JP7453390B2 - フィールドマウントアクセスポイントアンテナのための内蔵型本質安全出力を備えた無線センサネットワークゲートウェイ - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般に、危険環境（hazardous environment）に配置された無線
センサのための１つ又は複数のアクセスポイントスマートアンテナに電力を供給し、それと通信するための無線センサネットワークゲートウェイに関する。

工業用プロセスフィールドデバイスは、工業用プロセス制御及び監視システムにおいて使用され、プロセスセンサ（例えば、圧力センサ、温度センサ等）を用いて工業用プロセス変数を監視し、及び／又は工業用プロセスと相互作用する１つ又は複数の制御デバイス（例えば、アクチュエータ、バルブ等）を制御する。

しばしば、制御又は監視される工業用プロセスは、引火性ガスや蒸気、引火性液体、可燃性粉塵、発火性繊維などを含む雰囲気を有する環境など、火災や爆発が起こり得る危険性が常にある危険環境下にある。危険環境を分類するために業界で認められている慣行によれば、通常の操作条件下で、引火性ガス又は蒸気が発火濃度を有するか、又は有する可能性がある環境は、ゾーン０、ゾーン１又はディビジョン１の領域として指定され、一方、引火性ガス又は蒸気の発火濃度が異常条件下でのみ発生する可能性がある環境は、ゾーン２又はディビジョン２の領域として指定されている。可燃性又は引火性の物質が存在しない環境は、通常、非危険領域又は安全領域と呼ばれる。

危険環境に配置されるフィールドデバイスは、一般に「本質安全（intrinsic safety）」などの認定された技術を使用して爆発から保護された構造でなければならない。本質的に安全なデバイスは、電子機器内に存在するエネルギー量を制限し、電気的な故障が発生した場合にアーク放電が起こらないように電子部品の間隔を十分にとることで、引火性ガスの発火を防止する。また、電子部品によって発生する熱も制御される。ゾーン２やディビジョン２の危険環境下で使用される機器については、引火性物質又は可燃性物質が発火する濃度で存在するのは異常な状況下のみであるため、要求事項はそれほど厳しくない。

米国特許出願公開第２０１８／０３４８０４１号公報

本開示の実施形態は、非危険環境に配置され、危険環境に配置された無線センサネットワークの１つ又は複数のアンテナに電力を供給し、データを通信するように構成された無線センサネットワークゲートウェイに関する。一実施形態では、ゲートウェイは、安全側回路、危険側回路、及び絶縁回路を含む。安全側回路は、非本質安全電源から電力を受け取るように構成された安全側電源回路と、非本質安全機器とデータを通信するように構成された安全側データ入出力（Ｉ／Ｏ）回路とを含む。危険側回路は、アンテナに電力を供給するように構成された危険側電源回路と、アンテナとの間でデータ信号を受け渡すように構成された危険側データ入出力回路とを含む。絶縁回路は、安全側回路を危険側回路から分離する。絶縁回路は、安全側電源回路を危険側電源回路に結合し、安全側電源回路と危険側電源回路との間に本質安全障壁を形成する電力絶縁回路と、安全側データ入出力回路を危険側データ入出力回路に結合し、安全側データ入出力回路と危険側データ入出力回路との間に本質安全障壁を形成するデータ絶縁回路とを含む。ゲートウェイのハウジングは、安全側回路、危険側回路、及び絶縁回路を支持する。

ゲートウェイの別の実施形態は、危険環境に配置された無線センサネットワークの複数のアンテナに電力を供給し、データを通信するように構成される。ゲートウェイは、安全側回路、危険側回路、及び絶縁回路を含む。安全側回路は、非本質安全電源から電力を受
け取るように構成された安全側電源回路と、各々が非本質安全機器とデータを通信するように構成された複数の安全側データ入出力（Ｉ／Ｏ）回路とを含む。危険側回路は、複数のアンテナに電力を供給するように構成された危険側電源回路と、各々が複数のアンテナのうちの１つとの間でデータ信号を受け渡すように構成された複数の危険側データ入出力回路とを含む。絶縁回路は、安全側回路を危険側回路から分離する。絶縁回路は、安全側電源回路を危険側電源回路に結合し、安全側電源回路と危険側電源回路との間に本質安全障壁を形成する電力絶縁回路と、各々が、複数の安全側データ入出力回路のうちの１つを複数の危険側データ入出力回路のうちの対応する１つに結合し、複数の安全側データ入出力回路と対応する複数の危険側データ入出力回路との間に本質安全障壁を形成する複数のデータ絶縁回路と、を含む。ゲートウェイのハウジングは、安全側回路、危険側回路、及び絶縁回路を支持する。

この発明の概要は、詳細な説明で後述する概念の一部を簡略化された形態で紹介するために提供される。この発明の概要は、特許請求される主題の主要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることを意図するものでもない。特許請求される主題は、背景技術において言及されるいずれか又はすべての欠点を解決する実装形態に限定されない。

本開示の実施の形態による、無線センサネットワークゲートウェイを含む工業用プロセスセンサネットワークを示す簡略図である。 本開示の実施形態による、例示的なゲートウェイを示す簡略図である。 本開示の実施形態による、図２のゲートウェイを複数のアンテナに接続するための電力接続及びデータ接続を示す簡略図である。 本開示の実施形態による、例示的なゲートウェイを含む無線センサネットワークの一例を示す簡略図である。 本開示の実施形態による、図４のゲートウェイを複数のアンテナに接続するための電力接続及びデータ接続を示す簡略図である。 本開示の実施形態による、図４のゲートウェイを示す簡略図である。 本開示の実施形態による、無線センサネットワークゲートウェイの一例を示す簡略図である。 従来技術による工業用プロセス制御システムの無線センサネットワークを示す簡略図である。

以下、本開示の実施の形態について、添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。同一又は類似の参照符号を使用して識別される要素は、同一又は類似の要素を指す。しかしながら、本開示の様々な実施形態は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。

本明細書で使用する場合、「危険環境」という用語は、危険と分類された環境（例えば、ゾーン０、ゾーン１、ゾーン２、ディビジョン１又はディビジョン２に分類された環境）を指し、電子フィールドデバイスは、本質安全基準（intrinsic safety standards）などの特定の防爆安全基準を満たす必要がある。本明細書では、「非危険環境」又は「安全環境」という用語は、危険ではないと分類され、電子フィールドデバイスが防爆安全基準を満たす必要がない環境を指すか、又は防爆要件がそれほど厳しくないゾーン２又はディビジョン２の領域内にある環境を指す。

図８は、従来技術による工業用プロセス制御システムの無線センサネットワーク３００の簡略図である。図示されたシステムでは、無線プロセス変数センサ（wireless process
variable sensors）３０２は、危険環境３０４に設置され、アクセスポイントスマート
アンテナ３０６とデータを無線通信するように構成されている。また、アンテナ３０６は、最高のネットワーク性能を達成するために、典型的には、危険環境３０４内でセンサ３０２に近接して配置されている。結果として、センサ３０２及びアンテナ３０６の両方は、危険環境３０４で動作するために、本質的に安全なデバイスとして構成される必要がある。

無線センサネットワークゲートウェイ３１０は、アンテナ３０６に電力を供給し、アンテナ３０６から配信されるデータ信号を非本質安全（ＮＩＳ：non-intrinsically safe）機器３１２にルーティングするために使用されている。ゲートウェイ３１０を動作させるのに必要な電力は、ＮＩＳ電源３１４によって供給されるため、電圧、電流、及び電力に対する厳しい制限によって、危険環境に対する本質的な安全要件を満たすようにゲートウェイ３１０を設計することは非現実的である。したがって、ゲートウェイ３１０は、防爆要件がそれほど厳しくないゾーン２又はディビジョン２の領域内、又は非危険環境３１６内に配置されなければならない。

データ信号は、有線データ接続３１８を介してアンテナ３０６とゲートウェイ３１０との間で通信されてもよく、電力は、有線電力接続３２０を介してゲートウェイ３１０からアンテナ３０６に供給されてもよい。アンテナ３０６が危険環境３０４の本質安全基準を満たすことを保証するために、本質安全障壁３２２及び３２４が、非危険領域３１６内のゲートウェイ３１０とアンテナ３０６との間の接続部３１８及び３２０に沿って設けられている。

図８に例示された分離されたゲートウェイ３１０と本質的安全障壁３２２及び３２４との配置は、エマソン１４１０Ｄゲートウェイ及びエマソン７８１遠隔リンク（スマートアンテナ）を用いて形成されたものなど、無線センサネットワーク３００に対する従来の構成に概ね対応する。しかしながら、この分離アプローチ（partitioned approach）の重大な欠点の１つは、顧客が、ゲートウェイ３１０とアンテナ３０６との間の適切な本質安全障壁３２２及び３２４を購入し、設置する必要があることである。特定の用途に適合するそのような障壁３２２及び３２４は、見つけるのが困難である可能性があり、購入及び設置に費用がかかる。本開示の実施形態は、これらの問題及び他の問題に対する解決策を提供し、従来の無線センサネットワークゲートウェイ３１０を超える利点を提供する。

図１は、本開示の実施形態による、無線センサネットワークゲートウェイ１０２を有する工業用プロセスセンサネットワーク１００の簡略図である。ネットワーク１００はまた、１つ又は複数の本質安全アクセスポイントスマートアンテナ１０４（例えば、エマソン７８１遠隔リンク)と、１つ又は複数の無線センサ１０６とを含み、それらは、危険環境
１０８内に配置できるように、本質安全基準に従って設計されている。センサ１０６は、工業用プロセスのプロセス変数（例えば、圧力、温度、レベルなど）を検出、測定、又は中継するように構成されてもよい。センサ１０６は、無線で（例えば、ＲＦ信号により）アンテナ１０４との間でデータ信号を通信する。

ゲートウェイ１０２は、ゾーン２、ディビジョン２、又は非危険環境１１２内に配置されるように構成され、有線電力接続１１４を介してアンテナ１０４に電力を供給し、有線データ接続１１６を介してアンテナ１０４との間でデータを通信する。ゲートウェイ１０２は、一般に、安全側回路１２０と、絶縁回路（isolation circuitry）１２２と、危険
側回路１２４とを備えている。ゲートウェイ１０２のハウジング１２６は、回路１２０、１２２、及び１２４を支持し、回路１２０、１２２、及び１２４の一部又は全部を取り囲
むことができる。

安全側回路１２０は、一般に、図８のゲートウェイ２１０と同様に、非本質安全電源１２８及び非本質安全機器１３０と接続するように構成されている。したがって、安全側回路１２０は、アンテナ１０４と非本質安全機器１３０との間のデータ信号の通信を容易にし、非本質安全電源１２８から受け取った電力を使用してアンテナ１０４に電力を供給することができる。

危険側回路１２４は、一般に、有線電力接続１１４を介してアンテナ１０４の回路に電力を供給し、有線データ接続１１６を介してアンテナ１０４とのデータ通信を容易にするように構成されている。絶縁回路１２２は、危険側回路１２４と安全側回路１２０との間に本質安全障壁を提供するように構成され、電力接続１１４及びデータ接続１１６と、接続１１４及び１１６に沿ってアンテナ１０４に供給される電気信号とが、アンテナ１０４に必要とされる本質安全基準を満たすようにされる。いくつかの実施形態では、接続１１４及び１１６は、ゲートウェイ１０２とアンテナ１０４との間に延在する単一のケーブルで提供される。

一実施形態では、ゲートウェイ１０２は、図１に示されるように、制御室１３４においてゲートウェイ１０２から遠隔に配置され得るコンピュータ化された制御ユニット１３２に接続されてもよい。制御ユニット１３２は、２線式制御ループ１３６などの適切な物理通信リンク、又は無線通信リンクを介してゲートウェイ１０２に通信可能に結合されてもよい。したがって、制御室１３４は、ゲートウェイ１０２を介してアンテナ１０４との間でデータ信号を通信する非本質安全機器１３０として動作することができる。

制御ユニット１３２とゲートウェイ１０２との間の通信は、従来のアナログ及び／又はデジタル通信プロトコルに従って、制御ループ１３６を介して実行されてもよい。いくつかの実施形態では、制御ループ１３６は、２線式で４～２０ミリアンペアの制御ループを含み、センサ１０６のうちの１つによって検出され、アンテナ１０４によってゲートウェイ１０２に通信されるプロセス変数又は他の値は、制御ループ１３６を通って流れるループ電流Ｉのレベルによって表されてもよい。例示的なデジタル通信プロトコルは、ＨＡＲＴ（登録商標）通信規格に従うような、２線式制御ループ１３６のアナログ電流レベルに対するデジタル信号の変調を含む。また、フィールドバス（FieldBus）及びプロフィバス（Profibus）通信プロトコルを含む、他の純粋なデジタル技術が採用されてもよい。

ゲートウェイ１０２は、交流電力主電源（A. C. power main）、イーサネット（登録商標）を介した電力、バッテリ、発電機（ソーラーパネル、風力発電機など）、又は別の電源など、任意の適切な電源１２８によって電力を供給されてもよい。一実施形態では、制御室１３２は、図１に示されるように、制御ループ１３６を通って流れる電流Ｉを使用してゲートウェイ１０２に電力を供給することによって、電源１２８を構成することができる。

図２は、本開示の実施形態による、例示的なゲートウェイ１０２Ａの簡略図である。一実施形態では、ゲートウェイ１０２Ａの安全側回路１２０は、安全側電源回路１４０と安全側データ入出力（Ｉ／Ｏ）回路１４２とを含む。電源回路１４０は、ＮＩＳ電源１２８から電力１４４を受け取るように動作し、データＩ／Ｏ回路１４２は、制御ユニット１３２（図１）及び／又は他の機器を含み得るＮＩＳ機器１３０とデータ信号１４６を通信するように動作する。

一実施形態では、ゲートウェイ１０２Ａの危険側回路１２４は、電力接続１１４を介してアンテナ１０４に電力１５０を供給する危険側電源回路１４８を含む。いくつかの実施
形態では、危険側電源回路１４８は、電力接続１１４を介してそれを放電する前に、電力１５０を処理する（例えば、電力、電圧、及び／又は電流を、調整又は制限する）。

また、ゲートウェイ１０２Ａの危険側回路１２４は、データ接続１１６を介してアンテナ１０４とゲートウェイ１０２Ａとの間のデータ信号１４６の通信を容易にする危険側データＩ／Ｏ回路１５２を含むことができる。危険側データＩ／Ｏ回路１５２及び／又は安全側データＩ／Ｏ回路１４２は、アンテナ１０４及び／又は機器１３０とデータ信号１４６を通信する場合に、ＲＳ－４８５、ファウンデーションフィールドバス、フィールドバス本質安全コンセプト（ＦＩＳＣＯ：Fieldbus Intrinsically Safe Concept）、ＩＥＥ
Ｅ ８０２．３ｃｇ／ＡＰＬ／２－ＷＩＳＥなどの、データ通信規格を実装するように構成されてもよい。

ゲートウェイ１０２Ａの絶縁回路１２２は、電力絶縁回路１５４を含み、電力絶縁回路１５４は、安全側電源回路１４０を危険側電源回路１４８に結合し、安全側電源回路１４０と危険側電源回路１４８との間に本質安全障壁を形成する。電力絶縁回路１５４の本質安全障壁は、安全側電源回路１４０と危険側電源回路１４８との間を直接通過する電力を遮断することができ、及び／又は安全側電源回路１４０から受け取った非本質安全入力電力１４４’を本質安全電力１４４”に変換することができる。危険側電源回路１４８は、任意選択で、電力接続１１４に沿って電力１５０をアンテナ１０４に供給する前に、電力絶縁回路から出力された本質安全電力１４４”を処理する。

また、ゲートウェイ１０２Ａの絶縁回路１２２は、データ絶縁回路１５６を含み、データ絶縁回路１５６は、安全側データＩ／Ｏ回路１４２を危険側データＩ／Ｏ回路１５２に結合し、安全側データＩ／Ｏ回路１４２と危険側データＩ／Ｏ回路１５２との間の本質安全障壁を形成する。いくつかの実施形態では、データ絶縁回路１５６の本質安全障壁は、安全側データＩ／Ｏ回路１４２と危険側データＩ／Ｏ回路１５２との間を直接伝送する電気信号を遮断する障壁を形成する。この絶縁は、安全側データＩ／Ｏ回路１４２における電流スパイク又は電圧スパイクが、危険側データＩ／Ｏ回路１５２及びアンテナ１０４に到達することを防止する。

いくつかの実施形態では、ゲートウェイ１０２Ａは、複数のアクセスポイントスマートアンテナ１０４に電力を供給し、通信するように構成されている。図３は、ゲートウェイ１０２Ａを複数アンテナ１０４（対応するセンサ１０６Ａ及び１０６Ｂとそれぞれ通信するアンテナ１０４Ａ及び１０４Ｂ等）に接続するための電力接続１１４及びデータ接続１１６を説明する簡略図である。図示を簡略化するために、ゲートウェイ１０２の危険側電源回路１４８及び危険側データＩ／Ｏ回路１５２のみが図示されている。

一実施形態では、安全側電源回路１４０、電力絶縁回路１５４、及び危険側電源回路１４８によって形成される単一の電力チャネルからアンテナ１０４に電力を供給するために、別々の電力接続１１４Ａ及び１１４Ｂを使用することができる。代替的に、ネットワーク１００のアンテナ１０４の各々に対して、別個の分離された電力チャネルが、提供されてもよい。

ゲートウェイ１０２Ａの安全側データＩ／Ｏ回路１４２、データ絶縁回路１５６、及び危険側データＩ／Ｏ回路１５２によって形成される単一のデータチャンネルと、複数のアンテナ１０４Ａ及び１０４Ｂの各々との間のデータ通信は、図３に示すように、危険側データＩ／Ｏ回路からアンテナ１０４Ａ及び１０４Ｂの各々にまで延在する共通データ通信バスの形態でのデータ接続１１６によって容易にされてもよい。ゲートウェイ１０２Ａは、同様の方法で、追加のアンテナ１０４とのデータ通信を提供してもよい。したがって、バス１１６から複数のアンテナ１０４の各々への別個のドロップを使用して、ファウンデ
ーションフィールドバス、プロフィバス、及びＦＩＳＣＯなどのデータ通信プロトコルが実装されてもよい。ＩＥＥＥ ８０２．３ｃｇ／ＡＰＬ／２－ＷＩＳＥ通信プロトコルは、複数のアクセスポイントスマートアンテナ１０４に対して、危険側データＩ／Ｏ回路１５２など、単一データチャンネルにＡＰＬフィールドスイッチを含めることによって実装されてもよい。

図４は、本開示の実施形態による、例示的なゲートウェイ１０２Ｂを含む無線センサネットワーク１００の一例の簡略図である。ゲートウェイ１０２Ｂとゲートウェイ１０２Ａ（図２）との主な区別は、複数のデータ通信チャンネル（例えば０－ｎ）を含むことであり、複数のデータ通信チャンネルの各々は、安全側データＩ／Ｏ回路１４２、データ絶縁回路１５６、及び危険側データＩ／Ｏ回路１５２の接続セットによって形成される。データ通信チャネルの各々は、対応する機器１３０（０～ｎ）と対応するアンテナ１０４（０～ｎ）との間でデータを通信するように構成されている。データ通信チャネルの各々は、安全側データＩ／Ｏ回路１４２、データ絶縁回路１５６、及び危険側データＩ／Ｏ回路１５２によって形成されるゲートウェイ１０２Ａ（図２）の単一のデータ通信チャンネルに関して、上述した方法で動作することができる。

図５は、ゲートウェイ１０２Ｂを複数アンテナ１０４（対応するセンサ１０６Ａ及び１０６Ｂとそれぞれ通信するアンテナ１０４Ａ及び１０４Ｂ等）に接続するための電力接続１１４及びデータ接続１１６を示す簡略図である。図示を簡略化するために、ゲートウェイ１０２Ｂの危険側電源回路１４８及び危険側データＩ／Ｏ回路１５２のうちの２つだけが図示されている。

一実施例では、別々の電力接続１１４Ａ及び１１４Ｂを用いて、危険側電源回路１４８から複数のアンテナ１０４Ａ及び１０４Ｂに電源１５０を供給することができる。電力は、同様の方法で追加のアンテナ１０４に供給されてもよい。

ゲートウェイ１０２Ｂの危険側データＩ／Ｏ回線１５２の各々と複数アンテナ１０４Ａ及び１０４Ｂとの間のデータ通信は、ゲートウェイ１０２Ｂのデータ通信チャネルの１つにそれぞれ接続された別々のデータ接続１１６Ａ及び１１６Ｂによって容易化されてもよい。ゲートウェイ１０２Ｂは、同様の方法で追加のアンテナ１０４とのデータ通信を提供することができる。

図６は、本開示の実施形態による、ゲートウェイ１０２Ｂの簡略図である。図６に示された特徴は、適用可能な場合にはゲートウェイ１０２Ａに適用することができる。

一実施形態では、安全側電源回路１４０は、電力サージが発生した場合に回路を開くように構成されたヒューズ１６０を含む。安全側電源回路１４０は、安全側電源回路１４０を、ＮＩＳ電源１２８に接続され得る１つ又は複数のケーブル１６４に接続するための１つ又は複数のコネクタ１６２を含むことができる。

電力絶縁回路１５４の一実施形態は、安全側電源回路１４０から危険側電源回路１４８への電力１４４’の直接的な通過をブロックする変圧器１６６を含む。変圧器１６６は、入力側で電源１２８から電力１４４’を受け取り、出力側へ電力１４４”を伝送する。いくつかの実施形態では、変圧器１６６は、入力側で受け取った電力１４４’の電圧よりも低い電圧で出力側に電力１４４”を放電させる降圧変圧器である。

危険側電源回路１４８は、電力サージが発生した場合に回路を開くように構成されたヒューズ１７０、及び／又は電圧出力調整回路１７２を含むことができる。電圧出力調整回路１７２は、電力１４４”の電圧を調整するように動作して、電力１５０を受け取る１つ
又は複数のアンテナ１０４の本質安全電力要件を満たす電力１５０を形成することができる。電圧出力調整回路１７２は、様々な形態をとることができ、ツェナーダイオードや抵抗器などの電力制限部材を含むことができる。また、危険側電源回路１４８は、１つ又は複数の電力接続１１４を形成する１つ又は複数のケーブルを接続するためのコネクタ１７４を含むことができる。

ゲートウェイ１０２Ｂの１つ又は複数の安全側データＩ／Ｏ回路１４２の各々は、対応するＮＩＳ機器１３０とデータ絶縁回路１５６との間で通信されるデータ信号１４６の電流及び／又は電圧を制限するように構成された電力制限回路１７６を含むことができる。電力制限回路１７６は、様々な形態をとることができ、電流、電圧及び／又は電力制限部材（例えば、抵抗器、ヒューズ、ツェナーダイオードなど）を含むことができる。いくつかの実施形態では、安全側データＩ／Ｏ回路１４２は、安全側データ回路１４２を、ＮＩＳ機器１３０に接続され得る１つ又は複数のケーブル１８０に接続するためのコネクタ１７８を含む。

ゲートウェイ１０２Ｂの１つ又は複数の危険側データＩ／Ｏ回路１５２の各々は、データ絶縁回路１５６と対応するアンテナ１０４との間で通信されるデータ信号１４６の電流及び／又は電圧を制限するように構成された電力制限回路１８２を含むことができる。電力制限回路１８２は、上述の電力制限回路１７６と同様の方法で形成することができ、電流、電圧、及び／又は電力制限部材（例えば、抵抗器、ヒューズ、ツェナーダイオードなど）を含むことができる。いくつかの実施形態では、危険側データＩ／Ｏ回路１５２は、データ接続１１６を形成する１つ又は複数のケーブルに接続するためのコネクタ１８４を含む。

ゲートウェイ１０２Ｂの１つ又は複数のデータ絶縁回路１５６の各々は、危険側データＩ／Ｏ回路１５２及び対応するアンテナ１０４に完全なガルバニック絶縁を提供するガルバニックデータ絶縁回路１８６を含むことができる。これにより、データ接続１１６を形成する配線が簡略化され、過渡電位差及び接地電位差に対して耐性を有することができる。さらに、データ絶縁回路１５６及び危険側データＩ／Ｏ回路１５２は、不注意によるデータ接続配線の断線、相互接続、及び接地を許容するように構成され、それによって、データ接続１１６の配線が標準的な低コストのケーブル１８８に混在することを可能にする。これにより、配線の設置コスト及び複雑さが低減される。

一実施形態では、ガルバニックデータ絶縁回路１８６は、電気信号が安全側データＩ／Ｏ回路１４２と危険側データＩ／Ｏ回路１５２との間を直接伝送することを防止する適切な光カプラ１９０を備えている。光カプラ１９０は、一般に、危険側データＩ／Ｏ回路１５２から受け取ったデータ信号１４６を光信号に変換し、光信号を光路を介して伝送し、光信号を電気データ信号に変換し、電気データ信号１４６を安全側データＩ／Ｏ回路１４２に出力する。同様に、光カプラ１９０はまた、安全側データＩ／Ｏ回路１４２から受け取ったデータ信号１４６を光信号に変換し、光信号を光路を介して伝送し、光信号を電気データ信号に変換し、電気データ信号１４６を危険側データＩ／Ｏ回路１５２に出力するように構成されてもよい。

したがって、上述の実施形態のうちの１つ又は複数に従って形成されたゲートウェイ１０２は、絶縁回路１２２を組み込んでおり、絶縁回路１２２は、危険環境１０８に配置された１つ又は複数のアンテナの端子に対して、電力接続１１４及びデータ接続１１６と接続を介して通信される電気信号とを本質的に安全にする。したがって、ゲートウェイ１０２は、図８に示される障壁３２２及び３２４などの、従来のゲートウェイ３１０の追加の外部本質安全障壁を必要としない。

所与の無線センサネットワークに必要とされ得る本質安全要件は、１つ又は複数のスマートアンテナが配置され得る特定のタイプの危険環境に依存し得る。加えて、所与の危険環境に対する本質安全基準は、国によって異なり得るし、また、時間の経過とともに変化する可能性がある。その結果、その用途に応じてゲートウェイ１０２の回路をカスタマイズすることが必要になる場合がある。さらに、新しい本質安全基準を満たすために、設置されたゲートウェイ１０２の回路を定期的に更新すること、又はゲートウェイ１０２の誤動作している回路を修復することが必要な場合がある。

図７は、絶縁回路１２２及び／又は危険側回路１２４などのゲートウェイ１０２の回路のカスタマイズ及び更新を簡略化するように構成された無線センサネットワークゲートウェイ１０２の一例の簡略図である。一実施形態では、ゲートウェイ１０２のハウジング１２６は、一般に２００と表記される１つ又は複数のモジュール受容部を含み、その各々は、対応するモジュール２０２を受け入れるように構成されている。一実施形態では、各モジュール２０２は、絶縁回路１２２の少なくとも一部分及び／又は危険側回路１２４の少なくとも一部分を含む。モジュールは、対応するモジュール受容部に挿入されて、絶縁回路１２２の一部及び／又は危険側回路１２４の一部を、対応する安全側回路１２０に接続して動作可能なゲートウェイ１０２を形成することができる。タブ及び戻り止めコネクタ、又は他の適切なコネクタなどのコネクタ２０４は、モジュール２０２の各々をそのモジュール受容部２００内に固定するように動作する。その結果、ゲートウェイ１０２は、ゲートウェイ用の特定のアプリケーションが必要とするモジュール２０２を挿入することによって、所与のアプリケーションのために容易にカスタマイズされ得るし、又は、例えば、現在の本質安全基準を満たさないか、又は誤動作しているゲートウェイの１つ又は複数の既存のモジュール２０２を新しいモジュール２０２と交換することによって、容易にメンテナンス（更新、修復など）され得る。

一実施例では、ゲートウェイ１０２は、電力絶縁回路１５４の一部又は全部、及び／又は危険側電源回路１４８の一部又は全部を含む、１つ又は複数の電源モジュール２０２Ａを含んでおり、ハウジング１２６は、図７に示すように、電源モジュール２０２Ａを受け入れるように構成された電源モジュール受容部２００Ａを含む。したがって、電源モジュール２０２Ａの実施形態は、電力絶縁回路１５４の全部又は一部、及び／又は危険側電源回路１４８の全部又は一部を含む。電力絶縁回路１５４及び／又は危険側電源回路１４８の残りの回路は、電源モジュール２０２Ａが受容部２００Ａから取り外された場合にも、ハウジング１２６によって支持されたままであってもよい。電源モジュール２０２Ａが受容部２００Ａ内に完全に受け入れられると、安全側電源回路１４０と電力絶縁回路１５４と危険側電源回路１４８との間に電気接続が形成される。追加の電源モジュール２０２Ａ及び対応する受容部２００Ａは、複数の電力供給源を提供するためにゲートウェイ１０２に実装されてもよい。

ゲートウェイ１０２はまた、１つ又は複数のデータモジュール２０２Ｂを含んでもよく、データモジュール２０２Ｂの各々は、少なくともデータ絶縁回路１５６の一部及び／又は危険側データ回路１５２の一部を含んでおり、ハウジング１２６は、１つ又は複数のデータモジュール受容部２００Ｂを含み、その各々は、図７に示されるように、データモジュール２０２Ｂのうちの１つを受け入れるように構成されている。したがって、データモジュール２０２Ｂの実施形態は、データ絶縁回路１５６の全部又は一部、及び／又は危険側データ回路１５２の全部又は一部を含む。データ絶縁回路１５６及び／又は危険側データ回路１５２の残りの回路は、データモジュール２０２Ｂが受容部２００Ｂから取り外された場合にも、ハウジング１２６によって支持されたままであってもよい。データモジュール２０２Ｂが受容部２００Ｂ内に完全に受け入れられると、安全側データ回路１４２とデータ絶縁回路１５６と危険側データＩ／Ｏ回路１５２との間に電気接続が形成される。

いくつかの実施形態では、モジュール受容部２００の形状は、ユーザがデータモジュール２０２Ｂを電源モジュール受容部２００Ａに挿入することを防ぐために、又は、電源モジュール２０２Ａをデータモジュール受容部２００Ｂに挿入することを防ぐために、対応するモジュール２０２にキー設定されている（keyed）。例えば、モジュール２０２及び
モジュール受容部２００のソケットの外形形状は、モジュール２０２が意図されたモジュール受容部２００にのみ挿入されること可能にするタブ及び溝などの特徴を含んでいてもよい。

いくつかの実施形態では、ゲートウェイ１０２は、回路を含まない充填モジュールを含んでいてもよく、充填モジュールは、開放モジュール受容部２００を塞ぐために使用されてもよい。

ハウジングは、仮想線で図示するように、モジュール受容部２００のためのカバー２０６を含んでいてもよい。カバー２０６は、モジュール受容部２００内にモジュール２０２を設置するために取り外され、次いで、環境条件からモジュール２０２及びゲートウェイ１０２の回路を保護するために設置されてもよい。

好ましい実施形態を参照して本開示の実施形態を説明してきたが、当業者であれば、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を加え得ることを理解するであろう。

Claims (20)

1. 非危険環境に配置され、危険環境に配置された無線センサネットワークのアンテナに電力を供給し、データを通信するように構成された、工業用プロセスのプロセス変数を監視又は制御するために使用される工業用プロセスのための無線センサネットワークゲートウェイであって、
   非本質安全電源から電力を受け取るように構成された安全側電源回路と、遠隔に配置された工業用プロセス制御ユニットを含む非本質安全機器と前記工業用プロセスのプロセス変数に関連するプロセス変数データを通信するように構成された安全側データ入出力回路と、を含む安全側回路と、
   前記アンテナに電力を供給するように構成された危険側電源回路と、遠隔に配置された無線フィールドデバイスであって、前記工業用プロセスのプロセス変数を検知又は制御するために使用される無線フィールドデバイスとの間で前記プロセス変数データを通信するために、前記アンテナとの間で前記プロセス変数データに関連するデータ信号を受け渡すように構成された危険側データ入出力回路と、を含む危険側回路と、
   前記安全側回路を前記危険側回路から分離する絶縁回路であって、前記安全側電源回路を前記危険側電源回路に結合し、前記安全側電源回路と前記危険側電源回路との間に本質安全障壁を形成する電力絶縁回路と、前記安全側データ入出力回路を前記危険側データ入出力回路に結合し、前記安全側データ入出力回路と前記危険側データ入出力回路との間に本質安全障壁を形成するデータ絶縁回路と、を含む絶縁回路と、
   前記安全側回路、前記危険側回路、及び前記絶縁回路を支持するハウジングと、
   を備えるゲートウェイ。
2. 前記電力絶縁回路は、変圧器を含む、請求項１に記載のゲートウェイ。
3. 前記データ絶縁回路は、ガルバニック絶縁回路を含む、請求項２に記載のゲートウェイ。
4. 前記ガルバニック絶縁回路は、光カプラを含む、請求項３に記載のゲートウェイ。
5. 前記危険側電源回路は、前記アンテナに供給される前記電力の電圧を調整するように構成された電圧出力調整回路を含む、請求項３に記載のゲートウェイ。
6. 前記安全側電源回路は、ヒューズを含む、請求項５に記載のゲートウェイ。
7. 前記データ絶縁回路は、前記安全側データ入出力回路と前記危険側データ入出力回路との間を直接伝送する電気信号を遮断するように構成されている、請求項３に記載のゲートウェイ。
8. 前記安全側データ入出力回路及び前記危険側データ入出力回路は、ＲＳ－４８５、ファウンデーションフィールドバス、フィールドバス本質安全コンセプト、及びＩＥＥＥ ８０２．３ｃｇ／ＡＰＬ／２－ＷＩＳＥからなる群から選択されたデータ通信規格を実装するように構成されている、請求項３に記載のゲートウェイ。
9. 前記ハウジングはモジュール受容部を備え、
   前記ゲートウェイは、
   前記モジュール受容部内に取り外し可能に収容可能なモジュールであって、前記モジュールは、前記絶縁回路の少なくとも一部及び/又は前記危険側回路の少なくとも一部を含
   むモジュールと、
   前記モジュールを前記モジュール受容部内に固定するように構成された協働コネクタと、を含み、
   前記モジュールが前記モジュール受容部内に収容されたときに、前記安全側回路と、前記危険側回路の一部及び／又は前記絶縁回路の一部との間に電気的接続が形成される、
   請求項１に記載のゲートウェイ。
10. 前記モジュールは、前記電力絶縁回路の少なくとも一部及び／又は前記危険側電源回路の少なくとも一部と、前記データ絶縁回路の少なくとも一部及び／又は前記危険側データ入出力回路の少なくとも一部と、のうちの一方を含む、請求項９に記載のゲートウェイ。
11. 非危険環境に配置され、危険環境に配置された無線センサネットワークの複数のアンテナに電力を供給し、データを通信するように構成された、工業用プロセスのプロセス変数を監視又は制御するために使用される工業用プロセスのための無線センサネットワークゲートウェイであって、
    非本質安全電源から電力を受け取るように構成された安全側電源回路と、複数の安全側データ入出力回路であって、各々が、遠隔に配置された工業用プロセス制御ユニットを含む非本質安全機器と前記工業用プロセスのプロセス変数に関連するプロセス変数データを通信するように構成された複数の安全側データ入出力回路と、を含む安全側回路と、
    前記複数のアンテナに電力を供給するように構成された危険側電源回路と、複数の危険側データ入出力回路であって、各々が、遠隔に配置された無線フィールドデバイスであって、前記工業用プロセスのプロセス変数を検知又は制御するために使用される無線フィールドデバイスとの間で前記プロセス変数データを通信するために、前記複数のアンテナのうちの１つとの間で前記プロセス変数データに関連するデータ信号を受け渡すように構成された複数の危険側データ入出力回路と、を含む危険側回路と、
    前記安全側回路を前記危険側回路から分離する絶縁回路であって、前記安全側電源回路を前記危険側電源回路に結合し、前記安全側電源回路と前記危険側電源回路との間に本質安全障壁を形成する電力絶縁回路と、複数のデータ絶縁回路であって、各々が、前記複数の安全側データ入出力回路のうちの１つを前記複数の危険側データ入出力回路のうちの対応する１つに結合し、前記複数の安全側データ入出力回路と対応する前記複数の危険側データ入出力回路との間に本質安全障壁を形成する複数のデータ絶縁回路と、を含む絶縁回路と、
    前記安全側回路、前記危険側回路、及び前記絶縁回路を支持するハウジングと、
    を備えるゲートウェイ。
12. 前記電力絶縁回路は、変圧器を含む、請求項１１に記載のゲートウェイ。
13. 前記データ絶縁回路の各々は、少なくとも１つのガルバニック絶縁回路を含む、請求項１２に記載のゲートウェイ。
14. 前記ガルバニック絶縁回路は、光カプラを含む、請求項１３に記載のゲートウェイ。
15. 前記危険側電源回路は、前記アンテナに供給される前記電力の電圧を調整するように構成された電圧出力調整回路を含む、請求項１３に記載のゲートウェイ。
16. 前記安全側電源回路が、ヒューズを含む、請求項１５に記載のゲートウェイ。
17. 前記データ絶縁回路の各々は、接続された前記安全側データ入出力回路と前記危険側データ入出力回路との間を直接伝送する電気信号を遮断するように構成されている、請求項１３に記載のゲートウェイ。
18. 前記安全側データ入出力回路の各々及び/又は前記危険側データ入出力回路の各々は、
    ＲＳ－４８５、ファウンデーションフィールドバス、フィールドバス本質安全コンセプト、及びＩＥＥＥ ８０２．３ｃｇ／ＡＰＬ／２－ＷＩＳＥからなる群から選択されたデータ通信規格を実装するように構成されている、請求項１３に記載のゲートウェイ。
19. 前記ハウジングはモジュール受容部を備え、
    前記ゲートウェイは、
    前記モジュール受容部内に取り外し可能に収容可能なモジュールであって、前記モジュールは、前記絶縁回路の少なくとも一部及び/又は前記危険側回路の少なくとも一部を含
    むモジュールと、
    前記モジュールを前記モジュール受容部内に固定するように構成された協働コネクタと、を含み、
    前記モジュールが前記モジュール受容部内に収容されたときに、前記安全側回路と、前記危険側回路の一部及び／又は前記絶縁回路の一部との間に電気的接続が形成される、
    請求項１１に記載のゲートウェイ。
20. 前記モジュールは、前記電力絶縁回路の少なくとも一部及び／又は前記危険側電源回路の少なくとも一部と、前記データ絶縁回路の少なくとも一部及び／又は前記危険側データ入出力回路の少なくとも一部と、のうちの一方を含む、請求項１９に記載のゲートウェイ。