JP2003070079A - 通信システム - Google Patents

通信システム

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JP2003070079A
JP2003070079A JP2001259362A JP2001259362A JP2003070079A JP 2003070079 A JP2003070079 A JP 2003070079A JP 2001259362 A JP2001259362 A JP 2001259362A JP 2001259362 A JP2001259362 A JP 2001259362A JP 2003070079 A JP2003070079 A JP 2003070079A
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JP2001259362A
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Norikazu Osawa
紀和 大沢
Makoto Takeuchi
誠 竹内
Etsutaro Koyama
越太郎 小山
Yoji Saito
洋二 齋藤
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィールド機器等の通信において無線回線を
使用し、設置コストの削減と長距離通信の信頼性の向上
を図ることを目的とする。 【解決手段】 通信経路の一部または全部を無線通信、
あるいは赤外線通信等の非有線タイプの通信媒体を使用
し、通信距離の延長と通信品位の安定化を図る通信の中
継局をその通信経路の途中に設置し、その中継局は必要
に応じて、A/D変換や、通信媒体の変更、通信プロト
コルの変更等を行う信号の変換機能を持ち、フィールド
機器と、モニタ・制御機器の基地局、あるいは他のフィ
ールド機器との通信を行う通信システムを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、流量計や伝送器等
のフィールド機器、または、各種の小型センサにおい
て、信号伝送経路の一部または全区間で無線通信を行
い、その経路の途中に無線通信の中継箇所を設けた通信
システムに関する。
【0002】
【従来の技術】図7のように、プラント等の現場に設置
される、流量計、伝送器等のフィールド機器100の出
力信号や制御信号を無線の使用により、モニタ・制御機
器等110と通信を行うことは可能である。しかし、通
常のフィールド機器100は電力供給の制限があるた
め、無線動作に用いられるパワーは低く抑えられること
となり、近距離はともかく遠距離の通信を行うことは困
難である。
【0003】また、電波法の規制もあり、むやみに出力
を上げて、遠距離通信を行うこともできない。仮に比較
的長距離を無線によって通信したとしても、遮蔽物や他
の電気機器、環境等の変化で、ノイズの影響を受けやす
く、安定した通信を行うことは難しい。
【0004】一方、フィールド機器100の信号伝送に
有線ケーブルを用いた場合、比較的長い距離を安定して
通信することが可能であるが、個々のフィールド機器1
00毎に2芯以上のケーブルを引く必要があり、設置コ
ストが大となる。
【0005】図8では、フィールド機器A200、フィ
ールド機器B300、センサCと、モニタ・制御機器等
110とを有線ケーブル210,310,410を用い
て信号伝送を行っている。但し、通信距離が長いと、ケ
ーブル敷設のコストが高くなり、問題である。また、プ
ラント内の周囲温度や振動などを検知する現場センサは
従来もあったが、直接的にプラントの制御に利用するこ
とはないため、配線コスト及び設置コストの面から、設
置を見合わせる傾向にあった。
【0006】現在フィールド機器等の信号伝送では様々
な方式がある。図9に示すように、フィールド機器とし
てのセンサAとモニタ・制御機器としての計器Aとの間
の信号で転送は、4−20mA出力を用いる方式の他、
アナログ信号にディジタル信号を混在させる通信方式、
Field Bus(フィールドバス)方式等がある。
【0007】このため、フィールド機器、センサと通信
し、出力信号受信や、設定変更等の送信には、それぞれ
の通信方式に合致した、通信端末や計器が必要になる。
そのため、方式が統一されないと、システム全体が複雑
になり、操作性が悪く、コスト増にもつながる。簡単
で、しかも信頼性が高く、遠距離通信も可能な方法とし
ては、携帯電話やPHS等の既存インフラを使用した手
法は、容易に考えられる。
【0008】図10に示すように、携帯電話基地局50
0、或いはPHS基地局550を用いる方式では、個々
のフィールド機器A510、フィールド機器B520、
フィールド機器C530毎に、1回線ずつの電話回線が
必要になるが、その通信料及び基本料の負担額が大き
い。またその高額な通信料のため、常時接続は現実的で
ない。
【0009】また、無線の中継局、無線−有線の変換中
継局、無線有線を問わず、通信プロトコルの変換装置
は、その目的のための専用中継設備を設置するのが一般
的である。具体的には、図11に示すように、基地局6
00と、フィールド機器A610、フィールド機器B6
20、フィールド機器C630及びフィールド機器D6
40との間に無線の中継のために中継局650が設けら
れている。しかし、中継局650だけのために、電源工
事、スペース確保、設置工事、防爆の取得等を行うのは
手間とコストがかかり、必ずしも得策ではない。
【0010】更に、図12に示すように、多数のフィー
ルド機器A710,B720,フィールド機器C73
0,D740を、1台の中継局750を経由してDCS
等700と通信を行う方式では、何らかの理由で中継局
750が故障したり、あるいは信号ルートの途中に障害
が起こった等のトラブルで、全てのフィールド機器との
通信ができなくなってしまう(通信不可)危険性があ
る。
【0011】即ち、上の方式では1箇所が故障したとき
の損害はそこだけですんだが、この方式では、1箇所の
故障が全てのセンサーとの通信障害につながり、全滅す
る可能性がある。また、全滅までいかないまでも、無線
は有線に比べ、ノイズの影響を受けやすく、特に伝送距
離が長くなるとS/Nが悪くなりがちである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みなされたものであり、フィールド機器と、モニタ
や制御機器との通信、または、フィールド機器同士の通
信を確実に安定して行うための通信システムを提供する
ことを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1に記載の発明は、フィールド機器と、制
御機器あるいは他のフィールド機器との通信を行う通信
システムにおいて、一部あるいは全部に、無線通信ある
いは赤外線通信等を通信媒体として使用する無線通信手
段と、前記通信媒体上に設置された中継局とを、備え、
該中継局は、通信のための信号の変換機能を持つことを
特徴とする。
【0014】従って、請求項1に記載の発明によれば、
通信媒体において無線を使用しているため、設置コスト
の削減が可能になるとともに、長距離通信の信頼性向上
を図れる。また、中継局において通信のための信号の変
換機能を有することで、フィールド機器の出力方式や通
信プロトコルに左右されず、統一的な信号の扱いを可能
とし、通信システム全体の単純化、低コスト化が可能に
なる。
【0015】また、請求項2に記載の発明は、請求項1
に記載の構成に加え、1つの中継局で、複数のフィール
ド機器、あるいは複数のセンサとの通信を同時に行い、
前記フィールド機器、あるいは前記センサからの情報を
集めて、基地局へは単数の高速デジタル回線にまとめ
て、通信を行うことを特徴とする。
【0016】従って、請求項2に記載の発明によれば、
1つの中継局と複数のフィールド機器や複数のセンサ
(環境情報測定センサ等)が通信を行い、基地局へは高
速デジタル通信等の手段で1つにまとめて行うことによ
り、多数の通信ケーブルを敷設する必要がなくなり、大
幅なコスト削減が可能になる。また、複数のセンサーで
中継局を共同使用することで、更なるコスト削減可能に
なるとともに、低コストで、多点モニタが可能になり、
安全性と信頼性向上を可能にする。
【0017】さらに、請求項3に記載の発明は、請求項
2に記載の構成に加え、複数の前記フィールド機器、前
記中継局、及び前記基地局との通信を、パケット通信を
用いた高速デジタル回線で行うことを特徴とする。
【0018】従って、請求項3に記載の発明によれば、
複数のフィールド機器、中継局及び基地局との間の通信
を用いた高速デジタル通信を行うことにより、1個の通
信設備をタイムシェアリングで使用することが可能にな
り、擬似的なリアルタイム処理を行うことが可能にな
り、更なる信頼性向上を図ることが可能になる。
【0019】また、請求項4に記載の発明は、請求項2
または請求項3に記載の構成に加え、多数のセンサから
収集された情報を、規定されたアルゴリズムに基づき、
前記情報を統合する手段を備えた多点モニタ統合装置を
中継局に設置することを特徴とする。
【0020】従って、請求項4に記載の発明によれば、
中継局に、多点モニタ統合機能を付加しているので、不
要な情報まで基地局に送信する必要がなくなり、少ない
情報で効率よく効果を得ることができる。予めインテリ
ジェンス機能を前記中継局に持たすことで、基地局の制
御機器に加わる負荷を少なくすることが可能になる。
【0021】さらに、請求項5に記載の発明は、請求項
2から請求項4のいずれかに記載の構成に加え、前記中
継局から前記基地局までの通信で公衆回線を使用するこ
とを特徴とする。
【0022】従って、請求項5に記載の発明によれば、
一般の公衆回線を利用することで、無線設備や遠距離ケ
ーブル等に新たな投資をしなくても、長距離でも信頼性
の高い通信を容易に実施することが可能になる。
【0023】また、請求項6に記載の発明は、請求項1
から請求項5のいずれかに記載の構成に加え、前記中継
局を前記フィールド機器に内蔵することを特徴とする。
【0024】従って、請求項6に記載の発明によれば、
フィールド機器自身に中継局の機能を内蔵させているた
め、中継局だけのためのスペース確保、設置工事が不必
要になり、スペース及びコスト削減が可能になる。
【0025】さらに、請求項7に記載の発明は、請求項
1から請求項6のいずれかに記載の構成に加え、1台以
上のフィールド機器に対し、複数個の中継局が通信可能
であるとを特徴とする。
【0026】従って、請求項7に記載の発明によれば、
複数の経路で信号伝送することにより、単独の経路での
信号伝送より、通信の信頼性が向上する。特に、無線通
信はノイズの影響を受けやすく、また同時に多数のフィ
ールド機器を扱う時は、故障すると被害が及ぶ範囲が広
いので、このような信頼性向上の仕組みに対するニーズ
は高い。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【0028】図1は本発明の実施の形態を示す概略図で
ある。フィールド機器1から発した小パワー無線は、近
くの中継局2で、大パワー無線に置き換えられて、モニ
タや制御機器がある基地局3と通信を行う。中継局2で
は、無線出力増強だけでなく、送信周波数の変更、アナ
ログ/デジタルの変換、通信フレームのID、中継局2
のアドレスの付加、通信プロトコルの変更等、必要に応
じて、信号の変換を行う。
【0029】また、図1では、無線から無線への中継を
示しているが、遠距離まで通信可能にする、信号変換機
能を有した中継局2の存在があれば、無線から有線への
中継及び有線から無線への中継のどれでも可能になる。
更に、光通信や赤外線通信等の利用も考えられ、通信の
媒体を限定するものではない。
【0030】尚、図1では、フィールド機器1と基地局
3にあるモニタや制御機器との通信を示したが、フィー
ルド機器同士の通信も想定しており、図6にフィールド
機器同士30,31の通信の実施の形態が示してある。
図6に示すように、フィールド機器同士30,31の入
出力を(中央の基地局を経由せずに)無線中継局経由で
フィールド機器同士30,31が通信を行うというもの
である。
【0031】最近のフィールド機器には、内部にPID
制御機能や、診断機能を有するものも多く存在する。例
えば、フィールドバスを搭載したフィールド機器におい
て、あるセンサのAIブロックの出力を別のフィールド
機器のPIDブロックの入力に接続して制御に利用す
る。このようなフィールド機器の使用例としては、流量
計のAIブロックの出力を中継局を経由して、ポジショ
ナに入力し、バルブの開度と比較してプロセスの正当性
を診断への利用が考えられる。
【0032】図2は、本発明の他の実施の形態を示す概
略図である。複数のフィールド機器A5,B6や、プラ
ントの周囲温度や振動などを検知する複数の安価な現場
型センサC7,D8において、それぞれに無線通信手段
を具備させ、中継局9との通信を同時に行う。中継局9
では、各フィールド機器A5,B6、センサC7,D8
から集まった情報を集め、基地局10へ、1本の高速デ
ジタル回線で送信する。
【0033】また逆に、基地局10から送られた設定情
報や制御情報等は、中継局9を介して、各フィールド機
器A5,B6に配信される。但し、双方向通信機能を有
するフィールド機器A5,B6に対してのみ行われ、多
くの現場型センサでは、センサC7,D8から出力の送
信のみが行われる。
【0034】図2に示す例を実施するためには、接続す
るフィールド機器やセンサの台数分だけ、中継局9に通
信のための設備を用意しておく必要がある。独立した窓
口を用意しておかないと、同時にリアルタイムで多数の
センサの情報や制御情報を送受信することはできない。
【0035】そこで、複数のフィールド機器A5,B
6、中継局9、基地局10との通信を、パケット通信を
用いた高速デジタル通信で実行すると、1個の通信設備
でも、タイムシェアリングによる擬似的なリアルタイム
処理を行うことが可能になる。また、中継局9に、イー
サーネットのネットワークのハブのような役割をさせる
ことで、安価でも信頼性の高い中継機能を発揮させるこ
とができる。
【0036】図1及び図2に示す実施の形態おいては、
各々のフィールド機器1,5,6、センサ7,8から寄
せられた情報は、中継局2,9を介して、ほぼリアルタ
イムで基地局3,10に送信することを基本としてい
る。しかし、物理用のモニタリング点数が多くなる場
合、全データを基地局3,10まで送信するのではな
く、情報の統合を行う多点モニタ統合装置を中継局2,
9に組み合わせることで、効果的な成果を上げることも
可能である。
【0037】予め規定されたアルゴリズム、例えば、複
数ヶ所の温度データは、平均値のみを基地局3,10に
送信するとか、最高温度のみを基地局3,10に送信す
る等で、データを統合する多点モニタ統合装置を中継局
2,9に配置する。
【0038】図3に示す実施の形態では、各フィールド
機器A11,B12,…から中継局13までは、4−2
0mA出力やフィールドバス等を用い、有線で通信を行
っている。中継局13に、携帯電話回線への接続機能
と、データ変換機能を持たすことで、フィールド機器A
11,B12,…からのデータを公衆回線網15に載せ
ることを可能にする。また逆に、外から送られてきた制
御情報等を中継局13でフィールドバス等のフィールド
機器A11,B12,…で直接読みとり可能な通信方式
に変換して、遠隔制御を行うことも可能にする。
【0039】図3では、フィールド機器−ケーブル−中
継局−携帯電話−公衆回線への順の信号伝送が示されて
いる。フィールド機器A11,B12,…と、中継局1
3間の通信は、有線通信の他、無線通信、Blueto
oth、PHSの内線やオフィスモード(無料通信モー
ド)、赤外線通信等が考えられる。中継局13までの比
較的短距離を、なるべく低コストで通信できる手段なら
ばよい。中継局13と、公衆回線網15への通信は、携
帯電話14以外に、PHS、ISDN等のデジタル回線
が考えられるが、モデムを使用した一般アナログ電話回
線の使用も可能である。
【0040】中継局13から先は、一般商用サービスと
して普及しているデジタル携帯電話14を使用して、公
衆回線網15を経由して、遠隔地の計器室等16でモニ
タリングや遠隔制御を行う。
【0041】従来例として示した図11では、専用の中
継局650を配置して基地局600までの通信を行って
いる例である。これに対して、本発明の他の実施形態で
ある図4では、基地局21からの通信だけではなく、個
々のフィールド機器A17,B18,C19,D20
に、中継機能を内蔵させて互いに通信を行っている例で
ある。プラントなどでは、比較的狭いエリアに多数のフ
ィールド機器を設置している場合が多く、小出力でもお
互い通信可能である。
【0042】図5に示す他の実施の形態では、各フィー
ルド機器A22,B23,C24,D25が、同時に複
数の中継局a26,b27と通信を行う。例えばフィー
ルド機器A22は、中継局a26経由で基地局28まで
通信すると同時に、中継局b27経由でも基地局28と
通信する。この場合、通信フレームの構成を以下のよう
な構成にする。つまり、[通信フレームID]+[中継
局アドレス]+[データ]のような構成にする。
【0043】複数の経路での通信情報の取り扱い方には
以下のような方法が考えられる。まず、予め優先するメ
インルートを決めておき、他の経路はメインルートが故
障や、ノイズ等で正常に通信できなくなった時に、切り
替えて使用する予備ルートとする。また、3個以上の中
継局を使用できるときは、同じ通信データ(通信フレー
ムIDが同じもの)を受信し、多数決をとって使用す
る。さらに、通信の混雑を避けるために、重要な制御情
報のみに使用する(パラメータ設定等は通常の再送手順
等で対応)。
【0044】
【発明の効果】本発明によれば、フィールド機器と、モ
ニタや制御機器との通信、あるいはフィールド機器同士
の通信を、遠距離でも確実に安定して行うことが可能に
なる。特に、無線を使用したシステムでは、中継局の存
在により、電源や電波法の制限があっても、安定した遠
距離通信が可能になる。
【0045】本発明では無線を使用しているので、ケー
ブルのコストや、その敷設工事、配線スペースの問題な
ど、様々な問題をクリアすることが可能になり、大幅な
コスト削減が期待できる。また、信号の変換機能を有す
ることで、フィールド機器の出力方式や通信プロトコル
に左右されず、統一的な信号の扱いを可能とし、単純
化、低コスト化が可能になる。さらに、通信媒体の変換
機能も有することにより、有線、無線、光等いろいろな
方式での通信が可能になる。それぞれのシステムに最適
な方式を採用することが可能になる。
【0046】また、1つの中継局で、同時に複数のフィ
ールド機器との通信を行い、中継局からモニタやDCS
(分散型制御システム)等の制御機器までの通信は、高
速デジタル通信等の手段で、1つにまとめて行うことに
より、多数の通信ケーブルを敷設する必要がなくなり、
大幅なコストダウンが可能になる。
【0047】プラント内の周囲温度や振動等の環境状況
の測定は、プラント制御に直接利用しないので、コスト
面から設置を見合わせる傾向にある。しかし、配線コス
トと設置コストを削減することで、今までコスト要因で
モニタリングできなかった物理量を検出できる。低コス
トで提供することによりユーザーの採用壁を下げ、今ま
で敬遠されていた環境に対するセンシングを行うこと
で、安全性と信頼性を向上させ、より高度なプラント制
御を実現することができる。
【0048】また、複数のフィールド機器、中継局、基
地局との通信を、パケット通信を用いた高速デジタル通
信で行うことにより、擬似的なリアルタイム処理が容易
に実現できる。つまり、本通信をパケット化することに
より、1つの通信設備をタイムシェアリングで使用する
ことが可能になり、基地局との通信も単に中継するだけ
で可能になる。イーサーネットのハブのような仕組みに
すれば良く、比較的安価で実現可能になる。もし、パケ
ット通信を使用しないと、接続される複数のフィールド
機器の個数分だけ、通信設備が必要になり、基地局との
通信も複雑な信号処理アルゴリズムが必要になってしま
う。
【0049】中継局に、多点モニタ統合機能を付加すれ
ば、不要な情報まで基地局に送信する必要がなくなり、
少ない情報で効率よく効果を得ることができる。予めイ
ンテリジェンス機能を中継局に持たすことで、基地局の
制御機器に加わる負荷を少なくすることができる。ま
た、中継局の設置により、携帯電話等の商用一般通信回
線を利用した通信方法も、現実的なものになる。
【0050】なお、既に全国サービスを行っている商用
携帯電話回線を使用することで、無線の運営や、設備や
基地局等が不要になり、手軽に無線のメリットを享受す
ることができる。また、一般電話回線に接続されている
ので、通信距離の制限も事実上無くなり、どこにいても
リアルタイムで、モニタや制御が可能になる。さらに、
中継局に多数のフィールド機器を接続して、それらを1
回線のデジタル携帯電話通信で扱えば、商用通信コスト
は、接続したフィールド機器の台数で割ることができ、
通信費用の大幅な削減が可能になる。
【0051】さらに、専用の中継局の為に、電源工事、
スペース確保、設置工事、防爆の取得等を行う必要が無
く、もともと存在するフィールド機器に中継機能を内蔵
させれば、追加の工事等が不要でコスト削減が可能にな
る。
【0052】複数の経路で信号伝送することにより、単
独の経路での信号伝送より、通信の信頼性が向上する。
そのため、1つのルートがダウンしても、別のルートを
確保したり、多数のルートの多数決を取って情報の信頼
性を高める等の効果が期待できる。一般的に、無線通信
はノイズの影響を受けやすい。また1つの中継局で同時
に多数のフィールド機器を扱う時は、故障すると被害が
及ぶ範囲が広いので、このような信頼性向上の仕組みに
対するニーズは高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態である通信システムを示す
概略図である。
【図2】本発明の実施の形態である他の通信システムを
示す概略図である。
【図3】本発明の実施の形態である携帯電話等を利用し
た通信システムを示す概略図である。
【図4】フィールド機器同士が通信を行う通信システム
の概略図である。
【図5】フィールド機器が複数の中継局と通信可能な通
信システムの概略図である。
【図6】フィールド機器同士が中継局経由で通信を行う
通信システムの概略図である。
【図7】フィールド機器とモニタ・制御機器等110と
通信を示す通信システムの概略図である。
【図8】フィールド機器等とモニタ・制御機器等とが有
線ケーブル用いて信号伝送を行う通信システムの概略図
である。
【図9】信号伝送の方式を示す説明図である。
【図10】携帯電話基地局、或いはPHS基地局を用い
る通信システムの概略図である。
【図11】中継局を配置して基地局までの通信を行う通
信システムの概略図である。
【図12】多数のフィールド機器を中継局750を経由
してDCS等と通信を行う通信システムの概略図であ
る。
【符号の説明】
1 フィールド機器 2 中継局 3 基地局 14 携帯電話 15 公衆回線網
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 齋藤 洋二 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内 Fターム(参考) 5B089 GA01 GA04 GB02 HA01 HA11 JA36 KA11 KB04 MC02 5K030 GA12 HA08 HC01 HD03 HD08 JA11 JL01 JT03 LB07 LB15 LE03 MD07 5K048 AA06 BA30 5K067 AA33 BB04 BB21 CC08 CC10 DD17 EE02 EE06 EE10 EE32 EE37

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】フィールド機器と、制御機器あるいは他の
    フィールド機器との通信を行う通信システムにおいて、 一部あるいは全部に、無線通信あるいは赤外線通信等を
    通信媒体として使用する無線通信手段と、 前記通信媒体上に設置された中継局とを、備え、 該中継局は、通信のための信号の変換機能を持つことを
    特徴とする通信システム。
  2. 【請求項2】1つの中継局で、複数のフィールド機器、
    あるいは複数のセンサとの通信を同時に行い、前記フィ
    ールド機器、あるいは前記センサからの情報を集めて、
    基地局へは単数の高速デジタル回線にまとめて、通信を
    行うことを特徴とする請求項1に記載の通信システム。
  3. 【請求項3】複数の前記フィールド機器、前記中継局、
    及び前記基地局との通信を、パケット通信を用いた高速
    デジタル回線で行うことを特徴とする請求項2に記載の
    通信システム。
  4. 【請求項4】多数のセンサーから収集された情報を、規
    定されたアルゴリズムに基づき、前記情報を統合する手
    段を備えた多点モニタ統合装置を前記中継局に設置する
    ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の通信
    システム。
  5. 【請求項5】前記中継局から前記基地局までの通信で公
    衆回線を使用することを特徴とする請求項2から請求項
    4のいずれかに記載の通信システム。
  6. 【請求項6】前記中継局を前記フィールド機器に内蔵す
    ることを特徴とする請求項1から請求5のいずれかに記
    載の通信システム。
  7. 【請求項7】1台以上のフィールド機器に対し、複数個
    の中継局が通信可能であるとを特徴とする請求項1から
    請求項6のいずれかに記載の通信システム。
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