JPH10149495A

JPH10149495A - 仮想フィールド機器

Info

Publication number: JPH10149495A
Application number: JP28484797A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kogure; 誠小暮
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 1998-06-02
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: JP3114670B2

Abstract

(57)【要約】【課題】フィールドバス・システムに対応できない既存
システムの機器を存続させつつ、フィールドバス・シス
テムを稼働させることが可能な仮想フィールド機器を提
供する。【解決手段】フィールドバス・システムに接続される仮
想フィールド機器であって、当該仮想フィールド機器
は、伝送路に接続するためのディジタル信号接続端子
と、アナログ信号形フィールド機器の入出力信号が送受
信される複数のアナログ信号接続端子と、当該複数のア
ナログ信号接続端子より送受信されるアナログ信号を含
む信号のそれぞれを、前記ディジタル信号接続端子より
送受信される通信信号に対して相互変換を行う信号変換
手段とを有する。【効果】既存の制御システムに使用されているフィール
ドバス対応でないフィールド機器を使用したまま、フィ
ールドバス・システムに移行できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２線式伝送路上で
信号伝送を行うフィールド機器に係り、特に、フィール
ドバスヘのシステム移行、および、システム拡張が容易
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、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。この種の装置は、例えば、特開昭58−48198
号公報，特開昭59−201535号公報などに開示されてい
る。

【０００５】具体的な例を図４を用いて説明する。同図
は、外部電源を必要とするアナログ電流出力形のフィー
ルド機器に関する装置構成例を示している。フィールド
機器１ａ，１ｂ，１ｃは外部電源４から供給される電力
により動作し、検出した物理量に対応した電流を伝送路
に流す定電流源としてアナログ電流信号を出力し、上位
受信機器３は、伝送路に直列に挿入された抵抗を流れる
前記アナログ電流信号（以下、アナログ信号という）を
抵抗の両端の電位差の検出により受信し、フィールド機
器１ａ，１ｂ，１ｃの指示値として使用している。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
１とディジタル信号で双方向の通信を行っている。

【０００６】この伝送路で信号を伝送する方式として
は、アナログ信号上にディジタル信号をのせて、アナロ
グ信号に影響を与えないようにディジタル信号の通信を
行う方式、アナログ信号とディジタル信号とを切り換え
て信号伝送する方式、およびディジタル信号のみによる
信号伝送方式、とが知られている。

【０００７】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
案されている。フィールドバス・システムの代表的な構
成例を図５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１
ａ′，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′，１
ｃ′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。
このシステムにおいては、ディジタル信号のみで通信を
行っていることから、伝送路５′に接続されている各機
器は、相互に通信が可能であり、伝送路５′を介してネ
ットワークを構築することが可能である。

【０００８】図４の既存のシステムから図５のフィール
ドバス・システムへ移行する場合は、伝送路５に接続さ
れる機器は、全てフィールドバス・システムでの通信形
態に対応したものに変更する必要があるが、伝送路５は
そのまま使用することが可能なため、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。

【０００９】また、システム移行に関して、特開平2−2
54599 号公報に示されるような方法も提案されている。
この例では、各フィールド機器のそれぞれに、通信信号
をディジタルに変換するアダプタを備えたものであり、
システム形態は図４のアナログ形のシステムのままで、
ディジタルの双方向通信を行おうとしたものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記した従来
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、伝送路以外はすべて一度に
変更する必要がある。

【００１１】このため、フィールドバス・システムを利
用しようとする際には、その当初に過大な設備費が必要
となるという問題がある。特に、既存システムで使用さ
れているフィールド機器を一時継続してそのまま使用
し、徐々にフィールドバス・システムへ移行させるとい
うようなことはできないため、フィールド機器は全て変
更せねばならず、上記当初の設備費は避けられないた
め、コストパフォーマンスの点で既存システムへの適用
が困難であった。

【００１２】また、特開平2−254599 号公報の例では、
フィールド機器と上位機器との通信はディジタル信号で
の双方向通信は可能となるものの、アナログ信号の伝送
も行うため、フィールド機器と上位機器の接続は、常に
１対１の接続となり、図５のようなフィールドバス・シ
ステムの形態には容易に移行できない。従って、フィー
ルド機器同士でネットワークを構築することができず、
またフィールド機器の台数も容易に増やすことができ
ず、システムの拡張性に難があった。

【００１３】本発明の目的は、フィールドバス・システ
ムに対応できない既存システムの機器を存続させつつ、
フィールドバス・システムを稼働させることが可能な仮
想フィールド機器を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の特徴は、一対の伝送線からなる伝送路を介し
て、フィールド側の物理量の検出及び／又は操作量の出
力を行う複数のフィールド機器と、当該フィールド機器
の監視及び／又は操作を行う上位機器の間でディジタル
信号により通信を行うフィールドバス・システムに接続
される仮想フィールド機器であって、当該仮想フィール
ド機器は、前記伝送路に接続するためのディジタル信号
接続端子と、アナログ信号形フィールド機器の入出力信
号が送受信される複数のアナログ信号接続端子と、当該
複数のアナログ信号接続端子より送受信されるアナログ
信号を含む信号のそれぞれを、前記ディジタル信号接続
端子より送受信される通信信号に対して相互変換を行う
信号変換手段とを有することである。

【００１５】アナログ電流出力形のフィールド機器の場
合、その出力信号である４〜２０mAのアナログ電流信号
は、本提案による仮想フィールド機器内でディジタル信
号に変換され、仮想的に伝送路へ送信される。また、ア
ナログ電流入力形のフィールド機器の場合は、逆に、そ
の入力信号である４〜２０ｍＡのアナログ電流信号は、
本提案による仮想フィールド機器内で仮想的に受信さ
れ、ディジタル信号からアナログ電流信号に変換されフ
ィールド機器へ出力される。

【００１６】それによって、既存のアナログ信号形のフ
ィールド機器を使用したままの状態で、フィールドバス
・システムへ移行できるので、少なくとも、上位機器と
外部電源だけをフィールドバス対応にするだけでフィー
ルドバス・システムが実現できる。

【００１７】さらに、フィールド機器をフィールドバス
対応に交換するときは、その接続を直接、伝送路からの
接続に変更するだけなので、必要に応じて、段階的にフ
ィールドバス・システムへ移行できる。

【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図である。

【００２０】同図において、フィールド機器１ａ，１
ｂ，１ｃは、出力信号（または、入力信号）が４〜２０
ｍＡのアナログ電流信号であり、その信号にディジタル
信号をのせて双方向の通信を行えるものであり、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。仮想フィールド
機器６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とフィールド機器１ａ，１
ｂ，１ｃとの間に配置される。本実施例においては、仮
想フィールド機器６がフィールド側のジャンクション・
ボックス（中継箱）内に設置した例を示すが、これは、
他の、例えば上位機器側に配置することもできる。

【００２１】この仮想フィールド機器６は、フィールド
機器１ａ，１ｂ，１ｃに対する電力を、伝送路５ａ，５
ｂ，５ｃを介して供給し、かつ、フィールド機器１ａ，
１ｂ，１ｃのアナログ出力信号を受信してディジタル信
号とし、その値を仮想的にフィールド機器１ａ，１ｂ，
１ｃの出力信号として、フィールドバス・システム上
で、通信を行う。また、フィールド機器１ａ，１ｂ，１
ｃが、前記アナログ電流信号とディジタル信号をのせて
双方向の通信を行うものである場合、仮想フィールド機
器６は、フィールド機器１ａ，１ｂ，１ｃとの間で、伝
送路５ａ，５ｂ，５ｃを介してアナログ信号だけでなく
ディジタル信号の通信をも行うことになり、フィールド
バスとフィールド機器１ａ，１ｂ，１ｃとの間の通信プ
ロトコル変換の役割を果たす。フィールド機器１ａ，１
ｂ，１ｃが、前記アナログ電流信号のみである場合、仮
想フィールド機器６は、フィールドバスに対して仮想的
に、フィールド機器１ａ，１ｂ，１ｃの代役を果たすよ
うに動作する。例えば、このフィールド機器１ｃをフィ
ールドバス対応に変更したり、新たにフィールドバス対
応のフィールド機器を追加して、システム変更・拡張す
る場合、フィールドバス対応のフィールド機器１ｄは、
フィールドバス用の伝送路５上に接続し、直接、伝送路
５を通じて外部電源４から動作電力の供給を受け、か
つ、フィールドバス上に接続された機器（上位機器３，
上位通信機２、など）と通信を行う。ここで、仮想フィ
ールド機器６が消費する電力は、仮想フィールド機器６
の内部回路の他に、フィールド機器１ａ，１ｂ，１ｃの
消費電力も含んでいる。したがって、フィールド機器１
ｃなどの接続を外した場合に仮想フィールド機器６で消
費する電力を制御すれば、フィールドバス対応のフィー
ルド機器１ｄを追加しても、伝送路５を通じて外部電源
４から供給する動作電力の値は、大きくは変化しない。

【００２２】上位機器３は、仮想フィールド機器６，フ
ィールド機器１ｄ，上位通信機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２は、伝送路５上の任意の場所
に接続でき、上位通信機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、仮想フィールド機器６，
フィールド機器１ｄ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】次に、図２，図３を用いて、仮想フィール
ド機器６の動作について、詳細に説明する。図２は、接
続する既存のフィールド機器８ａ〜８ｎが、前記アナロ
グ信号出力形であり、かつ、ディジタル信号をのせて双
方向の通信を行うものである場合の例である。図３は、
同様に接続する既存のフィールド機器９ａ〜９ｎが、前
記アナログ信号入力形であり、かつ、ディジタル信号を
のせて双方向の通信を行うものである場合の例である。

【００２５】本実施例では、接続する既存のフィールド
機器がアナログ信号形であり、かつ、ディジタル信号を
のせて双方向の通信を行うものである場合のみについ
て、説明するが、前記アナログ電流信号のみである場合
も、仮想的に仮想フィールド機器６がその代りの処理を
行うだけで、フィールドバス側からは、すべて同一であ
るとみなされる。

【００２６】図２において、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０
９は、伝送路を介して外部電源より加えられる電圧か
ら、仮想フィールド機器６自身が動作するための電圧Ｖ
_DD、およびフィールドバス対応でないフィールド機器８
ａ〜８ｎへ電力を供給するため、アナログ信号受信器６
１２ａ，６１２ｂ，…，６１２ｎに供給する電圧Ｅａ，
Ｅｂ，…，Ｅｎを作りだす。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ６０９はフィールドバス５を介して供給される電力
を一定にするように制御する。この電力の値は、接続さ
れるアナログ信号形フィールド機器８ａ〜８ｎの数に応
じて変化する。

【００２７】アナログ信号受信器６１２ａ，６１２ｂ，
…，６１２ｎは、フィールドバス対応でないフィールド
機器８ａ〜８ｎへ電力を供給するための電源と、そのフ
ィールド機器８ａ〜８ｎの出力信号である４〜２０ｍＡ
のアナログ電流信号を検出する受信器で構成されてお
り、その出力信号は、例えば、１〜５Ｖのアナログ信号
としてマルチプレクサ６１０へ入力される。マルチプレ
クサ６１０では、Ｉ／Ｏインターフェイス６０５からの
指令により、順次、切り換えながらその信号をＡ／Ｄ変
換器６０４へ取り込み、ディジタル信号にしてRAM602へ
格納する。これらの一連の処理は、ROM603の中にプログ
ラムされたデータをもとに、マイクロプロセッサ６０１
により制御されている。

【００２８】また、変復調器６１３ａ，６１３ｂ，…，
６１３ｎは、接続された既存のフィールド機器の前記ア
ナログ信号に重畳、もしくは、前記アナログ信号と切り
換える形でディジタル信号の双方向通信を行うためのイ
ンターフェイス回路である。前記ディジタル信号は、送
受信回路６０７からの出力を、その対応した変復調器６
１３ａ，６１３ｂ，…，６１３ｎへ出力するように、Ｉ
／Ｏインターフェイス６０５からの指令で、マルチプレ
クサ６１１によって選択された変復調器613a，６１３
ｂ，…，６１３ｎにより変調された信号として出力され
る。前記変復調器６１３ａ，６１３ｂ，…，６１３ｎが
出力する信号は、例えば、周波数変調のようにディジタ
ル信号の“１”，“０”に対応する２種類の周波数信号
のほか、振幅変調のように信号の大きさで“１”，
“０”に対応するもの、位相変調のように２種類の位相
が、“１”，“０”に対応するもの等が用いられる。ま
た、逆に、接続された既存のフィールド機器８ａ〜８ｎ
から出力されるディジタル信号は、前記変復調器６１３
ａ，６１３ｂ,…,６１３ｎで復調され、送受信回路６０
７を通じて受信される。

【００２９】ここで、既存のアナログ信号形のフィール
ド機器８ａ〜８ｎと仮想フィールド機器６との間の通信
で使われる変調信号は、正負の方向に同じ振幅の方形
波、またはサイン波の小信号であれば、ディジタル信号
を出力してアナログ信号に重畳させて通信することによ
り、前記アナログ信号受信器６１２ａ，６１２ｂ，…，
６１２ｎには、その影響を与えないものとすることがで
きる。

【００３０】この既存のアナログ信号形のフィールド機
器８ａ〜８ｎと仮想フィールド機器６との間の通信は、
基本的にはフィールドバス５との通信により、アナログ
信号形のフィールド機器８ａ〜８ｎと通信を行う必要性
が生じた時のみ実行され、通常は、使用されない。その
とき、仮想フィールド機器６は、フィールドバスの伝送
路５と既存のアナログ信号形のフィールド機器８ａ〜８
ｎとの間で、プロトコル変換の役割を果たしている。

【００３１】フィールドバスの伝送路５との通信も同様
に、変復調器６０８がディジタル信号の双方向通信を行
うためのインターフェイス回路となり、送受信回路６０
７からの出力である送信信号を、例えば、マンチェスタ
コードのような符号化処理を行いフィールドバスへ出力
する。また、フィールドバスからの受信信号は、変復調
器６０８にて復号化されて、送受信回路６０７へ入力さ
れる。

【００３２】このような構成において、仮想フィールド
機器６は、フィールドバスの伝送路５上の独自のアドレ
スを持たずに、接続された複数台のアナログ信号形フィ
ールド機器８ａ〜８ｎのアドレスをRAM602に記憶してお
き、フィールドバスの伝送路５からの通信データ内のア
ドレスと一致する場合、仮想的に、仮想フィールド機器
６が各アナログ信号形フィールド機器８ａ〜８ｎの処理
を行う。ここで、各アナログ信号形フィールド機器８ａ
〜８ｎの出力値は、定期的に、Ａ／Ｄ変換器６０４でＡ
／Ｄ変換されRAM602に記憶してあり、また、各アナログ
信号形フィールド機器８ａ〜８ｎの設定値等も、事前
に、フィールドバスの伝送路５との通信によりRAM602に
記憶してあるので、フィールドバスの伝送路５から出力
値の送信を要求された場合は、各アナログ信号形フィー
ルド機器８ａ〜８ｎと通信することなく、仮想フィール
ド機器６が、代替処理を行う。そして、フィールドバス
の伝送路５からの要求で、各アナログ信号形フィールド
機器８ａ〜８ｎと通信を行う必要がある場合は、前述の
通り、仮想フィールド機器６は、フィールドバスの伝送
路５と既存のアナログ信号形のフィールド機器８ａ〜８
ｎとの間で、プロトコル変換の役割を果たす。

【００３３】次に、図３により、仮想フィールド機器６
に接続するフィールドバス対応でないフィールド機器９
ａ〜９ｎが、アナログ信号入力形である場合の実施例を
説明する。図２の実施例と同様に、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ６０９は伝送路を介して外部電源より加えられる電圧
から仮想フィールド機器６自身が動作するための電圧Ｖ
_DD、および、フィールドバス対応でないフィールド機器
９ａ〜９ｎへ電力を供給するため、アナログ信号送信器
６１５ａ，６１５ｂ，…，６１５ｎに供給する電圧Ｅ
ａ′，Ｅｂ′，…，Ｅｎ′を作りだす。アナログ信号送
信器６１５ａ，６１５ｂ，…，６１５ｎは、フィールド
バス対応でないフィールド機器９ａ〜９ｎへ電力を供給
するための電源と、そのフィールド機器９ａ〜９ｎの入
力信号である４〜２０ｍＡのアナログ電流信号を出力す
る送信器で構成されており、その入力信号は、例えば、
１〜５Ｖのアナログ信号としてマルチプレクサ６１０を
介してＤ／Ａ変換器６１４から入力される。マルチプレ
クサ６１０の切り換え信号は、マイクロプロセッサ６０
１の指令により、Ｉ／Ｏインターフェイス６０５から入
力される。アナログ信号送信器６１５ａ，６１５ｂ，
…，６１５ｎの中には、サンプルホールド回路とダンピ
ング回路が内蔵されており、Ｄ／Ａ変換器６１４からの
入力値更新は、フィールドバスからの更新要求があった
場合に実施される。

【００３４】本実施例において、アナログ信号入力形の
フィールド機器９ａ〜９ｎとの通信、および、フィール
ドバスの伝送路５との通信は、図２の実施例で説明した
内容と、すべて同一である。

【００３５】図２では、接続する既存のフィールド機器
がアナログ信号出力形の例を、図３ではアナログ信号入
力形の例をしめしたが、この構成は、両者が混在しても
同様に、適用することができる。

【００３６】本実施例によれば、既存のアナログ信号形
フィールド機器とフィールドバス対応のフィールド機器
が、同じ制御システム上で共存できるという効果があ
る。また、必要最低限の変更のみで、フィールドバス・
システムが実現できるという効果がある。

【００３７】

【発明の効果】以上、説明したことから明らかなよう
に、既存フィールド機器の代替処理を行う仮想フィール
ド機器をフィールドバス上に設置することにより、既存
の制御システムに使用されているフィールドバス対応で
ないフィールド機器を使用したまま、フィールドバス・
システムに移行できるという効果がある。

【００３８】さらに、前記フィールドバス対応でない機
器を、フィールドバス対応のものに置き換えるときに、
その接続を変更するだけで、容易に置き換えができ、か
つ、フィールドバス対応機器への交換が、フィールドバ
ス上の他の機器側の設定を変更することなく行え、徐々
に制御システムを、移行できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】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】本発明による仮想フィールド機器の一実施例を
示すブロック図。

【図３】本発明による仮想フィールド機器の別の実施例
を示すブロック図。

【図４】従来のフィールド機器の装置構成の一例を示す
図。

【図５】フィールドバス・システムの一例を示す図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ…アナログ信号形フィールド機器、１
ａ′，１ｂ′，１ｃ′，１ｄ…フィールドバス対応フィ
ールド機器、２…上位通信機、３，３′…上位機器、
４，４′…外部電源、５，５ａ，５ｂ，５ｃ…伝送路、
６…仮想フィールド機器、７…ターミネータ、８ａ〜８
ｎ…アナログ信号出力形フィールド機器、９ａ〜９ｎ…
アナログ信号入力形フィールド機器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の伝送線からなる伝送路を介して、フ
ィールド側の物理量の検出及び／又は操作量の出力を行
う複数のフィールド機器と、当該フィールド機器の監視
及び／又は操作を行う上位機器の間でディジタル信号に
より通信を行うフィールドバス・システムに接続される
仮想フィールド機器であって、当該仮想フィールド機器は、前記伝送路に接続するため
のディジタル信号接続端子と、アナログ信号形フィールド機器の入出力信号が送受信さ
れる複数のアナログ信号接続端子と、当該複数のアナログ信号接続端子より送受信されるアナ
ログ信号を含む信号のそれぞれを、前記ディジタル信号
接続端子より送受信される通信信号に対して相互変換を
行う信号変換手段とを有することを特徴とする仮想フィ
ールド機器。
【請求項２】請求項１において、前記各アナログ信号接続端子に対応する通信信号を記憶
する記憶手段と、当該記憶手段に記憶された内容と前記
ディジタル信号接続端子との間の通信を制御する通信制
御手段とを更に備えたことを特徴とする仮想フィールド
機器。
【請求項３】請求項２において、前記記憶手段は前記アナログ信号接続端子に接続される
機器を示すアドレスを記憶し、前記制御手段は、前記デ
ィジタル信号接続端子からのアドレス指定に応じて、前
記記憶手段に記憶された対応機器のディジタル信号を読
み出し又は書き込み制御することを特徴とする仮想フィ
ールド機器。