JP4130683B2 - 分散コントロールシステム - Google Patents

Description

本発明は、分散コントロールシステムに於けるフィールドデバイスへのアクセスに関する。特に、本発明は、ワイヤレストランシーバを遠隔で使用してフィールドデバイスにアクセスし、分散コントロールシステムのコントローラによってはアクセスされないフィールドデバイスの機能にアクセスし、ワイヤレストランシーバを遠隔で使用してこのようなフィールドデバイスに冗長なワイヤレスアクセスを提供することに関連している。

典型的な産業プラントでは、そのプラントで行われる産業プロセスの多くをコントロールするために分散コントロールシステム（ＤＣＳ）が使用されている。典型的には、プラントは、コンピュータ技術でよく知られたものとして、ユーザＩ／Ｏ、ディスクＩ／Ｏ、及び他の周辺装置を有するコンピュータシステムを有する集中制御室を有している。

プロセスＩ／Ｏサブシステムは、プラントの種々のフィールドデバイスに接続されている複数のＩ／Ｏポートを有している。コントロール技術で公知のフィールドデバイスは、種々のタイプの分析装置、シリコン圧力センサ、容量圧力センサ、抵抗温度検出器、熱電対、歪みゲージ、リミットスイッチ、オン／オフスイッチ、フロートランスミッター、圧力トランスミッター、容量レベルスイッチ、重量計、トランスデューサ、バルブポジショナー、バルブコントローラ、アクチュエータ、ソレノイド、及び表示灯を、分散コントロールシステムに於ける機能を発揮するためのコントロール技術で公知の他の装置とともに包含している。伝統的には、アナログフィールドデバイスは、制御室に２線式のツイストペア電流ループによって接続され、各デバイスは単一の２線式のツイストペアによって制御室に接続されている。アナログのフィールドデバイスは、所定の範囲内の電気信号に応答又は伝送することができる。典型的な配置では、ペアの２本のワイヤの間に約２０〜２５ボルトの電圧差と、運転中にループを介して約４〜２０ミリアンペアの電流とを有していることが一般的である。信号を制御室に伝送するアナログフィールドデバイスは、検出されたプロセス変数に比例する電流で、電流ループに流れる電流を変換する。一方、制御室の制御の下に機能を果たすアナログフィールドデバイスは、プロセスＩ／ＯシステムのＩ／Ｏポートによって変換されるループを流れる電流の大きさによって制御され、このプロセスＩ／Ｏシステムはコントローラによって制御されている。また、アクティブな電子装置を有する従来の２線式のツイストペアアナログ装置は、ループから４０ミリワットにも達する電力を受容することができる。より電力を必要とするアナログフィールドデバイスは、典型的には４本のワイヤを使用する制御室に接続され、それらのワイヤの２本がその装置に電力を供給する。このような装置は４線式装置としてこの技術分野で知られており、２線式のように電力の制限がない。

これに対して、従来のディスクリートフィールドデバイスは、２値信号を伝送しこれに応答する。典型的には、ディスクリートフィールドデバイスは２４ボルトの信号（ＡＣ又はＤＣの両方）、１１０又は２４０ボルトのＡＣ信号、又は５ボルトのＤＣ信号によって動作する。もちろん、ディスクリート装置は、特定の制御環境に必要とされる電気的特性に従って動作するように設計され得る。ディスクリート入力フィールドデバイスは、制御室への接続を行い又は切断する単なるスイッチであり、一方、ディスクリート出力フィールドデバイスは制御室からの信号の有無に基づいて動作をする。

歴史的には、最もありきたりのフィールドデバイスは、そのフィールドデバイスによって達成される主たる機能に直接的に関係している単一入力又は単一出力の何れかを有している。例えば、従来のアナログ抵抗温度センサによって実行される唯一の機能は、温度を２線ツイストペアを流れる電流を変換することによって温度を伝送することであり、一方、従来のアナログバルブポジショナーによって実行される機能は、２線ツイストペアを流れる電流の大きさに基づいて包括的にバルブを開及び閉の位置の間に位置させることである。

より最近に至っては、デジタルデータを電流ループに重ね合わせるハイブリッドシステムが、分散コントロールシステムに使用されるようになってきている。制御の分野では一つのハイブリッドシステムがハイウェイアドレッサブルリモートトランスデューサ（ＨＡＲＴ）として知られており、これはＢｅｌｌ２０２モデムの特性と同じである。ＨＡＲＴシステムは、（従来のシステムに於けると同様に）プロセス変数を検知するために電流ループに於ける電流の大きさを使用するが、電流ループ信号上のデジタルキャリア信号を重ね合わせることも行う。キャリア信号は比較的遅く、毎秒約２〜３の更新速度で第２のプロセス変数の更新を提供することができる。一般的に、デジタルキャリア信号は、第二及び診断情報を送るのに使用され、フィールドデバイスの主たるコントロール機能を実現するのには使用されていない。キャリア信号に供給される情報の例には、第２のプロセス変数、診断情報（センサ診断、装置診断、結線診断、及びプロセス診断が含まれる）運転温度、センサの温度、キャリブレーション情報、装置のＩＤ番号、構成材料、プログラミングの配置又は情報等が含まれる。従って、単一のハイブリッドフィールドデバイスは、種々の入力及び出力変数を有し、種々の機能を果たすことができる。

ＨＡＲＴは産業基準の非専用のシステムである。しかし、比較的遅い。産業に於ける他の会社が、より速い専用のデジタル伝送スキームを発展させてきたが、これらのスキームは、競争相手によっては使用されず、又は利用可能とはなっていない。より最近では、より新しいコントロールプロトコルがInstrument Society of America (ISA)によって設計されている。この新しいプロトコルは、一般的にはフィールドバスと称され、特にＳＰ５０として言及され、これは、Standards and Practice Subcommittee 50を略したものである。フィールドバスプロトコルは、２つのサブプロトコルを定義している。Ｈ１フィールドバスネットワークは、３１．２５キロビット／秒までの速度でデータを転送し、ネットワークに接続されたフィールドデバイスに電力を供給する。Ｈ２フィールドバスネットワークは、２．５メガビット／秒までの速度でデータを転送し、ネットワークに接続されたフィールドデバイスには電力を供給せず、冗長伝送メディアで使用される。フィールドバスは非専用のオープンスタンダードであり、産業界で注目されている。

付加的なプロトコルとアーキテクチャーが産業界で評判を得るに伴い、産業界は、ますますこれらの技術を一緒にして単一の分散コントロールシステムに統合する挑戦に直面するであろう。例えば、より新しい装置が現存する分散コントロールシステムに結合されるであろう。このような状況で、制御室から送られる信号は従来のアナログ又はハイブリッド技術を要求するが、フィールドデバイスはＨ１又はＨ２フィールドバスネットワークに結合されるであろう。逆に、産業プラントの制御室は革新され、制御室への入出力は、近代的なＨ１又はＨ２フィールドバスと、幾つかのより旧式のアナログ及びハイブリッドフィールドバスへの個々の信号と、より新しいフィールドバスに基づくフィールドデバイスとを有するようになるかもしれない。

種々の技術を単一の分散コントロールシステムに統合する試みに加えて、より新しいフィールドデバイスは、より旧式のコントロールシステムを介してアクセスできないより新しいメンテナンスモードと高められた機能を有するであろう。加えて、分散コントロールシステムの全ての構成が同じ（フィールドバス規格のような）規格に密着した場合においてさえ、他の製造業者の制御室の装置は、他の製造業者のフィールドデバイスによって生成された二次的な機能又は二次的な情報にアクセスすることはできない。

本発明は、フィールドデバイスへの主たるアクセスを提供する制御室を有する分散コントロールシステムに於けるフィールドデバイスに、非冗長の二次的アクセス提供するための装置を提供し、これによってフィールドデバイスに於ける全ての情報及び機能への二次的アクセスが可能となる。

本発明はまた、フィールドデバイスへのハード結線されたアクセスを提供する制御室を有する分散コントロールシステムに於けるフィールドデバイスへの冗長ワイヤレスアクセスを提供するための装置を提供する。

本発明の第１の実施態様では、各フィールドデバイスはワイヤレスポートを有し、ワイヤレスハンドヘルドユニット又はワイヤレスターミナルによってアクセスされ得る。この実施態様の一つの配置では、ワイヤレスポートにはそのフィールドデバイスが接続されているコントロールネットワークによって電力が供給されている。

本発明の第２の実施態様では、ワイヤレスポートを有するフィールドモジュールが存在するコントロールネットワークに接続される。このフィールドモジュールは、ワイヤレスハンドヘルドユニット又はワイヤレスターミナル（制御室にあるかもしれない）から、コントロールネットワークに接続された全てのフィールドデバイスへのアクセスを提供する。この実施態様の一つの配置では、フィールドモジュールにはそれが接続されているコントロールネットワークによって電力が供給されている。

本発明の第３の実施態様では、分散コントロールシステムは、分散コントロールシステムに於ける分散ネットワークを一又はそれ以上のコントロールネットワークに接続するブリッジを有し、ここではコントロールネットワークはフィールドデバイスに結合している。また、ブリッジは、ワイヤレスハンドヘルドユニット又は（制御室にあるかもしれない）ワイヤレスターミナルから、コントロールネットワークに接続された全てのフィールドデバイスへのアクセスを提供するワイヤレスポートを有している。

本発明の第４の実施態様では、ブリッジ／コンバータがアナログフィールドデバイスをコントロールするように設計された旧式の制御室からくる２線ツイストペアアナログワイヤに接続され、旧式の制御室をより新しいネットワークベースのフィールドデバイスに接続している。この実施態様の一つの配置では、ブリッジ／コンバータは、ターミナルに結合したハード結線されたポートを有している。制御室を置き換えるターミナルは、コントロールシステムのオペレータに、旧式の制御室のアナログコンポーネントによってはアクセスできないより新しいネットワークベースのフィールドデバイスの全ての機能と二次的な情報へのアクセスを提供する。この実施態様の他の配置（第１の配置に付加されるかもしれない）では、ブリッジ／コンバータは、ネットワークベースの装置がワイヤレスターミナル又はワイヤレスハンドヘルドユニットによってアクセスされるのを可能とするワイヤレスポートを有している。

図１は従来技術の分散コントロールシステム（ＤＣＳ）１０のブロックダイヤグラムである。ＤＣＳ１０は制御室１２、コントローラ１４、ディスクリート／アナログＩ／Ｏユニット１６、Ｈ２-to-Ｈ１ブリッジ１８、並びにソレノイド２４、スイッチ２６及び５４、バルブポジショナー２８，４６及び５２、トランスミッタ３０，３４及び４４、プロセスアナライザ３６及び５０によって表される種々のフィールドデバイスを有している。これらのデバイスは、コントロール技術の分野で公知のフィールドデバイスの如何なるタイプをも意味する。また、図１には、物理的なワイヤ結合を介してハイブリッド又はフィールドバスベースのフィールドデバイスに於ける情報にアクセスすることを可能とするハンドヘルドユニット３８及び３９と、制御室タイプのコマンドを物理的にワイヤ接続を介して接続されているフィールドデバイスに発行し及びそのデバイスから受け取ることを可能とするローカルオペレータ／ユーザステーション４０とが示されている。

制御室１２は、コンピュータ、ユーザＩ／Ｏ、種々の形状のデータ格納装置、及びこの技術分野で知られた他のコンピュータ装置を含んでいる。制御室１２は、典型的には専用のプロトコルを採用した専用のデジタルコミュニケーションネットワーク又はオープンデジタルコミュニケーションネットワークであるバス２０を介するコントローラ１４に結合されている。コントローラ１４は、制御室１２から種々のコマンドを受け取り、及び制御室１２にデータを提供する。

図１に示したように、ＤＣＳ１０はフィールドデバイスフィールドデバイスの２つの異なるタイプを有している。デバイス２４−３６は従来のアナログ、離散、及びハイブリッドアナログ／デジタル装置であり、そこではその装置の主たるコントロール機能が、電流を変調することにより実現されている。これらのフィールドデバイスは、離散／アナログＩ／Ｏユニット１６に結合され、各デバイスは、ワイヤの単一のペア（及び従来の４線式のフィールドデバイスの場合はおそらく２つの付加的な電力線）によってユニット１６の個別のチャネルに結合されている。例えば、ソレノイド２０は、２線式ツイストペア４２を介してユニット１６のチャネル４３に接続されている。

従来のアナログ又は離散的なフィールドデバイスに対しては、デバイスとの唯一つのコミュニケーションは、（トランスミッタの場合のように）計測されたプロセス変数を表す電流の大きさを有し、又は（バルブポジショナー又はソレノイドの場合のように）コントローラ１４によって要求される動作を行う２線式のツイストペアを介して流れる電流を変調により又はスイッチングによって起こる。従来のアナログデバイスは、１０ヘルツに制限された周波数応答を有し、２線式のツイストペアから電力を受け取る。

ハイブリッドアナログ／デジタルデバイスは、従来のアナログデバイスと同様の方法で動作するが、これはまた、２線式ツイストペアによって運ばれる変調された電流上にデジタルキャリア信号を重ねることにより、二次的な情報のデジタルコミュニケーションを可能としている。一つのこのようなハイブリッドアナログ／デジタルシステムが、コントロールの技術分野でHighway Addressable Remote Transducer（ＨＡＲＴ）として知られており、Bell 202仕様に則った通常のコンピュータモデムと同様の方法でデータを伝送する。一般的には、これらのデバイスの主たる機能はまた、ループを介する電流の変調によっても実現され、一方、診断データ、オペレーティング温度、アイデンティフィケーションコード、エラーコード及び二次変数等の二次的な情報の他のタイプは、デジタル的に伝送される。このようなシステムでは、デジタルコミュニケーションは比較的遅く、約３００ボーに制限されている。保守要員がアナログデバイスのテストを望んだとき、保守要員は、トランスミッタ３０に接続されたローカルオペレータ／ユーザステーション４０のようなそのデバイスそれ自身と、又はバルブポジショナー２８に通ずる２線式のツイストペアに接続されたハンドヘルドユニット３８のようにそのデバイスに通ずる２線式ツイストペアとの物理的接続を行わなければならない。

これに対して、デバイス４４−４５は近代的なネットワークベースのデジタルフィールドデバイスであり、そこでは、各デバイスへ及び各デバイスから全ての情報がデジタルで伝送される。多くのコントロールシステム製造業者は専用のデジタルシステムを開発してきたが、Standards and Practices Subcommittee 50 of the Instrument Society of Americaは、フィールドバスとこの技術分野で呼ばれるアーキテクチャを発展させ、明確にしてきた。フィールドバスの仕様は、Ｈ１と称される低速ネットワークとＨ２と称される高速ネットワークの２つのタイプのネットワークを含んでいる。両方のネットワークは、一つの２線式ツイストペアについて一つのデバイスしかサポートしていない従来のアナログ接続に比較し、単一のネットワークへの多重接続をサポートしている。本発明は、ネットワークベースのフィールドバスを有する分散コントロールシステムで採用されるかもしれない本発明の他の実施態様に於いて、フィールドバスベースのコントロールシステムを参照してここに記載されている。

フィールドバスＨ２ネットワークは、毎秒２．５メガビットまでの速度でデータを伝送することができる。加えて、Ｈ２ネットワークは冗長であり、ネットワークを有する物理的メディアの２つのセットを有している。もし、主たるワイヤメディアに欠陥が生じたら、第２のワイヤメディアがＤＳＣによって自動的に使用される。Ｈ２フィールドバスネットワーク高い容量と冗長性の故に、Ｈ２フィールドバスネットワークは、コントローラを種々のＤＣＳに於ける分散ユニットに接続する分散ネットワークとして使用され始めている。しかし、従来の分散ネットワークはパラレル又はシリアルのコミュニケーションの何れかを使用する専用のネットワークである。

図１では、Ｈ２分散ネットワーク２２はコントローラ１４をＨ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジ１８に接続し、専用バス２１はコントローラ１４を離散／アナログＩ／Ｏユニット１６に接続する。この技術分野で知られた他の構成では、ユニット１５及びブリッジ１８は共通の分散ネットワークに結合されている。以前に議論したように、離散／アナログＩ／Ｏユニット１６は離散チャネルを有し、各チャネルは単一のデバイスに接続されている。

Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジは、専用分散ネットワークによって運ばれるデータをＨ１フィールドバスコントロールネットワーク４５及び４７にリンクする。Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク４５は、トランスミッタ４４、バルブポジショナー４６、及びリレー４８に接続され、Ｈ１フィールドバス４７は、プロセスアナライザ５０、バルブポジショナ５２、及びソレノイド５４に接続されている。Ｈ１フィールドバスネットワークは冗長ではなく、毎秒約３１．２５キロビットの低い伝送速度しか有していないが、それに接続されているデバイスに電力を供給することができる一方、Ｈ２フィールドバスネットワークはこれができない。上述の理由で、Ｈ１フィールドバスネットワークは個々のフィールドデバイスへの最終的な接続を提供するのに理想的であるが、一方、Ｈ２フィールドバスネットワークはＤＣＳが設置されている物理的プラント中にコントロール信号を配送するのに理想的である。

より最近になって、フィールドデバイスにはマイクロプロセッサと付加的な機能が備えられるようになってきている。このような「高機能な」フィールドデバイスは複数のプロセス変数をモニタリングすることができ、コントロール機能を果たし、広範囲にわたる診断機能を果たし、そして、種々のタイプの状況情報の広い配列を提供する。フィールドバスの仕様は種々のフィールドバスフィールドデバイスによってサポートされる種々の機能を明確にしている。加えて、多くの業者は、フィールドバス仕様に明確にされているものを越えて二次的な機能を提供している。異なる業者によって製造されているフィールドバスフィールドデバイスは、フィールドバスにより特定された機能のみがアクセスされるという程度までの互換性があり、二次的な機能に関する互換性はない。例えば、会社Ａによって製造されたフィールドバスコントローラは、会社Ｂによって製造されたフィールドバスバルブポジショナーによって提供される二次的な機能にアクセスすることはできない。従って、異なる業者によって提供される種々のフィールドバスコンポーネントを使用する産業用プラントは、種々のコンポーネントによって提供される全ての機能の利益を引き出すことはできないであろう。

従来のアナログ／離散及びハイブリッドデバイスを使用するように設計されている旧式の分散コントロールシステムでは、更に悪い問題点がある。しばしば会社は現存する設備に於ける投資を維持することを望み、その設備に後から新しいフィールドバスフィールドデバイスを取り付けるであろう。このような設備では、制御室は種々のデバイスによって提供されるフィールドバスの規格化された機能にアクセスすることさえできないであろう。従って、フィールドバスベースのデバイスが旧式の分散コントロールシステムに接続される時の規格化されたフィールドバス機能のみならず、種々の業者によって提供される二次的な機能にアクセスするというニーズが存在する。

図２は、２つの分散コントロールシステムを有する産業用プラントのダイヤグラムである。ＤＣＳ５６は、制御室６０、コントローラ６２、バス６４、フィールドデバイス６６、バルブポジショナー６８、トランスミッタ７０、プロセスアナライザ７２、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク７４、トランスミッタ７６、バルブポジショナー７８、ソレノイド８０、フィールドモジュール８２、及びＨ１フィールドバスコントロールネットワーク８４を有している。ＤＣＳ５８は、制御室８６、コントローラ８８、バス９０、Ｈ２フィールドバスコントロールネットワーク９４、Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジ９２、トランスミッタ９６及び１００、バルブポジショナー９８、並びにＨ１フィールドバスコントロールネットワーク１０２を有している。バス６４及び９０は、通常、専用デジタルコミュニケーションネットワーク又は専用のプロトコルを採用したオープンコミュニケーションネットワークである。また、図２には、ターミナル１０４、及びハンドヘルドコントロールユニット１１０が示されている。ターミナル１０４にはワイヤレスリンクモジュール１０６が接続され、これは次にワイヤレストランシーバ１０８が接続されている。ハンドヘルドコントロールユニット１１０はワイヤレストランシーバ１１２を有している。

本発明の２つの実施態様がＤＣＳ５６に例示されている。第１の実施態様は、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク７４に接続されたものによって例示されている。コントロールネットワーク７４上の各フィールドデバイスは、ワイヤレストランシーバを有している。フィールドデバイス６６はコントロールネットワーク７４に接続された一般的なフィールドデバイスを表し、ワイヤレストランシーバ１１４を有している。バルブポジショナー６８はワイヤレストランシーバ１１６を有し、トランスミッタ７０はワイヤレストランシーバ１１８を有し、そしてプロセスアナライザ７２はワイヤレストランシーバ１２０を有している。各ワイヤレストランシーバは、ターミナル１０４及びハンドヘルドユニット１１０とワイヤレスフィールドバス接続を行い、これにより、制御室とのコミュニケーションなしにそして分散コントロールシステムから独立して各フィールドデバイスにアクセスできるという利便性を保守要員に提供するのみならず、制御室６０によってはアクセスできない各フィールドデバイスの二次的機能にアクセスすることを可能とする。

ここに記載されているワイヤレスフィールドバス接続は、制御室にハード結線された主たるネットワークポートに加えて使用される二次的なワイヤレスネットワークポートによって行われる。従って、ネットワークベースのフィールドデバイスは、制御室への配線接続か、又はワイヤレスフィールドバス接続によって交互にアクセスされることができる。これに対して、多くの従来技術のネットワークベースのフィールドデバイスは、もし冗長接続をテストすることを除いて第１の接続に欠陥が生じたらバックアップに使用されるように冗長なハード結線されたネットワーク接続を備えている。加えて、典型的な冗長接続もまた、制御室に繋がれている。

もう一つの本発明の新規な特徴は、各フィールドデバイスに接続されたワイヤレスフィールドバスポートには、各デバイスに接続されたＨ１フィールドバスポートへの配線によって電力が供給されていることである。従って、一つの業者からのフィールドバスコントロール装置を有する顧客は、ワイヤレスフィールドバスポートを有するフィールドデバイスを（本発明に従えば）、現存するＨ１フィールドバスコントロールネットワークに接続することができ、そして、付加されたフィールドデバイスの全ての機能を、ワイヤレスフィールドバスリンクを有するハンドヘルドユニット又はワイヤレスフィールドバスリンクを有するターミナルを用いてアクセスすることができる。フィールドデバイスのワイヤレスフィールドバスリンクは現存するＨ１フィールドバスコントロールネットワークによって電力が供給されているので、ワイヤを付加する必要はない。

ここに開示したワイヤレスリンクは、ワイヤレスコミュニケーションのラジオ、赤外線、可視光及び超音波の形式を含むがこれらに限定されないこの技術分野で知られたワイヤレスコミュニケーションの方法によって表される。

本発明の第２の実施態様は、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク８４によって示されている。トランスミッタ７６、バルブポジショナー７８及びソレノイド８０がそれぞれコントロールネットワーク８４に接続されている。また、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク８４によって電力が供給されるワイヤレストランシーバ１２２を有するフィールドモジュール８２がコントロールネットワーク８４に結合されている。フィールドモジュール８２は、本質的にはコントロールネットワーク８４とハンドヘルドユニット１１０又はターミナル１０４との間のワイヤレスブリッジを形成し、ユニット１１０又はターミナル１０４がＨ１フィールドバスコントロールネットワーク８４に結合された各デバイスにアクセスすることを可能とする。従って、フィールドモジュール８２は、異なる業者からの種々のＨ１フィールドバスデバイスを有する現存する環境に理想的に適合している。ハンドヘルドユニット１１０及びターミナル１０４は、フィールドモジュール８２が接続されるコントロールネットワーク上の各デバイスの機能にアクセスするように容易にプログラムされ得る。

本発明の第３の実施態様が、ＤＣＳ５８によって示されている。ＤＣＳ５８では、コントローラ８８がＨ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジにＨ２フィールドバス分散ネットワーク９４によって結合されている。Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジはＨ２フィールドバス分散ネットワーク９４をＨ１フィールドバスコントロールネットワーク１０２にリンクしている。Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジはまた、ワイヤレストランシーバ１２４に接続された第２のフィールドバスポートを有し、ハンドヘルドユニット１１０又はターミナル１０４等の遠隔デバイスとコミュニケーションを行っている。従って、遠隔ワイヤレスフィールドデバイスは、トランスミッタ９６及び１００並びにバルブポジショナー９８等のＨ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジによってサービスされる全てのフィールドデバイスをアクセスすることができる。他の構成では、Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジが複数のＨ１フィールドバスコントロールネットワークにサービスを提供することは普通のことであり、このような場合には、Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジによってサービスを提供される全てのコントロールネットワークに接続された全てのフィールドデバイスが遠隔でアクセスされ得る。

多くの産業用プラントは複数の分散コントロールシステムを有している。ワイヤレスフィールドバスネットワークを使用することにより、保守要員は単一のハンドヘルドコントロールユニットを持ってＤＣＳからＤＣＳに歩いて行くことができ、各ＤＣＳに結合したフィールドデバイスにアクセスすることができる。ハンドヘルドコントロールユニットはフィールドデバイスをアクセスするようにプログラムされることができるので、保守要員は異なる業者によって供給されたデバイスの機能の全てをアクセスすることができる。

また、本発明は、分散コントロールシステムに於けるフィールドデバイスへの冗長なワイヤレスアクセスを提供する装置と方法とを提供し、これにより、万一、フィールドデバイスを制御室に接続しているハード結線されたメディアに欠陥が生じた場合に、フィールドデバイスにアクセスすることを可能としている。冗長ワイヤレスアクセスは、幾つかの方法で使用され得る。第１に、それはハード結線されたメディアの欠陥又は保守の場合に分散コントロールシステムの継続的なオペレーションを可能とするのに使用され得る。しかし、継続的なオペレーションが望まれていなくても、冗長なワイヤレスアクセスは、プロセス変数のモニタリングとプロセスを停止させるのに必要なもの等のコントロール動作の遂行に依然として価値があるであろう。例えば、爆発のようなかなり不運な事故に遭遇した分散コントロールシステムである。爆発は、制御室にフィールドデバイスを接続しているハード結線されたメディアを動作不能にするように変える。本発明によって提供される冗長ワイヤレスアクセスを使用することにより、制御室のオペレータは分散コントロールシステムの通常の停止を行うフィールドデバイスにアクセスすることがまだ可能である。オペレータは臨界の温度と圧力を観察し、完全な停止のためにバルブと他の装置を適正化し又は閉じることができる。フィールドデバイスへの冗長ワイヤレスアクセスを有することにより、オペレータはロスを最小化する方法で停止するように遂行することができる。

図２Ｂは図２Ａと同様の２つの分散コントロールシステムを有する産業用プラントのダイヤグラムであり、ここでは同じ構成要素は同じ参照番号を有している。図２ＢのＤＣＳ５６は、図２Ａに記載したように、制御室６０（これはワイヤレスリンクモジュール１０６に結合されたターミナル１０４を有し、これは次にワイヤレストランシーバ１０８に接続されている）、コントローラ６２、バス６４、フィールドデバイス６６等を有している。ＤＣＳ５８は、図２Ａに記載したように、制御室８６（これはワイヤレスリンクモジュール１０７に結合されたターミナル１０３を有し、これは次にワイヤレストランシーバ１０９に接続されている）、コントローラ８８、バス９０等を有している。

図２Ｂの発明の２つの実施態様は、ＤＣＳ５６に示されている。第１の実施態様が、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク７４に結合されたこれらのフィールドデバイスによって示されている。コントロールネットワーク７４上の各フィールドデバイスは、ワイヤレストランシーバを有している。各ワイヤレストランシーバは、ターミナル１０４との冗長ワイヤレスフィールドバス接続を行い、これにより、制御室６０からの各フィールドデバイスへの冗長ワイヤレスアクセスを可能としている。

図２Ｂの発明の第２の実施態様は、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク８４に接続されたデバイスによって示されている。トランスミッタ７６、バルブポジショナー７８及びソレノイド８０が、それぞれコントロールネットワーク８４に結合されている。また、ワイヤレストランシーバ１２２を有しＨ１フィールドバスコントロールネットワーク８４によって電力が供給されるフィールドモジュール８２がコントロールネットワーク８４に結合されている。フィールドモジュール８２は、本質的には、コントロールネットワーク８４と制御室５６内のターミナル１０４との間のワイヤレスブリッジを形成し、ターミナル１０４がＨ１フィールドバスコントロールネットワーク８４に接続された各デバイスにアクセスするのを可能としている。従って、フィールドモジュール８２は、異なる業者から供給される種々のＨ１フィールドバスデバイスを有する現存の装置に於けるワイヤレスアクセスを提供するのに理想的に適している。

図２Ｂの発明の第３の実施態様は、ＤＣＳ５８によって示されている。ＤＣＳ５８では、コントローラ８８はＨ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジにＨ２フィールドバス分散ネットワーク９４によって結合されている。Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジは、Ｈ２フィールドバス分散ネットワーク９４をＨ１フィールドバスコントロールネットワークにリンクしている。また、Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジは、ワイヤレストランシーバ１２４に接続された第２のフィールドバスポートを有し、ターミナル１０３等の遠隔デバイスとコミュニケーションを行う。従って、制御室８６内のターミナル１０３は、トランスミッタ９６及び１００並びにバルブポジショナー９８等のＨ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジによってサービスされる全てのフィールドデバイスにアクセスすることができる。

図３は、新たなフィールドバスフィールドデバイスを後から取り付けた旧式の分散コントロールシステムで使用されるように適合させた本発明の実施態様を示している。ＤＣＳ１２６は、制御室１２８、コントローラ１３０、バス１３２、離散／アナログＩ／Ｏユニット１３４、ブリッジ／コンバータ１３６、バス１３７、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク１３８及び１４０、ソレノイド１４２及び１５２、トランスミッタ１４４及び１４８、バルブポジショナー１４６及び１５０、ハンドヘルドユニット１５４、並びにターミナル１５６を有している。

ＤＣＳ１２６は、従来の離散アナログ／離散及びハイブリッドフィールドデバイスとともに使用するように設計された旧式の分散コントロールシステムを表している。ターミナル１５６を除いて、点線１５８の上側の全ては旧式の現存する装置の構成要素を表している。点線１５８の下側の全て（及びターミナル１５６）は、その装置に付加された新たなフィールドバス構成要素を表している。

ブリッジ／コンバータ１３６は、ＤＣＳ１２６の旧式の部分（上述の点線１５８の上側）をフィールドデバイスにインターフェイスさせる。ブリッジ／コンバータ１３６は、２線式のツイストペア１６４等の）２線式ツイストペアによって（チャネル１６２等の）離散／アナログＩ／Ｏユニット１３４の対応するプロセスＩ／Ｏチャネルに結合された（チャネル１６０等の）複数のプロセスＩ／Ｏチャネルを有している。ブリッジ／コンバータ１３６は、離散／アナログＩ／Ｏユニット１３４によって供給されるアナログ、離散、及び／又はハイブリッド情報を、Ｈ１フィールドバスネットワーク１３８及び１４０に伝送されるデジタル情報に変換し、ネットワーク１３８及び１４０から受け取ったデジタル情報を、離散／アナログＩ／Ｏユニット１３４によって要求されるアナログ、離散、及び／又はハイブリッド情報に変換する。

制御室１２８の観点からは、フィールドバスフィールドデバイスは従来のアナログ／離散及びハイブリッドフィールドデバイスとして見える。従って、制御室１２８はフィールドバスフィールドデバイスによって提供される二次的な機能の幾つかをアクセスすることができない。これらの機能をアクセスするために、ブリッジ／コンバータ１３６には、アクティブなハード結線されたフィールドバスポート１６６及びワイヤレスフィールドバスポート１６８が設けられている。

ハード結線されたフィールドバスポート１６６はフィールドバスネットワーク１７０に接続され、次にこれはターミナル１５６に接続されている。一つの実施態様では、ターミナル１５６は制御室１２８内に位置し、制御室内のオペレータに、フィールドバスフィールドデバイスによって供給され、現存する制御室の構成要素によっては供給され得ない全ての機能へのアクセスを提供する。ポート１６６は冗長ポートではなく、むしろ制御室にフィールドバスベースのデバイスによって供給される全ての機能へのアクセスを提供する二次的なポートである。従って、制御室のオペレータは、離散／アナログＩ／Ｏユニット１３４又はターミナル１５６を介してフィールドバスベースのデバイスを交互にアクセスし得る。これに対して、冗長ポートは、もし第１のポートに欠陥が生じたら、バックアップとして使用される。図３に示した構成では、冗長ポートは制御室には結合されていない。

フィールドバスポート１６８はワイヤレストランシーバ１７２に結合され、これにより、図２に示したワイヤレスフィールドバスネットワークに類似したワイヤレスフィールドバスネットワークを形成する。ハンドヘルドユニット１５４は、ワイヤレストランシーバ１７４を有し、これはブリッジ／コンバータ１３６のワイヤレスポート１６８に接続されたワイヤレストランシーバ１７２を介してフィールドバスデバイス１４２−１５２とコミュニケーションを行い、ワイヤレストランシーバ１７２は、ブリッジ／コンバータ１３６のワイヤレスポート１６８に接続されている。ハンドヘルドユニット１５４に加えて、ワイヤレスリンクを有するターミナル（図２に於けるターミナル１０４及びワイヤレスリンク１０６）がブリッジ／コンバータ１３６に結合されたフィールドデバイスとコミュニケーションを行うのに使用され得る。

本発明は、フィールドデバイスへの主たるアクセスを提供する制御室を有する分散コントロールシステムに於けるフィールドデバイスに、二次的なアクセスを提供するための装置を提供する。フィールドバス制御室に結合されたフィールドバスデバイスを有する近代的なコントロールシステムでは、本発明は、ワイヤレスリンクを有するハンドヘルドデバイス又はターミナル等の遠隔ユニットへのワイヤレスリンクを提供し、これにより、保守要員が遠隔ユニットを介して現場で各フィールドバスデバイスにアクセスするのを可能とする。一の業者からのフィールドバス制御室は他の業者からの各フィールドバスデバイスの二次的機能にアクセスすることはできないので、ハンドヘルドユニットはまた、単一の容易にプログラムされたハンドヘルドユニット又は遠隔ターミナルから、種々の業者によって提供される二次的機能をアクセスする便利な方法を提供する。

また、本発明は、フィールドデバイスへのハード結線されたアクセスを提供する制御室を有する分散コントロールシステムに於けるフィールドデバイスにワイヤレスで冗長なアクセス提供する装置を提供する。フィールドバス制御室に結合されたフィールドバスデバイスを有する近代的な分散コントロールシステムに於いては、本発明は、ワイヤレスリンクを有するターミナルに冗長なワイヤレスを提供する。本発明の装置は、コントロールデバイスにアクセスする主たる方法であるフィールドデバイスに制御室を結合するハード結線されたメディアが万一欠陥や利用不可能となった場合に、フィールドデバイスにアクセスすることを可能とする。

一つの実施態様では、各フィールドバスベースのデバイスは、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワークによって電力を与えられる、それ自身の二次的ワイヤレスＨ１又はＨ２フィールドバスポートを備えている。この実施態様では、分散コントロールシステムの改変を必要としないので、最大の柔軟性を提供し、現存するフィールドバス設備に付加されるべき新たなデバイスに理想的に適合している。現存するＨ１フィールドバスコントロールネットワークに接続されるとすぐに、デバイスはワイヤレスハンドヘルドユニット又はワイヤレスターミナルを介してアクセスされることができる。

本発明の他の実施態様では、フィールドモジュールが現存するフィールドバスコントロールネットワークに接続される。フィールドモジュールは、Ｈ１フィールドバスコントロールネットワークによって電力を与えられるワイヤレスＨ１又はＨ２フィールドバスポートを有し、ワイヤレスハンドヘルドユニット又はワイヤレスターミナルからのコントロールネットワークに接続されたフィールドバスデバイスの全てへのアクセスを提供する。この実施態様は、既にフィールドバスデバイスを有している分散コントロールシステムに理想的に適している。

また、本発明の他の実施態様では、分散コントロールシステムは、フィールドバスデバイス、コントローラに結合したハード結線されたＨ２ポート及びワイヤレスＨ２又はＨ１フィールドバスポートに接続された一又はそれ以上のＨ１コントロールネットワークを有するＨ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジを備えている。ワイヤレスフィールドバスポートは、ワイヤレスハンドヘルドユニット又はワイヤレスターミナルが、Ｈ２−ｔｏ−Ｈ１ブリッジによってサービスされる全てのＨ１コントロールネットワーク上のフィールドバスデバイスにアクセスことを可能とする。

本発明の第４の実施態様に於いては、ブリッジ／コンバータが旧式の制御室から来る２線式のツイストペアアナログ／離散ハイブリッドワイヤに接続されており、旧式の制御室を新しいフィールドバスデバイスに結合している。この実施態様では、ブリッジ／コンバータは、Ｈ１又はＨ２フィールドバスポートに、制御室からはアクセスできないフィールドバスデバイスの機能にアクセスすることを可能とするということを提供する。一つの構成では、ターミナルがブリッジ／コンバータにハード結線されたフィールドバスネットワークを介して接続されている。制御室に置かれるかもしれないターミナルは、制御室のオペレータにフィールドバスデバイスの全ての機能へのアクセスを提供する。（第１の構成を賞賛する）他の構成では、ブリッジ／コンバータは フィールドバスフィールドデバイスがワイヤレスターミナル又はワイヤレスハンドヘルドユニットによってアクセスされるのを可能とするワイヤレスのＨ１又はＨ２フィールドバスポートを備えている。

本発明は好ましい実施態様を参照しながら説明されたが、当業者は、形式及び詳細に於いて本発明の精神と範囲を逸脱することなく改変を加えることを認識するであろう。

本発明は、産業プラントの分野で使用可能である。

従来技術の分散コントロールシステムのダイヤグラムである。 ２つの分散コントロールシステムを有する産業プラントのダイヤグラムであり、本発明の３つの実施態様を示している。 ２つの分散コントロールシステムを有する産業プラントのダイヤグラムであり、本発明の３つの実施態様を示している。 より新しいネットワークベースのフィールドデバイスを後から取り付けた旧式のアナログ分散コントロールシステムであり、本発明の一つの実施態様を示している。

符号の説明

１０ ＤＣＳ
１２ 制御室
１４ コントローラ
１６ 離散／アナログＩ／Ｏユニット
１８ ブリッジ
２２ Ｈ２分散ネットワーク
２４ ソレノイド
２６，５４ スイッチ
４６，５２ バルブポジショナー
３０，３４，４４ トランスミッタ
３６，５０ プロセスアナライザ
３８，３９ ハンドヘルドユニット
４０ ローカルオペレータ／ユーザステーション
４２ ２線式ツイストペア
４３ チャネル
４５，４７ Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク
４８ リレー
５４ ソレノイド
５６，５８ ＤＣＳ
８６，６０ 制御室
６２ コントローラ
６４ バス
６６ フィールドデバイス
６８ バルブポジショナー
７０ トランスミッタ
７２ プロセスアナライザ
７４ Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク
７６ トランスミッタ
７８ バルブポジショナー
８０ ソレノイド
８２ フィールドモジュール
８４ Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク
８８ コントローラ
９４ Ｈ２フィールドバスコントロールネットワーク
９６，１００ トランスミッタ
９８ バルブポジショナー
１０２ Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク
１０４ ターミナル
１０６，１０７ ワイヤレスリンクモジュール
１０８，１０９，１１２ ワイヤレストランシーバ
１１０ ハンドヘルドコントロールユニット
１１４，１１６，１１８，１２０ ワイヤレストランシーバ
１２２，１２４ ワイヤレストランシーバ
１２６ ＤＣＳ
１２８ 制御室
１３０ コントローラ
１３４ 離散／アナログＩ／Ｏユニット
１３６ ブリッジ／コンバータ
１３８，１４０ Ｈ１フィールドバスコントロールネットワーク
１４２，１５２ ソレノイド
１４８ トランスミッタ
１５０ バルブポジショナー
１５４ ハンドヘルドユニット
１５６ ターミナル
１６４ ツイストペア
１６２，１６０ チャネル
１６６ フィールドバスポート
１６８ ワイヤレスフィールドバスポート
１７０ フィールドバスネットワーク
１７２，１７４ ワイヤレストランシーバ

Claims (4)

1. 分散コントロールシステムであって、
   前記分散コントロールシステムの主たるコントロールを提供するための制御ユニットと、
   複数のネットワークベースフィールドデバイスであって、それぞれが少なくとも一つの主たる機能と少なくとも一つの二次的な機能とを実行し、それぞれが主コントロールネットワークポートを有する、複数のネットワークベースフィールドデバイスと、
   前記複数のネットワークベースフィールドデバイスの各ネットワークベースフィールドデバイスの各主コントロールネットワークポートに結合されたコントロールネットワークと、
   前記コントロールネットワークを介して前記複数のネットワークベースフィールドデバイスのそれぞれによって実行された主たる機能へのアクセスを提供する、前記制御ユニット及び前記コントロールネットワークに結合されたコントローラと、
   前記複数のネットワークベースフィールドデバイスによって実行された二次的な機能へのワイヤレスアクセスを提供するための一又はそれ以上のワイヤレスアクセスユニットと、
   を備えた分散コントロールシステム。
2. 請求項１記載の分散コントロールシステムであって、前記ワイヤレスアクセスユニットが、
   前記複数のネットワークベースフィールドデバイスのそれぞれの二次的ポートに結合されたワイヤレストランシーバを有している、分散コントロールシステム。
3. 請求項１記載の分散コントロールシステムであって、前記ワイヤレスアクセスユニットは、
   前記コントロールネットワークに結合したフィールドモジュールを有し、該フィールドモジュールは、
   前記コントロールネットワークに結合した第１のネットワークポートと、
   二次的ポートと、
   前記二次的ポートに結合したワイヤレストランシーバと
   を備えている、分散コントロールシステム。
4. 請求項１記載の分散コントロールシステムであって、更に前記コントローラに接続された分散ネットワークと、前記分散ネットワークから前記コントロールネットワークに情報を伝送するためのブリッジとを有し、該ブリッジは、
   前記分散ネットワークに結合した第１のポートと、
   前記コントロールネットワークに結合した第２のポートと、
   ワイヤレストランシーバと、
   前記ワイヤレストランシーバに結合した第３のポートと
   を備えている分散コントロールシステム。

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