JP4949379B2 - プロセス制御ループ電流検査装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセスに使用されるタイプのプロセス装置に関する。より詳細には本発明は、プロセス制御ループ内の電流を制御する伝送器などの装置に関する。

プロセスコントローラ、モニタ、伝送器などのフィールド装置は、プロセス制御産業においてプロセス変数を遠隔で制御、監視または検知するために使用される。例えば、プロセス変数は、プロセスの制御に使用するために、あるいはプロセス運転に関する情報をコントローラに与えるために伝送器によって制御室に伝送される。例えば、プロセス流体の圧力に関連する情報が、石油精製などのプロセスを制御するために、制御室に伝送され使用される。

情報を伝送するための１つの典型的な従来技術の技法が、プロセス制御ループに流れる電流を制御するというものである。制御室内などの場所にある電流源から電流が供給され、伝送器が、フィールドでその遠隔場所からループ内に流れる電流を制御する。例えば、ゼロ読取値を示すために４ｍＡの信号を使用することができ、フルスケール読取値を示すために２０ｍＡの信号を使用することができる。最近になって、伝送器は、プロセス制御ループを流れるアナログ電流信号に重畳されたデジタル信号を用いて制御室と通信するデジタル回路を使用するようになった。そのような技法の一例が、ローズマウント社（Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ Ｉｎｃ．）によって開発されたＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルである。ＨＡＲＴ（登録商標）および他のそのようなプロトコルは典型的に、伝送器制御や呼びかけ信号などの所望の応答を引き出すために伝送器に送られる１組のコマンドまたは命令を含む。

アナログループ電流がプロセス変数などの情報を表すために使用される場合、ループ電流が設定されうる精度は、伝送されたプロセス変数の精度に対する限定因子となる。制御されるループ電流は、ドリフトの影響を受けやすい可能性がある。言い換えれば、電流を制御する電気部品は時間が経つにつれて劣化する傾向があるので、制御されるループ電流の値は、経時的に変化する可能性がある。

プロセス装置が、２線プロセス制御ループに結合するように構成される。ループ電流出力回路が、２線プロセス制御ループに出力電流を印加するように構成される。ループ電流検査回路が、２線プロセス制御ループに結合され、かつ印加された出力電流の誤差を検出するように構成される。ループ電流検査回路の少なくとも一部分は、ループ電流出力回路から独立している。

本発明は、プロセス装置によってプロセス制御ループに印加された電流が目標値に設定されていることを検査するためのアナログループ電流検査技法を提供する。印加電流出力レベルの誤差を検出するためにループ電流検査回路が使用される。ループ電流検査回路の少なくとも一部分は、プロセス制御ループに対してループ電流を設定するために使用される回路から独立している。これにより、プロセス制御ループ電流の独立した（または冗長な）検査が可能となる。本発明は、プロセス制御ループ内の電流を制御するために用いられ、本明細書で説明される例示的なプロセス装置に限定されない任意のプロセス装置において実施されうる。例えば、本明細書に記載されている１つのプロセス装置は、プロセス変数を検知するセンサを含む伝送器である。この伝送器は、検知されたプロセス変数を表すアナログ値に対して、プロセス制御ループに流れる電流を制御する。しかし、本発明の様々な態様を実施するためにプロセス装置がプロセス変数を検知する必要はない。ループ電流検査の結果に基づいて、警報信号の送信、所望されるようなループ電流の調整などの様々なステップを取ることができる。そのようなステップの例が、ＰＲＯＣＥＳＳ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＬＯＯＰ ＯＶＥＲＲＩＤＥという名称の２００３年１２月１１日に出願された米国特許出願第１０／７３３５５８号に記載されている。

図１は、プロセス配管１６に連結された伝送器１２を含むプロセス制御システム１０の図である。伝送器１２は、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）規格、プロフィバス（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）規格、またはＨＡＲＴ（登録商標）規格に従って動作する２線プロセス制御ループ１８に結合される。しかし、本発明は、これらの規格や２線構成に限定されない。２線プロセス制御ループ１８は、伝送器１２と制御室２０の間に布設されている。ループ１８がＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルに従って動作する実施形態では、ループ１８は、検知されたプロセス変数を表す電流Ｉを流す。さらに、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルにより、デジタル情報が伝送器１２に送信されるかまたはそれから受信されるように、ループ１８を流れる電流にデジタル信号を重畳することができる。

図２は、中に保持されている回路ブロックの一構成例を示す、伝送器１２の斜視図である。この実施形態では、伝送器１２は、検知モジュール４２に結合する機能モジュール（ｆｅａｔｕｒｅ ｍｏｄｕｌｅ）４０を含む。検知モジュール４２は、マニホルドプロセスカップリング（ｍａｎｉｆｏｌｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｕｐｌｉｎｇ）４４を介してプロセス配管１６（図１参照）に結合する。

機能モジュール４０は、検知モジュール４２内に保持された検知モジュール電子回路５２に結合している機能モジュール電子回路５０を含む。典型的には、検知モジュール電子回路５２は、プロセス変数センサ、例えば図１に示されているセンサ２１に結合しており、プロセス変数センサは、プロセスの運転に関連するプロセス変数を検知するために使用される。機能モジュール電子回路５０は、ループ電流出力回路６０およびループ電流検査回路６４を含む。この回路６４は、ハードウェア、ソフトウェア、またはその２つのハイブリッド組合せの形で実装されうるとともに、伝送器１２内のどの場所にも配置されうる。回路６４の少なくとも１つの構成要素または機能は、回路６４の回路から少なくとも部分的に分離または独立している。

運転の間、ループ電流出力回路６０は、例えば測定されたプロセス変数を表すために、ループ１８に流れる電流Ｉの値を制御する。これは、工業プロセスの運転を監視または制御するために使用される。いくつかの応用例では、出力回路６０は、伝送器１２内の回路に、ループ１８を通じて受け取った電力を用いて生成された電力を提供するためにも使用される。安全度水準（ＳＩＬ）認定を取得するためなどのいくつかの応用では、伝送器１２は、一定の信頼性基準を満たす必要がある。例えば、故障または差し迫った故障のときにプロセスを確実に停止するために、ある認定では、伝送器１２内の構成要素のうちのいくつかが故障していても安全に停止できるように、警報信号が適切に送られる必要がある。ループ電流検査回路６４は、そのような構成に適用することができる。

図３は、伝送器１２の簡略ブロック図である。図３に示されているように、伝送器１２は、プロセス変数センサ２１に結合している測定回路７０を含む。回路７０は、図２に示されているセンサモジュール回路５２に含まれる。出力段７２は、測定回路７０に接続されており、プロセス制御ループ１８を通じて情報を送る（いくつかの実施形態では受け取る）ように構成されている。出力段７２は、出力回路６０を含む。しかし、回路６０は、他の実施形態に従って構成されうる。測定回路７０は、センサ２１によって検知されたプロセス変数の初期処理を行うように構成されている。測定回路７０の実装は、マイクロプロセッサを含むことが多い。マイクロプロセッサはまた、伝送器１２の他の回路機能を実行するためにも使用される。

通常運転の間、センサ２１によって検知されたプロセス変数は、出力回路６０を使用して、プロセス制御ループ１８を通じて伝送するためのアナログループ電流に変換される。ループ電流検査回路６４は、出力回路６０に直列、並列または直並列に接続されてもよく、あるいは回路６０に含まれてもよい。他の構成が使用されてもよい。

ループ電流検査回路６４は、ループ電流出力回路６０で使用される構成要素から部分的に独立しているかまたは独立している少なくとも１つの構成要素を含む。ループ電流検査回路６４は、ループ１８に流れる電流Ｉを予め定められた目標値と比較し、その比較に関連する比較出力６７を応答可能に提供する。例えば、出力６７は、ループ電流Ｉがその目標値の所定のまたは調整可能な閾値の外にある場合に生成される。これらの比較は、固定差異（fixed discrepancy）に基づくか、あるいは比率差異(percentage discrepancy)または出力電流Ｉの目標値との他の関係に基づいて行うことができる。さらに、出力６７は、所望の出力ループ電流に対する実際の出力ループ電流Ｉの絶対的または相対的な誤差量の示度とすることができる。

ループ電流検査回路６４がループ電流Ｉをループ電流の目標値と比較するためには、回路６４は、この目標値に関連する情報を有していなければならない。これは、例えば、ループ電流検査回路６４にこの目標レベルに関連する情報を与える測定回路７０または伝送器１２内の他の回路に接続することによるものでもよい。他の例では、伝送器１２は、ループ１８を流れるループ電流Ｉが１つ以上の所定のループ電流またはループ電流のパターンに設定されている試験モードに入ることができる。この試験モードの間、ループ電流検査回路６４は、ループ１８に流れる実際のループ電流を所望のループ電流と比較することができる。この比較に基づいて、適切な出力、例えばＨＡＲＴによるアナログ警報またはデジタル値を与えることができる。他の例では、（実際のループ電流と目標のループ電流との）差異が、差異値の液晶表示器などのローカルディスプレイによって報知されうるか、あるいはＨＡＲＴ要求に応答したデジタル値として伝送されうる。差異が特定の閾値または他の基準を超えた場合、この情報は、ローカルエラーメッセージを表示すること、ＨＡＲＴ要求に応答してデジタルエラーメッセージを伝送すること、デジタルエラーメッセージをＨＡＲＴバーストモードで伝送すること（追加ステータス）、アナログ警報を与えること、または制御ループにアナログパターン出力を提供することによって報知される。デジタル−アナログ変換器に送られた値を修正して差異値を補償するために、出力補正が使用される。自動較正ルーチンも起動される。他の構成では、例えば差異が閾値を超えた場合に診断用出力が提供される。その差異は、例えば視覚表示器または接点入力によって報知されることができる。診断用ＨＡＲＴ４〜２０ｍＡ出力などの他の伝送器構成も使用されうる。例えば、出力モードが切り換えられてもよく、診断用出力がアナログループに提供されてもよい。無線機能を含むような他の伝送器構成では、無線応答が、要求に応答して送られるか、または伝送器によって起動される。

図４は、ループ電流検査回路６４の一実施形態を示す簡略ブロック図である。図４では、比較器７４が、ループ電流Ｉに直列接続された抵抗器７６の両端間の電圧降下を検知するために使用される。比較器７４は、「基準」入力によって設定された所定の誤差レベルを超えるループ電流の変動を検出しかつ出力信号を応答可能に提供するように構成されている。比較器７４は、例えば誤差閾値の上限、下限を超える電流変動を検出するために、複数の比較器を含むことができる。比較器７４に対する基準入力は、マイクロプロセッサ制御を含む適切な手段、例えば抵抗器はしご形回路網、ダイオード、または他の技術を用いて生成されうる。例えば、この基準は、デジタル−アナログ変換器を用いて設定されることができる。

図５は、ループ電流検査回路６４が抵抗器７６の両端間に接続されたアナログ−デジタル変換器８０を用いて形成されている、本発明の他の実施形態を示す簡略図である。上述のように、抵抗器７６は、その両端間の電圧降下がループ電流Ｉを表すように、ループ１８に直列結合される。アナログ−デジタル変換器８０からの出力は、例えば図６に示されているマイクロコントローラ９２に結合することができる。マイクロプロセッサは、デジタル化されたループ電流値をメモリに保存されている閾値と比較し、その比較に基づいて出力を応答可能に提供する。他の例では、マイクロプロセッサは、デジタル化されたループ電流値を期待ループ電流値と比較することができる。例えば、期待ループ電流値は、ループ電流が、検知されたプロセス変数の特定の値に対して設定されるべき値とすることができる。検知されたループ電流値が、期待ループ電流値から所定の量、例えば１％よりも大きく変動した場合、マイクロプロセッサは、ループ電流を検査できないことを示すことができる。マイクロプロセッサは、電流検査回路６４の一部と見なされてもよい。

図６は、伝送器１２内の回路の一例をより詳細に示すブロック図である。図６には、シャントレギュレータ８２およびループフィードバック抵抗器７６を介して２線プロセス制御ループ１８に結合されている機能モジュール電子回路５０が示されている。電力調整器８６は、センサモジュール電子回路５２に結合している。センサモジュール電子回路５２は、プロセス変数センサ８８を介してプロセスにも結合されて示されている。

ループ電流検査回路６４は、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器９３およびアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器７４に結合しているマイクロコントローラ９２内に部分的に実装されうる。（「マイクロコントローラ」、「マイクロプロセッサ」および「プロセッサ」は、本明細書において同義的に用いられることに留意されたい。）アナログ−デジタル変換器７４は、ループ電流を測定するように構成され、ループ電流検査回路６４の機能を実行することもできる。

運転の間、マイクロコントローラ９２は、Ｄ／Ａ９３およびシャントレギュレータ８２を用いて、ループ１８に流れる電流Ｉとその電流上の変調されたデジタルデータとを制御するように構成される。アナログ−デジタル変換器７４は、ループ１８に流れる電流Ｉを表す出力を提供する。マイクロコントローラ９２は、警報状態を検出する際に用いられる１つ以上の閾値または他の電流関係を記憶することができるメモリ９９を含む。測定されたループ電流を、メモリ９９に保存された閾値と、または検知されたプロセス変数に基づいたループ電流の期待値と定期的に比較することにより、マイクロコントローラ９２は、誤差が生じているかどうかを判断することができる。

本発明では、フィールド装置には、ループ電流を正確に読み取りそれを設定値または期待値と比較することによりアナログ出力の変化を検出する技法が提供される。フィールド装置は、測定値を期待値と比較することにより、例えば構成要素のドリフトによる経時的なループ電流の変化を検出することができる。測定電流と期待電流との間に過大な差異が検出された場合、メンテナンスが必要であることを示す出力が、例えばループ１８に提供される。そのような状況では、伝送器は（手動でまたは自動的に）再較正され、ループ電流検査回路は、後続の誤差検出に使用される。他の例では、例えば、アナログ電流ループの健全性を求めるために、図１に示されているようなデジタルコミュニケータ２６によって、定期的な照会を行うことができる。応答が実質的ドリフト誤差のないことを示した場合、オペレータは、装置が適切に動作しており点検が必要ないと判断することができる。これは、メンテナンス周期、メンテナンスコスト、伝送器の点検に費やされる時間、および、不必要なメンテナンスのために誤差が導入されるという可能性を低減する。他の例では、本発明は、デジタル通信システムにおいて、かかる設備のループ電流を監視することによって使用される。ループ電流は期待電流に関連付けられ、その結果はデジタルで伝達される。

一構成では、精密基準が使用され、マイクロコントローラ９２は、伝送器１２の自己較正のために構成される。例えば、マイクロコントローラは、ループ電流を、それが基準ループ電流と整合するように調整することができる。そのような絶対基準との比較では、ループ電流の両端の終点で測定される必要なしに、ループ電流を補正するための数学的な補正または式が使用される。

上記の説明は、ループ電流検査回路を実施するための様々な例の技術を提供する。図７は、電流検査回路を実施しかつドリフト出力１０２を提供するための伝送器１００の電子回路をいくぶん詳細に示す第１の実施形態を示す。ドリフト出力１０２は、比較器１０４、１０６によって生成される。比較器１０４、１０６は、ライン１０８上の加算ノード電圧と、感知抵抗器１１０から導出されたライン１１１上の電圧との差異を検知する。感知抵抗器１１０は、ループ電流Ｉ ＬＯＯＰを流すことにより、小さな三角形のシンボルで示されている共通帰線（「ＤＣコモン」）に対する電圧ＶＳＥＮＳＥを生成する。比較器１０４、１０６は、正電圧レール１１２および共通帰線（「ＤＣコモン」）１１４によって電力供給され、それらの間で動作する。比較器１０４および１０６が適切に動作するためには、ライン１０８、１１１上の２つの比較される電圧は共に、正電圧レールと共通帰線の間にある電圧を有していなければならない。

しかし、感知抵抗器１１０で生成される電圧ＶＳＥＮＳＥは、共通帰線１１４に対して負であり、したがって比較器１０４、１０６の動作範囲外である。ライン１１１上に動作範囲内の電圧を与えるために、抵抗分圧器網を構成している抵抗器（Ｒ１）１２０および抵抗器（Ｒ２）１２２は、電圧ＶＳＥＮＳＥとライン１２４の＋３Ｖ電源電圧との間に直列接続される。抵抗分圧器網は、ライン１１１の電圧が動作範囲内になるように、ライン１１１の電圧を「引き上げる（pull up）」ように働く。ライン１１１は、抵抗器１２０および１２２の間のノードに接続され、ライン１１１に正の電圧を提供する。ライン１１１に現れる電圧は、ＶＳＥＮＳＥに機能的に依存する。

ライン１１１に現れる電圧変化はまた、比較的低振幅の変化を有し、例として、２５オームの感知抵抗器ＲＳＥＮＳＥを流れる４〜２０ミリアンペアのループ電流変化に対して約２７０ミリボルトの変化範囲にある。図７の構成では、ループ電流（Ｉｌｏｏｐ）は、測定されたプロセス変数に比例して増減する出力である。この出力は、センサ入力から計算され、マイクロプロセッサシステムにおいて、温度の影響に対して増減されて補償される。次いで、補償された値は、デジタル−アナログ変換器および関連回路を用いて、Ｉｌｏｏｐ値を生成するために使用される。基準Ｄ１は、正確な値を加算ノードに提供するために、デジタル−アナログ変換器によって使用され、加算ノードは、制御信号を電流ループ内の通過素子Ｑ１に提供するために使用される。加算ノードの電圧もＩｌｏｏｐ値に比例するので、この電圧は、ループ電流出力の精度を決定するために測定される。

比較回路１０４および１０６の使用により、Ｉｌｏｏｐの上下限に対する簡単な合否表示器が形成される。基準電圧は、３Ｖ電源と負端子の間に接続された抵抗分圧器Ｒ１およびＲ２から生じる。この電圧は、ループ電流Ｉｌｏｏｐに比例する、Ｒｓｅｎｓｅ（１１０）の両端間の降下を含む。３Ｖ電源は、デジタル−アナログ変換器回路によって使用される基準から独立している基準Ｄ２を用いて作られる。Ｒ１およびＲ２は、加算ノードおよびループ電流出力に比例する電圧を提供するように決定されている。

回路内のドリフトは、加算ノードとＲ１およびＲ２で生じた電圧との電圧差によって示される。次いで、各比較器は、ドリフトの方向を示す。ループ出力がハイにドリフトした場合、比較器１０６は高出力を示す。ループ出力がローにドリフトした場合、比較器１０４は高出力を示す。比較器の出力（１０２）をマイクロプロセッサにフィードバックすることができ、したがって、表示をユーザに送ることができる。

図７Ａに示されている他の例の概略図では、アナログ−デジタル変換器回路１３１が使用される。この構成では、ループ電流（Ｉｌｏｏｐ）は、測定されたプロセス変数に比例するスケール出力である。この出力は、センサ入力から計算され、マイクロプロセッサシステムにおいて、温度の影響に対して増減されて補償される。次いで、補償された値は、デジタル−アナログ変換器および関連回路を用いて、Ｉｌｏｏｐ値を生成するために使用される。基準Ｄ１は、正確な値を加算ノードに提供するためにデジタル−アナログ変換器によって使用され、加算ノードは、制御信号を電流ループ内の通過素子Ｑ１に提供するために使用される。ＲｓｅｎｓｅはＩｌｏｏｐと直列であり、したがって、抵抗器両端間の電圧はループ電流に比例する。この電圧は、Ａ／Ｄ変換器を用いてドリフトを検出するために測定される。このＡ／Ｄ変換器は、デジタル−アナログ変換器の出力によって使用される基準から独立している基準Ｄ３を使用する。次いで、このループ電流検査値は、マイクロプロセッサ回路にフィードバックされ、そこで期待Ｉｌｏｏｐ値と比較される。

ループ電流出力回路は工場で較正される。ループ電流検査回路も同時に較正される。さらに、ループ電流は、インストールプロセスの一部としてエンドユーザによって再度較正される。ループ電流検査も、出力値と測定値との誤差を低減するために同時に較正される。

装置が取り付けられた後、ループ電流測定値とループ電流期待値とは、連続的または定期的に比較される。Ｉｌｏｏｐ出力を確立するために使用される回路内で基準または構成要素のドリフトがあれば、このドリフトは、ループ電流の期待値と測定値との差異で示される。このドリフトは、状態ビットによって、または警報状態に移行することによってエンドユーザに示される。

図７Ｂは、他の例の構成である。この構成は、図７Ａの構成に類似している。この構成は、基準電圧をＡ／Ｄ変換器の入力に切り換える能力を含み、したがって、Ｉｌｏｏｐ出力を較正するために使用されることができる。Ｉｌｏｏｐ出力が較正されるとき、追加のＡ／Ｄ読取りが、独立した電圧基準（Ｄ４）の両端間で行われる。これは、Ｉｌｏｏｐ出力の生成に使用されていない回路の一部で使用される電圧基準、またはこの目的のために特に配置された電圧基準とすることができる。次いで、このループ電流測定値は、独立した電圧基準値と比較される。スケールオフセット値およびスケール利得値が、ループ電流測定値に対して計算される。これは、簡単なａ＝ｍｘ＋ｂで計算することができ、あるいは直線性および温度補償を含むより複雑な計算を含むこともできる。これらのスケールファクタにより、任意のＩｌｏｏｐ出力を独立電圧基準読取値と比較できるようになる。元の電圧基準読取値およびスケールファクタは、将来の計算に使用されるようにするために、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリに保存される。電流ループが較正されるときはいつでも計算は更新されて、新たなオフセット計算および利得計算が可能になる。

装置が取り付けられた後、Ｉｌｏｏｐ測定値とループ電流期待値とは、連続的にまたは時々比較される。さらに、独立基準値が測定され、その初期保存値と比較される。

最後に測定された独立電圧基準読取値と元の独立電圧基準値との差異は、Ａ／Ｄ変換器用基準または独立基準のドリフトを示す。この場合、ループ電流の較正が必要であるという指示がエンドユーザに与えられる。較正の間、新たなオフセット値および利得値を与えて較正が更新される。

Ｉｌｏｏｐ期待値とループ電流測定値との差異は、アナログ出力回路内で使用される構成要素のうちのいくつかのドリフトまたはＩｌｏｏｐ測定用基準のドリフトを示す。独立電圧基準読取値が、メモリに保存されている元の値から変化していないことを示している場合には、ドリフトは、装置を運転休止することなく自動的に補償されることができる。測定されたループ電流値と期待ループ電流値との差異（デルタ）は、Ｉｌｏｏｐ値を設定するために使用されるオフセット値および利得値を変更することによって調整されることができる。出力を設定するために新たな値が使用されると、その変化を検査するためにループ電流測定値が使用される。

図８〜１４に関連して以下に説明する実施形態では、ループ電流検査についての説明がさらになされる。検知電圧は、反転増幅器入力部に接続され、増幅出力は正であり、共通帰線と正の電源電圧との間にある。反転増幅器の使用は、検知電圧を抵抗分圧器経由で正のレールに接続するのを妨げる。増幅器出力は、例えば２５オームの感知抵抗器ＲＳＥＮＳＥに流れる４〜２０ミリアンペアのループ電流変化に対して８００ミリボルトの変化範囲の増幅電圧変化を引き起こす。

図８は、ドリフト出力２０２を提供する回路２００の一実施形態を示す。回路２００は、プラス端子２０４と、マイナス端子２０６と、三角形のシンボルで示されている共通帰線２０８とを含む。回路２００は、プロセス変数伝送器の一部分であることが好ましい。プラス端子２０４およびマイナス端子２０６は、励起源２１０および出力装置２１２を有する制御ループの形で接続するためにアクセス可能である。励起源２１０は、直流電源であることが好ましく、出力装置２１２は、入力抵抗として概略的に表される制御システムの入力であることが好ましい。制御ループは、好ましくは４〜２０ミリアンペアのアナログ電流であるループ電流（Ｉ ＬＯＯＰ）２１４を流す。ループ電流２１４は、回路２００に電気励起のすべて（全電力）を供給することが好ましい。共通帰線２０８は、回路２００の外部に接続するための、アクセスできない直流共通導体であることが好ましい。

回路２００はまた、ループ電流２１４をプラス端子２０４から共通帰線２０８まで導通するプロセス変数変換器２１６も含む。ループ電流２１４は、変換器回路２１６に電力を供給する。プロセス変数変換器はまた、正の電源電圧２２４を提供する。変換器回路２１６は、プロセス変数２１８を感知するとともに、ループ電流２１４の大きさをプロセス変数２１８の大きさの関数として制御することが好ましい。変換器２１６はまた、好ましくはループ電流２１４の実際の大きさを示すフィードバックを受け取るために有用な電圧感知入力部である感知入力部２２０を含む。

回路２００は、ループ電流２１４を共通帰線２０８からマイナス端子２０６まで導通する感知抵抗（ＲＳＥＮＳＥ）２２６を含む。感知抵抗２２６は、非常に安定しておりかつ殆どドリフトしない約２５オームの抵抗値を有することが好ましい。共通帰線２０８は、ループ電流２１４のほぼすべてが感知抵抗２２６を通過するように、プロセス変数変換器２１６を通過するループ電流２１４のほぼすべてを集結する。検知抵抗２２６は、マイナス端子２０６にループ電流を表す感知電圧を生成する。

回路２００はまた、マイナス端子２０６に結合された信号入力２３２を有する増幅器２３０も含む。信号入力２３２は、共通帰線２０８に対して負電圧を有する。増幅器２３０は、フィードバックを行うために、感知入力部２２０に結合する増幅出力２３４を有する。増幅器２３０は、負の増幅器信号入力２３２に応答して正の増幅器出力２３４を提供する反転増幅器であることが好ましい。増幅器２３０は、増幅出力２３４へ増大された信号レベルを供給するために、例えばマイナス２の利得を有することが好ましい。増幅出力２３４は、ループ電流が２．８〜２８．０ミリアンペアの範囲であるとき、共通帰線に対して正である。公称４〜２０ｍＡのループ電流範囲は、このより広い範囲に含まれる。

プロセス変数変換器２１６は、プロセス変数２１８に基づいたループ電流２１４の目標値と、プロセス変数変換器の感知入力部２２０に印加される、感知抵抗器２２６および増幅器２３０からのフィードバックに基づいたループ電流２１４の実際値との差異を示すドリフト出力２０２を提供する。プロセス変数変換器は、この差異を計算するために使用されるマイクロプロセッサまたはＡＳＩＣを含むことが好ましい。ドリフト出力２０２は、伝送器内の回路２００と一体に取り付けられた液晶表示器に表示される。

回路２００は、プロセス変数伝送器を形成するために、ハウジング（図示せず）内に収納されることが好ましい。圧力伝送器、流量伝送器、温度伝送器、他の既知のタイプの伝送器などのプロセス変数伝送器が、回路２００を用いて構成される。

図９は、ドリフト出力を有する回路３００の他の実施形態を示す。図９に示されている回路３００は、図８に示されている回路２００と類似している。図８に使用されている参照番号と同じである図９に使用されている参照番号は、同じまたは類似の特徴を特定する。

図９では、共通帰線２０８は、三角形のシンボルで示されているように、増幅器２３０および変換器２１６に結合されている。プロセス変数変換器２１６は、増幅器２３０に結合する正の電源電圧（＋Ｖ）３０２を生成する。

図９では、増幅器２３０は、信号入力２３２に結合された入力抵抗器３０４を含む。入力抵抗器３０４は、信号入力２３２への電流漏洩量を低減するために、感知抵抗２２６の少なくとも１０００倍の抵抗であることが好ましい。例として、入力抵抗器３０４は１００，０００オームであり、感知抵抗２２６は２５オームである。増幅器２３０はまた、入力抵抗器３０４に結合された反転（−）増幅器入力を有する演算増幅器３０６も含む。演算増幅器３０６はまた、共通帰線２０８に直接またはインピーダンス（図示せず）を介して結合された非反転（＋）入力も有する。増幅器２３０はまた、演算増幅器３０６の増幅出力２３４と反転入力との間に結合された帰還抵抗器３０８も含む。演算増幅器３０６は、抵抗器３０８、３０４で形成された抵抗分圧器網によって設定された正確なより低い利得に限定される大きな開ループ電圧利得を有する。例として、抵抗器３０８は、−２の利得を与えるために、抵抗器３０４の抵抗の２倍の抵抗を有することが好ましい。感知抵抗器２２６、入力抵抗器３０４および帰還抵抗器３０８はすべて、無視できるドリフト特性を有する安定した受動素子である。

図９では、プロセス変数変換器２１６は、プロセス変数２１８を感知するセンサ３３０と、センサ３３０に電力を供給しかつ使用可能な形のプロセス変数出力３３３をマイクロプロセッサシステム３３４に提供するセンサ回路３３２とを含む。マイクロプロセッサシステム３３４は、ループ電流２１４を制御するために、デジタル値を、ダーリントントランジスタ３３８に供給されるアナログ電流に変換するデジタル−アナログ変換器３３６にデジタル値「Ｎ」を提供する。４ｍＡ未満の電流量が、変換器２１６の電力のために使用され、ダーリントントランジスタ３３８は、全電流を、プロセス変数２１８を表す４〜２０ｍＡの目標値に引き上げるために必要な追加の電流量を導通する。

プロセス変数変換器２１６はまた、感知入力部２２０での増幅出力を、ループ電流の実際の大きさを表すデジタル値「Ｍ」に変換するアナログ−デジタル変換器３４０も含む。このアナログ−デジタル変換器３４０は、図１４に示されている例に関連して下記により詳細に説明するように、安定した高精度電圧基準を含み、したがって、回路３００は技術者の注意なしにそれ自体の較正調整を行うことができることが好ましい。デジタル値「Ｍ」は、図示されているように、マイクロプロセッサシステム３３４に結合される。マイクロプロセッサシステム３３４は、数値「Ｍ」と数値「Ｎ」とを比較して、所望のループ電流と実際のループ電流との差異を表すドリフト出力２０３を生成する。このドリフト出力２０３は、ループ電流２１４に重畳されるデジタル信号である。ドリフト出力は、ＨＡＲＴプロトコルなどの標準化されたフォーマットであることが好ましい。

回路３００は、ＨＡＲＴプロトコル通信に関連して説明されるが、フィールドバス、ＣＡＮ、プロフィバスなどの他の既知の通信プロトコルがＨＡＲＴプロトコルの代わりに使用されうることが、当業者によって理解されるであろう。

図１０は、ドリフト出力４１３を有する回路４００の他の実施形態を示す。回路４００は、プラス端子４０４、マイナス端子４０６および共通帰線４０８を含む。

回路４００はまた、ループ電流４１４をプラス端子４０４から共通帰線４０８まで導通するプロセス変数変換器４１６も含む。感知抵抗器４２６は、ループ電流４１４を共通帰線４０８からマイナス端子４０６まで導通する。

帰還回路４３０は、マイナス端子４０６での電圧を感知し、増幅された帰還電圧４３４をプロセス変数変換器４１６の感知入力部４２０にフィードバックする。増幅された帰還電圧４３４は、実際のループ電流４１４の大きさを表す。帰還回路４３０は、増幅された帰還出力４３４がプロセス変数変換器４１６によって処理されうる値の範囲となるように、レベルシフトおよび増幅を行う。

プロセス変数変換器４１６は、ループ電流デジタル値「Ｎ」をプロセス変数の関数として提供するとともに、ループ電流設定値「Ｎ」と実際のループ電流の表示「Ｍ」との差異を示すドリフト出力４１３を提供する。表示「Ｍ」は、アナログ−デジタル変換器４４０から得られる。アナログ−デジタル変換器４４０は、増幅された帰還電圧４３４を感知する。プロセッサ４５２内の比較器４５０は、数値「Ｍ」と数値「Ｎ」とをデジタル的に比較し、ドリフト出力４１３を生成する。ドリフト出力４１３は、ドリフトに対して小さな補正を行うために、プロセッサ４５２によって表示されるか、遠隔場所に伝送されるか、または内部で使用される。

本発明は、ループ電流のスケール表示である電圧（ＶＳＥＮＳＥ）を作り出す抵抗器（ＲＳＥＮＳＥ）をベースとするループ電流検査回路について説明している。当業者には、ループ電流を読み取る他の方法が可能である。例としては、カレントミラー回路やホイートストンブリッジ／ヌリング（ｎｕｌｌｉｎｇ）回路があるが、それらに限定されない。

図１１は、４〜２０ミリアンペア出力およびドリフト出力を較正するための較正装置５００を示す。回路５０２は、この回路から延びる制御ループ５０６に流れる電流（Ｉ ＬＯＯＰ）５０４を制御する。制御ループ５０６は、直流電源５０８と、技術者が読み取ることができる電流表示器５１２に接続された抵抗負荷５１０とを含む。コミュニケータ５１４が、リード線５１６、５１８によって制御ループ５０６に接続される。コミュニケータ５１４は、ＨＡＲＴプロトコルを用いて回路５０２と通信するローズマウント（Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ）のモデル２７５／３７５コミュニケータであり、回路５０２に保存されているトリム値Ｎ４、Ｎ２０、Ｍ４およびＭ２０を調整するためのファームウェアを含むことが好ましい。コミュニケータ５１４は、選択されたトリム値を必要に応じて上下に調整するためのキーパッドを含む。回路５０２は、ＨＡＲＴ通信プロトコルを用いてドリフト出力を伝送し、コミュニケータ５１４は、ドリフト出力を受け取り、コミュニケータ５１４の一部である表示部にそれを表示する。

図１１に示されている装置は、図１２および１３に関連して以下に説明するように、回路５０２に保存されたトリム値Ｎ４、Ｎ２０、Ｍ４、Ｍ２０を調整するために使用されうる。

図１２は、回路出力およびドリフト出力を較正するためのフローチャートを示す。

ループに電力が供給された後、回路５０２（図１１）は、６０２において４ｍＡ電流の較正のためにコミュニケータ５１４によって設定される。技術者は、電流表示器５１２を観測し、６０８において電流表示器が４．０００ミリアンペアを示すまで、必要に応じて、６０６でコミュニケータ５１４のキーパッドを用いてトリム値Ｎ４を上下に調整またはトリムする。

次に、技術者は、６１０においてコミュニケータにドリフト出力を表示するように、キーパッドを用いてコミュニケータ５１４を調整する。ドリフト出力がゼロであれば、Ｍ４の調整は不要である。ドリフト出力がゼロ以外であれば、技術者は、回路５０２が修理を要するほどドリフト出力値が大きいかどうかを判断することができる。ドリフト出力がゼロ以外でありかつ狭い正常なドリフト範囲内であれば、技術者は、６１４において表示されているドリフトがゼロになるように、６１２においてキーパッドを用いてＭ４を調整することができる。

技術者は、６１８において回路を２０ｍＡのループ電流に較正するために、キーパッドを用いてコミュニケータを調整する。技術者は、電流表示器５１２を観測し、６２２において電流表示器が２０．０００ミリアンペアを示すまで、必要に応じて、６２０においてコミュニケータ５１４のキーパッドを用いてトリム値Ｎ２０を上下に調整またはトリムする。

次に、技術者は、６２４において２０ｍＡ電流に対するドリフト出力を表示するように、キーパッドを用いてコミュニケータ５１４を調整する。ドリフト出力がゼロであれば、Ｍ２０の調整は不要である。ドリフト出力がゼロ以外であれば、技術者は、回路５０２が修理を要するほどドリフト出力値が大きいかどうかを判断することができる。ドリフト出力がゼロ以外でありかつ狭い正常なドリフト範囲内であれば、技術者は、６２８において表示されているドリフトがゼロになるように、６２６においてキーパッドを用いてＭ２０を調整することができる。

技術者は、６３０においてコミュニケータ５１４のキーパッドを用いて回路５０２を較正モードからサービスモードに変更する。次いで、技術者は、制御ループ５０６（図１１）をサービス状態に戻すことができる。

図１３は、図１２に関連して上述したように較正が完了した後の、回路５０２の出力の較正のグラフ７００である。図１３において、縦軸７０２は、図９内のＤ／Ａ変換器３３６などのＤ／Ａ変換器に印加されるデジタル値すなわちカウントＮを示す。横軸７０４は、ミリアンペアのループ電流を示す。直線７０６は、較正が完了した後の、カウントＮの関数としてのループ電流を示す。ポイント７０８に示されているように、カウントＮ４は、Ｎ＝Ｎ４のときに、ループ電流が４．０００ミリアンペアになるように調整されている。ポイント７１０に示されているように、カウントＮ２０は、Ｎ＝Ｎ２０のときに、ループ電流が２０．０００ミリアンペアになるように調整されている。較正後、ドリフト出力は運転中に、両ポイント７０８、７１０において、またライン７０６の全範囲にわたっても実質的にゼロの値を示す。ライン７０６は、大きく拡大した場合にＤ／Ａ変換器の解像度のために階段状になることが、当業者によって理解されるであろう。

較正後しばらくしてＤ／Ａ回路のフルスケールまたはゼロ点がドリフトした場合、ドリフト出力は、非ゼロ値を示す。ドリフト出力は、ＨＡＲＴプロトコルによって電流ループを通じて制御室（またはコミュニケータ）に伝達され、そこで技術者によって観測される。技術者は、ドリフトが回路の修理を示唆するほど大きいかどうかを判断することができる。

図１４は、ドリフト出力Ｄを自動的に処理するためのフローチャート８００である。図９に示されている回路３００などの回路は、ドリフトをその複数の限度と自動的に比較しかつその複数の比較に基づいて自動的に動作を行うマイクロプロセッサシステム３３４（図９）に保存されたソフトウェアルーチンを含むことができる。図１４において８０２で開始すると、プログラムフローは計算ブロック８０４に進み、計算ブロック８０４では、Ｎが目標ループ電流を表す数値であり、Ｍが実際のループ電流を表す数値である、ドリフトＤ＝（Ｍ−Ｎ）を計算する。

プログラムフローは判断ブロック８０６に進み、判断ブロック８０６では、ドリフトＤが故障閾値よりも大きいかどうかを試験する。ドリフトＤが故障閾値よりも大きい場合、プログラムフローはブロック８０８に進み、ブロック８０８では、ドリフト故障レポートを提供する。ドリフト故障レポートは、回路に取り付けられた表示装置に表示されてもよく、あるいは、制御ループを通じて伝送されるＨＡＲＴ通信信号でもよい。故障レポートが完了した後、プログラムフローは、ライン８１０に沿って終了８２０に進む。さらに、他の警報技法および上述の報知技法が使用されてもよい。

ドリフトＤが故障限度以下である場合、プログラムフローは、判断ブロック８０６から判断ブロック８１２に進む。判断ブロック８１２では、ドリフトＤが調整閾値よりも大きいかどうかを試験する。ドリフトＤが調整閾値よりも大きい場合、プログラムフローは、ブロック８１４に進んで、必要に応じてＮ４およびＮ２０を自動的に調整し、ドリフト出力をゼロに戻す。したがって、この自動調整を含むフィールド装置は、技術者の注意なしにそれ自体を自動的に較正することができる。ブロック８１４での調整後、プログラムフローは、ライン８１６に沿って終了８２０に進む。Ｄが判断ブロック８１２において調整閾値以下である場合、プログラムフローは、ライン８１８に沿って終了８２０に進む。

図１４に示されているプログラムフローは時限間隔で実行され、したがって、時間間隔の少量のドリフトは正常であり補正されうるが、過剰な量のドリフトは報告されることになる。終了８２０の後、開始８０２に戻る前に８２２で所望の時間間隔を待つ。この待ち時間間隔は、典型的には１ヶ月であるが、他の時間間隔に調整することもできる。故障閾値および調整閾値もまた、調整することができる。

本発明では、回路は、共通する原因故障を低減するように構成される。ループ電流の測定に使用される回路は、その回路のハードウェア態様およびソフトウェア態様が互いに独立して合体するように設計されることが好ましい。例えば、別の電圧基準（ループ電流発生回路で使用される電圧基準と比べて）が使用されてもよく、あるいは様々なデータ範囲が実施されてもよい。目的は、故障がループ電流出力回路とループ電流検査回路の両方において同じ応答を引き起こす状況を回避または低減することである。例えば、同じ抵抗器がループ電流出力およびループ電流検査に使用されかつデータ範囲が同じであれば、分割抵抗器のドリフトは、各回路に同様に影響を及ぼすことになる。この状況では、ループ電流は目標値にはならず、同時に、検査回路はエラーを検出することができないであろう。

本発明では、ループ検査回路に応答して出力または動作することができる。これらには、例えば、アナログ警報を含む警報を与えること、視覚表示、デジタル表示または無線表示を与えること、誤差を補償すること（出力を補正すること）、装置を再較正するために自動較正手順を開始することなどが含まれる。ループ電流検査回路は、任意の技法に従って動作することができる。例えば、この回路は、測定された独立基準値を保存された値と比較することを含めて、測定されたループ電流をメモリに保存されたベースライン値と比較することができる。装置は、基準値から測定された出力が保存された基準値から外れていることを表示することができる。装置はまた、手動較正が行われるときに、新たな電流ループ較正データならびに新たな独立基準データを保存することもできる。ループ電流すなわち独立基準のドリフトは、装置の寿命にわたって監視することができ、ドリフトが所定の限界を超えたときに出力が提供される。限界値は、装置のメモリに保存することができる。

本発明について好ましい実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状および細部に変更を加えることができることを当業者なら理解するであろう。本明細書で使用されているように、ループ電流検査回路内の「独立した（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）」構成要素は、ループ電流出力回路でも使用されていない構成要素を含む。いくつかの実施形態では、独立した構成要素は、ループ電流検査回路に関連してのみ使用されるものであり、プロセス変数伝送器内の他の回路では使用されないものである。他の構成では、２線プロセス制御ループ内の電流を測定するかまたは検知するために使用されるループ電流検査回路で使用される構成要素のすべてが、分割電源を除いて、２線プロセス制御ループ内のループ電流を設定するために使用される回路から独立している。いくつかの構成では、ループ電流検査回路は、ループ電流を閾値と比較する。閾値は、固定または調整することができる。いくつかの構成では、閾値は、例えば２線プロセス制御ループを通じて命令を伝送することにより、遠隔で調整することができる。一構成では、本発明は、４〜２０ｍＡなどの電流調整出力（ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ｏｕｔｐｕｔ）、あるいはＦｏｕｎｄａｔｉｏｎフィールドバスまたはプロフィバスを含むフィールドバスプロトコル出力を含むフィールド装置を提供する。フィールド装置は、電圧基準または電流基準を含む電流調整出力を有し、その基準の精度および安定度は、電流調整出力の精度および安定度を少なくとも部分的に決定する。フィールド装置は、電流調整出力を生成するために使用される基準から独立した電圧基準または電流基準を含む。

プロセス配管に接続された伝送器を含むプロセス制御システムの図である。 中に搭載されている回路ブロックの一構成例を示す、伝送器の斜視図である。 伝送器の簡略ブロック図である。 ループ電流検査回路の一実施形態を示す簡略ブロック図である。 ループ電流検査回路が、抵抗器の両端間に接続されたアナログ−デジタル変換器を用いて形成されている、本発明の他の実施形態を示す簡略図である。 本発明の一実施形態の簡略電気回路図である。 ループ電流検査回路の実施形態を実施するための伝送器の電子回路をいくぶん詳細に示す図である。 ループ電流検査回路の実施形態を実施するための伝送器の電子回路をいくぶん詳細に示す図である。 ループ電流検査回路の実施形態を実施するための伝送器の電子回路をいくぶん詳細に示す図である。 ドリフト出力を生成する回路の他の実施形態を示す。 ドリフト出力を有する回路の他の実施形態を示す。 ドリフト出力を有する回路の他の実施形態を示す。 ４〜２０ミリアンペア出力およびドリフト出力を較正するための較正配置を示す。 回路出力およびドリフト出力を較正するためのフローチャートを示す。 図１２に関連して上述したように較正が完了した後の、回路の較正のグラフを示す。 ドリフト出力を自動的に処理するためのフローチャートを示す。

符号の説明

１２…伝送器、１８…２線プロセス制御ループ、２１…プロセス変数センサ、４０…機能モジュール、４２…検知モジュール、４４…マニホルドプロセスカップリング、５０…機能モジュール電子回路、５２…検知モジュール電子回路、６０…ループ電力検査回路、６４…ループ電流検査回路、７０…測定回路

Claims (14)

1. ２線プロセス制御ループにループ電流を印加するように構成されたループ電流出力回路と、
   前記印加されたループ電流の誤差を検出するために前記２線プロセス制御ループに結合されたループ電流検査回路とを具備し、
   前記ループ電流検査回路は、前記２線プロセス制御ループに直列結合された抵抗器と、該抵抗器の両端間の電圧降下の信号レベルに基づいて、前記印加されたループ電流の誤差を検出する誤差検出手段とを含むことを特徴とするプロセス制御ループ電流検査装置。
2. 前記誤差検出手段は、前記電圧降下の信号レベルが所定の誤差レベルを超えるかどうかを検出するように構成された比較器を含む、請求項１に記載のプロセス制御ループ電流検査装置。
3. 前記誤差検出手段は、前記電圧降下の信号レベルを測定するように構成されたアナログ−デジタル変換器を含む、請求項１に記載のプロセス制御ループ電流検査装置。
4. 前記比較器が、前記電圧降下の信号レベルを前記所定の誤差レベルと比較し、前記比較に関連する出力を提供する請求項２に記載のプロセス制御ループ電流検査装置。
5. 前記測定された信号レベルは、閾値と比較される請求項４に記載のプロセス制御ループ電流検査装置。
6. 前記ループ電流の誤差に相当するドリフト出力を較正するための較正装置をさらに具備した請求項１に記載のプロセス制御ループ電流検査装置。
7. 前記ループ電流の誤差に相当するドリフト出力を前記２線プロセス制御ループ上に出力する出力部をさらに具備した請求項６に記載のプロセス制御ループ電流検査装置。
8. 視覚表示出力部、デジタル表示出力部または無線表示出力部をさらに含む請求項１に記載のプロセス制御ループ電流検査装置。
9. 前記ループ電流が、前記検出された誤差に応答して補償される請求項１に記載のプロセス制御ループ電流検査装置。
10. ２線プロセス制御ループ内のループ電流を検査する方法であって、
    プロセス変数を関知し、
    前記２線プロセス制御ループ内のループ電流を前記プロセス変数の関数として調整し、
    前記２線プロセス制御ループ内のループ電流の誤差を、前記２線プロセス制御ループに直列結合された抵抗の両端間の電圧降下を検知することにより、検査することを含むプロセス制御ループ電流の検査方法。
11. 前記抵抗の両端間の電圧降下の信号レベルが、所定の誤差レベルを超えるかどうかを検出することにより、前記検査をする請求項１０に記載のプロセス制御ループ電流の検査方法。
12. 前記抵抗の両端間の電圧降下の信号レベルをデジタル化することを含む、請求項１０に記載のプロセス制御ループ電流の検査方法。
13. 前記検査が、前記電圧降下の信号レベルを前記所定の誤差レベルと比較し、前記比較に関連する出力を提供することを含む請求項１１に記載のプロセス制御ループ電流の検査方法。
14. 前記検査をするステップが、マイクロプロセッサ内で少なくとも部分的に実施されることを含む請求項１０に記載のプロセス制御ループ電流の検査方法。

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