JP4801731B2 - フィールド装置におけるデータ通信プロバイダを選択する方法 - Google Patents

Description

発明の背景
工業的状況では、工業的及び化学的プロセスの目録などをモニタし、制御するために制御システムが使用される。通常、制御システムは、工業プロセス中の主要な場所に分散し、プロセス制御ループによって制御回路に動作可能に結合されたフィールド装置を使用してそのような機能を実行する。

一部のフィールド装置は、種々の分析機器、圧力センサ、サーミスタ、サーモカップル、ひずみゲージなどを含む。通常、各フィールド装置はまた、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ために使用される通信回路を含む。一部の施設では、プロセス制御ループはまた、フィールド装置に給電するために調整された電流及び／又は電圧をフィールド装置に印加するために使用される。プロセス制御ループはまた、アナログ又はデジタルフォーマットのデータを運ぶ。

旧来、アナログフィールド装置は２線式プロセス制御電流ループによって制御室に接続され、各装置が１本の２線式制御ループによって制御室に接続されていた。一般に、２本のワイヤの間の電圧差は、アナログモードの場合で１２〜４５ボルトの範囲、デジタルモードの場合で９〜５０ボルトの範囲に維持される。一部のアナログフィールド装置は、電流ループ中を流れる電流を、感知されたプロセス変量に比例する電流に変調することにより、信号を制御室に送信する。他のアナログフィールド装置は、制御室の制御の下、ループを流れる電流の大きさを制御することによって動作を実行することができる。追加的又は代替的に、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運ぶことができる。デジタル通信は、アナログ通信よりもはるかに大きな程度の通信を可能にする。デジタル的に通信するフィールド装置は、制御室及び／又は他のフィールド装置に選択的に応答し、それらと通信することができる。さらに、このような装置は、診断及び／又は警告のようなさらなる信号を発することもできる。

一部の施設では、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た。そのようなワイヤレス技術の多くは一般に、低廉なデータ通信を提供するために開発されたものであるが、そのような技術は信頼性の高いデータ通信には適合されていない。全く対照的に、フィールド装置は、所与のプロセスの効果的な制御又はモニタリングのために求められる決定的な情報を提供することがある。プロセス情報が効果的に通信されないならば、プロセスそのものが低下し、あるいは、メンテナンスのために完全にオフラインにしなければならない。

発明の概要
フィールド装置が複数の利用可能なデータ通信プロバイダの中からデータ通信プロバイダを選択することを可能にする方法及び装置が提供される。好ましくは、方法は、一つ以上の代替データ通信プロバイダ上でのデータ通信の強さ及び効力を定期的又は選択的に評価することを含む。もっとも強い信号及び／又はもっとも効果的なデータ通信を有するデータ通信プロバイダがフィールド装置による使用のために選択される。好ましくは、フィールド装置は、データ通信プロバイダの間で切り換えを行う場合の事象を記録する。

詳細な説明
図１及び２は、本発明の実施態様が特に有用である典型的なフィールド装置の概略図及びブロック図である。プロセス制御又はモニタリングシステム１０は、２線式プロセス制御ループ１６を介して１個以上のフィールド装置１４に結合する制御室又は制御システム１２を含む。プロセス制御ループ１６の例は、アナログ４〜２０mA通信、アナログ及びデジタル両通信を含むハイブリッドプロトコル、たとえばHART（Highway Addressable Remote Transducer）（登録商標）規格ならびに全デジタルプロトコル、たとえばFOUNDATION（商標）フィールドバス規格を含む。一般に、プロセス制御ループプロトコルは、フィールド装置に給電することができ、フィールド装置と他の装置との間の通信を可能にする。

この例では、フィールド装置１４は、ハウジング２３中の端子盤２１を介してアクチュエータ／変換器２０及びプロセス制御ループ１６に結合された回路１８を含む。フィールド装置１４は、プロセスに結合し、プロセス流体の温度、圧力、pH、流量又は液位のような局面を感知し、その指示を提供するという点でプロセス変量（ＰＶ)発生器として示されている。フィールド装置の他の例は、弁、アクチュエータ、制御装置及び表示装置を含む。

一般に、フィールド装置は、それらを環境ストレス、たとえば温度、湿度及び圧力に曝されるおそれのある「現場」で作動するその能力を特徴とする。フィールド装置は、環境ストレスに加えて、多くの場合、腐食性、危険性及び／又は爆発性の雰囲気に曝されることにも耐えなければならない。さらには、このような装置はまた、振動及び／又は電磁気干渉の存在で作動しなければならない。一部のフィールド装置は、きわめて引火性又は爆発性の環境で作動することを求められる。そのような場合、フィールド装置は、本質安全要件に適合するように設計することができる。たとえば、フィールド装置は、１９８８年１０月にFactory Mutual Researchによって公布されたAPPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II AND III, DIVISION 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610で定められた本質安全要件に適合するように設計することができる。

図３は、本発明の実施態様が特に有用であるワイヤレスフィールド装置のブロック図である。フィールド装置３４は、内部電源モジュール３８、制御装置３５、ワイヤレス通信モジュール３２及びアクチュエータ／変換器２０を含む。電源モジュール３８は通常、交換が必要になるまでの期間にわたりフィールド装置３４に給電するバッテリを含む。一部のフィールド装置は内蔵太陽電池を含む。電源３８からの電力が制御装置３５を作動してアクチュエータ／変換器２０及びワイヤレス通信モジュール３２と相互作用させる。ワイヤレス通信モジュール３２は、他方、参照番号２４によって示すように、アンテナ２６を介して他の装置と相互作用する。

フィールド装置は、ワイヤレス通信プロバイダ、たとえば携帯電話信号を使用するもの、WiFi、たとえばIEEE802.11BもしくはIEEE802.11G又はBluetoothを最近になって使い始めたばかりである。このような技術をプロセスデータ通信に使用することに伴う問題の一つは、携帯電話通話の場合、信号の損失は通話落ちを生じさせるだけであるが、プロセスデータ通信の状況では、そのような同じ信号の損失が工業プロセスを制御不能に陥らせるおそれがあるということである。このような状況はきわめて望ましくない。典型的な携帯電話ソフトウェアは一般に、初期起動時に「好ましいプロバイダ」を記憶する。はるかに強力なプロバイダが存在し、アクセス可能であるとしても、その好ましいプロバイダが装置にとってもはやアクセス不可能にならない限り、そのプロバイダは変更されない。これは、特定のプロバイダに「ロック」される大部分の携帯電話の典型的な挙動である。この挙動は、装置がもっとも強いプロバイダネットワークに接続することを妨げるだけでなく、特定のプロバイダがシャットダウンされた場合（たとえばメンテナンスなどのため）に装置がもっとも強いプロバイダに接続し直すことをも妨げる。これは、携帯電話に関連して、所与のユーザがたとえばSprintセルラーネットワークに加入している場合、Verizonネットワークの信号がSprint信号よりもはるかに強い場合でも、Sprint信号が使用可能な（たとえ辛うじてであっても）受信可能範囲を提供する限り、そのユーザはVerizonネットワークの受信可能範囲をローミングし、その料金を支払うことを望まないという点で意味を成す。

図４は、本発明の実施態様にしたがってフィールド装置とのデータ通信プロバイダを選択する方法の概略図である。方法１００は、スタートと記されたブロック１０２から始まる。ひとたび方法が開始すると、ブロック１０４に示すように、フィールド装置のモデム又はワイヤレス通信トランシーバが作動する。ひとたびモデムが起動すると、ブロック１０６に示すように、ネットワーク登録が生じる。好ましくは、ネットワーク登録は、フィールド装置を最新の既知の良好なネットワーク又はフィールド装置の製造者によって設定された初期ネットワークに登録する。ブロック１０８で、フィールド装置がブロック１０６で登録されたネットワークの信号強度を監視する。信号強度が選択されたしきい値よりも高いならば、制御はブロック１０８からブロック１１０に移り、そこでフィールド装置がそのプロセス変量情報を送信する。プロセス変量情報の例は、任意のパラメータ、たとえば限定なしに、プロセス流体の圧力、温度、液位及び流量を含む。ひとたびブロック１１０でデータがフィールド装置によって送信されると、制御はブロック１１２に移り、そこでモデムがシャットダウンされる。その後、制御はブロック１１４に移り、方法は終了する。

ブロック１０８で、フィールド装置がブロック１０６で登録したネットワークの信号強度が選択されたしきい値に満たないならば、制御はブロック１１６に移り、そこで、フィールド装置はすべてのアクセス可能なネットワーク及びそれらの信号強度を問い合わせる。アクセス可能なネットワークとしては、モバイル通信のためのモバイルシステム（ＧＳＭ）のような適切な携帯電話データ通信プロトコルを使用して８５０メガヘルツ、９００メガヘルツ、１８００メガヘルツ及び１９００メガヘルツで作動するものをはじめとするすべての適切なＧＳＭネットワークがある。適切な携帯電話技術のもう一つの例は、コード分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）を含む。さらには、IEEE802.11B、IEEE802.11g又はBluetoothに準拠するもののようなワイヤレス技術を用いるものを含む他のワイヤレス通信プロバイダに問い合わせすることもできる。さらには、他のデータ通信プロバイダ、たとえばWiMax（IEEE802.16規格）、IEEE802.15.4、ローカルラップトップＰＣ又は他のデータ接続経路、たとえばローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、パーソナルエリアネットワーク、衛星通信、ローカルインターネットサービスプロバイダ、パーソナルコンピュータ、ＰＯＴＳ（Plain Old Telephone System）、専用ワイヤレスネットワーク又はホストデータシステムを用いるものを使用することができる。ひとたびブロック１１６が完了し、すべてのアクセス可能なネットワークが問い合わせされ、それらの信号強度が決定されると、ブロック１１８は、現在のネットワークよりも強い信号を有するアクセス可能なネットワークがあるかどうかを決定する。本明細書で使用する、より強い信号の決定は、単に、最大振幅の信号を有するネットワークを決定することを含むことでもよい。追加的又は代替的に、ネットワーク通信品質、たとえばパケット落ち及び／又は干渉を考慮に入れて、計測された信号振幅を人為的に加減することができる。ブロック１１８における決定の結果、現在のネットワークよりも強い信号を有するアクセス可能なネットワークがないならば、制御はブロック１１８からライン１２０をたどってブロック１１０に達し、上記のように方法１００が継続する。しかし、ブロック１１８で、フィールド装置が、現在のネットワークよりも強い信号を有するアクセス可能なネットワークがあると決定するならば、制御はブロック１２２に移り、そこで、フィールド装置はそのモデム又はワイヤレス通信モジュールをブロック１０６でそれが登録したネットワークから切り離す。ブロック１２４で、フィールド装置はそのモデムを、ブロック１１８で特定されたもっとも強いネットワークに接続させる。そして、制御はブロック１２４からブロック１１０に移り、そこで、フィールド装置のプロセス情報が新たに接続されたもっとも強いネットワークで送信される。

方法１００は、フィールド装置がプロセス情報を送る必要があるたびに実行されることもできる。あるいはまた、フィールド装置は、選択されたタイミング間隔で方法１００を実行することもできるし、そのローカルオペレータインタフェースもしくは第二の通信インタフェース、たとえば有線通信インタフェースを介して適切なコマンドを受けたとき、方法１００を実行することもできる。フィールド装置がデータ通信プロバイダを切り換えるたび、最高の信号強度を決定し、そのような最高の信号強度を有するデータ通信プロバイダに切り換えるプロセスが電力を消費する。好ましくは、フィールド装置は、そのようなデータ通信プロバイダの切り換えを記録し、種々のデータ通信プロバイダ上でのその運用の履歴を維持する。そして、二つのデータ通信プロバイダの信号試験が実質的に等しいと思われるならば、フィールド装置は、一方又は両方のプロバイダとのその履歴に少なくとも一部基づいて、どちらのデータ通信プロバイダが選ぶべきかの決定を下すことができる。したがって、本発明の実施態様は、種々のデータ通信プロバイダとの運用を統計的に追跡することを含む。さらには、統計的な追跡は、種々のアクセス可能なデータ通信プロバイダに関する各信号強度試験から決定された情報を追跡することを含むことができる。したがって、多数のデータ通信プロバイダが匹敵しうる信号強度を有する状況では、統計的追跡を使用してネットワークの優先順位を導き出すことができる。

図５は、本発明の一つの典型的な実施態様にしたがって方法１００を実行するフィールド装置２００の概略図である。図示するフィールド装置２００は、有線プロセス通信インタフェース２０２及びワイヤレス通信インタフェース２０４を含む。さらに、ワイヤレス通信インタフェース２０４は、IEEE802.11gにしたがって通信するように適合させることができるWiFiモジュール２０６及び公知の携帯電話通信技術にしたがって通信するように適合させることができるセルラートランシーバ２０８を含む。フィールド装置２００は、三つの別個のデータ通信モジュールを有するように示されているが、１個のモジュールを介して多数のデータ通信プロバイダがフィールド装置に利用可能である限り、本発明の実施態様は、その１個のモジュール（たとえばセルラー通信モジュール）だけで具現化することもできる。さらには、４個以上のモジュールを本発明の実施態様にしたがって使用することもできる。制御装置２１０が有線プロセス通信モジュール２０２及びワイヤレス通信モジュール２０４に結合され、方法１００に関して上記したようにモジュール２０２及び２０４と係わり合う。フィールド装置２００はまた、好ましくは、バッテリ又はエネルギー生成源、たとえば太陽電池発電パネルであってもよい電源２１２を含む。そのうえ、フィールド装置２００が、フィールド装置２００の給電をすべてまかなうことができるプロセス通信ループ２１６に結合される環境では、電源モジュール２１２は、プロセス通信モジュールと一体化されていてもよい。好ましくは、フィールド装置２００はまた、対象となる何らかのプロセスパラメータを感知し、そのような感知されたパラメータの電気的指示を制御装置２１０に提供するように設計されている少なくとも１個のセンサ２１４を含む。定期的又は連続的に、フィールド装置２００は、センサ２１４を介してプロセス変量を取得する、又は他のやり方で変換する。そして、フィールド装置２００は、どのデータ通信ネットワークを介してプロセス情報を送るのかを決定する。具体的には、制御装置２１０は、プロセス通信モジュール２０２をして、プロセス通信ループ２１６上のデータ通信の質を評価させる。さらに、制御装置２１０は、セルトランシーバモジュール２０８をして、すべての利用可能な携帯電話ネットワーク及びそれらの信号強度を特定させる。なおさらには、制御装置２１０は、WiFiモジュール２０６をして、範囲内のすべての利用可能なワイヤレスネットワーク及びそれらの信号強度を特定させる。そして、制御装置２１０は、最良の信号質及び／又はデータスループットを有するプロセス通信経路をプロセス変量の通信のために決定する。したがって、種々のデータ通信ネットワーク及び／又はそれらが通信するときに介する媒体、たとえばプロセス通信ループ２１６に変更があると、フィールド装置２００は、プロセス情報が次に最良の利用可能なデータ通信ネットワークを介して送られるよう容易に経路変更されるようにデータ通信を動的に調節することができる。さらには、本発明の実施態様は、最良のデータ通信プロバイダを介する通信を保証するために利用することができるが、通信はまた、他のデータ通信プロバイダを介して実施することもできる。したがって、本発明の実施態様にしたがって作動するフィールド装置は、実際には、多数のデータ通信プロバイダを同時に介しながらアクティブに通信することができる。そのうえ、フィールド装置が他のより効果的なデータ通信プロバイダを発見したとき、使用されるデータ通信プロバイダのグループを変更することもできる。

図６は、本発明の実施態様にしたがって多数の利用可能なプロバイダを介して潜在的なデータ通信を有するフィールド装置の概略図である。図６は、セルラー、WiFi及びBluetoothをはじめとするワイヤレス技術を使用して通信するフィールド装置２００を示す。これらの通信は、同時に実施することもできるし、どのデータ通信プロバイダがもっとも効果的であるのかに基づいて選択的に実施することもできる。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、その形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。

本発明のワイヤレス給電・通信ユニットが特に有用である典型的なフィールド装置の概略図である。 図１に示すフィールド装置のブロック図である。 表示装置又は手持ちユニットのような遠隔装置とで通信するためのワイヤレス通信回路を含むフィールド装置のブロック図である。 本発明の実施態様のフィールド装置を用いてデータ通信プロバイダを選択する方法の概略図である。 本発明の実施態様の方法を実行するフィールド装置の概略図である。 本発明の実施態様にしたがって多数の利用可能なプロバイダを介して潜在的なデータ通信を有するフィールド装置の概略図である。

Claims (11)

1. フィールド装置からデータを送信する方法であって、
   プロセス変量情報を得ること、
   フィールド装置に複数の利用可能なデータ通信プロバイダのデータ通信信号強度を選択的に決定すること、
   選択されたデータ通信プロバイダの信号強度に少なくとも一部基づいて複数のデータ通信プロバイダの選択された一つを介してプロセス変量情報を送信すること、
   選択されたデータ通信プロバイダへの接続に関連する事象情報を記憶し、データ通信プロバイダのいずれかを使用した通信の履歴を提供するために事象情報が蓄積されること、
   及び
   通信の履歴に対して少なくとも一つの統計的処理を実行することを含む通信の履歴の分析を含み、選択されたデータ通信プロバイダの選択が統計的処理に一部基づく方法。
2. 複数のデータ通信プロバイダのデータ通信信号強度を選択的に決定することが、初期のデータ通信プロバイダの信号強度が一定のしきい値に満たない場合のみ、複数のプロバイダのデータ通信信号強度を決定することを含む、請求項１記載の方法。
3. データ通信プロバイダの少なくとも一つが携帯電話通信を用いる、請求項１記載の方法。
4. データ通信プロバイダの少なくとも一つが、IEEE802.11bに準拠する通信を用いる、請求項１記載の方法。
5. データ通信プロバイダの少なくとも一つが、IEEE802.11gに準拠する通信を用いる、請求項１記載の方法。
6. データ通信プロバイダの少なくとも一つが、IEEE802.16に準拠する通信を用いる、請求項１記載の方法。
7. データ通信プロバイダの少なくとも一つが、Bluetoothに準拠する通信を用いる、請求項１記載の方法。
8. データ通信プロバイダの少なくとも一つが衛星通信を用いる、請求項１記載の方法。
9. データ通信プロバイダの少なくとも一つが、IEEE802.15.4に準拠する通信を用いる、請求項１記載の方法。
10. データ通信プロバイダの少なくとも一つが、有線通信媒体を介する通信を用いる、請求項１記載の方法。
11. 有線通信媒体がプロセス制御ループを含む、請求項１０記載の方法。

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