JP6888739B1 - Scadaウェブhmiシステム - Google Patents
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Abstract
Description
(1)HMI(Human Machine Interface)
HMIは、対象プロセス(監視対象装置)のデータをオペレータに提示し、オペレータがプロセスを監視し制御できるようにする機構である。例えば特許文献1には、SCADAクライアント上で動作するHMI画面を備えるSCADA HMIが開示されている。
(2)監視制御システム
監視制御システムは、プロセス上の信号データを収集し、プロセスに対して制御コマンドを送る。PLC(Programable Logic Controller)などによって構成される。
(3)遠方入出力装置(Remote Input Output:RIO)
遠方入出力装置は、プロセス内に設置されたセンサと接続し、センサの信号をデジタルのデータに変換し、そのデジタルデータを監視制御システムに送る。
(4)通信基盤
通信基盤は、監視制御システムと遠方入出力装置を接続する。
(1)ウェブブラウザは、パーソナルコンピュータ、タブレットPCなどの多くの端末機器に搭載されているため、様々な端末機器をSCADA HMIサブシステムとして利用可能である。
(2)ウェブブラウザは、高機能なレンダリング機能を有しており、アニメーションをはじめとする高度なGUIインタラクション機能を作り込み易い。
アクティブ/アクティブ構成は、すべての系統を常に稼働しておき、処理を分散させて各サーバの負荷を軽減する。クライアントごとに、プライマリサーバとセカンダリサーバが個別に設定される。
<全体構成>
図1は、SCADAのシステム構成を説明するための図である。SCADAは、ヒューマンマシンインターフェース(HMI)1、監視制御システムとしてのプログラマブルロジックコントローラ(以下、PLC2と記す。)、通信基盤(図示省略)、RIO(図示省略)をサブシステムとして備える。SCADAは、PLC2またはRIOを介して監視対象装置(図示省略)に接続する。
一般的なウェブアプリケーションでは、ウェブブラウザで動作するウェブコンテンツは、ウェブサーバから動的にロードされ動作する。そのため、クライアントには、ソフトウェアのインストールは不要である。そのため、ウェブアプリケーションのクライアントは、シンクライアントと呼ばれている。しかしながら、本実施形態に係るSCADA HMIのウェブアプリケーションでは、シンクライアントで運用することは難しい。以下、具体的に説明する。
(1)保守のため実行ログのディスクファイルへの書き込み
(2)プリンタへのアクセス
(3)実行マシン名の取得
(4)Windows(登録商標)アプリケーションの起動
こうしたクライアントデバイスへのアクセスを必要とする機能を実現するために、HMIクライアント20は、ウェブサーバ24上で常駐プロセス25(Windows(登録商標)サービス)を実行する。ウェブブラウザ21は、常駐プロセス25経由で、ウェブアプリケーションからは直接実行できないHMIクライアント20のデバイスにアクセスできる。
まず、サーバグループについて説明する。サーバグループは、サーバ冗長化を実現するためのサーバの集合である。同一のサーバグループに属するサーバ同士は、プライマリサーバとセカンダリサーバの関係を有する。サーバグループは、図2のようなサーバグループ情報テーブルで定義される。
また、ステップS104において、クライアント認証情報送信処理45(図3)は、ウェブHMIサーバ10へクライアント認証情報を送信する。
本実施形態によれば、ステップS103において入力されたクライアント認証情報は、(1)ウェブHMIサーバ10がHMIクライアント20の共有フォルダにアクセスするため、(2)HMIクライアント20がクライアント常駐プログラム17を常駐プロセス25(図1)として設定するため、の2つの用途に用いられる。すなわち、ステップS114において、ユーザはクライアント認証情報を再入力しなくてよいため、運用コストを低減できる。
次に、インストール後のクライアント−サーバ接続処理と、サーバ接続優先順リストの動的な配信処理について説明する。
サーバ接続優先順リストテーブル18は、割り当て順と、サーバ接続優先順リストと、割り当て先クライアントと、接続中フラグと、最終接続時刻とを関連付けた情報が複数格納されたテーブルである(図12)。図9では、そのうち、割り当て順とサーバ接続優先順リストのみを表している。
サーバ台数をnとしたときのサーバをSVR(i)とする(i=0,1,・・・,n−1)。
ここでiをこのサーバのサーバインデックスと呼ぶことにする。サーバSVRのサーバインデックスは、index(SVR)と表す。
以下の式が成り立つ。
index(SVR(i))=i
サーバ台数をnとしたときのk番目のサーバ接続優先順リストのi番目のサーバをS(n,k,i)とする。
ここで、
n>=2
k=0,1,・・・,n!−1
i=0,1,・・・,n−1
である。k<=n!−1であるのは、kがn!以上の場合は、kがn!以下の場合のサーバ接続優先順リストを繰り返し使えばよいからである。
m=(n!−1)×q+r (qは0以上の整数、r=0,1,・・・,n!−1)の場合は、S(n,m,i)=S(n,r,i)ということである。
n=2の場合は、以下のとおりである。
S(2,0,0)=SVR(0)
S(2,0,1)=SVR(1)
S(2,1,0)=SVR(1)
S(2,1,1)=SVR(0)
サーバ台数をn+1に拡張するために、P(n,k,i,b)を考える。これは、サーバ台数n+1の場合、サーバSVR(b)を起点にS(n,k,i)のサーバインデックス分だけシフトしたサーバを表す。厳密には以下のように定義される。
P(n,k,i,b)=SVR((b+index(S(n,k,i))+1)%(n+1))
ここで、x%yは、yを法としたxの剰余数を表す。例えば、4%3=1である。
また、それぞれの変数の範囲は、以下のとおりである。
n>=2
k=0,1,・・・,n!−1
i=0,1,・・・,n−1
b=0,1,・・・,n
例えば、n=2の場合には、以下のとおりである。
P(2,0,0,0)=SVR((0+0+1)%3)=SVR(1)
P(2,0,1,0)=SVR((0+1+1)%3)=SVR(2)
P(2,1,0,0)=SVR((0+1+1)%3)=SVR(2)
P(2,1,1,0)=SVR((0+0+1)%3)=SVR(1)
P(2,0,0,1)=SVR((1+0+1)%3)=SVR(2)
P(2,0,1,1)=SVR((1+1+1)%3)=SVR(0)
P(2,1,0,1)=SVR((1+1+1)%3)=SVR(0)
P(2,1,1,1)=SVR((1+0+1)%3)=SVR(2)
P(2,0,0,2)=SVR((2+0+1)%3)=SVR(0)
P(2,0,1,2)=SVR((2+1+1)%3)=SVR(1)
P(2,1,0,2)=SVR((2+1+1)%3)=SVR(1)
P(2,1,1,2)=SVR((2+0+1)%3)=SVR(0)
S(n+1,k,i)は、P(n,k,i,b)を使って表すことができる。
ここで、kの範囲は以下の通りである。
k=0,1,・・・,(n+1)!−1
したがって、k=(n+1)×q+rと表すことができる。
ここで、q、rの範囲は以下の通りである。
q=0,1,・・・,n!−1
r=0,1,・・・,n
i=0の場合、S(n+1,k,i)=SVR(r)
i=1,2,・・・,nの場合、S(n+1,k,i)=P(n,q,i−1,r)
P(n,k,i,b)の定義から、S(n+1,k,i)は、以下の漸化式で表すことができる。
n>=2の場合
k=(n+1)×q+rとすると、
i=0の場合、S(n+1,k,i)=SVR(r)
i=1,2,・・・,nの場合、S(n+1,k,i)=SVR((r+index(S(n,q,i−1))+1)%(n+1))
n=1の場合
S(n+1,0,0)=S(2,0,0)=SVR(0)
S(n+1,0,1)=S(2,0,1)=SVR(1)
S(n+1,1,0)=S(2,1,0)=SVR(1)
S(n+1,1,1)=S(2,1,1)=SVR(0)
この漸化式により、サーバ台数2以上の場合のすべてのサーバ接続優先順リストを求めることができる。
リストの数kがn!以上の場合のサーバ接続優先順リストテーブルは、kがn!の場合のサーバ接続優先順リストテーブルから生成される。kがn!の場合のサーバ接続優先順リストテーブルを基本優先順リストテーブルと定義する。
基本優先順リストテーブルを一巡使うと、また基本優先順リストテーブルを最初から使い始めることにより、クライアント台数がいくら多くなってもリストを生成できる。
サーバ台数nの場合、基本優先順リストの数は、n!である。n=2の場合は、2!=2。n=3の場合は、3!=6となり、図10の結果と一致する。
リストの一番目に来るサーバは、サーバ台数nの場合、n通りであり、2番目からn番目までのサーバは、サーバ台数n−1の場合の基本優先順リストを先述の漸化式を用いてそれぞれ対応させることにより、n×((n−1)!)=n!個の基本優先順リストを生成できる。
現在接続中のウェブHMIサーバ10が故障すると、HMIクライアント20はフェイルオーバ処理36を実行し、他のウェブHMIサーバ10に接続して運用を継続する。フェイルオーバ処理36は、現在接続中のウェブHMIサーバ10が非稼働状態となった場合に、サーバグループに属する少なくとも1つの稼働中のウェブHMIサーバ10のうち、サーバ接続優先順リストに定められた接続優先順位が最も高いウェブHMIサーバ10へコネクションを切り替える。HMIクライアント20は、死活監視処理33により、各ウェブHMIサーバ10の稼働状態を常に把握している。そのため、フェイルオーバ処理36は、稼働中のサーバへ即座にフェイルオーバすることができ、サーバ故障によるオペレーションへの影響を最小限に抑えることができる。
ウェブHMIサーバ10が復旧した場合には、HMIクライアント20はフェイルバック処理37を実行する。フェイルバック処理37は、HMIクライアント20が現在接続しているウェブHMIサーバ10よりも高い接続優先順位のウェブHMIサーバ10が稼働している場合に、高い接続優先順位のウェブHMIサーバ10へコネクションを切り替える。HMIクライアント20は、死活監視処理33により、各ウェブHMIサーバ10の稼働状態を常に把握している。そのため、故障していたサーバが復旧したことを認識できる。復旧したサーバが現在接続しているサーバよりも接続優先順位が高い場合、復旧したサーバに即座にフェイルバックすることができる。これにより、サーバが復旧した場合でも最適な負荷分散を維持できる。
図15は、ウェブHMIサーバ10およびHMIクライアント20が有するハードウェア構成例を示すブロック図である。
11 ウェブサーバ
13 サーバ情報配信プログラム
14 インストール用HTMLファイル
15 疑似シンクライアントインストーラ
16 サーバグループ情報テーブル
17 クライアント常駐プログラム
18 サーバ接続優先順リストテーブル
19 サーバインストーラ
20 HMIクライアント
21 ウェブブラウザ
22 HMI制御処理
23 クライアント制御処理
24 ウェブサーバ
25 常駐プロセス
26 クライアントリソース
28 サーバグループ情報
30 サーバグループ情報書込処理
31 テーブル共有処理
32 接続優先順リスト送信処理
33 死活監視処理
34 接続優先順リスト要求処理
35 サーバ接続処理
36 フェイルオーバ処理
37 フェイルバック処理
38 サーバグループ情報要求処理
39 インストーラ実行確認処理
40 権限昇格処理
41 PLC情報収集処理
42 共有フォルダ作成処理
43 常駐プロセス設定処理
44 テーブル管理処理
71 アドレスバー
81 通知バー
91 権限昇格ダイアログ
100a プロセッサ
100b メモリ
100c ネットワークインタフェース
100d 入力インタフェース
100e ディスプレイ
200a プロセッサ
200b メモリ
200c ネットワークインタフェース
200d 入力インタフェース
200e ディスプレイ
Claims (6)
- プラントの状態を表示するパーツが配置されたヒューマンマシンインターフェース(HMI)画面を表示するウェブブラウザを実行する複数のHMIクライアントと、
プログラマブルロジックコントローラに接続し、前記プログラマブルロジックコントローラから受信したPLC信号に応じて前記パーツの状態を更新する表示信号を前記ウェブブラウザへ送信する複数のウェブHMIサーバと、を備え、
前記複数のウェブHMIサーバのうち少なくとも2つは、同一のサーバグループに属する、SCADAウェブHMIシステムであって、
前記複数のウェブHMIサーバの各ウェブHMIサーバは、
少なくとも1つのプロセッサと、
プログラムを記憶するメモリと、を備え、
前記プログラムは、前記少なくとも1つのプロセッサにより実行されることで、前記少なくとも1つのプロセッサに、
サーバ接続優先順リストテーブルを前記サーバグループに属するすべての前記ウェブHMIサーバ間で共有するテーブル共有処理と、
前記HMIクライアントからリスト要求信号を受信した場合に、前記サーバ接続優先順リストテーブルに定められた割り当て順に従って、前記サーバグループに属するすべての前記ウェブHMIサーバの接続優先順を定めたサーバ接続優先順リストを送信する接続優先順リスト送信処理と、を含む処理を実行させ、
前記サーバ接続優先順リストテーブルは、複数の前記サーバ接続優先順リストのそれぞれについて、前記サーバグループに属する各前記ウェブHMIサーバに接続する前記HMIクライアントの数を均等に近づけるように前記割り当て順を定めており、
前記複数のHMIクライアントの各HMIクライアントは、
少なくとも1つのプロセッサと、
プログラムを記憶するメモリと、を備え、
前記プログラムは、前記少なくとも1つのプロセッサにより実行されることで、前記少なくとも1つのプロセッサに、
前記サーバグループに属するすべての前記ウェブHMIサーバの稼働状態を監視する死活監視処理と、
前記サーバグループに属するいずれか1つの前記ウェブHMIサーバへ、前記サーバ接続優先順リストを要求するための前記リスト要求信号を送信する接続優先順リスト要求処理と、
前記サーバ接続優先順リストを受信した場合に、前記サーバグループに属する少なくとも1つの稼働中の前記ウェブHMIサーバのうち、前記サーバ接続優先順リストに定められた接続優先順位が最も高い前記ウェブHMIサーバとコネクションを確立するサーバ接続処理と、
現在接続中の前記ウェブHMIサーバが非稼働状態となった場合に、前記サーバグループに属する少なくとも1つの稼働中の前記ウェブHMIサーバのうち、前記サーバ接続優先順リストに定められた接続優先順位が最も高い前記ウェブHMIサーバへコネクションを切り替えるフェイルオーバ処理と、を含む処理を実行させること、
を特徴とするSCADAウェブHMIシステム。 - 前記複数のウェブHMIサーバは、前記サーバグループに属する第1ウェブHMIサーバと第2ウェブHMIサーバとを含み、
前記サーバ接続優先順リストテーブルは、1番目に接続する前記HMIクライアントに割り当てられる第1サーバ接続優先順リストと、2番目に接続する前記HMIクライアントに割り当てられる第2サーバ接続優先順リストとを含み、
前記第1サーバ接続優先順リストは、前記第1ウェブHMIサーバ、前記第2ウェブHMIサーバの順に接続優先順が定められており、
前記第2サーバ接続優先順リストは、前記第2ウェブHMIサーバ、前記第1ウェブHMIサーバの順に接続優先順が定められていること、
を特徴とする請求項1記載のSCADAウェブHMIシステム。 - 前記複数のウェブHMIサーバは、前記サーバグループに属する第1ウェブHMIサーバと第2ウェブHMIサーバと第3ウェブHMIサーバとを含み、
前記サーバ接続優先順リストテーブルは、1番目に接続する前記HMIクライアントに割り当てられる第1サーバ接続優先順リストと、2番目に接続する前記HMIクライアントに割り当てられる第2サーバ接続優先順リストと、3番目に接続する前記HMIクライアントに割り当てられる第3サーバ接続優先順リストと、4番目に接続する前記HMIクライアントに割り当てられる第4サーバ接続優先順リストと、5番目に接続する前記HMIクライアントに割り当てられる第5サーバ接続優先順リストと、6番目に接続する前記HMIクライアントに割り当てられる第6サーバ接続優先順リストと、を含み、
前記第1サーバ接続優先順リストは、前記第1ウェブHMIサーバ、前記第2ウェブHMIサーバ、前記第3ウェブHMIサーバの順に接続優先順が定められており、
前記第2サーバ接続優先順リストは、前記第2ウェブHMIサーバ、前記第3ウェブHMIサーバ、前記第1ウェブHMIサーバの順に接続優先順が定められており、
前記第3サーバ接続優先順リストは、前記第3ウェブHMIサーバ、前記第1ウェブHMIサーバ、前記第2ウェブHMIサーバの順に接続優先順が定められており、
前記第4サーバ接続優先順リストは、前記第1ウェブHMIサーバ、前記第3ウェブHMIサーバ、前記第2ウェブHMIサーバの順に接続優先順が定められており、
前記第5サーバ接続優先順リストは、前記第2ウェブHMIサーバ、前記第1ウェブHMIサーバ、前記第3ウェブHMIサーバの順に接続優先順が定められており、
前記第6サーバ接続優先順リストは、前記第3ウェブHMIサーバ、前記第2ウェブHMIサーバ、前記第1ウェブHMIサーバの順に接続優先順が定められていること、
を特徴とする請求項1記載のSCADAウェブHMIシステム。 - 前記HMIクライアントの前記プログラムは、前記少なくとも1つのプロセッサに、
対象サーバ名を含むURLにより指定された前記ウェブHMIサーバである対象ウェブHMIサーバへ、前記サーバグループが定められたサーバグループ情報を要求するためのサーバグループ情報要求信号を送信するサーバグループ情報要求処理と、
前記HMIクライアントのアカウント名とパスワードを含むクライアント認証情報を送信するクライアント認証情報送信処理と、
前記対象ウェブHMIサーバから前記ウェブブラウザへ、疑似シンクライアントインストーラをダウンロードし、前記疑似シンクライアントインストーラを実行するための通知バーを表示するインストーラ実行確認処理と、
前記通知バーに対して前記疑似シンクライアントインストーラの実行を許可する操作がされた場合に、前記HMIクライアントの管理者権限を付与するための権限昇格ダイアログを表示する権限昇格処理と、
前記権限昇格ダイアログに対して権限昇格を許可する操作がされた場合に、前記ウェブHMIサーバから前記クライアント認証情報が入力されることで前記ウェブHMIサーバからアクセス可能な共有フォルダを作成する共有フォルダ作成処理と、
クライアント常駐プログラムを前記ウェブHMIサーバから前記共有フォルダへコピーし、前記共有フォルダに書き込まれた前記クライアント認証情報を用いて前記クライアント常駐プログラムを常駐プロセスとして設定する常駐プロセス設定処理と、を含む処理を実行させ、
前記ウェブHMIサーバの前記プログラムは、前記少なくとも1つのプロセッサに、
前記サーバグループ情報要求信号を受信した場合に、前記対象ウェブHMIサーバが属する前記サーバグループのすべてのサーバ名が定められた前記サーバグループ情報が前記共有フォルダに書き込まれるまで、前記サーバグループ情報の書き込みを繰り返すサーバグループ情報書込処理と、
前記クライアント認証情報を受信した場合に、前記クライアント認証情報が前記共有フォルダに書き込まれるまで、前記クライアント認証情報の書き込みを繰り返すクライアント認証情報書込処理と、を含む処理を実行させること、
を特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のSCADAウェブHMIシステム。 - 前記HMIクライアントの前記プログラムは、前記少なくとも1つのプロセッサに、
現在接続中の前記ウェブHMIサーバよりも高い接続優先順位の前記ウェブHMIサーバが稼働している場合に、前記高い接続優先順位の前記ウェブHMIサーバへコネクションを切り替えるフェイルバック処理、を含む処理を実行させること、
を特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のSCADAウェブHMIシステム。 - 前記HMIクライアントの前記プログラムは、前記少なくとも1つのプロセッサに、
前記フェイルオーバ処理または前記フェイルバック処理を実行した場合に、コネクションを切り替える前に前記ウェブブラウザに表示されていた前記HMI画面に配置された前記パーツの状態情報を前記プログラマブルロジックコントローラから収集するように、コネクションを切り替えた後の前記ウェブHMIサーバへ要求するPLC情報収集処理、を含む処理を実行させること、
を特徴とする請求項5記載のSCADAウェブHMIシステム。
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