FOUNDATION Fieldbus｜プロセス計装のデジタル現場通信

2025.10.04

FOUNDATION Fieldbus

FOUNDATION Fieldbusは、プロセスオートメーション向けに設計されたフィールドバス規格であり、デバイス間の相互運用性と分散制御を中核に据えるデジタル通信システムである。従来の4-20mA/ハードワイヤリングでは実現しにくい「制御イン・ザ・フィールド」を可能にし、現場機器（トランスミッタやバルブポジショナ）内で機能ブロックを実行して制御ループを完結させる点に特徴がある。物理層として31.25 kbit/sの「H1（IEC 61158-2）」と、上位統合用の「HSE（High Speed Ethernet）」を持ち、計装ネットワークの階層化と拡張性を両立する。

Table Of Contents

特徴と位置づけ

FOUNDATION Fieldbusは、計装機器のスマート化と省配線を同時に達成するための基盤技術である。データはデジタルで高信頼に伝送され、診断・状態監視・アラームの標準化されたオブジェクトとして扱えるため、アセットマネジメントや予知保全の効率が高い。さらに、機能ブロックにより制御ロジックを現場へ分散配置でき、上位DCSの負荷分散と堅牢性向上に寄与する。

通信方式とスケジューリング

FOUNDATION Fieldbusは、パブリッシャ-サブスクライバ型の周期通信を基本とし、非同期のイベント通信も併用する。セグメント上の時刻同期は「LAS（Link Active Scheduler）」が担い、タイムスロットを配分して決定論的なサイクル（マクロサイクル）を形成する。これにより、制御周期のばらつきが抑制され、PID等の安定動作が保証される。

LASとマクロサイクル

LASはセグメント内で唯一のスケジューラとして周期的ポーリングを行い、各機器に伝送機会を割り当てる。マクロサイクルは複数の静的スケジュール（コミュニケーションリスト）で構成され、プロセス値の配信、ブロック間データの更新、アラーム通知のための隙間時間（非周期通信枠）を計画的に組み込む。バックアップLAS候補の保持によりフェイルオーバも可能である。

物理層H1とHSE

H1はIEC 61158-2準拠の31.25 kbit/sの電源重畳ツイストペアで、機器をバス給電しつつ通信する。HSEは100 Mbit/s級のEthernetで、制御ネットワークと上位のサーバ、ヒストリアン、アセット管理を高帯域で接続する。H1セグメントとHSEはリンクデバイスで橋渡しされ、スケーラブルなシステムを構成できる。

トポロジと配線

  • 基本はトランク-スパー型で、終端器（終端抵抗＋C）をトランク両端に設置する。
  • ケーブルはシールド付ツイストペア（Type A想定）が推奨で、ノイズ耐性と長距離伝送を両立する。
  • スパー保護器やセグメントカプラを用いて分岐と短絡保護を実現する。

機能ブロックと制御

  • Resource/Transducer/Function Blockの3層モデルで、AI・AO・DI・DO・PID等のブロックが標準化される。
  • 現場機器同士でブロックをリンクし、コントローラを介さず制御ループを閉じる「CIF（Control In the Field）」が可能である。
  • ブロック間の入出力は時刻同期下で更新され、ループ整定が容易となる。

電源供給と安全防爆

H1は給電と通信を同一対線で行うため、電源コンディショナと終端器の設計が要点となる。防爆用途では本質安全防爆の適合が必要で、FISCOやEntity方式に基づく電源・機器・ケーブルの整合性を満たす。セグメントのデバイス数は電力予算・配線長・IS要件で制約されるため、計画段階での電流・容量計算が不可欠である。

相互運用と記述言語

FOUNDATION Fieldbusは、デバイスの自己記述を行うDD/EDD（Electronic Device Description）を採用し、ベンダが異なっても共通UIでパラメータ設定や診断が行える。FDT/DTM環境と併用することで、高度な設定・診断GUIを統合でき、ライフサイクルを通じた保全性が高まる。

エンジニアリングと試運転の要点

  1. セグメント設計：電力予算、終端位置、配線長、スパー数、許容負荷容量を定量設計する。
  2. スケジュール設計：マクロサイクル時間、静的通信リスト、イベント枠の配分をループ応答に合わせて最適化する。
  3. アドレス計画：デバイスアドレス、タグ命名規則、ブロックIDの一貫性を確保する。
  4. 診断統合：ステータス、アラーム優先度、履歴蓄積の運用ルールを定める。
  5. 冗長化：LAS候補、リンクデバイス、電源系の冗長方式を検討する。

品質・信頼性確保の観点

信号一貫性を保つため、シールド接地、ケーブル分離、グランドループ対策、サージ保護などEMC設計が不可欠である。終端器の健全性監視、セグメント電圧・リップルの測定、機能ブロック遅延の検証を通じて、制御安定度と通信品質を数値で裏付ける。機器交換時はDD/EDDの整合とブロックリンクの復元性を確認する。

HSE統合と上位システム

HSEは複数H1セグメントを統合し、履歴データ収集、アセット管理、冗長サーバ構成を容易にする。時刻同期（NTP等）やセキュリティポリシの適用、バーチャル化基盤との親和性が高く、ライフサイクル全体で運用コストを抑制できる。

適用領域と導入効果

FOUNDATION Fieldbusは、石油・化学・医薬・上下水・発電など連続プロセス産業に広く適用される。分散制御による可用性向上、配線削減による設備コスト低減、自己診断と標準オブジェクトによる保守性向上が主要効果である。適切なセグメント設計とスケジュール設計を行えば、長期安定運用と高い拡張性を同時に実現できる。

コメント（β版）