JP2009199380A - ２線式フィールド機器とフィールドバスシステム - Google Patents

Abstract

【課題】フィールドバスループに異常がないかを常に確認できる２線式フィールド機器とフィールドバスシステムを実現すること。
【解決手段】フィールドバス通信を行うように構成され、フィールドバスに接続されるフィールドバス通信型の２線式フィールド機器において、前記フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、この端子電圧の測定結果の変化に基づき、前記フィールドバスの異常を検知する手段、が設けられたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２線式フィールド機器とフィールドバスシステムに関し、詳しくは、フィールドバスの診断が行える２線式フィールド機器とフィールドバスシステムに関するものである。

図４は、フィールドバス通信型の２線式フィールド機器を用いたプロセス制御システムの一例を示すブロック図である。なお、フィールドバスは、ファウンデーションフィールドバスやＰｒｏｆｉバスなどを含む。

図４において、供給電源１は出力電圧Ｖｓを有するものであり、２線式のフィールドバス２の一端に接続されている。このフィールドバス２には、上位のホストデバイス３と伝送器４とフィールドバスデバイス５，６が並列に接続されている。そして、フィールドバス２の両端にはターミネータ７，８が接続されていて、フィールドバス２はループを形成している。

ここで、供給電源１からフィールドバスループに供給される電圧Ｖｓと電流Ｉloop、フィールドバスループの持つ配線抵抗Ｒloop、伝送器４に流れる電流ｉ、伝送器４の線路抵抗ｒおよび伝送器４の端子間電圧Ｖｔには以下の（１）式の関係が成り立つ。
Ｖｓ＝Ｉloop＊Ｒloop＋ｒ＊ｉ＋Ｖｔ （１）
通常、Ｖｓは一定値を持つ。

図５は、伝送器４の内部構成の一例を示すブロック図である。端子Ｔａにはトランジスタ４１のコレクタが接続され、端子Ｔｂには帰還抵抗Ｒｆｂを介してトランジスタ４１のエミッタが接続されている。供給電源１から伝送器４に供給される電流ｉは、端子Ｔａから入力されて端子Ｔｂから出力される。

端子Ｔａは、調整回路４２を介してＣＰＵ４３に接続されている。ＣＰＵ４３には、メモリ４４およびセンサ４５が接続されている。ＣＰＵ４３は出力電流制御回路４６を介してトランジスタ４１のベースに接続されていて、出力電流ｉが所定の値になるように制御する。トランジスタ４１のエミッタと帰還抵抗Ｒｆｂの接続点は共通電位点に接続されている。

図５において、伝送器４に流れる電流ｉの値は、通常、フィールドバス２によるデジタル通信がない状態で所定の直流電流値（たとえば差圧・圧力伝送器の場合は、１６．５ｍＡ）になるようにＣＰＵ４３が制御する。ホストデバイス３と伝送器４間でフィールドバス通信を行う場合には、直流電流にデジタル信号が重畳される。

ソフトウェアダウンロードなど特定の機能を使う場合には、直流電流値を一時的に変更する。差圧・圧力伝送器の場合では、ソフトウェアダウンロード時２５ｍＡ程度に電流値を上げ、ダウンロードが終了すると通常電流値に戻す。ファウンデーションフィールドバス規格によれば、この場合、伝送器４とホストデバイス３間の通信デジタル信号に影響が出ないように、１ｍＡ／ｍｓｅｃの速度で電流値を上昇させることが規定されている。

特許文献１には、フィールドバスにデジタルデータを出力するとともに、ソフトウェアダウンロード機能も有する伝送器の構成例が記載されている。
特開２００６−１１５１４２

ところで、図４に示すようなフィールドバス通信型の２線式フィールド機器を用いたプロセス制御システムは、大規模な石油プラントなどで使用されることが多く、その配線距離は非常に長距離となる場合がある。

このように長距離配線されたフィールドバスが断線すると、電源供給がストップすることから、断線は比較的簡単に検知できる。

しかし、フィールドバスが断線しかかっている場合などのバスの異常を検出することは困難である。また、長距離のバスラインのどの領域が異常であるのかを特定することも容易ではない。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、フィールドバスループに異常がないかを常に確認できる２線式フィールド機器とフィールドバスシステムを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、フィールドバス通信を行うように構成され、フィールドバスに接続されるフィールドバス通信型の２線式フィールド機器において、前記フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、この端子電圧の測定結果の変化に基づき、前記フィールドバスの異常を検知する手段、が設けられたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、フィールドバス通信を行うように構成され、フィールドバスに接続されるフィールドバス通信型の２線式フィールド機器において、前記フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、この端子電圧の測定結果の変化に基づき前記フィールドバスの異常を検知する手段と、前記フィールドバスに供給する電流値を通常運転状態の値から一時的に変更する手段を備え、前記端子間電圧の異常が検出されることにより前記電流値を通常運転状態の値から一時的に変更し、前記フィールドバスの配線抵抗を測定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の２線式フィールド機器において、前記フィールドバスは、ファウンデーションフィールドバスまたはＰｒｏｆｉバスであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、この端子電圧の測定結果の変化に基づき前記フィールドバスの異常を検知する手段を含み、フィールドバス通信を行うように構成されたフィールドバス通信型の２線式フィールド機器が、同一のフィールドバスに少なくとも２台接続されたことを特徴とするフィールドバスシステムである。

請求項５記載の発明は、フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、この端子電圧の測定結果の変化に基づき前記フィールドバスの異常を検知する手段と、前記フィールドバスに供給する電流値を通常運転状態の値から一時的に変更する手段を含み、前記端子間電圧の異常が検出されることにより前記電流値を通常運転状態の値から一時的に変更して前記フィールドバスの配線抵抗を測定するとともに、フィールドバス通信を行うように構成されたフィールドバス通信型の２線式フィールド機器が、同一のフィールドバスに少なくとも２台接続されたことを特徴とするフィールドバスシステムである。

請求項６記載の発明は、請求項４または請求項５記載のフィールドバスシステムにおいて、前記フィールドバスは、ファウンデーションフィールドバスまたはＰｒｏｆｉバスであることを特徴とする。

本発明によれば、フィールドバスループに異常がないかを常に確認できる２線式フィールド機器とフィールドバスシステムが実現できる。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の主要部分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１と図５の相違点は、図５の端子Ｔａ，Ｔｂ間に接続されたＲ１とＲ２の直列回路よりなる抵抗分圧回路と、この抵抗分圧回路の接続中点の出力電圧をデジタル信号に変換してＣＰＵ４３に入力するＡ／Ｄ変換器４７を設けていることである。

図４のシステム構成において、フィールドバス２に断線などの異常はなく、伝送器４が正常に動作している状態では、システム管理者などが意図してＶｓを変更しない限り、端子Ｔａ，Ｔｂ間の電圧Ｖｔは一定である。この端子間電圧Ｖｔが変化した場合には、バス系統の異常と判断できる。

このような端子間電圧Ｖｔが変化する異常要因としては、
１）バス２の配線抵抗の増加または減少
２）同一バス上に接続されている他のフィールドバスデバイス５，６の故障
などが考えられる。

端子間電圧Ｖｔの異常変化を検出した場合には、伝送器４の内部に、図１の通常運転とは異なる図２に示すような診断運転モードを作り出し、異常変化の原因を探る。

図２の診断運転モードでは、伝送器４の電流値ｉとして通常運転とは別の電流ｉtestを出力できるようにし、２通りの電流を流すことで、フィールドバスループ２の持つ配線抵抗を算出する。あらかじめ測定しておいた正常時の配線抵抗と、異常時の配線抵抗を比較することにより、バス２の断線などの異常の有無を確認できる。ここで、配線抵抗値に変化がない場合には、同一バス上に存在するほかのフィールドバスデバイスの故障などが考えられる。伝送器４は、バス２の異常を検知することにより、アラームをたとえばフィールドバスデジタル信号を使用して上位ホストデバイス３に知らせる。

＜Ｖｔの定期的測定＞
図１の回路におけるＲ１とＲ２の直列回路よりなる抵抗分圧回路の接続中点の出力電圧ＶｍをＡ／Ｄ変換器４７で測定してＣＰＵ４３に入力することにより、端子間電圧Ｖｔを（２）式で求めることができる。
Ｖｔ＝Ｖｍ＊(Ｒ１＋Ｒ２)／Ｒ２ （２）
ＣＰＵ４３は、抵抗分圧回路の接続中点の出力電圧Ｖｍの測定結果をメモリ４４に格納記録する。

このようにＶｍを定期的に測定することで、端子間電圧Ｖｔの時間変化を見ることができる。フィールドバスループ全体が正常に稼動している場合には端子間電圧Ｖｔはほぼ一定であり、大きく変動することはない。
前述の（１）式から、
Ｖｔ＝Ｖｓ−(Ｉloop＊Ｒloop＋ｒ＊ｉ)
となり、端子間電圧Ｖｔの時間変化ｄＶｔ／ｄｔは、
ｄＶｔ／ｄｔ＝d｛Ｖｓ−(Ｉloop＊Ｒloop＋ｒ＊ｉ）}／ｄｔ （３）
となる。

ここで、フィールドバス供給電圧Ｖｓは一定なので、その時間的変化ｄＶｓ／ｄｔはほぼ０である。よって（３）式は、
ｄＶｔ／ｄｔ＝−ｄ(Ｉloop＊Ｒloop＋ｒ＊ｉ)／ｄｔ
とできる。

また、伝送器４の供給電流は、出力電流制御回路４６により、一定になるように制御されている。したがって、伝送器４で定期的に測定している端子間電圧Ｖｔに変化がある場合には、フィールドバスループに供給される電流Ｉloopまたはフィールドバスループの持つ配線抵抗Ｒloopもしくは伝送器４の線路抵抗の時間的変動が考えられる。
そして、これらの変動要因としては、前述のように、
１）バス２の配線抵抗の増加または減少
２）同一バス上に接続されている他のフィールドバスデバイス５，６の故障
などが考えられる。

＜配線抵抗の測定＞
端子間電圧Ｖｔに変化が見られた場合には、配線抵抗を測定し、予め正常時に測定しておいた配線抵抗値と比較する。
配線抵抗値の算出方法について説明する。
フィールドバス製品では、前述のように、従来から特定の機能を使う場合に電流値を変更することが行われているが、これを応用して、本発明の機能を使う場合に一時的に電流を変更する。２値の電流を流すことにより、バスの配線抵抗(Ｒloop＋ｒ)の算出が可能になる。

まず、伝送器４の通常運転状態で抵抗分圧回路の接続中点の出力電圧Ｖｍを測定する。（１）式と（２）式より、通常運転状態でのフィールドバスループには以下の（４）式の関係が成り立つ。
Ｖｓ＝Ｉloop＊Ｒloop＋ｒ＊ｉ＋｛Ｖm＊（Ｒ1＋Ｒ２)／Ｒ２｝ （４）

次に、伝送器４を、図２に示すような診断運転状態にする。
通常運転時の伝送器供給電流値ｉとは別の電流値ｉtestになるように、伝送器４のＣＰＵ４３と出力電流制御回路４６で電流を制御する。この際、電流ｉtestは、特許文献１と同様にデジタル信号に影響が出ないように、たとえば１ｍＡ／ｍｓ程度の速度で変化させる。診断運転時のテスト電流ｉtestは、通常運転と比較して差分は５〜１０ｍＡ程度を想定するが、通常運転時の電流ｉより小さくても大きくても構わない。伝送器４は通常運転ではなく一時的に診断運転状態となり、診断が終わればすぐに通常運転に戻る。

伝送器４の端子間電圧Ｖttestは、抵抗分圧回路の接続中点の出力電圧Ｖmtestを測定することによって求めることができる。
Ｖttest＝Ｖmtest＊（Ｒ１＋Ｒ２)／Ｒ２ （５）
伝送器４の出力電流ｉtestは、ＣＰＵ４３で指定した値を出力する。
ｉtest＝ｉ＋Δｉ
また、伝送器４の供給電流がΔｉだけ変化すると、バス全体の供給電流も同様に増加するので、
Ｉlooptest＝Ｉloop＋Δｉ （６）

これら（１）、（２）、（５）、（６）式より、診断運転時のバスの供給電圧は以下のようにあらわすことができる。
Ｖｓ＝Ｉlooptest＊Ｒloop＋ｒ＊ｉtest＋Ｖttest
＝(Ｉloop＋Δｉ)＊Ｒloop＋ｒ＊（ｉ＋Δi）＋｛Ｖmtest＊
（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝
＝Ｉloop＊Ｒloop＋ｒ＊ｉ＋Δｉ（Ｒloop＋ｒ）＋｛Ｖmtest＊
（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝ （７）
なお、Ｖｓは診断運転でも通常運転でも同じ値となる。

（４）式と（７）式の差分をとると、配線抵抗（Ｒloop＋ｒ）は以下のようになる。
（Ｒloop ＋ｒ）＝（Ｖm−Ｖmtest）（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ２＊Δｉ）
＝（Ｖm−Ｖmtest）(Ｒ１＋Ｒ２）／｛Ｒ２＊（ｉtest−i）｝ （８）
ここで、Ｖm、Ｖmtestは伝送器４の測定値、ｉ、ｉtestは伝送器４の制御値、Ｒ１、Ｒ２は既知なので、ＣＰＵ４３はこれらに基づき(Ｒloop＋ｒ)を求めることができる。そして、（８）式で算出したバスの配線抵抗値(Ｒloop＋ｒ)は伝送器４の内部に設けられているメモリ４４に記録格納される。

このようにして算出した配線抵抗値(Ｒloop＋ｒ)を、あらかじめ測定しておいた正常時の配線抵抗と比較することにより、バス２の断線などの異常の有無を確認できる。

異常検知のフローをまとめると、以下のようになる。
１）あらかじめバス２が正常な段階で、伝送器４に２通りの電流を流し、（８）式を用いて配線抵抗(Ｒloop＋ｒ)を測定記録しておく。これら正常値の測定タイミングは、たとえばフィールドバスループの新規立ち上げ時などが望ましい。
２）伝送器４は、通常稼動時に、定期的に端子間電圧Ｖｔを測定し、内部メモリ４４に記録する。
３）伝送器４の端子間電圧Ｖｔの時間的な変動を検知した場合は、配線抵抗値に関する診断を行う。

４）３）で端子間電圧Ｖｔの変動が検知された異常時において、伝送器４に２通りの電流を流し、（８）式を用いて異常時の配線抵抗を求める。
５）４）で測定した配線抵抗値と１）であらかじめ測定しておいた配線抵抗値とを比較することにより、大きく増加している場合は配線が切れかかっているなど何らかのバス異常であることを検知できる。
６）３）で端子間電圧Ｖｔの変動が検知された場合で、さらに４）で測定した配線抵抗値と１）であらかじめ測定しておいた配線抵抗値と比較して変化が無い場合には、同一バス２に接続されている他のフィールドバスデバイス５，６の故障などが考えられる。
７）これら５）、６）のいずれの場合であっても、伝送器４は上位ホストデバイス３にフィールドバスデジタル信号を使用してアラームを出力する。

前述のように、本発明のようなフィールドバス通信型の２線式フィールド機器を用いたプロセス制御システムは、大規模な石油プラントなどで使用されることが多く、その配線距離は非常に長距離となる場合がある。このようなプロセス制御システムにおいて、定期的に伝送器４の内部で電圧を測定することにより、フィールドバスループ２が切れかかっている場合などのバス２の異常の有無を検出できる。

そして、検知した異常をフィールドバスデジタル信号を使用してホストデバイス３に知らせることができ、さらに伝送器４に設けられている図示しない表示器に表示することもできる。
また、長距離のバスライン２のどの部位が異常であるかを特定することも可能となる。

なお、上記実施例では、バス２に本発明の機能を有する伝送器４を１台だけ接続する例について説明したが、図３に示すように、２台以上を接続することにより、バス２の異常個所を領域に分けて適切に特定することができる。

図３は本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図4と共通する部分には同一の符号を付けている。図３において、伝送器４と９が本発明の機能を有している。これら伝送器４と９は、それぞれが配線抵抗（Ｒloop＋ｒ）と（Ｒ'loop＋ｒ'）の診断を行う。

伝送器４では配線抵抗値（Ｒloop＋ｒ）の異常を検出せず、伝送器９が配線抵抗（Ｒ'loop＋ｒ'）の異常を検出した場合には、異常個所は領域Ｂであることが分かる。同様に、伝送器４で配線抵抗値（Ｒloop＋ｒ）の異常を検出し、伝送器９は配線抵抗（Ｒ'loop＋ｒ'）の異常を検出しない場合、異常個所は領域Ａであることが分かる。

なお、本発明の機能は伝送器に限るものではなく、２線式のフィールドバス通信を行うように構成された各種のデバイスにも適用できるものである。

また、本発明は、ＩＥＣ６１１５８により通信プロトコルとして国際規格化されているファウンデーションフィールドバスやＰｒｏｆｉバスに適用できる。

さらに、本発明を適用することにより、フィールド機器の端子間電圧を随時測定チェックできることから、フィールド機器の安全性を高めることができ、安全計装の安全レベル(SIL: Safety Integrity Level)をより高くするのに有効である。

以上説明したように、本発明によれば、フィールドバスループに異常がないかを常に確認できる２線式フィールド機器とフィールドバスシステムが実現できる。

本発明の一実施例の主要部分を示すブロック図である。 診断運転モードの説明図である。 本発明の他の実施例を示すブロック図である。 フィールドバス通信型の２線式フィールド機器を用いたプロセス制御システムの一例を示すブロック図である。 図４の伝送器４の内部構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

４ 伝送器
４１ トランジスタ
４２ 調整回路
４３ ＣＰＵ
４４ メモリ
４５ センサ
４６ 出力電流制御回路
４７ Ａ／Ｄ変換器

Claims (6)

1. フィールドバス通信を行うように構成され、フィールドバスに接続されるフィールドバス通信型の２線式フィールド機器において、
   前記フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、
   この端子電圧の測定結果の変化に基づき前記フィールドバスの異常を検知する手段、
   が設けられたことを特徴とする２線式フィールド機器。
2. フィールドバス通信を行うように構成され、フィールドバスに接続されるフィールドバス通信型の２線式フィールド機器において、
   前記フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、
   この端子電圧の測定結果の変化に基づき前記フィールドバスの異常を検知する手段と、
   前記フィールドバスに供給する電流値を通常運転状態の値から一時的に変更する手段を備え、
   前記端子間電圧の異常が検出されることにより前記電流値を通常運転状態の値から一時的に変更し、前記フィールドバスの配線抵抗を測定することを特徴とする２線式フィールド機器。
3. 前記フィールドバスは、ファウンデーションフィールドバスまたはＰｒｏｆｉバスであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の２線式フィールド機器。
4. フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、この端子電圧の測定結果の変化に基づき前記フィールドバスの異常を検知する手段を含み、
   フィールドバス通信を行うように構成されたフィールドバス通信型の２線式フィールド機器が、
   同一のフィールドバスに少なくとも２台接続されたことを特徴とするフィールドバスシステム。
5. フィールドバスに接続される端子間の電圧を定期的に測定する手段と、この端子電圧の測定結果の変化に基づき前記フィールドバスの異常を検知する手段と、前記フィールドバスに供給する電流値を通常運転状態の値から一時的に変更する手段を含み、
   前記端子間電圧の異常が検出されることにより前記電流値を通常運転状態の値から一時的に変更して前記フィールドバスの配線抵抗を測定するとともに、フィールドバス通信を行うように構成されたフィールドバス通信型の２線式フィールド機器が、
   同一のフィールドバスに少なくとも２台接続されたことを特徴とするフィールドバスシステム。
6. 前記フィールドバスは、ファウンデーションフィールドバスまたはＰｒｏｆｉバスであることを特徴とする請求項４または請求項５記載のフィールドバスシステム。

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