(57)【要約】  イーサネット通信にしたがって通信するフィールド装置（２１４、３１４）が提供される。フィールド装置（２１４、３１４）は、そのイーサネット接続によって給電される。フィールド装置（２１４、３１４）は、好ましくは、イーサネットネットワーク接続（４００）及びフィールド装置接続（４１２）を含む機能拡張用ボード（２２２）を含む。機能拡張用ボード（２２２）は、イーサネットネットワーク接続を介して受けた電力でフィールド装置を給電するように構成されている。機能拡張用ボードは、プロセス工業規格通信プロトコルを使用してフィールド装置（２１４、３１４）と対話する。また、フィールド装置を作動させる方法が提供される。
2009503952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスに結合するための変換器と、
変換器に動作的に結合されたフィールド装置回路と、
イーサネットコネクタに結合され、制御装置に動作的に結合されたイーサネット物理層モジュールと、
イーサネットコネクタに結合され、イーサネットコネクタを介して受けたエネルギーでフィールド装置を給電するように構成されたイーサネット電源モジュールと
を含むフィールド装置。
【請求項２】
変換器が、プロセス変量を感知するためのセンサである、請求項１記載のフィールド装置。
【請求項３】
変換器がアクチュエータである、請求項１記載のフィールド装置。
【請求項４】
イーサネット物理層モジュール及びイーサネット電源モジュールが、フィールド装置に結合された機能拡張用ボードに埋め込まれている、請求項１記載のフィールド装置。
【請求項５】
機能拡張用ボードがイーサネットコネクタを含む、請求項４記載のフィールド装置。
【請求項６】
イーサネットコネクタが、工業用に適合されたＲＪ−４５コネクタである、請求項５記載のフィールド装置。
【請求項７】
機能拡張用ボードが、制御装置に動作的に結合され、フィールド装置コネクタに結合されたフィールド装置入出力（Ｉ／Ｏ）モジュールを含む、請求項４記載のフィールド装置。
【請求項８】
フィールド装置コネクタが、フィールド装置の端子盤と係合するように構成されている、請求項７記載のフィールド装置。
【請求項９】
フィールド装置入出力モジュールが少なくとも一つのプロセス工業通信プロトコルモジュールを含む、請求項７記載のフィールド装置。
【請求項１０】
プロセス工業通信プロトコルモジュールが４−２０mAモジュールを含む、請求項９記載のフィールド装置。
【請求項１１】
プロセス工業通信プロトコルモジュールがＨＡＲＴ（Highway Addressable Remote Transducer）（登録商標）モジュールを含む、請求項９記載のフィールド装置。
【請求項１２】
プロセス工業通信プロトコルモジュールがFOUNDATION（商標）FIELDBUSモジュールを含む、請求項９記載のフィールド装置。
【請求項１３】
プロセス工業通信プロトコルモジュールがコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）を含む、請求項９記載のフィールド装置。
【請求項１４】
フィールド装置入出力モジュールが複数のプロセス工業通信プロトコルモジュールを含む、請求項９記載のフィールド装置。
【請求項１５】
機能拡張用ボードがワイヤレス通信モジュールを含む、請求項４記載のフィールド装置。
【請求項１６】
イーサネット通信のためのフィールド装置を構成する方法であって、
イーサネットネットワーク接続を有する機能拡張用ボードを用意することと、
機能拡張用ボードをフィールド装置に結合することと、
イーサネットネットワーク接続を介して機能拡張用ボードを通して受けたエネルギーでフィールド装置を給電することと
を含む方法。
【請求項１７】
機能拡張用ボード上のワイヤレス通信モジュールを介してフィールド装置と対話することをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
化学、石油又は他のタイプの工業プロセスで使用されるようなプロセスモニタリング・制御システムは通常、アナログ又はデジタル通信路を介してオペレータ又はユーザのワークステーション及び１個以上のフィールド装置に通信的に結合された集中モニタリング・制御システムを含む。フィールド装置は、プロセスパラメータ（たとえば温度、圧力、流量など）をモニタリングするように適合されたセンサ及び／又は工業プロセスに対して動作（たとえば弁の開閉など）を実行するように適合された変換器であることができる。
【０００２】
一般に、集中モニタリング・制御システムは、フィールド装置によって実施されたプロセス計測を示す信号及び／又はフィールド装置に関連する他の情報を、アナログ式又はデジタル式であることができる入出力（Ｉ／Ｏ）装置又はモジュールを介して受信する。モニタリングシステムは、プロセス計測を示す信号を受信し、受信した信号に基づいてプロセスの様々な局面をモニタリングする。モニタリングシステムは、計測したプロセスデータを既定の限界値に対して比較し、その限界値が超えられるならば、動作を起動する（たとえばアラーム信号を発する）ように適合させることができる。
【０００３】
モニタリング・制御システムのプロセス制御装置は、計測値及び他の情報を使用してプロセスをモニタリングし、制御ルーチンを実行することができる。プロセス制御装置は制御信号を発することができ、その制御信号が、バス又は他の通信路もしくはチャネル上、アナログ又はデジタルＩ／Ｏ装置を介してフィールド装置に送られて、特定のプロセスの動作を制御することができる。
【０００４】
これまで、異なる製造者からの制御装置及びフィールド装置がデータを交換することを可能にするために様々な通信プロトコルが開発されている。各種通信プロトコルとしては、たとえば、ＨＡＲＴ（登録商標）、PROFIBUS（登録商標）、アクチュエータセンサインタフェース（「ＡＳインタフェース」）、WORLDFIP（登録商標）、Device-Net（登録商標）、ＣＡＮ及びFOUNDATION（商標）FIELDBUS（以下「フィールドバス」）プロトコルがある。これらのプロトコルの多くは、必要なすべての作動電力を、取り付けられたフィールド装置に提供することができる。
【０００５】
近年、分散システムへの電力供給に関する新たな通信プロトコル（ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ）が出現した。具体的には、この規格は、既存のイーサネットケーブルを介して、ケーブル内の未使用ワイヤ対（又は通信ワイヤ対）を使用して電力を供給することを含む。このようなイーサネットケーブルを介する電力の供給は「パワー・オーバー・イーサネット」（ＰｏＥ）と呼ばれている。前記ＩＥＥＥ規格は、４８ボルト及び３５０mAをイーサネット通信と同じイーサネットケーブル（通常はＣＡＴ５Ｅケーブル）を介して供給することを考慮したものである。
【０００６】
したがって、新たなフィールド装置をプロセスモニタリング・制御システムに結合するために新しい電力供給技術及び既存のケーブルを利用することができるフィールド装置が今も要望されている。
【０００７】
発明の概要
イーサネット通信にしたがって通信するフィールド装置が提供される。フィールド装置は、そのイーサネット接続によって給電される。フィールド装置は、好ましくは、イーサネットネットワーク接続及びフィールド装置接続を含む機能拡張用ボードを含む。機能拡張用ボードは、イーサネットネットワーク接続を介して受けた電力でフィールド装置を給電するように構成されている。機能拡張用ボードは、プロセス工業規格通信プロトコルを使用してフィールド装置と対話する。また、フィールド装置を作動させる方法が提供される。
【０００８】
例示的な実施態様の詳細な説明
図１は、複数のフィールド装置１０８Ａ〜１１０Ｎ（任意の数のフィールド装置を使用することができる）を有するプロセス制御・モニタリングシステム１００の簡略化ブロック図を示す。
【０００９】
プロセスネットワーク１０６は、パワー・オーバー・イーサネットインジェクタ（ＰｏＥインジェクタ）１２２を経由してイーサネットケーブル１２４を介してフィールド装置１０８２Ａ〜１１０Ｎの１個以上に結合することができるオペレータインタフェース１２０（たとえばユーザワークステーション又はコンピュータ）を備えた制御・モニタリングシステム１１８で構成されている。ＰｏＥインジェクタ１２２は、電源１２３から電力を受け、イーサネットケーブル１２４内の一つ以上の未使用ワイヤ対に電位を印加する。あるいはまた、ＰｏＥインジェクタ１２２は、イーサネット信号を運ぶ同じワイヤ対に電位を印加することもできる。さらに、インジェクタ１２２は、一つ以上の未使用対及び一つ以上のデータ対に電位を印加することもできる。
【００１０】
各フィールド装置１０８Ａ〜１１０Ｎは、好ましくは、イーサネットケーブル１２４上の電位から作動電力を導出するように適合されている。電力は、イーサネット通信と同じケーブル１２４に印加することができる。イーサネットケーブル１２４は、たとえば、ＣＡＴ５Ｅケーブルであることができる。
【００１１】
一つの実施態様では、２４ボルト電源を使用して多数のフィールド装置を給電することができる。パワー・オーバー・イーサネット規格（ＩＥＥＥ８０２．３ａｆ）は、最大４８ボルト及び最大３５０mAをイーサネットケーブル１２４によって運ぶことを可能にする。電力アーキテクチャ、ケーブル長、フィールド装置所要電力、本質安全要件などに依存して、ＰｏＥ規格は、多数のフィールド装置を作動させることを可能にする。イーサネットケーブル１２４は一般に、取り付けられたフィールド装置のために４８ボルト及び３５０mAの電流を供給する。より低電力のフィールド装置の場合、フィールド装置の数をさらに増すことができる。したがって、多数のプロセス変量を電源と同じケーブルアセンブリで受け渡しすることができる。
【００１２】
イーサネットケーブル１２４を介して電力を供給することにより、一つのケーブル対（たとえば電源ケーブル）をなくすことができ、施設をより簡単にすることができる。多くの施設では、容易な設置を考慮して、イーサネットポート及びケーブルがすでに配備されている場合もある。さらには、近い将来、より新規なＰｏＥ規格が、より高い電圧及び／又はより高い電流の供給を可能にし、それにより、より多くのセグメント又はネットワーク及びより多くのフィールド装置への電力供給が可能になるかもしれない。
【００１３】
一般に、イーサネットタイプの通信プロトコルを使用することにより、標準のインタネットブラウザを使用して、たとえばＨＴＭＬ（ウェブページ）インタフェースを介して制御及び／又はモニタリング機能にアクセスすることができる。この場合、フィールド装置は、伝送制御プロトコル／インタネットプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）アドレス指定、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）アドレス指定、ネットワーク層アドレス指定又はたとえばインタネットブラウザによってサポートされている他の電子的アドレス指定手段をはじめとするアドレス指定手段によってアクセスすることができる。フィールド装置は、ウェブサーバソフトウェアでプログラムすることができ、一意のネットワークアドレスを付与されることができる。各フィールド装置の構成は、イーサネットケーブル１２４を介して、たとえば、任意のパーソナルコンピュータ、たとえばオペレータインタフェース１２０で利用可能なウェブブラウザソフトウェアを使用して達成することができる。
【００１４】
たとえばＭＡＣアドレスは、従来、各ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）ネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）に対して一意である４８ビット数（又は６４ビット数）の形態にある。ＭＡＣアドレスは二つの別個の識別子（ＩＤ）を含む。第一の識別子は一意の２４ビット製造者ＩＤであり、第二の識別子は、製造者によって割り当てられる２４ビット（又は４０ビット）拡張ＩＤ（又はボードＩＤ）である。ボードＩＤは、装置に固有である固有ＮＩＣを識別する。ネットワークを介して伝送されるＬＡＮパケットでは、宛先及びソースＭＡＣ名がヘッダに含まれ、パケットをろ波し、転送するためにネットワーク装置によって使用される。
【００１５】
イーサネットパケットは、イーサネットネットワークを介して情報を伝送することができる可変長ユニットである。各イーサネットパケットは、同期化プリアンブル、宛先アドレス（ＴＣＰ／ＩＰ、ＭＡＣ、ネットワーク層など）、ソースアドレス、タイプコード標識を含むフィールド、４６〜１５００バイトで変化するデータフィールド及びデータの正確さを確認するための値を提供する巡回冗長検査を含む。一つの実施態様では、宛先アドレスは、特定のインタフェースモジュール１０２に対応する装置固有のアドレスである。代替態様では、データフィールドは、特定のフィールド装置に固有のアドレスを含む。
【００１６】
使用されるアドレス指定プロトコルにかかわらず、種々のフィールド装置１０８Ａ〜１１０Ｎは、電力を導出するために使うものと同じイーサネットケーブル１２４を介して情報をパケットとして送受信するように適合されている。制御信号、計測信号などは、たとえばネットワークを介する伝送に備えて、イーサネットフレームのデータフィールド中にパケット化することができる。
【００１７】
図２は、フィールド装置の一例である圧力トランスミッタ２１４の簡略化一部切欠き分解図である。フィールド装置の他の例は、弁、アクチュエータ、制御装置、アラームモジュール、診断装置などを含む。多くのフィールド装置は、プロセスと対話する変換器を含むか、それに結合されている。変換器は、プロセスの特性を感知するためのセンサであってもよいし、プロセスにおける何らかの変更を加えるための弁制御装置又はソレノイドであってもよい。
【００１８】
圧力トランスミッタ２１４は、２線式プロセス制御ループ２１６に結合し、トランスミッタハウジング６２を含む。ハウジング２６２は、ハウジング２６２にねじ込むことができるエンドキャップ２７０及び２７２を含む。エンドキャップ２７０及び２７２は、取り付けられると、トランスミッタ２６０内の回路のための本質的に安全な筺体を提供する。
【００１９】
プロセス制御ループ２１６は、端子盤２５８上に担持された端子２５６に結合している。変換器の一例である圧力センサ２６４が、プロセス取り付け部品に結合してプロセス流体に生じる圧力差を計測するように構成されている。センサ２６４からの出力は計測回路２６６に提供され、この計測回路はフィールド装置回路２６８に結合している。フィールド装置回路２６８は、計測回路２６６と通信して、センサ２６４によって感知されるプロセス変量値を測定し、その値をプロセス通信ループ２１６を介して送るように構成されている。
【００２０】
機能拡張用ボード２２２がフィールド装置回路２６８に結合し、一部の実施態様では、プロセス制御ループ２１６に結合することもできる。機能拡張用ボードとは、インタフェースに結合し、機能を提供するように構成されている部品の回路、モジュール又は群である。フィールド装置のための機能拡張用ボードは、ワイヤレス通信及びローカルオペレータインタフェースを提供することが知られている。本発明の実施態様にしたがって、機能拡張用ボード２２２は、ＰｏＥプロトコルにしたがって作動し、ＰｏＥ通信リンクを介してフィールド装置２１４との対話を可能にするように構成されている。本発明の実施態様は集積ＰｏＥ回路で実現することもできるが、機能拡張用ボードの使用は、すでに設置されている旧来のフィールド装置にこの新たな通信能力を付与することができるという点で重要である。
【００２１】
図３は、フィールド装置のもう一つの例である圧力トランスミッタ３１４の簡略化一部切欠き分解図である。トランスミッタ３１４はトランスミッタ２１４に類似しており、同種の部品は同様な符号で参照する。トランスミッタ３１４は、トランスミッタ２１４とは違い、プロセス通信ループに直結していない。代わりに、機能拡張用ボード２２２がトランスミッタ３１４をＰｏＥネットワーク接続１２４に動作的に結合している。機能拡張用ボード２２２の構成に依存して、トランスミッタ３１４は、ＰｏＥネットワーク接続１２４を介して機能拡張用ボード２２２から受けるエネルギーによって全体的に給電されることができる。さらには、機能拡張用ボード２２２とフィールド装置回路２６８との間の通信は、ＨＡＲＴ（登録商標）、PROFIBUS（登録商標）、アクチュエータセンサインタフェース（「ＡＳインタフェース」）、WORLDFIP（登録商標）、Device-Net（登録商標）、FOUNDATION（商標）FIELDBUS及びコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）をはじめとする適当なプロセス通信プロトコルに準拠することができる。したがって、ＰｏＥプロトコルに準拠する通信に適合されていないフィールド装置は、そのような通信をＰｏＥネットワーク１２４を介する伝送のために変換する又は他のやり方で適合させることができる機能拡張用ボード２２２により、それ本来のプロトコルで通信することができる。
【００２２】
図４は、本発明の実施態様のフィールド装置とで使用するための機能拡張用ボードのブロック図である。機能拡張用ボード２２２は、ＰｏＥ規格にしたがってイーサネットネットワークに結合するように構成されているイーサネットコネクタ４００を含む。好ましくは、コネクタ４００は、公知のＲＪ−４５コネクタの形態にあるが、工業環境における使用を容易にするために他の適当な形態をとることもできる。コネクタ４００の適合の例は、材料選択、コネクタサイズ、保定機構もしくはラッチ又は他の適当な基準を含む。コネクタ４００は、イーサネット物理層モジュール４０２及びＰｏＥ電源モジュール４０４に結合されている。イーサネット物理層又はコアは公知であり、イーサネット媒体上で低レベル信号対話を提供する。電源モジュール４０４はコネクタ４００に接続されて、機能拡張用ボード２２２がＰｏＥ規格にしたがってイーサネット接続から電力を受けることを可能にする。そのようなものとして、電源モジュールは、必要ならば、４８ボルトで最大３５０mAを導出することができる。電源モジュール４０４は、イーサネット物理層モジュール４０２、制御装置４０６及びフィールド装置Ｉ／Ｏインタフェースモジュール４０８に結合されて、必要なすべての作動エネルギーをこれらの部品に供給する。
【００２３】
制御装置４０６は、好ましくは、マイクロプロセッサであり、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のようなメモリを含むことができる。さらには、機能拡張用ボード２２２は、制御装置４０６に結合されるさらなるメモリ（４１０として仮想的に示す）を含むことができる。さらなるメモリは、制御装置４０６がより高度な機能を実行することを可能にするのに役立つことができる。たとえば、制御装置４０６は、その中又はメモリ４１０の中に記憶された命令を実行して、以下の機能、すなわちウェブサーバ、ｆｔｐサーバ、セキュアシェル（ｓｓｈ）サーバのいずれかを実行することができる。そのうえ、制御装置４０６及びメモリ４１０は、オペレーティングシステムを作動させることができる埋め込み情報サーバをさらに含むことができる。そのようなシステムの一例は、米カリフォルニア州Portola ValleyのGumstix社から商品名Etherstixの下で市販されている。詳細は、同社のウェブサイトwww.gumstix.comで見ることができる。さらには、メモリ４１０は、数多くの市販のフィールド装置に関する情報を記憶して、機能拡張用ボード２２２が最終的にある特定のフィールド装置に結合された場合、機能拡張用ボードが、どの特定のフィールド装置にそれが結合されたのかを簡単に知ることができ、その後、メモリ４１０内でその特定の装置に関するさらなる情報にアクセスして、そのフィールド装置と対話する方法を決定することができるようにするために使用することもできる。機能拡張用ボード２２２がフィールド装置を知らされるやり方は、機能拡張用ボード２２２にジャンパをセットすること、イーサネットネットワークを介して機能拡張用ボード２２２にコマンドを送ること及び／又は機能拡張用ボード２２２上の基本オペレータインタフェース（図示せず）にアクセスすることをはじめとする適当な形態をとることができる。
【００２４】
制御装置４０６はフィールド装置Ｉ／Ｏインタフェースモジュール４０８に結合され、このモジュールがフィールド装置コネクタ４１２に結合されている。コネクタ４１２は、好ましくは、現在、公知の機能拡張用ボードがフィールド装置に結合される方法で、フィールド装置に物理的に結合するように構成されている。しかし、本発明の実施態様はまた、コネクタ４１２が、ワイヤなどを使用して機能拡張用ボード２２２を単にフィールド装置のプロセス通信ループ端子に結合することを含む適当な接続である場合にも実施することができる。
【００２５】
フィールド装置Ｉ／Ｏインタフェースモジュール４０８は、適当なプロセス通信プロトコルを使用して、コネクタ４１２を介して機能拡張用ボード２２２に取り付けられたフィールド装置と対話するように構成されている。したがって、フィールド装置が電流を４〜２０mAの間にセットすることによってプロセス変量値の指示を提供することができるだけならば、モジュール４０８は、フィールド装置に適した電流を発することができる。好ましくは、モジュール４０８は、コネクタ４１２を介して、取り付けられたフィールド装置に励起電流を提供する。たとえば、４−２０mA圧力トランスミッタは、コネクタ４１２を介して機能拡張用ボード２２２からその作動電流を受けることができる。４１４として仮想的に示す４−２０mA、ブロック４１６として仮想的に示すＨＡＲＴ（Highway Addressable Remote Transducer）（登録商標）、ブロック４１８として仮想的に示すフィールドバス、ブロック４２０として仮想的に示すコントローラエリアネットワーク又は他の適当なプロトコルをはじめとする適当なプロセス通信プロトコルをモジュール４０８に使用することができる。そのうえ、複数のプロトコル固有のモジュール４１４、４１６、４１８及び４２０を使用して、多数の様々なプロセス工業通信プロトコルのための互換性を機能拡張用ボード２２２に提供することができる。したがって、１タイプの機能拡張用ボードを量産するだけで様々なフィールド装置とで使用することができる。そのうえ、機能拡張用ボード２２２は、技術者が指示することにより、特定のプロトコル固有のモジュールと係合させることができる。
【００２６】
機能拡張用ボード２２２は、さらなる通信モジュール、たとえば仮想的に示すモジュール４２２を含むことができる。モジュール４２２は、さらなる通信法、たとえば機能拡張用ボード２２２、ひいてはフィールド装置４１２とのワイヤレス通信を可能にすることができる。通信モジュール４２２はまた、その作動電力のすべてをＰｏＥ電源モジュール４０４から導出し、異なる通信プロトコル、たとえば公知のBluetooth通信プロトコル、米カリフォルニア州IrvineのLinksysによって構築されたＩＥＥＥ８０２．１１ｂワイヤレスアクセスポイント及びワイヤレスネットワーキング装置、セル方式もしくはデジタルネットワーキング技術（たとえば米カリフォルニア州San JoseのAeris Communications社のMicroburst（登録商標））、超ワイドバンドのフリースペースオプチックス全世界的モバイル通信システム（ＧＳＭ）、汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）、コード分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）、スペクトラム拡散技術、赤外線通信技術、ＳＭＳ（Short Messaging Service/text messaging）又は他の適当なワイヤレス技術に準拠する通信を可能又は容易にする。このさらなる通信は、機能拡張用ボードで機能拡張されたフィールド装置と、ワイヤレスプロトコルを使用してフィールド装置と対話することができる、その装置の近くにいるメンテナンス技術者との間の局所的対話を容易にすることができる。
【００２７】
好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の本質及び範囲を逸することなく、その形態及び詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施態様が特に有用であるプロセス制御・モニタリングシステムのブロック図である。
【図２】本発明の実施態様の圧力トランスミッタの簡略化一部切欠き分解図である。
【図３】本発明のもう一つの実施態様の圧力トランスミッタの簡略化一部切欠き分解図である。
【図４】本発明の実施態様のフィールド装置とで使用するための機能拡張用ボードのブロック図である。
【図１】
2009503952.tif 000003
【図２】
2009503952.tif 000004
【図３】
2009503952.tif 000005
【図４】
2009503952.tif 000006
【国際調査報告】
2009503952.tif 000007
2009503952.tif 000008
2009503952.tif 000009