JP5556858B2 - ネットワーク管理システム - Google Patents

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Description

本発明は、ネットワーク管理システムに関し、詳しくは、フィールド無線管理機能の冗長化に関する。
プロセス制御システムにおけるフィールド機器と制御システムとの通信は、２線式の信号線による４〜２０ｍＡのアナログ通信→４〜２０ｍＡのアナログ通信にデジタル信号が重畳されたHART(登録商標)などのハイブリッド通信→FOUNDATION Fieldbus(登録商標)やPROFIBUS(登録商標)などのデジタル通信を経て、国際計測制御学会（ISA: International Society of Automation）のISA100委員会により策定され２００９年９月に発行されたインダストリアルオートメーション用無線通信規格ISA100.11aに代表される無線へと進化してきた。
ハイブリッド通信やデジタル通信により、プラント操業で利用できる情報量が飛躍的に増大した結果、機器が発信する複数のプロセス量や診断結果などの多様な情報をＤＣＳ（Distributed Control System：分散制御システム）や機器管理システムなどの上位システムに伝えることができるようになり、設備管理や予知保全などが可能になった。
フィールド機器と制御システム間の通信を無線化するフィールド無線技術は、これらに加え、配線やエンジニアリングコストを削減できる、配線が困難な場所にも機器の設置が可能になる、機器の追加や削除が容易であるなど、多くのメリットを持つことから、これらのメリットを活用することで、今まで不可能とされていたことを可能にする計装の実現が期待できる。
ところで、ISA100.11aに準拠したプロセス制御システムを構成するのにあたり、ゲートウェイ機能とシステム管理機能が組み込まれたフィールド無線管理ステーションを冗長化することも行われている。
図６は、フィールド無線管理ステーションの従来の冗長化接続例を示す構成説明図である。図６において、フィールド無線管理ステーション１１，１２は、ゲートウェイ機能とシステム管理機能が組み込まれたものであって、これらの機能を実現するために設けられているメインモジュール１１ａ，１２ａとスイッチモジュール１１ｂ，１２ｂを示している。
これらフィールド無線管理ステーション１１，１２は、上位ネットワークＮＷ１に接続されるとともに、相互間の同期をとるために同期用ネットワークＮＷ２に接続され、さらにバックボーンルータ２１，２２を接続するためにループ状に接続された４個のレイヤー２スイッチ（Ｌ２ＳＷ）ＳＷ１〜ＳＷ４で構成されたバックボーンネットワークＮＷ３にも接続されている。
これにより、フィールド無線管理ステーション１１，１２およびバックボーンルータ２１，２２はそれぞれ冗長化されている。
ここで、バックボーンネットワークＮＷ３を構成するループ状に接続された４個のレイヤー２スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、たとえばＲＳＴＰ（rapid spanning tree protocol）により任意のポートをオープンにすることができる。
したがって、たとえばこれらレイヤー２スイッチのいずれかのポートの故障による通信障害が発生した場合には、故障したポートを選択的にオープンにして迂回することで、通信を継続させることができる。
非特許文献１には、ISA100.11aに準拠したフィールド無線ソリューションのコンセプトと、ＤＣＳを中心としたフィールド無線システムのコンセプトが記載されている。
非特許文献２には、ISA100.11aに準拠した無線フィールド機器およびフィールド無線システムに関連する技術が記載されている。
特許文献１には、アドレス可能な冗長ゲートウェイを介して他のシステムにアクセスするシステムにおける接続確立を簡略化するための技術が記載されている。
特許文献２には、二重化ゲートウェイを交互に使用することにより、二重化されたゲートウェイの故障を早期に検知する技術が記載されている。
山本 周二、外２名、「計装を革新するISA100.11a準拠フィールド無線ソリューション」、横河技報、横河電機株式会社、２０１０年、Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．２（２０１０） ｐ．７−ｐ．１２ 山本 周二、外３名、「世界初ISA100.11a準拠無線フィールド機器」、横河技報、横河電機株式会社、２０１０年、Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．２（２０１０） ｐ．１３−ｐ．１６
特表２００８−５０２２１６号公報 特開平１０−２８５２０２号公報
しかし、図６の構成において、たとえばフィールド無線管理ステーション１１，１２のいずれか一方が障害やメンテナンスなどでダウンすると、レイヤー２スイッチがブロックしたポートを開放するまでの間（数１０秒から数分）、ダウンしていない他方のフィールド無線管理ステーションに対する全ての通信が不可能な状態になってしまうという問題がある。
また、たとえば図７に示すように２台のバックボーンルータ２１，２２がバックボーンネットワークＮＷ３を介さずにそれぞれのフィールド無線管理ステーション１１，１２に個別接続されている場合には、フィールド無線管理ステーション１１または１２にトラブルが発生すると、それに接続されているバックボーンルータ２１または２２の動作も不安定になってしまう。
本発明は、これらの問題点に着目したものであり、その目的は、冗長化されているいずれかのフィールド無線管理ステーションに障害が発生した場合の通信不可能時間を最小限に抑制できるネットワーク管理システムを実現することにある。
このような課題を達成する請求項１の発明は、
ゲートウェイ機能とシステム管理機能が組み込まれたフィールド無線管理ステーションが冗長化接続されたネットワーク管理システムにおいて、
前記フィールド無線管理ステーションは少なくともスイッチモジュールを含み、
前記フィールド無線管理ステーション相互は同期用のケーブルとコネクタを介して接続されるとともに、前記スイッチモジュール相互を接続する同期用の系統にはその系統をオンオフするスイッチが直列接続されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のネットワーク管理システムにおいて、
前記冗長化接続された各フィールド無線管理ステーションには、ループ接続されたレイヤー２スイッチを介してバックボーンルータが冗長化接続されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のネットワーク管理システムにおいて、
前記同期用のケーブルとコネクタは、冗長化接続された各フィールド無線管理ステーションを個別に識別するように接続されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のネットワーク管理システムにおいて、
前記同期用のケーブルとコネクタは、電源線も含むことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のネットワーク管理システムにおいて、
前記同期用のケーブルとコネクタよりなる個別識別機能に基づき、前記同期用のケーブルとコネクタの挿抜を検知することを特徴とする。
前記スイッチモジュール相互を接続する同期用の系統に設けられたスイッチをオンにすることにより、前記各フィールド無線管理ステーションにバックボーンルータを直接接続でき、前記スイッチをオフにすることにより前記各フィールド無線管理ステーションにループ状に接続されたレイヤー２スイッチを介してバックボーンルータを接続できる。
本発明の一実施例を示す構成説明図である。 図１における信号線群の拡大図である。 図１の構成における冗長化接続の説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 フィールド無線管理ステーションの従来の他の冗長化接続例を示す構成説明図である。 フィールド無線管理ステーションの従来の冗長化接続例を示す構成説明図である。 フィールド無線管理ステーションの従来の他の冗長化接続例を示す構成説明図である。
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構成説明図であり、図６と共通する部分には同一の符号を付けている。
図１において、フィールド無線管理ステーション１１，１２にはピン識別部１１ｃ，１２ｃが設けられるとともに、互いのメインモジュール１１ａと１２ａ、スイッチモジュール１１ｂと１２ｂを同期用のケーブル３０を介して接続し、ピン識別部１１ｃ，１２ｃで各フィールド無線管理ステーション１１，１２を個別に識別するためのコネクタＣＮ１１，ＣＮ１２が設けられている。
なお、フィールド無線管理ステーション１１を構成するメインモジュール１１ａ、スイッチモジュール１１ｂおよびピン識別部１１ｃは図示しない内部バスを介して互いに接続され、フィールド無線管理ステーション１２を構成するメインモジュール１２ａ、スイッチモジュール１２ｂおよびピン識別部１２ｃも図示しない内部バスを介して互いに接続されている。
同期用のケーブル３０の一端には一方のフィールド無線管理ステーション１１のコネクタＣＮ１１に嵌合接続されるコネクタＣＮａが設けられ、他端には他方のフィールド無線管理ステーション１２のコネクタＣＮ１２に嵌合接続されるコネクタＣＮｂが設けられている。
これらコネクタＣＮａ，ＣＮｂ間には、メインモジュール１１ａと１２ａを接続するための第１の信号線群Ｐａと、スイッチモジュール１１ｂと１２ｂを接続するための第２の信号線群Ｐｂが設けられている。
コネクタＣＮａの近傍には一方のフィールド無線管理ステーション１１を識別するための第３の信号線群Ｐｃ１が設けられ、コネクタＣＮｂの近傍には他方のフィールド無線管理ステーション１２を識別するための第４の信号線群Ｐｃ２が設けられている。これらコネクタＣＮａ，ＣＮｂは、同期用コネクタとして機能するものである。
そして、スイッチモジュール１１ｂと１２ｂには、スイッチモジュール１１ｂと１２ｂを接続する第２の信号線群Ｐｂと直列に接続されて信号線群ＰｂをオンオフするスイッチＳＷｍが設けられている。
これらスイッチＳＷｍのオンオフは、外部から設定ツール４０により設定される。図１の実施例では、バックボーンルータ２１，２２がループ状に接続された４個のレイヤー２スイッチ（Ｌ２ＳＷ）ＳＷ１〜ＳＷ４で構成されたバックボーンネットワークＮＷ３を介してフィールド無線管理ステーション１１，１２に対して冗長化接続されていて、スイッチＳＷｍはオフに設定されている。
図２はこれらフィールド無線管理ステーション１１，１２を識別するための信号線群の拡大図であり、（Ａ）は第３の信号線群Ｐｃ１を示し、（Ｂ）は第４の信号線群Ｐｃ２を示している。（Ａ）に示す第３の信号線群Ｐｃ１では信号線Ｐｃ１１とＰｃ１２が短絡接続され、（Ｂ）に示す第４の信号線群Ｐｃ２では信号線Ｐｃ２１とＰｃ２３が短絡接続されている。
図１の構成における各部の動作を説明する。
メインモジュール１１ａ，１２ａは、ＣＰＵやメモリなどで構成されていて、メインモジュール１１ａ，１２ａ上でＯＳが動作している。これらメインモジュール１１ａ，１２ａは同期用ケーブル３０を介して相互に通信を行い、各種情報の等値化を行う。
また、メインモジュール１１ａ，１２ａは、図示しない内部バスを介して、周期的に各コネクタＣＮ１１，ＣＮ１２と同期用ケーブル３０のコネクタＣＮａ，ＣＮｂとの嵌合接続状態を監視している。
これにより、所定の識別ピンの短絡状態が検出できない場合には、コネクタが嵌合接続されていないと判断できる。
スイッチモジュール１１ｂ，１２ｂはネットワークスイッチ(ハブ)であり、同期用ケーブル３０を介して相互に接続されているが、前述のようにスイッチＳＷｍはオフに設定されている。
図３は、図１の構成における冗長化接続の説明図である。図３に示すように、バックボーンルータ２１，２２は、ループ状に接続された４個のレイヤー２スイッチ（Ｌ２ＳＷ）ＳＷ１〜ＳＷ４で構成されたバックボーンネットワークＮＷ３を介してフィールド無線管理ステーション１１，１２に対して冗長化接続される。
バックボーンルータ２１は、スイッチＳＷ４→スイッチＳＷ１の経路ＡまたはスイッチＳＷ４→スイッチＳＷ３→スイッチＳＷ２→スイッチＳＷ１の経路Ｄを介してフィールド無線管理ステーション１２に接続されるとともに、スイッチＳＷ４→スイッチＳＷ１→スイッチＳＷ２の経路ＢまたはスイッチＳＷ４→スイッチＳＷ３→スイッチＳＷ２の経路Ｃを介してフィールド無線管理ステーション１２に接続される。
バックボーンルータ２２は、スイッチＳＷ３→スイッチＳＷ２の経路ＥまたはスイッチＳＷ３→スイッチＳＷ４→スイッチＳＷ１→スイッチＳＷ２の経路Ｈを介してフィールド無線管理ステーション１２に接続されるとともに、スイッチＳＷ３→スイッチＳＷ２→スイッチＳＷ１の経路ＦまたはスイッチＳＷ３→スイッチＳＷ４→スイッチＳＷ１の経路Ｇを介してフィールド無線管理ステーション１２に接続される。
フィールド無線管理ステーション１１に設けられているピン識別部１１ｃは、コネクタＣＮ１１に同期用のケーブル３０のコネクタＣＮａが嵌合接続されることにより第３の信号線群Ｐｃ１における信号線Ｐｃ１１とＰｃ１２の短絡接続を検出して、フィールド無線管理ステーション１１を識別し、その識別結果をメインモジュール１１ａに出力する。
フィールド無線管理ステーション１２に設けられているピン識別部１２ｃは、コネクタＣＮ１２に同期用のケーブル３０のコネクタＣＮｂが嵌合接続されることにより第４の信号線群Ｐｃ２における信号線Ｐｃ２１とＰｃ２３の短絡接続を検出して、フィールド無線管理ステーション１２を識別し、その識別結果をメインモジュール１２ａに出力する。
なお、従来の図７と同様に２台のバックボーンルータ２１，２２がバックボーンネットワークＮＷ３を介さずにそれぞれのフィールド無線管理ステーション１１，１２に直接接続される場合には、図４に示すように、スイッチＳＷｍはオンに設定される。
この結果、バックボーンルータ２１，２２は、フィールド無線管理ステーション１１，１２を介して冗長化接続されることになる。
異常発生時における動作について説明する。
なお、前提条件として、前述のように、メインモジュール１１ａ，１２ａは、冗長化動作を実現するために、同期用ケーブル３０を介して定期的にお互いの情報を授受することにより等値化を図っているものとする。
図３に示すようにスイッチＳＷｍをオフにし、バックボーンネットワークＮＷ３を介してバックボーンルータ２１，２２をフィールド無線管理ステーション１１，１２に対して冗長化接続している状態で、バックボーンネットワークＮＷ３を構成しているケーブルの断線やスイッチＳＷ１〜ＳＷ４そのものに障害などが発生すると、そのケーブルやスイッチに接続されているフィールド無線管理ステーションに対する疎通性が損なわれることになる。
たとえばスイッチＳＷ１とフィールド無線管理ステーション１１を接続するケーブルまたはスイッチＳＷ１に障害が発生すると、フィールド無線管理ステーション１１に対する疎通性が損なわれてしまう。
そこで、たとえばフィールド無線管理ステーション１１のメインモジュール１１ａに、フィールド無線管理ステーション１１と接続するためのスイッチＳＷ１の各ポートの接続状態を監視する手段を設け、フィールド無線管理ステーション１１に対する疎通性を損なうような障害が発生した場合には、図５に示すようにスイッチＳＷｍをオンにすることにより、フィールド無線管理ステーション１２を介してフィールド無線管理ステーション１１に対する疎通性を確保する。
その後、メンテナンスや交換によりケーブルの断線やスイッチＳＷ１の障害が解消された場合には、再びスイッチＳＷｍをオフにする。
これにより、冗長化されているいずれかのフィールド無線管理ステーションに障害が発生した場合の通信不可能時間を最小限に抑制できる。
なお、同期用コネクタとして機能するコネクタＣＮａ，ＣＮｂに識別ピンも含めることによって、２台のフィールド無線管理ステーション１１，１２に個別の識別子を付加することができ、設定ミスを防止できる。
また、同期用コネクタを接続してない場合は起動させないようにすることで、結線ミスによる誤作動を防止できる。
また、同期用ケーブル３０を通る同期用ネットワークとバックボーンネットワークの信号を二重化することによって信頼性の向上が図れる。
さらに、電源線を同期用ケーブルに通すことによって、電源の冗長化も可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、冗長化されているいずれかのフィールド無線管理ステーションに障害が発生した場合の通信不可能時間を最小限に抑制できるネットワーク管理システムが実現できる。
１１，１２ フィールド無線管理ステーション
１１ａ，１２ａ メインモジュール
１１ｂ，１２ｂ スイッチモジュール
１１ｃ，１２ｃ ピン識別部
ＣＮ１１，ＣＮ１２ コネクタ
ＮＷ１ 上位ネットワーク
２１，２２ バックボーンルータ
ＮＷ３ バックボーンネットワーク
３０ 同期用ケーブル
ＣＮａ，ＣＮｂ コネクタ
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ１，Ｐｃ２ 信号線群
Ｐｃ１１，Ｐｃ１２，Ｐｃ２１，Ｐｃ２３ 信号線
ＳＷｍ スイッチ

Claims (5)

  1. ゲートウェイ機能とシステム管理機能が組み込まれたフィールド無線管理ステーションが冗長化接続されたネットワーク管理システムにおいて、
    前記フィールド無線管理ステーションは少なくともスイッチモジュールを含み、
    前記フィールド無線管理ステーション相互は同期用のケーブルとコネクタを介して接続されるとともに、前記スイッチモジュール相互を接続する同期用の系統にはその系統をオンオフするスイッチが直列接続されていることを特徴とするネットワーク管理システム。
  2. 前記冗長化接続された各フィールド無線管理ステーションには、ループ接続されたレイヤー２スイッチを介してバックボーンルータが冗長化接続されていることを特徴とする請求項１に記載のネットワーク管理システム。
  3. 前記同期用のケーブルとコネクタは、冗長化接続された各フィールド無線管理ステーションを個別に識別するように接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のネットワーク管理システム。
  4. 前記同期用のケーブルとコネクタは、電源線も含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のネットワーク管理システム。
  5. 前記同期用のケーブルとコネクタよりなる個別識別機能に基づき、前記同期用のケーブルとコネクタの挿抜を検知することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のネットワーク管理システム。
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