JPH07123031A - フィールド機器の通信方式、及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】バルブ等を制御するフィールド機器において、
制御信号の信頼性を向上させ、かつ、ディジタル通信を
行う高機能形への移行が行えるようにする。 【構成】フィールド機器の内部は、アナログ信号受信要
素１１とディジタル通信要素１２とを伝送路５に対して
直列に接続する構成である。この構成において、ディジ
タル通信要素１２を取外した状態であっても、伝送路を
閉ループにしておくことにより、４〜２０ｍＡのアナロ
グ信号の受信は行える。よって、アナログ電流信号の受
信部を確保することにより信頼性を向上できる。また、
ディジタル信号での通信が行える機能性の高いフィール
ド機器に、段階を経て、徐々に移行することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２線式伝送路上で信号
伝送と動作電力の受給を行うフィールド機器に係り、特
に、伝送路を介してアナログ伝送信号の受信と、その信
号に重畳されたディジタル信号、または、その信号とを
切替えたディジタル信号の相互通信とを同一伝送路上で
行うフィールド機器の通信方式、及びその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるフィールド機器と称される機器
は各種プラントの圧力，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。

【０００３】そして、該電気信号の伝送は、信号がアナ
ログ信号の場合に、規格化されており、フィールド機器
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。このため、一般的にはフィール
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。

【０００４】しかし、近年、半導体集積回路技術の向上
により、マイクロプロセッサ内蔵のフィールド機器が開
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
ディジタル信号の通信を行い、フィ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って
きている。この種の装置は、例えば、特開昭58−48198
号公報，特開昭59−201535号公報などに開示されてい
る。

【０００５】具体的な例を図５を用いて説明する。同図
は、外部電源を必要とするアナログ電流送信形のフィー
ルド機器に関する装置構成例を示している。フィールド
機器５１は外部電源５４から供給される電力により動作
し、検出した物理量に対応した電流を伝送路に流す定電
流源としてアナログ電流信号を出力し、上位機器５３
は、伝送路に直列に挿入された抵抗を流れる前記アナロ
グ電流信号（以下、アナログ信号という）を抵抗の両端
の電位差の検出により受信し、フィールド機器５１の指
示値として使用している。上位通信機器５２は、フィー
ルド機器５１と上位機器５３，外部電源５４との間に接
続され、フィールド機器５１とディジタル信号で双方向
の通信を行っている。この伝送路と信号を伝送する方式
としては、アナログ信号上にディジタル信号をのせて、
アナログ信号に影響を与えないようにディジタル信号の
通信を行う方式，アナログ信号とディジタル信号とを切
り換えて信号伝送する方式、およびディジタル信号のみ
による信号伝送方式とが知られている。

【０００６】図６は、外部電源を必要とするアナログ電
流受信形のフィールド機器に関する装置構成例を示して
いる。フィールド機器１は外部電源４から供給される電
力により動作し、制御量に対応した電流を伝送路から受
信し、バルブ等を制御している。上位機器３は、伝送路
に流す前記アナログ電流信号（以下、アナログ信号とい
う）を内蔵する定電流回路により送信し、フィールド機
器１への制御値として使用している。上位通信機器２
は、フィールド機器１と上位機器３，外部電源４との間
に接続され、フィールド機器１とディジタル信号で双方
向の通信を行っている。

【０００７】本発明は、この種のアナログ電流受信形の
フィールド機器と上位機器との通信方法を対象とし、従
来例として、特開昭60−257629号公報，特開昭61−7082
7 号公報などに開示されている例がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例に使用
している技術にあっては、図２に示した詳細な構成図の
ように、電空変換器が伝送路に直接接続されてなく、受
信装置を介して接続されているため、ディジタル信号で
双方向の通信を行わないアナログ電流信号のみを受信す
る既存システムからの移行を行う際に、伝送路以外（受
信装置，電空変換器、など）は、殆どの部分を同時に変
更する必要があり、コストパフォーマンスの点で、既存
システムからの移行を行うメリットがでてこないという
問題があった。

【０００９】特に、既存システムに接続されているフィ
ールド機器を、一時そのまま使用して、徐々にディジタ
ル信号でも通信を行うシステムへ移行しようとすること
ができないという問題があった。

【００１０】また、既存のアナログ電流のみを受信する
フィールド機器においては、アナログ電流信号を直接ト
ルクモータで受信し、ノズルフラッパなどを介して空気
圧に変換するといったシンプルな方式が多く用いられて
おり、部品数が少なく高い信頼性が維持できている。こ
れに対し、従来例においては、マイクロプロセッサ，Ａ
／Ｄ変換器，Ｄ／Ａ変換器を含む多くの電子回路を介し
て前記のトルクモータなどの装置を駆動しているため、
既存システムの信頼性が維持できないという問題もあっ
た。

【００１１】本発明は、アナログ電流信号を受信しバル
ブ等を制御する部分の高い信頼性を維持し、かつ、付加
機能としてディジタル信号での通信が行えるフィールド
機器を提供する目的としている。さらに、段階を経て、
フィールド機器とのディジタル信号で通信を行うシステ
ムへ移行することを可能とする装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、図１に示すように、アナログ電流信号を
受信する要素とディジタル信号で通信を行う要素とを、
伝送路に対して直列に接続した構成にすることにより、
アナログ電流信号を直接トルクモータなどの受信器で受
信でき、高い信頼性が維持できるようにしている。ま
た、アナログ電流信号は上位機器から出力するため、デ
ィジタル信号で通信を行う要素を前記伝送路のループか
ら着脱しても、伝送路を閉ループにしておくことによ
り、アナログ電流信号を受信する要素には影響を与えな
い。これにより、ディジタル信号で通信を行う要素を後
で取付け、徐々にディジタル信号でも通信を行うシステ
ムへ移行できるようにしたものである。

【００１３】

【作用】本提案によるフィールド機器は、アナログ電流
信号をトルクモータなどの受信器で構成し、伝送路と直
接接続するため、伝送路を流れる４〜２０ｍＡの制御信
号（アナログ電流信号）により、トルクモータなどを介
して直接バルブ等を制御できる。これにより、制御信号
で動作する部品構成は最小限にでき、従来より使われて
いる信頼性の高い構成にすることができる。ディジタル
信号で通信を行う要素は、非通信時に伝送路に対して、
一定の入力インピーダンスを保つか、または、受給電圧
を一定に維持するように動作する構成にしておくことに
より、伝送路を流れるアナログ電流信号には影響がな
い。ここで、ディジタル通信を行う要素の伝送路に対す
る電圧は、要素の入力インピーダンスを変化させるか、
または、受給電圧を変化させることにより変化し、これ
に同期して伝送路の線間電圧も変化する。よってこの電
圧変化を使って、ディジタル通信が可能となる。また、
アナログ電流信号の受信器であるトルクモータなどは、
コイル等で構成されているため、ディジタル通信信号の
急激な電圧変化に対して、発振現象を起こす場合がある
が、アナログ電流信号を受信する要素と並列にコンデン
サなどの容量性素子からなるインピーダンス変換素子を
接続することにより、影響を抑えることができ、問題な
く通信できるようになる。

【００１４】これらのことから、既存のアナログ信号受
信形のフィールド機器を使用したままの状態で、ディジ
タル通信も行えるシステムへ移行できる。さらに、フィ
ールド機器をディジタル通信対応に交換するときは、そ
の接続を直接、伝送路からの接続に変更するだけなの
で、必要に応じて、段階的にディジタル通信も行えるシ
ステムへ移行できる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説
明する。

【００１６】図１は、本発明を用いたフィールド機器の
通信システムの装置構成図である。同図において、フィ
ールド機器１は、アナログ受信信号が４〜２０ｍＡのア
ナログ電流信号であり、その信号にディジタル信号を重
畳して双方向の通信を行えるものであり、バルブなどの
制御量を受信したりするものである。フィールド機器１
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、アナログ信号受信要素１１とディジタル通
信要素１２とで構成される。本実施例では、４〜２０ｍ
Ａのアナログ電流信号にディジタル信号を重畳する例を
示したが、これがアナログ電流信号とディジタル信号を
切り替えて通信する方式でも同様である。

【００１７】上位機器３は、伝送路５を介して、バルブ
の制御情報としてフィールド機器１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内にあるディスプレイやキー
ボードを操作することにより、フィールド機器１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。

【００１８】次に、フィールド機器１の動作について、
詳細に説明する。

【００１９】アナログ信号受信要素１１は、トルクモー
タ，ノズルフラッパなどで構成される電／空変換器であ
り、伝送路５を流れている４〜２０ｍＡのアナログ電流
信号をトルクモータで直接受信し、力信号に変換する。
この信号は、外部から供給される空気圧を駆動源とし
て、バルブ６へ４〜２０ｍＡのアナログ電流信号に対応
した空気圧の信号を出力する。ここで、前記アナログ信
号受信要素１１は、既存の４〜２０ｍＡのアナログ電流
信号のみを受信するフィールド機器と同一の装置であっ
ても問題ない。これにより、制御信号で動作する装置の
部品構成は必要最小限にでき、従来より使われている信
頼性の高い構成にすることができるという効果がある。

【００２０】ディジタル通信要素１２は、伝送路５に対
して直列に接続され、非通信時には、一定の入力インピ
ーダンスを保つか、または、受給電圧を一定に維持する
ように動作する。このため、ディジタル通信要素１２の
受給電圧が、外部電源４の供給電圧から、上位機器３，
アナログ信号受信要素１１，伝送路５での電圧降下など
を差し引いても、十分余裕がある値で構成できるため、
ディジタル通信要素１２を接続しても、伝送路５を流れ
ている４〜２０ｍＡのアナログ電流信号には影響がな
い。

【００２１】ディジタル通信要素１２が上位機器３，上
位通信機器２とディジタル通信を行う場合、送信信号
は、ディジタル通信要素１２の接続端子間の電圧をディ
ジタル信号に対応した形で瞬時的に変化させることによ
り伝送路５の線間電圧を変化させて送信し、受信信号
は、前記線間電圧の変化を捕らえて受信する。上位機器
３，上位通信機器２が送信する場合、伝送路５を流れて
いる４〜２０ｍＡのアナログ電流信号にディジタル信号
に対応した信号を重畳することにより送信し、受信する
場合は、前記線間電圧の変化を捕らえて受信する。

【００２２】ここで使うディジタル信号に対応した変化
は、例えば、周波数変調のようにディジタル信号の
“１”，“０”に対応する２種類の周波数信号のほか、
振幅変調のように信号の大きさで“１”，“０”に対応
するもの、位相変調のように２種類の位相が、“１”，
“０”に対応するもの等が用いられる。

【００２３】ディジタル通信要素１２は、アナログ信号
受信要素１１やバルブ６に接続された各種センサなどか
ら、例えば、バルブの開度，供給空気圧の圧力などのバ
ルブ関係情報を取り込み、それらの値や自己診断結果な
どを行い、通信データとして、それらのデータを上位機
器３，上位通信機器２に伝えている。

【００２４】次に、ディジタル通信要素１２の動作は、
伝送路５に対して定電圧動作する場合と定インピーダン
ス動作する場合があるが、その代表例として、図３を用
いて定電圧動作する場合について、詳細に説明する。

【００２５】図３において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２
１は伝送路を介して外部電源より加えられる電圧からデ
ィジタル通信要素１２自身の内部回路が動作するための
電圧Ｖ_DDを作りだす。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１に直
列に接続された定電流回路１２２は、抵抗１２４の両端
にかかる電位が一定になるように、抵抗１２３，１２４
を除いた内部回路全体の消費電流を制御する。よって、
抵抗１２３，124を流れる電流は一定値となるため、デ
ィジタル通信要素１２の接続端子間の電圧も一定とな
る。これにより、伝送路５を流れる４〜２０ｍＡのアナ
ログ電流信号の値に関係なく、ディジタル通信要素１２
は、伝送路５に対して定電圧動作を行う。

【００２６】次に、ディジタル通信要素１２のその他の
動作について説明する。

【００２７】Ａ／Ｄ変換器１２５は、アナログ信号受信
要素１１やバルブ６に接続された各種センサなどから、
バルブの開度，供給空気圧の圧力などのバルブ関係情報
信号をマルチプレクサ１２６を介して取り込まれる。マ
ルチプレクサ１２６には、Ｉ／Ｏインターフェイス１２
７からの入力切換信号が入力されている。Ａ／Ｄ変換器
１２５でディジタル値に変換されたデータは、マイクロ
プロセッサ１２０により、前記Ａ／Ｄ変換器１０５から
順次、送り込まれる出力と、メモリ１２８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、それらの値から自己診断などの処理が行わ
れる。

【００２８】ディジタル通信要素１２が通信を行う場合
には、次の動作を行う。

【００２９】送信動作は、最初に、マイクロプロセッサ
１２０の指令で、メモリ１２８に格納されているデータ
などを、コントローラ１２９からシリアルのディジタル
信号列を出力する。この信号は、エンコーダ回路１３０
でコード化された信号となり、定電流回路１２２に入力
され、一定値となっているディジタル通信要素１２の接
続端子間の電圧を変動させることにより、伝送路へ通信
信号として出力される。

【００３０】受信動作は、伝送路からの通信信号をデコ
ーダ回路１３１で前記コード化信号を復号化して、シリ
アルのディジタル信号列で取り出し、コントローラ１２
９にディジタル信号の“１”，“０”からなるデータと
して入力される。コントローラ１２９に入力された信号
は、マイクロプロセッサ１２０により、受信データとし
て取り出される。

【００３１】ここで、図４に示すように、ディジタル通
信要素１２での電圧降下手段としての抵抗よりも電圧降
下作用の大きい、例えばツェナーダイオードのような電
圧降下素子１３を予め伝送ループに挿入しておくことに
より、伝送路５からフィールド機器１を切り離すことな
く、前記フィールド機器の機能拡張ができるという効果
もある。また、図３で示した抵抗素子を前もって伝送路
に挿入することも可能である。

【００３２】そして、アナログ信号受信要素１１のトル
クモータは、数百ミリから数ヘンリーのコイルと等価な
回路で構成されているため、ディジタル通信信号の急激
な電圧変化に対して、インピーダンスが高く発振現象を
起こす場合がある。この場合、図４に示すように、アナ
ログ信号受信要素１１と並列にコンデンサなどの容量性
素子からなるインピーダンス変換素子１４を接続するこ
とにより、数百ヘルツから数千ヘルツの周波数である前
記ディジタル通信信号に対して、インピーダンスを低い
値で固定できるため、問題なく通信できるように影響値
を抑えることができる。

【００３３】よって、この場合、信頼性の高いディジタ
ル通信が行えるという効果がある。これらのことから、
フィールドに設置された既存のアナログ信号の受信のみ
のフィールド機器に対しても、後で、ディジタル通信要
素１２を接続することが可能であり、フィールド機器の
機能拡張ができるという効果がある。

【００３４】

【発明の効果】以上、説明したことから明らかなよう
に、本発明によるフィールド機器は、アナログ電流信号
を受信しバルブ等を制御するという最も高い信頼性が要
求される部分において、アナログ電流信号により基本的
な動作を確保しながら、ディジタ通信も行えるため信頼
性の高い制御が行えるという効果がある。また、ディジ
タル信号での通信が行える機能性の高いフィールド機器
に、段階を経て、徐々に移行することができるという効
果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるフィールド機器システムの一実施
例を示す装置構成図。

【図２】従来のフィールド機器の構成を示すブロック
図。

【図３】本発明によるフィールド機器の内部構成の一実
施例。

【図４】本発明のフィールド機器の内部構成の一実施
例。

【図５】従来のアナログ電流送信形のフィールド機器の
例。

【図６】従来のアナログ電流受信形のフィールド機器の
例。

【符号の説明】

１…アナログ信号受信形フィールド機器、２，５２…上
位通信機器、３，５３…上位機器、４，５４…外部電
源、５…伝送路、６…バルブ、５１…アナログ信号送信
形フィールド機器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】伝送路上に接続された外部電源と上位機器
   のアナログ電流出力回路とにより、２線式伝送路を介し
   て、アナログ電流信号をフィールド機器に供給するフィ
   ールド機器の通信方式において、前記アナログ電流信号
   を受信する装置と、前記上位機器または前記２線式伝送
   路の任意の箇所に接続する上位通信器とディジタル信号
   で通信するディジタル通信装置とを、前記フィールド機
   器内で前記２線式伝送路に対して直列に接続し、前記２
   線式伝送路上で、アナログ電流信号とディジタル信号と
   の通信を行う手段を備えたことを特徴とするフィールド
   機器の通信方式、及びその装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のフィールド機器において、
   ディジタル信号で通信するディジタル通信装置が、前記
   ２線式伝送路を流れるアナログ電流信号の大きさに依存
   せず、前記２線式伝送路に対して、一定のインピーダン
   スまたは一定の電圧降下動作を行う手段を備えたことを
   特徴とするフィールド機器の通信方式、及びその装置。
3. 【請求項３】請求項２記載のフィールド機器において、
   ディジタル信号で通信するディジタル通信装置と並列に
   電圧降下素子を接続し、アナログ電流信号の伝送ループ
   をオープンループにすることなく、前記ディジタル通信
   装置が前記２線式伝送路に対して、任意に着脱すること
   を可能とすることを特徴とするフィールド機器の通信方
   式、及びその装置。
4. 【請求項４】請求項３記載のフィールド機器において、
   前記アナログ電流信号を受信する装置と並列に主に容量
   性素子からなるインピーダンス変換素子を接続し、前記
   ディジタル通信装置の通信時に、通信信号の通信周波数
   範囲に対して、前記アナログ電流信号を受信する装置の
   インピーダンスを低くする手段を備えたことを特徴とす
   るフィールド機器の通信方式、及びその装置。