JP2005056241A - シリアル通信二重系制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータに負荷をかけずに制御を継続することができるシリアル通信二重系制御装置を提供する。
【解決手段】アクチュエータ１が主系及び従系の制御ユニット１２，１３に互いに独立したシリアル通信１６で二重に接続されている。主系及び従系の制御ユニット１２，１３は、それぞれメモリ１４と制御演算ユニット１５を有し、各制御演算ユニットは、自己のメモリに基づき同一の制御演算を並行して実施する。主系の制御演算ユニット１２は、自己のシリアル通信を介して、コマンドをアクチュエータ１へ送信し、その応答信号をアクチュエータから受信して自己のメモリに上書きする。従系の制御演算ユニット１３は、主系の制御演算ユニットのコマンドに対する応答信号をアクチュエータから受信して自己のメモリに上書きする。主従選択モジュール２０により、主系・従系の異常を高速で監視・判定し、いずれかが異常な場合、正常な方を主系に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータとシリアル通信で接続された主系と従系の制御装置を備え、一方に異常が発生したときに直ちに他方の制御装置に切り替えて制御を継続するシリアル通信二重系制御装置に関する。

制御装置の信頼性を高めるために複数の制御装置を備えた多重系制御装置が、従来から提案されている（例えば、特許文献１〜４）。

特許文献１の「ホットスタンバイ高速切替えシステム」は、図３に示すように、セション引継ぎファイル５０には、起動識別子５１と、一括引継ぎ領域サイズ５２と、一括引継ぎ領域５３と、逐次引継ぎ領域５４とが設けられている。引継ぎファイルサイズ確認手段５６および５７はセション引継ぎファイル５０にセション情報の引継ぎに十分な領域があるかを確認する。セション情報一括書込み手段５８はセション情報を一括引継ぎ領域５３に一括して書き込み、セション情報逐次書込み手段５９はセション情報を逐次引継ぎ領域５４に逐次書き込む。セション情報一括読取り手段６０は一括引継ぎ領域５３からセション情報を一括して読み込み、セション情報逐次読取り手段６１は逐次引継ぎ領域５４からセション情報を逐次読み取るものである。

特許文献２の「２重化ノードシステム」は、図４に示すように、ＬＡＮ６２で他の計算機と接続され、同一の論理アドレスを持つ現用系の計算機６３と予備系の計算機６４により構成されるホットスタンバイ型の２重化ノードシステムにおいて、予備系の計算機６４は、現用系の計算機６３がダウンしたかどうかを監視し、現用系の計算機６３がダウンしたと認識した場合に、予備系の計算機６４の論理アドレスを活性化し、かつ系間通信路６５，６６およびＬＡＮ６２を経由して系切替え情報を通知して現用系の計算機６２の論理アドレスを非活性化するものである。

特許文献３の「ホットスタンバイ送信監視方式」は、図５に示すように、第１および第２の送信機７１Ａ，７１Ｂと、第１および第２の受信機７２Ａ，７２Ｂと、前記第１および第２の送信機の出力の一方をメインアンテナ７６に接続し、他方を周波数シフタ７７に接続する送信スイッチ７４と、第１の受信機７２Ａの入力をメインアンテナ７６と周波数シフタ７７とで切り替える第１の受信スイッチ７８と、第２の受信機７２Ｂの入力をサブアンテナ８２と周波数シフタ７７とで切り替える第２の受信スイッチ７９と、第１および第２の受信機７２Ａ，７２Ｂの各受信レベルを検出し、この検出結果により第１および第２の受信スイッチ７８，７９を切り替え動作させる制御器８３とを備えるものである。

特許文献４の「三重系フォールトトレラントシステムのデータ変更方法」は、図６に示すように、第１から第３ユニット９１，９１，９３が並設接続され、各ユニットの入出力部９４から周期的に入力された各系のプラントデータを制御演算部９５で演算した後、その各系の演算結果を多数決処理してプラントの操作系に周期的に出力する三重系フォールトトレラントシステムにおいて、第１から第３ユニットの入出力部９４をデータ変更用動機信号線９６で相互に接続し、各ユニットが外部のマンマシンインターフェンス９７より変更データを受信した後、同期信号線９６を介して全ユニット９１，９２，９３に同期信号を出力し、全ユニットを同期させて上記変更データにより制御データを変更するものである。

特開平６−３４２３８２号公報 特開２００１−３４４１２５号公報 特開平１０−２８５０８０号公報 特開２０００−６６９１２号公報

高速で運転するガスタービン等の制御装置では、制御サイクルが１０ｍｓｅｃ程度と極めて短く、制御対象であるアクチュエータと頻繁に通信をしている。しかし、アクチュエータが主系及び従系の制御ユニットにシリアル通信で二重に接続されている場合、制御サイクルの間に制御ユニットからコマンドを送信し、これに対するアクチュエータからの応答信号を制御ユニットが受信することにより、１つの制御ステップが完結するため、通信途中（コマンドの送信から応答信号の受信までの間）に主系と従系の制御ユニットの切り替えが行われると、制御が円滑に継続できなくなる問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、アクチュエータが主系及び従系の制御ユニットにシリアル通信で二重に接続されている制御系において、通信途中（コマンドの送信から応答信号の受信までの間）に主系と従系の制御ユニットを切り替えても、アクチュエータに負荷をかけることなく円滑な制御を継続することができるシリアル通信二重系制御装置を提供することにある。

本発明によれば、アクチュエータが主系及び従系の制御ユニットに互いに独立したシリアル通信で二重に接続されているシリアル通信二重系制御装置であって、
前記主系及び従系の制御ユニットは、それぞれメモリと制御演算ユニットを有し、該制御演算ユニットは、自己のメモリに基づき同一の制御演算を並行して実施するようになっており、
主系の制御演算ユニットは、自己のシリアル通信を介して、コマンドをアクチュエータへ送信し、かつその応答信号をアクチュエータから受信して自己のメモリに上書きし、
従系の制御演算ユニットは、自らコマンドを送信せず自己のシリアル通信を介して、主系の制御演算ユニットのコマンドに対する応答信号をアクチュエータから受信して自己のメモリに上書きし、
主従選択モジュールにより、主系・従系の異常を高速で監視・判定し、いずれかが異常な場合、正常な方を主系に切り替える、ことを特徴とするシリアル通信二重系制御装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、従系に切り替った制御演算ユニットは、切り替え直後からコマンドの送信を停止し、アクチュエータからの受信のみを行い、
主系に切り替った制御演算ユニットは、切り替え直後からアクチュエータからの受信を行うが、切り替り直後から２制御サイクルの間、アクチュエータへのコマンド送信を停止する。

制御演算ユニットからのコマンドが中断した場合、通信エラーの異常信号を出力する。

上記本発明の構成によれば、主系及び従系の制御ユニットが、自己のメモリに基づき同一の制御演算を並行して実施し、かつ両方の制御ユニットが、アクチュエータからの応答信号を受信して自己のメモリに上書きするので、主系と従系のメモリは、常に同一の制御データを自己のメモリに保有する。従って、いずれかが異常な場合、正常な方を主系に切り替えることにより、主系から従系へ制御データを共有したまま円滑に制御を継続することができる。

また、通信途中（コマンドの送信から応答信号の受信までの間）に主系と従系の制御ユニットを切り替えた場合、主系に切り替った制御演算ユニットは、アクチュエータからの受信を行うが、切り替り直後から２制御サイクルの間、アクチュエータへのコマンド送信を停止するので、主系と従系の両方からほぼ同時に同一のコマンド（二重コマンド）が発生する可能性を皆無にでき、二重コマンドによる通信トラブルを回避できる。

更に、コマンド送信中に中断した場合には、チェックサムエラーにより通信エラー信号が出力されるので、主系に切り替った制御演算ユニットから同一のコマンドを再度送信することにより、円滑に制御を継続することができる。

さらにまた、コマンド送信後応答信号受信前に切り替った場合には、主系に切り替った制御演算ユニットが切り替え直後からアクチュエータからの受信を行うので、２制御サイクル経過後にそのまま円滑な制御を継続することができる。

従って、本発明の装置により、以下の効果が得られる。
（１）主従切り替りのタイミングがいつであっても、制御を継続可能となる。
（２）単一系の制御対象は、制御装置が単一系・二重系にかかわらず同じ動作となる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のシリアル通信二重系制御装置の構成図である。この図において、本発明のシリアル通信二重系制御装置１０は、主系と従系の制御ユニット１２，１３と、制御ユニット１２，１３のいずれかを選択する主従選択モジュール２０とを備える。
このシリアル通信二重系制御装置１０は、例えば、高速で運転するガスタービン等の制御装置であり、図示しない複数のセンサから温度、流量、圧力等のデータを受信し、アクチュエータ１（制御弁等）を制御するようになっている二重系ガスタービン制御装置である。ガスタービン用制御装置の場合、制御サイクルは約１０ｍｓｅｃ程度である。

この図において、本発明のシリアル通信二重系制御装置１０は、同一のアクチュエータ１に主系及び従系の制御ユニット１２，１３の出力がシリアル通信１６（ＲＳ-４８５）で二重に接続されている。このシリアル通信１６は、制御サイクル（約１０ｍｓｅｃ）毎に、制御ユニットからコマンドを送信し、これに対するアクチュエータからの応答信号を制御ユニットが受信することにより、１つの制御ステップが完結する。

主従選択モジュール２０は、主系・従系の２つの制御ユニット１２，１３の異常を高速で監視・判定し、いずれかが異常な場合、正常な方を主系に切り替えを行う。従って、この切り替えにより、主系と従系は逆転する。例えば、図において、１２が主系、１３が従系であるとすると、切り替え後は１２が従系、１３が主系となる。なお、以下１２を主系、１３を従系として説明する。

図１において、主系及び従系の制御ユニット１２，１３は、それぞれメモリ１４と制御演算ユニット１５（ＣＰＵ）を有する。主系と従系のメモリ１４は、互いに独立しているが、原則として同一の制御データを共有するようになっている。また、主系と従系の制御演算ユニット１５は、自己のメモリ１４の制御データに基づき同一の制御演算を並行して実施する。

主系の制御演算ユニット１２は、自己のシリアル通信１６を介して、コマンドをアクチュエータ１へ送信し、かつその応答信号（例えば現在の位置信号）をアクチュエータ１から受信して自己のメモリに上書きする。
一方、従系の制御演算ユニット１３は、自らコマンドを送信せず自己のシリアル通信１６を介して、主系の制御演算ユニットのコマンドに対する応答信号をアクチュエータ１から受信して自己のメモリに上書きする。
この送信と受信は、制御サイクル（約１０ｍｓｅｃ）毎に完結するので、切り替えのない定常状態においては、上述のように、主系及び従系のメモリ１４は、同一の制御データを共有している。

主従選択モジュール２０により、主系と従系の切り替えが行われると、この切り替えにより、主系と従系は逆転する。この切り替え時において、主系から従系に切り替った制御演算ユニット１２は、切り替え直後からコマンドの送信を停止し、アクチュエータ１からの受信のみを行う。この場合に制御演算ユニット１２は、コマンド送信を停止するので、制御特性には何らの影響も与えない。

一方、切り替えにより、従系から主系に切り替った制御演算ユニット１３は、切り替え直後からアクチュエータ１からの受信を行うが、切り替り直後から２制御サイクルの間、アクチュエータ１へのコマンド送信を停止する。
切り替り直後から２制御サイクルの間、送信を停止するのは、コマンド送信を即座に行うと、切り替え直前に制御演算ユニット１２から送信したコマンドとの衝突のおそれがあるからである。

また、制御演算ユニットからのコマンドが中断した場合、通信エラーの異常信号を出力するのが好ましい。

通信エラーの処理は、各基板において、チェックサムエラー及び通信エラーを高速制御演算周期で監視し、連続数回（例えば３回）発生した場合に、自己診断を実施するのがよい。この自己診断により、自己の基板が異常の場合には、その異常信号を出力し、他の基板が異常の場合には、その異常信号を出力する。

通信ダウンの処理は、通信ダウンを高速制御演算周期で監視し、連続数回（例えば３回）発生した場合に、通信ダウンの異常信号を出力する。

上記各異常信号は、主従選択モジュール２０に入力され、これに基づき、主系・従系の２つの制御ユニット１２，１３の異常を高速で監視・判定し、必要な場合に正常な方を主系に切り替えを行う。

図２は、本発明のシリアル通信二重系制御装置の切替例である。この図において、ＧＣＵ１は主系の制御ユニット１２、ＧＣＵ２は従系の制御ユニット１４、ＦＭＶ／ＰＴはアクチュエータ１（この例では燃料バルブモータ制御装置と圧力変換器）である。また、図中の矩形は１制御サイクルを示し、黒い矩形はコマンド送信側、白い矩形は受信のみを示している。

図２に示すように、本発明の構成によれば、主系及び従系の制御ユニット１２、１３が、自己のメモリ１４に基づき同一の制御演算を並行して実施し、かつ両方の制御ユニットが、アクチュエータ１からの応答信号を受信して自己のメモリ１４に上書きするので、主系と従系のメモリは、常に同一の制御データを自己のメモリに保有する。従って、いずれかが異常な場合、正常な方を主系に切り替えることにより、主系から従系へ制御データを共有したまま円滑に制御を継続することができる。

また、通信途中（コマンドの送信から応答信号の受信までの間）に主系と従系の制御ユニット１２、１３を切り替えた場合、主系に切り替った制御演算ユニット１３は、アクチュエータ１からの受信を行うが、切り替り直後から２制御サイクルの間、アクチュエータへのコマンド送信を停止するので、主系と従系の両方から同時に同一のコマンド（二重コマンド）が発生する可能性を皆無にでき、二重コマンドによる通信トラブルを回避できる。

更に、コマンド送信中に中断した場合には、チェックサムエラーにより通信エラー信号が出力されるので、主系に切り替った制御演算ユニット１３から同一のコマンドを再度送信することにより、制御をそのまま継続することができる。

さらにまた、コマンド送信後応答信号受信前に切り替った場合には、主系に切り替った制御演算ユニット１３が切り替え直後からアクチュエータ１からの受信を行うので、２制御サイクル経過後にそのまま円滑な制御を継続することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。例えば、本発明は、ガスタービン用制御装置に限定されず、その他の装置にも自由に適用することができる。

本発明のシリアル通信二重系制御装置の構成図である。 本発明のシリアル通信二重系制御装置の切替例である。 特許文献１の構成図である。 特許文献２の構成図である。 特許文献３の構成図である。 特許文献４の構成図である。

符号の説明

１ アクチュエータ、
１０ シリアル通信二重系制御装置、
１２，１３ 制御ユニット、
１４ メモリ、
１５ 制御演算ユニット（ＣＰＵ）、
１６ シリアル通信、
２０ 主従選択モジュール

Claims (3)

1. アクチュエータが主系及び従系の制御ユニットに互いに独立したシリアル通信で二重に接続されているシリアル通信二重系制御装置であって、
   前記主系及び従系の制御ユニットは、それぞれメモリと制御演算ユニットを有し、該制御演算ユニットは、自己のメモリに基づき同一の制御演算を並行して実施するようになっており、
   主系の制御演算ユニットは、自己のシリアル通信を介して、コマンドをアクチュエータへ送信し、かつその応答信号をアクチュエータから受信して自己のメモリに上書きし、
   従系の制御演算ユニットは、自らコマンドを送信せず自己のシリアル通信を介して、主系の制御演算ユニットのコマンドに対する応答信号をアクチュエータから受信して自己のメモリに上書きし、
   主従選択モジュールにより、主系・従系の異常を高速で監視・判定し、いずれかが異常な場合、正常な方を主系に切り替える、ことを特徴とするシリアル通信二重系制御装置。
2. 従系に切り替った制御演算ユニットは、切り替え直後からコマンドの送信を停止し、アクチュエータからの受信のみを行い、
   主系に切り替った制御演算ユニットは、切り替え直後からアクチュエータからの受信を行うが、切り替り直後から２制御サイクルの間、アクチュエータへのコマンド送信を停止する、ことを特徴とする請求項１に記載のシリアル通信二重系制御装置。
3. 制御演算ユニットからのコマンドが中断した場合、通信エラーの異常信号を出力する、ことを特徴とする請求項２に記載のシリアル通信二重系制御装置。
   
   
   

Images