JP5011395B2 - バルブを監視するための装置およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、特に産業設備における流体の流れを監視および／または制御するためのシステムおよび装置の分野に関する。特に、本発明は、産業設備におけるバルブの状態を監視するシステムおよび装置に関する。

現在の産業を取り巻く環境において、システムおよび装置は、１０年前には不可能であったと考えられていたレベルの性能が要求されている。産業界では、グローバルな競争により、工程操作、製品品質、生産高、および生産性のさらなる向上および人員の削減が以前にも増して要求されている。操作コストおよびサポートコストの削減または資本投資の中止あるいは削減を模索している工場管理者の要求を満たすべく、生産設備は以前よりさらに高度な信頼性、可用性、および保守性を発揮することが求められている。つまり、産業界では、生産パフォーマンスと安全性を向上させるための新しい方策を講じると同時に、コストを削減し新規設備および従来設備の操作寿命の伸張を図る必要がある。

センサおよびアクチュエータは、すべての工程ラインで数多く使用されている。それらすべてにおいて、データ伝送ケーブルおよび電源ケーブルが必要である。ケーブルを使用することは、設計および設置に費用がかかるだけでなく、工程ラインで多発する障害の１つとなる。それは、大部分の場合、センサとアクチュエータが可動式であったり、過酷な環境条件にさらされていたりするからである。したがって、フィールド装置のレベルでは、配線上の問題が実際に発生するのはこの箇所である。

ここ１０年の間に各種フィールドバスが導入され産業界において様々な利用がなされてきたが、上記の状況は変わっていない。センサおよびアクチュエータは、今でもスタートポロジにおいては配線を介してバス集信装置に接続される、また、デイジーチェイン構成においてバスに接続されている。しかし、配線は老朽化するにつれ、性能が低下したり障害が発生したりする。配線の検査、テスト、トラブルシュート、修理、および置換え作業は、時間、人員、および資材の面において多大な要求を招く。また、配線の障害が発生して生産が停止すると、急速なコスト上昇を招く。

流体ラインは、ほとんどすべての産業設備において幅広く用いられている。ラインにおける流体の流れは、通常、バルブにより制御されている。ボールバルブは、構造が単純で比較的低価格であるため、流体制御において重要な要素である。本願においては「ボールバルブ」という用語を使用し、また、引用例がすべてボールバルブに関しているが、本発明はこの種類のバルブにだけ限定されず、任意の産業バルブに適用できる。２００４年だけでも、２分の１インチから４インチ（１．２７ｃｍ〜１０．１６ｃｍ）の産業用ボールバルブが７千万個販売されたと推定される。１０００個以上のボールバルブを使用する典型的な工程設備も数多く存在する。工程オペレータはボールバルブの監視を強く希望し、また、その必要性を感じているが、配線と保守に伴う費用と複雑さのゆえ、産業設備で使用されているボールバルブの約８０％は、いまだに電子監視の対象になっていない。

設備で使用するほとんどすべてのボールバルブの状況を遠隔監視できれば、工程の制御は飛躍的に向上する。しかし、上記で述べたように、各バルブの状況を監視するための配線モニタボックスの設置は、多額の費用を要する。監視対象となる配線ボールバルブのそれぞれにかかる推定コストは、工程ライン設備における配線が複雑なため、米国ドルで数千ドルにも及ぶ。ボールバルブ監視装置のケーブルがダクトを通る場合またはステンレスのスチールカバーで保護しなければならない場合は、費用はさらに高くなる。場合によっては、このようなステンレススチールカバーで保護することにより費用が１０倍になることがある。このような事情により、産業界ではある監視率で妥協する傾向がある。つまり、設備内のボールバルブのうち、一般的に工程の重要部分と考えられる部分だけを監視している。

したがって、本発明の目的は、低価格でボールバルブ監視装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、費用のかかる配線および保守の必要がない監視装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、既存のバルブおよび新規のバルブに容易に設置でき、フィールドでの保守が簡単なボールバルブ監視装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、従来技術の配線ボールバルブ監視装置と比べ信頼性が向上している監視装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、同じ装置で構成される大規模ネットワークでの動作および操作が可能なボールバルブ無線監視装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、電流消費量が低く、したがって、バッテリの交換頻度が比較的低いボールバルブ無線監視装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、オペレータが、バルブ識別および状況、ソフトウエアバージョン、構成、バルブメーカ、保守情報、および操作中に受け取った記憶データなどのバルブ装置データを取り出したり、それらの装置データを近距離（ｓｈｏｒｔ ｒａｎｇｅ）からハンドヘルド装置を使用してバルブ装置に挿入したりできる手段を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、手動式バルブが作動させるときに、オペレータの識別情報をバルブ装置に挿入できる機能を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、制御ルームと交信しなくても、バルブ装置を現場で設置および校正できるオプションを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、高ノイズやリンク妨害の環境であっても、無線通信の信頼性が非常に高い自己修復型のメッシュ無線ネットワークを提供することである。

本発明のさらに別の実施例は、ボールバルブの状況に対し所望の変更が正しく実行できたことを検証する手段を提供することである。

本発明の他の目的および利点は、以下の説明の中で明らかになるであろう。

（発明の要約）
本発明は設備内のバルブを監視するネットワークシステムに関し、ネットワークシステムは（ａ）バルブに固着する複数のバルブ監視装置（Ｖａｌｖｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ：ＶＭＤ）を備え、各監視装置が（ａ．１）バルブの状況を検知するセンサと、（ａ．２）前記センサが検知した状況を送信し、検知された状況と前記装置の識別とを近距離内にある１つまたは複数のバルブ装置リーダ（Ｖａｌｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ Ｒｅａｄｅｒ：ＶＤＲ）に送信する短距離無線通信部と、（ａ．３）該装置を、バルブの正常な操作を乱すことなく、監視対象バルブに固着する機構と、（ａ．４）バルブ状況とＶＭＤ識別との送信を前記ＶＭＤから受け取り、その送信をイーサネット（登録商標）通信によりサーバへ転送する１つまたは複数のＶＤＲと、を備える。

好ましくは、短距離通信は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（Ｒ）、ＷｉＦｉ（Ｒ）、およびＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）から選択されたプロトコルを使用する。

好ましくは、システムは、選択されたＶＭＤに近づけたときに該ＶＭＤに対し短距離通信を開始して該ＶＭＤから前記状況と識別メッセージとを受け取り、複数のＶＭＤからメッセージをオプションで収集し、収集された１つまたは複数のメッセージを制御ステーションサーバへ後でダウンロードするかまたは前記短距離通信を介して１つまたは複数のＶＤＲへ送信する、１つまたは複数のハンドヘルドオペレータ装置（ＯＤ）を、さらに備える。

好ましくは、ＶＭＤは、ＶＭＤ位置と非常に近い範囲に配置された１つまたは複数の産業工程センサから状況および計測情報を受け取り、受け取った前記産業工程センサ状況および計測情報を１つまたは複数のＶＤＲへのＶＭＤ送信にさらに組み込む、低周波数（ＬＦ）トランシーバとプロトコルとを使用する超短距離（ｖｅｒｙ ｓｈｏｒｔ ｒａｎｇｅ）通信部をさらに備える。

好ましくは、低周波数超短距離通信部は２方向通信部であり、システムは、選択されたＶＭＤに近づけたときに該ＶＭＤに対し前記低周波数超短距離通信を開始してＶＭＤから前記状況および識別メッセージを受け取るハンドヘルドオペレータ装置（ＯＤ）であって、１つまたは複数のＶＭＤから該メッセージを収集し、収集された１つまたは複数のメッセージを制御ステーションのサーバへ後でダウンロードする、１つまたは複数のハンドヘルドオペレータ装置（ＯＤ）をさらに備える。

好ましくは、各ＶＭＤはバッテリで駆動する。

好ましくは、固着機構はＵ字型プロファイルを備える。

好ましくは、センサは光学式センサである。

好ましくは、センサは電位差計に基づく。

好ましくは、センサは可変コンデンサに基づく。

好ましくは、センサは、バルブステムに固着されたマグネットと該マグネット回転時にマグネットの可変磁束を計測することで角位置を計測するＶＭＤ内のホール装置とに基づく。

好ましくは、ＶＭＤによる状況送信は、定期的に、事象発生時に、またはＶＤＲを介して制御センタから送られるかまたはオペレータ装置ＯＤから送られる短距離送信による要求時に、行われる。

好ましくは、ＯＤはシングルホップトラストセンタ（ｓｉｎｇｌｅ Ｈｏｐ Ｔｒｕｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ）として動作し、ＶＭＤをシステムに加入させるか、または前記サードパーティの装置を設備ネットワークに加入させる。

好ましくは、ＯＤはシングルホップトラストセンタとして動作し、ＶＭＤ、ＶＤＲ、ＯＤまたは工程センサから選択されたサードパーティ装置をシステムに加入させる。

好ましくは、ＯＤは、ネットワークのセキュリティキーを含むノンセキュア（ｎｏｎ ｓｅｑｕｒｅ）、低送信電力、シングルホップメッセージを介して、ＶＭＤをネットワークに加入させる。

好ましくは、ＯＤは、ネットワークのセキュリティキーを含むノンセキュアな超短距離、低周波数送信によりＶＭＤをネットワークに加入させる。

好ましくは、ＯＤは、最後のキーがネットワークのセキュリティキーである超短距離可変パスワードキーを介して、サードパーティ装置をネットワークに加入させる。

好ましくは、シングルホップトラストセンタとして動作するＯＤにより承認されなければ、装置をネットワークに加入できない。

好ましくは、ＬＡＮまたは無線ＬＡＮを介してＶＤＲをイーサネット（登録商標）に直接接続する。
好ましくは、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）ネットワークアドレスに対応する所定のＩＰアドレスを使用してイーサネット（登録商標）を介してサーバ経由で各ＶＤＲにアクセスする。

本発明は、さらに、ボールバルブの状況を監視する装置に関し、該装置は（ａ）バルブの状況を検知するセンサと、（ｂ）前記センサが検知した状況を受け取り、検知したバルブの状況を前記装置の識別とともに前記短距離内にある１つまたは複数の受信装置へ送信する短距離無線通信部と、（ｃ）ボールバルブの通常の操作を妨げずに、監視対象のボールバルブへ装置を取り付ける機構と、を備える。

代表的な先行技術のボールバルブを示す図である。 本発明の実施例によるバルブ監視装置（ＶＭＤ）を含む代表的なボールバルブを示す図である。 本発明の実施例によるバルブ監視装置（ＶＭＤ）を含む代表的なボールバルブを示す図である。 ＶＭＤのブロック図である。 ＩＲ ＲＥＤとフォトダイオードを使用してバルブステムの角位置を計測する概念を示す図である。 本発明の実施例によるボールバルブの監視システムを示す図である。 本発明の実施例によるオペレータ装置を示す図である。 磁束およびバルブの角位置を計測するホール装置とバルブステムとに取り付けた回転マグネットを使用する非接触方法を示す図である。 各種無線センサがＬＦ通信によりＶＭＤと交信するマイクロネットワークを示す図である。 ＶＭＤのフローチャートを示す図である。 ＬＦ通信のシーケンス図の例を示す図である。

図１は、典型的なボールバルブ１の構造を示したもので、流体の流れ制御用として業界に普及しているボールバルブである。これらの典型的なボールバルブのサイズは、通常、２分の１インチから４インチ（１．２７ｃｍ〜１０．１６ｃｍ）である。このボールバルブは流体ラインの２つの部分の間に設置され、おもに、ＯＰＥＮ／ＣＬＯＳＥ流れスイッチとして動作する。ボールバルブ１は、おもに、中空部２、入口部３、出口部４、およびバルブを手動で開閉するためのハンドル５で構成される。上記で述べたように、従来技術では、ボールバルブの状況を監視するための無線で低価格の装置であって、しかも信頼性が高く、設置や保守が容易な装置は提供していない。さらに、従来技術では、大量の産業用ボールバルブを監視する無線手段であって、低価格で設置や保守が容易、しかも信頼性の高い手段は提供していない。

本発明はボールバルブ監視装置を提供するが、この装置は、業界で設備のボールバルブの状況を電子的に監視する場合に大きな負担となっていた従来技術の欠点をほぼ解決するものである。

本発明の１実施例によれば、短距離無線ボールバルブ監視装置（以下「ＭＤ」）を、産業設備内の流体ライン上にあるボールバルブに設置する。監視装置はアドオン（ａｄｄ−ｏｎ）装置であることが好ましく、その場合、前記バルブが動作中の場合であっても、既存の典型的なボールバルブに容易に設置できるようになっている。図２ａおよび２ｂは、このアドオン装置の２つの異なった図を示したものである。最初に、Ｕ字型のサポート要素を、１つまたは複数のネジ１３でボールバルブの既存の本体に取り付ける。監視装置１１は、サポート要素１２の上部に従来の方法で取り付ける。この方法では、サポート部１２と監視装置１１は、ボールバルブの通常操作を妨げない。バルブ監視装置（以下ＶＭＤ）１１は、ボールバルブの状況を読み取るためのセンサ（図２ａおよび２ｂでは不図示）と、ボールバルブの状況とＶＭＤの識別番号とを定期的に、または要求時あるいは事象発生時に、前記ＶＭＤの伝送範囲内の他の装置に送信する通信部（不図示）とを備えている。前記他の近距離の装置は、バルブ装置リーダ（以下の詳細な説明ではＶＤＲ）であってもよい。

本発明によれば、複数のこのような監視装置が設備内のボールバルブに設置され、ネットワークを構成する。各監視装置には無線、短距離通信部が備わっていて、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（Ｒ）、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）、またはＷｉＦｉ（Ｒ）などの短距離無線プロトコルを使用して他の装置または１つまたは複数の中央部と交信する。

以下の表は、前記３種類のプロトコルのおもな特徴を要約したものである。

本発明の目的を達成するためには、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）のプロトコルがもっとも好ましいことが分かった。ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）は無線パーソナルエリアネットワークの仕様であって、その動作周波数は８６８ＭＨｚ、９０２−９２８ＭＨｚ、および２．４ＧＨｚである。ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）を使用することで、通常の状況であれば最大１００メートル、また理想的な環境であればそれ以上物理的に離れていても、ネットワーク内の装置は最大２５０Ｋｂｐｓの速度で交信できる。ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）は、米国電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ−ＳＡ）により承認された８０２．１５．４仕様に基づいている。ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）は、デューティサイクルが低いアプリケーションで高データスループットを発揮する。そのため、ボールバルブを監視するための本発明の装置としては最適である。したがって、本発明の監視装置は低レベルの電源で動作可能であり、これが低デューティサイクルと同時に働くことで、バッテリの長寿命化に寄与している。また、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）は、ピアツーピア、スターネットワーク、およびメッシュネットワークなどの大部分のトポロジと互換性があり、単一ネットワークの装置を最大６５，０００台処理することができる。

本発明のＶＭＤにより行われるボールバルブ状況の読み取りには、さまざまな方法がある。図２ｂに示す実施の形態では、小型バルブ監視装置（ＶＭＤ）１１を、バルブの標準ＩＳＯフランジ１１３に外部から固着する。ＶＭＤはバッテリで駆動し（バッテリ寿命は通常約５年）、無線８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）２．４ＧＨｚプロトコルを使用して、ＶＭＤ１１とメッセージを無線で送受信する。ＶＭＤシャフト１１５は、ステム１６の回転をＶＭＤ１１に伝えるために、Ｕ字型ブラケット１７によりバルブステム１６に固定する。ＶＭＤ１１に対応するセンサは、ＶＭＤシャフト１１５の角位置を測定する。つまり、センサは、バルブフランジ１１３に対するステム１６の角位置を度数で測定する。

ＶＭＤは、レバー１５の動きを検知したのち、および所定の時間（たとえば１５分）ごとに、バルブの状況を報告する。ＶＭＤ装置１１には、追加センサを組み込んでもよい。このようにして、ＶＭＤの温度、ＶＭＤのバッテリ状況、および他の機能パラメータをすべてのＶＭＤメッセージとともに送信できる。

図３は、ＶＭＤ１１のブロック図の例である。角位置センサ１１１は、バルブステム１１５の角位置を測定する。プロセッサ１２３は、角位置センサ１１１が測定した角位置を受け取り、また、温度センサ（不図示）からのバルブの温度、バッテリエネルギー残量１１５、および後で詳細に説明するＬＦトランシーバ５０１（以下「ＬＦＴ」、図３では不図示）を含むＬＦ通信部１２５からの他の検知データなどの他のデータもオプションで受け取ることもできる。プロセッサ１２３が無線送信するデータをＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）プロトコルマネジャ１１６へ配信すると、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）プロトコルマネジャはそのデーを正しい順序に配列し、本技術で一般的に行われるようにプロトコルハウスキーピングバイトを追加し、また、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）バルブ装置リーダ（ＶＤＲ）（不図示）との２方向通信を管理する。ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）トランシーバ１１７は、配列済み信号を受信し、アンテナ１１８を介してＲＦ信号を送信する。また、受信信号をトランシーバ１１７のアンテナ１１８で受信し、トランシーバが信号を検出し、検出された信号をプロトコルマネジャ１１６経由でプロセッサ１２３へ送信する。

また、図２ｂでは、バルブステム１６の角位置は、様々な方法で検知できる。第１の例では、シャフト１１５を直接またはギアスプール（ｇｅａｒ ｓｐｕｒ）を介して電位差計に取り付け、前記電位差計が示す位置によりバルブステム１６の角位置の表示を行う。

さらに別の実施例では、図４に示すように、レバー１５の状況の読み取りを光学的に行うことができる。たとえば、発光ダイオード１５０からスリット１３０を介してドラム１２７へ発光し、ドラム１２７からの反射光をスリット１３０を介して通過させてフォトダイオード１５１で検出する。ドラム１２７の反射面１２８の幅は、徐々に変化する。検知装置に対する反射面１２８の幅によりドラム１２７からの反射光の量が影響を受け、したがって、レバー１５の角位置αが示される。また、反射面１２８の幅を変化させる代わりに、前記面の徐々に変化するグレーレベルを設け、位置を示すこともできる。さらに別の実施例では、軸をシャフト１１５へ取り付けた可変コンデンサにより、角位置を計測できる。

図７は、バルブステムの角位置を計測するための非接触型構成を示している。この構成では、回転するバルブステム３０２へディスクマグネット３０１を固着する。ホール効果装置３０３をＶＭＤ内部に装着する。マグネットを回転すると、ホール装置面の磁束３０６との共面が、マグネットの回転に合わせて変化する。これにより、正規の電磁回路を備えたホール効果装置３０３は、０から３６０度の範囲で絶対回転（角）位置を復号できる。ホール効果装置はプロセッサに信号３０４を出力するが、この信号は、バルブ本体に対するバルブステム３０２の角位置に比例している。このホール装置は業界では一般的な装置で、複数のベンダから入手可能である。磁束はプラスティックを通過するため、ＶＭＤ本体３０５を通して接触なしに計測できる。

図５は、システム全体のブロック図を示したものである。バルブ監視装置（ＶＭＤ）１１は、工程ラインに設置されたバルブ装置リーダ（ＶＤＲ）１８へデータを同報通信する。

図５は、本発明の実施例による、ボールバルブの状況を監視するためのシステムの全体的な構造を示したものである。システムは、複数の無線ＶＭＤ１１を備えていて、それぞれがボールバルブに接続されている。各ＶＭＤは、ＶＭＤから５０メートルを超えない範囲に設置されているバルブ読取装置（ｖａｌｖｅ ｒｅａｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）１８（以下ＶＤＲ）に対し、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）プロトコルで定期的にまたは要求発生時や事象発生時に、その状況を送信する。ＶＤＲ１８は、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）プロトコルを使用し、１つまたは複数のＶＭＤ１１と交信できる。設備内には複数のＶＤＲ１８を設置可能で、各ＶＤＲは、イーサネット（登録商標）を介してお互いに交信するかまたはゲートウエイ／パーソナルネットワークコーディネータ（ＰＡＮ）２５と交信する。各ＶＤＲ１８は有線によりサイトネットワークと接続するか、無線ＬＡＮを使用するか、または受信したメッセージを別のＶＤＲ１８に再送するルータとして別のＶＤＲ１８を使用する。

あるＶＤＲ１８と別のＶＤＲとの距離は、１００メートルを超えない方が好ましい。ＶＤＲ間の距離の伸張は、トランシーバＶＭＤと同様の要素と比較した場合、ＶＤＲ送信機のＲＦ電力が向上していること、ＶＤＲ受信機のノイズ値が良好であること、およびＶＤＲのアンテナが高利得であることによる。１台または複数のＶＤＲ１８がイーサネット（登録商標）（ＬＡＮまたは無線ＬＡＮ）を介して設備の監視局２０へ、およびゲートウエイ／コーディネータ２５とハブ１９を介してサーバ２１へ接続されている。

ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）プロトコルは、全機能装置（Ｆｕｌｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ：ＦＦＤ）と縮小機能装置（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ：ＲＦＤ）の２種類の装置を定義している。ＦＦＤにはＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）サービスの全セットが含まれていて、したがって、ネットワークのゲートウエイ／コーディネータ２５またはＶＤＲ１８に最適である。ＶＭＤは、縮小セットサービスが含まれているＲＦＤを採用する方が好ましく、それにより、各ＶＭＤの価格は大幅に低減する。

本発明によれば、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）で使用できる様々なトポロジを使用できる。使用できる最初のトポロジはスター型であって、これは、全機能装置（ＦＦＤ）を中心に構成し、この全機能装置が、受信メッセージをシステムサーバへ配信する追加ＦＦＤまたはＲＦＤの集合のハブとして動作するゲートウエイ／ＰＡＮコーディネータ２５を指定する。この場合、ゲートウエイ／ＰＡＮコーディネータ２５は無線ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）チャネルを介してメッセージを受け取り、それらのメッセージをイーサネット（登録商標）チャネルを介してシステムのサーバ２１へ再送する。すべてのＶＤＲ１８は、ケーブルまたはＷｉＦｉ（Ｒ）によりハブ（この場合ゲートウエイ／コーディネータ２５）に接続されていれば、このモードでネットワーク上で動作できる。しかし、すべてのネットワークルーティング表を格納するＰＡＮコーディネータ２５として動作できるのは、１台のＶＤＲ１８だけである。

使用できる第２のトポロジは指定ネットワークコーディネータ２５が直接関与しなくてもピアツーピア通信を可能にするトポロジであるが、ルーティング表を格納するためにネットワーク内のどこかにＰＡＮコーディネータ２５が必要になる。このトポロジによりネットワークケーブルの敷設が困難である場所に無線ＶＤＲ１８を設置することが可能になり（ただし、リーダにはローカル電源からＤＣ電源を供給する必要がある）、また、ＶＤＲ１８は、各種ＶＭＤ１１からの受信メッセージを、ハブ１９に接続されている１つまたは複数のＶＤＲ１８へ、ルーティング表に従ってＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）無線チャネルを介して再送する。

本発明では、複数の同時送信が発生する可能性がある場合には、無駄な衝突を避けるために各ネットワーク装置はキャリア検出多重アクセス衝突回避（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ−Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ：ＣＳＭＡ−ＣＡ）プロトコルを、使用ネットワークタイプに関係なく、採用することが好ましい。

ＣＳＭＡ−ＣＡプロトコルは、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ） ＲＦチャネルの共用特性を基にしている。複数の送信者がチャネルで同時に送信しようとしている場合は、どちらかの送信者が正常にメッセージを送信できる確率は、衝突および相互干渉が発生するために低下する。ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ） ＲＦ環境では、実際に干渉が発生するかどうかはおもに競合する送信者の所在場所より大きく左右されるが、送信側の装置でこの場所に関する情報は入手できない。チャネルでの衝突を避ける１つの方法には、まずリッスンし、チャネルが送信可の場合だけ送信する方法がある。キャリアを検出することで送信可のチャネルへのアクセスが保障され、衝突の確率が低下する。このようにして、チャネル容量の利用率を向上させる。

ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）は、データ転送の信頼性を高めサービスの品質向上を図るために、単純フルハンドシェーキングプロトコルを採用している。同報通信フレームと肯定応答フレームを除き、フレームごとに肯定応答信号を返信して、メッセージが実際に受信されたことを送信側装置で確認できるようにしている。要求された肯定応答フレームが送信側装置で受信されない場合は、送信されたフレーム全体が繰り返し送信される。メッセージが正しく受信されたことを検出するために、巡回冗長検査（Ｃｙｃｌｉｃ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ：ＣＲＣ）を使用することが好ましい。メッセージビットを長２進数として扱い、比較的大きな素数で除算する。除算の商は廃棄し、受信側で除算の残りを同じ素数で除算し、一致した場合には通信が正しく行われた確率が高いことを示している。

システムで採用している通信は、自己修復技術を使用している。特定のＶＭＤ１１からいくつのＶＤＲを介してゲートウエイ２５へ至る通信リンクに何らかの理由で障害が発生した場合、通信レベルを向上させるために、システムは別のＶＤＲ１８を介してＶＭＤからゲートウエイに至る別の経路を選択し、ＶＭＤ１１からゲートウエイへのデータ配信の信頼性を向上させる。

本発明のシステムは、１つまたは複数のオペレータ装置３１（以下ＯＤ）をさらに備えていてもよい。図６は、本発明の実施例によるオペレータ装置を示したものである。たとえば、オペレータ装置３１はＰＤＡまたは類似のハンドヘルド装置であって、表示装置、処理装置、メモリ記憶装置、およびＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）プロトコルなどの短距離通信または低周波数（ＬＦ）超短距離磁気通信のための通信装置を備えている。

本発明のさらに別の実施例では、ＶＭＤ１１はＬＦ通信部１２５（図３に示す）をさらに備えていてもよい。ＬＦ通信部１２５は、ＯＤ３１とＶＭＤ１１との間の超短距離（数メートル）２方向通信を実行する。さらに、この通信は、図８に示すように、ＶＭＤの近くに配置された工程センサからのデータ受信にも使用できる。この通信では、工程センサもＶＭＤも電力をほとんど消費しない。ＬＦ通信は１／Ｒ^３（Ｒは距離）で減衰する磁気通信であり、ＬＦ通信の距離は数メートルであるため、他のＶＭＤとの間に干渉はほとんど発生しない。

ＯＤ３１は設備のオペレータにより使用され、ＶＤＲ１８との通信により、タスクを受信し、タスクを記憶し、更新項目を主システムへ報告する。以下に、オペレータ装置３１の操作方法の例を示す。

・ステージ１
−コマンドを制御ルームで初期設定する−“ｃｌｏｓｅ ｖａｌｖｅ ＃Ｃ２４”。
−ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）によりコマンドをＯＤ３１へ送信し、表示装置に表示する。ＯＤ３１は、技術的な受信肯定応答を送信する。
−オペレータはＡＣＫを押し、ＯＤ３１での受信を肯定応答する必要がある。
・ステージ２
−オペレータはＯＤ３１をバルブ＃Ｃ２４に近づけ、ＶＤボタンを押す（オペレータＩＤをＶＤに転送）。ＶＤＲもこのメッセージを受信し、記憶する。
−オペレータはバルブ＃Ｃ２４を閉める。
−バルブ装置３１は、オペレータＩＤも含め、状況の変更項目をＶＤＲ／制御ルームへ送信する。
・オペレータはスクロールボタンを押し、ＯＤ３１の表示装置上で最後の処置までスクロールできる。

ＯＤは、バルブ位置を監視するために制御ルームにいなくても、バルブの正確な状況を監視するために使用することもできる。

ＯＤは、オプションとして、設置および校正ツールとしても使用できる。ＶＭＤをバルブに設置したら（フィールドで）、バルブを０度にセットし、ＯＤも０度にセットし、この情報をＶＭＤに供給する。同じ工程を９０度で繰り返す。

ＯＤは、特定のＶＭＤとその取付先のバルブとを対応付けるために使用できる。オペレータはＯＤにバルブのＩＤを入力する必要があり、この情報はＶＭＤに供給される。これ以後、ＶＭＤはそのＩＤと取付先バルブのＩＤとを報告する。

本発明の別の変形では、ＯＤ３１は「シングルホップトラストセンタ」として動作する。

ＯＤ３１は、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）ネットワークに特定のＶＭＤを加入させるために使用できる。加入パスワードは、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）送信で直接与えることもできるが、できれば、ＬＦメッセージで与える。後者の場合、工場のＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）ネットワークパスワードが外部に漏れる心配がない。
ＯＤは、サードパーティの装置（ｔｈｉｒｄ ｐａｒｔｙ ｄｅｖｉｃｅ）（以下「ＴＰＤ」）をＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）ネットワークに加入させるために使用することもできる。加入パスワードは、直接与えることもできるが、できれば、次のような一連のランダムパスワード変更処理で与える方がよい。

１．ＯＤは、同じネットワーク物理チャネルでプライベートなセキュアネットワークを確立し、アンセキュアな加入を受け付ける。
２．ＴＰＤはそのＯＤプライベートネットワークに加入し、ネットワークキーを受け取る。
３．ＯＤはプライベートメッセージをＴＰＤに送信し、そのネットワークパスワードを新たなランダム選択パスワードへ変更するように依頼する。
４．ＴＰＤは、新しいランダムネットワークキーに切り替える。
５．ＯＤは新しいランダムネットワークキーに切り替える。
６．ステップ３から５までを何回か繰り返す。
７．ＯＤは、工場のネットワークキーをＴＰＤに送信することで、ＴＰＤを工場ネットワークに加入させる。

本発明のさらに別の実施例では、本発明のＶＭＤはアクチュエータへコマンドを配信することができ、これにより、アクチュエータをバルブに接続させる。このアクチュエータは、業界では既知である。この機能は、ＶＭＤと中央コンピュータ間の２方向通信を利用することで実現されるが、その場合、ＰＣからＶＭＤへのリンクによりコマンドが送信され、これらコマンドがアクチュエータへ配信される。この場合、遠隔作動させるバルブの状況はＶＭＤを使用して判別するため、作動バルブとゲートウエイ間の通信はすべて無線となる。

本発明のさらに別の実施例では、本発明のＶＭＤを任意の作動バルブに設置し、そのバルブを有線により制御ルームからコマンドで制御する。しかし、作動バルブの状況の監視は、無線リンクで行う。これにより、監視のための有線が不要になるため、設置は一部ではあるが簡素化される。

本発明のさらに別の実施例では、ＯＤとＶＭＤ間のＬＦ通信をマイクロネットワークとみなすことで、ＶＭＤに隣接するセンサとＶＭＤ間の短距離通信を行う。図８は、バルブ１の上部にＶＭＤ１１を搭載して、バルブ近辺の各種センサ２０１と交信する様子を示している。ＶＭＤ１１とセンサ２０１との交信は、２方向低周波数通信２０３である。ＯＤ３１も、ＶＭＤ１１と交信する装置の１つである。ＯＤ（３１）にはＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）通信モジュール２０２も備わっていて、ネットワークインフラストラクチャと交信できるようにしている。各センサ２０１はその物理変換器（温度、圧力、流れなど）によりデータを収集し、事前に定義されたタイムスロットで、そのデータをＶＭＤ１１へ送信する。このＬＦ送信２０３がＶＭＤ１１の電子機構を起動すると、この電子機構は受信したＬＦデータを処理して、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）リンク２０２を介してネットワークインフラストラクチャに再送する。

ＶＭＤ１１のフローチャートの例を図９に示す。ＶＭＤフローチャートの主要サイクルは、スリープモード４００から開始する。スリープは、以下のいずれかの方法で割込みをかけることができる。
１． スケジュールされたタイマ割込み
２． ＶＤＲトランシーバからのサービス要求（ＯＤ３１からＬＦコマンドによりトランシーバを事前に使用可能にしておく）
３． ＬＦＴの電源がＯＮのときの低周波数トランシーバ（Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｒａｎｃｅｉｖｅｒ）ＬＦＴからの入力メッセージ

スケジュールされたタイマ割込みは、以下のいずれかである。
１． バルブの状況を検査する必要がある４０１。
２． スケジュールされた事象４０５をシステムサーバから受け取る。たとえば、
ａ． ネットワークパスワードの変更
ｂ． ソフトウエア更新の開始
ｃ． 動作コマンドの送信

バルブ状況を検査すると４０１、ＶＭＤは以下の３つのオプションを決定する。
１． バルブ状況が変更されている場合、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）メッセージを編集し（このメッセージは、上記のように、バルブ角、温度、バッテリ状況などで構成される）ただちにそのメッセージを送信する４０２。
２． バルブの状況が変更されていない場合、ＶＭＤ１１は、最後のバルブ状況メッセージが出されてから所定の時間が経過したかどうかを検査する。経過している場合、ハウスキーピングメッセージを編集し、ただちにそのメッセージを送信する。
３． 最後のバルブ状況のメッセージから所定の時間が経過していない場合、状況メッセージは送信しない。

ここで、ＶＭＤはＬＦＴの状態を変更する必要があるかどうかを検査し（低周波数無線はバッテリを長持ちさせるために低デューティサイクルで動作する）、変更する必要がある場合は、それに合わせて、ＬＦＴの電源を切り替える４０３。

これらのステップを実行したら、ＶＭＤ１１はスリープへ戻る。

ＶＭＤは、ＶＤＲからのサービス要求により起動することもできる。これは、通常、トランシーバにより受信された入力メッセージが処理待ち状態であることを意味する。ＶＭＤはサービス要求を処理し４０５、終了したら、スリープへ戻る。

ＶＭＤは、ＬＦＴからの入力送信により起動することもできる４０６。ＶＭＤはメッセージを受け取り、処理し、必要に応じ応答し、スリープへ戻る。

ＶＭＤは、スケジュールされた事象により起動することもできる。スケジュールされた事象は、ネットワークサーバまたはネットワーク内の他の装置あるいはマイクロネットワークに接続されたセンサまたはアクチュエータから送信されたメッセージの形で発生する。メッセージは処理され、そのメッセージにタイマ事象が割り当てられる。セットされたタイマの時間が経過すると、ＶＭＤが起動されてその事象を実行する４０７。実行したら、ＶＭＤ１１はスリープへ戻る。

外部装置５１０（工程センサ２０１またはＯＤ３１など）、ＬＦＴ５０１、およびプロセッサ１２３の対話も含めたＬＦＴ通信を説明するシーケンス図の例を図１０に示す。ＬＦＴ５０１は、バッテリ電源を長持ちさせるために、低デューティサイクルで起動する。ＶＭＤにより電源ＯＮになると５０２、ＬＦＴは受信モードで入力送信を待つ。

入力送信は、有効化フィルタを通過する必要がある５０３。送信が有効化フィルタを通過すると５０３、ＶＭＤは入力メッセージの割込み５０４を受け取る。そうでない場合は、送信は無視される。

ＬＦ送信を受信すると、ＶＭＤはメッセージのＣＲＣを検査する。ＣＲＣが正常でない場合、「ＣＲＣ障害メッセージ」を編集する。正常である場合、ＶＭＤは入力メッセージを処理し、関連する応答を編集する。

応答を送信する前に、ＶＭＤはＣＣＡＳ５０５を検査する（Ｃｌｅａｒ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ−他の装置では現在送信していないことを意味する）。チャネルが送信可の場合、ＶＭＤは応答を送信する５０６。そうでない場合は、ＶＭＤはランダム短期間だけ待機状態になり、再試行する。

“ｕｐ ｔｉｍｅ”カウンタの時間が経過すると、ＶＭＤはＬＦＴの電源を切断する５０７。現在ＶＭＤと交信中の装置への接続が継続するように、“ｕｐ ｔｉｍｅ”カウンタは、各入力送信の受信時に再起動される。

“ｄｏｗｎ ｔｉｍｅ”カウンタの時間が経過すると、ＶＭＤはＬＦＴに電源を供給する。電源が切断されている期間には、ＶＭＤは入力ＬＦメッセージを受信することができない。したがって、外部装置は、所定の期間、同じメッセージの送信を再試行するように指示される。

マイクロネットワークには、以下の機能を組み込むことができる。
１． ＰＤＡ機能
ａ． ＶＭＤ、校正、ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）送信有効化のための初期セットアップを実行する（装置を設置しない場合はバッテリ電源を大幅に節約できるように）
ｂ． 装置を割り当てる−“ＬＥＤ ｆｌａｓｈ”コマンドを送信する
ｃ． ＬＦリンク品質検査を実行する
ｄ． マイクロネットワーク内の外部センサとアクチュエータを初期設定する
２． センサ機能
ａ． ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）ネットワークを介してネットワークサーバへさらに送信するために、収集データをＶＭＤに送信する
ｂ． ＶＭＤからリアルタイムクロックを受信する
ｃ． スケジュールされた事象（ｅｖｅｎｔ）を受信する
３． アクチュエータ機能
ａ． ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）ネットワークを介してネットワークサーバへさらに送信するために、状況をＶＭＤに送信する。
ｂ． ＶＭＤからリアルタイムクロックを受信する
ｃ． スケジュールされた事象を受信する
ｄ． 実行するためのオンラインコマンドを受信する

このように、本発明は、施設内の複数のボールバルブおよび現場（ｌｏｃａｌ）の物理センサの状況を監視できるシステムを提供する。このシステムは、ＶＤＲやＶＭＤなど、比較的低価格で既存の代表的なボールバルブの操作に容易に適合できる無線要素を備えている。本発明のシステムは、既存の代表的な産業施設に容易に設置でき、保守が簡単で、低価格の要素で構成され、しかも信頼性が非常に高い。

Claims (21)

1. 産業設備内のボールバルブを監視するネットワークシステムであって，
   ａ．既存のボールバルブに外部から固着する複数のバッテリ駆動のアドオンバルブ監視装置−ＶＭＤを備え，前記各監視装置が
   −ボールバルブの角位置を検知するセンサと，
   −前記ボールバルブの角位置に変化を検出したら少なくとも直ちに，前記センサが検知したボールバルブの新たな角位置と前記ＶＭＤの識別とを含む状況メッセージを送信する短距離無線通信部と，
   −前記アドオンＶＭＤを，ボールバルブの正常な操作を乱すことなく，監視対象ボールバルブに固着する機構と，
   ｂ．前記状況メッセージを受け取り，その状況メッセージをイーサネット（登録商標）通信によりサーバへ転送する，１つまたは複数の前記ＶＭＤから近距離に位置する１つまたは複数のバルブ装置リーダ−ＶＤＲと，
   を備えることを特徴とするネットワークシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって，短距離通信は，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（Ｒ），ＷｉＦｉ（Ｒ），およびＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）から選択されたプロトコルを使用することを特徴とするシステム。
3. 請求項１に記載のシステムであって，該システムは，さらに１つまたは複数のオペレータ・ハンドヘルド通信装置−ＯＤを含み，選択されたＶＭＤにその状況メッセージの送信を開始させ，ＯＤにより前記状況メッセージを受け取り，複数のＶＭＤから受信した複数の状況メッセージをＯＤによりオプションで受信して記憶し，記憶したメッセージをＯＤから制御ステーションサーバにダウンロードするかまたは前記短距離通信を介して１つまたは複数のＶＤＲへ前記メッセージを送信することを特徴とするシステム。
4. 請求項１に記載のシステムであって，ＶＭＤは，前記ＶＭＤの位置と非常に近い距離に配置された１つまたは複数の産業工程センサから状況および計測情報を受け取り，受け取った前記産業工程センサ状況および計測情報を１つまたは複数のＶＤＲへのＶＭＤ状況メッセージにさらに組み込む，低周波数（ＬＦ）トランシーバとプロトコルとを使用する超短距離通信部をさらに備えることを特徴とするシステム。
5. 請求項４に記載のシステムであって，低周波数超短距離通信部は２方向通信部であり，システムは，（ａ）選択されたＶＭＤに近づけたときに該ＶＭＤの前記低周波数超短距離通信を開始して状況メッセージを送信し，（ｂ）オペレータ装置ＯＤにより前記ＶＭＤ状況を受信し，（ｃ）ＯＤにより１つまたは複数のＶＭＤから該メッセージを収集し，（ｄ）収集された１つまたは複数のメッセージを制御ステーションのサーバにダウンロードする，１つまたは複数のハンドヘルドオペレータ装置−ＯＤをさらに備えることを特徴とするシステム。
6. 請求項１に記載のシステムであって，各ＶＭＤはバッテリで駆動することを特徴とするシステム。
7. 請求項１に記載のシステムであって，固着機構はＵ字型プロファイルを備えることを特徴とするシステム。
8. 請求項１に記載のシステムであって，センサは光学式センサであることを特徴とするシステム。
9. 請求項１に記載のシステムであって，センサは電位差計に基づくことを特徴とするシステム。
10. 請求項１に記載のシステムであって，センサは可変コンデンサに基づくことを特徴とするシステム。
11. 請求項１に記載のシステムであって，センサは，ボールバルブステムに固着されたマグネットと該マグネット回転時にマグネットの可変磁束を計測することで角位置を計測するＶＭＤ内のホール装置とに基づくことを特徴とするシステム。
12. 請求項１に記載のシステムであって，状況メッセージの送信は，ＶＭＤにより定期的に，またはＶＤＲを介して制御センタから受信するかまたはオペレータ装置ＯＤから受信する短距離送信による要求時に，行われることを特徴とするシステム。
13. 請求項３に記載のシステムであって，ＯＤはシングルホップトラストセンタとして動作し，ＶＭＤをシステムに加入させるか，またはサードパーティの装置を設備ネットワークに加入させることを特徴とするシステム。
14. 請求項３に記載のシステムであって，ＯＤはシングルホップトラストセンタとして動作し，ＶＭＤ，ＶＤＲ，ＯＤまたは工程センサから選択されたサードパーティ装置をシステムに加入させることを特徴とするシステム。
15. 請求項１３に記載のシステムであって，ＯＤは，セキュリティキーを含むノンセキュア，低送信電力，シングルホップメッセージを介して，ＶＭＤをネットワークに加入させることを特徴とするシステム。
16. 請求項１３に記載のシステムであって，ＯＤは，セキュリティキーを含むノンセキュアな超短距離，低周波数送信によりＶＭＤをネットワークに加入させることを特徴とするシステム。
17. 請求項１３に記載のシステムであって，ＯＤは，最後のキーがセキュリティキーである超短距離可変パスワードキーを介して，サードパーティ装置をネットワークに加入させることを特徴とするシステム。
18. 請求項１３に記載のシステムであって，シングルホップトラストセンタとして動作するＯＤにより承認されなければ，装置をネットワークに加入できないことを特徴とするシステム。
19. 請求項１に記載のシステムであって，ＬＡＮまたは無線ＬＡＮを介してＶＤＲをイーサネット（登録商標）に直接接続することを特徴とするシステム。
20. 請求項１に記載のシステムであって，ＺｉｇＢｅｅ（Ｒ）ネットワークアドレスに対応する所定のＩＰアドレスを使用してイーサネット（登録商標）を介してサーバ経由で各ＶＤＲにアクセスすることを特徴とするシステム。
21. 産業設備内のボールバルブの状況を監視するために既存のボールバルブに外部から固着するアドオン，バッテリ駆動のバルブ監視装置−ＶＭＤであって，
    −ボールバルブの角位置を検知するセンサと，
    −前記センサが検知したボールバルブの角位置と前記ＶＭＤの識別とを含む状況メッセージであって，前記ボールバルブの角位置に変化を検出したら少なくとも直ちに送信される状況メッセージを，近距離に位置する１つまたは複数のバルブ装置リーダ−ＶＤＲに送信する短距離無線通信部と，
    −ボールバルブの通常の操作を妨げずに，監視対象のボールバルブへ装置を取り付ける機構と，
    を備えることを特徴とする装置。

Images