(57)【要約】プロセス制御システムで使用するための連続的に給電されるフィールドデバイスは、フィールドデバイス筐体と、フィールドデバイス筐体内に配置されるか、またはそれに接続される、主電力ポートと、第１の電力端子、第２の電力端子、および第３の電力端子を備える、電力源スイッチングモジュールとを含む。第１の電力端子は、主電力ポートに連結され、第３の電力端子は、第３の電力端子に印加される電力を少なくともフィールドデバイスの一部分に送達するように構成される。電力源スイッチングモジュールは、第１の電力端子を第３の電力端子に連結するために、第１の動作状態で動作可能であり、電力源スイッチングモジュールは、第２の電力端子を第３の電力端子に連結するために、第２の動作状態で動作可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス制御システムで使用するための連続的に給電されるフィールドデバイスであって、
フィールドデバイス筐体と、
前記フィールドデバイス筐体内に配置されるか、または前記フィールドデバイス筐体に接続される、主電力ポートと、
第１の電力端子、第２の電力端子、および第３の電力端子を備える、電力源スイッチングモジュールと、を備え、
前記第１の電力端子は、前記主電力ポートに連結され、
前記第３の電力端子は、前記第３の電力端子に印加される電力を、少なくとも前記フィールドデバイスの一部分に送達するように構成され、
前記電力源スイッチングモジュールは、前記第１の電力端子を前記第３の電力端子に連結するために、第１の動作状態で動作可能であり、
前記電力源スイッチングモジュールは、前記第２の電力端子を前記第３の電力端子に連結するために、第２の動作状態で動作可能である、連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項２】
前記主電力ポートは、主電力源の取り外し可能な連結部を介して、前記主電力源に連結するように構成される、請求項１に記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項３】
前記電力源スイッチングモジュールは、
前記第２の電力端子が予備電力源に連結されており、かつ、
前記主電力ポートが、ｉ）主電力源に連結されていない、またはｉｉ）前記主電力源が閾値電圧レベルを提供することができないときに前記主電力源に連結されている、のいずれかであるときに、前記第２の動作状態である、請求項１〜２のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項４】
前記予備電力源は、前記第２の電力端子に恒久的に連結される、請求項１〜３のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項５】
前記予備電力源は、バッテリ、コンデンサ、およびエネルギー貯蔵ＡＳＩＣから成る群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項６】
前記電力源スイッチングモジュールは、１組のダイオードを含むアナログスイッチであり、
前記閾値電圧レベルは、前記予備電力源の電圧レベルに、前記１組のダイオードの電圧降下の不整合に対応するオフセット電圧を加えたものに等しい、請求項１〜５のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項７】
前記電力源スイッチングモジュールは、デジタルスイッチであり、
前記閾値電圧レベルは、所定の閾値電圧レベルである、請求項１〜６のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項８】
前記電力源スイッチングモジュールは、手動操作可能なスイッチである、請求項１〜７のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項９】
前記フィールドデバイス筐体内に配置されるか、または前記フィールドデバイス筐体に接続され、かつ、前記第２の電力端子に連結される、予備電力ポートをさらに備え、前記予備電力ポートは、取り外し可能な連結部を介して、予備電力源に連結するように構成される、請求項１〜８のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項１０】
前記電力源スイッチングモジュールは、
前記第１の電力端子が、前記主電力ポートを介して、主電力源に連結され、かつ、
ｉ）前記予備電力ポートが、前記予備電力源に連結されていない、およびｉｉ）前記主電力源の電圧が、閾値電圧レベルを超えている、から成る群から選択される少なくとも１つであるときに、前記第１の動作状態であり、
前記電力源スイッチングモジュールは、
前記第２の電力端子が、前記予備電力ポートを介して、前記予備電力源に連結され、かつ、
前記主電力ポートが、ｉ）前記主電力源に連結されていない、または、ｉｉ）前記主電力源が前記閾値電圧レベルを提供することができないときに前記主電力源に連結されている、のいずれかであるときに、前記第２の動作状態である、請求項１〜９のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項１１】
プロセッサと、前記プロセッサに通信可能に連結されるネットワークインターフェースとをさらに備える、請求項１〜１０のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項１２】
前記ネットワークインターフェースは、無線メッシュネットワークプロトコルに従って通信するように構成される、請求項１〜１１のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項１３】
前記ネットワークインターフェースは、前記主電力ポートに連結される主電力源の電圧に関連する指示を、無線ネットワークを介して、ワークステーションに伝送させる、請求項１〜１２のいずれかに記載の連続的に給電されるフィールドデバイス。
【請求項１４】
連続電力をプロセス制御システムの中のフィールドデバイスに提供する方法であって、
フィールドデバイス筐体を提供することと、
前記フィールドデバイス筐体内に配置されるか、または前記フィールドデバイス筐体に接続される、主電力ポートを提供することと、
第１の電力端子、第２の電力端子、および第３の電力端子を提供することであって、
前記第１の電力端子は、前記主電力ポートに連結され、
前記第３の電力端子は、前記第３の電力端子に印加される電力を、少なくとも前記フィールドデバイスの一部分に送達するように構成される、提供することと、
第１の動作状態中に、前記第１の電力端子を前記第３の電力端子に自動的に連結することと、
第２の動作状態中に、前記第２の電力端子を前記第３の電力端子に自動的に連結することと、を含む、方法。
【請求項１５】
前記第１の動作状態中に、前記第３の電力端子から前記第２の電力端子を自動的に連結解除することと、
前記第２の動作状態中に、前記第３の電力端子から前記第１の電力端子を自動的に連結解除することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の電力端子に連結される予備電力ポートを提供することをさらに含み、
前記第１の動作状態は、
前記第１の電力端子が、前記主電力ポートを介して、主電力源に連結され、かつ、
ｉ）前記予備電力ポートが、予備電力源に連結されていない、およびｉｉ）前記主電力源の電圧が、閾値電圧レベルを超えている、から成る群から選択される少なくとも１つであるときに生じ、
前記第２の動作状態は、
前記第２の電力端子が、前記予備電力源に連結され、かつ、
前記主電力ポートが、ｉ）前記主電力源に連結されていない、または、ｉｉ）前記主電力源が前記閾値電圧レベルを提供することができないときに前記主電力源に連結されている、のいずれかであるときに生じる、請求項１４〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
プロセス制御システムの中のフィールドデバイスに連続電力を提供する方法であって、
取り外し可能な電力モジュールに連結するように構成される、フィールドデバイスを提供することと、
前記フィールドデバイス内に配置されるか、または前記フィールドデバイスに接続される、第１の接触領域を提供することであって、前記第１の接触領域は、前記取り外し可能な電力モジュールの接触領域に係合するように構成される、提供することと、
前記フィールドデバイス内に配置されるか、または前記フィールドデバイスに接続される、第２の接触領域を提供することであって、前記第２の接触領域は、予備電力源の接触領域に係合するように構成される、提供することと、
前記取り外し可能な電力モジュールの前記接触領域が、前記第１の接触領域と係合し、かつ、前記取り外し可能な電力モジュールが、少なくとも閾値電圧レベルを提供しているときに、前記取り外し可能な電力モジュールを介して、少なくとも前記フィールドデバイスの一部分に給電することと、
ｉ）前記取り外し可能な電力モジュールの前記接触領域が、前記第１の接触領域と係合していない、およびｉｉ）前記取り外し可能な電力モジュールが、少なくとも前記閾値電圧レベルを提供することができない、から成る群から選択される少なくとも１つであるときに、前記予備電力源を介して、少なくとも前記フィールドデバイスの前記一部分に給電することと、を含む、方法。
【請求項１８】
前記取り外し可能な電力モジュールによって供給される電圧が、前記予備電力源によって供給される電圧に、１組のダイオードの電圧降下の不整合に対応するオフセット電圧を加えたものよりも大きいときに、前記取り外し可能な電力モジュールは、少なくとも前記閾値電圧レベルを提供している、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記閾値電圧レベルは、所定の閾値電圧レベルである、請求項１７〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記閾値電圧レベルは、前記予備電力源の電圧レベルに、１組のダイオードの電圧降下の不整合に対応するオフセット電圧を加えたものに等しい、請求項１７〜１９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、典型的に、プロセス制御システムのための方法および装置に関し、より具体的には、プロセス制御システムの中のフィールドデバイスに連続電力を提供するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学、石油、および他のプロセスにおいて使用されるようなプロセス制御システムは、典型的には、アナログ、デジタル、またはアナログ／デジタルバスの組み合わせを介して、少なくとも１つのホストワークステーション、ならびに１つ以上のプロセス制御および計装デバイスに通信可能に連結される、１つ以上の集中型または分散型のプロセスコントローラを含む。弁、弁ポジショナ、スイッチ、伝送器、およびセンサ（例えば、温度、圧力、または流量センサ）等のフィールドデバイスは、弁を開くもしくは閉じる、またはプロセスパラメータを測定する等の、プロセス内の種々の機能を行う。プロセスコントローラは、フィールドデバイスによって行われるまたはそれと関連付けられるプロセス測定値またはプロセス変数を表す信号を（通信バスを介して）受信し、受信した情報に基づいて制御ルーチンを実現し、そしてプロセスの動作を制御するために、バスの１つ以上を通じてフィールドデバイスに送信される、制御信号を生成する。フィールドデバイスおよびコントローラからの情報は、一般的に、オペレータが、プロセスの現在の状態を見る、プロセスの動作を修正する等の、プロセスに関する所望の機能を行うことを可能にするために、ホストワークステーションによって実行される１つ以上のアプリケーションに利用可能である。
【０００３】
１つ以上のプロセス制御機能を行う「スマート」フィールドデバイスが、プロセス制御業界で一般的になってきている。プロセス内の主要機能（例えば、温度の監視、または弁位置の制御）を行うことに加えて、各スマートフィールドデバイスは、メモリと、マイクロプロセッサとを含む。メモリは、デバイスに関するデータを記憶し、マイクロプロセッサは、コントローラおよび／もしくは他のデバイスと通信し、ならびに／または自己較正、識別、診断等の副タスクを行う。異なる製造業者によって作製されるスマートフィールドデバイスが、互いに通信することを可能にする一方で、１つ以上のプロセス制御機能を行うことを可能にするために、Ｈｉｇｈｗａｙ  Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  Ｒｅｍｏｔｅ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ＨＡＲＴ（登録商標））、ＰＲＯＦＩＢＵＳ（登録商標）、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、ＷＯＲＬＤＦＩＰ（登録商標）、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ（登録商標）、およびコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）プロトコル等の、いくつかの標準的でオープンなデジタルまたはデジタルおよびアナログを組み合わせた通信プロトコルが開発されている。具体的には、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）および国際計測制御学会（ＩＳＡ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）１００．１１ａ規格のネットワーク等の、無線メッシュネットワークが、プロセス制御システムにおいてますます一般的になってきている。
【０００４】
プロセス制御システム内の異なるデバイスまたは機能ブロックは、一般的に、（例えば、無線メッシュネットワークを通じて）互いに通信して、１つ以上プロセス制御ループを形成するように構成され、それらの個々の動作は、プロセスの全体にわたって展開され、したがって、分散化される。プロセス全体の効率的な動作を維持し、したがって、工場の停止および利益損失を最小にするために、プロセス制御システムと関連付けられるデバイスは、適切かつ確実に機能しなければならない。一般的に、１人以上の経験豊かな人間のオペレータは、プロセス制御システム内のデバイスが効率的に動作することを確実にし、また、故障したデバイスを修理または交換する役割を担う。
【０００５】
この役割の一部として、そのようなオペレータは、一般的に、プロセス制御システムの中のフィールドデバイスが適切に給電されることを確実にしなければならない。一般的に、無線ネットワークとともに使用するフィールドデバイスは、工場環境内のデバイスの配置を制限することを回避するために、バッテリに基づく電力モジュールを含む。デバイスの電力モジュールに貯蔵される電気エネルギーが、あるレベル未満に（例えば、ある電圧レベル未満に、または電力モジュールの最大電圧のある割合未満に）消耗したときに、オペレータは、ホストワークステーションを介して、低電圧の指示を受信し得る。オペレータは、次いで、消耗した電力モジュールを取り外し、満充電した交換用電力モジュールを取り付ける。
【０００６】
しかしながら、古いモジュールを取り外す時間と、新しいモジュールを取り付ける時間との間の期間中、デバイスは、「ダウンタイム」となり、その間、デバイスにはいかなる電力源もない。デバイスのダウンタイムは、プロセス制御システムに複数の悪影響を及ぼし得る。第１に、フィールドデバイスは、このダウンタイム中に動作可能でないので、フィールドデバイスのいかなる主要機能（複数可）も行われない場合がある。例えば、監視用フィールドデバイスは、デバイスのダウンタイム中、データ（例えば、センサのデータ）を回収するのを中止する。別の例として、弁ポジショナデバイスは、デバイスのダウンタイム中に、適切に弁を位置付けるために空気圧を増加または減少させるのを中止する。さらに、いくつかのプロセス制御システムでは、フィールドデバイスのダウンタイムは、システムの中の他のデバイスに関連するデータの損失および／または遅延につながる。例えば、フィールドデバイスのダウンタイムは、無給電のデバイスが、他のフィールドデバイスおよび／またはプロセスコントローラに、またはそれらから通常中継するデータの損失、またはデータの伝搬遅延の増加を生じさせ得る。さらに、いくつかのフィールドデバイスは、プロセス制御システムに重要な機能を行い得、デバイスが無給電であるときに、システム全体を一時的に動作不能にし得る。多くのプロセス制御システムについて、この種の問題はさらに、新しい電力モジュールが取り付けられた時点で、フィールドデバイスがネットワークに再び参加するのにかかる時間量によって、および／またはフィールドデバイスがネットワークに再び参加した時点で、プロセス制御システムがそれ自体を効率的に再編成するのにかかる時間量によって悪化する。いくつかの事例において、このような問題は、ネットワーク、およびそのようなネットワークを利用するプロセス制御システムを、長期間（例えば、数時間）にわたって、動作不能にさせるか、または非効率的に動作させる可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らより：本項は、特許請求の範囲を言い換えたものであり、発明者らは、読み手が特許請求の範囲に納得することで完成することになる。
フィールドデバイスの発明は、プロセス制御システムで使用するための連続的に給電されるフィールドデバイスであって、
フィールドデバイス筐体と、
前記フィールドデバイス筐体内に配置されるか、または前記フィールドデバイス筐体に接続される、主電力ポートと、
第１の電力端子、第２の電力端子、および第３の電力端子を備える、電力源スイッチングモジュールと、を備え、
前記第１の電力端子は、前記主電力ポートに連結され、
前記第３の電力端子は、前記第３の電力端子に印加される電力を、少なくとも前記フィールドデバイスの一部分に送達するように構成され、
前記電力源スイッチングモジュールは、前記第１の電力端子を前記第３の電力端子に連結するために、第１の動作状態で動作可能であり、
前記電力源スイッチングモジュールは、前記第２の電力端子を前記第３の電力端子に連結するために、第２の動作状態で動作可能である、連続的に給電される。
また、連続電力をプロセス制御システムの中のフィールドデバイスに提供する方法の発明は、
フィールドデバイス筐体を提供することと、
前記フィールドデバイス筐体内に配置されるか、または前記フィールドデバイス筐体に接続される、主電力ポートを提供することと、
第１の電力端子、第２の電力端子、および第３の電力端子を提供することであって、
前記第１の電力端子は、前記主電力ポートに連結され、
前記第３の電力端子は、前記第３の電力端子に印加される電力を、少なくとも前記フィールドデバイスの一部分に送達するように構成される、提供することと、
第１の動作状態中に、前記第１の電力端子を前記第３の電力端子に自動的に連結することと、
第２の動作状態中に、前記第２の電力端子を前記第３の電力端子に自動的に連結することと、を含む。
また、プロセス制御システムの中のフィールドデバイスに連続電力を提供する方法の発明は、
取り外し可能な電力モジュールに連結するように構成される、フィールドデバイスを提供することと、
前記フィールドデバイス内に配置されるか、または前記フィールドデバイスに接続される、第１の接触領域を提供することであって、前記第１の接触領域は、前記取り外し可能な電力モジュールの接触領域に係合するように構成される、提供することと、
前記フィールドデバイス内に配置されるか、または前記フィールドデバイスに接続される、第２の接触領域を提供することであって、前記第２の接触領域は、予備電力源の接触領域に係合するように構成される、提供することと、
前記取り外し可能な電力モジュールの前記接触領域が、前記第１の接触領域と係合し、かつ、前記取り外し可能な電力モジュールが、少なくとも閾値電圧レベルを提供しているときに、前記取り外し可能な電力モジュールを介して、少なくとも前記フィールドデバイスの一部分に給電することと
ｉ）前記取り外し可能な電力モジュールの前記接触領域が、前記第１の接触領域と係合していない、およびｉｉ）前記取り外し可能な電力モジュールが、少なくとも前記閾値電圧レベルを提供することができない、から成る群から選択される少なくとも１つであるときに、前記予備電力源を介して、少なくとも前記フィールドデバイスの前記一部分に給電することと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本明細書で説明される例示的な方法および装置が実現され得る、例示的なプロセス制御システムのブロック図である。
【図２】図１の例示的なシステム等のプロセス制御システム内の例示的なフィールドデバイスのブロック図である。
【図３】図１の例示的なシステム等のプロセス制御システム内の別の例示的なフィールドデバイスのブロック図である。
【図４】図２の例示的なフィールドデバイス等のフィールドデバイスの例示的な電力源スイッチングモジュールの概略図である。
【図５Ａ】それぞれ、取り外した位置および取り付けた位置の例示的な主電力源を示す、例示的なフィールドデバイスの内部の斜視図である。
【図５Ｂ】それぞれ、取り外した位置および取り付けた位置の例示的な主電力源を示す、例示的なフィールドデバイスの内部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本明細書で説明される例示的な方法および装置が実現され得る、例示的なプロセス制御システム５を示す。プロセス制御システム５は、産業もしくは製造工場、製造所、センサネットワークのプロセス制御環境、またはプロセス制御手法が使用される任意の他の環境を含み得るか、またはその一部であり得る。図１で示されるプロセス制御システム５は、１つ以上の産業オートメーションプロトコルに従って動作する、通信ネットワーク１０を含む。具体的には、通信ネットワーク１０は、有線工場オートメーションネットワーク１２を含み得、該有線工場オートメーションネットワークは、産業オートメーションプロトコル（例えば、ＨＡＲＴ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ  ＤＰ（Ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ）等）またはいくつかの他の通信プロトコル（例えば、イーサネット（登録商標）、ＲＳ−４８５等）を利用するか、またはそれらに従って動作する。通信ネットワーク１０はまた、無線工場オートメーションネットワーク１４も含み得、該無線工場オートメーションネットワークは、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴもしくはＩＳＡ１００．１１ａプロトコル等の無線産業オートメーションプロトコル、またはプロセス制御システム５のフィールドデバイス間の直接通信をサポートする別の無線ネットワークプロトコルを利用するか、またはそれらに従って動作する。明確にするため、本明細書の議論は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ通信プロトコルに関するが、本明細書で説明される手法および原理は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴに加えて、またはその代わりに、他の無線産業オートメーションプロトコルを利用する無線工場オートメーションネットワーク、または有線通信だけを利用するネットワークに適用され得る。
【００１０】
図１は、有線工場オートメーションネットワーク１２および無線工場オートメーションネットワーク１４の双方を含むように通信ネットワーク１０を示すが、通信ネットワーク１０は、代わりに、有線工場オートメーションネットワーク１２だけ、または無線工場オートメーションネットワーク１４だけを含み得る。一実施形態において、無線工場オートメーションネットワーク１４は、無線メッシュ通信ネットワークである。
【００１１】
有線工場オートメーションネットワーク１２は、通信バックボーン２０を通じて接続される、１つ以上の固定ホストワークステーション１６と、１つ以上のポータブルホストワークステーション１８とを含み得る。ゲートウェイ２２は、有線様式で通信バックボーン２０に接続され得、好適なプロトコルを使用して有線工場オートメーションネットワーク１２と通信し得る。ゲートウェイ２２は、スタンドアロンデバイスとして、ホストワークステーション１６または１８のうちの１つの拡張スロットの中へ挿入することができるカードとして、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）システムもしくは分散制御システム（ＤＣＳ）の入力／出力（Ｉ／Ｏ）サブシステムの一部として、または任意の他の様式で実現され得る。有線工場オートメーションネットワーク１２上で動作するアプリケーションについて、ゲートウェイ２２は、無線工場オートメーションネットワーク１４の種々のデバイスへのアクセスを提供し得る。プロトコルおよびコマンド変換に加えて、ゲートウェイ２２は、同期クロッキングを提供し得、該同期クロッキングは、無線工場オートメーションネットワーク１４のスケジューリング方式のタイムスロットおよびスーパーフレーム（すなわち、時間的に等間隔である、複数組の通信タイムスロット）によって使用される。
【００１２】
いくつかの実施形態において、ゲートウェイ２２は、仮想ゲートウェイ２４および１つ以上のネットワークアクセスポイント２５に機能的に分割される。図１で示されるプロセス制御システム５において、ネットワークアクセスポイント２５は、ゲートウェイ２２と有線通信している別個の物理デバイスである。あるいは、要素２２〜２６は、代わりに、一体型デバイスの一部であり得、および／または接続２６は、無線接続であり得る。物理的に別個のネットワークアクセスポイント２５は、複数の異なる場所に戦略的に配置され得、それによって、ネットワークアクセスポイント２５の１つ以上の場所での不十分な信号品質を補償することによって、通信ネットワーク１０の全体的な信頼性が高められる。複数のネットワークアクセスポイント２５を有することはまた、ネットワークアクセスポイント２５の１つ以上が故障した場合の冗長性も提供する。
【００１３】
ゲートウェイデバイス２２は、追加的に、ネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７と、セキュリティマネージャソフトウェアモジュール２８とを収容し得る。別の実施形態において、ネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７および／またはセキュリティマネージャソフトウェアモジュール２８は、有線工場オートメーションネットワーク１２上のホストワークステーション上で動作し得る。例えば、ネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７は、固定ホストワークステーション１６上で動作し得、セキュリティマネージャソフトウェアモジュール２８は、ポータブルホストワークステーション１８上で動作し得る。ネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７は、例えば、通信ネットワーク１０の構成、複数のＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴデバイス間の通信のスケジューリング（例えば、スーパーフレームの構成）、ルーティングテーブルの管理、ならびに無線工場オートメーションネットワーク１４の健全性の監視および報告等のタスクを担い得る。冗長なネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７がサポートされ得るが、例示的な実施形態は、１つの無線工場オートメーションネットワーク１４につき、１つのアクティブなネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７だけを含む。セキュリティマネージャソフトウェアモジュール２８は、例えば、セキュリティ暗号鍵を管理および配布する役割を果たし得、また、無線工場オートメーションネットワーク１４および／または有線工場オートメーションネットワーク１２に参加することを許可されたデバイスのリストを維持し得る。
【００１４】
無線工場オートメーションネットワーク１４はまた、１つ以上のフィールドデバイス３０〜４０も含む。フィールドデバイス３０〜４０のそれぞれは、例えば、弁、弁ポジショナ、スイッチ、センサ（例えば、温度、圧力、または流量センサ）、ポンプ、送風機等、または２つ以上のそのようなデバイスの組み合わせであり得る。フィールドデバイスは、例えば、弁を開くもしくは閉じる、またはプロセスパラメータの測定値を取る等の、プロセスもしくはプロセス制御ループ内の制御、監視、および／または物理的機能を行う。例示的な無線工場オートメーションネットワーク１４において、フィールドデバイス３０〜４０はまた、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴパケット等の無線通信パケットの製作者および消費者でもある。フィールドデバイス３０〜４０の一部または全部は、追加的に、他のデバイスからの、およびそれらへのメッセージのためのルータとして機能し得る。
【００１５】
図１で示される例示的なプロセス制御システム５において、プロセス制御環境の資産を追跡するように構成される資産追跡ホスト４１は、ネットワーク４３に接続され、次に、ルータ４４を介して、有線工場オートメーションネットワーク１２に接続される。ネットワーク４３は、例えば、ワールドワイドウェブ（ＷＷＷ）等のパブリックネットワーク、プライベートＬＡＮ等のプライベートネットワーク、または１つ以上のプライベートおよび／もしくはパブリックネットワークのいくつかの組み合わせであり得る。あるいは、資産追跡ホスト４１は、工場オートメーションネットワーク１２または無線工場オートメーションネットワーク１４に属し得、ネットワーク４３およびルータ４４は、省略され得る。
【００１６】
フィールドデバイス３０〜３６は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴデバイスであり得、フィールドデバイス３０、３２、３４、および３６のそれぞれが、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴプロトコルスタックの全ての層をサポートする一体型ユニットとして提供されることを意味する。例えば、フィールドデバイス３０は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ流量計であり得、フィールドデバイス３２は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ圧力センサであり得、フィールドデバイス３４は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ弁ポジショナであり得、また、フィールドデバイス３６は、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ振動センサであり得る。フィールドデバイス３８は、４〜２０ｍＡのレガシーデバイスであり得、フィールドデバイス４０は、有線ＨＡＲＴデバイスであり得る。図１で示される例示的なプロセス制御システム５において、フィールドデバイス３８および４０のそれぞれは、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴアダプタ（ＷＨＡ）５０を介して、無線工場オートメーションネットワーク１４に接続される。各ＷＨＡ５０はまた、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバス、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ等の他の通信プロトコルもサポートし得、その場合、ＷＨＡ５０は、プロトコルスタックの下位層のプロトコル翻訳をサポートする。単一のＷＨＡ５０は、追加的に、マルチプレクサとして機能し得、複数のＨＡＲＴまたは非ＨＡＲＴデバイスをサポートし得る。
【００１７】
工場要員は、ネットワークデバイスおよび他の工場機器の設定、取り付け、制御、監視、および／または保守のために、ハンドヘルドまたはポータブル通信デバイスを使用し得る。全般的に、ハンドヘルドデバイスは、無線工場オートメーションネットワーク１４に直接接続することができる、または有線工場オートメーションネットワーク１２上のホストとして、ゲートウェイ２２を通して無線工場オートメーションネットワーク１４に接続することができる、ポータブル部品である。図１で示される例示的なプロセス制御システム５において、ハンドヘルドデバイス５５は、無線工場オートメーションネットワーク１４と直接通信する。例えば、形成された無線工場オートメーションネットワーク１４とともに動作するときに、ハンドヘルドデバイス５５は、別のＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴフィールドデバイスとして、無線工場オートメーションネットワーク１４に参加し得る。ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴネットワークに接続されていないターゲットネットワークデバイスとともに動作するときに、ハンドヘルドデバイス５５は、ターゲットネットワークデバイスとの、それ自体のＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴネットワークを形成することによって、ゲートウェイデバイス２２およびネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７の組み合わせとして動作し得る。
【００１８】
例示的なプロセス制御システム５の無線工場オートメーションネットワーク１４はまた、ルータデバイス６０も含む。ルータデバイス６０は、一方のネットワークデバイスからもう一方にパケットを転送する、ネットワークデバイスである。ルータとして作用しているネットワークデバイスは、ルーティングネットワークデバイスが特定のパケットを転送すべき別のネットワークデバイスを決定するために、内部ルーティングテーブルを使用する。無線工場オートメーションネットワーク１４上の他のデバイスがルーティングをサポートする場合、ルータ６０等のスタンドアロンルータは、必要とされない場合がある。しかしながら、例えば、ネットワークを拡張するために、またはネットワークの中のフィールドデバイスの電力を節約するために、専用のルータ６０を無線工場オートメーションネットワーク１４に加えることが有益であり得る。
【００１９】
無線工場オートメーションネットワーク１４に直接接続される全てのデバイスは、無線工場オートメーションネットワーク１４のネットワークデバイスと称され得る。具体的には、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴフィールドデバイス３０〜３６、ＷＨＡ５０、ルータ６０、ゲートウェイ２２、ネットワークアクセスポイント２５、およびハンドヘルドデバイス５５は、ルーティングおよびスケジューリングの目的で、無線工場オートメーションネットワーク１４のネットワークデバイスと称され得る。非常に頑健で容易に拡張可能なネットワークを提供するために、全てのネットワークデバイスは、ルーティングをサポートし得、各ネットワークデバイスは、そのＨＡＲＴアドレスによってグローバルに識別され得る。さらに、ネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７は、ネットワークデバイスの完全なリストを収容し得、ネットワーク固有の名前（例えば、１６ビットの名前）を各デバイスに割り当て得る。さらに、各ネットワークデバイスは、更新レート、接続セッション、およびデバイスリソースに関連する情報を記憶し得る。要するに、各ネットワークデバイスは、ルーティングおよびスケジューリングに関連する最新の情報を維持し得る。いくつかの実施形態において、ネットワークマネージャソフトウェアモジュール２７は、新しいデバイス（例えば、新しいフィールドデバイス）がネットワークに参加するときはいつも、またはネットワークマネージャが無線工場オートメーションネットワーク１４のトポロジもしくはスケジューリングの変化を検出もしくは起こすときはいつも、この情報をネットワークデバイスに通信する。
【００２０】
プロセス制御システム５の主動作に関連するデータ（例えば、温度センサのデータ、弁の位置を制御するためのデータ等）を生成する、受信する、および／または転送することに加えて、プロセス制御システム５のデバイスは、プロセス制御システム５の中のデバイスの保守に関連するデータを通信するために、無線工場オートメーションネットワーク１４を使用し得る。例えば、フィールドデバイスは、フィールドデバイスが不適当に動作しているときに（例えば、弁ポジショナのスプール弁が動作不可能であるときに）、またはフィールドデバイスが不適当に動作する危険性があるときに（例えば、デバイスの電力モジュールの電圧があるレベル未満に低下したときに）、データをホストに送信し得る。別の例として、フィールドデバイスは、適切な動作に関連するあるデータ（例えば、現在の電力モジュールの電圧レベルを示すデータ）を、ホストワークステーションに、連続的または定期的に送信し得る。そのようなデータを受信するホスト（例えば、ホストワークステーション１６または１８）は、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を介して、そのデータに基づくインジケータを表示し得、それによって、人間のオペレータが、適切な補正措置または予防措置を取ることを可能にする。
【００２１】
図２は、本発明の第１の開示された実施例に従って組み立てられる、例示的なフィールドデバイス１００および電力スイッチングモジュール１５０のブロック図である。フィールドデバイス１００および電力源スイッチングモジュール１５０は、好ましくは、図１の例示的なプロセス制御システム５等のプロセス制御システム内に組み込まれる。フィールドデバイス１００は、例えば、図１のフィールドデバイス３０〜３６のうちの１つであり得、または、プロセス制御システムで用いられる任意の他のフィールドデバイスであり得る。フィールドデバイス１００は、フィールドデバイス筐体１０４を含み、該フィールドデバイス筐体は、フィールドデバイスがその一部であるプロセス制御システムの特定の無線通信プロトコルに従って、信号を伝送および／または受信するように構成される、ネットワークインターフェース１１０を収容する。いくつかの実施形態において、無線通信プロトコルは、例えば、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴまたはＩＳＡ１００．１１ａプロトコル等の、無線メッシュネットワークプロトコルである。
【００２２】
いくつかの実施形態において、ネットワークインターフェース１１０は、トランシーバ（図示せず）を含む。トランシーバは、一般的に、プロセス制御システムによって利用される無線通信プロトコルに従って、物理（ＰＨＹ）層および他の層（例えば、メディアアクセス制御（ＭＡＣ）層）のタスクに関連する命令を実行するための、１つ以上のプロセッサ（同じく図示せず）を含む。ネットワークインターフェース１１０は、アンテナ１１４に、または代替として、複数のアンテナに連結され得る。アンテナ１１４を介して、ネットワークインターフェース１１０は、無線通信プロトコルに従って、データパケットを伝送および／または受信する。ネットワークインターフェース１１０は、好ましくは、データパケットの伝送および受信の双方を行うように構成される。
【００２３】
例示的なフィールドデバイス１００のネットワークインターフェース１１０は、プロセッサ１２０に通信可能に連結され、次に、メモリ１２４およびプロセス機能ブロック１３０に通信可能に連結される。プロセス機能ブロック１３０は、プロセス制御システム内でフィールドデバイス１００の主要機能を行う。例えば、フィールドデバイス１００が弁ポジショナデバイスである場合、プロセス機能ブロック１３０は、プロセッサ１２０からの制御信号に従って弁に対する空気圧力出力を制御する、スプール弁を含み得る。別の例として、フィールドデバイス１００が温度センサデバイスである場合、プロセス機能ブロック１３０は、温度をプロセッサ１２０に送信されるデジタル信号に変換するための、１つ以上の温度感知トランスデューサを含み得る。メモリ１２４は、例えば、プロセス関連の変数（例えば、プロセッサ１２０がプロセス機能ブロック１３０から受信する過去のセンサ測定値、プロセッサ１２０がネットワークインターフェース１１０を介してネットワークから受信する将来の制御値等）を記憶し得、ならびに／またはネットワーク（例えば、図１の無線工場オートメーションネットワーク１４）に関連するルーティングおよび／もしくはスケジューリングデータを記憶し得る。図２の例示的なフィールドデバイス１００は、１つのプロセッサ１２０を含むが、他の実施形態は、プロセッサ１２０の機能を行う、２つ以上のプロセッサを含み得る。あるいは、フィールドデバイス１００は、プロセッサ１２０の機能だけでなく、ネットワークインターフェース１１０によって必要とされる任意の処理も行う、単一のプロセッサを含み得る。さらに、プロセス機能ブロック１３０によって必要とされる任意の追加的な処理は、プロセッサ１２０によって、または１つ以上の別個のプロセッサによって行われ得る。
【００２４】
例示的なフィールドデバイス１００はまた、主電力源１４２の取り外し可能な連結部１４３を介して、主電力源１４２に連結するように構成される、主電力ポート１４０も含む。主電力源１４２は、フィールドデバイス１００の通常動作中に、エネルギーを貯蔵し、フィールドデバイス１００に給電することができる（すなわち、十分な電流レベルを供給しながら、適切な電圧レベルを提供することができる）、任意のデバイス、モジュール等であり得る。一実施形態において、主電力源１４２は、１つ以上のバッテリ（例えば、リチウム塩化チオニルバッテリ）から成る。別の実施形態において、主電力源１４２は、１つ以上のバッテリを含む、自己内蔵型電力モジュールである。例えば、主電力源１４２は、１つ以上のバッテリが載置される筐体を有する、および／または１つ以上のバッテリが載置される基板もしくは他の表面を有する、電力モジュールを含み得る。
【００２５】
主電力ポート１４０は、主電力源１４２の取り外し可能な連結部１４３を介して、主電力源１４２に電気的に連結するために、少なくとも２つの導電性で電気的に絶縁された接触領域を含む。主電力ポート１４０は、種々の形態のうちの任意の１つを有し得る。例えば、主電力ポート１４０は、主電力源１４２の取り外し可能な連結部１４３に嵌合する、電気コネクタの１組のピンまたはピン差込口を含み得、ここで、取り外し可能な連結部１４３は、それぞれ、主電力源１４２の１組のピン差込口またはピンである。別の例として、主電力ポート１４０は、取り外し可能な連結部１４３の導電性（例えば、金属）表面に簡単に係合／接触する、導電性（例えば、金属）表面を含み得、ここで、取り外し可能な連結部１４３は、主電力源１４２の１組の電気的に絶縁された金属表面（例えば、バッテリ電極）である。主電力ポート１４０が電気コネクタを含む場合の実施形態において、電気コネクタは、フィールドデバイス筐体１０４内に配置され得る（例えば、フィールドデバイス筐体１０４を開くことによってだけアクセス可能であり得る）か、またはフィールドデバイス筐体１０４に接続され得る（例えば、フィールドデバイス筐体１０４の外面に載置され得るか、またはケーブルを介して、フィールドデバイス筐体１０４に接続され得る）。
【００２６】
一実施形態において、主電力源１４２は、通常動作中に、全てのフィールドデバイス１００に電力を提供する。あるいは、フィールドデバイス１００の一部分は、主電力源１４２によって全く給電されない場合がある。例えば、フィールドデバイス１００は、フィールドデバイス１００内に一体化されるバッテリだけによって給電される、１つ以上の構成要素モジュールまたは回路を含み得る。
【００２７】
主電力源１４２を（例えば、消耗した主電力源１４２を交換するために）取り外すときに、フィールドデバイス１００が適切に給電され、機能する状態を維持することを確実にするために、例示的なフィールドデバイス１００はさらに、予備電力源１４６の取り外し可能な連結部１４７を介して、予備電力源１４６に連結するように構成される、予備電力ポート１４４を含む。主電力源１４２と同様に、予備電力源１４６は、エネルギーを貯蔵し、フィールドデバイス１００（またはその一部分）に十分に給電することができる、任意のデバイス、モジュール等であり得る。予備電力源１４６は、例えば、主電力源１４２に関して上で説明される種々の電力源のいずれかに類似し得る。予備電力源１４６は、例えば、主電力源１４２と同じタイプの電力源であり得る。
【００２８】
予備電力ポート１４４は、予備電力源１４６に電気的に連結するために、導電性で電気的に絶縁された接触領域を含む。予備電力ポート１４４および取り外し可能な連結部１４７は、例えば、主電力ポート１４０および取り外し可能な連結部１４３に関して上で説明される、種々の電力ポートおよび取り外し可能な連結部のいずれかに類似し得る。一実施形態において、予備電力ポート１４４は、２つ以上の導電性の突起構造（例えば、支柱、フランジ等）を含み、取り外し可能な連結部１４７は、１組のリード線（例えば、突起構造に取り付けるためのクリップを有する）を含む。この例示的な実施形態において、取り外し可能な連結部１４７は、電力源モジュール１４２に取り付けられる（例えば、クリップ留めされる）、リード線を含み得る。予備電力源１４６を取り付ける人は、リード線を予備電力ポート１４４の突起構造に接続し得る。
【００２９】
一実施形態において、主電力ポート１４０および予備電力ポート１４４は、主電力源１４２の取り付けおよび取り外しを妨げることなく、予備電力源１４６を自由に取り付ける、および取り外すことができるように、ならびにその逆も同様であるように位置する。主電力ポート１４０および予備電力ポート１４４の一方または双方が、ケーブルを介してフィールドデバイス筐体１０４に接続するコネクタを含む実施形態において、この様式で主電力ポート１４０および予備電力ポート１４４を位置させることは、典型的に、容易である（すなわち、ケーブルは、簡単に障害物のない場所へ移動され得る）。しかしながら、主電力ポート１４０および予備電力ポート１４４が、コネクタまたは接触部をフィールドデバイス筐体１０４上にまたはその中に含む実施形態にでは、ポート１４０、１４４の配置が重要であり得、該配置は、取り付けられるときの、主電力源１４２および予備電力源１４６のサイズおよび形状、フィールドデバイス筐体１０４の内部形状または外部形状、ならびに主電力源１４２および予備電力源１４６の配向に部分的に依存する。
【００３０】
例示的なフィールドデバイス１００はさらに、少なくとも第１の電力端子１５２、第２の電力端子１５４、および第３の電力端子１５６を有する、電力源スイッチングモジュール１５０を含む。電力端子１５２、１５４、１５６のそれぞれは、物理的コネクタ、または単に電気的接続点（例えば、電力源スイッチングモジュール１５０に連結される導電性ワイヤ、トレース、または面に沿った任意の場所）であり得る。電力源スイッチングモジュール１５０は、第１の電力端子１５２を介して主電力ポート１４０に、第２の電力端子１５４を介して予備電力ポート１４４に、そして第３の電力端子１５６を介して電圧調整器１６０に電気的に連結される。
【００３１】
電力源スイッチングモジュール１５０は、主電力ポート１４０の（第１の電力端子１５２を介した）第３の電力端子１５６への電気的な連結と、予備電力ポート１４４の（第２の電力端子１５４を介した）第３の電力端子１５６への電気的な連結との間で切り替えるように構成され、それによって、主電力源１４２または予備電力源１４６のいずれかが、第３の電力端子１５６で電力を提供することを可能にする。電力源スイッチングモジュール１５０は、図４に関連して下でさらに詳細に論じられる。
【００３２】
フィールドデバイス１００はまた、電圧調整器１６０も含み、該電圧調整器は、（電力源スイッチングモジュール１５０の状態に応じて）主電力源１４２または予備電力源１４６によって提供される電力を入力として受け取り、出力端子１６４で、十分に調整された電圧を提供する。出力端子１６４は、例えば、フィールドデバイス１００の種々のモジュールおよび／または回路に直接連結し得、または追加的なフィルタリングおよび／または調整器を介して、モジュールおよび／または回路に連結し得る。いくつかの実施形態において、出力端子１６４は、フィールドデバイス１００全体に電力を送達する。他の実施形態において、出力端子１６４は、フィールドデバイス１００の一部分だけ（例えば、プロセス機能ブロック１３０だけ、プロセッサ１２０およびプロセス機能ブロック１３０だけ、等）に電力を送達する。
【００３３】
フィールドデバイス１００の通常動作中に、主電力源１４２は、典型的に、主電力ポート１４０に接続され得、予備電力源１４６は、典型的に、予備電力ポート１４４から接続解除され得る。主電力源１４２が間もなく十分な電力をフィールドデバイス１００に提供することができなくなる程度まで、主電力源１４２が消耗してきたときに、警報または他の指示が、フィールドデバイス１００を保守する担当者に表示され得る。例えば、担当者は、フィールドデバイス１００を識別する低電圧の警報を受信し得、該警報は、ネットワークインターフェース１１０およびアンテナ１１４を介して、フィールドデバイス１００からホストに送信されるデータに基づいて、ホストワークステーション（例えば、図１のホストワークステーション１６および／または１８）によって生成される。
【００３４】
警報または他の指示を受信すると、担当者は、主電力源１４２がフィールドデバイス１００に適切に電力を供給するその能力を失う前に、主電力源１４２を交換しようとし得る。この目的のために、担当者は、満充電した交換用主電力源、および満（または少なくとも十分に）充電した予備電力源をフィールドデバイス１００の場所に持ち込み得る。一実施形態において、個人は、次いで（順に）、（１）（例えば、予備電力源を予備電力ポート１４４に接続することによって）予備電力源を取り付け、（２）（例えば、主電力ポート１４０から消耗した主電力源を接続解除することによって）消耗した主電力源を取り外し、（３）（例えば、交換用主電力源を主電力ポート１４０に接続することによって）交換用主電力源を取り付け、そして、（４）（例えば、予備電力ポート１４４から予備電力源を接続解除することによって）予備電力源を取り外す。このようにして、フィールドデバイス１００は、主電力源の交換にもかかわらず、連続的に給電される状態を維持し得る。
【００３５】
他の実施形態において、予備電力源１４６は、通常動作中に、フィールドデバイス１００から取り外されることを意図しない。例えば、予備電力源１４６は、主電力源１４２がフィールドデバイス１００に取り付けられている間主電力源１４２によって充電される、充電式電池であり得る。予備電力源１４６がフィールドデバイス１００から取り外し可能でない実施形態において、消耗したまたは殆ど消耗した主電力源を交換する人は、典型的に、フィールドデバイス１００の場所に予備電力源を持ち込む必要はない。
【００３６】
図３は、本発明の第２の開示された実施例に従って組み立てられる、例示的なフィールドデバイス２００および電力源スイッチングモジュール２５０のブロック図である。図２のフィールドデバイス１００と同様に、フィールドデバイス２００および電力源スイッチングモジュール２５０は、好ましくは、図１の例示的なプロセス制御システム５等のプロセス制御システム内に組み込まれる。フィールドデバイス２００は、例えば、図１のフィールドデバイス３０〜３６のうちの１つであり得、またはプロセス制御システムで用いられる任意の他のフィールドデバイスであり得る。
【００３７】
例示的なフィールドデバイス２００は、フィールドデバイス筐体２０４と、ネットワークインターフェース２１０と、アンテナ２１４と、プロセッサ２２０と、メモリ２２４と、プロセス機能ブロック２３０とを含み、例えば、これらはそれぞれ、図２のフィールドデバイス１００の筐体１０４、ネットワークインターフェース１１０、アンテナ１１４、プロセッサ１２０、メモリ１２４、およびプロセス機能ブロック１３０に類似し得る。さらに、例示的なフィールドデバイス２００は、取り外し可能な連結部２４３を介して主電力源２４２に連結する、主電力ポート２４０を含み、ここで、主電力ポート２４０、主電力源２４２、および取り外し可能な連結部２４３は、図２の主電力ポート１４０、主電力源１４２、および取り外し可能な連結部１４３に類似し得る。
【００３８】
しかしながら、図２のフィールドデバイス１００とは異なり、例示的なフィールドデバイス２００は、フィールドデバイス２００内に一体化される、予備電力源２４４を含む。例えば、予備電力源２４４は、充電式電池、エネルギー貯蔵コンデンサ、またはエネルギー貯蔵特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり得、予備電力源２４４は、フィールドデバイス２００内に固定して載置される。これらの実施形態のうちのいくつかにおいて、予備電力源２４４は、主電力源２４０が取り付けられている間、主電力源２４０によって充電および／または再充電される。予備電力源２４４は、例えばネットワークインターフェース２１０、プロセッサ２２０、および／またはメモリ２２４も含むプリント回路基板等の、プリント回路基板上に載置され得る。
【００３９】
例示的なフィールドデバイス２００はさらに、少なくとも第１の電力端子２５２、第２の電力端子２５４、および第３の電力端子２５６を有する、電力源スイッチングモジュール２５０を含む。電力源スイッチングモジュール２５０（電力端子２５２、２５４、２５６を有する）は、図２の電力源スイッチングモジュール１５０（電力端子１５２、１５４、１５６を有する）に類似し得（図４に関して下でさらに詳細に論じられる）、例えば、図２の主電力源１４２と予備電力源１４４との間で切り替える電力源スイッチングモジュール１５０に類似した様式で、主電力源２４２と予備電力源２４４の間で切り替え得る。例示的なフィールドデバイス２００において、フィールドデバイス２００内に一体化される予備電力源２４４は、電力源スイッチングモジュール２５０の第２の電力端子２５４に恒久的に連結される。フィールドデバイス２００はまた、例えば、図２の電圧調整器１６０（出力端子１６４を有する）に類似し得る、電圧調整器２６０（出力端子２６４を有する）も含む。図２のフィールドデバイス１００のように、電圧調整器２６０は、出力端子２６４を介して、フィールドデバイス２００全体またはその一部分だけに、直接的に、または他の回路を介して、電力を送達し得る。
【００４０】
例示的なフィールドデバイス２００は、常に予備電力源２４４を含むが、いくつかの実施形態において、フィールドデバイス２００は、通常動作中に、主電力源２４２だけによって給電される。例えば、双方の電力源が満充電されたときに、主電力源２４２は、予備電力源２４４よりも高い電圧レベルで電力を供給し得、電力源スイッチングモジュール１５０は、より高い電圧レベルを有する電力源２４２または２４４だけを、電力源スイッチングモジュール２５０の出力端子２６４に接続し得る。主電力源２４２がある程度まで消耗したとき（例えば、主電力源２４２の電圧レベルが、予備電力源２４４の電圧レベル未満に低下したとき）、フィールドデバイス２００は、代わりに、予備電力源２４４によって給電される。
【００４１】
予備電力源２４４は、取り付ける必要がなく、また、必要なときに（例えば、主電力源２４２があるレベルを超えて消耗してきたときに）自動的に使用され得るにもかかわらず、フィールドデバイス２００を保守する担当者は、それでもなお、主電力源２４２の低電圧状態の警報または他の指示を受信し得る。例えば、担当者は、フィールドデバイス２００を識別する低電圧の警報を受信し得、該警報は、ネットワークインターフェース２１０およびアンテナ２１４を介して、フィールドデバイス２００からホストに送信されるデータに基づいて、ホストワークステーション（例えば、ホストワークステーション１６および／または１８）によって生成される。このシナリオにおいて、担当者は、予備電力源２４４がフィールドデバイス２００に給電するその能力を失う前に、主電力源２４２を交換しようとし得る。この目的のために、担当者は、満充電した交換用主電力源をフィールドデバイス２００の場所に持ち込み得る。個人は、次いで、（主電力ポート２４０から消耗した主電力源を接続解除することによって）消耗した主電力源を取り外し、次いで、（例えば、交換用主電力源を主電力ポート２４０に接続することによって）交換用主電力源を取り付ける。このようにして、フィールドデバイス２００は、主電力源の交換にもかかわらず、連続的に給電される状態を維持し得る。
【００４２】
危険な環境（例えば、フィールドデバイスによって火花または炎が生じた場合に、爆発の重大な危険性を生じさせる環境）のため、プロセス制御システムを含むいくつかの工場は、工場の種々の区域の中の全てのデバイスが、一定の安全基準に厳格に準拠することが必要である。例えば、「本質安全」（ＩＳ：Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ  Ｓａｆｅ）規格は、電圧および電流レベルに対する制限等の、プロセス制御デバイスにおける一定のエネルギー制限を必要とする。故に、図２および図３の例示的なフィールドデバイス１００および２００等のフィールドデバイスは、ＩＳおよび／または他の安全規格に準拠する構成要素、モジュール、または回路を含み得るか、またはそれらから成り得る。同様に、フィールドデバイスのための主電力源および予備電力源（例えば、図２の主電力源１４２および予備電力源１４６または図３の主電力源２４２および予備電力源２４４）は、ＩＳおよび／または他の安全規格に準拠し得る。
【００４３】
図４は、電力源スイッチングモジュール１５０がアナログスイッチである実施形態による、図２のフィールドデバイス１００の電力源スイッチングモジュール１５０の概略図である。あるいは、図４で示される電力源スイッチングモジュール１５０は、図３のフィールドデバイス２００の中の電力源スイッチングモジュール２５０であり得る。図２に関連して上で論じられるように、電力源スイッチングモジュール１５０は、主電力源（例えば、図２の主電力源１４２）に連結するための第１の電力端子１５２と、予備電力源（例えば、図２の予備電力源１４６）に連結するための第２の電力端子１５４と、主電力源または予備電力源から（例えば、図２の電圧調整器１６０を介して）フィールドデバイスに電力を送達するための第３の電力端子１５６とを含む。同じく図２に関連して上で論じられるように、第３の電力端子１５６に印加される電力は、フィールドデバイス全体またはフィールドデバイスの一部分だけに送達され得る。電力端子１５２、１５４、および１５６のそれぞれは、少なくとも正極および負極の接続点を含み、該接続点のそれぞれは、コネクタ、ピンなどであり得、さらには、電力源スイッチングモジュール１５０の導電性ワイヤ、トレース、または面上の任意の地点であり得る。
【００４４】
例示的な電力源スイッチングモジュール１５０は、第１の動作状態において、第１の電力端子１５２を第３の電力端子１５６に連結するように動作可能であり、また、第２の動作状態において、第２の電力端子１５４を第３の電力端子１５６に連結するように動作可能である。第１の動作状態および第２の動作状態のそれぞれは、主電力源および／または予備電力源の連結状態および／または電圧レベルに依存する。例えば、第１の動作状態および／または第２の動作状態は、主電力源および／または予備電力源が、第１の電力端子１５４に連結されているか、および／または第２の電力端子１５４に連結されているか、に依存し得る。別の例として、第１の動作状態および／または第２の動作状態は、追加的に、主電力源および／または予備電力源が、特定の電圧レベルを提供することができるかどうかに依存し得る。
【００４５】
例示的な実施形態において、電力源スイッチングモジュール１５０は、ｉ）第１の電力端子１５２が（例えば、図２の主電力ポート１４０等の主電力ポートを介して）主電力源に連結されているとき、およびｉｉ）第２の電力端子１５４が予備電力源に連結されていない（例えば、いかなる予備電力源も、図２の予備電力ポート１４２等の予備電力源に連結されていない）とき、の双方のときに、ならびに／または第１の電力端子１５２に連結された主電力源の電圧が閾値電圧レベルを超えている（例えば、第２の電力端子１５４に連結された予備電力源の電圧レベルを超えている）ときに、第１の動作状態である。閾値電圧レベルの種々の例は、下で説明される。
【００４６】
別の例示的な実施形態において、電力源スイッチングモジュール１５０は、第２の電力端子１５４が（例えば、図２の予備電力ポート１４２等の予備電力ポートを介して）予備電力源に連結されているとき、およびｉ）いかなる主電力源も第１の電力端子１５２に連結されていない（例えば、いかなる主電力源も、図２の主電力ポート１４０等の主電力ポートに連結されていない）か、またはｉｉ）主電力源が（例えば、図２の主電力ポート１４０等の主電力ポートを介して）第１の電力端子１５２に連結されているが、主電力源が閾値電圧レベルを提供することができないとき、のいずれかのときに、第２の動作状態である。
【００４７】
図４で示される例示的な電力源スイッチングモジュール１５０において、アナログ回路は、主電力源と予備電力源との間でスイッチングを行う。具体的には、図４で示されるように、電力源スイッチングモジュール１５０は、第１の電力端子１５２の正極側と第３の電力端子１５６の正極側との間の経路にダイオード２８０を含む１組のダイオードと、ダイオード２８４−１〜２８４−４を有するダイオードリング２８４とを含む。例えば、ダイオード２８０および／または１組のダイオードのダイオード２８４−１〜２８４−４は、低損失で高出力のショットキーダイオードであり得る。
【００４８】
図４で示される電力源スイッチングモジュール１５０は、主電力源が少なくとも閾値電圧レベルを提供することができるときに、（第１の電力端子１５２および第３の電力端子１５６を介して）主電力源からフィールドデバイスに電力を供給するように動作する。予備電力源が例示的な電力源スイッチングモジュール１５０の第２の電力端子１５４に連結されるときに、ダイオード２８０およびダイオード２８４−１〜２８４−４全体にわたる電圧降下が完全に整合すると仮定した場合、閾値電圧レベルは、予備電力源の電圧レベルに等しい。しかしながら、実際には、ダイオード２８０およびダイオード２８４−１〜２８４−４全体にわたる電圧降下は、変動する。故に、例示的な電力源スイッチングモジュール１５０の閾値電圧レベルは、予備電力源の電圧レベルに、ダイオード２８０およびダイオード２８４−１〜２８４−４のうちの１つ以上の電圧降下の不整合に対応する正または負のオフセット電圧を加えたものに等しい。
【００４９】
６．９０Ｖの電力を供給することができる主電力源が第１の電力端子１５２に連結され、７．２０Ｖの電力を供給することができる予備電力源が第２の電力端子１５４に連結され、かつダイオードの不整合によるオフセット電圧が−０．０５Ｖである例示的なシナリオでは、主電力源の電圧レベルが閾値電圧レベル（すなわち、７．２０Ｖ−０．０５Ｖ＝７．１５Ｖ）未満であり、したがって、予備電力源だけが、第３の電力端子１５６を介して、フィールドデバイスに電力を供給する。主電力源および予備電力源がどちらも取り付けられ、どちらの電力源の電圧も（オフセット電圧を補償した後に）ほぼ等しいという稀なシナリオでは、一時的にどちらの電力源もフィールドデバイスに電力を供給し得る。当然、電力源の１つだけ（すなわち、主電力源または予備電力源）が電力端子のそれぞれ（すなわち、それぞれ、第１の電力端子１５２または第２の電力端子１５４）に接続されるときには、接続された電力源だけがフィールドデバイスに電力を供給することができる。
【００５０】
電力源スイッチングモジュール１５０内の回路の他の構成が可能である。例えば、ダイオード２８０および／またはダイオード２８４−１〜２８４−４は、異なる様式で配設され得る。さらに、電力源スイッチングモジュール１５０は、ある実施形態において、アナログスイッチではない。いくつかの実施形態において、例えば、電力源スイッチングモジュール１５０は、デジタルスイッチである。これらの実施形態において、電力源スイッチングモジュール１５０は、図２のプロセッサ１２０等のプロセッサによって生成されるデジタル制御信号によって制御されるスイッチング状態を有する、スイッチング回路（例えば、１つ以上の高出力トランジスタ）を含み得る。プロセッサは、例えば、（例えば、電圧検出回路から情報を受信することによって）主電力源が少なくとも閾値電圧レベルを提供しているかどうかを判断し、その判断に基づいて、対応する制御信号を電力源スイッチングモジュール１５０に送信して、デジタルスイッチの適切な状態を設定する。デジタルスイッチの閾値電圧レベルは、所定の閾値電圧レベルであり得る。例えば、閾値電圧レベルは、メモリ（例えば、図２のメモリ１２４または図３のメモリ２２４）に記憶されるデータによって表され得、該データは、デジタルスイッチの状態を制御するプロセッサによってアクセスされる。別の実施形態において、電力源スイッチングモジュール１５０は、手動操作可能なスイッチ（例えば、トグルスイッチ）である。
【００５１】
図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ、取り外した位置および取り付けた位置の例示的な主電力源（すなわち、電力モジュール３１０）を示す、例示的なフィールドデバイス３００の内部の斜視図である。フィールドデバイス３００は、例えば、図２のフィールドデバイス１００に類似し得、および／または（例えば、フィールドデバイス３０〜３６のうちの１つとして）図１のプロセス制御システム５等のプロセス制御システムに含まれ得る。最初に図５Ａを参照すると、フィールドデバイス３００は、例えば、耐久性のあるプラスチックまたは金属構造体であり得る、フィールドデバイス筐体３１４を含む。図５Ａに示されるフィールドデバイス３００において、フィールドデバイス筐体３１４は、第２のフィールドデバイス筐体部分３１４Ｂから第１のフィールドデバイス筐体部分３１４Ａを分離することによってアクセスされ、ここで、フィールドデバイス筐体部分３１４Ａおよび３１４Ｂは、ヒンジ３１６によって接続される。あるいは、フィールドデバイス筐体部分３１４Ａおよび３１４Ｂは、ねじまたはスナップ嵌合等のいくつかの他の取り外し可能な機械的連結によって接続され得る。他の実施形態において、フィールドデバイス筐体３１４の内部は、このような方法でデバイス３００を開くことによってアクセスできない。
【００５２】
プリント回路基板（ＰＣＢ）３２０は、第１のフィールドデバイス筐体部分３１４Ａ内に固定して載置され、（例えば、図５Ａで示されないＰＣＢ３２０側に）１つ以上のプロセッサおよび／または他の回路もしくはデバイスを含み得る。ＰＣＢ３２０は、例えば、ネットワークインターフェースと、プロセッサと、メモリとを含み得、それらは、図２のネットワークインターフェース１１０、プロセッサ１２０、およびメモリ１２４に類似し得る。さらに、ＰＣＢ３２０は、プロセス制御システム内に、フィールドデバイス３００の主要機能と関連付けられる回路（例えば、図２のプロセス機能ブロック１３０と関連付けられる回路）の一部または全部を含み得る。さらに、ＰＣＢ３２０は、図２の電力源スイッチングモジュール１５０に類似する電力源スイッチングモジュールおよび／または電圧調整器１６０に類似する電圧調整器等の、追加的な回路を含み得る。
【００５３】
例示的なフィールドデバイス３００は、プロセス制御システムの無線ネットワーク（例えば、図１のワイヤレス通信ネットワーク１４）を介して通信するための、フィールドデバイス筐体３１４に接続されるアンテナ３２２を含む。アンテナ３２２は、例えば、図２のアンテナ１１４に類似し得、フィールドデバイス筐体３１４内（例えば、ＰＣＢ３２０上）に収容される（例えば、図２のネットワークインターフェース１１０に類似する）ネットワークインターフェースに連結され得る。
【００５４】
フィールドデバイス筐体部分３１４Ｂは、弁位置を感知すること等のフィールド制御デバイス３００の主要機能を行う、モジュール３２４を収容する。モジュール３２４は、例えば、図２のプロセス機能ブロック１３０に類似し得る。モジュール３２４は、モジュール３２４の（例えば、センサデータを取得する）動作を制御する、（例えば、モジュール３２４内の１つ以上のＰＣＢ上に載置される）１つ以上のプロセッサを含み得る。あるいは、モジュール３２４の動作は、ＰＣＢ３２０上の１つ以上のプロセッサによって制御され得る。
【００５５】
フィールドデバイス筐体部分３１４Ｂは、弁を位置付けること等のフィールド制御デバイス３００の別の主要機能を行う、第２の外部モジュール３２６に機械的に接続される。モジュール３２６は、例えば、図２のプロセス機能ブロック１３０に類似し得る。モジュール３２６は、モジュール３２６の（例えば、モジュール３２６の中のスプール弁を介して、空気圧を調整する）動作を制御する、（例えば、１つ以上のＰＣＢ上に載置される）１つ以上のプロセッサを含み得る。あるいは、モジュール３２６の動作は、ＰＣＢ３２０上の１つ以上のプロセッサによって制御され得る。
【００５６】
モジュール３２４および／またはモジュール３２６がＰＣＢ３２０上の１つ以上のプロセッサを介して制御される実施形態、ならびに／または電力モジュール３１０からの電力がモジュール３２４および／もしくはモジュール３２６に送られる実施形態において、１つ以上の電気コネクタは、ＰＣＢ３２０を適切なモジュール（複数可）に連結し得る。例示的なフィールドデバイス３００では、リボンケーブルコネクタ３２８がそのような接続の一部を提供するが、明確にするために、リボンケーブル自体は示されない。
【００５７】
図５Ａおよび５Ｂで示される例示的なフィールドデバイス３００は、プロセス制御システム内で主要機能を行うための２つのモジュール３２４、３２６を含むが、他の実施形態は、そのようなモジュールを１つだけ、または２つを超えるそのようなモジュールを含み得る。さらに、他の実施形態は、異なる様式でフィールドデバイス筐体３１４内に配置される（またはそれに外部接続される）、１つ以上のモジュールを含み得る。例として、モジュール３２４は、フィールドデバイス筐体部分３１４Ａ内に収容され得るか、（例えば、モジュール３２６に類似する）フィールドデバイス筐体３１４に外部接続され得るか、または外部ケーブルを介してフィールドデバイス筐体３１４に接続され得る。
【００５８】
図５Ａおよび５Ｂの例示的な実施形態において、電力モジュール３１０は、取り外し可能な電力モジュールである。フィールドデバイス３００は、電力モジュール３１０の取り外し可能な連結部に電気的に連結するための主電力ポートを提供する、コネクタ３３０を含む。いくつかの実施形態において、コネクタ３３０は、（図５で示されるように取り付けられたときに）電力モジュール３１０を、図２および図４の電力源スイッチングモジュール１５０の第１の電力端子１５２等の、電力源スイッチングモジュール（例えば、ＰＣＢ３２０上に載置される電力源スイッチングモジュール）の端子に電気的に連結する。コネクタ３３０は、取り外し可能な連結部に連結するための、少なくとも正極コネクタ３３０Ａおよび負極コネクタ３３０Ｂを含み、該取り外し可能な連結部は、それぞれ、電力モジュール３１０の正極コネクタ３３２Ａおよび負極コネクタ３３２Ｂを含む。例示的なフィールドデバイス３００および例示的な電力モジュール３１０について、コネクタ３３０およびコネクタ３３２は、加えて、フィールドデバイス３００と電力モジュール３１０との間に、あるレベルの機械的連結を提供する。図５Ａで示される実施形態において、コネクタ３３０のそれぞれは、バナナプラグであり、コネクタ３３２のそれぞれは、バナナプラグのそれぞれに機械的に噛合する、バナナソケットである。
【００５９】
例示的な電力モジュール３１０は、コネクタ３３０がコネクタ３３２に噛合したときに図５Ｂで図示されるようにフィールドデバイス筐体３１４内に着座する、基板３３４を含む。いくつかの実施形態において、基板３３４は、電力モジュール３１０が取り付けられるときに、クリップ、ねじ、または他の手段によってフィールドデバイス３００に機械的に締結することができる。基板３３４上には、バッテリ区画３３６が載置される。各バッテリ区画３３６は、リチウム塩化チオニルバッテリ等のバッテリ（図５Ａまたは５Ｂに示さず）を収容する、筐体を含む。区画３３６内のバッテリは、例えば、基板３３４上でトレースによって直列接続され得、満充電されたときに特定の電圧（例えば、バッテリ区画３３６Ａおよび３３６Ｂがそれぞれ１つの、２つの直列接続した３．６Ｖのバッテリを収容する場合は、７．２Ｖ）を提供する。
【００６０】
図５Ａで示される主電力源（すなわち、電力モジュール３１０）は、上で説明される構成を有するが、他の実施形態では、異なる主電力源が使用され得る。例えば、主電力源は、バッテリを１つだけ、または２つを超えるバッテリを含み得、および／または複数のバッテリが並列に接続され得る。別の例として、主電力源は、基板３３４を含まない場合がある（例えば、主電力源は、基板３３４またはバッテリ区画３３６を伴わずに、専ら１つ以上のバッテリから成り得る）。
【００６１】
例示的なフィールドデバイス３００内で、ＰＣＢ３２０は、ポッティング領域３４０を含む。ポッティング領域３４０は、電力モジュール３１０が図５Ｂで示されるように例示的なフィールドデバイス３００に取り付けられるときに、ＰＣＢ３２０と電力モジュール３１０との間にあり、フィールドデバイス３００にＩＳまたは他の安全規格を遵守させる役割を果たし得る。例えば、ポッティング領域３４０は、エネルギーが、空気中の任意の可燃性ガスまたはＰＣＢ３２０の表面の任意の可燃性の塵埃に触れないようにするのを補助し得る。
【００６２】
電力コネクタ３３０に加えて、例示的なフィールドデバイス３００は、有線通信インターフェース（例えば、有線ＨＡＲＴインターフェース）に連結することを可能にするために、コネクタ３４２を含む。有線インターフェースは、例えば、保守および／または設定の目的で使用され得る。例えば、フィールドデバイス３００が初めて無線ネットワークに接続される前に、フィールドデバイス３００は、有線インターフェースを介した構成を必要とし得、および／またはフィールドデバイス３００に関する情報は、それをプロセス制御システムに入力することができるように、有線インターフェースを介して取得される必要があり得る。プロセス制御システムの保守および設定の担当者は、図１のハンドヘルドデバイス５５等のハンドヘルドデバイスを使用することによって、この目的のために、コネクタ３４２を介して、フィールドデバイス３００に結合し得る。図５Ａで示されるコネクタ３４２は、バナナプラグであるが、他のコネクタが使用され得る。図５Ａおよび５Ｂで示されないが、電力モジュール３１０は、コネクタ３４２に連結し、「パススルー」として作用する（すなわち、電力モジュール３１０が取り付けられているときであっても、デバイスを、コネクタ３４２に連結することを可能にする）、コネクタ（例えば、バナナソケット）を含み得る。いくつかの実施形態において、フィールドデバイス３００は、コネクタ３４２を含まない。
【００６３】
フィールドデバイス３００はまた、予備電力源（図示せず）をフィールドデバイス３００に電気的に連結するための予備電力ポートとして作用する、接触領域３４４も含む。一実施形態において、接触領域３４４は、予備電力源を、図２および図４の電力源スイッチングモジュール１５０の第２の電力端子１５４等の、（例えば、ＰＣＢ３２０上の）電力源スイッチングモジュールの端子に電気的に連結する。接触領域３４４は、予備電力源の取り外し可能な連結部（例えば、対応する正極接触領域および負極接触領域）に連結するための、少なくとも正極接触領域３４４Ａおよび負極接触領域３４４Ｂを含む。接触領域３４４は、電力モジュール３１０が図５Ｂで図示されるようにフィールドデバイス筐体３１４内に取り付けられたときに、接触部３４４がアクセス可能な状態を維持するように、例示的なフィールドデバイス３００内に位置付けられる。
【００６４】
例示的なフィールドデバイス３００の接触領域３４４は、予備電力源から（例えば、クリップを有するリードを介して）リード／ワイヤを取り付けるための導電構造を提供する、導電性タブまたはフランジである。例えば、予備電力源は、正極接触領域３４４Ａおよび負極接触領域３４４Ｂからのリードを、バッテリの正極および負極電極に、または電力モジュール３１０と同一の予備電力源の正極および負極コネクタにクリップ留めすることによって、接触領域３４４に接続され得る。図２および図３に関連して上で論じられるように、他の実施形態は、代わりに、異なるタイプの予備電力ポートと、予備電力源と、および取り外し可能な連結部とを含み得、または（例えば、フィールドデバイス３００内に一体化される、あるタイプの予備電力源の場合）予備電力ポートおよび取り外し可能な連結部を完全に省略し得る。
【００６５】
例示的なフィールドデバイス３００のフィールドデバイス筐体３１４は、電力モジュール３１０が図５Ｂで示されるように取り付けられた時点で、フィールドデバイス筐体部分３１４Ａおよび３１４Ｂを１つに合わせることによって、フィールドデバイス３００が閉じられ得るように構成される。図５Ａおよび５Ｂは、フィールドデバイス３００が閉じられると、予備電力源の接触領域３４４にアクセスできなくなる実施形態を示すが、いくつかの他の実施形態において、接触領域３４４は（例えば、フィールドデバイス筐体３１４に切り取り部を含むこと、フィールドデバイス３１４を通過するコネクタを提供すること、等によって）、フィールドデバイス３００が閉じられたときにアクセス可能な状態を維持する。
【００６６】
フィールドデバイスの種々の機能および／またはシステムは、「モジュール」、「構成要素」、または「機能ブロック」として本明細書で説明されているが、これらの用語は、単一の一体化されたユニットに限定されないことに留意されたい。さらに、本発明は、具体的な実施例を参照して説明されるが、そのような実施例は、実例とすることを意図したものに過ぎず、本発明を限定することを意図しない。当業者には、変更、追加、削除が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、開示される実施形態に行われ得ることが明らかになるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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