JP5290300B2 - フィールド機器用無線アダプタ - Google Patents

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Description

本発明は産業プロセス制御又は監視システムに関する。特に、本発明はこうしたシステムにおいて無線周波数（RF）通信できるフィールド機器に関する。
産業設定において、制御システムは産業プロセスや化学プロセスの設備等を監視し制御するのに利用される。典型的には、制御システムは、産業プロセスにおいてキーとなる箇所に配置され、プロセス制御ループにより制御室の制御回路に接続されるフィールド機器を用いることによってこうした機能を実行する。「フィールド機器」という用語は、分散配置される制御又はプロセス監視システムで機能を実行する任意の機器で、産業プロセスの測定、制御及び監視に用いられる現在既知の又はいずれ知られる全ての機器を含んだものを指す。
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発生する機器又は入力信号に基づいて物理的出力を発生する機器のいずれかを意味すると考えられている。典型的には、変換器は入力を別形式を有する出力に変換する。種々の変換器には様々な解析用機器、圧力センサ、サーミスタ、熱電対、歪みゲージ、流量送信機、位置調整器、アクチュエータ、ソレノイド、指示ライト及びその他が含まれる。
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調整電流及び／又は電圧をフィールド機器に送ってフィールド機器に電力供給するためにも利用される。プロセス制御ループはまたアナログ又はデジタルのフォーマットのいずれかによってデータを伝達する。
従来、アナログのフィールド機器が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、各機器は単一の２線式制御ループにより制御室に接続されていた。典型的には２線間においてアナログモードでは１２〜４５ボルトの、デジタルモードでは９〜５０ボルトの範囲内の電位差が維持されている。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する電流に変調して信号を制御室に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、制御室の制御のもとで動作を実行するものもある。追加的に又は別方法として、プロセス制御ループはフィールド機器と通信するの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、無線技術がフィールド機器と通信するのに利用され始めている。例えば、完全に無線式の設備が利用され、該設備においてはフィールド機器はバッテリ、太陽電池又は他の技術を用いて電力を得て何ら有線式接続を必要としない。しかしながら、フィールド機器の大多数はプロセス制御ループに有線接続され、無線通信技術を利用していない。
産業プロセス内のプロセス変数を監視するのに使用されるプロセス制御送信機に接続するアダプタが提供される。該アダプタは２線式プロセス制御ループとプロセス制御送信機とに接続しプロセス制御ループで通信するよう構成されるI/O回路を含む。無線通信回路は２線式プロセス制御ループに接続し無線（RF）信号を送信するよう構成される。電力供給回路は無線通信回路に電力を供給する。
無線通信用に構成されたフィールド機器を含むプロセス制御監視システムの簡略ブロック図である。 複数のフィールド機器がリモートのメータに情報を送信する、プロセス制御装置監視システムのブロック図である。 携帯型ユニットのようなリモート機器と通信する無線通信回路を含むフィールド機器の分解切り取り図である。 無線通信用のフィールド機器を含みプロセス制御ループから電力を回収するプロセス制御装置監視システムを示す図である。 図４に示す回路をより詳細に示す図である。 図５に示すキャパシタで測定した電圧対時間のグラフである。 プロセス制御装置監視システム内の無線通信を提供する回路の電気ブロック図である。 ２線式プロセス制御ループでプロセス変数送信機に接続される無線通信アダプタを示すブロック図である。 ２線式プロセス制御ループでプロセス変数送信機に接続される無線通信アダプタを示すブロック図である。 無線通信アダプタの回路を示す簡略ブロック図である。 送信機に接続される無線アダプタを示す簡略断面図である。
本発明は、単方向又は双方向無線通信用の無線通信モジュールをさらに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／又はるアダプタを提供する。無線通信モジュールはリモート機器又は配置からの無線信号を送受信できる。モジュールは２線式プロセス制御ループから受信した電力で直接電力供給してもよいし、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貯蔵された電力で電力供給してもよい。モジュールは取り外し可能モジュールであってよく、該モジュールは無線通信が必要なフィールド機器に接続するだけでよい。モジュールは既存の送信機に取り付けるアダプタとして構成することができる。
図１はその内部で制御室又は制御システム１２が２線式プロセス制御ループ１６を介してフィールド機器１４に接続しているプロセス制御監視システム１０の簡略ブロック図である。フィールド機器１４はI/O電源回路１８、アクチュエータ／変換器２０及び無線通信回路２２を含む。無線通信回路２２はアンテナ２６を用いて無線信号２４を送受信するよう構成されている。
現在のところ、産業設備にはプロセス情報をローカル監視するのに利用できるローカルディスプレイすなわち「メータ」を含むことが多い。メータは多くの設備において非常に役立つが、このようなローカルディスプレイ構成にはいくつかの制限がある。ローカルディスプレイを使用するとフィールド機器に対して直接の目視によるアクセスが必要となる。さらに、典型的には作業者は一度に一つのメータしか見ることができない。メータを含む機器がアクセス容易な配置又は目視角度配置にあることは少ない。こうした不便な構成に対処するため用いられてきた一つの技術にプロセス送信機に有線接続したメータの利用がある。この技術によりメータをより便利な配置で備え付けることが可能となる。別の技術が米国特許番号10/128,769で2002年4月22日に出願された、「無線通信リンクを備えたプロセス送信機」の名称の米国特許出願に開示され説明されている。
本発明では、無線通信モジュールはフィールド機器内に含まれるか、又はフィールド機器に取り付けるアダプタであってループ１６のようなプロセス制御ループへの接続に追加で用いることができるアダプタとして構成する。無線通信モジュール２２は既存のフィールド機器構成に容易に含めることができるよう小型かつ消費電力を抑えた構成とすることができる。モジュールはデータの制御及び／又は表示の監視に用いる情報の無線送信に用いることができる。こうした無線送信機によってフィールド機器の情報がローカルエリアで利用可能となる。例えば、ディスプレイ３２のような一つのローカルディスプレイを設けてフィールド機器１４からの情報を表示するのに用いることができる。ディスプレイ３２は同時に又は順番で、若しくはディスプレイに対して伝えられる命令、例えば作業者が利用可能なボタンによるマニュアル入力を用いたような命令によって、複数の機器からの情報を表示するように構成することができる。ディスプレイ３２は固定位置に配置してもよいし、又はプロセス制御システム内全体で持ち運んで様々なフィールド機器の動作を監視観測できるような携帯型機器であってもよい。無線信号２４の強度及び送受信回路の感度に依存して、無線送信でカバーされるエリアは所望の通り調整してよい。例えば、図２はその内部で多数のフィールド機器１４が個別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の簡略図である。各フィールド機器１４はディスプレイ３２が受信するよう無線信号２４を送信する。この例ではディスプレイ３２は、アンテナ５２を用いてフィールド機器１４から受信した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、ディスプレイ３２は固定型のディスプレイであってもよいし、携帯ユニットのような携帯型ディスプレイであってもよい。この特に図示する構成においては、ディスプレイ３２はプロセス圧力に関連する２つのプロセス変数とプロセス温度に関連する２つのプロセス変数とを示しているように描かれている。これによりフィールド機器１４は例えばローカルエリア内といったような所望の領域内での無線通信接続を介して情報を提供することが可能となる。例えば、ディスプレイ３２がフィールド機器１４から４０メートル内にあれば、ディスプレイは当該フィールド機器からの情報を受信して表示することができる、といった具合である。オプションのユーザ入力部４８を用いて例えば、表示形式や表示されるプロセス変数を選択したり、フィールド機器１４を調査したりすることができる。
図３はフィールド機器の一例である圧力送信機６０の部分分解切り取り簡略図である。圧力送信機６０は２線式プロセス制御ループ１６に接続し、送信機ハウジング６２を備える。プロセス制御ループ１６は、端子ボード５８上にある端子５６に接続する。圧力センサ６４は変換器の一例となっており、プロセス付属備品に接続してプロセス流体に発生する差圧を測定するよう構成される。センサ６４からの出力は測定回路６６に与えられ、測定回路６６はフィールド機器回路６８に接続する。フィールド機器回路６８は図１に示すI/O電力供給回路１８を部分的に実装している。無線通信回路２２はフィールド機器回路６８に接続し、実施形態によってはプロセス制御ループ１６に接続する。
ハウジング６２は、ハウジング６２に螺入可能な端部キャップ７０及び７２を含む。端部キャップ７２は、無線通信回路２２に配置されたアンテナ２６と大まかに位置合わせするよう構成される無線透過ウィンドウ７４を含む。端部キャップは取り付けると、送信機６０内の回路に対する本質安全容器の役割を提供する。端部キャップに用いられる典型的な物質例えば金属は無線信号に対して透過性を有さない。しかし、無線透過ウィンドウ７４によってアンテナ２６から無線信号を送受信することが可能になる。ウィンドウ７４に用いる無線透過物質の一例としてはガラス等がある。しかし、任意の適切な物質を用いてよい。ウィンドウ及びハウジングの構成によって本質安全規格要件を満たし、難燃性（防爆性）機能を提供するようにすることができる。さらに、ハウジング６２内の空洞部はアンテナ２６により発生する無線信号を所望の放射パターンとなるように設定することができる。例えば、無線送信を全方向性とするのが望ましい実施形態もあれば、指向性とするのが望ましい実施形態もある。実施形態によっては、カバー６２をより長くして無線通信回路２２を配置する追加の内部空洞部を設けるようにしてもよい。
無線通信回路２２は所望のものを選択してよい。回路の一例としてはミレニアル・ネット社（Millennial Net）より購入可能な「I-Bean」送信機器がある。しかし、その他の回路を用いてもよい。プロセス制御ループ１６で伝達されるアナログ又はデジタル信号は、プロセス制御ループ１６又はフィールド機器回路６８の動作を妨害することなしに、無線通信回路２２を用いて読み取り、送信することができる。無線送信に用いる回路は充分に小型かつ低消費電力であってプロセスフィールド機器の物理的制約及び消費電力制約に適合していなければならない。従来技術の送信機の中には、図３の無線通信回路２２の位置に大まかに配置されるオプションのディスプレイを受け入れるように構成されているものがある。こうした構成においては、無線通信回路２２をローカルディスプレイの代わりに用いることができる。こうした構成においては単純に、無線通信回路２２はプロセス制御ループ１６に直接入力する無線信号を送信し、ループ１６で伝達されるアナログ及び／又はデジタル信号に相当する無線信号を送信する。
一般に、ここで説明しているプロセス制御ループは産業プロセス制御監視システムで使用する任意の種類のプロセス制御ループを含む。こうしたループには、4mAと20mAとの間でアナログ信号レベルが変動することで情報を伝達する4-20mA電流ループが含まれる。同制御ループはフィールド機器に電力供給するのに用いることもできる。別の種類のプロセス制御ループとしてはHART(登録商標)通信プロトコルに従うものがあり、当該プロトコルにおいてはデジタル伝達信号が4-20mA信号に重畳されて追加情報を伝達する。２線式プロセス制御ループの別の例ではアメリカ計測学会(Instrument Society of America, ISA)により規格化された、フィールドバスＳＰ５０(Field Bus SP50)プロトコルと呼ばれるプロトコルを用いる。しかし、任意の信号伝達プロトコルを用いてよい。プロセス制御ループの中には複数のフィールド機器に接続するよう構成され、フィールド機器が互いに通信したり別のフィールド機器からの送信を監視できるようになっているものがある。一般に、こうしたプロセス制御ループで伝達され、又は利用可能となっている、又は内部で発生した、又はフィールド機器で受信した、又はフィールド機器若しくはその他の種類の情報を制御するのに用いられる任意の種類の情報は、本発明の無線通信技術を用いて伝達可能である。別の例では、フィールド機器を設定するのに用いる携帯型ユニット又は機器は作業者によりフィールド内に持ち運ぶことができる。携帯型機器がフィールド機器の近辺にあれば、作業者は携帯型機器を用いてフィールド機器との間で情報を送受信することができる。これにより作業者は機器への物理的な接続又はプロセス制御ループへの物理的な接続の必要なく情報収集したりフィールド機器をプログラムしたりすることができる。
実施形態によっては、フィールド機器からの又はフィールド機器への通信でアドレス情報を伝達することも望ましい。アドレス情報は伝達情報の送信元又は伝達情報の想定受信先を示す情報であってよい。無線通信回路は連続的に、又は周期的若しくは断続的条件に基づいて所望のように送信を行ってよい。別の例では、無線通信回路は起動されたとき又はポーリングがあったときだけ送信を行う。起動は内部起動元からフィールド機器に対して行ってもよいし、プロセス制御ループで受信して行ってもよいし、無線送信元から受信して行ってもよいし、又は別の起動元から受信若しくは信号生成して行ってもよい。複数のフィールド機器が同時に送信を行うことになる環境においては、送信を阻害することになるような任意の種類の衝突を避ける又は衝突に対して対処するように送信プロトコルを選択せねばならない。例えば、異なる周波数を用いた、すなわち周波数スキッピング(frequency skipping)技術を用いてもよいし、ランダム又は準ランダムのサイズの送信ウィンドウを用いてもよいし、継続送信による、すなわちトークンに基づく技術を実装してもよいし、又は所望の通りにその他の衝突回避技術を用いてもよい。送信にエラー検知又は訂正情報が含まれている場合、この情報を用いて送信エラーを検知しかつ／または送信エラーを訂正することができる。エラーが訂正不可能な場合、受信ユニットは破損データの再送信を要求するか、エラー検知情報を出すか、データの後続送信を待つか、又はその他の所望の処理をすることができる。
図３はまた、無線接続８２を介して回路２２と通信する携帯型機器８０の例を示している。携帯型機器８０はディスプレイ８４とユーザ入力部８６とを含む。他の種類の入力部及び出力部が携帯型機器８０に含まれていてもよい。好ましくは、携帯型機器８０はバッテリ駆動であって作業者がフィールド機器６０との通信のためにフィールド内に持ち込むことができる。フィールド機器６０から又はその他の送信源からの情報はディスプレイ８４に表示され、携帯型機器は入力部８６を用いて制御される。命令又はその他の情報は携帯型機器８０によりフィールド機器６０に送信することができる。
一構成においては、無線通信回路はフィールド機器において利用可能な電力の制限内にある電力を必要とする。例えば、フィールド機器内で現在利用されている一つのディスプレイが0.5mAで3.6V使うとする。LCD(液晶ディスプレイ)メータを駆動する機能がある送信機を採用する場合、LCDメータを無線通信回路に置き換えて、LCDメータを駆動するのに利用されていたのと同一の電力源を利用することができる。別の例では、無線通信回路はプロセス制御ループから直接、例えばプロセス制御ループに直接に接続されたダイオードの電圧降下による電圧を用いることで、電力供給することができる。通信回路にバッテリを用いない実施形態では、回路はより容易に本質安全又はその他の安全認定要求を充たすことができ、バッテリ交換又は保守作業が不要な永久的なフィールド寿命を得ることができる。無線構成が情報送信用のみである構成においては、電力要求を低減することができる。別の例では、送信範囲をより広くしたいと望むのならば、図１に示すディスプレイ３２のような固定型機器に無線リピータを含めてフィールド機器から受信した又はフィールド機器へ送信したデータの再送信を行うようにしてもよい。無線リピータはループから電力供給されてもよいし、他の電力源から電力を獲得してもよい。さらに、一旦無線データを受信すると、プロセス制御システム内で用いられる既存のデータ送信構造にフォーマット変換して、他の媒体例えばイーサネット（登録商標）接続を介した送信用に利用できるようにすることで、携帯電話のような範囲拡張された無線通信リンクを超えてさらに通信できるようにするか、又はその他の技術を用いてデータ中継することもできる。
図４はプロセス制御装置又はプロセス監視システム１００の簡略図であり、本発明の別実施形態を示している。システム１００では、フィールド機器１４は接続箱１０２に通じるプロセス制御ループ１６を通して制御システム１２に接続する。図４に示す実施形態においては、フィールド機器１０４はプロセス制御ループ１６に接続し、無線通信回路１２２を含む。無線通信回路１２２は無線信号１０６を送信するよう構成され、プロセス制御ループ１６から受信した電力によって完全に電力供給される。
プロセス機器１０４は電源レギュレータ１１０、分路又はバイパス１１２及び電気二重層キャパシタ（super capacitor）１１４を含む。動作中、電気二重層キャパシタ１１４はプロセス制御ループ１６から取り入れた過剰電圧により電源レギュレータ１１０を用いてゆっくりと充電（トリクル充電）される。バイパス１１２によりループ１６は通常動作が可能となり、バイパス１１２はループ１６に直列接続される。通信回路１２２はプロセス制御ループ１６で伝達されるアナログ及び／又はデジタル情報を受信する回路を含む。回路１２２は受信した情報に基づいて応答的に無線信号１０６を送信する。受信機として動作する場合、回路１２２はループ１６で伝達される電流上にデータを変調する機能がある。このデータはアナログ又はデジタル情報のいずれであってもよい。この構成により無線通信ネットワークを介してデータを中継することが可能となる。ネットワークは、ポイントツーポイント型(point to point)、ハブ型(spoke and hub)及びメッシュ型(mesh)を含む任意の種類のトポロジーで構成してよい。プロセス機器１０４は、図４に示すような個別機器として構成されるものを含む、ループ沿いの任意箇所に配置してよい。設定によっては、フィールド機器１０４はフィールドにおける環境耐性を有し、本質安全動作となるよう構成されていなければならない。機器１０４はまた、別のフィールド機器１４内に配置してもよいし、接続箱１０２の一部分として配置してもよいし、又は制御システム１２を格納する制御室内に配置してもよい。フィールド機器１０４は一つより多数の無線回路１２２及び／又は一つより多数のプロセス制御ループ１６に対して、同時に又はマルチプレクサ若しくは他の技術を用いて接続してもよい。
電気二重層キャパシタの利用により機器は内部バッテリ又はその他の技術を必要とせずに動作が可能となる。キャパシタの利用により急速充電と充分に大きいエネルギポテンシャルの蓄積が可能となる。危険な環境下で利用する場合には、本質安全規格を満たすために大きなエネルギ蓄積は受容できないこともある。しかしその場合には、プロセス機器１０４を危険な環境から離して、本質安全が要求されない接続箱１０２などに設置すればよい。
図５は電気二重層キャパシタをさらに詳細に示したフィールド機器１０４の簡略図である。この例では電気二重層キャパシタ１１４は、各々２．５ボルトの電位を有するよう構成された容量１０ファラッドの２つのキャパシタを備えている。この構成により電位差５ボルトで容量５ファラッドの等価キャパシタンスが得られる。無線通信回路１２２が４〜５ボルト間の電圧で動作することができると想定すると、５ファラッドのキャパシタの各々からの利用可能なエネルギは、(1/2)*C(Vi 2−VF 2)すなわち(1/2)*5(52−42)=22.5ジュールである。
図６は電気二重層キャパシタ１１４の両端で測定した電圧対時間のグラフである。この例では、期間tdのバースト信号を送信する600mWの無線送信機は１秒間に0.6J/S*1s=0.6ジュールのエネルギを必要とする。従って、こうした通信回路１２２の動作に利用可能なエネルギは充分にある。
プロセス制御ループに電力供給するのに用いられる典型的な電源では直流２４ボルトが供給される。しかし、4-20mVシステムにおいては、送信機は動作に１２ボルトしか必要としない。プロセス制御ループ内の配線損失によって２〜４ボルトの電圧降下が起こりうる。５ボルトのみが電気二重層キャパシタ１１４の充電に利用可能であり、プロセス制御ループが低電流レベル（つまり例えば4mA）で動作していると想定しても、電気二重層キャパシタ１１４を充電するのにまだ20mWも利用可能である。送信サイクルにおいて０．６ジュールのみしか消費されないので、利用可能な20mWによって電気二重層キャパシタが完全に充電されるまでの時間はtc=0.6J/0.02W=30秒である。従ってこうした構成を用いることによって、３０秒毎に１秒継続する信号を送信することが可能となる。通信信号のバンド幅が２００キロビット／秒(Kb/s)でありパケットサイズが２００ビット(b)であるとすると、バースト時間は１ミリ秒まで減り、その結果として送信時間は０．０３秒である。こうした構成においては、診断データというものは時間条件の厳しい性質ではないため、診断データを容易に送信することができる。しかし、充分に早い充電時間とすることが可能であれば、制御およびプロセス変数の信号もまた無線伝達可能である。
電気二重層キャパシタを説明したが、バッテリを含むその他任意のエネルギ蓄積機器を採用することができる。蓄積機器を充電するのに用いられるエネルギは電気的又は磁気的であってもよく、任意の電源から獲得又は収集してよい。
図７は２線式プロセス制御ループ１５６を通じてフィールド機器１５４に接続される制御室１５２を含むプロセス制御監視システム１５０の簡略図である。プロセス制御ループ１５６は本質安全バリア１５８をまたいで延びている。制御室１５２は電源１６０と負荷抵抗１６２とを含むようモデル化されている。
フィールド機器１５４は任意の構成であってよく、図７に特に図示されるものに限られるわけではない。無線通信回路１７０は図示のとおりループ１５６と直列に接続する。回路１７０はフィールド機器の端子ブロックに実装することができる。例えば、回路１７０は２線式プロセス制御ループ１５６が既存の送信機回路に接続できるよう追加モジュールとして構成することができる。
図７に示す構成において、通信回路１７０により無線通信機能が新規の又は既存のプロセス制御ループ若しくはフィールド機器に追加可能となる。回路はプロセス制御ループによって電力供給し、制御室以降の範囲のループの任意の箇所又は次のような箇所に設置してよい。すなわちループに沿った任意の箇所に設置するか、本質安全（IS, intrinsic safety）バリア若しくは接続箱１５８内に設置するか、スタンドアローンのフィールド機器として設置するか、又は別のフィールド機器内に含めて設置してもよい。回路は任意の種類の通信用に構成することができる。しかし、一つの簡素な構成においては、回路１７０はプロセス制御ループ１５６で運ばれる電流を測定し、測定した電流に関連する出力を無線受信機に送信するように構成される。
ここで図７に示した回路１７０の特定の一実施形態の説明に戻り、センス抵抗１８０及び電力供給ダイオード１８２はプロセス制御ループ１５６と直列に接続する。センス抵抗１８０は例えば抵抗値１０オームであって、プロセス制御ループ１５６に流れる電流レベルＩを検知するのに用いられる。テストダイオード１８４もまたループ１５６と直列に接続し、テストポイント１８６を提供する。当該テストポイントは回路１７０に接続されるフィールド機器を校正する又はその特性を調べるのに用いることができる。本質安全保護回路１９０が与えられ、本質安全保護回路１９０はダイオード１８２の向かいに図示するように接続されたダイオード１９２と、センス抵抗１８０の両端のそれぞれに接続された分離抵抗１９４と、を含む。ダイオード１８２は電源１９６の一部であり、電源１９６はキャパシタ１９８、入力フィルタ２００、レギュレータ２０２、キャパシタ２０４及び二次フィルタ２０６を含む。二次フィルタ２０６はキャパシタ２０８及び抵抗２１０を含む。電源回路１９６は回路グランドを基準とした電源電圧VDDを発生し、当該電源電圧は回路がループ電流を測定して測定結果の信号を無線送信するのに用いられる。電源の実装方式として特定のものが図示されているが、所望の通りに任意の適切な電源構成又は実施形態を用いてもよい。
この実施形態においては、入力回路２１８はセンス抵抗１８０を含み、ループ１５６を流れる電流Ｉを測定するよう構成されている。入力回路２１８はまたフィルタ２２０を含み、該フィルタによりOPアンプ２２２への差動接続が提供される。OPアンプは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２２６に増幅された入力信号を与える。クロック回路２２８が設けられ、例えばマイクロプロセッサ２２４にクロック信号を供給する。オプションのHART(登録商標)送受信回路２３０はマイクロプロセッサ２２４、ループ１５６、クロック回路２２８及び無線送受信回路２３２に接続する。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からのデジタルのチップ選択信号（ＣＳ１）を受信するよう構成される。無線回路２３２はマイクロプロセッサ２２４からの別個のデジタルのチップ選択信号（ＣＳ２）を受信するよう構成される。HART(登録商標)回路２３０及び無線回路２３２の両者は、いずれのチップ選択が有効になっているかに基づいて、マイクロプロセッサ２２４とシリアル通信インタフェース（SCI）バスで通信するよう構成される。マイクロプロセッサ２２４はまた演算増幅器２２２に停止信号を送るよう構成される。マイクロプロセッサ２２４は、プログラミング命令、一時変数及び固定変数、並びにその他の情報を蓄積するのに用いられるメモリ２３６を含み、揮発性及び不揮発性メモリの両方を含んでいてもよい。メモリは例えば電気書き換え可能なROM(EEPROM)を含んでいてもよく、回路１７０を一意に識別するアドレス情報を含んでいてもよい。無線回路２３２はアンテナ２４０に接続する。アンテナ２４０は内部アンテナ、外部アンテナ及びそれらの組み合わせとして所望のように設計してよい。ループ１５６がプロセス送信機又はプロセス制御部といった別のフィールド機器で終端できるようにするために、回路１７０は２線式プロセス制御ループ１５６を横切って接続するよう構成されている。
図７に示す回路１７０は単一のプリント回路基板上に実装し、無線アンテナ２４０が基板と一体で形成されるようにしてもよい。この構成によれば回路１７０を既存のフィールド機器に容易に実装することができ、外部アンテナ利用も必要でなくなる。こうして設置の複雑さが低減される。
オプションのHART(登録商標)送受信回路２３０はプロセス制御ループ１５６で伝達されるプロセス変数といったようなデジタル信号の監視に利用することができる。検知したデジタル信号に基づいて、HART(登録商標)回路２３０は無線送受信回路２３２の動作を制御し、検知したプロセス変数に関する情報又はその他の情報を送信させることができる。HART(登録商標)回路が完全なHART(登録商標)プロトコル及び適切な無線プロトコルスタックに従うよう実装されていれば、当該回路はゲートウェイレベルの機能を実現することが可能となり、当該機能によりHART(登録商標)マスターがプロセス制御ループ１５６上のHART(登録商標)機能を有する機器と、無線 HART(登録商標)ゲートウェイ機器を通じて双方向通信することが可能となる。これによってフィールド機器と無線通信を行うことで、監視、設定、診断、又は他の情報若しくはデータの交換が可能となる。
プロセス制御又は監視設備において、作業者が物理的にフィールド機器又はプロセス制御ループにアクセスしてフィールド機器と情報交換する必要に駆られることがよくある。これにより作業者は装置を修理し、装置に対して予防的メンテナンスを行うことが可能となる。本願にて示した無線通信の構成により作業者はアクセスが困難な箇所にあるようなフィールド機器を調べることが可能となる。さらに、たとえフィールド機器へのアクセスが容易な配置であっても、無線通信回路があれば作業者は送信機又は接続箱といった装置のカバーを外して、ループ配線をむき出しにしてプロセス制御ループに物理的に接続する必要がなくなる。これは爆発性のガス又は蒸気が存在するような危険な場所において特に有益である。デジタル又はアナログのプロセス変数は無線通信回路によって検知し、上述のような無線メータ又は携帯型機器に送信することが可能である。
動作中、回路１７０はプロセス制御ループ１５６と直列に配置され、当該ループ１５６において回路１７０はループを流れる4−20mA電流を利用して自身への電力供給を行う。共通の電気的接地を採用するフィールド機器のために、回路１７０はループ接続の高電圧側に挿入してもよい。この構成では例えばコントロールエリアネットワーク（CAN）インタフェースといったようなフィールド機器内の他のバス回路へのアクセスが可能となる。当該構成は試験時にループ電流を測定するのに用いる試験接続１８６を含む。センス抵抗１８０は、本質安全規格に従ってループ１５６に接続する端子１８１で測定した場合で等価キャパシタンスがゼロとなるよう構成されるのが好ましい。回路１７０は公称値３〜４Ｖ間で動作するよう構成され、ツェナーダイオード１８２とセンス抵抗１８０とでこの動作電圧が設定される。典型的な４−２０mA電流ループにおいて利用可能な超過電圧は回路１７０を駆動するのに充分である。さらに、消費電力管理技術を採用してループから引き込む電流を約３mAに制限することもできる。これによりプロセス制御ループに接続している任意のフィールド機器が、利用可能な電流レベルを超えて電流を引き込んで回路を破壊することなく、３．６ｍＡの警告レベル信号を送信することが可能となる。
ツェナーダイオード１８２はループ１５６と直列に配置されて入力フィルタ段に前もって調整された電圧を生成させる分路要素として働く。回路１７０により利用されていない部分のループ電流は全てツェナーダイオード１８２を通って分路される。入力フィルタ２００は容量、インダクタンス及び抵抗要素を備えてよく、ループをあらゆるノイズ又は回路１７０により生ずる負荷のゆらぎから隔離するのに用いられる。これによりまたHART(登録商標)の拡張周波数バンドのノイズを抑制して、HART(登録商標)規格を満たすようにできる。
電圧レギュレータ２０２は線形（リニア）又はスイッチモードレギュレータのような任意の適切な電圧レギュレータであってよいがこれらに限られるわけではなく、電圧VDDを回路に供給するのに用いられる。フィルタ２０６はエネルギを蓄積するのに用いられ、さらに回路負荷をレギュレータ２０２から分断する。二次フィルタ２０６の出力電圧は回路負荷の変化時に数百mV降下してもよい。これによって回路１７０によるピークの電流引き込みが４−２０ｍＡ電流ループから平均化してならされたものとなる。
この実施形態において、無線回路２３２及び入力回路２１８と共にA/Dコンバータを含むマイクロプロセッサ２２４は、動作休止時にスリープモード又は低消費電力モードに移って電力消費を抑制するようにすることができる。例えば、１０秒毎といったような選択間隔において、マイクロプロセッサの内部タイマによってA/Dコンバータのループ電流を測定するようにさせることができる。測定回路はA/D変換が起こる前に起動しておく。A/D変換が完了すると、ループ測定回路とA/Dコンバータとの両方の電源を切って電力を節約する。マイクロプロセッサは測定値を無線回路２３２に渡して送信させる。送信を終えると、マイクロプロセッサ及び無線回路は低消費電力モードに戻り、次の測定サイクルまで待つ。マイクロプロセッサは一時的にスリープモードに入って電力を節約してもよい。このような消費電力管理技術を用いて、レギュレータ段での負荷要求を調節することにより、マイクロプロセッサは回路全体の電流要求を管理することが可能となる。
ループ電流測定は４−２０ｍＡ電流ループ１５６に直列に接続された抵抗値１０オームのセンス抵抗１８０を用いてなされ、アナログ電流レベルを測定する。センス抵抗１８０に発生した電圧はフィルタ処理されてHART(登録商標)デジタル通信及び何らかのループノイズに起因する揺らぎが除去される。演算増幅器段２２２によりさらに信号は状態を整えられて、信号はマイクロプロセッサ２２４のA/Dコンバータ２２６に渡される。
無線回路２３２は所望のとおりに任意の適切な回路又は構成であってよい。一つの単純な形態としては、無線回路２３２は単に測定した変数を無線受信機に送信するのみである。アンテナ２４０を用いて無線信号を送信（ブロードキャスト）することができ、アンテナ２４０は回路１７０と一体で形成、例えば回路ボードの外縁の周りに引いた配線の形式で形成することができる。無線回路２３２は実施形態によっては、無線受信機を含み、当該無線受信機により回路２３２を送受信機として構成することができる。所望ならば同一のアンテナ２４０を送信及び受信の両方に用いることができる。典型的な低出力送受信機（トランシーバ）は約２００フィートの通信範囲を有するが、他の電力条件、回路の感度、アンテナ構成などを利用することで別の通信範囲を達成することもできる。回路１７０が送信機のフィールドハウジング部分といったような金属筐体に取り付けられている場合、ハウジングの無線透過部分を用いてアンテナ２４０からの信号の送受信を可能にするべきである。例えば、上記の説明のように、ガラス窓を用いてよい。その他の材料の例としては、プラスチックその他の材料を含む無線信号に対して充分な透過性を有する任意の材料が含まれる。
オプションのHART(登録商標)回路２３０を追加することで回路１７０は電流ループ１５６で伝達される４−２０ｍＡ信号上のHART(登録商標)メッセージを選択的に受信することができるようになる。測定したプロセス変数、診断情報又はその他の情報といった情報を無線受信機に送信することができる。さらに、HART(登録商標)回路２３０がプロセス制御ループ上にデジタル信号を変調するよう設定されている場合、回路２３０を用いてループ１５６に接続されているフィールド機器にリモートで命令したり問い合わせしたりできるようになる。例えば、HART(登録商標)回路２３０を設定して4-20mA電流ループのセカンダリマスタとして機能させることができる。この設定は、フルトランシーバとして構成された無線回路２３２と共に用いることで、双方向通信及び例えば図３に示す携帯型機器８０のような無線マスタユニットからのフィールド機器の設定を可能とする。
マイクロプロセッサ２２４にはまた好ましくは診断機能を実装することができる。マイクロプロセッサ２２４をプロセス制御ループ１５６の電圧電流特性を監視するよう設定し、診断技術を用いて電流及び電圧の不適切又は問題のある変動を特定し、無線により、又は回路２３０により提供されるHART(登録商標)送信機能を用いて、又はループ１５６に流れる電流レベルを警告値若しくは他の所定値に設定することによってリモートの場所に送信することができる。
回路１７０は好ましくは危険な場所での動作が可能なように、かつ本質安全規格のような適切な認定及び仕様に適合するよう設定される。例えば、本質安全保護部１９０は本質安全規格適合の抵抗１８０と共に回路１７０への入力部として用いられる。適切な構成部品及び回路レイアウトを用いることで、ツェナーダイオード１８２と並列接続される冗長設計用ツェナーダイオード１９２によって所定レベルの冗長性がもたらされ、本質安全保護下にあるシステム内のこの回路へ入ることになる電圧の大きさを制限することができる。同様に、センス抵抗１８０を用いることで回路１７０に入る電流の最大値を制限し、外部端子を通じて回路から蓄積エネルギが放電されてしまうことを防ぐことができる。これによって実質ゼロに等しい等価キャパシタンスが得られる。ループ測定回路はさらに、センス抵抗１８０の２端子とフィルタ２２０との間に接続される２つの本質安全規格適合高レート値の抵抗１９４により保護される。その他の回路構成部品も、陶器製物質などを用いることで外部のエネルギ源から保護することができ、当該陶器製物質などによればまた、危険なガスや蒸気が回路１７０内の内蔵部品及び節点に達するのを防ぐことができる。その他の危険ではない場所に対しては、本質安全部品は必要でないこともある。
産業プロセスプラント内の用途でプロセス送信機の無線通信の利益にあずかるものの数は増加の一途である。こうした送信機はプロセス温度、圧力、水位又は流量を監視することができる。こうした機器に無線通信を利用する理由には何百若しくは何千フィートにも渡る配線を設置するコストを節約すること、又はプロセス送信機に「接続して」通信する仕事の負荷を低減することが含まれる。有線通信システムでは、プロセス制御システムであれ携帯型通信機であれホスト機器は全て、プロセス送信機と通信するにはプロセス送信機が接続されている伝送線に物理的に接続しなければならない。これとは対照的に無線通信システムでは、ホストは通信範囲内ではプロセスプラントの任意の場所から所望のプロセス送信機に無線「接続」することができる。さらに、有線システムでは、プロセス送信機に対する診断や命令を実行するために、ユーザは機器からカバーを取り外して携帯型通信機に接続するための端子にアクセスせねばならず、カバーを外すためにはユーザは前もって何点かの安全点検を行う必要があり、当該点検によりプロセス送信機又は設備の安全特性が損なわれていないかを確認する。さらに、プロセス送信機からカバーを取り外すにはそのための特別の仕事手順が必要となり、またはそれどころか送信機がプロセスプラントにおいて潜在的に危険な区域で用いられている場合にはプロセスプラント全体又は一部の停止が必要となることもある。無線通信機能を有するプロセス送信機はローカルでまたは遠隔場所からのいずれで通信するにあたっても、カバーを取り外したり関連する手順を行ったりする必要がない。
「有線」HART(登録商標)通信機能を有するプロセス送信機は多数設置されている。状況によっては、無線通信が組み込まれた新規のプロセス送信機を購入して設置する費用をかけることなく、これら有線機器に無線通信機能を追加するのが望ましいこともある。機器によって既存のHART(登録商標)が有効となっているプロセス送信機を無線ネットワークにインタフェース接続するのが好ましい。この機器は通信変換器の役割を果たすことができ、HART(登録商標)を介して既存のプロセス送信機へ通信し、無線ネットワークを越えて無線ホストへ通信する。さらに、この通信モジュール用の別の電源が必要でないことが好ましい。モジュールはプロセス送信機に既に与えられているのと同一の電源で稼働すべきであり、かつプロセス送信機が利用可能な電力に悪影響を与えるべきでない。この通信機器は太陽エネルギ（太陽電力）で稼働してもよいが、多くの設備において太陽エネルギ利用は実用的ではない。またモジュールはバッテリ駆動してもよい。しかしながら、バッテリは費用負担に加えてプロセスプラントで用いる場合には特別な安全上の欠点を有し、また定期的に補填する必要があるので望ましくない。
プロセス送信機はプロセスプラント内の全域に散在しているので、プロセス送信機が無線メッシュネットワークで通信できればユーザにとって便利である。メッシュネットワークとはその内部で各無線機器が他の無線機器に対するルータの役割を果たすことができるネットワークである。これによりネットワーク内の各機器はホストに戻るのに最も信頼性のある通信パスを確実に利用できるようになる。これらの通信パスはネットワークが最初に確立されたとき及び新規の機器がネットワークに参加したときに確立される。多くの場合において、２線式プロセス制御ループに接続するプロセス制御送信機が無線ネットワークでも情報通信することができるのが望ましい。機器は「メッシュネットワーク」内のルータとして機能するのがまた望ましい。さらに、多くの場合、機器は個別の電源を必要とするのではなくプロセス制御ループからの電力を用いて稼働するのが好ましい。
図８Ａ及び８Ｂに一つの例の実施形態に係る無線アダプタ３００の配線構成の２つの例を示す。無線アダプタ３００は図示のように、直流電源３０４で電力供給されるプロセス制御ループ３０２に接続される。ループは図示のように負荷抵抗３０６を含み、またプロセス変数送信機３０８に接続する。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、無線アダプタ３００は２つのループ接続部（ループ＋及びループ−）を含み、当該接続部はプロセス制御ループ３０２と直列接続する。ループ接続部の一方は電源３０４に接続し、ループ接続部のもう一方はプロセス送信機３０８のループ接続部に接続する。無線アダプタ３００は第３の接続部（HART(登録商標)と表記）を含み、当該接続部はプロセス送信機３０８の別のループ接続部に接続する。図８Ａに示す構成では、アダプタ３００のループ（−）接続部は送信機３０８のプラス接続部に接続し、アダプタ３００のHART(登録商標)接続部は送信機３０８のマイナス接続部（「テスト＋又は−パワー」と表記）に接続する。図８Ｂの配置は、アダプタ３００のループ（＋）接続部が送信機３０８のマイナス接続部に接続し、送信機３００のループ（−）接続部が電源３０４に接続し、HART(登録商標)接続部が送信機３０８のプラス接続部に接続するという点で少し異なる。アダプタ３００はまたアンテナ３１０と共に図示されている。図８Ａおよび８Ｂの構成においてアダプタ３００は３端子機器として構成され、当該端子をループ電流Ｉの全てが流れる。個別のHART(登録商標)接続部は２線式プロセス制御ループ３０２でデジタル通信を行うのに用いられる。図ではHART(登録商標)と表記されているが、アダプタはHART(登録商標)通信プロトコルに従って稼働するよう制限されるわけではなく、フィールドバスプロトコルを含む任意の適切なプロトコルを利用してよい。
アダプタ３００はプロセス制御ループ３０２から受信した電力を用いて電力供給される。ループ３０２はまた送信機３０８に電力供給するのに利用される。一つの構成においては、アダプタ３００はその電圧を小さな値例えば１．０ボルトに調整することで、アダプタがプロセス制御ループ３０２に及ぼす影響を最小限となるようにする。アダプタ３００はループ３０２から利用可能な電流を利用して稼働する。例えば、送信機３０８がループ電流を５ｍＡの値に設定すれば、アダプタ３００はこの５ｍＡを用いて稼働する。アダプタにおける電圧降下が１ボルトであれば、合計５ｍＷがアダプタで消費されている。典型的なプロセス変数送信機の場合では、ループ電流は測定したプロセス電流に基づいて４ｍＡと２０ｍＡとの間で変動する。従って、アダプタ３００が利用可能な最小電力は約４ｍＷであり、利用可能な最大値は約２０ｍＷである。アダプタ３００はこの電力を利用して、ループ３０２を用いた通信や無線通信を含む所望の全ての機能を実行せねばならない。典型的な無線通信機は通信時に最大３ボルトまでの電圧供給を必要とし、電流値が５ｍＡと５０ｍＡとの間で動く（詳細は無線ネットワークに関する多くのパラメータに依存する）。この電流変動は常に起きているわけではないので、アダプタは無線通信の補助が必要となるときまでの間は電力を蓄積することが可能である。上記の説明の通り、電気二重層キャパシタを用いて電力を蓄積することができる。これらは比較的安価で比較的長寿命である。電気二重層キャパシタは短時間の間では１アンペアもの大きさの電流を供給することができるので、無線通信回路に電力供給するのに利用することができる。
図９はアダプタ３００の簡略ブロック図であり、様々な回路ブロックを示したものである。電気二重層キャパシタ３２０が図示され、機器３００はHART(登録商標)通信及び無線通信向けに構成されている。
図９に示すように、アダプタ３００はマイクロコントローラ３４０を含み、マイクロコントローラ３４０はまたメモリと通信用モデムを含む。メモリはプログラミング命令、設定データ、変数などを蓄積するのに利用される。HART(登録商標)アナログ回路３４２は直流阻止キャパシタ３４６を通じてプロセス変数送信機３０８に接続するように構成されている。無線モジュール３４４が与えられることで、アダプタ３００が無線通信技術を用いて通信可能となっている。直列接続されたレギュレータ３４８が与えられ、DC/DCコンバータとして構成されている。電流分路回路３５０がレギュレータ３４８と並列に接続され、OPアンプ３５４により制御されるバイパストランジスタ３５２を含む。ＯＰアンプ３５４はレファレンス電圧（Vref）とレギュレータ３４８とに加えられた電圧との差に基づいて駆動する。レギュレータ３４８は２．３ボルトの出力を低飽和（LDO）レギュレータ３６０に与える。低飽和（LDO）レギュレータ３６０は調整された２ボルトの電力供給出力をマイクロプロセッサ３４０、HARTアナログ回路３４２、リセット回路３８２及びADC（A/Dコンバータ）３８０に与える。
バイパストランジスタ３５２を流れる電流は電気二重層キャパシタ３２０を充電するのに用いられる。電気二重層キャパシタ３２０を横切る電圧は電圧クランプ３７０を用いて設定される。例えば、電圧クランプは２．２ボルトに設定される。別のDC/DCコンバータ３７２がステップアップコンバータとして設定され、低飽和（LDO）レギュレータ３７４に３ボルトの調整された電圧出力を与える。低飽和（LDO）レギュレータ３７４の出力は２．８ボルトに設定され、無線モジュール３４４に調整された電力を供給するのに用いられる。
マイクロプロセッサ３４０はA/Dコンバータ３８０に接続され、A/Dコンバータ３８０は電気二重層キャパシタ３２０の電圧を監視するのに用いられる。マイクロプロセッサ３４０はまたリセット回路３８２に接続される。マイクロプロセッサ３４０はレベルシフト回路３８４を通じて無線モジュール３４４にデータを送る。
回路は無線通信動作を最大限補助し、同時にループ３０２での電圧降下が最小限となるのが好ましい。従って、アダプタ３００はループ３０２からの電力を非常に効率的な方法で利用するよう構成されるのが好ましい。一つの特定の構成においては、例えばテキサス・インスツルメンツ社(Texas Instruments)の型番MSP430F1481のような低消費電力マイクロコントローラ３４０を用いて、また低消費電力のアナログ回路部品を用いることで、これが達成される。こうした構成部品は低い供給電圧で電力供給することができ、また回路全体での電力消費を最小化することとなる。さらに、マイクロコントローラ３４０はいくつかの機能、例えば通信機能が必要でない場合で所望の場合には「スリープ」モードに入るよう構成することもできる。図９に示す構成において個別のモデムは利用していない。代わりに、マイクロコントローラ３４０を利用してモデム機能を提供している。
無線モジュール３４４に多くの電力を供給することがまた好ましい。これにより、通信が高頻度となり高信頼性がもたらされる。追加電力を用いて送信機３０８から情報を発信したり、アダプタ３００を他のプロセス送信機用のルータとして例えばメッシュネットワークにおいて利用可能にしたり、高い送信電力を利用可能にしたりすることができる。他の無線機器からアダプタ３００を通じてホストに至るパスは、機器からホストまで直接のパスよりも信頼性が高いので、この追加電力利用の結果、信頼性の高いメッシュネットワークが構築される。
図９に示す実施形態において、無線モジュール３４４は電気二重層キャパシタ３２０により電力供給される。従って、無線モジュール３４４に供給される電力を増加させるためには、電気二重層キャパシタ３２０に蓄積される電力を増加させるのが好ましい。図９に示す構成において、電気二重層キャパシタ３２０を、ループ３０２に対してOPアンプ３５４及び分路トランジスタ３５２の付近で接続する端子間の電圧降下を調整するレギュレータ３４８に対する分路要素として配置することにより、この電力増加が達成される。図９において、プロセス制御ループ３０２に接続するループ端子間の電圧は１ボルトに調整される。当該調整は、電気二重層キャパシタに向かう電流をOPアンプ３５４と分路トランジスタ３５２とを用いて調節することで達成される。この構成においては、レギュレータ３４８はループ３０２と直列で機能し、OPアンプ３５４により形成されるフィードバックループ内にある。これより効率の悪い構成では、別個の１ボルト分路レギュレータと電気二重層キャパシタ充電回路とが実装される。しかしながら、この構成では追加構成部品と駆動用追加電力とが必要となる。対照的に、図９で前述した構成であれば、アダプタ３００の回路で利用されていないループ電流は全て分路キャパシタ３２０に向かうこととなり効率が上がる。この結果、無線モジュール３４４は最大限の量の電力が利用可能となる。電圧クランプ３７０はキャパシタ３２０が充電される電圧を決定する。電気二重層キャパシタ３２０が電圧クランプ３７０により設定された電圧に達すると、超過分の電流はキャパシタ３２０に流れ込むのではなくクランプ３７０を流れる。
DC-DCコンバータ３４８は入力電圧１ボルトで稼働する低消費電力の「ステップアップ」スイッチングレギュレータとして構成される。レギュレータ３４８は１ボルトの入力電圧を充分に高い電圧に昇圧して残りの回路に電力供給する。図９に示す例では、これは２．３ボルトである。コンバータはスイッチドキャパシタ型のコンバータでも、インダクタ型の昇圧コンバータでも、変換器型のコンバータでも、又はその他の適切な構成であってもよい。LDOレギュレータ３６０はレギュレータ３４８からの出力の２．３ボルトを２．０ボルトに調整し、レギュレータ３４８からのスイッチングノイズを除去する。LDOレギュレータ３６０の出力を用いてマイクロプロセッサ３４０、HART(登録商標)アナログ回路３４２、メモリ、リセット回路３８２およびアナログデジタルコンバータ３８０に電力供給する。
HART(登録商標)アナログ回路ブロック３４２は例えば、キャリア検出回路、受信回路及び送信回路を備えていてもよい。好ましくは、こうした回路は低消費電力要求を満たし、且つ受容可能な程度の通信品質を維持するよう構成される。マイクロプロセッサ３４０内のメモリを利用してプログラミングコード及び一時変数を保存することができる。マイクロプロセッサ３４０内蔵のタイマを利用して「ソフトウェア」モデム機能を提供することができる。マイクロプロセッサ３４０のメモリは内蔵フラッシュメモリ、RAM、EEPROM又は他の不揮発性メモリを含んでよい。マイクロコントローラ３４０は、キャパシタの電圧を表すデジタル出力をマイクロコントローラ３４０に与えるアナログデジタルコンバータ３８０を用いることで、電圧アクセス用の電気二重層キャパシタ３２０を監視するよう構成することができる。所望ならば、マイクロコントローラ３４０を用いてキャパシタが無線送信機能を支えるのに充分な電圧を保持しているかどうかを確認することができる。リセット回路３８２を用いることで、電圧が不充分な場合はマイクロコントローラ３４０が稼働しないようにすることを確実にすることができる。例えば、リセット回路３８２は、LDOレギュレータ３６０からの供給電圧が充分な電圧レベルに達するとマイクロコントローラ３４０をリセットする又は電源投入するよう構成することができる。当該回路はまた電力の「グリッチ」が発生した場合、マイクロコントローラ３４０をリセットするよう構成することができる。
無線モジュール３４４はLDOレギュレータ３７４により供給される安定２．８ボルト電圧により稼働する。上述のように、電気二重層キャパシタ３２０が２．２ボルトまで充電されると、DC-DCコンバータ３７２は当該電圧を３ボルトに昇圧する。利用時には、電気二重層キャパシタの電圧は減少するためステップアップコンバータが必要となる。LDOレギュレータ３７４を利用することで無線モジュール３４４に安定２．８ボルトを提供する。好ましくは、最低約１ボルトから最大で約２．２ボルトまでの範囲で稼働するよう構成される。構成によっては、マイクロコントローラ３４０は電気二重層キャパシタ３２０の電圧が１ボルト未満の場合には無線モジュール３４４の回路の電源を切るように構成することができる。
マイクロコントローラ３４０は、無線モジュール３４４とマイクロコントローラ３４０との間のデジタル通信ラインを介して通信することにより、無線通信モジュール３４４を利用して情報を無線送信するよう構成することができる。マイクロコントローラは２ボルト電源で稼働するが無線モジュールは２．８ボルト電源で稼働するので、これら２つの構成部品間のデジタル通信ラインはレベルシフト回路３８４を用いてレベルシフトせねばならない。これは例えば、テキサス・インスツルメンツ社(Texas Instruments)の型番SN74LVC2T45DCUのような非常に低消費電力のレベル変換器を用いることで実現できる。
一構成においては、マイクロコントローラ３４０はループ３０２に接続するループ端子間の電圧降下を調整するように構成することができる。例えば、マイクロコントローラ３４０からのオプションの制御ライン３４１を分路回路３５０のOPアンプ３５４の反転入力部に接続することができる。こうした構成では、適切な条件下にてループ電圧降下を増やすことで無線モジュールに追加電力を利用できるようにすることができる。同様に、アダプタ３００の回路によるプロセス制御ループへの影響を低減したい場合、電圧降下を減らすことができる。しかしながら、こうすると無線モジュール及びアダプタ３００の他の回路に供給される電力が減り、性能を低下させることになる可能性がある。
図１０は一実施形態の断面図であり、無線アダプタ３００に接続するプロセス制御送信機４００を示している。送信機４００は前述のようにセンサ６４と測定回路６６とを含む。測定回路６６はフィールド機器回路６８に接続する。測定回路６６はフィールド機器回路６８に接続する。送信機４００は接続ブロック４０６及び２線式プロセス制御ループ３０２を通じて無線アダプタ３００に接続する。さらに、無線アダプタ３００は送信機４００のハウジングに接続する。図１０に示す例では、接続はNPT(アメリカ標準管用テーパーねじ)の管路接続部４０９を通じたものである。類似の管路接続部４０９はまた管路４１１へ接続するのにも用いられ、これにより２線式プロセス制御ループ３０２が管路４１１へ運ばれる。無線アダプタ３００の筐体は配線４０８を通じて送信機４００の電気的グランド接続部４１０に接続する。送信機４００は２線式プロセス制御ループ接続ブロック４０２を含み、当該ブロック４０２は無線アダプタ３００からの接続線４１２に接続する。図１０に示すように、無線アダプタ３００は管路接続部４０９に螺合することができる。ハウジング４２０はアンテナ４２６を保持し、無線アダプタ３００の回路を支持する。さらに、無線透過端部キャップ４２４をハウジング４２０に密接接続し、これを通じて無線信号の送信を行うことができる。注目すべき点は図１０に示す配置において、無線アダプタ３００に５つの電気接続が提供されていることである。これらの接続は、図８Ａ又は８Ｂのいずれかに図示した４つのループ接続部と電気的グランド接続部とを含む。
上記の構成により、プロセス変数送信機と無線通信を可能にするアダプタが提供される。回路は、プロセス変数送信機に既に利用可能となっている電力を用いて稼働するよう構成することができる。エネルギ貯蔵要素をループ分路レギュレータの分路要素として配置することにより効率を上昇されることができる。分路レギュレータ制御用のフィードバック回路の一部であるような「ステップアップ」レギュレータを提供することができる。この構成では効率が上がり、同時に必要となる部品点数が減る。
本願において用いる「フィールド機器」の用語はプロセス制御監視システムで利用される任意の機器を指し、必ずしも「フィールド」に配置することを必要としない。当該機器は制御室内又は制御回路内を含むプロセス制御システム内の任意の位置に配置することができる。プロセス制御ループに接続するのに用いられる端子とは任意の電気的接続を表すものであり、物理的な又は個別の端子を備えてなくともよい。所望の通りに任意の適切な無線周波数通信回路が利用可能であり、また同様に任意の適切な通信プロトコル、周波数、又は通信技術が利用可能である。電力供給回路は所望の通りに構成され、本願で説明した構成に限定されない。実施形態によっては、フィールド機器は無線送信に含めることができて機器が識別できるようなアドレスを含む。同様に、こうしたアドレスを用いて受信信号がその特定の機器に宛てられたものであるか確定することができる。しかし、別実施形態においては、アドレスは全く利用されず、データはアドレス情報なしで単純に無線通信回路から送信されるだけである。こうした構成においては、データを受信したい場合でも、どの受信データにもアドレス情報は含まれていない。実施形態によってはこうであっても構わないこともある。別実施形態では例えば、特定の周波数若しくは通信プロトコルを特定の機器に割り当てたり、特定のタイムスロット若しくは周期を特定の機器に割り当てたり、又はその他の技術を用いたりしてなどといったように、別のアドレス割り当て技術又は識別技術を利用することができる。任意の適切なプロトコル及び／又はネットワーク技術を採用することができ、これにはトークンが機器間を伝達することで特定の機器への送受信が可能にな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に関して説明してきたが、当業者には本発明の精神及び範囲から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了解されるであろう。本願にて用いたように、無線（RF）は任意周波数の電磁波送信を含み、特定の周波数グループ、周波数範囲又はその他の制限に限定されない。所望の任意の通信プロトコルを利用することができ、これにはIEEE 802.11b、802.154、又は独自の通信プロトコルを含むその他のプロトコルが含まれる。前述の議論では、無線アダプタにより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通信接続が与えられ、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。この接続は図８Ａ及び８Ｂに示され、プロセス変数送信機との並列接続として、またループ電流の大部分は流さないものとして示されている。電源接続はプロセス制御ループと直列となるよう示されている。本願にて用いたように、バイパス回路は図４、５に示すバイパス構成、図７、９に示す分路構成又は他の回路を含む。アダプタは例えば送信機ハウジングのNPTフィット部分に螺合接続するなど、プロセス制御送信機に外部取り付けするよう構成できる。
１７０…無線通信回路、２１８…入力回路、１５６…電流ループ、１８２…ツェナーダイオード、１９６…電源（回路）、２３２…無線送受信回路、３００…アダプタ、３０２…２線式プロセス制御ループ、３４２…HARTアナログ回路（入出力(I/O)回路）、３４４…無線モジュール（無線通信回路）、３４８…レギュレータ（電力供給回路）、３５０…電流分岐回路（バイパス回路）

Claims (24)

  1. 産業プロセス内のプロセス変数を監視するプロセス制御送信機に接続するアダプタであって、
    ２線式プロセス制御ループと前記プロセス制御送信機とに接続し、前記プロセス制御ループで通信するよう構成される入出力(I/O)回路と、
    前記２線式プロセス制御ループに接続し、無線信号を送信するよう構成される無線通信回路と、
    前記２線式プロセス制御ループに接続し、前記無線通信回路に電力を供給するよう構成される電力供給回路と、
    前記電力供給回路と並列接続されるバイパス回路とを備え、
    前記電力供給回路と前記バイパス回路とが前記２線式プロセス制御ループに対して直列接続するよう構成され、
    前記アダプタのループ接続部間の電圧が前記バイパス回路によって調整可能なことを特徴とするアダプタ。
  2. 前記I/O回路が前記２線式プロセス制御ループでデジタル通信するよう構成されるデジタル信号接続部を含むことを特徴とする請求項1に記載のアダプタ。
  3. 前記デジタル通信がHART(登録商標)通信プロトコルに従うことを特徴とする請求項1または2に記載のアダプタ。
  4. 前記バイパス回路が前記アダプタのループ接続部間の電圧を調整可能なように構成され、第一の所定条件下でその電圧降下を増やすことで前記無線通信回路に追加電力を利用できるようにし、第二の所定条件下でその電圧降下を減らすことで前記アダプタの回路による前記２線式プロセス制御ループへの影響を低減するように構成されていることを特徴とする請求項1ないし３のいずれかに記載のアダプタ。
  5. 前記バイパス回路が、前記アダプタのループ接続部間に所定の電圧レベルを維持するよう設定され、前記２線式プロセス制御ループに接続するよう構成されるOPアンプを含むことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のアダプタ。
  6. 前記バイパス回路に直列接続され前記２線式プロセス制御ループから充電するよう構成されるキャパシタを含むことを特徴とする請求項１ないし5のいずれかに記載のアダプタ。
  7. 前記キャパシタが前記電力供給回路に対する分路要素として配置されることにより、前記アダプタの回路で利用されていないループ電流が全て前記キャパシタに向かうよう構成されることを特徴とする請求項６に記載のアダプタ。
  8. 前記キャパシタと並列接続する電圧クランプを含み、該電圧クランプは該電圧クランプと前記キャパシタとに渡る電圧が電圧クランプレベルよりも大きい場合にはループ電流を分路するよう形成されることを特徴とする請求項６または７に記載のアダプタ。
  9. 前記キャパシタの電圧を監視するよう形成される回路を含むことを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載のアダプタ。
  10. 前記キャパシタに接続され、該キャパシタに蓄積される電圧よりも大きい電圧を出力するよう構成されたステップアップコンバータを含むことを特徴とする請求項６ないし９のいずれかに記載のアダプタ。
  11. 前記ステップアップコンバータの出力部に接続され、前記無線通信回路に電力を供給するよう形成されるリニア電圧レギュレータを含むことを特徴とする請求項１０に記載のアダプタ。
  12. 前記アダプタのループ端子に接続され、該ループ端子間の電圧よりも大きい電圧を出力するよう構成されるステップアップコンバータとして前記電力供給回路が構成されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のアダプタ。
  13. 前記電力供給回路を構成するステップアップコンバータの出力部に接続され、前記アダプタの回路に電力供給するよう形成されるリニア電圧レギュレータを含むことを特徴とする請求項１２に記載のアダプタ。
  14. 前記デジタル信号接続部が前記プロセス制御送信機に並列接続されることを特徴とする請求項1ないし１３のいずれかに記載のアダプタ。
  15. 前記無線通信回路と通信するよう構成されるレベルシフト回路を含むことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載のアダプタ。
  16. 前記２線式プロセス制御ループから受信した電力で前記アダプタの回路に電力供給するよう設定される複数の電圧レギュレータを含む請求項１ないし１５のいずれかに記載のアダプタ。
  17. 前記無線通信回路の動作を制御するよう形成されるマイクロコントローラを含むことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載のアダプタ。
  18. 前記無線通信回路に前記マイクロコントローラを接続するよう形成されたレベルシフト回路を含むことを特徴とする請求項１７に記載のアダプタ。
  19. 前記マイクロコントローラが前記I/O回路の動作を制御することを特徴とする請求項１７または１８に記載のアダプタ。
  20. 前記マイクロコントローラが前記I/O回路の動作を制御するにあたって変調復調装置（モデム）として機能することを特徴とする請求項１９に記載のアダプタ。
  21. 前記マイクロコントローラをリセットするよう形成されたリセット回路を含むことを特徴とする請求項１７ないし２０のいずれかに記載のアダプタ。
  22. 前記プロセス制御送信機に取り付けられるよう構成されたハウジングを含むことを特徴とする請求項１ないし２１のいずれかに記載のアダプタ。
  23. 前記ハウジングが前記プロセス制御送信機のネジ式接続部に螺合接続されることを特徴とする請求項２２に記載のアダプタ。
  24. 前記ハウジングが無線信号を通過させる無線透過領域を含むことを特徴とする請求項２２または２３に記載のアダプタ。
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