JPH04287535A - フィールドバスシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
伝送を行うフィールドバスシステムに係り、特に、伝送
路に平行線（パラレルケーブル）を使用し、長い距離の
伝送路で、信頼性の高い通信を行うのに好適であるフィ
ールドバスシステムに関する。

【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、伝送信号が
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。また、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。

【０００５】また、最近、複数台のフィールド機器を同
一伝送路上に接続し、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、その仕様の統一のための規格化作業が進められ
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１を用いて説明する。同図は、複数台のフィール
ド機器と上位機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
位機器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，制御値の受信などを処理を行う。上
位通信機器２は、フィールド機器１ａ，１ｂ，１ｃ　と
上位機器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６ａ，６ｂ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】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。

【０００８】また、通信を行う送信回路（以下、ドライ
バと呼ぶ。）の方式として、電圧ドライバと電流ドライ
バとがあるが、その送信信号としてはターミネータを接
続した状態での送信電圧値で規定されている。この信号
の送受信に関する仕様は、伝送路として、より対線のみ
を対象にして、規格で決めていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
技術にあっては、より対線を伝送路に使用した場合の各
フィールド機器の送受信信号レベルの範囲を規定してい
るので、既存配線に平行線が使用されている点について
配慮されていない。このため、伝送路に、より対線を使
用した場合に比べ、平行線の場合は、伝送路間のクロス
トークが大きく、これが、通信の信頼性を低下させる主
要因となり、かつ、使用できる伝送路の長さを短く制限
する必要があった。

【００１０】本発明は、フィールドバスに接続されてい
る各機器が、通信規格を満足しながら通信する信号レベ
ルを小さくすることにより、伝送路間のクロストークを
小さくし、伝送路に平行線を使用したときの通信の信頼
性を向上させ、その結果として、使用可能な平行線の伝
送路長を長くすることができるフィールドバスシステム
、および、フィールド機器を提供することを目的とする
。

【００１１】

【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、フィールドバスに接続された各機器が伝
送路へ出力する信号レベルを小さくした。また、別の方
式として、平行線の配線方法をクロストークを受けにく
い配線にした。その手段として、次の１〜４の手段があ
る。

【００１２】１．各機器の伝送路との接続口に、通信信
号吸収用のターミネータを接続し伝送路に出力する送信
信号を小さくする。

【００１３】２．伝送路の両端に接続するターミネータ
のインピーダンスを規定値より小さくする。

【００１４】３．各機器がドライバ出力を切り替える機
能を持ち、外部指令で、出力する送信信号を小さくする
。

【００１５】４．平行線の使用する対を隣合った２本の
線とし、隣合った伝送路間に少なくとも１本の未使用線
を設けた。

【００１６】このようにして、平行線を伝送路に使用す
る場合における伝送路間のクロストークを低下させ、通
信の信頼性を向上させるようにしたものである。

【００１７】

【作用】本提案によるフィールドバスシステムにおいて
フィールド機器は、伝送路の任意の箇所に直接接続され
て通信を行うものである。そのため、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。 また、伝送路に平行線を用いた場合には、伝送路におけ
る通信信号の減衰よりも、伝送路間のクロストークによ
る影響の方が、信頼性を低下させる要因として、問題と
ならないほど大きい。

【００１８】このクロストークの値は、伝送する信号（
電流）の大きさに比例して、変化するので、通信周波数
帯においてインピーダンスを規定値より低下させるター
ミネータを、各機器の接続口に接続することにより、伝
送路に流れる通信電流を小さくしてできる。または、平
行して走る各伝送路間の距離をあけることにより、クロ
ストークを小さくできる。このため、伝送路に接続され
た各機器が、規格の仕様を満足しながら、伝送路間のク
ロストークを低減できるので、平行線を使用しても、通
信の信頼性が維持でき、使用できる伝送路長も長くなる
。

【００１９】

【実施例】以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説
明する。

【００２０】図１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。

【００２１】同図において、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なうも
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。本実施例においては、フ
ィールド機器１ａ，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。

【００２２】上位機器３は、フィールド機器１ａ，１ｂ
，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
。

【００２３】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１ａ
，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。

【００２４】ターミネータ６ａ，６ｂ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
フィールド機器など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。なお、タ
ーミネータ６ａ，６ｂの仕様は、規格で決められている
ものである。

【００２５】ここで、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。よって、規格に
おいては、一例として、送信信号が０．７５〜１．０Ｖ
ｐ−ｐ　に対し、各機器は余裕をもって、０．１５〜２
．０Ｖｐ−ｐ　の信号を受信できるように規定されてい
る。また、この場合、ノイズレベルを、一例として、７
５ｍＶｐ−ｐ　以下にする条件がある。

【００２６】これらの値は、より対線を伝送路に使用し
た場合を基準として決められている。

【００２７】このため、図２に示す伝送特性例のように
、平行線を使用した場合には、伝送路間のクロストーク
が大きく、前記ノイズレベルを超えないように伝送路の
長さを短くする必要があった。また、このクロストーク
の値は、影響を与える方の伝送路に流れる通信電流の大
きさに比例しているので、伝送路に流す通信電流を小さ
くすれば、影響値を軽減できる。

【００２８】図１に示す実施例では、各機器を電流ドラ
イバにし、伝送路の接続口にターミネータ７を接続して
いる。このため、通信電流は、ターミネータ７との間で
ループするので、伝送路に流れるのは、その分少なくな
り、クロストークが低減できている。よって、本実施例
では、すべての装置が、フィールドバスの規格を満足し
た状態で、各機器が個別にターミネータを接続するだけ
で、クロストークが低減できるという効果がある。

【００２９】この他の実施例として、伝送路の両端に接
続するターミネータ６ａ，６ｂを規格外のインピーダン
スの小さいものを使用する例がある。この実施例では、
各機器と近い方のターミネータ６ａ（または、６ｂ）間
でループする送信電流を増大させ、伝送路に流れる通信
電流を減少させたものである。よって、この場合は、伝
送路の両端のターミネータを平行線用のものに変更する
だけで、クロストークが低減できるという効果がある。

【００３０】また、別の実施例として、図３に示す、通
信により各機器が出力する通信電流値を切り替える例が
ある。

【００３１】図３を用いて、その代表例として、フィー
ルド機器の動作について、詳細に説明する。図３におい
て、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０７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１０８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。前記マルチプ
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１
０５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
は前記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。

【００３２】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に格納されているデ
ータなどを、送受信回路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、変調回路１１２で変
調された信号となり、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として出力される。こ
こで、変調方式としては、例えばディジタル信号の“１
”，“０”に対応する２種類の周波数で変調する周波数
変調方式、および、ベースバンド信号のマンチェスタ符
号に変換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
方式とがあるが、本実施例では、電流信号で出力する方
式におり、ドライバ１１１の出力電流は、Ｉ／Ｏインタ
ーフェイス１０６からの指示により切り替えられる。

【００３３】受信動作は、伝送路からの通信信号を復調
回路１１３で前記シリアルのディジタル信号列で取り出
し、送受信回路１０４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。送受信回路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。

【００３４】よって、この実施例においては、装置構成
を変えずに、各機器の出力する通信電流そのものを小さ
くすることにより、伝送路に流れる通信電流を小さくし
、他の伝送路へのクロストークの影響を軽減できるとい
う効果がある。

【００３５】次に、伝送路の使用方法に関する別の実施
例を図４を用いて説明する。

【００３６】フィールドバスの伝送路として、従来シス
テムの既存配線を、そのまま使う場合には、ほとんどの
場合に平行線が使われている。これらの平行線は、２芯
から約５０芯の範囲のものが、主に使われており、その
ナンバリングは、図４のように、線束の中心層から順に
付けられているため、配線は、同層の隣あったものを使
う。本実施例では、例えば、図４に示すように番号６〜
７の連続した線を使用し、外側の番号５，８を予備線と
して未使用にして、伝送路間の距離をあけることにより
、同層内の他の伝送路（番号９，１４の線）からのクロ
ストークを受けにくくしている。また、１対の伝送線を
流れる電流の向きは、逆であり、隣あった線を１対で使
用するため、隣接した層の線からのクロストークは、ト
ータル的に打ち消しあう。この場合、未使用線は、接地
にしておいても、オープン状態にしておいても問題ない
。

【００３７】よって、本実施例によれば、伝送路の使用
方法だけでクロストークを低減できるという効果がある
。

【００３８】

【発明の効果】以上、説明したことから明らかなように
、本発明によれば、伝送路間のクロストークを低減でき
るので、平行線使用時の通信の信頼性が向上でき、さら
に、使用可能な伝送路長も長くできるという効果がある
。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明によるフィールドバス・システムの一実施
例を示す装置構成図、図２は平行線の伝送特性例を示す
図、図３は本発明による別の実施例を説明するためのフ
ィールド機器のブロック図、図４は平行線の使用方法を
説明するための図である。

【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、６ａ
，６ｂ，７…ターミネータ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィールドバスの伝送路上に接続されたフ
   ィールド機器，上位機器間で通信するシステムにおいて
   、伝送路として複数本の平行線からなる電線を用いる手
   段と、各機器が伝送路に出力する送信信号の大きさを規
   定値より小さくする手段とを備えたことを特徴とするフ
   ィールドバスシステム。
2. 【請求項２】請求項１記載のフィールドバスシステムに
   おいて、各機器のドライバを電流ドライバに統一し、各
   機器の伝送路への接続口に、伝送路の通信周波数帯にお
   けるインピーダンスを低下させるターミネータを接続す
   ることにより、伝送路に出力する送信信号を小さくした
   ことを特徴とするフィールドバスシステム。
3. 【請求項３】請求項１記載のフィールドバスシステムに
   おいて、各機器のドライバを電流ドライバに統一し、伝
   送路の両端に接続するターミネータを、通信周波数帯に
   おけるインピーダンスを規定値より低下させることによ
   り、伝送路に出力する送信信号を小さくしたことを特徴
   とするフィールドバスシステム。
4. 【請求項４】請求項１記載のフィールドバスシステムに
   おいて、各機器が自ら出力する通信信号の大きさを設定
   する機能を備え、外部からの指令で送信信号レベルを切
   り替えるようにしたことを特徴とするフィールドバスシ
   ステム。
5. 【請求項５】フィールドバスの伝送路上に接続されたフ
   ィールド機器，上位機器間で通信するシステムにおいて
   、伝送路として複数本の平行線からなる電線を用いる手
   段と、各伝送路を隣合った２本の線とし、かつ、各伝送
   路間に少なくとも１本の未使用線を設けた配線にする手
   段とを備えたことを特徴とするフィールドバスシステム
   。