JP2012510093A - 本来的に安全なモジュール式制御システム - Google Patents

Abstract

分散制御ネットワークのトランクに沿って信号を送受信する制御プロセッサと、危険エリア内に位置する１つまたは複数のフィールド・デバイスとの間で電力およびデータを送るためのモジュール式システムは、バックプレーン・バスと、そのバックプレーンに接続されかつトランクとバックプレーンとを相互接続するトランク・モジュールとを含む。バックプレーンには、本質安全分岐モジュールが着脱可能に付加される。

Description

本発明は、リアルタイム分散制御のための制御システムに関し、より詳細には、制御システムのメイン・トランクとフィールド・デバイスとの間の本来的に安全なインターフェイスを提供する制御システムに関する。

自動化された産業システムは、産業プロセスをモニタし、制御し、操作するフィールド・デバイスを有する。このフィールド・デバイスは、フィールド・デバイスに電力を送りかつ制御プロセッサとフィールド・デバイスとの間で（操作コマンドを含むことができる）データ信号を伝送するトランクを介し、制御プロセッサと通信する。このフィールド・デバイスは、分岐（ｓｐｕｒ）接続またはブランチ接続によりトランクにそれぞれ付加する。このフィールド・デバイスは、産業プラントの全体にわたり分散させることができ、データの伝送レートは、事実上リアルタイムのプロセス制御を可能にする。

標準化された電力および通信プロトコルが、分散制御システムのために開発されてきた。例えば、ファウンデーション・フィールドバス（Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）プロトコルは、ツイスト２線式トランク・ケーブル上で直流電力および信号を送り、制御プロセッサがいくつかのフィールド・デバイスと通信し、それらのフィールド・デバイスを制御することを可能にする、全デジタル・シリアル双方向通信システムである。他の知られている分散制御システムには、プロフィバス（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）ＰＡ制御システムや、イーサネットベースの制御システムが含まれる。

フィールド・デバイスは、火災危険を示す、プラントの危険エリア内に位置することができる。危険エリアは、危険の性質に関するクラスによって識別される。可燃性ガスはクラス１エリア内にあり、可燃性粉塵はクラス２エリア内にあり、着火性繊維および綿くずはクラス３エリア内にある。クラス０は、火災危険がない安全エリアである。

危険エリアは、火災危険のレベルに関する区分およびゾーンによりさらに識別される。区分１は、火災危険が絶え間なく存在するエリア（ゾーン０）、または火災危険が通常動作中にのみ存在するエリア（ゾーン１）を識別する。区分２は、火災危険が予期されない危険エリア（ゾーン２）を識別するが、危険が生じる場合、その危険は短い期間にわたってしか存在しない。

危険エリア内に位置するフィールド・デバイスを有する分散制御システムは、本質的に安全であり得る。本質的に安全な制御システムは、電気故障中に放出されるエネルギーが、危険エリア内で着火を引き起こすには十分でないよう設計される。エネルギーの放出を着火点未満に限定するよう、全制御システムにおける電圧および電流が低減される。

本質的に安全な制御システムに関する問題点は、システム内で利用可能な限られた電力が、そのシステム内の、安全エリア内のフィールド・デバイスを含むすべてのフィールド・デバイスを動作させるのに十分でない可能性があることである。

危険エリア内のフィールド・デバイスに本質的安全を引き続き提供しながら、すべてのフィールド・デバイスを動作させるのに十分な電力を供給する、他の制御システムの手法が開発されてきた。

エンティティ手法（ｅｎｔｉｔｙ ａｐｐｒｏａｃｈ）では、安全エリアから危険エリアに移行する際、安全バリアが提供される。このバリアは、危険エリアに及ぶ限られた数の分岐を提供し、それらの分岐が利用できる電流の量を限定する。限定された電流は、安全バリアからダウンストリームに付加することができるフィールド・デバイスの数を限定する。多くの産業プラントでは、多数の単独かつ別個の安全バリアを備え、接続するには費用がかかり、多くの貴重な空間を取ってしまう。

（フィールドバスのために開発された）ＦＩＳＣＯ手法では、このシステムは全体として見られる。専門の電源および接続を含む、このシステムのすべての部分が厳格な規制を満たさなければならない。ＦＩＳＣＯの解決策は、技術解析も必要とし、そのため、費用がかかりかつ複雑になりがちである。

米国特許第５，０９３，６４２号 ＷＩＰＯ国際公開第ＷＯ２００７／０１０２８９号

したがって、別個の安全バリアまたは専門の電源もしくは接続なしに、制御システムが、危険エリア内のフィールド・デバイスに本質的安全を引き続き提供しながら、すべてのフィールド・デバイスを動作させるのに十分な電力を供給することを可能にする、システムを制御するための改善された相互接続性手法に対する需要がある。

本発明は、別個の安全バリアまたは専門の電源もしくは接続なしに、制御システムが、危険エリア内のフィールド・デバイスに本質的安全を引き続き提供しながら、すべてのフィールド・デバイスを動作させるのに十分な電力を供給することを可能にする、システムを制御するための改善された相互接続性手法を実施する。

本発明は、分散制御ネットワークのトランクに沿って信号を送受信する制御プロセッサと、危険エリア内に位置する１つまたは複数のフィールド・デバイスとの間で電力およびデータを送るためのモジュール式相互接続システムである。この相互接続システムは、バックプレーンを定義するローカル・バスと、そのバックプレーンに接続されるトランク・モジュールと、そのバックプレーンに付加される１つまたは複数のフィールド・モジュールとを含む。

このバックプレーンは、電力線およびデータ線を保持する。ファウンデーション・フィールドバス互換の相互接続システムでは、このバックプレーンは電力およびデータの両方を運ぶ２本の導線を含む。１つまたは複数のフィールド・モジュールのそれぞれは、フィールド・モジュールをバックプレーンに接続するバックプレーン・インターフェイスと、そのフィールド・モジュールにフィールド・デバイスを動作可能に接続するためのフィールド・デバイス・インターフェイスと、バックプレーン・インターフェイスとフィールド・デバイス・インターフェイスとの間で電力およびデータを送る、フィールド・デバイス・インターフェイスとバックプレーン・インターフェイスとの間の本質安全接続とを含む。

トランク・モジュールは、結合モジュールを分散制御ネットワークのトランクに接続するトランク・インターフェイスと、結合モジュールをバックプレーンに接続するバックプレーン・インターフェイスと、ネットワーク・インターフェイスからバックプレーンに電力を送り、ネットワーク・インターフェイスとバックプレーンとの間でデータを伝送する、トランク・インターフェイスとバックプレーン・インターフェイスとの間の接続とを含み、それにより、バックプレーンを介して電力がネットワークからフィールド・デバイスに送られ、バックプレーンを介してデータ信号が制御プロセッサとフィールド・デバイスとの間で伝送される。

本発明の好ましい実施形態では、このバックプレーンはセグメント化されたバックプレーンである。システムに追加のフィールド・モジュールを追加するとき、このバックプレーンは必要に応じて延伸する。

バックプレーンを使用することは、いくつかの利点をもたらす。別個の安全バリアを追加する必要なく、かつ追加の技術解析の必要なく、フィールド・モジュールを容易に追加することができる。危険エリアの様々なクラスまたは区分内に位置するフィールド・デバイス用のバックプレーンに、様々な種類の分離回路を使用するフィールド・モジュールを付加することができる。トランク線は、バックプレーンに接続されるモジュールに完全な電力を提供することができ、そのため、安全エリア内のフィールド・デバイスに完全な電力を送るために、本質的安全なしに追加のモジュールを加えることができる。追加の種類のデバイスは、バックプレーンに接続し、この制御システムと対話することができる。

本発明の他の目的および特徴が、説明が進むにつれ、特に本発明の一実施形態を示す２枚の添付図面と併せて解釈するときに明らかになろう。

トランクにより制御プロセッサに接続される、本発明によるモジュール式制御システムを示す図である。 バックプレーン・セグメント、およびそのバックプレーン・セグメントに付加することができるモジュール部分を示す図である。

図１は、トランク１４に沿って信号を送受信する制御プロセッサ１２と、フィールド・デバイス１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および１６ｄとの間で電力およびデータを送るためのモジュール式制御システム１０を示す。それぞれのフィールド・デバイス１６ａ〜ｃは、危険エリア１８内に位置する。フィールド・デバイス１６ｄは、安全エリア２０内に位置する。図示する制御システム１０は、フィールドバス・システムである。

制御プロセッサ１２から制御システム１０に直接延伸するようにトランク１４を図示するが、他のデバイス結合器（不図示）または制御システム１０と同様の他の制御システムが、制御システム１０からダウンストリームにあってよく、または制御プロセッサ１２と制御システム１０との間のトランク１４に沿ってあってよい。他のネットワーク・トポロジを使用することもできる。

制御システム１０は、トランク１４とフィールド・デバイス１６との間に接続され、トランク１４からフィールド・デバイス１６に電力を送り、かつトランク１４とフィールド・デバイス１６との間でデータ信号を伝送する。フィールド・デバイス１６は、当技術分野でよく知られているように、プロセス・コントローラ、測定デバイス等とすることができる。

制御システム１０は、システム１０をトランク１４に接続するトランク・モジュール２２を含む。トランク・モジュール２２は、ローカル・バスまたはバックプレーン２４に接続される。図示するバックプレーン２４は、バックプレーン２４に沿ってトランク・モジュール２２から直流電力を伝え、バックプレーン２４に沿ってトランク・モジュール２２に／トランク・モジュール２２から交流データ信号をいずれも伝えるために、２本の線「＋」線２６および「−」線２８をそれぞれ使用するフィールドバス互換である。バックプレーン２４は、シールド線２９も含む。

このバックプレーン２４には、いくつかのフィールド・モジュール３０ａ、３０ｂ、および３０ｃが付加される。それぞれのフィールド・モジュール３０は、危険エリア１８内に位置するそれぞれのフィールド・デバイス１６への本質安全接続を形成する。バックプレーン２４には、安全ゾーン２０内に位置するフィールド・デバイス１６ｄへの非本質安全接続を形成する、追加のフィールド・モジュール３２も付加される。

図示するモジュール２２、３０、および３２は、好ましくは制御キャビネットまたは他の筐体の中にある、細長い支持体またはレール３４の上に着脱可能にマウントされる。明瞭にするために、図１ではトランク・モジュール２２およびフィールド・モジュール３０、３２を離して図示するが、これらのモジュールは、キャビネット内の空間を節約するために好ましくは互いにすぐ接して並んで配置されることを理解すべきである。

トランク・モジュール２２は、トランク・モジュール２２をトランク１４に接続するトランク・インターフェイス３６と、トランク・モジュール２２をバックプレーン２４に接続するバックプレーン・インターフェイス３８とを含む。図示するトランク・インターフェイス３６は、フィールドバス・トランク１４のそれぞれの線４２ａ、４２ｂに接続される、１組のまたは１対の端子４０を含む。インターフェイス３６、３８間の接続４４は、トランク・インターフェイス３６を介してトランク１４からバックプレーン線２６、２８に電力を送り、トランク・インターフェイス３６およびバックプレーン線２６、２８を介してトランク１４に／トランク１４からデータを伝送する。

それぞれのフィールド・モジュール３０は、フィールド・モジュール３０をバックプレーン２４に接続するローカル・バス・インターフェイス４６と、フィールド・デバイスをフィールド・モジュール３０に接続するフィールド・デバイス・インターフェイス４８とを含む。図示するフィールド・デバイス・インターフェイス４８は、データおよび電力を送るためにフィールド・デバイスへと延伸するそれぞれの線に接続される、１組のまたは１対の端子５０を含む。図示するフィールド・モジュール３０は、「単一分岐」デバイスであり、つまり、それぞれのフィールド・モジュール３０は単一のフィールド・デバイスに接続することが意図される。以下により詳細に説明するように、インターフェイス４６、４８間の接続５２は、２つのインターフェイス４６、４８間の本質安全接続を提供する。この本質安全接続５２は、危険エリア内のフィールド・デバイスが使用するためのトランク１４から、接続済みのフィールド・デバイスを効果的に切り離す。

図示するフィールド・モジュール３０ａ、３０ｂ、および３０ｃのそれぞれは、異なる種類の本質安全接続５２を含む。

フィールド・デバイス３０ａは、ヒューズ５４を含む、エネルギー限定（ｅｎｅｒｇｙ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ）接続５２を有する。

フィールド・デバイス３０ｂは、結合インダクタンス５６（変圧器などの受動部品）、またはオプションで結合インダクタンスを模擬する能動回路の等価物を使用し、バックプレーンおよびデバイス・インターフェイス４６、４８を磁気的に結合する磁気分離接続５２を有する。この目的に適合させることができるそのような能動回路の一例が、参照により本明細書に完全に記載されているかのように組み込まれる、Ｍｉｔｔｅｌ氏の米国特許第５，０９３，６４２号「Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｍｕｔｕａｌｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ」の中で開示されている。

フィールド・デバイス３０ｃは、光アイソレータ５８を組み込む、光分離接続５２を有する。所望の場合、光学的に分離されたフィールド・デバイス３０ｃのデバイス・インターフェイスは、データ信号を伝送するためにこのフィールド・デバイスへと延伸する光ファイバ・ケーブルに接続するよう構成することができる。デバイスのインターフェイス４８からフィールド・デバイスへと延伸する単独の電力リード線を設けることができ、またはこのフィールド・デバイスには、バックプレーン２４を介してではなく、独立に電力を供給することができる。

追加のフィールド・モジュール３２は、バックプレーン２４を安全エリア内に位置するフィールド・デバイスに接続する。このフィールド・モジュール３２は、フィールド・モジュール３２をバックプレーン２４に接続するバックプレーン・インターフェイス６２と、フィールド・デバイスをフィールド・モジュール３０に接続するフィールド・デバイス・インターフェイス６４とを含む。図示するフィールド・デバイス・インターフェイス６４は、データおよび電力を送るためにフィールド・デバイスへと延伸するそれぞれの線に接続される、１組のまたは１対の端子６６を含む。好ましくは、インターフェイス６２、６４間にセグメント・プロテクタ６８が配置される。この目的に適合させることができるモジュール式セグメント・プロテクタの一例が、Ｋｉｔｃｈｅｎｅｒ氏のＷＩＰＯ国際公開第ＷＯ２００７／０１０２８９号「Ｍｏｄｕｌａｒ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｓｅｇｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ」の中で開示されている。

所望の場合、セグメント・プロテクタは、エネルギー限定モジュールに提供することもできる。

図示するフィールド・モジュール３２は、「単一分岐」デバイスであり、つまり、フィールド・モジュール３２は単一のフィールド・デバイスに接続する。あるいは、このフィールド・モジュール３２は、２つ、３つ、４つ、またはことによるとさらに多くのフィールド・デバイスに接続することができる、「複数分岐」デバイスとすることができる。それぞれのデバイスは、自らのそれぞれのセグメント・プロテクタで保護されるべきである。

トランク１４をより多くのまたはより少ないフィールド・デバイス１６に接続するために、ローカル・バス２４に接続される本質安全フィールド・モジュール３０および非本質安全フィールド・モジュール３２の数は、図１に示す数と異なってよいことを理解すべきである。

制御システム１０の利点は、本質安全フィールド・モジュール３０および非本質安全フィールド・モジュール３２の両方を、バックプレーン２４に同時にかつ必要に応じて様々な数で付加できることである。バックプレーン２４に沿って通信し、またはトランク・モジュール２２を介してトランク１４と通信するために、バックプレーンにマウント可能なフィールド・デバイス（不図示）など、他の種類のモジュールをバックプレーン２４に追加することができる。

トランク・モジュール２２、本質安全フィールド・モジュール３０、および非本質安全フィールド・モジュール３２は、本質安全フィールド・モジュール３０のフィールド・デバイス・インターフェイス４８と、トランク・モジュール２２のトランク・インターフェイスまたは非本質安全フィールド・モジュール３２のフィールド・デバイス・インターフェイス６４のいずれか一方との間の電圧クリープ（ｖｏｌｔａｇｅ ｃｒｅｅｐ）に起因する火花発生に耐え、火花発生を防止するよう好ましくは設計される。

図１に見られるように、トランク・モジュール２２およびフィールド・モジュール３０、３２は並んだ配置で構成され、レール３４によって定義される水平軸６８に沿って延伸する。トランク・モジュール２２の１組の端子４０および非本質安全フィールド・モジュール３２の端子６６のそれぞれの組は、トランク・モジュール２２またはフィールド・モジュール３２の上端に位置する。本質安全フィールド・モジュール３０の１組の端子５０は、フィールド・モジュール３２の下端に位置する。したがって、たとえ本質安全モジュール３０が２つの非本質安全フィールド・モジュール３２の間に挟まれても、またはモジュール３０がトランク・モジュール２２と非本質安全フィールド・モジュール３２との間に挟まれても、本質安全端子５０は非本質安全端子４０および６６から離される。

バックプレーン２４は、細長いプリント回路基板とすることができ、またはレール３４に沿って延伸する導線として形成することができる。

好ましい実施形態では、バックプレーン２４が、分離可能なバス・セグメント７０として形成される。バックプレーン・セグメント７０、およびそのバックプレーン・セグメント７０に付加することができるモジュール２２、３０、または３２のハウジング部分７１の一部を示す、図２を参照されたい。バックプレーン・セグメント７０は、レール３４にパチンとはまる。それぞれのバックプレーン・セグメント７０は、所定長のバックプレーン・バス２４、およびトランク・モジュール２２またはフィールド・モジュール３０、３２をバックプレーン・セグメントに付加するためのバックプレーン・インターフェイスの一部を形成するコネクタ７２を含む。バックプレーン・バス接続７４および７６は、バックプレーン・セグメント７０の片側および下部に位置する。バックプレーン・セグメント７０は、レール３４にパチンとはめられ、隣接するバス・コネクタを接続するためにくっつけられ、付加されるセグメント７０の長さにわたるバックプレーン２４を形成する。バックプレーン・セグメントに付加されるフィールド・モジュール３０、３２のハウジング部分７１を取り除くことは、バックプレーン２４および残りのモジュールがそのままかつ動作可能な状態で、隣接するセグメントに相互接続するセグメント７０をレール３４の上に取り残したままにしておく。

レール３４にバックプレーン・セグメント７０をパチンとはめ、その追加したセグメントを他のバックプレーン・セグメントに押し付け、その追加したバックプレーン・セグメントにモジュールのハウジング７１を付加することにより、新たなモジュールをシステム１０に追加することができる。そのハウジング部分７１は、バックプレーン・インターフェイスのはめ合わせ部分、およびモジュールの残りのコンポーネントを含む。

本発明での使用に適合させることができる市販のセグメント化されたバックプレーン７０は、本発明の譲受人であるＰｈｏｅｎｉｘ Ｃｏｎｔａｃｔによって製造されるＴ−ＢＵＳ（商標）モジュール式レール・バスである。

我々の発明の好ましい実施形態を図示し説明してきたが、この実施形態は修正することができ、したがって、我々は記載した厳密な詳細に限定されることは望まず、特許請求の範囲に記載の範囲に含まれるものとしてそうした変更および改変を利用することを望むことが理解されよう。

Claims (12)

1. 分散制御ネットワークのトランクに沿って信号を送受信する制御プロセッサと、危険エリア内に位置する１つまたは複数のフィールド・デバイスとの間で電力およびデータを送るためのモジュール式相互接続システムであって、
   バックプレーン、前記バックプレーンに接続されるトランク・モジュール、および前記バックプレーンに付加される１つまたは複数のフィールド・モジュールを備え、
   前記バックプレーンは、前記バックプレーンに沿ってデータ信号を運ぶデータ線と、前記バックプレーンに沿って電力を運ぶ電力線とを備え、
   前記１つまたは複数のフィールド・モジュールのそれぞれは、前記フィールド・モジュールを前記バックプレーンに接続するバックプレーン・インターフェイスと、前記フィールド・モジュールにフィールド・デバイスを動作可能に接続するためのフィールド・デバイス・インターフェイスと、前記バックプレーン・インターフェイスから前記フィールド・デバイス・インターフェイスに電力を送り、前記バックプレーン・インターフェイスと前記フィールド・デバイス・インターフェイスとの間でデータを伝送する、前記フィールド・デバイス・インターフェイスと前記バックプレーン・インターフェイスとの間の本質安全接続とを備え、
   前記トランク・モジュールは、前記トランク・モジュールを前記分散制御ネットワークの前記トランクに接続するトランク・インターフェイスと、結合モジュールを前記バックプレーンに接続するバックプレーン・インターフェイスと、前記ネットワーク・インターフェイスから前記バックプレーン電力線に電力を送り、前記ネットワーク・インターフェイスと前記バックプレーン・データ線との間でデータを伝送する、前記ネットワーク・インターフェイスと前記バックプレーン・インターフェイスとの間の接続とを備え、それにより、前記バックプレーンを介して電力が前記ネットワークから前記フィールド・デバイスに送られ、前記バックプレーンを介してデータ信号が前記制御プロセッサと前記フィールド・デバイスとの間で伝送される、
   モジュール式相互接続システム。
2. 前記トランク・インターフェイスは、フィールドバス・トランク・インターフェイスである、請求項１に記載のモジュール式システム。
3. 前記トランク・モジュール、および前記１つまたは複数のフィールド・モジュールのそれぞれは対向側部を有し、前記トランク・モジュールおよび前記１つまたは複数のフィールド・モジュールは、並んだ配列で構成され、第１の軸に沿って延伸する、請求項１に記載のモジュール式システム。
4. 前記トランク・モジュールのトランク・インターフェイスは、前記トランク・モジュールを前記トランクに接続するための１組の端子を備え、前記１つまたは複数のフィールド・モジュールのそれぞれの前記フィールド・デバイス・インターフェイスは、そのようなフィールド・モジュールをフィールド・デバイスに接続するための１組の端子を備え、
   前記１組のトランク・モジュール端子は、前記第１の軸に対して垂直な第２の軸に沿って前記１組のフィールド・モジュール端子から離される、
   請求項１に記載のモジュール式システム。
5. 前記トランク・モジュール、および前記１つまたは複数のフィールド・モジュールのそれぞれは、共通のレール上にマウントされる、請求項１に記載のモジュール式システム。
6. 前記バックプレーンはＴ−ＢＵＳである、請求項１に記載のモジュール式システム。
7. 前記バックプレーンのデータ線および前記バックプレーンの電力線は、電力およびデータの両方を伝える１組の共通の２本の線を含む、請求項１に記載のモジュール式システム。
8. 追加のモジュールを備え、前記追加のモジュールは前記追加のモジュールを前記バックプレーンに接続するバックプレーン・インターフェイスを備える、請求項１に記載のモジュール式システム。
9. 安全エリア内に位置する１つまたは複数の追加のフィールド・デバイスを接続するための、１つまたは複数の追加のフィールド・モジュールを備え、それぞれの追加のフィールド・モジュールは、前記追加のフィールド・モジュールを前記バックプレーンに接続するバックプレーン・インターフェイスと、フィールド・デバイスを前記フィールド・モジュールに動作可能に接続するためのフィールド・デバイス・インターフェイスと、前記バックプレーン・インターフェイスから前記フィールド・デバイス・インターフェイスに電力を送り、前記バックプレーン・インターフェイスと前記フィールド・デバイス・インターフェイスとの間でデータを伝送する、前記フィールド・デバイス・インターフェイスと前記バックプレーン・インターフェイスとの間の非本質安全接続を備える、請求項１に記載のモジュール式システム。
10. 前記１つまたは複数のフィールド・モジュールのそれぞれは、セグメント・プロテクタを含む、請求項１に記載のモジュール式システム。
11. 前記トランク・モジュールおよび前記１つまたは複数のフィールド・モジュールは、バックプレーン・セグメントと、前記バックプレーン・セグメントを隣接するバックプレーン・セグメントに接続するためのコネクタとをそれぞれ含み、それにより前記バックプレーンは、追加のフィールド・モジュールを前記システムに追加することにより延伸される、請求項１に記載のモジュール式システム。
12. 前記１つまたは複数のフィールド・デバイスのそれぞれの、前記フィールド・デバイス・インターフェイスと前記バックプレーン・インターフェイスとの間の前記本質安全接続は、電力限定回路、磁気分離回路、および光分離回路のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のモジュール式システム。

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