(57)【要約】工業プロセスの状態は、実測プロセス変数の値に関係するプロセス変数情報に基づいて診断される。測定されたプロセス変数情報及び、実測プロセス変数が値を有する時間（期間）に関係する時間情報に基づいて、ヒストグラム情報が計算される。計算されたヒストグラム情報に基づいて、工業プロセスの状態が診断される。
2009537896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業プロセスの状態を診断する方法であって、
実測プロセス変数を取得することと、
前記実測プロセス変数の値に関係したプロセス変数情報を測定することと、
前記測定されたプロセス変数情報と、前記実測プロセス変数が前記値を有する時間の長さに関係する時間情報とに基づいてヒストグラム情報を計算することと、
前記計算されたヒストグラム情報に基づいて前記工業プロセスの状態を診断することと
を含む方法。
【請求項２】
前記ヒストグラム情報を計算することが、さらに、前記実測プロセス変数が前記値を有する時間の長さに関係する情報に基づいてされる前計算する請求項１の方法。
【請求項３】
前記工業プロセスの状態を診断することが、さらに、摩耗スケーリングファクタに基づいてなされる請求項１の方法。
【請求項４】
前記摩耗スケーリングファクタが前記プロセス変数値の関数である請求項１の方法。
【請求項５】
前記計算されたヒストグラム情報に基づいて警報を出す請求項１の方法。
【請求項６】
前記計算されたヒストグラム情報が離散領域を含む請求項１の方法。
【請求項７】
前記計算されたヒストグラム情報が連続的である請求項１の方法。
【請求項８】
前記実測プロセス変数が流速であり、前記診断状態が摩耗を示す請求項１の方法。
【請求項９】
前記計算されたヒストグラム情報の表示を含む請求項１の方法。
【請求項１０】
構成部品が交換されたときに、前記計算されたヒストグラム情報をリセットすることを含む請求項１の方法。
【請求項１１】
請求項１の方法を実行するように構成されたフィールド装置。
【請求項１２】
工業プロセス制御又はモニタリングシステム内で使用されるプロセス装置であって、
プロセス変数を取得するように構成されたプロセス変数入力と、
前記プロセス変数に基づいてヒストグラム情報を計算し、かつ、
前記計算されたヒストグラム情報に基づいて前記工業プロセスの状態を診断する
ように構成されたデジタル制御装置と
を含む装置。
【請求項１３】
さらに、前記ヒストグラム情報が、前記実測プロセス変数がある値を有する時間の長さに関係する情報に基づくものである請求項１２の装置。
【請求項１４】
さらに、前記工業プロセスの状態診断が摩耗スケーリングファクタに基づくものである請求項１２の装置。
【請求項１５】
前記摩耗スケーリングファクタが前記プロセス変数値の関数である請求項１２の装置。
【請求項１６】
前記デジタル制御装置が前記計算されたヒストグラム情報に基づいて警報を出す請求項１２の装置。
【請求項１７】
前記計算されたヒストグラム情報が離散領域を含む請求項１２の装置。
【請求項１８】
前記計算されたヒストグラム情報が連続的である請求項１２の装置。
【請求項１９】
前記実測プロセス変数が流速であり、前記診断状態が摩耗を示す請求項１２の装置。
【請求項２０】
前記計算されたヒストグラム情報を表示するための表示装置を含む請求項１２の装置。
【請求項２１】
構成部品が交換されたときに、前記計算されたヒストグラム情報がリセットされる請求項１２の装置。
【請求項２２】
前記実測プロセス変数が、圧力、温度、ｐＨ、密度、レベル、濁度及び構成部品の集中度からなるプロセス変数のグループから選択される請求項１２の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業プロセスで使用するためのプロセス制御及びモニタリングシステムの診断法に関するものである。より詳細には、本発明は、工業プロセスにおける構成部品の摩耗又は劣化を特定する診断法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プロセス制御装置は、プロセスを監視及び／又は制御するために工業プロセス制御システムにおいて使用されている。制御装置は、プロセスを制御するために使用されるフィールド装置であり、ポンプ、弁、アクチュエータ、ソレノイド、モータ、混合機、撹拌器、破砕機、粉砕機、圧延機、摩砕機、ボールミル、混練機、配合機、濾過器、遠心力集塵装置、遠心分離機、塔、乾燥機、コンベヤ、分離器、昇降機、巻上げ機、加熱器、冷却器及びその他を含む。プロセス変数伝送器は、温度、流量、圧力、濁度、ｐＨ及びその他などのプロセス変数を測定するために使用されるフィールド装置である。
【０００３】
工業プロセスの稼動中、工業プロセスにおいて、又は、工業プロセスを制御又は監視するために使用される様々な構成部品は、継続的な使用によって劣化する傾向がある。様々な診断技法が、最終的な故障の前に構成部品を確認して、プロセスの通常の稼動を妨害することなく構成部品を交換することができるようにするためにこれまで利用されている。
【０００４】
故障の前に構成部品を交換するために用られる１つの技法は、構成部品の通常の寿命を特定することである。そうすれば、構成部品は、予想寿命満了前に交換されることができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
工業プロセスの状態を診断する方法及び装置を提供し、工業プロセスの状態を診断する方法及び装置は、実測プロセス変数を取得することを含む。実測プロセス変数の値に関係したプロセス変数情報が測定される。測定されたプロセス変数情報及び実測プロセス変数がある値を有する時間の期間に関係する時間情報に基づいて、ヒストグラム情報が再計算される。再計算されたヒストグラム情報に基づいて、工業プロセスの状態が診断される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、構成部品の総寿命に基づいて工業プロセス構成部品の摩耗又は他の劣化を特定する診断法を提供する。より詳細には、構成部品の予想寿命は、構成部品が異なる作動条件に晒される時間の長さ（期間）に基づいて増減する。本発明では、晒しの時間の長さ（期間）が監視され、該晒しの時間は該晒しを量子化する変数とともに、構成部品の予想寿命の増減に関する要素として用いられる。１つの例においては、晒しの時間を重み付けするためにスケーリングファクタ（scaling factor：換算係数又は計数逓減率）を用いる。一般に、連続的な又は離散的なヒストグラムが作成され、ヒストグラム内では、実測プロセス変数の値は時間の長さと相関づけられる。プロセス変数がその値であるか、又は、ある値の範囲内にある特定の例として、プロセス流体がパイプ内をゆっくり移動する場合、配管の特定の部分は、遅い速度で摩耗する傾向があるが、摩耗速度は、プロセス流体の流量が増すにつれて増す傾向がある。さらに、より高いレベルの流量では、摩耗速度は、実際は、流動が層流（laminar）になるにつれて減少し始める傾向がある。したがって、低い流量又は高い流量での長期間の作動では、プロセス配管の寿命が短くなる可能性はなく、一方、中間の流量での長期間の使用では、寿命が大幅に短くなる可能性がある。
【０００７】
図１は、プロセス配管１４に連結したプロセス装置１２を含む、プロセス制御又はモニタリングシステム１０を示す簡略図である。プロセス装置１２は、プロセス変数伝送器、コントローラ又は独立型装置などの任意のタイプのプロセス装置とすることができる。装置１２は、二線式プロセス制御ループ１８でプロセス制御室１６などの遠隔場所と連結する。例えば、ループ１８は、ループ１８に接続した装置に電力を供給するために用いることもできる４〜２０ｍＡの電流ループから構成することができる。データは、任意の適切なプロトコル、例えば、４ｍＡから２０ｍＡの間で変化するアナログ電流レベル、デジタル情報が４〜２０ｍＡの電流で変調されるＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコル、ＦｉｅｌｄＢｕｓ又はＰｒｏｆｉｂｕｓ通信プロトコルなどに従ってループ１８で伝送することができ、又は無線通信により伝送することができる。
【０００８】
図２は、プロセス伝送器として例示するプロセス装置１２の簡略ブロック図である。装置１２は、工業プロセスのプロセス変数を測定するように構成されたプロセス変数センサ２０を含む。プロセス変数としては、例えば流量、圧力、温度、ｐＨなどがある。測定回路２２は、プロセス変数センサに接続され、かつ、感知プロセス変数に初期特徴づけを行うために使用することができる。測定回路は、例えば、増幅器、アナログ／デジタル変換器、濾過器などから構成することができる。感知プロセス変数は、その後、例えば、記憶装置２６内に格納された指示に従って動作するマイクロプロセッサ２４又は他のデジタル制御装置に供給される。記憶装置２６は、データ又は他の情報を格納するために使用することもできる。マイクロプロセッサ２４は、クロック２８により決定される速度で動作する。入出力回路３０は、マイクロプロセッサ２４をプロセス制御ループ１８に接続するために使用される。Ｉ／Ｏ３０は、ループ１８で情報を伝達するためにマイクロプロセッサにより使用されることができる。同様に、ある構成においては、Ｉ／Ｏ回路３０は、マイクロプロセッサ２４に情報又は命令を供給するために使用されることができる。ある構成においては、Ｉ／Ｏ回路３０は、プロセス装置１２の回路に電力を供給するために使用される出力としても用いられる。
【０００９】
図３は、プロセス変数と時間のグラフである。工業プロセス稼動中、感知プロセス変数は、プロセスの状態によって変化する。ある構成においては、感知プロセス変数は、たとえば、弁を調節したり、発熱体を制御されることにより制御されることができる。
【００１０】
図４は、時間（総期間）を感知プロセス変数に対してプロットする離散的なヒストグラムの例示的なグラフであり、感知プロセス変数は、６つの異なる範囲に分割されている。そのような構成においては、図４のグラフの各々の棒は、感知プロセス変数（図３を参照されたい）が特定の値の範囲に入る総時間に対応する。図４では、範囲は実質的に同じ幅であるとして示されているが、本発明は、そのような構成に限定されるものではない。さらに、このような範囲が必要ではない連続的又は実質的に連続的なヒストグラムを生成することができる。連続的なヒストグラムは、各範囲の幅がゼロであるヒストグラムである。
【００１１】
ヒストグラムを生成するために、図２に示すマイクロコントローラ２４は、感知プロセス変数を監視する。感知変数は種々の範囲のいずれかに入るが、マイクロプロセッサは、総使用時間を記録して（例えば、クロック２８を使用して）、特定の範囲の任意の値とこの値を合計する。
【００１２】
一般に、ヒストグラムとは、「大箱(bins)」又は「クラス」へのデータのグループ化を意味する。ヒストグラムは、またデータの度数分布とも呼ばれる。分布が連続的になるように度数分布が増大して極端な場合になった（「大箱」又は「クラス」の幅がゼロになった）場合には、このようなグラフは、「度数曲線」とも呼ばれる。
【００１３】
図４に例示する度数分布データは、図２に示すプロセス装置１２の記憶装置２６内に格納することができるか、又は、遠隔場所にて計算及び／又は格納することができる。例えば、ループ１８に接続された任意のプロセス装置１２は、度数分布データを計算及び／又は格納することができる。同様に、制御室１６は、データを計算又は格納する際に使用する被制御メモリ１９を含むことができる。
【００１４】
上述したように、工業プロセスの様々な構成部品は、プロセスの諸要素への晒しの長期化に基づいて摩耗(wear)する可能性がある。例えば、ある構成部品は、プロセス流体に晒されたとき腐食する可能性がある。プロセス配管、ライナ、カップリング、センサなどは、スラリ流体内に設置されたとき、流速に関係した摩耗の仕方をする。ある場合には、研磨材摩耗による腐食速度は、流体速度に従って指数関数的に増加する。他の場合には、腐食摩耗速度は、当初は、流速が増し、粒子分布が均質になるにつれて減少する。
【００１５】
本発明で、時間に対してプロセス変数を測定する予測診断法を提供する。例えば、構成部品の摩耗は、流速ヒストグラムに基づいて予測することができる。本発明の一態様においては、プロセス装置は、経時的に取得したヒストグラムデータを格納する。１つの構成においては、流体伝送器は、経時的に採取した流速のヒストグラムを格納する。ヒストグラムにより、流体が各々の流速クラスで費やした時間を示す情報が得られる。また、これにより、オペレータは、プロセスを最適化するために制御ループを調整することができる。これは、一部の約４〜２０ｍＡ制御ループなど、ホストコントローラとのデジタル通信がない制御法において特に有用になる。測定データをプロセス装置に格納して、装置内でヒストグラムを生成すると、精度を向上させると同時に、実施費用を減らすことができる。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではない。
【００１６】
本発明は、速さの範囲に適用されるスケーリングファクタの使用も含む。スケーリングファクタは、様々な範囲全体にわたって離散的とすることができるか、又は、連続関数とすることができる。スケーリングファクタは、特定のプロセス変数値について構成部品の摩耗速度を調整するために使用される。スケーリングファクタに各プロセス変数値での時間（継続時間）を掛け、その結果を用いて、総有効劣化時間を計算する。
【００１７】
図５は、連続的摩耗スケーリングファクタとプロセス変数値のグラフである。この特定の構成においては、摩耗スケーリングファクタは、プロセス変数が小さい値の間は相対的に高い値を有する。摩耗スケーリングファクタは、プロセス変数値が大きくなるにつれて減少して最低値になり、その後、再び増加する。同様に、図６は、大きな粒径によるスラリ適用に関しての、摩耗スケーリングファクタフィート／秒単位での流速のグラフである。摩耗は、流速が４フィート／秒まで上昇するにつれて増加し、その後、粒子分布が均質になるにつれて減少し始める。これは、構成部品摩耗速度は、４フィート／秒では８フィート／秒のときの２倍の速さであることを示している。換言すると、総有効摩耗時間は、流速が４フィート／秒であるときには、流速が８フィート／秒であるときの２倍の速さで増加する。例えば、特定の設備において流管ライナを４フィート／秒の流速にて６ヵ月後に交換する必要がある場合、その同じ流管ライナは、流速が８フィート／秒であれば１年間もつ。
【００１８】
図７は、図４に例示するプロセス変数値ヒストグラム、及び図６に例示する摩耗スケーリングファクタを用いた、有効摩耗とプロセス変数値のグラフである。図７の例においては、構成部品は、摩耗が１００パーセントに達する前に交換すべきである。総有効摩耗は、全範囲にわたる有効摩耗を合計することにより求められる。図７の例においては、総有効摩耗は、７５パーセントである。有効摩耗が所望の閾値レベルに達したとき、交換が必要であることを示す警報が出るように、トリガを設定することができる。これにより、最終的な故障の前に構成部品を交換することができる。例えば、構成部品は、不都合な時間に応急修理を行うためにプロセスをシャットダウンするのではなく、プロセス休止時間中に交換されことができる。
【００１９】
様々な構成部品の有効摩耗に基づいてトリガするように複数のトリガレベルを設定することができる。さらに、様々な構成部品は、異なる摩耗スケーリングファクタを有することができる。例えば、流管の有効摩耗速度は、ポンプ、フィルタ及び工業プロセス内の他の構成部品の有効摩耗速度と異なることができる。個々のトリガレベル、累積摩耗時間及び流動ヒストグラム情報は、図２に示す記憶装置２６などの不揮発性メモリに格納することが好ましい。このようにして、電源が失われた場合、有効摩耗情報を回復することができる。
【００２０】
図７の例においては、有効摩耗は、構成部品の総寿命の百分率として示されている。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではない。総有効摩耗は、参照用及びモニタリングの目的で表示することができ、該総有効摩耗により、オペレータは、寿命を予測して故障前に構成部品の交換を決めることができる。
【００２１】
１つの構成においては、本発明は、ＦｉｅｌｄＢｕｓプロトコルに従って機能ブロックとして実行することができる。機能ブロックは任意の装置又は測定変数にリンクすることができる。例えば、オペレータは、流体のｐＨ濃度に左右されるフィルタの保守計画の概要を有することができる。ｐＨプロセス変数伝送器からの出力は、機能ブロックへの入力として採取され、フィルタの有効摩耗時間を計算するために使用されることができる。摩耗トリガレベルに達したとき、警報が発せられる。フィールド装置で測定及び計算を行うことにより、ホストシステムは、さらなる計算の要求から解放される。ホストは、測定装置により生成される、単に有効摩耗閾値が超えたことを示す、一切の警報又は警告を監視しさえすればよい。
【００２２】
図８は、本発明による処理を示すフローチャート５０である。フローチャート５０は、開始ブロック５２にて開始し、ブロック５４にて経時的にプロセス変数データを収集する。ブロック５６にて、収集したプロセス変数情報と時間の関係に基づいて診断情報を供給する。制御は、その後、作動の継続に向けてブロック５４に戻る。
【００２３】
構成部品の有効摩耗を診断する際の使用に加えて、前記ヒストグラムによる判断を他の用途で用いることができる。例えば、磁気流量計は、スラリ流中などの雑音が多い状態で動作することが多い。これにより、結果的に、不安定な流れとなる可能性がある。一般的な従来技術による手法は、さらなるフィルタリングを適用して雑音を排除するというものである。しかしながら、これにより、システムの応答時間が短縮される。流動ヒストグラムを使用することにより、システムの変化を測定しかつ表示することができる。例えば、オペレータは、ヒストグラムをリセットして１秒の応答時間を有するフィルタでプロセスを実行することができる。同じ試験を２秒等のフィルタ値で再び行う。様々な試験からの結果を比較して、流動ヒストグラムデータの広がりに基づいて判断を行うことができる。ヒストグラムは、局部ディスプレイ上でリアルタイム流量データを監視して雑音を評価する場合により、又は、アナログループ上で電圧計からこのようなデータの読取りを行って雑音を評価する場合より、正確な雑音の表示を行う。さらに、これ以外の技法では、隠れているがプロセス制御ループの動作に影響を及ぼす可能性がある雑音が結果的に発生する場合があるので、さらなるフィルタリング又は平均化を必要とすることがある。流動ヒストグラムデータは、局部ディスプレイ上で表示することができ、その結果、デジタル通信が不要となる。
【００２４】
流動ヒストグラム情報を使用して、能動的に制御されない遠隔用途を監視することもできる。１つの例は、廃水管路である。オペレータは、周期的に遠隔場所に出向いて廃水管路内の流動を示すヒストグラムを調べることができる。オペレータは、その後、システム内の最大流量を判断して、システムが最大能力に近すぎるレベルにて動作しているかどうかを判断することができる。流動が遅すぎ、かつ、管路を洗浄して管路内での蓄積及び閉塞を防止するべきであるかどうかをオペレータに知らせることもできる。
【００２５】
別の例においては、ヒストグラム情報を用いて流動経路が使用中ではない頻度を判断することができる。この情報は、流量がゼロである時間÷総使用時間を判断することにより取得することができる。
【００２６】
総有効摩耗時間の計算をさらに向上させるために、他の要因を考慮することができる。例えば、図７に例示する有効摩耗データは、プロセス温度、圧力、プロセス流体の化学的構成などの複数の変数の関数とすることができる。有効摩耗とこれらの他のプロセス変数との特定の関係は、例えば、特定の変数及び特定の構成部品に向けて作成した摩耗スケーリングファクタを用いて計算することができる。これらのプロセス変数は、局部で検索することができるか、又は、これらの２次変数を取得するために、例えば、他のＨＡＲＴ（登録商標）通信ベースの装置から、又は、メッセージを監視してプロセス制御ループ上で検索することができる。ＦｉｅｌｄＢｕｓならびに無線通信技法を用いてこのような変数を取得することもできる。摩耗監視は、圧力測定装置及び温度測定装置などを含む、任意のプロセス計器に適用可能であり、流量測定装置に限定されない。プロセス変数センサにより感知されるか、又は、このようなセンサの出力から計算される例示的なプロセス変数としては、圧力、ｐＨ、温度、濁度、密度（粒径を推論することができる）、レベル、特定の成分の濃度などがある。本発明は、図１に例示する制御室１６内などのホストシステム内で実行することができる。しかしながら、採取するプロセス変数測定値は、周期的にホストシステムに通信される必要がある。
【００２７】
好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細において変更を行うことができることを認識するであろう。構成部品の総有効摩耗は、ヒストグラム範囲全体にわたって見つかる全ての有効摩耗の合計、又は連続的ヒストグラム、すなわち度数分布の合計である。一般的に、構成部品を交換したとき、ヒストグラム情報をリセットしてプロセスを再開させる。本明細書で使用するとき、工業プロセスの状態は、診断を行うプロセス装置の近くにある構成部品ならびに遠隔地に位置する構成部品を含め、工業プロセス内の任意の構成部品の状態を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を実行することができるプロセス制御システムを示す簡略図である。
【図２】図１のプロセスフィールド装置を示す簡略ブロック図である。
【図３】プロセス変数値と時間のグラフである。
【図４】ヒストグラムとして例示するいくつかの範囲にわたる時間の長さ（総期間）とプロセス変数値のグラフである。
【図５】摩耗スケーリングファクタとプロセス変数値のグラフである。
【図６】別の摩耗スケーリングファクタとフィート／秒単位での流速のグラフである。
【図７】総有効摩耗に沿ったプロセス変数の様々な範囲に関する有効摩耗とプロセス変数値のヒストグラムである。
【図８】本発明による処理を簡素化したフローチャートである。
【符号の説明】
【００２９】
１２…プロセス装置、１６…プロセス制御室、１８…ループ、２０…プロセス変数センサ、２２…測定回路、２４…μプロセッサ、２６…記憶装置、２８…クロック、３０…入出力回路。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2009537896.tif 000012
2009537896.tif 000013
2009537896.tif 000014