(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業プロセスで使用され、電力制限下で動作するフィールド装置であって、
工業プロセスのプロセス変数を測定または制御するように構成されたプロセスインタフェース要素と、
前記プロセスインタフェース要素と中央局間の通信を提供するように構成された第１の通信システムと、
前記プロセスインタフェース要素と二次要素間の通信を提供するように構成された第２の通信システムと、
前記第１及び第２の通信システムは電磁システム間結合をしており、前記第１及び第２の通信システムの一方からの信号の反転信号を前記第１及び第２の通信システムの他方へ入力し、前記第１及び第２の通信システムの他方により受信される前記第１及び第２の通信システムの一方からの電磁システム間結合を介して発生される干渉信号を低減するように構成された信号インバータとを具備し、
前記信号インバータからの前記反転信号は、前記干渉信号を反転した振幅、位相及び波形を有し、
前記第１の通信システム中の少なくともループ入力／出力回路がシングルエンド送信機として動作し、２線式プロセス制御ループはシングルエンド通信システムのデータバスからなるフィールド装置。
【請求項２】
前記第１の通信システムがローカルデータバスを含む請求項１に記載のフィールド装置。
【請求項３】
前記第２の通信システムがローカルデータバスを含む請求項１に記載のフィールド装置。
【請求項４】
前記プロセスインタフェース要素がプロセス変数センサからなる請求項１に記載のフィールド装置。
【請求項５】
前記プロセスインタフェース要素が制御要素からなる請求項１に記載のフィールド装置。
【請求項６】
前記第１および第２の通信システムのうちの少なくとも一方が無線データバスを含む請求項１に記載のフィールド装置。
【請求項７】
工業プロセスで使用されるタイプであり、電力制限下で動作するフィールド装置の使用方法であって、
要素間の通信を提供する方法は、
工業プロセスのプロセス変数を測定または制御するように構成されたプロセスインタフェース要素を介して工業プロセスとインタフェースすることと、
第１の通信システムにより第１のデータバスを経て前記プロセスインタフェース要素と中央局間でデータを通信することと、
第２の通信システムにより第２のデータバスを経て前記プロセスインタフェース要素と二次要素間でデータを通信することと、
前記第１及び第２の通信システムは電磁システム間結合をしており、前記第１及び第２のデータバスの一方上の通信信号を反転し、該反転された信号を前記第１及び第２のデータバスの他方に入力し、前記第１及び第２のデータバスの一方から前記第１及び第２のデータバスの他方への電磁システム間結合を介して発生される干渉信号を低減することを有し、
前記信号インバータからの前記反転信号は、前記干渉信号を反転した振幅、位相及び波形を有し、
前記第１の通信システム中の少なくともループ入力／出力回路は、シングルエンド送信機として動作し、２線式プロセス制御ループは、シングルエンド通信システムのデータバスからなる方法。
【請求項８】
前記第１のデータバスは、ローカルデータバスを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２のデータバスは、ローカルデータバスを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２のデータバスは、無線データバスを含む請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工業プロセスを監視または制御するのに使用されるタイプのフィールド装置に関する。特に、本発明はそのようなフィールド装置の内部データの通信に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業プロセスは、プロセス中で種々の機能を実行するまたは他の要素から物(goods)を創生するのに使用される。そのようなプロセスは、例えば、石油精製所、製造プラント、食品処理プラント、化学プラントおよび製薬プラントを含む。そのようなシステムでは、フィールド装置は、プロセスの動作を監視または制御するのに用いられる。そのような装置の一つに、プロセス変数を感知し、該感知されたプロセス変数を中央局に通信するように構成されたプロセス送信機がある。プロセス変数の例としては、流量、圧力、温度、レベル等がある。プロセスコントローラは他のフィールド装置の一例であり、該プロセスコントローラは、中央局から受信した制御信号に従って応答的にプロセス変数を制御する。該中央局との通信は、有線または無線プロセス制御ループを介して行われることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
プロセス装置は、度々、電力制限下で動作する。さらに、そのような装置は、一般的に、多数の要素を有し、これらの要素間で通信するために通信システムを使用する。制限された電力で動作する幾つかの例では、一つの通信システムは、他の通信システムで伝送されるデータと干渉(interference)を起こす場合がある。この「ノイズ」は、装置を誤動作させたり、故障を起こすことさえある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
工業プロセスで使用するフィールド装置は、プロセス変数を測定または制御するように構成されたプロセスインタフェースを含む。通信回路は、他の集中局と通信するように構成されている。通信システムは、フィールド装置中の少なくとも二つの要素間の通信を提供するように構成されている。
【発明の効果】
【０００５】
信号インバータは通信システムからの反転信号（inverted signal）を他の回路に結合し、よって、他の回路により受信される干渉を減衰させる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】工業プロセス制御または監視システムの簡略化されたブロック図である。
【図２】図１のフィールド装置を示す簡略化されたブロック図である。
【図３】第１のデータバスから第２のデータバスに侵入したノイズを示す図である。
【図４】図３と関連して示される、ノイズを削減または削除するためにインバータを使用する図である。
【図５】本発明の例示的実施形態を示す簡略化された回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明は、工業プロセス制御および監視システムに使用されるフィールド装置に関する。背景の所で説明したように、そのようなフィールド装置中の通信は、他の通信システムのような他の回路中にノイズを誘起する可能性がある。
【０００８】
図１は、工業プロセスに結合されたフィールド装置１０２を含む工業制御または監視システム１００の簡略化されたブロック図である。図１の例では、フィールド装置１０２は、プロセス流体を搬送するプロセスパイプ１０４に結合している。プロセスインタフェース要素１０８は、フィールド装置１０２がコントローラとして動作する場合にはプロセスを制御するように（例えば、バルブ等のように）構成されることができ、フィールド装置１０２がプロセス変数送信機として構成されている場合には、（例えば、温度、圧力、流量等の）プロセス変数を測定するように構成されることができる。フィールド装置１０２は、また、スタンドアロンのフィールド装置のような他のタイプのフィールド装置として、または制御要素、測定要素等の両方を含むフィールド装置として、動作させることができる。図１では、フィールド装置１０２は、プロセス制御ループ１１２を介して中央制御室（中央局）１１０に結合する。図１の例では、プロセス制御ループ１１２は、２線プロセス制御ループである。そのようなプロセス制御ループは、一般的に、ＨＡＲＴ（登録商標）デジタル通信標準、フィールドバスプロトコル等の通信標準に従って動作する。例えば、２線プロセス制御ループは、フィールド装置１０２に電力を供給するために、またフィールド装置１０２と中央局１１０間の情報を伝送するのに用いられることができる。情報は、アナログ形式で、例えば４ｍＡと２０ｍＡとの間で変化する電流レベルとして、伝送されることができる。および／または、ループ１１２を介して流れる電流を変調して形成されるデジタル信号であってもよい。他の例では、プロセス制御ループ１１２は、例えば、メッシュネットワーク型のプロトコルを含む無線通信プロトコルに従い、およびＨＡＲＴ（登録商標）無線通信プロトコルに従って動作させることができる。中央局１１０は、負荷抵抗１１８と電圧源１１６とを含むとして図示されている。典型的には、制御設備または監視設備のような他の要素は、中央局１１０の中で用いられ、オペレータによって監視されることができる。
【０００９】
図１は、また、ローカルデータバス又はローカルバス１２２（以下、「ローカルデータバス１２２」という）を介してフィールド装置１０２に結合される二次要素１２０を図示している。二次要素１２０は、フィールド装置１０２の内部または外部に設置されることができる。データバスは、適切な技術に従って作動することができる。例えば、ＣＡＮ(Control Area Network)をベースとするプロトコル、または他の市販のまたは専有のプロトコルでありうる。
【００１０】
図２はフィールド装置１０２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１０２は、プロセスインタフェース要素１０８と共に動作するように構成されたインタフェース回路１５０を含む。インタフェース回路１５０は、メモリ１５４に蓄積された命令に従って動作するマイクロプロセッサ１５２に結合している。ループ入力／出力通信回路１５６は、プロセス制御ループ１１２での通信を可能にする。図２に示されているように、フィールド装置１０２はまたローカルデータバス１２２を介してマイクロプロセッサ１５２と二次要素１２０との間の通信を行うようにするためのローカルデータバス通信回路１６０を含む。二次要素１２０は、データバス１２２を介して伝送できるデータを有するものであれば、いかなる要素であってもよく、フィールド装置１０２内、あるいはその近く、あるいはフィールド装置１０２から遠く離れた所にさえ設置されることができる。二次要素の例としては、センサ、制御要素、ディスプレイ又は他のユーザインタフェース、他のフィールド装置、付加された処理回路等が含まれる。回路１５６と１６０は、本明細書で議論される通信システム内の送信機の例である。
【００１１】
図３は、フィールド装置１９４中の二つの通信システム１９０，１９２間のインタフェースを示す簡略化されたブロック図である。図３において、第１のシングルエンド送信機２１０は、第１のデータバス２１４を介して第１のシングルエンド受信機２１２と通信する。同様に、第２のシングルエンド送信機２００は、第２のデータバス２０４を介して第２のシングルエンド受信機２０２と通信する。図３に示されているように、データバス２１４からの干渉信号は、データバス２０４上を伝送するデータ信号に付加され、データバス２０４上のデータ信号の波形に歪みを生ずる。この干渉信号は、干渉の位相（phase）に依存してデータ信号に加算あるいはデータ信号から減算されることができる。フィールド装置中にしばしば存在する低電圧レベルでは、前記干渉信号は、受信機２０２により受信されるデータにエラーを生ずる。
【００１２】
この干渉に対処し、システムの雑音排除性（noise immunity）を増強するのに使用できる技術の一つは、RS-485およびRS-422通信プロトコルに従って市販されている差分信号システム（differential signaling system）を用いるものである。そのようなシステムでは、差動送信機（differential transmitter）が、差分通信ラインに、大きさが同じで反対の極性の信号を提供する。該差分通信ラインは、平衡対として構成されている２本の導線からなり、各導線は、その長さ方向に等しいインピーダンスをもち、接地や他の回路まで等しいインピーダンスをもつ。この構成を適切に履行するには、時間、電圧レベルおよびインピーダンス特性の要件を要求するネットワーク物理層を満足する回路を必要とする。しかしながら、そのような構成は、装置の複雑さを増大し、またそのような装置を設計し製造するのに要する製造コストと時間をも増大する。
【００１３】
図４は、上記の干渉の問題に対処する本発明の一実施形態を示す簡略化されたブロック図である。図４の構成において、図３に示されているものと同じ符号は同一または同等物を示す。図４において、反転増幅器（インバータ）２２０は、シングルエンド送信機２１０の出力に結合されている。インバータ２２０は、データバス２１４上の信号を反転し、データバス２０４に反転された信号を入力するのに用いられる。該インバータ２２０は、入力された信号の振幅、位相および波形が、データバス２０４に結合されているデータバス２１４からの浮遊干渉信号を反転したものと類似又は同等にあるように構成されている。これらの２つの信号が互いに反転したものと近くなればなるほど、インバータ２２０からの反転信号のキャンセル効果は大きくなる。インバータ２２０からの出力は通信には用いられないので、該出力信号は通信システムの要請を満たすことを必要とされる。インバータ２２０からの出力は、ノイズのキャンセルのレベルを所望のレベルにするという要請を満たすことだけを必要とする。それゆえ、インバータ回路２２０は、全差動増幅器（full differential amplifier）の構成に比べて比較的簡単な設計となりうる。さらに、図４に示されている構成は、シングルエンド送信機と受信機を用いて作動するので、このシステムは上記した差動ドライバおよび受信機より複雑なものを必要としない。
【００１４】
図５は、２線プロセス制御ループ２５４に結合されたフィールド装置２５２を含む工業プロセス制御または監視システムの簡略化されたブロック図である。ループ２５４は、ループ電源２５６と負荷（又は、感知）抵抗２５８に接続されている。２線ループ２５４上を伝送されるデータは、負荷抵抗２５８をまたいで結合されたループ受信機２６０を用いて感知されることができる。
【００１５】
図５において、フィールド装置２５２はハウジングを有し、該ハウジングは２線プロセス制御ループ２５４にコンデンサ２７２を介して容量的に接続される電気的接地２７０を提供する。該フィールド装置２５２は、プロセス制御ループ２５４をインピーダンスＺ１およびＺ２に結合する共通回路２７４を含む。この回路は、データバス２８２を介して遠くの受信機２８０と通信するように構成されている。このデータバスは、ＣＡＮプロトコルに従って運用される。データバス２８２のための物理接続は、中央導体とケーブルシールド２９０とから構成される。このケーブルシールドは、ハウジング接地２７０に接続され、ケーブルコンデンサ２９２を介して中央のコネクタ（要素２８２として示されている）に容量的に接続されている。データは，信号源２９４を用いて遠くの受信機２８０に送られる。上記したように、２９４からの信号は、２線プロセス制御ループ２５４上に、負荷抵抗２５８をまたいで現れる干渉信号を誘起する可能性がある。しかしながら、本発明によれば、反転増幅器２９６が設けられており、該反転増幅器は、データバス２８２からプロセス制御ループ２５４に反転信号を結合するように形成又は手配されている。図５に示されているように、信号源２９４からの干渉信号２９８は、反転増幅器２９６からの出力によって、大きさがキャンセルまたは低減される。図５の構成において、フィールド装置２５２と遠くの受信機２８０との間の接続は、一つのデータバスを提供し、一方２線プロセス制御ループ２５４を介してのフィールド装置２５２とループ受信機２６０との間の接続は、他のデータバスを提供する。
【００１６】
本発明は好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、形式および細部において本発明を変形できることを認識するであろう。ここに記されているフィールド装置は２つのローカルデータバスのみを含むが、本発明は、いかなる数のデータバスでも動作可能であり、ここで説明した特別な構成に限定されるものではない。インバータは、適切なインバータの設計に従うことができ、例えばシンプル反転増幅器で構成してもよい。一つの例示的な構成では、データバスの一つは、フィールド装置を例えば中央制御室のような装置と結合するのに使用される２線または無線プロセス制御ループから構成することができる。そのような構成では、ローカルデータバスは、ノイズを２線または無線プロセス制御ループ中に入力することを起こしうる。同様に、２線または無線プロセス制御ループ上を伝送されるデータは、ノイズをローカルデータバスに注入することを起こしうる。
【００１７】
一方、図４に示されているシングルエンド送信機２００は、図２に示されている入力／出力回路１５６として動作する。図４は、一つのデータバスから他のデータバスへ反転信号を結合するシングルインバータ２２０を示しているが、他の例では、二つのデータバス間で反転信号を逆方向に結合する第２のインバータが用いられてもよい。いくつかの構成では、１以上のデータバスを無線データバスとすることができる。
【符号の説明】
【００１８】
１０２，１９４・・・フィールド装置、１０８・・・プロセスインタフェース、１５０・・・インタフェース回路、１５２・・・マイクロプロセッサ、１２０・・・二次要素、１２２・・・ローカルデータバス、１６０・・・ローカルデータバス回路、１５６・・・ループ入力／出力通信回路、１１２・・・プロセス制御ループ、２０４，２１４・・・データバス、２２０，２９６・・・インバータ（反転増幅器）
【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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