JP3559708B2 - 遠隔制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油プラント等の制御対象を遠隔制御する遠隔制御システムに関し、特に、制御対象を制御するための操作指令信号を、遠隔地からネットワークを介して伝送する際のセキュリティ管理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ネットワーク技術の進歩により、各種の計算機システムをインターネットなどの広域ネットワークに接続することが一般化してきた。これに伴い、ネットワークを介して、システムを破壊したり、情報を盗聴する等の犯罪や事故が増えてきた。このような犯罪や事故に対する保護機能として、各種のネットワークセキュリティ管理方式が提案されている。
【０００３】
また、発電プラントや、鉄鋼、石油および化学等の産業プラントを始めとする各種プロセスの運転、監視および制御を行うシステムにおいて、遠隔操作で監視や保守を行う現地無人の自動運転制御に対する要求が高まってきた。遠隔操作による自動運転制御を行うには、制御システムを広域ネットワークに接続する必要があり、ネットワークに対するセキュリティ管理機能の強化が必要不可欠である。
【０００４】
特に、社会インフラである発電プラントや、高度な安全性が要求される原子力プラントおよび化学プラントなどでは、テロ活動などの故意の犯罪や、遠隔システムやネットワークシステムの誤動作により生じうる異常な制御動作がプラントの事故、破壊しいては社会の破壊にもつながりかねないため、通常の情報システムよりもさらに高度なセキュリティシステムが必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでに提案され、あるいは実用化されているネットワークセキュリティ管理機能は、情報伝達信号の暗号化やオペレータの電子承認に関するものが大半であった。
【０００６】
情報伝達信号の暗号化やオペレータの電子承認に関するネットワークセキュリティ管理機能のみでは、コンピュータ・ハッカー等による暗号解読で破られる可能性があり、プラント等の高度なセキュリティ管理機能が要求されるプロセス制御システムには不十分である。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、セキュリティ管理機能の強化を図った遠隔制御システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価するとともに、前記制御対象に与える影響が所定の許容範囲内にある場合に限り、前記操作指令信号を前記ローカル制御手段に供給する予測評価手段と、前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させる。
【０００９】
また、本発明は、制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価する予測評価手段と、前記ローカル制御手段を制御するローカル操作手段と、前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させ、前記ローカル操作手段および前記遠隔制御手段の少なくとも一方は、前記予測評価手段による予測評価結果を表示する表示装置を有する。
【００１０】
また、本発明は、制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果と前記制御対象の実応答との少なくとも一方に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価する予測評価手段と、前記制御対象の特性の推定に用いられる同定信号を発生する同定信号発生手段と、前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、前記シミュレーション手段は、前記操作指令信号とそれにより発生される前記同定信号とに基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションし、前記遠隔制御手段は、前記同定信号発生手段に対する前記同定信号の変更指令を含む前記操作指令信号を前記ネットワーク上に伝送し、前記ローカル制御手段は、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果とそれらに対する前記予測評価手段の評価結果とを、前記ネットワークを介して前記遠隔制御手段に伝送し、前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る遠隔制御システムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１２】
従来のセキュリティ管理機能を有する遠隔制御システムは、制御対象を制御するための操作指令信号を暗号化してネットワーク上に伝送することにより、ネットワーク犯罪に対する防御を行っていた。これに対して、本発明に係る遠隔制御システムは、制御対象に操作指令信号を供給した場合の制御対象の損失を予測・評価して問題のある操作をすべて阻止（除去）するものである。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１はセキュリティ管理機能を有する遠隔制御システムの第１の実施形態の概略ブロック図である。図１の遠隔制御システムは、石油プラント等の制御対象１の制御を行うローカルコントローラ（制御装置）２と、ネットワーク３を介してローカルコントローラ２を遠隔制御する遠隔制御端末４と、遠隔制御端末４からネットワーク３上に伝送される制御系操作指令信号が制御対象１に与える影響を予測評価する制御系操作監視装置５とを備える。
【００１４】
ローカルコントローラ２は、制御系とも呼ぶ。ローカルコントローラ２と制御系操作監視装置５は通常は制御対象１の近く（例えば同一の敷地内）に配置され、制御系操作監視装置５は、ネットワーク接続部６を介してネットワーク３と接続される。
【００１５】
ローカルコントローラ２は、所定の制御演算を行って制御対象１の操作量を決定し、その操作量に基づいて制御対象１の制御を行う。制御対象１の出力である制御量は、ローカルコントローラ２に帰還され、この帰還量に基づいて、ローカルコントローラ２は、操作量を変更する。このように、ローカルコントローラ２は、制御対象１の制御量に基づいて、制御対象１を帰還制御する。
【００１６】
図２は本実施形態の特徴部分である制御系操作監視装置５の詳細構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御系操作監視装置５は、操作種別判定部１１と、シミュレーション予測部１２と、操作解析部１３と、操作判定処理部１４と、操作事例データベース部１５と、プロセス応答データベース部１６と、評価項目テーブル部１７とを有する。
【００１７】
操作事例データベース部１５とプロセス応答データベース部１６は、制御系操作監視装置５の外部に設けてもよく、例えば、両データベース部１５，１６をネットワーク３に接続し、必要なデータをネットワーク３を介して制御系操作監視装置５に送信してもよい。
【００１８】
操作種別判定部１１は、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号に基づいて、指令された操作種別を判定する。操作種別には、一例として、▲１▼制御モードの変更を指令する制御モード変更指令、▲２▼制御対象１に対する設定値の変更を指令する設定値変更指令、▲３▼制御対象１に対する操作量の変更を指令する操作量変更指令、▲４▼制御対象１の起動および停止を指令する起動・停止指令、▲５▼制御システムの特性を推定するための試験用信号である同定信号の入力を指令する同定信号入力指令、▲６▼制御対象１に対する制御定数の変更を指令する制御定数変更指令、▲７▼制御対象１の特性モデルの変更を指令するプロセス特性モデル変更指令がある。操作種別判定部１１は、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号が、上記▲１▼〜▲７▼のいずれに該当するかを判断する。
【００１９】
なお、必ずしも上記▲１▼〜▲７▼のすべてを設ける必要はなく、一部だけを設けたり、他の操作種別を新たに追加してもよい。
【００２０】
操作種別判定部１１に接続される評価項目テーブル部１７には、遠隔制御端末４が指令した操作種別に応じて評価される項目情報が格納されている。図３の「○」印が操作種別指令に対応する評価項目である。
【００２１】
例えば、制御モード変更が指令されると、操作種別判定部１１は、プロセス量変動評価、制御系安定性評価および事例データベース照合を行う。また、設定値変更、操作量変更および起動・停止のいずれかが指令されると、操作種別判定部１１は、プロセス量変動評価、経済性評価および事例データベース照合を行う。また、同定信号入力が指令されると、操作種別判定部１１は、プロセス量変動評価、制御性能評価、経済性評価および事例データベース照合を行う。また、制御パラメータの変更が指令されると、操作種別判定部１１は、プロセス量変動評価、制御系安定性評価、制御性能評価および事例データベース照合を行う。また、プロセス特性モデルの変更が指令されると、操作種別判定部１１は、モデル評価と事例データベース照合を行う。
【００２２】
また、操作種別判定部１１は、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号をシミュレーション予測部１２に送信する。シミュレーション予測部１２は、受信した制御系操作指令信号をそのまま用いて制御対象の動作をシミュレーションし、その結果を操作解析部１３に送信する。
【００２３】
より詳細には、シミュレーション予測部１２内には、ローカルコントローラ２と同一の制御アルゴリズムおよびプロセス特性モデルによる制御系シミュレータが設けられており、制御モード、設定値および操作量の変化や、同定信号入力や、制御定数の変更や、プロセス特性モデルを行った場合の制御量や操作量の時間応答等のシミュレーションを行う。
【００２４】
一方、操作解析部１３は、図３で示した各評価項目の評価を行う複数の評価部を有する。具体的には、操作解析部１３は、制御量（プロセス量）の変動を評価する制御量変動評価部２１と、制御系の安定性を評価する制御系安定性評価部２２と、制御系の制御性能を評価する制御性能評価部２３と、制御対象の経済性を評価する経済性評価部２４と、制御対象に関する特性モデルを評価するモデル評価部２５と、事例データベースと照合する事例データベース照合部２６とを有する。
【００２５】
次に、操作解析部１３内の各評価部の動作を詳細に説明する。
【００２６】
（Ａ）制御量変動評価部２１の動作
制御量変動評価部２１は、遠隔制御端末４から送信された制御系操作指令信号を用いてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行い、制御対象の制御量（プロセス量）ｙ（ｋ）と操作量ｕ（ｋ）に対応するシミュレーション応答時系列データｙ（ｋ），ｕ（ｋ）、（ただし、ｋ＝１，２，…Ｎ）が以下の（１）〜（４）式の条件を満たすか否かを判断する。
【００２７】
ｙｍｉｎ≦ｙ（ｋ）≦ｙｍａｘ …（１）
ｕｍｉｎ≦ｕ（ｋ）≦ｕｍａｘ …（２）
Δｙｍｉｎ≦Δｙ（ｋ）≦Δｙｍａｘ …（３）
Δｕｍｉｎ≦Δｕ（ｋ）≦Δｕｍａｘ …（４）
ただし、ｋ＝１，…，Ｎであり、Δｙ（ｋ）＝ｙ（ｋ）−ｙ（ｋ−１）は制御量の時間変化率を表す増分であり、Δｕ（ｋ）＝ｕ（ｋ）−ｕ（ｋ−１）は操作量の時間変化率を表す増分である。また、ｙｍｉｎ，ｙｍａｘは、制御量の変動許容範囲の最小値、最大値であり、ｕｍｉｎ，ｕｍａｘは、操作量の変動許容範囲の最小値、最大値である。さらに、Δｙｍｉｎ，Δｙｍａｘは、制御量の変動許容範囲の時間変化率の最小値、最大値であり、Δｕｍｉｎ，Δｕｍａｘは、操作量の変動許容範囲の時間変化率の最小値、最大値である。
【００２８】
上記（１）〜（４）式がすべて成り立つ場合には、制御量変動評価部２１は、制御量の変動は適切（正常）と判断し、いずれかの式が成り立たない場合には制御量の変動は不適切（異常）と判断する。
【００２９】
（Ｂ）制御系安定性評価部２２の動作
制御系安定性評価部２２は、制御系操作指令信号を用いてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行った結果に基づいて制御系の安定性を評価する。具体的には、制御量ｙ（ｋ）と操作量ｕ（ｋ）に対応するシミュレーション応答時系列データｙ（ｋ），ｕ（ｋ）（ｋ ＝１，…，Ｎ）に基づいて、過渡応答状態における３箇所の極大あるいは極小を検出して以下の判定処理を行う。
【００３０】
例えば、プロセス量（制御量や操作量）の過渡応答状態における３箇所の極大あるいは極小点を、図４に示すようにｐ１，ｐ２，ｐ３としたとき、以下の（５）式が成り立つか否かを判定する。
【００３１】
｜ｐ３−ｐ２｜／｜ｐ１−ｐ２｜≦η …（５）
（５）式が成り立つ場合には制御系は安定であると判断し、上記の条件を満たさなければ、制御系は不安定であると判断する。
【００３２】
あるいは、時系列モデルを用いて制御系の安定性を判断してもよい。例えば、シミュレーション応答データをｙ（ｋ）（ｋ＝１，…，Ｎ）、時系列多項式をＡ（ｚ −１） 、残差係数をｅ（ｋ）とすると、以下の（６），（７）式が得られる
Ａ（ｚ −１） ・ｙ（ｋ）＝ｅ（ｋ） …（６）
Ａ（ｚ −１） ＝１＋ａｉ ｚ−１＋…＋ａｎ ｚ−ｎ …（７）
以下の（８）式に示す残差係数ｅ（ｋ）の二乗総和Ｊが最小になる係数ａｉ を最小二乗法で推定する。
【００３３】
【数１】
次に、推定された係数ａｉ を（７）式に代入して（＝０）とおき、（７）式の根を求める。
【００３４】
図５は複素平面を表す図であり、実線の円周内が収束範囲であり、斜線で示した範囲が制御系の望ましい安定領域に相当する。したがって、制御系安定性評価部２２は、（７）式の各根が図５の安定領域内にあれば制御が安定であると判断し、各根が安定領域内になければ制御系は不安定であると判断する。
【００３５】
（Ｃ）制御性能評価部２３の動作
制御性能評価部２３は、制御系操作指令信号を用いてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行った結果に基づいて、制御系の制御性能を評価する。具体的には、制御量ｙと、それに対応する設定値（制御目標値）ｒとの差信号である制御偏差信号ｅ（ｋ）＝ｒ（ｋ）−ｙ（ｋ）（ｋ＝１，…，Ｎ）のシミュレーション応答時系列データに基づいて、以下の（９），（１０）式の条件を満たすか否かを判定する。ただし、ｅｍａｘ１ ，ｅｍａｘ２ は、制御偏差の許容最大値である。
【００３６】
｜ｅ（ｋ）｜≦ｅｍａｘ１ …（９）
【００３７】
【数２】
制御性能評価部２３は、上記の（９），（１０）式の両方の条件を満たせば、制御系の制御性能は適切（正常）と判断し、（９），（１０）式の少なくとも一方の条件が満たされなければ、制御系の制御性能は不適切（異常）と判断する。
【００３８】
（Ｄ）経済性評価部２４の動作
経済性評価部２４は、制御系操作指令信号を用いてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行った結果に基づいて、制御対象１の過渡的な挙動や応答により生じる経済的損失を演算する。
【００３９】
経済的損失とは、例えば、制御対象１の過渡変動による付加的なエネルギーロスや制御対象１の生産量低下分などであり、これらは一般に、制御量ｙ（ｋ）や操作量ｕ（ｋ）に関する関数になる。
【００４０】
経済性評価部２４は、以下の（１１）式に示す経済損失換算式Ｊｌｏｓｓを経済的損失とし、Ｊｌｏｓｓ≦Ｊｌｏｓｓｍａｘ の関係を満たせば経済的損失が適切（正常）と判断し、満たさなければ不適切（異常）と判断する。なお、Ｊｌｏｓｓｍａｘ は、経済損失限界を示すしきい値である。
【００４１】
【数３】
（Ｅ）モデル評価部２５の動作
モデル評価部２５は、制御系操作指令信号によりプロセス特性モデルの変更が指令されると、図２に示したプロセス応答データベース部１６から最近の制御量（プロセス量）ｙ（ｋ）と操作量ｕ（ｋ）を読み出し、これらを（１２），（１３）式に示すプロセス特性モデルＡ（ｚ−１），Ｂ（ｚ−１） にあてはめて、（１４）式を得る。
【００４２】
Ａ（ｚ−１） ＝１＋ａ１ ｚ−１＋…＋ａｎ ｚ−ｎ …（１２）
Ｂ（ｚ−１） ＝ｂ０ ＋ｂ１ ｚ−１＋…＋ｂｍ ｚ−ｍ …（１３）
Ａ（ｚ−１） ・ｙ（ｋ）＝Ｂ（ｚ−１） ・ｕ（ｋ）＋ｅ（ｋ） …（１４）
また、以下の（１５）式に基づいてモデル適合度Ｊｍａｔｃｈ（ｔ）を演算する。
【００４３】
【数４】
モデル評価部２５は、モデル適合度の最大許容値をＪｍａｘ としたときに、Ｊｍａｔｃｈ ≦Ｊｍａｘ の関係を満たせば、プロセス特性モデルが適切（正常）と判断し、満たさなければ、プロセス特性モデルが不適切（異常）と判断する。
【００４４】
（Ｆ）事例データベース照合部２６の動作
事例データベース照合部２６は、制御系操作指令信号により指令される操作に最も類似する過去の操作事例を操作事例データベース部１５から検索し、両者の相違の程度と、その検索した操作事例の制御系への影響度とに基づいて、以下の▲１▼▲２▼▲３▼の条件を満たすか否かを判定する。
【００４５】
▲１▼ ｜（現在受信した操作指令）−（過去の最も類似する操作事例）｜≦ε１
▲２▼ 過去の最も類似する操作事例は、適切（正常）と判断された。
【００４６】
▲３▼｜（現在の制御対象の応答）−（過去の最も類似する操作事例に対する制御対象の応答）｜≦ε２
上記▲１▼▲２▼の双方、あるいは▲１▼▲２▼▲３▼の全条件を満たせば、図２に示す操作事例データベース部１５から検索した操作事例を選択する。なお、上記▲１▼内の左辺の絶対値記号は、何らかの手段で操作指令と操作事例の相違度合いを数値化した絶対値であり、ε１はその妥当性を判断する判定しきい値である。
【００４７】
同様に、上記▲３▼内の左辺の絶対値記号は、何らかの手段で現在の制御対象の応答と過去の制御対象の応答の相違度合いを数値化した絶対値であり、ε２はその妥当性を判断する判定しきい値である。
【００４８】
操作事例データベース部１５は、オペレータから指示があったときに操作指令情報等を格納する。あるいは、操作解析部１３内の各評価部が各種の評価を行った結果を逐次、操作事例データベース部１５に格納してもよい。
【００４９】
例えば、遠隔制御端末４から送信された制御系操作指令信号が制御定数の変更指令である場合、事例データベース照合部２６は以下の▲４▼▲５▼の条件を満たせば適切（正常）と判断し、▲４▼▲５▼のいずれかの条件を満たさなければ不適切（異常）と判断する。
【００５０】
▲４▼ ｜（変更後の新しい制御定数）−（過去の最も類似する制御定数）｜≦ε
▲５▼ 過去の最も類似する制御定数を適用した場合の制御量（プロセス量）の変動幅、安定性、および制御性能の評価結果は適切（正常）である。
【００５１】
また、遠隔制御端末４から送信された制御系操作指令信号が同定信号の入力指令である場合、事例データベース照合部２６は以下の▲６▼▲７▼の条件を満たせば適切（正常）と判断し、▲６▼▲７▼のいずれかの条件を満たさなければ不適切（異常）と判断する。
【００５２】
▲６▼ ｜（同定信号の振幅）−（過去の最も類似する状況における同定信号振幅）｜≦ε
▲７▼ 同定信号を入力した結果の制御量（プロセス量）の変動幅、制御性能、および経済性の評価結果は適切（正常）である。
【００５３】
図２に示すように、操作解析部１３内の各評価部が行った解析結果は、判定結果信号として操作判定処理部１４に送られる。操作判定処理部１４は、判定結果が正常の場合には、制御系操作指令信号をそのままローカルコントローラ２に送信し、判定結果が一つでも異常の場合には、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号を拒絶し、以下の（ａ）〜（ｄ）のいずれか、あるいは（ａ）〜（ｄ）を組み合わせた処理を行う。
【００５４】
（ａ）受信した制御系操作指令信号を拒絶したことを通知する拒絶メッセージ信号を発信元にネットワーク３を介して送信する。
【００５５】
（ｂ）ローカルコントローラ２を直接監視・操作するオペレータや、ネットワーク３を介してローカルコントローラ２を遠隔制御するオペレータは、異常な制御系操作指令信号を受信したことを示す警告情報（アラームなど）を通知する。
【００５６】
（ｃ）異常な制御系操作指令信号を受信したことを示す警告情報（アラームなど）を、ネットワーク３を介して複数のシステムや遠隔監視するオペレータに通知する。また、その時点で監視業務に携わっていない関係者にも電子メールやＦＡＸ 等の他の送信手段を介して警告情報（アラームなど）を通知する。
【００５７】
（ｄ）異常な制御系操作指令信号を受信したことをネットワーク３、電話回線（公衆網）、無線回線、および衛星通信網等を介して、特定のシステムや個人へ情報伝達を行う。
【００５８】
この他、図２に詳細構成を示した制御系操作監視装置５は、受信した制御系操作指令信号が正常と判定されて、この信号が制御系に実際に供給された場合には、実測された制御量（プロセス量）や操作量、および操作解析部１３内の各評価部の評価結果に基づいて実時間で評価演算を行い、その演算結果により異常と判断されると、その時点で受信中の制御系操作指令信号を直ちに切断し、制御系を受信前の状態に戻す機能を有する。
【００５９】
このように、第１の実施形態では、遠隔制御端末４からネットワーク３を介して伝送される制御系操作指令信号が制御対象１に与える影響を事前に予測評価し、その結果、適切と判断された場合のみ、その操作指令信号を制御対象に供給するようにしたため、ネットワーク犯罪等を起因とする制御対象１の損害を未然に防止でき、ネットワーク３に対するセキュリティ管理機能を強化することができる。
【００６０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、ローカルオペレータによるローカル操作端末の操作と、リモートオペレータによる遠隔制御端末４の操作とに基づいて、制御対象１の制御を行うものである。
【００６１】
図６は遠隔制御システムの第２の実施形態のブロック図である。図６のシステムは、図１と同様に、ローカルコントローラ２と、遠隔制御端末４と、制御系操作監視装置５とを有する。この他、図６のシステムは、ローカル操作端末７を有する。ローカル操作端末７では、少人数のローカルオペレータ８が制御対象１の監視を行う。また、遠隔制御端末４では、リモートオペレータ９が制御対象１の運転操作を行う。
【００６２】
リモートオペレータ９は、制御対象１の過去から現在までの各制御量（プロセス量）の挙動トレンドデータを監視しながら、制御モード、設定値および操作量の変更や、制御対象１の起動・停止等を行う。
【００６３】
遠隔制御端末４は、リモートオペレータ９の操作情報に応じた制御系操作指令信号を、ネットワーク３を介して制御系操作監視装置５に伝送する。制御系操作監視装置５は、制御系操作指令信号が制御対象１に与える影響を予測評価し、正常と判断されると、その制御系操作指令信号をローカルコントローラ２に送信し、異常と判断されると、ローカル操作端末７にアラーム情報を表示するとともに、リモート操作端末にもアラーム情報を表示する。これにより、各操作端末のオペレータは、自己の操作が不適切であったことをリアルタイムに認識することができる。
【００６４】
図７はローカル操作端末７と遠隔制御端末４の表示装置の画面表示例を示す図であり、アラーム情報の表示形態の一例を示している。画面内の表示領域Ｗ１には、オペレータが選択可能な操作項目が表示され、オペレータが選択した項目は強調表示あるいは点滅表示される。図７は、オペレータが「設定値変更」を選択した例を示している。
【００６５】
また、画面内の表示領域Ｗ２には、オペレータが選択した操作項目に関する属性（プロパティ）情報が表示される。例えば、図７は、制御系の第３装置の操作量を１０％変更する例を示している。
【００６６】
また、画面内の表示領域Ｗ３には、各評価項目が正常か異常かを示す情報が表示される。より詳細には、シミュレーションによる正常／異常の判定結果と、実際に制御対象１を動作させたときの正常／異常の判定結果とが表示される。
【００６７】
図７は、シミュレーションを行った結果、プロセス変動量と制御性能が異常と判断され、制御対象１の実時間監視を行った結果、プロセス変動量と特性モデル評価が異常と判断された例を示している。なお、シミュレーションによる判断結果のみ、あるいは制御対象１の実時間監視のみを表示してもよい。
【００６８】
また、画面内の表示領域Ｗ４には、オペレータが選択した操作項目に関する情報を操作事例データベース部１５に保存するか否かを選択する選択ボタンが表示される。ここで、オペレータがｙｅｓ ボタンを選択すると、事前に選択した操作項目とその判定結果が図２に示す操作事例データベース部１５に格納される。
【００６９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、遠隔地のリモートオペレータ９により制御系のチューニング作業を行うものである。
【００７０】
図８は遠隔制御システムの第３の実施形態のブロック図である。図６の遠隔制御システムは、同定信号発生部１０と加算器３１とを有する他は図６の遠隔制御システムと同じうように構成される。
【００７１】
同定信号発生部１０は、ネットワーク３を介して遠隔制御端末４から送信される制御系操作指令信号に基づいて、制御対象１の特性試験信号である同定信号を発生する。この同定信号ｄ（ｋ）は、ローカルコントローラ２から出力された操作量ｕ（ｋ）と加算されて新たな操作量ｕ´（ｋ） ＝ｕ（ｋ）＋ｄ（ｋ）が生成される。この操作量ｕ´（ｋ） に基づいて制御対象１の制御が行われる。
【００７２】
遠隔制御端末４は、制御系のチューニングの専門家であるリモートオペレータ９により操作される。リモートオペレータ９は、制御対象１の出力である制御量を遠隔監視しながら、所望の同定信号に応じた制御系操作指令信号を出力する。
【００７３】
制御系操作監視装置５は、第２の実施形態と同様に、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号を制御系に供給した場合の制御対象に与える影響を評価判断する。
【００７４】
その結果、正常と判断されると、制御系操作監視装置５は制御系操作指令信号をローカルコントローラ２に送信し、異常と判断されると、制御系操作監視装置５はローカル操作端末７にアラーム情報を表示するとともに、ネットワーク３を介して遠隔制御端末４にもアラーム情報を表示する。これにより、リモートオペレータ９は、自己の操作が不適切であったことを認識することができる。
【００７５】
また、第３の実施形態は、第２の実施形態と同様に、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号に基づいてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行うシミュレーションモードと、例えば同定信号の入力のように所定時間継続される操作に対して実時間で監視を行う実時間モードとを備えており、両モードは個別に実行するようにしても、あるいは同時に実行するようにしてもよい。
【００７６】
図９はローカル操作端末７あるいは遠隔制御端末４の表示装置の画面表示例であり、アラーム情報の表示形態を示している。画面内の表示領域Ｗ５には制御系のチューニング操作の種類が表示され、表示領域Ｗ６にはその属性（プロパティ）が表示され、表示領域Ｗ７には判定結果が表示される。この表示領域Ｗ７には、シミュレーション予測部１２によるシミュレーション予測の判定結果と、制御対象１の実時間監視による判定結果とが表示される。また、表示領域Ｗ８には、遠隔制御端末４からの操作指令を操作事例データベースに格納するか否かを選択する選択ボタンが表示される。さらに、表示領域Ｗ９には、異常時のアラーム情報が表示される。
【００７７】
図９の例では、遠隔制御端末４により指令された操作が同定信号入力であり、その具体的内容が第２装置の操作量として同定信号振幅を５％にすることを示している。また、その同定信号の入力によりシミュレーションを行った結果、制御性能と特性モデル評価が異常と判断され、制御対象１の実時間監視を行った結果、プロセス変動量と制御性能が異常と判断されたことを示している。また、制御系操作監視装置５からのアラームメッセージとして、異常があるため同定信号の入力を中断する旨が表示される。
【００７８】
なお、上述した図６に示す第２の実施形態や図８に示す第３の実施形態の制御対象１は、必ずしも、石油プラント等の大がかりなプラントである必要はなく、計算機用のプロセスシミュレータ等のソフトウエアであってもよい。この場合、ローカルオペレータ８をプロセスシミュレータ用のプロセス運転教官にし、リモートオペレータ９を訓練生にすれば、ネットワーク３を用いたプラント運転訓練シミュレータシステムを構築できる。
【００７９】
また、図８では、制御系側に同定信号発生部１０を設けたが、同定信号発生部１０をネットワーク３上に接続し、ネットワーク３を介して同定信号を制御系に送信してもよい。
【００８０】
ところで、第１〜第３の実施形態におけるネットワーク３は、電話回線やＩＳＤＮ回線等の有線回線であってもよいが、衛星通信等の無線回線でもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、遠隔制御手段からの操作指令信号が制御対象に与える影響を予測評価し、制御対象に与える影響が所定の許容範囲内にあるか否かを事前にチェックするようにしたため、システムの故障、誤操作、ネットワーク犯罪等を起因とする制御対象の損害を事前に防止でき、ネットワークに対するセキュリティ管理機能を強化することができる。
【００８２】
また、本発明は、信号の暗号化技術等に基づく他のネットワーク・セキュリティ方式と完全に独立なため、両者の併用が可能であり、結果として、高水準のセキュリティ管理を行うことができる。
【００８３】
また、本発明によれば、制御モードの変更、設定値や操作量の変更、プロセスの起動・停止など、制御対象の特性に応じたきめ細かい制御をネットワーク上の遠隔制御端末で行うことができるため、プラントのセキュリティ管理に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠隔制御システムの第１の実施形態の概略ブロック図。
【図２】制御系操作監視装置の詳細構成を示すブロック図。
【図３】操作種別と評価項目との関係を示す図。
【図４】プロセス量の過渡応答状態の極大点と極小点を示す図。
【図５】複素平面を示す図。
【図６】遠隔制御システムの第２の実施形態のブロック図。
【図７】図６のローカル操作端末と遠隔制御端末の表示装置の画面表示例を示す図。
【図８】遠隔制御システムの第３の実施形態のブロック図。
【図９】図８のローカル操作端末と遠隔制御端末の表示装置の画面表示例を示す図。
【符号の説明】
１ 制御対象
２ ローカルコントローラ
３ ネットワーク
４ 遠隔制御端末
５ 制御系操作監視装置
１１ 操作種別判定部
１２ シミュレーション予測部
１３ 操作解析部
１４ 操作判定処理部
１５ 操作事例データベース部
１６ プロセス応答データベース部
１７ 評価項目テーブル部
２１ 制御量変動評価部
２２ 制御系安定性評価部
２３ 制御性能評価部
２４ 経済性評価部
２５ モデル評価部
２６ 操作事例データベース部
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油プラント等の制御対象を遠隔制御する遠隔制御システムに関し、特に、制御対象を制御するための操作指令信号を、遠隔地からネットワークを介して伝送する際のセキュリティ管理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ネットワーク技術の進歩により、各種の計算機システムをインターネットなどの広域ネットワークに接続することが一般化してきた。これに伴い、ネットワークを介して、システムを破壊したり、情報を盗聴する等の犯罪や事故が増えてきた。このような犯罪や事故に対する保護機能として、各種のネットワークセキュリティ管理方式が提案されている。
【０００３】
また、発電プラントや、鉄鋼、石油および化学等の産業プラントを始めとする各種プロセスの運転、監視および制御を行うシステムにおいて、遠隔操作で監視や保守を行う現地無人の自動運転制御に対する要求が高まってきた。遠隔操作による自動運転制御を行うには、制御システムを広域ネットワークに接続する必要があり、ネットワークに対するセキュリティ管理機能の強化が必要不可欠である。
【０００４】
特に、社会インフラである発電プラントや、高度な安全性が要求される原子力プラントおよび化学プラントなどでは、テロ活動などの故意の犯罪や、遠隔システムやネットワークシステムの誤動作により生じうる異常な制御動作がプラントの事故、破壊しいては社会の破壊にもつながりかねないため、通常の情報システムよりもさらに高度なセキュリティシステムが必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでに提案され、あるいは実用化されているネットワークセキュリティ管理機能は、情報伝達信号の暗号化やオペレータの電子承認に関するものが大半であった。
【０００６】
情報伝達信号の暗号化やオペレータの電子承認に関するネットワークセキュリティ管理機能のみでは、コンピュータ・ハッカー等による暗号解読で破られる可能性があり、プラント等の高度なセキュリティ管理機能が要求されるプロセス制御システムには不十分である。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、セキュリティ管理機能の強化を図った遠隔制御システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価するとともに、前記制御対象に与える影響が所定の許容範囲内にある場合に限り、前記操作指令信号を前記ローカル制御手段に供給する予測評価手段と、前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させる。
【０００９】
また、本発明は、制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価する予測評価手段と、前記ローカル制御手段を制御するローカル操作手段と、前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させ、前記ローカル操作手段および前記遠隔制御手段の少なくとも一方は、前記予測評価手段による予測評価結果を表示する表示装置を有する。
【００１０】
また、本発明は、制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果と前記制御対象の実応答との少なくとも一方に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価する予測評価手段と、前記制御対象の特性の推定に用いられる同定信号を発生する同定信号発生手段と、前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、前記シミュレーション手段は、前記操作指令信号とそれにより発生される前記同定信号とに基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションし、前記遠隔制御手段は、前記同定信号発生手段に対する前記同定信号の変更指令を含む前記操作指令信号を前記ネットワーク上に伝送し、前記ローカル制御手段は、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果とそれらに対する前記予測評価手段の評価結果とを、前記ネットワークを介して前記遠隔制御手段に伝送し、前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る遠隔制御システムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１２】
従来のセキュリティ管理機能を有する遠隔制御システムは、制御対象を制御するための操作指令信号を暗号化してネットワーク上に伝送することにより、ネットワーク犯罪に対する防御を行っていた。これに対して、本発明に係る遠隔制御システムは、制御対象に操作指令信号を供給した場合の制御対象の損失を予測・評価して問題のある操作をすべて阻止（除去）するものである。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１はセキュリティ管理機能を有する遠隔制御システムの第１の実施形態の概略ブロック図である。図１の遠隔制御システムは、石油プラント等の制御対象１の制御を行うローカルコントローラ（制御装置）２と、ネットワーク３を介してローカルコントローラ２を遠隔制御する遠隔制御端末４と、遠隔制御端末４からネットワーク３上に伝送される制御系操作指令信号が制御対象１に与える影響を予測評価する制御系操作監視装置５とを備える。
【００１４】
ローカルコントローラ２は、制御系とも呼ぶ。ローカルコントローラ２と制御系操作監視装置５は通常は制御対象１の近く（例えば同一の敷地内）に配置され、制御系操作監視装置５は、ネットワーク接続部６を介してネットワーク３と接続される。
【００１５】
ローカルコントローラ２は、所定の制御演算を行って制御対象１の操作量を決定し、その操作量に基づいて制御対象１の制御を行う。制御対象１の出力である制御量は、ローカルコントローラ２に帰還され、この帰還量に基づいて、ローカルコントローラ２は、操作量を変更する。このように、ローカルコントローラ２は、制御対象１の制御量に基づいて、制御対象１を帰還制御する。
【００１６】
図２は本実施形態の特徴部分である制御系操作監視装置５の詳細構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御系操作監視装置５は、操作種別判定部１１と、シミュレーション予測部１２と、操作解析部１３と、操作判定処理部１４と、操作事例データベース部１５と、プロセス応答データベース部１６と、評価項目テーブル部１７とを有する。
【００１７】
操作事例データベース部１５とプロセス応答データベース部１６は、制御系操作監視装置５の外部に設けてもよく、例えば、両データベース部１５，１６をネットワーク３に接続し、必要なデータをネットワーク３を介して制御系操作監視装置５に送信してもよい。
【００１８】
操作種別判定部１１は、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号に基づいて、指令された操作種別を判定する。操作種別には、一例として、▲１▼制御モードの変更を指令する制御モード変更指令、▲２▼制御対象１に対する設定値の変更を指令する設定値変更指令、▲３▼制御対象１に対する操作量の変更を指令する操作量変更指令、▲４▼制御対象１の起動および停止を指令する起動・停止指令、▲５▼制御システムの特性を推定するための試験用信号である同定信号の入力を指令する同定信号入力指令、▲６▼制御対象１に対する制御定数の変更を指令する制御定数変更指令、▲７▼制御対象１の特性モデルの変更を指令するプロセス特性モデル変更指令がある。操作種別判定部１１は、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号が、上記▲１▼〜▲７▼のいずれに該当するかを判断する。
【００１９】
なお、必ずしも上記▲１▼〜▲７▼のすべてを設ける必要はなく、一部だけを設けたり、他の操作種別を新たに追加してもよい。
【００２０】
操作種別判定部１１に接続される評価項目テーブル部１７には、遠隔制御端末４が指令した操作種別に応じて評価される項目情報が格納されている。図３の「○」印が操作種別指令に対応する評価項目である。
【００２１】
例えば、制御モード変更が指令されると、操作種別判定部１１は、プロセス量変動評価、制御系安定性評価および事例データベース照合を行う。また、設定値変更、操作量変更および起動・停止のいずれかが指令されると、操作種別判定部１１は、プロセス量変動評価、経済性評価および事例データベース照合を行う。また、同定信号入力が指令されると、操作種別判定部１１は、プロセス量変動評価、制御性能評価、経済性評価および事例データベース照合を行う。また、制御パラメータの変更が指令されると、操作種別判定部１１は、プロセス量変動評価、制御系安定性評価、制御性能評価および事例データベース照合を行う。また、プロセス特性モデルの変更が指令されると、操作種別判定部１１は、モデル評価と事例データベース照合を行う。
【００２２】
また、操作種別判定部１１は、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号をシミュレーション予測部１２に送信する。シミュレーション予測部１２は、受信した制御系操作指令信号をそのまま用いて制御対象の動作をシミュレーションし、その結果を操作解析部１３に送信する。
【００２３】
より詳細には、シミュレーション予測部１２内には、ローカルコントローラ２と同一の制御アルゴリズムおよびプロセス特性モデルによる制御系シミュレータが設けられており、制御モード、設定値および操作量の変化や、同定信号入力や、制御定数の変更や、プロセス特性モデルを行った場合の制御量や操作量の時間応答等のシミュレーションを行う。
【００２４】
一方、操作解析部１３は、図３で示した各評価項目の評価を行う複数の評価部を有する。具体的には、操作解析部１３は、制御量（プロセス量）の変動を評価する制御量変動評価部２１と、制御系の安定性を評価する制御系安定性評価部２２と、制御系の制御性能を評価する制御性能評価部２３と、制御対象の経済性を評価する経済性評価部２４と、制御対象に関する特性モデルを評価するモデル評価部２５と、事例データベースと照合する事例データベース照合部２６とを有する。
【００２５】
次に、操作解析部１３内の各評価部の動作を詳細に説明する。
【００２６】
（Ａ）制御量変動評価部２１の動作
制御量変動評価部２１は、遠隔制御端末４から送信された制御系操作指令信号を用いてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行い、制御対象の制御量（プロセス量）ｙ（ｋ）と操作量ｕ（ｋ）に対応するシミュレーション応答時系列データｙ（ｋ），ｕ（ｋ）、（ただし、ｋ＝１，２，…Ｎ）が以下の（１）〜（４）式の条件を満たすか否かを判断する。
【００２７】
ｙｍｉｎ≦ｙ（ｋ）≦ｙｍａｘ …（１）
ｕｍｉｎ≦ｕ（ｋ）≦ｕｍａｘ …（２）
Δｙｍｉｎ≦Δｙ（ｋ）≦Δｙｍａｘ …（３）
Δｕｍｉｎ≦Δｕ（ｋ）≦Δｕｍａｘ …（４）
ただし、ｋ＝１，…，Ｎであり、Δｙ（ｋ）＝ｙ（ｋ）−ｙ（ｋ−１）は制御量の時間変化率を表す増分であり、Δｕ（ｋ）＝ｕ（ｋ）−ｕ（ｋ−１）は操作量の時間変化率を表す増分である。また、ｙｍｉｎ，ｙｍａｘは、制御量の変動許容範囲の最小値、最大値であり、ｕｍｉｎ，ｕｍａｘは、操作量の変動許容範囲の最小値、最大値である。さらに、Δｙｍｉｎ，Δｙｍａｘは、制御量の変動許容範囲の時間変化率の最小値、最大値であり、Δｕｍｉｎ，Δｕｍａｘは、操作量の変動許容範囲の時間変化率の最小値、最大値である。
【００２８】
上記（１）〜（４）式がすべて成り立つ場合には、制御量変動評価部２１は、制御量の変動は適切（正常）と判断し、いずれかの式が成り立たない場合には制御量の変動は不適切（異常）と判断する。
【００２９】
（Ｂ）制御系安定性評価部２２の動作
制御系安定性評価部２２は、制御系操作指令信号を用いてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行った結果に基づいて制御系の安定性を評価する。具体的には、制御量ｙ（ｋ）と操作量ｕ（ｋ）に対応するシミュレーション応答時系列データｙ（ｋ），ｕ（ｋ）（ｋ ＝１，…，Ｎ）に基づいて、過渡応答状態における３箇所の極大あるいは極小を検出して以下の判定処理を行う。
【００３０】
例えば、プロセス量（制御量や操作量）の過渡応答状態における３箇所の極大あるいは極小点を、図４に示すようにｐ１，ｐ２，ｐ３としたとき、以下の（５）式が成り立つか否かを判定する。
【００３１】
｜ｐ３−ｐ２｜／｜ｐ１−ｐ２｜≦η …（５）
（５）式が成り立つ場合には制御系は安定であると判断し、上記の条件を満たさなければ、制御系は不安定であると判断する。
【００３２】
あるいは、時系列モデルを用いて制御系の安定性を判断してもよい。例えば、シミュレーション応答データをｙ（ｋ）（ｋ＝１，…，Ｎ）、時系列多項式をＡ（ｚ −１） 、残差係数をｅ（ｋ）とすると、以下の（６），（７）式が得られる
Ａ（ｚ −１） ・ｙ（ｋ）＝ｅ（ｋ） …（６）
Ａ（ｚ −１） ＝１＋ａｉ ｚ−１＋…＋ａｎ ｚ−ｎ …（７）
以下の（８）式に示す残差係数ｅ（ｋ）の二乗総和Ｊが最小になる係数ａｉ を最小二乗法で推定する。
【００３３】
【数１】
【００３４】
図５は複素平面を表す図であり、実線の円周内が収束範囲であり、斜線で示した範囲が制御系の望ましい安定領域に相当する。したがって、制御系安定性評価部２２は、（７）式の各根が図５の安定領域内にあれば制御が安定であると判断し、各根が安定領域内になければ制御系は不安定であると判断する。
【００３５】
（Ｃ）制御性能評価部２３の動作
制御性能評価部２３は、制御系操作指令信号を用いてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行った結果に基づいて、制御系の制御性能を評価する。具体的には、制御量ｙと、それに対応する設定値（制御目標値）ｒとの差信号である制御偏差信号ｅ（ｋ）＝ｒ（ｋ）−ｙ（ｋ）（ｋ＝１，…，Ｎ）のシミュレーション応答時系列データに基づいて、以下の（９），（１０）式の条件を満たすか否かを判定する。ただし、ｅｍａｘ１ ，ｅｍａｘ２ は、制御偏差の許容最大値である。
【００３６】
｜ｅ（ｋ）｜≦ｅｍａｘ１ …（９）
【００３７】
【数２】
【００３８】
（Ｄ）経済性評価部２４の動作
経済性評価部２４は、制御系操作指令信号を用いてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行った結果に基づいて、制御対象１の過渡的な挙動や応答により生じる経済的損失を演算する。
【００３９】
経済的損失とは、例えば、制御対象１の過渡変動による付加的なエネルギーロスや制御対象１の生産量低下分などであり、これらは一般に、制御量ｙ（ｋ）や操作量ｕ（ｋ）に関する関数になる。
【００４０】
経済性評価部２４は、以下の（１１）式に示す経済損失換算式Ｊｌｏｓｓを経済的損失とし、Ｊｌｏｓｓ≦Ｊｌｏｓｓｍａｘ の関係を満たせば経済的損失が適切（正常）と判断し、満たさなければ不適切（異常）と判断する。なお、Ｊｌｏｓｓｍａｘ は、経済損失限界を示すしきい値である。
【００４１】
【数３】
モデル評価部２５は、制御系操作指令信号によりプロセス特性モデルの変更が指令されると、図２に示したプロセス応答データベース部１６から最近の制御量（プロセス量）ｙ（ｋ）と操作量ｕ（ｋ）を読み出し、これらを（１２），（１３）式に示すプロセス特性モデルＡ（ｚ−１），Ｂ（ｚ−１） にあてはめて、（１４）式を得る。
【００４２】
Ａ（ｚ−１） ＝１＋ａ１ ｚ−１＋…＋ａｎ ｚ−ｎ …（１２）
Ｂ（ｚ−１） ＝ｂ０ ＋ｂ１ ｚ−１＋…＋ｂｍ ｚ−ｍ …（１３）
Ａ（ｚ−１） ・ｙ（ｋ）＝Ｂ（ｚ−１） ・ｕ（ｋ）＋ｅ（ｋ） …（１４）
また、以下の（１５）式に基づいてモデル適合度Ｊｍａｔｃｈ（ｔ）を演算する。
【００４３】
【数４】
【００４４】
（Ｆ）事例データベース照合部２６の動作
事例データベース照合部２６は、制御系操作指令信号により指令される操作に最も類似する過去の操作事例を操作事例データベース部１５から検索し、両者の相違の程度と、その検索した操作事例の制御系への影響度とに基づいて、以下の▲１▼▲２▼▲３▼の条件を満たすか否かを判定する。
【００４５】
▲１▼ ｜（現在受信した操作指令）−（過去の最も類似する操作事例）｜≦ε１
▲２▼ 過去の最も類似する操作事例は、適切（正常）と判断された。
【００４６】
▲３▼｜（現在の制御対象の応答）−（過去の最も類似する操作事例に対する制御対象の応答）｜≦ε２
上記▲１▼▲２▼の双方、あるいは▲１▼▲２▼▲３▼の全条件を満たせば、図２に示す操作事例データベース部１５から検索した操作事例を選択する。なお、上記▲１▼内の左辺の絶対値記号は、何らかの手段で操作指令と操作事例の相違度合いを数値化した絶対値であり、ε１はその妥当性を判断する判定しきい値である。
【００４７】
同様に、上記▲３▼内の左辺の絶対値記号は、何らかの手段で現在の制御対象の応答と過去の制御対象の応答の相違度合いを数値化した絶対値であり、ε２はその妥当性を判断する判定しきい値である。
【００４８】
操作事例データベース部１５は、オペレータから指示があったときに操作指令情報等を格納する。あるいは、操作解析部１３内の各評価部が各種の評価を行った結果を逐次、操作事例データベース部１５に格納してもよい。
【００４９】
例えば、遠隔制御端末４から送信された制御系操作指令信号が制御定数の変更指令である場合、事例データベース照合部２６は以下の▲４▼▲５▼の条件を満たせば適切（正常）と判断し、▲４▼▲５▼のいずれかの条件を満たさなければ不適切（異常）と判断する。
【００５０】
▲４▼ ｜（変更後の新しい制御定数）−（過去の最も類似する制御定数）｜≦ε
▲５▼ 過去の最も類似する制御定数を適用した場合の制御量（プロセス量）の変動幅、安定性、および制御性能の評価結果は適切（正常）である。
【００５１】
また、遠隔制御端末４から送信された制御系操作指令信号が同定信号の入力指令である場合、事例データベース照合部２６は以下の▲６▼▲７▼の条件を満たせば適切（正常）と判断し、▲６▼▲７▼のいずれかの条件を満たさなければ不適切（異常）と判断する。
【００５２】
▲６▼ ｜（同定信号の振幅）−（過去の最も類似する状況における同定信号振幅）｜≦ε
▲７▼ 同定信号を入力した結果の制御量（プロセス量）の変動幅、制御性能、および経済性の評価結果は適切（正常）である。
【００５３】
図２に示すように、操作解析部１３内の各評価部が行った解析結果は、判定結果信号として操作判定処理部１４に送られる。操作判定処理部１４は、判定結果が正常の場合には、制御系操作指令信号をそのままローカルコントローラ２に送信し、判定結果が一つでも異常の場合には、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号を拒絶し、以下の（ａ）〜（ｄ）のいずれか、あるいは（ａ）〜（ｄ）を組み合わせた処理を行う。
【００５４】
（ａ）受信した制御系操作指令信号を拒絶したことを通知する拒絶メッセージ信号を発信元にネットワーク３を介して送信する。
【００５５】
（ｂ）ローカルコントローラ２を直接監視・操作するオペレータや、ネットワーク３を介してローカルコントローラ２を遠隔制御するオペレータは、異常な制御系操作指令信号を受信したことを示す警告情報（アラームなど）を通知する。
【００５６】
（ｃ）異常な制御系操作指令信号を受信したことを示す警告情報（アラームなど）を、ネットワーク３を介して複数のシステムや遠隔監視するオペレータに通知する。また、その時点で監視業務に携わっていない関係者にも電子メールやＦＡＸ 等の他の送信手段を介して警告情報（アラームなど）を通知する。
【００５７】
（ｄ）異常な制御系操作指令信号を受信したことをネットワーク３、電話回線（公衆網）、無線回線、および衛星通信網等を介して、特定のシステムや個人へ情報伝達を行う。
【００５８】
この他、図２に詳細構成を示した制御系操作監視装置５は、受信した制御系操作指令信号が正常と判定されて、この信号が制御系に実際に供給された場合には、実測された制御量（プロセス量）や操作量、および操作解析部１３内の各評価部の評価結果に基づいて実時間で評価演算を行い、その演算結果により異常と判断されると、その時点で受信中の制御系操作指令信号を直ちに切断し、制御系を受信前の状態に戻す機能を有する。
【００５９】
このように、第１の実施形態では、遠隔制御端末４からネットワーク３を介して伝送される制御系操作指令信号が制御対象１に与える影響を事前に予測評価し、その結果、適切と判断された場合のみ、その操作指令信号を制御対象に供給するようにしたため、ネットワーク犯罪等を起因とする制御対象１の損害を未然に防止でき、ネットワーク３に対するセキュリティ管理機能を強化することができる。
【００６０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、ローカルオペレータによるローカル操作端末の操作と、リモートオペレータによる遠隔制御端末４の操作とに基づいて、制御対象１の制御を行うものである。
【００６１】
図６は遠隔制御システムの第２の実施形態のブロック図である。図６のシステムは、図１と同様に、ローカルコントローラ２と、遠隔制御端末４と、制御系操作監視装置５とを有する。この他、図６のシステムは、ローカル操作端末７を有する。ローカル操作端末７では、少人数のローカルオペレータ８が制御対象１の監視を行う。また、遠隔制御端末４では、リモートオペレータ９が制御対象１の運転操作を行う。
【００６２】
リモートオペレータ９は、制御対象１の過去から現在までの各制御量（プロセス量）の挙動トレンドデータを監視しながら、制御モード、設定値および操作量の変更や、制御対象１の起動・停止等を行う。
【００６３】
遠隔制御端末４は、リモートオペレータ９の操作情報に応じた制御系操作指令信号を、ネットワーク３を介して制御系操作監視装置５に伝送する。制御系操作監視装置５は、制御系操作指令信号が制御対象１に与える影響を予測評価し、正常と判断されると、その制御系操作指令信号をローカルコントローラ２に送信し、異常と判断されると、ローカル操作端末７にアラーム情報を表示するとともに、リモート操作端末にもアラーム情報を表示する。これにより、各操作端末のオペレータは、自己の操作が不適切であったことをリアルタイムに認識することができる。
【００６４】
図７はローカル操作端末７と遠隔制御端末４の表示装置の画面表示例を示す図であり、アラーム情報の表示形態の一例を示している。画面内の表示領域Ｗ１には、オペレータが選択可能な操作項目が表示され、オペレータが選択した項目は強調表示あるいは点滅表示される。図７は、オペレータが「設定値変更」を選択した例を示している。
【００６５】
また、画面内の表示領域Ｗ２には、オペレータが選択した操作項目に関する属性（プロパティ）情報が表示される。例えば、図７は、制御系の第３装置の操作量を１０％変更する例を示している。
【００６６】
また、画面内の表示領域Ｗ３には、各評価項目が正常か異常かを示す情報が表示される。より詳細には、シミュレーションによる正常／異常の判定結果と、実際に制御対象１を動作させたときの正常／異常の判定結果とが表示される。
【００６７】
図７は、シミュレーションを行った結果、プロセス変動量と制御性能が異常と判断され、制御対象１の実時間監視を行った結果、プロセス変動量と特性モデル評価が異常と判断された例を示している。なお、シミュレーションによる判断結果のみ、あるいは制御対象１の実時間監視のみを表示してもよい。
【００６８】
また、画面内の表示領域Ｗ４には、オペレータが選択した操作項目に関する情報を操作事例データベース部１５に保存するか否かを選択する選択ボタンが表示される。ここで、オペレータがｙｅｓ ボタンを選択すると、事前に選択した操作項目とその判定結果が図２に示す操作事例データベース部１５に格納される。
【００６９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、遠隔地のリモートオペレータ９により制御系のチューニング作業を行うものである。
【００７０】
図８は遠隔制御システムの第３の実施形態のブロック図である。図６の遠隔制御システムは、同定信号発生部１０と加算器３１とを有する他は図６の遠隔制御システムと同じうように構成される。
【００７１】
同定信号発生部１０は、ネットワーク３を介して遠隔制御端末４から送信される制御系操作指令信号に基づいて、制御対象１の特性試験信号である同定信号を発生する。この同定信号ｄ（ｋ）は、ローカルコントローラ２から出力された操作量ｕ（ｋ）と加算されて新たな操作量ｕ´（ｋ） ＝ｕ（ｋ）＋ｄ（ｋ）が生成される。この操作量ｕ´（ｋ） に基づいて制御対象１の制御が行われる。
【００７２】
遠隔制御端末４は、制御系のチューニングの専門家であるリモートオペレータ９により操作される。リモートオペレータ９は、制御対象１の出力である制御量を遠隔監視しながら、所望の同定信号に応じた制御系操作指令信号を出力する。
【００７３】
制御系操作監視装置５は、第２の実施形態と同様に、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号を制御系に供給した場合の制御対象に与える影響を評価判断する。
【００７４】
その結果、正常と判断されると、制御系操作監視装置５は制御系操作指令信号をローカルコントローラ２に送信し、異常と判断されると、制御系操作監視装置５はローカル操作端末７にアラーム情報を表示するとともに、ネットワーク３を介して遠隔制御端末４にもアラーム情報を表示する。これにより、リモートオペレータ９は、自己の操作が不適切であったことを認識することができる。
【００７５】
また、第３の実施形態は、第２の実施形態と同様に、遠隔制御端末４からの制御系操作指令信号に基づいてシミュレーション予測部１２でシミュレーションを行うシミュレーションモードと、例えば同定信号の入力のように所定時間継続される操作に対して実時間で監視を行う実時間モードとを備えており、両モードは個別に実行するようにしても、あるいは同時に実行するようにしてもよい。
【００７６】
図９はローカル操作端末７あるいは遠隔制御端末４の表示装置の画面表示例であり、アラーム情報の表示形態を示している。画面内の表示領域Ｗ５には制御系のチューニング操作の種類が表示され、表示領域Ｗ６にはその属性（プロパティ）が表示され、表示領域Ｗ７には判定結果が表示される。この表示領域Ｗ７には、シミュレーション予測部１２によるシミュレーション予測の判定結果と、制御対象１の実時間監視による判定結果とが表示される。また、表示領域Ｗ８には、遠隔制御端末４からの操作指令を操作事例データベースに格納するか否かを選択する選択ボタンが表示される。さらに、表示領域Ｗ９には、異常時のアラーム情報が表示される。
【００７７】
図９の例では、遠隔制御端末４により指令された操作が同定信号入力であり、その具体的内容が第２装置の操作量として同定信号振幅を５％にすることを示している。また、その同定信号の入力によりシミュレーションを行った結果、制御性能と特性モデル評価が異常と判断され、制御対象１の実時間監視を行った結果、プロセス変動量と制御性能が異常と判断されたことを示している。また、制御系操作監視装置５からのアラームメッセージとして、異常があるため同定信号の入力を中断する旨が表示される。
【００７８】
なお、上述した図６に示す第２の実施形態や図８に示す第３の実施形態の制御対象１は、必ずしも、石油プラント等の大がかりなプラントである必要はなく、計算機用のプロセスシミュレータ等のソフトウエアであってもよい。この場合、ローカルオペレータ８をプロセスシミュレータ用のプロセス運転教官にし、リモートオペレータ９を訓練生にすれば、ネットワーク３を用いたプラント運転訓練シミュレータシステムを構築できる。
【００７９】
また、図８では、制御系側に同定信号発生部１０を設けたが、同定信号発生部１０をネットワーク３上に接続し、ネットワーク３を介して同定信号を制御系に送信してもよい。
【００８０】
ところで、第１〜第３の実施形態におけるネットワーク３は、電話回線やＩＳＤＮ回線等の有線回線であってもよいが、衛星通信等の無線回線でもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、遠隔制御手段からの操作指令信号が制御対象に与える影響を予測評価し、制御対象に与える影響が所定の許容範囲内にあるか否かを事前にチェックするようにしたため、システムの故障、誤操作、ネットワーク犯罪等を起因とする制御対象の損害を事前に防止でき、ネットワークに対するセキュリティ管理機能を強化することができる。
【００８２】
また、本発明は、信号の暗号化技術等に基づく他のネットワーク・セキュリティ方式と完全に独立なため、両者の併用が可能であり、結果として、高水準のセキュリティ管理を行うことができる。
【００８３】
また、本発明によれば、制御モードの変更、設定値や操作量の変更、プロセスの起動・停止など、制御対象の特性に応じたきめ細かい制御をネットワーク上の遠隔制御端末で行うことができるため、プラントのセキュリティ管理に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠隔制御システムの第１の実施形態の概略ブロック図。
【図２】制御系操作監視装置の詳細構成を示すブロック図。
【図３】操作種別と評価項目との関係を示す図。
【図４】プロセス量の過渡応答状態の極大点と極小点を示す図。
【図５】複素平面を示す図。
【図６】遠隔制御システムの第２の実施形態のブロック図。
【図７】図６のローカル操作端末と遠隔制御端末の表示装置の画面表示例を示す図。
【図８】遠隔制御システムの第３の実施形態のブロック図。
【図９】図８のローカル操作端末と遠隔制御端末の表示装置の画面表示例を示す図。
【符号の説明】
１ 制御対象
２ ローカルコントローラ
３ ネットワーク
４ 遠隔制御端末
５ 制御系操作監視装置
１１ 操作種別判定部
１２ シミュレーション予測部
１３ 操作解析部
１４ 操作判定処理部
１５ 操作事例データベース部
１６ プロセス応答データベース部
１７ 評価項目テーブル部
２１ 制御量変動評価部
２２ 制御系安定性評価部
２３ 制御性能評価部
２４ 経済性評価部
２５ モデル評価部
２６ 操作事例データベース部
Claims (6)
- 制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、
前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、
前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、
前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価するとともに、前記制御対象に与える影響が所定の許容範囲内にある場合に限り、前記操作指令信号を前記ローカル制御手段に供給する予測評価手段と、
前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、
前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させることを特徴とする遠隔制御システム。 - 前記予測評価手段による予測評価結果を蓄積する蓄積手段を備え、
前記予測評価手段は、前記蓄積手段に蓄積された結果に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価することを特徴とする請求項１に記載の遠隔制御システム。 - 前記操作指令信号は、制御演算のモード変更、設定値変更、前記制御対象の操作量変更、前記制御対象の起動・停止、前記制御対象の特性の推定に用いられる同定信号入力、前記制御対象の制御パラメータ変更、および前記制御対象に関する特性モデル変更の少なくとも１つを指令するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の遠隔制御システム。
- 前記予測評価手段は、前記操作指令信号に基づいて、前記制御対象の制御量の変動評価、前記制御系の安定性評価、前記制御系の制御性能評価、前記制御対象の経済性評価、前記制御対象に関する特性モデル評価、および前記制御対象に対する過去の操作指令に関する情報を格納したデータベースとの照合評価の少なくとも１つの評価を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の制御システム。
- 制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、
前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、
前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、
前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価する予測評価手段と、
前記ローカル制御手段を制御するローカル操作手段と、
前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、
前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させ、
前記ローカル操作手段および前記遠隔制御手段の少なくとも一方は、前記予測評価手段による予測評価結果を表示する表示装置を有することを特徴とする遠隔制御システム。 - 制御演算の結果に基づいて制御対象を制御するローカル制御手段を有する制御系と、
前記制御対象を遠隔制御するための操作指令信号を、ネットワークを介して前記制御系に伝送する遠隔制御手段と、
前記操作指令信号に基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションするシミュレーション手段と、
前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果と前記制御対象の実応答との少なくとも一方に基づいて、前記操作指令信号が前記制御対象に与える影響を予測評価する予測評価手段と、
前記制御対象の特性の推定に用いられる同定信号を発生する同定信号発生手段と、
前記操作指令信号を前記制御対象に供給した場合の前記制御対象の制御量の実測値に基づいて、前記制御対象に異常があるか否かを判定する異常判定手段と、を備え、
前記シミュレーション手段は、前記操作指令信号とそれにより発生される前記同定信号とに基づいて前記制御対象の動作をシミュレーションし、
前記遠隔制御手段は、前記同定信号発生手段に対する前記同定信号の変更指令を含む前記操作指令信号を前記ネットワーク上に伝送し、
前記ローカル制御手段は、前記シミュレーション手段によるシミュレーション結果とそれらに対する前記予測評価手段の評価結果とを、前記ネットワークを介して前記遠隔制御手段に伝送し、
前記ローカル制御手段は、前記異常判定手段により異常があると判定されると、前記操作指令信号を供給する前の状態に前記制御対象を復帰させることを特徴とする遠隔制御システム。
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