【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石油プラントのような広い構内に散在するバルブアクチュエータや各種の計器等を集中制御する監視計測及び指令制御のための通信方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、石油プラント施設や原子力発電施設等において、監視センサや計測センサの出力信号や、
バルブアクチュエータを駆動するための指令信号等を取扱う計装用制御系（以下フィールドと略称する。）は、
被制御個所が広域に亘るため、集中監視制御システムの中央局と通信回線を用いて、監視計測及び制御を要する被制御個所とが連結されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の石油プラントのような広い構内に散在するバルブアクチュエータや各種計器を結んで、計測制御データの交換を行うために、計装制御系に特定のデータ交換用バス方式（以下フィールドバス方式と略称する。）が利用されている。 しかし、
現在のところ、そのフイールドバス方式として定式化されたものはなく、各メーカーは、独自の方式を提案している段階である。

【０００４】このフィールドバスを構成する技術は多種多様であるが、その中核をなすものは、データ通信技術である。 このデータ通信技術は、データ処理と関連して、大いに発展しており、様々の通信方式が、フィールドバスの候補となり得る。 しかしそれらは、フィールドバスとして一長一短であり、そのままでは、必ずしもフィールドバスの母胎とはなり得ない。

【０００５】ところで、フィールドにおける通信に関する従来の理解は、次のようである。

【０００６】（Ａ） フィールドにおける通信量は必ずしも多くはない。 したがって、速い伝送レートは必要ではない。

【０００７】（Ｂ） 通信の信頼性を重視すべきである。 したがって、通信技術としては比較的保守的な立場から構成されているのが一般的である。 すなわち、通信速度、通信手順などは、容易に適用できる技術を使い、
通信方法としては目新しいものがなかった。 いわば、従来の通信技術をフィールドに適用しており、フィールドという特殊な適用場所を考慮したものではなかったといえる。

【０００８】一方、フィールド通信方式の要求条件としては、次のものがある。 一つのマスタステーションと複数のノードから構成され、マスタステーションは、通信の主導権を有する管理者とする。 通信回線としては、マルチドロップ式のバス構成あるいはループ状構成とする。 マスタステーションでは、サイクリックに全ノードをスキャンし、そのステータスを吸い上げる。 その周期は、出来れば２００ms程度とする。 マスタステーションと各ノード間の通信だけでなく、必要があれば、各ノード間の通信も容易に行ないうるようにする。 フィールド機器は一般の情報機器と異なり、情報を扱う機器としては単純なものである。 したがって、その機器を容易に通信バスに接続することができ、大げさなインタフェースソフトを必要としないことが望ましい。

【０００９】以上を要約すると、フィールドバスとしては、単純性、経済性を重視しながら、通信速度を上げ、
ノード間の通信に関しても、一応十分な融通性を持つことが望ましい。 しかしこれらは、明らかに相反する条件といえる。 したがって従来は、この問題は十分解決されていなかった。

【００１０】本発明は、上述の課題に鑑み、従来のデータ通信技術を利用して、監視計測及び制御用のフィールドバスとして特定の通信方式を構成し、上記した要求条件を満足し、すぐれた経済性、融通性及び単純性を発揮させようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によると、監視計測及び制御を要する個所と対応する複数のノードを、バス形式の通信手段をもって連結し、その複数のノードのいずれかをマスタステーションとして、そのマスタステーションにより各ノードからのステータスデータを収集する過程と、マスタステーションが収集した各ノードに対応するステータスデータと、マスタステーションから各ノードへ送る制御のための指令データとを、所要のフォーマットに配列して、発信元となる原電子掲示データを作成する過程と、電子掲示データを各ノードに配布して、それと同一内容の電子掲示データを各ノードに持たせる過程とからなる通信方法により、上述の課題は解決される。

【００１２】

【作用】マスタステーション及びそれよりも上位のシステムからの指令データや各ノードを走査して得たステータスデータを基にして、マスタステーション自らの原電子掲示データ（ＭＤＢＢ）のコマンド領域に、各ノード向けの指令データを書き込んで更新し、その後、折り返し次の一斉同報送信で、各ノードにマスタステーションの原電子掲示データ（ＭＤＢＢ）の内容を送信配布して、各ノードに、同一内容の電子掲示データ（ＤＢＢ）
を持たせる。 これによって、各ノードは、通信系の他のノードの指令データやステータスデータを、ほぼ同時に知ることができる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明方法の実施要領の一例を示す、監視、計測及び指令制御システムの通信ネットワークの概略図で、(１)は、マスタステーション、(２)は、
監視計測及び制御を要する部所に対応して設けられてた通信用のノード、(３)は、各ノード(２)を環状に連結するループ状の通信回線である。 本発明の特徴は、フィールドバスとして要求されるいくつかの、しかも互いに相反する条件を満足する一つの通信方式を提供することにある。 本発明の理解を助けるには、すでに実用化されている、興味ある情報伝達手段の一つである、図５に示す電子式文書掲示板方式(以下ＢＢＳと略称する。)を参照するのがよい。

【００１４】もともとＢＢＳは、中央集中型の簡単かつ融通性のある情報伝達方式である。 図１に示す本発明に係るフィールドバス方式の通信システムと、図３のＢＢ
Ｓとを対比すると、まず従来のＢＢＳでは、複数のユーザ(01)が個々の通信回路(02)を通して、中央システム(0
3)の共通掲示板(04)にアクセスし、そこから情報を得たり、あるいはそこに自分の情報を書き込んだりする。 この方式の特徴は、簡単な手段で、ｎ対ｎのユーザ間通信ができることである。

【００１５】以上の仕組みを、本発明に係るフィールド通信システムの中にそのままの形で持ち込むことはできない。 何故ならば、フィールド通信システムでは、各ノード(２)(これは図５のユーザ(01)に相当する。)は、１
対の通信線(３)で、バス形式にループ状に接続されているからである。 フィールド通信システムにおける通信回線(３)は、通信機能を双方向に達成することができる回線が、１対をなしている。

【００１６】本発明方式では、この問題を解決するために、次のような構成をとっている。 マスタステーション
(１)及び各ノード(２)は、共通の情報を保持する分散型の文書掲示板（Distrbuted Bulletin Board）（以下これを電子掲示データとしＤＢＢと略称する。）(４)を持っている。 このＤＢＢ(４)は、図３では共通掲示板(Ｂ
ＢＳ)(04)に相当し、本発明に係る通信系の情報伝達手段として中心的な役割を果たす。

【００１７】各ノード(２)における全てのＤＢＢ(４)が同一になるように保持するのは、マスタステーション
(１)の役目である。 マスタステーション(１)は、一定の短い周期(例えば200msec)で自己のＤＢＢ(4a)を更新するとともに、その内容を、各ノード(２)に分散して存在するＤＢＢ(４)が同じになるように、一斉配布して更新する。 なお、マスタステーション(１)のＤＢＢ(4a)は、
マスタステーション(１)によって作られた元となる原電子掲示データであり、それをＭＤＢＢ(4a)とする。

【００１８】各ノード(２)におけるＤＢＢ(４)を記録する部分は、インテリジェント型（ＣＰＵ内蔵型）の制御部のメモリ領域、もしくは通信制御部のバッファーメモリ領域等である。

【００１９】ＤＢＢ(４)の内容は、図２に示す如く、大きく分けて、次の二つの情報領域を持つ。 すなわち、コマンド領域(５)とレスポンス領域(６)からなる。

【００２０】コマンド領域(５)は、各ノード(２)に対する制御命令、その他制御に必要な引数等、コマンドやパラメータとしてマスタステーション(１)もしくはそれ以上のシステムから各ノード(２)に送付される指令データの記録領域である。

【００２１】レスポンス領域(６)は、各ノード(２)側で発生する監視データや計測データ、及び制御命令に応答するフラグデータ等のステータスデータを、各ノード
(２)の状況を示すデータとしてマスタステーション(１)
に知らせるため、マスタステーションに応答するステータスデータ記録領域である。

【００２２】コマンド領域(５)及びレスポンス領域(６)
の中には、各ノード(２)に対応してぞれぞれ割り当てらてられた記録領域がある。 そのノード領域の先頭には、
各ノード(２)に対応するラベルまたはタグに相当するノード識別コード(７)が付けられており、各ノード(２)
は、自分のＤＢＢ(４)から自己宛てのコマンドを、間違いなく受け取ることができる。

【００２３】さらに、各ノード(２)おいては、他のノード宛てのコマンド領域(５)やレスポンス領域(６)の内容に対して容易にアクセスすることができる。 これにより、各ノード(２)間においては、マスタステーション
(１)の干渉を受けずに、独自のノード間交信が可能となっている。

【００２４】以上のことから、フィールドバス形式に通信回線(３)で接続されている複数のノード(２)は、分散型のＤＢＢ(４)を介して、あたかも従来のＢＢＳシステムと同じように連絡し合える。 この機能を達成するための手段をまとめると、次の通りである。 各ノード(２)に分散して配置されたＤＢＢ(４)。 全てのＤＢＢ(４)が同一になるように保持するマスタステーション(１)。

【００２５】本発明は、地域的に分散した多数のノード
(２)を通信系の通信回線(３)で結び、それらが相互に連絡を取りながら動作を遂行していく通信方法を提供するものである。

【００２６】すなわち、複数のＤＢＢ(４)の基をなすのは、マスタステーション(１)のＭＤＢＢ（原電子掲示データ）(4a)である。 マスタステーション(１)は、外部からの指令データやこの制御系の各ノード(２)をスキャンしたステータスデータを基にして、自分のＭＤＢＢ(4a)
を作成し、かつ更新する。 マスタステーション(１)は、
このＭＤＢＢ(4a)の内容を、一定周期でこの通信系に一斉同報通信する。 各ノード(２)は、これを受け取り、自己のＤＢＢ(４)とする。

【００２７】ＤＢＢ(４)は前述のように、二つの部分からなっている。 コマンド領域(５)には、マスタステーション(１)から各ノード(２)への指令あるいは伝達情報が書き込まれる。 このコマンド領域(５)は、各ノード(２)
対応の領域に分割されている。

【００２８】レスポンス領域(６)は、各ノード(２)を順次走査して得られる、各ノード(２)のステータスから構成されている。 したがってこの部分も、各ノード(２)対応に分けられている。 そのため、ＤＢＢ(４)を中心に、
マスタステーション(１)及び各ノード(２)は、次のように動作する。

【００２９】まずマスタステーション(１)は、次のように働く。 マスタステーション(１)もしくはそれよりも上位システムからの指令データや各ノード(２)を走査して得たステータスデータを基にして、自らのＤＢＢ(4a)のコマンド領域(５)に、各ノード(２)当てのコマンドを書き込み更新する。

【００３０】各ノード(２)を共通走査して得られたステータスデータを、そのままＤＢＢ(4a)のレスポンス領域
(６)とする。 次に、一定周期でＭＤＢＢ(4a)の内容を、
各ノード(２)に一斉同報送信する。 一斉同報送信に引き続いて、各ノード(２)を共通走査する。

【００３１】この際、マスタステーション(１)は、図３
に示すごとく、ＭＤＢＢ(4a)の中に２つのレスポンス領域(6a)(6b)を有し、ステータスデータの走査収集期間中に得たステータスデータを書込むレスポンス領域(6a)
と、一斉同報送信の期間中に読み出すレスポンス領域(6
b)を備えている。 これにより、ステータスデータの収集と同報送信の間を非同期にし、同報送信の際に生じたデータエラーに対処するため、同報送信の再送を可能としている。 そして、すべてのノード(２)に対して同報送信が終了すると、両レスポンス領域(6a)(6b)は、それの役割が入れ替り、次の同報送信が行われる。

【００３２】ノード(２)は、次のように働く。 ノード
(２)もＤＢＢ(４)を持ち、マスタステーション(１)による一斉同報送信時にその送信データを受け取り、それを、自分のＤＢＢ(４)に更新して蓄える。 ノード(２)
は、ＤＢＢ(４)のコマンド領域(５)の自分宛の指令データを読み取って、それに従う動作をする。

【００３３】また、各ノード(２)は、マスタステーション(１)からの１つの共通走査指令により、その時点のステータスデータを順次に送り出す。 このような動作は、
グローバルアドレスによるスキャンと呼ばれるもので、
ビット同期ループモードのプロトコルを用いて実施する。 マスタステーション(１)以外の各ノード(２)間で、
互いに連携動作（交信）をするときには、例えば、共通に持ち合せたＤＢＢ(４)のレスポンス領域(６)の相手ノード(２)のステータスデータを読み取り、それが予め約束された事項に相当する時、その約束事項に対応する動作をする。

【００３４】各ノード(２)は、通信の最小限の機能を維持するためには、マスタステーション(１)の役割を代行することもありうる。 すなわち、各ノード(２)は、全てに同一内容のＤＢＢ(４)を持ち合せており、いずれかのノード(２)が、自己のＤＢＢ(４)を原電子掲示データ(4
a)とみなしてマスターステーションを代行しても、通信システムの上で、何等支障を生じないからである。 この際マスターステーション(１)は、各ノード(２)と同様に動作するかもしくは透過モードで動作する。

【００３５】また、各ノード(２)間でいかなるやり方で連絡をし合うかは、アプリケーションによって決めることができる。 通信系は、情報の中身まで関知しない。 換言すれば、上述したようなアプリケーションに関連した各ノード(２)間の連絡方式とは全く独立に、通信系を制御することができる。 すなわち、各ノード(２)にＤＢＢ
(４)を配布するための通信制御の部分（ハードウエアの部分）と、各ノード(２)が共通に持ちあった同一内容のＤＢＢ(４)を、どのように利用するかを決めるアプリケーションの部分（ソフトウエアの部分）とは、別個に対処できる。 これにより、非常に柔軟性の高い通信システムが構築できる。

【００３６】以上の動作要領のうち、本発明方法の主要部をなしているのは、マスタステーション(１)が共通走査して得た各ノード(２)のステータスデータを、折り返し次の一斉同報送信で、各ノード(２)に送信配布し、各ノード(２)に同一内容のＤＢＢ(４)を持たせることである。 この動作によって、各ノード(２)は、通信系の他のノード(２)の指令データやステータスデータを知ることができる。

【００３７】以上の如く、本発明によると、分散した各ノード(２)が、バス形式(個別通信回線を使わない）で接続している場合に、共通の文書掲示板（ＢＢＳ）方式と同様に電子掲示データ（ＤＢＢ）に容易にアクセスする手段が提供される。 従って、従来のＢＢＳ(電子式文書掲示板システム)の簡便さ、融通性、低コストをほとんどそのまま引き継いでいる。

【００３８】また、任意のノード(２)間で容易に情報の交換ができる。 この場合、通信に際して、一般のＬＡＮ
のような面倒なバスの占有手続き（プロトコル）を必要としない。 これは、システムの融通性と低コストを両立させるものである。

【００３９】さらに、ｎ対ｎのノード(２)の情報交換のやり方がきわめて単純である。 すなわち、ＤＢＢ(４)の自分の領域にデータを書き込むことと、他のノード(２)
の領域からデータを読み込むことにより、容易に情報交換が出来る。 あたかもＤＢＢ(４)が、ノード(２)のインタフェースポートの役目を果しており、通信を意識しないで、他のノード(２)と連絡をとることができる。 従って、一般のＬＡＮのように、通信の開始に先立って、メッセージのやりとりを必要としない。

【００４０】この状況は、あたかもマイコンが、外部の入出力装置を制御することと類似している。 それは、マイコンが外部の入出力装置に割り当てられたインタフェースポート（ラベルもしくはタグを付けたノード割り当て領域に対応）をリードしたりライトしたりして、多種多様な外部装置を同じやり方で制御しているからである。 従って、バルブアクチュエータやその他の計装用の比較的単純なフィールド機器多数を、バス方式につなぐときには、本発明方法は特に有効であり、かつその単純さにも拘らず、ｎ対ｎの通信の融通性を失うことはない。

【００４１】このフィールドバスによる複数ノードの制御には、各ノード(２)を順序不同で適宜グループ分けし、そのグループ毎に独立した制御系を設定して、制御系を多重化した形で利用できる。 図４は、各ノード(２)
をグループ分けして多重化した状況の概念図である。 各ノード(２)は、逐次最新のデータに内容が更新されて、
互いに共通に持ちあうＤＢＢ(４)により、相互に関連付けされている。

【００４２】ＢＢＤ(４)には、各ノード(２)に対応させた、ノード識別コード(７)を設けることができ、このノード識別コード(７)には、グループコード(7a)〜(7f)を付加することができる。 そして、このグループコード(7
a)〜(7f)に基づいて、各ノード(２)を各グループのノード(2a)〜(2f)として各グループ(a)〜(f)にグループ分けすることができる。

【００４３】しかして、各グループ(a)〜(f)においては、相互のステータスデータを参照しながら、互いの制御を同調や同期させたり、互いに監視し合ったりして、
マスターステーション(１)とは、別個の制御系を構築することが可能となる。 このように、複数の制御系に係る複数のノード(２)を、このバスに共通に接続しても、なんら複雑さが発生しない。

【００４４】その理由は、ＤＢＢ(４)が、各ノード(２)
毎に独立したインタフェースポート（コマンド領域(５)
とレスポンス領域(６)）を提供しているからである。 従来のソフトウェアだけによる多重化では、ソフト的な変更をその都度しなければ対応が得られない。 それに対し本発明の通信系では、本来多重化機構をその内部に包含しているのである。

【００４５】以上は、本発明による直接的な効果であるが、又別の利点として、周辺技術との技術的バランスがよいことがあげられる。 次に、これについて述べる。 本発明を実施するにあたり、通信回線(３)として、光ケーブルを利用するのが最適である。 本発明方法の実施に好適な３MHz/Km程度の特性を持つ光ケーブルの入手は容易である。

【００４６】この光ケーブルを使用すれば、高速のフィールドバス通信を、耐ノイズ性高く遂行できる。 しかし、光ケーブルを採用している現状システムの多くは、
銅線対ケーブルで使用される伝送レート、例えば１９．
２kbps程度を使用している。 その理由は、フィールドにおける情報量がそれほど多くなく、またなるべく信頼性を重視したいためである。

【００４７】本発明を適用したシステムでは、光ケーブルの高速性を生かして、１Mbps程度の転送レートを採用し、その高速性を、システムの融通性に還元している。
例えば、マスタステーション(１)が各ＤＢＢ(４)を同時に同一になるように保持するには、一般には、多少リダンダントと思われる通信をしなければならないが、この問題を、高速通信によってカバーしているのである。

【００４８】また、比較的短周期(例えば200msec)で各ＤＢＢ(４)を同一になるように保持するには、効率良い一斉同報通信や共通走査の高速動作が望まれる。 ＨＤＬ
Ｃループモードのプロトコルで動作する通信用ＬＳＩ
は、上記機能を充分満足に果たし、本発明の方法をより効果的に実施するのに寄与する。

【００４９】

【発明の効果】本発明は、以下のような効果を奏することができる。 (a) 分散した各ノードがバス形式で接続しうる場合に、
従来のＢＢＳの簡便さ、融通性、低コストをほとんどそのまま引き継いだ通信が容易に行える。 (b) 任意のノード間で容易に情報の交換ができる。 (c) 従来のバス形式の通信システムの１つであるＬＡＮ
方式のような面倒な、バスの占有手続きを必要としない。 そのため、システムの融通性と低コストが両立する。 (d) ｎ対ｎのノード間の情報交換のやり方がきわめて単純である。 したがって、単純なフィールド機器を多数のバスにつなぐときには特に有効であり、しかもｎ対ｎの通信の融通性を失わない。 (f) 独立した複数の制御系が、１つのフィールドバスに混在する多重した形で利用できる。 (g) 通信回線に光ケーブルを利用し、その光ケーブルに、現状で入手可能な３MHz/Km程度の特性を持つものを使用すれば、高速のフィールド通信を耐ノイズ性高く遂行できる（請求項２）。 (h) 既存の高機能通信用ＬＳＩを容易に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施要領の一例を示す、監視、計測及び指令制御システムの通信ネットワークの概略図である。

【図２】各ノードがそれぞれに同じものを持ちあう電子データの共通フォーマット図である。

【図３】マスタステーションにおける電子掲示データ（ＭＤＢＢ）の具体例を示すブロック図である。

【図４】各ノードをグループ分けして多重化した状況の概念図である。

【図５】従来の文書掲示板方式に適用されるスター型ネットワークの概略図である。

【符号の説明】

(１)マスタステーション (２)ノード (３)通信回線 (４)ＤＢＢ
（電子掲示データ） (4a)ＭＤＢＢ（電子掲示データ） (５)コマンド領域 (６)(6a)(6b)レスポンス領域 (７)ノード識別コード (7a)〜(7f)グループコード

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