JPH0964796A - フィールドバスの通信方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】バス全体のエネルギーが制限される本質安全防
爆の条件下において、接続できるフィールド機器数を増
大し、安価で、かつ、適用範囲の広いフィールドバスシ
ステムを構成できるようにする。 【構成】重畳信号の通信パルスの上下方向のパルス振幅
を各フィールド機器の消費電流に応じて小さくする手段
と、消費電流と上記重畳信号の振幅とを少なくとも二段
階に切替える手段とを備え、上記各フィールド機器、及
び上位計器の平均通信電流が、通信時と非通信時とで同
一であるようにする。 【効果】エネルギーが制限される本質安全防爆の条件下
においても、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
るという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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
るフィールドバスの通信方式、および、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、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、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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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、上位計器とフィー
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。

【００１０】

【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、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、１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。

【００１１】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、規格においては各
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０.１５〜2.0Ｖ
p-p と広範囲にしてある。

【００１２】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１５〜２０ｍＡ
p-p の電流信号になる。

【００１３】ここで、前記送信電流信号は上下方向に均
等な振幅で通信時に電流が逆流するのを防ぐことから、
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、エネルギー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。

【００１４】上記問題を解決する方法として、特開平5
−41709号において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、非通信時の消費電流を
下げる方式が提案されている。この方式においては、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。

【００１５】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。

【００１６】２．前記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。 ３．上記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。

【００１７】このため、上記方式の欠点を補うため、特
願平6−118018 号において、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
が提案されている。この方式においては、上記問題点を
すべて解決しているが、信号のパルス幅を変化させる方
式であるため、画期的には消費電力を下げられなかっ
た。

【００１８】本発明は、通信の信頼性に問題ない範囲で
送信信号の信号波形の振幅とフィールド機器の消費電流
とを変えることにより、フィールド機器の消費電流を低
くし、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方式、およびその装置を提
供することを目的としている。

【００１９】

【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、フィールド機器，上位計器などの通信装
置の通信方式として、各機器の平均通信電流が、通信時
と非通信時とで同一にし、且つ、フィールド機器の消費
電流を低くするために通信パルスの上下方向のパルス振
幅をフィールド機器の消費電流に応じて小さくすること
により、本質安全防爆の条件下において接続可能な機器
台数を拡大したものである。

【００２０】

【作用】本提案によるフィールドバスの通信方式は、上
述のようにフィールド機器などの通信装置が伝送路へ送
信する通信信号を、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、前記重畳信号において正負の
各方向のパルス振幅を各方向とで同じとし、電流が逆流
しないようにパルス振幅を前記消費電流より小さな値と
している。フィールドバスの規格においては、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 においても通信可能な通信仕様にしてある。

【００２１】よって、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
続できず、通信信号の信号振幅の減衰の度合が小さく充
分余裕があるため、通信信号のパルス振幅を小さくして
も通信可能である。

【００２２】例えば、接続するフィールド機器の台数を
１０台とした場合、前記パルス振幅を１／３にしても、
規格上の受信可能な通信信号範囲内の値になり、さら
に、伝送距離を実用上問題ない範囲で短くすると、前記
パルス振幅は１／４程度にもすることができる。このた
め、前記電流が逆流しない範囲でフィールド機器の消費
電流を通信信号のパルス振幅に合わせて小さな値とする
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ー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。

【００２３】

【実施例】以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説
明する。

【００２４】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。

【００２５】同図において、フィールド機器１ａ，１
ｂ，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。

【００２６】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。

【００２７】本実施例においては、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。

【００２８】バリア８は、本質安全防爆の条件下におい
て、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。

【００２９】上位計器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。

【００３０】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
条件下においては、上位通信機器２は、安全領域に接続
している。

【００３１】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
への影響を小さく抑さえている。

【００３２】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。

【００３３】本発明の通信方式は、フィールド機器１，
上位通信機器２，上位計器３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。

【００３４】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。

【００３５】図３において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０
７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
出し、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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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として出力される。こ
こで、コード化方式としては、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。

【００４０】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、
図３は、電流信号で出力する方式である。

【００４１】受信動作は、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
から変換して前記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。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。ここ
で、マイクロプロセッサ１０１の指示により、Ｉ／Ｏイ
ンターフェイス１０６を経由して、定電流回路１１０と
ドライバ１１１の内部回路の条件を同時に複数段階に切
替えることができる。

【００４２】本質安全防爆の条件下においては、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
限があるため、フィールド機器１全体が消費する電流を
低く抑えることにより、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、定電流
回路１１０とドライバ１１１との関係をフィールド機器
１の出力電流が逆流しないように、フィールド機器の消
費電流と送信電流信号の信号振幅とを同時に１／２にす
ることにより、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。

【００４３】また、前記切替えは、伝送路を介して他の
機器から通信データによる指令で行うことや、フィール
ド機器１の内部にハード的なディップスイッチ１１４を
設け、マイクロプロセッサ１０１がパワーオン時にその
スイッチの設定状態を読み取り、その設定状態に応じて
行うことができる。

【００４４】その他にも、前記フィールド機器の処理を
低速で実施した場合、スリープモードのように一時的に
ＭＰＵなどの各回路の動作を停止する場合など、フィー
ルド機器の消費電流を低下させることができるため、フ
ィールド機器の消費電流に応じて、前記切替えを実施す
ることができる。

【００４５】図１において、本発明の通信方式の通信波
形の実施例として、マンチェスタコードを使用した場合
について説明する。

【００４６】図５に示すようにマンチェスタコードは１
ビットタイムの前半と後半で情報ビットを変えることに
より、“１”，“０”を判定しているため、非データの
信号以外は必ず情報ビットの“１”と“０”との時間が
同一となる。

【００４７】図６に通信データの構成例を示す。

【００４８】通信の動作としては、最初に受信するデー
タであるプリアンブルにより、連続して送られてくるデ
ータの１ビット毎の同期タイミングを作成し、以後のデ
ータに対し、マンチェスタコードのデコード処理を行
う。次に、スタートデリミッタの検出を行い、通信デー
タの１バイト毎の同期タイミングを作成し、それ以後の
データをエンドデリミッタの信号パターンが検出される
まで、有効データとして取り出す。

【００４９】本発明では、図１に示すように平均電流値
（フィールド機器１の消費電流）に対して重畳する通信
信号の振幅を正負の方向で、均等に、かつ、通信時のフ
ィールド機器の出力電流が逆流しない範囲の値としてい
る。ここで、例えば１ビットタイムの期間における正負
の方向信号振幅が同一であり、かつ、１ビットタイムの
前半と後半との時間幅が同一とすることにより、通信時
に前記平均電流値が乱れることはない。

【００５０】図１の例では、通常フィールドバス規格か
ら送信信号電流は１５〜２０mＡp-pの範囲の信号である
ため、上下方向に均等であり、かつ、フィールド機器の
出力電流が逆流しないという条件から、フィールド機器
の消費電流は、約８ｍＡ以上必要であるが、前記実施例
を用い、フィールド機器の消費電流を前記標準モードか
らパワーダウンモードにして４ｍＡに低減しているもの
である。

【００５１】また、図１の例では、前記切替え指令は、
伝送路を介して他の機器から通信で行い、オンラインの
状態でモードを標準モードからパワーダウンモードにし
た例である。本例においては、標準モードとパワーダウ
ンモードの二段階に切替える例を示したが、これが複数
段階に切替える例もある。

【００５２】前記パワーダウンモードにした場合、図１
の例では、送信信号電流が１５ｍＡp-p から７ｍＡp-p
とフィールドバス規格の仕様範囲外となっているが、本
質安全防爆条件下においては、標準モードで約４台、図
１のパワーダウンモードの例で約８台までのフィールド
機器しか接続できないため、フィールドバス規格の最大
３２台と比べ、約１／４であり十分余裕があり、通信の
信頼性が維持できている。図４を用いて、その内容を詳
細に説明する。

【００５３】図４は、送信電流信号を２０ｍＡp-p とし
た状態において上位計器が設置されている計器室側とフ
ィールド機器が設置されているフィールド側で測定した
受信信号の最大値と最小値とを接続した機器の負荷台数
（３〜５０台）と伝送路長（２００ｍ，１８００ｍ）を
パラメータとして示したものである。ここで、送信電流
信号を２０ｍＡp-p の半分にした場合、受信信号レベル
も単純に半分となるが、接続負荷台数が最大１０台とし
たならば、受信信号の最小値は、フィールドバス規格で
定められている最小受信感度の０.１５Ｖp-pと比べ十分
余裕のある０.２８Ｖp-p である。

【００５４】これから、送信電流信号は、接続負荷台数
が最大１０台としたならば、６ｍＡp-p まで小さくして
も各機器間の通信は可能であり、さらに、伝送路の長さ
を１８００ｍでなく実用上問題のない範囲（例えば、２
００ｍ以下）で使用すると限定するならば、送信電流信
号は約４ｍＡp-p まで小さくすることができる。よっ
て、フィールド機器の消費電流も、それに応じて小さく
することができ、伝送路全体で使用する電力制限がある
本質安全防爆の条件下において、接続することのできる
機器台数を増やすことができるという効果がある。

【００５５】また、標準モードとパワーダウンモードと
を切替えて使用することができるので、フィールドバス
システムの使用用途に応じて、最適な条件を使用できる
という別の効果もある。

【００５６】以上に説明したように、本発明によれば、
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
現できるという効果がある。

【００５７】

【発明の効果】以上、説明したことから明らかなよう
に、本発明による通信方式を用いたフィールド機器，上
位計器などフィールドバスシステムを構成することによ
り、エネルギーが制限される本質安全防爆の条件下にお
いても、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と
いう効果がある。

【００５８】また、伝送路長，接続機器台数などの外部
条件に関する通信可能な範囲を拡大できるという別の効
果もある。

【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図であ
る。

【図２】フィールドバスシステムの機器構成図である。

【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である。

【図４】通信信号の減衰特性例を示す図である。

【図５】マンチェスタコードの説明図である。

【図６】通信信号のデータ構成図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…フィールド機器、２…上位通信
機器、３…上位計器、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
   と上位計器との間で通信を行い、上記各機器間の通信信
   号として、上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（以下、重畳信号）を用いるフィールドバ
   スシステムの通信方式において、 上記重畳信号の通信パルスの上下方向のパルス振幅を上
   記各フィールド機器の消費電流に応じて小さくする手段
   と、 上記消費電流と上記重畳信号の振幅とを少なくとも二段
   階に切替える手段とを備え、 上記各フィールド機器、及び上位計器の平均通信電流
   が、通信時と非通信時とで同一であることを特徴とする
   フィールドバスの通信方式。
2. 【請求項２】請求項１記載の通信方式において、 前記フィールド機器が、伝送路上に接続された他のフィ
   ールド機器及び上位計器からの通信データによる指令に
   より、前記消費電流と前記重畳信号の振幅とを切替える
   手段を備え、前記消費電流と前記重畳信号の振幅とを同
   時に切替えることを特徴とするフィールドバスの通信方
   式。
3. 【請求項３】請求項１記載の通信方式において、 前記フィールド機器が、ハードスイッチを内蔵し、前記
   スイッチの設定状態に対応して、前記消費電流と前記重
   畳信号の振幅とを切替える手段を備え、フィールド機器
   及び上位計器の通電開始時に前記切替えを行うことを特
   徴とするフィールドバスの通信方式。
4. 【請求項４】請求項１記載の通信方式において、 前記フィールド機器が少なくとも二段階の重畳信号振幅
   を切替える機能を備え、かつ、機器から流れる電流を必
   ず一方向の電流とする関係を維持した状態で、機器の消
   費電流に対応して、前記重畳信号振幅を選択する機能を
   備えたことを特徴とするフィールドバスの通信方式。