JP5851032B2 - プロセス制御システムに携帯型フィールドメンテナンスツールを相互作用させる方法、及びプロセス制御システム - Google Patents

Description

背景
極めて重要なプロセス監視及び制御機能を提供するために、フィールドデバイスが、様々なプロセス施設で使用される。プロセス施設の例としては、石油、医薬、化学、パルプ、及び、他の流体処理施設が挙げられる。このような施設では、プロセス制御及び計測ネットワークが、何十又は何百もの様々なフィールドデバイスを含むことができ、このようなデバイスが正確に機能していること及び／又は較正されていることを保証するために、デバイスには、メンテナンスが定期的に必要とされる。更に、プロセス制御及び計測施設における１つ以上のエラーが検出される場合には、携帯型フィールドメンテナンスツールを使用することによって、技術者は、フィールドでこのようなエラーを迅速に診断することができる。デジタルプロセス通信プロトコルを使用して高機能フィールドデバイスに関する問題を構成、較正及び診断するために、携帯型フィールドメンテナンスツールが一般に使用される。

少なくともいくつかのプロセス施設は、高揮発性の、又は爆発性の、環境を伴うことになるので、フィールドデバイス及びこのようなフィールドデバイスと共に用いられる携帯型フィールドメンテナンスツールが本質安全規格を満たすことが、多くの場合、有益又は必要となる。これらの条件は、条件に従った電気デバイスが故障状態でも点火源を作り出さないことを保証するのに役立つ。本質安全規格の一例が、Factory Mutual Researchによって１９９８年１０月に公布されたAPPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II and III, DIVISION NUMBER 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610に記載される。本質安全規格に従った携帯型フィールドメンテナンスツールの例としては、テキサス州オースティンのEmerson Process Managementから入手可能である、商標名Model 475 Field Communicatorで販売される携帯型フィールドメンテナンスツールが挙げられる。

高機能フィールドデバイス及び携帯型フィールドメンテナンスデバイスが、携帯型フィールドメンテナンスに関して、様々な新しい機能及び能力を提供しているが、いくつかの機能は、まだ多少扱いにくい。例えば、プロセス制御システムのためのフィールドデバイスを作動させる（初めてデバイスを接続する）作業は、通常、２人での操作となる。１人がフィールドに出てフィールドデバイスを接続し、そして、もう１人が制御室内で接続が良好かどうかを確認するために制御システムディスプレイ又はディスプレイを監視する。これまでの２人でのフィールドメンテナンス作業を１人作業に変えることができるシステム及び方法を示すことによって、携帯型フィールドメンテナンスが容易になる。更に、このようなシステムは、プロセス制御システム自体との強化された相互作用を一般に提供することもできる。

概要
プロセス制御システムに携帯型フィールドメンテナンスツールを相互作用させる方法が提供される。方法は、フィールドデバイスと物理的に近接させてモバイルデバイスが運ばれるステップを含む。モバイルデバイスは、フィールドデバイスのデジタルプロセス通信チャネルに接続される。クライアントアプリケーションが、モバイルデバイスで開始される。デジタルプロセス通信チャネルは、クライアントアプリケーションを、モバイルデバイス及びフィールドデバイスの両方から離れたホストアプリケーションと、通信の接続をするために使用される。

本発明の実施形態が特に有用なプロセス制御及び監視システムの線図である。 従来技術による、フィールドデバイスに接続された携帯型フィールドメンテナンスツール２２の線図である。 従来技術による、フィールドデバイスに接続された携帯型フィールドメンテナンスツール２２の線図である。 フィールドデバイスに物理的に接続された携帯型フィールドメンテナンスツール又はモバイルデバイスの線図である。 ワークステーションに接続された携帯型フィールドメンテナンスツールの線図である。 本発明の実施形態によるモバイルデバイスを使用してプロセス制御システムと相互作用する方法のフローチャートである。

発明の詳細な説明
高機能フィールドデバイスは、通常、制御システムと通信するために、フィールドバスと多くの場合称される工業通信プロトコルを使用する。フィールドバスは、一般に、フィールドデバイスによって実施されるプロセス制御機能のために、最適化される。（技術者のような）フィールド側の人間は、通常、制御システムへの接続のためのフィールドデバイスの準備又は制御システムでのフィールドデバイスの特定機能の実施に必要な、フィールドデバイスの調整を行うために、プロセス工業規格通信プロトコルを使用したフィールドバスを介してフィールドデバイスと通信をする、フィールドコミュニケータと称される特定目的の携帯型フィールドメンテナンスツールを使用する。上記したように、携帯型フィールドメンテナンスの少なくともいくつかの作業は、現在、２人の人間を必要とする。しかしながら、本発明のいくつかの実施形態によれば、制御室側で現在行われている作業のためにフィールド側の技術者に適切な遠隔端末又は接続が提供される場合、制御室側の人間の必要性を排除することができる。制御室側で使用されているワークステーション（単数又は複数）の機能を実施するソフトウェアを実行する制御システムホストへと戻る無線接続を使用して、ラップトップ型又はタブレット型コンピュータの機能性と共に、本発明のいくつかの実施形態を実施することができるが、携帯型フィールドメンテナンスツールを使用することが好ましい。これは、ラップトップ型又はタブレット型コンピュータの物理的条件が、技術者が持ち歩く必要のある普通のデバイスを提供するためである。更に、少なくともいくつかのプロセス施設は高揮発性の環境にあるので、本質的に安全なデバイスの必要性が求められる。タブレット型コンピュータ及びラップトップ型コンピュータが一般的であるが、本質的に安全なコンピュータは、非常に高価で複雑な特定目的のデバイスである。

図１は、本発明の実施形態が特に有用なプロセス制御及び監視システムの線図である。制御室１０は、プロセス通信ループ１６を介して、１つ以上のフィールドデバイス１８に接続される。プロセス流体導管１４に設置されたプロセス流体圧力センサとして、フィールドデバイス１８は例示される。しかしながら、プロセス流体温度センサ、プロセス流体流量センサなどの、様々なプロセス流体変数発生器が公知である。制御室１０は、簡単に長方形の囲みとして図示される。実際には、制御室１０は、プロセス施設の、揮発性で、そして潜在的に爆発性の、環境から物理的に間隔を置いた位置にある。更に、制御室１０は、プロセス制御ソフトウェア及び／又はアセットマネジメントソフトウェアを動作する１つ以上のワークステーション又はパーソナルコンピュータを備えることができる。制御室１０内に配置される１つ以上の様々なワークステーション及びコンピュータは、Ethernet networkなどの、データ通信ネットワークを介して、一般に通信することで互いに接続される。

プロセス制御ループ１６は、一般に、通信ネットワークの特殊形式である。これは、潜在的に爆発性の環境に点火源が確実に提供されることがないように十分に低くエネルギーレベルを保つことを保証するために、ループ１６による通信が、エネルギー制限された方法で一般に行われるためである。公知のプロセス通信又は制御ループプロトコルの例としては、Highway Addressable Remote Transducer（HART（登録商標））プロトコル、FOUNDATION（商標）フィールドバス、PROFIBUS-PAなどが挙げられる。

上記したように、プロセス制御システムのメンテナンスに関するいくつかの作業の間、フィールドデバイスにメンテナンスを提供するために、技術者がプロセス流体圧力送信器１８のような、フィールドデバイスの位置に近接したフィールドへ移動することが、一般に必要である。一般に、フィールドデバイスと相互作用させるために、携帯型フィールドメンテナンスツールが、技術者によって使用される。

図２Ａ及び図２Ｂは、従来技術による、フィールドデバイスに接続された携帯型フィールドメンテナンスツール２２の線図である。図２Ａに示されるように、携帯型フィールドメンテナンスツールは、作業導線３０、３２にそれぞれ接続する一対の端子２５、２７を含む。作業導線は、フィールドデバイス２０の端子２４に続いて接続される。端子２４を、このような携帯型フィールドメンテナンスツールをデバイス２０に接続させそしてデバイス２０と相互作用し合わせる専用端末とすることができる。

図２Ｂは、携帯型フィールドメンテナンスツール２２を、フィールドデバイス２３が接続されるプロセス制御ループ３４に直接接続させる、代替の配列を示す。どちらの場合も、携帯型フィールドメンテナンスツール及びフィールドデバイスの間の有線接続によって、携帯型フィールドメンテナンスツールは、所望のフィールドデバイス２０、２３と相互作用させることができる。より最近では、WirelessHARTなどの、無線プロセス通信プロトコルが提供されている。携帯型フィールドメンテナンスツールは、また、無線で通信をするフィールドデバイスと相互作用させるために、これらの無線技術の利点を利用し始めている。

メンテナンス技術者及び移動作業者は、携帯型フィールドメンテナンスツールなどのツールを使用して、プラント環境で職務を通常実施する。これらのツールは、フィールドデバイスの構成情報の交換のために、テキサス州オースティンのEmerson Process Managementから入手可能な、AMS device managerのような、ホストのアセットマネジメントアプリケーションと同期することができる。しかしながら、携帯型フィールドメンテナンスツールをフィールドで使用し、フィールドバスネットワーク（HART（登録商標）、FOUNDATION（商標）フィールドバス、PROFIBUS-PA又はデジタル通信プロトコルを伴う他のネットワーク）に接続する場合には、携帯型フィールドメンテナンスツールは、検査されている器具に関する履歴情報又は他の情報にアクセスしない。AMS Device Managerのようなアプリケーションは、現在及びこれまでの構成データ、デバイス変化、現在及びこれまでのアラート情報、製品データシート、現在及びこれまでの較正情報、並びに、図面及びメモのようなユーザ入力情報などの、携帯型フィールドメンテナンスツールに通常保存されない多くのアセット情報を収容する。

本発明の実施形態は、携帯型フィールドメンテナンスツールに通信チャネルを提供するために、それぞれのフィールドデバイスに必ず存在するデジタル通信チャネルを一般に活用する。携帯型フィールドメンテナンスツールがフィールドバスネットワークに接続されるという事実は、適切なアプリケーションソフトウェアが携帯型フィールドメンテナンスツール及びホストコンピュータの両方に提供される場合に、ホストコンピュータ又は上位プラントネットワーク上で動作するホストアプリケーションによって、通信が技術的に確立され、そして、通信により、ツールがクライアントアプリケーションとしての機能を果たすことができることを意味する。本発明の実施形態は、制御室で使用されているワークステーションの機能を実施するソフトウェアを実行する制御システムホストネットワークへと戻る直接のWi-Fi接続を提供するラップトップ型又はタブレット型コンピュータによって、実施することができるが、好ましい実施形態は、ホストコンピュータと通信の接続がされた携帯型フィールドメンテナンスツールを一般に含む。フィールドデバイスを作動させるのに必要な作業を実施するために、携帯型フィールドメンテナンスツールが既に必要とされているため、ラップトップ又はタブレットと比較して好ましい実施形態は、制御室で使用されているワークステーションの機能を携帯型フィールドメンテナンスツールが実施できるようにすることである。上記の実施形態の提供を可能にする１つの方法は、携帯型フィールドメンテナンスツールを離れたフィールドに配置しながら、制御室のサーバアプリケーションに遠隔端末又はシン−クライアントとして接続をする、携帯型フィールドメンテナンスツールのプロセッサで動作する簡単なソフトウェアアプリケーションを、携帯型フィールドメンテナンスツールが使用し、制御室で、ワークステーション（単数又は複数）が大部分の計算作業を行うことである。

図３は、破線の接続１２８によってフィールドデバイス１８に物理的に接続された携帯型フィールドメンテナンスツール又はモバイルデバイス１２２の線図である。有線接続１２４によって、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２はプロセス通信ループ１６を介して通信することができる。より詳細には、Highway Addressable Remote Transducer（HART（登録商標））プロトコル、FOUNDATION（商標）フィールドバスなどの、デジタルプロセス通信プロトコルを利用するプロセス施設で、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２は、プロセス通信ループ１６に接続されるデバイスとデジタルで通信することができる。工業規格プロセス通信プロトコルは、場合によっては、接続されたフィールドデバイスを全体として動かすことができる通信技術を利用する。更に、上記したような、本質安全規格を満たすフィールドデバイスで、このようなプロトコルを使用することができる。図３に示される実施形態が好まれるが、本発明の実施形態は、同様に無線プロセス通信技術を適用することもできる。例えば、フィールドデバイス１８は、プロセス通信ループへの有線接続を備える代わりに、国際規格（ＩＥＣ６２５９１）に記載されるWirelessHART通信などの、無線プロセス通信回路を含むことができる。この規格は、２．４GHzの周波数で無線通信を使用するが、その他の点では、有線HART通信において使用されるのと同じコマンドストラクチャを使用する。WirelessHARTプロトコルは無線プロセス通信プロトコルの一例であるが、他の規格を本発明の実施形態に従って利用することもできる。WirelessHART仕様の追加的な詳細は、HART Communications Foundationによって公表される。WirelessHART仕様の関連部分としては、HCF_Spec 13 改訂版7.0、HART Specification 65 - Wireless Physical Layer Specification、HART Specification 75 - TDMA Data Link Layer Specification(TDMAはTime Division Multiple Accessを指す)、HART Specification 85 - Network Management Specification、HART Specification 155 - Wireless Command Specification及びHART Specification 290 - Wireless Devices Specificationが挙げられる。したがって、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２内の適切な無線周波数通信回路は、WirelessHARTなどの、無線プロセス通信プロトコルに従って通信することが可能である。

フィールドデバイスの位置に基づいて、有線プロセス通信リンクか無線プロセス通信リンクのどちらかを介して通信のリンクが可能であると断定することができる。この知識を活用して、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２は、フィールドデバイス１８が通信するか又は通信することになるプロセス通信ループを介して接続するか、又は通信することができる。したがって、この通信の接続に基づいて、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２又はモバイルデバイスは、（参照番号１２６で概略的に示される）ホストコンピュータと、プロセス通信ループによって、通信を確立することができる。モバイルデバイス又は携帯型フィールドメンテナンスツール１２２の、ワークステーション１２６への通信の接続は、有線プロセス通信又は無線プロセス通信のいずれかを使用して実施することができるが、それとは無関係に、通信チャネル又はリンク１２８が、デバイス１２２とワークステーション１２６の間に獲得される。リンク１２８は、フィールドデバイス１８のためのフィールドバスネットワークのタイプに特有の適切な通信プロトコルを使用して作成することができる。例えば、いくつかの形式のパススルー又は埋め込みメッセージを、特有のプロセス通信プロトコルの許容可能なペイロード内で使用することができる。例えば、その技術は、HTTP又は他の適切な情報を通信するための米国特許第6,370,448号に教示されており、プロセス通信ループを介して、本発明の実施形態に従って利用することができる。

図４は、通信の接続１２８を介してワークステーション１２６に接続された図３の携帯型フィールドメンテナンスツール１２２の線図である。図４は、ツール１２２内で動作するシン−クライアント１３２を示す。シン−クライアント１３２は、コンピュータの役割を遂行するためにワークステーション１２６内で動作するシン−クライアントサーバモジュール１３０にかなり依存した、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２のプロセッサで実行されるコンピュータプログラムである。例えば、一実施形態では、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２は、ミネソタ州、エデンプレイリーのEmerson Process Managementから入手可能な商標名475 Field Communicatorで販売される携帯型フィールドメンテナンスツールである。このデバイスは、堅牢なリアル−タイムオペレーティングシステムであるWindows CEで動作する。したがって、一実施形態では、シン−クライアント１３２は、Windows CEオペレーティングシステムでの動作に適したリモートデスクトップ接続又はターミナルサービスクライアントソフトウェアを含む。このような実施形態では、ワークステーション１２６は、Windows 7などのMicrosoft Windows系オペレーティングシステムを実行し、サーバデーモン又はプロセス１３０を提供する。シン−クライアント１３２が、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２内で実行中で、サーバデーモン１３０に接続される場合には、シン−クライアント１３２は、ワークステーション１２６のディスプレイに現在示されるものに対応した表示内容を、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２のディスプレイに提示することができる。加えて、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２上のキー入力及びスタイラス又はカーソル位置決定のようなユーザ入力は、代替として、ワークステーション１２６へと転送されそして入力される。このようにして、携帯型フィールドメンテナンスツールは、ワークステーション１２６用のユーザインタフェースの拡張となり、その結果、ワークステーション１２６が接続される制御システム及び／又はアセットマネジメントシステムと、技術者が相互作用させることを可能にする。

図５は、本発明の実施形態による携帯型フィールドメンテナンスツールを使用してプロセス制御システムと相互作用させる方法１５０のフローチャートである。携帯型フィールドメンテナンスツールがフィールドデバイスと物理的に近接されるように運ばれるブロック１５２から、方法１５０は開始される。ブロック１５４で、携帯型フィールドメンテナンスツールが、フィールドデバイスのデジタルプロセス通信チャネルに接続される。上記したように、この接続は、有線又は無線接続のどちらでもよい。ブロック１５６で、クライアントアプリケーションが、携帯型フィールドメンテナンスツール上で開始される。このアプリケーションを、遠隔端末又は他の適切なクライアントに存在させることができる。ブロック１５８で、携帯型フィールドメンテナンスツールをワークステーションと通信接続させるために、デジタルプロセス通信チャネルが使用される。すなわち、クライアントアプリケーションを実行する携帯型フィールドメンテナンスツールが、フィールドデバイスの通信チャネルを介して、ホストアプリケーションを実行するワークステーションと通信接続される。

携帯型フィールドメンテナンスツールがフィールドで使用される間、携帯型フィールドメンテナンスツールは、アセットマネジメントシステムと一般的に同期されるが、検査されている器具に関する履歴情報又は他の情報には通常はアクセスしなかった。AMS Device Managerなどのアプリケーションは、携帯型フィールドメンテナンスツールに通常保存されない多くのアセットの情報を収容する。このような情報としては、現在及びこれまでの構成データ、デバイスの変化、現在及びこれまでのアラート情報、製品データシート、現在及びこれまでの較正情報、並びに、図面及びメモのようなユーザ入力情報が挙げられる。すべてのこのような情報に、今では、技術者は、携帯型フィールドメンテナンスツールを伴ってフィールドにいる間、すばやくそして容易にアクセスすることができる。これにより、フィールドメンテナンスワーカーへ、フィールドで実施されている職務に関して最良の決定を確実に行うことができるような情報を提供するのを援助することが可能となる。更に、この種の機能は、フィールドで実施されている動作が、例えば、イベント又はアラートのロギング、実施されている手動ステップの記録、及び、Computer Maintenance Management Systems(CMMS)などの上位アプリケーションへ要求される作業の開始のような、アセットマネジメントシステム内での動作を開始することを可能にする。更に、アセットマネジメントシステムは、フィールドバスネットワークを介してプラント環境内のアセットを連続的に監視するために利用可能であり、フィールドの変化及びアラート情報を検出する能力を有する。しかしながら、現在まで、フィールドでこれらのネットワークの１つに接続されたユーザ又は技術者が、フィールドバスネットワークを介して実際にアセットマネジメントシステムに対するクライアントとなるための仕組みが存在しなかった。ここではWindows系オペレーションシステムに関してシン−クライアントの説明を提供したが、当業者は他のシン−クライアントが可能であることを認識するであろう。更に、携帯型フィールドメンテナンスツール１２２で実行されるシン−クライアントを、制御室又はプロセス制御ネットワーク内の複数の異なるサーバにアクセスするように構成することができる。その結果、従来ではワークステーション１２６のようなワークステーションに座る２人目のオペレータが必要であった無数の新しい機能を、フィールドメンテナンス作業者は、現場にいながら、容易に実施することができる。

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更が可能であることを当業者は認識するであろう。

Claims (17)

1. プロセス制御システムに、携帯型フィールドメンテナンスツールを相互作用させる方法であって、
   前記プロセス制御システムは、フィールドに配置されたフィールドデバイスと、前記フィールドデバイスから離れて配置され、プロセス通信ループを介して前記フィールドデバイスに接続されたコンピュータとを含み、
   −前記コンピュータが、前記フィールドデバイスを制御するためのホストアプリケーションを実行させること、
   −前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、前記フィールドデバイスに備えられたデジタルプロセス通信チャネルに接続されること、
   −前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、前記ホストアプリケーションに対応するクライアントアプリケーションを実行させること、
   −前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、前記クライアントアプリケーションを使用して、前記フィールドデバイスの制御に関する処理の要求を送信すること、
   −前記コンピュータが、前記プロセス通信ループを介して前記処理の要求を受信し、要求された処理を実行させること、
   を含む方法。
2. 前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、本質安全規格を満たす、請求項１に記載の方法。
3. 前記デジタルプロセス通信チャネルとの接続が、有線接続を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、プロセス工業規格通信プロトコルを使用した前記有線接続を介して、前記コンピュータと通信する、請求項３に記載の方法。
5. 前記デジタルプロセス通信チャネルとの接続が、無線接続を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、プロセス工業規格通信プロトコルを使用した前記無線接続を介して、前記コンピュータと通信する、請求項５に記載の方法。
7. 前記クライアントアプリケーションが、シン−クライアントアプリケーションである、請求項１に記載の方法。
8. 前記コンピュータに接続されたディスプレイの表示内容が、前記携帯型フィールドメンテナンスツールのディスプレイに表示され、この表示に基づいて、前記フィールドデバイスの制御に関する処理の要求を、前記携帯型フィールドメンテナンスツールに入力可能とした、請求項１に記載の方法。
9. 前記コンピュータが、制御室に設置されたワークステーションである、請求項１に記載の方法。
10. 前記ワークステーションが、アセットマネジメントシステムへのアクセスを、前記携帯型フィールドメンテナンスツールに提供する、請求項９に記載の方法。
11. 前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、アセットマネジメントシステムにアクセスし、前記アセットマネジメントシステムに関連する処理を自動で開始する、請求項１０に記載の方法。
12. フィールド内のプロセスに接続され、デジタルプロセス通信チャネルを備えたフィールドデバイスと、
    前記フィールドデバイスから離れた制御室に配置され、プロセス通信ループを介して前記フィールドデバイスを制御するワークステーションと、
    前記フィールドデバイスの前記デジタルプロセス通信チャネルに接続される携帯型フィールドメンテナンスツールと、を含み、
    −前記ワークステーションが、前記フィールドデバイスを制御するためのホストアプリケーションを実行させ、
    −前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、前記ホストアプリケーションに対応するクライアントアプリケーションを実行させ、前記フィールドデバイスの制御に関する処理の要求を送信し、
    −前記ワークステーションが、前記プロセス通信ループを介して前記処理の要求を受信し、要求された処理を実行させる、
    プロセス制御システム。
13. 前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、本質安全規格を満たす、請求項１２に記載のプロセス制御システム。
14. 前記クライアントアプリケーションが、シン−クライアントアプリケーションである、請求項１２に記載のプロセス制御システム。
15. 前記ワークステーションに接続されたディスプレイの表示内容が、前記携帯型フィールドメンテナンスツールのディスプレイに表示され、この表示に基づいて、前記フィールドデバイスの制御に関する処理の要求を、前記携帯型フィールドメンテナンスツールに入力可能とした、請求項１２に記載のプロセス制御システム。
16. 前記ワークステーションが、アセットマネジメントシステムへのアクセスを、前記携帯型フィールドメンテナンスツールに提供する、請求項１２に記載のプロセス制御システム。
17. 前記携帯型フィールドメンテナンスツールが、前記アセットマネジメントシステムにアクセスし、前記アセットマネジメントシステムに関連する処理を自動で開始する、請求項１６に記載のプロセス制御システム。

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