JP6284043B2 - プロセス制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、プロセス制御システムに関し、詳しくは、システム内における通信の遅延診断に関するものである。なお、本発明のプロセス制御システムは、プラント操業における異常事態を検出してプラントの安全性を確保するように制御する安全計装システムも含むものとする。
従来から、プロセス制御システムは、リアルタイム性や高信頼性を実現するために、操作監視機能などを備えたPC群と制御コントローラ間とが、独自の制御ネットワークを介して接続されている。
図4は、従来のプロセス制御システムの一例を示す基本構成説明図である。図4において、センサ11やアクチュエータ12などのフィールド機器1は、入出力モジュール(以下、I/Oモジュールという)2および制御コントローラ3を介して制御ネットワーク4に接続されている。制御ネットワーク4には、操作監視端末5や機器管理部6も接続されている。
I/Oモジュール2は、フィールド機器1の種類によって異なる信号(例えば、4〜20mAなどのアナログ信号、FF(Fieldbus Foundation、登録商標)などのデジタル通信信号など)を制御コントローラ3が理解できる形式(主にデジタル信号)に変換するプロセスフィールドとのインターフェイスを司る機能を有している。
制御コントローラ3は、I/Oモジュール2を介して流量計や温度計などのセンサ11の測定結果を取得し、バルブなどのアクチュエータ12の操作量を所定の制御プログラムに従って演算する。この演算結果(操作量)はI/Oモジュール2を介してアクチュエータ12に供給され、操作量に応じてアクチュエータ12が駆動される。
制御コントローラ3がこのような演算制御処理をあらかじめ定められた所定の周期(制御周期)で繰り返して実行することによって、プラントが制御プログラムにより設定された所定の状態になるように制御される。
操作監視端末5は、プラントおよび制御コントローラ3の運転動作状態を運転員に伝えるとともに、必要に応じて運転員が制御コントローラ3を操作監視するためのマンマシンインターフェースを有する。
機器管理部6は、プロセス制御システムを構成しているフィールド機器1や制御コントローラ3の動作のステータスや保全情報などを記録管理する。
図5は従来のプロセス制御システムの一例を示すブロック構成図であり、自律通知型として構成されている。図5において、I/Oモジュール2には、前述のインターフェイスを司る機能の他、入力データ管理部21と出力データ管理部22が設けられていて、自身に接続されたフィールドの情報の他、自己診断結果などの機器管理通信や異常(変化)の検知通信などを上位の制御コントローラ3に自律的に通知する機能を有している。
信号中継器31は、I/Oモジュール2と通信を行うと共に、データ入力部31a、データ出力部31bが設けられている。
信号制御部32は、信号中継器31と通信を行う共に、例えば制御側Aと待機側Bとで二重化された制御コントローラ3であって、それぞれの信号制御部32には、入力データ処理部32a、出力データ処理部32bなどが設けられている。
制御コントローラ3は、センサ11から入力されるデータを元に所定のプロセス制御のための演算を行い、その演算結果に基づきアクチュエータ12を駆動することにより、プロセスの状態を制御する。プロセス制御は、プロセス制御システムの根幹動作であり、プロセス制御の通信は制御データ通信として定周期かつリアルタイムに最優先で行われる。
これらを実現するために制御コントローラ3とI/Oモジュール2の間で行われるI/O通信は、図4に示す構成においては、一般的には制御コントローラからの入力要求または出力要求に対して、I/Oモジュール2が応答を返すコマンドレスポンス方式で実現される。
近年、フィールド機器やI/Oモジュールのインテリジェント化が進み、従来のアナログ機器が扱っていた4〜20mAのプロセスデータだけでなく、フィールド機器自身の自己診断結果や異常変化などの予知・保全情報のほか、無線や他社システムも統合して扱えるようになってきており、フィールドからのデータは多様化する傾向にある。
これらデータ構造や更新周期の異なる多種多様な情報を、従来のコマンドレスポンス方式でリアルタイムに収集しようとすると、I/O通信の負荷が肥大化してしまう。図5に示す構成において、この問題を解決する方法としては、フィールド機器1またはI/Oモジュール2自身が自己診断結果などの機器管理通信や異常変化の検知通信などを自律的に上位の制御コントローラ3に通知すること(以下、自律通知という)が考えられる。
このとき、制御コントローラ3の負荷を回避するために、自律通知された情報を直接制御コントローラ3へ通知するのではなく、一時的に情報を蓄えてバッファリングする機能を具備する信号中継器31を介して通知するように構成されている。
信号中継器31には少なくとも1台のI/Oモジュール2の情報が写像されていて、I/Oモジュール2からの自律通知によりリアルタイムに更新される。制御コントローラ3は任意のタイミングで信号中継器31へアクセスすることで、信号中継器31に接続された複数のI/Oモジュール2の情報が収集できる。
一方で、出力データは信号中継器31自身のタイミングで、I/Oモジュール2へ送信される。結果として、制御コントローラ3の負荷軽減が期待できる。
さらに、信号中継器31とI/Oモジュール2間の通信に、未更新データに対するコマンドレスポンス通知が含まれないことから、信号中継器31とI/Oモジュール2間を低速なバスで接続することも可能となり、コスト面でもメリットが期待できる。
図6は、プロセスプラントの構成例図である。プロセスプラントでは、1品種を生産するにあたっても複数工程(複数ユニット)を経ることがほとんどであり、図6の例では、反応ユニット100→気液分離ユニット200→蒸留塔ユニット300よりなるユニット工程を経ている。
プラント生産品の品質向上や生産効率向上を図るためには、各ユニット単位で高精度な制御が必要である。高精度な制御を実現するためには、測定点や操作点を増加させることや、各ユニットに最適な速度での制御が求められる。
例えば化学反応が遅い箇所では制御周期を長く設定できるので、測定点や操作点を増やすことでより精度よい制御が行える。
これに対し、化学反応が早い箇所については、できる限り早く対応するために、制御周期を短くしなければならない。
測定点や操作点の増加は、プロセス制御システム自体のコストアップにつながる。そこでコントローラ1台あたりの測定点や操作点の増加に対して制御パフォーマンスの劣化を防ぐために、例えば特許文献1に記載されているような技術が提案されている。
一方で、ユニットによっては、通常の制御周期1秒に対して制御周期50msなど制御の高速性が要求される場合もある。特に、高速な化学反応を行うユニットにおいては、安全性を確保するための安全計装システムについても、異常発生時に高速にシャットダウンすることが求められるが、従来の技術ではこのような要求に対応することは困難である。
図5の構成において、制御コントローラ3とI/Oモジュール2間のI/O通信で誤ったデータを使用してしまう原因となる代表的な脅威の一つとして、遅延の発生が知られている。従来、これらの遅延に関しては、更新カウンタの差分を通信端で互いにチェックする方法がとられていた。
しかし、更新カウンタの差分を通信端で互いにチェックする方法は、データのアップデートの有無は確認できるものの、リアルタイムなデータであることを保障することはできず、遅延を検出できているとはいえない。このような通信遅延は、特に安全計装システムで要求される異常検出からシャットダウンまでの応答性能を表すデマンドリアクションタイムに大きな影響を与える。
また、図5に示すように信号中継器31を介すると、通信遅延が発生するリスクが高まることになる。具体的には、信号中継器31はI/Oモジュール2から通知された入力データをそのまますぐに上位の制御コントローラ3へ通知するのではなく、制御コントローラ3から問い合わせが来るまで一時的にバッファリングする。
このため、信号中継器31の内部の入力データが、実際のフィールド状態をリアルタイムに反映できていない遅延した入力データとして制御コントローラ3に伝送されてしまう場合もある。
また、信号中継器31を介して制御コントローラ3からI/Oモジュール2へ送られる出力データが、制御コントローラ3が意図した設定値と乖離した過去の出力データである場合も考えられる。誤った入出力データが使用されると、最悪の場合には、誤トリップ(Spurious Trip)を引き起こすおそれがある。
そこで高速な制御処理が求められる部分のみにPLC(Programmable Logic Controller)を使用することも行われているが、一般的にPLCはその高速性を担保するためにコマンドレスポンス方式のシンプルな構成をとっている。
結果として、PLC1台あたりの測定点/操作点は多くできず、かつ、PID演算などの複雑な制御演算を行うことができないという欠点もある。
さらにシステム全体として見た場合、1生産品種の工程内において、ある部分はDCS(またはSCS(Safety Control Station,安全制御ステーション))を使用してある部分はPLCを使用するということになり、エンジニアリングが複雑化し、導入時および保守時のコスト面/品質面での課題となる。
特許文献1には、大幅な処理負荷およびコスト増大を招くことなくフィールド機器から各種情報を取得できるプロセス制御システムを提供する技術が記載されている。
特許文献2には、健全性を把握するために必要な情報を通信負荷や処理負荷を増大させることなく短時間で取得可能なI/Oモジュールおよびプロセス制御システムを提供する技術が記載されている。
特開2015−184987号公報 特開2015−103043号公報
本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、高機能かつ複雑化するプラントのプロセス制御において、多点化に伴うコストアップの防止と高い信頼性と多様な制御周期に対応可能な柔軟性を両立させたプロセス制御システムを提供するとともに、これらを両立させることにより、プロセス制御システムの導入時および保守時のエンジニアリング効率向上が図れるプロセス制御システムを実現することにある。
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項1に記載の発明は、
あらかじめ決められた制御周期で動作する制御コントローラに入出力モジュールが接続されるプロセス制御システムにおいて、
前記制御コントローラにはその制御コントローラに接続される前記入出力モジュールの台数に応じた伝搬遅延時間の許容範囲を演算する手段を設け、前記伝搬遅延時間の許容範囲の値を基準として遅延診断を行うことを特徴とする。
請求項2記載の発明は、
あらかじめ決められた制御周期で動作する制御コントローラに入出力モジュールが接続されるプロセス制御システムにおいて、
前記制御コントローラにはその制御コントローラに接続される前記入出力モジュールの台数に応じた伝搬遅延時間の許容範囲を演算する手段と、
前記入出力モジュールには前記制御コントローラで演算された前記伝搬遅延時間の許容範囲の値を格納する手段
を設け、前記伝搬遅延時間の許容範囲の値を基準として遅延診断を行うことを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2に記載のプロセス制御システムにおいて、
前記入出力モジュールは、信号中継器を介して前記制御コントローラに接続されることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載のプロセス制御システムにおいて、
前記プロセス制御システムは、プラント操業における異常事態を検出してプラントの安全性を確保するように制御する安全計装システムであることを特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載のプロセス制御システムにおいて、
前記制御コントローラは、その制御コントローラに接続される前記各入出力モジュールに、相対的な時刻精度を有する時刻情報を出力することを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項1から請求項5のいずれかに記載のプロセス制御システムにおいて、
前記制御コントローラは、冗長化されていることを特徴とする。
これらにより、高機能かつ複雑化するプラントのプロセス制御において、多点化に伴うコストアップを抑制できるとともに最適制御周期による高速動作が可能なプロセス制御システムを提供でき、これらを両立させることにより、プロセス制御システムの導入時および保守時のエンジニアリング効率の向上を実現できる。
本発明の基本構成説明図である。 本発明の動作シーケンス例図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 従来のプロセス制御システムの一例を示す基本構成説明図である。 従来のプロセス制御システムの一例を示すブロック構成図である。 プロセスプラントの構成例図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の基本構成説明図であり、図5と共通する部分には同一の符号を付けている。
図1において、制御ネットワーク4には、プロセス制御システムまたは安全計装システムを形成するように、データを自律通知する機能を有する自律型I/Oモジュールとして構成されたI/Oモジュール2が、I/Oモジュール2のデータを受信する信号中継器32、制御コントローラ3を介して接続されている。制御ネットワーク4には、少なくとも1台のI/Oモジュールと、少なくとも1台の信号中継器32と、少なくとも1台の制御コントローラ3が接続される。また、制御ネットワーク4には、ネットワーク時刻管理部7も接続されている。
I/Oモジュール2には、図5に示す入力データ管理部21と出力データ管理部22に加えて、伝搬遅延許容値格納部23と、モジュール別時刻管理部24と、モジュール別遅延量判定部25が設けられている。
信号中継器31は、I/Oモジュール2と通信を行うと共に、図5に示すデータ入力部31aとデータ出力部31bの他に、データバイパス部31cが設けられている。
信号制御部32は、同一構成の制御側Aと待機側Bとで二重化(冗長化)され、制御コントローラ3を構成している。制御側Aの信号制御部32に着目すると、図5に示す入力データ処理部32aと出力データ処理部32bに加えて、I/Oモジュール管理部32cと、伝搬遅延許容値演算部32dと、システム時刻管理部32eと、システム遅延量判定部32fが設けられている。
例えばI/Oモジュール2がセンサ1からの測定データを更新するとI/Oモジュール2から信号中継器31に対して入力データが自律通知され、それを受け取った信号中継器31は自身のデータ入力部31aを更新する。
一方、制御コントローラ3からアクチュエータに対して設定値や操作値を指示する場合には、信号中継器31のデータ出力部31bのデータを更新する。
信号中継器31は、内部情報が更新されると、信号中継器31自身の処理タイミングで該当するI/Oモジュールに対して出力データを送信する。
I/Oモジュール2は、所定の周期でフィールド機器1からデータを収集して信号中継器31のデータ入力部31aを更新するとともに、制御コントローラ3からの出力要求に従いデータ出力部31bを介して設定値や操作値をフィールドへ出力する。
モジュール別時刻管理部24とシステム時刻管理部32eは、I/Oモジュール2と制御コントローラ3との間で相対的に時刻同期をとるために設けられている。
これらモジュール別時刻管理部24とシステム時刻管理部32e双方の時計はあらかじめ定められた分解能でそれぞれ計時する。制御コントローラ3は、自身が持つ時計の情報を、定周期で信号中継器31を介してI/Oモジュールへブロードキャストする。
このブロードキャストは入出力データの頻度で配信(更新)する必要がないため、信号中継器31のデータバイパス部31cを経由して行う。データバイパス部31cはデータを蓄えることなくスルーさせるため、ブロードキャスト通信が遅延要素にはなることはない。
I/Oモジュール側のモジュール別時刻管理部24が持つ時計の時刻情報は、ブロードキャストによって更新されることで、制御コントローラ3とすべてのI/Oモジュールの持つ時刻が所定の偏差許容範囲内で一致して同期することになる。なお、モジュール別時刻管理部24の持つ時計は絶対時刻である必要はなく、また、制御ネットワークで接続された他の制御コントローラとも同期している必要もない。
伝搬遅延許容値演算部32dは、I/Oモジュール管理部32cに格納されている制御コントローラ3に接続されているI/Oモジュールの台数データに基づき、時刻情報の伝搬遅延許容範囲を算出する。この演算結果は、I/Oモジュール2の伝搬遅延許容値格納部23に格納される。
なお、図1の構成において、信号制御部32は同一構成の制御側Aと待機側Bとで二重化(冗長化)されているので、制御側A(稼働側)と待機側Bとの間で時刻を等値化する(例えば、待機側Bが制御側Aの時刻を参照して、自身の時刻情報を更新する)。これにより、制御側Aの信号制御部32の異常発生等により制御側/稼働側が切り替わった場合でも、同期状態を継続できる。
図2は、本発明の動作シーケンス例図である。図1に示すシステムは、あらかじめ決められた制御周期で入力処理→演算→出力処理を繰り返している。I/Oモジュール2の入力データ管理部21は、フィールド機器1から収集したデータにデータ作成時の時刻データ(以下、タイムスタンプという)を付与し、信号中継器31のデータ入力部31aに書き込む。
制御コントローラ3のシステム遅延量判定部32fは、信号中継器31のデータ入力部31aに書き込まれた入力データに付与されたタイムスタンプと制御コントローラ3のシステム時刻管理部32eが持つ時刻を比較し、その差分(図2の入力遅延Tdin)が予め規定された許容範囲内に収まることで、当該データが遅延のない健全な入力データであると判定する。もし、入力データのタイムスタンプと基準時刻の差分が許容範囲内に収まらない場合にはそのデータは棄却され、演算に使用されない。安全計装システムの場合は、シャットダウン処理を開始する。
制御コントローラ3が演算した操作値をI/Oモジュール2へ出力する場合、制御コントローラ3の出力データ処理部32bは、作成したデータに、データ作成時のタイムスタンプを付与し、信号中継器31のデータ出力部31bに書き込む。
信号中継器31のデータ出力部31bは、自身の持つデータが更新されると、信号中継器のタイミングで該当するI/Oモジュール2の出力データ管理部22に出力データを書き込む。
I/Oモジュール2のモジュール別遅延量判定部25は、出力データに付与されたタイムスタンプと、I/Oモジュール2のモジュール別時刻管理部24の持つ時刻データを比較する。その差分(図2の出力遅延Tdout)がI/Oモジュール2の伝搬遅延許容値格納部23に保存された許容範囲内に収まっている場合は、当該データが遅延のない健全な出力データであると判定する。もし、出力データのタイムスタンプと基準時刻の差分が許容範囲内に収まらない場合にはそのデータは棄却され、フィールドへ反映されない。安全計装システムの場合は、シャットダウン処理を開始する。
制御コントローラ3およびI/Oモジュール2が保持する伝搬遅延時間の許容範囲値は、制御コントローラ3に接続されたI/Oモジュール2の台数によって異なる。これは、制御コントローラ3からの出力データの送出は、I/Oモジュール2に対してユニキャストで通信することから、制御コントローラ3に接続されるI/Oモジュール2の台数が多ければ、制御コントローラ3が出力データを作成した時刻と、すべての出力データを送信完了するまでの時刻に差(制御コントローラが持つ遅延)が生じるためである。
そのため、制御コントローラ3がもつ遅延は、各I/Oモジュール2が伝搬遅延時間の許容範囲値を決めるために必要な情報である。安全計装システムの場合、デマンドリアクションタイムに影響しない値であるべきである。
ところが従来の構成では、I/Oモジュール2は自らの制御コントローラ3に他のI/Oモジュール2が何台接続されているか知ることはできなかった。すなわち、I/Oモジュール2は、適切な伝搬遅延時間の許容範囲を設定することができなかった。したがって、伝搬遅延時間の許容範囲は、制御コントローラ3が接続可能な最大I/Oモジュール2の台数を元に算出し設定されていた。
本発明では、制御コントローラ3が自身に接続されているI/Oモジュール2の台数を把握して、伝搬遅延許容値演算部32dで適切な伝搬遅延時間の許容範囲値を算出し、この値を設定情報としてI/Oモジュール2の伝搬遅延許容値格納部23にダウンロードする。なお、制御コントローラ3に接続されたI/Oモジュール2の台数に変更が生じた場合も、適宜制御コントローラ3の伝搬遅延許容値演算部32dが適切な伝搬遅延時間の許容範囲値を算出して各I/Oモジュール2に対して再度をダウンロードすることにより、常時、適切な伝搬遅延時間の許容範囲値を基準として遅延診断を行うことができる。
上記の実施例で示したように、制御コントローラ3から各I/Oモジュール2に対し適切な伝搬遅延時間の許容範囲値を提供し、遅延診断することにより誤動作を防ぐことができる。
ところで、現状のプロセス制御システムでは、高速反応が必要な部分についてはPLCにより処理している場合がある。PLCで対応している部分のデータ収集周期は数msであるため、時間基準をネットワーク時刻(精度がmsオーダ)とした場合、μsオーダーの高精度を確保することは困難である。
一方、入出力データの授受は制御コントローラ3とI/Oモジュール2との間で行われることから、遅延診断に絶対的時刻は必要ではない。上述の通り、制御コントローラ3のシステム時刻管理部32eの時計を時間基準とし、各I/Oモジュール2に時刻データを提供し、相対的時刻で遅延診断部の良否判定を行う。制御コントローラ3のシステム時刻管理部32eの時計の精度はμsオーダーであり、PLC並みの高速入出力においても十分な時刻精度を確保することができる。
さらに、制御コントローラ3のシステム時刻管理部32eの時計を基準とすることにより、制御コントローラ3に接続された全てのI/Oモジュール2はその時刻に同期することとなる。万一、ネットワーク時刻に異常が発生した場合においても、制御コントローラ3以下は他の制御コントローラ3が管理する部分と独立して制御の継続が可能である。
一般に、制御コントローラは各ユニットごとに割り当てられることが多い。そのため、ネットワーク異常が発生した場合においても、各ユニット単位での制御は継続されることとなり、各ユニット単位での操業の安全性が高められる。
図3は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、信号中継器が自律送信を行う例を示している。図3において、複数の信号中継器31と複数の制御コントローラ8および機器管理部6はI/Oネットワーク9を介して共通に接続されている。複数の制御コントローラ8とI/Oモジュール2間で同期させることで、I/Oモジュール2からの入力データを複数の制御コントローラ8で共有しながら遅延を検出できる。信号中継器31は、自律的にI/Oネットワーク9へ送信する。
また、I/Oモジュール2は、複数の制御コントローラ8からの出力データの遅延を、発信元に関係なく検出できる。
以上説明したように、本発明によれば、高機能で複雑化するプラントのプロセス制御において、多点化に伴うコストアップを抑制できるとともに最適制御周期による高速動作が可能なプロセス制御システムを提供でき、これらを両立させることで、プロセス制御システムの導入時および保守時のエンジニアリング効率の向上も実現できる。
1 フィールド機器
2 I/Oモジュール
3 制御コントローラ
31 信号中継器
32 信号制御部
4 制御ネットワーク
5 操作監視端末
6 機器管理部
7 ネットワーク時刻管理部
8 制御コントローラ
9 I/Oネットワーク

Claims (6)

  1. あらかじめ決められた制御周期で動作する制御コントローラに入出力モジュールが接続されるプロセス制御システムにおいて、
    前記制御コントローラにはその制御コントローラに接続される前記入出力モジュールの台数に応じた伝搬遅延時間の許容範囲を演算する手段を設け、前記伝搬遅延時間の許容範囲の値を基準として遅延診断を行うことを特徴とするプロセス制御システム。
  2. あらかじめ決められた制御周期で動作する制御コントローラに入出力モジュールが接続されるプロセス制御システムにおいて、
    前記制御コントローラにはその制御コントローラに接続される前記入出力モジュールの台数に応じた伝搬遅延時間の許容範囲を演算する手段と、
    前記入出力モジュールには前記制御コントローラで演算された前記伝搬遅延時間の許容範囲の値を格納する手段
    を設け、前記伝搬遅延時間の許容範囲の値を基準として遅延診断を行うことを特徴とするプロセス制御システム。
  3. 前記入出力モジュールは、信号中継器を介して前記制御コントローラに接続されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のプロセス制御システム。
  4. 前記プロセス制御システムは、プラント操業における異常事態を検出してプラントの安全性を確保するように制御する安全計装システムであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のプロセス制御システム。
  5. 前記制御コントローラは、その制御コントローラに接続される前記各入出力モジュールに、相対的な時刻精度を有する時刻情報を出力することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載のプロセス制御システム。
  6. 前記制御コントローラは、冗長化されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載のプロセス制御システム。
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