配水管理システムにおける信号分岐装置の開発

一般論文

配水管理システムにおける信号分岐装置の開発
神戸事業所

技術第2部 公共第2課
坂口 諒、荻内 鉄平

中央監視設備

１．まえがき大型表示装置配水管理システムは、一般家庭や工場、ビル施設など需操作卓

監視制御装置

通信制御装置

データベース
サーバ装置

要家への安全・安定した水の供給を目的とし、配水場の設備（以降、現場機器）により配水池水位や水質、ポンプの運転状態等を監視制御するものである。
昨今、各自治体向け配水管理システムは、設備老朽化による運用コストの高騰、ネットワーク環境の進歩、及びハードウェア性能の向上を背景に、システムの更新が進められている。
上水道設備は、その重要性から24時間365日稼働してい広域ネットワークる。そのため、配水管理システムのシステム更新時にも、広域ネットワーク現場設備監視制御機能を停止させない仕組みと高度な技術が求められている。

TM装置

本稿では、システム更新期間中における新旧システムの並行運用を実現するために開発した信号分岐装置について

TM装置

TM装置

現場機器
（水位計、ポンプなど）紹介する。

図１．配水管理システム構成図

２．配水管理システムの概要とシステム更新要件

中央監視設備配水管理システムの概要、及びシステム更新要件について説明する。

2.1

監視制御装置・・・

システム概要

配水管理システムは、中央監視設備と現場設備から構成され、各設備は、図1に示す装置及び機器で構成されている。
図2にシステムのデータフロー図を示す。監視制御に必要な配水池の水位やポンプの起動停止／回転数などの運転状

通信制御装置態は、現場機器からテレメータ装置（以降、TM装置）が取り込む。これらの監視情報（以降、監視データ）は、中央監視設備の通信制御装置を経由して、データベースサーバ装置監視データに蓄積し、監視制御装置や大型表示装置に表示する。また、現場設備ポンプの起動停止／回転数の調整などが必要な場合には、

データベース
サーバ装置
制御データ
TM装置

監視制御装置から操作を行い、通信制御装置からTM装置を経由して現場機器に制御情報（以降、制御データ）を送信し、現場機器を動作させる。

現場機器（水位計、ポンプなど）
図２．システムのデータフロー図

38

配水管理システムにおける信号分岐装置の開発

2.2③旧システム設備撤去／新システム運用

システム更新要件

新システムの仮運用（試験運用）が完了すると、旧システム設備を撤去し、新システムの更新が完了する。

配水管理システム更新では、中央監視設備の各装置、及④TM装置更新完了

び現場設備のTM装置を更新する。

旧TM装置から新TM装置への更新が完了する。

TM装置は、近年のネットワーク環境の進歩に伴い、中央監視設備との通信回線がHDLC（High-Level Data Link

（2）システム更新における要件（注1）
Control）
等の専用回線型（以降、旧TM装置）から、長期間にわたるシステムの更新では以下の要件がある。

TCP/IP①新システムが安定稼働するまでの期間は、旧システム等、ネットワーク接続型（以降、新TM装置）へ（注2）と並行運用を行い、新システムで問題が発生した場合の更新が進められている。に、速やかに旧システムに運用を切替え、システムの大規模なシステムでは、TM装置が50台以上で構成され運用を継続させる必要がある。

る場合もあり、旧システムから新システムへのTM装置の更②旧システムは、設備構成及びソフトウェアを変更せず新には数か月～数年かかる場合もある。に運用継続し、新システムへ移行する必要がある。
③旧システムで運用しつつ、新システムでは、操作員の（1）システム更新スケジュール訓練期間を十分に確保したいという顧客ニーズに応え

図3は一般的な配水管理システムの更新スケジュールをる必要がある。

示したものであり、顧客要求である新旧配水管理システ

これらの要件を満足するために、新旧TM装置と新旧通信ムの並行運用及び操作員の操作訓練期間の確保を前提と制御装置を接続する信号分岐装置を開発した。次章では、した更新スケジュールを実現している。
設備
中央監視

③設備撤去

３.信号分岐装置の開発

運用

旧システム

③運用

①仮運用

新システム

仮運用（試験運用）

現場
旧ＴＭ装置

②ＴＭ装置更新開始

運用

運用

3.1

④ＴＭ装置更新完了する装置である。図4に信号分岐装置を設置したシステム構・・・・・・

ＴＭ装置更新新ＴＭ装置

新旧システム並行運用

機能概要

信号分岐装置は、新旧TM装置と新旧通信制御装置を接続

ＴＭ装置更新旧→新運用状態

信号分岐装置について詳しく説明する。

期間（時間）→成を示す。

運用

新システム運用

中央監視設備新システム操作訓練
配水管理システム並行運用(システム更新期間)

新システム
監視制御装置

旧システム
監視制御装置・・・

図３．配水管理システムの更新スケジュール

・・・①中央監視設備の新システム仮運用

データベース
サーバ装置

中央監視設備の新システムが仮運用（試験運用）を開

新通信制御装置始する。この時、旧システムと新システムを並行運用させ、新旧システムが旧TM装置と接続することにより、②新ＴＭ装置の監視・制御データ

現場機器の状態を両システムから確認できる必要があ

旧通信制御装置

信号分岐装置①旧ＴＭ装置の監視・制御データる。

現場設備②TM装置の更新開始
旧TM装置の更新を開始する。新TM装置を接続して△△浄水場○○ポンプ場

監視機能を確認後、配水管理システム全体の監視機能

新TM装置（Ｄ局） 旧TM装置（Ｃ局）を停止させることなく、新TM装置に更新する。

機器

機器

新TM装置（Ｂ局） 旧TM装置（Ａ局）
機器

機器

図４．信号分岐装置を設置したシステム構成（注１）標準化機構（ISO）によって標準化された、ビットオリエンテッドなフ
レーム同期型のデータリンク層プロトコル（注２）TCP/IP：インターネット通信及びイントラネット通信において最も利用されている通信プロトコル

信号分岐装置は、新旧TM装置からの監視データを受信し、また、監視制御装置から制御データを通信制御装置経由で39

配水管理システムにおける信号分岐装置の開発受信し、新旧TM装置に送信する。

3.3

この様に、信号分岐装置は、新旧TM装置に接続する現場機器を、中央監視設備の新旧システムで監視制御可能とす

信号分岐装置の伝送処理は、信号分岐装置用メンテナンる役割を担っている。

スツール（以降、メンテナンスツール）からダウンロードさ次に、信号分岐装置のソフトウェア構成及び伝送処理方れた伝送定義ファイルを基に、新旧TM装置と新旧通信制御式について説明する。

3.2

伝送処理方式

装置間の監視及び制御データの編集と、伝送先の振り分け処理を実施する。その概要図を図6に示す。

ソフトウェア構成

信号分岐装置は、三菱電機製の広域監視制御装置

中央監視設備MELFLEXシリーズの基幹機種である、MELFLEX4200を新システム

旧システム

新通信制御装置

旧通信制御装置用いて開発を行った。
MELFLEXシリーズの特徴は、多種多様な通信回線を接続可能としていることである。MELFLEX4200は、通信回監視データ線の種別として、前述のHDLC、TCP/IP他、LAPB（Link

制御データダウンロード（注3）
Access Procedure, Balanced）、CDT（Cyclic Digital

信号分岐装置

伝送定義ファイル

（注4）
data Transmission equipment）、BSC （Binary

Synchronous Communications）をサポートしている。

（注5）

信号分岐装置用
メンテナンスツール

現場設備

信号分岐装置では、新旧TM装置の通信を制御する必要があ新TM装置るため本機器を採用した。
今回開発した信号分岐装置では、前述の通信種別に対応

旧TM装置

現場機器したアプリケーションソフトウェアの開発を行った（図5）。
その構成は、主に監視データ及び制御データの処理を行う

図６．信号分岐装置の伝送処理概要図

データ処理部と、通信回線インターフェースに関連する通信処理部品で構成した。

次に、監視データ及び制御データの伝送処理の詳細について、現場設備における、旧TM装置から新TM装置への更アプリケーションソフトウェア

新及び、現場機器の切替え手順を交えて説明する。

プロセス
管理他

データ処理部（1）監視データの伝送処理

通信処理部品HDLC

TCP/IP

LAPB

CDT

監視データの伝送処理概要図を図7に示す。現場機器「機BSC器Ｘ」の「旧TM装置（Ａ局）」から「新TM装置（Ａ局）」への接続切替え手順及び信号分岐装置における伝送処理について

通信ドライバ(ミドルウェア)
ＯＳ、ミドルウェア

HDLC

TCP/IP

LAPB

CDT

BSC

説明する。
①監視データ編集定義の設定／ダウンロード

LinuxOS
図５．信号分岐装置のソフトウェア構成図

メンテナンスツールで、「機器Ｘ」の監視対象TM装置のまた、保守性・可用性を向上させるため、通信回線インターに変更し、信号分岐装置へファイルをダウンロードする。

定義情報を「旧TM装置（Ａ局）」から「新TM装置（Ａ局）」

フェースに依存する通信回線処理を通信処理部品として局②現場機器「機器Ｘ」の接続先切替え所化した。これにより、アプリケーションのデータ処理部「機器Ｘ」の接続先を「旧TM装置（Ａ局）」から「新TM装が通信種別に関係なく処理することが可能となった。

置（Ａ局）」に切替える。この時、「旧TM装置（Ａ局）」からの「機器Ｘ」の監視データは、非接続のため「欠測」となり、一方、切替え後の「新TM装置（Ａ局）」からの「機器Ｘ」の監視データ「現状値（Ｘ）」が、信号分岐装置へ送信される。

（注３）ITU-T X.25の通信回線端末（DTE）と通信回線終端装置（DCE）間で行われるデータ伝送手順を制御するためのプロトコル（注４）電気学会で定められているデータ伝送プロトコル（注５）IBM社が開発したデータ伝送プロトコル40

配水管理システムにおける信号分岐装置の開発

新通信制御装置①制御データ定義の設定／ダウンロード
メンテナンスツールで、TM装置（Ｂ局）の制御権定義情報を旧システムから新システムに、また、「機器Ｐ」の対旧通信制御装置装置（Ｂ局）」に変更し、信号分岐装置へファイルをダウンロードする。

①設定／ダウンロード

監視データ

TCP-IP

象TM装置の定義情報を「旧TM装置（Ｂ局）」から「新TM信号分岐装置用
メンテナンスツール

機器X 現状値（X)
機器Ｙ 現状値(Y)

機器X 現状値（X)
機器Ｙ 現状値(Y)説明する。

監視データ編集定義
機器
対象TM
機器Ｘ 旧A局⇒新A局
機器Ｙ 旧A局

旧システム

新システム

②現場機器「機器Ｐ」の接続先切替え

HDLC
定義
ファイル

⑤フォーマット変換「機器Ｐ」の接続先を「旧TM装置（Ｂ局）」から「新TM装置（Ｂ局）」に切替える。

機器X 現状値（X)
機器Ｙ 現状値(Y)③制御データ受信

監視データ編集定義

機器
対象TM
機器Ｘ 新A局
機器Ｙ 旧A局④監視データ編集
機器X 現状値（X)
機器Ｙ
欠測

機器X
欠測
機器Ｙ 現状値(Y)HDLC

機器X 現状値（X)
機器Ｙ
欠測新TM装置（A局）②接続切替を受信する。
④制御権判定機器X
欠測機器Ｙ 現状値(Y)

更新値（Ｐ）」と「機器Ｑ」に対する「制御値（Ｑ）」の制御データ

信号分岐装置③監視データ受信

TCP-IP

新システムの通信制御装置から「機器Ｐ」に対する「制御制御権定義を基に、TM装置（Ｂ局）の制御権情報より新監視データシステムからの制御データを有効と判定する。
判定は、新旧システムの両方から同一TM装置に制御操

旧TM装置（Ａ局）

作が実施されない抑止機能を持っており、旧通信制御装置から制御データを受信した場合は破棄する。

現状値(Y)

現状値（Ｘ）
機器Ｘ

機器Ｙ

図７．監視データの伝送処理の概要図

制御権定義
ＴＭ装置
制御権情報
旧⇒新システム
B局

旧システム

新システム

③監視データ受信
信号分岐装置は、「 旧 T M 装 置（ Ａ 局 ）」か ら 専 用 回 線

新通信制御装置（HDLC）で、「 新TM装置（Ａ局）」からTCP/IPで監視機器Pへデータを受信する。

旧通信制御装置

制御データ

機器P 制御値（P)④監視データ編集

制御データ編集定義
機器
対象TM装置機器P 旧B局⇒新B局
機器Q 旧B局

メンテナンスツール

機器Qへ

機器Q 制御値(Q)

監視データ編集定義を基に、通信制御装置向けの監視データを編集する。この場合、「機器Ｘ」は「新TM装置（ＡTCP-IP局）」の「現状値（Ｘ）」を、「機器Ｙ」は「旧TM装置（Ａ局）」①設定／ダウンロード

HDLC
定義
ファイル

③制御データ受信の「現状値（Ｙ）」で欠測を補完する。
⑤フォーマット変換④制御権判定TM装置と通信制御装置が新旧異なる場合には、HDLC⇔TCP/IPの伝送フォーマット変換を行い、新旧両システムの通信制御装置に送信する。

⑤制御データ編集

この様に、信号分岐装置は、新TM装置及び旧TM装置の制御権定義
ＴＭ装置
制御権情報
B局
新システム
制御データ編集定義
機器
対象TM装置機器P 新B局
機器Q 旧B局

機器P 制御値（P) 機器Q 制御値(Q)両方から送信される監視データを、監視データ編集定義を⑥フォーマット変換基に編集し、中央監視設備の通信制御装置へ送信する。こTCP-IPれにより、現場機器とTM装置との接続状態に依存すること

信号分岐装置HDLC

機器P 制御値（P) 機器Q 制御値(Q)なく、新旧システムで継続的に現場機器を監視可能としている。

新TM装置
（B局）

（2）制御データの伝送処理

更新

②接続切替

機器P器Ｐ」の「旧TM装置（Ｂ局）」から「新TM装置（Ｂ局）」への接

旧TM装置
（B局）
制御値(Q)

制御値（P）

制御データの伝送処理概要図を図８に示す。現場機器「機制御データ

機器Q

図８．制御データの伝送処理の概要図

続切替え手順及び信号分岐装置における伝送処理について
41

配水管理システムにおける信号分岐装置の開発⑤制御データ編集
制御データ編集定義を基に、「 機器Ｐ」の制御データ「制御値（Ｐ）」を「新TM装置（Ｂ局）」に、「機器Ｑ」の制御デー
タ「制御値（Ｑ）」を「旧TM装置（Ｂ局）」に振り分け送信する。
⑥フォーマット変換
TM装置と通信制御装置が新旧異なる場合には、HDLC⇔TCP/IPの伝送フォーマット変換を行い、TM装置に送信する。
この様に、信号分岐装置は、中央監視設備の新システム及び旧システムの両方から送信される制御データを、制御権定義の判定と制御データ編集定義を基に、対象となる新旧TM装置を振り分け送信する。
これにより、中央監視設備は、現場設備の接続状態に依存することなく、新旧システムからの現場機器を制御可能としている。

3.4

導入による成果

3.1～3.3で説明した様に、機器単位で、旧TM装置から新TM装置への切替えを可能としたことで、他の機器に影響を与えないTM装置の更新が可能となった。
また、信号分岐装置を設置することで、旧システムの設備構成やソフトウェアを変更することなく、新旧両システ
ムから新旧TM装置経由で現場機器の監視制御が可能となった。
以上の様に、信号分岐装置の開発により、2.2（2）に記述の配水管理システム更新における要件を満足し、旧システ
ムの設備構成及びソフトウェアを変更せず、かつシステム全体を停止させることなく、円滑なシステム更新を可能とした。
また、新システムの操作訓練の期間を十分に確保したいとする顧客ニーズにも応えたことで、顧客満足度の向上が図れた。

執筆者紹介
４．むすび

坂口諒

サカグチ

マコト

2014年入社。主に水処理監視制御シス

本稿では、配水管理システムの新旧システム更新におけテムのソフトウェア開発に従事。現在、

る、信号分岐装置について紹介した。今後も、各自治体に神戸事業所技術第2部公共第2課。

おけるシステム更新需要は見込まれ、自治体ごとに異なる運用や移行計画に応じた製品を開発していく必要があると考えている。

荻内

最後に、本開発に当たり貴重な御意見、御指導をいただ

鉄平

オギウチ

テッペイ

2018年入社。主に水処理監視制御シスいた関係者の方々に深く感謝申し上げる。

テムのソフトウェア開発に従事。現在、神戸事業所技術第2部公共第2課。

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