(57)【要約】      （修正有）【課題】電源に関する保守作業が不要で、設置場所の制限も少ないフィールド機器を提供する。【解決手段】上位システム１８と各種信号の授受を行うフィールド機器において、配管１内の測定流体の流れに基づくエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段１６と、エネルギー変換手段で変換された電気エネルギーを各部の駆動電源として蓄える二次電池と、エネルギー変換手段で変換された電気エネルギーの出力変動を監視する出力変動監視手段と、出力変動監視手段が電気エネルギーの出力変動の異常を検出することにより配管内の測定流体に異常が発生したことを外部に通知するアラーム手段、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上位システムと各種信号の授受を行うフィールド機器において、
配管内の測定流体の流れに基づくエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段と、
前記エネルギー変換手段で変換された電気エネルギーを各部の駆動電源として蓄える二次電池と、
前記エネルギー変換手段で変換された電気エネルギーの出力変動を監視する出力変動監視手段と、
前記出力変動監視手段が電気エネルギーの出力変動の異常を検出することにより前記配管内の測定流体に異常が発生したことを外部に通知するアラーム手段、
を備えたことを特徴とするフィールド機器。
【請求項２】
前記フィールド機器は、
バックライトを有する表示器を備え、
前記出力変動監視手段が電気エネルギーの出力変動の異常を検出すると前記アラーム手段は前記バックライトの点滅を制御して前記配管内の測定流体に異常が発生したことを外部に通知することを特徴とする請求項１記載のフィールド機器。
【請求項３】
前記測定信号を上位に伝送する信号伝送機能と前記バックライトを点滅制御するバックライト機能は互いに独立していることを特徴とする請求項２記載のフィールド機器。
【請求項４】
前記上位システムとの各種信号の授受は有線伝送により行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載のフィールド機器。
【請求項５】
前記上位システムとの各種信号の授受は無線伝送により行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載のフィールド機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィールド機器に関し、詳しくは、駆動電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フィールド機器は、プロセス制御システムにおける現場設置計器として、いろいろなものが用いられている。
【０００３】
図７はプロセス制御システムの一例を示すブロック図である。図７において、プロセス流体が流れる配管１には、プロセス流体の流量を測定するために、オリフィスプレート２とオリフィスプレート２の上下流の圧力差を測定する差圧式伝送器３が設けられている。配管１には、この他、コントロールバルブの開閉を制御するバルブポジショナ４や、配管１を流れるプロセス流体の圧力、温度、流量などを測定して測定値を表示する現場指示計５が設けられている。
【０００４】
差圧式伝送器３とバルブポジショナ４は、無線通信機能を有するものであり、無線６を介してゲートウェイなどの中継器７との間で信号の授受を行う。中継器７はイーサネット(登録商標)などのネットワーク８を介して分散制御システム(ＤＣＳ)やプログラマプルロジックコントローラ(ＰＬＣ)などの制御計算機９に接続されている。
【０００５】
制御計算機９は、中継器７を介して差圧式伝送器３やバルブポジショナ４との間で信号の授受を行うことにより、プロセス流体の測定値を取り込んだり、差圧式伝送器３やバルブポジショナ４を設定制御するための制御信号を送信したり、アラーム情報の監視などを行う。
【０００６】
現場指示計５は、測定現場において作業者が測定値を読み取り確認するために設けられるものであり、一般的には無線通信は行わない。常時電源が供給されていてプロセス流体を常時測定表示するものや、長大なパイプライン用などのように作業者が現場を巡回したときのみ電源を入れて測定表示させるものがある。
【０００７】
なお、これら差圧式伝送器３とバルブポジショナ４および現場指示計５は、４〜２０ｍＡ計装のような２線式線路による電源供給を受けないで、電池などの個別電源により駆動されるものである。
【０００８】
図８は、無線式伝送器として構成されている差圧式伝送器３の一例を示すブロック図である。配管１内を流れるプロセス流体の圧力、温度、流量などのプロセス量１０はセンサモジュール１１によって検出され電気信号に変換され、測定演算部１２に入力される。
【０００９】
測定演算部１２はマイクロプロセッサやＲＡＭやＥＥＰＲＯＭなどで構成されたものであり、センサモジュール１１によって検出されたプロセス量１０を変換補正してユーザーにより指定されるたとえば％値などのスケーリング値に換算するとともに、センサモジュール１１などの周辺デバイスの制御や診断も行う。
【００１０】
無線通信部１３は、図７に示す中継器７との間で無線６を介して信号の授受を行うものであり、測定演算部１２で演算された計測量やスケーリング値や測定演算部１２による伝送器の診断情報を中継器７に送信し、制御計算機９から送信される設定内容を測定演算部１２に伝達する。なおこの無線通信部１３には必要に応じて測定演算部１２とは別に演算手段や記憶手段などが設けられることもある。
【００１１】
表示部１４はたとえばバックライトを有するＬＣＤで構成される外部指示計であり、測定演算部１２で演算された計測量やスケーリング値を表示する。
【００１２】
電池電源モジュール１５は装置を構成するセンサモジュール１１、測定演算部１２、無線通信部１３、表示部１４などの各部を駆動のための電源を供給するものであり、たとえばリチウム電池などの容量が大きくて放電末期までの電圧降下が少なく、自己放電も少なくて寿命の長いものが用いられる。
【００１３】
特許文献１には、電源として太陽電池パネルを設けたフィールド機器の構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第５４９５７６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、電池電源モジュール１５として用いられる電池の寿命は、汎用的な価格や容量のものは数年程度であって、その都度電池の交換や充電が必要になる。
【００１６】
ところが、フィールド機器の設置場所は、腐食性や爆発性ガスなどが存在する危険性雰囲気や高所など作業しにくい場所が多く、電池の交換には危険性に対する心理的圧迫なども含め作業者にかなりの負担を強いることになり、電池の保守作業はコスト増の要因になっている。
【００１７】
また、電池の寿命対策として、間欠的に電源を供給して駆動するフィールド機器も提案されているが、配管１内を流れるプロセス流体が短時間に激しく変化する場合には、測定検出精度が低下したり、過大圧などの異常状態が発生した場合に見逃すおそれがあり、好ましくない。
【００１８】
特許文献１に開示されているような太陽電池パネルを電源とするフィールド機器については、フィールド機器の設置場所には採光の不十分な所も多く、安定した発電量を確保するためには比較的広いスペースを必要とし、受光面が汚れやすい環境には不向きであることなどから、設置場所はかなり制限されることになる。
【００１９】
本発明は、これらの従来の問題点に着目したものであり、その目的は、電源に関する保守作業が不要で、設置場所の制限も少ないフィールド機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
上位システムと各種信号の授受を行うフィールド機器において、
配管内の測定流体の流れに基づくエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段と、
前記エネルギー変換手段で変換された電気エネルギーを各部の駆動電源として蓄える二次電池と、
前記エネルギー変換手段で変換された電気エネルギーの出力変動を監視する出力変動監視手段と、
前記出力変動監視手段が電気エネルギーの出力変動の異常を検出することにより前記配管内の測定流体に異常が発生したことを外部に通知するアラーム手段、
を備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明は、請求項１記載のフィールド機器において、
前記フィールド機器は、
バックライトを有する表示器と、
前記出力変動監視手段が電気エネルギーの出力変動の異常を検出すると前記アラーム手段は前記バックライトの点滅を制御して前記配管内の測定流体に異常が発生したことを外部に通知することを特徴とする。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項２記載のフィールド機器において、
前記測定信号を上位に伝送する信号伝送機能と前記バックライトを点滅制御するバックライト機能は互いに独立していることを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載されたフィールド機器において、
前記上位システムとの各種信号の授受は有線伝送により行うことを特徴とする。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載されたフィールド機器において、
前記上位システムとの各種信号の授受は無線伝送により行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
これらにより、電源に関する保守作業を大幅に省力化でき、必要な任意の場所に設置できる自由度の高いフィールド機器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図１の伝送器３における内部回路の具体例を示すブロック図である。
【図３】本発明の他の具体例を示すブロック図である。
【図４】図１の伝送器３における内部回路の他の具体例を示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図６】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図７】プロセス制御システムの一例を示すブロック図である。
【図８】無線式伝送器として構成されている差圧式伝送器の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図７および図８と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、配管１の外壁には、測定流体の流れに基づくエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段として、たとえばペルチェ素子のような発電素子１６が設けられている。伝送器３は無線伝送形として形成されていて、無線伝送用のアンテナ１７が設けられている。伝送器３は無線を介して上位システム１８との間で測定データや設定値を含む各種情報の授受を行う。
【００２８】
配管１にたとえば高温の測定流体が流れることにより、発電素子１６には配管１を介してその測定流体の温度に基づく熱エネルギーが伝達される。これにより、発電素子１６の配管１の外壁取付面側における温度とその反対面側との温度差に応じた電力が発電され、伝送器３に出力供給される。
【００２９】
図２は、図１の伝送器３における内部回路の具体例を示すブロック図である。図２において、発電素子１６の発電出力は受電充電部１９を介して二次電池２０を充電するように入力されるとともに、電力監視制御部２１にも入力される。
【００３０】
二次電池２０は、図８の電池電源モジュール１５と同様に、伝送器３を構成する内部回路の各部に駆動電力を供給する駆動電源として機能する。
【００３１】
電力監視制御部２１は、受電充電部１９を介して発電素子１６の発電出力を監視するとともに、二次電池２０の状態も監視する。
【００３２】
発電素子１６の発電出力が「ゼロ」になったり、所定の「設定値」や「時系列的変動特性」に対して大きな差異を生じた場合などは、発電素子１６が設置されている場所の温度が何かの原因で大きく変化したと判断する。具体的には、配管１の外周を被覆している保温材の破損や、配管１の内部を流れる流体の漏洩などが考えられる。
【００３３】
そこで、これらの事態が発生した場合には、電力監視制御部２１は、たとえばＣＰＵで構成される伝送器機能制御部２２および無線通信部１３を介して、図示しない上位システムに、重畳信号として、またはデジタル通信の場合には単独のコマンドとして、この伝送器３を含むプロセスに何らかの変化（異常）が発生していることを通知する。
【００３４】
また、電力監視制御部２１は、これらの異常状態が発生した場合には、同時に表示部１４のバックライトを点灯または点滅させる駆動信号を出力してバックライトを点灯駆動する。現場作業者は、これらバックライトの点灯駆動により、異常状態になった伝送器を容易に発見できる。
【００３５】
なお、これらの異常状態が発生した場合に、プロセス信号を上位システムに伝達する本来の機能には関係しない構成としておくことにより、たとえばプラントシャットダウンなどで一時的に配管が常温になった場合であっても伝送器のバックライトが消えるだけにとどめて出力信号への影響を回避できる。
【００３６】
また、伝送器自身に二次電池２０を搭載することにより、発電素子からの電力を電池に充電できることから電池の交換周期を大幅に延長でき、前述のような一時的に発電素子１６の発電ができなくなった場合でも、電池の残量電力が無くなるまでバックライトを点灯させることができる。
【００３７】
また、伝送器自身に二次電池２０を搭載したことにより、伝送器外部への電源供給も可能となり、伝送器の外部近傍に回転灯やブザーなどのアラーム出力部２３を設置して、伝送器に異常が発生した場合にはこれらアラーム出力部２３を二次電池２０からの電源供給と駆動信号により駆動できる。
【００３８】
また、伝送器機能制御部２２として機能するＣＰＵは、発電素子１６が発電しない場合は決められた通常動作をするが、発電素子１６からＣＰＵにとって十分な電力が二次電池２０から供給されている場合には、通常の電力では実行できないたとえばＣＰＵ内部演算クロック数の変更を行うことでたとえば自己診断などの高負荷な機能を動作させることが可能になり、プラント操業の効率化や、伝送器自身の情報の上位システムへの伝送などが実現できる。
【００３９】
また、通常運転時にはバックライトは常時点灯とせず、何らかの信号入力時のみに点灯させるようにすることで、点灯させたいときの点灯可能時間の延長が可能となる。
【００４０】
また、たとえば電力監視制御部２１で発電素子１６からの発電量を計測することにより発電量の変化をプロセス流体の変化として解析することも可能であり、プラントの異常解析に用いることもできる。
【００４１】
図３は本発明の他の具体例を示すブロック図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図３において、伝送器３は２線式伝送路２４を介して上位システム１８との間で測定データや設定値を含む各種情報の授受を行う。上位システム１８はたとえば電源として直流電圧２４Ｖを伝送器３に供給し、伝送器３は測定信号をたとえば直流電流４〜２０ｍＡに変換して上位システム１８に伝送する。
【００４２】
図４は図１の伝送器３における内部回路の他の具体例を示すブロック図であり、図２と共通する部分には同一の符号を付けている。図２と図４の相違点は、図４では図２の伝送器機能制御部２２に接続されていた無線通信部１３を取り除き、伝送器機能制御部２２と上位システム１８側に設けられている信号変換部２５とを２線式伝送路２４を介して接続していることである。
【００４３】
図４の構成によれば、無線伝送に代えて２線式伝送路２４による有線伝送を行うことから、無線伝送の場合に想定される混信や傍受のおそれなどを根本的に解消できる。
【００４４】
さらに、電力監視制御部２１で直流電圧２４Ｖも監視し、たとえば断線など何らかの理由で伝送器３に電源が供給されなくなった場合でも、発電素子１６によって発電された電力を使ってバックライト１４を直接点灯させる構成とすることにより、伝送器３に電源が供給されなくなった状態であっても異常となった対象伝送器を現場作業者が容易に発見することができる。
【００４５】
図５も本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図４と図５の相違点は、図５では図４の各ブロックに電源を供給するために設けられていた二次電池２０を取り除き、受電充電部１９から各ブロックに電源を直接供給していることである。発電素子１６の発電電力量が十分に大きくて安定しているという条件が満たされれば、二次電池２０を取り除くことができる。
【００４６】
図６も本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図６と図３の相違点は、図６では配管１の外壁に配管１の内部に流れる測定流体の温度を測定するための温度センサ２５を設けていることである。
【００４７】
図６の構成によれば、たとえば温度センサ２５で測定するプロセスの温度と発電素子１６の発電電力量との対応関係の理論値と実測値とを比較することにより、そのシステムについて自己診断を行うことができ、システムの故障発生を予見して適切な予防措置を講じることもできる。
【００４８】
以上説明したように、本発明に基づくフィールド機器によれば、電源に関する保守作業が不要で、設置場所の制限も少ないフィールド機器を実現できる。
【符号の説明】
【００４９】
１  配管
３  伝送器
１４  表示部
１６  発電素子
１７  アンテナ
１８  上位システム
１９  受電充電部
２０  二次電池
２１  電力監視制御部
２２  伝送器機能制御部
２３  アラーム出力部
２４  ２線式伝送路
２５  信号変換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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