JP5712991B2 - プロセス制御システム及びその管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラントや工場等に構築されるプロセス制御システム及びその管理方法に関する。

従来から、プラントや工場等（以下、これらを総称する場合には、単に「プラント」という）においては、工業プロセスにおける各種の状態量（例えば、圧力、温度、流量等）を制御するプロセス制御システムが構築されており、高度な自動操業が実現されている。このプロセス制御システムは、概してフィールド機器と呼ばれる現場機器（測定器、操作器）と、これらの動作を制御するコントローラと、フィールド機器及びコントローラの管理や制御を行う上位管理装置とが通信手段を介して接続された構成である。

このようなプロセス制御システムでは、フィールド機器で得られたプロセス値（例えば、圧力、温度、流量等の測定値）がコントローラに収集され、上位管理装置の管理の下で、コントローラが収集されたプロセス値に応じてフィールド機器を操作（制御）することによって各種の状態量の制御が行われる。また、プロセス制御システムでは、コントローラの状態を示す情報等が上位管理装置に収集され、収集された情報に基づいてプロセス制御システムの管理が行われる。

従来のプロセス制御システムは、アナログ通信機能を有するフィールド機器とコントローラとがアナログ伝送線（例えば、「４〜２０ｍＡ」信号の伝送に使用される伝送線）を介して接続されたものが殆どであった。これに対し、近年のプロセス制御システムは、高機能化を実現すべく、ディジタル化されたフィールド機器とコントローラとが有線又は無線のネットワーク（例えば、フィールドネットワーク）を介して接続されたものが多くなっている。

尚、以下の特許文献１には、発電プラント等に敷設されたプラントネットワークの健全性を診断する技術が開示されている。具体的に、以下の特許文献１に開示された技術では、制御装置が接続されたプラントネットワークにデータ収集手段及び検査手段を接続し、プラントネットワークに送信された全てのフレームをデータ収集手段で収集し、定周期で送信されるフレームと予め記録されたフレーム基準情報とを検査手段で比較してフレームの検査を行うことで、プラントネットワークの健全性を診断している。

特許第４３２６７６８号公報

ところで、上述した従来のプロセス制御システムでは、基本的にフィールド機器とコントローラとがアナログ伝送線を介して一対一で接続されるため、フィールド機器とコントローラとの接続形態は単純である。このため、仮にプロセス制御システムで障害（例えば、フィールド機器とコントローラとの間の通信障害）が生じたとしても、その障害が生じた箇所を容易に特定することが可能である。

これに対し、上述した近年のプロセス制御システムでは、フィールド機器とコントローラとがネットワークを介して接続される。このネットワークは、例えば複数のネットワークスイッチが縦続接続されることによって構成され、接続されるフィールド機器やコントローラの数に応じて規模が増大するため、フィールド機器とコントローラとの接続形態は従来よりも複雑である。また、上記のネットワークには、様々なベンダから提供される機器（フィールド機器やコントローラ等の機器）が接続され得る。

このように、フィールド機器及びコントローラが接続されるネットワークが複雑化し、しかも様々なベンダから提供される機器がネットワークに接続されると、プロセス制御システムを構成する機器及びネットワークを含めたプロセス制御システム全体の管理が困難になる。すると、プロセス制御システムを構成する機器或いはネットワークで障害が生じても、障害が検出されないまま誤ったプロセス値に基づいた制御が行われるおそれがあるという問題がある。

また、プロセス制御システムを構成する機器或いはネットワークで生じた障害が検出できたとしても、主に以下に示す理由によって、障害が生じた箇所や原因を特定することが困難であるという問題がある。
・情報コード体系の不統一
プロセス制御システムを構成する機器の状態を示す情報は、機器のマルチベンダ化等により、コード体系が機器の種類毎に異なることがある。従って、例えば機種が異なる機器で同じ障害が検出されたとしても、その障害を示す情報コードが異なるため、それらを解釈するための辞書等が必要になる。従来においては、その辞書等による解釈処理を上位の機器が一手に担う構成となっており、変更や拡張の度に辞書の変更／追加が必要になるなど、障害の種類を把握することには高い障壁がある。
・経路情報の不足
従来、ネットワークを構成する機器（例えば、ネットワークスイッチ、ゲートウェイ、リンキングデバイス等）は、経路情報とその状態を伝達できないものが多い。更に、それら機能を備えていたとしても、プロセス制御システムのアーキテクチャが古く制約がある場合等には、ネットワークの経路情報が十分には得られず、それら機能を十分に活かしきれない、若しくは、活かそうとしても容易ではなく、ネットワークで生じた障害を正確に特定することが困難であるという実情がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、障害が生じた箇所や原因を容易に特定することが可能なプロセス制御システム及びその管理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のプロセス制御システムは、プラントで実現される工業プロセスの制御を行うプロセス制御システム（１、２）において、前記プラントに設けられるネットワーク（Ｎ１、Ｎ２）に接続され、或いは該ネットワークの一部をなし、前記ネットワークとの結合状態を検出する第１検出部（５１ａ、５１ｂ）と、自機の状態を検出する第２検出部（５２）との少なくとも一方を備えており、前記第１検出部の検出結果を示す結合情報と前記第２検出部の検出結果を示す機器状態情報との少なくとも一方を前記ネットワークに出力するネットワーク機器（１０、２０、ＳＷ０，ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４、６０ａ，６０ｂ）を備える。
この発明によると、ネットワークに接続され、或いはネットワークの一部をなすネットワーク機器でネットワークとの結合状態と自機の状態との少なくとも一方が検出され、ネットワークとの結合状態の検出結果を示す結合情報と自機の状態の検出結果を示す機器状態情報との少なくとも一方がネットワーク機器からネットワークに出力される。
また、本発明のプロセス制御システムは、前記ネットワークが、複数の前記ネットワーク機器が階層状に結合されてなるものであり、前記ネットワーク機器の前記第１検出部は、隣接する上位層及び下位層における他のネットワーク機器との結合状態をそれぞれ検出することを特徴としている。
また、本発明のプロセス制御システムは、前記ネットワーク機器が、隣接する上位層又は下位層における他のネットワーク機器からの結合情報及び機器状態情報の少なくとも一方を受け取り、前記第１検出部の検出結果である結合情報及び前記第２検出部の検出結果である機器状態情報の少なくとも一方とともに、隣接する上位層又は下位層における他のネットワーク機器に出力することを特徴としている。
また、本発明のプロセス制御システムは、前記ネットワーク機器が、前記結合情報及び前記機器状態情報を、予め規定された形式に変換する正規化部（５４）を備えることを特徴としている。
また、本発明のプロセス制御システムは、前記ネットワーク機器からの前記結合情報及び前記機器情報を収集して、前記ネットワークの管理を行う上位管理装置（４０）を備えることを特徴としている。
本発明のプロセス制御システムの管理方法は、プラントで実現される工業プロセスの制御を行うプロセス制御システムの管理方法であって、前記プラントに設けられるネットワーク（Ｎ１、Ｎ２）に接続され、或いは該ネットワークの一部をなすネットワーク機器（１０、２０、ＳＷ０，ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４、６０ａ，６０ｂ）と前記ネットワークとの結合状態と、前記ネットワーク機器の状態との少なくとも一方を検出する第１ステップ（Ｓ１１、Ｓ１４、Ｓ１５）と、前記第１ステップにおける前記ネットワークとの結合状態の検出結果を示す結合情報と、前記ネットワーク機器の状態の検出結果を示す機器状態情報との少なくとも一方を前記ネットワークに出力する第２ステップ（Ｓ１９）と、前記第２ステップで出力された前記結合情報及び機器状態情報を収集して、前記ネットワークの管理を行う第３ステップとを有することを特徴としている。

本発明によれば、ネットワークに接続され、或いはネットワークの一部をなすネットワーク機器でネットワークとの結合状態と自機の状態との少なくとも一方を検出し、ネットワークとの結合状態の検出結果を示す結合情報と自機の状態の検出結果を示す機器状態情報との少なくとも一方をネットワーク機器からネットワークに出力しているため、障害が生じた箇所や原因を容易に特定することが可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態によるプロセス制御システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態によるプロセス制御システムに設けられるネットワークスイッチの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態においてネットワークスイッチから送信される情報の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態によるプロセス制御システムをなすネットワークスイッチの動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態によるプロセス制御システムに設けられるネットワークスイッチの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態においてネットワークスイッチから送信される情報の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態によるプロセス制御システムをなすネットワークスイッチの動作を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態によるプロセス制御システムの全体構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるプロセス制御システム及びその管理方法について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態によるプロセス制御システムの全体構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態のプロセス制御システム１は、フィールドネットワークＮ１（ネットワーク）、制御ネットワークＮ２（ネットワーク）、複数のフィールド機器１０（ネットワーク機器）、コントローラ群２０（ネットワーク機器）、操作監視装置３０、及び機器管理装置４０（上位管理装置）を備える。かかる構成のプロセス制御システム１は、操作監視装置３０の監視の下でコントローラ群２０が複数のフィールド機器１０を制御することによって、プラント（図示省略）で実現される工業プロセスの制御を行う。

フィールドネットワークＮ１は、例えばプラントの現場に敷設されたネットワークであり、複数のネットワークスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４（ネットワーク機器）がツリー状に縦続接続されることによって構成される。ここで、フィールドネットワークＮ１は、ネットワークスイッチＳＷ１１が最上位層である第１層Ｌ１に配置され、ネットワークスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２が中位層である第２層Ｌ２に配置され、ネットワークスイッチＳＷ３１〜ＳＷ３４が最下位層である第３層Ｌ３に配置され、これら各層に配置されたネットワークスイッチが階層状に結合されたネットワークであるということもできる。

制御ネットワークＮ２は、例えばプラントの現場と監視室との間を接続するネットワークであり、ネットワークスイッチＳＷ０（ネットワーク機器）によって構成される。これらフィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２は、有線のネットワークであっても良く、無線のネットワークであっても良く、有線と無線とが混在するネットワークであっても良い。尚、フィールドネットワークＮ１をなすネットワークスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４、及び制御ネットワークＮ２をなすネットワークスイッチＳＷ０の詳細については後述する。

フィールド機器１０は、例えば流量計や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、その他のプラントの現場に設置される機器であり、フィールドネットワークＮ１に接続されている。尚、図１では、理解を容易にするために、プラントに設置されたフィールド機器１０のうちの流体の流量を測定するセンサ機器１１及び流体の流量を制御（操作）するバルブ機器１２のみを図示している。また、説明を簡単にするために、センサ機器１１及びバルブ機器１２の対が、フィールドネットワークＮ１をなすネットワークスイッチＳＷ３１〜ＳＷ３４にそれぞれ接続されているとする。

コントローラ群２０は、操作監視装置３０の監視の下で工業プロセスにおける状態量（例えば、流体の流量）の制御を行う少なくとも１つのコントローラからなり、フィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２に接続されている。具体的に、コントローラ群２０は、操作監視装置３０の監視の下でセンサ機器１１からの測定データを収集し、収集した測定データからバルブ機器１２の制御量を求めてバルブ機器１２を制御する。また、コントローラ群２０は、ネットワークＮ１を介して得られる各種情報（プロセス制御システム１の管理を行う上で必要となる情報）を機器管理装置４０に向けて送信する。

操作監視装置３０は、制御ネットワークＮ２に接続されており、フィールドネットワークＮ１に接続されているフィールド機器１０及びコントローラ群２０の監視及び制御を行う。具体的に、操作監視装置３０は、制御ネットワークＮ２を介してコントローラ群２０との間で各種パラメータの授受を行ってフィールド機器１０の監視を行う。例えば、フィールド機器１０に設定されているパラメータをコントローラ群２０から取得して現状の測定条件を把握するとともに、コントローラ群２０に対して新たなパラメータをフィールド機器１０に設定させることによって測定条件の変更等を行う。

この操作監視装置３０は、キーボードやポインティングデバイス等の入力装置、液晶表示装置等の表示装置を備えている。そして、フィールド機器１０及びコントローラ群２０の監視結果を表示装置に表示してプラントの状態を示す情報をオペレータ（プラントのオペレータ）等に提供するとともに、オペレータ等が入力装置を操作して入力した指示に応じてコントローラ群２０を制御する。

機器管理装置４０は、制御ネットワークＮ２に接続されており、制御ネットワークＮ２を介して送信されてくる各種情報、或いはフィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２を介して送信されてくる各種情報を収集してプロセス制御システム１（具体的には、フィールド機器１０、コントローラ群２０、フィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２）の管理を行う。この機器管理装置４０は、液晶表示装置等の表示装置を備えており、制御ネットワークＮ２等を介して収集した情報を必要に応じて表示装置に表示してオペレータ等に提供する。

次に、フィールドネットワークＮ１をなすネットワークスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４、及び制御ネットワークＮ２をなすネットワークスイッチＳＷ０の詳細について説明する。図２は、本発明の第１実施形態によるプロセス制御システムに設けられるネットワークスイッチの要部構成を示すブロック図である。尚、ネットワークスイッチＳＷ０，ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４は同様の構成であるため、以下ではフィールドネットワークＮ１の一部をなすネットワークスイッチＳＷ２１を代表させて説明する。

図２に示す通り、ネットワークスイッチＳＷ２１は、上位層結合検出部５１ａ（第１検出部）、下位層結合検出部５１ｂ（第１検出部）、機器状態検出部５２（第２検出部）、下位層情報収集部５３、正規化部５４、判定部５５、及び通信部５６を備える。このネットワークスイッチＳＷ２１は、図１に示すフィールドネットワークＮ１の第２層Ｌ２に配置されており、第１層Ｌ１に配置されるネットワークスイッチＳＷ１１と第３層Ｌ３に配置されるネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２に接続（結合）されている。

上位層結合検出部５１ａは、上位層に配置されて自スイッチ（ネットワークスイッチＳＷ２１）と直接接続されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ１１）との結合状態を検出し、その検出結果を示す結合情報を正規化部５４に出力する。同様に、下位層結合検出部５１ｂは、下位層に配置されて自スイッチ（ネットワークスイッチＳＷ２１）と直接接続されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）との結合状態を検出し、その検出結果を示す結合情報を正規化部５４に出力する。

具体的に、上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂは、物理的な結合状態と論理的な結合状態との双方を検出する。例えば、以下に示す項目を診断することによって、他のネットワークスイッチとの結合状態を検出する。
・ケーブルやコネクタの抜けの有無
・ネットワークスイッチの種別（識別子、型名等）の確認
・物理的な接続（リンク）が確立しているか否か
・ビットエラーの発生率や信号振幅の大きさ
・診断用データを送信した場合の応答が正常であるか否か

機器状態検出部５２は、自スイッチ（ネットワークスイッチＳＷ２１）の状態（内部状態、動作状態等）を検出し、その検出結果を示す機器状態情報を正規化部５４に出力する。例えば、以下に示す項目を検出する。
・自スイッチの内部に設けられた部品やモジュールの故障の有無
・ＣＰＵ（中央処理装置）やメモリ等の使用率
・自スイッチの内部に設けられた部品の温度、周囲環境の温度、電源電圧
・自スイッチの内部で動作する機能の自己診断

下位層情報収集部５３は、下位層に配置されて自スイッチ（ネットワークスイッチＳＷ２１）と直接接続されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）から出力される結合情報及び機器状態情報を収集して正規化部５４に出力する。尚、下位層に配置されたネットワークスイッチから結合情報及び機器状態情報の何れか一方のみが出力される場合には、下位層情報収集部５３は、その結合情報及び機器状態情報の何れか一方のみを収集する。

正規化部５４は、上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂからの結合情報、機器状態検出部５２からの機器状態情報、並びに下位層情報収集部５３からの結合情報及び機器状態情報を、予め規定された形式に変換する。例えば、結合情報及び機器状態情報のコード体系が予め規定された標準コード体系に一致するように、結合情報及び機器状態情報を変換する。このような変換を行うのは、結合情報及び機器状態情報のコード体系を統一して、結合情報及び機器状態情報が各機器で同様に取り扱われるようにするためである。

尚、正規化部５４で変換された結合情報は、例えば以下の情報を含む。
・自スイッチのポート番号
・自スイッチに直接接続されたネットワークスイッチの識別子
・自スイッチに直接接続されたネットワークスイッチのポート番号
・結合の健全性を示す情報
また、正規化部５４で変換された機器状態情報は、例えば以下の情報を含む。
・自スイッチの状態を示す情報
・自スイッチの状態を検出した時刻を示す情報
・異常又は機能不全が生じた場合には、その種類を示す情報
・異常等が検出された部品やモジュールを示す情報

ここで、正規化部５４は、下位層情報収集部５３で収集された結合情報及び機器状態情報のうちで不足する情報がある場合には、他の結合情報及び機器状態情報等から不足する情報を補うようにしても良い。例えば、下位層情報収集部５３で収集された機器状態情報に、ネットワークスイッチＳＷ３１で機器状態情報が検出された時刻を示す情報が含まれてない場合には、ネットワークスイッチＳＷ２１の機器状態検出部５２で機器状態情報の検出が行われた時刻から予め規定された時間だけ遡った時刻を補うといった具合である。

判定部５５は、正規化部５４から出力される結合情報及び機器状態情報の内容が変化したか否かを判定し、内容が変化したと判定した場合に結合情報及び機器状態情報を出力する。この判定部５５は、上位層に出力される結合情報及び機器状態情報の情報量を削減するために設けられる。具体的に、判定部５５は、正規化部５４から出力される結合情報及び機器状態情報を記憶するメモリ（図示省略）を備えており、先に正規化部５４から出力されてメモリに記憶されている結合情報及び機器状態情報と、新たに正規化部５４から出力された結合情報及び機器状態情報とを比較することによって、結合情報及び機器状態情報の内容が変化したか否かを判定する。尚、上位層に出力される結合情報及び機器状態情報の情報量を削減する必要が無い場合には、判定部５５を省略しても良い。

通信部５６は、上位層に配置されて自スイッチ（ネットワークスイッチＳＷ２１）と直接接続されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ１１）、及び下位層に配置されて自スイッチ（ネットワークスイッチＳＷ２１）と直接接続されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）と通信を行い、コントローラ群２０からのデータをフィールド機器１０へ送信し、フィールド機器１０からのデータをコントローラ群２０へ送信する。また、判定部５５から出力される結合情報及び機器状態情報を機器管理装置４０に向けて送信する。

図３は、本発明の第１実施形態においてネットワークスイッチから送信される情報の一例を示す図である。尚、図３に示す情報は、ネットワークスイッチＳＷ２１の通信部５６から機器管理装置４０に向けて送信される情報である。この情報は、図３に示す通り、ヘッダ領域Ｒ１、情報格納領域Ｒ２、及びフッタ領域Ｒ３を有するフレームを単位とした情報である。

ヘッダ領域Ｒ１には、送信先アドレス（機器管理装置４０のアドレス）、送信元アドレス（ネットワークスイッチＳＷ２１のアドレス）、及びフレーム長等が格納される。情報格納領域Ｒ２には、フィールドネットワークＮ１の第３層Ｌ３に配置されたネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２についての情報Ａ１、ネットワークスイッチＳＷ２１についての情報Ａ２、及びフィールドネットワークＮ１の第１層Ｌ１に配置されたネットワークスイッチＳＷ１１についての情報Ａ３が格納される。

具体的に、上記の情報Ａ１は、ネットワークスイッチＳＷ３１から得られた結合情報及び機器状態情報からなる情報Ａ１１と、ネットワークスイッチＳＷ３２から得られた結合情報及び機器状態情報からなる情報Ａ１２とを含む。上記の情報Ａ２は、ネットワークスイッチＳＷ２１に設けられた機器状態検出部５２の検出結果である機器状態情報である。上記の情報Ａ３は、ネットワークスイッチＳＷ２１に設けられた上位層結合検出部５１ａの検出結果である結合情報（ネットワークスイッチＳＷ２１とネットワークスイッチＳＷ１１との結合状態を示す情報）である。

フッタ領域Ｒ３には、ＦＣＳ（Frame Check Sequence：誤り制御情報）等が格納される。尚、図３においては、ネットワークスイッチＳＷ２１から機器管理装置４０に向けて送信される情報が１つのフレームにまとめられている例を図示している。しかしながら、送信すべき情報量が多い場合等には、機器管理装置４０に向けて送信される情報は、必要に応じて複数のフレームに分割されていても良い。

尚、上述したネットワークスイッチＳＷ２１の上位層結合検出部５１ａ、機器状態検出部５２、正規化部５４、及び通信部５６と同様の構成は、前述したフィールド機器１０（センサ機器１１及びバルブ機器１２）にも設けられている。また、上述したネットワークスイッチＳＷ２１の上位層結合検出部５１ａ、下位層結合検出部５１ｂ、機器状態検出部５２、下位層情報収集部５３、正規化部５４、判定部５５、及び通信部５６と同様の構成は、前述したコントローラ群２０をなす各コントローラにも設けられている。

次に、上記構成におけるプロセス制御システムの動作について説明する。図４は、本発明の第１実施形態によるプロセス制御システムをなすネットワークスイッチの動作を示すフローチャートである。尚、フィールドネットワークＮ１をなすネットワークスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４及び制御ネットワークＮ２をなすネットワークスイッチＳＷ０の全てで、図４に示すフローチャートに従った動作が同様に行われる。このため、以下では、フィールドネットワークＮ１の一部をなすネットワークスイッチＳＷ２１の動作を例に挙げて説明する。尚、図４に示すフローチャートの処理は、例えば一定の周期で実行される。

図４に示すフローチャートの処理が開始されると、まず下位層（第３層Ｌ３）に配置されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）との結合状態を検出して結合情報を取得する処理が行われる（ステップＳ１１：第１ステップ）。具体的には、ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２との接続に用いられるケーブルの抜けの有無、或いはネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２との間でリンクが確立しているか否か等がネットワークスイッチＳＷ２１の下位層結合検出部５１ｂで診断され、この診断結果に応じた結合情報が取得される。

次に、ステップＳ１１で取得された結合情報に基づいて、ネットワークスイッチＳＷ２１が下位層に配置されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）との間で通信が可能な状態であるか否かが判断される（ステップＳ１２）。通信が可能な状態であると判断されると、下位層のネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）からの結合情報及び機器情報を収集する処理がネットワークスイッチＳＷ２１の下位層情報収集部５３で行われる（ステップＳ１３）。尚、ステップＳ１２において通信が不可能な状態であると判断された場合には、ステップＳ１３の処理は省略される。

次いで、ネットワークスイッチＳＷ２１の状態を検出して機器状態情報を取得する処理が行われる（ステップＳ１４：第１ステップ）。具体的には、ネットワークスイッチＳＷ２１の内部に設けられた部品やモジュールの故障の有無、ネットワークスイッチＳＷ２１の内部に設けられた部品の温度、周囲環境の温度、電源電圧等がネットワークスイッチＳＷ２１の機器状態検出部５２で検出されることによって機器状態情報が取得される。

続いて、上位層（第１層Ｌ１）に配置されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ１１）との結合状態を検出して結合情報を取得する処理が行われる（ステップＳ１５：第１ステップ）。具体的には、ステップＳ１１と同様に、ネットワークスイッチＳＷ１１との接続に用いられるケーブルの抜けの有無、或いはネットワークスイッチＳＷ１１との間でリンクが確立しているか否か等がネットワークスイッチＳＷ２１の上位層結合検出部５１ａで診断され、この診断結果に応じた結合情報が取得される。

以上の処理が終了すると、ステップＳ１１，Ｓ１５で取得した結合情報、ステップＳ１４で取得した機器動作情報、及びステップＳ１３で取得（収集）した結合情報及び機器動作情報を正規化する処理が、ネットワークスイッチＳＷ２１の正規化部５４で行われる（ステップＳ１６）。具体的には、例えば上記結合情報及び機器状態情報のコード体系が予め規定された標準コード体系に一致するように、結合情報及び機器状態情報を変換する処理が行われる。

結合情報及び機器状態情報の正規化処理が終了すると、正規化部５４から出力される結合情報及び機器状態情報の内容が変化したか否かが判定部５５で判定される（ステップＳ１７，Ｓ１８）。具体的には、判定部５５に設けられている不図示のメモリに記憶されている結合情報及び機器状態情報と、新たに正規化部５４から得られた結合情報及び機器状態情報とが比較されて、結合情報及び機器状態情報の変化の有無が判断される（ステップＳ１８）。

結合情報及び機器状態情報の少なくとも一方の変化があった場合には、ステップＳ１８の判断結果は「ＹＥＳ」になり、変化の生じた結合情報及び機器状態情報（新たに正規化部５４から得られた結合情報及び機器状態情報）を上位層に向けて出力する処理がネットワークスイッチＳＷ２１の通信部５６で行われる（ステップＳ１９：第２ステップ）。具体的には、ネットワークスイッチＳＷ２１が配置されている第２層Ｌ２の上位に位置するネットワークスイッチＳＷ１１に向けて結合情報及び機器状態情報を出力する処理が行われる。これに対し、結合情報及び機器状態情報に変化が無い場合には、ステップＳ１８の判断結果は「ＮＯ」になり、ステップＳ１９の処理は省略される。

以上説明した動作と同様の動作が、フィールドネットワークＮ１をなすネットワークスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４、及び制御ネットワークＮ２をなすネットワークスイッチＳＷ０で行われるとともに、フィールド機器１０及びコントローラ群２０をなす各コントローラでも行われる。このため、これら各機器で得られる結合情報及び機器状態情報は、上位層側に順次送信されていき、最終的に機器管理装置４０で収集される。そして、収集された結合情報及び機器状態情報に基づいて、機器管理装置４０が、プロセス制御システム１（フィールド機器１０、コントローラ群２０、フィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２）の管理を行う（第３ステップ）。

以上の通り、本実施形態では、ネットワークとの結合状態を検出して結合情報を得る上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂと、自スイッチの状態を検出して機器状態情報を得る機器状態検出部５２とを、フィールドネットワークＮ１をなすネットワークスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４及び制御ネットワークＮ２をなすネットワークスイッチＳＷ０にそれぞれ設けている。また、上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂ並びに機器状態検出部５２と同様のものを、フィールドネットワークＮ１に接続されるフィールド機器１０、並びにフィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２に接続されるコントローラ群２０をなすコントローラにも設けている。そして、これら各機器で得られた結合情報及び機器状態情報を上位層側に順次送信して機器管理装置４０で収集するようにしている。このため、障害が生じた箇所や原因を容易に特定することが可能であり、障害が生じた場合に短時間で復旧することができる。

また、本実施形態では、上記の上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂで得られる結合情報、機器状態検出部５２で得られる機器状態情報、並びに下位層情報収集部５３で収集される結合情報及び機器状態情報を正規化する正規化部５４を備えている。このため、例えば、フィールドネットワークＮ１に接続されるフィールド機器１０が、情報コード体系が不統一であり、或いは様々なベンダから提供されるものであっても、階層に拘わらず結合情報及び機器状態情報を同じように取り扱うことができる。これにより、ある通信経路に障害が生じた場合には、予め用意した予備の経路に自動的に切り替える等の対処を行うことが可能になる。

また、上記の結合情報及び機器状態情報を正規化することによって、障害の発生時刻、発生場所、障害の種類（機器の故障であるのか通信経路の障害であるのか等）等の復旧を行う上で必要となる情報を漏れなく把握することができる。このため、例えば復旧作業を行う前に、おおよその対策（機器を修理すれば良いのか、或いは通信経路を正常にすれば良いのか等）を立てることができ、短時間で障害を復旧することができる。

また、上記の結合情報及び機器状態情報を正規化することによって、操作監視装置３０及び機器管理装置４０に設けられる辞書データ（配下の機器から得られる情報を解釈するために必要となるデータ）を削減することができるとともに、辞書データを用いた情報の解釈処理の負荷を軽減することができる。つまり、従来は、操作監視装置３０及び機器管理装置４０の配下の機器の全てについて辞書データを用意し、辞書データを切り替えながら情報の解釈処理を行う必要があった。これに対し、本実施形態では、結合情報及び機器状態情報が正規化されているため、直下の機器（ネットワークスイッチＳＷ０）からの情報を解釈するための辞書データのみを用意すればよく、辞書データを切り替えて情報の解釈処理を行わなくとも良い。

また、本実施形態では、正規化部５４から出力される結合情報及び機器状態情報の内容が変化したか否かを判定する判定部５５を備えており、内容が変化していないと判定した場合に結合情報及び機器状態情報を出力せず、内容が変化したと判定した場合に結合情報及び機器状態情報を出力するようにしている。このため、上位層に出力される結合情報及び機器状態情報の情報量の肥大化を避けることができ、通信リソースが無駄に使用されてプロセス制御のリアルタイム性が阻害される事態が抑制され、効率良く結合情報及び機器状態情報を収集することができる。

また、本実施形態では、上記の判定部５５によって、正規化部５４から出力される結合情報及び機器状態情報の内容が変化した場合に結合情報及び機器状態情報が出力されるため、フィールドネットワークＮ１や制御ネットワークＮ２を構成するネットワークスイッチの追加や削除が行われた場合に、その旨を示す情報が即座に機器管理装置４０に収集される。フィールドネットワークＮ１や制御ネットワークＮ２に接続されるフィールド機器１０やコントローラ群２０の追加や削除が行われた場合にも同様に、その旨を示す情報が即座に機器管理装置４０に収集される。

また、本実施形態では、上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂを設け、自スイッチよりも下位層に配置されたネットワークスイッチ等との結合情報に加えて、自スイッチよりも上位層に配置されたネットワークスイッチ等との結合情報を得ている。このため、無線ネットワーク等で多用されるメッシュトポロジのように、上位に配置されて自スイッチに直接接続されるネットワークスイッチ等が複数存在する場合であっても、各々の通信経路を把握することができる。このため、例えば必要に応じて通信経路を切り替えることにより、ネットワーク負荷の平準化や異常発生時の回避ルートの形成を実現することができる。

また、本実施形態のフィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２は、冗長化された構成であっても良い。このような構成にした場合には、例えばネットワークスイッチＳＷ２１の上位層結合検出部５１ａの検出結果である結合情報（ネットワークスイッチＳＷ２１とネットワークスイッチＳＷ１１との結合状態を示す情報）が異常であるときに、冗長化されたフィールドネットワークＮ１の別のルートを介して結合情報及び機器状態情報をネットワークスイッチＳＷ１１に出力しても良い。或いは、例えば下位層に位置するネットワークスイッチＳＷ２１が上位層に位置するネットワークスイッチＳＷ１１の変化（異常）を検出したときに、異常が検出されたネットワークスイッチＳＷ１１を避けて更に上位の機器に結合情報及び機器状態情報を出力しても良い。

また、本実施形態では、フィールドネットワークＮ１の階層単位、或いはネットワークスイッチ等の間の結合単位で障害が発生した場所を特定することができる。このため、プラント制御システム１の全体動作を停止させることなく、プラント制御システム１の動作への影響が最小となるように、障害が生じた箇所のみを切り離すといったことが可能になる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態によるプロセス制御システム及びその管理方法について説明する。上述した第１実施形態では、図３に示す通り、結合情報及び機器状態情報を含むフレーム形式の情報を上位層側に順次送信していた。これに対し、本実施形態では、プロセス制御に用いられるデータ（例えば、センサ機器１１からの測定データ）に対して現状の健全性を示すフラグ情報が付加されたフレーム形式の情報を上位層側に順次送信することで、上位層側に配置された他のネットワークスイッチ等がその情報の信憑姓をリアルタイムで把握することができるようにしたものである。

本実施形態のプロセス制御システムは、図１に示すプロセス制御システム１と同様の全体構成であるが、プロセス制御システムに設けられるネットワークスイッチ等の内部構成が図２に示すものとは多少異なる。図５は、本発明の第２実施形態によるプロセス制御システムに設けられるネットワークスイッチの要部構成を示すブロック図である。尚、本実施形態においても、ネットワークスイッチＳＷ０，ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４は同様の構成であるため、以下ではフィールドネットワークＮ１の一部をなすネットワークスイッチＳＷ２１を代表させて説明する。

図５に示す通り、本実施形態のプロセス制御システムに設けられるネットワークスイッチＳＷ２１は、通信部５６内にフラグ操作部５７を設けた構成である。このフラグ操作部５７は、下位層に配置されたネットワークスイッチから出力されるデータに対してフラグ情報を付加するものである。尚、判定部５５からの結合情報及び機器状態情報に上記のフラグ情報が既に付加されている場合には、フラグ操作部５７はフラグ情報の判定を行う。

ここで、上記のフラグ情報としては、例えば「正常」，「異常」，「不定」を示す値を取り得る。上記の「正常」は、結合情報及び機器状態情報の内容が健全である旨を示し、上記の「異常」は、結合情報及び機器状態情報の内容が不健全である旨を示し、上記の「不定」は、結合情報及び機器状態情報の内容が健全であるのか不健全であるのかが不明である旨を示す。

図６は、本発明の第２実施形態においてネットワークスイッチから送信される情報の一例を示す図である。尚、図６に示す情報は、ネットワークスイッチＳＷ２１の通信部５６から機器管理装置４０に向けて送信される情報である。この情報は、図６に示す通りヘッダ領域Ｒ１１、データ格納領域Ｒ１２、及びフッタ領域Ｒ１３に加えて、上述したフラグ情報が格納されるフラグ情報格納領域Ｒ１４を有するフレームを単位とした情報である。尚、データ格納領域Ｒ１２は、下位層に配置されたネットワークスイッチから出力されるデータが格納される領域である。また、図６に示す例では、ヘッダ領域Ｒ１１とデータ格納領域Ｒ１２との間にフラグ情報格納領域Ｒ１４が設けられている。

次に、上記構成におけるプロセス制御システムの動作について説明する。図７は、本発明の第２実施形態によるプロセス制御システムをなすネットワークスイッチの動作を示すフローチャートである。以下では、第１実施形態と同様に、フィールドネットワークＮ１の一部をなすネットワークスイッチＳＷ２１の動作を例に挙げて説明する。尚、図７に示すフローチャートの処理は、例えば一定の周期で実行される。

図７に示すフローチャートの処理が開始されると、第１実施形態と同様に、下位層に配置されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）との結合状態を検出して結合情報を取得する処理（ステップＳ１１）から結合情報及び機器動作情報を正規化する処理（ステップＳ１６）までの処理が順次行われる。そして、正規化された結合情報及び機器状態情報の内容が変化したか否かを判定する処理（ステップＳ１７，Ｓ１８）行われる。

ここで、ステップＳ１８において、結合情報及び機器状態情報の少なくとも一方の変化があったと判断された場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、変化の生じた結合情報及び機器状態情報（新たに正規化部５４から得られた結合情報及び機器状態情報）を上位層に向けて出力する処理がネットワークスイッチＳＷ２１の通信部５６で行われる（ステップＳ１９）。続いて、下位層に配置されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）から出力されるデータにフラグ情報を付する処理がフラグ操作部５７によって行われ、フラグ情報が付されたデータを上位層に向けて出力する処理がネットワークスイッチＳＷ２１の通信部５６で行われる（ステップＳ２０）。尚、ステップＳ２０の処理は、ステップＳ１８の処理の前に行っても良い。

これに対し、ステップＳ１８において、結合情報及び機器状態情報に変化が無いと判断された場合（判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ１９の処理が省略されて、ステップＳ２０の処理が行われる。つまり、下位層に配置されたネットワークスイッチ（ネットワークスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２）から出力されるデータにフラグ情報を付して、フラグ情報が付されたデータを上位層に向けて出力する処理が行われる。

以上の通り、本実施形態では、結合情報及び機器状態情報に加えて現状の健全性を示すフラグ情報を含むフレーム形式の情報を上位層側に順次送信するようにしているため、上位層側に配置された他のネットワークスイッチ等がその情報の信憑姓をリアルタイムで把握することができる。尚、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、各機器で得られた結合情報及び機器状態情報を上位層側に順次送信して機器管理装置４０で収集するようにしているため、障害が生じた箇所や原因を容易に特定することが可能であり、障害が生じた場合に短時間で復旧することができる。

尚、本実施形態では、フラグ操作部５７が、上位層に送信するデータにフラグを付加すものとして説明したが、下位層に送信するデータにフラグを付加するものであっても良い。下位層に送信するデータにフラグを付加する場合には、例えばフィールド機器が、「正常」以外のフラグが付加されたデータを受け取ったときには、そのデータを破棄して異常動作を行わないようにする。

〔第３実施形態〕
図８は、本発明の第３実施形態によるプロセス制御システムの全体構成を示すブロック図である。前述した第１，第２実施形態のプロセス制御システム１に設けられたフィールドネットワークＮ１は、複数のネットワークスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４がツリー状に縦続接続されることによって構成されるものであった。これに対し、本実施形態のフィールドネットワークＮ１は、ＩＯノード６０ａ，６０ｂ，…（ネットワーク機器）をライン状に縦続接続するものである。

ＩＯノード６０ａ，６０ｂ，…は、フィールド機器１０との間で各種情報の入出力を行う装置である。これらＩＯノード６０ａ，６０ｂ，…は、リピータ機能をそれぞれ備えており、フィールドネットワークＮ１にライン状に縦続接続される。また、ＩＯノード６０ａ，６０ｂ，…は、図１に示すネットワークスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１〜ＳＷ３４が備える上位層結合検出部５１ａ、下位層結合検出部５１ｂ、機器状態検出部５２、下位層情報収集部５３、正規化部５４、判定部５５、及び通信部５６と同様の構成を備える。従って、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、各機器（ノード）で得られた結合情報及び機器状態情報が上位層側に順次送信されて機器管理装置４０で収集されるため、障害が生じた箇所や原因を容易に特定することが可能であり、障害が生じた場合に短時間で復旧することができる。

以上、本発明の実施形態によるプロセス制御システム及びその管理方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ネットワークスイッチが、上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂと機器状態検出部５２とを備えており、上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂの検出結果を結合情報として出力するとともに、機器状態検出部５２の検出結果を機器状態情報として出力するものとして説明した。しかしながら、ネットワークスイッチは、上位層結合検出部５１ａ及び下位層結合検出部５１ｂと機器状態検出部５２との何れか一方のみを備えており、結合情報と機器状態情報との何れか一方を出力するものであっても良い。

また、上記実施形態では、機器管理装置４０が制御ネットワークＮ２に接続されている例について説明したが、フィールドネットワークＮ１に接続されていても良く、フィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２以外の外部のネットワークに接続されていても良い。また、機器管理装置４０は、操作監視装置３０やコントローラ群２０をなすコントローラに設けられていても良い。つまり、機器管理装置４０は、管理対象となる機器の最上位層に配置されていれば良い。

また、上記実施形態では、下位層に配置されたネットワークスイッチとの間で通信が可能な状態であるか否かを判断し、通信が可能な状態である場合に下位層に配置されたネットワークスイッチからの結合情報及び機器状態情報を下位層情報収集部５３で収集する例について説明した。しかしながら、下位層に配置されたネットワークスイッチとの間で通信が可能であるにも拘わらず、上位層に配置されたネットワークスイッチとの間で通信が不可能な場合には、下位層に配置されたネットワーク機器に対して予め規定した緊急時暫定動作（例えば、ある動作を継続させるホールド動作）を指示するようにしても良い。これにより、緊急時の異常動作を防止することができる。

尚、本発明のプロセス制御システムに設けられるネットワーク機器としては、上記第１，第２実施形態で説明したネットワークスイッチ以外に、ハブ、スイッチ、ルータ、リンキングデバイス、ゲートウェイ、アクセスポイント等が挙げられる。また、上記ネットワーク機器の機能を備える機器としては、第３実施形態で説明したＩＯノード以外に、コントローラ、機器管理装置、操作監視装置等が挙げられる。

１，２ プロセス制御システム
１０ フィールド機器
２０ コントローラ群
４０ 機器管理装置
５１ａ 上位層結合検出部
５１ｂ 下位層結合検出部
５２ 機器状態検出部
５４ 正規化部
６０ａ，６０ｂ ＩＯノード
Ｎ１ フィールドネットワーク
Ｎ２ 制御ネットワーク
ＳＷ０ ネットワークスイッチ
ＳＷ１１ ネットワークスイッチ
ＳＷ２１，ＳＷ２２ ネットワークスイッチ
ＳＷ３１〜ＳＷ３４ ネットワークスイッチ

Claims (6)

1. プラントで実現される工業プロセスの制御を行うプロセス制御システムにおいて、
   前記プラントに設けられるネットワークに接続され、或いは該ネットワークの一部をなし、前記ネットワークとの物理的な結合状態及び論理的な結合状態を検出する第１検出部と、自機の状態を検出する第２検出部と、前記第１検出部の検出結果を示す結合情報及び前記第２検出部の検出結果を示す機器状態情報を予め規定された形式に変換して正規化する正規化部とを備えており、前記正規化部で正規化された前記結合情報と前記正規化部で正規化された前記機器状態情報との少なくとも一方を前記ネットワークに出力するネットワーク機器を備えることを特徴とするプロセス制御システム。
2. 前記ネットワークは、複数の前記ネットワーク機器が階層状に結合されてなるものであり、
   前記ネットワーク機器の前記第１検出部は、隣接する上位層及び下位層における他のネットワーク機器との物理的な結合状態及び論理的な結合状態をそれぞれ検出する
   ことを特徴とする請求項１記載のプロセス制御システム。
3. 前記ネットワーク機器は、隣接する上位層又は下位層における他のネットワーク機器からの結合情報及び機器状態情報の少なくとも一方を受け取り、前記正規化部で正規化された前記結合情報及び前記正規化部で正規化された前記機器状態情報の少なくとも一方とともに、隣接する上位層又は下位層における他のネットワーク機器に出力することを特徴とする請求項２記載のプロセス制御システム。
4. 前記正規化部は、前記第１検出部の検出結果を示す結合情報及び前記第２検出部の検出結果を示す機器状態情報に加えて、隣接する上位層又は下位層における他のネットワーク機器から受け取った結合情報及び機器状態情報を正規化するものであり、
   前記正規化部から出力される結合情報及び機器状態情報の内容が変化したか否かを判定し、変化したと判定した場合に該結合情報及び機器状態情報を前記ネットワークに出力する判定部を備える
   ことを特徴とする請求項３記載のプロセス制御システム。
5. 前記ネットワーク機器からの前記結合情報及び前記機器状態情報を収集して、前記ネットワークの管理を行う上位管理装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載のプロセス制御システム。
6. プラントで実現される工業プロセスの制御を行うプロセス制御システムの管理方法であって、
   前記プラントに設けられるネットワークに接続され、或いは該ネットワークの一部をなすネットワーク機器と前記ネットワークとの物理的な結合状態及び論理的な結合状態と、前記ネットワーク機器の状態との少なくとも一方を検出する第１ステップと、
   前記第１ステップにおける前記ネットワークとの物理的な結合状態及び論理的な結合状態の検出結果を示す結合情報と、前記ネットワーク機器の状態の検出結果を示す機器状態情報との少なくとも一方を予め規定された形式に変換して正規化するステップと、
   正規化された前記結合情報と正規化された前記機器状態情報との少なくとも一方を前記ネットワークに出力する第２ステップと、
   前記第２ステップで出力された前記結合情報及び機器状態情報を収集して、前記ネットワークの管理を行う第３ステップと
   を有することを特徴とするプロセス制御システムの管理方法。

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