JP4919711B2 - 工程管理システム用ワイヤレスアーキテクチャおよびサポート - Google Patents

Description

工程管理システムにおいて異なる遠隔デバイスとベースコンピュータとの間で安定したワイヤレス通信接続を確立しこれを維持する、分散型工程管理システム内でワイヤレス通信を提供する方法および装置が開示される。

工程管理システムは、製品の製造や工程の管理を行う工場やプラント（例えば、化学品の製造、発電所の制御など）で広く利用されている。工程管理システムは、石油やガスの採掘などの天然資源の採取や、処理プロセスなどにも利用される。実際に、実質上あらゆる製造プロセス、資源採取プロセスなどは１以上の工程管理システムを用いることで自動化できる。工程管理システムは、ひいては農業にも応用できると考えられている。

工程管理システムの実施方式は年々進化している。旧式の工程管理システムは専用の中央集中型ハードウェアと配線接続によって実施されるのが一般的である。

一方、最新の工程管理システムは、ワークステーション、インテリジェントコントローラ、スマートフィールドデバイスなどの高度分散型ネットワークを利用して実施されるのが一般的である。これらのワークステーション、インテリジェントコントローラ、スマートフィールドデバイスなどの一部又は全てが、工程管理全体のストラテジ又はスキームを部分的に実行し得る。特に、最新鋭の工程管理システムは、通信により相互に結合され、および／又は１以上のデジタルデータバスを介して１以上のプロセスコントローラに接続される、スマートフィールドデバイスおよびその他の工程管理コンポーネントを含む。最新の工程管理システムは、スマートフィールドデバイスに加え、一般的に共有デジタルデータバスなどを利用せず直接コントローラに結合される、４〜２０ミリアンペア（ｍＡ）デバイス、０〜１０Ｖの直流（ＶＤＣ）デバイスなどのアナログフィールドデバイスを備える。

一般的な工業プラント又は製造プラントでは、当該プラントで実施される産業プロセスの多くを分散型制御システム（ＤＣＳ）を利用して制御している。プラントには、ユーザ入力／出力（Ｉ／Ｏ）、ディスクＩ／Ｏ、およびコンピュータ業界で知られるその他の周辺装置を含むコンピュータシステムを備えた集中制御室を設置しているところもある。集中制御室には１以上のプロセスコントローラとプロセスＩ／Ｏサブシステムが通信により接続される。また、プラント内で制御および測定活動を実施すべく１以上のフィールドデバイスがＩ／Ｏサブシステムおよびプロセスコントローラに接続されるのが一般的である。プロセスＩ／Ｏサブシステムはプラント内の各種フィールドデバイスに接続される複数のＩ／Ｏポートを備えてもよい。フィールドデバイスとして、例えば、各種タイプの分析機器、シリコン圧力センサ、容量性圧力センサ、抵抗温度感知器、熱電対、ひずみゲージ、リミットスイッチ、オン／オフスイッチ、フロートランスミッタ、圧力トランスミッタ、キャパシタンスレベルスイッチ、計量器、トランスデューサ、バルブポジショナ、バルブコントローラ、アクチュエータ、ソレノイド、インジケータライト、並びに製造プラントで一般的に使用されるその他のデバイスが挙げられる。

本願明細書において、用語「フィールドデバイス」は上記デバイスを指すが、制御システムにおいて機能を実行する他のデバイスであってもよい。いずれにおいても、フィールドデバイスとして、例えば、入力デバイス（例えば、温度、圧力、流量などの工程管理パラメータを示すステータス信号を供給するセンサなどのデバイス）、並びにコントローラおよび／又は他のフィールドデバイスから受信したコマンドに応答して作用を起こす制御オペレータ又はアクチュエータが挙げられる。

従来、アナログフィールドデバイスは２線式ツイストペアカレントループでコントローラに接続され、各デバイスは単一の２線式ツイストペアでコントローラに接続されていた。アナログフィールドデバイスは、特定範囲において電気信号に応答したり、電気信号を送信したりすることができる。一般的な構成では、当該対の２線の間の電圧差は約２０〜２５Ｖ、ループ内を流れる電流は４〜２０ｍＡであることが知られている。制御室に信号を送信するアナログフィールドデバイスはカレントループ内を流れる電流を変調する。電流は感知されたプロセス変量に比例する。

制御室の管理下で動作するアナログフィールドデバイスは、ループを通過する電流の大きさにより制御される。電流は、コントローラにより制御されるプロセスＩ／ＯシステムのＩ／Ｏポートにより変調される。アクティブな電子機器を有する従来の２線式アナログデバイスはループから最大４０ミリワットの電力を受け取ることが可能である。より大きい電力を必要とするアナログフィールドデバイスは、４本のワイヤを用いたコントローラに接続され、このうち２本により電力供給を行うのが一般的である。このようなデバイスは当該技術分野において４線式デバイスとして知られ、２線式デバイスのように電力を限定しない。

離散的フィールドデバイスは二値信号を送信し、あるいは二値信号に応答できる。通常、離散的フィールドデバイスは２４Ｖの信号（ＡＣもしくはＤＣ）、１１０Ｖもしくは２４０ＶのＡＣ信号、あるいは５ＶのＤＣ信号により動作する。当然ながら、離散的デバイスは、特定の制御環境で要求される任意の電気仕様に従って動作すべく設計してもよい。簡単に表現するならば、離散的入力フィールドデバイスはコントローラへの接続もしくは切断を行うスイッチであり、一方、離散的出力フィールドデバイスは、コントローラからの信号の有無に基づいて動作する。

従来、ほとんどのフィールドデバイスは、フィールドデバイスの主要な機能に直接関連する単一の入力又は単一の出力を有していた。例えば、２線式ツイストペアを流れる電流を変調することによって温度を送信することが、従来のアナログ抵抗温度センサにより実行される唯一の機能であり、一方、２線式ツイストペアを流れる電流の大きさに基づいて完全な開位置と完全な閉位置との間のいずれかの位置にバルブを位置決めすることが、従来のアナログバルブポジショナにより実行される唯一の機能である。

最近では、アナログ信号の送信に利用されるカレントループにデジタルデータを重畳させる、ハイブリッドシステムの一部であるフィールドデバイスが利用できるようになった。制御業界ではこのようなハイブリッドシステムの一例が、ＨＡＲＴ（Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）プロトコルとして知られている。ＨＡＲＴシステムは（従来のシステムと同様）アナログ制御信号を送信し、感知されたプロセス変量を受信するために、カレントループにおける電流の大きさを利用し、さらに、デジタルキャリヤ信号をカレントループ信号に重畳する。ＨＡＲＴプロトコルはＢｅｌｌ ２０２ ＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）規格を利用し、低いレベルにおいてデジタル信号を４〜２０ｍＡのアナログ信号に重畳する。これにより双方向フィールド通信が確立され、通常のプロセス変量を超える追加情報をスマートフィールド機器と相互に通信することが可能となる。ＨＡＲＴプロトコルは、４〜２０ｍＡ信号を妨害することなく、１２００ｂｐｓで通信を行い、ホストアプリケーション（マスタ）がフィールドデバイスから毎秒２以上のデジタル更新を得ることを可能とする。デジタルＦＳＫ信号は連続位相であることから、４〜２０ｍＡ信号には干渉は存在しない。

ＦＳＫ信号は比較的低速であり、このため二次的プロセス変量又は他のパラメータの更新を毎秒約２〜３更新の速度で提供し得る。デジタルキャリヤ信号は二次的情報および診断情報の送信に利用され、フィールドデバイスの主要な制御機能の実施には利用されないのが一般的である。デジタルキャリヤ信号上で提供される情報の例として、二次的なプロセス変量、診断情報（センサ診断、デバイス診断、配線診断、プロセス診断を含む）、動作温度、センサ温度、較正情報、デバイスＩＤ番号、構成材料、構成情報、プログラミング情報が挙げられる。従って、単一のハイブリッドフィールドデバイスは様々な入力および出力変数を有していてもよく、様々な機能を実行してもよい。

最近、ＩＳＡ（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ）により新しい制御プロトコルが定義された。新プロトコルは一般にＦｉｅｌｄｂｕｓと呼ばれ、詳細にはＳＰ５０と呼ばれる。ＳＰ５０とはＳｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ Ｓｕｂｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ５０の頭辞語である。Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは２つのサブプロトコルを定義する。Ｈ１ Ｆｉｅｌｄｂｕｓネットワークは毎秒最大３１.２５キロビットの速度でデータを送信し、ネットワークに結合されたフィールドデバイスに電力を供給する。Ｈ２ Ｆｉｅｌｄｂｕｓネットワークは毎秒最大２.５メガビットの速度でデータを送信し、ネットワークに結合されたフィールドデバイスに電力を供給しない。Ｈ２ Ｆｉｅｌｄｂｕｓネットワークには冗長送信媒体が設けられる。Ｆｉｅｌｄｂｕｓは非独占的オープン規格であり、今日の産業で広く普及している。このため、様々なタイプのＦｉｅｌｄｂｕｓデバイスが開発され、製造プラントで使用されている。ＦｉｅｌｄｂｕｓデバイスはＨＡＲＴデバイスや４〜２０ｍＡデバイスなどの他のタイプのフィールドデバイスと併用されることから、これらの異なるタイプのデバイスに別々のサポートおよびＩ／Ｏ通信構造が関連付けられている。

本質的に全てデジタル方式である最近のスマートフィールドデバイスはメンテナンスモードと強化された機能を有する。従来の制御システムではこれらにアクセスすることができず、また整合性もない。分散型制御システムのあらゆるコンポーネントが同一の規格（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ規格など）に準拠している場合でも、ある製造業者の制御装置は別の製造業者のフィールドデバイスにより提供される二次的機能や二次的情報にはアクセスできないかもしれない。

ゆえに、特に重要な工程管理システム設計の一態様は、フィールドデバイスが通信により相互に結合される手段、あるいはコントローラ又は工程管理システムや製造プラント内の他のシステムもしくはデバイスに通信により結合される手段を含む。通常、工程管理システム内でフィールドデバイスを機能させるための各種通信チャネル、リンクおよび通信路を、総称して入力／出力（Ｉ／Ｏ）通信ネットワークと呼んでいる。

Ｉ／Ｏ通信ネットワークの実施にあたり利用される通信ネットワークトポロジーおよび物理的接続又は通信路は、特にＩ／Ｏ通信ネットワークが工程管理システムと関連した環境ファクタ又は条件下に置かれる場合に、フィールドデバイス通信のロバストネス又はインテグリティに実質的な影響を与えることがある。例えば、多くの工業制御用途において、フィールドデバイスとそれらに関連付けられたＩ／Ｏ通信ネットワークは苛酷な物理的環境（例えば、高温、低温、変わりやすい周囲温度、振動、腐食性ガスや液体）や困難な電気環境（例えば、高ノイズ環境、貧弱な電力品質、過渡電圧など）の下に置かれる。いずれにせよ、環境ファクタに起因して１以上のフィールドデバイス、コントローラなどの間の通信のインテグリティが低下することがある。一部の例では、このように通信の質が低下したことにより、工程管理システムが効果的又は適切な方法で制御ルーチンを実行できない場合がある。この結果、工程管理システムの効率および／又は収益性の低下、装置の過度の磨耗や損傷、装置や建設構造、環境および／又は人間に対する損傷又は故障につながる危険な条件が発生する場合がある。

従来、環境ファクタの影響を最小化し、安定した通信路を確保するため、工程管理システムで使用されるＩ／Ｏ通信ネットワークは、絶縁、シールド、導管など環境から保護する材料で被覆したワイヤによる配線ネットワークであった。また、このような工程管理システムにおけるフィールドデバイスは、配線による階層性トポロジーによってコントローラ、ワークステーション、および他の工程管理システムコンポーネントに通信により結合されるのが一般的である。階層性トポロジーでは、非スマートフィールドデバイスは、４〜２０ｍＡ、０〜１０ＶＤＣなどの配線によるインタフェースやＩ／Ｏボードなどのアナログインタフェースによってコントローラに直接結合される。また、Ｆｉｅｌｄｂｕｓデバイスなどのスマートフィールドデバイスは、スマートフィールドデバイスインタフェースを介してコントローラに結合される、配線によるデジタルデータバスを通じて結合される。

配線によるＩ／Ｏ通信ネットワークは、当初はロバストなＩ／Ｏ通信ネットワークを提供できるものの、こうしたロバストネスは、環境ストレス（例えば、腐食性ガスや液体、振動、湿度など）の影響で、時間の経過と共に大幅に低下する場合がある。例えば、Ｉ／Ｏ通信ネットワーク配線と関連付けられる接触抵抗は、腐食、酸化などにより実質的に増大し得る。また、配線の絶縁および／又は遮蔽が劣化あるいは故障すると、Ｉ／Ｏ通信ネットワークワイヤを介して送信される信号が周囲の電気干渉又はノイズにより容易に損失する条件が作られる。一部の例では、絶縁が行われないと回路の短絡が発生し、関連付けられるＩ／Ｏ通信ワイヤの完全な故障を引き起こす。

これに加えて、配線によるＩ／Ｏ通信ネットワークは一般的に設置費用が高い。特に、Ｉ／Ｏ通信ネットワークが、比較的大規模な地理的領域上に分散した大型工業プラント又は設備、例えば数エーカーの土地を使用する石油精製所や化学プラントと関連付けられる場合の設置費用は高くなる。多くの例において、Ｉ／Ｏ通信ネットワークと関連付けられる配線は、長距離にわたって引き回され、および／又は多くの構造（例えば壁、建造物、装置など）の内部、下部、周囲に設置されねばならない。長距離にわたる配線引き回しは、大量の工数、材料、費用を伴うのが一般的である。さらに、長距離にわたって配線を行うと、通信の信頼性が低下することに起因する、配線インピーダンスや結合電気干渉による信号の劣化が起こりやすくなる。

また、このような配線によるＩ／Ｏ通信ネットワークは、変更や更新が必要となった場合でも通常は再設定を行うことが難しい。新規のフィールドデバイスを追加するには、新規のフィールドデバイスとコントローラとの間にワイヤを設置することが通常は必要である。この方法で製造プラントを改装することは、従来の工程管理プラントやシステムに多く見られるように、長距離の配線や空間上の制約から、極めて困難であり費用も高い。利用可能な配線路などに沿って設けられる導管、装置および／又は構造におけるワイヤ量が多いと、現存のシステムの改装や現存のシステムにフィールドデバイスを追加することが極めて難しくなる場合がある。現存のフィールドデバイスをフィールド配線要求が異なる新規のデバイスと交換することは、新規のデバイスを収容するために追加のおよび／又は異なるワイヤを設置する場合と同程度に困難である。こうした変更は深刻なプラントの停止時間を招く。

配線Ｉ／Ｏネットワークに関連するこうした困難の一部を緩和すべく、ワイヤレスＩ／Ｏ通信ネットワークの利用が提案されている。例えば、Ｔａｐｐｅｒｓｏｎ他の米国特許出願番号第０９／８０５１２４号に、配線による通信の利用を拡張し又は補うために、コントローラとフィールドデバイスとの間でワイヤレス通信を行うシステムが開示されている。しかし、ワイヤレスＩ／Ｏ通信ネットワークの大部分は、今日の製造プラントにおいて比較的高価なハードウェアデバイス（例えば、ワイヤレスで利用可能なルータハブ、スイッチなど）を利用して実施されているのが実情であり、これらの大部分は大量の電力を消費する。さらに、大型車両や電車の通過、環境や天候に関連した条件などの断続的な干渉によりワイヤレス通信ネットワークが不安定になり、問題を生じている。

これに加え、既知のワイヤレスＩ／Ｏ通信ネットワークおよびそれと関連するハードウェアおよびソフトウェアは、設置時に慎重に選定され、その後、システムの動作中は固定される２地点間通信路を利用するのが一般的である。通常は、ワイヤレスＩ／Ｏ通信ネットワーク内に固定通信路を確立する場合、１人以上の専門家に依頼して費用の高い実地調査を行い、トランシーバや他の通信機器のタイプおよび／又は場所を決定することを必要とする。さらに、実地調査の結果固定された２地点間通信路が選択されると、１人以上の専門家に依頼して装置、チューンアンテナなどを構成しなければならない。適切なワイヤレス通信を確保するために、２地点間の通信路が選択されるのが一般的であるが、装置、壁、その他の構造の除去や追加といったプラント内の変更によって、最初に選択された通信路の信頼性が低下し、ひいてはワイヤレス通信の信頼性の低下を招く。
[online]、インターネット<ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｅｍｂｅｒ.ｃｏｍ／> [online]、<ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ａｃｕｇｅｎ.ｃｏｍ／ｊｔｓ.ｈｔｍ>

ワイヤレスＩ／Ｏ通信ネットワークにより、例えば、配線による通信路の課題である長時間にわたるロバストネスの維持の問題は緩和されるが、ワイヤレスＩ／Ｏ通信ネットワークは柔軟性が低く、工程管理産業の大部分において重要な又は必要な工程管理機能を実行するに足る信頼性を有さないとみなされている。例えば、ワイヤレス通信が正常に機能しなくなったり、通信の質が低下してワイヤレスリンク上の通信が不安定になったり停止したりした場合でも、そのタイミングを通知する簡単な手段は現在ない。このため、現在の工程管理オペレータは重要且つ必要な工程管理機能の実施に際し、ワイヤレス通信ネットワークをあまり信頼していない。

従って、ワイヤレスＩ／Ｏ通信ネットワークの設置（例えば、実地調査、エキスパートによる構成など）に伴うコストが高く、また現在の工程管理システムオペレータのワイヤレス通信に対する信頼度が低いことから、ワイヤレスＩ／Ｏ通信ネットワークはオペレータが提供するものについて、（特に、産業用途で一般に利用される比較的大規模な工程管理システムについて、）利用できないことが多い。

工程管理システムで利用されるワイヤレス通信アーキテクチャが開示される。該ワイヤレス通信アーキテクチャは、メッシュ、および、場合により、メッシュと２地点間通信の組合せを利用して、セットアップ、設定、変更、監視が容易な、よりロバストなワイヤレス通信ネットワークを確立する。これにより、ワイヤレス通信ネットワークは、よりロバストに、より低価格に、より信頼できるものとなる。ワイヤレス通信アーキテクチャは製造プラント内の特定のメッセージやバーチャルな通信路から独立した方法で実行される。実際、ワイヤレス通信ネットワークは、製造プラント内の異なるワイヤレス送受信デバイスの間でワイヤレス信号が送られる手段とは独立した手法で、工程管理システム内にバーチャルな通信路が確立され利用されることを可能とすべく実装される。

ある改良実施形態では、１以上の環境ノードを利用してワイヤレス通信ネットワークの動作を制御および最適化する。環境ノードは、ネットワークの動作を改変し得る他の環境ファクタのうち、温度、気圧、湿度、降雨量、無線周波数（ＲＦ）周囲ノイズなどの１以上の環境ファクタを表す信号を供給する、フィールド「環境」デバイスにリンクされている。

別の改良実施形態では、ネットワークはワイヤレスカードにリンクされたメインコントローラを有する。ワイヤレスカードは、フィールドノードと通信する中継器ノードと通信する。フィールドノードは複数のフィールドデバイスにリンクされる。別の改良実施形態では、中継器ノードは設けられていない。別の改良実施形態では、既述の如く、環境ノードと環境検知デバイスには１以上の中継器ノードが組み込まれ、あるいは組み込まれていない。さらに別の改良実施形態では、フィールドノードおよび環境ノードはフィールドデバイスと通信するための複数のポートを含む。

ある改良実施形態では、ワイヤレス通信ネットワークは製造プラント内の異なるデバイス間でＨＡＲＴ通信信号を送信すべくセットアップされる。これにより、ロバストワイヤレス通信ネットワークを製造プラントやＨＡＲＴ利用可能デバイスを有する任意の別の環境で利用できる。

一実施形態において、工程管理ワイヤレス通信ネットワークが開示される。該ネットワークは、ベースノード、フィールドノード、環境ノードおよびホストを備える。ベースノードは通信によりホストに結合される。ベースノード、フィールドノード、および環境ノードは、各々ワイヤレス変換ユニットとワイヤレストランシーバとを備える。ベースノード、フィールドノードおよび環境ノードのワイヤレストランシーバは、ベースノード、フィールドノードおよび環境ノード間でワイヤレス通信を実行する。フィールドノードは工程管理データを提供する少なくとも１のフィールドデバイスを備える。環境ノードは、ワイヤレス通信ネットワークの動作に影響を与え得る環境ファクタに関するデータを提供する少なくとも１のフィールドデバイスを備える。

ある改良実施形態では、ネットワークは、さらにワイヤレストランシーバ中にワイヤレス変換ユニットを備えた中継器ノードを有する。中継器ノードはベースノード、フィールドノードおよび環境ノード間でワイヤレス通信を行う。

別の改良実施形態では、環境ノードは、各々が温度、気圧、湿度、降雨量、無線周波数周囲ノイズからなる群より選択されるデータを提供する複数のフィールドデバイスを有する。

別の改良実施形態では、フィールドデバイスの少なくとも一部はＨＡＲＴプロトコルデバイスである。別の改良実施形態では、フィールドデバイスの少なくともいくつかはＦｉｅｌｄｂｕｓ（ＴＭ）プロトコルデバイスである。

別の改良実施形態では、プロセス領域内の異なる位置に環境データを通信すべく、ネットワークはプロセス領域内に戦略的に配置される複数の環境ノードを有する。

ある改良実施形態では、ベースノード、環境ノード、フィールドノードによりメッシュ通信ネットワークが形成され、任意の２つのワイヤレスノード間に多数の通信路が提供される。別の改良実施形態では、ベースノード、環境ノード、フィールドノードにより２地点間通信ネットワークが形成される。さらに別の改良実施形態では、ネットワークは、ベースノード、環境ノード、フィールドノードをメッシュ通信ネットワークから２地点間通信ネットワークに、またその逆に変換するスイッチデバイスを有する。

さらに、オペレータがワイヤレス通信システムのグラフィックを見ることを可能とする通信ツールが開示される。この通信ツールにより、製造プラント内に確立される実際のワイヤレス通信路を容易に決定し、任意の特定の通信路の強度を決定し、ワイヤレス通信ネットワークを通じて信号を送信元から受信先に伝播させる能力を判断しもしくは見ることで、ユーザ又はオペレータがワイヤレス通信ネットワークの総合的な動作能力を評価することができる。

ある改良実施形態では、通信ツールは、ノード間の接続性を表示する１以上のグラフィカルトポロジーマップ、接続性マトリックスとホップ数とを示す表形式の呈示、およびハードウェアデバイスの位置と接続性とを表す実際のマップを含む。ネットワークのベースノード、フィールドノード、環境ノード間のワイヤレス通信を表示するモニタがベースノード又はホストと関連付けられていてもよい。別の改良実施形態では、ベースノード、フィールドノード、環境ノードが配置されるプロセス領域又は環境の構造的特徴をトポロジースクリーン表示にさらに表示する。別の改良実施形態では、ネットワークの各種ノード間の通信のためのホップ数をリストした表形式のスクリーン表示を呈示すべく、ホストはプログラムされる。

別の改良実施形態では、ワイヤレス通信ネットワークは、製造プラント内の異なるデバイス間でＦｉｅｌｄｂｕｓ通信信号を送信するように構成される。これにより、製造プラント又はＦｉｅｌｄｂｕｓ利用可能デバイスを有する環境において、ＨＡＲＴ利用可能デバイスと組み合わせることにより、あるいはＨＡＲＴ利用可能デバイスの代わりに、ロバストワイヤレス通信ネットワークを利用できる。

ある改良実施形態では、工程管理方法が開示される。該方法は、少なくとも１のフィールドデバイスからフィールドデータを受け取ることと、フィールドノードからベースノードへフィールドデータをワイヤレスで送信することと、フィールドデータを異なるプロトコルに変換することと、異なるプロトコルのフィールドデータをルーティングノードに送信することと、ルーティングノードで異なるプロトコルのフィールドデータを受信する対象デバイスを決定することと、異なるプロトコルのフィールドデータを対象デバイスに送ることと、を含む。

別の改良実施形態では、ワイヤレス工程管理ネットワークを監視する方法が開示される。該方法は、環境ノードの１以上の環境フィールドデバイスから環境データを受け取ることと、環境データをワイヤレスでベースノードに送信することと、環境データをホストに送信することと、環境データをホストにて解釈することと、環境データに基づいてワイヤレスネットワークの少なくとも１の動作パラメータを調節すべく、ホストからベースノードにコマンドを送ることと、コマンドをベースノードから、該コマンドを実行する少なくとも１のフィールドデバイスを含む少なくとも１のフィールドノードに送ることと、を含む。

その他の利点および特徴は、添付図面を参照しながら以下の記載と独立請求項を参照することで明白となる。

本願明細書の開示内容のより深い理解のためには、添付の図面により詳細に説明され、一例として記載された実施形態のみを参考にすべきではない。

なお、図面は原寸に比例しておらず、実施形態は図形、想像線、概略表示、断片図で示されている。一部の例では、開示された実施形態や方法の理解に必要のない詳細や、他の詳細を理解しにくくする詳細については割愛した。本願明細書の開示は記載された特定の実施形態に限定されない。

図１は一般的な配線による分散型工程管理システム１０を示す。分散型工程管理システム１０は、１以上のホストワークステーションもしくはコンピュータ１４（任意のタイプのパーソナルコンピュータもしくはワークステーション）と接続された１以上の工程コントローラ１２を備える。工程コントローラ１２は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイス群２０、２２にさらに接続される。各入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイス群２０、２２は１以上のフィールドデバイス２５〜３９に接続される。コントローラ１２を、例えばＦｉｓｈｅｒ-Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ社の販売するＤｅｌｔａＶ（ＴＭ）コントローラとし、これをイーサネット（登録商標）接続４０又は他の通信リンクを介して通信によりホストコンピュータ１４に接続する。同様に、コントローラ１２は、例えば、標準的な４〜２０ｍａデバイスおよび／又はＦｉｅｌｄｂｕｓもしくはＨＡＲＴプロトコルなどの任意のスマート通信プロトコルと関連付けられた任意の所望のハードウェアおよびソフトウェアを使用して通信によりフィールドデバイス２５〜３９に接続される。一般に知られているように、コントローラ１２は、記憶した又は関連付けられた工程管理ルーチンを実行又は監視し、任意の所望の方法にてプロセスを制御すべくデバイス２５〜３９と通信する。

フィールドデバイス２５〜３９として、センサ、バルブ、トランスミッタ、ポジショナなどの任意のタイプのデバイスが利用できる。群２０および２２内のＩ／ＯカードはＨＡＲＴ、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓなど任意の所望の通信又はコントローラプロトコルに適した任意のタイプのＩ／Ｏデバイスとすることができる。図１の実施形態では、フィールドデバイス２５〜２７はアナログライン上でＩ／Ｏカード２２Ａと通信する標準的な４〜２０ｍＡデバイスである。フィールドデバイス２８〜３１は、ＨＡＲＴ互換性Ｉ／Ｏデバイス２０Ａに接続されたＨＡＲＴデバイスとして説明されている。同様に、フィールドデバイス３２〜３９は、例えば、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコル通信を利用してデジタルバス４２又は４４を介してＩ／Ｏカード２０Ｂ又は２２Ｂと通信する、Ｆｉｅｌｄｂｕｓフィールドデバイスなどのスマートデバイスである。フィールドデバイス２５〜３９およびＩ／Ｏカード群２０および２２は４〜２０ｍＡ、ＨＡＲＴ又はＦｉｅｌｄｂｕｓプロトコルの他に、任意の別の所望の規格もしくはプロトコルに整合性を有するものであってもよく、例えば今後開発される任意の規格又はプロトコルであってもよい。

各コントローラ１２は、一般に機能ブロックと呼ばれているものを利用して制御ストラテジを実行すべく構成される。各機能ブロックは制御ルーチン全体の一部（例えば、サブルーチン）であり、工程管理システム１０内で工程管理ループを実行すべく、（リンクと呼ばれる通信により）他の機能ブロックと連動して動作する。通常、機能ブロックは、トランスミッタ、センサ又は他のプロセスパラメータ測定デバイスと関連付けられた入力機能、ＰＩＤ、ファジーロジック（ｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃ）などの制御を実行する制御ルーチンと関連付けられた制御機能、あるいは、工程管理システム１０内で一部の物理的機能を実行すべく、バルブなど一部のデバイスの動作を制御する出力機能の１つを実行する。これらを混合したものやその他のタイプの機能ブロックが存在する。このような機能ブロック群をモジュールと呼んでいる。機能ブロックおよびモジュールは、機能ブロックが標準的な４〜２０ｍＡデバイスと一部のタイプのスマートフィールドデバイスに利用され又は関連付けられる場合には、コントローラ１２に格納され、コントローラ１２により実行されてもよい。あるいは、Ｆｉｅｌｄｂｕｓデバイスの場合は、フィールドデバイス自体に格納され、フィールドデバイスにより実行されてもよい。図１の制御システム１０は機能ブロック制御ストラテジを利用するものとして説明したが、制御ストラテジは、ラダーロジック、シーケンシャルフローチャートなど、別の仕様により実施あるいは設計してもよく、任意の所望の独自仕様もしくは非独自仕様プログラミング言語を用いてもよい。

図１についての議論より明らかであるように、ホストワークステーション１４とコントローラ１２との間の通信、およびコントローラ１２とフィールドデバイス２５〜３９との間の通信は、ＨＡＲＴ、Ｆｉｅｌｄｂｕｓおよび４〜２０ｍＡの配線式通信接続のうち少なくとも１つを含む、配線式通信接続により実施される。但し、既述の如く、図１のプロセス環境内の配線式通信接続をワイヤレス通信に替えたりワイヤレス通信で補ったりすることが望ましい。この場合、信頼性が高く、設定や構成が簡単で、オペレータや他のユーザがワイヤレスネットワークの機能を分析又は観察できるようにする、などの方法が採用される。

図２は、図１に示された異なるデバイス間の通信、特に、図１のコントローラ１２（又は関連付けられたＩ／Ｏデバイス２２）とフィールドデバイス２５〜３９との間、コントローラ１２とホストワークステーション１４との間、あるいはホストワークステーション１４とフィールドデバイス２５〜３９との間で通信を確立するために利用できるワイヤレス通信ネットワーク６０を示す。なお、図２のワイヤレス通信ネットワーク６０は、製造プラントやプロセス環境における任意の他のタイプのデバイスやデバイスの集合体の間で通信を確立するために利用できる。

図２の通信ネットワーク６０は１以上のベースノード６２、１以上の中継器ノード６４、１以上の環境ノード６６（ノード６６ａおよび６６ｂとして図示）、１以上のフィールドノード６８（ノード６８ａ、６８ｂ、６８ｃとして図示）を含む様々な通信ノードを有する状態で図示されている。一般に、ワイヤレス通信ネットワーク６０のノードはメッシュタイプの通信ネットワークとして動作する。メッシュタイプの通信ネットワークでは各ノードが通信を受け取り、その通信の最終目的地が当該ノードであるか否かを判断し、判断が否定された場合、通信範囲内の任意の別のノードに対し通信をリピート又は通過させる。メッシュネットワーク内の任意のノードは、範囲内にある任意の別のノードと通信してネットワーク内の通信を転送することができ、特定の通信信号は所望の目的地に到達する前に多数のノードを通過してもよいことが知られている。

図２に示すように、ベースノード６２は、ワークステーション又はホストコンピュータ７０を含み又はこれらに通信により結合される。ワークステーション又はホストコンピュータ７０として、例えば図１の任意のホスト又はワークステーション１４を利用できる。ベースノード６２はイーサネット（登録商標）接続７２を介してワークステーション７０にリンクされた状態で図示されているが、任意の他の通信リンクも利用できる。詳細は後述するが、ベースノード６２はネットワーク６０上でワイヤレス通信を行うためのワイヤレス変換ユニット又はワイヤレス通信ユニット７４、およびワイヤレストランシーバ７６を含む。特に、ワイヤレス変換ユニット７４はワークステーション又はホスト７０から信号を取り出し、これらの信号をエンコードしてワイヤレス通信信号とする。ワイヤレス通信信号は、トランシーバ７６のトランスミッタ部を介してネットワーク６０上に送信される。逆に、ワイヤレス変換ユニット７４はトランシーバ７６のレシーバ部を介して受け取った信号をデコードし、その信号がベースノード６２ａに向けられたものか否かを判断する。信号がベースノード６２ａに向けられたものである場合、信号をさらにデコードしてワイヤレスエンコーディングを除去する。これによりネットワーク６０内の異なるノード６４、６６、６８において、送信者により作成された元の信号が生成される。

同様に、中継器ノード６４、環境ノード６６、フィールドノード６８を含む他の通信ノードの各々は、ワイヤレスメッシュネットワーク６０を介して送信される信号のエンコード、送信、デコードのための通信ユニット７４およびワイヤレストランシーバ７６を有する。通信ネットワーク６０内の異なるタイプのノード６４、６６、６８は、一部の重要な点で異なるものの、一般的に、各々のノードはワイヤレス信号を受け取り、その信号が当該ノード（又は当該ノードに接続されたワイヤレス通信ネットワーク６０の外部のデバイス）に向けられたものであるか否かを決定するに足る程度に信号をデコードし、信号が当該ノードに向けられておらず、以前に当該ノードによって送られたものでもない場合には信号をリピート又は再送信すべく動作する。これにより、信号は送信元ノードから、ワイヤレス通信の範囲にある全てのノードに送られる。次いで、目的地ノードではない範囲内の各ノードは、当該ノードの範囲内の別の全てのノードに信号を送り、信号が少なくとも１の別のノードの範囲の全てのノードに伝播されるまでプロセスは継続される。

但し、中継器ノード６４は通信ネットワーク６０内の信号を単純にリピートすべく動作する。これにより中継器ノード６４を通じて第一のノードから第二のノード６２、６６、６８に信号をリレーする。基本的には中継器ノード６４は２つの異なるノード間のリンクとして機能する。これにより２つの異なるノードが相互に直接のワイヤレス通信範囲にない場合あるいはない可能性がある場合に、２つの異なるノード間で信号を確実に伝播させることができる。中継器ノード６４は、通常、別のデバイスとノードで結合されないため、その信号が以前当該中継器ノードでリピートされた信号であるか否か（すなわち、信号が以前当該中継器ノードにより送られ、通信ネットワーク６０における異なるノードのリピーティング機能により当該中継器ノードで再度受け取られただけであるか否か）を判断できる程度に、中継器ノード６４は受け取った信号をデコードすればよい。中継器ノード６４は、当該中継器ノードが特定の信号を以前に受け取っていない場合、中継器ノード６４のトランシーバ７４を介してこの信号をリピートすべく動作するだけである。

他方、各フィールドノード６８は、製造プラント環境において１以上のデバイスと結合され、図２のフィールドデバイス８０〜８５として示される１以上のフィールドデバイスと結合されるのが一般的である。フィールドデバイス８０〜８５は任意のタイプのフィールドデバイスとすることができ、例えば４線式デバイス、２線式デバイス、ＨＡＲＴデバイス、Ｆｉｅｌｄｂｕｓデバイス、４〜２０ｍＡデバイス、スマートデバイス又は非スマートデバイスなどとすることができる。説明のため、図２のフィールドデバイス８０〜８５はＨＡＲＴ通信プロトコルに適合するＨＡＲＴフィールドデバイスとして示した。デバイス８０〜８５は任意のタイプのデバイスとすることができ、例えばセンサ／トランスミッタデバイス、バルブ、スイッチなどとすることができる。デバイス８０〜８５は、さらにコントローラ、Ｉ／Ｏデバイス、ワークステーション、あるいは任意の他のタイプのデバイスなど、従来のフィールドデバイス以外のデバイスであってもよい。

いずれの場合も、フィールドノード６８ａ、６８ｂ、６８ｃはフィールドデバイス８０〜８５との間で通信を送受信すべくそれぞれの各フィールドデバイス８０〜８５に取り付けられる信号線を含む。これらの信号線はこの例ではＨＡＲＴデバイスであるデバイス８０〜８５に直接接続されてもよいし、フィールドデバイス８０〜８５にすでに取り付けられている標準的なＨＡＲＴ通信線に直接接続されてもよい。フィールドデバイス８０〜８５はフィールドノード６８ａ、６８ｂ、６８ｃに接続されるほか、所望により図１のＩ／Ｏデバイス２０Ａ又は２２Ａなどの別のデバイスや、配線式の通信線を介して任意の他の所望のデバイスに接続されてもよい。さらに、図２に示すように、任意の特定のフィールドノード６８ａ、６８ｂ、６８ｃは複数のフィールドデバイス（図中、４つの異なるフィールドデバイス８２〜８５に接続されたフィールドノード６８ｃについて図示している）に接続されていてもよく、各フィールドノード６８ａ、６８ｂ、６８ｃは各々が接続されるフィールドデバイス８０〜８５との間で信号をリレーしてもよい。

通信ネットワーク６０の動作の管理を補助する目的で環境ノード６６が利用される。この場合、環境ノード６６ａおよび６６ｂは、通信ネットワーク６０内で発生するワイヤレス通信に影響を与え得る湿度、温度、気圧、降雨量、あるいは任意の他の環境パラメータなどの環境パラメータを測定するデバイス又はセンサ９０〜９２を含むか、デバイス又はセンサに通信により接続される。詳細は後述するが、ワイヤレス通信に対する多くの妨害は、少なくとも部分的に環境条件に起因するものであることから、こうした情報は通信ネットワーク内の問題を分析および予測するのに有用である。所望により、環境センサ９０〜９２は、任意の種類のセンサ、例えば、ＨＡＲＴセンサ／トランスミッタ、４〜２０ｍＡセンサ又は任意の設計又は構成のオンボードセンサとすることができる。各環境ノード６６ａ、６６ｂは１以上の環境センサ９０〜９２を有してもよく、また異なる環境ノードは所望により同一又は異なるタイプ又は種類の環境センサを有してもよい。同様に、所望により、１以上のノード６６ａ、６６ｂは周囲の、特に通信ネットワーク６０で信号を送る周波数における電磁気ノイズレベルを測定するための、電磁気による周囲ノイズ測定デバイス９３を有していてもよい。通信ネットワーク６０においてＲＦスペクトル以外のスペクトルが利用される場合、１以上の環境ノード６６に異なるタイプのノイズ測定デバイスが含まれていてもよい。また、図２の環境ノード６６は環境測定デバイス又はセンサ９０〜９３を有するものとして説明したが、通信ネットワーク６０の分析を行う際に分析ツールが環境条件を各ノードで判断できるよう、任意の他のノード６８がこれらの測定デバイスを有していてもよい。

図２の通信システム６０を用いると、ワークステーション７０上で動作するアプリケーションは、ベースノード６２の標準的なコントローラ７５上のワイヤレスベースカード７４にデータパケットを送り、ワイヤレスベースカード７４からワイヤレスデータパケットを受け取ることができる。このコントローラ７５は、例えばＤｅｌｔａＶコントローラとすることができ、通信は、イーサネット（登録商標）接続を介してＤｅｌｔａＶコントローラに対して行われる、標準的なＩ／Ｏカードの場合と同じ通信とすることができる。この場合Ｉ／Ｏカードとしてワイヤレスベースカード７４が含まれるが、コントローラやＰＣアプリケーションに関する限り、標準的なＨＡＲＴ Ｉ／Ｏカードとすることができる。

この場合、ワイヤレスカード７４はベースノード６２においてワイヤレス伝達用にデータパケットをエンコードし、ベースノード６２としてのトランシーバ７６は信号を送信する。図２では、送信された信号がノード６８ａおよび６８ｂなど一部のフィールドノードに直接到達してもよいし、中継器ノード６４を介してノード６８ｃなどの別のフィールドノードに伝播されてもよいことを示している。同様に、フィールドノード６８で生成され、フィールドノード６８により伝播される信号はベースノード６０や別のフィールドノード６６に直接到達してもよいし、ベースノード６２に伝達される前に中継器ノード６４などの別のノードや別のフィールドノードを介して伝達されてもよい。従って、ワイヤレスネットワーク６０上の通信路は中継器ノード６４を通過してもしなくてもよく、任意の特定の場合には、目的ノードに到達する前に数多くのノードを通過してもよい。送信ノードがベースユニット６２から直接通信できる範囲内にある場合、送信ノードはデータを直接交換する。パケットが中継器ノード６４を通過するか否かはエンドユーザやカードファームウェアにはトランスペアレントではない。

なお、図２は概略線図であり、環境ノード６６ａ、６６ｂのフィールドノード６８ａ〜６８ｃに対する位置関係は実際の工程管理エリアの実際の位置関係とは関連しない。環境ノード６６ａ、６６ｂ（および図示しない他の環境ノード又は単一の環境ノード）は、図７に示すような論理的、戦略的方法で工程管理エリアに配置されることを意図している。すなわち、環境ノード６６は、大きな障害物や装置類の対向側や移動中の自動車からの干渉が存在しうる道路の付近など、相互に離間された位置に配置する必要がある。また、環境ノードは可能であれば、屋内と戸外の両方に配置されなくてはならない。ワイヤレスネットワーク６０の動作を監視し、信号強度、ゲイン、周波数などを増大又は減少させることでネットワーク６０の動作を修正する手段として、ベースノード６２およびホスト７０により環境ノード６６のネットワークが利用されることを意図している。

なお、フィールドノード６８は各種処理ステーション上もしくは付近に配置される。ノード６８は重要な安全デバイスであってもよいし、各種プロセスを監視および／又は制御するために使用されてもよい。さらに、１以上の中継器ノード６４が利用されてもよい。実際、図２は一例に過ぎず、１つの環境ノード６６のみが必要とされること、１以上の中継器ノード６４が必要とされること、あるいは中継器ノード６４が必要とされないこと、２以下もしくは４以上のフィールドノード６８が必要とされること、が決定されてもよい。

図３および図４を参照すると、図２のワイヤレスネットワーク６０はメッシュ通信モードと２地点間通信モードとの間で切り替える必要がある場合もあることが予測される。図３は中継器ノード１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと通信するベースノード１０１を備えたネットワーク１００を示す。中継器ノード１０２ａ〜１０２ｃは、さらに、包括的に参照数字１０４で示される複数の環境ノード、フィールドノードのいずれか、もしくはこれらの組合せ、あるいはこれらの群と通信する。図３では２地点間ワイヤレス通信システムは実線で、代替のメッシュ構成は実線で示されている。

図４を参照すると、スイッチデバイス１０５が概略図で図示されている。スイッチデバイス１０５はワイヤレスおよびトランシーバ（図示せず）のほか、ベースノード１０１に配置されてもよい。スイッチ１０５は、ネットワーク１００を、図３に想像線で示されたメッシュワイヤレスネットワークから、一例として図３に非実線で描かれた２地点間ワイヤレスネットワークに変換するためのものである。２地点間通信は任意の方法にて構成でき、図３の実線はあくまで一例である。図４に示されるようなスイッチデバイス１０５は、デバイス１０５をメッシュワイヤレストランシーバ７６ａと２地点間ワイヤレストランシーバ７６ｂとの間で切り替える電子スイッチエレメント１０６を含んでいてもよい。

既述の如く、開示されたネットワーク６０は、ベースノード６２と、オペレータにとって有用な様々なグラフィカルインタフェースを提供すべくプログラム可能なホスト７０とを含む。このようなグラフィカルインタフェースの例が図５乃至図９に図示されている。図５を参照すると、ベースノードＢＡと複数の他のノードとの間のワイヤレスネットワークを図示する幾何学的トポロジースクリーン表示１１０が示されている。図５には、他のノードとして、０３、０４、０５、０６、０７、０８、０９、１０（０Ａ）、１１（０Ｂ）で示された１以上の中継器ノード、フィールドノード、環境ノードが図示されている。図５のトポロジー表示１１０では、ベースノードＢＡとノード７との間の通信のように２つのノード間の良好な通信は実線で示している。ノード０３と１０（０Ａ）との間の通信のように一方向においてのみ良好な通信は×印を付した細線で示される。ノード０５と１１（０Ｂ）との間のように、通信が確立されていない、良好でない通信は破線又は想像線で示される。さらに、図５には、ノード間の「ホップ数」が示されている。ノード０４および０７を例にとると、図５のノード０４と０７との間の破線又は想像線により、ノード０４と０７との間には直接のワイヤレス通信が確立されていないことがわかる。一方、ノード０４と０５との間には通信が確立され、ノード０５と０７との間には一方向通信が確立されている。従って、ノード０４と０７との間で一方向通信を成立させるためのホップ数は２である（ノード０４からノード０５、およびノード０５からノード０７）。あるいはノード０４と０７との間で双方向通信を成立させるためのホップ数も２である（ノード０７からノード０３、およびノード０３からノード０４）。ホップ数が少ない通信がより良好で、信頼性の高い通信であることは明らかである。

図５に示されたネットワークに関するホップ数が図６に表形式で示されている。図５で１０、１１の番号を付したノードは、図６では０Ａおよび０Ｂと表示されている。ベースノードＢＡはノード０３乃至０Ｂと直接通信し、このためベースノードＢＡと０３乃至０Ｂのうち任意の１つとの間のホップ数が１であることが図６の表の最上行に表示されている。図６の表の上から二番目の行を見ると、図５のノード０３が破線を発していないことから、ノード０３と任意の他のノードとの間のホップ数も１であることがわかる。一方、図６の表の上から三番目の行および図５を参照すると、ノード０４はノード０４とノード０７との間に伸びる破線を含み、このためノード０４とノード０７との間の直接の通信は不可能であることがわかる。従って、ノード０４をノード０７に接続するため、通信は先にノード０５を通過し、ホップ数は２となる。さらに、図５のノード０４とノード０９との間に×印を付した細線があるため、ノード０４とノード０９との間の直接の双方向通信は不可能である。従って、ノード０４とノード０９との間の直接の双方向通信を確立するには、通信は図６の表に示されているようにノード０８を通過しなくてはならない。図６で丸をつけた項目はホップ数が２であることを示す。

図７を参照すると、図５に示したものと同様のトポロジーマップが、実際のプロセス環境に重ねられた状態で示されている。詳細には、ポイントの各々は図５に示され、図６の表にリストされた９つのノードの位置である。図７では実際の動作環境において、ワイヤレスの接続性を見ることができる。ＧＰＳ基準点は１１１、１１２で示されており、ノード間の実際の距離が決定できる。

図８を参照すると、フィールドデバイス８０〜８５および９０〜９３はベースノード６２又はホスト７０にとって、標準的なＨＡＲＴデバイスであってもよい。これにより、ＡＭＳソフトウェアなどの標準的なアプリケーションのワイヤレスネットワーク６０上でのシームレス動作が可能となる。ＡＭＳソフトウェアを利用するには、ワイヤレスフィールドノード６６および６８がメッセージをどのようにルーティングするかを知る必要がある。これは、図８に示すようなルーティングマップ１２０を利用することで可能となる。マップ１２０はベースユニット６２の不揮発性メモリに格納されるが、ホスト７０のメモリに格納されてもよい。実際のルーティングは８チャネルのＨＡＲＴカードと同一のベースカードを組み込むことを利用する。次いで、ルーティングツールが８つのバーチャルＨＡＲＴチャネルを遠隔フィールドノードおよび遠隔フィールドノードのチャネルにマッピングする。図８は８つの異なるデバイスについてのマッピング構成を図示している。フィールドデバイスは１つの固有のＩＤを有していてもよいが、各フィールドタイプワイヤレスノードは４つの異なるＨＡＲＴチャネルを含んでいてもよい。実際のターゲットチャネルはワイヤレスパケットに埋め込まれる。ワイヤレスユニットについての各ＩＤは２つのバイトに基づいている。第一のバイトはネットワーク番号であり、ワイヤレスインタフェースにおける実際のラジオチャネルと相関する。第一のバイトで示される数の範囲は１から１２とすることができる。第二のバイトはネットワークにおけるノードのＩＤであり、ＩＤは１から１５の範囲とすることができる。ノードの最初の開始時において、デフォルトアドレスはネットワーク１、アドレス１５を表す０１０Ｆである。ベースユニットはこのアドレススキームの例外であり、第一のバイトとして常にＢＡを有し、第二のバイトがどのネットワークにデバイスがあるかを表す。

図９を参照すると、ホスト７０（図１）に表示するための別のグラフィカル表示１３０が示されている。４つのグラフが時系列に従って示される。ｘ軸に時間がプロットされた一番上のグラフ１３１は、システム全体のトータルホップ数をプロットしたものである。トータルホップ数の平均は、グラフに示すように約７２もしくはそれよりやや少ない。ホップ数が増加すると、オペレータに警告がなされる。図９の他のグラフには、図２に示された環境ノード６６からの環境情報が呈示される。グラフ１３２は気圧、グラフ１３３は湿度、グラフ１３４は動作周波数帯内の全体的なＲＦ背景ノイズの各読み取りを呈示する。図９に示されていない他の環境表示として、例えば温度と降雨量が挙げられる。

図１０を参照する。図２に示したデバイス８０〜８５の多くがＨＡＲＴフィールドデバイスであってもよく、この場合、フィールドノード６８は中継器ノード６４に、又は変換ノード１４０に直接ＨＡＲＴ信号を送ることになる。図１０に示された実施形態では、変換ノード１４０はベースノード６２とは別体の要素であってもよいしベースノード６２の一部であってもよい。ＨＡＲＴ信号は図示されるように環境ノード６６から送られてもよい。変換ノード１４０は、ＨＡＲＴ信号を異なるプロトコル、例えば、低電力ワイヤレスネットワーキングソフトウェアおよび無線技術と共に用いられるＥＭＢＥＲプロトコル（非特許文献１参照）に変換するためのソフトウェアを含む。他のプロトコルも可能であることは当業者には明白である。変換ノード１４０は１４１でＨＡＲＴ信号をＥＭＢＥＲデータパケットに変換する。データパケットはベースノード６２又は変換ノード１４０のいずれかにおいて、ソフトウェアにより決定される送信元表示１４２および目的地表示１４３を含む。ＨＡＲＴメッセージ１４３は送信元データ１４２と目的地データ１４３とに挟まれている。次いで、信号がルーティングノード１４５に送られる。ルーティングノード１４５は目的地情報１４３から、どの対象デバイス１４６にデータを送るかを決定する。次いで、ルーティングノード１４５は、１以上の中継器６４および／又はフィールドノード６８を介して対象デバイス１４６にデータを送信する。１つのプロトコル（ＨＡＲＴ）から別のプロトコルへフィールドデバイス信号を変換するのに利用しうるソフトウェアの一例として、Ａｃｕｇｅｎ社の販売するＧＴＳソフトウェア（非特許文献２）が挙げられる。

本発明を好適な実施形態を参照して説明したが、当業者は本発明の精神と範囲を逸脱せずに形式および詳細に変更を加えることができることを認識されよう。
「関連出願の相互参照」

本出願は、２００３年６月１８日に出願された米国特許出願番号第１０／４６４０８７号（「工程管理システムに使用される自己設定通信ネットワーク（Ｓｅｌｆ-Ｃｏｎｆｉｇｕｒｉｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｏｒ ｕｓｅ ｗｉｔｈ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」）の一部継続出願である（当該出願を本願明細書に援用する）。

従来の配線による分散型制御システムを示すブロック図と概略線図とを組み合わせた図である。 本願明細書の開示に従って設計されたプロセス環境の一部におけるワイヤレス通信ネットワークを示すブロック図と概略線図とを組み合わせた図である。 メッシュワイヤレス通信と２地点間ワイヤレス通信の両方を示した、プロセス環境におけるワイヤレス通信ネットワークの線図である。 図３の通信ネットワーク内においてメッシュ通信と２地点間通信との間を切り替えるために使用できる、メッシュ通信および２地点間通信を利用可能とする通信デバイスのブロック図である。 本願明細書の開示に従って設計されたワイヤレス通信システム内において、異なるデバイス間のワイヤレス通信を示す、ワイヤレスネットワーク分析ツールにより生成された例示的な幾何学的トポロジースクリーン表示の一例である。 表形式で提示され、ワイヤレスネットワーク分析ツールにより生成される、開示されたワイヤレス通信システム内における各ワイヤレス通信デバイス間のホップ数を示す例示的なスクリーン表示である。 オペレータ又は他のユーザが、ワイヤレス通信ネットワーク内で発する特定の通信とプラント配置図により示される物理的障害物となり得るものとを見ることができるように、プラント配置図のグラフィック内でワイヤレス通信を示す、開示されたワイヤレスネットワーク分析ツールにより生成される例示的なトポロジースクリーン表示である。 ワイヤレス通信ネットワーク内のチャネルルーティングおよびＩＤをユーザ又はオペレータが特定することを可能とする、開示されたワイヤレスネットワーク分析ツールにより生成される例示的なスクリーン表示である。 ユーザ又はオペレータが動作上の機能と当該ワイヤレス通信ネットワークのパラメータとを分析することを可能とすべく、ワイヤレス通信システム内の異なるデバイス間のワイヤレス通信に関する情報のグラフィカル表示を示す、ワイヤレスネットワーク分析ツールにより生成される例示的なスクリーン表示である。 第二の通信プロトコル、例えばＥＭＢＥＲ（登録商標）プロトコルを用いてワイヤレスでＨＡＲＴ通信プロトコルを実施するワイヤレス通信デバイスのブロック図である。

符号の説明

６０ ワイヤレス通信ネットワーク
６２ ベースノード
６４ 中継器ノード
６６ 環境ノード
６８ フィールドノード

Claims (25)

1. ベースノードと、
   フィールドノードと、
   環境ノードと、
   ホストと、
   を備える工程管理ワイヤレス通信ネットワークであって、
   前記ベースノードは通信により前記ホストに結合され、
   前記ベースノード、フィールドノード、および環境ノードは、各々ワイヤレストランシーバを備え、
   前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノードの前記ワイヤレストランシーバは、前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノード間でワイヤレス通信を実行し、
   前記フィールドノードは工程管理データを提供する少なくとも１のフィールドデバイスを備え、
   前記環境ノードは、前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノード間での当該ワイヤレス通信の働きに影響を与え得る環境ファクタの1つ以上に関する環境データを提供する少なくとも１のフィールドデバイスを備え、
   前記ホストは、
   前記環境ノードから１つ以上の環境ファクタに関する環境データを受信し、
   前記１つ以上の環境ファクタに関する前記受信された環境データを解釈し、
   前記１つ以上の環境ファクタに関する前記受信された環境データを解釈することに基づいて、前記ベースノード、フィールドノード、および環境ノードの間のワイヤレス通信の働きに関連するディスプレイデバイスに情報を表示するように構成されている
   ことを特徴とする工程管理ワイヤレス通信ネットワーク。
2. ワイヤレストランシーバを含む中継器ノードをさらに備え、
   前記中継器ノードは、前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノードの２つ以上の間でワイヤレス通信を行う、
   請求項１に記載のネットワーク。
3. 前記環境データは、温度、気圧、湿度、降雨量および無線周波数周囲ノイズの内の少なくとも１つに関連するデータを含む、
   請求項１に記載のネットワーク。
4. 前記フィールドノードの少なくとも１つの各フィールドデバイスはＨＡＲＴプロトコルデバイスである、請求項１に記載のネットワーク。
5. 前記フィールドノードの少なくとも１つの各フィールドデバイスはＦｉｅｌｄｂｕｓ（ＴＭ）プロトコルデバイスである、請求項１に記載のネットワーク。
6. プロセス領域内の異なる位置についての環境データを通信するために、該プロセス領域内に位置する複数の環境ノードをさらに含む、請求項１に記載のネットワーク。
7. 前記ベースノード、環境ノードおよびフィールドノードがメッシュワイヤレス通信ネットワークを構成する、請求項１に記載のネットワーク。
8. 前記ベースノード、環境ノードおよびフィールドノードが２地点間ワイヤレス通信ネットワークを構成する、請求項１に記載のネットワーク。
9. メッシュワイヤレス通信ネットワークから２地点間ワイヤレス通信ネットワークへ、および、２地点間ワイヤレス通信ネットワークからメッシュワイヤレス通信ネットワークへ、前記ベースノード、環境ノードおよびフィールドノードを切り替えるスイッチデバイスをさらに含む、請求項１に記載のネットワーク。
10. 前記ホストはモニタを有し、
    前記ホストは前記モニタ上に、当該ネットワークのベースノード、フィールドノード、環境ノードの内の２つ以上の間におけるワイヤレス通信の働きに関連する情報を示すトポロジースクリーン表示を呈示すべくプログラムされている、
    請求項１に記載のネットワーク。
11. 前記トポロジースクリーン表示はさらに前記ベースノード、フィールドノード、環境ノードが配置されているプロセス領域の構造的特徴を示す、請求項１０に記載のネットワーク。
12. 前記ホストはモニタを有し、
    前記ホストは前記モニタ上に、当該ネットワークのフィールドノード、環境ノードおよびベースノードの内の２つ以上の間のホップ数を示すスクリーン表示を呈示すべくプログラムされている、
    請求項１に記載のネットワーク。
13. 前記フィールドデバイスの少なくとも１は第１のワイヤレス通信プロトコルを用いて通信し、
    通信されるデータは、前記ホストおよびベースノードの一方により第１のワイヤレス通信プロトコルから別のワイヤレス通信プロトコルに変換される、
    請求項１に記載のネットワーク。
14. ベースノードと、
    フィールドノードと、
    環境ノードと、
    ホストと、
    を備える工程管理ワイヤレス通信ネットワークであって、
    前記ベースノードは通信により前記ホストに結合され、
    前記ベースノード、フィールドノード、および環境ノードは、各々はワイヤレストランシーバを備え、
    前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノードの前記ワイヤレストランシーバは、前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノード間でメッシュ又は２地点間ワイヤレス通信の内の１つを実行し、
    当該ネットワークはメッシュワイヤレス通信ネットワークから２地点間ワイヤレス通信ネットワークへ、および、２地点間ワイヤレス通信ネットワークからメッシュワイヤレス通信ネットワークへ、前記ベースノード、環境ノードおよびフィールドノードを切り替えるスイッチデバイスをさらに含む、
    工程管理ワイヤレス通信ネットワーク。
15. 前記フィールドノードは工程管理データを提供する少なくとも１のフィールドデバイスを備え、
    前記環境ノードは前記ベースノード、環境ノードおよびフィールドノード間のワイヤレス通信の働きに影響を与え得る環境ファクタの１つ以上に関するデータを提供する少なくとも１のフィールドデバイスを備え、
    請求項１４に記載のネットワーク。
16. ワイヤレストランシーバを含む中継器ノードをさらに備え、
    前記中継器ノードは、前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノード２つ以上の間でワイヤレス通信を行う、
    請求項１４に記載のネットワーク。
17. 前記ホストはモニタを有し、
    前記ホストは前記モニタ上に、当該ネットワークのベースノード、フィールドノード、環境ノードの間の２つ以上の間におけるワイヤレス通信の働きに関連する情報を示すトポロジースクリーン表示を呈示すべくプログラムされている、
    請求項１４に記載のネットワーク。
18. 前記トポロジースクリーン表示はさらに前記ベースノード、フィールドノード、環境ノードが配置されているプロセス領域の構造的特徴を示す、請求項１７に記載のネットワーク。
19. 前記ホストは前記モニタ上に、当該ネットワークのフィールドノード、環境ノードおよびベースノードの２つ以上の間のホップ数を示すスクリーン表示を呈示すべくプログラムされている、請求項１８に記載のネットワーク。
20. ベースノードと、
    フィールドノードと、
    環境ノードと、
    ホストと、
    を備える工程を制御するためのワイヤレス通信ネットワークであって、
    前記ベースノードは通信により前記ホストに結合され、
    前記ベースノード、フィールドノード、および環境ノードは、各々ワイヤレストランシーバを備え、
    前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノードの前記ワイヤレストランシーバは、前記ベースノード、フィールドノードおよび環境ノード間でワイヤレス通信を実行し、
    前記フィールドノードは工程管理データを提供する少なくとも１のフィールドデバイスを備え、
    前記環境ノードは、前記ベースノード、フィールドノードおよび環境のワイヤレス通信の働きに影響を与え得る環境ファクタの１つ以上に関するデータを提供する少なくとも１のフィールドデバイスを備え、
    前記フィールドノード又は前記環境ノードの前記フィールドデバイスの少なくとも１は第１のワイヤレス通信プロトコルを用いて通信し、
    フィールドデバイスの少なくとも１つによって提供された前記第１のワイヤレス通信プロトコルのデータの少なくとも一部は変換ノードにより第１のワイヤレス通信プロトコルから別のワイヤレス通信プロトコルに変換され、
    前記別のワイヤレス通信プロトコルのデータは、前記別のワイヤレス通信プロトコルのデータを受信する対象デバイスを決定すると共に前記別のワイヤレス通信プロトコルのデータを対象デバイスに送信するルーティングノードに伝送され、
    前記対象デバイスに送信された前記別のワイヤレス通信プロトコルのデータは、前記工程を制御するために使用される
    工程管理ワイヤレス通信ネットワーク。
21. 前記変換ノードは前記ベースノードの一部である、請求項２０に記載のネットワーク。
22. 前記変換ノードは前記ホストの一部である、請求項２０に記載のネットワーク。
23. ワイヤレス通信ネットワークを利用した工程管理方法であって、
    前記工程の少なくとも１のフィールドデバイスからフィールドデータを、前記工程のフィールドノードで受信し、
    前記フィールドノードから第１のワイヤレス通信を使用するプロセスのベースノードへ前記フィールドデータをワイヤレスで送信し、
    前記第１のワイヤレス通信から前記フィールドデータを異なるワイヤレス通信プロトコルに変換し、
    前記異なるワイヤレス通信プロトコルのフィールドデータを前記工程のルーティングノードに送信し、
    前記ルーティングノードで前記異なるワイヤレス通信プロトコルのフィールドデータを受信する前記工程の対象デバイスを決定し、
    前記異なるワイヤレス通信プロトコルのフィールドデータを前記対象デバイスに送信し、
    前記対象デバイスに送信された前記別のワイヤレス通信プロトコルの前記フィールドデータを使用して前記工程を制御する
    方法。
24. ワイヤレス通信ネットワークを使用して工程を制御する方法であって、
    前記工程の１以上のフィールドデバイスから、前記ワイヤレス通信ネットワーク内のワイヤレス通信の働きに影響を及ぼす１つ以上の環境ファクタに関するデータを備えた環境データを、前記ワイヤレス通信ネットワークの環境ノードで受信し、
    前記環境ノードから前記環境データをワイヤレスで前記ワイヤレス通信ネットワークのベースノードに送信し、
    前記ベースノードから前記環境データをホストに送信し、
    前記環境データを前記ホストにて解釈し、
    前記環境データを解釈することに基づいて前記ワイヤレス通信ネットワークの少なくとも１の動作パラメータを調節すべく、前記ホストから前記ベースノードに制御信号を送信し、
    前記制御信号を前記ベースノードから少なくとも１のフィールドデバイスを含む少なくとも１のフィールドノードに送信して前記ワイヤレス通信ネットワーク内でデータが通信される方法に影響を及ぼす、
    方法。
25. 前記環境データは、温度、気圧、湿度、降雨量、無線周波数周囲ノイズからなる群より選択されるデータである、請求項２４に記載の方法。

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