JP5343956B2 - フィールド機器の信号伝送方法、フィールド機器、無線モジュール、システム - Google Patents

Description

本発明は、プラントあるいは工場などに分散配置されている、圧力・差圧伝送器や、各種流量計、温度計、バルブポジショナなどのフィールド機器に関し、特に、無線手段により、フィールド機器の持つ診断情報などの付加情報を、フィールド機器を管理するシステムに伝送するフィールド機器の信号伝送方法の改善の他、フィールド機器、無線モジュール、システムに関する。

一般に、フィールド機器は、石油化学や、食薬品、上下水道、製鉄などの各種のプロセス配管現場などに設置され、配管の温度や、圧力、流量などの物理量を検出し、検出した信号を離れた場所に設置される制御機器に送信し、あるいは制御機器から送信された信号を受信して動作するものである。このようなフィールド機器としては、例えば、圧力・差圧伝送器、流量計、温度計、バルブポジショナなどが挙げられる。
この種のフィールド機器に関連するものがある（例えば、特許文献１から特許文献３参照）。

図１１はこのような各特許文献の記載に基づいて想起されるバルブポジショナ（以下単にポジショナという）の概念的構成ブロック図である。ポジショナ１０は、信号入力部１１で４−２０ｍＡの電流信号を受信し、バルブ２０がそれに従ったバルブ位置になるように、センサ信号入力部１３で受けたポジションセンサ信号Positionを信号処理部１２で測定し、信号処理部１２はバルブ操作部１４に対して操作信号をバルブ２０に出力する。

スマート形と呼ばれる多くのポジショナは、その機器内にバルブ２０への操作圧力を測定する圧力センサ（図示せず）を内蔵している。その圧力信号Pressureはセンサ信号入力部１３に入力され、信号処理部１２にて適宜処理され操作圧力のモニタができるようになっている。この場合、操作圧力のモニタだけでなく、バルブのポジショナと併せて様々なバルブの診断もできるようになっている。

ポジションセンサ信号や圧力センサ信号、あるいはバルブの診断結果は、いわゆるスマート通信と呼ばれる通信により、スマート信号送受信部１５から上位システムに送信される。スマート通信とは、４−２０ｍＡ信号に重畳するディジタル通信のことであり、ハイブリッド通信などとも呼ばれる。実用化されているものでは、HART，Brain，DEなどがある。

上位システムとは、携帯型のハンドヘルドコミュニケータ（HHC）の場合もあれば、いわゆるアセット管理システムの場合もある。
近年、フィールド機器のインテリジェント化が進み、様々なプロセス稼動情報や診断情報をアセット管理システムに送信して、機器の保守費用を最適化する要求が強まっている。

しかしながら、既存の分散型制御システム（DCS）では、次のような問題がある。
既存の分散型制御システムでは最新のアセット管理システムを接続することが困難な場合がある。一般的には、マルチプレクサを増設し、アセット管理システムから一台一台の機器のポジショナにディジタル通信の接続を行うが、Ｉ／Ｏカードの４−２０ｍＡループの通信帯域におけるインピーダンスの低さから、通信が出来ない場合がある。

この場合、４−２０ｍＡループに直列にフィルタを挿入して通信帯域におけるインピーダンスを高くする処置をとるが、電圧降下のために分散型制御システム側の出力可能電圧を超えてしまうことがある。

このような問題が生じないディジタル信号の伝送方法として、無線による伝送方式がある。この伝送方式を可能にするためフィールド機器に無線モジュールを付加する技術は既に沢山提案されている。
既存の４−２０ｍＡで計装されているフィールド機器に無線モジュールを付加することで、フィールド機器の様々なプロセス稼動情報や診断情報をアセット管理システムに送信することが可能となる。図１２はそのように構成したポジショナの一例を示す構成ブロック図であり、図中の無線信号送受信部１６が無線モジュールである。

特開２００３−１３４２６１号公報 特開２００３−０５１８９４号公報 特開２００４−０２１８７７号公報 特表平１０−５０８１２９号公報 特許第３６３５９８２号公報

しかし、無線モジュールを付加することにより、信号処理部とのディジタル信号の授受を行うが、無線プロトコルへの論理的変換が必要になり、無線信号送受信部のファームウェアを機器の機能仕様に合わせて設計する必要がある。
例えば、電源部と無線信号送受信部を具備する共通の無線モジュールを開発する場合、機器の機能仕様はそれぞれに異なるため、信号処理部から来るディジタル信号の論理フォーマットを無線信号送受信部でプロトコル変換し、送信する必要がある。

本発明の目的は、このような課題を解決するもので、フィールド機器において最小限の開発費用で無線モジュールのファームウェアが開発できるようにすると共に、アセット管理システムなどのホスト側アプリケーションとの接続を容易にすることが可能なフィールド機器の信号伝送方法を提供することにある。

本発明のフィールド機器の信号伝送方法は、プロセス現場に設置されていて、上位の分散型制御システムとは信号線を介して接続され、４−２０ｍＡの信号を入力あるいは出力し、４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルに従って前記信号線を介して通信すると共に、信号処理部に接続されデータを装置との間で無線信号で送受信する無線信号送受信部を備えたフィールド機器の信号伝送方法において、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームの一部を用いて前記無線信号送受信部より前記信号線を介することなく前記装置との間で制御ループを構成しない無線によりデータを伝送し、前記装置は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームを用いて有線フィールド機器との間で有線による制御ループを構成しないデータの送受信を実行可能とされることを特徴とする。ここで、上位層とは、プロトコルの物理層を除くデータリンク層やアプリケーション層である。

このような伝送方法によれば、既存の4-20ｍＡのスマート型フィールド機器の信号処理部のファームウェアを全く変更することなく、あるいはごく一部の変更により、無線信号送受信部との信号のやりとりが可能になる。また、無線信号送受信部１６のファームウェアは機器に依存することなく、スマート通信プロトコルの上位層を単に転送すればよいので、ファームウェアが簡単であり、かつ機器間で共通化が可能になる。さらにまた、既存のアセット管理システムのソフトウェアの構成の変更なしに、最小限のソフトウェアモジュール変更により、無線対応機器との通信が可能となる。

このような信号伝送方法においては、無線で伝送する通信プロトコルのフレームは、コマンド、バイト数、データを含む。
また、信号処理部と無線信号送受信部との物理的信号のやり取りでは、変調がされていない論理信号が用いられる
また、信号処理部と無線信号送受信部との間の通信プロトコルのフレームは、４−２０ｍＡ機器で使用されるディジタル通信プロトコルのデータリンク層またはアプリケーション層またはその組み合わせである
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフィールド機器の信号伝送方法。
また、上位層を利用するディジタル通信プロトコルは、HARTプロトコルである。
本発明のフィールド機器は、プロセス現場に設置されていて、上位の分散型制御システムとは信号線を介して接続され、４−２０ｍＡの信号を入力あるいは出力し、４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルに従って前記信号線を介して通信すると共に、信号処理部に接続されデータを装置との間で無線信号で送受信する無線信号送受信部を備えたフィールド機器において、前記無線信号送受信部は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームの一部を用いて前記信号線を介することなく前記装置との間で無線により制御ループを構成しないデータを伝送し、前記装置は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームを用いて有線フィールド機器との間で有線による制御ループを構成しないデータの送受信を実行可能とされることを特徴とする。
また、無線信号を送受信していないときの余剰電流を蓄電する電源部を備え、この電源部に蓄えた電力を前記無線信号送受信部に供給し無線信号の送受信に利用するように構成する。
本発明の無線モジュールは、プロセス現場に設置されていて、上位の分散型制御システムとは信号線を介して接続され、４−２０ｍＡの信号を入力あるいは出力し、４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルに従って前記信号線を介して通信するフィールド機器に取り外し可能な無線モジュールにおいて、前記フィールド機器の信号処理部に接続され、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームの一部を用いて前記信号線を介することなく装置との間で無線により制御ループを構成しないデータを伝送する無線信号送受信部を備え、前記装置は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームを用いて有線フィールド機器との間で有線による制御ループを構成しないデータの送受信を実行可能とされることを特徴とする。
また、無線信号を送受信していないときの余剰電流を蓄電する電源部を備え、この電源部に蓄えた電力を前記無線信号送受信部に供給し無線信号の送受信に利用するように構成する。
本発明のシステムは、プロセス現場に設置されていて、上位の分散型制御システムとは信号線を介して接続され、４−２０ｍＡの信号を入力あるいは出力し、４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルに従って前記信号線を介して通信すると共に、信号処理部に接続されデータを無線信号で送受信する無線信号送受信部を備えたフィールド機器と、このフィールド機器と無線通信を行うターミナルと、このターミナルに接続され、診断情報データベースにアクセス可能なアセット管理システムと、を備え、前記無線信号送受信部は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームの一部を用いて前記信号線を介することなく前記アセット管理システムとの間で無線により制御ループを構成しないデータを伝送し、前記アセット管理システムは、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームを用いて有線フィールド機器との間で有線による制御ループを構成しないデータの送受信を実行可能とされることを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
本発明のフィールド機器の信号伝送方法、フィールド機器、無線モジュール、システムによれば、
（１）既存の4-20ｍＡのスマート型フィールド機器の信号処理部のファームウェアを全く変更することなく、あるいはごく一部の変更により、ホストシステムと無線信号送受信部との信号のやりとりが可能になる。
（２）無線信号送受信部のファームウェアは機器に依存することなく、スマート通信プロトコルの上位層を単に転送すればよいため、ファームウェアが簡単であり、かつ機器間で共通化が可能となる。
（３）既存のアセット管理システムのソフトウェアの構成の変更なしに、最小限のソフトウェアモジュール変更により、無線対応機器との通信が可能となる。

本発明に係るポジショナの一実施例を示す原理的構成ブロック図である。 図１のポジショナを使った場合のシステム構成の一実施例を示す構成図である。 センサの一例を示す構成ブロック図である。 HARTプロトコルのフレームフォーマットを示す図である。 アセット管理システムの一構成例である。 本発明の第２の実施例を示す構成図である。 本発明の第３の実施例を示す構成図である。 本発明の第４の実施例を示す構成図である。 本発明の第５の実施例を示す構成図である。 本発明の第６の実施例を示す構成図である。 従来のポジショナの一般的な基本構成を示す概念的構成ブロック図である。 ポジショナの一例を示す構成ブロック図である。

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。ここでは、フィールド機器の一つであるポジショナを例にとって説明する。図１は本発明に係るポジショナの一実施例を示す原理的構成ブロック図である。このポジショナ１０ａにおいて図１２と異なるところは電源部１７ａとセンサ信号入力部１３ａである。

電源部１７ａは、電源入力を4-20ｍＡ信号入力部１１から取る。無線の送信および受信を行わないときの機器の最小消費電流（静的消費電流ともいう）は、４ｍＡよりも低い電流、例えば３．６ｍＡ以下になるように設計しておく。仮に、機器の静的消費電流を３．２ｍＡとし、DCSからの最小入力電流を３．６ｍＡとすれば、いかなる場合においても０．４ｍＡ以上の余剰電流が得られる。電源部１７ａは、この余剰電流を電源部に内蔵の充電型電池あるいは大容量コンデンサなどに蓄電し、送信時または受信時に取り出して無線信号送受信部１６へ供給して電力使用できるように構成されている。

センサ信号入力部１３ａは、診断という点に着目し、従来と同様のバルブ開度や操作圧力の信号（Position，Pressure）の他に、外部から入力される振動や歪み、周囲温度などのセンサ入力信号AUXも受け、これを信号処理部１２に渡して測定され得るように構成されている。

現在、フィールド機器のネットワークの適用を想定した無線プロトコルに、規格IEEE802.15.4がある。この規格の代表的な伝送レートは２５０kbpsである。パルブポジショナの診断情報を一度に送るバイト数を、かりに１００byteとすると、３．２msec（＝１／２５０k×８×１００）の時間がかかる。簡単のために、５secに１回定期的に診断情報を送信するアプリケーションを想定すると、全体の０．０６％（＝３．２÷５０００×１００）の時間を送信に使えばよいことになる。

無線信号送受信部１６の送信時の消費電流を１００ｍＡ、その他の時間をスリープさせて消費電流をほぼ０ｍＡとすると、０．０６ｍＡ（＝１００ｍＡ×０．０６÷１００）以上の余剰電流があればよいので、上記余剰電流０．４ｍＡ以上は十分実用的な値であることが分かる。

なお、無線信号送受信部１６は携帯型データ端末あるいは他のフィールド機器ともデータの送受が可能に構成されている。
また、無線信号送受信部１６から送信するデータとしては、診断情報の他に、プロセス量、補助的プロセス量、機器稼動情報などがあり、そのうちの任意の１つまたは複数のデータを適宜送信できるようになっている。
また、無線信号送受信部と電源部は、その一部または全部が取り外し可能なモジュール構成で形成される場合もある。

図２は図１のポジショナを使った場合のシステム構成の一実施例を示す構成図である。バルブ２０およびポジショナ１０ａは複数組あることを想定しているが、図では１組だけ示してある。図において、１００は４−２０ｍＡの信号をポジショナ１０ａに与える既存のDCS１００である。２００はアセット管理システムである。２１０はポジショナ１０ａと無線通信を行うためのターミナルであり、アセット管理システム２００に接続されている。２２０は診断情報を記憶した診断情報データベースであり、アセット管理システム２００からのアクセスが可能になっている。

ポジショナ１０ａからは、プロセス稼動情報やバルブ診断情報をアセット管理システム２００に送信する。具体的には、例えば以下のような内容を送信する。
（１）バルブの開時間、閉時間、ストローク回数などのバルブ稼動状況
（２）操作圧力、バルブ開度（ポジション）、外部センサ入力信号
（３）Stickの発生状況などのバルブ診断情報

このような構成によれば、４−２０ｍＡの信号入力をそのまま生かしているため、既存のDCSをそのまま継承して使用できる。また、制御ループは、無線でなく４−２０ｍＡの信号を使うので、制御安定性、信頼性は従来のままである。
また、４−２０ｍＡのループの余剰電流を利用しており、それを蓄電して送信あるいは受信用の電力として使用するので、電池交換や外部電源入力が不要である。
また、無線では、主に診断に必要なデータを送信し、アセット管理システムでデータを扱うようにしている。これにより、保守費用の削減が期待できる。

なお、上記実施例では、４−２０ｍＡをDCSから入力するバルブポジショナの例について説明したが、４−２０ｍＡをDCSに出力する差圧伝送器や温度伝送器、流量計などのセンサについても本発明は適用可能である。
図３はこのようなセンサの一例を示す構成ブロック図である。センサ１０ｂは、例えば２４Ｖの供給電圧が外部から与えられ、圧力、温度、流量などのセンサ信号に応じた電流を出力するように構成されたものである。

図において、無線信号送受信部１６と電源部１７ａは図１のものと同等である。信号処理部１２ａは、センサ信号入力部１３ｂで受信したセンサ信号を測定し、センサ信号に対応した値を４−２０ｍＡ信号出力部１１ａを介してDCSに送信する。センサ１０ｂ内部の消費電流が、出力電流（通常、３．６ｍＡ以上）に対して余裕があれば、それが余剰電流となり、電源部１７ａに蓄積される。

次に、本発明に係るフィールド機器の信号伝送方法について説明する。本発明では、無線モジュールを付加することにより、信号処理部とのディジタル信号の授受を行うが、無線プロトコルへの論理的変換が必要になり、無線信号送受信部のファームウェアを機器の機能仕様に合わせて設計する必要がある。

例えば、電源部と無線信号送受信部を具備する共通の無線モジュールを開発する場合、機器の機能仕様はそれぞれに異なるため、信号処理部から来るディジタル信号の論理フォーマットを無線信号送受信部でプロトコル変換し、送信する必要がある。

本実施例で説明するフィールド機器は、最小限の開発費用で無線モジュールのファームウェアが開発できるようにし、またアセット管理システムなどのホスト側アプリケーションとの接続を容易にするものである。

次に、上記で説明した図１や図３に示すフィールド機器において以下のような動作により信号を伝送することのできる本発明の信号伝送方法について説明する。
（１）信号処理部１２と無線信号送受信部１６との信号のやり取りは、論理的にいわゆるスマート通信のプロトコルを使う。
製造者固有あるいは国際的標準化団体によって規格化されたスマート通信には、HART，Brain，DEなどがあり、それぞれ物理層は異なる。例えば、HARTにおいては、FSKという周波数変調方式を採用している。本発明では、信号処理部１２と無線信号送受信部１６のインタフェースはいわゆるロジックレベル（０−３Ｖや０−５ＶをOnまたはOffとする信号、NRZとも呼ばれる）とする。

（２）無線信号送受信部１６とホストシステムとの通信には、HARTプロトコルの上位層のデータを送受する。図４はHARTプロトコルのフレームフォーマットを示す図である。ここには、データリンク層とユーザ層が含まれているが、無線信号送受信部１６とホストシステムとの通信は、ユーザ層（コマンド、バイト数、データ）あるいはユーザ層とデータリンク層の一部を送受信する。

つまり、無線プロトコルに含まれる上位層のデータには、スマート通信のフレームを用いることとする。なお、無線プロトコルの例としては、現在フィールド機器のネットワークの適用を想定した無線通信規格（IEEE802.15.4など）がある。

次にホストシステム側について説明する。図５はアセット管理システムの一構成例である。アセット管理システム本体２０１と通信サーバ２０２のソフトウェア間のインタフェースは、例えば業界標準のOPCインタフェースなどが採用されている。通信サーバ２０２では、入出力（I/O）モジュール２０３や無線ターミナル２１０などのハードウェアへのアクセスを行っている。

仮に、有線フィールド機器との通信方式がHARTであり、無線フィールド機器との通信の上位層のデータもHARTのフォーマットであるとすると、アセット管理システムから見たOPCのデータ形式は全く同じであり、無線機器も有線機器も区別することなく扱うことができる。
また、HARTにおいては、HCF（HART Communication Foundation）によりDD（Device Description）がサポートされており、機器の属性やパラメータアクセスのためのメニュー構造が定義されている。これも、有線機器と同様に無線機器にも適用可能である。

このような信号伝送方法により、次のような効果が発揮される。
（１）既存の4-20ｍＡのスマート型フィールド機器の信号処理部のファームウェアを全く変更することなく、あるいはごく一部の変更により、無線信号送受信部との信号のやりとりが可能になる。

（２）無線信号送受信部１６のファームウェアは機器に依存することなく、スマート通信プロトコルの上位層を単に転送すればよいので、ファームウェアが簡単であり、かつ機器間で共通化が可能になる。
（３）既存のアセット管理システムのソフトウェアの構成の変更なしに、最小限のソフトウェアモジュール変更により、無線対応機器との通信を可能にする。

以下に図６に基づいて本発明を詳細に説明する。図６は、本発明の第２の実施例を示す構成図である。図１の実施例と同一の要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図６の実施例の特徴は、充電回路４１及び充電素子４３に係る構成にある。また、図６の実施例は、バルブポジショナ（フィールド機器）４０であり、接続点Ａと接続点Ｂとは４−２０ｍＡの信号（アナログ信号）を入力する信号線（図示せず）に接続される。

シャントレギュレータ（電源電圧生成手段）３１の一端は接続点Ａに接続され、電流検出抵抗３２の一端は接続点Ｂに接続される。また、シャントレギュレータ３１の他端と電流検出抵抗３２の他端とは接続点Ｅで接続される。そして、接続点Ｅをフィールド機器４０の共通電位とする。また、シャントレギュレータ３１は、接続点Ａに流入される４−２０ｍＡの入力電流から、アナログ／ディジタル変換器３３、信号処理部３４、ディジタル／アナログ変換器３５等の４−２０ｍＡの信号処理に係る内部回路の電源電圧を生成する。

また、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）３３は、接続点Ａと接続点Ｅとに接続され、電力が供給される。さらにまた、アナログ／ディジタル変換器３３には、接続点Ｂの信号と外部センサ入力からの信号Ｃと信号Ｌと信号Ｍとが入力される。

さらに、信号処理部３４は、接続点Ａと接続点Ｅとに接続され、電力が供給される。また、信号処理部３４には、アナログ／ディジタル変換器３３の出力の信号Ｆが入力され、さらに、信号ＰＷＦＬが入力され、信号ＣＯＭＭが入出力される。そして、信号処理部３４はマイクロプロセッサ（図示せず）及びメモリ（図示せず）等で形成される。さらに、そのメモリにはプログラム及びデータが格納されている。

さらにまた、信号処理部３４は、信号線の電流値と内部回路の消費電流値の相関を算出する充電制御手段の機能を有する。そして、信号処理部３４には、信号ＣＴＲＬ、信号ＰＷＦＬ、信号ＷＫＵＰ、信号ＣＯＭＭが入力及び出力される。

また、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）３５は、接続点Ａと接続点Ｅとに接続され、電力が供給される。さらにまた、ディジタル／アナログ変換器３５には、信号処理部３４の出力の信号Ｇが入力される。

さらに、ＩＰモジュール３６にはディジタル／アナログ変換器３５の出力の信号Ｈが入力され、コントロールリレー３７にはＩＰモジュール３６の出力が入力される。そして、ＩＰモジュール３６は電気信号を空気圧信号に変換する。さらにまた、コントロールリレー３７はこの空気圧信号を増幅してバルブ２０に対して圧力を出力する。

また、圧力センサ３８とバルブ２０とには、コントロールリレー３７の出力の圧力信号Ｊが入力される。さらにまた、圧力センサ３８は信号Ｌを出力する。

さらに、ポジションセンサ３９にはバルブ２０からの位置信号Ｋが機械的、あるいは磁気的手段等により入力される。さらにまた、ポジションセンサ３９は信号Ｍを出力する。

また、充電回路４１は、接続点Ａと接続点Ｅとに接続され、さらに接続点Ｄに接続される。さらにまた、充電回路４１には信号処理部３４の出力の信号ＣＴＲＬが入力される。そして、充電回路４１は、接続点Ａに流れ込む電流（信号線の電流）の一部から接続点Ｄのための電流あるいは電圧を生成し、後段の蓄電デバイス４３を充電する。

さらに、電圧低下検出回路（充電状態検出手段）４２は、接続点Ｄと接続点Ｅとに接続される。さらにまた、電圧低下検出回路４２は電圧監視信号ＰＷＦＬを信号処理部３４に出力し、蓄電デバイス４３の充電及び放電の程度を信号処理部３４に通知する。

また、蓄電デバイス４３は、接続点Ｄと接続点Ｅとに接続される。即ち、充電回路４１と蓄電デバイス４３とは、直列接続回路を形成する。そして、蓄電デバイス４３は、例えば、充電池または大容量コンデンサで形成される。さらにまた、蓄電デバイス４３は、充電回路４１によって充電される。

さらに、無線信号送受信部４４は、接続点Ｄと接続点Ｅとに接続され、電力が供給される。また、無線信号送受信部４４には、信号処理部３４の出力の信号ＷＫＵＰが入力され、信号ＣＯＭＭが入出力される。そして、無線信号送受信部４４は信号ＷＫＵＰにより活性化・非活性化し、無線信号送受信部４４と信号処理部３４とは信号ＣＯＭＭにより例えば調歩同期式のシリアル通信を行う。

このような図６の実施例の動作を説明する。

バルブポジショナ４０は、入力電流として４−２０ｍＡを受け取り、シャントレギュレータ３１により内部回路のための電源電圧を生成する。入力電流は、電流検出抵抗３２でアナログ電圧信号に変換され、アナログ／ディジタル変換器３３でディジタル値に変換される。また、ポジションセンサ３９の信号も、アナログ／ディジタル変換器３３でディジタル値に変換される。

そして、信号処理部３４は、入力電流の信号とポジションセンサから信号に基づき、例えばＰＩＤ制御演算を実行し、入力電流に応じたバルブポジションになるように、ディジタル／アナログ変換器３５を介して、ＩＰモジュール３６を制御する。ＩＰモジュール３６は電気信号を空気圧信号に変換し、コントロールリレー３７はこの空気圧信号を増幅してバルブ２０を制御する。

このようにして、バルブポジショナ４０はバルブ２０を制御する。

なお、図６の実施例は、この他に、バルブ２０の圧力をモニタするもしくは、バルブ２０の診断または外部環境の診断等を行うこともある。さらに、また、図６の実施例は、４−２０ｍＡを介したハイブリッド通信（例えば、ＨＡＲＴ通信協会で規格化されているＨＡＲＴ通信のための変調、復調）を行うこともある。

また、図６の実施例の信号処理部３４は、例えば、４−２０ｍＡの入力電流の値に基づいて、信号ＣＴＲＬをパルス幅変調し、充電回路４１が生成する電圧及び電流を制御する。

詳しくは、信号処理部３４は、４−２０ｍＡの入力電流（信号線の電流値）から、アナログ／ディジタル変換器３３、信号処理部３４、ディジタル／アナログ変換器３５その他の内部回路の消費電流値を差し引いた余剰電流が、充電回路４１に流れるように制御する。

そして、蓄電デバイス４３の充電が十分になれば、電圧低下検出回路４２は、信号ＰＷＦＬを変化させ、その旨を信号処理部３４に通知する。

そしてまた、信号処理部３４は、蓄電デバイス４３の充電が十分であり、かつ無線の送受信が必要であるときに、信号ＷＫＵＰにより、無線信号送受信部４４を活性化動作させる。つまりに、図６の実施例は、電圧低下検出回路４２の出力に基づき、無線信号送受信部４４に対する十分な電力を確保しながら、無線信号送受信部４４を間欠的に動作させる。

さらに、信号処理部３４と無線信号送受信部４４とは、無線信号送受信部４４が活性化動作しているときに、信号ＣＯＭＭにより双方向に通信する。

また、蓄電デバイス４３の放電が過剰になれば、電圧低下検出回路４２は、信号ＰＷＦＬを変化させ、その旨を信号処理部３４に通知する。

そしてまた、信号処理部３４は、蓄電デバイス４３の放電が過剰であるときは、信号ＷＫＵＰにより、無線信号送受信部４４を非活性化させる。

このようにして、図６の実施例は、効率的に蓄電デバイス４３を充電する。即ち、図６の実施例は、余剰電流を無駄なく蓄電デバイス４３を充電する。また、図６の実施例は、効率的に無線信号送受信部４４を活性化する。よって、図６の実施例は、高効率・小形・低コストとなる。また、図６の実施例は、市場で容易に入手可能な電子部品等で簡便に形成できる。さらに、図６の実施例は、外部のホストシステムまたはアセット管理システム等との通信を好適に行うことができる。

また、余剰電流から蓄電デバイス４３に充電する充電電流を、入力電流に応じて最適化することで、無線信号送受信部４４を安定的に動作させることができる。さらにまた、蓄電デバイス４３の充電電圧が十分であることを検知し、無線信号送受信部４４を間欠的に活性化してデータの送受信を行うことで、無線の送受信を信頼性高く行うことができる。

さらに、図６の実施例は、４−２０ｍＡをそのまま生かしているので、既存のＤＣＳがそのまま継続して使用できる。また、制御ループは無線でなく４−２０ｍＡを使うので、制御安定性、信頼性は確保される。さらに、４−２０ｍＡループの余剰電流を利用しており、それを蓄電して送信あるいは受信するので、電池交換及び外部電源入力が不要である。また、無線では、主に診断に必要なデータを送信し、アセット管理システムでデータを扱うようにすると、メンテナンスコスト削減が期待出来る。

以下に図７に基づいて本発明を詳細に説明する。図７は、本発明の第３の実施例を示す構成図である。図６の実施例と同一の要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図７の実施例（バルブポジショナ５０）の特徴は、図６の実施例と同様に、充電回路５１及び蓄電デバイス５３に係る構成にある。また、図７の実施例は、第１のシャントレギュレータ５５と第２のシャントレギュレータ５６とを備える点にある。

第１のシャントレギュレータ５５の一端は接続点Ａに接続される。また、第１のシャントレギュレータ（電源電圧生成手段）５５の他端と第２のシャントレギュレータ（電源電圧生成手段）５５の一端とは、接続点Ｎで接続される。さらに、第２のシャントレギュレータ５５の他端は接続点Ｅ（電流検出抵抗３２の他端）に接続される。

そして、接続点Ｅと接続点Ｎとをフィールド機器４０の共通電位とする。また、接続点Ｎは、アナログ／ディジタル変換器３３、信号処理部３４、ディジタル／アナログ変換器３５等の内部回路に接続される。

即ち、第１のシャントレギュレータ５５は、信号線に接続され、充電回路５１と蓄電デバイス５３との直列接続回路に並列に接続される。また、第２のシャントレギュレータ５６は、第１のシャントレギュレータ及び充電制御回路５１に直列に接続され、内部回路の電源電圧を生成する。

さらに、充電回路５１は、接続点Ａに接続され、さらに接続点Ｄに接続される。そして、充電回路５１は、接続点Ａに流れ込む電流の一部から接続点Ｄのための電流あるいは電圧を生成し、後段の蓄電デバイス５３を充電する。

さらに、電圧低下検出回路５２は、接続点Ｄと接続点Ｎとに接続される。さらにまた、電圧低下検出回路５２は電圧監視信号ＰＷＦＬを出力し、蓄電デバイス５３の充電及び放電の程度を信号処理部３４に通知する。
また、蓄電デバイス５３は、接続点Ｄと接続点Ｎとに接続される。

さらに、無線信号送受信部５４は、接続点Ｄと接続点Ｎとに接続され、電力が供給される。また、無線信号送受信部５４には、信号処理部３４の出力の信号ＷＫＵＰが入力され、信号ＣＯＭＭが入出力される。そして、無線信号送受信部５４は信号ＷＫＵＰにより活性化・非活性化し、無線信号送受信部５４と信号処理部３４とは信号ＣＯＭＭにより例えば調歩同期式のシリアル通信を行う。

このような図７の実施例の動作を説明する。

図７の実施例は、充電回路５１に流れ、蓄電デバイス５３を充電する電流が、アナログ／ディジタル変換器３３、信号処理部３４、ディジタル／アナログ変換器３５その他で消費される。

したがって、図７の実施例は、アナログ／ディジタル変換器３３、信号処理部３４、ディジタル／アナログ変換器３５その他の消費電流の変化に影響されず、安定的・効率的に蓄電デバイス５３を充電できる。なお、ＣＴＲＬ信号、ＰＷＦＬ信号、ＷＫＵＰ信号およびＣＯＭＭ信号には必要に応じてトランジスタ、ＩＣ等を用いた適切な電圧レベルシフトを行う（図示せず）。

また、図７の実施例は、図６の実施例と同様に、高効率・小形・低コストとなる。また、図７の実施例は、市場で容易に入手可能な電子部品等で簡便に形成できる。さらに、図７の実施例は、外部のホストシステムまたはアセット管理システム等との通信を好適に行うことができる。

以下に図８に基づいて本発明を詳細に説明する。図８は、本発明の第４の実施例を示す構成図である。図７の実施例と同一の要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図８の実施例（バルブポジショナ６０）の特徴は、図７の実施例と同様に、充電回路６１及び充電素子５３に係る構成にある。また、図８の実施例は、信号処理部３４とは別のハードウエアで形成された充電制御回路（充電制御手段）６２を備える点にある。

また、充電制御回路６２は、接続点Ａと接続点Ｎとに接続される。さらに、充電制御回路６２には第１のシャントレギュレータ５５の出力の信号Ｐが入力される。信号Ｐは第１のシャントレギュレータ５５に流れる電流値に係わる信号である。そして、充電制御回路６２は、第１のシャントレギュレータ５５の電流が一定以上になるように、充電回路６１を制御し、蓄電デバイス５３への充電電流の量を制御する。

さらに、充電回路６１は、接続点Ａに接続され、さらに接続点Ｄに接続される。そして、充電回路６１は、接続点Ａに流れ込む電流の一部から接続点Ｄの電流あるいは電圧を生成し、後段の蓄電デバイス５３を充電する。さらに、充電回路６１には、充電制御回路６２の出力の信号ＣＴＲＬが入力される。

このような図８の実施例の動作を説明する。

第１のシャントレギュレータ５５を流れる電流に比例して信号Ｐが変化し、さらに、信号ＣＴＲＬが変化し、蓄電デバイス５３の充電電流の量が変化する。このことにより、第２のシャントレギュレータ５５は常に安定した電圧を生成する。

また、図８の実施例は、図６の実施例と同様に、高効率・小形・低コストとなる。また、図８の実施例は、市場で容易に入手可能な電子部品等で簡便に形成できる。さらに、図８の実施例は、外部のホストシステムまたはアセット管理システム等との通信を好適に行うことができる。

以下に図９に基づいて本発明を詳細に説明する。図９は、本発明の第５の実施例を示す構成図である。図６の実施例と同一の要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図９の実施例の特徴は、図６の実施例と同様に、充電回路４１及び充電素子４３に係る構成にある。また、図６の実施例は、センサ（フィールド機器）７０である。

電流制御素子７１の入力端は接続点Ａに接続され、電流制御素子７１の出力端は接続点Ｑに接続される。また、接続点Ｑは、シャントレギュレータ３１、アナログ／ディジタル変換器３３、信号処理部３４、ディジタル／アナログ変換器３５等の内部回路に接続され、電力が供給される。さらに、接続点Ｑは、充電回路４１に接続され、電力が供給される。

また、センサ素子７２にはセンサに対する物理的入力信号Ｒ、例えば圧力、流量、温度等が入力され、センサ素子７２は信号Ｓをアナログ／ディジタル変換器３３に出力する。

さらに、電流制御回路７３の一方の入力にはディジタル／アナログ変換器３５の出力の信号Ｈが入力され、電流制御回路７３の他方の入力には電流検出抵抗３２の一端（接続点Ｂ）の信号が入力される。また、電流制御回路７３の出力の信号Ｔは、電流制御素子７１の制御入力に入力される。

このような図９の実施例の動作を説明する。

例えば、接続点Ａと接続点Ｂとの間には直流電圧２４Ｖが供給される。そして、シャントレギュレータ３１は、図６の実施例と同様に、接続点Ｑと接続点Ｅとの間に所定の電源電圧を生成する。また、充電回路４１は、図６の実施例と同様に、接続点Ｄと接続点Ｅとの間に所定の電流あるいは電圧を生成し、蓄電デバイス４３を充電する。

また、センサに入力する物理量は、センサ素子７２により信号に変換され、アナログ／ディジタル変換器３３によりアナログ値からディジタル値に変換され、信号処理部３４により適切な信号処理がなされ、ディジタル／アナログ変換器３５によりディジタル値からアナログ値へ変換され、電流制御回路７３により４−２０ｍＡの電流値と比較され、電流制御素子７１に伝達し、４−２０ｍＡの電流値を制御する。

そして、４−２０ｍＡの電流値は、物理量に基づく値となる。また、この４−２０ｍＡの電流値（信号線の電流値）と、シャントレギュレータ３１、アナログ／ディジタル変換器３３、信号処理部３４、ディジタル／アナログ変換器３５その他の内部回路の電流値との差に相当する電流が充電回路４１に流れる。

さらに、充電回路４１は、接続点Ｑに流れ込む電流の一部から接続点Ｄの電圧及び電流を生成し、後段の蓄電デバイス４３を充電する。

したがって、図９の実施例は、図６の実施例と同様に、高効率・小形・低コストとなる。また、図９の実施例は、市場で容易に入手可能な電子部品等で簡便に形成できる。さらに、図９の実施例は、外部のホストシステムまたはアセット管理システム等との通信を好適に行うことができる。

以下に図１０に基づいて本発明を詳細に説明する。図１０は、本発明の第６の実施例を示す構成図である。図７の実施例及び図９の実施例と同一の要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図１０の実施例の特徴は、図７の実施例と同様に、充電回路５１及び充電素子５３に係る構成にあり、第１のシャントレギュレータ５５と第２のシャントレギュレータ５６とを備える点にある。また、図１０の実施例は、センサ（フィールド機器）８０である。

このような図１０の実施例の構成は、図７の実施例の構成と実質的に同等となる。

したがって、図１０の実施例は、図７の実施例と同様に、アナログ／ディジタル変換器３３、信号処理部３４、ディジタル／アナログ変換器３５その他の消費電流の変化に影響されず、安定的・効率的に蓄電デバイス５３を充電できる。

また、図１０の実施例は、図７の実施例と同様に、高効率・小形・低コストとなる。また、図１０の実施例は、市場で容易に入手可能な電子部品等で簡便に形成できる。さらに、図１０の実施例は、外部のホストシステムまたはアセット管理システム等との通信を好適に行うことができる。

さらに、上述の例は、４−２０ｍＡの信号（アナログ信号）を入出力するフィールド機器の実施例であったが、これとは別に、所定の信号を入出力するフィールド機器についても、実質的に同等の構成となるため、同等の作用効果がある。

なお、本発明は上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

１０ａ ポジショナ
１０ｂ センサ
１１ ４−２０ｍＡ信号入力部
１１ａ ４−２０ｍＡ信号出力部
１２、１２ａ，３４ 信号処理部
１３ａ、１３ｂ センサ信号入力部
１４ バルブ操作部
１６，４４，５４ 無線信号送受信部
１７ａ 電源部
２０ バルブ
３１，５５，５６ シャントレギュレータ（電源電圧生成手段）
３２ 電流検出抵抗
３３ アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）
３５ ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）
３６ ＩＰモジュール
３７ コントロールリレー
３８ 圧力センサ
３９ ポジションセンサ
４０，５０，６０ バルブポジショナ（フィールド機器）
７０，８０ センサ（フィールド機器）
４１，５１，６１ 充電回路
４２，５２ 電圧低下検出回路（充電状態検出手段）
４３，５３ 蓄電デバイス
６２ 充電制御回路
７１ 電流制御素子
７２ センサ素子
７３ 電流制御回路
１００ ＤＣＳ（分散制御システム）
２００ アセット管理システム
２０１ アセット管理システム本体
２０２ 通信サーバ
２０３ Ｉ／Ｏモジュール
２１０ ターミナル
２２０ 診断情報データベース

Claims (11)

1. プロセス現場に設置されていて、上位の分散型制御システムとは信号線を介して接続され、４−２０ｍＡの信号を入力あるいは出力し、４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルに従って前記信号線を介して通信すると共に、信号処理部に接続されデータを装置との間で無線信号で送受信する無線信号送受信部を備えたフィールド機器の信号伝送方法において、
   前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームの一部を用いて前記無線信号送受信部より前記信号線を介することなく前記装置との間で無線により制御ループを構成しないデータを伝送し、
   前記装置は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームを用いて有線フィールド機器との間で有線により制御ループを構成しないデータの送受信を実行可能とされる
   ことを特徴とするフィールド機器の信号伝送方法。
2. 無線で伝送する通信プロトコルのフレームは、前記４−２０ｍＡ機器で使用されるディジタル通信プロトコルのデータリンク層またはアプリケーション層またはその組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器の信号伝送方法。
3. 前記無線で伝送する通信プロトコルのフレームは、コマンド、バイト数、データを含むことを特徴とする請求項２に記載のフィールド機器の信号伝送方法。
4. 前記信号処理部と無線信号送受信部との物理的信号のやり取りでは、モデムによる変調がされていない論理信号が用いられる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のフィールド機器の信号伝送方法。
5. 前記信号処理部と無線信号送受信部との間の通信プロトコルのフレームは、４−２０ｍＡ機器で使用されるディジタル通信プロトコルのデータリンク層またはアプリケーション層またはその組み合わせである
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のフィールド機器の信号伝送方法。
6. 上位層を利用するディジタル通信プロトコルは、HARTプロトコルであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のフィールド機器の信号伝送方法。
7. プロセス現場に設置されていて、上位の分散型制御システムとは信号線を介して接続され、４−２０ｍＡの信号を入力あるいは出力し、４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルに従って前記信号線を介して通信すると共に、信号処理部に接続されデータを装置との間で無線信号で送受信する無線信号送受信部を備えたフィールド機器において、
   前記無線信号送受信部は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームの一部を用いて前記信号線を介することなく前記装置との間で無線により制御ループを構成しないデータを伝送し、
   前記装置は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームを用いて有線フィールド機器との間で有線による制御ループを構成しないデータの送受信を実行可能とされる
   ことを特徴とするフィールド機器。
8. 無線信号を送受信していないときの余剰電流を蓄電する電源部を備え、
   この電源部に蓄えた電力を前記無線信号送受信部に供給し無線信号の送受信に利用するように構成した
   ことを特徴とする請求項７に記載のフィールド機器。
9. プロセス現場に設置されていて、上位の分散型制御システムとは信号線を介して接続され、４−２０ｍＡの信号を入力あるいは出力し、４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルに従って前記信号線を介して通信するフィールド機器に取り外し可能な無線モジュールにおいて、
   前記フィールド機器の信号処理部に接続され、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームの一部を用いて前記信号線を介することなく装置との間で無線により制御ループを構成しないデータを伝送する無線信号送受信部を備え、
   前記装置は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームを用いて有線フィールド機器との間で有線による制御ループを構成しないデータの送受信を実行可能とされる
   ことを特徴とする無線モジュール。
10. 無線信号を送受信していないときの余剰電流を蓄電する電源部を備え、
    この電源部に蓄えた電力を前記無線信号送受信部に供給し無線信号の送受信に利用するように構成した
    ことを特徴とする請求項９に記載の無線モジュール。
11. プロセス現場に設置されていて、上位の分散型制御システムとは信号線を介して接続され、４−２０ｍＡの信号を入力あるいは出力し、４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルに従って前記信号線を介して通信すると共に、信号処理部に接続されデータを無線信号で送受信する無線信号送受信部を備えたフィールド機器と、
    このフィールド機器と無線通信を行うターミナルと、
    このターミナルに接続され、診断情報データベースにアクセス可能なアセット管理システムと、
    を備え、
    前記無線信号送受信部は、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームの一部を用いて前記信号線を介することなく前記アセット管理システムとの間で無線により制御ループを構成しないデータを伝送し、
    前記アセット管理システムは、前記４−２０ｍＡ機器で使用されているディジタル通信プロトコルのフレームを用いて有線フィールド機器との間で有線による制御ループを構成しないデータの送受信を実行可能とされる
    ことを特徴とするシステム。

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