(57)【要約】【課題】  フィールド機器の内の制御機器に接続された少なくとも１つに無線通信と有線通信とのデータ変換を行う通信中継手段をもけることにより、人手を介することなくリアルタイムに観測用や保守用などのデータの収集を行えると共に制御機器はそのままで観測用／保守用装置と連携させることができるフィールド機器制御システム提供する。【解決手段】  フィールドに設置されたフィールド機器と、このフィールド機器を制御する制御機器とを有するフィールド機器制御システムにおいて、前記フィールド機器は、フィールド機器間でデータの送受信を行う無線通信手段を有し、前記フィールド機器の内の前記制御機器に接続された少なくとも１つは、異なるプロトコル間でデータ変換を行う通信中継手段を有することを特徴とするフィールド機器制御システム。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィールドに設置されたフィールド機器と、このフィールド機器を制御する制御機器とを有するフィールド機器制御システムにおいて、
前記フィールド機器は、フィールド機器間でデータの送受信を行う無線通信手段を有し、
前記フィールド機器の内の前記制御機器に接続された少なくとも１つは、異なるプロトコル間でデータ変換を行う通信中継手段を有することを特徴とするフィールド機器制御システム。
【請求項２】
前記フィールド機器の少なくとも１つは、指定されたノードに最適な経路でデータを伝えるルータ機能を有することを特徴とする請求項１に記載のフィールド機器制御システム。
【請求項３】
前記通信中継手段は、メッシュトポロジー、クラスタトポロジー、ツリートポロジーおよびスタートポロジーの少なくとも１つのネットワークを構築する機能を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフィールド機器制御システム。
【請求項４】
前記フィールド機器は、前記制御機器が認識するための識別子を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のフィールド機器制御システム。
【請求項５】
前記フィールド機器は、携帯端末と有線または無線で通信を行う通信手段を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のフィールド機器制御システム。
【請求項６】
前記無線通信手段は、既設のフィールド機器に無線ノードを接続することにより構成することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のフィールド機器制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ＩＡ（インダストリアルオートメーション），ＦＡ（ファクトリーオートメーション）などにおける建物、工場施設、自然環境の物理情報を取り込むためのフィールド機器制御システムに関し、特に無線ネットワークを用いたフィールド機器制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プロセス制御などに用いられるフィールド機器制御システムでは、制御点，制御用計測点などの主要な箇所は事前に制御用センサ装置や制御装置を設置し、目的とする制御が正確に行われるようなシステム設計がなされている。
このようなプロセス制御では、システム保守の目的で、システム内の機器が劣化していないか、機器動作に変調が発生または変調の予兆がないか、を検出するために観測用／保守用装置がシステムの要所要所に設置される。
【０００３】
これら観測用／保守用装置の計測データは、人が定期的に現場を巡回点検し機器の動作履歴などの保守/診断のためのデータ収集を行っている。
つまり、従来は制御機器と制御用センサはＯＰＳとオンライン接続されており制御システムと連動しているが、観測用／保守用機器からのデータ収集は人手に頼っているオフライン作業である。
【０００４】
図４は、従来のフィールド機器制御システムの一例を示す構成図である。
図４において、操作監視ステーション（以下、ＯＰＳという。）１は、操作部，表示部，制御プログラム，データベース（いずれも図示せず）などを有する。ＯＰＳ１は、プラントの運転状況をモニタしたり、設定を変更したりする。
【０００５】
フィールドコントロールステーション（以下、ＦＣＳという。）２は、制御バス６を介してＯＰＳ１と接続され、フィールドバス７を介してバルブなどの制御装置４３や流量計などの制御用センサ装置４４に接続される。例えばプロセス制御では、ＦＣＳ２が、ＯＰＳ１からダウンロードした制御プログラムやデータベースに基づき、流量計からの信号を検出し、バルブの開度を制御する。
【０００６】
観測用／保守用装置４５ａから４５ｅは、温度センサや圧力センサや振動センサなどの検出部と検出結果に対して演算などの処理をする制御手段とその結果を表示する表示部などを有し、タンクやパイプ９ａ，９ｂなどの温度、圧力、振動などを計測し、装置内のメモリにデータを蓄積する。
これら観測用／保守用装置のデータは、作業者が定期的に現場を巡回点検の際に、人手によって読み取られ記録される。
【０００７】
その他に、ＦＣＳにハンディーターミナルとの間で有線または無線による通信を行う通信手段を設けて、作業者がＦＣＳの設置場所まで巡回し、無線固定局として働くＦＣＳを介してハンディーターミナルで観測用センサからデータを収集するものもある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
一方で、無線通信を用いたフィールド機器制御システムもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１７５９０２号公報
【特許文献２】特表平１０−５０８１２９号公報。
【００１０】
図５は、従来のフィールド機器制御システムにおける他の一例を示した構成図である。
図５において、ＯＰＳ、ＦＣＳ、バルブなどの制御装置、流量計などの制御用センサ装置によるプロセス制御は、前出の図と同様であるので説明は省略する。
【００１１】
制御装置５３、制御用センサ装置５４、観測用／保守用装置５５ａから５５ｊは、無線通信手段を有し、破線矢印で示すように各センサは自身の計測データを中継局５６ａから５６ｃに送信し、中継局から有線で繋がれた管理ステーション５７へ転送する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このような従来のフィールド機器制御システムでは、人手で収集した保守目的のデータはプロセス制御系とオンライン接続していないため、データ収集後にシステムに取り込む作業が必要となる。
【００１３】
オンラインでないことで、機器の急激な状態変化をリアルタイムに検知できず、機器の変調や不具合への対応が後手になる場合がある。
また、人手で作業するため、フィールドの観測点の数を制限なく多くできない。つまり、作業者の人数、点検頻度から観測点の限界が決まる。観測点に限界があることは、観測したいが観測できない箇所が存在することになる。そのため、保守/診断の精度が低下する。
さらに、所定期間、所定の頻度、所定の地理的範囲について、観測データを収集しなければならないようなプラント設備などの経年変化の監視も困難である。
【００１４】
このような問題に対応するためには、観測用センサのデータをもオンラインで収集すればよいが、多くのセンサとＦＣＳなどを有線で接続すると、通信距離や配線の設置スペースなどへの制約がある。
また、無線通信を用いてＯＰＳから各フィールド機器のデータを取得する場合、広域プラントでは、強力な電波が必要となり、高精度なセンサなどの電子回路への電波障害や、少ないエネルギーで電波を発することを必要とされる防爆への対応が困難となるなどの問題がある。
【００１５】
これに対して、複数のフィールド機器が各機器のデータを中継局を介して中央管理エリアまで送信するものでは、弱い電波によりデータの送信を実現できるが、無線で収集したデータはプロセス制御システムとは別系統のシステムであり、ＯＰＣやＦＣＳからなるプロセス制御システムに対して収集したデータを連携させるために、ＯＰＣやＦＣＳに新たな機能が必要となる。あるいは、その上位に新たな統合システムが必要となる。
また、管理ステーションに接続するために、フィールドに偏在している機器からのデータを中継するためのノード設置が必要となるという問題があった。
【００１６】
本発明は、このようなフィールド機器制御システムが有していた問題を解決しようとするものであり、フィールド機器の内の制御機器に接続された少なくとも１つに異なるプロトコル間でデータ変換を行う通信中継手段を設けることにより、人手を介することなくリアルタイムに観測用や保守用などのデータの収集を行えると共に制御機器はそのままで観測用／保守用装置と連携させることができるフィールド機器制御システム提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は次の通りの構成になったフィールド機器制御システムである。
【００１８】
（１）フィールドに設置されたフィールド機器と、このフィールド機器を制御する制御機器とを有するフィールド機器制御システムにおいて、
前記フィールド機器は、フィールド機器間でデータの送受信を行う無線通信手段を有し、
前記フィールド機器の内の前記制御機器に接続された少なくとも１つは、異なるプロトコル間でデータ変換を行う通信中継手段を有することを特徴とするフィールド機器制御システム。
【００１９】
（２）前記フィールド機器の少なくとも１つは、指定されたノードに最適な経路でデータを伝えるルータ機能を有することを特徴とする（１）に記載のフィールド機器制御システム。
【００２０】
（３）前記通信中継手段は、メッシュトポロジー、クラスタトポロジー、ツリートポロジーおよびスタートポロジーの少なくとも１つのネットワークを構築する機能を有することを特徴とする（１）または（２）に記載のフィールド機器制御システム。
【００２１】
（４）前記フィールド機器は、前記制御機器が認識するための識別子を有することを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載のフィールド機器制御システム。
【００２２】
（５）前記フィールド機器は、携帯端末と有線または無線で通信を行う通信手段を有することを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載のフィールド機器制御システム。
【００２３】
（６）前記無線通信手段は、既設のフィールド機器に無線ノードを接続することにより構成することを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載のフィールド機器制御システム。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、以下のような効果がある。
【００２５】
請求項１から請求項４に記載の発明によれば、観測用／保守用データなどもフィールドバスを介してＦＣＳやＯＰＳに送信することができる。また、観測用、保守用などのフィールド機器に対してもＯＰＳやＦＣＳからのコマンドを送信することができる。
従って、人手によらず、また新たな配線や通信設備などを設けずに、ＯＰＳやＦＣＳなどの既存インフラをそのまま活用できる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、携帯端末上で、目的とするフィールド機器やＯＰＳやＦＣＳと、身近なフィールド機器を介して交信し、それらを操作あるいはそれらの情報をモニタすることができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、既設のフィールド機器に無線ノードを接続することにより、最小限の工数およびコストで、フィールドに既に取り付けられた機器を無線通信対応に変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明に係るフィールド機器制御システムの一実施例を示す構成図である。
【００２９】
図１では、ＯＰＳ１、ＦＣＳ２、バルブなどの制御装置３、流量計などの制御用センサ装置４によるプロセス制御に係る部分の説明は、前出の図と同様であるので説明は省略する。
【００３０】
図１において、制御装置３、制御用センサ装置４、観測用／保守用装置５ａから５ｊなどのフィールド機器は無線通信の機能を有する。制御装置３、制御用センサ装置４は、プロセス制御を行うフィールド機器であって、フィールドバス７を介してＦＣＳ２から制御され、ＦＣＳ２は制御バス６でＯＰＳ１に接続され、プロセス制御全体がＯＰＳ１で操作、管理される。ここで、ＯＰＳ１やＦＣＳ２が制御機器に相当する。
【００３１】
観測用／保守用装置５ａから５ｊは、例えば観測用センサであって、タンク８やパイプ９ａ，９ｂなどの温度、圧力、振動などを計測してデータを蓄積し、無線通信によりＦＣＳ２とフィールドバス７で接続された制御装置３や制御用センサ４などのフィールド機器に送信する。
これにより今まで人手や別系統で収集されていた保守用データなどの本来のプロセス制御には影響しないデータもオンラインで既存のＦＣＳ２やＯＰＳ１に取り込まれる。
【００３２】
このようなフィールド機器について、図２を用いて詳細に説明する。
図２は、図１で用いられるフィールド機器の一実施例を示した構成図である。
なお、本発明は、フィールド機器全般に適応させることができる。また、図２では、便宜上、表示部や操作部などの機能ブロックは省略している。
【００３３】
図２において、上記の制御装置３、制御用センサ装置４、観測用／保守用装置５ａから５ｊなどのフィールド機器２０は、無線通信手段２１、通信中継手段２２、アドレス記憶手段２３、制御手段２４を有する。
【００３４】
無線通信手段２１は、無線モジュール等からなり無線通信で計測データを送信したり、ＯＰＳ１、ＦＣＳ２からのコマンドを受信したりする。このコマンドにより、例えばフィールド機器の設定が変更される。  
通信中継手段２２は、例えばアドホックネットワークに対応し、図１に破線矢印で示したようなマルチホップのための通信中継機能を有する。
【００３５】
また、通信中継手段２２は、ホッピングの際の送信先を決定するルータ機能も有する。
このルータ機能は、ＯＰＳ１やＦＣＳ２に接続されていないフィールド機器では、接続されているフィールド機器に向けてデータやコマンドを中継する。また、経路制御プロトコルにより、ＯＰＳやＦＣＳと指定されたノード（フィールド機器）との間で最適な経路でデータを伝えることができる。
【００３６】
なお、このルータ機能は、フィールド機器の全てに搭載しても良いし、例えばフィールドの末端に設置されて通信経路を指定する必要が無いフィールド機器には搭載しなくても良い。
さらに、スター、メッシュ、クラスタ、ツリーなどのトポロジーをサポートすることにより、最適なネットワークを構築できる。  
【００３７】
なお、フィールドバス７でＦＣＳ２に接続されているフィールド機器２０の通信中継手段２２には、他のフィールド機器から受信したデータをフィールドバス７で接続されたＦＣＳ２に送信するため、または、ＦＣＳ２から送信されたデータを他のフィールド機器に送信するために、異なるプロトコル間で通信データの変換を行う中継機能を持たせる。
【００３８】
具体例として、フィールドバスがＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）であってＩＰ（インターネットプロトコル），無線がＺｉｇＢｅｅなどの異なるプロトコルの場合には、プロトコル変換を行うゲートウェイ機能を搭載することにより、異なるプロトコル相互での接続性を実現できる。
なお、ＦＣＳやＯＰＳと接続されるフィールド機器は、有線で接続される場合もあれば無線で接続される場合もある。
【００３９】
また、このようなゲートウェイ機能は、ＦＣＳやＯＰＳに接続された機器がフィールドコントローラであれば、そのフィールドコントローラに搭載しても良いし、別途設けた専用のゲートウェイ装置に搭載しても良い。
【００４０】
アドレス記憶部２３は、フィールド機器２０の固体が識別されるアドレスを記憶する。このアドレスは、ネットワーク内でユニークなネットワークアドレスであって、自動あるいは手動で予め割り付けられてアドレス記憶部に格納される。
【００４１】
また、アドレス記憶手段２３は、このアドレスと作業者により設定されたアプリケーションＩＤ（識別子）とを関連付けて記憶する。アプリケーションはネットワークアドレスやアプリケーションＩＤなどの識別子を手がかりに各フィールド機器にアクセスし、フィールド機器の管理/操作をすることができる。
【００４２】
なお、機器を特定する必要がなく、その機器が設置された所定のエリアを特定できれば良い場合には、アプリケーションＩＤは、必ずしも必要ではなく、ネットワークアドレスのみが識別子として用いられる。
【００４３】
制御手段２４は、図示しないセンサ部の検知信号を入手し、デジタルデータに変換すると共に演算処理などを施し計測データを生成する。制御装置の場合では、ＯＰＳやＦＣＳなどのシステム制御系の命令により図示しないバルブなどを制御する。
また、アドレス記憶手段２３へのネットワークアドレスやアプリケーションＩＤの格納も制御する。
【００４４】
上記の各手段は図示しないＣＰＵ（演算装置）およびソフトウェア、無線送受信を行う無線通信モジュールや、バルブやセンサと信号をやり取りするＩ／Ｏモジュールなどの組み合わせにより実現される。また、アドレス記憶手段はメモリなどである。
【００４５】
以上により、観測用、保守用データなどの常時必要ではないデータもフィールドバス７を介してＦＣＳ２やＯＰＳ１に送信することができる。また、観測用、保守用などのフィールド機器に対してもＯＰＳやＦＣＳからのコマンドを送信することができる。
さらに、人手によらず、新たな配線や通信設備などを設けずに、ＯＰＳ１やＦＣＳ２などの既存インフラをそのまま活用できる。
【００４６】
また、ＦＣＳ２に接続されたフィールド機器から電波の到達範囲外に存在するフィールド機器は、近隣に設置された他のフィールド機器にデータを送信し、当該他のフィールド機器が到達範囲外のフィールド機器のデータを中継しながらＦＣＳ２に接続されたフィールド機器まで伝送することにより、フィールドバス７を介してＦＣＳやＯＰＣに伝達する。
【００４７】
なお、制御装置や制御用センサ装置や保守用、観測用装置などのフィールド機器は、最初から無線通信手段を有する必要は無く、例えばシリアルインタフェースなどの外部Ｉ／Ｏを介して無線ノードを取り付けるようにしても良い。この場合、既存のフィールド機器には、予め無線ノードに対応したソフトウェアを設けておくか、通信によるソフトウェアを更新（ダウンロード）する機能を付加しておく。
これによれば、最小限の工数およびコストで、フィールドに既に取り付けられた機器を無線通信対応に変更することができる。
【００４８】
以上により、配線、情報収集端末、情報伝達中継器などの新たな通信設備を設置することなく、必要なセンサやコントローラをフィールドに設置するだけで、既設のフィールド機器の近隣情報を、既設のフィールドのネットワークに繋がっているフィールド機器を経由して中央に収集することができる。
【００４９】
なお、この場合、新たに設置されるフィールド機器には、ネットワーク上で識別されるためのアドレスを予め設定しておくか、自動的にアドレスを割り当てる機能により、割り当てられるようにしておけば良い。また、このアドレス割り当て機能は、フィールドに設置される機器の少なくとも１つに設ければよい。  
【００５０】
これらは従来では人手で行っていた箇所も、リアルタイムで検出あるいはコントロールできるようになる。また、人間の作業が困難な温度エリア、ガスエリア、狭い／高いなどのエリアも監視できるようになる。
【００５１】
具体的には、ガス漏れ、液漏れ、音漏れ、蒸気漏れなどの広域に拡散する状況を検出するために、多くのフィールド機器を設置しても、配線の制約を受けること無しに、アラーム検知などを行うシステムを構築することができるようになる。
また、所定期間、所定の頻度、所定の地理的範囲について、観測データを収集しなければならないようなプラント設備などの経年変化の監視も容易に行える。さらに、データを中継して伝送するので、省電力で無線通信を行え防爆にも対応できる。
これらの情報収集機能はフィールドのセンサやコントローラの本質機能にはアクセスしないため、本来業務には影響を与えることなくフィールド情報を収集することができる。
【００５２】
フィールド機器から直接電波が届かない箇所の観測点も、複数の中継点を設置することで、観測可能になる。つまり、無線センサデバイスのデータを中継するフィールド機器の個数が少なくても必要なエリアをカバーすることができる。
無線センサデバイスの動作設定などのための中央からの指令を、フィールドのネットワークに繋がったフィールド機器を中継することで、目的の無線センサデバイスに届けることがきる。
【００５３】
図３は、本発明のフィールド機器制御システムに係る第２の実施例である。
図３において、図１に記載のシステムを利用して、フィールド作業者１１が所持している携帯端末３０は、フィールド機器との間で通信を行う通信手段を有し、端末上で目的とするフィールド機器と、その機器のＩＤを指示することで、身近なフィールド機器（図３では５ｊ）を介して交信し、そのフィールド機器（５ａから５ｊ）を操作あるいはその機器の情報をモニタすることができる。ここで、携帯端末は、ＰＣ（Personal Computer）、携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）などである。
【００５４】
さらに、フィールド機器を中継局としてＯＰＳの制御情報や機器のマニュアルその他各種情報にアクセスすることができるようになる。
従来では、ＯＰＳ１のそれらの情報にアクセスするには既存の通信ライン、または、新たな通信ラインを設置などが必要であったが、本発明では既存のインフラを使うことができる。
【００５５】
なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
例えば、上記の実施例では、ＦＣＳを設けた場合について説明したが、コンピュータにより直接フィールド機器とアクセスする場合もある。
また、上述の実施例では、プロセス制御に用いられるフィールド機器を例示したが、その他、自然環境の物理情報を取り込むために設置される機器もフィールド機器の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係るフィールド機器制御システムの一実施例を示す構成図である。
【図２】図１で用いられるフィールド機器の一実施例を示した構成図である。
【図３】本発明に係るフィールド機器制御システムに係る第２の実施例である。
【図４】従来のフィールド機器制御システムの一例を示す構成図である。
【図５】従来のフィールド機器制御システムのおける他の一例を示した構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  操作監視ステーション（ＯＰＳ）
２  フィールドコントロールステーション（ＦＣＳ）
３  制御装置
４  制御用センサ装置
５ａ〜５ｊ  観測用／保守用装置
６  制御バス
７  フィールドバス
２０  フィールド機器
２１  無線通信手段
２２  通信中継手段
２３  アドレス記憶手段
２４  制御手段
３０  携帯端末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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