JP4058692B2 - 通信システムおよび通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐ノイズ性を向上させる通信システムおよび通信方法に関するものである。

プロセスオートメーション分野において、従来から二線式通信が行われている。この二線式通信を行うシステム・方法について図を参照しつつ説明する。図５は従来技術の二線式の通信システムの構成図、図６はデジタル通信データ構造の説明図である。二線式の通信システム１００は、図５で示すように、直流電圧発生部１０、通信線２０、発信器３０、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ：Hand Held Communicator）４０、負荷抵抗５０を備えている。通信線２０には、直流電圧発生部１０、発信器３０、ＨＨＣ４０、負荷抵抗５０が接続されている。

このような通信システムでは二種類の信号が通信される。
第一の信号は、発信器３０と図示しない制御システムとが通信するＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号（以下、単にアナログ電流信号という）である。発信器３０は、例えば、圧力・流量・液面レベル・温度などのプロセス計測を行い、この計測値であるアナログ電流信号を出力する（発信する）機器であり、工場内に多数配置されている。これら発信器３０は、ケーブル等である通信線２０を介して制御システム（図示せず）へアナログ電流信号を発信する。また、制御システム（図示せず）もアナログ電流信号を通信線２０を介して発信器３０へ発信する。

第二の信号は、ＨＨＣ４０と発信器３０とが通信する通信信号である。
この通信信号は、デジタルの通信データ（以下単に通信データという）を、ＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号に重畳して生成した信号である。
具体的には、発信器３０へ送信する通信データをＦＳＫ（周波数変調：Frequency Shift Keying）方式で変換して周波数変調信号を生成し、この周波数変調信号を、発信器３０が出力するＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号に重畳して生成した通信信号である。

ＨＨＣ４０から発信器３０へ通信信号を発信する場合、ＨＨＣ４０は、通信線２０上を流れるＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号に周波数変調信号を重畳して通信信号を出力し、発信器３０が通信信号を受信する。
発信器３０は、この通信信号から周波数変調信号を分離し、さらに通信データに変換する。発信器３０はこの通信データを解読し、例えば、発信器３０の測定レンジ・ダンピングなどの設定、変更およびゼロ／スパン調整という各種処理を実行する。このようにＨＨＣ４０により、発信器３０は遠隔地からリモート設定変更される。また、ＨＨＣ４０と発信器３０とでデータ通信等を行うことも可能である。

このような通信データのデータ構造は、例えば図６で示すように、機器アドレスが１バイト、コマンドが１バイト、データバイト数が１バイト、データが０〜ｎバイト、チェックコードが１バイトという構造を有している。

ここで機器アドレスのＭＳＢが１のときはＭＳ→ＳＬ通信（マスターからスレーブへの通信、つまり、ＨＨＣ４０から発信器３０への通信）であり、ＭＳＢが０のときはＳＬ→ＭＳ通信（スレーブからマスターへの通信、つまり、発信器３０からＨＨＣ４０への通信）である。
また、チェックコードは、機器アドレスとデータ（０〜ｎ）との各バイトの排他的論理和（ＸＯＲ）である。

通信時のポーリング動作は、送信側であるＨＨＣ４０が通信線２０に通信信号を発信し、発信器３０は通信信号を受信して通信データを取得解析し、自らの機器アドレスと一致しない場合は無視し、自らの機器アドレスと一致する場合は通信信号を受信し、コマンドやデータに基づいて各種処理を行い、発信器３０はＨＨＣ４０に返信する。なお、プロトコルに合致しない通信データの場合は受信側の発信器３０は初期化を行う。

なお、特に図示しないが、発信器以外にも、調節弁などのアクチュエータ機器も接続され、これらアクチュエータ機器の動作の制御を行うようなシステムとすることもできる。なお、ＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号を用いる二線式の通信システムでは、世界的に普及しているＨＡＲＴ（Highway addressable remote transducer）と呼ばれるプロトコルが採用されており、このＨＡＲＴについてはＨＣＦ(HART Communication Foundation)が組織されて標準化が進められている。
従来技術の二線式の通信システム・方法はこのようなものである。

また、ＨＨＣに係る他の従来技術として、例えば、特許文献１（発明の名称：フィールドバス用ハンドヘルドコミュニケータ）が知られている。
特許文献１のフィールドバス用ハンドヘルドコミュニケータは、赤外線通信を用いることで使い勝手を向上させるものである。

特開平１１−８８３８２号公報 （図１〜図４，段落番号０００７〜段落番号００２２）

このような二線式の通信システムは、先に説明したように工場内に設置されることが多い。工場内は通信に有害な電磁ノイズ等が多い場所である。ＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号はノイズに強く、発信器３０と図示しない制御システムとの間のアナログ電流信号は電磁ノイズに影響されることはない。しかしながら、発信器３０とＨＨＣ４０との通信では、通信線２０に重畳された通信信号が電磁ノイズに影響されて、受信側機器（発信器３０またはＨＨＣ４０）が通信データを読み出せずに通信エラーとなることがある。ポーリング方式では、ＨＨＣ４０から通信線２０上に発信しても発信器からの応答（＝返信）がなく通信異常となる。

電磁ノイズによって通信が阻害されるような場合、一般的には、以下に示す対策が取られることが多い。
（１）ノイズ発生源のノイズを抑制する。
（２）発信器３０と上位の制御システム（図示せず）とを接続する通信線２０が電磁ノイズの影響を受けないようにノイズ対策を施す。
（３）発信器３０にノイズフィルター等を付加して、電磁ノイズの影響を受けないようにノイズ対策を施す。

しかしながら、発信器３０の設置および配線工事がすでに実施されている場合、これら（１）〜（３）のノイズ対策が施せない場合がある。そこで、このような既設の二線式の通信システムに対して、比較的変更の自由度が高いＨＨＣ４０側で対策し、ＨＨＣ４０と発信器３０との間で耐ノイズ性を向上させたいという要請があった。
また、特許文献１の発明では赤外線を用いているが、途中に通信線が介在するようなときは電磁ノイズに影響されることもあり、同様に耐ノイズ性を向上させたいという要請があった。

この発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、通信方式を工夫することで通信限界を向上し、耐ノイズ性を高めるような通信システムおよび通信方法を提供することにある。

本発明の通信システムは、
機器アドレス、コマンド、データバイト数、データおよびチェックコードというデータを含むデータ構造の通信データを、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）と発信器との間で通信線を介して伝送する通信システムにおいて、
送信側機器は、
上記データ構造の通信データに含まれる複数のデータをプロトコルに不準拠のデータとして受信側機器の受信状態が初期化されるようにしたダミー通信データを重畳した通信信号を送信した後に通信データを重畳した通信信号を送信することを特徴とする。

また、本発明の通信システムでは、
機器アドレス、コマンド、データバイト数、データおよびチェックコードというデータを含むデータ構造の通信データを、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）と発信器との間で通信線を介して伝送する通信システムにおいて、
受信側機器は、
上記データ構造の通信データに含まれる複数のデータをプロトコルに不準拠のデータとして受信側機器の受信状態が初期化されるようにしたダミー通信データが重畳された通信信号を受信した後に分離取得したダミー通信データによりプロトコル不準拠を検出して受信状態を初期化し、通信信号を受信した後に分離取得した通信データに基づいて処理を行うことを特徴とする。

また、本発明の通信システムでは、
機器アドレス、コマンド、データバイト数、データおよびチェックコードというデータを含むデータ構造の通信データを、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）と発信器との間で通信線を介して伝送する通信システムにおいて、
上記データ構造の通信データに含まれる複数のデータをプロトコルに不準拠のデータとして受信側機器の受信状態が初期化されるようにしたダミー通信データを重畳した通信信号を送信する手段と、
通信信号を受信した後にダミー通信データを分離取得する手段と、
ダミー通信データによりプロトコル不準拠を検出して受信状態を初期化する手段と、
通信データを重畳した通信信号を送信する手段と、
通信信号を受信した後に通信データを分離取得する手段と、
通信データに基づいて処理を行う手段と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明の通信方法では、
機器アドレス、コマンド、データバイト数、データおよびチェックコードというデータを含むデータ構造の通信データを、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）と発信器との間で通信線を介して伝送する通信方法において、
送信側機器は上記データ構造の通信データに含まれる複数のデータをプロトコル不準拠のデータとして受信側機器の受信状態が初期化されるようにしたダミー通信データを重畳した通信信号を送信し、
受信側機器は通信信号を受信した後にダミー通信データを分離取得してプロトコル不準拠を検出して受信状態を初期化し、
その後に送信側機器は通信データを重畳した通信信号を送信し、
受信側機器は通信信号を受信した後に通信データを分離取得して通信データに基づいて処理を行うことを特徴とする。

以上のような本発明によれば、通信方式を工夫することで通信限界を向上し、耐ノイズ性を高めるような通信システムおよび通信方法を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本形態では通信方式を改良したものであり、具体的には送信前にダミー通信データを送信するものである。図１は通信方式を説明する説明図である。なお、通信システムのシステム構成やデータ構造については先に図５，図６を用いて説明した従来技術と同様であり、本形態の説明でも同じ図面・符号を用いて説明する。
本形態では、図５で示すように、送信側機器をＨＨＣ４０とし、また、受信側機器を発信器３０として説明する。

まず送信側機器であるＨＨＣ４０はダミー通信データを重畳して通信信号を生成する（図１の（１））。
ここにダミー通信データとは、プロトコルに合致せず、且つ発信器の受信状態が初期化されるようにしたデータである。例えばダミー通信データは以下のようなデータである。

機器アドレス＝７Ｆ（ＨＥＸ）
コマンド＝０１（ＨＥＸ）
データのバイト数＝００（ＨＥＸ）
チェックコード＝７Ｆ（ＨＥＸ）

ここでダミー通信データはＭＳ→ＳＬ時でのＭＳＢ＝１の不一致、機器アドレス不一致、チェックコードの不一致という三重の不一致により確実にプロトコルエラーとなるようなデータである。
このようなダミー通信データをＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号に重畳して通信信号を生成し、送信側機器となるＨＨＣ４０から送信する（図１の（２））。
受信側機器である発信器３０は通信信号を受信し（図１の（３））、通信信号から分離してダミー通信データを取得する（図１の（４））。

ここでダミー通信データはＭＳ→ＳＬ時でのＭＳＢ＝１の不一致、機器アドレス不一致、チェックコードの不一致という三重の不一致により確実にプロトコルエラーとなるようなデータであり、発信器３０が解読するとプロトコルエラーと判断して受信状態が初期化される（図１の（５））。

続いて送信側機器であるＨＨＣ４０は通信データを重畳して通信信号を生成する（図１の（６））。この通信データをＤＣ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号に重畳して通信信号を生成し、ＨＨＣ４０から送信する（図１の（７））。
受信側機器である発信器３０は通信信号を受信し（図１の（８））、通信信号から分離して通信データを取得する（図１の（９））。発信器３０が通信データを解読し各種処理を行う（図１の（１０））。そして、図示しないが発信器３０は返信データをＨＨＣ４０へ送信する。

このように、通信データ送信の前にダミー通信データを送信することにより、電磁ノイズの影響を受けたとしても通信データ送信前は通信不能状態から通信可能状態に復帰して確実に通信可能状態となっており、通信データを確実に送ることができる。

また、ダミー通信データの受信時に電磁ノイズの影響で誤受信するような場合でも、確実に初期化が可能である。例えば、上記のようなデータで発信器３０が電磁ノイズの影響で１バイト誤受信している場合、発信器３０の受信データは以下のようになる。

機器アドレス＝＊＊（ＨＥＸ）
コマンド＝７Ｆ（ＨＥＸ）
データのバイト数＝０１（ＨＥＸ）
データ＝００（ＨＥＸ）
チェックコード＝７Ｆ（ＨＥＸ）

この場合も、コマンド未サポートによる不適合、チェックコード不一致により確実にプロトコルエラーとなり、受信状態が初期化される。
以上説明したように、発信器３０が確実に初期化されて通信可能状態となって直ちに通信データを受信するので、通信データを確実に送受信でき、電磁ノイズの影響下でも通信できる。これは現状採用されているプロトコルを範囲内で行えるものであり、ＨＨＣ４０の送信形式を変更するだけで実施できる。

なお、送信側機器をＨＨＣ４０とし、また、受信側機器を発信器３０として説明したが、送信側機器を発信器３０とし、また、受信側機器をＨＨＣ４０としても良い。
また、図１で（５）受信側機器で受信状態が初期化された後に、送信側機器に初期化された旨の通信データを送信するようにしても良い。これら構成は適宜選択される。

なお、この通信システムは二線式に限定されるものではない。例えば、図２で示すように三線式の通信システムに適用可能である。この通信システム１００’では、端子Ｐ＋と端子Ｐ−に通信線２０が接続され、端子ＯＵＴと端子Ｐ−に負荷抵抗５０が接続されている。このような三線式の通信システム１００’でもＨＨＣ４０と発信器３０との通信で耐ノイズ性を向上させることができる。
また、図３で示すように四線式の通信システム１００”に適用することも可能である。この通信システム１００”では、電源端子に交流電圧発生部または直流電圧発生部６０が接続され、端子ＯＵＴ＋と端子ＯＵＴ−に負荷抵抗５０が接続されている。このような四線式の通信システム１００”でもＨＨＣ４０と発信器３０との通信で耐ノイズ性を向上させることができる。
これら通信システム１００’，１００”の場合も図１で示したような通信処理により耐ノイズ性を向上させることができる。このように多線式の通信システムに適用することが可能である。

続いて、このような通信システムにおける通常の通信データのみの場合と、ダミー送信データ付加した通信データを送信した場合と、における耐ノイズ試験データの比較について説明する。図４は、耐ノイズ試験データの特性図である。この図は、周波数とノイズレベルとを変化させ、ある周波数において通信できなくなるノイズレベルの大きさ（通信限界）を表したものである。この特性図によれば、周波数１ｋＨｚ以下の領域において、通信限界レベルが約２．６〜５．４倍ノイズに強くなっており、通信限界の向上が確認された。

以上説明したシステムおよび方法では、
（１）ダミー通信データを混在させることで、発信器の通信を初期化し、本来の通信時に発信器が確実に通信可能となって通信データが確実に到達する。
（２）また、プロトコルエラーが確実に発生するように多数箇所でデータがプロトコルに準拠しないデータとしたので、ある箇所でデータの抜けなどがあっても、他の箇所でプロトコルエラーが起こり、確実に初期化できる。

通信方式を説明する説明図である。 三線式の通信システムの構成図である。 四線式の通信システムの構成図である。 耐ノイズ試験データの特性図である。 従来技術の二線式の通信システムの構成図である。 デジタル通信データ構造の説明図である。

符号の説明

１００，１００’，１００”：通信システム
１０：直流電圧発生部
２０：通信線
３０：発信器
４０：ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）
５０：負荷抵抗
６０：交流電圧発生部または直流電圧発生部

Claims (4)

1. 機器アドレス、コマンド、データバイト数、データおよびチェックコードというデータを含むデータ構造の通信データを、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）と発信器との間で通信線を介して伝送する通信システムにおいて、
   送信側機器は、
   上記データ構造の通信データに含まれる複数のデータをプロトコルに不準拠のデータとして受信側機器の受信状態が初期化されるようにしたダミー通信データを重畳した通信信号を送信した後に通信データを重畳した通信信号を送信することを特徴とする通信システム。
2. 機器アドレス、コマンド、データバイト数、データおよびチェックコードというデータを含むデータ構造の通信データを、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）と発信器との間で通信線を介して伝送する通信システムにおいて、
   受信側機器は、
   上記データ構造の通信データに含まれる複数のデータをプロトコルに不準拠のデータとして受信側機器の受信状態が初期化されるようにしたダミー通信データが重畳された通信信号を受信した後に分離取得したダミー通信データによりプロトコル不準拠を検出して受信状態を初期化し、通信信号を受信した後に分離取得した通信データに基づいて処理を行うことを特徴とする通信システム。
3. 機器アドレス、コマンド、データバイト数、データおよびチェックコードというデータを含むデータ構造の通信データを、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）と発信器との間で通信線を介して伝送する通信システムにおいて、
   上記データ構造の通信データに含まれる複数のデータをプロトコルに不準拠のデータとして受信側機器の受信状態が初期化されるようにしたダミー通信データを重畳した通信信号を送信する手段と、
   通信信号を受信した後にダミー通信データを分離取得する手段と、
   ダミー通信データによりプロトコル不準拠を検出して受信状態を初期化する手段と、
   通信データを重畳した通信信号を送信する手段と、
   通信信号を受信した後に通信データを分離取得する手段と、
   通信データに基づいて処理を行う手段と、
   を備えることを特徴とする通信システム。
4. 機器アドレス、コマンド、データバイト数、データおよびチェックコードというデータを含むデータ構造の通信データを、ＨＨＣ（ハンドヘルドコミュニケータ）と発信器との間で通信線を介して伝送する通信方法において、
   送信側機器は上記データ構造の通信データに含まれる複数のデータをプロトコル不準拠のデータとして受信側機器の受信状態が初期化されるようにしたダミー通信データを重畳した通信信号を送信し、
   受信側機器は通信信号を受信した後にダミー通信データを分離取得してプロトコル不準拠を検出して受信状態を初期化し、
   その後に送信側機器は通信データを重畳した通信信号を送信し、
   受信側機器は通信信号を受信した後に通信データを分離取得して通信データに基づいて処理を行うことを特徴とする通信方法。

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