JP2015515070A5 - - Google Patents

Description

離散的な入出力を有したワイヤレスフィールド機器

分野
本発明は、産業プロセスを制御又はモニターするために使用されるタイプのフィールド機器に関する。より具体的には、本発明は、離散的な（ディスクリートな）入力及び離散的な出力を有した産業プロセスフィールド機器に関する。

背景
産業プロセスは、例えばオイル、製紙用パルプなどの、プロセス材料及び流体のモニター又は製造で利用される。産業プロセスの動作をモニターするために、プロセス変数トランスミッタが利用される。プロセス変数トランスミッタは、プロセス変数を測定し、プロセス変数情報を中央ロケーションへ送信する。プロセス変数の例としては、流量、温度、圧力、流体レベルなどが挙げられる。プロセス変数トランスミッタは、フィールド機器の一例である。別の例のフィールド機器は、コントローラである。コントローラは、制御要素を作動させることによってプロセスの動作を制御するために使用される。例えば、コントローラは、バルブの位置を調節し、ポンプの速さを変化させ、加熱要素の温度を変化させることなどができる。コントローラは、中央ロケーションから命令を受信することができる。

典型的には、フィールド機器は、セントラルロケーションへの有線通信に依存する。有線通信技術の例としては、電力及び情報の両方が同一の２つのワイヤで運ばれる２線式プロセス制御ループが挙げられる。しかしながら、より最近では、ワイヤレス通信技術が、フィールド機器で利用されている。ワイヤレス通信技術の一例は、IEC 62591規格に従うWireless HART（登録商標）通信プロトコルに記載される。

概要
産業プロセスで使用されるワイヤレスフィールド機器は、プロセスインタフェース要素に結合するように構成された入出力端子を備える。離散的な入力チャネルとして構成されるときに、離散的な入出力チャネルは、入出力端子によりプロセスインタフェース要素から離散的な入力を受信するように構成される。離散的な入出力チャネルが離散的な出力チャネルとして構成されるとき、離散的な入出力チャネルは、入出力端子によりプロセスインタフェース要素に離散的な出力を提供するように更に構成される。ワイヤレス通信回路は、情報を送受信するように構成される。入出力端子が離散的なプロセス変数センサに接続されるときに入力チャネルとして入出力チャネルを構成するために、更に、入出力端子が離散的な制御要素に結合されるときに離散的な出力チャネルとして離散的な入出力チャネルを構成するために、コントローラは、ワイヤレス通信回路により情報を通信し、構成情報に従って作動する。

フィールド機器を備えた産業プロセスの略図である。 離散的なセンサからの離散的な入力チャネルを提供するように構成された図１のフィールド機器の簡略化ブロック図である。 離散的な制御要素への離散的な出力チャネルを提供するように構成された図１のフィールド機器の簡略化ブロック図である。 離散的な入力及び離散的な出力のために構成された図１のフィールド機器の簡略化ブロック図である。 離散的な入力チャネル（図２Ａ）又は離散的な制御出力チャネル（図２Ｂ）として構成され得る図１のフィールド機器のチャネルを示した簡略図である。

発明の詳細な説明
本発明は、プロセス変数に関する産業プロセスのセンサから離散的な入力を受信することが可能なフィールド機器を提供する。センサは、フィールド機器の端子に結合される。更に、フィールド機器の端子は、プロセスの離散的な制御要素へ離散的な出力を提供するように構成され得る。これにより、同一の２つの端子が、プロセス変数の検知で使用するために並びに必要に応じて、プロセス変数を制御するために構成されることが可能になる。フィールド機器は、離れた場所へのワイヤレス通信のために構成される。ワイヤレス通信は、例えば、IEC 62591規格に従うWireless HART（登録商標）通信プロトコルなどの、任意の適切な技術に従うことができる。

図１は、プロセス配管１４に結合されたワイヤレスフィールド機器１２を備えた産業プロセス１０の簡略化ブロック図である。プロセス配管は、プロセス流体を移動させることができる。機器が離散的な制御出力信号を提供するように構成される場合には制御要素を備えてもよく、又はフィールド機器１２が離散的なプロセス変数センサからのプロセス変数を検知するように構成される場合にはプロセス変数センサを備えることができる離散的なプロセスインタフェース要素１６を、ワイヤレスフィールド機器は備える。プロセス変数を検知するように構成される場合には、フィールド機器１２は、検知されたプロセス変数に関する情報をアンテナ２０及び２２によって離れた場所１８へワイヤレスで通信することができる。離れた場所１８は、例えば、制御室などのセントラルロケーションを含むことができる。より詳細に後述されるように、フィールド機器１２はまた、制御出力を提供するように構成され得る。このような構成の一例では、情報は、反応して制御出力を提供するために使用される離れた場所１８から、受信される。

離散的なプロセス変数センサの例としては、温度閾値を超える又はレベル閾値を超えるなどの、特定のイベントが発生するときに状態を変化させるスイッチが挙げられる。別のタイプの離散的なプロセス変数センサは、カウント可能な検知されたプロセス変数に関する一連のパルスを提供する。このようなプロセス変数センサの例としては、タービン流量計及び磁気流量計パルス出力が挙げられる。

図２Ａは、離散的なプロセス変数センサからの入力を受信するように構成されたチャネル２４を有するフィールド機器１２の簡略化ブロック図である。図２では、プロセスインタフェース要素１６は、二位置（開閉される）スイッチとして示される。スイッチは、フィールド機器１２の入出力端子４０に接続する。端子４０の１つは、レファレンス電圧を同様に受信するコンパレータ４２に接続する。例えば、スイッチが閉じている場合には、高出力がマイクロプロセッサ４４に提供され、スイッチが開いている場合には、低出力が提供される。マイクロプロセッサ４４は、メモリ４６に記憶された命令に従って、コンパレータ及び作業者からの出力を受信する。受信した入力に基づいて、マイクロプロセッサ４４は、ワイヤレス通信回路４８を使用してワイヤレスで通信することができる。

図２Ｂは、離散的な制御要素に結合されるチャネル２４でのフィールド機器１２の代替構成を示す。図２Ｂでは、プロセスインタフェース要素１６は、電圧源５０に接続する負荷として示される。例えば、負荷１６は、リレー、バルブアクチュエータなどであり得る。図２Ｂでは、負荷１６及び電圧源５０が、フィールド機器１２の入出力端子４０に結合される。図２Ｂの構成では、フィールド機器１２は、コンパレータ４２を使用するのではなく、スイッチ６０を端子４０によって負荷１６に結合する。スイッチ６０は、マイクロプロセッサ４４の制御下作動する。図２Ａは、入力チャネルを提供するように構成された機器を示すが、図２Ｂは、出力チャネルを提供するように構成された機器を示す。

図２Ｂに示されるフィールド機器１２の構成は、環境によっては、問題となる恐れがある。例えば、フィールド機器１２が外部電源５０に結合されるので、大きな電流又は電圧が、フィールド機器１２の回路にもたらされ、その結果回路に損傷を与える恐れがある。これにより、回路が完全に故障するか又は回路が部分的に故障し、例えば、次の測定値又は制御信号のエラーをもたらす恐れがある。更に、機器１２は、放射バースト、静電放電、又は回路に損傷をもたらすことがあり得る他のイベントを経験する恐れがある。加えて、機器が産業プロセス又はその周辺の他の部品に損傷をもたらすことが不可能な「本質的に安全な」方法で作動するように、機器１２は構成されなければならない。加えて、機器１２はワイヤレスで作動するように構成されるので、機器１２の回路はごく僅かな電力のみを使用して作動しなければならない。

一実施形態によれば、図３は、フィールド機器１２のより詳細なブロック図である。図３では、機器１２は、より詳細に後述するように離散的な入力チャネル又は離散的な出力チャネルとして構成され得るチャネル２４により、プロセスインタフェース要素１６に接続する。上述のように、制御要素として構成されたプロセスインタフェース要素１６へ結合するとき、フィールド配線に存在するエネルギがフィールド機器１２の回路にもたらされる場合がある。このようなエネルギがフィールド機器１２回路に損傷を与えることを防止するために、本発明は多数の特徴を提供する。例えば、任意の逆電流が機器１２に入ることを遮断するために端子４０と直列に接続された冗長保護ダイオード１００が設けられる。保護クランプダイオード１０２及び１０８が、入力での電圧を僅か６．２ボルトにクランプするように設けられる。５００mA未満に電流を制限するために、リセット可能な固体ヒューズ１０６が設けられ、スイッチ６０と直列に接続される。図３では、スイッチ６０はＭＯＳＦＥＴとして示されることに留意すべきである。アイソレーション抵抗１０４が、マイナス端子４０と電子回路コモンとの間の電流を遮断するために設けられる。独立したウォッチドッグ回路（後述する）が、故障状態の場合に出力スイッチを安全に制御するために備えられる。

フィールド機器に入るエネルギに対する保護を提供することに加え、本発明は、電磁放射波、静電放電などによるフィールド機器１２の回路への損傷を防止するように構成された回路を更に備える。この保護としては、ＥＭＣフィルタリング回路１２０の使用が挙げられる。省電力回路は、入力として構成されそして入力が閉じられるか又は短絡するときに、回路電流の消費を低減させる。

図３では、スイッチ６０は、マイクロプロセッサ４４からＤＯ制御（離散的な出力制御）信号を受信する。図３ではまた、コンパレータ４２の出力は、マイクロプロセッサ４４の離散的な入力割り込みに結合する前にインバータ１３０に提供されるものとして示される。この構成では、インバータ１３０からの出力が信号高レベルとなるときに、マイクロプロセッサ４４は割り込みを受信する。別の構成では、インバータ１３０からの出力は、出力のパルスをカウントするように構成されたカウンタ１３２へ提供される。例えば、最上位ビット（ＭＳＢ）がトリガされるときに、カウンタがパルスをカウントしマイクロプロセッサ４４に割り込みを提供することによって、カウンタが最大値に到達したことを示すことができる。電源回路１４０もまた、図３に示される。電源回路１４０は、例えば、電力をフィールド機器１２の回路に提供するために、電池又は他の電源を備えることができる。

図４は、より詳細にフィールド機器１２の回路を示した簡略図である。前述したように、フィールド機器１２の端子４０は、プロセス変数センサからの離散的な入力として作動するように又は制御要素に離散的な制御出力を提供するように構成され得る。離散的な入力を受信するときに、マイクロプロセッサ４４は電界効果トランジスタ６０のゲートにロー信号を提供することによって、トランジスタ６０を「オフ」に切り替える。この状態では、プロセス変数センサスイッチが端子４０に接続され「開放」位置にあるときに、コンパレータ４２からの出力は論理ロー状態となる。これが、インバータ１３０によって反転され、例えば割り込みにより、マイクロプロセッサ４４によって検知され得る。同様に、スイッチが閉鎖位置にあるとき、コンパレータへの負の入力は論理ロー値となり、これによりコンパレータ４２の出力はハイ値となる。これが、インバータ１３０によって反転され、マイクロプロセッサ４４によって検知され得る。必要に応じて、ヒステリシスをこのプロセスに導入することができ、これにより、ノイズ又は他のグリッチへの感受率を低減させ、「不感帯」を回路に提供することができる。

カウンタ１３２は、パルスをカウントするために使用され得る。例えば、フリップフロップを伴う８ビットカウンタが、カウンタ１３２を組み込み９ビットカウンタを提供するために、使用され得る。これにより、ハードウェアカウンタ１３２が、一定のマイクロプロセッサ割り込みを提供せずに比較的速く作動することが可能になる。より具体的には、カウンタ１３２からの最上位ビット（ＭＳＢ）の出力が、割り込みとしてマイクロプロセッサ４４によって検知され、これにより、カウンタ１３２の最大値に到達したことを知らせることができる。

プログラム可能フィルタ１２２は、マイクロプロセッサ４４に結合された電界効果トランジスタとして示される。フィルタリングが、トランジスタ１２２を「オン」に変化させることによって可能となり、これにより、端子４０と並列にキャパシタ１５０を接続することができる。例えば、一構成では、フィルタが「オン」の状態では、最大計数率は約５０Hzに制限され得、フィルタが使用されない状況では、最大率は約１kHzであり得る。離散的な入力を受信するために構成されるとき、回路の電流消費は２０μA未満である。

図４の回路は、入力チャネルとして構成されることが可能であることに加え、離散的な出力チャネルとしても構成され得る。この構成では、マイクロプロセッサ４４は、トランジスタ１２２を「オフ」に変化させることによって、フィルタリングを使用不能にする。更に、トランジスタ１５２をマイクロプロセッサ４４によって「オン」に変化させることによって、センサ入力ラインを接地短絡させる。更に、トランジスタ１５４をオフとすることによって、センス電流を使用不能にする。次いで、マイクロプロセッサ４４は、反応してトランジスタ６０を制御することができる。トランジスタ６０をオンに変化させることにより、端子４０が互いに短絡する。同様に、オフ状態では、端子４０は互いに切断される。ダイオード１００が故障した場合に電子機器に適用され得る電圧を制限するために、ダイオード１０８は設けられる。抵抗１０４は、負の入力端子と回路接地との間に隔離を提供するために使用される。抵抗１０４は、高電流を、他の電子機器から離れて制御チャネルの端子に隔離する。このように構成される場合の電流消費は、およそ５μA程度ある。

図４はまた、好ましくは流体機器の一部として利用され得るウォッチドッグ回路１７０を示す。ウォッチドッグ回路１７０は、正の電源電圧＋Ｖへの接続を備える。加えて、回路１７０は、マイクロプロセッサ４４に結合する。動作中、電源電圧が閾値レベルを下回って低下する場合に、回路１７０は、トランジスタ６０のゲートを引き下げることによって、確実にトランジスタ６０をオフに変化させる。同様に、マイクロプロセッサ４４は、「キック」信号をウォッチドッグ回路１７０に周期的に（例えば１秒毎に）提供する必要がある。この「キック」信号の不受信もまた、トランジスタ６０をオフにするウォッチドッグ回路１７０をもたらす。

別の実施形態では、マイクロプロセッサ４４は、離散的な出力を提供するように構成されるときに、フィールド機器１２の出力を周期的にモニターすることができる。例えば、マイクロプロセッサ４４は、短時間に周期的にトランジスタ１５４をオンに及び１５２をオフに変化させることで、正の端子４０での出力の状態をリードバックすることができる。これは、出力を確実に所望の状態にするために使用され得る。

動作中、マイクロプロセッサ４４は、メモリ４６に記憶された命令に従って作動する。これらの命令により、マイクロプロセッサ４４は、図４に示されるチャネル２４を、離散的な入力チャネルとして又は離散的な出力チャネルとして構成する。構成情報は、機器の立ち上げ又は構成の間に記憶され得るか、又は通信回路４８を使用して機器に受信され得る。図４に示されるチャネル２４が離散的な出力チャネルとして構成されるときに、マイクロプロセッサ４４は上記のように端子４０を共に結合する。この動作を実行する命令は、例えば通信回路４８を使用して、受信され得る。別の例の構成では、図４に示されるような１つ以上のチャネルが、マイクロプロセッサ４４に結合される。このような構成では、離散的な入力チャネルからの入力が、出力チャネルとして構成される別のチャネル上に特定の出力を提供する基準として、使用され得る。チャネル２４が離散的な入力チャネルとして構成されるとき、マイクロプロセッサ４４は検知されたプロセス変数に関する情報を離れた場所に送信するために通信回路４８を使用することができる。

本発明が好ましい実施形態を参照にして説明されたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく形式及び細部で変形がなされてもよいことを当業者は認識するであろう。

Claims (20)

1. 産業プロセスで使用されるワイヤレスフィールド機器であって、
   プロセスインタフェース要素に結合するように構成された入出力端子と、
   離散的な入力チャネルとして構成されるときに前記入出力端子により前記プロセスインタフェース要素から離散的な入力を受信するように構成される離散的な入出力チャネルであり、離散的な出力チャネルとしてワイヤレスで構成されるときに前記入出力端子により離散的な出力を前記プロセスインタフェース要素に提供するように更に構成される離散的な入出力チャネルと、
   情報を送受信するように構成されたワイヤレス通信回路と、
   前記プロセスインタフェース要素を使用して検知されたプロセス変数に基づいて前記ワイヤレス通信回路により情報を送信し、
   前記ワイヤレス通信回路によって受信された情報に応答してプロセス変数を制御するために前記プロセスインタフェース要素に離散的な制御出力を提供する、ように構成されたコントローラであって、
   前記入出力端子が離散的なプロセス変数センサに接続されるときに入力チャネルとして入出力チャネルを構成するために構成情報に従って作動するように更に構成されたコントローラであり、入出力端子が離散的な制御要素に結合されるときに離散的な出力チャネルとして前記離散的な入出力チャネルを構成するように更に構成されたコントローラと、を備える機器。
2. 前記離散的な入出力チャネルがコントローラによって作動するように構成されたスイッチを備え、前記スイッチが前記離散的な入出力端子を共に選択的に電気的に結合するように構成される、請求項１に記載の機器。
3. 前記スイッチと直列に接続されたヒューズを備える、請求項２に記載の機器。
4. 前記離散的な入出力チャネルが前記入出力端子に結合されたコンパレータを備え、前記コンパレータが、前記離散的な入出力端子に接続された前記スイッチが開いているか又は閉じているかどうかに基づいて前記コントローラに信号を提供するように構成される、請求項１に記載の機器。
5. 前記コンパレータの出力に結合されたカウンタであって、前記スイッチの閉鎖をカウントするように構成された前記カウンタを備える、請求項４に記載の機器。
6. 前記入出力端子に接続されたフィルタを備え、前記コントローラが、前記フィルタを選択的に作動させるように構成される、請求項１に記載の機器。
7. 前記ワイヤレスフィールド機器の回路に保護を提供するために前記入出力端子と直列に接続された少なくとも２つのダイオードを備える、請求項１に記載の機器。
8. 前記ワイヤレスフィールド機器の部品が故障する場合に、前記ワイヤレスフィールド機器の回路を安全な状態にするように構成されたウォッチドッグ回路を備える、請求項１に記載の機器。
9. 前記ウォッチドッグ回路が、前記ワイヤレスフィールド機器の電源電圧が閾値未満である場合に請求項２に記載のスイッチを開くように構成される、請求項８に記載の機器。
10. 前記ウォッチドッグ回路が、前記コントローラから周期的な「キック」信号を受信しない場合に請求項２に記載のスイッチを開くように構成される、請求項８に記載の機器。
11. 産業プロセスでワイヤレスフィールド機器を使用してプロセスインタフェース要素に結合する方法であって、
    前記プロセスインタフェース要素を前記ワイヤレスフィールド機器の入出力端子に結合することと、
    前記プロセスインタフェース要素が離散的な出力を提供するように構成された離散的なプロセス変数センサを含む場合に、離散的な入力チャネルとして離散的な入出力チャネルを構成することと、
    前記プロセスインタフェース要素が離散的な制御要素を含む場合に、離散的な出力チャネルとして前記入出力チャネルを構成し、離散的な制御出力を前記プロセスインタフェース要素に提供することと、
    前記入出力チャネルが離散的な入力チャネルとして構成される場合に、ワイヤレス通信回路を使用して離れた場所に検知されたプロセス変数に関する情報を送信することと、
    前記離散的な入出力チャネルが離散的な出力チャネルとして構成される場合に、前記ワイヤレス通信回路による情報に基づいて前記プロセスインタフェース要素に前記離散的な制御出力を提供することと、を含む方法。
12. 前記離散的な入出力チャネルが前記コントローラによって作動するように構成されたスイッチを備え、前記離散的な入出力端子を共に選択的に電気的に結合するように前記スイッチを更に構成する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記スイッチと直列に接続されたヒューズを準備すること、を含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記離散的な入出力チャネルが入出力端子に結合されたコンパレータを備え、前記離散的な入出力端子に接続されたスイッチが開いているか又は閉じているかどうかに基づいてコントローラに信号を提供するように前記コンパレータを更に構成する、請求項１１に記載の方法。
15. 前記コンパレータの出力に結合されたカウンタを準備することを含み、前記カウンタが前記スイッチの閉鎖をカウントするように構成される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記入出力端子に接続されたフィルタを準備することを含み、前記コントローラが前記フィルタを選択的に作動させるように構成される、請求項１１に記載の方法。
17. 前記ワイヤレスフィールド機器の回路に保護を提供するために前記入出力端子と直列に接続された少なくとも２つのダイオードを準備すること、を含む請求項１１に記載の方法。
18. 前記ワイヤレスフィールド機器の部品が故障する場合に、前記ワイヤレスフィールド機器の回路を安全な状態にするように構成されたウォッチドッグ回路を準備することを含む、請求項１１に記載の方法。
19. 前記ウォッチドッグ回路が、前記ワイヤレスフィールド機器の電源電圧が閾値未満である場合にスイッチを開くように構成される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記ウォッチドッグ回路が、コントローラから周期的な「キック」信号を受信しない場合にスイッチを開くように構成される、請求項１８に記載の方法。