(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィールド機器内に形成され、前記フィールド機器が正常に動作しているかどうかを診断する機器の診断装置において、
プロセス値入出力信号を入出力し、それらの瞬時値又は統計値を演算するトランスデューサ演算ブロックと、
前記統計値を利用して診断のための処理を実行して出力し、前記トランスデューサ演算ブロックより低速で動作する診断演算ブロックと、
前記トランスデューサ演算ブロックと前記診断演算ブロック間のデータのやりとりをするデータ転送手段とを具備し、
前記トランスデューサ演算ブロックの各演算周期の終了時点で、前の演算周期における前記統計値を計算し、この統計値は次の演算周期の終了まで保持され、この保持値が前記診断演算ブロックに渡される
ことを特徴とする機器の診断装置。
【請求項２】
前記トランスデューサ演算ブロックと前記診断演算ブロックとが同一のＣＰＵ上で動作し、
前記データ転送手段がメモリで形成され、
前記トランスデューサ演算ブロックの演算周期が10msec〜20msec程度に設定され、
前記診断演算ブロックの演算周期が100msec〜1sec程度に設定された
ことを特徴とする請求項１記載の機器の診断装置。
【請求項３】
前記トランスデューサ演算ブロックと前記診断演算ブロックとがそれぞれ別のＣＰＵもしくはハードウェア上で動作し、
前記データ転送手段がシリアル通信手段またはデュアルポートメモリで形成され、
前記トランスデューサ演算ブロックの演算周期が10msec〜20msec程度に設定され、
前記診断演算ブロックの演算周期が100msec〜1sec程度に設定された
ことを特徴とする請求項１記載の機器の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセス制御分野にあって、フィールド機器等の診断を行う方法およびその装置に関する。
【０００２】
本発明は、特に上位側システムとデジタル通信を行うフィールド機器に有効に適用可能な診断方法及び装置に関わるものである。ここで言うデジタル通信とは、例えばプロセス工業用の汎用通信プロトコル、すなわちFoundation Fieldbus（ファンデーションフィールドバス）、PROFIBUS（プロフィバス）、HART、BRAINなどのプロトコルである。
【０００３】
フィールド機器とは、例えばプロセス工業用のセンサやアクチュエータ機器、すなわち伝送器、流量計、バルブポジショナなどである。上位側システムとは，フィールド機器が接続されているインタフェース装置（Ｉ／Ｏ）や、さらにその上位のコンピュータ等である。
【０００４】
【従来の技術】
図４は、出願人が特願2000-225553で提案した機器の診断装置の構成を示す機能ブロック図である。
１は演算部であり、入力されたバルブポジショナなどの変位信号X-1から速度または加速度に比例した信号を演算して、信号Y-1として出力する。
【０００５】
これらの演算は、通常デジタル信号処理により行われる。デジタル信号処理の場合、速度に比例した信号を求める演算は、前回変位信号と今回変位信号の差を演算し、加速度に比例する信号は、前回の速度信号と、今回の速度信号の差を求めれば得られる。
【０００６】
２は比較演算部であり、演算部１の出力信号Y-1とバルブへのセットポイント信号等の基準信号X-2が入力され、これらの比較演算を実行して結果を信号Y-2として出力する。信号Y-2は、それを受ける機器によってアラーム発信信号、ディスクリート信号、数値信号またはこれらを組み合わせた信号として出力される。
【０００７】
図５により、比較演算部２の動作の一例を説明する。図５（Ａ）において、X-2はバルブのセットポイント信号等の基準信号である。（Ｂ）において、X-1はバルブの開度信号であり、時刻t1でセットポイントX-2が立ち上がると、少し遅れてｔ２でバルブ開度信号X-1が変化を始める。（Ｃ）において、Y-1はバルブ開度の速度信号であり、バルブ開度が変化している間はゼロでない値になる。
【０００８】
（Ｃ）において、Ythは診断のためのしきい値である。比較演算部２は、予め定められた期間Ｔの間バルブ開度の速度信号Y-1としきい値Ythを比較する。即ち、基準信号X-2の立ち上がりタイミングｔ１は、診断期間Ｔの始点として用いられる。バルブ開度速度信号Y-1は、診断期間Ｔの間でゼロでない値のときにしきい値Ythのレベル以下であるため、正常に動作していると診断される。
【０００９】
図５（Ｄ）に、異常発生の一例として、バルブにスティックスリップが発生した例を示す。X-1’はスティックスリップが発生したときのバルブ開度信号であり、ｔ２よりも遅れたタイミングｔ３で急峻に大きく立ち上がり、かつ不規則な動きを示している。
【００１０】
（Ｅ）に示すY-1’は、X-1’を微分演算したバルブ開度の速度信号である。比較演算部２は診断期間Ｔの間バルブ開度速度信号Y-1’としきい値Yth’を比較する。時刻t3で、速度信号Y-1’がしきい値Yth’を越えているので、スティックスリップが発生したと診断される。
【００１１】
このように、被演算入力信号としてバルブの開度を、基準入力信号としてバルブのセットポイント信号を用いることにより、簡単な比較演算でバルブの応答が異常に遅くなる現象や、バルブがスティックスリップによって急激に応答する異常現象を診断することができる。
【００１２】
さらに、演算機能がファンデーションフィールドバス(Fundation Fieldbus)の規格に従ったファンクションブロックとして実装されている場合は、フィールドバス上にある他の機器のファンクションブロックの出力値、自機内で測定したバルブ開度、出力圧力信号などのプロセス値を組み合わせて被演算入力信号として選択することが可能である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
出願人の先願では、診断に用いる「演算機能」もしくは「ファンクションブロック」を汎用性の高い形で示したが、問題点としては，診断に用いる演算機能やファンクションブロックは、一般的にはプロセス制御に必要な演算周期（例えば200msec〜1sec周期）で実行されるため，例えばバルブの出力圧力やバルブ開度信号などの高速に変化する信号の速度や加速度の演算を行なうと、バルブの変位速度に対してサンプリング間隔が長すぎるため、正確な値が取得出来ないことがある。
【００１４】
本発明の目的は、診断対象の入力が、診断に用いる演算機能やファンクションブロックの演算周期より高速に動作する場合であっても、的確な診断を可能とする実用的な機器の診断方法及び装置を実現する点にある。
実用的とは，消費電力の限られた，マイクロプロセッサのパフォーマンスが制限されるフィールド機器において，より少ない演算時間で高精度な診断を実行するための構成を示すことである．
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成する本発明は、次の通りである。
（クレーム１）フィールド機器内に形成され、前記フィールド機器が正常に動作しているかどうかを診断する機器の診断装置において、プロセス値入出力信号を入出力し、それらの瞬時値又は統計値を演算するトランスデューサ演算ブロックと、前記統計値を利用して診断のための処理を実行して出力し、前記トランスデューサ演算ブロックより低速で動作する診断演算ブロックと、前記トランスデューサ演算ブロックと前記診断演算ブロック間のデータのやりとりをするデータ転送手段とを具備し、前記トランスデューサ演算ブロックの各演算周期の終了時点で、前の演算周期における前記統計値を計算し、この統計値は次の演算周期の終了まで保持され、この保持値が前記診断演算ブロックに渡されることを特徴とする機器の診断装置。
（クレーム２）前記トランスデューサ演算ブロックと前記診断演算ブロックとが同一のＣＰＵ上で動作し、前記データ転送手段がメモリで形成され、前記トランスデューサ演算ブロックの演算周期が10msec〜20msec程度に設定され、前記診断演算ブロックの演算周期が100msec〜1sec程度に設定されたことを特徴とする（クレーム１）記載の機器の診断装置。
（クレーム３）前記トランスデューサ演算ブロックと前記診断演算ブロックとがそれぞれ別のＣＰＵもしくはハードウェア上で動作し、前記データ転送手段がシリアル通信手段またはデュアルポートメモリで形成され、前記トランスデューサ演算ブロックの演算周期が10msec〜20msec程度に設定され、前記診断演算ブロックの演算周期が100msec〜1sec程度に設定されたことを特徴とする（クレーム１）記載の機器の診断装置。
また、本発明は、以下の特徴を備える。
（１）機器の動作を診断する機器の診断方法において、診断する機器に関連する信号の瞬時値又は統計値と前記機器に関連する基準信号とを比較演算して、前記機器の動作を診断するようにしたことを特徴とする、機器の診断方法。
（２）機器が正常に動作しているかどうかを診断する機器の診断装置において、前記機器に関連する信号の瞬時値又は統計値および前記機器に関連する基準信号が入力される比較演算部を有し、この比較演算部によって前記機器が正常に動作しているかどうかを診断するようにしたことを特徴とする、機器の診断装置。
（３）前記統計値は、前記機器の速度又は加速度に比例する信号を対象とする、（１）又は（２）記載の機器の診断方法及び装置。
（４）前記統計値は、前記機器の速度又は加速度に比例する信号の最大値、最小値、平均値、分散、標準偏差等を含むことを特徴とする、（１）又は（２）記載の機器の診断方法及び装置。
（５）上位システムとデジタル通信手段を介して通信すると共に、プロセスのデータを入力し演算結果を出力するファンクションブロックを有するフィールド機器内に形成された機器の診断装置において、前記入出力に関わるデータを収集し、それらの瞬時値又は統計値を求める演算手段と、前記演算手段が求めた統計値を利用して診断のための処理を実行して出力する診断手段を具備する、（１）乃至（４）のいずれかに記載の機器の診断方法及び装置。
（６）上位システムとデジタル通信手段を介して通信すると共に、プロセスのデータを入力し演算結果を出力する所定の演算周期で動作するファンクションブロックを有するフィールド機器内に形成された機器の診断装置において、前記入出力に関わるデータを収集し、それらの瞬時値又は統計値を求める演算手段と、前記演算手段が求めた統計値を利用して診断のための処理を実行して出力する、前記演算手段の演算周期より低速の演算周期で動作する診断手段と、を具備する（１）乃至（４）のいずれかに記載の機器の診断方法及び装置。
（７）バルブの開度信号またはこのバルブへの出力圧力信号が入力されその信号の速度または加速度の瞬時値又は統計値を演算する演算部と、この演算部の出力及び前記バルブの設定信号に関連する信号が入力される比較演算部とを有し、この比較演算部は前記統計値と前記設定信号に関連する信号とを比較演算して、前記バルブに異常が発生しているかどうかを診断するようにしたことを特徴とする、（１）乃至（６）のいずれかに記載の機器の診断方法及び装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様を図面を用いて説明する。図１は本発明をフィールドバスを含むシステムに適用した実施例を示す機能ブロック図である。３はフィールドバス、４はこのフィールドバス３に接続され、上位システムや入出力装置とデジタル通信するフィールド機器である。このフィールド機器４は、例えば、バルブ開度等のプロセス値を測定し、コントロール信号を出力する。
【００１７】
５は、フィールド機器４内にファンクションブロックとして構成された演算ブロックである。この演算ブロック５は、測定されたバルブの開度及びフィールドバス３に繋がっている他のファンクションブロックからの信号が、フィールドバス３を介してまたは自分自身の内部で収集され、所定の演算を実行して信号を出力する。演算ブロック５は、これらの収集されたプロセス値入出力信号に基づいて機器の診断を行い、診断結果を出力する。
【００１８】
このような構成では、オープンな入出力を持つファンクションブロックを提供することにより、マルチベンダーで機器を組み合わせて最適なプロセス診断やバルブ診断を行うことができる。
【００１９】
図２は、診断装置５の具体的な構成例を示す機能ブロック図である。この例では、診断対象フィールド機器をバルブポジショナと想定している。
６はトランスデューサ演算ブロック、７はこのブロックへのプロセス値入出力信号であり、バルブポジショナにおいては、変位センサによりバルブのポジション信号を検出し、アクチュエータに駆動信号を出力する機能を有する。このトランスデューサ演算ブロック６では、バルブ制御を円滑に行なうために、演算周期は通常10msec〜20msec程度の比較的高速に設定されている。
【００２０】
８は診断演算ブロックであり、収集されたプロセス値入出力信号を使って、フィールド機器自身の自己診断、バルブや配管等の装置の診断、プロセス制御ループの診断等を実行する。通常、この診断演算ブロックの演算周期は、前記トランスデューサ演算ブロック６の周期よりも遅く、例えば100msec〜1sec程度に設定されている。
【００２１】
９はデータ転送手段であり、トランスデューサ演算ブロック６と診断演算ブロック８間のデータのやりとりをするものである。６と８とが同一のＣＰＵ上で動作するものであれば、９はメモリ（RAM）で実現される。６と８とが別のＣＰＵもしくはハードウェア上で動作するものであれば、９はシリアル通信手段やデュアルポートメモリなどのデータ転送手段で実現される。１０は、診断演算ブロックが出力する診断結果出力信号であり、例えばアラーム信号やOn/Offのデータステータスなどである。
【００２２】
プロセス値入出力信号７は，トランスデューサ演算ブロック６が入出力するデータであり、例えば、変位センサ信号、バルブのアクチュエータへの駆動圧力センサ信号、電空変換要素（IPモジュール）に対する駆動電流信号、等が対象である。
【００２３】
トランスデューサ演算ブロック６は、診断のために次の様な値を演算して、９のデータ転送手段を介して８の診断演算ブロックに受け渡す。
（１）７に示すプロセス値入出力信号の瞬時値および統計値。
（２）７に示すプロセス値入出力信号の速度に比例する値の瞬時値および統計値。
（３）７に示すプロセス値入出力信号の加速度に比例する値の瞬時値および統計値。
【００２４】
ここで言う統計値とは、最大値、最小値、平均値、分散、標準偏差等である。統計する時間は、６のトランスデューサ演算ブロックが複数回実行出来る時間で、例えば８の診断演算ブロックが演算する周期に設定する。
【００２５】
図３の波形図により、バルブのスティックスリップ現象に対する本発明による診断の例を説明する。点線で区切られた期間τ１乃至τ４は診断演算ブロック９の演算周期であるとする。（Ａ）は演算周期τ１で発生する基準波形であり、プロセスへのステップ入力、Ｔはこのステップ入力から起算される診断期間である。
【００２６】
（Ｂ）は、診断演算ブロック９の演算周期より高速なトランスデューサ演算ブロック６による、ステップ入力（Ａ）に対する応答波形であり、時間遅れｄの後、演算周期τ２で立ち上がる。（Ｃ）はこの応答波形を微分した速度波形である。
【００２７】
（Ｄ）は、各演算周期の終了時点で、前の演算周期における速度波形の最大値及び最小値を計算して、最大値（MAX）は記号○で、最小値（MIN）は記号□でプロットした波形である。このプロットレベルは、次の演算周期の終了まで（１演算周期間）保持され、この保持値が診断演算ブロック８に渡される。
【００２８】
Ythは、異常診断のしきい値であり、この例では、演算周期τ２での最大値の保持レベルがYthを超えるため、演算周期τ３の期間で最大値の保持データと保持レベルがYthが比較され、異常の診断結果が出力されることになる。
【００２９】
図３では、最大値がしきい値Ythを超えたら異常というような、きわめて単純な例にしているが、もっと複雑な診断演算になった場合には、この様に統計値に基づく診断を実行することにより、診断演算がシンプルとなり、診断演算ブロックの演算負荷、即ちＣＰＵ負荷を著しく軽減させることができる。
【００３０】
本発明は、実施例に示したバルブポジショナだけでなく、伝送器や流量計などのセンサや、分散型制御システム（DCS）等の上位システムの診断にも応用が可能である。
【００３１】
例えばセンサであれば、図２のプロセス値入出力信号７は、圧力値、流量値、温度値、レベル（液位）等のプロセス信号や、振動、音などの環境信号値とすることが可能である。又、DCSであれば、Ｉ／Ｏにおいて入出力される全てのデータをプロセス値入出力信号として与えることができる．
【００３２】
又、本発明をFoundation Fieldbus（ファンデーションフィールドバス）の規格に従った機器に適用する場合、８の診断ブロックの演算機能は、標準のファンクションブロックとして実装する事も可能である。
【００３３】
その場合、８の診断結果出力信号は、規格に対応したアラーム信号やデータステータス信号であるので、それらを他メーカ機器が利用してプロセス制御の動作を変更したり、演算方式を変更したりすることが容易となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、高速に動作するトランスデューサ演算ブロックにより、プロセス値入出力信号の制御演算処理とそれらの統計値を演算し、このトランスデューサ演算ブロックより低速で動作する診断演算ブロックに用意された統計値を渡して診断演算を実行させるすることにより、ＣＰＵにかかる演算負荷を軽減させ、制御演算のパフォーマンスを低下させることなく低消費電力を実現し、バルブの応答が異常に遅くなる現象や、バルブがスティックスリップにより急激に応答するなどの異常現象を高精度で検出、警報することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をフィールドバスを含むシステムに適用した診断装置の機能ブロック図である。
【図２】図１の演算ブロック５の具体的な構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】バルブのスティックスリップ現象に対する本発明による診断動作を説明する波形図である。
【図４】従来の機器の診断装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】バルブのスティックスリップ現象に対する従来装置の診断動作を説明する波形図である。
【符号の説明】
３  フィールドバス
４  フィールド機器
５  演算ブロック
６  トランスデューサ演算ブロック
７  プロセス値入出力信号
８  診断演算ブロック
９  データ転送手段
１０  診断結果出力信号
【図１】
0003856204.tif 000002
【図２】
0003856204.tif 000003
【図３】
0003856204.tif 000004
【図４】
0003856204.tif 000005
【図５】
0003856204.tif 000006