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JP2003502770A - 安全性が不可欠なプロセスを制御するための制御システム - Google Patents

安全性が不可欠なプロセスを制御するための制御システム

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JP2003502770A
JP2003502770A JP2001505255A JP2001505255A JP2003502770A JP 2003502770 A JP2003502770 A JP 2003502770A JP 2001505255 A JP2001505255 A JP 2001505255A JP 2001505255 A JP2001505255 A JP 2001505255A JP 2003502770 A JP2003502770 A JP 2003502770A
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control unit
control
control system
unit
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ピルツ ゲーエムベーハー アンド コー．
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Abstract

(57)【要約】 【課題】安全性が不可欠なプロセスのための制御システムを提供する。 【解決手段】制御システム１０は、安全性が不可欠なプロセス２８、３０を制御するための第一の制御ユニット１４；１４、５４と、Ｉ／Ｏチャンネルを介してプロセス２８、３０に結合された信号ユニット１８、２０、２２；１８、２０、２２、５６と、第一の制御ユニットと信号ユニットとを接続するフィールドバス１２と、フィールドバス１２上の通信を制御するためのバスマスター３６とを有する。第一の制御ユニット１４；１４、５４と信号ユニット１８、２０、２２；１８、２０、２２、５６とは、ユニット間のフェイルセーフの通信を保証するための安全指向システム４２、５２を有する。バスマスター３６は、第一の制御ユニット１４；１４、５４および信号ユニット１８、２０、２２；１８、２０、２２、５６とは別個にフィールドバス１２に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安全性が不可欠なプロセスを制御するための制御システムに関し、
安全性が不可欠なプロセスを制御する第一の制御ユニットとＩ／Ｏチャンネルを
介して安全性が不可欠なプロセスに結合された信号ユニットとを有し、更に第一
の制御ユニットと信号ユニットを接続するフィールドバスと、フィールドバス上
の通信を制御するバスマスターとを有し、第一の制御ユニットと信号ユニットは
、かかるユニット間のフェイルセーフの通信を保証するための安全性指向システ
ムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このタイプの制御システムはＤＥ−Ａ−１９７ ４２ ７１６で知られている。
あるプロセスの制御に関わる別々のユニットの間のデータ通信のためにフィール
ドバスを使用することは、制御および自動化技術の分野において現在周知のこと
である。それに関して、ここで使用するフィールドバスという言葉は、理想的に
は共通するフィールドバスを介して相互に通信を行うように任意の所望のユニッ
トをそこに接続できるデータ通信システムを意味する。該ユニット間の通信は、
専用のプロトコルによって統御される。かかる通信システムは、２つのユニット
間のポイント−ポイント通信接続で他のユニットが該ユニット間の通信から完全
に切り離されるものとはまったく異なる。既知のフィールドバスの例としては、
ＣＡＮバス、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、Ｉｎｔｅｒｂｕｓなどがある。
【０００３】 多くのフィールドバスにおいては、フィールドバスに接続された他のユニット
（ここではステーションと呼ぶ）に対して主たる地位を有する少なくとも１つの
バスマスターによって、通信が制御される。これは、バスマスターから「許可」
されない限り、どのステーションも他のステーションにデータを送れないという
問題を生じる。通常バスマスターは、フィールドバスに対して指定されたプロト
コルを実施する標準モジュールであり、多くの場合比較的複雑であり従って比較
的高価である。
【０００４】 フィールドバスを使用することは、主にそれを使用しない場合に必要となる配
線の労力に関して、多くの利点を有するが、安全性が不可欠なプロセスの制御の
ための実際的な用途にそれらを使用することは、従来は不可能であった。それは
、それらの構造がいかなるユニットからも自由にアクセスできるものであるため
に、安全性が不可欠なプロセスの制御に必要な程度のフェイルセーフ機能が保証
できなかったためである。
【０００５】 本発明において、安全性が不可欠なプロセスという言葉は、故障が発生した場
合に、人体および財産に無視できない危険をもたらす可能性があるプロセスとい
う意味に理解される。従って理想的には、安全性が不可欠ないかなるプロセスに
ついても、故障が発生した場合にプロセスが安全な状態に移行することが１００
％保証されなければならない。かかる安全性が不可欠なプロセスはまた、より大
きく高レベルの全体のプロセスの部分的プロセスであってもよい。安全性が不可
欠なプロセスの例としては、重要なパラメータを所定の限界内に保持することが
絶対的に必要とされる化学的プロセスや、油圧プレスや生産システム全体の制御
のように複雑な機械の制御がある。例えば油圧プレスの場合、材料供給プロセス
は安全性が不可欠なプロセスではないかもしれないが、全プロセスの一部として
プレス装置を起動するプロセスは安全性が不可欠な部分プロセスであろう。安全
性が不可欠な（部分）プロセスの他の例としては、安全ガード、保護ドア、ある
いは光バリアの監視、両手押しボタンスイッチの制御あるいは非常停止装置に対
する応答などがある。
【０００６】 上に述べたＤＥ−Ａ−１９７ ４２ ７１６は、フィールドバス、特にＩｎｔ
ｅｒｂｕｓとして知られているものに基づく制御およびデータ送信システムを説
明しているが、これはその目的のために安全指向モジュールを組み込まなければ
ならなかった。この目的を達成するために、上記の特許公報ではマスター制御ユ
ニットと呼ばれているバスマスターとステーションの両方に安全指向システムを
備えることが提案された。それによりかかる安全指向システムはこの様なデータ
通信に加えて、安全性が不可欠なプロセスの制御に関して必要なレベルのフェイ
ルセーフを保証する安全機能を実行する。もっと具体的に述べると、この場合は
求められる安全レベルは、主に安全指向システムを通してバスマスターを「安全
」にすることにより達成される。
【０００７】 しかしこの目的には標準モジュールを利用することができず、複雑なバスマス
ターを改造することが必要となるので、フェイルセーフ制御システムの開発と製
造において、かかるシステムを組み込むことは非常に手間がかかり、コストも高
くなる。 それに加えて、この様な手段はそれに基づく制御システムの運用においても不
利である。それは、複雑なプロセスの制御においては、安全指向の通信は全通信
量の１０％しか占めていないからである。従って上記の手段は、それによって制
御される通信量の９０％以上に対しては全く不必要であるにもかかわらず、高い
費用をかけてバスマスターが「安全」に維持されているという不利とむすびつい
ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、安全性が不可欠なプロセスに含まれる各ユニット間の
フェイルセーフな通信を保証すると同時に、標準的なモジュールをバスマスター
として使用することを可能にする、上記のような種類の制御システムを提供する
ことである。 上記の制御システムにおいてこの目的は、第一の制御ユニットおよび信号ユニ
ットとは独立にバスマスターがフィールドバスに接続されることによって達成さ
れる。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
安全指向システムによって、第一の制御ユニットは「安全」な制御ユニットと
なるが、それは内部および外部の故障の両方に対する判定および対策を、必要で
あれば他の安全ユニットとの相互作用によって、行う状態にこのユニットが置か
れていることを意味する。より具体的に言うと、上記の手段は、一方では安全性
が不可欠なプロセスを制御するための第一の制御ユニットと、他方ではバスマス
ターが、別々のモジュール内に収容され、そして使用されているフィールドバス
にそれらが接続されることを意味する。その点で、第一の制御ユニットを単純な
ステーションとして、つまりバスマスターの機能を持たずにフィールドバスに接
続することが可能であるが、これは後でＩｎｔｅｒｂｕｓとの関連で例示する。
これにより、安全性が不可欠なプロセスの制御が安全性が不可欠でないプロセス
の制御とはほぼ独立に、また共通のフィールドバス上でのデータ通信の制御から
も独立に実行できる。
【００１０】 そのため制御ユニットは、バスマスターのいかなる機能も必要とせず、反対に
安全指向システムを何等必要とせずにフィールドバスにバスマスターを接続でき
る。これにより通常の標準的バスマスターの利用が可能となる。従って本発明の
上記の目的は完全に達成できる。 本発明による手段は更に、第一の制御ユニットおよびそれに伴って安全指向シ
ステムが、その複雑さとスピードを考慮して、比較的小さな通信量の安全指向デ
ータ送受信に対してのみ適応すれば良いという利点を提供する。安全指向でない
データ送受信の部分は、全体の複雑なプロセスの９０％以上を占める可能性があ
るが、これは第一の制御ユニットを介して、あるいは安全指向システムを介して
扱う必要はない。これにより、第一の制御ユニットと安全指向システムとを比較
的単純な構造とすることができる。
【００１１】 上に述べた特徴の１つの実施形態では、第一の制御ユニットは安全性が不可欠
なプロセスを制御するための独立の制御プログラムを有する。 ここで独立の制御プログラムという言葉は、他の制御ユニットとは独立に第一
の制御ユニットを安全性が不可欠なプロセスの制御を行う状態にする制御プログ
ラムを意味する。従って第一の制御ユニットは単に他の制御ユニットを補助する
冗長な構成要素ではなく、安全性が不可欠なプロセスを独立にかつフェイルセー
フの方式で制御するようになされるものである。この特徴は、制御システムの安
全指向部分を、安全性が不可欠でない部分から完全に分離するので、特に有利で
ある。このことは、権限のある監督機関による制御システムの認定に関して特に
重要であるが、それは安全指向でない部分をいじることで安全指向の部分に影響
を与えることが、この特徴によって排除されるからである。
【００１２】 別の実施形態によれば、第一の制御ユニットはフェイルセーフなバス・テレグ
ラムを発生することができ、それを受信すると信号ユニットは安全性が不可欠な
プロセスを安全な状態に移行させる。 安全性が不可欠なプロセスが、例えば非常停止装置の監視に関与する場合は、
例えば直ちに全プロセスの電源を落とすことによって安全な状態を実現できる。
しかし全システムの電源を落とすことが反応を暴走させる可能がある化学製造シ
ステムの場合は、安全状態という言葉はパラメータを所定の範囲に設定すること
と定義される。ここで述べた手段は、フィールドバスとは別の付加的な制御ライ
ンを介してプロセスを安全な状態に移行させる方法とは異なる。フェイルセーフ
なバス・テレグラムは安全指向システムとの関連でのみ可能なので、この方法が
これまでは好まれた。それに対して上記の手段は、対応する付加的な制御ライン
を使用せずに作動でき、従って配線の手間を更に削減するという利点を有する。
【００１３】 別の実施形態によれば、安全指向システムはマルチチャンネル構造を有する。 ここでマルチチャンネル構造とは、安全指向システムが、お互いに関して冗長
であるような少なくとも２つの並列の処理チャンネルを有することを意味する。
この特徴により、処理チャンネルの一方に発生した故障が、例えば１つの結果が
他の処理チャンネルの結果と異なることによって発見され、必要であれば直すこ
とができるという利点が得られる。そのためこの特徴は、フェイルセーフ能力の
改善のために高い信頼性をもって貢献する。
【００１４】 好適には、マルチチャンネル構造は多様性の原則に基づいている。 これは、マルチチャンネル構造の各チャンネルが異なる構成であることを意味
する。例えば、１つのチャンネルはあるメーカーのマイクロコントローラーをベ
ースにしており、別のチャンネルが第二のメーカーのマイクロコントローラーを
ベースにしているという具合である。従ってこの場合、マイクロコントローラー
の制御プログラムもまたそれぞれ異なる。あるいは、チャンネルのうちの１つは
マイクロコントローラーの代わりに配線論理を有しても良い。上記の特徴により
、多様な性質を有する構造では同じ故障が同時に発生する確率が、一様な構造に
比べて大幅に軽減されることにより、フェイルセーフ能力が更に大幅に改善され
るという利点が得られる。
【００１５】 本発明の別の実施形態によれば、制御システムは安全性が不可欠でないプロセ
スを制御するための第二の制御ユニットを有する。 好適には、第二の制御ユニットは標準的な制御ユニット、すなわち標準モジュ
ールとして入手可能な制御ユニットである。制御システムが複雑な全体システム
を制御するために使用される場合、安全性が不可欠でないプロセスはすべて安全
性が不可欠な部分プロセスとは別に制御できるので、この特徴は特に有利である
。更に、第一の制御ユニットは安全性が不可欠ではないタスクから解放される。
これにより第一の制御ユニットだけでなく、全制御システムの設計を特に低コス
トかつ効率的なものにできる。
【００１６】 上記の手段の別の実施形態として、第二の制御ユニットが第一の制御ユニット
とは別にフィールドバスに接続される。 この特徴により、安全指向のプロセスが、安全指向でないプロセスからもっと
厳格に分離されるという利点が得られ、それにより安全指向の制御が意図せぬ影
響を受ける危険が更に低減される。それだけでなく、既存の全体システム中の安
全性が不可欠なプロセスを制御するために、その制御システムでそれまで使われ
ていた標準制御ユニットを交換する必要なく、第一の制御ユニットを後から取り
付けることも可能になる。これにより、安全指向の構成要素を含む既存の制御シ
ステムを、簡単かつ低コストで改造することが可能になる。
【００１７】 上に述べた手段の別の実施形態では、第二の制御ユニットは安全指向システム
から自由となる。 これは、第二の制御ユニットが安全指向システムを有しないことを意味する。こ
の特徴により、第二の制御ユニットもまた不要なバラストから自由であるという
利点が得られる。それにより第二の制御ユニットに低コストの標準的なモジュー
ルを使用することが可能になる。 上に述べた手段の別の実施形態では、第二の制御ユニットにはバスマスターが組
み込まれる。 このことは、使用されるフィールドバスに接続されたユニットの数を減らすと言
う利点を与える。更に内蔵したバスマスターを有する制御ユニットは様々なメー
カーから標準モジュールとして入手できる。従って上記の特徴は低コストで効率
的に実現できる。
【００１８】 本発明の更に別の実施形態によれば、フィールドバスに接続された異なるユニ
ット間を循環するテレグラム送受信が、フィールドバスによって可能となる。そ
のためには、フィールドバスは好適にはＩｎｔｅｒｂｕｓである。 循環するテレグラム送受信を伴うフィールドバスは本技術分野において既知の
ものである。好適に用いられるＩｎｔｅｒｂｕｓはこの場合に一例を示す。原則
的にはかかるフィールドバスはシフトレジスタのように設計され、フィールドバ
スに接続された各ユニットは順次配列された記憶位置となる。バスマスターの制
御の下で、データワードは１つのユニットから次のユニットへ順次シフトされる
。フィールドバスごとに異なっていて良い適切な手段により、接続されたユニッ
トはシフトされたバステレグラムが自分に宛てられた部分を含んでいることを認
識する。
【００１９】 上記の特徴により、非常に効率の良い制御システムが、極めてわずかな配線の
手間で単純に実現できるという利点が得られる。Ｉｎｔｅｒｂｕｓをフィールド
バスとして使用することにより、ユニットが自分に宛てられたバステレグラムを
特に単純な仕方で認識できるという利点が更に得られる。これによりシステムは
故障に影響されにくくなる。 本発明の更に別の実施形態によれば、第一の制御ユニットはテレグラム送受信
の循環方向に関して、信号ユニットの上流側に配置される。
【００２０】 この特徴は、第一の制御ユニットによって生成されたデータだけを信号ユニッ
トが受け取ることを、単純な方法で保証するという点で、特に有利である。 前記の手段の更に別の実施形態によれば、第一の制御ユニットは、信号ユニッ
トに宛てられた任意のテレグラムデータを、フェイルセーフのテレグラムデータ
に置き換える手段を有する。 上記の特徴は、安全性が不可欠なプロセスに含まれる信号ユニットがフェイル
セーフのテレグラムデータだけを受け取ることを保証するための非常に単純で、
したがって有利な方法である。もっと具体的に言えば、テレグラムが第一の制御
ユニットによって生成された場合にのみ、テレグラムは所定の信号ユニットに到
達することが許されるならば、順次循環するテレグラム送受信がこの目的のため
に利用される。
【００２１】 本発明の別の実施形態では、制御システムは少なくとも２つの安全性が不可欠
なプロセスを制御するために、少なくとも２つの第一の制御ユニットを有する。 この特徴により、安全性が不可欠な異なる複数の部分プロセスからなる非常に
複雑な複数の全体システムをそれぞれ別々にまた互いに独立に、しかも極めて単
純で低コストな方法で制御することが可能となる。この場合、どちらの第一の制
御ユニットもバスマスターの機能を有する必要が無く、そのため全システムのコ
ストを低く抑えることに貢献するという点で、特に有利である。
【００２２】 上に述べた特徴と更に以下に述べる特徴は、説明した組み合わせで使用できる
だけでなく、本発明の趣旨から離れることなく他の組み合わせでも、また孤立し
て使用することもできることが理解される。
【００２３】
【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施形態を図面とより詳しい記述によって説明する。 図１において、本発明による制御システムの全体が参照符号１０で示されてい
る。 制御システム１０はフィールドバス１２、この場合はＩｎｔｅｒｂｕｓに基づ
いている。フィールドバス１２には第一の制御ユニット１４、第二の制御ユニッ
ト１６および全部で４つの信号ユニット１８、２０、２２および２４が接続され
た状態が例として図示されている。第一の制御ユニット１４は安全制御ユニット
であり、第二の制御ユニット１６は標準の制御ユニットである。
【００２４】 例として、安全性が不可欠な２つのプロセス２８を含む自動化された全体シス
テムを、参照符号２６で示す。全プロセスのうち安全性が不可欠な部分プロセス
２８以外の各部は安全性が不可欠ではない、すなわちこれらは、いかなる安全指
向の追加手段も必要としない。全プロセス２６は例えばプレスの自動制御に関し
、処理される部品（図示せず）の供給プロセスが他のものと共に安全性が不可欠
でない部分プロセスを代表する。この場合、安全性が不可欠な部分プロセス２８
は例えば両手スイッチとガードの制御および監視に関連する。
【００２５】 参照符号３０は、非常停止装置の監視の様な、全体として安全性が不可欠なプ
ロセスを示す。 制御ユニット１８〜２４は、Ｉ／Ｏチャンネル（入力／出力チャンネル）３２
を介して制御されるプロセス２６〜３０に接続される。Ｉ／Ｏチャンネル３２は
入力と出力を提供するが、制御される各プロセスに特徴的な状態情報信号をこの
入出力を通じて読みとることができ、各プロセスを制御する制御信号を出力でき
る。実際には、センサーおよび／またはアクチュエータ（図示せず）がＩ／Ｏチ
ャンネル３２に接続される。
【００２６】 その様なものとして知られている他の構成要素に加えて、第二の制御ユニット
１６はマイクロコントローラー３４とマスタープロトコルチップ３６を有する。
この場合、マスタープロトコルチップ３６はＩｎｔｅｒｂｕｓに対するバスマス
ターの機能を有するので、以下バスマスターとも呼ぶ。かかるマスタープロトコ
ルチップ３６は、様々なメーカーから標準モジュールとして入手できる。 第一の制御ユニット１４は、ステーションとして通信モジュール３８を介して
フィールドバス１２に接続されるが、その構造を以下図２を参照して説明する。
第一の制御ユニット１４はこの場合、更にフィールドバス１２の戻り信号経路に
接続された受信モジュール４０を有する。
【００２７】 更に第一の制御ユニット１４はこの場合、マルチチャンネル形式の多様化を基
礎とするマイクロコントローラーシステムを含む安全指向システム４２を有する
。この場合、マルチチャンネル形式のマイクロコントローラーシステムは異なる
メーカー製であり、従って異なるプログラムを必要とする２つの冗長マイクロコ
ントローラー４４で象徴される。安全指向システム４２はエラー制御手段を実現
するが、これは以下に述べる信号ユニット１８〜２２中の安全指向システムとの
関連で、フェイルセーフのデータ通信を可能にする。エラー制御手段の例は、”
Ｂｕｓ−Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｍｉｔ Ｆｅｕｅｒｍｅｌｄｅｒ（火災警報付きの
バスソフトウェア）”と題する論文（ＩＥＥ、１９９８年４３判、Ｎｏ．８、ｐ
ｐ４６〜４８）に説明されている。
【００２８】 第一の制御ユニット１４は更に、制御プログラム４８が記憶されるメモリー４
６を有する。制御プログラム４８は、第二の制御ユニット１６とは独立に（バス
マスター３６によって制御されるフィールドバス１２上の通信を例外として）第
一の制御ユニット１４を、安全性が不可欠なプロセス３０と安全性が不可欠な部
分プロセス２８を制御する状態にするという意味で自律的である。 信号ユニット１８〜２４はそれぞれステーションとして、スレーブプロトコル
チップ５０を介してフィールドバス１２に接続される。スレーブプロトコルチッ
プ５０もまた様々なメーカーから標準モジュールとして入手できる。更に信号ユ
ニット１８、２０および２２は、これもまた２チャンネルのマイクロコントロー
ラーシステム４４を含む安全指向システム５２を有する。信号ユニット１８およ
び２０の例によれば、それらを通して送られる全ての信号は安全指向システム５
２の補助を受けて扱うことができる。従って、信号ユニット１８および２０は完
全に「安全」な信号ユニットである。信号ユニット２２は単に部分的にのみ「安
全」な信号ユニットである。つまり、このユニットによって扱われる信号の一部
だけが、安全指向システム５２によって制御および監視される。それに対して、
信号ユニット２４はいかなる安全指向システムも持たず、従って「安全でない」
標準的な信号ユニットである。
【００２９】 信号ユニット１８は安全性が不可欠なプロセス３０に接続され、信号ユニット
２０は安全性が不可欠な部分プロセス２８の１つに接続される。これらのプロセ
スは、第一の制御ユニット１４によって排他的かつ自律的に制御される。信号ユ
ニット２２はその安全な部分と共に第二の安全性が不可欠な部分プロセス２８に
接続され、残りの安全性が不可欠でない全体プロセス２６のための制御信号を、
その非安全部分と共に発生する。従って、信号ユニット２２はその安全部分に関
しては第一の制御ユニット１４によって制御され、非安全部分に関しては第二の
制御ユニット１６によって制御される。これによって、１つの同じバスアドレス
で安全および非安全信号ユニットの両方に対応することができる。
【００３０】 信号ユニット２４は排他的に、全体プロセス２６の安全性が不可欠でない部分
に接続されており、第二の制御ユニット１６によって排他的にアドレス指定がな
される。 図示の実施形態とは異なり、第一の制御ユニット１４を介して標準の信号ユニ
ット２４を制御することも原則的に可能であるが、この場合は完全にフェイルセ
ーフの通信は保証されない。
【００３１】 その構造と機能が第一の制御ユニット１４に対応する別の安全制御ユニットが
、参照符号５４で示されている。参照符号５６は他の安全信号ユニットを示す。
第一の制御ユニット５４と安全信号ユニット５６は、前に説明した破線で示され
るユニットに加えて、フィールドバス１２に接続することができる。しかし説明
を簡単にするために、制御システム１０の動作の説明において、安全制御ユニッ
ト５４と安全信号ユニット５６はフィールドバス１２に接続されないと仮定する
。
【００３２】 第一の制御ユニット１４に含まれ、図２により詳しく示されている通信モジュ
ール３８は、入力が第一のバス接続６０を介して、また出力が第二のバス接続６
２を介してフィールドバス１２に接続されたスレーブプロトコルチップ５８を有
する。プロトコルチップ５８は、信号ユニット１８〜２４に含まれるプロトコル
チップ５０に対応し、この説明が対象とするＩｎｔｅｒｂｕｓの場合には「シリ
アルマイクロプロセッサ用インターフェース（ＳＵＰＩ）」と呼ばれることが多
い。
【００３３】 更にプロトコルチップ５８は更に別の入力と出力を有し、図示した例では１つ
の入力ＦｒｏｍＥｘＲ（外部受信器から）、２つの入力ＴｏＥｘＲ１およびＴｏ
ＥｘＲ２（外部受信器へ）、そして１つのクロック出力ＣＬＫｘＲである。信号
線６４は出力ＴｏＥｘＲ１に接続され、信号線６６は入力ＦｒｏｍＥｘＲに接続
される。信号線６６はプロトコルチップ５８を受信メモリー６８に接続する。更
に通信モジュール３８も送信メモリー７０を有する。信号線６６は、プロトコル
チップ５８の入力ＦｒｏｍＥｘＲを、スイッチ７２に示すような手段を介して、
出力ＴｏＥｘＲ１または送信メモリー７０に選択的に接続する。次に通信モジュ
ール３８の動作を説明する。
【００３４】 プロトコルモジュール５８はそのバス接続６０において、バスマスター３６に
よってフィールドバス１２に送られたバステレグラムを受け取る。それに含まれ
るデータは出力ＴｏＥｘＲ１で得られ、信号線６４を介して受信メモリー６８に
供給される。スイッチ７２の動作によって信号線６６が出力ＴｏＥｘＲ１に接続
されると、受信されたテレグラムデータは同時に入力ＦｒｏｍＥｘＲに供給され
て、次ぎにプロトコルチップ５８によってバス接続６２を介して下流側のステー
ション、ここでは安全信号ユニット１８に送られる。この場合、バステレグラム
に含まれるデータは一方では受信メモリー６８に記憶され、他方では変化しない
ままプロトコルチップ５８を通過する。それに対してスイッチ７２が入力Ｆｒｏ
ｍＥｘＲを送信メモリー７０に接続する場合は、送信メモリー７０から得られた
テレグラムデータはプロトコルチップ５８によって下流側のユニットに送られる
。このようにスイッチ７２を切り替えることにより、バステレグラムに含まれる
データを、送信メモリー７０からのデータで任意にかつ選択的に置き換えること
ができる。これはビットレベルまで非常に選択的に行うことができる。
【００３５】 図３に示す第一の制御ユニット１４の受信モジュール４０は、通信モジュール
３８と同じスレーブプロトコルチップ（ＳＵＰＩ）をベースとしている。区別の
ために、ここではプロトコルチップを参照符号７４で示す。プロトコルチップ７
４は受信モジュールであるから、受信メモリー７６だけに接続された自分の出力
ＴｏＥｘＲ１を有している。 第一の制御ユニット１４は通信モジュール３８を通して、バスマスター３６か
らフィールドバス１２を介して送られた任意のバステレグラムを受け取り、それ
らを任意にまた選択的に修正した仕方で、後に続く信号ユニット１８〜２４に再
送信できる状態になる。第一の制御ユニット１４はまた受信モジュール４０を通
して、信号ユニット１８〜２４から戻されたバステレグラムを受け取り、記録す
ることができる。
【００３６】 そのため第一の制御ユニット１４は、バスマスターの機能を自分自身が有して
いなくても、フィールドバス１２を介して信号ユニット１８〜２４と通信を行う
ことができる。安全指向システム４２、５２を備えているので、これにより第二
の制御ユニット１６とは独立にフェイルセーフのデータ通信および制御を行うこ
とが可能になる。 Ｉｎｔｅｒｂｕｓと共に使用されるバステレグラムの全体を、参照符号７８で
模式的に図４に示す。バステレグラム７８はいくつかの部分に分けられた、厳密
に定義された構造を有している。各バステレグラムは開始ワードで始まるが、こ
れは普通ループバック・ワード（ＬＢＷ）と呼ばれる。開始ワードの次ぎに様々
なデータフレーム８０が続くが、これが制御コマンドや測定値の信号などの有用
なデータを運ぶ。
【００３７】 Ｉｎｔｅｒｂｕｓの場合は、前に述べたようにバスマスター３６がバステレグ
ラム７８を発生し、それを下流側の通信モジュール３８にシリアルで送信する。
通信モジュール３８はバステレグラム７８を受け取って、データフレーム８０か
ら得たデータのうち第一の制御ユニット１４に関係するものを、受信メモリー６
８に保存する。同時にこれはバステレグラム７８を下流側にある信号ユニット１
８のプロトコルチップ５０に送信するが、そのためにデータフレームに含まれる
データを送信メモリー７０から得られたデータで任意に置き換えることができる
。次ぎにバステレグラム７８は、信号ユニット１８のプロトコルチップ５０によ
って信号ユニット２０に送られて、ここから信号ユニット２２と２４に送られる
。信号連鎖の最後に、接続された最後の信号ユニットである信号ユニット２４は
バステレグラム７８をバスマスター３６に返し、バステレグラム７８はこの様に
全プロトコルチップ５０と通信モジュール３８を再度通過する。バスマスター３
８が開始ワードＬＢＷを受け取ると同時に、これはバステレグラム７８がフィー
ルドバス１２を順序に従って完全に一回りしたことを示すものと見なされる。
【００３８】 上に述べたデータの流れと図２に示した通信モジュール３８の配置のために、
第一の制御ユニット１４はそれがネットワークの構造を知っている限りにおいて
、信号ユニット１８〜２４のいずれとも通信を行うことができる。このことは、
それによってアドレスされた各信号ユニット１８〜２４がフィールドバス１２上
のどの点にあるかを、第一の制御ユニット１４が知っていることが先ず第一に必
要となることを意味する。図１に示す制御システム１０では、フィールドバス１
２に接続された各ユニットの位置をバスマスター３６のゼロから出発して数える
とすれば、信号ユニット１８、２０および２２は位置２、３および４に配置され
る。例えば信号ユニット２０に制御データを送るためには、第一の制御ユニット
１４はＤ３と名付けられたデータフレーム８０に制御データを入れなければなら
ない。これは図５では修正されたデータＤ３＊を有するデータフレーム８２で示
される。最初にそのデータフレームに含まれていたデータＤ３は、新しいデータ
で書き換えられる。
【００３９】 第一の制御ユニット１４と信号ユニット２０は両方とも安全指向システム４２
、５２を含んでいるので、これらのユニットのいずれにもバスマスターの機能を
持たせる必要がなく、それらの間にフェイルセーフの通信を確立することができ
る。同じことは、信号ユニット１８と２２との第一の制御ユニット１４の通信に
ついても言えることで、信号ユニット２２との通信に関しては原則としてデータ
を修正データＤ４＊＊で単に部分的に置き換えるだけで十分である。信号ユニッ
ト２２の非安全標準部分に宛てたデータは、第一の制御ユニット１４によって修
正されない。
【００４０】 フィールドバス１２を介しての通信のフォローアップを再度行えるための手順
を下の表に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】 表の各行には、完全なシフトステップの終わりの時点で、フィールドバス１２
に接続されたそれぞれのユニットの入力および出力シフトレジスタに保存されて
いるデータが示されている。この表で使用した略語は以下の意味を有している。
ＥＤｘ：データフレームＤｘ中の入力データ ＡＤｘ：データフレームＤｘ中の出力データ Ｅ＊Ｄｘ：データフレームＤｘ中の修正（安全）入力データ Ａ＊Ｄｘ：データフレームＤｘ中の修正（安全）出力データ データフレームＤ４の中で、信号ユニット２２の安全部分に宛てたデータだけ
が第一の制御ユニット１４によって修正される。信号ユニット２２の非安全標準
部分に宛てたデータは変更されず、信号ユニット２２のそれぞれの部分が第二の
制御ユニット１６によってアドレス指定される。
【００４３】 上に述べた安全性が不可欠な自動化されたプロセスを制御するための制御シス
テムとは別に、個々のデータフレーム８０、８２中のデータのかかる修正をフィ
ールドバス１２と共に利用して、その後テレグラムを循環させて、いずれもバス
マスターの機能を持たないステーション同士のスレーブ−スレーブ間通信を提供
することもできる。この目的には図２に示すように、他のステーションにデータ
を送ろうとするステーションのプロトコルチップ５８が送信メモリー７０と、必
要に応じて受信メモリー６８によっても補足されることで十分である。更にデー
タを送ることが許可されたステーションは、正しいデータフレーム８０を修正す
るために、それが送ろうとする相手がフィールドバス１２のどの位置にあるかと
いう情報を有する必要がある。
【００４４】 この様にして、通信モジュール３８、４０を有する複数の標準的な制御ユニッ
トをフィールドバスシステムに組み込んで、安全性が不可欠でない応用に対する
制御タスクをいくつかの標準制御ユニットに分散することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｉｎｔｅｒｂｕｓをフィールドバスとして使用する本発明の好適な実施形態を
模式的に示す。
【図２】 図１に示した実施形態において、第一の制御ユニットをＩｎｔｅｒｂｕｓに接
続する通信モジュールを模式的に示す。
【図３】 図示した実施形態において、第一の制御ユニット内に追加された受信モジュー
ルを模式的に示す。
【図４】 Ｉｎｔｅｒｂｕｓに対するバステレグラムを模式的に示す。
【図５】 図４のバステレグラム中のフェイルセーフのテレグラムデータによって、安全
指向のデータフレームを置き換える手順を模式的に示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ルップ，ローランド ドイツ連邦共和国，Ｄ−73110 ハッテン ホーヘン，ウーラントシュトラーセ 63番 地 Ｆターム(参考） 5H209 AA01 AA05 BB01 BB07 CC13 DD06 GG20 HH21 SS01 SS05 SS07 5H220 AA01 AA04 BB09 CC09 EE01 HH03 JJ12 JJ51 KK06 MM06 MM08

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 安全性が不可欠なプロセス（２８、３０）を制御するための制御システムであ
    って、安全性が不可欠なプロセス（２８、３０）を制御するための第一の制御ユ
    ニット（１４；１４、５４）およびＩ／Ｏチャンネル（３２）を介して安全性が
    不可欠なプロセス（２８、３０）に結合された信号ユニット（１８、２０、２２
    、２４；１８、２０、２２、２４、５６）を有し、更に第一の制御ユニット（１
    ４；１４、５４）と信号ユニット（１８、２０、２２、２４；１８、２０、２２
    、２４、５６）とを接続するフィールドバス（１２）およびフィールドバス（１
    ２）上の通信を制御するためのバスマスター（３６）を有し、ここで第一の制御
    ユニット（１４；１４、５４）と信号ユニット（１８、２０、２２、２４；１８
    、２０、２２、２４、５６）とはかかるユニットの間のフェイルセーフの通信を
    保証するための安全指向システム（４２、５２）を有し、バスマスター（３６）
    が第一の制御ユニット（１４；１４、５４）および信号ユニット（１８、２０、
    ２２、２４；１８、２０、２２、２４、５６）とは別個にフィールドバス（１２
    ）に接続されることを特徴とする制御システム。
  2. 【請求項２】 上記第一の制御ユニット（１４；１４、５４）が、上記安全性が不可欠なプロ
    セス（２８、３０）を制御するための独立の制御システム（４８）を有すること
    を特徴とする請求項１記載の制御システム。
  3. 【請求項３】 上記第一の制御ユニット（１４；１４、５４）はフェイルセーフのバステレグ
    ラム（７８）を発生することができ、上記信号ユニット（１８、２０、２２、２
    ４；１８、２０、２２、２４、５６）はそれを受け取ると安全性が不可欠なプロ
    セス（２８、３０）を安全状態に移行させることを特徴とする請求項１または２
    記載の制御システム。
  4. 【請求項４】 上記安全指向システム（４２、５２）がマルチチャンネル構造（４４）を有す
    ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の制御システム。
  5. 【請求項５】 上記マルチチャンネル構造（４４）が多様性の原則を基礎としていることを特
    徴とする請求項４記載の制御システム。
  6. 【請求項６】 制御システムが安全指向でないプロセス（２６）を制御するための第二の制御
    ユニット（１６）を更に有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに
    記載の制御システム。
  7. 【請求項７】 上記第二の制御ユニット（１６）が上記第一の制御ユニット（１４；１４、５
    ４）とは別にフィールドバス（１２）に接続されていることを特徴とする請求項
    ６記載の制御システム。
  8. 【請求項８】 上記第二の制御ユニット（１６）が安全指向システム（４２、５２）から自由
    であることを特徴とする請求項６または７記載の制御システム。
  9. 【請求項９】 上記バスマスター（３６）が上記第二の制御ユニット（１６）に組み込まれて
    いることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の制御システム。
  10. 【請求項１０】 フィールドバス（１２）が、フィールドバス（１２）に接続されたそれぞれ異
    なるユニット（１４〜２４）の間の循環するテレグラムの送受信を提供すること
    を特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の制御システム。
  11. 【請求項１１】 上記フィールドバス（１２）がＩｎｔｅｒｂｕｓであることを特徴とする請求
    項１０記載の制御システム。
  12. 【請求項１２】 上記第一の制御ユニット（１４；１４、５４）がテレグラム送受信の循環方向
    に関して上記信号ユニット（１８、２０、２２、２４；１８、２０、２２、２４
    、５６）の上流側に配置されることを特徴とする請求項１０または１１記載の制
    御システム。
  13. 【請求項１３】 上記第一の制御ユニット（１４；１４、５４）が、上記信号ユニット（１８、
    ２０、２２、２４；１８、２０、２２、２４、５６）に宛てられた任意のテレグ
    ラムデータ（８０）を、フェイルセーフのテレグラムデータ（８２）で置き換え
    る手段（７０，７２）を有することを特徴とする請求項１２に記載の制御システ
    ム。
  14. 【請求項１４】 制御システムが少なくとも２つの上記安全性が不可欠なプロセス（２８、３０
    ）を制御するための少なくとも２つの上記第一の制御ユニット（１４、５４）を
    有することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の制御システム。
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