進化するオープン統合化分散制御システム

富士時報
Vol.74 No.9 2001
進化するオープン統合化分散制御システム
森 孝一（もり こういち）
まえがき
図１ 継承システム構成
富士電機は，アナログ計装，コンピュータによる DDC
リモートAOS-PC
Web-PC
ネットワーク
プリンタ
（Direct Digital Control）の時代を経て，電気・計装・コ
ンピュータ（EIC）の技術要素を統合した分散監視制御シ
ステム（DCS：Distributed Control System）を数多く製
作・納入している。DCS は監視制御専用システムを指向
情報LAN
データベース
オペレータ
AX ステーション
AX ステーション
DB ADS-2000/ HMI AOS-2000/
PC2000
PC2000
しており，信頼性・高速応答性を重要視したことが評価さ
AX
HMI
エンジニア
リング
ワークステー
ションAES
制御LAN回線2
FL-net
れて，プラントの安定・安全操業に不可欠な存在となって
コントローラ
ACS-2000
いる。しかし，監視制御専用システムにとどまる DCS に
はオープン性・柔軟性の面での不満が指摘されている。
制御LAN回線1DPCS-F
昨今のパソコンの急伸は，監視制御分野にとっても大き
な影響を及ぼしている。パソコンライクな画面構成や操作
環境による監視操作が好まれ，ツールの開放（エンジニア
既存各種コントローラPCS/HDC/ICS/ACS
リングの開放）といったエンドユーザーコンピューティン
グ（EUC）への対応や，企業生産情報や環境・保全情報
とのシームレスな共有（蓄積したデータの高度利用）が望
２の「機能分散・フラット化と IT（Information Technolo-
まれている。プラント監視制御分野におけるこのような
gy）統合化 PAS」を提案する。
ニーズを 「情報と制御の融合・オープン化」と呼ぶ。
さらに「情報と制御の融合・オープン化」のためには，
富士電機は「進化と継承」をコンセプトとしてオープン
「制御情報のリアルタイム性を乱さないで情報系信号
統合化分散監視制御システム（Advanced Open Process
〔TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Pro-
「継
Automation System）
「MICREX-AX」を開発した。
tocol）
〕を重畳させる」技術が不可欠となる。これらの技
承」とは，すでに多くの顧客に使用していただいている
術を取り入れた例として，アセットマネジメント（Asset
DCS 財産の継続と信頼性・高速応答性の維持である。継
Management：設備管理）の拡張としての PAS の ASP
「進化」とはオープン化，多
承システム例を図１に示す。
（Application Service Provider）について紹介する。富士
様な顧客要求へのソリューション提供，すなわち DCS か
電機はこのように将来を見据えた開発を行っている。開発
ら PAS（Process Automation System）への進化である。
コンセプト「進化と継承」の「継承」については本特集号
富士電機が顧客にコンテンツとして得意分野のベストソ
の別稿に譲り，本稿では「進化」について紹介する。
リューションを提供するのはもちろんであるが，メーカー
１社ですべてのソリューションを提供するよりは，それぞ
IT 統合化
れのベストソリューションを簡単に取り込めるシステムを
提供する方が顧客に歓迎されるものと考えている。それを
IT 統合化は情報 LAN のオープン化によって実現する。
〈注１〉
具現化する手段として，Ethernet ベースのオープンな情
報 LAN，制御 LAN およびフィールド LAN で実現する図
ERP（ Enterprise Resource Planning）， SCM（ Supply
Chain Management），MES（Manufacturing Execution
System）
，MRP（Material Requirements Planning）
，環
〈注１〉Ethernet ：米国 Xerox Corp. の登録商標
森 孝一
民需 EIC システムのエンジニア
リング業務に従事。現在，富士電
機システムズ
（株）
エンジニアリン
グ本部ソリューション統括部計測
ソリューション部担当部長。
498（10）
境・保全情報などそれぞれのベストソリューションを簡単
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図２ 機能分散・フラット化と IT 統合化 PAS
企業情報システム
（ERP，SCM，MES，MRP…）
新たな制御システム
情報と制御の融合・オープン化
設備管理サービス
（保全，環境，省エネルギー）
インターネット
Webターミナル
AX
HMI/DB
AX
HMI/DB
汎用
SCADA
OPC
OPC
統一
オペレーション
AX
コントローラ
オープンPIO
PLC
Ethernetベース
TCP/IP
情報
ネットワーク
FL-net準拠LAN
コントロール
ネットワーク
ターミナルI/O
デバイスネットなど
フィールド
ネットワーク
インターネット
ファイアウォール
PLC
FFフィールドバス
PROFIBUS
I/O
M
ディスクリート制御
プロセス制御
フラット化
に取り込める。
フラットに接続できるので，いわゆるパソコン計装から大
インターネットがそれぞれのインタフェース統一化のキー
になる。
規模 PAS までスケーラブルに機種に依存しない統一オペ
レーションを実現している。フラット化が次の｢機能分散
化｣「情報と制御の融合・オープン化」のベースとなる。
機能分散・フラット化
３.２ 機能分散化（制御・情報機能分散システム）
制御 LAN のオープン化による自由度の増加について述
べる。
３.２.１ FL-net 準拠 LAN と TCP/IP プロトコルの重畳
情報系信号を取り扱うプロトコルとしては，すでに
TCP/IP がデファクトスタンダードとなっている。TCP/
３.１ フラット化
Ethernet（TCP/IP）はリアルタイム性において制御
LAN に不向きといわれている。これを克服するために各
IP をベースに各種コンテンツなどのソフトウェアやネッ
トワーク機器などのハードウェアが開発されている。一方，
FL-net 準拠 LAN は「サイクリック伝送」や「トークン
社独自のプロトコルを創造している。これではせっかくの
パッシング方式伝送」などの制御に特化した伝送方式を採
Ethernet ベース制御 LAN も，マルチベンダシステムの要
用しているが故に，例えばその信号はルータを通り抜ける
（かなめ）にはなり得ない。富士電機は，この制御 LAN
に JIS 化を計画中の
（社）
日本電機工業会標準（JEM 1479）
の FL-net 準拠 LAN を採用している。
この
FL- net
準 拠 LAN に は富士電機製の HMI（Hu-
man Machine Interface）やコントローラに加えて，HMI
ことができない。
この問題を，①「ドメイン優先制御による FL-net 準拠
LAN と TCP/IP プロトコルの重畳」
，②ネットワークの
高速（100M ビット/秒）化により解決した。
FL-net 準拠 LAN と TCP/IP プロトコルの重畳の仕組
には OPC（OLE for Process Control）インタフェース/
みを図３に示す。
ActiveX 画 面ベ ー ス の 各 社 SCADA（ Supervisory Con-
３.２.２ 機能分散化
trol And Data Acquisition）を，コントローラにはテレメー
FL-net 準拠 LAN と TCP/IP プロトコルの重畳による
タ・テレコントローラやディスクリート制御・プロセス制
制御（制御アプリケーション）と情報（Web サービス画
御用プログラマブルコントローラ（PLC）をフラットに混
面）のイントラネット一元化システム構成例を図４に示す。
。
在接続（Right Sizing）できる（図２）
高速な光ネットワークが安価に供給されることにより，実
富士電機は，プロセス制御を PLC で実現するために，
（1） 制御 LAN の二重化→ FL-net 準拠 LAN
現する。
制御 LAN が制御・情報一元化 LAN となることで，プ
（2 ） PLC の二重化→ MICREX-SX
ロセス（工場）単位の PAS は事業所単位の PAS へと移
（3） I/O の二重化→オープン PIO
行する。 図 ５ に複数工場の操業を１か所の操業管理セン
を開発した。小規模システムにおいても，PLC と上記
∼
（1）
を組み合わせることにより，高信頼性を維持しつつ安価
（3）
な PAS を提供可能になった。
このように，制御 LAN に各種 HMI やコントローラを
ターで，同様に複数工場の保全を保全管理センターで行う
システム構成例を示す。
制御 LAN にイントラネット（専用線）を使用すること
で，各操業・保全機器の設置に対する制約が緩和される
499（11）
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（Right Locating）
。制御，操業，保全の自立分散を目指す。
Java などの言語で制御プログラムを書けるようになるこ
とで，豊富な情報エンジニアを活用できるようにもなる。
それぞれのグループの分担は次のとおりである。
１秒以下のリアルタイム性を要求される制御はローカル
コントローラ（オープン PIO など）やフィールド機器の
PAS の ASP
インテリジェント化（FF フィールドバス，PROFIBUS な
ど）で実現する。悪環境下に設置されるのはこれらの制御
グループのみとなる。操業・保全グループは好環境下に設
機能分散化の将来像例として「制御システムの ASP」
を紹介する（図６）
。
前章で「顧客に統合化」されていた制御装置を「メー
置することが可能である。
制御装置は秒オーダーの処理を担当する。また，制御装
置は情報システムとの連携をより強化する。制御装置の要
カーに統合」し，
「イントラネット」を「インターネット」
に広げることにより，より良い設置環境，より良い保全体
〈注２〉
件としては情報システムとのオブジェクト連携，C，Java
などのアプリケーション搭載が求められるようになる。C，
図３ FL-net 準拠 LAN と TCP/IP プロトコルの重畳の仕組み
〈注２〉Java：米国 Sun Microsystems, Inc. の登録商標
図５ イントラネット一元化情報と制御の融合システム
構成例（2）
プロセス
操業DB
プロセス
監視
FL-net準拠LANと
TCP/IPの重畳
事業所
操業管理センター
FL-netの高速化（100 Mビット/秒）
FL-net
に伴って，ネットワークアイドル時間
アダプタ
FL-net準拠
を多目的に利用できるようになった。
LAN＋TCP/IP
アイドル時間にTCP/IPを重畳する。
バックボーン
単純にFL-netとTCP/IPを混在させ
ただけではFL-netフレームがブロー
TCP/IP
スイッチ
ドキャストのために衝突が発生し無
視できないサイクル遅延を引き起こ
スイッチ
FL-net
す。
アダプタ
AX
SX
解決手段
ドメイン
（1）各ノード，FL-netアダプタが
優先制御
スイッチドメインでのFL-net
優先フロー制御を行う。
（ポーズフレーム：MAC/NDIS）
（2）各ノード，FL-netアダプタが
ターミナル
ハードウェアによるFL-net優
I/O
プロセス
先制御を行う。
I/O
DDC駆動装置
FL-netサイクル時間
FL-netサイクル時間
サイクル
遅延
TCP/IP TCP/IP
フレーム フレーム
インターネット
Webターミナル
AX
HMI/DB
汎用
SCADA
OPC
OPC
インター
ネット
ファイア
ウォール
工場A
ローカル
コント
ローラ
工場B
ローカル
コント
ローラ
制御
装置B
工場C
PLC
オープン
PIO
FL-net
サイク
リック
フレーム
（BC）
TCP/IP TCP/IP TCP/IP
フレーム フレーム フレーム
制御
装置A
FL-net準拠LAN＋TCP/IP（イントラネット）
オープン
PIO
FL-net
サイク
リック
フレーム
（BC）
設備管理サービス
（保全，環境，
省エネルギー）
TCP
AX
HMI/DB
アイドル時間
FL-net
サイク
リック
フレーム
（BC）
保全管理センター
企業情報システム
（ERP，SCM，
MES，MRP…）
ターミ
ナル
I/O
I/O
M
図６ 制御システムの ASP モデル
図４ イントラネット一元化情報と制御の融合システム
ユーザー
構成例（１）
メーカー保全管理
センター
操業管理センター
企業情報システム
設備管理サービス
（ERP，SCM，
（保全，環境，
MES，MRP…） 省エネルギー）
企業情報システム
（ERP，SCM，
MES，MRP…）
インターネット
Webターミナル
インターネット
Webターミナル
設備管理サービス
（保全，環境，
省エネルギー）
TCP
TCP
AX
HMI/DB
AX
HMI/DB
汎用
SCADA
OPC
OPC
AX
HMI/DB
インターネット
ファイアウォール
工場A
PLC
PLC
OPC
OPC
ローカル
コント
ローラ
オープン
PIO
オープン
PIO
ターミナル
I/O
I/O
M
500（12）
汎用
SCADA
制御
装置
汎用
AX
SCADA
HMI/DB
OPC
FL-net準拠LAN＋TCP/IP（インターネット）
FL-net準拠LAN＋TCP/IP（イントラネット）
AX
コントローラ
AX
HMI/DB
工場B
ローカル
コント
ローラ
工場C
PLC
オープン
PIO
ターミ
ナル
I/O
I/O
M
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進化するオープン統合化分散制御システム
Vol.74 No.9 2001
制下でシステムを維持することにより，より安定・安全操
富士電機の現状は図４である。富士電機は PAS の製造
業が期待できる。さらに小規模ユーザーは制御装置を買い
メーカーにとどまらず，制御装置の ASP や操業・保守・
取るのではなく，制御システムをリースすることにより，
管理業務代行を今後推進する考えである。
制御装置の ASP 化が実現する。
参考文献
あとがき
（1） 福本武也．製造業の TCO を削減する生産・環境・保全ソ
リューションの提供．計装（500号記念増刊号）
．vol.42，no.10，
情報と制御の融合・オープン化，制御・情報機能分散シ
ステムの考え方を紹介した。
（1） 現場にはセンサ・操作端と I/O のみを設置
™耐環境性を考慮したオープン PIO を開発
™センサ・操作端はフィールドバス化
（2 ） 制御装置は情報システムとの連携強化
™リアルタイム性の必要な機能はローカル側へ
™制御言語は C や Java へ
↓
1999．
（2 ） 山田隆雄．フィールドネットワークの動向と展望．2000
計装制御技術チュートリアルセミナ SESSION 2 IT 活用/パ
ソコン･ネットワーク技術．2000- 7- 6．
（3） 森 孝 一 ． 機 能 分 散 ・ フ ラ ッ ト 化 と IT 統 合 化 ． 計 装 ．
vol.43，no.10，2000，p.56- 60．
（4 ） 小堀隆哉ほか．イーサネットベースの I/O バス．2000 計
装技術会議．2000- 12- 6．
（5） Massachusetts，E．デバイスレベルへの Ethernet は論
（3） ネットワークはインターネット化
理的である──当たりまえか，頑固か，ただ必要なだけか？
（4 ） 操業は好環境設置遠隔・集中化・統一化
ARC News．2001- 6- 6．
（5） 制御装置は好環境設置， 遠隔メーカー管理
501（13）