JP2005353092A - プロセス制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 コストパフォーマンスが良く、システム規模のスケーラビリティ（拡張性）が広く、システムを稼動させた状態で機能の追加、削除、変更が可能なプロセス制御システムを実現する。
【解決手段】 プロセス制御システムを構成する機能をオブジェクト化し、各オブジェクトは、メソッドとデータが一体となってカプセル化され、タグ名を付けられて記憶手段に格納されている。タグに独立したオブジェクトが定義され、新たな機能の追加、既存機能の変更、既存機能の削除がタグ毎に行なわれ、追加、変更、削除が行なわれたときに、追加、変更、削除の対象オブジェクト以外のオブジェクトに影響を与えない構成にした。

【選択図】 図１

Description

本発明は、プラントに存在する温度、圧力等のプロセス量を制御してプラントを制御運転するプロセス制御システムに関するものである。

プロセス制御システムは、操作監視ステーションと制御ステーションを通信バスに接続し、制御ステーションはプラントの制御を担当し、操作監視ステーションはプラントの運転操作と監視を担当する構成をなしている。制御対象であるプラントの規模に応じて複数の制御ステーションがプラントに分散配置される。

図１０は従来におけるプロセス制御システムの構成例を示した図である。
図１０で、操作監視ステーションＩＣＳと制御ステーションＦＣＳは通信バスＢＳ上に接続されている。制御ステーションＦＣＳはプラントＰＬＴを制御する。プラントの規模に応じて複数の制御ステーションが分散配置されている。

操作監視ステーションＩＣＳで、表示手段１はマンマシンインタフェイス機能を持つＣＲＴ等で構成されている。表示制御手段２は表示手段１を制御し、プラントの制御・監視に必要な各種の画面あるいはウィンドウを表示手段１に表示させる。
入力手段３はキーボード、マウス等で構成され、プラントの操作や制御運転を行うためのデータ入力等を行う。
監視手段４はプラントの監視を行う。操作手段５はプラントを制御運転するための操作を行う。監視や操作の結果は表示手段１で表示される。
通信手段６は通信バスＢＳを介して各制御ステーションとのデータ授受を一定の通信規約に従って行う。

制御ステーションＦＣＳで、制御ユニットＣＵはプラントＰＬＴの制御を担当する。入出力ユニット（Ｉ／Ｏユニットと称する）１０は、プラントＰＬＴとの間で各種の信号を入出力する。例えば、４〜２０ｍＡ，１〜５Ｖのアナログ信号、熱電対信号、接点信号等を入出力する。
通信手段１１は通信バスＢＳを介して操作監視ステーションや各制御ステーションとのデータ授受を一定の通信規約に従って行う。

プラントＰＬＴで、センサＳＮは温度、圧力等のプロセス値を検出する。バルブＶ１，Ｖ２は制御ステーションＦＣＳから与えられる操作信号によって開度が制御される。
例えば、センサＳＮが出力した４〜２０ｍＡ，１〜５Ｖのアナログ信号がＩ／Ｏユニット１０に入力される。この入力をもとに制御ユニットＣＵは制御演算を行い、操作量を求める。この操作量は４〜２０ｍＡ，１〜５Ｖのアナログ信号としてＩ／Ｏユニット１０から出力され、この出力によりバルブＶ１，Ｖ２の開度が制御される。

図１０のシステムでは、プラントに存在する温度、圧力等のプロセス量を制御することによって、プラントを制御運転する。

図１１は図１０のシステムの制御ユニットにおけるファンクションブロック処理のデータとプログラムの保管状態を示した説明図である。ファンクションブロックは、制御系を構成する要素で、例えば、ＰＩＤ演算ブロック（ＰＩＤ）、指示ブロック（ＰＶＩ）等がある。ファンクションブロックを組み合わせて各種の制御系が構築される。
図１１に示すように、データはデータベースＤＢに、プログラムはプログラムライブラリＰＬにそれぞれ格納されている。
データベースＤＢ内にはタグ名が付けられたデータブロックが格納されている。ＦＩＣ１０１，ＰＩＣ１０２，ＰＩ２０１等がタグ名である。
プログラムライブラリＰＬには各データブロックに対応したファンクションブロックのデータ処理に用いるプログラムが用意されている。複数のプログラムが用意されているのは、 ファンクションブロックの処理アルゴリズムが複数種類あるためである。
インタプリタＩＮＴはデータブロックを順次に読み出し、読み出したデータブロックの中で指定されている処理プログラムをプログラムライブラリＰＬの中から選んで呼び出す。呼び出された処理プログラムは、対応するデータブロック内のデータを使って演算処理を実行する。
例えば、インタプリタＩＮＴはデータブロックＦＩＣ１０１を読み出し、その中で指定されている処理プログラムＰＩＤをプログラムライブラリＰＬ中から選んで呼び出す。処理プログラムＰＩＤはデータブロックＦＩＣ１０１内のデータを使って演算処理を実行する。

しかし、図１０の従来例では次の問題点があった。

（問題点１）
監視機能、制御機能等の機能が各々の目的に最適化した設計となっているため、個々に専用のハードウェアとソフトウェア基盤（ＯＳ）を必要としていた。
例えば、制御ユニットＣＵに実装する制御機能は、Ｉ／Ｏユニット１０の専用インタフェイスを前提に設計されるため、制御機能とＩ／Ｏユニット１０は同じハードウェア（制御ステーションＦＣＳ）上に実装されていなければならないというように、物理的な制約を被った。
また、ある機能を別の装置上に実装しようとすると、プログラムの修正や再コンパイルといった機能の再構成作業を必要とした。

（問題点２）
図１１に示すように、プログラムとデータが別々に管理されている。プログラムは、システムにある全種類のファンクションブロックの処理アルゴリズムが一体でライブラリ化されている。従って、ファンクションブロックのアルゴリズムを変更しようとすると、たとえ変更箇所が１種類のファンクションブロック向けのアルゴリズムであってもプログラムライブラリ全体を更新しなければならない。
機能を変更・追加するには、プログラムライブラリ全体の再コンパイルとローディングが必要で、稼働中のシステムを一旦停止させなければならない。

（問題点３）
図１１のプログラムライブラリの例で示されるように、実際に使う機能も、使わない機能も一体化して実装されていた。このため、システム規模の大小に関わらず必要な共通部分の割合が多くなり、小規模システムを構築したくてもコストが高くなってしまう。すなわち、機能の区分けをユーザの希望に応じて決められなかった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、システムを構成する機能をハードウェアとソフトウェア基盤に非依存にし、システムを構成する機能をオブジェクト化し、オブジェクト化した機能の追加、変更、削除が行なわれたときに、追加、変更、削除の対象オブジェクト以外のオブジェクトに影響を与えず、必要な機能を必要なだけ実装できるソフトウェア部品ベースのシステム構成にすることによって、コストパフォーマンスが良く、システム規模のスケーラビリティ（拡張性）が広く、システムを稼動させた状態で機能の追加、削除、変更が可能なプロセス制御システムを実現することを目的とする。

本発明は次のとおりの構成になったプロセス制御システムである。

（１）ネットワーク上に接続された第１乃至第３のコンピュータと、
前記第１のコンピュータに設けられ、プロセス制御に必要な情報の表示を担当するとともに、プロセス制御の運転操作を担当する表示操作機能を持つオブジェクトを格納する第１の記憶手段と、
前記第２のコンピュータに設けられ、プラントから入力されたプロセス入力をもとに制御演算により操作量を求め、この操作量をプラントに与える制御機能を持つオブジェクトを格納する第２の記憶手段と、
前記第３のコンピュータに設けられ、プロセス制御システムで扱うプラントの信号を入出力するプロセス入出力機能を持つオブジェクトを格納する第３の記憶手段と、
前記第１乃至第３のコンピュータにそれぞれ設けられ、前記ネットワークを介して各オブジェクト間の通信を行なう通信手段と、
を有し、前記通信手段により前記各オブジェクトが持つ各機能間でデータの授受を行い、プロセス制御システムとしての機能を果たし、
前記各オブジェクトは、メソッドとデータが一体となってカプセル化され、タグ名を付けられて前記各記憶手段に格納されていて、
前記タグに独立したオブジェクトが定義され、新たな機能の追加、既存機能の変更、既存機能の削除が前記タグ毎に行なわれ、追加、変更、削除が行なわれたときに、追加、変更、削除の対象オブジェクト以外のオブジェクトに影響を与えないことを特徴とするプロセス制御システム。

（２）前記表示操作機能を持つオブジェクトは、プラントの操作や制御運転を行なうための入力をメッセージとして起動し、前記制御機能を持つオブジェクト及び前記プロセス入出力機能を持つオブジェクトを介してプラントに対して操作を行なうとともに、操作の結果を表示手段に表示することを特徴とする（１）記載のプロセス制御システム。

（３）前記第１乃至第３のコンピュータにそれぞれ設けられ、オブジェクトを生成するとともに、不要になったオブジェクトを消滅するライフサイクル管理手段を有することを特徴とする（１）または（２）記載のプロセス制御システム。

（４）前記ライフサイクル管理手段は、生成したオブジェクトの名前を管理することを特徴とする（３）記載のプロセス制御システム。

（５）ネットワーク上に接続された第４のコンピュータと、
該第４のコンピュータに設けられ、オブジェクトを定義するエンジニアリング手段と、
を有することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のプロセス制御システム。

本発明によれば次の効果が得られる。

（ａ）システムを構成する機能がハードウェアやソフトウェア基盤（ＯＳ）に非依存になる。これによって、ある機能とある機能が同じハードウェア上に実装されなければいけないというような機能が物理的な制約を受けない。

（ｂ）システムを構成する機能をオブジェクト化し、機能に独立性と自立性を持たせている。このため、ある機能の追加、削除、変更が他の機能へ影響を与えない。これによって、システムを稼動させた状態で機能の追加、削除、変更が可能である、

（ｃ）必要な機能を必要なだけ実装できるソフトウェア部品ベースのシステム構成になっているため、資源を無駄にせず、最小限のコストでユーザの希望に沿ったシステムを構築できる。

以上説明したように本発明によれば、コストパフォーマンスが良く、システム規模のスケーラビリティ（拡張性）が広いプロセス制御システムを実現することが実現できる。

以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図１で前出の図と同一のものは同一符号を付ける。以下、図において同様とする。
図１で、複数のコンピュータ２１〜２５はネットワーク３０上に接続されている。

各コンピュータ２１〜２５は、記憶手段４１、ライフサイクル管理手段４２、通信手段４３を備えている。

記憶手段４１は、プロセス制御システムを構成する機能を持つオブジェクトが存在する。コンピュータによって存在するオブジェクトが異なる。記憶手段４１は、例えばコンピュータの主記憶装置である。

ライフサイクル管理手段４２は、オブジェクトの生成、消滅、複写、移動等を管理する。ライフサイクル管理手段４２は、例えば、ライフサイクルマネージャ、ネームサーバ、ダウンロードサーバ等によって実現される。ライフサイクルマネージャは、必要なときにオブジェクトを生成し、不要になったときにオブジェクトを消滅する。ネームサーバは、生成したオブジェクトの名前を管理する。ダウンロードサーバは、要求に応じてオブジェクトをコンピュータにダウンロードする。

通信手段４３は、ネットワーク３０を介してオブジェクト間の通信を行う。オブジェクト間の通信を行うことによって、各機能間でデータの授受を行い、プロセス制御システムとしての機能を果たす。

コンピュータ２１の記憶手段４１は表示操作機能を持つオブジェクトＯＢＪ１を格納している。表示操作機能は、プロセス制御に必要な情報の表示を担当するとともに、プロセス制御の運転操作を担当する機能である。表示操作機能は図８の従来例のシステムでは操作監視ステーションＩＣＳに備わっている機能である。
オブジェクトＯＢＪ１は、入力手段３からの入力をメッセージとして起動し、制御機能を持つオブジェクトやプロセス入出力機能を持つオブジェクトを介してプラントＰＬＴに対して操作を行うとともに、表示制御手段２に働きかけて操作の結果を表示手段１に表示する。

コンピュータ２２の記憶手段４１はデータ加工処理機能を持つオブジェクトＯＢＪ２を格納している。データ加工処理機能は、プロセス制御で扱うデータを二次加工して、高度制御や操作支援を実現する機能である。データ加工処理機能は図８の従来例のシステムでは操作監視ステーションＩＣＳや制御ステーションＦＣＳに備わっている機能である。オブジェクトＯＢＪ２は制御機能を持つオブジェクトやプロセス入出力機能を持つオブジェクトのデータを利用して加工処理を行う。

コンピュータ２３の記憶手段４１はエンジニアリング手段ＥＮＧを格納している。エンジニアリング手段ＥＮＧは、オブジェクトを定義・生成し、これらのオブジェクトを組み合わせてシステムの構築を行う。なお、エンジニアリング手段ＥＮＧをオブジェクトで構成してもよい。
オブジェクト情報用メモリ２３１にはオブジェクト情報ＯＤが格納されている。
オブジェクトＯＢＪ３は、定義・生成したオブジェクトの情報を、オブジェクト情報用メモリ２３１に格納する。また、オブジェクトＯＢＪ３は、オブジェクト情報用メモリ２３１の情報をもとに、オブジェクトを組み合わせてシステムを構成する。

コンピュータ２４の記憶手段４１は制御機能を持つオブジェクトＯＢＪ４を格納している。制御機能は、プロセス制御を担当する機能である。制御機能は図８の従来例のシステムでは制御ステーションＦＣＳに備わっている機能である。
オブジェクトＯＢＪ４は、例えば、プラントＰＬＴのセンサＳＮから入力されたプロセス入力をもとに制御演算を行い、操作量を求める。この操作量をプラントＰＬＴにあるバルブＶに与える。

コンピュータ２５の記憶手段４１はプロセス入出力機能を持つオブジェクトＯＢＪ５を格納している。プロセス入出力機能は、プロセス制御システムで扱うプラントの信号を入出力する機能である。プロセス入出力機能は図８の従来例のシステムではＩ／Ｏユニット１０に備わっている機能である。
オブジェクトＯＢＪ５は信号変換器２５１に働きかけてプラントＰＬＴと信号を授受する。例えば、センサＳＮが出力した４〜２０ｍＡ，１〜５Ｖのアナログ信号を信号変換器２５１を介して入力し、４〜２０ｍＡ，１〜５Ｖの操作量の信号を信号変換器２５１を介してバルブＶに与える。

なお、オブジェクトは、１つのオブジェクトで構成されていても、複数のオブジェクトの組合わせで構成されていてもよい。
さらに、１つの機能が複数のオブジェクトで実現されていてもよい。

また、表示操作機能をもつオブジェクトの代わりに、プロセス制御に必要な情報の表示のみを担当する表示機能を持つオブジェクトを設けてもよい。

また、オブジェクトが個々に独立性、自立性を持った構成にしてもよい。すなわち、単なるオブジェクトではなくコンポーネント化されたオブジェクトにする。オブジェクトをコンポーネント化するために次の構成にした。
（１）ライフサイクル管理手段４２を設け、オブジェクトの生成、消滅、複写、移動等を管理した。
（２）明示的に定義されたインタフェイス手段を設け、このインタフェイス手段の定義とオブジェクトの実装を切り離した。

図２はファンクションブロックをオブジェクト化した例を示した説明図である。
図２に示すように、手続（メソッド）とデータが一体となったオブジェクトが、タグ名を付けられて記憶手段４１に格納されている。メソッドはプログラムに相当する。ＦＩＣ１０１，ＰＩＣ１０２はタグ名である。
各オブジェクトには実行処理用メソッドＲｕｎＦＢ、読出処理メソッドＧｅｔＰａｒａｍｅｔｅｒ、書込メソッドＳｅｔＰａｒａｍｅｔｅｒが設けられている。

クライアントコンピュータが発生したメッセージ等により実行処理用メソッドＲｕｎＦＢを起動されたオブジェクトは、自身に格納されたデータを自身に格納されたプログラムを使って演算処理する。

図２に示すように、手続（メソッド）とデータが一体となってカプセル化されて管理されている。
ユーザが機能として認識する単位であるタグに独立したオブジェクトを定義しているため、新たな機能の追加、既存機能の変更、既存機能の削除をタグ毎に行うことができる。また、追加、変更、削除を行ったときに、追加、変更、削除の対象オブジェクト以外のオブジェクトに影響を与えない。
実行処理メソッドだけでなく、オブジェクトに関わる全ての手続がメソッドとしてオブジェクト単位に定義されるため、機能の独立性が保たれる。

図３は制御機能を持つオブジェクトの構成例を示した図である。
図３で、制御機能を持つオブジェクトＯＢＪはデータＤ１とメソッドＭ１，Ｍ２，Ｍ３を一体にした構成になっている。
オブジェクトＯＢＪはＰＩ制御を行うオブジェクトである。データＤ１には運転モード（図の例では自動運転モードＡＵＴになっている）、プロセス量ＰＶ、設定量ＳＶ、プロセスの出力量ＭＶが記述されている。メソッドＭ１には実行処理用メソッドＲｕｎＦＢとＰＩ制御を実行するための制御演算プログラムが記述されている。メソッドＭ２には読出処理メソッドＧｅｔＰａｒａｍｅｔｅｒとパラメータを読み出すためのプログラムが記述されている。メソッドＭ３には書込メソッドＳｅｔＰａｒａｍｅｔｅｒとパラメータを書き込むためのプログラムが記述されている。

実行処理用メソッドＲｕｎＦＢが起動されると、データＤ１を使って制御プログラムによりＰＩＤ制御を実行する。
読出処理メソッドＧｅｔＰａｒａｍｅｔｅｒが起動されると、データＤ１の指定されたパラメータを読み出す。
書込メソッドＳｅｔＰａｒａｍｅｔｅｒが起動されると、データＤ１の指定されたパラメータを書き込む。

図４〜図９は本発明にかかるプロセス制御システムの構成例を示した図である。

図４のシステムでは、コンピュータＣＯＭＰにフィールド機器Ｆが直結されている。コンピュータＣＯＭＰには、プロセス制御システムを構成する機能を持つオブジェクトが全て実装されている。

図５のシステムでは、コンピュータＣＯＭＰにプロセス入出力装置ＰＩ／Ｏがプロセス入出力専用バスＢ１により接続されている。コンピュータＣＯＭＰには、プロセス制御システムを構成する機能を持つオブジェクトが全て実装されている。

図６のシステムでは、制御ネットワークＣＮ上にコンピュータＣＯＭＰとプロセス入出力装置ＰＩ／Ｏが接続されている。コンピュータＣＯＭＰには、プロセス制御システムを構成する機能を持つオブジェクトが全て実装されている。
プロセス入出力装置ＰＩ／Ｏがインテリジェンスを持っているときは、プロセス入出力機能を持ったオブジェクトはプロセス入出力装置ＰＩ／Ｏに実装し、他のオブジェクトはコンピュータＣＯＭＰに実装してもよい。

図７のシステムでは、制御ネットワークＣＮ上にコンピュータＣＯＭＰと制御用コンピュータＣＢＯＸを接続し、制御用コンピュータＣＢＯＸにプロセス入出力装置ＰＩ／Ｏが直結されている。制御用コンピュータＣＢＯＸに制御機能を持つオブジェクトが実装され、他のオブジェクトはコンピュータＣＯＭＰに実装されている。

図８のシステムでは、制御ネットワークＣＮ上に、複数のコンピュータＣＯＭＰ、制御用コンピュータＣＢＯＸ及びプロセス入出力装置ＰＩ／Ｏが接続されている。操作監視機能を持つオブジェクトはコンピュータＣＯＭＰに実装し、制御機能を持つオブジェクトは制御用コンピュータＣＢＯＸに実装し、プロセス入出力機能を持つオブジェクトはプロセス入出力装置ＰＩ／Ｏに実装することによって、個々の機能をオブジェクトにより分散格納している。

図９のシステムでは、制御ネットワークＣＮ上に、クライアントコンピュータＣＯＭＰ１、サーバコンピュータＣＯＭＰ２、制御用コンピュータＣＢＯＸ及びプロセス入出力装置ＰＩ／Ｏが接続されている。操作監視機能やエンジニアリング操作機能等のヒューマン・マシン・インタフェイス機能を持つオブジェクトは、初期状態ではクライアントコンピュータＣＯＭＰ１に実装されておらず、必要時にサーバコンピュータＣＯＭＰ２からクライアントコンピュータＣＯＭＰ１にロードする。
なお、制御機能を持つオブジェクトは制御用コンピュータＣＢＯＸに実装し、プロセス入出力機能を持つオブジェクトはプロセス入出力装置ＰＩ／Ｏに実装している。

本発明の一実施例を示す構成図である。 ファンクションブロックをオブジェクト化した例を示した説明図である。 制御機能を持つオブジェクトの構成例を示した図である。 本発明にかかるプロセス制御システムの構成例を示した図である。 本発明にかかるプロセス制御システムの構成例を示した図である。 本発明にかかるプロセス制御システムの構成例を示した図である。 本発明にかかるプロセス制御システムの構成例を示した図である。 本発明にかかるプロセス制御システムの構成例を示した図である。 本発明にかかるプロセス制御システムの構成例を示した図である。 従来におけるプロセス制御システムの構成例を示した図である。 図１０のシステムにおけるデータとプログラムの保管状態を示した説明図である。

符号の説明

２１〜２５，ＣＯＭＰ，ＣＯＭＰ１，ＣＯＭＰ２ コンピュータ
３０ ネットワーク
４１ 記憶手段
４２ ライフサイクル管理手段
４３ 通信手段
ＯＢＪ１，ＯＢＪ２，ＯＢＪ４，ＯＢＪ５ オブジェクト
Ｆ フィールド機器
ＰＩ／Ｏ プロセス入出力装置
Ｂ１ 専用バス

Claims (5)

1. ネットワーク上に接続された第１乃至第３のコンピュータと、
   前記第１のコンピュータに設けられ、プロセス制御に必要な情報の表示を担当するとともに、プロセス制御の運転操作を担当する表示操作機能を持つオブジェクトを格納する第１の記憶手段と、
   前記第２のコンピュータに設けられ、プラントから入力されたプロセス入力をもとに制御演算により操作量を求め、この操作量をプラントに与える制御機能を持つオブジェクトを格納する第２の記憶手段と、
   前記第３のコンピュータに設けられ、プロセス制御システムで扱うプラントの信号を入出力するプロセス入出力機能を持つオブジェクトを格納する第３の記憶手段と、
   前記第１乃至第３のコンピュータにそれぞれ設けられ、前記ネットワークを介して各オブジェクト間の通信を行なう通信手段と、
   を有し、前記通信手段により前記各オブジェクトが持つ各機能間でデータの授受を行い、プロセス制御システムとしての機能を果たし、
   前記各オブジェクトは、メソッドとデータが一体となってカプセル化され、タグ名を付けられて前記各記憶手段に格納されていて、
   前記タグに独立したオブジェクトが定義され、新たな機能の追加、既存機能の変更、既存機能の削除が前記タグ毎に行なわれ、追加、変更、削除が行なわれたときに、追加、変更、削除の対象オブジェクト以外のオブジェクトに影響を与えないことを特徴とするプロセス制御システム。
2. 前記表示操作機能を持つオブジェクトは、プラントの操作や制御運転を行なうための入力をメッセージとして起動し、前記制御機能を持つオブジェクト及び前記プロセス入出力機能を持つオブジェクトを介してプラントに対して操作を行なうとともに、操作の結果を表示手段に表示することを特徴とする請求項１記載のプロセス制御システム。
3. 前記第１乃至第３のコンピュータにそれぞれ設けられ、オブジェクトを生成するとともに、不要になったオブジェクトを消滅するライフサイクル管理手段を有することを特徴とする請求項１または２記載のプロセス制御システム。
4. 前記ライフサイクル管理手段は、生成したオブジェクトの名前を管理することを特徴とする請求項３記載のプロセス制御システム。
5. ネットワーク上に接続された第４のコンピュータと、
   該第４のコンピュータに設けられ、オブジェクトを定義するエンジニアリング手段と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプロセス制御システム。
   

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