JP6265158B2 - 電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、プロセス制御システムに関し、詳しくは、ネットワークを介した通信の改善に関する。
従来から、プロセス制御システムは、リアルタイム性や高信頼性を実現するために、操作監視機能などを備えたＰＣ群とコントローラ間とが、独自の制御ネットワークを介して接続されていた。
図３は、従来のプロセス制御システムの一例を示す構成説明図である。図３において、センサやアクチュエータなどのフィールド機器１は、コントローラ２を介して制御ネットワーク３に接続されている。
フィールド機器１のセンサ１１は測定対象の物理量を測定し、アクチュエータ１２は測定対象の物理量を制御する。コントローラ２は、プラント内に分散配置されていて、操作監視端末部との間で各種情報のやり取りを行うとともに、センサ１１からの情報を元にアクチュエータ１２へ駆動信号を送出するためのプログラマブル演算処理機能を有する。
制御ネットワーク３はシステムの信頼性を高めるために二重化されていて、制御ネットワーク３にはＰＣ４も接続されている。ＰＣ４は、コントローラ２からの情報に基づいてプロセス制御システム全体の制御／監視に必要な各種情報を運転員に提供する機能や、それらの情報を元に各システム構成要素に適切な指示や管理を行うための操作監視機能や、各種機器の保守状況などを管理する機器管理機能などのアプリケーションソフトウェアを提供する機能を有している。
ＰＣ４には、ハードウェアとして、制御ネットワーク３に接続するための専用ネットワークインタフェースカード（以下ＮＩＣともいう）４１や、ＮＩＣ用のインタフェースＮＩＣＩ／Ｆ４２などが設けられている。そして、ソフトウェアとしては、ＯＳ４３や各種のアプリケーションソフトウェア４４などが格納されている。
なお、制御ネットワーク３には複数のＰＣ４がＰＣ群を形成するように接続されることが多いが、図３では１台のＰＣ４だけを例示している。
ところで、調達の容易さ、低コスト、技術革新性などの観点から、ＰＣ群を形成するＰＣ４として汎用ＰＣが使用され、ＯＳにも、汎用性の高いMS-Windows（登録商標）などが使用されるようになってきた。
制御ネットワーク３についても、汎用のイーサネット（登録商標）で構築する取り組みがなされていて、特にプロセス制御システムでは、高信頼性を確保するために、二重化が図られている。
ところで、イーサネットで用いられる一般的なＴＣＰ/ＩＰ通信の伝送規格によれば、プロセス制御システムで要求されるリアルタイム性を有していない。
ここでいう「リアルタイム性」とは、
１）同一ネットワーク上に接続された複数のステーション間の通信レスポンスが規定値（例：５ｍｓ）以内であること
２）二重化ネットワークにおいては、運用側から待機側への切替時間が規定値（例：１０ｍｓ）以内であること
など、規定された時間内に所定の処理が確実に実施されることを保証することである。
そこで、イーサネット上でリアルタイム通信を行うために、たとえば非特許文献１に記載されているように、１Ｇｂｐｓのイーサネットをベースとしたプロセス・オートメーション用の「リアルタイム・プラント・ネットワーク・システムＶnet/ＩＰ（登録商標）」に関する技術が開発され、使用されている。
出町 公二、外３名、「リアルタイム・プラント・ネットワーク・システムＶnet/ＩＰ」、横河技報、横河電機株式会社、２００５年４月２０日、Ｖｏｌ．４９ Ｎｏ．２（２００５） ｐ．３７−４０
しかし、汎用ＰＣでＶnet/ＩＰ通信を実施するためには、Ｖnet/ＩＰ専用のインタフェースカードが必要になるが、各ＰＣに搭載されるＶnet/ＩＰ専用インタフェースカードはそれぞれが二重化されたネットワーク３を切り替えるというマスタ的な性格を有しているため、複数のインタフェースカードを同一ステーションアドレスで存在させることはできない。
汎用ＰＣの製品寿命や各種部品、Windows（登録商標）などのＯＳの世代交代は数年毎に行われていて、コストパフォーマンスが大きく向上している。反面、旧世代品の供給は停止されることが多い。
一方で、プロセス制御システムとしては、約３０年にも渡るプラント寿命の間、連続的に稼働させる必要がある。そして、稼働期間中の監視操作機能などのアプリケーションソフトウェアは、運転員の慣れ、教育、ノウハウの維持などから、ＯＳなどが世代交代した場合であっても、従来通りの操作性や機能が求められる。
図４はこれらの要求に対応する従来のプロセス制御システムの一例を示す構成説明図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図４において、ＮＩＣ４１やＮＩＣＩ／Ｆ４２を含むハードウェアとＯＳ４３との間には、仮想化部４５が設けられている。
仮想化部４５は、各種ハードウェアをソフトウェア的にエミュレーションする機能を有するが、反面、スループットの低下が発生する恐れがある。リアルタイム性を重視するプロセス制御システムにとって、スループットの低下対策は重要な課題である。
また、汎用ＰＣの技術革新に伴って、ＰＣの汎用Ｉ/Ｆも進化していく。汎用Ｉ/Ｆの進化に伴い、旧世代の汎用Ｉ/Ｆに対応した汎用ＰＣの入手は困難となる。進化した新たな汎用Ｉ/Ｆに対応するためには、プラントの寿命が尽きるまで同じ専用のインタフェースカードを用い続けることはできず、ＰＣの汎用Ｉ/Ｆの進化に対応して専用のインタフェースカードを幾度も開発し直さなければならないという課題も生じている。
また、たとえば汎用イーサネットカードを利用した場合には、異常発生時の切替処理などをＯＳ上で行わなければならず、瞬時切替などのリアルタイム処理の要求を満足させることができない。
本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、プロセス制御システムに必要なリアルタイム性と高信頼性とを確保した上で、長期化するプラントのライフサイクルにおける変化に対応できるプロセス制御システムを実現することにある。
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、
プロセス制御システムにおける、二重化された制御ネットワークに接続するための第１のネットワークインタフェース及び第２のネットワークインタフェースと、ホストＯＳとを具備する電子機器において、
前記ホストＯＳは、
前記第１及び第２のネットワークインタフェースと接続し、予め規定された時間内に前記制御ネットワークを介して行われる他の機器と自装置とのリアルタイム通信を維持するリアルタイム通信部と、
ゲストＯＳと、このゲストＯＳで動作するアプリケーションソフトウェアとを備える仮想化部と、
を具備し、
前記リアルタイム通信部及び前記仮想化部は、同一のハードウェア上に搭載され、前記制御ネットワークにおけるリアルタイム通信の維持及び前記アプリケーションソフトウェアの動作を、互いに別のプロセスとして動作することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電子機器において、
前記リアルタイム通信部は、前記第１のネットワークインタフェースと接続される稼働中の一方の制御ネットワークにおける異常を検出する経路診断部と、この経路診断部の異常検出結果に基づいて、前記一方の制御ネットワークから前記第２のネットワークインタフェースと接続される待機中の他方の前記制御ネットワークに切り替える冗長化ネットワーク切替部とを備えることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の電子機器において、
前記リアルタイム通信部は、データ入出力部と、前記制御ネットワークを介して受信したプロセス制御に基づくデータの状態を確認するデータチェック部と、前記データに対して欠落を検出すると、前記制御ネットワークを介して前記データの送信元に再送信を指示するデータ要求部とを備えることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電子機器において、
前記リアルタイム通信部及び前記仮想化部を互いに別のプロセスとして動作するために、前記リアルタイム通信部及び前記仮想化部に前記ハードウェア上のマルチコアＣＰＵにおけるＣＰＵコアをそれぞれ割り当てることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子機器において、
前記電子機器は、プラントの制御および安全計装制御の少なくともいずれかを行うことを特徴とする。
これらにより、リアルタイム性と高信頼性とを確保した上で、長期化するプラントのライフサイクルにおける変化に対応できるプロセス制御システムを実現できる。
本発明の一実施例を示す構成説明図である。 リアルタイム通信部５３Ｂの具体的な機能構成例を示すブロック図である。 従来のプロセス制御システムの一例を示す構成説明図である。 従来のプロセス制御システムの他の例を示す構成説明図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。
図１において、ＰＣ５には、ハードウェアとして、制御ネットワーク３に接続するための汎用ＮＩＣ５１、ＮＩＣ用のインタフェースＮＩＣＩ／Ｆ５２などが設けられている。なお、ＰＣ５も汎用品であり、前述したような数年毎の世代交代が起こることを想定している。また、汎用ＮＩＣ５１は、ＴＣＰ/ＩＰ通信が行えるものとする。
ホストＯＳ５３には、仮想化部５３Ａやリアルタイム通信部５３Ｂなどが設けられている。
仮想化部５３Ａは、ゲストＯＳ５４およびアプリケーションソフトウェア５５を稼働させる。これらゲストＯＳ５４およびアプリケーションソフトウェア５５は、ハードウェアの世代交代に関わらず、組で維持されると想定している。これは、たとえばWindows（登録商標）ＸＰがWindows ８に世代交代するようなゲストＯＳの変更は、アプリケーションソフトウェアの更新も必要となる場合が多いことに基づく。
本発明では、ハードウェア（汎用ＮＩＣ５１、ＮＩＣ用インタフェースＮＩＣＩ／Ｆ５２など）とソフトウェア（ゲストＯＳ５４およびアプリケーションソフトウェア５５など）との間に、たとえば、Linux（登録商標）などのホストＯＳ５３を設けている。
このホストＯＳ５３上には、互いに完全に独立した別のプロセスとして動作する仮想化部５３Ａとリアルタイム通信部５３Ｂが設けられている。
ＰＣ５内においては多種多様な通信が行われているが、リアルタイム通信部５３Ｂは、制御ネットワーク３との通信のみをつかさどるものとする。
たとえばプロセス制御システムでは、制御ネットワーク３を経由して約１秒毎にコントローラなどの他のステーションからデータを取得し、アプリケーションソフトウェア上での演算処理結果を、コントローラなどの他のステーションに送信する。
ＮＩＣ用インタフェースＮＩＣＩ／Ｆ５２は、これらの動作に支障が生じないように数十ms以下で、欠落データの再取得や、異常発生時の冗長ネットワーク切り替えを実現する必要がある。
図２は、リアルタイム通信部５３Ｂの具体的な機能構成例を示すブロック図である。図２において、リアルタイム通信部５３Ｂは、データチェック部５３Ｂ１、データ再送要求部５３Ｂ２、データ入出力部５３Ｂ３、経路診断部５３Ｂ４、冗長化ネットワーク切換部５３Ｂ５などで構成されている。
データチェック部５３Ｂ１は、制御ネットワーク３を介して他のステーションから受信したデータをチェックし、データ欠落やパリティエラーの有無などを確認する。
データ再送要求部５３Ｂ２は、データチェック部５３Ｂ１でデータの欠落等が検知された場合、データチェック部５３Ｂ１からの指示に基づき、発信元に再送信を促す。
データ入出力部５３Ｂ３は、データ欠落などがないことをデータチェック部５３Ｂ１で確認済みの制御ネットワーク３からの入出力データを、仮想化部５３Ａに渡す。各データは、仮想化部５３Ａを介してゲストＯＳ５４やアプリケーションソフトウェア５５に入出力される。
経路診断部５３Ｂ４は、制御ネットワーク３に接続された他ステーションへの診断パケットの送受信レスポンスが規定時間内（たとえば５ｍｓ以内）に収まるか否かなどで、ネットワーク経路の状態を把握する。
冗長化ネットワーク切替部５３Ｂ５は、冗長化ネットワークバスの稼働側に異常が検知された場合、速やかに（例:10ms以内）に待機側に切り替える。
リアルタイム通信部５３Ｂは、以上のようなネットワーク通信路の維持確認に必須な機能のみに限定することにより、専用ネットワークカードを用いることなく、汎用ネットワークカードとホストＯＳ上に実装されたソフトウェアモジュールでありながら、高速性を確保するとともに、他機能からの影響の排除を実現している。
このように、仮想化部５３Ａとリアルタイム通信部５３Ｂとを完全に独立したプロセスに置くことにより、アプリケーションソフトウェアやゲストＯＳの状態、割込み状況などに影響を受けることなく、データの欠落などを防止できる。
また、ネットワーク異常などが発生した場合においても、瞬時のネットワーク切り替えにより、制御リアルタイム通信を継続することができる。このため、アプリケーションソフトウェアやゲストＯＳは、ネットワーク異常の発生を意識することなく、稼働状態を続けることができる。
リアルタイム通信部５３ＢをホストＯＳ上に置くことにより、汎用のＮＩＣを利用することができる。これにより、常に最新世代のＰＣやＮＩＣなどの技術革新の効用を享受できるとともに、旧世代品が入手できなかったり旧世代品は高価になるなどの調達面での課題が解決できる。
リアルタイム通信部５３Ｂとは分離された仮想化部５３ＡをホストＯＳ上に置き、仮想化部５３Ａ上にゲストＯＳやアプリケーションソフトウェアを置くことにより、たとえば旧世代のゲストＯＳやアプリケーションソフトウェアを使用し続けることができる。これにより、長期間に渡り、同一の操作性などを提供し続けることが可能となる。
たとえば無線ネットワークなど、ネットワークの技術革新は大きな変化をもたらしている。このような場合においても、リアルタイム通信部５３Ｂを更新するのみで、アプリケーションソフトウェアやゲストＯＳには影響を与えることなくネットワークの技術革新に適応できる。なお、アプリケーションは、ゲートウェイやエンジニアリングツールであってもよい。
なお、仮想化部５３Ａとは独立したプロセスであるリアルタイム通信部５３Ｂには、ＰＣ５のＣＰＵリソースを専有するように提供してもよい。また、マルチコアＣＰＵの場合には、リアルタイム通信部５３Ｂに独立したＣＰＵコアを割り付けてもよい。
これにより、リアルタイム通信部５３Ｂはより独立した動作が可能となり、他の部位の動作などの影響をさらに受け難くなる。
また、リアルタイム通信部５３Ｂと仮想化部５３Ａとの間に、ファイヤーウォールやウィルスチェックなどのセキュリティ確保部を設けてもよい。これにより、旧世代のＯＳであるゲストＯＳを、セキュリティの脅威から回避させることができる。
さらに、プロセス制御システムにおいては、制御データの他に、たとえば機器保全データなどを含む大量のデータが扱われることから、それぞれのデータ属性に見合った処理スケジューリングが求められる。
たとえば二重化ＮＩＣの片側が故障した場合には、ＮＩＣ切り替え動作が最優先で行われるべき処理である。そこでこの場合には、リアルタイム通信部に、優先制御や帯域制御などの機能を搭載しておき、プロセス制御システムに最適なＱｏＳの実現に必要な処理を実行させてもよい。
以上説明したように、本発明によれば、リアルタイム性と高信頼性とを確保した上で、長期化するプラントのライフサイクルにおける変化に対応できるプロセス制御システムを実現できる。
１ フィールド機器
２ コントローラ
３ 制御ネットワーク
５ ＰＣ
５１ 汎用ＮＩＣ
５２ インタフェースＮＩＣＩ／Ｆ
５３ ホストＯＳ
５３Ａ 仮想化部
５３Ｂ リアルタイム通信部
５４ ゲストＯＳ
５５ アプリケーションソフトウェア

Claims (5)

  1. プロセス制御システムにおける、二重化された制御ネットワークに接続するための第１のネットワークインタフェース及び第２のネットワークインタフェースと、ホストＯＳとを具備する電子機器において、
    前記ホストＯＳは、
    前記第１及び第２のネットワークインタフェースと接続し、予め規定された時間内に前記制御ネットワークを介して行われる他の機器と自装置とのリアルタイム通信を維持するリアルタイム通信部と、
    ゲストＯＳと、このゲストＯＳで動作するアプリケーションソフトウェアとを備える仮想化部と、
    を具備し、
    前記リアルタイム通信部及び前記仮想化部は、同一のハードウェア上に搭載され、前記制御ネットワークにおけるリアルタイム通信の維持及び前記アプリケーションソフトウェアの動作を、互いに別のプロセスとして動作することを特徴とする電子機器。
  2. 前記リアルタイム通信部は、前記第１のネットワークインタフェースと接続される稼働中の一方の制御ネットワークにおける異常を検出する経路診断部と、この経路診断部の異常検出結果に基づいて、前記一方の制御ネットワークから前記第２のネットワークインタフェースと接続される待機中の他方の前記制御ネットワークに切り替える冗長化ネットワーク切替部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
  3. 前記リアルタイム通信部は、データ入出力部と、前記制御ネットワークを介して受信したプロセス制御に基づくデータの状態を確認するデータチェック部と、前記データに対して欠落を検出すると、前記制御ネットワークを介して前記データの送信元に再送信を指示するデータ要求部とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子機器。
  4. 前記リアルタイム通信部及び前記仮想化部を互いに別のプロセスとして動作するために、前記リアルタイム通信部及び前記仮想化部に前記ハードウェア上のマルチコアＣＰＵにおけるＣＰＵコアをそれぞれ割り当てることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電子機器。
  5. 前記電子機器は、プラントの制御および安全計装制御の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子機器。
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