用于消除混疊的改進方法和裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及用于消除混疊的改進方法和裝置。為了減少或消除過程控制網絡中的混疊，可以基于過程控制系統中的模塊執行率設定測量信號的濾波。基于所述模塊執行率確定所述模塊的奈奎斯特頻率，其中所述奈奎斯特頻率可以是所述執行率的兩倍。基于所述模塊執行率設定在模數轉換器之后的濾波。在所述模數轉換器中，可以基于所述模塊執行率設定在所述轉換器之后的數字濾波，并且可以通過濾波器衰減模擬信號的處于和高于針對該模塊執行率的奈奎斯特頻率的頻率分量。

【技術實現步驟摘要】
用于消除混疊的改進方法和裝置
本專利技術涉及一種用于消除混疊的改進方法和裝置。
技術介紹
過程工廠，例如在化學、石油或其它過程中使用的過程工廠一般包括一個或多個集中的或分散的過程控制器，其通過模擬、數字或組合的模擬/數字總線通信地耦合到至少一個主機或操作員工作站并通信地耦合到一個或多個過程控制設備和儀表設備，諸如現場設備。可為例如閥、閥定位器、開關、變送器和傳感器(例如，溫度、壓力和流速傳感器)的現場設備在過程內施行例如打開或關閉閥以及測量過程控制參數的功能。過程控制器通過通信總線接收表示由現場設備所做的過程測量或過程變量的信號或者與現場設備相關聯的過程測量或過程變量的信號和/或與現場設備有關的其他信息，使用該信息來實現控制例程，并隨后生成控制信號，通過總線中的一條或多條將該控制信號發送到現場設備以控制過程的操作。一般可使來自現場設備和控制器的信息可用于由操作員工作站執行的一個或多個應用，以使操作員能夠施行與過程有關的期望的功能，例如查看過程的當前狀態、更改過程的操作，等等。在過去，傳統的現場設備用于通過模擬總線或模擬線路向過程控制器發送或從過程控制器接收模擬的(例如4-20毫安)的信號。該4-20毫安的信號的限制在于，它們指示由設備進行的測量或指示由控制器生成的、控制設備的操作所需要的控制信號。然而，在過去幾十年中，執行一個或多個過程控制功能的智能現場設備已經在過程控制工業中變得普遍。除了執行過程中的主要功能，每個智能現場設備包括存儲器和微處理器，其具有存儲與設備相關的數據、以數字形式或數字和模擬組合的形式與控制器和/或其他設備通信、并且執行諸如自校準、識別、診斷等次要任務的能力。已經開發出很多標準、開放、數字或者數字和模擬的組合的通信協議，諸如FOUNDATIONTM現場總線、和CAN協議，以使得有不同的制造商生產的智能現場設備能夠在過程控制網絡中互聯，以彼此通信，并執行一個或多個過程控制功能。過程工廠中的不同的功能塊被配置為彼此(例如，通過總線)通信，以形成一個或多個過程控制回路，它們各自的操作遍布整個過程，并且因此是分散的。如上所述，為了保持整個過程的高效運行，并因此最小化工廠停工和利潤減少，與過程工廠相關聯的設備必須適當并可靠地運作。一般地，一個或多個有經驗的操作員主要負責保證過程工廠內的設備在高效的運行，并負責維修和更換故障設備。這樣的操作員可以使用工具和應用，諸如如上描述的提供關于過程內設備的信息的工具和應用。通常使用模數轉換器采樣來自現場設備的模擬信號并將其轉換成數字信號。在采樣中，在一些時間點上得到信號的快照，并在每個時間點測量信號。通信理論中已知，正確地處理信號需要最小采樣率。具體地，香農定理指出，為了能夠正確地表示信號，需要以信號中最高頻率分量的兩倍的頻率對信號進行采樣。如果以較低的頻率采樣信號，則由于高頻分量被不正確地解釋為低頻分量而導致信號失真。例如，在頻閃光下，轉動的輪子可能看上去是倒著轉的。在模擬輸入過程中，如香農定理預計的，如果采樣頻率不是包含在測量信號中的最高頻率分量的至少兩倍，則可能發生混疊。由混疊引起的失真可能由過程或包含在測量信號中的電氣噪聲導致。
技術實現思路
公開了一種用于消除信號中的混疊的方法和系統。通過以測量信號的最高頻率的兩倍的頻率采樣現場設備中的信號，并隨后以該頻率濾波數字值，以減小頻率分量，從而消除高于過程控制模塊奈奎斯特頻率的頻率，如果沒有消除混疊也能夠減小混疊。可以設定過程控制系統中的模塊執行率，并基于所述模塊執行率為所述模塊確定奈奎斯特頻率，其中所述奈奎斯特頻率是所述執行率的兩倍。可以基于模塊執行率設定必須應用于經采樣的測量的濾波。采樣測量信號的模數轉換器的采樣率必須是包含在測量信號中的最高頻率的至少兩倍。還公開了一種用于減少過程控制環境中的混疊的系統。過程控制系統中的過程控制模塊以確定的執行率運行，其中過程控制系統包括現場設備、模數轉換器和控制器。控制器基于模塊的執行率計算針對該過程控制模塊的奈奎斯特頻率。與至少一個現場設備通信的模數轉換器包括衰減高于模塊奈奎斯特頻率的信號的濾波器，作為從模擬形式到數字形式轉化的一部分。系統和方法的優點包括提供來自現場設備的更準確的讀數。因此，基于更準確的數據，過程工廠的更好的控制和性能是可能的。這些優點消除了對昂貴的工廠過程錯誤和相應的校正的需求。附圖說明圖1示出了使用了用于消除混疊的方法和裝置的過程工廠的示意框圖；圖2示出了來自現場設備的示例正弦信號圖；圖3A-3D示出了每秒對給定的正弦信號不同的采樣的結果，其中采樣率高于奈奎斯特頻率；圖4A示出了每秒對給定的正弦信號較慢的采樣的結果，其中采樣率低于奈奎斯特頻率；圖4B示出了由提供到控制回路的圖4A的信號重構信號得到的結果；圖5示出了欠采樣導致的重構信號；圖6A和6B示出了示例的模擬輸入卡及其濾波器；圖7示出了用于消除過程控制環境中的混疊的方法；并且圖8示出了用于減少過程控制環境中的混疊的系統。具體實施方式過程控制網絡現參考圖1，過程工廠10包括多個現場設備15-17和19-22，其通過一個或多個輸入/輸出設備26和28連接至過程控制器12。過程控制器12可以是分布式控制系統(DCS)類型控制器，諸如例如由Fisher-Rosemount系統公司銷售的DeltaVTM控制器，或任何其他類型的用于控制現場設備15-17和19-22的控制器，現場設備15-17和19-22與過程控制器12以任何傳統的或任何其他期望的方式相連接。如圖1所示，過程控制器12通過總線24與一個或多個操作員工作站13和14通信地耦合。總線24可以是有線的或無線的，例如基于以太網的總線，并可以使用任何期望的或適當的局域網(LAN)或廣域網(WAN)協議以提供通信。操作員工作站13和14可以基于個人電腦平臺或任何其他合適的處理平臺，并可以執行多種已知的過程控制、維護和其他功能。操作員工作站13和14可以位于工廠本地的或者是遠程的，并可以使用多種協議和多種通信設備與控制器通信。此外，過程工廠10可以包括數據歷史記錄器23，其通過總線24收集過程控制數據。數據歷史記錄器23是現有技術中公知的，因此在此不再詳細描述。如已知的，過程控制器12可以存儲并實現控制方案，以影響過程內的測量和設備的控制，從而由此根據一些整體控制方案來控制過程參數。過程控制器12可以向存儲在例如操作員工作站13和14中的一個或多個應用報告狀態信息，其關于過程的運行狀態和/或現場設備15-17和19-22的運行狀態。當然，這些應用可以通過分別與操作員工作站13和14相關聯的顯示設備30和31向過程工廠10內的操作員或維護人員顯示任何期望的信息。應當理解，圖1中示出的過程工廠10實質上僅僅是示例性的，也能夠使用其他類型或配置的過程工廠。現場設備15-17和19-22可以是任何類型的設備，諸如傳感器、閥門、變送器、定位器等，而I/O設備26和28可以是符合任何期望的通信或控制協議的任何類型的I/O設備。如圖1所示，過程控制器12通過模擬線路33-35與傳統的(即，非智能的)現場設備15-17通信地耦合。現場設備15-17可以是標準的4-20mA模擬現場設備，其通過模擬線路33-35與I/O設備26通信。模數轉換器40可以本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于減少過程控制系統中的混疊的方法，其中所述過程控制系統包括至少一個模擬設備和模數轉換器，所述方法包括：為所述過程控制系統中的模塊設定模塊執行率；基于所述模塊執行率為所述模塊確定奈奎斯特頻率；基于所述模塊執行率確定所述模數轉換器后的濾波；在所述模數轉換器后的濾波器中，基于所述模塊執行率設定所述模數轉換器中的數據采樣率；并且衰減測量信號的處于和高于所述模塊的所述奈奎斯特頻率的頻率分量。

【技術特征摘要】
2011.09.27 US 13/246,3051.一種用于減少過程控制系統中的混疊的方法，其中所述過程控制系統包括至少一個模擬設備和模數轉換器，所述方法包括：為所述過程控制系統中的模塊設定模塊執行率；基于所述模塊執行率為所述模塊確定奈奎斯特頻率；基于所述模塊執行率確定所述模數轉換器后的濾波；在所述模數轉換器后的濾波器中，基于所述模塊執行率設定所述模數轉換器中的數據采樣率；并且衰減測量信號的處于和高于所述模塊的所述奈奎斯特頻率的頻率分量。2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述奈奎斯特頻率是所述模塊執行率的兩倍。3.根據權利要求1所述的方法，其中，衰減模塊信號包括在所述模數轉換器后實現低通數字有限沖擊響應濾波器，以衰減測量信號中超出與所述模塊執行率相關聯的所述奈奎斯特頻率的頻率分量。4.根據權利要求1所述的方法,其中，在所述奈奎斯特頻率處的衰減為至少-12dB。5.根據權利要求1所述的方法,其中，在50Hz至60Hz處的衰減為至少-40dB。6.根據權利要求1所述的方法，其中所述模塊執行率是從多個預設的模塊執行率中選擇的。7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述奈奎斯特頻率是基于多個預設的模塊執行率而預先確定的。8.根據權利要求1所述的方法，其中，從所述過程控制系統設定所述模數轉換器后的所述濾波器。9.根據權利要求1所述的方法，其中，控制回路在過程響應時間內執行至少四次。10.根據權利要求9所述的方法，其中，自調節過程中的所述過程響應時間包括一階時間加上死區時間，并且其中，積分過程中的所述過程響應時間包括所述死區時間加上對過程輸入的變化的重要響應所需的時間。11.一種用于減少過程控制環境中的混疊的系統，包括：過程控制系統中的過程控制模塊，所述過程控制系統以確定的模塊執行率運行，其中，所述過程控制系統包括：提供模擬輸出的現場設備，與所述現場設備和控制器通信地耦合的輸入/輸出設備，其中，所述控制器基于所述執行率為所述過程控制模塊計算奈奎斯特頻率；與所述輸入/輸出設備通信地耦合的模數轉化器；以及與所述模數轉換器通信地耦合的濾波器，如果在由所述模數轉換器將模塊信號從模擬形式轉換為數字形式之后測量信號高于所述奈奎斯特...

【專利技術屬性】
技術研發人員：T·L·布萊文斯，M·J·尼克松，
申請(專利權)人：費希爾羅斯蒙特系統公司，
類型：發明
國別省市：