【発明の詳細な説明】
局所的産業ネットワークに対して”HART”タイプのセンサまたは
アクチュエータを適用するためのデバイスおよびこのようなデバイス
を実現するための方法 技術分野
本発明は、例えば”FIP”タイプまたは”PROFIBUS”タイプのよう
な局所的産業ネットワークに対して、”HART”(登録商標)タイプのセンサ
またはアクチュエータを適用するためのデバイスに関するものであり、また、こ
のようなデバイスを実現するための方法に関するものである。従来の技術
ここ数年においては、自動制御システムにおいて使用されるセンサは、測定結
果を伝達するために、4〜20mAの出力を使用している。4mAの電流は、最
小の測定値に対応しており、20mAの電流は、最大の測定値に対応している。
近年、センサおよびアクチュエータは、”知的”である。これらセンサおよび
アクチュエータと通信を行って、範囲変更、ユニット変更、テスト可能性、構成
、等の進化した機能を実現することができる。出力情報は、符号化も含めてデジ
タル化されている。うまくないことに、様々な異なる符号化が使用されており、
センサおよびアクチュエータどうしの間の互換性のなさをもたらしている。
自動制御システムにおけるデバイス(センサ、アクチュエータ、プログラム可
能なオートメーション、コンピュータ、等)どうしを接続するために、今日では
、例えばRosemount HARTタイプまたはFIPタイプのような局所
的ネットワークが使用されることが好ましい。
HARTネットワークは、”Le protocole de Communication HART(R)”と題
する文献(Bullet F 2695,Rev 0-11/91,"La Famille intelligente",Rosemount
)に記載されている。このプロトコルは、また、Romilly Bowden
氏による”HART PROTOCOL”(1991年6月、Rosemount氏から入手
可能)と題する文献に記載されている。
”HART”モデムは、”HART MODEM,ultra low power modem chip”(NCR2
0C12,NCR"handbook")と題する文献に記載されている。
”HART”(Highway Addressable Remote Transducer)は、”知的”通信
のためのRosement氏の通信プロトコルに対して、Rosement氏に
より与えられた名称である。
”HART”は、BELL202通信規格を使用している。この規格は、2つ
の特定周波数を使用した周波数変調による信号伝達を基本としている。通信速度
は、1200ボーである。
”HART”は、以下のような主要な特徴を有している。
−すなわち、アナログ通信とデジタル通信との両方が可能であるということで
ある。デジタルデータへのアクセスは、調節または測定のためのアナログ信号を
使用して行うことができる。
−電気カードの同一セットが、”2本ワイヤ”通信機あるいはデジタル通信全
体に対してデジタル接続することができるということである。実在のアナログシ
ステムとともに”知的”通信機を使用して開始し、その後、局所設備を置換また
は修正することなくデジタルシステム全体へと次第に伝達することができる。
−いくつかの通信デバイス(例えば、RS3またはポータブル通信インターフ
ェース268)は、同時に通信することができる。
−アドレス用通信機の可能性は、ツイストワイヤの同一ペアでもって、15個
までのデバイスに接続できるということである。
−”知的ファミリー”のすべての通信機は、共通のメッセージ構造を使用して
いることである。
これは、インターフェースデバイスが将来のまたは実在の製品に対して同様に
通信することを可能とする。
”FIP”ネットワークは、l'Union Technique de l'Electricite、すなわち
U.T.E.により、フランス国内では規格化されている。この規格に関する文献は、
C46−601、PrC46−602、PrC46−603、PrC46−60
4、C46−605、PrC46−606、C46−607、C46−637、
C46−645に割り当てられている。
規格化された局所的産業”FIP”ネットワークは、”HART”ネットワー
クよりも、ずっと高速で、より完全である。特に、”FIP”ネットワークは、
規格化されている。しかしながら、Rosemount氏の知的センサは、非常
に高性能な特性を有しており、広く使用されている。
”FIP”ネットワークに互換性のあるセンサは、未だ、多くは存在していな
い。よって、解決すべき課題は、”FIP”ネットワーク上において”HART
”センサを使用可能とするようなアダプタを実現することである。
現在のところ、このタイプのアダプタは、存在していない。最も広く使用され
ている手段は、”HART”センサの出力として標準的な4〜20mA出力を使
用し、そして、それ自身がネットワークに対して接続されているアナログ−デジ
タルコンバータの入力に対して、”HART”センサの出力を接続することであ
る。”知的”機能の発揮は、遠隔操作では不可能である。使用者は、校正、範囲
変更、等の機能を実行するためには、構成ツール(268ポータブル通信インタ
ーフェース)とともに移動しなければならない。
局所的ネットワークは、また、Walter Borst氏による”Kommunik
ation auf der Instrumentierungsebene”と題する文献(Elektronik,vol.40,N
o.20,1.10.1991,pp82-86,XP 000265899)に記載されているように、”PRO
FIBUS”タイプとすることができる。
”HART”プロトコルの創作者が考案した手段は、明瞭に相違している。互
換性のあるアクチュエータおよびセンサのすべての機能を達成し得る”HART
”局所的産業ネットワークが使用される。この”HART”ネットワークは、広
く使用されていない。というのは、”FIP”ネットワーク(1Mbit/s)
と比較して遅い(1200bit/s)という欠点があるからである。また、”
オーナー”ネットワークであるからである。すなわち、規格化されておらず、規
格化されていないネットワークの周知の欠点、つまり、競合数が少なくしたがっ
て高価であること、カタログが制限されていること、永続的な保証がない、等が
ある。
本発明の目的は、例えば”FIP”とか”PROFIBUS”とかいった局所
ネットワークと、”FIP”または”PROFIBUS”の、また”HART”
のアクチュエータおよびセンサと、の間において通信を確立することである。発明の概要
本発明は、局所的産業ネットワークに対して”HART”タイプのセンサまた
はアクチュエータを適用するためのデバイスに関するものであって、第1分離ス
テージと、フィルタ増幅器と、形状識別器と、符号化されたデジタル情報を貯蔵
したモデムと、局所的ネットワークの言語へとメッセージを翻訳し得るようプロ
グラムされたマイクロコントローラと、インターフェース回路と、第2分離ステ
ージとを具備することを特徴としている。
有利には、局所的ネットワークは、”FIP”ネットワーク、または、”PR
OFIBUS”ネットワークである。
また、本発明は、上記のようなデバイスを実現するための方法であって、
−1200ボーシリーズ接続の初期化、
−インターフェース回路プログラムの導入、
−センサの固定された情報の読込、
−局所的ネットワークに到達する制御命令の読込、
−局所的ネットワークに到達した制御命令のデコード化、翻訳、および、”HA
RT”フレームの送出、
−センサ変数の読込、
を行う。
有利には、センサデータの読込ステージにおいては、
−パリティの計算およびコンパクト化の後に、フレームの送出、
−フレームの受領、
−受領されたフレームをデコンパクト化した後に、このフレームの読出および解
析、
を行う。
通訳者として機能する本発明のアダプタデバイスが存在することにより、セン
サおよびアクチュエータは、ネットワーク使用者により、同じように、”見られ
る”。そして、”HART”プロトコルと互換性をもたせるように、すべてのセ
ンサおよびアクチュエータを構成できるようになる。センサによって処理された
すべてのデジタル情報は、局所ネットワークを伝達する。すべての知的機能の発
現は、ネットワークの任意のランダム箇所において行うことができる。図面の簡単な説明
図1は、本発明の目的を示す図である。
図2Aおよび図2Bは、”FIP”ネットワークの操作を示す図である。
図3は、”HART”センサの操作を示す図である。
図4および図5は、”HART”情報の符号化の原理を示す図である。
図6および図7は、本発明によるアダプタデバイスを示す図である。
図8〜図10は、図6に示すデバイスに対する操作フローチャートである。
図11は、本発明によるデバイスの応用例を示す図である。実施形態の詳細な説明
以下においては、”FIP”タイプの局所ネットワークを例に挙げて、説明す
る。
図1に示すように、本発明によるデバイスは、”FIP”局所的産業ネットワ
ーク10と”FIP”センサ11および”FIP”アクチュエータ12との間に
おいて、同様に、ネットワーク10と”HART”センサ13および”HART
”アクチュエータ14との間において、通信を確立し得るものでなければならな
い。
通訳者として機能する、本発明によるアダプタデバイス15、16が存在する
ことにより、上記センサおよびアクチュエータは、ネットワーク使用者により、
同じように、”見られる”。そして、すべてが”HART”プロトコルと互換性
のあるセンサおよびアクチュエータを実現できるようになる。センサによって処
理されたすべてのデジタル情報は、”FIP”ネットワークを通過する。すべて
の知的機能の発現は、ネットワークの任意のランダム箇所において発生させるこ
とができる。
”FIP”局所的産業ネットワークは、バス構造を適用した単一ケーブルによ
り、自動制御システムの構成要素どうしを相互接続することができる。第1目標
は、複数入力型システムの対するワイヤ・ワイヤ接続に関して、ケーブル配線を
節約することである。使用されている媒体は、シールドされた2本線ペアまたは
光ケーブルである。
情報のデジタル符号化は、測定精度を向上させる。この符号化は、また、”知
的”アクチュエータおよびセンサとの双方向会話を確立する上で、必要である。
ネットワークに対するアクセスモードは、図2Aおよび図2Bに示すようにし
て制御される。図においては、バスアービトレーター(bus arbitrator)ABお
よびステーションST1〜STnが示されている。
バスアービトレーターは、通信を制御している。バスアービトレーターは、デ
ータ発生ステーション、および、各データ項目の周期性を認識している。例えば
、図2Aに示すように、ステーションST2に対して、発言権を与える。すべて
のステーションは、聴いている。この場合、ステーションST1、ST3がステ
ーションST2から発せられたメッセージに興味があり、しかしながら、先のメ
ッセージは、他のステーションには与えられない。
図2Bに示すように、ステーションST2は、メッセージを発し、ステーショ
ンST1、ST3は、そのメッセージを同時に受領する。バスアービトレーター
は、所望の時点において、以下の通信を行う。
”FIP”ネットワークの機能は、非常に多く、ここで、すべてを開示するこ
とはできない。上述したように、このネットワークは、フランスでは、l'Union
Technique de l'Electriciteにより規格化されている。
図3は、”HART”センサを示しており、以下の構成要素が示されている。
すなわち、
−温度センサ20、
−アナログ信号のデジタル信号へのコンバータ21、
−検出モジュールの係数および特性を記憶したメモリ22、
−センサの線形化、スケールの再校正、ダンピング、診断、物理的ユニットの使
用、および、通信を行い得るマイクロプロセッサ23、
−電子モジュールの調整されたスケール点および伝達構成を記憶したメモリ24
、
−スケールおよびゼロ局所設定モジュール25、
−デジタル信号のアナログ信号へのコンバータ26、
−例えばBell202タイプのものからなるデジタル通信モジュール27、
−差動圧力入力とされた入力28。
センサ内に組み込まれたマイクロプロセッサ23は、曲線の線形化、スケール
変更、等の新たな機能をもたらす”知性”を構成している。不揮発メモリ22、
24は、モジュールの設定、係数、および特性を保持している。
圧力情報出力29は、4〜20mAにわたって変化する電流を供給するデジタ
ル−アナログコンバータ26の結果として、アナログの形態である。すべてのデ
ジタル情報は、出力電流に”1”および”0”を重ねているデジタル通信モジュ
ール27の介在により、デジタルの形態でかつ双方向にアクセス可能とされたま
まである。
図3および図5は、”FIP”ネットワーク33に対するアダプタ32ととも
に、”HART”情報の符号化の原理を示している。
センサまたはアクチュエータ30には、DC供給源31から電圧(通常は24
V)が供給されている。センサによって測定された物理量の値の関数として、4
〜20mAの値を有する電流は、抵抗R1、R2へと流入する。弱い正弦信号I
が、この電流に重ねられている。図5に示すように、論理”1”は、1200H
zの正弦周波数により構成されており、論理”0”は、同じ持続時間の2400
Hzの正弦周波数により構成されている。
電流出力は、これら正弦波の平均値がゼロであることにより、正弦波によって
擾乱を受けない。これらの周波数は、電話ネットワーク上において論理信号を送
出するためにUSAで使用されているBell202規格に対応している。Be
ll202モデム回路は、実在しており、これら周波数を論理”1”または”0
”信号へと変換することができる。
ビット列は、ASCIIコードで符号化されたバイトを形成する。キャラクタ
ーのストリングは、メッセージを形成する。”HART”プロトコルは、センサ
/アクチュエータの範囲全体にわたって通信するために必要な質問/回答を構成
するある数の規格化されたメッセージを提供する。
本発明によるアダプタデバイスは、図4と同じ符号を使用したまま、図6にお
いて示されている。このデバイスは、第1分離ステージ35、フィルタ増幅器3
6、形状識別器37、符号化されたデジタル情報を貯蔵したモデム38、”FI
P”言語へとメッセージを翻訳し得るようプログラムされたマイクロコントロー
ラ39、”FIP”ネットワークに対するインターフェースとして機能する公知
の”FIP”回路40、および、第2分離ステージ41を備えている。
アダプタデバイスは、R1の両端子において4〜20mAの電流に比例した電
圧、および、上述の正弦電圧を収集する。第1分離ステージ35は、交流電流を
通過させ得るものの、直流電流を通過させることない。上記信号は、抵抗R1の
値ができる限り小さくなければならないことにより、非常に弱い。したがって、
信号は、増幅されなければならない。増幅器36は、信号雑音比を向上させるた
めに、バンドパスフィルタを形成している。
図7Aに示す正弦波V1は、識別器37によって、図7Bに示すような矩形波
パルスV2へと変換される。その後、モデム38の入力に対して提供される。モ
デム38は、論理”1”および”0”値を貯蔵し、これら値をマイクロコントロ
ーラ39の一連の入力に対して送出する。マイクロコントローラは、”HART
”メッセージを貯蔵することができ、そして、メッセージの内容を”FIP”ネ
ットワーク33に対して利用可能とするためにメッセージの内容を解読して翻訳
することができる。
会話は、また、反対向きにも可能である。すなわち、マイクロコントローラ3
9からモデム38に向けて行い、その後、モデム38から分離ステージ35に向
けて行うことができる。この場合、メッセージは、電流ループに注入され、セン
サまたはアクチュエータ30によって受領される。
マイクロコントローラ39は、”FIP”ネットワーク33のために特別に設
計された集積回路(例えば、Cegelecにより設計されたFullfip回路、Telemechan
iqueにより設計されたFipiu回路)の1つを介して、”FIP”ネットワーク3
3とデータ交換することができる。”FIP”側の分離ステージ41は、従来は
、変換器または光ファイバに組み込まれている。
マイクロコントローラに搭載されたソフトウェアは、図8、9、10に示すよ
うにして機能する。
図8は、マイクロコントローラのプログラムの操作を示すフローチャートであ
って、以下のステージを備えている。すなわち、
−1200ボーシリーズ接続の初期化(モジュール50)、
−”FIP”回路プログラムの導入(モジュール51)、
−センサの固定された情報の読込(モジュール52)、
−”FIP”ネットワークに到達する制御命令の読込(モジュール53)、
−”FIP”ネットワークに到達した制御命令の解読、翻訳、および、”HAR
T”フレームの送出(モジュール54)、
−センサ変数の読込(モジュール55)。
図9は、モジュール52、55において使用されているセンサデータ読出サブ
プログラムの操作を示すフローチャートであって、以下のステージを備えている
。すなわち、
−パリティの計算およびコンパクト化の後に、フレームの送出(モジュール56
)、
−フレームの受領(モジュール57)、
−受領されたフレームをデコンパクト化した後に、フレームの読出および解析(
モジュール58)。
ここで、コンパクト化は、8ビットのASCIIエコードからの6ビットのコ
ンパクト化されたコードへの変換に対応しており、デコンパクト化は、6ビット
のコンパクト化されたコードからの8ビットのASCIIコードへの変換に対応
している。
図10は、解析器による制御(モジュール54)を示すフローチャートである
。考慮される動作は、文字R、M、A、F、U、・・・、Aに対応している。各文
字(テスト60〜65)は、関連する処理(モジュール66〜71)に対応して
いる。よって、このソフトウェアは、
−”FIP”ネットワークによって伝達されたリクエストの読出を行うことがで
き、
−センサまたはアクチュエータに対して”HART”言語にて対応する制御命令
を送出することができ、
−回答の読出を行うことができ、
−回答の翻訳、および、”FIP”ネットワークにおいて利用可能なデータであ
って自動的に”FIP”ネットワークに伝達されるデータの作製を行うことがで
きる。応用例
電流自動制御システムの応用のすべて(測定の実行、調整、管理、センサのメ
ンテナンス、等)を行うことができる。
図11は、メンテナンスの分野におけるアダプタの使用例を示している。マイ
クロコンピュータ75、および、それぞれがセンサ79、80、81に接続され
たアダプタ76、77、78が図示されている。
マイクロコンピュータから出発して、
−使用者によって遠隔的に選択された、物理ユニット、時定数、範囲パーセンテ
ージを備えて、センサによって測定された量の、測定および記録を行うことがで
き、
−センサにおいてこの目的のために貯蔵された情報を読み出すことにより、操作
を維持することができ、
−センサのテスト操作を行うことができ(周期的に、あるいは、操作者により駆
動されて)、
−出来事の発生時刻、出来事の性質、適用される原因および矯正とともに刊行物
を発行することができ、
−遠隔調整操作および遠隔校正操作が、”マニホールド”(すなわち、遠隔的に
制御可能なバルブ)を使用することができるようになる。
ネットワークは、制御命令を伝達する。また、他の使用者に対して、このセンサ
が操作を通して利用できないことを知らせる。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】1996年11月4日
【補正内容】
明細書
規格化されている。しかしながら、Rosemount氏の知的センサは、非常
に高性能な特性を有しており、広く使用されている。
”FIP”ネットワークに互換性のあるセンサは、未だ、多くは存在していな
い。よって、解決すべき課題は、”FIP”ネットワーク上において”HART
”センサを使用可能とするようなアダプタを実現することである。
現在のところ、このタイプのアダプタは、存在していない。最も広く使用され
ている手段は、”HART”センサの出力として標準的な4〜20mA出力を使
用し、そして、それ自身がネットワークに対して接続されているアナログ−デジ
タルコンバータの入力に対して、”HART”センサの出力を接続することであ
る。”知的”機能の発揮は、遠隔操作では不可能である。使用者は、校正、範囲
変更、等の機能を実行するためには、構成ツール(268ポータブル通信インタ
ーフェース)とともに移動しなければならない。
局所的ネットワークは、また、Walter Borst氏による”Kommunik
ation auf der Instrumentierungsebene”と題する文献(Elektronik, vol.40,
No.20,1.10.1991,pp82-86,XP 000265899)に記載されているように、”PR
OFIBUS”タイプとすることができる。
”HART”プロトコルの創作者が考案した手段は、明瞭に相違している。互
換性のあるアクチュエータおよびセンサのすべての機能を達成し得る”HART
”局所的産業ネットワークが使用される。この”HART”ネットワークは、広
く使用されていない。というのは、”FIP”ネットワーク(1Mbit/s)
と比較して遅い(1200bit/s)という欠点があるからである。また、”
オーナー”ネットワークであるからである。すなわち、規格化されておらず、規
格化されていないネットワークの周知の欠点、つまり、競合数が少なくしたがっ
て高価であること、カタログが制限されていること、永続的な保証がない、等が
ある。
Wilhem Van der Bijl氏による”The digitization of fi
eld instruments”と題する文献(Journal A,vol.32,No.3,1.10.1996,Ant
werp)には、いわゆるSMART送出器が開示されている。これは、2つの部分
に分割されており、第1の部分は、センサモジュールであり、第2の部分は、電
子モジュールである。第1モジュールは、センサ、対応するデジタル−アナログ
コンバータ、および、信号処理手段を備えている。第2モジュールは、データ処
理手段、および、アナログのあるいはデジタルのあるいはこれらが組み合わされ
た性質の適切な出力を作製するための通信部分を備えている。さらに、この文献
は、4〜20mAのデジタルおよびアナログ通信を同時に行い得る能力を有する
よう特別に構成されたデジタル通信プロトコルである、”HART”プロトコル
に言及している。そして、この文献には、分離されたモジュールを使用すること
の利点は、エラーが発生した場合に、再校正または再度のプログラミングを行う
ことなく、センサモジュールを交換し得ることであることが記載されている。こ
の文献は、例えば”Fieldbus”のような他の通信プロトコルを使用する
ことが要望された場合には、通信部分を交換し得ることも想定している。
本発明の目的は、”FIP”ネットワークと、”FIP”センサおよびアクチ
ュエータとの間において、同様に”HART”センサおよびアクチュエータとの
間において、通信を確立することである。
本発明の目的は、例えば”FIP”とか”PROFIBUS”とかいった局所
ネットワークと、”FIP”または”PROFIBUS”の、同様に”HART
”のアクチュエータおよびセンサと、の間において通信を確立することである。
請求の範囲
1.”FIP”または”Profibus”タイプの局所的産業ネットワークに
対して”HART”タイプのセンサまたはアクチュエータを適用するためのデバ
イスであって、
直列に接続された、第1分離ステージ(35)、フィルタ増幅器(36)、形
状識別器(37)、符号化されたデジタル情報を貯蔵したモデム(38)、前記
局所的ネットワークの言語へとメッセージを翻訳し得るようプログラムされたマ
イクロコントローラ(39)、インターフェース回路(40)、および、第2分
離ステージ(41)を具備し、
前記第1分離ステージ(35)は、センサ(30)に対して接続されており、
前記第2分離ステージ(41)は、前記局所的ネットワーク(33)に対して接
続されていることを特徴とするデバイス。
2.請求項1記載のデバイスを実現するための方法であって、
−1200ボーシリーズ接続の初期化(モジュール50)、
−インターフェース回路プログラムの導入(モジュール51)、
−前記センサの固定された情報の読込(モジュール52)、
−前記局所的ネットワークに到達する制御命令の読込(モジュール53)、
−”FIP”ネットワークを介して到達した制御命令のデコード化、翻訳、およ
び、”HART”フレームの送出(モジュール54)、
−センサデータ変数の読込(モジュール55)、
を行うことにより、前記デバイスの前記マイクロコントローラ(39)は、前記
局所的ネットワーク(33)に対して、かつ、前記センサ(30)に対して、通
信を行っていることを特徴とする方法。
3.前記センサデータの読込ステージ(モジュール52および55)においては
、
−パリティの計算およびコンパクト化の後に、フレームの送出(モジュール56
)、
−フレームの受領(モジュール57)、
−受領されたフレームをデコンパクト化した後に、該フレームの読出および解析
(モジュール58)、
を行うことを特徴とする請求項2記載の方法。