JP2006039892A - フィールド機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 既設のフィールド機器の無線化を容易に行なえるようにすること。
【解決手段】 各種プロセスの現場に設置され上位の制御コンピュータ・システムに信号線を介して接続するフィールド機器において、前記信号線に、前記信号線に流れる信号を無線プロトコルに変換する信号変換手段と、前記無線プロトコルを無線送信する無線通信手段とを備える無線通信装置を設置することを特徴とするフィールド機器。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラント、工場等に分散配置されている圧力／差圧伝送器、各種流量計、温度計、バルブ・ポジショナ等のフィールド機器に関し、特に、このフィールド機器と接続される制御コンピュータ・システム等との間の信号送受信動作を改善するものである。

本発明は、上記したような、プラント、工場等に分散配置されている、圧力／差圧伝送器、各種流量計、温度計、バルブ・ポジショナ等のフィールド機器を対象とするものである。

このようなフィールド機器は、２線式信号伝送線等で上位に設置される制御コンピュータ・システムと接続し、４−２０ｍＡの電流信号を送受信することにより、電源を生成するとともに、収集したデータを上位に送信する。

近年になっては、無線手段をフィールド機器に組み込んで、検知、収集したデータを制御コンピュータ・システム側へ送信するような提案もあり、本発明に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。

特表平１０−５０８１２９公報 特開２００３−１３４０３０号公報 特開２００３−１３４２６１号公報 米国特許第５６８２４７６号明細書 米国特許第６２３６３３４号明細書

図３は、このような従来のフィールド機器が接続される全体システムの例を表わす図である。この図で、各種の流体が流れるパイプＱに、各種のフィールド機器として、バルブＶ及びポジショナＰ、流量計Ｆ、オリフィスｏを含む差圧伝送器Ｄが接続されている。

それぞれのフィールド機器Ｐ，Ｆ，Ｄは、制御システムＦＣＳと、入出力装置Ｉ／Ｏを介してそれぞれ２線式信号伝送線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３により接続され、４−２０ｍＡ電流信号により電源を供給され、検知した物理量信号（流量信号、圧力信号等）を送信する。

更に、それぞれのフィールド機器Ｐ，Ｆ，Ｄに無線通信手段を内蔵させ、検知した物理量信号を無線信号に変換して無線局（図示せず）に送信する方式も提案されている。

またその一方では、それぞれのフィールド機器を診断するため上位に診断ツールＭＭＩを設置する、あるいは、診断センサを既設のフィールド機器に設置して、上記の２線式伝送線の他に信号線を新たに敷設してフィールド機器の診断を行なうようなシステムも提案されている。

フィールド機器の一般的な構成ブロックを図４に表わす。
図４にあって、フィールド機器１０は、各種流体の物理量を検知するセンサＳを含み、センサＳからの値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部１１、Ａ／Ｄ変換部１１からの値について各種演算処理を実行するＣＰＵ等の演算手段１２、演算手段１２の演算結果をＤ／Ａ変換して２線式信号伝送線Ｌに出力するＤ／Ａ変換部１３、２線式信号伝送線Ｌから各種の指示信号、設定信号等を受信して演算手段１２に送出する受信部１４を備える。

尚、図３に示した入出力装置Ｉ／Ｏは、端的には、図４に示す、２線式伝送線Ｌに電源を供給する電源Ｂ、抵抗Ｒ、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）を備えるブロックである。

このような構成にあって、センサＳで検知した物理量は、各種演算が施され、４−２０ｍＡ電流信号として２線式伝送線Ｌに出力される。

入出力装置Ｉ／Ｏは、この４−２０ｍＡ電流信号を受信して上位の制御システム（コントローラ）ＦＣＳまたは診断ツールＭＭＩへ送出する。

しかしながら、フィールド機器の診断、または信号伝送の冗長化等の観点からフィールド機器の無線化を考えると、通常、１システムで多数台設置されている、既設のフィールド機器に対しては、無線機能付きのフィールド機器に更新するのは煩雑であり、また、無線機能を付加するために１台ずつ回路を改造するのも煩雑でコストもかかりすぎる、という問題があった。

本発明は、以上の問題を解決するものであり、既設のフィールド機器の無線化を容易に行なえるようにすることを目的とする。

このような課題を解決した本発明は、次の通りである。
（１）各種プロセスの現場に設置され上位の制御コンピュータ・システムに信号線を介して接続するフィールド機器において、
前記信号線に、前記信号線に流れる信号を無線プロトコルに変換する信号変換手段と、前記無線プロトコルを無線送信する無線通信手段とを備える無線通信装置を設置する
ことを特徴とするフィールド機器。
（２）前記無線通信装置は、前記信号線上の信号より電源を生成する電源生成手段を備えることを特徴とする（１）に記載のフィールド機器。
（３）前記電源生成手段は、可変インピーダンスであることを特徴とする（２）に記載のフィールド機器。
（４）前記無線通信手段は、外部からの無線信号を受信することを特徴とする（１）に記載のフィールド機器。
（５）前記信号変換手段は、前記無線通信手段で受信した前記無線信号をプロトコル変換して前記信号線上の信号に重畳し前記フィールド機器に送信することを特徴とする（４）に記載のフィールド機器。
（６）前記信号変換手段は、前記無線通信手段からの前記無線プロトコルを送信する相手先を定める経路設定手段を備えることを特徴とする（１）に記載のフィールド機器。
（７）前記信号変換手段は、前記無線通信手段で受信した前記無線信号を送信する相手先を定める経路設定手段を備えることを特徴とする（１）に記載のフィールド機器。
（８）前記無線通信装置は、電源として電池手段を備えることを特徴とする（１）に記載のフィールド機器。
（９）前記無線通信装置は、前記フィールド機器が接続する前記信号線に直列に接続することを特徴とする（１）から（８）に記載のフィールド機器。
（１０）前記信号線は、２線式伝送線であることを特徴とする請求項１から請求項９に記載のフィールド機器。

以上説明したことから明らかなように、本発明のフィールド機器によれば次のような効果がある。

無線通信装置を接続することにより、信号変換手段が信号線上の信号を無線プロトコルに変換して無線で送信することができるので、当該フィールド機器の診断、各種データ処理が容易となる。

無線通信装置の電源は、可変インピーダンス等により、フィールド機器が接続する信号線から生成することができるので、省電力化を実現することができる。

無線通信装置は、外部からの無線信号を取り込むことができるので、双方向の無線通信を実現することができる。

信号変換手段は、外部からの無線信号を取り込み、プロトコル変換後に信号線に重畳するので、無線通信により、フィールド機器の各種設定を実現することができる。

経路設定手段の無線経路設定により、信号線上の信号に対応する無線信号、または、外部から受信した無線信号の送信先を、通常の無線局はもとより、他のフィールド機器に接続する無線通信装置とすることができ、無線の中継点としてこの無線通信装置を活用することができる。

無線通信装置の電源を電池とすることにより、信号線上の電力を消費しないことも実現できる。

無線通信装置の接続を、例えば、２線式信号伝送線である、信号線に直列に接続するので、フィールド機器及び信号線に対して大規模な改修、変更を加える必要はない。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明にかかるフィールド機器の構成を表わすブロック図である。

この図にあって、本発明は、フィールド機器１０に結合する２線式信号伝送線Ｌ上に、無線通信装置２０を直列に接続することを特徴とするものである。尚、このフィールド機器１０は、図４に示した従来のフィールド機器１０と同一の構成であるので、その説明は省略する。

この無線通信装置２０は、既設のフィールド機器１０にあって、上位の制御システムとの通信手段である２線式信号伝送線Ｌの途中に割り込むように設置する。

この無線通信装置２０は、２線式信号伝送線Ｌに流れる少ない電流から電力を得るための電源生成手段としての可変インピーダンス２１、伝送線Ｌに流れる４−２０ｍＡ電流信号に対応する無線プロトコルを生成する信号変換手段２２、信号変換手段２２からの無線プロトコルを無線送信するとともに、受信した無線信号を取り込み、または、他の無線通信装置２０等に転送する無線通信手段２３を有する。

尚、信号変換手段２２は、自分宛ての無線信号を受信した場合にはその無線プロトコルを解釈し、伝送線Ｌに接続された可変インピーダンスにより信号を変調してフィールド機器１０側へ送出する。

更に、信号変換手段２２には、後述するように、複数のフィールド機器に設置される無線通信装置を相互に経由して上位の無線局へ無線信号を転送する用に無線経路を設定する経路設定手段２２ａを備える。

詳しくは、経路設定手段２２ａは、この無線通信装置２０の無線信号の送信先となる上位の無線局を指定する、または、他のフィールド機器に設置される無線通信装置を中継点として指定する、更に、その中継点となる無線通信装置が故障、異常のときは、他の無線通信装置を指定するようなアルゴリズムが設定される回路部である。

尚、無線通信装置２０に、電源部として可変インピーダンス２１から電力を受ける代わりに、電池手段２４を設置するようにしてもよい。

このような構成の本発明は、次のように作用する。
フィールド機器１０からの信号を無線で送信するには、図１に示す無線通信装置２０を、例えば、２線式信号伝送線Ｌ上の接続点ｃ１，ｃ２等に直列に設置する。

これにより、まずはじめに、２線式信号伝送線Ｌ上に流れる４−２０ｍＡ電流は，可変インピーダンス２１によってこの無線通信装置２０に必要な電力が生成され、この無線通信装置２０内の各構成要素に電源として供給される。

尚、可変インピーダンスは、直流域では、一般のシャント・レギュレータとしてみなされる。

そして、信号変換手段２２は、２線式信号伝送線Ｌ上を流れている４−２０ｍＡ電流信号をその大きさに対応した無線プロトコルに変換し、無線通信手段２３に送出する。無線送受信手段２３は、この無線プロトコルを上位の無線局（図示せず）に無線信号として送出する。

あるいは、可変インピーダンス２１により、電圧、周波数に変調してディジタル信号としてフィールド機器１０からの物理量信号を取得し、無線信号として送出するようにしてもよい。

このようにして、２線式伝送線Ｌ上に流れる電流信号の大きさに対応した無線信号を外部に送出することができ、フィールド機器１０と外部の無線局との間で無線通信を実現することができる。

またその一方で、この無線通信装置２０を２線式信号伝送線Ｌに設置した場合、外部からの設定変更等の無線信号を受信した場合は、次の通りとなる。このときは、フィールド機器１０の設定変更のためのハンドヘルド・ターミナルの代用となる。即ち、フィールド機器１０設定変更を無線で受信した場合である。

このとき、信号変換手段２２は、受信した無線信号を解釈し、自分宛てのものであれば、無線信号を電圧信号、周波数信号等に変調し、可変インピーダンス２１のインピーダンスを可変することにより、受信した無線信号に含まれる設定信号等を２線式伝送線Ｌに重畳する。

このようにして、２線式信号伝送線Ｌに接続するフィールド機器１０に、無線通信装置２０を外付け設置することにより、このフィールド機器１０が２線式信号伝送線Ｌに出力する電流信号に対応する無線信号を外部に送出することができる。

また、外部からの設定、または信号監視、モニタのための無線信号を受信した場合に、この無線信号を２線式信号伝送線Ｌに重畳し、フィールド機器１０の各種設定を変更、またはフィールド機器の監視、モニタをすることができる。

また、信号変換手段２２は、経路設定手段２２ａを備えていて、この経路設定手段２２ａは、この無線通信装置２０から無線信号を送出する相手、受信した無線信号を転送する相手を設定する機能を備えているので、下記の作用効果を得る。

この無線通信装置２０から無線信号を送出する相手が故障していた場合、異常が発生していた場合等は、無線信号を送出する相手を変更する、あるいは、単に無線信号の中継点として、受信した無線信号を他のフィールド機器に付加される無線通信装置へ転送する無線経路が設定される。

尚、この無線通信装置２０の電源としては、２線式信号伝送線Ｌ上の４−２０ｍＡから生成する例を挙げたが、内部に電池手段２４を設置してもよい。

このようにしてフィールド機器１０の付加装置としての無線通信装置２０を実現するとかできる。

図２は、このような無線通信装置を付加するフィールド機器を備える全体システムの例である。この例は、図３に示した従来の全体システムにおけるそれぞれのフィールド機器Ｐ，Ｆ，Ｄが結合する２線式信号伝送線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に、無線通信装置ＰＭ，ＦＭ，ＤＭを接続、付加した例である。

上記したように、これらの無線通信装置ＰＭ，ＦＭ，ＤＭは、２線式信号伝送線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３において、それぞれ適切な箇所に設置する。

このような構成により、各フィールド機器Ｐ，Ｆ，Ｄは、無線通信装置ＰＭ，ＦＭ，ＤＭを介在し、２線式信号伝送線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に送出する信号を無線信号ｍ１，ｍ２，ｍ３として無線局ＳＴへ送信することができる。または、無線方式のハンドヘルド・ターミナルＨＨＴと無線信号ｍ６により通信するようにしてもよい。

また、フィールド機器Ｐ，Ｆ，Ｄまたは無線通信装置ＰＭ，ＦＭ，ＤＭの設置状況によっては、無線が無線局ＳＴへ届かない場合もあるので、無線経路を、例えば、無線通信装置ＤＭから無線通信装置ＦＭへ無線信号ｍ４を送信し、無線通信装置ＦＭを中継点とし、無線通信装置ＦＭから無線信号ｍ５を無線通信装置ＰＭへ送信させ、無線通信装置ＰＭから無線局ＳＴから無線信号ｍ１を送信する、という無線経路を設定してもよい。

あるいは、上記の経路とは逆の経路を設定するようにしてもよい。または、中継点の無線通信装置が故障していたような場合には、中継点を変更するように無線経路を変更するようにしてもよい。

また、電源生成手段として、信号伝送線Ｌから生成するのではなく、電池手段２４とすることにより、信号伝送線Ｌ上の電力を消費することはないので、その分、省電力を実現することもできる。

本発明によれば、以上のようにして、フィールド機器に関連する信号を無線送信、無線受信、無線信号による設定変更等を実現することができる。

本発明のフィールド機器全体構成を表わす図である。 本発明のフィールド機器を用いた全体システムの図である。 従来のフィールド機器を用いた全体システムの図である。 従来のフィールド機器の構成ブロック図である。

符号の説明

１０ フィールド機器
１１ Ａ／Ｄ変換部
１２ 演算手段
１３ Ｄ／Ａ変換部
１４ 受信部
Ｓ センサ
２０ 無線通信装置
２１ 可変インピーダンイス
２２ 信号変換手段
２２ａ 経路設定手段
２３ 無線通信手段
ｃ１，ｃ２ 接続点
Ｂ 電源
Ｒ 抵抗
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ ２線式信号伝送線

Claims (10)

1. 各種プロセスの現場に設置され上位の制御コンピュータ・システムに信号線を介して接続するフィールド機器において、
   前記信号線に、前記信号線に流れる信号を無線プロトコルに変換する信号変換手段と、前記無線プロトコルを無線送信する無線通信手段とを備える無線通信装置を設置する
   ことを特徴とするフィールド機器。
2. 前記無線通信装置は、前記信号線上の信号より電源を生成する電源生成手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。
3. 前記電源生成手段は、可変インピーダンスであることを特徴とする請求項２に記載のフィールド機器。
4. 前記無線通信手段は、外部からの無線信号を受信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。
5. 前記信号変換手段は、前記無線通信手段で受信した前記無線信号をプロトコル変換して前記信号線上の信号に重畳し前記フィールド機器に送信することを特徴とする請求項４に記載のフィールド機器。
6. 前記信号変換手段は、前記無線通信手段からの前記無線プロトコルを送信する相手先を定める経路設定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。
7. 前記信号変換手段は、前記無線通信手段で受信した前記無線信号を送信する相手先を定める経路設定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。
8. 前記無線通信装置は、電源として電池手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器。
9. 前記無線通信装置は、前記フィールド機器が接続する前記信号線に直列に接続することを特徴とする請求項１から請求項８に記載のフィールド機器。
10. 前記信号線は、２線式伝送線であることを特徴とする請求項１から請求項９に記載のフィールド機器。
    

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