具有用于工业过程变送器的在线和离线测试计算的过程控制系统的制作方法

专利名称：具有用于工业过程变送器的在线和离线测试计算的过程控制系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及具有过程仪器的工业过程控制系统。更具体地，本发明涉及具有用于对过程控制仪器所产生的计算输出执行诊断评估的系统和方法的工业过程控制系统。
背景技术：
过程仪器用于监控工业过程中使用的过程变量，例如过程流体的压力、温度、流量和水平。例如，一般在多个位置处的工业制造设施中使用过程变送器，以监控各种生产线上的各种过程变量。过程变送器包括响应于过程中的物理变化来产生电输出的传感器。例如， 压力变送器包括根据过程流体(例如在水管、化工罐等中)的压力而产生电输出的压力传感器。每个过程变送器还包括变送器电子装置，其用于接收和处理传感器的电输出，以使得可以对变送器和过程进行本地或远程监控。本地监控的变送器包括在过程变送器的地点处显示电输出的显示器，例如LCD屏。远程监控的变送器包括在控制环路或网络上向中央监控位置(例如，控制室)发送电输出的电子装置。像这样进行配置，可以通过在过程控制系统和控制环路中包括自动开关、阀、泵和其他类似的组件来从控制室调整过程。变送器电子装置还包括计算软件和硬件，以使得所传感的过程变量的量值可以用于确定过程条件，例如，过程流体的质量流率。同样地，变送器电子装置一般包括基于用户定义的过程控制输入(例如，流体类型和基本元件类型)来执行对所传感的过程变量的计算分析的软件。为了精确地估计过程条件，过程变量的完整计算分析涉及复杂的计算。然而，变送器电子装置的硬件一般在其可以执行的计算的复杂度方面是有限的。例如，一般的过程变送器以非常有限的电源进行操作，例如，可以从4-20mA系统获得的电源。同样地，在变送器电子装置内提供的处理器一般具有相当低的时钟速度(例如，490kHz)，以降低功率需求。因此，有必要降低变送器处理器所执行的计算的复杂度，以使得可以例如在合理的时间量内获得计算结果。例如，复杂的方程常常被基于更基本的算法的计算所替代，在专利号 6，182，019，申请人 Wiklund 并且转让给 Rosemount Inc.，Eden Prairie, MN 的美国专利中对此进行了非常详细的解释。一般经由控制环路在控制室接收变送器电子装置执行的计算分析，过程变送器对该控制环路在线。变送器电子装置对基于算法的计算分析的后续评估需要用户分析，这一般涉及复杂方程和算法的人工计算。需要对由过程变送器电子装置计算的过程条件的精确度进行更方便的评估。

发明内容
本发明目的在于用于对工业过程控制系统中的变送器电子装置的精确度进行估计的方法和系统。该方法和系统包括产生过程条件参考方程信号、过程条件近似方程信号和精确度输出信号。使用过程条件参考方程和过程控制输入来产生过程条件参考方程信号。使用过程条件近似方程和近似方程系数，产生所述过程条件近似方程信号，所述过程条件近似方程使用所述过程控制输入对参考方程进行近似，所述近似方程系数基于近似方程和所述过程控制输入。在控制室工作站处将过程条件近似方程信号与过程条件参考方程信号进行比较，以使得可以调节工业过程控制系统。在一个实施例中，调节近似方程系数以减少过程条件近似方程信号和过程条件参考方程信号之差。在另一个实施例中，调节近似方程系数，并在控制网络上将其向过程变送器电子装置发送。在又一个实施例中，调节工业过程控制系统的参数。例如，硬件参数或过程流体参数。


图1示出了具有与过程流体源和控制室相连的过程变送器的过程控制系统。图2示出了图1的过程控制系统的过程变送器电子装置和控制室电子装置的电路图。图3示出了对图1的过程控制系统和图2的控制室电子装置之间的反馈环路进行图示的流程图，该流程图用于估计过程变送器电子装置的精确度并对过程控制系统进行调节。
具体实施例方式图1示出了本发明的具有多变量过程变送器12的过程控制系统10。虽然使用过程压力变送器来进行描述，本发明可应用于所有现场安装的过程设备(例如温度变送器， 流量变送器和水平变送器)。过程控制系统10包括过程变送器12、管道14、控制室16和控制环路18。控制室16包工作站20和电源22。过程变送器12连接到过程源(例如，管道14)，以产生涉及过程流体F的过程变量的信号，例如温度T、静压P和差压Δ P。变送器 12在控制环路18上将这些变量的量值传送给控制室16。变送器12和控制室12构成用于控制工业过程的系统。对工业过程的控制包括对过程的被动控制和主动控制。例如，对工业过程的控制包括监控过程变量以及其他条件，以使得如果需要或期望，则可以评估并执行对该过程进行控制或操纵的判定。过程变送器12还能够执行对过程变量的分析，以确定过程条件，例如流体F的体积、质量和能量流速。然而，过程变送器12执行从复杂的数学分析导出的简化程序。在本发明中，工作站20执行对用于确定过程条件的数学分析的精确评估，以使得可以在在线模式和离线模式下评估过程变送器12。在在线模式下，将变送器12 的实际运行时计算输出与工作站20的输出相比较。同样地，可以将变送器12执行的简化程序与工作站20执行的分析直接比较。在离线模式下，控制室模仿变送器12执行的简化程序，以产生与工作站20的输出相比较的仿真的运行时计算。同样地，在配置过程控制系统10之前，可以将变送器12要执行的简化程序与控制室16执行的分析相比较。同样地， 在让变送器12在线之前或之后，可以对过程控制系统10的性能进行配置和评估。在所示实施例中，过程变送器12使用共面的过程凸缘24、多支管26、压导管道28 和管道接头30与过程流体F流经的管道14相耦合。过程变送器12包括传感器模块32、变送器电路模块34和温度传感模块36。在一个实施例中，过程变送器12包括多变量变送器， 在专利号 5，495，769，申请人 Broden 等并且转让给 Rosemount Inc.，Eden Prairie, MN 的美国专利中对其进行了描述，通过该引用将其并入本文中。在另一个实施例中，过程变送器 12包括来自Rosemount Inc.，Eden Prairie，MN的商业可用的3051SMV多变量变送器。采用了用于与过程控制系统10相耦合的压力传感器模块32的过程凸缘24将变送器12连接到多支管26，这使得变送器12可以与过程流体F相隔离，以用于校准、测试和维护等。多支管26连接到压导管道28，压导管道28向过程流体F提供了两个接口，用于确定差压测量。 压导管道28在管道接头30处连接到管道14。在管道接头30之间布置了基本元件38，基本元件38在管道14内的过程流体F的流内产生压差。温度传感器模块36通过热电偶套管40连接到管道14，并通过导管42连接到传感器模块28，导管42在轮毂(boss) 44处进入传感器模块32。基本元件38在过程流体F的流内产生差压Δ P，在所示实施例中，基本元件38包括孔板。孔板包括具有直径小于管道14的直径的钻孔，以产生流的限制。压导管道30跨接基本元件38，以使得在相对较高和相对较低的压力处的过程流体F的接口通过多支管26 和凸缘24与传感器模块32通信。传感器模块32包括分别用于传感基本元件38上的差压 ΔP和过程流体F中的静压P的差压传感器以及绝对或表压传感器。在一个实施例中，差压传感器包括基于电容的压力传感器单元，绝对或表压传感器包括压阻应变计。温度传感模块36 (在一个实施例中包括电阻温度设备(RTD))在热电偶套管40处对管道14内的温度 T进行传感。通过导管42将温度传感器模块36的输出发送到传感器模块32。传感器模块 32基于来自差压传感器和表压传感器以及温度传感器模块36的输出产生电信号，并将该信号发送到变送器电路模块34。变送器电路模块34包括用于在控制环路18上将电信号发送到工作站20或本地显示器(例如，LCD屏)或者同时发送到这两者的电子组件。在一个实施例中，过程变送器 12在无线网络上与控制室16通信。在其它实施例中，过程变送器12是用于在4-20mA环路上操作的双线变送器。在这种实施例中，控制环路18包括用于从电源22向过程变送器12 供电的线对。控制环路18还使得控制室16可以利用工作站20向过程变送器12发送数据或者从过程变送器12接收数据。4mA DC电流一般提供用于操作过程变送器12的传感器和变送器电路以及任何的本地显示器的充足能量。还将变送器电路模块34和工作站20配置为执行对压力传感器和温度传感器模块 36产生的电信号的计算分析，以确定过程条件。例如，可以基于各种过程控制输入来计算通过基本元件38的流。过程控制输入包括硬件参数(例如基本元件38的形状)、过程流体参数(例如流体F的粘性μ和密度P)以及过程变量(例如Τ、Ρ和Δ P)。从而，通过管道 14的流体的流是基本元件28、过程流体F以及过程变量压力P和温度T的函数。用于确定质量流率Qm、体积流速Qv和能量流速Qe的各种过程条件方程涉及到过程控制输入。例如， 通过对过程条件方程[1]求值来确定质量流率Qm。Qm = TVC^riEi/2 V^VX 方程[1]Qffl =质量流率(质量/单位时间)N =单位换算因子(单位变化)Cd=放电系数(无量纲)Y1 =气体膨胀因子(无量纲)E =接近速率因子(无量纲)d =基本元件临界截面直径(长度)ρ =流体密度(质量/单位体积)
ΔΡ =差压(力/单位面积)方程[1]由说明过程控制系统10的不同过程控制输入的多个分量组成。例如，N 是说明针对过程变量和过程条件，所期望的测量单位的常数值，d是说明基本元件的尺寸的硬件参数，以及ΔΡ是说明系统10内的差压的过程变量，例如，可以使用变送器12的传感器模块32来确定。方程[1]还包括了表示各种参考方程的多个分量。例如，通过对参考方程求值来确定CtnYpEd2和V P。参考方程包括可以从美国煤气协会(AGA)公布或其他来源找到的众所周知的方程，其他来源包括国家和国际标准、教科书和来自于制造商的专有信息，以与通常使用的流体和基本元件一起使用。可以通过取决于过程变量T和P的多个不同的参考方程来确定CtnYpEd2和V P中的每一个。在其他实施例中，可以由控制室18 中的工作站20针对较少使用的流体产生参考方程。例如，工作站20可以包括软件，该软件基于经验数据和理论数据，执行插值方法以对定制的流体或定制的基本元件的行为进行建模。典型的参考方程包括复杂的计算，例如对数和指数计算。方程[1]的质量流率Qm由经验分量和理论分量构成。对方程[1]的每个分量的求值影响到质量流率Qm的量值的精确度。例如，流体密度ρ是从实验数据导出的经验项，并表示取决于τ和P的复杂多项式。在对整个方程[ι]的求值中，在确定密度P中出现的任何误差和不精确都被增加。类似地，在确定方程[1]的其它项中出现的误差或不精确影响到方程[1]的精确度。从而，需要尽可能精确地对方程[1]中的所有项求值。方程[1]的完整求值要求有利地使用具有高时钟速率的处理器和大存储器来执行计算，以在合理的时间量中完成对大量小数位的求值，然而这要求大的电力供给。在本发明中，工作站20对过程条件方程(例如方程[1])求值，以使用由用户或变送器12提供的过程变量温度T、压力 P和差压Δ P、硬件参数和过程流体参数来将过程条件(例如Qm)求值到非常精确的程度。然而，还需要让变送器12能够独立于控制室16确定过程条件。不总是需要让工作站20计算过程条件。例如，并不总是需要工作站20计算过程条件所能够达到的精确度。 同样地，常常希望使得工作站20的处理能力可用于执行涉及控制系统10的其它任务。然而，变送器12 —般不包括用于对方程[1]进行完全求值的处理能力。过程变送器一般装备有与更强大的计算机相比较慢的处理器，该更强大的计算机可以在电源不是问题的控制室 16处提供。同样地，如在之前提到的专利号为6，182，019，申请人为Wiklimd的美国专利中所讨论的(通过引用将其并入本文)，可以对方程[1]进行简化。例如，可以使用插值函数 (例如切比雪夫多项式近似)或曲线拟合技术来简化复杂的方程。可以使用更简单的计算 (例如，加法、减法、乘法和除法)对所产生的近似进行求值。如公式[2]所示，通过将每个参考方程变换成对该参考方程进行定义的复杂多项式的近似，可以简化方程[1]，其中，括号内的项表示各种近似。Qm = N[Cd IY1 ][Ed2 IV^Jx/^方程[2]每个近似由取决于各个过程控制输入的多个项构成，过程控制输入是例如过程变量、硬件参数和过程流体参数。此外，每个近似取决于多个系数，该多个系数取决于所使用的特定类型的近似和过程变量。每个参考方程近似的系数数目取决于针对底层参考方程的多项式的阶数。例如，在方程[1]中，将项E和d2组合到单一的常规多项式表达式中，其取决于T和系数的数目。如果确定近似方程的插值函数是二次多项式，系数的数目便是2。如果插值函数是三次多项式，则系数的数目是3。从而，系数根据P和T的所期望的工作范围以及用于对参考方程进行近似的插值类型而变化。为了对该近似求值，必须向变送器12提供该系数。作为示例，可以由方程[3]来近似放电系数Cd，其中，Rd是基本元件38的雷诺值
(Reynolds number)。
b f γ[Cj = ^a, -^L=方程[3]雷诺值Rd取决于硬件参数(例如，基本元件临界截面直径d)和过程流体参数(例如，流体F的粘性μ和密度P)。粘性μ和密度P都要求在特定的温度和压力处对系数进行求值。例如以曲线拟合技术对方程[3]求值，以确定Cd的值和过程变量特定系数，过程变量特定系数可被放入变送器电子装置容易求值的算法中。还可以将方程[1]的其他项 (例如气体膨胀因子Y1)表示为从曲线拟合技术或插值导出的近似。从而，通过使过程变量输入通过简化算法，而不是通过方程[1]所要求的复杂的计算，可以对方程[2]进行求值。向变送器12提供算法方程以及系数，以对方程[2]中的项(例如[Cd])进行近似， 其可以用来更快地计算Qm。使用对该近似求值的算法方程来对变送器12进行硬编码。从而，可以使用取决于所使用的基本参考方程和近似的不同系数来重新配置变送器。工作站 20基于过程控制输入来确定必须与针对给定的参考方程的算法方程一起使用的系数，该过程控制输入是针对操作员基于系统10的所预期的操作条件所确定的T和P对于变送器12 的期望操作范围的。向变送器12发送该系数，并在查询表中将其存储在变送器12的电子装置内。针对所传感到的给定过程变量温度T、压力P和差压ΔΡ，可以检索用于对方程[2] 中的项的近似进行求值的适当系数。从而，变送器12可以在不要求工作站20对复杂的过程条件参考方程进行求值的情况下，快速地将过程条件(例如Qm)求值到可接受的精确度水平。从而，本发明允许在离线模式和在线模式下使用实时数据和仿真数据来评估过程条件。在离线模式下，工作站20对方程[1]和方程[2]求值，以确定变送器12的潜在输出的精确度。在在线模式下，变送器12对方程[2]求值并且工作站20对方程[1]求值，以确定变送器12的实际输出的精确度。在离线和在线模式下，可以使用在工作站20处输入的纯仿真数据或者使用变送器12产生的实时数据和工作站20输入的仿真数据的组合来对方程[1]和方程[2]求值。可以使用对方程[2]的求值来调节过程控制系统10，例如通过调节用于对方程 [2]求值的系数。例如，流体F可能在T和P的期望操作条件或范围之外，使得在查询表中存储的系数的值不产生精确的过程条件结果。具体地，对于流体F所经受的给定物理改变， 对流体密度[V P]进行求解是特别困难的。本发明提供了方法和系统，用于对过程变送器 12所确定的过程条件计算进行求值并用于向过程变送器12提供已调节的系数以使得可以获得更精确的结果。备选地，用于产生供方程[2]使用的系数(被硬编码到变送器12中) 的参考方程可能是不充分的。在这种情况下，可以替换不同的参考方程。图2示出了变送器12的过程变送器传感器模块32和过程变送器电路模块34的电路图以及图1的控制室16的工作站20的电路图。变送器传感模块32包括应变计压力传感器46、差压传感器48、温度传感器50、模拟电子装置和传感器处理器电子装置。变送器电路模块34包括输出电子装置。模拟电子装置包括调节电路52、变换器电路54和钼电阻温度计(PRT) 56。传感器处理器电子装置包括传感器微处理器58、存储器60和时钟62。输出电子装置包括输出微处理器64、存储器66和通信电路68。工作站20包括微处理器70、 输入72、输出74、存储器76、外设78和通信接口 80。应变计压力传感器46对管道14中的流体F的线压(line pressure)或静压P (图 1)进行传感。差压传感器48 ( —般包括基于电容的差压传感器)对管道14中的基本元件 38上的差压ΔΡ(图1)进行传感。温度传感器50 ( —般包括电阻温度设备(RTD))对管道 14中的流体F的过程温度T (图1)进行传感。将来自于传感器46、48和50的模拟输出发送到调节电路52，调节电路52放大并调节(例如，滤波)该信号。变换器电路54将传感器 46,48和50产生的模拟信号变换成微处理器58可以使用的数字信号。如图2所示，变换器电路包括电压-数字式(V/D)和电容-数字式(C/D)变换器。PRT 56向变换器电路54提供对压力传感器46和48附近的温度进行指示的温度信号，以使得可以针对温度变化补偿差压和表压信号。微处理器58从变换器电路54接收已数字化和已调节的传感器信号。微处理器58使用存储在存储器60中的校正常数来针对传感器特定的误差和非线性对传感器信号进行补偿和线性化。时钟62向微处理器58提供时钟信号。然后，向微处理器64发送已数字化、已补偿和已校正的传感器信号。微处理器64分析传感器信号，以确定流体F的过程条件。具体地，存储器66 (可以是非易失性随机存取存储器(NVRM))包括查询表，查询表中存储了用于基于所传感的过程变量Τ、P和ΔP的量值来确定过程流体条件的具体值(例如Qm)的算法系数。此外，通过控制环路18将硬件参数和过程流体参数上载到存储器66中，硬件参数和过程流体参数是例如基本元件38的类型和孔径d以及流体F的粘性μ和密度P。在其它实施例中，通过用户界面(图2中未示出)将涉及硬件参数和流体参数的数据直接输入变送器12。此外，过程流体参数可以取决于过程变量，使得可以将各种过程流体参数存储在查询表中，并基于其它流体参数和所传感的过程变量进行选择。使用硬件参数、过程流体参数、所传感的过程变量以及算法系数，微处理器64执行运行时计算。运行时计算对过程条件近似方程(例如，方程[2])求值，以确定流体F的过程条件(例如，质量流率Qm)。使用通信电路68在控制环路18上向工作站20发送表示所计算的过程条件的过程条件近似信号和传感器信号。通信电路68包括稳压器68Α、调制器电路68Β、环路电流控制器68C和协议接收机(例如4-20mA HART 接收机)或收发信机 68D，以使得变送器电路模块34可以与控制室16处的工作站20的通信接口 80进行通信。 对变送器传感器模块32和变送器电路模块34的操作的进一步解释可在前述Wiklimd以及 Broden等的专利中找到。工作站20位于控制室16内，并连接到电源22。工作站20 —般包括个人计算机 (例如便携式计算机)，个人计算机靠近工业过程安装以监控和调整工业工程的过程变量和过程条件。工作站20包括输入72，例如键盘、鼠标或其它用户界面，使得操作员可以将过程控制输入输入到存储器76中。工作站74还包括输出74，例如监控器，其使得可以从工作站74提取数据。外设78 (例如打印机或其它通常使用的设备)也可以连接到工作站20以输入或从微处理器70提取数据。工作站20包括通信接口 80，其向微处理器64发送数据或者从微处理器64接收数据。工作站20被配置为提供对变送器电子模块34的能力以及连接或未连接到变送器
1112的变送器传感器模块32的绝对压力或表压传感器46、差压传感器48和温度传感器50 所产生的传感器信号的求值和分析。使用存储在存储器76中的软件程序，微处理器70能够基于系统用户输入到工作站20中的过程控制输入和/或从变送器12接收的过程控制输入来执行对方程[1]_[3]进行求值的命令。在在线测试模式下，使用控制环路18将所仿真的压力和温度传感器数据(例如， T、P和Δ P)从工作站20传送到变送器12的存储器66。同样地，系统用户使用输入72，将硬件参数(例如，基本元件38的尺寸)和过程流体参数(例如，F的密度P和粘性μ )输入存储器76。使用控制环路18将硬件参数和过程流体参数发送到存储器66。同样地，微处理器64包括了使用仿真的数据来确定过程条件(例如，质量流率Qm)的信息。微处理器 64执行运行时计算，并使用方程[2]来确定过程条件，以使得可以使用微处理器64和来自于查询表的任何必须的信息来尽可能精确地确定过程条件。通信电路68向微处理器70发送过程条件近似信号。微处理器70使用仿真的传感器数据、硬件参数和过程流体参数来对方程[1]求值，以产生过程条件参考方程信号。同样地，可以通过将过程条件参考方程信号与过程条件近似信号相比较来评估变送器12的性能。然后，可以根据需要来调节变送器12 或过程控制系统10。例如，可以替换(change out)基本元件38，或者可以调节存储在存储器66中的算法系数，例如，用于基于T和P的期望范围确定[Cd]的那些系数。同样地，工作站20可以执行对来自于变送器12的输出的精确度的评估，并使用该评估调节系统10。在这种在线模式下，过程控制系统10被设置为手动控制工业过程，而不是基于来自变送器12 的输出自动控制工业过程。同样地，使用真实数据而不是仿真数据来管理工业工程，以避免误告警的情况和无根据的校正措施。还可以运行在线模式，以使用实际的传感器数据实时评估变送器12。系统用户使用输入72将硬件参数和过程流体参数输入到存储器76中，然后使用控制环路18将其传送到存储器66。经由控制环路18将变送器12产生的涉及T、P和ΔΡ的实际过程变量数据传送到工作站20，并将其存储在存储器76中。此外，微处理器70从变送器12接收过程条件近似信号，过程条件近似信号指示了执行运行时计算的变送器电子装置微处理器64所确定的过程条件的值。微处理器70包括用于使用实时数据来确定过程条件(例如，质量流率Qm)的信息。微处理器70还使用方程[1]来确定过程条件，以使得可以使用微处理器70 和任何必须的插值来尽可能精确地确定过程条件。同样地，可以对变送器12执行的运行时计算进行求值，并且可以根据需要对变送器12或过程控制系统10进行调节。在离线模式下，系统用户使用输入72将硬件参数、过程流体参数和仿真的过程变量输入到存储器76中。同样地，系统用户可以在建立过程控制系统之前确定控制室计算机和过程变送器可以将给定的过程条件评估到怎样的精确程度，同时在实际上不使得控制系统和变送器在线。这节省了将变送器12连接到控制室16的时间，以及必须向变送器12发送配置数据的时间。使用所输入的过程控制输入，微处理器70对方程[1]求值，以产生表示对过程条件的精确测量的过程条件参考方程信号。此外，使用所输入的过程控制输入，微处理器70执行各种数学运算，以确定用于对方程[2]求值的算法系数。例如，微处理器70使用曲线拟合技术对方程[3]求值，以使得可以对[Cd]求值。使用该算法系数，微处理器70 执行所求值的运行时计算，以对方程[2]求值并产生过程条件近似信号。从而，可以将从方程[1]产生的过程条件参考方程信号与从方程[2]产生的过程条件近似信号进行比较，以使得在配置并让系统10或变送器12在线之前，可以根据需要对硬件参数、过程流体参数、 近似方程或系数查询表的进行后续调节。图3示出了对图1的过程控制系统10和图2的控制室工作站20之间的反馈环路进行图示的流程图，该流程用于估计图2的过程变送器电路64的精确度并对过程控制系统 10进行调节。可以在执行对一般由过程变送器12执行的运行时计算的估计之后，使用来自工作站20的输出来配置和调节过程控制系统10的各种组件。例如，当变送器12对工作站 20在线时，微处理器70能够以微处理器70的输出来评估变送器12的输出，以确定变送器 12的输出的精确度。然而，通过仿真运行时计算来产生在工作站20处模拟的运行时计算， 可以在变送器12离线时评估变送器12的性能。在步骤100，选择针对给定过程控制系统的过程控制输入。例如，选择将使用系统 10来控制的过程流体参数(例如，过程流体F的粘性μ和密度P)。接下来，基于要在系统10中使用的过程流体F和工业过程的期望操作范围来选择系统10的所期望的硬件参数 (例如，基本元件38的孔径d或在变送器12中使用的差压传感器的范围)。此外，选择仿真的过程变量(例如，T、P和Δ P)，以对系统10进行操作所处的条件进行近似。一旦选择， 如步骤102所示，使用用户输入72将过程控制输入输入到工作站20的存储器76中。用户可以在提示使用驻留在工作站20中的软件时手动输入该输入，或者工作站20可以从在包含预定测试参数的存储器中存储的文件中上载数据。同样地，向微处理器70提供了用于执行所模拟的运行时计算以进行变送器12的离线评估的数据。备选地，如步骤104中的虚线所示，可以代替来自于用户输入72的仿真数据，从变送器12向存储器76提供实际的过程变量数据，以使得可以执行对来自于变送器12的实时数据的评估。在步骤106处，微处理器70使用向存储器76提供的过程控制输入数据来对过程条件方程求值，并产生过程条件参考方程信号。对过程条件方程(例如，方程[1])进行求值，以确定过程条件，例如过程流体F的质量流率Qm。微处理器70使用完整的双精度整数运算，使得可以确定对质量流率Qm的精确估计。工作站20连接到独立的电源22 (图2)，以使得微处理器70可以被配置为根据需要进行操作来快速评估计算。在步骤108处，微处理器70使用过程控制输入，以基于T和P的期望操作范围来确定算法系数和近似方程。例如， 通过使用曲线拟合技术对方程[3]求值，来确定放电系数[Cd]。为了要对方程[3]求值，必须产生由微处理器70使用或者用于上载到变送器12的正确的系数集合。在步骤110处，微处理器70使用由输入72提供给存储器76的过程控制输入以及由曲线拟合提供给存储器76的算法系数，对近似方程求值并产生过程条件近似信号，从而执行所模拟的运行时计算。使用算法系数来完成近似方程(例如，方程[2])，并使用过程控制输入对其进行求值，以确定过程条件，例如流体F的过程的质量流率Qm'。微处理器70 使用浮点运算来对近似方程求值，以使得Qm的值可以模拟在变送器电子装置模块34中使用的过程变送器电子装置的能力。例如，变送器12的微处理器64被配置为仅使用可以从图2的控制环路获得的功率。然而，在其它实施例中，微处理器70可以使用双精度整数运算来对近似方程求值。备选地，如步骤112中的虚线所示，可以向微处理器70提供从过程变送器12执行的实际运行时计算中产生的过程条件近似信号，以使得可以执行对实际实时数据的评估。在又一实施例中，如步骤113所示，变送器12使用由用户输入72提供给工作站20并中继给变送器12的包括模拟的传感器数据在内的过程控制输入，以产生过程条件近似信号。可以手动产生在步骤113处向变送器12提供的数据，例如由来自于工作站20 的用户产生，或者可以自动产生，例如，由微处理器70运行的测试程序产生。同样地，可以在用户需要时，或者作为自动化的规律调度的测试程序的一部分来进行变送器12的测试。在步骤114处，微处理器70将过程条件近似信号与过程条件参考方程信号进行比较。该比较确定近似方程是产生了比参考方程所确定的质量流量值更大的质量流量值，还是产生了比参考方程所确定的质量流量值更小的质量流量值。如步骤116所示，使用量值差来产生精确度输出信号。在步骤118处对该精确度输出信号进行评估，以确定是否需要在系统10处采取调节或校正动作。工作站20可以被配置为自动比较过程条件信号，以使得不需要来自用户的进一步动作以获得评估数据。在一个实施例中，过程条件近似信号的目标是在过程条件控制信号的+/-1%内。如果量值差在可接受的限度内，则这是对正确调节了系统10并准备对其进行配置、构建并使其在线的指示。如果对质量流率的确定的量值差过大，则这是对需要采取调节或校正动作的指示。计算出的过程条件的大的量值差可以指示近似方程不提供精确结果。同样地，在步骤118处可以使用不同的参考方程或配置参数(例如，过程操作范围)来对近似方程进行重新计算。从而，可以改变存储在存储器66和存储器76的查询表中的系数。然而，质量流率Qm的值还可以指示系统10的实际操作条件与所确定的期望的操作条件不同，以使得需要对系统10进行调节以处理该不同。可以将系统10中使用的硬件替换为具有不同参数的硬件。例如，在步骤120处可以将基本元件38从文式管改变为孔口。静压传感器一般被配置为传感大致高至每平方英寸800磅(psi)[ 5，500kPa]的压力或大致3600psi [ 24, SOOkPa]的压力。差压传感器一般被配置为传感范围高至25英寸水(inH20)[ 6. 2kPa]、250inH20 [ 6. 22kPa]或 1000inH20 [ 248. 6kPa]的压力。从而，如步骤 122 所示，可以将变送器12替换为具有压力传感器的变送器，该压力传感器具有适于与系统10的操作条件一起使用的范围。本发明提供了优于之前用于评估过程变送器的性能的方法的优势。向工作站20 提供对一般由过程变送器执行的运行时计算进行模仿的软件。连接到工作站20的变送器不必在线并与工作站20进行活跃通信。从而，工作站20能够通过评估所模拟的运行时计算，在没有连接到变送器的情况下评估变送器性能。同样地，在工作站20包括便携式计算机的实施例中，可以在远离实际工业过程的位置处对过程控制系统10的性能进行评估和展现，例如在办公室、在会议或者在销售展示中。还向工作站20提供对参考方程进行求值的软件，以提供控制或可以与所模拟的变送器计算进行比较的基线过程条件。从而，消除了手动产生用于评估过程变送器的数据的需要。工作站20还可以自动地对来自参考方程和近似方程的过程条件所导出的值进行比较，对来自运行时计算或所模拟的运行时计算所导出的值进行比较。可以对最终结果进行比较，也可以对用于达成过程条件的中间步骤进行比较。例如，可以对从参考方程和近似方程计算的质量流率Qm进行比较，以及对针对密度P或诸如(^和[Cd]之类的项的计算进行比较。可以将比较结果存储在工作站20内的存储器76中。可以在工作站20上实时进行参考方程和近似方程的参数化求值，以允许操作员看到在系统10内改变不同参数(例如， 算法系数)的效果。从而，可以确定针对给定的系数集合的与温度T和压力P的特定范围相关联的不确定性。此外，工作站可以显示对用于求值参考方程和近似方程的过程控制系统10有关的假设，以使得操作员可以确定假设对近似方程的不确定性或精确度有多大影响。从而，工作站20可以在寻找正确平衡方面协助操作员选择T和P的期望操作范围，以及在该期望范围内的子范围的期望精确度。可以产生并保存针对给定的过程控制输入集合的，使用方程[1]、方程[2]和方程 [3]产生的数据的表。然后，使用输出74或外设78，可以产生向用户提供变送器电子装置模块34的性能指示的报告。可以在工作站20处本地显示该报告(比如在监视器上)，或者可以例如使用打印机印刷加以公开，用于以后参考或存档。例如，报告可以包括利于用户对数据进行评估的所计算的过程条件和中间步骤的图形表示。可以使用报告来调节系统10， 或者在系统10上采取校正动作。例如，可以将基本元件38替换为在系统10要执行的条件下进行最优执行的组件。同样地，可以调节变送器电子装置模块34所使用的算法，例如通过将变送器12交换为具有不同硬件编码的近似方程的变送器。还可以调节查询表中或者在改变曲线拟合技术中可用的系数，以调节所产生的过程条件近似信号。此外，可以将过程流体替换为另一过程流体。还可以使用报告来符合工业和政府标准。例如，可以将工作站 20配置为确定在什么条件下，过程控制系统10或变送器12将不能满足AGA标准。虽然已经通过引用示例实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员将会理解， 在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以将其单元替换为等效物。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行多种修改以使具体情况或材料适于本发明的教导。因此，本发明不受限于所公开的具体实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于估计工业过程控制系统中的过程条件计算的精确度的方法，所述方法包括使用过程条件参考方程和过程控制输入来产生过程条件参考方程信号； 产生使用所述过程控制输入对参考方程进行近似的过程条件近似方程； 产生供所述过程条件近似方程使用的近似方程系数；基于所述过程条件近似方程和所述近似方程系数，产生过程条件近似方程信号；以及将所述过程条件近似方程信号与所述过程条件参考方程信号进行比较，以产生用于调节所述工业过程控制系统的精确度输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述精确度输出信号来调节所述近似方程系数的配置，以减少所述过程条件近似方程信号与所述过程条件参考方程信号之差。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述过程条件近似方程信号由过程变送器电子装置产生。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述过程条件近似方程信号由产生所述过程条件参考方程信号的处理器产生。
5.根据权利要求2所述的方法，还包括在控制网络上向过程变送器电子装置发送已调节的近似方程系数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述过程变送器电子装置与所述控制网络离线时，产生所述已调节的近似方程系数。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括使用所述近似方程和所述变送器电子装置，基于所传感的过程变量、所述近似方程系数以及所述过程控制输入来计算过程条件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述过程条件参考方程包括
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述过程条件近似方程包括
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述近似方程的括号内的项使用曲线拟合技术或插值技术对参考方程或其一部分进行近似。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，使用浮点运算产生所述过程条件近似方程信号，使用整数运算产生所述过程条件参考方程信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述过程变送器电子装置由所述控制网络供电，以及，从包括以下各项的组中选择所述控制网络4-20mA环路、Fieldbus、Profibus和 Modbus0
13.根据权利要求1所述的方法，还包括在存储器中存储所述过程条件参考方程信号和所述过程条件近似方程信号的值。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括产生对所述过程条件参考方程信号与所述过程条件近似方程信号进行比较的报告。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述过程控制输入包括以下至少一项仿真的传感的过程变量、所述系统的硬件参数、过程操作范围和所述工业过程的流体参数。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括基于所述精确度输出信号调节所述系统的硬件参数。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述系统的硬件参数包括基本元件或变送器。
18.一种用于配置远程过程变送器的过程控制工作站，所述工作站包括 通信电路，用于在过程控制网络上进行通信；用户界面，用于输入过程控制输入；以及微处理器，连接到所述通信电路和所述用户界面，以 基于参考方程和所述过程控制输入产生过程条件参考方程信号；以及基于对所述参考方程的近似、近似系数以及所述过程控制输入，产生对过程变送器电子装置的计算出的过程条件进行模拟的过程条件近似方程信号。
19.根据权利要求18所述的过程控制工作站，其中，所述微处理器将所述过程条件近似方程信号与所述过程条件参考方程信号相比较。
20.根据权利要求19所述的过程控制工作站，其中，所述微处理器被配置为在存储器中存储所述过程条件参考方程信号和所述过程条件近似方程信号的值，以及产生对所述过程条件参考方程信号与所述过程条件近似方程信号进行比较的报告。
21.根据权利要求19所述的过程控制工作站，其中，所述微处理器使用简化所述参考方程的曲线拟合技术或插值技术，来产生对所述参考方程的近似和所述近似系数。
22.根据权利要求21所述的过程控制工作站，其中 所述参考方程包括Qm =NCdYlEd2 而顶 η中-Qffl =质量流率(质量/单位时间)， N=单位换算因子(单位变化)， Cd=放电系数(无量纲)， Y1=气体膨胀因子(无量纲)， E=接近速率因子(无量纲)， d=基本元件临界截面直径(长度)， P =流体密度(质量/单位体积)，以及 ΔΡ=差压(力/单位面积)；以及所述近似参考方程包括其中，括号内的项包括参考方程项的近似。
23.根据权利要求19所述的过程控制工作站，其中，所述微处理器调节所述近似系数， 以减少所述过程条件近似方程信号和所述过程条件参考方程信号之差。
24.根据权利要求23所述的过程控制工作站，其中，使用所述通信电路在过程控制网络上向过程变送器电子装置发送已调节的近似系数；以及，所述过程变送器电子装置使用所述已调节的近似系数，以基于所传感的过程变量和所述过程控制输入，使用近似方程来计算过程条件。
25.根据权利要求23所述的过程控制工作站，其中，所述微处理器调节所述近似系数， 以使得所述过程条件近似方程信号在所述过程条件参考方程信号的用户指定的精确度之内。
26.—种工业过程控制系统，包括 过程控制网络；连接到工业过程的过程变送器，所述过程变送器包括 传感器，用于测量所述工业过程的过程变量，并产生传感器信号；以及变送器电路，连接到所述传感器，以调节所述传感器信号并产生过程条件信号，以及在所述过程控制网络上传送所述传感器信号和所述过程条件信号；以及远离所述过程变送器放置的过程控制工作站，其包括； 连接到所述过程控制网络的数字处理器，所述数字处理器被配置为 基于参考方程和过程控制输入产生过程条件参考方程信号；以及产生对所述变送器电路产生的过程条件信号进行模拟的过程条件近似方程信号。
27.根据权利要求26所述的过程控制系统，还包括连接到所述数字处理器的用户界面，用于输入对所述控制系统的过程参数进行指示的过程控制输入。
28.根据权利要求27所述的过程控制系统，还包括存储器，用于存储对所述过程条件信号、所述过程条件参考方程信号以及所述过程条件近似方程信号进行指示的值。
29.根据权利要求28所述的过程控制系统，其中，所述数字处理器被配置为产生包括所存储的值在内的报告。
30.根据权利要求28所述的过程控制系统，其中，当所述过程变送器对于所述过程控制网络在线时，所述过程控制工作站的数字处理器将所述过程条件参考方程信号与所述过程条件信号进行比较。
31.根据权利要求30所述的过程控制系统，其中，使用由所述数字处理器提供的模拟的传感器数据来产生所述过程条件信号。
32.根据权利要求28所述的过程控制系统，其中，当所述过程变送器与所述控制网络离线时，所述过程控制工作站的数字处理器将所述过程条件近似方程信号与所述变送器电路产生的过程条件参考方程信号进行比较。
33.根据权利要求32所述的过程控制系统，其中，所述过程控制工作站的数字处理器对所述变送器电路如何产生所述过程条件信号进行调节。
34.根据权利要求33所述的过程控制系统，其中所述参考方程包括Qm =NCdYlEd2 P顶 η中:
全文摘要
在工业过程控制系统中用于估计变送器电子装置的方法和系统包括产生过程条件参考方程信号、过程条件近似方程信号和精确度输出信号。使用过程条件参考方程和过程控制输入来产生所述过程条件参考方程信号。使用过程条件近似方程和近似方程系数，产生所述过程条件近似方程信号，所述过程条件近似方程使用所述过程控制输入对参考方程进行近似，所述近似方程系数基于近似方程和所述过程控制输入。在控制室工作站处将近似方程信号与参考方程信号进行比较，以使得可以调节所述工业过程控制系统。在一个实施例中，调节所述近似方程系数，并在控制网络上将其向过程变送器电子装置发送。在另一个实施例中，调节所述工业过程控制系统的参数。例如，基本元件或变送器。
文档编号G05B19/042GK102171620SQ200980138681
公开日2011年8月31日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年10月1日
发明者大卫·尤金·韦克伦德, 戴尔·斯科特·戴维斯 申请人:罗斯蒙德公司