JP2009048289A - フィールド通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】有効な通信経路を得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】フィールド機器５Ａは、可視光通信送信装置３からの可視光を受信して電気信号に変換する可視光インタフェース５１と、プロセス値を検出するセンサ部５２と、フィールドバス４を介する通信を制御するフィールド通信部５３と、フィールドバス４およびフィールド通信部５３の間のインタフェースを実行するフィールド通信インタフェース５４と、フィールド通信部５３に接続され、可視光インタフェース５１を介する可視光通信を制御する可視光通信制御部５５とを備える。可視光通信制御部５５は、フィールド通信部５３と通信してデータのやり取りを行うとともに、可視光通信送信装置３から送信されたデータを、可視光インタフェース５１を介して受信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィールドバスに接続されたフィールド通信機能を有する機器を備えるフィールド通信システムに関する。

プラント等に設置されるフィールド機器はフィールド通信用の所定の通信路に接続されており、計測値や計算値、制御命令などの制御データや、フィールド機器のメンテナンスに使用するメンテナンスデータが、この通信路を介してやり取りされる。また、フィールド機器のファームウェア更新なども同じ通信路を介して行われる。従来のフィールド機器のメンテナンスに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
特開２００２−２６８７３０号公報

しかし、従来のフィールド機器では、機器内部にアクセスするための通信手段は、フィールド通信用の通信路しか用意されていない。そのため、制御データやフィールド機器の内部データの読み書きはこの通信路を使用するしかない。

また、通信可能なデータはフィールド通信の方式に則ったものとなる。そのため、フィールド通信では取得できないデータ、例えば、プログラム内部で使用していて、フィールド通信経由では外部から見ることのできない変数などを取得したい場合、フィールド通信の方式に合わせた取得方法を考慮する必要がある。従来のフィールド通信経由でこれらのデータを取得するためには、設計変更やソフトウェアの改造など多くの作業が必要となる。

また、フィールド機器や通信路に異常が発生した場合には、フィールド通信以外の経路を介して必要な処置を施すことができず、動作を停止させての作業が必要となり、大きなリスクや作業コストが発生する。

さらに、フィールド通信での通信方式は特殊なため、通信データの送受信には、専用の機器を用いる必要がある。そのため、多くの機器を使用したい場合や専用機器の用意がない場合、迅速な対応が不可能となり、あるいは大きなコストが発生する場合がある。

また、従来のフィールド機器では、ファームウェアの更新についてもフィールド通信用の通信路を用いてデータ転送を行っている。しかし、イメージデータのような大きなサイズのデータの転送用としてはフィールド通信用の通信路は非常に低速であり、転送に長時間を要するだけでなく、他の通信に障害を与える可能性もある。また、複数の機器に対してアップデートを行う場合には、それぞれの機器に対して同じデータを流す必要があり、アップデートに要する時間はその台数に比例して長くなる。

本発明の目的は、有効な通信経路を得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、フィールドバスに接続されたフィールド通信機能を有する機器を備えるフィールド通信システムにおいて、前記機器は、空中を伝播する光を送信または受信することで光通信を行う光通信手段を備え、前記光通信手段は、前記フィールドバスを用いたフィールド通信に関連のあるデータを送信または受信す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、機器は、空中を伝播する光を送信または受信することで光通信を行うので、有効な通信経路を得ることができる。

前記光通信手段は、前記フィールド通信による通信と呼応して前記データを送信または受信してもよい。

前記データは前記機器で保有されるデータであってもよい。

前記データは前記機器で使用されるファームウェアであってもよい。

前記光は赤外線または可視光であってもよい。

本発明のフィールド通信システムは、フィールドバスに接続されたフィールド通信機能を有する機器を備えるフィールド通信システムにおいて、複数の前記機器に対し、空中を伝播する光を介して同時にデータを送信する光送信手段を備えるとともに、個々の前記機器は、前記光送信手段により送信された前記光を介して前記データを受信する光受信手段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、個々の機器は、光送信手段により送信された光を介してデータを受信するので、同時にデータを受信できる。
前記光は赤外線または可視光であってもよい。

本発明のフィールド通信システムによれば、機器は、空中を伝播する光を送信または受信することで光通信を行うので、有効な通信経路を得ることができる。

本発明のフィールド通信システムによれば、個々の機器は、光送信手段により送信された光を介してデータを受信するので、同時にデータを受信できる。

以下、図１〜図４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（ａ）は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である。このフィールド通信システムでは、可視光通信を用いて、伝送器などのフィールド機器に対するオンラインファームウェア変更を実行できる。オンラインファームウェア変更とは、フィールドバス上のフィールド機器が通常の制御通信を行いながら自機器のファームウェアの更新を行う処理をいう。

図１（ａ）に示すように、本実施形態のフィールド通信システムは、フィールドバス４を介して互いに接続されるホスト機器１と、フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５ＣなどのＨ１通信プロトコル対応フィールド機器（FOUNDATION fieldbus 機器）群と、を備える。また、ホスト機器１には、通信線２を介して可視光通信送信装置３が接続される。可視光通信送信装置３として、ＬＥＤや蛍光灯などの照明器具を用いることができ、空中に照射される可視光３１の点滅を制御することによりデータの送信が行われる。

図１（ｂ）は、フィールド機器５Ａの構成を示すブロック図である。

図１（ｂ）に示すように、フィールド機器５Ａは、可視光通信送信装置３からの可視光３１を受信して電気信号に変換する可視光インタフェース５１と、プロセス値を検出するセンサ部５２と、フィールドバス４を介する通信を制御するフィールド通信部５３と、フィールドバス４およびフィールド通信部５３の間のインタフェースを実行するフィールド通信インタフェース５４と、フィールド通信部５３に接続され、可視光インタフェース５１を介する可視光通信を制御する可視光通信制御部５５とを備える。通常のフィールド機器と同様、フィールド通信部５３は、センサ部５２からデータを取得し、フィールド通信インタフェース５４を介して他の機器と通信する。また、可視光通信制御部５５は、フィールド通信部５３と通信してデータのやり取りを行うとともに、可視光通信送信装置３から送信されたデータを、可視光インタフェース５１を介して受信する。

フィールド機器５Ｂおよびフィールド機器５Ｃについてもフィールド機器５Ａと同様に構成されている。

次に、オンラインファームウェア変更時の動作について説明する。

図２（ａ）は、本実施形態のフィールド通信システムにおいて、ファームウェアをオンラインアップデートする際の通信シーケンスを示すタイミングチャートである。

図２（ａ）に示すように、フィールドバス４を介して、ホストコンピュータ１とフィールド機器の間、およびフィールド機器間でやり取りされる制御用定周期通信単位ごとの区切りを１サイクルとする周期制御用定周期通信４１が行われるとともに、その空き時間を利用して非周期通信４２が行われる。

ホスト機器１およびフィールド機器群が接続されたフィールドバス４におけるデータ転送のタイミングは、フィールドバスごとに１台存在するバスマスタにより管理されており、１転送あたりのデータサイズの上限も決まっている。

しかし、本実施形態のフィールド通信システムでは、ファームウェア更新に必要なイメージデータ等のデータの転送経路として、上記フィールドバス４を介する非周期通信４２を使用せず、可視光通信送信装置３を用いた可視光通信を利用している。図２（ａ）に示すように、本実施形態のフィールド通信システムでは、可視光通信による転送データ４３として、ファームウェア更新のためのデータが転送される。このため、非周期通信４２に課される制約に拘束されない。フィールドバス４上の通信に負担や障害を及ぼすこともなく、例えば、周期制御用定周期通信４１の時間が長く、非周期通信４２が短時間しか確保できないような場合であっても、非周期通信４２での通信を圧迫しない。

一方、図２（ｂ）は、フィールドバス通信のみを用いてファームウェア更新を行う場合の通信シーケンスを示している。この場合には、非周期通信４２の一部としてファームウェア更新に必要なイメージデータ等を転送する必要がある。図２（ｂ）に示すように、非周期通信４２の中に含まれる他のデータ通信４２ａの合間を縫ってファームウェア更新のためのデータ通信４２ｂが実行される。しかし、イメージデータ等のサイズの大きなデータの転送は、非周期通信４２の期間の大半を費やすので、この期間に他の通信処理ができなくなる。また、データ転送条件に非周期通信４２における通信上の制約が加わり、例えば、イメージデータ等、データサイズの大きなデータなどの転送時には、データを予め分割するなどの処理が必要となる。しかし、データを部分的にダウンロードする仕組みをファームウェアの構造に組み込むと、構造が非常に複雑となり、ファームウェア自体の開発効率、メンテナンス性を低下させる可能性がある。

本実施形態のフィールド通信システムにおいて、オンラインファームウェア変更は、以下のシーケンスに従って行われる。
（１）ホスト機器１が対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃに対して、フィールドバス４を介するフィールドバス通信により更新リクエストを送信する。更新リクエストは、非周期通信４２（図２（ａ））を用いて送信される。
（２）対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃでは、更新リクエストがフィールド通信インタフェース５４を介してフィールド通信部５３において受信されると、ファームウェア更新のための準備を開始する。
（３）ホスト機器１は、対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃの状態パラメータをフィールドバス通信のリードリクエストを使用して、定期的に監視する。リードリクエストおよび状態パラメータは、非周期通信４２（図２（ａ））を利用して、ホスト機器１および対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃの間で相互に送受信される。
（４）受信された状態パラメータに基づいて、ホスト機器１が対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃの更新準備完了状態を検知すると、これに呼応して、ホスト機器１は、可視光通信送信装置３を介して可視光通信による更新イメージデータ等のデータの転送を開始する。可視光通信送信装置３からの可視光は対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃの可視光インタフェース５１で受光され、転送されたデータは、可視光通信制御部５５を介してフィールド通信部５３において順次、取得される。
（５）ホスト機器１は、可視光通信によるデータ転送を継続しながら、フィールドバス４によるフィールドバス通信を用いて、対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃの状態パラメータをフィールドバス通信のリードリクエストを使用して、定期的に監視する。上記と同様に、リードリクエストおよび状態パラメータは、非周期通信４２（図２（ａ））を利用して送受信される。
（６）ホスト機器１は、受信された状態パラメータに基づいて、対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃについての上記更新イメージデータ等のデータの転送完了状態を検知するまで、当該データを周期通信サイクルに従って繰り返し送り続ける。
（７）ホスト機器１が、受信された状態パラメータに基づいて、対象フィールド機器５Ａ，５Ｂ，５Ｃについての上記更新イメージデータ等のデータの転送完了状態を検知すると、これに呼応して、当該オンラインファームウェア更新を終了する。

このように、本実施形態のフィールド通信システムでは、可視光通信を用いて更新イメージデータ等のデータを転送するので、フィールドバス通信のようにＨ１通信プロトコルの制限を受けることなく、独自のプロトコルで転送することができる。例えば、対象フィールド機器の持つ現イメージデータと更新イメージデータの差分を抽出したデータを転送するなどの工夫が不要となる。

また、更新イメージデータ等のデータ転送に非周期通信４２を用いないため、ホスト機器１はファームウェア更新以外の目的で非周期通信４２を有効に使用できる。

また、可視光通信により複数のフィールド機器について並行してファームウェア更新を行うことができるので、同時に多数のフィールド機器について短時間でファームウェア更新を実行できる。例えば、図１（ａ）における可視光通信送信装置３からの可視光３１の照射範囲３２にあるフィールド機器について、同時にファームウェア更新を行える。

さらに、ファームウェア更新に必要なデータの転送にフィールドバスを使用しないため、他社の機器などからファームウェアに関する情報を不正に吸い上げられるおそれがなく、情報流出防止を図ることができる。

また、本発明において、可視光通信送信装置は、フィールドにおいて必要となる照明器具と兼用することができるので、環境構築が容易である。また、可視光を用いるため、通信可能範囲が目視で判断でき、環境を容易に構築できる。

また、可視光通信は他の無線方式と比べて人体や物質への影響が小さく、取り扱いが簡単である。

さらに、可視光は遮蔽物により簡単に遮蔽できるため、通信の制御を容易に行うことができる。例えば、図１（ａ）において、遮蔽物９を用いることにより、フィールド機器５Ｃへのデータ転送を簡単に抑止できる。また、可視光の照射範囲の異なる複数の可視光通信送信装置を適宜、使用することで、データの転送先となる機器を選択することができる。例えば、広範囲に可視光を照射する照明器具と、狭い範囲にのみ可視光を照射する照明器具とを組み合わせてもよい。

上記実施形態では、FOUNDATION fieldbus Ｈ１通信プロトコル対応フィールド機器でのオンラインファームウェア変更の例を示したが、本発明は、類似する通信上の制約を有するProfibus PA 通信プロトコル対応のフィールド機器についてのオンラインファームウェア変更などにも使用できる。

また、機器内部にストレージを持たず、外部に起動に必要なデータを保存管理しているような場合、フィールド機器の起動時に、可視光通信を使用して外部に保存されたデータを転送し、フィールド機器に読み込ませるようにしてもよい。

フィールドバスの不具合等によりフィールドバス通信の信頼性を失った場合に、可視光通信を用いて、各機器に対して一斉に安全方向への回避指示を送信することもできる。この場合、多数の機器に向けて同時にデータを送信できるという可視光通信の特性を有効に利用できる。

次に、図３（ａ）は、本発明によるフィールド通信システムの別の実施形態の構成を示すブロック図である。このフィールド通信システムでは、通常のフィールドバス通信に加えて、赤外線を用いた通信を行うことができる。

図３（ａ）に示すように、本実施形態のフィールド通信システムは、フィールドバス４に接続される伝送器などのフィールド機器６と、フィールド機器６との間で空中を伝播する赤外線を用いた通信を実行する赤外線通信機器７とを備える。赤外線通信機器７として、例えば、パーソナルコンピュータや、携帯電話等の携帯端末を使用することができる。

図３（ａ）に示すように、フィールド機器６は、赤外線を送受信するとともに、赤外線および電気信号を双方向に変換する赤外線インタフェース６１と、プロセス値を検出するセンサ部６２と、フィールドバス４を介する通信を制御するフィールド通信部６３と、フィールドバス４およびフィールド通信部６３の間のインタフェースを実行するフィールド通信インタフェース６４と、フィールド通信部６３と赤外線インタフェースとの間に接続され、赤外線インタフェース６１を介する赤外線通信を制御する赤外線通信制御部６５とを備える。

通常のフィールド機器と同様、フィールド通信部６３は、センサ部６２からデータを取得し、フィールド通信インタフェース６４を介して他の機器と通信する。また、赤外線通信制御部６５は、フィールド通信部６３と主にシリアル通信などで通信してデータのやり取りを行うとともに、赤外線インタフェース６１を介して赤外線通信機器７との間で赤外線通信を実行する。赤外線通信制御部６５は、フィールドバス通信による通信動作とは独立して動作し、フィールド機器６の動作に与える影響は小さい。

図３（ｂ）に示すように、フィールドバス通信機能を有する赤外線通信機器７をフィールドバス４に接続し、赤外線通信機器７を、フィールドバス４を介して制御することもできる。また、フィールド機器６と赤外線通信機器７との間の通信経路として、フィールドバス４と、赤外線通信による通信経路とを同時に使用することもできる。

赤外線通信の対象となるデータとして、例えば、以下のデータを挙げることができる。
（１）メンテナンスデータ
フィールド機器固有の調整値などのパラメータやエラー情報等、フィールド機器の管理、保守のためのメンテナンスデータは、フィールド通信部６３の内部パラメータとして取り扱われる。このような内部パラメータは、赤外線通信制御部６５および赤外線インタフェース６１を介して赤外線通信機器７から書き込まれ、あるいは変更可能とされる。
（２）フィールド通信部内部のデータ
フィールド通信部６３が内部に持つ診断情報やエラー情報（内部パラメータ）等を、赤外線通信機器７から赤外線通信制御部６５および赤外線インタフェース６１を介して読み出すことができる。読み出されたデータは、例えば、フィールド機器やプラント制御システムについてのメーカー等による各種サービス、あるいは各種アプリケーションのデバッグ等に利用できる。
（３）ファームウェア
赤外線通信制御部６５および赤外線インタフェース６１を介する赤外線通信により、赤外線通信機器７からフィールド機器６にファームウェアを書き込むことができる。ファームウェアのインストールや更新は、図１〜図２に示した例と同様の手順を適用することもできる。

また、赤外線通信の利用方法として、例えば、以下のものを挙げることができる。
（１）アプリケーションの導入
フィールド機器のパラメータの読み書きを行うためのアプリケーションソフトウェアやフィールドバス通信を監視するためのバスモニタを実行するアプリケーションソフトウェアを赤外線通信機器に実装することで、フィールド機器に新たなハードウェアを追加することなく、これらの機能を実現できる。また、フィールドバスとの間での通信を行うプログラムを赤外線通信機器に実装することで、フィールド機器を介する通信に関わる様々なアプリケーションを作成できる。
（２）赤外線通信の特性を活かした用途
赤外線通信は、パーソナルコンピュータや携帯電話などに広く普及している。このため、汎用的なハンドヘルド機（携帯情報端末）に通信機能を搭載することで、ハンドヘルド機を赤外線通信機器として使用することが可能となる。現場に持ち込み可能なハンドヘルド機を用いることにより、システムの故障時や緊急時に容易に対処可能となる。また、赤外線通信の近距離でしか通信できないという特性を活かし、ネットワークを介する外部からの不正なアクセスなどを防止することでセキュリティの向上を図ることができる。
（３）フィールドバス通信の代替手段
フィールドバスが何らかの原因で使用不能となった場合、一時的に制御データ等の通信を赤外線通信に代替させることもできる。図４の例では、フィールド機器６が接続されたフィールドバス４の他にバックアップ通信路４０が設けられており、バックアップ通信路４０に赤外線通信機器８が接続されている。なお、バックアップ通信路４０をフィールドバスにより構成し、赤外線通信機器８にフィールドバス通信機能を持たせてもよい。この例では、フィールドバス４でのフィールド通信が不能となった場合、フィールド機器６と赤外線通信機器８との間の赤外線通信により、バックアップ通信路４０を用いたフィールド通信が可能となる。このように、通信不能時の応急処置として、赤外線通信を用いてフィールド通信を行うことができる。

以上のように、本実施形態のフィールド通信システムによれば、赤外線通信によりフィールド機器内部にアクセスする経路が増設される。これにより、フィールド機器内部に持つデータにアクセスする手段を新たに確保できる。また、赤外線通信機器を現場に持ち込むことで、現場で直接、フィールド機器の内部データの読み書きができるため、メンテナンス性が向上する。また、フィールドバス通信とは別の赤外線通信を用いてフィールド機器をメンテナンスできるため、フィールドバス通信が使用できない場合であっても、そのままの状態でフィールド機器と通信を行い、トラブル解析を実行できる。そのため、メンテナンスやトラブルへの対応を迅速化できる。また、制御データの通信に影響を及ぼすことなく、フィールド機器のメンテナンスが可能となる。

また、赤外線通信制御部６５をフィールド通信部６３とは別に設け、赤外線通信のためのシステムをフィールドバス通信システムから分離することで、フィールドバス通信のプロトコルの制約を受けずに赤外線通信を行うことができる。例えば、フィールドバス通信では通信対象とならない内部データについてもアクセス可能となる。

また、赤外線通信を使用するため、一般的に普及している赤外線通信機器を用いてフィールド機器との間での通信が可能である。このため、専用通信機器を用意する必要がなく汎用的な通信機器を利用できるため、システム構築のためのコストを軽減できる。さらに、赤外線通信機器としてパーソナルコンピュータや携帯電話などの汎用端末を利用できるため、専用機器を用いることなく故障や緊急時に対応できるとともに、コストを軽減できる。

さらに、本実施形態では、赤外線通信のためのハードウェアを従来のフィールドバス通信のためのハードウェアとは別に追加している。このため、従来から使用されているフィールド通信部６３の改造が不要となる。

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、フィールドバスに接続されたフィールド通信機能を有する機器を備え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を示す図であり、（ａ）は、フィールド通信システムの構成を示すブロック図、（ｂ）は、フィールド機器の構成を示すブロック図。 ファームウェアをオンラインアップデートする際の通信シーケンスを示す図であり、（ａ）は、本実施形態のフィールド通信システムにおいて、ファームウェアをオンラインアップデートする際の通信シーケンスを示すタイミングチャート、（ｂ）は、フィールドバス通信のみを用いてファームウェア更新を行う場合の通信シーケンスを示すタイミングチャート。 本発明によるフィールド通信システムの別の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は、フィールド通信システムの構成を示すブロック図、（ｂ）は、赤外線通信機器を、フィールドバスを介して制御する構成を示すブロック図。 バックアップ通信路に赤外線通信機器が接続され例を示すブロック図。

符号の説明

３ 可視光通信送信装置（光送信手段）
５ フィールド機器
６ フィールド機器
５１ 可視光インタフェース（光通信手段、光受信手段）
５５ 可視光通信制御部（光通信手段、光受信手段）
６１ 赤外線インタフェース（光通信手段）
６５ 赤外線通信制御部（光通信手段）

Claims (7)

1. フィールドバスに接続されたフィールド通信機能を有する機器を備えるフィールド通信システムにおいて、
   前記機器は、空中を伝播する光を送信または受信することで光通信を行う光通信手段を備え、
   前記光通信手段は、前記フィールドバスを用いたフィールド通信に関連のあるデータを送信または受信することを特徴とするフィールド通信システム。
2. 前記光通信手段は、前記フィールド通信による通信と呼応して前記データを送信または受信す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. 前記データは前記機器で保有されるデータであ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. 前記データは前記機器で使用されるファームウェアであ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。
5. 前記光は赤外線または可視光であ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. フィールドバスに接続されたフィールド通信機能を有する機器を備えるフィールド通信システムにおいて、
   複数の前記機器に対し、空中を伝播する光を介して同時にデータを送信する光送信手段を備えるとともに、
   個々の前記機器は、前記光送信手段により送信された前記光を介して前記データを受信する光受信手段を備えることを特徴とするフィールド通信システム。
7. 前記光は赤外線または可視光であることを特徴とする請求項６に記載のフィールド通信システム。

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