JP5496086B2 - 分散監視及び流体処理制御システム - Google Patents

Description

本出願は２００７年６月４日に出願された米国特許出願第６０／９４１，８２０の利益を主張し、それの内容は参照により援用される。

従来の流体処理システムには、類似の製品のためであっても、次々にかなりの技術が要求されるそれぞれの製品のための専用コントローラが利用されている。

米国特許第６，４７５，１８０号明細書

本発明は（例えば、機能、適応性、信頼性、メンテナンスなどの）システム性能を向上させるため、及び長期の開発努力を軽減するために、流体処理制御システムをモジュール式インテリジェントコンポーネントのネットワークに分割することを目的としている。

流体処理制御／監視システムはモジュール式インテリジェントコンポーネントのネットワークに分割される。これらの個々のコンポーネントは一般的にシステム内の特定の機能に特化しており、且つ外部の誘導無しでその機能を実行するために必要な全てのインテリジェンスを含んでいる。異なる種類のコンポーネントの例として、ヒューマン−マシン インターフェース（ＨＭＩ）、流体制御、ヒーター制御、モーター制御、フィールド バス コミュニケーションなどが含まれるがこれらに制限されない。それぞれの種類の制御盤は機能に特化する一方で、同じの性質の様々なアイテムを制御することができる。例えば、ヒーター制御は１つのシステムでいくつかのヒーターを制御可能である。同様に、流体制御盤は１つ以上の流量計から情報を受信し、そして１つ以上の場所の流量を制御できる能力を有することも可能である。１つの実施例として、２つの流体成分が正確な混合比で混合されなければならない複数コンポーネント計測及び分配システムがある。

従って、全ての高速制御は制御盤において行われ、低速機能のみがネットワーク上で実行される。そのような複数のコンポーネントシステムにおいて、使用者はＨＭＩモジュールで（例えば２：１などの）所望の混合比に設定できる。実際の制御は流体モジュールに委ねられるため、流体モジュールは所望の比率の設定値を有し、且つ実際の比率を所望の結果まで制御しようと努める。流体モジュールは、それが所有するコンポーネントＡの流量、コンポーネントＢの流量及び可能性のあるその他の有益なデータなどと同様に、多数のその他の変数を有することができる。１つ又は複数のそれらの変数はネットワークにおいてその他のモジュールにより使用されるよう送信可能であるが、そのような送信は一般的に（例えば１回／secなどの）低速で行われている。

コンポーネントはシステム全体にわたって物理的に分配されるため、コンポーネントは監視及び／又は制御するシステムの一部と物理的に近くなり得る。電力及び物理的に離れたコンポーネント間の通信は単一の標準的なケーブルアセンブリによって伝えられる。センサ及びアクチュエータは一般的に既存のケーブルアセンブリを使用してコンポーネントに接続される。

モジュール式の柔軟なシステム構成は将来的な拡張を可能にする。新たな機構は既存のシステムに影響することなく容易にシステムに追加可能である。分配されたインテリジェンスによって局所的な監視及び制御が可能であり、要するに結果として、より信頼できるセンサ及びアクチュエータの配線ができる。また、二地点間配線は一般的に事前に配線されたコネクタアセンブリの使用を通して排除され、それは不適切な又は緩んだ接続になる恐れを最小限にする。再利用可能なコンポーネントは長期間の開発努力を著しく軽減させる。個々の機能に基づいたコンポーネントは一般的に一つの複数機能コントローラと比較してそんなに複雑ではない。このように複雑性が減少することは、一般的に維持することがより容易なさらに強固で信頼できるコンポーネントへと転換される。

分配されたインテリジェンス及び制御はシステムの信頼性を向上させることが可能である。システムは、システムの一部が機能しなくなったとしても、低下した性能で稼動し続けることができる。個別の機能に基づいたコンポーネントは領域のトラブルシューティング及びメンテナンスをより簡単に且つ早く行うことができる。システムの一部が機能しなくなった場合、原因は特殊な機能ブロックに容易に区分化することができる。個々の機能しなくなったコンポーネントは全体のシステムを分解及び再稼働させる必要なく取り換えることができる。

使用するための強固なコミュニケーションバス及びメッセージプロトコルは監視及び制御システムに分配されている。これはシステムの拡張に関して非常に適応性があることを意味している。また、メッセージ機構はプロトコルが最小限のソフトウェア及び処理リソースによって実行可能なように非常に単純に維持される。

好ましい実施形態において、物理コミュニケーション層は、システム全体にわたって個々のコンポーネント内に分配される終端抵抗を有して１２５ｋＨｚで稼働するＣＡＮ（制御領域ネットワーク）高速標準装置（ＩＳＯ １１８９８−２）に基づいている。６４ノードまでコミュニケーションバスに接続可能である。それぞれのコンポーネントは一般的にデイジーチェーン配線トポロジーのためにデュアルコミュニケーションバスコネクタ（パス−スルー（path-thru）接続）を有している。

システム内のそれぞれのコンポーネントは固有の構成ＩＤを与えられている。この構成ＩＤは３つの要素から構成されている：コンポーネントＩＤ、ソフトウェアアプリケーションＩＤ、及びパーパスＩＤである。コンポーネントＩＤはそれぞれの（ハードウェア）コンポーネントに対して固有である。ソフトウェアアプリケーションＩＤは最終製品ソフトウェア開発に対して固有である。パーパスＩＤは同じコンポーネントＩＤ及びソフトウェアアプリケーションＩＤを有する２つ又はそれ以上のコンポーネントの間で最終識別標識として使用される。

システム内のそれぞれのコンポーネントはそれらの固有の構成ＩＤから成る周期的なハートビートメッセージを送信する。このハートビート情報はシステム内の個々のコンポーネントのシステムマップを維持するために使用される。ノードの低下／喪失は以前に検出されたノードが所定の時間内にハートビートメッセージを送信するよう機能しなくなったことを認識することで検出される。

データコミュニケーション機構はシステム全体に分配されたメモリマップの概念に基づいている。このメモリ構造内の個々の要素は分布変数と称される。この機構の全ての機能性は２つの異なるタイプのメッセージを通して処理される：ブロードキャストメッセージ及び設定値リクエストメッセージである。双方は２つの情報を含んでいる；システム全体のメモリマップ内における分布変数のアドレス及びその分布変数に対する値である。それぞれの分布変数のデータ内容は製品開発の間に決定されて、且つこれらには限定されないが、圧力、温度、流量、速度、時間、日付、テキスト／文字列などを含むあらゆる種類の情報を表すことができる。

ブロードキャストメッセージはシステム内における全てのコンポーネントに分布変数の実際の現在の値を知らせるために使用される。個々のコンポーネントは特定の分布変数がそれ自身の動作に関わるかどうかに依存して、このメッセージを受け入れるか又は無視するかを選択できる。一般的にシステム内の個々のコンポーネントは全ての関連する分布変数の局地的なコピーを維持し、且つ関連するブロードキャストメッセージの受信に関しては、メッセージからの値をそれらの局地データの貯蔵へと変換する。

設定値リクエストメッセージは分布変数の値の変更を要求するために使用される。コンポーネントはそれらの変数の「所有権」を登録することによって特殊な分布変数に対するこの種類のメッセージを認識することを選択できる。分布変数の所有権を登録した後に、コンポーネントはあらゆる方法によって設定値リクエストメッセージに対して反応できる。例えば、全ての変更リクエストを無分別に許容又は拒絶できる。或いは、変更リクエストを受信する前に、許容可能な値の範囲に反して要求された値を有効にすることもできる。所有者によって変更リクエストが行われた後、それは新たな値のシステムの残りを知らせる（又はもしリクエストが拒絶された場合以前の値を繰り返し示す）ブロードキャストメッセージに応答することを選択できる。

発明のこれら及びその他の目的及び利点は、添付の図面と共に以下の説明によってさらに十分に明らかとなり、そこで類似の参照番号はそれぞれの図面全体を通して同じ又は類似する部分を指す。

ＨＭＩ、流体制御及びヒーターモジュールを有する複数−モジュールシステムの図である。 基本のアーキテクチャの図である。 セントラルバス及びラックシステムを示す図である。 セントラルラックシステムの外部及び内部を示す図である。

本発明は（例えば、機能、適応性、信頼性、メンテナンスなどの）システム性能を向上させるため、及び長期の開発努力を軽減するために、流体処理制御システムをモジュール式インテリジェントコンポーネントのネットワークに分割することを目的としている。

流体処理制御／監視システムはモジュール式インテリジェントコンポーネントのネットワークに分割される。これらの個々のコンポーネントは一般的にシステム内の特定の機能に特化しており、且つ外部の誘導無しでその機能を実行するために必要な全てのインテリジェンスを含んでいる。異なる種類のコンポーネントの例として、ヒューマン−マシン インターフェース（ＨＭＩ）、流体制御、ヒーター制御、モーター制御、フィールド バス コミュニケーションなどが含まれるがこれらに制限されない。それぞれの種類の制御盤は機能に特化する一方で、同じの性質の様々なアイテムを制御することができる。例えば、ヒーター制御は１つのシステムでいくつかのヒーターを制御可能である。同様に、流体制御盤は１つ以上の流量計から情報を受信し、そして１つ以上の場所の流量を制御できる能力を有することも可能である。１つの実施例として、２つの流体成分が正確な混合比で混合されなければならない複数コンポーネント計測及び分配システムがある。

従って、全ての高速制御は制御盤において行われ、低速機能のみがネットワーク上で実行される。そのような複数のコンポーネントシステムにおいて、使用者はＨＭＩモジュールで（例えば２：１などの）所望の混合比に設定できる。実際の制御は流体モジュールに委ねられるため、流体モジュールは所望の比率の設定値を有し、且つ実際の比率を所望の結果まで制御しようと努める。流体モジュールは、それが所有するコンポーネントＡの流量、コンポーネントＢの流量及び可能性のあるその他の有益なデータなどと同様に、多数のその他の変数を有することができる。１つ又は複数のそれらの変数はネットワークにおいてその他のモジュールにより使用されるよう送信可能であるが、そのような送信は一般的に（例えば１回／secなどの）低速で行われている。

典型的なマルチ−モジュールシステム１０が図１に示されており、それはＨＭＩモジュール１２、流体モジュール１４及びヒーター制御モジュール１６から構成されており、全てはＣＡＮバス１８に接続されている。ＨＭＩモジュール１２は、複数のコンポーネントシステムのために所望の混合比に制御される様々な領域の所望の温度を設定する用意を備えている。また、制御される実際の値の読み出しを行うための用意も備えている。設定値はネットワーク上で送信されて、適切なＩＤモジュールによって受信及び実行される。例えば、コンポーネントＡのためのヒーターは１００℃であることが望まれるため、ヒーターモジュール１６はそのレベルの制御、且つネットワークを通じて実際の値の送信に努め、それによってＨＭＩモジュール１２は操作者にそれを表示する。様々なモジュール、例えばヒーターモジュール１６は流体貯蔵領域、流体モジュール１４はアプリケーション地点の近く、及びＨＭＩモジュール１２は制御室にあるように広く離れている。

より複雑なシステムのために、複数のモジュールが使用される一方で、特定のアプリケーションのために独立型モジュール（局所制御モニター）は主に監視及び記録のために使用されるネットワーク機能と共に効果的に使用できる。そのような局所制御モニター２０の例としては、逃走の恐れのために監視するのと同様に、（ストロークを数えることによって）送り出される流体の量を監視するために用いられるポンプコントローラがある。また、モジュールはバッチコントロールのために使用可能であり、それは所望量の材料を分配する。そのようなモジュールは単純表示を伴って所望の分配体積を入力する単純方法を有していてもよい。また、所望の且つ実際の体積はどこかで使用されるために送信される。その他の局所制御モニターの例は体積確認、比率監視、タンクレベルモニター（単一タンクはアナログレベル検出及び個別レベル検出の両方を続けている）、ＲＩＭ及び正確な弁分配のための分配制御を含む。

モジュール式の柔軟なシステム構成は将来的な拡張を可能にする。新たな機構は既存のシステムに影響することなく容易にシステムに追加可能である。分配されたインテリジェンスによって局所的な監視及び制御が可能であり、要するに結果として、より信頼できるセンサ及びアクチュエータの配線ができる。また、二地点間配線は一般的に事前に配線されたコネクタアセンブリの使用を通して排除され、それは不適切な又は緩んだ接続になる恐れを最小限にする。再利用可能なコンポーネントは長期間の開発努力を著しく軽減させる。個々の機能に基づいたコンポーネントは一般的に一つの複数機能コントローラと比較してそんなに複雑ではない。このように複雑性が減少することは、一般的に維持することがより容易なさらに強固で信頼できるコンポーネントへと転換される。

分配されたインテリジェンス及び制御はシステムの信頼性を向上させることが可能である。システムは、システムの一部が機能しなくなったとしても、低下した性能で稼動し続けることができる。個別の機能に基づいたコンポーネントは領域のトラブルシューティング及びメンテナンスをより簡単に且つ早く行うことができる。システムの一部が機能しなくなった場合、原因は特殊な機能ブロックに容易に区分化することができる。個々の機能しなくなったコンポーネントは全体のシステムを分解及び再稼働させる必要なく取り換えることができる。

使用するための強固なコミュニケーションバス及びメッセージプロトコルは監視及び制御システムに分配されている。これはシステムの拡張に関して非常に適応性があることを意味している。また、メッセージ機構はプロトコルが最小限のソフトウェア及び処理リソースによって実行可能なように非常に単純に維持される。

好ましい実施形態において、物理コミュニケーション層は、システム全体にわたって個々のコンポーネント内に分配される終端抵抗を有して１２５ｋＨｚで稼働するＣＡＮ（制御領域ネットワーク）高速標準装置（ＩＳＯ １１８９８−２）に基づいている。６４ノードまでコミュニケーションバスに接続可能である。それぞれのコンポーネントは一般的にデイジーチェーン配線トポロジーのためにデュアルコミュニケーションバスコネクタ（パス−スルー（path-thru）接続）を有している。当然ながらイーサネット（登録商標）（Ethernet（登録商標））、ＷｉＦｉ又はそれらと同様のものを使用したＴＣＰ／ＩＰなどのその他のネットワークタイプも使用することができる。

システム内のそれぞれのコンポーネントは固有の構成ＩＤを与えられている。この構成ＩＤは３つの要素から構成されている：コンポーネントＩＤ、ソフトウェアアプリケーションＩＤ、及びパーパスＩＤである。コンポーネントＩＤはそれぞれの（ハードウェア）コンポーネントに対して固有である。ソフトウェアアプリケーションＩＤは最終製品ソフトウェア開発に対して固有である。パーパスＩＤは同じコンポーネントＩＤ及びソフトウェアアプリケーションＩＤを有する２つ又はそれ以上のコンポーネントの間で最終識別標識として使用される。

システム内のそれぞれのコンポーネントはそれらの固有の構成ＩＤから成る周期的なハートビートメッセージを送信する。このハートビート情報はシステム内の個々のコンポーネントのシステムマップを維持するために使用される。ノードの低下／喪失は以前に検出されたノードが所定の時間内にハートビートメッセージを送信するよう機能しなくなったことを認識することで検出される。

データコミュニケーション機構はシステム全体に分配されたメモリマップの概念に基づいている。このメモリ構造内の個々の要素は分布変数と称される。この機構の全ての機能性は２つの異なるタイプのメッセージを通して処理される：ブロードキャストメッセージ及び設定値リクエストメッセージである。双方は２つの情報を含んでいる；システム全体のメモリマップ内における分布変数のアドレス及びその分布変数に対する値である。それぞれの分布変数のデータ内容は製品開発の間に決定されて、且つこれらには限定されないが、圧力、温度、流量、速度、時間、日付、テキスト／文字列などを含むあらゆる種類の情報を表すことができる。

ブロードキャストメッセージはシステム内における全てのコンポーネントに分布変数の実際の現在の値を知らせるために使用される。個々のコンポーネントは特定の分布変数がそれ自身の動作に関わるかどうかに依存して、このメッセージを受け入れるか又は無視するかを選択できる。一般的にシステム内の個々のコンポーネントは全ての関連する分布変数の局地的なコピーを維持し、且つ関連するブロードキャストメッセージの受信に関しては、メッセージからの値をそれらの局地データの貯蔵へと変換する。

設定値リクエストメッセージは分布変数の値の変更を要求するために使用される。コンポーネントはそれらの変数の「所有権」を登録することによって特殊な分布変数に対するこの種類のメッセージを認識することを選択できる。分布変数の所有権を登録した後に、コンポーネントはあらゆる方法によって設定値リクエストメッセージに対して反応できる。例えば、全ての変更リクエストを無分別に許容又は拒絶できる。或いは、変更リクエストを受信する前に、許容可能な値の範囲に反して要求された値を有効にすることもできる。所有者によって変更リクエストが行われた後、それは新たな値のシステムの残りを知らせる（又はもしリクエストが拒絶された場合以前の値を繰り返し示す）ブロードキャストメッセージに応答することを選択できる。

様々な変更及び修正は以下の特許請求の範囲によって規定される発明の精神及び範囲から逸脱することなく監視及び制御システムに対して行うことができると考えられる。

Claims (7)

1. 異なる機能を有する複数のモジュールコンポーネントと、分散変数を格納するシステム全体にわたる分散メモリと、を有するネットワークを備える流体監視及び制御システムであって、
   前記各モジュールコンポーネントは外部の補助無くそれぞれがもつ前記機能を実行することができ、
   少なくとも１つの前記モジュールコンポーネントが、制御すべき変数を計測するための手段と、前記制御すべき変数を制御するための手段と、制御された変数の値を前記ネットワーク全体に送信するための手段と、を備えており、
   前記システム全体にわたる分散メモリ内における分散変数のアドレスとその分散変数の値とを含むブロードキャストメッセージを用いて、前記システム内の全ての前記モジュールコンポーネントにその分散変数の現在の値を知らせることができ、また、
   前記システム全体にわたる分散メモリ内における分散変数のアドレスとその分散変数の値とを含む設定値リクエストメッセージを用いて、その分散変数の値の変更を要求することができる、流体監視及び制御システム。
2. 請求項１の流体監視及び制御システムであって、
   少なくとも１つの前記制御された変数を表示するための手段を備える少なくとも１つのインターフェースコンポーネントを備えている流体監視及び制御システム。
3. 請求項２の流体監視及び制御システムであって、
   前記インターフェースコンポーネントが制御すべき変数の設定値を入力するための手段を備えている流体監視及び制御システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項の流体監視及び制御システムであって、
   少なくとも１つのモジュールコンポーネントは、スタンドアロン型のモジュールであって、監視する変数の値を前記ネットワーク全体に送信するための手段を備えている流体監視及び制御システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項の流体監視及び制御システムであって、
   前記各コンポーネントは、固有の構成ＩＤを有している流体監視及び制御システム。
6. 請求項５の流体監視及び制御システムであって、
   それぞれの前記構成ＩＤがコンポーネントＩＤ、ソフトウェアＩＤ及びパーパスＩＤを含む流体監視及び制御システム。
7. 請求項５又は請求項６の流体監視及び制御システムであって、
   それぞれの前記モジュールコンポーネントが前記固有の構成ＩＤからなる周期的なハートビートメッセージを送信する流体監視及び制御システム。

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