(57)【要約】      （修正有）【課題】原子力発電所用の分散制御システムにおいて、監視及び制御情報を、制御通信網内の全ての工程制御用ステーションがリアルタイムで共有可能な伝送フレーム構造を提供する。【解決手段】送信権を有するノードのデータは、バイパス線路を通じて全ノードに同報通信され、リング加速装置は伝送データの迂回通過と、故障したステーションの隔離とに用いる。通信網の運営、故障、及び復旧は、あて先ノードアドレス、送信ノードアドレス、制御用データフレーム及びイベントフレーム等を区分するType/Lengthフィールド、これが自身を指定する場合にだけ有効な通信網管理用フィールド、データフレームの伝送回数とフレームのアップグレードバージョン情報を含むSeq&Verフィールド、次にトークンを受けるノード番号が記入されたNS_IDフィールド、イベントフレームを搭載可能なデータフィールド、及び、CRCフィールドからなる伝送フレームで行う。【選択図】図５
2005304043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信権を有する一つのノードからデータを伝送すれば、伝送されたデータは、バイパス線路を通じて全てのノードに同報通信され、リング加速装置は、伝送データの迂回通過のみならず、故障したステーションの隔離にも用いられる原子力発電所用分散制御システムの制御通信網にあって、
通信網の運営、故障、及び復旧は、
上記同報通信の遂行のために用いられる、あて先ノードアドレス、
送信ノードのアドレス(ID)を記入する送信ノードアドレス、
フレームの種類としての制御用データフレーム及び通信網管理用のイベントフレーム等を区分するType/Lengthフィールド、
このType/Lengthが自身を指定する場合にだけ有効なフィールドしてNM_TYPEによってその役割が決定される通信網管理用フィールド、
データフレームの伝送回数とフレームのアップグレードバージョン情報を含むSeq&Verフィールド、
次にトークンを受けるノード番号が記入されて、ある一つのステーションから次のステーションへとトークンを伝達するときに参照するNS_IDフィールド、
最大1kByteの大きさでType/Lengthフィールドの値によって一般制御用情報が搭載されることもあり、トークンフレーム等の7とおりのイベントフレームを搭載可能なデータフィールド、及び、
CRCエラー点検のためのCRCフィールドからなる
伝送フレームによって遂行されることを特徴とする原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【請求項２】
上記通信網管理用の７とおりのイベントを含むNM_TYPEフィールドと、
データフレーム及びイベントフレームを区分するType/Lengthフィールドと、
トークン・スケジューリング情報を有しているNS_IDフィールドとを用いて、データー通信を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【請求項３】
上記通信網管理用フィールド（NM_TYPE）のイベントフレーム構成は、トークンの伝送のための別途のフレームを用いず、Type/Lengthフィールドの設定でもってトークンフレームを指定し、イベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１または２に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【請求項４】
既存の使用中のチャネルが非正常であるとき、切り換えようとするチャネルの健全性を確認するために、バックアップチャネル点検フレーム（NM_DUAL_CH_CHECK_FRAME）を用いてイベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【請求項５】
メインチャネルが非正常であるとき、一般のノードに対してバックアップチャネルへの通信切り換え準備を通報するために、NM_DUAL_CH_READY_FRAMEを用いてイベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【請求項６】
トークンを、予め設定した回数だけを受け取るごとに、通信網のバックアップチャネルであるバックアップ線路(リンク)が生きているかを周期的に確認するために、NM_LINK_CHECK_FRAMEを用いてイベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【請求項７】
ノードが隔離されていたり、ノードの故障が発生したときに、全てのノードに対して新たなトークン・スケジューリング情報を伝送し、非正常のノードのアドレスを知らせるために、NM_NODE_FAIL_FRAMEを用いてイベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【請求項８】
故障により隔離されているノードに対して、このノードが再び正常状態に戻ったかについて周期的に点検し、故障が復旧した際には通信網に再び加入させて、伝送の権限を付与するために、NM_NODE_CHECK_FRAMEを用いてイベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【請求項９】
故障ノードが正常に復旧した際には、ノードの受信モード維持を解除して、そのノードがトークンを受け取ったときに送信(TX)が可能なようにするために、NM_TX_MODE_FRAMEを用いてイベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアルタイム性、及び信頼性を重要視する原子力発電所用の分散制御システム(Distributed Control System)における制御通信網の効率的な運用を可能にするための、原子力発電所用の分散制御システムにおける制御通信網のフレームを構成する方法に関する。より詳しくは、フィールド通信網、または情報通信網から伝送された監視及び制御情報を制御通信網内の全ての工程制御用ステーションが共有するようにし、制御通信網のチャネル（リング形線路）または工程制御ステーションの故障時に、適切に対応することができるようにする制御通信網の伝送フレーム構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、分散制御システムは、発電所及び石油化学等の産業の現場において、複数のプロセッサーを効果的に制御し、データを共有するシステムであるが、原子力発電所用の分散制御システムを構成する通信網は、情報通信網(Information  Communication Network)，制御通信網(Control Communication Network)，及びフィールド通信網(Field Communication Network)からなる。上記情報通信網は、地域的に広く分散している複数のステーションを連結して、各種の情報を互いに共有できるようにする。上記制御通信網は、現場の複数のフィールド制御装置がデータを互いに共有できるようにする媒体の役割を果たす。
【０００３】
上記フィールド通信網は、制御通信網と、現場の各フィールド制御装置との間の直接的な通信手段を提供する。このような構成要素のうち、発電所の現場に分散したシステムを制御するにあたり、分散した制御器と機器との間のデータ交換、及び共有機能を可能にする制御通信網の役割がたいへん重要である。上記制御通信網は、通信速度100Mのインターネットでもって通信を行うこととなるのであり、この通信網には多数の工程制御用ステーションが接続され、これらステーションを通じて上記制御通信網フィールド通信網に接続される。
【０００４】
産業用制御のための通信網は、常用のフィールドバス，IEEE 802.3（CSMA/CD ;イーサネット(Ethernet)），並びに、802.4(Token Bus ;トークンネット), 802.5(Token Ring ; トークンリング）等の各製作社が開発した固有のプロとコールを適用した通信網等がある。上記フィールドバスは、制御目的に使用されるのではあるが、上位レベルの通信網よりも、下位レベルの通信網に主として用いられる。上記イーサネットは、通信網中の複数のステーションが競争方式にて通信網に接続するために、発電所の制御のためのリアルタイム性と信頼性を充足させることができない。上記トークンバスとトークンリング等の通信方式は、イーサネットの不確実性を解決すべく、各ステーションが順次にデータを伝送することが可能となっており、リアルタイムのデータ伝送の目的に使用できる。しかし、本発明で扱う内容においては、従来の、通信速度100Mのイーサネットを使用しているので、イーサネットの伝送フレームについて詳細に説明する。図１は、最も多く使用される近距離通信網であるIEEE プロジェクト802系列の媒体アクセス制御(MAC)プロトコールのうちで、CSMA/CD アクセス方法を用いるイーサネットの伝送フレームの構造を示す。
【０００５】
図面中、プリアンブル(Preamble)(100)は、802.3フレームの１番目のフィールドであり、0と1でもって繰り返される7バイトで構成され、受信システムに、フレームが到着したことを知らせる。SFD(Start Frame Delimiter)(101)は、フレームの始まりを知らせる指示器であり、1バイトである。また、あて先アドレス(Destination Address)(102)は、6バイトの大きさの、次のアドレスが割り当てられ、ソースアドレス(Source Address)(103)は、パケットを伝送する発信地のアドレスが表示され、6バイトである。長さPDU(Length PDU)(104)は、直ちに受信されるデータの長さを示し2バイトである。
【０００６】
また、データ及びパッディング(Data and Padding)(105)は、フレームの長さが46〜1500バイトであって802.2(Logical Link Control)を含んでいる。フィールドは、モジュール化されて除去可能な単位である。最後に、CRC(106)は、伝送データの誤謬を検出するための情報を伝送する。イーサネットにて用いられるネットワークのアクセス方式は、通信量が多くなる場合、予測の難しい時間の遅延と競争により、衝突と失敗が生じ得る。
【０００７】
産業用制御のための通信プロトコールのうち、フィールドバスは、システムの適用対象によって、用いるプロトコールが異なり、主として現場の機器を制御するのに適合するように設計されているため、大規模の工程制御システムである、原子力発電所用の分散制御システムの制御用プロトコールとしては、適していない。また、イーサネットは、通信網のうちの複数のステーションが競争方式にて通信網にアクセスするため、発電所の制御のためのリアルタイム性及び信頼性を充足することができず、原子力発電所用の分散制御システムの通信システムに対する欠陥の許容と通信網の管理のための応用アルゴリズムを適用することができない。何よりも、通信システムの線路の故障またはステーションの故障の際に適切に対応することができる。
【０００８】
上述したように、既存のイーサネット802.4(Token Bus)及び802.5(Token Ring)方式等は、工場の自動化と工程制御の用途に用いられてはいるが、原子力発電所用の分散制御システムの通信システムが要求するリアルタイム能力を充足することができず、通信網の柔軟な運用のための欠陥の許容、二重化、及び、故障の対処のための応用アルゴリズムの収容ができない。
【特許文献１】特開平０８−０６５３２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そのため、本件発明者は、最大64個のステーションまで接続が可能な大容量分散制御システムの運用において、フィールド制御装置からのアップデート情報を制御通信網の全てのステーションがリアルタイムで共有できるようにするとともに、制御通信システムの故障時に、システムが正常動作（欠陥許容）するようにする新しい方式の伝送フレーム構成方法を開発した。
【００１０】
本発明は、上記のような諸般の事情に鑑みなされたものであり、制御用通信網としての100Mイーサネット基盤の通信網を用いるものであって、大容量の原子力発電所用の分散制御システムにおける制御通信網において、上記100Mイーサネット通信網を用いてフィールド通信網または情報通信網から伝送された監視及び制御情報を、制御通信網内の全ての工程制御用のステーションがリアルタイムで共有することを可能にし、制御通信システムにおけるノードまたは通信網の故障の際に、適切に対応できるようにする原子力発電所用の分散制御システムの伝送フレーム構造を提供するものである。
【００１１】
本発明による伝送フレームの核心フィールドとしては、データを伝送する権限を有するステーションを指定するトークンスケジューリング情報と、故障した通信線路を隔離するための通信網管理(Network Management)用フィールドを別途にフレームのフィールドに追加することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、送信権を有する一つのノードがデータを伝送すれば、伝送されたデータはバイパス線路を通じて全てのノードに同報通信(broadcasting)され、リング加速装置は、伝送データの迂回通過のみならず、故障したステーションの隔離にも用いられる原子力発電所用の分散制御システムの制御通信網において、通信網の運営、故障、及び復旧は、上記同報通信の遂行のために用いられる、あて先ノードアドレス、送信ノードのアドレス(ID)を記入する送信ノードアドレス、フレームの種類としての制御用データフレーム及び通信網管理用のイベントフレーム等を区分するType/Lengthフィールド、このType/Lengthが自身を指定する場合にだけ有効なフィールドしてNM_TYPEによってその役割が決定される通信網管理用フィールド、データフレームの伝送回数とフレームのアップグレードバージョン情報を含むSeq&Verフィールド、次にトークンを受けるノード番号が記入されて、ある一つのステーションから次のステーションにトークンを伝達するときに参照するNS_IDフィールド、最大1kByteの大きさでType/Lengthフィールドの値によって一般制御用情報が搭載されることもあり、トークンフレーム等の7とおりのイベントフレームを搭載可能なデータフィールド、及び、CRC（cyclic redundancy check；周期的冗長検査）エラー点検のためのCRCフィールドからなる伝送フレームによって遂行されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にて提案する伝送フレームの構成方法は、上記のIEEE 802系列の通信網が収容できない通信システムの線路故障またはステーションの故障に対して適切に対応することができる。また、最大64個のステーションにまで接続可能な原発用の分散制御システムの運用において、フィールド制御装置からのアップデート情報を制御通信網の全てのステーションに迅速に伝達することにより、システムのリアルタイム制御を可能にして、システムの安定性及び信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の望ましい実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
本発明は、リアルタイム性、及び信頼性を重要視する原子力発電所用の分散制御システム制御通信網の効率的な運用を可能にした原発用の分散制御システムにおける制御通信網の伝送フレームの構成方法である。また、本発明は、フィールド通信網または情報通信網から伝送された監視及び制御情報を制御通信網内の全ての工程制御用ステーションが共有するようにし、制御通信網のチャネル（リング形線路）または工程制御ステーションの故障の際に適切に対応することができる、制御通信網の伝送フレーム構造である。
【００１６】
図２は、原発用分散制御システムの制御通信網を具現した例を図示したものである。この通信網の構造は、リング形の通信網であるが、実質的にはバス形の構造を有していて送信権を有するノード(204)がデータを伝送すれば、伝送されたデータは、バイパス線路を通じて全てのノード(201,202,203,204)に同報通信(Broadcasting)される。上記ノード(201 - 204)内には、送信部(T)、受信部(R)及びバッファー(Buffer)がそれぞれ存在し、リング加速装置(200)を通じてデータの伝送または同報通信の遂行が選択される。データの伝送は、伝送権限を有するノード(i)から右側へとi+1, i+2ノードへと引き続き移動して行われる。
【００１７】
上記リング加速装置(200)は、伝送データの迂回通過のみならず、故障したステーションの隔離にも用いられる（図３参照）。本通信網の媒体制御方式は、トークンでもって行われるが、初期トークンの生成及びトークンの流れの管理を、事前に指定したマネージャー・ノード(201)が遂行する。
【００１８】
また、マネージャー・ノード(201)は、全ての通信網のトークン及びデータの流れを観察して、現時点で伝送権限を有するノード(204 : i)を判別し、データが各ノードから好適に伝送または受信されるているかどうかについて監視する。上記マネージャー・ノード(201)の故障に備えて、マネージャー・ノードの次のノードであるマネージャー・バックアップ・ノード(202)は、マネージャー・ノード(201)の健全性を周期的に監視する。もし、マネージャー・ノード(201)に異常が発生すれば、マネージャー・バックアップ・ノード(202)は、これを感知してマネージャー権限を取り上げ、異常の生じた過去のマネージャー・ノード(201)を通信網から隔離し、全通信網を管理する。
【００１９】
図３は、図２に示されたリング加速装置(200)の構造を図示したものであり、送信線にはTxN及びTxPが、受信線にはRxN及びRxPが、それぞれ表示されている。制御部(300)が受信モード(320)または送信モード(330)と指定するならば、各モードにしたがってスイッチが作動し、受信モード(320)においては、データを受信するとともに、アナログスイッチ(312)が接続されたバイパス用線路を通じて受信データが次のノードに伝達される。送信モード(330)においては、アナログスイッチ(312)を切った後、送信しようとするデータを直ちに隣りのノードに伝送する。上記制御部(300)は、ソフトウェアにより具現され、受信モード(320)または送信モード(330)への変更のために、制御信号を制御信号線(301)に加えることができる。
【００２０】
上記制御部(300)の状態によって、アナログスイッチング部(310)内にある２個のアナログスイッチ(311,312)が、各状態に合わせて作動する。受信モード(320)においては、制御部(300)が受信モード(320)であると入力すれば、アナログスイッチ(312)がオン（ON）にされて他のアナログスイッチ(311)がオフ（OFF）にされ、入力部のデータは、受信ノード(320)に入力されるとともに、アナログスイッチ(312)を通じて、隣のノードにデータが伝送される。送信モード(330)においては、制御部(300)が送信モード(330)であると入力すれば、アナログスイッチ(312)がオフ（OFF）にされ、他のアナログスイッチ(311)がオン（ON）にされて、送信しようとするデータを隣のノードに伝送することとなる。
【００２１】
図４には、制御通信網のマネージャーノードについてのデータ伝送の状態変化(400)と、通信システムの線路故障またはステーションの故障の際にマネージャーノードにより遂行される故障に対するアルゴリズム(410)を示す。全てのステーションは、受信状態(401)にて待機しトークンを受信すればデータ伝送(402)を遂行し、データ伝送の完了後にはトークンを伝送(403)し、再び受信状態に戻る。
【００２２】
受信状態においては、通信システムの故障によるタイマー・インタラプト(timer interrupt)が発生すれば、チャネルの健全性を点検するフレームの伝送(411)を行い、チャネル(線路)のエラーいかんを点検してチャネルエラーの際には、チャネル切り換えフレームを伝送(412)してチャネル切り換えを行い、ステーション(ノード)の故障の際には、故障ステーションの点検(413)を行って、確認された故障ステーションのフレームを全てのステーションに伝送(414)した後、トークンを伝送(403)し、受信状態(401)に復帰する。また、全てのステーションは、受信状態(401)において、マネージャー・ステーションから故障ステーションの情報を受信すれば、故障ステーションのアドレスのアップデート(415)を行った後、故障ステーションにはデータを伝送しない。
【００２３】
図５には、本発明による制御通信網のデータ通信のためのデータリンク階層にて用いられる伝送フレーム構造を示す。制御用通信網の通信方式は、リング形の伝送線路にてトークンが全てのノードを、決められた順序のとおりに循環するトークン・パッシング方式を用いている。制御通信網の各ステーションにて、トークンの保有は、伝送権限を有することを意味するのであり、トークンを有するノードが伝送を終えれば、次のノードへとトークンを引き渡して、次のノードがデータを伝送することができるようにする。
【００２４】
通信網の運営、故障、及び復旧のアルゴリズムは、図５に示す伝送フレームにより遂行される。6バイトの大きさのDestination Address(501 ; あて先ノードアドレス)は同報通信を行う為に用いられ、6バイトの大きさのSource Address(502 ; 送信ノードアドレス)は、送信ノードのアドレス(ID)を記入する。2バイトの大きさのType/Lengthフィールド(503)は、フレームの種類を区分するフィールドであり、フレームの種類は、制御用のデータフレームと、通信網管理用のイベントフレームとの２種類がある。上記のデータフレームである場合におけるType/Lengthフィールド(503)と、トークンの伝送を含む7通りのイベントフレーム(後述する表１を参照)である場合におけるType/Lengthフィールド(503)とは、それぞれ別の値に指定される。
【００２５】
上記のType/Lengthフィールド(503)がイベントフレームを指定する場合、通信網管理用フィールド(NM_TYPEフィールド ; 506)は、7個のイベントフレームのうち、1個のフレームを指定する。すなわち、1バイトの大きさの通信網管理用フィールド(506)は、Type/Lengthフィールド(503)が自らを指定する場合にだけ有効なフィールドであって、NM_TYPE(表１参照)によりその役割が決定される。1バイトの大きさのSeq&Verフィールド(504)は、データフレームの伝送回数と、フレームのアップグレードバージョン情報を含む。1バイトの大きさのNS_IDフィールド(505)は、次にトークンを受け取るノードの番号が記入され、ある一つのステーションから次のステーションへとトークンを伝達するときに参照される。
【００２６】
一方、43〜1024バイトの大きさのデータフィールド(507)は、最大1kByteの大きさにてType/Lengthフィールド(503)の値にしたがって一般制御用情報が載せられることもあり、また、トークンフレーム等の7とおりのイベントフレームを載せることもできる。4バイトの大きさのCRCフィールド(508)は、CRCエラー点検のためのフィールドである。
【００２７】
本発明による伝送フレームの構成要素のうち、Seq&Verフィールド(504)、NS_IDフィールド(505)、及びNM_TYPEフィールド(506)は、本発明による原発用分散制御システムの制御通信網についての運用のために新たに開発された構成方法であり、あて先ノードアドレス(501)、送信ノードアドレス(502)、Type/Lengthフィールド(503)、並びに、データーフィールド(507)、CRCフィールド(508)等の機能は、既存のイーサネット伝送フレーム内に存在する構成フィールドとほぼ同一の機能を有している。但し、データフィールド(507)には、イーサネットにおけるデータ伝達機能だけでなく、イベントフレームの情報が含まれ得るという相違点があり、収容可能な最大データの容量が、イーサネットは1500バイトであるのに対して、1024(1K)バイトに制限されている。
【表１】
2005304043.tif 000003
【００２８】
上記表１において、NM_TOKEN_FRAME(601)ユニットは、通信網の運営のためのトークンフレームであって、このフレームを受信した一般のステーションは、伝送権限を有することとなり、自らのデータを同報通信により伝送する。NM_DUAL_CH_CHECK_FRAME(602)ユニットは、既存の使用中のチャネルが非正常であるとき、切り換えようとするチャネルのリンクが生きているかを確認して健全性を点検するフレームである。NM_DUAL_CH_READY_FRAME(603)は、メインチャネルが非正常であるとき、一般のノードに対してバックアップチャネルへの通信切り換え準備を通報する。
【００２９】
また、NM_LINK_CHECK_FRAME(604)ユニットは、トークンを、予め設定した回数だけ受け取るごとに、通信網のバックアップチャネルであるバックアップ線路(リンク)が生きているかを周期的に確認する。NM_NODE_FAIL_FRAME(605)ユニットは、ノードが隔離されていたり、動作上の異常が発生したときに、全てのノードに対して新たなトークン・スケジューリング情報を伝送し、非正常のノードのアドレスを知らせる。NM_NODE_CHECK_FRAME(606)ユニットは、故障により隔離されているノードに対して、このノードが再び正常状態に戻ったかについて周期的に確認し、故障が復旧した際には通信網に再び加入させて、伝送の権限を付与するためのフレームである。
【００３０】
NM_TX_MODE_FRAME(607)ユニットは、故障のノードに対して、自動で、トポロジー（topology）改善装置のバイパス線路を作動(アナログスイッチON)させて、常に受信(RX)モードが維持されるようにし、故障ノードが正常に復旧した際には、ノードの受信モード維持を解除して、そのノードがトークンを受け取ったときに送信(TX)が可能なようにする。
【００３１】
従来のイーサネット、トークンバスやトークンリングの通信網に用いられる伝送フレームを用いずに、独自に伝送フレームを設計して、通信システムに適用している。本発明による伝送フレームの最も大きな特徴は、データの伝送権限を有するステーションを予め指定するトークン・スケジューリング情報の管理と、故障した通信線路を隔離するための通信網管理フィールドを別途に設計して、フレームのフィールドに追加したことである。
【００３２】
すなわち、トークンリングまたはFDDIにおいて、データフレームとトークンフレームが別途のフレームとして構成されるのとは異なり、本発明による伝送フレームは、一つのフレーム構造でもってデータとトークンの伝達ができる。通信網管理フィールドは、全部で7個のイベントフレームから構成される。トークンフレームもイベントフレームの一種として、通信網管理用のフィールドに含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】イーサネット伝送フレームの構造図である。
【図２】制御通信網の構造及びデータ伝達構造の図である。
【図３】制御通信網のトポロジー改善装置の構造図である。
【図４】本発明による制御通信網の管理アルゴリズム及び状態変化の図である。
【図５】本発明による原発用分散制御システムの制御用伝送フレームの構造図である。
【符号の説明】
【００３４】
200 : リング加速装置          201〜204 : ノード
300 : 制御部                  310 : アナログスイッチング部
320 : 受信モード              330 : 送信モード
501 : あて先アドレス          502 : ソースアドレス
【図１】
2005304043.tif 000004
【図２】
2005304043.tif 000005
【図３】
2005304043.tif 000006
【図４】
2005304043.tif 000007
【図５】
2005304043.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月22日(2005.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
送信権を有する一つのノードからデータを伝送すれば、伝送されたデータは、バイパス線路を通じて全てのノードに同報通信(Broadcasting)され、リング加速装置は、伝送データの迂回通過のみならず、故障したステーションの隔離にも用いられる原子力発電所用分散制御システムの制御通信網にあって、
通信網の運営、故障、及び復旧は、
上記同報通信の遂行のために用いられる、あて先ノードアドレス、
送信ノードのアドレス(ID)を記入する送信ノードアドレス、
フレームの種類としての制御用データフレーム及び通信網管理用のイベントフレーム等を区分するType/Lengthフィールド、
このType/Lengthフィールドが自身を指定する場合にだけ有効なフィールドしてNM_TYPEによってその役割が決定される通信網管理用フィールド、
データフレームの伝送回数とフレームのアップグレードバージョン情報を含むSeq&Verフィールド、
次にトークンを受けるノード番号が記入されて、ある一つのステーションから次のステーションへとトークンを伝達するときに参照するNS_IDフィールド、
最大1kByteの大きさでType/Lengthフィールドの値によって一般制御用情報が搭載されることもあり、トークンフレーム等の7とおりのイベントフレームを搭載可能なデータフィールド、及び、
CRCエラー点検のためのCRCフィールドからなる
伝送フレームによって遂行されることを特徴とする原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
上記通信網管理用フィールド（NM_TYPE）のイベントフレーム構成は、トークンの伝送のための別途のトークンフレームを用いず、Type/Lengthフィールドの設定でもってトークンフレームを指定し、イベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１または２に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
メインチャネルが非正常であるとき、一般のノードらに対してバックアップチャネルへの通信切り換え準備を通報するために、NM_DUAL_CH_READY_FRAMEを用いてイベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
ノードが隔離されていたり、ノードの故障が発生したときに、全てのノードらに対して新たなトークン・スケジューリング情報を伝送し、非正常のノードのアドレスを知らせるために、NM_NODE_FAIL_FRAMEを用いてイベントの制御を遂行することを特徴とする請求項１に記載の原子力発電所用分散制御システムの制御通信網の伝送フレーム構造。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、リアルタイム性、及び信頼性を重要視する原子力発電所用の分散制御システム(Distributed Control System)における制御通信網の効率的な運用を可能にするための、原子力発電所用の分散制御システムにおける制御通信網の伝送フレームを構成する方法に関する。より詳しくは、フィールド通信網、または情報通信網から伝送された監視及び制御情報を制御通信網内の全ての工程制御用ステーションが共有するようにし、制御通信網のチャネル（リング形線路）または工程制御ステーションの故障時に、適切に対応することができるようにする制御通信網の伝送フレーム構造に関する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
上記フィールド通信網は、制御通信網と、現場の各フィールド制御装置との間の直接的な通信手段を提供する。このような構成要素のうち、発電所の現場に分散したシステムを制御するにあたり、分散した制御器と機器との間のデータ交換、及び共有機能を可能にする制御通信網の役割がたいへん重要である。上記制御通信網は、100Mのイーサネット(Ethernet)でもって通信を行うこととなるのであり、この制御通信網には多数の工程制御用ステーションが接続され、これらステーションを通じてフィールド通信網に接続される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
産業用制御のための通信網は、常用のフィールドバス，IEEE 802.3（CSMA/CD ;イーサネット），並びに、802.4(Token Bus ;トークンバス), 802.5(Token Ring ; トークンリング）等の各製作社が開発した固有のプロトコールを適用した通信網等がある。上記フィールドバスは、制御目的に使用されるのではあるが、上位レベルの通信網よりも、下位レベルの通信網に主として用いられる。上記イーサネットは、通信網中の複数のステーションが競争方式にて通信網に接続するために、発電所の制御のためのリアルタイム性と信頼性を充足させることができない。上記トークンバスとトークンリング等の通信方式は、イーサネットの不確実性を解決すべく、各ステーションが順次にデータを伝送することが可能となっており、リアルタイムのデータ伝送の目的に使用できる。しかし、本発明で扱う内容においては、従来の、100Mのイーサネットカードを使用しているので、イーサネットの伝送フレームについて詳細に説明する。図１は、最も多く使用される近距離通信網であるIEEE プロジェクト802系列の媒体アクセス制御(MAC)プロトコールのうちで、CSMA/CD アクセス方法を用いるイーサネットの伝送フレームの構造を示す。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
図面中、プリアンブル(Preamble)(100)は、802.3フレームの１番目のフィールドであり、0と1でもって繰り返される7バイト(Byte)で構成され、受信システムに、フレームが到着したことを知らせる。SFD(Start Frame Delimiter)(101)は、フレームの始まりを知らせる指示器であり、1バイトである。また、あて先アドレス(Destination Address)(102)は、6バイトの大きさの、次のあて先アドレスが割り当てられ、ソースアドレス(Source Address)(103)は、パケット(Packet)を伝送する発信地のアドレスが表示され、6バイトである。長さPDU(Length PDU)(104)は、直ちに受信されるデータの長さを示し2バイトである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
産業用制御のための通信プロトコールのうち、フィールドバスは、システムの適用対象によって、用いるプロトコールが異なり、主として現場の機器を制御するのに適合するように設計されているため、大規模の工程制御システムである、原子力発電所用の分散制御システムの制御用プロトコールとしては、適していない。また、イーサネットは、通信網のうちの複数のステーションが競争方式にて通信網に接続アクセスするため、発電所の制御のためのリアルタイム性及び信頼性を充足することができず、原子力発電所用の分散制御システムの通信システムに対する欠陥の許容と通信網の管理のための応用アルゴリズムを適用することができない。何よりも、通信システムの線路の故障またはステーションの故障の際に適切に対応することができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上述したように、既存のイーサネット802.3は通信網のうちの複數のステーションが競爭方式にて通信網に接続するため、大容量の原子力発電所用の 分散制御システムのための制御のためのリアルタイム性及び信頼性を充足することができず、802.4(Token Bus)及び802.5(Token Ring)方式等は、工場の自動化と工程制御の用途に用いられてはいるが、原子力発電所用の分散制御システムの通信システムが要求するリアルタイム能力を充足することができず、通信網の柔軟な運用のための欠陥の許容、二重化、及び、故障の対処のための応用アルゴリズムの収容ができない。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
そのため、本件発明者らは、最大64個のステーションまで接続が可能な大容量分散制御システムの運用において、フィールド制御装置からのアップデート情報を制御通信網の全てのステーションがリアルタイムで共有できるようにするとともに、制御通信システムの故障時に、システムが正常動作（欠陥許容）するようにする新しい方式の伝送フレーム構成方法を開発した。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明は、上記のような諸般の事情に鑑みなされたものであり、制御用通信網としての100Mイーサネット基盤の通信網を用いるものであって、大容量の原子力発電所用の分散制御システムにおける制御通信網の運用において、上記100Mイーサネット通信網を用いてフィールド通信網または情報通信網から伝送された監視及び制御情報を、制御通信網内の全ての工程制御用のステーションがリアルタイムで共有することを可能にし、制御通信システムにおけるノードまたは通信網の故障の際に、適切に対応できるようにする原子力発電所用の分散制御システムの伝送フレーム構造を提供するものである。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明による伝送フレームの核心フィールドとしては、データを伝送する権限を有するステーションを指定するトークンスケジューリング情報の管理と、故障した通信線路を隔離するための通信網管理(Network Management)用フィールドを別途にフレームのフィールドに追加することができる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明は、送信権を有する一つのノードがデータを伝送すれば、伝送されたデータはバイパス線路を通じて全てのノードに同報通信され、リング加速装置は、伝送データの迂回通過のみならず、故障したステーションの隔離にも用いられる原子力発電所用の分散制御システムの制御通信網において、通信網の運営、故障、及び復旧は、上記同報通信の遂行のために用いられる、あて先ノードアドレス、送信ノードのアドレス(ID)を記入する送信ノードアドレス、フレームの種類としての制御用データフレーム及び通信網管理用のイベントフレーム等を区分するType/Lengthフィールド、このType/Lengthフィールドが自身を指定する場合にだけ有効なフィールドしてNM_TYPEによってその役割が決定される通信網管理用フィールド、データフレームの伝送回数とフレームのアップグレードバージョン情報を含むSeq&Verフィールド、次にトークンを受けるノード番号が記入されて、ある一つのステーションから次のステーションにトークンを伝達するときに参照するNS_IDフィールド、最大1kByteの大きさでType/Lengthフィールドの値によって一般制御用情報が搭載されることもあり、トークンフレーム等の7とおりのイベントフレームを搭載可能なデータフィールド、及び、CRC（cyclic redundancy check；周期的冗長検査）エラー点検のためのCRCフィールドからなる伝送フレームによって遂行されることを特徴とする。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明にて提案する伝送フレームの構成方法は、上記のIEEE 802系列の通信網が収容できない通信システムの線路故障またはステーションの故障に対して適切に対応することができる。また、最大64個のステーションにまで接続可能な原子力発電所用の分散制御システムの運用において、フィールド制御装置からのアップデート情報を制御通信網の全てのステーションに迅速に伝達することにより、システムのリアルタイム制御を可能にして、システムの安定性及び信頼性を向上することができる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明は、リアルタイム性、及び信頼性を重要視する原子力発電所用の分散制御システム制御通信網の効率的な運用を可能にした原子力発電所用の分散制御システムにおける制御通信網の伝送フレームの構成方法である。また、本発明は、フィールド通信網または情報通信網から伝送された監視及び制御情報を制御通信網内の全ての工程制御用ステーションが共有するようにし、制御通信網のチャネル（リング形線路）または工程制御ステーションの故障の際に適切に対応することができる、制御通信網の伝送フレーム構造である。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図２は、原子力発電所用分散制御システムの制御通信網を具現した例を図示したものである。この通信網の構造は、リング形の通信網であるが、実質的にはバス形の構造を有していて送信権を有するーつのノード(204)からデータを伝送すれば、伝送されたデータは、バイパス線路を通じて全てのノード(201,202,203,204)に同報通信される。上記ノード(201 - 204)内には、送信部(T)、受信部(R)及びバッファー(Buffer)がそれぞれ存在し、リング加速装置(200)を通じてデータの伝送または同報通信の遂行が選択される。データの伝送は、伝送権限を有するノード(i)から右側へとi+1, i+2ノードへと引き続き移動して行われる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図４には、制御通信網のマネージャーノードについてのデータ伝送の状態変化(400)と、通信システムの線路故障またはステーションの故障の際にマネージャーノードにより遂行される故障に対処するアルゴリズム(410)を示す。全てのステーションは、受信状態(401)にて待機しトークンを受信すればデータ伝送(402)を遂行し、データ伝送の完了後にはトークンを伝送(403)し、再び受信状態に戻る。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
受信状態においては、通信システムの故障によるタイマー・インタラプト(timer interrupt)が発生すれば、チャネルの健全性を点検するフレームの伝送(411)を行い、チャネル(線路)のエラーいかんを点検してチャネルエラーの際には、チャネル切り換えフレームを伝送(412)してチャネル切り換えを行い、ステーション(ノード)の故障の際には、故障ステーションの点検(413)を行って、確認された故障ステーションのフレームを全てのステーションに伝送(414)した後、トークンを伝送(403)し、再び受信状態(401)に復帰する。また、全てのステーションは、受信状態(401)において、マネージャー・ステーションから故障ステーションの情報を受信すれば、故障ステーションのアドレスのアップデート(415)を行った後、故障ステーションにはデータを伝送しない。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
上記のType/Lengthフィールド(503)がイベントフレームを指定する場合、通信網管理用フィールド(NM_TYPEフィールド ; 506)は、7個のイベントフレームのうち、必ず1個のフレームを指定する。すなわち、1バイトの大きさの通信網管理用フィールド(506)は、Type/Lengthフィールド(503)が自らを指定する場合にだけ有効なフィールドであって、NM_TYPE(表１参照)によりその役割が決定される。1バイトの大きさのSeq&Verフィールド(504)は、データフレームの伝送回数と、フレームのアップグレードバージョン情報を含む。1バイトの大きさのNS_IDフィールド(505)は、次にトークンを受け取るノードの番号が記入され、ある一つのステーションから次のステーションへとトークンを伝達するときに参照される。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明による伝送フレームの構成要素のうち、Seq&Verフィールド(504)、NS_IDフィールド(505)、及びNM_TYPEフィールド(506)は、本発明による原子力発電所用分散制御システムの制御通信網についての運用のために新たに開発された構成方法であり、あて先ノードアドレス(501)、送信ノードアドレス(502)、Type/Lengthフィールド(503)、並びに、データーフィールド(507)、CRCフィールド(508)等の機能は、既存のイーサネット伝送フレーム内に存在する構成フィールドとほぼ同一の機能を有している。但し、データフィールド(507)には、イーサネットにおけるデータ伝達機能だけでなく、イベントフレームの情報が含まれ得るという相違点があり、収容可能な最大データの容量が、イーサネットは1500バイトであるのに対して、1024(1K)バイトに制限されている。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
上記表１において、NM_TOKEN_FRAME(601)ユニットは、通信網の運営のためのトークンフレームであって、このフレームを受信した一般のステーションは、伝送権限を有することとなり、自らのデータを同報通信により伝送する。NM_DUAL_CH_CHECK_FRAME(602)ユニットは、既存の使用中のチャネルが非正常であるとき、切り換えようとするチャネルのリンクが生きているかを確認して健全性を点検するフレームである。NM_DUAL_CH_READY_FRAME(603) ユニットは、メインチャネルが非正常であるとき、一般のノードらに対してバックアップチャネルへの通信切り換え準備を通報する。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
【図１】イーサネット伝送フレームの構造図である。
【図２】制御通信網の構造及びデータ伝達構造の図である。
【図３】制御通信網のトポロジー改善装置の構造図である。
【図４】本発明による制御通信網の管理アルゴリズム及び状態変化の図である。
【図５】本発明による原子力発電所用分散制御システムの制御用伝送フレームの構造図である。