JP5232299B2 - ループ電流バイパスを備えるフィールド機器のためのｒｆアダプター - Google Patents

Description

本発明は、工業的プロセス制御又は監視システムに関するものである。より具体的には、本発明は、そのような無線周波数（ＲＦ）交信が可能なシステムにおけるフィールド機器に関するものである。

工業的環境においては、工業的及び化学的プロセスの原材料を監視し、かつ制御するために制御システムが使用される。一般的に、制御システムは、工業的プロセス内の主要な位置に分散し、かつプロセス制御ループにより制御室内の制御回路に接続されているフィールド機器を用いて、それらの機能を実行する。「フィールド機器」という用語は、工業的プロセスの測定、制御および監視に用いられる、分散された制御又はプロセス監視システム内で機能を実行する任意の機器を指し、現在知られているか又はまだ知られていない全ての機器を含む。

いくつかのフィールド機器は変換器を含む。変換器は、物理的な入力に基づく出力信号を発生させるか、もしくは入力信号に基づく物理的な出力を発生させる機器を意味すると理解されている。一般的に、変換器は入力を異なる形態を有する出力に変換する。変換器の種類は、種々の分析装置、圧力センサー、サーミスター、熱電対、歪みゲージ、流量発信器、ポジショナ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯などを含む。

一般的に、各々のフィールド機器は、プロセス制御ループを通じてプロセス制御室又は他の回路との交信に用いられる交信回路も含む。いくつかの設備においては、プロセス制御ループは、フィールド機器を作動させるための調節された電流及び／又は電圧をフィールド機器に供給するためにも用いられる。プロセス制御ループは、アナログ形式かデジタル形式のどちらかでデータも伝達する。

伝統的に、アナログフィールド機器は２線のプロセス制御電流ループにより制御室に接続されてきて、各々の機器が単一の２線の制御ループにより制御室に接続されてきた。一般的に、２線の間の電圧差は、アナログモードでは１２から４５ボルトの電圧範囲内に、かつデジタルモードでは９から５０ボルトの電圧範囲内に保たれる。いくつかのアナログフィールド機器は、電流ループを通過する電流を検知されるプロセス変量に比例する電流に変調することにより、信号を制御室に送信する。他のアナログフィールド機器は、ループを通過する電流の強度を制御することにより、制御室の制御下で動作を実行することができる。それに加えて、又は代替えの方法では、プロセス制御ループはフィールド機器と交信するために用いられるデジタル信号を伝達することができる。

いくつかの設備においては、フィールド機器と交信するために無線技術を使用することが始まっている。例えば、いかなる種類の有線接続にもよらずに電源を得るために、フィールド機器が電池、太陽電池、又は他の技術を用いる完全無線設備が使用されている。しかし、フィールド機器の大部分は、配線で接続されており、無線交信技術を使用していない。

工業プロセスプラントはしばしば何百もの、又は何千さえものフィールド機器を含む。それらのフィールド機器の多くは高機能の電子機器を含み、かつ従来のアナログ４−２０ｍＡ測定より多くのデータを与えることができる。コストを始めとするさまざまな理由から、多くのプラントは、そのようなフィールド機器によって与えられうるその余分のデータをうまく利用していない。このことは、フィールド機器に取り付け可能で、かつ、制御システム又は他の監視又は診断システム又はアプリケーションに無線ネットワーク経由でデータを送信可能な、上記のごときフィールド機器用の無線アダプターに対する必要性を生じさせた。

いくつかの機器構成においては、ＲＦアダプターをプロセス制御ループに直列に接続させることができる。そのような機器構成においては、プロセス制御ループのループ電流が無線アダプターの回路の中を流れる。もしも無線アダプターの回路が機能しなくなった場合、開回路のためにループ電流が電流路を持つことができず、かつ２線のプロセス制御ループに接続されているどのフィールド機器も、プロセス制御ループを用いてもはや交信することができない。

２線のプロセス制御ループ用の無線アダプターは、工業的プロセス制御システム内でプロセスフィールド機器に接続されるように構成される。無線アダプターは２線のプロセス制御ループに接続され、プロセスフィールド機器に無線交信を付与する。アダプターは、２線のプロセス制御ループに直列に接続されるように構成される、第１及び第２ループ端子を含む。無線交信回路は第１及び第２ループ端子に接続され、かつプロセスフィールド機器に無線交信を付与するように構成される。ループ電流バイパス回路は第１及び第２ループ端子間に電気的に接続され、かつ無線交信回路内の開回路に応答して、その間にループ電流路を与えるように構成される。

無線アダプターを有するフィールド機器を含む、工業的プロセス制御又は監視システムを示す簡略化した略図である。 図１に記載の、無線アダプターを含むフィールド機器の断面図である。 ２線のプロセス制御ループに接続されたフィールド機器及び無線アダプターを示す配線図である。 ２線のプロセス制御ループに接続されたフィールド機器及び無線アダプターを示す配線図である。 ループ電流バイパス回路を含む無線アダプターの機器構成例を示す。 図４に記載の、ループ電流バイパス回路の例を示す簡略化した略図である。 無線アダプターのためのループ電流バイパス回路の他の機器構成例を示す。 本発明によるループ電流バイパス回路の代替的機器構成を示す。 ループ電流バイパス回路を含む無線アダプターの簡略化した回路図である。 無線アダプターのフィールド機器内の２線のプロセス制御ループへの接続に関するより詳細を示す簡略化した配線図である。

本発明は、工業的プロセス制御又は監視システムにおけるフィールド機器用の無線アダプターを提供する。無線アダプターはフィールド機器に接続され、フィールド機器に無線交信能力を与える。アダプターは、遠隔設置されるフィールド機器をプロセス制御室などのような特定の場所に接続するために用いられる２線のプロセス制御ループにも接続される。アダプターは、無線交信回路の電流路における開回路状態に応答して、２線のプロセス制御ループのループ電流のために電流路を与えるように構成されるループ電流バイパス回路を含む。このことで、無線アダプター内の回路における無線交信に不具合が生じた場合に、２線のプロセス制御ループが機能し続けることができるようになる。

図１は、プロセス制御及び監視システム１０の簡略化したブロック図である。図１においては、プロセス流体１６を通すプロセス配管１４に接続されるフィールド機器１２が示される。この例においては、フィールド機器１２がプロセス変量送信器として示される。例えば、プロセス変量送信器はプロセス配管１４の圧力、流量、温度などのプロセス変量を測定することができる。他の種類のフィールド機器は、工業的プロセス１０の動作を制御することに用いられる制御機器を含む。しかしながら、本発明はそのような機器には限定されない。一般的にフィールド機器１２は、例えば工業的プロセスプラントの現場のような遠隔の場所に設置され、かつ２線のプロセス制御ループ２２を通して制御室２０のような特定の場所に接続される。制御室２０は負荷抵抗２０Ａ及び電源２０Ｂを含む。２線のプロセス制御ループ２２は任意の適切な標準又は技術に従って作動しうる。一般的な交信標準は、プロセス変量がプロセス制御ループを通して流れる電流レベルによって表される４−２０ｍＡプロセス制御ループを含む。他の例は、例えばＨＡＲＴ（登録商標）交信標準のような２線のループのアナログ電流レベルに変調されうるデジタル交信技術を含む。ＦｉｅｌｄＢｕｓをベースとするプロトコルを含む他の純粋なデジタルな技術も用いられる。一般的に、フィールド機器１２はプロセス制御ループ２２を通して得られる電源で作動する。

図１では、無線アダプター３０がフィールド機器１２に接続されていることが示される。無線アダプター３０は、矢印３２及び矢印３４で示されるように他の機器との無線交信に用いることができる。例えば、アダプター３０はハンドヘルドコミュニケーター４０又は無線アダプター４４を含む他のフィールド機器４２と交信することができる。フィールド機器４２はプロセス配管４６に接続されることが示される。

無線アダプター３０は他の機器又は構成要素と随意に交信することができ、かつ遠隔監視又は診断システム又はアプリケーションと交信することができる。交信は任意の適切なプロトコルに従うことができる。無線ＨＡＲＴ（登録商標）のようなプロトコルの１例は、交信システムの信頼性を拡張しかつ向上させるために、無線機器間でデータが送られる網形回線網を形成することを含む。

図２はフィールド機器１２及び、２線のプロセス制御ループ２２に接続される無線アダプター３０の簡略化した断面図を示す。プロセス変量送信器の例においては、フィールド機器１２は、プロセス変量を測定するために構成される測定回路５２に接続されるプロセス変量センサー５０を含む。送信器回路５４は、既知の技術を用いてプロセス変量を受け取り、かつプロセス変量を２線のプロセス制御ループと交信するように構成される。送信器１２は、接続ブロック１０６を通して２線のプロセス制御ループに接続される。無線アダプター３０も、例えばねじ込み接続１２２及び１０９を介して接続ブロック１０６に接続され、かつ送信器１２のハウジングに搭載される。例えば、カップリングはＮＰＴ導管カップリング１０９を貫通している。同様の導管接続１０９は、２線のプロセス制御ループ２２をその中に通す導管１１１を接続することにも用いられる。無線アダプター３０の筐体は、線１０８を通して送信器１２の電気接地コネクタ１１０に接続している。送信器１２は、無線アダプター３０からの接続１１２に接続される２線のプロセス制御接続ブロック１０２を含む。無線アダプター３０のハウジング１２０は、無線アダプター３０の回路に接続するアンテナ１２６を備える。ＲＦ透過的な端部カバー１２４は、そこを通してＲＦ信号を送信することができるようにハウジング１２０に密閉接続されている。図２に示す配置においては、ＲＦアダプターに、電気接地接続をともなう４個のループ接続を含む５個の電気的接続が設けられる。

図３Ａは、制御室２０、フィールド機器１２及び無線アダプター３０の間の電気的接続を図示する簡略化したブロック図１５０を示す。図３Ａに示すように、無線アダプター３０は、ループ＋（本明細書中でＬ＋とも表される）及びループ−（本明細書中でＬ−とも表される）接続を通してプロセス制御ループ２２に直列に接続され、かつフィールド機器１２も、プラス電源部及びマイナス電源部に直列に接続される。プロセス制御ループ２２上で交信するために、アダプター３０はＨＡＲＴ（登録商標）交信接続を用いる。

動作中には、アダプター３０は、プロセス制御ループ２２を通して流れる４−２０ｍＡからの電流を用いて作動する。図３Ａ及び図３Ｂにおいては、負荷抵抗器２０Ａが図示される。負荷抵抗器２０Ａは、プロセス制御ループ２２を通して流れる電流Ｉ_ループを検知するためにプロセス制御システムによって用いられる。例えば、プロセス制御システムは、負荷抵抗器をはさむ電圧の測定値を、プロセス変量送信器によって検知されるプロセス変量を示す値に変換することができる。この変量は、例えば、プロセス圧力、温度、レベル、流量、又はいくつかの他の測定されるパラメーターに関連しうる。一般的に、負荷抵抗の値は２５０オームである。プロセス制御ループが４ｍＡを流しているときには、この抵抗をはさむ電圧は１．０ボルトである。同様に、プロセス制御ループが２０ｍＡで作動中のときに、この抵抗をはさむ電圧降下は５ボルトである。

図３Ａ及び図３Ｂに図示するように、ループ電流（Ｉ_Ｌ又はＩ_ループ）は、プロセス機器１２に電気的に直列接続される無線アダプター３０を通って流れる。もし無線アダプター３０に、プロセス制御ループ２２において開回路が発生する原因となるような不具合が生じた場合、フィールド機器１２は電源を失い、かつ制御室２０との交信ができなくなる。

図４は、本明細書でループ電流バイパス回路とも呼ばれる冗長ループ電流路１６４を含む無線アダプター３０を示す、簡略化したブロック図である。無線アダプター３０は、上記に記載のごとく、フィールド機器と交信されるデータに基づく無線交信信号の送信用に構成される無線交信回路１５５を含む。無線交信回路１５５は、抵抗１５６、インダクタ１５８、ヒューズ１６１及びインダクタ１６３を通してループ＋及びループ−端子に直列に接続される。ループ電流バイパス回路１６４はループ＋及びループ−端子に並列に接続される。さまざまな構成要素は例としてのみ示される。しかしながら、もし無線アダプターの動作中に、直列構成要素（インダクタ１５８及び１６３、抵抗１５６、ヒューズ１６１、又は該無線交信回路）の任意のひとつが不具合を生じ、かつそこに開回路を生じさせる場合、もはや無線アダプターを通る電流はなくなる。この開回路の状況では、ループ電流Ｉ_Ｌは通常フィールド機器１２を通して流れることができず、かつそのためにフィールド機器１２は受電できず、かつ制御室との交信ができない。しかしながら、この機器構成では、ループ電流Ｉ_Ｌはバイパス回路１６４を通して流れることができる。この機器構成では、無線交信アダプター３０はもはや動作しないにもかかわらず、フィールド機器１２は動作を継続することができ、かつ正常に機能しうる。図４に示す回路中で他の構成要素を用いることはできるが、２線のプロセス制御ループ上で発生しうるノイズ、静電放電、及び過渡電流から電子機器を保護するために、インダクタ１５８及び１６３はアダプター３０中に存在しうる。回路にループ電流Ｉ_Ｌを検知させるために、又は電子機器が本質的に安全な方法で作動することを可能にさせるために、抵抗１５６は存在しうる。もし短絡が発生したときに電子機器を本質的に安全に保ち、かつ電子機器の接続を切ることを可能にするために、ヒューズ１６１を設置することができる。

図５Ａは、ループ電流バイパス回路１６４の機器構成の１例を示す、アダプター３０の簡略化したブロック図である。図５Ａでは、ループ電流バイパス回路１６４が、精密分路調整器１７４と並列に配置される抵抗１７０及び１７２として図示される。分路調整器１７４は、例えばＴｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社から入手可能なＴＬＶＨ４３１調整器を含みうる。抵抗１７０及び１７２は、調整器１７４が作動する電圧を調節するように構成されうる。一般的に、この電圧は無線交信回路１５５の作動電圧よりわずかに（例えば０．２５ボルト）高くなるように選択される。従って、アダプター３０の電子機器が正常に作動しているときには、分路１７４は電流を全く伝えない。しかしながら、もし無線交信回路１５５中の抵抗１５６、インダクタ１５８又は１６３、ヒューズ１６１、又はいくつかの他の構成要素のような直列構成要素のうちの任意のひとつが不具合を発生し、かつ開回路にいたった場合、分路１７４は電気を通すようになり、かつそこを通してループ電流Ｉ_Ｌを流す。分路１７４をはさむ電圧降下は、抵抗１７０及び１７２をともなう分路１７４の値によって確定される。

図５Ａの機器構成においては、開回路状態において分路調整器１７４に不具合が発生しうる。例えば、もしループ電流が、不具合又は誤配線の状況の理由で例えば５００ｍＡのように一時的に異常に高い場合、開回路状態において分路調整器１７４に不具合が発生しうる。ループ配線を正しく直しても、バイパス回路１６４は開回路状態のままとなる。このようなことが起こらないように、図５Ｂに示す追加回路を用いることができる。図５Ｂにおいては、バイパス回路１６４はトランジスタ１６５を含む。トランジスタ１６５は例えばＰＮＰトランジスタ、ＰＮＰダーリントントランジスタ、又はＰ型エンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴを含みうる。従って、高電流状況下では、例えばヒューズ１６１が開回路のとき、調整器１７４は電流を流し始める。トランジスタ１６５が電流を流すようにさせるために、抵抗１６７をはさむ電圧がトランジスタ１６５のＶ_ｂｅを越えるまでこのことが続く。トランジスタ１６５が電流を流した時点で、トランジスタ１６５は、抵抗１６７、１７０及び１７２及び分路調整器１７４を通過するバイアス電流を除く全ての電流を通す。従って、バイパス回路１６４はトランジスタ１６５の定格電流量を流すことができる。トランジスタ１６５は例えば０．５アンペア又はそれより高い定格でありうる。その一方、分路調整器１７４の定格は約８０ｍＡしかとりえない。ここで留意すべきは、この機器構成においては、ループ＋及びループ−端子をはさむ電圧は、やはり抵抗１７０及び１７２の値及び調整器１７４の基準電圧によって決定されるということである。

図５Ｂは、ループ電流バイパス回路１６４の機器構成の他の例を示すアダプター３０の簡略化した配線図である。図６の機器構成においては、ループ電流バイパス回路１６４は、トランジスタ１８６及び１８８とともに直列抵抗１８０、１８２及び１８４を含む。この機器構成においては、抵抗１８０、１８２及び１８４は、無線交信アダプター３０の正常な動作中に両方のトランジスタがオフ状態となるように、トランジスタ１８６及び１８８にバイアスをかけるように構成される。しかしながら、もし抵抗１５６又はインダクタ１５８が開回路になれば、トランジスタ１８８にはバイアスが印加されないが、そのベース電圧が低下するのでトランジスタ１８６にはバイアスが印加される。この機器構成においては、それによりフィールド機器１２に正常な動作を継続させるようにトランジスタ１８６は全てのループ電流Ｉ_Ｌを流す。その一方、もしヒューズ１６１又はインダクタ１６３が開回路状態になれば、トランジスタ１８６にはバイアスが印加されないが、そのベース電圧が上昇するのでトランジスタ１８８にはバイアスが印加される。その結果、フィールド機器１２に正常な動作をさせるようにトランジスタ１８８は全てのループ電流Ｉ_Ｌを流す。抵抗１８２及び１８４の一般的な値は約１ｋΩでありえて、かつ抵抗１８０は約４７ｋΩでありえる。トランジスタ１８６は高利得ＰＮＰトランジスタ、ＰＮＰダーリントントランジスタ、又はＰ型エンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴトランジスタでありうる。トランジスタ１８８は高利得ＮＰＮトランジスタ、ＮＰＮダーリントントランジスタ、又はＮ型エンハンスメントモードＭＯＳＦＥＴトランジスタでありうる。図５Ａに示す機器構成のひとつの長所は、この回路の無線交信アダプター３０の電圧降下が、図５Ａに示すものに比較してより低い可能性があることである。

図７は、無線交信回路１５５を示すアダプター３０のより詳細なブロック図である。コンデンサ２２０が図示され、かつアダプター３０がＨＡＲＴ（登録商標）交信のほかに無線交信のために構成される。図７に図示されるように、アダプター３０は、交信のためにメモリ及びモデムも含むマイクロコントローラ２４０を含む。メモリは、プログラミング命令、コンフィギュレーションデータ、変数などを記憶するために用いられる。ＨＡＲＴ（登録商標）アナログ回路２４２は、ＤＣ阻止コンデンサ２４６を通してフィールド機器１２に接続するように構成される。ＲＦ交信技術を用いてアダプター３０が交信できるように無線モジュール２４４が設置される。直流／直流電圧変換器として構成される調整器２４８が設置される。電流分路２５０は調整器２４８に並列に接続され、かつオペアンプ２５４によって制御されるバイパストランジスタ２５２を含む。オペアンプ２５４は、基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ）と調整器２４８に印加される電圧の差に基づいて作動する。調整器２４８は低損失（ＬＤＯ）レギュレータ２６０に２．３ボルトの出力を与える。低損失（ＬＤＯ）レギュレータ２６０は、マイクロプロセッサ２４０、ＨＡＲＴアナログ回路２４２、リセット回路２８２及びＡＤ変換器２８０に、調整された２ボルトの電源出力を与える。

バイパストランジスタ２５２を通過する電流はコンデンサ２２０を充電するために使われる。コンデンサ２２０をはさむ電圧は電圧クランプ２７０を用いて設定される。例えば、電圧クランプは２．２ボルトに設定しうる。他の直流／直流電圧変換器２７２は昇圧変換器として構成され、かつ低損失（ＬＤＯ）レギュレータ２７４に調整された３ボルトの電圧出力を与える。低損失（ＬＤＯ）レギュレータ２７４の出力は２．８ボルトに設定され、かつ無線モジュール２４４に調整された電力を与えるために用いられる。

マイクロプロセッサ２４０は、コンデンサ２２０の電圧を監視するために用いられるＡＤ変換器２８０に接続される。マイクロプロセッサ２４０はリセット回路２８２にも接続される。マイクロプロセッサ２４０はレベルシフト回路２８４を通してデータを無線モジュール２４４に与える。

ループ２２中の電圧降下量を最小限にしながら、回路が最大限の無線交信量を維持できることが望ましい。従って、アダプター３０がループ２２からの電力を非常に効率的なやり方で使用するように構成されることが望ましい。ある特定の機器構成においては、このことは、例えばＡｔｍｅｌＡＴｍｅｇａ１２８１のような低電力マイクロコントローラ２４０を使用することにより、かつ低電力アナログ回路構成要素を使用することにより達成されうる。これらの構成要素は、全回路電力消費を最小限にするためにも低供給電圧によって作動させることができる。さらに、マイクロコントローラ２４０は、例えば交信機能のような特定の機能が不要になるときに、必要であれば「スリープ」モードにはいるように構成されうる。必要であれば別個のモデムも利用されうる。

無線モジュール２４４に大量の電力を供給することも望ましい。このことで、より頻度の高い交信ができるようになり、かつ信頼性を増大させることができる。追加電力を、送信器１２から情報を発信し、アダプター３０を例えば網形回線網内で他のプロセス送信器のためのルーターとして使用させ、かつより高い送信電力を使用させるために用いることができる。他の無線機器からアダプター３０を経由してホストにいたるパスのほうが、機器から直接ホストにいたるパスよりも信頼性があるため、このことは、網形回線網の信頼性をより高める結果となりうる。

図７の実施形態においては、無線モジュール２４４はコンデンサ２２０で作動する。従って、無線モジュール２４４に与えられる電力を増加させるためには、コンデンサ２２０に蓄えられる電力を増加させることが望ましい。図７の機器構成においては、このことは、コンデンサ２２０を、ループ２２に接続する端子をはさむ電圧降下を調整する調整器２４８のための分路素子として、オペアンプ２５４及び分路トランジスタ２５２と併せて配置することによって達成される。図７においては、プロセス制御ループ２２に接続するループ端子をはさむ電圧は１ボルトに調整される。このことは、オペアンプ２５４及び分路トランジスタ２５２を用いてコンデンサに行く電流を調節することにより達成される。この機器構成においては、調整器２４８はループ２２と直列で作動し、かつオペアンプ２５４により形成されるフィードバックループ内に在る。効率の悪い機器構成においては、別個の１ボルト分路調整器及びコンデンサ充電回路が実装されうる。しかしながら、これには構成要素の追加及び作動電源の追加が必要となる。これに対し、図７に明記される機器構成においては、効率向上のために、アダプター３０の回路で用いられない任意のループ電流が分路コンデンサ２２０に向けられる。この結果、無線モジュール２４４のために最大限の電力を利用できるようになる。電圧クランプ２７０はコンデンサ２２０を充電する電圧を決定する。コンデンサ２２０が電圧クランプ２７０で設定される電圧に到達した時点で、余剰電流は、コンデンサ２２０へ流れるのではなく、電圧クランプ２７０を通して流れる。

直流／直流電圧変換器２４８は、１ボルトの入力電圧で作動する低電力「昇圧」スイッチングレギュレータとして構成される。調整器２４８は１ボルトの入力電圧を、残りの回路を作動させるのに十分な高い電圧まで昇圧する。図７の例においては、この電圧は２．３ボルトである。変換器は、スイッチドキャパシタ型変換器、インダクタをベースとするブーストコンバータ、変圧器をベースとする変換器、又は他の適切な機器構成でありうる。ＬＤＯレギュレータ２６０は、調整器２４８からの出力電圧２．３ボルトを２．０ボルトに調節し、かつ調整器２４８からのスイッチングノイズをすべて除去する。ＬＤＯレギュレータ２６０からの出力は、マイクロプロセッサ２４０、ＨＡＲＴ（登録商標）アナログ回路２４２、メモリ、リセット回路２８２、及びＡＤ変換器２８０を作動させるために用いられる。

ＨＡＲＴ（登録商標）アナログ回路ブロック２４２は、例えば、キャリア検出回路、受信回路、及び送信回路を含みうる。望ましくは、これらの回路は、満足できる交信インテグリティを維持しながら低電力仕様を有するように構成される。マイクロプロセッサ２４０中のメモリは、プログラミングコード及び一時的な変数を記憶するために用いられる。マイクロプロセッサ２４０に内蔵されるタイマーは、「ソフトウェア」モデムの機能性を随意に与えるために用いられうる。マイクロプロセッサ２４０のメモリは、内蔵フラッシュメモリ、ＲＡＭのほかに電気的消去可能ＲＯＭ又は他の不揮発性メモリも含みうる。マイクロコントローラ２４０は、コンデンサ電圧を示すデジタル出力をマイクロコントローラ２４０に与えるＡＤ変換器２８０を用いて、コンデンサ２２０にアクセスする電圧を監視するように構成される。必要であれば、コンデンサが無線送信を維持するために十分な電圧を有するかどうかを決定するために、マイクロコントローラ２４０を用いることができる。電圧が不十分なときにはマイクロコントローラ２４０が作動しないことを保証するために、リセット回路２８２を用いることができる。例えば、ＬＤＯレギュレータ２６０からの供給電圧が十分な電圧レベルに達するときに、リセット回路は、マイクロコントローラ２４０をリセット又はオンにするように構成される。もし電力の「急上昇」が起これば、この回路はマイクロコントローラ２４０をリセットするためにも用いることができる。

無線モジュール２４４は、ＬＤＯレギュレータ２７４によって供給される安定した２．８ボルトで作動する。上記で述べたように、もしコンデンサ２２０が２．２ボルトに充電されると、直流／直流電圧変換調整器２７２は電圧を３ボルトに昇圧する。使用中に、コンデンサの電圧が低下し、かつ昇圧変換器が必要となる。ＬＤＯレギュレータ２７４は、安定した２．８ボルトを無線モジュール２４４に供給するために用いられる。望ましくは、調整器２７２は、約１ボルトの最低電圧から約２．２ボルトの最高電圧で作動するように構成される。いくつかの機器構成においては、マイクロコントローラ２４０は、もしコンデンサ２２０の電圧が１ボルト未満になると、無線モジュール２４４の回路をオフにするように構成される。

マイクロコントローラ２４０は、無線モジュール２４４とマイクロコントローラ２４０の間のデジタル通信回線を通じて交信することにより、無線モジュール２４４を用いて情報を無線で送信するように構成されうる。無線が２．８ボルト電源で作動する一方で、マイクロコントローラは２ボルト電源で作動するため、その２つの構成要素の間のデジタル通信回線はレベルシフト回路２８４を用いてレベルシフトされなければならない。例えば、このことはＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製ＳＮ７４ＬＶＣ２Ｔ４５ＤＣＵのような超低消費電力レベルトランスレータ回路を用いて実行することができる。

一つの機器構成においては、ループ２２に接続されるループ端子をはさむ電圧降下は、分路２５０のオペアンプ２５４の反転入力に接続されるＶ_ＲＥＦを調節することにより調節できる。そのような機器構成においては、適切な条件下でループ電圧降下を増大させることにより、無線への追加電力が利用可能となる。同様に、もしアダプター３０の回路のプロセス制御ループに及ぼす影響を低減させる必要がある場合には、電圧降下を減少させることができる。しかしながら、このことは無線モジュール及びアダプター３０の他の回路により少ない電力しか供給せず、かつ性能を悪化させる可能性がある。

ループ＋及びループ−の間でプロセス制御ループ２２に接続されるループ電流バイパス回路１６４の配置も図７に示される。ループ電流バイパス回路１６４は上記で述べたように作動する。ここで留意すべきは、図７が前図に図示される抵抗１５６、インダクタ１５８、１６３及びヒューズ１６１を明確には示さないことである。しかしながら、これらの構成要素は個別品目として設置され、かつ図７には示されないか、又は図７に示される種々の回路ブロック中に含まれる。

図８は、無線アダプターとプロセス制御ループ２２の間の接続を示す、より詳細な配線図である。図７に示されるように、アダプター３０のＨＡＲＴ端子及びループ−端子は、フィールド機器１２の＋電源及び−電源端子に接続されている。従って、アダプター３０内の構成要素の不具合は、フィールド機器１２に供給される供給電圧の短絡の原因となりうる。もしこれがおこると、フィールド機器によって測定されるプロセス変数の交信が中断され、かつフィールド機器１２はプロセス制御室２０と交信できなくなる。図８に示す回路はこれらの懸案事項に対処する。

図８では、ダイオード３００、３０２及び３０４が過渡保護のために配置されている。これらは、プロセス制御ループ２２内で誘導されうる高電圧過渡現象から、アダプター３０を保護するために構成される。これらのダイオードは、電圧過渡現象をアダプター電子機器で許容されうる低電圧レベルに制限する。ダイオード３０２及び３０４は、フィールド機器の電源端子をはさんで直接電気的に接続される。ここで留意すべきは、もし、単一の過渡保護ダイオードしか用いられなかったり、かつダイオードが短絡状態下で不具合を生じた場合、そのことはフィールド機器１２に供給される電源を短絡させるということである。図８で示される機器構成においては、そのような不具合の防止に役立たせるように冗長ダイオードが設置されている。

図８においては図７で示されるＨＡＲＴアナログ電子機器が、ＨＡＲＴ送信回路２４２Ａ、ＨＡＲＴキャリア検出回路２４２Ｂ、及びＨＡＲＴ受信回路２４２Ｃの３つの別個の構成要素として図示される。これらの回路は、ループ−端子と比較して、非常に低いＤＣ電圧で作動する。もし図８に示される、ノード１として特定されるノードが、構成要素の不具合によってＨＡＲＴ端子に短絡させられると、フィールド機器１２はそれをはさむ非常に低いＤＣ電圧を受け取り、かつおそらく正しく作動することができないであろう。従って、ＨＡＲＴ交信回路２４２Ａ、Ｂ、ＣをＨＡＲＴ端子に接続させるために、冗長コンデンサ３１０及び３１２が設置される。もし、それらのコンデンサのひとつが短絡状態下で不具合を生じた場合、フィールド機器１２に供給される電圧は影響を受けないであろうし、かつアダプター３０内のＨＡＲＴ交信回路も正しく機能を継続するであろう。コンデンサ３２０、３２２、３２４、３２６、３２８、及び３３０は、インダクタ１５８、１６３、及び３３２とともに、アダプター３０の電子機器に無線周波妨害防御を与えるために用いられる。これらの全てのコンデンサは、無線周波妨害に備えて、接地用の電流路を作るためにアダプター３０の筐体を経由してＡＣ接続で接地しておく必要がある。しかしながら、ある場合には、安全対策のためにプロセス制御ループも接地される。４−２０ｍＡ電流ループを電源２０Ａのマイナス端子で接地することが一般的である。無線周波妨害防御コンデンサをアダプター３０の筐体に接続する冗長コンデンサも、図８中の素子３３６に図示される。コンデンサ３３６は、無線周波妨害防御コンデンサのひとつに不具合が生じた場合に、電力をフィールド機器１２に短絡させる可能性を低減する。ここで留意すべきは、もしコンデンサ３２０がアダプター３０の筐体に直接接続されており、かつ従って接地されており、かつコンデンサが短絡状態下で不具合を生じた場合、電流は、短絡したコンデンサ３２０経由で、電源２０Ａからアダプター３０のループ＋端子及びアースに流れ、かつその後電源２０Ａの電源マイナス接続部に帰ることである。従って、この構成要素の不具合の理由で、アダプター電子機器又はフィールド機器１２を通って電流が流れることはない。しかしながら、コンデンサ３３６が所定の位置にあるために、アダプター３０及びフィールド機器１２を通るＤＣ電流は、コンデンサ３２０の短絡によって影響を受けない。コンデンサ３２４の短絡は同様の種類の問題を起こす。コンデンサ３２２又は３２６の短絡の結果、電流はアダプター経由で流れるが、もし、コンデンサ３３６が存在しなければ、電流は電源２０Ａのマイナス接続部に帰り、かつフィールド機器をバイパスする。同様に、コンデンサ３３６が所定の位置にない場合で、かつもし電源２０Ａのプラス端子が接地されていて、コンデンサ３２８又は３３０が短絡状態下で不具合を生じた場合、電流は、電源２０Ａのプラス出力から短絡したコンデンサ３２８又は３３０を通って流れ、かつＨＡＲＴ端子を通って抵抗２０Ｂに帰る。従って、もし冗長コンデンサ３３６の追加なしでコンデンサ３２８及び３３０が短絡した場合、電流がアダプター電子機器３０又はフィールド機器１２を通って流れることはない。

従って、図８の機器構成においては、無線アダプター３０は、たとえ構成要素の不具合があったとしても、フィールド機器へ電流が流れることに関する不具合を決して起こさないように設計されてきた。冗長バイパス回路は、アダプター３０の電子機器中のいかなる直列構成要素の不具合からも機器を保護する。フィールド機器周辺を流れる電流から保護するために、いくつかの冗長構成要素も用いられる。

本明細書に記載の用語「フィールド機器」は、プロセス制御器監視システムに用いられる任意の機器でありえて、かつ必ずしも「現場」に配置される必要はない。機器は、制御室又は制御回路を含むプロセス制御システム中の、任意の場所に設置することができる。プロセス制御ループに接続するために用いられる端子は、任意の電気的接続のことを指し、物理的な又は別々の端子ではないかもしれない。任意の適切な交信プロトコル、周波数、又は交信技術の要求通りに、任意の適切な無線周波数交信回路を用いることができる。電源回路は任意に構成され、かつ本明細書に明記される機器構成には限定されない。いくつかの実施形態においては、フィールド機器は、機器を特定しうるように、任意のＲＦ送信に含まれうるアドレスを含む。同様に、受信した信号がその特定の機器を対象としたものであるかどうかを決定するために、そのようなアドレスを用いることができる。しかしながら、他の実施形態においては、アドレスは使用されず、かつ、アドレス指定情報を全く伴わずにデータのみが無線交信回路から送信される。そのような機器構成においては、もしデータの受信が求められる場合には、どのような受信データもアドレス指定情報を含まないかもしれない。いくつかの実施形態においては、このことは容認可能であるかもしれない。他の実施形態では、特定の機器に特定の周波数又は交信プロトコルを割り当てること、特定の機器に特定のタイムスロット又は期間を割り当てること、又は他の技術のような、他のアドレス指定技術又は識別技術を用いることができる。そこで特定の機器のために送信又は受信できるようにするために、機器間でトークンが伝達される、トークンに基づく技術を含む、任意の適切な交信プロトコル及び／又はネットワーク技術を用いることができる。

本発明を望ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者は、形式及び詳細において、本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更を加えることができることを認めるであろう。本明細書中で用いられるように、無線周波数（ＲＦ）は任意の周波数の電磁気的送信を含みえて、かつ特定の周波数のグループ、周波数の範囲、又は他の任意の制約に限定されない。ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ、８０２．１５．４、又は特許で守られた交信プロトコルを含む他のプロトコルを含む、任意の交信プロトコルを任意に用いることができる。上記の記載においては、無線アダプターは、２線のプロセス制御ループに接続するための、かついくつかの実施形態においてはＨＡＲＴ（登録商標）交信プロトコルに従って交信するための、デジタル信号交信接続を与える。アダプターは、例えば、送信器ハウジング内のＮＰＴ継ぎ手へのねじ込み接続を通して、プロセス制御送信器の外部に取り付けるように構成されうる。

本発明を望ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者は、形式及び詳細において、本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更を加えることができることを認めるであろう。

Claims (22)

1. 工業的プロセス制御システム内のプロセスフィールド機器に接続される２線のプロセス制御ループ内で使用され、２線のプロセス制御ループに接続されてプロセスフィールド機器に無線交信を与えるように構成される無線アダプターであって、
   ２線のプロセス制御ループに直列に接続されるように構成される第１及び第２ループ端子、
   第１及び第２ループ端子に接続され、プロセスフィールド機器に無線交信を与えるように構成される無線交信回路、及び
   第１及び第２ループ端子に並列に接続され、無線交信回路の電流路が正常な場合に電流を流さず、無線交信回路の電流路に開回路が発生した場合に電流を流し、第１及び第２ループ端子間にループ電流路を与えるように構成されるループ電流バイパス回路、
   を含む、無線アダプター。
2. ループ電流バイパス回路が分路調整器を含む、請求項１に記載の装置。
3. 分路調整器が、電気を通し、開回路に応答してループ電流を通すように構成される、請求項２に記載の装置。
4. ループ電流バイパス回路がトランジスタを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記トランジスタが、開回路に応答してループ電流を通すように構成される、請求項４に記載の装置。
6. 第２トランジスタを含む、請求項４に記載の装置。
7. 電流が無線交信回路を通って流れるときに、トランジスタが導電性ではないようにバイアスをかけられ、かつ、電流が無線交信回路から遮断されるときに、トランジスタが導電性であるようにバイアスをかけられるベースを有する、請求項４に記載の装置。
8. フィールド機器に電気的に接続されるように構成される第３接続を含む、請求項１に記載の装置。
9. 該第３接続を通してフィールド機器と交信するように構成される交信回路を含む、請求項８に記載の装置。
10. トランジスタがＰＮＰトランジスタを含む、請求項４に記載の装置。
11. トランジスタがダーリントントランジスタを含む、請求項４に記載の装置。
12. トランジスタがＭＯＳＦＥＴを含む、請求項４に記載の装置。
13. トランジスタがＮＰＮトランジスタを含む、請求項４に記載の装置。
14. アダプター内の回路に不具合が生じた場合に、フィールド機器に電力を供給するための冗長構成要素を含む、請求項１に記載の装置。
15. ２線のプロセス制御ループが４−２０ｍＡ電流ループを含む、請求項１に記載の装置。
16. ２線のプロセス制御ループがＨＡＲＴ（登録商標）交信プロトコルに従ってデジタル交信を実施する、請求項１に記載の装置。
17. 無線アダプターを用いて、２線のプロセス制御ループに接続するプロセスフィールド機器に無線交信を与える方法であって、
    無線アダプターの第１及び第２ループ端子を２線のプロセス制御ループに接続することと、
    第１及び第２ループ端子を通して、２線のプロセス制御ループから、無線交信回路に電力を供給することと、
    ２線のプロセス制御ループから受け取る電力で作動する無線交信回路を用いて、プロセスフィールド機器に無線交信を与えることと、
    第１及び第２ループ端子にループ電流バイパス回路を並列に接続し、無線交信回路の電流路が正常な場合に電流を流さず、無線交信回路の電流路に開回路が発生した場合に電流を流し、第１及び第２ループ端子間にループ電流路を与えるようにバイパスすることと、
    を含む、方法。
18. 電気的にバイパスすることが、分路調整器を起動させることを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 電気的にバイパスすることが、トランジスタを起動させることを含む、請求項１７に記載の方法。
20. 第３接続を通してフィールド機器と交信することを含む、請求項１７に記載の方法。
21. ２線のプロセス制御ループがＨＡＲＴ（登録商標）交信プロトコルに従ってデジタル交信を実施する、請求項１７に記載の方法。
22. 第１及び第２ループ端子のひとつが、直接プロセスフィールド機器に接続する、請求項１７に記載の方法で、かつプロセスフィールド機器と交信することに用いるために、交信端子をプロセスフィールド機器に接続することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。

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