JP5480625B2 - フィールド装置とコンピュータとの間にデジタル通信を与えるためのアダプタ - Google Patents

フィールド装置とコンピュータとの間にデジタル通信を与えるためのアダプタ Download PDF

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Description

本発明は、一般的に、プロセス制御及び測定の分野に係る。より詳細には、本発明は、プロセス制御及び測定システムに使用するスマートフィールド装置と通信するための装置及び方法に係る。
フィールド装置は、プロセス制御及び測定の分野に使用される良く知られたツールである。フィールド装置は、圧力、流量又は温度のような特定のプロセス変数に関するデータをユーザ又は制御システムに与える。これらの装置は、通常、石油、医薬品及び化学処理の分野に使用される。
プロセス制御及び測定システムに「スマート」フィールド装置を使用することにより、フィールド装置とコミュニケータ装置(例えば、ハンドヘルド装置又はコンピュータ)との間で両方向通信を行うことができる。両方向通信は、複数の通信プロトコルの1つを使用して行われる。しかしながら、スマートフィールド装置には多数の異なるプロトコルが存在し、プロトコルごとに、コミュニケータ装置を異なる仕方で構成することが要求される。例えば、ハイウェイアドレス可能リモートトランスジューサ(HART(登録商標))プロトコルは、標準的な4−20ミリアンペア(mA)のアナログ信号にデジタル信号を重畳することができる。HART(登録商標)プロトコルは、周波数シフトキーイング(FSK)の原理を使用し、この場合、デジタル信号は、1200Hz(デジタル論理レベル“1”を表す)又は2200Hz(デジタル論理レベル“0”を表す)において4−20mAの信号に±0.5mAを変調することによって表わされる。重畳されたデジタル信号は、スマートフィールド装置がデジタル信号の送信及び受信の両方を行えるようにし、通常、要求があったときに、診断及び複数変数情報を制御室又はハンドヘルド装置へ送信するために使用される。他の普及した両方向デジタル通信プロトコルは、FieldbusTMプロトコル及びProfibusプロトコルを含む。
各通信プロトコルは、動作が異なるので、フィールド装置に使用される通信プロトコルに基づいてコミュニケータ装置を構成しなければならない。ユーザが各既知の通信プロトコルに対して別々のハードウェアを持ち歩かねばならない事態を防ぐために、HART(登録商標)及びFieldbusTMの両装置との通信をサポートするハンドヘルド375フィールドコミュニケータのようなツールがエマーソン・プロセス・マネージメントから開発された。この375フィールドコミュニケータは、いかなるプロセス環境にも使用するための本来的に安全な装置である。しかしながら、375フィールドコミュニケータの健全さが全ての用途で要求されるわけではない。例えば、フィールド装置のベンチトップコミッショニング(即ち、フィールド(現場)に設置する前の)は、通常、本来的に安全なコミュニケータ装置を必要としない。この状況において、顧客は、ラップトップ又は他のコンピュータ装置をコミュニケータとして働くようにしばしば変換する。経済的に魅力的であるが、フィールド装置と通信するこの方法は、顧客が、通信モデム又はインターフェイス、電源及び測定抵抗器を含む多数の異なる要素を入手して正しく接続することを要求する。更に、顧客は、アプリケーションソフトウェアを入手してスマートフィールド装置の通信プロトコルに特有のポータブル装置にインストールしなければならない。
それ故、両方向通信のためにコンピュータ又は他のポータブル装置をスマートフィールド装置に接続するプロセスを簡単にするシステムを提供するのが有益であろう。
本発明は、フィールド装置とコンピュータとの間を接続するよう構成されたアダプタであって、フィールド装置とコンピュータとの間の両方向デジタル通信にインターフェイスするアダプタを提供する。このアダプタは、複数の通信プロトコルと通信することが要求されるソフトウェアアプリケーションを記憶するためのメモリを備えている。フィールド装置に使用される通信プロトコルに基づいて、コンピュータにロードするためにメモリに記憶された適当なソフトウェアアプリケーションをアダプタが自動的に選択するか、又はユーザがコンピュータから選択する。アダプタは、更に、多数の実施形態及び構成においてフィールド装置と通信するのに必要なハードウェアコンポーネントを含む。
従来技術で知られたようにフィールド装置と通信するためのシステムを示すブロック図である。 両方向通信を与えるためにスマートフィールド装置とコンピュータとの間をインターフェイスするアダプタを示すブロック図である。
本発明は、コンピュータ(例えば、ラップトップ、パーソナルデジタルアシスタント、又はパーソナルコンピュータ)と、スマートフィールド装置(「フィールド装置」)との間の通信を容易にするアダプタに関する。本発明のアダプタは、コンピュータがスマートフィールド装置と通信するのを許す簡単な一体的な解決策を提供する。
図1は、従来技術で知られたように、フィールド装置12と通信するのに使用するための典型的な通信システム10を示すブロック図である。このシステム10は、コンピュータ装置(例えば、ラップトップ)14と、ユニバーサルシリアルバス(USB)インターフェイス装置16と、電源18と、負荷又は測定抵抗器20と、ソフトウェア22とを備えている。フィールド装置12は、HART(登録商標)通信プロトコルを使用するが、FieldbusTM通信プロトコル又はProfibus通信プロトコルを使用するフィールド装置にも同じ概念を適用することができる。
ワイヤ24a及び24b(「電流ループ」として知られているものを形成する)は、フィールド装置12を電源18に接続し、電源18が直流(DC)電流を電流ループに与えるようにする。HART(登録商標)通信では、フィールド装置12は、第1周波数(“1”を表す)又は第2周波数(“0”を表す)において電源18により与えられるDC電流に±0.5mA電流を重畳することによりデジタル信号を発生する。このデジタル信号は、USBインターフェイス16により受け取られ、これは、電流ループに生じる小さな信号又は交流(AC)電圧を測定する。この小さな信号電圧は、フィールド装置12にまたがって(第1位置においてリード26a及び26bで)測定されるか、又は測定抵抗器20にまたがって(第2位置においてリード26a及び26bで)測定される。USBインターフェイス16は、測定されたデジタル信号を構成して、コンピュータ14に与える。HART(登録商標)通信プロトコルに特有の、コンピュータ14にインストールされたアプリケーションソフトウェアは、コンピュータ14が、フィールド装置12から受け取られたデータを解釈できるようにする。更に、ユーザは、USBポート及びUSBインターフェイス16を経てフィールド装置12にインストラクションを与え、このUSBインターフェイスは、そのインストラクションを、フィールド装置12に配送するためにHART(登録商標)通信プロトコルに変換する。
図1に示す従来システムの欠点は、フィールド装置12と通信するためにユーザが入手して正しく接続しなければならない個々のコンポーネントの数であり、コンピュータ14、USBインターフェイス装置16、電源18、測定抵抗器20、及びソフトウェア22を含む。コンポーネントの設置又は接続が不適切であると、ユーザがフィールド装置12と通信することが妨げられる。
図2は、本発明のUSBアダプタ30のブロック図であり、これは、従来技術の複雑さを減少し、使用する通信プロトコルに関わりなくフィールド装置との簡単なインターフェイスをなす。アダプタ30は、フィールド装置12の端子に接続するためのリード32a及び32bと、自動検出回路33と、測定又は負荷抵抗器36と、電流ループ電源38と、USBポート回路40と、メモリ42と、スイッチ44及び46と、USBケーブル48とを備えている。USBアダプタ30は、USBケーブル48を経てコンピュータ14へ接続されると共に、リード32a及び32bを使用してフィールド装置へ接続される。
USBアダプタ30は、フィールド装置12のベンチトップテスト及びコミッショニングに使用することができ、或いはプロセス制御及び測定環境(即ち「フィールド(現場)」に設置されたときにフィールド装置12とのテスト及び通信に使用することができる。USBアダプタ30は、フィールド装置12に使用される通信プロトコルに関わりなく、コンピュータ14をコミュニケータとして動作するのに必要なアプリケーションソフトウェアを記憶することにより種々の通信プロトコルとの互換性を与える。この実施形態では、メモリ42は、複数の通信プロトコルの各々に関連したアプリケーションソフトウェアを記憶する。
USBアダプタ30をフィールド装置12に接続することで、自動検出回路34は、フィールド装置12に使用されている通信プロトコルを決定することができる。各通信プロトコルは、識別を行えるようにする特徴を含む。例えば、FieldbusTMは、方形波信号を使用して通信し、一方、HART(登録商標)プロトコルは、正弦波を使用して通信する。自動検出回路34は、検出された通信プロトコルをUSBポート回路40に通信する。検出された通信プロトコルに基づいて、USBポート回路40は、適当なアプリケーションソフトウェアをメモリ42からコンピュータ14へアップロードする。例えば、フィールド装置12がHART(登録商標)通信プロトコルを使用していることを自動検出回路34が検出すると、USBポート回路40は、コンピュータ14がHART(登録商標)通信プロトコルに基づいて通信を行えるようにするに必要なアプリケーションソフトウェアをコンピュータ14にアップロードする。一実施形態では、適当なアプリケーションソフトウェアをコンピュータ14へアップロードすることは、自動的に行われる。別の実施形態では、USBポート回路40は、検出された通信プロトコルをコンピュータ14へ通信する。次いで、ユーザは、コンピュータ14へアップロードされるべき適当なソフトウェアをメモリ42から選択する。多数の通信プロトコルに関連したアプリケーションソフトウェアをUSBアダプタ30(特に、メモリ42)に記憶することで、ユーザが、特定のフィールド装置の通信プロトコルに基づいてCD又は他の記憶媒体からソフトウェアを入手してインストールする必要性を排除する。
適当なアプリケーションソフトウェアをコンピュータ14にインストールすることで、コンピュータ14は、フィールド装置12と通信することができる。コンピュータ14は、USB通信規格を使用してUSBアダプタ30と通信するが、USBアダプタ30に与えられるインストラクションは、フィールド装置12に使用される通信プロトコルに基づいたものである。即ち、フィールド装置12がHART(登録商標)通信プロトコルを使用する場合に、コンピュータ14によりUSBアダプタ30に与えられるインストラクション又はデータは、USB規格を使用して通信されるが、フィールド装置12に使用されるHART(登録商標)通信プロトコルに特有のものとなる。フィールド装置12がFieldbusTM通信プロトコルを使用する場合には、コンピュータ14によりUSBアダプタ30に与えられるインストラクション又はデータは、USB規格を使用して通信されるが、フィールド装置12に使用されるFieldbusTM(登録商標)通信プロトコルに特有のものとなる。
ベンチトップコミッショニング(即ち、フィールド装置12が測定システムに接続されない)の間に、リード32a及び32bは、フィールド装置12の端子に接続される。典型的に、ベンチトップコミッショニングの間は、外部電力がフィールド装置12に供給されない。図1に示すように、従来のシステムでは、ユーザが適当な電源を入手してフィールド装置12に適切に接続することが要求された。本発明のUSBアダプタ30は、内蔵電源38を備えている。ベンチトップコミッショニング(又は外部電力がフィールド装置12に与えられない状況)の場合に、スイッチ46は、リード32a及び32bを通してフィールド装置12に電源38を接続する位置にされる。電源38は、コンピュータ14からUSB接続48を経てフィールド装置12に送られる電力を導出し、これにより、ユーザが、図1に示す従来システムに要求された独立した電源を準備する必要を排除する。電源38により送られるDC電力は、フィールド装置12がデジタル通信を送信及び受信できるに充分なものである。例えば、フィールド装置12がHART(登録商標)プロトコルを使用する場合に、フィールド装置12は、電源38により送られるDC電流を変調し、第1周波数又は第2周波数のいずれかでAC電流信号を重畳し、デジタル通信を行う。フィールド装置12が電源に予め接続されたフィールドテスト中には、スイッチ46は、反対の位置に入れられ、フィールド装置12に不要な電力を供給しないように電源38を取り除く。
同様に、測定抵抗器36は、スイッチ44の位置によりリード32a及び32bで形成される電流ループに選択的に接続することができる。全ての通信プロトコルは、電流ループが最小の抵抗値をもつことを要求する。上述したように、ベンチトップコミッショニングの間には、フィールド装置12は、必要量の抵抗をもつ測定システムに接続されない。この状況(及び他の同様のシナリオ)において、スイッチ44を上の位置に入れることにより、測定抵抗器36が電流ループに含まれる。電流ループが必要な抵抗を含むプロセス及び測定システムにフィールド装置12が接続された場合には、測定抵抗器36が要求されず、スイッチ44を下の位置に入れることで除外することができる。
USBアダプタ30を適切に接続した後に、コンピュータ14にソフトウェアをロードして実行すると、USBアダプタは、コンピュータ14とフィールド装置12との間の両方向通信にインターフェイスする。(インストールされたアプリケーションソフトウェアを使用して)コンピュータ14により与えられるインストラクションは、USBアダプタ30のUSBポート回路40に与えられる。コンピュータ14により与えられるインストラクション又はデータは、フィールド装置12に使用される通信プロトコルに基づいてエンコードされる。フィールド装置12がHARTプロトコルを使用する場合には、コンピュータ14によりUSBポート回路に与えられるインストラクションは、HARTプロトコルに基づくものとなる。同様に、フィールド装置12がFieldbusTMプロトコル又はProfibusプロトコルを使用する場合には、コンピュータ14によりUSBポート回路40に与えられるインストラクションは、各々、FieldbusTM又はProfibusプロトコルに基づいたものとなる。次いで、USBポート回路40は、受け取ったインストラクションを、適当な通信プロトコルを使用してフィールド装置12へ通信する(例えば、HART通信の場合、USBポート回路40は、1200Hz又は2200Hzのいずれかにおいて電流ループの電流を±0.5mAで変調し、受け取ったインストラクションをフィールド装置12へ通信する)。フィールド装置12が異なる通信プロトコルを使用する場合に、USBポート回路40は、受け取ったインストラクションを、適当なプロトコル(例えば、ファウンデーションフィールドバス(Foundation Fieldbus)又はProfibus)を使用して通信する。同様に、フィールド装置12により電流ループに与えられるデジタル情報は、USBポート回路40により読み取られて、USBケーブル48を経てポータブル装置14に与えられる。この情報は、ユーザの利益のためにアプリケーションソフトウェアによりユーザインターフェイス(即ち、ディスプレイ又はスクリーン)に表示される。
以上、本発明は、好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、その形態及び細部を変更できることが明らかであろう。特に、本発明は、アダプタとコンピュータとの間の通信にユニバーサルシリアルバス規格を使用するUSBアダプタに関して説明したが、ファイアワイヤ(Firewire)、等の他の形式の通信も使用できる。異なる通信規格が使用される場合には、ポート回路及びケーブルが適宜に変更されることになる。USB又はファイアワイヤ(又は他のもの)への接続は、一般的には、ケーブルを経て行われるが、コンピュータがアダプタと通信できるものであれば、いかなる形式のメイティング端子も受け入れられる。同様に、USBアダプタ30内に使用されるメモリの形式は、いかなる形式の不揮発性メモリ(例えば、フラッシュメモリ)で実施されてもよい。
コンピュータ14は、アプリケーションソフトウェアを実行できると共に、ラップトップ、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)又はパーソナルコンピュータ(PC)のようなユーザのためのユーザインターフェイスをなす装置の一般的表現である。
10:通信システム
12:フィールド装置
14:コンピュータ装置
16:ユニバーサルシリアルバス(USB)インターフェイス装置
18:電源
20:抵抗器
22:ソフトウェア
24a、24b:ワイヤ
26a、26b:リード
30:USBアダプタ
32a、32b:リード
33:自動検出回路
36:抵抗器
38:電源
40:USBポート回路
42:メモリ
44、46:スイッチ
48:USBケーブル

Claims (18)

  1. コンピュータとフィールド装置との間の通信にインターフェイスするためのアダプタにおいて、
    フィールド装置に接続するための端子と、
    コンピュータのUSBポートに接続するためのUSB接続と、
    複数の通信プロトコルに関してアプリケーションソフトウェアを記憶するメモリモジュールであって、前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに特有のアプリケーションソフトウェアが前記USB接続を経て前記コンピュータへアップロードされ、アプリケーションソフトウェアは、前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに基づいて前記コンピュータがデータを送信及び受信できるようにするものであるメモリモジュールと、
    前記端子により前記フィールド装置に且つ前記USB接続により前記コンピュータに接続されるポート回路であって、前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに基づいて前記フィールド装置と前記コンピュータとの間の両方向通信にインターフェイスするポート回路と、
    前記フィールド装置に使用される通信プロトコルを検出するために接続された自動検出回路であって、検出された通信プロトコルは、前記ポート回路に通信される自動検出回路と、を備え
    前記ポート回路は、前記自動検出回路により検出された通信プロトコルに特有のアプリケーションソフトウェアを前記メモリモジュールから前記コンピュータへアップロードさせることを特徴とするアダプタ。
  2. 前記アダプタは、ユニバーサルシリアルバス(USB)プロトコルを使用して前記USB接続を経て前記ポート回路と前記コンピュータとの間に通信を与える、請求項1に記載のアダプタ。
  3. 前記フィールド装置は、ハイウェイアドレス可能なリモートトランスジューサ(HART)プロトコルを使用して前記ポート回路と通信し、そして前記コンピュータは、HARTプロトコルに特有のアプリケーションソフトウェアで構成される、請求項1に記載のアダプタ。
  4. 前記フィールド装置は、Fieldbusプロトコルを使用して前記ポート回路と通信し、そして前記コンピュータは、Fieldbusプロトコルに特有のアプリケーションソフトウェアで構成される、請求項1に記載のアダプタ。
  5. 前記フィールド装置は、Profibusプロトコルを使用して前記ポート回路と通信し、そして前記コンピュータは、Profibusプロトコルに特有のアプリケーションソフトウェアで構成される、請求項1に記載のアダプタ。
  6. 前記ポート回路と前記端子との間にスイッチ可能に接続される電源を更に備え、該電源は、前記フィールド装置に他の外部電力が与えられないときに前記フィールド装置に電力を与えるように前記ポート回路と端子との間に接続される、請求項1に記載のアダプタ。
  7. 前記電源は、前記USB接続を経て前記コンピュータから前記フィールド装置へ与えられる電力を受け取る、請求項6に記載のアダプタ。
  8. 前記ポート回路と前記端子との間にスイッチ可能に接続される抵抗器を更に備え、この抵抗器は、前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに基づいて通信を許すに必要な抵抗を与えるために必要に応じて接続される、請求項1に記載のアダプタ。
  9. アダプタを使用してコンピュータとフィールド装置との間で両方向通信を行う方法において、
    USB接続を使用して前記アダプタを前記コンピュータに接続するステップと、
    一対の端子を使用して前記アダプタを前記フィールド装置に接続するステップと、
    前記フィールド装置に使用された通信プロトコルを検出するステップと、
    前記アダプタ内に配置されたメモリから前記コンピュータへアプリケーションソフトウェアを転送するステップであって、前記コンピュータへアップロードされるアプリケーションソフトウェアは、前記フィールド装置に使用された前記検出された通信プロトコルに関連したもので、前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに基づいて前記コンピュータがデータを送信及び受信できるようにするものであり、前記フィールド装置に使用された前記検出された通信プロトコルに基づいて前記アダプタ内に配置されたメモリから前記コンピュータへアプリケーションソフトウェアを自動的に転送する段階を含むステップと、
    前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに基づいて前記フィールド装置と前記コンピュータとの間で両方向にデータを通信するステップと、
    を備えた方法。
  10. 前記フィールド装置と前記コンピュータとの間で両方向にデータを通信する前記ステップは、
    前記コンピュータから前記USB接続を経て命令を受け取る段階であって、前記フィールド装置の通信プロトコルに基づいてその命令がフォーマットされるような段階と、
    前記コンピュータから受け取った命令を、前記一対の端子を経て前記フィールド装置へ送信する段階であって、前記フィールド装置の通信プロトコルを使用して前記命令が送信されるような段階と、
    前記フィールド装置から前記一対の端子を経てデータを受け取る段階であって、前記フィールド装置の通信プロトコルを使用して前記フィールド装置からデータが受け取られるような段階と、
    前記フィールド装置から受け取ったデータを、前記USB接続を経て前記コンピュータへ送信する段階と、
    を含む請求項に記載の方法。
  11. 前記アダプタを前記コンピュータに接続する前記USB接続は、ユニバーサルシリアルバス(USB)通信規格を使用する、請求項10に記載の方法。
  12. 前記フィールド装置が外部電源から所要電力を受け取るかどうかに基づいて前記アダプタ内に配置された電源を前記フィールド装置に選択的に接続するステップを更に備えた、請求項に記載の方法。
  13. 前記電源は、前記コンピュータから前記USB接続を経て前記フィールド装置に与えられる電力を受け取る、請求項12に記載の方法。
  14. 前記フィールド装置と前記アダプタとの間に所要量のインピーダンスが存在するかどうかに基づいて、前記アダプタ内に配置された抵抗器を前記フィールド装置に選択的に接続するステップを更に備えた、請求項に記載の方法。
  15. コンピュータとフィールド装置の間の通信にインターフェイスするアダプタにおいて、 前記アダプタを前記コンピュータに接続する手段と、
    前記アダプタを前記フィールド装置に接続する手段と、
    複数のフィールド装置通信プロトコルに関連したアプリケーションソフトウェアを記憶するメモリ手段であって、前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに関連したアプリケーションソフトウェアが、前記アダプタを前記コンピュータに接続する前記手段を使用して、前記コンピュータにロードされるようにしたメモリ手段と、
    前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに基づいて前記フィールド装置と前記コンピュータとの間でデータを両方向に通信する手段と、
    前記フィールド装置に使用されている通信プロトコルを検出する手段と、
    前記フィールド装置に使用された前記検出された通信プロトコルに基づいて前記メモリからアプリケーションソフトウェアを自動的に転送する手段と、
    を備えたアダプタ。
  16. 他の外部電力が前記フィールド装置に与えられないときに前記フィールド装置に電力を与えるようスイッチ可能に接続される電源を更に備えた、請求項15に記載のアダプタ。
  17. 前記電源は、前記アダプタを前記コンピュータに接続する前記手段を経て、前記コンピュータから前記フィールド装置に与えられる電力を受け取る、請求項16に記載のアダプタ。
  18. 前記フィールド装置にスイッチ可能に接続される抵抗器を更に備え、該抵抗器は、前記フィールド装置に使用された通信プロトコルに基づいて通信を許すに必要な抵抗を与えるために必要に応じて接続される、請求項15に記載のアダプタ。
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