JP4651670B2 - 無線電源および通信ユニット - Google Patents

Description

本発明は、産業プロセス制御または監視システムに関する。より具体的には、本発明は、このようなシステムにおけるフィールド機器（以下、フィールドデバイス）に無線能力を付加するシステムに関する。

産業環境においては、制御システムを用いて産業および化学プロセスの各項目の監視および制御などを行う。通常、産業プロセスの主要位置に分散されているとともに、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ているフィールドデバイスを用いることにより、制御システムは、これらの機能を実行する。「フィールドデバイス（ｆｉｅｌｄ ｄｅｖｉｃｅ）」という用語は、産業プロセスの計測、制御および監視に用いられるデバイスの全てを含む、分散制御またはプロセス監視システムにおいて機能を実行するあらゆるデバイスのことを指している。

フィールドデバイスの中には、トランスデューサを備えているものもある。トランスデューサは、物理入力に基づいて出力信号を生成する装置、あるいは、入力信号に基づいて物理出力を行う装置として考えられている。通常、トランスデューサは、入力を異なる形の出力に変換するものである。トランスデューサの種類としては、様々な分析機器、圧力センサー、サーミスター、熱電対、ひずみゲージ、流量送信機、ポジショナー、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータライトなどが挙げられる。

通常、各フィールドデバイスは、プロセス制御ループを介して、プロセス制御室との通信に用いられる通信回路、またはその他の回路も備えている。施設によっては、プロセス制御ループは、調整された電流および電圧もしくはその一方をフィールドデバイスに送ってフィールドデバイスに電力を供給するためにも用いられる。また、プロセス制御ループは、アナログまたはデジタル形式のデータを送信する。

従来、アナログフィールドデバイスは、二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ており、各デバイスが単一の二線式制御ループによって制御室に接続されていた。通常、電圧差は、二線間において、アナログモードについては１２〜４５ボルト、そして、デジタルモードについては９〜５０ボルトの電圧の範囲内で維持される。アナログフィールドデバイスの中には、電流ループを流れる電流を、検知したプロセス変数と比例する電流に調節することにより、制御室に信号を送信するものがある。その他のアナログフィールドデバイスには、ループを流れる電流の大きさを制御することにより、制御室の制御下で動作を行うことができるものがある。付加的あるいは選択的に、プロセス制御ループは、フィールドデバイスとの通信に用いるデジタル信号を送信することができる。デジタル通信は、アナログ通信を大幅に上回る通信を可能にする。デジタル通信を行うフィールドデバイスは、制御室およびその他のフィールドデバイスもしくはその一方に対して応答可能であるとともに、選択的に通信を行うことができる。また、このようなデバイスは、診断および警報もしくはその一方などの信号伝送をさらに行うことができる。

施設によっては、フィールドデバイスとの通信に無線技術が使われ始めている。無線操作は、フィールドデバイスの配線および設定を簡略化するものである。現在使用されている無線施設において、フィールドデバイスは、太陽電池、あるいは、有線接続を一切用いずに電力を得るその他の技術によって充電される可能性を秘めた内部バッテリを備えるように製造されている。無線デバイスのエネルギー需要は、デバイス報告レートやデバイス要素などの多くの要因によって非常に大きく変化することがあるため、内部バッテリの使用には問題がある。無線通信用のフィールドデバイスの外部にある電源および通信システムは、この分野において大きな改善をもたらすであろう。

フィールドデバイスに対応する無線電源および通信ユニットは、フィールドデバイスに接続するとともに、ユニットとフィールドデバイスとの間において動作電力の供給および有線通信、好ましくはデジタル通信を実現するように構成されている。ＲＦ回路は、無線周波数通信を実現するように構成されている。一実施形態において、このユニットにおける電源回路は、太陽エネルギーを電気に変換してユニットとフィールドデバイスとの両方に電力を供給する太陽電池を一つ以上備えている。無線電源および通信ユニットは、フィールドデバイスに電力を供給するとともに、業界標準の通信プロトコルに従ってフィールドデバイスと交信を行う。このユニットは、フィールドデバイスとの交信に基づいて、制御室などの外部デバイスと無線通信を行う。

本発明は、有線通信用に設計されたフィールドデバイスを無線動作可能にする無線電源および通信ユニットを提供する。現在開発中のデバイスの中には、有線デバイスに無線通信機能を付加したものがあるが、このような開発は、従来の有線型フィールドデバイスをその制御ループの拘束から解き放つような機能を果たすものではない。その理由は、これらの有線型フィールドデバイスは、依然として制御ループに有線接続されるとともに、制御ループから電力を受けるためである。

図１および図２は、本発明に係る無線電源および通信ユニットが特に有用となるフィールドデバイスの一例を示す線図およびブロック図である。プロセス制御または監視システム１０は、二線式のプロセス制御ループ１６を介して一つ以上のフィールドデバイス１４に対して接続する制御室または制御システム１２を備えている。プロセス制御ループ１６の例としては、アナログの４〜２０ｍＡの通信、Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＨＡＲＴ（登録商標））規格などのアナログとデジタルの両方の通信を含むハイブリッド式のプロトコル、ならびにＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス規格などのオールデジタル式のプロトコルなどが挙げられる。一般的に、プロセス制御ループのプロトコルは、フィールドデバイスへの電力供給を可能にするとともに、フィールドデバイスとその他のデバイスとの間の通信を可能にする。

この例において、フィールドデバイス１４は、アクチュエータ／トランスデューサ２０に接続されているとともに、ハウジング２３内の端子盤２１を介してプロセス制御ループ１６に接続されている回路１８を備えている。フィールドデバイス１４は、プロセス変数（ＰＶ）生成器として示されており、プロセスに結びつき、そのプロセスの温度、圧力、ｐＨ、流量などの様相を検知して、その示度を示す。フィールドデバイスのその他の例としては、バルブ、アクチュエータ、コントローラ、およびディスプレイなどが挙げられる。

一般的に、フィールドデバイスは、温度、湿気および圧力などの環境ストレスに晒されることがある「フィールド（現場）」において動作できる能力を有する点に特徴がある。環境ストレスに加えて、フィールドデバイスは、腐食性、有害性および爆発性もしくはその一方の雰囲気にさえも晒されることに耐えなければならない場合が多い。さらに、このようなデバイスは、振動および電磁干渉もしくはその一方が生じる際においても動作しなければならない。図１に示す種類のフィールドデバイスは、完全に有線によって動作するように設計された、従来のデバイスの比較的大きな設置基盤を表している。

図３は、従来技術に係る無線フィールドデバイスのブロック図である。フィールドデバイス３４は、内部電源モジュール３８と、コントローラ３５と、無線通信モジュール３２と、アクチュエータ／トランスデューサ２０とを備えている。通常、電源モジュール３８は、取り替える必要が生じるまで、一定期間フィールドデバイス３４に電力を供給するバッテリを備えている。フィールドデバイスによっては、内臓型の太陽電池を備えているものもある。電源３８からの電力により、コントローラ３５は作動されて、アクチュエータ／トランスデューサ２０および無線通信モジュール３２と相互に作用する。そして、無線通信モジュール３２は、アンテナ２６を介して、符号２４によって示される別のデバイスと交信を行う。デバイス３４の無線能力を内部に備える上での欠点の一つは、バッテリ、太陽電池、または無線通信モジュールが損傷してしまった場合、フィールドデバイス全体の修理あるいは取り替えが必要となる点である。内部バッテリを使用する上での別の欠点は、無線デバイスのユーザーの中には、他のユーザーよりも格段に大きなエネルギーを必要とする者がいる点である。例えば、フィールドデバイスが一分間につき一度作動する場合は、一時間につき一度作動する場合と比べると、エネルギー消費が非常に大きい。また、エネルギー使用量は、デバイスが最小限のシステム要素で構成されているか、あるいは十分なシステム要素で構成されているかによって大幅に異なる。従って、様々なユーザーからの異なるエネルギー需要を十分に満たすことができないという点において、内部電源の使用は拡張不可能である。

図４は、想像線で示すフィールドデバイス１４に取り付けられた無線電源および通信ユニット１００の正面図である。ユニット１００は、標準的なフィールドデバイス用の管路１０２を介してデバイス１４に取り付けられることが好ましい。適切な管路接続の例としては、１／２〜１４ ＮＰＴ、Ｍ２０×１．５、Ｇ１／２、および３／８〜１８ ＮＰＴなどが挙げられる。ユニット１００は、軸１０６を中心とする回転１０４および軸１１０を中心とする回転１０８を可能にするジョイント部を備えていてもよい。さらに、ユニット１００の取り付け部１１２は、その内部にある導線がユニット１００とデバイス１４とを接続するために、中空になっていることが好ましい。ハウジングの位置調整が求められない実施形態においては、取り付け部１１２は、単に一本の管路でもよい。

ユニット１００は、取り付け部１１２上に載置されるハウジング１１４を備えている。ハウジング１１４は、ユニット１００がデバイス１４に電力を供給するとともに、４〜２０ｍＡ、ＨＡＲＴ（登録商標）、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）、フィールドバス（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ）、プロフィバス‐ＰＡ（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ‐ＰＡ）、モドバス（Ｍｏｄｂｕｓ）、またはＣＡＮなどの業界標準のプロトコルに従ってデバイス１４と通信を行うために、（図８を参照して説明する）回路を内蔵している。ユニット１００とデバイス１４との間での交信のレベルを高めるために、プロトコルは、デジタル通信に対応していることが好ましい。

図４には、ハウジング１１４の上面１１８に近接して載置されている一つ以上の光電池１１６も示されている。一実施形態において、（単一または複数の）光電池１１６は、ハウジング１１４の密閉蓋の一部を構成している。このような実施形態においては、透明なカバーが（単一または複数の）電池１１６上に延びて、これらの電池１１６を露出から保護することが好ましい。電池１１６は、約３０度の角度で傾斜していることが好ましく、ユニット１００およびデバイス１４に電力を供給するために、入射する光を電気エネルギーに変えるようになっている。ユニット１００はデバイス１４の外部にあるため、ユニットが取り付けられるフィールドデバイスの特定の電源条件に応じて光電池の構成およびサイズもしくはその一方を変えることにより、ユニット１００を多様に変化させることができる。また、ユニット１００は、アンテナ１２０に接続されている無線通信回路（図４においては図示せず）を備えていることが好ましい。外部環境に対して強化された包囲体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）には、金属製で無線信号を減衰させる可能性が高いものが多いため、外部アンテナ１２０を設けることにより、内部アンテナの場合と比較して無線通信が容易になる。しかしながら、内部アンテナをハウジング１１４の電波透過部分あるいは（単一または複数の）電池１１６に近接して配置する実施形態も可能である。ただし、外部アンテナを用いる実施形態が特に有利なのは、フィールドデバイスの設計が想定した環境と同様の環境に耐えるために、ユニット１００が外部環境に対して強化されている場合である。

本発明の一態様によれば、ユニット１００は、ローカルユーザーインターフェースを備えている。従って、ユニット１００は、電池１１６のうちの一つに近接して載置することもできるＬＣＤディスプレイ１２２を備えていてもよい。ローカルユーザーによる入力を受信するために、ユニット１００は、ボタン１２４などのローカル入力部を一つ以上備えることが可能である。ローカルユーザーインターフェースが重要なのは、ユニット／フィールドデバイス複合システムが完全に無線で動作する場合、技術者にとっては、携帯型コンピュータデバイスなどを介してフィールドデバイスに無線でアクセスしようとするよりも、ローカルユーザーインターフェースと交信する方がより便利であるためである。ローカルインターフェースは、ユニット、フィールドデバイス、または、これら両方へのアクセスに使用することができる。ここで定義する「ローカルユーザーインターフェース」とは、（単一または複数の）ローカルユーザー入力部（ボタンなど）、（単一または複数の）ローカルユーザー出力部（ＬＣＤなど）、または、これらの組み合わせを有するもののことを意味している。図４に示すように、ＬＣＤは、（単一または複数の）電池１１６と同一位置に配置することができる。

図５は、本発明の別の実施形態に係る無線電源および通信ユニットの正面図である。無線電源および通信ユニット２００は、無線電源および通信ユニット１００と共通点が多いので、共通の構成要素には、同一の符号が付与されている。無線電源および通信ユニット２００と無線電源および通信ユニット１００との大きな相違点は、ローカルユーザーインターフェースのディスプレイの構成である。具体的には、ユニット２００は、（単一または複数の）光電池１１６と近接した位置または同一位置に配置されたディスプレイを備えていない。その代わりに、ディスプレイ２０２は、取り付け部１１２に組み込まれている。ディスプレイ２０２は、軸１０６を中心に独立して約２７０度回転可能であることが好ましい。

ユーザーインターフェースのディスプレイを取り付け部１１２に近接して設けることにより、ユニット２００のモジュラリティ（ｍｏｄｕｌａｒｉｔｙ）が向上する。具体的には、ハウジング１１４およびその内部の全ての構成要素は、スケールメリットを達成するために、同様に製造することが可能である。ローカルユーザーディスプレイが求められる装置において、単に、ハウジング１１４と取り付け部１１２のジョイント部２０４との間のモジュールとしてディスプレイを付加することが可能である。このようなモジュラリティは、図６および図７を参照してより詳しく説明するような、単一のユニット２００を、複数のフィールドデバイスに作動させ、これらのフィールドデバイスと通信を行うように用いるようにした実施形態においても有用である。従って、設置場所の必要に応じて、ＬＣＤディスプレイ２０２の上部２０６と接続するケーブルグランド（ｇｌａｎｄ）が装着されたアダプタを利用することにより、太陽電池およびアンテナを備えた電源システムを遠隔載置することができる。この時、アダプタベースは、ハウジング１１４を載置するため、およびケーブルグランドを介して相互接続ケーブルを引き込むために用いられる。これにより、性能が最適となる位置にハウジング１１４を配置できるとともに、ローカルユーザーインターフェースを各フィールドデバイスの近接位置に維持することができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る無線電源および通信ユニット３００の線図である。無線電源および通信ユニット３００は、一つ以上のフィールドデバイス１４から遠く離れた位置に載置できるように構成されている。ユニット３００は、同時に、連続的に、または同期的にフィールドデバイス１４に電力を供給する上で適切な発電および電力貯蔵能力を備えている。図６に示されるように、各フィールドデバイス１４は、図６に図示される取り付け部１１２によってユニット３００にそれぞれ接続されている。図５を参照して上述したように、取り付け部１１２は、ボタン１２４およびディスプレイ２０２もしくはその一方などの、ローカルユーザーインターフェースを備えていることが好ましい。各フィールドデバイス１４は、それぞれユニット３００に接続されているため、各フィールドデバイス１４とのアナログまたはデジタル通信が可能になっている。ユーザーインターフェースは、図６に示される実施形態の取り付け部１１２に備えられていることが好ましいが、実施形態によっては、ユニット３００内に包含される追加的あるいは代替的なユーザーインターフェースを設けてもよい。

図７は、本発明の別の実施形態に係るユニット３５０の線図である。ユニット３５０は、複数のフィールドデバイス１４に対して単一の接続部３５２を有するものとして示されている。当業者であれば、図７に示す構成が、フィールドデバイス１４をユニット３５０に接続するための相互接続配線および労力を大幅に減少させる能力を有することが理解できるであろう。それぞれのフィールドデバイス１４との通信を可能にするために、ユニット３５０は、ハイブリッド式のプロトコル、またはオールデジタル式の業界標準のプロトコルを利用してデジタル通信を用いることが好ましい。さらに、このようなプロトコルは、必要に応じて、同時に、連続的に、または同期的に全てのフィールドデバイス１４に電力を供給するために使用される。また、図７は、図示される取り付け部１１２を利用してネットワークに接続する各フィールドデバイス１４を示している。従って、各フィールドデバイス１４は、ローカルユーザー入力部およびＬＣＤディスプレイもしくはその一方などのローカルユーザー出力部を備えたローカルユーザーインターフェースを依然有していてもよい。

図８は、本発明の実施形態に係る無線電源および通信ユニットのブロック図である。ユニット３６０は、コントローラ３６２と、電力貯蔵装置３６４（バッテリとして示す）と、エネルギー変換器３６５と、ループコミュニケータ３６８と、無線通信インターフェースモジュール３６６とを備えている。

（単一または複数の）電池１１６および貯蔵装置３６４もしくはその一方から適当な量のエネルギーを送って、ユニット３６０および取り付け部１１２に接続された任意のフィールドデバイスに電力を供給するために、コントローラ３６２は、低電力マイクロプロセッサと適切な充電回路とを備えていることが好ましい。また、コントローラ３６２は、（単一または複数の）電池１１６からの過剰なエネルギーを貯蔵デバイス３６４へ送る機能も有している。装置３６４が過熱し始めた場合にコントローラ３６２が貯蔵装置３６４への充電電流を減少できるように、コントローラ３６２を任意の温度測定回路に接続することも可能である。例えば、温度測定回路は、貯蔵装置３６４に接続された熱電対などの、適切な温度検知素子を備えていてもよい。アナログデジタル変換器は、熱電対からの信号をそのデジタル表現に変換して、コントローラ３６２にデジタル信号を供給することができる。

コントローラ３６２は、ハードウェア、ソフトウェア、あるいはこれら両方によって、コントローラ３６２自体の電力と、取り付けられたフィールドデバイスの電力とを能動的に管理するように構成可能である。この点に関して、コントローラ３６２は、コントローラ３６２自体または所望のフィールドデバイスを低電力のスリープモードに入らせることができる。スリープモードとは、電力消費を減少させるあらゆる動作モードのことである。フィールドデバイスに関しては、フィールドデバイスに対してその動作電流を最小許容電流レールに設定するように命じることによって、スリープモードに入らせることができる。低電力モードに入らせる可能性がある事象としては、活動期間の満了、一つ以上のローカルユーザー入力部からの入力、取り付けられた一つ以上のフィールドデバイスからの通信、または無線通信などが挙げられる。このような事象は、ユニット３６０および取り付けられた任意のフィールドデバイスもしくはその一方をスリープモードから復帰させることにも利用できる。さらに、コントローラ３６２は、コントローラ３６２内のプログラミング命令に含まれたあらゆる論理または規則、および無線通信モジュール３６６もしくはその一方を介して受信した無線通信に基づいて、取り付けられた任意のフィールドデバイスを選択的にスリープモードに入らせることが可能である。ボタン１２４などのローカル入力部は、ユーザー設定可能であることが好ましい。そのため、単一のボタンを用いて、ユーザー選択可能な一定期間フィールドデバイスを復帰させることが可能であり、そのように設定されている場合、このボタンを再び押圧してフィールドデバイスをスリープモードに戻すことができる。一実施形態において、設定可能なローカル入力ボタンは、ジャンパーまたはスイッチを用いて以下の機能を事前設定する。

起動させるためのボタン押圧時間…１秒、１．５秒、２秒または３秒のいずれかを選択。フィールドデバイスは、事前設定時間よりも短い時間のボタン押圧を無視する。
時間単位…１０秒、１５秒、３０秒、または５分、１５分、３０分、６０分のいずれかを選択。
ボタンが立て続けに二度押圧された場合、フィールドデバイスは、事前設定された時間（例えば６０分）オンの状態になり、その後、スリープモードに戻る。
事前設定された間隔（例えば５秒）の後、ボタンが二度目の押圧をされた場合、フィールドデバイスはスリープモードに戻る。

コントローラ３６２は、ユニット３６０内の回路の一部または取り付けられたフィールドデバイスをスリープモードに入らせることも可能であることが好ましい。例えば、無線通信モジュール３６６は、通常動作モードとスリープモードとの両方を有する市販の汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）の携帯電話モジュールであってもよい。コントローラ３６２からの信号は、意味のある無線通信が認められないときに、モジュール３６６をスリープモードに入らせることができる。

エネルギー変換器３６５は、ユニット３６０に近接する環境の潜在的なエネルギーを電気エネルギーに変換することができる如何なる装置でもよい。好適な実施形態において、変換器３６５は、単に、一個又は複数個の光電池１１６である。しかしながら、変換器３６５は、ユニット３６０近傍の潜在的なエネルギーを電気に変えることができる、既知のあるいは将来開発される如何なるデバイスでもよい。そのため、波や風などの環境運動によって電気を発生させるように、変換器３６５は、可動部材に接続された発電機を備えることが可能である。さらに、変換器３６５は、サーモパイル装置を用いて、ペルチエ効果により異なる温度から電気を発生させることが可能である。その上さらに、このプロセスには、電気に変換できる圧縮ガスなどの形のエネルギー源が備えられていてもよい。なお、用途のエネルギー需要と比べて比較的大きな能力を電力貯蔵装置が有する実施形態においては、変換器３６５を省略してもよい。

無線通信モジュール３６６は、コントローラ３６２に接続されており、コントローラ３６２からの命令およびデータもしくはその一方に基づいて、アンテナ１２０を介して外部無線デバイスと交信を行う。用途に応じて、無線通信モジュール３６６は、あらゆる適切な無線通信プロトコルに従って通信を行うように構成されることができる。適切な無線通信プロトコルとしては、無線ネットワーク技術（カリフォルニア州アーバンのリンクシス社によって作り上げられたＩＥＥＥ ８０２．１１ｂ無線アクセスポイントおよび無線ネットワークデバイスなど）、セルラーまたはデジタルネットワーク技術（カリフォルニア州サンホゼのエアリスコミュニケーションズ社によるＭｉｃｒｏｂｕｒｓｔ（登録商標）など）、ウルトラワイドバンド、自由空間光通信、グローバルシステム・フォー・モバイルコミュニケーションズ（ＧＳＭ）、汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）、スペクトラム拡散技術、赤外線通信技術、ＳＭＳ（ショートメッセージサービス／テキストメッセージング）、または、その他の適切な無線技術の通信プロトコルなどが挙げられるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。さらに、複数のユニットが互いの無線動作範囲内に共存できるように、既知のデータ衝突防止技術を用いることが可能である。このような衝突防止には、複数の異なる無線周波数チャンネルおよびスペクトラム拡散技術もしくはその一方を用いることが可能である。

無線通信モジュール３６６は、複数の無線通信方式に対応するトランスデューサを備えることもできる。例えば、主要な無線通信をＧＳＭまたはＧＰＲＳなどの比較的長距離の通信方式を使用して行うことが可能である一方、例えば、ＩＥＥＥ ８０２．１１ｂあるいはブルートゥースを用いて、ユニット近傍の技術者またはオペレータに二次的あるいは追加的な通信方式を提供することが可能である。

無線通信モジュールの中には、全地球測位システム（ＧＰＳ）と交信可能な回路を備えているものがある。遠隔位置にある個別のユニット３６０をモバイル装置が発見できるようにするために、ＧＰＳをユニット３６０において有利に用いることができる。しかしながら、他の技術に基づいて位置の検知を行うことも可能である。

図８において、メモリ３７０は、コントローラ３６２とは別個のものとして示されているが、実際には、コントローラ３６２の一部であってもよい。メモリ３７０は、揮発性メモリ（ランダムアクセスメモリなど）、不揮発性メモリ（フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリなど）、およびこれらの任意の組み合わせを含む、あらゆる適切な種類のメモリでもよい。メモリ３７０には、コントローラ３６２に関するプログラム命令、ならびにユニット３６０に関するあらゆる適切な管理オーバーヘッドデータを収めることができる。ユニット３６０が他の無線通信の中からユニット３６０に向けられた無線通信を区別できるように、メモリ３７０には、ユニット３６０用の独自の識別子が収められていてもよい。このような識別子の例としては、メディアアクセスコントローラ（ＭＡＣ）アドレス、電子シリアル番号、全地球規模の電話番号、インターネットプロトコル（ＩＰ）、またはその他のあらゆる適切な識別子などを挙げることができる。その上、メモリ３７０には、フィールドデバイスの独自の識別子、構成および能力など、取り付けられたフィールドデバイスについての情報が収められていてもよい。最後に、コントローラ３６２は、メモリ３７０を用いて、ユニット３６０の出力をあらゆる適切な形で提供することができる。例えば、ユニット３６０および対応する一つ以上のフィールドデバイスもしくはその一方の構成および交信は、ハイパーテキストマークアップ言語（ＨＴＭＬ）ウェブページとして提供することができる。

クロック３７２は、コントローラ３６２に接続されているものとして示されているが、コントローラ３６２の一部であってもよい。クロック３７２は、コントローラ３６２の高度な動作を可能にするものである。例えば、クロック３７２は、設定可能なボタン１２４に関して上述した時間の計測に用いることが可能である。さらに、コントローラ３６２は、取り付けられた一つ以上のフィールドデバイスからの情報を保存することが可能であるとともに、傾向を認識するために、その情報と時間とを相関させることが可能である。その上さらに、コントローラ３６２は、一つ以上のフィールドデバイスから受信した情報を、無線通信モジュール３６６を介して送信する前に時間情報で補足することができる。その上さらに、クロック３７２は、ユニット３６０およびフィールドデバイスもしくはその一方に対して周期的なスリープ／復帰命令を自動的に生成するために用いることができる。クロック３７２の周期的な使用の形を変えたものとしては、コントローラ３６２がモジュール３６６を介してハートビートタイプの信号を発して、外部無線デバイスに対して周期的に許容状態を示すようにするものがある。

ループコミュニケータ３６８は、コントローラ３６２に接続されており、一つ以上の取り付け部１１２に接続された一つ以上のフィールドデバイスに対して、コントローラ３６２をインターフェース接続する。ループコミュニケータ３６８は、上述したような業界のプロトコルに従って通信を行うために適切な信号を生成する既知の回路である。異なるプロトコルに従って通信を行う複数のフィールドデバイスにユニット３６０が接続される実施形態においては、コントローラ３６２が様々なフィールドデバイスと交信できるようにするために、複数のループコミュニケータを使用可能であることが考えられる。取り付け部１１２を通して作られている（単一または複数の）物理的な接続部により、ユニット３６０がフィールドデバイスに対して電力供給および通信を行うことができる。実施形態によっては、二線式のループなど、通信に使用されるのと同一のコンダクタで電力を供給することによっても、これを実現できる。しかしながら、通信に使用されるコンダクタとは別のコンダクタでフィールドデバイスに電力を供給する場合でも、本発明の実施形態が実現可能であることが考えられる。技術者のアクセスの簡略化に関しては、ミネソタ州イーデンプレーリのローズマウント社から販売されているモデル３７５携帯型装置など、携帯型に構成された装置の接続を容易にするために、ユニット３６０は、ループコミュニケータ３６８または取り付け部１１２の近接位置に二つ以上の端末を備えていてもよい。

図８は、想像線で表された任意のオペレータボタンブロック３７４およびＬＣＤディスプレイブロック３７６がコントローラ３６２に接続されている様子も示している。この図は、各フィールドデバイス、無線電源および通信ユニット３６０、あるいはこれら両方の全てのローカル入力部がコントローラ３６２に接続されていることを意図している。また、各フィールドデバイス、無線電源および通信ユニット３６０、あるいはこれら両方のローカルユーザーディスプレイもコントローラ３６２に接続されている。これにより、フィールドデバイスからの入力、フィールドデバイスに対応する設定可能なボタンからの入力、ユニット３６０に近接して配置された一つ以上のボタンまたは入力部からの入力、または無線通信からの入力に基づいて、コントローラ３６２が各ローカルディスプレイと個別に交信できるようになる。

図９は、本発明の一実施形態に係る無線電源および通信ユニットの背面図である。無線ユニット４００は、前述の実施形態と同様にフィールドデバイス１４に接続されている。しかしながら、無線通信モジュール３６６およびアンテナ１２０もしくはその一方は、ユニット４００のハウジング１１４内に代えて、フィールドデバイス１４内に配置可能になっている。無線通信モジュール３６６およびアンテナ１２０もしくはその一方は、主要基板としてフィールドデバイス１４に付加することができる。さらに、無線通信モジュール３６６は、フィールドデバイス１４の不可欠な部分を構成することが可能である。従って、実施形態によっては、モジュール３６６は、取り付け部１２２を介してユニット４００内のコントローラに接続されてもよい。別の実施形態においては、モジュール３６６は、フィールドデバイスと一体であってもよく、そのような実施形態の場合、ユニット４００は単に動作電力を供給するだけでよい。

動作中、本発明の実施形態に係る無線電源および通信ユニットは、プロセス監視および制御に多大な能力をもたらすことが可能である。無線電源および通信ユニットの無線出力は、単にプロセス変数を示すものでもよい一方で、さらに多くの情報を含むものでもよい。例えば、無線出力には、診断およびメンテナンス情報もしくはその一方も含まれてもよい。さらに、無線電源および通信ユニットは、一つ以上のフィールドデバイスまたはユニット自体が障害を起こした場合に、無線で警報を発することも可能である。ユニットは、通常時に無線情報を送る場所と同様の場所（制御室など）に無線警報を送ってもよいし、あるいは技術者のポケットベルなどの代替的な場所に無線警報を送ってもよい。さらに、ユニットが複数のフィールドデバイスに接続される実施形態において、無線出力は、プロセス変数の組み合わせ、または、より高いレベルの出力を示すものであってもよい。その上さらに、複数のフィールドデバイスがＰＶ生成装置と、プロセス変数に変化をもたらすことができる複数のアクチュエータとを備えている実施形態においては、ユニット自体が、制御室と交信を行うことなく、独立してローカル閉ループプロセス制御を実際に行ってもよいが、その場合でもユニットは依然として無線通信の影響を受ける。

好適な実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形状や細部において変更を加えることも可能であることが理解できるであろう。

本発明に係る無線電源および通信ユニットが特に有用となるフィールドデバイスの一例の概要を示す図である。 図１に示されるフィールドデバイスのブロック図である。 ディスプレイまたは携帯型ユニットなどの遠隔デバイスと通信を行うための無線通信回路を備えているフィールドデバイスのブロック図である。 フィールドデバイスに載置された本発明の実施形態に係る無線電源および通信ユニットの正面図である。 本発明の別の実施形態に係る無線電源および通信ユニットの正面図である。 本発明の実施形態に係る複数のフィールドデバイスとともに動作する無線電源および通信ユニットの概要を示す図である。 本発明の実施形態に係る複数のフィールドデバイスとともに動作する無線電源および通信ユニットの概要を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線電源および通信ユニットのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る無線電源および通信ユニットの背面図である。

符号の説明

１４…フィールド機器、１００，２００，３００，３５０，３６０…ユニット、１１２…取り付け部、１１４…ハウジング、１１６…光電池、１２０…アンテナ、１２２，２０２…ＬＣＤディスプレイ、１２４…ボタン、３６２…コントローラ、３６４…電力貯蔵装置、３６５…エネルギー変換器、３６６…無線通信インターフェースモジュール、３６８…ループコミュニケータ、３７０…メモリ、３７２…クロック

Claims (15)

1. フィールドデバイスに対して無線動作を可能にする無線電源および通信ユニットであって、
   ハウジングと、
   前記ハウジングに接続されるとともに、前記フィールドデバイスに接続可能になっている取り付け部と、
   前記ハウジング内に配置されている電力貯蔵装置と、
   前記取り付け部を介して前記フィールドデバイスに接続するように配置されているループコミュニケータと、
   前記電力貯蔵装置およびループコミュニケータに接続されており、前記ループコミュニケータを用いて前記フィールドデバイスと交信するように構成されているコントローラと、
   前記コントローラに接続されているとともに、無線通信用に構成されている無線通信モジュールと、
   前記ハウジングに接続されるとともに、追加的なフィールドデバイスに接続可能になっている追加的な取り付け部とを備え、
   前記追加的なフィールドデバイスに対して電力供給および通信を行うように構成されている無線電源および通信ユニット。
2. 前記電力貯蔵装置は、バッテリである請求項１に記載の無線電源および通信ユニット。
3. 前記コントローラに接続されているとともに、環境の潜在的なエネルギー源を電気に変換
   するように構成されているエネルギー変換器をさらに備えている請求項１に記載の無線電源および通信ユニット。
4. 前記エネルギー変換器は、少なくとも一つの光電池を備えている請求項３に記載の無線電
   源および通信ユニット。
5. 前記コントローラに動作可能に接続されているとともに、前記電力貯蔵装置の温度を検知するように配置されている温度検知器をさらに備えており、前記コントローラは、前記温度検知器によって測定された信号の少なくとも一部分に基づいて前記電力貯蔵装置を選択的に充電する請求項３に記載の無線電源および通信ユニット。
6. 前記取り付け部は、管路接続部を備えている請求項１に記載の無線電源および通信ユニッ
   ト。
7. 前記取り付け部により、該取り付け部の軸を中心に前記ハウジングが回転可能になっている請求項１に記載の無線電源および通信ユニット。
8. 前記取り付け部により、該取り付け部の軸に対して略直交する軸を中心に前記ハウジン
   グが回転可能になっている請求項７に記載の無線電源および通信ユニット。
9. ローカルユーザーインターフェースをさらに備えている請求項１に記載の無線電源および
   通信ユニット。
10. 前記ローカルユーザーインターフェースは、ディスプレイを備えている請求項９に記載の無線電
    源および通信ユニット。
11. 前記ループコミュニケータは、４ないし２０ミリアンペアの範囲の電流を検知するように
    構成されている請求項１に記載の無線電源および通信ユニット。
12. 前記ループコミュニケータは、前記フィールドデバイスとデジタル通信を行うように構成
    されている請求項１に記載の無線電源および通信ユニット。
13. 前記ループコミュニケータは、前記フィールドデバイスに対する二線式の接続部を備えて
    おり、該二線式の接続部により、前記フィールドデバイスに対する電力供給および通信が行われる請求項１に記載の無線電源および通信ユニット。
14. 前記取り付け部を介して前記無線電源および通信ユニットに接続されるフィールドデバイ
    スをさらに備えている請求項１に記載の無線電源および通信ユニット。
15. 前記コントローラは、該コントローラ自体または所望のフィールドデバイスを低電力のスリープモードに入れる電力管理を行う請求項１に記載の無線電源および通信ユニット。

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