JP2008123084A - 伝送線路異常診断フィールド機器システム - Google Patents

Abstract

【課題】フィールド機器の端子部が水没したとき、伝送線路電流の増加を検出して、伝送線路の異常を検出するフィールド機器システムを提供すること。
【解決手段】伝送線路を備えるフィールド機器システムにおいて、伝送線路の異常の有無を検出する診断モジュールを備えたことを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝送線路に接続されたフィールド機器システムに関し、特に伝送線路の短絡などの異常の検出、診断に関するものである。

例えば、プラント計装において、ホスト装置とフィールド機器が伝送線路で接続されたシステムが使用されることがある。このようなシステムは、屋外での使用で風雨にさらされ、フィールド機器内部に雨水などが浸入して、端子部が水没し端子部の間が短絡することがある。

図１１に従来の一般的なフィールド機器システム１２の構成を示す。伝送線路１，２は共通の直流電源３に接続されている。フィールド機器システム１２の規格には、ファウンデーションフィールドバス（FOUNDATION FIELDBUS）、プロフィバス（PROFIBUS）、ハート（HART）などがある。

伝送線路１，２の両端部には一対のターミネータ４，５が接続され、伝送線路１，２には、この伝送線路を介して通信を行うホスト装置６が接続されている。

さらに、伝送線路１，２から分岐した伝送線路７，８にはフィールド機器の一つである差圧伝送器９が接続されている。同様にフィールド機器である温度伝送器１０と渦流量計１１が伝送線路１，２から分岐した伝送線路に接続されている。フィールド機器は他に電磁流量計、コリオリ質量流量計、超音波流量計、レベル計などがある。

差圧伝送器９などのフィールド機器の配線口（図示せず）を通して、伝送線路７，８をフィールド機器内部の独立の端子部（図示せず）に接続する。そして、雨水などが配線口を通してフィールド機器の内部に浸入しないように、配線口にパッキングを設ける。

このような接続構成において、ホスト装置６からの指令または定周期で、差圧伝送器９などの複数のフィールド機器の一つが選択され、選択されたフィールド機器の消費電流の交流変調によりホスト装置６との間で通信が実行される。

一方、差圧伝送器９などのフィールド機器は、差圧／圧力、又は流量等の物理量をセンサにより電気信号に変換し、差圧／圧力値、流量値等を算出する。その算出された値を前記交流変調信号に変換してホスト装置６に伝送し、ホスト装置６が物理量を制御する。

この消費電流は、例えば４−２０ｍＡに設計され、可変部０−１６ｍＡのスパンを、８ｍＡを中心に±８ｍＡで交流変調する。そして、伝送線路１，２間の負荷抵抗を５０Ωの設計にすると、伝送線路１，２間には±４００ｍＶの交流電圧が発生し、これをホスト装置６が受信する。また、通信信号はファウンデーションフィールドバス（FOUNDATION FIELDBUS）では、０．７５〜１Ｖｐ−ｐの信号を伝送線路１，２間の電圧に重畳する。

なお、特許文献１の図２には、このような従来の一般的なフィールド機器システムの構成の概要が記載されている。

さらに、図１２に従来の一般的なフィールド機器システム１９の構成を示す。図１２において、図１１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。

差圧伝送器９などのフィールド機器は、伝送線路７，８と複数機器接続装置１５と伝送線路１３，１４を介して伝送線路１，２に接続されている

詳しくは、伝送線路１，２から分岐した伝送線路１３，１４に複数機器接続装置１５が接続されている。複数機器接続装置１５の接続端子１６の一方は、伝送線路１３，１４に接続され、他方は伝送線路７，８に接続されている。伝送線路７，８には差圧伝送器９が接続されている。同様に、接続端子１７,１８も伝送線路を介して、温度伝送器１０と渦流量計１１に接続されている。

このような接続構成において、ホスト装置６は差圧伝送器９などの複数のフィールド機器と通信を実行して、物理量を制御する。

特開２００４−８６４０５号公報

しかし、図１１と図１２において、配線口のパッキングが適切に設けられていないと、雨水などがフィールド機器の内部に侵入して、端子部が水没することがある。

端子部が水没したときには、端子部に加わる電圧によって水の電気分解が起こり、端子部から水素などの危険なガスを発生することがある。また、電気分解により端子部の金属が水中にイオン化して溶出し、水中の導電率が上昇して、独立の端子部の間に漏れ電流が流れることがある。さらに漏れ電流が増加すると、端子部の間が短絡することがある。

漏れ電流の増加により、伝送線路１,２,７,８に流れる伝送線路電流が増加し、直流電源３の出力電圧が低下するという伝送線路１,２,７,８の異常が起こり、ホスト装置６と複数のフィールド機器の間で通信ができなくなる通信障害が発生する。

一方、図１２において、同様に漏れ電流が増加するが、複数機器接続装置１５の電流制限機能により、伝送線路７,８に流れる伝送線路電流を制限するため、直流電源３の出力電圧は低下せず、通信障害が発生するのを防止できる。

しかし、雨水の成分や水没の状態によっては、複数機器接続装置１５の電流制限値以下において、漏れ電流の増加と減少が繰り返し起こり、伝送線路１,２,１３,１４,７,８にノイズが重畳する異常が起こり、ホスト装置６と複数のフィールド機器の間で通信ができなくなる通信障害が発生する。

本発明の目的は、フィールド機器の端子部が水没したとき、端子部の間に流れる漏れ電流の増加による伝送線路電流の増加を検出して、直流電源の出力電圧低下やノイズの重畳による伝送線路の異常を検出する診断モジュールを備えたフィールド機器システムを提供することである。

このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
伝送線路を備えるフィールド機器システムにおいて、
前記伝送線路の異常の有無を検出する診断モジュールを備えた、
ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、
前記診断モジュールは、
伝送線路電流を測定する電流測定部と、
前記電流測定部の初期測定値に基づいて閾値を演算する閾値演算部と、
前記電流測定部の測定値と前記閾値とを比較する比較部と、
比較部の出力に基づいて警報を出力する警報出力部を備えた、
ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の発明において、
前記診断モジュールは、
さらに情報を通信する通信部を備えた、
ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２または３のいずれかに記載の発明において、
前記診断モジュールは、
さらに前記電流測定部の測定値を時間情報とともに記憶する記憶部を備えた、
ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項２から４のいずれかに記載の発明において、
前記診断モジュールは、
フィールド機器が接続されている伝送線路に接続される、
ことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５記載の発明において、
前記診断モジュールの警報出力に基づいて前記伝送線路を接続または切断する開閉部を備えた、
ことを特徴とする。

本発明によれば、フィールド機器の端子部が水没したとき、端子部の間に流れる漏れ電流の増加による伝送線路電流の増加を検出して、直流電源の出力電圧低下やノイズの重畳による伝送線路の異常を検出する診断モジュールを備えたフィールド機器システムを実現できる。

［第１の実施例］
図１から図３を用いて、第１の実施例を説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示したフィールド機器システムであり、図１１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図２は、図１において複数機器接続装置１５を使用したときのフィールド機器システムであり、図１と図１２と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図３は、診断モジュール２０のブロック図である。

以下、差圧伝送器９の端子部が水没したものとして説明する。
診断モジュール２０は、差圧伝送器９などの複数のフィールド機器に流れる伝送線路電流を測定するため、直流電源３と複数のフィールド機器の間に接続されている伝送線路１,２１,２に接続する。

詳しくは、診断モジュール２０の端子Ａは伝送線路１に接続され、端子Ｂは伝送線路２１に接続され、端子Ｃは伝送線路２に接続されている。伝送線路２１，２にはターミネータ５が接続され、伝送線路２１，２から分岐した伝送線路７，８にはフィールド機器の一つである差圧伝送器９が接続されている。同様に、フィールド機器である温度伝送器１０と渦流量計１１が、伝送線路２１，２から分岐した伝送線路に接続されている。

診断モジュール２０は、電源生成部２４、電流測定部２５、閾値演算部２６、比較部２７、警報出力部２８、制御部２９から構成されている。

電源生成部２４は、端子Ａと端子Ｃに接続されており、直流電源３の出力電圧から内部電源電圧３０を生成して、電流測定部２５などの各部に供給している。

電流測定部２５は、端子Ａと端子Ｂに接続されており、差圧伝送器９などの複数のフィールド機器に流れる伝送線路１,２１,２の電流を測定する。

閾値演算部２６は、電流測定部２５の初期測定値３１に基づいて閾値３２を演算する。比較部２７は、閾値３２と電流測定部２５の測定値３３を比較する。警報出力部２８は、比較部２７の出力に基づいて警報を出力する。警報出力部２８の出力は、ブザーやランプなどの音響装置や照明装置（図示せず）に接続される。

診断モジュール２０の動作を図９のフローチャートを用いて説明する。

直流電源３の電圧を出力することにより、診断モジュール２０の端子Ａと端子Ｃに電圧が加わり（ステップＳ１）、ステップＳ２以降を実行する。

電流測定部２５の測定値が初期測定値３１として（ステップＳ２）閾値演算部２６に入力される。初期測定値３１は、伝送線路が正常なときの差圧伝送器９などの複数のフィールド機器に流れる伝送線路１,２１,２の電流である。

閾値演算部２６は、正常なときの差圧伝送器９などのフィールド機器に流れる伝送線路１,２１,２の電流のばらつきを初期測定値３１に加算することにより、伝送線路の異常を検出するための閾値３２を演算する（ステップＳ３）。閾値３２は、比較部２７に入力される。この閾値３２は、差圧伝送器９などのフィールド機器の前記電流のばらつきやそれらの端子部の構造により異なるので、閾値３２を変更設定できるようにしてもよい。

つぎに、伝送線路の異常診断を開始する（ステップＳ４）。電流測定部２５の測定値３３（ステップＳ５）が、比較部２７に入力される。比較部２７は、測定値３３と閾値３２を比較して（ステップＳ６）、測定値３３が閾値３２より大きければ、診断モジュール２０は、伝送線路に異常の有ることを検出する（ステップＳ７）。

警報出力部２８は、伝送線路に異常の有ることを知らせるために、ブザーなどの音響装置から音響を発生させたり、ランプなどの照明装置を点灯または点滅させるための警報信号を出力する（ステップＳ８）。

また、測定値３３が閾値３２より小さければ、診断モジュール２０は、伝送線路に異常の無いことを検出して（ステップＳ９）、前記警報信号を出力しない。以降、ステップＳ４以下の処理が繰り返される。

制御部２９は、比較部２７などの各部や図９のフローチャートに基づく処理を制御、実行する。制御部２９は、比較部２７などを含めて、マイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）により、実現することができる。

さらに、図１０に、差圧伝送器９の端子部が水没したときの、差圧伝送器９に流れる伝送線路７,８の電流の時間に対する変化の一例を示す。Ｃｕｒ１は、伝送線路が正常なときに差圧伝送器９に流れる電流を示す（約１５ｍＡ）。Ｃｕｒ２は、端子部が水没したときに、端子部の間に流れる漏れ電流を示す。

差圧伝送器９の端子部が水没したとき、漏れ電流Ｃｕｒ２は、数時間から１日程度を要して、３０ｍＡ程度になる（Ｔ１）。そのあと、端子部の腐食が始まると、数日程度を要して、漏れ電流Ｃｕｒ２は流れなくなる（Ｔ２）。測定値が閾値より大きければ、警報を出力して、小さければ警報を出力しない。

本実施例によって、診断モジュール２０は、フィールド機器の端子部が水没したとき、端子部の間に流れる漏れ電流の増加による伝送線路電流の増加を検出して、直流電源の出力電圧低下やノイズの重畳による伝送線路の異常を検出する。そして、警報を出力することにより、異常の有ることを知らせて、異常の原因となっているフィールド機器を取り外しまたは交換することを促す。これにより、通信障害の発生を防止し、水素などの危険なガスの発生を防止でき、物理量の制御を継続できる信頼性の向上したフィールド機器システムを実現できる。

［第２の実施例］
図４を用いて、診断モジュール２０のブロック図の第２の実施例を説明する。図４は、図３と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。

図４において、通信部３４は端子Ａと端子Ｃと制御部２９に接続されている。通信部３４は、ホスト装置６から伝送線路１,２を介して診断モジュール２０の有する情報を要求する通信信号を受信し、制御部２９を介して前記情報をホスト装置６へ送信する。前記情報は、警報出力部２８の出力や電流測定部２５の測定値３３などである。例えば、警報出力としては、伝送線路に異常の有るときは（ステップＳ７）“１”のデータを、異常の無いときは（ステップＳ９）“０”のデータを情報として送信する。通信部３４は、制御部２９の動作も行い、制御部２９を介さず、警報出力部２８の出力や電流測定部２５の出力との間で情報の取得をしてもよい。

本実施例によれば、ホスト装置６を設置してある制御室において、ホスト装置６を通して伝送線路の異常の有無を集中的に監視できるため、迅速に異常の原因となっているフィールド機器を取り外しまたは交換することが可能となり、通信障害の発生を防止し、水素などの危険なガスの発生を防止でき、物理量の制御を継続できる信頼性の向上したフィールド機器システムを実現できる。

［第３の実施例］
図５を用いて、診断モジュール２０のブロック図の第３の実施例を説明する。図５は、図３、４と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。

図５において、診断モジュール２０は、時間タイマー３５と記憶部３６を備えている。時間タイマー３５は、現在の日付と時刻からなる時間情報を有する。記憶部３６は、電流測定部２５の出力や時間タイマー３５の出力や制御部２９に接続されている。

記憶部３６は、診断モジュール２０の有する情報として、タイマー３５の前記時間情報とともに、電流測定部２５の測定値３３を記憶する。例えば、記憶部への記憶は、図９のステップＳ５とＳ６の間で実行される。警報出力のデータをステップＳ７やＳ９において、制御部２９を介して記憶部３６に記憶してもよい。

通信部３４は、ホスト装置６からの情報を要求する信号に対して、記憶部３６から制御部２９を介して、前記時間情報や測定値３３や警報出力のデータをホスト装置６へ送信する。通信部３４は、制御部２９の動作も行い、制御部２９を介さず記憶部３６の出力との間で前記情報の取得してもよい。

本実施例によって、測定値３３を時系列に監視でき、測定値３３が徐々に増加して伝送線路に異常の有ることを知らせる警報出力が起こる前に、異常の原因となりうるフィールド機器を取り外しまたは交換することが可能となり、通信障害の発生や水素などの危険なガスの発生を未然に防止でき、物理量の制御を継続できる信頼性の向上したフィールド機器システムを実現できる。

［第４の実施例］

図６と図７を用いて、診断モジュール２０と伝送線路との接続場所を図１と図２とは異なるものとした、第４の実施例を説明する。図６は、診断モジュール２０を伝送線路７,８に接続した実施例を示したフィールド機器システムである。図７は、図６において複数機器接続装置１５を使用したときのフィールド機器システムであり、図１と図２と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。

詳しくは、診断モジュール２０の端子Ａは伝送線路７に接続され、端子Ｂは伝送線路３７に接続され、端子Ｃは伝送線路８に接続されている。

第１から第３の実施例は、診断モジュール２０が、差圧伝送器９などの複数のフィールド機器に流れる伝送線路電流を測定するのに対して、本実施例は、１台の差圧伝送器９などのフィールド機器に流れる伝送線路電流を測定するものである。そのため、１台のフィールド機器の端子部の間に流れる漏れ電流による、伝送線路７,３７,８の異常を検出するための閾値３２を、閾値演算部２６において演算または設定する。

本実施例によって、警報出力部２８が伝送線路に異常の有る警報出力を出力したときに、異常の原因となっているフィールド機器を特定でき、より迅速にそのフィールド機器を取り外しまたは交換することが可能となり、通信障害の発生を防止し、水素などの危険なガスの発生を防止でき、物理量の制御を継続できる信頼性の向上したフィールド機器システムを実現できる。

［第５の実施例］
図８を用いて、図７に対してさらに開閉部４３を備えた、第５の実施例を説明する。開閉部４３は、伝送線路３７,８と差圧伝送器９などのフィールド機器の間に接続されている。

詳しくは、診断モジュール２０の端子Ａは伝送線路７に接続され、端子Ｂは伝送線路３７に接続され、端子Ｃは伝送線路８に接続されている。開閉部４３は、伝送線路３７,８と診断モジュール２０の警報出力部２８の出力に接続され、伝送線路４１,４２を介して、差圧伝送器９に接続されている。

図９のステップＳ９において、開閉部４３は、警報出力部２８の伝送線路に異常の無い警報出力に基づき、伝送線路３７,８と４１,４２を接続する。また、ステップＳ７において、開閉部４３は、伝送線路に異常の有る警報出力に基づき、伝送線路３７,８と４１,４２を切断する。そのあと、警報出力部２８は異常の有る出力を維持し、それに基づき開閉部４３は伝送線路３７,８と４１,４２を切断した状態を維持する。なお、開閉部４３は、診断モジュール２０の電流測定部２５とＢの間に直列に接続してもよい。また、図６に対して同様に、開閉部４３を備えた実施例も可能である。

本実施例によって、警報出力部２８が伝送線路に異常の有る警報出力を出力したときに、異常の原因となっているフィールド機器を、接続されている伝送線路から自動で切断することにより、人手による労力を削減して、さらにより迅速に通信障害の発生を防止し、水素などの危険なガスの発生を防止でき、物理量の制御を継続できる信頼性の向上したフィールド機器システムを実現できる。

なお、本発明は、フィールド機器の端子部の水没のみならず、複数機器接続装置１５の接続端子１６,１７,１８の雨水などによる水没や伝送線路の劣化による短絡などの伝送線路の異常に対しても、適用できる。また、診断モジュール２０は、複数機器接続装置１５の内部に設けてもよい。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 診断モジュール２０の具体例を示すブロック図である。 診断モジュール２０の他の具体例を示すブロック図である。 診断モジュール２０の他の具体例を示すブロック図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 診断モジュール２０の動作を示すフローチャートである。 差圧伝送器の端子部が水没したときの伝送線路電流の時間に対する特性例である。 従来の一例を示す構成図である。 従来の他の例を示す構成図である。

符号の説明

２、７、８、１３、１４、２１ 伝送線路
３ 直流電源
ターミネータ
６ ホスト装置
９ 差圧伝送器
１０ 温度伝送器
１１ 渦流量計
１５ 複数機器接続装置
２０ 診断モジュール
２２、２３ フィールド機器システム
２４ 電源生成部
２５ 電流測定部
２６ 閾値演算部
２７ 比較部
２８ 警報出力部
２９ 制御部
３０ 内部電源
３１ 初期測定値
３２ 閾値
３３ 測定値
３４ 通信部
３５ 時間タイマー
３６ 記憶部

Claims (6)

1. 伝送線路を備えるフィールド機器システムにおいて、
   前記伝送線路の異常の有無を検出する診断モジュールを備えた、
   ことを特徴とするフィールド機器システム。
2. 前記診断モジュールは、
   伝送線路電流を測定する電流測定部と、
   前記電流測定部の初期測定値に基づいて閾値を演算する閾値演算部と、
   前記電流測定部の測定値と前記閾値とを比較する比較部と、
   比較部の出力に基づいて警報を出力する警報出力部を備えた、
   ことを特徴とする請求項１記載のフィールド機器システム。
3. 前記診断モジュールは、
   さらに情報を通信する通信部を備えた、
   ことを特徴とする請求項２記載のフィールド機器システム。
4. 前記診断モジュールは、
   さらに前記電流測定部の測定値を時間情報とともに記憶する記憶部を備えた、
   ことを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載のフィールド機器システム。
5. 前記診断モジュールは、
   フィールド機器が接続されている伝送線路に接続される、
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のフィールド機器システム。
6. 前記診断モジュールの警報出力に基づいて前記伝送線路を接続または切断する開閉部を備えた、
   ことを特徴とする請求項５記載のフィールド機器システム。

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