JP2007533027A - スイッチング電源を備えたプロセス装置 - Google Patents

Abstract

２線式プロセス制御ループ（１１０）に連結するためのプロセスフィールド装置（１０２）は、フィールド装置回路（１２２）と、回路（１２２）に給電するためのスイッチングレギュレータ（１５２）とを含む。シリーズレギュレータ（１５６）は、スイッチングレギュレータ（１５２）に、調整された電源電圧を供給する。ノイズフィルタ（１５８）は、２線式プロセス制御ループ（１１０）に入り込む、スイッチングレギュレータ（１５２）からのノイズの量を減少させる。

Description

発明の分野
本発明は、工業用プロセスの動作の監視または制御に用いられるタイプのプロセスフィールド装置に関する。より詳細には、本発明は、２線式プロセス制御ループにより通信し、２線式プロセス制御ループから受ける電力によって完全に給電されるプロセスフィールド装置に関する。

発明の背景
プロセス装置は、工業用プロセス制御システムにおいて、工業用プロセスの監視および／または制御に用いられる。制御装置は、プロセスを制御するために用いられるプロセス装置である。制御装置の例には、ポンプ、バルブ、アクチュエータ、ソレノイド、モータ、ミキサ、攪拌機、ブレーカ、破砕機、ローラ、ミル、ボールミル、混練機、フィルタ、混合機、サイクロン、遠心分離機、タワー、ドライヤ、コンベヤ、セパレータ、エレベータ、ホイスト、加熱器、冷却器、およびその他のこのような機器が含まれる。トランスミッタは、たとえば、プロセス変数、たとえば温度、圧力、流れ等を監視することにより、プロセスの動作を感知（または監視）するために用いられるプロセス装置である。監視されたプロセス変数は、プロセス内のその他の機器により、たとえば中央制御室により用いることができるように伝送される。プロセス装置のその他の例としては、プロセスの動作を監視するために用いられるプロセスモニタまたは通信器、プロセスにおいて用いられる機器、たとえばプロセストランスミッタまたはプロセス制御器、および、たとえば、装置に対する指示をプログラミングしたり送信したりする制御プロセス装置がある。

２線式プロセスフィールド装置は、離れた位置またはそうでない位置に位置付けられたプロセス装置であり、２線式プロセス制御ループとの接続を通して全体に受ける電力を必要とする。２線式プロセス制御ループとは、監視または制御されているプロセスに関する情報を伝えるために用いられる、２本の線を利用した配線系統をいう。たとえば、２線式プロセス制御ループの一つの標準的なタイプでは、４−２０ｍＡの電流レベルを用いてプロセス変数を表す。このような構成においては、トランスミッタは電流レベルを、感知されたプロセス変数、たとえば圧力を表すある値、たとえば１０ｍＡに制御することができる。その他のプロセス制御ループ構成では、デジタル信号の伝送が可能となる。デジタル信号は、アナログ電流レベルの伝送の代替としたり、またはアナログ電流レベルの伝送と組み合わせたりすることができる。

プロセス装置に連結するために必要とされる配線の量を減少するために、多くのプロセス装置は、２線式プロセス制御ループから受ける電力によって全体に給電される。したがって、プロセス装置が利用できる総電力量は制限される。たとえば４−２０ｍＡ電流ループでは、利用できる総電力は、電流レベルを設定できる最低レベル（たとえば３．６ｍＡ）および本質的に安全な位置において、装置の両端で利用できる最大電圧降下（たとえば２４ボルト未満程度）まで制限される。これは、装置に給電するために利用可能な０．９ワット未満である。

多くの場合、プロセス装置の機能は、２線式プロセス制御ループから利用可能な電力の量により制限される。たとえば、付加的な機能には、マイクロプロセッサによる計算性能を付加することが必要とされる。この向上した計算能力には、より大きな電力が必要とされ、ループから利用可能な電力の蓄えを超える可能性がある。プロセスフィールド装置内の回路が利用できる電力の量を増大させるために、フィールド装置は通常、高効率の電源を利用し、２線式プロセス制御ループから受ける電力を、内部回路で使用するために調整された電圧レベルに変換する。フィールド装置内の構成要素に、調整された電源電圧を効率的に供給するという理由から、電源の一つのタイプであるスイッチングレギュレータが、プロセス装置において用いられてきた。しかし、スイッチングレギュレータは、プロセス制御ループにノイズを導く可能性があり、これによりループ上の情報の伝送が変えられるか、または悪影響を及ぼす可能性がある。

発明の概要
２線式プロセス制御ループに連結するためのプロセスフィールド装置は、フィールド装置回路と、フィールド装置回路に給電するよう構成されたスイッチングレギュレータとを含む。大容量キャパシタは、スイッチングレギュレータの入力に連結され、スイッチングレギュレータに電力を供給するよう構成される。シリーズ電圧レギュレータは、大容量キャパシタに、調整された電源電圧を供給する。ノイズフィルタは、２線式プロセス制御ループにシリーズ電圧レギュレータを連結し、２線式プロセス制御ループのスイッチングレギュレータによるノイズを減少させる。

２線式プロセス制御ループ内のフィールド装置の回路に電力を供給する方法であって、２線式プロセス制御ループから電力を受けることと、受けた電力を調整された電圧レベルにプリレギュレーティングすることとを含んでいる。スイッチングレギュレータからのノイズが、２線式プロセス制御ループに入り込むことがフィルタリングされる。

詳細な説明
発明の背景にて述べたように、いくつかのタイプのプロセスフィールド装置は、プロセスに関連する情報を伝送するために用いられるものと同じ２線式プロセス制御ループから受けた電力を用いて完全に給電される。図１は、２線式プロセスフィールド装置の一つのタイプであるプロセストランスミッタ１０２が、工業用プロセス、具体的にはプロセス配管１０４に連結している、工業用プロセス制御または監視システム１００の簡略化された図である。トランスミッタ１０２はさらに、制御室１１２に接続している２線式プロセス制御ループ１１０に連結する。プロセス制御ループ１１０は、電流Ｉを搬送しているものとして図示され、工業規格、たとえばＨＡＲＴ（Ｒ）通信規格、フィールドバスまたはプロフィバス規格等を含む、あらゆる技術に基づいて稼動することができる。プロセストランスミッタ１０２について記載されているとはいえ、本発明は、効率的な電力変換が望まれるあらゆるタイプのプロセス装置において実施することができる。制御室１１２は、操作者またはその他の運用従事者が使用するために、離れた位置に構成することができ、または末端すなわちプロセス制御ループ１１０に沿った位置、またはその他の位置に構成することができる。

図２は、図1に示すトランスミッタ１０２の簡略化されたブロック図である。トランスミッタ１０２は、プロセスに連結するためのトランスデューサ１２０を含む。たとえば、トランスデューサ１２０は、プロセス変数を測定するためのセンサ、たとえば圧力の、温度の、またはその他のセンサにすることができる。プロセスを制御するために使用可能であるフィールド装置においては、トランスデューサは、たとえば、バルブ、発熱体等を含むことができる。フィールド装置回路１２２はトランスデューサ１２０に連結し、たとえば、プロセス変数の測定の較正または補償、プロセス変数の計算、診断の実行、またはフィールド装置において実行され得るその他のあらゆる機能に用いられる。一般的には、フィールド装置回路１２２における付加的な機能は、回路１２２の電力要求を増大させる。電源およびＩ／Ｏ回路１２４は、フィールド装置回路１２２および２線式プロセス制御ループ１１０に連結して示されている。回路１２４は、２線式プロセス制御ループ１１０を介する通信用として、たとえば、測定されたまたは計算されたプロセス変数を、ループ１１０を介して、図１に示す制御室１１２に伝送するために用いられる。回路１２４はさらに、トランスミッタ１０２内部の回路に必要とされるすべての電力を供給するために出力される電力を供給する。

発明の背景で述べたように、プロセス制御ループから受ける電力によって完全に給電されるプロセスフィールド装置は、その電力要求を満たすために、高効率の電圧レギュレータを必要とする可能性がある。通常これは、スイッチングレギュレータを用いてフィールド装置に給電することを意味する。スイッチングレギュレータの一つの好ましくない点は、システム内にノイズを導くことなく稼動するために、比較的大規模なコンデンサを必要とすることである。これは、大きな容量値を用いることができない環境において、特に問題となる可能性がある。たとえば、本質的な安全要求を満たすために、フィールド装置が蓄えられるエネルギの量は制限される。このため、２線式通信リンク内に導かれたノイズが制限され、本質的な安全要求のために必要である低容量を維持しながら、２線式通信ループからの電力の消費を低くするという要求を満たすことが困難になる。

図３は、電源回路１５０をより詳細に示す、簡略化されたブロック図である。電源回路１５０は、２線式プロセス制御ループ１１０に連結し、フィールド装置回路１２２に電力を供給する。電源回路１５０は、フィールド装置１２２へ出力される給電を提供するスイッチングレギュレータ１５２を含む。大容量コンデンサ１５４は、スイッチングレギュレータ１５２に入力を供給し、シリーズ電圧レギュレータ１５６により給電される。シリーズ電圧レギュレータ１５６は、２線式プロセス制御ループ１１０からフィルタ回路１５８を通して給電される。本発明によれば、図３に示された構成により、スイッチングレギュレータ１５２により生成され、２線式プロセス制御ループ１１０内に戻されるようなノイズの量が大幅に減少する。

図３に図示された構成は、スイッチングレギュレータ１５２が使用するための接続１６４上に、調整された入力電圧を生成するスイッチングレギュレータ１５２へのプリレギュレータ回路１７０を備える。たとえば、フィールド装置回路１２２により引き出される電流が突然増大した場合、スイッチングレギュレータ１５２は大容量コンデンサ１５４から電力を引き出し、この電流スパイクに対して十分迅速に応答できない可能性がある。スイッチングレギュレータ１５８が、プロセス制御ループ１１０から直接に電流を引き出すことができる場合、この電流スパイクがループ１１０内にノイズを導く。しかし、本発明により、スイッチングレギュレータ１５２のピーク電流の消費が、ループ１１０からよりはむしろ、大容量コンデンサ１５４からのエネルギにより強制的に実施されるように、フィルタ回路１５８はレギュレータ１５６の応答時間を減少させる。ループ１１０内に導かれるあらゆるノイズが、ループ１１０上の通信のために用いられる周波数帯域の外側になるように、回路を構成することができる。たとえば、ループ１１０上の高周波ノイズが、制御室１１２で得られた測定値に及ぼす影響が減少する。したがって、プリレギュレータ回路１７０がローパスフィルタを備える場合、スイッチングレギュレータ１５２からのノイズの大部分を、２線式プロセス制御ループ１１０から遮ることができる。しかし、本質的な安全要求を満たすために、フィルタ回路１５８は、大きなキャパシタを用いることなく実施されるべきである。これは、このように実施するためには、従来の容量性フィルタリング技術を用いることができないことを意味する。

本発明により、シリーズプリレギュレータ１７０のフィルタ回路１５８は、スイッチングレギュレータ１５２により、電流の変動がループ１１０に入り込むのを防止するために十分なフィルタリングを備える一方、本質的な安全要求を満たすために十分に小型であるコンデンサを利用するように構成される。フィルタ回路１５８は、回路のフィルタリングの性能を向上させるための、少なくとも一つの能動的な構成要素を含む。能動的な構成要素は、たとえば、トランジスタ、たとえば電界効果トランジスタ、３端子デバイス、非線形デバイス、またはその他の構成要素にすることができる。

図４は、本発明による電源回路２００の、一つの実施の概略図である。電源回路２００は、プロセス制御ループ１１０を通して、制御室１１２に連結されているものとして図示されている。制御室回路１１２は、５００オームの抵抗と直列の２４ボルトの電源としてモデル化されている。スイッチングレギュレータは、スイッチングレギュレータにより回路内へ導かれたノイズに相当するＡ／Ｃ電流源２０２としてモデル化されている。大容量コンデンサ１５４は、本質的に安全な抵抗Ｒ１０およびＲ１１とともに、コンデンサＣ４、Ｃ５およびＣ６によって形成される。電圧プリレギュレータ１５６は、スイッチングレギュレータに、調整された１０ボルトの出力を供給するよう構成されたオペアンプを含む。オペアンプは、コンデンサＣ３によって負帰還を有するよう構成され、抵抗Ｒ８およびＲ９により、その反転入力をある電圧レベルに設定される。非反転入力は、電圧基準Ｖ２、たとえばツェナーダイオードに連結される。一つの実施態様においては、演算増幅器は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社から入手可能なＴＬＣ２７Ｌ４を含む。抵抗Ｒ４は、レギュレータ１５６のブートストラップ動作のための起動電圧を供給するよう構成される。フィルタ回路１５８は、Ｎ型デプレッションモード電界効果トランジスタＱ１を含み、上述の能動素子を備える。小型のコンデンサＣ２は、トランジスタＱ１のゲートとドレインとの間に接続される。稼動中、スイッチングレギュレータ１５２の動作により、１０ボルトの電源レールに存在するあらゆるノイズは、コンデンサＣ２および抵抗Ｒ３によりフィルタリングされる。コンデンサＣ２および抵抗Ｒ３により、Ｑ１のフィルタリング性能を向上させることができる。これにより、２線式プロセス制御ループに入り込むノイズ信号の量が大幅に低減する。

図５は、本発明によるもう一つの実施を表す、電源回路２２０の回路図である。しかし、図５の構成においては、フィルタ回路１５８は、トランジスタＱ１およびＱ２により形成される二つの能動素子、４７ｐＦの付加的なコンデンサＣ１、および付加的な抵抗Ｒ２を含む。この構成では、２段階のフィルタが備えられ、コンデンサのフィルタリング性能がさらに向上している。

この回路で用いられる特定のスイッチングレギュレータは、所望するよう選択することができる。一つの構成では、二つのスイッチングレギュレータを用いて、２種類の電圧を生成する。たとえば、Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社のＬＴＣ１７７１を用いて、５．２ボルトの電源電圧を生成することができ、ＬＴＣ１４７４を用いて、３．０ボルトの電源電圧を生成することができる。

図６は、時間に対する信号振幅のグラフであり、付加的なフィルタが用いられていないときに、プロセス制御ループに加えられたノイズ信号を図示している。このループ雑音は、５００オームの抵抗負荷の両端で測定される。一方、図７は、図５に図示された回路構成を用いているノイズ信号を示す、同様のグラフである。

好ましい実施態様を参照して本発明について説明したが、当業者においては、本発明の本質および範囲から逸脱することなく、形態および詳細における変更を加えることができることが理解されよう。本発明は、２線式プロセス制御ループから受ける電力により、完全に給電される装置に特に適用できるが、すべてのタイプのフィールド装置に用いることができる。しかし、本発明は、電力予算が比較的きつめであるその他のプロセスフィールド装置に利用することができる。本明細書では、特定の回路および構成が図示されているが、本発明はこれらの構成に限られるものではない。

２線式プロセス制御ループに連結されたプロセス装置を含むプロセス制御または監視システムを示す、簡略化された図である。 フィールド装置に電力を供給するための電源を含むフィールド装置内の回路の、簡略化されたブロック図である。 フィールド装置内の電源回路の、簡略化されたブロック図である。 本発明の電源回路の実施態様の一例を示す概略図である。 本発明の電源回路の実施態様のもう一つの例を示す概略図である。 ２線式プロセス制御ループ内に入った信号ノイズを示す、時間に対する信号ノイズを図示するグラフである。 本発明の構成により減少された信号ノイズを図示する、図６と同様の時間に対する信号ノイズのグラフである。

Claims (24)

1. ２線式プロセス制御ループに連結するためのプロセスフィールド装置であって、
   フィールド装置回路と、
   フィールド装置回路に給電するよう構成されたスイッチングレギュレータと、
   スイッチングレギュレータの入力に連結され、スイッチングレギュレータに電力を供給するよう構成された大容量キャパシタと、
   大容量キャパシタに、調整された電源電圧を供給するよう構成されたシリーズ電圧レギュレータと、
   ２線式プロセス制御ループにシリーズ電圧レギュレータを連結させ、２線式プロセス制御ループからの電力でシリーズ電圧レギュレータに給電し、スイッチングレギュレータからのノイズが２線式プロセス制御ループに入り込むのを遮るよう構成されたノイズフィルタとを含む装置。
2. ノイズフィルタがコンデンサを含む、請求項１記載の装置。
3. ノイズフィルタが、コンデンサの有効容量を増大させるよう構成された能動的な構成要素を含む、請求項２記載の装置。
4. 能動的な構成要素が３端子を含む、請求項３記載の装置。
5. 能動的な構成要素の第１の端子が２線式プロセス制御ループに連結し、構成要素の第２の端子が大容量キャパシタに連結し、さらに構成要素の第３の端子がシリーズ電圧レギュレータに連結する、請求項４記載の装置。
6. 能動的な構成要素が電界効果トランジスタを含み、３端子が電界効果トランジスタのゲートを含む、請求項５記載の装置。
7. 構成要素の第１の端子が２線式プロセス制御ループに連結し、構成要素の第２の端子がコンデンサの一つの側に連結し、さらに第３の端子がコンデンサのもう一つの側に連結する、請求項４記載の装置。
8. ノイズフィルタが電界効果トランジスタを含む、請求項１記載の装置。
9. ノイズフィルタが、二つの電界効果トランジスタおよび二つのコンデンサを含む、請求項１記載の装置。
10. シリーズ電圧レギュレータが演算増幅器を含む、請求項１記載の装置。
11. シリーズ電圧レギュレータが、演算増幅器に負帰還を備えるよう構成されたコンデンサを含む、請求項１０記載の装置。
12. ２線式プロセス制御ループ内のフィールド装置の回路に電力を供給する方法であって、
    ２線式プロセス制御ループから電力を受けることと、
    受けた電力を調整された電圧レベルにプリレギュレーティングすることと、
    大容量キャパシタを調整された電圧レベルで充電することと、
    大容量キャパシタに連結されたスイッチングレギュレータにより、フィールド装置の回路に電力を供給することと、
    スイッチングレギュレータからのノイズが、２線式プロセス制御ループに入り込むのをフィルタリングすることとを含む方法。
13. スイッチングレギュレータからのノイズをフィルタリングすることが、ノイズを能動的にフィルタリングすることを含む、請求項１２記載の方法。
14. ノイズを能動的にフィルタリングすることが、３端子の能動的な構成要素を用いることを含む、請求項１３記載の方法。
15. 能動的な構成要素の第１の端子が２線式プロセス制御ループに連結し、構成要素の第２の端子が大容量キャパシタに連結し、さらに構成要素の第３の端子がシリーズ電圧レギュレータに連結する、請求項１４記載の方法。
16. 能動的な構成要素が電界効果トランジスタを含み、３端子が電界効果トランジスタのゲートを含む、請求項１３記載の方法。
17. ノイズをフィルタリングすることが、コンデンサを用いることを含む、請求項１２記載の方法。
18. ノイズをフィルタリングすることが、コンデンサの有効容量を増大させるよう構成された能動的な構成要素を用いることを含む、請求項１７記載の方法。
19. 能動的な構成要素が３端子を含む、請求項１８記載の方法。
20. 構成要素の第１の端子が２線式プロセス制御ループに連結し、構成要素の第２の端子がコンデンサの一つの側に連結し、さらに第３の端子がコンデンサのもう一つの側に連結する、請求項１９記載の方法。
21. ノイズをフィルタリングすることが、電界効果トランジスタを用いることを含む、請求項１２記載の方法。
22. ノイズをフィルタリングすることが、二つの電界効果トランジスタおよび二つのコンデンサを用いることを含む、請求項１２記載の方法。
23. プリレギュレーティングすることが、演算増幅器を用いることを含む、請求項１２記載の方法。
24. プリレギュレーティングすることが、コンデンサを介して演算増幅器に負帰還を備えることをさらに含む、請求項２３記載の方法。

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