(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の通信プロトコルを使用する通信ネットワークと第２の通信プロトコルを使用するバスを有するプロセス制御システムとの間のインタフェースであって、該インターフェイスは、
プロセッサと、
該プロセッサに結合される記憶装置と、
前記プロセッサ上で実行するためのソフトウェアシステムとを含み、該ソフトウェアシステムが、
前記バスに通信可能に接続され、前記プロセス制御システムで前記第２の通信プロトコルを使用して動作するように構成された通信ソフトウェアスタックと、
該通信ソフトウェアスタック上のメッセージトラフィックを監視するように構成された監視ルーチンと、
メッセージトラフィックを前記記憶装置にコピーするように構成されたコピールーチンと、
前記第１の通信プロトコルを使用して通信ネットワークを介して前記記憶装置への遠隔アクセスを可能にするように構成された媒体インタフェースルーチンと
を含んでいる、インターフェイス。
【請求項２】
前記通信ソフトウェアスタックが、二線式、両方向、ループ動力式デジタル通信プロトコルを使用して前記プロセス制御システム内の通信を制御するように構成された制御ルーチンを含む、請求項１に記載のインタフェース。
【請求項３】
前記通信ソフトウェアスタックが、Fieldbusプロトコルを使用して前記プロセス制御システム内の通信を制御するように構成された制御ルーチンを含む、請求項１に記載のインタフェース。
【請求項４】
第１の通信プロトコルを使用する通信ネットワークと第２の通信プロトコルを使用するバスを有するプロセス制御システムとの間で使用されるように構成されたインタフェースであって、該インターフェイスは、
プロセッサと、
該プロセッサに接続されたデータ記憶装置と、
前記バスに接続され、前記プロセス制御システムで前記第２の通信プロトコルを使用して動作するように構成された通信ソフトウェアスタックと、
通信ソフトウェアスタック上のメッセージトラフィックを監視するため前記プロセッサで実行されるように構成されたインタフェースルーチンと、
前記メッセージトラフィックを前記データ記憶装置にコピーするために前記プロセッサで実行されるように構成されたコピールーチンと、
前記第１の通信プロトコルを使用して前記通信ネットワークを介して、前記データ記憶装置への遠隔アクセスを可能とするために前記プロセッサで実行されるように構成された媒体インタフェースルーチンと、
を備えたインターフェイス。
【請求項５】
第１の通信プロトコルを使用する遠隔通信ネットワークと、プロセス制御システム内の３つ又はそれ以上のデバイス間の通信を実現するために第２の異なる通信プロトコルを使用するバスを有するプロセス制御システムとの間で結合されるように構成されたインタフェースであって、
データ記憶装置と、
該データ記憶装置と前記プロセス制御システムの前記バスとの間で結合される通信デバイスであって、前記第２の通信プロトコルを使用してプロセス制御システムの前記バス上で通信し、前記プロセス制御システムの前記バスからデータを検索するように適応された通信デバイスと、
前記データ記憶装置と、前記通信デバイスと、前記記憶装置に検索されたデータを記憶し前記記憶装置内のデータを遠隔通信ネットワーク上で第１の通信プロトコルを使用して送信し前記通信デバイスの動作を制御する遠隔通信ネットワークとに結合されるコントローラと、
を備えるインタフェース。
【請求項６】
前記通信デバイスが、二線式、両方向、ループ動作式デジタル通信プロトコルを使用して、前記プロセス制御システム内で通信する通信ルーチンを有する通信ソフトウェアスタックを含む、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項７】
前記通信デバイスが、前記プロセス制御システム内での通信を実現する通信ソフトウェアスタックを含む、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項８】
前記通信ソフトウェアスタックが、開放型システム間相互接続層化通信モデルに従って構成されて、前記プロセス制御システム内での通信を実現する、請求項７に記載のインタフェース。
【請求項９】
前記通信プロトコルがFieldbus通信プロトコルである、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項１０】
前記通信デバイスが、前記第２の通信プロトコルを使用して前記プロセス制御システム内のデバイスからのデータを前記バス上に要求するための第１ルーチンと、前記プロセス制御システムの前記バスから要求されたデータを受け取るための第２ルーチンと、受け取られたデータを前記コントローラに伝送するための第３ルーチンとを実現するプロセッサ含む、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項１１】
前記通信デバイスが、前記プロセス制御システム内の前記バス上の通信データを監視するための第１ルーチンと、前記コントローラにより指定される特定の通信ブータを認識するための第２ルーチンと、前記特定の通信データを前記コントローラに伝送するための第３ルーチンとを実現するプロセッサを含む、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項１２】
前記コントローラが、前記プロセス制御システム内で特定のデータを指定するメッセージを受け取るように適応され、前記プロセス制御システムから前記バス上で前記第２の通信プロトコルを使用して特定のデータを検索するために前記通信デバイスを制御するように適応され、前記メッセージに応答して前記記憶装置内に前記特定のデータを記憶するように適応される、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項１３】
前記コントローラが、前記遠隔通信ネットワーク上で前記記憶装置に記憶される特定のデータの伝送を要求するメッセージを受け取るように適応され、前記メッセージに応答して前記第１の通信プロトコルを使用して前記遠隔通信ネットワーク上で前記記憶装置からの前記特定のデータを伝送するルーチンを含む、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項１４】
前記コントローラが、前記遠隔通信ネットワークから前記メッセージを受け取るように適応される、請求項１３に記載のインタフェース。
【請求項１５】
前記コントローラが、前記プロセス制御システムから前記メッセージを受け取るように適応される、請求項１３に記載のインタフェース。
【請求項１６】
前記コントローラが、前記遠隔通信ネットワーク上で前記記憶装置に記憶される前記データの通信を行うコントローラに関して、非同期で前記記憶装置内に前記データを記憶する、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項１７】
前記遠隔通信ネットワークが、ローカルエリアネットワークまたは広域ネットワークである、請求項５に記載のインタフェース。
【請求項１８】
前記インターフェイスは、前記遠隔通信ネットワークと、制御機能が前記プロセス制御システム内に分散し互いに前記バスを介して通信可能に接続された二つ又はそれ以上のデバイス内のプロセッサ内で実行される分散型プロセス制御システムとの間で接続されるように構成されている、請求項５に記載のインタフェース。
【発明の詳細な説明】
関連出願
これは、１９９６年１０月４日に出願された米国特許出願連続番号第０８／７２６，２６４号の一部継続である。
発明の分野
本発明は、概してプロセス制御ネットワークに関し、さらに特定すると分散型制御機能を有するプロセス制御ネットワークと遠隔通信ネットワークの間でデータを通信するインタフェースに関する。
従来の技術
化学プロセス、石油プロセス、およびその他の製造プロセスおよび精製プロセスのような大型プロセスは、プロセスパラメータを測定、制御し、それによってプロセスの制御を達成するために、多様な場所に配置される多数のフィールドデバイスを含んでいる。これらのフィールドデバイスとは、例えば、弁およびスイッチなどの制御部品だけではなく温度センサ、圧力センサおよび流量センサのようなセンサであることもある。歴史的に、プロセス制御産業は、液位計および圧力計を手作業で読み取ったり、バルブホイールを回すなどの手作業の動作を使用し、プロセス内の測定フィールドデバイスおよび制御フィールドデバイスを運転してきた。２０世紀に始まったプロセス制御産業は、局所的な空気式調節計の使用を開始し、局所的な空気式調節計、送信機、および弁位置決め装置が、一定のプラント要素の制御を達成するためにプロセスプラント内のさまざまな場所に配置された。マイクロプロセッサをベースにした分散型制御システム（ＤＳＣ）が１９７０年代に出現し、分散型電子プロセス制御が、プロセス制御産業で一般的になった。
知られているように、ＤＣＳは、プロセス中に配置される電子センサ、送信機、電流・圧力変換器、弁位置決め器などの多数の電子監視制御装置に接続されるプログラマブル論理コントローラのようなアナログコンピュータまたはデジタルコンピュータを含む。ＤＣＳコンピュータは、プロセス内のデバイスの測定および制御を達成し、それによってなんらかの総合的な制御スキームに従ってプロセスパラメータを制御するために、集中化された、および頻繁に複雑な制御スキームを記憶する。しかしながら、通常、ＤＣＳによって実現される制御スキームは、同様にＤＣＳの拡大、アップグレード、再プログラムおよび保守を、ＤＣＳのプロバイダがこれらの活動のどれかを実行するためには一体となって関与しなければならないという理由から、困難かつ高価にするＤＣＳ製造メーカに独占的なものになっている。さらに、特定のＤＣＳが使用または接続することができる装置は、ＤＣＳコントローラの独占的な性質、およびＤＣＳプロバイダが、一定のデバイスや他のベンダにより製造されるデバイスの機能をサポートしない可能性があるという事実のために制限されることがある。
独占的なＤＣＳの使用に固有の問題点のいくつかを克服するために、プロセス制御産業は、さまざまな製造メーカにより製造されたフィールドデバイスを同じプロセス制御ネットワーク内でいっしょに使用できるようにする、例えばHARTプロトコル、PROFIBUSプロトコル、WORLDFIPプロトコル、LONWORKSプロトコル、Device-Netプロトコル、およびＣＡＮプロトコルのような多数の標準開放通信プロトコルを開発してきた。実際、これらのプロトコルの内の１つに準拠するフィールドデバイスは、たとえそのフィールドデバイスがＤＣＳコントローラの製造メーカ以外の製造メーカによって製造されていても、ＤＣＳコントローラまたはそのプロトコルをサポートする他のコントローラと通信し、それにより制御されるためにプロセスで使用することができる。
さらに、いまでは、プロセス制御産業には、プロセス制御を分散し、それによってＤＣＳコントローラを簡略化するか、ＤＣＳコントローラに対するニーズを大きく排除する動きが出てきている。分散化制御は、弁位置決め装置、送信機などのフィールドで取り付けられるプロセス制御装置に、１つまたは複数のプロセス制御機能を実行させ、他の制御機能を実行する際に、他のプロセス制御装置によって使用されるバス構造全体でデータを通信することにより得られる。これらの制御機能を実現するために、各プロセス制御装置は、標準開放通信プロトコルを使用して他のプロセス制御装置と通信する能力だけではなく、制御機能を実行することができるマイクロプロセッサを含む。このようにして、さまざまな製造メーカによって製造されたフィールドデバイスは、互いに通信し、ＤＣＳコントローラの介入を受けずに、制御ループを形成する１つまたは複数のプロセス制御機能を実行するために、プロセス制御ネットワーク内で相互接続することができる。現在、FOUNDATIONTM Fieldbus（これ以降「Fieldbusプロトコル」）として知られているフィールドバス財団（Fieldbus Foundation）によって公表されている全デジタル二線式バスプロトコルは、さまざまな製造メーカによって製造されるデバイスが、１つのプロセス内で分散化制御を達成するために標準バスを介して相互運用し、互いと通信できるようにする１つの開放通信プロトコルである。
このようにして、プロセス制御システムは、１つまたは複数のコントローラに接続される多くのフィールドデバイスを含むローカル通信ループから、大規模通信ネットワークまで拡大してきた。しかしながら、現在では、プロセス制御ネットワーク上のフィールドデバイス情報を、おそらくかなり離れた距離で他の通信ネットワークに伝送し、例えば性能分析、診断試験、保守、および障害探索などを達成することは困難である。実際、プロセス制御弁データなどの根本的なレベルのフィールドデバイス情報を転送するための満足が行く技法は見つけられていない。フィールドデバイス情報の転送は、複数の遠隔プロセス制御サイト間での光ファイバ通信を使用して試みられてきたが、サイト間のこのような光ファイバ相互接続は高価であり、複数のデバイスが同時に情報の送信を試みると、多くの場合矛盾が生じる。さらに、光ファイバーシステムは、バスの使用頻度を仲裁する複雑な通信コントローラを含む。このシステムの各データ伝送は個々のフィールドデバイスでのデータの収集に同期するため、データ収集は、光ファイバ回線へのアクセスを待機している間は機能停止され、通信はデータの収集を待機する間機能停止される。
フィールドデータのネットワーク上での伝送には、従来、カプセル化された情報パケットをネットワーク対ネットワークのコネクション（通常は、ＬＡＮからＬＡＮへのネットワーク）を通して渡すことが必要になる。情報パケットが追加の外来情報を獲得し、各ノードでの処理時間を必要とするように、パケットはカプセル化され、それにはネットワークの各ノードで転送パラメータが付加される。この従来の遠隔通信技法は、各ノードでの遅延により低速化し、カプセル化するたびに外来情報が追加されるため非効率的である。
したがって、通信ネットワークへのアクセスの大気中にプロセス制御ネットワーク内のフィールドデバイスに動作を機能停止させる必要がなく、ネットワークの各ノードでの不必要な処理を必要とすることなく、プロセス制御ネットワークと通信ネットワークまたは他の遠隔サイトの間でフィールドデバイスデータを通信する簡略なインタフェースを提供することが望ましい。
発明の要約
本発明は、通信ネットワークと、プロセス制御ネットワークで発生する通信を変更せず、通信ネットワーク上のパケットに対する外来データの追加を必要としないプロセス制御ネットワークの間をインタフェースするインタフェースデバイスを目的とする。本発明のインタフェースデバイスは、例えば、Fieldbus通信プロトコルと関連するソフトウェア通信プロトコルを実行するコンピュータ、およびローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）全体で単一ユーザまたは複数ユーザからのFieldbusリクエストを処理するユーザソフトウェア層から形成されることがある。ユーザソフトウェア層は、ネットワークコネクションを介して遠隔サイトに対し、デバイス内のFieldbus通信ネットワークへの直接的なインタフェースを提供する。
本発明に従って、通信ネットワークとプロセス制御システム間のインタフェースは、通信ソフトウェアスタック上でメッセージトラフィックを監視するルーチンを含む、プロセス制御システムおよびインタフェースソフトウェアで動作する通信ソフトウェアスタック、メッセージトラフィックを記憶域にコピーするルーチン、および記憶域への遠隔アクセスを可能にする媒体インタフェースソフトウェアルーチンを含む。
説明されたインタフェースおよび動作方法により多くの利点が達成される。例えば、本発明のインタフェースデバイスは、低レベルフィールドデータを監視するという時間が肝要な動作を、データを遠隔サイトに伝送するという時間が肝要ではない動作に変換する。別の利点とは、説明されたインタフェースおよび方法がきわめて全般的であり、事実上標準ソフトウェア要素を使用するあらゆるコンピュータシステムでの多岐に渡る制御システムおよびネットワークで実現することができるという点である。さらに、二次または遠隔通信ネットワークでフィールドデバイスデータを通信するときには、少量のデータ、つまり関連するまたは要求されたデータだけが転送され、インタフェースは、実質的には時間およびデータ転送サイズという点で諸経費を削減することが有利である。
本発明のインタフェースを使用すると、診断試験、保守、および障害探索は、ＬＡＮやＷＡＮなどの通信バスを経由して、プロセス制御ネットワークに接続される遠隔サイトから実行または実現することができる。メッセージおよび情報は、同期の問題が回避されるように、非常に迅速に伝送され、データは、ローカルユーザと遠隔利用者の間で非同期で、独立して伝送される。
【図面の簡単な説明】
図１は、Fieldbusプロトコルを使用する例のプロセス制御ネットワークの概略ブロック図である。
図２は、機能ブロックをその中に有する３つのFieldbusデバイスの概略ブロック図である。
図３は、図１のプロセス制御ネットワークのデバイスのいくつかの内の機能ブロックを説明する概略ブロック図である。
図４は、図１のプロセス制御ネットワーク内のプロセス制御ループの制御ループ概略図である。
図５は、図１のプロセス制御ネットワークのバスのセグメントのマクロサイクルのタイミング概略図である。
図６は、本発明に従ったネットワークアクセス可能Fieldbusインタフェースを含む制御システムネットワークを示す概略ブロック図である。
図７は、本発明の実現例に従ったネットワークアクセス可能Fieldbusインタフェースの実施例を実現することができる適切なコンピュータシステムを示す概略ブロック図である。
図８は、本発明のネットワークアクセス可能Fieldbusインタフェースにより実行される動作を説明するフローチャートである。
図９は、ネットワークアクセス可能Fieldbusインタフェースインプリメンテーションのいくつかの例を示す概略ブロック図である。
好ましい実施の形態
本発明のネットワークアクセス可能Fieldbusインタフェース（ＮＡＦＩ）は、Fieldbusデバイスのセットを使用して分散化または分散型の方式でプロセス制御機能を実現するプロセス制御ネットワークといっしょに詳細に説明されるが、本発明のＮＡＦＩデバイスが、二線式バス以外に依存するプロトコル、およびアナログ通信とデジタル通信をサポートするプロトコルを含む、他の種類のフィールドデバイスおよび通信プロトコルを使用し、分散型制御機能を実行するプロセス制御ネットワークと使用することができることに注意する必要がある。したがって、例えば、本発明のＮＡＦＩデバイスは、このプロセス制御ネットワークが、HART、PROFIBUSなどの通信プロトコル、あるいは現在存在するか、または将来開発される可能性のあるそれ以外の通信プロトコルを使用するとしても、分散型制御機能を実行する任意のプロセス制御ネットワークで使用することができる。同様に、希望される場合、本発明のＮＡＦＩデバイスは、分散型制御機能を備えないが、代わりに集中型コントローラや制御スキームを使用し、その中でデバイスを制御するプロセス制御ネットワークで使用することができる。
本発明のＮＡＦＩデバイスの詳細を説明する前に、Fieldbusプロトコル、このプロトコルに従って構成されるフィールドデバイス、およびFieldbusプロトコルを使用するプロセス制御ネットワークで通信がどのように発生するのかに関する一般的な説明が示される。ただし、ただし、Fieldbusプロトコルはプロセス制御ネットワーク内で使用するために開発された比較的に新しい全デジタル通信プロトコルである一方で、このプロトコルが技術で既知であり、出版、配布され、とりわけテキサス州オースティン（Austin,Texas）に本拠がある非営利団体であるFieldbus財団から入手できる多数の記事、パンフレット、および仕様書に詳細に説明されていることを理解する必要がある。特に、Fieldbusプロトコル、およびFieldbusプロトコルを使用するデバイスと通信し、そのデバイスにデータを記憶する手法は、ここに全体的に参照して組み込まれる、フィールドバス財団の通信技術仕様書（Communication Technical Specification）およびユーザレイヤ技術仕様書（User Layer Technical Specification）として知られるマニュアルに詳しく説明される。
Fieldbusプロトコルは、計器または例えば工場やプラントなどのプロセス制御環境に位置するセンサ、アクチュエータ、コントローラ、弁などの「フィールド」装置を相互接続する二線式ループつまりバスへの標準化された物理インタフェースを提供する、全デジタル、シリアル両方向通信プロトコルである。Fieldbusプロトコルは、実質的には、プロセス内にフィールド計器（フィールドデバイス）用ローカルエリアネットワークを提供し、これらのフィールドデバイスがプロセス設備全体で分散された場所にある制御機能を実行し、総合的な制御戦略を実現するためにこれらの制御機能が実行される前後に互いに通信できるようにする。Fieldbusプロトコルは制御機能をプロセス制御ネットワーク全体に分散できるようにするため、それは典型的にはＤＣＳと対応する集中プロセスコントローラの作業負荷を削減するか、その必要性をまったく排除する。
図１を参照すると、Fieldbusプロトコルを使用するプロセス制御ネットワーク１０は、プログラム論理コントローラ（ＰＬＣ）１３、多くのコントローラ１４、別のホストデバイス１５、およびフィールドデバイス１６，１８，２０，２２，２４，２６，２８，３０、および３２のセットなどの多くのそれ以外のデバイスに、二線式Fieldbusループつまりバス３４を介して接続されるホスト１２を含むことがある。バス３４は、ブリッジデバイス３０および３２によって分離される、さまざまなセクションまたはセグメント３４ａ、３４ｂ、および３４ｃを含む。セクション３４ａ、３４ｂ、および３４ｃのそれぞれは、バス３４に接続されるデバイスのサブセットを相互接続し、後述されるようにデバイス間の通信を可能にする。言うまでもなく、図１のネットワークは説明のためだけであり、プロセス制御ネットワークをFieldbusプロトコルを使用して構成できるそれ以外の多くの方法がある。典型的には、構成者は、フィールドデバイスがバス３４から取り除かれるときに新しいフィールドデバイスがバス３４に接続される時点を認識し、フィールドデバイス１６〜３２により生成されるデータを認識し、ホスト１２または何らかの手法でホスト１２に接続されるそれ以外のデバイス内に位置することがある１つまたは複数のユーザ端末とインタフェースするだけではなく、（そのそれぞれが通信、および場合によっては制御機能を実行することができるマイクロプロセッサを含むという点で「スマート」なデバイスである）デバイスのそれぞれをセットアップしたり、構成する責任を負うホスト１２のようなデバイスの内の１つに位置する。
バス３４は、二線式の、純粋にデジタルな通信をサポートするか、可能にし、フィールドデバイス１６〜３２のようなそれに接続されるデバイスの任意のものまたはすべてに電力信号を提供することがある。代わりに、デバイス１２〜３２のどれかまたはすべてが専用の電源を備えたり、別個のワイヤ（図示されていない）を介して外部電源に接続されることがある。デバイス１２〜３２は、複数のデバイスがバスセグメント３４ａ、３４ｂ、および３４ｃを構成する同じワイヤの組に接続される標準型バスタイプコネクションでバス３４に接続されているとして図１に説明されているが、Fieldbusプロトコルは、各デバイスが（通常４〜２０ｍＡのアナログＤＣＳシステムに類似する）別個の二線式組を介してコントローラまたはホストに接続される２地点間通信、および各デバイスが、例えばプロセス制御ネットワーク内のフィールドデバイスの内の１つでのジャンクションボックスや端末領域である場合がある二線式バスでの１つの共通ポイントに接続されるツリー、つまり「支線」コネクションを含むその他のデバイス／ワイヤトポロジを可能にする。
データは、Fieldbusプロトコルに従って同じまたは異なる通信ボーレートつまり速度で、異なるバスセグメント３４ａ、３４ｂ、および３４ｃ上を送信されることがある。例えば、Fieldbusプロトコルは、図１のバスセグメント３４ｂと３４ｃによって使用されているとして示される毎秒３１．２５Ｋｂｉｔの通信速度（Ｈ１）、および通常、高度プロセス制御、遠隔入出力、および高速工場自動化用途に使用され、図１のバスセグメント３４ａによって使用されているとして示される毎秒１．０Ｍｂｉｔおよび／または毎秒２．５Ｍｂｉｔ（Ｈ２）通信速度を提供する。同様に、データは、電圧モードシグナリングまたは電流モードシグナリングを使用して、Fieldbusプロトコルに従ったバスセグメント３４ａ、３４ｂ、および３４ｃ上で送信されることがある。言うまでもなく、バス３４の各セグメントの最大長は、厳密に制限されていないが、代わりにそのセクションの通信速度、ケーブル種類、ワイヤサイズ、バス電力オプションなどによって決定される。
Fieldbusプロトコルは、バス３４に接続できるデバイスを３つのカテゴリ、つまり基本デバイス、リンクマスタデバイス、およびブリッジデバイスに分類する。（図１のデバイス１８，２０，２４、および２８などの）基本デバイスは通信する、つまりバス３４上でまたはバス３４から通信信号を送受することができるが、バス３４で発生する通信の順序またはタイミングを制御することはできない。（図１のホスト１２だけではなく、デバイス１６、２２および２６などの）リンクマスタデバイスは、バス３４上で通信し、バス３４上で通信信号のフローおよびタイミングを制御することができるデバイスである。（図１のデバイス３０および３２などの）ブリッジデバイスは、さらに大きなプロセス制御ネットワークを作成するために、Fieldbusの個々のセグメントや分岐で通信し、相互接続するように構成されたデバイスである。希望される場合、ブリッジデバイスは、バス３４の異なるセグメント上で使用される異なるデータ速度および／または異なるデータシグナリングフォーマットの間で変換し、バス３４のセグメントの間で移動する信号を増幅し、バス３４のさまざまなセグメントの間で流れる信号を濾波し、ブリッジが結合される先のバスセグメントの１つでデバイスによって受信されるように当てられたそれらの信号だけを通す、および／またはバス３４の異なるセグメントをリンクするために必要なそれ以外の処置を講じることがある。異なる速度で動作するバスセグメントを接続するブリッジデバイスは、ブリッジのさらに低速のセグメント側でリンクマスタ機能を備えなければならない。ホスト１２と１５、ＰＬＣ１３、およびコントローラ１４は、任意のタイプのフィールドバスデバイスでよいが、通常はリンクマスタデバイスとなる。
デバイス１２〜３２のそれぞれはバス３４で通信する機能を備え、重要なことに、バス３４上での通信信号を介してプロセスから、または別のデバイスから、デバイスによって取得されるデータを使用して１つまたは複数のプロセス制御機能を独立して実行する機能を備える。したがって、Fieldbusデバイスは、過去においてはＤＣＳの集中デジタルコントローラにより実行されていた総合的な制御戦略の部分を直接実現することができる。制御機能を実行するために、各Fieldbusデバイスは、デバイス内のマイクロプロセッサで実現される１つまたは複数の標準化された「ブロック」を含む。特に、各Fieldbusデバイスは、１つのリソースブロック、ゼロ個または１個以上の機能ブロック、およびゼロ個または１個以上の変換器ブロックを含む。これらのブロックはブロックオブジェクトと呼ばれる。
リソースブロックは、例えばデバイスタイプ、デバイス改訂表示、他のデバイスに特殊な情報がデバイスのメモリ内で入手できる場所の表示などを含むFieldbusデバイスの特性のいくつかに関するデバイスに特殊なデータを記憶し、通信する。さまざまなデバイス製造メーカが異なるタイプのデータをフィールドデバイスのリソースブロックに記憶するが、Fieldbusプロトコルに準拠する各フィールドデバイスはデータを記憶するリソースブロックを含む。
機能ブロックは、フィールドデバイスに関連する入力機能、出力機能、または制御機能を定義し、実現するので、機能ブロックは、通常、入力機能ブロック、出力機能ブロック、および制御機能ブロックと呼ばれる。しかし、ハイブリッド機能ブロックのようなそれ以外のカテゴリの機能ブロックが存在、または将来開発される可能性がある。各入力または出力機能ブロックは、（プロセス測定デバイスからのプロセス変数のような）少なくとも１つのプロセス制御入力または（作動デバイスに送信される弁位置のような）プロセス制御出力を作成するが、各制御機能ブロックは（性質が独占的である可能性がある）アルゴリズムを使用し、１つまたは複数のプロセス入力および制御入力から、１つまたは複数のプロセス出力を作成する。標準的な機能ブロックの例は、アナログ入力（ＡＩ）、アナログ出力（ＡＯ）、バイアス（Ｂ）、制御セレクタ（ＣＳ）、分離入力（ＤＩ）、分離出力（ＤＯ）、手動ローダ（ＭＬ）、比例／導関数（Ｐ／Ｄ）、比例／積分／導関数（ＰＩＤ）、率（ＲＡ）、および信号セレクタ（ＳＳ）機能ブロックを含む。ただし、他の種類の機能ブロックが存在し、新しいタイプの機能ブロックが定義または作成され、Fieldbus環境で動作する可能性がある。
変換器ブロックは、機能ブロックの入力および出力を、センサおよびデバイスアクチュエータのようなローカルハードウェアデバイスを結合し、機能ブロックが、ローカルセンサの出力を読み取り、ローカルデバイスに弁部材を移動するなどの１つまたは複数の機能を実行するように命令する。変換器ブロックは、通常、ローカルデバイスによって送達される信号を解釈し、ローカルデバイスのタイプ、ローカルデバイスに関連する校正情報などを識別する情報などの、ローカルハードウェアデバイスを適切に制御するために必要な情報を記憶する。
大部分の機能ブロックは、所定の基準に基づいて警報やイベント表示を作成することができ、さまざまなモードで異なるように動作することができる。一般的には、機能ブロックは、例えば、ある機能ブロックのアルゴリズムが自動的に動作する自動モードで、機能ブロックの入力または出力が手動で制御されるオペレータモードで、ブロックが動作しない休止モード、ブロックの動作が別のブロックの出力から影響を受ける（によって決定される）カスケードモードで、およびリモートコンピュータがブロックのモードを決定する１つまたは複数のリモートモードで動作することがある。
重要なことには、各ブロックは、Fieldbusプロトコルによって定義される標準的なメッセージフォーマットを使用して、Fieldbusバス３４上で同じまたは異なるフィールドデバイス内の他のブロックと通信することができる。その結果、（同じデバイスまたは別のデバイスの）機能ブロックの組み合わせは、１つまたは複数の分散化制御ループを作成するために互いに通信できる。したがって、例えば、１つのフィールドデバイスでのＰＩＤ機能ブロックは、第２フィールドデバイス内のＡＩ機能ブロックの出力を受け取り、データを第３フィールドデバイス内のＡＯ機能ブロックに送達し、フィードバックとしてＡＯ機能ブロックの出力を受け取り、ＤＣＳコントローラとは別個で、それから離れたプロセス制御ループを作成するために、バスを介して接続されることがある。このようにして、機能ブロックの組み合わせば、集中ＤＣＳ環境から制御機能を移動し、ＤＣＳマルチ機能コントローラが監督機能または調整機能を実行できるようにしたり、それらを完全に全体で排除できるようにする。さらに、機能ブロックは、プロセスの容易な構成のためのグラフィックによるブロック指向型構造を提供し、これらのブロックは１つの一貫した通信プロトコルを使用できるため、異なる供給業者のフィールドデバイスの間での機能の分散を可能にする。
ブロックオブジェクトを含み、実現することに加え、各フィールドデバイスは、リンクオブジェクト、傾向オブジェクト、警報オブジェクト、およびビューオブジェクトを含む１つまたは複数のオブジェクトを含む。リンクオブジェクトは、フィールドデバイスの内部で、およびFieldbusバス３４全体の両方で（機能ブロックのような）ブロックの入力と出力の間のリンクを定義する。
傾向オブジェクトは、図１のホスト１２やコントローラ１４のような他のデバイスによるアクセスのための機能ブロックパラメータの局所的な傾向変動を可能にする。傾向オブジェクトは、例えば機能ブロックパラメータなどに関する短期履歴データを保持し、このデータを非同期でバス３４を経由して他のデバイスや機能ブロックに報告する。警報オブジェクトは、バス３４上で警報およびイベントを報告する。これらの警報またはイベントは、デバイスまたはデバイスのブロックの内の１つで発生するイベントに関係することがある。ビューオブジェクトは、標準的な人間／機械インタフェースで使用されるブロックパラメータの事前に定義されるグループ分けであり、ときどき表示するために他のデバイスに送信できる。
今度は図２を参照すると、例えば図１のフィールドデバイス１６〜２８の内のどれかである可能性がある３つのFieldbusデバイスが、リソースブロック４８、機能ブロック５０，５１または５２、および変換器ブロック５３と５４を含むとして示されている。フィールドデバイスでは、（入力機能ブロックである場合がある）機能ブロック５０が、変換器ブロック５３を通して、例えば温度センサ、設定ポイント表示センタなどである場合があるセンサ５５に結合される。第２デバイスでは、（出力機能ブロックである場合がある）機能ブロック５１が、変換器ブロック５４を通して、弁５６のような出力装置に結合される。第３デバイスでは、（制御機能ブロックである場合がある）機能ブロック５２は、機能ブロック５２の入力パラメータの傾向を変動するためにそれと関連する傾向オブジェクト５７を有する。
リンクオブジェクト５８は、関連するブロックのそれぞれのブロックパラメータを定義し、警報オブジェクト５９は関連するブロックのそれぞれに警報またはイベント通知を提供する。ビューオブジェクト６０は、機能ブロック５０，５１、および５２のそれぞれに関連し、それらが関連する機能ブロックのデータリストを含むまたは分類する。これらのリストには、さまざまな定義されたビューのセットのそれぞれに必要な情報が含まれている。言うまでもなく、図２のデバイスは単に例示的であり、ブロックオブジェクト、リンクオブジェクト、警報オブジェクト、傾向オブジェクト、およびビューオブジェクトなどの他の数の、および他のタイプのブロックオブジェクトが任意のフィールドデバイスで提供されることがある。
今度は図３を参照すると、デバイス１６，１８および２４を位置決め装置／弁デバイスとして、およびデバイス２０，２２，２６および２８を送信機として描くプロセス制御ネットワーク１０のブロック図は、位置決め装置／弁１６、送信機２０、およびブリッジ３０に関連する機能ブロックも示す。図３に示されるように、位置決め装置／弁１６は、リソース（ＲＳＣ）ブロック６１、変換器（ＸＤＣＲ）ブロック６２、および１個のアナログ出力（ＡＯ）機能ブロック６３、２個のＰＩＤ機能ブロック６４と６５、および１個の信号選択（ＳＳ）機能ブロック６９を含む多くの機能ブロックを含む。送信機は、１個のリソースブロック６１、２個の変換器ブロック６２、２個のアナログ入力（ＡＩ）機能ブロック６６と６７を含む。また、ブリッジ３０は、リソースブロック６１およびＰＩＤ機能ブロック６８を含む。
理解されるように、図３のさまざまな機能ブロックは、多くの制御ループで（バス３４上で通信することによって）一緒に動作し、位置決め装置／弁１６、送信機２０、およびブリッジ３０の機能ブロックが位置する制御ループは、これらの機能ブロックのそれぞれに接続されるループ識別ブロックにより図３で識別される。このようにして、図３に示されるように、位置決め装置／弁１６のＡＯ機能ブロック６３およびＰＩＤ機能ブロック６４、および送信機２０のＡＩ機能ブロック６６は、ＬＯＯＰ１として示される制御ループ内で接続されるが、位置決め装置／弁１６のＳＳ機能ブロック６９、送信機２０のＡＩ機能ブロック６７、およびブリッジ３０のＰＩＤ機能ブロックは、ＬＯＯＰ２として示される制御ループでされる。位置決め装置／弁１６の他のＰＩＤ機能ブロック６５は、ＬＯＯＰ３として示される制御ループ内で接続される。
図３のＬＯＯＰ１として示される制御ループを構成する相互接続された機能ブロックは、図４に描かれる個の制御ループの概略図でさらに詳細に示される。図４からわかるように、制御ループＬＯＯＰ１は、位置決め装置／弁１６のＡＯ機能ブロック６３とＰＩＤ機能ブロック６４、および送信機２０（図３）のＡＩ機能ブロック６６の間の通信リンクにより完全に形成されている。図４の制御ループ図は、これらの機能ブロックのプロセスおよび制御の入力と出力を接続する回線を使用するこれらの機能ブロックの間の通信相互接続を示す。したがって、プロセス測定またはプロセスパラメータ信号を含むことがあるＡＩ機能ブロック６６の出力は、バスセグメント３４ｂを介して、ＡＯ機能ブロック６３の入力に到達可能となるように（communicatively）結合される制御信号を含む出力を有するＰＩＤ機能ブロック６４の入力に到達可能となるように結合される。例えば、弁１６の位置を示すフィードバック信号を含む、ＡＯ機能ブロック６３の出力は、ＰＩＤ機能ブロックの制御入力に接続される。ＰＩＤ機能ブロック６４は、ＡＩ機能ブロックからのプロセス測定信号とともにこのフィードバック信号を使用し、ＡＯ機能ブロック６３の適切な制御を実現する。言うまでもなく、図４の制御ループ図で回線によって示されるコネクションは、ＡＯ機能ブロックおよびＰＩＤ機能ブロック６３と６４の場合でのように、機能ブロックが同じフィールドデバイス（例えば、位置決め装置／弁１６）内にあるときに、フィールドデバイス内で内部的に実行されることがあるか、これらの機能は標準的なFieldbus同期通信を使用して二線式通信バス３４で実現されることがある。言うまでもなく、他の制御ループは、他の構成で到達可能となるように相互接続される他の機能ブロックにより実現される。
通信と制御の活動を実現し、実行するために、Fieldbusプロトコルは、物理層、通信「スタック」、およびユーザ層として識別される技術の３つの一般的なカテゴリを使用する。ユーザ層は、（機能ブロックのような）ブロックおよび特定のプロセス制御デバイスつまりフィールドデバイス内のオブジェクトという形で提供される制御機能および構成機能を含む。ユーザ層は、典型的にはデバイス製造メーカによって独占的に設計されるが、Fieldbusプロトコルによって定義される標準メッセージフォーマットに従ってメッセージを送受信し、標準的にユーザによって構成されることができなければならない。物理層および通信スタックは、二線式ワイヤバス３４を使用して標準化された手法でさまざまなフィールドデバイスのさまざまなブロックの間で通信を達成するために必要とされ、よく知られている開放型システム間相互接続（ＯＳＩ）で層化された通信モデルによってモデル化される可能性がある。
ＯＳＩ層１に相当する物理層は、各フィールドデバイスおよびバス３４に埋め込まれ、Fieldbus伝送媒体（二線式バス３４）から受け取られる電磁信号を、フィールドデバイスの通信スタックによる使用が可能なメッセージに変換するために動作する。物理層は、バス３４、およびフィールドデバイスの入力と出力でバス３４に存在する電磁信号と見なしてよい。
各Fieldbusデバイスに存在する通信スタックは、ＯＳＩ層２に相当するデータリンク層、Fieldbusアクセスサブレイヤ、およびＯＳＩ層６に相当するFieldbusメッセージ指定層を含む。FieldbusプロトコルではＯＳＩ層３〜５用の対応する構造はない。ただし、フィールドバスデバイスのアプリケーションは層７を含むが、ユーザ層はＯＳＩプロトコルでは定義されていない層８である。通信スタック内の各層が、Fieldbusバス３４で送信されるメッセージまたは信号の一部を符号化または復号かする責任を負う。その結果、通信スタックの層は、プリアンブル、フレーム開始デリミタとフレーム終了デリミタのようなFieldbus信号の一定の部分を追加または削除し、場合によってはFieldbus信号のフレーム除去部分を復号化し、信号やメッセージの残りがどこで送信されなければならないのか、または信号が、例えば受信フィールドデバイス内にない機能ブロックのメッセージやデータを含んでいるために廃棄されなければならないかどうかを特定する。
データリンク層は、さらに詳細に後述されるリンクアクティブスケジューラと呼ばれる集中化バススケジューラに従って、バス３４へのメッセージの伝送を制御し、バス３４へのアクセスを管理する。データリンク層は、伝送媒体上の信号からプリアンブルを削除し、受信されたプリアンブルを使用し、入信Fieldbus信号とフィールドデバイスの内蔵クロックを同期することができる。同様に、データリンク層は、通信スタック上のメッセージを物理的なFieldbus信号に変換し、これらの信号をクロック情報で符号化し、二線式バス３４での伝送のための適切なプリアンブルを有する「同期シリアル」信号を作成する。復号化プロセスの間に、データリンク層は、フレーム開始デリミタとフレーム終了デリミタのようなプリアンブル内の特殊符号を認識し、特定のFieldbusメッセージの始まりと終わりを識別し、バス３４から受信される信号またはメッセージの完全性を検証するためにチェックサムを実行することがある。同様に、データリンク層は、フレーム開始デリミタとフレーム終了デリミタを通信スタックで追加し、これらの信号を適切なときに伝送媒体に配置することによって、バス３４上でFieldbus信号を送信する。
Fieldbusメッセージ仕様層は、ユーザ層（つまり、フィールドデバイスの機能ブロック、オブジェクトなど）が、メッセージフォーマットの標準セットを使用しバス３４全体で通信できるようにし、通信サービス、メッセージフォーマット、および通信スタック上に置かれ、ユーザ層に提供されるメッセージを構築するために必要とされるプロトコル動作を記述する。Fieldbusメッセージ仕様層は、ユーザ層用の標準化された通信を供給するため、特定のFieldbusメッセージ仕様通信サービスが、前述の目的のタイプごとに定義される。例えば、Fieldbusメッセージ仕様層は、ユーザがデバイスのオブジェクトディショナリを読み取ることができるようにするオブジェクトディクショナリサービスを含む。オブジェクトディクショナリは、デバイスの（ブロックオブジェクトのような）オブジェクトのそれぞれを記述するか、識別するオブジェクト記述を記憶する。Fieldbusメッセージ仕様層は、ユーザが、デバイスの１つまたは複数のオブジェクトに関連して、この後に記述される仮想通信関係（ＶＣＲ）として知られる通信関係を読み取り、変更することができるようにするコンテキスト管理サービスも提供する。さらに、依然として、Fieldbusメッセージ仕様層は、そのすべてがFieldbusプロトコルではよく知られており、したがってここではさらに詳細に説明されない可変アクセスサービス、イベントサービス、アップロードサービスとダウンロードサービス、およびプログラム呼出しサービスを提供する。Fieldbusアクセスサブレイヤは、Fieldbusメッセージ仕様層をデータリンク層にマッピングする。
これらの層の動作を許す、つまり可能にするために、各Fieldbusデバイスは、ＶＣＲ、動的変数、統計、リンクアクティブスケジューラタイミングスケジュール、機能ブロック実行タイミングスケジュール、およびデバイスタグとアドレス情報を記憶するデータベースである管理情報ベース（ＭＩＢ）を含む。言うまでもなく、ＭＩＢ内の情報は、標準的なFieldbusメッセージやコマンドを使用して任意の時点でアクセスまたは変更することができる。さらに、デバイス記述が、通常、各デバイスで提供され、ユーザやホストにＶＦＤ内の情報の拡張図を提供する。ホストによって使用されるために、典型的にはトークン化されなければならないデバイス記述は、ホストがデバイスのＶＦＤ内のデータの意味を理解するために必要とされる情報を記憶する。
理解されるように、プロセス制御ネットワーク全体で分散される機能ブロックを使用して任意の制御戦略を実現するためには、機能ブロックの実行は、特定の制御ループ内の他の機能ブロックの実行に関して正確にスケジュールされなければならない。同様に、さまざまな機能ブロックの間の通信は、適切なデータが、そのブロックが実行する前に各機能ブロックに提供されるように、バス３４上で正確にスケジュールされなければならない。
様々なフィールドデバイス（およびフィールドデバイス内の様々なブロック）がFieldbus伝送媒体上でどのように通信するのかは、ここで図１に関して説明される。通信が発生するために、バス３４の各セグメントでのリンクマスタデバイスの１つ（例えば、デバイス１２，１６、および２６）が、バス３４の関連するセグメント上での通信をアクティブにスケジュールし、制御するリンクアクティブスケジューラ（ＬＡＳ）として動作する。バス３４の各セグメントごとのＬＡＳは、各デバイスの各機能ブロックがバス３４で定期的な通信活動を開始することがスケジュールされている時間、および個の通信活動が発生する時間の長さを含む通信スケジュール（リンクアクティブスケジュール）を記憶し、更新する。バス３４のセグメントごとに一方の１つだけのアクティブＬＡＳしかない場合があるが、（セグメント３４ｂでのデバイス２２のような）他方のリンクマスタデバイスはバックアップＬＡＳとして役立ち、例えば現在のＬＡＳが失敗するとアクティブになる。基本デバイスは、任意の時点でＬＡＳになる機能は備えていない。
一般的には、バス３４での通信活動は、そのそれぞれがバス３４の特定のセグメントでアクティブな機能ブロックごとに１つの同期通信、およびバス３４のセグメントでアクティブな１つまたは複数の機能ブロックに１つまたは複数の非同期通信を含む、繰り返されたマクロサイクルに分けられる。デバイスは、たとえそれが物理的にバス３４の別のセグメントに接続されていても、バス３４上でのブリッジおよびＬＡＳの調整された動作により、アクティブとなる、つまりバス３４の任意のセグメントにデータを送信し、そこからデータを受信することができる。
各マクロサイクルの間、バス３４の特定のセグメントでアクティブである機能ブロックのそれぞれは、通常、別であるが正確にスケジュールされた（同期）時間で、および別の正確にスケジュールされた時間で実行し、適切なＬＡＳにより作成される強制データコマンドに応えてバス３４のそのセグメントでその出力データを公表する。好ましくは、各機能ブロックは、機能ブロックの実行期間の終了直後にその出力データを公表するようにスケジュールされる。さらに、さまざまな機能ブロックのデータ公表時間は、バス３４のある特定のセグメントでの２つの機能ブロックが同時にデータを発表しないように、連続してスケジュールされる。同期通信が発生していない時間中、各フィールドデバイスは、同様に、警報データ、表示データなどを、トークン駆動型通信を使用して非同期で伝送することが許される。実行時間および各機能ブロックの実行を完了するために必要な時間の量は、機能ブロックが常駐するデバイスの管理情報ベース（ＭＩＢ）に記憶されるが、前記に注記されるようにバス３４のセグメント上のデバイスのそれぞれに強制データコマンドを送信するための時間はそのセグメントのＬＡＳデバイスのＭＩＢに記憶される。これらの時間は、機能ブロックが、バス３４に接続されるデバイスのすべてによって知られている「絶対リンクスケジュール開始時間」の開始からのオフセットとして、データを実行または送信する時間を特定するため、通常、オフセット時間として記憶される。
各マクロサイクルの間に通信を達成するには、ＬＡＳ、例えば、バスセグメント３４ｂのＬＡＳ１６は、リンクアクティブスケジュールに記憶される伝送時間のリストに従ってバスセグメント３４ｂのアバイスのそれぞれに強制データコマンドを送信する。強制データコマンドを受信すると、デバイスの機能ブロックは、特定の時間量の間、その出力データをバス３４で公表する。機能ブロックのそれぞれは、通常、そのブロックの実行がブロックが強制データコマンド受信することがスケジュールされる直前に完了されるようにスケジュールされるため、強制データコマンドに応えて公表されるデータは、機能ブロックのもっとも最近の出力データでなければならない。ただし、機能ブロックがゆっくりと実行しており、強制データコマンドを受信したときに新しい出力をラッチしていない場合には、機能ブロックは、機能ブロックの前回の実行中に生成された出力データを発表し、タイムスタンプを使用して、発表されたデータが古いデータであることを示す。
ＬＡＳがバス３４の特定のセグメント上の機能ブロックのそれぞれに強制データコマンドを送信した後、損機能ブロックが実行している時間の間、ＬＡＳは、非同期通信活動を発生させる可能性がある。非同期通信を達成するためには、ＬＡＳはパストークンメッセージをある特定のフィールドデバイスに送信する。フィールドデバイスがパストークンメッセージを受信すると、そのフィールドデバイスはバス３４（またはそのセグメント）に完全なアクセスを得て、警報メッセージ、傾向データ、オペレータ設定ポイント変更などの非同期メッセージを、メッセージが完了するまで、または割り当てられた最大「トークン保持時間」が満了するまで送信することができる。その後で、フィールドデバイスはバス（またはその特定のセグメント）をリリースし、ＬＡＳはパストークンメッセージを別のデバイスに送信する。このプロセスは、マクロサイクルの最後まで、またはＬＡＳが強制データコマンドを送信し、同期通信を達成するようにスケジュールされるまで繰り返す。言うまでもなく、メッセージトラフィックの量およびバスの特定のセグメントに結合されるデバイスとブロックの数に応じて、必ずしもすべてのデバイスが各マクロサイクル中にパストークンメッセージを受け取らない可能性がある。
図５は、図１のバスセグメント３４ｂの機能ブロックが、バスセグメント３４ｂの各マクロサイクルの間に実行する時間、および同期通信が、バスセグメント３４ｂと対応する各マクロサイクルの間に発生する時間を描くタイミング概略図を示す。図５のタイミングスケジュールでは、時間は水平軸に示され、（図３の）位置決め装置／弁１６および送信機２０の異なった機能ブロックに対応する活動は垂直軸に示される。機能ブロックのそれぞれが動作する制御ループは、サブスクリプト名称として図５に特定される。したがって、ＡＩＬＯＯＰ１は送信機２０のＡＩ機能ブロックを指し、ＰＩＤＬＯＯＰ１は位置決め装置／弁１などのＰＩＤ機能ブロック６４を指す。示された機能ブロックのそれぞれのブロック実行期間はクロスハッチされたボックスによって描かれるが、スケジュールされた各同期通信は図５の垂直バーによって特定される。
このようにして、セグメント３４ｂ（図１）の特定のマクロサイクル中に、図５のタイミングスケジュールに従い、ＡＩＬＯＯＰ１機能ブロックがまずボックス７０により指定される時間期間実行する。それから、垂直バー７２によって示される時間期間中、ＡＩＬＯＯＰ１機能ブロックの出力は、バスセグメント３４ｂのＬＡＳからの強制データコマンドに応えてバスセグメント３４ｂ上で公表される。同様に、ボックス７４，７６，８０および８１が、（異なるブロックのそれぞれに対し異なる）機能ブロックＰＩＤＬＯＯＰ１，ＡＩＬＯＯＰ２、ＡＯＬＯＯＰＩ、ＳＳＬＯＯＰ２、およびＰＩＤＬＯＯＰ３それぞれの実行時間を示す一方、垂直バー８２、８４、８６、８８および８９が、機能ブロックＰＩＤＬＯＯＰ１、ＡＩＬＯＯＰ２、ＡＯＬＯＯＰ１、ＳＳＬＯＯＰ２、およびＰＩＤＬＯＯＰ３それぞれがバスセグメント３４ｂ上でデータを公表する時間を示す。
明らかとなるように、図５のタイミング概略図は、機能ブロックのどれかの実行時間中、および機能ブロックが実行していないマクロサイクルの最後での時間中、および同期通信がバスセグメント３４ｂで発生しているときに発生する可能性のある、非同期通信活動に使用できる時間も示す。言うまでもなく、希望される場合には、さまざまな機能ブロックを同時に実行するように意図的にスケジュールすることが可能であり、例えば他のデバイスが機能ブロックによって作成されるデータに加入していない場合、すべてのブロックがバスでデータを公表しなければならないわけではない。
フィールドデバイスは、各フィールドデバイスのスタックのFieldbusアクセスサブレイヤに定義される仮想通信関係（ＶＣＲ）を使用して、データおよびメッセージをバス３４でを公表または伝送することができる。クライアント／サーバＶＣＲは、バス３４上のデバイス間の待ち行列に入れられた、スケジュールされていないユーザによって始動される１対１の通信に使用される。このような待ち行列に入れられたメッセージは、過去のメッセージを上書きすることなく、その優先順位に従い、伝送のために提出された順序で送受される。したがって、フィールドデバイスは、ＬＡＳからパストークンメッセージを受信し、リクエストメッセージをバス３４上の別のデバイスに送信するときにクライアント／サーバＶＣＲを使用することができる。要求者が「クライアント」と呼ばれ、リクエストを受け取るデバイスが「サーバ」と呼ばれる。サーバは、ＬＡＳからパストークンメッセージを受け取ると応答を送信する。クライアント／サーバＶＣＲは、例えば、設定ポイント変更、チューニングパラメータのアクセスと変更、警報肯定応答、およびデバイスアップロードとダウンロードなどのオペレータが始動するリクエストを達成するために使用される。
レポート分配ＶＣＲは、待ち行列に入れられ、スケジュールされず、ユーザによって始動される１対多通信に使用される。例えば、イベントまたは傾向レポートを持つフィールドデバイスがＬＡＳからパストークンを受信すると、そのフィールドデバイスはそのメッセージをそのデバイスの通信スタックのFieldbusアクセスサブレイヤに定義される「グループアドレス」に送信する。そのＶＣＲ上で傾聴するように構成されるデバイスがレポートを受け取る。レポート分配ＶＣＲタイプは、通常、オペレータコンソールに警報通知を送信するためにFieldbusデバイスによって使用される。
公表者／加入者ＶＣＲタイプは、バッファに入れられる１対多通信に使用される。バッファに入れられた通信とは、データの最新バージョンだけを記憶、送信する通信であるため、新しいデータは過去のデータを完全に上書きする。機能ブロック出力は、例えばバッファに入れられるデータを含む。「公表者」フィールドデバイスは、公表者／加入者ＶＣＲタイプ使用して、公表者デバイスがＬＡＳからまたは加入者デバイスから強制データメッセージを受信すると、バス３４上の「加入者」フィールドデバイスのすべてにメッセージを公表または一斉送信する。公表者／加入者関係は事前に決められ、各フィールドデバイスの通信スタックのFieldbusアクセスサブレイヤ内に定義、記憶される。
バス上で適切の通信活動を保証するために、各ＬＡＳは定期的に時間分配メッセージをバス３４のセグメントに接続されるフィールドデバイスのすべてに送信し、受信側デバイスが互いに同期するようにそのローカルアプリケーション時間を調整できるようにする。これらの同期メッセージの間、クロック時間は、それ自体の内蔵クロックに基づき各デバイス内で独自に維持される。クロック同期により、フィールドデバイスは、例えば、データが作成された時間を示すためにFieldbusネットワーク全体でデータにタイムスタンプを付けることができる。
さらに、各バスセグメント上の各ＬＡＳ（およびそれ以外のリンクマスタデバイス）は、バス３４のそのセグメントに接続されているすべてのデバイス、つまりパストークンメッセージに適切に応答しているデバイスのすべてのリストである「ライブリスト」を記憶する。ＬＡＳは、ライブリスト上にないプローブノードメッセージを定期的に送信することによって、継続的にバスセグメントに追加される新しいデバイスを認識する。実際、各ＬＡＳは、それが、パストークンメッセージをライブリスト中のフィールドデバイスのすべてに送信するサイクルを完了した後に、少なくとも１つのアドレスを調べるように要求される。フィールドデバイスが調べられたアドレスに存在し、プローブノードメッセージを受信すると、デバイスはただちにプローブ応答メッセージを返す。プローブ応答メッセージを受信すると、ＬＡＳはそのデバイスをライブリストに追加し、ノード起動メッセージを調べられたフィールドデバイスに送信することによって確認する。フィールドデバイスは、そのフィールドデバイスがパストークンメッセージに適切に応答する限り、ライブリストにとどまる。ただし、ＬＡＳは、フィールドデバイスが、３回連続して試した後に、トークンを使用しないか、またはただちにトークンをＬＡＳに返さない場合、フィールドデバイスをライブリストから削除する。フィールドデバイスがライブリストに追加されたり、ライブリストから削除されると、ＬＡＳはライブリスト中の変更をバス３４の適切なセグメント上の他のすべてのリンクマスタデバイスに一斉送信し、各リンクマスタデバイスが、ライブリストのカレントコピーを維持できるようにする。
前記に注記されたように、フィールドデバイスとその機能ブロック間の通信相互接続はユーザによって決定され、例えばホスト１２内に位置する構成アプリケーションを使用してプロセス制御ネットワーク１０内で実現される。しかし、構成された後、プロセス制御ネットワーク１０は、デバイス診断やプロセス診断に対していっさい考慮せずに動作するため、診断機能ではなく標準的なＩ／Ｏ機能を実行するためにホスト１２とインタフェースする。
図６を参照すると、概略ブロック図が、プロセス制御システム、つまり遠隔通信ネットワーク１０６に接続されるネットワークアクセス可能Fieldbusインタフェース（ＮＡＦＩ）１０５を含むネットワーク１００を示す。示された制御システムネットワーク１００は、デジタル制御システムコントローラのようなコントローラ１１０によってネットワークバス１０９に接続される、パーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータ１０８を含む。コンピュータ１０８は、バス１１１を介してコントローラ１１０に接続される。制御システムネットワーク１００は、ノード１１４でネットワークバス１０９のコネクションにより外部つまり遠隔ネットワーク１０６と通信し、ネットワークバス１０９に直接接続される、またはローカルバス１２０を介してブリッジデバイス１１８によりネットワークバス１０９に接続される複数のフィールドデバイス１１６を含む。各ブリッジデバイス１１８は、通常、高い方の周波数のバスから低い方の周波数のバスへ、またその逆でデータを転送するために使用される。
ＮＡＦＩデバイス１０５は、ネットワークバス１０９と、代わりに遠隔ネットワーク１０６に接続されるネットワークコネクション端末１２２の間で接続される。言うまでもなく、遠隔ネットワーク１０６は、例えば広域ネットワーク（ＷＡＮ）構成、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）構成、イーサネット構成、電話通信へのモデムコネクション、無線伝送コネクション、および類似物などを含む、任意の希望されるネットワーク構成を有することがある。ＮＡＦＩデバイス１０５は、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、または特殊目的のコンピュータをベースにした通信システム、または特殊目的のコンピュータをベースにしたプロセスコントローラなどのコンピュータシステムである。ＮＡＦＩデバイス１０５は、制御システムネットワーク１００と遠隔ネットワーク１０６の間のソフトウェアインタフェースとして役立ち、（Fieldbus通信ソフトウェアスタックなどの）標準プロセス制御ネットワーク通信ソフトウェアスタック１２６およびユーザソフトウェア層１２８を含むソフトウェアシステム１２４を含む。
通信ソフトウェアスタック１２６とは、プロセス制御ネットワーク通信システムの物理層で動作するデバイス間のメッセージ、つまりソフトウェアスタック１２６に到達するメッセージの通信を制御するソフトウェアインタフェースである。前述されるように、通信ソフトウェアスタック１２６は、フィールドデバイス内のデータにアクセスするために多くの多様なアプリケーションプログラムによって使用され、通信ソフトウェアスタック１２６は、Fieldbusプロトコルを含む低レベルプロトコルを使用する通信を取り扱う。ユーザソフトウェア層１２８は、ＮＡＦＩデバイス１０５を制御するためにユーザインタフェース動作を実行し、プロセス制御システム１００での通信に対し通信ソフトウェアスタック１２６を制御し、例えばプロセス制御システム１００内の１つまたは複数のデバイスから指定されたデータを検索し、読取り動作と書込み動作、および対応するデータを含むプロセス制御システム１００内で指定されたメッセージトラフィックを監視し、指定されたメッセージトラフィックをデバイス１０５内のファイルにコピーし、そのファイルを遠隔ネットワーク１０６を通して遠隔サイトに伝送する。
言うまでもなく、Fieldbusシステムといっしょに使用されるとき、ＮＡＦＩデバイス１０５は、一般的にはコントローラ１１０、ブリッジデバイス１１８、またはフィールドデバイス１１６などのデバイスをネットワークバス１０９または１２０に接続するために使用される、二線式端末コネクションを介してネットワークバス１０９にインタフェースする。ただし、ＮＡＦＩデバイス１０５は、例えばProfitbusネットワークを含む、Fieldbusネットワークの他に、その他の種類のプロセス制御システムまたはネットワークとインタフェースするために使用することができる。
図７を参照すると、高水準概略ブロック図が、ＮＡＦＩデバイス１０５として使用するために適切なコンピュータシステム２００を示す。図７のコンピュータシステム２００はきわめて全般的であり、拡張された機能ブロックおよびアプリケーションを備える多くの構成に適用することができる。ＮＡＦＩデバイス１０５（コンピュータシステム２００）は、（バスのような）二線式媒体に接続するか、デバイスの二線式媒体コネクション端末に接続する二線式端末ブロック２０２を有する。ＮＡＦＩ１０５は、マイクロプロセッサ２０４、通信インタフェース２０６、媒体アクセス装置２０８、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２１０、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）２１２、および不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）２１４などの複数の記憶装置も含む。通信インタフェース２０６は、直列から並列へのプロトコル変換および並列から直列へのプロトコル変換を実行し、デバイス１０５が使用されているプロセス制御システムの通信プロトコルの定義に従ってデータパケットにフレーム指示情報を追加する回路である。図７に示されるように、インタフェース２０６は、例えば二線式媒体通信信号を通信信号のデジタル表記に変換するために使用できるマイクロプロセッサ２０４と媒体アクセス装置２０８の間のインタフェースを形成する。媒体アクセス装置２０８は、二線式媒体からまたは従来の電源から電力を受け取り、この電力をＮＡＦＩデバイス１０５の他の回路に供給する。媒体アクセス装置２０８は、二線式媒体つまり（図６のバス１０９などの）バスで波形整形およびシグナリングも実行する。
記憶装置１１０、１１２、および１１４は、ＮＡＦＩデバイス１０５にメモリを供給し、マイクロプロセッサ２０４とインタフェースする。示された実施例では、ＲＡＭ２１０は１２８Ｋｂｙｔｅの記憶装置である場合があり、ＲＯＭ２１２は２５６Ｋｂｙｔｅの記憶装置である場合があり、ＮＶＲＡＭ２１４は３２Ｋｂｙｔｅの不揮発性記憶装置である場合がある。
ＮＡＦＩデバイス１０５は、記憶装置２１０，２１２または２１４の１つまたは複数に記憶されるプログラムコードからのマイクロプロセッサ２０４で命令を実行し、通信インタフェースを実行する。ＮＡＦＩデバイス１０５は、スタンドアロンコンピュータシステム内だけではなく、コントローラ１１０内のコンピュータシステム、ブリッジデバイス１１８のどれか、および／またはフィールドデバイス１１６を含む制御システムネットワークの事実上任意のコンピュータシステム内で実現してよい。
図８を参照すると、フローチャートが、ＮＡＦＩソフトウェアシステム、つまりデバイス１０５で実行される動作を示す。ユーザコマンド受信ステップ２２２では、ＮＡＦＩソフトウェアシステム１０５は、（１）データ収集を始動し、監視される通信ソフトウェアスタック１２６で特定のトラフィックを定義するローカルユーザによるコマンド、（２）ＮＡＦＩ転送ファイルを初期化するためのローカルユーザによるコマンド、（３）ＮＡＦＩ転送ファイルを遠隔デバイスに送信するための遠隔サイトでのローカルユーザまたは遠隔利用者によるコマンド、（４）遠隔ソースで遠隔利用者から受け取られるコマンドおよび対応するデータ、および（５）指定されたＮＡＦＩ転送ファイルの伝送を要求する遠隔サイトで遠隔利用者から受け取られるコマンドを含む、ユーザからのユーザコマンドを受け取る。ユーザコマンド受信ステップ２２２は、通常、割込み駆動式で、非同期である。
データ収集を始動し、監視される通信ソフトウェアスタック１２６上で特定のトラフィックを定義するコマンドの場合、トラフィック選択およびデータ収集開始のステップ２２４は、監視されるメッセージトラフィックを定義する多様な条件付き変数やステートメントを設定し、通信ソフトウェアスタック１２６が要求されるデータに対応するユーザソフトウェア層１２８にデータを転送することを要求する。
ＮＡＦＩ転送ファイルを初期化するコマンドの場合、ＮＡＦＩファイル初期化ステップ２２６が実行される。このステップの間、データは、多様なアプリケーションプログラムを使用して通信ソフトウェアスタック１２６を介して転送される。ユーザソフトウェア層１２８は、希望される場合、どのアプリケーションプログラムがデータ転送を生じさせるのかには関係なく、指定されたデータまたはすべてのデータを監視する。通信ソフトウェアスタック１２６をフィールドデバイスとの通信に使用するアプリケーションプログラムの一例が、制御システムネットワーク１００を介して制御弁と通信するＶａｌｖｅＬｉｎｋソフトウェアである。ＶａｌｖｅＬｉｎｋソフトウェアは、そのＶａｌｖｅＬｉｎｋ製品とともに、フィッシャーコントロールインターナショナル社（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．）により製造販売されている。ＮＡＦＩソフトウェアシステム１０５は、通信ソフトウェアスタック１２６を介して読み書きするダイアログシステムに関してデータを監視し、ユーザソフトウェア層１２８は、遠隔通信のためにネットワークバス１０９で任意のデータにアクセスする。
ＮＡＦＩ転送ファイルを遠隔デバイスに送信するためのコマンドの場合、送信ＮＡＦＩファイルステップ２２８は、ＮＡＦＩファイルに入れたメッセージおよびデータを、例えばその伝送コマンドの引数などに従ってアドレス指定される遠隔サイトに伝送する。遠隔サイトに送信されるメッセージおよびデータは、Fieldbusプロトコルなどの制御システムネットワーク１００の通信プロトコルに従って、制御システムネットワーク１００の制御およびデータ伝送動作の間、通信ソフトウェアスタック１２６により扱われるリクエストおよび応答を含む。有利なことに、遠隔ネットワーク１０６上で転送される情報の量は、コンピュータ画面全体の伝送や多数のネットワークノードの通過中加えられる情報を処理することにより負担がかけられるデータの伝送などの、その他の形式でのデータに比較して非常に少ない。したがって、ＮＡＦＩデバイス１０５は、ネットワーク上でフィールドデバイスデータを通信するための時間およびデータ転送サイズという点で諸経費を有利に削減する。ＮＡＦＩ転送ファイルは、制御システムネットワークプロトコルによって定義されるメッセージおよびデータが、代わりに遠隔利用者が、ローカルユーザによって実行されるアプリケーションに対応してアプリケーションを実行できるようにし、遠隔診断中の動作と試験条件、およびデバイスステータスと問題点の問い合わせと調査を作成し直すようにする遠隔サイトでの分析および表示に使用できるようにファイルをロードする定められた遠隔サイトに遠隔ネットワーク１０６上で送信される。言うまでもなく、遠隔利用者は、ＮＡＦＩデバイスから送信されるデータの意味を復号、つまり暗号解読する適切なソフトウェアを有さなければならない。とにかく、ＮＡＦＩデバイス１０５を使用するデータ通信は、遠隔診断試験、保守および障害探索を有利に可能にする。さらに、データは、ローカルユーザと遠隔利用者の間で非同期で、独立して伝送され、それにより同期問題を回避するため、メッセージおよび情報は、ＮＡＦＩデバイス１０５を使用して非常に迅速に伝送されるのが有利である。さらに、データおよびメッセージは、データ収集およびデータ伝送が有利に切断され、ネットワーク通信コネクションが利用できず、通信がデータが収集されるのを待機中に機能停止されるときに、データ収集が機能停止されるボトルネック状態を妨げるように、データ収集に関してデータおよびメッセージが非同期で伝送される。
遠隔ソースから受け取られるコマンドおよび対応するデータの場合、遠隔伝送受信ステップ２３０は、コマンドとデータを受け取り、制御システムネットワーク１００によって使用される通信プロトコルに対応するソフトウェア通信スタックなどの標準通信デバイスを使用し、ローカル制御システムネットワーク１００上であらゆる命令された動作を始動する。
モニタスタックステップ２３２では、ＮＡＦＩソフトウェアシステム１２４は、ユーザにより指定される通信ソフトウェアスタック１２６上のメッセージトラフィックを監視する。トラフィックは、通信ソフトウェアスタック１２６が、トラフィック選択データ収集開始ステップ２２４で作成されるユーザソフトウェア層１２８にデータを転送するようにというリクエストに応えて、ユーザソフトウェア層１２８により使用できるようにされる。メッセージトラフィックは、プロセス制御動作中に通信ソフトウェアスタック１２６により通信されるリクエストおよび応答を含む。
ファイルステップ２３４に対するコピーメッセージトラフィックは、読書きリクエストおよびデータをＮＡＦＩファイルにコピーする。ＮＡＦＩファイルは、ある特定のフィールドデバイスつまり弁に関する情報などの特定の情報を記憶するために指定される複数のＮＡＦＩファイルの内の１つである場合があり、これらのファイルはＮＡＦＩデバイス１０５のメモリ装置２１０または２１４のどれかに記憶されることがある。
明らかとなるように、ＮＡＦＩデバイス１０５は、光ファイバリンクおよびコンバータを含む、高価で複雑な高速通信ギアの使用を有利に回避するＮＡＦＩソフトウェアシステム１２４付きのコンピュータシステムとして実現される簡略なシステムである。
ここでは図９を参照すると、概略ブロック図は、複数のプロセス制御要素および遠隔要素の内の１つまたは２つ以上の間で通信するためのネットワークアクセス可能Fieldbusインタフェースに考えられるいくつかのインプリメンテーションを示す。ＮＡＦＩデバイス１０５は、図６に示されるＮＡＦＩコネクションに従って示される。さらに、ＮＡＦＩデバイスまたはインタフェース３０２は、コントローラ１１０に取り入れられているとして示される。ＮＡＦＩデバイス３０２は、直接的に、またはＮＡＦＩ−ＮＡＦＩコネクションを示す、さらなるＮＡＦＩデバイス３０４を介するコネクションにより遠隔ネットワーク１０６に接続されることがある。同様に、コンピュータ１０８は、直接的に、またはＮＡＦＩデバイス３０４へのコネクションによって遠隔ネットワーク１０６に接続されるＮＡＦＩデバイス３０６を取り入れることがある。本発明のネットワークアクセス可能インタフェースは、ブリッジデバイス１１８および／または流体制御弁またはセンサ、送信機、壁取付け型パネルなどのその他の種類のフィールドデバイスである場合がある、フィールドデバイス１１６のどれかを含む他のデバイスの中に取り入れられることもある。ブリッジ１１８に取り入れられるＮＡＦＩデバイス３０８およびフィールドデバイス１１６の内の１つに取り入れられるＮＡＦＩデバイス３１０は、両方とも遠隔ネットワーク１０６に直接的に接続されていると示されているが、希望される場合、さらなるＮＡＦＩデバイスを経由して間接的に接続してもよい。
言うまでもなく、本発明のネットワークアクセス可能インタフェースは、希望されるように他の機能を実行し、プロセス制御ネットワークと遠隔ネットワークの間で通信を達成するために任意の希望される順序で任意の機能の組み合わせを実行することができる。さらに、ここに説明されるネットワークアクセス可能インタフェースは、好ましくは、例えばプロセス制御デバイス、コントローラまたはパーソナルコンピュータに記憶されるソフトウェアで実現されるが、それが、代わりにまたはさらに、希望されるようにハードウェア、ファームウェアなどで実現されることがある。すなわち、ここに説明されるプロセッサは、配線による論理アレイまたは、ここに説明される機能性を実現するように作られたその他のハードウェアデバイスを含むことがある。ソフトウェアで実現される場合、本発明のネットワークアクセス可能インタフェースは、磁気ディスク、レーザディスクまたはその他の記憶媒体上でなどのコンピュータによって読取り可能なメモリ内に、コンピュータのＲＡＭまたはＲＯＭなどの中に記憶されることがある。同様に、このソフトウェアは、例えば電話回線、インターネットなどの通信チャネル上でを含む、既知のまたは好まれる送達方法によりユーザまたはデバイスに送達されることがある。さらに、ネットワークアクセス可能インタフェースデバイスは、開放型システム間相互接続（ＯＳＩ）層化モデルに準拠した通信ソフトウェアスタックを実現または使用し、プロセス制御システム内で通信機能を実行するとしてここに説明されるが、この通信ソフトウェアスタックが、これらの機能がＯＳＩモデルによって記述されるものなどのスタックフォーマットで実現されるかどうかに関係なく、通信プロトコルに従って標準通信機能を実行する任意のソフトウェアによって実現されることがあることが理解されるだろう。
したがって、本発明は、本発明の制限としてではなく、例示的となるだけを意図される、特定の例に関して説明されてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、開示された実施例に対し変更、追加または削除を加えることができることは当業者に明らかとなるだろう。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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