JP4575870B2

JP4575870B2 - 生産設備の制御システム

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Publication number: JP4575870B2
Application number: JP2005305571A
Authority: JP
Inventors: 秀春米倉
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: JP2007116424A

Description

本発明は、特に大規模な生産設備に利用して好適な生産設備の制御システムに関する。

例えば鉄鋼生産設備では、その周辺に電気・計装・計算機のコントローラを接続して制御システムを構築する。このように生産設備の制御システムを構築する場合に、現行ではネットワークケーブル５０を使用した有線ネットワークが採用されている。有線ネットワークのネットワークトポロジーとしては、リング型（図６（ａ）を参照）やスター型（図６（ｂ）を参照）が知られている。

特開２００３−２４４１４８号公報

有線ネットワークでは生産設備を迂回するように配線する必要があるが、例えば大規模な鉄鋼生産設備が設置される工場は、図７に示すように、縦Ｘが３００ｍ、横Ｙが５０ｍ、高さＺが５０ｍを超えるような場合もある。このように大規模な生産設備を迂回するように配線すると、ネットワークケーブル５０が非常に長尺なものとなってしまう。また、ネットワークケーブル５０の本数も例えば制御用に１本又は２本、情報用に１本配線する等しなければならず、導入のための工期が長期化したり、導入費用が高価になったりしてしまう。

しかも、生産設備には長期間（例えば２０年程度）稼動するものもあり、稼動期間内にネットワークの拡張が望まれることもある。しかしながら、有線ネットワークを拡張しようとすると、物理的にネットワークケーブル５０を延長しなければならず、上述したように導入のための工期が長くなったり、導入費用が高価になったりする等の理由から、ネットワークの拡張に対応しにくいという問題がある。

同様に、例えばデータ伝送速度の高速化といった高機能化、高性能化が望まれることもある。しかしながら、有線ネットワークではネットワークケーブル５０そのものを取り替えなければならず、上述したように導入のための工期が長くなったり、導入費用が高価になったりする等の理由から、高機能化、高性能化に対応しにくいという問題がある。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、有線ネットワークでのネットワークケーブルの煩わしさから開放され、ネットワークの拡張や高機能化、高性能化にも対応しやすい生産設備の制御システムを提供することを目的とする。

本発明による生産設備の制御システムは、生産設備の周辺に複数のアクセスポイントが配置され、隣り合うアクセスポイント間で無線通信によりデータ伝送する無線ネットワークと、前記無線ネットワークを構成するアクセスポイントのすべて或いは一部に有線接続する、前記生産設備の制御のための制御機器とにより構成される生産設備の制御システムであって、前記無線ネットワーク、及び、前記アクセスポイントと前記制御機器との有線接続がそれぞれ冗長化されるとともに、前記冗長化される無線ネットワークのうち、一方の無線ネットワークを構成するアクセスポイントが略同一高さ位置に設置され、それとは異なる高さ位置で他方の無線ネットワークを構成するアクセスポイントが略同一高さ位置に設置されており、さらに前記一方の無線ネットワークにおけるアクセスポイント間と、そのアクセスポイント間の上方或いは下方に位置する前記他方の無線ネットワークにおけるアクセスポイント間とで異なる周波数帯域を利用する点に特徴を有する。
また、本発明による生産設備の制御システムの他の特徴とするところは、伝送データの優先度を設定できるようにした点にある。
また、本発明による生産設備の制御システムの他の特徴とするところは、前記アクセスポイント間の無線通信はIEEE802.11aに準拠したものである点にある。

本発明によれば、生産設備の周辺に複数のアクセスポイントが配置され、隣り合うアクセスポイント間で無線通信によりデータ伝送する無線ネットワークを備えるので、生産設備を迂回するように配線する必要がなく、有線ネットワークでのネットワークケーブルの煩わしさから開放される。この場合に、アクセスポイントに制御機器を有線接続するので、制御機器が設置されている室内に他の機器類が存在していたとしても、それら他の機器類との関係で電波障害が生じることもない。

さらに、アクセスポイントを新たな場所に設置すれば容易にネットワークの拡張を図ることができる。また、技術進歩に合わせてアクセスポイントを高機能、高性能なものに変更すればよいので、容易に高機能化、高性能化に対応することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。
まず、本発明で利用する無線通信技術について説明する。近年では、複数のアクセスポイントＡＰ（電波中継機）が無線リンクで網の目状に接続されるワイヤレスメッシュネットワークが実用化されている。

ワイヤレスメッシュネットワークのメッシュトポロジーは、基本的に各ノード（アクセスポイントＡＰや通信機器９００）がネットワーク内における他のすべてのノードとつながっている構成を指し、「完全メッシュ」と「部分メッシュ」の２種類がある。図５に示すように、「完全メッシュ」は、各ノードがネットワーク内における他のすべてのノードと接続している状態であり、１つのノードが落ちてもネットワークトラフィックを他のどのノードにも誘導することができる。通常はバックボーンネットワークで採用されている。「部分メッシュ」では、一部のノードは完全メッシュ構成となるが、その他のノードはネットワーク内の１つか２つのノードとしか接続していない。通常、部分メッシュは完全メッシュ構成のバックボーンネットワークにつながる周辺ネットワークで採用されている。

図５に示すように、バックボーンネットワークではすべてのアクセスポイントに配線する必要はない。アクセスポイントは無線中継の役割を兼ねるからであり、いずれかのアクセスポイントだけを基地局として有線につなげばよい。

バックボーンネットワークではEthernet（登録商標）規格のIEEE802.11aに準拠した無線通信が行われ、周辺ネットワークではEthernet（登録商標）規格のIEEE802.11b（又はIEEE802.11g）に準拠した無線通信が行われる。

ところで、ワイヤレスメッシュネットワークはインターネットのインフラストラクチャー（インフラ）用として開発されたもので、ベストエフォート型であり、そのままでは生産設備の制御システムとして必要な定時応答性が確保されない。

また、ネットワークの障害対応機能として他のネットワークに切り替わるスパニングツリー機能が知られているが、切り替え時間に数秒から数十秒必要となるために、そのままでは生産設備の制御システムとして必要な信頼性が確保されない。

本発明は、上述したようなワイヤレスメッシュネットワークに用いられるアクセスポイントを利用して生産設備の制御システムを構築し、さらには生産設備の制御システムとして必要な定時応答性や信頼性を確保するようにしたものである。以下、本実施形態の生産設備の制御システムについて説明する。

図１に、本実施形態の生産設備の制御システムの概略構成を示す。工場内には、生産設備１００の周辺に例えばプロコン（プロセス制御用コンピュータ）計算機室１０１、出側電気室１０２、中央操作室１０３、中央電気室１０４、入側電気室１０５が設けられる。各室１０１〜１０５のコントローラやＨＭＩ（ヒューマンマシンインターフェイス）等の制御機器を相互に接続して制御システムが構築される。

図１に示すように、生産設備１００の周辺にアクセスポイント２０１〜２０５が配置され、隣り合うアクセスポイント２０１〜２０５間で無線通信によりデータ伝送する無線ネットワーク２００が構築される。

アクセスポイント２０１〜２０５は、既述したようにバックボーンネットワークで利用されるIEEE802.11aに準拠した無線通信と、周辺ネットワークで利用されるIEEE802.11b（又はIEEE802.11g）に準拠した無線通信を行うものであるが、アクセスポイント２０１〜２０５間での無線通信はIEEE802.11aに準拠したものとする。IEEE802.11aでは、IEEE802.11bやIEEE802.11gと比較して、電波干渉を起こす可能性が低く、比較的安定した通信速度を得ることができる。この場合に、垂直指向性は±数°以内であり、略水平方向に無線通信が行われる。また、伝送距離としては、屋内で約５０〜１００ｍとなっている。

アクセスポイント２０１〜２０５間での無線通信は略水平方向に行われることから、生産設備の周辺において、アクセスポイント２０１〜２０５を略同一高さ位置に設置する。図２に示すように、工場の天井付近には、電源ケーブル等を設置するためのケーブル設置棚６００が生産設備１００に沿うようにして設けられることがある。図２に示す例では、ケーブル設置棚６００から支持部材６０１を吊り下げて、支持部材６０１によりアクセスポイント２０１〜２０５を支持するようになっている。

ところで、IEEE802.11aでは、（１）５．１８ＧＨｚ（３６ｃＨ）、（２）５．２０ＧＨｚ（４０ｃＨ）、（３）５．２２ＧＨｚ（４４ｃＨ）、（４）５．２４ＧＨｚ（４８ｃＨ）、（５）５．２６ＧＨｚ（５２ｃＨ）、（６）５．２８ＧＨｚ（５６ｃＨ）、（７）５．３０ＧＨｚ（６０ｃＨ）、（８）５．３２ＧＨｚ（６４ｃＨ）の合計８チャンネルを利用することができる。

そこで、あるアクセスポイントが隣り合う複数のアクセスポイントと無線通信する場合、電波干渉を避けるために、利用するチャンネルを異ならせる。図１に示す例では、アクセスポイント２０３がアクセスポイント２０１、２０２、２０４と無線通信するが、アクセスポイント２０１との間では５２ｃＨ、アクセスポイント２０２との間では３６ｃＨ、アクセスポイント２０４との間では４４ｃＨを利用している。

無線ネットワーク２００を構成するアクセスポイント２０１〜２０５には、プロコン計算機室１０１、出側電気室１０２、中央操作室１０３、中央電気室１０４、入側電気室１０５の制御機器がそれぞれ有線接続する。例えばアクセスポイント２０３には、中央操作室１０３のＨＭＩ１０３（１）、１０３（２）・・・がケーブル７００及びスイッチングハブ４００を介して接続する。同様に、アクセスポイント２０４には、中央電気室１０４の電気コントローラ１０４（１）、１０４（２）・・・がケーブル７００及びスイッチングハブ４００を介して接続する。スイッチングハブ４００はＶＬＡＮ（Virtual LAN）機能を搭載したものであり、各ポートをグループ分けし、それぞれのグループを独立したＬＡＮとして機能させることができる。

なお、アクセスポイント２０１〜２０５と各室１０１〜１０５の制御機器とを周辺ネットワークを利用して無線接続する構成も考えられる。しかしながら、IEEE802.11bやIEEE802.11gの２．４ＧＨｚ帯は無線機器以外の多くの機器でも使用されている周波数帯域となっているため、室１０１〜１０５内に存在する機器類との関係で電波障害が生じるおそれがある。そこで、アクセスポイント２０１〜２０５と各室１０１〜１０５の制御機器とを有線接続することにより、電波障害を防止することにしたものである。

なお、図１に示す例では、図示したアクセスポイント２０１〜２０５のすべてに各室１０１〜１０５の制御機器が有線接続する構成となっているが、生産設備の規模等によっては、無線中継だけを行うアクセスポイント、すなわち各室１０１〜１０５の制御機器と有線接続しないアクセスポイントが更に配置されてもよい。

（信頼性の確保）
生産設備の制御システムとして必要な信頼性を確保するために、システムの冗長化（二重化）を行う。システムの冗長化の対象としては、（１）ネットワークの冗長化、（２）制御機器の冗長化がある。

まず、（１）ネットワークの冗長化について説明すると、図１に示すように、アクセスポイント２０１〜２０５に対応するアクセスポイント３０１〜３０５が配置され、隣り合うアクセスポイント３０１〜３０５間で無線通信によりデータ伝送する無線ネットワーク３００が構築される。

この場合に、生産設備の周辺において、無線ネットワーク３００を構成するアクセスポイント３０１〜３０５を、無線ネットワーク２００を構成するアクセスポイント２０１〜２０５とは異なる高さ位置（上方或いは下方）で略同一高さ位置に設置する。図２に示す例では、支持部材６０１によりアクセスポイント２０１〜２０５の下方でアクセスポイント３０１〜３０５をそれぞれ支持するようになっている。

無線ネットワーク３００（アクセスポイント３０１〜３０５間）での無線通信は、無線ネットワーク２００と同じくIEEE802.11aに準拠したものとする。この場合に、無線ネットワーク２００で利用するチャンネルと、無線ネットワーク３００で利用するチャンネルとを異ならせる。例えば、無線ネットワーク２００では３６ｃＨ、４４ｃＨ、５２ｃＨ、６０ｃＨを利用し、無線ネットワーク３００では４０ｃＨ、４８ｃＨ、５６ｃＨ、６４ｃＨを利用する等すればよい。なお、無線ネットワーク２００と無線ネットワーク３００とで利用するチャンネルを完全に区別する必要はなく、少なくとも無線ネットワーク２００のアクセスポイント間と、そのアクセスポイント間に対応する無線ネットワーク３００のアクセスポイント間とで、すなわち上下に位置するアクセスポイント間同士で異なるチャンネルを利用すればよい。

また、無線ネットワーク２００の場合と同様に、あるアクセスポイントが隣り合う複数のアクセスポイントと無線通信する場合、電波干渉を避けるために、利用するチャンネルを異ならせる。図１に示す例では、アクセスポイント３０３がアクセスポイント３０１、３０２、３０４と無線通信するが、アクセスポイント３０１との間では５６ｃＨ、アクセスポイント３０２との間では４０ｃＨ、アクセスポイント３０４との間では４８ｃＨを利用している。

無線ネットワーク３００を構成するアクセスポイント３０１〜３０５には、プロコン計算機室１０１、出側電気室１０２、中央操作室１０３、中央電気室１０４、入側電気室１０５の制御機器がそれぞれ有線接続する。例えばアクセスポイント３０３には、中央操作室１０３のＨＭＩ１０３（１）、１０３（２）・・・がケーブル８００及びスイッチングハブ５００を介して接続する。同様に、アクセスポイント３０４には、中央電気室１０４の電気コントローラ１０４（１）、１０４（２）・・・がケーブル８００及びスイッチングハブ５００を介して接続する。スイッチングハブ５００はＶＬＡＮ（Virtual LAN）機能を搭載したものであり、各ポートをグループ分けし、それぞれのグループを独立したＬＡＮとして機能させることができる。

次に、（２）制御機器の冗長化について説明すると、各室１０１〜１０５の制御機器での送受信は、同時配信・先着受信方法で行うものとする。例えば、図３に示すように、送信側の制御機器１では、二重化されたネットワークの両方に送信メモリからデータを同時配信する。受信側の制御機器２では、二重化されたネットワークの両方からデータを受信し、後着の受信データは制御機器２の受信メモリから破棄する。

以上述べたシステムの冗長化により、主系のネットワーク（例えば無線ネットワーク２００やスイッチングハブ４００を含むネットワーク）に障害が発生したとしても、待機系のネットワーク（無線ネットワーク３００やスイッチングハブ５００を含むネットワーク）により引き続き生産設備の制御を行うことができるので、生産設備の制御システムとして必要な信頼性を確保することができる。

（定時応答性の確保）
生産設備の制御システムとして必要な定時応答性を確保するために、ＱｏＳ（Quality of Service）やＣｏＳ（Class of Service）を提供する高付加価値型のネットワークとし、データ伝送の優先度を設定できるようにする。

既述したように、スイッチングハブ４００（５００）はＶＬＡＮ機能を搭載したものであるが、スイッチングハブ間をまたぐようなＶＬＡＮ機能を実現するために、ＶＬＡＮに属するフレームにはＶＬＡＮタグを付加することができ、ＶＬＡＮタグによってこのフレームがどのＶＬＡＮに属しているのかを判断することができる。このＶＬＡＮタグを利用して、データ伝送の優先度を設定できるようにする。この種の技術として、例えば特許文献１には、優先度識別子であるプライオリティタグを割り当てて、送受信するデータのＱｏＳ保証を可能としたデータ転送に関する技術が開示されている。

図４に示す例では、ＶＬＡＮタグに「優先」及び「普通」を設定できるものとする。同図に示すように、制御機器１からデータＡ１、Ａ２を制御機器５へ優先的に伝送したい場合、データＡ１、Ａ２のＶＬＡＮタグを「優先」に設定する。

この場合、送信側の制御機器１が接続するスイッチングハブ４００（５００）において、例えば制御機器２からデータＢ１、Ｂ２が入力され、バッファにデータＡ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２の順に蓄えられたとしても、スイッチングハブ４００（５００）はＶＬＡＮタグを識別してデータＡ１、データＡ２を優先的にアクセスポイントへと伝送する。

同様に、受信側の制御機器５が接続するスイッチングハブ４００（５００）においても、例えば制御機器４からデータＤ１、Ｄ２が入力され、バッファにデータＡ１、Ｄ１、Ａ２、Ｄ２の順に蓄えられたとしても、スイッチングハブ４００（５００）はＶＬＡＮタグを識別してデータＡ１、データＡ２を優先的に制御機器５へと伝送する。

ここで、無線ネットワーク２００（３００）のアクセスポイントでは、ＥＳＳＩＤ（Extended Service Set Identifier）（「ＳＳＩＤ」ともいう）を利用してデータ伝送の優先度を識別する。ＥＳＳＩＤとは、無線ＬＡＮにおけるネットワークの識別子であり、混信を避けるために付けられるネットワーク名のようなものである。無線ＬＡＮは電波を使って通信するため、有線ＬＡＮと違って複数のネットワークと交信可能になる混信状態が生じる可能性がある。このため、無線ＬＡＮのアクセスポイントと各端末にＥＳＳＩＤを設定することで、ＥＳＳＩＤが一致する端末としか通信しないようにすることができるものである。

各アクセスポイントでは、本例の場合２つのＥＳＳＩＤに対応したＶＬＡＮタグ情報が設定されており、そのうちの一方が「優先」、他方が「普通」として定義付けられている。送信側の制御機器１が接続するスイッチングハブ４００では、ＶＬＡＮタグ「優先」が付加されたデータＡ１、データＡ２をアクセスポイントへ伝送する。アクセスポイントは、ＶＬＡＮタグが「優先」であると識別して、スイッチングハブ４００（５００）から伝送されてきたデータＡ１、データＡ２を優先的に伝送する。

また、本実施形態では、周辺ネットワーク（図５を参照）によりアクセスポイントが制御機器と無線通信することを想定していないが、図４に示すように周辺ネットワークによりアクセスポイントが制御機器３と無線通信するような場合にも、ＥＳＳＩＤに対応したＶＬＡＮタグ情報を利用してデータ伝送の優先度を識別する。すなわち、図４に示すように、周辺ネットワークにより制御機器３からのデータ伝送があった場合、制御機器３との間で設定されているＥＳＳＩＤ対応のＶＬＡＮタグが「優先」として定義付けられたものか、「普通」として定義付けらたものかによってデータ伝送の優先度を識別すればよい。さらに、アクセスポイントで、制御機器３からのデータにＥＳＳＩＤに対応したＶＬＡＮタグ情報を付加することにより、それ以降のデータ伝送の優先制御を可能にしている。

なお、図４に示す例では、「優先」と「普通」の二段階の優先度を設定するものを説明したが、二段階以上の優先度を設定できるようにしてもよい。

また、本実施形態の生産設備の制御システムでは、既述したようにメッシュネットワークシステムにおいてEthernet（登録商標）規格による通信を行うものであることから、制御機器間の通信プロトコルとしてEthernet（登録商標）/IP等のいわゆる産業用Ethernet（登録商標）を導入することにより、リアルタイム性を確保するようにしている。

以上述べたように、生産設備１００の周辺に複数のアクセスポイント２０１〜２０５が配置され、隣り合うアクセスポイント間で無線通信によりデータ伝送する無線ネットワーク２００を備えるので、生産設備１００を迂回するように配線する必要がなく、有線ネットワークでのネットワークケーブルの煩わしさから開放される。この場合に、アクセスポイント２０１〜２０５に制御機器を有線接続するので、制御機器が設置されている室１０１〜１０５内に他の機器類が存在していたとしても、それら他の機器類との関係で電波障害が生じることもない。

また、システムの冗長化（二重化）を行って、生産設備の制御システムとして必要な信頼性を確保するとともに、データ伝送の優先度を設定できるようにして、生産設備の制御システムとして必要な定時応答性を確保することができる。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。上記実施形態では、冗長化のために２つの無線ネットワークを構築する例を説明したが、既述した２つの無線ネットワークを制御用とし、さらにその上方或いは下方にアクセスポイントを配置して情報用の無線ネットワークを構築するようにしてもよい。この場合、情報用の無線ネットワークに対しては、高度化されるネットワークの能力（ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術によるIEEE802.11nでは５００Ｍｂｐｓ超）に応じて音声データや画像データ等のマルチメディア技術を使用した設備監視や操業監視が可能になる。

本実施形態の生産設備の制御システムの概略構成を示す図である。アクセスポイントの設置例を示す図である。制御機器の冗長化について説明するための図である。制御機器１から定時応答性が要求されるデータＡ１、Ａ２を制御機器５へと優先的にデータ伝送する例を説明するための図である。ワイヤレスメッシュネットワークのメッシュトポロジーを説明するための図である。有線ネットワークのネットワークトポロジーを説明するための図である。鉄鋼生産設備が設置される工場の大きさを説明するための図である。

符号の説明

１００生産設備
１０１〜１０５室
２００無線ネットワーク
２０１〜２０５アクセスポイント
３００無線ネットワーク
３０１〜３０５アクセスポイント
４００スイッチングハブ
５００スイッチングハブ
６００ケーブル設置棚
７００ケーブル
８００ケーブル
９００ノード

Claims

生産設備の周辺に複数のアクセスポイントが配置され、隣り合うアクセスポイント間で無線通信によりデータ伝送する無線ネットワークと、
前記無線ネットワークを構成するアクセスポイントのすべて或いは一部に有線接続する、前記生産設備の制御のための制御機器とにより構成される生産設備の制御システムであって、
前記無線ネットワーク、及び、前記アクセスポイントと前記制御機器との有線接続がそれぞれ冗長化されるとともに、前記冗長化される無線ネットワークのうち、一方の無線ネットワークを構成するアクセスポイントが略同一高さ位置に設置され、それとは異なる高さ位置で他方の無線ネットワークを構成するアクセスポイントが略同一高さ位置に設置されており、
さらに前記一方の無線ネットワークにおけるアクセスポイント間と、そのアクセスポイント間の上方或いは下方に位置する前記他方の無線ネットワークにおけるアクセスポイント間とで異なる周波数帯域を利用することを特徴とする生産設備の制御システム。
伝送データの優先度を設定できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の生産設備の制御システム。
前記アクセスポイント間の無線通信はIEEE802.11aに準拠したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の生産設備の制御システム。