JP2021516397A - フィールドデバイススイッチモニタ - Google Patents

Abstract

工業プロセスフィールドデバイスは、アクティブコンポーネント、スイッチ、スイッチモニタ、及びコントローラを含む。アクティブコンポーネントは、プロセスパラメータを感知するように構成されたセンサ、又は工業プロセスのプロセスを制御するように構成された制御デバイスであってもよい。スイッチは、第１端子及び第２端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに第１端子及び第２端子を電気的に接続し、開状態にあるときに第１端子及び第２端子を電気的に切断するように構成される。スイッチモニタは、閉状態または開状態に対応するスイッチの現在状態を検出し、現在状態を示す状態出力を生成するように構成される。コントローラは、スイッチを開状態または閉状態に設定し、スイッチの現在状態およびスイッチの状態のうちの少なくとも１つを示す状態出力に基づいて通知を生成するように構成される。

Description

本開示の実施形態は、工業プロセス制御システムに関する。より具体的には、本開示の実施形態は、フィールドデバイスのスイッチの状態を監視するスイッチモニタを有する工業プロセスフィールドデバイスに関する。

工業環境においては、制御システムは工業および化学プロセスの現況を監視および制御するために使用される。典型的には、制御システムは、工業プロセス内の主要な位置に分散され、プロセス制御ループによって制御システム内の制御回路に結合された工業プロセスフィールドデバイスを使用して、これらの機能を実行する。用語「フィールドデバイス」は、分散制御またはプロセス監視システムにおいて機能を実行する任意のデバイスを指し、工業プロセスの測定、制御、および／または監視に使用される、現在知られている、またはまだ知られていないすべてのデバイスを含む。

典型的なフィールドデバイスは、フィールドデバイスが、１つまたは複数のセンサを使用するプロセスパラメータ監視および測定、および／または１つまたは複数の制御デバイスを使用するプロセス制御動作などの従来のフィールドデバイスタスクを実行することを可能にするデバイス回路を含む。例示的なセンサは、工業プロセスで使用される圧力センサ、レベルセンサ、温度センサ、および他のセンサを含む。例示的な制御デバイスは、アクチュエータ、ソレノイド、バルブ、および他の制御デバイスを含む。

フィールドデバイスのデバイス回路はまた、センサ及び／又は制御デバイスを制御するために使用され、例えば４〜２０ｍＡプロセス制御ループのようなプロセス制御ループを介してプロセス制御システム、又は他の回路と通信するコントローラを含むことができる。一部の設備では、プロセス制御ループは、現場デバイスに電力を供給するために、調節された電流および／または電圧を現場デバイスに供給するために使用される。プロセス制御ループは、感知されたプロセスパラメータに対応するプロセスパラメータ値などのデータを搬送することもできる。このデータは、プロセス制御ループを介してアナログ信号として、又はデジタル信号として通信することができる。

スイッチが適切に動作しているか示す。

本開示の実施形態は、工業プロセス、工業プロセス制御システム、および工業プロセスフィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法のためのフィールドデバイスを対象としている。フィールドデバイスの一実施形態は、アクティブコンポーネントと、スイッチと、スイッチモニタと、コントローラとを含む。アクティブコンポーネントは、プロセスパラメータを感知するように構成されたセンサであってもよいし、工業プロセスのプロセスを制御するように構成された制御デバイスであってもよい。好ましくは、スイッチは、第１端子および第２端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに第１端子および第２端子を電気的に接続し、開状態にあるときに第１端子および第２端子を電気的に切断するように構成される。スイッチモニタは、閉状態または開状態に対応するスイッチの現在状態を検出し、現在状態を示す状態出力を生成するように構成される。コントローラは、スイッチを開状態または閉状態に設定し、スイッチの現在状態およびスイッチの状況のうちの少なくとも１つを示す状態出力に基づいて通知を生成するように構成される。

工業プロセス制御システムの一実施形態は、上述のフィールドデバイスと、外部デバイスと、電源とを含む。外部デバイスは、第１端子を介してスイッチに電気的に結合される。電源は、第２端子を介してスイッチに電気的に結合され、スイッチを介して外部デバイスに電力を供給するように構成される。スイッチが閉状態のときは外部デバイスに電力が供給され、開状態のときは外部デバイスから電力が切断される。

本方法の一実施形態では、工業プロセスのプロセスパラメータが感知されるか、または工業プロセスがフィールドデバイスのアクティブコンポーネントを使用して制御される。フィールドデバイスのスイッチは、フィールドデバイスのコントローラによって生成されるスイッチ駆動信号を用いて、外部電源からの電力が外部デバイスから切断される開状態、または外部電源からの電力が外部デバイスに接続される閉状態に対応する現在状態に設定される。スイッチの現在状態を示す電気的パラメータは、フィールドデバイスのスイッチモニタを使用して検出される。検出された電気的パラメータに基づいて、スイッチモニタを使用して現在状態を示す状態出力が生成される。スイッチの現在状態およびスイッチの状況のうちの少なくとも１つを示す通知が、コントローラを使用して状態出力に基づいて生成される。

上記概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化された形態で紹介するために提供される。この発明の概要は、特許請求される主題の重要な特徴または本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることを意図するものでもない。特許請求される主題は、背景技術で言及される任意のまたはすべての欠点を解決する実装形態に限定されない。

スイッチが適切に動作しているか示すことができる。

本開示の実施形態による、例示的なプロセス制御システムの簡略図である。 本開示の実施形態による、例示的なプロセス制御システムの簡略図である。 本開示の実施形態による、工業プロセスフィールドデバイスの例示的なスイッチモニタの回路図である。 本開示の実施形態による、工業プロセスフィールドデバイスの例示的なスイッチモニタの回路図である。 本開示の実施形態による、フィールドデバイスのスイッチに送達される交流電圧のチャート、および工業プロセスフィールドデバイスの例示的なスイッチモニタによって生成される状態出力のチャートを示す図である。 本開示の実施形態による、工業プロセスフィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法を示すフローチャートである。

本開示の実施形態は、添付の図面を参照して、以下でより完全に説明される。同一または類似の参照符号を使用して識別される要素は、同一または類似の要素を参照する。しかしながら、本開示の様々な実施形態は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が完全であり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。

本開示の実施形態は、一般に、工業プロセスフィールドデバイス、フィールドデバイスを含む工業プロセス制御システム、およびフィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法を対象とする。図１および図２は、本開示の実施形態による、例示的なプロセス測定または制御システム１００の簡略図である。

システム１００は、工業プロセス１０４とインタラクションすることができる工業プロセスフィールドデバイス１０２を含む。いくつかの実施形態では、プロセス１０４は、パイプ１０５（図１）などのパイプを介して輸送される流体などの材料、および／またはシステム１００によって処理されるタンクなどに含まれる材料を含む。材料のこの処理は、一般に、材料をより価値の低い状態から、石油、化学物質、紙、食品などのより価値があり有用な製品に変換する。例えば、製油所は、原油をガソリン、燃料油、および他の石油化学物質に加工することができる工業プロセスを実施する。

フィールドデバイス１０２は、フィールドデバイス１０２を制御するように構成され得るコンピュータ化された制御ユニット１０６と通信し得る。制御ユニット１０６は、図１に示すように、システム１００の制御室のように、フィールドデバイスから離れて配置されてもよい。

制御ユニット１０６は、適切な物理通信リンクまたは無線通信リンクを介してフィールドデバイス１０２に通信可能に結合され得る。例えば、制御ユニットは、制御ループ１０７を介してフィールドデバイスに結合されてもよい。制御ユニット１０６とフィールドデバイス１０２との間の通信は、従来のアナログおよび／またはデジタル通信プロトコルに従って、制御ループ１０７を介して実行され得る。いくつかの実施形態では、プロセス制御ループ１０７は、プロセス制御ループ４〜２０ミリアンペアのプロセス制御ループを含み、プロセス変数は、プロセス制御ループ１０７を流れるループ電流Ｉ（図２）のレベルによって表すことができる。例示的なデジタル通信技術は、ＨＡＲＴ（登録商標）通信規格のような２線式プロセス制御ループ１０７のアナログ電流レベルに変調されるデジタル信号を含む。ＦｉｅｌｄＢｕｓおよびＰｒｏｆｉｂｕｓ通信プロトコルを含む、他の純粋にデジタルの技法を使用することもできる。制御ユニット１０６は、制御ループ１０７を介してフィールドデバイス１０２に電力を供給する電源を含むことができる。

いくつかの実施形態では、フィールドデバイス１００は、図２の簡略図に示すように、コントローラ１０８、１つまたは複数のセンサまたは制御デバイス１１０の形態のアクティブコンポーネント、測定または制御回路１１２、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１１４、通信回路１１５、および／または端子ブロック１１６を含む。コントローラ１０８は、デバイス１００の非一時的な特許主題として適格なコンピュータ可読媒体またはメモリ１１８にローカルに格納され得る命令の実行に応答して、本明細書で説明される１つまたは複数の機能を実行するようにフィールドデバイス１００の構成要素を制御する１つまたは複数のプロセッサ（すなわち、マイクロプロセッサ、中央処理装置など）を表すことができる。いくつかの実施形態では、コントローラ１０８のプロセッサは、１つまたは複数のコンピュータベースのシステムの構成要素である。いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、１つまたは複数の制御回路、マイクロプロセッサベースのエンジン制御システム、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの１つまたは複数のプログラマブルハードウェア構成要素を含み、これらは、本明細書で説明する１つまたは複数の機能を実行するためにデバイス１００の構成要素を制御するために使用される。コントローラ１０８は、他の従来のフィールドデバイス回路を表すこともできる。

フィールドデバイス１０２は、図２のブロック１１０によって表される１つまたは複数のセンサを使用して、プロセス１０４の温度、レベル、圧力、流量、または別のパラメータなどのプロセス１０４のパラメータを感知または測定するために使用され得る。例示的なセンサ１１０は、圧力センサ、温度センサ、レベルセンサ、流量センサ、および／またはプロセスパラメータを感知または測定するために使用される他のセンサを含む。

フィールドデバイス１００はまた、図２のブロック１１０によって表される１つ以上の制御デバイスを使用して、プロセス１０４の態様を制御するように構成されてもよい。例示的な制御デバイス１１０は、プロセスを制御するために現場デバイスで使用されるアクチュエータ、ソレノイド、バルブ、および他の従来のプロセス制御デバイスを含む。

測定回路又は制御回路１１２は、センサ又は制御デバイス１１０と相互作用する回路を表す。例えば、回路１１２は、フィールドデバイスのコントローラ１０８が使用するためにセンサ１１０からの出力を測定する測定回路を含むことができる。ＤＡＣ１１４は、例えば、センサ１１０によって感知されるプロセスパラメータの値を示すようにループ電流Ｉを調整することによって、２線式プロセス制御ループ１０７を介してなど、通信回路１１５を使用して制御ユニット１０６に通信されるデジタル信号をアナログ信号に変換するために、コントローラ１０８によって使用されてもよい。回路１１２は、例えば、制御ユニット１０６からのコマンド、又は、例えば通信回路１１５を通して制御デバイス１０８によって受け取られる他の場所に応答して、制御デバイス１１０を制御するために使用することもできる。

本開示の実施形態は、スイッチ１２０を含むフィールドデバイス１０２を対象とする。スイッチ１２０は、端子ブロック１１６を介するなどしてフィールドデバイス１０２の外部にある電源１２４およびデバイス１２６に電気的に結合されてもよい。したがって、電源１２４およびデバイス１２６の実施形態は、フィールドデバイス１０２とは別個である。コントローラ１０８は、スイッチ１２０を制御して、電源１２４からデバイス１２６への電力を電気的に接続または切断する。デバイス１２６の例示的な実施形態は、例えば、ポンプ、コンプレッサ、ソレノイド、またはシステム１００と共に使用するのに適し得る別のデバイスを含む。

スイッチ１２０は、任意の適切な形態をとることができる。例えば、スイッチ１２０は、ラッチリレーまたは別の適切なスイッチを含んでもよい。加えて、単一のスイッチ１２０のみが図示されているが、フィールドデバイス１０２は、例えば、端子ブロック１１６に結合されてもよく、コントローラ１０８によってそれぞれ制御される複数のスイッチ１２０を含んでもよいことが理解される。

いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、スイッチ１２０がデバイス１２６を電源１２４からの電力に接続する閉状態と、スイッチ１２０がデバイス１２６を電源１２４から切り離す開状態との間で、スイッチ１２０を選択的に設定（すなわち、制御、作動、またはトグル）する。したがって、デバイス１２６は、スイッチ１２０が閉状態に設定されている間、またはそれに応答して起動されてもよく、デバイス１２６は、スイッチ１２０が開状態に設定されていることに応答して停止される。いくつかの実施形態では、スイッチ１２０の状態の設定は、コントローラ１０８からのスイッチ駆動信号１２８に応答して生じる。

ある実施形態では、コントローラ１０８は、１つ以上の設定に基づいてプロセッサ実行命令に応答して、スイッチ１２０を開状態または閉状態のいずれかに設定するように構成される。設定およびプログラムされた命令は、設定１３０として、メモリ１１８、制御ユニット１０６のメモリ、および／または別の適切な場所に記憶されてもよい。設定１３０は、閾値および／または他のスイッチ制御パラメータなどのユーザ定義設定を含むことができる。

一実施形態では、コントローラ１０８は、センサ１１０によって検出される感知されたパラメータ（例えば、圧力、レベル、流れ、温度など）に応答して、スイッチ１２０を開または閉状態に設定する。例えば、コントローラ１０８は、センサ１１０から出力されたパラメータに基づいて回路１１２から出力された感知されたパラメータ値を、ユーザ定義の閾値などの設定１３０と比較し、感知されたパラメータ値が閾値との所定の関係を満たすときに、駆動信号１２８を使用してスイッチ１２０を所定の開または閉状態に設定することができる。

あるいは、制御ユニット１０６は、フィールドデバイス１０２から感知されたパラメータ値を受信し、感知されたパラメータ値が、ユーザ定義のしきい値などの設定１３０との所定の関係を満たす場合に、スイッチ１２０を所望の状態に設定するように、制御ループ１０７を介してなど、コントローラ１０８にコマンドを発行することができる。次に、制御デバイス１０８は、制御ユニット１０６からのコマンドに応答して、スイッチ１２０を所望の状態に設定するための駆動信号１２８を生成する。

一例では、フィールドデバイス１０２は、タンク内のレベルを感知するレベルセンサ１１０を含み、感知されたレベルを通信回路１１５を用いて制御ユニット１０６に通信することができる。センサ１１０によって生成されたレベル出力が、閾値（例えば、設定１３０）を下回る検知レベルを示す場合、制御デバイス１０８は、外部ポンプ（デバイス１２６）を作動させ、追加の材料をタンク内に駆動するために、スイッチ１２０を閉状態に設定するように構成されてもよく、または制御ユニット１０６によって命令されてもよい。センサ１１０によって感知されたレベルが、タンクが満杯であることを示すものなどの別の閾値レベル（設定１３０）に達した後、制御デバイス１０８は、スイッチ１２０を開いてポンプを非作動にするように構成または指令されてもよい。

別の実施形態では、コントローラ１０８は、スイッチ駆動信号１２８を使用して、制御デバイス１１０の状態に応答してスイッチ１２０を開または閉状態に設定する。あるいは、制御ユニット１０６は、制御デバイス１１０の状態に基づいて、スイッチ１２０を開状態または閉状態のいずれかに設定するように、コントローラ１０８にコマンドを発行してもよい。ここで、制御デバイス１１０は、例えば、弁の開状態または閉状態、アクチュエータまたはソレノイドの位置、または制御デバイス１１０の別の状態など、少なくとも２つの異なる状態を含む。例えば、制御デバイス１１０が弁であり、デバイス１２６がポンプである場合、コントローラ１０８は、弁が開いてポンプを作動させ、弁を通る材料の流れを駆動するときに、スイッチ１２０を閉位置に設定するように構成または命令されてもよく、コントローラ１０８は、弁が閉じてポンプを停止させるときに、スイッチ１２０を開位置に設定するように構成または命令されてもよい。

スイッチ１２０は、意図された開状態または閉状態を達成することによって適切に動作することが重要である。制御デバイス１０８によって設定された所望の状態に入るためのスイッチ１２０の検出されない故障は、例えば、安全問題、規制問題、プロセス品質問題、および他の可能性のある問題を含む、プラントの停止および長時間のトラブルシューティングおよび修理手段につながる多重の問題につながる可能性がある。例えば、制御デバイス１０８が、流体をタンクに充填するポンプ（デバイス１２６）を不活性化するために、スイッチ１２０を閉状態から開状態に遷移させるために駆動信号１２８を送出するが、スイッチ１２０が開状態に遷移しない場合、ポンプは作動し続けることがあり、その結果、流体が、他の潜在的な問題のある結果の中で、タンクを溢れ出させる可能性がある。このようなスイッチの故障は、一般に、潜在的な損傷を軽減するために直ちに注意を払う必要がある。残念ながら、故障したスイッチまたは故障したスイッチ１２０を識別するために工業用システム内のフィールドデバイス１０２の十分な手動監視を提供するには、一般に時間がかかり、費用がかかりすぎる。

本開示によるフィールドデバイス１０２の実施形態は、フィールドデバイス１０２のスイッチ１２０が意図した通りに動作していることを確認するために使用され得るスイッチモニタ１４０（図２）を含む。スイッチモニタ１４０は、例えば、図２に示すように、端子ブロック１１６を介して電源１２４及びデバイス１２６に電気的に結合することができる。いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、直流（ＤＣ）または２０〜６０ＶＤＣなどのＤＣ電圧、または交流（ＡＣ）または２０〜２５０ＶＡＣなどのＡＣ電圧を提供する電源１２４を取り扱うように構成される。

いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、スイッチ１２０の現在状態（すなわち、開または閉）を検出（例えば、感知または測定）し、スイッチ１２０の現在状態を示す状態出力１４２を生成するように構成される。コントローラ１０８は、状態出力１４２に基づいて通知１４４を生成するように構成される。通知１４４は、例えば、通信回路１１５を使用して、有線（例えば、制御ループ１０７）または無線通信リンクを使用して、制御ユニット１０６または別の場所に送信されてもよい。

通知１４４の実施形態は、スイッチ１２０の現在状態、および／またはスイッチ１２０が適切に動作しているか否か（すなわち、スイッチ１２０の状況）を示す。通知１４４は、任意の適切な形態をとることができる。例示的な通知１４４は、アラーム（可聴および／または可視）、制御ユニット１０６のディスプレイ上などのディスプレイ上に提示されるステータスレポート、プロセス制御ループ１０７を介して配信される通信または設定などの無線または有線通信リンクを介したアナログまたはデジタル通信またはメッセージ、または別の通知を含むか、またはトリガする。例えば、通知１４４は、通信回路１１５を用いて、ループ電流Ｉを、異なる通知を示す所定のレベル、または複数の所定のレベルのうちの１つに設定することによって送信されてもよい。

いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、状態出力１４２とスイッチ駆動信号１２８との間の比較に基づいて通知１４４を生成し、これは、上述したように、検知されたパラメータ、コマンド、および／または制御デバイスの状態に基づいてスイッチ１２０の状態を設定する。この比較は、状態出力１４２とスイッチ駆動信号１２８とを比較し、その比較に基づいて信号１４８を出力する比較回路１４６を用いて行うことができる。信号１４８は、スイッチ駆動信号１２８が開状態にスイッチ１２０を設定するように構成され、状態出力１４２がスイッチ１２０が開状態にあることを示す場合など、スイッチ駆動信号１２８と状態出力１４２との間の対応を示すことができる。この場合、スイッチ１２０は正常に動作していると推定される。あるいは、信号１４８は、スイッチ駆動信号１２８がスイッチ１２０を開状態に設定するように構成され、状態出力１４２がスイッチ１２０が閉位置にあることを示す場合など、スイッチ駆動信号１２８と状態出力１４２との間の競合を示してもよい。この場合、スイッチ１２０は、不適切に動作していると推定される。通知１４４は、スイッチ１２０の適切または不適切な動作を示すために、信号１４８に応答してコントローラ１０８によって生成されてもよい。さらに、通知１４４は、スイッチ出力１４２によって示されるスイッチ１２０の現在状態、および／またはスイッチ駆動信号１２８に対応するスイッチ１２０の意図された状態を示すことができる。

いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、状態出力１４２とスイッチ設定１５０との間の比較に基づいて通知１４４を生成し、これは、例えば、図２に示されるように、メモリ１１８に記憶され得る。スイッチ設定１５０は、スイッチ１２０の意図されたまたは所望の開状態または閉状態を示す。したがって、スイッチ設定１５０は、一般に、スイッチ１２０の状態を設定するスイッチ駆動信号１２８に対応し、上述のように、感知されたパラメータ、制御デバイスの状態、および／またはコマンドに基づくことができる。コントローラ１０８は、スイッチ設定１５０と状態出力１４２との間に、スイッチ１２０が適切に動作していることを示す対応関係があるかどうか、またはスイッチ設定１５０と状態出力１４２との間に、スイッチ１２０が不適切に動作していることを示す競合があるかどうかを判定する。通知１４４は、スイッチ１２０の適切または不適切な動作を示すために、コントローラ１０８によって生成される。さらに、通知１４４は、スイッチ出力１４２によって示されるスイッチ１２０の現在状態、および／またはスイッチ設定１５０によって示されるスイッチ１２０の意図された状態を示すことができる。

いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、スイッチ１２０の現在状態（すなわち、開または閉）を示す電気パラメータを検出（すなわち、感知または測定）し、検出された電気パラメータに基づいて状態出力１４２を生成する回路を備える。電気パラメータの実施形態は、スイッチ１２０にわたる電圧（ＡＣまたはＤＣ）、スイッチ１２０を通る電流（ＡＣまたはＤＣ）、または別の適切な電気パラメータを含む。いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、スイッチ１２０の現在状態を示す検出された電気パラメータに基づいて状態出力１４２を生成する。

図３および図４は、本開示の実施形態による例示的なスイッチモニタ１４０Ａおよび１４０Ｂの回路図である。例示的なスイッチモニタ１４０Ａは、スイッチ１２０の両端間の電圧（ＡＣまたはＤＣ）に基づいて状態出力１４２を生成するように構成され、例示的なスイッチモニタ１４０Ｂは、スイッチ１２０を通る電流Ｉ_Ｓ（ＡＣまたはＤＣ）に基づいて状態出力１４２（すなわち、アナログ電圧）を生成するように構成される。スイッチモニタ１４０Ａ及び１４０Ｂは、それぞれ、図２に示すように、端子ブロック１１６の端子であり得る端子１５２及び１５４に結合される。電源１２４は、一般に、端子１５２に結合されたＡＣまたはＤＣ電圧供給器１５６および抵抗１５８によって表される。デバイス１２６は、端子１５４及びＤＣ電圧供給器１５６又は電気的接地／共通部に電気的に結合される。

いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０Ａは、電源１２４によって供給されるＡＣ波形の負の波サイクルの間にスイッチモニタ１４０Ａが動作することを可能にする電圧整流器１６０を含む。例示的な一実施形態では、整流器１６０は、ダイオード１６２およびキャパシタ１６４を含む。ダイオード１６２は、電源１２４によって生成されるＡＣ波形の負のサイクル部分をブロックする。キャパシタ１６４は、ＡＣ波形の正のサイクル中に充電し、ダイオード１６２が波形をブロックしている間、ＡＣ波形の負のサイクル中にゆっくり減衰する。キャパシタ１６４は、ＡＣ波形の負のサイクルの間にＡＣ波形の正のサイクルの間に達成される電圧充電を実質的に維持するように適切な大きさにされる。

スイッチモニタ１４０Ａは、電源電圧Ｖｓに結合された正の電源入力と、電気接地１７５に結合された負の電源入力とを有する、抵抗器１６６、１６８、１７０および１７２と、演算増幅器（オペアンプ）１７４とを含んでもよい。抵抗器１６６および１７０と、抵抗器１６８および１７２との比は、スイッチ１２０の両端間および端子１５２および１５４の間の電圧差を検出するために、オペアンプ１７４のための利得を設定し、これは、出力１７６によって示される。抵抗器１６６、１６８、１７０及び１７２の抵抗は、高電流がスイッチ１２０を通って流れることによって、いかなる低電圧電子デバイスにもダメージを与えないようにするために、高抵抗である。

また、スイッチモニタ１４０Ａは、電源電圧Ｖｓに結合された正の電源入力と、電気接地１７５に結合された負の電源入力とを有するオペアンプ１７８を含む。オペアンプ１７８は、出力１７６によって示されるスイッチ１２０の両端の電圧差を、抵抗１８０および１８２によって形成される分圧器によって設定される閾値電圧と比較し、その比較に基づいて状態出力１４２を出力する。閾値電圧は、スイッチ１２０によって切り換えられる電圧の範囲にわたって正しくトリガするように調節されてもよい。

オペアンプ１７８からの状態出力１４２は、アプリケーション（例えば、通常開対通常閉スイッチアプリケーション）に応じて、スイッチ１２０の開状態または閉状態に対して論理ハイとなるように構成することができる。追加の回路を使用して、例えば、コントローラ１０８のマイクロプロセッサによる処理の前に、出力１４２を処理したり、出力１４２を絶縁したりしてもよい。

図５は、スイッチ１２０に送達された電源１２４からのＡＣ電圧と、図３の例示的なスイッチモニタ１４０Ａによって生成された状態出力１４２とを比較する２つのチャートを示す。ｔ_０−ｔ_１の間、スイッチ１２０は開いており、スイッチ１２０の両端の電圧は、電源１２４によって供給される交流電圧を反映する。この例では、スイッチモニタ１４０Ａは、スイッチ１２０の開状態のための論理ロー状態出力１４２を生成する。期間ｔ_１において、交換機１２０は閉じられている。これにより、スイッチ１２０およびデバイス１２６に電流が流れる。加えて、スイッチ１２０の両端の電圧は、実質的にゼロ近くに低下する。スイッチ１２０にわたる電圧のこの変化は、結果として、スイッチモニタ１４０Ａが論理ハイ状態出力１４２を生成することになる。

例示的なスイッチモニタ１４０Ｂ（図４）は、スイッチ１２０を通る電流Ｉ_Ｓ（交流または直流）に基づいて状態出力１４２を生成するように構成される。スイッチ１４０Ｂは、図２に示すように、例えば、端子ブロック１１６の端子であり得る端子１５２及び１５４に結合される。スイッチモニタ１４０Ｂは、ダイオード１６２とキャパシタ１６４によって形成される電圧整流器１６０を含んでもよく、これらの電圧整流器は、上述したように動作する。

スイッチモニタ１４０Ｂは、抵抗器１８６、１８８、１９０および１９２と、電源電圧Ｖｓに結合された正の電源入力と、電気接地１９５に結合された負の電源入力とを有するオペアンプ１９４とを含んでもよい。抵抗器１８６および１９０、ならびに抵抗器１８８および１９２の比は、スイッチ１２０と直列である抵抗器１９６の両端の電圧差を検出するために、オペアンプ１９４のための利得を設定する。抵抗器１８６、１８８、１９０及び１９２の抵抗は非常に大きく設定されており、スイッチ１２０を通って高電流が流れていかなる低電圧電子デバイスにもダメージを与えないようにしている。オペアンプ１９４は、電流Ｉ_Ｓに応じて、抵抗１９６の両端電圧に基づいて状態出力１４２を出力する。

スイッチモニタ１４０Ｂのオペアンプ１９４からの状態出力１４２は、抵抗器１９６を通る電流に比例するアナログ電圧である。抵抗器１９６の既知の値と状態出力１４２のアナログ電圧とを用いて、制御器１０８は電流Ｉ_Ｓを決定することができる。次に、電流Ｉ_Ｓを設定と比較して、スイッチ１０２（例えば、通常開または通常閉スイッチ）が開状態か閉状態かを判断することができる。追加の回路を使用して、例えば、コントローラ１０８のマイクロプロセッサによる処理の前に、出力１４２を処理したり、出力１４２を絶縁したりしてもよい。

本開示のさらなる実施形態は、本明細書で説明される１つまたは複数の実施形態に従って形成される工業プロセスフィールドデバイス１０２を使用して外部デバイス１２６を制御する方法を対象とする。図６は、本方法の一実施形態を示すフローチャートである。

この方法の２００では、工業プロセス１０４のプロセスパラメータが検知されるか、またはフィールドデバイス１０２のアクティブコンポーネント１１０を使用してプロセス１０４が制御される。従って、アクティブコンポーネントは、上述したように、プロセスパラメータを感知するセンサ、又はプロセスを制御する制御デバイスの形態であってもよい。

２０２において、フィールドデバイス１０２のスイッチ１２０は、外部電源１２４からの電力が外部デバイス１２６から切断される開状態、または外部電源１２４からの電力が外部デバイス１２６に接続される閉状態のいずれかに対応する現在状態に設定される。いくつかの実施形態では、スイッチ１２０は、上述したように、フィールドデバイス１０２のコントローラ１０８によって生成されたスイッチ駆動信号１２８に応答して現在状態に設定される。

２０４において、スイッチ１２０の現在状態を示す電気パラメータが、フィールドデバイス１０２のスイッチモニタ１４０を使用して検出（すなわち、感知または測定）される。上述のように、電気パラメータの実施形態は、スイッチ１２０の両端の電圧（ＡＣまたはＤＣ）と、スイッチ１２０を通る電流（ＡＣまたはＤＣ）とを含む。

２０６において、検出された電気的パラメータに基づいて現在状態を示す状態出力１４２が、スイッチモニタ１４０を使用して生成される。次に、２０８において、コントローラ１０８を使用して状態出力１４２に基づいて通知が生成される。上述したように、通知１４４は、スイッチ１２０の現在状態、及び／又はスイッチ１２０が適切に動作しているか否かを示すことができる。

本開示の実施形態は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、発明は、本開示の思想および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において変更がなされ得ることを認識するであろう。

Claims (20)

1. プロセスパラメータを感知するように構成されているセンサと、工業プロセスのプロセスを制御するように構成されている制御デバイスとからなる群から選択されるアクティブコンポーネントと、
   第１端子および第２端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに前記第１端子および第２端子を電気的に接続し、開状態にあるときに前記第１端子および第２端子を電気的に切断するように構成されているスイッチと、
   前記開状態および閉状態の一方に対応する前記スイッチの現在状態を検出し、前記現在状態を示す状態出力を生成するように構成されているスイッチモニタと、
   前記開状態および閉状態の一方に前記スイッチを設定し、前記スイッチの現在状態および前記スイッチの状況の少なくとも一方を示す前記状態出力に基づいて通知を生成するように構成されているコントローラと、
   を含む、工業プロセスのフィールドデバイス。
2. 前記スイッチモニタは、前記スイッチにわたる電圧および前記スイッチを流れる電流からなる群から選択される前記スイッチの現在状態を示す電気パラメータを検出し、検出された前記電気パラメータに基づいて前記状態出力を生成するように構成されている、請求項１に記載のフィールドデバイス。
3. 前記通知は、アラーム、ディスプレイ上のステータスレポート、アナログまたはデジタル通信、およびプロセス制御ループのループ電流設定からなる群から選択される通知を含むか、またはトリガする、請求項２に記載のフィールドデバイス。
4. 前記電気パラメータは、直流（ＤＣ）電圧および交流（ＡＣ）電圧を含む、請求項２に記載のフィールドデバイス。
5. 前記電気パラメータは、交流電圧を含み、
   前記スイッチモニタは、前記交流電圧を、前記スイッチモニタのノードにおける直流電圧に変換するように構成されている電圧整流器を含む、
   請求項２に記載のフィールドデバイス。
6. 前記コントローラは、前記状態出力と、前記スイッチの意図された状態を示すスイッチ設定との比較に基づいて、前記通知を生成する、
   請求項２に記載のフィールドデバイス。
7. 前記コントローラは、スイッチ駆動信号を使用して前記スイッチを前記開状態または閉状態に設定するように構成され、
   前記コントローラは、前記スイッチ駆動信号と前記状態出力との比較に基づいて前記通知を生成する、
   請求項２に記載のフィールドデバイス。
8. 前記コントローラは、スイッチ駆動信号を使用して前記スイッチを前記開状態または閉状態に設定するように構成され、
   前記アクティブコンポーネントは、感知されたプロセスパラメータに対応するパラメータ出力を有する前記センサを含み、
   前記コントローラは、前記スイッチ駆動信号を使用して、前記パラメータ出力に基づいて、前記開状態および閉状態の一方に前記スイッチを設定するように構成されている、
   請求項２に記載のフィールドデバイス。
9. 前記センサは、圧力センサ、レベルセンサ、流量センサ、および温度センサからなる群から選択され、
   前記フィールドデバイスは、前記パラメータ出力に基づいてパラメータ値を生成するように構成されている測定回路を含み、
   前記コントローラは、通信回路を使用して、前記パラメータ値および通知を遠隔位置に通信するように構成されている、
   請求項８に記載のフィールドデバイス。
10. 前記コントローラは、スイッチ駆動信号を使用して前記スイッチを前記開状態または閉状態に設定するように構成され、
    前記アクティブコンポーネントは、アクチュエータ、バルブ、およびソレノイドからなる群から選択される前記制御デバイスを含み、
    前記制御デバイスは、少なくとも２つの異なる状態を含み、
    前記コントローラは、前記スイッチ駆動信号を使用して前記制御デバイスの前記状態に基づいて、前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定するように構成されている、
    請求項２に記載のフィールドデバイス。
11. プロセスパラメータを感知するように構成されているセンサと、プロセスを制御するように構成されている制御デバイスとからなる群から選択されるアクティブコンポーネントと、
    第１端子および第２端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに前記第１端子および第２端子を電気的に接続し、開状態にあるときに前記第１端子および第２端子を電気的に切断するように構成されているスイッチと、
    前記閉状態および開状態の一方に対応するスイッチの現在状態を検出し、前記現在状態を示す状態出力を生成するように構成されているスイッチモニタと、
    前記開状態と閉状態との間で前記スイッチを設定し、前記スイッチの現在状態および前記スイッチの状況のうちの少なくとも一方を示す前記状態出力に基づいて通知を生成するように構成されているコントローラと、
    を含む、フィールドデバイスと、
    前記第１端子を介して前記スイッチに電気的に結合されている外部デバイスと、
    前記第２端子を介して前記スイッチに電気的に結合され、前記スイッチを介して前記外部デバイスに電力を供給するように構成されている電源と、
    を含み、
    前記スイッチが前記閉状態のときは前記外部デバイスに電力が供給され、前記スイッチが前記開状態のときは前記外部デバイスへの電力が切断される、
    工業プロセス制御システム。
12. 前記スイッチモニタは、前記スイッチにわたる電圧および前記スイッチを流れる電流からなる群から選択される前記スイッチの現在状態を示す電気パラメータを検出し、検出された前記電気パラメータに基づいて前記状態出力を生成するように構成されている、請求項１１に記載の工業プロセス制御システム。
13. 前記通知は、アラーム、ディスプレイ上のステータスレポート、アナログまたはデジタル通信、およびプロセス制御ループのループ電流設定からなる群から選択される通知を含むか、またはトリガする、請求項１２に記載の工業プロセス制御システム。
14. 前記外部デバイスが、ポンプ、ソレノイド、およびコンプレッサからなる群から選択される、請求項１２に記載の工業プロセス制御システム。
15. 前記コントローラは、前記状態出力と、前記スイッチの意図された状態を示すスイッチ設定との比較に基づいて、前記通知を生成する、請求項１２に記載の工業プロセス制御システム。
16. 前記コントローラは、
    スイッチ駆動信号を使用して前記スイッチを前記開状態または閉状態に設定し、
    前記スイッチ駆動信号と前記状態出力との比較に基づいて前記通知を生成する、
    ように構成されている、請求項１２に記載の工業プロセス制御システム。
17. 前記アクティブコンポーネントは、感知されたプロセスパラメータに対応するパラメータ出力を有する前記センサを含み、
    前記コントローラは、前記スイッチ駆動信号を使用して、前記パラメータ出力に基づいて、前記開状態および閉状態の一方に前記スイッチを設定するように構成されている、
    請求項１６に記載の工業プロセス制御システム。
18. 前記センサは、圧力センサ、レベルセンサ、流量センサ、および温度センサからなる群から選択され、
    前記フィールドデバイスは、前記パラメータ出力に基づいてパラメータ値を生成するように構成されている測定回路を含み、
    前記コントローラは、通信回路を使用して、前記パラメータ値および通知を遠隔位置に通信するように構成されている、
    請求項１７に記載の工業プロセス制御システム。
19. 工業プロセスのプロセスパラメータを感知し、または、フィールドデバイスのアクティブコンポーネントを使用して工業プロセスを制御し、
    前記フィールドデバイスのコントローラによって生成されるスイッチ駆動信号を使用して、外部電源からの電力が外部デバイスから切断されている開状態、および、前記外部電源からの電力が前記外部デバイスに接続されている閉状態の一方に対応する現在状態に前記フィールドデバイスのスイッチを設定し、
    前記フィールドデバイスのスイッチモニタを使用して前記スイッチの前記現在状態を示す電気パラメータを検出し、
    前記スイッチモニタを使用して、検出された前記電気パラメータに基づいて前記現在状態を示す状態出力を生成し、
    前記スイッチの前記現在状態および前記スイッチの状況の少なくとも一方を示す通知を、前記コントローラを使用して、前記状態出力に基づいて生成する、
    工業プロセスフィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法。
20. 通知を生成することは、
    前記状態出力と前記スイッチ駆動信号と比較し、
    前記状態出力と、前記スイッチの意図された状態を示すスイッチ設定と比較する、
    ことの一方を含み、
    前記通知は、アラーム、ディスプレイ上のステータスレポート、アナログまたはデジタル通信、およびプロセス制御ループのループ電流設定からなる群から選択される通知を含むか、またはトリガする、
    請求項１９に記載の方法。
    
    

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