JP7842887B2 - 取り外し可能な電力モジュールを有する無線プロセス変数送信機 - Google Patents

取り外し可能な電力モジュールを有する無線プロセス変数送信機

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Description

本発明は、取り外し可能な電力モジュールを有する無線(ワイヤレス)プロセス変数送信機に関する。
工業環境においては、制御システムは工業および化学プロセスの現況を監視および制御するために使用される。典型的には、制御システムが工業プロセスの主要な場所に分散された多数のフィールドデバイスを使用してこれらの機能を実行する。フィールドデバイスは、様々な異なる設備で動作することができる。プロセス設備の例としては、石油、製薬、化学、パルプ、および他の処理設備が挙げられる。これらのフィールドデバイスは、制御室内の制御回路に通信可能に接続される。
フィールドデバイスは、様々な目的のためにプロセス制御測定産業によって使用される。通常、そのような装置は比較的頑丈な環境で屋外に設置することができ、温度、湿度、振動、および機械的衝撃の気候学的極端さに耐えることができるように、現場硬化エンクロージャを有する。フィールドデバイスはまた、典型的には、比較的低電力で動作する。例えば、既知の4~20mAループからそれらの動作電力の全てを受け取るいくつかのフィールドデバイスが現在利用可能である。
従来、フィールドデバイスは、物理的導体によってプロセス通信システム(制御室など)に接続されてきた。このような有線接続は、現場機器に電力を供給するだけでなく、通信のためのルートも提供している。有線フィールド装置に関する1つの制限は、ワイヤがフィールド装置の各物理的位置に通されなければならないので、設置は時に労働集約的であり得ることである。
より最近では、制御室および/または他の適切なデバイスと通信するために無線通信を使用するフィールドデバイスが出現している。これらの無線フィールドデバイスは一般に、数年間にわたって無線フィールドデバイスに動作電力を提供することができる、バッテリ(電池)などの内部電源を備えている。例示的な無線通信規格はWirelessHART(登録商標)(IEC 62591)もしくはISA 100.11a(IEC 62734)、または別の無線通信プロトコル、たとえば、WiFi、LoRa、Sigfox、BLE、もしくはカスタム通信プロトコルを含む任意の他の適切なプロトコルを含む。
工業プロセス産業における無線技術の使用は、無線送信機に局所的に電力を供給する方法の必要性を生み出している。バッテリ(電池)は、局所的な電力を供給することができる1つの方法である。しかしながら、バッテリの1つの問題は、バッテリを交換する必要があり得ることである。
工業プロセスで使用するための無線プロセス変数送信機は、工業プロセスのプロセス変数を感知するように構成されたプロセス変数センサを含む。プロセス変数センサに接続された測定回路は、感知されたプロセス変数に関連する出力を提供する。測定回路に接続された無線通信回路は、感知されたプロセス変数に関連する情報を遠隔位置に無線で送信する。取り外し可能な産業用電力モジュールは交換可能なバッテリ(電池)を保持し、プロセス変数センサ、測定回路、および無線通信回路に電力を供給するように構成される。取り外し可能な産業用電力モジュール内のバッテリ試験回路は交換可能なバッテリに接続し、交換可能なバッテリの状態に関連する視覚出力を提供する。
この概要は、以下の発明を実施するための形成においてさらに説明される概念の選択を簡略化された形成で紹介するために提供される。この発明の概要は、特許請求される主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることを意図するものでもない。特許請求される主題は、背景技術において留意される任意のまたはすべての欠点を解決する実装形態に限定されない。
図1は、本発明の一実施形態による取り外し可能な産業用電力モジュールを含む無線フィールド装置の部分分解斜視図である。 図2は、図1の無線送信機の電気回路の簡略化されたブロック図である。 図3は、一例示的実施形態による、図1の無線フィールドデバイスのバッテリ試験回路の模式図である。 図4A~4Eは、1つの例示的な構成による取り外し可能な産業用電力モジュールの動作を示す。 図5Aは、取り外し可能な産業用電力モジュールで使用するための機械的リセットインジケータの動作を示す。 図5Bは、取り外し可能な産業用電力モジュールで使用するための機械的リセットインジケータの動作を示す。 図5Cは、取り外し可能な産業用電力モジュールで使用するための機械的リセットインジケータの動作を示す。 図5Dは、取り外し可能な産業用電力モジュールで使用するための機械的リセットインジケータの動作を示す。 図6Aは、本体に接続するヒンジ式カバーまたはキャップを有する取り外し可能な産業用電力モジュールの斜視図である。 図6Bは、本体に接続するヒンジ式カバーまたはキャップを有する取り外し可能な産業用電力モジュールの斜視図である。 図7Aは取り外し可能な産業用電力モジュールの上部回路基板の斜視図である。 図7Bは、取り外し可能な産業用電力モジュールの下部または底部回路基板の斜視図である。 図8は、オペレータによって操作されるスイッチを含む、取り外し可能な産業用電力モジュール内のバッテリ試験回路を示す簡略化された模式図である。 図9は、LEDまたは他のディスプレイを所望に応じて点滅させるための非安定マルチバイブレータ回路を含む、取り外し可能な産業用電力モジュール内のバッテリ試験回路を示す簡略化された模式図である。
オペレータが取り外し可能な産業用電力モジュール内の消耗したバッテリを既製の新しいバッテリと交換できるようにすることが望ましい。しかしながら、交換用バッテリには問題があり、オペレータは、取り付けたばかりの新しいバッテリが正しく動作しているかどうか、正しく取り付けられているかどうか、またはバッテリパックアセンブリが正しく機能しているかどうかを知ることができない場合がある。バッテリパックを試験する1つの方法は電力モジュールが現場装置において交換された後に、バッテリパックを手持ち式通信機に接続することによる。さらに、オペレータは、フィールドデバイスが無線ネットワークに再参加できるかどうかを見るのを待つことができる。しかしながら、これは、追加の試験を必要とし、現場で試験を行う必要があり、現場装置の構成要素に損傷をもたらす可能性がある。様々な態様では、取り外し可能なバッテリパックが工業プロセスで使用するための無線プロセス変数送信機のために提供される。取り外し可能なバッテリパックは交換可能なバッテリを試験し、取り外し可能なバッテリパックの適切な動作を保証するために、バッテリ試験回路と共に交換可能なバッテリを含む
図1は、本発明の実施形態による、取り外し可能な産業用電力モジュール(外部バッテリパック)12に接続された無線フィールドデバイス(無線プロセス変数送信機)10の正面分解斜視図である。フィールドデバイス10は一般に、プロセス設置場所に近接して取り付け可能なセンサモジュール14を含む。センサモジュール14内に配置された、またはそれに接続された1つまたは複数のセンサは、プロセスに対する電気的指示を提供する。センサの例は、絶対、ゲージ、および/または差圧センサ、ならびに温度センサ、音響センサ、および他の適切なデバイスを含む。センサモジュール14は、1つまたは複数のセンサから受信された電気信号を、他のデバイスに伝えることができる使用可能な情報に処理するか、または変換するための電子機器を収容する電子機器コンパートメント16に接続される。電子コンパートメント16は一般に、アンテナ18を介して他のデバイスと通信する無線通信(I/O)回路などの通信回路を含む。区画16内の通信回路は、アンテナ18を使用して、ゲートウェイ装置、またはフィールド装置10とゲートウェイ装置との間に配置された他のフィールド装置と通信して、ゲートウェイ装置と対話することができる。無線フィールドデバイスは一般に知られており、市販の無線フィールドデバイスの一例は、ミネソタ州ChanhassenのEmerson Automation Solutionsから入手可能な商品名モデル3051S無線である。フィールド装置10は、「メッシュ」ネットワークと称され得るプロセスインストレーションに配置される多数のフィールド装置のうちの1つであり得る。
無線フィールド装置10などのいくつかの無線フィールド装置は、数年間持続する内部バッテリパック(取り外し可能な産業用電力モジュール)を使用する。しかしながら、バッテリパックのエネルギーが枯渇すると、技術者は典型的にはフィールドデバイス10の物理的な場所に移動し、バッテリパックを交換しなければならない。フィールドデバイスを機能させるには、新しいバッテリを正しく取り付ける必要がある。交換用バッテリが正しく取り付けられていないか、正常に機能していない場合、無線プロセス変数送信機は機能せず、問題を診断するために別の技術者を派遣する必要がある。
本発明の一実施形態によれば、フィールドデバイス10に電力を供給するために使用されるバッテリは、電子機器区画16とは別個のモジュール区画22内に受容されるモジュール(取り外し可能な産業用電力モジュール12)内に配置される。図1に示すように、モジュールコンパートメント22は、エンドキャップ24で封止されている。交換可能な産業用電力モジュールの例としては、Emerson Automation Solutionsから入手可能な701PGNKFおよび701PBKKFが挙げられる。これらの電力モジュールは、フィールドデバイスに取り付けられたときに誤接続され得ないような方法でキー止めされている。典型的には、電力モジュール全体が新しい電力モジュールと交換される。一態様では、本発明がオペレータがその内部バッテリを交換することを可能にするように構成された電力モジュールを提供する。しかしながら、このような電力モジュールでは、作業者がバッテリ/セルを電力モジュール内に配置する際に、バッテリ/セルの極性を逆にすることが可能である。バッテリ/セルが誤って接続された電力モジュールがフィールドデバイスに取り付けられた場合、フィールドデバイスは動作しない。逆の極性はフィールドデバイス回路または他の機器に損傷を引き起こし、負傷を引き起こし、本質的な安全基準に違反する可能性がある。さらに、新しいバッテリまたは電力モジュールの端子は腐食され、それによって電力モジュール内のコネクタと良好な電気的接触を行わない可能性があり、オペレータが誤って不良または他の方法で消耗したバッテリを設置する可能性があり、オペレータが誤った電圧を有するバッテリを設置する可能性があり、または電力モジュールが何らかの内部故障を有する可能性がある。様々な態様では、本発明がこれらの状態をオペレータに警告することができる。
図2はプロセス変数送信機10の簡略化されたブロック図であり、圧力、レベル、流量などのプロセス変数を検知するように構成されたプロセス変数センサ40を含む。センサ40は例えば、アナログ-デジタル変換器を含むことができる測定回路42に出力を提供し、感知されたプロセス変数に関連する出力をマイクロプロセッサなどのコントローラ44に提供する。コントローラ44はメモリ46に記憶された命令に従って動作し、アンテナ18に接続された無線I/O通信回路48を使用して通信する。コントローラは、アンテナ18を使用して、感知されたプロセス変数に関連する情報を無線で送信することができる。同様に、コマンドは、無線I/O回路48を使用して遠隔位置から受信することができる。コントローラ44はまた、交換可能なバッテリ50が交換されるべきであるという指示などの状態情報を通信することができる。バッテリ50は電源回路52に接続され、例えば、センサ40、測定回路42、コントローラ44、および無線I/O回路48を含む、送信されたプロセス変数10の構成要素に電力を供給するために使用される。バッテリ50は、図1に示される取り外し可能な産業用電力モジュール12内に担持される。以下でより詳細に説明するバッテリ試験回路54もモジュール12内に保持される。
図3は、バッテリ試験回路54の構成の一例を示す模式図である。回路54は、取り外し可能なバッテリ50に接続するように構成され、トグルスイッチ60と、緑色LED 64と直列に接続された緑色の第1の抵抗器62と直列に接続された第1の抵抗器とを含む。第2の抵抗器66は、赤色LED 68と直列に接続される。図3において、試験回路54は、電源回路52に接続する電力モジュール出力を提供する。しかしながら、試験回路54は、電源回路52と並列に接続することもできる。
極性反転または不適切に設置されたバッテリの電位を軽減するために、本発明は、バッテリが誤接続されているという表示を提供するように構成されたバッテリ試験回路を提供する。
新しいバッテリが電力モジュール12に取り付けられた後、オペレータは、トグルスイッチ60を閉鎖位置に機械的にリセットする。次に、バッテリ50からの電力は、電源回路52に供給される。適切に接続されると、緑色LED 64は順方向にバイアスされ、照明され、赤色LED 68は逆方向にバイアスされ、オフのままである。しかしながら、セルが逆の極性で設置される場合、反対のことが起こり、赤色LED 68が点灯する。
図4A~図4Eは、スイッチ60を作動させるために使用することもできる可視リセットインジケータ90を含む電池モジュール12の一構成の動作を示す。図4Aは、電力モジュールキャップ76が電力モジュール本体74に封止された閉鎖位置にある電力モジュールを示す。LED64および68は、リセットインジケータ90と同様に目視可能である。図4Bでは、電力モジュールキャップ76が取り外されると、リセットインジケータ90は本体74から延出し、電力モジュール12が図1に示される無線フィールドデバイス10のモジュール区画22内に配置されることを防止する。図4Cは、1つのバッテリ50が誤った極性で挿入されている電力モジュール12の図である。これが発生すると、上述のように、赤色LED68が点灯し、バッテリの極性が正しくないことをオペレータに示す。対照的に、図4Dでは、バッテリ50が正しい方向に挿入され、緑色LEDインジケータ64が点灯する。バッテリ50をモジュール12に正しく挿入し、キャップ76を閉じた後、操作者は図4Eに示すように、リセットインジケータ90を本体74に押し戻し、それによって、バッテリ50からLED64および68を切断して、バッテリの消耗を低減することができる。さらに、これにより、バッテリモジュール12を図1に示すモジュール室22に挿入することができる。
図5A~図5Dは、リセットインジケータ90の構成の一例の動作を示す。図5Aに示されるように、カバー76が閉じられた状態で、リンク機構102は、リセットインジケータ90のスロット106内に受容される先端104を有する。したがって、ばね100は、圧縮状態に維持される。電力モジュールキャップ76が開かれるか、または本体74から取り外されるとき、リンク機構102は上方に移動することができ、それによって、リセットインジケータ90を解放し、それによって、ばね100は、リセットインジケータを本体74から押し出す。バッテリ交換に続いて、図5Cに示すように、電力モジュールキャップ76を本体74上に交換することができ、LED64および68の状態を操作者が見ることができる。バッテリ50の極性が正しいことがオペレータによって保証されると、リセットインジケータは、図5Dに示されるように内側に押され、リンク機構102の先端104によって固定され得る。図5Dに示す状態では、モジュール12がプロセス変数送信機10のモジュール区画22内に配置することができる。加えて、リセット要素90の移動はスイッチ60に接続することができ、それによって、図5Dに示されるように、リセットインジケータ90が内側に押されると、LED64および68がバッテリ50から切り離され、それによって、バッテリの消耗が防止される。
図6A及び図6Bは、取り外し可能な産業用電力モジュール12の一例の更なる図である。図6A及び図6Bは、電力モジュールキャップ76を閉じた状態又は開いた状態の斜視図である。この例示的な構成では、電力モジュールキャップ76がヒンジで連結され、ラッチで固定される。
図7Aは上部回路基板110の斜視図であり、図7Bは、電力モジュール12の両端に嵌合するように構成された下部回路基板112の斜視図である。下部回路基板112上のコネクタ120は、フィールドデバイス10への電気的接続を提供するために使用される。さらに、3本のワイヤ(図示せず)が、電力モジュール12内の2つの回路基板を互いに接続する。3本のワイヤは、バッテリ正接続、バッテリ負接続、およびハンドヘルド診断装置と通信するための通信接続を提供する。
2つのバッテリ端子が上部回路基板110上でアクセス可能であるので、上部回路基板110は、1つの例示的な実施形態によるバッテリ試験回路を含むことができる。あるいは、バッテリ試験回路が下部回路基板上に配置されてもよい。
図8は、バッテリ試験回路120の別の例示的な実施形態の模式図である。図8の構成では、正および負のバッテリ接続点の両方がその場所で利用可能であるので、回路は上部回路基板110上に担持され得る。バッテリが無線フィールドデバイス10を動作させるのに十分な電圧出力を提供しているかどうかを示すステータスLED122が提供される。試験ボタン122への押し込みは、バッテリ50を比較回路124に接続するためにオペレータによって作動され得る。所定の閾値との電圧比較に基づいて、電流制限抵抗器126を介してLED122に出力が提供され、それによって、バッテリが「良好」であることを示し、比較回路124は、バッテリ電圧が所定の電圧範囲内にある場合にのみ作動するように構成され得る。ボタン122が作動されたときにのみ試験回路120を有効にすることによって、バッテリ電流が節約され、それによって、バッテリが消耗されないことを確実にする。任意の第2の抵抗器(図示せず)をバッテリ50とスイッチ122との間に配置して、本質的な安全の目的のためにバッテリ50から引き出すことができる電流を制限することができる。
図9は、バッテリ状態の連続的な視覚的表示を提供するバッテリ試験回路120の別の例示的な実施形態の簡略化された模式図である。図9の構成では、図8の押しボタン122は使用されない。代わりに、非安定マルチバイブレータ回路132は、比較回路124からの出力によってイネーブルされたときに非常に低いデューティサイクルでLED122に周期的に通電するために使用され、その結果、最小量のエネルギーがバッテリから消費される。システムは、安定したマルチバイブレータによって設定されたレートでLED122を点滅させる。非安定マルチバイブレータ回路132は、比較器ベースの回路またはトランジスタベースの回路とすることができる。回路132は、約40ミリ秒のオン時間で約5秒の固定発振周期を有するように設定することができる。LED122を通る電流は、2mA未満などの比較的低い値に設定することができる。この構成は、結果12mAのバッテリ50からの等価DC回路ドレインをもたらす。これらのパラメータは、必要に応じて調整することができる。追加の抵抗器(図9には図示せず)は、固有の安全基準に従って引き出すことができる電流を制限する目的で、バッテリ50と直列に配置することができる。
本発明は好ましい実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく形状および細部になされてもよいことは認識できる。例えば、オペレータが外部電圧計を用いてバッテリ試験を行うことができるように、外部バッテリ試験端子を設けることができる。図8および図9の構成では、より高い電圧値またはより低い電圧値、逆極性などを示すなどの追加の情報を提供するために、追加のLEDを設けることができる。

Claims (25)

  1. 工業プロセスで使用するための無線プロセス変数送信機であって、
    工業プロセスのプロセス変数を感知するように構成されたプロセス変数センサと、
    検知されたプロセス変数に関連する出力を提供するように構成され、前記プロセス変数センサに接続された測定回路と、
    前記感知されたプロセス変数に関連する情報を遠隔位置に無線で送信するように構成され、前記測定回路に接続された無線通信回路と、
    交換可能なバッテリを保持し、前記測定回路および前記無線通信回路に電力を提供するように構成された取り外し可能な産業用電力モジュールと、
    を備え、
    前記取り外し可能な産業用電力モジュールは、
    前記交換可能なバッテリに接続し、前記交換可能なバッテリの状態に関連する視覚出力を提供するように構成され、前記取り外し可能な産業用電力モジュール内に配置されたバッテリ試験回路と、
    可視リセットインジケータと、
    カバーと、含み、
    前記可視リセットインジケータが前記カバーの取り外しによって作動される、
    無線プロセス変数送信機。
  2. 前記バッテリ試験回路に接続され、前記交換可能なバッテリの状態に関連する視覚出力を提供する視覚インジケータを含む、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  3. 前記視覚インジケータがLEDを含む、請求項2に記載の無線プロセス変数送信機。
  4. 前記視覚インジケータは、電力消費を低減するために周期的に作動される、請求項2に記載の無線プロセス変数送信機。
  5. 前記視覚インジケータを周期的に作動させるように構成された非安定マルチバイブレータを含む、請求項4に記載の無線プロセス変数送信機。
  6. 前記視覚出力は、前記取り外し可能な産業用電力モジュール内の前記交換可能なバッテリの極性を示す、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  7. 前記視覚出力は、前記交換可能なバッテリの電圧に関連する、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  8. 前記バッテリ試験回路を前記交換可能なバッテリに接続するように構成されたスイッチを含む、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  9. 前記バッテリ試験回路は、前記交換可能なバッテリの電圧を閾値と比較する、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  10. 前記可視リセットインジケータは、ばね荷重式である、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  11. 可視リセットインジケータが、前記バッテリ試験回路を前記交換可能なバッテリに選択的に接続するスイッチを作動させる、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  12. 可視リセットインジケータは、前記取り外し可能な産業用電力モジュールが前記無線プロセス変数送信機のハウジング内に配置されることを防止する、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  13. 前記取り外し可能な産業用電力モジュールは、上部回路基板および下部回路基板を含む、請求項1に記載の無線プロセス変数送信機。
  14. 前記バッテリ試験回路は、前記上部回路基板および前記下部回路基板のうちの少なくとも1つ上に担持される、請求項13に記載の無線プロセス変数送信機。
  15. 前記上部回路基板および前記下部回路基板は電気的に接続される、請求項13に記載の無線プロセス変数送信機。
  16. 前記上部回路基板と前記下部回路基板との間の電気的接続が、正の電気的接続、負の電気的接続、および通信接続を含む、請求項15に記載の無線プロセス変数送信機。
  17. 無線プロセス変数送信機と共に使用するための取り外し可能な産業用電力モジュールであって、
    前記無線プロセス変数送信機に接続するように構成された電気コネクタと、
    交換可能なバッテリを保持し、電気コネクタを介して無線プロセス変数送信機の測定回路および無線通信回路に電力を供給するように構成された本体と、
    前記交換可能なバッテリに接続し、前記交換可能なバッテリの状態に関連する視覚出力を提供するように構成され、前記取り外し可能な産業用電力モジュール内に配置されたバッテリ試験回路と、
    可視リセットインジケータと、
    カバーと、を備え、
    前記可視リセットインジケータが前記カバーの取り外しによって作動される、
    取り外し可能な産業用電力モジュール。
  18. 前記バッテリ試験回路に接続された視覚インジケータを含み、前記視覚インジケータは、前記交換可能なバッテリの状態に関連する視覚出力を提供する、請求項17に記載の取り外し可能な産業用電力モジュール。
  19. 前記視覚インジケータがLEDを含む、請求項18に記載の取り外し可能な産業用電力モジュール。
  20. 前記視覚インジケータは、電力消費を低減するために周期的に作動される、請求項18に記載の取り外し可能な産業用電力モジュール。
  21. 前記視覚インジケータを周期的に作動させるように構成された非安定マルチバイブレータを含む、請求項19に記載の取り外し可能な産業用電力モジュール。
  22. 前記可視リセットインジケータは、ばね荷重式である、請求項17に記載の取り外し可能な産業用電力モジュール。
  23. 前記可視リセットインジケータは、前記バッテリ試験回路を前記交換可能なバッテリに選択的に接続するスイッチを作動させる、請求項17に記載の取り外し可能な産業用電力モジュール。
  24. 前記可視リセットインジケータは、前記無線プロセス変数送信機のハウジング内への前記取り外し可能な産業用電力モジュールの配置を防止する、請求項17に記載の取り外し可能な産業用電力モジュール。
  25. 前記取り外し可能な産業用電力モジュールは上部回路基板および下部回路基板を含み、前記上部回路基板と前記下部回路基板との間の電気接続は、正の電気接続、負の電気接続、および通信接続を含む、請求項17に記載の取り外し可能な産業用電力モジュール。
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