(57)【要約】【課題】複数のフィールド機器が具備する演算機能のみのチェックが可能なデバイスを備えたフィールド機器を実現する。【解決手段】信号伝送ラインに接続され、プロセスの測定値に基づいて物理量を演算処理した信号を前記信号伝送ラインを介して上位機器に出力するフィールド機器において、  このフィールド機器の筐体内に実装された演算チェックデバイスを備え、  この演算チェックデバイスは、前記演算処理の入力情報及び前記演算処理の結果情報を取得し、前記入力情報を再演算した結果情報と前記演算処理の結果情報とを比較し、または、前記演算処理の結果情報を逆演算した結果情報と前記入力情報とを比較し、許容できる閾値に基づいて前記演算処理の正常実行を検証する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号伝送ラインに接続され、プロセスの測定値に基づいて物理量を演算処理した信号を前記信号伝送ラインを介して上位機器に出力するフィールド機器において、
このフィールド機器の筐体内に実装された演算チェックデバイスを備え、
この演算チェックデバイスは、
前記演算処理の入力情報及び前記演算処理の結果情報を取得し、前記入力情報を再演算した結果情報と前記演算処理の結果情報とを比較し、または、前記演算処理の結果情報を逆演算した結果情報と前記入力情報とを比較し、許容できる閾値に基づいて前記演算処理の正常実行を検証することを特徴とするフィールド機器。
【請求項２】
前記演算チェックデバイスは、前記信号伝送ラインに接続される他のフィールド機器における演算情報を取得してその演算処理の正常実行を検証することを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。
【請求項３】
前記演算チェックデバイスは、演算の対象となる前記フィールド機器の演算内容が非公開であり、かつシミュレーション機能を備える場合には、このシミュレーション機能により前記演算処理の正常実行を検証することを特徴とする請求項１または２に記載のフィールド機器。
【請求項４】
前記演算チェックデバイスは、演算の対象となる前記フィールド機器の演算内容が非公開であり、かつ演算確認手段が提供されている場合には、この演算確認手段により前記演算処理の正常実行を検証することを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフィールド機器。
【請求項５】
前記演算チェックデバイスは、マルチバリアブル伝送器の筐体内に実装されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフィールド機器。
【請求項６】
前記演算チェックデバイスは、フィールド機器が備えるファンクションブロックにより実現されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフィールド機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号伝送ラインに接続され、プロセスの測定値に基づいて物理量を演算処理した信号を前記信号伝送ラインを介して上位機器に出力するフィールド機器の機能拡張に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は、フィールド機器であるマルチバリアブル伝送器を含むプロセスの計装例である。プロセス流体Ｆの配管１には、複数の伝送器２、３、４が取り付けられている。伝送器２（PT100）は、マルチバリアブル伝送器であり、オリフィスプレート等の絞り機構の上下流の圧力差からプロセス流量を測定し、差圧、静圧、温度並びに設定されるパラメータから演算される質量流量Ｑｍを算出して、信号伝送ライン５介して4〜20mAアナログ信号やデジタル信号をコントロールルームのホスト６に送信する。ホスト６は、プロセスの制御・監視を実行する。
【０００３】
伝送器３(TT200)は、例えば、複数の入力をもつ温度伝送器であり、その測定出力信号を伝送ライン５介してホスト６に送信する。伝送器４（FT100）は、例えば、差圧伝送器のような流量測定器であり、その測定出力を信号伝送ライン５介してホスト６に送信する。
【０００４】
マルチバリアブル伝送器２は、小型の２線式伝送器である。このためメモリサイズや通信速度等の制限があり、データ総数を抑えるために、演算に必要な各種のパラメータを信号伝送ライン５に接続された設定サポートツール７で生成してマルチバリアブル伝送器２にダウンロードする。伝送器側ではこれらの値と流量演算に必要な差圧値、圧力値、温度値を用いて質量流量演算を実行する。
【０００５】
設定サポートツール７で設定してダウンロードするマルチバリアブル伝送器２のパラメータの代表的なものとしては、Tag、レンジ情報、メモ情報、ダンピング値、ゼロ調、スパン調データである。
【０００６】
設定サポートツール７は、上記のパラメータに加えて、気体の膨張補正係数等の係数群データ、若しくは係数情報ファイルを生成して、信号伝送ライン５介してマルチバリアブル伝送器２にダウンロードする。マルチバリアブル伝送器及びその設定サポートツールについては、特許文献１に詳細技術が開示されている
【０００７】
図８は、マルチバリアブル伝送器２と設定サポートツール７の連携を説明する機能ブロック図である。マルチバリアブル伝送器２は、配管１に形成されたオリフィス８の上流側圧力ＰＨと下流側圧力ＰＬを導圧して差圧ΔＰ及び静圧Ｐを測定すると共に、測温抵抗体、熱電対等の温度センサー９の測定値ＶＴを入力し流体Ｆの温度Ｔを測定する。
【０００８】
設定サポートツール７は、ＦＤＴ（Field Device Tool）、ＤＴＭ（Device Type Manager）等、メーカを問わずに設定管理可能な設定サポートツールを搭載したＰＣである。この設定サポートツール７より、質量流量演算に必要な、膨張補正係数や温度係数等のパラメータ値をユーザが入力し、伝送路ライン５を介して、例えばHART通信、Fieldbus通信、Profibus通信等のデジタル通信によって、マルチバリアブル伝送器２へダウンロードしてパラメータ設定を行うものである。
【０００９】
マルチバリアブル伝送器２における質量流量Ｑｍは、（１）式で演算される。
Ｑｍ＝Ｃ／√（１−β4）・πｄ2／４・ε・√（２ΔＰ／ρ）                  （１）
【００１０】
ここで、Ｃは流出係数、βはベータ比（ｄ（オリフィス内径）／Ｄ（配管内径））、εはガス膨張係数、ΔＰは差圧、ρは流体密度である。設定サポートツール７からは、流出係数Ｃ、ベータ比β、ガス膨張係数ε等がパラメータとしてダウンロードされる。
【００１１】
密度ρは、静圧Ｐと温度Ｔの関数であり、（２）式で演算される。
ρ＝Ｋρ0＋Ｋρ1・ｆ（Ｔ，Ｐ）＋Ｋρ2・ｆ（Ｔ2，Ｐ2）                        （２）
【００１２】
設定サポートツール７は、実測で得られた複数組の温度、圧力、密度表から最小二乗法による近似計算で、係数Ｋρ0、Ｋρ1、Ｋρ2を計算してマルチバリアブル伝送器２にダウンロードする。マルチバリアブル伝送器２は、この係数を用いて（２）式より密度ρを算出し、（１）式より質量流量Ｑｍを算出する。
【００１３】
マルチバリアブル伝送器２における質量流量の演算結果及び差圧，静圧，温度の測定値は、信号伝送ライン５を介してホスト６に送信されると共に、設定差サポートツール７にアップロードされる。
【００１４】
図９は、マルチバリアブル伝送器２の内部構成を示す機能ブロック図である。ＣＰＵを備える計算手段２１は、通信手段２２をインターフェースとして信号伝送ライン５を介してホスト６及び設定サポートツール７と通信する。
【００１５】
計算手段２１は、RAMやEEPROM等のメモリ資源よりなるデータやプログラムの保存手段２３と通信し、設定や計算結果をＬＣＤ等の表示手段２４で外部表示すると共に、出力手段２５より通信手段２２を介して信号伝送レイン５に接続された上位機器に出力する。
【００１６】
差圧・静圧検出手段２６は、オリフィスの上流側圧力ＰＨ及び下流側圧力ＰＬを入力して測定し、デジタル信号変換して計算手段２１に渡す。同様に、温度検出手段２７は温度センサー９の検出値ＶＴを入力し、デジタル信号変換して計算手段２１に渡す。
【００１７】
計算手段２１は、検出手段２６，２７によって検出されたプロセス量を変換、補正、ユーザ指定の例えば％値等のスケーリング値に換算する。また、周辺デバイスの制御や診断を行う。
【００１８】
このように、マルチバリアブル伝送器２では質量流量の算出に複雑な演算処理を実行する必要があるので、その信頼性を確保するために、演算の各ステップでの演算が正常に実行されていることを検証するチェック機能を搭載している。
【００１９】
演算チェックの手法として、演算結果を逆演算して演算前の値と比較し、そのズレが所定の閾値内にあることで正常演算を検証する技術が、特許文献２に開示されている。図１０は、特許文献２に記載の従来の演算チェック手法の例を説明する模式図である。
【００２０】
通常の演算実施のタイミングと同時に各ポイントａ(Scaling値：PWM出力前値。PWMは温度依存性のある動的な補正係数を用いて多項式によりパルス幅変調されるデジタル信号)、ｂ(DP値：スケーリング後の値)、ｃ(X値：補正前の差圧値)、ｄ(sensor値：センサー周波数値)、ａ′(PWM値を決める値)、ｂ′(Scaling前値)、ｃ′(DP値：補正後の差圧値)、ｄ′(X値：センサ周波数２乗)の値を一度にラッチし、別途のタイミングでａ′から ａ″、ｂ′からｂ″、ｃ′からｃ″、ｄ′からｄ″の逆演算を実行する。
【００２１】
演算前の値であるａ、ｂ、ｃ、ｄと、逆演算で算出されたａ″、 ｂ″、ｃ″、ｄ″との夫々の差を比較しそのズレが所定の閾値内にあるか否かの判定を行って、判定に異常が発生した場合には、アラーム情報を出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００９−０３１２００号公報
【特許文献２】特開２００５−３０９９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
従来技術では次のような問題がある。
（１）近年のメモリサイズの向上や高機能化により、たとえばマルチバリアブル伝送器に代表されるような、複数の入力からの再帰演算を含む流量計算が搭載されたり、差圧伝送器に搭載されている診断機能のような、診断機能が搭載されるようになっており、他のフィールド機器の演算についても同様に複雑化している。
【００２４】
一方で演算結果が正しいものかどうかを機能安全の面から検証することが容易ではなかった。例えば、図１０の例のように、マルチバリアブル伝送器に搭載されているような機能安全のための逆演算機能は、予め診断アプリケーションとして製品毎に組み込まれている必要があり、容易に他の複数のフィールド機器の演算機能のみをチェックをするのは困難であった。
【００２５】
（２）また、詰まり診断機能に代表される診断に関するフィールド機器の機能は、類似の機能が複数のフィールド機器に搭載されているにもかかわらず、ユーザやサービスマンが各機器の演算設定や演算機能の確認を一台ずつ行なう必要があり、高機能化したフィールド機器の調整管理は容易ではなかった。
【００２６】
本発明の目的は、複数のフィールド機器が具備する演算機能のみのチェックが可能なデバイスを備えたフィールド機器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）信号伝送ラインに接続され、プロセスの測定値に基づいて物理量を演算処理した信号を前記信号伝送ラインを介して上位機器に出力するフィールド機器において、
このフィールド機器の筐体内に実装された演算チェックデバイスを備え、
この演算チェックデバイスは、
前記演算処理の入力情報及び前記演算処理の結果情報を取得し、前記入力情報を再演算した結果情報と前記演算処理の結果情報とを比較し、または、前記演算処理の結果情報を逆演算した結果情報と前記入力情報とを比較し、許容できる閾値に基づいて前記演算処理の正常実行を検証することを特徴とするフィールド機器。
【００２８】
（２）前記演算チェックデバイスは、前記信号伝送ラインに接続される他のフィールド機器における演算情報を取得してその演算処理の正常実行を検証することを特徴とする（１）に記載のフィールド機器。
【００２９】
（３）前記演算チェックデバイスは、演算の対象となる前記フィールド機器の演算内容が非公開であり、かつシミュレーション機能を備える場合には、このシミュレーション機能により前記演算処理の正常実行を検証することを特徴とする（１）または（２）に記載のフィールド機器。
【００３０】
（４）前記演算チェックデバイスは、演算の対象となる前記フィールド機器の演算内容が非公開であり、かつ演算確認手段が提供されている場合には、この演算確認手段により前記演算処理の正常実行を検証することを特徴とすることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のフィールド機器。
【００３１】
（５）前記演算チェックデバイスは、マルチバリアブル伝送器の筐体内に実装されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のフィールド機器。
【００３２】
（６）前記演算チェックデバイスは、フィールド機器が備えるファンクションブロックにより実現されることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載のフィールド機器。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）特定のフィールド機器内に汎用的な演算チェックデバイスを実装することにより、信号伝送ラインに接続された他の機器の演算を検証することが可能となり、システムの機能安全レベルを向上させ、その使用と管理を容易化することができる。
【００３４】
（２）抜き打ちチェックを拡大することで、所定の周期内でチェックできる機器の個数を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明を適用したフィールド機器の一実施例を示す機能ブロック図である。
【図２】演算チェックデバイスの一実施例を示す機能ブロック図である。
【図３】演算チェックデバイスの実装例を示す、マルチバリアブル伝送器の分解斜視図である。
【図４】演算チェックデバイスの動作を説明するフロー図である。
【図５】複数の伝送器の演算チェックを実行する場合のシーケンス図である。
【図６】複数の伝送器の演算チェックを実行する場合のチェックサイクル図である。
【図７】フィールド機器であるマルチバリアブル伝送器を含むプロセスの計装例である。
【図８】マルチバリアブル伝送器と設定サポートツールの関連を示す機能ブロック図である。
【図９】従来のフィールド機器の構成例を示す機能ブロック図である。
【図１０】特許文献２に記載の従来の演算チェック手法の例を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用したフィールド機器の一実施例を示す機能ブロック図である。図９で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図９に示した従来構成に追加した本発明の特徴部は、マルチバリアブル伝送器２内に実装した演算チェックデバイス１００の構成にある。この演算チェックデバイス１００は、計算手段２１と通信して自己の演算ステップの検証を実行すると共に、通信手段２２を介して信号伝送ライン５に接続された他の伝送器２、３等の演算情報を取得し、その演算ステップの検証を実行する。
【００３８】
図２は、演算チェックデバイス１００の一実施例を示す機能ブロック図である。演算チェックデバイス１００は、情報取得部１０１、確認演算手段１０２、結果判定手段１０３、保存手段１０４を備える。更に、オプションとして、確認演算手段１０５、これに付随する演算書き換え手段１０６、保存手段１０７を備える。
【００３９】
情報取得部１０１は、対象機器の演算情報の取得部分であり、第１演算情報取得手段１０１Ａ及び第２演算情報取得手段１０１Ｂよりなる。第１演算情報取得手段１０１Ａは、対象機器の演算前の情報（逆演算の場合には演算結果情報）Ａを取得して確認演算手段１０２に渡す。
【００４０】
第２演算情報取得手段１０Ｂは、対象機器の演算結果情報（逆演算の場合には演算前の情報）Ｂを取得して結果判定手段１０３に渡す。確認演算手段１０２の演算結果は、結果判定手段１０３に渡される。確認演算手段１０２及び結果判定手段１０３における計算は、ＣＰＵを備える計算手段２１の機能により実行される。
【００４１】
確認演算手段１０２は、演算対象となる値Ａを取得し、診断方法別に、予めインストールされている演算のアルゴリズム、又は対象機器からアップロードした演算のアルゴリズムに基づいて再演算又は逆演算を実行し、演算結果情報Ｃを出力する。
【００４２】
結果判定手段１０３は、確認演算手段１０２からの再演算又は逆演算の演算結果情報Ｃと第２演算情報取得手段１０Ｂの入力Ｂを比較する。両者のズレが所定の閾値内であれば正常、閾値を超えていれば異常の出力を診断対象の機器にフィードバック出力する。
【００４３】
保存手段１０４は、確認演算手段１０２の演算結果や結果判定手段１０３の判定結果、履歴等の情報を保存する。
【００４４】
確認演算手段１０５は、オプションとして確認演算のためのプログラムが提供されている場合に実装され、特定の演算ステップがこの確認演算手段１０５のアルゴリズムで実行される。
【００４５】
演算書き換え手段１０６は、演算の確認対象となる機器が演算を非公開としており、かつシミュレーション機能等での確認もできない場合のオプションである。この場合は、予め製造メーカのサービスが、演算書き換え手段１０６により確認演算手段１０５の演算内容を書き換える。保存手段１０７は、確認演算手段１０５の演算結果情報を保存する。
【００４６】
結果判定手段１０３の判定に使用する閾値は、周知の技術により以下に列挙する種々の形態を利用することができる。
（ａ）例えば取得済みの対象機器の演算結果値と演算チェックデバイスによる確認演算結果が、許容し得るズレを算出するために、一次式による領域決定や、補正演算のための多項式、平均演算、各種関数とそれらの組み合わせによる数値解析法を利用する方法。
【００４７】
（ｂ）統計的手法による、例えば近似のための連立方程式と行列式等を用いる手法や、折れ線近似等の手法で、多くの点のサンプリング収集と分布解析から、ある境界を持つ領域を決定し、その領域を許容しうる閾値として閾値内であるかどうかを判定する手法。
【００４８】
（ｃ）その他の数値解析や近似的手法を利用した比較判定のための閾値決定の手法。例えば、フーリエ変換やウェーブレット変換のような、周波数成分の抽出を行い、それらを組み合わせて得られる近似的領域の算出から、確認演算結果と対象機器の演算結果値との差異で許容しうる閾値を設定し、閾値内であるかどうかを判定する手法。
【００４９】
（ｄ）機器内部で行なわれている一部の演算及びその逆演算を含め、確認演算結果と対象機器の演算結果値との差異で許容しうる閾値を設定し、閾値内であるかどうかの判定に役立てる手法。
【００５０】
（ｅ）ユーザ設定による演算に基づいた確認演算結果と、対象機器の演算結果値との差異を判定に役立てる手法。ユーザ設定時の支援ツールとして、例えばPCToolのようなものを含む。
【００５１】
図３は、演算チェックデバイス１００の実装例を示す、マルチバリアブル伝送器の分解斜視図である。演算チェックデバイス１００は、機器筐体２Ａ内のスペースにモジュールの形態で実装できる。
【００５２】
２Ｂはカバー、２ＣはＣＰＵアセンブリである。防爆機器のように内部スペースに制約がある場合では、表示部のアセンブリを演算チェックデバイス１００に置き換えて実装することで、筐体を特別設計することなく防爆領域での実装も可能である。
【００５３】
図４は、演算チェックデバイス１００の動作を説明するフロー図である。ステップＳ１は、診断方法の判別ステップであり、診断方法を選択する分岐である。閾値のみのチェックではＳ１に、演算が単純である場合にはＳ３又はＳ４に、演算等が非公開である場合にはステップＳ５に選択分岐する。
【００５４】
この診断方法判別ステップでの選択機能は、機器によってその診断アルゴリズムが異なるためである。一方で、演算が完全に非公開である場合で、かつシミュレーション機能の活用によるモニタリングもできない場合は、このステップで予め製造メーカのサービスによりダウンロードされた確認演算手段を用いて演算の確認をすることを選択する。
【００５５】
このように、診断方法判別ステップは、機器とその判定方法を確定するものであり、機種の判別機能、ユーザによる判定方法や判定箇所の指定を可能とし、診断すべきものの種類によって、実行方法を選択することができる。
【００５６】
ステップＳ２では、時系列で診断したり、統計的な手法により閾値のみチェックと異常時にアラーム発信を行う。予めユーザにより設定された値、もしくは異常値を監視チェックする。
【００５７】
ステップＳ３では、演算式が単純である場合、例えば、瞬時流量値Ftを演算チェックデバイス１００が取得できる場合には、積算時間t、積算流量値FTtを算出し、対象機器の積算流量値の確認をする。
【００５８】
ステップＳ４では、演算式が単純である場合、逆演算等、演算の一部が公開されていて、パラメータ間での関係式がマニュアル等で与えられている場合である。
【００５９】
対象機器の演算等が非公開でステップＳ５に選択分岐した場合には、ステップＳ６でシミュレーション機能の有無の確認を行い、ステップＳ７又はステップＳ８に分岐選択する。
【００６０】
ステップＳ７では、確認演算手段１０２では演算は行わず、対象機器のシミュレーション機能を利用してシミュレーション値用の値を送信して、演算が正しく返ることを確認する。
【００６１】
このシミュレーション機能は、現在はユーザが設置するタイミングでのみ機器に対して模擬値の入力と機器の演算結果の確認が行われているが、演算チェックデバイス側からあるタイミングで模擬入力を行い、演算動作が損なわれていないことを確認する。
【００６２】
ステップＳ８では、演算の確認対象となる機器が演算内容を非公開としており、かつシミュレーション機能等での確認もできない場合、演算チェックデバイス１００は、対象機器の演算前の値と演算後の値とを取得し、例えばあらかじめ製造メーカのサービスによりダウンロードされたアルゴリズムによる結果と照合する。尚、対象機器の演算前の値が取得できない場合は、何も実行しない。
【００６３】
図５は、複数の伝送器の演算チェックを実行する場合のシーケンス図である。図５（Ａ）は、マルチバリアブル伝送器２（PT100）の一通りのチェック演算に要する周期Ｔ１を示し、チェック演算PT1、PT2、PT3が設定可能である。
【００６４】
図５（Ｂ）は、温度伝送器３（TT200）の一通りのチェック演算に要する周期Ｔ２を示し、チェック演算TT1、TT2、TT3、TT4が設定可能である。図５（Ｃ）は、流量伝送器４（FT100）一通りのチェック演算に要する周期Ｔ３を示し、チェック演算FT1、FT2が設定可能である。
【００６５】
フィールドバスシステムのような、スケジューリング機能が無い場合等は、特に必ずしもチェック演算は全てを実行する必要がなく、可能なタイミングで抜き打ち的に行うことが可能である。
【００６６】
例えば、図５で点線の矢印のように、PT100のチェックタイミングでPT1のチェック演算と判定をした後、TT200のチェックタイミングでTT4のチェック演算と判定をする。チェック演算に割り当てられたカウンタを利用してチェックが満遍なく行なわれるようにする。
【００６７】
図６は、複数の伝送器の演算チェックを実行する場合のチェックサイクル図である。図６（Ａ）は時間軸をＸ方向に取る通信のタイミングチャートである。所定の周期で実行されるPT100、TT200、FT100間の通信による情報更新処理の空き時間に、PT100、TT200、FT100の演算チェックを所定時間順次シーケンス的に実行する。また、フィールドバス通信上のスケジューリングのタイミング等を利用して演算チェック機能を動作させることもできる。
【００６８】
このチェック時間内で、演算チェックデバイスの再演算や逆演算等による、確認演算実施および結果判定を実行する。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）と同一処理をフローチャートで示したものである。演算チェックの結果異常のある場合には、アラームを発生させる。
【００６９】
マルチバリアブル伝送器２内に実装される演算チェックデバイス１００に対するユーザに対するインターフェースは、信号伝送ライン５に設定サポートツール７が接続される場合にはその操作画面の利用が実用的である。このインターフェースは、ホスト６または信号伝送ライン５に接続したＰＣ上から操作、監視をすることもできる。
【符号の説明】
【００７０】
１  配管
２  マルチバリアブル伝送器
３  温度伝送器
４  流量伝送器
５  信号伝送ライン
６  ホスト
７  設定サポートツール
８  オリフィス
９  温度センサー
２１  計算手段
２２  通信手段
２３  保存手段
２４  表示手段
２５  出力手段
２６  差圧・静圧検出手段
２７  温度検出手段
１００  演算チェックデバイス
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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