JP5847319B2 - 無線工業プロセスフィールドデバイス、及び無線工業プロセスフィールドデバイスを給電する方法 - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセスの制御及び監視システムに関する。より具体的には、本発明は、工業プロセスの制御及び／又は監視システムで使用される無線フィールドデバイスに関する。

工業プロセスは、様々な材料を処理又は搬送するために、多くの業界で使用される。工業プロセスは、例えば、精油所、食品製造施設、製紙用パルプ製造施設などで実施される。

工業プロセスの動作は、通常、プロセス変数の監視を必要とする。プロセス変数の例としては、温度、圧力、流量、高さなどが挙げられる。プロセス変数を測定して、測定されたプロセス変数の情報を中央位置に送信するために、送信されるプロセス変数は使用される。プロセス変数の情報を、プロセスを監視するために使用し、また、プロセスを制御するために使用することができる。例えば、測定された流量に基づいて、別の種類のフィールドデバイス、制御デバイスを使用して、バルブを調節することができる。

従来、プロセス変数トランスミッタは、有線接続を使用して中央位置と通信をしてきた。有線接続の例としては、電流ループの２線式プロセス制御ループが挙げられ、このループにより、測定されたプロセス変数が表される。他の通信技術としては、プロセス制御ループでのデジタル情報の送信が挙げられる。同じ２線式プロセス制御ループを、フィールドデバイスに電力を提供するために、使用することができる。

無線フィールドデバイスは、プロセス変数を測定して別の位置と通信するために使用され、上記の有線接続を必要としない。ある無線通信技術は、網目状ネットワーク構成を使用する。通信プロトコルの一例としては、IEC 62591規格に従うWireless HART（登録商標）通信プロトコルが挙げられる。無線デバイスの１つの利点は、中央制御位置からフィールドデバイスまで延びるワイヤを必要としないことである。フィールドデバイスが、バッテリなどの内部電源を含む場合には、配線の更なる減少を達成することができる。しかしながら、フィールドデバイスがバッテリ式の場合、電源を使い尽くした場合にデバイスは動作をしなくなる。したがって、多くの場合、電源の寿命を延長するために、フィールドデバイスの消費電力を減少させる措置を講じることが望ましい。

概要
工業プロセスのプロセス変数の制御又は監視に使用される無線工業プロセスフィールドデバイスは、工業プロセスのプロセス変数を検出又は制御するように構成されたプロセスインタフェース要素を含む。プロセスデバイス回路は、プロセスインタフェース要素で工業プロセスのプロセス変数を測定又は制御するように構成されたプロセスインタフェース回路を含む。無線通信回路は、無線通信のために構成される。電源回路は、電力貯蔵要素からプロセスデバイス回路に出力電圧で電力を提供するように構成される。低損失（ＬＤＯ）電圧レギュレータは、出力電圧を降下させるように構成される。昇圧コンバータは、出力電圧を上昇させるように構成される。

無線フィールドデバイスを含む工業プロセス制御又は監視システムの簡易図である。 図１の無線フィールドデバイスの簡略化されたブロック図である。 本発明の実施形態の一例に従った図１の無線フィールドデバイスの電源を示した簡略化された回路図である。

発明の詳細な説明
本発明は、プロセス変数トランスミッタ又はプロセス制御装置といった無線工業プロセスフィールドデバイスに電源回路を提供する。電源回路は、選択的に無線工業プロセスフィールドデバイスの電力回路とすることができる昇圧コンバータを含んだ昇圧器及び低損失（ＬＤＯ）電圧レギュレータを含む。バッテリ寿命を増加させるために、ＬＤＯ及び昇圧コンバータの組み合わせが使用される。昇圧器とＬＤＯ間を切り換えるために、比較器が使用される。

図１は、プロセスデバイス回路１０２を含む無線工業プロセスフィールドデバイスがプロセスインタフェース要素１０４を通過するプロセス流体１０８と連動した、工業プロセス制御又は監視システム１００の簡易図である。プロセス流体１０８は、例えばプロセス配管１０６に包含される。無線工業プロセスフィールドデバイスを、プロセス変数トランスミッタとして構成することができ、プロセス変数トランスミッタでは、プロセスインタフェース要素１０４が、プロセス流体１０８のプロセス変数を検出するために、センサを含むことができる。具体例として、温度、流量、高さなどが挙げられる。

無線工業プロセスフィールドデバイスは、無線通信リンク１１２により、位置１１０などの別の位置と通信をする。位置１１０は、通信リンク１１２を確立するために使用されるアンテナ１１６に結合された通信回路１１４を備える。位置リンク１１０を、例えば、プロセスの動作をモニタ又は制御する中央制御室などとすることができる。無線通信リンク１１２は、任意の通信プロトコル技術又は規格に従うことができる。一例は、IEC 62591規格に従うWireless HART（登録商標）通信プロトコルである。

図２は、無線工業プロセスフィールドデバイスの簡略化されたブロック図である。図２に示されるように、マイクロプロセッサ２００は、プロセスインタフェース回路２０２を介してプロセスインタフェース要素１０４に結合される。プロセスインタフェース回路２０２は、例えば、増幅器、アナログデジタル変換器などを含むことができる。このような機器構成では、検出されたプロセス変数のデジタル表現が、マイクロプロセッサ２００に提供される。マイクロプロセッサ２００は、メモリ２０４に記憶された命令に従って動作し、無線通信回路２０６に結合する。無線通信回路２０６は、図１に示される通信リンク１１２に繋がるアンテナ２０８に結合する。この機器構成を使用することで、トランスミッタとしての無線工業プロセスフィールドデバイスは、通信リンク１１２で情報を受信又は送信することができる。オプションのローカル入出力（Ｉ／Ｏ）回路２１０が示される。例えば、無線工業プロセスフィールドデバイスをローカルで制御するために、オペレータはＩ／Ｏ回路２１０を使用することができる。図２はまた、電力貯蔵要素２２２に結合された電源２２０を示す。電源２２０は、より詳細に後述するように、電力貯蔵要素２２２からプロセスデバイス回路１０２へ電力を提供するために使用される。電力貯蔵要素２２２は、必要に応じて十分な電力を貯蔵することが可能な任意の適切なデバイスを含むことができる。具体例としては、バッテリ、充電式バッテリ、大容量又は「スーパー」コンデンサを含む電気コンデンサが挙げられる。

プロセスデバイス回路１０２の様々な回路構成要素は、安定した電源に基づいて動作するように構成される。例えば、３．０ボルトの安定した電源を必要とする場合がある。しかしながら、電力貯蔵要素２２２によって提供される電圧は、その変化又は放電サイクルの間、２．０ボルトから３．７ボルトの間を変化する可能性がある。このような機器構成では、直流電圧を上昇させ所望の出力電圧を獲得するため、及び、直流電圧を降下させ所望の出力電圧を獲得するための両方で、単一のコンバータを使用する「降圧−昇圧」コンバータが通常使用される。しかしながら、降圧−昇圧コンバータは、電力貯蔵要素から追加的な電力を消費し、結果としてバッテリ寿命を短縮させる。

無線工業プロセスフィールドデバイスの作動中、プロセスデバイス回路１０２は、プロセスインタフェース要素１０４などのプロセス変数センサを使用して、プロセス変数を検出する。無線工業プロセスフィールドデバイスの動作を制御するため、及び、無線通信回路２０６を使用して、検出されたプロセス変数に関連した情報を通信リンク１１２で送信するために、マイクロプロセッサ２００が使用される。電力貯蔵要素２２２の寿命を増加させるために、プロセスデバイス回路１０２は、「スリープ」又は節約電力モードにすることができる。通常、プロセスデバイス回路１０２は、９０％を超える時間、節約電力モードで動作することができる。このような機器構成では、プロセスデバイス回路１０２は、動作のために数十マイクロワットの電力を必要とするだけである。例えば、無線通信回路２０６をオフにするか又はアイドル状態にすること、マイクロプロセッサ２００のスピードを減少させること、プロセスインタフェース回路２０２を停止することなどが可能である。稼働期間中、プロセスデバイス回路１０２はパワーアップし、所要電力は数十ミリワットと同程度になる。電力貯蔵要素２２０の電圧が３．０ボルトを超える場合、電源回路２２０は、プロセスデバイス回路１０２を給電するための３．０ボルトに、電圧を降下させなければならない。同様に、電力貯蔵要素２２０の電圧が３．０ボルト未満に低下する場合、電源２２０の回路は、プロセスデバイス回路１０２の適切な電力３．０ボルトに、電圧を上昇させなければならない。従来技術は、「降圧−昇圧」コンバータを使用している。しかしながら、このような「降圧−昇圧」回路の無活動の電力引き込みは、電力貯蔵要素２２２の寿命を著しく減少させる数十マイクロワットとなることがあり得る。

図３は、本発明の実施形態の一例による電源回路２２０の簡略化されたブロック図である。電源回路２２０は、昇圧コンバータ２４０及びＬＤＯ（低損失）又は「ＬＤＯ」電圧レギュレータ２４２を含む。昇圧コンバータ２４０及びＬＤＯ電圧レギュレータ２４２は、標準的な技術に従って作動可能である。例えば、昇圧コンバータは、スイッチング方式又は他のステップアップ電源を含むことができる。昇圧コンバータ２４０は、３ボルト未満である電力貯蔵要素２２２からの電圧を受けて、調整された３．０ボルトの出力電圧を提供するように構成される。同様に、ＬＤＯ電圧レギュレータ２４２は、３ボルトを超える電力貯蔵要素２２２からの電圧を受けて、３．０ボルトの調整された出力を提供するように構成される。アナログスイッチ２４４は、昇圧コンバータ２４０からの出力又はＬＤＯ電圧レギュレータ２４２からの出力のどちらかを大容量コンデンサ２４６（単数又は複数）へ選択的に結合するように構成される。この出力は、プロセスデバイス回路１０２に電力を提供するために使用される。電力貯蔵要素２２２の出力電圧の所望の切替点、すなわち３．０ボルトに設定された閾値を有する比較器２４８によって、アナログスイッチ２４４の作動が制御される。また、比較器２５０は、昇圧コンバータ２４０の動作を制御するために使用され、バッテリ電圧が所望の閾値を超える場合に昇圧コンバータ２４０を「オフ」にする。これにより、機能が必要な場合にだけ昇圧コンバータ２４０が作動するため電力が節約される。ダイオード２５２は、アナログスイッチ２４４及び大容量コンデンサ２４６（単数又は複数）の両端に接続され、切替遷移の間、プロセスデバイス回路１０２に電源電圧を提供するために動作し、昇圧コンバータ２４０のセトリングタイムを改善する。

フィールドデバイスの回路に必要とされる電力が低い場合には、他の回路と比較すると、ＬＤＯ電圧レギュレータ２４２による損失は大きくなる。これは、式１で確かめることができる。

ＬＤＯ損失＝（バッテリ電圧−３）×Ｉ_Ｌｏａｄ＋無活動の電力 式１

数式は、低負荷電流のため、従来の降圧−昇圧コンバータと比較した場合、電力損失が少ないことを示す。比較の基準として、図３による電源を試験し、従来の降圧−昇圧コンバータと比較した。表１は、従来の降圧−昇圧コンバータ及び図３に示される並列ＬＤＯ／昇圧コンバータ機器構成に適用された異なる負荷に対する実験結果の集計である。

本発明が好ましい実施形態を参照にして説明されたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく形式及び細部で変形がなされてもよいことを当業者は認識するであろう。上の記載は、具体的には、プロセス変数センサを含むプロセスインタフェース要素１０４を対象にするが、いくつかの機器構成では、プロセスインタフェース１０５が、マイクロプロセッサ２００からの出力に応じてプロセスの動作を制御するために使用される制御要素を含む。

Claims (17)

1. 工業プロセスのプロセス変数の制御又は監視に使用される無線工業プロセスフィールドデバイスであって、
   工業プロセスのプロセス変数を検出又は制御するように構成されたプロセスインタフェース要素と、
   プロセスデバイス回路であり、
   プロセスインタフェース要素で工業プロセスのプロセス変数を測定又は制御するように構成されたプロセスインタフェース回路と、
   無線通信のために構成された無線通信回路と、を含むプロセスデバイス回路と、
   電力貯蔵要素と、
   電力貯蔵要素からプロセスデバイス回路に出力電圧で電力を提供するように構成された電源回路であって、
   電力貯蔵要素の電圧を降下させて、プロセスデバイス回路に降下した電圧を提供するように構成された低損失（ＬＤＯ）電圧レギュレータと、
   電力貯蔵要素の電圧を上昇させて、プロセスデバイス回路に上昇した電圧を提供するように構成された昇圧コンバータと、
   電力貯蔵要素からの出力電圧が閾値より上のときに、昇圧コンバータをオフにするように構成された比較器と、
   比較器からの出力に反応して、電力貯蔵要素からの出力電圧が閾値を超えるときに、低損失電圧レギュレータの出力をプロセスデバイス回路に接続し、さらに、電力貯蔵要素からの出力電圧が閾値未満のときに、昇圧コンバータの出力をプロセスデバイス回路に接続するように構成されるアナログスイッチと、
   を含む電源回路と、
   を含む無線工業プロセスフィールドデバイス。
2. 比較器が、電力貯蔵要素の出力電圧に反応する請求項１に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
3. 比較器が、電力貯蔵要素の出力電圧と電圧閾値を比較する請求項２に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
4. 出力電圧が電圧閾値未満である場合、比較器が、昇圧コンバータをプロセスデバイス回路に結合させる請求項３に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
5. 出力電圧が電圧閾値を超える場合、比較器が、低損失電圧レギュレータをプロセスデバイス回路に結合させる請求項３に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
6. 電圧閾値が３．０ボルトを含む請求項４に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
7. 比較器の出力が、昇圧コンバータに結合される請求項１に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
8. 低損失電圧レギュレータがプロセスデバイス回路に結合される場合、比較器が、昇圧コンバータの作動を停止して消費電力を減少させる請求項７に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
9. 電力を貯蔵するように構成された、プロセスデバイス回路に結合された大容量コンデンサを含む請求項１に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
10. 電力貯蔵要素が、バッテリ又はコンデンサを含む電力貯蔵要素のグループから選ばれる請求項１に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
11. プロセスデバイス回路に低損失電圧レギュレータを結合させるように構成されたダイオードを含む請求項１に記載の無線工業プロセスフィールドデバイス。
12. 工業プロセスのプロセス変数の制御又は監視に使用される種類の無線工業プロセスフィールドデバイスを給電する方法であって、
    工業プロセスのプロセス変数を検出又は制御するように構成されたプロセスインタフェース要素を提供するステップと、
    プロセスインタフェース要素で動作するように構成されたプロセスデバイス回路を提供するステップであり、プロセスデバイス回路が、無線通信のために構成された無線通信回路を含むステップと、
    電力貯蔵要素からの出力電圧を提供するステップと、
    電力貯蔵要素の出力電圧が閾値よりも上のときに、電力貯蔵要素の出力電圧を降下させることによって形成された降下された電圧を提供する第１のコンバータの出力を、プロセスデバイス回路に選択的に結合するステップと、
    電力貯蔵要素の出力電圧が閾値よりも下のときに、電力貯蔵要素の出力電圧を上昇させることによって形成された上昇された電圧を提供する第２のコンバータの出力を、プロセスデバイス回路に選択的に結合するステップと、
    電力貯蔵要素の出力電圧が閾値よりも上のときに、第２のコンバータをオフにするステップと、
    を含む方法。
13. 第２のコンバータが昇圧コンバータであり、出力電圧が電圧閾値未満である場合、選択的に結合させるステップが、昇圧コンバータの出力をプロセスデバイス回路に結合させることを含む請求項１２に記載の方法。
14. 第１のコンバータが低損失（ＬＤＯ）電圧レギュレータであり、出力電圧が電圧閾値を超える場合、選択的に結合させるステップが、低損失電圧レギュレータの出力をプロセスデバイス回路に結合させることを含む請求項１２に記載の方法。
15. 電圧閾値が３．０ボルトを含む請求項１２に記載の方法。
16. 出力電圧が閾値よりも上の場合、昇圧コンバータの作動を停止して消費電力を減少させるステップを含む請求項１２に記載の方法。
17. 電力を貯蔵するためにプロセスデバイス回路に大容量コンデンサを結合させるステップを含む請求項１２に記載の方法。

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