JP5440591B2 - フィールド無線システム - Google Patents

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Description

本発明は、フィールド無線システムに関し、特に、無線フィールド機器の監視のみならず、無線フィールド機器のリアルタイム制御に適したフィールド無線システムに関する。
近年、フィールド機器と制御側システムとの間の通信を無線化したフィールド無線システムの研究開発が進み、実用化も図られている。フィールド無線システムの規格としては、HART協会が提唱する計装用無線通信プロトコルを利用したWirelessHARTと、国際計測制御学会(ISA:International Society of Automation)が提唱するインダストリアルオートメーション用無線通信規格であるISA100.11aとが代表的である。
WirelessHARTが、主として無線フィールド機器の監視、プロセス量の伝送、保守・点検といったリアルタイム性やデータ到達の信頼性への要求が比較的低い用途を想定したものであるのに対し、ISA100.11aは、無線フィールド機器の制御、例えば、アクチュエータ操作のようなリアルタイム性や堅牢性を必要とするクリティカルな用途にも適用することを想定している。
図7は、ISA100.11aを適用したフィールド無線システムの構成例を示している。本図に示すように、フィールド無線システムにおいて、複数台の無線フィールド機器400(400a〜400h)が、無線ネットワークを構成している。各無線フィールド機器400は、無線通信機能を備えたセンサ、アクチュエータ等のフィールド機器であり、用途・目的に応じてプラント等の適所に配置されている。無線フィールド機器400は、近隣の無線フィールド機器400と相互通信を行なえるようになっており、メッシュ状の無線ネットワークを構成している。
また、フィールド無線システムは、ゲートウェイ320、システムマネージャ340、バックボーンルータ380を備えている。ゲートウェイ320は、コントローラ300を含んだ上位ネットワークであるコントロールネットワークと無線ネットワークとのゲートウェイ処理を行ない、無線ネットワークのパケットをそれぞれの無線フィールド機器400とやり取りする。このとき、各無線フィールド機器400は、ゲートウェイ320との通信対象になるとともに、他の無線フィールド機器400とゲートウェイ320との通信を中継する処理も行なう。
システムマネージャ340は、無線ネットワークの動作の制御および管理を担う装置である。システムマネージャ340は、無線ネットワークの構成、すなわち、無線フィールド機器400の接続状態に基づいて通信経路を選定し、バックボーンルータ380に設定する。
バックボーンルータ380は、近接する無線フィールド機器と無線通信を行ない、ゲートウェイ320と各無線フィールド機器400との相互接続を行なう。このとき、システムマネージャ340が設定した通信経路にしたがってルーティングを行なう。
特開2011−13765号公報
図7に示したフィールド無線システムにおいて、例えば、ゲートウェイ320から無線フィールド機器e400eに制御命令を含んだパケットが送信されたとする。なお、システムマネージャ340によって、無線フィールド機器e400e宛のパケットは、バックボーンルータ380→無線フィールド機器a400a→無線フィールド機器c400c→無線フィールド機器e400eという経路(図中の太点線)が設定されているものとする。
中継経路が正常であれば、設定された経路にしたがって中継がなされ、無線フィールド機器e400eにパケットが到達する。しかしながら、例えば、無線フィールド機器c400cと無線フィールド機器e400eとの通信経路が、何らかの原因により遮断すると、送信されたパケットは無線フィールド機器e400eに到達できなくなる。
各無線フィールド機器400は、指定された中継先への転送、転送失敗時の再送程度の機能しか有さないため、無線フィールド機器c400cよりも上流側の装置は、無線フィールド機器c400cと無線フィールド機器e400eとの間が遮断されていることは即座に把握できない。このため、その後の無線フィールド機器e400e宛のパケットも不通の通信経路で送信されることになる。
システムマネージャ340の通信品質の監視等により、通信経路遮断が検出されると、代替経路が設定され、以降のパケットは無線フィールド機器e400eに到達可能となるが、その間のパケットは無線フィールド機器e400eに到達せずに失われてしまう。
従来の監視用途の通信等であれば、パケット未到達やパケット遅達のプラント等への影響はそれほど大きくはないが、連続プロセス制御のようなミッションクリティカルな通信用途は、パケット未到達やパケット遅達のプラント等への影響が大きいため、パケットの未到達や遅達は極力防ぐ必要がある。
そこで、本発明は、フィールド無線システムにおけるパケット到達の信頼性を高めることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、複数台の無線フィールド機器を含んで構成される無線ネットワークを管理するシステムマネージャと、前記無線フィールド機器の上流側のネットワーク機器とを備えたフィールド無線システムであって、前記システムマネージャは、前記無線ネットワークの接続構成に基づいて、パケットの宛先となる無線フィールド機器毎に、複数の中継経路を選定し、前記ネットワーク機器に選定した複数の中継経路を格納させ、前記ネットワーク機器は、無線フィールド機器宛のパケットを格納した中継経路の個数分複製し、それぞれのパケットに異なる中継経路を示す情報を含めて、それぞれの中継経路にしたがって次段の機器に送信することを特徴とする。
より具体的には、前記ネットワーク機器は、バックボーンルータあるいはゲートウェイであり、バックボーンルータの場合は、前記次段の機器は無線フィールド機器であり、ゲートウェイの場合は、前記次段の機器はバックボーンルータとすることができる。
また、前記システムマネージャは、複数の中継経路の組合わせ毎に、ノードとノード間のリンクの重複が少ないほど評価が高くなる評価方式を用いて複数の中継経路を選定することができる。
また、無線フィールド機器をさらに備え、前記無線フィールド機器は、自身宛のパケットを受信した際に、同一の識別子を有するパケットを受信済の場合、新たに受信したパケットを廃棄するようにしてもよい。
この場合、前記システムマネージャは、前記無線フィールド機器に対して、前記ネットワーク機器宛のパケットについて、通信可能な上流側の他の装置を複数個設定しておき、前記無線フィールド機器は、前記ネットワーク機器宛のパケットを前記設定されたいずれかの装置に送信し、送信不可の場合は、設定された他の装置に送信することができる。
本発明によれば、フィールド無線システムにおけるパケット到達の信頼性を高めることができる。
本実施形態に係るフィールド無線システムの構成例を示す図である。 フィールド無線システムを構成するゲートウェイ、システムマネージャ、バックボーンルータ、無線フィールド機器の機能構成を説明するブロック図である。 システムマネージャの経路選定動作について説明するフローチャートである。 バックボーンルータのルーティング動作について説明するフローチャートである。 無線フィールド機器のパケット受信動作について説明するフローチャートである。 本実施形態に係るフィールド無線システムの別の構成例を示す図である。 ISA100.11aを適用したフィールド無線システムの構成例を示す図である。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に係るフィールド無線システムの構成例を示している。本図に示すように、フィールド無線システムにおいて、複数台の無線フィールド機器200(200a〜200h)が、無線ネットワークを構成している。各無線フィールド機器200は、無線通信機能を備えたセンサ、アクチュエータ等のフィールド機器であり、用途・目的に応じてプラント等の適所に配置されている。
無線フィールド機器200は、ISA100.11aに準拠したプロトコルで近隣の無線フィールド機器200と相互通信を行なえるようになっており、メッシュ状の無線ネットワークを構成している。ただし、他の無線通信規格を用いるようにしてもよい。
また、フィールド無線システムは、ゲートウェイ120、システムマネージャ140、バックボーンルータ180を備えるとともに、ゲートウェイ120により、コントローラ100を含んだ上位ネットワークであるコントロールネットワークと接続している。
コントローラ100は、DCS(Distributed Control System:分散形制御システム)や機器管理システム等の上位システムであり、無線フィールド機器200の状態監視、機器パラメータの調整等の制御を行なうともに、無線フィールド機器200が発信するプロセス量、診断結果等を収集する。
図2は、フィールド無線システムを構成するゲートウェイ120、システムマネージャ140、バックボーンルータ180、無線フィールド機器200の機能構成を説明するブロック図である。無線フィールド機器200については1台のみを示す。
ここでは、ゲートウェイ120から無線フィールド機器200へのパケット送信(下り方向)に注目して説明する。ゲートウェイ120から無線フィールド機器200へのパケット送信は、動作パラメータの設定に加え、タイムクリティカルな動作制御命令等が含まれる。
ゲートウェイ120は、ゲートウェイ機能部121とゲートウェイ情報格納部122とを備えている。ゲートウェイ機能部121は、上位ネットワークであるコントロールネットワークと無線ネットワークとのゲートウェイ処理を行ない、無線ネットワークのパケットをそれぞれの無線フィールド機器200とやり取りする。ゲートウェイ情報格納部122は、ゲートウェイ処理に必要なアドレス情報等を格納する記憶領域である。
システムマネージャ140は、ネットワーク管理部141、ネットワーク構成収集部142、経路選定部143、通信部144を備えている。ネットワーク管理部141は、無線ネットワークの動作の制御および管理を行なう。
ネットワーク構成収集部142は、無線ネットワークに含まれる無線フィールド機器200の接続構成情報を収集する。無線フィールド機器200の接続構成情報には、各無線フィールド機器200がどの無線フィールド機器200と相互通信が可能であるかの情報が含まれる。通信部144は、ゲートウェイ120、バックボーンルータ180等との通信処理を行なう。
経路選定部143は、収集したネットワークの接続構成情報に基づいて、各無線フィールド機器200宛のパケットの中継経路を選定する。本実施形態では、中継経路として2つの経路を選定する。ただし、3つ以上の中継経路を選定してもよい。複数の中継経路は、同一のノード、同一のリンクをなるべく含まないように選定する。
経路の方式は、ソースルーティング、グラフルーティングのいずれであってもよい。また、ソースルーティング、グラフルーティングを混在させたルーティング方式を用いてもよい。
ここで、ソースルーティングは伝送するパケットに、中継経路に含まれる無線フィールド機器200の識別情報を通過順に格納する方式である。パケットを受信した無線フィールド機器200は、パケットに格納された中継情報を参照して次段の無線フィールド機器200にパケットを転送する。また、グラフルーティングは、選定された経路をグラフの形で定義して、各無線フィールド機器200に格納させておき、パケットに使用するグラフを指定する方式である。パケットを受信した無線フィールド機器200は、自身が格納するグラフ情報とパケットに指定されたグラフとにしたがって次段の無線フィールド機器200にパケットを転送する。
選定した経路は、中継情報としてバックボーンルータ180に設定する。グラフルーティングの場合は、さらに、各無線フィールド機器200にグラフ情報を格納する。なお、システムマネージャ140の機能をゲートウェイ120に含めて、一体型の装置として構成するようにしてもよい。
バックボーンルータ180は、通信部181、中継情報格納部182、経路選択部183、パケット処理部184を備えている。通信部181は、ゲートウェイ120、システムマネージャ140との通信処理を行なうのに加え、近接する無線フィールド機器200と無線通信処理を行なう。中継情報格納部182は、システムマネージャ140が選定した経路の中継情報を格納する記憶領域である。
経路選択部183は、パケットの宛先と、中継情報格納部182に格納された中継情報とに基づいて、パケットの経路を設定する。設定する経路は、システムマネージャによって宛先の無線フィールド機器200について選定された2つの中継経路である。
パケット処理部184は、ゲートウェイ120から受信した無線フィールド機器200宛のパケットを、設定された2つの経路で送信するため、パケットを複製する。そして、ソースルーティングの場合は、2つの中継経路をそれぞれのパケットに挿入し、グラフルーティングの場合は、それぞれのパケットに、中継に使用するグラフの指定を行なう。
次いで、中継情報にしたがって、それぞれの経路における次段の無線フィールド機器200に通信部181を介してパケットを送信する。すなわち、本実施形態では、1つのパケットを複数の経路で宛先に送信する。これにより、一方の経路が遮断されていた場合であっても、パケットが宛先の無線フィールド機器200に到達することが可能となる。このとき、無線フィールド機器200は、従来と同様の転送処理を行なえばよい。
複数の経路は、ノード(無線フィールド機器200)とノード間のリンクがなるべく重複しないように選定されているため、障害や電波微弱等による無線フィールド機器200間の経路異常に加え、中継する無線フィールド機器200自身に通信異常が生じた場合であっても、パケットを宛先の無線フィールド機器200に到達させることができる。
無線フィールド機器は、無線通信部201、中継情報格納部202、パケット処理部203、計測・動作部204を備えている。無線通信部201は、ISA100.11aに準拠したプロトコルで近隣の無線フィールド機器200やバックボーンルータ180と相互通信を行なう。計測・動作部204は、センサやアクチュエータ等の無線フィールド機器200の種類に応じた処理を行なう。
中継情報格納部202は、グラフルーティングの場合に、システムマネージャが選定したグラフを格納する記憶領域である。使用するグラフに対応した転送先を格納するようにしてもよい。
パケット処理部203は、自身宛のパケットを受信した際に、パケットのシーケンス番号を参照して、既に受信済のパケットであれば、パケットを廃棄する処理を行なう。すなわち、本実施形態では、異なる2経路でパケットを中継するため、両経路とも正常であれば、宛先の無線フィールド機器200は、同じパケットを2つ受信することになる。このため、先に到達した方を受信し、遅れて到達したパケットを廃棄するようにしている。
次に、システムマネージャ140の経路選定動作について図3のフローチャートを参照して説明する。経路選定動作において、ネットワーク構成収集部142が、無線ネットワークの接続構成情報を収集する(S101)。これにより、どの無線フィールド機器200がどの無線フィールド機器200と通信可能であるかを把握する。
無線ネットワークの構成情報を収集すると、経路選定部143は、経路の選定対象とする無線フィールド機器200を設定する(S102)。選定対象とする無線フィールド機器200は、所定の順序にしたがって設定すればよい。
そして、ゲートウェイ120から選定対象となった無線フィールド機器200までの経路候補を抽出する(S103)。経路候補は、メッシュ状のネットワーク接続構成において、ゲートウェイ120から選定対象となった無線フィールド機器200までの可能な経路を列挙することで行なうことができる。
経路候補が抽出されると、それぞれの経路候補の組合わせについての評価を行ない(S104)、2つの経路を選定する(S105)。選定する2つの経路は、ノード(無線フィールド機器200)とノード間のリンクがなるべく重複しないことが望ましく、また、ホップ数が少ない方がよいため、例えば、以下のようなアルゴリズムを用いて評価を行なって選定することができる。
すなわち、候補経路Aと候補経路Bとの組合わせについて、重複している無線フィールド機器1台につき負評価値を+1し、重複しているリンク1本につき負評価値を+1する評価をすべての候補経路の組合わせに対して行ない、最も負評価値の小さい組合わせの2つの候補経路を、2つの経路として選定する。最も負評価値の小さい組合わせが複数ある場合には、それぞれの候補経路のホップ数の合計が少ない方を経路として選定すればよい。ただし、他のアルゴリズムを用いて2つの経路を選定するようにしてもよい。
例えば、図1に示したネットワーク接続構成の例であれば、無線フィールド機器e200eが選定対象である場合に、「バックボーンルータ180→無線フィールド機器a200a→→無線フィールド機器c200c→無線フィールド機器e200e」という経路と、「バックボーンルータ180→無線フィールド機器b200b→→無線フィールド機器g200g→無線フィールド機器f200f→無線フィールド機器e200e」という経路の2つ(図中の太点線)を選定することができる。
以上の2つの経路の選定処理(S102〜S105)をすべての無線フィールド機器200を対象に繰り返す(S106)。すべての無線フィールド機器200に対して2つの経路の選定処理を終えると(S107:Yes)、選定した経路に対応した中継情報をバックボーンルータ180の中継情報格納部182に設定する(S107)。グラフルーティングの場合は、さらに、各無線フィールド機器200の中継情報格納部202にグラフ情報を格納させる。
次に、バックボーンルータ180のルーティング動作について図4のフローチャートを参照して説明する。バックボーンルータ180のパケット処理部184は、ゲートウェイ120からパケットを受信すると(S201)、2つの経路で送信するため、受信したパケットを複製する(S202)。
また、経路選択部183が、中継情報格納部182に格納された中継情報を参照し、パケットの宛先の無線フィールド機器200について選定された経路を選択する(S203)。そして、ルーティング方式に応じた経路設定を行なう(S204)。すなわち、ソースルーティング方式の場合は、選択された2つの経路の一方の中継情報を受信したパケットに挿入し、他方の中継情報を複製したパケットに挿入する(S205)。また、グラフルーティング方式の場合は、選択された2つの経路の一方に使用するグラフを受信したパケットに指定し、他方に使用するグラフを複製したパケットに指定する(S206)。
そして、選択した経路にしたがって、それぞれの経路における次段の無線フィールド機器200に通信部181を介してパケットを送信する(S207)。これにより、異なる2つの経路で同一のパケットを送信することができる。
次に、無線フィールド機器200のパケット受信動作について図5のフローチャートを参照して説明する。無線フィールド機器200は、他の無線フィールド機器200あるいはバックボーンルータ180からパケットを受信すると(S301)、パケットの宛先が自装置であるかどうかを判断する(S302)。
自装置が宛先の場合(S302:Yes)は、パケットの識別子、例えば、シーケンス番号を参照して、そのパケットが受信済であるかどうかを判断する(S303)。未受信のパケットであれば(S303:No)、そのパケットの受信処理を継続し、受信済のパケットであれば(S303:Yes)、そのパケットを廃棄する(S304)。
自装置が宛先でない場合(S302:No)は、宛先と中継情報に基づいて次段の無線フィールド機器200にパケットを転送する(S305)。
以上の動作により、無線フィールド機器200は、中継経路上に障害が発生した場合であっても、パケットを受信することができるため、フィールド無線システムにおけるパケット到達の信頼性を高めることができる。
複数経路を用いたパケット送信は、測定値の送信等の無線フィールド機器200からゲートウェイ120へのパケット送信(上り方向)に適用することもできる。上り方向の経路については、宛先がゲートウェイ120で固定できるため、近接通信を行なう各無線フィールド機器200についてゲートウェイ120を頂点としてゲートウェイ120までのホップ数に応じた階層構造を形成することができる。
図1の例では、無線フィールド機器a200a、無線フィールド機器b200bは、2ホップでゲートウェイ120と通信できるため、2ホップ階層であり、無線フィールド機器c200c、無線フィールド機器g200g、無線フィールド機器d200dは、3ホップ階層である。また、無線フィールド機器e200e、無線フィールド機器f200f、無線フィールド機器h200hは、4ホップ階層である。
そこで、システムマネージャ140は、各無線フィールド機器200の中継情報として、通信可能な上位の2つの無線フィールド機器200を転送先として設定しておく。このとき、一方の転送先を主経路とし、他方の経路を副経路としておく。通信可能な上位の無線フィールド機器200が1つしかない場合は、同階層の無線フィールド機器200を副経路としてもよい。
無線フィールド機器200は、パケットを送信、あるいは転送する場合、まず、主経路の無線フィールド機器200に送信する。主経路に異常が生じたり、送信先の無線フィールド機器200に障害が生じて、この送信に失敗すれば、副経路の無線フィールド機器200に送信すればよい。これにより、一方の経路に障害が生じていても、正常な経路を中継することができるため、パケットは欠損することなくゲートウェイ120に到達すことができる。
なお、下りのパケット送信の場合は、宛先の無線フィールド機器200が可変であるため、すべての無線フィールド機器200について宛先を頂点とした階層構造を形成して、主経路と副経路とを設定することは現実的でない。このため、下りのパケット送信については、上述のように、複数経路に同時に送信するようにしている。
次に、本実施形態の別例として、図6に示すようにバックボーンルータ180が複数台存在する場合について説明する。ここでは、バックボーンルータA180A、バックボーンルータB180Bの2台が無線ネットワークに含まれている場合を例にする。
バックボーンルータ180が1台の場合は、図1の太点線で示したように、バックボーンルータ180がパケットを複製して2経路に流すようにしていたが、バックボーンルータ180が2台の場合は、図6の太点線で示したように、ゲートウェイ120がパケットを複製して、2つのバックボーンルータ180に送信することにより、2経路に流すことができる。このようにすることで、一方のバックボーンルータ180に障害が生じた場合であっても、宛先の無線フィールド機器200にパケットを到達させることができる。
この場合、システムマネージャ140は、2つのバックボーンルータにそれぞれ1つの経路を選定する。この経路の組合わせも、ノードとノード間のリンクがなるべく重複せず、合計ホップ数が少ない方が好ましい。システムマネージャ140は、選定した経路情報をゲートウェイ120のゲートウェイ情報格納部122にも格納する。
そして、図4のフローチャートで示したバックボーンルータ180の動作をゲートウェイ120が行なうようにすればよい。すなわち、ゲートウェイ120は、パケットを無線フィールド機器200に送信する場合、パケットを複製して、宛先に応じた経路を選択し、パケットに設定する。次いで、一方のパケットは、バックボーンルータA180Aに流し、他方のパケットはバックボーンルータB180Bに流すようにする。
一方、バックボーンルータ180は、受信したパケットを複製することなく、中継情報にしたがって、1つの無線フィールド機器200に転送すればよい。
これにより、バックボーンルータ180を含む中継経路上に障害が発生した場合であっても、無線フィールド機器200は、パケットを受信することができるため、フィールド無線システムにおけるパケット到達の信頼性を高めることができる。
100…コントローラ、120…ゲートウェイ、121…ゲートウェイ機能部、122…ゲートウェイ情報格納部、140…システムマネージャ、141…ネットワーク管理部、142…ネットワーク構成収集部、143…経路選定部、144…通信部、180…バックボーンルータ、181…通信部、182…中継情報格納部、183…経路選択部、184…パケット処理部、200…無線フィールド機器、201…無線通信部、202…中継情報格納部、203…パケット処理部、204…計測・動作部、300…コントローラ、320…ゲートウェイ、340…システムマネージャ、380…バックボーンルータ、400…無線フィールド機器

Claims (4)

  1. 複数台の無線フィールド機器と、前記複数台の無線フィールド機器を含んで構成される無線ネットワークを管理するシステムマネージャと、前記無線フィールド機器の上流側のネットワーク機器とを備えたフィールド無線システムであって、
    前記ネットワーク機器から前記無線フィールド機器へのパケット送信に関して、
    前記システムマネージャは、
    前記無線ネットワークの接続構成に基づいて、パケットの宛先となる無線フィールド機器毎に、複数の中継経路を選定し、前記ネットワーク機器に選定した複数の中継経路を格納させ、
    前記ネットワーク機器は、
    無線フィールド機器宛のパケットを格納した中継経路の個数分複製し、それぞれのパケットに異なる中継経路を示す情報を含めて、それぞれの中継経路にしたがって次段の機器に送信し、
    前記無線フィールド機器から前記ネットワーク機器へのパケット送信に関して、
    前記システムマネージャは、
    前記無線フィールド機器に対して、前記ネットワーク機器宛のパケットについて、通信可能な上流側の他の装置を複数個設定しておき、
    前記無線フィールド機器は、前記ネットワーク機器宛のパケットを前記設定されたいずれかの装置に送信し、送信不可の場合は、設定された他の装置に送信することを特徴とするフィールド無線システム。
  2. 前記システムマネージャは、複数の中継経路の組合わせ毎に、ノードとノード間のリンクの重複が少ないほど評価が高くなる評価方式を用いて複数の中継経路を選定することを特徴とする請求項1に記載のフィールド無線システム。
  3. 前記無線フィールド機器は、自身宛のパケットを受信した際に、同一の識別子を有するパケットを受信済の場合、新たに受信したパケットを廃棄することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のフィールド無線システム。
  4. 前記ネットワーク機器は、バックボーンルータあるいはゲートウェイであり、
    バックボーンルータの場合は、前記次段の機器は無線フィールド機器であり、ゲートウェイの場合は、前記次段の機器はバックボーンルータであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフィールド無線システム。
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