CN104777772A - 仪表化系统及其维护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个实施方式的仪表化系统具有：多个现场仪器，它们进行测定对象的测定以及操作对象的操作中的至少一者；具有多个插槽的连接装置，该多个插槽用于安装能够连接多个所述现场仪器的I/O模块；以及上位控制装置，其能够分别将在所述插槽中安装的所述I/O模块设定为冗余化结构或是非冗余化结构，且该上位控制装置使在所述插槽中安装的所述I/O模块中的设定为非冗余化结构的第1I/O模块以近似冗余化结构进行动作。

Description

仪表化系统及其维护方法
技术领域
本发明涉及一种仪表化系统及其维护方法。
本申请基于在2014年1月14日向日本申请的日本特愿2014-004367主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术
在车间、工厂等中构建的仪表化(Instrumentation)系统大致构成为如下结构，即，将被称为现场仪器的现场设备(测定器、操作器)、对这些现场设备的动作进行控制的控制器、以及进行现场仪器及控制器的管理或控制的上位装置经由通信单元连接。在如上所述的仪表化系统中，通过现场仪器得到的过程值(例如，压力、温度、流量等测定值)被控制器收集，在上位装置的管理下由控制器进行与所收集的过程值相对应的现场仪器的控制。
在仪表化系统中所使用的现场仪器与测定对象以及操作对象相对应而存在有各种各样的种类，输入/输出信号的信号形式也是多种多样。例如，存在有进行“4～20mA”信号等模拟信号的输入/输出的种类、进行“24V”的数字信号的输入/输出的种类、进行热电偶信号的输出的种类、进行触点信号的输入/输出的种类等。因此，现场仪器通常经由进行信号变换或协议变换的I/O模块而与控制器连接。
上述的I/O模块大致区分为相对于现场仪器1对1地进行连接的类型(单点类型)、以及具有多个信道，并能够针对每个信道连接现场仪器的类型(多点类型)。单点类型的I/O模块由于与现场仪器1对1地进行连接，虽然维护容易，但需要设置场所(占用空间)，制造成本变高。与此相对，多点类型的I/O模块由于能够连接多个现场仪器，虽然能够减小设置场所或削减制造成本，但维护困难。
在日本特开2001－100816号公报(以下，称为专利文献1)中，公开有现有的I/O模块的一个例子。具体而言，专利文献1所公开的I/O模块为了减小由于故障导致的停止所造成的影响，是以双重化(冗余化)进行使用的结构。如上所述，通过将I/O模块冗余化，即使一个I/O模块发生故障，也能够由另一个I/O模块继续进行动作(控制环路的动作)，因此提高可靠性。
上述的I/O模块能够如上述的专利文献1所公开的那样，采用冗余化的结构(冗余化结构)，也能够采用未进行冗余化的结构(非冗余化结构：单一结构)。将I/O模块采用冗余化结构或者采用单一结构，是考虑该I/O模块的故障对过程造成的影响的大小而决定的。
在I/O模块采用冗余化结构的情况下，即使I/O模块是单点类型以及多点类型中的某一种，在一个I/O模块发生故障的情况下，也可由另一个I/O模块继续进行动作。因此，可以想到只要冗余化结构的I/O模块的双方不同时发生故障，就不会使仪表化系统整体的工作效率大幅降低。
然而，在将多点类型的I/O模块采用单一结构的情况下，在I/O模块发生故障时，需要进行更换发生了故障的I/O模块的作业。于是，即使I/O模块的故障仅是1个信道的故障，也需要使经由正常的信道进行的控制环路的动作停止，因此有时会导致仪表化系统整体的工作效率降低。
在更换采用单一结构的多点类型的I/O模块时，需要进行下述事前作业，即，事先掌握通过使经由没有发生故障的正常的信道进行的控制环路的动作停止，是否不会对过程造成不良影响，或者为了预防该不良影响的扩散需要何种必需的作业等。如上所述，在进行I/O模块的更换时，由于需要上述的事前作业，因此有时维护性降低。
发明内容
本发明的一个方式提供一种仪表化系统及其维护方法，即使在将多点类型的I/O模块采用非冗余化结构的情况下，也能够防止工作效率以及维护性的降低。
本发明的一个实施方式的仪表化系统可以具有：多个现场仪器，它们进行测定对象的测定以及操作对象的操作中的至少一者；具有多个插槽的连接装置，该多个插槽用于安装能够连接多个所述现场仪器的I/O模块；以及上位控制装置，其能够分别将在所述插槽中安装的所述I/O模块设定为冗余化结构或是非冗余化结构，且该上位控制装置使在所述插槽中安装的所述I/O模块中的设定为非冗余化结构的第1I/O模块以近似冗余化结构进行动作。
在上述实施方式的仪表化系统中，所述第1I/O模块可以在需要更换的情况下，与在所述插槽中新安装的第2I/O模块构成冗余化。
在上述实施方式的仪表化系统中，所述上位控制装置可以在所述第1I/O模块构成冗余化的情况下，将所述第1I/O模块的控制权转移至所述第2I/O模块。
在上述实施方式的仪表化系统中，所述上位控制装置可以在进行所述控制权的转移之前，针对所述第2I/O模块进行具有与所述第1I/O模块相同的功能的设定。
在上述实施方式的仪表化系统中，所述上位控制装置可以在需要进行所述第1I/O模块的更换时，使需要更换的所述第1I/O模块以近似冗余化结构进行动作。
在上述实施方式的仪表化系统中，所述上位控制装置可以具有：上位装置，其能够分别将在所述插槽中安装的所述I/O模块设定为冗余化结构或是非冗余化结构；以及控制装置，其进行所述现场仪器的控制，并且使在所述插槽中安装的所述I/O模块中的利用所述上位装置设定为非冗余化结构的所述第1I/O模块以近似冗余化结构进行动作。
在上述实施方式的仪表化系统中，所述控制装置可以对从所述第1I/O模块向所述上位装置发送的表示异常的健康性信息进行屏蔽。
在上述实施方式的仪表化系统中，可以是所述连接装置和所述控制装置设置在单一基板上。
在上述实施方式的仪表化系统中，可以是所述连接装置和所述控制装置分别设置在不同的基板上。
在上述实施方式的仪表化系统中，可以是所述多个插槽的至少1个设为空闲状态，在需要进行所述第1I/O模块的更换的情况下，在所述空闲状态的插槽中安装所述第2I/O模块。
在上述实施方式的仪表化系统中，所述上位控制装置还可以具有用于将所述控制装置构成冗余化的其它控制装置。
本发明的一个实施方式的仪表化系统的维护方法可以具有下述步骤：使在下述具有多个插槽的连接装置上安装的所述I/O模块中的设定为非冗余化结构的第1I/O模块以近似冗余化结构进行动作的步骤，其中，该多个插槽用于安装能够连接多个现场仪器的I/O模块，该多个现场仪器进行测定对象的测定以及操作对象的操作中的至少一者；在需要进行所述第1I/O模块的更换时，使所述第1I/O模块和在所述连接装置的插槽中新安装的第2I/O模块构成冗余化的步骤；以及将所述第1I/O模块的控制权转移至所述第2I/O模块的步骤。
上述实施方式的仪表化系统的维护方法还可以具有在进行所述控制权的转移之前，针对所述第2I/O模块进行具有与所述第1I/O模块相同的功能的设定的步骤。
上述实施方式的仪表化系统的维护方法还可以具有对从所述第1I/O模块向下述上位装置发送的表示异常的健康性信息进行屏蔽的步骤，其中，该上位装置能够分别将在所述插槽中安装的所述I/O模块设定为冗余化结构或是非冗余化结构。
上述实施方式的仪表化系统的维护方法还可以具有在进行所述控制权的转移之后，拆下所述第1I/O模块的步骤。
发明的效果
根据本发明的一个方式，可以使在连接装置的插槽上安装的I/O模块中，设为非冗余化结构的I/O模块以近似冗余化结构进行动作，并在安装有新的I/O模块的情况下被冗余化，因此即使在将多点类型的I/O模块以非冗余化结构进行使用的情况下，也具有可以防止工作效率以及维护性的降低这样的效果。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的仪表化系统的结构的图。
图2是表示本发明的第1实施方式的I/O模块的内部结构的框图。
图3是表示本发明的第1实施方式的I/O模块以及控制器的要部结构的图。
图4是表示本发明的第1实施方式的I/O模块的更换步骤的流程图。
图5A是表示本发明的第1实施方式的I/O模块的更换时的作业状态的图。
图5B是表示本发明的第1实施方式的I/O模块的更换时的作业状态的图。
图5C是表示本发明的第1实施方式的I/O模块的更换时的作业状态的图。
图6是表示在本发明的第1实施方式的I/O模块的更换时的控制权切换管理部的动作的流程图。
图7是表示本发明的第2实施方式所涉及的仪表化系统的结构的图。
图8A是表示本发明的第2实施方式的I/O模块的状态显示例的图。
图8B是表示本发明的第2实施方式的I/O模块的状态显示例的图。
图8C是表示本发明的第2实施方式的I/O模块的状态显示例的图。
图8D是表示本发明的第2实施方式的I/O模块的状态显示例的图。
图8E是表示本发明的第2实施方式的I/O模块的状态显示例的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的几个实施方式所涉及的仪表化系统及其维护方法。
【第1实施方式】
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的仪表化系统的结构的图。如图1所示，本第1实施方式的仪表化系统1具有：现场仪器11、接线板12、连接控制单元13(连接装置)、以及监视装置14(上位控制装置、上位装置)，通过在监视装置14的监视下，连接控制单元13对现场仪器11进行控制，从而进行在车间、工厂等(以下，在对它们进行统称的情况下，简称为“车间”)中实现的过程的控制。
现场仪器11设置在车间的现场，进行用于实现过程的控制所必需的测定对象的测定以及操作对象的操作的至少一者。具体而言，现场仪器11例如是流量计或温度传感器等传感器仪器、流量控制阀或开闭阀等阀仪器、风扇或电动机等致动器仪器、对车间内的状况或对象物进行拍摄的照相机或录像机等拍摄仪器、对车间内的异响等进行收集或发出警报声等的麦克风或扬声器等音响仪器、对各仪器的位置信息进行输出的位置检测仪器、以及其它仪器。这些现场仪器11经由现场线缆CB1而与接线板12连接。现场线缆CB1由大于或等于2根线的线缆构成，是对单个的通信链路进行传送的线缆。
接线板12是用于对与现场仪器11连接的现场线缆CB1进行集线并与连接控制单元13连接的集线装置。该接线板12具有：多个连接器C1，它们能够连接现场线缆CB1；以及2个连接器C2、C3，它们能够对与连接控制单元13的I/O模块20(详细内容在后面叙述)连接的接线板用线缆CB2进行连接。接线板用线缆CB2是能够对多个通信链路进行传送的线缆。
连接有现场线缆CB1的多个连接器C1，在连接器C2上连接有接线板用线缆CB2的情况下，与形成接线板用线缆CB2的各个线缆分别电连接，在连接器C3上连接有接线板用线缆CB2的情况下，与形成接线板用线缆CB2的各个线缆分别电连接。即，可以说接线板12是将与连接器C1连接的多个现场线缆CB1(与各现场仪器11连接的与1个信道对应的现场线缆CB1)集线为与连接器C2、C3连接的接线板用线缆CB2(与I/O模块20连接的与多个信道对应的接线板用线缆CB2)的集线装置。
详细内容在后面叙述，在连接控制单元13中设置的I/O模块20采用冗余化的结构(冗余化结构)，或者采用未进行冗余化的结构(非冗余化结构：单一结构)。在冗余化结构的I/O模块20与接线板12连接的情况下，冗余化的一个I/O模块20经由接线板用线缆CB2与连接器C2连接，并且冗余化的另一个I/O模块20经由另外的接线板用线缆CB2与连接器C3连接。
与此相对，在单一结构的I/O模块20与接线板12连接的情况下，如图1所示，单一结构的I/O模块20仅与连接器C2、C3的任意一者(在图1所示的例子中是连接器C2)连接。在该情况下，如图1所示，连接器C2、C3的任意另一者(在图1所示的例子中是连接器C3)未使用。
连接控制单元13具有背板B、I/O模块20、以及控制器30(上位控制装置、控制装置)，进行在其与现场仪器11之间接收/发送的信号的处理，并且在监视装置14的监视下进行现场仪器11的控制。图1所示的连接控制单元13最多能够将8个I/O模块20和2个控制器30安装在背板B上。能够安装在背板B上的I/O模块20的最大数量可以少于8个也可以多于8个，此外，能够安装在背板B上的控制器30可以仅为1个，或者大于或等于3个。
背板B是具有能够安装I/O模块20的多个插槽SL1(在图1所示的例子中是8个插槽SL1)、以及能够安装控制器30的多个插槽SL2(在图1所示的例子中是2个插槽SL2)的基板。在图1中图示出下述状态，即，在设置于背板B上的8个插槽SL1中的7个插槽中安装有I/O模块20(20a～20g)，在全部的2个插槽SL2中安装有控制器30(30a、30b)。
设置在背板B上的多个插槽SL1中的至少1个插槽SL1设为空闲状态(空闲插槽)。其原因在于，在单一结构的I/O模块20中发生故障等异常而需要进行更换的情况下，能够进行发生了异常的单一结构的I/O模块20的更换，而不会降低仪表化系统1的工作效率以及维护性。
在背板B上设置有通信线L，该通信线L将在插槽SL1中安装的I/O模块20以及在插槽SL2中安装的控制器30电连接，而能够在它们之间实现通信。该通信线L为了提高可靠性而被冗余化。即，在插槽SL1中安装的I/O模块20以及在插槽SL2中安装的控制器30经由2根通信线而电连接。
I/O模块20能够经由接线板12而连接多个现场仪器11，经由设置在背板B上的通信线L而与控制器30连接，进行在所连接的现场仪器11和控制器30之间输入/输出的信号的处理(信号变换或协议变换)。该I/O模块20也可以说是将多个现场仪器11连接至控制器30上，进行在现场仪器11中输入/输出的信号与在控制器30中输入/输出的信号的中继的模块。
I/O模块20利用监视装置14而设定为冗余化结构或单一结构。冗余化结构的I/O模块20将2个(例如，I/O模块20f、20g)模块成对设置，并将成对设置的一个(例如，I/O模块20f)设为控制侧，将另一个(例如，I/O模块20g)设为待机侧。与此相对，单一结构的I/O模块20没有像冗余化结构这样成对设置，而是在控制器30的控制下分别单独动作。
在本第1实施方式中，为了简化说明，假设利用监视装置14将在连接控制单元13上所安装的所有I/O模块20(I/O模块20a～20g)设定为单一结构。详细内容在后面叙述，但即使利用监视装置14将I/O模块20a～20g设定为单一结构，这些I/O模块20a～20g也通过控制器30设为以近似冗余化结构进行动作。
图2是表示本发明的第1实施方式的I/O模块的内部结构的框图。如图2所示，I/O模块20具有共用电路部21和多个信道部22。图2所示的I/O模块20是具有8个信道部22的8信道的I/O模块，但在I/O模块20上设置的信道部22的数量(信道数)是任意的。例如，I/O模块20可以是具有4个信道部22的4信道的I/O模块，也可以是具有16个信道部22的16信道的I/O模块。
共用电路部21与在背板B上形成的通信线L连接，将来自通信线L的信号输出至信道部22的某一者中，并且将来自信道部22的信号输出至通信线L中。即，共用电路部21对经由通信线L接收/发送的信号、以及在多个信道部22中输入/输出的信号进行中继。此外，共用电路部21与监视装置14的设定相对应，使I/O模块20以冗余化结构动作，或者以单一结构(近似冗余化结构)动作。如前述所示，在背板B上形成的通信线L构成为冗余化，但在图2中将图示简化。
信道部22与形成接线板用线缆CB2的各个线缆连接，而分别与现场仪器11进行1对1的连接。在该信道部22中设置与所连接的现场仪器11的种类(在现场仪器11中输入/输出的信号的种类)相对应的处理电路。例如，在输出“4～20mA”信号等模拟信号的现场仪器11所连接的信道部22中，作为上述的处理电路而设置将模拟信号变换为数字信号的变换电路。在具有电磁阀的现场仪器11所连接的信道部22中，作为上述的处理电路而设置绝缘电路或电压变换电路。
也可以在信道部22中取代上述的处理电路而设置通用电路。通用电路例如在美国专利第8392626号说明书等中被表示，能够进行来自现场仪器11的模拟信号的输入、向现场仪器11的模拟信号的输出、来自现场仪器11的数字信号的输入、以及向现场仪器11的数字信号的输出。在通用电路中进行上述输入/输出的哪一种例如是通过控制器30的控制而设定的。在本第1实施方式中，假设在I/O模块20的信道部22中设有通用电路。
控制器30在监视装置14的监视下进行现场仪器11的控制。具体而言，控制器30进行下述处理，即，收集来自某个现场仪器11(例如，传感器仪器)的测定数据，对用于控制其它现场仪器11(例如，阀仪器)的控制数据进行运算，并发送至其它现场仪器11(例如，阀仪器)。在连接控制单元13中设置的2个控制器30(30a、30b)为了提高可靠性而构成为冗余化。例如，将控制器30a设为控制侧，将控制器30b设为待机侧。
此外，控制器30使在连接控制单元13的插槽SL1中所安装的I/O模块20中的、利用监视装置14设定为单一结构的I/O模块20以近似冗余化结构进行动作。近似冗余化结构是指下述结构，即，在应构成冗余化的I/O模块为不确定的状态下，使I/O模块20作为冗余化结构的控制侧进行动作。
即，在原本的冗余化结构中，成对设置的I/O模块20已预先确定，控制侧的I/O模块20只要不发生故障等异常，就与待机侧的I/O模块20成对地动作。与此相对，设为近似冗余化结构的I/O模块20是以不存在成对的I/O模块为前提进行动作的。以近似冗余化结构进行动作的I/O模块在发生了故障等异常而需要更换的情况下，与在连接控制单元13的插槽SL1中所安装的新的I/O模块构成冗余化。
需要将设定为单一结构的I/O模块20设为近似冗余化结构，出现在发生故障等异常而需要进行该I/O模块20的更换时。因此，控制器30至少在需要对设定为单一结构的I/O模块20进行更换时，使该I/O模块20以近似冗余化结构进行动作。在本第1实施方式中，为了简化说明，假设控制器30在刚刚利用监视装置14将所有的I/O模块20(I/O模块20a～20g)设为单一结构的设定之后，使这些所有的I/O模块20以伪冗余结构动作。
图3是表示本发明的第1实施方式的I/O模块以及控制器的要部结构的图。如图3所示，I/O模块20具有：背板通信部21a、控制权切换部21b、以及自诊断部21c。这些背板通信部21a、控制权切换部21b、以及自诊断部21c可以设置在图2所示的共用电路部21的内部，也可以设置在共用电路部21的外部。在图3中，与图2同样地，也对在背板B上形成的通信线L简化后进行了图示。
背板通信部21a进行经由在背板B上设置的通信线L进行的各种信号的接收/发送。具体而言，背板通信部21a接收经由通信线L发送来的来自控制器30的设定数据D1，并输出至控制权切换部21b，并且将从控制权切换部21b输出的冗余化状态数据D2以及从自诊断部21c输出的自诊断数据D3经由通信线L发送至其它I/O模块20或控制器30。
上述的设定数据D1是用于对I/O模块20的结构(冗余化结构、近似冗余化结构、或单一结构)、或与现场仪器11之间接收/发送的信号的种类以及各种参数等进行设定的数据。上述的冗余化状态数据D2是对I/O模块20以冗余化结构进行动作的情况、或者以近似冗余化结构进行动作的情况的状态进行表示的数据，且包含表示本模块是否有控制权的控制权信息、以及表示待机侧的I/O模块有无异常的健康性信息。上述的自诊断数据D3是对在自诊断部21c中进行的自诊断的结果进行表示的信息。控制权切换部21b将自诊断数据D3作为输入，生成用于向成对的I/O模块通知的表示自身有无异常的信息。该信息包含在冗余化状态数据D2中。
以近似冗余化结构进行动作的I/O模块20不存在待机侧的I/O模块，因此在上述的冗余化状态数据D2中所包含的健康性信息为异常。此外，上述的设定数据D1、冗余化状态数据D2、以及自诊断数据D3基本上经由在背板B上设置的通信线L进行接收/发送，但在冗余化状态数据D2中所包含的控制权信息以及健康性信息也可以经由独立于通信线L而在背板B上设置的专用线L1进行接收/发送。
控制权切换部21b在利用设定数据D1而设定为以冗余化结构、或近似冗余化结构进行动作的情况下，在控制器30的管理下，进行用于对成为控制侧还是成为待机侧进行规定的控制权的切换。例如，控制权切换部21b在以近似冗余化结构正常动作的情况下，取得控制权，在发生了故障等异常的情况下，将控制权转移至在插槽SL1(空闲插槽)中安装的新的I/O模块(图3中的I/O模块20h)。此外，控制权切换部21b与冗余化的状态相对应而输出上述的冗余化状态数据D2。
具体而言，控制权切换部21b首先基于来自自诊断部21c的自诊断数据D3，判断本模块是否健康到能够继续进行控制的程度，并生成前述的健康性信息。然后，控制权切换部21b根据本模块的健康性信息以及其它I/O模块(例如，图3中的I/O模块20h)的健康性信息以及设定数据，判断是否能够进行控制权的切换。在判断为能够进行控制权的切换的情况下，控制权切换部21b将控制权转移至其它I/O模块(例如，图3中的I/O模块20h)。
自诊断部21c对本模块的状态是否正常进行诊断，并将表示该诊断结果的自诊断数据D3输出至背板通信部21a以及控制权切换部21b。从自诊断部21c输出的自诊断数据D3如上所述，不仅在本模块内使用，也在其它I/O模块中使用。
控制器30具有背板通信部31a、控制权切换管理部31b、以及控制通信部31c。背板通信部31a与I/O模块20的背板通信部21a同样地，经由在背板B上设置的通信线L进行各种信号的接收/发送。具体而言，背板通信部31a将从控制权切换管理部31b输出的设定数据D1经由通信线L发送至I/O模块20，接收经由通信线L发送来的冗余化状态数据D2以及自诊断数据D3，并输出至控制权切换管理部31b。
控制权切换管理部31b将从监视装置14发送来的设定数据根据需要进行变换。具体而言，在来自监视装置14的设定数据是将I/O模块20设为单一结构的数据的情况下，进行将该设定数据设为近似冗余化结构的变换。此外，控制权切换管理部31b参照从I/O模块20发送来的冗余化状态数据D2而对在I/O模块20之间进行的控制权的切换进行管理，并且接收从I/O模块20发送来的自诊断数据D3而掌握I/O模块20的状态。控制通信部31c在其与监视装置14之间进行通信。
在I/O模块20以近似冗余化结构进行动作的情况下，由于不存在待机侧的I/O模块，因此在冗余化状态数据D2中所包含的健康性信息为异常。如果将该健康性信息向监视装置14进行发送，则表示待机侧的I/O模块的异常的健康性信息从单一结构的I/O模块发送来，有可能对利用监视装置14的维护作业人员造成混乱。为了避免如上所述的情况，控制权切换管理部31b对从以近似冗余化结构进行动作的I/O模块20发送来的健康性信息进行屏蔽，防止向监视装置14发送。
监视装置14例如是由车间的操作人员操作，用于进行过程的监视或各种设定(现场仪器11以及I/O模块20的设定)的装置。具体而言，监视装置14从控制器30取得现场仪器11的输入/输出数据并进行显示。监视装置14按照由操作人员根据需要进行的操作所输入的指示而进行现场仪器11的操作。
此外，监视装置14基于车间的操作人员的指示，能够分别将在连接控制单元13上安装的I/O模块20设定为冗余化结构、或是设为非冗余化结构。在本第1实施方式中，如上所述，假设将在连接控制单元13上安装的所有的I/O模块20设定为单一结构。此外，监视装置14也能够基于车间的操作人员的指示，对在I/O模块20的信道部22(参照图2)中设置的通用电路进行设定。即，监视装置14能够进行下述设定，即，针对在连接控制单元13上安装的新的I/O模块(图3中的I/O模块20h)，设定为具有与需要进行更换的I/O模块20(以近似冗余化结构进行动作的I/O模块20)相同的功能。
下面，对在上述结构的仪表化系统1中，将利用监视装置14设定为单一结构的I/O模块20更换的步骤进行说明。图4是表示本发明的第1实施方式的I/O模块的更换步骤的流程图。从图5A至图5C是表示本发明的第1实施方式的I/O模块的更换时的作业状态的图。
以下，在连接控制单元13的背板B上安装的I/O模块20(20a～20g)中，假设在I/O模块20c中发生故障而进行说明。在I/O模块20c中发生故障之前的初始状态中，如图5A所示，设为I/O模块20a～20d分别利用接线板用线缆CB2而与4个接线板12的连接器C2连接。
如果开始用于更换I/O模块20c的作业，则首先进行在设置于连接控制单元13的背板B上的插槽SL1(空闲插槽)中安装新的I/O模块20(图3中的I/O模块20h)的作业(步骤S1)。在图5A所示的例子中，在设置于背板B上的插槽SL1中的位于最左侧的插槽SL1(安装有I/O模块20g的插槽的左侧的插槽)中安装新的I/O模块20h。
然后，进行将新的I/O模块20h和接线板12连接的作业(步骤S2)。具体而言，如图5B所示，进行下述作业，即，使用接线板用线缆CB2将新的I/O模块20h、以及与需要更换的I/O模块20c连接的接线板12的连接器C3进行连接。
然后，使用监视装置14进行对I/O模块20h的设定作业(步骤S3)。具体而言，进行下述作业，即，针对在I/O模块20h的信道部22(参照图2)中设置的通用电路，根据与该信道部22连接的现场仪器11的种类进行设定。即，将新的I/O模块20h设定为具有与需要更换的I/O模块20c相同的功能。
如果以上的设定作业完成，则进行拆下需要更换的I/O模块20c、以及与I/O模块20c连接的接线板用线缆CB2的作业(步骤S4)。由此，如图5C所示，曾安装有I/O模块20c的插槽SL1成为空闲插槽，曾连接有I/O模块20c的接线板12成为只连接有新的I/O模块20h的状态。由此，I/O模块20c的更换作业完成。
下面，对在进行上述的更换作业的过程中，在控制器30的控制权切换管理部31b中进行的作业进行说明。图6是表示在本发明的第1实施方式的I/O模块的更换时的控制权切换管理部的动作的流程图。图6所示的流程图是在表示发生了故障的情况的自诊断数据D3从I/O模块20c发送，且该自诊断数据D3由控制器30接收时开始的。
控制器30的控制权切换管理部31b在将I/O模块20c设为单一结构的设定数据从监视装置14发送来的情况下，进行下述处理，即，进行将该设定数据设为近似冗余化结构的变换，并作为设定数据D1而发送至I/O模块20c。由此，控制权切换管理部31b使利用监视装置14而设定为单一结构的I/O模块20c以近似冗余化结构进行动作。
如果图6所示的流程图的处理开始，则控制权切换管理部31b首先参照从发生了故障的I/O模块20c发送来的冗余化状态数据D2，判断应构成冗余化的待机侧的I/O模块20(图3中的I/O模块20h)是否健康(步骤S11)。在发生了故障的时刻，应构成冗余化的待机侧的I/O模块20(图3中的I/O模块20h)还未安装在连接控制单元13上，在冗余化状态数据D2中所包含的健康性信息为异常，因此步骤S11的判断结果是“NO”。
如果步骤S11的判断结果是“NO”，则在控制权切换管理部31b中进行对从I/O模块20c发送来的健康性信息(表示异常的健康性信息)进行屏蔽的处理(步骤S12)。如果进行该处理，则从I/O模块20c发送来的健康性信息在控制器30的控制权切换管理部31b中被废弃，因此没有向监视装置14发送。直至应构成冗余化的待机侧的I/O模块20(图3中的I/O模块20h)安装在连接控制单元13上为止，重复进行步骤S11、S12的处理。
如果通过图4所示的步骤S1的作业，新的I/O模块20(图3中的I/O模块20h)安装在连接控制单元13上，则在发生了故障的I/O模块20c和新的I/O模块20h之间进行各种信息的交换，发生了故障的I/O模块20c和新的I/O模块20h构成冗余化。这样，在从I/O模块20c发送的冗余化状态数据D2中所包含的健康性信息表示为健康。
如果该冗余化状态数据D2由控制器30接收，则控制权切换管理部31b判断为I/O模块20c的待机侧是健康的，由此，步骤S11的判断结果是“YES”。这样，针对发生了故障的I/O模块20c，利用控制权切换管理部31b进行将表示安装有健康的待机侧(新的I/O模块20h)的情况向监视装置14通知的处理(步骤S13)。
如果以上的处理结束，则参照从新的I/O模块20h发送的冗余化状态数据D2或自诊断数据D3，利用控制权切换管理部31b判断待机侧(新的I/O模块20h)的设定是否适当地进行(步骤S14)。在没有进行图4所示的步骤S2、S3的作业的情况下，或者在虽然进行了步骤S2、S3的作业，但针对新的I/O模块20h的设定不适当的情况下，步骤S14的判断结果是“NO”。
与此相对，在针对新的I/O模块20h的设定适当的情况下，步骤S14的判断结果是“YES”。这样，参照从I/O模块20c、20h发送来的冗余化状态数据D2，利用控制权切换管理部31b判断是否将发生了故障的I/O模块20c的控制权转移至待机侧的新的I/O模块20h(步骤S15)。
在判断为不将发生了故障的I/O模块20c的控制权转移至待机侧的新的I/O模块20h的情况下(在判断结果是“NO”的情况下)，重复步骤S15的处理。与此相对，如果将发生了故障的I/O模块20c的控制权转移至待机侧的新的I/O模块20h，则步骤S15的判断结果是“YES”，利用控制权切换管理部31b进行将表示I/O模块20c的控制权转移至I/O模块20h的情况向监视装置14通知的处理(步骤S16)。
如果以上的处理结束，则利用控制权切换管理部31b判断发生了故障的I/O模块20c的拆下是否完成(步骤S17)。在没有进行图4所示的步骤S4的作业的情况下，步骤S17的判断结果是“NO”。与此相对，如果进行图4所示的步骤S4的作业，将I/O模块20c从连接控制单元13拆下，则步骤S17的判断结果是“YES”。这样，利用控制权切换管理部31b进行将表示发生了故障的I/O模块20c已从连接控制单元13拆下的情况向监视装置14通知的处理(步骤S18)。通过以上步骤，图6所示的一系列的处理结束。
如以上所述，在本第1实施方式中，构成为控制器30使在连接控制单元13上安装的I/O模块20中的利用监视装置14设定为单一结构的I/O模块20(20a～20g)以近似冗余化结构进行动作。在以伪冗余结构进行动作的I/O模块20发生了故障的情况下，在使发生了故障的I/O模块20(20c)与在连接控制单元13上安装的新的I/O模块20h构成冗余化之后，将发生了故障的I/O模块20(20c)的控制权转移至新的I/O模块20h。
因此，即使在利用监视装置14设定为单一结构的I/O模块20(20c)中发生了故障，经由发生了故障的I/O模块20(20c)所进行的正常的控制环路也会交由新的I/O模块20h进行，而无需使正常的控制环路停止。因此，即使是在能够连接多个现场仪器11的I/O模块20利用监视装置14设定为以单一结构进行动作的情况下，也能够防止仪表化系统1的工作效率以及维护性的降低。
【第2实施方式】
图7是表示本发明的第2实施方式所涉及的仪表化系统的结构的图。在图7中，对于与图1所示的结构相同的结构标注相同的标号。如图7所示，本第2实施方式的仪表化系统2形成下述结构，即，大体上省略了图1所示的接线板12，将连接控制单元13分为连接单元13a和控制单元13b，并将它们用通信线L10连接起来。
连接单元13a具有背板B1以及I/O模块20，将现场仪器11连接至控制单元13b，并且进行在现场仪器11和控制单元13b之间接收/发送的信号的处理(信号变换或协议变换)。图7所示的连接单元13a最多能够将2个I/O模块20安装在背板B1上。能够安装在背板B1上的I/O模块20的数量可以多于2个。
背板B1是具有能够安装I/O模块20的2个插槽SL1、以及用于连接现场仪器11的多个连接器C10的基板。在本第2实施方式中，如图7所示，仅在设置于背板B1上的2个插槽SL1中的一个中安装I/O模块20，将另一个设为空闲插槽。其原因在于，与第1实施方式同样地，在单一结构的I/O模块20中发生了故障等异常而需要进行更换的情况下，能够进行发生了异常的单一结构的I/O模块20的更换，而不会使仪表化系统2的工作效率以及维护性降低。
在背板B1上设置的多个连接器C10与图1所示的接线板12的连接器C1同样地，是能够连接现场线缆CB1的连接器。该连接器C10与2个插槽SL1电连接。因此，在2个插槽SL1中均安装有I/O模块20的情况下，与连接器C10连接的现场仪器11与插入至2个插槽SL1中的两个I/O模块20电连接。在背板B1上设置有相当于图1所示的通信线L的一部分的通信线L11，在插槽SL1中安装的2个I/O模块20经由通信线L11电连接。
控制单元13b具有背板B2以及控制器30，与连接单元13a以及监视装置14连接，在监视装置14的监视下进行现场仪器11的控制。图7所示的控制单元13b最多能够将2个控制器30安装在背板B2上。能够安装在背板B2上的控制器30可以仅为1个或大于或等于3个。
背板B2是具有能够安装控制器30的2个插槽SL2的基板。在图7中，图示出在背板B2上所设置的所有的2个插槽SL2中安装有控制器30(30a、30b)的状态。在背板B2上设置有相当于图1所示的通信线L的一部分的通信线L12，在插槽SL2中安装的2个控制器30经由通信线L12电连接。
在上述结构的仪表化系统2中，在将I/O模块20采用单一结构的情况下，如图7所示，仅在设置于背板B1上的2个插槽SL1中的一个插槽中安装I/O模块20，将另一个设为空闲插槽。控制器30使在背板B1的插槽SL1中安装的I/O模块20以近似冗余化结构进行动作。
在背板B1的插槽中安装的I/O模块20发生了故障的情况下，如果将新的I/O模块安装在空闲插槽中，则与第1实施方式同样地，发生了故障的I/O模块和新的I/O模块构成冗余化，将发生了故障的I/O模块的控制权转移至新的I/O模块。此处，在本第2实施方式中，如前述所示，在背板B1上设置的连接器C10与2个插槽SL1电连接，因此省略图4中的步骤S2的作业。
从图8A至8E是表示本发明的第2实施方式的I/O模块的状态显示例的图。在连接单元13a上安装的I/O模块20的状态始终由控制器30掌握，通过将表示I/O模块20的状态的信息从控制器30发送至监视装置14，从而得到图8所示的显示。
在从图8A至8E中，标注有标号A1、A2的矩形形状的图形(图标)分别表示在连接单元13a上设置的2个插槽SL1。此外，在这些图标A1、A2的内部显示的字符串ST是表示在插槽SL1中所安装的I/O模块20的类别(例如，型号)的信息。在从图8A至8E中所例示的字符串ST是“Module A”。该字符串显示出I/O模块20安装在插槽SL1中，在I/O模块20从插槽SL1拆下时消除。
在图8中，标注有标号Q1的字符“R”在将插槽SL1设置为空闲插槽的情况下显示，标注有标号Q2的字符“C”在信道发生了故障的情况下显示。标注有标号Q3的符号“×”在安装于插槽SL1中的I/O模块20由于故障等成为不健康的情况下，或者在未进行设定的情况下显示。
如图7所示，在设置于连接单元13a上的2个插槽SL1中的一个插槽SL1中安装的I/O模块20正常动作，且将另一个插槽设为空闲插槽的情况下，在监视装置14中出现图8A所示的显示。具体而言，显示为“Module A”的字符串ST显示在图标A1内，标注有标号Q1的字符“R”显示在图标A2内。
然后，如果在插槽SL1中安装的I/O模块20中发生了信道故障，则如图8B所示，标注有标号Q2的字符“C”显示在图标A1内。然后，如果在设为空闲插槽的插槽SL1中安装新的I/O模块20，则如图8C所示，在显示为“Module A”的字符串ST的基础上，标注有标号Q3的符号“×”显示在图标A2内。
然后，如果针对新安装的I/O模块20的设定完成，将发生了信道故障的I/O模块20的控制权转移至新的I/O模块20，则在监视装置14中出现图8D所示的显示。具体而言，将显示在图标A1内的字符“C”变更为字符“R”，并且将显示在图标A2内的符号“×”消除后显示在图标A1内。如果发生了信道故障的I/O模块20被拆下，则如图8E所示，将显示在图标A1内的显示为“Module A”的字符串ST以及符号“×”消除。
如以上所示，在本第2实施方式中，也与第1实施方式同样地，构成为控制器30使利用监视装置14而设定为单一结构的I/O模块20以近似冗余化结构进行动作，在使发生了故障的I/O模块20和新安装的I/O模块20构成冗余化之后对控制权进行转移。因此，即使是在I/O模块20利用监视装置14设定为以单一结构进行动作的情况下，也能够防止仪表化系统2的工作效率以及维护性的降低。
以上，对本发明的几个实施方式所涉及的仪表化系统及其维护方法进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，能够在本发明的范围内自由变更。例如，在上述的实施方式中，以只准备1个空闲插槽的情况为例进行了说明，但空闲插槽的数量是任意的。通过准备多个空闲插槽，从而具有即使在同一时间多个I/O模块20发生了故障的情况下也能够应对的优点。
在上述的实施方式中，对进行I/O模块20的控制权的管理的控制权切换管理部31b设置于控制器30中的例子进行了说明，但控制权切换管理部31b也可以设置在监视装置14中。在上述的实施方式中，对在I/O模块20中发生了故障的情况下，更换发生了故障的I/O模块20的例子进行了说明，但即使在I/O模块20中没有发生故障的情况下，也能够进行I/O模块20的更换。例如，为了预防时效变化而进行的更换、向上位仪器的更新更换等。
在上述的第1实施方式中，在进行I/O模块20的更换的情况下，需要进行向新的I/O模块20h安装接线板用线缆CB2的作业。但是，也可以在连接控制单元13和接线板12之间预先设置选择器，利用选择器的切换而对I/O模块20和接线板12的连接进行切换。
在上述的实施方式中，对作业人员使用监视装置14而进行新的I/O模块20(I/O模块20h)的设定的例子进行了说明，但也可以将该设定实现自动化。但是，只限于如第2实施方式这样，构成冗余化的I/O模块20已预先确定的情况。具体而言，例如是通过控制器30对新的I/O模块20(I/O模块20h)的安装进行检测，将控制侧的设定数据复制到新的I/O模块20(I/O模块20h)中而实现的。
在上述的实施方式中，对将发生了故障的I/O模块20的控制权自动地转移至新的I/O模块20的例子进行了说明。但是，I/O模块20的控制权的转移也可以通过作业人员的手动作业进行。例如，可以通过在I/O模块中设置开关等，作业人员按下开关，从而进行控制权的切换。

Claims (15)

1.一种仪表化系统，其具有：
多个现场仪器，它们进行测定对象的测定以及操作对象的操作中的至少一者；
具有多个插槽的连接装置，该多个插槽用于安装能够连接多个所述现场仪器的I/O模块；以及
上位控制装置，其能够分别将在所述插槽中安装的所述I/O模块设定为冗余化结构或是非冗余化结构，该上位控制装置使在所述插槽中安装的所述I/O模块中的设定为非冗余化结构的第1I/O模块，以近似冗余化结构进行动作。
2.根据权利要求1所述的仪表化系统，其中，
所述第1I/O模块在需要更换的情况下，与在所述插槽中新安装的第2I/O模块构成冗余化。
3.根据权利要求2所述的仪表化系统，其中，
所述上位控制装置在所述第1I/O模块构成冗余化的情况下，将所述第1I/O模块的控制权转移至所述第2I/O模块。
4.根据权利要求3所述的仪表化系统，其中，
所述上位控制装置在进行所述控制权的转移之前，针对所述第2I/O模块进行具有与所述第1I/O模块相同的功能的设定。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的仪表化系统，其中，
所述上位控制装置在需要进行所述第1I/O模块的更换时，使需要更换的所述第1I/O模块以近似冗余化结构进行动作。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的仪表化系统，其中，
所述上位控制装置具有：
上位装置，其能够分别将在所述插槽中安装的所述I/O模块设定为冗余化结构或是非冗余化结构；以及
控制装置，其进行所述现场仪器的控制，并且使在所述插槽中安装的所述I/O模块中的利用所述上位装置设定为非冗余化结构的所述第1I/O模块，以近似冗余化结构进行动作。
7.根据权利要求6所述的仪表化系统，其中，
所述控制装置对从所述第1I/O模块向所述上位装置发送的表示异常的健康性信息进行屏蔽。
8.根据权利要求6所述的仪表化系统，其中，
所述连接装置和所述控制装置设置在单一基板上。
9.根据权利要求6所述的仪表化系统，其中，
所述连接装置和所述控制装置分别设置在不同的基板上。
10.根据权利要求2所述的仪表化系统，其中，
所述多个插槽的至少1个设为空闲状态，在需要进行所述第1I/O模块的更换的情况下，在所述空闲状态的插槽中安装所述第2I/O模块。
11.根据权利要求6所述的仪表化系统，其中，
所述上位控制装置还具有用于将所述控制装置构成冗余化的其它控制装置。
12.一种仪表化系统的维护方法，其具有下述步骤：
使在下述具有多个插槽的连接装置上安装的所述I/O模块中的设定为非冗余化结构的第1I/O模块以近似冗余化结构进行动作，其中，该多个插槽用于安装能够连接多个现场仪器的I/O模块，该多个现场仪器进行测定对象的测定以及操作对象的操作中的至少一者；
在需要进行所述第1I/O模块的更换时，使所述第1I/O模块和在所述连接装置的插槽中新安装的第2I/O模块构成冗余化；以及
将所述第1I/O模块的控制权转移至所述第2I/O模块。
13.根据权利要求12所述的仪表化系统的维护方法，其中，
还具有在进行所述控制权的转移之前，针对所述第2I/O模块进行具有与所述第1I/O模块相同的功能的设定的步骤。
14.根据权利要求12或13所述的仪表化系统的维护方法，其中，
还具有对从所述第1I/O模块向下述上位装置发送的表示异常的健康性信息进行屏蔽的步骤，其中，该上位装置能够分别将在所述插槽中安装的所述I/O模块设定为冗余化结构或是非冗余化结构。
15.根据权利要求12或13所述的仪表化系统的维护方法，其中，
还具有在进行所述控制权的转移之后，拆下所述第1I/O模块的步骤。
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