JP7095671B2 - プラントシステムおよび方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プラントシステムおよび方法に関する。
従来、複数の分散制御ノード(DCN:Distributed Control Node)を用いて産業プロセスを制御する分散制御システム(DCS:Distributed Control System)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 米国特許出願公開第2016/0065656号明細書
特許文献1では、複数のDCNが、複数のスイッチやルータを介して、有線により個々のサーバ等の上位システムとそれぞれ接続されている。しかしながら、複数のコントローラを上位システムとの間で通信可能にするにあたって、ネットワークの構築を簡略化することが望ましい。
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、プラントシステムを提供する。プラントシステムは、ネットワークに接続されたアクセスノードを備えてよい。プラントシステムは、プラントに設けられた複数のフィールド機器を分散して制御する複数のコントローラを備えてよい。プラントシステムは、複数のコントローラを複数のグループにグループ化したそれぞれのグループに設けられ、対応するグループ内の各コントローラと有線により接続され、各コントローラとアクセスノードとの間を無線により接続する無線通信ユニットを備えてよい。
無線通信ユニットは、グループ内に複数設けられており、各コントローラとアクセスノードとの間を、複数の無線通信ユニットを介して無線により接続してよい。
複数の無線通信ユニットは、グループ内における異なる位置にそれぞれ設けられていてよい。
アクセスノードは、複数の送受信部を有しており、各コントローラとアクセスノードとの間を、複数の送受信部を介して無線により接続してよい。
複数の送受信部は、プラント内における異なる位置にそれぞれ設けられていてよい。
アクセスノードは、各コントローラとの間における通信の要件に応じて、QoS制御を実行してよい。
各コントローラは、トラフィックの伝送に失敗した旨の通知を無線通信ユニットから受けた場合に、トラフィックを保存してよい。
各コントローラは、トラフィックのうち、リアルタイム性が要求されるトラフィックを破棄してよい。
無線通信ユニットおよびアクセスノードの少なくともいずれか一方は、複数の経路を介して到達した冗長なデータを1つのデータに集約してよい。
無線通信ユニットは、対応するグループ内の各コントローラを識別するコントローラIDを参照し、コントローラIDに基づいて、各コントローラへのトラフィックを送信してよい。
アクセスノードは、各コントローラを識別するコントローラIDと、各コントローラがアクセスノードとの接続に用いる無線通信ユニットを識別する無線通信ユニットIDとの対応付けを参照し、コントローラIDおよび無線通信ユニットIDに基づいて、各コントローラへのトラフィックを、対応する無線通信ユニットへ送信してよい。
本発明の第2の態様においては、方法を提供する。方法は、ネットワークに接続されたアクセスノードと、プラントに設けられた複数のフィールド機器を分散して制御する複数のコントローラと、複数のコントローラを複数のグループにグループ化したそれぞれのグループに設けられ、対応するグループ内の各コントローラと有線により接続された無線通信ユニットと、を備え、各コントローラとアクセスノードとの間を、無線通信ユニットを介して、無線により接続してよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本実施形態に係るプラントシステム10を示す。 本実施形態に係るプラントシステム10を初期設定するフローの一例を示す。 本実施形態に係るプラントシステム10を用いて、無線通信を行うフローの一例を示す。 本実施形態の他の変形例に係るプラントシステム10を示す。 本発明の複数の態様が全体的または部分的に具現化されてよいコンピュータ2200の例を示す。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、本実施形態に係るプラントシステム10を示す。プラントシステム10では、プラントに設けられた複数のフィールド機器を、複数のコントローラを用いて分散して制御する。この際、本実施形態に係るプラントシステム10においては、複数のコントローラと、ネットワークに接続されたアクセスノードとの間を、無線により接続することによって、複数のコントローラをネットワークとの間で通信可能にする。
本実施形態においては、プラントシステム10が、無線通信技術として、ローカル5G(第5世代移動通信システム)を用いる場合を一例として説明する。しかしながら、これに限定されるものではない。プラントシステム10は、無線通信技術として、LTE-A、LTE、WiMAX、XGP、HSPA、W-CDMA、CDMA2000、cdmaOne、PHS、GSM(登録商標)、および、PDC等、ローカル5Gとは異なる他の無線通信技術を用いてもよい。
また、本実施形態に係るプラントシステム10が制御対象とするプラントは、例えば、化学等の工業プラントの他、ガス田や油田等の井戸元やその周辺を管理制御するプラント、水力・火力・原子力等の発電を管理制御するプラント、太陽光や風力等の環境発電を管理制御するプラント、および、上下水やダム等を管理制御するプラント等であってよい。
プラントシステム10は、ネットワーク100、アクセスノード110、フィールド機器120、コントローラ130、および、無線通信ユニット140を備える。
ネットワーク100は、アクセスノード110よりも上位の通信網である。一例として、ネットワーク100は、コアネットワーク、および、IPネットワークを有してよい。コアネットワークは、交換機および加入者情報管理装置などで構成されるネットワークである。IPネットワークは、インターネットプロトコル技術を用いて相互接続されたコンピュータネットワークである。IPネットワークには、様々なコンピュータやサーバ(「上位システム」ともいう。)が接続されている。
アクセスノード110は、ネットワーク100に接続されている。より詳細には、アクセスノード110は、コアネットワークに接続され、コアネットワークを介してIPネットワークとの間で通信可能である。アクセスノード110は、例えば、ローカル5GにおけるgNBであってよい。
アクセスノード110は、1つの信号処理部112と、複数の送受信部114x、114y、および、114z(「送受信部114」と総称する。)と、を有する。信号処理部112と複数の送受信部114のそれぞれとは、例えば、CPRI(Common Public Radio Interface)に準拠した光インターフェイス等で接続されている。これにより、プラントシステム10は、各コントローラ130とアクセスノード110との間を、複数の送受信部114を介して無線により接続することができ、無線通信経路を冗長化することができる。これについては後述する。なお、無線通信経路を冗長化する場合、無線通信ユニット140およびアクセスノード110の少なくともいずれか一方は、複数の経路を介して到達した冗長なデータを1つのデータに集約してもよい。本図においては、アクセスノード110が3つの送受信部114x~114zを有する場合を一例として示したが、これに限定されるものではない。アクセスノード110は、3つよりも多い、または、少ない送受信部114を有していてもよい。
信号処理部112は、光インターフェイス等により複数の送受信部114に接続されている。また、信号処理部112は、ネットワーク100に接続されている。より詳細には、信号処理部112は、コアネットワークに接続され、コアネットワークを介してIPネットワークとの間で通信可能である。信号処理部112は、例えば、gNBにおけるCU(Central Unit)およびDU(Distributed Unit)であってよい。一例として、信号処理部112は、デジタルベースバンド信号処理、コアネットワークとの接続に使用されるNGインターフェイスの終端処理、隣接gNBとの接続に使用されるXnインターフェイスの終端処理、呼処理、および、監視制御処理を行う。信号処理部112は、IPネットワークからコアネットワークを介して受信したIPパケットをデジタルベースバンド信号に変調して、複数の送受信部114へ供給する。また、信号処理部112は、複数の送受信部114から供給されたデジタルベースバンド信号を復調して、コアネットワークを介してIPネットワークへIPパケットを送信する。
送受信部114は、光インターフェイス等により信号処理部112に接続されている。送受信部114は、例えば、gNBにおけるRRU(Remote Radio Unit)であってよい。送受信部114は、信号処理部112から供給されたデジタルベースバンド信号をRF(Radio Frequency)信号に変換し、電力増幅して無線通信ユニット140へ送信する。また、送受信部114は、無線通信ユニット140から受信したRF信号を増幅し、デジタルベースバンド信号に変換して信号処理部112へ供給する。
ここで、複数の送受信部114x、114y、および、114zは、プラント内における異なる位置にそれぞれ設けられていてよい。そして、複数の送受信部114x、114y、および、114zがそれぞれカバーするカバレッジエリアによって、プラント全体、または、プラントの一部の区画全体が網羅されていてよい。この際、複数の送受信部114x、114y、および、114zがそれぞれカバーするカバレッジエリアの少なくとも一部は、重なっていてもよい。これにより、プラントシステム10は、1つの送受信部114では無線通信ユニット140との間で安定した見通しが恒常的に、または、一時的に得られない場合であっても、他の送受信部114を用いて、無線通信ユニット140との間の通信を遂行することができる。また、プラントシステム10は、異なる位置に設けられた複数の送受信部114を用いて同一のトラフィックを送信、または、受信することで、ダイバーシティ効果を得ることができる。
フィールド機器120は、例えば、圧力計、流量計、温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、プラント内の状況や対象物を撮影するカメラやビデオ等の撮像機器、プラント内の異音等を収集したり警報音等を発したりするマイクやスピーカ等の音響機器、および、各機器の位置情報を出力する位置検出機器等であってよい。本実施形態に係るプラントシステム10が制御対象とするプラントには、このようなフィールド機器120が複数設けられている。本図においては、n個のフィールド機器120a1~120an、および、m個のフィールド機器120b1~120bm(「フィールド機器120」と総称する。)がプラントに設けられている場合を一例として示す。
ここで、例えば、フィールド機器120a1や120b1等は、センサ機器、撮像機器、音響機器、および、位置検出機器等のプラント内で生じたデータを出力する機器であってよい。一方、例えば、フィールド機器120a4や120b3等は、バルブ機器、および、アクチュエータ機器等の入力されたデータに応じてプラント内の一部を制御する機器であってよい。
コントローラ130は、フィールド機器120に接続され、フィールド機器120を制御する。本実施形態に係るプラントシステム10には、このようなコントローラ130が複数設けられている。そして、複数のコントローラ130が、プラントに設けられた複数のフィールド機器120を分散して制御する。本図においては、プラントシステム10が、n個のコントローラ130a1~130an、および、m個のコントローラ130b1~130bm(「コントローラ130」と総称する。)を備えており、1つのフィールド機器120に対して、1つのコントローラ130が1対1に接続されている場合を一例として示す。すなわち、例えば、コントローラ130a1は、フィールド機器120a1に接続され、フィールド機器120a1を制御する。同様に、例えば、コントローラ130b1は、フィールド機器120b1に接続され、フィールド機器120b1を制御する。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、複数のコントローラ130のうちの幾つかのフィールド機器120に対して、1つのコントローラが1対多に接続され、1つのコントローラが複数のコントローラ130のうちの幾つかのフィールド機器120を制御してもよい。
ここで、複数のコントローラ130は複数のグループにグループ化される。この際、例えば、複数のコントローラ130のうち、近傍に位置する一群のコントローラ130によって1つのグループが形成されてよい。一例として、本図においては、近傍に位置するn個のコントローラ130a1~130anによってグループAが形成され、近傍に位置するm個のコントローラ130b1~130bmによってグループBが形成されている。なお、複数のコントローラを区分するグループの数は、制御対象とするプラントのサイズ、フィールド機器120の数、および、コントローラ130の数等に応じて適宜決定されてよい。
無線通信ユニット140は、複数のコントローラ130を複数のグループにグループ化したそれぞれのグループに設けられ、対応するグループ内の各コントローラ130と有線により接続され、各コントローラ130とアクセスノード110との間を無線により接続する。プラントシステム10において、このような無線通信ユニット140は、グループ内に複数設けられていてよい。そして、各コントローラ130は、グループ内に設けられた複数の無線通信ユニット140の全てと有線により接続されてよい。一例として、グループAには、無線通信ユニット140axおよび140ay(「無線通信ユニット140a」と総称する。)が設けられており、各コントローラ130a1~130anは、無線通信ユニット140axおよび140ayの両者と有線により接続されている。同様に、グループBには、無線通信ユニット140bxおよび140by(「無線通信ユニット140b」と総称する。また、特に区別する必要がない場合、無線通信ユニット140aおよび140bを「無線通信ユニット140」と総称する。)が設けられており、各コントローラ130b1~130bmは、無線通信ユニット140bxおよび140byの両者と有線により接続されている。これにより、各コントローラ130とアクセスノード110との間を、複数の無線通信ユニット140を介して無線により接続することができ、無線通信経路を冗長化することができる。これについては後述する。なお、無線通信経路を冗長化する場合、無線通信ユニット140およびアクセスノード110の少なくともいずれか一方は、複数の経路を介して到達した冗長なデータを1つのデータに集約してもよい。
ここで、複数の無線通信ユニット140は、グループ内における異なる位置にそれぞれ設けられていてよい。すなわち、グループAにおいて、無線通信ユニット140axおよび無線通信ユニット140ayは異なる位置にそれぞれ設けられていてよい。同様に、グループBにおいて、無線通信ユニット140bxおよび無線通信ユニットbyは異なる位置にそれぞれ設けられていてよい。これにより、プラントシステム10は、1つの無線通信ユニット140ではアクセスノード110との間で安定した見通しが恒常的に、または、一時的に得られない場合であっても、他の無線通信ユニット140を用いて、アクセスノード110との間の通信を遂行することができる。また、プラントシステム10は、異なる位置に設けられた複数の無線通信ユニット140を用いて同一のトラフィックを送信、または、受信することで、ダイバーシティ効果を得ることができる。
ここで、無線通信ユニット140を、対応するグループ内の各コントローラ130と有線により接続するにあたっては、無線通信ユニット140と各コントローラ130との間を間接的に有線接続してもよい。すなわち、グループAに示されるように、各コントローラ130a1~130anをそれぞれ数珠つなぎに有線接続し、無線通信ユニット140axおよび140ayを、1または複数のコントローラ130を介して各コントローラ130a1~130anと有線により接続してもよい。この場合、各コントローラ130は、ネットワーク上の下位に位置するコントローラ130から受信したトラフィックを、ネットワーク上の上位に位置するコントローラ130へ中継してよい。これにより、無線通信ユニット140axおよび140ayと各コントローラ130a1~130anとの間を有線接続するにあたって、配線長を短くすることができ、ケーブリングを簡略化することができる。これに代えて、グループBに示されるように、無線通信ユニット140bxおよび140byと各コントローラ130b1~130bmとの間を直接的に有線接続してもよい。これにより、無線通信ユニット140bxおよび140byと各コントローラ130b1~130bmとの間の通信を、他のコントローラ130が中継する制御を省略することができる。
このようなプラントシステム10では、各コントローラ130と上位システムとの間、および、各コントローラ130間において、様々なトラフィックが伝送される。例えば、各コントローラ130から上位システムへ、IIoTデータ解析用の通信が行われる。このようなIIoTデータ解析用の通信において伝送されるトラフィックは、一般に、データ量は大きいが、信頼性やリアルタイム性はそれほど求められない。また、各コントローラ130と上位システムとの間で、アセット管理用の通信が行われる。このようなアセット管理用の通信において伝送されるトラフィックは、一般に、間欠的でよいが、ある程度の信頼性が求められる。また、例えば、あるセンサからのデータに応じてアクチュエータを制御する場合等においては、各コントローラ130間で、クローズドループ制御用の通信が行われる。このようなクローズドループ制御用の通信において伝送されるトラフィックは、一般に、データ量は少ないが、高い到達性およびリアルタイム性が求められる。本実施形態に係るプラントシステム10は、このような多種多様なトラフィックを、要求される条件を満たすようにそれぞれ伝送する。
図2は、本実施形態に係るプラントシステム10を初期設定するフローの一例を示す。ステップ210において、例えば、作業員は、プラントに設けられた複数のフィールド機器120と複数のコントローラ130とを有線により接続する。一例として、作業員は、複数のフィールド機器120a1~120anおよび120b1~120bmと、複数のコントローラ130a1~130anおよび130b1~130bmとを、1対1に接続する。
ステップ220において、例えば、作業員は、複数のコントローラ130を複数のグループにグループ化する。この際、作業員は、例えば、近傍に位置する一群のコントローラ130を1つのグループとする。一例として、作業員は、近傍に位置するn個のコントローラ130a1~130anをグループAとし、近傍に位置するm個のコントローラ130b1~130bmをグループBとする。
ステップ230において、例えば、作業員は、ステップ220においてグループ化されたグループ内の各コントローラ130と無線通信ユニット140とを有線により接続する。この際、作業員は、例えば、グループAに属する各コントローラ130a1~130anをそれぞれ数珠つなぎに有線接続する。また、作業員は、グループAの一端に位置するコントローラ130a1と無線通信ユニット140axとを一体に接続する。同様に、作業員は、グループAの他端に位置するコントローラ130anと無線通信ユニット140ayとを一体に接続する。また、作業員は、グループBに属する各コントローラ130b1~130bmとグループBの一端に位置する無線通信ユニット140bxとを有線によりそれぞれ接続する。同様に、作業員は、グループBに属する各コントローラ130b1~130bmとグループBの他端に位置する無線通信ユニット140byとを有線によりそれぞれ接続する。
ステップ240において、例えば、作業員は、IPネットワーク上のサーバにアクセスして、各フィールド機器120と、各フィールド機器120に接続されたコントローラ130を識別する各コントローラIDとをそれぞれ対応付ける。
ステップ250において、例えば、作業員は、同サーバにアクセスして、各コントローラIDと、無線通信ユニット140を識別する各無線通信ユニットIDとをそれぞれ対応付ける。この際、グループ内に複数の無線通信ユニット140が設けられている場合、作業員は、例えば、各コントローラ130から近い順に、優先的にアクセスノード110との接続に用いる無線通信ユニット140として、当該無線通信ユニット140のIDを、各コントローラIDと対応付ける。
ステップ260において、例えば作業員は、ステップ220におけるグループ化に基づいて、各コントローラIDと、グループを識別する各グループIDとをそれぞれ対応付ける。なお、各コントローラIDと各グループIDとをそれぞれ対応付ける場合、プラントシステム10は、当該対応付けに基づいて、同一のグループ内に属する複数のコントローラ130に対して同報通信を行ってもよい。例えば、アクセスノード110は、アプリケーションサーバからグループA宛のトラフィックを受信した場合、当該対応付けに基づいて、グループAに属する複数のコントローラ130a1~130anに対して、当該トラフィックを同報送信してもよい。これにより、例えば、IPネットワーク上のサーバは、どのフィールド機器120がどのコントローラ130に接続されており、どのコントローラ130がどのグループに属し、どの無線通信ユニット140をアクセスノード110との接続に優先的に用いるかを示すマッピングテーブルを記憶することができる。このようなマッピングテーブルを、IPネットワーク上のサーバに記憶しておき、無線通信ユニット140およびアクセスノード110の少なくともいずれかは、当該サーバを適宜アクセスすることによって、マッピングテーブルを参照してもよい。これに代えて、または、加えて、無線通信ユニット140およびアクセスノード110の少なくともいずれかは、当該サーバからマッピングテーブルの一部または全部を取得して記憶し、自身に記憶されているマッピングテーブルを参照してもよい。
図3は、本実施形態に係るプラントシステム10を用いて、無線通信を行うフローの一例を示す。ステップ310において、コントローラ130およびアクセスノード110は、要求条件に応じて通信を開始する。例えば、アクセスノード110は、上位システムまたは各コントローラ130からトラフィックの伝送要求を受けると、伝送されるトラフィックの要求条件を確認する。
そして、アクセスノード110は、要求条件に応じて、トラフィックの優先制御を実行し、アクセスノード110と各コントローラ130との間でトラフィックを伝送するために用いられる無線リソースの割り当てを行う。例えば、アクセスノード110は、伝送すべき複数のトラフィックが存在する場合に、リアルタイム性が要求されるトラフィックに対して優先的に無線リソースを割り当てる。
また、アクセスノード110は、要求条件に応じて、トラフィック毎に伝送可能な上限回数をそれぞれ設定する。例えば、アクセスノード110は、高い到達性が求められるトラフィックに対しては、上限回数を比較的多く設定する。
また、アクセスノード110は、要求条件に応じて、トラフィック毎に伝送経路をそれぞれ設定する。例えば、アクセスノード110は、高い信頼性が求められるトラフィックに対しては、複数の経路を設定し、無線通信経路を冗長化する。
アクセスノード110は、決定した、無線リソース割り当て、上限回数、および、伝送経路等の情報を、無線通信ユニット140へ通知する。そして、無線通信ユニット140およびアクセスノード110は、当該情報に従って通信を行う。このようにして、アクセスノード110は、各コントローラ130との間における通信の要件に応じて、無線アクセスネットワークにおいてQoS(Quality of Service)制御を実行する。
なお、当該通信を行うにあたっては、無線通信ユニット140およびアクセスノード110は、例えば、上述のマッピングテーブルを参照して、トラフィックの宛先を特定してよい。すなわち、無線通信ユニット140は、対応するグループ内の各コントローラ130を識別するコントローラIDを参照し、当該コントローラIDに基づいて、各コントローラへ130のトラフィックを送信してよい。また、アクセスノード110は、各コントローラ130を識別するコントローラIDと、各コントローラ130がアクセスノード110との接続に用いる無線通信ユニット140を識別する無線通信ユニットIDとの対応付けを参照し、当該コントローラIDおよび無線通信ユニットIDに基づいて、各コントローラ130へのトラフィックを、対応する無線通信ユニット140へ送信してよい。
一例として、プラントシステム10において、IPネットワーク上のアプリケーションサーバから、フィールド機器120a2のセンサデータをIIoT解析用に収集する要求があったとする。この場合、アクセスノード110は、当該要求を、コアネットワークを介して取得する。そして、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、当該要求に含まれるフィールド機器120a2がコントローラ130a2に接続されていることを特定する。また、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、コントローラa2がグループAに属し、無線通信ユニット140axをアクセスノード110との接続に優先的に用いることを特定する。これにより、アクセスノード110は、送受信部114x、無線通信ユニット140ax、および、コントローラ130a1を介してコントローラ130a2へ、フィールド機器120a2のセンサデータを要求する。そして、コントローラ130a2は、フィールド機器120a2からセンサデータを取得し、それをコントローラ130a1、無線通信ユニット140ax、および、送受信部114xを介してアクセスノード110へ送信する。これにより、アクセスノード110は、フィールド機器120a2のセンサデータを、コアネットワークを介してIPネットワーク上のアプリケーションサーバへ送信する。
他の一例として、プラントシステム10において、IPネットワーク上のアプリケーションサーバから、フィールド機器120b2のアセット管理用の通信要求があったとする。この場合、アクセスノード110は、当該要求を、コアネットワークを介して取得する。そして、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、当該要求に含まれるフィールド機器120b2がコントローラ130b2に接続されていることを特定する。また、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、コントローラ130b2がグループBに属し、無線通信ユニット140bxをアクセスノード110との接続に優先的に用いることを特定する。これにより、アクセスノード110は、送受信部114z、および、無線通信ユニット140bxを介してコントローラ130b2へ、フィールド機器120b2のアセット管理用の通信を要求する。また、アクセスノード110は、送受信部114y、および、無線通信ユニット140bxを介してコントローラ130b2へ、フィールド機器120b2のアセット管理用の通信を要求する。さらに、アクセスノード110は、送受信部114z、および、無線通信ユニット140byを介してコントローラ130b2へ、フィールド機器120b2のアセット管理用の通信を要求する。そして、コントローラ130b2は、フィールド機器120b2からアセット管理用のデータを取得し、それを無線通信ユニット140bx、および、送受信部114zを介してアクセスノード110へ送信する。また、コントローラ130b2は、フィールド機器120b2からのアセット管理用のデータを、無線通信ユニット140bx、および、送受信部114yを介してアクセスノード110へ送信する。さらに、コントローラ130b2は、フィールド機器120b2からのアセット管理用のデータを、無線通信ユニット140by、および、送受信部114zを介してアクセスノード110へ送信する。この際、アクセスノード110は、複数の経路を介してデータが到達した場合、複数の経路を介して到達した冗長なデータを1つのデータに集約(選択または合成)する。そして、アクセスノード110は、フィールド機器120b2のアセット管理用のデータを、コアネットワークを介してIPネットワーク上のアプリケーションサーバへ送信する。
また、他の一例として、プラントシステム10において、IPネットワーク上のアプリケーションサーバから、フィールド機器120a3のセンサデータに応じて、例えばアクチュエータであるフィールド機器120a4をクローズドループ制御する要求があったとする。この場合、アクセスノード110は、当該要求を、コアネットワークを介して取得する。そして、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、当該要求に含まれるフィールド機器120a3がコントローラ130a3に接続されていることを特定する。また、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、コントローラ130a3がグループAに属し、無線通信ユニット140axをアクセスノード110との接続に優先的に用いることを特定する。これにより、アクセスノード110は、送受信部114x、無線通信ユニット140ax、コントローラ130a1、および、コントローラ130a2を介してコントローラ130a3へ、フィールド機器120a3のセンサデータを要求する。そして、コントローラ130a3は、フィールド機器120a3からセンサデータを取得し、それをコントローラ130a2、および、コントローラ130a1を介して、無線通信ユニット140axへ送信する。ここで、無線通信ユニット140axは、マッピングテーブルを参照して、フィールド機器120a4がコントローラ130a4に接続されていることを特定する。また、無線通信ユニット140axは、マッピングテーブルを参照して、コントローラ130a4が、自身が管理するグループAに属していることを特定する。これにより、無線通信ユニット140axは、フィールド機器120a3のセンサデータを、コントローラ130a1、コントローラ130a2、および、コントローラ130a3を介して、コントローラ130a4へ送信する。そして、コントローラ130a4は、フィールド機器120a3のセンサデータに応じて、例えばアクチュエータであるフィールド機器120a4を制御する。なお、上述の説明では、コントローラ130a3とコントローラ130a4との通信を無線通信ユニット140axが仲介する場合を一例と示したが、これに限定されるものではない。同じグループ内のコントローラ130間で直接通信が可能な場合には、例えば、コントローラ130a3は、フィールド機器120a3のセンサデータを、コントローラ130a4へ直接送信してもよい。
また、他の一例として、プラントシステム10において、IPネットワーク上のアプリケーションサーバから、フィールド機器120a1が検知した異音に応じて、例えばバルブであるフィールド機器120b3を制御する要求があったとする。この場合、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、当該要求に含まれるフィールド機器120a1がコントローラ130a1に接続されていることを特定する。また、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、コントローラ130a1がグループAに属し、無線通信ユニット140axをアクセスノード110との接続に優先的に用いることを特定する。同様に、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、当該要求に含まれるフィールド機器120b3がコントローラ130b3に接続されていることを特定する。また、アクセスノード110は、マッピングテーブルを参照して、コントローラ130b3がグループBに属し、無線通信ユニット140bxをアクセスノード110との接続に優先的に用いることを特定する。これにより、アクセスノード110は、送受信部114x、および、無線通信ユニット140axを介してコントローラ130a1へ、フィールド機器120a1が異音を検知したことを通知する要求を送信する。そして、コントローラ130a1は、フィールド機器120a1が異音を検知した場合に、異音を検知した旨の報告を、無線通信ユニット140ax、および、送受信部114xを介して、アクセスノード110へ送信する。そうすると、アクセスノード110は、当該報告を、送受信部114z、無線通信ユニット140bxを介して、コントローラ130b3へ送信する。そして、コントローラ130b3は、フィールド機器120a1が異音を検知したことに応じて、例えばバルブであるフィールド機器120b3を制御する。
ステップ320において、無線通信ユニット140またはアクセスノード110は、トラフィックの伝送に成功したか否かを判定する。例えば、無線通信ユニット140は、アクセスノード110にトラフィックをアップリンク伝送したことに応じて、当該トラフィックに対応する確認応答(ACK:ACKnowledgement)をアクセスノード110から受信した場合に、トラフィックの伝送に成功したと判定する。同様に、アクセスノード110は、無線通信ユニット140にトラフィックをダウンリンク伝送したことに応じて、当該トラフィックに対応するACKを無線通信ユニット140から受信した場合に、トラフィックの伝送に成功したと判定する。無線通信ユニット140またはアクセスノード110は、トラフィックの伝送に成功したと判定した場合に、処理を終了する。
一方、無線通信ユニット140は、アクセスノード110にトラフィックをアップリンク伝送したことに応じて、当該トラフィックに対する否定応答(NACK:Negative ACKnowledgement)をアクセスノード110から受信した場合、または、ACKを受信しなかった場合に、トラフィックの伝送に失敗したと判定する。同様に、アクセスノード110は、無線通信ユニット140にトラフィックをダウンリンク伝送したことに応じて、当該トラフィックに対応するNACKを無線通信ユニット140から受信した場合、または、ACKを受信しなかった場合に、トラフィックの伝送に失敗したと判定する。
無線通信ユニット140またはアクセスノード110は、トラフィックの伝送に失敗したと判定した場合に、ステップ330において、トラフィックの送信回数が上限回数を超えているか否かを判定する。トラフィックの送信回数が上限回数を超えていないと判定した場合、無線通信ユニット140またはアクセスノード110は、ステップ340において、トラフィックを再送し、処理をステップ320へ戻す。なお、この際、無線通信ユニット140またはアクセスノード110は、再送時に無線通信経路を変更してもよい。また、無線通信ユニット140またはアクセスノード110は、再送回数に応じて、無線通信経路を冗長化してもよい。
一方、トラフィックの送信回数が上限回数を超えていると判定した場合に、無線通信ユニット140またはアクセスノード110は、通信元のコントローラ130またはアプリケーションサーバへ、トラフィックの伝送に失敗した旨を通知する。そして、通信元のコントローラ130またはアプリケーションサーバは、ステップ350において、トラフィックがリアルタイム性を要求していたか否か判定する。トラフィックがリアルタイム性を要求していたと判定した場合、通信元のコントローラ130またはアプリケーションサーバは、ステップ360において、トラフィックを破棄して処理を終了する。
一方、トラフィックがリアルタイム性を要求していなかったと判定した場合、通信元のコントローラ130またはアプリケーションサーバは、ステップ370において、トラフィックを内部メモリ等に保存して処理を終了する。
このように、各コントローラ130は、トラフィックの伝送に失敗した旨の通知を無線通信ユニット140から受けた場合に、当該トラフィックを保存してよい。同様に、アプリケーションサーバは、トラフィックの伝送に失敗した旨の通知をアクセスノード110から受けた場合に、当該トラフィックを保存してよい。この際、各コントローラ130およびアプリケーションサーバは、当該トラフィックのうち、リアルタイム性が要求されるトラフィックを破棄してよい。これにより、プラントシステム10は、無線通信に失敗したデータを事後的に取得することができる。この際、プラントシステム10は、リアルタイムに取得しなければ意味のないデータについては破棄するので、無線通信に失敗した場合にデータを保存する内部メモリ等の圧迫を低減することができる。
従来、多数のコントローラを有線により接続して冗長性を持ったネットワークを構築する場合、多くのスイッチ、例えば、コントローラを直収するアクセススイッチ、上位システムへ接続するゲートウェイスイッチ、および、その間の集線を行うアグリゲーションスイッチ等が必要であった。また、導入が必要なスイッチ数の増加に加えて、ケーブリングが複雑化し、経路設定等のネットワーク機器の設定作業も煩雑となる。したがって、このような大規模ネットワークを有線により構築する場合、コストが非常に大きかった。さらに、機器追加に伴いネットワーク構成を変更する際のコストも大きかった。しかしながら、本実施形態に係るプラントシステム10では、複数のコントローラ130と、ネットワーク100に接続されたアクセスノード110との間を、無線により接続することによって、複数のコントローラ130をネットワーク100との間で通信可能にする。これにより、本実施形態に係るプラントシステム10によれば、複数のコントローラ130を、上位システムとの間で通信可能にするにあたって、ネットワークの構築を簡略化することができる。また、本実施形態に係るプラントシステム10では、無線通信ユニット140とアクセスノード110との間の無線通信経路を冗長化するので、一の無線通信経路が恒常的または一時的に遮蔽された場合であっても、他の無線通信経路によって通信を遂行することができる。これにより、信頼性の高いシステムを提供することができる。また、本実施形態に係るプラントシステム10では、複数の無線通信経路を用いて同一のトラフィックを送受信することができるので、ダイバーシティ効果を得ることができる。また、本実施形態に係るプラントシステム10では、通信要件に応じてQoS制御を実行するので、多種多様なトラフィックを、要求される条件を満たすように伝送することができる。また、本実施形態に係るプラントシステム10では、1つのコントローラ130に対して1つの無線通信ユニット140が設けられていない。すなわち、グループ内において、コントローラ130の数に比べて無線通信ユニット140の数が少ない。これにより、本実施形態に係るプラントシステム10によれば、1つのコントローラ130に対して1つの無線通信ユニット140を設ける場合に比べて、無線通信ユニット140間での相互干渉を抑制することができる。
図4は、本実施形態の他の変形例に係るプラントシステム10を示す。本図においては、図1と同じ機能および構成を有する部材に対して同じ符号を付すとともに、以下相違点を除き説明を省略する。本変形例に係るプラントシステム10においては、複数のコントローラ130を計器室400に集中して配置する。このような変形例に係るプラントシステム10において、コントローラ130は、例えばシングルボードコンピュータ等の小型機器であってよい。そして、このようなコントローラ130をラック410内に高密度に集積し、ラック410単位で無線通信ユニット140を配備してもよい。この場合、複数の送受信部114は、計器室400内において見通しのよい天井等に設けられてよい。また、無線通信ユニット140は、見通しのよいラック410の上部等に設けられてよい。また、コントローラ130と無線通信ユニット140とはラック410内で相互にケーブリングされてよい。また、ラック410内に集積されるコントローラ130の数が多い場合には、当該ラック410に複数台(複数セット)の無線通信ユニット140が設けられてよい。本変形例に係るプラントシステム10によれば、複数のコントローラ130を計器室400で一括して管理するので、システムを運用するコストを低減することができる。また、本変形例に係るプラントシステム10によれば、複数のコントローラ130をラック410内に高密度に集積するので、複数のコントローラ130と無線通信ユニット140とをラック410内で効率的にケーブリングすることができる。
本発明の様々な実施形態は、フローチャートおよびブロック図を参照して記載されてよく、ここにおいてブロックは、(1)操作が実行されるプロセスの段階または(2)操作を実行する役割を持つ装置のセクションを表わしてよい。特定の段階およびセクションが、専用回路、コンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプログラマブル回路、および/またはコンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプロセッサによって実装されてよい。専用回路は、デジタルおよび/またはアナログハードウェア回路を含んでよく、集積回路(IC)および/またはディスクリート回路を含んでよい。プログラマブル回路は、論理AND、論理OR、論理XOR、論理NAND、論理NOR、および他の論理操作、フリップフロップ、レジスタ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、プログラマブルロジックアレイ(PLA)等のようなメモリ要素等を含む、再構成可能なハードウェア回路を含んでよい。
コンピュータ可読媒体は、適切なデバイスによって実行される命令を格納可能な任意の有形なデバイスを含んでよく、その結果、そこに格納される命令を有するコンピュータ可読媒体は、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく実行され得る命令を含む、製品を備えることになる。コンピュータ可読媒体の例としては、電子記憶媒体、磁気記憶媒体、光記憶媒体、電磁記憶媒体、半導体記憶媒体等が含まれてよい。コンピュータ可読媒体のより具体的な例としては、フロッピー(登録商標)ディスク、ディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリメモリ(ROM)、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EPROMまたはフラッシュメモリ)、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ(EEPROM)、静的ランダムアクセスメモリ(SRAM)、コンパクトディスクリードオンリメモリ(CD-ROM)、デジタル多用途ディスク(DVD)、ブルーレイ(RTM)ディスク、メモリスティック、集積回路カード等が含まれてよい。
コンピュータ可読命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ(ISA)命令、マシン命令、マシン依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはSmalltalk、JAVA(登録商標)、C++等のようなオブジェクト指向プログラミング言語、および「C」プログラミング言語または同様のプログラミング言語のような従来の手続型プログラミング言語を含む、1または複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述されたソースコードまたはオブジェクトコードのいずれかを含んでよい。
コンピュータ可読命令は、汎用コンピュータ、特殊目的のコンピュータ、若しくは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサまたはプログラマブル回路に対し、ローカルにまたはローカルエリアネットワーク(LAN)、インターネット等のようなワイドエリアネットワーク(WAN)を介して提供され、フローチャートまたはブロック図で指定された操作を実行するための手段を作成すべく、コンピュータ可読命令を実行してよい。プロセッサの例としては、コンピュータプロセッサ、処理ユニット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ等を含む。
図5は、本発明の複数の態様が全体的または部分的に具現化されてよいコンピュータ2200の例を示す。コンピュータ2200にインストールされたプログラムは、コンピュータ2200に、本発明の実施形態に係る装置に関連付けられる操作または当該装置の1または複数のセクションとして機能させることができ、または当該操作または当該1または複数のセクションを実行させることができ、および/またはコンピュータ2200に、本発明の実施形態に係るプロセスまたは当該プロセスの段階を実行させることができる。そのようなプログラムは、コンピュータ2200に、本明細書に記載のフローチャートおよびブロック図のブロックのうちのいくつかまたはすべてに関連付けられた特定の操作を実行させるべく、CPU2212によって実行されてよい。
本実施形態によるコンピュータ2200は、CPU2212、RAM2214、グラフィックコントローラ2216、およびディスプレイデバイス2218を含み、それらはホストコントローラ2210によって相互に接続されている。コンピュータ2200はまた、通信インターフェイス2222、ハードディスクドライブ2224、DVD-ROMドライブ2226、およびICカードドライブのような入/出力ユニットを含み、それらは入/出力コントローラ2220を介してホストコントローラ2210に接続されている。コンピュータはまた、ROM2230およびキーボード2242のようなレガシの入/出力ユニットを含み、それらは入/出力チップ2240を介して入/出力コントローラ2220に接続されている。
CPU2212は、ROM2230およびRAM2214内に格納されたプログラムに従い動作し、それにより各ユニットを制御する。グラフィックコントローラ2216は、RAM2214内に提供されるフレームバッファ等またはそれ自体の中にCPU2212によって生成されたイメージデータを取得し、イメージデータがディスプレイデバイス2218上に表示されるようにする。
通信インターフェイス2222は、ネットワークを介して他の電子デバイスと通信する。ハードディスクドライブ2224は、コンピュータ2200内のCPU2212によって使用されるプログラムおよびデータを格納する。DVD-ROMドライブ2226は、プログラムまたはデータをDVD-ROM2201から読み取り、ハードディスクドライブ2224にRAM2214を介してプログラムまたはデータを提供する。ICカードドライブは、プログラムおよびデータをICカードから読み取り、および/またはプログラムおよびデータをICカードに書き込む。
ROM2230はその中に、アクティブ化時にコンピュータ2200によって実行されるブートプログラム等、および/またはコンピュータ2200のハードウェアに依存するプログラムを格納する。入/出力チップ2240はまた、様々な入/出力ユニットをパラレルポート、シリアルポート、キーボードポート、マウスポート等を介して、入/出力コントローラ2220に接続してよい。
プログラムが、DVD-ROM2201またはICカードのようなコンピュータ可読媒体によって提供される。プログラムは、コンピュータ可読媒体から読み取られ、コンピュータ可読媒体の例でもあるハードディスクドライブ2224、RAM2214、またはROM2230にインストールされ、CPU2212によって実行される。これらのプログラム内に記述される情報処理は、コンピュータ2200に読み取られ、プログラムと、上記様々なタイプのハードウェアリソースとの間の連携をもたらす。装置または方法が、コンピュータ2200の使用に従い情報の操作または処理を実現することによって構成されてよい。
例えば、通信がコンピュータ2200および外部デバイス間で実行される場合、CPU2212は、RAM2214にロードされた通信プログラムを実行し、通信プログラムに記述された処理に基づいて、通信インターフェイス2222に対し、通信処理を命令してよい。通信インターフェイス2222は、CPU2212の制御下、RAM2214、ハードディスクドライブ2224、DVD-ROM2201、またはICカードのような記録媒体内に提供される送信バッファ処理領域に格納された送信データを読み取り、読み取られた送信データをネットワークに送信し、またはネットワークから受信された受信データを記録媒体上に提供される受信バッファ処理領域等に書き込む。
また、CPU2212は、ハードディスクドライブ2224、DVD-ROMドライブ2226(DVD-ROM2201)、ICカード等のような外部記録媒体に格納されたファイルまたはデータベースの全部または必要な部分がRAM2214に読み取られるようにし、RAM2214上のデータに対し様々なタイプの処理を実行してよい。CPU2212は次に、処理されたデータを外部記録媒体にライトバックする。
様々なタイプのプログラム、データ、テーブル、およびデータベースのような様々なタイプの情報が記録媒体に格納され、情報処理を受けてよい。CPU2212は、RAM2214から読み取られたデータに対し、本開示の随所に記載され、プログラムの命令シーケンスによって指定される様々なタイプの操作、情報処理、条件判断、条件分岐、無条件分岐、情報の検索/置換等を含む、様々なタイプの処理を実行してよく、結果をRAM2214に対しライトバックする。また、CPU2212は、記録媒体内のファイル、データベース等における情報を検索してよい。例えば、各々が第2の属性の属性値に関連付けられた第1の属性の属性値を有する複数のエントリが記録媒体内に格納される場合、CPU2212は、第1の属性の属性値が指定される、条件に一致するエントリを当該複数のエントリの中から検索し、当該エントリ内に格納された第2の属性の属性値を読み取り、それにより予め定められた条件を満たす第1の属性に関連付けられた第2の属性の属性値を取得してよい。
上で説明したプログラムまたはソフトウェアモジュールは、コンピュータ2200上またはコンピュータ2200近傍のコンピュータ可読媒体に格納されてよい。また、専用通信ネットワークまたはインターネットに接続されたサーバーシステム内に提供されるハードディスクまたはRAMのような記録媒体が、コンピュータ可読媒体として使用可能であり、それによりプログラムを、ネットワークを介してコンピュータ2200に提供する。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
10 プラントシステム
100 ネットワーク
110 アクセスノード
112 信号処理部
114 送受信部
120 フィールド機器
130 コントローラ
140 無線通信ユニット
400 計器室
410 ラック
2200 コンピュータ
2201 DVD-ROM
2210 ホストコントローラ
2212 CPU
2214 RAM
2216 グラフィックコントローラ
2218 ディスプレイデバイス
2220 入/出力コントローラ
2222 通信インターフェイス
2224 ハードディスクドライブ
2226 DVD-ROMドライブ
2230 ROM
2240 入/出力チップ
2242 キーボード

Claims (12)

  1. ネットワークに接続された1つの信号処理部と、前記1つの信号処理部に接続され、プラント内における異なる位置にそれぞれ設けられた複数の送受信部とを有し、前記複数の送受信部がそれぞれカバーするカバレッジエリアの少なくとも一部が重なっているアクセスノードと、
    プラントに設けられた複数のフィールド機器を分散して制御する複数のコントローラと、
    前記複数のコントローラを複数のグループにグループ化したそれぞれのグループに設けられ、対応するグループ内の各コントローラと有線により接続され、前記各コントローラと前記アクセスノードとの間を無線により接続する無線通信ユニットと、
    を備え
    前記複数の送受信部のうちの異なる送受信部が、同一の前記無線通信ユニットを介して前記複数のコントローラのうちの同一のコントローラと通信する、プラントシステム。
  2. 前記無線通信ユニットは、グループ内に複数設けられており、前記各コントローラと前記アクセスノードとの間を、複数の前記無線通信ユニットを介して無線により接続する、請求項1に記載のプラントシステム。
  3. 複数の前記無線通信ユニットは、グループ内における異なる位置にそれぞれ設けられている、請求項2に記載のプラントシステム。
  4. 前記各コントローラと前記アクセスノードとの間を、前記複数の送受信部を介して無線により接続する、請求項1から3のいずれか一項に記載のプラントシステム。
  5. 前記アクセスノードは、前記各コントローラとの間における通信の要件に応じて、QoS制御を実行する、請求項1からのいずれか一項に記載のプラントシステム。
  6. 前記各コントローラは、トラフィックの伝送に失敗した旨の通知を前記無線通信ユニットから受けた場合に、前記トラフィックを保存する、請求項1からのいずれか一項に記載のプラントシステム。
  7. 前記各コントローラは、前記トラフィックのうち、リアルタイム性が要求されるトラフィックを破棄する、請求項に記載のプラントシステム。
  8. 前記無線通信ユニットおよび前記アクセスノードの少なくともいずれか一方は、複数の経路を介して到達した冗長なデータを1つのデータに集約する、請求項1からのいずれか一項に記載のプラントシステム。
  9. 前記無線通信ユニットは、対応するグループ内の各コントローラを識別するコントローラIDを参照し、前記コントローラIDに基づいて、前記各コントローラへのトラフィックを送信する、請求項1からのいずれか一項に記載のプラントシステム。
  10. 前記アクセスノードは、各コントローラを識別するコントローラIDと、各コントローラが前記アクセスノードとの接続に用いる前記無線通信ユニットを識別する無線通信ユニットIDとの対応付けを参照し、前記コントローラIDおよび前記無線通信ユニットIDに基づいて、前記各コントローラへのトラフィックを、対応する前記無線通信ユニットへ送信する、請求項1からのいずれか一項に記載のプラントシステム。
  11. 1つのフィールド機器に対して、1つのコントローラが1対1に接続されている、請求項1から10のいずれか一項に記載のプラントシステム。
  12. ネットワークに接続された1つの信号処理部と、前記1つの信号処理部に接続され、プラント内における異なる位置にそれぞれ設けられた複数の送受信部とを有し、前記複数の送受信部がそれぞれカバーするカバレッジエリアの少なくとも一部が重なっているアクセスノードと、
    プラントに設けられた複数のフィールド機器を分散して制御する複数のコントローラと、
    前記複数のコントローラを複数のグループにグループ化したそれぞれのグループに設けられ、対応するグループ内の各コントローラと有線により接続された無線通信ユニットと、
    を備えるプラントシステムを用意し
    前記各コントローラと前記アクセスノードとの間を、前記無線通信ユニットを介して、無線により接続
    前記複数の送受信部のうちの異なる送受信部が、同一の前記無線通信ユニットを介して前記複数のコントローラのうちの同一のコントローラと通信する、方法。
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