JP4993249B2 - 計測システムおよび制御システム向けのイベントベースのオペレーティングシステム、方法、および装置 - Google Patents
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Description
いくつかの構成では、工業プロセスにおける安全制御として使用するのに適したマイクロコントローラアーキテクチャが提供される。このアーキテクチャは多くの工業プロセスに適しているが、特に原子力に関する機器および制御システムには最適である。たとえば、このマイクロコントローラアーキテクチャは核計測分析および制御(NUMAC)モジュール、高圧炉心注水系(HPCF:High Pressure Core Flooder)制御モジュール、出力論理ユニット(OLU:Output Logic Unit)モジュール、ホウ酸注入系(SLC)モジュールでの使用に適している。こうしたモジュールは、本発明の構成を採用する一連のマイクロコントローラベースのシャーシである。さまざまな構成において、このような機器はモジュール形式をとっており、さらにリレー、ファイバ/光通信リンク、入力コンタクトカード(input contact cards)、またはマイクロコントローラ、ファームウェア、カスタムロジック(CPLD)、EPROM、NVRAM、RAM、およびさまざまなICを含む論理ボード(マザーボード)に直接または間接的に挿入できるその他の入力/出力(I/O)カードを追加することで拡張できる。本発明のいくつかの構成では、同類のモジュールを交換できるように、取り外し可能なすべてのモジュールを標準化している。いくつかの構成において、外部接続やインターフェイスはメンテナンスしやすいように機器のパネル背面に配置される。本発明のさまざまな構成から得られる技術的な効果には、特に担当者が監視を行うことによるアナログの安全システムの自動化、容易に拡張できる操作、コンポーネントの標準化による利便性がある。
マイクロコントローラ12を使用すると、高速の計算と迅速な入力/出力操作を処理できる。適切なマイクロコントローラの例には、87C196KDマイクロコントローラ、すなわちIntel Corporation,Santa Clara,CAから入手可能な16ビットCHMOSプロセッサがある。本発明の構成に利用できるこのマイクロコントローラの機能には、20 MHzのクロック、1 KBレジスタRAM、前二重シリアルポート、5つの8ビットI/Oポート、4個の内蔵16ビットタイマー、および入力MUXを伴う10ビットA/Dコンバータが含まれる。
マイクロプロセッサスーパーバイザロジックには、冗長電源16および18から供給される論理カード10およびI/Oモジュール34の+5 VDC電力を監視し、電圧が+4.50〜4.60 VDCの場合にマイクロコントローラ12をリセットする電源監視回路14が含まれる。このリセットにより、CPLDコントローラロジック46も初期状態に戻る。マイクロプロセッサスーパーバイザロジックの要素として、電圧+5 VDCという基準線源(reference source)20とリセット/電源投入回路22も提供される。
本発明のいくつかの構成において、制御および復号ハードウェアは、次の1つまたは複数を提供するように構成された結合プログラム可能論理回路(CPLD)46を含むまたはそれから基本的に構成される。
1. EPROM 26やRAM 28、およびメモリをマップするすべてのI/O機能のアドレス復号
2. さまざまな論理ステータスレジスタのアドレス復号
3. 周辺装置に低速でアクセスすることによるマイクロコントローラ12の待ち状態のジェネレータ制御(たとえば、読み出しまたは書き込みアクセスのいくつかの構成では、前面パネルLEDディスプレイ30には3つの待ち状態が必要である)。
本発明のいくつかの構成において、機能ロジックインターフェイスハードウェアは、次の少なくとも1つを提供するように構成された結合プログラム可能論理回路(CPLD)を含むまたはそれから基本的に構成される。
1. さまざまな分周器(frequency dividers)
2. トリップステータスとI/Oを監視し、トリップコマンドとその他の制御コマンドを生成できる機能ロジック
3. さまざまな通信プロトコルのサポートロジック
4. 外部インターフェイスカード34とその他のグルーロジック(glue logic)のサポート
制御カード上の入力ライン、+5 VDC、+5VDC前面パネル、+5VDC光ファイバ、+5VDCリレーカードA & B、+24 VDC、+48 VDCは、温度限流器(thermal current limiting devices)(図1で個別には図示せず)を自動的にリセットすることで保護される。電流が限界に達して限流器が加熱されると、過電流の状態がなくなるまで回路が開く。入力ラインは、セルフテスト中に電源監視回路14を使用してマイクロコントローラ12で監視される。このテストの各測定の結果を組み合わせて、前面パネルに表示された電源障害LED(LED 30に含まれる)を制御する。いくつかの構成において、電源電圧は論理カード10を備える機器の背面パネルのテストポイントで測定できる。
マイクロコントローラ12のA/Dコンバータで必要な+5 VDC参照20は、+24VDC入力から生成され、不足電圧/過電圧検出回路によって監視される。
いくつかの構成では、不揮発性プログラムストレージとしてEPROM 26が提供される。この目的で、32 KB EPROMを提供してもよい。いくつかの構成では、コントローラ12用の高速読み出し/書き込みメモリとしてスタティックRAM 28、たとえば8 KBスタティックRAMが提供される。
いくつかの構成では、電力が供給されなくなっても失われてはならないアプリケーションパラメータを記憶するために、不揮発性RAM 38(2Kx8ビット強誘電性RAMなど)が提供される。こうしたパラメータはカード10を利用するアプリケーションに依存するが、不揮発性RAM 38に格納できるアプリケーションパラメータの部分的なリストには、セルフテストのエラーコードと回数、較正パラメータなどを含めてもよい。いくつかの構成において、RAM 38は電力消費が低く、耐久性がきわめて高いシリアルデバイスである。
光ファイバインターフェイスカード40は、光信号と電気信号との変換を行う。本発明のいくつかの構成において、各カードは6つの物理チャネルを備えている。こうしたチャネルは、カード10のアプリケーションに基づいて、送信、受信、あるいは双方向通信に利用できる。たとえば、各チャネルは最大感度(peak sensitivity)の波長が850nmの光ファイバ信号で動作するが、いくつかの構成では別の波長(たとえば1300nm)を使用している。いくつかの構成において、光送信機と光受信機は標準のSTタイプの光コネクタに接続する。
多くのアプリケーションでは、1つまたは複数のリレーI/Oカード42が提供される。I/Oカード42には、たとえば機械的なラッチリレー(latching relays)、ノンラッチリレー、コンタクトクロージャ(contact closure)感知回路、またはそれらの任意の組み合わせを含めてもよい。各I/Oカード42は、論理カード10と制御の対象となる他のデバイスとのインターフェイス バッファとして構成される(論理カード10の視点からは「外部の世界」として映る)。シャーシに入る高電圧信号は、標準のTTLレベルに変換される。標準のTTLレベルの信号は、多くのインスタンスでこうしたカードに送信され、外部システムで使用するはるかに高い電圧に切り替えられる。
本発明のいくつかの構成は、セルフテストステータスおよび報告の機能を提供し、高度な監視機能をサポートする。いくつかの構成において、電源電圧は論理カード10を備える機器の背面パネルで測定できる。たとえば、マイクロコントローラ12で動作するソフトウェアまたはファームウェアによって、バス状態の過不足の電圧をテストし、報告する。いくつかの構成において、監視の対象となる各電源の電圧は、パネル背面からDVMで直接測定できる。
いくつかの構成において、原子力発電所向けのホウ酸注入系(SLC)はIntel Corporation,Santa Clara,CAから入手できるINTEL(登録商標)87C196KDマイクロコントローラ12を使用している。論理プロセッサカード10は、さらに8 KBのランダムアクセスメモリ(RAM:Random Access Memory)28、32 KBの外付けの電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ(EPROM:Electrically Programmable Read Only Memory)26、および2 KBの不揮発性メモリNVRAM 38が含まれる。「KD」バージョンのマイクロコントローラ12には、さらに1024バイトの内蔵RAMと32 KBの1度のみ書き込み可能な読み出し専用メモリ(ROM:Read Only Memory)が含まれる。ただし、これらは本発明のいくつかの構成では使用されない。本発明のいくつかの構成において、ノンプリエンプティブなイベントベースのオペレーティングシステム(EBOS)が提供される。これは、特にこうしたハードウェアアーキテクチャおよび原子力発電所内のSLCシステムに適している。ただし、本発明のEBOS構成は、SLCシステムにも原子力発電所での利用にも限定はされず、特定のタイプのマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、コンピュータ、論理カードのいずれにも限定はされない。
表Iは割り込みと、8XC196KDマイクロコントローラが提供する優先順位のリストである。本発明のいくつかの構成ではこのすべてを利用できる。
typedef struct scheduler_ecb
{
EVENT_STATE event_state;
WORD wait_time;
WORD execution_time;
BYTE time_executed;
WORD time_active;
} ECB;
・非アクティブなイベントは、スケジューラで特に注目する必要のないイベントである。
・アクティブなイベントは、実行される順番を待っているアクティブなイベントである。アクティブイベントが実行されないチックごとに、time_active Ecbエントリが増分される。
・保留中のイベントは、実行できるまで特定の時間を必要とするイベントであり、スケジュールアップデータはクロックチックごとにECB内の「time to execute」ワードから1を減算する。「time to execute」がゼロになると、状態はアクティブに変化する。
・実行中のイベントの状態は、一部のアプリケーションでは機能開始時に設定され、機能終了時に解除される。他のアプリケーションでは、実行中の状態を使用してプログラムアプリケーションにタイマーの特定の実装(たとえばパルスタイマーか遅延タイマーか)に関する信号を送る。機能の開始と終了を制御する場合は、イベントを1度に1つずつ実行する必要があり、イベント実行中のサイクルごとに、ECB「execution time」が増分される。execution timeはイベントが実行を許可される時間(ハードコードされた値)と比較できる。時間指定イベントのタイプを通知する場合は、状態の変化を使用してアプリケーションまたは実行ループステートマシンおよび論理パスの変化を通知できる。
・待機中のイベントは、実行されたが再び実行されるまでに特定のレイテンシーが必要である。この値は、イベントの実行が完了したときに設定され、「time to execute」と同様にチックごとにカウントダウンされる。イベントがスケジュールされ、レイテンシーが保留の時間を超えると、両方がカウントダウンされ、保留の時間がゼロになると、直ちに状態がアクティブになる。それ以外の場合は保留中になり、残り時間がカウントダウンされる。0XFFFFhの値は減少しないので、この値が変わらない限り、イベントは永久に待機する。
Claims (3)
- ノンプリエンプティブなオペレーティングシステムを備えたコントローラ(12)をプロセッサにより操作する方法であって、前記方法は、
前記プロセッサにより、クロック間で、センサー(42)、スイッチ(56)、実行中のプログラムの命令、あるいはその組み合わせからの、複数のイベントのうちの1つのイベントが、非アクティブなイベント(302)、アクティブなイベント(308)、保留中のイベント(306)、実行中のイベント(310)、または、待機中のイベント(304)であることを示すとともに、非アクティブなイベント(302)、アクティブなイベント(308)、保留中のイベント(306)、実行中のイベント(310)、および、待機中のイベント(304)を含む前記イベントの1つまたは複数を開始する1つまたは複数の信号を受信する工程と、
前記プロセッサにより、前記1つまたは複数の信号を受信する工程の直後のクロックまたはその後に、前記受信した信号に従ってイベントのエントリを更新し、クロック時に前記オペレーティングシステムのシャドウセマフォを更新して、前記シャドウセマフォを用いて開始期限を過ぎたイベントの優先順位を付け直す工程であって、前記エントリには、前記保留中のイベントの残り時間、前記アクティブなイベントの開始期限経過時間、各イベントの優先順位、前記複数のイベント中のイベントが非アクティブ、待機、保留、アクティブ、実行中のいずれであるかの表示を含む、工程と、
前記プロセッサにより、前記保留中のイベント(306)が開始期限が到来したかどうかを判断し、前記開始期限が到来したイベントを保留中のイベント(306)からアクティブなイベント(308)に変更する工程と、
前記プロセッサにより、最も優先順位の高い、前記保留からアクティブに変更されたイベントを実行中のプログラムに通知する工程と、
を含み、
開始期限を過ぎたイベントの優先順位を付け直す工程は、前記プロセッサにより、前記実行中のプログラムにまだ通知していない開始期限を過ぎたアクティブなイベント(308)の前記優先順位を上げる工程を含む、
方法。 - ノンプリエンプティブなオペレーティングシステムを備え、プロセッサにより実行可能な命令が記録されたコンピュータ可読記録媒体であって、前記命令は、プロセッサにより、
クロック間で、センサー(42)、スイッチ(56)、実行中のプログラムの命令、あるいはその組み合わせからの、複数のイベントのうちの1つのイベントが、非アクティブなイベント(302)、アクティブなイベント(308)、保留中のイベント(306)、実行中のイベント(310)、または、待機中のイベント(304)であることを示すとともに、非アクティブなイベント(302)、アクティブなイベント(308)、保留中のイベント(306)、実行中のイベント(310)、および、待機中のイベント(304)を含む前記イベントの1つまたは複数を開始する1つまたは複数の信号を受信し、
前記1つまたは複数の信号の受信の直後のクロックまたはその後に、前記受信した信号に従ってイベントのエントリを更新し、クロック時に前記オペレーティングシステムのシャドウセマフォを更新して、前記シャドウセマフォを用いて開始期限を過ぎたイベントの優先順位を付け直し、この際、前記エントリは、前記保留中のイベントの残り時間、前記アクティブなイベントの開始期限経過時間、各イベントの優先順位、前記複数のイベント中のイベントが非アクティブ、待機、保留、アクティブ、実行中のいずれであるかの表示を含み、
前記保留中のイベント(306)が開始期限が到来したかどうかを判断し、前記開始期限が到来したイベントを保留中のイベント(306)からアクティブなイベント(308)に変更し、
最も優先順位の高い、前記保留からアクティブに変更されたイベントを実行中のプログラムに通知する
命令であり、この際、
開始期限を過ぎたイベントの優先順位の付け直しは、前記プロセッサにより、前記実行中のプログラムにまだ通知していない開始期限を過ぎたアクティブなイベント(308)の前記優先順位を上げることを含む、
コンピュータ可読記録媒体。 - プロセッサと、ノンプリエンプティブなオペレーティングシステムと前記プロセッサにより実行可能な命令が記録されたメモリとを備えたコントローラであって、前記コントローラは、
クロック間で、センサー(42)、スイッチ(56)、実行中のプログラムの命令、あるいはその組み合わせからの、複数のイベントのうちの1つのイベントが、非アクティブなイベント(302)、アクティブなイベント(308)、保留中のイベント(306)、実行中のイベント(310)、または、待機中のイベント(304)であることを示すとともに、非アクティブなイベント(302)、アクティブなイベント(308)、保留中のイベント(306)、実行中のイベント(310)、および、待機中のイベント(304)を含む前記イベントの1つまたは複数を開始する1つまたは複数の信号を受信し、
前記1つまたは複数の信号の受信の直後のクロックまたはその後に、前記受信した信号に従ってイベントのエントリを更新し、クロック時に前記オペレーティングシステムのシャドウセマフォを更新して、前記シャドウセマフォを用いて開始期限を過ぎたイベントの優先順位を付け直し、この際、前記エントリは、前記保留中のイベントの残り時間、前記アクティブなイベントの開始期限経過時間、各イベントの優先順位、前記複数のイベント中のイベントが非アクティブ、待機、保留、アクティブ、実行中のいずれであるかの表示を含み、
前記保留中のイベント(306)が開始期限が到来したかどうかを判断し、前記開始期限が到来したイベントを保留中のイベント(306)からアクティブなイベント(308)に変更し、
最も優先順位の高い、前記保留からアクティブに変更されたイベントを実行中のプログラムに通知し、
この際、
開始期限を過ぎたイベントの優先順位の付け直しは、前記プロセッサにより、前記実行中のプログラムにまだ通知していない開始期限を過ぎたアクティブなイベント(308)の前記優先順位を上げることを含む、
コントローラ。
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