JP2011103520A - 中継装置及びこれを用いた無線制御ネットワーク管理システム - Google Patents
中継装置及びこれを用いた無線制御ネットワーク管理システム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】プロセス制御用の無線通信規格・この規格とは異なる無線通信規格による無線通信を行う無線ネットワークシステムにおける通信信頼性の向上およびスループットの低下防止に関する。
【解決手段】 プロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信およびこの規格とは異なる無線通信規格に則った第２の無線通信を中継する中継装置において、外部から受信した前記第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、前記第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、前記第２の無線通信用のスーパーフレームを前記第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、を具備することを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】 プロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信およびこの規格とは異なる無線通信規格に則った第２の無線通信を中継する中継装置において、外部から受信した前記第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、前記第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、前記第２の無線通信用のスーパーフレームを前記第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、を具備することを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、プロセス制御用の無線通信規格（以下、第１の無線通信規格という）に則った第１の無線通信およびこの規格とは異なる無線通信規格（以下、第２の無線通信規格という）に則った第２の無線通信を中継する中継装置とこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムに関し、特に第１・第２の無線通信規格による無線通信を行う無線ネットワークシステムにおける通信信頼性の向上およびスループットの低下防止に関する。
従来より、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を、無線通信を利用した無線制御ネットワークシステムとして構成することが提案されている。これは従来の制御システムが有線ネットワークとして構成されていたことに起因して、通信距離の制限や配線の引き回しの制約などで温度や流量などを測定するセンサ等のフィールド機器をプラント内の最適位置に設置できず、制御精度が低下する不都合を解消するためのものである。またこの無線制御ネットワークシステムの動作を制御し、プラント全体の動作を最適にするための無線制御ネットワーク管理システムが提案されている。
なお、フィールド機器には、たとえば、差圧計、流量計、温度計、監視カメラ、アクチュエータ、コントローラなどの各種フィールド機器がある。
近年、プロセス制御分野を含めて、様々な産業分野に無線技術を組み込もうとする動きがあり、無線通信規格も併せて検討されている。具体的には、ＨＡＲＴ（Highway Addressable Remote Transducer）７で規定されている無線ＨＡＲＴ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ）、国際計測制御学会（ＩＳＡ：International Society of Automation）のＩＳＡ１００委員会で承認されたプロセス制御用無線通信規格ＩＳＡ１００．１１ａが検討されている。このＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａは、周波数分割通信を行う工業用無線通信のプロトコル／規格であり、たとえば下記文献にてそれぞれの通信に係る取り決めの内容について説明されている。
文献１：Wireless systems for industrial automation: Process control and related applications
文献２：Control with WirelessHART（ＵＲＬ：http://www.hartcomm.org/protocol/training/resources/wiHART_resources/Control_with_WirelessHART.pdf）
文献１：Wireless systems for industrial automation: Process control and related applications
文献２：Control with WirelessHART（ＵＲＬ：http://www.hartcomm.org/protocol/training/resources/wiHART_resources/Control_with_WirelessHART.pdf）
このＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａは、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronic Engineers）８０２．１５．４の小型・省電力性を生かし、フィールド機器を多量に設置する無線制御ネットワークシステムに用いられている。
一方、従来から、ＩＥＥＥ ８０２．１１ａ／ＩＥＥＥ ８０２．１１ｂの「Ｗｉ―Ｆｉ（Wireless Fidelity）技術（以下、Ｗｉ−Ｆｉ無線通信という）」を用いた無線通信システムも提案されている。
このＷｉ―Ｆｉ通信は、プロセス制御システムにおいては、現場作業員のメンテナンス作業のためのメンテナンス用端末や、大量データ（たとえば統計データや動画、静止画、各種画像データ等）の通信を必要とするような監視カメラ等のフィールド機器が接続された無線通信システムが提案されている。
このＷｉ―Ｆｉ通信は、プロセス制御システムにおいては、現場作業員のメンテナンス作業のためのメンテナンス用端末や、大量データ（たとえば統計データや動画、静止画、各種画像データ等）の通信を必要とするような監視カメラ等のフィールド機器が接続された無線通信システムが提案されている。
また従来より、これらのＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａに則った無線通信およびＷｉ―Ｆｉ通信に則った無線通信の両方を用いて無線制御ネットワークシステムの動作を制御し、プラント全体の動作を最適にするための両方の通信を中継するための中継機器およびこれを用いた無線制御ネットワークシステムの検討がなされている。
いいかえれば、周波数ホッピングを行うＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａによる無線システムとＷｉ−Ｆｉシステムの共存メカニズムを実現するための中継機器およびこれを用いた無線制御ネットワークシステムの検討がなされている。
いいかえれば、周波数ホッピングを行うＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａによる無線システムとＷｉ−Ｆｉシステムの共存メカニズムを実現するための中継機器およびこれを用いた無線制御ネットワークシステムの検討がなされている。
たとえば、従来の中継機器およびこれを用いた無線制御ネットワークシステムに関連する先行技術文献として下記の特許文献１がある。
この特許文献１は、周波数ホッピングを行う無線システムとＷｉ−Ｆｉ無線通信システムの共存メカニズムに関する技術が記載されており、両者の通信時間帯を分割しガードインターバル（干渉を防ぐための空白時間）を設けた通信フレームを用いることを特徴とするものである。
この特許文献１は、周波数ホッピングを行う無線システムとＷｉ−Ｆｉ無線通信システムの共存メカニズムに関する技術が記載されており、両者の通信時間帯を分割しガードインターバル（干渉を防ぐための空白時間）を設けた通信フレームを用いることを特徴とするものである。
（課題１）
しかしながら、特許文献１のような従来の中継装置および無線制御ネットワークシステムでは、各通信システムで通信時間帯を分割するので、通信システムごと（周波数ホッピングを行うＩＳＡ１００．１１ａ等の無線システムとＷｉ−Ｆｉ無線通信システムごと）に無線通信帯域の使用可能な時間帯を限定されてしまうことになり、個々の無線システムにおけるスループットが低下してしまうという問題点があった。
しかしながら、特許文献１のような従来の中継装置および無線制御ネットワークシステムでは、各通信システムで通信時間帯を分割するので、通信システムごと（周波数ホッピングを行うＩＳＡ１００．１１ａ等の無線システムとＷｉ−Ｆｉ無線通信システムごと）に無線通信帯域の使用可能な時間帯を限定されてしまうことになり、個々の無線システムにおけるスループットが低下してしまうという問題点があった。
また、特許文献１のような従来の中継装置および無線制御ネットワークシステムでは、各通信システムで通信時間帯を分割するので、個々の無線システム（周波数ホッピングを行うＩＳＡ１００．１１ａ等の無線システムとＷｉ−Ｆｉ無線通信システム）に割り当てられる通信時間が単独で運用する場合に比べて減少するので、それに比例して単位時間あたりのノード収容数が減少してしまうという問題点があった。
具体的には、工業用無線における典型的なアプリケーションとして、中継装置の一例であるアクセスポイント（以下、ＡＰという）を介して定周期で多数の無線機器のデータを収集するものがある。この場合におけるノード収容数のボトルネックはＡＰであって、特に、ＡＰが１周期あたりに可能な通信数はネットワークのノード収容数に直結することになる。
このため、従来技術では各通信システムで通信時間帯を分割するので個々の無線システムに割り当てられる通信時間が単独で運用する場合に比べて減少することになり、それに比例して単位時間あたりのノード収容数が減少してしまうという問題点があった。
具体的には、工業用無線における典型的なアプリケーションとして、中継装置の一例であるアクセスポイント（以下、ＡＰという）を介して定周期で多数の無線機器のデータを収集するものがある。この場合におけるノード収容数のボトルネックはＡＰであって、特に、ＡＰが１周期あたりに可能な通信数はネットワークのノード収容数に直結することになる。
このため、従来技術では各通信システムで通信時間帯を分割するので個々の無線システムに割り当てられる通信時間が単独で運用する場合に比べて減少することになり、それに比例して単位時間あたりのノード収容数が減少してしまうという問題点があった。
（課題２）
一方、周波数ホッピングを行うＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａによる無線システムとＷｉ−Ｆｉシステムの共存メカニズムには、双方の無線システムで使用可能なチャネルを固定的に割り当てておくことにより共存させることも考えられる。
しかしながら、ＩＳＡ１００．１１ａの周波数分割通信は使用するチャネルを分散させてホッピングして使用することでノイズ干渉などの無線通信障害のリスクを低減する目的があるところ、共存のために双方の無線システムで使用可能なチャネルを固定的に割り当てれば、後述の図７から明らかなようにＷｉ−Ｆｉ通信が混在することで周波数ホッピングに使用可能なチャネルが減少してしまうので、ＩＳＡ１００．１１ａのチャネル分散の利益は低減する上、かえってノイズ干渉による無線通信品質劣化のリスクが大きくなってしまうという問題点があった。
さらに、このように各無線通信規格による無線システムごとに使用可能なチャネルを固定的に割り当てて共存を図る場合、複数のＷｉ−Ｆｉネットワークが共存するとすれば、ＩＳＡ１００．１１ａで使用可能なチャネル数はごく限られた数に制限されることになるので、フィールド環境における高信頼性を志向したＩＳＡ１００．１１ａの通信メカニズムの利点が大きく損なわれてしまうという問題点があった。
一方、周波数ホッピングを行うＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａによる無線システムとＷｉ−Ｆｉシステムの共存メカニズムには、双方の無線システムで使用可能なチャネルを固定的に割り当てておくことにより共存させることも考えられる。
しかしながら、ＩＳＡ１００．１１ａの周波数分割通信は使用するチャネルを分散させてホッピングして使用することでノイズ干渉などの無線通信障害のリスクを低減する目的があるところ、共存のために双方の無線システムで使用可能なチャネルを固定的に割り当てれば、後述の図７から明らかなようにＷｉ−Ｆｉ通信が混在することで周波数ホッピングに使用可能なチャネルが減少してしまうので、ＩＳＡ１００．１１ａのチャネル分散の利益は低減する上、かえってノイズ干渉による無線通信品質劣化のリスクが大きくなってしまうという問題点があった。
さらに、このように各無線通信規格による無線システムごとに使用可能なチャネルを固定的に割り当てて共存を図る場合、複数のＷｉ−Ｆｉネットワークが共存するとすれば、ＩＳＡ１００．１１ａで使用可能なチャネル数はごく限られた数に制限されることになるので、フィールド環境における高信頼性を志向したＩＳＡ１００．１１ａの通信メカニズムの利点が大きく損なわれてしまうという問題点があった。
以下、図を用いて、双方の無線システムで使用可能なチャネルを固定的に割り当てておくことにより共存させる場合の従来例とその問題点を具体的に説明する。
図５は、従来の中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムの問題点の説明図である。図５において従来の無線制御ネットワーク管理システムは、無線ノード５１〜５２から構成される無線ネットワークの情報を集約し、無線ノード５１〜５２からのデータを収集・記憶してたとえば周波数ホッピングを行うＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａによる無線システム全体を制御する管理サーバ１と、各無線ノード５１〜５２、６１〜６３と通信を行い無線通信を中継する中継装置の一例であるＡＰ２〜４と、たとえば温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能、または制御弁を制御するアクチュエータ機能などのフィールド機器であって各種測定データを周波数ホッピングを行うＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａによる無線通信により無線伝送する無線通信機能を有する無線ノード５１〜５２（図中はＩＳＡノードと表す）と、たとえば現場作業員のメンテナンス作業のためのメンテナンス用端末や大量データ（たとえば統計データや動画、静止画、各種画像データ等）の通信を必要とするような監視カメラ等のフィールド機器であって各種測定データをＷｉ−Ｆｉによる無線通信により無線伝送する無線通信機能を有する無線ノード６１〜６３（図中はＷｉ−Ｆｉノードと表す）とから構成される。
ここで無線ノード５１、５２は、ＩＳＡ１００．１１ａによる無線通信を行い、通信周波数として２．４ＧＨｚ帯のＩＥＥＥ８０２．１５．４を利用するものである。
無線ノード６１〜６３は、Ｗｉ−Ｆｉによる無線通信による無線通信を行い、通信周波数として、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇを用いる場合であれば使用周波数帯はＩＳＡ１００と同じ２．４ＧＨｚ帯を利用する。つまり、Ｗｉ−Ｆｉによる無線通信とＩＳＡ１００．１１ａ／ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴの無線通信における周波数帯域とは互いに競合することになる。
このため無線ノード５１〜５２と無線ノード６１〜６３の無線通信では周波数帯域が共に同じ２．４ＧＨｚ帯を利用しており周波数帯域が競合することになる。
図６は、図５における周波数ホッピングを行う無線システムとＷｉ−Ｆｉシステムが共存する場合の周波数帯域の使用状況の説明図であり、（Ａ）はＩＳＡ１００．１１ａ無線通信の周波数帯域の説明図、（Ｂ）はＷｉ−Ｆｉ無線通信の周波数帯域の説明図である。
図６は各無線ノードが使用する周波数帯域を示しており、たとえば無線ノード５１、５２はＩＳＡ１００．１１ａによる無線通信を行い、通信周波数として２．４ＧＨｚ帯のＩＥＥＥ８０２．１５．４を利用し、通信チャネルは（Ａ）に示すように１６個の通信チャネル(ＩＤ： １１〜２６)に分割されている。
また無線ノード６１〜６３は、Ｗｉ−Ｆｉによる無線通信を行い、特にＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇを用いる場合であれば使用周波数帯はＩＳＡ１００と同じ２．４ＧＨｚ帯を利用し、通信チャネルは（Ｂ）のごとく３個の通信チャネル(ＩＤ： １、７、３)に分割されている。
具体的には、無線ノード５１、５２の通信チャネル１１〜１４／１６〜２０／２１〜２５は無線ノード６１〜６３の通信チャネル１／７／１３と競合している。
具体的には、無線ノード５１、５２の通信チャネル１１〜１４／１６〜２０／２１〜２５は無線ノード６１〜６３の通信チャネル１／７／１３と競合している。
一方、無線ノード５１〜５２のＩＳＡ１００．１１ａ／ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴによる無線通信は、時分割通信（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access）と周波数分割通信（ＦＤＭＡ：Frequency-division multiple access）を合わせた通信を行うことを特徴とし、後述のスーパーフレームを用いて無線ノード間通信の周波数やタイミングを規定して無線通信が行われる。
管理サーバ１は、無線ノード５１〜５２が行う無線通信の時間帯と周波数帯を分割して無線ノード間の通信のタイミングと通信のタイミングごとに周波数／周波数帯域を規定してスーパーフレームを生成し無線ノード５１〜５２に配信する。
なおスーパーフレームとは、無線ノードが行う無線通信の時間帯と周波数帯を分割して無線ノード間の通信のタイミングと通信のタイミングごとに周波数／周波数帯域が規定された通信テンプレートのことである。
図７は周波数ホッピングを行うＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００．１１ａの無線通信で用いられるスーパーフレームの説明図である。たとえば図７において、スーパーフレームは、無線通信ノード１１におけるＩＳＡ１００．１１．ａの無線通信の時間帯、周波数帯域（通信チャネル）が規定されており、時間帯ｔ１〜ｔ２で通信チャネルＣｈ１４、時間帯ｔ２〜ｔ３で通信チャネルＣｈ１２、時間帯ｔ３〜ｔ４で通信チャネルＣｈ１６、・・・として分割された時間帯ごとに周波数帯域（通信チャネル）が割り当てられている。
このような構成では、管理サーバは、通常Ｗｉ−Ｆｉによる無線通信では周波数を動的に変化させる仕組みが備わっていないことから、双方の無線システムで使用可能なチャネルを共存させるためにある時間帯におけるＷｉ−Ｆｉによる無線通信とＩＳＡ１００．１１ａ／ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴの無線通信が使用する周波数帯域の競合を回避するべく、他の無線システムとの干渉を避けるように、双方の無線システムで使用可能なチャネルを固定的に割り当てておく必要があることになる。
このため管理サーバ１は、他の無線システムとの干渉を避けるべく、双方の無線システムで使用可能なチャネルを固定的に割り当て、無線ノード間通信の周波数やタイミングを規定した通信設定情報を各無線ノード５１〜５２、６１〜６３に配信する。
各無線ノードは管理サーバ１から受信した通信設定情報に基づき、他の無線システムとの干渉を避けるべく設定された固定の通信チャネルにて定められたタイムスケジュールで通信を行うことになる。
各無線ノードは管理サーバ１から受信した通信設定情報に基づき、他の無線システムとの干渉を避けるべく設定された固定の通信チャネルにて定められたタイムスケジュールで通信を行うことになる。
この結果、上述のような構成で双方の無線システムで使用可能なチャネルを固定的に割り当てておくことにより、異なる無線通信規格を利用する２以上の無線システムを共存させることができる。
しかしながら、ＩＳＡ１００．１１ａの周波数分割通信は、使用するチャネルを分散させてホッピングして使用することで、ノイズ干渉などの無線通信障害のリスクを低減する目的があるが、後述の図７から明らかなように、Ｗｉ−Ｆｉ通信が混在することで周波数ホッピングに使用可能なチャネルが減少してしまうので、ノイズ干渉による無線通信品質劣化のリスクが大きくなってしまうという問題点があった。
さらに、複数のＷｉ−Ｆｉネットワークが共存する場合であれば、ＩＳＡ１００．１１ａで使用可能なチャネル数はごく限られた数に制限されるので、フィールド環境における高信頼性を志向したＩＳＡ１００．１１ａの通信メカニズムの利点が大きく損なわれてしまうという問題点があった。
さらに、複数のＷｉ−Ｆｉネットワークが共存する場合であれば、ＩＳＡ１００．１１ａで使用可能なチャネル数はごく限られた数に制限されるので、フィールド環境における高信頼性を志向したＩＳＡ１００．１１ａの通信メカニズムの利点が大きく損なわれてしまうという問題点があった。
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、特にプロセス制御用の無線通信規格・この規格とは異なる無線通信規格による無線通信を行う無線ネットワークシステムにおける通信信頼性の向上およびスループットの低下防止に関する。
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、
プロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信およびこの規格とは異なる無線通信規格に則った第２の無線通信を中継する中継装置において、
外部から受信した前記第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯域を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、前記第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、
前記第２の無線通信用のスーパーフレームを前記第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、
を具備することを特徴とする中継装置である。
プロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信およびこの規格とは異なる無線通信規格に則った第２の無線通信を中継する中継装置において、
外部から受信した前記第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯域を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、前記第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、
前記第２の無線通信用のスーパーフレームを前記第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、
を具備することを特徴とする中継装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の中継装置において、
前記スーパーフレーム管理手段は、
前記第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、前記第２の無線通信のタイミングスケジュールおよびこれらのタイミングで前記第１の無線通信と相互干渉しない無線通信の周波数または周波数帯域を割り当てた前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする。
前記スーパーフレーム管理手段は、
前記第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、前記第２の無線通信のタイミングスケジュールおよびこれらのタイミングで前記第１の無線通信と相互干渉しない無線通信の周波数または周波数帯域を割り当てた前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の中継装置において、
前記スーパーフレーム管理手段は、
前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバから受信した、この管理サーバの管理下の無線通信端末における前記第１の無線通信用のスーパーフレームに基づいて前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする。
前記スーパーフレーム管理手段は、
前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバから受信した、この管理サーバの管理下の無線通信端末における前記第１の無線通信用のスーパーフレームに基づいて前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３いずれかに記載の中継装置において、
前記第１及び第２の無線通信は、一方がＩＳＡ１００．１１ａを準拠した通信、または、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴを準拠した通信であり、他方がWireless Fidelity通信であることを特徴とする。
前記第１及び第２の無線通信は、一方がＩＳＡ１００．１１ａを準拠した通信、または、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴを準拠した通信であり、他方がWireless Fidelity通信であることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４いずれかに記載の中継装置において、
前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバから有線ネットワークを介して前記第１の無線通信用のスーパーフレームを受信する有線ネットワーク通信手段を具備することを特徴とする。
前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバから有線ネットワークを介して前記第１の無線通信用のスーパーフレームを受信する有線ネットワーク通信手段を具備することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、
プロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信を行う複数の第１の無線通信端末と、
前記プロセス制御用の無線通信規格とは異なる無線通信規格に則った第２の無線通信を行う複数の第２の無線通信端末と、
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の中継装置と、
有線ネットワークを介し１個または複数のフィールド機器に接続される前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバと、を備え、
前記中継装置は、
前記管理サーバから前記有線ネットワークを介して、前記第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームを受信して前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする無線制御ネットワーク管理システム。
プロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信を行う複数の第１の無線通信端末と、
前記プロセス制御用の無線通信規格とは異なる無線通信規格に則った第２の無線通信を行う複数の第２の無線通信端末と、
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の中継装置と、
有線ネットワークを介し１個または複数のフィールド機器に接続される前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバと、を備え、
前記中継装置は、
前記管理サーバから前記有線ネットワークを介して、前記第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームを受信して前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする無線制御ネットワーク管理システム。
本発明に係る中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムによれば、外部から受信した第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、第２の無線通信用のスーパーフレームを第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、を具備することにより、プロセス制御用の無線通信規格・この規格とは異なる無線通信規格による無線通信を行う無線ネットワークシステムにおける通信信頼性の向上およびスループットの低下防止できる。
また、本発明に係る中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムによれば、外部から受信した第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、第２の無線通信用のスーパーフレームを第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、を具備することにより、ＩＳＡ１００.１１．ａとＷｉ−Ｆｉとが混在する無線制御ネットワーク管理システムに適用することにより、従来の手法で損なわれていたような以下の効果を得ることができる。
（Ａ）従来のように異なる無線通信規格に則った無線通信システム間で通信時間を分割しなくて済むので、ＩＳＡ１００.１１．ａ、Ｗｉ−Ｆｉともに単独で運用した場合と同等のスループットで通信することができる点で有効である。
（Ｂ）時間分割をしなくて済むことため、各々の無線通信システムにおいて単位時間あたりの通信容量が増加し無線ネットワークのノード収容数が増加できる点で有効である。
（Ｃ）ＩＳＡ１００.１１．ａ、Ｗｉ−Ｆｉともに帯域内の通信チャネルを広く使用できるため無線ノイズの回避能力が向上し、通信信頼性が高くなる点で有効である。
（Ａ）従来のように異なる無線通信規格に則った無線通信システム間で通信時間を分割しなくて済むので、ＩＳＡ１００.１１．ａ、Ｗｉ−Ｆｉともに単独で運用した場合と同等のスループットで通信することができる点で有効である。
（Ｂ）時間分割をしなくて済むことため、各々の無線通信システムにおいて単位時間あたりの通信容量が増加し無線ネットワークのノード収容数が増加できる点で有効である。
（Ｃ）ＩＳＡ１００.１１．ａ、Ｗｉ−Ｆｉともに帯域内の通信チャネルを広く使用できるため無線ノイズの回避能力が向上し、通信信頼性が高くなる点で有効である。
本発明は、スーパーフレーム管理手段が外部から受信したプロセス制御用の無線通信規格（以下、第１の無線通信規格という）に則った第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第１の無線通信規格とは異なる無線通信規格（以下、第２の無線通信規格という）に則った第２の無線通信のスーパーフレームを生成し、第１または第２の無線通信手段を介して第２の無線通信用のスーパーフレームを第２の無線通信を行う無線通信端末に送信することを特徴とする中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムに関する。いいかえれば、本発明は主に、Ｗｉ−Ｆｉ無線システムにＩＳＡ１００．１１ａと類似したスーパーフレームを適用する仕組みを搭載した点を特徴とする。
以下、図面を用いて本発明の中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムを説明する。
以下、図面を用いて本発明の中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムを説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明に係る中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムの一実施例の構成図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。
図５との相違点は、主に、中継装置が外部から受信した第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、第２の無線通信用のスーパーフレームを第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段を備えた点と、スーパーフレーム管理手段が、第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のタイミングスケジュールおよびこれらのタイミングで第１の無線通信と相互干渉しない無線通信の周波数または周波数帯域を割り当てた第２の無線通信用のスーパーフレームを生成する点とが相違する。
図１は、本発明に係る中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムの一実施例の構成図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けて適宜説明を省略する。
図５との相違点は、主に、中継装置が外部から受信した第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、第２の無線通信用のスーパーフレームを第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段を備えた点と、スーパーフレーム管理手段が、第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のタイミングスケジュールおよびこれらのタイミングで第１の無線通信と相互干渉しない無線通信の周波数または周波数帯域を割り当てた第２の無線通信用のスーパーフレームを生成する点とが相違する。
（構成の説明）
図１において、本発明に係る中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムは主に、無線ノード５１〜５２から構成される無線ネットワークの情報を集約し、無線ノード５１〜５２からのデータを収集・記憶してたとえば周波数ホッピングを行うＩＳＡ１００．１１ａ（またはＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ）による無線システム全体を制御する管理サーバ１と、各無線ノード５１〜５２、６１〜６３と通信を行い無線通信を中継する中継装置の一例であるアクセスポイント（以下、ＡＰという）７２〜７４と、たとえば温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能、または制御弁を制御するアクチュエータ機能などのフィールド機器であって各種測定データを周波数ホッピングを行うＩＳＡ１００．１１ａ（またはＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ）による無線通信により無線伝送する無線通信機能を有する第１の無線通信端末の一例である無線ノード５１〜５２（図中はＩＳＡノードと表す）と、たとえば現場作業員のメンテナンス作業のためのメンテナンス用端末や大量データ（たとえば統計データや動画、静止画、各種画像データ等）の通信を必要とするような監視カメラ等のフィールド機器であって各種測定データをＷｉ−Ｆｉによる無線通信により無線伝送する無線通信機能を有する第２の無線通信端末の一例である無線ノード６１〜６３（図中はＷｉ−Ｆｉノードと表す）とから構成される。
図１において、本発明に係る中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムは主に、無線ノード５１〜５２から構成される無線ネットワークの情報を集約し、無線ノード５１〜５２からのデータを収集・記憶してたとえば周波数ホッピングを行うＩＳＡ１００．１１ａ（またはＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ）による無線システム全体を制御する管理サーバ１と、各無線ノード５１〜５２、６１〜６３と通信を行い無線通信を中継する中継装置の一例であるアクセスポイント（以下、ＡＰという）７２〜７４と、たとえば温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能、または制御弁を制御するアクチュエータ機能などのフィールド機器であって各種測定データを周波数ホッピングを行うＩＳＡ１００．１１ａ（またはＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ）による無線通信により無線伝送する無線通信機能を有する第１の無線通信端末の一例である無線ノード５１〜５２（図中はＩＳＡノードと表す）と、たとえば現場作業員のメンテナンス作業のためのメンテナンス用端末や大量データ（たとえば統計データや動画、静止画、各種画像データ等）の通信を必要とするような監視カメラ等のフィールド機器であって各種測定データをＷｉ−Ｆｉによる無線通信により無線伝送する無線通信機能を有する第２の無線通信端末の一例である無線ノード６１〜６３（図中はＷｉ−Ｆｉノードと表す）とから構成される。
（接続・配置関係の説明）
管理サーバ１は、有線ネットワークを介してＡＰ７２および無線ノード５１〜５２、６１〜６３（フィールド機器）のプロセス制御を制御する制御システムと接続され、有線ネットワークを介してＡＰ７２にスーパーフレームを送信する。また管理サーバ１はＡＰ７２を介して無線回線を経てＡＰ７３、７４にそれぞれスーパーフレームを送信する。
管理サーバ１は、有線ネットワークを介してＡＰ７２および無線ノード５１〜５２、６１〜６３（フィールド機器）のプロセス制御を制御する制御システムと接続され、有線ネットワークを介してＡＰ７２にスーパーフレームを送信する。また管理サーバ１はＡＰ７２を介して無線回線を経てＡＰ７３、７４にそれぞれスーパーフレームを送信する。
制御システムは、有線ネットワークを介してＡＰ７２と接続され無線ノード５１〜５２（フィールド機器）から測定データやプロセス制御用の制御データを送受信する。
ＡＰ７２は、無線回線を介してＡＰ７３、７４と相互に接続され、ＡＰ７３、７４から主に無線ノード５１〜５２、６１〜６３（フィールド機器）から受信した測定データやプロセス制御用の制御データをＡＰ７３、７４、制御システムへ、無線ノードのネットワークへのＪｏｉｎ用のデータを受信し管理サーバ１へ適宜送信する。またＡＰ７２は、主に管理サーバ１から受信したスーパーフレームおよび制御システムから受信した制御データ等をＡＰ７３、７４に送信する。
またＡＰ７３は、無線回線を介して無線ノード５１、６１、６２と接続され、無線ノード５１、６１、６２（フィールド機器）から、測定データやプロセス制御用の制御データ、他のデータ（たとえば無線ノードのネットワークへのＪｏｉｎ用のデータ）を受信しＡＰ７２、無線ノード５１、６１、６２に適宜送信する。またＡＰ７３はＡＰ７２から受信した管理サーバ１が生成したスーパーフレームを無線ノード５１、５２、６２に送信する。いいかえればＡＰ７３は受信したデータを中継することになる。
またＡＰ７４は、無線回線を介して無線ノード５２、６３と接続され、無線ノード５１〜５２、６３（フィールド機器）から、測定データやプロセス制御用の制御データ、他のデータ（たとえば無線ノードのネットワークへのＪｏｉｎ用のデータ）を受信しＡＰ７２、無線ノード５２、６３に適宜送信する。またＡＰ７４はＡＰ７２から受信した管理サーバ１が生成したスーパーフレームを無線ノード５２、６３に送信する。いいかえればＡＰ７４は受信したデータを中継することになる。
（主な構成要素の説明）
無線ノード５１、５２は、温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能、または制御弁を制御するアクチュエータ機能などのフィールド機器であって各種測定データを所定の制御プロセスに基づいて、周波数ホッピングを行うプロセス制御用の無線通信の一例であるたとえばＩＳＡ１００．１１ａに則って送受信する。無線ノード５１、５２は、通信周波数として２．４ＧＨｚ帯のＩＥＥＥ８０２．１５．４を利用して無線通信する。
無線ノード５１、５２は、温度や流量などの物理量を測定するセンサ機能、または制御弁を制御するアクチュエータ機能などのフィールド機器であって各種測定データを所定の制御プロセスに基づいて、周波数ホッピングを行うプロセス制御用の無線通信の一例であるたとえばＩＳＡ１００．１１ａに則って送受信する。無線ノード５１、５２は、通信周波数として２．４ＧＨｚ帯のＩＥＥＥ８０２．１５．４を利用して無線通信する。
また無線ノード５１〜５２によるＩＳＡ１００．１１ａに則った無線通信では、時分割通信（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access）と周波数分割通信（ＦＤＭＡ：Frequency-division multiple access）を合わせた通信が行われ、スーパーフレームを用いて無線ノード間通信の周波数やタイミングを規定して無線通信が行われる。
管理サーバ１は、プロセス制御用の無線通信規格（ＩＳＡ１００．１１ａ）に則った無線通信を行う無線ノード５１、５２の無線通信を管理し、無線ノード５１〜５２が行う無線通信の時間帯と周波数帯を分割して無線ノード間の通信のタイミングと通信のタイミングごとに周波数／周波数帯域を規定してスーパーフレームを生成し無線ノード５１〜５２に配信する。
なおスーパーフレームとは、無線ノードが行う無線通信の時間帯と周波数帯を分割して無線ノード間の通信のタイミングと通信のタイミングごとに周波数／周波数帯域が規定された通信テンプレートのことである。
なおスーパーフレームとは、無線ノードが行う無線通信の時間帯と周波数帯を分割して無線ノード間の通信のタイミングと通信のタイミングごとに周波数／周波数帯域が規定された通信テンプレートのことである。
また管理サーバ１は、ＩＳＡ１００．１１ａの無線通信を行う無線ノード５１、５２から構成される無線ネットワークの情報（たとえば無線の通信品質、信号強度など）を集約し、それをもとに演算を行って無線ネットワークの通信経路や周波数チャネルのホッピングパターン、通信タイミングなどを決定する。
また管理サーバ１は、無線ノード５１、５２における無線通信のタイミングを無線ネットワーク内のノード間で同期するための時刻サーバの役割も担う。
ここで管理サーバ１とデバイスの間で時刻同期を行う仕組みとしてはＮＴＰ（Network Time Protocol）やＩＳＡ１００．１１ａのように通信フレームに時刻情報を格納して相対的に誤差を修正するメカニズムを用いる。なお管理サーバによる各無線ノードの時刻同期はどのような手法を用いるものであってもよい。
ここで管理サーバ１とデバイスの間で時刻同期を行う仕組みとしてはＮＴＰ（Network Time Protocol）やＩＳＡ１００．１１ａのように通信フレームに時刻情報を格納して相対的に誤差を修正するメカニズムを用いる。なお管理サーバによる各無線ノードの時刻同期はどのような手法を用いるものであってもよい。
なお、本発明の中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムでは、管理サーバ１は有線ネットワークを介して制御システムおよび中継装置の一例であるＡＰ７２と接続されると説明したが、アクセスポイントと同一の機器に搭載されていているものでもよい。
制御システムは、無線ノード５１〜５２、６１〜６３のセンサデータ収集・監視やアクチュエータの操作を行い、例としてＤＣＳ（Distributed Control Systems）を含む計装システムが挙げられる。なお制御システムは無線ノードを制御し無線制御ネットワーク管理システムにおいてプロセス制御や測定データの監視をするものであれば具体的な構成はどのようなものでもよい。
無線ノード６１〜６３は、Ｗｉ−Ｆｉによる無線通信による無線通信を行い、通信周波数として、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇを用いる場合であれば使用周波数帯はＩＳＡ１００．１１ａと同じ２．４ＧＨｚ帯を利用する。
無線ノード６１〜６３は、無線回線を介して受信したＡＰ７２〜７４で生成されたスーパーフレームに基づき、このスーパーフレームに規定された通信テンプレート（例：周波数分割、時分割通信）に則って無線通信を行う。
無線ノード６１〜６３は、無線回線を介して受信したＡＰ７２〜７４で生成されたスーパーフレームに基づき、このスーパーフレームに規定された通信テンプレート（例：周波数分割、時分割通信）に則って無線通信を行う。
このため無線ノード５１〜５２と無線ノード６１〜６３の無線通信では周波数帯域が共に同じ２．４ＧＨｚ帯を利用しており周波数帯域が競合することになる。図２は図１の無線ノード５１、５２と無線ノード６１〜６３の無線通信、いいかえれば周波数ホッピングを行うＩＳＡ１００．１１ａの無線通信で用いられる周波数帯域の説明図である。図６と同様の内容であるので説明を適宜省略する。
図２において、無線通信ノード１１におけるＩＳＡ１００．１１．ａの無線通信の周波数帯域（通信チャネル）と、無線ノード６１〜６３におけるＷｉ−Ｆｉによる無線通信の周波数帯域とは共に同じ２．４ＧＨｚ帯を利用しており周波数帯域が競合している。
具体的には、無線ノード５１〜５２におけるＩＳＡ１００．１１．ａの無線通信の通信チャネル１１〜２６は、２４０５ＭＨｚ、２４１０ＭＨｚ、２４１５ＭＨｚ、２４２０ＭＨｚ、・・・、２４７５ＭＨｚ、２４８０ＭＨｚを中心に２ＭＨｚ幅で周波数帯域をカバーし、無線ノード６１〜６３におけるＷｉ−Ｆｉによる無線通信の通信チャネル１、７、１３はそれぞれ２４１２ＭＨｚ、２４３７ＭＨｚ、２４７２ＭＨｚを中心に２２ＭＨｚ幅で周波数帯域をカバーしているので、無線ノード５１、５２におけるＩＳＡ１００．１１．ａの無線通信の通信チャネル１１〜１４／１６〜２０／２１〜２５は無線ノード６１〜６３の通信チャネル１／７／１３と競合することになる。
具体的には、無線ノード５１〜５２におけるＩＳＡ１００．１１．ａの無線通信の通信チャネル１１〜２６は、２４０５ＭＨｚ、２４１０ＭＨｚ、２４１５ＭＨｚ、２４２０ＭＨｚ、・・・、２４７５ＭＨｚ、２４８０ＭＨｚを中心に２ＭＨｚ幅で周波数帯域をカバーし、無線ノード６１〜６３におけるＷｉ−Ｆｉによる無線通信の通信チャネル１、７、１３はそれぞれ２４１２ＭＨｚ、２４３７ＭＨｚ、２４７２ＭＨｚを中心に２２ＭＨｚ幅で周波数帯域をカバーしているので、無線ノード５１、５２におけるＩＳＡ１００．１１．ａの無線通信の通信チャネル１１〜１４／１６〜２０／２１〜２５は無線ノード６１〜６３の通信チャネル１／７／１３と競合することになる。
ＡＰ７２〜７４は、各無線ノード５１〜５２、６１〜６３と通信を行って無線通信を中継し、外部から受信した第１の無線通信（無線ノード５１〜５２）のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のスーパーフレームを生成し、第２の無線通信用のスーパーフレームを第２の無線通信を行う無線ノード６１〜６３に送信する。いいかえればＡＰ７２〜７４などの中継装置は、ＩＳＡ１００．１１ａ無線通信を行う無線ネットワーク、Ｗｉ−Ｆｉ無線通信を行う無線ネットワーク、および基幹の有線ネットワークの間で相互にデータ中継を行う。なおＡＰ７２〜７４は無線通信のみのデータ中継を行うルータとして運用するものであっても良い。
ＡＰ７２は、図１に記載の通り、有線ネットワーク通信手段７２ａと、スーパーフレーム管理手段７２ｂと、第１の無線通信手段７２ｃと、第２の無線通信手段７２ｄと、図示しない記憶手段と、図示しない演算制御手段とから構成される。（なおＡＰ７３、７４の構成はＡＰ７２の構成とほぼ同様であるので説明を省略する）
具体的には、ＡＰ７２の有線ネットワーク通信手段７２ａは、たとえばＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）のような有線ネットワークを介して制御システムと測定データやプロセス制御用の制御データを送受信し、管理サーバ１からスーパーフレームまたは無線ノードが無線ネットワークにＪｏｉｎする際に用いるデータを送受信する。
スーパーフレーム管理手段７２ｂは、管理サーバ１から受信した管理サーバ１の管理下である第１の無線通信（プロセス制御用の無線通信規格（ＩＳＡ１００．１１．ａ）に則った無線通信）を行う無線ノード５１、５２における第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のスーパーフレームを生成する。またＡＰ７２のスーパーフレーム管理手段７２ｂは、第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のタイミングスケジュールおよびこれらのタイミングで第１の無線通信と相互干渉しない無線通信の周波数または周波数帯域を割り当てた前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成する。
具体的には、スーパーフレーム管理手段７２ｂは、ＩＳＡ１００．１１ａのスーパーフレームを参照し、干渉を起こさないように通信チャネルと通信タイミングを選択することによりＷｉ−Ｆｉ用のスーパーフレームを生成する。
具体的には、スーパーフレーム管理手段７２ｂは、ＩＳＡ１００．１１ａのスーパーフレームを参照し、干渉を起こさないように通信チャネルと通信タイミングを選択することによりＷｉ−Ｆｉ用のスーパーフレームを生成する。
またスーパーフレーム管理手段７２ｂは、スーパーフレームの同期を維持するために、Ｗｉ−Ｆｉ無線通信を行う無線ノードとの間で時刻同期を行う。時刻同期の方法としてはＮＴＰやＩＳＡ１００．１１ａのように通信フレームに時刻情報を格納して相対的に誤差を修正するメカニズムを用いる。なおスーパーフレーム管理手段７２ｂによるスーパーフレームの時刻同期はどのような手法を用いるものであってもよい。
第１の無線通信手段７２ｃは、第１の無線通信規格（プロセス制御用の無線通信規格（たとえばＩＳＡ１００．１１ａ））に則った無線通信を行い無線回線を介してＡＰ７３、７４と無線ノード５１〜５２からの測定データやプロセス制御用の制御データやスーパーフレーム、無線ノードが無線ネットワークにＪｏｉｎする際に用いるデータを送受信する。
また第１の無線通信手段７２ｃは、ＩＳＡ１００．１１ａ無線通信規格に則った無線通信を行う場合には、ＩＳＡ１００．１１ａで定義されているネットワークプロトコルスタックと、ＩＥＥＥ８０２．１５．４無線通信機能で構成される。
また第１の無線通信手段７２ｃは、ＩＳＡ１００．１１ａ無線通信規格に則った無線通信を行う場合には、ＩＳＡ１００．１１ａで定義されているネットワークプロトコルスタックと、ＩＥＥＥ８０２．１５．４無線通信機能で構成される。
第２の無線通信手段７２ｄは、たとえばＷｉ―Ｆｉ無線通信などの第２の無線通信（または第１の無線通信以外の無線通信規格に則った無線通信）を行い、無線回線を介してＡＰ７３、７４と無線ノード６１〜６３からの測定データ（たとえば画像データなどのサイズの大きいデータ）やスーパーフレームを送受信する。
また第２の無線通信手段７２ｄは、Ｗｉ―Ｆｉ無線通信規格に則った無線通信を行う場合には、ＴＣＰ／ＩＰ（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）などのネットワークプロトコルスタックとＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎなどの無線通信機能で構成される。
また第２の無線通信手段７２ｄは、Ｗｉ―Ｆｉ無線通信規格に則った無線通信を行う場合には、ＴＣＰ／ＩＰ（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）などのネットワークプロトコルスタックとＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎなどの無線通信機能で構成される。
図示しない記憶手段は、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（ROM - Read Only Member）などであり、主にＯＳ（Operating System）やＡＰ（中継装置）として動作させるためのプログラムやアプリケーション、これらプログラムなどの実行時に使用されるデータ、自機器から他のＡＰや各無線ノード、管理サーバ１等に到達するまでの経路情報などの各種情報を格納する。
図示しない演算制御手段は、たとえばＣＰＵなどであり各種機能や各部の動作を制御する図示しない演算制御手段とから構成される。
なお演算制御手段は、記憶手段に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムを読み出し実行することにより各機器または各部全体を制御し、各機器または各部固有の動作を行う。このとき記憶部は、演算制御手段によって実行されるプログラムやアプリケーションをプログラム格納エリアに展開し、入力されたデータや、プログラムやアプリケーションの実行時に生じる処理結果などのデータをワークエリアに一時的に記憶するものであってもよい。
また、上述のスーパーフレーム管理手段７２ｂは、演算制御手段が記憶手段に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムやアプリケーションを読み出し実行することにより制御されるものでもよい。
なお演算制御手段は、記憶手段に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムを読み出し実行することにより各機器または各部全体を制御し、各機器または各部固有の動作を行う。このとき記憶部は、演算制御手段によって実行されるプログラムやアプリケーションをプログラム格納エリアに展開し、入力されたデータや、プログラムやアプリケーションの実行時に生じる処理結果などのデータをワークエリアに一時的に記憶するものであってもよい。
また、上述のスーパーフレーム管理手段７２ｂは、演算制御手段が記憶手段に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で格納されたプログラムやアプリケーションを読み出し実行することにより制御されるものでもよい。
また、上述の各手段はバスにより相互に接続されるようなそれぞれ独立した機器から構成されるものであってもよい。
なお、本発明の中継装置は、ＡＰ７２のスーパーフレーム管理手段が、管理サーバ１の管理下にあるプロセス制御用の無線ノード５１、５２のスーパーフレームを受信するものとして説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、プロセス制御用の無線ノード５１、５２の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームを受信できるものであれば、たとえば専用接続線を介して受信するものでもよく特に管理サーバ１から受信するものに限定されるものではない。
（動作説明）
図３は本発明に係る中継装置及びこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムの動作説明図である。以下、本発明に係る中継装置及びこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムの動作を図３中に記載の（１−１）〜（１−５）の動作ステップと合わせて説明する。ここで説明を簡単するためにＡＰ７４がＷｉ−Ｆｉ無線通信のスーパーフレームを生成する場合の本発明の動作説明を行なう。
図３は本発明に係る中継装置及びこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムの動作説明図である。以下、本発明に係る中継装置及びこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムの動作を図３中に記載の（１−１）〜（１−５）の動作ステップと合わせて説明する。ここで説明を簡単するためにＡＰ７４がＷｉ−Ｆｉ無線通信のスーパーフレームを生成する場合の本発明の動作説明を行なう。
（１−１）
無線ノード５１〜５２は、ＩＳＡ１００．１１ａに則った無線通信を行う無線通信ネットワークにＪｏｉｎする。ここで無線ノード５１〜５２のＪｏｉｎは、無線ノード５１〜５２が管理サーバ１にリクエストする形で行われる。
具体的には、無線ノード５１〜５２は、所定の無線通信ネットワーク（またはこのネットワークのマルチキャストグループ）への参加依頼のためのＪｏｉｎデータ（参加要求データ）をＡＰ７４およびＡＰ７２を介して管理サーバ１に送信する。
ここで管理サーバ１は、無線ノード５１〜５２の設定や通信品質／強度といったネットワーク情報を一元管理しており、これらの情報は無線ノード５１〜５２のＪｏｉｎ時に、あるいは、Ｊｏｉｎ後に任意のタイミングで無線ノード５１〜５２から管理サーバ１に通知され記憶する。
無線ノード５１〜５２は、ＩＳＡ１００．１１ａに則った無線通信を行う無線通信ネットワークにＪｏｉｎする。ここで無線ノード５１〜５２のＪｏｉｎは、無線ノード５１〜５２が管理サーバ１にリクエストする形で行われる。
具体的には、無線ノード５１〜５２は、所定の無線通信ネットワーク（またはこのネットワークのマルチキャストグループ）への参加依頼のためのＪｏｉｎデータ（参加要求データ）をＡＰ７４およびＡＰ７２を介して管理サーバ１に送信する。
ここで管理サーバ１は、無線ノード５１〜５２の設定や通信品質／強度といったネットワーク情報を一元管理しており、これらの情報は無線ノード５１〜５２のＪｏｉｎ時に、あるいは、Ｊｏｉｎ後に任意のタイミングで無線ノード５１〜５２から管理サーバ１に通知され記憶する。
（１−２）
管理サーバ１は、Ｊｏｉｎデータを受信すると、当該無線ノード５１または５２（および／またはこの無線ノードが参加要求しているネットワークに属する他の無線ノードの）ネットワーク情報をもとに適切な周波数ホッピングパターン、通信経路、通信タイミングなどを演算によって決定し第１の無線通信のスーパーフレームを生成する。
なお管理サーバ１は、全無線ノードのＪｏｉｎの完了を待たずにスーパーフレームを生成しておいても良い。
管理サーバ１は、Ｊｏｉｎデータを受信すると、当該無線ノード５１または５２（および／またはこの無線ノードが参加要求しているネットワークに属する他の無線ノードの）ネットワーク情報をもとに適切な周波数ホッピングパターン、通信経路、通信タイミングなどを演算によって決定し第１の無線通信のスーパーフレームを生成する。
なお管理サーバ１は、全無線ノードのＪｏｉｎの完了を待たずにスーパーフレームを生成しておいても良い。
（１−３）
管理サーバ１は、生成したスーパーフレームをＡＰ７２に送信し、ＡＰ７２、７３、７４を介して各無線ノード５１、５２に送信する。
なお管理サーバ１はスーパーフレームの送信を無線ノードのＪｏｉｎ時に行ってもよいし任意のタイミングで行ってよい。
また、ＡＰ７２、７３、７４の演算制御手段は、第１の無線通信手段を制御して、スーパーフレーム管理手段が生成したＩＳＡ１００．１１．ａ無線通信のスーパーフレームを無線ノード６１〜６３およびＡＰ７２、７３、７４を介して図示しない他のＩＳＡ１００．１１．ａ無線通信を行う無線ノードに送信する。
管理サーバ１は、生成したスーパーフレームをＡＰ７２に送信し、ＡＰ７２、７３、７４を介して各無線ノード５１、５２に送信する。
なお管理サーバ１はスーパーフレームの送信を無線ノードのＪｏｉｎ時に行ってもよいし任意のタイミングで行ってよい。
また、ＡＰ７２、７３、７４の演算制御手段は、第１の無線通信手段を制御して、スーパーフレーム管理手段が生成したＩＳＡ１００．１１．ａ無線通信のスーパーフレームを無線ノード６１〜６３およびＡＰ７２、７３、７４を介して図示しない他のＩＳＡ１００．１１．ａ無線通信を行う無線ノードに送信する。
（１−４）
ＡＰ７４のスーパーフレーム管理手段は、管理サーバ１からＩＳＡ１００．１１．ａ（第１の無線通信）のスーパーフレームを受信すると、受信したスーパーフレームに規定された第１の無線通信の周波数チャネル・通信タイミングに干渉しないように、第２の無線通信（Ｗｉ−Ｆｉ無線通信）のスーパーフレームを生成する。
ＡＰ７４のスーパーフレーム管理手段は、管理サーバ１からＩＳＡ１００．１１．ａ（第１の無線通信）のスーパーフレームを受信すると、受信したスーパーフレームに規定された第１の無線通信の周波数チャネル・通信タイミングに干渉しないように、第２の無線通信（Ｗｉ−Ｆｉ無線通信）のスーパーフレームを生成する。
図４は、第１の無線通信のスーパーフレームおよび第２の無線通信のスーパーフレームの説明図である。図４において、ＡＰ７４が管理サーバ１から受信した第１の無線通信（ＩＳＡ１００．１１．ａ）のスーパーフレームは、無線通信ノード５１、５２におけるＩＳＡ１００．１１．ａの無線通信の時間帯、周波数帯域（通信チャネル）が規定されており、時間帯ｔ１〜ｔ２で通信チャネルＣｈ１９、時間帯ｔ２〜ｔ３で通信チャネルＣｈ、５２、時間帯ｔ３〜ｔ４で通信チャネルＣｈ２０、時間帯ｔ４〜ｔ５で通信チャネルＣｈ２４、・・・として分割された時間帯ごとに周波数帯域（通信チャネル）が割り当てられている。
またＡＰ７４は、この第１の無線通信のスーパーフレームに基づいて、図４のように第１の無線通信の周波数チャネル・通信タイミングに干渉しないように、第２の無線通信（Ｗｉ−Ｆｉ無線通信）のスーパーフレームを生成する。
具体的には、ＡＰ７４は、第２の無線通信のスーパーフレームとして、時間帯ｔ１〜ｔ２で通信チャネルＣｈ１、時間帯ｔ２〜ｔ３で通信チャネルＣｈ１３、時間帯ｔ３〜ｔ４で通信チャネルＣｈ１、時間帯ｔ４〜ｔ５で通信チャネルＣｈ１、・・・として分割された時間帯ごとに周波数帯域（通信チャネル）を割り当てて、第１の無線通信の周波数チャネル・通信タイミングに干渉しないようにＷｉ−Ｆｉ無線通信の時間帯、周波数帯域（通信チャネル）を規定する。
たとえば、時間帯ｔ１〜ｔ２では第１の無線通信の使用する通信チャネルはＣｈ１９であり、第２の無線通信の使用する通信チャネルはＣｈ１であるので互いに競合しないこととなる。
具体的には、ＡＰ７４は、第２の無線通信のスーパーフレームとして、時間帯ｔ１〜ｔ２で通信チャネルＣｈ１、時間帯ｔ２〜ｔ３で通信チャネルＣｈ１３、時間帯ｔ３〜ｔ４で通信チャネルＣｈ１、時間帯ｔ４〜ｔ５で通信チャネルＣｈ１、・・・として分割された時間帯ごとに周波数帯域（通信チャネル）を割り当てて、第１の無線通信の周波数チャネル・通信タイミングに干渉しないようにＷｉ−Ｆｉ無線通信の時間帯、周波数帯域（通信チャネル）を規定する。
たとえば、時間帯ｔ１〜ｔ２では第１の無線通信の使用する通信チャネルはＣｈ１９であり、第２の無線通信の使用する通信チャネルはＣｈ１であるので互いに競合しないこととなる。
（１−５）
ＡＰ７４の演算制御手段は、第２の無線通信手段を制御して、スーパーフレーム管理手段が生成したＷｉ−Ｆｉ無線通信のスーパーフレームを無線ノード６１〜６３およびＡＰ７２、７３を介して図示しない他のＷｉ−Ｆｉ無線通信を行う無線ノードに送信する。
ＡＰ７４の演算制御手段は、第２の無線通信手段を制御して、スーパーフレーム管理手段が生成したＷｉ−Ｆｉ無線通信のスーパーフレームを無線ノード６１〜６３およびＡＰ７２、７３を介して図示しない他のＷｉ−Ｆｉ無線通信を行う無線ノードに送信する。
Ｗｉ−Ｆｉ無線通信を行う無線ノード５１〜５２は、ＡＰ７４から受信した無線ノード間通信の周波数やタイミングが規定されたＷｉ−Ｆｉ無線通信のスーパーフレームに基づいて無線通信を実行する。
この結果、本発明に係る中継装置およびこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムは、外部から受信した第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、第２の無線通信用のスーパーフレームを第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、を具備することにより、プロセス制御用の無線通信規格・この規格とは異なる無線通信規格による無線通信を行う無線ネットワークシステムにおける通信信頼性の向上およびスループットの低下防止できる。
また、本発明では、上述の構成とすることで、ＩＳＡ１００.１１．ａとＷｉ−Ｆｉとが混在する無線制御ネットワーク管理システムに適用することにより、従来の手法で損なわれていたような以下の効果を得ることができる。
（Ａ）従来のように異なる無線通信規格に則った無線通信システム間で通信時間を分割しなくて済むので、ＩＳＡ１００.１１．ａ無線通信システム、Ｗｉ−Ｆｉ無線通信システムともに単独で運用した場合と同等のスループットで通信することができる点で有効である。
（Ｂ）時間分割をしなくて済むことため、各々の無線通信システムにおいて単位時間あたりの通信容量が増加し無線ネットワークのノード収容数が増加できる点で有効である。
（Ｃ）ＩＳＡ１００.１１．ａ、Ｗｉ−Ｆｉともに帯域内の通信チャネルを広く使用できるため無線ノイズの回避能力が向上し、通信信頼性が高くなる点で有効である。
（Ａ）従来のように異なる無線通信規格に則った無線通信システム間で通信時間を分割しなくて済むので、ＩＳＡ１００.１１．ａ無線通信システム、Ｗｉ−Ｆｉ無線通信システムともに単独で運用した場合と同等のスループットで通信することができる点で有効である。
（Ｂ）時間分割をしなくて済むことため、各々の無線通信システムにおいて単位時間あたりの通信容量が増加し無線ネットワークのノード収容数が増加できる点で有効である。
（Ｃ）ＩＳＡ１００.１１．ａ、Ｗｉ−Ｆｉともに帯域内の通信チャネルを広く使用できるため無線ノイズの回避能力が向上し、通信信頼性が高くなる点で有効である。
＜他の実施例＞
また、上記実施例では、無線制御ネットワーク管理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などのプロセス制御に関連する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・照明システムなどの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、照明やスイッチなどを周波数ホッピングを行う無線通信規格に則った第１の無線通信を行う無線ノードとし、監視カメラなどの大量データ送受信を可能とするＷｉ−Ｆｉなどの無線通信規格に則った第２の無線通信を行う無線ノードとして、上述の中継装置の一例であるＡＰがプロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信のスーパーフレームに基づき第２の無線通信のスーパーフレームを生成し、このスーパーフレームに基づきそれぞれ無線通信を行うものでもよい。
この結果、上述の構成であれば、第１の無線通信規格・第２の無線通信規格による無線通信を行う無線ネットワークシステムにおける通信信頼性の向上およびスループットの低下防止できる。
このように、本発明の中継装置及びこれを用いた無線制御ネットワーク管理システムは、外部から受信した第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、第２の無線通信用のスーパーフレームを第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、を具備することにより、プロセス制御用の無線通信規格・この規格とは異なる無線通信規格による無線通信を行う無線ネットワークシステムにおける通信信頼性の向上およびスループットの低下防止できるので、プラントや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・照明システムなどの無線制御ネットワーク管理システムの適切な運転支援に貢献できる。
１ 管理サーバ
２〜４、７２〜７４ 中継装置（ＡＰ）
２１ 有線ネットワーク通信手段
２２ スーパーフレーム管理手段
２３ 第１の無線通信手段
２４ 第２の無線通信手段
５１、５２ 無線ノード（ＩＳＡ１００ノード）
６１、６２、６３ 無線ノード（Ｗｉ−Ｆｉノード）
２〜４、７２〜７４ 中継装置（ＡＰ）
２１ 有線ネットワーク通信手段
２２ スーパーフレーム管理手段
２３ 第１の無線通信手段
２４ 第２の無線通信手段
５１、５２ 無線ノード（ＩＳＡ１００ノード）
６１、６２、６３ 無線ノード（Ｗｉ−Ｆｉノード）
Claims (6)
- プロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信およびこの規格とは異なる無線通信規格に則った第２の無線通信を中継する中継装置において、
外部から受信した前記第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯域を示す第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、前記第２の無線通信のスーパーフレームを生成するスーパーフレーム管理手段と、
前記第２の無線通信用のスーパーフレームを前記第２の無線通信を行う無線通信端末に送信する手段と、
を具備することを特徴とする中継装置。 - 前記スーパーフレーム管理手段は、
前記第１の無線通信用のスーパーフレームに基づき、前記第２の無線通信のタイミングスケジュールおよびこれらのタイミングで前記第１の無線通信と相互干渉しない無線通信の周波数または周波数帯域を割り当てた前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする中継装置。 - 前記スーパーフレーム管理手段は、
前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバから受信した、この管理サーバの管理下の無線通信端末における前記第１の無線通信用のスーパーフレームに基づいて前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする請求項２記載の中継装置。 - 前記第１及び第２の無線通信は、一方がＩＳＡ１００．１１ａを準拠した通信、または、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴを準拠した通信であり、他方がWireless Fidelity通信であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の中継装置。
- 前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバから有線ネットワークを介して前記第１の無線通信用のスーパーフレームを受信する有線ネットワーク通信手段を具備することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の中継装置。
- プロセス制御用の無線通信規格に則った第１の無線通信を行う複数の第１の無線通信端末と、
前記プロセス制御用の無線通信規格とは異なる無線通信規格に則った第２の無線通信を行う複数の第２の無線通信端末と、
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の中継装置と、
有線ネットワークを介し１個または複数のフィールド機器に接続される前記プロセス制御用の無線通信端末を管理する管理サーバと、を備え、
前記中継装置は、
前記管理サーバから前記有線ネットワークを介して、前記第１の無線通信のタイミングスケジュールおよび各タイミングで割り当てられた無線通信の周波数または周波数帯を示す第１の無線通信用のスーパーフレームを受信して前記第２の無線通信用のスーパーフレームを生成することを特徴とする無線制御ネットワーク管理システム。
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