(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-08-29
(54)【発明の名称】フィールドデバイススイッチの監視
(51)【国際特許分類】
G05B 19/048 20060101AFI20240822BHJP
【ＦＩ】
G05B19/048
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024515917
(86)(22)【出願日】2022-05-26
(85)【翻訳文提出日】2024-03-12
(86)【国際出願番号】 US2022031058
(87)【国際公開番号】W WO2023055437
(87)【国際公開日】2023-04-06
(31)【優先権主張番号】17/488,515
(32)【優先日】2021-09-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】515231553
【氏名又は名称】ローズマウント インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ツィングスハイム、ジャスティン
(72)【発明者】
【氏名】ラロシュ、ロブ
(72)【発明者】
【氏名】ディーデ、クルト
【テーマコード（参考）】
5H220
【Ｆターム（参考）】
5H220AA01
5H220BB09
5H220CC07
5H220CX01
5H220JJ12
5H220JJ26
5H220JJ47
(57)【要約】
工業プロセスフィールドデバイス（１０２）は、アクティブコンポーネント、スイッチ（１２０）と、スイッチモニタ（１４０）、及びコントローラ（１０８）を含む。前記アクティブコンポーネントは、プロセスパラメータを感知するように構成されるセンサ、又は工業プロセスを制御するように構成される制御デバイスであってもよい。スイッチ（１２０）は、第１の端子及び第２の端子（１５３、１５４）に電気的に接続されている。スイッチモニタ（１４０）は、スイッチ（１２０）の開状態又は閉状態を検出し、第１の状態出力、第２の状態出力、又はチャタリング状態出力を生成するように構成されている。チャター防止回路（２００）は、前記チャタリング状態出力に基づいてチャター安定状態出力を出力する。コントローラ（１０８）は、スイッチ（１２０）を開状態又は閉状態に設定し、スイッチ（１２０）の現在状態及び状況の少なくとも一方を示す、前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のいずれか１つに基づく通知を生成するように構成されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
プロセスパラメータを感知するように構成されるセンサ、及び工業プロセスのプロセスを制御するように構成される制御デバイス、からなる群から選択されるアクティブコンポーネント、第１の端子及び第２の端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に接続し、開状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に切断するように構成されるスイッチ、
前記スイッチの電気的パラメータに基づいて状態出力を生成するように構成されるスイッチモニタであって、前記状態出力は、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記スイッチの前記開状態を示す第１の状態出力、前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示す第２の状態出力、及び前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示すチャタリング状態出力であり、前記チャタリング状態出力は、前記第１の状態出力と第２の状態出力とを交互に行う信号を含む、スイッチモニタ、
前記スイッチの前記閉状態を示す前記チャタリング状態出力に基づいて、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力を出力するように構成される前記スイッチモニタのチャター防止回路、及び
前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定し、前記スイッチの現在状態及び前記スイッチの状況の少なくとも一方を示す、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つに基づく通知を生成するように構成されるコントローラ、
を含む、工業プロセスのフィールドデバイス。
【請求項2】
前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力の一方は論理低電圧を含み、前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力の他方は論理高電圧を含み、
チャタリング状態の前記信号は、前記論理低電圧と前記論理高電圧との間で交番する電圧を含む、
請求項１に記載のフィールドデバイス。
【請求項3】
前記スイッチモニタは、前記スイッチの前記第１の端子と第２の端子との間の電圧差又は前記スイッチを通る電流に基づいて差動電圧を出力するように構成される差動増幅器、及び
前記差動電圧に基づいて、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャタリング状態の信号のうちの１つを出力するように構成されるコンパレータ、を含む、請求項２に記載のフィールドデバイス。
【請求項4】
前記チャター防止回路は、前記第１の状態出力に基づいて、前記第１の状態出力を実質的に反映する第１の安定状態出力を出力し、前記第２の状態出力に基づいて、前記第２の状態出力を実質的に反映する第２の安定状態出力を出力するように構成されている、請求項３に記載のフィールドデバイス。
【請求項5】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定し、前記チャター防止回路は、前記スイッチ制御信号を受信するクリア（ＣＬＲ）入力、前記状態出力を受信するクロック（ＣＬＫ）入力、及び論理高電圧を受信するＤ入力を有するＤ型のフリップフロップを備え、
前記チャター安定状態出力、前記第１の安定状態出力、及び前記第２の安定状態出力は、前記状態出力に基づいて前記フリップフロップのＱ出力において生成される、
請求項４に記載のフィールドデバイス。
【請求項6】
前記チャター防止回路は、前記Ｑ出力及び前記状態出力に接続されたＯＲゲートを含む、請求項５に記載のフィールドデバイス。
【請求項7】
前記コントローラは、前記第１の安定状態出力、前記第２の安定状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つと、前記スイッチの意図された状態を示すスイッチ設定との比較に基づいて前記通知を生成する、請求項１に記載のフィールドデバイス。
【請求項8】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定するように構成されており、前記コントローラは、前記第１の安定状態出力、前記第２の安定状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つと、前記スイッチ制御信号との比較に基づいて、前記通知を生成する、
請求項１に記載のフィールドデバイス。
【請求項9】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定するように構成されており、前記アクティブコンポーネントは、感知されたプロセスパラメータに対応するパラメータ出力を有する前記センサを含み、
前記コントローラは、前記スイッチ制御信号を使用して前記パラメータ出力に基づいて、前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定するように構成されている、
請求項１に記載のフィールドデバイス。
【請求項10】
前記センサは、圧力センサ、レベルセンサ、流量センサ、及び温度センサからなる群から選択され、デバイスは、前記パラメータ出力に基づいてパラメータ値を生成するように構成される測定回路を含み、
前記コントローラは、通信回路を使用して前記パラメータ値及び前記通知を遠隔位置に通信するように構成されている、
請求項９に記載のフィールドデバイス。
【請求項11】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を用いて前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定するように構成されており、前記アクティブコンポーネントは、アクチュエータ、弁、及びソレノイドからなる群から選択される前記制御デバイスを備え、
前記制御デバイスは、少なくとも２つの異なる状態を含み、
前記コントローラは、前記スイッチ制御信号を使用して、前記制御デバイスの前記状態に基づいて、前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定するように構成されている、
請求項１に記載のフィールドデバイス。
【請求項12】
プロセスパラメータを感知するように構成されるセンサ、及び工業プロセスのプロセスを制御するように構成される制御デバイス、からなる群から選択されるアクティブコンポーネント、第１の端子及び第２の端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に接続し、開状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に切断するように構成されるスイッチ、
前記スイッチの電気的パラメータに基づいて状態出力を生成するように構成されるスイッチモニタであって、前記状態出力は、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記スイッチの前記開状態を示す第１の状態出力、前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示す第２の状態出力、及び前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示すチャタリング状態出力であり、前記チャタリング状態出力は、前記第１の状態出力と第２の状態出力とを交互に行う信号を含む、スイッチモニタ、
前記スイッチの前記閉状態を示す前記チャタリング状態出力に基づいて、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力を出力するように構成される前記スイッチモニタのチャター防止回路、及び
前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定し、前記スイッチの現在状態及び前記スイッチの状況の少なくとも一方を示す、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つに基づく通知を生成するように構成されるコントローラ、
を含むフィールドデバイス、及び
前記第１の端子を介して前記スイッチに電気的に結合された外部デバイス、及び
前記第２の端子を介して前記スイッチに電気的に結合され、前記スイッチを介して前記外部デバイスに電力を供給するように構成される電源、を含み、
前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記外部デバイスに電力が供給され、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記外部デバイスから電力が遮断される、
工業プロセス制御システム。
【請求項13】
前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力の一方は論理低電圧を含み、前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力の他方は論理高電圧を含み、及び
チャタリング状態の前記信号は、前記論理低電圧と前記論理高電圧との間で交番する電圧を含む、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記スイッチモニタは、前記スイッチの前記第１の端子と第２の端子との間の電圧差又は前記スイッチを通る電流に基づいて差動電圧を出力するように構成される差動増幅器、及び前記差動電圧に基づいて、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャタリング状態の信号のうちの１つを出力するように構成されるコンパレータ、
を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記チャター防止回路は、前記第１の状態出力に基づいて、前記第１の状態出力を実質的に反映する第１の安定状態出力を出力し、前記第２の状態出力に基づいて、前記第２の状態出力を実質的に反映する第２の安定状態出力を出力するように構成されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定し、前記チャター防止回路は、前記スイッチ制御信号を受信するクリア（ＣＬＲ）入力、前記状態出力を受信するクロック（ＣＬＫ）入力、及び論理高電圧を受信するＤ入力を有するＤ型のフリップフロップを備え、
前記チャター安定状態出力、前記第１の安定状態出力、及び前記第２の安定状態出力は、前記状態出力に基づいて前記フリップフロップのＱ出力において生成される、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
前記チャター防止回路は、前記Ｑ出力及び前記状態出力に接続されたＯＲゲートを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
前記コントローラは、前記第１の安定状態出力、前記第２の安定状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つと、前記スイッチの意図された状態を示すスイッチ設定との比較に基づいて前記通知を生成する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項19】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定するように構成されており、前記コントローラは、前記第１の安定状態出力、前記第２の安定状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つと、前記スイッチ制御信号との比較に基づいて前記通知を生成する、
請求項１２に記載のフィールドデバイス。
【請求項20】
工業プロセスフィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法であって、工業プロセスのプロセスパラメータを感知すること、又はフィールドデバイスのアクティブコンポーネントを使用して前記工業プロセスを制御すること、
前記フィールドデバイスのコントローラによって生成されたスイッチ制御信号を使用して、前記フィールドデバイスのスイッチを、外部電源からの電力が外部デバイスから遮断されている開状態、又は、前記外部電源からの電力が前記外部デバイスに接続されている閉状態の一方に対応する現在状態に設定すること、
前記フィールドデバイスのスイッチモニタを使用して、前記スイッチの前記現在状態を示す電気的パラメータを検出すること、
前記スイッチモニタを使用して前記検出された電気的パラメータに基づいて、前記現在状態を示す状態出力を生成することであって、前記状態出力は、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記スイッチの前記開状態を示す第１の状態出力、前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示す第２の状態出力、及び前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示すチャタリング状態出力であり、前記チャタリング状態出力は、前記第１の状態出力と第２の状態出力とを交互に行う信号を含む、こと、
前記スイッチモニタのチャター防止回路を用いて、前記スイッチの前記閉状態を示す前記チャタリング状態出力に基づいて、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力を生成すること、及び
前記コントローラを使用して、前記スイッチの前記現在状態、前記スイッチの状況、及びスイッチ設定に対応する前記スイッチの意図された状態に前記状態出力が整合しているかどうか、のうちの少なくとも１つを示す、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つに基づく通知を生成すること、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の実施形態は、工業プロセス制御システムに関する。より具体的には、本開示の実施形態は、フィールドデバイスのスイッチの状態を監視するためのスイッチモニタを有する工業プロセスフィールドデバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
工業環境においては、制御システムは、工業及び化学プロセスなどの現況を監視及び制御するために使用される。典型的には、前記制御システムは、前記工業プロセス内の重要な位置に分散され、プロセス制御ループによって制御システム内の制御回路に結合された工業プロセスフィールドデバイスを使用してこれらの機能を実行する。用語「フィールドデバイス」は、工業プロセスの測定、制御、及び／又は監視に使用される、現在知られている、又はまだ知られていないすべてのデバイスを含む、分散制御又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デバイスを指す。
【0003】
典型的なフィールドデバイスは、１又は複数のセンサを使用するプロセスパラメータ監視及び測定、並びに／又は１又は複数の制御デバイスを使用するプロセス制御動作などの従来のフィールドデバイスのタスクを前記フィールドデバイスが実行することを可能にするデバイス回路を含む。例示的なセンサは、工業プロセスで使用される圧力センサ、レベルセンサ、温度センサ、及び他のセンサを含む。例示的な制御デバイスは、アクチュエータ、ソレノイド、弁、及び他の制御デバイスを含む。
【0004】
フィールドデバイスの前記デバイス回路はまた、センサ及び／又は制御デバイスを制御するために使用され、例えば４～２０ｍＡプロセス制御ループなどのプロセス制御ループを介してプロセス制御システム又は他の回路と通信するコントローラを含んでもよい。一部の設備では、前記プロセス制御ループは、調整された電流及び／又は電圧を前記フィールドデバイスに供給して前記フィールドデバイスに電力を供給するために使用される。前記プロセス制御ループはまた、感知されたプロセスパラメータに対応するプロセスパラメータ値などのデータを搬送することができる。このデータは、前記プロセス制御ループを介してアナログ信号として、又はデジタル信号として通信されてもよい。
【発明の概要】
【0005】
本開示の実施形態は、工業プロセスのフィールドデバイス、工業プロセス制御システム、及び工業プロセスフィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法を対象とする。前記フィールドデバイスの一実施形態は、アクティブコンポーネント、スイッチ、スイッチモニタ、及びコントローラ、を含む。前記アクティブコンポーネントは、プロセスパラメータを感知するように構成されるセンサ、又は前記工業プロセスのプロセスを制御するように構成される制御デバイスであってもよい。好ましくは、前記スイッチは、第１の端子及び第２の端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に接続し、開状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に切断するように構成されている。前記スイッチモニタは、前記閉状態又は開状態に対応する前記スイッチの現在状態を検出し、前記現在状態を示す状態出力を生成するように構成されている。前記状態出力は、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記スイッチの前記開状態を示す第１の状態出力、前記スイッチが前記閉状態にあり、前記スイッチが直流に接続されているときに前記スイッチの前記閉状態を示す第２の状態出力、及び前記スイッチが前記閉状態にあり、前記スイッチが交流に接続されているときに前記スイッチの前記閉状態を示すチャタリング状態出力である。前記スイッチモニタのチャター防止回路は、前記チャタリング状態出力に基づいて、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力を出力するように構成されている。前記コントローラは、前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定し、前記スイッチの前記現在状態及び／又は前記スイッチの状況を示す、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のいずれか１つに基づく通知を生成するように構成されている。
【0006】
前記工業プロセス制御システムの一実施形態は、上述のフィールドデバイス、外部デバイス、及び電源、を含む。前記外部デバイスは、前記第１の端子を介して前記スイッチと電気的に接続される。前記電源は、前記第２の端子を介して前記スイッチに電気的に結合され、前記スイッチを介して前記外部デバイスに電力を供給するように構成されている。前記スイッチが前記閉状態のときは前記外部デバイスに電力が供給され、前記スイッチが前記開状態のときは前記外部デバイスから電力が遮断される。
【0007】
前記方法の一実施形態では、工業プロセスのプロセスパラメータが感知されるか、又は前記工業プロセスが前記フィールドデバイスのアクティブコンポーネントを使用して制御される。前記フィールドデバイスのスイッチは、前記フィールドデバイスのコントローラによって生成されるスイッチ駆動信号を用いて、外部電源からの電力が前記外部デバイスから遮断される開状態、又は、前記外部電源からの電力が前記外部デバイスに接続される閉状態に対応する現在状態に設定される。前記スイッチの前記現在状態を示す電気的パラメータは、前記フィールドデバイスのスイッチモニタを使用して検出される。前記スイッチモニタを使用して、前記検出された電気的パラメータに基づいて、前記現在状態を示す状態出力が生成され、前記状態出力は、前記スイッチが前記開状態にあるときの前記スイッチの前記開状態を示す第１の状態出力、前記スイッチが前記閉状態にあり、前記電力が直流を含むときの前記スイッチの前記閉状態を示す第２の状態出力、及び前記スイッチが前記閉状態にあり、前記電力が交流を含むときの前記スイッチの前記閉状態を示すチャタリング状態出力である。前記スイッチモニタのチャター防止回路を用いて、前記スイッチの前記閉状態を示す前記チャタリング状態出力に基づいて、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力が生成される。前記コントローラを使用して、前記スイッチの前記現在状態及び／又は前記スイッチの状況を示す、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のいずれか１つに基づく通知が生成される。
【0008】
この発明の概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を簡略化した形態で紹介するために提供される。この発明の概要は、特許請求される主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることも意図していない。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本開示の実施形態による、例示的なプロセス制御システムの簡略図である。
【図2】本開示の実施形態による、例示的なプロセス制御システムの簡略図である。
【図3】本開示の実施形態による、スイッチモニタ１４０の簡略ブロック図である。
【図4】本開示の実施形態による、工業プロセスフィールドデバイスの例示的なスイッチモニタの回路図である。
【図5】本開示の実施形態による、工業プロセスフィールドデバイスの例示的なスイッチモニタの回路図である。
【図6】本開示の実施形態による、フィールドデバイスのスイッチに送達される交流電圧のチャート、及び工業プロセスフィールドデバイスの例示的なスイッチモニタによって生成される状態出力のチャートを示す。
【図7】本開示の実施形態による、監視されているスイッチがそれぞれ２０ＶＤＣ電源及び２５０ＶＡＣ電源によって電力供給されるときの、スイッチ制御信号と図３のスイッチモニタの状態出力との間の関係の一例を経時的に示すチャートである。
【図8】本開示の実施形態による、監視されているスイッチがそれぞれ２０ＶＤＣ電源及び２５０ＶＡＣ電源によって電力供給されるときの、スイッチ制御信号と図３のスイッチモニタの状態出力との間の関係の一例を経時的に示すチャートである。
【図9】本開示の実施形態による、チャター防止回路を含むスイッチ監視回路の簡略化された回路図である。
【図10】本開示の実施形態による、チャター防止回路の一例の簡略化された回路図である。
【図11】Ｄ型フリップフロップの真理値表である。
【図13】スイッチモニタ回路及びチャター防止回路の動作のシミュレーション例を示す一連のチャートである。
【図14】本開示の実施形態による、工業プロセスフィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本開示の実施形態は、添付の図面を参照して以下により完全に説明される。同一又は類似の参照符号を使用して識別される要素は、同一又は類似の要素を指す。しかしながら、本開示の様々な実施形態は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。
【0011】
本開示の実施形態は、一般に、工業プロセスフィールドデバイス、前記フィールドデバイスを含む工業プロセス制御システム、及び前記フィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法を対象とする。図１及び図２は、本開示の実施形態による、例示的なプロセス測定又は制御システム１００の簡略図である。
【0012】
システム１００は、工業プロセス１０４と相互作用してもよい工業プロセスフィールドデバイス１０２を含む。いくつかの実施形態では、プロセス１０４は、例えば、システム１００によって処理される、パイプ１０５（図１）などのパイプを介して輸送される、及び／又はタンクに収容される流体などの材料を含む。前記材料のこの処理は、一般に、前記材料をより低い価値の状態から、石油、化学物質、紙、食品などのより価値のある有用な製品に変換する。例えば、石油精製所は、原油をガソリン、燃料油、及び他の石油化学物質に加工することができる工業プロセスを実行する。
【0013】
フィールドデバイス１０２は、フィールドデバイス１０２を制御するように構成されてもよいコンピュータ化された制御ユニット１０６と通信してもよい。制御ユニット１０６は、図１に示すように、システム１００の制御室内など、前記フィールドデバイスから離れて配置されてもよい。
【0014】
制御ユニット１０６は、適切な物理通信リンク又は無線通信リンクを介してフィールドデバイス１０２に通信可能に結合されてもよい。例えば、前記制御ユニットは、制御ループ１０７を介して前記フィールドデバイスに結合されてもよい。制御ユニット１０６とフィールドデバイス１０２との間の通信は、従来のアナログ及び／又はデジタル通信プロトコルに従って制御ループ１０７を介して実行してもよい。いくつかの実施形態では、プロセス制御ループ１０７は、４～２０ミリアンペアのプロセス制御ループを含み、プロセス変数は、プロセス制御ループ１０７を通って流れるループ電流Ｉ（図２）のレベルによって表されてもよい。例示的なデジタル通信技術は、ＨＡＲＴ（登録商標）通信規格などの二線式プロセス制御ループ１０７のアナログ電流レベルに変調されるデジタル信号を含む。フィールドバス及びプロフィバス通信プロトコルを含む、他の純粋なデジタルの技法も使用してもよい。制御ユニット１０６は、制御ループ１０７を介してフィールドデバイス１０２に電力を供給する電源を含んでもよい。
【0015】
いくつかの実施形態では、フィールドデバイス１００は、図２の簡略図に示すように、コントローラ１０８、１又は複数のセンサ又は制御デバイス１１０の形態のアクティブコンポーネント、測定又は制御回路１１２、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）１１４、通信回路１１５、及び／又は端子ブロック１１６を含む。コントローラ１０８は、デバイス１００の非一時的な特許主題適格のコンピュータ可読媒体又はメモリ１１８にローカルに記憶されてもよい命令の実行に応答して、本明細書に記載の１又は複数の機能を実行するようにフィールドデバイス１００のコンポーネントを制御する１又は複数のプロセッサ（すなわち、マイクロプロセッサ、中央処理装置など）を表してもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ１０８の前記プロセッサは、１又は複数のコンピュータベースのシステムのコンポーネントである。いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、本明細書に記載の１又は複数の機能を実行するためにデバイス１００のコンポーネントを制御するために使用される、１又は複数の制御回路、マイクロプロセッサベースのシステム、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの１又は複数のプログラマブルハードウェアコンポーネントを含む。コントローラ１０８はまた、他の従来のフィールドデバイス回路を表してもよい。
【0016】
フィールドデバイス１０２は、図２のブロック１１０によって表される１又は複数のセンサを使用して、プロセス１０４の温度、レベル、圧力、流量、又は別のパラメータなどのプロセス１０４のパラメータを感知又は測定するために使用されてもよい。例示的なセンサ１１０は、圧力センサ、温度センサ、レベルセンサ、流量センサ、及び／又はプロセスパラメータを感知又は測定するために使用される他のセンサを含む。
【0017】
フィールドデバイス１００はまた、図２のブロック１１０によって表される１又は複数の制御デバイスを使用してプロセス１０４の態様を制御するように構成されてもよい。例示的な制御デバイス１１０は、プロセスを制御するためにフィールドデバイスで使用されるアクチュエータ、ソレノイド、弁、及び他の従来のプロセス制御デバイスを含む。
【0018】
測定又は制御回路１１２は、センサ又は制御デバイス１１０と相互作用する回路を表す。例えば、回路１１２は、フィールドデバイスのコントローラ１０８による使用のためにセンサ１１０からの出力を変換する測定回路を含んでもよい。ＤＡＣ１１４は、例えば、センサ１１０によって感知されたプロセスパラメータの値を示すようにループ電流Ｉを調整することによって、二線式プロセス制御ループ１０７を介してなど、通信回路１１５を使用して制御ユニット１０６に通信されるアナログ信号にデジタル信号を変換するためにコントローラ１０８によって使用されてもよい。回路１１２はまた、例えば、通信回路１１５を介してコントローラ１０８によって受信される制御ユニット１０６又は他の位置からのコマンドに応答してなど、制御デバイス１１０を制御するために使用されてもよい。
【0019】
本開示の実施形態は、スイッチ１２０を含むフィールドデバイス１０２を対象とする。スイッチ１２０は、端子ブロック１１６を介してなど、フィールドデバイス１０２の外部にある電源１２４及びデバイス１２６に電気的に結合してもよい。したがって、電源１２４及びデバイス１２６の実施形態は、フィールドデバイス１０２から分離されている。コントローラ１０８は、スイッチ１２０を制御して、電源１２４からデバイス１２６への電力を電気的に接続又は切断する。デバイス１２６の例示的な実施形態は、例えば、ポンプ、コンプレッサ、ソレノイド、又はシステム１００での使用に適し得る別のデバイスを含む。
【0020】
スイッチ１２０は、任意の適切な形態をとる場合がある。例えば、スイッチ１２０は、ラッチングリレー又は別の適切なスイッチを含んでもよい。さらに、単一のスイッチ１２０のみが示されているが、フィールドデバイス１０２は、例えば端子ブロック１１６に結合されてもよく、コントローラ１０８によってそれぞれ制御される複数のスイッチ１２０を含んでもよいことが理解される。
【0021】
いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、スイッチ１２０がデバイス１２６を電源１２４からの電力に接続する閉状態と、スイッチ１２０がデバイス１２６を電源１２４から切断する開状態との間で、スイッチ１２０を選択的に設定（すなわち、制御、作動又はトグル）する。したがって、デバイス１２６は、スイッチ１２０が閉状態に設定されている間又はそれに応答して作動されてもよく、デバイス１２６は、スイッチ１２０が開状態に設定されていることに応答して停止される。いくつかの実施形態では、スイッチ１２０の状態の前記設定は、コントローラ１０８からのスイッチ駆動又は制御信号１２８に応答して生じる。
【0022】
いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、１又は複数の設定に基づいてプロセッサ実行命令に応答して、スイッチ１２０を開状態又は閉状態のいずれかに設定するように構成されている。前記設定及びプログラムされた命令は、設定１３０としてメモリ１１８に、制御ユニット１０６のメモリに記憶されてもよく、及び／又は別の適切な場所に記憶されてもよい。設定１３０は、閾値及び／又は他のスイッチ制御パラメータなどのユーザ定義の設定を含んでもよい。
【0023】
一実施形態では、コントローラ１０８は、センサ１１０によって検出される、感知されたパラメータ（例えば、圧力、レベル、流量、温度など）に応答して、スイッチ１２０を開状態又は閉状態に設定する。例えば、コントローラ１０８は、センサ１１０からのパラメータ出力に基づいて回路１１２からの感知されたパラメータ値出力を、ユーザ定義の閾値などの設定１３０と比較し、感知されたパラメータ値が閾値に対する所定の関係を満たすときに駆動信号１２８を使用してスイッチ１２０を所定の開状態又は閉状態に設定してもよい。
【0024】
あるいは、制御ユニット１０６は、前記感知されたパラメータ値をフィールドデバイス１０２から受信し、前記感知されたパラメータ値がユーザ定義の閾値などの設定１３０に対する所定の関係を満たすときに、スイッチ１２０を所望の状態に設定するように、制御ループ１０７を介してなどコントローラ１０８にコマンドを発行してもよい。コントローラ１０８は、次に、制御ユニット１０６からの前記コマンドに応答して、スイッチ１２０を前記所望の状態に設定するための駆動信号１２８を生成する。
【0025】
一例では、フィールドデバイス１０２は、タンク内のレベルを感知し、通信回路１１５を使用して前記感知されたレベルを制御ユニット１０６に通信するレベルセンサ１１０を含んでもよい。センサ１１０によって生成されたレベル出力が、閾値（例えば、設定１３０）を下回る感知されたレベルを示すとき、コントローラ１０８は、スイッチ１２０を閉状態に設定して外部ポンプ（デバイス１２６）を作動させ、追加の材料を前記タンク内に駆動するように、制御ユニット１０６によって構成されてもよく、又は指令されてもよい。センサ１１０によって感知されたレベルが、前記タンクが満杯であることを示すものなどの別の閾値レベル（設定１３０）に達した後、コントローラ１０８は、スイッチ１２０を開いて前記ポンプを非作動にするように構成されてもよく、又は指令されてもよい。
【0026】
別の実施形態では、コントローラ１０８は、スイッチ駆動信号１２８を使用して、制御デバイス１１０の状態に応じて、スイッチ１２０を開状態又は閉状態に設定する。あるいは、制御ユニット１０６は、制御デバイス１１０の状態に基づいて、スイッチ１２０を開状態又は閉状態のいずれかに設定するようにコントローラ１０８に対してコマンドを発行してもよい。ここで、制御デバイス１１０は、例えば、弁の開状態又は閉状態、アクチュエータ又はソレノイドの位置、又は制御デバイス１１０の別の状態など、少なくとも２つの異なる状態を含む。例えば、制御デバイス１１０が弁であり、デバイス１２６がポンプであるとき、コントローラ１０８は、前記弁が開いて前記ポンプを作動させ、前記弁を通る材料の流れを駆動するときにスイッチ１２０を閉状態に設定するように構成されてもよい、又は指令されてもよく、コントローラ１０８は、前記弁が閉じて前記ポンプを停止させるときにスイッチ１２０を開位置に設定するように構成されてもよい、又は指令されてもよい。
【0027】
スイッチ１２０は、意図された開状態又は閉状態を達成することで、適切に動作することが重要である。コントローラ１０８によって設定された所望の状態に入るためのスイッチ１２０の検出されない故障は、例えば、安全上の問題、規制上の問題、プロセス品質の問題、及び他の可能性のある問題を含む、プラントの停止並びに長時間のトラブルシューティング及び修理手段につながる多重の問題につながる可能性がある。例えば、コントローラ１０８が、流体をタンクに充填するポンプ（デバイス１２６）を停止させるためにスイッチ１２０を閉状態から開状態に遷移させるために駆動信号１２８を送信するが、スイッチ１２０が開状態に遷移しない場合、前記ポンプは動作し続けることがあり、その結果、他の潜在的な問題のある結果の中でも、前記流体が前記タンクから溢れることにつながり得る。そのようなスイッチの故障は、一般に、潜在的な損害を軽減するために直ちに注意を払う必要がある。残念なことに、工業システム内のフィールドデバイス１０２を十分な手動での監視を提供して、故障した、又は故障しているスイッチ１２０を識別することは、一般に時間と費用がかかりすぎる。
【0028】
本開示によるフィールドデバイス１０２の実施形態は、フィールドデバイス１０２のスイッチ１２０が意図したように動作していることを検証するために使用されてもよいスイッチモニタ１４０（図２）を含む。スイッチモニタ１４０は、図２に示すように、例えば端子ブロック１１６を介して電源１２４及びデバイス１２６に電気的に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、直流（ＤＣ）若しくは２０～６０ＶＤＣなどのＤＣ電圧、又は交流（ＡＣ）若しくは２０～２５０ＶＡＣなどのＡＣ電圧を提供する電源１２４を取り扱うように構成されている。
【0029】
いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、スイッチ１２０の現在状態（すなわち、開又は閉）を検出（例えば、感知又は測定）し、スイッチ１２０の現在状態を示す状態出力１４２を生成するように構成されている。コントローラ１０８は、状態出力１４２に基づいて通知１４４を生成するように構成されている。通知１４４は、例えば、通信回路１１５を使用して、有線（例えば、制御ループ１０７）又は無線通信リンクを使用して制御ユニット１０６又は別の場所に送信されてもよい。
【0030】
通知１４４の実施形態は、スイッチ１２０の現在状態、及び／又はスイッチ１２０が適切に動作しているか否か（すなわち、スイッチ１２０の状況）を示す。通知１４４は、任意の適切な形態をとることができる。例示的な通知１４４は、アラーム（可聴及び／又は可視）、すなわち、制御ユニット１０６のディスプレイなどのディスプレイ上に提示されるステータスレポート、プロセス制御ループ１０７を介して配信される通信又は設定などの無線又は有線通信リンクを介したアナログ又はデジタル通信又はメッセージ、又は別の通知を含むか、又はトリガする。例えば、通知１４４は、ループ電流Ｉを所定のレベル、又は各々が異なる通知を示す複数の所定のレベルのうちの１つに設定することによって、通信回路１１５を使用して送信されてもよい。
【0031】
いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、状態出力１４２と、スイッチ駆動信号１２８に対応するスイッチの意図された状態との比較に基づいて通知１４４を生成し、これは、上述したように、感知されたパラメータ、コマンド、及び／又は制御デバイスの状態に基づいてスイッチ１２０の状態を設定する。この比較は、状態出力１４２とスイッチ駆動信号１２８とを比較し、その比較に基づいて信号１４８を出力するコンパレータ回路１４６を用いて行われてもよい。信号１４８は、スイッチ駆動信号１２８がスイッチ１２０を開状態に設定するように構成されており、状態出力１４２がスイッチ１２０が開状態にあることを示すときなど、スイッチ駆動信号１２８と状態出力１４２との間の対応関係を示してもよい。この場合、スイッチ１２０は正常に動作していると推定される。あるいは、信号１４８は、スイッチ駆動信号１２８がスイッチ１２０を開状態に設定するように構成されており、状態出力１４２がスイッチ１２０が閉状態にあることを示すときなど、スイッチ駆動信号１２８と状態出力１４２との間の競合を示してもよい。この場合、スイッチ１２０が不適切に動作していると推定される。通知１４４は、スイッチ１２０の適切な又は不適切な動作を示すために、信号１４８に応答してコントローラ１０８によって生成されてもよい。さらに、通知１４４は、スイッチ出力１４２によって示されるスイッチ１２０の現在状態、及び／又はスイッチ駆動信号１２８に対応するスイッチ１２０の意図された状態を示してもよい。
【0032】
いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、状態出力１４２とスイッチ設定１５０との比較に基づいて通知１４４を生成し、これは、例えば図２に示すようにメモリ１１８に記憶してもよい。スイッチ設定１５０は、スイッチ１２０の意図された又は所望の開状態又は閉状態を示す。したがって、スイッチ設定１５０は、一般に、スイッチ１２０の状態を設定するスイッチ駆動信号１２８に対応し、上述したように、感知されたパラメータ、制御デバイスの状態、及び／又はコマンドに基づいてもよい。コントローラ１０８は、スイッチ１２０が適切に動作していることを示すスイッチ設定１５０と状態出力１４２との間の対応関係、又はスイッチ１２０が不適切に動作していることを示すスイッチ設定１５０と状態出力１４２との間の競合があるかどうかを判定する。通知１４４は、スイッチ１２０の適切又は不適切な動作を示すためにコントローラ１０８によって生成される。さらに、通知１４４は、スイッチ出力１４２によって示されるスイッチ１２０の現在状態、及び／又はスイッチ設定１５０によって示されるスイッチ１２０の意図された状態を示してもよい。
【0033】
いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、スイッチ１２０の現在状態（すなわち、開又は閉）を示す電気的パラメータを検出（すなわち、感知又は測定）し、前記検出された電気的パラメータに基づいて状態出力１４２を生成する回路を備える。本電気的パラメータの実施形態は、スイッチ１２０にわたる電圧（ＡＣ又はＤＣ）、スイッチ１２０を通る電流（ＡＣ又はＤＣ）、又は別の適切な電気的パラメータを含む。いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、スイッチ１２０の現在状態を示す前記検出された電気的パラメータに基づいて状態出力１４２を生成する。
【0034】
いくつかの実施形態では、状態出力１４２は、２つの異なる電圧値に対応し、一方は、デジタル０値を表す固定された又は安定した論理又はデジタル低電圧であり、一方は、デジタル１値を表す固定された又は安定した論理又はデジタル高電圧である。これらの値の一方は、スイッチ１２０の開状態を表すために使用されてもよく、他方は、スイッチ１２０の閉状態を表すために使用される。この選択は、アプリケーション（例えば、常開対常閉スイッチアプリケーション）に依存し得る。本開示では、前記論理低電圧又はデジタル０値はスイッチ１２０の開状態を表すために使用され、前記論理高電圧又はデジタル１値はスイッチ１２０の閉状態を表す。
【0035】
図３は、本開示の実施形態による、スイッチモニタ１４０の簡略ブロック図である。一実施形態では、スイッチモニタ１４０は、差動１５１増幅器及びコンパレータ１５２を形成する回路を含む。前記差動増幅器は、図２に示すように、電源１２４に接続された端子ブロック１１６の端子であってもよいスイッチ１２０の端子１５３及び１５４と、付属デバイス１２６に対応する負荷とに接続され、端子１５３及び１５４間の電圧差、又はスイッチ１２０を通る電流に基づいて差動電圧１５５の出力を生成する。前記コンパレータは、一般に、前記差動増幅器からの出力を基準電圧と比較し、前記比較に基づいて状態出力１４２を生成する。
【0036】
図４及び図５は、本開示の実施形態による例示的なスイッチモニタ１４０Ａ及び１４０Ｂの回路図である。例示的なスイッチモニタ１４０Ａは、スイッチ１２０の両端の電圧（ＡＣ又はＤＣ）に基づいて状態出力１４２を生成するように構成されており、例示的なスイッチモニタ１４０Ｂは、スイッチ１２０を通る電流ＩＳ（ＡＣ又はＤＣ）に基づいて状態出力１４２（すなわち、アナログ電圧）を生成するように構成されている。スイッチモニタ１４０Ａ及び１４０Ｂは、それぞれ端子１５３及び１５４に接続されている。電源１２４は、一般に、ＡＣ又はＤＣ電圧源１５６と、端子１５３に結合された抵抗１５８とによって表される。デバイス１２６は、端子１５４及び電圧源１５６又は電気的接地／共通部に電気的に結合される。
【0037】
いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０Ａの差動増幅器１５１は、電源１２４によって供給されるＡＣ波形の負の波サイクル中にスイッチモニタ１４０Ａが動作することを可能にする電圧整流器１６０を含む。例示的な一実施形態では、整流器１６０は、ダイオード１６２及びキャパシタ１６４を含む。ダイオード１６２は、電源１２４によって生成されるＡＣ波形の負サイクル部分を遮断する。キャパシタ１６４は、ＡＣ波形の正サイクル中に充電され、ダイオード１６２が波形を遮断している間、ＡＣ波形の負サイクル中にゆっくりと減衰する。キャパシタ１６４は、ＡＣ波形の負サイクル中にＡＣ波形の正サイクル中に達成される電圧充電を実質的に維持するように適切なサイズにされる。
【0038】
差動増幅器１５１は、電源電圧Ｖｓに結合された正電源入力と、電気接地１７５に結合された負電源入力とを有する、抵抗器１６６、１６８、１７０及び１７２と、演算増幅器（オペアンプ）１７４とを含んでもよい。抵抗器１６６及び１７０と、抵抗器１６８及び１７２との比は、差動電圧出力１５５によって示される、スイッチ１２０の両端間及び端子１５３及び１５４との間の電圧差を検出するためにオペアンプ１７４の利得を設定する。抵抗器１６６、１６８、１７０及び１７２の抵抗は、高いＡＣ／ＤＣ感知電圧を低電圧状態監視回路の動作範囲内にあるレベルまで低減するために、高抵抗である。
【0039】
スイッチモニタ１４０Ａのコンパレータ１５２は、電源電圧Ｖｓに結合された正電源入力と、電気接地１７５に結合された負電源入力とを有するオペアンプ１７８を含んでもよい。オペアンプ１７８は、差動電圧出力１５５によって示されるスイッチ１２０の両端の電圧差を、抵抗器１８０及び１８２によって形成される分圧器によって設定される閾値電圧と比較し、その比較に基づいて状態出力１４２を出力する。前記閾値電圧は、スイッチ１２０によって切り替えられる電圧の範囲内にわたって正しくトリガするように調整されてもよい。後述するような追加の回路を使用して、例えば、コントローラ１０８のマイクロプロセッサによる処理の前に出力１４２を処理してもよい、又は出力１４２を絶縁してもよい。
【0040】
図６は、スイッチ１２０に送達された電源１２４からのＡＣ電圧と、図４の例示的なスイッチモニタ１４０Ａによって生成された状態出力１４２とを比較する２つのチャートを示す。期間ｔ０～ｔ１の間、スイッチ１２０は開状態にあり、スイッチ１２０の両端の電圧は、電源１２４によって供給されるＡＣ電圧を反映する。この例では、スイッチモニタ１４０Ａは、スイッチ１２０の開状態のための論理低状態出力１４２を生成する。時間ｔ１において、スイッチ１２０は閉じられている。これにより、電流がスイッチ１２０を通ってデバイス１２６に流れる。さらに、スイッチ１２０の両端の電圧は、実質的にゼロ近くに低下する。スイッチ１２０の両端の電圧のこの変化の結果、スイッチモニタ１４０Ａは論理高状態出力１４２を生成する。
【0041】
例示的なスイッチモニタ１４０Ｂ（図５）は、スイッチ１２０を通る電流ＩＳ（ＡＣ又はＤＣ）に基づいて状態出力１４２を生成するように構成されている。スイッチ１４０Ｂは、図２に示すように、例えば端子ブロック１１６の端子であってもよい端子１５３及び１５４に結合された差動増幅器１５１を含む。スイッチモニタ１４０Ｂの差動増幅器１５１は、上述のように動作するダイオード１６２及びキャパシタ１６４によって形成される回路１４０Ａの電圧整流器１６０を含んでもよい。
【0042】
スイッチモニタ１４０Ｂの差動増幅器は、抵抗器１８６、１８８、１９０及び１９２、及び電源電圧Ｖｓに結合された正電源入力と、電気接地１９５に結合された負電源入力とを有するオペアンプ１９４、を含んでもよい。抵抗器１８６及び１９０と、抵抗器１８８及び１９２との比は、スイッチ１２０と直列の抵抗器１９６の両端の電圧差を検出するためにオペアンプ１９４の利得を設定する。抵抗器１８６、１８８、１９０及び１９２の抵抗は、高いＡＣ／ＤＣ感知電圧を低電圧状態監視回路の動作範囲内にあるレベルまで低減するために、高抵抗である。オペアンプ１９４は、電流ＩＳに応答して抵抗器１９６の両端の電圧に基づいて電圧差信号１９８を出力する。
【0043】
差動増幅器１５１のオペアンプ１９４からの信号１９８は、抵抗器１９６を通る電流に比例するアナログ電圧である。抵抗器１９６の既知の値及び状態出力１４２のアナログ電圧を使用して、コンパレータ１５２は信号１９８を処理し、それを基準と比較し、対応する状態出力１４２を生成してもよく、これはコントローラ１０８によって処理してもよい。追加の回路を使用して、例えば、コントローラ１０８のマイクロプロセッサによる処理の前に出力１４２を処理してもよい、又は出力１４２を絶縁してもよい。コントローラ１０８はまた、コンパレータ１５２として動作し、抵抗器１９６の値に基づいて差動増幅器１５１からの信号１９８を処理し、電流ＩＳを決定してもよい。次に、電流ＩＳを設定と比較して、スイッチ１０２（例えば、通常開スイッチ又は通常閉スイッチ）が開状態又は閉状態にあるかどうかを判定してもよい。
【0044】
上述のスイッチモニタ１４０の実施形態は、２０～６０ＶＤＣのＤＣ電圧及び２０～２５０ＶＡＣのＡＣ電圧など、電源１２４からの広範囲の入力電圧に対して単一の検出レベル状態出力１４２を提供するように動作する。コンパレータ１５２の閾値は、（例えば、端子１５３及び１５４にわたる）スイッチ１２０の両端の電圧（例えば、２０～６０ＶＤＣ）の可能な範囲を検出するのに十分低く設定されなければならないので、スイッチモニタ１４０は、ノイズの影響及びＡＣ結合の影響を受けやすい可能性がある。この結果、スイッチ１２０が閉じている（スイッチの両端に電圧がない）ときに、所望の固定された高出力ではなく状態出力１４２のデジタル出力チャタリング（すなわち、高状態と低状態との間の継続的な切り替え）がもたらされ得る。
【0045】
チャタリング状態出力１４２が結果としてもたらされる状況の一例について、図７及び図８を参照して説明する。図７及び図８は、スイッチ１２０がそれぞれ２０ＶＤＣ電源１２４及び２５０ＶＡＣ電源１２４によって電力供給されているときの、スイッチ制御信号１２８（図２）と状態出力１４２との間の経時的な関係を示すチャートである。時間ｔ０においてスイッチ制御信号１２８が、２０ＶＤＣ電源によって電力供給されるスイッチ１２０の状態を開から閉に変化させるとき、スイッチ１２０の両端に電圧差がもはや存在せず、図７に示すように、時間ｔ１において高論理電圧（デジタル１）状態出力１４２が結果としてもたらされる。
【0046】
しかしながら、スイッチ１２０が２５０ＶＡＣ電源１２４によって電力供給されて、時間ｔ０においてスイッチ制御信号１２８がスイッチ１２０の状態を開から閉に変化させるとき、状態出力は、ノイズ（例えば、ＥＭＣ、隣接するスイッチ又は電源からのＡＣ結合など）の結果として、図８に示すように、時間ｔ１から始まって低論理電圧と高論理電圧との間でチャタリングする。状態出力１４２のこのチャタリングが発生すると、コントローラ１０８が、スイッチ１２０の状態の誤った読み取りを検出し、スイッチ故障の誤った通知１４４を発行する可能性がある。そのような誤った診断通知１４４は、プロセスのシャットダウン、故障通知を調査する時間及び費用の浪費、並びにフィールドデバイス１０２の性能の信頼性の低下などの深刻な悪影響をもたらす可能性がある。
【0047】
いくつかの実施形態では、スイッチモニタ１４０は、閉スイッチ及び特定のＡＣ電圧電力状況下でチャタリング状態出力１４２を安定させるように動作する一方で、スイッチ１２０の他の電力及び状態の状況下で状態出力１４２を一般に通過又は再生する、チャター防止回路を含む。
【0048】
この変形例は、図９の簡略化された回路図に全体的に示されている。チャター防止回路２００は、状態出力１４２を受信し、それに応答して安定状態出力１４２’を生成する。ここで、差動増幅器１５１及びコンパレータ１５２は、例えば図３～図６を参照して上述したように実質的に動作し、感知された状況に応じて状態出力１４２を生成する。安定状態出力１４２’は、図２の状態出力１４２に置き換わり、上述のように、スイッチ１２０の現在状態を判定し、通知１４４を生成するためにコントローラ１０８によって使用される。
【0049】
スイッチ１２０が開状態にあるとき、スイッチ１２０が２０～６０ＶＤＣ電源１２４に接続されているとき、又はチャタリング状態出力１４２を生成しない別のシナリオの下では、チャター防止回路２００によって生成される安定状態出力１４２’は、一般に、状態出力１４２の安定状態出力を反映する。すなわち、安定状態出力は、状態出力１４２が固定された又は安定している論理低又は論理高電圧信号のいずれかであるときの状態出力を実質的に反映する。しかしながら、スイッチ１２０が閉じられ、２５０ＶＡＣなどの２０～２５０ＶＡＣに結合され、状態出力１４２がチャタリングしているとき、チャタリング防止回路２００によって生成された安定状態出力１４２’は、スイッチ１２０の閉状態に対する予期される正しい状態信号１４２の所望の論理電圧出力（例えば、固定された高論理電圧）に対応する。結果として、チャター防止回路２００は、上述した不具合を修正し、フィールドデバイス１０２により誤診断通知１４４が発行される可能性を低減する。
【0050】
チャター防止回路２００は、多数の形態をとることができる。回路２００の一例が図１０の簡略図に示されており、Ｄ型フリップフロップ２０４が用いられている。図１１は、Ｄ型フリップフロップ２０４の真理値表である。
【0051】
図１０に示すように、フリップフロップ２０４のＤ入力は、デジタル高電圧（ＶＤＤ）にプルされる。前記スイッチモニタ１４０からの前記状態出力１４２により、前記フリップフロップ２０４のクロックピン（ＣＬＫ）が駆動する。フリップフロップ２０４のクリアピン（ＣＬＲ）は、スイッチ制御信号１２８を用いて回路２００の出力をリセットするために使用される。これにより、フリップフロップ２０４のＱ出力は、状態出力１４２において立ち上がりエッジを確認したときに高のままであることが可能になり、安定状態出力１４２’は、状態変化のたびにコントローラ１０８によって読み取られるので、パルスは、各測定の前に前記Ｑ出力を論理又はデジタル低電圧にクリアする。
【0052】
動作中、コントローラ１０８がスイッチ１２０の状態を変更するために状態制御信号１２８（例えば、電圧パルス）を発行するとき、状態制御信号１２８はまた、前記ＣＬＲ入力へのその接続に起因してフリップフロップ２０４のＱ出力をクリアする。一実施形態では、始動時に、既知の状態出力１４２を確実にするための初期リセットスイッチ制御信号１２８が生成される。
【0053】
前記Ｄ入力は論理電圧高にプルされるので、前記Ｑ出力は、状態出力１４２によって駆動される前記ＣＬＫ入力上の立ち上がりエッジの存在に基づいて低に留まるか、又は高に遷移する。図１２に示されている真理値表は、スイッチ１２０の閉状態状況及びスイッチの端子１５３及び１５４へのＡＣ電力に起因して状態出力１４２（ＣＬＫ入力）がチャタリング（図８）している場合、前記Ｑ出力が高に遷移して高のままであり、それによってチャタリングが排除され、スイッチ１２０の閉状態を示すために所望の論理高電圧が生成されることを示す。
【0054】
いくつかの実施形態では、コントローラ１０８は、スイッチ制御信号又はパルス１２８を送信した後、安定状態出力１４２’を測定する前に、スイッチモニタ１４０及びチャター防止回路２００が安定するのを可能にするために短時間待機する。
【0055】
いくつかの実施形態では、チャター防止回路は、フリップフロップ２０４からＱ出力及び状態出力１４２を受信するＯＲゲート２０６を含み、スイッチ１２０が最初に閉じられる状況の誤トリップを防止するように動作する。例えば、スイッチ１２０及びスイッチ１２０に供給される電力が最初に閉状態にある場合、状態出力１４２は論理高電圧になる。しかしながら、初期起動中、スイッチ制御信号１２８は論理低電圧へのＱ出力をクリアし得、クロック入力（ＣＬＫ）上に立ち上がりエッジは決して存在しないので、Ｑは論理低電圧のままであるが、スイッチ１２０が閉じられていることを示すためには論理高電圧でなければならない。前記Ｑ出力及び状態出力１４２をＯＲゲート２０６に供給することによって、この状況は解消され、最終安定状態出力１４２’はこの始動期間中、高のままであり、したがってスイッチ１２０の正しい状態を示す。
【0056】
図１３は、電源１２４が負荷又はデバイス１２６に接続されたスイッチ１２０の端子１５３及び１５４にＡＣ電力を供給するときのスイッチモニタ１４０及びチャター防止回路２００の動作のシミュレーション例を示す一連のチャートを含む。スイッチの閉鎖中に閾値をトリップさせるために、寄生容量及びＡＣノイズをシミュレーションに追加した。
【0057】
最初に、コントローラ１０８は、スイッチ制御信号又はパルス１２８を生成して、スイッチ１２０を開状態から閉状態に変化させる。前記スイッチのこの閉鎖は、スイッチ１２０を通る電流のプロットによって示されている。
【0058】
チャートによって示されるように、これらの事象は、チャタリングしているスイッチモニタ１４０からの状態出力１４２を結果としてもたらす。しかしながら、チャター防止回路２００が状態出力１４２のチャタリングを除去する結果、固定された安定状態出力１４２’をもたらす。別のスイッチ制御信号又はパルス１２８がコントローラ１２８によって生成された直後に、スイッチ１２０が開かれ、状態出力１４２及び安定状態出力１４２’は論理低電圧に遷移する。
【0059】
本開示のさらなる実施形態は、本明細書に記載の１又は複数の実施形態に従って形成される工業プロセスフィールドデバイス１０２を使用して外部デバイス１２６を制御する方法を対象とする。図１４は、本方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【0060】
本方法の２１０において、工業プロセス１０４のプロセスパラメータが感知されるか、又はプロセス１０４は、フィールドデバイス１０２のアクティブコンポーネント１１０を使用して制御される。したがって、前記アクティブコンポーネントは、上述したように、プロセスパラメータを感知するセンサ、又はプロセスを制御する制御デバイスの形態であってもよい。
【0061】
２１２において、フィールドデバイス１０２のスイッチ１２０は、外部電源１２４からの電力が外部デバイス１２６から切断される開状態、又は外部電源１２４からの電力が外部デバイス１２６に接続される閉状態のいずれかに対応する現在状態に設定される。いくつかの実施形態では、スイッチ１２０は、上述したように、フィールドデバイス１０２のコントローラ１０８によって生成されたスイッチ制御信号１２８に応答して現在状態に設定される。
【0062】
２１４において、フィールドデバイス１０２のスイッチモニタ１４０を使用して、スイッチ１２０の現在状態を示す電気的パラメータが検出（すなわち、感知又は測定）される。上述のように、本電気的パラメータの実施形態は、スイッチ１２０の両端の電圧（ＡＣ又はＤＣ）と、スイッチ１２０を通る電流（ＡＣ又はＤＣ）とを含む。
【0063】
２１６において、前記検出された電気的パラメータに基づく現在状態を示す状態出力１４２が、スイッチモニタ１４０を使用して生成される。状態出力１４２は、スイッチ１２０が開状態にあるときにスイッチ１２０の開状態を示す論理低電圧などの第１の状態出力、スイッチ１２０が閉状態にあり、電源１２４によって供給される電力が直流を含むときにスイッチ１２０の閉状態を示す論理高電圧などの第２の状態出力、スイッチ１２０が閉状態にあり、電力が交流を含むときのスイッチ１２０の閉状態を示すチャタリング状態出力である。
【0064】
２１８において、スイッチ１２０の閉状態を示すチャタリング状態出力に基づいて、スイッチモニタ１４０のチャター防止回路２００によって、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力１４２’が生成される。
【0065】
２２０において、コントローラ１０８を使用して、第１の状態出力、第２の状態出力、及びチャター安定状態出力のいずれか１つに基づいて、通知が生成される。これらの状態出力の各々は、状態出力１４２に基づいて、チャター防止回路２００によって生成されてもよい。上述したように、通知１４４は、スイッチ１２０の現在状態、及び／又はスイッチ１２０が適切に動作しているか否かを示してもよい。
【0066】
本開示の実施形態を好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【手続補正書】
【提出日】2024-05-08
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
プロセスパラメータを感知するように構成されるセンサ、及び工業プロセスのプロセスを制御するように構成される制御デバイス、からなる群から選択されるアクティブコンポーネント、第１の端子及び第２の端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に接続し、開状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に切断するように構成されるスイッチ、
前記スイッチの電気的パラメータに基づいて状態出力を生成するように構成されるスイッチモニタであって、前記状態出力は、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記スイッチの前記開状態を示す第１の状態出力、前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示す第２の状態出力、及び前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示すチャタリング状態出力であり、前記チャタリング状態出力は、前記第１の状態出力と第２の状態出力とを交互に行う信号を含む、スイッチモニタ、
前記スイッチの前記閉状態を示す前記チャタリング状態出力に基づいて、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力を出力するように構成される前記スイッチモニタのチャター防止回路、及び
前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定し、前記スイッチの現在状態及び前記スイッチの状況の少なくとも一方を示す、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つに基づく通知を生成するように構成されるコントローラ、
を含む、工業プロセスのフィールドデバイス。
【請求項2】
前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力の一方は論理低電圧を含み、前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力の他方は論理高電圧を含み、
チャタリング状態の前記信号は、前記論理低電圧と前記論理高電圧との間で交番する電圧を含む、
請求項１に記載のフィールドデバイス。
【請求項3】
前記スイッチモニタは、前記スイッチの前記第１の端子と第２の端子との間の電圧差又は前記スイッチを通る電流に基づいて差動電圧を出力するように構成される差動増幅器、及び
前記差動電圧に基づいて、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャタリング状態の信号のうちの１つを出力するように構成されるコンパレータ、を含む、請求項２に記載のフィールドデバイス。
【請求項4】
前記チャター防止回路は、前記第１の状態出力に基づいて、前記第１の状態出力を実質的に反映する第１の安定状態出力を出力し、前記第２の状態出力に基づいて、前記第２の状態出力を実質的に反映する第２の安定状態出力を出力するように構成されている、請求項３に記載のフィールドデバイス。
【請求項5】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定し、前記チャター防止回路は、前記スイッチ制御信号を受信するクリア（ＣＬＲ）入力、前記状態出力を受信するクロック（ＣＬＫ）入力、及び論理高電圧を受信するＤ入力を有するＤ型のフリップフロップを備え、
前記チャター安定状態出力、前記第１の安定状態出力、及び前記第２の安定状態出力は、前記状態出力に基づいて前記フリップフロップのＱ出力において生成される、
請求項４に記載のフィールドデバイス。
【請求項6】
前記チャター防止回路は、前記Ｑ出力及び前記状態出力に接続されたＯＲゲートを含む、請求項５に記載のフィールドデバイス。
【請求項7】
前記コントローラは、前記第１の安定状態出力、前記第２の安定状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つと、前記スイッチの意図された状態を示すスイッチ設定との比較に基づいて前記通知を生成する、請求項４に記載のフィールドデバイス。
【請求項8】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定するように構成されており、前記コントローラは、前記第１の安定状態出力、前記第２の安定状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つと、前記スイッチ制御信号との比較に基づいて、前記通知を生成する、
請求項４に記載のフィールドデバイス。
【請求項9】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定するように構成されており、前記アクティブコンポーネントは、感知されたプロセスパラメータに対応するパラメータ出力を有する前記センサを含み、
前記コントローラは、前記スイッチ制御信号を使用して前記パラメータ出力に基づいて、前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定するように構成されている、
請求項１に記載のフィールドデバイス。
【請求項10】
前記センサは、圧力センサ、レベルセンサ、流量センサ、及び温度センサからなる群から選択され、デバイスは、前記パラメータ出力に基づいてパラメータ値を生成するように構成される測定回路を含み、
前記コントローラは、通信回路を使用して前記パラメータ値及び前記通知を遠隔位置に通信するように構成されている、
請求項９に記載のフィールドデバイス。
【請求項11】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を用いて前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定するように構成されており、前記アクティブコンポーネントは、アクチュエータ、弁、及びソレノイドからなる群から選択される前記制御デバイスを備え、
前記制御デバイスは、少なくとも２つの異なる状態を含み、
前記コントローラは、前記スイッチ制御信号を使用して、前記制御デバイスの前記状態に基づいて、前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定するように構成されている、
請求項１に記載のフィールドデバイス。
【請求項12】
プロセスパラメータを感知するように構成されるセンサ、及び工業プロセスのプロセスを制御するように構成される制御デバイス、からなる群から選択されるアクティブコンポーネント、第１の端子及び第２の端子に電気的に結合され、閉状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に接続し、開状態にあるときに前記第１の端子及び第２の端子を電気的に切断するように構成されるスイッチ、
前記スイッチの電気的パラメータに基づいて状態出力を生成するように構成されるスイッチモニタであって、前記状態出力は、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記スイッチの前記開状態を示す第１の状態出力、前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示す第２の状態出力、及び前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示すチャタリング状態出力であり、前記チャタリング状態出力は、前記第１の状態出力と第２の状態出力とを交互に行う信号を含む、スイッチモニタ、
前記スイッチの前記閉状態を示す前記チャタリング状態出力に基づいて、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力を出力するように構成される前記スイッチモニタのチャター防止回路、及び
前記スイッチを前記開状態及び閉状態の一方に設定し、前記スイッチの現在状態及び前記スイッチの状況の少なくとも一方を示す、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つに基づく通知を生成するように構成されるコントローラ、
を含むフィールドデバイス、及び
前記第１の端子を介して前記スイッチに電気的に結合された外部デバイス、及び
前記第２の端子を介して前記スイッチに電気的に結合され、前記スイッチを介して前記外部デバイスに電力を供給するように構成される電源、を含み、
前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記外部デバイスに電力が供給され、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記外部デバイスから電力が遮断される、
工業プロセス制御システム。
【請求項13】
前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力の一方は論理低電圧を含み、前記第１の状態出力及び前記第２の状態出力の他方は論理高電圧を含み、及び
チャタリング状態の前記信号は、前記論理低電圧と前記論理高電圧との間で交番する電圧を含む、
請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記スイッチモニタは、前記スイッチの前記第１の端子と第２の端子との間の電圧差又は前記スイッチを通る電流に基づいて差動電圧を出力するように構成される差動増幅器、及び前記差動電圧に基づいて、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャタリング状態の信号のうちの１つを出力するように構成されるコンパレータ、
を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記チャター防止回路は、前記第１の状態出力に基づいて、前記第１の状態出力を実質的に反映する第１の安定状態出力を出力し、前記第２の状態出力に基づいて、前記第２の状態出力を実質的に反映する第２の安定状態出力を出力するように構成されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定し、前記チャター防止回路は、前記スイッチ制御信号を受信するクリア（ＣＬＲ）入力、前記状態出力を受信するクロック（ＣＬＫ）入力、及び論理高電圧を受信するＤ入力を有するＤ型のフリップフロップを備え、
前記チャター安定状態出力、前記第１の安定状態出力、及び前記第２の安定状態出力は、前記状態出力に基づいて前記フリップフロップのＱ出力において生成される、
請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
前記チャター防止回路は、前記Ｑ出力及び前記状態出力に接続されたＯＲゲートを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
前記コントローラは、前記第１の安定状態出力、前記第２の安定状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つと、前記スイッチの意図された状態を示すスイッチ設定との比較に基づいて前記通知を生成する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項19】
前記コントローラは、スイッチ制御信号を使用して前記スイッチを前記開状態又は閉状態に設定するように構成されており、前記コントローラは、前記第１の安定状態出力、前記第２の安定状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つと、前記スイッチ制御信号との比較に基づいて前記通知を生成する、
請求項１５に記載のフィールドデバイス。
【請求項20】
工業プロセスフィールドデバイスを使用して外部デバイスを制御する方法であって、工業プロセスのプロセスパラメータを感知すること、又はフィールドデバイスのアクティブコンポーネントを使用して前記工業プロセスを制御すること、
前記フィールドデバイスのコントローラによって生成されたスイッチ制御信号を使用して、前記フィールドデバイスのスイッチを、外部電源からの電力が外部デバイスから遮断されている開状態、又は、前記外部電源からの電力が前記外部デバイスに接続されている閉状態の一方に対応する現在状態に設定すること、
前記フィールドデバイスのスイッチモニタを使用して、前記スイッチの前記現在状態を示す電気的パラメータを検出すること、
前記スイッチモニタを使用して前記検出された電気的パラメータに基づいて、前記現在状態を示す状態出力を生成することであって、前記状態出力は、前記スイッチが前記開状態にあるときに前記スイッチの前記開状態を示す第１の状態出力、前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示す第２の状態出力、及び前記スイッチが前記閉状態にあるときに前記スイッチの前記閉状態を示すチャタリング状態出力であり、前記チャタリング状態出力は、前記第１の状態出力と第２の状態出力とを交互に行う信号を含む、こと、
前記スイッチモニタのチャター防止回路を用いて、前記スイッチの前記閉状態を示す前記チャタリング状態出力に基づいて、安定したＤＣ電圧を有するチャター安定状態出力を生成すること、及び
前記コントローラを使用して、前記スイッチの前記現在状態、前記スイッチの状況、及びスイッチ設定に対応する前記スイッチの意図された状態に前記状態出力が整合しているかどうか、のうちの少なくとも１つを示す、前記第１の状態出力、前記第２の状態出力、及び前記チャター安定状態出力のうちのいずれか１つに基づく通知を生成すること、
を含む、方法。
【国際調査報告】