JP4157687B2 - フィールド機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機能を有するポジショナ等のフィールド機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、バルブ等の制御機器を遠隔操作するための制御システムでは、流量，圧力，温度などの物理量を計測するフィールド機器からの検出信号を上位装置としてのコントローラに集約し、コントローラはそれらの検出信号に基づいてバルブ開閉等の遠隔操作を行う。このような制御システムにおいては、フィールド機器等の検出端からコントローラへ検出信号を伝送したりコントローラからバルブ等の操作端へ制御信号を伝送したりするための伝送路として、一般に４〜２０ｍＡの通信ケーブルが使用されている。コントローラは、この通信ケーブルにより、検出端から０〜１００％に正規化された４〜２０ｍＡの電流によるアナログ信号（以下「４〜２０ｍＡ信号」という）を受け取り、検出端での検出データが予め設定したターゲット値（セットポイント）となるように、操作端毎にＰＩＤパラメータを定め、制御信号としての４〜２０ｍＡ信号を０〜１００％に正規化して操作端に向けて送り出す。
【０００３】
近年は、バルブの制御機能に加え、バルブ及び自己の診断情報をコントローラに送信する機能を備えたフィールド機器が開発されており、このようなフィールド機器の一例として、特開平１−１４１２０２号に開示されたポジショナがある。これによれば、バルブ及び自己の診断結果が伝送路経由でコントローラに通知されるので、コントローラで診断結果を解析し、対応措置をとることができる。そのために、フィールドバス通信（以下「ＦＢ通信」という）等の双方向デジタル通信が用いられ、このような双方向デジタル通信による制御システムが、従来のアナログ通信による制御システムにとって代わろうとしている。このようなデジタル制御システムでは、コントローラは、従来通りバルブ等の操作端の遠隔操作を行うことに加えて、バルブの診断及びフィールド機器の自己診断を遠隔から指令し、その診断情報を取得して各フィールド機器の管理を行う。このようなＦＢ通信を利用した制御システムでは、バルブやフィールド機器の設定、メンテナンスが容易であること等の利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、４〜２０ｍＡの通信ケーブルを使用している既存の制御システムを、ＦＢ通信による制御システムに変更するためには、すべての機器のインタフェースを既存の４〜２０ｍＡ通信用のものからＦＢ通信用のインタフェースに交換する必要がある。また、このようなシステムの変更には非常に多くのコストを要する。
【０００５】
また、ＦＢ通信を利用した制御システムでは、操作端の遠隔操作を行うための制御情報と機器の診断情報とが混在するため、伝送路内が伝送情報で混雑し、制御に悪影響を及ぼすこともあり得る。
【０００６】
本発明の目的は、既存の４〜２０ｍＡ通信による制御システムを無駄にすることなくデジタル通信による制御システムを容易に導入できると共に、外部装置と操作端との間で正確かつ迅速に情報を伝送できるようなフィールド機器を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、外部からアナログ通信線を経由してアナログ信号を受信可能なアナログ通信手段と、該アナログ通信手段により前記アナログ信号から分配される電源電流が供給されて作動するとともに、該アナログ通信手段により受信した指令信号に基づいて被制御要素の制御その他所定の機能を実行するフィールド機器であって、
前記演算処理手段は、当該フィールド機器自体又は前記被制御要素の異常診断を行う診断機能を有し、
該診断機能による診断結果を示すデジタル信号をデジタル通信線を経由して外部に発信する一方、外部から該デジタル通信線を経由してデジタル信号を受信し、該デジタル信号を設定情報を表わす信号と前記演算処理手段に供給される電源電流とに分配する双方向デジタル通信手段と、
前記演算処理手段の作動用電力として、前記アナログ通信手段により供給される電源電流と前記双方向デジタル通信手段により供給される電源電流のどちらを用いるかを選択可能な切換手段と
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の実施態様では、上記切換手段として、アナログ通信手段により供給される電力と双方向デジタル通信手段により供給される電力のどちらを当該フィールド機器作動用の電力として用いるかを切換可能な手段（例えば、図２の電源切換部１８）を備える。
【０００９】
他の実施態様では、上記切換手段は、上記演算処理手段の作動用電力として、アナログ通信手段により供給される電源電流と双方向デジタル通信手段により供給される電源電流のどちらかを使用し、使用中の電源電流の供給が無くなると他方の電源電流の供給に自動的に切り換える自動切換手段（例えば、図５の自動切換スイッチ５３）からなる。
【００１０】
【作用及び効果】
本発明によれば、アナログ通信手段により既存の制御システムとの通信が可能であるから、バルブ等の被制御対象を制御するために新たな通信設備を設けることなく既存の設備が有効活用できると同時に、双方向デジタル通信手段による外部とのデジタル通信を利用することで、自己の診断又は被制御対象の設定、診断などの双方向通信の利点も得られる。また、制御情報と機器の管理／診断情報が混在しないので、伝送路の混雑を防止し、制御に悪影響を及ぼすことが無くなる。
【００１１】
また、アナログ通信手段により供給される電力と双方向デジタル通信手段により供給される電力のどちらをフィールド機器作動用の電力として用いるかを任意に切換えられるので、たとえＦＢ通信による電力供給が途絶えた場合でも、アナログ通信による電力供給に切り換えることで電力を確保し、被制御対象の制御に影響するのを防止できる。
【００１２】
本発明の実施態様によれば、使用中の電力供給が無くなったとき、他方の電力供給に自動的に切り換えられるので、どちらかの電力供給が停止しても、その影響を防ぐことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例のポジショナを用いて構成した制御システムを示す。フィールド機器としてのポジショナ１ａ，１ｂは、コントローラ２からの制御信号に応じてバルブ３ａ，３ｂの弁位置を制御するポジショニング機能を有する。各ポジショナ１ａ，１ｂとコントローラ２は、それぞれ２線式の４〜２０ｍＡ通信ケーブル５ａ，５ｂで接続されている。各ポジショナ１ａ，１ｂは、コントローラ２から通信ケーブル５ａ，５ｂを介して伝送される制御信号（以下「４〜２０ｍＡ信号」という）に基づき、各バルブ３ａ，３ｂの弁位置を制御する。コントローラ２から伝送される制御信号は、当該コントローラ２において、バルブ３ａ及び３ｂの下流に設けられた流量発信器６の検出データが予め設定したターゲット値となるように、各ポジショナ１ａ，１ｂに対するＰＩＤパラメータを決定し、生成される。各ポジショナ１ａ，１ｂは、コントローラ２に接続された安定化電源装置７ａから４〜２０ｍＡ通信ケーブル５ａ，５ｂを介して供給される電力により動作する。
【００１４】
各ポジショナ１ａ，１ｂは、自己の作動状況及びバルブ３ａ，３ｂの作動状況を診断する機能をも有する。診断結果の情報（以下「診断情報」という）は、２線式のＦＢ通信ケーブル８ａ，８ｂを介して、各フィールド機器の設定及び管理を行うＦＢ設定器４に伝送される。また、各ポジショナ１ａ，１ｂは、ＦＢ設定器４からの設定情報をＦＢ通信ケーブル８ａ，８ｂ経由で受信可能な通信機能を備える。
【００１５】
上記のようなポジショナ１ａ，１ｂの動作に必要な電力は、コントローラ２側の安定化電源装置７ａから４〜２０ｍＡ通信ケーブル５ａ，５ｂを介して供給されるが、この電力供給が切られた場合でも、ポジショナ１ａ，１ｂは、ＦＢ通信ケーブル８ａ，８ｂを介して電力供給を受けるように構成されている。具体的には、ポジショナ１ａ，１ｂ内に、４〜２０ｍＡ通信ケーブル５ａ，５ｂ経由の電力供給とＦＢ通信ケーブル８ａ，８ｂ経由の電力供給とを切り換えるスイッチを備える。ＦＢ通信ケーブル８ａ，８ｂ経由の電力は、コントローラ２側の安定化電源装置７ａとは別に設けた安定化電源装置７ｂから供給される。
【００１６】
図２は、ポジショナ１ａの回路構成を示す。この回路は、主な構成要素として、被制御要素の制御等の機能を実行する演算処理手段としての演算処理部１０、電圧変換部２０、弁リフト検出部２１、Ｉ／Ｖブロック１７、ＦＢブロック２２、電源切換部１８を備えている。
【００１７】
演算処理部１０は、バス１６を介して接続されたＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、通信インタフェース１４、Ａ／Ｄ変換器１５及び電源部１９を含んでいる。
【００１８】
ＣＰＵ１１は、診断用に設けられた各種センサ（図示せず）からの入力信号に基づいて診断情報を生成する診断部として機能する。その診断情報は、通信インタフェース１４を介してＦＢブロック２２に送り、ここからＦＢ通信ケーブル８ａ，８ｂ経由でＦＢ設定器４に向けて伝送する。診断用に設けられる各種センサは、空気圧センサ、超音波センサ、温度センサ等である。
【００１９】
コントローラ２から、アナログ通信線を構成する通信ケーブル５ａ，５ｂ経由で送られた４〜２０ｍＡ信号は、アナログ通信手段の一例のＩ／Ｖブロック１７において１〜３Ｖの電圧信号と電源電流とに分配される。その電源電流は、電源切換部１８のスイッチＳ_１を通って、演算処理部１０の作動用電力として電源部１９に供給される一方、電圧信号は、Ａ／Ｄ変換器１５にてデジタル信号に変換される。ＣＰＵ１１は、このデジタル信号と後述の弁リフト信号との偏差をとり、それに応じて、バルブ３ａの弁位置の制御量を定める弁リフト制御信号を生成し、電圧変換部２０から出力する。電圧変換部２０は、弁リフト制御信号を空気圧信号に変換する公知の変換回路で構成され、その変換後の空気圧信号によりバルブ３ａの弁位置が制御される。弁リフト検出部２１は、バルブ３ａのステム変位を１〜３Ｖの電圧信号に変換する公知の検出回路から成り、その検出信号も上記Ａ／Ｄ変換器１５によりデジタル信号に変換され、上記弁リフト制御信号を生成に用いられる。
【００２０】
一方、ＦＢ設定器４から、デジタル通信線を構成するＦＢ通信ケーブル８ａ，８ｂ経由で送られたデジタル信号は、双方向デジタル通信手段の一例のＦＢブロック２２において、ＦＢ設定器４からの設定情報を表わす信号と電源電流とに分配される。その電源電流は、電源切換部１８のスイッチＳ_１を通って演算処理部１０の電源部１９に供給される一方、設定情報信号は、通信路２３を介してアイソレータ２４でノイズ除去後、通信インタフェース１４に入力される。ＣＰＵ１１は、通信インタフェース１４を介して受信した設定信号に応じて、各種設定処理を実行する。
【００２１】
このポジショナ１ａの電源切換部１８は通常、図２に示すように、スイッチ片Ｓ_１ がＩ／Ｖブロック１７に接続する状態になっており、Ｉ／Ｖブロック１７からの電源電流を電源部１９に供給するが、このスイッチ片Ｓ_１の接続をＦＢブロック２２側に手動で切り換えることができるマニュアルスイッチで構成されている。従って、コントローラ２からの電力供給がなくなった場合、このスイッチの状態を切り換えることにより、ＦＢ設定器４からの電力供給に換えることができる。
【００２２】
図３は、Ｉ／Ｖブロック１７の回路構成を示す。このＩ／Ｖブロック１７は、４〜２０ｍＡ通信ケーブル５ａ，５ｂ間に、第１の可変インピーダンス素子Ｚ_１としてのトランジスタと受信用インピーダンス素子Ｒ_Ｓとしての抵抗器との直列回路を接続し、これらと並列に第２の可変インピーダンス素子Ｚ_２としてのトランジスタと抵抗器Ｒ_Ｃとの直列回路を接続すると共に、素子Ｚ_２と並列に演算回路３１を接続し、この演算回路３１の両端子から出力をとるように構成したものである。ここで、演算回路３１は、４〜２０ｍＡ通信ケーブル５ａ，５ｂの線間電圧Ｖ_Ｌを一定（例えば１０Ｖ）にする方向に素子Ｚ_１のインピーダンスを制御する一方、抵抗器Ｒ_Ｃを流れる電流Ｉ_Ｃを一定（例えば４ｍＡ）にする方向に素子Ｚ_２のインピーダンスを制御する。ここで、素子Ｚ_２を流れる電流をＩ_１とすれば、Ｉ／Ｖブロック１７の出力電流はＩ_２＝Ｉ_Ｃ−Ｉ_１となる。
【００２３】
図３の回路において、４〜２０ｍＡ通信ケーブル５ａ，５ｂの線路電流をＩ_Ｌとすれば、第１の可変インピーダンス素子Ｚ_１と抵抗器Ｒ_Ｓの直列回路を流れる電流Ｉ_Ｓ＝Ｉ_Ｌ−Ｉ_Ｃであるから、Ｉ_Ｃをバイアス成分として一定（例えば４ｍＡ）に定めることにより、Ｉ_Ｓは、例えば０〜１６ｍＡの信号電流のみとなる。このＩ_Ｓにより示される信号の受信に影響を与えることなく、図２のスイッチＳ_１を介して、電源部１９に対し最大４ｍＡの電源電流Ｉ_２を安定して供給することができる。一方、抵抗器Ｒ_Ｓの端子電圧Ｖ_ＩＮ（＝Ｒ_ＳＩ_Ｓ）は、例えば１〜３Ｖの電圧信号として、Ａ／Ｄ変換器１５に入力される。
【００２４】
図４は、ＦＢブロック２２の回路構成を示す。このＦＢブロック２２は、ＭＡＵ（Media Attachment Unit）４１、ＣＰＵ４２、フラッシュメモリ４３、ＲＡＭ４４及び通信インタフェース４５を備えている。
【００２５】
ＭＡＵ４１は、ＦＢ通信ケーブル８ａ，８ｂからの伝送信号を電源電流と設定情報としてのデジタル信号に分配すると共に、フィールド機器（この場合、ポジショナ）の診断情報をＦＢ設定器４に向けて伝送する機能を備える。電源電流は、このＦＢブロック２２の動作用電源として供給されると共に、図２のスイッチＳ_１の状態が前述のように通常状態から切り換えられたとき、電源部１９に対して供給される。一方、設定情報としてのデジタル信号は、ＣＰＵ４２において処理され、通信インタフェース４５から伝送路２３を介して演算処理部１０に伝送される。演算処理部１０内のＣＰＵ１１は、この設定情報に基づいてフィールド機器の出力値のモニタリングや調整などの処理を行い、これらを基に得られる各種の診断情報を、ＦＢブロック２２を介してＦＢ設定器４に向けて伝送する。
【００２６】
フラッシュメモリ４３は、ＦＢ通信に関するプログラムを格納しており、ＲＡＭ４４は、ＦＢ通信に関する変数を格納している。
【００２７】
図５は、ポジショナ１ａにおいてＩ／Ｖブロック１７側からの電源供給とＦＢ設定器４側からの電源供給とを状況に応じて自動的に切り換えるように構成した回路構成を示す。この回路構成では、Ｉ／Ｖブロック１７とＦＢブロック２２の各々の出力端にそれぞれ電源監視回路５１ａ，５１ｂを接続し、Ｉ／Ｖブロック１７及びＦＢブロック２２からの出力電流を常時監視する。これら２つの電源監視回路５１ａ及び５１ｂの監視状況を示す出力は、ＯＲ回路５２への入力となり、このＯＲ回路５２の出力は自動切換スイッチ５３の設定信号となる。すなわち、ＯＲ回路５２は、電源監視回路５１ａ，５１ｂのいずれかからの監視出力に応じた信号を、自動切換スイッチ５３に送る。自動切換スイッチ５３は、その入力信号により、Ｉ／Ｖブロック１７側からの電源供給状態とＦＢブロック２２側からの電源供給状態のいずれかに設定される。
【００２８】
具体的には、この自動切換スイッチ５３は、電源部１９に対して、通常はＩ／Ｖブロック１７からの電源電流を供給する状態に設定されている。ここで、Ｉ／Ｖブロック１７側の電源監視回路５１ａにおいて出力電流がなくなると、ＯＲ回路５２からの出力が変化するので、自動切換スイッチ５３は、電源部１９に対してＦＢブロック２２から電源供給をする状態に切り換えられる。この状態で、ＦＢブロック２２側の電源監視回路５１ｂにおいて出力がなくなると、ＯＲ回路５２からの出力が変化するので、自動切換スイッチ５３は、電源部１９に対してＩ／Ｖブロック１７から電源供給をする通常の状態に復帰する。
【００２９】
以上、実施例のポジショナについて説明したが、本発明はポジショナに限らず、他のフィールド機器（例えば、差圧発信器などの計測機器）にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるポジショナを用いて構成した制御システムの一例を示す図。
【図２】実施例のポジショナの回路構成を示す図。
【図３】Ｉ／Ｖブロックの回路構成を示す図。
【図４】ＦＢブロックの回路構成を示す図。
【図５】本発明のポジショナを用いて構成した制御システムの別の例を示す図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…ポジショナ、２…コントローラ、３ａ，３ｂ…バルブ、４…ＦＢ設定器、５ａ，５ｂ…４〜２０ｍＡ通信ケーブル、６…流量発信器、７ａ，７ｂ…安定化電源装置、８ａ，８ｂ…ＦＢ通信ケーブル、１０…演算処理部、１１…ＣＰＵ、１２…ＲＯＭ、１３…ＲＡＭ、１４，４５…通信インタフェース、１５…Ａ／Ｄ変換器、１６…バス、１７…Ｉ／Ｖブロック、１８…電源切換部、１９…電源部、２０…電圧変換部、２１…弁リフト検出部、２２…ＦＢブロック、２３…通信路、２４…アイソレータ、４１…ＭＡＵ、４２…ＣＰＵ、４３…フラッシュメモリ、４４…ＲＡＭ、５１ａ，５１ｂ…電源監視回路、５２…ＯＲ回路、５３…自動切換スイッチ。

Claims (2)

1. 外部からアナログ通信線を経由してアナログ信号を受信可能なアナログ通信手段と、該アナログ通信手段により前記アナログ信号から分配される電源電流が供給されて作動するとともに、該アナログ通信手段により受信した指令信号に基づいて被制御要素の制御その他所定の機能を実行する演算処理手段とを備えたフィールド機器であって、
   前記演算処理手段は、当該フィールド機器自体又は前記被制御要素の異常診断を行う診断機能を有し、
   該診断機能による診断結果を示すデジタル信号をデジタル通信線を経由して外部に発信する一方、外部から該デジタル通信線を経由してデジタル信号を受信し、該デジタル信号を設定情報を表わす信号と前記演算処理手段に供給される電源電流とに分配する双方向デジタル通信手段と、
   前記演算処理手段の作動用電力として、前記アナログ通信手段により供給される電源電流と前記双方向デジタル通信手段により供給される電源電流のどちらを用いるかを選択可能な切換手段と
   を備えたことを特徴とするフィールド機器。
2. 請求項１記載のフィールド機器において、
   前記切換手段は、前記演算処理手段の作動用電力として、前記アナログ通信手段により供給される電源電流と前記双方向デジタル通信手段により供給される電源電流のどちらかを使用し、使用中の電源電流の供給が無くなると他方の電源電流の供給に自動的に切り換える自動切換手段からなることを特徴とするフィールド機器。

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