(57)【要約】  コンピュータベースのシミュレータのコンピュータ制御システムへの電気的相互接続を単純化し、かつ、コンピュータベースのシミュレータをもたらすのに必要とされるハードウェア・コンポーネントの数を低減させる、コンピュータ・プロセス制御システムとは別個のコンピュータベースのシミュレータである。本発明はまた、制御及びシミュレータ・システムの遠隔構成及び動作も容易にする。【選択図】      図６
2013522802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理的プロセスの制御システムのためのプロセス・シミュレーション・システムであって、
（ａ）（ｉ）モジュールと少なくとも１つの制御システム入力又は出力信号との間に少なくとも１つのコンダクタを接続するためのデバイス通信コネクタ装置と、
（ｉｉ）モジュールに、複数の信号のいずれかを前記デバイス通信コネクタ装置の複数のコンタクトのいずれかの上に配置させるための、選択可能な相互接続装置を前記コンタクトの特定のものに提供する少なくとも１つの電子集積回路を含み、かつ、前記システムのユーザにより構成可能なインターフェース装置と、
を含む構成可能なコネクタ・モジュールと、
（ｂ）シミュレートされた物理的プロセスに対応する信号を管理するためのシミュレータと、
を含み、それによって前記物理的プロセス中の前記制御システムの動作がシミュレートされることを特徴とするプロセス・シミュレーション・システム。
【請求項２】
前記シミュレータは前記モジュールの外部にあることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス・シミュレーション・システム。
【請求項３】
前記シミュレータは、ネットワーク接続を介して前記モジュールに接続されることを特徴とする、請求項２に記載のプロセス・シミュレーション・システム。
【請求項４】
前記シミュレータは、前記モジュールの内部にあることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス・シミュレーション・システム。
【請求項５】
第２の構成可能なコネクタ・モジュールをさらに含み、前記第２のモジュールは、前記制御システムをシミュレートするように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス・シミュレーション・システム。
【請求項６】
構成可能なコネクタ付きシステム上にシミュレータのチャネルを構成する方法であって、前記システムは、（ｉ）複数のコンタクトを有するデバイス通信コネクタ装置と、（ｉｉ）選択可能な相互接続装置を前記コンタクトの対応する少なくとも１つに提供する少なくとも１つの電子集積回路を含むインターフェース装置とを含むモジュールを備え、前記方法は、前記インターフェース装置に、複数の信号のいずれかを前記デバイス通信コネクタ装置の前記複数のコンタクトのいずれかの上に配置するように命令を出すステップを含み、前記命令を出すステップは、システム・コントローラが、制御システムにより制御される物理的プロセスにおける複数のステップをシミュレートするように、通信命令を前記モジュールに命令を出すステップことを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理的プロセスのためのコンピュータ・シミュレータ（「プロセス・シミュレータ」又は「シミュレータ」）に関し、より具体的には、シミュレータの配線の単純化、シミュレータを実装するのに必要とされるコンポーネントの数の低減、及び実装にかかる時間の短縮をもたらす改善に関する。適用可能なプロセスのタイプは多様であり、これらに限定されるものではないが、化学プロセス、熱プロセス、及び機械的プロセスを含む。
（関連出願）
本出願は、２０１０年３月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／３１６，０７０号の優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
物理的プロセスのコンピュータ・シミュレーションは、新しいプロセス又は試験を開発するため、及び、コンピュータベースの制御システムの動作を完全なものにするために、エンジニアリング・システムで広く用いられている。従って、シリコン・ウエハを加工するためのツールの製造業者が、シミュレータを用いてツール制御システムを実行して、ツールを実際の製品で動作させる必要を回避することができ、これによりツールの開発及び試験の時間及びお金を節約することができる。
【０００３】
例えば、複雑な半導体ウエハ加工ツールが、真空下でシリコン・ウエハを加熱し、次いでこれを種々のガスに曝してフィルム・コーティングをもたらすように設計された場合、制御システムは、プロセス目標を達成するために、多数のセンサ及びアクチュエータを用いなければならない。従って、制御システムは、弁を作動させてプロセスチャンバを隔離し、ポンプを作動させてチャンバを排気し、次いで、加熱システムを作動させる前に真空レベルを感知し、ウエハが正確な温度まで慎重に加熱されるようにすることができる。ひとたびウエハが初期プロセス温度になると、ツール制御システムは、１つ又はそれ以上の質量流量コントローラを作動させ、それにより反応ガスの正確な混合物を導入することができる。次いで、制御システムは、電源を作動させてプラズマを生成し、プラズマが気相反応を高め、最終的にはウエハ上にフィルムを生成する。プロセスの終わりに、ツール制御システムは、プラズマをオフにし、質量流量コントローラを止め、弁を閉じ、ヒータをオフにして、ウエハが冷却し、再び大気圧に達するのを可能にし、次いで、ウエハを複雑な半導体プロセスの次のステップに移送することができる。
【０００４】
上述した複雑なプロセスを完全なものにするために、半導体ツールの設計者は、ハードウェアを組み立て、プロセスのステップを順に行うようにソフトウェアを書かなければならない。貴重なウエハの無駄を減らし、有毒ガス及び潜在的に危険な電気エネルギーを用いる際の意図せぬ結果を回避するために、ツール製造者は、多数の戦略を用いて物理的プロセスをシミュレートしようと試みる。
【０００５】
物理的プロセスをシミュレートするのに用いられる単純な戦略は、実際のセンサ及びアクチュエータが用いられた場合に生じる作用又は結果を模倣又はシミュレートするソフトウェア・プログラムのサブルーチンを、制御システム内に埋め込むことである。例えば、ヒータをオンにするための制御システムのステートメント（命令文）が、ソフトウェア・サブルーチンを作動させることができ、ソフトウェア・サブルーチンが、ヒータのエネルギーの統合を開始し、電流温度を推定する。次いで、この温度の推定値は、制御システムが温度センサからプロセス温度値を読み取りたいと望むときに、測定温度に代えられる。従って、制御システムのソフトウェアは、シミュレートされた温度を用いて、ウエハ・プロセスが制御下にあったかどうかについての判断を行う。こうした単純なシミュレーションは一般的に用いられているが、幾つかの制限が生じる。第１に、制御システム・ソフトウェアを、実際のセンサ及びアクチュエータをバイパスするように変更しなければならない。従って、実際のソフトウェアは試験されず、むしろ変更されたバージョンのソフトウェアが試験される。第２に、シミュレートされた値が、物理的値の良好な表現ではないことがある。現実のセンサは、温度又は圧力等の物理的特性を電気信号に変換する。次いで、これらの電気信号は、制御システムにより、シミュレータが模倣するデジタル表現に変換される。上述した単純な埋め込みソフトウェア戦略によりもたらされたシミュレート値が、センサにより生成された電気信号を表現するものでない場合、制御システムの行動が、シミュレートされていない動作におけるその行動を表現しないことがある。例えば、シミュレートされたデジタル表現が、おおよその数値精度を有することがあり、又は動力学若しくはボリューム・タイミングが異なることがある。従って、ソフトウェアを制御システムに埋め込む、この単純な変更されたソフトウェア・シミュレーション戦略には、著しい制限が生じる。
【０００６】
物理的プロセスをシミュレートするのに用いられる、より複雑であるが有効な戦略は、ツール制御システムにより生成される作動信号を感知し、次いで、ツール制御システムにより感知できる作動信号を生成できる第２のコンピュータを用いることである。動作中にツール制御システムがヒータを作動させた場合、電気信号が、ヒータではなくシミュレータ・コンピュータに送られる。シミュレータ・コンピュータは、ヒータへの作動信号を感知し、システムにおける熱量を統合することで応答し、次いで、温度センサにより生成される電気信号を模倣する出力電気信号を徐々に増減させる。ツール制御システムは、この電気信号を感知するが、この電気信号は温度センサにより生成される電気信号とは区別することができない。シミュレータ・システムが適切に設計されている場合、ツール制御システムは、シミュレータ・コンピュータが用いられなかったかのように機能し、ヒータ・アクチュエータ及び温度センサをバイパスする。ツール制御システムとは別個のものであるこうしたコンピュータベースのシミュレータは、物理的プロセスを用いる必要なしに、ツール制御システムを開発し、試験し、完全なものにすることを可能にする。実際のプロセスを実行するためにツール制御ソフトウェアを変更する必要がないので、シミュレートされたプロセスから実際のプロセスに移行するステップがより円滑に進むと期待することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，８９２，２６５号明細書
【特許文献２】米国特許第７，２１６，１９１号明細書
【特許文献３】米国特許第７，８２２，８９６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
プロセスをシミュレートするために第２のコンピュータを用いる従来技術の戦略は有効ではあるが、シミュレータの複雑さがツール制御システムの複雑さとほぼ同等であるため、それ自体が複雑かつ高価である。さらに、第２のシミュレータ・コンピュータをツール制御システムに電気的に接続しなければならず、その接続は複雑であり、エラーが発生しやすく、時間がかかる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、コンピュータ制御システムとは別個のものであるコンピュータベースのシミュレータを提供する。本発明は、コンピュータ制御システムへのコンピュータベースのシミュレータの電気的相互接続を単純化し、コンピュータベースのシミュレータをもたらすのに必要とされるハードウェア・コンポーネントの数を減少させる。本発明はまた、制御及びシミュレータ・システムの遠隔設定及び操作も容易にする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の利点を示す太陽熱（ソーラー）温水システム（ｓｏｌａｒ  ｈｏｔ  ｗａｔｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ）を示す。
【図２−１】図２は太陽熱温水システムを制御するための従来技術の制御システムを示し、図２／１はその制御システムを示す。
【図２−２】図２／２は図２／１に連なる系統を示す。
【図３−１】図３は太陽熱温水システムの動作をシミュレートすることができる入力／出力システムを有する従来技術のシミュレーション・コンピュータを示し、図３／１はそのシミュレーション・コンピュータを示す。
【図３−２】図３／２は図３／１に連なる系統を示す。
【図４】従来技術の制御システムと従来技術のシミュレーション・システムとを含む、従来技術のシミュレートされた太陽熱温水システムを４つの部分に分割して示す。
【図４−１】図４／１は図４の１つの部分の詳細を示す。
【図４−２】図４／２は図４の１つの部分の詳細を示す。
【図４−３】図４／３は図４の１つの部分の詳細を示す。
【図４−４】図４／４は図４の１つの部分の詳細を示す。
【図５】制御システムに接続された入力／出力システムを有するシミュレーション・コンピュータとして構成された本発明の構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュールを４つの部分に分割して示し、この組み合わせが太陽熱温水システムの動作をシミュレートする。
【図５−１】図５／１は図５の１つの部分の詳細を示す。
【図５−２】図５／２は図５の１つの部分の詳細を示す。
【図５−３】図５／３は図５の１つの部分の詳細を示す。
【図５−４】図５／４は図５の１つの部分の詳細を示す。
【図６】制御システムとして構成された、第２の構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュールに接続された入力／出力システムを有するシミュレーション・コンピュータとして構成された、本発明の構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュールを示し、この組み合わせが太陽熱温水システムの動作をシミュレートする。
【図７】標準ケーブルを用いて接続されたときの図６のシステムを示す。
【図８】本発明による、シンク・センサ（ｓｉｎｋｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒ）、ソース・センサ（ｓｏｕｒｃｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒ）、シンク出力回路に接続されるように意図されたアクチュエータ、及びソース出力回路に接続されるように意図されたアクチュエータに接続された構成可能な入力／出力システムの概略図である。
【図９】図８のシステムの相互接続配線を示す。
【図１０】本発明による構成可能なインターフェース装置の概略図である。
【図１１−１】図１１は本発明の構成可能なインターフェース装置の機能を実行する集積回路の概略図であり、図１１／１はその概略を示す。
【図１１−２】図１１／２は図１１／１に連なる概略を示す。
【図１２】本発明による、熱電対の両端にかかる差動電圧を測定するように接続された熱電対が付加加された、図８におけるような構成可能な入力／出力システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
特許文献１、特許文献２、及び特許文献３においては、センサ及びアクチュエータにインターフェース接続することができる入力／出力及び制御システムをもたらすために用いられる、構成可能なコネクタ付きモジュールを提供する方法及びデバイスが記載されている。こうしたモジュールは、センサ情報を用いて入力／出力システム又は制御システムの機能を実行し、作動信号を算出することができ、作動信号は次いで、アクチュエータに接続される。これらの発明の教示を用いて構築されたモジュールは、制御システムのための入力／出力システム、又は様々なプロセスのための制御システムとして用いられる。従って、温度センサをモジュールに電気的に接続することができ、ヒータ作動信号をヒータ・システムに電気的に接続することができる。こうしたモジュールは、相互接続配線の複雑さを著しく低減させながら、制御システムを構築するのに必要とされるコンポーネントの数を減少させ得ることを実証した。
【００１２】
シミュレータ・コンピュータは、制御コンピュータとは大きく異なる方法で機能するが、どちらのコンピュータも、感知及び作動するために、電気的に接続しなければならない。しかしながら、制御コンピュータはセンサ及びアクチュエータに電気的に接続するが、制御システム開発のシミュレーション段階中、シミュレータ・コンピュータは、制御コンピュータに電気的に接続する。本発明は、シミュレーション・システムを実現する際に役割を担うように用いられる構成可能なコネクタ付きモジュールを使用し、それにより上記の特許の利点から恩恵を受ける。
【００１３】
構成可能なコネクタ付きモジュールがシミュレータの役割でどのように機能するかを説明するために、比較的単純な太陽熱温水加熱システムについて説明する。太陽熱温水システムは、種々のセンサ及びアクチュエータにインターフェース接続するコントローラからなる。次に、本発明の教示を実施し、それにより開発時間を短縮し、配線を単純化するシミュレータをどのように実現できるかを説明する。本文書の目的は、シミュレータがどのように機能するかではなく、むしろ本発明の教示を用いるシミュレータが制御システムへの相互接続をどのように単純化できるかを説明することである。当業者であれば、シミュレータの機能を理解するであろう。
【００１４】
１．太陽熱温水システムの例
ここで、図１を参照して、工業環境又は家庭環境で見られる太陽熱温水システムを説明する。太陽熱集光器１０が、日中のある部分の間、太陽暴露を受けるように配置される。可変速ポンプ１２は、プロピレングリコールのような熱伝導流体を、パネルを通り、そこから第１タンク１６内の熱交換器１４を通って循環させ、パネルから戻る流体が第１タンクの底部の温度より十分に高温になり、第１タンクに伝達される熱の量が、熱伝達をもたらすためにポンプを動作させるのに必要なエネルギーよりも（少なくとも）大きくなるようにする。後で説明されるように、流量計１８がプロピレングリコールの質量流量を測定し、熱流量を計算し、次いで表示する。温水が第１タンクの上部から引き出されると、冷水が第１タンクの底部に入り、後で熱交換器により加熱され、従って水の太陽熱加熱が行われる。
【００１５】
シミュレータの必要性をより明らかにするために、第２タンク２０と、水を第１タンク１６から第２タンク２０に移送することができる固定速ポンプ２２を付加することによって、システムの複雑さをわずかに増大させる。
【００１６】
太陽熱温水システムに接続された温度センサは、パネル上部の温度２４、第１タンク底部の温度２６、第１タンク上部の温度２８、及び第２タンク底部の温度３０を測定することができる。
【００１７】
本出願人らの例示的な太陽熱温水システムはまた、閉回路のプロピレングリコールの圧力を監視するための圧力トランスデューサ３２も含む。圧力が高すぎると、グリコールが沸騰する危険があり、従って、可変速ポンプをオンにしてパネルを冷却すべきであることを示す。一方、通常の動作中の圧力が低すぎると、システムにおける漏れを示すことがあり、アラーム状態を必要とする。
【００１８】
ここで図２を参照すると、作動中、コントローラ４０は、４つの温度全てを常に測定し、以下の論理ステートメントを常に評価する。
−ＩＦ（ｔｏｐ−ｏｆ−ｐａｎｅｌ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（パネル上部温度））ＭＩＮＵＳ（ｂｏｔｔｏｍ−ｏｆ−ｆｉｒｓｔ−ｔａｎｋ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（第１タンク底部温度））ｉｓ  ＧＲＥＡＴＥＲ  ＴＨＡＮ  １０℃  ＡＮＤ  （ｔｏｐ−ｏｆ−ｆｉｒｓｔ−ｔａｎｋ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（第１タンク上部温度））ｉｓ  ＬＥＳＳ  ＴＨＡＮ  ７０℃、ＴＨＥＮ（ＴＵＲＮ  ＯＮ  ｖａｒｉａｂｌｅ−ｓｐｅｅｄ  ｐｕｍｐ（可変速ポンプ））。
−ＩＦ（ｂｏｔｔｏｍ−ｏｆ−ｆｉｒｓｔ−ｔａｎｋ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（第１タンク底部温度））ｉｓ  ＧＲＥＡＴＥＲ  ＴＨＡＮ  ５０℃  ＡＮＤ（ｔｏｐ−ｏｆ−ｐａｎｅｌ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（パネル上部温度）ＭＩＮＵＳ（ｂｏｔｔｏｍ−ｏｆ−ｆｉｒｓｔ−ｔａｎｋ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（第１タンク底部温度））ｉｓ  ＧＲＥＡＴＥＲ  ＴＨＡＮ  １０℃  ＡＮＤ（ｂｏｔｔｏｍ−ｏｆ−ｓｅｃｏｎｄ−ｔａｎｋ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（第２タンク底部温度））ｉｓ  ＬＥＳＳ  ＴＨＡＮ  ４５℃、ＴＨＥＮ（ＴＵＲＮ  ＯＮ  ｆｉｘｅｄ−ｓｐｅｅｄ  ｐｕｍｐ（固定速ポンプ）  ｆｏｒ  ８  ｍｉｎｕｔｅｓ（８分間））。
【００１９】
上記の第１の論理ステートメントは、太陽光で加熱されたパネルが第１タンクの底部より１０℃高温であり、第１タンクがあまり高温でない（沸騰する恐れがあるので）場合に、可変速ポンプを開始させるというものである。
【００２０】
上記の第２の論理ステートメントは、第１タンクが第２タンクより温かく、第２タンクがまだ熱すぎない場合に、第１タンクからの温水を第２タンクに送出させるというものである。固定速ポンプが開始した直後、第２タンクからの冷水が第１タンク底部を冷却し、従って、第２の論理ステートメントに違反するため、固定速ポンプは、８分間だけ作動される。換言すれば、第２の論理ステートメントにより、第１タンクと第２タンクとの間で一定量の水が交換され、従って、太陽光で加熱された水が第２タンクに移送される。
【００２１】
最後に、コントローラは、送出されたプロピレングリコールの質量流量を常に測定し、次いで、質量流量に、パネル上部温度と第１タンク底部温度との間の温度差を乗算する。この乗算は、単位時間当たりに送出される熱の尺度をもたらす。次いで、コントローラは、可変速ポンプが動作する期間に送出される全熱量を最大にするように、可変速ポンプをわずかに加速又は減速させる、一般的なヒル・ファインディング（ｈｉｌｌ−ｆｉｎｄｉｎｄ）アルゴリズムを実行する。
【００２２】
ここで説明される基本的な制御システムと共に、これからシミュレータの必要性を説明する。
【００２３】
２．シミュレータの必要性
シミュレータは、システムが配置される前にシステムを完全なものにするのに、極めて有益であることが分かっている。シミュレーションは、多くの場合、その場での（ｉｎ−ｓｉｔｕ）試験が不可能であり、失敗コストが高いために、新しい飛行機及び宇宙航行機において広範に用いられている。本出願人らは、十分に複雑であり、シミュレーション段階がない場合には、ずっと多くの時間がかかる試験及び再加工を現場で必要とする、太陽熱温水システムの例を意図的に作成した。多数の太陽周期にわたってそうした太陽熱システムを試験するためには、現場において多くの日数が必要になる。本出願人らは、熱伝達を最大にするためにヒル・ファインディング・アルゴリズムを導入した。こうしたアルゴリズムは、問題が複数の変数で構成され、明示的な解決法の特定が困難であるときに、特に有用である。太陽熱温水システムの場合、どの速度でポンプを作動させるかという問題に対する解決法は、力ずくの方法を用いて容易に算出されるものではない。例えば、可変速ポンプを加速させると、質量流量が増大し、熱伝達率が一時的に増大する。しかしながら、質量流量の増大により、太陽熱パネル（ｓｏｌａｒ  ｐａｎｅｌ）を出ていくグリコールの温度が下がることが多く、従って、質量流量×温度差の数学的積が増減し得る。具体的には、太陽熱パネルの両端の温度差の低減は、より効率的な熱伝達をもたらし、従って、可変速ポンプの加速による温度の低下は、より大きい熱流量をもたらす。同時に、この関係は、それ自体、太陽放射（つまり、時刻及び時期）並びに第１タンクの温度の関数である。ヒル・ファインディング・アルゴリズムは、これが正しく設計された場合の環境下で、最良の可変速ポンプ流量を見出すことができる。この設計は、アルゴリズム又はそのパラメータに対する変更を含むことができる。この設計は、実際の太陽熱システムを用いて現場で行われた場合には、多大な時間を必要とし得る。シミュレータを使用することで、設計時間を著しく減らすことができる。
【００２４】
システムの幾つかの動作モードは、シミュレータなしに試験することは困難である。例えば、本出願人らの太陽熱温水システムは、グリコールの圧力を監視するために圧力トランスデューサを用いる。上述のように、圧力が高すぎる又は低すぎると、異常な状況を示すことがある。シミュレータでは、通常の動作中に、そうした状態を容易に発生させ得るが、実際の動作中に、強制的にそうした状態にすることは困難であり、又は危険でもある。
【００２５】
従って、太陽熱システムのシミュレーションは、太陽熱温水制御システムの動作を完全なものにするのに必要な時間及び労力を著しく低減させることができる。本出願人らは、この必要性が、決してこの問題に特有のものではないことを指摘する。これは多くのタイプのプロセスの広範な必要性ではあるが、上述のように、シミュレータは、複雑で高価であり、制御システムへの配線が困難である傾向がある。ここで、本発明が、従来技術の手法のコスト、配線の困難さ、及び複雑さをどのように低減させるかを説明する。第１に、従来技術の複雑さについて述べ、次に、その複雑さと本発明の単純さを対比させる。
【００２６】
最後に、本出願人らは、制御システムの開発者がコントローラ又はシミュレータ・ハードウェアを物理的に所有する必要性をなくす、新しいシミュレータ・アーキテクチャの二次的な利点を記載する。本出願人らは、遠隔配置ハードウェアを使用し、それにより、ハードウェアの購入、設定時間、そして結果的に、完成した制御システムの製造の計画を低減させるモデルの基礎について説明する。
【００２７】
３．太陽熱温水シミュレータの説明
本説明は、本出願人らの例示的な太陽熱温水システムのためのシミュレータのものであるが、この説明は、制御システムのシミュレータの一般的必要性にも適用可能であることを意図している。図３を参照すると、シミュレータ６０が概略的に示されている。
【００２８】
本発明の説明は、構成可能なコネクタ付きモジュールの内部に優先的に収容される制御システムのシミュレータ・コンピュータに言及するが、この説明において、制御システムのシミュレータ・コンピュータが、構成可能なコネクタ付きモジュールに接続されることを防止するものは何もなく、ここでは、モジュールは制御システムのシミュレータを表わす電気接続のみを提供する。代替的に、システムのシミュレータの一部を、構成可能なコネクタ付きモジュール内に配置できる一方で、シミュレータの残りは、構成可能なコネクタ付きモジュールとは別個のものであるが、それでもなお接続されているコンピュータ内に配置されている。例えば、コンピュータのワークステーション上で実行される、容易に使用可能なシミュレーション言語を用いることができる。次いで、ワークステーションは、構成可能なコネクタ付きモジュールに接続される。ワークステーション・コンピュータと構成可能なコネクタ付きモジュールとの組み合わせにより、制御システム・シミュレータが構成される。
【００２９】
太陽熱システムをシミュレートするために、図２の制御システム４０が、全てのセンサ及びアクチュエータから電気的に切断される。次いで、図３の制御システム・シミュレータ６０が、制御システム４０に電気的に接続される。図４を参照すると、単に制御システム４０とシミュレータ６０との相互接続である、相互接続された太陽熱温水制御システム及びシミュレータ・システム８０が示される。制御システム・シミュレータ６０は、制御システム４０の出力を電気的に感知しなければならず、かつ、制御システム４０により感知される電気作動信号を生成しなければならない。従って、制御システム、図１の２４、２６、２８及び３０に対する温度測定センサの入力ごとに、対応するシミュレートされた温度センサの電気信号が制御システム・シミュレータにより生成され、その電気信号は、制御コンピュータに電気的に接続される。従って、制御システム・シミュレータにより、制御システム・コンピュータが電気信号を処理し、制御システムが所望のシミュレートされた温度を測定するようにすることができる。
【００３０】
類似した方法で、制御システム４０が制御システム・シミュレータ６０に電気的に接続され、制御システムのシミュレーションの作動出力が制御システム・シミュレータにより感知されるようにする。従って、図１の構成のシミュレーションを参照すると、制御システムが固定速ポンプ２２をオンにした場合、制御システム・コンピュータの電気出力が、制御システム・シミュレータにより電気的に感知され、次いで、制御システム・シミュレータは、適切な行動を取ることができる。可変速ポンプ１２の場合、制御システム・コンピュータの出力は、共通の４乃至２０ｍＡの信号のような、連続的に変化する信号である。この制御システムの作動信号は、制御システム・シミュレータにより感知され、次いで、シミュレータは、制御システム・コンピュータからのこの信号に適切に応答する。適切な応答として、シミュレータが、質量流量センサ１８を表わす電気信号を生成することが挙げられる。流量センサは、一連の電気パルスを生成できることもでき、パルスの周波数は流量に比例する。本例においては、流量に比例する電圧を生じさせる単純な流量計に一般的であるように、制御システム・シミュレータは、プロピレングリコールの流れを正確に表わす電圧を生じさせることができ。これまで説明されたシステムにおいて、プロピレングリコールの流量は、可変速ポンプの速度に比例する。
【００３１】
制御システム・シミュレータによる適切な応答として、太陽熱パネル１０の上部の測定温度が、より低い値を記録し、第１タンク１６の底部の測定温度が、太陽熱パネル１０から第１タンク１６内の熱交換機１４の中に送出される高温のグリコールを表わすより高い値を記録することも挙げられる。
【００３２】
４．太陽熱温水シミュレータの動作
動作中、システム・シミュレータ６０は、制御システム・コンピュータ４０に電気的に接続される。制御システム・シミュレータ６０は、その出力を、シミュレータのユーザが定めるような適切な初期条件に設定する。この場合、例えば、パネル上部の温度２４は、２０℃の夜明け前温度（ｐｒｅｄａｗｎ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）に設定することができ、第１タンク底部の温度２６は、３０℃の典型的な夜明け前温度に設定される。第１タンク上部の温度２８は、第１タンクの夜明け前温度を示す４０℃とすることができる。第２タンク底部温度３０もまた、夜明け前温度を表わす３０℃とすることができる。
【００３３】
制御システム・コンピュータ４０が制御システム・シミュレータ６０に電気的に接続されているので、制御システム・コンピュータは、これらのシミュレートされた温度を電気的に感知する。これらの初期条件に基づいて、制御システム・コンピュータは、前述の論理ステートメントを評価し、可変速ポンプ１２及び固定速ポンプ２２の両方をオフにするように、出力作動信号を設定する。従って、制御システム４０は、アイドル状態になり、日が昇ったときに太陽熱エネルギーが到来するのを待つ。
【００３４】
このタイプの制御システムのシミュレーションについて、共通の戦略は、日の出をシミュレートすることである。図４に示される制御システム・シミュレータ・コンピュータ６０は、太陽熱パネル１０の段階的な加熱を表わすパネル上部温度の作動信号８３を徐々に増大させる。あらゆるシミュレータの常として、加熱率は、制御システム・シミュレータ・プログラムにおいて指定される。
【００３５】
制御システム・コンピュータ４０は、パネル上部温度の作動信号８３の増大を感知する。ある時点において、第１タンク底部温度２６とパネル上部温度２４との間の差が１０℃を超えたときに、第１の論理ステートメントが真になる。この時点で、制御システム・コンピュータ４０は、信号８１を介して、可変速ポンプ出力４２をオンにし、これを初期速度に設定する。
【００３６】
制御システム・シミュレータ６０は、制御システム・コンピュータにより生成される可変速ポンプの作動信号８１に電気的に接続される。可変速ポンプをオンにするための、制御システムからの信号に応答して、制御システム・シミュレータは、その内部プログラムにより指定される２つのことを行う。第１に、制御システム・シミュレータは、シミュレートされた流量計の出力信号８９によって可変速ポンプの設定速度に比例する電圧を生成し始め、それによりグリコール質量流量計の出力がシミュレートされる。第２に、制御システム・シミュレータは、制御システム４０により設定された可変速ポンプの速度が提供された場合にもたらされる他の温度への変化を算出し始める。例えば、第１タンク底部の温度２６及び第１タンク上部の温度２８は、第１タンク１６の熱交換器１４への高温のプロピレングリコールの所与の流れを増大し始める。その温度への変化量は、制御システム・コンピュータにより設定された可変ポンプ流量、及び、太陽熱パネルに当たるシミュレートされた増大する太陽放射の両方の関数である。さらに、第１タンク温度のその温度への変化量は、温水の使用を表わす、第１タンクから引き出されたあらゆる温水の関数である。引き出された温水は、冷水に置き換えられ、それにより、第１タンク１６の温度が低下する。
【００３７】
制御システム４０は制御システム・シミュレータ６０の行動に応答し、最初に、シミュレートされたグリコールの流量計信号８９からの測定された質量流量に注目する。制御システム・コンピュータは、単位時間当たりに伝達された熱を計算することで開始する。この計算は、グリコールの質量流量にパネル上部と第１タンク底部との間の温度差を乗算することによって行われる。この計算の単位は、例えば、ｋＷ／時又はＢＴＵ／時のように、太陽熱システムのユーザにより指定することができる。
【００３８】
次いで、制御システム・コンピュータ４０は、単位時間当たりに伝達される熱を統合し、それにより、伝達された熱エネルギーの尺度を生成する。この計算の単位も同様に、例えば、ｋＷ／時又はＢＴＵ／時のように、太陽熱システムのユーザにより指定することができる。
【００３９】
次に、制御システム・コンピュータ４０は、ヒル・ファインディング・アルゴリズムを実行し続け、信号８１を用いて可変速ポンプ１２を加速又は減速することによって、エネルギー流量を最大にする。
【００４０】
プロセスは、シミュレートされる日を通して継続する。ある時点で、十分な太陽放射が与えられた場合、制御システム・コンピュータ４０は、固定速ポンプ２２をオンにし、温水を第２タンク２０に移送すべきであると判断することができる。
【００４１】
固定速ポンプ２２の制御システム・コンピュータ４０による作動に応答して、制御システム・シミュレータ６０は、上述のように、第２タンク２０の温度を上昇させると同時に第１タンクの底部温度を低下させる。
【００４２】
最も単純な場合、このプロセスは、シミュレートされる日を通して継続する。例えば、曇り又は雨の日をシミュレートする又は水を第１タンク又は第２タンクのいずれかから引き出すことをシミュレートするといった複雑さの増大が、制御システム・シミュレータに導入され得る。しかしながら、この複雑さは、さらなる潜在的な複雑さを示すにすぎず、こうしたシミュレータがもたらす価値を再び強調する以外は、この議論において重要ではない。こうしたシミュレータを用いる一番の価値は、明確な解決法を制御システム・コンピュータに予めプログラムできないという事実によって生じる。むしろ、制御システム・プログラムは、その出力の対応する変更を作成することにより、その入力における変更に応答するようにしか設計するができない。変更に対する１対１の結果は、めったにない。例えば、ある１日において、パネル上部温度の増加に応答して、固定速ポンプを加速することが、熱伝達率の増加をもたらすことがある。異なる初期条件を有する別の日においては、反対のことが当てはまり得る。従って、シミュレータにより、その状態空間又は動作条件の範囲下で、制御システムを実行することが可能になる。こうしたシミュレーションの実行の全体的な目標は、種々の天候及び動作条件下で、職場又は家庭における温水システムに伝達される太陽熱のエネルギー量を最大にできる制御システム・コンピュータ・プログラムを設計することである。
【００４３】
ａ．従来技術の太陽熱温水シミュレータ・コンピュータの従来技術の太陽熱温水制御システム・コンピュータへの相互接続についての説明
図４を参照して、ここで、従来技術の温水シミュレータ・コンピュータ６０と、従来技術の太陽熱温水制御システム・コンピュータ４０との間の電気接続８０について説明する。８つのデバイス、すなわち６つのセンサと２つのアクチュエータが、通常、太陽熱温水制御システム・コンピュータ４０に接続される。これら８つのデバイスの機能をシミュレートするために、これらの８つのデバイスの代わりに、制御システム・シミュレータ・コンピュータ６０が電気的に接続される必要がある。
【００４４】
デバイス＃１、可変速グリコールポンプ信号８１：グリコールポンプ１２の速度を設定するために、共通の４−２０ｍＡの信号が、太陽熱温水制御コンピュータ４０により用いられる。従って、４ｍＡの信号は最低速度を要求し、一方、１２ｍＡは半分の速度を要求し、２０ｍＡは最高速度を要求する。４ｍＡと２０ｍＡとの間の値は、比例的な速度要求を表わす。従来技術において一般的であるように、太陽熱温水制御コンピュータ上の電流出力モジュール４１に電力を与えなければならない。２つの付加的なワイヤが、電流出力信号８１を、太陽熱温水シミュレーション・コンピュータ６０上の電流入力モジュール６１に接続する。同じく従来技術において一般的であるように、太陽熱温水シミュレータ・コンピュータ上の電流入力モジュール６１に電力を与えなければならない。２つのワイヤ８１が、太陽熱温水制御コンピュータ４０と太陽熱温水シミュレータ・コンピュータ６０との間に延びる。さらに、２つのワイヤは、前述の２つのモジュールの各々を、それぞれのデバイス電源４２及び６６に接続しなければならない。
【００４５】
デバイス＃２、グリコール圧力トランスデューサ信号８２：グリコール圧力信号８２を生成するために、共通の４−２０ｍＡ信号が、グリコール圧力トランスデューサ３２によって用いられる。信号及び配線は、１つのワイヤが太陽熱温水制御コンピュータ４０と太陽熱温水シミュレータ・コンピュータ６０との間に延びるという点で、デバイス＃１の場合とは異なる。この違いは、グリコール圧力トランスデューサ３２のような大部分の圧力トランスデューサがいわゆるループ電源式であり、従って、シミュレータ・コンピュータ６０によって内部で発生する電力信号が予想されるという事実を反映する。さらに、２つのワイヤは、２つのモジュールの各々をそれ自体のデバイス電源４２及び６６に接続しなければならない。
【００４６】
デバイス＃３、グリコール質量流量計信号８９：電圧信号は、流れの情報を太陽熱温水制御コンピュータ４０に伝送するために、グリコール質量流量計１８により用いられる。質量流量計１８は、当技術分野で一般的であるように、流量に比例した電圧を生成する。太陽熱温水制御コンピュータのデバイス電源４２を太陽熱温水シミュレータ・コンピュータのデバイス電源６６に接続するのを防止するように、慎重な配線が必要とされる。このように注意が必要である理由は、太陽熱温水制御コンピュータは、グリコール質量流量計に接続されたときに電力を供給しなければならないためである。しかしながら、太陽熱温水シミュレータ・コンピュータが接続されたとき、シミュレートされた流れ信号を発生させるための電力は太陽熱温水シミュレータ・コンピュータのデバイス電源６６から生じるため、この電力信号を除去する必要がある。２つのコンピュータを接続するために、５つのワイヤを接続する必要がある。
【００４７】
デバイス＃４、パネル上部温度センサの信号８３：共通の４−２０ｍＡ信号は、４つの温度センサを太陽熱温水制御コンピュータに接続するのに用いられる。太陽熱温水シミュレータ・コンピュータ６０が温度センサの代わりに接続された場合、太陽熱温水シミュレータ・コンピュータ６０の電流出力モジュール回路６３及び太陽熱温水制御コンピュータ４０の電流入力モジュール回路４３の両方が電力を必要とするため、電力を慎重に考慮しなければならない。しかしながら、２つのデバイス電源４２及び６６が接続された場合には、２つの電源が不安定になり、システム故障を引き起こすことがある。従って、共通の接地基準接続８４を介して、２つのデバイス電源を慎重に参照する必要がある。ワイヤ８４は、４−２０ｍＡの信号を太陽熱温水制御コンピュータ４０から太陽熱温水シミュレータ・コンピュータ６０に伝える。前述のデバイスの電源をそれぞれの電流モジュール回路に接続するために、２つの付加的なワイヤ４５、６５が用いられる。ここでの本出願人らの説明は、各々の電流入力チャネルを互いから隔離することが一般的であるという点で、実際には、大部分の従来技術のシステムより単純である。従って、個々の電源及び配線を必要とすることがある。本出願人らは、予測し得るよりも少ないワイヤを示す。
【００４８】
デバイス＃５、第１タンク上部温度センサの信号８５：デバイス＃４と同じである。
デバイス＃６、第１タンク底部温度センサの信号８６：デバイス＃４と同じである。
デバイス＃７、第２タンク底部温度センサの信号８７：デバイス＃４と同じである。
デバイス＃８、固定速ポンプの作動信号８８：共通の２４ＶＤＣ論理を用いるデジタル又はオン／オフ信号が、太陽熱温水制御コンピュータ４０により生成される。
【００４９】
ｂ．本発明の太陽熱温水シミュレータ・コンピュータの太陽熱温水制御システム・コンピュータへの相互接続についての説明
ここで、前述の例示的な太陽熱温水制御システム及び従来技術のシミュレータを用いて本発明と従来技術を対比させる。図５を参照して、本発明のシミュレータへの太陽熱温水制御システムの相互接続を示す。
【００５０】
好ましい実施形態において、構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュール９０が、２５本のピンの入力／出力コネクタ９１を含む。何れの数のピンを用いてもよく、商業的及び技術的ニーズにより、適切な数が駆動される。構成可能なコネクタ付きモジュールはまた、モジュール電源９３に接続される電源コネクタ９２も含む。電力コネクタを通したモジュール電源からの電力には、２つの目的がある。第１に、モジュール電源９３からの電力は、制御システム・シミュレーション・コンピュータに通電するために用いられる。第２に、電力はまた、構成可能な方法及びデバイスを介して、前述の入力／出力コネクタ９１の特定のピンに選択的に送られる。構成可能なデバイスを介して電力を選択的に送ることができず、従って同じ結果を実現するためにケーブル布線又は配線を必要とする従来技術との違いを記載する。また、構成可能なコネクタ付きモジュールのあらゆるピンを、入力若しくは出力、又は電力、又は接地として設定することができ、入力及び出力信号は、２、３例を挙げると、種々の電圧、電流、又は周波数を含む種々の形態のものである。さらに、電力は、本発明の用途が要求し得るような、５ボルト、２４ボルト、又は他の電圧といった種々の電圧のものとすることができる。
【００５１】
第３のコネクタ９４は、イーサネット（登録商標）のようなネットワーク接続をもたらす。ネットワーク接続を用いて、ソフトウェアをロードし、パラメータを調整し、シミュレーション・プロセスを視覚化し、シミュレーション結果を記録する。本明細書で前述したように、本説明のいずれも、構成可能なコネクタ付きモジュールから、シミュレーション・コンピュータの機能の一部又は全てを論理的に分離することを排除するものではない。特に、大きい又は複雑なシミュレーションでは、より大きいシミュレーション・コンピュータ又は複数のコンピュータを用いることにより、より良好な結果がもたらされ得る。しかしながら、そうした場合にも、モジュールは、依然として制御システム・シミュレータを表わす電気的接続方法及びデバイスを提供し、それにより、配線を単純化し、シミュレータの機能を実現するのに必要な設定時間及びシミュレータのハードウェアの量を減らすことによる本発明の利点が提供される。
【００５２】
図５に示されるような構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュール９０の太陽熱温水制御コンピュータ４０への相互接続は、図４に示される従来技術のものより著しく単純である。各々の図において、同じ数の信号８１−８９が太陽熱温水コンピュータ４０とシミュレータ・コンピュータ６０とを相互接続するが、図５に示される本発明と比較すると、図４の従来技術のシステムにおいては、１０の付加的なワイヤを手で配線し、第２の電源を取り付けなければならない。図５の本発明は、標準的なケーブルを構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュール９０に取り付けることができ、前述のケーブルのワイヤ端部を太陽熱温水制御コンピュータ４０に接続することができる、構成可能なコネクタ付きされた方法及びデバイスを用いる。第２のデバイス電源４２は、前述の通り不要である。従って、本発明のシステムはより単純であり、必要とする相互接続部がより少なく、多くのハードウェア・コンポーネントを排除する。
【００５３】
本発明の構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュールのさらなる利点が、従来技術の入力及び出力モジュールの低減により示される。図４を参照すると、シミュレータ・コンピュータ６０は、６１及び６３のような４つの異なる入力／出力モジュールを用いることが留意される。こうしたモジュールは、大きくかつ高価であり、それぞれのモジュール上で使用可能な入力及び出力信号の数が考慮される場合には、十分に利用されない。対照的に、図５における本発明のシステムは、単一の構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュール９０を使用し、このモジュールは、進歩性により、そのコネクタ・ピンのいずれかに必要とされる信号及び電力のいずれかを供給することができ、それによってハードウェア・コンポーネント、従って空間及び費用の著しい削減が提供される。
【００５４】
最も一般的な実施において、本発明は、一般的に過去５０年間使用され、今日広範に用いられている制御システムに電気的に接続される。しかしながら、構成可能なコネクタ付き入力／出力システムの発明と共に、新しい制御システム・アーキテクチャが、多数の制御システム用途に適用されてきた。本発明のシミュレータが、構成可能なコネクタ付き入力／出力システムにより実現される制御システムと組み合わされた場合、大きな利点がもたらされる。ここで、本発明が、構成可能なコネクタ付き入力／出力システムにより実現される制御システムと組み合わされたシステムを説明する。
【００５５】
ｃ．構成可能なコネクタ付き入力／出力システムを用いる太陽熱温水制御システム・コンピュータへの、本発明の太陽熱温水シミュレータ・コンピュータの相互接続についての説明
太陽熱温水シミュレータの例証的な例に説明されたように、本発明の優位性は、ハードウェア・コンポーネントの削減、配線の複雑さの削減、その結果としての労働の著しい削減で示された。ここで、このシステムと、本発明の太陽熱温水シミュレータ及び構成可能なコネクタ付き入力／出力によって実現された太陽熱温水制御システムの両方を用いるシステムとの間で同様の比較を行った場合、同様の程度の改善を示すことができる。ここでは、そうした比較を提供する。
【００５６】
図６を参照すると、太陽熱温水シミュレータ・コンピュータ６０は、図５とは変わらないことが分かる。しかしながら、図５における太陽熱温水制御コンピュータ４０を実現するのに必要とされるハードウェアの大きな集合体が、図６において著しく削減されている。複雑さの低減は、太陽熱温水制御コンピュータ４０の機能をもたらすために構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュール９０を用いる直接的な結果である。図５の従来技術の制御システム４０は、２つの電源、端子ブロック、及び２０個のワイヤを必要としたが、図６の太陽熱温水制御システム４０は、１０個のワイヤのみを必要とし、端子ブロック、慣例的なケーブル布線又はワイヤ・ハーネスを必要としない。さらに、モジュール電源９３は、ここでは、太陽熱温水制御システム４０と太陽熱温水シミュレータ６０との間で共有され、さらなる単純化をもたらすことができる。
【００５７】
制御／シミュレータ・システムをもたらすために２つの構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュール９０を用いる付加的な利点が、２つの構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュール９０を相互接続するために標準的なケーブル９５が用いられる、図７に示される。標準的なケーブルは、単なるケーブルであり、各ピンがワイヤを介してケーブルの他方の端部上のピンに接続される。こうしたケーブルは、多数の店舗及びウェブサイトで市販品を購入することができる。標準的なケーブルは単純なデバイスであるが、本説明では、ケーブルが１つ、２つ又は２つより多いコネクタを用いる、又は、種々のワイヤが信号又は電源線の使用を改善するように組み合わされた若しくは接続された、他のタイプのケーブル相互接続部の使用を制限するものはない。それにもかかわらず、標準的なケーブル９５の使用により、太陽熱温水制御システム及び太陽熱温水シミュレータが著しく単純化され、その費用が削減される。
【００５８】
従って、構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュールは、あらゆるコネクタ・ピン上に信号及び電力を送る能力によって、シミュレーション・コンピュータ又はシミュレーション・コンピュータ及び制御コンピュータの組み合わせについての、システムを組み立てるための配線の複雑さ、必要とされる部品の数、及び労働量の著しい削減を可能にする。構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュールを以下で説明する。
【００５９】
図８において、ブロック図が、センサ及びアクチュエータ８０−８４をシステム・コントローラ７２に接続する入力／出力システム６５を含む構成可能なコネクタ付きシステムを示す。構成可能な入力／出力システム６５は、入力／出力モジュール６６を含み、このモジュールは、随意的にエンクロージャ内に取り付けられるか又はバックプレーンにプラグ接続された１つ又はそれ以上の回路基板である。モジュール６６は、１つ又はそれ以上のデバイス通信コネクタ６９を含む。デバイス通信コネクタ６９は、単一のコンダクタ又はプラグ式コネクタを接続できる単純な端子ブロック・コネクタとすることができる。プラグは、１つ又は多数のコンダクタを保持することができる。明確にするために、図８は、デバイス通信コネクタ６９の全てが単一のコンダクタを保持する最も一般的な場合を示す。コンダクタ６８は、デバイス８０−８４を構成可能な入力／出力モジュール６６に相互接続する。デバイスは、デバイス通信コネクタ６９に類似していても又はしていなくてもよいデバイス端部コネクタ７１を含むことができる。コンダクタ６８は、随意的に、それぞれの入力／出力モジュールデバイス通信コネクタ６９及びデバイス端部コネクタ７１にそれぞれ嵌合する、固定されたコネクタ６９Ｂ及び７１Ｂを有することができる。代替的に、コンダクタ６８は、コネクタ６９Ｂ及び／又は７１Ｂをもたず、デバイス通信コネクタ６９及び／又はデバイス端部コネクタ７１に直接接続される。上述のように、例えば、こうした直接接続は、端子ブロック・コネクタを用いることができる。コンダクタ６８は、ケーブルにグループ化することができる。ケーブル６８Ｂの全てが同一であることが好ましいが、本発明は、異なる数及び構成のコンダクタを有するケーブル６８Ｂも可能にする。デバイス通信コネクタ６９及びデバイス端部コネクタ７１も同様に、ケーブルのコンダクタ数に適合するようにグループ化することができる。そうすることにより、ケーブル全体をデバイス又は入力／出力モジュール又はその両方に接続する／そこから切断することができる。
【００６０】
別の代替的手法においては、デバイス端部コネクタ７１が全く用いられず、これは例えば、いずれかのデバイス８０−８４が、コンダクタ６８が既にデバイスに取り付けられたピグテール構成で製造された場合に起こる。こうした場合、ピグテールを、端子ブロックとすることができるデバイス通信コネクタ６９に直接接続することができる。代替的に、ピグテールは、コンダクタの端部に取り付けられたコネクタ６９Ｂを有することができ、コネクタを、デバイス通信コネクタ６９に直接接続することができる。
【００６１】
コネクタ６９Ｂ及び７１Ｂは、圧着、はんだ付け、溶接、蝋付け、又は同様に固定されることにより、コンダクタ６８に取り付けることができる。代替的に、コンダクタは、例えば、ねじ式又はばね式端子ブロックを用いて直接クランプすることができ、従って、一方又は両方の嵌合するコネクタ６９Ｂ及び７１Ｂの必要性がなくなる。
【００６２】
構成可能な入力／出力モジュール６６は、マイクロプロセッサ８２と、内部電源インジケータと、インターフェース装置９７とを含む。内部電源９１は、電力をインターフェース装置９７に与え、それによって電力を入力／出力モジュール６６からデバイス８０−８４に供給することが可能になる。内部電源９１もまた、モジュール６６の全てのコンポーネントの動作に電力を提供する。内部電源９１は、外部電源７９に接続される。図１０を参照して、インターフェース装置９７が以下で詳細に説明される。マイクロプロセッサ８２は、構成可能な入力／出力モジュール６６とデバイス８０−８４との間、及び、モジュール６６とシステム・コントローラ７２との間で、信号を特定的に指向させるようにプログラム可能である。マイクロプロセッサは、バッファ・メモリ９２を含む。コントローラ通信コネクタ７６は、モジュール６６とシステム・コントローラ７２との間の通信のために、ネットワーク接続７８（好ましくは、イーサネット）への接続を提供する。ネットワーク接続７８は、ケーブルを容易に入力／出力モジュール６６に取り付けること及びこれから切り離すことを可能にする標準的なコネクタ７６Ｂを有するケーブルとすることができる。ネットワーク接続７８は、代わりに、バックプレーン・コネクタとすることができ、例えば、モジュール６６をＰＬＣ若しくは埋め込みコントローラのバックプレーンにプラグ接続すること、又は、モジュールが埋め込みコントローラとして機能することができる。ネットワーク接続７８はまた、本発明の本質から逸脱することなく、無線技術を用いることもできる。システム・コントローラ７２は、複数の構成可能な入力／出力モジュール６６を調整するために用いられることが多い。しかしながら、構成可能なＩ／Ｏモジュール６６は、システム・コントローラ７２への接続なしに動作することができる。本発明の教示から逸脱することなく、構成可能な入力／出力モジュール６６は、いわゆる埋め込みコントローラとして働くことができ、より大きいシステムの一部である回路基板とすることができ、又は、それ自体でシステム・コントローラとして機能することができる。
【００６３】
図８を参照すると、４つの異なるセンサ及びアクチュエータが、本発明の単一の構成可能な入力／出力モジュールに接続された状態で示される。具体的には、ソース（ｓｏｕｒｃｉｎｇ）センサ８０、シンク（ｓｉｎｋｉｎｇ）・センサ８１、及び、一方はソース出力回路（８３及び８４を参照されたい）により駆動されるように設計され、一方はシンク出力回路（８２を参照されたい）により駆動されるように設計された２つのアクチュエータ・タイプが、構成可能な入力／出力モジュール６６に接続される。対照的に、同等の従来技術のシステムは、４つの異なる入力／出力モジュールを必要とする。本発明は、単一の構成可能な入力／出力モジュール６６によりこの要件を達成する。さらに、従来技術のシステムは、入力／出力モジュールから電力を供給しないが、本発明は、電力及び接地電流を供給する構成可能なＩ／Ｏ接続を用いる。最後に、従来技術システムは、４つの異なる入力及び出力モジュールの回路を十分に用いないが、本発明は、構成可能な入力／出力モジュールの全ての必要な接続を用いる。図８に示されるシステムにおいては、３つの構成可能な入力／出力チャネルが、このセンサ及びアクチュエータの組に必要とされないことに留意すべきである。従って、これらの３つのチャネルは、将来これらが必要になった場合に、付加的なセンサ及びアクチュエータに使用可能である。
【００６４】
図８は、従来技術に優る本発明の優位性を示す。本発明を用いる場合、従来技術と同じ有用性を達成するために必要とされる接続は、ずっと少ない。さらに、本発明の入力／出力モジュールの効率的な利用が達成され、分散型制御アーキテクチャをより魅力的なものにしちる。
【００６５】
図９は、図８のシステムの配線レイアウトを示す。コンダクタは、４つのデバイスに対応する４つのグループで示される。各グループにおけるコンダクタを、うまい具合に結合して１つのケーブルにすることができ、従って、４つの同一のケーブルを用いることができる。図９は、本発明の構成可能な入力／出力モジュールの別の利点を示す。従来技術の配線は、必然的に、単純化の試みに反する複雑なワイヤ・ハーネスであったが、本発明の配線は、例えば、センサ及びアクチュエータの各々について別個の単純なケーブルで構成された効率的かつ単純なものである。所望の信号を所望のコンタクトの上に向けることができるため、構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュールの性質は、一般に、標準的な同一のケーブルの組を使用することを可能にする。このケーブル布線の単純化は、明らかに、標準的なケーブルを支持して、手作業配線された端子ブロック・コネクタとケーブルとの間の均衡を崩す。従って、本発明は、制御システムを配線する費用及び複雑さを低減させる。従来技術を本発明と比較することにより、本発明の単純化されたワイヤ・パターンが、ケーブルで接続され、コネクタ化された配線システムをどのように助長するかが明確に示される。４つの同一のケーブルの使用を可能にすることにより、センサ及びアクチュエータの構成可能な入力／出力モジュールへの接続が大きく単純化される。
【００６６】
さらに、本発明は、入力／出力チャネルの利用、並びに、配線に必要とされる空間の縮小を著しく改善することが明らかである。これらの利点のどちらも、集中制御システムを用いる必要性を減らし、代わりに、長い間求められてきた分散型制御システム・アーキテクチャを実用的なものにする。
【００６７】
本発明は、センサ及びアクチュエータに接続するための標準的なケーブルの使用を容易にする。しかしながら、この構成は標準的なケーブル接続の最も単純なものであるため、手作業で配線された、単一コンダクタの端子ブロック・コネクタの使用を排除するものではない。入力／出力システムの一部のユーザは、手作業で接続された単一のコンダクタ・システムの方を好む。本発明は、そうしたシステムを著しく単純化し、結果として、入力／出力モジュールのはるかに良好な利用をもたらす。
【００６８】
図１０は、インターフェース装置９７のより多くの詳細と共に入力／出力モジュール６６を示す。構成可能な入力／出力モジュール６６は、いずれかの数のインターフェース装置９７Ａ、９７Ｂ、９７Ｃ．．．を含むことができる。各々のインターフェース装置は、１つのデバイス・コネクタ６９に接続され、随意的には、内部クロスポイント・スイッチを通して別のインターフェース装置に接続される。（図１１及び関連の説明を参照されたい。）各々のインターフェース装置は、各々が継電器（ｒｅｌａｙ）を有するいずれかの数の相互接続装置を含むことができる。図示される特定の実施形態においては、１２個の相互接続装置及び対応する継電器Ｒ１−Ｒ１２がある。インターフェース装置９７Ａは、複数の信号のいずれかを送り、それらをデバイス・コネクタ６９に接続することができる。図１０は、高度に定型化され、本発明の本質を伝えることが意図される。図１０に示されるインターフェース装置は、相互接続装置を含み、継電器Ｒ１−Ｒ１２は、好ましい実施形態においてはトランジスタにより実現される。
【００６９】
図１１に示されるもののような相互接続装置を含むインターフェース装置は、集積回路（ＩＣ）として構成することができる。ＩＣは、Ｉ／Ｏモジュール６６内で、デバイス・コネクタ６９ごとに繰り返される。従って、２５個のデバイス・コネクタ６９がある場合には、２５個のＩＣが用いられる。いずれのモジュールもいずれの数のデバイス・コネクタ６９を含むことができるように、モジュール６６は、あらゆる数のＩＣを含むことができる。別の実施形態は、各々のＩＣ内で多数のデバイス・コネクタ６９を処理するか、又は複数のＩＣを用いて１つ又はそれ以上のデバイス・コネクタを処理する、異なるＩＣアーキテクチャを用いることができる。ＩＣを用いた結果として、現代の半導体プロセスによりもたらされた小型化のために、モジュール６６のサイズ及びこれを構築する費用が著しく削減される。
【００７０】
図１１は、インターフェース装置９７Ａを実現することができる集積回路のブロック図である。集積回路１９８は、相互接続装置の役割を果たすように特別に設計されており、従って、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）と呼ぶことができる。このＡＳＩＣは、相互接続装置の機能を与えるように特別に設計されている。将来のある時点で、こうしたＡＳＩＣは、集積回路供給業者の標準的な製品となり得る。従って、本明細書で用いられるＡＳＩＣという用語は、インターフェース装置として機能するように設計された標準的な集積回路を含む。さらに、本明細書で用いられる集積回路（ＩＣ）という用語は、以下のデバイスの範囲、すなわち、ＡＳＩＣ、ハイブリッドＩＣ、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）ハイブリッドＩＣ、マルチチップ・モジュール（ＭＣＭ）、及びシステム・イン・パッケージ（ＳｉＰ）デバイスをカバーすることが意図される。ハイブリッドＩＣは、（モノリシック）ＩＣと同じ機能を提供する小型化された電子回路である。ＭＣＭは、少なくとも２つのＩＣを含み、本発明のインターフェース装置は、要求される機能が多数のＩＣ間で割されるＭＣＭにより実現することができる。Ｃｈｉｐ  Ｓｔａｃｋ  ＭＣＭとしても知られるＳｉＰは、単一のパッケージ又はモジュール内に収められる多数のＩＣである。ＳｉＰは、ＭＣＭと同様に、本発明において用いることができる。理論上、プログラマブル論理デバイスを用いて、本発明のインターフェース装置を実現することができる。しかしながら、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のような、現在利用可能なプログラマブル論理デバイスは、その使用を望ましくないものにする多数の機能上の制限を有し、例えば、ＦＰＧＡは、例えば、電力又は接地を所与のピンに送ることができない。
【００７１】
図１１は、ピン・ドライバＡＳＩＣ１９８のブロック図を示す。ＳＰＩインターフェースなどのシリアル通信バス２０６によりマイクロプロセッサ８２に接続されると、図１０のマイクロプロセッサ８２は、ＡＳＩＣ１９８に、相互接続装置９７Ａの回路の機能を実行するように命令することができる。図１１の回路は、相互接続装置９７Ａとは異なるように見えるが、ＡＳＩＣ１９８は、これと同一又は類似の必要とされる機能を実行することができる。図１０は、本発明の本質を伝えることを意図する幾分理想化された図であるが、図１１は、ＡＳＩＣ内に配置される、より多くの回路素子を含む。それにもかかわらず、図１１は、図１０の全ての回路素子を実装する。例えば、図１０は、デバイス通信コネクタ６９に接続可能なデジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ又はＤＡＣ）を示す。図１１において、デジタル・アナログ変換器２２６は、スイッチ２２０を介して、出力ピン２０８に接続される。本発明は、これと同一又は類似の目的のために、ＡＳＩＣ１９８用の他の回路構成も含む。当業者であれば、こうした種々の回路を設計する方法と、これらが本発明に含まれることが分かるであろう。
【００７２】
図１１のＡＳＩＣの例示的な特徴をここで簡単に説明する。大電流スイッチ２２２ｂを閉じて、電源セレクタ２２７を、２４ボルト、１２ボルト、接地、又はマイナス１２ボルトのような利用可能な電源電圧のいずれかに設定することにより、電力をピン２０８に印加することができる。
【００７３】
ＡＳＩＣは、小電流スイッチ２２２を閉じて、アナログ・デジタル変換器２１６で変換された電圧を読み取ることにより、ピン２０８上の電圧を測定することができる。
【００７４】
熱電対温度センサは、点／ピン２０８においてＡＳＩＣ１９８に直接接続することができ、このセンサは非常に低い電圧信号を発生させる。クロスポイント・スイッチ２１０により、高精度差動増幅器２１２が熱電対の両方のリード線に接続することが可能になり、熱電対の一方のリード線は、コネクタ６９（図１０）のピンに接続されたノード／ピン２０８に接続され、熱電対の第２のリード線は、４方向クロスポイントＩ／Ｏコネクタ２１４に接続された、コネクタ６９の別のピンに接続される。従って、クロスポイント・スイッチ２１０により、コネクタ６９の２つの隣接したピンを、差動増幅器２１２を介して、同じアナログ・デジタル変換器２１６に接続されることが可能になる。
【００７５】
図１１において、ＡＳＩＣ１９８は、「Ｐｉｎ」と表記されたノード２０８に流れ込むか又はそこから流れ出す電流の量を測定する能力を有する。この場合、ピン・ドライバ回路１９８は、そのＡ／Ｄ変換器を用いて、ピン・ノード２０８に流れ込むか又はそこから流れ出す電流を測定し、それによって、過剰な電流を検出できるようにするか、又は、ピン・ノード２０８に接続されたデバイスが正しく機能しているか若しくは正しく配線されているかを検出する。
【００７６】
ＡＳＩＣ１９８はまた、ピン・ノード２０８に流れ込むか又はそこから流れ出す電流を監視して、回路１９８を一方的に切り離し、それによって、短絡又は他の潜在的に損傷を与える状態からＡＳＩＣ１９８を保護する能力もある。ＡＳＩＣ１９８は、いわゆる「乱用検出回路（ａｂｕｓｅ  ｄｅｔｅｃｔ  ｃｉｒｃｕｉｔ）」２１８を用いて、潜在的にＡＳＩＣ１９８に損傷を与え得る電流の急激な変化を監視する。小電流スイッチ２２０、２２１及び２２２と、大電流スイッチ２２２ｂは、乱用検出回路２１８に応答して、ピン２０８を切り離す。
【００７７】
ＡＳＩＣ１９８の乱用検出回路２１８は、ピン２０８に対して電流制限を設定する能力を有し、電流制限は、マイクロプロセッサ８２によりプログラム上で設定される。これは、選択２２４により示される。
【００７８】
ＡＳＩＣ１９８は、マイクロプロセッサ８２が、ピン・ノードに接続されたデジタル入力の状態を判断するのを可能にするために、ピン・ノード２０８の電圧を測定することができる。それにより、デジタル入力の閾値を、ハードウェアで定めるのではなく、プログラムすることができる。デジタル入力の閾値は、デジタル・アナログ変換器２２６を用いて、マイクロプロセッサ８２により設定される。デジタル・アナログ変換器２２６の出力は、ラッチ比較器２２５の一方の側に適用される。ラッチ比較器２２５への他の入力は、ピン２０８から送られ、デジタル入力を表わす。従って、ピン２０８へのデジタル入力の電圧が、デジタル・アナログ変換器により設定された閾値を超えるとき、マイクロプロセッサ８２は、その入力の変化を決定し、従って、デジタル入力の状態が変化したと推定することができる。
【００７９】
ＡＳＩＣ１９８は、周波数信号を受け取るか又は生じさせることもできる。例えば、プリンタなどのシリアル通信デバイスがピン２０８に接続された場合には、周波数信号は、小電流スイッチ２２１を通って、そこから周波数情報を解釈できる汎用非同期送受信回路（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ｒｅｃｅｉｖｅｒ  ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ、ＵＡＲＴ）又は類似の回路素子（図示せず）に送ることができる。モジュール６６（図１０を参照されたい）中のＡＳＩＣ１９８の全ては、周波バス２３０を構成する４本のワイヤのうちの１本に、その周波数情報を送ることができる。周波バス２３０を用いることにより、モジュール６６は、シングルエンド又は差動信号のいずれかとして構成された周波数信号を受送信することが可能である。ＲＳ−４２２のようなシリアル電気規格は、差動シリアル情報を提供する。
【００８０】
ＡＳＩＣ１９８は、ピン・ノードにおける電流源を生成することができ、電流源は、種々の産業用制御デバイスを接続する標準的な方法である。ＡＳＩＣ１９８は、４−２０ｍＡ及び０−２０ｍＡの標準的な範囲にわたって変化する信号を生成することができる。この電流源手段は、マイクロプロセッサ８２が、デジタル・アナログ変換器２２６に電圧を生じさせ、その電圧を、選択可能なゲイン電圧バッファ（Ｓｅｌｅｃｔａｂｌｅ  Ｇａｉｎ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｂｕｆｆｅｒ）又は電流ドライバ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｄｒｉｖｅｒ）２３１に送り、次に、選択可能なソース抵抗器２２８を通して送るときに、マイクロプロセッサ８２により達成され、選択可能なソース抵抗器２２８は、マイクロプロセッサ８２により、適切な抵抗に設定されて、所望の出力電流を実現する。この電流は、経路Ａを用いるアナログ・スイッチ２２９を通るフィードバックを用いて、選択可能なゲイン電圧バッファ又は電流ドライバ２３１により調整される。
【００８１】
ＡＳＩＣ１９８は、ピン・ノードで提示された電流信号を測定することができ、電流信号は、種々の産業用制御デバイスにより生成される。ＡＳＩＣ１９８は、４−２０ｍＡ及び０−２０ｍＡの標準的な範囲にわたって変化する信号を測定することができる。この電流測定手段は、マイクロプロセッサ８２が、選択可能なゲイン電圧バッファ２３１に、その出力端子にゼロボルトなどの都合の良い電圧を生じさせるときに、マイクロプロセッサ８２により達成される。同時に、マイクロプロセッサ８２は、選択可能なソース抵抗器２２８に、産業用制御デバイス及びその電流出力からの電流経路に抵抗を与える。この電流は、ピン２０８を介してＡＳＩＣ１９８に入る。既知の抵抗の一方の側に印加された電圧により、外部デバイスからの未知の電流が、ピン２０８上に電圧を生じさせ、次に、小電流スイッチ２２２を通ってアナログ・デジタル変換器２１６を介して測定される。マイクロプロセッサ８２は、オームの法則を用いて、産業用制御デバイスによって生成される未知の電流の値を求める。
【００８２】
本発明の他の向上点は、モジュール６６が、該モジュール６６に接続されたデバイスの独立した制御を実行する能力を含む。例えば、熱電対又は他の温度センサが、ヒータと共にモジュール６６に接続された場合には、マイクロプロセッサ８２は、その温度センサを読み取って、所望の温度が得られるように、ヒータを作動させることができる。ヒータは、通常、増幅器（例えば、継電器）を用いて、モジュール６６の低レベルの出力を、ヒータを駆動できる大電力の出力に変換する。それにより、モジュール６６は、閉ループ制御を実行できる。そうした場合、熱電対は、入力として構成される２つの隣接するピン２０８に接続される一方で、ヒータは、出力として構成される２つのピン２０８に接続される。動作中、マイクロプロセッサ８２は、上述の通り、温度センサの電圧を測定する。マイクロプロセッサ８２は、周知の制御アルゴリズムを用いて、所望の温度を測定温度に適用し、さらに、一般に認められた方法を用いて、作動信号を生じさせる。次に、マイクロプロセッサは、連続的に変動するアナログ信号を用いて、又は、パルス幅変調（ＰＷＭ）されたオン・オフ信号を介して、ヒータを作動させる。従って、モジュール６６に接続されたデバイスの独立した制御が実現される。
【００８３】
ＡＳＩＣ１９８は、インターフェース装置９７に関して、上述したような機能を含む。例えば、ＡＳＩＣ１９８は、デジタル・アナログ変換器２２６を含む相互接続装置を含むことができ、そこでマイクロプロセッサ８２は、該マイクロプロセッサ８２からのデジタル信号の受け取りを指示し、デジタル・アナログ変換器２２６により、信号がアナログ信号に変換されるようにし、かつ、アナログ信号のコピーをピン２０８上に置くようにプログラム可能である。図１０及び図１１を参照されたい。
【００８４】
ＡＳＩＣ１９８はまた、アナログ・デジタル変換器２１６を含む相互接続装置も含むことができ、そこでマイクロプロセッサ８２は、いずれかの選択されたコンタクト６９上でアナログ信号を検出し、アナログ・デジタル変換器２１６に、その信号をデジタル信号に変換させ、デジタル信号のコピーをマイクロプロセッサ８２に出力するようにプログラム可能である。
【００８５】
ＡＳＩＣ１９８はまた、電源セレクタ２２７と、該セレクタ２２７とピン２０８との間に配置された大電流スイッチ２２２ｂとを含むこともできる。マイクロプロセッサ８２は、電源セレクタ２２７を作動させて、電源電圧を第１のコンタクト６９に接続させ、電源帰路を第２のコンタクト６９に接続させるようにプログラム可能である。
【００８６】
図１１を参照すると、センサを２つの隣接するピン２０８に接続し、この２つの隣接するピンは２つの隣接するデバイス通信コネクタ６９に接続されるように働く、２×８クロスポイント・スイッチ２１０がある。クロスポイント・スイッチ２１０は、熱電対のようなセンサが、高精度差動増幅器２１２に接続されることを可能にする。高精度差動増幅器２１２は、小電流スイッチ２２２及び２×８クロスポイント・スイッチ２１０を介して、４方向クロスポイントＩ／Ｏ２１４、次いで、隣接する集積回路１９（隣接するコンタクト６９の集積回路）上の別の４方向クロスポイントＩ／Ｏ２１４に接続することができる。
【００８７】
図８及び図１０を参照すると、マイクロプロセッサ８２は、一般に、要求に応じて、デバイス８０−８１の特定の選択されたものを感知し、又はデバイス８２−８４の１つを作動させ、対応するデータをシステム・コントローラに提供するために、コントローラから命令を受け取るように、コントローラ７２により構成／プログラムされる。マイクロプロセッサ８２はまた、特定の信号が、いずれかの選択された１つ又はそれ以上のコンタクト６９、これにより対応するコンダクタ６８に適用されるように、コントローラ７２によりプログラム／指示される。さらに、マイクロプロセッサ８２は、選択された信号タイプを、デバイス８０−８４の１つ又はそれ以上からシステム・コントローラ７２に送る指示に応答するようにプログラムされる。換言すれば、マイクロプロセッサは、インターフェース装置９７の構成を制御し、一般に、マイクロプロセッサは、システム・コントローラにより制御される。代替的に、インターフェース装置は、モジュール６６のマイクロプロセッサ８２のメモリ内に格納されたメッセージに応答して構成することができる。別の代替的な方法においては、インターフェース装置は、モジュール回路基板上に取り付けられた１組のジャンパー・ブロックに応答して構成することができ、ジャンパー・ブロックを挿入又は除去することにより構成が定められる。
【００８８】
好ましい実施形態において、マイクロプロセッサ８２は、埋め込みウェブサーバを有する。イーサネット・ケーブル又は無線通信デバイスを用いて、パーソナル・コンピュータをシステム６５に、次いで、インターネットに接続することができる。ここでは、パーソナル・コンピュータは、システム・コントローラとすることもできる。埋め込みウェブサーバは、モジュール６６に接続された各デバイスについての構成ページを与える。次いで、ユーザは、マウス、又は他のキーボード入力を用いて、デバイスの機能を構成し、入力／出力ピンを割り当てる。ユーザは、単に、構成ページ上のアイコンをドラッグ・アンド・ドロップするだけで、コンタクトの各々について特定の相互接続装置を定めることができる。
【００８９】
システム６５の動作の一例として、マイクロプロセッサ８２は、例えば、データを特定のライン９４上のアナログ信号としてデバイス８０−８４の特定の１つに伝送するための命令を含む、ネットワーク・ケーブル７８上のイーサネット・パケット内に含まれる特定の入力データを認識するようにプログラムすることができる。この場合のプログラミングは、マイクロプロセッサに、インターフェース装置９７内にデジタル・アナログ変換器を有する装置を通して、データを指向／変換させるように命令する。この接続を行うための設備は、必要とされる接続を行うように作動された継電器「Ｒ１」により記号で表わされる。別の例として、ライン９４が５ボルトをデバイス８０−８４の１つに伝える場合には、マイクロプロセッサ８２は、コントローラ７２からの信号に応答して継電器Ｒ６を作動させるようにプログラムされる。このように、システム６５は、９４のようないずれかのラインを通した、選択された種類の通信、及び、９４のようないずれかの選択されたライン、そこから対応するデバイスに送られる様々な信号の適用を可能にする。
【００９０】
回路切り換え装置（Ｒ１−Ｒ１２）が、電気機械的継電器として概略的に示される。１つの実施形態において、この切り替え装置は、半導体回路で実現される。（図１１及び関連の説明を参照されたい。）半導体回路は、はるかに安価に実現することができ、電気機械的継電器回路より迅速に作動することができる。電気機械的継電器は、本発明の本質を示すために用いられる。
【００９１】
図１２は、本発明の構成可能な隣接した接続の利点をさらに示す。図１２は、図８のシステムに付加された熱電対１０１を示す。上述のように、図８に示される実施形態は、用いられるチャネルに関して、従来技術より効率的である。具体的にはデバイス通信コネクタの番号が１３、１４及び１５である３つのチャネルは、図８に示されるシステムにおいては用いられないままである。図１２において、１つのタイプの温度センサである熱電対が、通信コネクタ１４及び１５に接続される。小さい熱電対の電圧を正確に測定するために、高精度差動増幅器２１２が、クロスポイント・スイッチ２１０を用いて、熱電対に接続される。図１１を参照されたい。
【００９２】
図１２は、ソース、シンク、デジタル・アナログ・センサ及びアクチュエータへの接続を同時に行う単一の構成可能な入力／出力モジュール６６の能力を示す。従って、Ｉ／Ｏモジュール上で利用可能なチャネルを効果的に利用する。対照的に、固定構成の従来技術の入力／出力モジュールは、これらの別個のデバイスの１つより多くを収容することができない。
【００９３】
本発明の特定の実施形態が図示され説明されてきたが、本発明の精神から逸脱することなく、変更及び修正を行うことができることは、当業者には明らかであり、従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲内に入る以下のようなこれらの変更及び改変を含む。
【符号の説明】
【００９４】
１０：太陽熱集光器
１２：可変速ポンプ
１４：熱交換器
１６：第１タンク
１８：流量計
２０：第２タンク
２２：固定速ポンプ
２４：パネル上部の温度
２６：第１タンク底部の温度
２８：第１タンク上部の温度
３０：第２タンク底部の温度
３２：圧力トランスデューサ
４０：制御システム
４０：制御システム・コンピュータ
４２：可変速ポンプ出力
４２、６６：デバイス電源
６０：制御システム・シミュレータ
６１：入力モジュール
６３：出力モジュール
６５：入力／出力システム
６６：入力／出力モジュール
６８：コンダクタ
６９、６９Ｂ：デバイス通信コネクタ
７１、７１Ｂ：デバイス端部コネクタ
７２：システム・コントローラ
７６、７６Ｂ：コントローラ通信コネクタ
７８：ネットワーク接続
７９：外部電源
８０：相互接続された太陽熱温水制御システム及びシミュレータ・システム
８０：電気接続
８０−８４：デバイス
８１−８９：信号
８２：マイクロプロセッサ
８４：接地基準接続
８５−８９：信号
９０：構成可能なコネクタ付き入力／出力モジュール
９１：入力／出力コネクタ
９１：内部電源
９２：電源コネクタ
９２：バッファ・メモリ
９３：モジュール電源
９５：標準的なケーブル
９７、９７Ａ、９７Ｂ、９７Ｃ：インターフェース装置
１０１：熱電対
１９８：特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）
２０６：シリアル通信バス
２０８：ピン
２１０：クロスポイント・スイッチ
２１２：高精度差動増幅器
２１４：４方向クロスポイントＩ／Ｏコネクタ
２１６：アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）
２１８：乱用検出回路
２２０、２２１、２２２：小電流スイッチ
２２２ｂ：大電流スイッチ
２２５：ラッチ比較器
２２６：デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）
２２７：電源セレクタ
２２８：ソース抵抗器
２２９：アナログ・スイッチ
２３０：周波バス
２３１：選択可能なゲイン電圧バッファ又は電流ドライバ
Ｒ１−Ｒ１２：継電器
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図４−４】
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【図５】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図５−３】
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【図５−４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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