JP2015100070A - 通信装置及び無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷を増大させることなく簡易にデータの欠損や通信遅延の変動に対応することが可能な通信装置、フィールド機器、及び無線通信システムを提供する。
【解決手段】通信装置としてのゲートウェイ１５は、無線ネットワークを介して通信相手（例えば、工業プロセスのフィードバック制御に係る測定データを一定の時間間隔で送信するセンサ機器）から送信されてくるデータを一時的に記憶する記憶部２２と、記憶部２２に記憶されたデータを読み出して通信相手がデータを送信する時間間隔に整列させるデータ整列部２３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、通信装置及び無線通信システムに関する。

従来から、プラントや工場等においては、高度な自動操業を実現すべく、フィールド機器と呼ばれる現場機器（測定器、操作器）と、これらを制御する制御装置とが通信手段を介して接続された分散制御システム（ＤＣＳ：Distributed Control System）が構築されている。このような分散制御システムは、有線によって通信を行うものが殆どであったが、近年においては、ＩＳＡ１００．１１ａやＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）等の産業用無線通信規格に準拠した無線通信を行うものも実現されている。

ここで、無線通信は、有線通信と比べて通信エラーが発生する確率が高いため、送信したデータの欠損が生ずることがある。また、データの欠損が生じた場合には、欠損したデータの再送処理が行われるが、データの再送処理が繰り返されると、データの送信が開始されてから終了するまでに大きな遅延が生ずることがある。しかも、この再送処理に起因する遅延時間はデータの再送回数に依存するため、遅延時間は一定せずに大きく変動してしまう。このようなデータの欠損や遅延時間の変動が生ずると、プロセス制御に支障が生ずることが考えられる。

以下の特許文献１には、無線通信において生ずるデータの欠損（パケットロス）を考慮して、安定したプラント制御を実現するネットワーク制御システムが開示されている。具体的に、以下の特許文献１に開示されたシステムは、パケットロスによってフィールド機器の一種であるアクチュエータがコントローラからの操作量を受信できない状況が発生しても、コントローラ側で操作量を補正することにより、プラントの状態を大きく乱すことなく安定したプラント制御を実現するようにしている。

特開２００９−１１０１８０号公報

ところで、上述した分散制御システムでは、フィードバック制御によって工業プロセスにおける各種の状態量（例えば、圧力、温度、流量等）が制御されている。ここで、分散制御システムにおけるフィードバック制御とは、フィールド機器（測定器）で測定された状態量の測定信号（フィードバック信号）を制御装置が取得し、取得したフィードバック信号が目標値に一致するように制御装置がフィールド機器（操作器）を操作することによって、上記の各種状態量を制御する制御方式である。

このようなフィードバック制御が行われる分散制御システムにおいて、フィールド機器（測定器）の測定結果を示すデータや、フィールド機器（操作器）に対する操作量を示すデータの欠損が生ずると、フィードバック制御に誤動作が生ずる虞が考えられる。また、データの遅延時間の変動が生ずる場合には、フィードバック制御における無駄時間が大きくなってフィードバック制御に誤動作が生ずる虞が考えられる。尚、ここでの無駄時間とは、制御装置からフィールド機器（操作器）に操作信号が出力されてから、フィードバック信号にその影響が現れるまでの時間をいう。

ここで、上述した特許文献１に開示された技術を用いれば、パケットロスが生じた場合であってもフィールド機器（アクチュエータ）の操作量が補正されるため、安定したプロセス制御を実現することは可能である。しかしながら、上述した特許文献１では、フィールド機器（アクチュエータ）の操作量を補正するために複雑な演算が必要になり、制御装置の負荷が増大する虞が考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、負荷を増大させることなく簡易にデータの欠損や通信遅延の変動に対応することが可能な通信装置及び無線通信システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の通信装置は、フィードバック制御に係るデータを一定の時間間隔で送信する通信相手（１１ａ、１５）と無線ネットワーク（Ｎ１）が含まれる通信経路を介して通信を行う通信装置（１５、１１ｃ）において、前記無線ネットワークを介して前記通信相手から送信されてくる前記データを一時的に記憶する記憶部（２２）と、前記記憶部に記憶された前記データを読み出して前記通信相手が前記データを送信する時間間隔に整列させる整列部（２３）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、通信相手（例えば、工業プロセスのフィードバック制御に係るデータを一定の時間間隔で送信する通信相手）から無線ネットワークを介して送信されてきたデータは、記憶部に一時的に記憶された後に整列部により読み出されて通信相手がデータを送信する時間間隔に整列させられる。
また、本発明の通信装置は、前記整列部により整列されたデータの欠損が生じている場合に、欠損したデータよりも前のデータを用いて欠損したデータを推定して補完する補完部（２５）を備えることを特徴としている。
また、本発明の通信装置は、前記補完部が、データの欠損が生ずる直前におけるデータの変化量を求め、該変化量を用いて欠損したデータを推定することを特徴としている。
また、本発明の通信装置は、前記補完部が、データの欠損が予め規定された回数連続した場合には、欠損したデータの補完を停止して前回値を維持することを特徴としている。
ここで、本発明の通信装置は、上位装置（１６）に向けてアラームを送信するアラーム送信部（２７）を備えており、前記補完部が、データの欠損が予め規定された回数連続した場合に、前記アラーム送信部にアラームを送信させることを特徴としている。
また、本発明の通信装置は、前記補完部が、データの欠損が連続する場合には、前回推定したデータに対する変化量が徐々に小さくなるように今回のデータを推定することを特徴としている。
また、本発明の通信装置は、前記通信相手が、前記フィードバック制御に必要な測定を行うフィールド機器（１１ａ）であり、前記フィードバック制御に係るデータが、前記フィールド機器で測定された測定データであることを特徴としている。
或いは、本発明の通信装置は、フィードバック制御に必要な操作を行うフィールド機器であり、前記通信相手から送信される前記フィードバック制御に係るデータとしての制御データを整列させることを特徴としている。
本発明の無線通信システムは、無線ネットワーク（Ｎ１）を介した無線通信が可能な無線通信システム（１）において、前記無線ネットワークが含まれる通信経路を介した通信を行う上記の通信装置（１５）と、前記無線ネットワークを介した無線通信が可能なフィールド機器（１１）と、前記フィールド機器が制御用途であるか否かの設定を行う設定装置（１７）とを備えており、前記通信装置が、前記設定装置の設定内容に応じて、前記フィールド機器から送信されてきたデータを整列させるか否かを切り替えることを特徴としている。
また、本発明の無線通信システムは、前記設定装置によって前記制御用途であると設定されたフィールド機器について、送信エラーが生じた場合における前記無線ネットワークを介したデータの再送可能回数を増加させる管理装置（１４）を備えることを特徴としている。

本発明によれば、通信相手（工業プロセスのフィードバック制御に係るデータを一定の時間間隔で送信する通信相手）から無線ネットワークを介して送信されてきたデータを記憶部に一時的に記憶し、記憶部に記憶されたデータを整列部が読み出して通信相手がデータを送信する時間間隔に整列するようにしている。このため、負荷を増大させることなく簡易に通信遅延の変動に対応することが可能であるという効果がある。
また、整列部により整列されたデータの欠損が生じている場合に、欠損したデータよりも前のデータを用いて欠損したデータを推定して補完するようにしているため、負荷を増大させることなく簡易にデータの欠損に対応することが可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態による無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による通信装置としてのゲートウェイの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態におけるデータの補完方法を説明するための図である。 本発明の第１実施形態におけるデータの他の補完方法を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による無線通信システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態においてゲートウェイのデータ整列部で行われる処理を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態においてゲートウェイのデータ補完部で行われる処理を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態による無線通信システムで用いられる無線デバイスの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による無線通信システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による通信装置及び無線通信システムについて詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
〈無線通信システムの全体構成〉
図１は、本発明の第１実施形態による無線通信システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の無線通信システム１は、無線デバイス１１（フィールド機器）、無線ルータ１２、バックボーンルータ１３ａ，１３ｂ、システムマネージャ１４（管理装置）、ゲートウェイ１５（通信装置）、監視制御装置１６、及び端末装置１７（設定装置）を備えており、無線ネットワークＮ１を介したＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access：時分割多元接続）方式による無線通信が可能である。この無線通信システム１は、例えばプラントや工場等（以下、これらを総称する場合には、単に「プラント」という）に構築される。

ここで、無線通信システム１が構築されるプラントには、無線ネットワークＮ１、バックボーンネットワークＮ２、及び制御ネットワークＮ３が設けられている。無線ネットワークＮ１は、プラントの現場に設置された無線デバイス１１、無線ルータ１２、及びバックボーンルータ１３ａ，１３ｂによって実現されて、システムマネージャ１４によって管理されるネットワークである。尚、無線ネットワークＮ１を形成する無線デバイス、無線ルータ、及びバックボーンルータの数は任意である。

バックボーンネットワークＮ２は、無線通信システム１の基幹となる有線ネットワークであり、バックボーンルータ１３ａ，１３ｂ、システムマネージャ１４、及びゲートウェイ１５が接続される。制御ネットワークＮ３は、バックボーンネットワークＮ２の上位に位置づけられる有線ネットワークであり、ゲートウェイ１５、監視制御装置１６、及び端末装置１７が接続される。

無線デバイス１１は、プラントの現場に設置されて監視制御装置１６の制御の下で工業プロセスの制御に必要な測定や操作を行うフィールド機器（無線フィールド機器）である。具体的に、無線デバイス１１は、例えば流量計や温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、プラント内の状況や対象物を撮影するカメラやビデオ等の撮像機器、プラント内の異音等を収集したり警報音等を発したりするマイクやスピーカ等の音響機器、各機器の位置情報を出力する位置検出機器、その他の機器である。この無線デバイス１１は、電池を電源として省電力動作（例えば、間欠動作）を行い、ＩＳＡ１００．１１ａに準拠したＴＤＭＡ方式による無線通信が可能である。

ここで、本実施形態では、理解を容易にするために、制御すべき工業プロセスにおける状態量が流体の流量である場合を例に挙げて説明する。このため、図１においては、流量の測定を行う無線デバイス１１であるセンサ機器１１ａと、流量の操作を行う無線デバイス１１であるバルブ機器１１ｂとを１つずつ図示している。センサ機器１１ａは、流量の測定データを一定の時間間隔（例えば、１秒間隔）で送信し、バルブ機器１１ｂは、監視制御装置１６から一定の時間間隔（例えば、１秒間隔）で出力されてゲートウェイ１５を介して送信されてくる制御データに基づいてバルブの開度を操作する。これらセンサ機器１１ａ及びバルブ機器１１ｂは何れも、フィードバック制御に用いられる。

無線ルータ１２は、無線デバイス１１及びバックボーンルータ１３ａ，１３ｂとの間でＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を行い、無線デバイス１１及びバックボーンルータ１３ａ，１３ｂとの間で送受信されるデータを中継する。バックボーンルータ１３ａ，１３ｂは、無線ネットワークＮ１とバックボーンネットワークＮ２とを接続し、無線ネットワークＮ１とバックボーンネットワークＮ２との間で送受信されるデータの中継を行う。尚、これらバックボーンルータ１３ａ，１３ｂも、上記の無線通信規格ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を行う。

システムマネージャ１４は、無線ネットワークＮ１を介して行われる無線通信の制御を行う。具体的には、無線デバイス１１、無線ルータ１２、バックボーンルータ１３ａ，１３ｂ、及びゲートウェイ１５に対する通信リソース（タイムスロット及びチャネル）の割り当て制御を行って、無線ネットワークＮ１を介したＴＤＭＡによる無線通信を実現する。尚、システムマネージャ１４は、無線ネットワークＮ１に対して無線デバイス１１、無線ルータ１２、及びバックボーンルータ１３ａ，１３ｂを参入させる処理も行う。

また、システムマネージャ１４は、端末装置１７によって設定される内容（詳細は後述するが、無線デバイス１１が制御用であるのか、或いは監視用であるのかを示す内容）に応じて、データの再送のためのタイムスロットをより多く割り当てるか否かを制御する。具体的に、システムマネージャ１４は、制御用であると設定されている無線デバイス１１については上記のタイムスロットをより多く割り当てる。

このような制御を行うのは、送信エラーが生じた場合における無線ネットワークＮ１を介したデータの再送可能回数を増加させることで、遅延時間の変動を小さくするとともに、データの欠損が発生する割合を低減するためである。尚、監視用のフィールド機器については、データの再送のためのタイムスロットが多く割り当てられないため、データの再送が頻繁に行われることによって生ずる無駄な電池の消費を抑えることができる。

ゲートウェイ１５は、バックボーンネットワークＮ２と制御ネットワークＮ３とを接続し、無線デバイス１１及びシステムマネージャ１４等と、監視制御装置１６及び端末装置１７との間で送受信される各種データの中継を行う。このゲートウェイ１５を設けることで、セキュリティを維持しつつ、バックボーンネットワークＮ２と制御ネットワークＮ３とを相互に接続することができる。

ここで、ゲートウェイ１５は、端末装置１７によって設定される内容（無線デバイス１１が制御用であるのか、或いは監視用であるのかを示す内容）に応じて無線デバイス１１から送信されてくるデータを一定の時間間隔に整列させるか否かを切り替える。例えば、フィードバック制御に用いられるセンサ機器１１ａから送信されてくる測定データについては、一定の時間間隔（センサ機器１１ａが測定データを送信する時間間隔）に整列させるとともに、測定データに欠損が生じている場合には、欠損した測定データを推定して補完する処理を行う。このような処理を行うのは、センサ機器１１ａからの測定データが無線ネットワークＮ１を介して送信される際に生ずる欠損や通信遅延の変動に対応することにより、フィードバック制御に誤動作が生ずるのを防止するためである。

監視制御装置１６は、無線デバイス１１等の監視及び管理を行う。具体的に、監視制御装置１６は、ゲートウェイ１５を介して無線デバイス１１から測定データ（例えば、流量値）を収集することによって無線デバイス１１等の監視を行う。また、監視制御装置１６は、収集した測定データに基づいて無線デバイス１１の制御量（例えば、バルブ機器の弁開度）を求め、この制御量を示す制御データを、ゲートウェイ１５を介して無線デバイス１１に一定の時間間隔で送信することによってバルブ機器１１ｂを制御する。つまり、監視制御装置１６は、フィードバック制御によって工業プロセスにおける流量等の各種の状態量を制御する。

端末装置１７は、例えばプラントの運転員によって操作され、無線デバイス１１の監視及び制御を行うために用いられる。具体的に、端末装置１７は、キーボードやポインティングデバイス等の入力装置、液晶表示装置等の表示装置を備えており、監視制御装置１６で得られた無線デバイス１１の監視結果を表示装置に表示して運転員に提供するとともに、運転員が入力装置を操作して入力した指示を監視制御装置１６に出力して、その指示に基づいた制御を監視制御装置１６に行わせる。

また、端末装置１７は、無線通信システム１の各種設定を行うためにも用いられる。端末装置１７によって行われる設定としては、例えば以下のものが挙げられる。
・無線デバイス１１の種別
・センサ機器１１ａの測定周期
・ゲートウェイ１５における遅延時間
・ゲートウェイ１５で行われる補完の最大連続数

ここで、無線デバイス１１は、フィードバック制御に用いられるもの（制御用のフィールド機器）と、撮像機器や音響機器等の監視用に用いられるもの（監視用のフィールド機器）とに区分される。上記の無線デバイス１１の種別とは、制御用のフィールド機器であるのか、或いは監視用のフィールド機器であるのかを示すものである。尚、本実施形態では、説明を簡単にするために、センサ機器１１ａ及びバルブ機器１１ｂは、制御用のフィールド機器として設定されているものとする。

〈ゲートウェイの構成〉
図２は、本発明の第１実施形態による通信装置としてのゲートウェイの要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、ゲートウェイ１５は、通信部２１、記憶部２２、データ整列部２３（整列部）、遅延タイマ２４、データ補完部２５（補完部）、前回値記憶部２６、アラーム送信部２７、及び通信部２８を備える。尚、ゲートウェイ１５は、前述の通りバックボーンネットワークＮ２と制御ネットワークＮ３とを相互に接続するものであるため、これらのネットワーク間で授受されるデータの変換処理を行う処理部が設けられるが、図２では図示を省略している。

通信部２１は、バックボーンネットワークＮ２に接続され、バックボーンネットワークＮ２を介して送信されてくるデータを受信するとともに、バックボーンネッワークＮ２に送信すべきデータをバックボーンネッワークＮ２に送信する。尚、上記のバックボーンネットワークＮ２を介して送信されてくるデータは、例えばセンサ機器１１ａからの測定データであり、上記のバックボーンネッワークＮ２に送信すべきデータは、例えばバルブ機器１１ｂへ送信すべき制御データである。

記憶部２２は、例えば揮発性又は不揮発性のメモリを備えており、通信部２１で受信したデータ（例えば、センサ機器１１ａからの測定データ）を一時的に記憶する。ここで、センサ機器１１ａからの測定データ等には、送信順番を示す「送信シーケンス番号」と送信時刻を示す「送信タイムスタンプ」とが付加されている。従って、測定データ等の欠損が生じていない場合には、記憶部２２に記憶される測定データは、送信シーケンス番号順（或いは送信時刻順）に並んだものとなる。

データ整列部２３は、遅延タイマ２４から出力される時刻情報を用いて記憶部２２に記憶されたデータを読み出すことにより、記憶部２２に記憶されたデータを一定の時間間隔（センサ機器１１ａが測定データを送信する時間間隔）に整列させる。具体的に、データ整列部２３は、遅延タイマ２４から出力される時刻情報で示される時刻よりも古い時刻を示す「送信タイムスタンプ」が付されたデータが記憶部２２に記憶されているか否かを判断する。そして、そのようなデータが記憶部２２に記憶されていると判断した場合には、記憶部２２から読み出してデータ補完部２５に出力する一方で、記憶部２２に記憶されていないと判断した場合には、予め規定された空のデータをデータ補完部２５に出力する。

遅延タイマ２４は、実際の時刻から予め規定された遅延時間Δｔだけ遅延した時刻を示す時刻情報を、一定の時間間隔（センサ機器１１ａが測定データを送信する時間間隔）でデータ整列部２３に出力する。ここで、遅延タイマ２４に設定される遅延時間Δｔは、無線ネットワークＮ１の遅延特性を考慮して規定される。例えば、無線ネットワークＮ１での遅延が大きくなるほど長い遅延時間Δｔが設定され、逆に無線ネットワークＮ１での遅延が小さくなるほど短い遅延時間Δｔが設定される。このような遅延タイマ２４を用いるのは、通信遅延の変動が生じた場合であっても、データ整列部２３がデータを整列できるようにするためである。

データ補完部２５は、データ整列部２３から出力されるデータの欠損が生じている場合に、欠損したデータよりも前のデータを用いて欠損したデータを推定して補完し、補完したデータを前回値記憶部２６に記憶させるとともに通信部２８に出力する。具体的に、データ補完部２５は、データ整列部２３からの空データ（「送信シーケンス番号」が付されていないデータ）が出力された場合に、前回値記憶部２６に記憶されたデータの変化量を求め、その変化量を用いて欠損したデータを推定する。

図３は、本発明の第１実施形態におけるデータの補完方法を説明するための図である。ここで、図３（ａ）は、ゲートウェイ１５で行われる基本的な補完処理を示す図であり、図３（ｂ）はデータの欠損が連続して生じた場合にゲートウェイ１５行われる補完処理を示す図である。尚、図３（ａ），（ｂ）に示すグラフは横軸に時間をとり、縦軸にデータの値をとってある。また、図３（ａ），（ｂ）では、説明を簡単にするために、通信遅延の変動が生じておらず、ゲートウェイ１５では一定の時間間隔Ｔでデータ（データＤ１〜Ｄ４）が受信されるとする。

図３（ａ）に示す通り、時刻ｔ１〜ｔ４においてデータＤ１〜Ｄ４がそれぞれ受信された後の時刻ｔ５においてデータＤ５の欠損が生じたとする。ゲートウェイ１５のデータ補完部２５は、前回値記憶部２６に記憶されている前回値（データＤ４の値Ｖ４）と前々回値（データＤ３の値Ｖ３）とを読み出し、以下に示す式を用いて欠損したデータＤ５の値Ｖ５を推定する。
Ｖ５＝（Ｖ４−Ｖ３）×Ｔ＋Ｖ４
このように、データ補完部２５は、前回値記憶部２６に記憶されたデータＤ３，Ｄ４の変化量θ（θ＝（Ｖ４−Ｖ３）／Ｔ）を求め、この変化量θを用いて欠損したデータを推定する。尚、上記データＤ３，Ｄ４の変化量θは、データの欠損（データＤ５の欠損）が生ずる直前におけるデータの変化量である。

ここで、図３（ｂ）に示す通り、データ補完部２５は、データの欠損が連続する場合であっても、基本的には図３（ａ）を用いて説明した方法と同様の方法で欠損したデータを推定して補完する。但し、データ補完部２５は、データの欠損が予め定められた規定回数Ｎだけ連続した場合には、欠損したデータの補完を停止して前回値を維持する。例えば、上記の規定回数Ｎが「３」に設定されており、図３（ｂ）に示す通り連続する３つのデータＤ５〜Ｄ７が欠損した場合には、データ補完部２５は、３番目のデータＤ７の値をデータＤ６の値Ｖ６（前回値）に維持する。

このような処理を行うのは、データの補完を連続して行うと実際のデータの値からのずれが大きくなると考えられることから、安全を考慮してデータの連続した補完を制限したものである。また、データ補完部２５は、データの欠損が規定回数Ｎだけ連続した場合には、アラーム送信部２７を制御して、上位装置（監視制御装置１６）に向けてアラームを送信させる。

尚、図３（ｂ）に示す通り、連続してデータＤ５〜Ｄ７が欠損した場合に、データ補完部２５で推定されるデータＤ５〜Ｄ７の値Ｖ５〜Ｖ７をまとめると以下の式で表される。
Ｖ５＝θ×Ｔ＋Ｖ４
Ｖ６＝θ×Ｔ＋Ｖ５
Ｖ７＝Ｖ６

ここで、上記の式を参照すると、データが連続して欠損した場合に推定されるデータの値（値Ｖ５，Ｖ６）は変化量θずつ単調増加又は単調減少するものとなる。このような補完を行うと、推定されたデータの値（値Ｖ５，Ｖ６）と実際のデータの値とのずれが大きくなる場合が考えられる。このため、データ補完部２５は、データの欠損が連続する場合には、以下で説明する他の補完方法を用いて前回推定したデータに対する変化量θが徐々に小さくなるように今回のデータを推定するようにしても良い。

図４は、本発明の第１実施形態におけるデータの他の補完方法を説明するための図である。尚、図４に示すグラフは、図３（ｂ）に示すグラフと同様に、横軸に時間をとり、縦軸にデータの値をとってある。また、図４においても、説明を簡単にするために、通信遅延の変動が生じておらず、ゲートウェイ１５では一定の時間間隔Ｔでデータ（データＤ１〜Ｄ４）が受信されるとする。

図４に示す通り、データ補完部２５は、減衰係数α（０＜α＜１）を用いて、変化量が徐々に小さくなるように今回のデータを推定する。尚、データ補完部２５は、図３を用いて説明した補完方法と同様に、データの欠損が規定回数Ｎだけ連続した場合には、欠損したデータの補完を停止して前回値を維持する。図４に示す補完方法を用いた場合に、データ補完部２５で推定されるデータＤ５〜Ｄ７の値Ｖ５〜Ｖ７をまとめると以下の式で表される。
Ｖ５＝α×θ×Ｔ＋Ｖ４
Ｖ６＝α^２×θ×Ｔ＋Ｖ５
Ｖ７＝Ｖ６

尚、データ補完部２５は、データ整列部２３から出力されるデータが記憶部２２から読み出されたデータ（「送信シーケンス番号」等が付されたデータ）である場合には、そのデータを前回値記憶部２６に記憶させるとともに通信部２８に出力する。つまり、データ整列部２３から出力されるデータが記憶部２２から読み出されたデータである場合には、データ補完部２５での上述した補完の処理は省略される。

前回値記憶部２６は、データ補完部２５から通信部２８に出力されたデータの前回値と前々回値との２つを記憶する。尚、前回値記憶部２６に記憶されるデータ（前回値、前々回値）は、データ補完部２５から通信部２８に新たなデータが出力される度に更新される。アラーム送信部２７は、データ補完部２５の制御により、上位装置である監視制御装置１６に向けてアラーム（データの欠損が規定回数Ｎだけ連続した旨を示すアラーム）を送信する。

通信部２８は、制御ネットワークＮ３に接続され、制御ネットワークＮ３を介して送信されてくるデータを受信するとともに、制御ネットワークＮ３に送信すべきデータを制御ネットワークＮ３に送信する。尚、上記の制御ネットワークＮ３を介して送信されてくるデータは、例えばバルブ機器１１ｂへ送信すべき制御データであり、上記の制御ネットワークＮ３に送信すべきデータは、例えばデータ補完部２５から出力されるデータ（測定データ）やアラーム送信部２７から出力されるアラーム等である。

〈無線通信システムの動作〉
次に、上記構成における無線通信システム１で行われるフィードバック制御の動作について説明する。図５は、本発明の第１実施形態による無線通信システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。図５に示す通り、センサ機器１１ａからは監視制御装置１６に向けて一定の時間間隔Ｔで測定データＤ１１〜Ｄ１５が順次送信される。

センサ機器１１ａから順次送信された測定データＤ１１〜Ｄ１５は、無線ネットワークＮ１、バックボーンルータ１３ａ（或いは、バックボーンルータ１３ｂ）、及びバックボーンネットワークＮ２を順に介してゲートウェイ１５に入力され、図２に示す通信部２１で受信されて記憶部２２に順次記憶される。但し、図５に示す例では、測定データＤ１１〜Ｄ１５は、センサ機器１１ａから一定の時間間隔Ｔで送信されてはいるものの、無線ネットワークＮ１で生ずる遅延によって、ゲートウェイ１５では一定の時間間隔Ｔで受信されてはいない。また、図５に示す例では、測定データＤ１４は欠損してしまいゲートウェイ１５では受信されていないため、測定データＤ１４は記憶部２２には記憶されない。

また、ゲートウェイ１５では、記憶部２２に記憶された測定データを一定の時間間隔（センサ機器１１ａが測定データを送信する時間間隔Ｔ）に整列させる整列動作、及び欠損した測定データを補完する補完動作が行われる。図６は、本発明の第１実施形態においてゲートウェイのデータ整列部で行われる処理を示すフローチャートである。また、図７は、本発明の第１実施形態においてゲートウェイのデータ補完部で行われる処理を示すフローチャートである。尚、図６に示すフローチャートは、遅延タイマ２４からデータ整列部２３に時刻情報が出力される度に行われ、図７に示すフローチャートは、データ整列部２３からデータ補完部２５にデータが出力される度に行われる。

図６に示すフローチャートの処理が開始されると、まず遅延タイマ２４から出力される時刻情報を取得する処理がデータ整列部２３で行われる（ステップＳ１１）。次に、記憶部２２を検索して、ステップＳ１１で取得した時刻情報で示される時刻よりも前のデータが記憶部２２に記憶されているか否かを判断する処理がデータ整列部２３で行われる（ステップＳ１２）。具体的には、ステップＳ１１で取得した時刻情報で示される時刻よりも古い時刻を示す「送信タイムスタンプ」が付された測定データの有無が判断される。

ステップＳ１１で取得した時刻情報で示される時刻よりも前の測定データが記憶部２２に記憶されていると判断された場合（ステップＳ１２の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、その測定データを記憶部２２から読み出す処理がデータ整列部２３で行われる（ステップＳ１３）。そして、読み出した測定データをデータ補完部２５に出力する処理がデータ整列部２３で行われ（ステップＳ１４）、図６に示す一連の処理が終了する。尚、図６に示すフローチャートは、データ整列部２３から時刻情報が出力される度に行われるため、データ整列部２３に読み出されてデータ補完部２５に出力された測定データは、一定の時間間隔（センサ機器１１ａが測定データを送信する時間間隔Ｔ）で整列されたものとなる。

これに対し、ステップＳ１１で取得した時刻情報で示される時刻よりも前の測定データが記憶部２２に記憶されていないと判断された場合（ステップＳ１２の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、記憶部２２からの測定データの読み出しを前回行ってから、時間間隔Ｔが経過したか否かがデータ整列部２３で判断される（ステップＳ１５）。

上記の時間間隔Ｔが経過したと判断した場合（ステップＳ１５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、空のデータをデータ補完部２５に出力する処理がデータ整列部２３で行われ（ステップＳ１６）、図６に示す一連の処理が終了する。これに対し、上記の時間間隔Ｔが経過していないと判断された場合（ステップＳ１５の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ１６の処理は行われずに、図６に示す一連の処理が終了する。

また、上述したステップＳ１４の処理によってデータ整列部２３からデータ補完部２５に測定データが出力され、或いは上述したステップＳ１６の処理によってデータ整列部２３からデータ補完部２５に空のデータが出力されると図７に示すフローチャートの処理が開始される。図７に示すフローチャートの処理が開始されると、まずデータ整列部２３から出力されたデータが空のデータであるか否かがデータ補完部２５で判断される（ステップＳ２１）。

データ整列部２３からのデータが空のデータではないと判断した場合（ステップＳ２１の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、データ整列部２３からのデータ（測定データ）を通信部２８に出力する処理がデータ補完部２５で行われる（ステップＳ２２）。次に、データの補完が連続して行われた回数を示すカウンタ（連続補完回数カウンタ）の値を「０」に設定し（ステップＳ２３）、データ整列部２３からのデータ（測定データ）を前回値記憶部２６に記憶させる処理がデータ補完部２５で行われる（ステップＳ２４）。

続いて、連続補完回数カウンタの値が、前述した規定回数Ｎ以上であるか否かかがデータ補完部２５で判断される（ステップＳ２５）。尚、ここでは、ステップＳ２３の処理にて連続補完回数カウンタの値が「０」に設定されているため、ステップＳ２５の判断結果は「ＮＯ」になり、図７に示す一連の処理が終了する。

他方、ステップＳ２１の処理にて、データ整列部２３からのデータが空のデータであると判断した場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、前回値記憶部２６に記憶されているデータ（前回値及び前々回値）を読み出し、欠損した測定データ（今回値）を推定する処理がデータ補完部２５で行われる（ステップＳ２６）。具体的には、図３又は図４を用いて説明した補完方法で欠損した測定データが推定される。

次に、推定された測定データを通信部２８に出力する処理がデータ補完部２５で行われる（ステップＳ２７）。続いて、連続補完回数カウンタをインクリメントし（ステップＳ２８）、推定したデータを前回値記憶部２６に記憶させる処理がデータ補完部２５で行われる（ステップＳ２４）。

続いて、連続補完回数カウンタの値が、前述した規定回数Ｎ以上であるか否かかがデータ補完部２５で判断される（ステップＳ２５）。連続補完回数カウンタの値が規定回数Ｎよりも小さいと判断した場合（ステップＳ２５の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、図７に示す一連の処理が終了する。これに対し、連続補完回数カウンタの値が規定回数Ｎ以上であると判断した場合（ステップＳ２５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、アラーム送信部２７を制御して上位装置（監視制御装置１６）に向けてアラームを送信させる処理がデータ補完部２５で行われ（ステップＳ２７）、図７に示す一連の処理が終了する。

以上の処理が行われることによって、図５に示す通り、ゲートウェイ１５からは一定の時間間隔Ｔで測定データＤ１１〜Ｄ１５が出力される。ここで、欠損した測定データＤ１４は、ゲートウェイ１５で補完されて測定データＤ１４ａとして出力される。従って、監視制御装置１６では、センサ機器１１ａから測定データＤ１１〜Ｄ１５が出力される時間間隔Ｔと同じ時間間隔で、測定データＤ１１〜Ｄ１３，Ｄ１４ａ，Ｄ１５が受信されることとなる。

センサ機器１１ａからの測定データＤ１１〜Ｄ１５（補完された測定データＤ１４ａを含む）を受信すると、それら測定データＤ１１〜Ｄ１５を用いてバルブ機器１１ｂの操作量を算出する処理が監視制御装置１６で行われる。そして、算出されたバルブ機器１１ｂの操作量を示す制御データが、監視制御装置１６から一定の時間間隔Ｔでバルブ機器１１ｂに向けて順次送信される。

監視制御装置１６から送信された制御データは、制御ネットワークＮ３、ゲートウェイ１５、バックボーンネットワークＮ２、バックボーンルータ１３ａ（或いは、バックボーンルータ１３ｂ）、及び無線ネットワークＮ１を順に介してバルブ機器１１ｂに受信される。そして、監視制御装置１６からの制御データに基づいてバルブの開度を調整する操作がバルブ機器１１ｂで行われる。以上のフィードバック制御が繰り返され、工業プロセスにおける状態量（例えば、流量）の制御が行われる。

以上の通り、本実施形態では、センサ機器１１ａから一定の時間間隔Ｔで出力されて無線ネットワークＮ１を介して送信されてきた測定データを、ゲートウェイ１５で整列させるとともに、測定データに欠損が生じている場合には、欠損した測定データを推定して補完するようにしている。このため、監視制御装置１６の負荷を増大させることなく簡易に測定データの欠損や通信遅延の変動に対応することが可能である。

〔第２実施形態〕
図８は、本発明の第２実施形態による無線通信システムで用いられる無線デバイスの要部構成を示すブロック図である。図８に示す無線デバイス１１は、流量の操作を行うバルブ機器１１ｃ（通信装置）である。尚、図８においては、図２に示したブロックと同様のブロックについては同一の符号を付してある。また、本実施形態における無線通信システムの全体構成は、図１に示す無線通信システムと同様である。

図８に示す通り、バルブ機器１１ｃは、図２に示す記憶部２２〜アラーム送信部２７に加えて、アンテナＡＴ、無線通信部３１、及びバルブ操作部３２を備える。アンテナＡＴは、無線通信部３１に接続されており、無線信号の送受信を行う。無線通信部３１は、アンテナＡＴで受信された無線信号の受信処理を行うとともに、アンテナＡＴから送信させるべき信号に対する送信処理を行う。バルブ操作部３２は、データ補完部２５から出力されるデータに基づいてバルブ（図示省略）の開度を操作する。

このような構成のバルブ機器１１ｃは、図２に示すゲートウェイ１５と同様に、データの整列及び補完を行う。具体的に、バルブ機器１１ｃは、監視制御装置１６から出力されてゲートウェイ１５及び無線ネットワークＮ１等を介して送信されてくる制御データを、一定の時間間隔（監視制御装置１６が制御データを送信する時間間隔）に整列させるとともに、制御データに欠損が生じている場合には、欠損した制御データを推定して補完する処理を行う。尚、バルブ機器１１ｃで行われる処理は、基本的にはゲートウェイ１５で行われる処理と同様の処理であるため、詳細な説明は省略する。

次に、本実施形態の無線通信システムで行われるフィードバック制御の動作について説明する。図９は、本発明の第２実施形態による無線通信システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。本実施形態においても、第１実施形態と同様に、センサ機器１１ａから監視制御装置１６に向けて一定の時間間隔Ｔで測定データが送信され、測定データを用いたバルブ機器１１ｃの操作量の算出が監視制御装置１６で行われている。このため、図９に示す通り、監視制御装置１６からはバルブ機器１１ｃに向けて一定の時間間隔Ｔで制御データＤ２１〜Ｄ２５が順次送信される。

監視制御装置１６から順次送信された制御データＤ２１〜Ｄ２５は、制御ネットワークＮ３、ゲートウェイ１５、バックボーンネットワークＮ２、バックボーンルータ１３ａ（或いは、バックボーンルータ１３ｂ）、及び無線ネットワークＮ１を順に介してバルブ機器１１ｃで受信され、図８に示す無線通信部３１で受信処理されて記憶部２２に順次記憶される。

但し、図９に示す通り、制御データＤ２１〜Ｄ２５は、監視制御装置１６及びゲートウェイ１５から一定の時間間隔Ｔで送信されてはいるものの、無線ネットワークＮ１で生ずる遅延によって、バルブ機器１１ｃでは一定の時間間隔Ｔで受信されてはいない。また、図９に示す例では、制御データＤ２４は欠損してしまいバルブ機器１１ｃでは受信されていないため、制御データＤ２４は記憶部２２には記憶されない。

ここで、バルブ機器１１ｃでは、図２に示すゲートウェイ１５と同様の処理が行われる。つまり、図６及び図７を用いて説明した動作と同様の処理が行われる。このため、図９に示す通り、バルブ機器１１ｃのバルブ操作部３２には、一定の時間間隔Ｔで制御データＤ２１〜Ｄ２５が入力される。ここで、欠損した制御データＤ２４は、バルブ機器１１ｃの内部で補完されてバルブ操作部３２に入力される。従って、バルブ機器１１ｃが備えるバルブ操作部３２によって、バルブは監視制御装置１６から制御データＤ２１〜Ｄ２５が出力される時間間隔と同じ時間間隔で操作されることとなる。以上のフィードバック制御が繰り返され、工業プロセスにおける状態量（例えば、流量）の制御が行われる。

以上の通り、本実施形態では、監視制御装置１６及びゲートウェイ１５から一定の時間間隔Ｔで出力されて無線ネットワークＮ１を介して送信されてきた制御データを、バルブ機器１１ｃで整列させるとともに、制御データに欠損が生じている場合には、欠損した制御データを推定して補完するようにしている。このため、監視制御装置１６等の負荷を増大させることなく簡易に制御データの欠損や通信遅延の変動に対応することが可能である。

以上、本発明の実施形態による通信装置及び無線通信システムについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ゲートウェイ１５とシステムマネージャ１４が別々の装置として設けられていたが、これらは１つの装置として設けられていても良い。また、上述した第１実施形態では、センサ機器１１ａからの測定データの整列及び補完をゲートウェイ１５で行うようにしていたが、監視制御装置１６で行うようにしても良い。

また、上記実施形態では、ＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信を行う無線通信システムを例に挙げて説明したが、本発明はＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ（登録商標）に準拠した無線通信を行う無線通信システムにも適用することができる。

１ 無線通信システム
１１ 無線デバイス
１１ａ センサ機器
１１ｃ バルブ機器
１４ システムマネージャ
１５ ゲートウェイ
１６ 監視制御装置
１７ 端末装置
２２ 記憶部
２３ データ整列部
２５ データ補完部
２７ アラーム送信部
Ｎ１ 無線ネットワーク

Claims (10)

1. フィードバック制御に係るデータを一定の時間間隔で送信する通信相手と無線ネットワークが含まれる通信経路を介して通信を行う通信装置において、
   前記無線ネットワークを介して前記通信相手から送信されてくる前記データを一時的に記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記データを読み出して前記通信相手が前記データを送信する時間間隔に整列させる整列部と
   を備えることを特徴とする通信装置。
2. 前記整列部により整列されたデータの欠損が生じている場合に、欠損したデータよりも前のデータを用いて欠損したデータを推定して補完する補完部を備えることを特徴とする請求項１記載の通信装置。
3. 前記補完部は、データの欠損が生ずる直前におけるデータの変化量を求め、該変化量を用いて欠損したデータを推定することを特徴とする請求項２記載の通信装置。
4. 前記補完部は、データの欠損が予め規定された回数連続した場合には、欠損したデータの補完を停止して前回値を維持することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の通信装置。
5. 上位装置に向けてアラームを送信するアラーム送信部を備えており、
   前記補完部は、データの欠損が予め規定された回数連続した場合に、前記アラーム送信部にアラームを送信させる
   ことを特徴とする請求項２から請求項４の何れか一項に記載の通信装置。
6. 前記補完部は、データの欠損が連続する場合には、前回推定したデータに対する変化量が徐々に小さくなるように今回のデータを推定することを特徴とする請求項２から請求項５の何れか一項に記載の通信装置。
7. 前記通信相手は、前記フィードバック制御に必要な測定を行うフィールド機器であり、
   前記フィードバック制御に係るデータは、前記フィールド機器で測定された測定データである
   ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の通信装置。
8. 前記通信装置は、フィードバック制御に必要な操作を行うフィールド機器であり、前記通信相手から送信される前記フィードバック制御に係るデータとしての制御データを整列させることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の通信装置。
9. 無線ネットワークを介した無線通信が可能な無線通信システムにおいて、
   前記無線ネットワークが含まれる通信経路を介した通信を行う請求項１から請求項７の何れか一項に記載の通信装置と、
   前記無線ネットワークを介した無線通信が可能なフィールド機器と、
   前記フィールド機器が制御用途であるか否かの設定を行う設定装置とを備えており、
   前記通信装置は、前記設定装置の設定内容に応じて、前記フィールド機器から送信されてきたデータを整列させるか否かを切り替える
   ことを特徴とする無線通信システム。
10. 前記設定装置によって前記制御用途であると設定されたフィールド機器について、送信エラーが生じた場合における前記無線ネットワークを介したデータの再送可能回数を増加させる管理装置を備えることを特徴とする請求項９記載の無線通信システム。

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