JP5328346B2 - フィールド装置用の充電システム - Google Patents

Description

産業環境において、制御システムは、工業および化学プロセスなどの項目を監視し、制御するために用いられている。一般的に、制御システムは、プロセス制御ループによって制御室の制御回路に連結され、工業プロセスの重要な位置に配置されたフィールド装置を用いて、これらの機能を実行するようになっている。「フィールド装置」の用語は、工業プロセスの計測、制御およびモニタリングにおいて使用される全ての装置を含む分散制御システムまたはプロセス・モニタリング・システムにおける機能を実行するあらゆる装置に関連する。

フィールド装置は、種々の目的のためのプロセス制御および計測産業によって用いられる。通常、この種の装置は、比較的厳しい環境下の屋外に設置される場合があり、温度、湿度、振動、機械的な衝撃などの気候的な極限に耐え得るように、屋外仕様の強固な筐体を備えている。これらの装置はまた、一般的に比較的低電力で稼動することができる。例えば、フィールド装置は現在、既知の４−２０ｍＡのループからそれらの稼動電力の全てを受け取ることで利用可能となっている。

フィールド装置には、トランスデューサを含むものがある。トランスデューサは、物理的な入力に基づいて出力を生成する装置、または、ある入力信号に基づいて物理的な出力を生成する装置を意味するものとして理解されている。一般的に、トランスデューサは、入力を、異なる形の出力へと変える。トランスデューサのタイプは、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪み計、流量計、位置検出器、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータ・ライト他のさまざまな分析的装置を含んでいる。

一般的に、各々のフィールド装置はまた、プロセス制御室またはプロセス制御ループの向こう側の他の回路と通信するために用いられる通信回路を含む。いくつかの装置においては、プロセス制御ループは、フィールド装置を稼動するため、調整電流および／または電圧をフィールド装置に送るためにも用いられる。

従来、アナログのフィールド装置は、単一の２線制御ループによって制御室に接続されるとともに、２線プロセス制御電流ループによって、制御室に接続されていた。一般的に、電圧差は、２線間において、アナログ・モードでは１２−４５ボルト、およびデジタル・モードでは９−５０ボルトの電圧範囲内に維持される。いくつかのアナログのフィールド装置は、電流ループを流れる電流を、検出されたプロセス変数に比例した電流に調整することによって、信号を制御室に送る。他のアナログのフィールド装置は、そのループを流れる電流の大きさを制御することによって、制御室の制御下で動作を実行することができる。加えて、又はこれに代えて、プロセス制御ループは、フィールド装置との通信のために使用されるデジタル信号を伝送することができる。デジタル通信は、アナログ通信よりも非常に大きい度合いの通信を許容する。さらに、デジタル装置はまた、各々のフィールド装置用の別々の配線を必要としない。デジタル的に通信するフィールド装置は、制御室および／または他のフィールド装置と選択的に応答し、通信することができる。さらに、この種の装置は、例えば診断および／または警報のような付加的な信号を供給することができる。

いくつかの設備において、フィールド装置と通信するために、ワイヤレス技術が使用されるようになってきた。ワイヤレス操作は、フィールド装置の配線と構成装備とを単純化する。ワイヤレス設備は、内部バッテリ又は太陽電池によって充電可能な蓄電池を含むように製造されたフィールド装置において現在使われている。光発電の太陽電池パネルに連結された充電回路の課題のうちの１つは、広域に変化するパネルの電圧のために起こる。低い光量（５０００ルクス未満）では、小さい太陽電池パネルは、１〜２０ミリワットを供給することができるだけである。一方、十分な日照条件下で、同じパネルは、１−２ワットを出力することができる。既存の太陽光充電システムは、それらが直射日光によって照らされるところに取り付けられているときに、電力出力を最適化するように設計されている。もし、太陽電池パネルが直射日光を受光しない領域に位置付けられる場合には、これらの既存のシステムは能率的に作動せず、充分な電力を発生させるためには、太陽電池パネルの寸法およびコストが、大幅に増加することになる。太陽電池パネルのように大きく変化するエネルギ発生装置からのエネルギを能率的に貯蔵することができるワイヤレス・フィールド装置用の充電回路を提供することにより、種々の太陽光アプリケーションに用いられる、より標準化された太陽電池パネルまたは発電装置を可能にするであろう。

フィールド装置用の充電回路が開示されている。回路は、少なくとも３つのモードを有し、発電装置の電圧によってモード間を自動的にシフトする。第一モードにおいて、充電回路は、電圧レギュレーションを備える。第二モードにおいて、充電回路は、発電装置をエネルギ貯蔵装置に直接連結する。第三モードにおいて、充電回路は、発電装置をその貯蔵装置から切り離す。また、充電回路を利用しているフィールド装置が開示されている。

本発明の実施態様では、ワイヤレスに通信するフィールド装置に関して概略的に記述されているが、当業者は、本発明の実施態様が、他に利用可能な場合を含め、追加電力を必要とするあらゆるフィールド装置に適用できることを認識するであろう。ワイヤレス・フィールド装置は、太陽電池パネルまたは他の発電形式からその駆動電力の全てを得る必要があり、したがって、本発明の実施態様から重要な助けを得るであろう。しかしながら、その配線接続を通って利用され得る電力よりも大きい電力を必要とする有線式のフィールド装置の場合でも、本発明の実施態様を介した補助電力を得ることができる。

図１および２は、本発明の実施態様が有用となる典型的な有線式のフィールド装置の図およびブロック図である。プロセス制御またはモニタリング・システム１０は、２線プロセス制御ループの向こう側の一またはそれ以上のフィールド装置１４に連結された制御室または制御システム１２を含む。プロセス制御ループ１６の一例としては、アナログ４−２０ｍＡ通信、及びFOUNDATION（商標）フィールドバス標準のような全デジタル・プロトコルだけでなく、ハイウェー・アドレッサブル・リモート・トランスデューサ（Highway Addressable Remote Transducer（HART（登録商標））のようなアナログおよびデジタルの両通信を含むハイブリッド・プロトコルを含む。一般的に、プロセス制御ループ・プロトコルは、フィールド装置に動力を供給するとともにフィールド装置と他の装置との間の通信を可能にする。

この実施例では、フィールド装置１４は、アクチュエータ／トランスデューサ２０に連結され、ハウジング２３内の端子板２１を介してプロセス制御ループ１６に連結された回路１８を含む。フィールド装置１４は、プロセスに連結し、プロセスの温度、圧力、ｐＨ、流れ等のような状態を感知し、その表示を提供するプロセス変数（ＰＶ）ジェネレータとして図示されている。フィールド装置の他の実施例としては、バルブ、アクチュエータ、コントローラおよびディスプレイを含む。

一般的に、フィールド装置は、温度、湿度および圧力のような環境ストレスにさらされ得る「フィールド」で作動することができるように特徴づけられている。環境ストレスに加えて、フィールド装置は、腐食性があり、危険および／または爆発性さえ有する大気への露出にしばしば耐えなければならない。さらに、この種の装置はまた、振動および／または電磁的干渉がある場合にも、作動しなければならない。

図３は、本発明の実施態様が特に有用となるワイヤレス・フィールド装置のブロック図である。フィールド装置３４は、パワー変換モジュール３８、コントローラ３５、ワイヤレス通信モジュール３２およびアクチュエータ／トランスデューサ２０を含む。変換モジュール３８は、ポテンシャル・エネルギを電気エネルギに変換することが可能なあらゆる装置とすることができる。したがって、変換モジュール３８は、光発電の太陽電池パネルと、電池のようなエネルギ貯蔵装置に連結され、結合した充電回路とを含むことができる。変換モジュール３８は、フィールド装置３４によって使用するため、ポテンシャル・エネルギを電気へと変換する公知または後発のあらゆる装置とすることができる。例えば、モジュール３８としては、熱ポテンシャル・エネルギ、風力エネルギ、加圧されたガスまたはポテンシャル・エネルギの他の形式から発電する周知の技術を採用することができる。変換モジュール３８は、ワイヤレス通信モジュール３２単体、フィールド装置３４の他の部分に電力を供給できるし、または、フィールド装置３４全体に電力を供給することもできる。

ワイヤレス通信モジュール３２は、コントローラ３５に連結され、コントローラ３５からの命令および／またはデータに基づいて、アンテナ２６を介して外部ワイヤレス装置と交信するようになっている。ワイヤレス通信モジュール３２は、装置関連の情報だけでなく、プロセス関連の情報を伝達することができる。用途によっては、ワイヤレス通信モジュール３２は、ワイヤレス・ネットワーク技術（ＩＥＥＥ ８０２．１１ｂ ワイヤレス・アクセス・ポイントおよびカリフォルニアのLinksys of Irvineによって構築されたワイヤレス・ネットワーク・デバイスのような）、セルラーまたはデジタル・ネットワーク技術（カリフォルニア、サンホセのAeris Communications Inc.によるMicroburst（登録商標）のような）、ウルトラ・ワイド・バンド、フリー・スペース・オプティクス、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ（ＧＳＭ）、ジェネラル・パケット・ラジオ・サービス（ＧＰＲＳ）、コード・ディビジョン・マルチプル・アクセス（ＣＤＭＡ）、拡張スペクトル技術、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）、ＩＥＥＥ ８０２．１５．４に従ったワイヤレス・ネットワーク技術、または、あらゆるその他の適応可能なワイヤレス技術（これらに限定されるものではない）を含むあらゆる適切なワイヤレス通信プロトコルに基づいて通信するように適合される。さらに、多数の装置が、互いのワイヤレス稼動レンジの中で共存することができるような周知のデータ衝突技術が使用され得る。この種の衝突防止は、多くの異なる無線周波数チャネルおよび／または拡張スペクトル技術を使用することを含むことができる。

ワイヤレス通信モジュール３２は、複数のワイヤレス通信方法のためのトランシーバを含むこともできる。例えば、主要なワイヤレス通信は、ＧＳＭまたはＧＰＲＳのような比較的長距離通信方式を使用して実行されるようにしてもよい。一方、二番目または補助的な通信方式が、例えばＩＥＥＥ ８０２.１１ｂまたはブルートゥースを用いて技術者または装置の近くのオペレータのために提供されるようにしてもよい。

図４は、本発明の実施態様による変換モジュール３８の図である。変換モジュール３８は、充電回路１０２に連結された発電装置１００を含んでおり、また、充電回路１０２はエネルギ貯蔵装置１０４にも連結されている。充電回路１０２は、フィールド装置による利用のための電気出力１０６を供給する。発電装置１００は、図５に図示されるように、一以上の個々の発電モジュールを含むことができる。例えば、発電装置１００は、光電池パネル１１０、風力発電装置１１２、圧縮ガス発電装置１１４、熱発電装置１１６、振動発電装置１１７またはこれらのあらゆる組合せも含むことができる。変換モジュール３８は、フィールド装置内に組み込まれ、またはフィールド装置に対して外部的に配置され、フィールド装置に電力を供給するために、フィールド装置に電気的に連結されることができる。エネルギ貯蔵装置１０４は、充電回路１０２に連結され、あらゆる使用可能な時間帯に電気エネルギを貯蔵することができる、あらゆる適切な装置とすることができる。例えば、貯蔵装置１０４は、ゲルセル型鉛酸蓄電池のような再充電可能な電池、またはスーパー・コンデンサのようなあらゆる適切なタイプのコンデンサであってもよい。

図６は、本発明の実施態様による充電回路１０２のより詳細なブロック図である。充電回路１０２は、発電モジュール１００に連結された複数の導体１２０を含む。充電回路１０２は、導体１２０に連結された計測モジュール１２２を含み、導体１２０全体における電圧が、第１のおよび／または第２の電圧閾値を上回るかどうかの指標を提供するように適合されている。計測回路１２２は、導体１２０全体で測定される電圧の大きさに応じて信号を出力することが可能なあらゆる適切な装置とすることができる。測定モジュール１２２は、アナログ／ディジタル変換器、比較回路、一以上の基準電位源、またはこれらのいかなる組合せも含むことができる。計測モジュール１２２は、少なくとも３つのモードの充電回路１０２の動作を提供する。第一モードにおいて、計測回路１２２は、出力１２４および１２６の両方を「低」または離脱した状態に設定する。したがって、バイパス１２８も安全器１３０も係合されない。したがって、発電装置１００からのエネルギは、導体１２０を通って、貯蔵装置１０４に線形の電圧調節を提供する電圧レギュレータ１３２に流れる。導体１２０全体の電圧が第１の閾値（バイパス閾値）未満に落ちたことを計測回路１２２が判定するときには、計測回路１２２は、電圧レギュレータ１３２を通過することなく、導体１２０を貯蔵装置１０４へ有効に連結するようにバイパス１２８を係合する。このモードにおいて、全ての充電回路１０２は、２００マイクロワット未満を消費するように設計されている。これは、日陰において作動している太陽電池パネルまたは光発電セルのように、発電装置からの電気出力が小さくなる場合において、非常に効率の高い動作を提供する。

計測回路１２２によって導体１２０全体で計測された電圧が、より低い第２の閾値（カットアウト閾値）未満に落ちたときには、計測回路１２２は、ライン１２４を介してバイパス１２８を識別し、代わりに、貯蔵装置１０４を充電回路から複合的に切り離すように、ライン１２６を通る安全器１３０を係合する。このモードにおいて、例えば太陽電池パネルが夜に作動するときに、回路１０２は、貯蔵装置１０４が発電装置１００を通って放電するのを防止するように機能する。

図７は、本発明の実施態様による様々の充電回路モードを説明する時間に対する発電電圧を示した図である。時刻ｔ_０において、発電電圧はＶ_initialであり、Ｖ_initialがバイパス閾値１４０を上回るときから、充電回路は線形モードで作動している。このモードにおいては、充電回路は、調整された電圧出力をその貯蔵装置に印加する。時刻ｔ_１において、発電装置からの電圧はバイパス閾値１４０を横切り、充電回路１０２は「ダイレクト」モードに入る。このモードにおいては、できるだけ小さいエネルギで動作している間、充電回路は発電装置を貯蔵装置に直接連結する。例えば、充電回路１０２の回路は、このモードでは２００マイクロワット未満の電力を消費するように設計されている。最後に、時刻ｔ_２において、発電電圧は、カットオフ閾値１４２を横切り、充電回路１０２は切断モードに入る。このモードにおいては、貯蔵装置は、発電装置から完全に切り離される。これにより、貯蔵装置が発電装置を通って放電しないことを確実にする。

図８は、本発明の他の実施態様によるエネルギ変換モジュール３８を示す図である。図８に示された本実施態様は、特に貯蔵装置１０４がゲルセル型鉛酸蓄電池とされている。この種の電池は、過充電により損傷を受けることがある。この潜在的課題に対処するために、温度センサ１４６が、電池１０４に熱的に連結される。センサ１４６は、充電回路１０２が、充電電圧を周囲温度に関係なく安全なフロート値に制限できるように、充電回路１０２に対して電気的に連結されている。図８はまた、充電回路１０２内における任意の電池保護回路１４８（点線で示されている）を示している。電池保護回路１４８は、バッテリ寿命を延ばすこと、および／または、電池１０４のあらゆる障害も診断することを助けるあらゆる回路を含むことができる。例えば、電池が短絡したり、または、バッテリ電圧が非常に低く低下する場合には、バッテリ寿命は低下する。したがって、電池保護回路１４８は、バッテリ電圧が非常に低く落ちる恐れがある場合を検出することが可能な回路を含むことができ、バッテリからのあらゆる電気の更なる流出を妨げることができる。更に、電池保護回路１４８は、電流制限回路、またはバッテリ１０４から引き出される電流を計測し、もし電流が過剰になる場合には、そのような電流を防止するまたは減らすことが可能な回路を含むことができる。

本発明は、好ましい実施形態に関して記載されているが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、変化が形態および細部においてなされることができると認識するであろう。

本発明の実施態様が有用な典型的なフィールド装置の図である。 本発明の実施態様が有用な典型的なフィールド装置のブロック図である。 本発明の実施態様が有用なワイヤレス・フィールド装置のブロック図である。 本発明の実施態様によるパワーモジュールの変換の図である。 本発明の実施態様による使用され得る発電のための様々なオプションを示している発電装置の図である。 本発明の実施態様による充電回路のより詳細なブロック図である。 本発明の実施態様による様々な充電回路モードを示す時間に対する発電電圧を示した図である。 本発明の他の実施態様によるエネルギ変換モジュール３８を示した図である。

Claims (9)

1. フィールド装置用の充電システムであって、
   ポテンシャル・エネルギ源から電気を発生するように配置された発電装置と、
   前記発電装置に連結され、前記発電装置の電圧出力を測定するように配置された充電回路と、
   前記充電回路に連結された再充電可能な電池を含む電気貯蔵装置と、を備え、
   前記充電回路は、
   前記電気貯蔵装置に線形の電圧調整を提供する線形モードを実行するための電圧レギュレータと、
   前記発電装置を前記電気貯蔵装置に直接接続するバイパス・モードを実行するためのバイパス回路と、
   前記電気貯蔵装置を前記発電装置から切り離すカットアウト・モードを実行するための安全装置と、
   前記電気貯蔵装置を保護するために構成された電池保護回路と、
   前記発電装置の電圧出力に基づいて、前記電圧レギュレータ、前記バイパス回路又は前記安全装置の接続を切り換える計測回路と、を含み、
   前記計測回路は、
   ｉ）前記発電装置の電圧出力が、バイパス閾値よりも上である場合には、前記電圧レギュレータの接続を有効にして前記線形モードを実行し、
   ii）前記発電装置の電圧出力が、バイパス閾値よりも下で、かつカットアウト閾値よりも上である場合には、前記バイパス回路の接続を有効にして前記バイパス・モードを実行し、
   iii）前記発電装置の電圧出力が、カットアウト閾値よりも下である場合には、前記安全装置の接続を有効にして前記カットアウト・モードを実行する、
   ことを特徴とするフィールド装置用の充電システム。
2. 前記充電回路が、バイパス・モードにおいて、２００ミリワット以下を消費する請求項１に記載の充電システム。
3. 前記発電装置が光電池を含む請求項１又は２に記載の充電システム。
4. 前記発電装置が風力発電モジュール、熱発電モジュール、圧縮ガス発電装置および振動発電装置のうちの少なくとも一つを含む請求項１又は２に記載の充電システム。
5. 前記再充電可能な電池がゲルセル型鉛酸蓄電池である請求項４に記載の充電システム。
6. 更に、前記ゲルセル型鉛酸蓄電池および前記充電回路に操作可能に連結された温度センサを含み、前記充電回路が、前記ゲルセル型鉛酸蓄電池の温度に基づいて充電電流を制限する請求項５に記載の充電システム。
7. 更に、電池保護回路を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の充電システム。
8. プロセスに制御可能に接続可能なトランスデューサと、
   前記トランスデューサに連結されたコントローラと、
   前記コントローラと連結され、プロセス通信機能を提供するように構成された通信モジュールと、
   フィールド装置に電気エネルギを供給するように構成されたエネルギ変換モジュールと
   を含むフィールド装置であって、
   前記エネルギ変換モジュールは、
   ポテンシャル・エネルギ源から電気を発生させるように配置された発電装置と、
   前記発電装置に連結され、前記発電装置の電圧出力を測定するように配置された充電回路と、
   前記充電回路に連結された再充電可能な電池を含む電気貯蔵装置と、を備え、
   前記充電回路は、
   前記電気貯蔵装置に線形の電圧調整を提供する線形モードを実行するための電圧レギュレータと、
   前記発電装置を前記電気貯蔵装置に直接接続するバイパス・モードを実行するためのバイパス回路と、
   前記電気貯蔵装置を前記発電装置から切り離すカットアウト・モードを実行するための安全装置と、
   前記電気貯蔵装置を保護するために構成された電池保護回路と、
   前記発電装置の電圧出力に基づいて、前記電圧レギュレータ、前記バイパス回路又は前記安全装置の接続を切り換える計測回路と、を含み、
   前記計測回路は、
   ｉ）前記発電装置の電圧出力が、バイパス閾値よりも上である場合には、前記電圧レギュレータの接続を有効にして前記線形モードを実行し、
   ii）前記発電装置の電圧出力が、バイパス閾値よりも下で、かつカットアウト閾値よりも上である場合には、前記バイパス回路の接続を有効にして前記バイパス・モードを実行し、
   iii）前記発電装置の電圧出力が、カットアウト閾値よりも下である場合には、前記安全装置の接続を有効にして前記カットアウト・モードを実行する、
   ことを特徴とするフィールド装置。
9. 前記通信モジュールがワイヤレス通信モジュールである請求項８に記載のフィールド装置。

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