JP2001501761A - 冗長フィールドデバイスおよびバス付きプロセス制御ネットワーク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 二線式ループ動力式両方向デジタル通信環境内での機能要素は、選択式冗長コネクションおよび選択式冗長機能要素を使用して相互接続される。冗長機能要素および冗長コネクションは、一次プロセスループ要素が故障した場合に、一次プロセスループ要素の動作から二次プロセスループ要素へ円滑な遷移を提供する。冗長性は、フィールドデバイスの冗長組または一次バスと冗長バスを有する冗長バス組を使用して実現される。第１のケースにおいては、冗長性は、単一通信ループなどの単一セットの通信媒体を使用してであるが、冗長媒体の故障時ではなく、機能要素の故障時に回復が達成されるように、フィールドデバイスなどの冗長機能要素を実現して、選択式で実現される。第２のケースでは、冗長性は、故障中のデバイスおよび故障中の通信媒体の両方に回復が達成されるように、冗長性デバイスの使用に加えて通信媒体の冗長セットを使用して選択式で実現される。第３のケースでは、冗長性は、故障中のデバイスに対してではなく、故障中の通信媒体に対して回復が達成されるように、通信媒体の冗長セットを使用してであるが、単一デバイスを使用して選択式で実現される。

Description

【発明の詳細な説明】 冗長フィールドデバイスおよびバス付きプロセス制御ネットワーク 関連出願 これは、１９９６年１０月４日に出願された米国特許出願番号第０８／７２６ ，２６４号の一部継続である。 発明の分野 本発明は、概してプロセス制御ネットワークに関し、さらに特定すると、フィ ールドデバイスおよび通信バスなどの冗長機能要素を使用して分散型方式でプロ セス制御機能を実現するプロセス制御ネットワークに関する。 従来の技術 化学プロセス、石油プロセス、およびその他の製造プロセスおよび精製プロセ スのような大型プロセスは、プロセスパラメータを測定、制御し、それによって プロセスの制御を達成するために、多様な場所に配置される多数のフィールドデ バイスを含んでいる。これらのフィールドデバイスとは、例えば、弁およびスイ ッチなどの制御部品だけではなく温度センサ、圧力センサおよび流量センサのよ うなセンサであることもある。歴史的に、プロセス制御産業は、液位計および圧 力計を手作業で読み取ったり、バルブホイールを回すなどの手作業の動作を使用 し、プロセス内の測定フィールドデバイスおよび制御フィールドデバイスを運転 してきた。２０世紀に始まったプロセス制御産業は、局所的な空気式調節計の使 用を開始し、局所的な空気 式調節計、送信機、および弁位置決め装置が、一定のプラント要素の制御を達成 するためにプロセスプラント内のさまざまな場所に配置された。マイクロプロセ ッサをベースにした分散型制御システム（ＤＣＳ）が１９７０年代に出現し、分 散型電子プロセス制御が、プロセス制御産業で一般的になった。 知られているように、ＤＣＳは、プロセス中に配置される電子センサ、送信機 、電流・圧力変換器、弁位置決め器などの多数の電子監視制御装置に接続される プログラマブル論理コントローラのようなアナログコンピュータまたはデジタル コンピュータを含む。ＤＣＳコンピュータは、プロセス内のデバイスの測定およ び制御を達成し、それによってなんらかの総合的な制御スキームに従ってプロセ スパラメータを制御するために、集中化された、および頻繁に複雑な制御スキー ムを記憶する。しかしながら、通常、ＤＣＳによって実現される制御スキームは 、同様にＤＣＳの拡大、アップグレード、再プログラムおよび保守を、ＤＣＳの プロバイダがこれらの活動のどれかを実行するためには一体となって関与しなけ ればならないという理由から、困難かつ高価にするＤＣＳ製造メーカに独占的な ものになっている。さらに、特定のＤＣＳが使用または接続することができる装 置は、ＤＣＳコントローラの独占的な性質、およびＤＣＳプロバイダが、一定の デバイスや他のベンダにより製造されるデバイスの機能をサポートしない可能性 があるという事実のために制限されることがある。 独占的なＤＣＳの使用に固有の問題点のいくつかを克服するために、プロセス 制御産業は、さまざまな製造メーカにより製造されたフィールドデバイスを同じ プロセス制御ネットワーク内でいっしょに使用できるようにする、例えばＨＡＲ Ｔ プロ トコル、ＰＲＯＦＩＢＵＳプロトコル、ＷＯＲＬＤＦＩＰプロトコル、ＬＯＮＷ ＯＲＫＳプロトコル、Ｄｅｖｉｃｅ−Ｎｅｔプロトコル、およびＣＡＮプロトコ ルのような多数の標準開放通信プロトコルを開発してきた。実際、これらのプロ トコルの内の１つに準拠するフィールドデバイスは、たとえそのフィールドデバ イスがＤＣＳコントローラの製造メーカ以外の製造メーカによって製造されてい ても、ＤＣＳコントローラまたはそのプロトコルをサポートする他のコントロー ラと通信し、それにより制御されるためにプロセスで使用することができる。 さらに、いまでは、プロセス制御産業には、プロセス制御を分散し、それによ ってＤＣＳコントローラを簡略化するか、ＤＣＳコントローラに対するニーズを 大きく排除する動きが出てきている。分散化制御は、弁位置決め装置、送信機な どのフィールドで取り付けられるプロセス制御装置に、１つまたは複数のプロセ ス制御機能を実行させ、他の制御機能を実行する際に、他のプロセス制御装置に よって使用されるバス構造全体でデータを通信することにより得られる。これら の制御機能を実現するために、各プロセス制御装置は、標準開放通信プロトコル を使用して他のプロセス制御装置と通信する能力だけではなく、制御機能を実行 することができるマイクロプロセッサを含む。このようにして、さまざまな製造 メーカによって製造されたフィールドデバイスは、互いに通信し、ＤＣＳコント ローラの介入を受けずに、制御ループを形成する１つまたは複数のプロセス制御 機能を実行するために、プロセス制御ネットワーク内で相互接続することができ る。現在、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮＴＭ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ（これ以降「Ｆｉｅｌ ｄｂｕｓプロトコル」）として知られているフィールドバス財団（Ｆｉｅｌｄｂ ｕｓ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）によって公表されている全デジタル二線式バスプ ロトコルは、さまざまな製造メーカによって製造されるデバイスが、１つのプロ セス内で分散化制御を達成するために標準バスを介して相互運用し、互いと通信 できるようにする１つの開放通信プロトコルである。 通信プロトコルが何であろうと、流体制御弁などのプロセス制御要素は、一般 的には、温度および圧力範囲が大きく変化する厳しいプロセス制御環境で使用さ れる。厳しい環境が一般的である流体制御弁の用途は、石油パイプラインとガス パイプライン用途、原子力発電所、および多様なプロセス制御用とを含む。この ような環境においては、定期的な予防保守、弁破損のための保守、および弁が適 切に機能していることを検証するための試験を含むかなりの保守が一般的である 。 一般的な部品は、これらの厳しい環境で疲労するか、故障し、ときおり交換さ れなければならない。制御要素の故障と制御要素の交換の両方とも、通常は、プ ロセス制御システムを停止に続く安定した状態にするために必要な長期間隔のた めに、きわめて高価で時間を消費するプロセス制御システムの停止を必要とする 。 したがって、例えば、二線式動力式両方向デジタル通信プロトコル、またはそ の他の任意の分赦プロセス機能プロトコルを使用するプロセス制御ネットワーク が、ネットワーク内の機能要素の故障または交換に関係なく稼動中のままとなる ことができるようにする機器および運転方法を提供することが望ましい。 発明の要約 本発明に従って、二線式ループ動力式両方向デジタル通信環 境のようなプロセス制御システム内の機能要素は、選択式の冗長コネクションお よび選択式の冗長機能要素を使用して相互接続される。冗長機能要素および冗長 コネクションは、一次プロセスループ要素が故障した場合に、一次プロセスルー プ要素の動作から二次プロセスループ要素への円滑な遷移を提供する。 本発明の１つの態様に従って冗長性は、一次バスと冗長バスを有する冗長バス 組を含む、２セットの通信媒体を使用して選択式で実現される。本発明の別の態 様に従って、冗長性は、回復が、通信媒体の故障に対してではなく、デバイスや 機能ブロックなどの他の機能要素の故障時に達成されるように、単一通信バスな どの単一セットの通信媒体を使用するが、フィールドデバイスなどの冗長デバイ スを実現して選択式で実現される。１つの実施例においては、デジタル制御シス テム（ＤＣＳ）コントローラまたはフィールドデバイスなどのループコントロー ラが、そこに冗長機能要素を有する単一通信ループの冗長性動作を制御する。こ の実施例においては、ループコントローラは、単一通信バスに接続され、単一通 信バスはデバイスなどの冗長組の機能要素に接続される。制御論理回路などの選 択された機能要素は、故障ステータスを検出し、このステータスをコントローラ に通信するか、あるいはコントローラは冗長機能要素の内の故障した１つからの 通信の中断を検出してから、自動的に通信ループを構成し直し、それにより通信 ステータスを復元する。 本発明のさらなる態様に従って、冗長性は、故障中のデバイスおよび故障中の 通信媒体の両方に回復が達成されるように、デバイスなどの他の冗長機能要素の 仕様に加えて、通信媒体の冗長セットを使用して選択式で実現される。本発明に 従って、 デジタル制御システム（ＤＣＳ）コントローラまたはフィールドデバイスなどの ループコントローラは、冗長デバイスに接続される冗長バスを有する通信ループ の冗長組の冗長性動作を制御する。ループコントローラは、通信ループの冗長組 の一次バスと冗長バスの両方に接続され、冗長デバイスは、一次デバイスが一次 ループに接続され、冗長デバイスが冗長ループに接続されるように、冗長バスに 接続される。選択された機能要素が、故障ステータスを検出し、ループコントロ ーラに通信するか、あるいはループコントローラが故障した機能要素からの通信 の中断を検出する。例えば、コントローラまたは制御論理回路が故障した機能要 素（バスまたはデバイスのどちらか）を検出したり、ループコントローラが要素 からの通信の中断を検出するなどの故障が発生したときには、ループコントロー ラは、通信ループの冗長組を自動的に構成し直し、通信ステータスを復元する。 本発明の依然としてさらなる態様に従って、冗長性は、回復が故障中のデバイ スに対してではなく、故障中の通信媒体に対して達成されるように、単一デバイ スに接続される通信媒体の冗長セットを使用して、選択式で実現される。本発明 に従って、デジタル制御システム（ＤＣＳ）コントローラまたはフィールドデバ イスなどのループコントローラは、冗長通信媒体の冗長性動作を制御する。ルー プコントローラは、通信媒体の冗長組の一次バスと冗長バスの両方に接続される が、デバイスなどの複数の他の機能要素は通信媒体の冗長組に接続される。選択 された機能要素は不良通信ステータスを検出し、ループコントローラは通信の中 断を検出する。この構成では、ループコントローラは、機能要素が不良通信ステ ータスを検出したり、ループ コントローラが要素からの通信の中断を検出し、それにより通信ステータスを復 元するときに、通信媒体の冗長組を自動的に構成し直す。 多くの利点は、説明されるプロセス制御システムおよび動作方法により達成さ れる。例えば、プロセスデバイスまたは通信バスが障害を経験するときに、プロ セス制御回線（ｌｉｎｅ）の停止が回避されることは有利である。プロセス制御 システム内の機能要素の自己診断機能性が、故障中の要素を使用不可にするため 、および機能要素の交換を自動的に可能とするために利用されることも有利であ る。同様に、一次機能要素の故障時に、冗長機能要素が自動的に起動されるよう に、プロセス制御システムの両方向通信プロトコルが利用されることは有利であ る。 図面の簡単な説明 図１は、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルを使用する例のプロセス制御ネットワー クの概略ブロック図である。 図２は、機能ブロックをその中に有する３つのＦｉｅｌｄｂｕｓデバイスの概 略ブロック図である。 図３は、図１のプロセス制御ネットワークのデバイスのいくつかの内の機能ブ ロックを説明する概略ブロック図である。 図４は、図１のプロセス制御ネットワーク内のプロセス制御ループの制御ルー プ概略図である。 図５は、図１のプロセス制御ネットワークのバスのセグメントのマクロサイク ルのタイミング概略図である。 図６は、冗長性が、冗長デバイスと組み合わされた通信媒体の単一セットを使 用して選択式で実現される、制御システムネ ットワークを示す概略ブロック図である。 図７は、冗長性が、冗長デバイスと組み合わせて冗長通信媒体を使用して選択 式で実現される制御システムネットワークを示す概略ブロック図である。 図８は、冗長性が、単一デバイスと組み合わせて冗長通信媒体を使用して選択 して実現される、制御システムネットワークを示す概略ブロック図である。 図９は、単一二線式ループの中に２つの機能要素を接続させる制御システムネ ットワークを示ず概略ブロック図である。 図１０は、２つの送信機を単一二線式ループの中に接続させる制御システムネ ットワークを示ず概略ブロック図である。 図１１は、冗長機能ブロック構成を有する制御システムネットワークを示す概 略ブロック図である。 図１２は、本発明に従ってフィールドデバイス冗長性を実現する制御システム ネットワークを示す概略ブロック図である。 図１３は、本発明のプロセス制御ネットワークで使用するための二線式ループ 動力式両方向デジタル通信位置決め装置を有するデジタルフィールドデバイスを 示す概略ブロック図である。 図１４は、図１３のデジタルフィールドデバイスを制御する際に使用するため の適切なフィールドデバイスコントローラを示すブロック図である。 好ましい実施の形態 本発明の冗長フィールドデバイスおよびバスを有するプロセス制御ネットワー クは、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ（フィールドバス）デバイスのセットを使用して分散化 または分散型の様式でプロセス制御機能を実現するプロセス制御ネットワークと して詳細 に説明されるが、本発明の冗長機能を有するプロセス制御ネットワークが、二線 式バス以外に依存するプロトコル、およびアナログ通信とデジタル通信をサポー トするプロトコルを含む、他の種類のフィールドデバイスおよび通信プロトコル を使用して分散方制御機能を実行するプロセス制御ネットワークとなることがあ ることに注意する必要がある。したがって、例えば、本発明の冗長機能を有する プロセス制御ネットワークは、プロセス制御ネットワークが、ＨＡＲＴ、ＰＲＯ ＦＩＢＵＳなどの通信プロトコル、あるいは現在存在するか、または将来開発さ れる可能性のあるそれ以外の通信プロトコルを使用するとしても、分散型制御機 能を実行する任意のプロセス制御ネットワークである場合がある。 本発明の冗長機能を有するプロセス制御ネットワークの詳細を説明する前に、 Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコル、このプロトコルに従って構成されるフィールドデ バイス、およびＦｉｅｌｄｂｕｓプロトコルを使用するプロセス制御ネットワー クで通信がどのように発生するのかに関する一般的な説明が示される。ただし、 ただし、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルはプロセス制御ネットワーク内で使用する ために開発された比較的に新しい全デジタル通信プロトコルである一方で、この プロトコルが技術で既知であり、出版、配布され、とりわけテキサス州オーステ ィン（Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ）に本拠がある非営利団体であるＦｉｅｌｄｂ ｕｓ財団から入手できる多数の記事、パンフレット、および仕様書に詳細に説明 されていることを理解する必要がある。特に、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコル、お よびＦｉｅｌｄｂｕｓプロトコルを使用するデバイスと通信し、そのデバイスに データを記憶する手法は、ここに全体的に参照して組 み込まれる、フィールドバス財団の通信技術仕様書（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏ ｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）およびユーザレイヤ技 術仕様書（Ｕｓｅｒ Ｌａｙｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔ ｉｏｎ）として知られるマニュアルに詳しく説明される。 Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは、計器または例えば工場やプラントなどのプロ セス制御環境に位置するセンサ、アクチュエータ、コントローラ、弁などの「フ ィールド」装置を相互接続する二線式ループつまりバスへの標準化された物理イ ンタフェースを提供する、全デジタル、シリアル両方向通信プロトコルである。 Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは、実質的には、プロセス内にフィールド計器（フ ィールドデバイス）用ローカルエリアネットワークを提供し、これらのフィール ドデバイスがプロセス設備全体で分散された場所にある制御機能を実行し、総合 的な制御戦略を実現するためにこれらの制御機能が実行される前後に互いに通信 できるようにする。Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは制御機能をプロヤス制御ネッ トワーク全体に分散できるようにするため、それは典型的にはＤＣＳと対応する 集中プロセスコントローラの作業負荷を削減するか、その必要性をまったく排除 する。 図１を参照すると、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルを使用するプロセス制御ネッ トワーク１０は、プログラム論理コントローラ（ＰＬＣ）１３、多くのコントロ ーラ１４、別のホストデバイス１５、およびフィールドデバイス１６，１８，２ ０，２２，２４，２６，２８，３０、および３２のセットなどの多くのそれ以外 のデバイスに、二線式Ｆｉｅｌｄｂｕｓループつまりバス３４を介して接続され るホスト１２を含むことがある。バス ３４は、ブリッジデバイス３０および３２によって分離される、さまざまなセク ションまたはセグメント３４ａ、３４ｂ、および３４ｃを含む。セクション３４ ａ、３４ｂ、および３４ｃのそれぞれは、バス３４に接続されるデバイスのサブ セットを相互接続し、後述されるようにデバイス間の通信を可能にする。言うま でもなく、図１のネットワーは説明のためだけであり、プロセス制御ネットワー クをＦｉｅｌｄｂｕｓプロトコルを使用して構成できるそれ以外の多くの方法が ある。典型的には、構成者は、フィールドデバイスがバス３４から取り除かれる ときに新しいフィールドデバイスがバス３４に接続される時点を認識し、フィー ルドデバイス１６〜３２により生成されるデータを認識し、ホスト１２または何 らかの手法でホスト１２に接続されるそれ以外のデバイス内に位置することがあ る１つまたは複数のユーザ端末とインタフェースするだけではなく、（そのそれ ぞれが通信、および場合によっては制御機能を実行することができるマイクロプ ロセッサを含むという点で「スマート」なデバイスである）デバイスのそれぞれ をセットアップしたり、構成する責任を負うホスト１２のようなデバイスの内の １つに位置する。 バス３４は、二線式の、純粋にデジタルな通信をサポートするか、可能にし、 フィールドデバイス１６〜３２のようなそれに接続されるデバイスの任意のもの またはすべてに電力信号を提供することがある。代わりに、デバイス１２〜３２ のどれかまたはすべてが専用の電源を備えたり、別個のワイヤ（図示されていな い）を介して外部電源に接続されることがある。デバイス１２〜３２は、複数の デバイスがバスセグメント３４ａ、３４ｂ、および３４ｃを構成する同じワイヤ の組に接続される 標準型バスタイプコネクションでバス３４に接続されているとして図１に説明さ れているが、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは、各デバイスが（通常４〜２０ｍＡ のアナログＤＣＳシステムに類似する）別個の二線式組を介してコントローラま たはホストに接続される２地点間通信、および各デバイスが、例えばプロセス制 御ネットワーク内のフィールドデバイスの内の１つでのジャンクションボックス や端末領域である場合がある二線式バスでの１つの共通ポイントに接続されるツ リー、つまり「支線」コネクションを含むその他のデバイス／ワイヤトポロジを 可能にする。 データは、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルに従って同じまたは異なる通信ボーレ ートつまり速度で、異なるバスセグメント３４ａ、３４ｂ、および３４ｃ上を送 信されることがある。例えば、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは、図１のバスセグ メント３４ｂと３４ｃによって使用されているとして示される毎秒３１．２５Ｋ ｂｉｔの通信速度（Ｈ１）、および通常、高度プロセス制御、遠隔入出力、およ び高速工場自動化用途に使用され、図１のバスセグメント３４ａによって使用さ れているとして示される毎秒１．０Ｍｂｉｔおよび／または毎秒２．５Ｍｂｉｔ （Ｈ２）通信速度を提供する。同様に、データは、電圧モードシグナリングまた は電流モードシグナリングを使用して、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルに従ったバ スセグメント３４ａ、３４ｂ、および３４ｃ上で送信されることがある。言うま でもなく、バス３４の各セグメントの最大長は、厳密に制限されていないが、代 わりにそのセクションの通信速度、ケーブル種類、ワイヤサイズ、バス電力オプ ションなどによって決定される。 Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは、バス３４に接続できるデバ イスを３つのカテゴリ、つまり基本デバイス、リンクマスタデバイス、およびブ リッジデバイスに分類する。（図１のデバイス１８，２０，２４、および２８な どの）基本デバイスは通信する、つまりバス３４上でまたはバス３４から通信信 号を送受することができるが、バス３４で発生する通信の順序またはタイミング を制御することはできない。（図１のホスト１２だけではなく、デバイス１６、 ２２および２６などの）リンクマスタデバイスは、バス３４上で通信し、バス３ ４上で通信信号のフローおよびタイミングを制御することができるデバイスであ る。（図１のデバイス３０および３２などの）ブリッジデバイスは、さらに大き なプロセス制御ネットワークを作成するために、Ｆｉｅｌｄｂｕｓの個々のセグ メントや分岐で通信し、相互接続するように構成されたデバイスである。希望さ れる場合、ブリッジデバイスは、バス３４の異なるセグメント上で使用される異 なるデータ速度および／または異なるデータシグナリングフォーマットの間で変 換し、バス３４のセグメントの間で移動する信号を増幅し、バス３４のさまざま なセグメントの間で流れる信号を濾波し、ブリッジが結合される先のバスセグメ ントの１つでデバイスによって受信されるように当てられたそれらの信号だけを 通す、および／またはバス３４の異なるセグメントをリンクするために必要なそ れ以外の処置を講じることがある。異なる速度で動作するバスセグメントを接続 するブリッジデバイスは、ブリッジのさらに低速のセグメント側でリンクマスタ 機能を備えなければならない。ホスト１２と１５、ＰＬＣ１３、およびコントロ ーラ１４は、任意のタイプのフィールドバスデバイスでよいが、通常はリンクマ スタデバイスとなる。 デバイス１２〜３２のそれぞれはバス３４で通信する機能を 備え、重要なことに、バス３４上での通信信号を介してプロセスから、または別 のデバイスから、デバイスによって取得されるデータを使用して１つまたは複数 のプロセス制御機能を独立して実行する機能を備える。したがって、Ｆｉｅｌｄ ｂｕｓデバイスは、過去においてはＤＣＳの集中デジタルコントローラにより実 行されていた総合的な制御戦略の部分を直接実現することができる。制御機能を 実行するために、各Ｆｉｅｌｄｂｕｓデバイスは、デバイス内のマイクロプロセ ッサで実現される１つまたは複数の標準化された「ブロック」を含む。特に、各 Ｆｉｅｌｄｂｕｓデバイスは、１つのリソースブロック、ゼロ個または１個以上 の機能ブロック、およびゼロ個または１個以上の変換器ブロックを含む。これら のブロックはブロックオブジェクトと呼ばれる。 リソースブロックは、例えばデバイスタイプ、デバイス改訂表示、他のデバイ スに特殊な情報がデバイスのメモリ内で入手できる場所の表示などを含むＦｉｅ ｌｄｂｕｓデバイスの特性のいくつかに関するデバイスに特殊なデータを記憶し 、通信する。さまざまなデバイス製造メーカが異なるタイプのデータをフィール ドデバイスのリソースブロックに記憶するが、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルに準 拠する各フィールドデバイスはデータを記憶するリソースブロックを含む。 機能ブロックは、フィールドデバイスに関連する入力機能、出力機能、または 制御機能を定義し、実現するので、機能ブロックは、通常、入力機能ブロック、 出力機能ブロック、および制御機能ブロックと呼ばれる。しかし、ハイブリッド 機能ブロックのようなそれ以外のカテゴリの機能ブロックが存在、または将来開 発される可能性がある。各入力または出力機能ブロッ クは、（プロセス測定デバイスからのプロセス変数のような）少なくとも１つの プロセス制御入力または（作動デバイスに送信される弁位置のような）プロセス 制御出力を作成するが、各制御機能ブロックは（性質が独占的である可能性があ る）アルゴリズムを使用し、１つまたは複数のプロセス入力および制御入力から 、１つまたは複数のプロセス出力を作成する。標準的な機能ブロックの例は、ア ナログ入力（ＡＩ）、アナログ出力（ＡＯ）、バイアス（Ｂ）、制御セレクタ（ ＣＳ）、分離入力（ＤＩ）、分離出力（ＤＯ）、手動ローダ（ＭＬ）、比例／微 分（Ｐ／Ｄ）、比例／積分／微分（ＰＩＤ）、率（ＲＡ）、および信号セレクタ （ＳＳ）機能ブロックを含む。ただし、他の種類の機能ブロックが存在し、新し いタイプの機能ブロックが定義または作成され、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ環境で動作ず る可能性がある。 変換器ブロックは、機能ブロックの入力および出力を、センサおよびデバイス アクチュエータのようなローカルハードウェアデバイスを結合し、機能ブロック が、ローカルセンサの出力を読み取り、ローカルデバイスに弁部材を移動するな どの１つまたは複数の機能を実行するように命令する。変換器ブロックは、通常 、ローカルデバイスによって送達される信号を解釈し、ローカルデバイスのタイ プ、ローカルデバイスに関連する校正情報などを識別する情報などの、ローカル ハードウェアデバイスを適切に制御するために必要な情報を記憶する。 大部分の機能ブロックは、所定の基準に基づいて警報やイベント表示を作成す ることができ、さまざまなモードで異なるように動作することができる。一般的 には、機能ブロックは、例えば、ある機能ブロックのアルゴリズムが自動的に動 作する自 動モードで、機能ブロックの入力または出力が手動で制御されるオペレータモー ドで、ブロックが動作しない休止モード、ブロックの動作が別のブロックの出力 から影響を受ける（によって決定される）カスケードモードで、およびリモート コンピュータがブロックのモードを決定する１つまたは複数のリモートモードで 動作することがある。 重要なことには、各ブロックは、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルによって定義さ れる標準的なメッセージフォーマットを使用して、Ｆｉｅｌｄｂｕｓバス３４上 で同じまたは異なるフィールドデバイス内の他のブロックと通信することができ る。その結果、（同じデバイスまたは別のデバイスの）機能ブロックの組み合わ せは、１つまたは複数の分散化制御ループを作成するために互いに通信できる。 したがって、例えば、１つのフィールドデバイスでのＰＩＤ機能ブロックは、第 ２フィールドデバイス内のＡＩ機能ブロックの出力を受け取り、データを第３フ ィールドデバイス内のＡＯ機能ブロックに送達し、フィードバックとしてＡＯ機 能ブロックの出力を受け取り、ＤＣＳコントローラとは別個で、それから離れた プロセス制御ループを作成するために、バスを介して接続されることがある。こ のようにして、機能ブロックの組み合わせは、集中ＤＣＳ環境から制御機能を移 動し、ＤＣＳマルチ機能コントローラが監督機能または調整機能を実行できるよ うにしたり、それらを完全に全体で排除できるようにする。さらに、機能ブロッ クは、プロセスの容易な構成のためのグラフィックによるブロック指向型構造を 提供し、これらのブロックは１つの一貫した通信プロトコルを使用できるため、 異なる供給業者のフィールドデバイスの間での機能の分散を可能にする。 ブロックオブジェクトを含み、実現することに加え、各フィールドデバイスは 、リンクオブジェクト、傾向オブジェクト、警報オブジェクト、およびビューオ ブジェクトを含む１つまたは複数のオブジェクトを含む。リンクオブジェクトは 、フィールドデバイスの内部で、およびＦｉｅｌｄｂｕｓバス３４全体の両方で （機能ブロックのような）ブロックの入力と出力の間のリンクを定義する。 傾向オブジェクトは、図１のホスト１２やコントローラ１４のような他のデバ イスによるアクセスのための機能ブロックパラメータの局所的な傾向変動を可能 にする。傾向オブジェクトは、例えば機能ブロックパラメータなどに関する短期 履歴データを保持し、このデータを非同期でバス３４を経由して他のデバイスや 機能ブロックに報告する。警報オブジェクトは、バス３４上で警報およびイベン トを報告する。これらの警報またはイベントは、デバイスまたはデバイスのブロ ックの内の１つで発生するイベントに関係することがある。ビューオブジェクト は、標準的な人間／機械インタフェースで使用されるブロックパラメータの事前 に定義されるグループ分けであり、ときどき表示するために他のデバイスに送信 できる。 今度は図２を参照すると、例えば図１のフィールドデバイス１６〜２８の内の どれかである可能性がある３つのＦｉｅｌｄｂｕｓデバイスが、リソースブロッ ク４８、機能ブロック５０，５１または５２、および変換器ブロック５３と５４ を含むとして示されている。フィールドデバイスでは、（入力機能ブロックであ る場合がある）機能ブロック５０が、変換器ブロック５３を通して、例えば温度 センサ、設定ポイント表示センタなどである場合があるセンサ５５に結合される 。第２デバイスでは、 （出力機能ブロックである場合がある）機能ブロック５１が、変換器ブロック５ ４を通して、弁５６のような出力装置に結合される。第３デバイスでは、（制御 機能ブロックである場合がある）機能ブロック５２は、機能ブロック５２の入力 パラメータの傾向を変動するためにそれと関連する傾向オブジェクト５７を有す る。 リンクオブジェクト５８は、関連するブロックのぞれぞれのブロックパラメー タを定義し、警報オブジェクト５９は関連するブロックのそれぞれに警報または イベント通知を提供する。ビューオブジェクト６０は、機能ブロック５０，５１ 、および５２のそれぞれに関連し、それらが関連する機能ブロックのデータリス トを含むまたは分類する。これらのリストには、さまざまな定義されたビューの セットのそれぞれに必要な情報が含まれている。言うまでもなく、図２のデバイ スは単に例示的であり、ブロックオブジェクト、リンクオブジェクト、警報オブ ジェクト、傾向オブジェクト、およびビューオブジェクトなどの他の数の、およ び他のタイプのブロックオブジェクトが任意のフィールドデバイスで提供される ことがある。 今度は図３を参照すると、デバイス１６，１８および２４を位置決め装置／弁 デバイスとして、およびデバイス２０，２２，２６および２８を送信機として描 くプロセス制御ネットワーク１０のブロック図は、位置決め装置／弁１６、送信 機２０、およびブリッジ３０に関連する機能ブロックも示す。図３に示されるよ うに、位置決め装置／弁１６は、リソース（ＲＳＣ）ブロック６１、変換器（Ｘ ＤＣＲ）ブロック６２、および１個のアナログ出力（ＡＯ）機能ブロック６３、 ２個のＰＩＤ機能ブロック６４と６５、および１個の信号選択（ＳＳ）機能ブロ ッ ク６９を含む多くの機能ブロックを含む。送信機は、１個のリソースブロック６ １、２個の変換器ブロック６２、２個のアナログ入力（ＡＩ）機能ブロック６６ と６７を含む。また、ブリッジ３０は、リソースブロック６１およびＰＩＤ機能 ブロック６８を含む。 理解されるように、図３のさまざまな機能ブロックは、多くの制御ループで（ バス３４上で通信することによって）一緒に動作し、位置決め装置／弁１６、送 信機２０、およびブリッジ３０の機能ブロックが位置する制御ループは、これら の機能ブロックのそれぞれに接続されるループ識別ブロックにより図３で識別さ れる。このようにして、図３に示されるように、位置決め装置／弁１６のＡＯ機 能ブロック６３およびＰＩＤ機能ブロック６４、および送信機２０のＡＩ機能ブ ロック６６は、ＬＯＯＰ１（ループ１）として示される制御ループ内で接続され るが、位置決め装置／弁１６のＳＳ機能ブロック６９、送信機２０のＡＩ機能ブ ロック６７、およびブリッジ３０のＰＩＤ機能ブロックは、ＬＯＯＰ２（ループ ２）として示される制御ループでされる。位置決め装置／弁１６の他のＰＩＤ機 能ブロック６５は、ＬＯＯＰ３（ループ３）として示される制御ループ内で接続 される。 図３のＬＯＯＰ１として示される制御ループを構成する相互接続された機能ブ ロックは、図４に描かれる個の制御ループの概略図でさらに詳細に示される。図 ４からわかるように、制御ループＬＯＯＰ１は、位置決め装置／弁１６のＡＯ機 能ブロック６３とＰＩＤ機能ブロック６４、および送信機２０（図３）のＡＩ機 能ブロック６６の間の通信リンクにより完全に形成されている。図４の制御ルー プ図は、これらの機能ブロックのプ ロセスおよび制御の入力と出力を接続する回線を使用するこれらの機能ブロック の間の通信相互接続を示す。したがって、プロセス測定またはプロセスパラメー タ信号を含むことがあるＡＩ機能ブロック６６の出力は、バスセグメント３４ｂ を介して、ＡＯ機能ブロック６３の入力に到達可能となるように（ｃｏｍｍｕｎ ｉｃａｔｉｖｅｌｙ）結合される制御信号を含む出力を有するＰＩＤ機能ブロッ ク６４の入力に到達可能となるように結合される。例えば、弁１６の位置を示す フィードバック信号を含む、ＡＯ機能ブロック６３の出力は、ＰＩＤ機能ブロッ クの制御入力に接続される。ＰＩＤ機能ブロック６４は、ＡＩ機能ブロックから のプロセス測定信号とともにこのフィードバック信号を使用し、ＡＯ機能ブロッ ク６３の適切な制御を実現する。言うまでもなく、図４の制御ループ図で回線に よって示されるコネクションは、ＡＯ機能ブロックおよびＰＩＤ機能ブロック６ ３と６４の場合でのように、機能ブロックが同じフィールドデバイス（例えば、 位置決め装置／弁１６）内にあるときに、フィールドデバイス内で内部的に実行 されることがあるか、これらの機能は標準的なＦｉｅｌｄｂｕｓ同期通信を使用 して二線式通信バス３４で実現されることがある。言うまでもなく、他の制御ル ープは、他の構成で到達可能となるように相互接続される他の機能ブロックによ り実現される。 通信と制御の活動を実現し、実行するために、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルは 、物理層、通信「スタック」、およびユーザ層として識別される技術の３つの一 般的なカテゴリを使用する。ユーザ層は、（機能ブロックのような）ブロックお よび特定のプロセス制御デバイスつまりフィールドデバイス内のオブジェクトと いう形で提供される制御機能および構成機能を含む。ユ ーザ層は、典型的にはデバイス製造メーカによって独占的に設計されるが、Ｆｉ ｅｌｄｂｕｓプロトコルによって定義される標準メッセージフォーマットに従っ てメッセージを送受信し、標準的にユーザによって構成されることができなけれ ばならない。物理層および通信スタックは、二線式ワイヤバス３４を使用して標 準化された手法でさまざまなフィールドデバイスのさまざまなブロックの間で通 信を達成するために必要とされ、よく知られている開放型システム間相互接続（ ＯＳＩ）で層化された通信モデルによってモデル化ざれる可能性がある。 ＯＳＩ層１に相当する物理層は、各フィールドデバイスおよびバス３４に埋め 込まれ、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ伝送媒体（二線式バス３４）から受け取られる電磁信 号を、フィールドデバイスの通信スタックによる使用が可能なメッセージに変換 するために動作する。物理層は、バス３４、およびフィールドデバイスの入力と 出力でバス３４に存在する電磁信号と見なしてよい。 各Ｆｉｅｌｄｂｕｓデバイスに存在する通信スタックは、ＯＳＩ層２に相当す るデータリンク層、Ｆｉｅｌｄｂｕｓアクセスサブレイヤ、およびＯＳＩ層６に 相当するＦｉｅｌｄｂｕｓメッセージ指定層を含む。Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコ ルではＯＳＩ層３〜５用の対応する構造はない。ただし、フィールドバスデバイ スのアプリケーションは層７を含むが、ユーザ層はＯＳＩプロトコルでは定義さ れていない層８である。通信スタック内の各層が、Ｆｉｅｌｄｂｕｓバス３４で 送信されるメッセージまたは信号の一部を符号化または復号かする責任を負う。 その結果、通信スタックの層は、プリアンブル、フレ−ム開始デリミタとフレー ム終了デリミタのようなＦｉｅｌｄｂｕｓ信号の一定の部分を追加または削除し 、場合によってはＦｉｅｌ ｄｂｕｓ信号のフレーム除去部分を復号化し、信号やメッセージの残りがどこで 送信されなければならないのか、または信号が、例えば受信フィールドデバイス 内にない機能ブロックのメッセージやデータを含んでいるために廃棄されなけれ ばならないかどうかを特定する。 データリンク層は、さらに詳細に後述されるリンクアクティブスケジューラと 呼ばれる集中化バススケジューラに従って、バス３４へのメッセージの伝送を制 御し、バス３４へのアクセスを管理する。データリンク層は、、伝送媒体上の信 号からプリアンブルを削除し、受信されたプリアンブルを使用し、入信Ｆｉｅｌ ｄｂｕｓ信号とフィールドデバイスの内蔵クロックを同期することができる。同 様に、データリンク層は、通信スタック上のメッセージを物理的なＦｉｅｌｄｂ ｕｓ信号に変換し、これらの信号をクロック情報で符号化し、二線式バス３４で の伝送のための適切なプリアンブルを有する「同期シリアル」信号を作成する。 復号化プロセスの間に、データリンク層は、フレーム開始デリミタとフレーム終 了デリミタのようなプリアンブル内の特殊符号を認識し、特定のＦｉｅｌｄｂｕ ｓメッセージの始まりと終わりを識別し、バス３４から受信される信号またはメ ッセージの完全性を検証するためにチェックサムを実行することがある。同様に 、データリンク層は、フレーム開始デリミタとフレーム終了デリミタを通信スタ ックで追加し、これらの信号を適切なときに伝送媒体に配置することによって、 バス３４上でＦｉｅｌｄｂｕｓ信号を送信する。 Ｆｉｅｌｄｂｕｓメッセージ仕様層は、ユーザ層（つまり、フィールドデバイ スの機能ブロック、オブジェクトなど）が、メッセージフォーマットの標準セッ トを使用しバス３４全体で 通信できるようにし、通信サービス、メッセージフォーマット、および通信スタ ック上に置かれ、ユーザ層に提供されるメッセージを構築するために必要とされ るプロトコル動作を記述する。Ｆｉｅｌｄｂｕｓメッセージ仕様層は、ユーザ層 用の標準化された通信を供給するため、特定のＦｉｅｌｄｂｕｓメッセージ仕様 通信サービスが、前述の目的のタイプごとに定義される。例えば、Ｆｉｅｌｄｂ ｕｓメッセージ仕様層は、ユーザがデバイスのオブジェクトディショナリを読み 取ることができるようにするオブジェクトディクショナリサービスを含む。オブ ジェクトディクショナリは、デバイスの（ブロックオブジェクトのような）オブ ジェクトのそれぞれを記述するか、識別するオブジェクト記述を記憶する。Ｆｉ ｅｌｄｂｕｓメッセージ仕様層は、ユーザが、デバイスの１つまたは複数のオブ ジェクトに関連して、この後に記述される仮想通信関係（ＶＣＲ）として知られ る通信関係を読み取り、変更することができるようにするコンテキスト管理サー ビスも提供する。さらに、依然として、Ｆｉｅｌｄｂｕｓメッセージ仕様層は、 そのすべてがＦｉｅｌｄｂｕｓプロトコルではよく知られており、したがってこ こではさらに詳細に説明されない可変アクセスサービス、イベントサービス、ア ップロードサービスとダウンロードサービス、およびプログラム呼出しサービス を提供する。Ｆｉｅｌｄｂｕｓアクセスサブレイヤは、Ｆｉｅｌｄｂｕｓメッセ ージ仕様層をデータリンク層にマッピングする。 これらの層の動作を許す、つまり可能にするために、各Ｆｉｅｌｄｂｕｓデバ イスは、ＶＣＲ、動的変数、統計、リンクアクティブスケジューラタイミングス ケジュール、機能ブロック実行タイミングスケジュール、およびデバイスタグと アドレス 情報を記憶するデータベースである管理情報ベース（ＭＩＢ）を含む。言うまで もなく、ＭＩＢ内の情報は、標準的なＦｉｅｌｄｂｕｓメッセージやコマンドを 使用して任意の時点でアクセスまたは変更することができる。さらに、デバイス 記述が、通常、各デバイスで提供され、ユーザやホストにＶＦＤ内の情報の拡張 図を提供する。ホストによって使用されるために、典型的にはトークン化されな ければならないデバイス記述は、ホストがデバイスのＶＦＤ内のデータの意味を 理解するために必要とされる情報を記憶する。 理解されるように、プロセス制御ネットワーク全体で分散される機能ブロック を使用して任意の制御戦略を実現するためには、機能ブロックの実行は、特定の 制御ループ内の他の機能ブロックの実行に関して正確にスケジュールされなけれ ばならない。同様に、さまざまな機能ブロックの間の通信は、適切なデータが、 そのブロックが実行する前に各機能ブロックに提供されるように、バス３４上で 正確にスケジュールされなければならない。 様々なフィールドデバイス（およびフィールドデバイス内の様々なブロック） がＦｉｅｌｄｂｕｓ伝送媒体上でどのように通信するのかは、ここで図１に関し て説明される。通信が発生するために、バス３４の各セグメントでのリンクマス タデバイスの１つ（例えば、デバイス１２，１６、および２６）が、バス３４の 関連するセグメント上での通信をアクティブにスケジュールし、制御するリンク アクティブスケジューラ（ＬＡＳ）として動作する。バス３４の各セグメントご とのＬＡＳは、各デバイスの各機能ブロックがバス３４で定期的な通信活動を開 始することがスケジュールされている時間、および個の通信活 動が発生する時間の長さを含む通信スケジュール（リンクアクティブスケジュー ル）を記憶し、更新する。バス３４のセグメントごとに一方の１つだけのアクテ ィブＬＡＳしかない場合があるが、（セグメント３４ｂでのデバイス２２のよう な）他方のリンクマスタデバイスはバックアップＬＡＳとしで役立ち、例えば現 在のＬＡＳが失敗するとアクティブになる。基本デバイスは、任意の時点でＬＡ Ｓになる機能は備えていない。 一般的には、バス３４での通信活動は、そのそれぞれがバス３４の特定のセグ メントでアクティブな機能ブロックごとに１つの同期通信、およびバス３４のセ グメントでアクティブな１つまたは複数の機能ブロックに１つまたは複数の非同 期通信を含む、繰り返されたマクロサイクルに分けられる。デバイスは、たとえ それが物理的にバス３４の別のセグメントに接続されていても、バス３４上での ブリッジおよびＬＡＳの調整された動作により、アクティブとなる、つまりバス ３４の任意のセグメントにデータを送信し、そこからデータを受信することがで きる。 各マクロサイクルの間、バス３４の特定のセグメントでアクティブである機能 ブロックのそれぞれは、通常、別であるが正確にスケジュールされた（同期）時 間で、および別の正確にスケジュールされた時問で実行し、適切なＬＡＳにより 作成される強制データコマンドに応えてバス３４のそのセグメントでその出力デ ータを公表する。好ましくは、各機能ブロックは、機能ブロックの実行期間の終 了直後にその出力データを公表するようにスケジュールされる。さらに、さまざ まな機能ブロックのデータ公表時間は、バス３４のある特定のセグメントでの２ つの機能ブロックが同時にデータを発表しないように、連続し てスケジュールされる。同期通信が発生していない時間中、各フィールドデバイ スは、同様に、警報データ、表示データなどを、トークン駆動型通信を使用して 非同期で伝送することが許される。実行時間および各機能ブロックの実行を完了 するために必要な時間の量は、機能ブロックが常駐するデバイスの管理情報ベー ス（ＭＩＢ）に記憶されるが、前記に注記されるようにバス３４のセグメント上 のデバイスのそれぞれに強制データコマンドを送信するための時間はそのセグメ ントのＬＡＳデバイスのＭＩＢに記憶される。これらの時間は、機能ブロックが 、バス３４に接続されるデバイスのすべてによって知られている「絶対リンクス ケジュール開始時間」の開始からのオフセットとして、データを実行または送信 する時間を特定するため、通常、オフセット時間として記憶される。 各マクロサイクルの間に通信を達成するには、ＬＡＳ、例えば、バスセグメン ト３４ｂのＬＡＳ１６は、リンクアクティブスケジュールに記憶される伝送時間 のリストに従ってバスセグメント３４ｂのデバイスのそれぞれに強制データコマ ンドを送信する。強制データコマンドを受信すると、デバイスの機能ブロックは 、特定の時間量の間、その出力データをバス３４で公表する。機能ブロックのそ れぞれは、通常、そのブロックの実行がブロックが強制データコマンド受信する ことがスケジュールされる直前に完了されるようにスケジュールされるため、強 制データコマンドに応えて公表されるデータは、機能ブロックのもっとも最近の 出力データでなければならない。ただし、機能ブロックがゆっくりと実行してお り、強制データコマンドを受信したときに新しい出力をラッチしていない場合に は、機能ブロックは、機能ブロックの前回の実行中に生成された出力デ ータを発表し、タイムスタンプを使用して、発表されたデータが古いデータであ ることを示す。 ＬＡＳがバス３４の特定のセグメント上の機能ブロックのそれぞれに強制デー タコマンドを送信した後、損機能ブロックが実行している時間の間、ＬＡＳは、 非同期通信活動を発生させる可能性がある。非同期通信を達成するためには、Ｌ ＡＳはパストークンメッセージをある特定のフィールドデバイスに送信する。フ ィールドデバイスがパストークンメッセージを受信すると、そのフィールドデバ イスはバス３４（またはそのセグメント）に完全なアクセスを得て、警報メッセ ージ、傾向データ、オペレータ設定ポイント変更などの非同期メッセージを、メ ッセージが完了するまで、または割り当てられた最大「トークン保持時間」が満 了するまで送信することができる。その後で、フィールドデバイスはバス（また はその特定のセグメント）をリリースし、ＬＡＳはパストークンメッセージを別 のデバイスに送信する。このプロセスは、マクロサイクルの最後まで、またはＬ ＡＳが強制データコマンドを送信し、同期通信を達成するようにスケジュールさ れるまで繰り返す。言うまでもなく、メッセージトラフィックの量およびバスの 特定のセグメントに結合されるデバイスとブロックの数に応じて、必ずしもすべ てのデバイスが各マクロサイクル中にパストークンメッセージを受け取らない可 能性がある。 図５は、図１のバスセグメント３４ｂの機能ブロックが、バスセグメント３４ ｂの各マクロサイクルの間に実行する時間、および同期通信が、バスセグメント ３４ｂと対応する各マクロサイクルの間に発生する時間を描くタイミング概略図 を示す。図５のタイミングスケジュールでは、時間は水平軸に示され、 （図３の）位置決め装置／弁１６および送信機２０の異なった機能ブロックに対 応する活動は垂直軸に示される。機能ブロックのそれぞれが動作する制御ループ は、サブスクリプト名称として図５に特定される。したがって、ＡＩＬＯＯＰ１ は送信機２０のＡＩ機能ブロックを指し、ＰＩＤＬＯＯＰ１は位置決め装置／弁 １などのＰＩＤ機能ブロック６４を指す。示された機能ブロックのそれぞれのブ ロック実行期間はクロスハッチされたボックスによって描かれるが、スケジュー ルされた各同期通信は図５の垂直バーによって特定される。 このようにして、セグメント３４ｂ（図１）の特定のマクロサイクル中に、図 ５のタイミングスケジュールに従い、ＡＩＬＯＯＰ１機能ブロックがまずボック ス７０により指定される時間期間実行する。それから、垂直バー７２によって示 される時間期間中、ＡＩＬＯＯＰ１機能ブロックの出力は、バスセグメント３４ ｂ（Ｔ）ＬＡＳからの強制データコマンドに応えてバスセグメント３４ｂ上で公 表される。同様に、ボックス７４，７６，８０および８１が、（異なるブロック のそれぞれに対し異なる）機能ブロックＰＩＤＬＯＯＰ１，ＡＩＬＯＯＰ２、Ａ ＯＬＯＯＰＩ、ＳＳＬＯＯＰ２、およびＰＩＤＬＯＯＰ３それぞれの実行時間を 示す一方、垂直バー８２、８４、８６、８８および８９が、機能ブロックＰＩＤ ＬＯＯＰ１、ＡＩＬＯＯＰ２、ＡＯＬＯＯＰ１、ＳＳＬＯＯＰ２、およびＰＩＤ ＬＯＯＰ３それぞれがバスセグメント３４ｂ上でデータを公表する時間を示す。 明らかとなるように、図５のタイミング概略図は、機能ブロックのどれかの実 行時間中、および機能ブロックが実行していないマクロサイクルの最後での時間 中、および同期通信がバス セグメント３４ｂで発生しているときに発生する可能性のある、非同期通信活動 に使用できる時間も示す。言うまでもなく、希望される場合には、さまざまな機 能ブロックを同時に実行するように意図的にスケジュールすることが可能であり 、例えば他のデバイスが機能ブロックによって作成されるデータに加入していな い場合、すべてのブロックがバスでデータを公表しなければならないわけではな い。 フィールドデバイスは、各フィールドデバイスのスタックのＦｉｅｌｄｂｕｓ アクセスサブレイヤに定義される仮想通信関係（ＶＣＲ）を使用して、データお よびメッセージをバス３４でを公表または伝送することができる。クライアント ／サーバＶＣＲは、バス３４上のデバイス間の待ち行列に入れられた、スケジュ ールされていないユーザによって始動される１対１の通信に使用される。このよ うな待ち行列に入れられたメッセージは、過去のメッセージを上書きすることな く、その優先順位に従い、伝送のために提出された順序で送受される。したがっ て、フィールドデバイスは、ＬＡＳからパストークンメッセージを受信し、リク エストメッセージをバス３４上の別のデバイスに送信するときにクライアント／ サーバＶＣＲを使用することができる。要求者が「クライアント」と呼ばれ、リ クエストを受け取るデバイスが「サーバ」と呼ばれる。サーバは、ＬＡＳからパ ストークンメッセージを受け取ると応答を送信する。クライアント／サーバＶＣ Ｒは、例えば、設定ポイント変更、チューニングパラメータのアクセスと変更、 警報肯定応答、およびデバイスアップロードとダウンロードなどのオペレータが 始動するリクエストを達成するために使用される。 レポート分配ＶＣＲは、待ち行列に入れられ、スケジュール されず、ユーザによって始動される１対多通信に使用される。例えば、イベント または傾向レポートを持つフィールドデバイスがＬＡＳからパストークンを受信 すると、そのフィールドデバイスはそのメッセージをそのデバイスの通信スタッ クのＦｉｅｌｄｂｕｓアクセスサブレイヤに定義される「グループアドレス」に 送信する。そのＶＣＲ上で傾聴するように構成されるデバイスがレポートを受け 取る。レポート分配ＶＣＲタイプは、通常、オペレータコンソールに警報通知を 送信するためにＦｉｅｌｄｂｕｓデバイスによって使用される。 公表者／加入者ＶＣＲタイプは、バッファに入れられる１対多通信に使用され る。バッファに入れられた通信とは、データの最新バージョンだけを記憶、送信 する通信であるため、新しいデータは過去のデータを完全に上書きする。機能ブ ロック出力は、例えばバッファに入れられるデータを含む。「公表者」フィール ドデバイスは、公表者／加入者ＶＣＲタイプ使用して、公表者デバイスがＬＡＳ からまたは加入者デバイスから強制データメッセージを受信すると、バス３４上 の「加入者」フィールドデバイスのすべてにメッセージを公表または一斉送信す る。公表者／加入者関係は事前に決められ、各フィールドデバイスの通信スタッ クのＦｉｅｌｄｂｕｓアクセスサブレイヤ内に定義、記憶される。 バス上で適切の通信活動を保証するために、各ＬＡＳは定期的に時間分配メッ セージをバス３４のセグメントに接続されるフィールドデバイスのすべてに送信 し、受信側デバイスが互いに同期するようにそのローカルアプリケーション時間 を調整できるようにする。これらの同期メッセージの間、クロック時間は、それ 自体の内蔵クロックに基づき各デバイス内で独自に維 持される。クロック同期により、フィールドデバイスは、例えば、データが作成 された時問を示すためにＦｉｅｌｄｂｕｓネットワーク全体でデータにタイムス タンプを付けることができる。 さらに、各バスセグメント上の各ＬＡＳ（およびそれ以外のリンクマスタデバ イス）は、バス３４のそのセグメントに接続されているすべてのデバイス、つま りパストークンメッセージに適切に応答しているデバイスのすべてのリストであ る「ライブリスト」を記憶する。ＬＡＳは、ライブリスト上にないプローブノー ドメッセージを定期的に送信することによって、継続的にバスセグメントに追加 される新しいデバイスを認識する。実際、各ＬＡＳは、それが、パストークンメ ッセージをライブリスト中のフィールドデバイスのすべてに送信するサイクルを 完了した後に、少なくとも１つのアドレスを調べるように要求される。フィール ドデバイスが調べられたアドレスに存在し、プローブノードメッセージを受信す ると、デバイスはただちにプローブ応答メッセージを返す。プローブ応答メッセ ージを受信すると、ＬＡＳはそのデバイスをライブリストに追加し、ノード起動 メッセージを調べられたフィールドデバイスに送信することによって確認する。 フィールドデバイスは、そのフィールドデバイスがパストークンメッセージに適 切に応答する限り、ライブリストにとどまる。ただし、ＬＡＳは、フィールドデ バイスが、３回連続して試した後に、トークンを使用しないか、またはただちに トークンをＬＡＳに返さない場合、フィールドデバイスをライブリストから削除 する。フィールドデバイスがライブリストに追加されたり、ライブリストから削 除されると、ＬＡＳはライブリスト中の変更をバス３４の適切なセグメント 上の他のすべてのリンクマスタデバイスに一斉送信し、各リンクマスタデバイス が、ライブリストのカレントコピーを維持できるようにする。 前記に注記されたように、フィールドデバイスとその機能ブロック間の通信相 互接続はユーザによって決定され、例えばホスト１２内に位置する構成アプリケ ーションを使用してプロセス制御ネットワーク１０内で実現される。しかし、構 成された後、プロセス制御ネットワーク１０は、デバイス診断やプロセス診断に 対していっさい考慮せずに動作するため、診断機能ではなく標準的なＩ／Ｏ機能 を実行するためにホスト１２とインタフェースする。 ここでは、図６を参照すると、概略ブロック図が、本発明に従った冗長性が、 一次フィールドデバイス２０４および冗長フィールドデバイス２０６を含む冗長 機能要素付きの単一通信ループ２０２内で通信媒体の単一セットを使用して、選 択式で実現される制御システムネットワーク２００を示す。デジタル制御システ ム（ＤＣＳ）コントローラまたはフィールドデバイスなどのループコントローラ ２０８は、単一通信ループ２０２に接続され、単一通信ループ２０２はフィール ドデバイス２０４と２０６の冗長組に接続される。フィールドデバイス２０４お よび２０６は、故障ステータスをオプションで検出し、通信する。ループコント ローラ２０８は、二線式デジタル通信を使用し、制御システムネットワーク２０ ０内のデバイスの動作を継続的に監視し、故障したフィールドデバイスからの通 信の中断を検出する。制御システムネットワーク２００は、通信媒体２０２の単 一セットの故障からではなく、一次フィールドデバイス２０４の故障から回復す る。ループコントローラ２０８は、 冗長フィールドデバイス２０４と２０６と組み合わされた単一通信ループ２０２ の動作の冗長性を制御し、デバイス内の制御論理回路などの１つまたは複数の機 能要素からの故障ステータスの受信、または１つまたは複数の機能要素からのメ ッセージの停止を検出することのどちらかにより、機能要素の故障を検出する。 例えば、プロセス制御弁などのフィールドデバイスは、センサ、および代わりに プロセス制御弁の動作のスデータスを示すセンサのステータスを示すフィードバ ック信号を含む。弁動作のステータスは、故障ステータス、稼動中ステータス、 または機能性の変化する度合いを示すステータスの表示を含むことがある。プロ セス制御弁、およびその他の選択された機能要素は、好ましくは、通信ループ２ ０２の両方向通信を活用し、ステータスメッセージをループコントローラ２０８ に伝送する。 ループコントローラ２０８は、一次フィールドデバイス２０４などの故障した 、または故障中のデバイスを非活性化し、冗長フィールドデバイス２０６として 示される対応する代替デバイスを起動することにより、自動的に冗長組通信ルー プを構成し直す。機能要素は、プロセス内のそれ以外のフィールドデバイスおよ び制御デバイスだけでなく、送信機などの検知要素、および弁やモータなどの制 御要素を含むことがある。検知要素の場合、故障した送信機から伝送は無視され る。故障した制御装置の場合、ループコントローラは、故障した制御要素をフェ イルセーフ運転モードに非活性化するためのコマンドを発行する。 ここでは図７を参照すると、概略ブロック図は、冗長性が、冗長デバイスが、 一次フィールドデバイス３０４およびそれに接続される冗長フィールドデバイス ３０６を含む冗長デバイス のある、一次通信バス３０２と冗長通信バス３０３を含む通信媒体の冗長セット を使用して選択式で実現される、制御システムネットワーク３００を示す。デジ タル制御システム（ＤＣＳ）コントローラまたはフィールドデバイスなどのルー プコントローラ308は、一次通信バス３０２に、および冗長通信バス３０３に接 続され、通信ループの冗長組を形成する。一次フィールドデバイス３０４および 冗長フィールドデバイス３０６は、オプションで故障ステータスを検出し、通信 する。ループコントローラ３０８は、両方向デジタル通信を使用して制御システ ムネットワーク３００でのデバイスの動作を継続的に監視することにより冗長通 信ループの冗長性動作を制御し、機能要素からの故障ステータスの受信または機 能要素からのメッセージの停止を検出することのどちらかにより（バスまたはデ バイスである場合がある）機能要素の故障を検出する。ループコントローラ３０ ８は、一次ループ通信バス３０２に対応するもののようなループ、または一次ル ープ内の１つまたは複数の要素を、バス３０２または一次フィールドデバイス３ ０４のどちらかの故障時に非活性化してから、対応する代替ループ（例えば、冗 長通信バス３０３に対応するループ）および／または冗長フィールドデバイス３ ０６などのバス３０３上の１つまたは複数の機能デバイスを起動することにより 、通信ループの冗長組を自動的に構成し直す。したがって、回復は、故障中の機 能要素と故障中の通信媒体の両方に対し達成される。 図８を参照すると、概略ブロック図は、冗長性が、その上に接続されるフィー ルドデバイス４０４などの単一のさらなる機能要素のある、一次通信バス４０２ と冗長通信バス４０３を含む、通信媒体の冗長セットを使用して選択式で実現さ れる制御 システムネットワーク４００を示す。フィールドデバイス４０４は、冗長媒体を 利用するために２セットのインタフェース電子回路（図示されていない）を含む 。ループコントローラ４０８は、一次通信バス４０２に、および冗長通信バス４ ０３に接続され、通信ループの冗長組を形成する。デバイス４０４は、一次通信 バス４０２に対する第１入力コネクションと第１出力コネクションを有し、冗長 通信バス４０３に対する第２入力コネクションと第２出力コネクションを有する 。したがって、デバイス４０４は、通信ループの冗長組内で接続される。単一フ ィールドデバイス４０４は、オプションで故障ステータスを検出し、通信する。 ループコントローラ４０８は、両方向デジタル通信を使用して制御システムネッ トワーク４００内でのデバイスの動作を継続的に監視することにより冗長通信ル ープの冗長性動作を制御し、機能要素からの故障ステータスの受信または機能要 素からのメッセージの停止を検出することのどちらかにより機能要素の故障を検 出する。ループコントローラ４０８は、一次通信バス４０２の故障時に一次通信 バス４０２などのバスを非活性化し、対応する代替冗長通信バス４０３を起動す ることにより、通信ループの冗長組を自動的に構成し直す。しかし、この構成で は、ループコントローラ４０８は、フィールドデバイス４０４の故障から回復す ることはできない。したがって、単一デバイスまたはその他の機能要素以外の冗 長媒体を有する制御システムネットワーク４００は、故障する通信媒体に対し回 復を達成するが、故障中のデバイスや他の機能要素の場合には機能性を回復しな い。 図９を参照すると、概略ブロック図が、２つの機能要素、つまりプロセスフロ ーストリーム５１２内で接続される一次プロ セス制御弁５０２および冗長プロセス制御弁５０４を有する制御システムネット ワーク５００を示す。制御システムネットワーク５００では、一次プロセス制御 弁５０２および冗長プロセス制御弁５０４が、ループコントローラ５０８により 制御される単一二線式通信ループ５０６に接続される。ループ５０６は、ループ コントローラ５０８から制御弁５０４と５０６の末端に位置する送信機５１０を 含む。 典型的には、一次プロセス制御弁５０２はアクティブであり、冗長プロセス制 御弁５０４はスタンバイステータスまたはバイパスステータスである。ループ５ ０６は、制御弁５０４と５０６、および送信機５１０がすべてメッセージを受信 し、メッセージをループコントローラ５０８に伝送するように二線式デジタル通 信を活用する。したがって、ループコントローラ５０８は、制御システムネット ワーク内の機能要素の正確なステータスを示す情報を受信する。 ループコントローラ５０８は、機能要素の故障またはその他の不適切なステー タスを示す情報を受信すると、使用可能ならば、故障中の機能要素を非活性化し 、冗長要素を起動するために応答を始動する。ループコントローラ５０８は、通 常、機能要素をフェイルセーフ運転モードにすることにより、選択された機能要 素を非活性化する。 いくつかの実施例では、制御弁５０４と５０６は、バイパスモードで半分の容 量で動作するように設定され、単一弁の故障に対する応答は、故障中の弁の非活 性化、および機能弁の全容量起動である。さらに、弁５０４と５０６は、他方が フローを制御している間に一方が開放したままとなるように、直列で接続される ことがある。 図１０を参照すると、概略図が、プロセスフローストリーム６１２内で接続さ れる一次送信機６０２および冗長送信機６０４を含む制御システムネットワーク ６００を示す。制御システムネットワーク６００では、一次送信機６０２および 冗長送信機６０４が、ループコントローラ６０８により制御される単一二線式ル ープ６０６に接続される。一次送信機６０２はアクティブであり、冗長送信機６ ０４はスタンバイステータスまたはバイパスステータスである。ループ６０６は 、送信機６０４と６０６の両方がメッセージを受信し、メッセージをループコン トローラ６０４に伝送するように、両方向デジタル通信を活用する。したがって 、ループコントローラ６０８は、制御システムネットワーク６００内での機能要 素の正確なステータスを示す情報を受け取る。 ループコントローラ６０８は、送信機の故障またはその他の不適切なステータ スを示す情報を受け取ると、単に非機能送信機からの伝送を無視するだけである 。 図１１を参照すると、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ通信ネットワーク内でのもののような 冗長機能ブロックを使用し実現される分散型通信機能を有する、プロセス制御ル ープ７００のブロック図が示される。図４に関連するもののような単純なフィー ドバック弁制御ループを実現することのあるループ７００は、代わりに、エラー 検出機能ブロック７０８を通して、冗長ＡＯ機能ブロック７１０と７１２の組に 接続される、冗長ＰＩＤ機能ブロック７０４と７０６の組に接続される単一ＡＩ 機能ブロック７０２を含むとして示される。運転中、ＡＩ機能ブロック７０２、 ＰＩＤ機能ブロック７０４または７０６の１つ、およびＡＯ機能ブロック７１０ と７１２の１つが、エラー検出機能ブロック７ ０８といっしょに動作し、単純なフィードバック制御ループを実現する。図１１ から明らかになるように、ＡＩ関数ブロック７０２は、その出力をＰＩＤ機能ブ ロック７０４と７０６に向け、その内の１つはエラー検出器機能ブロック７０８ を通してＡＩ機能ブロック７１０または１２の１つに送達される制御信号を作成 するために動作する。同じＰＩＤ機能ブロック７０４または７０６は、フィード バック回線７１４または７１６の１つを経由して、エラー検出器関数ブロック７ ０８を通してＡＯ関数ブロック７１０または７１２の１つからフィードバック信 号も受け取る。このようにして、例えば、正常な運転中、ループ７００は、エラ ー検出関数ブロック７０８を通しで接続されるＰＩＤ関数ブロック７０４とＡＯ 関数ブロック７１０と動作することがある。エラー検出関数ブロック７０８は、 ブロック７０４と７１０のモードを分析するか、ブロック７０４と７１０から受 信される信号を分析し、これらの機能ブロックのどちらかが誤動作しているかを 検出する。エラー検出機能ブロック７０８が、ブロック７０４または７１０のど ちらかでエラーステータスを検出すると、エラー検出ブロック７０８がただちに 、（ＰＩＤ関数ブロック７０４が誤動作している場合には）冗長ＰＩＤ関数ブロ ック７０６または（ＡＯ関数ブロック７１０が誤動作している場合には）冗長Ａ Ｏ関数ブロック７１２のどちらかである冗長関数ブロックをループ７００内で動 作させ、それにより、代わりにループ７００が、ループ７００を停止する必要な く続行するか、あるいはループ７００が接続されるプロセスを停止できるように するループ７００の中から、誤動作する機能ブロックを切り替えさせる。 言うまでもなく、エラー検出関数ブロック７０８は、機能ブ ロック７０４または７１０のどちらかが誤動作するときに、冗長機能ブロック７ ０６と７１２の両方をいっしょに動作するように切り替えること、例えばＡＯ関 数ブロック７１０が誤動作するときに、ＰＩＤ機能ブロック７０４およびＡＯ機 能ブロック７１２がいっしょに動作するようにループ７００を切り替えること、 または例えばＰＩＤ機能ブロック７０４故障時に、冗長ＰＩＤ機能ブロック７０ ６およびＡＯ機能ブロック７１０がいっしょに動作するようにループ７００を切 り替えることを含む、任意の希望される様式でループ７００の動作を切り替える ことができる。同様に、エラー検出機能ブロック７０８は、その中で冗長性を提 供するために、冗長機能ブロックの任意のセットと単一機能ブロックの間、また はプロセス制御ループ内の冗長機能ブロックの任意の２セットの間で結合される ことがある。さらに、冗長性は、図１１のループ７００内で冗長ＡＩ機能ブロッ クを追加するなどによって、ループ内の機能ブロックごとに少なくとも１つの冗 長機能ブロックを提供することにより達成される。ただし、ループ内の１つだけ の機能ブロック、または限られた数の機能ブロックに冗長機能ブロックを提供す ることにより、さらに少ない冗長性に達することがある。また、エラー検出機能 ブロック７０８が、到達可能となるように、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ通信バスなどのバ スを介して冗長ループ内でその他の機能ブロックに接続される限り、エラー検出 機能ブロック７０８が任意の希望される方式で接続されることがあり、プロセス 制御システム内の任意のデバイスに位置されることがあることも理解されるだろ う。また、ブロック７０４と７０６またはブロック７１０と７１２などの冗長機 能ブロックは、同じデバイスまたは異なるデバイスに位置することがある。 依然としてさらに、ＰＩＤ機能ブロック７０４と７０６の出力は、図１１の（ エラー検出機能ブロック７０８に対してだけではなく）ＡＯ機能ブロック７１０ と７１２に対しでも直接的に結合されるが、ＡＯ機能ブロック７１０と７１２か らのフィードバックは、（エラー検出機能ブロック７０８に対してだけではなく ）ＰＩＤ機能ブロック７０４と７０６に対しても直接的に結合される。この構成 においては、エラー検出機能ブロック７０８は、機能ブロック７０４と７０６ま たは７１０と７１２内でエラーを検出し、誤動作している機能ブロックをループ の中から切り替えさせる一方で、同時に、例えばループ７００内のＰＩＤ機能ブ ロックとＡＯ機能ブロックの間で実際に信号を渡さなくても、対応する冗長機能 ブロックにループに切り替えさせる。 今度は図１２を参照すると、概略ブロック図は、任意のそれ以外の冗長コネク ションだけではなく、例えば、図６から１１に示される冗長コネクションのどれ かまたはすべてを使用して、フィールドデバイス冗長性を実現する制御システム ネットワーク１００を示す。示された制御システムネットワーク１００は、デジ タル制御システムおよび1組の冗長通信回線１０７などの、コントローラ１０６ によりネットワークバス１０４に接続される、パーソナルコンピュータやワーク ステーションなどのコンピュータ１０２を含む。ネットワークバス１０４は、そ のそれぞれが、例えばＦｉｅｌｄｂｕｓプロトコルまたは分散型制御機能を有す るプロセス制御システムに対応するそれ以外の通信プロトコルに従って二線式ル ープ動力式両方向デジタル通信を実現する、一次ループ１１２および冗長ループ １１３を含む。制御システムネットワーク１００は、ノード１１５でのネット ワークバス１０４のコネクションにより、外部ネット・ワーク１１４と通信する 。制御システムネットワーク１００は、ネットワークバス１０４に直接的に接続 されるか、あるいはブリッジ１１８およびローカルバス１２０を介してネットワ ー-クバス１０４に接続される複数のフィールドデバイス１１６を含む。示され た制御システムネットワーク１００では、（１２２とラベルが付けられた）１つ のローカルバス１２０が、一次ループ１２６および冗長ループ１２８を有する外 部ネットワーク冗長バスによりノード１１５に接続される。 冗長性は、ローカルバス１３８に対する冗長コネクション１３６により（１３ ４とラベルが付けられる）第１ブリッジに接続され、ローカルバス１２２に対す る冗長コネクション１４２により（１４０とラベルが付けられる）第２ブリッジ に接続される、（１３０とラベルが付けられる）一次フィールドデバイスおよび （１３２とラベルが付けられる）冗長フィールドデバイスによりフィールドデバ イスで選択式で実現される。完全に冗長な機能要素は、対応する一次機能要素と 同じ機能セットまたは機能ブロック能力を有する。限られた冗長性機能要素は、 対応する一次機能要素の少なくとも１つの機能または特徴を省略する機能セット を有する。 示される制御システムネットワーク１００は、二線式ループ動力式両方向デジ タル通信環境で、四線式通信環境で、または分散型制御機能を使用する任意のそ れ以外のプロセス制御環境で、多くのレベルでの冗長性を実現する。第１に、コ ンピュータ１０２は、冗長回線１０７を使用しコントローラ１０６に接続される 。第２に、ネットワークバス１０４は、一次ループまたはバス１１２および冗長 ループまたはバス１１３を含む。第 ３に、ブリッジ１１８および直接接続されるフィールドデバイス１１６は、冗長 コネクションでネットワークバス１０４に接続される。第４に、一次フィールド デバイス１３０および冗長フィールドデバイス１３２は、ローカルバス１３８に 対する冗長コネクション１３６によって第１ブリッジ１３４に接続される。第５ に、一次フィールドデバイス１３０および冗長フィールドデバイス１３２は、ロ ーカルバス１３８に対する冗長コネクション１３６により第１ブリッジ１３４に 接続され、ローカルバス１２２に対する冗長コネクンョン１４２により第２ブリ ッジに接続される。第６に、ローカルバス１２２は、ネットワークバス１０４お よび外部ネットワーク冗長バス１２４によりノード１１５で外部ネットワーク１ １４に冗長に接続される。第７に、外部ネットワーク冗長バス１２４は、冗長バ スである。第８に、冗長機能ブロックは、ネットワーク１００に接続されるデバ イス（例えばデバイス１１６など）内に配置される。 制御システムネットワークのその他の実施例においては、冗長性は、ネットワ ークバス１０４に対してだけ選択式で実現されるか、選択されたフィールドデバ イス１１６、フィールドデバイス１１６のすべてに実現されるか、どのフィール ドデバイス１１６にも実現されない。同様に、ノード１５５に対するローカルバ ス１２０コネクションの、および機能ブロックの冗長性はオプションである。 フィールドデバイス冗長性を実現する制御システムネットワーク１００は、四 線式ループや、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ規格（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ財団、テキサス州オー スティン（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａ ｓ））、ＷＯＲＬＤＦＩＰ規格、ＬＯＮＷＯＲＫＳ規格、ＰＲＯＦＩＢ ＵＳ規格、任意のそれ以外のＳＰ−５０通信規格および類似物を実現するループ を含む、分散型様式でプロセス制御機能を実現するその他のループだけではなく 、二線式ループ動力式両方向デジタル通信を実現するループに対し実用可能であ る。フィールドデバイス冗長性を実現する制御システムネットワーク１００は、 例えばＨＡＲＴ規格を含む混合アナログ／デジタルプロトコルを実現するループ に対しでも実用可能である。 ここでは図１３を参照すると、概略ブロック図は、二線式ループ動力式両方向 デジタル通信位置決め装置／弁の組み合わせである（図１２の）デジタルフィー ルドデバイス１１６の内の１つを示す。デジタルフィールドデバイス１１６は、 多様な空気配管網および電気配管網により相互接続される、フィールドデバイス コントローラ１１０２、Ｉ／Ｐ変換器１１０４、空気リレー１１０６、アクチュ エータ１１０８、および弁１１０９を含む。 フィールドデバイス１１６は、動作信号を受信し、好ましくはＦｉｅｌｄｂｕ ｓ規格に従って、二線式バス１２２を介して、デジタル形式でステータス情報と データを伝送するため、二線式位置決め装置である。同様に、フィールドデバイ ス１１６は、おもにデバイスコントローラ１１０２およびＩ／Ｐ変換器１１０４ を動かすために、二線式継続ループバスセグメント１２０を介して電力を受け取 るため、ループ動力式デバイスである。 図１３に示されるように、Ｉ／Ｐ変換器１１０４は、Ｉ／Ｐ制御回線１１１０ によってデバイスコントローラ１１０２に電気的に接続され、示された実施例で は、アナログ制御信号を使用してデバイスコントローラ１１０２と通信する。 Ｉ／Ｐ変換器１１０４は、弁の作動を引き起こす空気信号を 作成し、電気信号を空気位置決め装置用の空気圧に変換するための電子機械装置 できわめて有効である。アクチュエータ１１０８は、（弁ステムである場合があ る）弁１１０９の弁部材の位置を制御するが、位置センサ１１１６は弁部材１１ １４の位置を検知し、信号回線１１１７を介してデバイスコントローラ１１０２ に通信されるフィードバック信号を作成する。位置信号は、Ｉ／Ｐ変換器１１０ ４が、弁部材１１１４を希望の位置にくるように空気圧を動かすように、デバイ スコントローラ１１０２によって使用され、フィールドデバイス１１６の動作を 制御する。位置およびその他のフィードバック情報は、記憶装置またはデバイス コントローラ１１０２のメモリに記憶され、バス１２０を介して外部でアクセス され、例えばデバイス１１６のステータスを検出する。 標準であるように、フィールドデバイス１１６は、Ｉ／Ｐ変換器１１０４およ び空気リレー１１０６に接続される空気配管網１１１８を介して外部ソース（図 示されていない）からの加圧空気の供給を受ける。通常、外部空気ソースとＩ／ Ｐ変換器１１０４の間に配置される入力センサ１１２０は、空気配管網１１８内 の入力空気供給圧力を測定し、この測定値をデバイスコントローラ１１０２に送 達する。Ｉ／Ｐ変換器１１０４は空気制御配管網１２２を介して空気リレー１１ ０６に接続され、Ｉ／Ｐセンサ１１２４は、Ｉ／Ｐ変換機１１０４と空気リレー １１０６の間に配置され、配管網１１２２内の空気供給圧力を測定する。同様に 、空気リレー１１０６は、空気作動配管網１１２６を介してアクチュエータ１１ ０８に接続され、リレーセンサ１１２８は空気リレー１１０６とアクチュエータ １１０８の間に配置され、配管網１１２６内の空気供給圧力を測定する。 空気配管網１１１８，１１２２および１１２６は、変換器１１０４および弁１１ ０９を相互接続する単一の空気配管網の一部と考えられる。 運転中、デバイスコントローラ１１０２は、Ｉ／Ｐ変換器１１０４を制御し、 空気制御配管網１１２６内の制御された弁動作圧を設定することにより、弁の作 動を制御する。デバイスコントローラ１１０２は、Ｉ／Ｐ変換機制御配管網１１ ０を介して、制御信号をＩ／Ｐ変換器に送信し、Ｉ／Ｐ変換器１１０４とリレー １１０６の組み合わせの出力圧力が、アクチュエータ１１０８の制御入力に適用 される約３〜１００ｐｓｉ（０．２１〜７．０６ｋｓｃｍ）の間となるように制 御する。アクチュエータ１０８は、弁１１０９を動作するために適用される出力 圧力を作成する。 このようにして、既知であるように、１１０４は、電気信号を空気圧信号に変 換する。適切なＩ／Ｐ変換器の一例は、参照してここに全体として組み込まれる 、１９９５年８月５日にＢ．Ｊ．Ｂｕｒｌａｇｅらに発行された「電子・空気コ ンバータ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）」と題 する米国特許第５，４３９，０２１号に説明される。同様に、空気増幅器として 役立つ空気リレー１１０６は、デバイスコントローラ１１０２により命令される ようにＩ／Ｐ変換器１１０４により制御され、空気作動信号線路１１２６の空気 圧を制御された量まで増加する。このようにして、一般的には、空気リレー１１ ０６は、制御された出力圧力を、デバイスコントローラ１１０２からの制御信号 に応えて、アクチュエータやピストンなどの負荷または活用デバイスに供給する 。適切なリレーは、参照してここに全体として組み込まれる、１９９０年 １２月４日にＳ．Ｂ．Ｐａｕｌｌｉｕｓらに発行された「４モード空気リレー（ Ｆｏｕｒ Ｍｏｄｅ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｒｅｌａｙ）」と題する米国特許第 ４，９７４，６２５号に説明される。図解された実施例では、リレー１１０６は 、直接／スナップ、直接／比例、逆転／スナップ、または逆転／比例動作に構成 可能である多機能４モード空気リレーである。比例モードでは、空気リレー１１ ０６は、圧力または力入力に比例する圧力出力を開発する。オン／オフつまりス ナップモードでは、空気リレー１１０６は、通常はかけられる供給の圧力に等し い一定の圧力出力を、定義された範囲の力または圧力制御入力の適用に応えて作 成する。直接運転モードでは、空気リレー１１０６の出力圧力は、増大する入力 信号とともに上昇する。逆転運転モードでは、リレー出力圧力は、増大する入力 信号とともに減少する。 入力センサ１１２０、Ｉ／Ｐセンサ１１２４、およびリレーセンサ１１２８は 、圧力信号を電気信号に変換するための電圧から圧力への信号コンバータを備え 、フィードバック信号を、配管網１１３０を介してデバイスコントローラ１１０ ２に供給する圧力変換器である。Ｉ／Ｐセンサ１１２４は、Ｉ／Ｐ変換器１１０ ４または空気リレー１１０６のどちらかの故障を検出し、例えば、故障が機械的 な故障であるのか、電気的な故障であるのかを判断するために診断上有効である 。Ｉ／Ｐセンサ１１２４は、デジタルフィールドデバイス１６への空気圧力入力 が十分である旨の決定を含むいくつかのシステムの問題点を検出するためにも有 効である。その結果、Ｉ／Ｐセンサ１１２４を使用すると、これらのデバイスを 必要ならば素早く交換できるように、およびプロセスコントローラが、可能であ るならば 別の冗長デバイスの使用に切り替えるように警告されるように、Ｉ／Ｐ変換器１ １０４および空気リレー１１０６のステータスを迅速に診断できるようにする。 １つの実施例においては、デジタルフィールドデバイス１１６で使用するため の適切な弁１１０９は、参照してここにその全体として組み込まれる、１９９０ 年１２月１１日にＷ．Ｖ．Ｆｉｔｚｇｅｒａｌｄに発行される「流体制御弁用の 診断機器および方法（Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍ ｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｌｕｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅｓ）」と題する 米国特許第４，９７６，１４４号に説明されるアナログデバイスで使用されるス ライド式ステム弁上で、ばねおよびダイヤフラムアクチュエータを使用する弁ア クチュエータアセンブリである。この例示的な実施例においては、約３ｐｓｉ（ ０．２１ｋｓｃｍ）という圧力信号が、デバイスコントローラ１１０２によりＩ ／Ｐ変換器１１０４に適用される約４ｍＡ信号に応えてアクチュエータ１１０８ に提供され、弁１１０９を完全開放位置から移動するには不充分である空気作動 信号線路１２６内での対応する圧力を生じさせる。フィールドデバイスコントロ ーラ１１０２がＩ／Ｐ変換器１１０４にかけられる制御電流を約２０ｍＡに変更 すると、Ｉ／Ｐ変換器１１０４は、弁１１０９を完全閉鎖位置に押しやる、約１ ５ｐｓｉ（１．０６ｋｓｃｍ）という空気作動配管網１１２６内での圧力を生じ させる。完全開放位置と完全閉鎖位置の間での弁の多様な位置は、４ｍＡから２ ０ｍＡまでの範囲でＩ／Ｐ変換器にかけられる入力電流を制御するデバイスコン トローラ１１０２の動作により達成される。 デバイスコントローラ１１０２は、相対的に高速のデジタル 通信を実行し、制御信号を受信し、バス１２０を介してプロセッサ制御ネットワ ーク内の外部プロセッサまたはワークステーションに位置および圧力の情報を伝 送する。デバイスコントローラ１１０２は、関連データが分析に利用できるよう に、複数の診断テストの結果を記憶するための記憶域つまりメモリを含む。デバ イス診断のような診断動作は、通常はソフトウェアプログラムコードの形を取り 、典型的には、フィールドデバイス１６のデバイスコントローラ１０２内で符号 化、記憶、および実行される。 弁１１０９のデバイス診断評価は、完全開放位置と完全閉鎖位置の間で弁１１ ０９を試験するのに十分な範囲でＩ／Ｐ変換器１１０４にかかる入力電流を制御 するデバイスコントローラ１１０２の動作を通して実行されることがある。デバ イス診断評価中、入力センサ１１２０、Ｉ／Ｐセンサ１１２４、およびリレーセ ンサ１１２８の出力が、デバイスコントローラ１１０２により監視され、分析に 使用される空気配管網１１１８，１１２２、および１１２６それぞれでの空気圧 を検出する。位置センサ１１１６の出力も監視され、弁１１０９内のバルブプラ グ（図示されていない）の位置または移動に相当する、弁ステム１１１４の位置 または移動を検出する。 このようにして、弁１１０９のテスト動作サイクルは、制御された可変電流を Ｉ／Ｐ変換器１１０４に適用し、空気配管網１１１８，１１２２、および１１２ ６内の圧力を検知し、位置センサ１１１６を使用して弁ステム１１１４の位置を 検出することにより、デバイスコントローラ１１０２の制御下で実行される。こ のようにして、デバイスコントローラ１１０２は、例示的な場所、および弁１１ ０９の位置での圧力を示す時間変化 電気信号を受信し、既知のまたは希望される方式で任意の数のデバイス診断パラ メータを決定するために、これらの信号を使用することがある。 １つの実施例では、Ｉ／Ｐ変換器１１０４および空気リレー１１０６は、Ｉ／ Ｐ変換器１１０４を完全開放に動かし、弁１１０９に提供される完全空気圧を測 定する診断テスト手順を使用し、試験される。Ｉ／Ｐ変換器が開放に動かされる 間、Ｉ／Ｐセンサ１１２４は、空気制御配管網１１２２内の圧力を絶えず測定す る。圧力が降下し始めると、テストは、空気供給が不充分な可能性があることを 示す。空気供給の十分な数量のさらなる診断テストは、弁１１０９が空気供給に 関して吸い込み動作を開始するように振動信号をＩ／Ｐ変換器１１０４に適用し て弁１１０９をポンピングしてから、Ｉ／Ｐセンサ１１２４を使用して最大流量 および最大圧力の値を測定することにより実行される。 図１４に示されるように、デバイスコントローラ１１０２は、マイクロプロセ ッサ１１４０、インタフェース１１４２、バス分離回路１１４４、ランダムアク セスメモリ（ＲＡＭ）１１４６、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）１１４８、および 不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）１１５０のような複数の記憶装 置、およびＡ／Ｄコンバータ１１５２、Ｄ／Ａコンバータ１１５４、およびマル チプレクサ１１５６のような複数の信号処理装置を含む。（バスコネクタである ）インタフェース１１４２は、直列から並列へのプロトコル変換および並列から 直列へのプロトコル変換を実行する可路であり、Ｆｉｅｌｄｂｕｓプロトコルの ような希望されるプロトコル定義に従ってデータパケットにフレーム指示情報を 追加するために使用される。 バス分離回路１１４４は、バス１２０上の二線式媒体通信信号を通信信号のデジ タル表記に変換し、バス１２０から受け取られる動力をＩ／Ｐ変換器１１０４に 対してだけではなく、デバイスコントローラ１１０２内の他の回路に供給する回 路である。バス分離回路１１４４は、バス１２０で波形整形およびシグナリング も実行することがある。 Ａ／Ｄコンバータ１１５２は、それ以外の希望されるアナログ入力装置に対し てだけではなく、図６の位置センサ１１１６および圧力センサ１１２０，１１２ ４および１１２８の位置変換器および圧力変換器などの変換器に接続される。Ａ ／Ｄコンバータ１１５２は、限られた数の入力チャネルを有することがあり、マ ルチプレクサ１１５６は、複数の信号がサンプリングできるようにするために使 用されることがある。希望される場合、マルチプレクサ１１５６は、信号線路１ １１７と１１３０（図１３）の間で接続される増幅器のバンクを含み、それに送 達される位置、圧力、およびその他のフィードバック信号を増幅する。Ｄ／Ａコ ンバータ１１５４は、Ｉ／Ｐ変換器１１０４などのアナログ構成要素へ送達され る、マイクロプロセッサ１１４０により作成される信号でデジタルからアナログ への変換を実行する。 冗長性を実現する制御システムネットワークの示された実施例は、有利なこと に、機能要素の故障にも関わらず、制御システムネットワークの動作を保持する ことによって、二線式ループ動力式両方向デジタル通信、またはその他の通信を 実現するループに対し機密保護を提供する。この利点は、プロセス制御回線停止 の費用が莫大であるプロセス制御システムでは重要である。 言うまでもなく、冗長要素を有するプロセス制御ネットワークは、希望さえる ようにその他の構成で冗長性を使用してもよい。さらに、冗長要素を有するプロ セス制御ネットワークは、送信機、および位置決め装置／弁デバイスを含むとし てここに説明されているが、このネットワークが、コントローラ、ブリッジデバ イス、センサなどだけではなく、ダンパー、ファンなどのような可動部品を有す るデバイスなど、それ以外の型のデバイスを含むことがあることに注意する。 さらに、ここに説明される冗長要素を有するプロセス制御ネットワークの切り 替え論理回路は、好ましくは、例えばプロセス制御デバイスやコントローラなど に記憶されるソフトウェアで実現されるが、それは、希望されるように、代わり にまたはさらに、ハードウェア、ファームウェアによって実現されることがある 。ソフトウェアで実現されると、この論理回路は、磁気ディスク、レーザーディ スクまたはその他の記憶媒体などのコンピュータ読取り可能メモリに、コンピュ ータのＲＡＭやＲＯＭなどで記憶されることがある。同様に、このソフトウェア は、例えば、電話回線、インターネットなどの通信チャネル上でを含む既知のま たは希望される送達方法を介してユーザまたはデバイスに送達されることがある 。 したがって、本発明は、本発明の制限としてではなく、例示的となるだけを意 図される、特定の例に関して説明されてきたが、本発明の精神および範囲から逸 脱することなく、開示された実施例に対し変更、追加または削除を加えることが できることは当業者に明らかとなるだろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ブラウン，ラリー，ケー. アメリカ合衆国 50158 アイオワ マー シャルタウン イースト サウスリッジ ロード 211 【要約の続き】 バイスを使用して選択式で実現される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プロセスで通信プロセス機能を実行する通信バスと、 デバイスのそれぞれがプロセス内で別のプロセス機能を実行する、通信バス上 で到達可能となるようにリンクされる複数のデバイスと、 プロセス内で同じ機能を実行するように適応される一次冗長要素および二次冗 長要素を含む１組の冗長要素と、 冗長要素の１つの故障を検出し、冗長要素の１つの故障の検出時にプロセス制 御システム内の冗長要素の他方を実用可能となるように接続するために、冗長要 素の組に結合されるコントローラと、 を含む、分散型様式でプロセス内でプロセス制御機能を実行するプロセス制御 システム。 ２．通信バスが、二線式両方向ループ動力式デジタル通信プロトコルを実現する 、請求項１に記載のプロセス制御システム。 ３．通信プロトコルがＦｉｅｌｄｂｕｓ通信プロトコルである、請求項２に記載 のプロセス制御システム。 ４．通信バスが、四線式通信プロトコルを実現する、請求項１に記載のプロセス 制御システム。 ５．通信バスが、二線式、両方向ループ動力式、混合デジタル／アナログ通信プ ロトコルを実現する、請求項１に記載のプロセス制御システム。 ６．一次冗長要素が通信バスを備え、二次冗長要素がさらなる通信バスを備える 、請求項１に記載のプロセス制御システム。 ７．一次冗長要素が、複数のデバイスの内の１つを備え、二次冗長要素が、通信 バスに結合されるさらなるデバイスを備える、請求項１に記載のプロセス制御。 ８．一次冗長デバイスおよび二次冗長デバイスが、プロセスで互いに並列に、有 効に接続される弁である、請求項７に記載のプロセス制御システム。 ９．一次冗長デバイスおよび二次冗長デバイスが、プロセスで互いに直列に、有 効に接続される送信機である。請求項７に記載のプロセス制御システム。 １０．一次冗長要素が、ある特定のプロセス機能を実行する第一の機能ブロック を備え、二次冗長要素が特定のプロセス機能を実行する第二の機能ブロックを備 える、請求項１に記載のプロセス制御システム。 １１．第一の機能ブロックおよび第二の機能ブロックが、複数のフィールドデバ イスの内の異なるものの中に位置する、請求項１０に記載のプロセス制御システ ム。 １２．コントローラが、第一の機能ブロックおよび第二の機能ブロックの１つの 誤動作を検出する第一の機能ブロックおよび第二の機能ブロックに到達可能とな るように結合されるさらなる機能ブロックを含む、請求項１０に記載のプロセス 制御システム。 １３．一次冗長要素が、デバイスの内の１つに接続される通信バスを含むループ を備え、二次冗長要素が冗長デバイスに接続される冗長通信バスを含む冗長ルー プを備える、請求項１に記載のプロセス制御システム。 １４．さらに、冗長要素の組に関連する機能要素で動作する制御論理回路を含み 、その制御論理回路が、冗長要素の１つの稼動中ステータスを検出し、その稼動 中のステータスをコントローラに通信するように適応される、請求項１に記載の プロセス制御システム。 １５．コントローラが、冗長要素の組の１つからの通信の中断を検出し、冗長要 素の組の１つの故障を検出する検出器を含む、請求項１に記載のプロセス制御シ ステム。 １６．ニ線式両方向ループ動力式デジタル通信プロトコルを実現する制御論理回 路を含むループコントローラと、 一次通信ループおよび冗長通信ループを含む、ループコントローラに結合され る両方向通信ループの冗長組と、 両方向通信ループの冗長組に結合される複数のデバイスと、を備えるプロセス 制御システム。 １７．複数のデバイスが、一次通信ループ、および冗長通信ループに結合される 二次冗長デバイスに接続さえる第１冗長デバイスを含む、請求項１６に記載のプ ロセス制御システム。 １８．複数のデバイスの１つが、一次通信ループ、および冗長通信ループに結合 される、請求項１６に記載のプロセス制御システム。 １９．ループコントローラがＦｉｅｌｄｂｕｓ通信プロトコルを実現する、請求 項１６に記載のプロセス制御システム。 ２０．二線式両方向ループ動力式デジタル通信プロトコルを実現する制御論理回 路含むループコントローラと、 ループコントローラに結合される両方向通信ループと、 通信ループに結合される一次機能要素、および通信ループに結合される冗長機 能要素を含む機能要素の冗長組と、 を備える、プロセス制御システム。 ２１．プロセス制御システムで通信プロセス機能を実行する通信バスを提供する ステップと、 デバイスのそれぞれが、プロセス内で異なるプロセス機能を実行するように、 複数のデバイスを通信バス上で到達可能とな るように接続するステップと、 同じプロセス機能を実行するために、プロセス内の一次冗長要素および二次冗 長要素を含む冗長要素の組を使用するステップと、 冗長要素の１つの故障を検出するステップと、 冗長要素の一つの故障に応答して、プロセス制御システムで冗長要素の他を動 作的に接続するステップと、 を含む、分散型様式で、プロセス内でプロセス制御機能を実行するプロセス制 御システムを構成する方法。 ２２．一次冗長要素が通信バスを備え、二次冗長要素がさらなる通信バスを備え 、さらに、通信バスおよび更なる通信バスを同じデバイスに接続するステップを 含む、請求項２１に記載の方法。 ２３．一次冗長要素が、複数のデバイスの内の１つを備え、二次冗長要素が更な るデバイスを備え、さらに、複数のデバイスの内の１つとさらなるデバイスを通 信バスに接続するステップを含む、請求項２１に記載の方法。 ２４．一次冗長要素が、ある特定のプロセス機能を実行する第一の機能ブロック を備え、二次冗長要素が特定のプロセス機能を実行する第二の機能ブロックを備 え、さらに、プロセスのプロセス制御ループ内で第一の機能ブロックまたは第二 の機能ブロックのどちらかを、代わりに到達可能となるように結合するステップ を含む、請求項２１に記載の方法。 ２５．さらに、第一の機能ブロックおよび第二の機能ブロックを、複数のフィー ルドデバイスの内の異なるものに配置するステップを含む、請求項２４に記載の 方法。 ２６．さらに、コントローラ機能ブロックを、第一の機能ブロ ックおよび第二の機能ブロックに到達可能となるように接続し、第一の機能ブロ ックおよび第二の機能ブロックの内の１つの故障を検出するステップを含む、請 求項２４に記載の方法。 ２７．一次冗長要素が、デバイスの１つに接続される通信バスを含む一次ループ を備え、二次冗長要素が、冗長デバイスに接続される冗長通信バスを含む冗長ル ープを備え、さらに、一次ループの１つだけ、またはある特定の時点でのプロセ ス制御システム内の冗長ループを動作的に接続するステップを含む、請求項２１ に記載の方法。