JP2022551303A

JP2022551303A - プロセス制御オートメーション設備での使用のための多機能スイッチ及びそのようなプロセス制御オートメーション設備

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Publication number: JP2022551303A
Application number: JP2022521077A
Authority: JP
Inventors: マルティンミュラー，
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2022-12-08
Also published as: CN114556873A; DE102019127551A1; WO2021074128A1; EP4046344A1; US20240146577A1

Abstract

本発明は、とりわけ、プロセス制御オートメーション設備（１０）での使用のための多機能スイッチ（３０）であって、制御ユニット（３１）、多数のポート（４０－４３；５０－５２）、並びに、スイッチ機能を実行するための第１のプログラム、並びに、制御装置機能を実行するための第２のプログラム及び／又はルータ機能を実行するための第３のプログラムを記憶可能な記憶装置（３２）、を有し、前記制御ユニット（３１）は、前記第１のプログラムの実行下でスイッチ機能を、並びに、前記第２のプログラムの実行下で制御装置機能を及び／又は前記第３のプログラムの実行下でルータ機能を、実行するように設計されている、多機能スイッチに関する。【選択図】図１

Description

本発明は、プロセス制御オートメーション設備での使用のための多機能スイッチ、及び、このようなプロセス制御オートメーション設備に関する。

工業的なオートメーション技術においては、とりわけ、モジュール式に構築されたプロセス制御オートメーション設備が使用され、当該設備は、外部エネルギー供給装置に加えて、通常、ルータ、スイッチ、製造プロセスを制御するための例えばプログラマブルロジックコントローラ（speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)）の形態の制御装置、並びに、複数の入力及び／又は出力モジュールを有することができる。全ての構成要素はモジュール式に設計され、空間的に互いに分離された状態で取り付けレールの上に据え付けることができる。従来のオートメーション設備においては、制御装置と入力及び／又は出力モジュールとの間の通信は、第１のバスシステム、例えばAXIOバスを介して行われ、制御装置、スイッチ及びルータの間の通信は、第２のバスシステム、例えばイーサネット（登録商標）を介して実行される。外部エネルギー供給装置は、通常、ケーブルを介して、ルータ、スイッチ及び制御装置に、必要に応じて入力及び／又は出力モジュールに、接続される。

本発明の根底には、ケーブル配線の労力軽減、所要スペースの縮小、及び、通信の簡略化を可能とする、多機能スイッチ及びプロセス制御オートメーション設備を提供するという課題がある。

本発明の核となる思想は、本来のスイッチ機能に加えて、少なくとも１つの更なる機能、すなわち、仮想マシンとして多機能スイッチに記憶されインストールされ得る制御装置機能及び／又はルータ機能を実行することができる、多機能スイッチを提供することに見ることができる。ここで、スイッチ機能は、好ましくはOSIレイヤ参照モデルのレイヤ２に実装され、ルータ機能は、OSIレイヤ参照モデルのレイヤ３に実装されている点に、留意されたい。制御装置機能は、例えば、従来のプログラマブルロジックコントローラ（SPS）の全てのタスクを引き受ける。

上述した技術課題は、請求項１の特徴によって、及び、請求項８の特徴によって、解決される。

有利な発展形態は下位請求項の主題である。

本発明によるプロセス制御オートメーション設備を示す。

本発明が、以下において、図１と関連する実施例に基づいて、詳細に説明される。

図１には、例示的なプロセス制御オートメーション設備１０が示されており、当該設備は、例えば、外部エネルギー供給装置２０と、多機能スイッチ３０と、例えばセンサ及び／又はアクチュエータのようなフィールド機器の接続のための少なくとも１つの入力及び／又は出力モジュール６０と、を有することができる。例示的なオートメーション設備２０は、好ましくはセーフティクリティカルなプロセスを制御するための安全志向のフィールド機器１００、１０１を接続可能な、入力及び／又は出力モジュール６０に加えて、好ましくはセーフティクリティカルではないプロセスを制御するための安全志向ではないフィールド機器１１０及び１１１を接続可能な、入力及び／又は出力モジュール９０を有する。エネルギー供給装置２０、多機能スイッチ３０並びに入力及び／又は出力モジュール６０及び９０は、モジュール式に設計することができ、特に、バスシステム８０を介して電気的に互いに接続されるように計画することができる。バスシステム８０は、取り付けレール７０、例えばトップハットレールに配置することができ、この場合、エネルギー供給装置２０、多機能スイッチ３０、並びに、少なくとも２つの入力及び／又は出力モジュール６０及び９０は、トップハットレール７０への取り付けのために設計され得る。

多機能スイッチ３０は制御ユニット３１を有し、当該制御ユニットは、好ましくはマイクロコントローラとして、及び特に500MHzの又は更に高速な制御ユニットとして、設計され得る。制御ユニット３１は、とりわけ、多機能スイッチ３０をスイッチとして、好ましくはイーサネット・スイッチ又はギガビット・イーサネット・スイッチとして動作させるように設計されている。更に、多機能スイッチ３０は、多数のポート４０－４３及び５０－５２を有し、当該ポートには、用途又は実装に応じて、例えば、少なくとも１つのネットワークセグメント及び／又は例えばインターネットのような他の通信ネットワークを接続することができる。例えば、ポート４０－４３及び５０－５２は、RJ-45コネクタとして設計されている。しかしながら、ポートは、物理的に異なる態様で構成することもできる。ポート４０－４３及び５０－５２は、例えば高速バスである内部バックプレーン３３を介して、電気的に接続され得る。高速バス３３には、好ましくは多機能スイッチ３０の制御ユニット３１及び通信インターフェース３４も接続されており、それを介して、多機能スイッチ３０は、例えばバスシステム８０に接続され得る。更に、多機能スイッチ３０には、記憶装置３２が実装されており、当該記憶装置には、スイッチ機能を実行するための第１のプログラムが保存されている。第１のプログラムは、好ましくは、多機能スイッチ３０をスイッチとして動作させるファームウェアであることができる。

多機能スイッチ３０は、好ましくは、特に、スイッチ機能を実行するときに、例えばポート４０－４３のような複数の高速ポートをサポートし得る、高速スイッチとして設計され得る点に、留意されたい。用語「高速」は、ここでは、ｉ）例えばポート４０－４３のような高速ポートが、互いに独立して、それぞれデータを、少なくとも100Mbit/s、好ましくは1Gbit/s、2.5Gbit/s、5Gbit/s、10Gbit/s、25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s以上のデータ伝送速度で送受信できること、及び、ii）多機能スイッチ３０が、データを、好ましくはルーティングテーブルに反応して、例えばポート４０－４３のような高速ポート間で相応したデータ伝送速度で伝送するように設計されていること、を意味する。このために、多機能スイッチ３０は、好ましくは、例えば高速ポートを接続する上述した高速バス３３のような適切な高速伝送装置と、例えば上述した500MHz制御ユニットのような十分に高速で動作する制御ユニット３１と、を有する。更に、データフレームを記憶するために十分な記憶容量を有する中間メモリを実装することができる。中間メモリは、記憶装置３２の一部であってもよいし、又は、多機能スイッチ３０内の別個のメモリとして実装されていてもよい。

好ましくは、多機能スイッチ３０は、例えば52ギガビット・イーサネット・ポートをサポートすることができるタイプVSC7449-01のような、ギガビット・イーサネット・スイッチとして設計され得る。その場合、対応する数の高速ポートを、多機能スイッチ３０に実装することができる。これに関連して、更に、スイッチ機能、特に高速スイッチ機能が、上で例示的に説明したように、PC内の純粋な仮想スイッチとしては実装され得ない点に、留意されたい。むしろ、この場合、上で例示的に指摘したハードウェア及び性能を有するスイッチが、使用されなければならない。換言すれば：特に、多機能スイッチによって実行されるべきスイッチ機能が、その必要な性能を決定する。更に、先に例示的に説明した多機能高速スイッチは、オートメーション技術の分野において工業的な用途を実行するように設計され得る点に、留意されたい。

更に、記憶装置３２には、少なくとも１つの更なるプログラム、すなわち、安全志向の制御装置機能を実行するための第２のプログラム、及び／又は、ルータ機能を実行するための第３のプログラム、及び／又は、安全志向ではない制御装置機能を実行するための第４のプログラムが、記憶されている。特に、第２、第３及び／又は第４のプログラムは、それぞれ、アプリとして記憶装置３２にダウンロードされ、多機能スイッチ３０にインストールされ得る点に、留意されたい。各アプリは、例えば仮想の安全志向の制御装置、仮想の安全志向ではない制御装置、又は、仮想のルータである、仮想マシン内で実行される。アプリは、例えばポート４０に接続され得る外部コンピュータを介して、又は、アプリストアから直接的に、ダウンロードすることができる。

制御ユニット３１は、記憶装置３２に記憶されたプログラムにアクセスすることができる。それは、例えば、同様に記憶装置３２に記憶され得るオペレーティングシステムに応じて、第１のプログラムの実行下でスイッチ機能を、及び／又は、第２のプログラムの実行下で安全志向の制御装置機能を、及び／又は、第３のプログラムの実行下でルータ機能を、及び／又は、第４のプログラムの実行下で安全志向ではない制御装置機能を、それぞれ実行するように設計されている。換言すれば：第１、第２、第３及び第４のプログラムは、インストールされている限り、同時に又は時間的に互いに別々に、実行され得る。

有利な実装によれば、多機能スイッチ３０にオペレーティングシステムが記憶されており、当該オペレーティングシステムにおいてスイッチ機能又は第１のプログラムが実行され、当該第１のプログラムによって、更なるプログラム又はアプリ及び／又はポートも利用可能になる点に、留意されたい。

プロセス制御オートメーション設備１０の特徴は、特に多機能スイッチ３０、及び、本例では入力及び／又は出力モジュール６０及び９０が、共通のバスシステム、ここではバスシステム８０を介して、互いに通信できる点に見ることができる。好ましくは、バスシステム８０は、シングル・ペア・イーサネット技術に基づくSPEベースのバスシステムである。この場合、通信インターフェース３４は、SPEベースのインターフェースとして設計されており、当該インターフェースは、バスシステム８０の相補的なSPEベースのインターフェース８１に、電気的に接続され得る。

同様に、安全志向の入力及び／又は出力モジュール６０は、SPEベースのインターフェース６２を有し、当該インターフェースは、バスシステム８０の更なるSPEベースの相補的なインターフェース８２に電気的に接続され得る。入力及び／又は出力モジュール６０は、複数のSPEベースのインターフェース６１_１－６１_ｎを有することができ、当該インターフェースには、SPEベースの安全志向のフィールド機器１１０、１０１が直接接続され得る。この場合、通信プロトコル変換を行う必要のあるゲートウェイは、不要である。

同様に、安全志向ではない入力及び／又は出力モジュール９０は、SPEベースのインターフェース９２を有し、当該インターフェースは、バスシステム８０の更なるSPEベースの相補的なインターフェース８３に電気的に接続され得る。入力及び／又は出力モジュール９０は、複数のSPEベースのインターフェース９１_１－９１_ｎを有することができ、当該インターフェースには、SPEベースの安全志向ではないフィールド機器１１０、１１１が直接接続され得る。この場合も、通信プロトコル変換を行う必要のあるゲートウェイは、不要である。

有利な構成によれば、多機能スイッチ３０の、及び、必要に応じて、入力及び／又は出力モジュール６０及び９０に接続可能なフィールド機器の、エネルギー供給は、いわゆるPoDL技術によって行うことができる。ここで、略語PoDLは、「Power over Data Line」を表す。PoDL技術によって、外部エネルギー供給装置２０は、エネルギーを、SPEベースのバスシステム８０を介して、多機能スイッチ３０並びに入力及び／又は出力モジュール６０及び９０に伝送することができる。

このために、エネルギー供給装置２０は、SPEベースのインターフェース２１を有し、当該インターフェースは、バスシステム８０の更なる相補的なSPEベースのインターフェース８４に電気的に接続され得る。エネルギー供給装置２０は、好ましくは、直流電圧、例えば24Vの直流電圧を供給することができる。

図１に例示的に示されたプロセス制御オートメーション設備１０は、エネルギー供給装置２０が、エネルギーに加えて、例えば診断データのようなデータも、バスシステム８０を介して多機能スイッチ３０に伝送できることを、可能にする。多機能スイッチ３０が、例えば仮想の安全志向の制御装置として動作する場合、すなわち、制御ユニット３１が第２のプログラムを実行する場合、エネルギー供給装置２０の診断データは、制御ユニット３１が、例えば制御装置機能に関わる第２のプログラムを実行する限り、例えば、入力及び／又は出力モジュール６０に接続された安全志向のフィールド機器を確実に制御するために、多機能スイッチ３０によって評価及び処理され得る。

多機能スイッチ３０の動作原理が、以下において、例示的に説明される。

エネルギー供給装置２０が、例えばエネルギー供給装置２０の誤動作を示す診断データを、インターフェース２１及び８４を介して、バスシステム８０並びにインターフェース８１及び３４を介して、並びに、高速バス３３を介して、制御ユニット３１に伝送すると仮定する。制御ユニット３１は、診断データが伝送されたことを検知するように設計されている。エネルギー供給装置２０から受信した診断データに反応して、制御ユニット３１は、記憶装置３２に格納された第２のプログラム、すなわち安全志向の仮想のSPSの機能を実行する。１つの可能なシナリオは、診断データに反応して、対応する制御データが、制御ユニット３１から、高速バス３３並びにインターフェース３４及び８１を介して、並びに、バスシステム８０を介して並びにインターフェース８２及び６２を介して、それぞれの安全志向のアクチュエータに供給されることにより、制御ユニット３１が、入力及び／又は出力モジュール６０に接続された全ての安全志向のアクチュエータ（図示せず）を安全な状態に移行させることを、意図している。

別の例示的なシナリオによれば、図１に示されたプロセス制御オートメーション設備１０が、ポート５０に接続されたインターネットと通信することになることが、意図され得る。この場合、制御ユニット３１は、記憶装置３２に委ねられたルータ機能を実行し、多機能スイッチ３０に、ポート５０を介したインターネットとプロセス制御オートメーション設備１０との間の通信を進めさせる。

例えば、入力及び／又は出力モジュール６０に接続された安全志向のセンサ、例えばセンサ１００によって生成された測定データが、インターネットに格納されることになることが、考えられる。このために、測定データは、センサ１００からバスシステム８０を介して多機能スイッチ３０に伝送され、続いて、仮想のルータとして動作する制御ユニット３１の制御下でポート５０を介してインターネットに伝送される。

更に、多機能スイッチ３０の制御ユニット３１が、例えば同時に仮想のルータとして及び仮想の安全志向の制御装置として動作することが、考えられる。仮想の安全志向の制御装置として機能する制御ユニット３１は、例えばアクチュエータ１０１を安全な状態で動作させるために、センサ１００から受信した測定データを評価し、対応する制御データを、入力及び／又は出力モジュール６０に接続された所定の安全志向のアクチュエータ、例えばアクチュエータ１０１に転送するように、構成されている。

上記態様の少なくともいくつかが、以下で再び要約される。

プロセス制御オートメーション設備１０での使用のための多機能スイッチ３０が提供され、前記多機能スイッチ３０は以下の特徴を有することができる：
マイクロコントローラとして設計され得る制御ユニット３１、
多数のポート又はインターフェース４０－４３及び５０－５２、並びに
スイッチ機能を実行するための第１のプログラム、並びに、制御装置機能を実行するための第２のプログラム及び／又はルータ機能を実行するための第３のプログラムを記憶可能な記憶装置３２。
ここで、前記制御ユニット３１は、前記第１のプログラムの実行下でスイッチ機能を、並びに、前記第２のプログラムの実行下で制御装置機能を及び／又は前記第３のプログラムの実行下でルータ機能を、実行するように設計されている。

有利には、制御ユニット３１は、それぞれ実行されるべきプログラムに応じて、ポートのうちの少なくともいくつかを、対応する実行されるべき機能に割り当てるように設計されている。

実用的には、多機能スイッチ３０は、SPEベースのインターフェース３４を有することができ、当該インターフェースには、PoDL技術によって多機能スイッチにエネルギーを供給するための外部エネルギー供給装置２０が接続可能である。

好ましくは、多機能スイッチ３０は、取り付けレール７０への取り付けのためのモジュールとして設計されている。

有利な構成によれば、多機能スイッチ３０は、バスシステム７０を介して、フィールド機器１００、１０１又は１１０、１１１と通信するために、少なくとも１つの入力及び／又は出力モジュール６０、９０に電気的に接続可能である。

第２のプログラムとして安全志向ではない制御装置機能を、第４のプログラムとして安全志向の制御装置機能を、それぞれ記憶装置３２に記憶することができ、その場合、制御ユニット３１は、第４のプログラムの実行下で安全志向の制御装置機能を実行するように設計されている。

多機能スイッチ３０は、好ましくは高速スイッチとして、特にギガビット・イーサネット・スイッチとして、設計され得る。多数のポート４０－４３及び５０－５２のうちの少なくともいくつかのポート４０－４３は、高速ポートとして設計することができ、それらは、それぞれ、データを、少なくとも100Mbit/sの、好ましくは1Gbit/s、2.5Gbit/s、5Gbit/s、10Gbit/s、25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s以上の伝送速度で送信及び伝送するように設計することができ、制御ユニット３１は、第１のプログラムの実行下でスイッチ機能を実行すると共に、データを、高速ポート４０－４３の間で、少なくとも100Mbit/sの、好ましくは1Gbit/s、2.5Gbit/s、5Gbit/s、10Gbit/s、25Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s以上のデータ伝送速度で、特にルーティングテーブルに反応して、伝送するように設計することができる。

別の態様によれば、以下の特徴を有するプロセス制御オートメーション設備１０が意図されている：
バスシステム８０、前記バスシステム８０に電気的に接続可能な上記説明による多機能スイッチ３０、並びに、前記バスシステム８０に電気的に接続可能な少なくとも１つの入力及び／又は出力モジュール６０、９０。

バスシステム８０は、有利には、取り付けレール７０に配置されるように設計されたSPEベースのバスシステムである。

多機能スイッチ３０は、有利には、第２のプログラムの実行下で制御ユニット３１によってオートメーション設備１０を制御するように設計されている。

有利には、オートメーション設備１０は、SPEベースのインターフェース２１を有する外部エネルギー供給装置２０を含むことができ、それは、多機能スイッチ３０のSPEベースのインターフェース３４に接続可能であり、外部エネルギー供給装置２０は、PoDL技術によって、特に多機能スイッチ３０にエネルギーを供給するように設計されている。

記憶装置３２に例えばアプリとして記憶可能なプログラムは、例えば仮想のルータ、仮想の安全志向の制御装置、仮想の安全志向ではない制御装置のような仮想マシンである点に、留意されたい。換言すれば：多機能スイッチ３０は、スイッチとしての本来のタスクに加えて、少なくとも仮想マシンの機能を実行する。

Claims

プロセス制御オートメーション設備（１０）での使用のための多機能スイッチ（３０）であって、
制御ユニット（３１）、
多数のポート（４０－４３；５０－５２）、並びに、
スイッチ機能を実行するための第１のプログラム、並びに、制御装置機能を実行するための第２のプログラム及び／又はルータ機能を実行するための第３のプログラムを記憶可能な記憶装置（３２）、を有し、
前記制御ユニット（３１）は、前記第１のプログラムの実行下でスイッチ機能を、並びに、前記第２のプログラムの実行下で制御装置機能を及び／又は前記第３のプログラムの実行下でルータ機能を、実行するように設計されている、多機能スイッチ。
前記制御ユニット（３１）は、それぞれ実行されるべきプログラムに応じて、前記ポート（４０－４３；５０－５２）のうちの少なくともいくつかを、対応する実行されるべき機能に割り当てるように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の多機能スイッチ。
前記多機能スイッチ（３０）にPoDL技術によってエネルギーを供給するための外部エネルギー供給装置（２０）が接続可能なSPEベースのインターフェース（３４）によって特徴付けられる、請求項１又は２に記載の多機能スイッチ。
前記多機能スイッチ（３０）は、取り付けレール（７０）への取り付けのためのモジュールとして設計されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の多機能スイッチ。
前記多機能スイッチ（３０）は、バスシステム（８０）を介して、フィールド機器との通信のための入力及び／又は出力モジュール（６０、９０）に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の多機能スイッチ。
第２のプログラムとして安全志向ではない制御装置機能を、第４のプログラムとして安全志向の制御装置機能を、それぞれ前記記憶装置（３２）に記憶可能であり、前記制御ユニット（３１）は、前記第４のプログラムの実行下で安全志向の制御装置機能を実行するように設計されていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の多機能スイッチ。
前記多機能スイッチ（３０）は、高速スイッチとして、特にギガビット・イーサネット（登録商標）・スイッチとして設計されており、前記多数のポート（４０－４３）のうちの少なくともいくつかは、それぞれ、少なくとも100Mbit/sの伝送速度でデータを送信及び伝送するように設計された、高速ポートとして設計されており、前記制御ユニット（３１）は、前記第１のプログラムの実行下でスイッチ機能を実行すると共に、少なくとも100Mbit/sのデータ伝送速度でデータを前記高速ポート（４０－４３）の間で伝送するように設計されていることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の多機能スイッチ。
バスシステム（８０）、前記バスシステム（８０）に電気的に接続可能な請求項１～７のいずれか１項に記載の多機能スイッチ（３０）、及び、前記バスシステム（８０）に電気的に接続可能な入力及び／又は出力モジュール（６０、９０）を含む、プロセス制御オートメーション設備（１０）。
前記バスシステム（８０）は、取り付けレール（７０）に配置されるように設計されたSPEベースのバスシステムであることを特徴とする、請求項８に記載のプロセス制御オートメーション設備。
前記多機能スイッチ（３０）は、前記第２のプログラムの実行下で前記制御ユニット（３１）によって前記オートメーション設備（１０）を制御するように設計されていることを特徴とする、請求項８又は９に記載のプロセス制御オートメーション設備。
前記多機能スイッチ（３０）のSPEベースのインターフェース（３４）に接続可能な、SPEベースのインターフェース（２１）を有する外部エネルギー供給装置（２０）であって、PoDL技術によって、特に前記多機能スイッチ（３０）にエネルギーを供給するように設計された外部エネルギー供給装置（２０）によって特徴付けられる、請求項８～１０のいずれか１項に記載のプロセス制御オートメーション設備。