JP6560489B2 - 制御コントローラおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
このリモートIO方式の制御コントローラは、複数の分散配置されたプラント設備の制御を省スペース、低コストで実現できるという長所がある。
上下水道プラントの制御コントローラの誤動作や停止は、水道水断水や都市洪水などを引き起こし、人命や財産を脅かす可能性がある。このため、制御コントローラには、24時間連続した安定的な運転が求められる。
制御コントローラが異常を検出した場合には、プラントの誤動作を防止するために緊急停止するか、または、プラント機能を異常検出前の状態に維持しながら運転、一部機器を停止しプラント機能を縮退して運転、また手動操作に切替えて運転などを実施しなければならない。
また、上下水道プラントには高圧電気設備、誘導モータ、インバータなどノイズ源となる機器が設置されていることから、リモートIOモジュールの適用時には、CPUモジュールとリモートIOモジュールを接続する伝送ケーブルへのノイズ重畳による一過性の伝送異常が生じる可能性がある。
特許文献1に開示の技術によれば、メインプログラムにより出力されたパルス出力と、リレーとタイマからなる外部電気回路タイマにより異常を検出し、異常検出時には外部負荷の電源供給を遮断あるいは投入することによりフェールセーフ機能を実現している。
また、特許文献1によれば、CPUモジュール、リモートIOモジュール、メインプログラム、伝送、外部電気回路のどの部位で異常が発生しても、すべて同一の異常として検出されるので、CPU異常という特に危険度の高い異常要因を検出して、検出時にデジタルデータDOを確実に即断できないという問題がある。
また、CPUモジュールとリモートIOモジュールから構成された制御コントローラに必要な伝送異常を検出できない、伝送異常検出時に異常時制御動作を選択して設定できないという課題がある。
このように、特許文献1、2に開示される技術では、上下水道向け制御コントローラに必要な信頼性を実現できない。
≪実施形態1≫
本実施形態は、ダムや河川から原水を取水して、薬品沈殿、砂ろ過、塩素注入をおこなって水道水を製造する浄水場等の上下水道プラントを例に説明する。
この状態接点の電気仕様は、例えば、ポンプが運転中であれば電気的に導通状態とし、停止中であれば絶縁状態とする2値の出力となっている。
また、上記の検出機器は、電流、電圧、流量、水位、水圧、開度などのセンサ出力の数値情報を電圧または電流のアナログ信号に変換して外部へ出力するアナログ出力端子を備えている。
上記の検出機が、アナログ入力端子をもっていることもある。
制御コントローラ1は、CPU(Central Processing Unit)モジュール2と複数のリモートIO(Remote Input / Output)モジュール3a、3b、3c(以下、リモートIOモジュール3と総称する)から構成される。
図1のシステム構成図では、リモートIOモジュール3を複数もつ構成を示しているが、ひとつのCPUモジュール2とひとつのリモートIOモジュール3の構成であってもよい。
この機器接続ケーブル7を介して、設備機器4の状態接点や操作端子やアナログ入力端子やアナログ出力端子がリモートIOモジュール3からアクセスされ、CPUモジュール2は、リモートIOモジュール3により設備機器4を制御する。
また、リモートIOモジュール3は、アナログ出力データAOをDA変換してアナログ信号とし、設備機器4のアナログ入力端子に出力する。
機器接続ケーブル7は、状態接点・操作端子・アナログ入力端子・アナログ出力端子ごとに敷設され、数十〜数千本になる。特に大規模なシステムでは、機器接続ケーブル7の敷設が困難になっている。このため、リモートIOモジュール3の適用により、設備機器4の近くにリモートIOモジュール3を設置することで、機器接続ケーブル7の敷設を容易にしているが、シリアル伝送路5の誤伝送時の対応が必要となる。
また、CPUモジュール2の異常動作に対するリモートIOモジュール3の対処が必要となる。
本実施例の制御コントローラ1では、以下のようにして、伝送エラーやCPU異常動作に対処する。
また、リモートIOモジュール3は、CPU状態信号6がCPU異常を示す場合には、DOの状態にかかわらず、すべての設備機器4の操作端子を絶縁状態に駆動する。
図2はCPUモジュール2の構成例を示す図である。CPUモジュール2は、CPU21、メモリ22、CPU伝送部23、異常状態検出部25、異常状態出力部26を有し、CPUシステムバス24により相互に接続されている。メモリ22は、RAM(Random Access Memory)などであり、制御プログラム221、レジスタ222が配置される。
また、制御プログラム221はCPU21により周期的に実行され、設備機器4の状態接点の内容がリモートIOモジュール3でデジタルデータDIに変換された後に、CPU伝送部23を経由してレジスタ222に格納されて、制御プログラム221の入力となる。
制御プログラム221は、レジスタ222のデジタルデータDIを入力として論理演算や数値演算等のプログラム演算を実行し、デジタルデータDOを実行結果として出力する。そして、制御プログラム221によりレジスタ222に出力されたデジタルデータDOは、CPU伝送部23を経由してリモートIOモジュール3に送信され、設備機器4の操作端子が所定の周期で設定される。
制御プログラム221は、例えば50ms、100ms、200msなどの制御周期で、処理を繰り返し実行している。
この処理は、リモートIOモジュール3とレジスタ222のデジタルデータを一致化するIOモジュールのリフレッシュ処理と、プログラム演算から構成される。レジスタ222に格納されたプログラム演算の結果は、つぎのサイクルのIOモジュールのリフレッシュ処理で、リモートIOモジュール3に送信される。
異常状態検出部25は、制御プログラム221の処理周期を監視し、制御プログラム221の処理周期が、所定の監視時間を超過したならばCPU異常と判定する。
シリアル伝送路5は、所定の間隔でデータ転送がおこなわれるが、CPU状態信号6は、異常検出したら直ちに、CPUモジュール2の異常状態を出力するようにする。
また、CPU状態信号6は、CPU異常を通知できればよいので通信容量は少なくても良く、シリアル伝送路5より通信レートを小さくすることができる。これによりCPU状態信号6の伝送のデータ信頼性を向上することができる。
この場合には、CPUモジュール2への電源供給が停止した場合には、CPU状態接点は絶縁状態に遷移するので、電源供給停止もCPU異常として出力される。
または、4〜20mAの電流源をもち、電流の有無状態を接点仕様とし、CPU正常の場合には電流有の状態とするようにしてもよい。
リモートIOモジュール3は、リモートIO伝送部31、IO入力部36、IO出力部34、CPU異常制御部35を有し、システムバス33により相互に接続されている。また、IO入力部36は、設備機器4の制御機器42の状態接点41と機器接続入力ケーブル7−2により接続されており、IO出力手段34は設備機器4の制御機器42の操作端子40と機器接続出力ケーブル7−1により接続されている。
リモートIO伝送部31は、システムバス33経由でIO入力部36から状態接点41の状態に対応するデジタルデータDIを受信し、ワードのデジタルデータに変換してCPUモジュール2に伝送する。
また、リモートIO伝送部31は、CPUモジュール2から伝送されたデジタルデータDOを抽出し、システムバス33に接続されたCPU異常制御部35を経由して、デジタルデータDOをIO出力部34に出力する。
詳細には、CPUモジュール2が正常な状態であることが通知されている場合には、デジタルデータDOに対応した状態をIO出力部34が出力するようにし、CPUモジュール2が異常な状態であることが通知されている場合には、IO出力部34が絶縁状態を出力するように制御する。
CPU異常制御部35は、第1入力回路351と、第2入力回路352と、論理演算回路353を備える。
第1入力回路351は、CPUモジュール2の異常状態出力部26に、CPU状態信号6を介して接続され、CPU状態信号6の信号レベルをTTL(Transistor Transistor Logic )レベルに変換する。例えば、CPU状態信号6が、CPUモジュール2の異常状態を示す場合にはLowレベルに変換し、CPUモジュール2の正常状態を示す場合にはHighレベルに変換する。
論理演算回路353は、例えばTTLで構成された論理回路であり、第1入力回路351と第2入力回路352からの信号の論理演算を実行して、制御出力信号を出力する。制御出力信号は論理成立でHighレベル、論理不成立でLowレベルである。
CPU状態信号6がCPUモジュール2の正常状態を示し、かつ、デジタルデータDOが「1」の場合には、第1入力回路351の出力はHighレベル、第2入力回路352の出力もHighレベルとなり、論理演算回路353による論理積の結果、論理成立のHighレベルが制御出力信号として出力される。
CPU状態信号6がCPUモジュール2の正常状態を示し、かつ、デジタルデータDOが「0」の場合には、第1入力回路351の出力はHighレベル、第2入力回路352の出力はLowレベルとなり、論理演算回路353による論理積の結果、論理不成立のLowレベルが制御出力信号として出力される。
IO出力部34は、リレー回路341と出力端子342から構成されている。
リレー回路341は、例えば、半導体リレーや電磁リレーなどから構成され、CPU異常制御部35の制御出力信号に応じて、出力側の回路の入り切りをおこなう。例えば、制御出力信号がHighレベルならばリレーをONし、また制御出力信号がLowレベルならばリレーをOFFする。
出力端子342は、機器接続出力ケーブル7−1により設備機器4の操作端子40に接続し、リレー回路341により操作端子40を導通状態または絶縁状態にする。
CPU状態信号6が正常状態を示している場合には、デジタルデータDOが「1」ならば制御出力信号はHighレベルを出力し、デジタルデータDOが「0」ならば制御出力信号はLowレベルを出力する。これにより、デジタルデータDOの値に対応した制御出力信号が出力され、設備機器4の操作端子40が導通状態または絶縁状態に制御される。
一方、CPU状態信号が異常状態を示している場合には、デジタルデータDOが「1」であるか「0」であるかに関わらず、制御出力信号はLowレベルを出力する。したがって、CPU状態信号が異常状態を示している場合には、設備機器4の操作端子40は絶縁状態に制御される。
図8は、リモートIOモジュール3の他の構成を示す図である。
リモートIOモジュール3は、リモートIO伝送部31、伝送異常制御部32、接続する設備機器4ごとに設けられた複数のIO入力部36とIO出力部34、CPU異常制御部35を有し、システムバス33により相互に接続されている。また、IO入力部36は、設備機器4の状態接点41と機器接続入力ケーブル7−2により接続されており、IO出力部34は設備機器4の操作端子40と機器接続出力ケーブル7−1により接続されている。
図4に示したリモートIOモジュール3とは、本実施例のリモートIOモジュール3が伝送異常制御部32を有することが相違しており、以下、相違点を中心に説明する。
ここで、伝送異常制御部32で検出する伝送異常は、ケーブル断線等の断線や、送受信が所定時間内に終了しない状態であるタイムアウト検出や、伝送するデジタルデータのCRCエラーやパリティエラー等の誤り検出により判定する。
CPU異常制御部35では、前述のとおり、CPU状態信号6の状態に応じてデジタルデータDOが変更されて、IO出力部34に制御出力信号が出力される。この制御出力信号は、IO出力部34で導通状態または絶縁状態に変換されて、設備機器4の操作端子40に通知される。
伝送異常制御部32で伝送ケーブル5の伝送異常が検出されない場合には、デジタルデータDOの変更ルールの設定に関わらず、リモートIO伝送部31からCPU異常制御部35にデジタルデータDOが変更されることなく出力され、CPU異常がなければ、そのまま出力される。
このように、設備機器4ごとにデジタルデータDOの変更ルールを設けることにより、設備機器4の重要度に応じて、エラー発生時の対応方法を変えることができるので、システムの信頼性の向上を図ることができる。
まず、自リモートIOモジュール3のデジタルデータDOを受信したかを判定する(S901)。CPUモジュール2から自リモートIOモジュール3宛てのデジタルデータDOが送信されなければ、受信待ちする(S901のNo)。
異常がない場合には(S902のNo)、正常にデジタルデータDOの伝送がおこなわれたものとして、受信したDOを後述する伝送異常処理のために一時保存し(S909)、S906に進む。
まず、設定されている修正ルールの種類を判定し(S903)、「ゼロクリア」であれば(S903の「ゼロクリア」)、デジタルデータDOをゼロに書き換え(S904)、S906に進む。
S903で「ホールド」であれば(S903の「ホールド」)、デジタルデータDOをS909で一時保存した直前の正常伝送のDOの値に書き換える(S905)。つまり、異常の検出前の値に書き換えた後に、S906に進む。
S906でCPU異常の通知を検出しなかった場合には(S906のNo)、S908に進む。
S908では、デジタルデータD0をIO出力部34に設定し、デジタルデータDOの値に応じて、導通状態または絶縁状態を出力する。
さらに、CPUモジュール2の異常対策を迅速におこなうため、CPUモジュールの異常発生のときの処理を、図10の処理フローとは、非同期におこなえるようにする。
図11の処理は、CPU状態信号6の受信データ割り込みにより起動するようにし、割り込み優先レベルを、できる限り高くすることが望ましい。
なお、図11のS906、S907、S908の処理内容は、図10と同一なため、ここでは、説明を省略する。
つぎに、伝送異常制御部32で処理されるデジタルデータDOの変更ルールの具体例を図12により説明する。
図12は、ポンプ井8の貯留水を揚水し、目標流量に制御して配管9から流出水として流出させる水輸送プラントの一例を示す図である。
水輸送プラントは、ポンプ井8、配管9、固定速ポンプ42a、流量を調節する電動弁42b、流量計42cから構成されている。そして、固定速ポンプ42aにより吐出された流出水は、流量計42cによって流量測定されて、一定流量になるように、電動弁42bにより制御されている。
設備機器4a、4d、4gの機能を、つぎに説明する。
具体的には、開動作や閉動作は、例えば1秒間に弁開度5%の速度とすると、全閉状態において開動作を20秒保持すると全開に達して開動作は停止する。逆に、全開状態において20秒間閉動作を保持すると全閉状態となり、閉動作は停止する。
設備機器4dは、操作端子40b(開動作)と操作端子40c(閉動作)とを備え、操作端子40b、40cを電気的に導通状態にすることで開動作または閉動作を継続し、絶縁状態にすると開動作または閉動作を停止する。
設備機器4dの電動弁42bの弁開度は、操作端子40bまたは操作端子40cを導通状態とする時間を調整することにより、目的とする開度に制御される。
設備機器4gのアナログ出力端子43は、計測された流量値を、4〜20mAの電流信号に変換し、出力する。
固定速ポンプ42aは、制御プログラムにより運転または停止の動作指示がデジタルデータDOに記録され、リモートIOモジュール3aを介して、設備機器4aの操作端子40aに設定され、運転または停止指示される。
電動弁42bは、制御プログラムにより開動作と閉動作の動作指示がデジタルデータDOに記録され、リモートIOモジュール3bを介して、設備機器4dの操作端子40b、40cに設定され、弁開度が設定される。
本実施例では、伝送異常の検出時に、固定速ポンプ42aと電動弁42bについて、つぎの変更ルールでデジタルデータDOを変更する。
上記の変更ルールは、これに固定されるものではなく、伝送異常時の運用仕様に応じて適宜定めることができる。
CPU状態信号6によりCPU異常を通知されたリモートIOモジュール3a、3b、3cは、デジタルデータDOが「0」として、操作端子40a、40b、40cを絶縁状態に設定する。つまり、固定速ポンプ42aはポンプ運転を停止し、電動弁42bは開動作または閉動作を停止するので、流出水の流出が停止する。
CPU異常により固定速ポンプ42aが停止した際には、切替装置により、固定速ポンプ42aの操作端子4aと手動操作装置を接続するように切替える。そして、手動操作装置により、固定速ポンプ42aの操作端子4aを導通状態にして、ポンプ運転をおこなうようにする。
また、本実施形態によれば、リモートIOモジュールに、高性能CPUなどの手段を用いずに簡易な論理回路の実装することと、CPUモジュールの状態を通知する信号ケーブルを敷設するのみで、CPU異常時にプラントの運転を確実に停止できるので、低コストで安全性を向上できるという効果がある。
また、CPU異常など特定の重大な異常要因を検出した場合のみ、接続する全ての制御機器の運転を停止するので、自動制御の稼動率が向上し、運転員の手動運転という負担の軽減が期待できる。
前述の実施形態では、リモートIOモジュール3を1点のDI、1点のDOを備えた構成としたが、複数のDI、複数のDOを備えた構成としてもよいし、また、複数のAI、AO、PIを備えた構成としてもよい。
また、前述の実施形態に係る制御コントローラ1は、電力、ガス、交通、ダムなどの社会インフラシステムの制御コントローラや、鉄鋼、化学、食品、物流など産業システムの制御コントローラにも適用できる。
また、各機能を実現するプログラム、データ等の情報は、RAM(Random Access Memory)に格納すること以外に、SSD(Solid State Drive)等の記録装置や、IC(Integrated Circuit)カード、SD(Secure Digital)カード、DVD(Digital Versatile Disc)等の記録媒体に格納することができる。
なお、実施形態を説明する図面においては、説明上必要と考えられる制御線や情報線のみを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんどすべての構成が相互に接続されていると考えてよい。
2 CPUモジュール
3 3a 3b 3c リモートIOモジュール
4 4a 4b 4c 4d 4e 4f 4g 4h 4i 設備機器
5 シリアル伝送路
6 CPU状態信号
7a 7b 7c 7d 7e 7f 7g 7h 7i 機器接続ケーブル
Claims (5)
- プラントの設備機器の制御をおこなう制御コントローラにおいて、
モジュールの異常動作を検出する異常状態検出部を有し、所定の制御周期で前記プラントの複数の設備機器をプログラム制御するCPUモジュールと、
前記CPUモジュールにシリアル伝送路によりデイジーチェーン接続して、前記CPUモジュールから前記制御周期毎に伝送されたデジタルデータを変換して前記設備機器に出力する複数のリモートIOモジュールと、を備え、
前記リモートIOモジュールは、さらに、前記シリアル伝送路の伝送異常を検出してデジタルデータを変更する伝送異常制御部を有し、前記伝送異常制御部は、伝送異常の検出時に、接続する複数の設備機器ごとに、予め前記シリアル伝送路を介して設定された所定の変更ルールに基づいてデジタルデータを変更し、
前記CPUモジュールは、前記異常状態検出部が前記プログラム制御の処理周期を監視し、処理が所定の監視時間を超過することで異常動作を検出したときに、前記シリアル伝送路とは別の前記CPUモジュールと前記リモートIOモジュールをデイジーチェーン接続する信号ケーブルにより、前記リモートIOモジュールにCPU異常を通知し、
前記リモートIOモジュールは、前記CPU異常を通知されたときに、前記デジタルデータの出力とは非同期に、前記デジタルデータによる制御とは別に出力を絶縁状態にして前記設備機器のすべてを停止状態にする
ことを特徴とする制御コントローラ。 - 請求項1に記載の制御コントローラにおいて、
前記変更ルールは、デジタルデータを「0」に書き換える(ゼロクリア)か、または、
伝送異常の検出前のデジタルデータを維持する(ホールド)である
ことを特徴とする制御コントローラ。 - CPUモジュールとプラントの少なくともひとつの設備機器を制御する複数のリモートIOモジュールとを有し、プラントの複数の設備機器の制御をおこなう制御コントローラの制御方法であって、
前記プラントの複数の設備機器をプログラム制御する前記CPUモジュールと前記リモートIOモジュールとをデイジーチェーン接続するシリアル伝送路により、所定の制御周期毎に、前記CPUモジュールから前記リモートIOモジュールに、前記設備機器のプログラム制御の制御情報であるデジタルデータDOを伝送するステップと、
前記CPUモジュールが、前記プログラム制御の処理周期を監視し、処理が所定の監視時間を超過したときに異常動作を検出したとして、前記シリアル伝送路とは別の前記CPUモジュールと前記リモートIOモジュールとをデイジーチェーン接続する信号ケーブルにCPU状態が異常状態を示す信号を出力するステップと、
前記複数の設備機器のそれぞれの操作端子をCPUモジュールから通知されたデジタルデータDOに対応して設定する前記リモートIOモジュールが、
前記CPUモジュールと前記リモートIOモジュールとを接続するシリアル伝送路を所定の制御周期で監視し、伝送異常を検出したときに、前記CPUモジュールから通知されるデジタルデータDOを予め前記シリアル伝送路を介して設定された所定の変更ルールに応じて変更するステップと、
前記リモートIOモジュールが、前記CPU状態信号が異常状態を示す時には、デジタルデータD0の出力とは非同期に、デジタルデータDOとは別にすべての前記操作端子を前記設備機器が停止するように絶縁状態に設定し、その時以外には、前記操作端子に前記デジタルデータDOを出力するステップと、
を有することを特徴とする制御方法。 - 請求項3に記載の制御方法において、
前記リモートIOモジュールが、前記CPUモジュールからのデジタルデータDOに対応して前記操作端子を設定するタイミングと、前記CPU状態信号の異常状態の示す信号に応じて前記操作端子を設定するタイミングとが異なる
ことを特徴とする制御方法。 - 請求項3に記載の制御方法において、
前記リモートIOモジュールは、
前記CPU状態信号の異常状態の示す信号に応じて前記操作端子を設定するステップを、前記CPUモジュールから通知されるデジタルデータDOを所定の変更ルールに応じて変更して前記操作端子に設定するステップよりも優先して処理する
ことを特徴とする制御方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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