JP5609235B2 - 時刻管理システムおよび時刻管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信機器間における所定の手順に従った時刻のやりとりに基づいて、前記通信機器間の時刻同期を確保する時刻管理システム等に関する。

近年、プラントシステムへの無線通信設備（ISA100、Wireless HARTなど）の普及が進んできており、運用・施設コストの低減や、無線の利便性を活かした新たな付加価値の提供が可能であることから、様々なアプリケーションへの無線通信の適用が期待されている。

例えば、ISA100システムは、無線フィールド機器と、バックボーンルータと、システムマネージャとから構成される。バックボーンルータは、無線フィールド機器とバックボーンネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標）、ＴＣＰ／ＩＰ）とを接続する中継機器であり、システムマネージャはシステム全体を管理・制御する機能を有する。

特開２００９−１１１６５４号公報

ISA100システムでは、（１）通信セキュリティ、（２）無線通信フレームの同期、の２点のために、システム全体の時刻同期が必要とされる。このうち、（１）に関しては±２秒程度の同期誤差が許容されるが、（２）に関しては±２ミリ秒という厳密な時刻管理が必要とされている。このような厳密な時刻同期を得るために、一般的には専用の時刻管理サーバ（ＮＴＰサーバ）を設置して、システムを階層化して同期する方法が用いられることが多い。

しかし、時刻管理のための専用のサーバを設置する場合には、設置・運用コストが高くなる。精度の良いサーバにはＲＴＣ（Real-Time-Clock）のような高精度のクロックを搭載しなければならず、ハードウェアのコストを押し上げる。また、システムマネージャに高精度のクロックを搭載することも考えられるが、本来、システムマネージャにおける時刻管理は通信セキュリティを目的としており、システムマネージャは高精度のクロックを搭載していない。このため、システムマネージャのクロックを高精度のクロックに交換することは同様にコストの上昇を招く。

また、システム全体の時刻同期のためには、システムマネージャおよび個々のバックボーンルータに対して、時刻同期サーバとの通信に必要なデータの設定などのエンジニアリング負担が発生する。ISA100システムでは、システムマネージャをシステム管理ノードとして設置し、その後、バックボーンルータやフィールド機器をシステムマネージャの管理の下、ネットワーク参加（Join）させてゆくことで、システムが構築される。このネットワーク参加時の処理のために事前に必要な情報として規定されているものは、基本的にはシステムマネージャに関する情報（アドレス等）やセキュリティの鍵などである。しかし、時刻同期のための情報に関する事前設定は仕様として規定されていない。このため、専用の時刻同期サーバを用いる場合には、システムマネージャやバックボーンルータに対して、時刻同期サーバに関する設定作業を別途、行わなければならず、エンジニアリングコストが増大する。

本発明の目的は、コストを抑制しつつ、システム全体を高精度に時刻同期させることができる時刻管理システム等を提供することにある。

本発明の時刻管理システムは、通信機器間における所定の手順に従った時刻のやりとりに基づいて、前記通信機器間の時刻同期を確保する時刻管理システムにおいて、前記通信機器のクロック精度を当該通信機器から収集する収集手段と、前記収集手段により収集されたクロック精度に基づいて、前記手順を規定する手順規定手段と、前記手順規定手段により規定された前記手順に従った時刻のやりとりを実行するために必要な情報を、前記通信機器に設定する情報設定手段と、を備え、前記通信機器間のデータの送受信は第１の階層構造に従って行われ、前記手順は、通信機器間における時刻のやりとりを行う際の通信の階層構造として、前記第１の階層構造とは異なる第２の階層構造を規定することを特徴とする。
この時刻管理システムによれば、通信機器のクロック精度に基づいて時刻のやりとりの手順を規定するので、システム全体を高精度に時刻同期させることができる。

前記データはプラント制御のためのデータであってもよい。

前記収集手段は、前記通信機器による無線通信の通信品質または無線通信時の信号強度をそれぞれ収集し、前記手順規定手段は、前記収集手段により収集された前記通信品質または前記信号強度に基づいて、前記手順を規定してもよい。

前記手順は、前記時刻のやりとりを行う通信経路を含んでもよい。

前記通信機器はプラントシステムにおける無線中継機器を構成してもよい。

本発明の時刻管理方法は、通信機器間における所定の手順に従った時刻のやりとりに基づいて、前記通信機器間の時刻同期を確保する時刻管理方法において、前記通信機器のクロック精度を当該通信機器から収集する収集ステップと、前記収集ステップにより収集されたクロック精度に基づいて、前記手順を規定する手順規定ステップと、前記手順規定ステップにより規定された前記手順に従った時刻のやりとりを実行するために必要な情報を、前記通信機器に設定する情報設定ステップと、をコンピュータに実行させ、前記通信機器間のデータの送受信は第１の階層構造に従って行われ、前記手順は、通信機器間における時刻のやりとりを行う階層構造として、前記第１の階層構造とは異なる第２の階層構造を規定することを特徴とする。
この時刻管理方法によれば、通信機器のクロック精度に基づいて時刻のやりとりの手順を規定するので、システム全体を高精度に時刻同期させることができる。

本発明の時刻管理システムによれば、通信機器のクロック精度に基づいて時刻のやりとりの手順を規定するので、システム全体を高精度に時刻同期させることができる。

本発明の時刻管理方法によれば、通信機器のクロック精度に基づいて時刻のやりとりの手順を規定するので、システム全体を高精度に時刻同期させることができる。

一実施形態の時刻管理システムが適用されるプラントシステムの構成を示すブロック図。 SA100.11a無線通信の通信方式を示す図。 システムマネージャ３およびバックボーンルータ４の構成を示す機能ブロック図。 時刻管理システムの動作を示すフローチャート。 ＮＴＰ階層を例示する図。 プラントの現場の診断情報を収集するシステムに時刻管理システムを適用した例を示す図。

以下、本発明による時刻管理システムの実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の時刻管理システムが適用されるプラントシステムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、プラントシステムは、センサやアクチュエータとしてそれぞれ機能するISA100.11a無線フィールド機器１，１，・・・と、無線フィールド機器１，１，・・・との間でデータの送受信を実行する制御システム２と、ISA100.11aシステムマネージャ３と、無線フィールド機器１，１，・・・との間で無線通信を行うISA100.11aバックボーンルータ４，４，・・・と、を備える。

制御システム２、システムマネージャ３およびバックボーンルータ４，４，・・・は、バス５を介して互いに接続され、バックボーンネットワークを構成する。また、バックボーンルータ４，４，・・・および無線フィールド機器１，１，・・・は無線ネットワークを構成する。バックボーンルータ４，４，・・・は、バックボーンネットワークと無線ネットワークとを中継する機器として機能する。

図２は、SA100.11a無線通信の通信方式を示す図である。

図２に示すように、SA100.11a無線通信では、信頼性向上のため時分割と周波数ホッピングを併用して通信を行う。時分割された通信帯域幅をタイムスロットと呼ぶ。図２に示すタイムスロット内に記載された数値（「１４」，「１２」，「１６」，・・・）は、それぞれ周波数チャネル番号を示す。この通信方式では、タイムスロットごとに周波数が切り替わるため、通信機器間での時刻同期が必須となる。典型的なタイムスロット幅が１０ミリ秒であるため、誤差が±１〜２ミリ秒以内という高い同期精度が必要となる。このため、無線ネットワーク内（例えば、バックボーンルータ４）に高精度のクロックを設けることが必要となる。

図１に示すプラントシステムでは、無線フィールド機器１が複数のバックボーンルータ４，４，・・・と通信可能とされており、通信経路の切り替えに際して発生する時刻誤差を±１〜２ミリ秒以内とする必要がある。このため、バックボーンネットワークに接続されたバックボーンルータ４，４，・・・間においても誤差が±１〜２ｍｓ以内という高い同期精度が要求される。後述するように、本実施形態の時刻管理システムでは、バックボーンルータ４のクロック等を有効に利用することで、高い同期精度を得ている。

図３は、システムマネージャ３およびバックボーンルータ４の構成を示す機能ブロック図である。

図３に示すように、システムマネージャ３には、バックボーンネットワークにおける通信のためのISA100.11a通信スタック３ａおよびインタフェース（イーサネット（登録商標）、ＴＣＰ／ＩＰ等）と、ネットワークタイムプロトコル（ＮＴＰ）アプリケーション３ｂと、同期リスト管理機能３ｃとが実装される。

また、バックボーンルータ４は、ホストＣＰＵ４１と、無線フィールド機器１との間で無線通信を実行するためのワイヤレスモジュール４２と、リアルタイムクロック（Real-Time Clock; RTC）４３とを備える。リアルタイムクロック４３は、SA100.11a無線通信に要求される同期精度を確保可能なクロック精度を有する。

図３に示すように、ホストＣＰＵ４１には、バックボーンネットワークにおける通信のためのISA100.11a通信スタック４１ａおよびインタフェース（イーサネット（登録商標）、ＴＣＰ／ＩＰ等）と、ネットワークタイムプロトコル（ＮＴＰ）アプリケーション４１ｂと、同期リスト管理機能４１ｃとが実装される。また、ワイヤレスモジュール４２には、無線ネットワークにおける通信のためのISA100.11a通信スタック４２ａおよび無線インタフェース（IEEE802.15.4）が実装される。

また、無線フィールド機器１，１，・・・には、無線ネットワークにおける通信のためのISA100.11a通信スタックおよび無線インタフェース（IEEE802.15.4）が実装される。なお、無線フィールド機器１，１，・・・とバックボーンルータ４との間の時刻同期は、ISA100.11aのデータリンク層のメカニズムを用いて実行される。

図４は、本実施形態の時刻管理システムの動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１〜ステップＳ３は、バックボーンルータ４がバックボーンネットワークに参加する際の処理を示している。

図４のステップＳ１では、バックボーンネットワークに新たに参加するバックボーンルータ４が起動される。

次に、ステップＳ２では、ホストＣＰＵ４１におけるＮＴＰアプリケーション４１ｂおよびシステムマネージャ３におけるＮＴＰアプリケーション３ｂの実行により、バックボーンルータ４とシステムマネージャ３との間でＮＴＰ同期処理を実行する。この時刻同期処理はセキュリティが目的であるため無線通信に要求されるような同期精度は必要なく、±２秒程度の誤差が許容される。

次に、ステップＳ３では、バックボーンルータ４からシステムマネージャ３に対し、ネットワーク参加処理（Join Process）を行い、一連の処理を終了する。なお、バックボーンルータ４には、予めシステムマネージャ３のアドレス等が設定されており、ネットワーク参加処理においてこのアドレスに対して機器情報などの必要な情報を送信することにより、システムマネージャ３によってバックボーンルータ４のバックボーンネットワークへの参加が許可される。

図４のステップＳ１１〜ステップＳ１４は、システムマネージャ３の同期リスト管理機能３ｃによる同期リストの管理のための処理を示している。ステップＳ１２の処理は収集手段の機能に、ステップＳ１３の処理は手順規定手段の機能に、ステップＳ１４の処理は情報設定手段の機能に、それぞれ相当する。

図４のステップＳ１１では、参加処理（ステップＳ３）が開始されるのを待って、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１１の判断は、新たなバックボーンルータ４のバックボーンネットワークへの参加処理が開始されると肯定される。

ステップＳ１２では、参加処理における一処理として、システムマネージャ３は参加処理を行っているバックボーンルータ４から、そのクロック精度情報を取得する。クロック精度情報は、バックボーンルータ４の機器情報の一部としてバックボーンルータ４に予め設定されている情報であり、当該バックボーンルータ４に搭載されたリアルタイムクロック４３のクロック精度を示している。

次に、ステップＳ１３では、システムマネージャ３において同期リストを作成または更新する。ここでは、バックボーンネットワークに１台目のバックボーンルータ４が参加する場合に同期リストが作成され、２台目以降のバックボーンルータが参加する場合に、同期リストが更新される。

同期リストにはバックボーンネットワークに接続された機器（システムマネージャ３およびバックボーンルータ４など）のアドレスと、ＮＴＰ階層に関する情報が記述される。ＮＴＰ階層はステップＳ１２で得られたクロック精度情報に基づいて決定することができる。

ＮＴＰ階層の決定方法は任意であるが、一例としては、ネットワーク内で最もクロック精度の高いバックボーンルータ４を最上位の階層に設定し、システムマネージャ３自身は２階層目のノードとなって最上位の階層のバックボーンルータ４との間で時刻同期を行うように同期リストを作成する方法が挙げられる。図５に示すＮＴＰ階層の例では、最もクロック精度の高いバックボーンルータ４（バックボーンルータ＃１）（図１参照）を最上位の階層に、システムマネージャ３を２階層目に、それぞれ設定している。

一方、仮にシステムマネージャ３自身のクロックが高精度であれば、システムマネージャ３を最上位の階層に設定しても構わない。

また、バックボーンネットワークに参加している各機器（システムマネージャ３および各バックボーンルータなど）のクロック精度に従って、各機器の階層を決定してもよい。この場合、上位の階層にクロック精度の高い機器を割り付けることで、時刻同期精度を向上させることができる。

さらに、必要な時刻同期精度が期待できる範囲において、ＮＴＰ階層の決定手順を簡略化してもよい。例えば、単純にバックボーンネットワークに参加した順番に従って階層を割り付けてもよい。

次に、ステップＳ１４では、ステップＳ１３において作成または変更された同期リストを、システムマネージャ３からバックボーンネットワークに接続された他の機器に向けて、バス５を介して配布し、ステップＳ１１へ戻る。この際、他の機器に向けて配布される同期リストは、当該他の機器において必要な情報が含まれていればよく、ステップＳ１３において得られた同期リスト自体である必要はない。

以降、バックボーンネットワークに参加している各機器（システムマネージャ３および各バックボーンルータなど）は、それぞれが保有する同期リストに基づいてＮＴＰアプリケーションによるＮＴＰ同期処理を実行することができる。図３に示すように、例えば、システムマネージャ３は、ＮＴＰアプリケーションにより、自らが作成した同期リスト３０に基づいて他の機器との間での定期的な通信、その他、時刻同期のための処理を実行する。また、バックボーンルータ４は、システムマネージャ３から配布された同期リスト４０に基づいて他の機器との間での定期的な通信、その他、時刻同期のための処理を実行する。これらの処理には、ＮＴＰ階層において互いに上下層に位置付けられる機器間における、所定の手順に従った時刻のやりとりが含まれる。これらの処理の実行により、システムマネージャ３およびバックボーンルータ４，４，・・・間で、必要な同期精度を確保することができる。

上記実施形態では、バックボーンルータがバックボーンネットワークに参加する際に同期リストを作成・更新しているが、バックボーンルータのバックボーンネットワークへの接続状態、あるいはバックボーンルータの起動状態に応じて、同期リストを作成・更新してもよい。例えば、特定のバックボーンルータが接続されていない、あるいは起動していない場合に、動作中のバックボーンルータのみで適切なＮＴＰ階層が構成されるように、システムマネージャ３において、適時、同期リストを更新してもよい。これにより、バックボーンルータがバックボーンネットワークから外された場合や、起動していない場合でもＮＴＰ階層が正常に機能しないという状態の発生を避けることができる。

また、同期リストを作成・更新するための情報として、通信機器（バックボーンルータ４）による無線通信の通信品質または無線通信時の信号強度を使用してもよい。この場合、バックボーンルータ４とフィールド機器１との間における無線通信の通信品質または無線通信時の信号強度をバックボーンルータ４で管理し、システムマネージャ３の同期リスト管理機能３ｃがこの情報を収集すればよい。この場合、同期リスト管理機能３ｃは、各バックボーンルータ４のクロック精度に加えて無線通信の通信品質または無線通信時の信号強度を考慮したうえで、ＮＴＰ階層を決定することができる。

以上のように、本実施形態の時刻管理システムでは、バックボーンルータのクロックを利用することで、通信に必要な同期精度を維持することが可能となる。このため、時刻同期のための専用サーバを設置する必要がなく、システムの設置・運用コストを軽減できる。

また、バックボーンルータがバックボーンネットワークに参加する際などに、システムマネージャにおいて同期リストを作成・更新し、これをバックボーンルータに配布するため、ＮＴＰ設定ファイルの編集のような、時刻同期のための固有のコンフィギュレーション作業が必要なくなり、エンジニアリングの負担を大幅に軽減できる。

さらに、専用サーバを使用する場合と異なり、シングル・ポイント・オブ・フェイリア（Single Point of Failure）を解消できるという利点がある。逆に、同期リストの作成・更新により、バックボーンルータ間での同期動作に冗長性を与えることができ、不慮の機器故障やネットワーク障害に対するシステムの堅牢性を高めることができる。

図６は、プラントの現場の診断情報を収集するシステムに上記実施形態の時刻管理システムを適用した例を示す図である。

近年、プラントシステムへの無線通信設備（ISA100、Wireless HARTなど）の普及が進んできており、運用・施設コストの低減や、無線の利便性を活かした新たな付加価値の提供が可能であることから、様々なアプリケーションへの無線通信の適用が期待されている。

ISA100、Wireless HARTなどのデバイスは、IEEE802.15.4の小型・小電力性を生かし、機器を多量に設置するシステムをターゲットとしており、その際に必要なシステム要件として、（１）多量の機器に対応するためのアクセスポイントの多数設置、（２）通信信頼性向上のための経路冗長化、が課題として挙げられている。とくに（２）を実現するためには、複数のアクセスポイントと無線機器の間で厳密な時刻同期を行わなければならない。

図６に示すシステムでは、多数の無線センサ機器Ｓ，Ｓ，・・・を配管Ｐに沿って取り付けることで、配管Ｐの診断情報を収集する例を示しており、バックボーンネットワークＮＴに接続されたアクセスポイントＡＰ，ＡＰ，・・・との間で、無線センサＳ，Ｓ，・・・が無線通信を実行する。これにより、無線センサＳ，Ｓ，・・・と、バックボーンネットワークＮＴに接続された制御システムＣＳとの間での通信が可能とされている。また、無線センサＳ，Ｓ，・・・からの情報を、バックボーンネットワークＮＴの側で収集することができる。

また、図６に示すように、各無線センサＳが複数のアクセスポイントＡＰとの間で無線通信可能とされることで、通信経路の冗長性が獲得される。図６の例では、アクセスポイントＡＰをバックボーンルータ４により構成することで、アクセスポイントＡＰ，ＡＰ，・・・間での厳密な時刻同期が確保される。

このように、プラントの現場の診断情報を収集するシステムに本発明を適用することで、多数のセンサ機器と多数のアクセスポイントを共存させることが可能となり、無線ネットワークのロバスト性を向上させ、プラントシステム全体の拡張性や信頼性を高めることができる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、通信機器間における所定の手順に従った時刻のやりとりに基づいて、前記通信機器間の時刻同期を確保する時刻管理システム等に対し、広く適用することができる。

３ｃ 同期リスト管理機能（収集手段、手順規定手段、情報設定手段）

Claims (6)

1. 通信機器間における所定の手順に従った時刻のやりとりに基づいて、前記通信機器間の時刻同期を確保する時刻管理システムにおいて、
   前記通信機器のクロック精度を当該通信機器から収集する収集手段と、
   前記収集手段により収集されたクロック精度に基づいて、前記手順を規定する手順規定手段と、
   前記手順規定手段により規定された前記手順に従った時刻のやりとりを実行するために必要な情報を、前記通信機器に設定する情報設定手段と、
   を備え、
   前記通信機器間のデータの送受信は第１の階層構造に従って行われ、
   前記手順は、通信機器間における時刻のやりとりを行う際の通信の階層構造として、前記第１の階層構造とは異なる第２の階層構造を規定することを特徴とする時刻管理システム。
2. 前記データはプラント制御のためのデータであることを特徴とする請求項１に記載の時刻管理システム。
3. 前記収集手段は、前記通信機器による無線通信の通信品質または無線通信時の信号強度をそれぞれ収集し、
   前記手順規定手段は、前記収集手段により収集された前記通信品質または前記信号強度に基づいて、前記手順を規定することを特徴とする請求項１または２に記載の時刻管理システム。
4. 前記手順は、前記時刻のやりとりを行う通信経路を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の時刻管理システム。
5. 前記通信機器はプラントシステムにおける無線中継機器を構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の時刻管理システム。
6. 通信機器間における所定の手順に従った時刻のやりとりに基づいて、前記通信機器間の時刻同期を確保する時刻管理方法において、
   前記通信機器のクロック精度を当該通信機器から収集する収集ステップと、
   前記収集ステップにより収集されたクロック精度に基づいて、前記手順を規定する手順規定ステップと、
   前記手順規定ステップにより規定された前記手順に従った時刻のやりとりを実行するために必要な情報を、前記通信機器に設定する情報設定ステップと、
   をコンピュータに実行させ、
   前記通信機器間のデータの送受信は第１の階層構造に従って行われ、
   前記手順は、通信機器間における時刻のやりとりを行う階層構造として、前記第１の階層構造とは異なる第２の階層構造を規定することを特徴とする時刻管理方法。