JP2009060480A - フィールド制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 各フィールド機器間の通信時間に応じてフィールド機器の動作スケジュールを調整するフィールド制御システムを実現する。
【解決手段】あらかじめ設定されたスケジュールで動作し制御ループを構成する複数のフィールド機器がネットワークを介してパケット通信を行うフィールド制御システムにおいて、制御処理の遅延を検知して各フィールド機器のタイムスタンプが付加された測定結果パケットを収集し、前記タイムスタンプに基づいて各フィールド機器間における通信時間の少なくともいずれか一つを把握し、これら通信時間に応じて各フィールド機器の動作スケジュールを調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フィールド制御システムに関し、詳しくは、フィールド機器のスケジュール制御に関する。

近年、たとえばインダストリアルオートメーションにおけるプロセス制御システムとして、フィードバック制御などの制御ループを構成する流量計や温度計などのセンサ、アクチュエータ、コントローラを含むフィールド機器をネットワークにより相互に接続し、フィールド制御システムとして構築することが提案されている。このような、フィールド制御システムでは、フィールド機器の動作スケジュールが設定され、フィールド機器で構成される制御ループが計画通りに動作するように構成されている。

従来のフィールド制御システムに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００１−０５３７８０号公報

図１３は従来のフィールド制御システムの一例を示す構成ブロック図である。図１３において、センサ１は、温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能と、これら物理量の測定値をＩＰ（Internet Protocol）を用いて伝送する通信機能を有している。コントローラ２は、プラントが最適に運転されて、センサ１の測定値が所定の目標値に収束するようにバルブや調整弁などのアクチュエータ３を操作制御する。アクチュエータ３は、温度や流量などの物理量を制御する制御機能と、データを伝送する通信機能を有している。

これらセンサ１、コントローラ２、アクチュエータ３はプラントに設置されていて、フィードバック制御ループを構成している。また、センサ１、コントローラ２およびアクチュエータ３は複数のルータやスイッチなどの中継機器を有し複雑な構成であるネットワークＮＷ１００を介して相互に接続されている。

また、図１３において、センサ１がコントローラ２に測定データを含むパケットを送信するデータ通信ＤＦ１００の流れと、コントローラ２がアクチュエータ３に制御データを含むパケットを送信するデータ通信ＤＦ１０１の流れと、アクチュエータ３がコントローラ２にフィードバックデータを含むパケットを送信するデータ通信ＤＦ１０２の流れを示している。

図１４は図１３のセンサ１の構成ブロック図である。通信部１１は、主にコントローラ２、アクチュエータ３との間で通信を行うものであり、各部の動作を制御するＣＰＵなどの演算制御部１２に接続されている。演算制御部１２は記憶部１３に接続されている。記憶部１３には、センサ１として動作させるためのプログラムおよびスケジュール情報などが格納されている。なお、コントローラ２、アクチュエータ３の構成もセンサ１とほぼ同様であり、これらの説明は省略する。

図１５は図１４のセンサ１を構成する演算制御部１２の機能ブロック例図である。パケット送受部１２１は、パケットの送受信を行う。パケット解析部１２２は、パケット送受部１２１で得たパケットの解析を行う。スケジュール情報格納部１２３は、主にスケジュール情報などを格納する。固有機能実行部１２４は、スケジュール情報格納部１２３に格納されたスケジュール情報に基づいて制御処理（たとえば物理量の測定や、測定データの通知、制御データの算出など）を行う。パケット生成部１２５は、固有機能実行部１２４で得られた測定値に基づいてネットワークを介しコントローラ２に送信するためのパケットを生成する。スケジュール設定部１２６はパケット解析部１２２で解析した送信先アドレス、送信元アドレスやスケジュール情報などのパケット情報をスケジュール情報格納部１２３に格納する。

ところで、フィードバック制御ループを構成するセンサ１、コントローラ２、アクチュエータ３の動作時間は、図示しないコンフィギュレータなどによってあらかじめスケジュールを設定されている。たとえば、コンフィギュレータは各フィールド機器の動作スケジュールを設定するスケジュール設定情報を作成して各フィールド機器に送信し、各フィールド機器はそれぞれスケジュール設定情報に基づいてスケジュールを設定する。

フィールド制御システムの動作について、シーケンス図である図１６、各フィールド機器の動作スケジュールおよびフィールド機器間の通信時間の説明図である図１７を用いて説明する。

なお、各フィールド機器の動作スケジュールは一定周期ごとに繰り返される。この周期をマクロサイクルと呼ぶ。いいかえれば、各フィールド機器はマクロサイクル内に動作するようにスケジューリングされることになる。たとえば、図１７に示すようにセンサ１の実行時間は「Ｔ０〜Ｔ１」、コントローラ２の実行時間は「Ｔ２〜Ｔ３」、アクチュエータ３の実行時間は「Ｔ４〜Ｔ５」として設定される。

まず、シーケンスＳＱ１０１において、センサ１の固有機能実行部１２４は、スケジュール情報格納部１２３に格納されているあらかじめ定められたスケジュールに基づいて流量や温度などの物理量を測定する。たとえば、図１７に示すように、センサ１はあらかじめ定められた実行時間「Ｔ０〜Ｔ１」内で流量や温度などの物理量を測定する。

シーケンスＳＱ１０２において、センサ１のパケット生成部１２５は測定データを含むパケットを生成し、パケット送受部１２１はコントローラ２に送信する。たとえば、図１３のデータ通信ＤＦ１００の流れに示すように測定データを含むパケットをコントローラ２に送信する。なお、図１７に示すようにセンサ１から送信された測定データは、通信時間「Ｔａ（Ｔ１〜Ｔ２）」だけ到達するまでに時間がかかる。なお、制御処理に関わるデータを含むパケットの生成は同等なので以下省略する。

シーケンスＳＱ１０３において、コントローラ２はあらかじめ定められたスケジュールに基づいて、受信した測定データを利用してあらかじめ設定されている目標値に収束してプラントが最適に運転されるように、アクチュエータ３を制御するための設定情報である「制御データ」を算出する。たとえば、図１７に示すように、コントローラ２はあらかじめ定められた実行時間「Ｔ２〜Ｔ３」内で制御データを算出する。

シーケンスＳＱ１０４において、コントローラ２はあらかじめ定められたスケジュールに基づいて、算出した制御データを含むパケットをアクチュエータ３に送信する。たとえば、図１７に示すように、コントローラ２はあらかじめ定められた実行時間「Ｔ２〜Ｔ３」内で図１３のデータ通信ＤＦ１０１の流れに示すように制御データを含むパケットをアクチュエータ３に送信する。

シーケンスＳＱ１０５において、アクチュエータ３はあらかじめ定められたスケジュールで、制御データに基づいて動作する。アクチュエータ３が制御データに基づいて動作する例として、たとえば、バルブが制御データに基づき開度を変更して流量を調整するという動作などがある。

シーケンスＳＱ１０６において、アクチュエータ３は、現在のアクチュエータ３の操作状態（たとえばバルブの開度８０％など）などのフィードバックデータを含むパケットをコントローラ２に送信する。たとえば、図１７に示すように、アクチュエータ３はあらかじめ定められた実行時間「Ｔ４〜Ｔ５」内で図１３のデータ通信ＤＦ１０２の流れに示すようにフィードバックデータを含むパケットをコントローラ２に送信する。

このように、フィールド制御システムは、各フィールド機器がマクロサイクル内に設定された動作スケジュールに従って動作し、測定データがあらかじめ設定されている目標値に収束するようにアクチュエータを制御するのでプラントを最適に運転することが可能となる。

しかしながら、このようなフィールド制御システムでは、複数の中継機器を有するような複雑なネットワークで構成されているので、ネットワークの負荷状態や中継機器の負荷状態などによって各フィールド機器間の通信時間が長くなったり短くなったりすることがある。

この場合は、各フィールド機器間の通信時間が常に一定ではないので、各フィールド機器はあらかじめ定められたスケジュール通りに制御ループに関わる処理（以下、制御処理という）を実行できないことがある。

このように、従来のフィールド制御システムにおいて、複雑なネットワークで構成される場合には、ネットワークの負荷や中継機器の負荷などによって各フィールド機器間の通信時間が長くなったり短くなったりするため各フィールド機器のスケジュールにずれが生じてしまうといった問題点がある。

また、各フィールド機器がスケジュール通りに動作しないと制御ループが機能せずに期待される結果を得ることができないので、センサから転送される測定データがあらかじめ設定されている目標値に収束してプラントが最適に運転されるようにアクチュエータを制御できないといった問題点がある。

本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、各フィールド機器間の通信時間に応じてフィールド機器の動作スケジュールを調整するフィールド制御システムを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
あらかじめ設定されたスケジュールで動作し制御ループを構成する複数のフィールド機器がネットワークを介してパケット通信を行うフィールド制御システムにおいて、
制御処理の遅延を検知して各フィールド機器のタイムスタンプが付加された測定結果パケットを収集し、前記タイムスタンプに基づいて各フィールド機器間における通信時間の少なくともいずれか一つを把握し、これら通信時間に応じて各フィールド機器の動作スケジュールを調整するターミネータを有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のフィールド制御システムにおいて、
前記各フィールド機器は、制御処理が一巡した後に各制御処理における制御パケットの送信時刻および受信時刻を付加した制御処理完了パケットを前記ターミネータに送信することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１もしくは請求項２記載のフィールド制御システムにおいて、
前記ターミネータは、前記制御処理完了パケットに基づき制御処理の遅延の有無を判定し、制御処理の遅延を検知して前記各フィールド機器の少なくともいずれか一つに測定要求パケットを送信することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項３記載のフィールド制御システムにおいて、
前記各フィールド機器は、前記測定要求パケットに基づいて各フィールド機器の少なくともいずれか一つに時間測定パケットを送信し、前記時間測定パケットの送信元フィールド機器の送信時刻および送信先フィールド機器の受信時刻を付加した前記測定結果パケットを前記ターミネータに送信することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項１ないし請求項４いずれかに記載のフィールド制御システムにおいて、
前記フィールド機器は、パケット通信を行う通信部と、前記各フィールド機器のスケジュール情報を記憶する記憶部と、制御処理が一巡した後に各制御処理における前記制御パケットの送信時刻および受信時刻を付加した前記制御処理完了パケットを前記ターミネータに送信し、前記測定要求パケットに基づき各フィールド機器の少なくともいずれか一つに前記時間測定パケットを送信し、前記時間測定パケットの送信時刻および受信時刻を前記測定結果データに付加して前記ターミネータに送信する演算制御部とから構成されることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、
請求項１ないし請求項５いずれかに記載のフィールド制御システムにおいて、
前記ターミネータは、パケット通信を行う通信部と、前記各フィールド機器のスケジュール情報および前記通信時間を記憶する記憶部と、前記制御処理完了パケットに基づき制御処理の遅延を検知して前記各フィールド機器の少なくともいずれか一つに測定要求パケットを送信し、前記測定結果パケットに付加された前記各フィールド機器の前記時間測定パケットの送信時刻および受信時刻に基づき前記通信時間を算出し、前記通信時間に基づき前記各フィールド機器のスケジュールを調整する演算制御部とから構成されることを特徴とする。

本発明によれば、ターミネータは制御処理の遅延を検知すると各フィールド機器間で必要となる通信時間を考慮してフィールド機器の動作スケジュールを調整する。

図１は、本発明に係るフィールド制御システムの一実施例を示す構成ブロック図である。センサ５１は、センサ機能、通信機能、フィードバック制御に関わるデータの送信時刻および受信時刻などの「タイムスタンプ」を付加するタイムスタンプ機能を有している。コントローラ５２は、通信機能およびタイムスタンプ機能を有し、センサ５１の測定値が所定の目標値に収束するようにバルブや調整弁などのアクチュエータ５３を操作制御する。アクチュエータ５３は操作制御する制御機能、通信機能およびタイムスタンプ機能を有している。ターミネータ５４は通信機能、スケジュール調整機能および各フィールド機器間の通信時間を測定し把握する通信時間把握機能を有している。

これらのセンサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３およびターミネータ５４は、複数のルータやスイッチなどの中継機器を有し複雑な構成であるネットワークＮＷ２００を介して接続されている。なお、フィールド制御システムの構成は各フィールド機器のタイムスタンプ機能およびターミネータ５４以外は従来と同等なので、各部の説明を適宜省略する。

またセンサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３は、フィードバック制御ループを構成している。このフィードバック制御ループは、たとえば図１に示すようにセンサ５１がコントローラ５２に測定データを含むパケットを送信し（データ通信ＤＦ２００の流れ）、コントローラ５２がアクチュエータ５３に制御データを含むパケットを送信し（データ通信ＤＦ２０１の流れ）、アクチュエータ５３がコントローラ５２にフィードバックデータを含むパケットを送信（データ通信ＤＦ２０２の流れ）するといった流れからなり、コントローラ５２がセンサ５１の測定データに基づいてあらかじめ定められた目標値に収束するようにアクチュエータ５３を制御するものである。

図２は図１のターミネータ５４の構成ブロック図である。通信部５４１は、主にセンサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３との間で通信を行うものであり、各部の動作を制御するＣＰＵなどの演算制御部５４２に接続されている。演算制御部５４２は記憶部５４３に接続されている。記憶部５４３には、ターミネータ５４として動作させるためのプログラムおよびセンサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３などのスケジュール情報などが格納されている。

図３は図２のターミネータ５４を構成する演算制御部５４２の機能ブロック例図である。パケット送受部５４２１は、パケットの送受信を行う。パケット解析部５４２２は、パケット送受部５４２１で得たパケットの解析を行い、タイムスタンプ、送信先アドレス、送信元アドレスやスケジュール情報などのパケット情報を抽出する。スケジュール情報格納部５４２３は、主にセンサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３のスケジュール情報および通信時間把握部５４２６で得られる通信時間を格納する。

また、スケジュール設定部５４２４は、パケット解析部５４２２で解析したパケット情報、スケジュール情報格納部５４２３のスケジュール情報および通信時間把握部５４２６で得られる通信時間に基づいて各フィールド機器の動作スケジュールを調整し、主にセンサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３の動作スケジュールを設定する「スケジュール設定情報」を作成する。

遅延検知部５４２５は、各フィールド機器からのタイムスタンプに基づいて制御処理の遅延を検知する。通信時間把握部５４２６は、各フィールド機器にタイムスタンプの取得を要求する「測定要求データ」を生成し、取得したタイムスタンプから各フィールド機器間の通信時間を算出する。パケット生成部５４２７は、主に測定要求データを含むパケット（以下、測定要求パケットという）、スケジュール設定情報を含むパケット（以下、スケジュール設定パケットという）のパケットなどを生成する。

図４は図１のセンサ５１の構成ブロック図である。通信部５１１は、主にコントローラ５２、アクチュエータ５３、ターミネータ５４との間で通信を行うものであり、各部の動作を制御するＣＰＵなどの演算制御部５１２に接続されている。演算制御部５１２は記憶部５１３に接続されている。記憶部５１３には、センサ５１として動作させるためのプログラムおよびスケジュール情報などが格納されている。なお、コントローラ５２、アクチュエータ５３の構成もセンサ５１とほぼ同様であり、これらの説明は省略する。

図５は図４のセンサ５１を構成する演算制御部５１２の機能ブロック例図である。パケット送受部５１２１は、パケットの送受信を行う。パケット解析部５１２２は、パケット送受部５１２１で得たパケットの解析を行い、タイムスタンプ、送信先アドレス、送信元アドレスやスケジュール情報などのパケット情報を抽出する。スケジュール情報格納部５１２３は、主に制御処理を行うためのスケジュール情報を格納する。固有機能実行部５１２４は、スケジュール情報格納部５１２３に格納されたスケジュール情報に基づいて制御処理（たとえば物理量の測定や測定値の通知、制御データの算出など）を行う。通信時間測定部５１２５は、各フィールド機器間の通信時間を測定するためのタイムスタンプを取得する「時間測定データ」を生成して各フィールド機器に送信する。

また、パケット生成部５１２６は、主に制御処理に関わるデータを含むパケット（以下、制御パケットという）、時間測定データを含むパケット（以下、時間測定パケットという）、測定結果データを含むパケット（以下、測定結果パケットという）、固有機能実行部５１２４の制御処理による送信するためのパケット（以下、制御パケットという）を生成する。タイムスタンプ付加部５１２７は、各フィールド機器の測定パケットの送信時刻や受信時刻などの「タイムスタンプ」を制御パケット、測定パケットおよび測定結果パケットに付加する。なお、コントローラ５２、アクチュエータ５３の構成もセンサ５１と同様の構成である。スケジュール設定部５１２８はパケット解析部５１２２で解析したスケジュール情報などのパケット情報に基づき、スケジュール情報をスケジュール情報格納部５１２３に格納する。

フィールド制御システムが制御処理の遅延を検知する動作をシーケンス図である図６およびフィールド制御システムで利用するパケットフォーマット例である図７、図８を用いて説明する。また、説明を簡単にするため、各フィールド機器はマルチキャスト通信によって制御処理が行われているものとする。なお、各フィールド機器の通信方法は使用されているフィールドバスの仕様に準拠した方法で行われるものであればどのようなものであってもよい。

まず、シーケンスＳＱ２０１において、センサ５１の演算制御部５１２は記憶部５１３に格納されたプログラムを読み出し実行することによりセンサ５１の固有機能実行部５１２４を制御して、スケジュール情報格納部５１２３に格納されているあらかじめ定められたスケジュールに基づいて流量や温度などの物理量を測定する。なお、センサ５１の演算制御部５１２が記憶部５１３に格納されたプログラムを読み出し実行して図５で示した各機能を制御する動作については、同様であるので以下省略する。また、コンロトーラ、アクチュエータ、ターミネータについても演算制御部が記憶部に格納されたプログラムを読み出し実行して各機能を制御する動作については、同様であるので省略する。

シーケンスＳＱ２０２において、センサ５１のパケット生成部５１２６は測定データを含む制御パケットを生成し、パケット送受部５１２１はコントローラ５２に送信する。このときタイムスタンプ付加部５１２７は、送信時刻を制御パケットに付加する。たとえば、図１のデータ通信ＤＦ２００の流れに示すように、センサ５１は送信時刻を付加した制御パケット（たとえば図７のパケットＰ１）をコントローラ５２に送信する。なお、制御処理に関わるデータを含む制御パケットの生成は以下同等なので省略する。

図７に示すように、制御パケットはＩＰヘッダ、ＵＤＰヘッダ、ペイロードなどのフィールドを有し、ペイロードに「メッセージタイプ」、制御処理で得られるデータ（たとえば物理量などの測定値）が格納される「制御データ」、パケットＰ１が有しているタイムスタンプの個数を示す「タイムスタンプ数」、制御パケットの送信時刻や受信時刻を格納する「タイムスタンプ」などの複数のフィールドを有している。

たとえば、センサ５１のパケット生成部５１２６は、図７のように、メッセージタイプの値（たとえば「制御通信」）、タイムスタンプ数（たとえば「１」）、タイムスタンプ（たとえば「Ｔ１」）を設定して制御パケットを生成している。また、パケット生成部５１２６は、ＩＰヘッダの始点アドレスに「センサのユニキャストアドレス」、終点アドレスに「コントローラのユニキャストアドレス」を設定している。なお、タイムススタンプの取得に関わる制御パケットの生成はＩＰアドレスの設定やタイムスタンプの付加以外はほぼ同等なので以下省略する。

シーケンスＳＱ２０３において、コントローラ５２の図示しないタイムスタンプ付加部は、測定データを含む制御パケットを受信した時刻（たとえば「Ｔ２」）を取得し、図示しない記憶部に記憶する。

シーケンスＳＱ２０４において、コントローラ５２はあらかじめ定められたスケジュールに基づいて、受信した測定データを利用してあらかじめ設定されている目標値に収束してプラントが最適に運転されるように、アクチュエータ５３を制御するための設定情報である「制御データ」を算出する。

シーケンスＳＱ２０５において、コントローラ５２は、算出した制御データを含む制御パケットをアクチュエータ５３に送信する。このとき、コントローラ５２の図示しないタイムスタンプ付加部は、この制御パケットを送信する時刻（たとえば「Ｔ３」）を制御パケットに付加するとともに、センサ５１からコントローラ５２への制御パケットの送信時刻および受信時刻（たとえば「Ｔ１」、「Ｔ２」）も制御パケットに付加する。

シーケンスＳＱ２０６において、アクチュエータ５３の図示しないタイムスタンプ付加部は、制御データを含む制御パケットを受信した時刻（たとえば「Ｔ４」）を取得し、図示しない記憶部に記憶する。

シーケンスＳＱ２０７において、アクチュエータ５３はあらかじめ定められたスケジュールで、制御データに基づいて動作する。アクチュエータ５３が制御データに基づいて動作する例として、たとえば、バルブが制御データに基づき開度を変更して流量を調整するという動作などがある。

シーケンスＳＱ２０８において、アクチュエータ５３は、現在のアクチュエータ５３の操作状態（たとえばバルブの開度８０％など）などのフィードバックデータを含む制御パケットをコントローラ５２に送信する。このとき、アクチュエータ５３の図示しないタイムスタンプ付加部は、この制御パケットを送信する時刻（たとえば「Ｔ５」）を制御パケットに付加するとともに、センサ５１からコントローラ５２への制御パケットのタイムスタンプおよびコントローラ５２からアクチュエータ５３への制御パケットのタイムスタンプ（たとえば「Ｔ１」〜「Ｔ４」）を制御パケットに付加する。

シーケンスＳＱ２０９において、コントローラ５２の図示しないタイムスタンプ付加部は、フィードバックデータを含む制御パケットを受信した時刻（たとえば「Ｔ６」）を取得し、図示しない記憶部に記憶する。

シーケンスＳＱ２１０において、コントローラ５２は、制御処理完了パケット（たとえば図８のパケット２）を送信する。このとき、コントローラ５２の図示しないタイムスタンプ付加部は、センサ５１からコントローラ５２への制御パケットのタイムスタンプ、コントローラ５２からアクチュエータ５３への制御パケットのタイムスタンプ、アクチュエータ５３からコントローラ５２への制御パケットのタイムスタンプ（たとえば「Ｔ１」〜「Ｔ６」）を制御処理完了パケットに付加する。

図８に示すように、制御処理完了パケットはＩＰヘッダ、ＵＤＰヘッダ、ペイロードなどのフィールドを有し、ペイロードに「メッセージタイプ」、パケットＰ２が有しているタイムスタンプの個数を示す「タイムスタンプ数」、制御パケットの送信時刻や受信時刻を格納する「タイムスタンプ」などの複数のフィールドを有している。

たとえば、コントローラ５２の図示しないパケット生成部は、図８のように、メッセージタイプの値（たとえば「制御終了」）、タイムスタンプ数の値（たとえば「６」）、タイムスタンプの値（たとえば「Ｔ１」〜「Ｔ６」）を設定して制御処理完了パケットを生成している。また、パケット生成部は、ＩＰヘッダの始点アドレスに「コントローラのユニキャストアドレス」、終点アドレスに「ターミネータのユニキャストアドレス」を設定している。このようにすることで、ターミネータ５４は、制御処理完了パケットを受信する。すなわち、ターミネータ５４はタイムスタンプ「Ｔ１」〜「Ｔ６」を取得することになる。

シーケンスＳＱ２１１において、ターミネータ５４の遅延検知部５４２５は、制御処理完了パケットのタイムスタンプとスケジュール情報格納部５４２３のスケジュール情報とを比較して、制御処理のスケジュールに遅延が生じているか否かを判断する。制御処理のスケジュールに遅延が生じている場合は、ターミネータ５４は図９のシーケンスＳＱ３０１に移行する。

たとえば、ターミネータ５４は、制御処理に関わる制御パケット（たとえばセンサの測定値、コントローラの制御データ、アクチュエータのフィードバックデータなどを含む）の送信時刻および到達時刻とあらかじめ設定された制御処理期間などのスケジュールとを比較し、制御パケットがスケジュール内に送信もしくは到達しない場合は、制御処理が遅延しているものと判断する。

フィールド制御システムにおけるスケジュール調整の動作をシーケンス図である図９およびフィールド制御システムで利用するパケットフォーマット例である図１０〜図１２を用いて説明する。

シーケンスＳＱ３０１において、ターミネータ５４の演算制御部５４２は、記憶部５４３に格納されたプログラムを読み出し実行することにより通信時間把握部５４２６を制御して測定要求パケットを送信させる。たとえば、通信時間把握部５４２６はパケット生成部５４２７を制御して測定要求パケット（たとえば、図１０のパケット１１）を生成し、パケット送受部５４２１は測定要求パケットをネットワークＮＷ２００を介してセンサ５１に送信する。

図１０に示すように測定要求パケットは、ＩＰヘッダ、ＵＤＰヘッダ、ペイロードなどのフィールドを有し、ペイロードに「メッセージタイプ」、「トランザクションＩＤ」、「返信アドレス」、制御ループを一巡するまでに経由するフィールド機器の個数を示す「残りホップ数」や各ホップの「ＩＰアドレス」などの情報を格納する「ホップ」フィールドなど、複数のフィールドを有している。

たとえば、ターミネータ５４のパケット生成部５４２７は、図１０のパケットＰ１１のメッセージタイプの値（たとえば「測定要求」）、トランザクションＩＤの値（たとえば「ＩＤ１」）、返信アドレス（たとえば「ターミネータ５４」）、残りホップ数の値（たとえば「３」）を設定している。

また、パケット生成部５４２７は、ホップのＩＰアドレスには「コントローラ５２」、「アクチュエータ５３」、「コントローラ５２」を設定するとともに、まずコントローラ５２、次にアクチュエータ５３、最後にコントローラ５２に測定パケットを転送するように転送順序に関する情報も設定している。このようにターミネータ５４は、ホップの宛先を設定することで、各フィールド機器間の通信時間を制御ループの流れに沿って測定するように測定要求パケットを設定している。

シーケンスＳＱ３０２において、センサ５１のパケット解析部５１２２はターミネータ５４からの測定要求パケットを解析してメッセージタイプ「測定要求」、ホップの宛先、返信アドレスなどを取得し、パケット生成部５１２６は測定要求パケットに基づいて時間測定パケット（たとえば図１１のパケットＰ１２）を生成し、パケット送受部５４２１はこの時間測定パケットをネットワークＮＷ２００を介してコントローラ５２に送信する。このとき、タイムスタンプ付加部５１２６は、この時間測定パケットを送信する時刻（たとえば「Ｔ１１」）を時間測定パケットに付加する。ちなみに、マルチキャスト通信で行われるセンサ〜コントローラ間における制御処理の通信時間を測定するため、センサおよびコントローラは時間測定パケットの送受信をマルチキャスト通信で行われる。また図９では測定パケットを送信するシーケンスを太線で表している。

図１１に示すように、時間測定パケットはＩＰヘッダ、ＵＤＰヘッダ、ペイロードなどのフィールドを有している。また、ペイロードに「メッセージタイプ」、「トランザクションＩＤ」、時間測定パケットの宛先である「返信アドレス」、フィールド機器間を特定する「区間番号」、時間測定パケットの送信時刻を格納する「始点タイムスタンプ」、制御ループを一巡するまでに経由するフィールド機器の個数を示す「残りホップ数」や各ホップの「ＩＰアドレス」などの情報を格納する「ホップ」フィールドなど、複数のフィールドを有している。

たとえば、センサ５１のパケット生成部５１２６は、ターミネータ５４からの測定要求パケットＰ１１に基づいて、パケットＰ１２におけるＩＰヘッダの始点アドレスの値（たとえばパケットＰ１１の終点アドレスの値「センサ５１」）、終点アドレスの値（たとえばパケットＰ１１におけるホップのＩＰアドレスの値「コントローラ５２」）を設定する。

また、パケット生成部５１２６はパケットＰ１２におけるペイロードのメッセージタイプの値（たとえば「測定」）、トランザクションＩＤの値（たとえばパケットＰ１のトランザクションＩＤの値「ＩＤ１」）、返信アドレス（たとえばパケットＰ１の返信アドレスの値「ターミネータ５４」）、区間番号（たとえば０）、始点タイムスタンプ（たとえばパケットＰ１２を送信する時刻「Ｔ１１」）、残りホップ数（たとえばパケットＰ１１の残りホップ数の値から１減算した値「２」）を設定する。

パケット生成部５１２６は、ホップのＩＰアドレスにパケットＰ１１におけるホップのＩＰアドレスの値「アクチュエータ５３」、「コントローラ５２」を設定するとともに、まずアクチュエータ５３、次にコントローラ５２に測定パケットを転送するように転送順序に関する情報も設定している。このようにセンサ５４は、ホップの宛先を設定することで、各フィールド機器間の通信時間を制御ループの流れに沿って測定するように測定要求パケットを設定している。

シーケンスＳＱ３０３において、コントローラ５２の図示しないタイムスタンプ付加部は、測定データを含む時間測定パケットを受信した時刻（たとえば「Ｔ１２」）を取得し、図示しない記憶部に記憶する。

シーケンスＳＱ３０４において、コントローラ５２は、センサ５１とコントローラ５２の測定結果パケット（たとえば図１２のパケットＰ１３）を生成してネットワークＮＷ２００を介してターミネータ５４に送信する。このとき、コントローラ５２の図示しないタイムスタンプ付加部は、センサ５１からコントローラ５２への時間測定パケットの送信時刻（たとえば「Ｔ１１」）および受信時刻（たとえば「Ｔ１２」）を測定結果パケットに付加する。よってコントローラ５２は、センサ５１とコントローラ５２が時間測定パケットを送受信したタイムスタンプをターミネータ５４に通知することになる。

図１２に示すように、時間測定パケットはＩＰヘッダ、ペイロードを有している。また、ペイロードに「メッセージタイプ」、「トランザクションＩＤ」、「区間番号」、時間測定パケットの送信時刻を格納する「始点タイムスタンプ」、時間測定パケットの受信時刻を格納する「終点タイムスタンプ」などの複数のフィールドを有している。

たとえば、コントローラ５２の図示しないパケット生成部は、センサ５１からの時間測定パケットＰ１２に基づいて、パケットＰ１３におけるＩＰヘッダの始点アドレスの値（たとえばパケットＰ１２における終点アドレスの値「コントローラ５２」）、終点アドレスの値（たとえばパケットＰ１２の返信アドレスの値「ターミネータ５４」）を設定する。

また、コントローラ５２のパケット生成部は、パケットＰ１３におけるペイロードのメッセージタイプの値（たとえば「測定結果」）、トランザクションＩＤの値（たとえばパケットＰ１２のトランザクションＩＤの値「ＩＤ１」）、区間番号（たとえばパケットＰ１２の区間番号の値「０」）、始点タイムスタンプ（たとえばパケットＰ１２の始点タイムスタンプの値「Ｔ１」）、終点タイムスタンプ（たとえばパケットＰ１２を受信した時刻「Ｔ２」）を設定する。

シーケンスＳＱ３０５において、ターミネータ５４のパケット解析部５４２２はコントローラ５２からの測定結果パケットを解析してセンサ５１およびコントローラ５２のタイムスタンプを抽出し、通信時間把握部５４２６はこれらのタイムスタンプに基づいてセンサ５１とコントローラ５２との通信時間を算出し、スケジュール情報格納部５４２３に記憶する。

たとえば、ターミネータ５４は、コントローラ５２からの測定結果パケットに付加されているセンサ５１の始点タイムスタンプ（たとえば「Ｔ１１」）とコントローラ５２の終点タイムスタンプ（たとえば「Ｔ１２」）との差分を算出して、センサ５１からコントローラ５２への通信時間を把握する。

シーケンスＳＱ３０６において、コントローラ５２は、コントローラ５２からアクチュエータ５３への時間測定パケットを生成してアクチュエータ５３に送信する。このとき、コントローラ５２の図示しないタイムスタンプ付加部はこの時間測定パケットに送信時刻（たとえば「Ｔ１３」）を付加する。なお、タイムススタンプの取得に関わる時間測定パケットや測定結果パケットの生成は、主にＩＰアドレスの設定やタイムスタンプの付加以外は上述の内容とほぼ同等なので以下省略する。ちなみに、マルチキャスト通信で行われるコントローラ〜アクチュエータ間における制御処理の通信時間を測定するため、コントローラおよびアクチュエータは時間測定パケットの送受信をマルチキャスト通信で行われる。

シーケンスＳＱ３０７において、アクチュエータ５３の図示しないタイムスタンプ付加部は、測定データを含む時間測定パケットを受信した時刻（たとえば「Ｔ１４」）を取得し、図示しない記憶部に記憶する。

シーケンスＳＱ３０８において、アクチュエータ５３は、測定結果パケットを生成してコンフィギュレータ５４に送信する。このとき、アクチュエータ５３の図示しないタイムスタンプ付加部は、コントローラ５２からアクチュエータ５３への時間測定パケットの送信時刻（たとえば「Ｔ１３」）および受信時刻（たとえば「Ｔ１４」）を測定結果パケットに付加する。よってアクチュエータ５３は、コントローラ５２とアクチュエータ５３が時間測定パケットを送受信したタイムスタンプをターミネータ５４に通知することになる。

シーケンスＳＱ３０９において、ターミネータ５４のパケット解析部５４２２はアクチュエータ５３からの測定結果パケットを解析してコントローラ５２およびアクチュエータ５３のタイムスタンプを抽出し、通信時間把握部５４２６はこれらのタイムスタンプに基づいてコントローラ５２とアクチュエータ５３との通信時間を算出し、スケジュール情報格納部５４２３に記憶する。

たとえば、ターミネータ５４は、アクチュエータ５３からの測定結果パケットに付加されている始点タイムスタンプ（たとえば「Ｔ１３」）と終点タイムスタンプ（たとえば「Ｔ１４」）との差分を算出して、コントローラ５２からアクチュエータ５３への通信時間を把握する。

シーケンスＳＱ３１０において、アクチュエータ５３は、アクチュエータ５３からコントローラ５２への時間測定パケットを生成しコントローラ５２に送信する。このとき、アクチュエータ５３の図示しないタイムスタンプ付加部はこの時間測定パケットに送信時刻（たとえば「Ｔ１５」）を付加する。ちなみに、マルチキャスト通信で行われるアクチュエータ〜コントローラ間における制御処理の通信時間を測定するため、アクチュエータおよびコントローラは時間測定パケットの送受信をマルチキャスト通信で行われる。

シーケンスＳＱ３１１において、コントローラ５２の図示しないタイムスタンプ付加部は、測定データを含む時間測定パケットを受信した時刻（たとえば「Ｔ１６」）を取得し、図示しない記憶部に記憶する。

シーケンスＳＱ３１２において、アクチュエータ５３は、測定結果パケットを生成してコンフィギュレータ５４に送信する。このとき、アクチュエータ５３の図示しないタイムスタンプ付加部は、アクチュエータ５３からコントローラ５２への時間測定パケットの送信時刻（たとえば「Ｔ１５」）および受信時刻（たとえば「Ｔ１６」）を測定結果パケットに付加する。よってコントローラ５２は、アクチュエータ５３とコントローラ５２が時間測定パケットを送受信したタイムスタンプをターミネータ５４に通知することになる。

シーケンスＳＱ３１３において、ターミネータ５４のパケット解析部５４２２はコントローラ５２からの測定結果パケットを解析してコントローラ５２およびアクチュエータ５３のタイムスタンプを抽出し、通信時間把握部５４２６はこれらのタイムスタンプに基づいてコントローラ５２とアクチュエータ５３との通信時間を算出し、スケジュール情報格納部５４２３に記憶する。

たとえば、ターミネータ５４は、コントローラ５２からの測定結果パケットに付加されている始点タイムスタンプ（たとえば「Ｔ１５」）と終点タイムスタンプ（たとえば「Ｔ１６」）との差分を算出して、アクチュエータ５３からコントローラ５２への通信時間を把握する。

シーケンスＳＱ３１４において、ターミネータ５４のスケジュール設定部５４２４は、スケジュール情報格納部５４２３に記憶された各フィールド機器間の通信時間に基づき、各フィールド機器の動作スケジュールを調整しスケジュール設定情報を生成する。

シーケンスＳＱ３１５〜１１７において、ターミネータ５４のパケット生成部５４２７はスケジュール設定パケットを生成し、パケット送受部５４２１はこのパケットをセンサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３にネットワークＮＷ２００を介して送信する。そして、各フィールド機器はターミネータ５４からのスケジュール設定情報に基づいてスケジュールを設定する。なお、各フィールド機器のスケジュールの設定方法は使用されているフィールドバスに準拠した方法で行われるものであってよい。

この結果、ターミネータは制御処理の遅延を検知するとフィールド機器に測定要求パケットを送信し、フィールド機器は時間測定パケットを制御ループの流れに沿って他のフィールド機器に転送し、フィールド機器は始点および終点タイムスタンプを付加した測定結果パケットをターミネータに送信し、ターミネータはこれらのタイムスタンプに基づいて各フィールド機器間の通信時間を算出してスケジュールを調整することにより、各フィールド機器間で必要となる通信時間を考慮してフィールド機器の動作スケジュールを調整できる。

また、本発明のフィールド制御システムは、複雑なネットワークで構成される場合であっても、フィールド機器間で必要となる通信時間を考慮してフィールド機器の動作スケジュールを調整できる。

また、上記実施例では、フィールド制御システムがインダストリアルオートメーションにおけるプラントの運転を支援する例を説明したが、特にこれに限定されるものではなく、たとえばファクトリーオートメーションにおける浄水場の制御システムや、ビルの空調・照明システム、ＦＦＨＳＥ（Foundation Field bus High Speed Ethernet（登録商標））に展開し運転を支援するものであっても構わない。

たとえば、ビルオートメーションシステムにおいては、制御ループを構成するフィールド機器が設置されるネットワークが複雑である場合、ネットワークの負荷や中継機器の負荷状態などによって通信時間が変化しやすい。このため、ターミネータは制御処理の遅延を検知すると各フィールド機器に測定要求データを送信し、フィールド機器は測定パケットを制御ループの流れに沿って他のフィールド機器に転送し、フィールド機器は始点および終点タイムスタンプを付加した測定結果パケットをターミネータに送信し、ターミネータはこれらのタイムスタンプに基づいて各フィールド機器間の通信時間を算出してスケジュールを調整することにより、各フィールド機器間で必要となる通信時間を考慮してフィールド機器の動作スケジュールを制御できる。

また、上記実施例のフィールド制御システムは、センサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３などの複数のフィールド機器から構成されているが、本発明のフィールド制御システムは１個以上のフィールド機器から構成されるものであってもよい。

また、上記実施例のフィールド制御システムは、センサ５１、コントローラ５２、アクチュエータ５３などから構成されるフィードバック制御ループを有しているが、１個以上の制御ループからなる構成であってもよい。

また、上記実施例では、各フィールド機器は、各フィールド機器間通信のタイムスタンプを取得する度に、タイムスタンプを付加した測定結果データをターミネータに送信しているが、フィールド機器は、タイムスタンプを取得する度に測定データに付加してフィードバック制御ループに沿って転送し、転送が一巡すると、各フィールド機器間通信におけるタイムスタンプを全て付加した測定結果データをターミネータに送信するものであってもよい。すなわち、フィールド機器は、タイムスタンプの取得の度にターミネータに通知するのではなく、各フィールド機器間通信のタイムスタンプを全て同時にターミネータに通知することになる。

また、上記実施例では、各フィールド機器は、各フィールド機器間のタイムスタンプをターミネータに通知すると示しているが、各フィールド機器は、タイムスタンプと同様にフィールド機器における制御処理の実行時間のスケジュールが設定されている「スケジュール情報」をターミネータに通知するものであってもよい。たとえば、フィールド機器は、測定データにフィールド機器の「スケジュール情報」を付加してフィードバック制御ループに沿って転送し、送信元および送信先のフィールド機器の「スケジュール情報」を付加した測定結果データをターミネータに送信する。

このため、ターミネータは各フィールド機器のスケジュール情報をネットワークを介して自動的に取得することができるので、ターミネータは事前に各フィールド機器の実行時間のスケジュールを把握しなくても各フィールド機器間の通信時間を考慮して各フィールド機器のスケジュールを調整することができる。また、オペレータなどによってターミネータにスケジュール情報や各フィールド機器の実行時間をあらかじめ記憶させる必要がなくなるので、オペレータの入力ミスなどを防止することができ、各フィールド機器の動作スケジュールを確実に調整できる。

また、フィールド機器が「スケジュール情報」を付加した測定データを制御ループに沿って転送し、転送が一巡すると、各フィールド機器の「スケジュール情報」を全て付加した測定結果データをターミネータに送信するものであってもよい。すなわち、フィールド機器は、各フィールド機器の「スケジュール情報」を全て同時にターミネータに通知することになる。このため、ターミネータと各フィールド機器との通信回数を減少することができるので、通信回数を最適化することができる。また、各フィールド機器の動作スケジュールを確実に調整できる。

また、上記実施例では、ターミネータ５４は測定要求データを送信して「Ｔ１〜Ｔ６」まで全てのタイムスタンプを連続して取得しているが、測定要求データを複数回送信してタイムスタンプを「Ｔ１〜Ｔ２」、「Ｔ３〜Ｔ４」、「Ｔ５〜Ｔ６」などとして別々に取得するものであっても構わない。この場合、ターミネータ５４は測定要求データを送信する度にトランザクションＩＤを更新する。たとえば、トランザクションＩＤが「ＩＤ１」の時にはタイムスタンプ「Ｔ１〜Ｔ２」を、トランザクションＩＤが「ＩＤ２」の時にはタイムスタンプ「Ｔ３〜Ｔ４」を、トランザクションＩＤが「ＩＤ３」の時にはタイムスタンプ「Ｔ５〜Ｔ６」を取得するものであってもよい。

また、ターミネータは測定要求データの送信回数を制御して、一度にタイムスタンプを取得する範囲を決めるものであってもよい。たとえば、ターミネータは測定要求データを２回送信する場合は、トランザクションＩＤ「ＩＤ１」の時にはタイムスタンプ「Ｔ１〜Ｔ４」を、トランザクションＩＤ「ＩＤ２」の時にはタイムスタンプ「Ｔ５〜Ｔ６」を取得するものであってもよい。

また、上記実施例では、ターミネータは各フィールド機器間の通信時間を把握するとしているが、ターミネータは各フィールド機器間における通信時間のうち少なくともいずれか一つを把握し、その通信時間に基づいて各フィールド機器の動作スケジュールを設定するものであってもよい。たとえば、ターミネータは測定要求パケットのペイロードの「ホップ」に把握すべきフィールド機器間通信を構成するフィールド機器を記載することによって、各フィールド機器間における通信時間のうち少なくともいずれか一つを把握することができる。

また、ターミネータは特定のフィールド機器間の通信時間を対象として通信時間を測定するものであってもよい。たとえば、ターミネータは測定要求パケットのペイロードの「ホップ」に特定のフィールド機器のみを記載することによって、特定のフィールド機器間の通信時間を対象として通信時間を測定することができる。

本発明に係るフィールド制御システムの一実施例を示す構成ブロック図である。 図１のターミネータ５４の構成ブロック図である。 図２のターミネータ５４を構成する演算制御部５４２の機能ブロック例図である。 図１のセンサ５１の構成ブロック図である。 図４のセンサ５１を構成する演算制御部５１２の機能ブロック例図である。 フィールド制御システムが制御処理の遅延を検知する動作の一例を説明するシーケンス図である。 フィールド制御システムで利用するパケットフォーマットの一例である。 フィールド制御システムで利用するパケットフォーマットの一例である。 フィールド制御システムにおけるスケジュール調整の動作の一例を説明するシーケンス図である。 フィールド制御システムで利用するパケットフォーマットの一例である。 フィールド制御システムで利用するパケットフォーマットの一例である。 フィールド制御システムで利用するパケットフォーマットの一例である。 従来のフィールド制御システムの一例を示す構成ブロック図である。 図１３のセンサ１の構成ブロック図である。 図１４のセンサ１を構成する演算制御部１２の機能ブロック例図である。 フィールド制御システムの動作を説明するシーケンス図である。 各フィールド機器の動作スケジュールおよびフィールド機器間の通信時間の説明図である。

符号の説明

１、５１ センサ
２、５２ コントローラ
３、５３ アクチュエータ
５４ ターミネータ
１１、４１、５１１、５４１ 通信部
１２、４２、５１２、５４２ 演算制御部
１３、４３、５１３、５４３ 記憶部
１２１、４２１、５１２１、５４２１ パケット送受部
１２２、４２２、５１２２、５４２２ パケット解析部
１２３、４２３、５１２３、５４２３ スケジュール情報格納部
１２４、５１２４ 固有機能実行部
１２６ スケジュール設定部
５１２５ 通信時間測定部
１２５、４２５、５１２６、５４２７ パケット生成部
４２４、５４２４ スケジュール設定部
５１２７ タイムスタンプ付加部
５１２８ スケジュール設定部
５４２５ 遅延検知部
５４２６ 通信時間把握部

Claims (6)

1. あらかじめ設定されたスケジュールで動作し制御ループを構成する複数のフィールド機器がネットワークを介してパケット通信を行うフィールド制御システムにおいて、
   制御処理の遅延を検知して各フィールド機器のタイムスタンプが付加された測定結果パケットを収集し、前記タイムスタンプに基づいて各フィールド機器間における通信時間の少なくともいずれか一つを把握し、これら通信時間に応じて各フィールド機器の動作スケジュールを調整するターミネータを有することを特徴とするフィールド制御システム。
2. 前記各フィールド機器は、
   制御処理が一巡した後に各制御処理における制御パケットの送信時刻および受信時刻を付加した制御処理完了パケットを前記ターミネータに送信することを特徴とする
   請求項１記載のフィールド制御システム。
3. 前記ターミネータは、
   前記制御処理完了パケットに基づき制御処理の遅延の有無を判定し、制御処理の遅延を検知すると前記各フィールド機器の少なくともいずれか一つに測定要求パケットを送信することを特徴とする
   請求項１もしくは請求項２記載のフィールド制御システム。
4. 前記各フィールド機器は、
   前記測定要求パケットに基づいて各フィールド機器の少なくともいずれか一つに時間測定パケットを送信し、前記時間測定パケットの送信元フィールド機器の送信時刻および送信先フィールド機器の受信時刻を付加した前記測定結果パケットを前記ターミネータに送信することを特徴とする
   請求項１ないし請求項３いずれかに記載のフィールド制御システム。
5. 前記フィールド機器は、
   パケット通信を行う通信部と、
   前記各フィールド機器のスケジュール情報を記憶する記憶部と、
   制御処理が一巡した後に各制御処理における前記制御パケットの送信時刻および受信時刻を付加した前記制御処理完了パケットを前記ターミネータに送信し、前記測定要求パケットに基づき各フィールド機器の少なくともいずれか一つに前記時間測定パケットを送信し、前記時間測定パケットの送信時刻および受信時刻を前記測定結果データに付加して前記ターミネータに送信する演算制御部とから構成されることを特徴とする
   請求項１ないし請求項４いずれかに記載のフィールド制御システム。
6. 前記ターミネータは、
   パケット通信を行う通信部と、
   前記各フィールド機器のスケジュール情報および前記通信時間を記憶する記憶部と、
   前記制御処理完了パケットに基づき制御処理の遅延を検知して前記各フィールド機器の少なくともいずれか一つに測定要求パケットを送信し、前記測定結果パケットに付加された前記各フィールド機器の前記時間測定パケットの送信時刻および受信時刻に基づき前記通信時間を算出し、前記通信時間に基づき前記各フィールド機器のスケジュールを調整する演算制御部とから構成されることを特徴とする
   請求項１ないし請求項５いずれかに記載のフィールド制御システム。

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