(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業プロセス制御システムに使用されるフィールド装置であって、
電源出力を有する電源と、
電源によって電力が与えられるフィールド装置回路と、
フィールド装置回路を保護する保護回路と、を含み、
保護回路は、
電源出力とフィールド装置回路との間の逆極性接続に反応して、電源出力をフィールド装置回路から電気的に絶縁する逆極性保護回路と、
フィールド装置回路への電源出力を断絶する過電圧保護回路と、を含み、
過電圧保護回路は、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ及びレジスタを含み、
−第１のトランジスタは、電源出力とフィールド装置回路との間に直列に接続され、
−第２のトランジスタは、第１のトランジスタのゲートとレジスタとの間に接続され、
−第１のトランジスタのゲートは、正常動作中に、電源出力をフィールド装置回路に接続するためのレジスタを通じたグランドとの電気的接続によって引き下げられ、
−第２のトランジスタは、電源出力の電圧がしきい値を超えた場合に電流を伝導し、第１のトランジスタをオフ状態にする、フィールド装置。
【請求項２】
第１のトランジスタが、電界効果トランジスタである、請求項１記載のフィールド装置。
【請求項３】
電界効果トランジスタが、電源出力とフィールド装置回路との間に直列に連結されたドレインおよびソースを包含する、請求項２記載のフィールド装置。
【請求項４】
過電圧保護回路が、絶縁破壊電圧を有するツェナーダイオードをさらに包含し、ツェナーダイオードの全域にかかる電圧が絶縁破壊電圧を超えたときに、第２のトランジスタが、電界効果トランジスタのゲートに電圧を印加して電界効果トランジスタをオフ状態にし、それによって、電源出力をフィールド装置回路から断絶する、請求項３記載のフィールド装置。
【請求項５】
第２のトランジスタが、ツェナーダイオードと電界効果トランジスタのゲートとの間に連結される、請求項４記載のフィールド装置。
【請求項６】
逆極性保護回路が、電源出力とフィールド装置回路との間に直列に連結されたトランジスタを含む、請求項２記載のフィールド装置。
【請求項７】
フィールド装置回路が、スイッチングレギュレータを包含し、スイッチングレギュレータが保護回路に連結され、フィールド装置回路に電力を与えるように構成される、請求項１記載のフィールド装置。
【請求項８】
フィールド装置回路が、無線通信回路を包含する、請求項１記載のフィールド装置。
【請求項９】
保護回路が、フィールド装置回路に連結されたフィーチャモジュール内に保持される、請求項１記載のフィールド装置。
【請求項１０】
無線通信回路を包含し、フィールド装置が電源からの電力を独占的に使用して動作する、請求項１記載のフィールド装置。
【請求項１１】
工業プロセス制御システムに使用されるフィールド装置に適用される方法であって、
フィールド装置は、
電源出力を有する電源と、
電源によって電力が与えられるフィールド装置回路と、
フィールド装置回路を保護する保護回路と、を含み、
保護回路は、
電源出力とフィールド装置回路との間の逆極性接続に反応して、電源出力をフィールド装置回路から電気的に絶縁する逆極性保護回路と、
フィールド装置回路への電源出力を断絶する過電圧保護回路と、を含み、
過電圧保護回路は、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ及びレジスタを含み、
−第１のトランジスタが、電源出力とフィールド装置回路との間に直列に接続されることと、
−第２のトランジスタが、第１のトランジスタのゲートとレジスタとの間に接続されることと、
−逆極性保護回路が、電源が逆極性で接続された場合に、電源をフィールド装置回路から電気的に断絶することと、
−第１のトランジスタのゲートが、正常動作中に、電源出力をフィールド装置回路に接続するためのレジスタを通じたグランドとの電気的接続によって引き下げられることと、
−第２のトランジスタが、電源出力の電圧がしきい値を超えた場合に電流を伝導し、第１のトランジスタをオフ状態にすることと、
−電源出力の電圧がしきい値を超えた場合に電流を伝導し、第１のトランジスタをオフ状態にすることと、を含む方法。
【請求項１２】
しきい値の選択が、ツェナーダイオードの絶縁破壊電圧の選択によって行われる、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
電源出力からの電圧を調整するために、スイッチングレギュレータを使用してフィールド装置回路に電力を与えることを包含する、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
フィールド装置回路に電力を与えるために、スイッチングレギュレータを電源に連結することを包含する、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
フィールド装置回路と無線で通信することを包含する、請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
フィーチャモジュールをフィールド装置回路に連結することを包含する、請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
無線通信回路を使用してフィールド装置から無線通信することを包含する、請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
電源からの電力を独占的に用いてフィールド装置に電力を与えることを包含する、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は、工業プロセス制御および監視システムに関する。より具体的には、本発明は、そのようなシステムに使用する無線フィールド装置に関する。
【０００２】
工業環境では、制御および監視システムが工業および化学プロセス、ならびに同類のもののインベントリを監視および制御するために使用される。通常、制御システムは、工業プロセス内の主要な場所に分配されてプロセス制御ループによって制御室内の制御回路に連結されるフィールド装置を使用してこれらの機能を実行する。「フィールド装置」という用語は、分配された制御またはプロセス監視システムにおいて機能を実行する任意の装置を指し、工業プロセスの測定、制御および監視に使用するすべての装置を包含する。
【０００３】
フィールド装置は、さまざまな目的のためにプロセス制御および測定産業において使用される。通例、そのような装置は、フィールド用に強化された囲いを有し、これによりそれらは、比較的厳しい環境の屋外に据え付けることができ、気候学的に極端な温度、湿度、振動、機械的衝撃などに持ちこたえることが可能になる。これらの装置は、通常、比較的低電力でも動作することができる。例として、公知の４〜２０mAループからそれらの動作電力のすべてを受け取るフィールド装置が現在利用可能である。
【０００４】
一部のフィールド装置はトランスデューサを包含する。トランスデューサは、物理的入力に基づいて電気出力を生成する装置または電気入力信号に基づいて物理的出力を生成する装置のいずれかをいうものと理解される。通常、トランスデューサは、入力を、異なる形態を有する出力に変換する。トランスデューサのタイプは、多様な分析機器、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、ひずみゲージ、流量トランスミッタ、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯およびその他を包含する。
【０００５】
通常、各フィールド装置は、プロセス制御室と通信するために使用される通信回路またはプロセス制御ループを通じて通信するための他の回路も包含する。一部の据え付けでは、プロセス制御ループは、調整された電流および／または電圧をフィールド装置に送り、フィールド装置に電力を与えるためにも使用される。
【０００６】
従来、アナログフィールド装置は、各装置が単一の２線式制御ループによって制御室に接続される、２線式プロセス制御電流ループによって制御室に接続されてきた。一部のアナログフィールド装置は、電流ループを通って流れる電流を、検知したプロセス変数に比例する電流に変えることによって、制御室に信号を送信する。他のアナログフィールド装置は、ループを通る電流の大きさを制御することによって、制御室の制御下で作用を実行できる。それに加えてまたはそれに代えて、プロセス制御ループは、フィールド装置との通信に使用されるデジタル信号を伝えることができる。デジタル通信は、アナログ通信よりもはるかに大きい量の通信を可能にする。その上、デジタル装置では、各フィールド装置に個々の配線工事も必要ない。デジタル的に通信するフィールド装置は、制御室および／または他のフィールド装置と選択的に反応および通信できる。さらに、そのような装置は、追加のシグナル伝達、例えば、診断および／または警報を提供できる。
【０００７】
一部の据え付けでは、フィールド装置との通信に無線技術が使用される。無線構成では、フィールド装置の配線工事および設定が簡単になる。メッシュネットワーク型の構成を包含する多様な無線通信技法を採用できる。無線通信プロトコルの一つの例に、ＩＥＣ  ６２５９１標準規格に従うＷｉｒｅｌｅｓｓ  ＨＡＲＴ（登録商標）がある。しかしながら、無線フィールド装置は、無線フィールド装置への物理的な電気接続がないので、通常、比較的少ない電力の使用で動作する必要がある。低電力が与えられるそのような装置のコンポーネントおよびモジュールは、電源に不適切に接続された場合、またはコンポーネントもしくはモジュールの限度を超えた出力電圧を有する電源に接続された場合には破損することがある。
【０００８】
概要
工業プロセス制御システムに使用される無線フィールド装置は、電源出力を有する電源を包含する。フィールド装置は、電源出力によって電力が与えられる回路である。保護回路がフィールド装置回路を保護するように構成される。保護回路は、電源出力に連結された逆極性保護回路を包含し、この逆極性保護回路は、電源出力とフィールド装置回路との間の逆極性接続に反応して、電源出力をフィールド装置回路から電気的に絶縁する。電源出力の電圧がしきい値を超えた場合に、過電圧保護回路が電源出力をフィールド装置回路から断絶する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に従う回路を包含する無線フィールド装置を包含するプロセス制御または監視システムを示す簡略化されたブロック図である。
【図２】無線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３】先行技術の図２の逆極性保護回路の図である。
【図４】本発明の一つの態様に従う無線フィールド装置のコンポーネントを示すブロック図である。
【図５】過電圧保護回路を包含する保護回路を示す簡略化された概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明
本発明は、フィールド装置の回路を保護するための保護回路を有する無線フィールド装置を包含する。保護回路は、フィールド装置回路と電源との間の逆極性接続を防止する。保護回路はさらに、フィールド装置回路がフィールド装置回路の最大電圧を越える電圧を有する電源に連結することを防止する。
【００１１】
図１は、フィールド装置１４および１６に連結する制御室または制御システム１２を包含する一例のプロセス制御または監視システム１０を示す簡略図である。フィールド装置１４は、プロセス配管１８に連結するように示され、フィールド装置１６は、貯蔵タンク２０に連結するように示される。装置１４および１６は、プロセス制御室１２のプロセス制御回路１３に関係する、アンテナ２６からの情報を送信および／または受信するためのアンテナ２２および２４をそれぞれ包含する。装置１４および１６は、無線周波数（ＲＦ）通信リンク２８および３２を使用して制御室１２内の回路１３と通信する。フィールド装置１４および１６は、ある範囲にわたる追加の配線を必要とせずに、装置に局所電力を提供するためのコンポーネントを包含する。例として、装置１４および１６は、局所電力のための太陽電池および／またはバッテリを包含できる。
【００１２】
電力使用量を減らすために、無線フィールド装置内の多くのコンポーネントは、低電圧出力を提供する電力供給で動作するように設計される。これにより装置のエネルギー効率を改善し、装置にバッテリで電力を与える状況での動作時間が延びる。例として、一部の無線装置は、比較的低電圧の電源、例えば、７．２ボルトを使用して動作するように構成された回路を包含する。しかしながら、他の装置およびコンポーネントは、より高い電圧を使用して動作することができる。例として、「レガシー」装置は、１８ボルトから５０ボルトと同程度に高い範囲に及ぶ電力供給電圧を使用して動作するように設計できる。通常、低電圧での動作用に設計されたコンポーネントは、レガシー装置に使用される、より高い電圧に耐えることができない。既存のこれらのより高い電圧がより新しくより低い電圧用に設計されたコンポーネントに接続される可能性が潜在する。これは、低電圧コンポーネントの破損をもたらすことがある。
【００１３】
図２は、無線フィールド装置２００の一つの例であるシステム構築の簡略化されたブロック図である。装置２００は、電力モジュール２０２、装置回路２０４および保護回路２０６を包含する。電力モジュール２０２用の電源の例は、バッテリおよび充電コンデンサに加えて、電気発電機、例えば、太陽電池、機械的な電気電源なども包含する。この例では、装置回路２０４は、３ボルトスイッチングレギュレータ２１０および５ボルトスイッチングレギュレータ２１２を包含する。測定回路２１４は、工業プロセスのプロセス変数、例えば、圧力、温度などを測定するように構成され、センサ、例えば、圧力センサ、温度センサなどを包含する。デジタルエレクトロニクス２１６は、測定されたプロセス変数を受信し、そのプロセス変数を遠隔場所に通信するように構成される。例として、デジタルエレクトロニクス２１６は、無線モジュールなどを包含するマイクロプロセッサ、メモリ、通信回路などを含むことができる。
【００１４】
先行技術の構成では、保護回路２０６は、装置回路２０４が電力モジュール２０２と逆極性で接続することを防止するように構成された逆極性回路を含むことができる。電力モジュール２０２は、無線フィールド装置とともに使用される任意の好適な電源を含むことができる。電力モジュール２０２は、電源の一つの例であり、より具体的には、電力をフィールド装置に提供する能力がある内部電源であり、この場合は、フィールド装置に内部電源からの電力を独占的に与えることができる。
【００１５】
図３は、逆極性保護を提供するように構成された先行技術の保護回路２３０の簡略化されたブロック図である。保護回路２３０は、電力モジュール２０２からの電力を受け取り、図２に示すスイッチングレギュレータ２１０および２１２に電力を提供する。図３の構成では、トランジスタ２３２は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴを含む。正常動作では、端子２３４が電力モジュール２０２の正端子に接続され、端子２３６が電力モジュール２０２の負端子に接続される。この構成では、トランジスタ２３２は、ゲート・ソース間電圧が十分に大きいため、「オン」状態にある。対照的に、電力モジュール２０２が端子２３４および２３６と反対の極性で接続されたときには、トランジスタ２３２はオフになり、それによって、装置回路２０４に電圧が印加されることが防止される。これは、トランジスタ２３２のソース端子にかかる電圧がトランジスタ２３２のゲートに対して負に引かれるためである。
【００１６】
図４は、本発明に従う無線トランスミッタ３００の簡略化されたブロック図である。図２のトランスミッタ２００に示すそれらに類似するトランスミッタ３００内の要素は、それらの番号付けを維持した。図４に示すトランスミッタ３００の構成では、図２に示すトランスミッタ２００の保護回路２０６が本発明に従う保護回路３０６と置き換えられた。保護回路３０６は、逆極性保護回路３０８を使用して、先に論じたような逆極性保護を提供する。また、保護回路３０６は、過電圧保護回路３１０を使用して過電圧保護を提供する。過電圧保護回路は、装置回路２０４を破損する可能性がある電圧を有する電力モジュール２０２が装置回路２０４に連結することを防止する。
【００１７】
図５は、保護回路３０６のより詳細な図である。図３に示す保護回路２３０の要素に類似する保護回路３０６の要素は、それらの番号付けを維持した。図５の保護回路３０６では、逆極性保護回路３０８が図３に関連して先に論じたように動作する。保護回路３０６は、過電圧保護回路３１０をさらに包含する。過電圧保護回路３１０は、ＭＯＳＦＥＴ３２０、レジスタ３２２、ＰＮＰトランジスタ３２４およびツェナーダイオード３２６を包含する。
【００１８】
過電圧保護回路３１０の正常動作中、レジスタ３２２がゲートしきい値の要求を超えるように十分に低くＭＯＳＦＥＴ３２０のゲートを引くため、ＭＯＳＦＥＴ３２０は「オン」状態にある。しかしながら、端子２３４および２３６の全域に印加される電圧がツェナーダイオード３２６の全域に生じるであろう電圧を超えて、そのダイオードの絶縁破壊電圧を超える場合には、ＰＮＰトランジスタ３２４は伝導を開始する。これによりＭＯＳＦＥＴ３２０のゲートにかかる電圧が上がり、それに伝導を停止させ、「オフ」状態に入らせる。このトランジスタ３２０が伝導しないと、端子２３４および２３６の全域に印加された高い電圧がスイッチングレギュレータ２１０および２１２、またはそれに続く後装置回路２１４もしくは２１６に接続しない。これにより、印加された電圧がＭＯＳＦＥＴ３２０の定格電圧を超えない限り、装置エレクトロニクスを過電圧から保護する。さらに、正常動作中に過電圧保護回路３１０に使用されるゼロ入力電流は比較的小さく、例として、数マイクロアンペアである。ＭＯＳＦＥＴ３２０が「オフ」になるしきい値電圧は、ツェナーダイオード３２６の絶縁破壊電圧を変化させることによって調節できる。回路は、比較的低コストのコンポーネントであって、比較的小さく、そして回路基板に容易に取り付けることもできるコンポーネントを使用して実装できる。一つの構成では、保護回路３０６は、装置回路２０４に連結できる「フィーチャモジュール」に実装する。例として、フィーチャモジュールは、装置回路２０４に追加の機能性、例えば、無線通信能力を提供できる。
【００１９】
本発明を好ましい態様を参照しながら説明したが、当業者は、本発明の本質および範囲を逸することなく、形態および詳細に変化を為すことができることを認識する。先の説明は無線フィールド装置を対象とするものであるが、本発明は、配線を持つ装置に関連しても同様に使用できる。これは、他の回路に恒久的に配線された装置に加えて、他の回路に一時的にのみ配線された装置も包含する。
【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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