专利名称：用于消除混叠的改进方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于消除混叠的改进方法和装置。
背景技术：
过程エ厂，例如在化学、石油或其它过程中使用的过程エ厂一般包括ー个或多个集中的或分散的过程控制器，其通过模拟、数字或组合的模拟/数字总线通信地耦合到至少ー个主机或操作员工作站并通信地耦合到一个或多个过程控制设备和仪表设备，诸如现场设备。可为例如阀、阀定位器、开关、变送器和传感器(例如，温度、压カ和流速传感器)的现场设备在过程内施行例如打开或关闭阀以及测量过程控制參数的功能。过程控制器通过通信总线接收表示由现场设备所做的过程测量或过程变量的信号或者与现场设备相关联的过程測量或过程变量的信号和/或与现场设备有关的其他信息，使用该信息来实现控制例程，井随后生成控制信号，通过总线中的一条或多条将该控制信号发送到现场设备以控制过程的操作。一般可使来自现场设备和控制器的信息可用于由操作员工作站执行的一个或多个应用，以使操作员能够施行与过程有关的期望的功能，例如查看过程的当前状态、更改过程的操作，等等。在过去，传统的现场设备用于通过模拟总线或模拟线路向过程控制器发送或从过程控制器接收模拟的(例如4-20毫安)的信号。该4-20毫安的信号的限制在于，它们指示由设备进行的測量或指示由控制器生成的、控制设备的操作所需要的控制信号。然而，在过去几十年中，执行ー个或多个过程控制功能的智能现场设备已经在过程控制エ业中变得普遍。除了执行过程中的主要功能，每个智能现场设备包括存储器和微处理器，其具有存储与设备相关的数据、以数字形式或数字和模拟组合的形式与控制器和/或其他设备通信、并且执行诸如自校准、识别、诊断等次要任务的能力。已经开发出很多标准、开放、数字或者数字和模拟的组合的通信协议，诸如HART 、PROFIBUS 、foundationtm现场总线、WORLDFIP 、Device-Net 、和can协议，以使得有不同的制造商生产的智能现场设备能够在过程控制网络中互联，以彼此通信，并执行一个或多个过程控制功能。过程エ厂中的不同的功能块被配置为彼此(例如，通过总线)通信，以形成ー个或多个过程控制回路，它们各自的操作遍布整个过程，并且因此是分散的。如上所述，为了保持整个过程的高效运行，并因此最小化工厂停エ和利润減少，与过程エ厂相关联的设备必须适当并可靠地运作。一般地，ー个或多个有经验的操作员主要负责保证过程エ厂内的设备在高效的运行，并负责维修和更换故障设备。这样的操作员可以使用工具和应用，诸如如上描述的提供关于过程内设备的信息的工具和应用。通常使用模数转换器采样来自现场设备的模拟信号并将其转换成数字信号。在采样中，在一些时间点上得到信号的快照，并在每个时间点測量信号。通信理论中已知，正确地处理信号需要最小采样率。具体地，香农定理指出，为了能够正确地表示信号，需要以信号中最高频率分量的两倍的频率对信号进行采样。如果以较低的频率采样信号，则由于高频分量被不正确地解释为低频分量而导致信号失真。例如，在频闪光下，转动的轮子可能看上去是倒着转的。在模拟输入过程中，如香农定理预计的，如果采样频率不是包含在測量信号中的最高频率分量的至少两倍，则可能发生混叠。由混叠引起的失真可能由过程或包含在測量信号中的电气噪声导致。
发明内容
公开了ー种用于消除信号中的混叠的方法和系统。通过以测量信号的最高频率的两倍的频率采样现场设备中的信号，井随后以该频率滤波数字值，以减小频率分量，从而消除高于过程控制模块奈奎斯特频率的频率，如果没有消除混叠也能够减小混叠。可以设定过程控制系统中的模块执行率，并基于所述模块执行率为所述模块确定奈奎斯特频率，其中所述奈奎斯特频率是所述执行率的两倍。可以基于模块执行率设定必须应用于经采样的测量的滤波。采样测量信号的模数转换器的采样率必须是包含在測量信号中的最高频率的至少两倍。还公开了一种用于减少过程控制环境中的混叠的系统。过程控制系统中的过程控制模块以确定的执行率运行，其中过程控制系统包括现场设备、模数转换器和控制器。控制器基于模块的执行率计算针对该过程控制模块的奈奎斯特频率。与至少ー个现场设备通信的模数转换器包括衰减高于模块奈奎斯特频率的信号的滤波器，作为从模拟形式到数字形式转化的一部分。系统和方法的优点包括提供来自现场设备的更准确的读数。因此，基于更准确的数据，过程エ厂的更好的控制和性能是可能的。这些优点消除了对昂贵的エ厂过程错误和相应的校正的需求。
图1示出了使用了用于消除混叠的方法和装置的过程エ厂的示意框图；图2示出了来自现场设备的示例正弦信号图；图3A-3D示出了毎秒对给定的正弦信号不同的采样的结果，其中采样率高于奈奎斯特频率；图4A示出了毎秒对给定的正弦信号较慢的采样的结果，其中采样率低于奈奎斯特频率；图4B示出了由提供到控制回路的图4A的信号重构信号得到的结果；图5示出了欠采样导致的重构信号；图6A和6B示出了示例的模拟输入卡及其滤波器；图7示出了用于消除过程控制环境中的混叠的方法；并且图8示出了用于减少过程控制环境中的混叠的系统。
具体实施例方式过程控制网络现參考图1，过程エ厂10包括多个现场设备15-22，其通过ー个或多个输入/输出设备26和28连接至过程控制器12。过程控制器12可以是分布式控制系统(DCS)类型控制器，诸如例如由Fisher-Rosemount系统公司销售的Delta V 控制器,或任何其他类型的用于控制现场设备15-22的控制器，现场设备15-22与过程控制器12以任何传统的或任何其他期望的方式相连接。如图1所示，过程控制器12通过总线24与ー个或多个操作员エ作站13和14通信地耦合。总线24可以是有线的或无线的，例如基于以太网的总线，并可以使用任何期望的或适当的局域网(LAN)或广域网(WAN)协议以提供通信。操作员工作站13和14可以基于个人电脑平台或任何其他合适的处理平台，并可以执行多种已知的过程控制、维护和其他功能。操作员工作站13和14可以位于エ厂本地的或者是远程的，并可以使用多种协议和多种通信设备与控制器通信。此外，过程エ厂10可以包括数据历史记录器23，其通过总线24收集过程控制数据。数据历史记录器23是现有技术中公知的，因此在此不再详细描述。如已知的，过程控制器12可以存储并实现控制方案，以影响过程内的測量和设备的控制，从而由此根据一些整体控制方案来控制过程參数。过程控制器12可以向存储在例如操作员工作站13和14中的ー个或多个应用报告状态信息，其关于过程的运行状态和/或现场设备15-22的运行状态。当然，这些应用可以通过分别与操作员工作站13和14相关联的显示设备30和31向过程エ厂10内的操作员或维护人员显示任何期望的信息。应当理解，图1中示出的过程エ厂10实质上仅仅是示例性的，也能够使用其他类型或配置的过程エ厂。现场设备15-22可以是任何类型的设备，诸如传感器、阀门、变送器、定位器等，而I/O设备26和28可以是符合任何期望的通信或控制协议的任何类型的I/O设备。如图1所示，过程控制器12通过模拟线路33-36与传统的(即，非智能的)现场设备15-17通信地耦合。现场设备15-17可以是标准的4-20mA模拟现场设备，其通过模拟线路33-36与I/0设备26通信。模数转换器40可以是输入设备26的一部分。在另外的实施例中，模数转换器40可以与输入设备26分开,但是可与输入设备26通信。类似地，现场设备19-22可以是智能设备，诸如现场总线现场设备，其通过数字总线38使用现场总线非专用协议通信与I/O设备28通信。一般来讲，现场总线协议是全数字的、串行、双向通信协议，其为连接现场设备19-22的双线回路或总线提供标准化的物理接ロ。现场总线协议实际上在过程エ厂10内为现场设备19-22提供了局域网，这使得这些现场设备19-22能够与过程控制器12联合地或者独立于过程控制器12执行ー个或多个过程控制回路。当然，也能够使用其他类型的设备和协议，诸如HART ，PROFIBUS ,WORLDFIP , Device-Net ，AS接口和CAN协议。过程控制器12被配置为使用通常被称为功能块的来实现控制策略。每个功能块是整个控制例程的一部分(例如，子例程)，并且通过通信链路与其他功能块联合运行，以实现过程エ厂10内的过程控制回路。功能块可以执行输入功能、输出功能或控制功能。输入功能可以与变送器、传感器或其他过程參数測量设备相关联。输出功能可以控制ー些设备(诸如阀门)的运行，以执行过程エ厂10内的ー些物理功能。控制功能可以与执行PID、模糊逻辑等控制的控制例程相关联。当然，存在功能块的混合和其他类型的功能块。功能块可以被存储在过程控制器12中，并由其执行，当这些功能块与标准的4-20mA设备和ー些类型的智能现场设备相关联时通常是这种情況。此外，功能块可以被存储在现场设备本身中，并由其本身实现，对于智能设备是这种情況。
现场总线设备尽管现场总线协议使用术语“功能块”来描述特定类型的、能够执行过程控制功能的实体，注意到，这里使用的功能块这ー术语并不受限于此，而是包括任何类型的设备、程序、例程或其他能够以任何方式在过程控制网络内的分散的地点执行过程控制功能的实体。因此，使用其他的不使用现场总线协议严格认定为“功能块”的内容的过程控制通信协议或方案(其可能已存在或将在将来开发)，这里描述的系统能够用于过程エ厂10。如上所述，使用过程控制器12和从现场设备15-22接收信号50 (图2)的输出设备26、28与现场设备15-22通信。模拟现场设备15-17的输出是波状的測量信号50。采样信号意味着在一个时间点測量现场设备输出信号的值。通常，在时间间隔上进行多次采样，以准确地观察输出信号以及信号随时间的所有变化。在过程控制系统中，通常使用模数转换器40将来自现场设备15-17的模拟信号50从模拟信号50转化为数字信号，井随后在控制系统内使用该数字信号。尽管模拟信号50可以在最大和最小信号内具有无限多的输出，但是模数转换器40的输出通常是由I或0组成的数字表示，其中I可以表示信号高于阈值，0表示信号低于阈值(反之亦然)。因此，控制系统12从该数字表示中得到原始模拟信号。例如，假设模拟频率为250Hz。用250Hz的频率，信号的周期为t = 1/ft = 1/250t = 4ms可能被采样的连续时间信号为X (t) = sin (2*pi*f*t)X (t) = sin (2*pi*250*t)图2中是信号在24ms时间段上的图。在图3A中，如果采样频率是5000Hz，则采样间隔将是t = 1/5,000 = 0. 2ms这意味这，在4ms的范围内，系统将采样20次。图3A中示出了以5000Hz采样的结果。然而，如果模拟信号50的采样频率减少50%到2500Hz，则结果如图3B所示，其中图上的点将被连在一起，以形成采样信号52。类似地，将采样间隔减少到0. 6ms (1,667Hz)，则结果如图3C所示，其中图上的点将被连在一起，以形成采样信号52。最后，将采样间隔改为1. 2ms (833Hz)，则结果如图3D所示，其中图上的点将被连在一起，以形成采样信号52。改变采样频率，以使得每2. 4ms (416. 7Hz)采样信号，得出完全不同(不正确)的信号，如图4A所示，其中图上的点将被连在一起，以形成采样信号52。如果得到的信号52通过控制回路，将在測量中产生诸如图4B所示的错误的振荡。从这一例子中能够看出，随着采样频率减小，控制系统正确捕捉模拟信号50中的振荡的能力随之减小。当采样率不再能够正确地捕获模拟信号50中的变化时，就发生了“混叠”。发生混叠的频率被称为奈奎斯特频率。奈奎斯特采样定理指出为了正确地采样模拟信号50，采样率必须是系统中存在的最高频率分量的至少两倍。在这里使用的和图3a-4b所示出的例子中(是250HZ信号)，必须使用至少500Hz的采样频率。
在图4A中示出了控制系统以低于奈奎斯特频率采样的結果。在图4A中，以416. 7Hz采样模拟信号50。如果以低于奈奎斯特频率两倍的采样率采样模拟信号50，在采样数据中将出现错误的低频分量。如果违反了奈奎斯特法则，较高的频率分量折叠回来并使采样值失真。这样的由于过程噪声引起的失真能够引起例如控制中増加的变化，以及现场设备15-17的过度损耗。另一幅图，图5示出了由6MS/s模数转换器40数字化的5MHz的正弦波50。虚线表示由模数转换器40记录的混叠信号52。5MHz频率在通带中混叠，错误地表现为IMHz的正弦波。如果控制系统使用得出的信号52，能够由于错误的读数而发生错误。可以由控制回路执行率、由输入输出处理引起的延迟以及过程动态来确定使用如图1所示的分布式控制系统(DCS)可能达到的性能。从高层面讲，为了达到控制性能，可以基于过程动态设定控制回路执行率。针对任何选择的控制回路执行率，应当最小化输入输出处理延迟并提供滤波以避免測量数据的混叠。抗混叠滤波 现代模数(A/D)转换器内部以非常高的采样率运行。通常，需要硬件模拟滤波器来去除任何高于模数转换器40的内部采样率的频率(即奈奎斯特频率)的1/2的频率。此外，数字有限冲击响应(FIR)数字滤波器可以作为模数转换器40的一部分，以去除诸如50或60Hz交流频率的噪声拾波，并消除高于使用该模数转换器40输出的应用的奈奎斯特频率的频率。由于控制回路的执行率是可配置的，为了避免控制回路中的混叠的奈奎斯特频率如下表所示变化。表I
权利要求
1.一种用于减少过程控制系统中的混叠的方法，其中所述过程控制系统包括至少一个模拟设备和模数转换器，所述方法包括为所述过程控制系统中的模块设定模块执行率；基于所述模块执行率为所述模块确定奈奎斯特频率；基于所述模块执行率确定所述模数转换器后的滤波；在所述模数转换器后的滤波器中，基于所述模块执行率设定所述模数转换器中的数据采样率；并且衰减测量信号的处于和高于所述模块的所述奈奎斯特频率的频率分量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述奈奎斯特频率是执行所述模块的频率的两倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，衰减模块信号包括在所述模数转换器后实现低通数字有限冲击响应滤波器，以衰减测量信号中超出与所述模块执行频率相关联的所述奈奎斯特频率的频率分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述奈奎斯特频率处的衰减为至少-12dB。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在50Hz至60Hz处的衰减为至少_40dB。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述模块执行率是从多个预设的模块执行率中选择的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述奈奎斯特频率是基于多个预设的模块执行率而预先确定的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述过程控制系统设定所述模数转换器后的所述数字滤波器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，控制回路在过程响应时间内执行至少四次。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，自调节过程中的所述过程响应时间包括一阶时间加上死区时间，并且其中，积分过程中的所述过程响应时间包括所述死区时间加上对过程输入的变化的重要响应所需的时间。
11.一种用于减少过程控制环境中的混叠的系统，包括过程控制系统中的过程控制模块，所述过程控制系统以确定的执行率运行，其中，所述过程控制系统包括提供模拟输出的现场设备，与所述现场设备和控制器通信地耦合的输入/输出设备，其中，所述控制器基于所述执行率为所述过程控制模块计算奈奎斯特频率；与所述输入/输出设备通信地耦合的模数转化器；以及与所述模数转换器通信地耦合的滤波器，如果在由所述模数转换器将所述模块信号从模拟形式转换为数字形式之后测量信号高于所述奈奎斯特频率，则所述滤波器衰减频率分量。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述奈奎斯特频率是所述过程控制系统中的所述模块执行率的两倍。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，衰减所述模块信号包括在所述模数转换器后实现低通数字有限冲击响应滤波器，以衰减测量信号中超出与所述模块执行频率相关联的所述奈奎斯特频率的频率。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，在所述奈奎斯特频率处的衰减为至少-12dB， 并且其中在50Hz至60Hz处的衰减为至少_40dB。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述模块执行率是从多个预设的模块执行率中选择的，并且所述奈奎斯特频率是基于所述多个预设的模块执行率而预先确定的。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，控制回路在过程响应时间内执行至少四次，并且其中，自调节过程中的所述过程响应时间包括一阶时间加上死区时间，并且其中，积分过程中的所述过程响应时间包括所述死区时间加上对过程输入的变化的重要响应所需的时间。
17.根据权利要求11所述的系统，其中，从所述过程控制系统将所述测量滤波设定在所述模数转换器中。
18.一种计算机系统，包括物理上根据计算机可执行指令配置以减少过程控制系统中的混叠的处理器，物理上被配置为存储所述计算机可执行指令的存储器，模拟现场设备和包括模数转换器的模拟输入/输出设备，所述计算机可执行指令包括用于以下各项的指令为所述过程控制系统中的模块设定模块执行率；基于所述模块执行率为所述模块确定奈奎斯特频率，其中所述奈奎斯特频率是所述模块执行率的两倍；基于所述模块执行率确定将应用于所述模数转换器之后的滤波；在所述模数转换器中，基于所述模块执行率设定所述应用于所述模数转换器之后的滤波；以及衰减处于和高于所述模块的所述奈奎斯特频率的模块信号。
19.根据权利要求18所述的计算机系统，其中，控制回路执行率被设定为至少是过程响应时间的4倍，并且其中，自调节过程中的过程响应时间包括一阶时间加上死区时间，并且其中，积分过程中的过程响应时间包括死区时间加上对过程输入的变化的重要响应所需的时间。
20.根据权利要求18所述的计算机系统，其中，在所述奈奎斯特频率处的衰减为至少-12dB，并且其中在50Hz至60Hz处的衰减为至少_40dB。
全文摘要
本发明涉及用于消除混叠的改进方法和装置。为了减少或消除过程控制网络中的混叠，可以基于过程控制系统中的模块执行率设定测量信号的滤波。基于所述模块执行率确定所述模块的奈奎斯特频率，其中所述奈奎斯特频率可以是所述执行率的两倍。基于所述模块执行率设定在模数转换器之后的滤波。在所述模数转换器中，可以基于所述模块执行率设定在所述转换器之后的数字滤波，并且可以通过滤波器衰减模拟信号的处于和高于针对该模块执行率的奈奎斯特频率的频率分量。
文档编号G05B19/418GK103019170SQ20121037744
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者T·L·布莱文斯, M·J·尼克松 申请人:费希尔-罗斯蒙特系统公司