-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Diagnose von Pxozeßsteuersystemen
und speziell ein Verfahren und eine Vorrichtung zum deterministischen
Erhalt von Meßwerten
von einem oder mehreren Parametern einer Prozeßsteuereinrichtung, die in
eine in Betrieb befindliche Prozeßumgebung eingeschaltet ist.
-
Ein
solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus dem Dokument
US-PS 5 197 328 bekannt.
-
STAND DER
TECHNIK
-
Großtechnische
Herstellungs- und Raffinationsprozesse verwenden typischerweise
eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs von einer oder mehreren
Prozeßsteuereinrichtungen
wie etwa Steuerventilen, die wiederum eine oder mehrere Prozeßvariablen
wie etwa Fluiddurchfluß,
Temperatur oder Druck innerhalb des Prozesses steuern. Im allgemeinen
hat ein Prozeßsteuerventil
ein Betätigungselement,
das von einem Positionierer gesteuert wird, der ein zugehöriges Steuerelement
wie einen Ventilstopfen, einen Schieber oder ein anderes veränderbares Öffnungselement
in Abhängigkeit
von einem von der Prozeßsteuereinheit
erzeugten Steuersignal bewegt. Das Steuerelement eines Steuerventils
kann sich beispielsweise in Abhängigkeit
von einem sich ändernden
Fluiddruck auf eine mittels Federkraft vorgespannte Membran oder
einen Kolbenkopf oder in Abhängigkeit
von der Drehbewegung einer Achse bewegen, die jeweils von einer Änderung
des Steuersignals verursacht werden können. Bei einer Standard-Ventileinrichtung
veranlaßt
ein Steuersignal einer Größe, die
in dem Bereich von 4 bis 20 mA (Milliampere) veränderlich ist, einen Positionierer,
die Fluidmenge und damit den Fluiddruck in einer Druckkammer proportional
zu der Größe des Steuersignals zu ändern. Eine Änderung
des Fluiddrucks in der Druckkammer veranlaßt eine Membran, sich gegen eine
Vorspannfeder zu bewegen, wodurch wiederum eine Bewegung eines mit
der Membran verbundenen Ventilstopfens hervorgerufen wird.
-
Prozeßsteuereinrichtungen
entwickeln oder erzeugen gewöhnlich
ein Rückkopplungssignal,
das die Reaktion der Einrichtung auf das Steuersignal bezeichnet,
und liefern dieses Rückkopplungssignal (oder
die Reaktionsanzeige) an die Prozeßsteuereinrichtung zur Nutzung
bei der Steuerung eines Prozesses. Beispielsweise erzeugen Steuerventile
typischerweise ein Rückkopplungssignal,
das eine Position (z. B. einen Bewegungsweg) eines Ventilstopfens
oder eines anderen bewegbaren Ventilelements bezeichnet.
-
Steuerventile
können
zwar diese Rückkopplungssignale
nutzen, um Funktionen innerhalb einer Prozeßsteuerschleife auszuführen, es
wurde jedoch entdeckt, daß eine
unzureichende Steuerschleifenleistung dennoch durch schlechte Betriebsbedingungen
am Steuerventil verursacht sein können. In vielen Fällen können Probleme,
die mit den einzelnen Prozeßsteuereinrichtungen
zusammenhängen,
nicht von der Prozeßsteuereinheit
durch Einstellen aus der Steuerschleife entfernt werden, und infolgedessen werden
die schlecht wirkenden Steuerschleifen auf Handbetrieb gestellt
oder bis zu dem Punkt verstellt, an dem sie effektiv im Handbetrieb
sind. In diesem Fall erfordern die Prozesse, die diesen Steuerschleifen
zugeordnet sind, ständige Überwachung
durch einen oder mehrere erfahrene Bedienpersonen, was nachteilig
ist.
-
Eine
schlechte Steuerschleifenleistung kann gewöhnlich dadurch überwunden
werden, daß der Betriebszustand
oder die "Gesundheit" der in eine Prozeßschleife
eingebundenen Prozeßsteuereinrichtungen überwacht
wird und die schlecht wirkenden Prozeßsteuereinrichtungen repariert
oder ausgetauscht werden. Die Gesundheit einer Prozeßsteuereinrichtung
kann bestimmt werden, indem ein oder mehrere Parameter, die der
Prozeßsteuereinrichtung zugeordnet
sind, gemessen werden und bestimmt wird, ob der eine oder die mehreren
Parameter außerhalb
eines akzeptablen Bereichs liegen.
-
Ein
Prozeßsteuereinrichtungsparameter,
der verwendet werden kann, um die Gesundheit einer Prozeßsteuereinrichtung
zu bestimmen, und der diese bezeichnet, ist die Totzone.
-
Allgemein
gesagt, ist bei Prozeßinstrumenten
die Totzone der Bereich, durch den ein Eingangssignal bei Richtungsumkehr
geändert
werden kann, ohne daß eine
ersichtliche Änderung
in einem Ausgangssignal ausgelöst
wird. Die Totzone, die durch das physische Spiel zwischen mechanisch
miteinander verbundenen Komponenten, durch Reibung und/oder durch
andere bekannte physikalische Erscheinungen verursacht sein kann,
ist am besten zu sehen, wenn ein Steuersignal eine Umkehrung der Bewegungsrichtung
eines bewegbaren Elements einer Prozeßsteuereinrichtung bewirkt.
Während
dieser Umkehr erfährt
das Steuersignal eine diskrete Änderung
(Totzone), bevor das bewegbare Element der Prozeßsteuereinrichtung tatsächlich eine
Bewegung in die neue Richtung zeigt. Anders ausgedrückt, ist
die Differenz zwischen dem Wert des Steuersignals, bei dem eine
Bewegung des Prozeßsteuereinrichtungselements
in eine erste Richtung zuletzt stattfand, und dem Wert des Steuersignals,
bei dem die Bewegung des Prozeßsteuereinrichtungselements
in einer zweiten und anderen Richtung zuerst stattfindet, ein Maß für die Totzone
der Prozeßsteuereinrichtung.
-
1 zeigt,
wie grobe Schätzwerte
der Totzone erhalten wurden durch Anlegen eines blockierten Sinussignals
an eine Prozeßsteuereinrichtung. Das
blockierte Sinussignal enthält
Perioden von alternierenden Stufen gleicher Größe, deren Amplitude von einer
Periode zur nächsten
größer wird,
wie etwa 1%, 2%, 5% usw. Sowie eine Bewegung des Ventilelements
oder der Prozeßvariablen
nach einer Richtungsumkehr auftritt, ergibt die Amplitude der Stufe (verdoppelt)
eine Obergrenze der Totzone. Die Untergrenze ist durch die Amplitude
der Stufen in der vorhergehenden Periode gegeben.
-
Andere
Einrichtungsparameter, die verwendet werden können, um die Gesundheit einer
Prozeßsteuereinrichtung
zu bestimmen, sind Totzeit, Reaktionszeit, Verstärkung und Überschwingen. Die Totzeit ist
dem Zeitraum zugeordnet und kann als eine Messung des Zeitraums
angesehen werden, den die Prozeßsteuereinrichtung
benötigt,
bis sie tatsächlich
damit beginnt, ein bewegbares Element als Reaktion auf eine Änderung
in einem Steuersignal zu bewegen. Die Rektionszeit ist die Zeitdauer,
die das bewegbare Element einer Prozeßsteuereinrichtung benötigt, um
einen bestimmten Prozentsatz, beispielsweise 63%, seines Endwerts
als Reaktion auf eine Änderung
in einem Steuersignal zu erreichen. Die Verstärkung einer Prozeßsteuereinrichtung
bezeichnet den Verstärkungsgrad,
der durch eine Änderung
in dem Steuersignal verursacht wird. Die Verstärkung kann ausgedrückt werden
als das Verhältnis
der relativen Änderung
der Ventilbewegung zu der relativen Änderung in dem Steuersignal.
Das Überschwingen
einer Prozeßsteuereinrichtung
gibt an, um wieviel sich ein Ventil über seine stabile Endposition
hinausbewegt.
-
Wenn
Totzone, Totzeit, Reaktionszeit oder andere Prozeßsteuereinrichtungsparameter
einer Prozeßsteuereinrichtung
signifikant über
ihre Nennwerte hinaus ansteigen, kann es erforderlich sein, die Prozeßsteuereinrichtung
zu reparieren oder auszutauschen, um innerhalb der Prozeßsteuerschleife eine
ausreichende Steuerung herzustellen. Es ist aber normalerweise nicht
sehr leicht, Prozeßsteuereinrichtungsparameter
wie Totzone, Totzeit, Reaktionszeit, Verstärkung und Überschwingen einer Prozeßsteuereinrichtung
zu messen, um die Gesundheit von funktionsfähigen Prozeßsteuereinrichtungen zu überwachen,
wenn diese Einrichtungen online in eine Steuerschleife eingebunden
sind.
-
In
der Vergangenheit mußte
Bedienpersonal eine Prozeßsteuereinrichtung
aus einer Steuerschleife entfernen, um die Einrichtung auf den Prüfstand zu
bringen; als Alternative wurden Steuerschleifen mit Bypaßventilen
und redundanten Prozeßsteuereinrichtungen
ausgebildet, um die Umgehung einer bestimmten Prozeßsteuereinrichtung
zu ermöglichen
und dadurch diese Einrichtung zu testen, während der Prozeß aktiv
ist. Ansonsten mußten Bedienpersonen
erhebliche Störungen
in den Prozeßbetrieb
einführen
oder warten, bis ein Prozeß angehalten
oder eine planmäßige Abschaltung
vorgenommen wird, um die einzelnen Prozeßsteuereinrichtungen innerhalb
des Prozesses zu testen. Jede dieser Optionen ist zeitaufwendig,
teuer und für
den Prozeß potentiell
störend
und erlaubt gleichzeitig nur eine intermittierende Messung der Parameter
der einzelnen Prozeßsteuereinrichtungen,
die notwendig sind, um den Betriebszustand dieser Steuereinrichtungen
zu bestimmen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum deterministischen Messen von einem oder mehreren Einrichtungsparametern
wie etwa Totzone, Totzeit, Reaktionszeit, Verstärkung oder Überschwingen einer Prozeßsteuereinrichtung,
die in einen Prozeß eingebunden
ist, während
der Prozeß gleichzeitig
in Betrieb ist (d. h. während
der Prozeß gleichzeitig
online ist). Die Funktionsweise des Verfahrens und der Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung ermöglichen
es einem Prozeßoperator,
die Gesundheit oder den Betriebszustand einer Prozeßsteuereinrichtung
innerhalb eines Prozesses zu überwachen,
ohne daß die
Prozeßsteuereinrichtung
aus der Steuerschleife entfernt werden muß, ohne daß die Prozeßsteuereinrichtung in der Steuerschleife
umgangen werden muß und ohne
daß der
Prozeß abgeschaltet
oder auf andere signifikante Weise in den Prozeß eingegriffen werden muß. Dazu
wird vor dem Diagnosetest gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Bestimmung dahingehend durchgeführt, daß die Auswirkung auf den Prozeß wahrscheinlich
minimal sein wird.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmt eine Diagnosetesteinheit
einen Einrichtungsparameter, der einer Prozeßsteuereinrichtung zugeordnet
ist, die in einem Betriebsprozeß angeordnet
ist. Die Diagnosetesteinheit weist eine Schaltersteuereinheit auf,
die ein Prozeßsignal
während
des Prozeßbetriebs überwacht.
Die Diagnosetesteinheit weist ferner einen Signalerzeuger, der ein Diagnosetestsignal
erzeugt, und einen Schalter auf, der auf die Schaltersteuereinheit
anspricht und wirksam ist, um ein Steuersignal für die Prozeßsteuereinheit während des
Betriebs des Prozesses durch das Diagnosetestsignal zu ersetzen.
Dieses Diagnosetestsignal weicht von dem Steuersignal nur in einem notwendigen
Ausmaß ab,
ohne daß es
eine nachteilige Auswirkung auf den Prozeß verursacht. Die Vorrichtung
weist ferner eine Einrichtung zum Erhalten einer Anzeige der Reaktion
der Prozeßsteuereinrichtung
auf das Diagnosetestsignal und eine Analyseeinheit auf, die den
Einrichtungsparameter aus dem Diagnosetestsignal und der Reaktionsanzeige
bestimmt.
-
Die
Prozeßsteuereinrichtung
kann ein Steuerventil sein, das ein bewegliches Ventilelement hat. In
diesem Fall ist die Reaktionsanzeige bevorzugt ein Positionssignal,
das von einem mit dem Ventilelement kommunizierenden Positionssensor
erzeugt wird, wobei das Positionssignal für die Position des Ventilelements
repräsentativ
ist. Das Positionssignal kann auch als das Prozeßsignal dienen, das von der Schaltersteuereinheit überwacht
wird.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren angegeben zum
Bestimmen eines einer Prozeßsteuereinrichtung zugeordneten
Einrichtungsparameters, während
die Prozeßsteuereinrichtung
in einem Betriebsprozeß angeordnet
ist, wobei der Schritt vorgesehen ist: Überwachen eines Prozeßsignals
während
des Prozeßbetriebs
und Bestimmen, ob das Prozeßsignal
im wesentlichen stabil ist. Das Verfahren weist ferner die Schritte
auf: Erzeugen eines Diagnosetestsignals und Ersetzen des Steuersignals
durch das Diagnosetestsignal während
des Prozeßbetriebs,
wenn das Prozeßsignal
im wesentlichen stabil ist. Dabei ist das Diagnosetestsignal so
ausgebildet, daß es
von dem Steuersignal nur im notwendigen Ausmaß abweicht, ohne eine nachteilige
Wirkung auf den Prozeß auszuüben. Eine
Anzeige der Reaktion der Prozeßsteuereinrichtung
auf das Diagnosetestsignal wird dann empfangen, und daraus wird
der Einrichtungsparameter bestimmt.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Diagramm eines bekannten deterministischen Testsignals, das
von der Diagnosetesteinheit der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann,
um die Totzone einer Prozeßsteuereinrichtung zu
messen;
-
2 ist
ein Blockbild einer Prozeßsteuereinrichtung,
die in einer Steuerschleife angeordnet ist, wobei die Prozeßsteuereinrichtung
eine Diagnosetesteinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist, die in einer Steuerschleife angeordnet ist;
-
3 ist
ein Diagramm eines Diagnosetestsignals und einer Reaktion darauf
zur Messung der Totzone einer Prozeßsteuereinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
-
4A bis 4D sind
Diagramme von deterministischen Testsignalen, die genutzt werden,
um Parameter einer Prozeßsteuereinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu messen.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
-
Gemäß 2 weist
eine Prozeßsteuerschleife 10,
die einen Eingang und einen Ausgang hat, eine Prozeßsteuereinheit 11 auf,
die beispielsweise ein Steuersignal von 4 bis 20 mA an eine Prozeßsteuereinrichtung 13 sendet.
Die Prozeßsteuereinrichtung 13 ist
als Steuerventileinrichtung dargestellt mit einem Schalter 14,
einer gedruckten Leiterplatte (PWB) 15, einem Strom-Druckwandler
(I/P) 16, einem Relais 17 und einer Betätiger/Ventileinheit 18. Im
Normalbetrieb wird das Steuersignal von der Steuereinheit 11 der
Leiterplatte PWB 15 über
den Schalter 14 zugeführt.
Ein Positionssensor 19 liefert an die Leiterplatte 15 ein
Rückkopplungssignal,
das die Bewegung und Position eines beweglichen Ventilelements (nicht
gezeigt) bezeichnet, das innerhalb der Betätiger/Ventileinheit 18 angeordnet
ist. Die Position des Ventilelements steuert eine Prozeßvariable innerhalb
eines Prozesses 20.
-
Die
Leiterplatte 15 führt
einen Steueralgorithmus in Übereinstimmung
mit den ankommenden Steuer- und Rückkopplungssignalen aus, um
ein Signal für
den Strom/Druckwandler 16 zu entwickeln, der wiederum ein
entsprechendes Drucksignal entwickelt. Das Drucksignal wird von
dem Relais 17 verstärkt,
das ein Tellerventil oder allgemeiner irgendeinen pneumatischen
Verstärker
aufweisen kann. Das verstärkte
Drucksignal steuert pneumatisch ein Betätigungselement (nicht gezeigt)
in der Betätiger/Ventileinheit 18,
um das Ventilelement zu der gewünschten
Position zu bewegen. Sowohl der Strom-/Druckwandler 16 als
auch das Relais 17 entwickeln die jeweiligen Drucksignale
unter Verwendung einer Druckquelle 27, die mit der Prozeßsteuereinrichtung 13 gekoppelt
ist.
-
Der
Positionssensor 19 kann jede gewünschte Bewegungs- oder Positionsmeßeinrichtung
aufweisen, was z. B. ein Potentiometer, einen linear verstellbaren
Differentialtransformator (LVDT), einen drehverstellbaren Differentialtransformator (RVDT),
einen Hall-Effekt-Bewegungssensor, einen magnetostriktiven Bewegungssensor
oder einen verstellbaren Kondensator-Bewegungssensor umfassen kann.
Falls gewünscht,
kann die Prozeßsteuereinrichtung 13 andere
Arten von Ventileinrichtungen oder -elementen anstelle der oder
zusätzlich
zu den in 1 gezeigten aufweisen, z. B.
eine separate pneumatische Positionierer- und I/P-Einheit. Ferner versteht
es sich, daß die
Prozeßsteuereinrichtung jede
andere Art von Einrichtung sein kann, etwa ein Schieber oder ein
Gebläse,
die eine Prozeßvariable auf
eine andere gewünschte
oder bekannte Weise steuert.
-
Wie 1 zeigt,
mißt ein
Meßwertgeber 22 die
Prozeßvariable
des Prozesses 20 und übermittelt eine
Anzeige der gemessenen Prozeßvariablen
an einen Summierknoten 24. Der Summierknoten 24 vergleicht
den Meßwert
der Prozeßvariablen
(der in einen normalisierten Prozentsatz umgewandelt ist) mit einem
Sollwert, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen
beiden bezeichnet, und liefert dieses Fehlersignal an die Prozeßsteuereinheit 11.
Der Sollwert, der von einem Anwender, einem Bediener oder einer
anderen Steuereinheit (nicht gezeigt) erzeugt werden kann, ist typischerweise
so normalisiert, daß er
zwischen 0 und 100% liegt, und bezeichnet den gewünschten
Wert der Prozeßvariablen.
Im Normalbetrieb des Prozesses 20 nutzt die Prozeßsteuereinheit 11 das
Fehlersignal zum Erzeugen des Steuersignals in Übereinstimmung mit einer gewünschten
Technik und gibt das Steuersignal an die Prozeßsteuereinrichtung 13 zur
Steuerung der Prozeßvariablen
ab.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Diagnosetestroutine, die vorprogrammiert sein
kann, implementiert, um die Prozeßsteuereinrichtung 13 unter
normalen Prozeßbetriebsbedingungen
zu testen, d. h. während
der Prozeß 20 online
ist. Für
den Fall, daß bestimmt
worden ist, daß die
Implementierung der Diagnosetestroutine eine minimale Auswirkung
auf den Prozeß 20 hat,
trennt die Diagnosetestroutine die Prozeßsteuereinrichtung 13 von
der Steuereinheit 11 und zwingt die Prozeßsteuereinrichtung 13,
eine vorbestimmte oder deterministische Menge von Operationen auszuführen, die
dazu bestimmt sind, den Prozeß 20,
wenn überhaupt,
nur minimal zu beeinflussen. Die Routine empfängt, mißt oder sammelt außerdem Informationen,
welche die Reaktion der Prozeßsteuereinrichtung 13 auf
das Diagnosetestsignal bezeichnen, und schließt die Prozeßsteuereinrichtung 13 wieder
an die Steuereinheit 11 an, und zwar sämtlich innerhalb eines begrenzten Zeitraums,
um eine erhebliche Störung
des Normalbetriebs des Prozesses 20 zu vermeiden. Die gesammelten
Informationen können
genutzt werden, um Prozeßsteuereinrichtungsparameter
wie Totzone, Totzeit, Reaktionszeit, Verstärkung und Überschwingen im Interesse der
Bestimmung des Betriebszustands der Prozeßsteuer einrichtung 13 zu
errechnen. Da die Diagnosetestroutine implementiert wird, während der
Prozeß 20 online
ist, wird die "Gesundheit" oder der Betriebszustand
der Prozeßsteuereinrichtung 13 bestimmt,
ohne daß die
Prozeßsteuereinrichtung 13 umgangen
oder abgetrennt und/oder der Prozeß 20 abgeschaltet
wird.
-
Wenn
ein Diagnosetest der Prozeßsteuereinrichtung 13 gemäß der vorliegenden
Erfindung durchzuführen
ist, erzeugt (oder modifiziert) eine Schaltersteuereinheit 25 ein
Schaltersignal, um den Schalter 14 aus einer ersten Position
(oder einem ersten Zustand), in welcher der Schalter 14 das
Steuersignal von der Steuereinheit 11 an die Leiterplatte 15 liefert,
in eine zweite Position (oder einen zweiten Zustand) umzuschalten,
in dem der Schalter 14 die Steuereinheit 11 und
damit das Steuersignal von der Leiterplatte 15 trennt und
die Leiterplatte 15 mit dem Ausgang eines Signalerzeugers 26 verbindet,
der ein deterministisches (d. h. bekanntes oder vorbestimmtes) Diagnosetestsignal
erzeugt. Obwohl, wie oben ausgeführt
wird, die Schaltersteuereinheit 25 das Steuersignal durch
das Diagnosetestsignal ersetzt, bleibt der Prozeß 20 während der
Diagnosetestroutine online.
-
Sowohl
die Schaltersteuereinheit 25 als auch der Signalerzeuger 26 sind
Teil einer Diagnosetesteinheit 27, die sich in der Prozeßsteuereinrichtung 13 befinden
kann, wie 2 zeigt, oder die alternativ eine
externe Testvorrichtung sein kann, die mit der Prozeßsteuereinrichtung 13 gekoppelt
wird. Ebenso kann der Schalter 14 in der Prozeßsteuereinrichtung 13 oder
außerhalb
derselben vorgesehen sein.
-
Die
Diagnosetesteinheit 27 weist ferner einen Reaktionsakkumulator 28 auf,
der eine oder mehrere Anzeigen der Reaktion der Prozeßsteuereinrichtung 13 auf
das Diagnosetestsignal sammelt oder empfängt. Der Reaktionsakkumulator 28 kann eine
Speichereinrichtung aufweisen, welche die Reaktionsanzeige(n) speichert,
um für
die Reaktionsanzeige(n) repräsentative
Daten an eine Analyseeinheit 29 zu liefern. Die Analyseeinheit 29,
die außerdem für das Diagnosetestsignal
von dem Signalerzeuger 26 repräsentative Daten empfangen kann,
analysiert das Testsignal und Reaktionsanzeigedaten, um einen oder
mehrere gewünschte
Prozeßsteuereinrichtungsparameter
zu bestimmen.
-
Wie 2 zeigt,
kann der Reaktionsakkumulator 28 eine Reaktionsanzeige,
welche die Ventilbewegung oder -position (den Ventilweg) bezeichnet, von
dem Positionssensor 19 empfangen. Alternativ oder zusätzlich kann
der Reaktionsakkumulator 28 als Reaktionsanzeige das Betätigerbefehlssignal, das
von dem Relais 17 entwickelt wird, (über einen Drucksensor 36)
und/oder jedes andere Signal empfangen, das die Steuerung der Prozeßsteuereinrichtung 13 bezeichnet
oder damit in Beziehung steht, etwa das Ausgangssignal des Meßwertgebers 22, welches
den Wert der Prozeßvariablen
bezeichnet. Es ist zu beachten, daß andere Arten von Prozeßsteuereinrichtungen
andere ihnen zugeordnete Signale oder Erscheinungen haben können, die
ebenfalls eine Reaktion auf ein Diagnosetestsignal bezeichnen können. Im
allgemeinen kann daher der Reaktionsakkumulator 28 jedes
Signal oder Phänomen
sammeln oder empfangen, das die Bewegung oder den Betrieb der Prozeßsteuereinrichtung 13 als Reaktion
auf eine Änderung
in dem Diagnosetestsignal bezeichnet. Manche Reaktionsanzeigen wie
etwa die Ventilposition können
jedoch genauere Schätzungen
der Einrichtungsparameter liefern, indem sie Rauschquellen (z. B.
Prozeßrauschen)
vermeiden, die nicht zu der im Test befindlichen Prozeßsteuereinrichtung 13 gehören. Andererseits
können
weiter entfernte Reaktionsanzeigen wie etwa die Prozeßvariable
Verzögerungen
aufweisen, die mit der Gesundheit oder der Leistung der Prozeßsteuereinrichtung 13 nicht
im Zusammenhang stehen und dennoch beachtet werden sollten. Daher
können
in bestimmten Situationen bestimmte Reaktionsanzeigen (oder Kombinationen
davon) bevorzugt werden.
-
Zur
Bestimmung, ob ein Diagnosetest eingeleitet werden soll, überwacht
die Schaltersteuereinheit 25 ein dem Prozeß 20 zugeordnetes
Signal, während
der Prozeß 20 online
ist, um zu bestimmen, ob die Prozeßvariable oder die Prozeßsteuereinrichtung 13 im
wesentlichen stabil ist. Das überwachte Prozeßsignal
kann über
den Reaktionsakkumulator 28 empfangen oder von der Schaltersteuereinheit 25 direkt
gesammelt werden. Das Prozeßsignal
kann das Steuersignal, die Position des Ventilelements, die Prozeßvariable
oder jede andere Variable oder jedes andere Signal sein, das eine
Anzeige für
das Ausmaß liefert,
bis zu dem die Prozeßsteuereinrichtung 13,
die Prozeßvariable
und/oder der Sollwert im Ruhezustand ist. Wenn festgestellt wird,
daß der Sollwert,
das Steuersignal oder eine andere Variable schwankt oder sehr stark
schwankt, wird die Diagnosetestroutine nicht eingeleitet. Im Interesse
der Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung sowie im Interesse
der Minimierung der Auswirkungen der Implementierung der Diagnosetestroutine,
während der
Prozeß 20 online
ist, kann mehr als eine Variable innerhalb der Prozeßschleife 20 von
der Schaltersteuereinheit 25 überwacht werden.
-
Die
Stabilität
des überwachten
Prozeßsignals
bzw. der überwachten
Prozeßsignale
ist bezeichnend für
die Stabilität
der Prozeßvariablen,
der Prozeßsteuereinrichtung 13 oder
des Sollwerts. Ein im wesentlichen stabiles oder ruhiges Prozeßsignal kann
zwar dennoch in gewissem Umfang schwanken, auch wenn die Prozeßvariable,
die Prozeßsteuereinrichtung 13 oder
der Sollwert stabil ist. Daher sollte die "im wesentlichen stabile" Bestimmung zumindest
inhärentes
Rauschen in dem Signal tolerieren. Eine Diagnosetestroutine sollte
nicht implementiert werden, wenn das Prozeßsignal sich in einem Ausmaß ändert, das
signifikante Änderungen
des Prozesses 20 oder der Prozeßvariablen bezeichnet. Daher
ist die Frage, ob die überwachten
Prozeßsignale
als im wesentlichen stabil oder ruhig anzusehen sind, in großem Umfang
von dem Signal bzw. den Signalen abhängig, die als das überwachte
Prozeßsignal
genutzt werden. Beispielsweise könnte
eine Diagnosetestroutine immer noch implementiert werden, wenn in
bestimmten Prozeßsteuerschleifen
ein Steuersignal bis zu und um mehr als 5% schwankt, wogegen eine
Routine für
den Prozeß 20 schädlich sein könnte, wenn
sich in anderen Steuerschleifen die Prozeßvariable auch nur um 1% ändert. Diese
Unterschiede können
das Ergebnis der Natur des Prozesses 20 und/oder dr Prozeßvariablen
sein oder von einer großen
Differenz der Totzonen zwischen verschiedenen Prozeßsteuereinrichtungen 13 herrühren. In
Abhängigkeit
von der Gesundheit und/oder Güte
der Betätiger/Ventileinheit 18 kann
eine große Totzone
die Durchführung
von Diagnosetestroutinen bei Steuersignalabweichungen von bis zu
10% zulassen. Außerdem
kann eine geringe Empfindlichkeit des Prozesses 20 für die Prozeßvariable
die zulässige
Abweichung noch höher
ausfallen lassen.
-
Die
Diagnosetesteinheit 27 und jede Komponente davon einschließlich der
Schaltersteuereinheit 25, des Signalerzeugers 26,
des Reaktionsakkumulators 28 und/oder der Analyseeinheit 29 kann
in Hardware, Software, Firmware oder jeder Kombination davon ausgeführt sein.
Bei Implementierung in Software können die Komponenten der Diagnosetesteinheit 27 auf
jeder Speichereinrichtung wie etwa einer Diskette, einer Festplatte,
einer CD ROM, einem RAM, einem ROM, einem EEPROM oder jedem anderen
dem Fachmann bekannten Speichermedium gespeichert sein und können, falls
gewünscht, von
einem entfernten Ort über
jedes Kommunikationsmedium geliefert werden, etwa mittels Übertragung
auf einer Telefonleitung, über
das Internet, ein Ethernet oder jede andere Art von Nachrichtennetz, das
dem Fachmann bekannt ist. Ebenso kann der Schalter 14 in
Hardware, Software, Firmware oder jeder Kombination davon ausgeführt sein.
-
Falls
gewünscht,
kann die Analyseeinheit 29 die bestimmten Prozeßsteuereinrichtungsparameter mit
einem oder mehreren gespeicherten Werten vergleichen, um zu bestimmen,
ob die gemessenen Parameter akzeptabel oder innerhalb von einem
oder mehreren spezifizierten Bereichen sind. Wenn die Prozeßsteuereinrichtungsparameter
nicht innerhalb des einen oder der mehreren spezifizierten Bereiche sind,
warnt die Analyseeinheit 29 oder eine andere Komponente
der Diagnosetesteinheit 27 einen Anwender über ein
Display 38, das beispielsweise einen CRT-Bildschirm, einen
Drucker, einen Sprachgenerator, einen Alarm oder eine andere gewünschte Kommunikationseinrichtung
aufweist, daß die
Prozeßsteuereinrichtung 13 eventuell
repariert oder ausgewechselt werden muß. Falls gewünscht, kann
die Analyseeinheit 29 auch eine Liste der gemessenen Einrichtungsparameter über das
Display 38 an den Anwender liefern.
-
Das
von dem Signalerzeuger 26 erzeugte Diagnosetestsignal kann
jede gewünschte
Gestalt haben, die eine Messung eines Prozeßsteuereinrichtungsparameters
erlaubt. Es können
jedoch mehrere Diagnosetestsignalwellenformen, die nachstehend beschrieben
werden und in den 1, 3 und 4A bis 4D gezeigt
sind, verwendet werden, um Parametermeßwerte auf eine Weise zu erhalten, die
das Potential für
einen schädlichen
Eingriff in den Prozeß 20 minimiert.
Im allgemeinen sind die Diagnosetestsignalwellenformen auf einer
Zeitachse aufgetragen, um die Amplitude des Signals von einem Null-Referenzpunkt zu
zeigen, der jeden Gleichstromwert einschließlich Null bilden kann. Beispielsweise
können
die in den 4A bis 4C aufgetragenen
Amplitudenwerte für
den Wert repräsentativ sein,
um den die Amplitude des Diagnosetestsignals von der Befehlssignalamplitude
von 4 bis 20 mA abweicht, wenn das Befehlssignal von der Prozeßsteuereinrichtung 13 entkoppelt
ist. Einige der Diagnosetestsignale sind auch mit einem Diagramm
einer beispielhaften Reaktionsanzeige gezeigt und verdeutlichen
die Bewegung der Reaktionsanzeige relativ zu Null, was eine Position
oder einen Signalwert zum Zeitpunkt der Einleitung der Testroutine
darstellen kann.
-
Unter
Bezugnahme auf 1 weist ein erstes Diagnosetestsignal,
das zur Messung von Prozeßsteuereinrichtungsparametern
(insbesondere die Totzone) nützlich
ist, ein gepulstes Sinussignal auf, das eine Folge von Stufen hat,
die in einer Vielzahl von Perioden angeordnet sind. Jede Periode
(z. B. vom Zeitpunkt T1 bis zum Zeitpunkt
T4) kann ein Paar von alternierenden Impulsen
aufweisen, insbesondere eine positive Stufe (z. B. zum Zeitpunkt1), eine Rückkehr zu Null (z. B. zum Zeitpunkt
T2), eine negative Stufe gleicher Größe (z. B.
zum Zeitpunkt T3) und eine weitere Rückkehr zu
Null. Bevorzugt steigt die Größe der Impulse
während
aufeinanderfolgender Perioden an.
-
Zur
Messung der Totzone unter Verwendung des Sinussignalimpulses von 1 liefert
der Signalerzeuger 26 zuerst eine oder mehrere Perioden der
alternierenden Impulse, bis eine Bewegung beispielsweise des Ventilelements
von dem Positionssensor 19 während sowohl der positiven
als auch der negativen Impulse einer bestimmten Periode erfaßt wird.
Die absolute Differenz zwischen den Amplituden der Periode (gewöhnlich als
Prozent des Meßbereichs
ausgedrückt),
während
der eine Bewegung des Ventilelements als Reaktion auf sowohl die
positiven als auch die negativen Impulse erstmals auftritt, ist
ein Maß für die Totzone.
Tatsächlich überschätzt natürlich diese
Messung die Totzone. Die Progression von niedrigen Impulsamplituden
(z. B. a1) zu höheren Impulsamplituden (z.
B. a4) ergibt untere und obere Grenzen für die Totzone.
Eine andere Routine zur Bestimmung der Totzone kann die Bewegung
nutzen, die in einer Vielzahl von konsekutiven Perioden erfaßt wird.
Wenn beispielsweise eine Bewegung zuerst in einer ersten Richtung
(z. B. aufgrund des negativen Impulses) von einer Periode erfaßt wird
und zuerst in einer zweiten Richtung infolge des positiven Impulses
einer späteren
Periode erfaßt
wird, kann die Differenz zwischen der negativen Impulsamplitude und
der positiven Impulsamplitude (der späteren Periode) als ein Maß für die Totzone
der Einrichtung genutzt werden.
-
Es
versteht sich, daß der
Sinussignalimpuls von 1 der Prozeßsteuereinrichtung 13 erlaubt, um
einen gegebenen Betriebspunkt in zwei Richtungen getestet zu werden.
Der Sinussignalimpuls kann auch als Initialisierungs- oder Vortest-Sequenz
genutzt werden, um sicherzustellen, daß die Prozeßsteuereinrichtung 13 an
einem Rand der Totzone ist. Die Impulsamplituden können linear
ansteigen (wie in 1 gezeigt ist), sie können nichtlinear
oder auf jede andere gewünschte
Weise ansteigen. Ferner sollte die Frequenz des Diagnosetestsignals
ausreichend niedrig bleiben, um sicherzustellen, daß das Ventil 18 (oder
sonstige bewegliche Element) zwischen jeder einzelnen der Stufen
einen stabilen Zustand erreicht hat. Die Frequenz des Diagnosetestsignals
ist gewöhnlich
abhängig
von der speziellen geprüften
Prozeßsteuereinrichtung 13,
kann aber im allgemeinen niedrig sein, beispielsweise 0,2 Hz bis
20 Hz.
-
Gemäß 3 weist
ein zweites Diagnosetestsignal, das für die Messung von Prozeßsteuereinrichtungsparametern
(insbesondere die Totzone) nützlich
ist, ein ansteigendes Stufensignal auf, das eine Initialisierungsphase,
eine Testphase und eine Post-Testphase hat. Zum Zeitpunkt T0 initiiert die Schaltersteuereinheit 25 den
Diagnosetest durch Umschalten des Schalters 14, und der
Signalerzeuger 26 beginnt die Initialisierungsphase. In
der Initialisierungsphase wird das Diagnosetestsignal erhöht (oder
verringert) in Schritten mit entweder linearer oder veränderlicher
Rate, bis eine Bewegung des Ventilelements oder einer anderen Prozeßvariablen erstmals
erfaßt
wird (z. B. bis zum Zeitpunkt T1). Die Bewegung
des Ventilelements (d. h. die Änderung der
Reaktionsanzeige) ist außerdem
als eine Amplitude relativ zu Null gezeigt, was eine Anfangsposition oder
einen Reaktionsanzeigewert darstellen kann. Das Diagnosetestsignal
wird dann konstantgehalten, während
das Ventilelement oder die Prozeßvariable einen neuen stabilen
Wert (z. B. die Position P) erreicht. Die Testphase beginnt zum
Zeitpunkt T2, und die Richtung des Diagnosetestsignals
wird umgekehrt. Das Testsignal wird dann entweder mit linearer oder
veränderlicher
Rate verringert (oder erhöht),
bis eine Bewegung des Ventilmechanismus oder der Prozeßvariablen
zu einem zweiten Zeitpunkt (z. B. zum Zeitpunkt T3)
erfaßt
wird. Nach dieser zweiten Bewegung kann die Totzone als die Absolutdifferenz in
der Testsignalamplitude zwischen den Zeitpunkten T2 und
T3 geschätzt
werden.
-
Nachdem
die Totzone geschätzt
worden ist, kann das Diagnosetestsignal in der Post-Testphase mit einer
beschleunigten Rate zu Null zurückkehren. Wie
in 3 nach dem Zeitpunkt T3 gezeigt
ist, entwickeln sich die Stufen mit einer Rate, die doppelt so hoch
wie diejenige während
der Testphase ist. Nachdem die Amplitude des Diagnosetestsignals
sich Null nähert,
kann der Signalerzeuger 26 das Diagnosetestsignal mit einer
normalen Rate auf Null zurückbringen,
falls die Doppelratenstufen über
Null hinausgehen könnten.
Zum Zeitpunkt T4 ist der Diagnosetest beendet,
und die Schaltersteuereinheit 25 kann den Schalter 14 betätigen, um
die Steuerung der Prozeßsteuereinrichtung 13 an
die Steuereinheit 11 zurückzugeben oder mit einer anderen
Testroutine fortzufahren.
-
Eine übermäßige Abweichung
von der Steuersignalamplitude (d. h. große Abweichungen von Null) kann
eine nachteilige Wirkung auf den Prozeß 20 haben. Es wird
daher bevorzugt, daß das
Diagnosetestsignal nur im erforderlichen Maß von Null abweicht. Dies wird
in der in 3 gezeigten Diagnosetestroutine
durch die Verwendung von sehr kleinen Stufen (z. B. mit einem Meßbereich
von nut 0,25%) innerhalb der gesamten Testroutine erreicht. Auf
diese Weise werden die Ränder
der Totzone erreicht und nur äußerst geringfügig überschritten,
so daß die Position
(oder der Wert) P nur sehr geringfügig von der Anfangsposition
(oder dem Anfangswert), der durch Null dargestellt ist, verschieden
ist.
-
Bei
derart kleinen Testsignalstufen ist die Empfindlichkeit beim Detektieren
der Ventilbewegung (oder einer Änderung
der Reaktionsanzeige) von höchster
Wichtigkeit. Daher werden einige Signale eventuell gegenüber anderen
als Reaktionsanzeige bevorzugt. Beispielsweise kann die Überwachung
der Bewegung des Ventilelements über
den Positionssensor 19 eine genauere Schätzung der Totzone
der Betätiger-/Ventileinheit 18 liefern
als die Schätzung,
die durch Überwachen
der Prozeßvariablen
erhalten wird. Die Überwachung
der Bewegung des Ventilelements kann auch bevorzugt werden, weil
die Bewegung erfaßt
werden kann, bevor sich die Prozeßvariable überhaupt verändert hat,
wodurch die Auswirkung der Diagnosetestroutine auf den Prozeß 20 minimiert
wird, wenn das Ventilelement rasch in seine Ausgangsposition zurückgebracht
werden kann.
-
Aus
der obigen Erörterung
sowie den 1 und 3 ist ersichtlich,
daß die
Diagnosetesteinheit 27 und speziell der Signalerzeuger 26 imstande
sind, eine Vielzahl von verschiedenen Diagnosetestsignalen zu liefern.
Ferner kann jede Diagnosetestroutine eines oder mehrere verschiedene
Diagnosetestsignale aufweisen, um eine Vielzahl von Schätzwerten von
einem oder mehreren Einrichtungsparametern zu bestimmen. Das Erhalten
einer Vielzahl von Schätzwerten
jedes Einrichtungsparameters wird bevorzugt, weil die Einrichtungsparameterschätzwerte in
Abhängigkeit
davon verschieden sein können,
ob die Prozeßsteuereinrichtung 13 sich
durch die Totzone der Prozeßsteuereinrichtung 13 bewegt.
Im Hinblick auf dieses Fehlerpotential oder zumindest diese Streuung
kann ein Diagnosetestsignal auch eine Initialisierungswellenform
aufweisen, die mit dem Bewegen der Prozeßsteuereinrichtung 13 zu
einem Rand der Totzone beginnt.
-
Wenn
die Totzone vorher geschätzt
worden ist, kann der Signalerzeuger 26 dann ein Diagnosetestsignal
liefern, das eine Stufe aufweist, die eine Amplitude gleich der
Totzone plus einem Wert hat, der beispielsweise einem Prozent des
Bereichs der Ventilelementbewegung entspricht. Diese Stufe kann positiv
oder negativ sein und kann überall
innerhalb der Totzone oder am Rand derselben beginnen. Auf diese
Weise sollte die Stufenreaktion immer ausreichend groß sein,
um die Totzone zu überschreiten. Der
Reaktionsakkumulator 28 und/oder die Analyseeinheit 29 kann
dann folgendes messen: (1) die Zeitdauer bis zur Erstbewegung des
Ventils 18, um die Totzeit zu bestimmen, (2) die Zeitdauer,
die das Ventil 18 benötigt,
um sich um einen vorbestimmten Prozentsatz (z. B. 63%) der vollständigen Änderung der
Ventilposition zu bewegen, um die Reaktionszeit zu bestimmen, (3)
das Ausmaß,
um welches das Ventil 18 über den gewünschten stabilen Wert hinaus schwingt,
bevor es schließlich
seinen eigentlichen stabilen Wert erreicht, und (4) die Verstärkung, falls vorhanden,
zwischen dem tatsächlichen
und dem gewünschten
stabilen Wert als Ergebnis einer Änderung in dem Diagnosetestsignal.
Beim Testen der Reaktionszeit der Prozeßsteuereinrichtung 13 kann
der vorbestimmte Prozentsatz beispielsweise von einem Bediener,
einem Designer einer Steuerschleife oder einer Komponente der Diagnosetesteinheit 27 angegeben
werden.
-
Es
ist ersichtlich, daß die
Diagnosetesteinheit 27 eine Uhr oder eine andere Zeitgebereinrichtung
aufweist, um die Totzeit oder die Reaktionszeit zu messen. Es ist
ferner zu beachten, daß zur
Messung der Totzeit und der Reaktionszeit (sowie für jede andere
Messung) die Diagnosetesteinheit 27 nur eine vorbestimmte
Zeitdauer (z. B. drei bis vier Sekunden) wartet, bevor der Diagnosetest
beendet und ein Fehlersignal erzeugt wird, um den Bediener oder Anwender über das
Display 38 (2) zu informieren, daß das Ventil 18 eventuell
gestört
ist. Die zeitliche Begrenzung ist außerdem nützlich zur Vermeidung einer
schädlichen
Beeinflussung des Prozesses 20 durch die Diagnosetestroutine.
Natürlich
ist die Zeitdauer, in der die Diagnosetesteinheit 27 an den
Eingang der Prozeß steuereinrichtung 13 angeschlossen
ist, in Abhängigkeit
von der Flüchtigkeit des
Steuersignals sowie von anderen Charakteristiken der Steuerschleife 10 veränderlich.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist eine Diagnosetestroutine vier Unterroutinen
auf, die implementiert werden, um vier Meßwerte von Totzeit, Reaktionszeit,
Verstärkung
und Überschwingen
zu bestimmen. Jede Unterroutine, die entweder unabhängig oder
in Verbindung mit den anderen Unterroutinen ablaufen kann, geht
davon aus, daß ein
Schätzwert
der Totzone bereits vorher von der Diagnosetesteinheit 27 erhalten
wurde und/oder in dieser gespeichert ist. Die vier Unterroutinen
werden hier als ein Auf-Auf-Test, ein Auf-Ab-Test, ein Ab-Ab-Test
und ein Ab-Auf-Test bezeichnet.
-
Unter
Bezugnahme auf 4A verwendet der Auf-Auf-Test
ein Diagnosetestsignal, das eine Initialisierungsphase, eine Testphase
und eine Post-Testphase aufweist und dazu dient, mehrere Einrichtungsparameter
zu bestimmen, wenn sich das Ventil sowohl an seinem oberen Totzonenrand
befindet als auch sich aufwärts
bewegt. Ebenso wie bei dem in 3 gezeigten
Totzonentest wird die Diagnosetestroutine zum Zeitpunkt T0 eingeleitet, und zu diesem Zeitpunkt tritt
das Diagnosetestsignal in die Initialisierungsphase ein. In der
Initialisierungsphase wird das Diagnosetestsignal in Stufen mit
linearer oder veränderlicher
Rate erhöht
(d. h. es ist ein ansteigendes Stufensignal), bis eine Bewegung
des Ventilelements (oder einer anderen Prozeßvariablen) erfaßt wird
(d. h. bis zum Zeitpunkt T1). An diesem Punkt
wird das Diagnosetestsignal konstantgehalten, während gleichzeitig die Ventilelementposition
(oder die Prozeßvariable)
einen neuen, stabilen Wert erreicht, wonach die Testphase beginnt.
Während
der Testphase (zum Zeitpunkt T2) wird der
Prozeßsteuereinrichtung 13 eine
einzige, positive Stufe zugeführt, die
eine Amplitude gleich der Totzone plus einem Wert hat, der beispielsweise
einem Prozent des Bereichs der Ventilelementbewegung entspricht.
Die Totzeit, Reaktionszeit, das Überschwingen
und die Verstärkung
können
dann von der Analyseeinheit 29 wie oben erläutert bestimmt
werden.
-
Nachdem
die Ventilelementposition (oder sonstige Prozeßvariable) einen neuen, stabilen
Zustand erreicht (d. h. zum Zeitpunkt T3),
tritt der Diagnosetest in die Post-Testphase ein, in der das Diagnosetestsignal
auf stufenförmige
Weise entweder mit normaler Rate oder einer beschleunigten Rate
auf Null zurückgebracht
werden kann.
-
Der
Auf-Ab-Test (4B ist ähnlich dem Auf-Auf-Test mit
dem Unterschied, daß das
Diagnosetestsignal eine einzige, negative Stufe gleicher Größe aufweist.
Der Auf-Ab-Test mißt
die Einrichtungsparameter für
eine Abwärtsbewegung
des Ventilelements durch die Totzone. Der Ab-Ab-Test (4C)
ist wiederum ähnlich
dem Auf-Ab-Test, jedoch mit einem rampenförmigen Stufensignal, das negative
Amplitudenstufen hat, die das Ventilelement zum unteren Totzonenrand
bewegen, bevor das einzelne negative Stufensignal angelegt wird.
Der Ab-Ab-Test mißt
die Einrichtungsparameter für
die Ventilelement-Abwärtsbewegung
von seinem unteren Totzonenrand. Schließlich nutzt der Ab-Auf-Test (4C)
ein Diagnosetestsignal, das ein Rampenstufensignal aufweist, das
negative Stufen und eine einzige positive Stufe hat, wie in Verbindung
mit dem Auf-Auf-Test
beschrieben wurde. Der Ab-Auf-Test mißt die Einrichtungsparameter
für eine
Ventilelement-Aufwärtsbewegung
durch die Totzone. Die Einrichtungsparameterschätzwerte, die von diesen vier Tests
erhalten werden, können
dann mit der Analyseeinheit 29 gemittelt oder anderweitig
verknüpft werden,
um einen statistischen Meßwert
der Totzeit, der Reaktionszeit, der Verstärkung und des Überschwingens
der Prozeßsteuereinrichtung 13 zu
bestimmen.
-
Die
obige Beschreibung sieht zwar die Berechnung von Totzone, Totzeit,
Reaktionszeit, Verstärkung
und Überschwingen
der Prozeßsteuereinrichtung 13 vor,
aber die Diagnosetestsignale und Reaktionsanzeigen können auch
dazu genutzt werden, andere Prozeßsteuereinrichtungsparameter
zu berechnen. Insbesondere können
alle gewünschten Prozeßsteuereinrichtungsparameter
erhalten werden, solange sie deterministisch unter Anwendung eines
gesteuerten Diagnosetestsignals und einer gemessenen Reaktionsanzeige
erhalten werden können.
-
Da
der Prozeß immer
noch online ist, kann das Diagnosetestsignal sowohl hinsichtlich
Zeit als auch Größe begrenzt
werden, um sicherzustellen, daß kein
nachteiliger Eingriff in den Prozeß 20 stattfindet.
Für den
Fall, daß die
Amplitude des Steuersignals sich kaum um mehr als zehn Prozent ändert, kann
das Ausmaß,
in dem die Amplitude des Diagnosetestsignals von der Steuersignalamplitude
abweicht (wenn das Steuersignal entfernt ist), recht klein sein,
etwa weniger als ungefähr
fünf Prozent
der Steuersignalamplitude. Glücklicherweise
ist es gewöhnlich
nicht erforderlich, daß die
Prozeßsteuereinrichtung 13 einen
vollen Hub oder eine volle Testhubfolge durchläuft, um die hier angegebenen
Einrichtungsparameter zu bestimmen. Tatsächlich können in den meisten Fällen die
Einrichtungsparameter auf der Basis von sehr kleinen Abweichungen
von der Steuersignalamplitude bestimmt werden, etwa weniger als
ungefähr
fünf Prozent
und bevorzugt weniger als ungefähr
ein Prozent. Außerdem
ist die für
den Diagnosetest erlaubte maximale Zeitdauer von der betroffenen
Prozeßsteuereinrichtung 13 und
dem betroffenen Prozeß 20 abhängig, ist
aber gewöhnlich kürzer als
ungefähr
fünf Sekunden.
-
Während der
Diagnosetestroutine kann die Diagnosetesteinheit 27 oder
eine Komponente oder Komponenten davon (etwa die Schaltersteuereinheit 25,
der Signalerzeuger 26 oder die Analyseeinheit 29)
fortfahren, das Steuersignal (oder eine andere Prozeßvariable
oder Reaktionsanzeige) zu überwachen,
um sicherzustellen, daß die
Diagnosetestroutine sich auf den Betrieb des Prozesses 20 nicht
nachteilig auswirkt. Beispielsweise kann die Diagnosetesteinheit 27 das
Ausmaß überwachen,
in dem die Amplitude des Diagnosetestsignals von der Amplitude des
Steuersignals (die sich während
des Diagnosetests ändern
kann) abweicht. Für
den Fall, daß die Abweichung
zwischen den beiden Amplituden einen vorbestimmten Wert überschreitet,
der von einem Anwender, einem Bediener oder der Diagnosetesteinheit 27 vorgegeben
sein kann, kann die Diagnosetesteinheit 27 die Diagnosetestroutine
unterbrechen oder beenden, indem sie die Schaltersteuereinheit 25 anweist,
den Schalter 14 umzulegen, um das Diagnosetestsignal durch
das Steuersignal zu ersetzen, und/oder den Signalerzeuger 26 anweist,
ein Diagnosetestsignal zu erzeugen, das eine Amplitude hat, die
zu dem momentanen Wert des Steuersignals zurückkehrt. Das Ausmaß, in dem
das Diagnosetestsignal von dem Steuersignal abweichen kann, ist
von den Eigenschaften des jeweiligen Prozesses 20 und der
Prozeßsteuereinrichtung 13 abhängig, in
der die Diagnosetesteinheit 27 verwendet wird.
-
Um
eine nachteilige Auswirkung des Betriebs des Prozesses 20 noch
weiter zu vermeiden, kann die Diagnosetestroutine gemäß der Erfindung in
Verbindung mit einer Testvorrichtung wirksam sein, die imstande
ist, auf passive Weise die Prozeßsteuereinrichtungsparameter
zu messen. Wenn der Prozeß 20 beispielsweise
eine relativ häufige
Modifikation des Steuersignals oder des Sollwerts notwendig macht,
können
Daten, die für
das Frequenzänderungssteuersignal
und die Reaktionsanzeigen darauf repräsentativ sind, der Analyseeinheit 29 zugeführt werden,
welche die Einrichtungsparameter berechnet. In diesem Fall muß die Analyseeinheit 29 ebenfalls
Hardware, Software und/oder Firmware aufweisen, um die Daten erstmals
zu analysieren und zu bestimmen, wann und ob die Daten genutzt werden können, um
die gewünschten
Einrichtungsparameter zu berechnen.
-
Wenn
sich dagegen der Sollwert nicht häufig ändert und damit eine passive
Vorgehensweise keine Daten ergibt, kann es erforderlich sein, die
Prozeßsteuereinrichtung 13 gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch zu testen, daß die
Steuereinheit 11 getrennt wird und ein Diagnosetestsignal
wie oben erläutert
angelegt wird.
-
Es
ist zu beachten, daß der
Schalter 14 an der Abstromseite des Strom-/Druckwandlers 16 vor einem
pneumatischen Positionierer (nicht gezeigt) oder alternativ an der
Aufstromseite als ein Bestandteil der Steuereinheit 11 angeordnet
sein kann. Im ersteren Fall ist das Diagnosetestsignal ein pneumatisches
Signal. Im letzteren Fall kann derselbe Signalerzeuger, der das
Diagnosetestsignal erzeugt, verwendet werden, um das Steuersignal
zu entwickeln. Es versteht sich daher, daß der Schalter 14 eine
Einrichtung aufweist, die nur das eine Signal gegen ein anderes
Signal austauscht, indem eine Ausgabesequenz geändert wird. Bei noch einer
anderen Ausführungsform
kann das Schaltsignal, das den Schalter 14 kippt, von einem
Anwender, einem Bediener oder einer anderen Steuerung (nicht gezeigt) erzeugt
werden, um die Einleitung oder Beendigung einer Diagnosetestroutine
manuell zu erzwingen.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf spezielle Beispiele
beschrieben, welche die Erfindung nur veranschaulichen und nicht einschränken sollen;
für den
Fachmann ist ersichtlich, daß Änderungen,
Hinzufügungen
oder Weglassungen an den angegebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen
werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Patentansprüchen abzuweichen.