專利名稱：基于微處理器的發(fā)射機(jī)的電子線路板壽命預(yù)測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過程控制工業(yè)中的操作。具體地，本發(fā)明涉及根據(jù)對(duì)電子線路板引出的電流的重復(fù)測(cè)量，所進(jìn)行的基于微處理器的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電子線路板壽命預(yù)測(cè)。
背景技術(shù)：
受控過程中對(duì)過程變量的有效操作要求迅速地確定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的元件或通信電路中的故障，從而可以執(zhí)行適當(dāng)?shù)男Ｕ齽?dòng)作或適當(dāng)?shù)木?。在停止該過程并從過程環(huán)路中去除現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之前，確定故障或者錯(cuò)誤提供了內(nèi)在的效率。此基于微處理器的發(fā)射機(jī)包含復(fù)雜的電子電路，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，而實(shí)際上僅發(fā)生了漏電流或分流電流。例如，影響環(huán)路電流的電路漏電流可能被報(bào)告成發(fā)射機(jī)故障。
美國(guó)專利No.5,481,200提出了一種具有內(nèi)置測(cè)試裝置的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射機(jī)。該現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射機(jī)的一個(gè)方面包括得出由電子線路板引出的電流，并利用得出的電流，以提供與發(fā)射機(jī)電子線路相關(guān)的診斷輸出。本發(fā)明是對(duì)美國(guó)專利No.5,481,200所述教義的改進(jìn)。正如后面將從說明書中清楚的那樣，本發(fā)明的實(shí)施例能夠更早地檢測(cè)到問題狀態(tài)，從而促成更為有效的校正動(dòng)作。

發(fā)明內(nèi)容
一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，包括連續(xù)測(cè)量與所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電子線路引出的電流相關(guān)的參數(shù)的電路。將測(cè)量結(jié)果提供給預(yù)測(cè)引擎，所述預(yù)測(cè)引擎根據(jù)多個(gè)與電流相關(guān)的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算診斷輸出。由所述預(yù)測(cè)引擎所提供的診斷預(yù)測(cè)能夠提供對(duì)設(shè)備電子線路剩余壽命的估計(jì)。診斷特征提供所述現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射機(jī)電子線路板整體可用狀態(tài)的在線狀況。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例可具體應(yīng)用的過程控制系統(tǒng)的示意圖。
圖2是描述了典型的4～20mA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的過程控制環(huán)路電流的電流分配的圖表。
圖3是對(duì)本發(fā)明實(shí)施例有用的一對(duì)數(shù)組(array)的示意圖。
圖4是描述了多個(gè)電流值及其與圖3所示的數(shù)組之間的關(guān)系的圖表。
圖5是描述了利用線性曲線擬合對(duì)電子線路板壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行計(jì)算的圖表。
圖6描述了在時(shí)間Δt之后，獲得的第二組電流值。
具體實(shí)施例方式
過程變量通常是過程中被控制的主要變量。如這里所用，過程變量表示諸如壓力、流量、溫度、數(shù)值、電平、pH值、濁度、振動(dòng)、位置、發(fā)動(dòng)機(jī)電流或過程的任何其他特征等任何描述了過程的條件的變量?？刂菩盘?hào)表示用于控制過程的任何信號(hào)(除了過程變量之外)。例如，控制信號(hào)包括由控制器調(diào)整的所需過程變量值(即，給定值)，如所需的溫度、壓力、流量、電平、pH值或濁度等。此外，控制信號(hào)包括校正值、告警、告警條件、如輪流提供給閥動(dòng)器、加熱元件的閥位置信號(hào)、螺線管開關(guān)信號(hào)等提供給控制元件的信號(hào)或與過程的控制相關(guān)的任何其他信號(hào)。這里所使用的診斷信號(hào)包括與過程控制環(huán)路中的設(shè)備和元件的操作相關(guān)的信息，但不包括過程變量或控制信號(hào)。例如，診斷信號(hào)包括閥桿位置、所施加的扭矩或力、閥動(dòng)器壓力、用以驅(qū)動(dòng)閥的壓力氣體的壓力、電壓、電流、功率、電阻、電容、電感、器件溫度、靜摩擦、摩擦力、全開和全關(guān)位置、行程、頻率、幅度、譜和譜分量、硬度、電場(chǎng)或磁場(chǎng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、移動(dòng)、電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)、電動(dòng)機(jī)電流、與環(huán)路相關(guān)的參數(shù)(如控制環(huán)路電阻、電壓或電流)或系統(tǒng)中可檢測(cè)或測(cè)量的任何其他參數(shù)。此外，過程信號(hào)包括與過程或過程中的元件相關(guān)的任何信號(hào)，如過程變量、控制信號(hào)或診斷信號(hào)等?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括形成過程控制環(huán)路的部件或與過程控制環(huán)路耦合并用在過程的控制或監(jiān)控中的任何設(shè)備。
圖1是示出了過程控制系統(tǒng)2的示例的示意圖，過程控制系統(tǒng)2包括運(yùn)輸工藝流體的過程管道4和和負(fù)載環(huán)路電流I的兩個(gè)線路過程控制環(huán)路6?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備8、控制器10、通信器12和控制室14是過程控制環(huán)路6的全部部件，控制器10與閥動(dòng)器、閥、泵、發(fā)動(dòng)機(jī)或螺線管等環(huán)路中的最終控制元件耦合?？刂破?閥動(dòng)器10、通信器12和/或控制室設(shè)備14可以接收過程變量。所示控制器10與閥18耦合，并能夠通過調(diào)整閥18來控制過程，從而改變管道4中的流量Q?？刂破?0接收來自如控制室14、發(fā)射機(jī)8或通信器12等的、在環(huán)路6上的控制輸入，并作為響應(yīng)調(diào)整閥18。在另一實(shí)施例中，控制器10根據(jù)在環(huán)路6上接收到的過程信號(hào)H，內(nèi)部產(chǎn)生控制信號(hào)。通信器12可以是圖1所示的便攜式通信器，或者可以是監(jiān)控過程并進(jìn)行計(jì)算的永久安裝過程單元。例如，“現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備”包括圖1所示的發(fā)射機(jī)8(如Rosemount Inc.提供的3095發(fā)射機(jī))、控制器10、通信器12和控制室14。
本發(fā)明的實(shí)施例集中在基于微處理器的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電子線路板。本發(fā)明的實(shí)施例應(yīng)用于由4～20mA的信號(hào)供電的過程控制系統(tǒng)中的任何現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。本發(fā)明實(shí)施例的診斷特征通過監(jiān)控總電源電流，提供了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的所有電子線路的在線狀況。當(dāng)電源電流增加到臨界電平時(shí)，可能會(huì)使發(fā)射機(jī)的電子線路、通信協(xié)議和模擬輸出范圍退化。例如，參見美國(guó)專利No.5,481,200。這里所公開的診斷特征，依照本發(fā)明的實(shí)施例，通過估計(jì)電源電流達(dá)到預(yù)定臨界電平的剩余時(shí)間，向用戶提供對(duì)設(shè)備電子線路的預(yù)測(cè)分析。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到估計(jì)電源電流達(dá)到預(yù)定臨界電平的剩余時(shí)間僅僅是與電子線路電源電流相關(guān)的多個(gè)測(cè)量結(jié)果能與預(yù)測(cè)診斷輸出相關(guān)的一種方法。
圖2描述了典型的4～20mA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的過程控制環(huán)路電流的電流分配。通常，電子線路的電源電流或靜態(tài)電流(IQ)是低于4mA邊界的恒定直流(DC)值。如圖2所示，剩余的16mA用于實(shí)現(xiàn)給定過程測(cè)量的數(shù)值的完整范圍。在正常的操作條件下，當(dāng)電流引出更多的電源電流以執(zhí)行特定功能時(shí)，靜態(tài)電流將從其正常值稍微有所增加。例如，需要實(shí)質(zhì)能量的任務(wù)之一是對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫入操作。此外，如溫度或濕度等周圍環(huán)境也可以影響IQ。
異常條件可能使IQ上升到4mA以上的電平，此電平將影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輸出范圍。異常條件可能通過影響其中電氣部件(即，無源元件或集成電路)的性能使IQ上升。因而，如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備處于惡劣環(huán)境一段時(shí)間，可能會(huì)加劇電氣部件的退化，或者可能發(fā)生如泄漏通路或?qū)Φ氐姆种щ娏鞯绕渌姎夤收稀Ｗ鳛槭纠?，例如，如果發(fā)生了電氣故障，使得IQ的DC值變?yōu)?mA，則環(huán)路電流不可能小于6mA。即使電子線路中存在這樣的故障，對(duì)于6～20mA的過程測(cè)量結(jié)果，發(fā)射機(jī)仍然可以正常工作(傳感器、微處理器、通信等仍然有作用)。相反，如果過程測(cè)量結(jié)果在4～6mA之間，操作員或使用模擬輸出信號(hào)的過程控制儀器將接收到不精確的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的實(shí)施例采用了預(yù)測(cè)引擎，此預(yù)測(cè)引擎獲得與電源電流測(cè)量結(jié)果的序列相關(guān)的數(shù)據(jù)，并計(jì)算電源電流(IQ)達(dá)到預(yù)設(shè)上限之前剩余的時(shí)間。實(shí)質(zhì)上，裝備有此預(yù)測(cè)診斷的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，依照本發(fā)明的實(shí)施例，將預(yù)測(cè)其自身電子線路板的壽命。這不僅預(yù)先警告用戶可能的錯(cuò)誤操作，而且提供給用戶額外的時(shí)間，或者在危害到具體過程控制環(huán)路的性能之前，替換發(fā)射機(jī)或其電子線路板，或者過程本身。
圖3描述了促成本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。具體地，示出了一對(duì)長(zhǎng)度為N的數(shù)組。在診斷期間，采樣與電源電流相關(guān)的參數(shù)或者甚至是電源電流本身，并作為IQ值存儲(chǔ)在數(shù)組100中。周期性地重復(fù)此過程，直到以預(yù)定數(shù)目(N)的IQ值填充陣列100。概念上，這組IQ值是數(shù)組，但可以按照任何格式的數(shù)字進(jìn)行建模和/或存儲(chǔ)。類似的數(shù)組T，對(duì)應(yīng)于采樣每個(gè)IQ值的時(shí)間。這些數(shù)值最好存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。一旦兩個(gè)數(shù)組都填滿時(shí)，將數(shù)組的內(nèi)容提供給最好以微處理器上運(yùn)行的軟件實(shí)現(xiàn)的預(yù)測(cè)引擎。預(yù)測(cè)引擎對(duì)IQ值對(duì)時(shí)間的采樣實(shí)施曲線擬合，如數(shù)組(T)所示，并產(chǎn)生連續(xù)時(shí)間公式IQ(t)的系數(shù)。例如，如果將IQ的上限設(shè)置在4mA，預(yù)測(cè)引擎利用IQ(t)的系數(shù)，計(jì)算到IQ＝IQMAX的絕對(duì)時(shí)間(TABS-LIFE)。由于TABS-LIFE相對(duì)于時(shí)間T0(T[1])的初始值，實(shí)際剩余時(shí)間時(shí)TABS-LIFE與t[N]之間的差。此時(shí)間被稱為電子線路板壽命。
圖4描述了在多個(gè)時(shí)間t獲得的多個(gè)IQ值。如圖所示，每個(gè)采樣之間的周期最好是恒定的，以便簡(jiǎn)化計(jì)算。但是，可以根據(jù)包括如所計(jì)算的電子線路板壽命和所計(jì)算的電子線路板壽命改變的速度等任意數(shù)目的因素，來改變測(cè)量之間的周期。
圖5是描述了對(duì)電子線路板壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行計(jì)算的圖表。作為示例，對(duì)于任意值N，例如10，在t＝T9將填滿數(shù)組IQ和T(參見圖3)。此時(shí)，預(yù)測(cè)引擎將計(jì)算以下數(shù)值Iq(t)→t(Iq) 公式1TABS-LIFE＝t(Iq-max)TEB-LIFE＝t(Iq-max)-t[N]公式2在本實(shí)施例中，預(yù)測(cè)引擎選擇線性曲線擬合，來表示IQ(t)和圖5所示的TEB-LIFE的計(jì)算。本領(lǐng)域的計(jì)算人員將意識(shí)到能夠提供多種方法，將包含在數(shù)組或其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)校正為預(yù)測(cè)診斷輸出，而且這些方法是可以考慮的。例如，也可以使用非線性關(guān)系。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)和/或模糊邏輯關(guān)系可以用于建立測(cè)量的電源電流參數(shù)和諸如電子線路板的剩余時(shí)間等診斷輸出之間的關(guān)系。
由于采樣大小N是固定的，在能夠采樣IQ的下一數(shù)值前，需要移位數(shù)組中的每個(gè)元素。這被稱為先進(jìn)先出方式。這樣，數(shù)組的最后一個(gè)元素將被IQ的下一數(shù)值所取代。這樣Iq[k]＝Iq[k+1] k＝1到N-1 公式3Iq[N]＝下一Iq讀取值 公式4因此，IQ數(shù)組作為壽命FIFO(先進(jìn)先出)數(shù)組或序列。以類似的方式，圖6描述了對(duì)下一組N＝10(T0-0)的IQ和T的數(shù)值的獲取。如上所述，在數(shù)組中移位先前的IQ值，并在T10獲得新的IQ值。隨著T10的獲得，再次調(diào)用預(yù)測(cè)引擎，如上所述，預(yù)測(cè)電子線路板壽命的計(jì)算。優(yōu)選地，周期性地進(jìn)行電子線路板壽命預(yù)測(cè)。但是，也可以或者通過在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身的本地用戶接口，或者通過在控制環(huán)路上向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送適當(dāng)?shù)耐ㄐ判盘?hào)，人工調(diào)用電子效率板壽命預(yù)測(cè)。
盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域的技術(shù)工人將意識(shí)到在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在形式或細(xì)節(jié)上進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，具有兩個(gè)能夠與4～20mA過程控制環(huán)路耦合的接線端，所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括設(shè)備電子線路，從4～20mA過程控制環(huán)路引出電源電流；電源電流測(cè)量電路，適于測(cè)量與設(shè)備電子線路消耗的電源電流相關(guān)的參數(shù)；存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，適于接收和存儲(chǔ)與連續(xù)測(cè)量的電源電流參數(shù)相關(guān)的多個(gè)數(shù)據(jù)；以及預(yù)測(cè)引擎，與存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)耦合，根據(jù)多個(gè)電流電源參數(shù)，計(jì)算針對(duì)設(shè)備電子線路而估計(jì)的壽命。
2.按照權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是過程控制發(fā)射機(jī)。
3.按照權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是閥。
4.按照權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于所述預(yù)測(cè)引擎對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)的電源電流參數(shù)采用線性曲線擬合。
5.按照權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于所述預(yù)測(cè)引擎對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)的電源電流參數(shù)采用非線性曲線擬合。
6.按照權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是數(shù)組。
7.按照權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于所述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)數(shù)組，第一數(shù)組存儲(chǔ)與多個(gè)連續(xù)測(cè)量的電源電流相關(guān)的數(shù)據(jù)，而第二數(shù)組包含與第一數(shù)組的測(cè)量時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)。
8.按照權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于所述預(yù)測(cè)引擎針對(duì)壽命估計(jì)的計(jì)算，適合于使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析。
9.按照權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其特征在于所述預(yù)測(cè)引擎針對(duì)壽命估計(jì)的計(jì)算，適合于使用模糊邏輯。
10.一種預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的板電子線路壽命的方法，所述方法包括連續(xù)地測(cè)量與電子線路電源電流相關(guān)的多個(gè)參數(shù)；對(duì)連續(xù)測(cè)量的電源電流參數(shù)采用數(shù)學(xué)模型；以及計(jì)算電源電流期望達(dá)到選定閾值時(shí)的未來時(shí)間。
11.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于計(jì)算未來時(shí)間包括采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析。
12.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于計(jì)算未來時(shí)間包括采用模糊邏輯。
13.一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠與兩線4～20mA過程控制環(huán)路耦合，所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括設(shè)備電子線路；電源電流測(cè)量電路，能夠與4～20mA過程控制環(huán)路耦合；以及預(yù)測(cè)裝置，根據(jù)多個(gè)連續(xù)的電源電流測(cè)量結(jié)果，預(yù)測(cè)電子線路板的殘余壽命估計(jì)。
全文摘要
一種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(8)，包括連續(xù)測(cè)量與提供給預(yù)測(cè)引擎的電流測(cè)量結(jié)果相關(guān)的參數(shù)的電路，所述預(yù)測(cè)引擎根據(jù)多個(gè)與電流相關(guān)的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算診斷輸出。由所述預(yù)測(cè)引擎提供的診斷預(yù)測(cè)能夠提供對(duì)設(shè)備電子線路剩余壽命的估計(jì)。診斷特征提供所述現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射機(jī)電子線路板整體可用狀態(tài)的在線狀況。
文檔編號(hào)G05B23/02GK1493003SQ02805490
公開日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2002年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月5日
發(fā)明者格雷戈里·H·羅梅, 埃夫倫·埃爾于雷克, 卡迪爾·卡瓦列奧格魯, 卡瓦列奧格魯, 埃爾于雷克, 格雷戈里 H 羅梅 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司