JP4529079B2

JP4529079B2 - 制御システム

Info

Publication number: JP4529079B2
Application number: JP2004255080A
Authority: JP
Inventors: 直幸沖田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: WO2006030643A1; JP2006072680A; DE112005002111T5; CN101010647A; CN100511059C; US20080258906A1

Description

本発明は、プラント各部を制御するコントローラが共通の通信回線に接続された制御システムに関する。

端末装置によりプラントを広範囲に監視、操作できる制御システムが知られている。また、プラントで発生する異常を検出し、対応する装置をシャットダウンするなどしてプラントの安全を確保するための安全保障システムが知られている。

特許文献１には、写像ブロックを介してフィールドバス機器と分散型制御システムの制御ステーションとの間の通信を行う技術が記載されている。

特開２００４−２９９１０号公報

しかし、制御システムと安全保障システムを互いに独立した別のシステムとして機能させる場合には、２つのシステムに対し独立した監視や操作が必要となるため、オペレーションの負担が増加する。このため、２つのシステムを統合することによりオペレーションの負担を低減することが考えられる。しかし、制御システムと安全保障システムが異なるシステム基盤を採用している場合には、両者間でのデータのやり取りのための特別な仕組みが必要になる。

図６は、安全保障システムを構成する安全コントローラ１０６と制御システム１００とを、ゲートウェイを用いて接続する方法を示すブロック図である。安全コントローラ１０６はＩＥＣ６１１３１−３規格に適合するシステムで使用されるものであるのに対し、制御システム１００はこの規格に対応していないシステムである。図６に示すように、安全コントローラ１０６は、センサ１６１の信号を受けて、必要に応じてバルブ１６２を閉じるための信号を送出する。これにより、バルブ１６２が設けられた装置をシャットダウンすることでプラントの安全を確保している。一方、プラント全体を制御する制御システム１００にはゲートウェイ１０１が設けられ、ゲートウェイ１０１がデータ形式の変換等の処理を行うことで、安全コントローラ１０６のアプリケーション実行機能１０７と、制御システム１００との間でのデータの送受信を可能としている。

また、図７は、安全コントローラ１０６と制御システム１００とを通信システムを用いて接続する方法を示すブロック図である。図７の例では、安全コントローラ１０６の通信機能１０８、および制御システム１００に設けられた通信機能１０２にゲートウェイと同様の機能を持たせている。

しかしながら、これらの方法では、安全コントローラ１０６を接続するために、ハードウェアであるゲートウェイを設け、あるいは制御システム１００に通信機能を持たせる必要があり、システム構築コストが上昇するという問題がある。また、安全コントローラ１０６のアプリケーションで使用するデータを、１つずつ入出力データとしてマッピングする必要があり、エンジニアリングコストが増加する。さらに、このようなデータ群は本来１つのグループとして纏めるべきものであるが、それぞれのデータが異なるタグに割りついてしまうという問題がある。このため、制御システム１００の側からこれらのデータ群を参照する場合には複数のタグを組み合わせる必要があり、オペレーションコストの増大を招く。

図８は図６の構成においてプロセスアラームを発信する動作例を示す図である。この例では、センサ１６１の信号の値が第１上限値、第２上限値を上回った場合、および第１下限値、第２下限値を上回った場合に、制御システム１００においてプロセスアラームを発信するアプリケーションを考える。このような単純なアプリケーションにもかかわらず、入力されたプロセス値「ＰＶ」が第１上限値を上回っているか否かを示す信号「ＨＩ」、入力されたプロセス値「ＰＶ」が第２上限値を上回っているか否かを示す信号「ＨＨ」、入力されたプロセス値「ＰＶ」が第１下限値を下回っているか否かを示す信号「ＬＯ」、入力されたプロセス値「ＰＶ」が第２下限値を下回っているか否かを示す信号「ＬＬ」と、それぞれの閾値に対応する警報の有無を示す信号「ＨＩ警報」、信号「ＨＨ警報」、信号「ＬＯ警報」、信号「ＬＬ警報」を別々に定義しなければならず、エンジニアリングが煩雑となる。また、本来１つのグループで纏めるべき信号が異なるタグに割りついてしまい、互いの関連が失われている。このため、これらの信号を１つのデータ群としてアクセスすることができない。また、例えば、信号「ＨＩ」と信号「ＨＩ警報」、信号「ＨＨ」と信号「ＨＨ警報」、信号「ＬＯ」と信号「ＬＯ警報」、信号「ＬＬ」と信号「ＬＬ警報」は、本来ペアの信号として取り扱われるべきである。しかし、この例ではそれぞれの信号に別々のタグが付与されるため、プロセスアラームが発生しても関連するデータに容易にアクセスできない。このような問題は、ゲートウェイを通信機能に置き換えた場合（図７）も同様に発生する。

本発明の目的は、それぞれのシステムを独立して使用した時と同様の使い勝手を維持しつつ、安全保障システムとの統合を図ることができる制御システムを提供することにある。

本発明の制御システムは、プラント各部を制御するコントローラが共通の通信回線に接続された制御システムにおいて、前記通信回線には安全保障システムを構成する安全コントローラが接続され、前記安全コントローラには、前記安全保障システムの機能を実行するためのファンクションブロックと、前記ファンクションブロックで取り扱うデータを前記制御システムで使用されるデータ形式のデータに変換して前記通信回線に出力する写像ブロックと、が実装され、前記プラント各部を制御するコントローラおよび前記安全コントローラには、それぞれ個別に識別情報が割り当てられ、前記識別情報を指定することで当該識別情報に対応するコントローラから前記通信回線へ出力されるデータ群にアクセス可能とされていることを特徴とする。

前記写像ブロックは、前記ファンクションブロックで取り扱うデータを用いた演算を実行し、前記第２のシステムで直接取り扱えるデータ形式で演算結果を出力してもよい。
この場合には、ハードウェアや複雑なエンジニアリングを必要とせずに、写像ブロックに異なる機能を発揮させることができる。

前記演算結果はアラーム信号であってもよい。

前記写像ブロックは、前記通信回線を介する前記アラーム信号に対する確認操作の有無を判定し、前記確認操作がされたと判定された場合には前記アラーム信号の出力を停止してもよい。

前記安全保障システムの機能は異常発生の検出および異常発生検出時における装置のシャットダウンを含んでもよい。

本発明によれば、安全保障システムの機能を、ファンクションブロックを用いて実行するので、ファンクションブロックで取り扱うデータを自由に選択して制御システムに提供することができ、あるいはこれらのデータを自由に用いて演算を実行することができる。このため、制御システムの使い勝手を犠牲にすることなく安全保障システムおよび制御システムを有機的に統合できる。

以下、図１〜図６を参照して、本発明による制御システムの一実施形態について説明する。本実施形態は、プラントを制御する制御システムに本発明を適用した例を示す。

図１は本発明による制御システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、制御システム（第２のシステム）１００は、オペレータによる監視を可能とするとともにオペレータの操作を受け付ける端末装置１と、プラント各部を制御するコントローラ２と、制御システム１００全体を制御するサーバ３とを備える。端末装置１、コントローラ２およびサーバ３は、互いに通信回線５により接続される。コントローラ２には、プラントに設けられたセンサ２１，２２やバルブ２３，２４等が接続される。

制御システム１００では、コントローラ２を介してプラント各部を制御することにより、プラントの自動操業を行うことができる。また、コントローラ２を介してプラント各部のデータが端末装置１に転送され、オペレータは端末装置１を介してプラント全体を監視することができる。さらに、端末装置１に対する操作により、プラント各部を手動で制御することができる。

また、図１に示すように、通信回線５には安全保障システム（第１のシステム）を構成する安全コントローラ６が接続されている。コントローラ６には、プラントに設けられたセンサ６１やバルブ６２等が接続される。

図２は安全コントローラ６の機能を示すブロック図である。図２に示すように、安全コントローラ６はアプリケーション実行機能を発揮するファンクションブロック７と、ファンクションブロック７で取り扱うデータの中から必要なデータを取り出し、制御システム１００で使用可能なデータ形式に変換する写像ブロック８とを備える。ファンクションブロック７は機能ごとに用意され、写像ブロック８は各ファンクションブロック７に対応して設けられている。ファンクションブロック７および写像ブロック８はコントローラ６を機能させるプログラムを用いて構築される。

次に、安全コントローラ６の動作について説明する。
ファンクションブロック７は、安全コントローラ６本来の機能を実行する。ファンクションブロック７は、センサ６１等からの情報を監視し、異常を検出した場合には警報を発信するとともにバルブ６２等に必要な信号を送出する。例えば、異常検出時にはバルブ６２等を閉じるための信号を送出することで対応する装置をシャットダウンし、プラントの安全を確保する。また、例えば、火災を検知して消火のための放水を実行する。このような機能は制御システム１００から独立して実行され、制御システム１００が安全コントローラ６の動作に悪影響を及ぼすことはない。

一方、写像ブロック８は制御システム１００と、安全コントローラ６とを統合的に接続するための統合機能を発揮する要素として機能する。写像ブロック８はファンクションブロック７で取り扱うデータのうち、制御システム１００で使用するデータを取り込む。また、そのデータを制御システム１００で認識可能なデータ形式に変換して、制御システム１００に受け渡す機能を有する。なお、実際には、ファンクションブロック７のデータは一時バッファに格納された後、写像ブロック８に取り込まれる。さらに、写像ブロック８は、ファンクションブロック７で取り扱うデータを用いて演算を実行し、演算結果を制御システムで認識可能なデータ形式で出力する機能を持つ。

本実施形態では、制御システム１００と安全コントローラ６とを統合することにより、制御システム１００において安全コントローラ６からの情報を取り扱うことができる。このため、端末装置１において安全コントローラ６からの情報を監視することができ、別の端末装置等を用意することなく、安全コントローラ６を含めたプラント全体の統合的な監視を可能としている。また、安全コントローラ６を介して得られた情報をコントローラ２やサーバ３において利用することもできる。

以下、図３を参照して安全コントローラ６および制御システム１００の動作例について説明する。

図３に示すように、この例では、ファンクションブロック７はセンサ６１から得られるプロセス値「ＰＶ」の値と、第１上限値（９０．０）、第２上限値（９５．０）、第１下限値（１０．０）、第２下限値（５．０）とを比較する。そして、ファンクションブロック７は、プロセス値「ＰＶ」と第１上限値との比較結果を信号「ＨＩ」として、プロセス値「ＰＶ」の値と第２上限値との比較結果を信号「ＨＨ」として出力する。また、プロセス値「ＰＶ」の値と第１下限値との比較結果を信号「ＬＯ」として、プロセス値「ＰＶ」の値と第２下限値との比較結果を信号「ＬＬ」として出力する。信号「ＨＩ」、信号「ＨＨ」、信号「ＬＯ」および信号「ＬＬ」はそれぞれ２値の値を取る。安全コントローラ６は、信号「ＨＩ」、信号「ＨＨ」、信号「ＬＯ」および信号「ＬＬ」の値に応じて、必要な警報を発信する。

また、ファンクションブロック７は、プロセス値「ＰＶ」に基づいて所定の演算を実行し、所定の条件が充たされたか否かを示す信号「ＨＩ」、「ＨＨ」、「ＬＯ」、「ＬＬ」を出力する。所定の条件が充たされる場合、信号「ＨＩ」、「ＨＨ」、「ＬＯ」、「ＬＬ」はバルブ６２の閉状態を指示する値をとり、これによりセンサ６１の監視対象である装置をシャットダウンする。上記所定の条件の内容は任意に設定できるが、例えば、プロセス値「ＰＶ」が第２上限値を上回った場合、およびプロセス値「ＰＶ」が第２下限値を下回った場合にシャットダウンすることができる。また、プロセス値「ＰＶ」の現在の値、プロセス値「ＰＶ」の変化の速度、プロセス値「ＰＶ」の変化の履歴等を単独で用いて、あるいはこれらを組み合わせて条件を設定することもできる。

以上の動作は、制御システム１００とは独立した安全コントローラ６の動作として実行される。

写像ブロック８は、ファンクションブロック７で取り扱われ順次更新されるデータ群のうち、端末装置１のモニタにおける表示に必要なデータにアクセスし、これらのデータを順次取り込む。また、取り込まれたデータを制御システム１００で使用されるデータ形式に変換する。例えば、写像ブロック８は、プロセス値「ＰＶ」および信号「ＯＵＴ」、信号「ＨＩ」、信号「ＨＨ」、信号「ＬＯ」、信号「ＬＬ」の値を、ファンクションブロック７から順次取り込むとともに、それらの値のデータ形式を制御システム１００のデータ形式に変換する。また、これらの値には安全コントローラ６に割り当てられた同一のタグを付し、これらの値を互いに関連付けられたデータとして提示する。したがって、制御装置１００では、これらのデータが同一のタグを付された、すなわち互いに関連付けられた一連のデータとして認識される。

制御システム１００では、各コントローラ２に対して１つのタグを割り当てている。そして、タグを頼りとして、各コントローラ２に関連するデータを互いに関連付けられたデータとして認識する方法を採用している。したがって、特定のコントローラ２に割り当てられたタグを指定することで、そのコントローラ２に関連するデータ群にアクセスすることができる。そして、安全コントローラ６に割り当てられたタグを指定することで、安全コントローラ６に関連する全データにアクセス可能となる。このように、制御システム１００では、安全コントローラ６に関連するデータ群が、制御システム１００内の１つのコントローラ２に関連するデータ群と同様に取り扱われる。

図４は、安全コントローラ６の写像ブロック８から得られるデータに基づいて作成される表示画面を示している。このような画面は、例えば、安全コントローラ６に割り当てられたタグをオペレータが指定することにより、端末装置１のモニタに表示させることができる。図４に示すように、端末装置１のモニタには、現在のプロセス値「ＰＶ」がグラフィック表示された領域Ｒ１が設けられ、第１上限値、第２上限値、第１下限値および第２下限値との関係が視覚的に示されている。図４の例では、上下方向に延びる棒グラフ状の表示によりプロセス値「ＰＶ」が示されており、プロセス値「ＰＶ」が第１上限値と第１下限値の中間にある様子が示されている。また、モニタの領域Ｒ２には、安全コントローラ６によりシャットダウンの動作が実行されているか否かを示す情報が表示される。この情報は、信号「ＨＨ」の値に基づくものである。

次に、写像ブロック８はプロセスアラームを発生させる機能を有する。写像ブロック８は、ファンクションブロック７から取り込まれたプロセス値「ＰＶ」に基づいて所定の演算を実行し、所定の条件が充たされるとアラーム信号を出力する。この演算は、制御システム１００においてプロセスアラームを発信するか否かを定めるためのものであり、プロセスアラームは安全コントローラ６の本来の機能とは独立して発信される。アラーム信号を出力する条件は、ファンクションブロック７における信号「ＯＵＴ」の値を決める条件とは独立して定めることができる。アラーム信号を出力する条件は任意に設定でき、例えば、プロセス値「ＰＶ」が第１上限値または第２上限値を上回った場合、およびプロセス値「ＰＶ」が第１下限値または第２下限値を下回った場合にアラーム信号を出力することができる。また、現在のプロセス値「ＰＶ」、プロセス値「ＰＶ」の変化の速度、プロセス値「ＰＶ」の変化の履歴等を単独で用いて、あるいはこれらを組み合わせて条件を設定することもできる。

アラーム信号は、他の信号と同様、制御システム１００で取り扱われるデータ形式で出力される。また、アラーム信号は写像ブロック８から出力される他の値、すなわち、プロセス値「ＰＶ」および信号「ＯＵＴ」、信号「ＨＩ」、信号「ＨＨ」、信号「ＬＯ」、信号「ＬＬ」の値と同一のタグを付したデータとして提示される。したがって、制御装置１００では、アラーム信号も他の信号の値と同様、安全コントローラ６に関連する一群のデータに含まれるものとして認識できる。したがって、例えば、図４に示すように、安全コントローラ６に関連する他の情報と共に、端末装置１のモニタの領域Ｒ３にプロセスアラームの発生の有無を表示することができる。

なお、安全コントローラ６に関連するこれらのデータ群は、端末装置１のみならず、コントローラ２やサーバ３を含む制御装置１００各部で利用できる。また、これらのデータ群に対し、安全コントローラ６に割り当てられたタグを指定することにより、適宜アクセスすることができる。

さらに、写像ブロック８は、プロセスアラームが発信された場合の管理機能を有する。写像ブロック８はアラーム信号を出力した場合、オペレータがプロセスアラームの発信を認識したことを示す確認操作が実行されたか否かを確認する。そして、確認操作の実行が確認された場合には、プロセスアラームが停止される。確認操作の実行が確認されるまでの間、プロセスアラームが継続して、あるいは繰り返し発信される。

図５は写像ブロック８におけるプロセスアラームの発生および管理の手順を示すフローチャートである。図５のステップＳ１では、アラーム信号を出力するための条件が充たされるのを待ってステップＳ２へ進む。ステップＳ２ではアラーム信号の出力を開始する。これにより、制御装置１００ではプロセスアラームが発信され、端末装置１のモニタにその旨が表示される（図４）。次に、ステップＳ３では端末装置１を介してオペレータの確認操作が実行されるのを待って、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、アラーム信号の出力を停止し、ステップＳ１へ戻る。これにより、制御装置１００におけるプロセスアラームが停止され、端末装置１の表示にプロセスアラームの停止が反映される。

このように、本実施形態では、写像ブロック８にプロセスアラームの発生および管理の機能を持たせることにより、制御システム１００に手を加えることなく、必要な機能を実現している。プロセスアラームの発生および管理は、本来コントローラ２に備えられる機能であるが、本実施形態では安全コントローラ６にこのような機能を持たせることで、安全コントローラ６をコントローラ２と同様に取り扱っている。

以上、説明したように、本実施形態の統合システムでは、安全コントローラ６にファンクションブロック７および写像ブロック８の機能を持たせることにより、見かけ上、安全コントローラ６を制御システム１の一部として機能させている。このため、安全コントローラ６以外にハードウェアを追加することなくシステムを統合できるので、システムを構築する際のコストを低減できる。

また、安全コントローラ６に関係する機能は単独のファンクションブロック７に集約され、シンプルな構成とすることができる。このため、エンジニアリングコストを低減することができる。さらに、写像ブロック８にはファンクションブロック７で取り扱われる種々のデータのうち、制御システム１００で必要なデータを任意に選択することができる。このため、例えば、演算結果として安全コントローラ６から出力される信号のみを利用する場合とは異なり、制御システム１００で使用したいデータのみを適宜選択することが可能となる。なお、図３の例では、センサ６１からのプロセス値「ＰＶ」を複数の閾値と比較するという単純なオペレーションを例示している。しかし、実際のプラント等では多数のセンサからの信号を用いて複雑なプロセスでの演算を実行しなければならない場合も多く、このような場合にはファンクションブロック７で取り扱われるデータ数も多くなる。このため、エンジニアリングに負担を与えることなく任意のデータを容易に選択できるという写像ブロック８の利点は非常に重要なものとなる。また、制御システム１００で利用したいセンサからの信号数が多くなる場合には、センサから制御システム１００への配線を設けることもコスト的に困難となるが、本発明によれば、このような問題をも効果的に解決できる。

また、上記実施形態では、ファンクションブロック７で使用されるデータを取り込むだけでなく、写像ブロック８において、そのデータの一部を用いてプロセスアラームの発生および管理の処理を実行している。このため、制御システム１００において、安全コントローラ６の本来の機能に関連するデータへのアクセスのみならず、プロセスアラームを含む広範な範囲での制御を可能としている。また、ファンクションブロック７に関連するデータおよびプロセスアラームに関連するデータに共通のタグが付されることにより、制御システム１００においてこれらのデータ群を互いに関連付けられた一群のデータとして認識することができるので、これらのデータを有効に利用できる。また、必要なデータにアクセスする際のオペレーションコストを低減できる。さらに、システムを構築する際には、これらのデータに共通のタグを付与するだけで足りるため、この点においてもエンジニアリングへの負担を増大させることはない。

上記実施形態では、写像ブロック８をソフトウェアによってコントローラ６の機能を用いて実現しているが、専用のゲートウェイあるいはデータサーバ等のハードウェアを用いて写像ブロックを構築してもよい。

また、上記実施形態では、制御システム１００としてタグによりデータ群を識別する方法を用いているが、他のオペレーション方法を用いる場合についても本発明を適用することができる。データを関連付ける方法は、適宜選択できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、プラントを制御するための制御システムへの適用に限定されず、２つの異なるシステムを統合する場合に対し、広く適用することができる。

本発明による制御システムの構成を示すブロック図。安全コントローラの機能を示すブロック図。安全コントローラおよび制御システムの動作例を示す図。写像ブロックから得られるデータに基づいて作成される表示画面を示す図。写像ブロックにおけるプロセスアラームの発生および管理の手順を示すフローチャート。安全コントローラと制御システムとをゲートウェイを用いて接続する方法を示すブロック図。安全コントローラと制御システムとを通信システムを用いて接続する方法を示すブロック図。プロセスアラームを発信する動作例を示す図。

符号の説明

６安全コントローラ（第１のシステム）
７ファンクションブロック
８写像ブロック
１００制御システム（第２のシステム）

Claims

プラント各部を制御するコントローラが共通の通信回線に接続された制御システムにおいて、
前記通信回線には安全保障システムを構成する安全コントローラが接続され、
前記安全コントローラには、前記安全保障システムの機能を実行するためのファンクションブロックと、前記ファンクションブロックで取り扱うデータを前記制御システムで使用されるデータ形式のデータに変換して前記通信回線に出力する写像ブロックと、が実装され、
前記プラント各部を制御するコントローラおよび前記安全コントローラには、それぞれ個別に識別情報が割り当てられ、前記識別情報を指定することで当該識別情報に対応するコントローラから前記通信回線へ出力されるデータ群にアクセス可能とされていることを特徴とする制御システム。
前記写像ブロックは、前記ファンクションブロックで取り扱うデータに基づく演算を実行し、その演算結果を前記制御システムで使用されるデータ形式のデータとして出力することを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
前記演算結果はアラーム信号であることを特徴とする請求項２に記載の制御システム。
前記写像ブロックは、前記通信回線を介する前記アラーム信号に対する確認操作の有無を判定し、前記確認操作がされたと判定された場合には前記アラーム信号の出力を停止することを特徴とする請求項３に記載の制御システム。
前記安全保障システムの機能は異常発生の検出および異常発生検出時における装置のシャットダウンを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御システム。