JP2007515717A - バス電力供給のワイヤレス送信器 - Google Patents

Abstract

プロセス制御システム（１０）は、従来の配線のネットワーク接続形態からフィールドデバイス（１４、３０）を分離するために、ワイヤレストランシーバを活用する。配線のフィールドデバイス（３０）を適合させるために、フィールドデバイス（１４、３０）にワイヤレストランシーバ（２２）および共有のワイヤレストランシーバ（３６）を提供することによって、フィールドデバイスネットワークは、追加的な配線コストなしで、任意の数のネットワークの接続形態に適合され得る。特に電源（１８、２６）は、各々のフィールドデバイス（１４）、または必要な場合、一群のフィールドデバイスに対して提供され得る。ネットワーク全体は高価なパワーフィルタリングなしで、単一の電力バス（３２）から電力を受信し得る。ネットワークはハイブリッドであり得、情報の一部が配線ラインを介して送信および受信され、一部がワイヤレス通信を介して送信および受信される。

Description

本発明は、産業処理プラントにおいて、可変のプロセスを計測するために使用されるプロセス制御送信器に関する。より詳細には、本発明は、電源のための外部共有ＤＣバスによって、および既存（ｅｘｉｓｔｉｎｇ）の電力回路によって電力供給されるワイヤレストランシーバを用いたフィールドデバイスに関する。

産業上の設置において、制御システムは、在庫目録、産業上および化学的処理などを監視および制御する。通常、制御システムは、産業プロセスにおけるキー（ｋｅｙ）ロケーションに分散され、プロセス制御ループによって、制御ルームにおける制御回路に結合される、フィールドデバイスを使用して、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、分散制御システムにおける機能を実行する任意のデバイスを意味し、計測および制御技術において現在知られているあらゆるデバイスを含む。

一般に、それぞれのフィールドデバイスは変換器を含む。変換器は、物理的入力に基づいた出力信号を生成するデバイス、または、入力信号に基づいた物理的出力を生成するデバイスのいずれかを意味すると理解される。通常は、変換器は、入力を、異なる形式を有する出力に変換する。例えば、ラウドスピーカは、電気信号を音声エネルギーに変換する変換器である。変換器のタイプは、様々な分析装置、圧力センサ、サーミスター、熱電対、ひずみゲージ、フロー送信器、保定器（ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ）、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯などを含む。

通常は、それぞれのフィールドデバイスはまた、標準的な形式における変換器の信号をブーストする送信器を含む。そのような送信器は一般に、プロセス制御ループを介して、制御ルームと通信する。通常は、プロセス制御ループは、フィールドデバイスに電力供給するための管理された電流および／または電圧を送達する。付け加えて、プロセス制御ループは、エンコードされた信号をキャリーし得る。従来、アナログフィールドデバイスは、二本つづり線のツイストペア電流ループによって制御ルームに接続されており、それぞれのデバイスは、単一の二本つづり線のツイストペアループによって、制御ルームに接続される。通常は、電圧格差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）は、アナログモードの対して、１２〜４５ボルト、デジタルモードに対しては９〜５０ボルトの電圧範囲内にて、二つの線（ｗｉｒｅ）の間にて維持される。アナログフィールドデバイスは、電流ループを介して走る電流を、感知された可変のプロセスに比例する電流に調整することによって、信号を制御ルームに送信する。制御ルームの制御下でのアクションを実行するアナログフィールドデバイスは、ループを介した電流の大きさによって制御され、その制御ルームの制御下でのプロセスサブシステムのポートによって調整される。

別個の、またはデジタルフィールドデバイスは、バイナリ信号および送信バイナリ情報に応答する。通常は、別個のデバイスは、５〜３０ボルト信号（ＡＣまたはＤＣ）、１２０または２４０ボルトＡＣ信号を用いて動作し、同一か、または類似した２本つづり線ツイストペアループによって送達される。もちろん、別個のデバイスは、制御環境によって要求される任意の電気的仕様に従って動作するように設計され得る。

一般に、産業プラントにおいて、個々のフィールドデバイスは、ジャンクションボックスへ配線され、および、そこから、制御ルームへ、または、ホームランケーブル（ｈｏｍｅ ｒｕｎ ｃａｂｌｅ）を介したマーシャリングラック（ｍａｒｓｈａｌｉｎｇ ｒａｃｋ）へ、配線される。フィールドデバイスからジャンクションボックスまでのケーブルの距離が比較的短いゆえ、ケーブルのコストの大半は、ホームランケーブルにある。ＨＡＲＴ（登録商標）は優れた確立された標準ではあるが、一般に、制御システムは、ＨＡＲＴ（登録商標）マルチドロップ構成をサポートしない。それゆえ、ＨＡＲＴ（登録商標）プロトコルを使用して配線することは殆ど節約にはならない。ＨＡＲＴ（登録商標）をサポートする少数の制御システムは、一般に、デバイス診断への限定されたアクセスを有し、スピード制限のために、制御のためのデジタル情報を使用しない。

通信および電力は通常同じ線を介して送達されるので、様々な属性は、ノイズに対する適切なシールディング、低リップル電源、適切なラインおよび電力インピーダンス、線の長さ、および属性、インピーダンス、終端など、首尾良いインストールをするために考慮されなければならない。通信および電力供給のための線の同じペアを使用することはまた、デバイスのパワー調節をさらに複雑にさせている。単純なローパスフィルタは、パワー信号からノイズを取り除くために使用され得ない。というのは、通信周波数における「ノッチ（ｎｏｔｃｈ）」はパスされなければならないからである。特に、ローパスフィルタは、負荷電流を「純化」する傾向を有し、それによって、ＡＣ通信信号におけるリップルまたはノッチを低減する。送信器は、アナログ送信器における、４から２０ｍＡの間にて分岐する（ｓｈｕｎｔ）、基本的な分岐調整器である。ローエンド（すなわち４ｍＡ）において分岐するために、送信器は、４ｍＡ未満の電力にて動作しなければならない。

低電力ワイヤレス通信の出現とともに、新しいネットワーク接続形態（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）が想像され得る。しかしながら、ワイヤレス送信器の電力の制限は、通常、プロセス制御ネットワークを従来の配線された接続形態に限定する。真なるワイヤレスフィールドデバイスは、バッテリー、太陽エネルギー、燃料電池、エネルギースカベンジング（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ）電力源などの、それ自体の電力源を含むが、従来の配線された構成によって限定されないものである。

しかしながら、そのようなワイヤレス送信器は、低電力しか利用可能ではないという基本的な問題をはらんでおり、そのようなフィールドデバイスの利用を限定する傾向にある。特に、低電力しか利用できないということは、エネルギーを節約するために、その低データレートの使用を強要させることであり、および／または、電力源の頻繁、または定期的な交換を要求する。送信電力もまた、送信距離を制限する。

電力を複数のフィールドデバイスに供給するためのシステムは、電力をそれぞれのフィールドデバイスに送達するためのプラントワイドまたはフィールドベースの電力バスを有する。一部のフィールドデバイスは、それら自体の電力を調整し、制御センターとワイヤレスに通信するように適合される。他のフィールドデバイスは、ジャンクションボックスを介してネットワークに接続され、そのジャンクションボックスはまた、制御センターを用いて、共有のワイヤレス通信のために適合され得る。既存のプロセス制御ネットワークは、制御センターを用いて、ワイヤレストランシーバを統合することによって、ワイヤレス通信に適合され得る。プロセス制御ネットワークは、完全にワイヤレスであり得、または、ハイブリッド（配線／ワイヤレス）のネットワークであり得る。それぞれのフィールドデバイスは、ハウジング、ハウジング内の変換器、および、電力を、既存の電力回路からの回路に送達するための電気端子を有する。一部の実施形態において、それぞれのフィールドデバイスは、制御センターとワイヤレスに通信するための、ワイヤレス通信基板を含む。代替的な実施形態において、一群のフィールドデバイスは、制御センターとワイヤレスに通信するために、ジャンクションボックス内に配置された、ワイヤレス通信基板を共有する。ワイヤレス通信基板は、フィールドデバイスと制御センターとの間、および、様々なフィールドデバイス間の通信を容易にする、標準通信プロトコルを活用する。この方法において、システムは、従来のプロセス制御ネットワークとして組織され得、または、自己管理ネットワークとして、ダイナミックに組織され得る。

本発明は、その従来の配線された接続形態から、プロセス制御ネットワークをフリーにするために、利用可能なワイヤレス技術を利用する。ワイヤレストランシーバは、ワイヤレス通信性能を提供するために、既存のプロセス制御ネットワークに適合し、ならびに、コストの高いホームランケーブルおよび高価なパワーフィルタなしで、プロセス制御ネットワークを構成する、両方のために使用され得る。

一般に、ワイヤレストランシーバはデータをワイヤレスに送受信し、それによって、物理的配線から信号伝達または通信経路を分離させる。従来のプロセス制御ネットワークは、本発明における信号伝達または通信経路からは別個に、フィールドデバイスに対して電力供給を扱うことによって、線の同じセットを介して電力および信号伝達を提供してきた一方で、そのフィールドデバイスは、もはや、制御ネットワークの物理的配線に拘束されない。その代わり、データはワイヤレスに送信され、電力は様々な異なる手段から、フィールドデバイスに供給され、フィールドデバイスが、ダイナミックに置かれ、様々な方法において配置されることを可能にする。

従来のプロセス制御ネットワークは、厳密に制御された電力分散を維持するために、コストの高いパワーフィルタを活用する一方で、通信経路からの電源の分離によって、フィールドデバイスにそれら自体の電源回路を提供することを可能にし、さらに安価で、従来のシステムよりもそれほど厳密ではない制御になり得る。従って、全体のプロセス制御ネットワークは、高価なパワーフィルタリングなしで、および、多くの異なるソースから電力を引き出す分散されたフィールドデバイスを用いて、構成され得る。そのようなソースは、バッテリー、既存のホームランケーブル、標準のプラントワイド（ｐｌａｎｔ−ｗｉｄｅ）電力（例えば、従来の１２０ＡＣ電力を提供する壁コンセントなど）、単一の充電された線、太陽電力回路、および様々な他の電力源を含み得る。一般に、電源は厳密に調整される必要がないゆえ、および、通信は、フィールドデバイスと制御ルーム内の制御システムとの間にて、ワイヤレスに扱われるゆえ、任意のタイプの電源が、フィールドデバイスに電力を供給するために活用され得る。通信経路から分離された電源からフィールドデバイスに電力を供給することによって、プロセス制御ネットワーク構成は、さらに融通が利き、さらに低いコストになり、ケーブルにおいて多大な費用を掛けることなしには以前では可能ではなかったネットワークトポロジー、および、安価なハードウェア構成要素を可能にする。

本発明を用いて、ワイヤレス技術と既存のプロセス制御ネットワークとを統合することが可能である。特に、ワイヤレスデバイスは、既存のネットワークを追加し得、既存のフィールドデバイスは、ワイヤレス情報を送信するように適合され得る。付け加えて、既存のケーブルは、異なるように活用され得、電力をフィールドデバイスに送達し（個々にまたはクラスタにて）、および、ネットワークのサイズの拡張または縮小における柔軟性を許容する。

図１において示されるように、プロセス制御ネットワーク１０は、制御システム１２およびフィールドデバイス１４を有し、個々に、電源１６および電源回路１８（仮想図において示される）を有する。電源回路１８は仮想図において示され、電源回路１８が、フィールドデバイス１４に対して、内部または外部にあり得ることを示す。示されるように、フィールドデバイス１４は、ワイヤレスに、制御システム１２と通信し、データおよび様々な信号を送信および受信する。

一般に、制御システム１２は、一つ以上のコンピュータシステムを意味し、産業プロセスの制御および／または監視を実行する。制御システム１２は、制御ルーム内に限定され得、二つ以上のオフィスにまたがり得、あるいは、地理的に分離され得、またはネットワーク（電話ネットワーク、インターネット、または任意の他のタイプのネットワーク）を介して接続され得る。付け加えて、制御システム１２は、自動化された、またはユーザ起動の両方の制御システムを含む。

この実施形態において、制御システム１２およびフィールドデバイス１４は、同じ回路によってか、または独立した電源によって、電力供給され得る。しかしながら、フィールドデバイス１４にそれら自体の電源回路１８を提供することによって、高価で厳密に制御されるフィルタリングはもはや必要とされない。また、デバイスに電力を供給するための長い線も必要とされない。比較的調整されていない電源は、電力をフィールドデバイス１４に送達するために使用され得、フィールドデバイス１４に、単純で、安価な電源１６、１８を用いて、電力が提供される。本発明において、送信された情報のフィルタリングは配線に関連しないので、電源１６、１８は、単純なフィルタリング技術を使用可能である。

図１が、制御システム１２がワイヤレスにデータおよび信号を送信および受信するように、取り付けられるか、または構成されることを想定することは重要である。付け加えて、図１の実施形態は、ワイヤレス送信および受信性能を用いたフィールドデバイス１４を示す。

図２は、制御システム１２およびフィールドデバイス１４を有するプロセス制御システム１０を示し、その両方が、ワイヤレス通信をすることができる。示されるように、フィールドデバイス１４は、電源回路１８を有し、電源回路１８は、電力を、アクチェータ／変換器２０（以下、「変換器２０」と呼ぶ）へ、および、ワイヤレス通信基板２２へ送達する。ワイヤレス通信基板２２は、制御システム１２とフィールドデバイス１４との間にて、ワイヤレスに情報を送信および受信する回路を意味する。一部の例において、ワイヤレス通信基板２２は、情報を送信するのに先立ち、変換器２０から受信されたアナログ情報をデジタル化するなどの、他の機能を実行し得る。

変換器２０は、入力を、入力とは異なる形式を有する出力へと変換する、任意のデバイス（例えば、電気入力信号に基づいた物理的出力、または物理的入力信号に基づいた電気的出力を生成するデバイス）を意味する。従って、変換器２０を含むフィールドデバイス１４は、入力デバイスか、または出力デバイスのいずれか、あるいはそれら両方であり得る。フィールドデバイス１４は、通信基板２２と通信する入力および出力構成要素の両方を含むことができる。例えば、フィールドデバイス１４は、センサおよび表示灯またはＬＣＤディスプレイの両方を含み得、情報を感知し、生のデータまたは生のＡ／Ｄカウントをワイヤレス通信基板２２に送信し、あるいは、制御システム１２のトランシーバ２４からディスプレイ信号またはディスプレイコードを受信し、ディスプレイ上にて値を表示する。

一般に、ワイヤレス通信基板２２およびワイヤレストランシーバ２４は、それぞれ、双方向のワイヤレス通信が可能であり、制御システム１２とフィールドデバイス１４との間の双方向ワイヤレス通信を可能にする。双方向ワイヤレス通信は、ワイヤレスネットワーキング技術（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂワイヤレスアクセスポイント、および、カリフォルニア、アーバインにある、Ｌｉｎｋｓｙｓによって構築された、ワイヤレスネットワーキングデバイスなど）、セルラーまたはデジタルネットワーキング技術（例えば、カリフォルニア、サンノゼにある、Ａｅｒｉｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓによる、Ｍｉｃｒｏｂｕｒｓｔ（登録商標）など）、ウルトラワイドバンド、フリースペースオプティックス、グローバル移動体通信システム（ＧＳＭ）、汎用パケット無線システム（ＧＰＲＳ）、符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）拡散スペクトル技術、赤外線通信技術、ＳＭＳ（ショートメッセージングサービス／テキストメッセージング）、または任意の他のワイヤレス技術を使用して、達成され得る。より一般的には、本発明は、データ送信をサポートすることが可能な任意のワイヤレスプロトコルを使用することができ、任意の回路交換ネットワーク、または任意のパケット化されたルーティングネットワークを介しての送信を含む。

再び、電源回路１８が仮想図にて示され、電源回路１８が、フィールドデバイス１４内に含まれ得、またはフィールドデバイス１４から分離され得ることが示される。制御システム１２のための電源１６（図１に示される）は、プラントワイドの電力バス、標準電力回路、または任意の他のタイプの電源であり得る。示されるように、フィールドデバイス１４は、制御システム１２から独立して電力を供給され、フィールドデバイス１４と制御システム１２との間のワイヤレスデータ送信は、電源スキームに影響を与えない。

フィールドデバイス１４の電源回路１８は、標準の電気ソケットからの電力を減少させ、フィルタリングするための変圧器を有するコンセントであり得る。あるいは、フィールドデバイス１４の電源回路１８は、プラントワイド電力バスに接続されるフィルタリング回路、またはソーラーデバイスに接続される充電可能なバッテリー、あるいは任意の他の電源であり得る。通常、電源回路１８は、適切な電圧および／または電流レベルを、動作のために、フィールドデバイス１４に送達するために要求される任意の回路を意味する。

理解すべき重要なことは、従来のプロセス制御ネットワークが、制御センターを分散フィールドデバイスに接続するために、ホームランケーブルを使用することである。典型的には、ホームランケーブルは、制御センターからジャンクションボックスへ延び、次に、フィールドデバイスに直接接続する。フィールドデバイスと制御センターとの間の通信は、ジャンクションボックスを介して、制御センターからフィールドデバイスへの経路を横断し、フィールドデバイスからの情報は、逆方向に、同じ経路を介して送信される。

図３は、本発明に従い、プロセス制御システム１０の一実施形態を示し、ワイヤレス送信性能によって可能とされる。特に、プロセス制御システム１０は制御システム１２を有すが、制御システム１２はそれ自体としては、ワイヤレス性能を有しない。しかしながら、制御システム１２は、ワイヤレストランシーバ２４と結合され、ワイヤレストランシーバ２４は、それ自体、電源２６を（ワイヤレストランシーバ２４に対して内部または外部に）有し得る。ワイヤレストランシーバ２４は、ワイヤレスに情報を送信および受信するように、制御システム１２を適合させる。従って、最小の追加的装備を用いて、制御システム１２は、ワイヤレスに信号を発生および受信することが可能である。

プロセス制御システム１０はまた、いくつかのフィールドデバイス３０、ならびに、電源３４および／または電源回路１６に接続される一つ以上のジャンクションボックス２８を有する。この例において、それら自体のワイヤレス性能を提供されるフィールドデバイス１４（図１および２において）とは異なり、フィールドデバイス３０は、ワイヤレスに情報を直接送信および受信することはできない。しかしながら、ジャンクションボックス２８は、共有のワイヤレストランシーバを提供するように適合され得るゆえ、データは、フィールドデバイス３０からジャンクションボックス２８へ、線を介して送信され得、次いで、ジャンクションボックス２８からワイヤレストランシーバ２４へ、次いで、制御システム１２へ、ワイヤレスに、送信され得る。

電力送達に関して、この実施形態において、ジャンクションボックス２８が、それぞれのフィールドデバイス３０に電力を送達する。ジャンクションボックス２８は、フィールドデバイス３０に対する電力を調整するため、外部電源３４および／または電源回路１６を提供され得る。付け加えて、ジャンクションボックス２８は、プラントワイド電力バス３２から、または、ＡＣコンセントを含む、任意の他の電源から、電力を引き出し得る。

既存のネットワークを適合して、ワイヤレスに情報を送信および受信することによって、多くの利点が、従来の配線のネットワーク接続形態を介して得られる。第１に、追加的な配線のフィールドデバイス３０およびワイヤレスのフィールドデバイス１４（図２）が、追加的なホームランケーブルのコスト無しに、追加され得る。

付け加えて、「スマートデバイス（ｓｍａｒｔ ｄｅｖｉｃｅ）」（例えば、診断情報、デバイスの障害情報などを、制御システム１２に送信することができるフィールドデバイス１４または３０など）は、制御システム１２に変更を要求することなく、プロセス制御ネットワーク１０へ追加され得る。特に、スマートデバイスを従来のプロセス制御ネットワークに追加することが可能である一方で、従来の制御システムは、送信された診断情報に注意を払い、またはそれを利用することが可能であり得ない。ワイヤレストランシーバ２４を介して、制御システム１２がワイヤレスの情報を送信および受信する適合は、診断情報がフィルタリングされないで、制御システム１２に達することを保証する。付け加えて、制御システム１２がスマートデバイスによって送信された情報を利用することができない場合、データは、ワイヤレストランシーバ２４において受信され得、次いで、診断情報を利用することができる制御ルーム内のコンピュータに、プログラム的に向けられ得ると、失われる必要がない。この方法において、制御システムは、設備およびソフトウェアにおいて最小の費用を用いて、システムを制御および監視するように適合され得る。

最後に、情報は、ワイヤレストランシーバ２４を介して、フィールドデバイス３０と制御システム１２との間にてワイヤレスに送信されるゆえ、電力調整の要求は最小化され、より安価な電源を可能にする。以前に検討したように、従来のプロセス制御ネットワークは電源を介して厳密な制御を要求した。なぜならば、同じケーブルは、しばしば、電力と信号の両方をキャリーしたからである。通信および電力が複雑になっているゆえ、デバイスにおける電力調整は複雑になり、それゆえ高価となる。通常、特別な電力調整器および／またはターミネータは、そのような信号伝達を可能にするようにインストールされなければならなかった。さらに、ケーブルは高価であり、というのは、シールドケーブルでなければならなかったのであり、また、それは、選択されたインピーダンスなどとバランスをとらなければならなかったからである。単純なローパスフィルタは使用され得ず、というのは、通信周波数における「ノッチ」がパスされなければならないからである。付け加えて、従来のフィールドデバイスは、調整されていない電圧をキャリーする線を介して、信号送信を扱うのに十分に高性能である電力調整回路または信号フィルタリング回路を含まない。

本発明を用いて、プラントワイド電力バス３２は、緩やかに調整された電力ラインであり得、フィールドデバイス３０に対する影響（ｃｏｎｃｅｒｎ）はない。というのは、ローカル化された電源３４または電力回路１６が必要なフィルタリングを実行することができるからである。従って、プラントワイド電力バス３２は、電位を有する単一の線であり得る。例えば、プラントワイド電力バス３２は、２４ボルトから４８ボルトの交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）を送達することができる。

あるいは、様々なデバイスは、標準のコンセントを介した壁にある既存の電力回路から電力を供給され得、コンセントは、オフィス内にてプラグやスイッチに電力を提供する回路などの、１２０〜２４０Ｖ ＡＣ回路であり得る。産業的設置において、そのような回路は、４８０Ｖであり得、アメリカ以外の国においては、他の電圧の強さが用いられ得る。

以前に検討したように、バッテリーまたはソーラー電力から、フィールドデバイス３０、１４に電力を供給することもまた可能であり、特定の信号伝達要求に依存する。例えば、デバイス３０、１４が頻繁に信号を送信しなければならない環境において、バッテリーを使用するのが非効率的であり得、というのは、バッテリーは迅速に消耗し、頻繁の交換を要求するからである。しかしながら、バッテリーが充電可能であり、それらが（ソーラーパネルを介して）充電することができ、または、それらが稀に使用される環境において使用される場合、そのような電源はまた利用され得る。

本質的に、ジャンクションボックス２８は、一群のワイヤレスフィールドデバイス１４または配線のフィールドデバイス３０を、追加的なホームランケーブルを必要とせずに、プロセス制御ネットワーク１０に追加させ得る。そのような一群のフィールドデバイスは、単純なローカル電力網によって、または、個々の電源を介して、電力が供給され得る。プラントは通常、家などに類似する施設全体を走るＡＣ電力を有するゆえ、安価な電源は、単に、既存のＡＣ電力を利用し、電圧を減じることによって、ＤＣ電力を一群の送信器に提供するために使用され得る。

図４は、本発明の代替的な実施形態を示し、フィールドデバイス３０は、それ自体の電源１８を提供される。この実施形態において、ジャンクションボックス２８および制御システム１２の両方は、プラントワイド電力バス３２から電力を供給される。制御システム１２は、ワイヤレストランシーバ２４を介して、ワイヤレス送信に適合される。付け加えて、ジャンクションボックス２８は、ワイヤレス送信のために、一群の配線のフィールドデバイス３０に適合するために、共有のワイヤレストランシーバ３６（仮想図にて示される）を提供される。

この方法において、個々の電源、ジャンクションボックス２８のための配線（図示されず）、およびフィールドデバイス３０のための電源１８は、非常に安価になされ得、電力の適切なレベルを、信号フィルタリングに対する関係なしに、様々な構成要素のそれぞれに提供する。再度、ワイヤレス送信が、フィールドデバイス３０と制御システム１２との間にて通信するために使用されるゆえ、電源手段は、本質的に、「場当たり的（ａｄ ｈｏｃ）」であり得、特定の状況に適合するために必要とされることを意味し、より広い応用の考慮はない。

従って、信号伝達から電力の送達を分離することによって、フィールドデバイス３０、１４は、標準のＡＣ電力回路（例えば、コンセントなどを介して）などの、既存の電力回路を利用することによって、既存のネットワークに挿入され得る。電源１８は、単に、変圧器を有する標準のプラグであり得る。あるいは、電源１８は、ソーラーパネルと接続される充電可能なバッテリー、または、他の環境的に持続可能な電源であり得る。別の実施形態において、電源１８は、標準のコンセントに接続される充電可能なバッテリ、または、無停電電力供給（ＵＰＳ）であり得、ネットワークなどにおける電力のフェイルオーバー（ｆａｉｌｏｖｅｒ）のために設計されたデバイスに類似する（しかしそれより小さい）。

さらに重要なことに、電源が厳密に調整される必要がないゆえ、単純なローバスまたは他のタイプのフィルタは、フィールドデバイス３０における、またはジャンクションボックス２８における電力調整を提供するために使用され得る。この方法において、プロセス制御ネットワーク１０の導入および拡張の全体のコストは、部分的に低減され、というのは、追加的なフィールドデバイス１４、３０、およびジャンクションボックス２８は、高価なホームランケーブル１４なしで、ネットワーク１０に追加され得る。

一般に、電源から信号伝達経路を分離することによって、および、電力をフィールドデバイス１４および３０に送達するための様々な手段を提供することによって、プロセス制御ネットワーク１０は、多数の方法において構成され得、さもなければ可能であり得ないネットワーク接続形態および構成を使用する。特に、追加的なフィールドデバイス１４および３０（必要な場合、共有のワイヤレストランシーバ３６とともに）は、必要な場合、プロセス制御ネットワーク１０に追加され得、個々のワイヤレスフィールドデバイス１４または既存のネットワーク配線へ適合されるフィールドデバイス３０の地理的な隣接性に対する影響はない。既存の電力回路に結合される標準の安価な電源を使用して、（供給のワイヤレストランシーバ３６を用いた）フィールドデバイス３０、および（ビルドインのワイヤレス通信基板２２を用いた）フィールドデバイス１４は、制御システム１２に関連するそれらの物理的ロケーションに関係なく、ワイヤレスに制御システム１２と通信することができる。

本発明は、従来の制御ネットワークを介して、いくつかの利点を導入する。第１に、電源と信号伝達経路を分離することによって、本発明は、既存のネットワークの安価な拡張を可能にする。なぜならば、いったん制御システム１２がワイヤレス送信に適合されると、新しいフィールドデバイス１４は、追加的な配線を要求せずに、必要な場合に、追加され得る。付け加えて、個々のフィールドデバイス１４、あるいはフィールドデバイス１４または３０のグループに電力を供給するために、既存の電力ネットワークに依存することによって、ネットワークにおけるフィールドデバイス１４、３０の数は、ケーブルによって限定されず、既存のネットワーク１０の容易な拡張を可能にする。さらに、フィールドデバイス１４、３０がもはや、同じ経路からそれらの電力および信号を引き出すことがないゆえ、通信は、劇的に、および／またはダイナミックに変更され得る。特に、所定の状況において、フィールドデバイス１４、３０、または制御システム１２とのそれらの通信にとって、自己管理することが所望され得る。

図５は、自己管理のワイヤレス通信構成要素および図１〜４に関連して検討されたワイヤレス通信を含む、ハイブリッドのネットワークを示す。示されるように、制御システム１２は、ワイヤレストランシーバ２４を介して、ワイヤレスに情報を送信および受信するように適合される。制御システム１２は、プラントワイド電力バス３２によって電力を供給され、プラントワイド電力バス３２は、単一の電圧キャリー線、既存の電力回路、または、任意の他の送達メカニズムであり得る。プラントワイド電力バス３２がどのようなタイプの電力送達メカニズムであるのかに依存して、制御システム１２およびジャンクションボックス２８は、パワーフィルタリング回路（図示されず）を要求するものとして提供され得る。

示されるように、ジャンクションボックス２８は、共有のワイヤレストランシーバ３６を介して、配線のフィールドデバイス３０と制御システム１２との間のワイヤレス通信を提供するように適合される。ジャンクションボックス２８は、制御システム１２と同じプラントワイド電力バス３２から電力を引き出す。

最後に、この実施形態において、制御ネットワーク１０の自己管理部分は、ワイヤレストランシーバ４０Ａおよびワイヤレストランシーバ４０Ｂを提供されたジャンクションボックス３８を含む。ジャンクションボックス３８は、それ自体の電源２６を提供される。互いに通信し、ジャンクションボックス３８のワイヤレストランシーバ４０Ｂと通信する二つのフィールドデバイス１４が示される。それぞれのフィールドデバイス１４は、それ自体の電源１８を提供される。

この実施形態において、フィールドデバイス１４は、ワイヤレストランシーバおよび変換器／アクチュエータ（図示されず）を含む。フィールドデバイス１４のワイヤレストランシーバ（この例における）は、短距離、または、８０２．１１（ｂ）タイプの通信（または、任意の他のタイプのワイヤレス通信）であり得る。フィールドデバイス１４は、別のフィールドデバイス１４からメッセージをリレーすることができ、または、ジャンクションボックス３８およびそのワイヤレストランシーバ４０Ｂと直接に通信することができる。ジャンクションボックス３８は、制御センター１２とフィールドデバイス１４との間の情報をリレーする。特に、フィールドデバイス１４によって送信された情報は、ワイヤレストランシーバ４０Ｂによって受信され、送信のためのワイヤレストランシーバ４０Ａへの情報は、ワイヤレストランシーバ２４を介して制御センター１２へパスされる。制御センター１２から送信された信号は、逆方向に、同じ経路を辿る。なんらかの理由で、フィールドデバイス１４がジャンクションボックス３８に直接送信することができない場合、フィールドデバイス１４は、別のフィールドデバイス１４を介して、データをジャンクションボックス３８に送信することによって、異なる経路を見出すことができる。

示されるように、フィールドデバイス１４とジャンクションボックス３８との間のタイプの信号は、ジャンクションボックス３８と制御システム１２との間のものとは異なり、異なるタイプのトランシーバカードを示す。しかしながら、制御ネットワーク１０全体は、自己管理ネットワークとしてインプリメントされ得、その結果、データは、ワイヤレスに情報をリレーすることによって、ネットワークを行き来し得る。本質的に、フィールドデバイス１４は、結合の緩い可変のプロセス制御ネットワーク１０を形成するためにインプリメントされ得、任意の利用可能なデータ経路を介して、フィールドデバイス１４と制御システム１２との間の情報を送信および受信するように適合することができる。ネットワークのこのタイプは、８０２．１１（ｂ）、短距離ワイヤレス通信、赤外線、または、任意のタイプのワイヤレス通信を活用し得る。

自己管理プロセス制御ネットワーク１０を用いて、新しく付け加えられたフィールドデバイス１４は、ワイヤレス信号を確認し、通信を始める。なんらかの理由で、フィールドデバイス２６がオフラインになる場合、送信は、自己管理ネットワークを経由し、異なる信号経路を介して即座に適合され得る。示されるように、信号は、必要な場合、異なる経路をとり得る。さらに、新しい通信経路は、制御システム１２と個々のフィールドデバイス１４との間の通信を容易にするために必要とされるように、なされ得るか、または無効にされ得る。

自己管理ネットワーク構成の利点は無数にあるが、一つの予見できるダウンサイズ（ｄｏｗｎｓｉｚｅ）は、プラントの重要な部分が、作動するためのこの構成のために「セットアップ」される必要があり得るという事実である。ワイヤレス接続がより安価で使用するのに容易になるにつれ、既存のシステムは、容易に適合され得、効率的にコストを抑え得る。また、選択された通信プロトコルが標準のプロトコル（ＩＥＥＥ８０２．１５．４など）である場合、ホストへの接続は非常に単純になされる。この構成のコスト的な利点は非常に大きく、ワイヤレス構成要素の価格は非常に安価であるゆえ、従来のホストシステムの適合は、非常に低いコストであり得る。

このシステム１０の追加的な利点は、ワイヤレスセンサまたは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現在の電源が除去され、それによって、バッテリーなどの消耗した電源の環境への影響を低減する。既存の電力回路からフィールドデバイス１４に電力を供給することによって、新しいインフラストラクチャの配線は必要とされず、新しい電源の浪費も生成されない。さらに、配線におけるコストの節約は重要であり得、特に、プロセスが劇的に変化する、より大きなプラントまたは制御プロセスにおいて重要である。

図６は、ワイヤレストランシーバ２４を介した、ワイヤレス通信のために適合された制御システム１２を用いた制御ネットワーク１０を示す。ジャンクションボックス２８は、フィールドデバイス３０のための共有のワイヤレストランシーバ３６を提供される。制御システム１２およびジャンクションボックス２８Ａの両方は、同じプラントワイド電力バス３２から電力を供給される。第２のジャンクションボックス２８Ｂは、別個の電源２６および電源回路４２を提供され、電源２６からワイヤレスフィールドデバイス１４へ電力を送達する。示されるように、フィールドデバイス１４は個々にアースされており（アース４６）、単一の線４４を介して、一つ以上のフィールドデバイス１４に電力を送達することを可能にする。

以前に検討したように、電源から通信経路を分離することによって、プロセス制御ネットワーク１０は、配線（またはホームランケーブル）によって、もはや規定される必要がない。ワイヤレス通信を活用することによって、既存のプロセス制御ネットワークは適合され、新しいプロセス制御および監視ネットワークは、高価な再配線をすることなく、必要な場合、構成され、変更され、および拡張され得る。特に、ワイヤレスフィールドデバイス１４はプラグインされ得、進行中（ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｙ）の既存のネットワークに追加され得、配線のデバイス３０は、共有のワイヤレストランシーバ３６を介して、ワイヤレス通信を提供するように適合され得、スマートデバイスは挿入され得、それぞれは、利用可能な電力回路に従って電力を供給され得る。コンセントが近くにある場合、デバイスは、そのコンセントに挿され得る。あるいは、単一の電圧送達線（より高価なホームランケーブルとは反対に）は、施設全体に走らされ得、パワーフィルタリングは次いで、必要な電力を送達するために、個々のフィールドデバイス１４、３０、またはジャンクションボックスにおいて、実行され得る。

本発明は好ましい実施形態に関連して記載されているが、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形式および細部において変更がなされ得ることを理解する。

本発明のワイヤレスフィールドデバイスプロセス制御システムのブロック図である。 図１のワイヤレスフィールドデバイスのブロック図である。 電力をフィールドデバイスに送達し、共有のワイヤレストランシーバを介してワイヤレスにフィールドデバイスデータを送信するように適合されたジャンクションボックスを有する、分散ワイヤレスプロセス制御ネットワークのブロック図である。 共有のワイヤレストランシーバを一群のフィールドデバイス（それぞれがそれ自体の電源を有する）に提供するように適合されたジャンクションボックスを有する分散ワイヤレスプロセス制御ネットワークのブロック図である。 本発明に従った、自己管理ワイヤレスプロセス制御ネットワークのブロック図である。 本発明に従った、ワイヤレスプロセス制御ネットワークの別の実施形態のブロック図である。

Claims (31)

1. 分散制御および／または監視システムであって、
   制御／監視センターと、
   該制御／監視センターおよび互いに対して、配線のない通信リンクを有する複数のフィールドデバイスであって、それぞれのフィールドデバイスが、
   変換器と、
   ワイヤレスに通信するためのワイヤレストランシーバと
   を備える、複数のフィールドデバイスと、
   電力をそれぞれのフィールドデバイスに送達するための電力バスと
   を備える、分散システム。
2. それぞれのフィールドデバイスが、前記電力バスから前記変換器へ、および前記フィールドデバイス内の前記ワイヤレストランシーバへの電力送達を制御するための電力回路をさらに備える、請求項１に記載の分散システム。
3. それぞれの前記電力バスが電圧を有する単一の線である、請求項１に記載の分散システム。
4. 前記複数のフィールドデバイスのそれぞれが、前記制御／監視センターとワイヤレスに通信する、請求項１に記載の分散システム。
5. 前記複数のフィールドデバイスの一部が、クラスタにおいて互いに近接内に配置され、該システムが、フィールドデバイスのクラスタに供給される電力を制御するための電力回路をさらに備える、請求項１に記載の分散システム。
6. 前記電力回路が、前記フィールドデバイスのクラスタにおいて、該フィールドデバイスのそれぞれを電気的にアースするためのアースに接続されるアースループをさらに備える、請求項５に記載の分散システム。
7. それぞれのフィールドデバイスが、個々にアースされている、請求項５に記載の分散システム。
8. 産業プロセスを監視するための分散システムであって、
   制御／監視センターと、
   該産業プロセスを感知または変更するための複数のフィールドデバイスであって、それぞれのフィールドデバイスが、該フィールドデバイスと該制御／監視センターとの間の信号を通信するための、変換器およびワイヤレストランシーバを有する、複数のフィールドデバイスと、
   電位を該複数のフィールドデバイスのそれぞれに送達するために、フィルタリングされていない電位を伝える線と
   を備える、分散システム。
9. 前記複数のフィールドデバイスのそれぞれが、前記ワイヤレストランシーバに送達される電力を制御する電圧調整器をさらに備える、請求項８に記載の分散システム。
10. 前記複数のフィールドデバイスのそれぞれが、アースへの直接接続をさらに備える、請求項９に記載の分散システム。
11. 互いに近接している２つ以上の前記複数のフィールドデバイスが、グループを構成し、既存の交流または直流電圧をより低い電圧にまで減じるための電源をさらに備え、単一の線が、それぞれのフィールドデバイスから該電源へ接続されている、請求項８に記載の分散システム。
12. それぞれのフィールドデバイスが、既存の交流または直流電圧を、前記線を介して該フィールドデバイスへの送達のための電位にまで減じるための電力調整回路をさらに備える、請求項８に記載の分散システム。
13. 前記電位が５ボルト未満である、請求項８に記載の分散システム。
14. 分散制御および／または監視システムであって、
    制御／監視センターと、
    それぞれのフィールドデバイスが変換器を有する、複数のフィールドデバイスと、
    複数のワイヤレストランシーバであって、それぞれのワイヤレストランシーバが、該制御／監視センターと該複数のフィールドデバイスのうちの１つ以上との間にてワイヤレス信号を送信および受信し、それぞれのワイヤレストランシーバが、該複数のフィールドデバイスのうちの少なくとも１つと電気的に通信する、複数のワイヤレストランシーバと、
    既存の電力回路から、該ワイヤレストランシーバおよび該複数のフィールドデバイスへ、電力を供給するための電源と
    を備える、分散システム。
15. 前記既存の電力回路が標準のＡＣまたはＤＣ回路である、請求項１４に記載の分散システム。
16. 前記既存の電力回路が、
    ２線電力バスと、
    ２線通信バスと
    を備える４線バスである、請求項１４に記載の分散システム。
17. 前記電源のそれぞれと電気的に通信する２線電力バスと、
    前記制御センターとそれぞれのフィールドデバイスとを接続する２線通信バスと
    を備える４線バスをさらに備え、
    前記ワイヤレス変換器が、それぞれのセンサから、さもなければ該２線通信バスを介して送信されない該制御センターへ、データをワイヤレスに送信する、請求項１４に記載の分散システム。
18. 前記フィールドデバイスおよび前記制御／監視センターを接続する２線バスをさらに備え、
    前記ワイヤレストランシーバが、さもなければ該２線バスを介して送信されない該フィールドデバイスから、ワイヤレスにデータを送信する、請求項１４に記載の分散システム。
19. ワイヤレス通信のために、既存のフィールドデバイスネットワークを改装するための方法であって、該方法は、
    制御／監視センターと通信する第１のワイヤレストランシーバをインストールすることと、
    既存の電力バス上にて、１つ以上のフィールドデバイスと通信する第２のワイヤレストランシーバをインストールすることと、
    該１つ以上のフィールドデバイスと通信し、データが既存の通信リンクを介して送信されることに加えて、該１つ以上のフィールドデバイスから該制御／監視センターへ、ワイヤレスにデータを送信するために、第２のワイヤレス送信器を構成することと
    を包含する、方法。
20. フィールドバスネットワーク上に「スマート」フィールドデバイスをインストールすることであって、
    該「スマート」フィールドデバイスがワイヤレストランシーバを有し、該「スマート」フィールドデバイスが診断情報を前記制御センターに提供する、こと
    をさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
21. 分散フィールドデバイスシステムであって、
    単一線の電力バスと、
    複数のワイヤレスフィールドデバイスであって、それぞれのワイヤレスフィールドデバイスが、
    変換器と、
    該変換器から制御センターへ情報を送信するワイヤレストランシーバと、
    該変換器および該ワイヤレストランシーバに電力を供給するために、該単一線の電力バスから十分な電力を引き出すための電力回路と
    を備える、複数のワイヤレスフィールドデバイスと
    を備える、システム。
22. 前記複数のワイヤレスフィールドデバイスのそれぞれが、電気的にアースされる、請求項２１に記載の分散フィールドデバイスシステム。
23. 変換器と、
    ワイヤレストランシーバと、
    フィールドデバイスを電力バスに接続する電力端子と、
    該フィールドデバイスを電気的にアースする、アース接続と、
    該変換器および該ワイヤレストランシーバへ電力を供給するための、該電力端子および該アース接続に接続された内部電源回路と
    を備える、フィールドデバイス。
24. 前記電力バスが、ゼロではない電位を送達する単一の線である、請求項２３に記載のフィールドデバイス。
25. 前記フィールドデバイスが、前記アース接続を介して、アースに直接接続されている、請求項２３に記載のフィールドデバイス。
26. ハウジングと、
    該ハウジング内に配置される回路であって、該回路は、
    制御／監視センターとワイヤレス通信をするためのワイヤレストランシーバと、
    変換器と、
    電力を、既存の電力回路から該ワイヤレストランシーバおよび該変換器に送達するための電気的端子とを備える、回路と
    を備える、フィールドデバイス。
27. 前記既存の電力回路がＡＣまたはＤＣ回路である、請求項２６に記載のフィールドデバイス。
28. 前記回路をアースするためのアース接続をさらに備える、請求項２６に記載のフィールドデバイス。
29. 変換器および／またはアクチュエータと、
    ワイヤレストランシーバと、
    電力を、該変換器および／または該アクチュエータ、および該ワイヤレストランシーバへ送達するための電源回路と
    を備える、フィールドデバイス。
30. 前記電源回路が標準のコンセントへ接続される、請求項２９に記載のフィールドデバイス。
31. 前記フィールドデバイスがワイヤレスにネットワークに接続される、請求項２９に記載のフィールドデバイス。

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