(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィールドバスプロセス通信ループ（１８）に接続できるプロセス制御またはプロセス測定に用いられる現場装置（２０）において、
前記ループから受信されたエネルギーで該現場装置に電力を供給するために、該ループに接続できる電力モジュール（３０）と、
前記ループに接続でき、該ループを介して二方向通信するループ通信機（３２）と、
前記ループ通信機に接続されたコントローラ（３４）と、
前記ループ（１８）と前記ループ通信機（３２）と前記コントローラ（３４）とに接続され、かつ、前記ループの特性を表すループ関連パラメータとして現場装置によってループから引き込まれる瞬時の電流を測定することができるように前記ループに動作可能に接続される診断回路（３６）とを具備し、
前記コントローラ（３４）は、前記ループ関連パラメータに基づいて診断情報を提供し、前記診断回路は、前記ループ（１８）を通過するエネルギを制限する安全障壁を有する現場装置。
【請求項２】
前記ループ関連パラメータが、前記ループ上の静止ノイズレベルを含んでいる請求項１記載の現場装置。
【請求項３】
前記フィールドバスプロセス通信ループ（１８）は、FOUNDATION（登録商標）フィールドバス（Ｈ１）、Profibus（登録商標）、ControlNet、P-Net、SwiftNet、WorldFIP、Interbus-S、およびFOUNDATION（登録商標）フィールドバス高速イーサネット（Ｈ２）からなるグループから選択される請求項１記載の現場装置。
【請求項４】
前記診断回路（３６）は、前記フィールドバスプロセス通信ループに間接的に接続することが可能な請求項１記載の現場装置。
【請求項５】
前記診断回路（３６）は、現場装置中のフィールドバスプロセス通信ループのループ電圧を提供するように構成されている温度センサを含む請求項４記載の現場装置。
【請求項６】
前記コントローラ（３４）が、前記診断情報を提供するために、前記ループ関連パラメータのニューラルネットワーク解析を実行する請求項１記載の現場装置。
【請求項７】
前記コントローラ（３４）が前記診断情報を提供するために、前記ループ関連パラメータにファジー論理を実行する請求項１記載の現場装置。
【請求項８】
前記診断回路（３６）は、複数のループ関連パラメータを測定し、前記コントローラは前記ループ関連パラメータの組み合わせに基づいて診断情報を提供する請求項１記載の現場装置。
【請求項９】
前記診断回路（３６）は、複数のループ関連パラメータを測定し、該複数のループ関連パラメータの傾向に基づいて故障を予測する請求項１記載の現場装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス制御および測定産業において作動する現場装置に関する。特に、本発明は、改善された診断能力を有する現場装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセス変数送信機のような現場装置は、遠隔的にプロセス変数を感知するために多くの産業で使用されている。コントローラは、制御パラメータを加工して、プロセス中の弁のような他の現場装置に制御情報を伝送する。例えば、プロセス流体の圧力に関する情報は制御室へ伝送され、原油精製プロセス中の弁を制御するのに使用される。現場装置の他の例は、手に持てるコンフィギュレーション装置及び／又は較正装置を含む。
【０００３】
プロセス制御および測定における比較的最近の進歩の一つは、全デジタルプロセス通信プロトコルを使用するようになったことである。そのような全デジタル通信プロトコルの一例は、FOUNDATIONフィールドバスである。フィールドバスは、情報をプロセス通信ループ上に伝送するための通信レーヤまたはプロトコルを定義している。該フィールドバスプロトコルの仕様は、１９９２年にアメリカの計器学会で発表されたISA-S50.02-1992である。フィールドバスは、ミネソタ州エデンプレーリのローズマウント株式会社から入手できるFieldbus technical overview Understanding FOUNDATION（登録商標） Fieldbus Technology(1998)に記述されている。ここに使用される“フィールドバス”は、ISA-S50.02-1992仕様およびそれと同等のものに従って作動するいかなる通信プロトコル、ISA-S50.02-1992プロトコルと逆方向に両立できるプロセス通信プロトコル、および国際電子技術委員会（IEC) フィールドバス基準６１１５８に従って作動する他の基準を意味する。例えば、この特許文書の目的のために、Profibus, ControlNet, P-Net, SwiftNet, WorldFIPおよびInterbus-Sの各々が、フィールドバスと考えられる。
【０００４】
フィールドバスの利点は、１９８８年１０月に、Factory Mutual Research により発表されたクラス番号３６１０，Hazardous (Classified) ロケーション、部門１，APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I,II,AND IIIに説明されているような信号レベルと同じく比較的高速なデジタル通信を含む。固有の安全の遵守を要求する産業プロセス環境は、そのような環境は可燃性または爆発性の蒸気を含むことができるから、プロセス制御システムの電気機器および自動化のさらなる要求を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、そのようなプロセス環境で作動するプロセス通信ループは、一般的にエネルギー制限がなされている。故障状態になってもエネルギーが可燃性蒸気を発火しないように、通信ループ上のエネルギーレベルが安全なエネルギーレベル以下になるのを保証するために、多くの冗長回路が使用される。そのような環境における現場装置は、また一般に良好にエネルギーの制限がなされている。可燃環境の外側で起きる故障がしばしば爆発性流体プロセス環境内にスパークを発生しないように、可燃性プロセス環境の安全領域を通ってコントローラのような外側にある装置へ通ずるプロセス通信ループは、固有の安全障壁であるエネルギー制限障壁を通過する。故障の条件下でスパークする高レベル信号の電位をもつプロセス通信ループは、時々、可燃プロセス環境内を通る又は可燃プロセス環境内の装置に接続することを許可されない。
【０００６】
いくつかのデジタルプロセス測定装置においては、全ての現場装置は、同じデジタルプロセス通信ループを介して通信する。そのような場合に、それらが危機的になり、ループの作動に影響を与える前に問題を診断することが非常に重要である。例えば、もし一つの装置が故障し過剰のエネルギを引き込み始めたなら、プロセス通信ループ上の信号レベルは崩壊する。そして、ループを介して行われる全ての通信を停止し、システムを故障させることになるであろう。
【０００７】
フィールドバスはプロセス制御および測定の技術分野において進歩していることを立証したが、比較的故障を許容しない応用分野における全デジタル通信の本質は、フィールドバス装置に対してだけでなく一般のプロセス制御システムに対しても、診断を強化しこれを継続的に行うことを要求している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
現場装置は、デジタルプロセス制御および測定システムに関連する診断特性を測定するように構成された診断回路を含む。該測定された特性は、それを、モデルまたは履歴データによって展開された予測または予期された特性と比較することにより、該デジタルプロセス制御および測定システムの状態を示す診断出力を提供するのに使用される。前記測定された特性と前記予測された特性との間の違いによって、該プロセスの故障および／または劣化が、モニタされる特性のタイプに依存して、検出されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の実施形態が有用であるシステムを例示する図である。システム１０は、コントローラ１２，Ｉ／Ｏおよび制御サブシステム１４，固有の安全(IS）障壁１６，プロセス通信ループ１８および現場装置２０を含む。コントローラ１２は、イーサネット（登録商標）信号プロトコルまたは他の適当なプロトコルに従って作動するローカルエリアネットワーク(LAN）のような適当なリンクでありうるリンク２２を介して、Ｉ／Ｏおよび制御サブシステム１４に接続されている。Ｉ／Ｏおよび制御サブシステム１４は、プロセス通信ループ１８に接続される固有の安全障壁１６に接続され、ループ１８とＩ／Ｏおよび制御サブシステム１４間のデータ通信がそこを通過するエネルギーを制限するようにする。
【００１０】
プロセス通信ループ１８は、フィールドバスプロセス通信ループであり現場装置２０に接続されている。該現場装置２０は、図示されているように、多分岐コンフィギュレーションにおいてプロセス通信ループ１８に接続されている。図示の多分岐配線コンフィギュレーションは星形トポロジのような他のトポロジに比べてシステム配線が非常に簡単である。
【００１１】
図２は、本発明の一実施形態による現場装置２０のシステムブロック図である。装置２０は、電力モジュール３０，フィールドバスループ通信機（loop communicator）３２、コントローラ３４，および診断回路３６で構成されている。電力モジュール３０とフィールドバスループ通信機３２は端子３８（図示の２個）を介してプロセス通信ループ１８（図示されていない）に接続される。電力モジュール３０はプロセス通信ループ１８から電気エネルギーを受信し、電力を、“全部へ”と記号を付けられた矢印４０で示される現場装置２０の全ての部品に供給する。
【００１２】
フィールドバスループ通信機３２は、端子３８を介してプロセス通信ループ１８を経てデジタル的に通信するように構成されている。例えば、プロセス通信ループ１８がFOUNDATION（登録商標）フィールドバスプロトコルに従って動作する場合には、フィールドバスループ通信機３２は同様にFOUNDATION（登録商標）フィールドバスに適合するように構成されている。ループ通信機３２は、ループ１８を経てプロセス通信信号を受信し、そのような信号に基づくプロセス通信データを、コントローラ３４へ提供する。逆に、コントローラ３４は、データをループ通信機３２に提供することができる。その後、該データは、プロセス通信ループ１８を経由する通信のために、適当なプロセス通信信号に変換される。
【００１３】
診断回路３６は、コントローラ３４と、破線４２で示されているように、プロセス通信ループ１８に接続される。さらに、診断回路３６は、破線４４を介してループ通信機３２に接続される。後でより詳細に説明されるように、カップリング４２，４４は、直接カップリングであっても良いし、間接カップリングであっても良い。ここで示す“直接カップリング”は、そのパラメータを測定するために、関心のある回路に電気的に接続するいかなる診断回路も意味する。逆に、“間接カップリング”は、関心のある回路に電気的に結合せずに、関心のある回路のパラメータを測定するいかなる診断回路も意味する。カップリング４２と４４は、診断回路３６が（カップリング４２を介して）ループ１８の特性をサンプルし、（カップリング４４を介して）ループデータをサンプルするよう作動する。
【００１４】
診断回路３６は、カップリング４２を介してデジタルプロセス通信ループ１８に関連する多数のパラメータを測定する。デジタルループ１８上の種々の電圧及び電流を測定することによって、これらの種々のパラメータは確定され、または推定されることができる。好ましくは、電圧は、診断回路３６内でアナログ−デジタル変換器で測定され、それからデジタル信号はコントローラ３４へ送られる。測定に関わるループの一例は、限定なしに、ループ上の瞬間のDC電圧レベル；該ループDC電圧の長期間の変化；現場装置によりループから引き込まれる瞬間の電流；現場装置によりループから引き込まれる電流の長期間の変化；どの装置がどの信号強度をもつかに関して（これらの測定はまた現場装置２０自身からのそれらのメッセージ伝送を含む）、ループ上のメッセージのピークツピーク通信信号強度とタグ装置アドレス等による識別；ループ上の最小の信号ソースおよびその装置IDおよびアドレス；ループ上の静止ノイズレベル；およびループの特性インピーダンスを含む。
【００１５】
上記のリストに挙げた個々のループパラメータは、システムの実行可能性の示度を提供する。例えば、ループDC電圧の長期間の変化を測定することは、現場装置２０が、往々にして検知されないような時間的に比較的ゆっくりと電圧低下するのを検知することを可能にする。また、この電圧低下は、プロセス通信ループ中の劣化を示す。ピークツピーク通信信号強度を測定することにより、ふさわしい装置、バス端子のふさわしい個数、ふさわしい配線タイプおよび正確なネットワーク終端が提供される。上記のリストに挙げたネットワーク関連測定は個々に説明されているけれど、付加的な診断情報が、種々の測定を結合することにより、および／または個々の傾向分析により、または結合された測定により確定されることができる。
【００１６】
診断回路３６は、上記のパラメータの全てまたはいくつかの傾向に基づいて装置の故障を予測することができる。
【００１７】
図２に示されているように、診断回路３６は、フィールドバスループ通信機３２を介して通信されるデータにアクセスできるように、該フィールドバスループ通信機３２に結合されることができる。これに関して、診断回路３６は、多数のプロトコル関連属性を確定することが可能である。そのような属性は、限定なしに、ループ上の装置の個数；オペレータにCRCエラーの周期を知らせ、そのような周期が差し迫った危機を示すかどうか判断するCyclic Redundancy Checks (CRC)のモニタ周期；最小限の回転時間のようなループ行為データ；および現在のLink Active Scheduler (LAS)の識別を含む。
【００１８】
最後に、診断回路３６は、また現場装置２０内の電気機器の継続する健全性、あるいは不健全性を示すために、現場装置２０の装置の電子機器をモニタする静止電流と電圧の一連の値を提供することができる。
【００１９】
上記した個々のまたは結合された測定のいかなるものも、デジタルプロセス制御および測定システムのために価値のある重要なデータを提供する。そのような診断データは、プロセス通信ループまたは該プロセス通信ループに関わっている装置の問題を早期に検出する。このため、回生動作を早期にとることができ、故障を回避することができるようになる。しかし、測定された診断情報のさらなる分析は、プロセス制御および測定システムについての付加的な情報を提供する。そのような付加的な診断計算および分析は、一般にマイクロプロセッサを含むことのできるコントローラ３４で行われる。一つの実施形態では、コントローラ３４内のメモリ（図示されていない）中のソフトウェアは、図３に示されているようなニューラルネットワーク（neural network）１００のようなコントローラ３４中のニューラルネットワークを実行するのに使用される。ニューラルネットワークは一般的に知られているものであり、ネットワーク１００は、ニューラルネットワークモジュールを発展させるために、逆伝搬ネットワーク（BPN)のような既知の訓練アルゴリズムを用いて訓練されることができる。該ネットワークは、入力ノード１０２，隠れノード１０４および出力ノード１０６を含む。種々のデータ測定値Ｄ1〜Ｄnは、入力バッファとして働く入力ノード１０２に入力として提供される。入力ノード１０２は、訓練アルゴリズムに従って種々の方法で受信したデータを変形し、その出力は前記隠れノード１０４へ提供される。隠れノード１０４は、診断情報の非線形特性を特徴付けおよび分析するのに使用される。最後のノードである出力ノード１０６は、プロセス制御と測定に関係する診断情報の結果を示す出力１０８を提供する。
【００２０】
ニューラルネットワーク１００は、当該技術分野で知られているモデリングまたは経験的技術のいずれかで訓練されることができる。そこでは、実際のプロセス通信信号および情報センサが、訓練のために、ニューラルネットワーク１００への入力として使用される。
【００２１】
診断回路３６によって提供される診断データを分析する他の技術は、コントローラ３４がルール、期待結果、および感度パラメータを蓄積するルールベースシステム(rule-based system）を使用することにより行われる。
【００２２】
他の分析技術は、ファジー論理である。例えば、ファジー論理アルゴリズムは、ニューラルネットワーク１００に導入される前に、データ測定値Ｄ１〜Ｄｎに対して使用されることができる。さらに、ニューラルネットワーク１００は、ネットワークの種々のニューロンがファジーアルゴリズムを実行するファジーアルゴリズムを実行することができる。種々の分析技術は、単独であるいは組み合わせて使用されることができる。さらに、他の分析技術が、本発明の範囲内にあると考えられる。
【００２３】
上記したように、固有の安全アプリケーションは、上記した診断情報を得るために、さらなるハードルを提供する。図４は、固有の安全現場装置のための診断情報を得る試みを図示する現場装置２００のブロック図である。現場装置２０のような現場装置２００は、デジタルプロセス通信ループと装置回路２０２間に電気的に挿入されている隔離回路（図２には示されていない）を含む。隔離回路２０４は、プロセス通信ループ１８を通ることのできるエネルギーの量を制限する図１に関して説明された固有の安全障壁１６と同様の機能をする。上記のように、多くの診断パラメータがプロセス通信ループ１８上の電圧を測定することにより得られる。このため、人は、診断回路を直接ループ１８に結合する誘惑にかられるであろう。しかし、固有の安全アプリケーションにおいて、バイパス隔離回路２０４にそのように直接結合することは、無制限のエネルギーが回路２０２からループ１８へ通り、スパークを発生する副路を生成する。このため、もし診断回路２０６がループ１８に直接結合される場合には、それはそれ自身の隔離回路を含まなければならない。そのような付加的な隔離回路は、単位コストを上昇させ、さらなる電力を消耗し、現場装置内に付加ボードスペースを必要とする。しかし、認識されているように、固有の安全環境においてネットワークまたはループ特性を直接測定するためには、そのような付加的な隔離回路が要求される。
【００２４】
プロセス通信ループ１８に関連する診断情報を得る他の方法は、間接方法によるものである。上記したように、関心のあるパラメータを測定する間接方法は、関心のある回路に電気的に接続しないで行われる。フィールドバスでは、各装置は、実質的に一定の電流Ｉsegmentを引き込み、約９ボルトと約３２ボルトＤＣの間の電圧で動作する。フィールドバス通信信号は、装置が引き込まれた電流を変更することにより影響を受け、それによって通信する。図５は、典型的なフィールドバス装置に対する時間対電流Ｉrstを示す。大部分の時間の間、電流ＩはＩsegmentに等しい。しかし、時間ｔ０とｔ１の間は、電流が敏速にシフトし、フィールドバス通信が行われる。通信電流は、Ｉcommunicationと符号付けされている。分かるように、Ｉcommunicationは実質的にＩsegmentの中心にあり、ほぼゼロの直流電流をもつ。当業者は、フィールドバス装置により引き込まれた電力は一般にループ電圧（一般に９ボルトＤＣから３２ボルトＤＣの間であるが、与えられた装置では一定である）のＩsegment倍に等しい。フィールドバス信号回路は熱を発生し、フィールドバス電力とフィールドバス信号回路の熱抵抗に関連して上昇する温度で動作する。フィールドバス信号回路の設計が一度完成すると、熱抵抗は実質的に一定になる。このように、フィールドバス信号回路の動作温度は、フィールドバス装置の電力に比例する。Ｉsegmentは実質的に一定であるから、フィールドバス信号回路の温度は、大体ループ電圧に比例して上昇する温度で動作すると考えることができる。このように、そのようなフィールドバス信号回路の感知温度は、ループ電圧の示度を提供する。好ましくは、そのような感知は、信号回路から発生する熱が温度センサによって感知されるように、フィールドバス信号回路に近接している回路ボード上に配置されている温度センサの形式で行われる。該温度センサは、熱電対、サーミスタ、抵抗温度装置（ＲＴＤ）、または他の適当な温度感知要素であることができる。測定温度は、それからループ電圧を計算するのに使用され、診断パラメータの間接測定を提供する。
【００２５】
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く変更できることは認識されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】プロセス制御および測定システムのシステムブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による診断回路を組み込まれた現場装置のシステムブロック図である。
【図３】本発明の実施形態で使用される分析モジュールの説明図である。
【図４】本発明の固有安全実施形態のための診断情報を得る技術的要求を図示する現場装置のシステムブロック図である。
【図５】フィールドバス装置の電流対時間を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０……システム
１２……コントローラ
１４……Ｉ／Ｏおよび制御サブシステム
１６……固有の安全(IS）障壁
１８……プロセス通信ループ
２０……現場装置
２２……リンク
３０……電力モジュール
３２……フィールドバスループ通信機
３４……コントローラ
３６……診断回路
３８……端子
【図１】
0004583712.tif 000002
【図２】
0004583712.tif 000003
【図３】
0004583712.tif 000004
【図４】
0004583712.tif 000005
【図５】
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