Automatic bus sensing with portable diagnostic communication device

本発明は、処理制御および測定に関する。 本発明は、特に、処理制御測定システムに関連して利用する携帯式の診断通信装置に関する。

携帯式通信器具は、周知の装置である。 例えば、その一例として２７５形式のハイウェイアドレス可能遠隔変換器（ＨＡＲＴ）があげられる。 ＨＡＲＴ通信器は、ＨＡＲＴ互換性をもつマイクロプロセッサで駆動される装置の全部に共通通信リンクが可能な携帯式装置である。 ＨＡＲＴ通信器は、ＨＡＲＴ互換性装置とインタフェース可能であり、高周波デジタル信号を４〜２０ｍＡの標準通信器電流ループに重畳するベル２０２式周波数シフトキー（ＦＳＫ）技術を使った通信を行えるものである。 ＨＡＲＴ通信器には、処理装置の保守を簡単にする多様な周知の診断および通信の機能が備わっている。 例えば、ＨＡＲＴ通信器により、履歴形態やアズファウンド／アズレフトデータにアクセスして規定書類化準備操作を効率よく処理できる。 ＨＡＲＴ２７５形式通信器は、処理制御装置類の保守に対する貴重な存在と見なされてはいるが、一方では限界を有する。 特に、２７５形式は、ＨＡＲＴ互換性のある処理装置にのみ関連した利用が可能である。 近年、その他の処理業界プロトコルに適応したツールが導入されているが、今のところ、異なる物理層仕様をもつ処理業界プロトコルに対して適用できる有効な携帯式装置を提供できるものはいない。

異なる物理層仕様による通信を行う処理装置を利用する処理制御施設では、保守作業員が、異なるプロトコルの装置のそれぞれに相互動作できるよう、プロトコル指定の携帯式装置を持ち運ばなければならない。 そのような状況は非常に不便であるため、単独の処理業界プロトコルに標準化するか、あるいは、一度に複数の処理業界プロトコル装置を利用するかの解決策が必要である。

そのような異なる物理層仕様をもつ異なる処理通信ループ上で動作可能な携帯式装置は、処理装置保守を簡略化でき、複数の携帯式の診断および通信装置を持ち運ぶことなく、作業者による異なる装置へのアクセスを可能にする。 その装置を製造するための重要な技術的ハードルの１つが、前記の異なる物理層仕様そのものである。 例えば、１つの物理層仕様だけ通信可能な装置は、異なる仕様を要する処理制御ループで使用すると障害を起こす恐れがある。 それゆえ、前記の技術的ハードルを克服し、異なる物理層仕様における利用が可能な装置のみが、複数の処理制御装置の保守を簡単の行えるのである。

本発明は、携帯式の診断・通信装置を提供する。 本装置では、処理制御ループ上のメッサージ送信を基本的に妨害することなく接続できる形式のループを判断するとともに、処理制御ループへの接続を自動的に検知することができる。 接続可能な形式のループを決定した後、本装置は、そのループに適応した通信や診断を実行する。

図１は、本発明の実施形態が有効利用できるシステムの例を示す。 そのシステム１０は、コントローラ１２、Ｉ／Ｏ・制御サブシステム１４、固有安全（ＩＳ）バリヤ１６、処理通信ループ１８、現場装置２０から成る。 コントローラ１２は、イーサネット（登録商標）信号プロトコルまたはその他の適当なプロトコルで動作するローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）などの適当なリンクで構わないリンク２１経由で、Ｉ／Ｏ・制御サブシステム１４に接続されている。 Ｉ／Ｏ・制御サブシステム１４は固有安全バリヤ１６に接続され、固有安全バリヤ１６は処理通信ループ１８に接続されており、エネルギ通過量を制限するように処理通信ループ１８とＩ／Ｏ・制御サブシステム１４とのあいだのデータ通信を可能にしている。

本実施形態では、処理通信ループつまり処理制御ループ１８が、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ（登録商標）フィールドバス対応の処理通信ループであり、複数の現場装置２０が、マルチドロップ形式で処理通信ループ１８に接続されている。 別の例として、処理通信ループ（処理制御ループ）は、ＨＡＲＴ（登録商標）処理通信ループ（図示しない）でも構わない。 ＨＡＲＴプロトコルは、ベル２０２通信規格に基づいた周波数シフトキー（ＦＳＫ）基準を使って動作する。 ここで、デジタル信号が、それぞれ１と０のビットを示す１２００Ｈｚと２２００Ｈｚの２つの周波数で構成される。 ＨＡＲＴ装置は、マルチドロップ形式と同様に、いわゆるポイント／ポイント形式でも動作可能である。 図１に示すマルチドロップ配線形式は、星形トポロジなどのその他のトポロジに比べて、大変単純なシステム配線形式である。 ＨＡＲＴマルチドロップ形式では、最大で１５台の装置を接続できるが、マルチドロップ式フィールドバス形式なら最大で３２台の装置が接続できる。

前記のループ１８には、図１に示すように携帯式の通信・診断装置２２が接続されている。 図示のように処理制御ループに接続されている場合、装置２２は、親出願（０９／８５５，１７９）で説明されている複数の診断・通信機能を実行することができる。 加えて、装置２２は、ＨＡＲＴ処理制御ループ（図示しない）にも接続可能であって、現在入手可能なＨＡＲＴ２７５形式の通信器と同じように相互動作できる。 ＨＡＲＴやＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスの物理層（ＰＨＹ）伝送動作で異なる命令や、固有の安全性の要求に応じられるよう、装置２２には、ＨＡＲＴおよびフィールドバス接続用とに別々のネットワーク接続が供与されている。

図２は、本発明の実施形態に関わる装置２２の一部を示すブロック図である。 装置２２は、３つのネットワーク接続端子、２つの正極端子（２４Ａ、２４Ｃ）、および１つの共通端子（２４Ｂ）を備える。 正極端子２４Ａと共通端子２４Ｂは、装置２２をＨＡＲＴネットワークに接続するのに利用する。 もう一方の正極端子２４Ｃと共通端子２４Ｂは、装置２２をＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスネットワークに接続するのに利用する。 ２つの別々のネットワーク接続は、固有の安全性要求への対処が容易に行えるようにするために使用され、同時にＨＡＲＴプロトコルやフィールドバスプロトコルの異なる物理層の伝送動作を行えるようにする。 固有の安全性要求の対処とは、１９９８年１０月号の「工場共通研究」の「分類番号３６１０、第１部の（分類）危険場所、クラスＩ、ＩＩ、ＩＩＩで使用の適応標準固有安全装置および関連装置」の記事に記載の基準の一部またはそれ以上の部分に合致することを意味する。

前記のＨＡＲＴ処理制御ループ接続での動作において、装置２２は直流（ＤＣ）を吸い込ん（sink）だり、供給（source）したりするのをを防止しなけらばならない。 その要求を満足するため、ＨＡＲＴ物理層回路（以下、ＨＡＲＴＭＡＵと呼ぶ）２６は、現状にて入手可能なＨＡＲＴ２７５形式装置と同じ方法で、処理制御ループ１８へ電圧信号を供給（impose）できるように設計されている。

前記のＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスの固有安全要求を満足するため、装置２２は、処理制御ループ１８へのエネルギ注入を防止しなければならない。 その要求を満足するため、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバス物理層回路（以下、フィールドバスＭＡＵと呼ぶ）２８は、（例えば、シャント電流調整器を使った）約２０ｍＡのＤＣ電流を吸い込み、メッセージ伝送中に、その電流をおよそ±８ｍＡで変調する。 前記の２つのプロトコルの通信方法が互いに基本的に異なる（衝突する）ため、装置２２の回路は、ＨＡＲＴ処理制御ループには電流の吸い込みが生じず、かつ、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスのネットワークにはエネルギ注入（電圧印加）が行われないようにしなければならない。

前記の装置２２には、異なる処理制御ループのためのそれぞれ別々の接続回路と媒体（media）アクセス回路（２６、２８）とが備わっているため、（ＨＡＲＴＭＡＵ２６をＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスネットワークへ接続、または、その逆の接続などの）ユーザが、装置２２を反対のネットワークへ接続する恐れがある。 そのようなユーザの誤接続に対処するため、装置２２では、接続開始時には（ＭＡＵの）媒体アクセスユニットを受動状態に維持して、ネットワーク媒体を変調しない。

また、前記の装置２２内の測定回路は、ＨＡＲＴＭＡＵ２６用の１個と、フィールドバスＭＡＵ２８用の３個の、総計で４つの測定信号調整回路で構成されている。 さらに、ＨＡＲＴ測定回路３０とフィールドバス測定回路３２とは、ネットワークからの小振幅で短期間の電流を吸い込むことができる回路を形成している。 本実施形態において、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバス測定信号調整回路３２は、ＤＣ電圧値、通信信号の振幅値、ネットワークやループのノイズ量を計測するための、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスネットワーク端子（２４Ｂ、２４Ｃ）の電圧信号を調整できる３つの測定調整回路（統合してフィールドバス測定回路３２）で構成されている。 また、ＨＡＲＴ測定回路３０は、ネットワーク上のＤＣ電圧値を測定する回路からなる。 それら４つの信号調整回路は、全部が制御論理ブロック３４に接続している。 制御論理ブロック３４は、アナログ／デジタル変換器３６に接続されたマルチプレクサを含んでいる。 制御論理ブロック３４は、マイクロプロセッサ３８から１６ビットパラレルバス４０経由でアクセス可能である。

前記の装置２２に電源を投入すると、マイクロプロセッサ３８からの指示により、アナログ／デジタル変換器３６がＨＡＲＴおよびフィールドバスネットワーク接続端子の両方のＤＣ電圧のモニターを交互に行う。 その状態のとき、装置２２によるネットワーク（以下、処理制御ループという）への妨害（電流の吸い込み／供給、電圧の印加など）はない。 ネットワークへ接続されてない場合は、両ループ接続端子での測定電圧値はほぼゼロである。 片方のＭＡＵ端子がループに接続されると（端子２４Ａと２４Ｂまたは端子２４Ｃと２４Ｂを介して）、そのＭＡＵ端子でＤＣ電圧が測定され、他方のＭＡＵ端子では測定されない。 ＨＡＲＴ処理制御ループ接続ではおよそ１２〜５０ボルトのＤＣ電圧が測定され、他方、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスループ接続ではおよそ９〜３２ボルトのＤＣ電圧が計測される。 ループ接続端子の機械的設計に関しては、ＨＡＲＴおよびＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバス媒体アクセスユニット（ＭＡＵ）２６、２８の両方を処理ループへ同時に接続することができないよう選定設計するのが好ましい。 そのような機械的設計により、片方の媒体アクセスユニットでＤＣ電圧が測定されても、他方のユニットではＤＣ電圧が測定されない確実な構成になる。

ＤＣ電圧が測定された場合、ループ接続線が正確に接続されているかどうか確認するため、そのＤＣ電圧の極性を検知する。 特に、共通端子２４Ｂと、両接続端子２４Ａおよび２４Ｃの一方とのあいだで計測されたＤＣ電圧がマイナスの極性である場合には、処理ループ接続線が逆であることを意味する。 それから、図の４１で示すＣＯＭ−１端子を経由して、マイクロプロセッサ３８からホストプロセッサ（図示せず）へメッセージが送られ、ホストプロセッサはそのメッセージを表示して、ループ接続を逆に接続するようユーザに通知する。

上記したように、ＨＡＲＴおよびフィールドバス処理通信ループの両方で使用されるＤＣ動作電圧のあいだにはオーバラップが存在する。 それゆえ、装置２２が接続されたループのタイプを高信頼で表示するのに、ＤＣ電圧だけを使用することはできない。 そこでループのタイプを判断するため、実際には、処理制御ループの（相当のＤＣ電圧値と正確な接続極性をもつ）ＤＣインピーダンスを装置２２により計測する。 装置２２では、５ミリ秒程度のごく短期間で１ｍＡの電流を吸い込むことによりネットワークのＤＣインピーダンスを測定できる。 その妨害信号により、処理制御ループにそのＤＣインピーダンスに比例する電圧パルスが発生する。 ＨＡＲＴおよびフィールドバス処理通信ループのあいだには、明確なインピーダンス範囲が存在する。 その妨害信号に応じて装置２２で観測される信号には、処理制御ループ上にあるＨＡＲＴかＦＯＵＤＮＡＴＩＯＮフィールドバス通信信号のいずれかが含まれている。 その通信信号を適当なローパスフィルタを使ってフィルタ処理すると、装置２２で短期間パルスが観測できるのである。

アナログ／デジタル変換器３６では、該妨害信号の振幅を測定する。 つまり、アナログ／デジタル変換器３６により、妨害信号の電圧振幅を測定するのである。 その電圧測定値から、ネットワークのインピーダンスを計算することができる。 ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスネットワークの場合、インピーダンス算出値がおよそ５０オームであり、ＨＡＲＴネットワークにおけるインピダンス算出値は、ほぼ１２５オームを越える。 検出された処理ループのタイプが装置２２に接続された媒体アクセスユニット（ＭＡＵ）と異なる場合には、ＣＯＭ−１端子４１経由でマイクロプロセッサ３８からホストプロセッサへエラーメッセージが送られて、ネットワーク接続を正しい媒体アクセスユニットへ変更するようユーザに伝達する。 ただし、検出されたネットワークつまり処理制御ループのタイプが装置２２の媒体アクセスユニットと同じである場合には、通常の通信動作を継続する。

本実施形態においては、装置２２が通信のため処理制御ループに接続されているあいだも、該装置２２は必要に応じて複数の診断測定を行うことができる。 例えば、マイプロプロセッサ３８により、ＤＣループ電圧を定期的に計測して、それが正確で一定に維持されているかを確認することができる。 ＤＣループ電圧に変動がある場合には、処理ループに不具合が発生、あるいは、不具合状態の発生が差し迫っていると判断する。

前記のフィールドバス測定回路３２に、追加の動作ネットワークや処理制御ループの測定診断を行わせるのが好ましい。 通信信号のＡＣ測定回路にはフィルタを設けて、フィールドバス処理制御ループ上のメッセージ信号の振幅を測定可能にするのがよい。 ノイズ測定回路でもＡＣ電圧を測定できるが、ローパスフィルタを備えれば、６０〜１２０Ｈｚのノイズの振幅値を計測できる。

上記の複数の実施形態で説明したように、装置２２は従来の携帯式装置に比べていくつかの重要な長所をもっている。 特に、装置２２では、１対のループ接続端子へのループ接続を自動的に検知できる。 さらに、装置２２は、ループ接続の不適当な状態を自動的に検知して、ユーザに極性を逆転するよう警告できる。 さらにまた、装置２２では、接続された処理制御ループのタイプを自動的に検知して、それに対応した通信を行うことができる。

装置２２は、またそれに接続された処理ループのいくつかの診断も行える。 特に、装置２２では、ＤＣネットワーク電圧値、（ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスメッセージ信号の）信号振幅値、低周波ノイズの振幅値が測定可能である。 さらに、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスの診断に関連して、装置２２では、フィールドバス信号強度の振幅を測定して、それをネットワークに接続された所定の装置から切り離せる。 それゆえ、ユーザは、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドネットワークまたはループに接続された装置の健全性を診断でき、あるいはネットワークの端末に問題があるかどうかを判断できる。 さらにまた、装置２２により、前記親出願で説明した複数のＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバス診断も好適に実行することが可能である。 装置２２は、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバスネットワーク上に設けられた複数の端末に関する情報も表示できる。

図２に示す実施形態では、不揮発性メモリ４２や揮発性メモリ４４などのメモリが、装置２２に装備されている。 装置２２内のメモリは、全部の再試行問い合わせの記録と共に、検知されたメッセージ信号エラーの全記録を保存するのにも利用できる。 それらエラーは、処理制御ループ上の特定の処理装置や受信機ノード点と関連付けられることもできる。 そこで、全期間にわたり情報を収集して、接続されたノード点の状態と共に、前記ループの健全性の表示も効果的に行える。 別の実施形態として、不揮発性メモリ４２をフラッシュメモリにし、より高度な診断機能を簡略化するプログラム指示を格納することも可能である。 そのような高度な診断機能には、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮフィールドバス部分で動作するループの制御状態をモニターする機能、および／または、ネットワーク上のその他の装置の問題解決を支援するため、制御ループ内に特定機能ブロック部をシミュレートする機能が含まれる。

本発明は好ましい実施形態に基づいて説明したが、それらに限定されるものではなく、本発明の精神や範囲から逸脱することなく様々な変更が可能なのは当業者にとっては明白であろう。 例えば、本発明の上記の実施形態では、ＨＡＲＴ測定回路でＤＣループ電圧を測定しているが、その回路を使って、通信信号の振幅やノイズを測定できるように設定することも可能である。

本発明の実施形態が特に有効なプロセス測定・制御システムの概略図である。

本発明の実施形態による携帯式通信・診断装置の一部分のシステムブロック図である。

符号の説明

１０……システム １２……コントローラ １４……Ｉ／Ｏ・制御サブシステム １６……固有安全（ＩＳ）バリヤ １８……処理通信ループ ２０……現場装置 ２１……リンク ２２……装置