JPH07123032A - フィールドバス対応アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】伝送路上でアクチュエータ機器への動作電力の
供給，信号伝送を行うフィールドバスシステムにおい
て、必要最小限の消費電力でアクチュエータ機器の駆動
と信号伝送とが容易にでき、システムの裕度と高信頼性
の維持ができるようにすること。 【構成】アクチュエータ機器１は、伝送路５を介して外
部電源３から供給される電力により動作し、双方向ディ
ジタル信号の通信を上位機器４あるいはフィールド機器
６と行う。アクチュエータ機器１は、通信制御装置１０
１と、電流信号発生装置１０２と、電空変換器１０３と
を備え、アクチュエータ機器１内で２線式伝送路５に対
して通信制御装置１０１と信号電流発生装置１０２を直
列に接続し、さらに電流信号発生装置１０２に並列に電
空変換器１０３を接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２線式伝送路上で信号
伝送と動作電力の供給を行うフィールドバスシステムに
係り、特に、低消費電力でアクチュエータ機器の駆動と
通信が容易にでき、システムの裕度と高信頼性を維持で
きる装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるフィールド機器と称される機器
は各種プラントの圧力，温度，流量などの物理量を検出
し、その値を定められた電気信号に変換し伝送路を介し
て上位機器へ伝送したり、また、逆に、上位機器から伝
送される制御信号を受信し、プラントのバルブなどを制
御しているのが通常である。

【０００３】そして、該電気信号は、信号がアナログの
場合、規格化されており、フィールド機器または上位計
器との間はＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号の伝送
が行われている。

【０００４】しかし、近年、半導体集積回路技術の向上
により、マイクロプロセッサを内蔵したフィールド機器
が開発され、さらにフィールド制御機器の末端であるバ
ルブアクチュエータにもマイクロプロセッサを内蔵した
ものが開発され実用化されている。これによれば、前記
伝送路上で一方向のアナログ信号伝送のほかに、双方向
のディジタル通信を行い、バルブ自身の流量特性が自由
に可変できたり、バルブ自身に流量指示機能を付加した
りできるようになってきている。この種の装置は、例え
ば、特開平5−19085号公報などに開示されている。

【０００５】また、最近、複数台のフィールドセンサや
バルブアクチュエータを同一伝送路上に接続し、双方向
のディジタル信号だけで通信を行うシステムとしてフィ
ールドバスシステムが提案され、その仕様統一のための
規格化作業が進められている。

【０００６】フィールドバスシステムの代表的な構成図
を図４を用いて説明する。同図は、複数台のフィールド
機器，バルブアクチュエータと上位機器とが伝送路を介
してツリー形に接続された装置構成例を示している。バ
ルブアクチュエータ１ａ，１ｂ，フィールドセンサ３
ａ，３ｂは、伝送路５を介して、外部電源３から供給さ
れる電力により動作し、伝送路５を介して順番に上位機
器４とディジタル信号で双方向通信を行い、バルブ２
ａ，２ｂの操作量，検出した物理量の送信，受信などの
処理を行う。上位通信機器７は、バルブアクチュエータ
１ａ，１ｂ，フィールドセンサ３ａ，３ｂと上位機器
４，外部電源３との間に接続され、バルブアクチュエー
タ１ａ，１ｂなどとディジタル信号で双方向の通信を行
っている。また、ターミネータ８は、直列に接続した抵
抗とコンデンサで構成され、伝送路５の両端に接続され
る。このターミネータは伝送路５上に接続されるフィー
ルド機器及びアクチュエータ機器の通信周波数帯域での
入力インピーダンスと比べてかなり小さい値にすること
により、機器の接続箇所、及び接続台数などの条件によ
る通信信号への影響を小さく押さえている。また、通信
を行う送信回路（以下、ドライバと呼ぶ。）の方式とし
て、電圧ドライバと電流ドライバとがあるが、その送信
信号としてはターミネータを接続した状態での送信電圧
値で規定されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術にあ
っては、上位機器あるいはフィールド機器とアクチュエ
ータ（操作端）は１対１に対応したものであり、フィー
ルド機器とアクチュエータあるいは上位機器とアクチュ
エータは常に一方向の通信であった。しかも、アクチュ
エータはアナログ電流信号であるＤＣ４〜２０ｍＡを全
て電空変換機構に利用できた。

【０００８】しかし、フィールドバスでは伝送路に接続
された上位機器とフィールドセンサ及びアクチュエータ
の数は複数台であり、アクチュエータの内部にマイクロ
プロセッサを内蔵して通信を行い、かつ、電空変換機構
の分の電力供給も行う。

【０００９】よって、フィールドバス上にフィールド機
器を数多く接続しようとするとアクチュエータの消費す
る電力が大きい場合、フィールドバス上に接続する機器
台数が制限されてしまうという問題があった。さらに、
２線式伝送路を流れるディジタル信号の変動の大きさに
影響されアクチュエータが誤動作するという問題も考え
られた。

【００１０】また、石油化学等のプラントでは、アクチ
ュエータは設置環境が爆発性のある危険場所で使用され
ることが多く、電気信号による誘爆を避けるために、バ
ルブの動力源は空気である場合がほとんどである。

【００１１】このため、マイクロプロセッサを内蔵した
通信制御装置を含み、かつ、消費電力の少ない電気／空
気変換方式の実現が課題となっている。

【００１２】本発明は、上記問題点を解決し、アクチュ
エータ機器全体にかかる消費電力を必要最小限とする構
成とし、システムの裕度と信頼性の高いフィールドバス
システムを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、図１に示すように、伝送路に対して通信
制御装置と電流信号発生装置とを直列に、電流信号発生
装置に対し電空変換器を並列に接続する構成にする。ま
た、図２に示すように、アクチュエータの機器構成は、
電流信号発生装置と電空変換器とを直列に接続し、通信
制御装置と電流信号発生装置の差分の電流を、電流信号
発生装置および電空変換器に並列に接続した負荷に流し
込む構成としても良い。また、図３に示すように、電流
信号発生装置と電空変換器に並列に接続し、電流信号発
生装置を通信制御装置と電空変換器の差分の電流を制御
する構成としても良い。

【００１４】これらのアクチュエータの機器構成によ
り、必要最小限の消費電力でアクチュエータ機器の駆動
と上位機器あるいは他のフィールド機器との通信をでき
るようにしたものである。

【００１５】

【作用】本発明によるアクチュエータの機器構成は、上
述のように、伝送路に対して通信制御装置と電流信号発
生装置とを直列に、電空変換器を電流信号発生装置に対
して並列に構成することにより、低消費電力でアクチュ
エータ機器の駆動と上位機器あるいは他のフィールド機
器との通信ができる。

【００１６】また、アクチュエータの機器構成は、電流
信号発生装置と電空変換器とを直列に接続し、通信制御
装置と電流信号発生装置の差分の電流を、電流信号発生
装置および電空変換器に並列に接続した負荷に流し込む
構成や、電流信号発生装置と電空変換器に並列に接続
し、電流信号発生装置により通信制御装置と電空変換器
の差分の電流を制御する構成としてもできる。

【００１７】以上述べたアクチュエータの機器構成とす
ることにより、必要最小限の消費電力でアクチュエータ
機器の駆動と上位機器あるいは他のフィールド機器との
通信ができるようになり、その信頼性が向上し、かつ１
つのフィールドバスシステムで多くの機器を接続するこ
とが可能となりシステムの裕度を広げることができる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説
明する。

【００１９】図５は、本発明に用いたフィールドバスシ
ステムの装置構成例である。同図において、バルブアク
チュエータ（本例ではバルブの位置を制御するポジショ
ナ）１ａ，１ｂやフィールド機器６ａ，６ｂは、ディジ
タル信号で双方向で通信を行うものであり、各種プラン
トにおけるプロセスの圧力，温度，流量などを検出して
その値を送信したり、またはバルブ２ａ，２ｂの開度制
御量を通信したりするものである。バルブアクチュエー
タ１ａ，１ｂやフィールド機器６ａ，６ｂは、伝送路５
を介して外部電源３から供給される電力により動作し、
伝送路５の任意の箇所に接続できる。本実施例において
は、バルブアクチュエータ１ａ，１ｂやフイールド機器
６ａ，６ｂがフィールド側のジャンクションボックス
（中継箱）に接続した例を示すが、これは、他の、例え
ば伝送路５の途中であっても問題はない。

【００２０】上位機器４は、バルブアクチュエータ１
ａ，１ｂやフィールド機器６ａ，６ｂ，上位通信器７な
どのフィールドバス対応機器と伝送路５を介して、ディ
ジタル信号を行い、フィールド機器６ａ，６ｂの検出し
た各種物理量（圧力，温度，流量など）を受信し、また
プラントの情報として、バルブ開度を受信し、操作量を
制御信号として送信している。

【００２１】上位通信機器７は、伝送路の任意の場所に
接続でき、上位通信機器７内にあるディスプレイやキー
ボードを操作することにより、バルブアクチュエータ１
ａ，１ｂの開度，操作量などの処理を伝送路５を介して
通信を行い実行する。

【００２２】ターミネータ８は、直列に接続した接続コ
ンデンサで構成され、伝送路７の両端に接続されるこの
ターミネータは、伝送路５上に接続されるバルブアクチ
ュエータなどの通信周波数帯域での入力インピーダンス
と比べてかなり小さな値にすることにより通信信号によ
る影響を低く抑えている。

【００２３】次に、図１を用いて、フィールドバス対応
アクチュエータの動作について説明する。図１はフィー
ルドバス対応アクチュエータの装置構成図である。同図
において、アクチュエータ機器１はディジタル信号で双
方向の通信を行えるものであり、バルブなどの制御量を
受信したりするものである。アクチュエータ機器１は伝
送路５を介して外部電源３により加えられる電圧により
動作し、通信制御装置１０１と信号電流発生装置１０２
および電空変換部１０３とで、構成される。

【００２４】上位機器４または他のフィールド機器６
は、伝送路５を介して、バルブなどの制御情報をアクチ
ュエータ機器１へ送信している。

【００２５】次に、アクチュエータ機器１の動作につい
て詳細に説明する。

【００２６】通信制御装置１０１は、マイクロプロセッ
サを内蔵し、上位機器４または他のフィールド機器６と
双方向の通信を行う回路を含めアクチュエータ機器全体
の消費電流を一定に保つ装置である。

【００２７】信号電流発生装置１０２は電空変換部１０
３を動作させるアナログ電流信号を発生する定電流回路
である。

【００２８】電空変換部１０３は、トルクモータ，ノズ
ルフラッパ機構などで構成されるものであり、前記アナ
ログ電流信号をトルクモータで受信し、力信号に変換す
る。この力信号は、バルブ２へ前記アナログ電流信号に
対応した空気圧の信号を出力する。また、アクチュエー
タ機器１内で伝送路５に対して通信制御装置１０１と信
号電流発生装置１０２を直列に接続し、さらに信号電流
発生装置１０２に並列に前記電空変換器１０３を接続す
る構成とする。

【００２９】これにより、ディジタル信号で動作する装
置の部品構成は必要最小限にでき、信頼性の高い構成に
することができ、かつ、必要最小限の消費電力でアクチ
ュエータ機器１全体を駆動できる。

【００３０】よって、本実施例によれば、低消費電力で
動作するので、その信頼性が増し、かつ１つのフィール
ドバスシステムで多くの機器が接続できシステムの裕度
を広げることができるという効果がある。

【００３１】次に、図２を用いて、アクチュエータ機器
１内の構成について説明する。図２はフィールドバス対
応アクチュエータの構成図である。

【００３２】定電流回路１０４は図１の通信制御装置１
０１の一定電流を発生する定電流回路である。定電流回
路１０５は図１の信号電流発生装置１０２に相当する。
電空変換器１０７も図１の電空変換器１０３と同様であ
る。

【００３３】同図において、定電流回路１０４の電流
は、定電流回路１０５に流れる電流と負荷１０６を流れ
る電流とに分割される構成とする。定電流回路１０５に
流れる電流は、電空変換器１０７に入力され、電流値に
対応した空気圧の信号を出力し、バルブ２を動作させ
る。負荷１０６は定電流回路１０４の電流と、定電流回
路１０５の電流との差分の電流を流す。

【００３４】これにより、前記伝送路を流れる前記ディ
ジタル信号の変動の大きさに影響されずにアクチュエー
タ機器１が動作することができる。

【００３５】次に、他のアクチュエータ構成について、
図３を用いて、説明する。図３はフィールドバス対応ア
クチュエータの構成図である。

【００３６】定電流回路１０８は図１の通信制御装置１
０１の一定電流を発生する定電流回路である。定電流回
路１０９は図１の信号電流発生装置１０２に相当する。
電空変換器１１０も図１の電空変換器１０３と同様であ
る。

【００３７】同図において、定電流回路１０８の電流
は、定電流回路１０９に流れる電流と電空変換器１１０
を流れる電流とに分割される構成とする。電空変換器１
１０には、定電流回路１０８の電流と、定電流回路１０
９と差分の電流が入力され、電流値に対応した空気圧の
信号を出力し、バルブ２を動作させる。つまり、定電流
回路１０９は、電空変換器１１０の駆動に対応した電流
を流すように、電流を吸い込む。

【００３８】これにより、前記伝送路を流れる前記ディ
ジタル信号の変動の大きさに影響されずにアクチュエー
タ機器１が動作することができる。

【００３９】図４は、アクチュエータ機器１を、実際に
バルブに装着した場合の取付け例である。

【００４０】本実施例によれば、ディジタル信号で動作
するアクチュエータ機器の部品構成が必要最小限にで
き、信頼性の高い構成にすることができ、かつ、必要最
小限の消費電力でアクチュエータ機器全体を駆動でき、
かつ、伝送路５を流れるディジタル信号の変動の大きさ
に影響されずにアクチュエータ機器１が動作することが
できる。

【００４１】また、低消費電力で動作するので、その信
頼性が増し、かつ１つのフィールドバスシステムで多く
の機器が接続できシステムの裕度を広げることができる
という効果がある。

【００４２】

【発明の効果】以上、説明したことから明らかなよう
に、本発明によれば、フィールドバス上でディジタル信
号で動作するアクチュエータ機器の部品構成が必要最小
限にでき、信頼性の高い構成にすることができる効果が
ある。

【００４３】また、必要最小限の消費電力でアクチュエ
ータ機器の駆動と通信が容易にできる効果がある。

【００４４】また、定電流回路により電空変換器を動作
させるので、伝送路を流れるディジタル信号の変動の大
きさに影響されずにアクチュエータ機器が動作すること
ができるという効果がある。

【００４５】また、低消費電力で動作するので、その信
頼性が増し、かつ１つのフィールドバスシステムで多く
の機器が接続できシステムの裕度を広げることができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるフィールドバス対応アクチュエー
タの装置構成図である。

【図２】本発明によるアクチュエータ機器の装置構成図
である。

【図３】本発明によるアクチュエータ機器の装置構成図
である。

【図４】アクチュエータ機器を、実際にバルブに装着し
た場合の取付け例を示す図である。

【図５】フィールドバスシステムでの実施例を示す図で
ある。

【符号の説明】 １…アクチュエータ機器、１ａ，１ｂ…アクチュエータ
機器、１０１…通信制御装置、１０２…信号電流発生装
置、１０３，１０７，１１０…電空変換器、１０４，１
０５，１０８，１０９…定電流回路、１０６…負荷、
２，２ａ，２ｂ…バルブ、３…外部電源、４…上位機
器、５…伝送路、６，６ａ，６ｂ…フィールド機器、７
…上位通信機器、８…ターミネータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィールドバスの伝送路上に接続された上
   位機器およびフィールド機器と、２線式伝送路を介して
   ディジタル信号の通信を行い動作するアクチュエータ機
   器において、前記ディジタル信号の信号処理手段として
   マイクロプロセッサを内蔵し、前記信号処理の回路を含
   めアクチュエータ機器全体の消費電流を一定に保つ通信
   制御装置と、前記一定電流よりアクチュエータが動作す
   るためのアナログ電流信号を出力する電流信号発生装置
   と、前記アナログ電流信号をトルクモータ等で空気信号
   に変換し動作する電空変換器とを備え、前記アクチュエ
   ータ機器内で前記２線式伝送路に対して前記通信制御装
   置と信号電流発生装置を直列に接続し、さらに前記電流
   信号発生装置に並列に前記電空変換器を接続したことを
   特徴とするフィールドバス対応アクチュエータ。
2. 【請求項２】請求項１において、前記電流信号発生装置
   と前記電空変換器とを直列に接続し、前記通信制御装置
   と電流信号発生装置の差分の電流を、電流信号発生装置
   および電空変換器に並列に接続した負荷に流し込む構成
   とし、前記２線式伝送路を流れる前記ディジタル信号の
   変動の大きさに影響されずに前記アクチュエータ機器が
   動作を行う手段を備えたことを特徴とするフィールドバ
   ス対応アクチュエータ。
3. 【請求項３】請求項１において、前記電流信号発生装置
   と前記電空変換器に並列に接続し、前記電流信号発生装
   置を通信制御装置と前記電空変換器の差分の電流を制御
   する構成とし、前記２線式伝送路を流れるディジタル信
   号の変動の大きさに影響されず前記アクチュエータが動
   作を行う手段を備えたことを特徴とするフィールドバス
   対応アクチュエータ。