JP2008059447A - フィールド通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】配線設置コストを削減しつつ確実な通信経路を確保することができるフィールド通信システムを提供する。
【解決手段】温度伝送器１１には、プラント配管３の内部空間を伝送チャネルとして利用可能な位置に設けられた受信アンテナ１１ａが接続されている。他のフィールド機器およびコントロールステーション２にも、それぞれ同様のアンテナ１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，２ａが接続されている。これにより、プラント配管３に沿ってマルチホップ通信路が形成される。互いに隣り合うフィールド機器およびコントロールステーション２の間で、順次、プラント配管３の内部空間でのワイヤレス送受信を繰り返すことで、通信パケットを中継することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラントにおけるプロセス制御のための通信を実行するフィールド通信システムに関する。

計装システム業界では、フィールドバス計装に代表される、末端現場のフィールド機器群に対する計装制御用バスのデジタル化が普及し、旧来の４−２０ｍＡアナログインタフェースに取って代り主役になりつつある。このようにデジタル化されたフィールドバス計装では、アナログ信号で通信を行う計装制御インタフェース計装に比べ、双方向通信や多重化が可能となるほか、確立された国際標準化仕様による相互互換性、リモート、分散制御及びメンテナンス機能付加など、多くの機能が実現可能となっている。図６はフィールドバス計装システムの代表的な構成例を示しており、プラント配管３に沿って上流側から温度伝送器１１、バルブポジショナ１２、渦電流計１３、ｐｈ計１４、および電磁流量計１５の順にフィールド機器が配置され、デジタルネットワーク８によりコントロールステーション２に接続されている。

一方で制御対象プラントの規模拡大や高機能高集約的設計、プロセス制御の複雑化と共に、現場フィールド機器への配置配線工数、いわゆるケーブリングコスト増大が問題になりつつある。計測制御ポイント数の増加と、複雑になる一方のフィールド機器の配置構成は、現場での配線設置作業とメンテナンスを困難にしている。解決策として、現在、ワイヤレス通信によってこれら末端フィールド機器との計測制御信号の通信を実現しようとする試みも広まっている。

米国特許公開第２００５／００４７３３０号公報

ところが本来の工業用プラントは、ワイヤレス通信路を予め想定した設計をしておらず、ワイヤレス経路を施設内の残空間で実現しようとすると、完成済みの配管レイアウトや複雑な構造物の合間を縫って設定するほかなかった。このため、工業用プラント環境でのフィールド機器を対象としたワイヤレス送信システムには以下の問題があった。

第１に、限られた施設内残空間と有限なワイヤレス帯域資源を消費しながら、相互に重なる見通し線を順番に辿って複数のワイヤレス中継ノードを経由する経路設定が必要であった。この経路設定を自動で行えばメッシュ状のワイヤレス中継ノード段数を増やすと共にコスト増にもなった。中継ノード段数を最小にすべく固定経路として最適化しようとすれば、検討の為に多くの工数を費やした。

第２に、産業オートメーション施設内の自由空間内のワイヤレス環境は一般に劣悪である。このため、安定確実性を望む多くのプラント事業者からはワイヤレス計装が敬遠され、普及妨げの一因になっていた。

第３に、空間放射に対する各国の厳格な法規制や、飽和状態に近い当該国電波法の周波数割当に加え、別ワイヤレス通信者との干渉問題を考慮する必要があった。

本発明の目的は、配線設置コストを削減しつつ確実な通信経路を確保することができるフィールド通信システムを提供することにある。

本発明のフィールド通信システムは、プラントにおけるプロセス制御のための通信を実行するフィールド通信システムにおいて、プラント配管の内部空間を伝送チャネルとして用い、プロセス制御のためのデータを送信するワイヤレス送信手段と、前記ワイヤレス送信手段から送信された前記データを前記プラント配管の内部で受信するワイヤレス受信手段と、を備えることを特徴とする。
このフィールド通信システムによれば、プラント配管の内部空間を伝送チャネルとして用いるので、配線設置コストを削減しつつ確実な通信経路を確保することができる。

前記ワイヤレス送信手段および前記ワイヤレス受信手段は、前記プラント配管に沿って設けられたフィールド機器に取り付けられ、またはフィールド機器の近傍に設けられてもよい。

前記ワイヤレス送信手段および前記ワイヤレス受信手段は、前記プラント配管に沿って前記データを中継してもよい。

プラント配管の内部空間の伝送チャネルは、プラント配管の外部における通信チャネルのバックアップ回線として使用されてもよい。

前記ワイヤレス送信手段および前記ワイヤレス受信手段は、前記プラント配管の内部に設けられる接液部材に組み込まれてもよい。

前記ワイヤレス送信手段および前記ワイヤレス受信手段は、前記プラント配管の内部に設けられる機械部材に組み込まれてもよい。

前記データはフィールド機器への制御データ、フィールド機器からの出力データまたはフィールド機器の監視データを含んでもよい。

本発明のフィールド通信システムによれば、プラント配管の内部空間を伝送チャネルとして用いるので、配線設置コストを削減しつつ確実な通信経路を確保することができる。

以下、図１〜図５を参照して、本発明によるフィールド通信システムの実施形態について説明する。

図１は、プラント配管に沿って配置された単一セグメント内のフィールド機器およびコントロールステーション間で、プロセス制御のためのデータをワイヤレス送受信するフィールド通信システムの構成を示すブロック図である。送受信されるデータは、例えば、フィールド機器への制御データ、フィールド機器からの出力データまたはフィールド機器の監視データである。

図１に示すように、フィールド機器である温度伝送器１１、バルブポジショナ１２、渦電流計１３、ｐｈ計１４、および電磁流量計１５と、コントロールステーション２と、がステンレス製のプラント配管３に沿って配置されている。これらのフィールド機器群はコントロールステーション２の下にリニアトポロジを形成している。

コントロールステーション２は、ワイヤレス通信バス４を介して、上位のコマンドステーション５に接続されている。また、コマンドステーション５は通信ケーブル６を介して、通信ゲートウェイ６１および端末装置６２に接続されている。

図１に示すように、温度伝送器１１には、プラント配管３の内部空間を伝送チャネルとして利用可能な位置に設けられた受信アンテナ１１ａが接続されている。他のフィールド機器およびコントロールステーション２にも、それぞれ同様のアンテナ１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ，２ａが接続されている。また、各フィールド機器およびコントロールステーション２には、各アンテナに接続される送受信器が設けられている。フィールド機器およびコントロールステーション２とは別筐体の送受信器を、当該フィールド機器または当該コントロールステーション２の近傍に設置してもよい。

図１の例では、プラント配管３に沿ってマルチホップ通信路が形成される。互いに隣り合うフィールド機器およびコントロールステーション２の間で、順次、プラント配管３の内部空間でのワイヤレス送受信を繰り返すことで、通信パケットを中継することができる。

プラント配管３内部での通信に使用する電波の周波数帯や通信方式は任意に選択できる。例えば、超広帯域のインパルス無線（いわゆる狭義のＵＷＢ）を用いて、双方向マルチホップ中継を実行してもよい。

このように、プラント配管３の内部空間を伝送チャネルとして使用すれば、プラント配管３が電磁シールドとして機能するので、利用電波に関する法規制や周辺空間の電波環境への考慮を必要とせず、屋内外や国内外を問わずワイヤレス通信システムを構築できる。また、プラント配管３の内壁面が電波反射体として機能するので、高い通信効率を得ることができる。

また、従来、必要とされていた４−２０ｍＡアナログ回線、ファウンデーションフィールドバスに代表されるデジタル回線等の、個別フィールド機器への末端配線工事と配線維持コストが不要または最小限となる。例えば、送受信器が各フィールド機器およびコントロールステーション２に内蔵され、あるいは各フィールド機器およびコントロールステーション２の近傍に設置されるため、送受信器の電源電圧は、各フィールド機器およびコントロールステーション２から容易に供給可能である。このため、送受信器の電池の寿命等を管理する必要もない。

本実施形態によれば、配管、タワー、タンク、ダクト構造などの種々の設備が込み入ったレイアウトで配置されたような、見通しが多重に遮断された環境化であっても、ワイヤレス経路が確実に担保される。フィールド機器群は、必ずプラント配管３に沿って設けられるため、通信経路の確保が困難になることもない。また、プラント配管３が地下に設けられても、個別フィールド機器への通信ケーブル設置工事なしに、セグメント内フィールド機器と、コントロールステーション２との間でワイヤレス通信が可能となる。万一のジャミング（電波障害）環境下でも影響を受けない。また、ワイヤレス経路を極力、プラント配管３の内部に収容することにより、プラント配管３外部のワイヤレスノード数を最小にでき、プラント配管３外部の貴重なワイヤレス帯域資源の節約となる。

また、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)端末を持ったメンテナンス部員が手近のフィールド機器をデータ中継アクセスポイントとして用いることにより、プラント配管３内部の伝送路を臨時の音声、画像等のデータ転送経路として使用できる。

図２は、フィールド機器の一部をプラント配管３外部のワイヤレス通信バスに接続した例を示すブロック図である。

図２の構成では、バルブポジショナ１２、渦電流計１３、電磁流量計１５およびコントロールステーション２が、ワイヤレス通信バス４Ａを介して上位のコマンドステーション５に接続されている。また、コマンドステーション５はワイヤレス通信バス６Ａを介して、通信ゲートウェイ６１に接続されている。

図２の構成では、プラント配管３内部のワイヤレス通信と、プラント配管３外部のワイヤレス通信バス４Ａによる通信経路とが、一部重複しており相互補完し合うため、ロバストネスが向上する。

また、図２に示すように、接液するバルブ１６やカルマン渦流量計の渦発生体／検出体１７にワイヤレス送受信アンテナ１６ａ，１７ａを実装し、プラント配管３内部の通信経路を構成している。なお、バルブにアンテナを設ける場合、バルブ前後にそれぞれアンテナを設けることで、バルブが閉位置にあり電磁波の伝播を遮断するときでも通信機能（中継機能）を確保できる。

図３は、プラント配管３内部のマルチホップ通信と、プラント配管３外部のワイヤレスＬＡＮ通信とを共用した例を示すブロック図である。

図３の構成では、プラント配管３外部のワイヤレス通信ＬＡＮ７により、各フィールド機器と、コントロールステーション２との間で１ホップでの通信が可能となっている。この場合、プラント配管３内部のマルチホップ通信は、ワイヤレス通信ＬＡＮ７の迂回路またはバックアップチャネルとして機能する。

ワイヤレス通信ＬＡＮ７として、８０２．１１ｎ（ＯＦＤＭ＋ＭＩＭＯ）、８０２．１５．４（ＺｉｇＢｅｅ Ｐｈｙ）、８０２．１１ｂなどに代表される一般的なＬＡＮを使用することができる。

また、オリフェス１８は、フィールド機器ではないが、送受信アンテナ１８ａを実装することで、中継ノードとなり、いわゆるレピータ機能を持つ。例えば、配管路の曲率半径に合わせ、互いに見通し線が重なる位置関係や通信可能な距離間隔で、複数のオリフェスを配置することで、マルチホップ通信の中継ノードとして機能させることができる。図３の例では、オリフェス１８もワイヤレス通信ＬＡＮ７に接続され、ワイヤレス通信ＬＡＮ７を介してコントロールステーション２と通信可能とされている。

なお、オリフェスのみならず、整流板または管路間接合リング等の他の機械部材に送受信アンテナを組み込むことにより、同様の機能を発揮させることもできる。

図３の構成によれば、プラント配管３外部のワイヤレス通信ＬＡＮ７と、プラント配管３内部のマルチホップ通信とが相互に補完し合うことでロバストネスが向上する。例えば、一時的または恒常的にｐｈ計１４と、コントロールステーション２との間のワイヤレス通信ＬＡＮ７による通信が不能となっても、プラント配管３内部経路をホップして隣接するフィールド機器（例えば、渦電流計１３）から通信を中継してもらえる。

図４は時分割多重通信を行う例を示しており、図４（ａ）は通信経路を示すブロック図、図４（ｂ）は時分割通信の様子を示す図である。

図４（ａ）に示す例では、プラント配管３Ａが三叉路合流点を持っている。この例では、半２重化通信方式（ＴＤＤ）によりアップストリーム方向を分岐路ごとに３つ（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３）に分割し、ダウンストリーム方向（Ｄ）は、マルチ（ブランチ）キャストとなっている。アップストリーム「Ｕ１」では、フィールド機器１Ａ→フィールド機器１Ｂ→フィールド機器１Ｆ→コントロールステーション２の順に中継され、アップストリーム「Ｕ２」では、フィールド機器１Ｃ→フィールド機器１Ｆ→コントロールステーション２の順に中継され、アップストリーム「Ｕ３」では、フィールド機器１Ｄ→フィールド機器１Ｅ→フィールド機器１Ｆ→コントロールステーション２の順に中継される。また、ダウンストリーム「Ｄ」では、これらと逆方向にマルチキャストされる。

図４（ｂ）に示すように、ダウンストリーム「Ｄ」→アップストリーム「Ｕ１」→アップストリーム「Ｕ２」→アップストリーム「Ｕ３」→ダウンストリーム「Ｄ」の順に時分割で通信方向が制御される。通信方向の時間管理は、例えば、上流のコントロールステーション２Ａに担当させることができる。

図５は、フルフラットメッシュのワイヤレスネットワークを上位に持つ構成例を示すブロック図である。ワイヤレスネットワーク１０は、フィールド機器１，１，・・・間の通信（プラント配管外部空間での通信）に基づくフルフラットメッシュにより構成され、コントロールステーション２はワイヤレス通信によりワイヤレスネットワーク１０と接続されている。図１の構成と同様、プラント配管３に沿って設けられたフィールド機器１，１，・・・とコントロールステーション２との間では、プラント配管３の内部を伝送チャネルとして使用し、マルチホップ通信を実行する。

このようなマルチホップ通信経路はコントロールステーションに対応したセグメント２０ごとに設けられ、各セグメント２０はワイヤレスＬＡＮ２１を介してワイヤレスネットワーク１０に接続される。

以上説明したように、本発明のフィールド通信システムによれば、プラント配管の内部空間を伝送チャネルとして用いるので、配線設置コストを削減しつつ確実な通信経路を確保することができる。また、周辺空間の電波環境への影響を大幅に抑制できる。さらに、通信システムのメンテナンスコストを低減することができる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、プラントにおけるプロセス制御のための通信を実行するフィールド通信システムに対し、広く適用することができる。

本発明によるフィールド通信システムの一実施形態の構成を示すブロック図。 フィールド機器の一部をプラント配管外部のワイヤレス通信バスに接続した例を示すブロック図。 プラント配管内部のマルチホップ通信と、プラント配管外部のワイヤレスＬＡＮ通信とを共用した例を示すブロック図。 図４は時分割多重通信を行う例を示す図であり、（ａ）は通信経路を示すブロック図、（ｂ）は時分割通信の様子を示す図。 フルフラットメッシュのワイヤレスネットワークを上位に持つ構成例を示すブロック図。 フィールドバス計装システムの代表的な構成例を示す図。

符号の説明

３ プラント配管
２ａ 送受信アンテナ（ワイヤレス送信手段、ワイヤレス受信手段）
１１ 温度伝送器（フィールド機器）
１１ａ 送受信アンテナ（ワイヤレス送信手段、ワイヤレス受信手段）
１２ バルブポジショナ（フィールド機器）
１２ａ 送受信アンテナ（ワイヤレス送信手段、ワイヤレス受信手段）
１３ 渦電流計（フィールド機器）
１３ａ 送受信アンテナ（ワイヤレス送信手段、ワイヤレス受信手段）
１４ ｐｈ計（フィールド機器）
１４ａ 送受信アンテナ（ワイヤレス送信手段、ワイヤレス受信手段）
１５ 電磁流量計（フィールド機器）
１５ａ 送受信アンテナ（ワイヤレス送信手段、ワイヤレス受信手段）

Claims (7)

1. プラントにおけるプロセス制御のための通信を実行するフィールド通信システムにおいて、
   プラント配管の内部空間を伝送チャネルとして用い、プロセス制御のためのデータを送信するワイヤレス送信手段と、
   前記ワイヤレス送信手段から送信された前記データを前記プラント配管の内部で受信するワイヤレス受信手段と、
   を備えることを特徴とするフィールド通信システム。
2. 前記ワイヤレス送信手段および前記ワイヤレス受信手段は、前記プラント配管に沿って設けられたフィールド機器に取り付けられ、またはフィールド機器の近傍に設けられることを特徴とする請求項１に記載のフィールド通信システム。
3. 前記ワイヤレス送信手段および前記ワイヤレス受信手段は、前記プラント配管に沿って前記データを中継することを特徴とする請求項１または２に記載のフィールド通信システム。
4. プラント配管の内部空間の伝送チャネルは、プラント配管の外部における通信チャネルのバックアップ回線として使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィールド通信システム。
5. 前記ワイヤレス送信手段および前記ワイヤレス受信手段は、前記プラント配管の内部に設けられる接液部材に組み込まれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のフィールド通信システム。
6. 前記ワイヤレス送信手段および前記ワイヤレス受信手段は、前記プラント配管の内部に設けられる機械部材に組み込まれることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフィールド通信システム。
7. 前記データはフィールド機器への制御データ、フィールド機器からの出力データまたはフィールド機器の監視データを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフィールド通信システム。
   
   

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