JP2011180668A - フィールド機器制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】コストがかからず、単純な構成で電源の異常を検知することが可能なフィールド機器制御システムを実現する。
【解決手段】通信回線を介してフィールド機器に電源電圧を供給するフィールド機器制御システムにおいて、異常発生時に通信回線を介してフィールド機器に供給する電圧の電圧レベルを変化させる電源部と、通信回線上の電圧の電圧レベルの変化に基づいて異常の発生を検出する通信モジュールとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、通信回線を介してフィールド機器に電源電圧を供給するフィールド機器制御システムに関し、詳しくは、コストがかからず、単純な構成で電源の異常を検知することが可能なフィールド機器制御システムに関するものである。

プラントで使用されるフィールド機器には、差圧伝送器、流量計、バルブポジショナ等があり、これらのフィールド機器は、フィールドバスと呼ばれる通信回線でフィールド機器を制御する制御装置に接続されている。フィールドバスでは、フィールド機器への電源供給方式として、フィールドバスの信号ラインから電源も供給する２線式（Bus-Powered）と、信号ラインと電源ラインが分けられている４線式（Non Bus-Powered）の２種類が規格化されている。

図５は、従来のフィールド機器制御システムの一例を示した構成図である。
図５において、ノードユニット１０は、通信モジュール３、入力モジュール４、インターフェースモジュール（以下、Ｉ／Ｆモジュールという）５を有している。

フィールド機器１は、差圧伝送器、流量計、バルブポジショナ等であり、フィールドバス２０に接続される。電源部２は、フィールドバス２０を介してフィールド機器１に電源を供給する。また、電源部２は、異常時にアラーム信号を出力する。

通信モジュール３は、フィールドバス２０に接続され、フィールドバス２０を介してフィールド機器１と信号の授受を行う。入力モジュール４は、デジタル信号を入力するモジュールであり、ケーブルＣ１で電源部２と接続され、電源部２からのアラーム信号が入力される。Ｉ／Ｆモジュール５は、フィールド機器を制御する制御装置であるホストコンピュータ（図示せず）と相互に接続され、通信モジュール３または入力モジュール４とホストコンピュータとの通信を中継する。

このようなフィールド機器制御システムの異常時の動作を図６を用いて説明する。
図６は、フィールドバス２０上の信号を説明する説明図であり、横軸が時間を表し、縦軸が電圧レベルを表している。フィールドバス２０上の信号は、差動信号となっており、フィールド機器１と通信モジュール３との間の信号の授受も差動で行われる。また、フィールド機器１に供給される電源は、電源部２からフィールドバス２０を介して供給される。

フィールドバス２０上の信号の一例を図６を用いて説明する。図６（ａ）は、電源部２から供給される電源電圧に重畳される前の通信に用いられる信号を示しており、この場合、信号の振幅は１Ｖとなっている。

一方、図６（ｂ）は、電源部２から供給される電源電圧に重畳された後の信号を示しており、フィールド機器１と通信モジュール３との間では、このようなレベルで信号の授受が行われる。すなわち、フィールドバス２０上の通信に用いられる信号は、電源部２から出力された電源電圧に通信信号が重畳された信号となる。具体的には、図６（ｂ）に示すように、電源部２から出力された電源電圧＋２４Ｖに振幅１Ｖの信号が重畳される形となる。

電源部２は、何らかの原因により、異常が発生した場合、異常が発生したことを通知するアラーム信号を入力モジュール４へ送信する。入力モジュール４は、電源部２からアラーム信号を受信すると、電源部２で異常が発生したことをＩ／Ｆモジュール５へ通知する。そして、Ｉ／Ｆモジュール５は、入力モジュール４から通知を受けると、電源部２で異常が発生したことをホストコンピュータ（図示せず）へ通知する。

このように、電源部２が、異常発生時に、アラーム信号を入力モジュール４へ送信し、Ｉ／Ｆモジュール５が、入力モジュール４からの通知をホストコンピュータへ通知することにより、ホストコンピュータが電源部２において異常が発生していることを検知することができる。

特許文献１には、電源の配線コストが不要でフィールド機器の使用環境に制約がなく、保守コストを低減できる電源装置が記載されている。

特開２００９−０３３８１３号公報

しかし、図５に示す従来例では、電源部２からのアラーム信号を受信するために、入力モジュール４が必要になる。さらに、電源部２と入力モジュール４を接続するケーブルＣ１も必要になり、コストがかかる上にフィールド機器制御システムの構成が複雑になるという問題があった。

そこで本発明の目的は、コストがかからず、単純な構成で電源の異常を検知することが可能なフィールド機器制御システムを実現することにある。

請求項１記載の発明は、
通信回線を介してフィールド機器に電源電圧を供給するフィールド機器制御システムにおいて、
異常発生時に前記通信回線を介して前記フィールド機器に供給する電圧の電圧レベルを変化させる電源部と、
前記通信回線上の前記電圧の電圧レベルの変化に基づいて異常の発生を検出する通信モジュールと
を備えたことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、
通信回線を介してフィールド機器に電源電圧を供給するフィールド機器制御システムにおいて、
二重化された電源を有し、異常発生時に一方の電源から他方の電源に切り替わると共に切り替えの前後で前記通信回線を介して前記フィールド機器に供給する電圧の電圧レベルを変化させる電源部と、
前記通信回線上の前記電圧の電圧レベルの変化に基づいて異常の発生を検出する通信モジュールと
を備えたことを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
前記電源部は、
前記切り替えにおいて、切り替えた後の電圧レベルが切り替える前の電圧レベルより高いことを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
前記電源部は、
前記切り替えにおいて、切り替えた後の電圧レベルが切り替える前の電圧レベルより低いことを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
前記電源部は、
発生した異常の種類に応じて異なる電圧レベルの電圧を前記通信回線を介して前記フィールド機器に供給し、
前記通信モジュールは、
前記通信回線上の前記電圧レベルに基づいて異常の発生と共に異常の種類を検出することを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、
前記通信回線は、
IEC61784-1 CP1/1（Foundation Fieldbus H1）に規定された通信方式の通信信号を伝送することを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
通信回線を介してフィールド機器に電源電圧を供給するフィールド機器制御システムにおいて、異常発生時に通信回線を介してフィールド機器に供給する電圧の電圧レベルを変化させる電源部と、通信回線上の電圧の電圧レベルの変化に基づいて異常の発生を検出する通信モジュールとを備えたことにより、従来のように、入力モジュールやケーブルが必要なくなるので、コストがかからず、単純な構成で電源の異常を検知することができる。

本発明のフィールド機器制御システムの第１の実施例を示した構成図である。 電源部からフィールドバスを介してフィールド機器に供給される電圧を説明する説明図である。 本発明のフィールド機器制御システムの第２の実施例を示した構成図である。 電源部からフィールドバスを介してフィールド機器に供給される電圧の電圧レベルを説明する説明図である。 従来のフィールド機器制御システムの一例を示した構成図である。 フィールドバス上の信号を説明する説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明のフィールド機器制御システムの第１の実施例を示した構成図である。ここで、図５と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。 図１において、図５に示す構成と異なる点は、入力モジュール４が削除された点、電源部２の代わりに電源部６が設けられている点、通信モジュール３の代わりに通信モジュール７が設けられている点である。

図１において、ノードユニット１１は、Ｉ／Ｆモジュール５、通信モジュール７を有し、通信モジュール７は、検出回路８を有している。図１において、電源部６は、フィールドバス２０に接続され、異常時にフィールド機器１に供給する電圧を変化させる。検出回路８は、フィールドバス２０上の電源部６から供給される電圧の変化に基づいて異常の発生を検出する。

このようなフィールド機器制御システムの動作を図２を用いて説明する。
図２は、電源部６からフィールドバス２０を介してフィールド機器１に供給される電圧を説明する説明図であり、横軸が時間を表し、縦軸が電圧レベルを表している。フィールドバス２０は、規格化された通信回線であり、例えば、IEC61784-1 CP1/1（Foundation Fieldbus H1）に規定された通信方式の通信信号を伝送する。

従来と同様に、フィールドバス２０上の信号は、差動信号となっており、フィールド機器１と通信モジュール７との間の信号の授受も差動で行われる。また、フィールド機器１に供給される電源は、電源部６からフィールドバス２０を介して供給される。

フィールドバス２０上の通信に用いられる信号は、従来例と同じで、図６（ｂ）に示すように、電源部６から供給される電源電圧に通信信号が重畳された信号となる。電源部６は、何らかの原因により、異常が発生した場合、図２に示すように、フィールドバス２０上に供給する電圧の電圧レベルを＋２４Ｖから電圧Ｖ１へ変化させる。

通信モジュール７の検出回路８は、フィールドバス２０上の電源電圧の電圧レベルが変化したことを検出し、異常が発生したことを通知するアラーム信号をＩ／Ｆモジュール５へ送信する。Ｉ／Ｆモジュール５は、通信モジュール７からのアラーム信号を受信すると、電源部６で異常が発生したことをホストコンピュータ（図示せず）へ通知する。

このように、電源部６が、異常発生時に、フィールドバス２０上に供給する電圧の電圧レベルを変化させ、通信モジュール７が、フィールドバス２０上の電源電圧の電圧レベルが変化したことを検出する。そして、通信モジュール７が、アラーム信号をＩ／Ｆモジュール５へ送信し、Ｉ／Ｆモジュール５が、ホストコンピュータへ通知することにより、従来のように、入力モジュール４やケーブルＣ１が必要なくなるので、コストがかからず、単純な構成で電源の異常を検知することができる。

［第２の実施例］
図３は、本発明のフィールド機器制御システムの第２の実施例を示した構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。 図３において、図１に示す構成と異なる点は、電源部６の代わりに電源部９が設けられている点である。

図３において、電源部９は、フィールドバス２０に接続され、二重化された電源（電源９ａおよび電源９ｂ）を有し、異常時に一方の電源９ａから他方の電源９ｂに切り替わると共に切り替えの前後でフィールド機器１に供給する電圧を変化させる。すなわち、図１に示す電源部６は、二重化されていない電源であり、図３に示す電源部９は、二重化された電源である。

このようなフィールド機器制御システムの動作を説明する。
図１に示す第１の実施例と同様に、フィールド機器１に供給される電源は、電源部９からフィールドバス２０を介して供給される。

フィールドバス２０上の通信に用いられる信号は、従来例と同じで、図６（ｂ）に示すように、電源部９から供給される電源電圧に通信信号が重畳された信号となる。電源部９は、現在使用中の電源９ａが何らかの原因により、正常動作することができなくなった場合、すなわち、異常が発生した場合、使用中の電源９ａから予備の電源であるスタンバイ電源９ｂに切り替える。この時、電源部９は、図２に示すように、フィールドバス２０上に供給する電圧の電圧レベルを＋２４Ｖから電圧Ｖ１へ変化させる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
（１）図１〜図３に示す実施例において、電源部６または電源部９は、異常発生時に、フィールドバス２０上に供給する電圧の電圧レベルを変化させる構成を示したが、電源部６または電源部９からフィールドバス２０上に供給する電圧の電圧レベルを異常の種類に応じて変えるようにしてもよい。

図４は、電源部６または電源部９からフィールドバス２０を介してフィールド機器１に供給される電圧の電圧レベルを説明する説明図であり、横軸が時間を表し、縦軸が電圧レベルを表している。例えば、電源部６または電源部９に発生する異常が異常１〜３までの３種類ある場合、図４に示すように、電源部６または電源部９が、異常１が発生した時にはフィールドバス２０上に供給する電圧の電圧レベルを電圧Ｖ１にする。

同様に、異常２が発生した時にはフィールドバス２０上に供給する電圧の電圧レベルを電圧Ｖ２にし、異常３が発生した時にはフィールドバス２０上に供給する電圧の電圧レベルを電圧Ｖ３にする。すなわち、電源部６または電源部９は、発生した異常の種類に応じて、異なる電圧レベルの電圧をフィールドバス２０を介してフィールド機器１に供給する。

電源部６または電源部９に発生する異常の種類としては、例えば、以下のようなものがある。
（イ）入力される電圧が仕様で定められている範囲から外れた。
（ロ）出力する電流が仕様で定められている上限を超えた。
（ハ）内部温度または周囲温度が仕様で定められている範囲から外れた。
（ニ）出力する電圧のノイズレベルが仕様で定められている上限を超えた。

また、電源部自体の異常ではないが、電源部６または電源部９に、フィールドバス２０上の通信を受信できる機能を持たせることにより、フィールド機器１と通信モジュール７の間で一定時間の間に通信が行われていない場合も異常と判断してもよい。

通信モジュール７の検出回路８は、フィールドバス２０上の電圧レベルに基づいて異常の発生と共に異常の種類を検出する。そして、異常の種類を示すステータス信号と異常が発生したことを示すアラーム信号をＩ／Ｆモジュール５へ通知する。そして、Ｉ／Ｆモジュール５は、通信モジュール７からのステータス信号およびアラーム信号を受信すると、電源部６または電源部９での異常の発生と異常の種類をホストコンピュータ（図示せず）へ通知する。

この場合、通信モジュール７からＩ／Ｆモジュール５へステータス信号により異常の種類を通知するのではなく、通信モジュール７の検出回路８内に異常の種類を示すレジスタを持たせるようにしてもよい。異常発生時には、アラーム信号を受信したＩ／Ｆモジュール５が、検出回路８内のレジスタを読み出して異常の種類を認識する。

（２）図１〜図３に示す実施例において、電源部６または電源部９は、異常発生時の切り替えにおいて、切り替えた後の電圧レベルが切り替える前の電圧レベルより高い構成を示したが、切り替えた後の電圧レベルが切り替える前の電圧レベルより低くなるようにしてもよい。

１ フィールド機器
６，９ 電源部
７ 通信モジュール
９ａ，９ｂ 電源
２０ フィールドバス

Claims (6)

1. 通信回線を介してフィールド機器に電源電圧を供給するフィールド機器制御システムにおいて、
   異常発生時に前記通信回線を介して前記フィールド機器に供給する電圧の電圧レベルを変化させる電源部と、
   前記通信回線上の前記電圧の電圧レベルの変化に基づいて異常の発生を検出する通信モジュールと
   を備えたことを特徴とするフィールド機器制御システム。
2. 通信回線を介してフィールド機器に電源電圧を供給するフィールド機器制御システムにおいて、
   二重化された電源を有し、異常発生時に一方の電源から他方の電源に切り替わると共に切り替えの前後で前記通信回線を介して前記フィールド機器に供給する電圧の電圧レベルを変化させる電源部と、
   前記通信回線上の前記電圧の電圧レベルの変化に基づいて異常の発生を検出する通信モジュールと
   を備えたことを特徴とするフィールド機器制御システム。
3. 前記電源部は、
   前記切り替えにおいて、切り替えた後の電圧レベルが切り替える前の電圧レベルより高いことを特徴とする
   請求項１または２記載のフィールド機器制御システム。
4. 前記電源部は、
   前記切り替えにおいて、切り替えた後の電圧レベルが切り替える前の電圧レベルより低いことを特徴とする
   請求項１または２記載のフィールド機器制御システム。
5. 前記電源部は、
   発生した異常の種類に応じて異なる電圧レベルの電圧を前記通信回線を介して前記フィールド機器に供給し、
   前記通信モジュールは、
   前記通信回線上の前記電圧レベルに基づいて異常の発生と共に異常の種類を検出することを特徴とする
   請求項１または２記載のフィールド機器制御システム。
6. 前記通信回線は、
   IEC61784-1 CP1/1（Foundation Fieldbus H1）に規定された通信方式の通信信号を伝送することを特徴とする
   請求項１〜５のいずれかに記載のフィールド機器制御システム。

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