(57)【要約】【課題】プロセス制御システムにおけるワイアレス・非周期的制御通信の伝送・処理の提供。【解決手段】プロセッサと、これによる周期的な実行のため、プロセス制御信号を生成するプロセス変数に応答すべく構成された制御モジュールを有するコントローラが提供される。制御モジュールの周期的実行は、制御信号に対するプロセス応答の表現を生成すべく構成されたルーチンの履行を含み、ルーチンは制御モジュールの周期的な実行の複数回の繰り返し全体にわたり且つプロセス変数の更新が有効となるまで表現を維持すべく構成される。プロセス変数の更新は、プロセス信号のワイアレス伝送を介して有効とされ、または、コントローラはプロセス変数が予め設定されたしきい値より多く変更されたか否かに基づいてプロセス変数を示すプロセス信号を非周期的に伝送するためのフィールド装置を有するプロセス制御システム内に含む。【選択図】図４
2010015608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス変数を有するプロセスのためのプロセス制御システムであって、
プロセスのプロセス変数を示すプロセス信号を送信するためのフィールド装置と、
前記プロセス信号を介してプロセス変数の更新を受信し、且つ前記プロセスのための制御信号を生成すべくフィールド装置と通信するコントローラであり、プロセッサと、前記プロセッサによる周期的な実行のために適合された制御モジュールと、を有するコントローラと、
を具備し、
前記フィールド装置が、プロセス変数が、予め設定されたしきい値より多く変化したか否かに基づいて非周期的にプロセス信号をワイアレスで送信するプロセス制御システム。
【請求項２】
前記フィールド装置が、最後の送信からのリフレッシュ時間を超過した場合にプロセス信号を送信する請求項１に記載のプロセス制御システム。
【請求項３】
前記制御モジュールの周期的な実行が、前記制御信号に対するプロセス応答の表現を生成すべく構成されたルーチンを履行する請求項１に記載のプロセス制御システム。
【請求項４】
前記ルーチンが、前記制御モジュールの周期的な実行の繰り返し全体に渡り且つ前記フィールド装置がプロセス信号を送信するまでプロセス応答表現を維持すべくさらに構成されている請求項３に記載のプロセス制御システム。
【請求項５】
前記制御モジュールが、前記制御信号を決定するためのプロセス応答表現を利用する閉ループ制御スキームを有している請求項４に記載のプロセス制御システム。
【請求項６】
前記ルーチンが、制御信号の過去の値に基づいたプロセス応答表現を決定するためのポジティブフィードバックネットワークを有している請求項４に記載のプロセス制御システム。
【請求項７】
前記ルーチンが、プロセス応答表現を決定するためにフィルタアルゴリズムを履行する請求項４に記載のプロセス制御システム。
【請求項８】
前記ルーチンが、プロセス変数の非周期的更新に基づいた履行のためにさらに構成されている請求項４に記載のプロセス制御システム。
【請求項９】
前記プロセス応答表現が、プロセス変数応答表現を有し、且つ前記ルーチンが、一旦、プロセス変数の更新が有効となる場合に、プロセス変数応答表現を更新すべくさらに構成されている請求項４に記載のプロセス制御システム。
【請求項１０】
前記ルーチンが、プロセス変数の最後の更新、制御信号、およびプロセス変数の最後の更新からの経過時間に基づいて、プロセスの予測される応答を決定する請求項９に記載のプロセス制御システム。
【請求項１１】
プロセス変数を有するプロセスを制御するプロセス制御方法であって、
プロセス変数の更新を得るべくプロセス信号をワイアレスに受信するステップと、
プロセス信号に基づいてプロセスのための制御信号を生成すべくプロセス制御ルーチンを周期的に履行するステップと、
の各ステップを有し、
受信ステップが、プロセス制御ルーチンが、予め設定されたしきい値よりも多い量だけプロセス変数が変化することに起因しまたはプロセス変数の先行する更新からの経過時間に起因して受信されるプロセス変数の非周期的更新を利用すべく構成されるように、非周期的に生起する、プロセス制御方法。
【請求項１２】
前記履行ステップが、制御信号に対するプロセス応答の表現を生成すべく構成されたルーチンを実行するステップと、履行ステップの複数回繰り返しにわたり且つプロセス変数の更新が有効となるまでプロセス応答表現を維持するステップとの各ステップを有する請求項１１に記載のプロセス制御方法。
【請求項１３】
前記プロセス制御ルーチンが、制御信号を決定するためのプロセス応答表現を利用する閉ループ制御スキームを有する請求項１２に記載のプロセス制御方法。
【請求項１４】
前記プロセス応答表現が、プロセス変数応答表現を有し、且つ前記履行ステップが、一旦、プロセス変数の更新が有効となる場合に、プロセス変数応答表現を更新するステップをさらに有する請求項１３に記載のプロセス制御方法。
【請求項１５】
前記履行ステップが、プロセス変数の最後の更新、制御信号、およびプロセス変数の最後の更新からの経過時間に基づいて、プロセスの予測される応答を決定するステップをさらに有する請求項１４に記載のプロセス制御方法。
【請求項１６】
前記履行ステップが、最後の更新に対するプロセスの予測される応答および最後の更新からの経過時間に基づいて、更新されたリセット寄与を決定するステップをさらに有する請求項１５に記載のプロセス制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してプロセス制御システムに、より詳細には、プロセス制御システムにおけるワイアレスおよび／または非周期的制御通信の伝送および処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学関連、石油関連のまたは他のプロセスにおいて用いられるもの等のプロセス制御システムは、典型的には、相互に少なくとも１つのホストまたはオペレータワークステーションと１つ以上のフィールド装置に、アナログ、デジタル、またはアナログ／デジタル複合バスを介して通信可能に結合された１つ以上のプロセスコントローラを含んでいる。例えば、バルブ、バルブポジショナ、スイッチおよび（例えば、温度、圧力および流速センサ）送信機等であるフィールド装置は、バルブの開閉およびプロセスパラメータの計測等のプロセス内における機能を果たす。プロセスコントローラは、フィールド装置により作られるプロセス計測値を示す信号および／またはフィールド装置に関係する他の情報を受信し、且つプロセスの動作を制御すべくバスを通じてフィールド装置に送達される制御信号を生成すべく制御ルーチンを履行するために、この情報を使用する。フィールド装置およびコントローラからの情報は、典型的には、プロセスの現在最新の状態を検知すること、プロセスの動作を変更すること等のプロセスに関するいずれか所望の機能を果たすように、オペレータがオペレータワークステーションを通じて制御できるように、ワークステーションにより実行される１つ以上のアプリケーションが使用可能なものとされる。
【０００３】
テキサス州オースチン（Ａｕｓｔｉｎ，  Ｔｅｘａｓ）に本部が置かれたフィッシャーローズマウントシシステムズ・インク（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｉｎｃ．）より販売されているＤｅｌｔａＶ（登録商標）システム等の、いくつかのプロセス制御システムは、制御動作を行うべく、コントローラ内または異なるフィールド装置内に配置されるモジュールと称される機能ブロックまたは機能ブロックのグループを使用する。これらの場合において、コントローラまたは他の装置は、１つ以上の機能ブロックまたはモジュールを含み且つ実行することが可能であり、それらの各々は、同一の装置内かまたは異なる装置内かいずれかの他の機能ブロックからの入力を受信しおよび／またはそれらへの出力を供給し、そして、プロセスパラメータを計測しまたは検出すること、装置を制御すること、あるいは比例−微分−積分（ＰＩＤ）制御ルーチンの履行等の制御動作を行うこと等の、いくつかのプロセス動作を行う。プロセス制御システム内における異なる機能ブロックおよびモジュールは、概して、１つ以上のプロセス制御ループを形成するために相互に（例えば、バスを通じて）通信すべく構成されている。
【０００４】
プロセスコントローラは、典型的には、フロー制御ループ、温度制御ループ、圧力制御ループ等の、規定される多数の異なるループの各々についての、またはプロセス内に含まれる、異なるアルゴリズム、サブルーチンまたは制御ループ（それらは全ての制御ルーチンである）を実行すべくプログラムされている。一般的にいえば、そのような制御ループは各々、アナログ入力（ＡＩ）機能ブロック等の、１つ以上の入力ブロック、比例−積分−微分（ＰＩＤ）またはファジー論理制御等の、単一の出力制御ブロック、およびアナログ出力（ＡＯ）機能ブロック等の、出力ブロックを含んでいる。制御ルーチン、およびそのようなルーチンを履行する機能ブロックは、ＰＩＤ制御、ファジー論理制御、およびスミスプレディクタ（ｓｍｉｔｈ  ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ）またはモデル予測制御（ＭＰＣ）等のモデルベースの技術を含む、多数の制御技術に従って形成されている。
【０００５】
ルーチンの実行をサポートするために、典型的な産業用またはプロセスプラントは、１つ以上のプロセスコントローラおよび、それらもまた１つ以上のフィールド装置に接続さ
たプロセス入／出力サブシステムに通信可能に接続されている集中制御室を有している。伝統的には、アナログフィールド装置は、信号伝送と電力の供給の両方のために２線または４線電流ループによりコントローラに接続されている。制御室へ信号を送信するアナログフィールド装置（例えば、センサまたは送信機）は、電流が、検知されたプロセス変数に比例するように、電流ループを通り抜ける電流を変調する。他方では、制御室の制御のもとで作用するアナログフィールド装置は、ループを通る電流の大きさにより制御される。
【０００６】
より最近では、フィールド装置は、アナログ信号を送信するのに使用される電流ループ上にデジタルデータを重畳している。例えば、ハイウェイアドレス可能リモートトランスデューサ（ＨＡＲＴ）プロトコルは、アナログ信号を送り且つ受けるためにループ電流の大きさを使用するが、スマートフィールド器具との双方向フィールド通信を可能とするために電流ループ信号上にデジタルキャリア信号をも重畳している。一般にフィールドバスと称される他のプロトコルは、２つのサブプロトコルを規定しており、一方は、ネットワークに結合されたフィールド装置に電力供給すると同時に毎秒３１．２５キロビットまでの速度でのデータ転送をサポートし、他方はフィールド装置にいずれかの電力も供給することなく毎秒２．５メガビットまでの速度でのデータ転送をサポートする。これらのタイプの通信プロトコルによれば、典型的には事実上すべてがデジタルである、スマートフィールド装置は、より旧式の制御システムによりは提供されない多数の保守モードおよび拡張機能をサポートする。
【０００７】
増大された量のデータ転送により、プロセス制御システム設計の１つの特に重要な態様は、フィールド装置が、相互に、コントローラに、そしてプロセス制御システムまたはプロセスプラント内の他のシステムまたは装置に、通信可能に結合される態様を必然的に含んでいる。概して、フィールド装置がプロセス制御システム内で機能することを可能にする種々の通信チャンネル、通信リンクおよび通信路は、一般に、入力／出力（Ｉ／Ｏ）通信ネットワークと集合的に称される。
【０００８】
通信ネットワークトポロジーおよびＩ／Ｏ通信ネットワークを履行するのに使用される物理的な接続または通路は、特に、ネットワークが有害な環境要因または苛酷な条件にさらされているときに、フィールド装置通信のエラー強さすなわち健全性に対する実質的な有害な影響を有し得る。これらの要因および条件は、１つ以上のフィールド装置、コントローラ等の間での通信の健全性を阻害し得る。制御ルーチンが、典型的には、ルーチンの繰り返しの各々においてプロセス変数の周期的な更新を必要とするから、コントローラとフィールド装置との間の通信は、いずれかのそのような妨害に対しても特に敏感である。欠陥が生じた通信は、それゆえ、プロセス制御システム効率および／または有益性を低下させ、設備に対する過度の摩損または損傷、ならびに有害な故障の発生の可能性を増大させる結果となる。
【０００９】
エラーに強い通信を確実なものとするために、プロセス制御システムに使用されるＩ／Ｏ通信ネットワークは、従来から結線で接続されている。しかしながら、残念なことに、結線接続ネットワークは、複雑さ、試行錯誤および制約を多分にもたらしている。例えば、結線接続ネットワークの品質は時間により劣化し得る。そのうえ、結線接続Ｉ／Ｏ通信ネットワークは、典型的には、特にＩ／Ｏ通信ネットワークが大規模な産業用プラントまたは広範な領域にわたって分布されている設備、例えば数エーカーの土地を必要とする石油精製工場または化学プラントと関連している場合には、設置するのに費用がかかる。必要な長い配線距離は、典型的には、相当な量の労力、材料および費用を必要とし、そして配線インピーダンスおよび電磁的干渉から生起する信号劣化を招く場合がある。これらのそして他の理由により、結線接続Ｉ／Ｏ通信ネットワークは、一般に再形成、変更または更新するのが困難である。
【００１０】
結線接続Ｉ／Ｏネットワークに関連する困難性のいくらかを多少なりとも解決するためにワイアレスＩ／Ｏ通信ネットワークを使用することが提案されている。例えば、引用によりその全開示がここに組み込まれた、「分散制御システムにおけるフィールド装置への冗長なワイアレスアクセスを提供するための装置（Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ａｃｃｅｓｓ  ｔｏ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ｉｎ  ａ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）」と題された特許文献１（米国特許出願公開第２００３／００４３０５２号）は、結線接続通信の使用を増強しまたは補足すべくコントローラとフィールド装置との間にワイアレス通信を利用するシステムを開示している。
【００１１】
しかしながら、一般的には、制御に関連する伝送においてワイアレス通信に依存することは、数ある中でも信頼性に関する問題点に起因して制限されている。上述のように、近代のプロセス制御は、最適な制御レベルを達成するためにコントローラとフィールド装置との間の信頼できるデータ通信に依存している。そのうえ、典型的なコントローラは、プロセスにおける望ましくない偏差を速やかに補正すべく速い速度で制御アルゴリズムを実行する。残念なことに、環境要因または他の条件が、制御アルゴリズムのそのような実行をサポートするために必要な高速の通信を妨害また阻止しうる間欠的な干渉をもたらす場合がある。
【００１２】
電力消費は、プロセス制御におけるワイアレス通信のための他の厄介な要因である。Ｉ／Ｏネットワークから切り離されると、フィールド装置は、それら自体の電力源を設ける必要がある場合がある。そのために、フィールド装置は、バッテリ給電されても、ソーラ電力を引き出しても、または振動、熱、圧力等の周囲のエネルギを取り込んでもよい。これらの装置のために、データ伝送に消費されるエネルギが全エネルギ消費の大半の部分を占める場合がある。実際、より多くの電力が、計測されたプロセス変数を検知または検出するために実行されるステップのように、フィールド装置により行われる他の重要な動作の間よりもワイアレス接続を確立し且つ維持するための動作の間に消費される場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／００４３０５２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、プロセス制御システムにおけるワイアレスおよび／または非周期的制御通信の伝送および処理を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の１つの態様によれば、コントローラは、プロセス信号が、プロセスのプロセス変数を示すプロセスに有用である。コントローラは、プロセッサと該プロセッサによる周期的な実行のために適合させ且つプロセスのための制御信号を生成するためにプロセス変数に応答すべく構成された制御モジュールとを含んでいる。制御モジュールの周期的な実行の繰り返しは、制御信号に対するプロセス応答の表現を生成すべく構成されたルーチンの履行を必要とし且つ含んでいる。該ルーチンは、制御モジュールの周期的な実行の複数回の繰り返しにわたり且つプロセス変数の更新が有効となるまで、表現を維持すべくさらに構成されている。
【００１６】
いくつかの場合において、プロセス変数の更新は、プロセス信号のワイアレス伝送を介して有効とされる。
【００１７】
制御モジュールは、制御信号を決定するためのプロセス応答表現を利用する閉ループ制御スキームを含んでいてもよい。代替的にまたは付加的に、ルーチンは、制御信号の過去の値に基づいたプロセス応答表現を決定するためのポジティブフィードバックネットワークを含んでいる。代替的にまたは付加的に、ルーチンは、プロセス応答表現を決定するためにフィルタアルゴリズムを履行する。
【００１８】
いくつかの場合において、ルーチンは、プロセス変数の非周期的更新に基づいた履行のためにさらに構成されている。代替的にまたは付加的に、プロセス応答表現は、プロセス変数応答表現を含んでいてもよく、且つルーチンは、一旦、プロセス変数の更新が有効となる場合に、プロセス変数応答表現を更新すべくさらに構成されていてもよい。ルーチンは、そのとき、プロセス変数の最後の更新、制御信号、およびプロセス変数の最後の更新からの経過時間、に基づいて、プロセスの予測される応答を決定してもよい。ルーチンは、また、最後の更新に対するプロセスの予測される応答および最後の更新からの経過時間、に基づいて、更新されたリセット寄与を決定してもよい。予測されるプロセス応答は、プロセスまたは計測遅延を含むモデルを含んでいてもよい。
【００１９】
本発明の他の１つの態様によれば、プロセス制御システムは、プロセスのプロセス変数を示すプロセス信号を送信するためのフィールド装置と、プロセス信号を介してプロセス変数の更新を受信し且つプロセスのための制御信号を生成すべくフィールド装置と通信するコントローラとを含んでいる。コントローラは、プロセッサと、該プロセッサによる周期的な実行のために適合させた制御モジュールと、を有している。フィールド装置は、プロセス変数が、予め設定されたしきい値より多く変化したか否かに基づいて非周期的にプロセス信号をワイアレスで送信する。
【００２０】
いくつかの実施の形態において、フィールド装置は、もし最後の送信からリフレッシュ時間が超えられた場合、プロセス信号を送信する。
【００２１】
制御モジュールの周期的な実行を介して履行されたルーチンにより生成される場合があり、ルーチンは、制御モジュールの周期的な実行の繰り返しにわたり且つフィールド装置がプロセス信号を送信するまでプロセス応答表現を維持すべくさらに構成されていてもよい。制御モジュールは、制御信号を決定するためのプロセス応答表現を利用する閉ループ制御スキームを含んでいてもよい。代替的にまたは付加的に、ルーチンは、制御信号の過去の値に基づいたプロセス応答表現を決定するためのポジティブフィードバックネットワークを含んでいてもよい。代替的にまたは付加的に、ルーチンは、プロセス応答表現を決定するためにフィルタアルゴリズムを履行してもよい。代替的にまたは付加的に、ルーチンは、プロセス変数の非周期的更新に基づいた履行のためにさらに構成されていてもよい。プロセス応答表現は、プロセス変数応答表現を含んでいてもよく、そしてそこでは、一旦、プロセス変数の更新が有効となる場合に、ルーチンが、プロセス変数応答表現を更新すべくさらに構成されている。ルーチンは、そのとき、プロセス変数の最後の更新、制御信号、およびプロセス変数の最後の更新からの経過時間、に基づいて、プロセスの予測される応答を決定してもよい。
【００２２】
本発明のさらに他の１つの態様によれば、プロセスを制御する方法は、プロセス変数に基づいてプロセスのための制御信号を生成すべくプロセス制御ルーチンを履行することと、プロセス変数の更新が有効であるか否かを検出することとを含んでいる。プロセス制御ルーチンの履行は、制御信号に対するプロセス応答の表現を生成することと、プロセス変数の更新が検出されるまで履行ステップの複数回の繰り返しにわたってプロセス応答表現を維持することとを含みまたは必要としている。
【００２３】
いくつかの場合において、方法は、プロセス変数の更新を示すプロセス信号のワイアレス送信を受信することをさらに含みまたは必要としている。
【００２４】
プロセス制御ルーチンの履行は、制御信号を決定するためのプロセス応答表現を利用する閉ループ制御スキームを実行することをさらに含みまたは必要としている。
【００２５】
いくつかの場合において、プロセス応答表現は、プロセス変数応答表現を含んでおり、それにより、プロセス制御ルーチンの履行は、一旦、プロセス変数の更新が有効となる場合に、プロセス変数応答表現を更新することをさらに含みまたは必要としている。制御ルーチン履行は、そのとき、プロセス変数の最後の更新、制御信号、およびプロセス変数の最後の更新からの経過時間、に基づいて、プロセスの予測される応答を決定することを含みまたは必要としていてもよい。制御ルーチン履行は、最後の更新に対するプロセスの予測される応答および最後の更新からの経過時間、に基づいて、更新されたリセット寄与を決定することをさらに含みまたは必要としていてもよい。
【００２６】
本発明の他の１つの態様によれば、方法は、プロセス変数を有するプロセスを制御するために有用である。方法は、プロセス変数の更新を得るべくプロセス信号をワイアレスに受信することと、プロセス信号に基づいてプロセスのための制御信号を生成すべくプロセス制御ルーチンを周期的に履行することとを含みまたは必要としている。受信ステップは、プロセス制御ルーチンが、予め設定されたしきい値よりも多い量だけプロセス変数が変化することに起因しまたはプロセス変数の先行する更新からの経過時間に起因して受信されるプロセス変数の非周期的更新を利用すべく構成されるように、非周期的に生起する。
【００２７】
いくつかの場合において、履行ステップは、制御信号に対するプロセス応答の表現を生成すべく構成されたルーチンを実行することと、履行ステップの複数回繰り返しにわたり且つプロセス変数の更新が有効となるまでプロセス応答表現を維持することとを含みまたは必要としている。プロセス制御ルーチンは、制御信号を決定するためのプロセス応答表現を利用する閉ループ制御スキームを含んでいてもよい。プロセス応答表現は、プロセス変数応答表現を含んでいてもよく、それにより履行ステップは、一旦、プロセス変数の更新が有効となる場合に、プロセス変数応答表現を更新するステップをさらに含みまたは必要としている。履行ステップは、プロセス変数の最後の更新、制御信号、およびプロセス変数の最後の更新からの経過時間、に基づいて、プロセスの予測される応答を決定することをさらに含みまたは必要としている。履行ステップは、最後の更新に対するプロセスの予測される応答および最後の更新からの経過時間、に基づいて、更新されたリセット寄与を決定することをさらにまた含みまたは必要としている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の１つの態様に従ってコントローラと多数のフィールド装置との間の結線接続を介して伝送される非周期的または低い頻度での制御通信を利用して１つ以上の制御ルーチンを履行すべく形成されたコントローラを有するプロセス制御システムの概略図である。
【図２】プロセス入力に対するプロセス応答をプロット描画することと計測値の伝送および制御実行の繰り返しの例示的な事例を介して図１のコントローラによる制御ルーチンの履行の図解的表現である。
【図３】本発明の１つの態様に従ってコントローラと多数のフィールド装置との間のワイアレス接続を介して伝送される非周期的または低い頻度での制御通信を利用して１つ以上の制御ルーチンを履行すべく形成されたコントローラを有するプロセス制御システムの概略図である。
【図４】コントローラが、制御実行率よりもより低い頻度でのワイアレスの、非周期的または他のプロセス計測の伝送にもかかわらず、プロセスを制御すべくプロセス入力信号を生成する１つの実施の形態に従った図１または図３コントローラの概略図である。
【図５】プロセスおよび／または計測遅延を有するプロセスを制御すべく構成された代替的な実施の形態に従ったコントローラの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明のより完全な理解のために、以下では図面を参照して詳細な説明を行う。ここで、類似の参照数字が図面における類似の要素を識別することに留意されたい。
【００３０】
本発明のシステムおよび方法は、種々の形態での実施が可能であり、開示は説明的であることが意図されており、且つここに説明され且つ図解された特定の実施の形態に本発明を限定することを意図しているものではないという理解と共に、図面中に、本発明の特定の実施の形態が図解されている（そして以下において説明するであろう）。
【００３１】
ここに開示されるのは、コントローラと、送信機および他の計装等の、フィールド装置との間のプロセス制御データの転送をサポートすべく通信および制御技術を履行するプロセス制御システムおよび方法である。本発明の他の態様において、本発明の技術は、１つ以上のプロセス制御ルーチンの履行におけるコントローラにより使用されるべきフィールド装置により集められるプロセス計測および他の情報を有効とする。
【００３２】
過去には、そのような計測は、更新されたデータが、プロセス制御ルーチンの周期的な実行の繰り返しの各々において有効であることを確実にすべく、規則正しく定期的、または周期的なベースで、取得され且つコントローラに伝送されていた。それと対照的に、本発明の技術は、そのようなデータの伝送が、非周期的におよび／または制御実行周期よりも長い間隔で行われることを可能とする。結果として、本発明の技術は、低い頻度でまたは非定期的に提供されるプロセス制御計測によく適合させ得る。非定期的または低い頻度の伝送は、多くの理由から有利であり、そしてプロセス制御システムまたはその環境における極めて多くの要因、条件または態様から結果として生じる場合がある。
【００３３】
いくつかの実施の形態に従って、本発明の技術は、例外毎の報告ベースで作られるプロセス制御データ伝送を含む、ワイアレス通信等の、通信スキームと共に利用される。ワイアレス通信状況におけるプロセス制御データの例外報告は、多くの利点をもたらし得る。例えば、送信機または他のフィールド装置によりフィールド内で電力が消費される割合は低下し、それによりバッテリ電力または他の有限の電力供給源を節約し得る。
【００３４】
しかしながら、従来の技術とは異なり、本発明の技術は、周期的なベースで実行されるプロセス制御ルーチンにおいて利用されるデータの伝送をサポートする。そして、従来の技術での警告が、イベントトリガベースで提供されるデータを利用するプロセス制御ルーチンの実行を妨げるという事実にもかかわらず、本発明の技術の実施が、性能における有害な損失を伴わずプロセス制御ルーチンの周期的な実行を適応させる。
【００３５】
ワイアレス通信スキームに十分適合しており、そして、関連してここに適時説明されているが、本発明の技術の実施は、いずれかの特別な通信スキーム、コンテクスト、またはプロトコル、あるいはいずれかのプロセス制御ネットワーク、アーキテクチャ、コントローラまたはシステム、にも限定されるものではない。その代わり、本発明の技術は、そこでは、制御ルーチン実行周期よりも小さな頻度で、且ついずれかの所望の理由においても、プロセス制御データが伝送される、いかに多数のコンテクストの場合でも、適用され得る。したがって、次の説明は、本発明の技術の実施は、以下に説明されている低電力ワイアレス通信コンテクストに限定されるものではないという理解と共に述べられている。
【００３６】
図１を参照すると、プロセス制御システム１０は、データヒストリアン１２に、そして１つ以上の、各々ディスプレイ画面１４を有する、（いずれかのタイプのパーソナルコンピュータ、ワークステーション、等であってもよい）ホストワークステーションすなわちコンピュータ１３に接続されたプロセスコントローラ１１を含んでいる。コントローラ１１は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）カード２６および２８を介してフィールド装置１５〜２２にも接続されている。データヒストリアン１２は、任意の所望のタイプのメモリおよびデータを格納するための任意の所望のまたは既知のソフトウェア、ハードウェアあるいはファームウェアを有するいずれかの所望のタイプのデータ収集ユニットであってもよい。データヒストリアン１２は、図１に図解されているように、ワークステーション１３から分離されていても、またはワークステーション１３の１つの一部をなしていてもよい。例として、Ｆｉｓｈｅｒ−Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｉｎｃ．より販売されているＤｅｌｔａＶコントローラであってもよい、コントローラ１１は、例えば、イーサネット（登録商標）接続または任意の他の所望の通信ネットワークを介してホストコンピュータ１３におよびデータヒストリアン１２に通信可能に接続されている。コントローラ１１は、また、ここにさらに説明するように、結線接続かまたはワイアレスかの通信スキームのいずれかを用いてフィールド装置１５〜２２にも通信可能に接続されている。いずれのケースにおいても、いずれかの所望のハードウェア、ソフトウェアおよびファームウェアが、例えば、（結線接続の場合）標準４−２０ｍＡ装置および／またはＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスプロトコル、ＨＡＲＴプロトコル等の任意のスマート通信プロトコルと関連する場合がある、スキームを履行するために、利用されてもよい。図１に示される例示的な実施の形態において、しかしながら、コントローラ１１とフィールド装置１５〜２２との間の通信は、結線接続を含んでいる。
【００３７】
より一般的に、フィールド装置１５〜２２は、センサ、バルブ、送信機、ポジショナ等のいずれかのタイプの装置であってもよく、同時にＩ／Ｏカード２６および２８は、任意の所望の通信またはコントローラプロトコルに適合するいずれかのタイプのＩ／Ｏ装置であってもよい。図１に図解される実施の形態において、フィールド装置１５〜１８は、アナログラインを通じてＩ／Ｏカード２６に通信する標準４−２０ｍＡ装置であり、同時にフィールド装置１９〜２２は、フィールドバスプロトコル通信を用いてデジタルバスを通じてＩ／Ｏカード２８に通信する、フィールドバスフィールド装置等の、スマート装置である。もちろん、フィールド装置１５〜２２は、将来において開発されるいずれかの標準またはプロトコルをも含む、任意の他の所望の標準またはプロトコルに適合させてもよい。
【００３８】
コントローラ１１は、メモリ２４に格納された１つ以上の制御ルーチンあるいはそれについての任意のモジュール、ブロック、またはサブルーチンを履行または監督するプロセッサ２３を含んでいる。メモリ２４に格納されたプロセス制御ルーチンは、そこに格納された制御ループを含みまたはそれと関連していてもよい。一般的にいえば、コントローラ１１は、いずれかの所望の態様においてもプロセスを制御すべく装置１５〜２２、ホストコンピュータ１３およびデータヒストリアン１２と通信する。ここに説明されているいずれかの制御ルーチンまたはモジュールも、所望の場合には、異なるコントローラまたは他の装置により履行されまたは実行されるそれらの役割を持っていてもよい。同様に、プロセス制御システム１０内で履行されるべくここに説明された制御ルーチンまたはモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア等を含むいずれかの形態をとってもよい。この本発明の目的のために、制御モジュールは、任意のコンピュータ読み取り可能な媒体上に格納された、例えばルーチン、ブロックまたはそれらの任意のエレメントを含むプロセス制御システムの任意の部品または部分であってもよい。サブルーチン、（コードの行等の）サブルーチンの部分等の、制御プロシージャのモジュールまたは任意の部分である場合がある、制御ルーチンは、オブジェクト指向プログラミングを用い、ラダーロジック、シーケンシャルファンクションチャート、ファンクションブロックダイアグラムを用い、あるいは任意の他のソフトウェアプログラミング言語または設計パラダイムを用いるような、任意の所望のソフトウェアフォーマットにおいて履行されてもよい。同様に、制御ルーチンは、例えば１つ以上のＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、アプリケーション特定集積回路（ＡＳＩＣ）、または任意の他のハードウェアまたはファームウェアエレメント、にハードコードされていてもよい。またさらに、制御ルーチンは、グラフィカル設計ツールまたは任意の他のタイプのソフトウェア／ハードウェア／ファームウェアプログラミングまたは設計ツールを含む、任意の設計ツールを用いて設計されてもよい。それゆえ、コントローラ１１は、任意の所望の態様での制御ストラテジまたは制御ルーチンを履行すべく形成されていてもよい。
【００３９】
いくつかの実施の形態において、コントローラ１１は、一般に機能ブロックと称されるものを用いて、制御ストラテジまたはスキームを履行し、そこでは、各機能ブロックは、プロセス制御システム１０内のプロセス制御ループを履行すべく（リンクと呼ばれる通信を介して）他の機能ブロックと共に動作する全体の制御ルーチンのオブジェクトまたは他の部分（例えばサブルーチン）である。機能ブロックは、典型的には、送信機、センサまたは他のプロセスパラメータ計測装置に関連するような、入力機能、ＰＩＤ、ファジー論理等の制御を行う制御ルーチンに関連するような、制御機能、または、プロセス制御システム１０内の任意の物理的機能を行うために、バルブ等の、任意の装置の動作を制御する出力機能のうちの１つを果たす。もちろん、ハイブリッドおよび他のタイプの機能ブロックも存在し、ここに利用されてもよい。機能ブロックは、コントローラ１１に格納され且つそれにより実行されてもよく、それは典型的には、機能ブロックが、標準４−２０ｍＡ装置およびＨＡＲＴ装置等のあるタイプのスマートフィールド装置のために、またはそれと関連して使用される場合のこととなる。代替的にまたは付加的に、機能ブロックは、フィールド装置それら自体に格納され且つそれらにより履行されてもよく、それは、フィールドバス装置を伴う場合であってもよい。制御システム１０の説明は、機能ブロック制御ストラテジを用いてここに提供されているが、本発明の技術およびシステムは、また、ラダーロジック、シーケンシャルファンクションチャート等の、他の手法を用いて、あるいは、任意の他の所望のプログラミング言語またはパラダイムを用いて、履行されまたは設計されてもよい。
【００４０】
図１の分解されたブロック３０により図解されているように、コントローラ１１は、ルーチン３２および３４として示された多数の単一ループ制御ルーチンを含んでいてもよく、そして、所望の場合は、制御ループ３６として図解されているように、１つ以上の改良された制御ループを履行してもよい。そのようなループは各々、典型的には、制御モジュールと称されている。単一ループ制御ルーチン３２および３４は、それぞれ、適宜、アナログ入力（ＡＩ）およびアナログ出力（ＡＯ）機能ブロックに接続された、単一入力／単一出力ファジー論理制御ブロックおよび単一入力／単一出力ＰＩＤ制御ブロックを用いる単一ループ制御として図解されており、それはバルブ等のプロセス制御装置に、温度および圧力送信機等の計測装置に、あるいはプロセス制御システム１０内における任意の他の装置に関連していてもよい。改良された制御ループ３６は、１つ以上のＡＩ機能ブロックに通信可能に接続された入力および１つ以上のＡＯ機能ブロックに通信可能に接続された出力を有する改良された制御ブロック３８を含むものとして図解されているが、改良された制御ブロック３８の入力および出力は、他のタイプの入力を受けるべくそして他のタイプの制御出力を行うべく任意の他の所望の機能ブロックまたは制御エレメントに接続されていてもよい。改良された制御ブロック３８は、いずれかのタイプの複数回の入力、複数回の出力制御スキームを履行してもよく、そしてモデル予測制御（ＭＰＣ）ブロック、ニューラルネットワークモデル化または制御ブロック、多変量ファジー論理制御ブロック、リアルタイムオプティマイザブロック等を構成しまたは含んでいてもよい。改良された制御ブロック３８を含む、図１に図解された機能ブロックは、コントローラ１１により実行されてもよく、あるいは、代わりとして、ワークステーション１３の１つまたはフィールド装置１９〜２２の１つ等の、いずれかの他の処理装置内に配置され且つそれにより実行されてもよいことが理解されるであろう。
【００４１】
図２を参照すると、制御ループ３２、３４および３６の各々の履行は、概して、制御ルーチンの複数回の繰り返し４０を介して周期的な実行のために適合されている。従来のケースでは、各繰り返し４０は、例えば、送信機または他のフィールド装置により提供される更新されたプロセス計測４２によりサポートされる。計測値の制御への同期を制限しないようにするため、多くの過去のコントローラ（または制御ループ）は、２〜１０倍量の計測をオーバサンプリングすべく設計されている。そのような助長されたオーバサンプリングは、プロセス計測が、制御スキームにおいて現在使用するためのものであることを保証する。また、制御変量を最小化するために、フィードバック制御仕様の既存の設計は、プロセス応答時間よりも４〜１０倍高速で実行されなければならず、それは図２に、プロセス時定数＋プロセス入力におけるステップ変化４４の後のプロセス遅延として描出されている。より一般的には、プロセス応答は、プロセス出力における変化または時間についての変量４６により示される。したがって、これらの既存の設計の要求を満足するため、計測値は、図２に図解されるように、しばしば、プロセスが応答するよりも非常に高速でサンプリングされる。
【００４２】
一般的にいえば、本発明の技術は、そのような高い速度で計測値を送信するという試みを指向したものである。例えば、上述のように、計測に関連する検知機能性は、センサまたは送信機のための電力供給の多くを消費することはないが、ワイアレス通信リンクを介した計測値の伝送は、長時間にわたって、膨大な電力を消耗する場合がある。たとえ、基礎フィールドバス制御スキームにおけるように、計測と制御実行が同期されていてさえも、プロセス応答よりも４〜１０倍速いスケジュール制御への既存のアプローチは、依然としてデータ送信の間過大な電力消費を結果として生ずる場合がある。したがって、送信機の電力消費を低減するために、本発明の技術は、概してどの程度の頻度で計測値が通信されるかについて最小限にサポートする。
【００４３】
そのために、そして本発明の１つの態様に従って、本発明の技術は、概してプロセス制御システム１０、そして、ある一定の条件が満足されたときに非周期的なベースで新規な計測値を送信すべく、コントローラ１１ならびに送信およびそれの他のフィールド装置を形成している。１つの実施の形態において、新規な計測値は、予め設定されたしきい値（例えば、有意となるように決定された量）より多い量のプロセス変数が変化したか否かに基づいて送信される。より詳細には、もし、新規な計測値と最後に通信された計測値との間の差異が、特定された分解能よりも大きい場合は、計測が更新されるようにトリガが生成され得る。
【００４４】
他の場合において、上述のケースにおけるように、差異が特定の分解能を超えるときに、それに加えて最後の通信からの時間が予め設定されたリフレッシュ時間を超えるときに、新規な計測値が送信される。言い換えれば、プロセス変数（例えば、制御実行繰り返し４８と５０の間のプロセス応答）における変化か、またはデフォルト時間（例えば、繰り返し５２と５４の間に経過した時間）の経過かのいずれかが、結果的に計測値の伝送を生じさせる。多かれ少なかれ頻繁な更新は、（例えば、プロセス時定数により、示されるように）プロセスがゆっくり動くかまたは応答が高速か否かに応じて適切である限りは、計測値伝送のための、リフレッシュ、またはデフォルトの時間は制御ループの間に変動してもよい。いくつかの場合において、時定数に基づく制御ループの調整の間に決定がなされ、その後に所望により調整される場合がある。いずれかの場合において、デフォルトまたはリフレッシュ時間は、計測更新を行わない時間が経過した後に、統合全性チェックまたは制御停止装置として作用する。そのようなチェックは、例えば、目標に対するプロセス変数の最終駆動を容易にするのに有用である場合がある。
【００４５】
それに対して、計測値を取得することについて応答可能な送信機、センサまたは他のフィールド装置は、現行のプロセス応答時間の４〜１０倍等での、いずれかの所望の速度で計測値を、なお周期的にサンプリングしてもよい。本発明の技術は、次に、サンプリングされた値がコントローラ１１へ送信されるか否かを決定する。
【００４６】
図３は、本発明の技術が、コントローラ１１および、より一般的に、図１のプロセス制御システム１０の動作をサポートすべく、プロセス制御データのワイアレス通信の間における電力消費を低減するために適用される例示的な場合を描いている。しかし、図１および図３に示される結線接続は、本発明の技術の適用を利用、またそこから利益を得てもよいことに留意すべきである。例えば、１つ以上の結線接続装置が、また、限定された電力供給に依存していてもよく、またそうでない場合は、低減されたデータ伝送から利益を得てもよい。１つの例示的な場合において、システム１０は、制御実行速度よりも遅い速度で計測データを提供すべく設計されたサンプルアナライザまたは他のサンプリングシステムを含んでいてもよい。
【００４７】
図解における便宜のために、フィールド装置１５〜２２が、Ｉ／Ｏ装置２６および２８を介してコントローラ１１に結線接続された状態で、多数のワイアレスフィールド装置がプロセス制御システム１０に付加されていることにもさらに留意すべきである。代替的な実施の形態において、１つ以上のフィールド装置１５〜２２は、また、あるいは本発明の技術にしたがってワイアレスに選択的にコントローラ１１と通信してもよい。
【００４８】
図３に示される例示的なケースでは、しかしながら、本発明の技術は、概して、送信機６０〜６４により計測されまたは検知されたデータのワイアレス伝送を含んでいる。ワイアレス通信は、現在既知のまたは後に開発されるハードウェア、ソフトウェアまたはそれらの組合せを含むいずれかの所望の設備を用いて確立され得る。この実施の形態の例示的な設備は、送信機６０に結合され且つそれに専用のアンテナ６５と、送信機６１〜６４のための通信を集合的に取り扱うためのアンテナ６７を有するワイアレスルータまたは他のモジュール６６とにより象徴されている。いくつかの場合において、送信機６０〜６４は、プロセスセンサと制御室との間の単独のリンクを構成し、それ自体が、製品品質および流れに欠陥を生じさせないようにすべく制御ネットワークに対して正確な信号を送ることが確実なものとなり、これにより、しばしばプロセス変数送信機（ＰＶＴ）と称される、送信機６０〜６４は、プロセス制御システム１０における重要な役割を果たし得る。
【００４９】
ワイアレス通信リンクの受信端において、コントローラ１１は、それぞれのアンテナ７２および７４を備える１つ以上のＩ／Ｏ装置６８および７０を有していてもよい。より一般的には、本発明の技術の実施は、送信機またはワイアレス設備のいずれかの構成にも限定されるものではない。
【００５０】
送信機６０〜６４または他のフィールド装置の各々は、１つ以上の制御ループまたはルーチンで使用するためにコントローラ１１に対してそれぞれのプロセス変数（例えば、流れ、圧力、温度またはレベル）を示すプロセス信号を送る。一般的には、コントローラ１１は、ワイアレス通信および、特に、プロセス信号の、受信、をサポートすべく指向された多数のエレメントを含んでいてもよい。エレメントは、例えば、メモリ２４に格納されるソフトウェアルーチンあるいはコントローラ１１における他のいずれかの箇所に存在するハードウェアまたはファームウェアを、含みまたは構成してもよい。いずれかの場合において、ワイアレス通信が受信される態様（例えば、復調、デコード等）は、いずれか所望の形態をとってもよく、そして一般的には、ここに述べたもとなるであろう。１つの例において、コントローラ１１は、到来信号を処理するために通信スタック８０と、そして到来信号が計測更新を提供したときを検出すべくモジュールまたはルーチン８２を含んでいてもよい。検出ルーチン８２は、次に、通信スタック８０を介して提供されるデータが新規な計測値または計測更新を含んでいることをあらわすべくフラグまたは他の信号を生成してもよい。新規なデータおよび更新フラグは、次に、図１に概略的に示されたルーチンに関連して上述したように履行されるべく１つ以上の制御モジュール８４に提供されてもよく、そして、以下においてさらに詳細に述べられる。
【００５１】
いくつかの場合において、通信スタック８０および更新検出モジュール８２は、１つ以上のＩ／Ｏ装置２６、２８、６８および７０（図１および図３）により履行される。さらに、更新検出モジュール８２がその決定をなす態様は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組合せを含んでいてもよく、そしてプロセス変数の値を比較するための任意の適切なルーチンを含んでいてもよい。
【００５２】
ワイアレス（または他の）送信機について上述の通信技術は、概して、非周期的な、不規則なまたそうでない場合はより頻度の低いデータ伝送を結果として生じる。しかしながら、コントローラ１１へのフィールドからの計測値の通信は、伝統的に、制御ルーチンの周期的な実行を順次サポートすべく、周期的な態様で報告すべく構成されている。換言すれば、制御ルーチンは概して計測値の周期的な更新のために、そしてそれを前提に設計されている。
【００５３】
非周期的な計測値の更新に適応させるために、本発明の他の態様は、概して、制御ルーチンを変更しまたは再構築すべく指向されている。この態様において、プロセス制御システム１０は、制御実行周期よりも、一層低い頻度で生起する非周期的または他の更新を前提としている。そして、結果として、本発明の技術は、プロセス制御ルーチンの周期的な実行にもかかわらず、プロセス変数計測についての除外報告の形態をサポートしている。
【００５４】
実際に、（例えば、ｚ変換、差分方程式を用いる）制御設計における基礎をなす仮定および、比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御等の、制御ルーチンのデジタル履行は、アルゴリズムが周期的なベースで実行されることである。もし、計測が更新されなければ、そのときは、積分（またはリセット）部分等のステップあるいはルーチンの寄与が適切でない場合がある。例えば、もし、制御アルゴリズムが、期限を失効した計測値を用いて実行すべく、継続される場合、出力はリセット調整および最後の計測値と設定値との間の誤差に基づいて動くべく継続するであろう。他方で、もし、制御ルーチンが新規な計測が通信されたときにのみ実行される場合は、設定値に対する制御応答が変化し且つ計測された障害に対するフィードフォワード作用が遅延され得る。制御ルーチンは、最後の繰り返しからの経過時間に基づく計算をも含んでいてもよい。しかし、非周期的なおよび／またはより低い頻度の計測の伝送により、制御実行周期（すなわち、最後の繰り返しからの時間）に基づくリセット寄与の計算は、結果としてプロセスの変動を増大させる。
【００５５】
前述の挑戦を考慮して、そして計測値が周期的なベースで更新されないときに正確且つ応答性のよい制御を提供するために、ここに開示されているのは、概してプロセス変数の更新が有効か否かに基づいてプロセス制御ルーチンを変更する制御技術である。いくつかの場合において、制御ルーチンは、最後の計測更新から予測されるプロセス応答に基づいて本発明の技術に従って再構築されてもよい。
【００５６】
本発明の技術の１つの態様に従って形成された制御スキームの例示的な実施の形態は、図４に示されており、そこでは、プロセスが、一般的に且つ概略的に１００にて示されている。例示的な制御スキームは、図３に関連しても示され且つ述べられている通信スタック８０、更新検出モジュール８２および制御モジュール８４の機能性を提供すべく形成されているコントローラ１１のコンポーネント（または、所望により、コンポーネントのセット）１０２に対応していてもよい。一般的にいえば、コントローラ１１は、例えば、ワークステーション１３（図１）の１つから、またはプロセス制御システム１０内のまたはそれと通信する任意の他の発生源から、１つ以上のプロセス入力または他の制御信号を発生すべく設定値を受信してプロセス１００を制御し、１０４にて概略的に示されている計測されたまたは計測されていない障害を受ける場合がある。上述のように、プロセス入力信号（群）は、プロセスの動作における応答をもたらすべくバルブまたは他の任意のフィールド装置に関連するアクチュエータを制御してもよい。プロセス入力信号における変化に応答するプロセスは、送信機、センサまたは他のフィールド装置１０６により計測あるいは検知され、それは、例えば、図３に示される送信機６０〜６４のいずれか１つに対応してもよい。結果として、送信機１０６とコントローラ１１との間の通信リンク（鎖線を介して描かれている）は、ワイアレス接続を含んでいてもよい。代替的に、または付加的に、通信は、所望により、結線接続を含んでいてもよく、それは、例えば、間欠的に有効または動作状態となることで、本発明の技術から利益を得る場合がある。
【００５７】
この例示的なケースでは、コントローラ１１が、ＰＩ制御ルーチン等の、単一の閉ループ制御ルーチンを履行する。したがって、制御ループは、設定値をプロセス変数データと比較するための合計点１０８、比例ゲインエレメント１１０、例えば、比例および積分寄与を組合せるための他の合計点１１２、および高−低リミッタ１１４を含む、いくつかの標準ＰＩプロトコルスキームエレメントを含んでいる。制御スキームの標準エレメントに加えて、本発明の制御技術のこの実施の形態は、制御信号に対する予測されるプロセス応答を示唆すべく修正されたフィルタ１１６を用いている。この例示的なケースにおいて、予測されるプロセス応答は、最初に見積もられ、その後ＰＩ制御スキームの積分寄与を決定するポジティブフィードバックループに含められる修正されたフィルタにより実現される。より一般的に、制御履行に利用される予測されるプロセス応答は、プロセスの任意のモデルによりもたらされ、そしてポジティブフィードバックループ、フィルタまたは積分またはリセット寄与における組み込みに限定されることはない。例えば、予測されるプロセス応答を与えるモデルを利用する制御は、制御ルーチンがＰＩＤ制御スキームを履行するように微分寄与を組み込んでいてもよい。
【００５８】
修正されたフィルタ１１６は、多くの方法における伝統的なリセットまたは積分寄与とは相違している。背景として、伝統的なＰＩコントローラは、リセット寄与を決定するためにポジティブフィードバックネットワークを用いて履行される場合がある。数学的には、伝統的な履行のための伝達関数が拘束を受けていない制御、すなわち無制限出力、についての標準公式と等価であることが示され得る。
Ｏ（ｓ）／Ｅ（ｓ）  ＝  ＫP｛１＋（１／ｓＴReset）｝
ここで、ＫP＝比例ゲイン
ＴReset＝リセット、秒である。
ポジティブフィードバックネットワークの１つの利点は、コントローラ出力が、すなわち、リミッタ１１４により、高くまたは低く制限されているとき、リセット寄与は、ワインディングアップ（ｗｉｎｄｉｎｇ  ｕｐ）が自動的に防止されることである。
【００５９】
本発明の１つの態様によれば、本発明のシステムおよび方法により履行される制御技術は、プロセス変数の非周期的な計測更新を用いることを含んでいる。リセット寄与のポジティブフィードバックネットワーク（または他のフィルタまたはルーチン）は、そのような更新に適応させるべく修正される。特に、フィルタ１１６（または他のルーチン）は、最後に計算されたフィルタ出力が新規な計測値が通信される（例えば、受信される）まで維持される。新規な計測値が受信されたとき、フィルタ１１６は、最後のコントローラ出力（すなわち、制御信号）および新規な計測値が通信されてからの経過時間に基づいて、新規なフィルタ出力を計算する。この制御技術の例示的なケースは、以下に述べられる。
ＦN＝ＦN-1＋（ＯN-1−ＦN-1）＊｛１−ｅ（−ΔＴ／ＴReset）｝
ここで、ＦN＝新規のフィルタ出力
ＦN-1＝最後のフィルタ出力の実行
＝最後の新規計測後のフィルタ出力
ＯN-1＝最後の制御出力の実行
ΔＴ＝新規の値が通信されてからの経過時間
このようにして、制御ルーチンは、新規な計測に基づいて制御入力を計算するとき、最後の計測値伝送に対する予測されるプロセス応答を算入する。そして、結果として、送信機は、上述の技術等の、制御実行の繰り返し毎に更新が提供されない任意の通信技術が履行される場合がある。ワイアレス伝送を含むそれらの通信技術のために、このことは、ワイアレス送信機および他の装置が、プロセス制御のためのデータ伝送の結果として消費電力量を最小限に抑えることが可能になる。
【００６０】
上述のような閉ループ制御ルーチンのリセット寄与は、プロセスが定常状態の動作を示す場合のように、多くの方法におけるプロセス応答の正確な表現を提供し得ることに留意すべきである。デッドタイム（待ち時間）支配プロセス等の、他のプロセスは、以下に論じられるように、予測されるプロセス応答をモデル化するルーチンにおける付加的なコンポーネントの組み込みを含んでいてもよい。しかしながら、一次モデルにより十分に表現されているプロセスに関して、プロセス時定数は、ＰＩ（またはＰＩＤ）コントローラについてのリセット時間を決定するために使用されてもよい。より詳細には、もし、プロセス時定数に等しくリセット時間を設定する場合、リセット寄与は、その時間全体にわたってルーチンが予測されるプロセス応答を反映するように、概して比例寄与をキャンセルする。このアプローチは、図４の例示的な実施の形態に反映されており、そこでは、プロセス時定数と同じ時定数を有するフィルタを持つポジティブフィードバックネットワークによりリセット寄与が有効となる。他のモデルが利用される間、ポジティブフィードバックネットワーク、フィルタ、またはモデルが、既知のまたは見積もられたプロセス時定数を有するプロセスの予測される応答を決定するための便利な機構を提供する。
【００６１】
例として、ワイアレス通信のための規則が守られたとき、本発明の技術を含む試験の期間での多くの通信が、９６％を超える量だけ低減される。制御性能における非周期的な計測更新の影響も、また、上述の修正されたＰＩアルゴリズムの使用を通して最小化される。特に、制御性能における差異は、以下において、周期的計測更新と非周期的更新との積分絶対誤差（ＩＡＥ）の比較における表１に示されている。
【００６２】
【表１】
2010015608.tif 000003
【００６３】
ＰＩＤ制御を必要とするプロセスのために、ＰＩＤ出力への速度寄与は、また、新規な計測値が受信されたときにのみ再計算され且つ更新される場合がある。それらの場合において、導関数計算は、最後の新規な計測からの経過時間を同様に使用してもよい。
【００６４】
図４に示されるように、通信スタック８０および、いくつかの実施の形態における、更新検出モジュール８２（図３）は、修正されたフィルタ１１６のための新規値フラグを生成すべく送信機１０６からの到来データを処理する。新規値フラグは、新規なフィルタ出力が計算されるべきときを決定すべく修正されたフィルタ１１６に供給される。
【００６５】
図５を参照すると、本発明の制御技術に従って形成された代替的なコントローラ１２０は、図４に示されるコントローラ１１に対して多くの点で類似している。結果として、両方のコントローラに共通なエレメントは、類似の参照数字にて識別される。コントローラ１２０は、しかしながら、計測値送信の間の予測されるプロセス応答を決定するルーチン内に付加的なエレメントを組み込んでいる。この場合において、プロセスは、相当量のデッドタイムを有しているものとして特徴付けられそして、結果として、ユニットまたはブロック１２２は、デッドタイム補償のためのモデル内に含められる。デッドタイムユニット１２２の組み込みは、概して、プロセス応答のより正確な表現に到達するのを助ける。より詳細には、デッドタイムユニット１２２は、いずれかの所望の様式においても履行されてよく、そしてスミスプレディクタまたは他の既知の制御ルーチンと共通の方法を含みまたは利用してもよい。
【００６６】
上述の実施の形態により示されているように、制御信号に対する予測プロセス応答を決定するために応答可能なフィードバック、フィルタまたは他のルーチンは、プロセス制御ルーチンの残部からいずれかのオフセットまたは他のエラーをも除去するのを助けるいずれかのタイプのモデル、ネットワークまたは他の構成のプロセス制御エレメントを含んでいてもよい。このようにして、本発明の技術は、種々の異なるプロセスについて十分適合し、そして一次動作を示すものに限定されることはない。それと全く反対に、本発明の技術は、異なるモデル、フィルタまたはブロックが、予測されるプロセス応答を決定するのに含まれる状況に適用可能であり、そして、プロセスモデルが、高度に正確な状況における使用に限定される必要はない。
【００６７】
上述のように、本発明の技術は、プロセス変数をオーバサンプリングするための必要性を回避するプロセス制御形態をサポートし、それにより、ワイアレス通信および計測値が定期的にまたは制御実行周期と同じくらいの頻度で有効でない場合がある他の送信機シナリオの使用を容易にする。手短に言えば、本発明の技術は、プロセス制御ルーチン実行のための計測データを定期的に送信しなければならないことを回避する。送信機（または他のフィールド装置）の設計における本発明の変化および制御修正の結果として、計測値は、概して最後の通信された値からの有意な変化またはリフレッシュ時間の後、にのみ通信すべく送信される。その結果として、送信機通信の頻度およびデータ送信のために使用される電力の量の両方が、有意に低下する。
【００６８】
本発明の方法、システムおよび技術の実施は、いずれの１つの特別なワイアレスアーキテクチャまたは通信プロトコルに限定されることはない。適切な例示的アーキテクチャおよび通信サポートスキームは、「プロセス制御システムのためのワイアレスアーキテクチャとサポート（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｕｐｐｏｒｔ
ｆｏｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」と題されて、２００５年６月１７日に出願された米国特許出願第１１／１５６，２１５号に説明されており、その全開示は引用によりここに組み込まれている。実際、制御ルーチンに対する本発明の修正は、制御ルーチンが周期的様式で履行されるいずれかの状況についてもよく適合させるが、制御繰り返し毎のプロセス変数計測の更新はない。他の例示的状況は、例えば、アナライザにより、または実験サンプルを介してサンプル値が不規則にまたはよりまれに供給される。
【００６９】
本発明の技術の実施は、単一入力、単一出力のＰＩまたはＰＩＤ制御ルーチンを使用することに限定されるものではないが、むしろ多数の異なる複数回入力および／または複数回出力制御スキームおよび縦続接続された制御スキームに適用される場合がある。より一般的には、本発明の技術は、モデル予測制御（ＭＰＣ）のように、１つ以上のプロセス変数、１つ以上のプロセス入力または他の制御信号を含むいずれかの閉ループモデルベースの制御ルーチンにも適用されてよい。
【００７０】
「フィールド装置」なる用語は、ここでは、多数の装置または装置の組合せ（すなわち、送信機／アクチュエータのハイブリッド等の多種多様な機能を提供する装置）、加えて、制御システムにおける機能を果たすいずれかの他の装置をも含む、広い意味に用いられている。いずれにせよ、フィールド装置は、例えば入力装置（例えば、温度、圧力、流速、等のプロセス制御パラメータを示す状態、計測値または他の信号を提供するセンサおよび器具等の装置）、ならびにコントローラおよび／または他のフィールド装置から受信されるコマンドに応答して作用する制御演算子またはアクチュエータを含んでいてもよい。
【００７１】
履行されるとき、ここに説明されたソフトウェアのいずれかが、磁気ディスク、レーザディスク、他の記憶媒体上、コンピュータまたはプロセッサ等のＲＡＭまたはＲＯＭ内等のいずれかのコンピュータ読み取り可能なメモリに格納されていてもよい。同様に、このソフトウェアは、例えばコンピュータ読み取り可能なディスクまたは他の運搬可能なコンピュータ記憶機構または電話線、インターネット、ワールドワイドウェブ、いずれかの他のローカルエリアネットワークまたはワイドエリアネットワーク等、を含むいずれかの既知のまたは所望の配達方法を用いて、ユーザ、プロセスプラントまたはオペレータワークステーションに配達されてもよい（配達は、運搬可能な記憶媒体を介してそのようなソフトウェアを提供することと同様であるようにあるいは交換可能に考察され得る）。そのうえ、このソフトウェアは、変調または暗号化なしに直接的に提供されてもよく、あるいは、通信チャンネル上に送信される前に任意の適切な変調キャリア波および／または暗号化技術を用いて変調されおよび／または暗号化されてもよい。
【００７２】
本発明は、特定の例に関連して説明されてきたが、それは単に例示的なものであり、本発明を制限するものとはならないことが意図されており、本発明の実施の形態に対して、本発明の精神および視野から逸脱することなく、変化、付加または削除が、なされ得ることは、当業者において明白であろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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