JP2010528365A - 消費電力が低減された工業用フィールド装置 - Google Patents

Abstract

工業プロセスのモニタリングまたは制御に用いるフィールド装置（１０２）は、２線式プロセス制御ループ（１２７）電気接続部を含む。デジタル通信モニタリング回路（１６２）は、電気接続部（１２７）に結合し、２線式プロセス制御ループ（１２６）上のデジタル信号に応じて、フィールド装置（１０２）電気回路への給電を制御するように構成される。

Description

本発明は、工業プロセスのモニタリングまたは制御に用いられる種類のフィールド装置に関するものである。より具体的には、本発明は、このようなフィールド装置への給電に関する。

フィールド装置は、工業プロセスにおいて、プロセスのプロセス変量をモニタし、またはこのようなプロセス変量を制御するために用いられる。プロセス変量の例は、圧力、温度、流量、レベルなどを含む。典型的には、フィールド装置は「フィールド」に設置され、中心的な場所から離れている。たとえば、このようなフィールド装置は、石油精製所、又は、そのようなところの全体にわたり散らばっていてもよい。フィールド装置は測定されたプロセス変量を元の制御室へ送信するために用いられ、一方、制御室からプロセスを制御するためにはコントローラが用いられる。

典型的には、制御室とフィールド装置との間の通信は、２線式プロセス制御ループ上で起こる。制御ループの例は、ループを経由した電流レベルがプロセス変量を表すために用いられる４〜２０ｍＡのプロセス制御ループ、HART（登録商標）通信プロトコル、FieldBusプロトコル、ProfiBusプロトコルなどに従って動作する制御ループを含む。多くの構成において、フィールド装置はまた、２線式プロセス制御ループ上で受ける電力で給電される。

フィールド装置は、典型的にはプロセス制御ループを用いて通信するが、ワイヤレス通信が望ましい状況がある。たとえば、ワイヤレス通信技術は、フィールド装置に接続するために必要とされる配線を減らし、または除外する。このようなワイヤレス構成では、フィールド装置の給電に利用可能なプロセス制御ループはないかもしれない。そのため、代替電源を用いなければならない。たとえば、一部の構成では、フィールド装置は、太陽電池またはその他の技術によって得られる蓄積された電力、たとえばバッテリを用いて給電される。このような構成では、フィールド装置によって要求される消費電力を低減することが望ましい。その他の事例では、装置は有線プロセス制御ループに接続されるが、通信を送受信するワイヤレストランシーバをさらに含む。このような構成では、装置内に電力を貯蔵することが有用である。

工業プロセスのモニタリングまたは制御に用いるフィールド装置は、２線式プロセス制御ループ電気接続部を含み、フィールド装置電気回路はパワーオン入力部を含む。デジタル通信モニタリング回路は電気接続部に結合し、２線式プロセス制御ループ上のデジタル信号に応じてフィールド装置電気回路のパワーオン入力部に信号を供給する。工業プロセスのモニタリングまたは制御に用いられる種類のフィールド装置において、電気回路の動作を制御する方法も提供される。この方法は、２線式プロセス制御ループ上で伝送された信号をモニタリングすること、および通信信号を検出することを含む。フィールド装置電気回路への電力は、２線式プロセス制御ループ上で検出されたデジタル通信信号に応じて供給される。

プロセス制御またはモニタリングシステムを示す簡略化されたブロック図である。 本発明によるフィールド装置の電気回路を示すブロック図である。 本発明のデジタル通信モニタリング回路を示すブロック図である。 本発明によるステップを示すフローチャートである。

詳細な説明
図１は、プロセスパイプ１０６に結合するように図示されるフィールド装置１０２を含む工業プロセス制御システム１００の簡略化された図である。フィールド装置１０２は、プロセスインタフェースエレメント１０８を含むように図示される。プロセスインタフェースエレメントは、フィールド装置１０２がトランスミッタとして構成される場合、たとえばプロセス変量を感知するために用いられるセンサを含むことができる。同様に、プロセスインタフェース１０８は、フィールド装置１０２がプロセスコントローラとして動作するように構成される場合、制御エレメントを含むことができる。具体例をさらに図解すると、トランスミッタとして構成される場合、フィールド装置１０２はパイプ１０６を経由して流れるプロセス流体の流量を測定できる。他方、プロセスコントローラとして構成される場合、フィールド装置１０２はプロセスパイプ１０６を経由する流体の流量を制御するために用いることができる。

フィールド装置１０２は、他の場所、たとえばワイヤレス通信リンク１１２を介してのプロセス制御室１１０と通信する。ワイヤレス通信リンク１１２は、フィールド装置１０２のアンテナ１１４と制御室１１０のアンテナ１１６との間に伸びる。アンテナ１１６は、制御室１１０内のプロセス制御設備１２０に結合する。

フィールド装置１０２はワイヤレス通信リンクを含むように図示されているが、２線式プロセス制御ループ、たとえばプロセス制御ループ１２６を介して通信することがフィールド装置１０２にとって望ましいいくつかの施設を有している。図１の例では、２線式プロセス制御ループ１２６が、フィールド装置１０２との通信および較正に用いられる手持ち式較正器１２８に結合するように示されている。較正器１２８は、たとえば装置１０２が較正または診断を要求するときに装置１０２への結合のみが要求される。

以下により詳細に説明するように、２線式プロセス制御ループ１２６上の通信は一部の場合にのみ用いられるので、本発明は、不使用時に回路、２線式プロセス制御ループ通信回路の電源を切ることによってフィールド装置１０２による消費電力を低減させる。デジタル通信モニタリング回路は、プロセス制御ループ１２６をモニタするために用いられ、またデジタル通信が検出されると回路に電源を入れるために用いられる。

図２は、フィールド装置１０２の回路をより詳細に示す簡略化されたブロック図である。フィールド装置１０２は、プロセスインタフェース回路１４８を経由してマイクロプロセッサ１４０に結合するプロセスインタフェースエレメント１０８（図１でも示されている）を含む。マイクロプロセッサ１４０は、メモリ１４８に蓄積されたプログラミング指示に従って動作する。マイクロプロセッサ１４０は、任意の種類のデジタルコントローラを含むことができる。ワイヤレス通信回路１４４は、アンテナ１１４に結合する。マイクロプロセッサ１４０は、ワイヤレス通信回路１４４を経由して通信リンク１１２を介して通信する。

電源１５０が備えられ、フィールド装置１０２の電気回路に電力を供給するよう構成されている。例、電源１５０はバッテリまたはその他の蓄電および／または発電装置を含むことができる。電源は、内蔵および周期的に再充電または交換でき、あるいは充電装置、たとえば太陽電池、またはその他の電源に結合できる。スイッチ１５４は、プロセスループ通信回路１５６を経由して電源１５０に結合するように示されている。プロセス制御ループ回路１５６は、プロセス制御ループ１２６を介しての通信に用いられる。通信回路１５６は、たとえばHART（登録商標）通信プロトコル、FieldBusプロトコル、ProfiBusプロトコル、またはその他を含む任意の通信プロトコルに従って動作できる。通信回路１５６は、パワーオン入力部を含む。パワーオン入力部は、回路１５６が通常動作を開始する原因となる「起動」入力部であることができる。このような構成では、回路１５６は電源１５０に常に結合でき、起動信号を受信すると簡単により多くの電力を引き出すことができる。同様に、パワーオン入力部は、回路１５６に供給される電力入力部を含むことができる。図２の構成では、スイッチ１５４は電源１５０から通信回路１５６へ電力を結合する。その他の構成例では、通信回路１５６は電源１５０に常に接続し、入力がパワーオン入力部で受信されると通常動作モードに入る。いずれの場合でも、パワーオン入力部は、デジタル通信モニタリング回路１６２からの信号１６０に応答する。デジタル通信モニタリング回線１６２も、電気コネクタ１２６を経由してプロセス制御ループ１２６に結合する。通常動作中、マイクロプロセッサ１４０は、ワイヤレス通信回路１４４を経由してワイヤレス通信リンク１１２を介して通信する。通常動作中、プロセス制御ループ通信回路は電源を投入されないか、または、さもなければ最低限の電力を要求するように構成される。しかしながら、プロセス制御ループ１２６で伝送されたデジタル通信信号が、デジタル通信モニタリング回路１６２によって検出される場合、プロセス制御ループ通信回路１５６は、より多くの電力を引き出すことを要求する通常通信モードに入る。デジタル通信モニタリング回路１６２は、任意の技術に従って動作でき、プロセス制御ループ１２６上で検出される任意の種類の通信信号に応答するように構成できる。さらに、１つの構成においては、プロセス制御ループ１２６上でデジタル信号が検出されると、プロセス制御ループ１２６からの電力を再充電または電源１５０への電力供給に用いることができる。

図３は、デジタル通信モニタリング回路１６２をより詳細に示す簡略化されたブロック図である。モニタリング回路１６２は、プロセス制御ループ１２６に結合する。プロセス制御ループ１２６からの信号は、バンドパスフィルタ１８０によってフィルタリングされる。バンドパスフィルタ１８０からの出力は、フィルタ１８０からの出力を第１の閾値と比較するコンパレータ１８２に供給される。コンパレータ１８２は、比較に基づいてローパスフィルタ１８４に出力を供給する。ローパスフィルタ１８４は、その出力を第２の閾値と比較する第２のコンパレータ１８６に出力を供給する。その比較に基づいて、ループ通信回路がパワーオンモードに入るように、ループ通信回路１５６のパワーオン入力部に直接またはスイッチ１５４経由のいずれかで出力が供給される。

回路１６２は、ループ１２６上のデジタル通信をモニタする。たとえば、このフィルタは、電子機器に入力できる任意のスプリアス信号を除外するために用いることができる。コンパレータ１８２は、フィルタリングされたHART（登録商標）信号を公知の基準電圧と比較する。これは、ローパスフィルタ１８４に矩形波出力を供給する。矩形波出力は、受信されるデジタル通信信号の役目である。不正な割り込みを避けるために、矩形波信号はローパスフィルタ１８４を用いて再度フィルタリングされる。これは、受信されるデータ伝送が実際にデジタル通信メッセージであって、単にランダムなノイズではないことを保証するのに役立つ。最終段階として、フィルタリングされた矩形波出力は、その後コンパレータ１８６で公知の電圧と比較される。そして、コンパレータ１８６の出力は、プロセス制御ループ通信回路１５６によって用いられる電力を制御するために供給される。他の構成例では、デジタル通信モニタリング回路からの出力１６０が、マイクロプロセッサ１４０への割り込み１８５として供給される。そして、マイクロプロセッサ１４０は、プロセス制御ループ通信回路１５６によって用いられる電力を制御するように構成される。このような構成では、マイクロプロセッサ１４０は、回路１５６を低電力モードに入れることができる。たとえば、このような構成は、通信回路１５６をオフラインにすることに用いることができる一方、マイクロプロセッサ１４０はプロセッサ制御ループ１２６を介して伝送するための通信データを構築する。

図４は、本発明によるステップを示す簡略化されたブロック図２００である。ブロック図２００は、スタートブロック２０２で開始し、プロセス制御ループ１２６上の信号がモニタされるブロック２０４に制御が移る。ステップ２０６では、２線式プロセス制御ループからモニタされた信号に基づいて通信信号が検出される。ステップ２０８では、検出された通信に応じて、フィールド装置１０２の回路に電力が供給される。これらのステップは、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれら２つの組合せで実行できる。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形態及び細部に変更を加えてもよいことが認識されよう。本明細書における説明では通信回路に電力を供給する例を示すが、本発明は、デジタル回路、アナログ回路、または組合せを含むフィールド装置１０２内の任意の回路の給電または動作を制御するために用いることができる。このようなフィールド装置電気回路は、たとえば、マイクロプロセッサ、またはその他のデジタル制御回路を含むことができる。

Claims (24)

1. ２線式プロセス制御ループ電気接続部；
   パワーオン入力部を有するフィールド装置電気回路；および
   電気接続部に結合され、２線式プロセス制御ループ上のデジタル信号に応じてフィールド装置電気回路のパワーオン入力部に信号を供給するよう構成されたデジタル通信モニタリング回路
   を含む、工業プロセスのモニタリングまたは制御に用いるフィールド装置。
2. デジタル通信モニタリング回路に応じて、電力をフィールド装置電気回路のパワーオン入力部に結合するよう構成されたスイッチを含む、請求項１記載の装置。
3. パワーオン入力部が、デジタル通信モニタリング回路に応答する、フィールド装置電気回路の起動入力部を含む、請求項１記載の装置。
4. ２線式プロセス制御ループ上のデジタル信号が、通信標準プロトコルに従うデジタル通信信号を含む、請求項１記載の装置。
5. 通信標準プロトコルが、HART（登録商標）通信プロトコルを含む、請求項４記載の装置。
6. ２線式プロセス制御ループが、４〜２０ｍＡプロセス制御ループを含む、請求項１記載の装置。
7. フィールド装置が、２線式プロセス制御ループから受ける電力で全て給電される、請求項１記載の装置。
8. ＲＦ通信回路を含む、請求項１記載の装置。
9. プロセス変量を感知するように構成されるプロセス変量センサを含む、請求項１記載の装置。
10. デジタル通信モニタリング回路がフィルタを含む、請求項１記載の装置。
11. デジタル通信モニタリング回路が、信号を閾値レベルと比較するように配置され、かつ、フィールド装置電気回路のパワーオン入力部に信号を反応的に供給するコンパレータを含む、請求項１記載の装置。
12. バンドパスフィルタ、およびバンドパスフィルタの出力を第１の閾値と比較するよう構成された第１のコンパレータ、ローパスフィルタ、およびローパスフィルタからの出力を第２の閾値と比較するよう構成された第２のコンパレータを含む、請求項１記載の装置。
13. 第１のコンパレータからの出力が矩形波を含む、請求項１２記載の装置。
14. フィールド装置の電気回路に給電するように構成されたバッテリを含む、請求項１記載の装置。
15. ２線式プロセス制御ループが、フィールド装置の構成に用いる携帯型構成ツールに結合するよう構成される、請求項１記載の装置。
16. ２線式プロセス制御ループ上で伝送された信号をモニタリングすることと；
    ２線式プロセス制御ループ上のモニタされた信号からの通信信号を検出することと；および
    ２線式プロセス制御ループ上で検出されるデジタル通信信号に応じて、フィールド装置電気回路に給電すること
    を含む、工業プロセスのモニタリングまたは制御に用いられる種類のフィールド装置において、電気回路の動作を制御する方法。
17. デジタル通信モニタリング回路に応じて、電力をフィールド装置電気回路のパワーオン入力部に結合することを含む、請求項１６記載の方法。
18. パワーオン入力部がマイクロプロセッサの起動入力部を含む、請求項１７記載の方法。
19. ２線式プロセス制御ループ上の通信信号が、通信標準プロトコルに従うデジタル通信信号を含む、請求項１６記載の方法。
20. ２線式プロセス制御ループが４〜２０ｍＡプロセス制御ループを含む、請求項１６記載の方法。
21. ＲＦ通信回路と通信することを含む、請求項１６記載の方法。
22. プロセス変量センサでプロセス変量を感知することを含む、請求項１６記載の方法。
23. ２線式プロセス制御ループ上で信号をフィルタリングすることを含む、請求項１６記載の方法。
24. モニタされた信号を比較することを含む、請求項１６記載の方法。

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