JP4931935B2 - プロセス送信機の電力管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業プロセス送信機に関し、特に該産業プロセス送信機の電力管理装置に関する。

産業プロセス送信機は、産業プロセス装置および／または産業プロセス導管に接続される装置であり、圧力、質量流量（mass flow）、流量（flow rate）、温度などのプロセスパラメータを測定するように構成されている。そのような送信機は、４−２０ｍAの範囲で変化するエネルギを制限されたループ電流を流す２線ループから電力を引き出す。その電流が小さい（例えば、４ｍA）時には、前記ループから前記送信機へ供給される電力の大部分は、プロセス変数を感知し、該感知されたプロセス変数を表すプロセス変数出力を発生するために、送信機内の回路により使用される。
幾つかの装置では、送信機は、多数のセンサー又はフィールド装置を用いる、主及び副プロセス測定装置に用いることができる。例えば、パイプを通るガスや蒸気の質量流量を測定するために、流量計は、流量を測定するために使用することができ、副センサーは例えば、ライン圧を測定するのに使用できる。
米国特許第６，７６５，９６８号

そのような副プロセス測定を行う前記センサー又はフィールド装置への電力の配送により、システムの全部の電流および電力消費はまかなわれている。小電流レベル（例えば、４ｍA）では、非常に小さな電力（例えば、１〜２ミリワット）がアクセサリ負荷に電力を供給したり、特徴モジュールと通信したりするのに利用される。

ループ電流制御を含む産業プロセス送信機は、２線プロセス制御ループに接続され、プロセス変数に基づいてループ電流レベルを制御するように構成されている。ループからの電力は、静止電流レベルにおいて、プロセス送信機の主回路に供給される。データバスは、送信機の副回路に接続するように構成されている。副電流制御回路は副回路へ送られる電流を動的に制限する。

一般に、産業プロセス装置は、プロセスパラメータを測定し、例えば４−２０ｍA２線プロセス制御ループのような通信ネットワークと通信する回路を備えた回路を含んでいる。そのような通信機回路には、基本動作のための静止電流（通常では、４ｍA以下）
が必要である。本発明の一実施形態は、副測定回路、センサー、オペレータインタフェース等の副回路に供給される電流を制限するための電流リミッタを具備している。該副回路は、ここに、参照によって統合されるネルソン等の米国特許第６，７６５，９６８号に記載されているようなデータバスを通って送信機の主回路に接続される。一実施形態では、該電流リミッタは、ループ電流が最小である（４ｍA等）時でも、副回路に電力増強エネルギを提供する回路と協働して使用される。ここで使用される用語「主回路」は、送信機の封じされた電子ハウジング（例えば、図１の電子ハウジング１１０）内に含まれるセンサーおよび他の回路を意味する。また、ここで使用される「副回路」は、前記封じされた電子ハウジングの内部又は外部にある、前記主回路からエネルギを受ける回路を意味する。該副回路の例は、LCD回路、局部オペレータインタフェース回路、又は前記電子ハウジングに接続されることのできる特徴モジュール（例えば、図１中の特徴モジュール１０８）内に含まれる他の回路を含む。他の実施形態では、該副回路は、送信機から、データおよび電力バス（図１の１３３）を介して、分離する産業プロセスに接続される副測定回路（例えば、図１中の副装置１３２）である。

図１は、２線プロセス制御ループ１０６によりプロセスモニタ及び制御センター１０４に接続された送信機１０２を含む産業プロセスモニタおよび制御システム１００を示す。該プロセスモニタ及び制御センター１０４は、例えば、ネットワークに接続される１以上のコンピュータシステムを有する制御室であることができ、産業プロセスに接続されている１以上のフィールド装置及び／又は送信機と通信するように構成されることができる。

この送信機１０２は、分解図で示されているように、２線モジュールの差圧送信機である。該送信機１０２は、信号の伝送と電力供給のために２線を使用する電子送信機であるという意味で２線送信機である。例えば、２線プロセス制御ループは、４−２０ｍA信号技術と、HART（登録商標）フィールドバス、プロフィバス（Profibus）、及び他の通信プロトコルのようなデジタル通信技術を用いることができる。前記モジュール差圧送信機１０２は、好適なプロセスモニタ及び制御装置の一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。

送信機１０２は、特徴モジュール１０８，電子ハウジング１１０，およびプロセスカップリング１１２を含んでいる。該プロセスカップリング１１２は、点線で示されているフランジ１１６とフランジアダプタ結合体１１８で、パイプ１１４のような産業プロセスのパイプ又は導管に取り付けられることができる。

前記送信機電子ハウジング１１０は、圧力感知モジュール１１２に封じされ、電子回路（図２に図示）を収納している。ハウジング１１０は、また、バス接点１２２，共通接点１２４およびループ線接点１２６，１２８を含む接点を具備するコネクタ１２０を含む。バス接点１２２と共通接点１２４は、電子ハウジング１１０内の回路を、特徴モジュール１０８、液晶表示（LCD）回路１３０のような種々の副回路に接続し、又は他の副回路１３２（点線で図示）の一つに、データバス１３３を介して接続する。前記ループ線接点１２６，１２８は、（例えば、特徴モジュール１０８内のバッファ回路を経て）プロセス制御線１０６に直接的又は間接的に接続されることができる。

図１の例では、特徴モジュール１０８は、電気コネクタ１２０に接続され、バス接点１２２と共通接点１２４に接続される液晶表示（LCD）回路１３０を含む。LCD回路１３０は、電力を供給されて、送信機回路からバス接点１２２及び共通接点１２４を経て、表示情報を受信する。液晶表示回路１３０は、現場に居るオペレータに、感知モジュール１１２で感知されたプロセス変数の現在値や、ハウジング１１０内の送信機回路から受信された他のデータなどの表示情報を提供するように構成されている。液晶表示回路１３０は、図示されているように、局部に取り付けられるか、又はプロセス変数送信機１０２から離れたオペレータによって観察し易い場所に設置されることができる。

プロセスモニタ及び制御センター１０４から延びるフィールド線１０６は、送信機１０２の２線出力インタフェースに接続される。該フィールド線１０６は、４−２０ｍA電流を流し、送信機１０２と通信する。

送信機回路に電力を供給するため及び前記モニタ及び制御センターと通信するために必要な電流は、静止電流と呼ばれることができる。一実施形態では、該静止電流は３．６ｍAより小さくなければならない。NAMUR（Normenarbeitsgemeinshaft fur Mess- und Regeltechnik der chemischen Industrie)により制定された基準は、送信機１０２のための警告低条件（alarm low condition)を示すために、４−２０ｍAループ上の電流は３．６ｍAまで減らされるべきであると明記している。

Highway Addressable Remote Transmitter (HART（登録商標)）による通信に適合されたフィールド装置は２線ループ１０６上に信号を送るために約±０．５ｍAを用いるから、３．１ｍAの電流が、静止電流を担保するために送信機回路に割り当てられている。

しかし、２線ループ中の電流が４ｍＡ（最小）から２０ｍＡ（最大）まで変化するように設定されていると、従来の送信機は、ループ電流が最大の時、利用可能電力の８２％まで捨てられる。特に、（３．１ｍＡプラス０．５ｍＡの通信電流の静止電流の場合）送信機により消費される電力の利用可能電力（２線ループ電流がその最大値の２０ｍＡである時）に対する比は、次の式で計算される。

（２０ｍＡ−３．６ｍＡ）／２０ｍＡ＝０．８２ （１）

本発明の一実施形態は、副回路に供給される電流を、静止電流を担保する電流レベルに制限するように構成されている。例えば、２線ループ１０６上の静止電流を上回る電流は、副回路の負荷への電力の供給、及び副回路との通信に使用するために、副回路に供給されることができる。

図２Ａは、電圧レギュレータ１６０と直列式ループ電流制御回路１６２はプロセス制御ループ１０６と直列に接続されるプロセス制御送信機１０２の一実施形態の簡略化されたブロック図である。電圧レギュレータ１６０は、調整された電圧出力を主回路１６４と電流リミッタ１６６に提供する。該電流リミッタ１６６は、制限された電流レベルを副回路１６８に提供する。主回路１６４および副回路１６８からの電流（Ｉprimary）及び（ＩsecondaryMax）は、それぞれ、プロセス制御ループ１０６へ帰還される。主回路は、送信機１０２中で使用されている回路のいずれかからも構成することができる。一実施形態では、主回路１６４は、マイクロプロセッサ、又はプロセス変数を感知するのに使用される回路及び／又はプロセス変数を感知するのに関連する情報を送信するのに使用される回路のような回路からなる。そのような装置では、マイクロプロセッサは、制御電流リミッタ回路１６６を制御して、副回路１６８への電流の配送を調節するために使用されることができる。動作中、ループ電流制御回路１６２は、フィードバック信号を受信し、プロセス制御ループ１０６を通って流れる電流（ＩLoop）を制御するように構成されている。電流リミッタ１６６はまたフィードバック信号を受信し、上述のように、利用可能な静止電流の関数として、副回路１６８に送られる電流を制限するように構成されている。

図２Ｂは、同構成において、直列式ループ電流制御回路１６２がシャントループ電流制御回路１７０に置換された送信機１０２の簡単化されたブロック図である。図２Ａと２Ｂの両構成において、電流リミッタ１６６は、利用可能な電流ループ（ＩLoop）と、主回路１６４によって要求される電流（ＩPrimary）との差に基づいて、副回路に供給される電流を制限する。副回路１６８に供給される電流（ＩSecondaryMax）は、また、プロセス制御ループ１０６上のデジタル信号を変調するのに必要な信号オーバヘッド（ＩSignalingOverhead）に基づいて制限されることができる。例えば、一つの測定および４−２０ｍA電子機器とセンサー回路の機能を維持するために必要とされる電流は約３．６ｍAまでであり、この電流は、NAMUR警告レベルを満たすのに十分小さい。HART（登録商標）式送信機は２線プロセス制御ループ１０６上に信号を流すためにプラスまたはマイナス０．５ｍAを使用するから、電圧レギュレータ１６０は、主回路へ、３．１ｍAという小さい静止電流レベルを供給する。最大副（過剰）電流（ＩSecondaryMax）は、ループ電流（ＩLoop）と、主回路電流（ＩPrimary）および信号オーバヘッド（ＩSignaringOverhead）との間の差より小さな値であり、下式のように表される。

ＩSecondaryMax＝ＩLoop−ＩPrimary−ＩSignaringOverhead （２）

図３は、本発明による送信機回路３００のより詳細なブロック図である。この例では、電流（ＩLoop）は、シャント技術を用いて制御される。回路３００は、２線プロセス制御ループ１０６への接続を示し、送信機の動作を開始するための大きめの初期電力を提供するように構成されたスタートアップ回路（start-up circuit）３０２を含む。ACフィードバック要素３０４およびDCフィードバック要素３０６は負のフィードバックを演算増幅器３１０に提供するように構成されている。DCフィードバック要素３０６は１２０ｋオームの抵抗３１２を通って演算増幅器３１０に接続される。演算増幅器３１０の非反転入力はループ基準値３１４に接続される。シャント制御回路３１６は、プロセス制御ループ１０６に接続され、演算増幅器３１０からフィードバック入力を受け取る。合計ノード３２０における電圧は、感知抵抗２１１、シャント制御回路３１６からの出力の電圧、第２のACフィードバック要素３２２および第２のDCフィードバック要素３２４に基づいて発生される。回路３００はまた合計ノード３２０の電圧に影響を与えるオフセットバイアス電圧３２６およびモデム３２８を図示する。デジタル−アナログ変換器３３０は、ループ１０６を介してアナログ電流レベルを制御するように用いられることができる。データバス電流制限回路３３２は、合計ノード３２０からの入力を受け取り、データベース物理層３３４に接続される。一つの特定の実施形態では、データバス物理層３３４により提供されるデータバスは、CAN（Controller Area Network）プロトコルに従っている。

動作中には、データバス電流制限回路３３２はデータバス１３３を経て供給される有効電流を制限する。この制限機能は、合計ノード３２０の電圧と、前記データバスに定常的に供給されることのできる固定最小電流レベルに基づいてなされる。合計ノード３２０の電圧は、上記された、副回路１６８に供給される全電流が所望の電流の予定値を超えないという要請に従って、シャント制御回路３１６によって制御される。

電流制限回路３３２は、過剰電流（主回路２０６と、信号を送るのに要求される付加オーバヘッドとに必要とされる静止電流を超える過剰電流）のいくらか又は全部をプロセス制御ループ１０６から副回路１６８へ供給する。過剰すなわち副電流は、個々の装置に依存して、測定、データの表示、または他の機能を実行する副回路１６８に電力を供給する。前記バス１３３には、前記送信機１０２の不使用電流出力又は過剰電流出力に依存して、多かったり少なかったりする電流が提供される。副バス電流は、（ループ電流が４ｍＡより大きい時のような）あるループ電流状態の時に、副回路１６８がより速い更新を提供できるように、管理されることができる。逆に、該バス電流は、ループ電流が小さくなると、バス１３３への電流を小さくするように管理される。幾つかの例では、バス１３３へ送る電流が小さくなると、副回路１６８が測定を行う周波数を低下させる。送信機１０２がＨＡＲＴ（登録商標）式通信である場合には、シャント制御３１６は、バス１３３またはＨＡＲＴ（登録商標）信号に基づく送信回路２０６への過剰電流を増減させることができる。例えば、ＨＡＲＴ（登録商標）信号の一部は、必要に応じて、静止電流レベル又は過剰電流レベルの一方を補充するために、迂回されることができる。

本発明では、電圧レギュレータは、一例として、プロセス送信機の主回路にループ電流から引き出される電力を供給する電力接続を提供する。しかし、電力接続のいかなるタイプも使用でき、本発明は該開示した電圧レギュレータに限定されない。副電流制御回路は副回路に送られる電流を動的に制限できるように構成されている。換言すれば、電流の制限は、固定的ではなく可変的に設定されている。一般的に、副電流制御は、調整可能な入力を有し、該入力を使用することにより、副回路に送られる電流を動的に制限することができる。該電流は、ループ電流と主回路から引き出される静止電流に関連する過剰電流に基づいて制限されることができる。該ループ電流は、送信機の動作に基づいて導出される、または、アナログ又はディジタル回路を用いて直接に測定されることができる。前記静止電流レベルは、また、送信機の動作に基づいて導出される、アナログ又はディジタル回路を用いて直接に測定される、または、固定値を用いて概算されることができる。副回路の動作は、利用できる電流に基づいて変化されることができる。例えば、前記副回路がプロセス変数を測定し計算を行うならば、副回路の更新速度又はクロックは、利用できる電流に基づいて制御されることができる。一般に、副回路の動作および機能性は、利用できる電流に基づいて適応的に変えることができる。また、電流制限回路は、副回路と主回路間の電気的な隔離を提供する。例えば、副回路が、電流の引き出しを増加させる短絡のような故障をすると、電流制限回路は、この増加電流が引き出されることにより、主回路に悪い影響が与えられるのを防止するであろう。

本発明は好ましい実施形態に従って説明されたが、当業者には、本発明の精神と範囲を逸脱することなしに、変更できることを認識するであろう。本発明の副回路は、ＬＣＤ回路のようなローカル表示、副プロセスパラメータ又はプロセス変数をモニタするのに適合した測定回路、オペレータから入力を受信するのに適合したローカルオペレータインタフェース、等を含む任意の副回路であってもよい。他の例示的な副回路は、通信バスを介してフィールドバスと通信するのに適合した副通信回路を含む。他の装置においては、通信がＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルを用いて行われる時、副回路に供給される電流は、３．１ｍＡに代えて３．３５ｍＡの静止電流が得られるように、ＨＡＲＴ（登録商標）通信信号の正部分の間および負部分の間に、それぞれ、プラス０．２５ｍＡおよびマイナス０．２５ｍＡだけ動的に制限される。それでもなお、ループ上のＮＡＭＵＲ警告レベル低状態（３．６ｍＡ）は満足されている。

本発明の一実施形態の産業プロセスモニタおよび制御システムを示す。 本発明の一実施形態の電流制限回路を備えたプロセス送信機の簡単化されたブロック図である。 本発明の一実施形態の電流制限回路を備えたプロセス送信機の簡単化されたブロック図である。 図２Ｂのより詳細なプロセス送信機の簡単化されたブロック図である。

符号の説明

１０２…送信機、１０４…モニターおよび制御センター、１０６…２線プロセス制御ループ、１０８…特徴モジュール、１１０…電子ハウジング、１１２…プロセスカップリング感知モジュール、１３０…液晶表示回路、１３２…副装置、１３３…電力バス、１６０…電圧レギュレータ、１６２…ループ電流制御回路、１６４…主回路、１６６…電流リミッタ、１６８…副回路、１７０…ループ電流制御回路。

Claims (24)

1. ２線プロセス制御ループ（１０６）上のプロセス変数を送信するための産業プロセス送信機において、
   該産業プロセス送信機は、
   ２線プロセス制御ループに接続され、前記プロセス変数に関連する２線プロセス制御ループ上のループ電流レベルを４ｍＡ〜２０ｍＡの間に制御するように構成されたループ電流制御回路（１６２、１７０）と、
   前記ループ電流制御回路に接続され、前記産業プロセス送信機の主たる機能を行う主回路（１６４）に、前記ループ電流から引き出される電力を３．６ｍＡ以下の静止電流レベルにおいて供給するように構成された電力接続回路（１６０）と、
   前記電力接続回路（１６０）に接続され、前記主回路に付随する副回路（１６８）に引き渡される電流を、前記ループ電流レベルに関連する関数として制限するように構成された副電流制御回路（１６６、３３２）と、
   前記副電流制御回路（１６６、３３２）から、前記副回路に接続するように構成されたデータバスとからなる産業プロセス送信機。
2. さらに、
   前記副電流制御回路（１６６、３３２）の入力側と前記２線プロセス制御ループの１本の線との間に接続され、前記副電流制御回路に前記ループ電流レベルに関連する調整可能な入力を供給するように構成された感知抵抗器（２１１）を含む、請求項１に記載の産業プロセス送信機。
3. 前記副回路（１６８）に提供される電流レベルが前記感知抵抗器の両端の電圧に関連する請求項２に記載の産業プロセス送信機。
4. 前記関数が、前記ループ電流と前記静止電流レベルとに基づく過剰電流に関連する請求項１に記載の産業プロセス送信機。
5. 前記ループ電流と前記過剰電流とを測定するように構成された測定回路を含む請求項４に記載の産業プロセス送信機。
6. 前記静止電流がある固定値に近似される請求項４に記載の産業プロセス送信機。
7. さらに、
   前記副電流制御回路（１６６、３３２）に接続され、前記副回路への過剰電流の引き渡しを加減するように構成されたマイクロプロセッサを含む請求項１に記載の産業プロセス送信機。
8. 前記副回路（１６８）が、プロセスパラメータを測定するように構成されたフィールド装置を含む請求項１に記載の産業プロセス送信機。
9. 前記副回路（１６８）が、オペレータに情報を表示するように構成されたＬＣＤ回路を含む請求項１に記載の産業プロセス送信機。
10. 前記副回路（１６８）が、プロセスパラメータをモニタするように構成された副測定回路（１３２）を含む請求項１に記載の産業プロセス送信機。
11. 前記副回路（１６８）が、オペレータからの入力を受信するように構成されたローカルオペレータインタフェースを含む請求項１に記載の産業プロセス送信機。
12. 前記送信機は、さらに、
    ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに従って前記２線ループを介して制御センターと通信するように構成された回路を含む請求項１に記載の産業プロセス送信機。
13. 前記副電流制御回路（１６６、３３２）が、ＨＡＲＴ（登録商標）送信信号の正部分の間および負部分の間に、いくらかの正値又は負値によって、副回路に引き渡される電流を調整するように構成されている請求項１２に記載の産業プロセス送信機。
14. 前記副回路（１６８）が、通信バスを介してフィールド装置と通信するように構成された副通信回路を含む請求項１に記載の産業プロセス送信機。
15. 前記通信回路が、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）プロトコルに従って通信するように構成されている請求項１４に記載の産業プロセス送信機。
16. 前記副回路（１６８）の動作は、利用可能な電流に基づいて変化する請求項１に記載の産業プロセス送信機。
17. 前記副回路（１６８）の更新レートが、利用可能な電流の関数である請求項１６に記載の産業プロセス送信機。
18. 前記副電流制御回路（１６６、３３２）が、副回路を主回路から分離する請求項１に記載の産業プロセス送信機。
19. ２線プロセス制御ループ（１０６）に接続された産業プロセス送信機でプロセス変数をモニタする方法において、
    前記方法が、
    前記プロセス変数に基づいて２線プロセス制御ループのループ電流レベルを４ｍＡ〜２０ｍＡの間に制御することと、
    前記２線プロセス制御ループ（１０６）からの電力を用いて３．６ｍＡ以下の静止電流レベルにおいて前記産業プロセス送信機の主たる機能を行う主回路（１６４）に電力供給することと、
    前記主回路に付随する回路である副回路（１６８）に供給される電流を前記ループ電流レベルに関連する関数として動的に制限することとからなる産業プロセス送信機におけるプロセス変数モニタ方法。
20. 動的に電流を制限することが、ループ電流レベルと静止電流レベルとの間の関数である請求項１９に記載の産業プロセス送信機におけるプロセス変数モニタ方法。
21. さらに、
    低ループ電流の周期の間に、前記副電流に供給される電流を低減することを含む請求項２０に記載の産業プロセス送信機におけるプロセス変数モニタ方法。
22. 前記副回路への電流を制限するステップが、前記２線プロセス制御ループ上の通信信号に関連して、前記副回路への電流を加減することを含む請求項２０に記載の産業プロセス送信機におけるプロセス変数モニタ方法。
23. データバスを介して前記副回路と通信することを含む請求項２０に記載の産業プロセス送信機におけるプロセス変数モニタの方法。
24. 利用可能な電流に基づいて前記副回路の動作を変化させることを含む請求項２０に記載の産業プロセス送信機におけるプロセス変数モニタ方法。

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