JP4990755B2 - プログラム可能デジタル／アナログインタフェースを備えた現場装着プロセス装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロセス装置に関する。より具体的には、本発明は、現場で装着されるプロセス制御・計測装置に関する。

プロセス装置は、石油化学製品の精製、食品加工、およびその他多数のプロセスなど工業プロセスを計測および制御するために使われる。プロセス計測装置は、プロセス変数伝送器を含み、これが圧力や温度などのプロセス変数を計測し、計測した変数をプロセスコントローラに伝える。別のタイプのプロセス装置は、バルブコントローラなどのアクチュエータである。一般的に、プロセス制御は、プロセス制御ループを通して通信する送信機、アクチュエータ、およびプロセスコントローラの組合せを使用して実現される。どちらのタイプのプロセス装置もプロセスインタフェースエレメントを通じて物理的プロセスと対話する。プロセスインタフェースエレメントとは、電気信号を物理的プロセス状態に関連付ける装置であり、センサ、リミットスイッチ、バルブコントローラ、ヒータ、モータコントローラ、その他多くの装置を含む。

プロセスコントローラは、典型的には、プロセスから離れた制御室に置かれるマイクロコンピュータである。このコントローラは、プロセス計測装置からプロセス情報を受信し、適当な制御信号を１以上のプロセス制御装置に適用してプロセスに影響を与え、それによってプロセスを制御することができる。

プロセスに連結するために、送信機とアクチュエータは、一般的に現場のプロセス付近に実装される。このような物理的接近のため、プロセス装置は、多くの環境上の試練を受ける可能性がある。例えば、プロセス装置は、極端な温度、振動、腐食、引火性環境もしくはそれらの組合せ、および電気雑音の影響をしばしば受ける。このような条件に耐えるために、プロセス装置は、「現場装着」用に特別に設計される。このような現場装着装置は、防爆性に設計可能な頑丈な筐体を利用する。また、現場装着プロセス装置はまた、「本質的に安全」と言われる回路で設計可能である。この意味は、異常な条件でも、一般的に回路が火花を発生するほどの電気エネルギを帯びないということである。さらに、電気雑音の影響を減じるために通常は電気絶縁技術が採用される。以上は設計上の考慮事項のほんの数例であるが、このことが現場装着プロセス装置が他の装置とは異なるところであり、それは、センサ特性を計測し、この特性を表すデータを提供する。

上述の環境上の要因とは別に、現場装着装置にとって別の試練が配線の問題である。プロセス装置は、制御室から離れたプロセス付近に配置されるため、プロセス装置を制御室に連結するには長いワイヤの取り回しが必要なことが多い。この長い取り回しのため、敷設にコストがかかり、維持するのが難しい。

必要な配線を減らす１つの方法は、２線式プロセス装置を使うことである。これらの装置は、２線式プロセス制御ループを使って制御室に連結する。２線式装置は、プロセス制御ループから電力を受け、一般的にプロセス装置への電力供給により影響を受けない方法でプロセス制御ループを通して通信する。２線式による通信技術は、４〜２０ｍＡ信号方式、ハイウェイ・アドレッサブル・リモート・トランスデューサ（ＨＡＲＴ（登録商標））プロトコル、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバスなどが含まれる。２線式プロセス制御システムは、配線を簡素化してくれるが、このシステムでは接続される装置への電力量に制限がある。例えば、４〜２０ｍＡ信号方式に従って通信する装置は、４ｍＡを超える電流を引き出してはならない。そうでないと装置の電流消費量がプロセス変数に影響を与えることになるであろう。２線式プロセス装置の切りつめた電力予算量（badget）は、与えることができる機能を制限している。

プロセス産業の計測および制御の分野で、プロセス通信ループでデジタル通信する現場装置の開発が著しい進歩を見せているが、いまだに大きな問題も残っている。特に、現場装着プロセス装置の多くの設備は、数百とは言わないまでも数十もの様々なプロセス装置を様々な場所でプロセスと連結して、１以上のコントローラの制御下でプロセスと対話する。

現場装置がすべてアナログベースの現場装置であったのはそれほど遠い昔ではない。このため、プロセス産業のアプリケーションでは多くのアナログベースのプロセス現場装置に多大な投資がなされ、あるいはまだなされている。ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバスプロセス通信プロトコルに従って通信するものなど、高度に進化したデジタル装置の出現しても、アナログ設備の所有者は、自分たちが所有する設備全体を新技術に切り換えるには時間と投資を必要とするので、簡単に技術を採用することに幾らか失望している。

この業界には、このような設備の所有者が今もっているシステムを完全に新技術に適合させる必要なしに、デジタルプロセス制御・計測技術の実装を助長する装置又はシステムを提供する著しい必要性が存在する。

本発明の実施例は一般的に、１以上のプロセス装置からデジタル情報を受け取り、対応するアナログ出力を提供する現場装着可能プロセス装置を提供する。本発明の実施例は、現場装着プロセス装置に無線インタフェースを与えて、現場装着プロセス装置と１以上の追加装置との間で構成（configuration）又は診断情報もしくはその両方を通信できるようにすることを含む。ある実施例では、現場装着プロセス装置は、それに連結されるデジタルプロセス通信ループにより完全に電力供給される。最後に、本発明の実施例はまた、デジタルプロセス通信プロトコルに従って通信する１以上の現場装置と現場装着プロセス装置のアナログ出力との間のマッピングを生成し、現場装着プロセス装置内に格納することを含む。

慣用されているプログラム可能ロジックコントローラで使用されるものと同様な高度なユーザ生成制御アルゴリズムを実行するように適合できる図１に示す２線式現場装着可能プロセス装置１６が与えられる。実施例は、入力チャネル、出力チャネル、およびこの２つのあらゆる組合せを含むことができる。一般的に、各チャネルは、プロセス装置の他の部分とは分離されている。このような分離は、複数の入力送信機を現在制限している接地ループエラーを除去する。最後に、本発明の実施例は、２線式プロセスループ１４により全体に電力供給されるように、電力管理がなされる。これらの特徴および他の特徴は、以下に提示する図および関係する説明を精査することにより明らかになるであろう。

図１は、制御室１２とプロセス制御ループ１４とプロセス装置１６を含むプロセス制御システム１０の線図である。プロセス制御システムは、制御室１２に連結される１つのプロセス装置から構成することができるが、システム１０は、多数のプロセス制御ループで１以上の制御室に連結される数百のプロセス装置を含むこともできる。

制御室１２は、典型的には装置１６から離れて置かれ、マイクロコンピュータを含む設備である。制御室１２に配備されるユーザは、マイクロコンピュータを利用して、プロセス制御ループ１４を通して様々なプロセス装置と対話し、制御室からプロセスを制御する。明確化のために、制御室１２は１ブロックとして図示している。しかし、ある制御システムの実施例では、実際、制御室１２は、プロセス制御ループ１４をインターネットなどのグローバルコンピュータネットワークに連結して、世界中のユーザが従来のウエブブラウザソフトウェアからプロセス装置１６にアクセスできるようにされている。

ループ１４は、２線式プロセス制御ループである。多数の２線式プロセス通信プロトコルがループ１４上での通信のために存在し、また、あらゆる適当なプロトコルを使用できる。例えば、ＨＡＲＴ（Ｒ）プロトコル、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバスプロトコル、プロフィバスＰＡプロトコルを、本発明の実施例で使用できる。ループ１４は、様々な装置間の通信を提供しながら、接続されるプロセス装置に電力を供給する。

プロセス装置１６は、好ましくは適当なプラスチック材料で構成されるカバー１７とベース１９を含む。ベース１９は工業規格ＤＩＮの取付用レールと嵌り合うように適合される。以下に詳しく説明するように、装置１６は、ループ１４から電力を受けたときだけ作動し、現場装着向けに適合されている。このように、装置１６は、比較的大きな温度範囲（−４０℃から８５℃など）、機械的振動、および９０％を超える相対湿度に耐えられるように構成される。このような環境的耐性は、本明細書で後述するように、主に頑丈なコンポーネントの選択によりもたらされる。オプションの筐体１８（鎖線で図示）は、さらなる耐久性を提供し、アメリカ電気製造業者協会（ＮＥＭＡ）の筐体、又は防爆性筐体など、あらゆる周知の筐体でよい。図１に示すプロセス装置の実施例は、多数の入出力をもち、ユーザ生成制御アルゴリズムを実行するのに適したコンピューティング回路（図２に図示）を含む。アルゴリズムは、特定の入力イベントを装置１６が制御する出力に関係付ける多数の論理記述から構成される。ユーザは、装置１６とローカルにインタフェースすることによって、又は制御ループ１４を通して装置１６と通信することによって、アルゴリズムを変更することができる。アルゴリズムは、リレーラダーロジックやシーケンシャル・ファンクション・チャート（ＳＦＣ）などの従来のロジック生成ソフトウェアを使って生成できる。この意味で、装置１６は、２線式現場装着可能プログラム可能ロジックコントローラと考えることができる。説明は、図１および２に示す実施例を中心に行うが、この説明は明確化のために提供されるものであり、入力だけ、又は出力だけを採用する実施例も明らかに予想される。従来、装置１６のコンピュータ能力を備えた装置は、電力制約のために、２線式プロセス制御ループ上で作動することができなかった。

プロセス装置１６は、センサ２０、２２、２４、２６、２８、３０、並びにアクチュエータ３２および３４に連結される。センサ２０、２２、および２４は、周知のタイプの熱電対であり、様々なプロセスポイントに連結されて、各プロセスポイントでのプロセス変数に基づいて電圧信号を提供する。測温抵抗体（ＲＴＤ）２６、２８、および３０も様々なプロセスポイントに連結され、各プロセスポイントでプロセス温度に基づいた抵抗を提供する。ＲＴＤ２６は、周知の３線接続で装置１６に連結され、様々な配線構成が本発明の実施例で使えることを示す。アクチュエータ３２および３４は、プロセス装置１６に連結され、装置１６からの制御信号に基づいて、適当なバルブ、スイッチ等を作動させる。上述したように、装置１６は、ユーザ生成制御アルゴリズムを実行して、特定の入力状態を特定の出力コマンドに関連付けることができる。例えば、装置１６は、プロセス流体の温度を感知し、アクチュエータ３２は、プロセス流体に連結されたヒータを付勢して流体温度を選択されたレベルに保つようにする。

図２は、図１に示す装置１６のシステムブロック図である。装置１６は、ループコミュニケータ３６と、電源モジュール３８と、コントローラ４０と、チャネル４２、４４、４６、４８と、メモリ５２を含む。ループコミュニケータ３６は、プロセス制御ループ１４に連結され、ループ１４を通しての双方向データ通信に適合される。ループコミュニケータ３６は、従来のＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス通信コントローラ等などの周知の通信機器を含むことができる。加えて、コミュニケータ３６は、１９８８年１０月発行の「クラス1、2、3、ディビジョン１危険（分類）場所で使用する本質安全防爆構造」と題する米国産業相互保険機構の認定規格、クラス番号３６１０に規定される本質安全防爆仕様への準拠を促す適切な絶縁回路を含むことができる。

電源モジュール３８は、電源モジュール３８がループ１４から受け取った電力に基づいて装置１６のすべてのコンポーネントに電力を供給するようにループ１４に連結される。電源モジュール３８は、電源モジュール３８がすべてのコンポーネントに電力を供給することを示す１本の矢印５０をもつが、この電力は複数の電圧で供給できることに留意する必要がある。例えば、電源モジュール３８は、複数の電圧で電力を供給するスイッチ電源を含むことが好ましい。このように、Ａ／Ｄコンバータやアイソレータなどの一部のコンポーネントは４．９ボルトなどの高い電圧を受けることができるが、コントローラ４０、メモリ５２、ループコミュニケータ３６などの低電力コンポーネントは３．０ボルトなどの低い電圧を受ける。さらに、電源モジュール３８は、供給される電圧の少なくとも１つが可変ベースにできるようにまでプログラム可能であることが好ましい。電源モジュール３８の選択性能は、電力管理をしやすくする。これについては本明細書で後述する。

コントローラ４０は、メモリ５２に連結して、それに格納されているプログラム命令を実行する。メモリ５２は、シャープ・エレクトロニクスから入手可能なモデルＬＲＳ１３３１など、３．０ボルトで作動する低電力メモリであることが好ましい。加えて、メモリ５２は、フラッシュメモリと揮発性メモリの両方を１つのメモリモジュールに備える「積層」メモリにもできる。ユーザ生成制御アルゴリズム、すなわちコントローラ４０が実行する「プログラム」は、ユーザが装置１６をローカルに連結することにより、又はループ１４を通して装置１６にアクセスすることにより変更できる。ある実施例では、プログラムは、プロセスイベントの入力をコントローラ４０が決定する出力に関連付ける命令を含む。この意味で、装置１６は、プログラム可能なロジックコントローラと同様に機能し、典型的には現場装着用として十分に頑健（robust）ではなく、２線式現場装置の低電力レベルで作動もできない装置である。しかし、このようにプログラム可能ロジックコントローラの機能を与えることにより、リレーラダーロジック等など、使いやすいインタフェースを通じて高度なプロセス制御アルゴリズムを実装できる。

コントローラ４０は、モジュール３８から電力を受け取って、ループコミュニケータ３６と通信する。コントローラ４０は、イリノイ州シャンバーグのモトローラ・インクから入手可能なモデルＭＭＣ２０７５マイクロプロセッサなどの低電力マイクロプロセッサを含むのが好ましい。加えて、コントローラ４０は、コントローラ４０のクロック周波数、すなわち計算速度と電力消費量が、ループ１４を通して装置１６に送られる適当なコマンドから選択できるように、選択可能な内部クロック周波数をもつことが好ましい。クロック速度が速くなるほどコントローラ４０はより多くの電力を必要とすることになるため、コントローラ４０のクロックの選択と、電源モジュール３８がコントローラ４０に供給する電圧レベルの選択は、連係して行われるのが好ましい。このように、装置１６の処理速度と電力消費量は選択可能であり、共に変わる。

コントローラ４０は、好ましくはシンクロナス・ペリフェラル・インタフェース（ＳＰＩ）などの高速データ通信用に設計されるシリアルバスであるインタフェースバス５４を通して様々なチャネルに連結される。チャネル４２、４４、４６、および４８はそれぞれ、通信アイソレータ５６、５８、６０、および６２を通してバス５４に連結される。通信アイソレータは、好ましくは周知のオプトアイソレータであるが、コンデンサなどの適当な絶縁装置なら何でもよい。ある実施例では、チャネル４２、４４、４６、および４８は、データをパラレル形式で提供するが、パラレル・シリアルコンバータ６４を使ってデータをシリアルとパラレルとに変換する。好ましくは、コンバータ６４は、ユニバーサル非同期送受信器（ＵＡＲＴ）である。

チャネル４２は、コントローラ４０に連結され、センサ端子１〜ｎ、マルチプレクサ（ＭＵＸ）６６、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ６８、通信アイソレータ５６、パワーアイソレータ７０を含む。通信アイソレータ５６とパワーアイソレータ７０を１つの回路に組合せることが考えられる。チャネル４２は、熱電対、測温抵抗体、ひずみゲージ、圧力センサ、又はその他のセンサタイプなどの特定のセンサタイプを計測するように特別に適合される。各センサ端子は、熱電対など１つのセンサをマルチプレクサ６６に連結するように適合される。マルチプレクサ６６は、センサのうちの１つをＡ／Ｄコンバータ６８に選択的に連結して、センサ特性（熱電対の電圧）を計測し、アイソレータ５６およびＵＡＲＴ６４を通してコントローラ４０と通信する。チャネル４２の電力は、電源モジュール３８からパワーアイソレータ７０を通して受け取る。パワーアイソレータ７０は、好ましくは変圧器であるが、適当な装置なら何でもよい。当業者には、通信アイソレータ５６とパワーアイソレータ７０が協働し、チャネル４２を装置１６の残りの部分から電気絶縁することが理解されるであろう。

チャネル４４は、チャネル４２と同様であり、同様のコンポーネントには同じように番号付けがなされている。好ましくは、チャネル４４は、チャネル４２とは異なるタイプのセンサを計測するように構成される。例えば、ある実施例では、チャネル４２は、熱電対の電圧を計測するように構成され、チャネル４４は、ＲＴＤの抵抗を計測するように構成される。このため、チャネル４４の各センサ端子は、ＲＴＤに２線、３線、又は４線（ケルビン）接続で連結するように構成される。チャネル４２および４４はそれぞれ、装置１６の残りの部分とは電気絶縁されているので、第１の独立して接地されるセンサをチャネル４２に連結し、第２の独立して接地されるセンサをチャネル４４に連結しても、望ましくない接地ループエラーが発生することはない。加えて、各チャネルは、特定のタイプのセンサ用に設計されているので、Ａ／Ｄ精度や変換レートなどのパラメータをその特定のセンサタイプに合わせて調整できる。例えば高精度用に設計されたチャネルは、正確さは非常に高いが変換レートが比較的遅く構成されるＡ／Ｄコンバータを採用するであろう。逆に、素早く変化しうるプロセス変数を計測するセンサ用に設計されるチャネルは、低精度で高速のＡ／Ｄコンバータを採用できる。本質的に、どのようなセンサ入力も、コントローラ４０から受け取る構成情報に基づいて、抵抗タイプのセンサの動作を電圧タイプのセンサの動作に切り換えることができる。コントローラ４０は、ループ１４を通して、又はローカル入力（図示せず）から受け取った情報に基づいて、構成情報を提供できる。さらに、コントローラ４０は、構成情報をチャネルに提供して、各チャネル用の、又は各センサ用のアナログ／デジタルサンプリングレートを調整できる。このことは、プロセスに関して分かっている情報に基づいてセンサの変化率が予想される場合に特に有利である。

チャネル４６は、チャネル４２および４４と同様であるが、チャネル４６は、デジタル入力を受信するように構成されているので、アナログ／デジタルコンバータが含まれていない。図示するように、入力１〜ｎは、選択された入力の信号を通信アイソレータ６０およびＵＡＲＴ６４を通してバス５４に送るマルチプレクサ６６に連結される。ある実施例では、入力レベルは、デジタル入力がアイソレータ６０を通してＵＡＲＴ６４に直接提供できるようなものである。デジタル入力は、一般的にリミットスイッチのコンタクトクロージャのようなロジックタイプの信号を表す。しかしながら、デジタル入力１〜ｎを他のプロセス装置のデジタル出力に連結して、入力がアラームや他のブール型信号などのロジック信号を表すようにすることもできる。

チャネル４８は、チャネル４６と同様であるが、本質的にチャネル４６とは逆に動作する。このため、ＵＡＲＴを通してチャネル４８に送られるシリアル情報は、パラレル形式に変換され、通信アイソレータ６２を通して送られて、個々のアクチュエータの出力を設定する。こうして、ロジック信号は、ＡＣＴＵＡＴＯＲ１〜ｎのラベルの付いた端子に送られ、これらの端子（図示せず）に結合されたアクチュエータが所望どおりに作動あるいは不作動になるようにする。このアクチュエータは、バルブコントローラ、ヒータ、モータコントローラ、および他のあらゆる適当な装置なら何でもよい。本質的に、ロジックタイプ出力に基づいてアドレス指定できる装置ならどれでもアクチュエータとなる。

図３は、本発明の実施例に従う現場装着プロセス装置を用いてプロセス変数を提供する方法のシステムブロック図である。この方法はブロック８０から始まり、そこで現場装着可能プロセス装置は、２線式プロセス制御ループにより全体的に電力供給される。ブロック８２で、プロセス装置は、第１の絶縁入力チャネルを通して第１のセンサに連結される。センサ信号は、第１の絶縁入力チャネルを通して取得され、その信号は、プロセス変数を表す。ブロック８４で、プロセス装置は、第２のセンサ信号を取得するために、第２の絶縁入力チャネルを通して第２のセンサに連結される。第１および第２の入力チャネルは絶縁されているので、第１および第２のセンサの独立した接地は、望ましくない接地ループエラーを引き起こさない。ブロック８６で、プロセス装置は、センサ信号の一方又は両方に基づいてプロセス変数を計算する。なお、この方法は、２つのセンサに関して述べているが、多数の追加のセンサを使用して、プロセス変数があらゆる数のセンサ信号の関数となるようにできる。例えば、プロセス装置は、センサの値を平均化したり、それらの差、標準偏差、又はその他のあらゆる適切な関数を提供したりできる。ブロック８８で、計算したプロセス変数を出力する。この出力は、プロセス制御ループを通して送られる情報、ローカルディスプレイ、又は出力チャネルを通して生起されるローカル出力の形態をとることができる。

図４は、本発明の実施例に従う現場装着プロセス装置を動作させる方法のシステムブロック図である。ブロック８０で、装置は、２線式プロセス制御ループにより全体的に電力供給される。ブロック９２で、装置は、入力を受信する。この入力は、上述した複数の絶縁入力チャネルのような入力チャネルを通して受信する信号の形態、２線式プロセス制御ループを通して受信するプロセス情報の形態、ローカル入力の形態、又は入力信号と情報のあらゆる組合せとすることができる。ブロック９４で、装置は、ユーザプログラム可能ロジックを実行して、入力情報を１以上のプロセス出力に関係付ける。ユーザプログラム可能ロジックは、ラダーロジック、ＳＦＣ、ファジーロジック、適応制御、又はニューラルネットワーク等の単純な、もしくは複雑なアルゴリズムにできる。ブロック９６で、装置は、ユーザプログラム可能ロジックの演算を介して決定された出力を提供する。この出力は、デジタルもしくはアナログいずれのローカル出力でもよく、あるいはこの出力を２線式プロセス制御ループを通して情報として送ることができる。

図５は、本発明の実施例に従う現場装着可能プロセス装置のシステムブロック図である。現場装着可能プロセス装置１１６は、装置１６と数多くの類似点を有するので、同様のコンポーネントには同じように番号付けしている。装置１１６と装置１６の主な違いは、装置１１６は、コントローラ４０から受信する制御信号に基づいて、アナログ出力信号を生成するように構成される多数のアナログ出力１１８をもつように構成されることである。チャネル又はモジュール１４２、１４４、１４６および１４８の各々は、装置１１６の残りの部分から分離するのが好ましい。非常に有用なアナログ信号の１つのタイプは、４〜２０ｍＡ信号の生成又は制御である。これは、旧型の多くのプロセス装置および制御システムが４から２０ｍＡの範囲の電流値としてプロセス変数を伝えるためである。

モジュール１４２は、マルチプレクサ６６を通してデジタルアナログコンバータ１３０に連結される４つのアナログ出力１１８を含む。デジタルアナログコンバータ１３０は、コントローラ４０からデジタル信号を受信し、それに応答してデジタル入力に関係付けられるアナログ出力を生成する装置であれば何でもよい。マルチプレクサ６６は、コントローラ４０と通信し、１以上の選択されたアナログ出力１１８をデジタルアナログコンバータ１３０に選択的に連結する。

モジュール１４４は、上述のアナログ入力モジュールと同様である。しかし、アナログ入力１１９の各々は、そこを通る電流の流れを受けるように構成される。マルチプレクサ６６は、アナログ／デジタルコンバータ６８をコントローラ４０により選択された１以上の入力１１９に連結する。アナログ／デジタルコンバータ６８は、選択された入力１１９を通して流れる電流に関係付けられたコントローラ４０に指示を与える。４〜２０ｍＡアナログ入力の使用は、装置１１６がアナログ制御信号またはプロセス変数情報を受信し、また、受信したアナログ入力に基づいてその動作を適合あるいは修正できるようにする。このように、装置１１６は、アナログ分散制御システム（ＤＣＳ）から、設定点のようなアナログ情報を受け取ることができる。代わりに、以下詳しく説明するように、このような情報は、無線通信モジュール１２０を通して装置１１６に送ることもできる。これは、アナログ又は無線周波数デジタル信号のいずれかの信号などを用いて、ＤＣＳが最終制御エレメントに信号を送ることができるようにする。

モジュール１４８は、１つの重要な違いを除き、アナログ出力モジュール１４２および１４８と同様である。モジュール１４８は、ハイウェイ・アドレッサブル・リモート・トランスデューサ（ＨＡＲＴ）通信チップ１５０を含む。ＨＡＲＴは、デジタル信号を４〜２０ｍＡ電流信号などのアナログ信号に重畳できるハイブリッドプロトコルである。ＨＡＲＴは、周知のプロセス業界の標準的な通信プロトコルである。アナログ出力１５２の各々は、ＨＡＲＴ装置に連結できる。図５は、２つのアナログ出力モジュールと、１つのアナログ入力モジュールと、１つのＨＡＲＴモジュールをもつ現場装着可能プロセス装置を図示するが、他の組合せも本発明の実施例に従い使用できる。

装置１１６は、アンテナ１２２を通して無線データを送受信する無線通信モジュール１２０も含むことが好ましい。無線通信モジュール１２０は、コントローラ４０に連結されて、コントローラ４０からのコマンド又はデータもしくはその両方に基づき、アンテナ１２２を介して外部の無線装置と対話する。無線通信モジュール１２０は、プロセス関連の情報および装置関連の情報も通信できる。アプリケーションによって、無線通信モジュール１２０を適当な無線通信プロトコルに従い通信するよう適合させることができる。適当な通信プロトコルには、無線ネットワーク技術（ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ カリフォルニア州アーバインのリンクシス社が構築した無線アクセスポイントと無線ネットワーキング装置など）、セルラー又はデジタルネットワーキング技術（カリフォルニア州サンホゼのエアリス・コミュニケーションズ・インク社のＭｉｃｒｏｂｕｒｓｔ（登録商標）など）、超広帯域、フリースペースオプティクス、モバイル通信用グローバルシステム（ＧＳＭ）、一般パケットラジオサービス（ＧＰＲＳ）、符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）、スペクトラム拡散技術、赤外線通信技術、ＳＭＳ（ショートメッセージサービス／テキストメッセージング）、又はその他の適当なあらゆる無線技術を含むが、これだけに限定されない。さらに、周知のデータ衝突技術を採用して、複数のユニットが互いの無線の動作範囲内で共存できるようにすることもできる。この衝突防止は、多数の異なる無線周波数チャネル又はスペクトラム拡散技術もしくはその両方の使用を含むことができる。

無線通信モジュール１２０は、複数の無線通信方法のトランスデューサを含むこともできる。例えば、一次的な無線通信をＧＳＭやＧＰＲＳなどの相対的に長距離の通信方法を使用して行い、二次的なもしくは追加の通信方法を、例えばＩＥＥＥ８０２．１１ｂ又はブルートゥースを使って、ユニット付近の技術者もしくはオペレータのために設けることができる。

ある無線通信モジュールは、全地球測位システム（ＧＰＳ）と対話できる回路を含むことがある。ＧＰＳは、モバイル機器が遠隔地で個々の装置１１６を見つけることができるように、装置１１６に有利に採用できる。しかし、他の技術に基づいた位置感知も同様に使用することができる。

デジタルプロセス装置からアナログベースのプロセス装置（４〜２０ｍＡループなど）にプロセス情報を送るために、装置１１６は、メモリ５２又はその他の適当なメモリに、プロセス業界基準の通信ループを介してもしくは無線通信モジュール１２０を通してループコミュニケータ３６に連結される１以上の装置間のマッピングを格納する。例えば、マッピングは、ループコミュニケータ３６に連結されたＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス温度送信機によって与えられるプロセス流体の温度出力が特定のアナログ出力１２４および１２８に送られなければならないことを指示するエントリーを含む。さらに、マッピングは、アナログ出力を設定する前に、装置１１６がフィールドバス温度情報を受け取った時点で実行する追加のハードコード化された又はユーザ指定操作を含む。例えば、コミュニケータ３６又は無線通信モジュール１２０を通して装置１１６と対話することによって、ゲイン又はスパンもしくはその両方がプログラムで設定又は変更される。

マッピングは、（ループコミュニケータ３６又は無線通信モジュール１２０を通して）あらゆる接続装置に関する知識をもつユーザ又は技術者によって生成されるのが好ましい。このような知識を得ることは、技術者が装置１１６にローカルに情報を与えるのと同様に簡単なことであり、それは、自動検出でも得られる。ある実施例では、装置１１６のユーザは、適切な何らかの無線通信技術を使って、無線通信モジュール１２０を通して装置１１６と対話する。また、装置１１６は、その構成又は診断情報もしくはその両方を、無線通信モジュール１２０を通して適当な何らかのフォーマットでユーザに提示できる。ある具体的なフォーマットは、装置１１６が基本的にウエブインタフェースを技術者に提供するＨＴＭＬのフォーマットである。

技術者が装置１１６と対話し、接続装置に関する知識が得られたら、装置は、特定のデジタルプロセス装置からのプロセス変数情報（ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス送信機からＡＩ出力を取得するなどによる）と、装置１１６の特定のアナログ出力とのマッピングを生成するのが好ましい。ある実施例では、装置１１６は、８つのデジタルプロセス装置を８つの異なる４〜２０ｍＡのアナログ出力に関係付けるマッピングを格納できる。しかし、当業者には、本発明の実施例に従い、これより多い又は少ないマッピングを使用できることは理解されるであろう。加えて、各アナログ出力は、１つのパラメータ（４から２０ｍＡまでの特定の電流など）のみを伝えることができるので、ループコミュニケータ３６を通して装置１１６によって受け取られる追加情報は、無線通信モジュール１２０を通して適当などんな装置にも送ることができる。このように、装置１１６内に格納されるマッピングは、所定のデジタルプロセス装置からの情報（プロセス温度など）を特定のアナログ出力に関係付けることができ、その同じデジタルプロセス装置からの追加情報は、モジュール１２０を通してマップで指定される１つ又は複数の装置に伝えられる。このように、デジタルプロセス装置から入手できる追加の診断その他の情報は、無線でＤＣＳ又はその他のワークステーションに伝送できる。

図６は、複数のデジタルプロセス装置と分散制御システム（ＤＣＳ）と共に動作する現場装着可能プロセス装置のシステムブロック図である。現場装着可能プロセス装置１１６は、４つの異なるアナログ通信パスを介してＤＣＳ２００に連結される。装置１１６は、アナログ出力ＡＯ１、ＡＯ２、およびＡＯ３をＤＣＳ２００に提供するとともに、ＤＣＳ２００からのアナログ信号をアナログ入力ＡＩｎ１を介して受信する。装置１１６は、ループコミュニケータ３６（図５に図示）を通してフィールドバスネットワーク２０２に連結される。図６に図示する例では、４つのデジタルプロセス装置は、フィールドバスネットワーク２０２にも連結される。装置Ｄ１は、プロセス流体に作動的に連結して、ネットワーク２０２を通してプロセス流体の温度に関するデジタルデータを送信するプロセス流体温度送信機である。装置Ｄ２は、プロセス流体に作動的に連結されて、ネットワーク２０２を通してプロセス流体の圧力に関するデジタルデータを送信するプロセス流体圧力送信機である。装置Ｄ３は、プロセス流体に作動的に連結されて、ネットワーク２０２を通してプロセス流体のｐＨに関するデジタルデータを送信するプロセス流体ｐＨ送信機である。装置Ｄ４は、ネットワーク２０２を通して受信した情報に応答して、それに連結されるバルブを制御するプロセス流体バルブコントローラである。

図７は、本発明の実施例に従う例示的なマップの線図である。マップ３００は、装置１１６に伝送でき、又はシステム構成中にその内部に生成できる。マップ３００は、装置１１６内の、好ましくは揮発性の、コンピュータ読取可能媒体（メモリなど）に格納されて、特定の装置からのデジタル情報をアナログ入出力に関係付ける。例えば、マップ３００は、装置Ｄ１がアナログ出力ＡＯ２にマッピングされていることを示す。このように、ループ２０２を通してＤ１から伝えられるプロセス流体の温度情報は、装置１１６で受け取られて、アナログ出力ＡＯ２上に与えられるアナログ出力に変換され、最終的にＤＣＳ２００により受け取られる。さらに、装置Ｄ２およびＤ３がそれぞれ計測して伝えたプロセス流体の圧力とｐＨは、それぞれアナログ出力ＡＯ３およびＡＯ１上のアナログ信号に変換される。このように、ＤＣＳは、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバスの信号を受信又は理解できなくても、重要なプロセス変数情報を受け取ることができる。ＤＣＳ２００がその制御出力を計算もしくは取得すれば、アナログ制御出力は、装置１１６のアナログ入力ＡＩｎ１を介して装置１１６に送られる。装置１１６は、さらにアナログ信号を、アナログ制御信号に効果を与えるＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス信号に変換し、デジタル信号をループ２０２を通してバルブコントローラＤ４に送る。

マップ３００は、装置１１６とローカルに対話することにより、又はその無線通信モジュール１２０を介して、ユーザもしくは現場技術者が変更することもできる。事実、ＨＡＲＴ互換装置が装置１１６のアナログ出力モジュールに連結される実施例では、ＨＡＲＴ互換装置を装置１１６の無線通信モジュール１２０を介して遠隔で構成できる。

図８は、本発明の実施例に従う、多数のセンサの計測値をＤＣＳの４〜２０ｍＡアナログ入力に多重化および逆多重化するために使う３つの現場装着可能プロセス装置の線図である。システム４００は、デジタルプロセス通信ループ２０２を通して別の現場装着可能プロセス装置１１６に連結される一対の現場装着可能プロセス装置１６（図２に関して上述した）を含む。そのように構成される場合、装置１１６は、読みとるために、装置１６とそれに連結された特定のセンサを選択して要求できる。その後、測定結果は、アナログ電流に変換され、ＤＣＳ２００に与えられる。装置１１６は、無線通信モジュール１２０（図８では図示せず）を介して追加データを送ることもできる。

ここまでの説明は、個別のデジタルプロセス装置を現場装着可能プロセス装置の個々のアナログ入力又は出力にマッピングすることを中心に取り上げてきたが、本発明の実施例は、１つのデジタルプロセス装置が提供する複数のパラメータを複数のアナログ入力／出力にマッピングすることも含まれる。例えば、プロセス流体温度送信機は、第１のアナログ出力にマッピングされるプロセス変数出力を持ち、一方、第２のアナログ出力にマッピングされる計測信頼性などの別の数量を持つことができる。

本発明の実施例によれば、アナログベース制御システムを新型のデジタルプロセス装置と対話させることができる。また、プロセス変数以外のデジタル情報は、１つ又は複数の選択可能なデジタル装置に与えられ、それによってデジタル通信プロセス装置のデジタル通信能力を利用することができる。

本発明は、４つのチャネルを備えた２線式プロセス装置の実施例を参照して説明してきたが、当業者には添付の請求項で定義される発明の精神および範囲を逸脱することなく、形態および細部に変更を行えることは理解されるであろう。例えば、様々なモジュールを個別に図示および説明してきたが、いくつかのモジュールは特定用途向け集積回路として、物理的に一緒に具現できることは明らかである。また、コントローラ４０は、単一のモジュールとして説明したが、その機能を複数のマイクロプロセッサに分散して、第１のマイクロプロセッサが校正、線形化等の低レベルＩ／Ｏインタラクションを提供する一方で、第２のマイクロプロセッサがユーザ生成制御アルゴリズムを実行するようにすることもできる。さらに、説明では開示されたチャネルを通して提供される入出力を中心に取り上げたが、あるプロセス入力又はプロセス出力は、プロセス制御ループを通して他のプロセス装置とやりとりできることは明らかである。

本発明の実施例に従う２線式現場装着プロセス装置を採用したプロセス制御システムの線図である。 図１に示すプロセス装置のシステムブロック図である。 本発明の実施例に従う現場装着プロセス装置を用いてプロセス変数を提供する方法のシステムブロック図である。 本発明の実施例に従う現場装着プロセス装置を動作させる方法のシステムブロック図である。 本発明の実施例に従う現場装着可能プロセス装置のシステムブロック図である。 複数のデジタルプロセス装置と分散制御システム（ＤＣＳ）と共に動作する現場装着可能プロセス装置のシステムブロック図である。 本発明の実施例に従う例示的なマップの線図である。 本発明の実施例に従う多数のセンサ計測値をＤＣＳの４〜２０ｍＡアナログ入力に多重化および逆多重化するために使う３つの現場装着可能プロセス装置の線図である。

符号の説明

１０……プロセス制御システム、 １２……制御室、 １４……プロセス制御ループ、 １６……プロセス装置、 １７……カバー、 １８……オプションの筐体、 １９……ベース、 ２０，２２，２４……センサ、 ２６，２８，３０……測温抵抗体（ＲＴＤ）、 ３２、３４……アクチュエータ、 ３６……ループコミュニケータ、 ３８……電源モジュール、 ４０……コントローラ、 ５２……メモリ、 ５４……インタフェースバス、 ５６，５８，６０……通信アイソレータ、 ６４……パラレル・シリアルコンバータ、 ６６……マルチプレクサ、 ６８……Ａ／Ｄコンバータ、 ７０……パワーアイソレータ、 １１８……アナログ出力、 １１９……アナログ入力、 １２０……無線通信モジュール、 １２２……アンテナ、 １２４，１２８……アナログ出力、 １３０……デジタルアナログコンバータ、 １４２，１４４，１４６，１４８……チャネル又はモジュール、 １５０……ハイウェイ・アドレッサブル・リモート・トランスデューサ（ＨＡＲＴ）通信チップ、 １５２……アナログ出力

Claims (18)

1. プロセス現場付近での実装に適合するように構成されたプロセス装置であって、
   プロセス通信ループに連結され、該プロセス通信ループを通してデジタル通信するように構成されたループコミュニケータと、
   前記プロセス通信ループに連結されたデジタルプロセス装置に関連する第１のデジタルパラメータを第１のアナログモジュールの第１のアナログ出力に関係付け、第２のデジタルパラメータを第２のアナログモジュールの第２のアナログ出力に関係付けるマップを格納するように構成されたメモリと、
   前記ループコミュニケータに連結され、前記メモリに格納されたマップを用いて、前記第１のデジタルパラメータと前記第１のアナログ出力に関連付けられた第１のアナログ信号情報とを変換し、前記第２のデジタルパラメータと前記第２のアナログ出力に関連付けられた第２のアナログ信号情報とを変換するように構成されたコントローラと、
   前記コントローラに作動的に連結され、前記第１のアナログ信号情報に関連付けられた第１のアナログ信号を分散制御モジュールとの間で送受信するように構成された第１のアナログモジュールと、
   前記コントローラに作動的に連結され、前記第２のアナログ信号情報に関連付けられた第２のアナログ信号を前記分散制御モジュールとの間で送受信するように構成された第２のアナログモジュールとを有することを特徴とするプロセス装置。
2. 前記第１のアナログモジュールは、アナログ出力モジュールである請求項１のプロセス装置。
3. 前記第２のアナログモジュールは、アナログ出力モジュールである請求項２のプロセス装置。
4. 前記第２のアナログモジュールは、アナログ入力モジュールである請求項２のプロセス装置。
5. 前記第１および第２のアナログモジュールは、アナログ入力モジュールである請求項１のプロセス装置。
6. 前記プロセス通信ループに連結され、該ループから受ける電力で装置に全体的に電力供給するように構成された電源モジュールをさらに有する請求項１のプロセス装置。
7. 前記コントローラに連結された無線通信モジュールをさらに有する請求項１のプロセス装置。
8. 前記無線通信モジュールは、自プロセス装置を構成するための情報を受ける請求項７のプロセス装置。
9. 前記無線通信モジュールは、前記ループコミュニケータを通して受け取った追加のデジタル情報を送信する請求項８のプロセス装置。
10. 前記マップは、変更可能である請求項１のプロセス装置。
11. 前記マップは、前記無線通信モジュールを介して変更可能である請求項１０のプロセス装置。
12. 前記第１のアナログモジュールは、４〜２０ｍＡアナログ信号を第１のアナログ信号情報に関係付ける請求項１のプロセス装置。
13. 前記コントローラは、さらに第１のパラメータの演算を実行するように構成された請求項１のプロセス装置。
14. 前記第１のパラメータの演算の実行は、前記マップの中で指定される請求項１３のプロセス装置。
15. 前記コントローラは、プロセスを制御するための制御出力を生成する請求項１のプロセス装置。
16. 前記制御出力は、前記ループコミュニケータを通して送出される請求項１５のプロセス装置。
17. 前記第１のデジタルパラメータは、前記プロセス通信ループに連結される第１のデジタルプロセス装置に関連し、前記第２のデジタルパラメータは、前記プロセス通信ループに連結される第２のデジタルプロセス装置に関連する請求項１のプロセス装置。
18. プロセス現場付近での実装に適合するように構成されたプロセス装置内のコンピュータ読取可能媒体であって、コンピュータに
    プロセス通信ループを通してデジタル通信する第１の手順、
    前記プロセス通信ループに連結されたデジタルプロセス装置に関連する第１のデジタルパラメータを第１のアナログモジュールの第１のアナログ出力に関係付け、第２のデジタルパラメータを第２のアナログモジュールの第２のアナログ出力に関係付けるマップを用いて、前記第１のデジタルパラメータと前記第１のアナログ出力に関連付けられた第１のアナログ信号情報とを変換し、前記第２のデジタルパラメータと前記第２のアナログ出力に関連付けられた第２のアナログ信号情報とを変換する第２の手順、
    前記第１のアナログ信号情報に関連付けられた第１のアナログ信号を前記第１のアナログモジュールと分散制御モジュールとの間で送受信する第３の手順、
    前記第２のアナログ信号情報に関連付けられた第２のアナログ信号を前記第２のアナログモジュールと前記分散制御モジュールとの間で送受信する第４の手順を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能媒体。

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