JP2007334491A - ４線式フィールド機器 - Google Patents

Abstract

【課題】フィールドバス電源の電圧低下或いは遮断があると、その異常情報の記録・保持ができず、電源復帰後にＬＡＳの内部変数を受け取って正常なＬＡＳ機能を維持することもできない。
【解決手段】フィールドバス電源とホストコンピュータとが接続されたフィールドバスに接続され、前記ホストコンピュータと通信を実行する４線式フィールド機器において、前記フィールドバス電源の電圧低下を検出する電圧低下検出部と、前記電圧低下検出部から得た電源情報を格納する情報処理部とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フィールドバス電源に接続された４線式フィールド機器等に係り、特にフィールドバス電源の電圧低下または遮断の監視に関する。

図４にコリオリ質量流量計或いは電磁流量計、超音波流量計、レベル計等のフィールド機器に接続される従来の一般的なフィールドバスシステムの構成を示す。図４において、フィールドバス１０，１１は共通のフィールドバス電源１２に接続されている。

フィールドバス１０，１１の両端部には一対のターミネータ１３，１４が接続され、このフィールドバス１０，１１にはこのフィールドバス１０，１１を介して通信を行うホストコンピュータ１５が接続されている。

さらに、フィールドバス１０，１１は、フィールドバス１０，１１から分岐した２線１７，１８により電源の供給を受けると共に通信を行う差圧／圧力伝送器等の複数の２線式フィールド機器１９等が接続されている。

また、フィールドバス１０，１１には、商用電源２０から２本の電源線２１，２２により電源が供給され２線２３、２４によりフィールドバス１０，１１に接続されて通信を行う電磁流量計、或いはコリオリ質量流量計、超音波流量計、レベル計等の４線式とされた４線式フィールド機器２５が接続されている。

つまり、４線式フィールド機器は商用電源或いはフィールドバス電源１２と別の電源、例えば直流２４Ｖ電源などにより電力が供給されて動作する機器であり、２線式フィールド機器はフィールドバス電源１２により電力が供給されて動作する機器である。

なお、電磁流量計は測定流体に磁場を印加するために大きなエネルギーを必要とするために、コリオリ質量流量計は流路を構成する測定チューブを励振させるために大きなエネルギーを与えるために、それぞれフィールドバス電源１２以外の商用電源２０により電力を供給する４線式として構成されている。

そして、図４は、これらのフィールドバス１０，１１、フィールドバス電源１２、ホストコンピュータ１５、ターミネータ１３，１４、及び２線式フィールド機器１９などで構成されているフィールドバスシステム２６に対して、４線式フィールド機器２５が２線２３、２４を介してフィールドバス１０，１１に接続されている構成である。該フィールドバスシステムの規格にはファンデーションフィールドバス（Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）、プロフィバス（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）などがある。

このような接続構成において、ホストコンピュータ１５からの指令または定周期で２線式フィールド機器１９、或いは４線式フィールド機器２５等の複数のフィールド機器の１つが選択され、選択されたフィールド機器の消費電流の交流変調によりホストコンピュータ１５との間でディジタル通信が実行される。

一方、２線式の差圧／圧力伝送器等或いはコリオリ質量流量計等の４線式のフィールド機器は、差圧／圧力、または流量等の物理量をセンサにより電気信号に変換して、差圧／圧力、流量等を算出して、算出された値を交流の変調信号に変換して消費電流を伝送する。

この消費電流は、例えば４―２０ｍＡに設計され、可変部０−１６ｍＡのスパンを、８ｍＡを中心に±８ｍＡで交流変調する。そして、フィールドバス間の負荷抵抗を５０Ωの設計にすると、フィールドバス間には±４００ｍＶの交流電圧が発生し、これをホストコンピュータ１５が受信する。また、通信信号はフィールドバス規格では、０．７５〜１Ｖｐ―ｐの信号をフィールドバスの電圧に重畳する。

なお、下記の特許文献１の図２には、このような従来の一般的なフィールドバスシステムの構成の概要が記載されている。
特開２００４−８６４０５号公報

しかし、このようなシステムには、次のような課題があった。フィールドバス電源１２が遮断または低下した場合、２線式フィールド機器１９は電源がなくなるので動作不良になるが、４線式フィールド機器２５は商用電源２０が供給されているので内部動作をしている。

これは、フィールドバス電源１２が復帰するまで通信できない異常状態であり、４線式フィールド機器２５は電源状態を監視していても異常があったことを外部に知らせることができない。

フィールドバス電源１２が遮断、低下で通信不可となる。この場合２線式フィールド機器１９は動作不能になるが４線式フィールド機器２５は内部動作している。４線式フィールド機器２５は電圧低下を監視していないので、フィールドバス電源１２の電圧が復帰して通信が再開されても、通信不可の原因が分からず原因調査に多大な工数を要する。また、フィールドバス電源１２の劣化で頻繁に電圧の低下と復帰が起こると、いずれ完全に故障して電圧を出力せず通信不可により操業停止となり、多大な損害となる。

また、４線式フィールド機器２５がフィールドバス上でマスター機能を持つ後述するＬＡＳ（Link Active Scheduler）となる場合には、他の２線式フィールド機器１９の持つプロセスを制御するための指令や監視をするための指令監視情報に関するＬＡＳとして動作するための内部変数を現在ＬＡＳとなっている機器から受け継ぐことになるが、フィールドバス電源１２が遮断または低下した場合には、４線式フィールド機器２５はＬＡＳとなっていた機器と通信ができないため、ＬＡＳが存在しなくなったと判断してＬＡＳ機能を働かせようとするが、通信ができないためこの内部変数を受け取れず、初期変数のあるいは最新の値に更新されないままＬＡＳ機能が働くので、それ以降、正常なＬＡＳとして機能できない。

従って、本発明の目的は、４線式フィールド機器がフィールドバス電源の電圧低下或いは遮断を監視してこの情報を蓄積しておくことにより、ホストコンピュータからその情報を読み込んでフィールドバス電源の異常情報の確認ができメンテナンスや予防保全に役立てる共に、電源復帰後にＬＡＳの内部変数を受け取って正常なＬＡＳ機能を維持できるようにすることである。

フィールドバス電源がどの電圧まで低下したとき各フィールド機器が通信不可となるかは異なるので、電圧低下検出閾値を固定してしまうと通信可能であるのに電源低下情報を蓄積することになり、それを受け取ったオペレータは混乱する恐れがあるので防止することが好ましい。

また、電圧低下して通信不可となる前にまたは不可となっても早期にバックアップ電源に切換えて通信を継続できればより好ましい。

このような課題を達成する本発明は以下のとおりである。
（１）フィールドバス電源とホストコンピュータとが接続されたフィールドバスに接続され、前記ホストコンピュータと通信を実行する４線式フィールド機器において、前記フィールドバス電源の電圧低下を検出する電圧低下検出部と、前記電圧低下検出部の出力から電源情報を生成して格納する情報処理部とを具備することを特徴とする４線式フィールド機器。
（２）前記電源情報は、前記フィールドバス電源の電圧低下の時間または時刻または回数であることを特徴とする（１）記載の４線式フィールド機器。
（３）前記情報処理部は、電源電圧の低下から正常に復帰したときにＬＡＳとして動作するための内部変数をＬＡＳとなっている機器から得て更新することにより正常なＬＡＳ機能を可能とする更新手段を有することを特徴とする（１）記載の４線式フィールド機器。
（４）前記情報処理部は、電圧低下の検出閾値を前記電圧低下検出部に出力する設定手段を具備することを特徴とする（３）記載の４線式フィールド機器。
（５）フィールドバスバックアップ電源と電源切替器を有し、前記情報処理部は前記電圧低下を検出により電源切替信号を前記電源切替器に出力する切替手段を有し、前記電源切替器は前記電源切替信号により前記フィールドバスバックアップ電源を前記フィールドバス電源から切り替えて前記フィールドバスに電源を供給することを特徴とする（１）記載の４線式フィールド機器。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
本発明によれば、４線式フィールド機器が電圧低下検出器と情報処理部により、フィールドバス電源の電圧低下或いは遮断を監視してこの情報を蓄積しておくことにより、ホストコンピュータからその情報を読み込んで通信不可の原因となったフィールドバス電源の異常情報の確認ができ調査工数を低減できる。また、頻繁に電圧低下があれば、完全に故障する前に電源を交換することで通信不可による操業停止を回避でき、メンテナンスや予防保全に役立てることができる。

なお、電源情報は、上記の原因調査・メンテナンス・保全により好ましいもの、つまり、低下している時間が長かったり、回数が多ければ電源故障が重度であり交換の目安になる。時刻が分かれば、周囲の状況も鑑み低下原因の調査範囲や対象を絞りやすい。
電源復帰後にＬＡＳの内部変数を受け取って正常なＬＡＳ機能を維持することができる。

電圧低下検出閾値を設定することにより電圧低下、通信不可の監視をより適切にできる。
通信不可となる前にまたは不可となっても早期にバックアップ電源に切換えれば、通信をできて流量制御など継続できより好ましい。

以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る４線式フィールド機器の１実施例を示す構成図である。なお、以下の説明において、説明を簡単にするために、図４に示す従来の構成と同一の機能を有する部分には同一の符号を付して適宜にその説明を省略する。

図１において、４線式フィールド機器３０は、入出力部３１，通信送受信部３２，内部電圧生成部３３，電圧低下検出部３４，カウンタ３５、情報処理部３６、時刻タイマー３７、センサ３８、主電源部３９等より構成されている。

入出力部３１は、フィールドバス１０，１１から２線２３、２４を介して、機器内部に電圧・電流を引き込み、通信のときには消費電流を交流変調または一定の電圧波形を重畳する。

内部電圧生成部３３は、入出力部３１から引き込んだ電圧を用いて、例えば５Ｖの一定の電圧を生成して内部電圧Ｖｉとして、他の情報処理部３６等の構成要素に供給する電源とは区別して、通信送受信部３２と電圧低下検出部３４に供給する。

電圧低下検出部３４は、フィールドバス電源１２の電圧が低下した場合に、この電圧低下により内部電圧Ｖｉが低下するので、ＶｉまたはＶｉを分圧した電圧と電圧低下検出閾値とをコンパレータなどで比較して、情報処理部３６に送信する。例えば、電圧低下検出部３４の出力は、低下時は０Ｖ、正常のときや復帰のときには５Ｖを出力して情報処理部３６がその状態を判断できる。

また、情報処理部３６は、内蔵するＣＰＵ（Central processing unit）４０の制御の基に時刻タイマー３７から電圧低下が発生及び復帰した時刻を獲得して、両時刻の差から低下していた時間、低下した回数を生成して、低下した時間、時刻、回数等を電源情報としてメモリ４１に記憶する。

一方、主電源３９は、電源線２１，２２を介して商用電源２０から電源の供給を受け、通信送受信部３２以外の他の構成要素である情報処理部３６等の動作に必要な主電圧Ｖｍ及び大きなエネルギーを必要とする電磁流量計、コリオリ質量流量計等のセンサ３８の駆動部（センサ駆動部１０２）へ供給する駆動電圧Ｖｄを生成する。

そして、センサ３８は、流量等に対応した起電圧などを検出してこれをセンサ信号Ｖｓとして増幅器１０１に入力して、その後アナログデジタル変換器(Ａ／Ｄ)１０３から情報処理部３６に出力し、情報処理部３６はＣＰＵ４０、メモリ４１等を用いてアナログデジタル変換器(Ａ／Ｄ)１０３の出力に対してノイズ除去、スパン調整、流量演算などの信号処理を実行し、その結果を通信送受信部３２、入出力部３１を介してフィールドバス１０，１１に送出する。

センサ３８は、増幅器１０１の出力や情報処理部３６のセンサ駆動制御信号を受けて、センサ駆動部１０２を介して駆動される（磁場発生やチューブの振動）。また、通信送受信部３２は、ホストコンピュータ１５などからの通信信号を受信して、受信信号を情報処理部３６へ送る。

情報処理部３６は、以上のセンサ信号Ｖｓの信号処理機能の他に、以下のフィールドバス電源１２の監視機能を持つ。フィールドバス電源１２の電圧が低下すると、内部電圧Ｖｉも低下するので、その電圧低下は電圧低下検出部３４で検出する。

電源情報としては、電圧が低下していた時間、低下した時刻、低下した回数等があるが、これらの電源情報は情報処理部３６により生成されてメモリ４１に格納される。

その後、フィールドバス電源１２の電圧が回復すると、ホストコンピュータ１５がこれらの電源情報を通信を介して要求することにより、これらの電源情報は通信送受信部３２、入出力部３１を介してフィールドバス１０，１１に送出され、ホストコンピュータ１５に送信される。

これにより、ユーザーは、フィールドバス電源１２の電圧低下情報が得られてフィールドバス電源１２のメンテナンスや完全に故障する前に交換する等の予防保全が可能となるメリットがある。

そして、情報処理部３６は、フィールドバス電源１２の電圧低下から上昇して電圧復帰したときに、フィールドバス上でマスターとして機能するためのＬＡＳの内部変数をＬＡＳとなっているホストコンピュータ１５や２線式フィールド機器１９から通信送受信部３２を介して得ることで、４線式フィールド機器３０は正常なＬＡＳ機能が可能となる。ＬＡＳ（Ｌｉｎｋ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｅ）とは、フィールドバス規格に定められており、フィールド機器から流量値等を得る等を行い、プロセスなどのシステムの制御・監視を行う機能を有する。

４線式フィールド機器３０は、フィールドバス電源１２が遮断されると、ＬＡＳからデータが来なくなるので、フィールドバスに必要なＬＡＳがいなくなったと判断にして、自身がＬＡＳとして機能しようとする。しかし、ＬＡＳとして機能するためには、ＬＡＳとなっているホストコンピュータ１５やフィールド機器からＬＡＳとして動作するために必要なプロセスを制御するための指令や監視をするための指令監視情報が必要である。そこで、情報処理部３６は電圧低下検出部３４から電圧が復帰したと検出されたら通信送受信部３２を介してこの指令監視情報を貰いに行き、これらを更新してＬＡＳとしての動作に必要なデータを得て、メモリ４０に格納する。

この指令監視情報としては、フィールドバス規格で規定されているライブリスト、例えば、フィールドバスにどの機器が接続されているかを示すアドレス・タグなどの接続情報の他、接続されている機器に対して何時どの機器からデータを貰うかなどのプロセス制御のスケジューリング情報等である。

さらに、これらの指令監視情報の他に、４線式フィールド機器３０がマスターとして機能するためには、フィールドバス規格に規定されている、時間管理（Master Time Keeper）、ライブリスト管理（Master device list keeper）、プロセス制御のスケジューリング（Schedules network traffic）等の情報が必要となるが、情報処理部３６はこれらの情報を獲得してメモリ４０に格納してマスター（ＬＡＳ）として機能する。

図２に本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施例の４線式フィールド機器４１は、情報処理部３６から電圧低下検出部３４に電圧低下の設定（検出）閾値ＳＳを出力する設定手段４２を追加したものである。ホストコンピュータ１５より閾値を受信して該閾値を設定するため情報処理部３６がＳＳを出力して、例えば、電圧低下検出部３４において閾値１または２をスイッチで選択する。また、ＶｉまたはＶｉの分圧した電圧をアナログデジタル変換（Ａ／Ｄ）してマイクロコンピュータなどで該Ａ／Ｄ変換値と閾値ｓｓを比較して電圧低下を検出することもできる。これにより、情報処理部３６から電圧低下検出部３４に任意の設定（検出）閾値ＳＳを設定して電源監視を行うことができるので、電源監視がより適切になり、自由度が向上する。

図３に本発明の更に他の実施例を示す。なお、図１、図４と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施例は、４線式フィールド機器３０に外部の電源切替器４３とフィールドバスバックアップ電源４４を追加し、情報処理部３６から切替手段４５により電源切替信号Ｖｐｓでフィールドバス１０、１１に電圧を供給する電源としてフィールドバスバックアップ電源４４とフィールドバス電源１２とを切り替えるようにしたものである。

通常はフィールドバス電源１２からフィールドバス１０、１１に電圧が供給されているが、フィールドバス電源１２の電圧低下が発生または頻繁に発生した場合、電圧低下検出部３４により電圧低下を検出して情報処理部３６は、電源は故障と判断してフィールドバスバックアップ電源４４に切り替える電源切替信号Ｖｐｓを電源切替器４３に出す。これにより、正常なフィールドバスバックアップ電源４４に切り替わり、安定した電源供給が行われ、フィールドバスシステムを正常に維持できる。例えば、Ｖｐｓが０Ｖのとき、電源切替器４３はスイッチにより、フィールドバス１０、１１にフィールドバス電源１２を接続、５Ｖのときフィールドバスバックアップ電源４４を接続する。

今までの説明では、センサ３８から出力されるセンサ信号Ｖｓを情報処理部３６で信号処理するものとして説明したが、必ずしも情報処理部３６で信号処理をしなくても良く、これとは別の信号処理部を設けてここで処理をしても良い。

また、今までの説明では、４線式フィールド機器は主電源として交流の商用電源２０を用いる構成として説明したが、これに限らず例えば２４Ｖの直流電源を商用電源２０の替わりに用いて主電源を構成しても良い。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の更に他の実施例を示す構成図である。 従来の一般的なフィールドバスシステムの構成を示す。

符号の説明

１０、１１ フィールドバス
１２ フィールドバス電源
１３、１４ ターミネータ
１５ ホストコンピュータ
１９ ２線式フィールド機器
２０ 商用電源
２１、２２ 電源線
２５、３０ ４線式フィールド機器
２６ フィールドバスシステム
３１ 入出力部
３２ 通信送受信部
３３ 内部電圧生成部
３４ 電圧低下検出部
３５ カウンタ
３６ 情報処理部
３７ 時刻タイマー
３８ センサ
３９ 主電源部
４０ ＣＰＵ
４１ メモリ
４２ 設定手段
４３ 電源切替器
４４ フィールドバスバックアップ電源
４５ 切替手段
増幅器
センサ駆動部
Ａ／Ｄ（アナログデジタル変換器）
Ｖｓ センサ信号
Ｖｍ 主電圧
Ｖｄ 駆動電圧
ＳＳ 設定閾値
Ｖｉ 内部電圧
Ｖｐｓ 電源切替信号

Claims (5)

1. フィールドバス電源とホストコンピュータとが接続されたフィールドバスに接続され、前記ホストコンピュータと通信を実行する４線式フィールド機器において、
   前記フィールドバス電源の電圧低下を検出する電圧低下検出部と、
   前記電圧低下検出部の出力から電源情報を生成して格納する情報処理部とを具備する
   ことを特徴とする４線式フィールド機器。
2. 前記電源情報は、前記フィールドバス電源の電圧低下の時間または時刻または回数である
   ことを特徴とする請求項１記載の４線式フィールド機器。
3. 前記情報処理部は、電源電圧の低下から正常に復帰したときにＬＡＳとして動作するための内部変数をＬＡＳとなっている機器から得て更新することにより正常なＬＡＳ機能を可能とする更新手段を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の４線式フィールド機器。
4. 前記情報処理部は、電圧低下の検出閾値を前記電圧低下検出部に出力する設定手段を具備する
   ことを特徴とする請求項３に記載の４線式フィールド機器。
5. フィールドバスバックアップ電源と電源切替器を有し、
   前記情報処理部は前記電圧低下の検出により電源切替信号を前記電源切替器に出力する切替手段を有し、
   前記電源切替器は前記電源切替信号により前記フィールドバスバックアップ電源を前記フィールドバス電源から切り替えて前記フィールドバスに電源を供給する
   ことを特徴とする請求項１に記載の４線式フィールド機器。
   
   

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