JP2020036266A - 通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】プラントに設置されるフィールド機器の通信を信頼性良く無線で中継可能な無線通信機器を提供する。【解決手段】無線通信機器１は、プラントのフィールド機器８に信号線で接続される。無線通信機器は、信号線７１から入力される入力信号Ｓの信号値をデータ化した信号データＤを生成する信号入力部２１と、信号データを無線で送信するための無線通信部３と、他の無線通信機器に有線で接続される機器間通信部４と、無線通信部を介した信号データの無線通信処理または機器間通信部を介した信号データの迂回通信処理、の少なくとも一方の通信処理を実行する通信処理部５と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、プラントに設置されるフィールド機器に接続され、フィールド機器の入出力信号を無線で通信（中継）する無線通信機器に関する。

通常、プラントには、差圧変換器や温度変換器などの計測器（発信器）や、調節弁といった操作端などとなるフィールド機器が多数設置される。これらのフィールド機器は制御装置に接続されており、温度、流量、圧力などの計測値を制御装置に定期的に送信したり、制御装置から受信した操作指令（例えば弁開度の指令値など）に従って動作したりする。この際、フィールド機器への入出力は４〜２０ｍＡの直流のアナログ信号で行われ、アナログ信号の信号値で計測値や操作指令の内容が通信される。上記の直流のアナログ信号に交流のデジタル信号が重畳（周波数変調）されることで、複数の情報を同時に通信することも可能であり、このような通信方式は、ＨＡＲＴ通信などハイブリッド通信（スマート通信）として知られている。

従来は、これらの各種のフィールド機器と制御装置とは個別の信号線でそれぞれ接続されていた。近年では、配線コストやメンテナンスコストの低減のため、各フィールド機器と制御装置との間を無線化が進められている（特許文献１参照）。例えば特許文献１では、複数のフィールド機器が接続された無線中継装置は、各フィールド機器から入力されるアナログ信号をデータ（デジタルデータ）に変換し、データ化されたアナログ信号となる信号データを無線ＬＡＮで接続された制御装置に対してデータ通信する。また、特許文献１には、無線中継装置を無線だけでなく有線でも制御装置に接続させ、通信経路の状況に応じて有線通信または無線通信に切り換える切換手段を設けることも開示されている。

特開２００５−３３３１８９号公報

一般に、無線通信（無線接続）は、電波が届きにくいと通信速度が遅くなったり、通信が不安定になったりするなど電波状況に応じて通信品質が変化するため、有線通信（有線接続）に比べて信頼性が劣る。このため、フィールド機器と制御装置との間の無線化は、計測対象を低頻度で計測できれば良いようなリアルタイム性を問わないデータの収集への適用は容易であるが、リアルタイム性が重視されるような制御指令や重要なデータの収集への適用は、短時間の停止がプラントの動作上致命的となる可能性があるため容易ではない。このため、例えば特許文献１のように、フィールド機器と制御装置との間の通信経路を無線および有線で二重化すると、有線接続のために要する配線コスト等を要するため、無線化によるメリットが十分に得られない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、プラントに設置されるフィールド機器の通信を信頼性良く無線で中継可能な無線通信機器を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る無線通信機器は、
プラントのフィールド機器に信号線で接続される無線通信機器であって、
前記信号線から入力される入力信号の信号値をデータ化した信号データを生成する信号入力部と、
前記信号データを無線で送信するための無線通信部と、
他の無線通信機器に有線で接続される機器間通信部と、
前記無線通信部を介した前記信号データの無線通信処理、または前記機器間通信部を介した前記信号データの迂回通信処理、の少なくとも一方の通信処理を実行する通信処理部と、を備える。

上記（１）の構成によれば、無線通信機器は、例えばプラントの制御装置などの通信先へ信号データを送信するにあたって、自機から無線で送信することと、有線で接続された他の無線通信機器を介して送信することが可能に構成される。よって、例えば周囲の電波状況が良好の場合には信号データを自機から無線で送信し、電波状況が悪い場合には、周囲の電波状況が良好となっているような他の無線通信機器を介して信号データを送信することが可能となる。これによって、無線通信機器から通信先に対する信号データの通信がより確実に行えるように図ることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記信号線を介して前記フィールド機器に駆動電源を供給する電源供給部を、さらに備える。

上記（２）の構成によれば、無線通信機器は、ディストリビュータ（電源供給装置）の機能を有しており、フィールド機器に対して信号線を介して電源を供給する。これによって、フィールド機器に対して電源供給を行うことができる。また、従来必要であった、制御装置側から信号線を介して電源を供給する電源供給装置（ディストリビュータ）を不要とすることができ、プラントのコストを抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（２）の構成において、
前記信号入力部により生成される前記信号データ、および前記機器間通信部を介して受信される、前記他の無線通信機器により生成される信号データを記憶するデータ共有部を、さらに備え、
前記通信処理部は、少なくとも、前記迂回通信処理を実行する。

上記（３）の構成によれば、無線通信機器は、自機が生成した信号データを他の無線通信機器に送信すると共に、他の無線通信機器が生成した信号データを受信して記憶（保管）する。つまり、複数の無線通信機器間において、周囲の電波状況にかかわらず、各無線通信機器が生成した各信号データを機器間で通信し合い、互いの信号データを共有するように構成される。このようにすれば、電波状況の良好な無線通信機器が１つでもあれば、その無線通信機器から通信先に信号データを適時に送信することが可能となる。したがって、無線通信機器から通信先に対する信号データの通信をリアルタイムに、確実に行えるように図ることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記通信処理部は、前記無線通信部を介して前記信号データの送信要求を受信すると、前記無線通信処理を実行し、前記データ共有部に記憶されている少なくとも１つの前記信号データを送信する。

上記（４）の構成によれば、無線通信機器は、無線通信された送信要求の受信に応じて、共有されている、各無線通信機器で生成された信号データで構成される複数の信号データを無線で送信する。つまり、複数の無線通信機器がそれぞれ生成した信号データが、上記の送信要求を受信した無線通信機器から送信される。これによって、複数の信号データを１つの無線通信機器から集約された形で送信することができ、複数の信号データを効率良く無線で送信することができる。

（５）本発明の少なくとも一実施形態に係るプラント通信システムは、
プラントのフィールド機器に信号線で接続され、前記信号線から入力される入力信号の信号値をデータ化した信号データを無線で送信可能な複数の無線通信機器と、
前記無線通信機器から無線で送信された前記信号データを取集する収集装置であって、前記複数の無線通信機器のうちの少なくとも１つに前記信号データの送信要求を送信する収集装置と、を備え、
前記複数の無線通信機器の各々は、前記複数の無線通信機器がそれぞれ生成する前記信号データを共有するための複数の共有グループのいずれかに属し、
前記複数の無線通信機器の各々は、前記送信要求を受信すると、該無線通信機器が属する前記共有グループで共有されている全ての前記信号データを前記収集装置に無線で送信する。

上記（５）の構成によれば、上記（３）〜（４）と同様の効果を奏する。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記収集装置は、前記複数の共有グループの各々毎に定められる代表の前記無線通信機器に対してそれぞれ前記送信要求を送信した後、所定時間が経過しても前記送信要求に応じた前記信号データが受信されない前記代表の無線通信機器が存在した場合には、前記送信要求に応じた前記信号データが受信されない前記代表の無線通信機器と同一の前記共有グループに属する他の前記無線通信機器に前記送信要求を送信する。

上記（６）の構成によれば、収集装置は、各共有グループを代表する無線通信機器から信号データが得られない場合に、同一の共有グループに属するの他の無線通信機器から信号データを得るように動作する。これによって、信号データを確実に得ることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記収集装置は、前記複数の無線通信機器の全てに前記送信要求を送信する。

上記（７）の構成によれば、収集装置は、複数の無線通信機器に対して送信要求を同時期に行う。このため、送信要求を受信できた１以上の無線通信機器から同じ内容の信号データを同時期に受信することになる。よって、トラフィックは増大するものの、信号データを迅速に（遅延なく）得ることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（５）〜（７）の構成において、
同一の前記共有グループ内の前記無線通信機器は、同じ電源から電力の供給を受ける。

上記（８）の構成によれば、同一の共有グループ内の無線通信機器は電源を共有する。これによって、同一の共有グループ内に属する無線通信機器を、機器間通信部を介して、通信用の通信線と電源供給用の電源線とで構成される複合ケーブルを用いて接続すれば、信号データの共有のための通信線を別途設けることなく、複合ケーブルで通信可能に接続された無線通信機器間で信号データを共有することができる。また、無線通信機器同士の接続状態から各共有グループに属する無線通信機器の判別が容易になるなど、管理が容易となる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、プラントに設置されるフィールド機器の通信を信頼性良く無線で中継可能な無線通信機器が提供される。

本発明の一実施形態に係るプラント通信システムの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る無線通信機器の構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るプラント通信システムの構成を概略的に示す図であり、複数の無線通信機器が共有グループにグループ分けされている。 本発明の一実施形態に係る収集装置が要求する信号データの要求方式を説明するための図であり、送信要求は共有グループ毎に代表の無線通信機器に送信される。 本発明の一実施形態に係る収集装置が要求する信号データの要求方式を説明するための図であり、送信要求は共有グループ毎に複数の無線通信機器に送信される。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るプラント通信システム７の構成を概略的に示す図である。プラント通信システム７は、プラントに設置されるフィールド機器８とプラントの制御装置９１（以下、単に、制御装置９１）とを通信可能に接続するための通信システムである。フィールド機器８は、例えば温度、流量、圧力などを計測し、計測値をアナログ信号で通信する各種の計測器８１（センサ）や、例えばリミットスイッチなどのスイッチのオン、オフを２値信号で通信するデジタル入力機器８３などとなる入力機器や、アナログ信号で制御される調節弁（バルブ）などの制御機器８２や、オン、オフの２値信号で制御される電磁弁（ＯＮ−ＯＦＦ弁）などのデジタル出力機器８４などとなる操作端（出力機器）などであり、プラントには、通常、複数のフィールド機器８が設置される。また、制御装置９１は、例えば分散制御システム（ＤＣＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）であり、各種のフィールド機器８からそれぞれ送られてくる各種の計測値などのプラントの状態を示す状態情報の収集や、各種のフィールド機器８に対するの制御指令（指令値）の演算や送信などを通してプラントを制御する。

そして、プラント通信システム７は、図１に示すように（後述する図３も同様）、フィールド機器８に接続される少なくとも１つ（図１では複数）の無線通信機器１と、この無線通信機器１から無線で送信された信号データＤを収集する上記の制御装置９１などとなる収集装置９と、を備える。つまり、プラント通信システム７において、フィールド機器８と制御装置９１との間の通信経路上には、無線で通信（中継）が行われる無線通信区間が設けられる。より具体的には、制御装置９１には上記の無線通信機器１と無線通信が可能な無線機器９３が接続されており、無線通信機器１と制御装置９１側の無線機器９３との間が無線通信区間となる。

図１に示す実施形態では、制御装置９１は有線ネットワーク７２を介して無線機器９３に接続されている。無線機器９３はアクセスポイントであり、上記の無線通信機器１とは、ＩＥＥＥ８０２．１１の諸規格に準拠した通信を行うようになっている。なお、他の幾つかの実施形態では、制御装置９１と、制御装置９１側の無線機器９３とが有線で直接接続されていても良い。無線機器９３は複数設置されていても良い。

また、図１に示すように（後述する図３も同様）、プラント通信システム７は、ゲートウェイ装置９２（コンピュータ装置）をさらに備えていても良い。図１に示す実施形態では、無線機器９３と制御装置９１とはゲートウェイ装置９２を介して接続されている。ゲートウェイ装置９２は、無線機器９３側と、制御装置９１側とのプロトコル変換を行う役割や、複数のフィールド機器８から送信される状態情報を保存し、まとめて制御装置９１に送ることにより制御装置９１の負荷を軽減する役割などを担う装置である。

すなわち、図１に示す実施形態では、ゲートウェイ装置９２と制御装置９１とは制御ネットワーク７２ｃで接続されており、ゲートウェイ装置９２と制御装置９１との間（制御ネットワーク７２ｃ）、および、ゲートウェイ装置９２と無線機器９３との間（ＩＰネットワーク７２ｌ）での通信プロトコルが異なっている。よって、ゲートウェイ装置９２は、両ネットワークを跨った通信を中継するためにプロトコル変換を行うようになっている。また、このように、プロトコル変換機能を制御装置９１にもたせず、ゲートウェイ装置９２で実行させることにより、制御装置９１の負荷を軽減している。なお、図１に示す実施形態では、ゲートウェイ装置９２と制御装置９１とは、ネットワーク機器９４（図１、図３ではハブ）を介して接続されているが、他の幾つかの実施形態では、ゲートウェイ装置９２と制御装置９１とは、ネットワーク機器９４を介することなく、通信線で直接接続されていても良い。

ただし、本実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、制御装置９１にプロトコル変換機能を実装することで、ゲートウェイ装置９２を設けなくても良い。また、ゲートウェイ装置９２は、インターネット７５に接続されることで、インターネット上のクラウド７６に状態情報のデータを送信しても良い。このようにすれば、複数のプラントの情報の一元管理や、クラウド上のデータに基づいて遠隔監視や、運転支援、予兆診断、遠隔制御などを行うことが可能となる。この場合、上記の収集装置９は、ゲートウェイ装置９２であっても良い。

次に、上記の無線通信機器１について、図２を用いて詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る無線通信機器１の構成を概略的に示す図である。
無線通信機器１は、プラントのフィールド機器８に信号線７１で接続され、フィールド機器８からの入力信号Ｓの信号値をデータ化した信号データＤを無線で送信可能な機器である。図２に示すように、無線通信機器１は、信号入力部２１と、無線通信部３と、機器間通信部４と、通信処理部５と、を備える。これらの構成は、電子回路（電気回路）などで実現される。
以下、無線通信機器１が備える上述した機能部（回路）について、それぞれ説明する。

信号入力部２１は、フィールド機器８と無線通信機器１とを接続する信号線７１から入力される入力信号Ｓの信号値をデータ化した信号データＤを生成するよう構成される。図２に示すように、信号入力部２１とフィールド機器８とは信号線７１（有線）により接続される。そして、例えば、アナログ信号による入力を行うフィールド機器８（計測器８１など）が信号線７１に、計測値などがマッピングされた４〜２０ｍＡの直流のアナログ信号（入力信号Ｓ）を出力すると、アナログ信号が信号線７１を伝送されることにより、入力信号Ｓが信号入力部２１に入力される。また、信号入力部２１は、入力信号Ｓ（アナログ信号）として入力される電流値または電圧値をデジタルデータにデータ化することにより、信号データＤを生成する。同様に、例えば、２値信号（ＨｉｇｈまたはＬｏｗ、オンまたはオフなど）による入力を行うデジタル入力機器８３が信号線７１に２値信号（入力信号Ｓ）を出力すると、この２値信号が信号線７１を伝送されることにより、入力信号Ｓが信号入力部２１に入力される。信号入力部２１は、２値信号をデジタルデータにデータ化することにより、信号データＤを生成する。なお、信号入力部２１は、複数のフィールド機器８が接続可能に構成されていても良い。

なお、フィールド機器８が出力するアナログ信号には、アナログ信号と同時に通信する付加情報を示すデジタル信号が重畳されていても良い。付加情報は、例えば計測値を計測したフィールド機器８の識別番号などの機器情報などである。この場合には、信号入力部２１は、入力信号Ｓに含まれるアナログ信号（直流成分）およびデジタル信号（周波数成分）を分離し、アナログ信号およびデジタル信号で通信された情報の両方を含む信号データＤを生成する。このような、複数の信号を同時に伝送する通信方式はＨＡＲＴ通信などハイブリッド通信（スマート通信）として知られている。ハイブリッド通信では、ビット値（０または１）を示す周波数を予め定めておき、直流のアナログ信号を、付加情報を構成するビット列の各ビット値（０、１）に応じた周波数でそれぞれ変調することによってデジタル信号をアナログ信号に重畳して伝送する。

無線通信部３は、信号データＤを無線で送信（通信）することが可能に構成される。無線通信部３は、後述する通信処理部５に接続されており、通信処理部５から信号データＤを含む通信データが入力されると、アンテナ（図２では無指向性のホイップアンテナ）を介して無線で通信するためのフレームに通信データを載せて、フレームを無線で送信する。また、無線通信部３は、無線通信の通信相手となる無線機器９３が送信したフレームを受信することも可能に構成される。これによって、無線通信の通信相手となる無線機器９３との無線による双方向の通信が可能となる。

機器間通信部４は、他の無線通信機器１に有線（通信ケーブル７３）で接続するよう構成される。図２に示すように、機器間通信部４は、後述する通信処理部５に接続されており、通信処理部５から信号データＤを含む通信データが入力されると、機器間通信部４に通信ケーブル７３で接続された他の無線通信機器１に通信データを送信する。機器間通信部４から送信された通信データは、通信ケーブル７３を伝送されて他の無線通信機器１に受信される。

図２に示す実施形態では、機器間通信部４はシリアル通信を行うようになっている。より具体的には、機器間通信部４はＲＳ−４８５規格に準拠した通信を行うようになっている。ＲＳ−４８５は、同一の通信ライン上に複数の無線通信機器１を接続（マルチドロップ接続）できると共に、リアルタイム性が良いという特徴を有するため、後述するような複数の無線通信機器１間でデータを共有するのに適している。他の幾つかの実施形態では、機器間通信部４は、ＲＳ−４２２規格などの他のシリアル通信の規格に準拠した通信を行うよう構成されても良い。その他の幾つかの実施形態では、機器間で通信できれば、機器間通信部４は、ＲＳ−２３２規格などの他のシリアル通信の規格や、シリアル通信以外の通信の規格に準拠した通信を行うように構成されても良い。

通信処理部５（ＣＰＵ）は、無線通信部３に信号データＤを入力することにより、無線通信部３を介した信号データＤの通信処理（無線通信処理）、または、機器間通信部４に信号データＤを入力することにより、機器間通信部４を介した信号データＤの通信処理（迂回通信処理）の少なくとも一方の通信処理を実行する。図２に示す実施形態では、無線通信機器１は、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリ（記憶装置ｍ）を備えている。そして、メモリ（主記憶装置）にロードされたプログラムの命令に従ってＣＰＵ（プロセッサ）が動作（データの演算など）すること、通信処理部５による上記の通信処理が実行される。上記の無線通信処理は、ＴＣＰ（ＵＤＰ）／ＩＰパケットの生成や、ＴＣＰコネクションの確立、開放、再送制御など、無線通信機器１と収集装置９との間のＥ２Ｅの通信で必要な通信制御を含んでも良い。他方、迂回通信処理は、シリアル通信に必要となる宛先アドレスの設定などの処理を含んでも良い。

例えば、通信処理部５は、ＲＳＳＩや各種のエラー率などの電波状況の評価が可能な情報を取得し、その情報に基づいて、電波状況が良好な場合には上記の無線通信処理を実行し、電波状況が良好でないと判断される場合や無線通信ができない場合には、上記の迂回通信処理を実行しても良い。図２に示す実施形態では、無線通信機器１は、ＲＳＳＩなどの電波状況を測定（取得）する電波状況測定部３２をさらに備えており、電波状況測定部３２により測定された電波状況が通信処理部５に入力されるようになっている。なお、無線通信部３と電波状況測定部３２とは１つのモジュールで構成されていても良い。また、後述するように、通信処理部５は、上記の迂回通信処理を電波状況にかかわらず実行しつつ、電波状況が良好な場合には上記の無線通信処理を実行しても良い。

図１〜図２に示す実施形態では、図１に示すように、プラント通信システム７は複数の無線通信機器１を備えている。そして、複数の無線通信機器１の各々が、機器間通信部４同士を接続する通信ケーブル７３で直列（数珠繋ぎ）に接続されることで、同一の通信ライン上に接続されている（後述する図３参照）。このため、任意の無線通信機器１がその機器間通信部４から送信した信号データＤは、同一の通信ラインに接続されている他の少なくとも１つの無線通信機器１が受信することが可能となっている。よって、各無線通信機器１が生成した信号データＤは、同一の通信ラインに接続されている無線による通信が可能な無線通信機器１から無線で収集装置９に送信することが可能になっている。

なお、上述した構成を備える無線通信機器１は、図２に示すように、フィールド機器８に接続される信号線７１に、アナログ信号やハイブリッド信号などの信号（出力信号Ｓｏ）を出力する信号出力部２２（出力回路）を、さらに備えても良い。同様に、無線通信機器１は、デジタル出力機器８４に接続される信号線７１に２値信号（出力信号Ｓｏ）を出力する信号出力部２２を備えても良い。図２に示す実施形態では、信号出力部２２は、信号線７１によりフィールド機器８に接続される。そして、通信処理部５は、制御装置９１から送信される、例えばダンパーに対するダンパー制御や、調整弁に対する比例弁制御などによる指令値や、フィールド機器８に対する付加情報の要求を受信すると、受信した内容に対応する２値信号や、４〜２０ｍＡの信号値を判別するなどして得られる信号値を信号出力部２２に入力する。信号出力部２２は、入力された信号値が信号線７１に伝送されるように、信号線に直流のアナログ信号や、ハイブリッド信号、２値信号を出力する。

その他、無線通信機器１は、幾つかの実施形態では、図２に示すように、過電圧保護回路１１ａおよび逆極性接続保護回路１１ｂを介して外部電源Ｐ（直流電源）に接続される電源回路１１と、メンテナンス用のパソコンに接続するためのインターフェース（図２ではＵＳＢ通信回路１２ａ）と、デバッグ用のパソコンに接続するためのインターフェース（図２ではＳＣＩ通信回路１２ｂ）と、エラーログなど、無線通信機器１と外部とで情報をやり取りするための記憶媒体の着脱が可能なインターフェース（図２では、ＳＤカードを着脱可能なＳＤカードスロット１３）と、計測値表示やエラーコード表示など多目的に用いることが可能な液晶表示ディスプレイ１４（ＬＣＤ）と、を必要な範囲で備えても良い。電源回路１１以外は、必要に応じて設ければ良い。

これらの構成は、上述した信号入力部２１、無線通信部３、機器間通信部４、および通信処理部５と共に、無線通信機器１の筐体１０内に収容される。

上記の構成によれば、無線通信機器１は、例えばプラントの制御装置９１などの通信先へ信号データＤを送信するにあたって、自機から無線で送信することと、有線で接続された他の無線通信機器１を介して送信することが可能に構成される。よって、例えば周囲の電波状況が良好の場合には信号データＤを自機から無線で送信し、電波状況が悪い場合には、周囲の電波状況が良好となっているような他の無線通信機器１を介して信号データＤを送信することが可能となる。これによって、無線通信機器１から通信先に対する信号データＤの通信がより確実に行えるように図ることができる。

幾つかの実施形態では、上述した無線通信機器１は、信号入力部２１により生成される信号データＤ、および機器間通信部４を介して受信される、他の無線通信機器１により生成される信号データＤを記憶するデータ共有部６を、さらに備えていても良い。つまり、通信処理部５は、少なくとも、上記の迂回通信処理を実行することにより、機器間通信部４を介して信号データＤを他の無線通信機器１に送信する。つまり、通信処理部５は、複数の無線通信機器１間で信号データＤを共有するために、自機の周囲の電波状況にかかわらず、機器間通信部４を介して信号データＤを通信する。

図１〜図２に示す実施形態では、各無線通信機器１が機器間通信部４を介して送信する信号データＤは、他の１以上の無線通信機器１が受信するようになっている。このため、各無線通信機器１のデータ共有部６には、自機が生成する信号データＤと、他の１以上の無線通信機器１がそれぞれ生成する信号データＤとから構成される複数の信号データＤが記憶される。

この実施形態において、幾つかの実施形態では、上述した通信処理部５は、無線通信部３を介して信号データＤの送信要求Ｒｑ（以下、単に、送信要求Ｒｑ）を受信すると、上述した無線通信処理を実行し、データ共有部６に記憶されている少なくとも１つの信号データＤを送信しても良い。図１〜図２に示す実施形態では、上記の送信要求Ｒｑは収集装置９から送信される。また、各無線通信機器１は、送信要求Ｒｑを受信すると、その送信元に対して、データ共有部６に記憶されている、自機で生成した信号データＤと、他の無線通信機器１で生成された信号データＤとを、通信データとして一緒に通信するようになっており、複数の信号データＤを送信するようになっている。

つまり、複数の無線通信機器１がそれぞれ生成した信号データＤが、上記の送信要求Ｒｑを受信した無線通信機器１から送信される。これによって、複数の信号データＤを１つの無線通信機器１から集約された形で送信することができ、複数の信号データＤを効率良く無線で送信することが可能となる。この時、他の無線通信機器１は、同じ信号データＤを無線で送信する必要はなく、無線通信を省略できるので、消費電力の抑制を図ることも可能となる。

ただし、本実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、通信処理部５は、信号入力部２１から信号データＤが入力された場合や、無線通信部３を介して信号データＤを定期的に収集装置９に送信するように構成されていても良い。そして、送信タイミングになると、データ共有部６に格納されている他機が生成した信号データＤを、自機が生成した信号データＤと共に送信しても良い。

なお、フィールド機器８によって計測値を送信（信号線７１に出力）するタイミングは同じとは限らない。よって、通信処理部５は、送信要求Ｒｑを受信した際や定期的などの送信タイミングに、各フィールド機器８から既に受け取っている信号データＤのうち、未だ収集装置９に通信できていない信号データＤを一緒に送信するように無線送信処理を実行する。通信できた信号データＤはデータ共有部６から消去されるなどする場合には、通信処理部５は、送信要求Ｒｑを受信した際にデータ共有部６に残っている全ての信号データＤを送信する。

上記の構成によれば、無線通信機器１は、自機が生成した信号データＤを他の無線通信機器１に送信すると共に、他の無線通信機器１が生成した信号データＤを受信して記憶（保管）する。つまり、複数の無線通信機器１間において、周囲の電波状況にかかわらず、各無線通信機器１が生成した各信号データＤを機器間で通信し合い、互いの信号データＤを共有するように構成される。このようにすれば、電波状況の良好な無線通信機器が１つでもあれば、その無線通信機器１から通信先に信号データＤを適時に送信することが可能となる。したがって、無線通信機器１から通信先に対する信号データＤの通信をリアルタイムに、確実に行えるように図ることができる。

また、幾つかの実施形態では、上述した無線通信機器１は、フィールド機器８に接続される信号線７１を介してフィールド機器８に駆動電源を供給する電源供給部を、さらに備えても良い。つまり、無線通信機器１は、ディストリビュータ（電源供給装置）の機能を有しており、信号線７１で接続されたフィールド機器８に、例えば一定の電圧など、電源を供給する。このため、フィールド機器８に別途電源を接続する必要がないため、フィールド機器８の近くに外部電源Ｐを設ける必要がなく、フィールド機器８の設置が容易となる。図２に示す実施形態では、電源供給部２４が信号入力部２１に接続されることにより、信号線７１からフィールド機器８に電源供給がなされるようになっている。

上記の構成によれば、無線通信機器１は、信号線で接続されたフィールド機器８に対して電源供給を行う。これによって、従来必要であって、制御装置９１側から信号線７１を介して電源を供給する電源供給装置（ディストリビュータ）を不要とすることができ、プラントのコストの低減を行うことができる。

次に、プラント通信システム７が複数の無線通信機器１を備える場合を前提とした幾つかの実施形態について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係るプラント通信システム７の構成を概略的に示す図であり、複数の無線通信機器１が共有グループＧにグループ分けされている。図４は、本発明の一実施形態に係る収集装置９が要求する信号データＤの要求方式を説明するための図であり、送信要求Ｒｑは共有グループＧ毎に代表の無線通信機器１に送信される。また、図５は、本発明の一実施形態に係る収集装置９が要求する信号データＤの要求方式を説明するための図であり、送信要求Ｒｑは共有グループＧ毎に複数の無線通信機器１に送信される。

幾つかの実施形態では、図３〜図５に示すように、プラント通信システム７が備える複数の無線通信機器１の各々は、複数の共有グループＧのいずれかに属するようにグループ分けされていても良い。共有グループＧは、複数の無線通信機器１がそれぞれ生成する信号データＤをグループ内で共有するためのグループであり、各共有グループＧには１以上の無線通信機器１が所属する。そして、複数の無線通信機器１のグループ分けは、任意の方法であっても良い。

例えば、幾つかの実施形態では、図３〜図５に示すように、電源（外部電源Ｐ）を共有する１以上の無線通信機器１で１つの共有グループＧが構成されても良い。換言すれば、同一の共有グループＧ内の無線通信機器１は、例えば無線通信機器１の電源プラグ（不図示）が接続されるコンセントが同じなど、同じ電源から電力の供給を受ける。図３〜図５に示す実施形態では、同一の共有グループＧ内に属する無線通信機器１を、機器間通信部４を介して接続する上記の通信ケーブル７３として通信用の通信線と電源供給用の電源線とで構成される複合ケーブルを用いている。これによって、図３に示すように、機器間通信部４を介した通信のための通信ケーブル７３を電源線とは別に設けることなく、複数の無線通信機器１が、機器間通信部４を介して同一の電源に対して数珠繋ぎで接続される。よって、同一の電源を共有する１以上の無線通信機器１で共有グループＧを構成することにより、信号データＤの共有のための通信線を別途設けることなく、複合ケーブルで通信可能に接続された無線通信機器１間で信号データＤを共有することができる。また、無線通信機器１同士の接続状態から各共有グループＧに属する無線通信機器１の判別が容易になるなど、管理が容易となる。

図３〜図５に示す実施形態では、第１電源ＤＣ１に接続された４つの無線通信機器１（１ａ〜１ｄ）によって第１共有グループＧ１が構成されており、第２電源ＤＣ２に接続された３つの無線通信機器１（１ｅ〜１ｇ）によって第２共有グループＧ２が構成されている。よって、第１共有グループＧ１に属する各無線通信機器１のデータ共有部６には、４つの無線通信機器１（１ａ〜１ｄ）がそれぞれ生成する信号データＤ（Ｄａ〜Ｄｄ）が記憶され、第２共有グループＧ２に属する各無線通信機器１のデータ共有部６には、３つの無線通信機器１（１ｅ〜１ｇ）がそれぞれ生成する信号データＤ（Ｄｅ〜Ｄｇ）が記憶されることになる。なお、他の幾つかの実施形態では、第１無線通信機器１ａと第１電源ＤＣ１との間や、第５無線通信機器１ｅと第２電源ＤＣ２との間をさらに通信ケーブル７３（複合ケーブル）で接続することにより、共有グループＧ内の無線通信機器１を、電源ＤＣを介してリング型に接続しても良い。この場合には、共有グループＧ内で、いずれかの通信ケーブル７３（複合ケーブル）が切れるなどしても、その共有グループＧ内の全ての無線通信機器１に対して継続して電源供給を行うことができる。

また、本実施形態では、収集装置９（図３ではゲートウェイ装置９２）は、複数の無線通信機器１のうちの少なくとも１つに送信要求Ｒｑを送信するようになっている。そして、複数の無線通信機器１の各々は、送信要求Ｒｑを受信すると、その無線通信機器１が属する共有グループＧで共有されている全ての信号データＤを収集装置９に無線で送信する。上述したように、この全ての信号データＤは、収集装置９への通信が完了できていない全ての信号データＤであっても良い。

より詳細には、幾つかの実施形態では、図４に示すように、収集装置９は、複数の共有グループＧの各々毎に定められる代表の無線通信機器１に対してそれぞれ上記の送信要求Ｒｑを送信した後、所定時間（タイムアウト時間）が経過しても、送信要求Ｒｑに応じた信号データＤが受信されない代表の無線通信機器１が存在した場合には、送信要求Ｒｑに応じた信号データＤが受信されない代表の無線通信機器１と同一の共有グループＧに属する他の無線通信機器１に送信要求Ｒｑを送信しても良い。上記の代表とされる無線通信機器１の数は、共有グループＧ毎に１または複数で良い。図４に示す実施形態では、収集装置９が送信要求Ｒｑを送信する代表の無線通信機器１は、第１共有グループＧ１では第１無線通信機器１ａであり、第２共有グループＧ２では第５無線通信機器１ｅとなっている。

よって、図４（ａ）に示すように、通信障害や無線通信機器１の故障などの異常が発生していない通常時には、収集装置９は、例えば周期的などに、第１無線通信機器１ａに送信要求Ｒｑを送信することにより、第１無線通信機器１ａから応答送信される、第１無線通信機器１ａ〜第４無線通信機器１ｄの各々により生成された信号データＤ（Ｄ１〜Ｄ４）を受信する。また、収集装置９は、第５無線通信機器１ｅに送信要求Ｒｑを送信することにより、第５無線通信機器１ｅから応答送信される、第５無線通信機器１ｅ〜第７無線通信機器１ｇの各々により生成された信号データＤ（Ｄ５〜Ｄ７）を受信する。

また、図４（ｂ）に示すように、異常時には、収集装置９は、送信した送信要求Ｒｑに対して応答が得られない代表の無線通信機器１と同一の共有グループＧに属する他の無線通信機器１に送信要求Ｒｑを送信する。収集装置９は、この他の無線通信機器１から送信要求Ｒｑに対する応答が得られることにより、代表の無線通信機器１から収集しようとした信号データＤを、他の無線通信機器１から代わりに得ることができる。図４（ｂ）では、第１共有グループＧ１の代表となる第１無線通信機器１ａへの送信要求Ｒｑに対する応答のタイムアウトを検知すると、送信要求Ｒｑの送信先を、同じ第１共有グループＧ１に属する第２無線通信機器１ｂに切り替えている。そして、収集装置９が送信要求Ｒｑを第２無線通信機器１ｂに送信することにより、第２無線通信機器１ｂから、第１無線通信機器１ａから受信すべき信号データＤと同じ信号データＤを得ている。

上記の構成によれば、収集装置９は、各共有グループＧを代表する無線通信機器１から信号データＤが得られない場合に、同一の共有グループＧに属するの他の無線通信機器１から信号データＤを得るように動作する。これによって、信号データＤを確実に得ることができる。

他の幾つかの実施形態では、図５に示すように、収集装置９は、複数の無線通信機器１の全てに送信要求Ｒｑを送信しても良い。図５（ａ）に示すように、収集装置９が全ての無線通信機器１に送信要求Ｒｑを送信すれば、例えば図５（ｂ）の第５無線通信機器１ｅのように送信要求Ｒｑに対する応答が得られない無線通信機器１が存在しても、他の無線通信機器１（第６無線通信機器１ｆまたは第７無線通信機器１ｇ）から同じ信号データＤが得られることによって、収集すべき信号データＤをより確実に、迅速に得られる。

上記の構成によれば、収集装置９は、複数の無線通信機器１に対して送信要求Ｒｑを同時期に行う。このため、送信要求Ｒｑを受信できた１以上の無線通信機器１から同じ内容の信号データＤを同時期に受信することになる。よって、トラフィックは増大するものの、信号データＤを迅速に（遅延なく）得ることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、幾つかの実施形態では、収集装置９は、制御時の操作指令を送信する場合に、上述した送信要求Ｒｑと同様の手法を適用しても良い。具体的には、１または複数の共有グループＧ毎の代表（１以上）の無線通信機器１に操作指令を送信したり、あるいは、全ての無線通信機器１に操作指令を送信したりしても良い。この際、複数の無線通信機器１で操作指令を機器間通信部４により共有するようにすれば、収集装置９は、操作指令の送信先のフィールド機器８が直接接続されている無線通信機器１と無線通信ができない状況であっても、無線通信が可能な他の無線通信機器１を介してリアルタイムに操作指令を送信先のフィールド機器８に届けるように図ることができる。

１ 無線通信機器
ｍ 記憶装置
１１ 電源回路
１１ａ 過電圧保護回路
１１ｂ 逆極性接続保護回路
１２ａ ＵＳＢ通信回路
１２ｂ ＳＣＩ通信回路
１３ ＳＤカードスロット
１４ 液晶表示ディスプレイ
２１ 信号入力部
２２ 信号出力部
２４ 電源供給部
３ 無線通信部
３２ 電波状況測定部
４ 機器間通信部
５ 通信処理部
６ データ共有部
７ プラント通信システム
７１ 信号線
７２ 有線ネットワーク
７２ｃ 制御ネットワーク
７２ｌ ネットワーク
７３ 通信ケーブル
７５ インターネット
７６ クラウド
８ フィールド機器
８１ 計測器
８２ 制御機器
８３ デジタル入力機器
８４ デジタル出力機器
９ 収集装置
９１ 制御装置
９２ ゲートウェイ装置
９３ 無線機器
９４ ネットワーク機器

Ｓ 入力信号
Ｓｏ 出力信号
Ｄ 信号データ
ＤＣ１ 第１電源
ＤＣ２ 第２電源
Ｇ 共有グループ
Ｇ１ 第１共有グループ
Ｇ２ 第２共有グループ
Ｒｑ 送信要求
Ｐ 外部電源

本開示は、プラントに設置されるフィールド機器に接続され、フィールド機器の入出力信号を無線で通信（中継）する無線通信機器を備える通信システムに関する。

（５）本発明の少なくとも一実施形態に係る通信システムは、
プラントのフィールド機器に信号線で接続され、前記信号線から入力される入力信号の信号値をデータ化した信号データを無線で送信可能な複数の無線通信機器と、
前記無線通信機器から無線で送信された前記信号データを取集する収集装置であって、前記複数の無線通信機器のうちの少なくとも１つに前記信号データの送信要求を送信する収集装置と、を備え、
前記複数の無線通信機器の各々は、前記複数の無線通信機器がそれぞれ生成する前記信号データを共有するための複数の共有グループのいずれかに属し、
前記複数の無線通信機器の各々は、前記送信要求を受信すると、該無線通信機器が属する前記共有グループで共有されている全ての前記信号データを前記収集装置に無線で送信する。

本発明の一実施形態に係る通信システムの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る無線通信機器の構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る通信システムの構成を概略的に示す図であり、複数の無線通信機器が共有グループにグループ分けされている。 本発明の一実施形態に係る収集装置が要求する信号データの要求方式を説明するための図であり、送信要求は共有グループ毎に代表の無線通信機器に送信される。 本発明の一実施形態に係る収集装置が要求する信号データの要求方式を説明するための図であり、送信要求は共有グループ毎に複数の無線通信機器に送信される。

図１は、本発明の一実施形態に係る通信システム７の構成を概略的に示す図である。通信システム（以下、プラント通信システム７）は、プラントに設置されるフィールド機器８とプラントの制御装置９１（以下、単に、制御装置９１）とを通信可能に接続するための通信システムである。フィールド機器８は、例えば温度、流量、圧力などを計測し、計測値をアナログ信号で通信する各種の計測器８１（センサ）や、例えばリミットスイッチなどのスイッチのオン、オフを２値信号で通信するデジタル入力機器８３などとなる入力機器や、アナログ信号で制御される調節弁（バルブ）などの制御機器８２や、オン、オフの２値信号で制御される電磁弁（ＯＮ−ＯＦＦ弁）などのデジタル出力機器８４などとなる操作端（出力機器）などであり、プラントには、通常、複数のフィールド機器８が設置される。また、制御装置９１は、例えば分散制御システム（ＤＣＳ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）であり、各種のフィールド機器８からそれぞれ送られてくる各種の計測値などのプラントの状態を示す状態情報の収集や、各種のフィールド機器８に対するの制御指令（指令値）の演算や送信などを通してプラントを制御する。

次に、プラント通信システム７が複数の無線通信機器１を備える場合を前提とした幾つかの実施形態について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る通信システム７の構成を概略的に示す図であり、複数の無線通信機器１が共有グループＧにグループ分けされている。図４は、本発明の一実施形態に係る収集装置９が要求する信号データＤの要求方式を説明するための図であり、送信要求Ｒｑは共有グループＧ毎に代表の無線通信機器１に送信される。また、図５は、本発明の一実施形態に係る収集装置９が要求する信号データＤの要求方式を説明するための図であり、送信要求Ｒｑは共有グループＧ毎に複数の無線通信機器１に送信される。

１ 無線通信機器
ｍ 記憶装置
１１ 電源回路
１１ａ 過電圧保護回路
１１ｂ 逆極性接続保護回路
１２ａ ＵＳＢ通信回路
１２ｂ ＳＣＩ通信回路
１３ ＳＤカードスロット
１４ 液晶表示ディスプレイ
２１ 信号入力部
２２ 信号出力部
２４ 電源供給部
３ 無線通信部
３２ 電波状況測定部
４ 機器間通信部
５ 通信処理部
６ データ共有部
７ プラント通信システム（通信システム）
７１ 信号線
７２ 有線ネットワーク
７２ｃ 制御ネットワーク
７２ｌ ネットワーク
７３ 通信ケーブル
７５ インターネット
７６ クラウド
８ フィールド機器
８１ 計測器
８２ 制御機器
８３ デジタル入力機器
８４ デジタル出力機器
９ 収集装置
９１ 制御装置
９２ ゲートウェイ装置
９３ 無線機器
９４ ネットワーク機器

Ｓ 入力信号
Ｓｏ 出力信号
Ｄ 信号データ
ＤＣ１ 第１電源
ＤＣ２ 第２電源
Ｇ 共有グループ
Ｇ１ 第１共有グループ
Ｇ２ 第２共有グループ
Ｒｑ 送信要求
Ｐ 外部電源

Claims (8)

1. プラントのフィールド機器に信号線で接続される無線通信機器であって、
   前記信号線から入力される入力信号の信号値をデータ化した信号データを生成する信号入力部と、
   前記信号データを無線で送信するための無線通信部と、
   他の無線通信機器に有線で接続される機器間通信部と、
   前記無線通信部を介した前記信号データの無線通信処理、または前記機器間通信部を介した前記信号データの迂回通信処理、の少なくとも一方の通信処理を実行する通信処理部と、を備えることを特徴とする無線通信機器。
2. 前記信号線を介して前記フィールド機器に駆動電源を供給する電源供給部を、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信機器。
3. 前記信号入力部により生成される前記信号データ、および前記機器間通信部を介して受信される、前記他の無線通信機器により生成される信号データを記憶するデータ共有部を、さらに備え、
   前記通信処理部は、少なくとも、前記迂回通信処理を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信機器。
4. 前記通信処理部は、前記無線通信部を介して前記信号データの送信要求を受信すると、前記無線通信処理を実行し、前記データ共有部に記憶されている少なくとも１つの前記信号データを送信することを特徴とする請求項３に記載の無線通信機器。
5. プラントのフィールド機器に信号線で接続され、前記信号線から入力される入力信号の信号値をデータ化した信号データを無線で送信可能な複数の無線通信機器と、
   前記無線通信機器から無線で送信された前記信号データを取集する収集装置であって、前記複数の無線通信機器のうちの少なくとも１つに前記信号データの送信要求を送信する収集装置と、を備え、
   前記複数の無線通信機器の各々は、前記複数の無線通信機器がそれぞれ生成する前記信号データを共有するための複数の共有グループのいずれかに属し、
   前記複数の無線通信機器の各々は、前記送信要求を受信すると、該無線通信機器が属する前記共有グループで共有されている全ての前記信号データを前記収集装置に無線で送信することを特徴とするプラント通信システム。
6. 前記収集装置は、前記複数の共有グループの各々毎に定められる代表の前記無線通信機器に対してそれぞれ前記送信要求を送信した後、所定時間が経過しても前記送信要求に応じた前記信号データが受信されない前記代表の無線通信機器が存在した場合には、前記送信要求に応じた前記信号データが受信されない前記代表の無線通信機器と同一の前記共有グループに属する他の前記無線通信機器に前記送信要求を送信することを特徴とする請求項５に記載のプラント通信システム。
7. 前記収集装置は、前記複数の無線通信機器の全てに前記送信要求を送信することを特徴とする請求項５に記載のプラント通信システム。
8. 同一の前記共有グループ内の前記無線通信機器は、同じ電源から電力の供給を受けることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のプラント通信システム。

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