JP2008504790A - 無線周波通信を備えるプロセスフィールド装置 - Google Patents

Abstract

産業プロセスの制御または監視システム（１０）で使用するためのフィールド装置（１４）が、２線式のプロセス制御ループ（１６）に接続している。ループ（１６）は、データを伝送するとともに、フィールド装置（１４）に電力を供給する。フィールド装置（１４）内にＲＦ回路（２２）が、無線周波通信のために設けられている。電源（１８）が、２線式のプロセス制御ループ（１６）から受け取った電力を使用してＲＦ回路（２２）へ電力を供給する。

Description

本発明は、産業プロセスの制御および監視システムに関する。さらに具体的には、本発明は、そのようなシステムにおけるフィールド装置であって、無線周波（ＲＦ）通信が可能なフィールド装置に関する。

産業の立ち上げの際に、制御システムが、産業および化学プロセスなどを監視および制御するために使用される。典型的には、制御システムは、産業プロセスの重要な場所に配置され、プロセス制御ループによって制御室内の制御回路に接続されるフィールド装置を使用して、このような監視および制御の機能を実行する。用語「フィールド装置(field device)」は、産業プロセスの測定、制御、および監視に使用される、現時点において公知、あるいは今後公知となるであろう、分散型の制御またはプロセス監視システムの全ての装置において何らかの機能を実行するあらゆる装置を指す。

いくつかのフィールド装置は、トランスデューサを含む。トランスデューサとは、物理的な入力にもとづいて出力信号を生成する装置、または入力信号にもとづいて物理的な出力を生成する装置を意味するものと理解される。典型的には、トランスデューサは、入力を別の形態を有する出力へと変換する。トランスデューサの種類としては、種々の分析設備、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、ひずみゲージ、流量送電機、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯、およびその他を挙げることができる。

典型的には、フィールド装置のそれぞれはさらに、プロセス制御ループを介して、プロセス制御室または他の回路との通信に使用される通信回路を備える。いくつかの設置例では、プロセス制御ループは、フィールド装置に電力を供給するために、調節された電流および／または電圧をフィールド装置へと送るためにも使用される。また、プロセス制御ループは、アナログ形式またはデジタル形式のいずれかのデータを伝送する。

従来、アナログのフィールド装置が、２線式のプロセス制御電流ループによって制御室に接続され、各装置は１つの２線式の制御ループによって制御室に接続されていた。典型的には、２線間の電位差はアナログ・モードにおいては１２〜４５ボルト、デジタル・モードにおいては９〜５０ボルトの電圧の範囲に維持される。いくつか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出されたプロセス変数に比例する電流に変調することによって、信号を制御室へ伝達する。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、制御室の制御のもとで動作を実行することができる。これに加え、あるいはこれに代えて、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送することができる。

いくつかの装置例では、フィールド装置との通信のために、ワイヤレス技術が使用され始めている。例えば、あらゆる種類の有線接続を用いずに電力を得るために、フィールド装置が電池、太陽電池、または他の技術を使用する完全にワイヤレスな装置例が使用されている。しかしながら、フィールド装置の大部分は、プロセス制御室に有線接続されており、ワイヤレス通信技術を使用していない。

産業プロセスの制御または監視システムにおいて使用するためのフィールド装置は、データの伝送および電力の供給を行うように構成された２線式のプロセス制御ループへ接続されるように構成された端子を備える。フィールド装置内のＲＦ回路が、無線周波通信のために設けられている。一実施形態において、電源回路が、２線式のプロセス制御ループから完全に受け取った電力を使用して、ＲＦ回路へ電力を供給する。さらに方法も提供される。

本発明は、プロセス制御ループに接続するように構成されたフィールド装置であって、一方向または双方向のワイヤレス通信のためのワイヤレス通信モジュールをさらに備えるフィールド装置を提供する。ワイヤレス通信モジュールは、遠隔の装置または遠隔位置からＲＦ信号の送信および／または受信を行うことができる。このモジュールは、２線式のプロセス制御ループから受け取る電力によって直接電力を供給することができ、あるいはプロセス制御ループから受け取られて、後の使用のために蓄積された電力により電力を供給することができる。このモジュールは、モジュールをワイヤレス通信が望まれるフィールド装置に接続するだけでよいよう、着脱式のモジュールであってよい。

図１は、プロセス制御または監視システム１０を簡略化して示したブロック図であり、制御室または制御システム１２が、２線式のプロセス制御ループ１６を介してフィールド装置１４に接続されている。フィールド装置１４は、Ｉ／Ｏ電力回路１８、アクチュエータ／トランスデューサ２０、およびワイヤレス通信回路２２を備える。ワイヤレス通信回路２２は、アンテナ２６を使用してＲＦ信号を送信および／または受信するように構成されている。

現在のところ、産業用の計測器は、現地でのプロセス情報の監視に使用することができる表示装置または「メータ」を備えていることが多い。メータは、多くの装置例において大いに有用であるが、このような現地の表示装置の構成は、いくつかの制約を抱えている。現地の表示装置は、フィールド装置を直接目視することが必要とされる。さらに、典型的には、作業者が一度に１つのメータしか見ることができない。メータを備えている機器が、好都合な位置または視認角度にないことも多い。このような構成に対処するために使用されている技術の１つが、プロセス送信機に有線接続されたメータの使用である。これにより、メータをより好都合な位置に取り付けることが可能である。他の技術は、「ワイヤレス通信リンクを有するプロセス送信機」という名称の２００２年４月２２日付の米国特許出願第１０／１２８，７６９号に示されている。

本発明によれば、ループ１６などのプロセス制御ループへ付加的に接続して使用することができるＲＦ通信モジュールが、フィールド装置に備えられる。ワイヤレス通信モジュール２２は、既存のフィールド装置の構成に容易に付加することができるように、小型かつ省電力の構成にすることができる。このモジュールは、制御、および／またはデータの表示を監視するために使用する情報をワイヤレス送信するために使用されることができる。そのような無線送信機は、現地にて利用できるフィールド装置の情報を作ることができる。例えば、表示装置３２などの１つの現地の表示装置が、フィールド装置１４からの情報を表示するために設けられ使用されることができる。表示装置３２は、いくつかの装置から送られてくる情報、あるいは例えば作業者が利用できるボタンなどの手動入力を使用して表示装置に提供される指令による情報を、同時に又は順次に、表示するように構成することができる。表示装置３２は、固定的に設置されてもよいし、あるいは表示装置３２が、種々のフィールド装置の動作を監視および観察するためにプロセス制御システムの各所へと運ぶことができる、可搬式の装置であってよい。ＲＦ信号２４の強度ならびに送受信回路の感度に応じて、ＲＦ通信によってカバーされる領域は、所望のとおり制御されることができる。例えば、図２は、多くのフィールド装置１４が個々のプロセス制御ループ１６によって制御室１２に接続されているプロセス制御システム５０の概略図である。それぞれのフィールド装置１４は、表示装置３２によって受信されるようにＲＦ信号２４を送信する。この例においては、表示装置３２が、アンテナ５２を使用してフィールド装置１４から受信される４つのプロセス変数（ＰＶ１、ＰＶ２、ＰＶ３、およびＰＶ４）を表示することができる。上述のように、表示装置３２は、固定された表示装置であってもよいし、あるいは手持ちユニットなどといった可搬式の表示装置であってもよい。この特定の構成においては、表示装置３２は、プロセス圧力に関する２つのプロセス変数およびプロセス温度に関する２つのプロセス変数を表示するものとして説明されている。これにより、フィールド装置１４は、例えば局所的な領域内の所望の範囲において、ＲＦ接続を介して情報を提供することができる。例えば、表示装置３２が、フィールド装置１４から４０メートルの範囲内にある場合に、該表示装置３２は当該フィールド装置から表示用の情報を受け取ることができる。オプションよるユーザ入力４８を、例えば表示の形式や表示されるプロセス変数を選択するために使用することができ、あるいはフィールド装置１４に問い合せるために使用することができる。

図３は、フィールド装置の一例である圧力送信機６０の概略の切断部分分解図である。圧力送信機６０は、２線式のプロセス制御ループ１６に接続しており、送信機ハウジング６２を備える。プロセス制御ループ１６は、端子板５８に保持された端子５６に接続されている。圧力センサ６４は、トランスデューサの一例を示しており、プロセス流体に生じる差圧を測定するために、プロセスの接続具に接続するように構成されている。センサ６４からの出力は、フィールド装置回路６８に接続する測定回路６６へ提供される。フィールド装置回路６８は、図１に示したＩ／Ｏ電力供給１８を実行する。ワイヤレス通信回路２２は、フィールド装置回路６８に接続されており、いくつかの実施形態においては、さらにプロセス制御ループ１６に接続されることができる。

ハウジング６２は、ハウジング６２にねじ込み可能な端部キャップ７０および７２を備える。端部キャップ７２は、ＲＦ透過窓７４を、ワイヤレス通信回路２２上に保持されたアンテナ２６とおおむね整列するように有している。取り付けられたとき、端部キャップにより、送信機６０内の回路は安全に囲われて保護される。例えば金属などの、端部キャップに通常使用される材料は、ＲＦ信号を通さない。しかしながら、ＲＦ透過窓７４が、アンテナ２６によるＲＦ信号の送信および受信を可能にしている。窓７４に使用されるＲＦ透過材料の一例は、ガラスなどである。しかしながら、任意の適切な材料を使用することができる。この窓およびハウジングの構成は、固有の安全上の要件を満足し、かつ、耐火炎（防爆）の能力を有している。さらに、ハウジング６２内の空洞は、アンテナ２６によって生成されるＲＦ信号を所望の放射パターンにする働きをすることができる。例えば、いくつかの装置例においては、ＲＦ通信を指向性にすることが望まれ、他の装置例においては、無指向性とすることが望まれる。他の装置例においては、カバー６２は、ワイヤレス通信回路２２を配置するための内部空洞を提供するために長くすることができる。

ワイヤレス通信回路２２は、所望のとおりに選択することが可能である。回路の一例は、Ｍｉｌｌｅｎｎｉａｌ Ｎｅｔ社から市販されている「Ｉ‐Ｂｅａｎ」という送信機装置である。しかしながら、他の回路も使用可能である。プロセス制御ループ１６上を伝送されるアナログまたはデジタル信号は、プロセス制御ループ１６またはフィールド装置回路６８の動作を中断することなく、ワイヤレス通信回路２２を使用して読み取り、送信することができる。ワイヤレス通信に使用される回路は、プロセスフィールド装置の物理的な制約および電力の制約に適合するよう、充分に小型でありかつ小電力でなければならない。いくつかの従来技術の送信機は、図３のワイヤレス通信回路２２のための位置に配置されたオプション表示装置を収容するように構成されている。そのような構成においては、ワイヤレス通信回路２２は、現地の表示装置の代わりに使用することができる。そのような構成において、通信ワイヤレス回路２２は、単にプロセス制御ループ１６に直接接続するＲＦ信号を送信し、ループ１６上を伝送されるアナログおよび／またはデジタル信号に相当するＲＦ信号を送信する。

一般に、本明細書において説明されるプロセス制御ループは、産業プロセスの制御および監視システムにおいて使用するための任意の種類のプロセス制御ループを含むことができる。そのようなループは、情報を伝達するために、アナログ電流のレベルが４〜２０ｍＡの間で変化する４〜２０ｍＡの電流ループを備えている。同じ制御ループを、フィールド装置に電力を供給するために使用することができる。他の種類のプロセス制御ループは、ＨＡＲＴ（登録商標）通信プロトコルに従い、さらなる情報を伝送するために、４〜２０ｍＡの信号にデジタル伝送が重畳される。他の例の２線式のプロセス制御ループは、米国計器学会（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ（ＩＳＡ））によって示されたＦｉｅｌｄ Ｂｕｓ ＳＰ５０プロトコルと呼ばれるプロトコルを使用する。しかしながら、エンド信号方式（ｅｎｄ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）のプロトコルを使用することが可能である。いくつかのプロセス制御ループは、フィールド装置が互いに通信することができ、あるいは他のフィールド装置からの送信を監視することができるように、複数のフィールド装置に接続するように構成される。一般に、そのようなプロセス制御ループ上を伝送されるあらゆる種類の情報、フィールド装置によって入手でき、内部的に生成でき、あるいは受信されるあらゆる種類の情報、フィールド装置を制御するために使用されるあらゆる種類の情報、もしくは他の種類の情報は、本発明のワイヤレス通信技術を使用して伝送することができる。他の例においては、フィールド装置を構成するために使用される手持ち式のユニットまたは装置は、作業者が現場に運ぶことができる。作業者は、手持ち式の装置がフィールド装置の近傍にあるとき、フィールド装置への情報を送受信するために、手持ち式の装置を使用することができる。これにより、作業者は、装置または物理的なプロセス制御ループへの物理的な接続を必要とすることなく、情報を集めることができ、あるいはフィールド装置をプログラムすることができる。

いくつかの実施形態においては、フィールド装置からの通信またはフィールド装置への通信が、さらにアドレス情報を伝送することが望まれる。アドレス情報は、伝送の発信元または宛て先を表わすことができる。ワイヤレス通信回路は、所望に応じ、連続的に、あるいは周期的または間欠的に送信を行うことができる。他の例においては、ワイヤレス通信回路が、起動されたとき、または「ポーリング」されたときにのみ送信を行う。起動は、フィールド装置の内部のソースからであってよく、プロセス制御ループを通して受信されてもよく、ワイヤレスのソースから受信されてもよく、あるいは他のソースによって受信または生成されてもよい。複数のフィールド装置が同時に送信を行なう可能性がある環境においては、伝送プロトコルは、伝送を妨げるあらゆる種類の衝突を回避または処置するように選択されなければならない。例えば、所望に応じて、異なる周波数または周波数スキッピングの技術を使用することができ、ランダムまたは準ランダムな伝送窓を使用することができ、繰り返し伝送またはトークンを用いる技術を実装することができ、あるいは他の衝突回避技術を使用することができる。伝送が誤検出または補正の情報を含む場合には、この情報を、伝送における誤りを検出し、および／または伝送における誤りを補正するために、使用することができる。誤りが補正不可能である場合、受信ユニットは、データの再送信を要求でき、誤りを知らせることができ、次のデータ送信を待つことができ、あるいは所望の他の処理をすることができる。

図３は、ＲＦ接続８２を介して回路２２と通信するための手持ち式装置８０の一例を示している。手持ち式装置８０は、表示装置８４およびユーザ入力８６を備える。他の種類の入力および出力を、手持ち式装置８０に備えることができる。好ましくは、手持ち式装置８０は電池で動作し、フィールド装置６０との通信のために作業者によって現場に運ぶことができる。フィールド装置６０または他の送信元からの情報が、表示装置８４に表示され、手持ち式装置は、入力８６を使用して制御される。指令または他の情報を、手持ち式装置８０によってフィールド装置６０に伝えることができる。

ある構成においては、ワイヤレス通信回路２２に供給する電力は、フィールド装置において利用できる電力の制約の範囲内の電力でなければならない。例えば、フィールド装置において現在使用されている表示装置の１つは、０．５ｍＡで３．６ボルトを使用している。ＬＣＤメータを動作させることができる送信機が使用されている場合、ワイヤレス通信回路はＬＣＤメータと交換でき、ＬＣＤメータの駆動に使用されている同じ電源を使用することができる。他の例では、ワイヤレス通信回路が、例えばプロセス制御ループに直列に接続されたダイオード・ドロップ経て生じる電圧を使用して、プロセス制御ループから直接電力を供給される。通信回路に電池が使用されない実施形態においては、回路が、固有の安全または他の安全のための要件をより容易に満足させることができ、電池の交換またはメンテナンスせずに無限の現場での寿命を提供することができる。ワイヤレスの構成が、情報の送信のためだけのものである場合においては、電力の要求を軽減することができる。他の例では、より大きな伝送範囲が望まれる場合に、図１に示されている表示装置３２などの固定装置は、フィールド装置から受信したデータの再送信またはフィールド装置へ送られるデータの再送信のためのＲＦリピータを備えることができる。ＲＦリピータは、ループから電力を受け取ることができ、あるいは他の電源から自身の電力を引き出すことができる。さらに、ＲＦデータが受信されたときに、例えばイーサネット（登録商標）接続などといった他の媒体による伝送のために、プロセス制御システムにおいて使用される既存のデータ伝送構造に、フォーマット変更することができ、携帯電話などといったより広いレンジのＲＦ通信リンクを介しての伝送のために、あるいは他の技術を使用する中継のために、フォーマット変更することができる。

図４は、本発明の他の態様を説明するプロセス・コントローラまたは監視システム１００の概略図である。システム１００において、フィールド装置１４は、接続箱１０２及びプロセス制御ループ１６を通じて制御システム１２に接続されている。図４の実施形態においては、フィールド装置１０４はプロセス制御ループ１６に接続されており、ワイヤレス通信回路１２２を備えている。ワイヤレス通信回路１２２は、ＲＦ信号１０６を送信するように構成されるとともに、プロセス制御ループ１６から受け取られる電力のみによって駆動されるように構成されている。

プロセス装置１０４は、電力レギュレータ１１０、シャントまたはバイパス１１２、およびスーパーコンデンサ１１４を備える。動作の際、プロセス制御ループ１６から引き出される過剰の電圧を使用することによって、電力レギュレータ１１０を使用してスーパーコンデンサ１１４がゆっくりと充電（トリクル充電）される。バイパス１１２によって、ループ１６は正常な動作が可能になる。通信回路１２２は、プロセス制御ループ１６上を伝送される、アナログおよび／またはデジタル情報を受信するための回路を含む。回路１２２は、受信した情報にもとづき、応答としてＲＦ１０６信号を送信する。受信機として動作する場合には、回路１２２は、受信データによりループ１６内を運ばれている電流を変調することができる。これは、アナログまたはデジタルのいずれの情報であってよい。この構成によれば、データをワイヤレス通信ネットワークを介して中継できる。ネットワークは、ポイント・ツー・ポイント、スポーク・アンド・ハブ、およびメッシュのトポロジなどの、任意の種類のトポロジに従って構成できる。プロセス装置１０４は、図４に示した装置のように独立した装置として構成でき、ループに沿った任意の位置に設置することができる。いくつかの装置例においては、フィールド装置１０４は堅固であり、本来的に安全に動作するよう設計されていなければならない。装置１０４を、接続箱１０２の一部として、他のフィールド装置１４内に配置することも可能であり、制御システム１２を収容する制御室内に位置することさえ可能である。フィールド装置１０４は、２つ以上のＲＦ回路１２２および／または２つ以上のプロセス制御ループ１６に、同時に接続することができ、あるいはマルチプレクサまたは他の技術の使用によって接続することができる。

スーパーコンデンサを使用することによって、内部の電池または他の技術を必要とすることなく、装置を動作させることができる。コンデンサを使用することによって、迅速な充電および充分に大きなエネルギーの蓄積が可能になる。危険な環境において使用されるときには、固有の安全基準を満足するために、大量のエネルギー蓄積が認められない可能性がある。しかしながら、プロセス装置１０４は、固有の安全性が必要とされない接続箱１０２などを用いて、危険な環境から離れるように移動させることが可能である。

図５は、フィールド装置１０４の概念図であり、スーパーコンデンサ１１４がさらに詳しく示されている。この例においては、スーパーコンデンサ１１４が、それぞれが２．５ボルトの電位を持つように構成された２つの１０ファラッドのコンデンサから構成されている。これにより、５ボルトの電位降下を有する５ファラッドの等価容量が生成されている。ワイヤレス通信回路１２２が、４〜５ボルトの間の電圧で動作できると仮定すると、５ファラッドのコンデンサのそれぞれから利用できるエネルギーは、１／２×Ｃ（Ｖ_ｉ ^２−Ｖ_Ｆ ^２）であり、１／２×５×（５^２−４^２）＝２２．５Ｊである。

図６は、スーパーコンデンサ１１４の両端で測定される電圧の時間に対するグラフである。この例においては、１秒の期間ｔ_ｄにわたってバースト信号を送信する６００ｍＷの無線送信機が、０．６Ｊ／ｓ×１ｓ＝０．６Ｊのエネルギーを必要としている。したがって、このような通信回路１２２の動作に利用できる充分なエネルギーが存在している。

プロセス制御ループに電力を供給するために使用される一般的な電源は、直流２４ボルトを供給する。しかしながら、４〜２０ｍＡのシステムにおいては、送信機が動作のために１２ボルトしか必要としない可能性がある。プロセス制御ループにおける配線損失が、２〜４ボルトの電圧降下を引き起こす可能性がある。スーパーコンデンサ１１４の充電に５ボルトだけ使用可能であると仮定し、プロセス制御ループが低い電流レベル（すなわち、４ｍＡ）で動作していると仮定すると、依然として２０ｍＷが、スーパーコンデンサ１１４を充電するために使用可能である。送信サイクルの間は、０．６ジュールだけしか消費されないため、利用可能な２０ｍＷによってスーパーコンデンサは、時間ｔ_ｃ＝０．６Ｊ／０．０２Ｗ＝３０秒で全容量まで充電される。したがって、このような構成は、継続時間が１秒である信号を３０秒ごとに送信することができる。通信信号の帯域幅が２００Ｋｂ／ｓであり、パケットサイズが２００ｂであると仮定すると、バースト時間は１ミリ秒まで短縮され、結果として送信時間は０．０３秒になる。このような構成においては、時間が重要な性質ではない診断データを、容易に送信することができる。しかしながら、充分に高速な充電時間が達成可能であるならば、制御およびプロセス変数の信号も、ワイヤレスで送信することが可能である。

スーパーコンデンサを説明したが、電池またはその他の、任意のエネルギー蓄積装置を使用することが可能である。蓄積装置を充電するために使用されるエネルギーは、電気または磁気であってよく、任意の供給源から取得または収集することができる。

図７は、プロセス・コントローラ監視システム１５０の概略図であり、２線式のプロセス制御ループ１５６によってフィールド装置１５４に接続された制御室１５２を含む。プロセス制御ループ１５６は、固有の安全バリア１５８を越えて延びている。制御室１５２は、電源１６０および負荷抵抗１６２を備えるものとしてモデル的に示されている。

フィールド装置１５４は、任意の構成であってよく、図７に示した特定の構造に限定されるわけではない。ＲＦ通信回路１７０が、ループ１５６に直列に接続されて示されている。回路１７０は、フィールド装置の端子ブロックに実装することができる。例えば、回路１７０を増設モジュールとして構成し、２線式のプロセス制御ループ１５６に既存の送信機回路としてつなぐことができる。

図７に示した構成において、通信回路１７０は、新規または既存のプロセス制御ループまたはフィールド装置に、ワイヤレス通信能力を追加している。回路は、プロセス制御ループから電力を供給されるように構成され、制御室から延びる、ループ上の任意の場所、固有の安全（ＩＳ）バリアまたは接続箱１５８内までにわたるループ内の任意の場所において、単独のフィールド装置として設置可能であり、あるいは他のフィールド装置内に備えることが可能である。回路を、任意の種類の通信のために構成することができる。しかしながら、１つの単純な構成においては、回路１７０は、プロセス制御ループ１５６内を流れる電流を測定し、測定した電流に関係する出力をワイヤレス受信機へ送信するように構成される。

ここで図７に示した回路１７０の特定の実施形態に目を向けると、検出抵抗１８０および電力供給ダイオード１８２が、プロセス制御ループ１５６に直列に接続している。検出抵抗１８０は、例えば１０オームであってよく、プロセス制御ループ１５６内を流れる電流のレベルＩの検出に使用される。また、検査ダイオード１８４も、ループ１５６に直列に接続され、検査点１８６を提供している。これを、回路１７０に接続されたフィールド装置の較正または特性に使用することができる。ダイオード１８２の両端に図示のように接続されたダイオード１９２と、検出抵抗１８０の両端に接続された絶縁抵抗１９４とを備える固有の安全保護回路１９０が、設けられている。ダイオード１８２は、コンデンサ１９８、入力フィルタ２００、レギュレータ２０２、コンデンサ２０４、および二次フィルタ２０６を備える電源１９６の一部である。二次フィルタ２０６は、コンデンサ２０８および抵抗器２１０を備える。電源回路１９６は、ループ電流を測定しおよびその結果としての信号をワイヤレス送信する。回路に使用するため、回路の接地に対する電源電圧Ｖ_ＤＤを生成する。特定の電源の実装例を示したが、任意の適切な電源の構成または実施形態を、所望に応じて使用することができる。

この実施形態においては、入力回路２１８は検出抵抗１８０を備えており、ループ１５６を通って流れる電流Ｉを測定するように構成されている。さらに、入力回路２１８は、オペアンプ２２２への差動接続を提供するフィルタ２２０を備えている。オペアンプは、増幅された入力信号を、マイクロプロセッサ２２４の一部として描かれているアナログ−デジタル変換器２６６に供給する。クロック回路２２８が設けられ、例えばマイクロプロセッサ２２２へクロック信号を供給するために使用される。オプションのＨＡＲＴ（登録商標）送受信回路２３０が、マイクロプロセッサ２２４、ループ１５６、クロック回路２２８、およびＲＦ送信／受信回路２３２に接続されている。このオプションのＨＡＲＴ（登録商標）回路２３０は、マイクロプロセッサ２２４からデジタルチップ選択信号（ＣＳ１）を受信するように構成されている。ＲＦ送受信回路２３２は、マイクロプロセッサ２２４から別のデジタルチップ選択信号（ＣＳ２）を受信するように構成されている。ＨＡＲＴ（登録商標）送受信回路２３０およびＲＦ送受信回路２３２の両者は、どちらのチップ選択が有効であるかに応じて、ＳＣＩバス上でマイクロプロセッサ２２４と通信するように構成されている。また、マイクロプロセッサ２２４は、演算増幅器２２２にシャットダウン信号を供給するように構成されている。マイクロプロセッサ２２４は、プログラム可能な指示、一時的および恒久的な変数、ならびに他の情報を蓄積するために使用されるメモリ２３６を備えており、揮発性および不揮発性の両方のメモリを備えることができる。メモリは、例えばＥＥＰＲＯＭを含むことができ、回路１７０を一意に特定するアドレス情報を含むことができる。ＲＦ回路２３２は、所望に応じて内部アンテナ、外部アンテナ、または組み合わせとして構成できるアンテナ２４０に接続されている。回路１７０は、ループ１５６がプロセス送信機またはプロセス・コントローラなどといった他のフィールド装置で終端することができるように、２線式のプロセス制御ループ１５６を横切って接続されるように構成されている。

図７に示した回路１７０は、ＲＦアンテナ２４０が基板と一体に形成されるよう、単一の印刷回路基板上に実装することができる。この構成によれば、回路１７０を既存のフィールド装置内に容易に実装でき、外部アンテナの使用を必要としない。これは、設置の複雑さを軽減する。

オプションのＨＡＲＴ（登録商標）送信／受信回路２３０を、プロセス変数などの、プロセス制御ループ１５６上を伝送されるデジタル信号を監視するために使用することができる。検出されたデジタル信号にもとづき、ＨＡＲＴ（登録商標）回路２３０は、検出されたプロセス変数に関する情報または他の情報を送信するために、ＲＦ送信／受信回路２３２の動作を制御することができる。ＨＡＲＴ（登録商標）回路が、完全なＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルおよび適切なＲＦプロトコル・スタックに従って実装されている場合には、回路がゲートウェイ・レベルの機能を実行でき、ＨＡＲＴ（登録商標）マスターが、ＲＦ ＨＡＲＴ（登録商標）ゲートウェイ装置を通じてプロセス制御ループ１５６上のＨＡＲＴ（登録商標）対応のフィールド装置と双方向で通信できる。これにより、監視、構成、診断、あるいは他の情報またはデータの交換のために、フィールド装置とのワイヤレスの通信が可能になる。

多くの場合、プロセス制御または監視の装置例においては、フィールド装置と情報を交換するために、作業者がフィールド装置またはプロセス制御ループに物理的にアクセスする必要がある。これにより、作業者が設備の補修および設備の予防保全を行うことができる。本明細書に記載のワイヤレス通信の構成によれば、作業者が、アクセスが困難である位置にあるフィールド装置に対して問い合わせを行うことができる。さらには、フィールド装置に容易にアクセスできる構成においても、ワイヤレス通信回路によれば、プロセス制御ループへの物理的な接続のためにループの配線を露出すべく、作業者が送信機または接続箱などといった設備のカバーを取り除く必要がない。これは、爆発性の気体または蒸気が存在する可能性がある危険な場所においてとくに有益である。上述のように、デジタルまたはアナログのプロセス変数を、ワイヤレス通信回路によって検出し、ワイヤレスのメータまたは手持ち式の装置へ送信することができる。

動作時、回路１７０はプロセス制御ループ１５６に直列に配置され、自身を動作させるためにループを通って流れる４〜２０ｍＡの電流を利用する。共通の電気的な接地を使用するフィールド装置においては、回路１７０を、ループ接続の高電圧側に挿入できる。この構成は、ＣＡＮインターフェイスなどといったフィールド装置内の他のバス回路へのアクセスを可能にする。この回路は、検査の際のループ電流の測定に使用するための、検査接続１８６を備える。好ましくは、検出抵抗１８０が、固有の安全基準にしたがってループ１５６に接続される端子１８１における指標としての容量がゼロとなるように構成されている。回路１７０は、３〜４ボルトの間での公称の動作に合わせて構成されており、ツェナーダイオード１８２が検出抵抗１８０とともに、この動作電圧を設定している。典型的な４〜２０ｍＡの電流ループにおいて利用できる余分の電圧は、回路１７０を動作させるために充分である。さらに、ループから引き出される電流を約３ｍＡに制限するために、電力管理技術を使用することができる。これにより、プロセス制御ループに接続されたあらゆるフィールド装置が、利用可能な電流レベルを超える電流を取り込むことにより回路が破綻されることなく、３．６ｍＡの警報レベル信号を送信することができる。

ツェナーダイオード１８２は、入力フィルタ段に予め調節された電圧を生じさせるため、ループ１５６に直列に配置された分流素子として機能する。ループ電流のうちの回路１７０によって使用されない部分が、ツェナーダイオード１８２を通って分流される。入力フィルタ２００は、容量性、誘導性、および抵抗性の素子を含むことができ、ループを回路１７０によって生成されるあらゆる雑音または負荷変動から絶縁するために使用される。これは、さらに、ＨＡＲＴ（登録商標）の基準に一致するように、ＨＡＲＴ（登録商標）の拡大された周波数帯の雑音を抑制する。

電圧レギュレータ２０２は、これらに限られるわけではないが線形またはスイッチモードのレギュレータなどの、任意の適切な電圧レギュレータであってよく、回路に電圧Ｖ_ＤＤを供給するために使用される。フィルタ２０６は、エネルギーを蓄えるために使用され、回路の負荷をレギュレータ２０２からさらに切り離す。二次フィルタ２０６の出力電圧は、回路の負荷が変化する際に、数百ミリボルトだけ低下することが許される。これは、回路１７０による４〜２０ｍＡの電流ループからのピーク電流の取り込みを平均化できるようにする。

この実施形態においては、Ａ／Ｄ変換器を備えるマイクロプロセッサ２２４を、ＲＦ回路２３２および入力回路２１８とともに、電力の消費を少なくすべく休止動作の期間の間、スリープ・モードまたは省電力モードにセットすることができる。例えば、１０秒ごとなどの選択された間隔にて、マイクロプロセッサ内の内部タイマーが、Ａ／Ｄ変換器によってループ電流を測定することを可能にできる。測定回路を、Ａ／Ｄ変換が発生するまで休止させておくことができる。Ａ／Ｄ変換が完了した後、ループ測定回路およびＡ／Ｄ変換器の両者が、電力を節約すべくオフにされる。マイクロプロセッサが、測定された値を伝送のためにＲＦ回路２３２へ渡す。伝送が完了すると、マイクロプロセッサおよびＲＦ回路は、次のサイクルまで省電力モードに復帰する。さらには、マイクロプロセッサが、電力を節約するために自分自身を一時的にスリープさせてもよい。これらの電力管理技術を使用して、マイクロプロセッサは、レギュレータ段における負荷の電力の需要を交互交代的にすることによって、回路の全体の電流の要求を管理することができる。

ループ電流の測定が、アナログ電流レベルを測定するために４〜２０ｍＡの電流ループ１５６に直列に接続された１０オームの検出抵抗１８０を使用して行われる。検出抵抗１８０の両端に生じる電圧が、ＨＡＲＴ（登録商標）のデジタル通信に起因する変動ならびにあらゆるループ雑音を取り除くため、フィルタ処理される。演算増幅器段２２２が、信号のさらなる調節を行い、この信号がマイクロプロセッサ２２４のＡ／Ｄ変換器２２６へ渡される。

ＲＦ回路２３２は、所望に応じた任意の適切な回路または構成であってよい。１つの単純な形態においては、ＲＦ回路２３２が、単に測定された変数をワイヤレス受信機へと送信する。アンテナ２４０は、ＲＦ信号をブロードキャストするために、使用することができ、たとえば回路基板の外縁を巡って引き回される経路の形態で、回路１７０と一体に形成することができる。ＲＦ回路２３２は、いくつかの実施形態においては、回路２３２をトランシーバとして構成することができるように、ワイヤレス受信機を備えることができる。所望であれば、同じアンテナ２４０を、送信および受信の両方に使用することができる。典型的な省電力トランシーバは、約２００フィートの通信範囲を有することができるが、別の電力要求件、回路の感度、アンテナ構成などを使用して他の範囲を達成することができる。回路１７０が、送信機のフィールドハウジング室などの、金属の囲いの中に取り付けられる場合には、ハウジングのＲＦ透過部を、アンテナ２４０からの信号の送信および受信を可能にすべく設けなければならない。例えば、すでに述べたように、ガラス窓を使用することができる。他の材料の例としては、プラスチックまたは他の材料などの、ＲＦ信号に対して充分に透過性である任意の材料が挙げられる。

オプションによるＨＡＲＴ（登録商標）回路２３０を追加することによって、回路１７０は、電流ループ１５６上を流れている４〜２０ｍＡの信号上のＨＡＲＴ（登録商標）メッセージを選択的に聞くことができる。測定されたプロセス変数、診断情報、または他の情報などといった情報を、ワイヤレス受信機へ送信することができる。さらに、ＨＡＲＴ（登録商標）回路２３０がプロセス回路ループ上のデジタル信号を変調するように構成されている場合には、それをループ１５６に接続されたフィールド装置を遠方から指令または問い合わせするために使用することができる。例えば、ＨＡＲＴ（登録商標）回路２３０を、４〜２０ｍＡの電流ループ上の第２のマスターとして機能するように構成することができる。これは、完全なトランシーバとして構成されたＲＦ回路２３２との組み合わせにおいて、例えば図３に示した手持ち式装置などのワイヤレス・マスター・ユニットからの双方向の通信およびフィールド装置の構成を可能にする。

さらに、好ましくはマイクロプロセッサ２２４を、診断機能を実現するために使用することができる。マイクロプロセッサ２２４が、プロセス制御ループ１５６の電圧および電流特性を監視するように構成され、電流および電圧の誤りまたは問題のある変動は診断技術を使用して特定され、ワイヤレスで、あるいは回路２３０によって提供されるＨＡＲＴ（登録商標）伝送能力を使用して、もしくはループ１５６上を運ばれる電流のレベルを警報値または他の所定の値に設定することによって、遠方の位置へ送信されることができる。

回路１７０は、好ましくは、危険な場所で動作できるように構成され、固有の安全の基準などの適切な認証および仕様を満足するように構成される。例えば、固有の安全保護１９０が、固有の安全率を有する抵抗１８０とともに、回路１７０への入力に使用される。適切な構成部品および回路配置を使用して、ツェナー１８２と並列に冗長のツェナーダイオード１９２を追加することによって、或る冗長性のレベルがもたらされ、固有に安全保護されたシステムにおいてこの回路に進入できる電圧の大きさが制限される。同様に、検出抵抗１８０は、回路１７０に流すことのできる最大電流を制限し、蓄積されたエネルギーが回路から外部端子を通じて放電するのを止めるために使用することができる。これは、実質的にゼロに等しい容量を提供する。ループ測定回路は、検出抵抗１８０とフィルタ２２０の両端間に接続された固有の安全率を有する高い値の２つの抵抗器１９４によってさらに保護される。他の回路要素は、注型封止材料などを使用することによって外部のエネルギー源から保護することができ、これはさらに、危険な気体および蒸気が回路１７０内の内部の記憶素子および接点へと達することがないようにする。他の危険でない場所においては、固有の安全部品は不要である。

本明細書において使用されるとき、用語「フィールド装置」は、プロセス・コントローラ監視システムにおいて使用される任意の装置であってよく、必ずしも「現場(field)
」に配置される必要はない。装置は、制御室内または制御回路内などの、プロセス制御システムの任意の場所に設置できる。プロセス制御ループへの接続に使用される端子とは、任意の電気的接続を指し、物理的な端子または別個の端子を有さなくてもよい。所望に応じて、任意の適切な無線周波通信回路を使用することができ、任意の適切な通信プロトコル、周波数、または通信技術を使用することができる。電源回路は、所望に応じて構成され、本明細書に記載された構成には限定されない。いくつかの実施形態においては、フィールド装置が、装置を特定することができるように、あらゆるＲＦ伝送に含ませることができるアドレスを含む。同様に、そのようなアドレスを、受信された信号が当該特定の装置に宛てたものであるかどうかを判断するために、使用することができる。しかしながら、他の実施形態においては、アドレスは使用されず、データが単純にワイヤレス通信回路からアドレス情報をともなうことなく送信される。そのような構成においては、データの受信が望まれる場合に、受信されるデータがアドレス情報を含まなくてよい。いくつかの実施形態においては、これを受認できるであろう。他の実施形態においては、特定の周波数または通信プロトコルを特定の装置へと割り当てる技術、特定の時間帯または期間を特定の装置へと割り当てる技術、または他の技術などの、他のアドレス技術または識別技術を使用することができる。装置間でトークンを伝達することによって特定の装置について送信または受信を可能にするトークン基盤の技術などの、任意の適切な通信プロトコルおよび／またはネットワーク技術を、使用することができる。

本発明を、好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明の精神および範囲から離れることなく、形態および詳細について変更が可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。本明細書において使用されるとき、無線周波（ＲＦ）は、任意の周波数の電磁放射を含むことができ、特定の周波数群または周波数範囲には限られず、他のいかなる限定にも限定されない。所望に応じ、ＩＥＥＥ ８０２．１１ｂ、８０２．１５４、または各社独自の通信プロトコルを含む他のプロトコルなど、任意の通信プロトコルを使用することができる。

ワイヤレス通信のために構成されたフィールド装置を備えるプロセス制御監視システムの概略のブロック図である。 複数のフィールド装置が遠方のメータに情報を送信するプロセス・コントローラ監視システムのブロック図である。 手持ち式装置などの遠隔の装置と通信するためのワイヤレス通信回路を備えるフィールド装置の分解切断図である。 プロセス制御ループから電力を取り出すワイヤレス通信のためのフィールド装置を備えるプロセス・コントローラ監視システムの図である。 図４に示した回路のさらに詳細な構成図である。 図５に示したコンデンサの両端で測定される電圧の時間に対するグラフである。 プロセス・コントローラ監視システムにおいてワイヤレス通信を提供するための回路の電気ブロック図である。

符号の説明

１０…プロセス制御又は監視システム、 １２…制御システム、 １４…フィールド装置、 １６…プロセス制御ループ、 １８…Ｉ／Ｏ電力回路、 ２０…アクチェータ／トランスデューサ、 ２２…無線通信回路、２４…ＲＦ信号、 ２６…アンテナ、 ３２…表示装置、 ６０…フィールド装置、 ８０…手持ち式装置。

Claims (28)

1. 産業プロセスの制御または監視システムにおいて使用するためのフィールド装置であって、
   データの伝送および電力の供給を行うように構成された２線式のプロセス制御ループに接続される端子と、
   無線周波（ＲＦ）通信のために構成された無線周波通信回路、および
   前記２線式のプロセス制御ループから受け取った電力を使用して前記ＲＦ回路へ全電力を供給するように構成された電源回路とを備える装置。
2. 前記２線式のプロセス制御ループから受け取った電力を使用して電荷を蓄えるように構成されたエネルギー貯蔵コンデンサを備え、
   前記電源回路が、前記エネルギー貯蔵コンデンサに蓄えられた電荷からの電力を使用するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記エネルギー貯蔵コンデンサが、スーパーコンデンサからなる、請求項２に記載の装置。
4. 前記ＲＦ回路が、双方向の通信のための構成を備えている、請求項１に記載の装置。
5. 前記ＲＦ回路が、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルに従って前記２線式のプロセス制御ループから受け取った情報の関数としてＲＦデータを送信するように構成されている、請求項１に記載の装置。
6. 産業プロセスと相互作用するように構成されたトランスデューサまたはアクチュエータを備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記ＲＦ回路は、モジュール式の回路基板を備え、前記モジュール式の回路基板が、フィールド装置のハウジング内に取り付けられるように構成されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記ＲＦ回路が、デジタル通信用に構成されている、請求項１に記載の装置。
9. 前記ＲＦ回路が、アナログ通信用に構成されている、請求項１に記載の装置。
10. 前記端子が、前記２線式のプロセス制御ループに直列に接続するように構成されている、請求項１に記載の装置。
11. ＲＦ回路を囲むように構成された防爆ハウジング、および
    前記ハウジングを通ってＲＦ送信ができるように構成されたハウジングと一体のＲＦ透過領域とを備える、請求項１に記載の装置。
12. 前記ＲＦ透過領域がガラスからなる、請求項１１に記載の装置。
13. 主ハウジングに取り付けられるように構成された端部キャップを備え、前記端部キャップがＲＦ透過領域を備える、請求項１２に記載の装置。
14. 前記ＲＦ回路を搭載するように構成された回路基板と、
    前記ＲＦ回路基板に上に搭載され、前記ＲＦ回路に接続されたＲＦアンテナとを備える、請求項１に記載の装置。
15. 前記ＲＦ回路が、前記端子を備える端子ブロックと一体である、請求項１に記載の装置。
16. 前記ＲＦ通信回路が、前記プロセス・ループを通って伝送されるアナログ電流レベルに関係したＲＦ信号を送信するように構成されている、請求項１に記載の装置。
17. 前記ＲＦ通信回路が、前記プロセス制御ループによって伝送されるデジタル信号に関係したＲＦ信号を送信するように構成されている、請求項１に記載の装置。
18. ＲＦゲートウェイ・ユニットへの双方向ＨＡＲＴ（登録商標）として動作するように構成された前記ＲＦ通信回路に接続されたＨＡＲＴ（登録商標）モジュールを備える、請求項１に記載の装置。
19. 前記ＲＦ通信回路が、周期的に通信できるように構成されている、請求項１に記載の装置。
20. 前記ＲＦ通信回路が、プロセス変数に関係したＲＦ信号を送信するように構成されている、請求項１に記載の装置。
21. 産業プロセスの制御または監視システムにおいて使用するためのフィールド装置における通信のための方法であって、
    データの伝送および電力の供給を行うように構成された２線式のプロセス制御ループに接続すること、
    無線周波（ＲＦ）信号を使用して通信を行うこと、および
    前記２線式のプロセス制御ループから受け取った電力を使用して前記ＲＦ通信の全電力を供給することとを含む、方法。
22. 前記電力を供給することが、前記２線式のプロセス制御ループから受け取った電力を使用してコンデンサに電荷を蓄えることを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記通信が、双方向の通信を含む、請求項２１に記載の方法。
24. 前記通信が、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルに従って前記２線式のプロセス制御ループから受け取った情報の関数としてＲＦデータを送信することを含む、請求項２１に記載の方法。
25. 前記通信が、デジタル通信を含む、請求項２１に記載の方法。
26. 前記通信が、アナログ通信を含む、請求項２１に記載の方法。
27. 前記接続することが、前記２線式のプロセス制御ループに直列に接続することを含む、請求項２１に記載の方法。
28. 前記通信が、２線式のループおよびＲＦ信号間の双方向の通信を含む、請求項２１に記載の方法。

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