JP2011528478A - ネットワーク保護機構を有する改良されたフィールド装置インターフェイス - Google Patents

Abstract

フィールド装置インターフェイスモジュール（１０）は、コネクタ（２０）、複数の端末（５０、５２）、プロトコルインターフェイスモジュール（２６）、コントローラ（３８）及び電源モジュール（３０）を含む。コネクタ（２０）は、コンピュータ（１４）に動作可能に結合するように構成される。端末（５０、５２）は、フィールド装置（１２）に動作可能に結合することが可能である。プロトコルインターフェイスモジュール（２６）は、複数の端末（５０、５２）に結合されて、プロセス通信プロトコルに従って信号を生成するように構成される。電源モジュール（３０）は、複数の端末（５０、５２）に結合される。コントローラ（３８）は、プロトコルインターフェイスモジュール（２６）に、及び電源モジュールに結合され、複数の端末（５０、５２）間の電圧を測定して、電源モジュール（３０）に、フィールド装置（１２）に電力を選択的に提供させるように構成される。

Description

背景技術
工業界において、フィールド装置を用いて、たとえば精油所のプロセスの動作を制御する。フィールド装置、たとえばプロセス変数トランスミッタは、通常はプロセス通信ループの一部であり、フィールドに位置付けられて、プロセス変数、たとえば圧力、流れ又は温度を測定して、たとえば制御室機器に送信する。フィールド装置、たとえばバルブポジショナもまた、プロセス通信ループの一部であり、プロセス制御ループを通じて受け取られるか、又は内部で生成される制御信号に基づいて、バルブの位置を制御することができる。他のタイプのコントローラは、たとえば電気モータ又はソレノイドを制御する。また、制御室機器をプロセス通信ループの一部にして、制御室の操作者又はコンピュータが、フィールド内のトランスミッタから受け取られるプロセス変数に基づいてプロセスをモニタして、適切な制御装置に制御信号を送ることによって応答的にプロセスを制御することが可能である。多くの場合、ポータブル通信機を用いて、プロセス通信ループと結合されたフィールド装置を構成する。本明細書で用いられる用語「プロセス通信ループ」は、接続が実際のループを形成するかどうかに関係なく、プロセス信号を伝送する任意の物理的接続および媒体（ワイヤレスプロセス通信ループを含む）を意味することを意図する。このように、そのようなセグメントが厳密にはループと見なされない場合であっても、プロセス通信ループはＨＡＲＴ（登録商標）またはＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバス（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）セグメントであることができる。

低電力マイクロプロセッサの登場により、フィールド装置は著しい変化を経た。現在では、多くのフィールド装置は、デジタル通信技術の他に、より高度な制御通信技術を使用する。しかし、フィールド装置は、多くの場合依然として低電力の電子機器を使用するが、これはそれらが多くの設置ではわずか４ｍＡで動くことが必要とされるためである。この設計要求は、数多くの市販のマイクロプロセッサ回路の使用を禁止する。しかし、低電力のマイクロプロセッサであっても、そのようなフィールド装置のための膨大な数の機能を可能にしている。

そのようなマイクロプロセッサベースのフィールド装置の有効性に、劇的な向上があった。そのようなフィールド装置は、「スマート」又は「インテリジェント」と呼ばれることがある。また、これらのスマートフィールド装置を構成し、試験し、診断するために用いられるソフトウェア・アプリケーションの有効性に、劇的な向上があった。汎用コンピュータ装置、たとえばＰＣ又はポータブルラップトップコンピュータの接続は、通常、コンピュータ装置とインテリジェントフィールド装置との間に通信可能に結合されるモデムを用いて達成される。きわめて多くのプロセス通信プロトコル、たとえばＨＡＲＴ（登録商標）、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバス（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）及びプロフィバス（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）プロトコル）があり、さまざまなプロセス制御タスクを支援している。さらに、全く同じプロセス設備で、いくつもの通信プロトコルが用いられているのが見られることは一般的である。

概要
フィールド装置インターフェイスモジュールは、コネクタ、複数の端末、プロトコルインターフェイスモジュール、コントローラ及び電源モジュールを含む。コネクタは、コンピュータに動作可能に結合するように構成される。端末は、フィールド装置に動作可能に結合することが可能である。プロトコルインターフェイスモジュールは、複数の端末に結合されて、プロセス通信プロトコルに従って信号を生成するように構成される。電源モジュールは、複数の端末に結合される。コントローラは、プロトコルインターフェイスモジュールに、及び電源モジュールに結合され、複数の端末間の電圧を測定して、電源モジュールに、フィールド装置に電力を選択的に提供させるように構成される。

汎用コンピュータ装置にフィールド装置を結合するフィールド装置インターフェイスの線図である。である。 本発明の実施形態のモデムのブロック図である。 本発明の実施形態の、インターフェイスモジュールを使用して、フィールド装置に汎用コンピュータを結合する方法のフロー図である。 本発明の実施形態の、フィールド装置に動作可能に結合されるフィールド装置インターフェイスの線図である。 本発明の実施形態の、フィールド装置に動作可能に結合されるフィールド装置インターフェイスの線図である。

図１は、汎用コンピュータ装置１４（ラップトップコンピュータとして図示）にフィールド装置１２を通信可能に結合するフィールド装置インターフェイス１０の線図である。インターフェイス１０とフィールド装置１２との間の結合は、直接接続を介して、たとえばフィールド装置内部の配線端末（図４Ａに示される）を介して、又はプロセス通信ループ１６（図４Ｂに示される）を通して行われてもよい。インターフェイス１０は、プロセス通信ループ１６に結合するように構成されたネットワーク接続回路１８と、汎用コンピュータ装置１４に結合するように構成されたコネクタモジュール２０とを含む。コネクタモジュール２０は、コンピュータ１４に接続するための任意の好適な形状コネクタを含んでもよい。好適な例は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）接続、ＤＢ９又はＤＢ２５コネクタ等を使用する標準のシリアル接続、パラレル接続、ＰＣＭＣＩＡ接続、ＰＣＩ接続、及びファイヤワイヤ接続を含むが、これらに限定されない。コネクタモジュール２０が汎用コンピュータ装置１４へのワイヤード接続を含む本発明の実施形態では、インターフェイス１０がワイヤード通信インターフェイスを通して電力供給されることが好ましい。また、本発明の実施形態は、インターフェイスモジュール１０と汎用コンピュータ装置１４との間のデータ通信がワイヤレス接続である場合にも実施されることができる。好適なワイヤレス接続の例は、赤外線通信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信、及びＷＩＦＩ通信（たとえばIEEE 802.11b又はIEEE 802.11g）を含む。さらに、汎用コンピュータ装置の技術の進歩に従い、現在公知であるか又は後に開発されるかに関わらず、汎用コンピュータを適応させるための任意の好適なデータ通信技術を用いて、本発明の実施形態を実施することができる。

図２は、本発明の実施形態の、フィールド装置インターフェイス１０の線図である。フィールド装置インターフェイス１０は、コネクタモジュール２０に結合されたマイクロプロセッサ３８を含み、これは汎用コンピュータ１４（図１に示される）に結合可能である。フィールド装置インターフェイス１０は、好ましくは、マイクロプロセッサ３８に結合されたアナログ・ディジタル変換器３６を含む。変換器３６は、制御ロジック３４を介して、測定回路３２に結合する。また、マイクロプロセッサ３８は、外部データバス４０に結合され、それを通してリードオンリーメモリ４２及びランダムアクセスメモリ４４と相互に作用する。また、マイクロプロセッサ３８は、データバス４０を通して、プロトコルインターフェイスモジュール２６及び任意の第２のプロトコルインターフェイスモジュール２８と相互に作用して、それぞれのプロセス通信ループを通じて通信することが可能である。複数のプロトコルインターフェイスモジュールを含む実施形態では、各々のモジュールは、異なる標準のプロセス通信プロトコルに従って通信するように設計されている。たとえば、プロトコルインターフェイスモジュール２６はＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルに従って通信するように構成されてもよく、一方で任意の第２のプロトコルインターフェイスモジュール２８がＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバス（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）プロトコルに従って通信するように構成されてもよい。加えて、図２は一対のモジュールを図示するが、本発明の実施形態は、１を含む任意の好適な数のそのようなモジュールを使用することによって実施されることができる。加えて、インターフェイスモジュール２６、２８は、ともに端末５０、５２に結合して示されているが、ワイヤレスプロトコルインターフェイスモジュールを端末５０、５２に結合させる必要はなく、代わりに好適なアンテナに結合させる。

本発明の実施形態によれば、マイクロプロセッサ３８は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれの組合せによって、測定回路３２及び／又はアナログ・ディジタル変換器３６を使用して端末５０、５２間の電圧を試験して、取り付けられたプロセス通信ループが電力供給されているか、及び／又はループを通じた通信が可能にされてもよいかを決定するように構成される。

インターフェイスモジュール１０は、図２に図示されたような、インターフェイスモジュール１０の構成要素全てに動作可能に結合された電力モジュール３０を含む。インターフェイスモジュール１０がワイヤード接続（例えばＵＳＢ接続）を通してコンピュータ１４に結合する実施形態において、電力モジュール３０は、コンピュータ１４から入手可能な電力を、インターフェイスモジュール１０内部の回路に好適なレベルに調整及び／又は変換するように構成される。加えて、インターフェイスモジュール１０がコンピュータ１４に物理的に配線されない実施形態では、電力モジュール３０は電力記憶機器、たとえばバッテリ又はスーパーキャパシタを含み、電力源に結合されることなく電力供給され続けることができる。加えて、電力モジュール３０は、端末５０、５２に結合するプロセス通信ループ又はフィールド装置に選択的に電力を提供するように構成される。さらに、電力モジュール３０はまた、好ましくは、インピーダンスを変更してフィールド装置通信を支援するように構成される。たとえば、ＨＡＲＴ（登録商標）通信を使用する実施形態では、電力モジュール３０は、好ましくは２５０オームのレジスタを含む。しかし、他のネットワーク及びプロセス通信プロトコルは、他の回路を必要とする場合がある。

多くのスマート計測器（フィールド装置）は２線式装置であり、両方の電力が装置に提供され、デジタル通信が同じ２線式に起こる。これらの装置は、極性を区別しないか、あるいは逆極性保護を有する。

本発明の実施形態によって、一般に、技術者のタスクが、フィールド内の、又は技術者の作業台上の電力供給された装置で実行されることが可能になる。フィールド装置インターフェイス１０は、単に通信（たとえばフィールド内の電力供給された装置との）を可能してもよく、又は実際に装置に電力供給すると同時に、通信（たとえば作業台上の装置の初期設定中に）を可能にしてもよい。フィールド装置インターフェイスの設計の１つの重要な重要な点は、フィールド装置と通信して電力供給することを可能にできるが、技術者が電力をプラント内のすでに電力供給されたフィールド装置に引き続き電力を与えることを防止し、及び／又は自動的にフィールド装置極性を決定することが可能であるということである。

本発明の実施形態によれば、インターフェイス１０が含むフィールド装置１０は、内蔵電源モジュール３０を含み、これにより技術者は、別個の電源装置を担持して結合する必要なく、フィールド装置に電力供給して、それと通信することが可能になる。しかし、作動中の制御ループ上のすでに給電されたフィールド装置にさらなる電力を与えることは、制御システムに提供されるフィールド装置信号及び情報を妨げ、場合によっては深刻な問題を伴う。具体的には、本願明細書に開示される実施形態は、好ましくは電力を検出して、接続された装置がすでに電力供給されている場合には、電力が使用可能にされることを防止する。フィールド装置インターフェイスがフィールド装置に給電し、リード線が、フィールド装置から意図的に、あるいは意図的でなく切り離される場合、フィールド装置インターフェイスモジュールからの有効な電力は遮断される。また、フィールド装置の極性は測定回路３２を用いて決定されることができ、技術者が接続の極性を懸念する必要はない。前述のように、フィールド装置インターフェイスモジュールを用いて、フィールド装置における電力を自動的に検出し、場合によってはフィールド装置に電力を提供することができる。

いくつかの実施形態では、フィールド装置インターフェイスモジュール１０は、本質的に安全である。本質的な安全要求の遵守とは、本質的な安全仕様、たとえば１９９８年１０月にFactory Mutual Researchにより、APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS III AND III, DIVISION 1 HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610というタイトルで公表された規格の部分の一又はそれ以上の遵守を意味する。

図３は、本発明に実施形態のフィールド装置インターフェイスモジュールを用いて、フィールド装置に汎用コンピュータを結合させる方法のフロー図である。方法１００はブロック１０２から開始し、ここで技術者は、フィールド装置インターフェイスモジュール（モデム）に、取付けられたフィールド装置に電力供給することを要求する。フィールド装置インターフェイス、モジュールがフィールド装置に最初に接続されると、フィールド装置インターフェイスモジュールによって、取付けられたフィールド装置に電力が提供されないデフォルト動作が行われる。フィールド装置インターフェイスモジュールは、内蔵型電源３０の起動を要求して、取付けられたフィールド装置に電力供給する方法を有する。これは、たとえば、ソフトウェアの要求、又は物理的な押しボタンもしくはスイッチであることができる。ブロック１０２において、技術者は、端末５０、５２に電力を与えることを、ソフトウェア又は物理的なスイッチを介して実際に要求する。そして、制御はブロック１０４に移り、フィールド装置インターフェイスモジュール、たとえばモジュール１０が、端末５０、５２両端の直流電圧を、好ましくは測定回路３２を用いて測定する。測定された電圧が、電力供給されたネットワークの最低レベルを上回る場合、電力は有効にされない。ブロック１０６で示されるように、フィールド装置インターフェイスモジュールは、取付けられたフィールド装置がすでに電力供給され、電力が与えられないという表示を、技術者に提供する。しかし、測定された直流電圧が、電力供給されたフィールド装置の最低レベルを下回る場合、制御はブロック１０８に移り、端末５０、５２に電流制限電圧が与えられる。電流制限及び電圧は、ネットワークタイプに適切であるように設定される。電流の流れは常にモニタされ、フィールド装置は、定義された予想起動時間内で最小量の電流を引き出すことが予測される。したがって、方法１００は、最大フィールド装置起動時間が経過するまでブロック１１０で待ち、その後制御はブロック１１２に移る。ブロック１１２で、方法１００は、取付けられたフィールド装置が、最小を上回る電流を引き出しているかを判定する。フィールド装置が最小を上回る電流レベルを引き出している場合、制御はその後、ライン１１６を介してブロック１１４に移り、ここでフィールド装置電流を継続的にモニタして、規定最小値を上回るかを判定する。取付けられたフィールド装置が最小値を上回る電流を引き出す間、ブロック１１４は基本的にループし、それによってフィールド装置電流を継続的にモニタする。フィールド装置が最小を上回る電流の引き出しを中断する場合、制御はブロック１１８に移り、電流制限電圧が遮断され、技術者に電力がオフになっていることが通知される。

制御はブロック１１２に戻り、装置が最小を上回る電流を引き出していない場合、その後ブロック１２０に移り、ここで電流制限電圧の極性が切り換えられる。次に、制御はブロック１２２に移り、ここで本方法は、最大フィールド装置起動時間が経過するまで待ち、その後制御はブロック１１４に移る。

図４Ａは、本発明の実施例の、２線式フィールド装置に結合された内部電源を有するフィールド装置インターフェイスモジュール及び保護／極性機構の線図である。モジュール１０は、フィールド装置端末において閾値に満たない直流電圧を検出し、その後フィールド装置に電力供給して、そこへの／そこからの通信を使用可能にする（技術者が、フィールド装置への電力を要求したことを前提とする）。この状況は、通常、フィールド装置が、初期設定されているか又は技術者によって作業台上で作業されている場合に生じる。

図４Ｂは、制御システム、ループインジケータ、又は他の電源と、２線式装置との間に配設されたプロセス通信ループに結合された内部電源及び保護／極性機構を有するフィールド装置インターフェイスモジュールの線図である。図４Ｂに図示されるように、フィールド装置インターフェイスモジュール１０は、プロセス通信ループ上の最小閾値を上回る直流電圧を検出して、単に装置への／装置からの通信を可能にする。図４Ｂに図示される状況は、通常、フィールド装置インターフェイスモジュールが、操作制御システム又はプロセス表示システムに接続されたフィールド装置と通信する場合に生じる。

好ましい実施態様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、形状及び詳細に変更を加えてもよいことが認識されよう。たとえば、本明細書に記載されている実施形態がＨＡＲＴ（登録商標）モデムに関して提供されるが、本発明の実施形態は装置電力、通信が同じ２線式に起こる任意の好適な２線式工業用プロトコルによって実施されることができる。たとえば、本明細書に記載の実施形態は、ＨＡＲＴ（登録商標）モデムに関して提供されているが、本発明の実施形態は、任意の好適な２線式工業用プロトコルによって実施されることができ、この場合装置電力と通信とが同じ二線上で生じる。

Claims (14)

1. コンピュータに動作可能に結合するように構成されたコネクタと、
   フィールド装置に動作可能に結合可能な複数の端末と、
   複数の端末に結合され、プロセス通信プロトコルに従って信号を生成するように構成されたプロトコルインターフェイスモジュールと、
   プロトコルインターフェイスモジュールに結合されたコントローラと、
   複数の端末に結合され、コントローラに結合された電源モジュールとを含み、
   コントローラが、複数の端末の両端の電圧を測定して、電源モジュールに、フィールド装置に電力を選択的に提供させるように構成される、フィールド装置インターフェイスモジュール。
2. 複数の端末に、及びコントローラに結合され、複数の端末の両端の電圧を測定して、その表示をコントローラに提供するように構成された測定回路をさらに含む、請求項１記載のフィールド装置インターフェイスモジュール。
3. 電源モジュールがコネクタに動作可能に結合され、フィールド装置インターフェイスモジュールがコネクタを通して電力供給される、請求項１記載のフィールド装置インターフェイスモジュール。
4. コネクタが、コンピュータとワイヤレス通信するように構成される、請求項１記載のフィールド装置インターフェイスモジュール。
5. 電源モジュールが電力貯蔵装置を含む、請求項４記載のフィールド装置インターフェイスモジュール。
6. コントローラが、複数の端末の両端で測定される直流電圧が閾値を超えるかを判定し、測定された直流電圧が閾値を下回る場合、電源に、フィールド装置に電力を提供させるように構成される、請求項１記載のフィールド装置インターフェイスモジュール。
7. コントローラが、電源モジュールに、端末の両端に電流制限電圧を与えさせるように構成される、請求項６記載のフィールド装置インターフェイスモジュール。
8. コントローラが、最大フィールド装置起動時間が経過するまで待ち、フィールド装置が最小電流を上回る電流を引き出しているかを判定するようにさらに構成される、請求項７記載のフィールド装置。
9. コントローラが、フィールド装置が最小電流を上回る電流を引き出していない場合に、電源モジュールに、端末を通して提供される電力の極性を逆転させるようにさらに構成される、請求項８記載のフィールド装置インターフェイスモジュール。
10. フィールド装置インターフェイスモジュールが本質的に安全である、請求項１記載のフィールド装置インターフェイスモジュール。
11. フィールド装置への電力供給要求を受信することと、
    フィールド装置に動作可能に結合された一対の端末の直流電圧が閾値を上回るかを判定することと、
    ネットワークがすでに電力供給されていることの表示を提供し、判定に基づいてフィールド装置に電力を提供しないことと、
    を含む、コンピュータにフィールド装置を結合する方法。
12. フィールド装置への電力供給要求を受信することと、
    フィールド装置に動作可能に結合された一対の端末の直流電圧が閾値を上回るかを判定することと、
    端末の両端に電流制限電圧を印加することと、
    フィールド装置が規定の最小値を上回る電流を引き出しているかを判定することと、
    を含む、コンピュータにフィールド装置を結合する方法。
13. フィールド装置が、規定の最小値を上回る電流を引き出しているかを判定することが、最大フィールド装置起動時間が経過し、一度電流制限電圧が印加された後に行われる、請求項１２記載の方法。
14. フィールド装置が規定の閾値を上回る電流を引き出さない場合、極性を逆転させることをさらに含む、請求項１２記載の方法。

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