用于消除混叠的改进方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于消除混叠的改进方法和装置。为了减少或消除过程控制网络中的混叠，可以基于过程控制系统中的模块执行率设定测量信号的滤波。基于所述模块执行率确定所述模块的奈奎斯特频率，其中所述奈奎斯特频率可以是所述执行率的两倍。基于所述模块执行率设定在模数转换器之后的滤波。在所述模数转换器中，可以基于所述模块执行率设定在所述转换器之后的数字滤波，并且可以通过滤波器衰减模拟信号的处于和高于针对该模块执行率的奈奎斯特频率的频率分量。

【技术实现步骤摘要】
用于消除混叠的改进方法和装置
本专利技术涉及一种用于消除混叠的改进方法和装置。
技术介绍
过程工厂，例如在化学、石油或其它过程中使用的过程工厂一般包括一个或多个集中的或分散的过程控制器，其通过模拟、数字或组合的模拟/数字总线通信地耦合到至少一个主机或操作员工作站并通信地耦合到一个或多个过程控制设备和仪表设备，诸如现场设备。可为例如阀、阀定位器、开关、变送器和传感器(例如，温度、压力和流速传感器)的现场设备在过程内施行例如打开或关闭阀以及测量过程控制参数的功能。过程控制器通过通信总线接收表示由现场设备所做的过程测量或过程变量的信号或者与现场设备相关联的过程测量或过程变量的信号和/或与现场设备有关的其他信息，使用该信息来实现控制例程，并随后生成控制信号，通过总线中的一条或多条将该控制信号发送到现场设备以控制过程的操作。一般可使来自现场设备和控制器的信息可用于由操作员工作站执行的一个或多个应用，以使操作员能够施行与过程有关的期望的功能，例如查看过程的当前状态、更改过程的操作，等等。在过去，传统的现场设备用于通过模拟总线或模拟线路向过程控制器发送或从过程控制器接收模拟的(例如4-20毫安)的信号。该4-20毫安的信号的限制在于，它们指示由设备进行的测量或指示由控制器生成的、控制设备的操作所需要的控制信号。然而，在过去几十年中，执行一个或多个过程控制功能的智能现场设备已经在过程控制工业中变得普遍。除了执行过程中的主要功能，每个智能现场设备包括存储器和微处理器，其具有存储与设备相关的数据、以数字形式或数字和模拟组合的形式与控制器和/或其他设备通信、并且执行诸如自校准、识别、诊断等次要任务的能力。已经开发出很多标准、开放、数字或者数字和模拟的组合的通信协议，诸如FOUNDATIONTM现场总线、和CAN协议，以使得有不同的制造商生产的智能现场设备能够在过程控制网络中互联，以彼此通信，并执行一个或多个过程控制功能。过程工厂中的不同的功能块被配置为彼此(例如，通过总线)通信，以形成一个或多个过程控制回路，它们各自的操作遍布整个过程，并且因此是分散的。如上所述，为了保持整个过程的高效运行，并因此最小化工厂停工和利润减少，与过程工厂相关联的设备必须适当并可靠地运作。一般地，一个或多个有经验的操作员主要负责保证过程工厂内的设备在高效的运行，并负责维修和更换故障设备。这样的操作员可以使用工具和应用，诸如如上描述的提供关于过程内设备的信息的工具和应用。通常使用模数转换器采样来自现场设备的模拟信号并将其转换成数字信号。在采样中，在一些时间点上得到信号的快照，并在每个时间点测量信号。通信理论中已知，正确地处理信号需要最小采样率。具体地，香农定理指出，为了能够正确地表示信号，需要以信号中最高频率分量的两倍的频率对信号进行采样。如果以较低的频率采样信号，则由于高频分量被不正确地解释为低频分量而导致信号失真。例如，在频闪光下，转动的轮子可能看上去是倒着转的。在模拟输入过程中，如香农定理预计的，如果采样频率不是包含在测量信号中的最高频率分量的至少两倍，则可能发生混叠。由混叠引起的失真可能由过程或包含在测量信号中的电气噪声导致。
技术实现思路
公开了一种用于消除信号中的混叠的方法和系统。通过以测量信号的最高频率的两倍的频率采样现场设备中的信号，并随后以该频率滤波数字值，以减小频率分量，从而消除高于过程控制模块奈奎斯特频率的频率，如果没有消除混叠也能够减小混叠。可以设定过程控制系统中的模块执行率，并基于所述模块执行率为所述模块确定奈奎斯特频率，其中所述奈奎斯特频率是所述执行率的两倍。可以基于模块执行率设定必须应用于经采样的测量的滤波。采样测量信号的模数转换器的采样率必须是包含在测量信号中的最高频率的至少两倍。还公开了一种用于减少过程控制环境中的混叠的系统。过程控制系统中的过程控制模块以确定的执行率运行，其中过程控制系统包括现场设备、模数转换器和控制器。控制器基于模块的执行率计算针对该过程控制模块的奈奎斯特频率。与至少一个现场设备通信的模数转换器包括衰减高于模块奈奎斯特频率的信号的滤波器，作为从模拟形式到数字形式转化的一部分。系统和方法的优点包括提供来自现场设备的更准确的读数。因此，基于更准确的数据，过程工厂的更好的控制和性能是可能的。这些优点消除了对昂贵的工厂过程错误和相应的校正的需求。附图说明图1示出了使用了用于消除混叠的方法和装置的过程工厂的示意框图；图2示出了来自现场设备的示例正弦信号图；图3A-3D示出了每秒对给定的正弦信号不同的采样的结果，其中采样率高于奈奎斯特频率；图4A示出了每秒对给定的正弦信号较慢的采样的结果，其中采样率低于奈奎斯特频率；图4B示出了由提供到控制回路的图4A的信号重构信号得到的结果；图5示出了欠采样导致的重构信号；图6A和6B示出了示例的模拟输入卡及其滤波器；图7示出了用于消除过程控制环境中的混叠的方法；并且图8示出了用于减少过程控制环境中的混叠的系统。具体实施方式过程控制网络现参考图1，过程工厂10包括多个现场设备15-17和19-22，其通过一个或多个输入/输出设备26和28连接至过程控制器12。过程控制器12可以是分布式控制系统(DCS)类型控制器，诸如例如由Fisher-Rosemount系统公司销售的DeltaVTM控制器，或任何其他类型的用于控制现场设备15-17和19-22的控制器，现场设备15-17和19-22与过程控制器12以任何传统的或任何其他期望的方式相连接。如图1所示，过程控制器12通过总线24与一个或多个操作员工作站13和14通信地耦合。总线24可以是有线的或无线的，例如基于以太网的总线，并可以使用任何期望的或适当的局域网(LAN)或广域网(WAN)协议以提供通信。操作员工作站13和14可以基于个人电脑平台或任何其他合适的处理平台，并可以执行多种已知的过程控制、维护和其他功能。操作员工作站13和14可以位于工厂本地的或者是远程的，并可以使用多种协议和多种通信设备与控制器通信。此外，过程工厂10可以包括数据历史记录器23，其通过总线24收集过程控制数据。数据历史记录器23是现有技术中公知的，因此在此不再详细描述。如已知的，过程控制器12可以存储并实现控制方案，以影响过程内的测量和设备的控制，从而由此根据一些整体控制方案来控制过程参数。过程控制器12可以向存储在例如操作员工作站13和14中的一个或多个应用报告状态信息，其关于过程的运行状态和/或现场设备15-17和19-22的运行状态。当然，这些应用可以通过分别与操作员工作站13和14相关联的显示设备30和31向过程工厂10内的操作员或维护人员显示任何期望的信息。应当理解，图1中示出的过程工厂10实质上仅仅是示例性的，也能够使用其他类型或配置的过程工厂。现场设备15-17和19-22可以是任何类型的设备，诸如传感器、阀门、变送器、定位器等，而I/O设备26和28可以是符合任何期望的通信或控制协议的任何类型的I/O设备。如图1所示，过程控制器12通过模拟线路33-35与传统的(即，非智能的)现场设备15-17通信地耦合。现场设备15-17可以是标准的4-20mA模拟现场设备，其通过模拟线路33-35与I/O设备26通信。模数转换器40可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于减少过程控制系统中的混叠的方法，其中所述过程控制系统包括至少一个模拟设备和模数转换器，所述方法包括：为所述过程控制系统中的模块设定模块执行率；基于所述模块执行率为所述模块确定奈奎斯特频率；基于所述模块执行率确定所述模数转换器后的滤波；在所述模数转换器后的滤波器中，基于所述模块执行率设定所述模数转换器中的数据采样率；并且衰减测量信号的处于和高于所述模块的所述奈奎斯特频率的频率分量。

【技术特征摘要】
2011.09.27 US 13/246,3051.一种用于减少过程控制系统中的混叠的方法，其中所述过程控制系统包括至少一个模拟设备和模数转换器，所述方法包括：为所述过程控制系统中的模块设定模块执行率；基于所述模块执行率为所述模块确定奈奎斯特频率；基于所述模块执行率确定所述模数转换器后的滤波；在所述模数转换器后的滤波器中，基于所述模块执行率设定所述模数转换器中的数据采样率；并且衰减测量信号的处于和高于所述模块的所述奈奎斯特频率的频率分量。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述奈奎斯特频率是所述模块执行率的两倍。3.根据权利要求1所述的方法，其中，衰减模块信号包括在所述模数转换器后实现低通数字有限冲击响应滤波器，以衰减测量信号中超出与所述模块执行率相关联的所述奈奎斯特频率的频率分量。4.根据权利要求1所述的方法,其中，在所述奈奎斯特频率处的衰减为至少-12dB。5.根据权利要求1所述的方法,其中，在50Hz至60Hz处的衰减为至少-40dB。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述模块执行率是从多个预设的模块执行率中选择的。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述奈奎斯特频率是基于多个预设的模块执行率而预先确定的。8.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述过程控制系统设定所述模数转换器后的所述滤波器。9.根据权利要求1所述的方法，其中，控制回路在过程响应时间内执行至少四次。10.根据权利要求9所述的方法，其中，自调节过程中的所述过程响应时间包括一阶时间加上死区时间，并且其中，积分过程中的所述过程响应时间包括所述死区时间加上对过程输入的变化的重要响应所需的时间。11.一种用于减少过程控制环境中的混叠的系统，包括：过程控制系统中的过程控制模块，所述过程控制系统以确定的模块执行率运行，其中，所述过程控制系统包括：提供模拟输出的现场设备，与所述现场设备和控制器通信地耦合的输入/输出设备，其中，所述控制器基于所述执行率为所述过程控制模块计算奈奎斯特频率；与所述输入/输出设备通信地耦合的模数转化器；以及与所述模数转换器通信地耦合的滤波器，如果在由所述模数转换器将模块信号从模拟形式转换为数字形式之后测量信号高于所述奈奎斯特...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·L·布莱文斯，M·J·尼克松，
申请(专利权)人：费希尔罗斯蒙特系统公司，
类型：发明
国别省市：