与设备100直接耦合的专用传 感器，或能够是通过诸如过程控制回路之类的数据总线与设备100耦合 的传感器。诊断变量传感器112A-112N能够测量与过程的操作或与和 过程相关联的设备的操作有关的任何变量。在图3的示例中，将诊断传感器示出为提供压强、温度、流、振动或声信号。诊断传感器与设备 100的输入块102之间的连接能够通过数据总线完成(送而传感器位于 远距离处)，或是通过直接连接完成。数据总线能够是任何类型的数据 总线，例如二线过程控制回路。此外，能够使用其它类型的数据总线，
如CAN总线、SPI总线等。转换电路104根据需要将接收的过程信号转 换成适于由计算电路106使用的格式。将计算电路106示出为提供数字 信号处理、模糊逻辑、神经网络或其它计算。然而，该电路能够执行 期望形式的诊断计算。能够将应用数据108存储在存储器中，并且能够 使用LOI (本地操作员接口)或其它技术来提供设置应用特定常量。 例如，数据可以通过过程控制回路来下载，使用无线通信链路来发送， 使用网络接口或通过其他技术来配置。将输出电路110示出为包括与控 制室的连接，以提供数字或模拟信号。示例包括Heldbus、 HART 、 模拟数据、数字数据、接触点闭合(contact closure)等。还能够提供 无线通信输出。还示出了可选的声换能器116。例如，声换能器116能 够用于通过将声信号施加到过程部件以及通过输入电路102观测响应 来获得附加诊断信息。
针对在设备或过程附近现场中的位置来配置诊断设备IOO，监测 所述设备或过程以发现异常活动。设备100能够与现有的过程变量测量
设备连接和/或与监测对执行诊断功能有用的其它变量的其它传感器 连接。能够根据需要配置诊断设备100的输出。示例输出包括至手持设 备(如无线或夹持设备)的本地输出。还能够提供视觉指示器，例如 提供彩色编码的输出，其中红色指示警报情况，黄色指示警告情况， 以及绿色指示正常操作。还能够通过互联网连接或通过与控制室的连 接来提供输出。还能够提供本地操作接口 (LOI)，以用于配置设备和 /或提供诊断输出。
图4是包括专用现场安装的诊断设备152在内的热交换系统150的 简化示意图。系统150包括热交换器154，所述热交换器154具有孔板 (orifice plate) 156、主流输入158、以及逆流(counter flow) 160。示 出了耦合在孔板156两端的流测量变送器162，并且将流变送器162配置 为测量差压、管径(gage)或绝对压强和温度。由诊断设备152接收来
12自变送器162的输出。此夕卜，将变送器164和166示出为测量沿着交换器 系统"0的计示(gauging)压强。现场安装的诊断设备152还监测来自 变送器164和166的计示压强测量。示出了将诊断设备152与遥控室连接 的二线过程控制回路连接168。在工作期间，诊断设备152能够监测各 种过程变量。例如，通过观测由变送器164与变送器166测量的计示压 强之差，能够监测热交换器中流管(flow tube)两端的差压。给定由 变送器162测量的质量流量(mass flow rate)之后，能够由诊断设备152 计算测量计(gauge) 164与166之间的期望差压。如果交换器154内的 管变得阻塞，则在变送器164与166之间测量的期望差压将偏离期望值。
这能够用于触发关针对本地输出或向控制室传输的诊断指示。典型地， 热交换器154内的管不以相同流量变得堵塞。计示压强测量变送器164 和166能够用于测量沿着交换管长度上的压强。变送器164和166还能够 用于识别正在以比其它管更快的速率发生堵塞的管。这允许与堵塞的 严重性相关联地进行维护。例如，完全堵塞的一组管将引起整个热交 换管组两端上的压强下降，并且可能需要立即进行清理。另一方面， 在整个管中的均匀堵塞可能引起相同的压强下降，然而可以不需要立 即关注。
图4是一个示例实施例，本发明适于所有类型的过程控制系统。 其它示例包括所有类型的交换器、反应器、过程溢出和泄漏检测、空 化(cavitation)感测和/或预测、侵蚀监测、磨损监测、对特定界限之 外的过程操作的识别，或其它专门的应用。
现场安装的诊断设备提供了协同定位的、专用的诊断能力，以确 定过程中是否存在异常情况，如果是，则确定达到什么程度。设备能 够接受许多类型的传感器输入，并且能够知道过程控制回路上承载的 信息(如设置点信息)，以降低诊断中的不准确性。能够通过传感器选 择和软件来配置设备，以适应许多不同类型的诊断应用需要。由于与 被诊断的目标系统协同定位，所以该设备能够进行本地访问和询问。 本地输出诊断能够用于操作员对系统的物理观测。设备仅需要对正在 被观测的具体系统所需要的传感器和过程变量进行监测。设备能够提 供多个输出以观察警报以及根据需要支持适当等级的细节。通过使用不同的软件配置，能够将类似的设备用于许多不同应用。能够通过现 有的网络(包括通过调制解调器的通信)来监测设备。优选地，针对 现场安装的应用对诊断设备进行物理强化。在这样的配置下，设备应
该能够针对具体安装(Installation)而经受住振动、腐蚀性化学制品、 静电放电等。来自设备的输出能够是以下形式使用有线或无线技术 向远距离位置的传输、本地输出、支持虚拟网页的输出、或通过互联 网的传输、或其它类型的输出。在设备内能够使用任何类型的诊断技 术，包括模糊逻辑技术、祌经网络技术、基于规则的技术等。还能够 将设备配置为向过程提供具体的输入或刺激(stimulus),例如通过声 信号应用来提供。设备内的传感器能够监测部件对所施加的信号的响 应，并且该响应能够用于由该设备执行的诊断。
尽管参考优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员将认识 到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节方面 进行改变。如这里所使用的，"诊断传感器"是专用于获得诊断测量的 传感器，不用于对过程的控制。此外，在一些实施例中，通过对过程 的操作进行监测，由微处理器执行的程序指令能够对所监测的过程的 操作进行学习。
权利要求
1、一种现场可安装专用过程诊断设备，所述设备与过程控制回路耦合，用于对工业过程中的工业控制或监测系统的操作进行诊断，所述设备包括输入，被配置为从诊断传感器接收与所述工业过程的操作有关的至少一个过程信号；存储器，包含诊断程序指令，所述诊断程序指令被配置为使用所述至少一个过程信号来实现诊断算法，其中所述诊断算法专用于所述工业过程；以及微控制器，被配置为执行诊断程序指令，并响应之，根据所述至少一个过程信号对所述工业过程的操作进行诊断。
2、 根据权利要求l所述的设备，其中，所述专用过程诊断设备完 全由通过二线过程控制回路接收的电力来供电，其中，所述专用过程诊断设备完全由通过二线过程控制回路接收 的电力来供电。
3、 根据权利要求l所述的设备，其中，过程控制回路包括4-20mA电流回路。
4、 根据权利要求l所述的设备，其中，过程控制回路根据HART⑧ 通信标准进行操作。
5、 根据权利要求l所述的设备，其中，过程控制回路根据Fiddbus 通信标准进行操作。
6、 根据权利要求l所述的设备，其中，将所述输入配置为从过程 变量传感器接收至少一个输入。
7、 根据权利要求l所述的设备，其中，其中，所述过程信号是从 二线过程控制回路接收的。
8、 根据权利要求l所述的设备，其中，将所述输入配置为从与所 述现场可安装专用过程诊断设备直接耦合的诊断传感器接收过程信 号。
9、 根据权利要求l所述的设备，包括转换电路，所述转换电路被配置为将过程信号转换成与所述微处理器兼容的格式。
10、 根据权利要求l所述的设备，包括输出，所述输出被配置为 提供无线输出。
11、 根据权利要求l所述的设备，包括视觉输出。
12、 根据权利要求l所述的设备，包括本地操作员接口。
13、 根据权利要求l所述的设备，包括声换能器。
14、 根据权利要求l所述的设备，其中，所述工业过程包括热交 换器过程，所述诊断程序指令专用于所述热交换器过程。
15、 根据权利要求l所述的设备，其中，所述诊断程序指令被配 置为对过程的操作进行学习。
16、 根据权利要求l所述的设备，其中，所述诊断传感器包括振 动传感器，所述诊断算法专用于热交换器的诊断操作。
17、 根据权利要求l所述的设备，其中，通过配置输入来配置所 述诊断程序指令。
18、 根据权利要求17所述的设备，其中，所述配置输入包括本地操作员接口。
19、 根据权利要求所述的设备，其中，所述配置输入包括无线输入。
20、 根据权利要求17所述的设备，其中，所述输入是通过所述过程控制回路接收的。
21、 一种对工业过程中的工业控制或监测系统的操作进行诊断的 方法，所述方法在现场可安装专用过程诊断设备中执行，所述方法包 括在所述工业过程的现场中安装所述现场设备； 从远程过程设备接收与所述工业过程的操作有关的至少一个过 程信号；获取诊断程序指令，所述诊断程序指令被配置为使用所述至少一 个过程信号来实现诊断算法，其中所述诊断算法专用于所述工业过程;根据所获取的程序指令以及所述至少一个过程信号，对所述工业 过程的操作进行诊断；以及利用从二线过程控制回路接收的电力，对所述现场可安装专用诊 断设备进行完全供电。
22、 根据权利要求21所述的方法，其中，二线过程控制回路包括 4-20mA电流回路。
23、 根据权利要求21所述的方法，其中，二线过程控制回路根据 HART⑧通信标准进行操作。
24、 根据权利要求21所述的方法，其中，二线过程控制回路根据 Fieldbus通信标准进行操作。
25、 根据权利要求21所述的方法，其中，所述至少一个过程信号 包括过程变量信号。
26、 根据权利要求21所述的方法，包括将所述过程信号转换成与 微控制器兼容的格式。
27、 根据权利要求21所述的方法，包括提供无线输出。
28、 根据权利要求21所述的方法，包括提供视觉输出。
29、 根据权利要求21所述的方法，包括提供本地操作员接口。
30、 根据权利要求21所述的方法，包括从声换能器接收过程信号。
31、 根据权利要求21所述的方法，其中，所述工业过程包括热交 换器过程，所述诊断程序指令专用于所述热交换器过程。
32、 根据权利要求21所述的方法，其中，所述诊断程序指令被配置为对所述过程的操作进行学习。
33、 一种现场可安装诊断设备，用于对工业过程中的工业控制或 监测系统的操作进行诊断，所述设备包括用于从远程过程设备接收与所述工业过程的操作有关的至少一 个过程信号的装置；用于获取诊断程序指令的装置，其中所述诊断程序指令被配置为 使用至少一个过程信号来实现诊断算法，其中所述诊断算法专用于所 述工业过程；用于根据所获取的程序指令以及至少一个过程信号对所述工业 过程的操作进行诊断的装置；以及用于利用从二线过程控制回路接收的电力对所述现场可安装专用诊断设备进行完全供电的装置'
全文摘要
一种现场可安装专用过程诊断设备(100)，用于对工业过程中的工业控制或监测系统进行诊断操作。将输入(102)配置为接收与工业过程的操作有关的至少一个过程信号(112A-N)。存储器(44)包含诊断程序指令，将所述诊断程序指令配置为使用过程信号来实现诊断算法。诊断算法专用于工业过程。微控制器(42)执行诊断程序指令，以及根据过程信号有响应地对工业过程的操作进行诊断。
文档编号G08C19/02GK101454813SQ200780019242
公开日2009年6月10日 申请日期2007年5月23日 优先权日2006年5月25日
发明者兰迪·J·朗斯多夫, 戴尔·S·戴维斯, 斯科特·D·内尔森, 格里高利·C·布朗, 里查德·L·内尔森, 阿密·K·约翰逊 申请人:罗斯蒙德公司