JP4411953B2

JP4411953B2 - フィールド機器のメモリ更新システム

Info

Publication number: JP4411953B2
Application number: JP2003409771A
Authority: JP
Inventors: 洋二齋藤; 誠一郎高橋; 覚落合; 雅章新国
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2023-12-09
Also published as: CN1627262A; US7124239B2; CN100339829C; US20050137719A1; JP2005173747A

Description

本発明は、プロセス現場で使用されるフィールド機器内の不揮発性メモリに格納されているファームウエアあるいはコンフィギュレーション情報などのデータを書き替えるフィールド機器のメモリ更新システムに関するものである。

このようなフィールド機器のメモリ更新システムの先行技術としては次のようなものがある。

特開２００１−３５０５０４号公報

特表２００３−５１０７１０号公報

上記特許文献1に記載された技術の概要は、第１のメモリ領域に計算プロセスを実行するステップと、この第１のメモリを不活性化するステップと、第２のメモリ領域を活性化するステップを有し、オンラインモードでリコンフィギュレーションを可能としたものである。

また、上記特許文献２に記載された技術の概要は、標準通信プロトコルを利用してホストからフィールド機器に対しプログラムインストラクションをダウンロードするステップと、それを記憶するステップと実行するステップを設け、プロセス制御ネットワーク内のフィールドデバイスを再プログラミングするものである。

図５にプロセス制御システムの一般的な構成を示す。ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮＦｉｅｌｄｂｕｓやシリアル伝送などのフィールドバス８には複数のフィールド機器９が接続されている。これらフィールド機器９にはアナログインプットファンクションブロックＡＩ、あるいはＰＩＤファンクションブロックＰＩＤ等が内蔵されている。

フィールドバス８はＩ／Ｏユニット７、バス６を介してホストシステム５に接続されている。このようなプロセス制御システムにおいて、センサ（図示省略）からの信号を入力し、フィールド機器９相互間あるいはフィールド機器９とホストシステム５との間でデータのやりとりをして制御を実行していく。

このようなフィールド機器では、センサからの信号を出力信号に変換するための演算部分のプログラムやネットワーク情報を構成するコンフィギュレーション情報は、通常ＥＰＲＯＭ、ＦｌａｓｈＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリに保存されている。

近年、プロセスの改善等を目的とした機能分散を進める上で、フィールド機器９にも自己診断機能の拡張などの付加機能が求められるようになってきた。また、機能が豊富になったために、バグが発生する可能性も大きくなってきている。そのため、フィールドバス８の通信機能を用いてフィールド機器９内部のファームウエアを更新することも行われている。

このような場合、ホストシステム５にファームウエアのバイナリイメージを入力し、バス６、Ｉ／Ｏユニット７、フィールドバス８を介してこのバイナリイメージをフィールド機器９に伝送して書き換えを行う。ファームウエアのバイナリイメージは、ウエブサイトからインターネットを経由して取得することもある。

図６にＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮＦｉｅｌｄｂｕｓのSoftware Download仕様の一部を示す。この仕様はフィールドバス通信を介してフィールド機器９内部のファームウエアを更新することを想定しており、ＲＥＰＡＲＥ＿ＦＯＲ＿ＤＷＮＬＤ、ＣＡＮＣＥＬ＿ＤＷＮＬＤなどのコマンドが用意されている。

しかしながら、このようなフィールド機器では、ファームウエアを更新するためには次のような課題があった。

不揮発性メモリとしてＦｌａｓｈＲＯＭやＥＥＰＲＯＭを使用しているフィールド機器では、フィールドバスを介してファームウエアの更新を行うことができる。しかし、更新時にはフィールド機器の消費電流が一時的に大きく増加するという課題があった。

図７にＦｌａｓｈＲＯＭを書き替えるときの消費電流の実測値例を示す。ＦｌａｓｈＲＯＭを書き替えるときは、まずセクタ単位で消去した後、書き込みを行う。セクタ消去時の消費電流の増加量ＩＤＬは最大２０ｍＡ、実測１０ｍＡであった。また、書き込み時の消費電流の増加は最大２０ｍＡであるが、実測では１ｍＡであった。このことから、主としてセクタ消去時に消費電流が大きく増加することがわかる。

このため、ホストシステム５が任意にフィールド機器９のファームウエアを書き替えるとすると、フィールド機器１台あたり２０ｍＡの消費電流の増加を見込んで電源などの設計を行わなければならず、コストが増大してしまうという課題があった。

ホストシステム５が１台ずつ順番にフィールド機器９のファームウエアを更新するとすると、消費電流は最大２０ｍＡに抑えることができる。しかしながら、フィールドバスの伝送レート（31.25kbps）の制限により、更新のために例えば３０分／台程度の時間が必要であるために、セグメント内に１０台のフィールド機器が接続されているとすると最大３００分の時間が必要になり、実用的でないという課題もあった。

例えば、ファームウエアのサイズを約３００ｋバイトとする。通信間隔を１秒、通信間隔毎の転送バイト数を２００バイトとすると、書き替えには
更新時間＝ＲＯＭ容量×通信間隔（秒）÷転送バイト数
＝３００ｋ×１÷２００＝１５００秒＝２５分
の更新時間が必要である。

このため、フィールド機器９への供給電流が不足して書き替えることができず、またフィールドバス８に接続することができるフィールド機器９の台数が制限されてしまうという課題もあった。

従って本発明が解決しようとする課題は、ファームウエア更新時の消費電流の増加を最小限に抑えることができ、かつ更新時間を短くすることができるフィールド機器のメモリ更新システムを実現することにある。なお，ここではホストシステムからフィールド機器に対してファームウェア更新を実施することについて記載してあるが，フィールドバス規格における「テンポラリデバイス」，すなわちフィールド機器のメンテナンスやパラメータ設定用に一時的に接続される設定用ツール上からファームウェアを更新する場合も同様である．本発明に記載のホストシステムに，前記テンポラリデバイスも含まれることは言うまでもない．

このような課題を達成するために、本発明は以下の通りである。
（１）フィールドバスと、不揮発性メモリが内蔵され、前記フィールドバスに接続された、少なくとも一台以上のフィールド機器と、前記フィールドバスに接続され、前記フィールド機器の１つに更新命令を送信し、更新データを転送して、このフィールド機器の不揮発性メモリを更新させるホストシステムとを有し、前記フィールド機器は、前記不揮発性メモリの内容を消去する際に、前記フィールドバスから吸い込む電流を定常時の値よりも増加させ、前記電流の増加または減少のときに、前記電流の変化率を制限する電流増減制限手段を設け、前記不揮発性メモリの消去が終了したら前記電流を前記定常時の値に戻すことを特徴とするフィールド機器のメモリ更新システム。
（２）前記フィールド機器は電流制御回路を内蔵し、この電流制御回路はこのフィールド機器内のＣＰＵ若しくは他の論理回路によって、前記フィールドバスから供給される電流を増加、あるいは減少するようにしたことを特徴とする（１）記載のフィールド機器のメモリ更新システム。
（３）前記電流が増加する期間はＦｉｅｌｄｂｕｓＦｏｕｎｄａｔｉｏｎのSoftware Download規格のＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧの状態であることを特徴とする（２）記載のフィールド機器のメモリ更新システム。
（４）前記フィールド機器は、前記不揮発性メモリの更新の準備中かどうかを示すステータスを出力し、前記ホストシステムは、前記ステータスを確認し、前記不揮発性メモリを更新するフィールド機器を選択することを特徴とする（１）記載のフィールド機器のメモリ更新システム。
また、本発明は、フィールドバスと、不揮発性メモリが内蔵され、前記フィールドバスに接続された、少なくとも一台以上のフィールド機器と、前記フィールドバスに直接あるいは間接的に接続され、前記フィールド機器内の不揮発性メモリを更新するために、前記フィールド機器の１つに更新命令を送信し、更新データを転送するホストシステムと、を有し、前記フィールド機器は、フィールド機器内の不揮発性メモリの内容を消去する際に、フィールドバスから吸い込む電流を定常時よりも増加させ、前記電流の増加または減少のときに、前記電流の変化率を制限する電流増減制限手
段を設け、メモリの消去が終了したらフィールドバスから吸い込む電流を定常時の値に戻すようにしたものである。メモリ更新時の消費電流の増加を抑えることができ、かつ更新時間を短縮でき、更にフィールドバス上の通信の乱れを防止することができる。

さらに、本発明は、前記フィールド機器は電流制御回路を内蔵し、この電流制御回路はフィールド機器内のＣＰＵ若しくは他の論理回路によって、前記フィールドバスから供給される電流を増加、あるいは減少するようにしたものである。

また、本発明は、前記電流を増加する期間はＦｉｅｌｄｂｕｓＦｏｕｎｄａｔｉｏｎのSoftware Download規格のＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧの状態としたものである。

また、本発明は、前記フィールド機器は、メモリ更新の準備中かどうかを示すステータスを出力し、前記ホストシステムは、前記フィールド機器のステータスを確認し、メモリを更新するフィールド機器を選択するものである。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１および２および５の発明によれば、不揮発性メモリを更新すべき全てのフィールド機器がメモリ更新の準備中でないことを検出したときに、不揮発性メモリを更新すべきフィールド機器の１つに更新命令を送信し、更新データを転送する。

メモリ更新の準備中には、消費電力が大きいメモリ消去が行われる。この発明の一つの実施形態として，全てのフィールド機器がメモリ更新の準備中でない場合にのみ更新命令を送信し，１度に１台のフィード機器しかメモリ消去を行わないようにする．フィールド機器は電流加算制御信号を変化させてメモリ消去のときのみフィールドバスから吸い込む電流を定常時よりも増加させ、メモリの消去が終了したら電流加算制御信号を元に戻してフィールドバスから吸い込む電流を定常時に戻すようにしているので、フィールドバス全体の消費電流の増加を最小限に抑えることができるという効果がある。そのため、メモリ更新時に電流不足になることがなくなり、１つのセグメント内に接続できるフィールド機器の台数が制限されることもないという効果もある。また、短時間でメモリ更新を行うことができるという効果もある。

請求項３の発明によれば、電流を増加する期間はＦｉｅｌｄｂｕｓＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ規格のＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧの期間としたので、規格に沿った更新が可能となる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。プロセス制御システムの構成は図5と同じなので、説明を省略する。フィールド機器９はシステムの構成に応じてセグメントに分割され管理されている。１つのセグメントには複数のフィールド機器９が含まれている。また、フィールド機器９内部の不揮発性メモリの内容を更新するときは、このセグメントを単位として行われる。

図１は本発明に係るフィールド機器の一実施例を示す構成図である。図１において、１１はＭＡＵ(Media Attachment Unit)であり、図示しないフィールドバスに接続される。このＭＡＵ１１はデジタル信号とアナログ信号の相互変換、送受信回路、内部電源電圧生成などを行う。また、電流制御回路としての働きもある。

ＦＢモデム１２は信号をフィールドバスに出力する形式に変換し、フィールドバス上の信号を逆変換する。ＴｘＤ、ＴｘＳはフィールドバスに出力する信号、ＲｘＤ、ＲｘＳはフィールドバスから入力する信号である。

ＦｌａｓｈＲＯＭ２には、ファームウエアやコンフィギュレーション情報などのデータが格納される。ＣＰＵ３１はこのフィールド機器全体の制御を行う。ＳＲＡＭ３２はＣＰＵ３１の作業領域などに使用される。

ゲートアレイ３３には、必要なデジタル回路が格納されている。ＥＥＰＲＯＭ３４にはＣＰＵ３１が使用するパラメータなどが保管される。ＣＰＵ３１，ＳＲＡＭ３２，ゲートアレイ３３、ＦＢモデム１２およびＦｌａｓｈＲＯＭ２はバス３５で相互に接続されている。プロセス量を測定するセンサ４の出力はＣＰＵ３１に入力される。

ＣＰＵ３１はＦｌａｓｈＲＯＭ２に内蔵されているプログラムに従ってセンサ４の出力およびフィールドバス上のデータを取りこんで制御出力を演算し、フィールドバスに出力する。

前述したように、ＦｌａｓｈＲＯＭ２に代表される不揮発性メモリでは、メモリの内容を書き換える前に消去しなければならない。フィールド機器が更新命令を受信するとメモリ更新の準備中に移行し、ＣＰＵ３１からＩＣＴＲＬ（電流加算制御信号・・・正論理）が発信され、フィールドバスから吸い込む電流を定常時よりも増加させ、メモリの消去が終了したら電流加算制御信号を発信してフィールドバスから吸い込む電流を定常時に戻す。

一般にメモリの消去のときはＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧ状態にする。すなわち、ＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧ状態であるかを監視することにより、メモリが消去中であるかどうかを判断することができる。

このため、ＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧ状態を監視して、フィールド機器の１つがメモリ更新の準備中のときは他のフィールド機器に更新命令を送信しないようにすることにより、２つ以上のフィールド機器が消費電力の大きい消去動作を同時に行うことを避けることができる。

図２は本発明に用いるＭＡＵの一実施例を示すブロック構成図である。図において、ＩＣＴＲＬからのトリガ信号が電流制限回路４０に入力するとフィールドバスから吸い込む電流Ｉｓｅｔを増加させる。
即ち、図３に示すように、ＣＰＵ内にあるプログラムによりＦＬＡＳＨＲＯＭの消去前にＩＣＴＲＬをハイ（Ｈ）にしてＦＬＡＳＨＲＯＭの消去が終了したらＩＣＴＲＬをロー（Ｌ）にする。

電流Ｉｓｅｔを増加、減少させる場合、急激に電流の変化があるとフィールドバスの通信に悪影響を及ぼす。そのため、フィールドバスの物理層規格（ＩＥＣ１１５８−２）に従い、電流変化の傾きを一定値以下にする必要がある。そのため、適切な時定数回路を電流制御回路４０内部に設けてＩｓｅｔの電流変化率を抑える処置を行う。

また、ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮＦｉｅｌｄｂｕｓのＳｏｆｔｗｅｒｅＤｗｎｌｏａｄ規格により定義される状態（Ｓｔａｔｅ）のうち、ＦＬＡＳＨＲＯＭの消去を行うべき状態は、一般にＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧの場合である。ＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧへの状態の遷移は、ホストシステムからＤＯＭＡＩＮ＿ＤＥＳＣＲＩＰＴＥＲパラメータにＰＲＥＰＡＲ＿ＦＯＲ＿ＤＷＮＬＤ（ダウンロードの準備指示）を書き込まれた場合であり、この書き込みをトリガにしてＦＬＡＳＨＲＯＭを消去すればよい。

ＦＬＡＳＨＲＯＭ消去のために必要なＩｓｅｔ増加期間は、ＦＬＡＳＨＲＯＭの特性にもよるが、数秒から数十秒である。同一フィールドバスセグメント内で、ＦＬＡＳＨＲＯＭ消去の期間を重ならないようにすれば、バス全体の電流増加分はΔＩｓｅｔだけになる。これにより、フィールドバスに接続する機器の制限を最小限に抑えることができる。

図４にＦｌａｓｈＲＯＭ２を更新するときのフローチャートを示す。最初にＡ−１でセグメント内の全機種の情報、例えば製造業者、対象機種、ノードアドレス、タグ、レビジョンを取得する。これはプログラムの起動時でもよく、あるいは事前に何らかの方法で取得してもよい。

次に、Ａ−２でファームウエアを更新する機種の情報を取得する。この情報にはメモリ更新を行うフィールド機器の台数が含まれ、この台数をＮとする。次に、Ａ−３で更新するバイナリイメージが格納されているファイルを選択する。

次に、Ａ−４で更新完了台数ｍを０とし、Ａ−５でｎを１とする。そして、Ａ−６でセグメント内の全フィールド機器の更新が終了したかどうかを判定する。これは、更新完了台数ｍが更新機器台数Ｎよりも１小さい値になったかどうかで判定する。

次に、Ａ−７でメモリ更新する全てのフィールド機器が更新作業の準備中でないかどうかを判定する。どれかのフィールド機器が準備中のときはこのＡ−７の入り口に戻るので、メモリ更新する全てのフィールド機器が更新準備を完了するまで、このＡ−７で待機することになる。

メモリ更新する全フィールド機器がメモリ更新の準備中でなくなると、Ａ−８でｎ番目のフィールド機器に更新命令を送信し、続いて更新するデータの送信を開始する。そして、Ａ−９でｎに１を加算する。

そして、Ａ−１０でセグメント内の任意のフィールド機器に対する更新が終了した、すなわちセグメント内の全てのフィールド機器が更新中でないと更新完了台数ｍに１を加算してＡ−６の先頭に戻り、セグメント内のどれかのフィールド機器が更新中であると、なにもしないでＡ−６の先頭に戻る。

すなわち、Ａ−７でメモリ更新すべき全フィールド機器がメモリ更新の準備ができていることを確認してから、順番にフィールド機器に更新命令を送信して、更新データの転送を開始するようにする。そのため、１度に１台のフィード機器しかメモリ更新を行わないので、消費電流の増加を最小限に抑えることができる。

また、消費電力の増加が少ない書き込みは並行して行うようにするので、メモリの更新時間を大幅に短縮することができる。ＦｌａｓｈＲＯＭの全セクタを消去するのに１５〜３０秒必要なので、例えば、セグメント内に１０台のフィールド機器が接続されている場合は、
更新時間＝ＦｌａｓｈＲＯＭ２のデータ消去時間×接続台数＋１台当たりの更新時間
＝１５秒×１０＋３０分＝３２．５分
となり、１台ずつ更新した場合の約１／１０の時間で更新作業を行うことができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。ＭＡＵの概略を示すブロック構成図である。フィールドバスから電流を吸い出す場合の電流の増加についての説明図である。本発明の一実施例の動作を説明するためのフローチャートである。プロセス制御システムの構成図である。ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮＦｉｅｌｄｂｕｓの仕様の一部を表す図である。不揮発性メモリの更新時の消費電流を示す特性図である。

符号の説明

２ＦｌａｓｈＲＯＭ
４センサ
５ホストシステム
６，３５バス
７Ｉ／０
８フィールドバス
９フィールド機器
１１ＭＡＵ
１２ＦＢモデム
３１ＣＰＵ
３２ＳＲＡＭ
３３ゲートアレイ
３４ＥＥＰＲＯＭ
４０電流制御回路
４１レギュレータ
４２受信回路

Claims

フィールドバスと、
不揮発性メモリが内蔵され、前記フィールドバスに接続された、少なくとも一台以上のフィールド機器と、
前記フィールドバスに接続され、前記フィールド機器の１つに更新命令を送信し、更新データを転送して、このフィールド機器の不揮発性メモリを更新させるホストシステムとを有し、
前記フィールド機器は、
前記不揮発性メモリの内容を消去する際に、前記フィールドバスから吸い込む電流を定常時の値よりも増加させ、前記電流の増加または減少のときに、前記電流の変化率を制限する電流増減制限手段を設け、
前記不揮発性メモリの消去が終了したら前記電流を前記定常時の値に戻す
ことを特徴とするフィールド機器のメモリ更新システム。
前記フィールド機器は電流制御回路を内蔵し、
この電流制御回路はこのフィールド機器内のＣＰＵ若しくは他の論理回路によって、前記フィールドバスから供給される電流を増加、あるいは減少するようにした
ことを特徴とする請求項１記載のフィールド機器のメモリ更新システム。
前記電流が増加する期間はＦｉｅｌｄｂｕｓＦｏｕｎｄａｔｉｏｎのSoftware Download規格のＤＷＮＬＤ＿ＰＲＥＰＡＲＩＮＧの状態である
ことを特徴とする請求項２記載のフィールド機器のメモリ更新システム。
前記フィールド機器は、前記不揮発性メモリの更新の準備中かどうかを示すステータスを出力し、
前記ホストシステムは、前記ステータスを確認し、前記不揮発性メモリを更新するフィールド機器を選択することを特徴とする請求項１記載のフィールド機器のメモリ更新システム。