专利名称：用于工业过程控制和测量系统的诊断的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在过程控制和测量行业中工作的现场设备。更具体地说，本发明涉及一种具有改进了诊断能力的现场设备。
背景技术：
诸如过程变量发射机之类的现场设备被许多行业用来远程地感知过程变量。然后，在修改控制参数的过程中，控制器可以将控制信息传送到诸如阀门之类的另一个现场设备。例如，在炼油过程中，可以将与过程流体的压力有关的信息传送到控制间，并且使用该信息来控制阀门。现场设备的其他实例包括手持式构造和/或校准设备。
在过程控制和测量中的一个相当新的发展在于全数字进程通信协议的实现。这样的全数字通信协议的一个实例是基金会现场总线(FOUNDATION fieldbus)。现场总线用来定义用于在进程通信环上传输信息的通信层或者协议。现场总线协议规范是由美国工业协会在1992年公布的ISA-S50.02-1992。现场总线是在可从Eden Prairie，MN的Rosemount公司得到的《the Fieldbus technical overviewunderstanding FOUNDATIONTMFieldbus Technology(1998)》中描述的过程工业通信协议。如在此所使用的，“现场总线”用来表示依据ISA-S50.02-1992规范及其等价物工作的任何通信协议、与ISA-S50.02-1992协议后向兼容的进程通信协议、以及依据国际电子技术委员会(IEC)现场总线标准61158工作的其他标准。例如，为了实现本专利文件的目的，将Profibus、ControlNet、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、以及Interbus-S作为现场总线。
现场总线的优点包括相当高速的数字通信、以及便于符合在1988年10月由制造厂互助研究组织(Factory Mutual Research)公布的《APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATEDAPPARATUS FOR USE IN CLASS I，II AND III》部分1、危险(被分类为)位置、分类号3610中提出的本质安全的信令电平。需要符合本质安全的工业处理环境为电子设备和过程控制系统的自动化提供了另外的挑战，这是由于这样的环境可能包括易燃或者易爆的蒸气。因此，在这样的处理环境中工作的进程通信环通常能量要受到限制。多个备用电路用于确保通信环上的能级低于安全能级，从而使该能量即使在故障条件下，也不能够点燃易燃蒸气。在这样的环境下的现场设备的能量通常也是受到限制的。通过易燃处理环境的安全区域到达诸如控制器之类的外部设备的进程通信环通常要通过诸如本质安全障蔽之类的能量限制障蔽，从而使发生在易燃环境之外的故障不在常常易爆的流体处理环境内产生火花。通常不允许具有产生可以在故障条件下放出火花的高能级信号的可能的进程通信环，通过或者与易燃处理环境中的设备连接。
在某些数字进程测量装置下，所有的现场设备在实质上相同的数字进程通信环上进行通信。在这样的情况下，更为重要的是在某些问题变为关键问题、并且影响所述的环的操作之前，对问题进行诊断。例如，如果单一的设备发生故障并且开始提取非常大的能量，在进程通信环上的信令电平崩溃，从而抑制了环上的所有通信，并且实际上使系统发生故障。
虽然已经证明现场总线在过程控制和测量领域是先进的，但是在相当不能够容许故障的应用中的全数字通信的特性，不仅对于现场总线设备自身，而且对于整个过程控制系统，推动了对增强诊断的不断需求。
发明内容
现场设备包括诊断电路，该诊断电路适合于测量与数字过程控制和测量系统相关的诊断特性。通过将测量的特性与由模型或者历史数据发展而来的预测或者期望的特性进行比较，该测量的特性用于提供表示数字过程控制和测量系统的条件的诊断输出。基于测量的特性和预测的特性之间的差别，依据监控的特性的类型，可以检测在过程中的故障和/或恶化。
图1是过程控制和测量系统的系统方框图。
图2是包括依据本发明的实施例的诊断电路的现场设备的系统方框图。
图3是用于本发明的实施例的分析模块的示意图。
图4示出针对本发明的本质安全的实施例而获得诊断信息的技术挑战的现场设备的系统方框图。
图5是现场总线设备的电流对时间的曲线图。
具体实施例方式
图1示出使用本发明的实施例的典型系统。系统10包括控制器12、I/O和控制子系统14、本质安全(IS)障蔽(barrier)16、进程通信环18、以及现场设备20。控制器12通过链路22与I/O和控制子系统14连接，其中所述的链路22可以是诸如依据以太网信令协议或者其他任何合适的协议工作的局域网(LAN)的任何合适的链路。I/O和控制子系统14与本质安全障蔽16连接，其中所述的本质安全障蔽16又与进程通信环18连接，以便按照限制其中通过的能量的方式来实现环18与I/O和控制子系统14之间的数据通信。
进程通信环18是现场总线进程通信环，并且与现场设备20连接，所示的现场设备按照多分出式结构与进程通信环18连接。与诸如星型拓扑等的其他拓扑相比，所示多分出式布线结构极大地简化了系统布线。
图2是依据本发明实施例的现场设备20的系统方框图。设备20包括电源模块30、现场总线环通信装置32、控制器34、以及诊断电路36。电源模块30和现场总线环通信装置32通过端子38(示出了两个端子)与进程通信环18(未示出)连接。电源模块30从进程通信环18中接收电能，并且向标记为“到所有组件”的箭头40表示的现场设备20的所有组件提供电能。
现场总线环通信装置32适合于通过端子38，在进程通信环18上进行数字通信。例如，如果进程通信环18依据FOUNDATIONTM现场总线协议工作，则现场总线环通信装置32同样适合于FOUNDATIONTM现场总线通信。环通信装置32接收环18上的进程通信信号，并且将基于这样的信号的进程通信数据提供给控制器34。与此相反，控制器34可以向环通信装置32提供数据，然后将该数据转换为适当的进程通信信号，以便在进程通信环18上传输。
诊断电路36与控制器34连接，并且如虚线42所示，与进程通信环18连接。此外，诊断电路36还通过虚线44，可操作地与环通信装置32连接。如稍后将在说明书中更详细地描述的，连线42、44可以是直接连接，也可以是间接连接。如在此所使用的，“直接连接”用来表示与所关心的电路进行电连接的任何诊断电路，以便测量其中的参数。与此相反，“间接连接”用来表示测量所关心的电路的参数，而不必与所关心的电路进行电连接的任何诊断电路。连线42和44用于使诊断电路36对环18的特性(通过连线42)和环数据(通过连线44)进行取样。
诊断电路36通过连线42测量与数字进程通信环18有关的许多参数。通过测量数字环18上的各种电压和电流，可以确定所述的各种参数，或者推导出其他的参数。优选的是，通过诊断电路36内的模拟数字转换器来测量这些电压，然后将数字信号传送到控制器34。与环相关的测量的实例包括但不限于在环上的瞬时DC电压电平；环DC电压的长期变化；由现场设备从环中提取的瞬时电流；由现场设备从环中提取的电流的长期变化；关于哪个设备设备具有哪个信号强度的，位于环上并且由标记(Tag)设备地址标识的消息的峰到峰通信信号强度等(这些测量还包括来自现场设备20自身的那些消息传输)；在环上的最低信号源及其设备ID(标识符)和地址；
在环上的静态噪声(quiescent noise)电平；以及环的特性阻抗。
以上列出的各个环参数中的每一个提供了系统生存能力的表示。例如，测量环DC电压的长期变化使现场设备20检测在其他情况下未检测到的时间上相当慢的电压降，并且该电压降表示在进程通信环中的恶化。通过测量峰到峰通信信号强度，提供了对合适的装置、适当数量的总线端连接器、合适的电缆类型、以及正确的网络诊断的表示。虽然分别提出了以上列出的与网络相关的测量，但是可以明确地考虑通过组合各种测量、以及/或者对各个测量或者组合的测量进行趋势分析，能够确定另外的诊断信息。诊断电路36可以依据以上提到的参数中的全部或者一部分的趋势，预测设备的故障。实质上，可以将诊断信息通过系统“推进”到计算机化维护管理系统(CMMS)，以便维持工作顺序。此外，可以选择诊断信息，以便警告控制系统的操作人员改变控制策略。
如图2所示，诊断电路36可以与现场总线环通信装置32连接，从而使诊断电路36对通过现场总线环通信装置32进行通信的数据进行访问。此时，诊断电路36能够确定许多与协议相关的属性。这样的属性包括但不限于在环上设备的数量；对循环冗余校验(CRC)的频率监控，从而通知操作人员CRC错误的频率、以及这样的频率是否表示紧急临界状态；诸如权标轮转时间的环性能数据；以及本链路活动调度器(LAS)的标识。
最后，诊断电路36还可以提供对现场设备20的设备电子装置的静态电流和电压轨(rail)的监控，以便指示现场设备20内的电子装置的连续“正常状态”(health)、或者其他方面。
上述的各个或者组合的测量中的任一个自己提供用于数字过程控制和测量系统的有价值的诊断数据。这样的诊断数据可以使用进程通信环、或者进程通信环上的设备，对问题进行较早地检测，以便可以较早地采用补救措施，从而避免了故障。然而，对测量诊断信息的另外分析提供了与过程控制和测量系统有关的另外的信息。这样的另外诊断计算和分析通常由可以包括微型处理器的控制器34来进行。在一个实施例中，在控制器34的存储器(未示出)中的软件用来实现诸如图3所示的神经网络100的控制器34中的神经网络。神经网络是公知的，并且可以使用诸如后向传播网络(BPN)的已知训练算法来训练网络100，以便开发神经网络模块。该网络包括输入节点102、隐藏节点104和输出节点106。将各种数据测量D1到Dn作为输入提供给充当输入缓冲器的输入节点102。输入节点102依据训练算法，使用各种方式来修改接收到的数据，并且将输出提供给隐藏节点104。隐藏层104用来表征和分析诊断信息的非线性特性。最后的层即输出层106提供输出108，该输出108是与过程控制和测量有关的诊断信息的表示。
神经网络100可以通过本领域中已知的建模或者经验技术来进行训练，在这些技术中，实际进程通信信号和信息传感器用于向神经网络100提供训练输入。
用于分析由诊断电路36提供的诊断数据的另一技术是通过使用基于规则的系统，其中，控制器34存储规则、所期望的结果、以及灵敏度参数。
另一分析技术是模糊逻辑。例如，在将它们输入到神经网络100之前，可以对数据测量D1到Dn采用模糊逻辑算法。另外，神经网络100可以实现模糊节点算法，其中，网络中的各个神经元实现模糊算法。各种分析技术可以单独地、也可以组合在一起使用。此外，可以在本发明的范围内考虑其他分析技术。
如上所述，本质安全的应用对获得以上所讨论的诊断信息提供了另外的障碍。图4示出针对本质安全现场设备获得诊断信息的挑战的现场设备200的方框图。如同现场设备20，现场设备200包括电学地设置在数字进程通信环18和设备电路202之间的隔离电路(在图2中未示出)。隔离电路204的功能与针对图1所描述的本质安全障蔽16相似，从而该隔离电路能够限制可以传送到进程通信环18上的能量大小。如上所述，通过测量通信环18上的电压，可以获得许多诊断参数。因此，我们会尝试将诊断电路36直接与环18进行连接。然而，在本质安全的应用中，这样的直接连接使隔离电路204旁路，因而，创建了可以将无限制的能量从电路202传送到环18上的复制路径(duplicatepath)，并且可能会产生火花。因此，如果诊断电路206直接与环18连接，则该诊断电路必须包括它自己的隔离电路。这样的另外的隔离电路增加了单位成本，消耗了另外的能量，并且占用了现场设备内的额外的较大的空间。然而，可以理解为了在本质安全的环境中直接地测量网络或者环特性，则需要这样的另外的隔离电路。
获得与进程通信环18相关的诊断信息的另一方式是通过间接的方法。如上所述，测量所关心参数的间接方法实现时不需要与所关心的电路进行电连接。在现场总线中，每一个设备提取大致恒定不变的电流Isegment，并且工作在大约9伏直流电压和大约32伏直流电压之间的电压上。通过使设备对提取的电流进行调制，使现场总线通信信令发挥作用，从而进行通信。图5示出典型的现场总线装置的电流对时间Irst的曲线。在大多数时间，电流I等于Isegment。然而，在时间t0和t1之间，电流快速地变化，同时发生现场总线通信。通信电流被标记为Icommunication。如可以看到的，Icommunication大致以Isegment为中心，因而具有大致为零的直流电流。本领域的技术人员将会理解由现场总线提取的电能通常等于环电压(通常在9伏直流电压和32伏直流电压之间，但是对于给定的装置大致恒定不变)的Isegment倍。现场总线信令电路散发热量，从而工作在与现场总线信令电路的现场总线的功率和热电阻相关的高温下。一旦完成现场总线信令电路的设计，热电阻大致恒定不变。因此，现场总线信令电路的工作温度与现场总线设备的功率成比例。由于Isegment大致恒定不变，可以认为现场总线信令电路的温度工作在与环电压粗略地成比例的高温下。因此，这样的现场总线信令电路的感测温度提供了环电压的表示。优选的是，以将温度传感器设置在电路板上相当接近现场总线信令电路的位置的形式，实现这样的温度感测，从而由温度传感器来感测从信令电路散发的热量。温度传感器可以是热电偶、热敏电阻、电阻温度设备(RTD)、或者其他任何合适的温度感知元件。然后使用测量的温度来计算环电压，从而提供对诊断参数的间接测量。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员将会理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的改变。
权利要求
1.一种可与现场总线进程通信环连接的现场设备，所述的设备包括可与所述的环连接的电源模块，用于以从所述的环接收到的电能向所述的设备供电；可与所述的环连接的，并且适合于在所述的环上进行双向通信的现场总线环通信装置；与现场总线环通信装置连接的控制器；与控制器连接并且可与所述的环进行可操作地连接的诊断电路，所述的诊断电路适合于测量与环相关的参数；以及其中，控制器依据与环相关的参数来提供诊断信息。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于从由FOUNDATIONTM现场总线(H1)、ProfibusTM、ControlNet、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、Interbus-S、以及FOUNDATIONTM现场总线高速以太网(H2)构成的组中选择现场总线进程通信环。
3.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于诊断电路还包括本质安全障蔽，并且诊断电路可直接与现场总线进程通信环连接。
4.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于诊断电路可间接地与现场总线进程通信环连接。
5.根据权利要求4所述的现场设备，其特征在于诊断电路包括温度传感器，该温度传感器适合于提供与现场总线设备中的现场总线通信电路的温度有关的信号。
6.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于与环有关的参数是瞬时DC(直流)电压。
7.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于与环有关的参数是DC电压的长期变化。
8.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于与环有关的参数是由现场总线设备提取的瞬时电流。
9.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于与环有关的参数是由现场总线设备提取的电流的长期变化。
10.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于与环有关的参数是在进程通信环上的峰到峰通信信号强度。
11.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于与环有关的参数是在环上的最低信号源、以及该最低信号源的设备标识符和地址。
12.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于与环有关的参数是在环上的静态噪声电平。
13.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于与环有关的参数是环的特性阻抗。
14.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于控制器对与环有关的参数执行神经网络分析，以便提供诊断信号。
15.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于控制器对与环有关的参数执行模糊逻辑，以便提供诊断信号。
16.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于诊断电路测量多个与环有关的参数，并且控制器依据与环有关的参数的组合来提供诊断信号。
17.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于诊断电路适合于测量多个与环有关的参数，并且依据多个与环有关的参数，提供故障预测。
18.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于将诊断信息从环通信装置指示到计算机化维护管理系统(CMMS)，以便维持工作顺序。
19.根据权利要求18所述的现场设备，其特征在于选择诊断信息，以便警告操作人员改变控制策略。
20.一种在现场总线进程通信环上提供诊断的方法，所述的方法包括将诊断电路与现场进程通信环进行可操作地连接；测量所述的环的参数；以及对所述参数进行分析，以便提供诊断输出。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于分析所述的参数包括对测量的参数进行神经网络分析。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于分析所述的参数还包括对测量的参数执行模糊逻辑。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于分析所述的参数包括对测量的参数执行模糊逻辑，以便提供诊断输出。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于使诊断电路与环可操作地连接包括使诊断电路通过环通信装置与所述的环可操作地连接，以便使诊断电路对由环通信装置进行通信的数据进行访问。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于分析参数以提供诊断输出还包括对测量的参数应用最小平方法分析。
26.根据权利要求20所述的方法，其特征在于分析参数以提供诊断输出还包括对测量的参数应用神经网络分析。
27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于分析参数以提供诊断输出还包括对测量的参数应用模糊逻辑算法。
全文摘要
现场设备(20，200)包括诊断电路(36)，所述的诊断电路(36)适合于测量与过程控制和测量系统(10)相关的特性。该测量的特性用来提供表示过程控制和测量系统(10)的条件的诊断输出。可以将测量的特性提供给诊断模块，该诊断的模块依据测量的特性进行操作，以便预测或者建模过程控制和测量系统(10)的条件。
文档编号G05B23/02GK1535403SQ02809847
公开日2004年10月6日 申请日期2002年5月8日 优先权日2001年5月14日
发明者埃尔文·埃里尤雷克, 戴尔·W·鲍格森, 马尔克思·佩鲁索, 格雷戈里·H·罗姆, 韦斯顿·T·罗珀, T 罗珀, W 鲍格森, 埃尔文 埃里尤雷克, 思 佩鲁索, 里 H 罗姆 申请人:罗斯蒙德公司