JP5057140B2

JP5057140B2 - フィールド機器

Info

Publication number: JP5057140B2
Application number: JP2007148087A
Authority: JP
Inventors: 勇作吉田; 広樹吉野
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: JP2008301675A

Description

本発明は、フィールド機器に関し、詳しくは、駆動電源に関するものである。

フィールド機器は、プロセス制御システムにおける現場設置計器として、いろいろなものが用いられている。
図９はプロセス制御システムの一例を示すブロック図である。図９において、プロセス流体が流れる配管１には、プロセス流体の流量を測定するために、オリフィスプレート２とオリフィスプレート２の上下流の圧力差を測定する差圧式伝送器３が設けられている。配管１には、この他、コントロールバルブの開閉を制御するバルブポジショナ４や、配管１を流れるプロセス流体の圧力、温度、流量などを測定して測定値を表示する現場指示計５が設けられている。

差圧式伝送器３とバルブポジショナ４は、無線通信機能を有するものであり、無線６を介してゲートウェイなどの中継器７との間で信号の授受を行う。中継器７はイーサネット(登録商標)などのネットワーク８を介して分散制御システム(ＤＣＳ)やプログラマプルロジックコントローラ(ＰＬＣ)などの制御計算機９に接続されている。

制御計算機９は、中継器７を介して差圧式伝送器３やバルブポジショナ４との間で信号の授受を行うことにより、プロセス流体の測定値を取り込んだり、差圧式伝送器３やバルブポジショナ４を設定制御するための制御信号を送信したり、アラーム情報の監視などを行う。

現場指示計５は、測定現場において作業者が測定値を読み取り確認するために設けられるものであり、一般的には無線通信は行わない。常時電源が供給されていてプロセス流体を常時測定表示するものや、長大なパイプライン用などのように作業者が現場を巡回したときのみ電源を入れて測定表示させるものがある。

なお、これら差圧式伝送器３とバルブポジショナ４および現場指示計５は、４〜２０ｍＡ計装のような２線式線路による電源供給を受けないで、電池などの個別電源により駆動されるものである。

図１０は、無線式伝送器として構成されている差圧式伝送器３の一例を示すブロック図である。配管１内を流れるプロセス流体の圧力、温度、流量などのプロセス量１０はセンサモジュール１１によって検出され電気信号に変換され、測定部１２に入力される。

測定演算部１２はマイクロプロセッサやＲＡＭやＥＥＰＲＯＭなどで構成されたものであり、センサモジュール１１によって検出されたプロセス量１０を変換補正してユーザーにより指定されるたとえば％値などのスケーリング値に換算するとともに、センサモジュール１１などの周辺デバイスの制御や診断も行う。

無線通信部１３は、図９に示す中継器７との間で無線６を介して信号の授受を行うものであり、測定演算部１２で演算された計測量やスケーリング値や測定演算部１２による伝送器の診断情報を中継器７に送信し、制御計算機９から送信される設定内容を測定演算部１２に伝達する。なおこの無線通信部１３には必要に応じて測定演算部１２とは別に演算手段や記憶手段などが設けられることもある。

表示部１４はＬＣＤなどで構成される外部指示計であり、測定演算部１２で演算された計測量やスケーリング値を表示する。

電池電源モジュール１５は装置を構成するセンサモジュール１１、測定演算部１２、無線通信部１３、表示部１４などの各部を駆動のための電源を供給するものであり、たとえばリチウム電池などの容量が大きくて放電末期までの電圧降下が少なく、自己放電も少なくて寿命の長いものが用いられる。

特許文献１には、電源として太陽電池パネルを設けたフィールド機器の構成が記載されている。

米国特許第５４９５７６９号明細書

しかし、電池電源モジュール１５として用いられる電池の寿命は、汎用的な価格や容量のものは数年程度であって、その都度電池の交換や充電が必要になる。

ところが、フィールド機器の設置場所は、腐食性や爆発性ガスなどが存在する危険性雰囲気や高所など作業しにくい場所が多く、電池の交換には危険性に対する心理的圧迫なども含め作業者にかなりの負担を強いることになり、電池の保守作業はコスト増の要因になっている。

また、電池の寿命対策として、間欠的に電源を供給して駆動するフィールド機器も提案されているが、配管１内を流れるプロセス流体が短時間に激しく変化する場合には、測定検出精度が低下したり、過大圧などの異常状態が発生した場合に見逃すおそれがあり、好ましくない。

特許文献１に開示されているような太陽電池パネルを電源とするフィールド機器については、フィールド機器の設置場所には採光の不十分な所も多く、安定した発電量を確保するためには比較的広いスペースを必要とし、受光面が汚れやすい環境には不向きであることなどから、設置場所はかなり制限されることになる。

本発明は、これらの従来の問題点に着目したものであり、その目的は、電源に関する保守作業が不要で、設置場所の制限も少ないフィールド機器を提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
現場設置計器として用いられるフィールド機器であって、
振動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電部から得られる電気エネルギーで駆動するように構成され、前記振動発電部から得られる電気エネルギーを蓄える二次電池を有し、前記振動発電部が外部または内部に取り付けられているフィールド機器において、
前記振動発電部から得られる電気エネルギーに基づき、前記フィールド機器に加わる振動の異常の有無を検出する手段を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のフィールド機器において、
前記振動発電部が、前記フィールド機器に着脱可能な無線通信モジュールに設けられていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載のフィールド機器において、
複数の振動発電部が並列に接続された充電−供給手段から、駆動電力が供給されることを特徴とする。

これらにより、電源に関する保守作業が不要で、必要な任意の場所に設置できる自由度の高いフィールド機器が実現できる。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図である。本発明に係る伝送器１００は、配管１に取り付けられるものである。伝送器１００の配管１への取付部２３には配管１に発生する振動２４を電気信号に変換する振動発電部２２が設けられ、振動発電部２２から変換出力される電気信号はコネクタ２１を介して伝送器本体に入力されて電力として蓄えられるとともに、内部の各部に電力供給を行うように構成されている。

なお、配管１には、キャビテーションや蒸留塔の気柱振動などのプロセス条件に依存する振動や、プロセス流体を流すためのコンプレッサやポンプによる振動、石油や天然ガスの採掘や噴出によって発生する振動など、数多くの振動源が存在する。

図２は振動発電部２２の具体例を示す構成図である。図２において、円筒形のコイル２２１は、円筒形のマグネット２２２の軸方向に沿って移動可能に、バネ２２３を介して外部磁極２２４に保持されている。これにより、円筒形のコイル２２１は、外部から加えられる振動２４に応じて、円筒形のマグネット２２２の軸方向に沿って往復移動する。

このとき、円筒形のコイル２２１は、円筒形のマグネット２２２と外部磁極２２４により形成されている磁界中を運動することから、次式で与えられる電圧Ｖを発生する。
Ｖ（電圧）＝ｖ（速度）＊Ｂ（磁束）＊ｌ（コイル配線長さ）
発生した電圧Ｖは、コネクタ２２５を介して伝送器本体に供給される。

図２では振動発電部２２は可動コイル型加速度計の電磁誘導による例を示したが、運動エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであればよく、たとえばＭＥＭＳ加工技術によりフッ素系樹脂に電子を打ち込んで安定化させたエレクトレットを用いた静電誘導による発電器であってもよい。

図３は本発明に係るフィールド機器のシステム構成例を示すブロック図である。振動発電部２２から出力される交流信号は整流部３１に入力されて直流に変換され、蓄電部３２に電荷を蓄える。蓄電部３２に蓄えられた電荷は、昇圧部３３を通って二次電池３４に蓄えられる。二次電池３４に蓄えられた電荷は、電源供給部３５からセンサモジュール１１、測定演算部１２、無線通信部１３、表示部１４などの各部に供給される。

二次電池３４に蓄えられる電力は、保護部３６によりモニタされている。また、保護部３６は、蓄える電力を調整するために、整流部３１の駆動と停止を制御するための制御手段を有する。なお、これらブロック図の一部機能を振動発電部２２に組み込むようにしてもよい。

図９に示す差圧式伝送器３やバルブポジショナ４や現場指示計５などのフィールド機器に、配管１に発生する振動２４を電気信号に変換する振動発電部２２を組み込むことにより、一次電池の代わりもしくは補助電源として駆動させることができ、従来構成に比べて電池交換を不要ないしは交換回数を大幅に少なくすることが可能となる。

また、フィールド機器の一般的な設置場所として考えられる腐食性や爆発性ガスなどが存在する危険性雰囲気や高所など、作業しにくい場所での電池の交換回数を減らしたり無くすることができ、作業者の負担軽減が図れるとともに危険性を緩和でき、コスト低減も図れる。

また、間欠駆動による電池の寿命対策も不要になって連続駆動が行えることから、短時間で変化の激しいプロセス流体に対する測定精度の劣化や過大圧発生などの異常状態の見逃しなども生じるおそれはなく、安定したプロセス制御が期待できる。

さらに、太陽光発電が困難な採光不十分な場所や、太陽電池パネルを設置するスペースの無い場所、汚れの多い環境などであっても十分な電力供給が可能である。

図４は本発明の他の実施例を示す部分断面構成図である。図４において、伝送器本体の内部には、二次電池４１とＭＥＭＳ加工技術により製造された振動発電部４２とを搭載した充電基板４３が収納されている。

このような構成によれば、振動発電部４２は充電基板４３に直接実装されているので図１のような接続用コネクタ２２やケーブルは不要になり、着脱接続部品に起因する不安定要素を削減できることから、安定性・信頼性を高めることができる。

図５は充電機能付無線通信モジュールを搭載したフィールド機器の構成図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は充電機能付無線通信モジュールを取り外してＡの方向より見た内部図を示している。図６は充電機能付無線通信モジュールの構成図である。

図５のフィールド機器は、充電機能付無線通信モジュール５１を無線による通信のできない伝送器本体５２に取り付けることにより、無線伝送器に拡張したものである。充電機能付無線通信モジュール５１と伝送器本体５２は、接続用配線５３を介して電気的に接続される。

図６において、充電機能付無線通信モジュール５１は、無線回路モジュール５１１、アンテナ５１２、固定用フランジ５１３、固定用ナット５１４および組付用ケース５１５により構成される。

伝送器本体５２への充電機能付無線通信モジュール５１の組付けについて説明する。まず、組付用ケース５１５を伝送器本体５２に組付ける。次に、無線回路モジュール５１１とアンテナ５１２と固定用フランジ５１３を一体に組付けた部品のコネクタ５１６と、事前に伝送器本体５２と接続した接続用配線５３をつなぐ。この状態で、アンテナ５１２の向きを調整し、固定用ナット５１４を用いて組付用ケース５１５に取り付ける。

このような構造と組立方法を用いることにより、充電機能付無線通信モジュール５１を伝送器本体５２に取りつけるのにあたり、伝送器本体５２からの接続配線をねじ切ることが防止できる。

また、充電機能付無線通信モジュール５１は伝送器本体５２の背面の蓋を交換する作業のみで取り付けることができ、無線による通信ができない伝送器を簡単に無線通信可能な伝送器に機能拡張できる。

なお、無線回路モジュールは、充電用回路基板５１７、振動発電部５１８、二次電池５１９、ＭＰＵ基板５２０などで構成される。充電用回路基板５１７には、振動発電部５１８、二次電池５１９が搭載されている。振動発電部５１８は、磁石とコイルにより構成されており、伝送器本体５２に配管から振動が伝わると発電する仕組みになっている。

図７も本発明の他の実施例であり、振動発電部６１をフィールド機器から分離したものである。このように構成することにより、振動発電部６１を振動レベルの高い装置６２に取り付けることができる。なお装置６２の代わりに、配管や壁、床など高い振動レベルがあるところに取り付けるようにしてもよい。

図８も本発明の他の実施例であり、多数の振動発電部７１を大容量の二次電池に並列接続して充電−供給装置７２を構成したものである。これにより、充電−供給装置７２から、複数のフィールド機器７３に駆動電力を供給することができる。

なお、上記各実施例では、振動発電部を駆動源として用いる場合について説明したが、振動発電部から得られる電気エネルギーに基づいてプロセス流体が流れる配管からフィールド機器に加わる振動の異常の有無を検出することもできる。

たとえば振動発電部から得られる電気エネルギーと振動レベルの上限閾値とを比較する手段を設け、振動発電部から得られる電気エネルギーが振動レベルの上限閾値を超える状態が一定時間以上連続した場合にはプロセス流体が流れる配管に異常振動が発生していると判断して警報信号を発生するとともにプロセス制御システムに対して異常振動発生時の安全対策処理を検討するように指示する。

これにより、プロセス流体が流れる配管における異常発生を初期時点で識別把握でき、異常時の初期対応を適切に行うことによって、プロセス制御システムの安全操業が維持できる。

以上説明したように、本発明によれば、電源に関する保守作業が不要で、必要な任意の場所に設置できる自由度の高いフィールド機器が実現でき、各種のプロセス制御システムを構成するフィールド機器として好適である。

本発明の一実施例を示す構成図である。振動発電部２２の具体例を示す構成図である。本発明に係るフィールド機器のシステム構成例を示すブロック図である。本発明の他の実施例を示す部分断面構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。充電機能付無線通信モジュールの構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。プロセス制御システムの一例を示すブロック図である。差圧式伝送器３の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１配管
１１センサモジュール
１２測定演算部
１３無線通信部
１４表示部
２１コネクタ
２２、４２、５１８、６１、７１振動発電部
２２１円筒形コイル
２２２円筒形マグネット
２２３バネ
２２４外部磁極
２２５コネクタ
２３取付部
２４振動
３１整流部
３２蓄電部
３３昇圧部
３４、４１、５１９二次電池
３５電源供給部
３６保護部
４３充電基板
５１充電機能付無線通信モジュール
５１１無線回路モジュール
５１２アンテナ
５１３固定用フランジ
５１４固定用ナット
５１５組付用ケース
５１６コネクタ
５１７充電用回路基板
５２０ＭＰＵ基板
５２伝送器本体
５３接続用配線
６２装置
７２充電−供給装置
７３フィールド機器
１００伝送器（フィールド機器）

Claims

現場設置計器として用いられるフィールド機器であって、
振動の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電部から得られる電気エネルギーで駆動するように構成され、前記振動発電部から得られる電気エネルギーを蓄える二次電池を有し、前記振動発電部が外部または内部に取り付けられているフィールド機器において、
前記振動発電部から得られる電気エネルギーに基づき、前記フィールド機器に加わる振動の異常の有無を検出する手段を設けたことを特徴とするフィールド機器。
前記振動発電部が、前記フィールド機器に着脱可能な無線通信モジュールに設けられていることを特徴とする請求項１記載のフィールド機器。
複数の振動発電部が並列に接続された充電−供給手段から、駆動電力が供給されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のフィールド機器。