JP5700249B2 - 伝送器の異常警報装置 - Google Patents

Description

本発明は、ループ抵抗を介して直流電源に接続され、前記ループ抵抗にプロセス量に関連したループ電流を出力する伝送器における異常警報装置に関するものである。

図６は、２線式伝送器の基本構成を示す回路図である。伝送器３０は、ループ抵抗１０（抵抗値ＲL）を介して直流電源２０（供給電圧ＶPS）に接続され、ループ抵抗１０にプロセス量に関連した所定スパンのループ電流ＩLを出力する。伝送器３０のターミナル間電圧をＶTで示す。

標準的な２線式伝送器では、供給電圧ＶPS＝２４Ｖ、ループ電流ＩL＝４−２０ｍＡ、ループ抵抗ＲL＝２５０Ωを基準値としている。この基準値において、ループ電流ＩLの４−２０ｍＡの変化に対するループ抵抗ＲLの端子間電位の変化は１−５Ｖ、伝送器３０のターミナル間電圧ＶTの変化は１９−２３Ｖである。

ループ抵抗ＲLの端子間電位は、伝送器３０のアナログ電圧出力として端子Ｐ１，Ｐ２を介して他の機器に渡される。スマート規格に準拠する通信では、このアナログ出力電圧にディジタル信号を重畳させて他の機器とディジタル通信を行う。

図７は、ループ電流に対するターミナル間電圧異常警報の従来手法を説明するターミナル間電圧特性図である。ループ電流ＩLの４−２０ｍＡの変化に対するターミナル間電圧ＶTが１９−２３Ｖ変化する論理特性Ｆに対し、プラス側およびマイナス側に所定電圧（例えば１Ｖ）の閾値を加算または減算した警報特性ＧおよびＧ´を設定する。

現在のループ電流ＩLに対するターミナル間電圧ＶTの定期的な監視による測定値が、警報特性Ｇ以下またはＧ´以上であるとき、ループ抵抗ＲLの異常と判定し、アラートを発信する仕組みとなっている。この場合、供給電圧ＶPSは、２４Ｖで変動しないとみなしている。

米国特許５８４８１２０号

図８は、従来手法による問題点を説明するターミナル間電圧特性図であるＲL＝２５０Ωの基準値としたときの論理特性Ｆおよび警報特性Ｇ，Ｇ´は、図７で示した表記と同一である。

図８において、ターミナル間電圧特性Ｈは、ループ抵抗ＲLを基準値から５０％増の３７５オームにしたときの論理特性である。ターミナル間電圧特性Ｈ´は、ループ抵抗ＲLを基準値から５０％減の１２５オームにしたときの論理特性である。

ターミナル間電圧ＶTが理論値から変化する主な要因として、以下が考えられる。
（１）バッテリー能力の低下や電源異常による供給電圧ＶPSの変化
（２）抵抗の劣化や断線、ショート等によるループ抵抗値ＲLの変化
（３）伝送器の電気回路の劣化や伝送器内部の電流リークによるループ電流ＩLの変化

従来技術では、（１）と（２）含んだ形で評価しており、その切り分けは行われていない。２種類以上の電流を流すことで、各々を算出することはできるが、通常のプラントの運転中に実施することは困難である。

また従来技術では、原理上、抵抗値変化に対する感度が電流出力によって変動し、出力値が低いときに抵抗値の変動を検出することができない。

どの程度の信号出力の変動（抵抗値の変動）が許容できるかはプロセスにより異なるが、
簡単のため、２５％以上の信号出力変動を異常とみなすプロセスを具体例として考える。具体的には、図８において、特性ＨおよびＨ´は、抵抗値が正常値から±５０％も変動したときのターミナル間電圧変化を示しているが、許容閾値を±１Ｖと設定した特性ＧおよびＧ´の場合では、出力が２５％以下(ループ電流ＩL＝８ｍＡ以下)のときにこれを検出することができない。つまり抵抗値の変化を検出するためにはある程度の電流出力が必要となる。

または許容閾値を±０.５Ｖより小さく設定することで、下限出力（４ｍＡ）時においても、抵抗値の変動を検出が可能となるが、その場合、出力値が増大したときに、わずかな抵抗値変化でも異常として検出してしまう可能性がある。具体的には、最大出力（２０ｍＡ）では±１０％（±２５Ω） 程度の抵抗値変化でも異常として検出してしまう。

さらに、供給電圧ＶPSの変動は、伝送器が正常に動作している限り、シャント電流の増減によりループ電流が一定に調節されるため、ループ間の電位差には影響せず、その測定値は変動しない。

したがって、供給電圧のみが変動した場合を検出する必要性は低い。一方で、ループ抵抗の特性が変動した場合は、そのループ抵抗間の電位差についても特性が変動してしまい、測定値に影響を与えるため、ループ抵抗の異常を検知することが伝送器として非常に重要である。

本発明の目的は、ループ電流に関連した閾値の設定により、ループ抵抗の変動を正確に検出することができる伝送器の異常警報装置を実現することにある。更に、ターミナル間電圧およびループ電流の履歴に基づき、供給電圧の変化とループ抵抗の変化を切り分けて評価できる伝送器の異常警報装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）ループ抵抗を介して直流電源に接続され、前記ループ抵抗にプロセス量に関連したループ電流を出力する伝送器の異常警報装置において、
前記ループ電流の現在の測定値と前記ループ抵抗の許容誤差設定値に基づき、ループ電流の現在の測定値における前記伝送器のターミナル間電圧変動の許容閾値を算出する閾値演算手段と、
前記直流電源の供給電圧および前記ループ抵抗の基準値に基づく前記ターミナル間電圧の論理特性より、現在のループ電流における基準ターミナル間電圧を生成する基準ターミナル間電圧生成手段と、
前記伝送器の現在のターミナル間電圧測定値と、前記基準ターミナル間電圧と、前記許容閾値とを入力し、前記ターミナル間電圧測定値と前記基準ターミナル間電圧の差が前記許容閾値を超えるときに前記ループ抵抗の異常警報を出力する警報手段と、
を備えることを特徴とする伝送器の異常警報装置。

（２）前記ターミナル間電圧および前記ループ電流の測定値を時系列的に収集したトレンドデータに基づいて、前記直流電源の供給電圧を近似する線形近似手段と、
近似された前記供給電圧と、設定される標準の供給電圧とを比較し、両者の差が設定される供給電圧閾値を超えるときに前記直流電源の異常警報を出力する警報手段と、
を備えることを特徴とする（１）に記載の伝送器の異常警報装置。

（３）前記ターミナル間電圧および前記ループ電流の測定値を時系列的に収集したトレンドデータに基づいて、前記ループ抵抗を近似する線形近似手段と、
近似されたループ抵抗特性に基づく現在のループ電流に対するループ抵抗値と、前記ループ抵抗値の基準値とを比較し、両者の差が設定されるループ抵抗の許容閾値を超えるときに前記ループ抵抗の異常警報を出力する警報手段と、
を備えることを特徴とする（１）に記載の伝送器の異常警報装置。

（４）前記伝送器は、２線式伝送器であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の伝送器の異常警報装置。

（５）前記ループ抵抗の端子間電圧を、伝送器の出力信号として他の機器に渡すことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の伝送器の異常警報装置。

（６）前記ループ抵抗の端子間電圧に、ディジタル信号を重畳させて他の機器とスマート型の通信を行うことを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の伝送器の異常警報装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）ループ電流の全範囲においてループ電流の値に影響されずにループ抵抗の変動を正確に検出することができる。

（２）ターミナル間電圧およびループ電流のサンプリングによるトレンドデータによる線形近似特性により、ループ抵抗と供給電圧を切り分けて算出することができ、供給電圧の変動をも考慮したループ抵抗の変動を評価することができる。

（３）これらの手法は、複合的に用いることで、より正確なループ抵抗および供給電圧の評価することができる。

本発明を適用した、伝送器の異常警報装置の一実施例を示す機能ブロック図である。 本発明によるターミナル間電圧の異常警報を説明するターミナル間電圧特性図である。 本発明を適用した、伝送器の異常警報装置の他の実施例を示す機能ブロック図である。 線形近似特性の生成を説明するターミナル間電圧特性図である。 本発明による信号処理の手順を説明するフローチャートである。 ２線式伝送器の基本構成を示す回路図である。 ループ電流に対するターミナル間電圧異常警報の従来手法を説明するターミナル間電圧特性図である。 従来手法による問題点を説明するターミナル間電圧特性図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用した、伝送器の異常警報装置の一実施例を示す機能ブロック図である。図６で説明した基本構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図６に示した基本構成に追加される構成要素を説明する。電流検出回路４０は、ループ電流ＩLの経路に直列挿入された電流検出抵抗４１（抵抗値Ｒi≪ＲL）の端子間電圧Ｖiを所定利得の増幅器４２で増幅し、ループ電流ＩLのスパン４−２０ｍＡに対応したスパンの電圧信号に変換する。この電圧信号を、図１では説明の便宜上電流測定値ＩLで表記している。このような電流検出手法は周知技術である。

太線のブロックで示した異常警報装置１００は、本発明の特徴部をなす構成要素であり、閾値演算手段１０１、論理特性生成手段１０２、警報手段１０３を備えている。

閾値演算手段１０１は、現在の電流測定値ＩLを入力し、ユーザにより設定されるループ抵抗１０の変動値の許容誤差値ΔＲLに基づいて、ターミナル間電圧ＶTの変化量の許容閾値ΔＶTを、
ΔＶT＝ＩL・ΔＲL （１）
で演算して出力する。

（１）式は、供給電圧が一定で伝送器の回路も正しく電流出力が行えているとき、ループ抵抗ＲLの特性値の変動ΔＲLがターミナル間電圧ＶTに与える影響を示しており、閾値ΔＶTは、現在の電流測定値ＩLにより変化する。

図２は、本発明によるターミナル間電圧の異常警報を説明するターミナル間電圧特性図である。論理特性Ｆ、抵抗値が正常値から±５０％（±１２５Ω）変動したときのターミナル間電圧変化特性ＨおよびＨ´は、図８と同一である。本発明による±ΔＲL変動によるターミナル間電圧変化特性を、±ΔＲL＝１００Ωと設定した場合の特性を、ＪおよびＪ´で示している。

ターミナル間電圧変化特性Ｊ，Ｊ´では、閾値ΔＶTは、（１）式で示すように電流測定値ＩLにより変化するので、図８で説明したように特定のループ電流（８ｍＡ）以下で正常なアラート発信ができなくなる問題を解消することができる。

このように、本発明の手法によれば、ループ抵抗の許容変動を±ΔＲL＝１００Ωに設定した場合に、±１２５Ωのループ抵抗変動が生じた場合でも、ループ電流の全範囲でループ抵抗異常をアラートすることが可能となる。

この手法では、供給電圧ＶPSが一定であることを前提としている。実際には、供給電圧とループ抵抗が共に変動してしまうような事態も考えられる。後述する図４のターミナル間電圧特性Ｋは、ループ抵抗ＲLとＶPSが共に増大した場合の極端な例であるが、このような変化については、図１の実施例の手法では対応できない場合がある。

図３は、本発明を適用した、伝送器の異常警報装置の他の実施例を示す機能ブロック図である。この実施例の特徴部を構成する異常警報装置２００は、サンプリング手段２０１、トレンドデータ保持手段２０２、線形近似手段２０３、第１警報手段２０４、第２警報手段２０５を備えている。

サンプリング手段２０１は、ターミナル間電圧ＶTおよびループ電流ＩLの測定値を所定期間時系列的に収集し、トレンドデータ保持手段２０２にトレンドデータＤとして保持させる。

線形近似手段２０３は、ターミナル間電圧とループ電流の関係が線形で表現できることに着目し、トレンドデータ保持手段２０２から取得するトレンドデータＤに基づいて、周知の最小二乗法による線形近似演算によりターミナル間電圧特性を生成する。

ここで、ターミナル間電圧とループ電流の関係が線形で表現できることに注目すると、あるプロセスにおけるターミナル間電圧とループ電流のＮ点のサンプリング(ILk, VTk)に対して、ループ抵抗ＲLおよび供給電圧ＶPSは、次式（２）および（３）のように近似できる。

線形近似されるターミナル間特性を、ｙ＝−ａｘ＋ｂとすれば、（２）式のＲLは、勾配ａを表し、（３）式のＶPSは切片ｂを表している。
図４は、線形近似特性の生成を説明するターミナル間電圧特性図である。ターミナル間電圧特性Ｋが、生成された線形近似特性を示している。

線形近似手段２０３は、演算で生成した近似特性に基づき、現在のループ電流ＩLの測定値に対するターミナル間電圧ＶT´およびループ抵抗ＲL´を算出し、夫々第１警報手段２０４および第２警報手段２０５に渡す。

第１警報手段２０４は、線形近似手段２０３から取得する供給電圧ＶPS´と、ユーザ指定の供給電圧ＶPSの差が、ユーザが設定するターミナル間電圧の閾値ΔＶPS´を超えたときに供給電圧ＶPSの異常を示すアラートＡＬ１を外部出力する。

第２警報手段２０５は、線形近似手段２０３から取得するループ抵抗ＲL´と、基準抵抗ＲLの差が、ユーザが設定するループ抵抗の閾値ΔＲLを超えた時にループ抵抗ＲLの異常を示すアラートＡＬ２を外部出力する。

この実施例の手法を用いる場合、精度の良い線形近似を行うためには、測定するループ電流に十分な測定レンジが必要となるので、ループ電流変化の小さい実際のプラントでは本手法の実施が難しい場合もある。

従って、実用的には、図１の実施例に示した手法でループ抵抗の評価を実行し、測定するループ電流に十分な測定レンジとサンプル数が確保された場合には、図３の実施例に示した手法で供給電圧ＶPS並びにループ抵抗ＲLの高精度の評価を実行する使用形態が望ましい。

図５は、図１の手法（ａ）と図３の手法（ｂ）を複合した本発明による信号処理の手順を説明するフローチャートである。ステップＳ１で測定が開始されると、ステップＳ２で評価に必要な基準値の取得と閾値の設定を行う。

ステップＳ３で手法（ａ）によるループ抵抗ＲLの評価を実行し、ループ抵抗異常であればステップＳ４でアラート発信する。ステップＳ３でループ抵抗異常がチェックされない場合にはステップＳ５に進み、手法（ｂ）の実行に必要なターミナル間電圧ＶTとループ電流ＩLのサンプリングを行う。

ステップＳ６のチェックでサンプリング数が所定数Ｎ以上となり、ステップＳ７のチェックでループ電流の出力範囲が十分と判断された場合には、ステップＳ８でサンプリングデータ群を線形近似し、ステップＳ９で供給電圧ＶPS並びにループ抵抗ＲLの評価を実行し、いずれかに異常があればステップＳ１０でアラート発信する。

このステップＳ１０で異常が検出されない場合およびステップＳ６、Ｓ７での条件が満足されない場合にはステップＳ３に戻り、以下、同じ処理のループを回る。

本発明の実施においては、手法（ａ）および手法（ｂ）は必ずしも複合的に利用する必要はなく、プロセスによっては手法（ａ）のみの単独利用で十分な場合もある。手法（ｂ）は利用できる環境に制約があるので、採用はオプショナルである。

手法（ｂ）では、線形近似に最小二乗法の利用を示したが、最小二乗法はサンプリングが局所的な場合に結果が引っ張られてしまうなどのデメリットもある。線形近似の手法については、プラントの特性に合った手法を選択する必要がある。

本発明が適用可能な伝送器は、スマート型フィールド機器だけでなく、アナログ電流値を出力をするフィールド機器一般に応用することが可能である。

１０ ループ抵抗
２０ 直流電源
３０ 伝送器
４０ 電流検出回路
１００ 異常警報装置
１０１ 閾値演算手段
１０２ 論理特性生成手段
１０３ 警報手段
２００ 異常警報装置
２０１ サンプリング手段
２０２ トレンドデータ保持手段
２０３ 線形近似手段
２０４ 第１警報手段
２０５ 第２警報手段

Claims (6)

1. ループ抵抗を介して直流電源に接続され、前記ループ抵抗にプロセス量に関連したループ電流を出力する伝送器の異常警報装置において、
   前記ループ電流の現在の測定値と前記ループ抵抗の許容誤差設定値に基づき、ループ電流の現在の測定値における前記伝送器のターミナル間電圧変動の許容閾値を算出する閾値演算手段と、
   前記直流電源の供給電圧および前記ループ抵抗の基準値に基づく前記ターミナル間電圧の論理特性より、現在のループ電流における基準ターミナル間電圧を生成する基準ターミナル間電圧生成手段と、
   前記伝送器の現在のターミナル間電圧測定値と、前記基準ターミナル間電圧と、前記許容閾値とを入力し、前記ターミナル間電圧測定値と前記基準ターミナル間電圧の差が前記許容閾値を超えるときに前記ループ抵抗の異常警報を出力する警報手段と、
   を備えることを特徴とする伝送器の異常警報装置。
2. 前記ターミナル間電圧および前記ループ電流の測定値を時系列的に収集したトレンドデータに基づいて、前記直流電源の供給電圧を近似する線形近似手段と、
   近似された前記供給電圧と、設定される標準の供給電圧とを比較し、両者の差が設定される供給電圧閾値を超えるときに前記直流電源の異常警報を出力する警報手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の伝送器の異常警報装置。
3. 前記ターミナル間電圧および前記ループ電流の測定値を時系列的に収集したトレンドデータに基づいて、前記ループ抵抗を近似する線形近似手段と、
   近似されたループ抵抗特性に基づく現在のループ電流に対するループ抵抗値と、前記ループ抵抗値の基準値とを比較し、両者の差が設定されるループ抵抗の許容閾値を超えるときに前記ループ抵抗の異常警報を出力する警報手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の伝送器の異常警報装置。
4. 前記伝送器は、２線式伝送器であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の伝送器の異常警報装置。
5. 前記ループ抵抗の端子間電圧を、伝送器の出力信号として他の機器に渡すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の伝送器の異常警報装置。
6. 前記ループ抵抗の端子間電圧に、ディジタル信号を重畳させて他の機器とスマート型の通信を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の伝送器の異常警報装置。