JPH09233005A - フィールド機器の通信回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来フィールド機器が消費する電流全体を誤接
続防止用ダイオードで逆流するのを防いでいるため、通
信信号を上下方向に均等な振幅とするには、フィールド
機器の消費電流は約８ｍＡ以上にする必要があり、フィ
ールド機器の消費電流を小さくすることができず、エネ
ルギの制約がある本質安全防爆の条件下では、接続でき
るフィールド機器の数に制限があった。 【解決手段】フィールド機器の回路をフィールド機器１
が動作するための消費電流を一定にする定電流回路１１
０と通信回路１１２，１１３とを伝送路５に対して並列
に接続し、定電流回路１１０側に逆接続防止のための整
流素子１１４を入れた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一対の伝送路上で
信号伝送を行うフィールドバスシステムに係り、特に、
簡単な回路構成でフィールド機器の低消費電力化と、本
質安全防爆条件下における接続可能な機器台数の拡大が
行えるフィールド機器の通信回路に関する。

【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計
器へ伝送したり、また、逆に、上位計器から伝送される
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、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
上位計器との間は、４〜２０ｍＡのアナログ電流信号の
伝送が行われている。また、一般的にはフィールド機器
と上位計器との間は、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、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。

【０００５】また、最近、複数台のフィールド機器を同
一伝送路上にマルチドロップで接続し、双方向のディジ
タル信号だけで通信を行うシステムとしてフィールドバ
スシステムが提案されている。

【０００６】フィールドバス・システムの代表的な構成
例を図２を用いて説明する。同図は、複数台のフィール
ド機器と上位計器とが伝送路を介してツリー形に接続さ
れた装置構成例を示している。フィールド機器１ａ，１
ｂ，１ｃ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、伝送路５を介して、順番に上位
計器３とディジタル信号で双方向の通信を行い、検出し
た物理量の送信，制御値の受信などの処理を行う。上位
通信機器２は、フィールド機器１ａ，１ｂ，１ｃと上位
計器３，外部電源４との間に接続され、フィールド機器
１ａ，１ｂ，１ｃなどとディジタル信号で双方向の通信
を行っている。また、ターミネータ７は、直列に接続し
た抵抗とコンデンサで構成され、伝送路５の両端に接続
される。

【０００７】既存のアナログ信号のシステムからフィー
ルドバスシステムへ移行する場合は、上位機器とフィー
ルド機器をフィールドバス対応のものに変更する必要が
あるが、伝送路５をそのまま使用できるため、容易にシ
ステムの移行が行え、かつ、伝送路５上に接続するフィ
ールド機器の台数が増やせることからシステムの拡張が
容易であるとされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術で
は、既存システムからフィールドバスシステムへの移行
を行う際に、一つの伝送路に接続するフィールド機器の
台数が複数台になり、かつ、ディジタル通信を行うとい
う点で、既存システムに比べ、耐ノイズに対する信頼性
の面での配慮が必要であり、さらに、通信不良が頻繁に
発生すると、今まで一定周期で行われていたフィールド
機器の制御が行えないという問題を含んでいる。

【０００９】特に、通常の通信ネットワークに比べ、伝
送距離が長く通信信号の減衰・なまり・歪が条件により
大きく変化するという伝送路の特性や、フィールドに設
置されるというノイズ環境を考慮し、規格では各機器の
送信信号は０.７５〜１.０Ｖｐ−ｐと大きな値にしてあ
り、受信可能な受信信号の範囲は０.１５〜２.０Ｖｐ−
ｐと広範囲にしてある。フィールド機器の場合、伝送路
を介して動作電力を受給するため、この送信信号が１５
〜２０ｍＡｐ−ｐの電流信号になる。ここで、図５
（ａ),（ｂ）に示すように、フィールド機器には伝送路
へ接続する極性を誤って接続した場合にフィールド機器
の内部回路を破壊してしまうのを防ぐために、逆接続防
止用ダイオードで保護したり、ダイオードブリッジで接
続極性を無くす必要があった。これらの方式は、図５
（ａ),（ｂ）に示すようにフィールド機器が消費する電
流全体をダイオードで逆流するのを防止していることか
ら、通信信号を上下方向に均等な振幅とするためには、
フィールド機器の消費電流は約８ｍＡ以上の値にする必
要があった。このため、エネルギの制約がある本質安全
防爆の条件下では、接続できるフィールド機器の数に制
限があった。

【００１０】問題を解決する方法として、特開平5−417
09号公報で送信電流信号の振幅が上下方向に均等である
という条件を取り外し、否通信時の消費電流を下げる方
式が提案されている。この方式では、消費電流を下げる
ことは可能であるが、以下に示す問題点がある。

【００１１】（１）通信時に伝送路を流れる平均電流が
大きく変動するため、通信の信頼性が低下する。

【００１２】（２）変動の影響を抑えるため、変動と通
信信号とを分離する受信回路のフィルタの特性が複雑と
なり、また、通信信号だけを完全には分離できない。

【００１３】（３）平均電流の変動により、フィールド
バス電源の出力電圧が発振しないように回路部での配慮
が必要である。

【００１４】このため、この方式の欠点を補うため、伝
送路を流れる平均電流を一定に保ちつつフィールド機器
の消費電流を下げる方式として、上下方向で通信信号の
パルス幅を変化させる方式（特願平6−118018 号明細
書）、送信信号を小さくする方式（特願平7−217045 号
明細書）などが提案されている。これらの方式では、問
題点をすべて解決しているが、信号のパルス幅や振幅を
変化させる方式であるため、画期的には消費電力を下げ
られなかった。

【００１５】本発明の目的は、消費電流を一定にする定
電流回路と通信回路とを伝送路に対して並列に接続する
ことにより、フィールド機器の低消費電流化と通信する
信号条件の維持とを可能とし、結果として、本質安全防
爆の条件下で接続が可能な条件範囲を拡大できる通信回
路、およびその装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、フィールド機器の回路をフィールド機器
が動作するための消費電流を一定にする定電流回路と通
信回路とを伝送路に対して並列に接続する構成にし、定
電流回路側に逆接続防止のための整流素子（ダイオード
など）を入れる回路にした。これにより、フィールド機
器の消費電流と通信信号とは別のものとして扱うことが
できるようになり、両者の合計値は、図１に示すよう
に、従来不可能であった通信時に一時的にマイナス方向
の値になることも可能となった。よって、フィールド機
器の平均通信電流が通信時と、否通信時と同一にするこ
とができ、かつ、フィールド機器の消費電流を低くして
も、通信パルスの上下方向のパルス振幅を規定値以上に
保つことができる。この結果として、フィールド機器の
消費電流を低くした状態で、フィールドバスシステムを
構成することができ、本質安全防爆の条件下で接続可能
な機器台数を拡大できるようにしたものである。

【００１７】フィールドバスの規格では、バスに接続で
きる機器数が最大３２台とし、伝送距離も最大１.９km
でも通信可能な通信仕様にしてある。また、使用できる
エネルギに制限がある本質安全防爆条件下では、フィー
ルド機器の消費電流が８ｍＡの場合、４台くらいしか接
続できない。ここで例えば、接続するフィールド機器の
台数を倍の８台とする場合、消費電流を１／２の４ｍＡ
にする必要があるが、従来方式の場合、電流の逆流がで
きないため、パルス振幅のマイナス方向分がカットされ
た形となってしまうが、本発明では、パルス振幅が維持
できる。このため、電流の逆流と関係なくフィールド機
器の消費電流を小さな値とすることにより、通信の信頼
性を維持した状態で、フィールド機器が動作するための
消費電流を低くできる。よって、バス全体のエネルギの
制限がある本質安全防爆の条件を満足する範囲で、接続
可能なフィールド機器数を増大することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の一
実施例を説明する。

【００１９】図２は本発明を用いたフィールドバス・シ
ステムの装置構成例である。

【００２０】同図で、フィールド機器１ａ，１ｂ，１ｃ
は、ディジタル信号で双方向の通信を行うものであり、
各種プラントにおけるプロセスの圧力，温度，流量など
の物理量を検出してその値を送信したり、または、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１ａ，１ｂ，１ｃ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、伝送路５の任意の
箇所に接続できる。本実施例では、フィールド機器１
ａ，１ｂ，１ｃがフィールド側のジャンクション・ボッ
クス（中継箱）に接続した例を示すが、これは、他の、
例えば伝送路５の中間からであっても問題ない。バリア
８は、本質安全防爆の条件下で、危険領域と安全領域と
の間に接続し、外部電源４から伝送路５を介してフィー
ルド機器側に流れる電流を制限している。

【００２１】上位機器３は、フィールド機器１ａ，１
ｂ，１ｃ，上位通信機器２などのフィールドバス対応機
器と伝送路５を介して、ディジタル信号の通信を行い、
フィールド機器の検出した各種物理量（圧力，温度，流
量など）を受信し、また、プラントの制御情報として、
バルブなどのフィールド機器へ制御信号を送信してい
る。

【００２２】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
ａ，１ｂ，１ｃの出力値のモニタ，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。本質安全防爆の
条件下では、上位通信機器２は、安全領域に接続してい
る。

【００２３】ターミネータ７は、直列に接続した抵抗と
コンデンサで構成され、伝送路５の両端に接続される。
このターミネータは、伝送路５上に接続されるフィール
ド機器の通信周波数帯域での入力インピーダンスと比べ
て、かなり小さい値にすることにより、フィールド機器
の接続箇所、および接続台数などの条件による通信信号
への影響を小さく押さえている。

【００２４】このため、伝送路からターミネータが外れ
た場合に、フィールド機器からみた伝送路のインピーダ
ンスが大きくなり、各フィールド機器からの送信信号
は、大きくなる方向に変化する。ただし、フィールドバ
スに接続されるフィールド機器が送信する信号の大きさ
は、一定であっても、そのドライバ回路の方式，伝送路
の長さ、および、接続形態などの条件により、伝送路上
の各箇所での信号の大きさは、異なっていて一様ではな
い。

【００２５】本発明の通信回路は、フィールド機器１，
上位通信機器２などのフィールドバス対応機器に共通に
使えるものである。次に、図３を用いて、その代表実施
例として、フィールド機器に適用した場合の動作につい
て、詳細に説明する。図３で、ＤＣ−ＤＣコンバータ１
０７は伝送路を介して外部電源より加えられる電圧から
フィールド機器１自身が動作するための電圧ＶＤＤを作
りだし、定電流回路１１０は、フィールド機器１全体の
消費電流が一定になるように制御する。複合センサ１０
８の各出力はマルチプレクサ１０９へ入力されるように
なっている。マルチプレクサ１０９には、Ｉ／Ｏインタ
ーフェイス１０６からの入力切換信号が入力され、その
信号はＡ／Ｄ変換器１０５に入力されるようになってい
る。さらにマイクロプロセッサ１０１があり、このマイ
クロプロセッサ１０１はＡ／Ｄ変換器１０５から順次、
送り込まれる出力と、ROM103，RAM102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、RAM102にその値が格納される。

【００２６】フィールド機器１が通信を行う場合には、
次の動作を行う。送信動作は、最初に、マイクロプロセ
ッサ１０１の指令で、RAM102などに格納されているデー
タなどを、コントローラ１０４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、送信回路１１２でコ
ード化された信号となり、ドライバ１１１に入力され、
ドライバ１１１から伝送路へ通信信号出力される。ここ
で、コード化方式は、例えば、ベースバンド信号のマン
チェスタ符号に変換する方式，ディジタル信号の
“１”，“０”に対応して異なった周波数信号を変調す
る方式などがある。また、ドライバの方式としては、電
圧信号で出力する方式と電流信号で出力する方式とがあ
る。

【００２７】受信動作は、ドライバ１１１を介して入っ
てくる伝送路からの通信信号を受信回路１１３でデコー
ド処理を行い、コード化された信号から変換してシリア
ルのディジタル信号列の形で取り出し、コントローラ１
０４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１０４に入力された信
号は、マイクロプロセッサ１０１により、受信データと
して取り出される。

【００２８】ここで、定電流回路１１０とドライバ１１
１とは伝送路に対して並列に接続されており、各々の回
路が伝送路から消費する電流同士の間には相互関係がな
い。このため、図１に示す例のように、定電流回路１１
０の電流を従来の８ｍＡ以上から４ｍＡと半減させた状
態で、ドライバ１１１の送信電流を従来通り15mAp-p(±
７.５ｍＡ）とすることができる。よって、伝送路から
みたフィールド機器１の消費電流は、両者を合計したも
のとなるため、図１に示すように、フィールド機器１の
消費電流が送信時に逆方向に流れるときがあるように見
えるが、実際にはフィールド機器１そのものの消費電流
は一定値で固定であり、ドライバ１１１の送信信号が一
時的に上下方向に振動している。

【００２９】これは、整流素子１１４を定電流回路１１
０側にのみ挿入する回路構成にしたことにより、伝送路
への逆接続を防止でき、かつ、ドライバ１１１側の送信
信号を上下方向に均等な振幅のパルス信号を出力する回
路とすることにより可能となっている。

【００３０】これにより、本質安全防爆の条件下では、
伝送路に接続された各機器が伝送路を介して受給する電
力に制限があるが、フィールド機器１が消費する電流を
低く抑えることで、同一伝送路に接続できるフィールド
機器の台数を増やすことができる。例えば、図１の例で
あると、フィールド機器の消費電流が８ｍＡから４mAと
１／２にすることで、接続できるフィールド機器の台数
を２倍にすることができる。

【００３１】よって、伝送路全体で使用する電力の制限
がある本質安全防爆の条件下で、接続することのできる
機器台数を増やすことができる。

【００３２】また、従来の技術のように、通信信号の振
幅，パルス幅などを変更することなく、本質安全防爆条
件下における接続可能なフィールド機器台数を増やすこ
とができるため、通信の信頼性を維持した上で実現でき
る。

【００３３】図４で、上述の発明を実現する一実施例で
あるドライバ１１１の内部回路について説明する。通信
波形調整回路１１１０は、例えばマンチェスタ信号を使
用した通信信号の場合、外部へ電磁波ノイズを出力する
のを防ぐために、パルス信号の高調波成分を取り除くな
どの処理を行い、電流ドライバ１１１２に送信信号を伝
授している。電流ドライバ１１１２ではパルストランス
１１１４を介して電流ループを構成し、その送信信号を
伝送路へ出力している。コンデンサ１１１５は、伝送路
に直流信号が流れるのを防止し、交流信号のみを伝送路
へ出力する役割をしている。ここで、電流ドライバ１１
１０から大きな通信信号を出力しようとした場合、フィ
ールド機器１内に一時的に大きな電流が流せるだけのチ
ャージをできるコンデンサを内蔵している必要がある。
また、パルストランス１１１４の巻き線比を変えること
により、電流ドライバの出力電流を小さな値とした上
で、伝送路へ出力する信号の信号レベルを維持できるた
め、フィールド機器１の消費電流より小さな電流で大き
な通信信号を生成することができる。

【００３４】受信動作は、送信動作の逆で、コンデンサ
１１１５，パルストランス１１１４を介して受信する信
号は、交流成分のみの通信信号であり、プリアンプ１１
１３とバンドパスフィルタ回路１１１１を介して、ノイ
ズを除去した本来の通信信号として受信回路１１３へ出
力する。ここで、上述のように、パルストランス1114の
巻き線比を変えることにより、受信信号が小さくなる可
能性があるが、プリアンプ１１１３の感度を高くしてお
けば問題ない。

【００３５】本実施例によれば、簡単な回路構成で容易
に信頼性の高い通信システムが実現できる。

【００３６】

【発明の効果】本発明による通信方式を用いたフィール
ド機器，上位機器などフィールドバスシステムを構成す
ることにより、エネルギが制限される本質安全防爆の条
件下でも、接続できる機器数が増大でき、また、安価な
構成で、容易に信頼性の高い通信システムを構成でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による通信波形の一実施例を示す説明
図。

【図２】フィールドバスシステムの機器の説明図。

【図３】本発明による通信方式のフィールド機器への実
施例を示す内部ブロック図。

【図４】本発明のドライバ回路の一実施例を示す説明
図。

【図５】従来例を説明するための接続回路の説明図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…フィールド機器、２…上位通信
機、３…上位機器、４…外部電源、５…伝送路、７…タ
ーミネータ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の伝送線からなるフィールドバスの伝
   送路上に接続された少なくとも各１台のフィールド機器
   と上位機器との間で通信するフィールドバスシステムに
   おいて、前記フィールド機器の通信信号として、前記フ
   ィールド機器が動作するための消費電流に対してパルス
   状に正負方向に変化させた信号を重畳した通信信号を用
   い、前記フィールド機器が、前記重畳信号を生成する通
   信回路と前記フィールド機器の消費電流を一定電流にす
   る回路とを伝送路に対して並列に接続し、前記フィール
   ド機器の消費電流と前記重畳する通信信号との相互関係
   をなくしたことを特徴とするフィールド機器の通信回
   路。
2. 【請求項２】請求項１において、前記フィールド機器の
   消費電流を一定電流にする回路の前段に整流素子を挿入
   する構成とし、前記フィールド機器が伝送路に対して逆
   に接続して、前記フィールド機器の内部回路を破壊する
   のを保護する手段を備えたフィールド機器の通信回路。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記フィール
   ド機器の消費電流に通信信号を重畳するための信号生成
   回路をパルストランスとコンデンサとからなる回路で構
   成し、直流信号成分を取り除く手段と、伝送路と通信回
   路とを絶縁する手段を備えたフィールド機器の通信回
   路。
4. 【請求項４】請求項３において、前記パルストランスの
   巻き線比が少ない電流信号で、前記重畳信号を生成する
   値にしたフィールド機器の通信回路。