JPH11183575A - フィールド機器の電池寿命予測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電池１０１で作動し、フィールドバスとしての
光ファイバ伝送線４を介し図外の上位機器と交信するフ
ィールド機器１の電池の寿命到来による交換時期を外気
温度や消費電流の変化に依存せず正確に判別して、上位
機器からユーザに伝える。 【解決手段】フィールド機器１が電池の消費電流、電
圧、温度、消費容量の相関を示すデータテーブル１２２
を持ち、定期的にスイッチ１１２を介しダミー負荷１１
３を電池出力端ＶＣＣに接続し、電池消費電流を最過酷
値とした上、Ａ／Ｄ変換器１１１を介し電池電圧を、ま
た同時に温度センサ１１４を介し電池温度を測定する。
そしてこの測定データ等を用いデータテーブル１２２か
ら当該フィールド機器が所定の過酷条件下にあるときの
電池の寿命を予測して電池交換の要否を判別し、電池交
換を要すると判別したときはその旨を示す警報を上位機
器に送信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種プラントの計
装システムを構成する、いわゆるフィールド機器、即ち
当該プラント内の圧力、温度、流量等の物理量を検出
し、その値を電気信号に変換して伝送路を介し上位機器
へ伝送する機器、或いは上位機器から伝送される制御信
号を受信して当該プラント内のバルブ等を制御する機
器、に属するものであって、主として光ファイバからな
るフィールドバスの伝送路上に設けられ、内蔵の電池で
動作するフィールド機器、の電池の寿命を予測する方
法、特に寿命到来に基づく電池交換の正確な時期を上位
機器がユーザに指示できるようにしたフィールド機器の
電池寿命予測方法に関する。

【０００２】ここでフィールドバスとは、インテリジェ
ント・フィールド機器と制御システム機器（前記の上位
機器に該当する）間の、従来の４〜２０ｍＡ標準に代わ
る、ディジタル双方向通信路をいう。なお以下各図にお
いて同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。

【０００３】

【従来の技術】従来、この種の計装システムにおいて
は、フィールド機器の電池の消耗（寿命到来）による動
作不良等を予め防止するために、一般には電池の使用可
能な限界電圧に所定の余裕電圧分を加えたマージン電圧
をフィールド機器に設定しておき、フィールド機器内で
電池の電圧を定期的に測定し、測定電圧が上記マージン
電圧に到達した時点で、フィールド機器から電池の交換
を指示する警報（プレアラーム）を上位機器に送り、そ
の後、電池電圧が使用可能限界電圧に到達するまでの期
間内に、ユーザにより電池交換を行って貰う方式がとら
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来の方式においては、次のような問題がある。即ち、
電池の電圧と温度との間には相関があるため、例えば外
気温度が低い夜間に電池電圧を測定した場合は、電池電
圧が低下しており、プレアラームが通知されるが、外気
温度が高い昼間には、電池電圧が上昇してプレアラーム
が解除され得る。

【０００５】また、電池電圧はその電池の消費電流（負
荷電流）にも依存するため、当該フィールド機器と上位
機器との通信頻度が高く、当該フィールド機器の電池の
消費電流が多い状態で電池電圧を測定した場合は、電池
電圧が低下しておりプレアラームが通知されるが、通信
頻度が下がった時には電池消費電流が減少し電池電圧が
上昇してプレアラームが解除され得る。

【０００６】このためプレアラームがユーザに信用され
ず、電池交換時期をはっきり指示することができない。
そこで本発明はこのような問題を解消し、上位機器がユ
ーザに電池交換時期を正確に指示できるフィールド機器
の電池寿命予測方法を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、少なくとも上位機器（２）と、内蔵する電池（１
０１）を電源として作動する１又は複数のフィールド機
器（１）とがフィールドバス（光ファイバ伝送線４な
ど）を介して交信するシステムにおいて、請求項１のフ
ィールド機器の電池寿命予測方法では、フィールド機器
（内のＣＰＵ１０２）が、内蔵電池の消費電流、電圧、
温度、消費容量の相関を示すデータテーブル（１２２）
を備えると共に、（ＣＰＵ１０２内の電池寿命予測手段
１２１が）所定周期毎に、（Ａ／Ｄ変換器１１１などを
介し）内蔵電池の消費電流が特定される条件下にある内
蔵電池の電圧、または内蔵電池の消費電流及び電圧と、
（温度センサ１１４を介し）内蔵電池の温度とを測定
し、少なくともこの測定データを用いて前記データテー
ブルから、当該フィールド機器の使用される所定の過酷
条件下での内蔵電池の寿命を予測し、その結果、内蔵電
池の交換を要すると判別したときは少なくともその旨を
示す警報（プレアラーム）を上位機器に送信するように
する。

【０００８】また請求項２のフィールド機器の電池寿命
予測方法では、フィールド機器が、所定周期毎に、内蔵
電池の消費電流が特定される条件下にある内蔵電池の電
圧、または内蔵電池の消費電流及び電圧と、内蔵電池の
温度とを測定して、この測定データを上位機器に送信す
るようにし、他方、上位機器が、各フィールド機器の電
池の消費電流、電圧、温度、消費容量の相関を示すデー
タテーブルを備えると共に、フィールド機器から送信さ
れた少なくとも前記測定データを用いて当該のフィール
ド機器に対応する前記データテーブルから当該フィール
ド機器の使用される所定の過酷条件下での内蔵電池の寿
命を予測し、この電池の交換の要否を判別するようにす
る。

【０００９】また請求項３のフィールド機器の電池寿命
予測方法では、請求項１又は２に記載のフィールド機器
の電池寿命予測方法において、フィールド機器（のＣＰ
Ｕ１０２内の電池寿命予測手段１２１）が内蔵電池の電
圧の測定時に、（スイッチ１１２を介し）内蔵電池にダ
ミー負荷（１１３）を接続することにより、前記した内
蔵電池の消費電流が特定される条件を得るようにする。

【００１０】また請求項４のフィールド機器の電池寿命
予測方法では、請求項１ないし３の何れかに記載のフィ
ールド機器の電池寿命予測方法において、前記フィール
ドバスを、光を伝送媒体とするもの（光ファイバ伝送線
４）とする。即ち、本発明の作用は、内蔵電池を電源と
するフィールド機器が定期的に内蔵電池の消費電流が特
定される条件下にある内蔵電池の電圧、または内蔵電池
の消費電流及び電圧と、内蔵電池の温度とを測定し、フ
ィールド機器又は上位機器に上記電池の消費電流、電
圧、温度、消費容量の相関を示すデータテーブルを設
け、フィールド機器が前記測定のデータ等を用い、自身
が持つ前記データテーブルから内蔵電池の寿命を予測し
て電池交換の要否を判別し、その結果を上位機器に送信
するようにするか、又は上位機器が直接、フィールド機
器から前記測定のデータ等の送信を受け、この送信デー
タ及び自身が持つ当該フィールド機器に対応する前記デ
ータテーブルから当該フィールド機器の電池の寿命を予
測し、この電池の交換の要否を知るようにするものであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】図４は第１及び第２発明の一実施
例としての計装システムの要部の構成を示すブロック図
である。同図において１（１ー１，〜，１ー４）はフィ
ールド機器、２はその上位機器、３は次に述べる光ファ
イバ伝送線間に設けられた光中継器（オプティカル・ス
ターカプラともいう）である。

【００１２】次に４（４ー０，４ー１，〜，４ー４）は
前記の光中継器３を介し上位機器２とフィールド機器１
ー１，〜，１ー４を結合するフィールドバスで、この例
では伝送媒体として光ファイバを用いたフィールドバス
しての光ファイバ伝送線である。但し本発明においては
フィールドバスの伝送媒体は光ファイバに限定されず、
電線であってもよい。

【００１３】ここで光ファイバ伝送線４ー０は上位機器
２と光中継器３との間に設けられ、光ファイバ伝送線４
ー１，〜，４ー４は夫々フィールド機器１ー１，〜，１
ー４と光中継器３との間に設けられている。なお、光中
継器３は光ファイバ伝送線４ー０から光中継器３に導入
された光信号を光ファイバ伝送線４ー１，〜，４ー４に
分配し、また光ファイバ伝送線４ー１，〜，４ー４から
夫々光中継器３に導入された光信号を少なくとも光ファ
イバ伝送線４ー０に伝える機能、つまりフィールド機器
１ー１，〜，１ー４と上位機器２とが光信号による双方
向通信を行えるように光信号を中継する機能を持つもの
で、このような光中継器３としては、例えば本出願人の
先願になる特公平３ー９５１８号公報に記載されている
Ｎ：Ｎ光中継器を用いることができる。

【００１４】（実施の形態１） （実施例１）図１は第１発明の一実施例としてのフィー
ルド機器１の要部の構成を示すブロック図である。同図
において、１０１はこのフィールド機器１の電源となる
電池、１０２はこのフィールド機器１内を制御するマイ
クロコンピュータ（ＣＰＵとも略記する）、１０３はこ
のフィールド機器１の本来の役割を果たすために設けら
れている計測用センサで、この例ではプラントの配管Ｐ
内を流れる流体の何らかの物理量（例えば温度，圧力，
流量等）を検出し、その検出信号をＣＰＵ１０２に伝え
る役割を持つ。また１０４は光ファイバ伝送線４を介し
て図外の上位機器２と光信号を授受するための光トラン
シーバである。

【００１５】ＣＰＵ１０２は本来の役割として、定期的
に、或いは上位機器２からの要求に応じて、計測用セン
サ１０３の検出信号から計測対象物理量の計測値を求
め、光トランシーバ１０４を介し光信号に変換し、光フ
ァイバ伝送線４を経て上位機器２へ送信する。次に１１
１〜１１４及び１２１，１２２は本発明によって設けら
れている手段であり、１１１は電池１０１の出力端ＶＣ
Ｃの電圧（つまり電池電圧）をディジタル値に変換して
ＣＰＵ１０２に伝えるＡ／Ｄ変換器、１１３は電池１０
１の合計の消費電流（負荷電流）が、このフィールド機
器１の通常動作時（つまり、本発明に関わる電池電圧測
定モード以外の本来の動作モード）における最過酷値と
なるように電池出力端ＶＣＣに接続されるダミー負荷で
ある。なお、この電池消費電流の最過酷値は電池の最大
消費電流の見積値に見積誤差等を過酷側にカバーする所
定の余裕分を付加した値であり、この例では５０ｍＡと
する。

【００１６】１１２はＣＰＵ１０２によって操作され、
電池電圧の測定時にダミー負荷１１３を前記のように接
続するスイツチ（ＳＷとも略記する）、１１４は電池１
０１の温度を検出してＣＰＵ１０２に伝える温度センサ
である。また１２１はＣＰＵ１０２の本発明に関わる部
分機能部としての電池寿命予測手段、１２２は同じくこ
の電池寿命予測手段１２１が用いるデータテーブルであ
る。

【００１７】ＣＰＵ１０２の電池寿命予測手段１２１
は、所定周期毎に、且つこのフィールド機器１が他の機
器と交信を行っていない、従って電池の消費電流が所定
の低い値となる条件のもとで本発明に関わる電池電圧測
定モードの動作を実行する。即ちこの電池電圧測定モー
ドにおいて、電池寿命予測手段１２１はスイッチ１１２
を操作してダミー負荷１１３を電池出力端ＶＣＣに接続
し（この時、電池の消費電流は前記した最過酷値の５０
ｍＡとなる）、Ａ／Ｄ変換器１１１を介して電池１０１
の電圧を読み取ると共に、温度センサ１１４を介して電
池１０１の温度を読み取り、先ずは読み取った電池電圧
を光トランシーバ１０４を介し上位機器２に送信する。

【００１８】なお、ＣＰＵ１０２には電池１０１の消費
電流、電圧、温度および消費容量の相関を示す前記した
データテーブル１２２が予め格納されている。ここで電
池の消費容量とは、その電池の使用開始時点からその電
池電圧が測定された時点までの電池の総消費電気量とし
ての、（電池消費電流×時間）の積分値を言う。そこで
電池寿命予測手段１２１は、続いてこのデータテーブル
１２２と上記の読み取ったデータから、このフィールド
機器１が使用される所定の過酷条件（この例では電池消
費電流を最過酷値の５０ｍＡ、電池温度をフィールド機
器の使用可能最低温度の−４０°Ｃとする）における電
池１０１の寿命を予測し、電池１０１の交換が必要と判
別したときは、その旨を示す警報（プレアラーム）を上
位機器２へ送信する。

【００１９】図２は上記のデータテーブル１２２のデー
タをプロットした特性曲線の一実施例を示し、この特性
曲線は電池消費電流が前記最過酷値５０ｍＡの条件で、
電池温度（この例では＋３０°Ｃ、０°Ｃ、−４０°Ｃ
の３つ）をパラメータとして、電池電圧（縦軸）と電池
消費容量（横軸）との関係を表している。この場合、電
池温度−４０°Ｃにおける、この電池が持つ実効的な容
量（つまりフィールド機器１を動作させることができる
全電池容量）が約２３００ｍＡｈであり、電池寿命予測
手段１２１が電池交換を指示する警報（プレアラーム）
を出力する時の電池電圧を２．５Ｖ、このフィールド機
器１の動作が停止するときの電池電圧を１．５Ｖとして
いる。

【００２０】いま使用中の電池１０１の温度が０°Ｃと
＋３０°Ｃ間を往復する外気環境の中で＋３０°Ｃの時
に電池電圧を測定し、２．７Ｖが測定されたものとす
る。なお、この電池電圧は前記のように電池１０１にダ
ミー負荷１１３を接続し、電池消費電流を最過酷値５０
ｍＡとして測定されたものである。このとき図２から、
この電池の消費容量が１７００ｍＡｈであることがわか
る。

【００２１】測定された電池電圧２．７Ｖは電池交換指
示電圧２．５Ｖに達してはいないが、電池寿命予測手段
１２１はデータテーブル１２２を参照して、この＋３０
°Ｃでの電池電圧２．７Ｖを、このフィールド機器１の
所定の過酷条件の温度としての使用可能最低温度−４０
°Ｃでの値に換算する。この結果、図２からは２．３Ｖ
の換算値が得られるので、電池寿命予測手段１２１はこ
の換算値が電池交換指示電圧の２．５Ｖ以下であるとし
て、前述のように上位機器２にプレアラームを、上記の
測定電圧２．７Ｖに続いて送信する。

【００２２】もしも、電池電圧を電池温度が０°Ｃの場
合に測定したとすると、２．５Ｖが得られることにな
る。この場合、電池寿命予測手段１２１はこの測定値が
電池交換指示電圧の２．５Ｖ以下であるとして、直ちに
上位機器２にプレアラームを、測定電圧２．５Ｖと共に
通知する。図２の電池温度別の特性曲線の電池電圧が、
電池交換指示電圧２．５Ｖから動作停止電圧１．５Ｖに
下降するまでの電池消費容量の差分（図のＴ１，Ｔ２，
Ｔ３の値）は、電池電圧が電池交換指示電圧２．５Ｖに
達した時点でプレアラームが出力された後に各当該電池
温度のもとで電池が動作することができる残容量を示し
ている。

【００２３】従ってこの場合、図２のＴ３の電池残容量
を電池消費電流５０ｍＡで割った期間が、所定の過酷条
件下での電池交換に許容される期間（電池交換可能期間
という）であり、フィールド機器１（の電池寿命予測手
段１２１）はこのＴ３の電池交換可能期間をもプレアラ
ームと共に上位機器２へ送信することができる。このよ
うにプレアラーム等を受信した上位機器２は、さらにマ
ンマシンインタフェース装置を介してオペレータ等にこ
のプレアラームや、その他電池の交換に必要な情報、例
えば当該フィールド機器の番号、設置場所、電池交換可
能期間等を伝えることができる。

【００２４】（実施例２）図３は、ＣＰＵ１０２が内蔵
するデータテーブル１２２のデータをプロットした特性
曲線の別の実施例を示し、この特性曲線は、電池の使用
可能温度範囲で電池容量が最も低下する低温−４０°Ｃ
において、電池の消費電流（この例では５０ｍＡ、３０
ｍＡ、５ｍＡの３つ）をパラメータとしたときの、電池
電圧（縦軸）と電池消費容量（横軸）との関係を表して
いる。

【００２５】この図３のようなデータテーブル１２２を
用いて、図１のフィールド機器１内のダミー負荷１１３
およびスイッチ１１２を省略し、代わりに電池１０１の
消費電流を測定する手段を設け、ＣＰＵ１０２（の電池
寿命予測手段１２１）がこの電池消費電流の測定値を読
み込むようにすることによって、より精度よく電池交換
時期を予測することができる。

【００２６】例えば、−４０°Ｃの温度下にある或るフ
ィールド機器１について、実測中の電池消費電流が５ｍ
Ａの状態で測定された電池電圧が２．７５Ｖであり、ま
た過去に実測されている電池の最大消費電流が３０ｍＡ
であるとする。電池寿命予測手段１２１は測定した電池
電圧２．７５Ｖ及び電池消費電流５ｍＡを用い図３のデ
ータテーブル１２２から、現在の電池の消費容量が１７
００ｍＡｈであることを知ると共に、この電池消費容量
１７００ｍＡｈと電池最大消費電流３０ｍＡの条件に対
応する電池電圧を求める。

【００２７】この図３から求めた電池電圧は２．５Ｖで
ある。従って電池寿命予測手段１２１は電池交換指示用
のプレアラームを上位機器２に通知する。なお、これに
併せて電池交換可能期間Ｔ２０も通知することができ
る。このようにして、実施例１のように電池の最大消費
電流を過酷側に見積つて最過酷値５０ｍＡとした場合に
比べ、より正確に電池交換時期を予測でき、かつ電池交
換可能期間がより延長される。

【００２８】（実施の形態２）実施の形態１ではフィー
ルド機器１が図２或いは図３のようなデータテーブル１
２２を持って、電池の寿命を予測していたが、これに代
わり上位機器２が、このようなデータテーブルを持ち、
フィールド機器１からフィールド機器１が定期的に測定
する電池の電圧及び温度、または消費電流，電圧及び温
度の情報をそのつど受信し、この受信した情報を用い、
自身が持つ上記データテーブルから当該フィールド機器
１の電池の寿命を予測し、電池交換の要否を判別するよ
うにしてもよい。

【００２９】なおこの場合、上位機器２がフィールド機
器１の電池寿命を予測するに必要な、当該フィールド機
器の使用される所定の過酷条件の情報は、上位機器２に
予め与えられるか、またはフィールド機器１から別途の
送信により与えられるものとする。

【００３０】

【発明の効果】第１発明によれば、内蔵電池を電源とし
て作動し、フィールドバスを介し上位機器と交信するフ
ィールド機器が、電池の消費電流、電圧、温度、消費容
量の相関を示すデータテーブルを持ち、定期的に内蔵電
池の消費電流が特定される条件下にある内蔵電池の電
圧、または内蔵電池の消費電流及び電圧と、内蔵電池の
温度とを測定し、前記測定のデータ等を用いて前記デー
タテーブルから、フィールド機器の使用される所定の過
酷条件下での内蔵電池の寿命を予測して電池交換の要否
を判別し、電池交換を要すると判別したときはプレアラ
ームを上位機器に送信するようにし、第２発明によれ
ば、フィールド機器が定期的に前記測定のデータを上位
機器に送信し、他方、上位機器が、各フィールド機器の
電池の負荷電流、電圧、温度、消費容量の相関を示すデ
ータテーブルを持ち、フィールド機器から送信された前
記測定のデータ等を用い、自身が持つ当該フィールド機
器に対応する前記データテーブルから当該フィールド機
器の使用される所定の過酷条件下での当該フィールド機
器の電池の寿命を予測し、この電池の交換の要否を判別
するようにしたので、上位機器が、フィールド機器の電
池の交換時期を、季節変動による外気温度やフィールド
機器の消費電流の変化に依存しないで正確に判別してユ
ーザに伝えることができ、従来のようにユーザの信頼を
損なうことが無くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１発明の一実施例としてのフィールド機器の
要部の構成図

【図２】第１及び第２発明の一実施例としてのデータテ
ーブルに対応する、温度別の電池電圧対電池消費容量の
特性図

【図３】第１及び第２発明の別の実施例としてのデータ
テーブルに対応する、電池消費電流別の電池電圧対電池
消費容量の特性図

【図４】第１及び第２発明の一実施例としての計装シス
テムの要部の構成図

【符号の説明】

１（１ー１，〜，１ー４） フィールド機器 ２ 上位機器 ３ 光中継器（オプティカル・スターカプラ） ４（４ー０，４ー１，〜，４ー４） 光ファイバ伝送
線 １０１ 電池 １０２ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ） １０３ 計測用センサ Ｐ 配管 １０４ 光トランシーバ １１１ Ａ／Ｄ変換器 １１２ スイッチ（ＳＷ） １１３ ダミー負荷 １１４ 温度センサ １２１ 電池寿命予測手段 １２２ データテーブル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも上位機器と、内蔵する電池を電
   源として作動する１又は複数のフィールド機器とがフィ
   ールドバスを介して交信するシステムにおいて、 フィールド機器が、内蔵電池の消費電流、電圧、温度、
   消費容量の相関を示すデータテーブルを備えると共に、 所定周期毎に、内蔵電池の消費電流が特定される条件下
   にある内蔵電池の電圧、または内蔵電池の消費電流及び
   電圧と、内蔵電池の温度とを測定し、 少なくともこの測定データを用いて前記データテーブル
   から、当該フィールド機器の使用される所定の過酷条件
   下での内蔵電池の寿命を予測し、 その結果、内蔵電池の交換を要すると判別したときはそ
   の旨を示す警報を上位機器に送信するようにしたことを
   特徴とするフィールド機器の電池寿命予測方法。
2. 【請求項２】少なくとも上位機器と、内蔵する電池を電
   源として作動する１又は複数のフィールド機器とがフィ
   ールドバスを介して交信するシステムにおいて、 フィールド機器が、所定周期毎に、内蔵電池の消費電流
   が特定される条件下にある内蔵電池の電圧、または内蔵
   電池の消費電流及び電圧と、内蔵電池の温度とを測定し
   て、この測定データを上位機器に送信するようにし、 他方、上位機器が、各フィールド機器の電池の消費電
   流、電圧、温度、消費容量の相関を示すデータテーブル
   を備えると共に、 フィールド機器から送信された少なくとも前記測定デー
   タを用いて当該のフィールド機器に対応する前記データ
   テーブルから当該フィールド機器の使用される所定の過
   酷条件下での内蔵電池の寿命を予測し、この電池の交換
   の要否を判別するようにしたことを特徴とするフィール
   ド機器の電池寿命予測方法。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載のフィールド機器の
   電池寿命予測方法において、 フィールド機器が内蔵電池の電圧の測定時に、内蔵電池
   にダミー負荷を接続することにより、前記した内蔵電池
   の消費電流が特定される条件を得るようにしたことを特
   徴とするフィールド機器の電池寿命予測方法。
4. 【請求項４】請求項１ないし３の何れかに記載のフィー
   ルド機器の電池寿命予測方法において、 前記フィールドバスを、光を伝送媒体とするものとした
   ことを特徴とするフィールド機器の電池寿命予測方法。