JPS6290049A - ２線式通信方式 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は２線式の通信方式に係り、特にプラント等にお
ける従来のアナログ制御システムや現在及び将来のデジ
タル制御システムにおいて末端のプロセス変量送信器を
初めとするフィールド機器とシステムの制御コンピュー
タとのデータ伝送系及びそれに類する通信系に好適な通
信方式に関する。

〔発明の背景〕

プロセス変量送信器等の工業計器の２線式によるデータ
伝送あるいは通信の方式として、従来の送信器による４
〜２０ｍＡの電流制御によるアナログデータ伝送方式に
加え、従来、特開昭５８−８５４６９号に記載のような
デジタルデータとアナログデータを交互に通信する方式
が知られていた。

後者のデジタルデータの通信は通信装置から送信器への
送信器機能の設定・ｉｌｌ！１等の命令と送信器から通
信装置への応答から成っており、アナログデータ伝送状
態からデジタルデータ伝送状態に移行したのち予め設定
された遅延の導入により、アナログデータ伝送状態に回
復する方式である。この方式はアナログデータ伝送の通
信系においてユーザが送信器機能の調整、設定を行なう
上で有効である。しかし、この方式の基底状態はアナロ
グデータ伝送状態であり、プロセス変量信号をデジタル
データとして送信器から受信器あるいは上位コンピュー
タへ伝送する方式については述べられていない、また、
前記方式において、通信装置は電源と抵抗器及び送信器
に並列に接続されており外乱や電源の電圧変動の影響を
受けやすい、また受信器は抵抗器に並列に接続され、通
信装置の接続位置と異なっており、将来の上位システム
とのインタフェイス等からも統一性に欠けている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来のアナログ制御システム中のプロ
セス変量送信器のりブレイスまたは新たなアナログ制御
システム中へのプロセス変量送信器の設置と、前記シス
テム中において通信装置による送信器機能の遠隔設定・
調整を可能とするとともに、制御コンピュータによって
末端までコントロール可能な、システムのデジタル化に
容易に対応可能とする通信方式を提供することにある。

〔発明の概要〕 将来におけるプロセス変量送信器の通信方式はシステム
内外を問わずアナログデータ伝送方式から、より高精度
、高信頼、多重を可能とするデジタルデータ伝送方式に
移行するという考え方を基に、従来のアナログ制御シス
テムに適応可能なアナログデータ伝送状態、デジタル制
御システムに適応可能なデジタルデータ伝送状態、そし
て、画伝送状態からも変更可能であり、通信装置または
インタフェースを介し上位コンピュータから遠隔設定調
整を可能とするデジタル通信状態の設定を考え１ネガ式
を発明した。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。まず
、本発明の通信方式を採用した通信系の一実施例である
ブロック図が示されている第１図を参照する。プロセス
変量送信器１は抵抗器ＲＬ　４を介して外部の＠ＷＸ５
から電力が供給され、電流工Ｔが出力信号となるもので
ある。受信器２あるいは通信装置３は抵抗器４に並列に
接続される。

この状態において伝送線６を利用して電源からプロセス
変量送信器へ電力を供給するとともに、プロセス変量送
信器と通信装置！！−の間でデータ通信及びプロセス変
量送信器から受信器へデータを伝送する。第１図におい
て、ＶＴＦＩＴはプロセス変量送信器１の端子電圧及び
出力電流、Ｖ＋＋は抵抗器Ｒｔ、４　の端子電圧、Ｉｃ
は通信製ｆｉ３の出力電流である。各ブロックの基本機
能を説明すると、まず、プロセス変量送信器は定電流特
性を有し、伝送線を介して得られる４　ｍ　Ａの電流で
動作する。

そしてアナログデータ伝送機能、デジタルデータ送受信
機能を有し、例えば圧力や温度などのプロセス変量をプ
ロセス変量送信器１に含まれるマイクロプロセッサによ
り補正処理を行い適当な形の信号に変換し、伝送線を介
してデータ伝送する。

また、通信装置から伝送されるデジタルデータを受信し
、前記マイクロプロセッサにより処理してデジタルデー
タにより応答する。受信器はアナログデータ受信器ある
いはデジタルデータ受信器であり、データを受信して表
示する。これらはユーザにより選択され設置される０通
信装置はアナログデータ受信、デジタルデータ送受信機
能、データ設定機能、データ表示機能及びプロセス変量
送信器の通信状態を変更する機能を有する。第１図に示
される系において全体的な系のコントロールはすべて通
信装置からのオペレータによる指令により行われる。将
来通信装置に変わって上位コンピュータと直接接続され
た場合には、上位コンピュータによってコントロールさ
れる。

通信機能別にみると次の３種類の通信状態がある。

（１）プロセス変量送信器から受信器へ４−４−２Ｏの
直流アナログ伝送状態 （２）プロセス変量送信器から受信器へのシリアルパル
スによるデジタル伝送状態 （３）プロセス変量送信機と通信装置間のシリアルパル
スによるデジタル通信状態。

これら３種類の通信状態について、第１図〜第６図を参
照して説明する。まず、（１）アナログデータ伝送状態
を説明するため第２図を参照する。

この状態において前記プロセス変量送信器はプロセス変
量に対応して４〜２０　ｍ　Ａの範囲で出力電流ＩＴ　
を制御することによりアナログデータを伝送する。この
出力電流ＩＴは伝送線を介して伝送され抵抗器Ｒしによ
ってＩ／Ｖ変換されて受信器により検出される。第２図
（、）によってＩＴとＶＲの時間変化が示されている。

ここでＶＲｍａｘ＋Ｖ　Ｒ１１ｔ　ｎはそれぞれＶＲＩ
ＩＩＩＸ＝　Ｉｔｍａｘ　（Ａ）　Ｘ　Ｒｔ、　［Ω〕
＝２０　・　Ｒｔ、（Ｖ）　　　＋　　ＶＲｍ＋ｎ＝　
ＩＴＩＩＩＩＩ　　（Ａ）　　Ｘ　ＲＬ〔Ω〕＝４・Ｒ
Ｌ（Ｖ）　　である。この状態は従来のアナログデータ
伝送方式であり、詳細な説明は省略する。

次に（２）デジタルデータ伝送状態、（３）デジタル通
信状態を説明する前に、（２）及び（３）の状態で使用
するデジタルデータのデータ構成について、第３図、第
４図を参照し、で説明する。１つのプロセス変量を示す
データあるいは命令・応答データはＳＴＸ、ＣＭＤデー
タ、ＥＴＸの一連のキャラクタ列をもった１データブロ
ツク（テキスト）として扱われる。ＳＴＸはテキストの
始まりを示す伝送制御キャラクタ、ＣＭＤはデータの種
類を示すキャラクタ、Ｄ　ｌ”””　Ｄ　ｎは伝送デー
タキャラクタ、ＥＴＸはテキスト終結を示す伝送制御キ
ャラクタである８各キヤラクタのビット構成を第４図に
示す。ここに示したデータ形式はＪＩＳＣ６２２０に従
う形式であり、詳細は省略する。次に第４図及び第１図
を参照してデジタルデータの送信方法を説明する。デジ
タルデータの送信はプロセス変量送信器１、通信製Ｗ１
３において出力電流ＩＴ及びＩｃを制御することによっ
て行なわれる。

例えば第４図においてデジタルデータの“１”を１１１
１ｉｎｓデジタルデータの“Ｏ”を工、Ｉａｘに対応さ
せてパルス状に電流を変化させることによってデジタル
データは送信される。この様な電流変化は抵抗器Ｒｔ、
　４　　によってＩ／Ｖ変換され電圧変化として受信器
２または通信製！１３により検出される。すなわち、第
１＠において出力電流ＩＴ及びｒｅの電流変化は伝送線
に直列に接続された１つの抵抗器ＲＬ４　　を介して電
圧変化に変換され。

ＩＴの変化はＶＲの変化として受信器２あるいは通信製
［３、Ｉｃの変化はＶ↑の変化としてプロセス変量送信
器１によって各々受信され、パルス状のシリアルデータ
が得られる。

以上の基本的なデジタルデータの構成と送受信方式を利
用して、デジタルデータ伝送、デジタルデータ通信が行
われる。第５図を参照してデジタルデータ伝送状態の詳
細を説明する。この状態においてプロセス変量送信器は
プロセス変量をデジタルデータとして周期的に伝送する
。まず第５図（ａ）に示すように、プロセス変量送信器
は予め設定された電流範囲１例えば４〜２０　ｍ　Ａの
間で、デジタルデータのｉｎ　Ｉ　１１を４　ｍ　Ａ、
デジタルデータの“０”を２０　ｍ　Ａに対応させ出力
電流ＩＴを制御することによってデジタルデータを伝送
する。

ここで、プロセス変量送信器の動作電流は最大４ｍＡが
必要であるからデジタル電流信号の最小電流は４ｍＡで
ある。１つのプロセス変量が１データブロツクとして伝
送され、各データブロックは予め定められた伝送周期Ｔ
、例えば０．１　秒の周期で順次新しいデータが伝送さ
れる。第５図（ｂ）に示されるように各データブロック
は抵抗器４の端子電圧ＶＲの変化として受信器２あるい
は通信装置３によって受信され、パルス状のシリアルデ
ータが得られる。プロセス変量送信器のデジタルデータ
送受信機能は、第５図（ａ）に示されるようにデータブ
ロックと次のデータブロックの間においては受信状態に
あり、データブロックを伝送する際は送信状態にある。

この受信状態を利用することによってあとに述べる通信
状態との組合わせが可能となる。なお、受信状態におい
て出力電流ＩＴは予め設定された値、例えば４ｍＡに固
定されている。

第６図及び第１図を参照してデジタル通信状態を説明す
る。デジタル通信状態においては通信装置３からのプロ
セス変量送信器１への１データブロツクによるプロセス
変量送信Ｉａ１の機能の設定・調整命令と、プロセス変
量送信器１から通信装置ｌｔ３へのフローデータブロッ
クによる前記命令に対する応答が行われる。通信装置３
は予め設定された電流範囲０”Ｉａｔにおいてデジタル
データの′″１″をＯｍＡ、デジタルデータの“Ｏ”を
ＩｃＬに対応させ出力電流の制御によりデジタルデータ
を送信する。第６図（ａ）に示される命令データブロッ
クは同図（ｂ）に示されるようにプロセス変量送信器の
端子電圧Ｖｔの変化としてプロセス変量送信器１によっ
て受信されパルス状のシリアルデータが得られる。プロ
セス変量送信器１は命令データに応じた処理を、プロセ
ス変量送信器１中のマイクロプロセッサにより行い、前
記デジタルデータ伝送状態の送信方法と同一方法で１デ
ータブロツクとして通信装置！３へ応答データブロック
を送信する。なお、この通信状態においてプロセス変量
送信器１の通信機能は受信状態にあって。

通信装置からの命令を待っており、このときＩＴは予め
設定された電流値、例えば４ｍＡに固定されている。

以上が前記３通信状態の説明であり、以下に前記３通信
状態のうちデジタルデータ伝送とデジタル通信状態を組
み合わせた状態、及びアナログデータ伝送状態より成る
通信方式と、両通信状態間の変更方法についての一実施
例を示す、まず、アナログデータ伝送状態は第２図を参
照した前記説明と同一であり、このアナログデータ伝送
状態を変更させる方式について第７図及び第８図並びに
第１図を参照して説明する。第７図において時刻ｔｌま
でプロセス変量法４ｍ冊１は通常のアナログデータ伝送
状態にあり、ＶｔはＶ　Ｔ　ｓ　ｉ　ｎとＶ　Ｔ　ｓ　
ａ　Ｘの電圧範囲にある。ここで時刻ｔｉから通信装置
３により一定期間ｔｃだけ電流Ｉｃｔを抵抗器４に流入
することによってＶ丁を電圧範囲ＶｔｏとＶ　Ｔ　ｓ　
１　ｎの間に維持する。この状態におけるＩｔとＶＴの
関係とｔ１以前のＩＴとＶｔの関係を第８図を参照して
説明する。ｔ＜ｔｌの時はＩｃ＝ＯｍＡに示す直線（ａ
）によってＩＴとＶＴの関係は示され、を工＜　ｔ　＜
　ｔ　ｚの時はＩｃ＝Ｉｃｔに示す直線（ｂ）によって
ＩｔとＶ丁の関係は示される。即ち等しいＩＴに対しＶ
丁はΔＶ＝Ｉｃｚ−ＲＬの電圧差が生じる。プロセス変
量送信器は予め初期状態として得ているＩＴとＶｔの関
係と実際のＶＴを比較し、ある一定期間ΔＶがしきい値
ΔＶｒｈを超えたことを認知すると、アナログデータ伝
送状態を中止し、デジタルデータ伝送とデジタル通信を
組み合わせた状態に移行する。

次に第９図を参照してデジタルデータ伝送とデジタル通
信を組み合わせた状態について説明する。

プロセス変量送信器１は第９図（ａ）、（ｂ）に示すよ
うにその伝送周期をタイマによって設定されておりタイ
マ出力に同期してプロセス変量データブロックを伝送し
ている。ここで通信製ｆｆ！３が命令を送信する場合１
通信装！！！３はプロセス変量送信器１からのデータブ
ロックを受信し、その終了に同期させて命令データブロ
ックを送信するごとにより、命令データブロックはプロ
セス変量データブロックと混同されることなくプロセス
変量送信器に達する同期のとり方としては各種の方式が
あるが１本方式ではプロセス変量送信器の伝送するデー
タブロックの終了に同期して通信装置が命令データブロ
ックを送信する。したがってネガ時の場合、プロセス変
量送信器１が伝送するデータ間隔が通信製Ｗ３が送信す
るデータ長より充分長いことが必要である。この時の命
令データの送信方法は第６図を参照して説明した前記方
式に等しい、また１通信装置！ｔ３による命令データブ
ロックの送信時においては第５図を参照して説明したよ
うに送信器の通信機能は受信状態にあり通信装置が送信
した命令データブロックを受信する。プロセス変量送信
器１中に搭載されたマイクロプロセッサは命令に応じた
処理を行いデジタルデータの伝送周期に同期して、プロ
セス変量データブロックに変えて応答データブロックを
伝送する。この時の送信方法は第６図を参照して説明し
た前記方式に等しい、その後１通信装置３からの命令が
ない場合、プロセス変量送信器１は再びプロセス変量デ
ータブロックを周期Ｔで伝送する。

第１０図を参照してデジタルデータ伝送とデジタル通信
を組み合わせた状態を変更する方式について説明する。

第９図の命令データブロックにおいて状態変更命令デー
タブロックを送信した場合が第１０図であり、データの
送受信方式は第９図を参照して説明した前記方式に等し
い。プロセス変量送信器１は通信製［３へ応答後、通信
状態をアナログデータ伝送状態に移行する。

以上の前記３通信状態及び実施例の機能を満たすプロセ
ス変量送信器１及び通信装置３の基本構成を示したブロ
ック図を第１１図及び第１２図に示す、まず、第１１図
を参照してプロセス変量送信器１の構成と機能について
実施例への対応も含めて説明する。

圧力、差圧、温度等の複数のプロセス変量をセンスする
複合センサ７からのアナログの入力は入出力セレクタ１
０の指示によりａＥされ入出力セレクタ１０の指示によ
るゲインでプログラマブルアンプ９において増幅される
。次にＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換されたデータは、
演算及び通信処理を中心とするプロセス変量伝送器全体
動作を見るＭＰＵ２４により補償演算処理される。この
演算処理されたデータは、Ｄ／Ａ変換器を含むアナログ
出力回路１３を経るか、または、ＭＰＵ２４のシリアル
インタフェースから出力されデジタル出力回路１６を経
てＭＰＸ２・１７に達する。

ＭＰＸ２・１７は入出力セレクタの指示により出力する
データを選択し電流制御器１８へ出力する。

電圧電流変換回路より構成される電流制御器１８は入力
に応じて出力電流を制御する。また、デジタル入力回路
１９は、通信装置３から送られるデジタルデータを受信
しＭＰＵ２４のシリアルインタフェースへ出力する。な
お、入出力セレクタ１０はＭＰＵからの指令をラッチし
て出力する機能を有しＥＰＲＯＭ２５には補償演算の特
性データ及びプログラムが記憶されている。タイマ２６
はある一定の動作周期を与える。

ここで、アナログデータ伝送状態においては、ＭＰＵ２
４はアナログ出力回路にデータを出力し。

□入出力セレクタを介してＭＰＸ２・１７０入力のうち
Ｄ２を選択する。また、第７図、第８図で示されるプロ
セス変量送信器の端子電圧変化分ΔＶは、周期的にＭＰ
ＸｌｇのＡ４人力を選択しｖＴをＡ／Ｄ変換を介して測
定される。次にデジタルデータ伝送状態においては、Ｍ
ＰＵ２４はシリアルインタフェースよりデータを出力し
１人出力セレクタ１ｏを介してＭＰＸ２・１７の入力の
うちＤｌを選択する。

第１２図を参照して通信装置の構成と機能について実施
例への対応も含めて説明する。オペレータからの指示は
キーボード３８を介して取り入れられ、ＭＰＵ３４は指
示に対応したデータ構成を行いシリアルデータインタフ
ェースからデジタル出力回路３２を経て電流制御器２７
に達する。電圧電流変換回路より構成される電流制御器
は入力に対応して出力電流を制御する。デジタル入力回
路３０はプロセス変量送信器から送られてくるデジタル
データを受信し、ＭＰＵ３４のシリアルインタフェース
へ出力する。Ａ／Ｄ変換器３７はプロセス変量送信器１
から送られるアナログデータによる抵抗器４の端子電圧
を入力しデジタルデータに変換してＭＰＵ３４へ出力す
る。なお。

ＲＯＭ３６はプログラムが記憶されており、タイマ３５
はある一定の動作周期を与える０表示器３９はオペレー
タによる入力データ及びプロセス変量送信器１から送ら
れるデータ等を出力表示する。ここで、プロセス変量送
信器１がアナログデータ伝送状態のときは、Ｍ　Ｐ　Ｕ
はＡ／Ｄ変換器３７を介してデータを受信し、この時、
タイマは受信周期を与える。プロセス変量送信器１がデ
ジタルデータ伝送状態のときは、Ｍ、ＰＵ３４はデジタ
ル入力回路３０を介してデータを受信する。プロセス変
量送信Ｗｌがデジタル通信状態のときはデジタル出力回
路３２を介してデータを出力し。

デジタル入力回路３０を介して応答データを受信する。

Ｔｘイネーブルは通常ＬＯＷレベルを維持するが、第７
図において示される。アナログデータ伝送状態を変更す
る際のＩｃ＝Ｉｃ１のｔｃ期間の維持は、Ｔｘイネーブ
ルをｔｃ期間Ｈｉレベル−１にすることにより与えられ
る。なお、ｔｃはタイーマにより与えられる。

第１３図、第１４図及び第１図を参照し前記３通信状態
を利用した通信系の発展形を説明する。

まず、第１３図において通信製Ｗ１３の程度の送受信機
能を有するインタフェースを介することにより上位シス
テムとプロセス変量送信器１が接続され、システム中の
上位コンピュータとプロセス変量送信器間のデジタル通
信が可能になる。第１４図においては２線式の伝送線上
に並列に複数個のプロセス変量送信器を接続する方式を
示す、この方式はデジタルデータ伝送状態において第５
図に示される伝送周期を時分割するとともにプロテス変
量データブロックに各々の送信器のアドレスを付加する
ことにより、多重化を計ることが可能となる。

本実施例によれば、本２線式通信方法を用いたプロセス
変量送信器は、従来のアナログ制御システムへのりブレ
イス及び将来のデジタル制御システムへの対応が容易で
あり、かつ、従来のアナログ制御システム中においても
通信状態の変更によりプロセス変量送信器の遠隔設定・
調整が可能である６通信装置を抵抗器に並列に接続した
ことにより、通信装置のデータ受信において電源電圧変
　。

動や外乱の影響を受けに＜＜、かつアナログデータとデ
ジタルデータを受信可能である。また、アナログデータ
伝送状態から他の状態へ変更する際の信号がパルス的信
号の場合外乱ノイズによる誤動作の可能性があるが、第
７図、第８図で示した本方式の場合、誤動作の可能性は
少ない。そして、第１４図に示される２線式による多重
化を利用すれば配線時工程の簡略化及びコストダウンを
計る効果がある。

〔発明の効果〕

本発明の通信方式を有するプロセス変量送信器は、従来
のアナログ制御システムに対応し、かつデジタル通信状
態の利用によってプロセス変量送信器のメンテナンスが
容易に可能である。また、上位システムのデジタル化に
も通信状態の変更と、必要に応じて簡単なインタフェー
スの設置だけで容易に対応し、システム発展時のコスト
ダウンを計る効果がある。デジタルデータ伝送状態及び
デジタル通信状態の利用によりデジタル制御システムに
おいては、中央の監理室で末端の全てのプロセス変量送
信器等フィールド機器からのデータ集取と監理及び操作
を可能とし、デジタル制御システムの構築に効果がある
。そして、センサに電力を供給しながら出力信号を得た
い通信、すなわち、センサベース通信に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図はア
ナログデータ伝送状態の送受信波形図、第３図はデジタ
ルデータブロックの構成図、第４図は第３図のデータブ
ロックを構成するキャラクタのビット構成図、第５図は
デジタルデータ伝送状態の送受信波形と送信器通信機能
の状態、第６図はデジタル通信状態の送受信波形図、第
７図はアナログデータ伝送状態を変更する方式を示す送
受信波形図、第８図はＩｔとＶｔの関係を示すグラフ、
第９図はデジタルデータ伝送状態とデジタル通信状態を
組み合わせた状態の送信波形図、第１０図は第９図に示
される状態をアナログデータ伝送状態に変更する方式を
示す送信波形図、第１１図は本発明の一実施例を示すプ
ロセス変量送信器の機能ブロック図、第１２図は本発明
の一実施例を示す通信装置の機能ブロック図、第１３図
は本発明を利用した発展形としてプロセス変量送信器と
上位システムの接続を示すブロック図、第１４図は本発
明のデジタルデータ伝送状態を利用した発展形として２
線式データ伝送の多重化を示すブロック図である。 １・・・プロセス変量送信器、２・・受信器、３・・通
（ｍ装置、４・・・抵抗器、５・・・電源、６・・・伝
送線、７・複合センサ、８・・・マルチプレクサ１．９
・・・プログラマブルゲインアンプ、１０・・・入出力
セレクタ、１１・・・Ａ／Ｄ変換器、１３・・・アナロ
グ出力回路、１６・・・デジタル出力回路、１７・・・
マルチプレクサ２．１８・・・電流制御器、１９・・・
デジタル入力回路、２３−・・電源回路、２４　・Ｍ　
Ｐ　Ｕ　、　２５−ＥＰＲＯＩ４．２６・・・タイマ、
２７・・・電流制御器、３０・・・デジタル入力回路、
３１・・・ＮＯＲ回路、３２・・・デジタル出力回路、
３４・・・ＭＰＵ、３５・・・タイマ、３６・・・ＲＯ
Ｍ、３７・・・Ａ／Ｄ変換器、３８・・・キーボード。 ３９・・・表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、定電流特性をもちセンサーからの信号により出力電
   流のコントロールを行う送信装置と、制御信号を受信し
   前記センサーの制御を行う受信装置と、前記送信装置に
   ２線式伝送路を介して直列に接続される負荷抵抗および
   電源と、前記負荷抵抗に並列に接続されプロセス側へ前
   記送信装置からの出力電流を伝えると共に該プロセス側
   からの情報に応じて前記電送路に送出する前記電源から
   の電流のコントロールを行う通信装置とからなることを
   特徴とする２線式通信方式。