(57)【要約】      （修正有）【課題】ＩＰネットワークの特性である不規則な伝播遅延を許容しながら、フィールド機器の制御アプリケーションに対しては所定の伝播遅延で確実に情報を伝達できるフィールドネットワークシステムを提供する。【解決手段】ＩＰネットワークを介して制御情報を授受する少なくとも２つのフィールド機器デバイスが接続され、これらフィールド機器デバイス間で実時間制御アプリケーションを連携動作させるフィールドネットワークシステムであって、制御情報を送信するフィールド機器デバイスは、制御値に対する予測アルゴリズム部の予測値との差に基づいて異常を検出することにより新しい予測パラメータおよび制御値と予測値との残差を出力する異常検出部を有し、制御情報を受信するフィールド機器デバイスは、すでに受信している予測パラメータおよび制御値と予測値との残差に基づき生成可能な範囲でもっとも確度の高い予測値を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＰネットワークを介して制御情報を授受する少なくとも２つのフィールド機器デバイスが接続され、これらフィールド機器デバイス間で実時間制御アプリケーションを連携動作させるように構成されたフィールドネットワークシステムであって、
制御情報を送信するフィールド機器デバイスは、制御値に対する予測アルゴリズム部の予測値との差に基づいて異常を検出することにより新しい予測パラメータおよび制御値と予測値との残差を出力する異常検出部を有し、
制御情報を受信するフィールド機器デバイスは、すでに受信している予測パラメータおよび制御値と予測値との残差に基づき生成可能な範囲でもっとも確度の高い予測値を生成する予測アルゴリズム部を有することを特徴とするフィールドネットワークシステム。
【請求項２】
前記制御情報を送信するフィールド機器デバイスは、定周期の制御値を出力する制御アプリケーションを有し、この定周期の制御値に対して離散化処理をした後離散化したそれぞれの制御値にタイムスタンプを付加して予測アルゴリズム部および減算部の一方の入力端子に入力し、予測アルゴリズム部は制御値の予測値を異常検出部に入力するとともに予測パラメータを減算部の他方の入力端子に入力し、減算部は制御値と予測値の残差を演算して演算結果を異常検出部に入力することを特徴とする請求項１記載のフィールドネットワークシステム。
【請求項３】
前記異常検出手段は閾値判定機能を有し、制御値と予測値との残差および予測パラメータの値があらかじめ決められた範囲を超えた場合にはそれら超えた残差および予測パラメータの値だけをパケット化することを特徴とする請求項１または請求項２記載のフィールドネットワークシステム。
【請求項４】
前記制御情報を受信するフィールド機器デバイスは、受信した予測パラメータを予測アルゴリズム部に入力するとともに制御値と予測値との残差を予測アルゴリズム部および加算部の一方の入力端子に入力し、予測アルゴリズム部はすでに受信している予測パラメータおよび制御値と予測値との残差に基づき生成した予測値を加算部の他方の入力端子に入力し、加算部は予測アルゴリズム部で生成された予測値と受信した制御値と予測値の残差を加算して時刻復元部に入力し、時刻復元部は制御アプリケーション部に定周期の制御信号として入力する予測値の時刻情報をタイムスタンプ情報に基づいて復元することを特徴とする請求項１記載のフィールドネットワークシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＰ(Internet Protocol)ネットワークを用いたフィールドネットワークシステムに関し、詳しくは、ネットワーク上に流れる制御情報をＩＰネットワークの特性に合わせてパケット化、バースト化して複数のフィールド機器を相互に連携させ、フィールド機器間で実時間制御アプリケーションを実行させるように構成されたフィールドネットワークシステムの改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明におけるフィールドネットワークとは、たとえばプロセス制御系の測定制御現場(フィールド)で用いられる温度・圧力・流量などの各種物理量を測定するセンサや制御機器などのフィールド機器デバイス(以下デバイスという)を相互に接続して実時間制御アプリケーションを連携動作させるためのネットワークを示す。
【０００３】
近年のフィールド機器を接続するネットワークとしては、一般にフィールドバスが使われつつある。
【０００４】
フィールドバスは、もともと複数の４〜２０ｍＡアナログ制御信号をデジタル的に多重化し、１本のケーブルに置き換えることを主眼として提唱されたデジタルネットワークバスである。したがって、ネットワーク上で伝送される各種制御情報は、それぞれがアナログ的に独立に接続された場合と同等以上の性能で扱えることが求められている。特に伝播遅延に着目すると、フィールドバス上の制御信号は、「所定の遅延時間以内」に「確実」に通信先に伝わることが必要とされる。
【０００５】
そこで、フィールドバスでは、このような要求を実現するために、時間軸を一定周期に分割し、その周期内でネットワークを通す各実時間用制御信号の通信時間を個別にスケジュールすることにより、所定の時間を確保している。
【０００６】
図３は代表的なフィールドバスＦＦ−Ｈ１における機能ブロックと通信スケジュールの一例を示す説明図であり、図４は制御周期とデバイス間の通信スケジュールの関係を示す説明図である。
【０００７】
図３では、フィールド上に２個のデバイス＃１とデバイス＃２が存在していて、デバイス＃１の機能ブロックＡＩの出力をデバイス＃２の機能ブロックＰＩＤを介して機能ブロックＡＯに伝送する状態を示している。ここで、横軸は、一定周期の中の時間軸を示す。デバイス＃１から＃２への通信タイミングは、コンフィグレーション時に専用に確保される。したがって、このタイミングに他の通信が割り込むことはなく、しかも、図４に示すようにこの通信のスケジュールは常に一定周期で繰り返されるため、デバイス＃１からデバイス＃２への伝播遅延時間は、この一定周期時間以内であることが常に保証される。
【０００８】
これに対し、現在もっとも普及しているＩＰネットワークでは、ネットワーク上の各ノードが自らの判断に基づき情報を送信するが、各ノードの通信時間があらかじめ確保されているわけではなく、常にネットワークの空き待ちや再送が発生する可能性がある。
【０００９】
ＩＰネットワークに接続されたフィールド機器の制御アプリケーションでは、図５のＩＰネットワーク上における制御アプリケーションの通信路説明図に示すように、あるデバイス＃１の制御アプリケーション出力から他のデバイス＃２の制御アプリケーションの入力に至る間において、常に不規則な伝播遅延が発生するおそれがある。
【００１０】
従来のフィールドネットワークとＩＰネットワークとの情報伝播遅延に関する相違は、これら両ネットワークの成り立ちの違いからくる本質的な要因を含んでいる。
【００１１】
すなわち、フィールドネットワークは常時接続であり、いわば回線接続の機能を多重化するため、時分割多重としている。これに対し、ＩＰネットワークは多数のユーザが共通のネットワークを共用してパケットを交換することを目的とするものであり、規格上遅延に対する保証はない。
【００１２】
ところが技術の進歩により、ＩＰネットワークにおいても平均的な伝播遅延時間を少なくできるようになり、ＩＰネットワークをフィールドネットワークとして使用できる可能性が見えてきた。ＩＰネットワークをフィールドネットワークとして使用するのにあたっては、特に実時間制御機能を実現するためのネットワークをＩＰ化する場合に発生するおそれがある不規則な伝播遅延を解決することが不可欠となる。
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−３３３１８９号公報
【００１４】
特許文献１には、イーサネット            (登録商標)とフィールドバスを用い、フィールド機器のデータを無線通信を介して制御装置に取り込むように構成された通信システムが記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、フィールドネットワークとしてＩＰネットワークを使うのにあたり、ＩＰネットワークの本質的な特性である不規則な伝播遅延を許容しながら、フィールド機器の制御アプリケーションに対しては従来のフィールドバスと同様に所定の伝播遅延で確実に情報を伝達できるネットワークとして機能するフィールドネットワークシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような課題を達成する請求項１の発明は、ＩＰネットワークを介して制御情報を授受する少なくとも２つのフィールド機器デバイスが接続され、これらフィールド機器デバイス間で実時間制御アプリケーションを連携動作させるように構成されたフィールドネットワークシステムであって、制御情報を送信するフィールド機器デバイスは、制御値に対する予測アルゴリズム部の予測値との差に基づいて異常を検出することにより新しい予測パラメータおよび制御値と予測値との残差を出力する異常検出部を有し、制御情報を受信するフィールド機器デバイスは、すでに受信している予測パラメータおよび制御値と予測値との残差に基づき生成可能な範囲でもっとも確度の高い予測値を生成する予測アルゴリズム部を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１記載のフィールドネットワークシステムにおいて、前記制御情報を送信するフィールド機器デバイスは、定周期の制御値を出力する制御アプリケーションを有し、この定周期の制御値に対して離散化処理をした後離散化したそれぞれの制御値にタイムスタンプを付加して予測アルゴリズム部および減算部の一方の入力端子に入力し、予測アルゴリズム部は制御値の予測値を異常検出部に入力するとともに予測パラメータを減算部の他方の入力端子に入力し、減算部は制御値と予測値の残差を演算して演算結果を異常検出部に入力することを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載のフィールドネットワークシステムにおいて、前記異常検出手段は閾値判定機能を有し、制御値と予測値との残差および予測パラメータの値があらかじめ決められた範囲を超えた場合にはそれら超えた残差および予測パラメータの値だけをパケット化することを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１記載のフィールドネットワークシステムにおいて、前記制御情報を受信するフィールド機器デバイスは、受信した予測パラメータを予測アルゴリズム部に入力するとともに制御値と予測値との残差を予測アルゴリズム部および加算部の一方の入力端子に入力し、予測アルゴリズム部はすでに受信している予測パラメータおよび制御値と予測値との残差に基づき生成した予測値を加算部の他方の入力端子に入力し、加算部は予測アルゴリズム部で生成された予測値と受信した制御値と予測値の残差を加算して時刻復元部に入力し、時刻復元部は制御アプリケーション部に定周期の制御信号として入力する予測値の時刻情報をタイムスタンプ情報に基づいて復元することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
これらにより、ＩＰネットワークの本質的な特性である不規則な伝播遅延を許容しながら、フィールド機器の制御アプリケーションに対しては従来のフィールドバスと同様に所定の伝播遅延で確実に情報を伝達できるフィールドネットワークシステムが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図である。図１において、フィールド上の２つのデバイス＃１と＃２は、不規則な伝播遅延を有するＩＰネットワークを介して接続されている。ここで、これらデバイス＃１と＃２に実装されている制御アプリケーションＡＰ１、ＡＰ２は、互いに一定の伝播遅延で制御信号が伝達可能であることを期待しているものとする。
【００２２】
まず、デバイス＃１の制御アプリケーションＡＰ１は、デバイス＃２に伝えるべき定周期の制御出力を持つ。この定周期の制御出力に対してパケット化やバースト化などの前処理として離散化処理をした後、離散化されたそれぞれの制御情報に時計部ＣＫ１の時刻データに基づき動作するタイムスタンプ部ＴＳによってタイムスタンプを付加する。なお、デバイス＃１の時計部ＣＫ１およびデバイス＃２の時計部ＣＫ２は互いに同期しているものとする。
【００２３】
タイムスタンプが付加された離散化制御情報は、予測アルゴリズム部ＰＡ１に入力されるとともに減算部ＳＵＢの一方の入力端子に入力される。ここで、予測アルゴリズム部ＰＡ１は、それまでの過去のデータに基づき次のデータを予測する。具体的には、直近データからの直線補間、多項式による曲線補間、線形予測法、その他のアルゴリズムを利用する。
【００２４】
予測アルゴリズム部ＰＡ１の出力は制御値の予測値と予測アルゴリズム部ＰＡ１で使用したパラメータを含むものであり、減算部ＳＵＢの他方の入力端子に入力される。また、予測アルゴリズム部ＰＡ１は、予測パラメータを閾値判定部ＴＨに直接出力する。
【００２５】
減算部ＳＵＢは、予測アルゴリズム部ＰＡ１の入力と出力に基づく制御値と予測値の残差を演算し、演算結果を閾値判定部ＴＨに入力する。
【００２６】
閾値判定部ＴＨは、制御値と予測値の残差および予測パラメータの変化を監視するものであって、これら残差および予測パラメータの値があらかじめ決められた範囲を超えたかどうかを判定し、超えた場合にはそれら超えた残差および予測パラメータの値だけをパケット化して、送信部ＴＸおよびＩＰネットワークを介してデバイス＃２へ送信する。
【００２７】
デバイス＃２において、受信部ＲＸは、デバイス＃１からパケット化して送信された制御値と予測値の残差および予測パラメータを受信する。そして、予測パラメータを予測アルゴリズム部ＰＡ２に入力し、残差を予測アルゴリズム部ＰＡ２および加算部ＡＤＤの一方の入力端子に入力する。
【００２８】
予測アルゴリズム部ＰＡ２における予測パラメータおよび制御値と予測値の残差は、不規則な伝播遅延の後に、デバイス＃１からパケット化されて入力されるこれら予測パラメータおよび制御値と予測値の残差によって更新される。
【００２９】
これにより、予測アルゴリズム部ＰＡ２は、ＩＰネットワークに不規則な伝播遅延が発生した場合、すでに受信している予測パラメータおよび制御値と予測値との残差を使って予測アルゴリズム部ＰＡ２の生成可能な範囲でもっとも確度の高い予測値を生成し、制御アプリケーション部ＡＰ２へ渡すことができる。
【００３０】
予測アルゴリズム部ＰＡ２で生成された予測値は加算部ＡＤＤの他方の入力端子に入力される。
【００３１】
加算部ＡＤＤは、予測アルゴリズム部ＰＡ２で生成された予測値と受信部ＲＸから入力された制御値と予測値の残差を加算し、時刻復元部ＴＲに入力する。
【００３２】
時刻復元部ＴＲは、時計部ＣＫ２の時刻データに基づき動作するものであり、制御アプリケーション部ＡＰ２に定周期の制御信号として入力される予測値の時刻情報をタイムスタンプ情報に基づいて復元するが、通常は一定の伝播遅延時間を加算する。
【００３３】
ここで、予測アルゴリズムの予測精度について、制御アルゴリズムが定常状態である場合と異常状態を含む非定常状態の場合の２つの場合を考える。
【００３４】
１．定常状態での動作
一般に、定常状態とは、デバイス内部の予測アルゴリズムが十分機能している状態であると考えられる。したがって、不規則な伝播遅延が発生しても十分な精度での制御信号の再現が期待できる。
【００３５】
２．非定常状態（異常時等）
異常時等の非定常状態では、デバイス内部の予測アルゴリズムが十分機能していない状態と考えられる。その場合、デバイス＃１では、減算部ＳＵＢにおける大きな残差が発生するとともに、予測アルゴリズム部ＰＡ１によっては予測パラメータ値の大きな変化が引き起こされる。
【００３６】
図２は閾値判定部ＴＨにおける異常検出の説明図であり、（Ａ）はこのような異常時を想定した制御値出力Ａの変化を示し、（Ｂ）は同じ制御値出力Ａに対する予測アルゴリズム出力Ｂとの差に基づく異常検出状態を示している。
【００３７】
閾値判定部ＴＨが（Ｂ）に示すような予測アルゴリズム出力Ｂとの差に基づく異常を検出した場合、デバイス＃１はデバイス＃２に対して、処理優先度を上げて新たな予測パラメータおよび残差を送る。
【００３８】
すなわち、このような異常検出手段としての閾値判定部ＴＨを設けることにより、ネットワーク層での通常状態と異常状態の区別がない従来の制御と比較して、異常時の迅速な対応が可能になる。
【００３９】
ただし、図１のようなシステム構成であっても、システムの仕様によっては不規則な伝播遅延が発生した場合に異常時の応答が遅れる可能性が残る。それを解決するには伝播遅延が発生した場合には異常時の応答が遅れないようにＩＰネットワークの必要な帯域を確保する優先制御(ＱｏＳ）を利用することが有効である。
【００４０】
ＩＰネットワークを使ったマルチメディアなどのストリーム配信と本発明を比較した場合、前者は一般に伝播遅延の存在を許容しており、伝播遅延そのものを小さくすることは目的としていない。それに対して本発明は伝播遅延に着目し、伝播遅延が許容範囲を超えた場合、それまでの情報から最も確からしい制御値を再現することにある。さらに、異常状態等の安全性を高める目的でＩＰネットワークの優先制御を使うことも有効である。
【００４１】
このように構成することにより、ＩＰネットワークを介して接続される複数のフィールド機器をまたがる制御アプリケーションにおいて、ＩＰネットワークの不規則伝播遅延に影響されることはなく、フィールド機器に実装されている制御アプリケーション間の遅延が一定と見えるような実行環境が実現できる。
【００４２】
また、定常状態から非定常状態への遷移を検出する機能を有することから、異常発生時には迅速な対応処理が可能となる。
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、ＩＰネットワークの本質的な特性である不規則な伝播遅延を許容しながら、フィールド機器の制御アプリケーションに対しては従来のフィールドバスと同様に所定の伝播遅延で確実に情報を伝達できるフィールドネットワークシステムが実現でき、複数のフィールド機器を相互に連携させてフィールド機器間で実時間制御アプリケーションを実行させるプロセス制御系を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】デバイス＃１の閾値判定部ＴＨにおける異常検出の説明図である。
【図３】代表的なフィールドバスＦＦ−Ｈ１における機能ブロックと通信スケジュールの一例を示す説明図である。
【図４】従来の通信スケジュールの説明図である。
【図５】ＩＰネットワーク上における制御アプリケーションの通信路説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
ＡＰ１、ＡＰ２  制御アプリケーション
ＴＳ  タイムスタンプ部
ＣＫ  時計部
ＰＡ１、ＰＡ２  予測アルゴリズム
ＳＵＢ  減算部
ＴＨ  閾値判定部
ＴＸ  送信部
ＩＰ  ＩＰネットワーク
ＲＸ  受信部
ＡＤＤ  加算部
ＴＲ  時刻復元部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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