JP2013025358A - フィールド通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】マスタ−スレーブ通信の信頼性を向上させることができるフィールド通信システムを提供する。
【解決手段】前記フィールド機器１に設けられた第１のスレーブ機器側通信ポート１１および第２のスレーブ機器側通信ポート１２と、前記通信モジュール２Ａ、２Ｂに設けられた第１のマスタ機器側通信ポート２１および第２のマスタ機器側通信ポート２２と、を備える。前記第１のスレーブ機器側通信ポート２１と前記第１のマスタ機器側通信ポート２２との間を第１の通信線５１で接続し、前記第２のスレーブ機器側通信ポート２２と前記第２のマスタ機器側通信ポート２１との間を第２の通信線５２で接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スレーブ機器としてのフィールド機器と、マスタ機器としての通信モジュールとの間で通信を実行するフィールド通信システムに関する。

PROFIBUS通信モジュールは、コントローラに対して２台１組みで実装され、二重化構成をとる。一方、PROFIBUS規格であるスレーブ冗長化仕様に対応したスレーブ機器は２つのポートを有し、二重化構成の各々の通信モジュールと各ポートとを接続することで、PROFIBUSスレーブ冗長化構成が構築される。

図６は、PROFIBUSスレーブ冗長化構成をとるフィールド制御システムの構成例を示すブロック図である。

図６に示すように、フィールド制御システムは、フィールド機器１，１，・・・と、プラントに分散配置されるコントローラ２０，２０，・・・と、各コントローラ２０に対応して実装された通信モジュール１０２，１０２と、コントローラ２０，２０，・・・を介してフィールド機器１，１，・・・に対する操作、監視を行うための操作監視装置３と、フィールド機器１，１，・・・に対するエンジニアリング作業を行うためのエンジニアリング端末装置４と、を備える。

フィールド機器１，１，・・・は、それぞれPROFIBUS規格であるスレーブ冗長化仕様に対応したスレーブ機器であり、第１のポート１１および第２のポート１２を具備する。

通信モジュール１０２，１０２は、１つのコントローラ２０に対して１組みのモジュールとして実装されることで、二重化構成をとり、一方が制御側モジュールとして、他方が待機側モジュールとして機能する。制御側モジュールに異常が発生した場合には、待機側と制御側とを切り替えることで、通信処理を継続することができる。

通信モジュール１０２，１０２は、それぞれマスタ機器として動作する。冗長化機能を持つスレーブ機器としてのフィールド機器１の第１のポート１１および第２のポート１２のうちの一方が制御側、他方が待機側となり、それぞれのセグメント１５１，１５２で通信モジュール１０２，１０２との間でマスタ−スレーブ通信を行う。

コントローラ２０は、２つの通信モジュール１０２，１０２を介して、スレーブ機器であるフィールド機器１の２つのポートである第１のポート１１および第２のポート１２に同じデータを出力するが、実際に用いられるデータはフィールド機器１の制御側ポートへ出力されたデータ（出力データ）である。また、コントローラ２０は、フィールド機器１の制御側ポートから出力されたデータ（入力データ）を、２つの通信モジュール１０２，１０２のうちの制御側モジュールを介して取得する。

スレーブ機器であるフィールド機器１のポートの制御権の切り替え（制御側／待機側の切り替え）には、次の２つのパターンが存在する。
（１）コントローラ２０からフィールド機器１のコントロールレジスタにコマンドを書き込むことによる切り替え。
（２）フィールド機器１自身による自己診断異常を検出することによる切り替え。
スレーブ機器であるフィールド機器１の制御側ポートと接続されている通信モジュールが故障した場合には、その通信線（セグメント）上でのマスタ−スレーブ通信が不通となるため、通信モジュールの制御権が切り替わるとともに、スレーブ機器であるフィールド機器１は通信モジュールとの間の通信異常を検出して、もう一方のポートを制御側に切り替えて通信を継続する。

特開２００５−３２０８７号公報（図３）

図６に示すフィールド制御システムにおいて、単一故障、すなわち通信モジュールの故障、もしくはスレーブ機器の片側ポート故障のいずれかのみが発生する場合は、通信モジュールの制御権が切り替わるか、あるいはスレーブ機器のポートの制御権が切り替わることで通信が不通になることはない。しかし、二重故障が発生すると通信が不通となるケースが存在する。例えば、スレーブ機器の一方のポートが制御側で、他方のポートが故障している場合に、スレーブ機器の制御側ポートと接続されている通信モジュールが故障すると、そのスレーブ機器に対する通信ができなくなる。

本発明の目的は、マスタ−スレーブ通信の信頼性を向上させることができるフィールド通信システムを提供することにある。

本発明のフィールド通信システムは、スレーブ機器としてのフィールド機器と、マスタ機器としての通信モジュールとの間で通信を実行するフィールド通信システムにおいて、前記フィールド機器に設けられた第１のスレーブ機器側通信ポートおよび第２のスレーブ機器側通信ポートと、前記通信モジュールに設けられた第１のマスタ機器側通信ポートおよび第２のマスタ機器側通信ポートと、前記第１のスレーブ機器側通信ポートと前記第１のマスタ機器側通信ポートとの間を接続する第１の通信線と、前記第２のスレーブ機器側通信ポートと前記第２のマスタ機器側通信ポートとの間を接続する第２の通信線と、を備えることを特徴とする。
このフィールド通信システムによれば、第１のスレーブ機器側通信ポートと第１のマスタ機器側通信ポートとの間を第１の通信線で接続し、第２のスレーブ機器側通信ポートと第２のマスタ機器側通信ポートとの間を第２の通信線で接続するので、通信モジュールに設けた第１のマスタ機器側通信ポートおよび第２のマスタ機器側通信ポートを利用することで、通信の信頼性を向上させることができる。

前記通信モジュールとしての第１の通信モジュールおよび第２の通信モジュールを備え、前記第１の通信モジュールおよび前記第２の通信モジュールにより二重化構成がとられ、前記第１の通信モジュールの前記第１のマスタ機器側通信ポートおよび前記第２の通信モジュールの前記第１のマスタ機器側通信ポートはいずれも前記第１の通信線に接続され、前記第１の通信モジュールの前記第２のマスタ機器側通信ポートおよび前記第２の通信モジュールの前記第２のマスタ機器側通信ポートはいずれも前記第２の通信線に接続されてもよい。

前記第１の通信モジュールの前記第１のマスタ機器側通信ポート、前記第２のマスタ機器側通信ポート、前記第２の通信モジュールの前記第１のマスタ機器側通信ポートおよび前記第２のマスタ機器側通信ポートは、それぞれ、制御側／待機側のいずれかを選択可能とされていてもよい。
前記フィールド機器と前記通信モジュールとの間でPROFIBUS通信を行ってもよい。

本発明のフィールド通信システムによれば、第１のスレーブ機器側通信ポートと第１のマスタ機器側通信ポートとの間を第１の通信線で接続し、第２のスレーブ機器側通信ポートと第２のマスタ機器側通信ポートとの間を第２の通信線で接続するので、通信モジュールに設けた第１のマスタ機器側通信ポートおよび第２のマスタ機器側通信ポートを利用することで、通信の信頼性を向上させることができる。

実施例１のフィールド通信システムとしてのフィールド制御システムの構成を示すブロック図。 システムの接続状態を示す図であり、（ａ）は、フィールド機器の各ポートの制御側／待機側の割り当てが混在した状態を示す図、（ｂ）は、通信モジュール２Ａが故障した後の状態を示す図。 実施例２のフィールド通信システムとしてのフィールド制御システムの構成を示すブロック図。 実施例３のフィールド通信システムとしてのフィールド制御システムの構成を示すブロック図。 １ポートのフィールド機器に対応する構成例を示す図。 従来のフィールド制御システムの構成例を示すブロック図。

以下、本発明によるフィールド通信システムの実施形態について説明する。

図１は、実施例１のフィールド通信システムとしてのフィールド制御システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、フィールド制御システムは、フィールド機器１，１，・・・と、プラントに分散配置されるコントローラ２０，２０，・・・と、各コントローラ２０に対応して実装された通信モジュール２Ａおよび通信モジュール２Ｂと、コントローラ２０，２０，・・・を介してフィールド機器１，１，・・・に対する操作、監視を行うための操作監視装置３と、フィールド機器１，１，・・・に対するエンジニアリング作業を行うためのエンジニアリング端末装置４と、を備える。なお、図１に示すフィールド機器１，１，・・・は、センサ、バルブ等の種々の機能を有するフィールド機器群を示しており、同一機種の機器群を表現するものではない。

フィールド機器１，１，・・・は、それぞれPROFIBUS規格であるスレーブ冗長化仕様に対応したスレーブ機器であり、第１のポート１１および第２のポート１２を具備する。

通信モジュール２Ａおよび通信モジュール２Ｂは、１つのコントローラ２０に対して１組みのモジュールとして実装されることで、二重化構成をとり、一方が制御側モジュールとして、他方が待機側モジュールとして機能する。制御側モジュールに異常が発生した場合には、待機側と制御側とを切り替えることで、通信処理を継続することができる。

通信モジュール２Ａおよび通信モジュール２Ｂは、マスタ機器として動作する。冗長化機能を持つスレーブ機器としてのフィールド機器１の第１のポート１１および第２のポート１２のうちの一方が制御側、他方が待機側となり、それぞれのセグメント（後述する通信線５１，５２）で通信モジュール２Ａ，２Ｂとの間でマスタ−スレーブ通信を行う。

コントローラ２０は、通信モジュール２Ａ，２Ｂを介して、スレーブ機器であるフィールド機器１の２つのポートである第１のポート１１および第２のポート１２に同じデータを出力するが、実際に用いられるデータはフィールド機器１の制御側ポートへ出力されたデータ（出力データ）である。また、コントローラ２０は、フィールド機器１の制御側ポートから出力されたデータ（入力データ）を、２つの通信モジュール２Ａ，２Ｂのうちの制御側モジュールを介して取得する。

スレーブ機器であるフィールド機器１のポートの制御権の切り替え（制御側／待機側の切り替え）には、次の２つのパターンが存在する。
（１）コントローラ２０からフィールド機器１のコントロールレジスタにコマンドを書き込むことによる切り替え。
（２）フィールド機器１自身による自己診断異常を検出することによる切り替え。
スレーブ機器であるフィールド機器１の制御側ポートと接続されている通信モジュールが故障した場合には、そのセグメント上でのマスタ−スレーブ通信が不通となるため、通信モジュールの制御権が切り替わるとともに、スレーブ機器であるフィールド機器１は通信モジュールとの間の通信異常を検出して、もう一方のポートを制御側に切り替えて通信を継続する。

次に、本実施例における特徴的構成について説明する。

図１に示すように、本実施例のフィールド通信システムでは、通信モジュール２Ａおよび通信モジュール２Ｂのそれぞれに、第１のポート２１および第２のポート２２が設けられている。

また、通信モジュール２Ａの第１のポート２１、通信モジュール２Ｂの第１のポート２１およびフィールド機器１，１，・・・の第１のポート１１，１１，・・・に、第１の通信線５１が、通信モジュール２Ａの第２のポート２２、通信モジュール２Ｂの第２のポート２２およびフィールド機器１，１，・・・の第２のポート１２，１２，・・・に、第２の通信線５２が、それぞれ接続されている。

本実施例では、制御側の通信モジュールがフィールド機器１，１，・・・との間でデータ交換を行い、待機側の通信モジュールが制御側の通信モジュールの動作／停止を観察する。制御側の通信モジュールはフィールド機器１，１，・・・との通信状態を、待機側の通信モジュールは制御側の通信モジュールの状態を、それぞれコントローラ２０に通知しており、コントローラ２０はこれらの通知に基づいて総合的に判断し、通信モジュール２Ａ、２Ｂの制御権をどちらに与えるかの判定を行う。

制御権が与えられた通信モジュールはスレーブ機器であるフィールド機器、１，・・・との間でデータ交換を実施する。このとき、第１のポート２１および第２のポート２２はどちらもマスタとして同様の通信を行う。例えば、図１では、通信モジュール２Ａに制御権が与えられた状態を示しているが、通信モジュール２Ａの第１のポート２１および第２のポート２２は同様の通信を行う。

コントローラ２０は制御側の通信モジュールの第１のポート２１および第２のポート２２に同じデータを出力するが、有効になるのはフィールド機器１，１，・・・の制御側のポートへの出力データである。すなわち、図１に示す状態においては、コントローラ２０は通信モジュール２Ａを介して第１の通信線５１および第２の通信線５２に同一のデータを出力する。しかし、フィールド機器１，１，・・・の第１のポート１１への出力データのみが使用される。また、コントローラ２０は、フィールド機器１，１，・・・の第１のポート１１から通信モジュール２Ａを介して入力データを取得する。

待機側の通信モジュール、すなわち図１の状態において、通信モジュール２Ｂは第１のポート２１および第２のポート２２に接続された第１の通信線５１および第２の通信線５２から、制御側である通信モジュール２Ａのポート毎（第１のポート２１および第２のポート毎）の状態を観察する。制御側である通信モジュール２Ａは、スレーブ機器であるフィールド機器１，１，・・・との通信状態を、待機側である通信モジュール２Ｂは、制御側である通信モジュール２Ａの状態をそれぞれコントローラ２０に通知し、コントローラ２０はこれらの通知に基づいて総合的に判断し、制御権を与えるべき通信モジュールを決める。

図２（ａ）は、フィールド機器１，１，・・・の各ポートの制御側／待機側の割り当てが混在した状態を示している。図１の例では、フィールド機器１，１，・・・のすべての第１のポート１１が制御側に設定されている状態を示しているが、図２（ａ）に示すように、制御側のポートとして第１のポート１１および第２のポート１２が混在した状態も許容されるため、各フィールド機器１において制御権を与えるポートは任意に選択できる。図２（ａ）に示す状態においては、第２のポート１２が制御側に設定されたフィールド機器１については、第２の通信線５２を介して通信モジュール２Ａの第２のポート２２との間でデータのやりとりが行われる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の状態から通信モジュール２Ａが故障した後の状態を示している。この場合には、制御権が通信モジュール２Ｂに移行する。そして、第１のポート１１に制御権のあるフィールド機器１については、通信線５１を介して通信モジュール２Ａの第１のポート２１との間で通信が行われ、第２のポート１２に制御権のあるフィールド機器１については、通信線５２を介して通信モジュール２Ａの第２のポート２２との間で通信が行われる。

このように、本実施例では、通信モジュールを２ポート化して通信機能の二重化機能と組み合わせたPROFIBUS冗長化システムを構成しているので、スレーブ機器の片側のポートから見たときに通信モジュールが冗長化構成をとることになる。したがって、片側の通信モジュールが異常となった場合でも、もう一方の通信モジュールによって、冗長化スレーブ機器の両側のポートとの間の通信を継続することができる。

図３は、実施例２のフィールド通信システムとしてのフィールド制御システムの構成を示すブロック図である。図３において、図１と同一要素には同一符号を付している。

本実施例のフィールド通信システムでは、通信モジュールの個々のポートについて制御側／待機側の選択を可能としている。すなわち、図３において通信モジュール２Ａの第１のポート２１および第２のポート２２のそれぞれについて、制御側／待機側を独立して設定することができる。これにより、正常なポートを適宜、組み合わせることで、制御側、待機側の両ポートを獲得することが可能となる。

図３に示す状態では、通信モジュール２Ａの第１のポート２１および通信モジュール２Ｂの第２のポート２２に制御権が与えられ、通信モジュール２Ａの第２のポート２２は待機側に設定されている。この場合には、フィールド機器１，１，・・・の制御側のすべてのポートが、第１の通信線５１および第２の通信線を介して、通信モジュール２Ａの第１のポート２１および通信モジュール２Ｂの第２のポート２２のいずれかに接続される。このため、すべてのフィールド機器１，１，・・・について通信モジュールを介するコントローラ２０との間の通信が可能となる。

また、図３に示すように、例えば、通信モジュール２Ｂの第１のポート２１に故障が発生したような場合にも、対応することが可能となる。

このように、本実施例によれば、通信モジュール単位ではなく、ポート単位での制御側／待機側の設定を許容することにより、ポート単位での制御権の切り替えが可能となる。したがってさらなる冗長化構成の強化を図ることができる。

図４は、実施例３のフィールド通信システムとしてのフィールド制御システムの構成を示すブロック図である。図４において、図１と同一要素には同一符号を付している。

図４に示すように、本実施例のフィールド通信システムでは、通信モジュールの二重化は行われておらず、通信モジュール２Ａの一方のポートを制御側のポートとして、他方のポートを待機側ポートとして、それぞれ使用している。図４では、通信モジュール２Ａの第１のポート２１を制御側として、通信モジュール２Ａの第２のポートを待機側のポートとして、それぞれ使用する状態を示しており、通信モジュール２Ａの第１のポート２１およびフィールド機器１，１，・・・の第１のポート１１，１１，・・・が通信線５１により、通信モジュール２Ａの第２のポート２２およびフィールド機器１，１，・・・の第２のポート１２，１２，・・・が通信線５２により、それぞれ接続されている。

本実施例では、通信モジュールについての冗長化は行われていないが、スレーブ機器であるフィールド機器１，１，・・・についての冗長化構成を低コストで構築することができる。

図５は、本実施例のフィールド通信システムを利用して、１ポートのフィールド機器に対応する構成例を示している。

図５に示すように、スレーブ機器の冗長化に関係しない範囲においては、スレーブ冗長化に対応していない１ポートのフィールド機器１０，１０，・・・を、通信モジュール２Ａの第１のポート２１および第２のポート２２に振り分けることができる。この場合には、通信モジュール２Ａのポート毎に独立したPROFIBUS通信環境を構築できる。これにより、１つの通信モジュールで従来の２倍の数のフィールド機器を取り扱うことが可能となる。

また、図１に示す実施例１のフィールド通信システムにおける第１の通信線５１および第２の通信線５２に、フィールド機器１０，１０，・・・を振り分けるように接続することにより、通信モジュールの冗長化を図ることができる。

なお、通信モジュール内のリソースは、基本的にはポート毎にエンジニアリング可能な機器台数が決まっている。しかしユーザ要求によって２つのポート間でエンジニアリング可能な上限数に相違がある設定とすることにより、通信モジュールのリソースをポート毎にフレキシブルに割り当てることもできる。

以上説明したように、本発明のフィールド通信システムによれば、第１のスレーブ機器側通信ポートと第１のマスタ機器側通信ポートとの間を第１の通信線で接続し、第２のスレーブ機器側通信ポートと第２のマスタ機器側通信ポートとの間を第２の通信線で接続するので、通信モジュールに設けられた第１のマスタ機器側通信ポートおよび第２のマスタ機器側通信ポートを利用することで、通信の信頼性を向上させることができる。

また、通信モジュールを二重化することにより、スレーブ機器であるフィールド機器の片側のポートから見たときに通信モジュールが冗長化構成をとることになる。したがって、片側の通信モジュールが異常となった場合でも、もう一方の通信モジュールによって、冗長化スレーブ機器の両側のポートとの間の通信を継続することができる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、スレーブ機器としてのフィールド機器と、マスタ機器としての通信モジュールとの間で通信を実行するフィールド通信システムに対し、広く適用することができる。

１ フィールド機器（スレーブ機器）
２Ａ 通信モジュール（マスタ機器、第１の通信モジュール）
２Ｂ 通信モジュール（マスタ機器、第２の通信モジュール）
１１ 第１のポート（第１のスレーブ機器側通信ポート）
１２ 第２のポート（第２のスレーブ機器側通信ポート）
２１ 第１のポート（第１のマスタ機器側通信ポート）
２２ 第２のポート（第２のマスタ機器側通信ポート）
５１ 第１の通信線
５２ 第２の通信線

Claims (4)

1. スレーブ機器としてのフィールド機器と、マスタ機器としての通信モジュールとの間で通信を実行するフィールド通信システムにおいて、
   前記フィールド機器に設けられた第１のスレーブ機器側通信ポートおよび第２のスレーブ機器側通信ポートと、
   前記通信モジュールに設けられた第１のマスタ機器側通信ポートおよび第２のマスタ機器側通信ポートと、
   前記第１のスレーブ機器側通信ポートと前記第１のマスタ機器側通信ポートとの間を接続する第１の通信線と、
   前記第２のスレーブ機器側通信ポートと前記第２のマスタ機器側通信ポートとの間を接続する第２の通信線と、
   を備えることを特徴とするフィールド通信システム。
2. 前記通信モジュールとしての第１の通信モジュールおよび第２の通信モジュールを備え、
   前記第１の通信モジュールおよび前記第２の通信モジュールにより二重化構成がとられ、
   前記第１の通信モジュールの前記第１のマスタ機器側通信ポートおよび前記第２の通信モジュールの前記第１のマスタ機器側通信ポートはいずれも前記第１の通信線に接続され、
   前記第１の通信モジュールの前記第２のマスタ機器側通信ポートおよび前記第２の通信モジュールの前記第２のマスタ機器側通信ポートはいずれも前記第２の通信線に接続されることを特徴とする請求項１に記載のフィールド通信システム。
3. 前記第１の通信モジュールの前記第１のマスタ機器側通信ポート、前記第２のマスタ機器側通信ポート、前記第２の通信モジュールの前記第１のマスタ機器側通信ポートおよび前記第２のマスタ機器側通信ポートは、それぞれ、制御側／待機側のいずれかを選択可能とされていることを特徴とする請求項２に記載のフィールド通信システム。
4. 前記フィールド機器と前記通信モジュールとの間でPROFIBUS通信を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィールド通信システム。

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