JP2008210384A6 - 爆発危険領域のためのａｓｉネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】所望の数のフィールドバスデバイスが単純な態様にて動作可能であってかつ供給される電力によっては伝送経路の長さが制限されることがないフィールドバスシステムを提供する。
【解決手段】特に爆発危険領域において用いられるフィールドバスシステムに関する。このフィールドバスシステムは、バスライン３を含む複数のバスラインセクション１０と前記バスラインセクションの２つのバスラインを電気隔離して、当該バスライン３の間の直流を防止しつつ当該バスラインセクション１０の間の通信信号の伝達を許容する分離素子１２と当該バスラインセクションに接続されるべきフィールドデバイスに電力供給をなす当該バスラインセクション１０に対する電力供給源１１とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、爆発危険（explosion-hazard）領域のためのASIネットワークに関する。

ASI（Actuator Sensor Interface）ネットワークとは、コントローラ（マスター）及びフィールドデバイス（スレーブ）の間の通信のためのバスシステムを伴うネットワークを意味する。ASIバスシステムは、自動化のためのビット指向のフィールドバスであり、単純なセンサ、アクチュエータ及びフィールドデバイスに接続されるのに適している。これらのセンサ、アクチュエータ、及びフィールドデバイスはコントローラと少ない数の情報ビットのみを交換し、データ通信のみならずほぼ２芯ラインを介して電力の供給も受ける。

電気的フィールドデバイスを爆発危険領域において動作せしめるために、当該素子は、特別なタイプの点弧（ignition）保護装置を含むことが要求され、これによって当該素子は点弧の危険を導かないようにする。本来的に安全なフィールドデバイスは特に有利である。なんとなれば、当該フィールドデバイスを保護する為の追加的な手段、例えば、カプセル化やシールド手段、が耐爆発性動作を確実にするためには必要とされないからである。

このようなフィールドバスシステムにおいては、バスラインに多数のフィールドデバイスを互いに並列に接続することが可能である。フィールドバスに接続されるべきフィールドデバイスは、爆発危険領域においても本質的に安全であるように設計されてはいるものの、当該バスラインを介して供給される電力は制限されて点弧を生ずるようなスパークがいずれの箇所においてもかつ常に標準に規定されたバスライン故障状態にあっても確実に生じないようにしなければならない。しかしながら、コントローラによって供給されるエネルギーは、自由に制限することは出来ない。なんとなれば、フィールドバスシステムに必要な伝送経路（ライン長）及び個々のフィールドバスデバイスに必要な最小電力が存在するからである。

爆発危険領域において用いられかつ「本来的に安全な」タイプの点弧保護を採用する公知のフィールドバスシステムは、フィールドバスのバスラインの長さを例えば１Kmに限定し、接続され得るフィールドバスデバイスの数を約１０程度に限定している。なんとなれば、電力供給量が制限されるのであまり多くのフィールドバスデバイスに電力を供給出来ないからである。

よって、本発明の目的は、所望の数のフィールドバスデバイスが単純な態様にて動作可能であってかつ供給される電力によっては伝送経路の長さが制限されることがないフィールドバスシステムを提供することである。

かかる目的は、特許請求の範囲の請求項１によって画定されているフィールドバスシステムによって達成される。

本発明の更なる有利な特徴は、従属請求項によって特定されている。

本発明による特に爆発危険領域に用いられるフィールドバスシステムにおいては、バスラインを伴うバスラインセクションの複数のみならず分離素子をも有し、この分離素子は、上記複数のバスラインセクションの２つを互いに結合せしめかつ当該２つのバスラインセクションのバスラインを直流的に分離して当該２つのバスラインセクションのバスラインの間に直流が流れるのを禁止する一方当該バスラインセクションの間の通信信号の伝送を可能にする。このフィールドバスシステムは、更に、当該バスラインセクションの各々に電力を供給する電力源を有し、これによって、バスラインセクションの各々に接続されるフィールドデバイスへの電力供給をなすのである。

かかるフィールドバスシステムは、バスラインへの最大供給電力が当該フィールドバスシステム内において動作し得るフィールドデバイスの数を制限しないという利点を有する。このことの故に、本発明によるフィールドバスシステムは、複数のバスラインセクションを有し、これらのバスラインセクションには別々に電力供給されて、個々のバスラインへの電力はその最大許容電力を超えない。よって、全供給電力が、これらのバスラインセクションを用いることによって増大して、動作し得るフィールドデバイスの数が制限されない。

バスラインには好ましくは開放端を有するバスラインセクションに対する終端インピーダンスを設けることが出来る。これらのバスラインセクションは、バスラインの始端及び終端に位置する。

更に、開放端を有するバスラインセクションの少なくとも１つに終端インピーダンスを設けることも出来る。

当該分離素子は、２つのバスラインセクションの２つのバスラインに接続され、この場合、トランス巻線を有するトランスであり得る。この場合、トランス巻線には直列にかつ対応するバスランセクションの2つのバスラインの間に分離キャパシタンスが接続される。

抑制ダイオードが、好ましくは、当該トランスの少なくとも1つのトランス巻線に並列に接続される。

当該電力供給源は、好ましくは、対応するバスラインセクションのバスラインの各々に分離インダクタンスを介して結合される。

バスラインセクションは、好ましくは、その少なくとも一部が爆発危険領域に配置されて、当該バスラインセクションの電力供給源は当該爆発危険領域の外に配置される。

更に、バスラインセクションの少なくとも１つには、接続セクションを介してコントローラに接続され得、バスラインの各々に接続されるフィールドデバイスとの通信を提供する。

バスラインセクションの複数は、好ましくは、分離素子を介して接続セクションに結合している。

バスラインセクションの複数は、分離素子に結合して、直列回路を形成する。

本発明の好ましい実施例が以下において添付図面を参照しつつ詳細に説明される。

図1は、爆発危険領域において用いられる従来のフィールドバスシステムを示している。このフィールドバスシステムは、従来のコントローラ２を含んでいる。コントローラ２は、好ましくは、爆発危険の存在しない領域Nに配置されている。図1に示されたフィールドバスシステムにおいては、通信信号と電力供給とが共に2つのバスライン3を介して複数のフィールドデバイス４に達する。これらのフィールドデバイスは、爆発危険領域E内に配置されている。コントローラ２は、通常、フィールドデバイスにデータ通信のみを提供する故、電力供給源５が、非爆発危険領域Nに設けられて電力を供給し、適当なカップラー６を介してバスライン3に電力を与える。当該電力は、バスライン３を介して爆発危険領域Eに供給されて、フィールドデバイス4はバスライン３から電力を取り込む。終端インピーダンス7がバスライン3の端部に設けられて、バスライン3における信号の反射が回避される。

しかして、爆発危険領域Eに配置されているバスライン３を介しては、限られた大きさの電力のみが伝送され、過誤動作の際に生じ得る点弧スパークの発生を回避する。よって、電力供給源５は非常に限られた大きさの電力のみをバスラインに注入し、これによって、爆発危険領域E内に配置されるバスライン3上で動作し得るフィールドデバイス4の数が制限されかつ電力供給源５と個々のフィールドデバイスの間のライン長が大きく制限される。

図2は、本発明の第1実施例であるフィールドバスシステムを示している。この実施例においては、他の実施例と同じか比較されるべき機能を呈する要素には同じ参照符号が付されている。

図1に示された従来のフィールドバスシステムにおけると同様に、図2に示されたフィールドバスシステムにおけるコントローラ2は爆発危険領域Eの外側であって、非爆発危険領域内に配置されており、フィールドバスシステムの爆発危険領域に配置された部分にカプラー６を介して接続されている。このフィールドバスシステムは、爆発危険領域Eに配置されているが爆発危険領域の外にも配置され得るバスラインセクション１０を含んでいる。いずれにしても、多数のフィールドデバイス４がバスラインセクション１０のバスライン3に接続されている。

バスラインセクション10の各々のバスライン3は、それら自身の電力供給源１１に接続されており、この電力供給源１１は、バスラインセクション１０及びこれに接続されているフィールドデバイス４に独立した電力供給をなす。この電力供給源１１は、好ましくは、複数のフィールドデバイス４への電力供給を提供するように企図されるが、単一のフィールドデバイス４に電力を供給するようになされても良い。また、バスラインセクション１０は、分離素子１２によって互いに電気隔離すなわち直流分離（galvanic isolation）されており、換言すれば、異なるバスラインセクションのバスライン３は、直流電流が流れることの出来る電気的接続をしていない、ということである。しかしながら、分離素子１２は、電気的通信信号を、当該分離素子によって隔離されているバスラインセクション１０からのバスライン３の間において伝達する。

接続セクション１４は、第１バスラインセクション１０とカプラー６との間に設けられている。接続セクション１４は、電力供給源及びフィールドデバイスが接続されておらずかつ爆発危険領域と非爆発危険領域との間の信号伝送のみに用いられるバスラインセクションを指称する。接続セクション１４と第１バスラインセクション１０とは分離素子１２によって上記したのと同様な態様によって直流分離されている。

よって、電力供給源１１は、バスラインセクション１０及びこれらに接続されたフィールドデバイス４の為の個別の電力を供給し、フィールドデバイス４の全体に供給される総電力が、爆発危険領域Eに配置されるフィールドデバイス４の動作の為に単一の電力供給源によって得られる供給電力量の数倍である。

単一のバスラインセクション１０に配置され得るフィールドデバイスの数及び対応するバスラインセクション１０のライン長は、電力供給源１１からの最大許容電力にマッチングしている。この最大許容電力は、爆発危険領域に対する条件によって支配されている。バスラインセクション１０は、互いに直流的に分離されている故、バスラインセクション１０に供給される電力量は、供給源１１によって提供される電力に限定され得る。複数のバスラインセクション１０及び接続され得る多数のフィールドデバイス４を伴うフィールドバスのライン全長は、電力供給源１１の１つによる供給電力の要求によっては制限されない。なんとなれば、互いに直流分離された所望数のバスラインセクション１０が電力供給源１１によって互いに接続されてフィールドバスシステム１を形成するからである。

図２に示された実施例においては、複数のバスラインセクション１０は、鎖（chain）状に接続されている。すなわち、これらは、縦列的に接続されかつ夫々分離素子１２によって接続され、最終のバスラインセクション１０は、終端インピーダンス７に接続されて、通信信号の妨害反射を防止している。

同様に、非爆発危険領域N内のカップラ６を第１分離素子１２に接続する接続セクション１４にも終端インピーダンス７が設けられてカップラ６における信号反射が防止される。

図３は、電力供給源１１及び分離素子１２の詳細を示している。上記した分離素子１２は、トランス２０を含み、このトランスは、分離素子１２を介して互いに接続した２つのバスラインセクション１０のバスライン３の間において通信信号を伝送する。バスラインセクション１０の２つのバスラインの間のトランス２０のトランス巻線２１及び２２の間に短絡電流（直流）が流れないことを確実にするために、分離キャパシタンス２３がトランス巻線２１，２２の各々に接続されてハイパスフィルタを形成し、同時に、バスラインセクション１０の２つのバスライン３を互いに直流的に隔離して、直流の流れるのを防止する。

更に、分離素子１２の各々には、バスラインセクション１０の２つのバスラインの間に接続した抑制ダイオード２４が設けられている。抑制ダイオード２４は、好ましくは、その一方において、分離キャパシタンス２３とトランス巻線２１、２２の直列接続との間に接続され、更に、他方において、巻線２１、２２の接続点に接続されている。全体構成として、分離素子１２は、バスラインセクション１０の各々のバスライン３の間に少なくとも１つの抑制ダイオード２４が配置されるようにバスラインセクション１０の間に設けられる。

抑制ダイオード２４は、爆発危険領域における安全のために必要であり、バスライン３における過電圧を制限するべく用いられる。

バスラインセクション１０の各々の電力供給源１１は、好ましくは、爆発危険領域Eの外側に配置されるものの、設計上、安全であれば、少なくとも１部は爆発危険領域Eの中に配置されても良い。電力供給源１１は、バスラインセクション１０の各々のバスライン３の各々に分離インダクタンス３０を介して接続されて、この分離インダクタンス３０は、バスライン３上の通信信号に対するローパスフィルタとして用いられ、更には、電力供給源１１に向かう信号伝送を抑制するために用いる。

電力供給源１１は、保護回路３１を含んでおり、この保護回路３１は、例えばワイヤリンクフューズの如きフューズ３２を有して、バスラインセクション１０の対応するバスライン３への電流量を制限している。更に、これに直列接続された抵抗が設けられ、対応するバスラインセクション１０のバスライン３に流れる電流を制限している。ツェナーダイオード３４が抵抗３３とフューズ３２の間であって２つの供給ライン１６の間に設けられて供給ライン１６の間の電圧をツェナーダイオードによって支配される電圧に制限する。

電力供給回路１１の１部としての保護回路３１は、バスラインセクション１０に供給される電圧及び電流の双方を制限することが可能であり、例えば、電力供給源１１は、誤作動の際に、供給されるエネルギー量を比較的小とすることが出来、これによって、この供給エネルギー量を爆発危険領域に存在する混合ガスの点弧エネルギーよりも小とすることが可能である。

図２に示された実施例において、接続セクション１４が対応する接続ライン１７によってかつ分離素子１２を介してバスラインセクションの１つに、適当な態様によって、結合される。図４において示された実施例においては、接続セクション１４がフィールドバスシステムとコントローラ２の間の信号伝達にのみ用いられており、電力伝達の為には用いられていない。そして、この接続セクション１４は、１又はそれ以上のバスラインセクション１０の複数の個別グループとの通信を提供するように用いられ得る。なお、バスラインセクション１０の各々は、複数のフィールドデバイス４を含んでいる。このことは、適当な分離素子１２を介して接続された複数のバスラインセクション１０は、接続セクション１４に対して並列に接続されることを意味する。よって、接続セクション１４は、コントローラとバスラインセクションの１つのグループのフィールドデバイス４との間の距離の大部分をつなぐべく設けられて、個別グループは、接続セクションの接続ライン１７によって適当な分離素子１２を介して接続されることになる。

このような回路構成は、爆発危険領域の広い範囲にわたって、電力供給が、バスラインを介してはなされず、これによって、危険が更に低減せしめられる。接続セクション１４の接続ライン１７の各々の両端部には、終端インピーダンス７が設けられる。分離素子１２に対向するバスラインセクション１０の端部は、それらの長さが例えば最大５０ｍに制限されている限り、終端インピーダンスを必要としない。反対に、接続セクション１４の接続ライン１７の長さは、従来のフィールドバスシステムの場合と同様に、２０００ｍに達し得る。なんとなれば、この長さは、爆発危険領域における電力伝達に関係する制限によっては制限されないからである。

原理上、接続セクション１４とバスラインセクション１０各々とは、１又はそれ以上の分離素子１２を用いて、１又はそれ以上の更なるバスラインセクション１０に結合し得る。

本来的に安全なフィールドデバイスを含み、爆発危険領域に用いられるフィールドバスシステムを示す回路図である。 本発明の第１実施例であるフィールドバスシステムを示す回路図である。 バスラインセクションへの電力供給部及びバスラインセクション間の直流分離の形態を示す回路図である。 本発明の第２実施例であるフィールドバスシステムを示す回路図である。

符号の説明

２ コントローラ
３ バスライン
４ フィールドデバイス
６ カップラー
７ 終端インピーダンス
１１ 電力供給源
１２ 分離素子
１６ 供給ライン
１７ 接続ライン
Ｅ 爆発危険領域
Ｎ 非爆発危険領域

Claims (9)

1. 爆発危険領域に用いられるフィールドバスシステムであって、
   バスライン（３）を有する複数のバスラインセクション（１０）と、
   前記バスラインセクションの２つを結合するものの前記バスラインセクションの２つを直流的に分離する分離素子（１２）と、
   前記バスラインセクション（１０）の各々について設けられて前記バスラインセクション（１０）の各々に接続され得るフィールドデバイスへの電力供給をなす電力供給源（１１）と、を含み、
   前記分離素子による分離によって、前記２つのバスラインセクション（１０）のバスライン（３）の間に直流が流れることを禁止する一方前記２つのバスラインセクション（１０）の間には通信信号が伝達され、
   前記複数のバスラインセクション（１０）は前記分離素子（１２）によって接続されて直列回路を形成する、ことを特徴とするフィールドバスシステム。
2. 前記バスライン（３）の端部に終端インピーダンス（７）が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のフィールドバスシステム。
3. 前記分離素子（１２）は、前記２つのバスラインセクション（１０）の２つのバスライン（３）に接続され、前記分離素子（１２）は、トランス巻線（２１、２２）を備えたトランス（２０）を含み、前記トランス巻線（２１、２２）の各々は、前記バスラインセクション（１０）の２つのバスライン（３）の間において、分離キャパシタンス（２３）に直列に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィールドバスシステム。
4. 抑制ダイオードが、前記トランス（２０）のトランスコイル（２１、２２）の少なくとも１つに並列に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のフィールドバスシステム。
5. 前記バスラインセクション（１０）の為の電力供給源（１１）は、電流及び電圧制限形であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載のフィールドバスシステム。
6. 前記電力供給源（１１）の１つ又はそれ以上は、分離インダクタンス（３０）を介して対応するバスラインセクション（１０）のバスラインの各々に結合していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載のフィールドバスシステム。
7. 前記バスラインセクション（１０）は、少なくとも１部が、爆発危険領域に配置され、前記バスラインセクション（１０）への電力供給源（１１）は前記爆発危険領域の外側に配置されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記載のフィールドバスシステム。
8. 前記バスラインセクション（１０）の少なくとも１つは、接続セクション（１４）を介してコントローラ（２）に接続されて前記バスラインセクション（１０）に接続したフィールドデバイス（４）との通信を提供することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載のフィールドバスシステム。
9. 前記バスラインセクション（１０）の複数は、前記分離素子（１２）を介して接続セクションに結合していることを特徴とする請求項８に記載のフィールドバスシステム。

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