JP4980244B2 - ワイヤレスプロセスフィールド装置の診断機能 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、工業用プロセス制御又は監視システムに関する。より詳細には、本発明は、そのようなシステムで用いられるワイヤレスプロセスフィールド装置に関する。

発明の背景
工業的な設定では、制御システムを用いて、工業及び化学プロセス等の目録の監視及び制御を行う。一般的に、これらの機能を実行する制御システムは、工業用プロセスの主要な地点に配設されて、プロセス制御ループにより制御室内の制御回路に接続されたフィールド装置を用いる。用語“フィールド装置”は、配設された制御又はプロセス監視システムで機能を実行するあらゆる装置を意味し、工業用プロセスの測定、制御及び監視で用いられるすべての装置を含む。

いくつかのフィールド装置は、トランスデューサを含む。トランスデューサは、物理的な入力にもとづいて出力信号を生成する装置か、又は入力信号にもとづいて物理的な出力を生成する装置かを意味すると理解される。一般的にトランスデューサは、異なる形式を有する出力に、入力を変換する。トランスデューサのタイプは、さまざまな分析機器、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪みゲージ、流量発信器、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータ光等を含む。

一般的に、それぞれのフィールド装置はまた、プロセス制御ループを通じて、プロセスコントローラ、その他のフィールド装置、又はその他の回路と通信するために用いられる通信回路を含む。いくつかの設備では、さらにプロセス制御ループを用いて、フィールド装置に電力供給するために、フィールド装置に、調整された電流及び／又は電圧を伝える。プロセス制御ループはまた、アナログ形式又はディジタル形式のデータを伝送する。

従来、アナログフィールド装置は、２線式プロセス制御電流ループにより制御室に接続されたもので、それぞれの装置は単一の２線式制御ループにより制御室に制御室に接続されていた。一般的に、２線間での電圧差は、アナログモード向けの１２〜４５ボルトから、ディジタルモード向けの９〜５０ボルトの電圧範囲内に維持される。いくつかのアナログフィールド装置は、電流ループを通る電流を、感知されたプロセス変数に比例する電流に変調することにより、制御室に信号を送信する。その他のアナログフィールド装置は、制御室の制御下で、ループを通る電流の大きさに対応することにより動作を行うことができる。加えて、又はこれに代えて、プロセス制御ループは、フィールド装置と通信するために用いられるディジタル信号を伝送することができる。ディジタル通信は、アナログ通信よりもはるかに大規模な通信を可能にする。ディジタル的に通信するフィールド装置は、制御室及び／又はその他のフィールド装置に対応して、選択的に通信することができる。さらに、そのような装置は、さらなる信号伝達、たとえば診断及び／又は警告を提供することができる。

いくつかの設備では、フィールド装置と通信するために、ワイヤレス技術が用いられ始めてきた。ワイヤレス作動により、フィールド装置の配線及びセットアップが簡略化される。ワイヤレス設備は現在、フィールド装置がローカル電源を含む場合に用いられている。たとえば、内部バッテリ（場合によっては太陽電池により充電される）又は、いかなる有線結線もなく電力を得るためのその他の技術である。しかし、フィールド装置を“ワイヤレス”にするために用いられるさまざまなコンポーネント及びシステムはまた、劣化しやすく故障しやすい。このため、工業用プロセスの測定又は制御にエラーが生じる可能性があり、それどころかプロセス装置の完全な故障に至る可能性がある。

発明の概要
工業用プロセス制御又は監視システムで用いるためのワイヤレスプロセス変数発信器は、工業用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。電源は、プロセス変数発信器に電力供給するように構成される。診断回路は、プロセス変数発信器の動作を診断して、診断出力を供給する。ワイヤレス通信回路は、ワイヤレス通信リンクを通じて、感知されたプロセス変数に関する、及び診断出力に関する情報を送信する。

詳細な説明
本発明は、遠隔地点、たとえば制御室、ハンドヘルド装置等とワイヤレスで通信するように設計されたタイプのワイヤレスフィールド装置のための診断を含む。発明の背景で述べたように、センサの測定及び自己給電型ワイヤレス通信技術をともに結びつけて、長い電線の布設及びプロセス設備の必要性を取り除くことは、多くの場合有用である。センサ及びワイヤレス通信装置の組合せにローカルな電力を供給するためのひとつの公知の方法は、太陽電池パネルを用いて、太陽光を電力に変換することである。一般的に、バッテリもまたシステムと共に用いられて電力貯蔵を提供し、太陽光がない間もユニットが動作できるようにされる。さらにその他の技術を用いて、有線結線を必要とすることなく、装置に電力供給できる。

フィールド装置は一般的に、遠隔地点に取付けられる。本発明は、フィールド装置のワイヤレス特性に、及びフィールド装置のその他の態様に向けられた診断性能を備えることが望ましいという認識を含む。これにより、起こり得る故障の原因を検出することが可能になる。さらに、いくつかの構成では、診断性能を用いて、設置中のフィールド装置の取付及び構成を支援する。故障が検出されると、装置の診断性能を用いて、故障の考えられる原因又は根源を報告することができる。また、診断情報を用いて、故障を取り除くことができる。

図１は、フィールド装置１４及び１６に接続された制御室即ち制御システム１２を含むプロセス制御又は監視システム１０の一例を示す簡略化された図である。フィールド装置１４は、プロセス配管１８に接続されて示され、フィールド装置１６は貯蔵タンク２０に接続されて示される。装置１４及び１６は、プロセス制御室１２のプロセス制御回路１３に関連して、アンテナ２６からの情報を送信及び／又は受信するためのアンテナ２２及び２４をそれぞれ含む。装置１４及び１６は、ワイヤレス無線周波数（ＲＦ）通信リンク２８及び３２を用いて、制御室１２内の回路１３と通信する。フィールド装置１４及び１６は、さらなる線を布設する必要なく、装置にローカルな電力を供給するためのコンポーネントを含む。たとえば、装置１４及び１６は、以下により詳細に説明するように、ローカルな電力のための太陽電池及び／又はバッテリを含むことができる。

装置１４及び１６への電線の必要性を取り除くために用いられる、これらのさらなるコンポーネントは、起こり得る故障の根源となる可能性がある。本発明は、ワイヤレス通信技術及び内蔵型の電源を用いるフィールド装置に、診断性能を備えるための技術を提供する。たとえば、フィールド装置は、プロセス変数を測定するための１つ以上のセンサを含み、太陽電池パネル／蓄電池電源に接続されることができる。装置は、たとえば携帯電話及び／又はＧＰＲＳ（汎用パケット無線システム）を含むワイヤレス通信リンクを通じて通信する。ひとつの具体的な例では、フィールド装置は、監視用ディジタル制御性能を含むことができ、この機能を、アクティブでないときにはワイヤレス通信回路（及びプロセス変数発生器）をスリープモードに入らせることにより電力を管理するために用いることができる。同じ回路を用いて、装置のワイヤレス性能を提供するために用いられるコンポーネントを含む、装置のコンポーネントの診断に用いるためのアルゴリズムを実行することができる。

図２は、図１に示されたフィールド装置１４をより詳細に示す、簡略化されたブロック図である。フィールド装置１４は、アクチュエータ又はトランスデューサ３０、ワイヤレス入出力（通信）回路３２、診断部３４、電源回路３６、バッテリ３８及び太陽電池パネル４０を含む。アクチュエータ／トランスデューサ３０は、プロセス変数を感知するために用いられるセンサか、又はプロセスを制御するために用いられるアクチュエータ、たとえばバルブかにすることができる。ワイヤレス通信回路３２は、アンテナ２２に接続され、アンテナ２６を介して、制御システム１２の回路１３（図２に図示せず）と通信する。電源回路３６を用いて、フィールド装置１４内部の回路に電力が供給される。電源回路３６は、太陽電池４０から受信した電力又はバッテリ３８から受信した電力を用いて動作することができる。電源回路３６は、遠隔電源への配線を必要としない、あらゆるタイプの電源から電力供給されることができる。電源回路３６は、フィールド装置１４に内蔵されることができるか、又は、いくつかの実施形態では、フィールド装置の外部に位置付けられ、かつフィールド装置に近接して配置されることができる。たとえば、太陽電池式ユニットを用いて、情報を伝送するためにも用いられる２線式接続を通じて、発信器またはその他のフィールド装置に電力供給することができる。そのような構成では、電源回路はさらに、遠隔地点へのワイヤレス通信を備えることができる。そのような構成は、２００４年５月２１日出願の米国特許出願番号第１０／８５０，８２８号、WIRELESS POWER AND COMMUNICATION UNIT FOR PROCESS FIELD DEVICESに示されて述べられ、全体として参照することにより本明細書に組み入れられる。太陽電池４０から十分な電力が受信されると、さらに電源回路３６を用いて、バッテリ３８を充電することができる。診断部と標記されたブロック３４を用いて、以下により詳細に述べる本発明の診断機能が実施される。この診断機能は、ハードウェアコンポーネント、ソフトウェアコンポーネント、又はコンポーネントの組合せに実装することができ、簡略化のために、図２では単一のブロック３４として示されている。

図３は、プロセス装置１４のより詳細なブロック図であり、プロセス変数センサ５０を示す。図３に図示するように、プロセス変数センサは、装置１４のハウジング内部か又はハウジングの外に配置されてもよい。測定回路５２は、プロセス変数センサ５０に接続されて、コントローラ５８に測定信号を供給する前に、初期信号処理を行うために用いられる。図３には、任意のユーザ入力部５４がオペレータボタンとして示される。同様に、任意の出力装置、たとえばＬＣＤディスプレイ５６が示される。

一般的に、コントローラ５８はマイクロプロセッサベースのコントローラであり、メモリ６０及びクロック６２に接続される。クロック６２は、フィールド装置１４内部のディジタル回路の動作速度を決定し、メモリ６０を用いて情報を保存する。メモリ６０は、常設メモリ及び揮発性メモリの両方を含むことができ、処理中に用いられるデータ、プログラミング命令、較正情報、又はプロセス装置１４と共に用いるためのその他の情報、データ又は命令を保存するために用いることができる。図３の構成では、図２に図示された診断機能３４を、たとえばコントローラ５８内部で、必要に応じて任意のさらなる回路と併せて実施することができる。

図４は、本発明の診断アルゴリズムのステップを示す、簡略化されたブロック図である。図４はブロック図１００を図示し、スタートブロック１０２から開始する。ブロック１０４では、以下により詳細に説明するように、診断テスト又はアルゴリズムが開始される。ブロック１０６では、所望に応じて、診断結果に続く処理を行うことができる。ブロック１０８では、診断テストの結果に基づいて、出力又はその他のステップが行われる。所望であれば、ブロック１１０で、診断テストを繰り返すことができる。たとえば、周期的な又はその他の所望の間隔で、又はプロセス内で感知されたイベントの検出から開始されたときに、もしくはコマンドの受信時に、あるいは診断を開始するためのその他の要因で、診断テストを繰り返すことができる。任意には、診断処理はブロック１１２で停止する。図４に示されたステップは、たとえばメモリ６０に保存されたプログラムに基づいて、コントローラ５８により実施することができる。

ブロック１０４により提供される診断テストは、装置１４のワイヤレス通信能力、装置１４の電源性能、たとえば電源回路３６、太陽電池４０及び／又はバッテリ３８を含む、装置１４のワイヤレス機能に関するあらゆる診断にすることができる。さらに、いくつかの構成では、診断は、装置１４又はシステム１０の任意の態様で実行することができる。

１つの例では、図３に示す付加的なセンサ５９を用いて、診断情報が提供される。たとえば、装置１４に電圧センサが含まれて、太陽電池４０からの電圧出力が感知されることができる。太陽電池４０の開回路電圧が、長期間、たとえば２４時間にわたり、閾値電圧を下回る場合、診断テスト１０４は、太陽電池パネル４０が遮られているか又は壊れていることを示す出力を供給することができる。その他の例では、太陽電池パネル４０の最大電力出力がセンサ５９により測定され、利用可能な太陽エネルギについての決定を行うために用いられる。センサ５９は、太陽電池パネル４０に接続された温度センサを含むことができ、パネル４０の温度を直接感知するために用いられる。感知された温度は、閾値と比較されて、過温度の発生を特定することができる。

その他の例の構成では、コントローラ５８は、センサ５９を用いて、長期間、たとえば数日間にわたり、太陽電池パネル４０からの最大又は総電力出力を監視する。この実際の電力出力を、装置１４の実際の電力使用と比較することができ、コントローラ５８からの出力は、装置１４の動作により必要とされる電力を設備が援助できないことを示すことができる。さらにデータを用いて、通常動作中に残る利用可能な電力量、又はバッテリ３８をフル充電するための時間を決定することができる。出力を供給して、装置の電力の蓄えの基準が満たされているか又は満たされていないことを示すことができる。バッテリ３８をフル充電するために必要とされる時間を測定することができ、必要とされる時間が所望の閾値よりも大きい場合、警告出力が供給される。さらに、コントローラ５８は、決定の設備における一日あたりの日照時間（時間周期）相当の割合を報告する出力を供給するか、又は、たとえば日陰が原因で、太陽電池パネル４０が長期間にわたり比較的少量の電力を供給していることを示す出力かを供給することができる。

加えて、センサ５９を用いて、たとえばバッテリ３８及び／又は太陽電池パネル４０から引き込まれる電圧及び／又は電流を監視して、情報、たとえばデバイス１４の平均及び最大電力要求の報告を返すように、診断機能を構成することができる。毎日の電力要求における著しい変化を報告するか又は用いて、障害の状況を特定することができる。バッテリ３８の変化率を用いて、たとえば、バッテリ３８が非常に遅いペースで充電されるか、又は決定の時間又は電力レベルを超えて完全充電に到達し損ねるかした場合に動作を診断することができる。バッテリ３８が機能しなくなった可能性があり、交換されるべきであることの指摘を提供することができる。たとえば最大放電レベル、温度履歴及び頻度、充電率の低下に基づいて、又はその他の基準を用いて、残りのバッテリ寿命を決定することができる。過度のバッテリ温度もまた監視することができる。

電源回路３６もまた、センサ３９により監視されて、機能しなくなったか又は機能しなくなっているコンポーネントを特定することができる。たとえば、バッテリ電圧が降下しているにもかかわらず、充電回路がバッテリを充電しない場合、故障を示すことができる。電圧レベル又は信号の変動を用いて、劣化した端末、欠陥のあるバッテリ又は欠陥のある充電回路を示すことができる。同様に、充電回路即ち電源回路３６は、バッテリ３８の充電を完全にバイパスして、装置１４内部の回路に利用可能な全電力を供給することができる。

その他の例では、ブロッキング装置７０を用いて、バッテリ３８が、電源回路３６内へ放電し返すことを防止する。ブロッキング装置７０は、たとえば、電源回路３６内部に収容されることができ、ダイオードを含むことができる。しかし、ダイオードが使用されると、コンポーネントの両端で０．７ボルトの電圧降下が発生する。しかし、ダイオード等の代わりにＭＯＳＦＥＴトランジスタが使用される場合、０．７ボルトの降下は見られず、バッテリ３８の充電又はその他の回路での使用に、さらなる電力が利用可能となる。

その他の例では、装置１４の取付及び設置中に、診断テスト１０４が用いられる。たとえば、遠隔ＲＦ発信器を用いて、又は入力部５４を通じて入力を供給することにより、そのようなモードに入ることができる。たとえば、アンテナ２２により受信された信号強度を監視することができ、アンテナが最大の信号強度に対して適切に方向付けられるようにすることができる。信号強度が信頼性のある動作のために不十分である場合、警告を提供することができる。同様に、太陽電池パネル４０からの出力を監視することができ、この情報を用いて、最大の効率を得るために、太陽電池パネル４０が太陽に対して方向付けられる。バッテリの状態を示す出力を供給することができ、オペレータは、“良好な”バッテリが設備中で用いられていることを保証される。バッテリ温度はまた、センサ５９を用いて監視されることができる。設置中、診断テストは、たとえばバッテリの極性、太陽電池パネルの極性、及び充電回路がすべて適切に機能していることを検証することができる。その他の例では、プロセス変数センサ５０で測定されたプロセス変数値をテストして、これを検証のために制御室に送ることができる。その他の情報、たとえば動作パラメータ及び機能テストの結果もまた、制御室又はその他の遠隔地点に送ることができる。その他の例では、装置１４を較正した前後に、ワイヤレスリンクを通じて、プロセス装置１４のスパン設定及びゼロ設定が送られる。較正後の値は、参照として保存されることができる。最後の較正の値は、送信されることができるか、又はローカルなディスプレイ上に表示されることができる。

その他の態様では、光学的な現場診断を用いて、設備の状況が検証される。画像取込装置７４、たとえばディジタルカメラ等を用いて、プロセス装置１４、又は装置１４のコンポーネントの画像を取込むことができる。この画像情報を用いて、太陽電池パネル４０の状態、及び太陽電池パネル４０の取付配置を検証する。たとえば、画像は、太陽電池パネル４０が外れているか、壊れているか又は破損しているかを示すことができる。その上さらに、この情報を用いて、装置１４がオペレータにより修理又は補修されていることの視覚的な検証、又は天候を示す視覚的な表示を提供することができる。

本発明の診断機能の構成および性能は、内蔵型の電源を有するフィールド装置と共に用いるための多くの利点を提供する。これらの技術は、プロセス変数発信器及び内蔵型発電ユニットの状態及び機能を遠隔評価する手段を提供する。適切なユニット動作を必要とする設備及び現場の状況を検証することができる。続く動作のために、さらなる診断性能を追加することができる。情報は、ローカルに、たとえば設置技術者に提供されることができ、技術者は、設備及び現場の状況が適切なユニット動作を可能にし、よって装置を調整することができることを検証することが可能になる。さらに、画像情報が提供されて、診断に用いられることができる。たとえば、ワイヤレス通信リンクを通じて、装置の動作又は状態を診断するか又は検証している者に、画像を送信することができる。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、発明の本質及び範囲から逸脱することなく、形状及び詳細に改変を加えてもよいことが理解されよう。ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組合せに、さまざまな回路及びアルゴリズム並びに機能を実施することができる。本発明のさまざまなコンポーネントを、多くの異なるコンポーネント間で実施することができる。たとえば、決定の診断機能を、一部をマイクロプロセッサ内で、及び／又は一部をその他のコンポーネント、たとえば測定回路、メモリ、ソフトウェア等で実施してもよい。本明細書では、太陽電池及びバッテリについて記述されてきたが、本発明は、ワイヤレス装置に電力供給するために用いられるその他のコンポーネントに適用可能である。本明細書で用いられる“内蔵型電源”は、遠隔電源への物理的な接続を必要とすることなく、プロセス装置に電力供給するための装置を意味する。その他のイベントのコマンドを、たとえば入力５４を通じて受信したときに、診断を自動的に開始することができる。

本発明で用いるためのプロセス制御又は監視システムを示す、簡略化されたブロック図である。 本発明のフィールド装置内のコンポーネントを示すブロック図である。 図２のフィールド装置のコンポーネントを示す、より詳細なブロック図である。 本発明を実施するためのステップの例を示すブロック図である。

Claims (34)

1. 工業用プロセス制御又は監視システムで用いるためのワイヤレスプロセス変数発信器であって、
   工業用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、
   プロセス変数発信器に電力供給するように構成された電源と、
   プロセス変数発信器の前記電源の動作を診断するように構成され、前記電源の起こりうる故障を示す診断出力を有する診断回路と、
   ワイヤレス通信リンクを通じて、感知されたプロセス変数に関する、及び診断出力に関する情報を送受信するように構成されたワイヤレス通信回路と、
   を含み、
   前記電源が太陽電池及びバッテリを含み、
   前記診断回路が、前記太陽電池の電圧出力及び前記バッテリを充電するために必要とされる時間を監視する、
   ワイヤレスプロセス変数発信器。
2. 測定された電圧が、所定の期間にわたって所定の閾値以下である場合、障害のある太陽電池を示す診断出力が提供される、請求項１記載の装置。
3. 太陽光が太陽電池の動作には不十分であることを示す、感知された電圧に基づいて、診断出力が供給される、請求項１記載の装置。
4. 診断回路が、一定期間にわたり、太陽電池の累積エネルギ出力を監視する、請求項１記載の装置。
5. 診断出力が、累積的な読取に基づいて、エネルギが不十分であることを示す出力を提供する、請求項４記載の装置。
6. 診断回路が、プロセス変数発信器にどれくらいの電力が必要とされているかに関する出力を提供する、請求項１記載の装置。
7. 診断回路が、プロセス変数発信器内のコンポーネントにどれくらいの電力が必要とされているかを監視する、請求項１記載の装置。
8. 診断回路が、バッテリ温度に関する出力を供給する、請求項１記載の装置。
9. バッテリの放電を防止するように構成された回路にバッテリを接続するＭＯＳＦＥＴを含む、請求項１記載の装置。
10. 診断回路を作動させるように構成されたユーザ入力部を含む、請求項１記載の装置。
11. 診断回路からの出力を提供するためのディスプレイを含む、請求項１記載の装置。
12. 診断回路が、ワイヤレス通信回路のアンテナの位置に関する出力を供給するように構成される、請求項１記載の装置。
13. 診断回路が、太陽電池の方向付けに用いるための出力を供給する、請求項１記載の装置。
14. 出力が、プロセス変数発信器のゼロ設定及びスパン設定に関する、請求項１記載の装置。
15. 画像取込装置を含む、請求項１記載の装置。
16. 画像取込装置が配置されて、太陽電池パネルの画像を取込む、請求項１５記載の装置。
17. 画像取込装置が、天候状況を観測するように構成される、請求項１５記載の装置。
18. ワイヤレスプロセス変数発信器の内部に、電源が収容される、請求項１記載の装置。
19. 診断回路が、プロセス変数発信器の動作を診断するように構成されたコントローラおよびソフトウェアを含む、請求項１記載の装置。
20. 工業用プロセスに接続されたワイヤレスプロセス発信器を診断するための方法であって、
    太陽電池及びバッテリを含む電源により、ワイヤレスプロセス発信器に電力供給することと、
    前記太陽電池の電圧出力及び前記バッテリを充電するために必要とされる時間を監視することによって、ワイヤレスプロセス発信器の前記電源の動作を診断し、前記電源の起こりうる故障を診断することと、
    ワイヤレス通信リンクを通じて、ワイヤレスプロセス発信器の前記電源の診断に関する情報を送信することと、
    を含む方法。
21. 測定された電圧が、所定の期間にわたって所定の閾値以下である場合、障害のある太陽電池を示す診断出力が供給される、請求項２０記載の方法。
22. 太陽光が太陽電池の動作には不十分であることを示す、感知された電圧に基づいて、診断出力が供給される、請求項２０記載の方法。
23. 一定期間にわたり、太陽電池の累積エネルギ出力を監視することを含む、請求項２０記載の方法。
24. 診断が、累積的な読取に基づいて、エネルギが不十分であることを示す、請求項２３記載の方法。
25. プロセス変数発信器にどれくらいの電力が必要とされているかに関する出力を供給することを含む、請求項２０記載の方法。
26. プロセス変数発信器内のコンポーネントにどれくらいの電力が必要とされているかを監視することを含む、請求項２０記載の方法。
27. バッテリ温度に関する出力を供給することを含む、請求項２０記載の方法。
28. ユーザ入力部を備えることを含む、請求項２０記載の方法。
29. ワイヤレスプロセス発信器のアンテナの位置に関する出力を供給することを含む、請求項２０記載の方法。
30. 太陽電池の方向付けに用いるための出力を供給することを含む、請求項２０記載の方法。
31. プロセス変数発信器のゼロ設定及びスパン設定に関する出力を供給することを含む、請求項２０記載の方法。
32. 画像取込装置により、画像を取込むことを含む、請求項２０記載の方法。
33. 画像取込装置が設けられて、太陽電池パネルの画像を取込む、請求項３２記載の方法。
34. 画像取込装置が、天候状況を観測するように構成される、請求項３２記載の装置。

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