JP2012208818A

JP2012208818A - フィールド機器

Info

Publication number: JP2012208818A
Application number: JP2011075004A
Authority: JP
Inventors: Koji Okuda; 浩二奥田
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: US20120248896A1; JP5604351B2; CN102736580A; CN102736580B

Abstract

【課題】不安定な状態で動作することによる不具合の発生を防止する。
【解決手段】動作電源生成回路３からの本体回路２への動作電源Ｖ２の供給ラインＬＡに切替スイッチＳＷ１を設ける。切替スイッチＳＷ１のオン／オフの状態（閉状態／開状態）を制御する制御回路部５として電流検出回路６と比較判定回路７とを設ける。電流検出回路６は、上位側システム２００からの供給電流Ｉの値に応じた電圧Ｖｓを入力とし、この電圧Ｖｓを反転増幅して出力電圧Ｖｃとする。比較判定回路７は、電流検出回路６からの出力電圧Ｖｃを入力とし、この出力電圧Ｖｃと基準電圧Ｖｄとを比較し、出力電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｄよりも高くなった場合に、切替スイッチＳＷ１をオンとする。基準電圧Ｖｄは本体回路２を正常に動作させるために必要な供給電流Ｉの下限電流値に応ずる値として予め定められている。
【選択図】図１

Description

この発明は、上位側システムより一対の電線を介して供給される電流から自己の動作電源を生成して動作するポジショナなどのフィールド機器に関するものである。

従来より、調節弁の弁開度制御を担うフィールド機器であるポジショナは、上位側システムより一対の電線を介して送られてくる４〜２０ｍＡの電流で動作するように設計されている。例えば、上位側システムより４ｍＡの電流が送られてきた場合には調節弁の開度を０％とし、２０ｍＡの電流が送られてきた場合には調節弁の開度を１００％とする。

この場合、上位側システムからの供給電流は４ｍＡから２０ｍＡの範囲で変化するので、ポジショナの内部回路は上位側システムから供給される電流値として常に確保することの可能な４ｍＡ以下の電流より自己の動作電源を生成する（例えば、特許文献１参照）。

図８に従来のポジショナの要部の構成を示す。このポジショナ１００は、上位側システム２００より一対の電線Ｌ１，Ｌ２を介して電流Ｉの供給を受け、この供給電流Ｉから自己の動作電源を生成する一方、供給電流Ｉの値に応じて図示されていない調節弁の開度を制御する。

ポジショナ１００は、ＣＰＵ（演算処理部）１を含む本体回路（メイン回路）２と、ツェナーダイオードＤ１を含む動作電源生成回路３と、抵抗Ｒ１とを備えている。動作電源生成回路３と抵抗Ｒ１とは上位側システム２００からの電流Ｉが入出力される端子Ｔ１，Ｔ２間に直列に接続され、動作電源生成回路３と抵抗Ｒ１との接続点は接地されている。

このポジショナ１００において、動作電源生成回路３は、上位側システム２００からの電流より定電圧Ｖ１を生成し、この生成した定電圧Ｖ１を動作電源Ｖ２として本体回路２に供給する。

なお、図９に示すように、動作電源生成回路３が生成した定電圧Ｖ１を動作電源Ｖ２として本体電源回路４に供給し、この本体電源回路４において本体回路２に適した電圧Ｖ３とし、この電圧Ｖ３を動作電源として本体回路２へ供給するような方式もある。

特開２００４−１５１９４１号公報特開平３−２１２７９９号公報（特許第２７５３５９２号）

しかしながら、図８や図９に示した回路構成では、正常動作が可能である供給電流Ｉの電流範囲をポジショナ１００の仕様として規定しているが、上位側システム２００からの電源供給の立ち上がり時など、供給電流Ｉが素早く正常動作が可能な電流範囲まで上昇すれば問題はないが（図１０に示す特性Ｉ参照）、供給電流Ｉがゆっくり変化するような場合（図１０に示す特性II参照）、ＣＰＵ１を含む本体回路２が動作電源生成回路３が生成する不充分な電圧で起動してしまい、中途半端な起動状態となり、意に反して調節弁が開かれてしまうなど、誤動作が生じる虞があった。また、電源起動状態で供給電流Ｉが低下してきたような場合にも、すなわち、ＣＰＵ１を含む本体回路２の正常起動後、供給電流Ｉが低下し、正常動作が可能な電流以下となったような場合にも、同様の誤動作が生じる虞があった。

なお、特許文献２には、２線の伝送線を介して電源（電圧）の供給を受けて流量などの物理量を測定して、その測定値に応じて電流信号を伝送する２線式計器が示されている。この２線式計器では、端子電圧の低下を監視し、端子電圧の低下を検出した場合、マイクロプロセッサに初期化と警報を指示する。しかし、この特許文献２に示された技術を適用して上述したポジショナでの問題を解決しようとしても、次のような事情があり、容易にその問題を解決することはできない。

〔事情１〕
特許文献２に示された２線式計器は、電圧入力型機器であって、ポジショナは電流入力型機器という動作形式の違いがある。
〔事情２〕
特許文献２に示された技術では、２線式計器が正常に起動した状態から電源電圧の低下のような異常が発生した場合には対処できるが、正常に起動したかどうかは検知できない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、が可能なフィールド機器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係るフィールド機器は、上位側システムより一対の電線を介して供給される電流から動作電源を生成する動作電源生成回路と、動作電源生成回路からの動作電源の供給を受けて動作する演算処理部を含むメイン回路と、メイン回路への動作電源の供給ラインに設けられた切替スイッチと、一対の電線を介して供給されている電流の値を現在の電流値として検出する電流検出回路と、電流検出回路によって検出された現在の電流値に応ずる値とメイン回路を正常に動作させるために必要な供給電流の下限電流値に応ずる値として予め定められている比較判定値とを比較し、現在の電流値に応ずる値が比較判定値よりも高くなった場合に切替スイッチを閉状態とし、現在の電流値に応ずる値が比較判定値よりも低くなった場合に切替スイッチを開状態とする比較判定回路とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、一対の電線を介して供給されている電流の値が現在の電流値として検出され、この検出された現在の電流値に応ずる値と予め定められている比較判定値（メイン回路を正常に動作させるために必要な供給電流の下限電流値に応ずる値）とが比較され、現在の電流値に応ずる値が比較判定値よりも高くなった場合に切替スイッチが閉状態とされ、動作電源生成回路からの動作電源がメイン回路へ供給される。また、現在の電流値に応ずる値が比較判定値よりも低くなった場合に切替スイッチが開状態とされ、動作電源生成回路からの動作電源のメイン回路への供給が遮断される。

なお、本発明において、現在の電流値に応ずる値や下限電流値に応ずる値とは、電流値そのものであってもよいし、電圧値に変換された値であってもよい。

本発明によれば、動作電源生成回路からの動作電源のメイン回路への供給ラインに切替スイッチを設け、一対の電線を介して供給されている電流の値を現在の電流値として検出するようにし、メイン回路を正常に動作させるために必要な供給電流の下限電流値に応ずる値を比較判定値とし、現在の電流値に応ずる値が比較判定値よりも高くなった場合に切替スイッチを閉状態とし、現在の電流値に応ずる値が比較判定値よりも低くなった場合に切替スイッチを開状態とするようにしたので、現在の電流値がメイン回路を正常に動作させるために必要な下限電流値よりも小さい状態で動作電源生成回路からの動作電源がメイン回路へ供給されることがなく、メイン回路が不安定な状態で動作することによる不具合の発生を防止することが可能となる。

本発明に係るフィールド機器の一実施の形態の要部の構成図（図８に示した方式への適用例）である。このフィールド機器（ポジショナ）で用いる電流検出回路の回路例を示す図である。このフィールド機器（ポジショナ）で用いる比較判定回路の回路例を示す図である。本発明に係るフィールド機器の一実施の形態の要部の構成図（図９に示した方式への適用例）である。比較判定回路の別の回路例を示す図である。ヒステリシスを持たせた比較判定回路の回路例を示す図である。ヒステリシスを持たせた比較判定回路の別の回路例を示す図である。従来のポジショナの要部の構成を示す図である。従来のポジショナの要部の構成（本体電源回路を用いた例）を示す図である。電源供給の立ち上がり時の供給電流Ｉの変化例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係るフィールド機器の一実施の形態の要部の構成図である。同図において、図８と同一符号は図８を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。

この実施の形態において、ポジショナ１００には、動作電源生成回路３からの本体回路２への動作電源Ｖ２の供給ラインＬＡに切替スイッチＳＷ１が設けられており、この切替スイッチＳＷ１のオン／オフの状態（閉状態／開状態）を制御する制御回路部５として電流検出回路６と比較判定回路７とが設けられている。

電流検出回路６および比較判定回路７は、動作電源生成回路３からの本体回路２への動作電源Ｖ２の供給ラインＬＡ中、切替スイッチＳＷ１よりも上流側のラインと接地ラインＬＢとの間に並列に接続されている。電流検出回路６および比較判定回路７は本体回路２で必要な消費電流も格段に低い電流（例えば、１ｍＡ以下）で動作する。

電流検出回路６は、抵抗Ｒ１の電流Ｉの流出側に生ずる電圧Ｖｓを入力とし、すなわち上位側システム２００より一対の電線Ｌ１，Ｌ２を介して供給されている電流Ｉの値に応じた電圧Ｖｓを入力とし、この電圧Ｖｓを反転増幅して出力電圧Ｖｃとする。この出力電圧Ｖｃは供給電流Ｉの現在の電流値を示す。

図２に電流検出回路６の回路例を示す。この電流検出回路６は、オペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とによって構成されており、抵抗Ｒ２の一端をオペアンプＯＰ１の反転入力端に、抵抗Ｒ３をオペアンプＯＰ１の反転入力端と出力端との間に接続し、オペアンプＯＰ１の非反転入力端を接地させている。これにより、電流検出回路６は、反転増幅器として動作する。

この電流検出回路６の回路例において、電圧Ｖｓは抵抗Ｒ２を介してオペアンプＯＰ１の非反転入力端に入力され、オペアンプＯＰ１の出力端より電圧Ｖｓを反転増幅した電圧Ｖｃが得られる。なお、この場合、電圧Ｖｓは接地電圧以下となるため、電流検出回路６で反転させる。また、電圧Ｖｓは微小電圧であるため、電流検出回路６で増幅することが安定検出となり、好ましい。

比較判定回路７は、電流検出回路６からの出力電圧Ｖｃを入力とし、この出力電圧Ｖｃと基準電圧（比較判定電圧）Ｖｄとを比較し、その比較結果によって切替スイッチＳＷ１のオン／オフの状態を切り替える。比較判定回路７での基準電圧Ｖｄは、本体回路２を正常に動作させるために必要な供給電流Ｉの下限電流値に応ずる値として予め定められている。この例において、下限電流値は、例えば２ｍＡ以下とされている。

図３に比較判定回路７の回路例を示す。この比較判定回路７は、オペアンプＯＰ２とツェナーダイオードＤｚとによって構成されており、オペアンプＯＰ２の反転入力端にツェナーダイオードＤｚによって生成される基準電圧Ｖｄを与えるようにしている。

この比較判定回路７の回路例において、電流検出回路６からの出力電圧ＶｃはオペアンプＯＰ２の非反転入力端へ与えられ、オペアンプＯＰ２の反転入力端に与えられている基準電圧Ｖｄと比較される。オペアンプＯＰ２は、出力電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｄよりも高くなった場合に、その出力電圧Ｖｏを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルへ反転し、切替スイッチＳＷ１をオンとする。また、出力電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｄよりも低くなった場合に、その出力電圧Ｖｏを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルへ反転し、切替スイッチＳＷ１をオフとする。

〔上位側システムからの電源供給の立ち上がり時〕
今、上位側システム２００からの電源供給の立ち上がり時であって、供給電流Ｉがゆっくり変化するものとする。この場合、電流検出回路６および比較判定回路７は、動作電源生成回路３からの電圧Ｖ１が自己の動作電圧以上となると動作を開始する。また、切替スイッチＳＷ１は、オフとされている。

電流検出回路６は、動作を開始すると、抵抗Ｒ１の電流Ｉの流出側に生ずる電圧Ｖｓを検出し、この電圧Ｖｓを反転増幅し、出力電圧Ｖｃとして比較判定回路７へ送る。

比較判定回路７は、電流検出回路６からの出力電圧Ｖｃと基準電圧Ｖｄとを比較し、出力電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｄを超えるとその出力電圧Ｖｏを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルへ反転し、切替スイッチＳＷ１をオンとする。これにより、動作電源生成回路３からの電圧Ｖ１が動作電源Ｖ２として本体回路２へ供給され始める。

この場合、基準電圧Ｖｄは本体回路２を正常に動作させるために必要な供給電流Ｉの下限電流値に応ずる値であるため、供給電流Ｉが本体回路２を正常に動作させるために必要な電流値以上となった状態で、すなわち動作電源生成回路３が生成する動作電源Ｖ２が本体回路２を正常に動作させるために必要な電圧値以上となった状態で、切替スイッチＳＷ１がオンとされるものとなる。

これにより、ＣＰＵ１を含む本体回路２が不充分な電圧で起動してしまうことがなく、中途半端な起動状態となり、意に反して調節弁が開かれてしまうなどの誤動作が生じる虞がなくなる。

〔電源起動状態で供給電流が低下してきたような場合〕
ＣＰＵ１を含む本体回路２の正常起動後、供給電流Ｉが低下し、正常動作が可能な電流以下となった場合、比較判定回路７は、その出力電圧Ｖｏを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルへ反転し、切替スイッチＳＷ１をオフとする。これにより、動作電源生成回路３からの動作電源Ｖ２の本体回路２への供給が遮断され、不安定な状態でのＣＰＵ１を含む本体回路２の動作が避けられ、誤動作の発生が未然に防がれる。

なお、図１は図８に示した方式への適用例として示したが、図９に示した方式でも同様にして適用することが可能である。図４に図９に示した方式への適用例を示す。図９に示した方式に適用する場合、切替スイッチＳＷ１は、動作電源生成回路３からの本体回路２への動作電源Ｖ２の供給ラインＬＡ中、本体電源回路４の前段のラインに設ける。

また、図３に示した比較判定回路７では、ツェナーダイオードＤｚによって生成される基準電圧ＶｚをオペアンプＯＰ２の反転入力端に与え、電流出力回路６からの出力電圧ＶｃをオペアンプＯＰ２の非反転入力端へ与えるようにしたが、図５に示すように、ツェナーダイオードＤｚによって生成される基準電圧ＶｚをオペアンプＯＰ２の非反転入力端に与え、電流出力回路６からの出力電圧ＶｃをオペアンプＯＰ２の反転入力端へ与えるようにしてもよい。

図５に示した比較判定回路７の回路例において、オペアンプＯＰ２は、出力電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｄよりも高くなった場合に、その出力電圧Ｖｏを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルへ反転し、切替スイッチＳＷ１をオンとする。また、出力電圧Ｖｃが基準電圧Ｖｄよりも低くなった場合に、その出力電圧Ｖｏを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルへ反転し、切替スイッチＳＷ１をオフとする。

また、図１における比較判定回路７では、電流出力回路６からの出力電圧Ｖｃを１つの基準電圧（比較判定値）Ｖｚと比較するようにしたが、基準電圧として第１の基準電圧（第１の比較判定値）ＶｈＩとこの第１の基準電圧ＶｈＩよりも所定値だけ低く設定された第２の基準電圧（第２の比較判定値）Ｖｌｏとを設け、電流出力回路６からの出力電圧Ｖｃが第１の基準電圧ＶｈＩよりも高くなった場合に切替スイッチＳＷ１をオンとし、電流出力回路６からの出力電圧Ｖｃが第２の基準電圧Ｖｌｏよりも低くなった場合に切替スイッチＳＷ１をオフとするようにしてもよい。このようにすると、比較判定値にヒステリシスが設けられ、切替スイッチＳＷ１のオン／オフのハンチングを防止することが可能となる。

図６に比較判定値にヒステリシスを設けた場合の比較判定回路７’の具体例を示す。この比較判定回路７’では、オペアンプＯＰ２の非反転入力端に抵抗Ｒ４の一端を接続し、オペアンプＯＰ２の非反転入力端と出力端との間に抵抗Ｒ５を接続し、オペアンプＯＰ２の反転入力端にツェナーダイオードＤｚが生成する基準電圧Ｖｚを与えるようにしている。

この比較判定回路７’の具体例では、電流出力回路６からの出力電圧Ｖｃをモニタして、基準電圧Ｖｚを元にした比較電圧ＶｈＩとＶｌｏとを比較して、０Ｖから上昇する場合は比較電圧ＶｈＩを超えた場合に出力電圧Ｖｏを「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルへ反転する。また、高い電圧から低下した場合は、比較電圧Ｖｌｏ以下で、出力電圧Ｖｏを「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルへ反転する。図７に図６に示した動作とは逆の動作をする比較判定回路７’の具体例を示す。

本発明のフィールド機器は、調節弁の開度を制御するポジショナなどとして、プロセス制御など様々な分野で利用することが可能である。

１…ＣＰＵ（演算処理部）、２…本体回路（メイン回路）、３…動作電源生成回路、４…本体電源回路、５…制御回路部、６…電流検出回路、７，７’…比較判定回路、ＳＷ１…切替スイッチ、Ｌ１，Ｌ２…一対の電線、ＬＡ…供給ライン、ＬＢ…接地ライン、Ｔ１，Ｔ２…端子、ＯＰ１，ＯＰ２…オペアンプ、Ｒ１〜Ｒ５…抵抗、Ｄ１，Ｄｚ…ツェナーダイオード、１００…ポジショナ、２００…上位側システム。

Claims

上位側システムより一対の電線を介して供給される電流から動作電源を生成する動作電源生成回路と、
前記動作電源生成回路からの動作電源の供給を受けて動作する演算処理部を含むメイン回路と、
前記メイン回路への前記動作電源の供給ラインに設けられた切替スイッチと、
前記一対の電線を介して供給されている電流の値を現在の電流値として検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路によって検出された現在の電流値に応ずる値と前記メイン回路を正常に動作させるために必要な前記供給電流の下限電流値に応ずる値として予め定められている比較判定値とを比較し、前記現在の電流値に応ずる値が前記比較判定値よりも高くなった場合に前記切替スイッチを閉状態とし、前記現在の電流値に応ずる値が前記比較判定値よりも低くなった場合に前記切替スイッチを開状態とする比較判定回路と
を備えることを特徴とするフィールド機器。
請求項１に記載されたフィールド機器において、
前記比較判定回路は、前記比較判定値として第１の比較判定値とこの第１の比較判定値よりも所定値だけ低く設定された第２の比較判定値とを有し、前記現在の電流値に応ずる値が前記第１の比較判定値よりも高くなった場合に前記切替スイッチを閉状態とし、前記現在の電流値に応ずる値が前記第２の比較判定値よりも低くなった場合に前記切替スイッチを開状態とする
ことを特徴とするフィールド機器。
請求項１又は２に記載されたフィールド機器において、
前記メイン回路の演算処理部は、
前記一対の電線を介して供給されている電流の値に応じて調節弁の開度を制御する
ことを特徴とするフィールド機器。