JP4597154B2 - プロセス制御システムにおける冗長装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プロセス制御ネットワークに関するものであって、特にプロセス制御ネットワークにおける冗長装置を実現する方法と装置に関する。
化学製品や石油などの製造や精製といった大規模なプロセスには、そのプロセス中のパラメータを測定および制御するために複数のフィールド装置が随所に配置されており、それによりプロセス制御が行われている。前記のフィールド装置の例として、温度、圧力、流量検知用の各センサー、バルブやスイッチなどの制御機器類がある。
過去においては、プロセス制御業界では、プロセス内で測定を行いフィールド装置を制御するため、手動による圧力計レベルの読取やバルブハンドルの回転などの手動操作を採用してきた。２０世紀になって、プロセス制御業界ではローカル空圧制御を利用し始め、ローカル空圧制御器、発信器、バルブ位置決め装置などをプロセス現場の様々な位置に配備して、それら位置での制御を行ってきた。しかしながら、１９７０年代にマイクロプロセッサーを基盤とした分散型制御システム（ＤＣＳ）が登場して以来、分散処理制御システムが広く普及することになる。
周知のように、ＤＣＳには、電子センサー、発信器、電流／圧力変換器、バルブ位置決め装置といった、プログラム全体に配備された複数の電子モニター制御機器と接続している、プログラム可能な論理制御装置などの、アナログ方式、あるいは、デジタル方式のコンピュータが備わっている。このＤＣＳコンピュータでは、集中型で一般的に複雑な制御手順が格納されており、その手順実行して、プロセス内の各装置を測定および制御することで、全体的な制御手順に従ったプロセスパラメータを管理している。しかしながら、通常ＤＣＳで実行される前記の制御手順は、ＤＣＳ制御装置の製造業者ごとに異なることから、ＤＣＳの拡張、アップグレード、再プログラム化が非常に難しく、高額なコストが必要となる。また、上記を実行するにはＤＣＳのプロバイダーと一体となった作業も必要になる。さらに、各ＤＣＳ制御装置が固有の特性を備え、かつ、ＤＣＳプロバイダーが別の業者により製造された装置やその機能に常に対応しきれないことから、ある特定のＤＣＳに使用、つまり、接続できる機器は限定されてしまうのである。
特定のＤＣＳ使用に関するいくつかの問題点を解消するために、プロセス制御業界は、異なる製造者によるフィールド装置でも、同じプロセス制御ネットワーク内で使用可能にするための、多くの標準公開式の通信プロトコルを開発してきた。その例としては、ＨＡＲＴ（登録商標）、ＰＲＯＦＩＢＵＳ（登録商標）、ＷＯＲＬＤＦＩＰ（登録商標）、ＬＯＮＷＯＲＫＳ（登録商標）、Ｄｅｖｉｃｅ−Ｎｅｔ（登録商標）、およびＣＡＮなどのプロトコルが挙げられる。実際には、前記のいずれかのプロトコルに対応するフィールド装置であれば、通信処理に使用可能であり、そのプロトコルを支持するＤＣＳコントローラかその他の制御装置で制御できる。この場合、前記のフィールド装置は、前記のＤＣＳコントローラの製造元と異なる業者で製造されたものでも構わない。
さらに現在では、プロセス制御業界において、プロセス制御を分散化し、ＤＣＳコントローラを簡易化、つまり、ＤＣＳコントローラの必要性を排除しようとする傾向がある。そのような制御分散は、バルブの位置決め装置や発信器などのプロセス制御装置に１つ以上のプロセス制御機能をもたせて、別の制御機能を実行するさいその制御装置で利用できるよう、バス経由でデータを送信することにより実現できる。その分散制御機能を実現するには、各プロセス制御装置に、標準公開式の通信プロトコルを使用して他のプロセス制御装置と通信接続すると同時に、１つ以上の制御機能を実行できるようなマイクロプロセッサを搭載する必要がある。この方法で、異なるメーカーで製造されたフィールド装置を、プロセス制御機能においてそれぞれ相互接続させ、１つ以上のプロセス制御機能を実行させることで、ＤＣＳコントローラを介在させずに制御ループを構築することが可能である。Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ社から発表されたＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（商標）フィールドバス（以降「フィールドバス」という）で代表される全デジタル、２線バス方式のプロトコルは、異なるメーカーで製造されたフィールド装置を標準バスを介して相互運用させて、プロセス内の分散型制御を実現させることのできる開放型通信プロトコルの一例である。
前記のバスには、コントローラなどのブリッジ装置で分離された複数の異なるセクション、つまり、セグメントが含まれている。各セグメントは、バスに接続する装置のサブセット部に相互接続しており、プロセス制御のための装置間における通信を可能とする。前記のコントローラはセグメント上の装置と、入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置を介して通信する。このＩ／Ｏ装置は、そのプロセス制御ネットワーク内で使用される通信プロトコルを実行させ、セグメント上のコントローラと装置の間の通信を制御する。前記のＩ／Ｏ装置は、セグメント上のコントローラと装置間の通信を促進させるが、あるセグメントのＩ／Ｏ装置の動作が何らかの理由で停止した場合、少なくともそのセグメント上の装置のプロセス制御は停止される。
前記のＩ／Ｏ装置の動作停止とプロセス制御処理の中断による衝撃は、前記のＩ／Ｏ装置の動作を引き継がせるための、セグメントに接続したバックアップＩ／Ｏ装置を装備することにより軽減される。しかしながら、動作が停止したＩ／Ｏ装置からバックアップＩ／Ｏ装置への動作移行には継ぎ目が生じるため、やはりプロセス制御も途切れてしてしまう。既存のバックアップＩ／Ｏ装置は、第１のＩ／Ｏ装置に保存された処理変数の現在値、機能ソフトウェア、セグメントの装置に関する通信スケジュールなどの最新情報を更新できない。また、いくつかの実施例では、前記のバックアップＩ／Ｏ装置は、第１のＩ／Ｏ装置の動作が停止した場合でも、自動的にその制御動作を引き継がないため、ユーザがそのバックアップ装置のプロセス制御動作を実行させるまでの間、処理に遅れが生じてしまう。さらに、いくつかのフィールドバスプロトコルのような通信プロトコルでは、前記のフィールド装置が特に第１のＩ／Ｏ装置と通信するように構成されているため、バックアップ装置がセグメント上の通信を引き継ぐ前に、先ずそのバックアップ装置と通信するように再構成する必要がある。そのため、プロセス制御ネットワークにおける予備のバスＩ／Ｏ装置装置として、プロセス制御ネットワークのプロセス制御動作を阻害しないよう継ぎ目なく、なだらかに、停止したＩ／Ｏ装置の動作を引き継げるようなバックアップ装置が必要とされるのである。
本発明は、分散制御機能をもつ形式などのプロセス制御ネットワーク内で冗長装置を実行する方法および装置に関するものである。本発明の方法および装置は、互いに並列に、かつ、制御器とフィールド装置の間の直列に、バスの一部に通信可能に接続された、予備Ｉ／Ｏ装置などの、一対の冗長装置を利用する。冗長装置には、冗長装置の一方の固有アドレスでもある、前記バス経由での通信に利用する仮想発行アドレスが割り当てられている。絶えず、一対の冗長装置の一方がアクティブモードで動作して、プロセス制御ネットワークのフィールド装置と通信を行い、他方の冗長装置は、バックアップモードで動作するため、冗長装置はフィールド装置との通信接続を維持でき、それら装置からの冗長装置向けのメッセージを受信するが、冗長装置がアクティブモードに変更されないかぎり、他装置からのメッセージに応答しない。冗長装置の両方とも、仮想発行アドレスを使ってバス経由でメッセージを送信できるため、メッセージは同じものであって、どちらの冗長装置がアクティブとかに関係なく、フィールド装置にて入力および処理できる。前記の冗長装置は、アクティブ装置が動作不能である、あるいは、動作不能になりつつあることを検知できるよう構成されており、バックアップ装置が自動的にアクティブモードに変換して、制御装置やフィールド装置と通信を行えるのである。
通信中に仮想発行アドレスを使用することにより、冗長装置は、物理的装置の１つがサービスを中断してしまった場合でも、他の装置からは、連続して通信を行える仮想装置として認識される。冗長装置の両方とも、仮想発行アドレスを使ってメッセージを発信できるので、フィールド装置は、バックアップ装置がアクティブ装置に代わった場合に、バックアップモードの冗長装置でメッセージが受信できるようプログラムしておく必要がない。それゆえ、アクティブモードの冗長装置がサービス動作不能になった場合の、プロセス制御や通信の中断を最小限、あるいは、解消することができる。
本発明の特徴の１つとして、冗長装置を含む各装置が、バス経由で発信すべきメッセージを格納する発行バッファと、他の装置からのメッセージを保存するための予約バッファとを備えている。バックアップモードで動作している冗長装置は、他の装置からの仮想装置用のメッセージを予約バッファに入力する。さらに、バックアップモードの冗長装置は、アクティブモードの冗長装置からのメッセージをバス経由で受信し、その発行バッファ内に保存する。このようにメッセージを処理および保存することにより、バックアップモードの冗長装置は、現在の情報でバックアップモードの冗長装置を再プログラム化するため、ユーザやシステムの仲介なく、直ちにアクティブモードの冗長装置として変換するのに必要な現在情報を入手できるのである。
本発明の別の特徴として、冗長装置は、バスおよび相互の物理的接続から、冗長装置の片方であることを検知できる。一例として、冗長装置は、バス外部の通信リンクにより通信可能に相互接続される。冗長装置は、状態情報、プロセスデータ、アラームメッセージなどを通信リンク経由で交換することも可能である。別の例として、冗長装置は、接続端子やスロット、または、冗長装置が接続される接続端子やスロットの形成を検知できるよう構成しても構わない。その結果、一対の冗長装置の片方であると判断したり、アクティブモードあるいはバックアップモードの冗長装置であると判断できるのである。そのような構成のため、動作不能の冗長装置は、一対の冗長装置の片方として動作できるよう冗長装置を再構成する必要なく、仮想装置として動作することができる。
さらに別の本発明の特徴として、ユーザインターフェイスや画像ディスプレイをもつホスト装置などのシステム内の他の装置も、冗長装置やそれに接続された装置の接続端子やスロットの形成を検知できるよう構成しても構わない。検知した後、ホスト装置は、冗長装置の存在、冗長装置のそれぞれの動作モード、冗長装置の動作状態などを示すデータ情報を画像ディスプレイに表示するのである。
本発明の特徴と利便性は、下記における、図面とその説明に関する好適な実施例の詳細な説明から、当業者にとっては明白となろう。
本発明の冗長装置について、フィールドバス装置を採用した分散型プロセス制御機能を実現するプロセス制御ネットワークを使用して、以下に詳細に説明していくが、本発明による冗長装置は、その他のフィールド装置や、２線式バス以外の方式、アナログ通信のみに対応、または、アナログとデジタル通信の両方対応のプロトコルなどの通信プロトコルを採用した、分散型制御機能を実現するプロセス制御ネットワークに使用することも可能であることを特記しておく。つまり、本発明の冗長装置は、分散型制御機能を実行するプロセス制御ネットワークであれば、例えばＨＡＲＴ、ＰＲＯＦＩＢＵＳや、既存の、あるいは、将来開発されるであろう通信プロトコルを使用したプロセス制御ネットワークであってもどれにでも応用することができるのである。さらに、本発明による冗長装置を、ＨＡＲＴネットワークなどの分散型制御機能を実行しない標準的なプロセス制御ネットワークに使用することも可能であり、バルブ、位置決め装置、発信器など所望のプロセス制御装置に使用することもできる。
本発明による冗長装置について詳しく説明する前に、フィールドバスプロトコル、このプロトコルに対応するフィールド装置、および、このプロトコルを使ったプロセス制御ネットワークで生じる通信について大まかに説明する。しかしながら、前記のフィールドバスプロトコルは、プロセス制御ネットワーク用に開発された比較的新しい全デジタル式通信プロトコルであって、既に当業者にとっては周知のものであり、テキサス州オースティンの非営利団体のＦｉｅｌｄｂｕｓ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎにより発行された様々な記事、雑誌、専門誌、などに詳しく紹介されている。特に、フィールドバスプロトコルと、このプロトコルを使用した装置内へのデータ保存方法や通信方式については、Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ発行の「通信技術仕様とユーザレイヤー技術仕様」と題するマニュアルに詳細に説明してあり、このマニュアル全文は参照のため本明細書に付随してある。
前記のフィールドバスプロトコルは、全デジタル、シリアル、２線通信方式プロトコルであって、装置、工場、プラントなどのプロセス制御環境に配置されるセンサー、アクチュエータ、コントローラ、バルブなどの「フィールド」機器と相互接続させるための、２線式ループ、または、２線式バスとの標準的なインターフェイスを提供する。前記のフィールドバスプロトコルにより、プロセス機能におけるフィールド機器（フィールド装置）のローカルエリアネットワークが構築され、その結果、フィールド装置はプロセス内の各配置場所で制御機能を実行させ、全体的な制御ストラテジを実施できるよう、制御機能の実行の前後に、それぞれの装置が相互に通信させることが可能なのである。前記のフィールドバスプロトコルにより、各制御機能がプロセス制御ネットワーク全体に分散されるので、ＤＳＣに通常採用される集中型のプロセスコントローラの煩雑性を低減、あるいは、その必要性を完全に排除することができる。
図１に示すフィールドバスプロトコルを使用したプロセス制御ネットワーク１０は、プログラム論理コントローラ（ＰＬＣ）１３、複数のコントローラ１４、別のホストコンピュータ１５、一組のフィールド装置１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０，３２に、２線式フィールドバスループであるバス３４を経由して接続したホストコンピュータ１２を備えている。前記のネットワーク１０は、さらに、バス３４を絶えず検波し、ネットワーク１０の機能状態を評価するための通信と特性に関するデータ情報を蓄積するようなバスモニター３５などの装置も備えている。このバス３４には、コントローラであるブリッジ装置３０と３２で分離された異なるセクション、つまり、セグメント３４ａ，３４ｂ，３４ｃがある。セクション３４ａ，３４ｂ，３４ｃはそれぞれ、バス３４に結合する装置のサブセットと相互接続しているので、以下に説明する方法により装置間の通信が可能となる。なお、図１に示すネットワークは一例であって、当然、前記のフィールドバスプロトコルを使用するプロセス制御ネットワークの構造は多種多様である。一般的に、前記の装置（それぞれに、通信可能でいくつかの制御機能も備えたマイクロプロセッサが搭載された「スマート」装置）のうちの１つ、例えば、ホスト１２には、各装置のセットアップや構成を実行する設定装置が装備されている。また、新規のフィールド装置がバス３４に接続されたり、バス３４からフィールド装置が排除されたり、フィールド装置１６から３２で作成されたデータを受信したり、ホスト１２か、ホスト１２に何らかの方法で接続するその他の装置に配置された１つ以上のユーザ端子とインターフェイスする場合、前記の設定装置により認識できる。
前記のバス３４は、２線式で全デジタル法式の通信を支持、つまり可能とし、そこに接続するいずれか、または、全ての装置への電力信号の供給も可能にする。別の方法として、前記の装置１２〜３２のいずれか、または、全てに、個別の電源を装備するか、あるいは、別の配線（図示しない）を経由して外部の電源に接続することもできる。図１には、前記の装置１２〜３２が標準バス方式でバス３４と接続した状態で示してあるが、バスセグメント３４ａ，３４ｂ，３４ｃを構成する一対の配線には、複数の装置が接続されており、フィールドバスプロトコルにより、ポイントツーポイント接続をふくむ装置／配線トポロジーが可能となり、各装置は別の（４−２０ｍＡ規格のアナログＤＣＳＤシステムに似た）２線式配線や、ツリーつまり「スパー」接続などを介してコントローラやホストと接続され、プロセス制御ネットワーク内のフィールド装置の１つの接続箱つまり端末域である２線バスの共通地点に接続されるのである。
前記のフィールドバスプロトコルに従った同様または異なる通信ボー速度にて、前記の異なるバスセグメント３４ａ，３４ｂ，３４ｃ経由でデータ送信がなされる。たとえば、前記のフィールドバスプロトコルが、毎秒31.25キロビットの通信速度（Ｈ１）であれば、図１に示すようなバスセグメント３４ｂと３４ｃを使用し、より高い通信速度（Ｈ２）であれば、通常高性能のプロセス制御装置、遠隔入力／出力装置、高速工場オートメーション用アプリケーションを、図１のバスセグメント３４ａに図示するように採用する。同様に、電圧モード信号や電流モード信号を用いたフィールドバスプロトコルに従って、データをバスセグメント３４ａ，３４ｂ，３４ｃ上に送信することもできる。バス３４の各セグメントの長さは厳密に限定されるものではないが、各セクションにおける通信速度、ケーブルの種類、配線幅、バス電力の選択などにより決定できる。
前記のフィールドバスプロトコルでは、バス３４に接続可能な装置を、主に基本装置、リンク主装置、ブリッジ装置という３つのカテゴリに分類する。基本装置（図１の装置１８，２０，２４，２８など）は、通信、つまり、バス３４を介して通信信号の送受信を行うが、バス３４に発行する通信のタイミングや命令を制御することはできない。リンク主装置（図１のホスト１２と同様の装置１６，２２，２６など）は、バス３４における通信装置であり、バス３４上の通信信号のタイミングや伝送を制御する。ブリッジ装置（図１の装置３０と３２など）は、より広域なプロセス制御ネットワークを実現するように、フィールドバスのバスの各支線、つまり、セグメントを相互接続して通信を行うような構造を有する装置である。ブリッジ装置は、任意で、異なるデータ速度及び／又は、バス３４の異なるセグメントで使用される異なるデータ信号形式に変換することができる。また、バス３４のセグメント間を伝送する信号を増幅させたり、バス３４の異なるセグメント間の信号をフィルター処理し、ブリッジ装置が接続したバスセグメントあての信号のみを転送、及び／又は、バス３４の異なるセグメントにリンク接続させるのに必要なその他の処理を実行することもできる。バスセグメントに接続し、異なる速度で動作するブリッジ装置は、ブリッジの低速セグメントにおいて主機能にリンクする必要がある。ホストコンピュータ１２と１５、ＰＬＣ１３、コントローラ１４は、どの種類のフィールドバスを経由しても構わないが、通常、主装置にリンク接続している。
前記の装置１２〜３２は、バス３４を経由してそれぞれ相互に通信可能であり、バス３４の通信信号を介して各装置で入手したプロセス、または、別の装置からのデータを使用して、個別に１つ以上のプロセス制御機能を実行することができる。つまり、フィールドバス装置は、過去においてはＤＣＳの集中型でデジタル方式のコントローラが処理していた総合的な制御ストラテジを、部分的に直接実行することが可能なのである。この制御機能を実行するために、各フィールドバス装置には、１つ以上の標準型「ブロック」を備えたマイクロプロセッサが内蔵されている。特に、各フィールドバス装置は、リソースブロックを１つ備えており、ゼロ以上の機能ブロックと変換ブロックが備わっている。これらのブロックは、ブロックオブジェクトと呼ばれる。
フィールドバス装置のいくつかの特性に関する特定データは、リソースブロックで保存され、そこから伝送される。前記の特定データには、装置の機種、装置の修正指示、装置の記憶装置内におけるその他の装置の特定データの保存場所を示す情報が含まれている。しかしながら、異なるメーカーで製造されたフィールド装置のリソースブロックには異なる種類のデータを保存することもあるので、フィールドバスプロトコルに適応する各フィールド装置には、複数のデータを保存するためのリソースブロックが備わっている。
機能ブロックにより、入力機能、出力機能、フィールド装置に関する制御機能が定義かつ実行されるので、これらの機能ブロックは通常、入力機能ブロック、出力機能ブロック、制御機能ブロックと呼ばれる。しかしながら、これ以外のハイブリッド機能などの機能ブロックも存在し、また、さらに将来開発される可能性がある。各入力と出力機能ブロックは、少なくとも１つのプロセス制御入力値（プロセス測定装置からのプロセス変数など）、又はプロセス制御出力値（始動装置へ送信するバルブ位置など）を生成し、各制御機能ブロックは（それぞれ固有の）アルゴリズムを使用して、１つ以上のプロセス入力と制御入力から１つ以上のプロセス出力値を生成する。基本的な機能ブロックの例としては、アナログ入力（ＡＩ）、アナログ出力（ＡＯ）、バイアス（Ｂ）、制御セレクタ（ＣＳ）、離散入力（ＤＩ）、離散出力（ＤＯ）、手動ローダー（ＭＬ）、比例／微分（ＰＤ）、比例／積分／微分（ＰＩＤ）、比率（ＲＡ）、信号セレクタ（ＳＳ）などの機能ブロックが挙げられる。しかしながら、フィールドバス環境において、上記以外の種類の機能ブロックも存在し、また、新規の機能ブロックを定義、つまり、生成することが可能である。
変換ブロックは、機能ブロックが現場のセンサーの出力値の読取りと、バルブ部の作動といった１つ以上の機能実行指令を現場装置へ発信できるように、機能ブロックの入力部と出力部に接続されており、センサーや装置アクチュエータなど現場のハードウェア装置にも繋がっている。変換ブロックは、通常、現場における装置の種類識別情報や現場装置に関する校正情報などと、現場装置から配信される信号を翻訳したり、現場のハードウェア機器を適正に制御するのに必要なデータ情報を保有している。各入力機能ブロック、または、出力機能ブロックには、通常１つの変換ブロックが連結している。
前記のほとんどの機能ブロックは、予め設定された基準に基づいてアラームや事象表示を発生することができ、モードによって異なる動作の実行が可能である。基本的に、機能ブロックは自動的に動作するが、オペレータモードでは、例えば、機能ブロックの入力や出力が手動で制御される。また、処理停止モードでは、前記のブロックは作動せず、カスケードモードでは、前記のブロック動作は別のブロック出力の影響を受ける（で決定される）。さらに、1つ以上の遠隔モードでは、リモートコンピュータにより前記ブロックのモードが決定される。しかしながら、フィールドバスプロトコルにおいては、上記した以外のオペレーションモードも存在する。
重要な特徴として、前記の各ブロックは、フィールドバスプロトコルにより定義された標準メッセージフォーマットを使用するフィールドバス３４を経由して、同じか又は異なるフィールド装置内の別のブロックとの通信が可能である。その結果、（同じ又は異なる装置における）機能ブロックの連結体も互いに通信できるので、１つ以上の分散型プロトコルループが形成される。つまり、あるフィールド装置内のＰＩＤ機能ブロックが、バス３４を経由して第２フィールド装置のＡＩ機能ブロックと繋がっているので、その出力を受信し、かつ、第３フィールド装置へデータを伝送し、さらに、フィードバックとしてＡＯ機能ブロックの出力を受信して、ＤＣＳコントローラとは別のプロセス制御ループを形成できるのである。この方法では、機能ブロックの連結体により、集中型ＤＣＳ環境から制御機能が排除される。その結果、ＤＣＳマルチ機能コントローラは監視、または、同様の機能を実行するか、あるいは、すべて削除される。さらに、一貫した通信プロトコルを使用する複数の機能ブロックでは、プロセスの形成を簡単にするための図式のブロック式構造を備え、製造元の異なるフィールド装置への機能分散が可能となる。
ここで触れたブロックオブジェクトとは、フィールドバスプロトコルの関連から「機能ブロック」を指すが、通常当業者には明らかなように、その他の通信プロトコルを使用すプロセス制御ネットワークにも、前記の機能ブロックと同様のプロセス機能モジュールが備わっている。つまり、以下の解説に使用する実施例は、フィールドバスプロトコルに焦点を当てたものであるが、本発明はそれ以外の通信プロトコルを使用するネットワークにも応用可能であって、その範囲がフィールドバスプロトコルを使ったプロセス制御ネットワークだけに限定されるものではないのである。
前記のブロックオブジェクトの構造と処理機能に加えて、各フィールド装置には、リンクオブジェクト、トレンドオブジェクト、アラートオブジェクト、ビューオブジェクトなどの１つ以上のオブジェクトが含まれている。リンクオブジェクトとは、（機能ブロックなどの）入力ブロックと出力ブロック間におけるフィールド装置との内部リンクと、フィールドバスのバス３４を経由したリンクの両方を定義するものである。
トレンドオブジェクトにより、図１のホスト１２やコントローラ１４などの別の装置によるアクセスのための機能ブロックパラメータのローカルトレンド化を行う。このトレンドオブジェクトは、機能ブロックパラメータなどに関する過去の短期間のデータを保持し、そのデータをバス３４を介して、別の装置や機能ブロックへ非同期的に伝達する。アラートオブジェクトは、バス３４を経由して、アラームや事象を伝達する。このアラームや事象は、装置内や装置内の１つのブロックにおける事象に関するものである。ビューオブジェクトは、標準的な人間／機械のインターフェイスで使用するブロックパラメータの設定された集合体であり、定期的のモニターのために別の装置へ伝送される。
図２には、例として、図１のフィールド装置１６〜２８のいずれかのうち１つのフィールド装置を、３つのリソースブロック４８と、３つの機能ブロック５０，５１，５２と、２つの変換ブロック５３と５４を備えた構成を用いて示している。機能ブロック５０のうちの１つ（例えば、入力機能ブロック）は、変換ブロック５３を介して、温度センサー、ポイント設定指示センサーなどのセンサー５５と接続している。第２機能ブロック５１（例えば、出力機能ブロック）は、変換ブロック５４を介して、バルブ５６出力装置と接続している。第３機能ブロック５２（例えば、制御機能ブロック）は、機能ブロック５２の入力パラメータをトレンド化するためのトレンドオブジェクト５７を備えている。
リンクオブジェクト５８は、それぞれ関連するブロックのブロックパラメータを定義し、アラートオブジェクト５９は、各関連ブロックへのアラームや事象指示を作成する。ビューオブジェクト６０は、各機能ブロック５０，５１，５２に関連しており、関連する機能ブロックのためのデータリストを含む、つまり、集合化する。これらのリストには、定義された異なるビユーそれぞれに必要な情報が含まれている。図２に示す構造は、一実施例にすぎないのであって、あらゆるフィールド装置においては、当然、多種多様なブロックオブジェクト、リンクオブジェクト、アラートオブジェクト、トレンドオブジェクト、ビューオブジェクトが可能である。
図３は、プロセス制御ネットワーク１０のブロック図である。ここには、位置決め／バルブ装置である装置１６，１８，２４、変換装置２０，２２，２８、位置決め／バルブ装置、変換機２０、ブリッジ装置３０に関する機能ブロックが図示されている。図３に示すように、前記の位置決め／バルブ１６には、リソース（ＲＳＣ）ブロック６１、変換機（ＸＤＲ）ブロック６２、複数のアナログ出力（ＡＯ）機能ブロック６３，２つのＰＩＤ機能ブロック６４，６５、信号選択（ＳＳ）機能ブロック６９が備わっている。前記の発信器２０には、リソースブロック６１、アナログ入力（ＡＩ）機能ブロック６６，６７が備わっている。また、ブリッジ装置３０には、リソースブロック６１とＰＩＤ機能ブロック６８が備わっている。
簡単に理解できるように、図３の異なる機能ブロックは、前記の位置決め／バルブ１６、発信器２０、ブリッジ装置３０が位置する複数の制御ループ内で、（バス３４を介して通信することで）同時に動作することも可能である。前記の制御ループは、前記の機能ブロックに接続するループブロックを用いて図３に示してある。図３に示すように、前記の位置決め／バルブ１６のＡＯ機能ブロック６３とＰＩＤ機能ブロック６４と、発信器２０のＡＩ機能ブロック６６は、ＬＯＯＰ１で示す制御ループ内で接続しており、前記の位置決め／バルブ１６のＳＳ機能ブロック６９、発信器２０のＡＩ機能ブロック６７、ブリッジ装置３０のＰＩＤ機能ブロック６８は、ＬＯＯＰ３で示す制御ループにおいて接続している。
前記の相互接続した機能ブロックにより構成された図３の制御ループ、ＬＯＯＰ１について、さらに詳しく図４に示す。図４から明らかなように、制御ループであるＬＯＯＰ１は、前記の位置決め／バルブ１６のＡＯ機能ブロック６３とＰＩＤ機能ブロック６４間の通信リンクと、発信器２０のＡＩ機能ブロック６６（図３）とにより全体が構成されている。図４に示す制御ループ図では、機能ブロックのプロセス制御の入力部や出力部に接続されたラインを使った、機能ブロック間の相互通信を図示してある。つまり、プロセス測定部や、プロセスパラメータ信号から成るＡＩ機能ブロック６６の出力部は、バスセグメント３４ｂを介して、ＡＯ機能ブロック６３の入力部と通信可能に接続した制御信号の出力部を備えたＰＩＤ機能ブロック６４の入力部とも通信可能に接続しているのである。ＡＯ機能ブロック６３は、バルブ１６の位置などを示すフィードバック信号から成り、ＰＩＤ機能ブロック６４の制御入力部に接続する。ＰＩＤ機能ブロック６４は、このフィードバック信号と、ＡＩ機能ブロック６６からのプロセス測定信号とを使用して、ＡＯ機能ブロック６３を適正に制御するのである。当然、ＡＯとＰＩＤ機能ブロック６３，６４や、機能ブロックが（前記の位置決め／バルブ１６など）同じフィールド装置内にある場合は、図４の制御ループにおいて実線で示したような接続が、フィールド装置内で実行されることもある。あるいは、これらの接続を、標準フィールドバスの同期通信を使用した２線式通信バス３４を経由して実行することも可能である。また、他の構造により相互に通信接続する別の機能ブロックを使用して、これ以外の制御ループを形成してもよい。
通信と制御処理を実現、および、実行するために、フィールドバスプロトコルでは、一般的に物理層、通信「スタック」、ユーザ層という３つの技術的構造を使用している。ユーザ層には、ブロック形式（機能ブロックなど）と、いずれかのプロセス制御装置やフィールド装置内のオブジェクトとによる、制御および構成機能が備わっている。このユーザ層は、通常装置の製造元により適正に設計されているが、ユーザが基本操作を行い実現したフィールドバスプロトコルにより定義される基本メッセージフォーマットに従って、メッセージの送受信を行う必要がある。前記の物理層と通信スタックは、異なるフィールド装置の異なるブロック間における通信を、２線式バス３４を使用した基本方式である周知の開放型システム間相互（ＯＳＩ）接続モデルによって操作する場合に必要である。
前記の物理層は、ＯＳＩの第１層に相当するものであるが、各フィールド装置とバス３４に組込まれており、フィールドバス伝送媒体（２線式バス３４）から受信した電磁信号を、フィールド装置の通信スタックで使用可能なメッセージに変換する役割をもつ。つまり、この物理層を、バス３４やフィールド装置の出入力部のバス３４に存在する電磁信号と考えても構わない。
前記の通信スタックは、各フィールドバス装置に存在するもので、ＯＳＩの第２層に相当するデータリンク層と、フィールドバスアクセスサブ層、ＯＳＩの第７層に相当するフィールドバスメッセージ特定層を含んでいる。このフィールドバスプロトコルにおいては、ＯＳＩの第３〜６層に相当する構造は存在しない。通信スタックの各層では、フィールドバスのバス３４で伝送されるメッセージ、つまり、信号の一部の符号化と復号化を行う。したがって、通信スタックの各層では、プリアンブル、開始デリミッタ、終了デリミッタなどのフィールドバス信号の特定部分が追加されたり削除されたりする。また、いくつかのケースでは、フィールドバス信号のストリップ部分を復号して、残りの信号、つまり、メッセージの転送先を識別したり、受信側のフィールド装置内に存在しない機能ブロックのメッセージやデータが含まれている場合には、その信号を放棄する。
前記のデータリンク／物理層は、バス３４におけるメッセージ伝送を、リンクアクティブスケジューラと呼ばれる確定集中バススケジューラに従ってバス３４へのアクセスを制御する。この方法について、以下に詳しく説明する。前記のデータリンク／物理層は、伝送媒体である信号からプリアンブルを排除し、受信したプリアンブルを使って、入力されるフィールドバス信号をフィールド装置の内部クロックに同期させる。同様に、前記のデータリンク／物理層は、通信スタックのメッセージを物理フィールドバス信号に変換し、クロック情報を備えた信号を符号化して、２線式バス３４での伝送に適正なプリアンブルを備えた「同期シリアル」信号を作成する。前記の復号処理の過程において、前記のデータリンク／物理層は、プリアンブル内の開始デリミッタや終了デリミッタなどの特有コードを認識して、特定のフィールドバスメッセージの始めと終わりを識別し、バス３４から受取った信号、つまり、メッセージの完全性を確認するためのチェックサム機能を実行することもできる。また、前記のデータリンク／物理層は、通信スタックのメッセージに開始デリミッタと終了デリミッタを付加し、それらの信号を適当な時に伝送媒体に配置することで、バス３４を経由してフィールドバス信号を伝送する。
前記のフィールドバスメッセージ特定層により、ユーザ層（フィールド装置の機能ブロックやオブジェクトなど）を、メーッセージフォーマット標準を使ったバス３４を経由した通信が可能となり、通信スタックに保有され、ユーザ層へ転送すべきメッセージの作成に必要な、通信サービス、メッセージフォーマット、プロトコル動作が規定される。前記のフィールドバスメッセージ特定層により標準的な通信がユーザ層へ提供されるので、上記で説明した各オブジェクトごとに、特定のフィールドバスメッセージ特定の通信サービスが定義される。例えば、前記のフィールドバスメッセージ特定層には、ユーザの装置のオブジェクト辞書の読込みを可能にするオブジェクト辞書サービスが含まれている。前記のオブジェクト辞書には、装置の各オブジェクト（ブロックオブジェクトなど）を認定するオブジェクト記述が格納してある。また、前記のフィールドバスのメッセージ特定層は、１つの装置の１つ以上のオブジェクトに関する、ここでは仮想通信関係（ＶＣＲ）と呼ぶ通信関係の、ユーザによる読込みや変更を可能にするコンテキスト管理サービスも行う。さらに、前記のフィールドバスのメッセージ特定層は、変数アクセスサービス、事象サービス、アップロードおよびダウンロードサービス、プログラム起動サービスなどを提供する。これらのサービスは、フィールドバスプロトコルでは既に周知のものであるため、ここで詳しく説明はしない。前記のフィールドバスのアクセスサブ層は、フィールドバスメッセージ特定層をデータリンク層にマップ処理する。
前記の各層における処理を実行するために、各フィールドバス装置には、ＶＣＲ、ダイナミック変数、統計、リンク起動スケジューラのタイミングスケジュール、機能ブロック実行タイミングスケジュール、装置タグ、アドレス情報を格納するデータベースである管理情報ベース（ＭＩＢ）が備わっている。このＭＩＢ内の情報は、当然、標準フィールドバスメッセージやコマンドを使用すればいつでもアクセスでき、変更を加えることも可能である。さらに、ユーザやホストにＶＦＤ内の情報の広域なビューを提供するために、通常各装置には装置の説明書が付与されている。一般的にホストが使用するために作成された装置仕様書には、装置のＶＦＤ内のデータの意味を理解するのに必要な情報が保存されている。
プロセス制御ネットワークの随所に分散された機能ブロックを使用して、いずれかの制御ストラテジを実行するには、特定制御ループ内のその他の機能ブロックの実行に対応して、前記の機能ブロックの実行が正確にスケジュールされなくてはならない。同様に、ブロックが実行される前に適正データを各機能ブロックへ提供できるよう、異なる機能ブロック間における通信もバス３４上で正確にスケジュールされる必要がある。
異なるフィールド装置（および、フィールド装置内の異なるブロック）が、フィールドバス伝送媒体を介して相互に通信する方式を、図１を参照しながら説明する。通信の始動には、バス３４の各セグメントにおけるリンクマスター装置（例えば装置１２，１６，２６）の１つがリンク起動スケジューラ（ＬＡＳ）として動作して、スケジュール処理を実行し、バス３４のセグメントにおける通信を制御する。バス３４の各セグメントのＬＡＳでは、各装置のそれぞれの機能ブロックがバス３４において一定時間通信処理を実行するスケジュールと、その処理を始動させる間隔が記述された通信スケジュール（リンク起動スケジュール）とが保存され、かつ、更新される。バス３４の各セグメントにおいて駆動するＬＡＳは単一であるが、別のリンクマスター装置（セグメント３４ｂの装置２２など）がバックアップ用ＬＡＳとして作動し、例えば既存のＬＡＳが不良を起こした場合には代わりに起動する。なお、基本装置には、いかなる場合にもＬＡＳの代用を可能にするのに必要な容量が備わっていない。
一般的にいえば、バス３４を経由して行われる通信は、反復するマクロサイクルに分割することができる。各マクロサイクルには、バス３４のある特定セグメントにおいて起動する機能ブロックを発行する各バスの１つの同期通信と、機能ブロック、つまり、バス３４のセグメントで起動する装置の１つ以上の非同期通信が含まれる。装置は、バス３４の特定のセグメントに物理的に接続している場合でも、バス３４のブリッジとＬＡＳとの連携処理により、起動が可能、つまり、バス３４のその他のセグメント間でデータの送受信を行うことができる。
各マクロサイクルの実行中、バス３４の特定セグメントの処理に伴って、それぞれの機能ブロックは、通常独立して正確にスケジュール（同期化）された時間に起動し、また別の設定時間には、適切なＬＡＳで作成された強制データコマンドに対応して、バス３４にセグメントの出力データを発行する。この場合、各機能ブロックは、機能ブロックの実行時間の終了後、直ちにその出力データを発行するようスケジュールされていることが望ましい。また、前記の異なる機能ブロックにおけるデータ発行時間は連続して設定されているため、バス３４の特定セグメントにおける２つの機能ブロックが、同時にデータを発行することはない。逆に、前期の同期通信が発生しない期間は、それぞれのフィールド装置において、トークン駆動通信を使用する非同期方式により、アラームデータ、ビューデータなどを伝送することが可能である。上記で述べたように、前記の強制データコマンドを、バス３４のセグメントの各装置に送信する時間は、そのセグメントのＬＡＳ装置のＭＩＢに保存してある。これらの時間は、バス３４に接続された全部の装置で周知の「絶対リンクスケジュール開始時間」の開始点からオフセットとしてデータが機能ブロックにより実行つまり送信される時間を識別できるため、通常、オフセット時間として保存されている。
各マクロサイクルの過程で通信を実行するために、バスセグメント３４ｂのＬＡＳ１６などのＬＡＳから、リンク起動スケジュールに記憶された伝送時間表に従って、バスセグメント３４ｂの各装置へ強制データコマンドが送信される。この強制データコマンドが受信されると、装置の機能ブロックはバス３４に出力データを設定された期間だけ発行する。通常、それぞれの機能ブロックは、強制データコマンドの受信予定時間以前に、その機能実行を終了するようにスケジュールされているため、強制データコマンドに応答して発行されたデータが、機能ブロックにおける最新の出力データとなる。しかしながら、機能ブロックの処理が時間をかけて行われ、強制データコマンドの受信時に新規の出力が生成されていない場合には、前記の機能ブロックは、前回の駆動で作成された出力データを発行することになり、そのデータが過去のデータであることも表示する。
前記のＬＡＳにより、バス３４の特定セグメントの各機能ブロックに強制データコマンドが送信された後、前記の機能ブロックの処理実行中に、前記のＬＡＳが非同期通信処理を起動することが可能である。非同期通信を実行するために、前記のＬＡＳにより特定のフィールド装置へパストークンメッセージが送信される。フィールド装置は、パストークンメッセージを受信すると、バス３４（あるいは、そのセグメント）へ全体アクセスし、アラームメッセージ、傾向データ、オペレータ設定ポイントの変更などの非同期メッセージを、メッセージが完了、または、最大限の「トークン保持時間」が終了するまで送信することができる。その後、前記のフィールド装置はバス３４（あるいは、そのいずれかのセグメント）を開放し、前記のＬＡＳはパストークンメッセージを別の装置へ送信する。このプロセスは、マクロサイクルの終了、あるいは、ＬＡＳが非同期通信を実行するための強制データコマンドを送信するようスケジュールされるまで、繰返される。しかしながら当然、メッセージの通信量や、バス３４のいずれか特定のセグメントに結合する装置やブロックの数により、全ての装置がそのマクロサイクル過程でパストークンメッセージを受信できるとは限らない。
図５は、バスセグメントの各マクロサイクルの処理過程における、図１のバスセグメント３４ｂの機能ブロックの実行時間と、バスセグメント３４ｂに関連するマクロサイクルの実施中に実行される非同期通信の時間帯とを示す、タイミング概略図である。図５のタイミングスケジュールでは、横軸で時間を、縦軸で、位置決定装置／バルブ１６の異なる機能ブロックと、発信器２０（図３）とに関する処理動作を示している。また、図５では、各機能ブロックが動作する制御ループを小文字で示してある。例えば、ＡＩLOOP1は、発信器２０のＡＩ機能ブロック６６を、ＰＩＤLOOP1は、位置決定装置／バルブ１６のＰＩＤ機能ブロック６４を示すのである。図５では、図示した機能ブロックのそれぞれの機能処理時間が斜線で示す四角形で、スケジュールされた各非同期通信が縦長の棒形により示してある。
つまり、図５のタイミングスケジュールに従って、セグメント３４ｂ（図１）のいずれのマクロサイクルにおいても、四角形７０で示された時間長でＡＩLOOP1機能ブロックが最初に実行される。次に、縦棒７２で示された時間長で、ＬＡＳからのバスセグメント３４ｂの強制データコマンドに応答する、ＡＩLOOP1機能ブロックの出力がバス３４ｂに発行される。同様に、四角形７４，７６，７８，８０，８１は、それぞれ機能ブロックＰＩＤLOOP1、ＡＩLOOP2、ＡＯLOOP1、ＳＳLOOP2、ＰＩＤLOOP3（各ブロックによって異なる）の処理実行時間を示し、縦棒８２，８４，８６，８８，８９は、それぞれ機能ブロックＰＩＤLOOP1、ＡＩLOOP2、ＡＯLOOP1、ＳＳLOOP2、ＰＩＤLOOP3が、バスセグメント３４ｂにデータを発行する時間を示す。
以上から明らかなように、図５のタイミング概略図には、非同期通信が可能な時間も図示してある。つまりそれは、いずれかの機能ブロックの実行時間と、機能ブロックが実行されないマクロサイクルの最終処理中と、バスセグメント３４ｂで非同期通信が実行されていない時間長である。しかしながら、必要に応じて、異なる機能ブロックを意図的に同時に実行するように設定することで、例えば、機能ブロックにより作成されたデータが他の装置で予約されない場合、全部の機能ブロックが前記のバスにデータを発行する必要がない。
全てのフィールド装置は、各フィールド装置に割当てられた固有のアドレスを使用して、バス３４を経由して相互に通信することができる。前記のフィールド装置はバス３４のノードにリンク接続しており、各ノードにはそこに接続するフィールド装置を識別する物理アドレスが付与されている。このアドレスは、あるフィールド装置が、プロセス制御ネットワークの別のフィールド装置と通信する場合に使用される。前記のフィールド装置の固有アドレスは、フィールド装置のＭＩＢに保存されており、前記の装置がバスに発行するメッセージに含まれる。前記のフィールド装置や、メッセージ発行先の装置は、発行元のフィールド装置のアドレスを含むメッセージをバスセグメント３４から予約できるよう、前記（単数あるいは複数）の装置に指示を出すＶＣＲと一体構造である。予約側フィールド装置は、発行元フィールド装置のアドレスをもつメッセージを検知すると、そのメッセージを復号して、プロセス制御の実行に必要な処理を行う。
前記のフィールド装置は、各フィールド装置のスタックのフィールドバスアクセスサブ層において、３種のＶＣＲのうち１つを用いて、バス３４経由でデータとメッセージの発行や伝送を行う。クライアント／サーバーＶＣＲは、待機方式で、スケジュールされない、ユーザ主導で、かつ一対１のバス３４における装置間の通信に採用する。このような待機メッセージは、その優先順位に従って、過去のメッセージを重ね書きすることなく、伝送命令において送受信される。このため、フィールド装置がＬＡＳからパストークンメッセージを受信し、要求メッセージをバス３４の別の装置へ送信する場合、クライアント／サーバーＶＣＲを使用することができる。前記の要求側を「クライアント」、その要求を受信する装置を「サーバー」と呼ぶ。サーバーは、ＬＡＳからパストークンメッセージを受信すると、その応答を発信する。クライアント／サーバーＶＣＲは、セットポイントの変更、同調パラメータのアクセスや変更、アラーム承認、装置のアップロードおよびダウンロードといったオペレータからの要求を実行する場合などに使用される。
レポート配布ＶＣＲは、待機方式で、スケジュールされない、ユーザ主導で、かつ１組以上の通信に採用される。たとえば、イベントやトレンドのレポートをもつフィールド装置がＬＡＳからパストークンを受信すると、そのフィールド装置は、通信スタックのフィールドバスアクセスのサブ層に定義された「グループアドレス」へ、そのメッセージを送信する。ＶＣＲで予約できるように構成された装置が、前記のレポートを受取る。前記のレポート配布ＶＣＲの機種は、一般的にオペレータのコンソールへアラーム通知を送る場合にフィールド装置で使用される。
発行／予約ＶＣＲの機種は、１組以上のバッファ通信に採用される。バッファ通信は、データの最低バージョンだけを保存し送信するので、過去のデータは完全に最新データに重ね書きされる。機能ブロック出力は、たとえば、バッファ情報データから成る。「発行元」フィールド装置は、強制データメッセージをＬＡＳか予約装置から受信すると、発行／予約ＶＣＲの機種を使用したメッセージを、バス３４の全ての「予約側」フィールド装置へ発行、つまり、一斉送信する。発行／予約装置の関係は予め設定、定義され、各フィールド装置の通信スタックのフィールドバスアクセスサブ層に保存される。
バス３４における適正な通信動作を確実にするために、各ＬＡＳは、バス３４のセグメントに接続する全てのフィールド装置へ定期的に時間配分メッセージを送信する。その結果、各受信装置は、その現場のアプリケーション時刻を相互に同期化して調節することができる。これらの同期化メッセージ間では、クロック時刻は各装置の内部クロックに基づいて独立して維持されている。クロックの同期化により、フィールド装置がスタンプデータのタイミングを合わせ、たとえばデータが生成された場合に、フィールドバスネットワーク全体で表示させることができる。
さらに、各バスセグメントのそれぞれのＬＡＳ（および、その他のリンクマスター装置）は、バス３４のセグメントに接続する、つまり、パストークンメッセージに適正に対応する全ての装置を記した「ライブリスト」を保存している。ＬＡＳは、前記のライブリストに記載されないアドレスへ定期的にプローブノードメッセージを送信することで、バスセグメントに追加された新規装置を継続して認識する。実際に各ＬＡＳは、前記ライブリスト上の全てのフィールド装置へパストークンメッセージを送信するサイクルが完了すると、少なくとも１つのアドレスを証明するよう要求される。フィールド装置が証明されたアドレス位置に存在しており、プローブノードメッセージを受信した場合、前記の装置は直ちにプローブ応答メッセージを返送する。プローブ応答メッセージを受信すると、ＬＡＳはその装置を前記のライブリストへ追加し、証明したフィールド装置へノード起動メッセージを送信して確認する。しかしながら、試行を３回連続実行した後、フィールド装置がトークンメッセージを使用しなかったり、ＬＡＳへ即座に返送しない場合は、ＬＡＳはフィールド装置を前記のライブリストから削除する。フィールド装置が前記のライブリストへ追加されたり、削除されると、ＬＡＳはそのライブリストの変更を、バス３４の適正セグメントにある全てのリンクマスター装置へ一斉送信して、各リンクマスター装置がライブリストの最新コピーを保持できるようにする。
ここでもう一度図１を参照する。これまでに説明したように、ブリッジ装置３０と３２は、プロセス制御手順や、複数の異なるループとそのセグメントを備えるルーチンを実行するコントローラであっても構わない。一般的に、各制御ループは、１つ以上のフィールド装置を制御することで、プロセスのいくつかの部分を制御する。プロセス制御を実行し、オペレーションと制御プロセスに関する情報を交換させるために、バスのセグメントにある前記のコントローラとフィールド装置が、セグメント上でメッセージを往復交換する。前記のコントローラとフィールド装置間の通信は、コントローラとフィールド装置の間に接続されたＩ／Ｏ装置によって支援される。Ｉ／Ｏ装置のＭＩＢは、Ｉ／Ｏ装置がコントローラと装置からメッセージを受信し、それをセグメントを介して適当なコントローラか（単数または複数の）装置へ転送することをＶＣＲが表示するようプログラムされている。さらに、前記のＩ／Ｏ装置は、セグメントのＬＡＳとして作動することも可能であって、セグメントにおける通信をスケジュールして制御するメッセージを、バスに伝送することもできる。さらに、前記のＩ／Ｏ装置は、プロセス制御機能を実行する機能ブロックも含んでいてもよい。後者の場合、前記のＩ／Ｏ装置自体が、メッセージを検知してそこに含まれる情報を複合化、および、処理する予約フィールド装置へバスアドレスで送信することが可能である。
セグメント上の前記のＩ／Ｏ装置により、前記のコントローラはフィールド装置に接続しているので、Ｉ／Ｏ装置に不具合が生じると、その装置の修理か取替えが済むまで、セグメント上の通信とプロセス制御の実行は共に中断されてしまう。このプロセス制御の中断を最小限に抑える方法の１つとして、セグメントにバックアップＩ／Ｏ装置を取付けて、第１のＩ／Ｏ装置が不能になった場合に代わりに駆動させる方法がある。予め取付けられたバックアップＩ／Ｏ装置により、前記のＩ／Ｏ装置を修理したり、新しいＩ／Ｏ装置に付けかえる必要性が無くなるため、それによって生じる処理の中断は減少する。しかしながら、プロセス制御ネットワークに備わるいくつかの要因により、プロセス制御が長時間中断する可能性はまだある。例えば、Ｉ／Ｏ装置の不具合を検知し、バックアップＩ／Ｏ装置を起動させるようユーザに通告する必要がある。さらに、バックアップＩ／Ｏ装置は一旦起動すると、プロセス変数やＶＣＲ、さらにＩ／Ｏ装置がＬＡＳであればリンク起動スケジュールなど、不能になったＩ／Ｏ装置からの最新のデータによって、プログラムし直さなくてはならないのである。さらに、前記のバックアップＩ／Ｏ装置にはバス上で固有のアドレスが割当てられるため、コントローラとフィールド装置は、第１のＩ／Ｏ装置のアドレスではなくバックアップＩ／Ｏ装置のアドレスを含んだメッセージをバスから予約できるよう再プログラムしなくてはならない。制御ループの通常のオペレーションが保留される間、これらの作業は全て時間を要するものである。これらの理由から、バックアップＩ／Ｏ装置がアクティブＩ／Ｏ装置に保存されたデータで絶えず更新され、第１のＩ／Ｏ装置が不能となり、バックアップＩ／Ｏ装置が自動的にアクティブＩ／Ｏ装置に変わり、第１のＩ／Ｏ装置からバックアップＩ／Ｏ装置への変換が、バスのセグメントに接続されたコントローラ装置やフィールド装置にとって明白になるためには、予備バスＩ／Ｏ装置が必要となる。
次に、図６には、予備バスＩ／Ｏ装置を装備できるプロセス制御ネットワーク１００を示す。このプロセス制御ネットワーク１００は、テキサス州オースティンのフィッシャー・ロズメントシステム社により販売されるDelta Vプロセス制御システムなどで構わない。このシステムには、１つ以上のコントローラ１０２と、１つ以上のホスト、つまり、オペレータワークステーション１０４、及び／又は、ワークステーション、データベース、コンフィギュレーションステーションなど、イーサネット（Ｒ）バスなどのバス１１０に接続する別のコンピュータが含まれている。周知のように、前記の（単数または複数の）コントローラ１０２とワークステーション１０４には、これらの装置のメモリーに保存されたソフトウェアを運用するためのプロセッサーが備わっている。前記のコントローラは、分散型制御システムコントローラや、パーソナルコンピュータやユーザやオペレータが周知の方法によりプロセス制御システム１００とインターフェイスできるような装置で実用される別の種類のコントローラでも構わない。
複数のフィールド装置１１２〜１１５が、予備Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２を介してコントローラ１０２と接続していることを図示し、ここでより詳しく説明する。前記の装置１１２〜１１５は、フィールドバスリンクなど所望種類のバスであるバスセグメント１２４に接続した状態で図示してある。この場合、装置１１２〜１１５は、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎフィールドバス通信プロトコルを使用する。各装置１１２〜１１５は、センサー、制御バルブ、位置決め装置、ファン、ビデオカメラ、マイクロフォンなど、プロセス制御ネットワーク１００で使用するフィールド装置であれば、当然どんな種類でも構わない。また、これ以外の装置を所望の方式で、プロセス制御ネットワーク１００に接続することもできる。
図６に示すように、予備Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２は、コントローラ１２０とフィールド装置１１２〜１１５との間で、セグメント１２４上で並列に接続する。以下の説明のために、前記のＩ／Ｏ装置１２０を第１のＩ／Ｏ装置１２０、Ｉ／Ｏ装置１２２を第２のＩ／Ｏ装置１２２としておく。前記で説明したように、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２はそれぞれ、装置が接続するノードに基づく固有のアドレスを備えている。前記のコントローラ１２０とフィールド装置１１２〜１１５は、バスセグメント１２４で伝送されたメッセージ内のアドレスの存在に基づいて、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２からのメッセージを識別する。予備動作を実現するために、前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２は、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２のどちらが起動してバスセグメント１２４で通信したかに関わらず、同一の方式で、コントローラ１０２とフィールド装置１１２〜１１５を通信する単一の仮想Ｉ／Ｏ装置１３０として動作するように構成されている。Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２は、どちらが現在での仮想Ｉ／Ｏ装置１３０のアクティブＩ／Ｏ装置であっても、同一のアドレス（仮想発行アドレス）をもつメッセージを発行することで、ネットワーク１００のコントローラ１０２、フィールド装置１１２から１１５、その他の装置と明白に通信できる。仮想発行アドレスをもつメッセージを発行することにより、全部の仮想Ｉ／Ｏ装置１３０のメッセージが同じとなり、実際のメッセージ発行がＩ／Ｏ装置１２０と１２２といずれであっても、コントローラ１０２とフィールド装置１１２〜１１５により同一の方法で処理されるのである。
前記の仮想Ｉ／Ｏ装置１３０の仮想発行アドレスは、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２のどちらかの固有物理アドレスであってもよいし、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０に特別に割当てられたアドレスでも構わない。仮想発行アドレスの値や、仮想発行アドレスの割当て方法に関わらず、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０を実現するための前記の仮想発行アドレスと符号は、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２の通信スタックで保存される。さらに、コントローラ１０２とフィールド装置１１２〜１１５の複数の発行元ＶＣＲは、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２のどちらのアドレスでもなく、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０の仮想発行アドレスで構成される。
前記のプロセス制御ネットワーク１００の通常操作においては、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２のうちの１つが動作して、ネットワーク１００でプロセス制御を操作するために、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０により実行されるべき、バスセグメント１２４へのメッセージの送受信、バスセグメント１２４のＬＡＳとしての作用、プロセス制御機能の実行などを行う。ここで、以下の説明に向けて、上記で第１のＩ／Ｏ装置１２０と呼んでいたＩ／Ｏ装置１２０を、前記の仮想Ｉ／Ｏ装置１３０のための当初のアクティブＩ／Ｏ装置とする。この場合の第２のＩ／Ｏ装置１２２であり、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０のためのアクティブＩ／Ｏ装置として動作していないＩ／Ｏ装置を、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０のバックアップＩ／Ｏ装置とする。バックアップモードでは、前記のバックアップＩ／Ｏ装置１２２は、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０のプロセス制御や通信機能を実行することはないが、バックアップＩ／Ｏ装置１２２は仮想Ｉ／Ｏ装置１３０と一体構成されているため、バスセグメント１２４を参照し、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０へ向けそこに転送されるメッセージを検知する。このバックアップＩ／Ｏ装置１２２は、前記のメッセージを受信し、かつ、復号化して、通常は駆動するＩ／Ｏ装置１２０で保存されるメッセージからの全部の情報を保存する。このバックアップＩ／Ｏ装置１２２は、さらに、そこに保存されたデータを処理し、更新することも可能で、最新のリンク起動スケジュールを受信、保存して、Ｉ／Ｏ装置１２０が動作不能になったり処理が停止した場合、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０のプロセス制御機能の引き継ぎに必要なその他の機能を実行できる。したがって、バックアップモードにおいてバックアップＩ／Ｏ装置１２２がメッセージの発行を中止したとしても、バックアップＩ／Ｏ装置１２２は、通信統合確認のための装置の機能ブロックのアプリケーションプロセスとのバス経由の通信接続を維持して、アクティブモードへの変換にともなう接続設立の遅延を解消する。
前記のフィールド装置１１２〜１１５により仮想Ｉ／Ｏ装置１３０へ伝送されるメッセージを受信し、処理を行う以外にも、バックアップＩ／Ｏ装置１２２は、前記の仮想Ｉ／Ｏ装置１３０のアクティブＩ／Ｏ装置を引き継ぐために、アクティブＩ／Ｏ装置１２０で発行されバス１１０の別の装置へ送信されるメッセージを受信し保存する。この機能は、前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２の通信スタックを、バックアップＩ／Ｏ装置１２２がアクティブＩ／Ｏ装置１２０で発行されたメッセージを参照できるようにプラグラムすることで実行可能である。バス１１０で通信する各装置には、バス１１０の装置で通信されるメッセージをコンパイルして保存するための発行バッファと、プロセス制御ネットワーク１００の別の装置から受信したメッセージを保存するための予約バッファとが備わっている。例えば、第１のＩ／Ｏ装置１２０には、発行バッファ１３２と予約バッファ１３４が備わり、第２のＩ／Ｏ装置１２２には、発行バッファ１３６と予約バッファ１３８が備わっている。従来の装置における発行バッファは、装置から転送されたメッセージしか保存せず、装置へ伝送するメッセージを受信しなかった。また、その予約バッファも、装置へ転送されたメッセージしか保存せず、装置から転送するメッセージを保存しない。しかしながら、予備Ｉ／Ｏ装置を実現し、プロセス制御の中断を最低限で、または、完全に解消して、バックアップＩ／Ｏ装置にアクティブバックアップ装置を引き継がせるには、バックアップＩ／Ｏ装置１２２の発行バッファが、前記のアクティブＩ／Ｏ装置１２０の発行バッファからの最新の発行メッセージを受信し保存することが望ましい。
前記のバックアップＩ／Ｏ装置１２２は、予備Ｉ／Ｏ装置の通信スタックを、前記のアクティブＩ／Ｏ装置１２０の発行バッファで発行されたメッセージの予約バッファとして機能する、バックアップＩ／Ｏ装置１２２の発行バッファを備えるような構成にすることで、アクティブＩ／Ｏ装置１２０で発行されたメッセージを受信し、かつ、保存することが可能である。バックアップモードでは、前記のバックアップＩ／Ｏ装置１２２の発行バッファが、強制データ要求や接続設立メッセージへの応答などの発行バッファの通常機能の実行を停止する。同時に、前記のバックアップＩ／Ｏ装置は、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０の仮想発行アドレスを備えた発行メッセージのバスセグメント１２４を参照する。前記のアクティブＩ／Ｏ装置１２０で発行されたメッセージが検知されると、前記のバックアップＩ／Ｏ装置１２２がそのメッセージを復号化して、予約バッファではなく発行バッファに保存する。前記のバックアップＩ／Ｏ装置１２２がアクティブＩ／Ｏ装置を引き継ぐと、新たに起動したＩ／Ｏ装置の発行バッファは、動作不能になったＩ／Ｏ装置の発行バッファからの最新データを備えているので、動作不能となったＩ／Ｏ装置を、ユーザや新規のアクティブＩ／Ｏ装置のデータを更新する制御装置からの介入なく速やかに引き継ぐ準備が整っている。前記のＩ／Ｏ装置が一旦バックアップモードからアクティブモードへ変換すると、前記のＩ／Ｏ装置は、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０の仮想発行アドレスを含むメッセージの参照を中断し、強制データコマンドや接続設定メッセージへの応答といった通常状態の動作に戻る。
前記のバスセグメント１２４による接続に加えて、前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２は、バスセグメント１２４で実行される通信プロトコルによって検知されない方法により相互通信できる直接通信リンク１４０も備えている。この通信リンク１４０は、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２間における、バスのバックボンへのＩ／Ｏ装置１２０と１２２の物理接続や、直接配線による接続といった相互通信用の標準接続であればよい。前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２は、各装置が予備Ｉ／Ｏ装置として機能するのに必要な全ての情報を交換するので、前記の仮想Ｉ／Ｏ装置１３０を上記に説明したように実現することができるのである。前記の情報には、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２のどちらが第１のＩ／Ｏ装置で、どちらが第２のＩ／Ｏ装置であるか、あるいは、アクティブ装置であるかバックアップ装置かであるか、また、バックアップ装置がアクティブＩ／Ｏ装置を引き継ぐ場合に必要であるアクティブＩ／Ｏ装置からの最新情報などに関係する通信内容が含まれている。前記のＩ／Ｏ装置は、アクティブＩ／Ｏ装置が既に動作不能、または、動作不能になりつつあるなどの状態情報も交換される。さらに、前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２には、プロセス制御を実行するための機能ブロックを備えることも可能で、機能ブロックによるプロセス制御の操作に必要な情報を交換することができる。
前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２がプロセス制御ネットワーク１００に導入された場合、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２は一対の予備Ｉ／Ｏ装置であって、一方が第１のＩ／Ｏ装置、他方が第２のＩ／Ｏ装置となり、また、一方がアクティブＩ／Ｏ装置で、他方がバックアップＩ／Ｏ装置となる。前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２との間の関係を構築するには、上記で説明した通信リンク１４０を介してＩ／Ｏ装置１２０と１２２間で情報を交換する方法がある。また別の方法は、ユーザーが直接Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２をプログラムするか、あるいは、バス１１０の転送メッセージを介してＩ／Ｏ装置１２０と１２２をプログラムさせるような、プログラムルーチンをホスト装置やオペレータのワークステーションで実行すればよい。さらに別の方法として、プロセス制御ネットワーク１００のＩ／Ｏ装置１２０，１２２と、その他の装置における関係を、装置の物理構成によって、及び／又は、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２がプロセス制御ネットワーク１００に接続されるような方法で決定することもできる。
図７には、図６で示すプロセス制御ネットワーク１００の物理的構成を示す。コントローラ１０２、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２とその他の装置は、バックプレーン１５０を介してバスセグメント１２４に接続しており、ピン接続の複数の端子やスロットを備えている。各装置はバックプレーンのスロットに接続され、そのバックプレーンは装置が適正にバスセグメント１３４に接続するような構造をしている。たとえば、図６のプロセス制御ネットワーク１００を実行する場合、前記のバックプレーンはコントローラ１０２が接続されるスロットが、バス１１０とＩ／Ｏ装置１２０と１２２の間で連続する構造を備え、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２が接続するスロットは互いに並列であり、バスセグメント１２４のコントローラ１０２とフィールド装置１１２〜１１５の間で連続している。各装置のバス１１０との物理的接続は、もともと装置間の情報交換とプロセス制御の実行に使用されているが、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２が一対の予備Ｉ／Ｏ装置を形成することを、プロセス制御ネットワーク１００のＩ／Ｏ装置１２０と１２２とその他の装置へ通知することにも使用できる。
さらに、コントローラ１０２とＩ／Ｏ装置１２０，１２２間の接続は、バックアップＩ／Ｏ装置１２２のアクティブモードへの切換えを制御するのに使用することもできる。例えば、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２を、コントローラ１０２へ状態情報を伝送するよう構成しても構わない。この状態情報には、アクティブＩ／Ｏ装置が既に動作不能であるか、または、動作不能になりつつあるいう情報をもつアラームメッセージが含まれている。前記のコントローラ１０２は、アラームメッセージには、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２の動作モードを切換えることで応答するようにプログラムすることが可能である。この動作モードの切換えにより、アクティブＩ／Ｏ装置１２０はバックアップモードになり、バックアップＩ／Ｏ装置１２２はアクティブモードになる。さらに、コントローラ１０２を、Ｉ／Ｏ装置１２０がメンテナンスを必要とすることを示すメッセージをホスト１０４に伝送するようプログラムすることもできる。
図８は、図７のバックプレーン１５０の概略図である。バックプレーン１５０には、複数のスロット１５２〜１６０が備わっており、それぞれが装置をバス１１０に接続させることができる。各スロット１５２〜１６０には、複数のピン１６２が備わっており、それらピンは、そこに接続された装置の対応する端子に差込まれ、バス１１０と装置の間に電気接続を形成する。さらに、バックプレーン１５０は、上記で説明したバスセグメント１２４の相互接続など、そのスロット１５２〜１６０にて装置を相互接続できるよう、スロット１５２〜１６０間に所定の電気接続端子を備えるよう構成されている。さらにまた、バックプレーン１５０及び／又はＩ／Ｏ装置１２０，１２２を、予備Ｉ／Ｏ装置を実現できるよう構成することも可能である。
前記の予備Ｉ／Ｏ装置を実現するための別の構成として、バックプレーン１５０に、一対の冗長装置である第１及び第２のＩ／Ｏ装置用の特定スロットを配置する方法がある。例えば、プロセス制御ネットワーク１００では、バックプレーン１５０のバスセグメント用の第５スロット１５６と第６スロット１５７を、予備Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２の専用として予め設定しておけばよい。特に、第１のＩ／Ｏ装置は第５スロット１５６に、第２のＩ／Ｏ装置は第６スロット１５７に接続される。この予備Ｉ／Ｏ装置の実現において、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２は、第５や第６のスロット１５６，１５７への接続を認識し、スロット１５６か１５７のどちらに接続されるかで、第１の、または、第２のＩ／Ｏ装置であるかを認識し、さらに、アクティブかバックアップかといったデフォルト作動モードを認識するようプログラムされている。上記で説明した実施例を応用して、第５スロット１５６を第１のＩ／Ｏ装置のスロット位置に、第６スロット１５７を第２のＩ／Ｏ装置のスロット位置にしても構わない。Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２がバックプレーンに接続された場合、第１のＩ／Ｏ装置であるＩ／Ｏ装置１２０は第５スロット１５６に接続され、第２のＩ／Ｏ装置であるＩ／Ｏ装置１２２は第６スロット１５７に接続される。前記のＩ／Ｏ装置１２０は、第５スロット１５６への接続を検知すると予備Ｉ／Ｏ装置のうちの第１のＩ／Ｏ装置であることを確認し、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０におけるアクティブＩ／Ｏ装置の役割を認定する。同様に、前記のＩ／Ｏ装置１２２は、第６スロット１５７への接続を検知し、予備Ｉ／Ｏ装置のうちの第２のＩ／Ｏ装置であることを確認し、仮想Ｉ／Ｏ装置１３０におけるバックアップＩ／Ｏ装置の役割を認定する。この構成では、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２のうち、片方または両方が動作不能になった場合に、代替Ｉ／Ｏ装置がそのスロット位置から、装置のホスト接続の再プログラミングの必要性や遅延に関係なく、冗長装置の一部であることを自動的に検知できる。さらに、プロセス制御ネットワーク１００の、ホストやオペレータワークステーション１０４など別の装置を、一対の予備Ｉ／Ｏ装置の存在を検知するようにプログラムしても構わない。前記の第５と第６のスロット１５６，１５７に接続したＩ／Ｏ装置１２０と１２２をそれぞれ検知すると、前記のホスト／オペレータワークステーション１０４は、自動的にプロセス制御ネットワーク１００の表示を、予備Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２を使って更新する。当然、前記のＩ／Ｏ装置が、バックプレーン上のピンやその他ハード装置（またはソフトウェア）の構成による、特定スロットへの接続およびスロットに関係する予備動作を検知できるようにしても構わない。
前記の予備Ｉ／Ｏ装置を、接続後にプログラミングすること無く実現するためのさらに別の構成として、前記のＩ／Ｏ装置が接続されるピン１６２の電圧値を操作する方法がある。スロット１５２〜１６０にはそれぞれ、１２本のピン１６２が備わっており、各装置をバックプレーン１５０のスロット１５２〜１６０に接続するようになっている。しかしながら、バス１１０に接続するハードウェアの要求に基づいて、それ以上や以下の数のピン１６２を使用することも考えられる。前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２の間に関係を形成するには、各スロットごとに２本のピン１６２が必要であり、第１のピンは、そのスロットが予備Ｉ／Ｏ装置のうちの一方に対応し、第２のピンは、それに接続されるＩ／Ｏ装置が第１あるいは第２のどちらのＩ／Ｏ装置であるかを示す。前記の例におけるＩ／Ｏ装置は、それらが接続されるスロットを検知するようにプログラムされているが、本実施例におけるＩ／Ｏ装置は、指定されたピンの電圧値を測定して予備Ｉ／Ｏ装置であるかを認証するようプログラムしてある。この実施例では、第３と第４のスロット１５４と１５５における第１０のピン１６４と１６８がそれぞれ、そこに接続されたＩ／Ｏ装置が一対の予備Ｉ／Ｏ装置の１つである場合は、高い電圧値を示すよう設定されている。スロット１５４と１５５の第１１のピン１６６と１７０は、それぞれ、スロット１５４か１５５が一対の冗長装置の右側スロットであれば高い電圧値を示し、スロット１５４か１５５が一対の冗長装置の左側スロットであれば低い電圧値を示すよう設定されている。また、前記の第１１のピン１６６と１７０の電圧値により、どのＩ／Ｏ装置が第１の装置や第２の装置であるかを確定する。この例では、第１１のピン１６６と１７０が低い電圧値であれば、第１のＩ／Ｏ装置を示す。したがって、第１０のピン１６４と１６８がともに高い電圧値で、第３スロット１５４の第１１のピン１６６が低い電圧値である例では、スロット１５４が左側のスロットであり、そこに接続されるＩ／Ｏ装置は第１のＩ／Ｏ装置であることを示し、第４スロット１５５の第１１のピン１７０が高い電圧値であるので、スロット１５５が右側のスロットであり、そこに接続されるＩ／Ｏ装置は第２のＩ／Ｏ装置であることを示している。前記の例では、Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２は、一対の予備Ｉ／Ｏ装置のどちらであるか、第１及び第２のＩ／Ｏ装置のどちらであるかを判断するために、接続されたスロットの第１０番目と第１１番目のピンを検知できるようプログラムされている。
さらに、ホスト、あるいは、オペレータワークステーション１０４により、バスセグメント１２４に一対の冗長装置が接続しているかを検知し、その存在が検知された場合には、ユーザに関連情報を表示することも可能である。ホスト、あるいは、オペレータワークステーション１０４には、プロセス制御ネットワークとその装置に関する情報を表示できるユーザインターフェイスを備える。必要なプロセスと装置のデータを入手するために、ホスト１０４には自動感知機能が備わっており、これにより定期的にバスのノードを点検して装置が接続されているかを検知する。装置が存在すれば、ユーザへ表示するためにその装置に関する情報を収集する。前記のホスト１０４、及び／又は、フィールド装置を、自動検知機能により予備Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２の存在を検出するように構成することもできる。例えば、前記のＩ／Ｏ装置１２０と１２２は、Ｉ／Ｏ装置１２０が現在の操作モードにおいて予備であることを示すメッセージを伝送するようプログラムし、ホスト１０４は、そのメッセージを受信するようにプログラムすることも可能である。また別の方法として、予備Ｉ／Ｏ装置１２０と１２２用の指定スロットの設定に関する情報を同様の方法でＩ／Ｏ装置１２０と１２２に設定して、それら装置が指定スロットに接続されたことを検知できるよう、ホスト１０４をプログラムしてもかまわない。さらにまた、本発明者が提案する、ホスト１０４に予備Ｉ／Ｏ装置の存在を検出させ、その情報をユーザインターフェイスに表示させるような別の構成も、当業者にとっては明白であろう。
ここで説明した予備Ｉ／Ｏ装置は、フィールドバスプロトコルで運用されるプロセス制御ネットワークにおいて使用されているが、この予備Ｉ／Ｏ機能を、これ以外の種類の制御システム、及び／又は、通信プロトコルに対応する別の種類のプログラム、ハードウェア、ファームウェアなどを使って実行することも可能である。実際には、フィールドバスプロトコルで使用する「機能ブロック」は、プロセス制御機能を実行できる特定の種類のエンティティを指すが、ここで使用した機能ブロックという言葉は限定的な意味ではなく、多様な機種の装置、プログラム、ルーチン、その他プロセス制御ネットワーク内の分散した位置で、プロセス制御機能をなんらかの方法で実行できるエンティティを含むものである。つまり、本明細書で説明され、請求される予備Ｉ／Ｏ装置は、そのネットワークやプロトコルが、プロセス内で分散した位置において制御機能を提供、または、実行できる限り、別のプロセス制御通信プロトコルやスキーム（既存のものや、将来開発されるであろうもの）を使うプロセス制御ネットワークにおいても採用することができる。さらに、ここで公開した実施例は、予備Ｉ／Ｏ装置に直接関するものであるが、ここで説明した予備動作機能は、プロセス制御ネットワークで予備動作の実行が望まれるような装置で使用することも可能であることを記しておく。
したがって、本発明について特定の実施例を参照しながら説明してきたが、これらの実施例は解説の目的で用いたのであって、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲と本質から逸脱することなく、ここで開示した実施例に変更や追加、または、削除を行うことが可能であることは、当業者にとっては明らかであろう。
フィールドバスプロトコルを使用したプロセス制御ネットワークの概略ブロック図である。 ３つの機能ブロックのセットを備えたフィールドバス装置の概略ブロック図である。 図１のプロセス制御ネットワークのいくつかの装置内の機能ブロックを示す概略ブロック図である。 図１のプロセス制御ネットワークにおける一般的なプロセス制御ループの制御ループ概要を示す。 図１のプロセス制御ネットワークにおけるバスセグメントのマクロサイクルのタイミングの概要を示す。 予備バスＩ／Ｏ装置を備えたプロセス制御ネットワークの概略機能ブロック図である。 図６のプロセス制御ネットワークの概略ブロック図である。 図６の予備バスＩ／Ｏ装置を実現するためのバックプレーンの概略図である。
符号の説明
１２，１５，１０４ ホストコンピュータ
１３ プログラム論理コントローラ
１４，１０２ コントローラ
１６ 位置決定装置／バルブ
２０ 発信器
３０，３２ ブリッジ装置
３４，１１０ バス
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ バスセグメント
１２４，１３４ バスセグメント
３５ バスモニター
５１，５２，６７ 機能ブロック
５４ 変換ブロック
５５ センサー
５６ バルブ
５７ トレンドオブジェクト
５８ リンクオブジェクト
５９ アラートオブジェクト
６０ ビューオブジェクト
６４，６５ ＰＩＤ機能ブロック
１００ プロセス制御システム
１０４ オペレータワークステーション
１１２，１１５ フィールド装置
１２０ 第１のＩ／Ｏ装置
１２２ 第２のＩ／Ｏ装置
１２４ セグメント
１３０ 仮想Ｉ／Ｏ装置
１３２，１３６ 発行バッファ
１３４，１３８ 予約バッファ
１５０ バックプレーン
１５２ スロット
１５４ 第３のスロット
１５５ 第４のスロット
１５６，１５７ 第６のスロット
１６２〜１７０ ピン

Claims (16)

  1. それぞれが固有のアドレスを有する仮想装置の複数の冗長装置を備えたプロセス制御ネットワークにおける通信のためのプロセス制御システムであって、
    バスと、
    前記仮想装置の第１の冗長装置であって、該第１の冗長装置は、第１の固有のアドレスを有するとともに、前記バスに通信可能に接続されており、該第１の冗長装置は、前記第１の冗長装置が第１のモードのときに前記仮想装置の仮想発行アドレスを含むメッセージを前記バスに発行するようにプログラムされた、第１の冗長装置と、
    前記仮想装置の第２の冗長装置であって、該第２の冗長装置は、第２の固有のアドレスを有するとともに、前記バスに通信可能に接続されており、該第２の冗長装置は、前記第２の冗長装置が第１のモードのときに前記仮想装置の仮想発行アドレスを含むメッセージを発行するようプログラムされた、第２の冗長装置と、
    前記バスに通信可能に接続されており、前記仮想装置の前記仮想発行アドレスを含む前記バスに発行されたメッセージを処理するようプログラムされた少なくとも１つの受信装置と
    を備え、
    前記第１の冗長装置が第１のモードで動作するように構成され、それによって前記第１の冗長装置が前記少なくとも１つの受信装置に対してバス上にメッセージの送信を行うとともに、前記第２冗長装置がバックアップモードで動作するように構成され、それによって前記第２の冗長装置がバス上へのメッセージの送信を行わず、
    前記第１の冗長装置は、前記仮想発行アドレスを含む前記第１の冗長装置によって送信されるべき前記メッセージを格納するように構成された発行バッファを含み、
    前記第２の冗長装置は、前記第２の冗長装置がバックアップモードのときに、前記第１の冗長装置から受信したメッセージを格納するように構成された第２の発行バッファを含み、該第２の発行バッファは、前記第２の冗長装置がバックアップモードから第１のモードにスイッチしたときに前記第２の冗長装置によって使用され、
    前記第２の冗長装置は、前記バス上で受信され前記仮想装置の前記仮想発行アドレス向けのメッセージを格納するように構成された第２の予約バッファを含み、前記第２の予約バッファは、前記第２の冗長装置がバックアップモードから第１のモードにスイッチしたときに前記第２の冗長装置によって使用される
    プロセス制御システム。
  2. 前記第２冗長装置が、前記第１冗長装置が仮想発行アドレスを含むメッセージの前記バス経由での送信に失敗した場合に、第１冗長装置が動作不能であると判断することを特徴とする、請求項１記載のプロセス制御システム。
  3. 前記第１及び第２の冗長装置に通信可能に接続されており、前記第１及び第２の冗長装置からの状態情報を受信するようプログラムされた制御器を更に備え、前記制御器が、前記第１冗長装置が動作不能であるという、又は動作不能になりつつあるという状態情報を受信すると同時に、第１冗長装置にバックアップモード動作を行わせ、第２冗長装置に第１のモード動作を行わせることを特徴とする、請求項１記載のプロセス制御システム。
  4. 前記第１及び第２の冗長装置が、前記バスの外部の通信リンクで通信可能に接続されており、前記第１冗長装置が、前記第１冗長装置が動作不能であるという、又は動作不能になりつつあるという状態情報を、前記通信リンクを経由して第２冗長装置へ送信するようプログラムされていることを特徴とする、請求項１記載のプロセス制御システム。
  5. 前記第１及び第２の冗長装置が、少なくとも１つの装置の固有アドレスを含むメッセージを処理するようプログラムされており、第１及び第２の冗長装置は、第１のモード及びバックアップモードで動作中に、前記少なくとも１つの装置の固有アドレスを含むメッセージを受信して処理することを特徴とする、請求項１記載のプロセス制御システム。
  6. 前記バスが、第１部分と第２部分とを有し、前記第１部分と第２部分には、少なくとも１つの装置が通信可能に接続されており、前記第１の冗長装置と前記第２の冗長装置とが互いに並列に、前記バスの第１部分と第２部分との間で直列に通信可能に接続されていることを特徴とする、請求項１記載のプロセス制御システム。
  7. 前記第１及び第２の冗長装置が、それぞれ第１及び第２の冗長装置の他方の存在を検知でき、第１及び第２の冗長装置のどちらが第１のモードで、どちらがバップアップモードで動作するかを決定するよう構成されていることを特徴とする、請求項１記載のプロセス制御システム。
  8. バスにて通信可能に接続され、それぞれが固有のアドレスをもち、そのバス上で通信ができるような、複数の冗長装置を備えたプロセス制御ネットワークにおける通信を行うためのプロセス制御システム内の仮想装置の冗長装置を作動させる方法であって、
    第１の固有アドレスを有する第１の冗長装置と第２の固有アドレスを有する第２の冗長装置とを、仮想発行アドレスをもつメッセージを前記バス上に発信するように構成するステップと、
    前記第１の冗長装置を第１のモードで動作させ、それによって第１の冗長装置が仮想発行アドレスを含むメッセージを前記バス上に発信するステップと、
    前記第２の冗長装置をバックアップモードで動作させ、それによって第２の冗長装置がメッセージを前記バス上に発信しないようにするステップと、
    前記仮想発行アドレスをもつメッセージを処理するよう構成された少なくとも１つの受信装置で、仮想発行アドレスをもつメッセージを受信するステップと
    前記第１の冗長装置の発行バッファに、前記第１の装置によって送信されるべき前記仮想発行アドレスを含むメッセージを格納するステップと、
    前記第２の冗長装置がバックアップモードのときに、前記第２の冗長装置の第２の発行バッファに、前記第１の冗長装置から受信される前記メッセージを格納するステップであって、前記第２の発行バッファは、前記第２の冗長装置がバックアップモードから第１のモードにスイッチしたときに前記第２の冗長装置によって使用される、ステップと、
    前記バス上で受信され前記仮想装置の前記仮想発行アドレス向けのメッセージを前記第２の冗長装置の第２の予約バッファに格納するステップであって、前記第２の予約バッファは前記第２の冗長装置がバックアップモードから第１のモードにスイッチしたときに前記第２の冗長装置によって使用される、ステップと
    を備えたことを特徴とする方法。
  9. 前記第１冗長装置が動作不能の場合に、前記第２冗長装置に第１のモードで動作させるよう構成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項８記載のプロセス制御ネットワークにおけるプロセス制御システム内の冗長装置動作方法。
  10. 前記第１冗長装置が仮想発行アドレスをもつメッセージをバス上で発信できないことに基づいて、前記第１冗長装置が動作不能であると判断するように前記第２冗長装置を構成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項９記載のプロセス制御ネットワークにおけるプロセス制御システム内の冗長装置動作方法。
  11. 前記第１の冗長装置がアクテュブモードで動作している間に、第１冗長装置が動作不能になりつつある又は動作不能であることを示す状態情報を、前記仮想発行アドレスをもつメッセージ内に於いて前記第１冗長装置からバス上に発信するステップと、
    前記仮想発行アドレスをもつメッセージを前記第２冗長装置が処理するよう構成するステップと、
    前記状態情報及び仮想発行アドレスを含むメッセージを受信すると同時に、第２の冗長装置を第１のモードで動作させるステップと
    を更に備えたことを特徴とする請求項８記載のプロセス制御ネットワークにおけるプロセス制御システム内の冗長装置動作方法。
  12. 前記第１及び第２の冗長装置をバス外部の通信リンクで通信可能に接続するステップと、
    第１のモードで動作している前記第１の冗長装置又は第１のモードで動作している前記第２の冗長装置の一方から状態情報を送信するステップと
    を備え、
    前記状態情報は、第１のモードで動作している前記第１の冗長装置又は第１のモードで動作している前記第２の冗長装置の一方が動作不能である又は動作不能になりつつあることを示すことを特徴とする、請求項８記載のプロセス制御ネットワークにおけるプロセス制御システム内の冗長装置動作方法。
  13. 前記少なくとも１つの装置の固有アドレスを含むメッセージを前記第１及び第２の冗長装置が処理するよう構成するステップと、
    前記少なくとも１つの装置の固有アドレスを含むメッセージを受信するステップと、
    第１のモードとバックアップモードで動作している間、前記第１及び第２の冗長装置で、前記少なくとも１つの装置の固有アドレスを含むメッセージを処理するステップと
    を更に備えたことを特徴とする、請求項８記載のプロセス制御ネットワークにおけるプロセス制御システム内の冗長装置動作方法。
  14. 前記バスは、それぞれ該バスに通信可能に接続された少なくとも１つの装置を有する第１部分と第２部分とを有し、前記方法は、前記第１及び第２の冗長装置を互いに並列に、かつ、前記バスの第１部分と第２部分との間で直列に、通信可能に接続されていることを特徴とする、請求項８記載のプロセス制御ネットワークにおけるプロセス制御システム内の冗長装置動作方法。
  15. 前記第１及び第２の冗長装置が、その第１及び第２の冗長装置の他方の接続を検知するように構成するステップと、
    前記第１冗長装置で第２冗長装置の接続を検知し、前記第２冗長装置では第１冗長装置の接続を検知するステップと、
    第２の冗長装置の接続に基づいて、第１の冗長装置を第１のモードで動作させるステップと、
    第１の冗長装置の接続に基づいて、第２の冗長装置をバックアップモードで動作させるステップと
    を更に備えたことを特徴とする、請求項８記載のプロセス制御ネットワークにおけるプロセス制御システム内の冗長装置動作方法。
  16. 前記仮想発行アドレスが、前記第１の固有アドレスと第２の固有アドレスの一方であることを特徴とする、請求項８記載のプロセス制御ネットワークにおけるプロセス制御システム内の冗長装置動作方法。
JP2007049156A 2000-12-05 2007-02-28 プロセス制御システムにおける冗長装置 Expired - Lifetime JP4597154B2 (ja)

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