JP3002522B2 - フイールド機器及びフィールドバス・システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、２線式伝送路上で信号伝送を行うフイール
ド機器に係り、特に、受信信号で伝送路の異常を検出
し、伝送路に接続されたフイールド機器全体が通信不能
になるのを防ぐのに好適であるフイールド機器に関す
る。

〔従来の技術〕

いわゆるフイールド機器と称される機器は各種プラン
ト圧力、温度、流量などの物理量を検出し、その値を電
気信号に変換し、伝送路を介して上位機器へ伝送した
り、また、逆に、上位機器から伝送される制御信号を受
信し、プラントのバルブなどを制御しているのが通常で
ある。

そして、該電気信号の伝送は、送信信号がアナログ信
号の場合に、規格化されており、フイールド機器と上位
機器との間は、４〜20mAのアナログ電流信号の伝送が行
われている。また、一般的にはフイールド機器と上位機
器との間は、アナログ信号での一方向通信が行われてい
た。

しかし、近年、半導体集積回路技術の向上により、マ
イクロプロセツサ内蔵のフイールド機器が開発され実用
化されてきている。これによれば、前記伝送路上で一方
向のアナログ信号の通信のほかに、双方向のデイジタル
信号の通信を行い、フイールド機器のレンジ設定、自己
診断などを遠隔から指令できるようになつてきている。

また、最近、複数台のフイールド機器を同一伝送路上
に接続し、双方向のデイジタル信号だけで通信を行うシ
ステムとしてフイールドバス・システムが提案され、そ
の仕様の統一のための規格化作業が進められている。

フイールドバス・システムの代表的な構成例を第１図
を用いて説明する。同図は、複数台のフイールド機器と
上位機器とが伝送路を介してツリー形に接続された装置
構成例を示している。フイールド機器1a,1b,1cは、伝送
路５を介して、外部電源４から供給される電力により動
作し、伝送路５を介して、順番に上位機器３とデイジタ
ル信号で双方向の通信を行い、検出した物理量の送信、
制御値の受信などの処理を行う。上位通信機器２は、フ
イールド機器1a,1b,1cと上位機器３、外部電源４との間
に接続され、フイールド機器1a,1b,1cなどとデイジタル
信号で双方向の通信を行つている。また、ターミネータ
6a,6bは、直列に接続した抵抗とコンデンサで構成さ
れ、伝送路５の両端に接続される。

このターミネータは、伝送路５上に接続されるフイー
ルド機器の通信周波数帯域での入力インピーダンスと比
べて、かなり小さい値にすることにより、フイールド機
器の接続箇所、および接続台数などの条件による通信信
号への影響を小さく押さえている。

また、通信を行う送信回路（以下、ドライバと呼
ぶ。）の方式として、電圧ドライバと電流ドライバとが
あるが、その送信信号としてはターミネータの接続した
状態での送信電圧値で規定されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上述した従来技術にあつては、各フイールド
機器の受信信号レベルの範囲を規定するのみで、その範
囲内で検出できる異常について配慮されていなかった。
例えば、伝送路の両端のターミネータが共に外れた状態
になると、伝送路のインピーダンスが極端に増え、伝送
路上の全ての機器において受信する信号レベルが予め定
めた規定範囲を超えるため、何れの機器でも明らかに異
常（ターミネータが外れていること）を検出可能であ
る。

しかし、伝送路の両端に接続されたターミネータのど
ちらか一方が外れた状態では、両方外れた場合程ではな
いもののやはり伝送路のインピーダンスが増加し、信号
レベルが大きくなる。しかし、伝送路上の機器の位置に
よっては、受信信号レベルが予め定めた規定範囲内にな
ってしまい、伝送路に異常があること（ターミネータが
外れたこと）を検出することはできなかった、例えば、
ターミネータが片方外れた状態で、上位機器から送信さ
れた信号が最も距離のある位置に接続されているフィー
ルド機器で受信された場合、送信中に信号レベルが減衰
してしまうことから、送信した上位機器の近くに設置さ
れた機器では通常の規定範囲を超えた信号レベルとして
受信されるのに対して、最も距離のあるフィールド機器
が受信するときには規定範囲内の信号レベルになってし
まうことがある。この場合、このフィールド機器は、タ
ーミネータの何れかが外れているという異常状態を検出
することはできなかった。

また、ドライバ回路が電流ドライバである場合に、片
方のターミネータが外れているときに気づかず、そのま
ま放置したことにより遂には両方のターミネータが伝送
路から外れてしまったとき、フイールド機器からみた伝
送路のインピーダンスが極度に大きくなるため、過大な
電流を伝送路に流してしまい、伝送路に接続されている
他の機器に害を及ぼす可能性があるという問題について
も何の考慮もされていなかつた。

本発明は、フイールド機器が受信する信号レベルを検
出することにより、ターミネータが伝送路から外れたこ
となどの異常を認識し、さらに、その後に起こりうるシ
ステム全体に対する異常が発生することを未然に防ぐこ
とができるフイールド機器、および、フイールドバス・
システムを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するための本発明の特徴は、プラント
内の物理量の検出若しくは制御を行うフィールド機器、
複数の当該フィールド機器と通信を行う上位機器との間
を伝送路で接続することにより形成されるフィールドバ
ス・システムの前記フィールド機器において、前記伝送
路上の受信信号レベルを検知し、当該検知した受信信号
レベルから伝送路の異常を判断する手段と、異常と判断
された場合に伝送路上の他の機器へ異常状態を通知する
手段とを備えたことである。

また、プラント内の物理量の検出若しくは制御を行う
フィールド機器、複数の当該フィールド機器と通信を行
う上位機器との間を伝送路で接続することにより形成さ
れるフィールドバス・システムにおいて、前記伝送路に
接続されるフィールド機器及び上位機器の夫々は、前記
伝送路上の受信信号レベルを検知し、当該検知した受信
信号レベルから伝送路の異常を判断する手段と、異常と
判断された場合に伝送路上の他の機器へ異常状態を通知
する手段とを備えることである。

〔作用〕

本発明によるフイールド機器は、伝送路の任意の箇所
に直接接続されて通信を行うものである。そのため、フ
イールドバスに接続されるフイールド機器が送信する信
号の大きさは、一定であつても、そのドライバ回路の方
式、伝送路の長さ、および、接続形態などの条件によ
り、伝送路上の各箇所での信号の大きさは、異なつてい
て一様ではない。よつて、伝送路上のどちらか一方のタ
ーミネータが外れたときも、伝送路上での信号レベルは
大きくなる方向に変化するが、その変化は伝送路上の全
ての位置で一様でなく、受信する信号レベルが規定範囲
内である箇所もあれば、規定受信範囲外になる箇所もあ
り、それらは、前記条件によつて変わるものである。こ
のため、伝送路上に接続された、少なくとも１台のフイ
ールド機器が、その異常を検出して、その情報を通信に
より他のフイールド機器に知らせれば、各フイールド機
器は、前記条件に関係なく、異常を認識することができ
る。

特に、上位機器に、この異常情報が伝送されると、コ
ントロールルームのCRT画面などに、その異常をアラー
ムとして表示することができる。

それによつて、残りの片方のターミネータが外れて、
通信不能などの致命的なシステム異常状態になることを
避けることができる。

〔実施例〕

以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説明する。

第１図は、本発明を用いたフイールドバス・システム
の装置構成例である。

同図において、フイールド機器1a,1b,1cは、ディジタ
ル信号で双方向の通信を行なうものであり、各種プラン
トにおけるプロセスの圧力、温度、流量などの物理量を
検出してその値を送信したり、または、バルブなどの制
御量を受信したりするものである。フイールド機器1a,1
b,1cは、伝送路５を介して外部電源４から供給される電
力により動作し、伝送路５の任意の箇所に接続できる。
本実施例においては、フイールド機器1a,1b,1cがフイー
ルド側のジヤンクシヨン・ボツクス（中継箱）に接続し
た例を示すが、これは、他の、例えば伝送路５の中間か
らであつても問題ない。

上位機器３は、フイールド機器1a,1b,1c、上位通信機
器２などのフイールドバス対応機器と伝送路５を介し
て、デイジタル信号の通信を行い、フイールド機器の検
出した各種物理量（圧力、温度、流量など）を受信し、
また、プラントの制御情報として、バルブなどのフイー
ルド機器へ制御信号を送信している。

上位通信機器２は、伝送路５上の任意の場所に接続で
き、上位通信機器２内にあるデイスプレイやキーボード
を操作することにより、フイールド機器1a,1b,1cの出力
値のモニタ、調整などの処理を、伝送路５を介して通信
を行い実行する。

ターミネータ6a,6bは、直列に接続した抵抗とコンデ
ンサで構成され、伝送路５の両端に接続される。このタ
ーミネータは、伝送路５上に接続されるフイールド機器
の通信周波数帯域での入力インピーダンスと比べて、か
なり小さい値にすることにより、フイールド機器の接続
箇所、および接続台数などの条件による通信信号への影
響を小さく押さえている。

このため、伝送路からターミネータが外れた場合に、
フイールド機器からみた伝送路のインピーダンスが大き
くなり、各フイールド機器からの送信信号は、大きくな
る方向に変化する。ただし、フイールドバスに接続され
るフイールド機器が送信する信号の大きさは、一定であ
つても、そのドライバ回路の方式、伝送路の長さ、およ
び、接続形態などの条件により、伝送路上の各箇所での
信号の大きさは、異なつていて一様ではない。

伝送路上に接続されたフイールド機器1a,1b,1cおよ
び、上位機器３は接続信号を受信する際に、その信号の
大きさを検出し、異常であつた場合には他の機器に、伝
送路に異常があることを出力する。

次に、第２図を用いて、フイールド機器の動作につい
て、詳細に説明する。第２図において、DC−DCコンバー
タ107は伝送路を介して外部電源より加えられる電圧か
らフイールド機器１自身が動作するための電圧V_DDを作
りだし、定電流回路110は、フイールド機器１全体の消
費電流が一定になるように制御する。

複合センサ108の各出力はマルチプレクサ109へ入力さ
れるようになつている。

前記マルチプレクサ109には、I/Oインターフエイス10
6からの入力切換信号が入力され、その信号はA/D変換器
105に入力されるようになつている。さらにマイクロプ
ロセツサ101があり、このマイクロプロセツサ101は前記
A/D変換器105から順次、送り込まれる出力と、ROM103,R
AM102に格納されている種々の係数を用いて、補正演算
を行い、これにより真値を求め、RAM102にその値が格納
される。

フイールド機器１が通信を行う場合には、次の動作を
行う。送信動作は、最初に、マイクロプロセツサ101の
指令で、RAM102に格納されているデータなどを、送受信
回路104からシリアルのデイジタル信号列を出力する。
この信号は、変調回路112で変調された信号となり、ド
ライバ111に入力され、ドライバ111から伝送路へ通信信
号として出力される。ここで、変調方式としては、例え
ばデイジタル信号の“1",“0"に対応する２種類の周波
数で変調する周波数変調方式、および、ベースバンド信
号のマンチエスタ符号に変換する方式などがある。ま
た、ドライバビの方式としては、電圧信号で出力する方
式と電流信号で出力する方式とがある。

受信動作は、伝送路からの通信信号を復調回路113で
前記シリアルのデイジタル信号列で取り出し、送受信回
路104にデイジタル信号の“1"、“0"からなるデータと
して入力される。送信回路104に入力された信号は、マ
イクロプロセツサ101により、受信データとして取り出
される。

ここで、信号レベル検出回路114は、伝送路上の通信
信号を復調回路113が受信するのと同じ信号を受信し、
その信号の振幅から規定値より大きい場合に、異常があ
るものとして異常信号をI/Oインターフエイス106に出力
する。マイクロプロセツサ101は、I/Oインターフエイス
106を介して、異常があることを認識し、伝送路に異常
があることを通信信号として、他のフイールド機器、お
よび、上位機器へ向かつて送信する。

前記異常信号が出力されるケースとしては、過大なノ
イズが伝送路上に入り込んだケースと、伝送路の両端に
接続されたターミネータが外れたケースがある。

前者は、一過性のものがほとんどであるため、信号レ
ベル検出回路114で連続して異常が検出されたときの
み、異常信号を出力するようにすれば、後者のような本
質的な異常のみを異常として検出することができる。

前記ターミネータが伝送路から外れる場合において、
ターミネータは伝送路の両端に接続されており、同時に
両方のターミネータが外れることはほとんどなく、本発
明の構成であれば、片方のターミネータが外れた次点
で、フイールド機器、および、上位機器が異常を検出で
きる。この次点では、フイールドバス全体が通信不能に
なるのではなく、両方のターミネータが外れた次点で、
初めてフイールドバス全体が通信不能になる可能性がで
てくるので、一部の機器で異常を検出した場合は速やか
に伝送路上の全ての機器に伝えられる。

本実施例によれば、伝送路の異常を検出できるので、
その後に、フイールドバス全体が通信不能になるといつ
た致命的なシステム異常状態になることを、未然に防ぐ
ことができるという効果がある。

また、フイールド機器自身が送信する信号を受信し、
同様な異常検出を行えば、伝送路での信号の減衰がな
く、フイールド機器からみた、伝送路のインピーダンス
変化を、受信信号で正確に検出できる。このため、前記
伝送路の条件に関わりなく、異常が検出できるという効
果がある。

〔発明の効果〕

以上、説明したことから明らかなように、本発明によ
るフイールド機器をフイールドバス上に設置することに
より、即座に、通常の通信信号で伝送路の異常を検出で
き、また、その異常情報を通信信号として送信するの
で、システム的な異常になる前に異常対策が行えるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるフイールドバス・システムの一実
施例を示す装置構成図、第２図は本発明によるフイール
ド機器の一実施例を示すブロツク図である。 符号の説明 1,1a,1b,1c……フイールド機器、２……上位通信機器、
３……上位機器、４……外部電源、５……伝送路、6a,6
b……ターミネータ。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラント内の物理量の検出若しくは制御を
   行うフィールド機器、複数の当該フィールド機器と通信
   を行う上位機器との間を伝送路で接続することにより形
   成されるフィールドバス・システムの前記フィールド機
   器において、 前記伝送路上の受信信号レベルを検知し、当該検知した
   受信信号レベルから伝送路の異常を判断する手段と、異
   常と判断された場合に伝送路上の他の機器へ異常状態を
   通知する手段とを備えたことを特徴とするフイールド機
   器。
2. 【請求項２】プラント内の物理量の検出若しくは制御を
   行うフィールド機器、複数の当該フィールド機器と通信
   を行う上位機器との間を伝送路で接続することにより形
   成されるフィールドバス・システムにおいて、 前記伝送路に接続されるフィールド機器及び上位機器の
   夫々は、 前記伝送路上の受信信号レベルを検知し、当該検知した
   受信信号レベルから伝送路の異常を判断する手段と、異
   常と判断された場合に伝送路上の他の機器へ異常状態を
   通知する手段とを備えることを特徴とするフイールドバ
   ス・システム。
3. 【請求項３】請求項１記載のフイールド機器において、 前記異常を判断する手段は、予め定められた規定値と受
   信信号レベルを比較し、前記規定値より大きいことを識
   別することにより、伝送路の状態が異常であるとの判断
   を行うことを特徴とするフイールド機器。
4. 【請求項４】請求項２記載のフイールドバス・システム
   において、 前記異常を判断する手段は、予め定められた規定値と受
   信信号レベルを比較し、前記規定値より大きいことを識
   別することにより、伝送路の状態が異常であるとの判断
   を行うことを特徴とするフイールドバス・システム。
5. 【請求項５】請求項１記載のフイールド機器において、 自らの送信信号を受信する機能を備え、自らの送信信号
   で受信信号レベルの異常を検出するようにしたことを特
   徴とするフイールド機器。
6. 【請求項６】請求項２記載のフイールドバス・システム
   において、 自らの送信信号を受信する機能を備え、自らの送信信号
   で受信信号レベルの異常を検出するようにしたことを特
   徴とするフイールドバス・システム。