JP6181645B2 - 着脱可能な電源を有する無線フィールド装置 - Google Patents

Description

本発明は、工業プロセスで使用されるタイプのフィールド装置に関する。特に、本発明は、着脱可能な電源を有する工業プロセスをモニタ又は制御するのに使用するフィールド装置に関する。

フィールド装置は、工業プロセスにおいて、プロセスの動作を制御又はモニタするのに使用される。無線フィールド装置は、例えば、圧力、レベル、流速、質量流量、ｐＨ、温度、密度及び伝導率のような多数のプロセス特性のいずれも測定することができ、またはプロセス装置の振動、歪み、又は腐食のようなものをモニタすることができ、または一般的なプラントの環境の発火やガス検知といったものをモニタすることができ、または作業者や装置の現在位置を探すのに用いられることができる。例えば、プロセス変数送信機は、プロセス流体のプロセス変数をモニタするのに使用されることができるタイプのフィールド装置である。プロセス変数の例は、温度、圧力、レベル、流量、流速等を含む。コントローラは、プロセスの動作を制御するのに使用されるタイプのフィールド装置である。例えば、コントローラは、流体を運ぶパイプ中のバルブの位置を調節することによりプロセス流体の流量を制御することができる。

以前から一般的には、フィールド装置は電線を介して中央制御室に接続されている。接続の一つのタイプは、２本の電線を使用するものであり、２線プロセス信号ループとして知られている。そのような構成では、同じ２線が通信とフィールド装置の電力供給とのために、使用される。近年では、無線通信技術が開発されてきた。そのような構成では、電線は、フィールド装置を他の位置に接続するのに必要とされない。プロトコルの一つの例としては、無線IEC62591国際標準（無線HART（登録商標））がある。

いくつかのタイプの無線フィールド装置は、外部の電気接続をしないで動作できるようにするために内部電源を含んでいる。そのようなフィールド装置は、フィールド装置に電力を供給するのに使用されるバッテリのような電源を含んでいる。太陽電池電源（ソーラセル）、熱発電機、振動ハーベスタ（vibration harvester）等のエネルギーハーベスト（収穫）技術が、装置に追加電力を提供するのに用いられることができる。多数または多様な電源を含むフィールド装置の一例は、Datta等により2008年3月19日に出願された「無線送信機及び他の装置におけるオンライン電源を交換する装置及び方法」という名称の米国特許第7,812,480号明細書に示されている。

米国特許第7,812,480号明細書

本発明の目的は、着脱可能な電源を有するフィールド装置を提供することにある。

工業プロセスを制御又はモニタするのに使用される無線フィールド装置は、プロセス流体に結合するように構成されたプロセスインタフェースを含む。無線フィールド装置は、例えば、圧力、レベル、流速、質量流量、ｐＨ、温度、密度及び伝導率のような多数のプロセス特性のいずれも測定することができ、またはプロセス装置の振動、歪み、又は腐食のようなものをモニタすることができ、または一般的なプラントの環境の発火やガス検知といったものをモニタすることができ、または作業者や装置の現在位置を探すのに用いられることができる。フィールド装置回路は、プロセスインタフェースに接続され、プロセス変数を測定又は制御するように構成されている。このプロセス変数には、進行中のプロセスの一部を除く項目の物理的特性を含むことができる。無線通信回路は、無線通信を提供するように構成されている。電気アクセス端子は、フィールド装置の回路への電気接続を提供するように構成されている。電力管理装置は、無線フィールド装置に電力を供給するように構成されている。電力管理装置は長時間電力をフィールド装置に提供するための交換可能な一次電源を含んでいる。二次電源は、一次電源が除去された（取り外された）時に、フィールド装置に電力を提供するように構成されている。

本発明によれば、フィールド装置から一次電源が除去されても、所定期間電力を供給することができ、該フィールド装置はシャットダウン等をされないようにすることができる。

図１は、無線フィールド装置を含む工業プロセス制御システムの簡単化された図である。 図２は、図１のフィールド装置の簡単化されたブロック図である。

本発明は、着脱可能な電源を有するフィールド装置を提供する。着脱可能電源は、長時間フィールド装置に電力を提供するように構成されている。着脱可能電源の除去（取り外し）は、フィールド装置の回路に電気的に接続するのに用いられる少なくとも一つの電気アクセス端子にアクセスして行われる。着脱可能電源が除去された時には、バックアップ又は二次電源は、フィールド装置に電力を提供する。本発明の他の特徴は、着脱可能電源が除去されていることの検出を含む。情報が、着脱可能電源の除去に応答して、他の位置に送信されることができる。同様に、着脱可能電源の除去の検出がされると、フィールド装置は低又は低減電力モードに入ることができる。該装置は、また、全ての装置が低電力スリープモードに入るようにするスリープコマンドを受信するように構成されることができる。このスリープモードは、着脱可能電源及び／又はバックアップ電源から電力が入手できても優先的に入ることができる。これは、装置が廃止される又はサービスを停止するときに有用である。

図１は、フィールド装置１０２及び１０４を含む工業プロセス１００を示す簡単化された図である。フィールド装置１０２及び１０４は、それぞれ、プロセスパイプ１０６及び１０８に接続されているとして図示されている。フィールド装置１０２及び１０４は、それぞれ、プロセスインタフェース要素１１０及び１１２を含む。これらのプロセスインタフェース要素は、プロセス流体のプロセス変数を感知するのに使用されるセンサを含むことができる。プロセス変数の例には、温度、圧力、流量、ｐII等を含むことができる。同様に、プロセスインタフェース要素１１０，１１２はプロセス変数を制御するのに用いられる制御要素を含むことができる。制御要素の例には、バルブ、発熱素子、ポンプ等が含まれる。無線フィールド装置は、圧力、レベル、流速、質量流量、ｐＨ、温度、密度及び伝導率のような多数のプロセス特性のいずれも測定することができ、またはプロセス装置の振動、歪み、又は腐食のようなものをモニタすることができ、または一般的なプラントの環境の発火やガス検知といったものをモニタすることができ、または作業者や装置の現在位置を探すのに用いられることができる。フィールド装置１０２及び１０４は、無線ネットワーク１１７を介して無線通信できるように構成され、それぞれ、アンテナ１１６及び１１８を含む。この無線通信を通して、フィールド装置１０２、１０４は互いに通信することができる、またはゲートウエイに接続されたホストコンピュータ１２４として図示されるプロセス制御室１２０のような遠隔位置にあるゲートウエイと通信することができる。この無線通信は、いかなる無線通信技術、例えば無線IEC62591通信標準プロトコルに従って、運用されることができる。

以下により詳細に説明されるように、フィールド装置１０２及び１０４は、着脱可能一次電源を有する電力供給装置を含む。一次電源を除去する時には、例えば、フィールド装置１０２又は１０４内の電気回路にアクセスするのに用いられることができる少なくとも一つの電気アクセス端子へアクセスすることになる。一次電源が除去される時、それは交換用の一次電源と交換されることができる。一次電源が除去されている間、フィールド装置への電力は、二次電源を用いて維持されることができる。

図２は、フィールド装置１０２の簡単化されたブロック図である。フィールド装置１０２は、プロセスインタフェース要素１１０に接続されたプロセス回路１５２が接続されるマイクロプロセッサ１５０を含む。該マイクロプロセッサはアンテナ１１６に接続する無線通信回路１５４を用いて通信するように構成されている。マイクロプロセッサ１５０は、メモリ１５６中に蓄積された命令に従って動作する。メモリ１５６は、例えば将来の回復のために、情報を蓄積しておくのにも用いられることができる。電力管理回路１６０は、フィールド装置１０２内の回路への電力供給を調整するのに使用される。オプションの通信接続は、また電力管理回路１６０とマイクロプロセッサ１５０との間に設けられることができる。電力管理回路１６０は、一次電源１６２からの電力を用いる回路へ安定な電力を提供する。二次電源１６４もまた電力管理回路１６０と結合しており、一次電源（又は着脱可能電源）１６２が除去される時に、電力を提供するのに用いられることができる。図２に示されているように、ローカル入出力（I/O）ポート１６８はマイクロプロセッサ１５０に接続されている。少なくとも一つのアクセス端子１７０は、例えば携帯型通信機又は他のテスト装置をローカル入出力ポート１６８に接続するために使用される。さらに、少なくとも一つのアクセス端子１７０は、プロセス制御要素のためのプロセス変数センサ又は他の回路に接続するために用いられることができる。

従来の無線フィールド装置の典型的なものでは、一次電源は、再充電することができず、有用なエネルギーが完全に流出した時には交換されなければならないものが用いられていた。一次電源が除去されると、フィールド装置は一時的に電力を失いシャットダウンされなければならない。このことは、装置がもはや機能しないという弊害をもたらし、よって、分散制御システム、データログシステム、又は資源管理システムのような、ホストシステムにいかなる情報も送信することができなくなる。揮発性メモリに蓄積された情報もまた消失するかもしれない。さらに、該無線フィールド装置がマルチホップネットワーク無線通信アーキテクチャの一部であるなら、該フィールド装置の喪失は、ネットワークの働きを低下させ、該装置の古い型と考えられる他の装置が該ネットワークの機能を低下させる可能性がある。一次電源が交換されると、フィールド装置はパワーアップされ、ネットワークを復帰しなければならない。この復帰には、一定期間の時間を要し、装置はこのプロセスが完了されるまで十分に機能しない。古い型の機器は、この期間の間ネットワークを介してそれらの読みを送る通路を持たない。さらに、いくつかの無線フィールド装置では、電気アクセス端子は、前記一次電源によってカバーされるかまたは塞がれている。少なくとも一つのアクセス端子１７０にアクセスをするためには、一次電源１６２は除去されなければならず、装置が上記したように電力不足を起こすことになる。

本発明は、一次電源１６２がフィールド装置１０２から切り離される及び／又は除去される時に、電力を電力管理回路１６０に提供するための二次電源を含ませることにより、これらの短所に対処する。該二次電源１６４は、再充電できるバッテリ、大容量のコンデンサ、例えば「超コンデンサ（super cap）」又は「超大容量コンデンサ（ultra cap）」、または１以上のコンデンサと超コンデンサの組合せを含むことができる。該二次電源１６４のエネルギー蓄積容量は比較的小さく、例えば、一次電源１６２が置換されている間、２，３分から１時間、フィールド装置１０２に電力を提供するのに十分な電力供給をするのみである。一たび、一次電源が置換されると、二次電源１６４は一次電源１６２からの電力を用いて再充電されることができる。

二次電源１６４は、適当な技術に従って設けることができる。大容量コンデンサは電力を蓄積するのに用いられることができるが、温度の制約と共に寿命の制約も有している。あるタイプの再充電できるバッテリをまた用いることができるが、これらもまた欠点を有している。例えば、リチュームイオンバッテリは限定された寿命を有し、温度に敏感でもある。また、リチュームイオンバッテリは充電するのが難しい。再充電可能な固体リチュームリンオキシ窒化（Li-PON）バッテリとして、コロラド、リトルトン（Littleton）のInfinite Power Solution 社（IPF）から提供されるThinergyバッテリーのようなものを用いることができる。（www.infinitepowersolutions.com）そのようなバッテリは、無線通信回路１５４、電力管理回路160、マイクロプロセッサ１５０に関連する回路等のフィールド装置の回路を含む回路基板中に、集積されることができる。そのようなバッテリは、それらのサイズや構造に依存して、０．２ｍA−時間から２．５ｍA−時間までの定格をもつことができる。

一つの形態では、少なくとも一つのアクセス端子１７０は２線プロセス信号ループで用いるための二つの電気結合部から構成される。そのような形態では、電流レベルがプロセス変数を表わすために用いられる。いくつかの形態では、デジタル情報が同一の２線上で変調されることができる。一つの例は、HART（登録商標）通信標準である。これらの通信端子は診断装置をフィールド装置１０２に接続するのに用いられることができる。診断装置１８０の一例が図２に示されている。診断装置１８０は、少なくとも一つのアクセス端末１７０に接続するための２線プロセス信号ループ接続１８２を含む。また、いくつかの態様では、フィールド装置１０２は、少なくとも一つのアクセス端子１７０の二つの電気接続部に接続された２線プロセス信号ループ上を運ばれる電力を受電することができる。診断装置１８０は、少なくとも一つの電気アクセス端子１７０を通ってフィールド装置１０２の回路に構成コマンドを提供するように構成されている。同様に、フィールド装置１０２は、少なくとも一つの電気アクセス端子１７０を通って診断装置１８０と情報を交信することができる。そのような情報は、診断情報、感知されたプロセス情報に関するまたは関連する情報等を含むことができる。

診断回路１８０を前記少なくとも一つのアクセス端子１７０に接続するために、一次電源１６２はより良いアクセスができるように除去されることができる。この電源が除去される時には、フィールド装置が電力不足をきたしたり、他のリセットをされないように、補助電源である二次電源１６４により電力が供給される。

他の形態では、少なくとも一つのアクセス端子１７０がプロセスインタフェースに接続するために用いられる。そのような形態では、要素１８０はプロセスインタフェース要素からなる。温度センサへの電気接続は、少なくとも一つのアクセス端子１７０に行われる。この接続を提供するために、オペレータは、この接続がなされている間、一次電源を除去しなければならない。このコネクタは、温度センサに線を固定するために、ねじ又は他の接続技術を用いる端子からなる。これらのコネクタを用いて線を接続することは、フィールド装置が長い時間（分程度）の間二次電源１６４を用いて電力を供給されることを必要とする。

一次電源が除去される時には、電力管理回路１６０は、フィールド装置１０２内の回路の動作を制御するための信号を、マイクロプロセッサ１５０に提供することができる。例えば、マイクロプロセッサ１５０へのデータ接続を用いて、装置内の回路が低減された電力又はスリープモードに入るようにすることができる。この形態は、二次電源１６４がフィールド装置１０２の回路に電力を供給することができる期間を延長するのに用いられることができる。一次電源１６２が除去されたことの検知は、例えば、一次電源１６２の電圧を感知するように構成された電圧センサのような検出器１６３を使用して行うことができる。一つの形態では、一次電源１６２の切断に関する情報は、無線通信回路１５４を用いて無線通信ネットワーク１１７を経て通信されることができる。この情報は、遠隔位置でモニタされることができる。低電力モードの時には、メッシュネットワーク形態におけるフィールド装置１０２を通って流れる通信トラフィックは、フィールド装置１０２による電力消費を低減するために、他のフィールド装置にルート（route）付けされることができる。

一次電源１６２が除去される時には、電力消費を低減するための他の技術がまた用いられることができる。例えば、感知されたプロセス変数の更新時間が低減されることができ、マイクロプロセッサ１５０の動作周期が低減されることができ、無線通信回路１５４により送信されるデータ量が低減されることができ、フィールド装置１０２内のある回路が低電力モードにおかれ又はターンオフにさえなされる事ができる等である。電力消費を低減するための他の技術は、感知されたプロセス変数の変化をモニタし、プロセス変数の変化の速さが閾値より大きい場合、またはプロセス変数が設定量より大きく変化した場合には、更新情報のみを送信するようにすることである。

他の形態では、フィールド装置１０２は、電力が電源１６２，１６４内に残っていても、それをターンオフすることを命じるパワーオフコマンドを受信するように構成されている。これは、電源１６２，１６４のどちらも除去せずに、装置を廃棄させたり、電力を切ったりするようにする。このコマンドは、無線通信回路１５４、ローカル入出力回路１６８等を介して受信することができる。該入力は、例えば、装置の内部又は外部に置かれているボタンのような手動の入力部等から行うことができる。

他の態様では、一次電源１６２は、太陽電池電源（ソーラセル）、熱発電機、振動ハーベスタ（vibration harvester）等のエネルギー収穫技術からなる。そのような態様では、二次電源１６４は、一次電源１６２が十分な電力を発生しない時に、フィールド装置１０２に電力を提供することができる。例えば、これは、太陽が出ていない、熱がない、振動がない等の期間に相当する。ある態様では、フィールド装置１０２は、装置１０２中の回路が到来する通信を周期的にチェックする低電力モードに入る。プロセスが始動される時又はフィールド装置１０２がノーマル動作モードに入ることを求められる時に、低電力モードのままにしておき、ノーマル動作を開始させることを装置１０２に命令するコマンドが、装置１０２に送られることができる。例えば、一次電源１６２が電源として熱を用いて電気を発生する場合に、プロセスがシャットダウン（停止）する時には、熱は電気を発生するのに利用されず、装置１０２は低電力モードに入ることができ、二次電源１６４からの電力を用いることができる。そのような態様では、プロセスを再スタートする前に、装置１０２に電力供給をする熱量が不十分であってもフィールド装置１０２がノーマル動作を開始するように命ずるコマンドが、フィールド装置１０２に送られる。一たび、装置１０２がノーマルに動作すると、プロセスは再スタートすることができる。プロセスが動作すると、熱を発生し始めるので、一次電源１６２はフィールド装置１０２へ電力を供給するのに用いられることができる。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、発明の精神と範囲から逸脱することなしに、形状および細部を変更できることを認識するであろう。前記少なくとも一つの電気アクセス端子は一次電源に接続するために用いられるコネクタと同じものではない。ここで用いられているように、プロセス変数は物質のいかなる特性を含み、プロセスという用語は自然及び工業プロセスを含む。

１００…、１０２，１０４・・・フィールド装置、１１０，１１２…プロセスインタフェース要素、１２０・・・プロセス制御室、１５０・・・マイクロプロセッサ、１５４・・・無線通信回路、１６０・・・電力管理装置、１６２・・・一次電源、１６４・・・二次電源、１７０・・・アクセス端子。

Claims (16)

1. 工業プロセスを制御又はモニタするのに使用する無線フィールド装置であって、
   前記工業プロセスのプロセス流体のプロセス変数を制御又は感知するように構成されたプロセスインタフェースと、
   該プロセスインタフェースに接続され、前記プロセス変数を測定又は制御するように構成されたフィールド装置回路と、
   前記無線フィールド装置に電力を供給するように構成された着脱可能な一次電源と、
   前記一次電源が除去される時に前記無線フィールド装置に電力を提供するように構成された二次電源と、
   前記一次電源の除去又は前記一次電源の不十分な電力を検知するように構成された検知器と、
   無線通信を提供し、前記一次電源の除去の検知又は前記一次電源の不十分な電力の検知により、低減されたデータ量での通信をするように構成された無線通信回路と、
   前記無線フィールド装置の回路に電気接続を提供するように構成され、少なくとも部分的に前記着脱可能な一次電源により覆われている、二つの電気結合部を有する電気アクセス端子とからなり、
   前記電気アクセス端子は、前記一次電源に接続するために用いられるコネクタとは異なるものである、無線フィールド装置。
2. 前記電気アクセス端子が、２線プロセス信号ループに接続するための二つの電気結合部を含む請求項１に記載の無線フィールド装置。
3. 前記電気アクセス端子が、診断装置に接続するように構成されている請求項１に記載の無線フィールド装置。
4. 前記診断装置が、前記電気アクセス端子を通って前記無線フィールド装置に構成コマンド（configuration command）を提供する請求項３に記載の無線フィールド装置。
5. 前記診断装置が、前記電気アクセス端子を通って感知されたプロセス変数に関する情報を受信するように構成されている請求項３に記載の無線フィールド装置。
6. 前記電気アクセス端子を通って前記無線フィールド装置の回路に結合されたプロセス変数センサを含む請求項１に記載の無線フィールド装置。
7. 前記一次電源がバッテリからなる請求項１に記載の無線フィールド装置。
8. 前記二次電源がバッテリからなる請求項１に記載の無線フィールド装置。
9. 前記二次電源が、コンデンサ、超コンデンサ（super capacitor）、又はこの二つの組合せからなる請求項１に記載の無線フィールド装置。
10. 前記無線通信回路が、前記一次電源の除去又は前記一次電源の不十分な電力に関する情報を送信するように構成されている請求項１に記載の無線フィールド装置。
11. パワーオフコマンドに応答してスリープ状態に入るように構成された回路を含む請求項１に記載の無線フィールド装置。
12. 前記二次電源が前記一次電源によって充電される請求項１に記載の無線フィールド装置。
13. 工業プロセスを制御又はモニタするのに使用する無線フィールド装置に電力を供給する方法であって、
    工業プロセスのプロセス流体に接続するように構成されたプロセスインタフェースを提供することと、
    プロセス変数を前記プロセスインタフェースを用いて測定又は制御することと、
    無線通信回路を用いて無線フィールド装置と無線通信することと、
    一次電源を用いて前記無線フィールド装置の回路に電力を供給することと、
    前記一次電源を前記無線フィールド装置から除去することと、
    前記一次電源の除去又は前記一次電源の不十分な電力を検知することと、
    前記一次電源が除去される時に、前記フィールド装置に二次電源で電力を供給して低電力モードに入り、前記無線通信回路を用いて低減されたデータ量で通信することと、
    前記無線フィールド装置の回路に電気接続を提供するように構成された、前記一次電源により少なくとも部分的に覆われ、かつ二つの電気結合部を有する電気アクセス端子を提供することとからなり、
    前記電気アクセス端子は、前記一次電源に接続するために用いられるコネクタとは異なるものである、無線フィールド装置への電力供給方法。
14. 前記電気アクセス端子に２線プロセス信号ループを接続することを含む請求項１３に記載の無線フィールド装置への電力供給方法。
15. 前記電気アクセス端子に診断装置を接続することを含む請求項１３に記載の無線フィールド装置への電力供給方法。
16. 前記電気アクセス端子にプロセス変数センサを接続することを含む請求項１３に記載の無線フィールド装置への電力供給方法。