JP4906914B2 - 電力伝送フィールド装置 - Google Patents

Description

発明の背景
化学、石油又は他のプロセスで使用されるようなプロセス制御システムは、通常、アナログ及び／又はデジタルバス又は他の通信ラインもしくはチャネルを介して少なくとも一つのホスト又はオペレータワークステーション及び１個以上のフィールド装置に通信的に結合された少なくとも一つの集中プロセス制御装置を含む。たとえば弁、弁ポジショナ、スイッチ、プロセス変量トランスミッタ（たとえば温度、圧力及び流量センサ）などであることができるフィールド装置は、プロセス内で、弁の開閉及びプロセスパラメータの計測のような機能を実行する。プロセス制御装置が、フィールド装置によって実施されたプロセス計測及び／又はフィールド装置に関連する他の情報を示す信号を入出力（Ｉ／Ｏ）装置を介して受け、この情報を使用して制御ルーチンを実現したのち、制御信号を生成すると、その信号が、バス又は他の通信チャネル上、入出力（Ｉ／Ｏ）装置を介してフィールド装置に送られてプロセスの動作を制御する。フィールド装置及び制御装置からの情報は、通常、オペレータワークステーションによって実行される一つ以上のアプリケーションにとって利用可能にされて、プロセスに関する所望の機能、たとえばプロセスの現状の視認、プロセスの動作の変更、プロセスの設定、プロセスのドキュメント化などをオペレータが実行することを可能にする。

過去１０年ほど、マイクロプロセッサ及びメモリを含むスマートなフィールド装置がプロセス制御産業で主流になった。スマートなフィールド装置は、プロセス内で一次的機能を実行することに加え、装置に関連するデータを記憶し、制御装置及び／又は装置とデジタル又はデジタル／アナログ複合フォーマットで通信し、自己較正、識別、診断などの二次的タスクを実行することができる。

過去、異なる製造者からの制御装置及びフィールド装置が標準フォーマットを使用してデータを交換することを可能にするために標準的な通信プロトコルが開発された。しかし、多くの場合、通信プロトコルが違うことで、同じプラント又は施設の中であっても、それらは一部の環境における使用には適したものになったが、その一方で他のものは他の場所により適したものになっていた。たとえば、４−２０ミリアンペア（mA）信号のプロトコルは、良好な雑音余裕度を有するが、専用の配線を必要とする。高速Ethernet（HSE）プロトコルは高速であるが、多くの場合、高額な再配線を要する。コントローラエリアネットワーク（CAN）、HART（登録商標）、Ｈ１、Foundation（商標）Fieldbus（「Fieldbus」）などのような他のプロトコルには、ケーブルランの最大長さ、マルチドロップ／シングルドロップ、本質的な安全性（爆発性環境の場合）、雑音余裕度、後方互換性、補助電力などの仕様及び弱点がある。ときに、これらの仕様は、多くの場合、それがプラント又は施設全体における使用にとっては適さないとしても、一つのプロトコル及びその対応する配線の使用を強要する。

近年、種々のプロセス工業規格通信プロトコルの間での相互運用性が開発されてきた。プロトコル横断的通信を可能にするための技術は存在する。たとえば、「INTERFACE MODULE FOR USE WITH A MODBUS DEVICE NETWORK AND A FIELDBUS DEVICE NETWORK」と題する米国特許出願第１０／３５４，５２５号は、二つのプロセス工業規格通信プロトコルの間でのデータ通信の一つの例示を提供する。そのようなプロトコル横断的通信はプロセス通信モニタリング及び制御の技術分野において有意な進歩になるが、さらなる改良を加えることができる。

概要
Fieldbusプロセス通信ループからの電気エネルギーを異なるプロセス通信プロトコルにしたがって作動する少なくとも一つの他のプロセス通信ループに伝送するための装置及び方法が提供される。電力伝送装置は、Fieldbusプロセス通信ループ及び第二のプロセス通信ループに結合可能である。電力伝送装置は、Fieldbusプロセス通信ループによって全体的に給電され、少なくともいくらかの電気エネルギーを第二のプロセス通信ループに供給するように構成されている。

詳細な説明
本発明の実施態様は、一般に、Fieldbusプロセス通信ループ中に存在する余剰電気エネルギーの一部を取り出すか、又は、他のやり方で転送し、そのような余剰エネルギーを異なるプロセス通信プロトコルにしたがって作動する別個のプロセス通信ループに提供する。Fieldbusとは、プロセス制御ループ上で情報を伝送するためのプロトコル又は通信層を規定する通信プロトコルである。Fieldbusプロトコル規格とは、１９９２年にアメリカ計測学会によって公布されたISA−S50.01.1992である。本明細書で使用する「Fieldbus」は、上述した規格に直接か又は遅れてか又は何れかに準拠するプロセス通信ループを包含するものを意図する。Fieldbusプロトコルは、プロセス制御ネットワークで使用するために開発された全デジタル通信プロトコルである。特に、FieldbusプロトコルおよびFieldbusプロトコルを使用している装置と通信して、装置中にデータを記憶する方法は、「Communications Technical Specification and User Layer Technical Specification」と題するFieldbus Foundationのマニュアルで詳細に説明されている。

Fieldbusプロトコルは、たとえば工場又はプラントのようなプロセス制御環境又はその計装中に配置される、たとえばセンサ、トランスミッタ、アクチュエータ、制御装置、弁などのフィールド設備又は装置を相互接続する２線式ループ、又は、バスに対して、標準化物理インタフェースを提供する全デジタルシリアル双方向通信プロトコルである。Fieldbusプロトコルは、実質的に、プロセス内のフィールド機器又は装置のためのローカルエリアネットワークを提供し、そのローカルエリアネットワークは、全体的な制御戦略を実現するために、プロセス施設全体に分散した場所のそのようなフィールド装置が、制御機能を実行し、その制御機能の実行の前後で互いに通信することを可能にする。

図１は、本発明の実施態様にしたがって電力伝送装置に結合された１対のプロセス制御ネットワークの図である。電力伝送装置１０がFieldbus通信ループ１２に結合され、このループ１２がFieldbus装置１４、１６及び１８に結合されている。Fieldbus装置１４、１６及び１８は、制御装置、プロセス変量トランスミッタ、弁、弁アクチュエータ又は他のフィールド装置を含み適切であるどのようなフィールド装置であってよい。図１は、ライン２０に沿って延びるFieldbusループ１２を示して、さらなるFieldbusフィールド装置をそれに結合することができることを示す。そのうえ、Fieldbus通信ループ１２は、電気エネルギーの供給源、たとえば制御室に結合されている。本発明の実施態様にしたがって、電力伝送装置１０はまた、フィールド装置２６及び２８に結合されているバス２４に沿って、少なくとも、第二のプロセス通信ネットワーク２２に結合されている。一例では、第二のプロセス通信ネットワーク２２は、HART（登録商標）プロセス通信プロトコルにしたがって作動するプロセス通信ネットワークである。第二の通信ネットワーク２２はHARTネットワークとして例示されているが、当業者は、ネットワーク２２が、Modbus（RS45）プロトコル、コントローラエリアネットワーク（CAN）プロトコル、ワイヤレス通信、低電源電圧表示及び４−２０mAプロセス通信信号を含む任意の非Fieldbusネットワークであってもよいことを認識するであろう。

図１に示すように、プロセス通信ネットワーク２２は、電力を受けるために、バス２４をさらなる装置まで延ばすことを要しない。その代わりに、電力伝送装置１０が、本発明の実施態様にしたがって、少なくともいくらかの余剰電気エネルギーをFieldbusプロセス通信ループ１２から第二のプロセス通信バス２４に伝送する。これが、第二のプロセス通信プロトコルにしたがって通信するフィールド装置２６及び２８に給電され、相互運用するための作動エネルギーを提供する。場合によっては、機器構成及び／又はモニタリングのために、電力伝送装置１０がコンピュータ又はワークステーション３０に結合されてもよい。さらに、コンピュータ又はワークステーション３０と電力伝送装置１０との間の結合は、Fieldbus通信ループ１２を介する通信によって実現されると考えられる。

図２は、本発明の実施態様の電力伝送装置１０の図である。電力伝送装置１０は、Fieldbusプロセス通信ループ１２に結合可能である複数の端子３２を含む。Fieldbus通信モジュール３４は、Fieldbus規格にしたがってFieldbus通信ループ１２上でデータを伝送することができれば、現在市販されているか、又は、今後開発される適切なFieldbus通信モジュールであることもできる。電力モジュール３６が端子３２に結合され、Fieldbus通信ループ１２から電力を受け、電力をFieldbus通信モジュール３４及び制御装置３８に提供して、装置１０がFieldbus通信ループから受けた電気エネルギーによって全体的に給電されるようにする。電力モジュール３６はまた、複数の端子４０に結合されており、これらの端子４０は第二のプロセス通信ループ２４に結合可能である。このようにして、電力モジュール３６は、Fieldbus通信ループ１２から少なくともいくらかの電気エネルギーを受け、電気エネルギーをループ２４に提供することができる。さらに、電力モジュール３６は、制御装置３８のコマンドの下、ループ１２からループ２４への電気エネルギーの伝送を選択的に許可又は阻止することができる。

図３は、本発明のもう一つの実施態様の電力伝送装置５０の図である。装置５０は多くの点で装置１０に類似しており、同種部品には同じ番号を付す。しかし、装置５０は、一つの実施態様ではHART通信モジュールである第二の通信モジュール５２を含む。HART通信モジュール５２は、電力モジュール３６から受けたエネルギーによって給電され、端子４０に結合されている。モジュール５２は、第二の通信プロトコルにしたがって通信するように調整されている。したがって、モジュール５２は、第二のプロセス通信ループ２４を介してデータを送受信することができる。したがって、モジュール５２は、制御装置３８が第二のプロセス通信ループ２４上で一つ以上のフィールド装置と通信しあうことを可能にする。図３では、モジュール５２をHART通信モジュールを提供するものとして示すが、適切なプロセス通信規格に準ずる任意の通信モジュールを使用することができる。たとえば、モジュール５２は、Modbus（RS45）プロトコル、コントローラエリアネットワーク（CAN）プロトコル、ワイヤレス通信、低電源電圧表示及び４−２０mAプロセス通信シグナリングとの通信を可能にすることができる。モジュール５２に使用可能なワイヤレス通信の例は、ワイヤレスネットワーキング技術（たとえば米カリフォルニア州IrvineのLinksysによって構築されたIEEE 802.11bワイヤレスアクセスポイント及びワイヤレスネットワーキング装置）、セルラもしくはデジタルネットワーキング技術（たとえば米カリフォルニア州San JoseのAeris Communications社のMicroburst（登録商標））、超ワイドバンド、フリースペースオプチックス、全世界的モバイル通信システム（GSM）、汎用パケット無線サービス（GPRS）、コード分割多重アクセス（CDMA）、スペクトラム拡散技術、赤外線通信技術、SMS（Short Messaging Service/text messaging）又は他の適切なワイヤレス技術を含むが、これらに限定されない。

本発明の実施態様はまた、Fieldbusプロセス通信ループ上で、第二のプロセス通信ループを給電するために必要なエネルギーの量が、定常状態条件で利用可能なエネルギーの量を超える状況又は用途にも適用可能であると考えられる。そのような場合、電力モジュール３６は、図３で仮想的に示すエネルギー貯蔵要素５４を含むことが有用である。このように、Fieldbusプロセス通信ループからの最大利用可能余剰エネルギーが本発明の実施態様での使用のために取り出される又は吸い取られる。そして、第二のプロセス通信ループ２４を給電するのに十分なエネルギーがエネルギー貯蔵装置５４中に存在するようになると、制御装置３８は、電力モジュール３６に、貯蔵装置５４中に貯蔵されたエネルギーを第二のプロセス通信ループに提供させる。エネルギー貯蔵装置５４が十分に枯渇する又はプロセス動作が終了すると、制御装置３８が、電力モジュール３６に、第二のプロセス通信ループ２４へのエネルギーの伝送を中止させ、余剰エネルギーを再び記憶装置５４中に貯蔵させ始める。このプロセスは、周期的な間隔で繰り返すこともできるし、Fieldbus通信ネットワーク１２を介しての装置５０によるコマンドの受信で自動的又は手動で実施させることもできるし、装置５０のローカルオペレータインタフェースと通信しあうオペレータによって実施させることもできる。

図４は、Fieldbusセグメントからの電気エネルギーを異なるプロセス通信プロトコルにしたがって作動するフィールド装置に送るか、又は他のやり方で伝送するための回路の回路図である。回路１００は、端子１０２、１０４でFieldbusセグメント１１４に結合されている。端子１０２は、間に直列に結合されているインダクタＬ１および抵抗器Ｒ１を介して端子１０６に電気的に結合されている。同様に、端子１０８は、直列のインダクタＬ２および抵抗器Ｒ３を介して端子１０４に結合されている。最後に、端子１０６及び１０８は、キャパシタＣ１と直列に配設された抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に結合されている。第二のプロセス通信ループ１１０（この例では４−２０mA HARTループ）が端子１０６及び１０８に結合され、４−２０mA HART装置１１２が必要なすべての作動電力をループ１１０から導出することを許す。図４に示す回路１００は、エネルギー貯蔵要素及び能動及び／又は受動フィルタを使用して、４−２０mA HART（登録商標）信号とFieldbus信号とが互いに干渉することを防ぐようなやり方で、Fieldbusセグメントから送られた電気エネルギーを提供する。要素Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＣ１の実際の値は用途ごとに調整することができる。さらに、回路１００は、装置１０内、装置５０内、又はFieldbusプロセス通信ループに結合可能であって、さらなる電力を第二のプロセス通信ループに提供することが有益になるであろう他の適切なフィールド装置内で具現化することができる。たとえば、回路１００は、プロセス変量トランスミッタ内、弁内、弁アクチュエータ内、制御装置内又は他の適切なフィールド装置内で具現化することができる。

図５は、Fieldbusセグメントからの電気エネルギーを異なるプロセス通信プロトコルにしたがって作動するフィールド装置に伝送するためのもう一つの回路の回路図である。回路１３０は、Fieldbusセグメント１１４からの少なくともいくらかの電気エネルギーをHART装置１１２に伝送するために能動回路部品を使用する。Fieldbusセグメント１１４は回路１３０のノード１３２及び１３４に結合されている。ノード１３４はノード１３８に結合され、ノード１３８はHART装置１１２に直結されている。抵抗器Ｒ１及びＲ２がノード１３２及び１３４の間に直列に配設され、ノード１３５がそれらの間に配置されている。ノード１３５は演算増幅器１４０の非反転入力に結合され、演算増幅器１４０の非反転入力は抵抗器Ｒ３を介してノード１３２に結合されている。演算増幅器１４０の出力はＰＮＰトランジスタ１４２のベースに結合されている。トランジスタ１４２のエミッタはノード１３６に結合され、このノードは演算増幅器１４０の反転入力に結合されている。トランジスタ１４２のコレクタはノード１４４に結合され、このノードはHART装置１１２に結合されている。ツェナーダイオード１４６がノード１４４及び１３８の間に配置されている。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、その形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。

本発明の実施態様にしたがって電力伝送装置によって結合された１対のプロセス制御ネットワークの図である。 本発明の実施態様の電力伝送装置の図である。 本発明のもう一つの実施態様の電力伝送装置の図である。 Fieldbusセグメントからの電気エネルギーを異なるプロセス通信プロトコルにしたがって作動するフィールド装置に伝送するための受動回路の回路図である。 Fieldbusセグメントからの電気エネルギーを異なるプロセス通信プロトコルにしたがって作動するフィールド装置に伝送するための能動回路の回路図である。

Claims (19)

1. Fieldbusプロセス通信ループに動作可能に結合可能なFieldbus通信モジュール、
   前記Fieldbusプロセス通信ループから受けたエネルギーでフィールド装置を全体的に給電するように構成されている、前記Fieldbus通信モジュールに結合可能なパワーモジュール、
   前記Fieldbus通信モジュール及び前記パワーモジュールに結合された制御装置、
   前記パワーモジュールに動作可能に結合され、第二の非Fieldbusプロセス通信ループに結合可能である、前記第二の非Fieldbusプロセス通信ループを介して電気エネルギーを提供するための複数の端子
   を含むフィールド装置。
2. 前記制御装置が、選択的に前記パワーモジュールをして電気エネルギーを前記第二の非Fieldbusプロセス通信ループに提供させるように構成されている、請求項１記載のフィールド装置。
3. 前記制御装置及び前記複数の端子に結合された第二の非Fieldbus通信モジュールをさらに含む、請求項１記載のフィールド装置。
4. 前記第二の非Fieldbus通信モジュールが４−２０mAモジュールである、請求項３記載のフィールド装置。
5. 前記４−２０mAモジュールが、HARTプロトコルにしたがって通信するように適合されている、請求項４記載のフィールド装置。
6. 前記第二の非Fieldbus通信モジュールが、Modbusプロトコルにしたがって通信するように適合されている、請求項３記載のフィールド装置。
7. 前記第二の非Fieldbus通信モジュールが、コントローラエリアネットワーク（CAN）プロトコルにしたがって通信するように適合されている、請求項３記載のフィールド装置。
8. 前記第二の非Fieldbus通信モジュールが、ワイヤレスプロトコルにしたがって通信するように適合されている、請求項３記載のフィールド装置。
9. 前記制御装置に動作可能に結合され、前記Fieldbusプロセス通信ループ上で利用可能な定常状態余剰エネルギーよりも大きいパワーレベルを前記第二の非Fieldbusプロセス通信ループに提供するように構成されたエネルギー貯蔵装置をさらに含む、請求項１記載のフィールド装置。
10. 前記制御装置が、前記第二の非Fieldbusプロセス通信ループを定期的に給電するように構成されている、請求個９記載のフィールド装置。
11. 前記制御装置が、前記Fieldbus通信モジュールを介して受けたコマンドに応答して前記第二の非Fieldbusプロセス通信ループを給電するように構成されている、請求項９記載のフィールド装置。
12. 電気エネルギーをFieldbusプロセス通信ループから第二の非Fieldbusプロセス通信ループに伝達するための回路であって、
    Fieldbusプロセス通信ループに結合された第一の端子、
    前記Fieldbusプロセス通信ループに結合された第二の端子、
    第二の非Fieldbusプロセス通信ループに結合可能な第三の端子、
    前記第二の非Fieldbusプロセス通信ループに結合可能な第四の端子、
    前記第一及び第三の端子の間に挿入された第一のインダクタ、
    前記第二及び第四の端子の間に挿入された第二のインダクタ、
    前記第一のインダクタと直列に配置された第一の抵抗器、
    前記第二のインダクタと直列に配置された第二の抵抗器、
    前記第三及び第四の端子の間に挿入された第一のキャパシタ、及び
    前記第一のキャパシタと直列に配置された第三の抵抗器
    を含む回路。
13. フィールド装置内に具現化されている、請求項１２記載の回路。
14. 前記フィールド装置が電力伝送装置である、請求項１３記載の回路。
15. 前記フィールド装置がプロセス変量トランスミッタである、請求項１３記載の回路。
16. Fieldbusプロセス通信ループに動作可能に結合可能なFieldbus通信モジュール、
    前記Fieldbusプロセス通信ループから受けたエネルギーでフィールド装置を全体的に給電するように構成されている、前記Fieldbus通信モジュールに結合可能なパワーモジュール、
    前記Fieldbus通信モジュール及び前記パワーモジュールに結合された制御装置、
    第二の非Fieldbusプロセス通信ループを給電するための手段
    を含むフィールド装置。
17. 電気エネルギーを非Fieldbusプロセス通信ループに導入する方法であって、
    回路をFieldbusプロセス通信ループに結合すること、及び
    前記回路を介して少なくともいくらかの電気エネルギーを前記Fieldbusプロセス通信ループから前記非Fieldbusプロセス通信ループに伝送すること
    を含む方法。
18. 前記回路が受動回路である、請求項１７記載の方法。
19. 前記回路が能動回路である、請求項１７記載の方法。

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