JPH11506848A - プロセス制御装置の変換回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プロセス制御回路（１０）に使用される変換回路（４０）は、１次プロセス制御ループ（２６）に結合されるように適合される。変換回路（４０）内のデジタル受信回路（４６、５２）は、現場送信器（２２）から１次プロセス制御ループ（２６）を介して伝送されるデジタル信号を受信し、これに対応するデジタル出力を発生する。マイクロプロセッサ（５０）はデジタル出力を受信し、これに応答して２次ループ制御出力を発生する。２次プロセス制御ループ（５８）に接続するための２次ループ制御回路（６２）はマイクロプロセッサ（５０）からの２次ループ制御出力を受信し、これに応答して、２次プロセス制御ループ（５８）に流れる電流を制御する。２次プロセス制御ループ（５８）に流れる電流は現場送信器（２２）から送信されたデジタル信号に関連付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 プロセス制御装置の変換回路 発明の背景 本発明は、プロセス制御装置に関する。本発明は、特に、プロセス制御装置に おける、現場送信器から制御室回路へのプロセス変数の伝送に関する。 一般的に、流量、温度、圧力などのプロセス変数を測定して、それら変数を制 御室は伝送するプロセス制御装置には、プロセス変数用現場送信器が使われてい る。その情報は、プロセス操作をモニターおよび制御するため、制御室で利用さ れる。 従来では、プロセス変数の伝送は、２線式電流ループを使って行われてきた。 一般的な４〜２０ｍＡ電流ループでは、４ｍＡ信号がプロセス変数の最少読取値 を示し、２０ｍＡ信号がプロセス変数の最大読取値を示している。電流ループや 現場送信器用の電力は、現場での固有の安全性や防爆環境を維持できるように、 制御室から供給される。また、現場送信器により、測定されたプロセス変数に基 づいてループに流れる電流の制御が行われる。上記形式およびその他の電流ルー プが当該分野での工業標準となっている。 しかし、マイクロプロセッサーの出現により、現場送信器の自動化が急速に進 められている。その技術の１つの流れとして、現場送信器からのデジタル信号伝 送を利用する技術がある。一つの手法に おいては、デジタル信号が、４〜２０ｍＡプロセス変数電流信号に重畳される。 そのデジタル信号は、普通はアナログ式ループ回路でも伝送される一次プロセス 変数または２次プロセス変数を表わすことができる。別の例では、多数の現場送 信器が同じプロセス制御ループに接続されており、デジタルプロセス変数は各送 信器からループを経て制御室へ伝送される。アナログ通信技術に適用された従来 の制御室回路では、デジタル信号を伝送できる送信器を十分に利用できていない 。 発明の概要 本発明の変換回路は、デジタル情報を送信する現場送信器を、アナログ信号を 受信できるよう設計された制御室回路へ接続している。現場送信器は、１次プロ セス制御ループ経由でデジタル情報を伝送する。変換回路には、１次ループから デジタル信号を受け取ってデジタル信号を表わすデジタル出力を出力するデジタ ル受信器が備わっている。デジタル出力はマイクロプロセッサーで受信され、そ れに応答して、デジタル式の２次ループ制御出力が出力される。２次ループ制御 回路は、その２次ループ制御出力を受け取り、これに応答して、２次制御ループ に出力されるアナログ信号を制御する。そのアナログ信号は、現場送信器から送 信されたデジタル信号に関連したものである。 一実施例においては、複数のデジタル信号が１次ループから受信され、複数の ２次ループへ別々に出力される、一つの実施例では、 ２次ループは４〜２０ｍＡループである。複数のプロセス変数を伝送するのに、 １つの現場送信器だけを使うこともできる。あるいは、複数のデジタルプロセス 変数を伝送するのに、複数の現場送信器を使っても構わない。 図面の簡単な説明 図１は、２線式プロセス制御ループを介して制御室へ接続された現場送信器を 備えたプロセス制御装置の一部を示した概略図である。 図２は、本発明による、単数の１次制御ループと複数の２次制御ループに接続 された変換回路の概略ブロック図である。 図３は、図２の変換回路を示すブロック図である。 図４は、図２の変換回路を示すブロック図である。 好適な実施例の詳細な説明 本発明は、１つの多変数式現場送信器からのデジタル通信メッセージ（例えば 、ＨＡＲＴ（登録商標）通信標準によるもの）を複数の４〜２０ｍＡ電流ループ へ変換するインターフェイス回路を備える。この技術により、個別の電流ループ 上の複数の異なるプロセス変数を同時にモニターできる。一つの実施例として、 プロセス制御室に前記インターフェイス回路を配備し、負荷抵抗を経由して多変 数送信器の電流ループに接続できるであろう。 図１には、石油化学タンク工場１２などに適用された工業用プロセス制御装置 １０が図示されている。流体１４が、パイプ網６内を流れている。貯蔵タンク１ ８は、パイプ２０でパイプ配管１６に接 続されている。別の貯蔵タンクを接続して装置を拡張するため、追加のパイプ２ ０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄなどを接続することができる。図の現場送信器２ ２は、パイプ２０に接続されている。なお送信器２２は、爆発性環境で作動しな ければならないため、固有の安全要件に適合している必要がある。送信器２２は 、それに全電力を給電する１次の２線ループ２６を介して制御室２４に接続され ている。送信器２２には、差圧感知素子２８と温度センサー３０が備わっており 、圧力または温度を示す複数のプロセス変数が伝送できる多変数式送信器を構成 している。 前記の制御室２４は、送信器２２が検知したプロセス変数をモニターする回路 を備える。図示はしてないが、通常のプロセス制御装置では、検知されたプロセ ス変数に応じてプロセスが制御される。例えば、制御室２４の回路は、遠隔設置 バルブ（図示しない）を制御して流量を調整できる。これによって、プロセスを 制御する閉フィードバックループが構成される。 前記の現場送信器２２は、２つの異なるプロセス変数、すなわち流量および温 度をモニターできるように接続されている。それらプロセス変数は、２線ループ ２６にデジタル的に接続される。従来の普通のアナログ式現場送信器では、その 現場送信器で制御される電流ループに流れるアナログ電流レベルによって、プロ セス変数が示されるために、１つのプロセス変数だけしか電流ループに結合でき なかった。 一方、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコル（その詳細は引用によって本明細 書に統合されている）やフィールドバス(Field Bus)プロトコルなどの、より新 しい通信プロトコルでは、プロセス変数のデジタル信号（以下、デジタルプロセ ス変数という）を電流ループ２６に流れるプロセス変数を示すアナログ電流（以 下、アナログプロセス変数という）に重畳することにより、多数のプロセス変数 を同じプロセス制御ループに結合することができる。けれども、そのような装置 の能力を十分に発揮させるためには、制御室２４の回路は、同じ制御ループから １つ以上のプロセス変数を受信できる能力をもたねばならない。 図２は、本発明の一実施例にしたがって、制御室２４内に設置された変換回路 ４０のブロック図である。変換回路４０は、複数のデジタルプロセス変数をもつ １つのプロセス制御ループからのデータを、各ループの電流が１つのデジタルプ ロセス変数を示すような、複数の４〜２０ｍＡ電流ループ上におけるそれぞれの アナログプロセス変数に変換できるインターフェイス回路を備えている。それに より、複数のデジタルプロセス変数が、別々の４〜２０ｍＡ電流ループ上で同時 にモニターされる。 前記のプロセス制御室２４には、プロセス制御ループ２６に接続された電源４ ２が備わっている。電源４２は、そのループ２６を流れる電流Ｉ_Mを発生するの に使われる。また、検知抵抗４４がループ２６に直列に接続されており、ループ ２６を流れる電流に応じた電 圧を、その両端に発生する。この電圧は、ループ２６に流れるデジタル信号に応 じて変化し、１次変換回路４８の信号調整（conditioning）回路４６の入力とな る。１次変換回路４８内では、マイクロプロセッサー５０がＭＯＤＡＣ５２とメ モリー５４に接続されており、それに電源電圧Ｖ₁が供給される。信号調整回路 ４６は、ＲＦＩフィルター５６を経由して抵抗４４に接続される。 また、１次変換回路４８は、レギュレータ６０と出力段６２を経て２次プロセ ス制御ループ５８に接続されている。そのループ５８は、検知回路６８に電圧出 力を供与する検知抵抗６６および電源６４に直列に接続してある。電圧レギュレ ータ６０は、１次変換回路４８内の全回路に調整された電圧値Ｖ₁を供給する。 出力段６２により、周知の方法によって、ループ５８を流れる電流Ｉ₁の大きさ が制御される。 動作時に、１次ループ２６からのデジタル信号が信号調整回路４６に入力され る。ＭＯＤＡＣ５２はその信号を復号し、マイクロクロプロセッサー５０へ信号 を送る。マクロプロセッサー５０は、メモリー５４に記憶されている命令に従っ て動作するが、その詳細は後で説明する。マイクロプロセッサー５０とＭＯＤＡ Ｃ５２によって出力段６２が制御され、現場送信器２２から受け取るデジタルプ ロセス変数信号を表わす、典型的には、大きさが４〜２０ｍＡである電流Ｉ₁が ループ５８に出力される。 前記のマイクロプロセッサー５０には、現場送信器２２から受け 取った追加のデジタル化プロセス変数を表わすアナログ電流を供与するために用 いられる付加的な変換回路８０Ａと８０Ｂも接続されている。説明の簡略化のた め、回路８０Ｂとの間では符号数字を共用し、回路８０Ａの構成だけを詳細に説 明する。 前記の回路８０Ａにおいて、マイクロプロセッサー５０からのデジタルデータ と制御信号は、信号を電気的に絶縁する光アイソレータ（OPTO）８４Ａと８６Ａ 経由で、ＭＯＤＡＣ８２Ａに入力される。ＭＯＤＡＣ８２Ａは、電圧レギュレー タ９０Ａと出力段９２Ａ経由で電流ループ８８Ａに接続されている。電流ループ ８８Ａは、電源９４Ａと検知抵抗９６Ａに接続されている。また検知回路９８Ａ も、検知回路９６Ａに接続されている。ＭＯＤＡＣ８２Ａは、受信されたデジタ ル信号を表わすアナログ信号を出力段９２Ａへ送り、電流ループ８８Ａを流れる 電流Ｉ_Aを制御する。電流Ｉ_Aは、現場送信器２２から受信した追加デジタルプロ セス変数を表示するように制御される。制御室２４内の検知回路９８Ａはその電 流Ｉ_Aを測定して、現場送信器２２から伝送されたデジタルプロセス変数の値を 判断する。レギュレータ９０Ａは、回路８０Ａに給電するための調整電圧値Ｖ_A を発生する。 図３は、前記変換回路４８のさらに詳細なブロック図である。信号調整回路４ ６には、ＲＦＩフィルター５６経由で検知抵抗４４に接続された絶縁変圧器１１ ０が備わっている。抵抗４４の両端の電位差がしきい値を超えたときは、過電圧 保護回路が電圧シャントの 働きをする。絶縁変圧器１１０は、ＭＯＤＡＣ５２内のモデム１１６に接続され た送信回路１１２と受信回路１１４とに接続されている。モデム１１６は、マイ クロプロセッサー５０に接続された送受信線ＴＸＡおよびＲＸＡを備える。また ＭＯＤＡＣ５２には、システムクロック信号を生成するためのクリスタル１２０ に接続された発振器１１８が備わっている。発振器１１８からのシステムクロッ ク信号は、マイクロプロセッサー５０、モデム１１６、ウォッチドッグ回路１２ ２、パルス幅変調デジタル／アナログ変換器（ＰＷＭＤＡＣ）１２４のそれぞれ に送られる。 前記のマイクロプロセッサー５０はウォッチドッグ回路１２２への入力信号Ｗ ＤＫＩＣＫを発生し、供給電圧が低下したり、マイクロプロセッサー５０がロッ クされたり、または発振器１１８が故障した場合には、ウォッチドッグ回路１２ ２からマイクロプロセッサー５０へリセット信号が送られる。ＰＷＭＤＡＣ１２ ４は、チップ選択入力ＣＳ、データ入力ＤＡＴＡＩＮおよびデータクロック入力 ＣＬＯＣＫ（ＤＣＬＫ）をマイクロプロセッサー５０から受け取って、パルス幅 変調されたデジタル出力（ＤＡＣＯＵＴ）を出力段６２へ出力する。 さらにまた前記のマイクロプロセッサー５０には、図示のように光アイソレー タ８６Ａと８６Ｂが接続されている。マイクロプロセッサー５０からは、チップ 選択信号（ＣＳ１、ＣＳ２）、データ信号（ＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ２）およびデ ータクロック信号 （ＤＣＬＫ１、ＤＣＬＫ２）がそれぞれの光アイソレータ８６Ａと８６Ｂに送ら れる。レギュレータ６０は、起動回路１３０、電圧基準部１３２、オペアンプ１ ３４およびＶＤＤモニター１３８を備えている。電圧基準部１３２では、電圧Ｖ₁ が作成される。ＶＤＤモニター回路１３８は、供給電圧Ｖ₁をモニターして、Ｖ₁ が閾値以下に低下すると、ウォッチドッグ回路１２２に信号を出力する。 前記の出力段６２には、ＲＦＩフィルター１４０と１４２が備わっている。過 電圧保護回路１４４が電流ループ５８に接続されており、過電圧が発生すると、 電流ループ５８をバイパスする。オペアンプ１４６にはＰＷＭＤＡＣ１２４の出 力（ＤＡＣＯＰＵＴ）が供与され、ループ５８を流れる電流Ｉ₁を調整するシャ ント回路１４８を制御する。抵抗（検知素子）１５０は、オペアンプ１４６とシ ャント回路１４８とにフィードバック信号を送る。 図４は、前記の回路８０Ａのより詳細なブロック図である。回路８０Ａは、光 アイソレータ８４Ａと８４Ｂ経由で回路４８に接続されている。光アイソレータ ８４Ａの出力は、ＭＯＤＡＣ８２Ａに送られるチップ選択信号（ＣＳ１）、デー タクロック信号（ＤＣＬＫ１）およびデータ入力信号（ＤＡＴＡＩＮ）を含む。 チップ選択信号（ＣＳ１）により、ＭＯＤＡＣ８２Ａ内のウォッチドッグ回路１ ６０Ａが駆動される。さらにＭＯＤＡＣ８２Ａは、発振器１６２Ａ、モデム１６ ４ＡおよびＰＷＭＤＡＣ１６６Ａを備えている。発振器１６２Ａはクリスタル１ ６８Ａに接続されており、回 路８０Ａのクロック信号を発生する。ＰＷＭＤＡＣ１６６Ａは、光アイソレータ ８４Ａからのデータクロック信号ＤＣＫＬ１で制御されて、制御出力（ＤＡＣＯ ＵＴ）を出力段９２Ａへ出力する。 出力段９２Ａには、オペアンプ１７０Ａ、シャント回路１７２Ａ、検知素子１ ７４Ａ、過電圧保護回路１７６Ａ、ＲＦＩフィルター１７８Ａと１７８Ｂが備わ っている。出力段９２Ａはループ８８Ａに接続されおり、前記の出力段６２と同 様の動作をする。レギュレータ９０Ａは、パストランジスター１９０Ａ、電圧基 準部１９２Ａ、オペアンプ１９４Ａ、起動回路１９６Ａ、ＶＤＤモニター１９８ Ａを備える。電圧基準部１９２Ａでは、電圧Ｖ_Aが生成される。レギュレータ９ ０Ａは、前記のレギュレータ６０と同様の動作をする。回路９０Ｂは回路９０と 構成が同じであるため、これ以上の詳細な説明は省略する。 本発明においては、現場送信器２２によって制御室へ送られるデジタルプロセ ス変数を表わすために割り当てられた多数のアナログ電流ループ出力が、変換回 路４０から供与される。通常、変換回路４０はプロセス制御室２４内に配備され る。各ループ９６Ａ〜９６Ｂから、それぞれの追加制御回路８０Ａ〜８０Ｂへ電 力が供給される。好適な実施例においては、４〜２０ｍＡ標準装置における最少 値である４．０ｍＡにループ電流を制御できるように、各ループでは３．５ｍＡ 以上の電流を消費しないようにする。その装置は、所望の４〜２０ｍＡ範囲を達 成するために、マイクロプロセッサー ５０を制御することにより較正できる。較正データは、メモリー５４に記憶され るであろう。デジタル信号をループ２６を介して供給することにより、マイクロ プロセッサー５０にアクセスすることもできる。そして、現場送信器２２から送 られた各デジタルプロセス変数をマイクロプロセッサー５０でモニターし、ルー プ５８、８８Ａ、８８Ｂ上の電流を適当に調整するのである。 構成データもメモリー５４に記憶してある。そのデータ情報は、どの２次電流 ループがどの入力デジタルプロセス変数に応答して制御されるかを判断するため に、マイクロプロセッサー５０で使われる。さらにその構成データは、各２次電 流ループのゼロ情報やスパン情報を保存するために利用できる。 前記のマイクロプロセッサー５０は、送信回路１１２や信号調整回路４６を利 用して現場送信器２２と通信することができる。マイクロプロセッサー５０は主 コントローラとしての動作が可能である。例えば、マイクロプロセッサー５０は 、ループ２６に接続された送信器をポーリングして、送信器の応答を検知できる 。そのプロセス変数を入手するため、送信器を個々にポーリングすることも可能 である。さらにマイクロプロセッサー５０は、現場の計器から診断情報を入手す るのにも利用できる。マイクロプロセッサー５０は、エラーの影響を受けていな いプロセス変数の更新を継続する一方で、エラー源を特定することもできる。ま た回路４０は、その他の機器、バルブ、または制御システムなどを制御するため に使う接点閉成出 力を発生するように構成しても構わない。 別の実施例として、複数の変換回路４０を「ディジーチェーン状に」、つまり 互いに直列に接続することもできる。例えば、マイクロプロセッサー５０により 、追加の電流ループの出力を提供するため、１次変換回路４０に接続された２次 変換回路４０に追加のデジタルプロセス変数を送ることも可能である。さらに、 ループ２６上の追加のプロセス変数をモニターできるように、追加の変換回路４ ０を同じ検知抵抗４４に接続しても構わない。 また別の実施例として、送信器端子ブロック（図示しない）に、変換回路４０ を載置することもできる。さらに前記回路は、フィールドバス（Field Bus）プ ロトコルなどの、プロセス制御ループ上でのあらゆる種類のデジタル通信に対し ても機能できる。さらに別の実施例として、変換回路４０を使って、それらの全 部が同じプロセス制御ループに接続された多岐形状に構成されている複数の現場 送信器から送られたデジタルプロセス変数をモニターすることも可能である。 さらにまた別の実施例として、変換回路４０に、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プ ロトコルに従ってマスターの状態をとらせることも可能である。その構成では、 変換回路４０は制御ループ２６上の現場機器に送られるＨＡＲＴ（登録商標）の 要求を開始することができる。そのために、変換回路４０は、現場機器をバース ト送信モードに変えることなく、現場機器からデジタルプロセス変数データを収 集できる。これは、多数の現場機器がデジタルプロセス変数を送信できる多岐構 成現場機器ループにおいて、特に有効である。各現場機器を個別にポーリングし てそのプロセス変数を収集し、これを変換した後、適当な２次制御ループへと送 ることができる。 さらに、ＨＡＲＴ（登録商標）通信標準に従って、変換回路４０はループ２６ に接続された送信器をボーリングし、各送信器の構成情報を得ることもできる。 その構成情報は、例えば、各プロセス変数のゼロ情報やスパン情報と共に各送信 器によって送信されるプロセス変数のタイプを特定するのに利用できる。 本発明を好適な実施例について説明したが、本発明の精神や範囲を逸脱するこ となく形態や詳細の変更が可能であることは、当業者にとって理解できよう。例 えば、デジタルプロセス変数は、上述したのとは違うアナログプロセス変数に変 換しても構わない。さらにフィールドバス（Field Bus）やモードバス（Modbus ）などの、他のアナログ式やデジタル式の通信標準を使用することも可能である 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローワギー，ベネット エル. アメリカ合衆国 55441 ミネソタ州、プ リマス、ユニオン テラス レーン 211 (72)発明者 ピーショウスキー，トッド エイ. アメリカ合衆国 55313 ミネソタ州、バ ッファロー、クロフット 1355

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．現場送信器に１次プロセス制御ループを介して接続する変換回路であって 、 １次プロセス制御ループ経由で送信される現場送信器からのデジタルプロセス 変数を受信してデジタル出力を発生する、１次プロセス制御ループに接続された デジタル受信回路と、 そのデジタル出力を受信して、２次ループ制御出力を発生する制御回路と、 ２次ループ制御出力に応答して２次ループに流れる電流を制御するための電流 源を備えた２次プロセス制御ループに接続する２次ループ制御回路とから成り、 ２次制御ループ内のアナログ電流が現場送信器から送られたデジタルプロセス 変数信号に関連付けられる変換回路。 ２．さらに、２次ループから電力を受け取って前記の変換回路に給電するよう に、２次ループに接続された電力供給回路を備えたことを特徴とする請求項１記 載の変換回路。 ３．前記の２次ループ内の電流が４ｍＡから２０ｍＡの間に制御されることを 特徴とする請求項１記載の変換回路。 ４．さらに、複数の２次プロセス制御ループに接続された複数の２次ループ制 御回路を備え、前記制御回路が、複数の２次ループ制御回路に複数の２次ループ 制御出力を供給し、これに応答してそれぞれに流れる電流が制御されることを特 徴とする請求項１記載の変 換回路。 ５．さらに、前記の複数の２次ループ制御回路に制御回路を接続し、それらを 互いに絶縁する複数の光アイソレータを備えたことを特徴とする請求項４記載の 変換回路。 ６．前記の現場送信器が複数のプロセス変数を表わすデジタル信号を発生し、 前記複数の２次ループ上の各電流が前記各複数のプロセス変数の１つに関連付け られることを特徴とする請求項４記載の変換回路。 ７．前記の２次ループ制御回路が、２次ループからの電流によって給電される ことを特徴とする請求項１記載の変換回路。 ８．前記の現場送信器からのデジタル信号が、ＨＡＲＴ（登録商標）通信基準 に従うものであることを特徴とする請求項１記載の変換回路。 ９．制御回路によって制御され、１次ループ上のデジタル信号を前記現場送信 器へ応答的に送信するように、１次ループに接続されたデジタル送信回路をさら に備えたことを特徴とする請求項１記載の変換回路。 １０．前記の２次ループ制御回路が、警報状態に応答して警報信号を２次ルー プ上に供給することを特徴とする請求項１記載の変換回路。 １１．前記の複数の現場送信器が１次ループに接続され、各送信器は、複数の プロセス変数の１つに対応する複数の２次ループの１ つにおけるプロセス変数および電流を示すデジタル信号を、それぞれ送信するこ とを特徴とする請求項４記載の変換回路。