JP5143741B2 - プロセスフィールド装置の温度制御 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、工業用プロセスに結合して用いられるタイプのフィールド装置に関する。より詳細には、本発明は、そのようなフィールド装置の温度制御に関する。

発明の背景
工業用プロセスは、さまざまなタイプの製品を生産するための幅広い用途で用いられる。例えば、精油では、原油をさまざまな使用可能な製品に精製するために用いられる、数多くの工業用プロセスを含む。

通常、プロセスには、監視と制御との両方が必要とされる。例えば、一つのタイプのフィールド装置は、プロセス変数、例えばプロセスの圧力、流れ、温度等を監視するために用いることができるトランスミッタである。測定されたプロセス変数に基づいて、別のタイプのフィールド装置であるコントローラを用いて、プロセスのプロセス変数を制御する。さまざまなタイプのコントローラを用いて、流量の調節、温度の制御、圧力の制御等をする。

いくつかの設備では、フィールド装置の温度を、高温に維持することが望ましい。例えば、いくつかの超高純度プロセス環境、例えば、半導体製造で用いられるものでは、フィールド装置の温度が、プロセス内の流体の融点を下回る程下がった場合、流体は凝固して、フィールド装置に付着するであろう。加えて、フィールド装置が温度に敏感な場合、フィールド装置の温度を維持することによって、エラーを減少させることができる。

フィールド装置の温度を維持するために用いられてきた一つの手法は、フィールド装置に結合されたヒータエレメントの使用である。ヒータエレメントは、例えば、ヒータエレメントの温度を制御するための内部温度センサ及びサーモスタットを含むことができる。また、装置が、例えば、冬期中に寒冷な環境に設置された場合にもヒータを用い、加熱ジャケットを用いて、トランスミッタと、組み合わせられた配管とを加熱することができる。しかし、過熱を防止するために、夏期には、加熱ジャケットのスイッチをオフにしなければならない。

発明の概要
工業用プロセスで用いるためのフィールド装置システムは、工業用プロセスに結合し、工業用プロセスを監視又は制御するように構成されたフィールド装置を含む。フィールド装置は、フィールド装置の温度に関する温度制御信号出力を提供する。フィールド装置に結合されたヒータは、温度制御信号に応答してフィールド装置を加熱する。

詳細な説明
背景技術の部分で述べたように、フィールド装置を加熱するために、外部ヒータが用いられてきた。例えば、実質的にゼロ（真空）の圧力を含むプロセスで動作するように構成されたトランスミッタでは、外部ヒータを用いて、プロセストランスミッタの周囲温度を制御する。通常、ヒータは、トランスミッタの外面を包み込み、一定の動作温度を維持する。普通、トランスミッタは、監視されているプロセスよりも温かい温度まで加熱され、システム内でのコールドスポットになることが回避される。このことは、プロセス材料がセンサ上で直接凝縮して、フィールド装置の性能が低下することを防止する。

しかし、そのような構成では、測定された温度は、プロセスとインターフェイスするフィールド装置の表面温度を正確に示さない場合がある。これは、外部ヒータが外部センサを用い、プロセスに接触するフィールド装置の表面と、外部温度センサとの間に、著しい熱遅延及び熱変動がある可能性があるためである。本発明は、フィールド装置の内部に設置された、フィールド装置に結合されたヒータエレメントの制御で用いるための温度センサの使用を含む。さまざまな構成で、フィールド装置から外部ヒータへの通信を用いて、フィールド装置の加熱を制御する。

背景技術の部分で述べたように、プロセストランスミッタと、連結された配管とが寒冷な環境に置かれたときに、それらを加熱するために、加熱ジャケットがさらに用いられてきた。例えば、冬期中、加熱ジャケットを用いて、機器を温かい状態に保つことができる。しかし、夏期になると、ヒータの電源をオフにして、機器が過度に加熱されることを防止しなければならない。不都合なことに、作業者が、夏期中にヒータの電源をオフにすることを忘れた場合、機器は故障するか、あるいは破損する可能性がある。同様に、作業者が、寒気が訪れる前にヒータの電源をオンにすることを忘れる可能性があり、これによっても故障につながる場合がある。本発明は、そのようなヒータを制御するための自動式の装置及び手法を提供し、これにより、作業者が適切な時にヒータの電源をオン又はオフにし損ねる可能性が取り除かれる。

図１は、本発明のフィールド装置システム１２を含むプロセス制御システム１０の簡略化された図である。フィールド装置システム１２はフィールド装置１４を含み、フィールド装置１４は、２線式プロセス制御ループ１８を通して制御室１６に結合されているものとして図示されている。プロセス制御ループ１８は、プロセス制御標準通信技術、例えば４−２０ｍＡプロトコル、ＨＡＲＴ通信プロトコル、フィールドバス（Field Bus）プロトコル又はその他を含む任意の通信技術に従って動作することができる。フィールド装置１４は、ヒータエレメント２４を有するヒータ２２に結合された温度制御信号出力２０を提供する。フィールド装置のプロセスインターフェイスエレメント３０は、プロセス配管３４で移送されるプロセス流体３２に結合するように構成される。プロセスインターフェイス３０は、例えば、プロセス変数を感知するためのセンサ、又はプロセス変数を制御するための制御エレメントとすることができる。プロセスインターフェイスエレメント３０は、温度センサ３６を含んでいるものとして示される。図１では、温度センサ３６は、インターフェイスエレメント３０内に設置されているものとして示されているが、温度センサ３６は、フィールド装置１４内部の任意の位置に設置することができる。

動作中、一つの構成では、フィールド装置１４は、離隔した場所、例えば、制御室１６にプロセス変数を伝送する。別の構成では、フィールド装置１４がコントローラとして構成される場合、装置１４は、プロセス制御ループ１８を通して制御信号を受信し、プロセスのプロセス変数の制御に用いる。

温度制御信号出力２０は、フィールド装置１４の温度に関連し、温度センサ３６によって感知された温度に基づく。ヒータ２２は、温度制御信号出力２０に応答してヒータエレメント２４を制御し、トランスミッタ１４を所望の温度まで加熱する。温度を制御するために用いられる特定の制御アルゴリズムは、所望のとおりに選択することができ、フィールド装置１４で、又はヒータ２２で実行することができる。さらに、温度制御信号出力２０は、任意の通信技術、又はディジタルもしくはアナログ制御信号を含む制御に従うことができ、未処理の温度データから、ヒータエレメント２４に与えられる駆動信号まで、あらゆるものを含むことができる。

ヒータ２２は、フィールド装置の一部の外側にヒータを結合すること、又はフィールド装置自体の内側にヒータを設置することを含む多様な方法でフィールド装置１４に結合してもよいことが理解されよう。

図２Ａは、フィールド装置システム１２のより詳細な簡略化された図である。図２Ａの実施形態で図示されるように、フィールド装置１４は、メモリ４２と、Ｉ／Ｏ又は通信回路４４と、ループＩ／Ｏ４５と、制御パラメータ４６とに結合されたマイクロプロセッサ又は他のコントローラ４０を含む。マイクロプロセッサ４０はさらに、内部温度センサ３６に結合する。制御パラメータ４６は、温度制御信号２０と、温度センサ３６によって感知された温度との間の関係を制御する。制御パラメータは、ローカルなインターフェイス、例えば、任意のローカルＩ／Ｏ５８を用いて、ローカルにプログラムすることができ、又は、例えば、２線式プロセス制御ループ１８を通して離隔した場所からプログラムすることができる。温度制御信号２０は、ヒータ２２のＩ／Ｏ回路５０に結合する。ヒータコントローラ５２は、外部電源５４からヒータエレメント２４に供給された電力を制御する。

図２Ａの構成では、Ｉ／Ｏ回路４４及び５０は、ヒータ２２にフィールド装置１４を結合させるものとして示されているが、簡易な構成では、Ｉ／Ｏ回路４４及び５０は、例えば、トランジスタ回路にすることができる。例えば、Ｉ／Ｏ回路５０は、ヒータエレメント２４に直接接続して、電源５４からの電力を制御することができる。そのような構成では、コントローラ５２が必要とされないことがある。

図２Ｂは、別の例の実施形態の簡略化されたブロック図であり、ここでは、ヒータエレメント２４を制御するために用いられる制御アルゴリズムは、ヒータ２２内で実行される。この構成では、制御パラメータ４６は、ヒータ２２内のメモリ内部に収納され、温度制御信号２０は、温度センサ３６によって感知された温度の直接表示にすることができる。ヒータ２２内には、ローカル入出力５８を設けることができる。

温度制御信号２０は、個別のデータバスで移送することができ、又は共用データバスで移送することができる。例えば、温度制御信号２０は、２線式プロセス制御ループ１８で移送することができる。そのような構成では、通信回路５０は、２線式プロセス制御ループ１８で伝送される情報のプロトコルに従って通信するように構成される。一つのそのようなプロトコルは、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルである。制御信号２０は、バースト方式又は周期的な構成で、ヒータ２２に連続的に提供することができ、又はヒータ２２によってポーリングされ、あるいは問い合わせされることが可能である。

図３は、本発明とともに用いるための配線の一つの構成を示す、簡略化された回路図である。図３に示された回路図では、フィールド装置システム１２は、２線式プロセス制御ループ１８に結合される。図３の構成では、ヒータ２２は、変圧器６０を介してプロセス制御ループ１８に誘導的に結合される。個別の電気接続６２を用いて、ヒータエレメント２４に電力を提供する。この構成では、ヒータエレメント２４の加熱を制御するために用いられるコマンド又は温度情報は、フィールド装置１２によって、プロセス制御ループ１８を通して提供される。ヒータ２２内部のＩ／Ｏ回路（図２Ａでは５０）は、プロセス制御ループ１８上の通信を監視し、ヒータエレメント２４への電力供給を応答的に制御する。一例の構成では、ヒータ２２は、プロセス制御ループ１８を通して、フィールド装置１２からＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに従ってデータを受信する。

図４は、本発明の別の例の配線構成の、簡略化された回路図である。図４では、フィールド装置１２は、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに従って通信する０〜１０ボルトのプロセス制御ループ１８に結合する。この構成では、さらなる１５ボルトの電源が用いられ、フィールド装置１２とヒータ２２との両方に結合する。また、電源アース接続が設けられる。この構成では、ヒータ２２は、上述の技術を用いて制御ループ１８上の通信伝送を監視し、ヒータエレメント２４への電力供給を応答的に制御する。いくつかの構成では、個別の電源接続６２が用いられる。ヒータ２２は、プロセス制御ループ１８に容量的に結合されて、制御ループ１８上のデータ伝送を監視する。上述のように、フィールド装置１２は、ヒータ２２と通信し、ヒータ２２に制御信号又は温度データを提供して、ヒータエレメント２４の加熱を制御することができる。

図５は、システム１２の分解斜視図であり、ヒータ２２がフィールド装置１４に取り付けられた構成を示している。図５の構成では、ヒータ２２は、フィールド装置１４の上部にねじ７８で取り付けられる。ヒータ２２のコネクタ８２は、フィールド装置１４のマッチングコネクタ８４に合わさるように構成される。コネクタ８２は、コネクタ８４と同じように構成され、コネクタ８４によって提供される接続は、コネクタ８２によって提供される接続と同じである。この接続８２を介して、ヒータ２２はプロセス制御ループ１８に結合し、フィールド装置１４と通信する。好ましくは、ヒータエレメント１４は、プロセス接続８６に近いフィールド装置１４に取り付けられる。上述のように、ヒータ２２からの接続８８を用いて、ヒータエレメント２４に電力供給する。

図５に図示されたように、ヒータ２２は、任意のときに、例えば設置の前又は後に、フィールド装置１４に追加することができる。加えて、図５はまた、ローカル出力９０及びローカル入力９２を図示している。例えば、作業者による監視のために、ローカル出力９０は、ＬＥＤ又は他の視覚的な表示器とすることができる。ローカル入力９２を、例えば一つ以上の押しボタン又は他のタイプの手動入力にして、ヒータ２２の動作のプログラミング又は制御のために用いることができる。温度センサ３６は、通常はフィールド装置１４の内部に取り付けられる。

本発明は、トランスミッタにローカルに取り付けるように構成することができ、そこでフィールド配線から電力を受ける。ヒータは、トランスミッタの出力信号ラインとインターフェイスし、例えばＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに従って通信を受信する。情報は、フィールド装置内の内部温度センサからの温度を含むことができる。加熱エレメント２４とフィールド装置との間の接続８８は、任意の適切な接続を通すことができる。これには、データバス、スタンドアローンの２線式プロセス制御ループ、ループ１８の延長等が含まれる。

ヒータ２２は、製造中に、又はプロセス制御ループ１８を通してヒータ２２と通信することによってフィールドで構成することができる。例えば、サーモスタットの設定点及びヒータ制御アルゴリズムの他の態様は、外部でプログラミングすることができる。作業者は、トランスミッタの動作温度範囲内の任意の設定点を選択することができる。これにより、ユーザは、フィールド装置１４に与えられる熱を、特定のプロセスに適応させることが可能になる。加えて、これにより、単一のヒータ構成が多くの異なる用途で用いられ、簡易にプログラミングすることが可能になる。

上述のように、ヒータ２２は、フィールド装置１４を周期的にポーリングして、温度の読み取り値を得ることができる。別の構成では、フィールド装置１４は、温度の読み取り値を周期的に伝送し、読み取り値はヒータ２２によって受信される。ヒータ２２は、マイクロプロセッサ又は他の制御回路を含んでおり、制御アルゴリズムを実行することができる。一例の実行として、図２Ａに示すコントローラ５２は、ＰＩＤ制御アルゴリズムを実行してヒータエレメント２４を制御する。

別の態様では、ヒータ２２の内部に、熱過負荷保護を設けることができる。ヒータエレメント２４に故障が生じて、設定点を超える又は安全でない動作領域に達する温度の上昇が発生した場合、回路はその後ヒータエレメント２４をシャットダウンさせて、視覚表示を提供することができる。さらに、この情報を、プロセス制御ループ１８で伝送することができる。別の態様では、ヒータ２２は、フィールド装置１４の診断を行うことが可能である。例えば、測定された温度を用いて、補正されたセンサ温度に関する傾向情報を提供することができる。この情報は、故障しているヒータエレメントの早期検出に用いることができる。このタイプのステータス情報は、ローカルな表示を介して、又はプロセス制御ループ１８を通した通信によって、ユーザが利用できるようにすることができる。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加えてもよいことが理解されよう。ヒータ２２による制御ループへの接続は、通常は、例えば誘導結合又は容量結合を介したＤＣ分離を提供する。一つの特定の構成では、フィールド装置１４は、高純度真空プロセスで用いられるためのものである。

プロセス制御システムの簡略化された図である。 本発明のヒータを含むフィールド装置システムの一例の実施形態のブロック図である。 ヒータを含むフィールド装置システムの別の例の実施形態のブロック図である。 ４−２０ｍＡ電流ループに結合されたヒータの一例の構成を示す。 ヒータが０〜１０ボルト制御ループに結合された構成を示すブロック図である。 ヒータ装置に結合されたヒータを示す分解斜視図である。

Claims (19)

1. 工業用プロセスで用いるためのフィールド装置システムであって、
   工業用プロセスに結合し、工業用プロセスを監視及び制御するように構成され、フィールド装置の温度に関連する温度制御信号出力を含むフィールド装置と、
   フィールド装置に着脱可能な個別のヒータであって、該ヒータのコネクタとフィールド装置の対応するコネクタとの間のインターフェイスによりフィールド装置に結合され、温度制御信号に応答してフィールド装置を加熱するように構成された個別のヒータと、
   を含むフィールド装置システム。
2. フィールド装置が、プロセスのプロセス変数を測定して、２線式プロセス制御ループに、測定されたプロセス変数に関連する出力を提供するように構成されたトランスミッタを含む請求項１記載のフィールド装置システム。
3. フィールド装置が内部温度センサを含み、温度制御信号出力が温度センサの温度に関連する請求項１記載のフィールド装置システム。
4. 温度制御信号出力が、ディジタル信号を含む請求項１記載のフィールド装置システム。
5. 温度制御信号出力が、フィールド装置又はヒータに結合された２線式プロセス制御ループに提供される請求項１記載のフィールド装置システム。
6. ２線式プロセス制御ループが、誘導結合又は容量結合を介したＤＣ分離を提供する電気接続を含む請求項５記載のフィールド装置システム。
7. フィールド装置が、高純度真空プロセスに結合するように構成される請求項１記載のフィールド装置システム。
8. ヒータが、外部電源に結合する請求項１記載のフィールド装置システム。
9. ヒータがヒータエレメントを含み、温度制御信号出力と、ヒータエレメントからの熱との間の関係が制御パラメータによって制御され、制御パラメータがプログラム可能である請求項１記載のフィールド装置システム。
10. 制御パラメータが、ローカルなインターフェイスを介してプログラム可能である請求項９記載のフィールド装置システム。
11. 制御パラメータが、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに従って受信されたディジタル信号を介してプログラム可能である請求項９記載のフィールド装置システム。
12. フィールド装置が、工業用プロセスの圧力を感知するように構成された請求項１記載のフィールド装置システム。
13. フィールド装置が、工業用プロセスの温度を感知するように構成された請求項１記載のフィールド装置システム。
14. ヒータが、ヒータエレメントと、制御アルゴリズムを実行し、温度制御信号出力の機能として、ヒータエレメントからの熱を応答的に制御するように構成されたコントローラとを含む請求項１記載のフィールド装置システム。
15. ヒータが、熱過負荷保護を含む請求項１記載のフィールド装置システム。
16. ヒータが、視覚的な表示器であるローカル出力を備え、該ローカル出力によりヒータのステータス情報の表示を提供するように構成されたローカル出力を含む請求項１記載のフィールド装置システム。
17. ヒータが、補正されたセンサ温度に関する傾向情報に基づいてヒータエレメントの故障を検出するように構成される請求項１記載のフィールド装置システム。
18. 工業用プロセスで、フィールド装置上へのプロセス材料の蓄積を減少させる方法であって、
    フィールド装置の内部温度を感知することと、
    感知された温度に関連する温度制御信号出力を提供することと、
    フィールド装置に着脱可能なヒータであって、ヒータのコネクタとフィールド装置の対応するコネクタとの間のインターフェイスによりフィールド装置に結合される個別のヒータに、温度制御信号出力を結合することと、
    温度制御信号出力による機能として、フィールド装置をヒータで応答的に加熱することと、
    を含む方法。
19. フィールド装置の温度が、プロセス内の流体の融点を下回ることを防止するために、フィールド装置の加熱を制御することを含む請求項１８記載の方法。

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