JP6041094B2 - フィールド通信システム - Google Patents

Description

本発明は、フィールド通信システムに関し、詳しくは、空間を伝播する光を用いたフィールド通信システムの改良に関する。

図４は、石油、化学、鉄鋼、紙パルプ、ガス、ＬＮＧ、電力、水環境、医薬品などの制御プラントにおける計装システムで用いられている従来のフィールド通信システムの一例を示すシステム構成図である。

図４において、温度伝送器、流量計、圧力伝送器、バルブポジショナなどのフィールド機器１は、Ｉ/Ｏモジュール２を介して上位の制御システム（以下、上位システムともいう）３と接続されている。

各物理量を検出するフィールド機器１は、プロセス値の伝送にあたり、４−２０ｍＡのアナログ信号によるアナログ通信や、４−２０ｍＡのアナログ信号に機器情報などを含むデジタル信号が重畳された複合信号によるハイブリッド通信を行う。

ここで、アナログ通信あるいはハイブリッド通信を行うフィールド機器１と制御システム３は、基本的に、１対１の関係で接続されている。制御システム３は、フィールド機器１から伝送入力されるプロセス値および機器情報に基づき、バルブなどの操作器を制御する。

図５は、フィールド機器１の内部構成の一例を示すブロック図である。図５において、センサ部１１は測定対象の物理量の測定値を通信制御部１２に入力する。通信制御部１２は、センサ部１１から入力される物理量の測定値を、４−２０ｍＡのアナログ信号に変換して伝送するためのデータ処理を行い、通信送受信部１３との間で伝送データの授受を行う。通信送受信部１３は、前述のような４−２０ｍＡのアナログ信号によるアナログ通信やハイブリッド通信を行う。

通信送受信部１３のデータ通信処理について説明する。通信送受信部１３は、センサ部１１により検出された測定対象の物理量の測定値を、４−２０ｍＡのアナログ信号に変換し、Ｉ/Ｏモジュール２を介して上位システム３に伝送する。

上位システム３からフィールド機器１が有するパラメータにアクセスする場合や、フィールド機器１から上位システム３に機器情報などを伝送する場合には、４−２０ｍＡのアナログ信号に重畳させたデジタル信号を用いて、メーカーにより決められたハイブリッド通信の伝送方式に則って所望のデータの送受信を行う。

ハイブリッド通信のプロトコルとしてはＨＡＲＴ(登録商標)やＢｒａｉｎ(登録商標)などがあり、各々の通信規則に従ってデータの送受信が行われる。

ところで、これらハイブリッド通信の通信速度は約1200bpsであり、コマンドの送受信に秒単位での時間を要することになる。

また、ＨＡＲＴ伝送方式によれば、一つの制御ループに複数のフィールド機器を接続して制御する「マルチドロップ」が可能である。この伝送方式によれば、各フィールド機器に固有のタグを付与することが可能であるため、特定のフィールド機器に対してデジタル通信によりデータを伝送することができる。

反面、各フィールド機器の４−２０ｍＡのアナログ信号が伝送できなくなるため、プロセス値伝送のリアルタイム性は低下することになる。

また、フィールド機器１の診断情報などを上位システム３で取得する場合、トレンドデータなどはデータ量が大きくなるため、ハイブリッド通信でのデータ転送には適さない。

そこで、たとえば特許文献１に記載されているように、フィールド通信用の通信経路の他に、空間を伝播する可視光や赤外線などの光を送受することにより光通信を行う光通信手段を設けることも提案されている。

光通信手段を設けることにより、
ａ）４−２０ｍＡのアナログ信号にデジタル信号を重畳させて機器情報などを伝送するハイブリッド通信のデータ転送容量を増大させることができる。
ｂ）メンテナンスの向上を図るための大量のトレンドデータ転送に対応できる。
ｃ）フィールド通信経路では不可能な内部データにアクセスできる。
などの効果が期待できる。

特開２００９−４８２８９号公報

しかし、特許文献１には、光通信手段を設けることについては記載されているが、光通信手段における光源の照射範囲を、光通信手段の使用目的に応じて適切な状態に制御する具体的な構成についての記載はない。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、照射範囲を光通信手段の用途に応じて適切な状態に制御できる光源を有する光通信手段を備えたフィールド通信システムを提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
フィールド通信用通信経路と光通信手段を設けたフィールド通信システムにおいて、
前記光通信手段の光源部は、出力光の照射範囲を前記光通信手段の用途に応じて適切な状態に制御する照射範囲制御手段を有し、
前記照射範囲制御手段は、
上位システムから入力される制御信号に基づき、前記出力光の照射方向を所定の方向に制御するパン・チルト機構と、
前記光源部と前記出力光の照射口との距離を調整する距離調整機構を含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のフィールド通信システムにおいて、
前記フィールド通信システムは、光通信手段を有する携帯型設定ツールを含むことを特徴とする。

これらにより、光通信手段を構成する光源部の出力光の照射範囲を、光通信手段の使用目的に応じて適切な状態に設定できる。

本発明の一実施例を示すシステム構成図である。 図１におけるフィールド機器１の内部構成例を示すブロック図である。 受発光部４における光源部の構成例を示す構成説明図である。 従来のフィールド通信システムの一例を示すシステム構成図である。 フィールド機器１の内部構成の一例を示すブロック図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例を示すシステム構成図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図４の相違点は、図１のシステムでは、フィールド機器１と上位システムである制御システム３との間に、図４のＩ/Ｏモジュール２を介したフィールド通信用の通信経路に加えて、受発光部４を介した光通信用の通信経路を設けていることである。

図１において、受発光部４は、各フィールド機器１を照射するための光源としての発光素子と、各フィールド機器１からの光信号を受光する受光素子とを備えている。光源は一般的に使用される照明灯やスポット光などでよく、発光素子としてはＯＮ／ＯＦＦ制御の容易なたとえば発光ダイオードを用いる。受光素子としては、フォトダイオードやイメージセンサを用いる。

図２は図１におけるフィールド機器１の内部構成例を示すブロック図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図２において、光通信制御部１４は、光により送受信するデータを、通信制御部１２との間でやりとりする。

光通信送信部１５は、受発光部４に設けられている図示しない受光部をフィールド機器１側から照射するように、たとえば発光ダイオードのような発光素子で構成されている。

光通信受信部１６は、受発光部４から照射されるデータ転送用出力光を受光するためのフォトダイオードあるいはイメージセンサで構成されている。

このような構成におけるデータの個別送受信について説明する。
各フィールド機器１は、それぞれ温度、流量、圧力などの物理量を計測し、測定値をプロセス値として４−２０ｍＡのアナログ信号に変換して制御システム３に伝送する。

そして、自己診断情報の取得やパラメータの取得・設定にあたっては、前述のような４−２０ｍＡのアナログ信号に機器情報などを含むデジタル信号が重畳された複合信号によるハイブリッド通信を行う。

さらに、ハイブリッド通信では得られないフィールド機器１の内部変数や、自己診断情報およびこれに関する変数値、詳細な機器情報などのデータの送受信は、光通信手段を用いて行う。

光通信手段は、上位システム３から出力される制御信号にしたがって、受発光部４からＯＮ／ＯＦＦ出力される光信号を各フィールド機器１に照射することにより、リクエストコマンドを送信する。リクエストコマンドは、各フィールド機器１に固有のＩＤタグ情報を含むものである。

各フィールド機器１がリクエストコマンドを光通信受信部１６で受信すると、リクエストコマンドに含まれているＩＤタグと一致するＩＤタグを有するフィールド機器１は、リクエストに対するデータへのアクセスを光通信制御部１４により行う。

取得したデータは光信号のＯＮ／ＯＦＦデータであり、レスポンスデータとして光通信送信部１５より受発光部４に設けられている図示しない受光部に照射される。

なお、通信データの伝送方式は自由に定義可能であるが、策定中の標準化規格としてIEEE 802.15.7がある。

また、ハイブリッド通信パラメータへのアクセスに限定する場合には、前述のようなハイブリッド通信の一種であるＨＡＲＴやＢｒａｉｎプロトコルのコマンドフレームを使用できる。

さらに、フィールド機器１固有のＩＤについて、ＨＡＲＴプロトコルでは各フィールド機器に付与することのできるポーリングアドレスがあり、ＢＲＡＩＮプロトコルではキャビネット内の各スロットに接続された各機器に付与される固有のアドレスがある。これらのアドレスを光通信のリクエストおよびレスポンスコマンドに付与することにより、アクセスするフィールド機器１を制限することができる。

次に、データの一斉送信について説明する。
フィールド通信システムを構成している各フィールド機器１に対して一斉にパラメータ変更あるいはファームウェアの変更を行う場合は、受発光部４から出力光を広範囲に同時に照射することにより、短時間でのメモリ書き換えが可能となる。

なお、複数のフィールド機器１のパラメータ変更あるいはファームウェアの変更を一斉に書き換える場合には、書き換え終了を表すコマンドを、光通信あるいはハイブリッド通信により制御システム３に伝送する。

一方、受発光部４からの出力光の照射範囲を狭めることで、アクセスするフィールド機器１を制限できる。

図３は、受発光部４における光源部の構成例を示す構成説明図である。光源部には、パルスモータで駆動されるパン・チルト機構が設けられていて、照射方向を任意の方向に向けることができるように構成されている。

すなわち、制御システム３から光源部の照射方向を変更したい回転角度に対応した所定の制御信号を送信する。光源部は受信した角度制御信号をパルスに変換し、パルスモータを駆動することで光源部の照射方向を変更するパン・チルト動作を実現する。

また、受発光部４の内部には、光源部の発光素子が設置されているステージを直線方向に移動させるための駆動源としてのモータが設けられている。このモータを駆動制御して受発光部４内部における光源部の照射口からの距離を、最奥部Ａから中間部Ｂを経て最前部Ｃまでの所望の位置に調整することにより、照射範囲を最小範囲Ａから最大範囲Ｃまで任意に設定できる。

近年、プロセスオートメーションやファクトリーオートメーションの分野では、少配線や高機能化が進んでおり、プラントを構成する多数のフィールド機器の監視・制御を効率的に行うために、完全デジタル通信方式が採用されつつあるが、未だ４−２０ｍＡアナログ通信やアナログ信号にデジタル信号を重畳させたハイブリッド通信を採用するまたは採用している割合は完全デジタル通信に対して大きい。

各フィールド機器への光通信によるアクセス経路を別に設けることで、通信速度が遅くてアクセス可能メモリ領域が制限されるというこれらアナログ通信やハイブリッド通信におけるメンテナンス性の問題を改善できる。

すなわち、光通信により、フィールド機器内部のメモリにハイブリッド通信パラメータに制限されることなくアクセスできる。アクセス可能となるメモリ領域が広がることで、異常発生時のフィールド機器内部情報を詳細に取得することができ、異常の原因特定や早期解決が可能になる。

ハイブリッド通信の通信速度が1200bpsであるのに対して光通信は数Mbpsであり、高速通信が可能になることでパラメータの一括ダウンロード/アップロードなどが短時間で行えるようになる。

アナログ通信やハイブリッド通信を使用する制御システムにおいて、通信媒体として光を使用する光通信による通信経路を設けることで、無線通信のように使用する周波数帯域の制限や、人体への影響の問題を排除できる。

フィールド機器を照射する光源として、すでに一般的に使用されている照明光を使用することで、システムの敷設にかかる工事負担を軽減できる。

また、光源として可視スポット光を使用することで、通信対象となる機器を制限指定することができて誤作動を防止でき、視覚的にもどの機器と通信しているのかを明確に把握できる。

受発光部４の受光部が取得したデータとともに、フィールド機器のＩＤ、時間情報を保存するメモリを装備することで、異常発生時の各機器のトレンド情報を取得することができ、異常発生に対するトレンドデータ解析能力の向上が図れる。取得するデータとしては、各フィールド機器で更新されるプロセス値、自己診断情報、フィールド機器へのアクセスが発生したときの変更内容などがあげられる。

また、図１に示すように、ハンドヘルドターミナルなどの携帯型設定ツール５に光通信機能を持たせることで、現場においても上記と同様の機器情報を得ることができる。設置されているフィールド機器に異常が発生した場合でも機器を停止させることなく内部メモリにアクセスでき、携帯型設定ツールで即時に確認することができる。

なお、光通信に用いる光は、可視光に限るものではなく、赤外線であってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、照射範囲を光通信手段の用途に応じて適切な状態に制御できる光源を有する光通信手段を備えたフィールド通信システムを提供することができ、各種制御プラントにおける計装システムのフィールド通信システムの安定駆動に有効である。

１ フィールド機器
１１ センサ部
１２ 通信制御部
１３ 通信送受信部
１４ 光通信制御部
１５ 光通信送信部
１６ 光通信受信部
２ Ｉ/Ｏモジュール
３ 制御システム（上位システム）
４ 受発光部
５ 携帯型設定ツール

Claims (2)

1. フィールド通信用通信経路と光通信手段を設けたフィールド通信システムにおいて、
   前記光通信手段の光源部は、出力光の照射範囲を前記光通信手段の用途に応じて適切な状態に制御する照射範囲制御手段を有し、
   前記照射範囲制御手段は、
   上位システムから入力される制御信号に基づき、前記出力光の照射方向を所定の方向に制御するパン・チルト機構と、
   前記光源部と前記出力光の照射口との距離を調整する距離調整機構を含むことを特徴とするフィールド通信システム。
2. 前記フィールド通信システムは、光通信手段を有する携帯型設定ツールを含むことを特徴とする請求項１に記載のフィールド通信システム。

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