JP2003036101A - 冗長化コントローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特殊なハードウェア及び冗長化制御の仕組み
を入れた特殊なＯＳを必要とせず、汎用のハードウェア
及びＯＳで実現可能な冗長化コントローラを提供する。 【解決手段】 制御ソフトウェアを実行エンジンとする
制御タスクを有し、この制御タスクがＩ／Ｏバッファを
介してデータの入力を行い、制御演算を実行したデータ
をＩ／Ｏバッファへ出力する一対のコントローラを備え
た冗長化コントローラであって、同じ制御タスクを制御
側コントローラと待機側コントローラに設けたことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロセス制御シス
テムにおいて、その制御を実行するコントローラの冗長
化に関するものであり、特に実行エンジンとして機能す
る制御ソフトウェアがソフトＰＬＣ(Programmable Logi
c Controller)で実現されたコントローラの冗長化に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】出願人は、プロセス制御において同様な
目的を達成する冗長化コントローラを、特開平７−３６
７２０「二重化コンピュータ装置」で提案している。図
４によりその構成と作用を説明する。

【０００３】１及び２は、単体で実行可能な２つのコン
トローラ（制御側コントローラ及び待機側コントロー
ラ）をシステムバス１０で結合した冗長化コントローラ
である。各コントローラにおいて、１１はオペレーティ
ングシステム（ＯＳ）を格納したＯＳ実行メモリ手段、
１２はＯＳの機能を使用（システムコール）しながら動
作するアプリケーションプログラムを格納したプログラ
ム実行メモリ手段である。

【０００４】１３は、前記各メモリに格納されているプ
ログラムに従って動作するＣＰＵ装置、１４は制御対象
プロセスとの入出力を行うＩ／Ｏ装置であり、実際に制
御に関与しているＩ／Ｏ装置をどちらがアクセスするか
により、１及び２は制御側コントローラと待機側コント
ローラとに分けられる。１５は、自身のＣＰＵ装置が受
けた割り込みを相手側コントローラ内のＣＰＵ装置に伝
えるプロセス装置間割り込み発生手段である。

【０００５】１６はステップカウント手段であり、この
ＣＰＵ装置が実行するプログラムの起動によりスタート
し、当該プログラムの実行ステップ数をカウントすると
共にＣＰＵ装置への割り込みによりそれまで実行したス
テップ数を記憶する。

【０００６】１７は同期ずれ調整手段であり、前記割り
込みにより中断したプログラムの再起動時に、自身のス
テップカウント手段が記憶する実行ステップ数と相手コ
ントローラ内のステップカウント手段が記憶する実行ス
テップ数とを比較し、その差が所定の値より大きい場合
実行ステップ数が少ないコントローラ側のＣＰＵ装置に
対して前記差のステップ数だけ先に動作を開始させ、双
方のコントローラのＣＰＵ装置が同期して動作するよう
に制御する。

【０００７】このように、実際に制御に関与しているＩ
／Ｏ装置をどちらがアクセスするかにより制御側と待機
側とに分けられる２つのコントローラで構成される冗長
化コントローラにおいて、各コントローラに、アプリケ
ーションソフトウェアの実行ステップ数をカウントする
手段と、同期ずれ調整手段とを設け、割り込み処理の機
会を捕らえて自動的に同期がとられるように構成した点
を特徴としている。

【０００８】従って、制御側コントローラと待機側コン
トローラとは、同様の処理を同期して常に実行すること
となり、大がかりなシステムを構築しなくとも、制御側
がダウンしたような場合における待機側コントローラへ
の制御動作の切替えを、継続性を維持しながら即座に行
うことができる。

【０００９】また、２つのコントローラが同期をとる動
作をシステムコールに基づいて行う場合であって、シス
テムコールが長時間行われないような場合でも、同期動
作のずれを本質的に回避することができる。従って、ア
プリケーションプログラムは、その設計時において冗長
化処理（同期化のための処理）を意識しなくともよく、
アプリケーションプログラムの作成を容易に行うことが
できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような冗長化コン
トローラは、冗長化を実現するために高度にカスタマイ
ズされた専用ハードウェアおよびＯＳを用いており、そ
のプラットフォーム上で動作するアプリケーションソフ
トウェアが一切、冗長化を意識する必要がないという意
味で完璧な冗長化システムと言える。

【００１１】しかしながら、昨今のコンピュータシステ
ムの技術革新は著しく速く、ハードウェアおよびＯＳの
進化に対し、従来の冗長化方式を適用するには全てを自
社開発する必要があり、膨大なコストおよび時間を要す
ることになる。

【００１２】近年、システムの実行エンジンを、ソフト
ウェアで機能が定義されたソフトＰＬＣ（Programmable
Logic Controller）で構築する場合が多い。更にこの
ソフトＰＬＣとして、IEC6113-3規格に準拠したプログ
ラム言語で記述されたものを使用することにより、シス
テムのオープン化、標準化を推進する趨勢にある。この
場合、ＰＣのＯＳ及びソフトＰＬＣ用ＯＳは、市販の汎
用システムを利用し、汎用のＰＣ上で作動するマルチベ
ンダ環境を構築する。

【００１３】一方、従来技術では、前記のように専用の
ハードウェアが必要となり、ＰＣをはじめとする汎用の
コンピュータシステムに適用することができない。つま
り、移植性がない。更に、ＯＳ及びデバイスドライバに
高度な冗長化制御の仕組みを入れる必要があり、市販の
ＯＳに対し、これらの機能を組み込むことは事実上困難
である。

【００１４】本発明は、特殊なハードウェア及び冗長化
制御の仕組みを入れた特殊なＯＳを必要とせず、汎用の
ハードウェア及びＯＳで実現可能な冗長化コントローラ
の提供を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このような課題を達成す
るために、本発明のうち請求項１記載発明の特徴は、制
御ソフトウェアを実行エンジンとする制御タスクを有
し、この制御タスクがＩ／Ｏバッファを介してデータの
入力を行い、制御演算を実行したデータをＩ／Ｏバッフ
ァへ出力する一対のコントローラを備えた冗長化コント
ローラであって、同じ制御タスクを制御側コントローラ
と待機側コントローラに設けた点にある。

【００１６】請求項２記載発明の特徴は、前記制御側コ
ントローラにある制御タスクの処理と待機側コントロー
ラにある制御タスクの処理とを同期させた点にある。

【００１７】請求項３記載発明の特徴は、前記制御側コ
ントローラにあるＩ／Ｏバッファに入出力されるデータ
と待機側コントローラにあるＩ／Ｏバッファに入出力さ
れるデータとを等値化させた点にある。

【００１８】請求項４記載発明の特徴は、前記制御ソフ
トウェアがソフトＰＬＣで実現された点にある。

【００１９】請求項５記載発明の特徴は、前記ソフトＰ
ＬＣがIEC61131-3規格に準拠したプログラム言語で記述
された点にある。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明実施態様を、図面を
用いて説明する。図１は本発明を適用した冗長化コント
ローラの概念を説明する機能ブロック図である。本発明
冗長化コントローラは、ハードウェアの構成としては、
単体で動作するコンポーネント（ＣＰＵカード、Ｉ／Ｏ
カード等）を制御側コントローラ１と待機側コントロー
ラ２のペア構成とし、両者をシステムバス（図示せず）
で結合する。ソフトウェアは、まったく同一のプログラ
ム（ＯＳおよびアプリケーション）をそれぞれのコント
ローラで実行させ、両者が互いに同期をとることで並列
実行する。

【００２１】冗長化された各コントローラは、実制御を
行うもの(制御側)と実制御には関与せず待機しているも
の（待機側）とに別れるが、制御側・待機側とも基本的
にはまったく同一の処理を行っている。制御側・待機側
の区別は、実際にＩ／Ｏを行っているかどうかにより区
別される。Ｉ／Ｏの出力は制御側のみが行い。入力は制
御側が読込みを行い、待機側に入力データを受け渡す。
制御側がダウンした場合は、すみやかに制御権が待機側
に移行する。

【００２２】各コントローラ１及び２において、３は実
行エンジンとして機能する制御ソフトウェアであり、ソ
フトＰＬＣによる１個又は複数個のユーザ定義のタスク
（タスクＡ、タスクＢ）と、これらタスクに対するデー
タの入出力を行うＩ／Ｏバッファを有する。

【００２３】３１は制御ソフトウェアを実行エンジンと
する、ソフトＰＬＣによる制御タスクであり、ユーザが
IEC61131-3規格に準拠したプログラム言語により自由に
構築することができる。４は制御ソフトウェア３とは非
同期で実行される各種のアプリケーションソフトウェア
である。アプリケーションソフトウェア４は、例えば文
書作成、表計算等を行うソフトウェアである。５はＩ／
Ｏドライバであり、制御側コントローラ１のみがプロセ
スとの入出力を実行するＩ／Ｏデバイス６と通信する。

【００２４】制御ソフトウェア上では、ユーザ定義の制
御タスクがスキャン周期ごとに定周期で動作し、Ｉ／Ｏ
バッファにアクセスし、データの入出力を行う。制御タ
スクは、基本的にスキャンの先頭でＩ／Ｏバッファを介
してデータの入力を行い、各制御プログラム(ファンク
ションブロック・シーケンシャルファンクションブロッ
ク等の演算処理)を実行後、最後にＩ／Ｏバッファへの
出力を行う。

【００２５】Ｉ／Ｏデバイス６への入出力は、制御側コ
ントローラのＩ／Ｏドライバ５をコールすることで行わ
れる。この際、制御・待機間で同期(待ち合わせ)および
Ｉ／Ｏデータの等値化処理を行うことで、制御・待機間
の制御タスクは同一の処理を同期して実行する。

【００２６】図２により、制御タスクの同期動作を説明
する。本発明では、制御側・待機側間でＩ／Ｏ入出力の
待ち合わせを行うことで、制御タスクの同期実行を実現
する。制御タスク３１は、スキャンの先頭でＩ／Ｏの入
力を行う。Ｉ／Ｏ入力処理で制御側と待機側の同期(待
ち合わせ)を行い、制御側が読込んだＩ／Ｏデータを待
機側にコピー（等値化）する。

【００２７】IEC61131-3規格に準拠したプログラム言語
で記述された各制御プログラムが実行される。この際、
Ｉ／Ｏの出力が行われるが、出力はＩ／Ｏバッファ５に
対して行われ、実際のＩ／Ｏデバイス６への出力は行わ
れない。このため、制御側・待機側間で出力の同期をと
る必要はない。

【００２８】制御側コントローラにおける制御タスク３
１は、最後にＩ／Ｏバッファ５のデータを実際のＩ／Ｏ
デバイス６に出力する。Ｉ／Ｏの出力処理において、Ｉ
／Ｏを即時出力(Ｉ／Ｏバッファ手段への出力と同時に
実際のＩ／Ｏデバイス６への書込みも行う)するように
コンフィグレーションすることも可能である。この場合
も、Ｉ／Ｏ出力処理で制御側・待機側の同期をとるた
め、制御・待機間の処理の連続性は保証される。

【００２９】つまり、制御・待機間でタスクの動作タイ
ミングが異なってもＩ／Ｏの入出力のタイミングで同期
がとられ、同期実行することにより、制御側の異常が発
生した場合、すみやかに制御を待機側に切替えることが
可能となり、制御タスクの処理は途切れることなく継続
して制御を行うことができる。

【００３０】ただし、同一タスク同士の同期はとられる
が、タスクのスケジューリング(動作順序)は制御・待機
間で異なる可能性がある。例えば、制御側ではタスク
A、タスクBの順に起動されるが、待機ではタスクB、タ
スクAの順に起動される場合がある。

【００３１】制御ソフトウェア３に関係のない一般的な
アプリケーション４は、制御側・待機側間で非同期に実
行される。つまり、制御側と待機側の同一のアプリケー
ション間でも実行中の処理は異なっている可能性があ
り、制御権切替え時、処理の連続性は保証されない。

【００３２】図3により、制御ソフトウェア１及びその
周辺関連機能の具体的構成例を説明する。

【００３３】バスドライバ２７は、コントローラのバッ
クプレーンバスであるシステムバスの制御を行うドライ
バである。このシステムバスには各種Ｉ／Ｏデバイスが
接続され、Ｉ／Ｏドライバ２８のＩ／Ｏカードアクセス
を行う。更にこのバスドライバ２７は、制御側・待機側
間の同期およびＩ／Ｏを始めとするデータの等値化を行
うための等値化ライブラリ２９との通信バスとして使用
される。等値化通信に使用する通信バスは、汎用のバス
も使用可能である。

【００３４】２８はシステムバスのＩ／Ｏドライバ、２
１０は各種Ｉ／Ｏのカード制御を行うＩ／Ｏドライバで
ある。これらＩ／Ｏドライバは、制御側コントローラで
のみ動作し、待機側はなにも処理を行わない。相手側コ
ントローラＣＰＵとの同期・等値化はＩ／Ｏハンドラで
行うため、基本的に冗長化は意識しない。

【００３５】２３２は制御ソフトウェア内のＩ／Ｏハン
ドラであり、制御タスクがＩ／Ｏの入出力を行う際にコ
ールされ、データのリード・ライトを実行する。データ
のリード時は、Ｉ／Ｏドライバ２８、２１０から読込ん
だデータをＩ／Ｏバッファ手段に書込み、等値化ライブ
ラリ２９を通して待機側Ｉ／Ｏハンドラとの同期および
入力データのコピーを行う。ライト時は、等値化ライブ
ラリ２９を通して待機側Ｉ／Ｏハンドラと同期をとり、
Ｉ／Ｏバッファ手段の出力データをＩ／Ｏドライバ手段
へ書込む。

【００３６】２３４はＴＣＰ／ＩＰソケットタスクであ
り、制御バスドライバ２１１を介して制御ソフトウェア
のコンフィグレータ、ヒューマン・マシンインターフェ
イス、他コントローラ等のステーション（図示せず）と
通信する。このソケットタスクは、イーサネット（登録
商標）、ＴＣＰ／ＩＰを通信媒体としたコミュニケーシ
ョンインターフェイスである。制御ソフトウェアでは、
制御バスドライバ２１１を介した通信をコミュニケーシ
ョンインターフェイス通信というプロトコルで定義して
おり、様々な通信媒体（ＲＳ２３２Ｃやベンダ固有のバ
ス）に適応可能な構成となっている。

【００３７】このソケットタスクは、前記コンフィグレ
ータ等のクライアントリクエストを受信すると、サーバ
ータスク２３５にリクエスト処理を依頼するとともに、
等値化ライブラリ２９を通して待機側のＴＣＰ／ＩＰソ
ケットタスク（図示せず）にリクエストを通知すること
で、コントローラに対する外部からのアクセスに対し、
制御側・待機側間の内部状態の等値化を行う。

【００３８】２１２は、制御権監視タスクであり、制御
側・待機側の状態を監視して、制御権の切替えを実行す
る。本タスクの機能(コントローラの異常検出と通知)を
ハードウェアで実現することで、切替え時間の短縮（１
秒以内）を行うことが可能となる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば、特殊なハードウェア及び冗長化制御の
仕組みを入れた特殊なＯＳを必要とせず、汎用のハード
ウェア及びＯＳにより、冗長化コントローラを容易に実
現することが可能となる。更に本発明は、ＯＳへの依存
度が低いので、市販ＯＳへのポーティングが容易であ
る。

【００４０】特に、冗長化システムの実行エンジンがソ
フトＰＬＣで実現され、更にこのソフトＰＬＣが、IEC6
113-3規格に準拠したプログラム言語で記述されたもの
に適用した場合は、システムのオープン化、標準化利用
環境の構築に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した冗長化コントローラの概念を
説明する機能ブロック図である。

【図２】本発明における制御側及び待機側の制御タスク
の同期動作を説明するタイムチャート図である。

【図３】本発明における制御ソフトウェアの具体的な構
成例を示す機能ブロック図である。

【図４】従来の冗長化コントローラの例を説明するシス
テム構成図である。

【符号の説明】

１ 制御側コントローラ ２ 待機側コントローラ ３ 制御ソフトウェア ３１ 制御タスク ３２ Ｉ／Ｏバッファ ４ アプリケーション ５ Ｉ／Ｏドライバ ６ Ｉ／Ｏデバイス

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制御ソフトウェアを実行エンジンとする制
   御タスクを有し、この制御タスクがＩ／Ｏバッファを介
   してデータの入力を行い、制御演算を実行したデータを
   Ｉ／Ｏバッファへ出力する一対のコントローラを備えた
   冗長化コントローラであって、 同じ制御タスクを制御側コントローラと待機側コントロ
   ーラに設けたことを特徴とする冗長化コントローラ。
2. 【請求項２】前記制御側コントローラにある制御タスク
   の処理と待機側コントローラにある制御タスクの処理と
   を同期させたことを特徴とする請求項１記載の冗長化コ
   ントローラ。
3. 【請求項３】前記制御側コントローラにあるＩ／Ｏバッ
   ファに入出力されるデータと待機側コントローラにある
   Ｉ／Ｏバッファに入出力されるデータとを等値化させた
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の冗長化コントロ
   ーラ。
4. 【請求項４】前記制御ソフトウェアがソフトＰＬＣで実
   現された請求項１乃至３のいずれかに記載の冗長化コン
   トローラ。
5. 【請求項５】前記ソフトＰＬＣがIEC61131-3規格に準拠
   したプログラム言語で記述された請求項１乃至４のいず
   れかに記載の冗長化コントローラ。