具有回路和閥控制能力的集成過程控制器的制造方法
【專利摘要】被配置為在現(xiàn)場中運行的集成控制器包括網(wǎng)絡接口模塊、一個或多個功能模塊、以及輸出模塊。網(wǎng)絡接口模塊被配置為經(jīng)由通信鏈路從遠程主機接收過程變量的設置點。一個或多個功能模塊被配置為：(i)從現(xiàn)場設備接收過程變量的測量結果，以及(ii)至少部分地基于過程變量的測量結果和過程變量的設置點，來執(zhí)行用于包括現(xiàn)場設備的控制回路的邏輯，以獨立于遠程主機生成輸出信號，其中，輸出信號用于控制現(xiàn)場設備。輸出模塊被配置為直接向現(xiàn)場設備應用所生成的輸出信號。
【專利說明】
具有回路和閥控制能力的集成過程控制器
技術領域
[0001] 本發(fā)明總體上設及過程工廠系統(tǒng)，并且具體而言，設及能夠在現(xiàn)場中驅動控制回 路的控制器。
【背景技術】
[0002] 本文中所提供的背景描述是為了總體上呈現(xiàn)本公開內(nèi)容的背景的目的。當前提名 的發(fā)明人的工作（到本【背景技術】部分中所描述的程度）W及說明書中的可能在提交時不能 另外算作現(xiàn)有技術的方面既未明確地也未隱含地被承認為相對于本公開內(nèi)容的現(xiàn)有技術。
[0003] 過程控制系統(tǒng)(例如在化學、石油或其它過程工廠中使用的那些過程控制系統(tǒng))通 常包括經(jīng)由模擬總線、數(shù)字總線或組合模擬/數(shù)字總線、或經(jīng)由無線通信鏈路或網(wǎng)絡來通信 地禪合到一個或多個現(xiàn)場設備的一個或多個過程控制器。現(xiàn)場設備(其可W是例如閥、閥定 位器、開關、W及發(fā)射機(例如，溫度、壓力、液位W及流速傳感器））位于過程環(huán)境內(nèi)，并且通 常執(zhí)行物理功能或過程控制功能（例如開啟或關閉閥、測量過程參數(shù)等），w便對在過程工 廠或系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行的一個或多個過程進行控制。智能現(xiàn)場設備(例如遵照公知的現(xiàn)場總線協(xié) 議的現(xiàn)場設備)還可W執(zhí)行控制計算、警報功能、W及通常在控制器內(nèi)實現(xiàn)的其它控制功 能。過程控制器(其還通常位于工廠環(huán)境內(nèi)）接收指示由傳感器和/或現(xiàn)場設備獲得的過程 測量結果的信號和/或與現(xiàn)場設備有關的其它信息，并執(zhí)行例如運行進行過程控制決策的 不同控制模塊的控制器應用，基于接收到的信息來生成控制信號并與在現(xiàn)場設備（例如 HART"、無線HART"·、W及FOUNDATION^Fieldbus現(xiàn)場設備）中執(zhí)行的控制模塊或 控制塊進行協(xié)調(diào)。控制器中的控制模塊通過通信線路或通信鏈路向現(xiàn)場設備發(fā)送控制信 號，W由此控制過程工廠或系統(tǒng)的至少一部分的運行。
[0004] 通過數(shù)據(jù)高速公路使得來自現(xiàn)場設備和控制器的信息可用于一個或多個其它硬 件設備，例如操作員工作站、個人計算機或計算設備、數(shù)據(jù)歷史庫、報告生成器、集中式數(shù)據(jù) 庫、或通常放置在控制室或遠離更嚴酷的工廠環(huán)境的其它位置中的其它集中式管理計算設 備。運些硬件設備中的每一個設備通?？邕^程工廠或跨過程工廠的一部分而集中。運些硬 件設備運行可W例如使得操作員能夠執(zhí)行關于控制過程和/或操作過程工廠的功能（例如 改變過程控制例程的設置、修改控制器或現(xiàn)場設備內(nèi)的控制模塊的操作、查看當前的過程 狀態(tài)、查看由現(xiàn)場設備或控制器生成的警報、為了訓練人員或測試過程控制軟件的目的而 對過程的運行進行模擬、保持和更新配置數(shù)據(jù)庫等）的應用。由硬件設備、控制器和現(xiàn)場設 備利用的數(shù)據(jù)高速公路可W包括有線通信路徑、無線通信路徑、或有線和無線通信路徑的 組合。
[0005] 圖1示出了示例性的公知系統(tǒng)10,其中，閥10在管道12中運行來保持特定流速、壓 力、或另一變量。PID控制器14執(zhí)行用于包括閥10的控制回路的比例-積分-微分(PID)邏輯。 為此，PID控制器14從傳感器20(在該示例中，壓力傳感器)接收傳感器測量結果，發(fā)射機22 經(jīng)由一組通信鏈路40將該傳感器測量結果傳輸?shù)絇ID控制器14"PID控制器14還經(jīng)由通信鏈 路40向I/P定位器30提供用于控制閥10的命令，并且I/P定位器30可W對致動器42進行操作 來致動(例如，開啟和關閉）閥IOdPID控制器14可w從操作員工作站50接收命令并且向操作 員工作站50提供報告。PID控制器14還可W通信地禪合到儲存診斷數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù) 庫。
[0006] 在某些實施方式中，通信鏈路40可W包括經(jīng)由集線器、開關等互連的有線鏈路和/ 或形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡的無線鏈路。在任何情況下，PID控制器14經(jīng)由相對復雜的通信路徑與設備 30、22等交換信息，并且可W在具有顯著的延遲的情況下控制回路。例如，PID控制器14可W 從操作員工作站50接收管道12中的流速的新的設置點，并且通過向I/P定位器30發(fā)送具體 的閥定位命令來開始執(zhí)行PID控制。響應于來自壓力傳感器20的壓力測量結果，或者更具體 而言，由在現(xiàn)場中運行的傳感器所報告的傳感器測量結果，PID控制器14可W提供新的定位 命令。因此，為了在某個時間段內(nèi)將閥10驅動至新的設置點，控制器14和設備30、22可W交 換眾多消息，每個消息都具有可能顯著的傳播延遲。
[0007] 出于類似原因，PID控制器14無法在沒有延遲的情況下執(zhí)行診斷功能、預后功能、 維護功能、W及與閥1〇(或包括閥10的控制回路)相關的其它功能。例如，為了收集診斷數(shù)據(jù) W便儲存在數(shù)據(jù)庫52中，PID控制器14可能需要經(jīng)由通信鏈路40發(fā)送對數(shù)據(jù)的多個請求并 且收集多個響應。
[000引除了傳播延遲，系統(tǒng)10還具有若干其它限制。例如，部件20、22、W及30必須單獨地 獲得、安裝、布線、W及維護，由此增加了復雜性、成本、人員的需求等。此外，在控制回路中 運行的相對大數(shù)量的單獨的設備使得診斷更為困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本公開內(nèi)容的集成數(shù)字過程控制器被配置為在現(xiàn)場中運行，W便在本地執(zhí)行過程 值測量并實現(xiàn)PID控制。控制器可W從遠程主機接收過程變量(例如，管道中的壓力或流速） 的設置點，并且在本地（獨立于遠程主機）執(zhí)行對包括諸如閥之類的現(xiàn)場設備的回路的控 審IJ。具體而言，控制器可W在沒有傳輸測量結果或從遠程主機接收經(jīng)調(diào)整的控制參數(shù)的情 況下實現(xiàn)控制。在控制器內(nèi)運行的部件可W在小距離上W線速(在某些情況下甚至W片上 速度(on-chip speed))交換數(shù)據(jù)，由此使得控制快速并有效?？刂破骺蒞在本地回路、分布 式巧制系統(tǒng)、或SCADA系統(tǒng)中擔化。
[0010] 除了實現(xiàn)PID控制，控制器可W使用本地儲存在例如集成模塊的非易失性存儲模 塊中的數(shù)據(jù)來執(zhí)行實時學習和診斷。控制器可W基于本地執(zhí)行的測量和診斷來生成警告和 警報?？刂破骺蒞儲存該警告和警報W及特征數(shù)據(jù)，W便在本地存儲器中進行有效比較，由 此消除了向遠程主機報告測量結果并且依賴于遠程主機進行計算的需要。控制器不僅可W 對現(xiàn)場設備而且可W對整個控制回路執(zhí)行診斷，并且類似地可W調(diào)整與現(xiàn)場設備和控制回 路兩者都有關的參數(shù)。此外，控制器可W針對所有過程變量類型（例如流量、壓力、液位、密 度、pH、溫度、組分等)來優(yōu)化控制回路性能。
[0011] 根據(jù)某些實施方式，控制器W模塊的方式來進行組裝，W實現(xiàn)快速和有成本效益 的部件(例如傳感器、I/P轉換器等）。因此，部件可W在發(fā)生故障時或當升級可用時容易地 進行替換。此外，控制器可W配備有冗余部件W便在發(fā)生故障時確保即刻業(yè)務恢復(例如， 熱插拔），并且支持分立應用中的表決邏輯。
[0012] 在某些實施例中，控制器還可W包括W下特征中的一個或多個：（i)控制器的殼體 可W是防爆的，并且符合本安（IS)標準；（ii)控制器可W包括無排放氣動部件(將用于例如 天然氣應用中控制器可W包括電源，該電源可W為CPU和/或其它處理單元提供足 夠的功率來執(zhí)行PID計算、支持傳輸、W及另外極大地支持控制器在現(xiàn)場中的自主運行； (iv)控制器可W經(jīng)由無線鏈路從遠程主機接收設置點數(shù)據(jù)并向遠程主機提供警告、警報、 W及報告；（V)控制器可W支持W太網(wǎng)連接，（Vi)除了用于與遠程主機進行通信的有線或無 線接口，控制器還可W包括例如用于接收配置數(shù)據(jù)和顯示警告或警報的本地用戶接口； (Vi i)控制器還可W支持用于由遠程主機使用的標準操作平臺（例如，Windows飯）的遠程 用戶接口（RUI);W及(viii)控制器可W包括模擬輸出(A0)和模擬輸入(AI)4-20mA模塊，來 結合傳統(tǒng)現(xiàn)場設備運行。
【附圖說明】
[0013] 圖1是禪合到現(xiàn)場設備的公知遠程終端單元的框圖；
[0014] 圖2是本公開內(nèi)容的示例性集成控制器的框圖；
[001引圖3是根據(jù)本公開內(nèi)容的技術的用于執(zhí)行回路的PID控制的示例性方法的流程圖；
[0016] 圖4是用于在本公開內(nèi)容的集成控制器處原位實施診斷的示例性方法的流程圖； W及
[0017] 圖5是用于在現(xiàn)場設備或控制回路的運行期間實施實時診斷的示例性方法的流程 圖，可W在本公開內(nèi)容的集成控制器中實施該示例性方法。
【具體實施方式】
[0018] 圖2例示了能夠使用本地測量結果和本地控制功能來在現(xiàn)場中執(zhí)行控制的示例性 集成數(shù)字過程控制器(為簡單起見，稱為"控制器"）。如下面所討論的，控制器100能夠針對 各種類型的過程變量、性能優(yōu)化、實時診斷等進行快速、動態(tài)的原位過程控制。通過在閥或 另一個現(xiàn)場設備處直接實現(xiàn)PID控制，控制器100可W實現(xiàn)改進的環(huán)路性能。此外，控制器 100有效地取代了若干設備，由此簡化了安裝和維護。單個供應商可W為總的環(huán)路控制提供 控制器100。
[0019] 在圖2中的示例性配置中，控制器100對安裝在管道104中的閥102進行操作。閥102 和管道104可W類似于W上參照圖1所討論的閥10和管道12?？刂破?00包括功能模塊110、 存儲器112和氣動輸出模塊114。在某些實施方式中，控制器100還可W包括諸如壓力傳感器 116之類的傳感器。此外，集成控制器100可W包括網(wǎng)絡接口模塊118和功率調(diào)節(jié)器120。更進 一步，集成控制器100可W配備有本地用戶接口模塊122。取決于實施方式，部件100-120可 W存在于相同的殼體130中，或者部件中的某些部件(例如，壓力傳感器116)可W提供于單 獨的殼體中，但在任何情況下，部件100-120都可W使用直接的本地有線鏈路或其它適當類 型的短距離、高速通信鏈路來進行互連。在示例性實施方式中，部件100-122禪合到背板 124?？刂破?00可W經(jīng)由通信線路150接收過程變量和配置數(shù)據(jù)的設置點，并且經(jīng)由通信線 路152向遠程主機提供過程信息和報告。線路150和152并非必須是物理上分隔的信道，并且 通常可W是在相同的一條布線或一組布線上的通信信道、不同的無線電信道或相同信道的 不同時隙、或任何其他適當類型的物理信道或邏輯信道。
[0020] 接下來，可W簡要地單獨考慮部件110-124,接著對控制器100的運行進行討論。
[0021] 取決于實施方式，功能模塊100可W包括被配置為執(zhí)行儲存在存儲器112中的指令 的通用中央處理單元(CPU)和/或一個或若干個專用模塊(例如，被配置為執(zhí)行PID功能的專 用集成電路(ASIC)) dCPU可W包括精確到跨越控制器100可W運行的整個溫度范圍的每年 在一定數(shù)量分鐘（例如，10分鐘）內(nèi)的實時時鐘。更通常地，功能模塊110可W包括任何適當 類型的一個或多個處理器。如圖2中示意性地例示的，功能模塊110可W實現(xiàn)一個或若干個 PID功能160、一個或若干個調(diào)節(jié)功能162、一個或若干個實時定位和/或診斷功能164、W及 (如果期望的話)與監(jiān)控、檢修、過程可變性優(yōu)化等相關的額外的功能。功能模塊110可W用 硬件、固件、可由一個或多個處理器執(zhí)行的軟件指令、或硬件、固件、W及軟件的任何適當?shù)?組合來實現(xiàn)運些功能。
[0022] 在示例性場景中，功能模塊110借助網(wǎng)絡接口 118、經(jīng)由通信線路150從遠程主機接 收管道104的壓力設置點，從壓力傳感器116接收傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行PID算法來生成定位命令 (或者，更具體而言，輸出信號），并經(jīng)由氣動輸出模塊114將定位命令應用于閥102。應當指 出，功能模塊110可W接收過程變量的而非現(xiàn)場設備的設置點。功能模塊110可W從存儲器 112獲取用于PID回路的調(diào)節(jié)參數(shù)。如下面更詳細地討論的，運些參數(shù)可W是預先配置的，從 遠程主機接收到的，經(jīng)確定和/或經(jīng)調(diào)整的所使用的自動調(diào)節(jié)等。因此，功能模塊110可W在 不依賴于遠程主機的情況下使用本地收集的傳感器數(shù)據(jù)來本地執(zhí)行控制功能。取決于實施 方式，功能模塊110可W實現(xiàn)用于控制許多不同的過程變量(例如壓力、位置、溫度、流速、或 pH)的功能。
[0023] 更通常地，功能模塊110允許集成控制器100快速并有效地對設備問題作出反應 (例如，檢測閥102的問題，檢測傳感器116的故障），控制回路問題(例如，確定應當調(diào)整PID 參數(shù)），執(zhí)行緊急程序(例如，關閉通過管道104的流量）、生成警告W便經(jīng)由本地UI模塊122 輸出和/或W便報告給遠程主機。
[0024] 存儲器112可W是任何適當?shù)姆菚簯B(tài)計算機可讀介質，并且可W包括易失性和/或 非易失性部件。因此，存儲器112可W包括隨機存取存儲器(RAM)、硬盤、閃存驅動器、或任何 其他適當?shù)膬Υ娌考?。儲存?12可W儲存PID參數(shù)170、診斷數(shù)據(jù)172、閥特征數(shù)據(jù)174、W及 過程特征數(shù)據(jù)176。特別地，PID參數(shù)170可W針對控制閥102或另一個現(xiàn)場設備的回路指定 比例、微分、和積分增益值?？蒞由遠程操作員經(jīng)由遠程主機進行配置并經(jīng)由網(wǎng)絡接口 118 來提供、由本地操作員經(jīng)由UI模塊122進行配置、由集成控制器100的制造商預儲存在存儲 器112中等等來提供PID參數(shù)170。在某些場景中，例如，集成控制器100可W響應于接收到新 的設置點150或在進行診斷時調(diào)整PID參數(shù)170。
[0025] 閥特征數(shù)據(jù)174和過程特征數(shù)據(jù)176可W分別描述閥102和用于控制閥102的回路 的預期行為。例如，閥特征可W包括與閥102的一組相應位置相對應的一組預期的傳感器測 量結果。在圖2中的示例性實施方式中，閥特征可W指定壓力傳感器116(設置在壓力傳感器 116的下游并由此與閥102的輸出壓力相對應)如何與閥102的行進位置(例如，其可W被測 量為行進致動器的位置或開啟位置的百分比）相關。類似地，響應于設置點的值或輸入值的 變化，過程特征數(shù)據(jù)可W描述預期的過程輸出值，例如來自壓力傳感器116的壓力測量結 果。更普遍地，儲存在存儲器112中的特征可W描述子系統(tǒng)對輸入信號的預期響應，W便與 子系統(tǒng)的實際響應進行比較并判斷子系統(tǒng)是否正確運行。
[0026] 與如今公知的系統(tǒng)不同，集成控制器100可W本地收集數(shù)據(jù)，W便確定對諸如閥 102之類的子系統(tǒng)的實際響應，并且再次在本地將所收集的數(shù)據(jù)與特征174、特征176、或另 一個特征進行比較。W此方式，集成控制器可W快速且有效地檢測閥的問題(例如，致動器 卡住了、壓力損耗、流體泄露）、過程擾亂(upset)、控制回路劣化等。此外，如果期望的話，集 成控制器100可W執(zhí)行適當?shù)恼{(diào)節(jié)功能162來產(chǎn)生過程特征。使用過程特征，控制器可W檢 測到用于期望的控制回路響應的適當?shù)囊唤M調(diào)節(jié)參數(shù)。
[0027]此外，存儲器112可W保留配置信息、日志、歷史數(shù)據(jù)、輸入和輸出端口的狀態(tài)等。 集成過程控制器100可W被配置為在發(fā)生電源故障時將事件日志、警告日志、實時時鐘數(shù) 據(jù)、回路日志、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、輸入/輸出信道的狀態(tài)、功能模塊屬性、用戶列表等保 留在存儲器112中。
[00%]繼續(xù)參照圖2,氣動輸出模塊114可W在運行期間致動閥102。氣動輸出模塊114可 W包括I/P換能器和一個或多個繼動部件。在示例性實施方式中，氣動輸出模塊114包括I/P 模塊和雙側作用繼動器。此外，在一個實施方式中，氣動輸出模塊114包括進行排放的繼動 器W及在發(fā)生電源故障時鎖定在最后值的繼動器?？刂破?00可W經(jīng)由本地UI 122或遠程 主機的RUI提供對氣動輸出模塊114的輸出壓力的指示。應當指出，控制器100可W例如通過 感測輸出壓力來監(jiān)控氣動輸出模塊114的運行，并執(zhí)行實時診斷W在早期檢測到完整故障 或部分故障。
[0029] 當用在其中天然氣是介質的應用中時，控制器100可W包括一個或若干個無排放 氣動部件W遵照排放法規(guī)。
[0030] 運些實施方式中的控制器100允許在與傳統(tǒng)的氣動設備相比減少了排放的同時繼 續(xù)使用介質。
[0031] 在示例性實施方式中，壓力傳感器116是被配置為對作為過程變量(PV)的壓力進 行測量的積分壓力傳感器模塊。壓力傳感器116可W直接栓至殼體130。然而，在替代的實施 方式中，壓力傳感器116可W被提供為通過有線鏈路或短距離無線鏈路來禪合到控制器100 的單獨的設備。與W上所討論的氣動輸出模塊114類似，控制器100可W經(jīng)由（本地)UI模塊 122或遠程主機處的RUI來顯示壓力傳感器100的實時數(shù)據(jù)。此外，控制器100可W支持命令， 操作員可W使用該命令經(jīng)由本地接口或遠程接口來請求或提取(pull)實時數(shù)據(jù)。
[0032] 盡管在圖2中所描繪的示例性實施方式包括與控制器100的剩余組件集成的壓力 傳感器116,但在其它實施方式中，控制器100可W包括另外的I/O模塊，例如閥位置傳感器 或溫度傳感器。運些模塊和其它模塊可W插入到背板124中，或者控制器100可W經(jīng)由短距 離通信鏈路與另外的模塊進行通信。
[0033] 網(wǎng)絡接口模塊118可W支持諸如互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)之類的通用協(xié)議W及被設計為傳 送用于控制過程工廠的命令和參數(shù)的專用過程控制和工業(yè)自動化協(xié)議（例如，Μ 0 d b U S、 HART、Profibus等）。網(wǎng)絡接口模塊118可W支持有線通信和/或無線通信。如W上所討論的， 控制器100可W經(jīng)由與網(wǎng)絡接口模塊188禪合的遠距離通信鏈路來從遠程主機接收設置點 值。網(wǎng)絡接口模塊188可W支持W太網(wǎng)端口，并且在某些實施方式中，實現(xiàn)對未授權訪問的 保護。
[0034] 仍然參照圖2,功率調(diào)節(jié)器120可W經(jīng)由一條或多條線路123從電源接收電力，W便 為功能模塊110提供足夠的功率來執(zhí)行PID控制并且與本地設備和遠程設備進行通信。功率 調(diào)節(jié)器120可W包括例如DC-DC轉換器，W便將8-30V的DC電源轉換為對禪合到背板124的部 件供電所必需的電平。通常來說，功率調(diào)節(jié)器120可W確?？刂破?00的實質上自主的運行， W控制閥102和對應的控制回路。
[0035] 本地用戶接口模塊122可W包括任何適當?shù)娘@示器，例如液晶顯示器化CD)、鍵盤 和/或觸摸屏等。在某些實施方式中，用戶接口模塊122還可W包括諸如揚聲器之類的音頻 輸出設備和/或諸如麥克風之類的音頻輸入設備。在其它實施方式中，鑒于本質安全考慮而 將用戶接口模塊122的部件選擇為使爆炸的風險最小化。此外，控制器100可W支持用于從 遠程主機(例如，W上參照圖1所討論的主機50)取得儲存在控制器100中的某些特征和/或 數(shù)據(jù)的遠程用戶接口。
[0036] 背板124可W是不具有有源電路、位于殼體130中并且具有用于安裝各種模塊的連 接件的部件。如在圖2中所例示出的，背板124可W將功能模塊110、存儲器112、網(wǎng)絡接口 118、功率調(diào)節(jié)器120、UI模塊122、氣動輸出模塊114、等進行互連。在某些實施方式中，選擇 或設計CPU模塊W防止誤插入到背板124中。
[0037] 殼體130可W是防爆的，符合本安（IS)標準。在某些實施方式中，集成控制器100包 括用于與壓力傳感器接合的屏蔽體(barrier)、W及用于將本公開內(nèi)容的完整性保持為 1類1區(qū)（C1D1)防爆的顯示器。
[0038] 如W上所指示的，控制器100可W具有模塊化設計W允許移除/插拔有缺陷的部件 或廢棄的部件。在某些實施方式中，控制器100可W支持熱插拔或替換部件，而無需使系統(tǒng) 離線。模塊化的和彈性的設計可W允許某些操作員通過使控制器100僅僅配備有模塊中的 某些模塊來定制系統(tǒng)和/或容易地替換部件。例如，可W在沒有壓力傳感器的情況下或在沒 有氣動輸出模塊的情況下提供控制器100。此外，可W通過選擇用于連接到背板124的期望 的電子I/O或功能模塊來定制控制策略。
[0039] 在運行時，控制器100可W執(zhí)行實時預測W允許操作員快速獲得對過程變化、與閥 102有關的問題、傳輸和通信、控制維護等的準確桐察。因此，控制器100可W在現(xiàn)場中執(zhí)行 控制功能。換句話說，控制器100可W在本地控制閥102和/或回路參數(shù)，而不是基于由執(zhí)行 PID回路的遠程主機所生成的命令來運行，并且如果期望的話，經(jīng)由通信網(wǎng)絡借助通信線路 152向主機報告信息。
[0040] 此外，盡管控制器100可W經(jīng)由無線通信鏈路來接收設置點值150(運可能引入通 信延遲），但控制器100隨后可W使用相同設備內(nèi)的部件之間的有線信號發(fā)送或者甚至片上 信號發(fā)送來將過程變量驅動至設置點。更具體而言，控制器100不需要將壓力、位置、溫度、 液位、流速、或其它測量結果報告給能夠計算新的控制信號的另一個設備。對設置點的更新 因此會受到無線通信的速度的限制，但是傳感器、計算比例、微分和積分值的模塊等之間的 通信W較高的速度發(fā)生。
[0041] 通常，W下所討論的技術可W用于各種應用中，例如上游油氣、中游油氣、液體管 道、氣體輸送、氣體分布、電力、化學制品、石油化學產(chǎn)品、煉油、制漿造紙、餐飲、制藥、給排 水、礦業(yè)和金屬、液體分配、液化天然氣化NG)的液化和氣化。此外，可W結合連續(xù)的控制方 案和分立的控制方案兩者來使用運些技術，W確保閥處的準確過程控制，實現(xiàn)實時診斷能 力，并提供在本公開內(nèi)容中所討論的其它優(yōu)點中的一個或多個優(yōu)點。簡言之，控制器100可 W增加效率，減少停工期，提供具成本效益的選擇。
[0042] 為了更清晰起見，參照圖3簡要地討論用于控制過程回路的控制器100的示例性運 行。例如，圖3中的方法200可W在功能模塊110和存儲器112中實現(xiàn)為一組軟件或固件指令。 方法200從框202開始，其中，經(jīng)由通信鏈路從遠程主機接收設置點。例如，設置點可W是管 道中的壓力或流速。
[0043] 在框204處，使用本地儲存的PID參數(shù)，控制器開始生成輸出W將回路驅動至所接 收到的設置點。運些參數(shù)(其可W包括用于比例、微分、和積分塊的增益)例如可W儲存在存 儲器112中。取決于實施方式和/或場景，利用運些參數(shù)來預先配置控制器，或者控制器在單 獨的配置程序期間接收運些參數(shù)。如W上所指示的，控制器在某些情況下可W動態(tài)地調(diào)整 運些參數(shù)。
[0044] 在框206處，使用與控制器集成在一起或經(jīng)由短距離通信鏈路禪合到控制器的傳 感器來在本地測量過程變量。隨后在框208處在本地執(zhí)行控制回路。例如，控制器100可W在 不依賴于遠程主機W及不將中間測量結果(例如，在框206處收集到的測量結果)報告給遠 程主機的情況下執(zhí)行PID邏輯。當執(zhí)行PID邏輯時，取決于實施方式，控制器內(nèi)的邏輯塊或物 理塊可線速或W片上速度交換數(shù)據(jù)。在任何情況下，控制器中的部件交換數(shù)據(jù)的速度 實質上高于控制器可W與遠程主機進行通信的速度。方法100可W包括框206和框208處的 多次計算和測量，直到達到設置點。
[0045] 在框210處，報告可選地可W提供給遠程主機。報告可W包括非時間要求嚴格 (non-time-critical)的數(shù)據(jù)，并且可W經(jīng)由相對慢的有線或無線鏈路傳送至遠程主機。如 果期望的話，還可W經(jīng)由本地用戶接口來提供輸出。
[0046] 現(xiàn)在參考圖4,方法300還可W在功能模塊110和存儲器112中實現(xiàn)為一組軟件或固 件指令。根據(jù)方法300,控制器再次在不依賴于外部的或遠程設置的控制器、主機、或數(shù)據(jù)庫 的情況下原位地執(zhí)行診斷。當現(xiàn)場設備例如未運行時或者在安裝不久之后和在上線之前， 控制器可W執(zhí)行方法300。
[0047] 在框302處，從諸如上面所討論的存儲器112之類的本地存儲器中獲取診斷數(shù)據(jù)。 診斷數(shù)據(jù)可W包括閥特征、過程特征、或者用于與現(xiàn)場設備的當前輸出進行比較的其它數(shù) 據(jù)?？刂破麟S后可W驅動對應的現(xiàn)場設備（例如，閥102)通過多個位置W生成輸出值（框 304)。在框306處，使用本地傳感器和本地P/I換能器來從現(xiàn)場設備收集反饋或另一個輸出 值。接下來，在框308處，可W執(zhí)行本地處理W將所儲存的診斷數(shù)據(jù)與現(xiàn)場設備的實際輸出 進行比較，W判斷輸出是否與診斷數(shù)據(jù)匹配，并且在發(fā)生偏差時是否應當生成警告或警報。 [004引可W實時地并且使用本地處理能力而非遠程主機來執(zhí)行框304-308?？蒞重復地、 周期性地、或根據(jù)任何適當?shù)挠媱澅韥韴?zhí)行框304-308。
[0049] 圖5例示了用于實施診斷的另一種方法，其可W在控制器100中或者與本公開內(nèi)容 一致的另一個控制器中執(zhí)行。與W上所討論的方法300不同，方法400不需要在試驗階段或 ?？诘脑\斷階段期間驅動現(xiàn)場設備通過一組值。相反，根據(jù)方法400,控制器在運行期間監(jiān) 控現(xiàn)場設備的運行。換句話說，當現(xiàn)場設備（例如，閥）響應于接收到設備的設置點而運行 時，和/或當包括了現(xiàn)場設備的控制回路響應于接收到過程變量的設置點而運行時，控制器 收集傳感器數(shù)據(jù)W執(zhí)行非侵入的實時診斷。因此，方法400包括總體上與參照圖3所討論的 框302-310類似的框402-410,除了在框404處對在現(xiàn)場設備的正常運行期間的各個位置和/ 或輸出值進行監(jiān)控。
[0050] 在某些情況下，將執(zhí)行框304-308的結果報告給操作員和/或遠程主機。例如，可W 經(jīng)由本地用戶接口（例如，UI模塊122)來生成和顯示警報，可w經(jīng)由遠距離通信鏈路將報告 發(fā)送給遠程主機，等等?？刂破髟谀承﹫鼍爸锌蒞響應于將診斷數(shù)據(jù)與輸出相比較的結果 而調(diào)整PID調(diào)節(jié)參數(shù)。在任何情況下，控制器可W執(zhí)行方法300來快速并有效地在原位執(zhí)行 診斷、調(diào)整、優(yōu)化、等。
[0051 ] 簽逆
[0052] 另外特別記載，本文中的討論使用諸如"處理"、"計算"、"運算"、"確定"、"識 另IJ"、"呈現(xiàn)"、"顯示"、等之類的詞語可W指代機器(例如，計算機）的動作或處理，該動作或 處理對在一個或多個存儲器(例如，易失性存儲器、非易失性存儲器、或者它們的組合）、寄 存器、或接收、儲存、發(fā)送、或顯示信息的其它機器部件內(nèi)被表示為物理(例如，電的、磁的或 光學的)量的數(shù)據(jù)進行操縱和轉換。
[0053] 當用軟件實現(xiàn)時，本文中所描述的應用、服務、引擎、例程、W及模塊中的任何一個 都可W儲存在任何有形的、非暫態(tài)計算機可讀存儲器(例如，磁盤、激光盤、固態(tài)存儲設備、 分子記憶儲存設備、光盤、或其它儲存介質）中、計算機或處理器的RAM或ROM中，等等。盡管 本文中所公開的示例性系統(tǒng)被公開為（除了其它部件)包括在硬件上執(zhí)行的軟件和/或固 件，當應當指出，運些系統(tǒng)僅僅是例示性的而不應被認為是限制性的。例如，可W預期的是， 運些硬件、軟件和固件部件中的任何部件或全部部件可W?？谟糜布w現(xiàn)、?？谟密浖w 現(xiàn)、或者用硬件和軟件的任何組合來體現(xiàn)。因此，本領域普通技術人員將容易意識到，所提 供的示例并不是實現(xiàn)運些系統(tǒng)的唯一方法。
[0054] 因此，盡管本發(fā)明已經(jīng)參照具體示例進行描述(其旨在是例示性的而非對本發(fā)明 的限制），但對于本領域普通技術人員來說將顯而易見的是，可W在不脫離本發(fā)明的精神和 范圍的情況下對所公開的實施例進行改變、增加、或刪除。
[0055] W下方面表示當前描述的系統(tǒng)和方法的實施例的示例。運些方面的該列表旨在是 非限制性的，因為鑒于本說明書預期到其它實施例。
【主權項】
1. 一種集成控制器，所述集成控制器被配置為在現(xiàn)場中運行，所述集成控制器包括： 網(wǎng)絡接口模塊，所述網(wǎng)絡接口模塊用于經(jīng)由通信鏈路從遠程主機接收過程變量的設置 占. 一個或多個功能模塊，所述一個或多個功能模塊被配置為：（i )從現(xiàn)場設備接收過程變 量的測量結果，并且（ii)至少部分地基于所述過程變量的所述測量結果以及所述過程變量 的所述設置點，來執(zhí)行用于包括所述現(xiàn)場設備的控制回路的邏輯，以便獨立于所述遠程主 機生成輸出信號，其中，所述輸出信號用于控制所述現(xiàn)場設備；以及 輸出模塊，所述輸出模塊用于將所生成的輸出信號直接應用于所述現(xiàn)場設備。2. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，還包括： 傳感器，所述傳感器通信地耦合至所述一個或多個功能模塊，并且所述傳感器被配置 為生成所述過程變量的所述測量結果，其中，所述傳感器經(jīng)由短距離通信鏈路向所述一個 或多個功能模塊提供所述測量結果。3. 根據(jù)權利要求2所述的集成控制器，其中，所述傳感器在不需要向所述遠程主機報告 所述測量結果的情況下向所述一個或多個功能模塊提供所述測量結果。4. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，其中： 所述網(wǎng)絡接口模塊、所述一個或多個功能模塊、以及所述輸出模塊以第一速度交換數(shù) 據(jù)； 所述集成控制器以第二速度與所述遠程主機交換數(shù)據(jù)；以及 所述第一速度實質上高于所述第二速度。5. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，還包括： 存儲器，所述存儲器能夠由所述一個或多個功能模塊讀取，所述存儲器儲存用于所述 控制回路的參數(shù)，所述參數(shù)包括用于執(zhí)行PID控制的比例、微分、和積分(PID)值。6. 根據(jù)權利要求5所述的集成控制器，其中，所述一個或多個功能模塊被配置為在所述 控制回路的運行期間調(diào)整所述PID值中的一個或多個。7. 根據(jù)權利要求5所述的集成控制器，其中，所述現(xiàn)場設備是閥，并且其中，所述存儲器 還儲存以下數(shù)據(jù)： 閥特征，所述閥特征指定一組壓力值和所述閥的一組相對應的行進位置，并且 其中，所述一個或多個功能模塊還被配置為：（i)在所述控制回路的運行期間實質上實 時地接收壓力值以及對所述閥的行進位置的指示，以及(ii)將接收到的壓力值以及對所述 行進位置的指示與所述閥特征進行比較，以判斷所述閥是否正確運行。8. 根據(jù)權利要求7所述的集成控制器，其中，所述一個或多個功能模塊還被配置為：響 應于檢測到所述閥未正確運行，向所述遠程主機發(fā)送警報消息。9. 根據(jù)權利要求5所述的集成控制器，其中，所述存儲器還儲存以下數(shù)據(jù)： 過程特征，所述過程特征指定一組過程變量值和一組相對應的輸入值，并且 其中，所述一個或多個功能模塊還被配置為：（i)在所述控制回路的運行期間實質上實 時地接收過程變量值和指示以及對應的輸入值，以及(ii)將接收到的過程變量值和對應的 接收到的輸入值與所述過程特征進行比較，以判斷所述控制回路是否正確運行。10. 根據(jù)權利要求9所述的集成控制器，其中，所述一個或多個功能模塊還被配置為：響 應于檢測到所述控制回路未正確運行，向所述遠程主機發(fā)送警報消息。11. 根據(jù)權利要求5所述的集成控制器，其中，所述一個或多個功能模塊還被配置為在 運行時間收集診斷數(shù)據(jù)并將所述診斷數(shù)據(jù)儲存在所述存儲器中，所述診斷數(shù)據(jù)指示（i)所 述現(xiàn)場設備或（ii)所述控制回路的其中之一或兩者的性能。12. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，還包括： 功率調(diào)節(jié)器，所述功率調(diào)節(jié)器用于向所述一個或多個功能模塊、所述網(wǎng)絡接口、以及所 述輸出模塊提供足夠的功率，以用于自主運行。13. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，其中，執(zhí)行用于所述控制回路的所述邏輯，所述 一個或多個功能模塊被配置為計算用于所述控制回路的比例、微分、和積分(PID)值。14. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，其中，執(zhí)行用于所述控制回路的所述邏輯，所述 一個或多個功能模塊被配置為計算用于所述控制回路的比例、微分、和積分(PID)值。15. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，還包括防爆組件。16. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，其中，所述一個或多個功能模塊包括調(diào)節(jié)功能， 以便在運行時間自動調(diào)整所述控制回路的PID參數(shù)。17. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，其中，所述輸出模塊是無排放氣動模塊。18. 根據(jù)權利要求1所述的集成控制器，還包括： 背板，所述背板用于能夠拆裝地接收部件，其中，所述部件包括所述網(wǎng)絡接口模塊、所 述一個或多個功能模塊、以及所述輸出模塊，以支持對所述部件的其中一個或多個的選擇 性替換。19. 一種用于在現(xiàn)場中運行控制回路的方法，所述方法包括： 在直接耦合至現(xiàn)場設備的集成控制器處從遠程主機接收用于控制回路的設置點，所述 控制回路包括所述現(xiàn)場設備； 在所述集成控制器處本地監(jiān)控由所述控制回路生成的過程變量； 在所述集成控制器處本地生成輸出值，以便至少部分地基于所述設置點和所監(jiān)控的過 程變量來將所述控制回路驅動至所述設置點；以及 在所述集成控制器處本地執(zhí)行用于所述控制回路的邏輯以將所述控制回路驅動至所 述設置點，所述執(zhí)行包括經(jīng)由輸出模塊將所生成的輸出值應用于所述現(xiàn)場設備。
【文檔編號】G05B19/042GK105988402SQ201610169128
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】C·B·卡爾特賴特, T·A·布蘭道, J·安可蒂爾, J·E·曼德納赫
【申請人】費希爾控制產(chǎn)品國際有限公司