JP2015529355A - 制御信号保護装置 - Google Patents

Abstract

第１の動作モードおよび第２の動作モードを有する制御信号保護装置（２１０）は、信号保護装置（２１０）を制御システム（２０２）に接続する第１の端子対および信号保護装置（２１０）をフィールド装置（２２０）に接続する第２の端子対を含む。制御システム（２０２）は制御システム保護装置（２１０）に制御信号を提供する。制御システム保護装置（２１０）は電気エネルギーの一時的な蓄積のための電力貯蔵素子および信号保護装置（２１０）の動作モードを制御するための切り替え回路をさらに含む。電気エネルギーは第１の動作モードで電力貯蔵素子に貯蔵される。電力貯蔵素子に貯蔵された電気エネルギーは、第２の動作モードにおいて第２の端子対の正端子に供給される。

Description

本発明は、プロセス制御システムにおけるフィールド装置を制御する制御信号に一般に関し、より具体的には、制御信号を保存する方法および機器に関する。

関連技術の説明
化学、石油、および他のプロセスで使用されるもののようなプロセス制御システムは、アナログ、デジタル、または複合型アナログ／デジタルバスを経由して、少なくとも１つのホストワークステーション、ならびに１つ以上のプロセス制御および計装装置に通信可能に結合された、１つ以上の集中型または分散型プロセス制御器を一般に含む。バルブ、バルブポジショナ、スイッチ、送信機、およびセンサー（例えば、温度、圧力、または流量センサー）のようなフィールド装置は、バルブの開閉またはプロセスパラメータの測定などのプロセス中の様々な機能を実行する。プロセス制御器は、フィールド装置により作成されたまたはそれらと関連付けられたプロセス測定値またはプロセス変数を示す信号を（通信バス経由で）受信し、受信した情報に基づいて制御ルーチンを実装し、プロセスの動作を制御するために、１つ以上のバスでフィールド装置へ送信される制御信号を生成する。フィールド装置および制御器からの情報は、典型的には、プロセスの現在状態を見る、プロセスの動作を変更するなどのようなプロセスに関してオペレータが希望の機能を実行することを可能にするために、ホストワークステーションによって実行される１つ以上のアプリケーションに対して利用可能にされる。

１つ以上のプロセス制御機能を実行する「スマート」フィールド装置は、プロセス制御産業において良く用いられるようになった。プロセス（例えば、温度を監視すること、またはバルブ位置を制御すること）内の一次機能を実行することに加えて、スマートなフィールド装置はそれぞれ、メモリとマイクロプロセッサを含む。メモリは、装置に関するデータを格納し、マイクロプロセッサは、制御器および／または他の装置と通信し、および／または自己校正、識別、診断などのような第２のタスクを実行する。Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＨＡＲＴ（登録商標））、ＰＲＯＦＩＢＵＳ（登録商標）、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標） Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、ＷＯＲＬＤＦＩＰ（登録商標）、Ｄｅｖｉｃｅ−Ｎｅｔ（登録商標）、およびＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＣＡＮ）プロトコルのような多数の標準、オープン、デジタル、または複合型デジタルアナログ通信プロトコルは、異なる製造者により作製されたスマートフィールド装置が、１つ以上のプロセス制御機能を実行しながら、互いに通信することができるように開発されたものである。

制御信号は、典型的には、制御信号が提供されている特定のフィールド装置に適した希望のフォーマットに制御信号を変換する入力／出力（Ｉ／Ｏ）カードを経由して、フィールド装置に提供される。制御システムの堅牢性を改善するために、制御システムは、時々フィールド装置を制御する冗長Ｉ／Ｏカードを使用する。そのような制御システムでは、主Ｉ／Ｏカードが故障の場合、動作は、主Ｉ／Ｏカードから予備Ｉ／Ｏカードへ切り替えられる。そのような冗長Ｉ／Ｏカード構成は、一般に、Ｉ／Ｏカードが適切に作動することに失敗した場合に、どのような重大な中断もなしで、機能を継続するように制御されているプロセスを許可する。いくつかのシステムでは、Ｉ／Ｏカード制御器は、予備Ｉ／Ｏカードの機能性の確認のためにＩ／Ｏカード動作を主Ｉ／Ｏカードから予備Ｉ／Ｏカードへ周期的に切り替えるように構成される。主Ｉ／Ｏカードから予備Ｉ／Ｏカードへ（または逆方向）のＩ／Ｏカード切り替えは、典型的にはフィールド装置に提供される制御信号における短い中断に帰着する。いくつかのフィールド装置は、望ましくないやり方で制御信号の中断に応答する。例えば、制御されているフィールド装置がバルブである場合、バルブ制御器は、望まれない位置へ移動するようにバルブを制御するかもしれず、潜在的にはプロセスを破壊させる。

第１の典型的な態様に従って、制御信号保護装置は、第１のまたは第２の動作モードで作動する。第１の動作モードにおいて、制御信号保護装置は、制御信号保護装置中の電力貯蔵素子にエネルギーを貯蔵する。第２の動作モードにおいて、制御信号保護装置は、装置の入力において制御信号が中断する場合は、貯蔵したエネルギーを利用し装置の出力における制御信号を維持する。１つの実施形態では、信号保護装置は、装置の動作モードを制御するために切り替え回路を含む。１つの態様では、制御信号保護装置は、切り替え回路を制御する入力電流監視素子をさらに含む。この点で、入力電流監視回路は、装置への入力電流が閾値未満のときは、装置を第１の動作モードから第２の動作モードへ切り替えてもよく、入力電流が閾値を超えるときは、装置を第２の動作モードから第１の動作モードへ遷移させてもよい。いくつかの実施形態では、制御信号保護装置は、装置の出力において電圧レベルを監視するために電圧監視素子を含む。この態様においては、第２の動作モードで、かつ装置への入力における制御信号がない状態で動作しているときは、装置は、電圧監視素子によって示された電圧レベルに出力電圧を維持してもよい。

第１の典型的な態様にさらに従い、制御信号保護装置は、次の好適な形態のうちのいずれか１つ以上をどのような組み合わせでもさらに含んでよい。

１つの好適な形態では、電力貯蔵素子は少なくとも１つのコンデンサを含む。

別の好適な形態では、電力貯蔵素子は第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含んでおり、電気エネルギーは第１のコンデンサおよび第２のコンデンサから出力端子に供給される。

別の好適な形態では、切り替え回路は、信号保護装置に入る入力電流における変化に応じて、動作モードを制御する。

別の好適な形態では、制御信号保護装置は、したがってさらに電流監視回路を備える。電流監視回路は、信号保護装置に入る電流が閾値未満であるときは、制御信号保護装置を第１の動作モードから第２の動作モードへ遷移させ、また信号保護装置に入る電流が閾値を超えるときは、制御信号保護装置を第２の動作モードから第１の動作モードへ遷移させる。１つの好適な形態では、閾値は２ｍＡである。

別の好適な形態では、制御信号保護装置は、正常動作モード中に入力端子の両端の電圧レベルに対応する電圧でフィルタ処理されスケール変更されたバージョンを維持するために、さらに電圧維持素子を備える。

別の好適な形態では、出力端子の両端の電圧は、第２の動作モードでフィルタ処理された電圧に維持される。

別の好適な形態では、第１の動作モードは、制御信号が入力端子において提供される正常モードであり、そこでは第２の動作モードは、制御信号が入力端子において提供されない保護モードである。

第２の典型的な態様に従えば、プロセス制御システムにおけるフィールド装置に提供される制御信号を保護する方法は、ホストステーションを提供すること、およびホストステーションを第１のカードおよび第２のカードを含む複数の入出力（Ｉ／Ｏ）カードに通信可能に結合することを含み、そこでは動作は第１のカードから第２のカードへ選択的に切り替えられる。その方法は、ホストステーションからの制御信号を第１のカードまたは第２のカードを経由して制御信号保護装置に供給することを含む。制御信号保護装置は、第１のカードから第２のカードへの動作の遷移の間、第１の動作モードから第２の動作モードに切り替わる。ある実施形態では、制御信号保護装置は、第１の動作モードにおいて電力貯蔵素子に電気エネルギーを貯蔵し、第２の動作モードでは、電力貯蔵素子に貯蔵された電気エネルギーを制御信号保護装置の出力端子へ供給する。

第１の典型的な態様に従えば、本方法は、次の好適な形態のうちのいずれか１つ以上をどのような組み合わせでもさらに含んでよい。

一つの好適な形態では、制御信号保護装置は、第１の動作モードにおいて電気エネルギーを電力貯蔵素子に貯蔵し、第２の動作モードにおいて、電力貯蔵素子に貯蔵された電気エネルギーを制御信号保護装置の出力端子へ供給する。

別の好適な形態では、電力貯蔵素子に電気エネルギーを貯蔵することは、第１のコンデンサにおよび第２のコンデンサにエネルギーを貯蔵することを含み、また、電気エネルギーの供給は、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサから貯蔵された電気エネルギーを制御信号保護装置の出力端子へ移すことを含む。

別の好適な形態では、制御信号保護装置を第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えることは、信号保護装置に入る電流が閾値未満のときは、制御信号保護装置を第１の動作モードから第２の動作モードへ遷移させること、および信号保護装置に入る電流が閾値を超えるときは、制御信号保護装置を第１の動作モードから第２の動作モードへ遷移させることを含む。

第３の典型的な態様に従えば、プロセス制御システムでフィールド装置を制御するシステムは、ホストステーション、およびフィールド装置に制御信号を提供するホストステーションに結合された複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）カードを備える。前記複数のＩ／Ｏカードは、主Ｉ／Ｏカードおよび予備Ｉ／Ｏカードを含む。システムは、主Ｉ／Ｏカードと予備Ｉ／Ｏカードとを選択的に切り替えるように構成されたＩ／Ｏカード制御器も備える。制御信号保護装置は、Ｉ／Ｏカードおよびフィールド装置に通信可能に結合され、そこでは制御信号保護装置は、主カードＩ／Ｏカードと予備Ｉ／Ｏカードとの間の切り替え動作中に、信号保護装置の出力において制御信号を維持する。

第１の典型的な態様にさらに従い、本システムは、次の好適な形態のうちのいずれか１つ以上をどのような組み合わせでもさらに含んでよい。

１つの好適な形態では、制御信号保護装置は、第１の動作モードにおいて電力貯蔵素子に電気エネルギーを貯蔵し、かつ第２の動作モードにおいて電力貯蔵素子に貯蔵された電気エネルギーを制御信号保護装置の出力端子へ供給するように構成される。

別の好適な形態では、電力貯蔵素子は少なくとも１つのコンデンサを含んでいた。

別の好適な形態では、電力貯蔵素子は第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、電気エネルギーは、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサから、制御信号保護装置の出力端子に供給される。

別の好適な形態では、電力貯蔵素子は電荷ポンプを含む。

別の好適な形態では、制御信号保護装置は、制御信号保護装置の入力端子における電流レベルを監視し、かつ電流レベルが閾値未満であることを検知したことに応じて、制御信号保護装置の動作を第１の動作モードから第２の動作モードへ切り替えるようにさらに構成される。

別の好適な形態では、制御信号保護装置がフィールド装置と別個の素子として提供される。

図１は、本発明の開示された例に従い制御信号保護技術を組み込んだプロセス制御システムを示す。 図２は、中断ライドスルー回路変換器を利用することができるシステムの模式図である。 図３は、１つの可能な回路構成における中断ライドスルー変換器を示す電気回路図である。

図１は、実施形態による、本開示に従い制御信号保護技術を組み込んだプロセス制御システム１００を示す。例示したプロセス制御システム１００は、産業オートメーションプロトコル（例えばＨＡＲＴ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ（非分散化された周辺装置）など）または別の適切な通信プロトコルに従って作動する有線プラントオートメーションネットワーク１１０を含む。有線プラントオートメーションネットワーク１１０は、１つ以上のホストステーションまたはコンピューター１１１（それらはいかなる種類のパソコンまたはワークステーションであってもよい）に接続され、、及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置１１６のバンクに接続され、その各々が順に１つ以上のフィールド装置１２２に接続された、１つ以上の制御器１１４を含む。制御器１１４は、例として挙げるだけだが、Ｆｉｓｈｅｒ−Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．から販売されるＤｅｌｔａＶ（商標）制御器であってもよく、例えばイーサネット接続１２０または他の通信リンクを経由してホストステーション１１１に通信可能に結合される。同様に、制御器１１４は、例えば標準４〜２０ｍａの装置に関連付けられた任意の適切なハードウェアおよびソフトウェア、および／またはＦｉｅｌｄｂｕｓまたはＨＡＲＴプロトコルのような任意のスマート通信プロトコルを使用して、フィールド装置１２２に通信可能に結合される。一般に知られているように、制御器１１４は、その中に格納されたまたはそうでなければそれと関連付けられたプロセス制御ルーチンを実装しまたは監督し、プロセスを任意の所望の方法で制御するため装置１２２と通信する。

フィールド装置１２２は、バルブ、バルブポジショナ、スイッチ、センサー（例えば、温度、圧力、振動、流量、またはｐＨセンサー）、ポンプ、ファンなど、またはそのような種類の２つ以上の組み合わせのようないかなる種類の装置であってもよいが、一方、カードバンク１１６内のＩ／Ｏカードは、ＨＡＲＴ、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓなどのような適切な通信または制御器プロトコルに準拠したどんな種類のＩ／Ｏ装置であってもよい。フィールド装置１２２は、例えば、バルブを開くか、閉じるか、プロセスパラメータの測定を行うような、プロセスまたはプロセス制御ループの内で制御、監視、および／または物理的機能を実行する。図１に示された実施形態において、フィールド装置１２２ａ〜１２２ｃは、Ｉ／Ｏカード１１６ａにアナログ回線で通信する標準の４〜２０ｍａの装置である。別の実施形態では、フィールド装置１１２ａ〜１２２ｃはＨａｒｔ装置であり、Ｉ／Ｏカード１１６ａはＨａｒｔ互換Ｉ／Ｏカードである。１つの実施形態では、制御システム１００は、４〜２０ｍａの装置並びにＨａｒｔ装置を含む。したがって、この実施形態では、制御システム１００は、１つ以上の４〜２０ｍａの互換Ｉ／Ｏカード並びに１つ以上のＨａｒｔ互換Ｉ／Ｏカードを含む。

図１の実施形態においては、フィールド装置１２２ｄ〜１２２ｆは、例えば、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコル通信を使用して、Ｉ／Ｏカード１１８にデジタルバス１１８で通信する、Ｆｉｅｌｄｂｕｓフィールド装置のような、スマート装置である。もちろん、フィールド装置１２２およびＩ／Ｏカード１１６のバンクは、４〜２０ｍａ、ＨＡＲＴ、またはＦｉｅｌｄｂｕｓプロトコルに加え、その他の適切な標準またはプロトコルに準拠することができ、それには今後開発されるどのような標準またはプロトコルも含まれる。

制御器１１４の各々は、一般的に機能ブロックと呼ばれるものを使って制御戦略を実装するように構成されるが、一方、各機能ブロックは、全体の制御ルーチンの一部（例えばサブルーチン）であって、プロセス制御システム１００内にプロセス制御ループを実装するために、（リンクと呼ばれる通信を介して）他の機能ブロックと連携して動作する。機能ブロックは、典型的には、プロセス制御システム１００内でいくつかの物理的機能を実行するために、送信機、センサー、または他のプロセスパラメータ測定装置に関連付けられたもののような入力機能、ＰＩＤ、ファジー論理等の制御を実行する制御ルーチンに関連付けられたもののような制御機能、およびバルブのようないくつかの装置の動作を制御する出力機能のうちの１つを実行する。もちろん、ハイブリッドおよび他の種類の機能ブロックは存在する。これらの機能ブロックのグループは、モジュールと呼ばれる。機能ブロックおよびモジュールは、制御器１２に格納されて制御器１２により実行されてもよく、これは典型的に、これらの機能ブロックが、標準４〜２０ｍａの装置およびいくつかの種類のスマートフィールド装置のために使用されるかまたは関連付けられている場合、または、それらがフィールド装置自体に格納されてフィールド装置により実装されてもよく、これはＦｉｅｌｄｂｕｓ装置が使われる場合であろう。機能ブロック制御戦略を使用して、制御システムの記述を提供するが、ラダーロジック、シーケンシャルフローチャートなどのような他のコンベンションを使用し、また任意の適切な独占所有権のあるまたは独占所有権のないプログラミング言語を使用して、制御戦略を実装することまたは設計することができる。

図２は、制御信号の中に中断が発生した場合に、制御信号を維持するために制御信号保護装置を利用することができる制御システム２００の略図である。制御システム２００は、冗長Ｉ／Ｏサブシステム２０４に接続されたホストステーション２０２を含む。図１を参照すれば、ある実施形態では、ホストステーション２０２は、ホストステーション１１１ａまたはホストステーション１１１ｂに相当し、Ｉ／Ｏサブシステム２０４は、例えば、Ｉ／Ｏカードバンク１１６に含まれる。Ｉ／Ｏサブシステム２０４の出力は、フィールド装置２２０の動作を制御するフィールド装置２２０に提供される。フィールド装置２２０は、例えば電流−圧力変換器またはバルブ制御器のような、４〜２０ｍＡの範囲内の制御信号を受理しその制御信号をバルブ位置の制御のための空圧制御信号に変換することができる適切な４〜２０ｍＡのフィールド装置であってもよい。

Ｉ／Ｏサブシステム２０４は、フィールド装置２２０のための冗長制御を提供する冗長構成を含む。特に、Ｉ／Ｏサブシステムは、第１のＩ／Ｏカード２０６ａおよび第２のＩ／Ｏカード２０６ｂを含む。Ｉ／Ｏカード２０６ａは、主またはアクティブなＩ／Ｏカードであってもよく、一方、Ｉ／Ｏカード２０６ｂは予備Ｉ／Ｏカードであってもよい。Ｉ／Ｏカード制御器２０８は、主カード２０６ａの故障の場合、自動的に主カード２０６ａから予備カード２０６ｂへ動作を切り替えることで、Ｉ／Ｏサブシステム２０４の動作を制御してもよい。さらに、Ｉ／Ｏ制御器２０８は、予備カード２０６ｂの機能性を確認するために、動作を主カード２０６ａから予備カード２０６ｂへ周期的に切り替えるように構成されてもよい。主カード２０６ａから予備カード２０６ｂへの、または予備カード２０６ｂから主カード２０６ａへの切り替えは、一般に、Ｉ／Ｏサブシステム２０４の出力に存在する制御信号中に中断を引き起こすかもしれない。フィールド装置２２０に提供される制御信号中のそのような中断は、制御されているプロセスにおいて望ましくない結果を引き起こすかもしれない。例えば、バルブ制御器に提供される制御信号の一時的な喪失は、対応するバルブを意図しない位置へ動かすことがあり、それによって制御されているプロセスの正常動作を潜在的に破壊する。さらに、いくつかの状況では、制御信号の一時的喪失は、バルブ制御器をして、バルブを、例えば１つの完全にオープンな位置または完全に閉じた位置、または別の所定位置のような安全な状態にラッチさせることを引き起こすことがある。例えば、バルブ制御器は、制御信号の喪出に応じて、例えば液体の流出を防ぐために、緊急停止バルブを完全にクローズな位置にラッチさせることができる緊急停止バルブに関連付けられていてもよい。そのような状況で、バルブの正常動作への復帰は、オペレータに手動でバルブを外すよう要求することで行ってもよい。

システム２００は、Ｉ／Ｏサブシステム２０４およびフィールド装置２２０と直列に接続された制御信号保護装置２１０を含む。図２に示されるように、制御信号保護装置２１０は、一対の入力端子２１２および一対の出力端子２１４を含む。入力端子２１２は、フィールド装置２２０にＩ／Ｏサブシステム２０４から制御信号を提供する電流ループ（例えば、４〜２０ｍＡの電流ループ）に制御信号保護装置２１０を接続する。出力端子２１４は、制御信号保護装置２１０をフィールド装置２２０の制御信号電流ループ端子に接続する。一般に、制御信号保護装置２１０は、制御信号保護装置２１０への入力端子において制御信号が喪失されるか一時的に中断されるかした場合は、一定の期間、制御信号保護装置２１０の出力端子２１４において信号レベル（例えば電圧レベル）を維持するように構成される。この目的のために、制御信号保護装置２１０は、制御システム２００の正常動作の間、貯蔵素子に十分なエネルギー量を貯蔵することができる貯蔵素子（例えばコンデンサ）を含むか、またはそれに結合されてもよく、そして、貯蔵エネルギーを利用して制御信号の一時的な中断の期間、装置２１０の出力における制御信号を装置２１０の入力において維持してもよい。その結果、フィールド装置２２０の動作は、主カード２０６ａと予備カード２０６ｂの間の切り替え動作中のような一時的な制御信号喪失によって影響を受けないことになる。例として、制御信号保護装置２１０経由でバルブに提供される制御信号は、制御されているバルブのシャットダウン閾値を超える十分なレベルに維持されることになり、また、その結果、バルブはシャットダウンされることなく、ある実施形態中で一時的に制御信号が中断される場合にはリセットされる必要がある。

ある実施形態では、制御信号保護装置２１０は、制御信号ループ（例えば、４〜２０ｍａの制御信号ループ）から少量の電力を抽出することにより作動し、抽出された電力を信号保護装置２１０に含まれるか、またはそこに結合された貯蔵素子（例えばコンデンサ）に貯蔵する。信号保護装置２１０の通常の動作モードでは、制御信号が制御保護装置２１０の入力において存在する場合、信号保護装置２１０は、制御保護装置２１０の出力においてフィルタ処理されたバージョンの制御信号を与える。したがって、正常動作モードでは、制御信号装置２１０は、一般に制御信号をホストステーション２０２からフィールド装置２２０まで渡し、フィールド装置２２０の動作を制御する。ある実施形態では、信号保護装置２１０は、制御信号を極度にフィルタ処理せずに、そして、それゆえに、フィールド装置２２０に提供される制御信号に重大な遅延を生じさせずに、制御信号をホストステーション２０２からフィールド装置２２０へ渡すように構成される。さらに、ある実施形態では、制御信号保護装置２１０は、制御システム２００の正常動作の間に、電流ループの動作を妨害しないように、かつ電流ループ上で通信信号（例えばＨＡＲＴ通信信号）に著しく干渉をしないように、制御電流ループから十分に少量の電力を抽出するように構成される。

制御信号保護装置２１０は、入力端子２１２における入力電流（または電圧）を監視し、かつ入力端子２１２における入力電流（または電圧）がある閾値より下に下がったときを検出するように構成され、これは、制御信号保護装置２１０の入力におけるＩ／Ｏサブシステム２０４からの制御信号の喪失を示している。制御信号保護装置２１０の入力における制御信号の喪失の検出に応じて、制御信号保護装置２１０は、動作を保護モードに切り替えるように構成され、そこでは、制御信号保護装置２１０の出力端子２１４の両端の制御信号レベルを維持するために、貯蔵素子に貯蔵された電力が利用される。制御信号保護装置２１０は、入力端子２１２における監視された入力電流（または電圧）が閾値を超えて上昇するとき、これはＩ／Ｏサブシステム２０４からの制御信号が回復されたことを示しているが、それを検知するようにも構成される。制御信号保護装置２１０に対する入力において制御信号が復帰したことが検出されたときは、制御信号保護装置２１０は、正常動作モードに動作を切り替えるように構成され、そこでは、制御信号保護装置２１０の入力端子２１２に存在するフィルタ処理されたバージョンの制御信号が、制御信号保護装置２１０の出力端子２１４に転送される。制御信号保護装置２１０は、フィールド装置２２０と組み込まれてもよい。例えば、制御信号保護装置２１０は、安全シャットダウンバルブを手動で開くまたは閉じるような、フィールド装置を手動で作動させるため、フィールド装置が提供されるローカル制御パネルへ組み込まれてもよい。別の例として、例えば、フィールド装置２２０がＨＡＲＴ通信プロトコルに従う通信のために構成されない場合、制御信号保護装置２１０は、フィールド装置２２０とホストステーション２０２の間のＨＡＲＴ通信を容易にするために提供されるＨＡＲＴフィルタ装置へ組み込まれてもよい。または、フィールド装置２１０は、フィールド装置２２０に対し制御入力に直列に接続することができる外部構成要素として提供されてもよい。いくつかの実施形態では、制御信号保護装置２１０は、フィールド装置２２０の複数の制御入力に対しおよび／または複数のフィールド装置のそれぞれの制御入力に対し、制御信号保護を提供することができるマルチチャンネル装置であってもよい。

制御信号装置２１０は、図２に示されるように、Ｉ／Ｏサブシステム２０４との有線接続を経由してＩ／Ｏサブシステム２０４により供給される制御信号を受信してもよく、または、制御ステーションから無線で、例えば、冗長無線Ｉ／Ｏカードのバンク経由で、制御信号を受信してもよい。図１に関しては、１つの実施形態では、フィールド装置２２０は、４〜２０ｍＡの装置またはＨＡＲＴフィールド装置１２２に対応する。別の実施形態では、フィールド装置２２０は、４〜２０ｍＡの装置に対応するか、またはホストステーションと無線通信をするように構成されたＨＡＲＴフィールド装置に対応する。

図３は、制御信号保護装置２１０の１つの可能な実装に対応する回路３００を示す図である。回路３００は、一対の入力端子３０２および一対の出力端子３０４を含む。入力端子３０２は、制御システム内のＩ／Ｏカードサブシステムの出力に通信可能に結合されてもよい。出力端子３０４は、例えば、バルブ制御器のようなフィールド装置に接続されてもよい。回路３００は、回路３００を流れる電流により生成された少量の電気エネルギーを抽出または取り入れし、回路３００内の電力貯蔵素子中にこの抽出された電力を貯蔵することによって、作動する。その後、この貯蔵エネルギーは、Ｉ／Ｏカード切り替え動作中の制御信号の一時的な喪失に起因するような、入力端子３０２での回路３００に入る電流の短い中断の場合は、出力端子対３０４の両端の希望の電圧レベルを維持するために使用されてもよい。または、回路３００と類似の回路は、回路３００への入力電流における中断の間に、貯蔵された電力を使用することにより、出力端子３０４に希望の電流（電圧ではなく）を供給するために作動してもよい。

回路３００は、第１のスイッチ３０８および第２のスイッチ３１２を含んでもよい。スイッチ３０８および３１２の各々は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、異なる種類のトランジスタ、または当該技術で既知のその他の電子的切り替え手段であってもよい。第１の演算増幅器（「ｏｐアンプ」）３０６は、スイッチ３０８の動作状態を制御するために提供されてもよく、また、第２の演算増幅器３１０は、第２のスイッチ３１２の動作状態を制御するために提供されてもよい。いくつかの実施形態では、ｏｐアンプ３０６および３１０の代わりに、スイッチ３０６および３０８の動作を制御する制御素子として個別トランジスタが使用されてもよいことが理解される。

回路３００に入る電流が十分に高い（例えば２ｍＡ超）場合、回路３００は、出力端子３０４に電流を供給することにより正常動作モードで作動してもよい。正常動作モードにおいて、ｏｐアンプ３０６の出力は、スイッチ３０８をオープン状態に維持するのに十分に高い。したがって、ｏｐアンプ３１０への入力は、ｏｐアンプ３１０が飽和状態で作動するものであってもよい。図示されるように、ｏｐアンプ３１０の出力はスイッチ３１２の状態を制御するために使用され、ｏｐアンプ３１０の飽和状態は、スイッチ３１２をオープン状態に維持する。

引き続き図３を参照すれば、コンデンサ３１４とコンデンサ３１６が、出力端子３０４の両端の出力電圧を維持する回路３００の正常動作モードの間、回路３００に提供される制御信号の一時的中断の期間、電力を貯蔵するために提供される。回路３００の正常動作を邪魔しないように、例えば回路３００により導入された十分に低い遅延を維持するように、またはループ上の正常な通信（例えばＨＡＲＴ通信）と干渉しないように、回路３００の正常動作モード中にコンデンサ３１４および３１６中に電力を十分に低い速度で貯蔵するために、コンデンサ３１４、３１６中のエネルギーの貯蔵速度は、抵抗器３２０および３１８によってそれぞれ制御される。図３で示されるような電力貯蔵に使用される２コンデンサ構成の代替策として、いくつかの実施形態では、単一のコンデンサが回路３００における電力貯蔵素子として使用されてもよい。または、電力を貯蔵する他の方法が利用されてもよい。例えば、電荷ポンプまたは誘導ブースト回路が提供されてもよい。そのような実施形態では、電力は、回路３００の入力端子３０２の両端の電圧レベルと比較して、出力端子３０４の両端のより高い電圧レベルで貯蔵されてもよい。

回路３００に入る電流は、回路３００の動作モードを制御するための電流監視回路で監視されてもよい。図３の実施形態では、電流監視回路は、ｏｐアンプ３０６の入力端子の両端に結合されたコンデンサ３４６とともに、抵抗器３４０、３４２および３４４の組み合わせを備える。回路３００に入る入力電流がある閾値（例えば２ｍＡ未満）より下に下がったとき、電流監視回路は、回路３００を回路３００の正常動作モードから回路３００の保護動作モードに切り替えさせる。保護動作モードでは、回路３００の出力端子３０４における電圧は、回路３００に入る電流が中断する期間、希望のレベルに維持される。この動作モードでは、非常に小さい電流が回路３００に入るか、または全く入らないため、ｏｐアンプ３０６の入力端子の両端の電圧差は、ｏｐアンプ３０６の出力がスイッチ３０８を制御して閉じた状態へ遷移させるほど十分小さくなる。スイッチ３０８の閉じた状態は、次には、ｏｐアンプ３１０の負端子における電圧レベルの増加に帰着し、したがって、ｏｐアンプ３１０の入力端子の両端の電圧差の減少を引き起こす。その結果、ｏｐアンプ３１０の出力端子における電圧レベルは低下し、そのことがスイッチ３１２を閉じた状態へ遷移させる。閉じた状態では、スイッチ３１２は、コンデンサ３１４の負端子をコンデンサ３１６の正端子に効率的に接続し、コンデンサ３１４および３１６に貯蔵されたエネルギーは、出力端子対３０４の正電極側に供給される。

回路３００の保護動作モードにおいて回路３００の出力端子３０４の両端に維持された電圧レベルは、抵抗器３２２と抵抗器３２４によって形成された分圧器のような、回路３００に含まれる電圧維持素子によって決定される。さらに、コンデンサ３２６は、出力端子３０４の両端に存在する電圧をフィルタ処理する。したがって、回路３００が正常動作モードから保護動作モードまで遷移するときは、回路３００の出力端子３０４の両端の電圧は、コンデンサ３２６の正端子においてスケール調整されフィルタ処理された電圧レベルで維持される。したがって、出力端子３０４の両端の電圧降下は、入力電流中断に先立つ（つまり正常動作モード中）端子３０４の両端の電圧レベルに相当する。その結果、出力端子３０４の両端の電圧は、回路３００の入力端子３０２における制御信号の中断の間、重大な変更を経験しない。

引き続いて、Ｉ／Ｏサブシステム２０４において主カードＩ／Ｏカード２０６ａから予備Ｉ／Ｏカード２０６ｂへの切り替えが完了した場合（図２）のように、制御信号が回路３００に戻された場合、回路３００の入力端子３０２における電流が増加し回路３００の電流監視素子によって決定された閾値を越える。入力電流が閾値レベルを超えるとき（例えば２ｍＡ超）、ｏｐアンプ３０６および３１０は、オープン状態へ遷移するようにそれぞれのスイッチ３０８および３１２を制御する。したがって、この場合、回路３００は正常動作モードに復帰する。

いくつかの実施形態においては、回路３００は、回路３００中に一過性の雑音または干渉が存在する状態で回路３００の性能を改善し、および／または回路３００の堅牢性を増加させる追加的構成要素を含む。例えば、図３に示された回路３００の実装は、回路３００の入力端子３０２の両端におよび出力端子３０４の両端にそれぞれ接続されたツェナーダイオード３２８、３３０を含む。ツェナーダイオード３２８、３３０は、回路３００の入力および出力における一過性の干渉に対する回路３００の保護のために提供される。コンデンサ３３２は、ｏｐアンプ３０６および３１０の性能を改善するために、ｏｐアンプ３０６および３１０に供給された電圧をフィルタ処理するために提供されてもよい。さらに、ツェナーダイオード３３４と抵抗器３３８は、ｏｐアンプ３０６および３１０に希望電圧制限電力を供給するために使用されてもよい。この目的のために、ツェナーダイオード３３４および抵抗器３３８は、利用されている特定のｏｐアンプ３０６および３１０について指定された最大電圧に従って選択されてもよい。そのような追加構成要素は、回路３００の適切な動作のために必要ではないこと、および少なくともいくつかの追加構成要素は、いくつかの実装における回路３００から省略されることは注意する必要がある。

本発明は特定の例に関して記述されたが、それは説明に役立つようにのみ意図されたものであり本発明を制限するものであることは意図されず、当業者にとっては、変更、追加、および／または削除が、本発明の趣旨および範囲から外れることなく、開示された実施形態に対してなされてもよいことが明らかになる。

Claims (20)

1. 第１の動作モードおよび第２の動作モードを有する制御信号保護装置であって、
   前記信号保護装置を制御システムに接続する第１の端子対であって、前記制御システムが制御信号を提供する、第１の端子対と、
   変換器をフィールド装置に接続する第２の端子対と、
   電気エネルギーの一時的な蓄積のための電力貯蔵素子と、
   前記信号保護装置の動作モードを制御するための切り替え回路と、を備え、
   電気エネルギーが前記第１の動作モードで前記電力貯蔵素子に貯蔵され、
   前記電力貯蔵素子に貯蔵される電気エネルギーが、前記第２の動作モードにおいて前記第２の端子対の正端子に供給される、制御信号保護装置。
2. 前記電力貯蔵素子が少なくとも１つのコンデンサを含む、請求項１に記載の制御信号保護装置。
3. 前記電力貯蔵素子が第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、電気エネルギーが前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサから前記出力端子に供給される、請求項１又は２に記載の制御信号保護装置。
4. 前記切り替え回路が、前記信号保護装置に入る入力電流における変化に応じて、前記動作モードを制御する、請求項１〜３のいずれかに記載の制御信号保護装置。
5. 電流監視回路をさらに備え、前記電流監視回路が、
   前記信号保護装置に入る電流が閾値未満であるときは、前記制御信号保護装置を前記第１の動作モードから前記第２の動作モードへ遷移させ、
   前記信号保護装置に入る電流が前記閾値を超えるときは、制御信号保護装置を前記第２の動作モードから前記第１の動作モードへ遷移させる、請求項１〜４のいずれかに記載の制御信号保護装置。
6. 前記閾値が２ｍＡである、請求項１〜５のいずれかに記載の制御信号保護装置。
7. 正常動作モード中に前記入力端子の両端の電圧レベルに対応する、フィルタ処理されスケール変更された電圧のバージョンを維持するための電圧維持素子をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の制御信号保護装置。
8. 前記出力端子の両端の電圧が、前記第２の動作モードで前記フィルタ処理された電圧に維持される、請求項１〜７のいずれかに記載の制御信号保護装置。
9. 前記第１の動作モードが、前記制御信号が前記入力端子において提供される正常モードであり、前記第２の動作モードが、前記制御信号が前記入力端子において提供されない保護モードである、請求項１〜８のいずれかに記載の制御信号保護装置。
10. プロセス制御システムにおいてフィールド装置に提供される制御信号を保護する方法であって、
    ホストステーションを提供する工程と、
    第１のカードおよび第２のカードを含む複数の入出力（Ｉ／Ｏ）カードに前記ホストステーションを通信可能に結合することであって、動作が前記第１のカードから前記第２のカードへ選択的に切り替えられる、結合する工程と、
    前記ホストステーションからの制御信号を前記第１のカードまたは前記第２のカードを経由して制御信号保護装置に提供する工程と、
    前記第１のカードから前記第２のカードへの動作の遷移の間、前記制御信号保護装置を第１の動作モードから第２の動作モードに切り替わらせる工程と、を含む、方法。
11. 前記制御信号保護装置が、
    前記第１の動作モードで電気エネルギーを電力貯蔵素子に貯蔵し、
    前記電力貯蔵素子に貯蔵される電気エネルギーを、前記第２の動作モードにおいて前記制御信号保護装置の出力端子に供給する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記電力貯蔵素子に電気エネルギーを貯蔵することが、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサにエネルギーを貯蔵する工程を含み、電気エネルギーを供給することが、貯蔵される電気エネルギーを前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサから前記制御信号保護装置の前記出力端子へ移す工程を含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記制御信号保護装置を前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切り替えさせる工程が、
    前記信号保護装置に入る電流が閾値未満であるときは、前記制御信号保護装置を前記第１の動作モードから前記第２の動作モードへ遷移させる工程と、
    前記信号保護装置に入る電流が前記閾値を超えるときは、制御信号保護装置を前記第１の動作モードから前記第２の動作モードへ遷移させる工程と、を含む、請求項１０〜１２のいずれかに記載の方法。
14. プロセス制御システムにおいてフィールド装置を制御するための制御システムであって、
    ホストステーションと、
    前記フィールド装置に制御信号を提供するための前記ホストステーションに結合された複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）カードであって、主Ｉ／Ｏカードおよび予備Ｉ／Ｏカードを含む、複数のＩ／Ｏカードと、
    前記主Ｉ／Ｏカードと前記予備Ｉ／Ｏカードとを選択的に切り替えるように構成されたＩ／Ｏカード制御器と、
    前記Ｉ／Ｏカードおよび前記フィールド装置に通信可能に結合された制御信号保護装置であって、前記主カードＩ／Ｏカードと前記予備Ｉ／Ｏカードとの間の切り替え動作中に、前記信号保護装置の出力において前記制御信号を維持する、制御信号保護装置と、を備える、制御システム。
15. 前記制御信号保護装置が、
    電気エネルギーを第１の動作モードで電力貯蔵素子に貯蔵し、かつ
    前記電力貯蔵素子に貯蔵される電気エネルギーを、第２の動作モードにおいて前記制御信号保護装置の出力端子に供給するように構成される、請求項１４に記載の制御システム。
16. 前記電力貯蔵素子が少なくとも１つのコンデンサを含む、請求項１４又は１５に記載の制御システム。
17. 前記電力貯蔵素子が第１のコンデンサおよび第２のコンデンサを含み、電気エネルギーが、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサから、制御信号保護装置の前記出力端子に供給される、請求項１４〜１６のいずれかに記載の制御システム。
18. 前記電力貯蔵素子が電荷ポンプを含む、請求項１４〜１７のいずれかに記載の制御システム。
19. 前記制御信号保護装置が、
    前記制御信号保護装置の入力端子における電流レベルを監視し、かつ
    前記電流レベルが閾値未満であることを検知することに応じて、前記制御信号保護装置の動作を前記第１の動作モードから前記第２の動作モードへ切り替えるようにさらに構成される、請求項１４〜１８のいずれかに記載の制御システム。
20. 前記制御信号保護装置がフィールド装置と別個の素子として提供される、請求項１４〜１９のいずれかに記載の制御システム。

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