JP2011524588A - 電圧降下が可変のフィールド機器用無線アダプタ - Google Patents

Abstract

2線式プロセス制御ループ(22)内で用いる無線アダプタは、無線通信回路と、2線式プロセス制御ループ(22)に直列接続されるよう構成された第一及び第二の端子を含む。調整入力を有するレギュレータ(152)は第一の端子と出力部とに接続される。シャント(154)はレギュレータ(152)の出力部に接続され、無線通信回路に電力供給するよう構成される。フィードバック回路(158)はレギュレータ(152)からシャント(154)へ流れる電流を、2線式プロセス制御ループ(22)を流れる電流の関数として制御するよう構成される。

Description

本発明は産業プロセスの制御又は監視システムに関する。特に、本発明は無線(RF)通信可能なシステム内のフィールド機器に関する。

産業環境においては、工業又は化学プロセス用などの物品を監視し制御するのに制御システムが利用される。典型的には、制御システムがこのような機能を実行するに際しては、産業プロセス内の主要な箇所に配置され、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機器を利用する。「フィールド機器」という用語は、配置分布されている制御又は監視システム内で機能を実行する任意の機器を指し、産業プロセスの測定、制御及び監視に利用される現在周知の又は将来周知となる全ての機器を含む。

フィールド機器の中には変換器を含むものがある。変換器とは、物理的入力に基づいて出力信号を生成する機器か、入力信号に基づいて物理的出力を生成する機器かのいずれかを表すものとする。典型的には、変換器は入力を別形式を有する出力へと変換する。各種の変換器には、様々な分析機器、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪みゲージ、流量送信機、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド及び指示ライトやその他、が含まれる。

典型的には、各フィールド機器はまた、プロセス制御ループを介してプロセス制御室又は他の回路と通信するのに用いられる通信回路を含む。設備によっては、プロセス制御ループはまた、フィールド機器に電力供給するため、当該フィールド機器に調整された電流及び／又は電圧を届けるのに用いられる。プロセス制御ループはまた、データをアナログ又はデジタルのいずれかの形式で伝送することができる。

従来技術では、単一の2線式プロセス制御ループによって各機器を制御室に接続することで、アナログのフィールド機器は2線式プロセス制御電流ループにより制御室に接続されていた。典型的には、アナログモードでは12〜45ボルト、デジタルモードでは9〜50ボルトの電圧範囲内で2線間に電圧差が維持される。アナログのフィールド機器の中には、電流ループを流れる電流を検知したプロセス変数に比例した電流へと変調することによって、制御室に信号を伝達するものがある。また、他のアナログのフィールド機器の中には、ループの電流の大きさを制御することによる制御室の制御に従った動作を実行できるものもある。さらに追加して、又は代わりとして、プロセス制御ループはフィールド機器との通信に用いられるデジタル信号を伝達することもできる。

設備によっては、フィールド機器との通信に無線技術が用いられ始めるようになってきた。例えば、完全に無線の設備が利用され、当該設備内ではフィールド機器は電池、太陽電池又は他の技術を用いることで何らの種類の有線接続も用いずに電力を得ている。しかしながら、大部分のフィールド機器はプロセス制御室へ配線で接続され、無線通信技術は利用しない。さらに、多くのフィールド設備では、環境内へと放電してもよいエネルギ蓄積量を制限する「本質安全」("intrinsic safety")規格に準拠せねばならない。

設定によっては、無線アダプタをプロセス制御ループと直列に接続することができる。こうした設定では、当該アダプタの端子間の電圧降下がプロセス制御ループの動作に影響してしまうことがありうる。さらに、この電圧降下の量によって、当該アダプタの回路動作に用いる、当該アダプタが利用可能な電力の最大値が影響を受けてしまうことがありうる。

2線式プロセス制御ループ内で用いる無線アダプタは、無線通信回路と、前記2線式プロセス制御ループに直列接続されるよう構成された第一及び第二の端子と、を含む。レギュレータ入力部を有するレギュレータは、前記第一の端子と、出力部とに接続される。シャント回路は、前記レギュレータの前記出力部に接続され、前記無線回路へ電力供給するよう構成される。フィードバック回路は、前記レギュレータから前記シャント回路へ流れる電流を、前記2線式プロセス制御ループを流れるループ電流の関数として制御するよう構成される。

無線アダプタを有するフィールド機器を含む、産業プロセス制御又は監視システムを示す簡略図である。 無線アダプタを含む図1のフィールド機器の断面図である。 2線式プロセス制御ループに接続される、フィールド機器と無線アダプタとを示す配線図である。 2線式プロセス制御ループに接続するための可変電圧降下回路の構成の一例を示す図である。 マイクロコントローラを含む、可変電圧降下回路の構成の別の一実施形態を示す図である。 フィードバックを有するマイクロコントローラを含む、可変電圧降下回路の構成の別の一例を示す図である。 別の一例の構成を有する可変電圧降下回路の簡略回路図である。 可変及び固定の電圧降下モードを切り替えるスイッチを含む、可変電圧降下回路の回路図である。 可変電圧降下回路を有する無線アダプタの構成要素を示す簡略ブロック図である。

本発明により、産業プロセス制御又は監視システム内のフィールド機器に用いる無線アダプタが提供される。無線アダプタはフィールド機器に接続され、フィールド機器に無線通信機能を提供する。アダプタはまた、2線式プロセス制御ループに接続され、当該ループはフィールド機器を制御室などのようなローカル位置へと接続するのに用いられる。アダプタは、当該アダプタの端子間の電圧降下を可変とすることを可能にする、電源配置を有する。

図1は、プロセス制御・監視システム10の簡略ブロック図である。図1に示されているように、フィールド機器12はプロセス流体16を運ぶプロセス配管14に接続されている。この例では、フィールド機器12はプロセス変数送信機として図示されている。例えば、プロセス変数送信機は圧力、流量及び温度などといったようなプロセス配管14のプロセス変数を測定することができる。他の種類のフィールド機器には、産業プロセス10の動作を制御するのに用いられる制御機器が含まれる。しかしながら、本発明はこのような機器に限定されるものではない。フィールド機器12は典型的には、例えば産業プロセスプラント内のフィールド内のようなリモート位置に配置され、2線式プロセス制御ループ22を通じて制御室20のようなローカル位置に接続される。制御室20は負荷抵抗20Aと電源20Bとを含む。2線式プロセス制御ループ22は、任意の適切な標準又は技術に従って動作してよい。典型的な通信標準には、プロセス制御ループを流れる電流値によってプロセス変数が表現される、4-20mAプロセス制御ループが含まれる。別の例には、例えばHART(登録商標)通信標準のような、2線式プロセス制御ループのアナログ電流値へ重畳されるデジタル通信技術が含まれる。他の完全にデジタル式の技術を採用してもよく、当該技術にはフィールドバス(FieldBus)に基づくプロトコルが含まれる。典型的にはフィールド機器12は、プロセス制御ループ22を介して受信した電力によって電力供給される。

図1では、無線アダプタ30がフィールド機器12に接続されているのが示されている。無線アダプタ30は、矢印32と34として図示されているように、他の機器との無線通信に利用することができる。例えばアダプタ30は、携帯型通信機40と、又は無線アダプタ44を含むフィールド機器42と、無線通信することができる。フィールド機器42は図示されているように、プロセス配管46に接続されている。

無線アダプタ30は所望のように、他の機器又は構成部品と通信することができる。当該通信は任意の適切なプロトコルに従ってよい。一例のプロトコルには、通信システムを拡張し通信システムの信頼性を高めるため無線機器間でデータのやりとりをする、メッシュネットワークの形成が含まれる。

図2は、2線式プロセス制御ループに接続される、フィールド機器12と無線アダプタ30との簡略断面図である。プロセス変数送信機の例では、フィールド機器12は、プロセス変数を測定するよう構成された測定回路52に接続されるプロセス変数センサ50を含んでいる。送信機回路54は、周知の技術を用いてプロセス変数を受信し且つ2線式プロセス制御ループ22にプロセス変数を伝えて通信するよう構成されている。送信機12は、接続ブロック106を通じて2線式プロセス制御ループに接続する。無線アダプタ30はまた、接続ブロック106に接続され、例えばネジ式接続部122及び109を介して、送信機12のハウジングに取り付けられる。例えば、当該接続はNPTネジ式の管路接続109によるものであってよい。また同様の管路接続109を用いて、当該管路を通じて2線式プロセス制御ループ22を運んでいる管路111へ接続する。無線アダプタ30の胴体は、導線108を通じて送信機12の電気接地接続部110へ接続する。送信機12は、無線アダプタ30からの接続線112に接続する2線式プロセス制御接続ブロック102を含む。無線アダプタ30のハウジング120は、無線アダプタ30の回路に接続するアンテナ126を格納している。無線透過型のエンドキャップ124はハウジング120に密封可能に接続することができ、当該箇所を通じて無線信号の伝達を可能とする。図2に示す配置では、無線アダプタには5本の電気接続線が提供され、当該接続線は1個の電気接地接続部に加えて4個のループ接続部を含んでいる。

図3は、制御室20、フィールド機器12及び無線アダプタ30の間の電気的接続関係を示す簡略ブロック図150である。図3に示されているように、無線アダプタ30はプロセス制御ループ22に対して、Loop+（明細書中また、L+と表す）接続部とLoop-（明細書中また、L-と表す）接続部とを通じて直列接続されている。またフィールド機器12が自身の+Power接続部と-Power接続部とによって直列接続されている。HART（登録商標）通信接続部は、アダプタ30がプロセス制御ループ22で通信するのに利用される。

動作時には、アダプタ30はプロセス制御ループ22を流れる4-20mA電流からの電流を利用して動作する。アダプタ30を電流が流れると、そのL+及びL-端子接続部の間に小さな電圧降下が生ずる。好ましくは、この電圧降下の量は充分に小さくしておいて、フィールド機器12に電力供給できるよう、プロセス制御ループ22に充分な電圧が確実に残るようにする。例えば、アダプタによる降下電圧は約1.0ボルトとする。プロセス制御ループの電流はある条件にて低くて3.5mAであり、別の条件にて高くて25mAであるとする。従って、このような構成では、アダプタ30が利用可能な電力は固定の1.0ボルト電圧降下を仮定して、3.5mWから25mWまで変動しうる。こうして、アダプタ30の回路は、ループが高い電流値にて動作しているときに、より大きな駆動電力を受信する。

図3では、負荷抵抗20Aが示されている。負荷抵抗20Aは、プロセス制御システムがプロセス制御ループ22を流れる電流I_Loopを検知するのに利用される。例えば、プロセス制御システムは当該負荷抵抗の両端で測定した電圧を、プロセス変数送信機が検知したプロセス変数を示す値へと変換することができる。当該変数は例えば、プロセス圧力、温度、水位、流量又はその他の測定パラメータに関するものであってよい。典型的には、負荷抵抗は250オームの値を有する。プロセス制御ループが4mAの電流を流している場合、当該抵抗の両端の電圧は1.0ボルトである。同様に、プロセス制御ループが20mAの電流を流している場合、当該抵抗の両端の電圧降下は5ボルトである。プロセス変数送信機の電圧降下が、ループ電流が変動しても比較的一定であるならば、制御ループが20mAで動いているときよりも制御ループが4mAで動いているときのほうが、アダプタ30の回路が利用できる電圧が大きい。本発明はアダプタの両端の電圧降下を可変とする技術を提供し、当該技術によれば、プロセス制御ループを流れる電流が低い値であるときに、アダプタでより大きな電圧降下を利用できる（そしてアダプタでより大きな電力を利用できる）。同様に、ループが高い電流値で動作している場合に、アダプタの両端により小さい電圧降下が提供される。このようにして、アダプタ30が獲得しうる最小の電力が引き上げられ、従って、回路の性能を向上させて、例えば無線通信の電力を上げることができる。

図4は一例の実施形態に係る可変電圧降下回路150の簡略回路図である。可変電圧降下回路150は、トランジスタ156を通じてシャントレギュレータ154に接続される、DC/DCスイッチングコンバータ又はスイッチングレギュレータ152を含む。レギュレータ152の入力部は抵抗R₁を通じてプロセス制御ループ22に接続される。レギュレータ152への入力は電圧値V_regにある。トランジスタ156のベースはフィードバック回路158に接続され、フィードバック回路158はオペアンプ160、162と、トランジスタ164と、抵抗R₂、R₃、R₄及びR₅と、を備える。

図4に示す回路は、抵抗R₁を用いてループ電流を検知し、端子L+及びL-における調整電圧を可変とする。オペアンプ160は電流センスアンプとして動作し、電流I_Sを変動させることによって、R₁の両端での電圧降下に等しい電圧降下をR₃の両端に生じさせる。I_Sとループ電流との関係式は次の通りである：

I_Loop*R₁=I_S*R₃ 式1
I_S=I_Loop*(R₁/R₃) 式2

従って、電流I_SはR₁とR₃とによって確立される比率に基づいてループ電流に比例する。R₁とR₃との例となる値としては、それぞれ1オームと5000オームとである。このような構成では、I_Sはループ電流を5000で割ったものに等しくなる。

オペアンプ162は、その反転入力電圧を非反転入力電圧に等しくなるよう維持することにより、シャントレギュレータ154へ向かう電流を変動させて、アダプタの端子L+及びL-間の電圧降下を調整するように動作する。図4では、非反転入力部は参照電圧V_refに接続され、V_regはループ端子間の電圧の値である。参照電圧V_refは、例えばバンドギャップ参照電圧を用いるなどの、任意の適切な技術にて確立することができる。オペアンプ162の反転入力は、その中へ電流I_Sが流入する加算ノードとして動作する。R₅の両端の電圧が固定されているので、R₅を流れる電流も固定されている。従って、I_Sがループ電流と共に変動すると、R₄を流れる電流は等しい量で反対方向へと変動する。I_Sがループ電流と共に増加すると、R₄を流れる電流は減少し、従ってV_regすなわち端子L+とL-との間の電圧は減少する。このことによって、プロセス制御ループ22の電流が増加するにつれ、端子間の電圧降下がより低くなる。例えば、ループが4mA及び20mAで動作しているときのV_regの値は、R₁、R₃、R₄及びR₅の値を変えることによって調整することができる。R₁が1オーム、R₃が5000オーム、R₄が309キロオーム、R₅が39.1キロオーム、そしてV_ref=0.25ボルトであるとするならば、ループ22が4mAで動作しているときにはV_regは1.98ボルトであり、ループ22が20mAで動作しているときにはV_regは0.99ボルトである。

図4に示す構成の1つの特徴としては、当該回路が非常に高速な応答時間を有するということが挙げられる。例えば、ループ電流は比較的短い時間で4mAから20mAまで変化することができる。変化が生じたときに、できる限り素早く電圧降下量が変化するということが重要である。これは、20mAのループ電流では、負荷抵抗20Aはループ電圧のより多くを「消費する」からである。プロセス変数送信機といったようなプロセス機器が、動作するに充分な電圧を常に確実に有するようにするためには、アダプタ30の両端の電圧降下はループ電流の変化に応答して迅速に変化せねばならない。

図5に、別の一例の実施形態である、電圧降下がマイクロプロセッサ172によって制御される可変電圧降下回路170を示す。マイクロプロセッサ172はデジタルアナログコンバータ174へデジタル値を与え、当該コンバータ174は抵抗R6を通じてオペアンプ162の反転端子に接続している。この構成では、フィードバック回路158は、オペアンプ162の加算ノードに流れ込む電流I_Sを所望のように変化させてよいような、開ループ構成で動作することができる。従って、L+及びL-端子間の電圧降下は所望のように可変とすることができる。例えば、V_regを製造時に設定して、特定のプロセス制御ループ22内においてアダプタ回路が利用可能な電圧に基づいて、動作時に修正することができる。しかしながら、このような構成の1つの短所としては、アダプタ30で利用可能な電圧をメーカーかオペレータかのいずれかが前もって決定しておかないといけない、ということがある。さらにこの構成では、ループ電流が高いときよりもループ電流が低いときの方がより多くの電圧がアダプタ30に利用可能になる、という実際上の利点を活かせていない。

図6に、別の一例の実施形態で、プロセス制御ループ22を流れる電流I_Loopをデジタル表現したものをマイクロコントローラ172が受信する実施形態を示す。類似の構成要素は番号付けを引き継いでいることに注意してほしい。図6では、アナログデジタルコンバータ182は、電流I_S1に比例する、抵抗R₇の両端間の電圧降下を検知するよう構成されている。この値がデジタル化されてマイクロコントローラ172へと与えられる。上記説明したように、マイクロコントローラ172は次に、デジタルアナログコンバータ174を制御することで、L+及びL-端子間の電圧を制御することができる。このような構成の1つの利点としては、マイクロコントローラ172がループ電流に関する情報を受信することができ、例えばHART（登録商標）通信を用いて、プロセス制御ループ22を用いて又は無線インタフェースを通じて、この情報をオペレータへと通信することができる、ということが挙げられる。しかしながら、追加必要となるアナログデジタルコンバータ及びデジタルアナログコンバータと、システム速度の減少と、が不利な点とはなる。

上記各回路構成では回路がリセットされる状況がある。例えば、ループ電流が3.5mAで動作しているときにV_regは約2.25ボルトとなり、ループ電流が20mAに増すとV_regは約1.0ボルトに減少するよう回路が設定されているとする。ループ内の異常によってループ電流が25mAを超えて増加することがありうる。このようなことが起きた場合、電圧V_regは増加を続けて、オペアンプ162に入力されるV_refの値に接近する。DC/DCスイッチングレギュレータ152がV_refよりも大きな電圧入力を動作に必要とするならば、当該DC/DCコンバータからの出力は減少して、アダプタ30内のマイクロプロセッサ又は通信回路をリセットさせてしまう可能性がある。無線通信回路がリセットされると、アダプタ30は無線通信ネットワークから接続解除して、回路が安定化した時点で再参加処理を要求する。このような処理が起きている際には、機器と無線通信することはできない。メッシュネットワークを採用しているならば、当該ネットワークは自身を再構築する必要があるかもしれない。さらに、オペアンプ160は高い側の電源供給電圧に近い領域に入力端子を置いた状態で機能することができねばならない。例えば、供給電圧は約2.35ボルトであるとする。そしてL+及びL-端子間の電圧に2.5ボルトの高さが要求されるかもしれない。このような状況においては、オペアンプ160の入力端子で正の電源供給電圧を超えることがありうる。

図7に可変電圧降下回路190の回路図を示す。当該回路190は、スイッチングレギュレータ152の動作範囲よりも低い値にループ端子電圧が降下することがないよう、電流センスオペアンプが正の電源供給電圧に近い領域で機能することを必要としないよう、構成されている。図7では、類似の構成要素は番号付けを引き継いでいる。しかしながら、図7においては、R₃がオペアンプ160の出力部における新たな位置にあることに注意してほしい。さらに、R₁は負のループ端子と直列に接続されている。この構成において、オペアンプ160はR₁を流れる電流に比例する出力電圧を作る。この出力の変化する電圧によって抵抗R₃を流れる電流が変化し、さらに当該電流変化によって抵抗R₄を流れる電流が等しく変化する。このR₄を流れる変化する電流によってまた、V_regが変化する。ループ電流とV_regとの関係式は次の通りである：

I_Loop*R₁=I_b*R_b 式3
I_Loop=I_b*R_b/R₁ 式4
V_out=I_b*RF+I_b*R_b+I_Loop*R_f 式5

ここで、式4を式5に代入することで、

V_out=I_Loop*(R₁/R_b)*(R_f+R_b)+I_Loop*R_f 式6

I_S=(V_out-V_ref)/R₃ 式7

V_reg=(I_S+I₅)*R₄+V_ref 式8

上記式6は、オペアンプ160の出力(V_out)が直接、アダプタを流れる電流I_Loopに比例することを示している。I_Loopが増加すると、式7に示される関係のように増加するV_outによって、I_Sが増加する。I_Sが増加すると、V_refが定数であるためR₅を流れる電流が一定であるので、R₄を流れる電流は減少しないといけない。R₄を流れる電流が減少すると、R₄の両端の電圧が減少し、従ってV_regが減少する。このように各式によって、ループ電流が増加するとアダプタループ端子間の電圧(V_reg)が減少することが説明される。

図7に示す回路は、オペアンプ160の入力端子が該機器の負の電源供給電圧よりも少し低い領域で動作するので、上記説明した1番目の短所が克服される。一例のオペアンプとしては、入力端子の電圧を負の電源供給電圧よりも低くして動作することのできる、ナショナル・セミコンダクタ(National Semiconductor)から入手可能なLMP2231がある。該オペアンプはまた、比較的低い電源電圧と供給電流とを用いて動作可能である。該オペアンプは、低い入力電圧オフセットと、環境温度変化による入力電圧オフセットの低いドリフトとを有する。

図7に示す回路の抵抗値を正しく選択すれば、上記説明した2番目の短所を克服することができる。オペアンプ160の出力V_outが正の電源供給電圧にて又は当該電圧付近にて飽和するので、ループ電流が25mAに達したときに出力V_outがこれ以上増加しないよう、抵抗値を選択すればよい。オペアンプ160の出力がさらに増加しなければ、V_regの値も同様にさらに減少することはない。従ってこれら回路は、超えることがない値である25mAにI_Loopが達したときにV_regが最小値に達するよう、設計することができる。I_Loopが25mAを超えて増加したとしても、V_regはその最小電圧値を維持するので、DC/DCコンバータ152には動作するための充分な電圧が常にあることとなる。このことによって、たとえループ電流が異常に高い値となったとしても、アダプタ30のマイクロプロセッサと無線通信回路とは動作を確実に続けられるようにすることができる。

さらに、上記説明したいくつかの回路と同様に、図7に示す回路190は比較的高速な応答時間を有する。図7に示す構成の1つの追加的な利点は、当該回路が固定値の電圧降下を与えるようにするための修正を容易に行える、という点である。図8に、可変又は固定の電圧降下の回路192を示す。回路192は、スイッチ194が電流I_Sの通路に含まれているという点を除いて、図7に示す回路190と同様である。スイッチ194が開くと、I_Sはゼロとなり、R4の両端の電圧はもはや変化しないので、V_regももはや変化しない。こうして、図8に示す回路は、可変電圧降下回路と固定電圧降下回路とをスイッチ切替可能である。採用可能な一例のスイッチは、アナログ・デバイセズ(Analog Devices)から入手可能なADG842である。当該スイッチは通常状態で閉じており、回路が通常状態で可変電圧降下モードにて動作するようになっている。当該スイッチは、アダプタ内のマイクロプロセッサによって制御して、適切な有線又は無線の命令受信に応じて変化するようにしてよい。

図８に示す構成要素における適切な値は以下に示す通りである：

図9は、可変ループ電圧降下回路190を含むアダプタ30の回路図をブロック図形式で示したものである。アダプタ30は内部メモリを有するマイクロプロセッサ200を含み、該マイクロプロセッサ200は機器の動作を制御し、例えばHART（登録商標）モデム202を用いて、プロセス制御ループ22によりHART（登録商標）通信プロトコルで通信するよう構成されている。無線通信モジュール204が、アンテナ206を用いて無線通信をするために用意されている。マイクロプロセッサ200は、DC/DCコンバータ152からの出力部に接続されているLDO（Low Dropout Regulator；低ドロップアウトレギュレータ）によって電力供給される。リセット回路212が、電圧が所定の作動点以下に落ちた場合にマイクロプロセッサ200をリセットするため、用意されている。この構成では、シャントレギュレータ154は複数の構成要素として示されている。キャパシタ214が示されており、これは無線モジュール204を動作させるのに用いる電力を蓄えるために利用する、10,000μFの容量値を有する。電圧クランプ／電流シャント216が、キャパシタ214の両端に最大電圧を設定するために用意されている。DC/DCスイッチングレギュレータ218は、無線モジュール204に電力供給するLDO220に対して、調整された3ボルト出力を与えるのに用いられる。リセット回路222は、所定の閾値以下に電圧が落ちた場合に無線モジュール204をリセットするため、用意されている。レベルシフト回路226は、無線モジュール204とマイクロプロセッサ200との間で通信信号を受け渡しするため、用意されている。HART（登録商標）モデム202は、HART（登録商標）受信回路230を用いたHART（登録商標）接続からのHART（登録商標）通信信号を受信し、HART（登録商標）送信回路232を用いてHART（登録商標）通信信号を送信する。これら回路は、キャパシタ234を通してHART（登録商標）端子に接続される。図9では、可変電圧ネットワーク240が用意され、+Loop端子とオペアンプ160の出力部との間を接続している。可変電圧ネットワーク240は、図7に示す抵抗R₃、R₄及びR₅を備える。（この簡略図では抵抗R_b、R_f及びRFは示されていないことに注意のこと。）

本発明は、一方向又は双方向の無線通信用の無線モジュールを含むプロセス制御ループに接続されるよう構成された、フィールド機器及び／又はアダプタを提供する。無線通信モジュールは、リモートの機器又は位置からの無線信号を送信及び／又は受信することができる。該モジュールはプロセス制御ループから受信した電力によって直接に電力供給することができ、又はプロセス制御ループから受信してその後の使用のために蓄積しておいた電力で電力供給することもできる。該モジュールは、無線通信が必要となるフィールド機器に取り付けるだけでよいような着脱可能モジュールであってよい。該モジュールは、既存の送信機に組み込むアダプタとして構成してよい。

上記の構成により、プロセス変数送信機との無線通信を可能とするアダプタが提供される。当該回路は、プロセス変数送信機で既に利用可能な電力によって動作するよう構成することができる。ループシャントレギュレータ内のシャント要素としてエネルギ蓄積要素を配置することで、効率を増すことができる。シャントレギュレータの制御用のフィードバック回路の一部である、「ステップアップ」（昇圧）レギュレータを用意することができる。この構成によって効率を上げると共に、必要となる構成部品数を減らすことができる。当該機器の電圧降下は所望のように可変とすることができる。

本明細書にて用いている「フィールド機器」という用語は、プロセス制御監視システムで用いられる任意の機器のことであり、必ずしも「フィールド」内に配置されることを必要としない。当該機器は制御室又は制御回路内を含むプロセス制御システム内のどこに配置されてもよい。プロセス制御ループに接続するのに用いる端子とは、任意の電気接続部を表しており、物理的な又は個別の端子を備えてなくともよい。所望のとおりに、任意の適切な無線周波数通信回路を用いてよく、任意の適切な通信プロトコル、周波数又は通信技術を用いてよい。電力供給回路は所望のように構成することができ、本明細書にて説明した構成に限定されない。ある実施形態では、フィールド機器は、当該機器を特定することができるように、任意の無線送信に含めることができるアドレスを含んでいてもよい。同様に、そうしたアドレスは、受信信号がその特定の機器に向けられたものであるかを決定するのに利用することができる。しかしながら他の実施形態では、アドレスは全く利用せずに、データをアドレス情報なしで無線通信回路から単に送信するのみである。このような構成では、データ受信を望む場合、任意の受信データがアドレス情報を含んでいないこととなる。実施形態によっては、これでも問題ない。実施形態によっては、特定の機器に特定の周波数又は通信プロトコルを割り当てたり、特定の機器に特定のタイムスロット又は周期を割り当てたり、又はその他の技術といったような、他のアドレス割り当て技術又は特定技術を利用してもよい。任意の適切な通信プロトコル及び／又はネットワーク技術を採用することができ、その中にはトークンを機器間で渡していくことによって特定機器への送信又は受信を可能とする、トークンに基づく技術が含まれる。

本発明は好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者であれば本発明の精神および範囲より逸脱することなく形式及び詳細に変更を加えうることが理解されるはずである。本明細書では無線(Radio Frequency；RF)は任意周波数の電磁的送信を備え、特定の群の周波数、周波数範囲又は他の任意の制限によって限定されるものではない。所望のとおりに任意の通信プロトコルを利用することができ、その中にはIEEE 802.11b、802.15.4又は他のプロトコルが含まれ、無線HART（登録商標）のような標準化されたプロトコル及び独自仕様のプロトコルが含まれる。上記説明では無線アダプタによって、2線式プロセス制御ループに接続するための、デジタル信号の通信接続部が与えられ、実施形態によっては、HART（登録商標）通信プロトコルに従って通信する。アダプタはプロセス制御送信機に外部取り付けするよう構成することができ、例えば、送信機ハウジング内のNPTネジ式装着部に螺入して取り付けすることができる。上記説明では、電気二重層キャパシタ(super capacitor)ではないキャパシタが採用され、例えば約10,000μFがエネルギ蓄積に用いられる場合、本発明の本質安全回路が動作してアダプタの回路に入ってくる最大の利用可能エネルギを制限する。これは、本質安全規格に従い所与のキャパシタンスの両端の電圧は、瞬間的な回路短絡が発生した場合にキャパシタンスが火花を発生させる結果となりうる値よりも、小さく抑えねばならないからである。こうして、上記説明では、アダプタ内の回路が受信することのできる最大の回路電圧を制限することで、キャパシタンスの大きさを増やすことができる。本明細書では、「シャントレギュレータ」は示される特定の構成に制限されるわけではなく、電流が最終的には（そして実質的に大部分が）2線式プロセス制御ループに分流して戻されるような、アダプタ内の任意種類の回路を備えてよい。より一般的には、無線通信回路に電力供給するのに用いるシャント回路を備えてよい。該シャント回路を流れる電流は2線式プロセス制御ループに戻される（分流される）。本発明は好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者であれば本発明の精神および範囲より逸脱することなく形式及び詳細に変更を加えうることが理解されるはずである。

無線アダプタ…30、無線通信回路（無線モジュール）…204、2線式プロセス制御ループ…22、レギュレータ…152、シャント回路…154、フィードバック回路…158

Claims (22)

1. 産業プロセス制御システム内にあり2線式プロセス制御ループに接続されるプロセスフィールド機器に接続され、該プロセスフィールド機器の無線通信を可能とするよう構成された、前記2線式プロセス制御ループ内にて用いられる無線アダプタであって、
   無線通信回路と、
   前記2線式プロセス制御ループと直列に接続されるよう構成された第一及び第二のループ端子と、
   前記第一のループ端子に接続されるレギュレータ入力部と、レギュレータ出力部と、を有するレギュレータと、
   前記レギュレータ出力部に接続され、前記無線通信回路に電力供給するよう構成されたシャント回路と、
   前記レギュレータから前記シャント回路へと流れる電流を、前記2線式プロセス制御ループを流れるループ電流の関数として制御するよう構成されたフィードバック回路とを備えることを特徴とする無線アダプタ。
2. 前記シャント回路が電圧レギュレータを含むことを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
3. 前記電圧レギュレータがDC/DCコンバータを備えることを特徴とする請求項2に記載の無線アダプタ。
4. 前記シャント回路が前記2線式プロセス制御ループから電荷を受信して前記無線通信回路に電力供給するよう構成されたキャパシタを含むことを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
5. 前記フィードバック回路が前記第一及び前記第二のループ端子の間の電圧降下を制御するよう構成されていることを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
6. 前記フィードバック回路が、前記一及び前記第二のループ端子の間の電圧降下を制御するのに用いられる入力部を含むことを特徴とする請求項5に記載の無線アダプタ。
7. 前記フィードバック回路が、前記シャント回路を前記レギュレータに接続するのに用いられるトランジスタを含むことを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
8. 前記フィードバック回路が前記トランジスタの動作を制御して、前記第一及び前記第二のループ端子の間の電圧降下を制御することを特徴とする請求項7に記載の無線アダプタ。
9. 前記フィードバック回路が前記2線式プロセス制御ループより前記レギュレータを通って流れる電流を測定することを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
10. 前記フィードバック回路が、前記測定した電流の関数として前記シャント回路へ伝達する電力を制御することを特徴とする請求項9に記載の無線アダプタ。
11. 前記入力部がマイクロコントローラに接続されることを特徴とする請求項6に記載の無線アダプタ。
12. 前記第一及び前記第二のループ端子のうち一方が前記プロセスフィールド機器に接続され、さらに、前記プロセスフィールド機器に接続され、該プロセスフィールド機器と通信するのに用いられる通信端子を含むことを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
13. 前記2線式プロセス制御ループが4-20mA電流ループを備えることを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
14. 前記フィードバック回路が、前記第一及び前記第二のループ端子の間の電圧降下が可変である第一の動作モードと、前記第一及び前記第二のループ端子の間の電圧降下が固定である第二の動作モードと、を切替可能であることを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
15. 前記レギュレータがDC/DCレギュレータを備えることを特徴とする請求項1に記載の無線アダプタ。
16. 無線アダプタを用いて、2線式プロセス制御ループに接続されるプロセスフィールド機器への無線通信を可能とする方法であって、
    前記無線アダプタの第一及び第二のループ端子を前記2線式プロセス制御ループに接続するステップと、
    前記第一のループ端子に接続された前記アダプタ内のレギュレータによって、調整出力を発生させるステップと、
    前記レギュレータの前記調整出力に接続されるシャント回路を用いて前記アダプタ内の無線通信回路に電力供給することで、該無線通信回路に電力供給するステップと、
    前記無線通信回路を用いて無線通信するステップと、
    前記レギュレータから前記シャント回路へ流れる電流を、前記2線式プロセス制御ループを流れるループ電流の関数として調整することで、前記第一及び前記第二のループ端子の間の電圧降下を制御するステップとを備えることを特徴とする方法。
17. 前記レギュレータがスイッチング電圧レギュレータを備えることを特徴とする請求項16に記載の方法。
18. 前記2線式プロセス制御ループからの電荷を用いてキャパシタを充電するステップを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。
19. 前記ループ端子から前記アダプタ内へと流れる電流を測定して、応答的に前記第一及び第二のループ端子間の電圧降下を制御するステップを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。
20. 前記第一及び第二のループ端子のうち一方が前記プロセスフィールド機器に接続されており、さらに、前記プロセスフィールド機器と通信するのに用いる通信端子を前記プロセスフィールド機器に接続するステップを含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。
21. 前記2線式プロセス制御ループが4-20mA電流ループを備えることを特徴とする請求項16に記載の方法。
22. 前記2線式プロセス制御ループがHART（登録商標）通信プロトコルに従うデジタル通信を行うことを特徴とする請求項16に記載の方法。

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