JP2006004455A - 発電プラント制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作端ドライブモジュールの入出力点を固定せず、多様な補機に対応して任意に組み替えできるコントローラと、それを用いた配線数の少ないプラント制御装置を提供する。
【解決手段】制御用コントローラ１００に付属したＰＤＣＭ（操作端ドライブモジュール）２００にＣＰＵ２０２、不揮発性メモリ２０３、シリアルＩ／Ｆ２０４を設け、シリアル信号線３００とＲＴＢ４００を介して、対象補機の関連機器とシリアル信号で送受信する。ＰＤＣＭ２００のメモリ２０３には、操作端に固有の保護機能などのプログラムを記憶し、コントローラ１００のダウン時、ＣＰＵ２０２によって操作端５００のホールドを行う。また、空気源５１０の異常時には操作端をフェイルセーフ側（全開／全閉）に操作する。ＰＤＣＭ２００の入出力点はハード的に固定しないので、機能の増設や変更が任意に行える。
【選択図】図１

Description

本発明はプラント制御システムに係り、特にプラントを直接制御するプロセスコントローラと、そのプロセス機器との接続方式、及び操作端に固有の処理方式に関する。

近年、大規模プラントの制御システムでは、複数のプロセス系統をそれぞれ制御する分散制御が普及している。例えば、火力発電プラント制御システムでは、マスタ計算機によって統括されるボイラ系統、タービン系統、発電系統など、概ね主機に対応した複数の系統コントローラを備え、プラントの負荷追従性や制御精度の向上、シビアな排ガス規制などを実現している。

各系統コントローラの下に、プラントのプロセス機器を直接制御する複数のプロセスコントローラが設けられている。プロセスコントローラは一つのプロセッサ（ＣＰＵ）を備え、その演算処理によって複数の機器を統括して制御するので、複雑な制御や最適化を容易にする。また、コントローラのコンパクト化やコスト低減などの効果を持たらしている。

しかし、複数の機器が一つのコントローラによって操作される場合、そのＣＰＵや入出力手段が故障すると、そのコントローラの下にある全ての機器の制御が不可能になり、通常はプラント運転の継続を困難にする。

この問題点を解決するために、本出願人は特許文献１に記載のドライブコントロールモジュール（ＤＣＭ）を備える方式を提案し、以前から実用に供している。ここでは、１つのＣＰＵにより複数のプロセス機器（操作端を含む）を直接制御するコントローラに、各機器に対応しかつ互いに独立したＤＣＭを設け、このＤＣＭにアナログ及びデジタルの入出力部や、ＣＰＵの異常時に現状の制御指令値をホールドして手動調整を可能にするバックアップ手段を設けている。また、機器側に故障のあるときに、現状の操作量にロックアップする手段も付加している。

ところで、従来のプラント制御システムは現場の振動や温湿度あるいはノイズなどの制約から、上位制御装置やプロセスコントローラを制御機器室に配備し、そこから配線を引き回してプロセス側（現場）と接続している。火力発電プラントなどでは、制御機器室とプロセスの距離は数十〜数百ｍにもおよび、全ての操作端及び計装品について１本ずつ配線する必要があるため、配線数が膨大になり配線作業に多大な時間を要している。このため、システム変更の自由度が低く保守性も劣っていた。このため、特許文献２に記載のように、機器を直接制御するコントローラを現場の操作端の近くに配置する提案がある。

特公平６−３７８４５号公報 特開平８−３１４５０５号公報 最近の火力発電技術（日立評論 Vol.79 1997/3 pp29-32）

特許文献１に記載の方式は、機器コントローラにその制御下の各機器と１対１に対応するＤＣＭを設けることで、機器コントローラの信頼性と保守性を向上し、発電制御システムに広く適用されている。本出願人による改良はその後も続き、例えば非特許文献１に紹介されているように、上記のＤＣＭにＣＰＵと不揮発性メモリを搭載し、操作端インタフェースとともに、コントローラのダウン時にも動作可能なプラント補機類の保護機能を内蔵したプログラマブルコントロールモジュール（ＰＣＭ）を実現している。

上記のＤＣＭやＰＣＭが１対１に対応する操作対象のプロセス機器は、一般には補機と呼ばれ、弁やポンプなどの操作端とその周辺機器からなる。周辺機器には操作端の制御量（プロセス量）や操作量の計器、全閉／全開などを検知するリミットスイッチ、操作端の駆動源等の異常を監視するリレーやスイッチなど、多種の計器類が含まれる。また、手動調整のために必要な信号や、関連する他の操作端のインターロック信号などの入力手段が含まれることもある。さらに、１つの操作端のみではなく、連動して流量を制御する大弁と小弁のように、特別の連動関係にある複数の操作端とその周辺機器を操作対象とする場合もある。

しかし、上記のように制御性や信頼性の向上のために、操作端の制御・保護機能が追加されるに伴って、コントローラの入出力点は増え、配線数が益々増加する。また、個々の操作端に固有の処理機能は、ＤＣＭの入出力点の構成を個々に固定して、入出力点の組替えによるシステムの設計や変更を複雑にする。また、システムの変更は、たとえ端子台や計装品のタイプ変更であっても、入出力点の増減や組替えに連なる場合は、ＤＣＭコネクタの接続と現場の配線作業を伴うので簡単には実現できない。さらに、入出力点の増大は、ドライブコントロールモジュールの基板サイズに合わせた標準仕様のコネクタの変更を余儀なくする。コネクタサイズの増大は、そのままコントローラの大型化となる。

なお、引用例２のように、コントローラをその操作端の近くに配置して、制御機器室から現場までの配線を減少する方式は、最近のシステムではコスト面からも有効である。しかし、コントローラを現場に配置するために空調室を設けるなど、現場環境に対応するための新たな課題が発生する。空調なしでコントローラを現場配置すると故障率が高くなる。このため、クロックを下げて演算能力を下げたり、高価な特殊部品を用いたりする必要があり、実用には供しえない。

本発明の目的は、上記した現状の問題点を克服し、ドライブコントロールモジュールの入出力点が補機によって固定されず、多様な補機に対応して任意な組替えができるプロセスコントローラと、それを用いたプラント制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、複数のプロセス機器を制御する複数のプロセスコントローラをネットワークにより結合して中央制御機器室に設置し、前記コントローラに付属して１以上の操作端ドライブモジュールを設け、前記モジュールと前記プロセス機器を伝送手段を介して接続し、前記プロセス機器を制御するプラント制御システムにおいて、前記操作端ドライブモジュールに、シリアル／パラレル変換が双方向に可能なシリアル通信手段を設け、前記プロセス機器における操作端の制御指令値やプロセス量の計測値などの複数のデータを、シリアル信号線を経由して入出力できるように構成したことを特徴とする。

また、前記操作端ドライブモジュールに、対象操作端に固有の処理機能をソフトウェア化して格納する不揮発性のメモリと、前記ソフトウェアを前記プロセスコントローラと独立して実行するＣＰＵを設け、前記固有の処理機能に必要なデータを前記シリアル信号線を経由して入出力することを特徴とする。

前記固有の処理機能は、例えば対象操作端のホールドやフェイルセーフ操作を行う保護（インターロック）機能である。あるいは、後述する連動制御機能などである。

また、前記プロセス機器の近傍に、双方向のシリアル／パラレル変換をして前記シリアル信号線と送受信するシリアル通信手段と、前記プロセス機器の駆動手段や計器と並列接続して前記データを入出力する入出力点端子を含む、リモート端子台モジュールを設けたことを特徴とする。

前記リモート端子台モジュールは、従来のＤＣＭからＣＰＵやメモリなどによる機能を除いたもので、ハードウェアの回路手段によって構成され、現場における耐環境性を向上してプロセス機器の近傍への配置を可能にしている。

前記リモート端子台モジュールは、前記プロセス機器とアナログデータを入出力するものと、ディジタルデータ（接点信号など）を入出力するものとに分け、前記シリアル信号線を介してディジタルのデータを送受信できるように構成してもよい。この場合、アナログタイプの端子台モジュールには、アナログ／ディジタル変換手段およびディジタル／アナログ変換手段が設けられる。

また、前記リモート端子台モジュールが入出力点の数または信号の種別などから複数に分割される場合、各リモート端子台モジュール間をマルチドロップで接続することを特徴とする。これにより、入出力点数の増大などに簡単に対応できる。なお、入出力点数の上限は、プラントの制御周期などから許容されるシリアル信号の通信量によって規制される。

さらに、前記操作端ドライブモジュールと前記リモート端子台モジュール間を、２重化シリアル回線で構成することを特徴とする。これにより、システムの信頼性を向上できる。

本発明は、特定のプロセス量を制御するために複数の操作端間で連動制御を行う場合に、前記連動制御の処理手順を前記操作端ドライブモジュールの前記メモリに格納し、前記ＣＰＵで各操作端の個別の制御指令値を演算し、前記シリアル信号線を通じて各操作端にシリアルに伝送する。このような例に、弁開度サイズの異なる大流量弁と小流量弁の２つの操作端による２弁連動制御がある。あるいは、供給容量の異なる複数の給水ポンプ等の連動制御がある。

また、前記メモリに前記操作端を連動保護する処理手順を格納し、前記ＣＰＵが操作端の異常動作を監視するデータを各操作端から前記シリアル信号線を通じて受信し、何れかの操作端の動作に異常が認められる場合に、当該操作端の全部または一部をフェイルセーフ側に動作させる。

本発明のプロセスコントローラは、プロセス機器の制御演算を行う第１のＣＰＵと、前記ＣＰＵとバスを介して接続される複数の操作端ドライブモジュールを設け、前記モジュールと前記プロセス機器を伝送手段を介して接続し、前記プロセス機器を制御するものにおいて、前記操作端ドライブモジュールに、対象操作端の固有の処理機能をソフトウェア化して書き換え可能に格納する不揮発性メモリと、前記ソフトウェアを前記第１のＣＰＵと独立して実行する第２のＣＰＵを設け、前記第１のＣＰＵの制御演算に必要なデータと前記第２のＣＰＵの固有の処理に必要なデータを、前記シリアル信号線を経由して入出力できるように構成されてなる。

本発明の構成によれば、以下のような作用、効果が実現される。前記操作端ドライブモジュールは、プロセス機器との入出力をシリアル伝送によって行うので、その入出力点の構成が対象機器毎に固定されず、入出力点の増減や組替えがアドレスの設定によって自由に行えるので、対象機器に応じた固有の処理を簡単に付加できる。

例えば、操作端ドライブモジュールにソフトウェアの保護機能を設け、プロセスコントローラのＣＰＵがダウンしたときに、操作端ドライブモジュールのＣＰＵで対象操作端を現状保持したり、プロセス機器側に異常があるときに操作端をフェイルセーフ側に動作させることができる。また、複数の操作端の連動制御をハード的に分割せずにひと纏めにして処理することもできる。しかも、このようなプロセス機器に固有の処理を設けても、制御機器室と現場の配線を変更する必要はない。

前記操作端ドライブモジュールと対象プロセス機器の配線は、前記端子台モジュールを介して、１本のシリアル信号線で接続できる。また、プロセス機器の入出力点数が増加したときなどは、端子台モジュールを増設してその間をマルチドロップ接続すればよいので、従来の膨大な配線量と配線作業に対する抜本的な解決を与えることができる。

このように、本発明によれば、プロセスコントローラの標準化と、個々の操作端に固有のインターロックや連動処理を簡単に設けることができ、制御性能や信頼性を向上できる。また、制御機器室と現場の配線を大幅に削減できるので、プラントシステムの構築や変更あるいはメンテナンスを容易にする。

本発明によれば、制御用コントローラに付属し、プラントの対象補機との入出力を行う操作端ドライブモジュールにシリアルＩＦを設けて、対象補機と１本のシリアル信号線によって接続しているので、現場配線が大幅に削減でき、操作端ドライブモジュールの標準化が可能になるなど、システムの構築を容易にし、そのコストを低減できる効果がある。

また、操作端ドライブモジュールに制御用コントローラと独立して演算するＣＰＵを搭載して、対象補機のインターロックなど操作端に固有の処理を実行する場合に、上記のシリアル接続によって、操作端ドライブモジュール複数の入出力点がハード的に固定されることがないので、入出力点の自由な組替えによる機能の追加や変更を容易に行なうことができ、システムの制御性と信頼性を向上できる効果がある。

さらに、複数の操作端が本来１つの機能を達成する連動関係にある場合に、これら操作端を１つの操作端ドライブモジュールを通じてハード的に分割することなく制御できるので、システムの制御性能の向上とフェイルセーフな設計を容易にする。

以下、本発明の第１及び第２の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図２に、本発明を適用する発電プラントの一例として、一軸型コンバインドサイクルプラントの構成を示す。コンバインドサイクルプラントは圧縮機、タービン、燃焼器からなるガスタービン、このガスタービンの排熱を回収し蒸気タービンへ供給する排熱回収ボイラ、ガスタービンと１軸で直結され回転する蒸気タービン及び発電機の各主機と、その操作や計測のための補機類から構成される。図示の加減弁は操作端で、タービンの補機の一つである。

図３は、図２のコンバインドサイクルプラントによる発電所のレイアウトを示す。図示例は４軸分を一つの系列（グループ）とし、２系列で一つの発電所を構成している。このプラントの配置スペースは一辺が３００ｍ程度にもなる。一方、プラントの各設備を制御するプラント制御装置は、ふつう中央操作室に近い制御機器室と呼ばれる部屋に設置される。従来は、この制御機器室から現場の各補機の操作端や計測点まで、数十〜数百ｍの距離を１本ずつ配線している。ちなみに、４軸セット分２系列のコンバインドサイクルの場合、システム全体ではこのような配線を数千本も必要としていた。

図４は、火力発電プラント制御システムの概略の構成を示す。図示の制御システムは、図２の１系列４軸分の構成を示している。中央操作室には系列制御盤と大型スクリーン、系列共通制御装置、集中保守ツールなどが配置される。一方、制御機器室は中央操作室と系列ネットワークで接続され、各軸別に軸マスタ計算機や各主機の制御装置などが配置される。本発明で直接の対象となる制御用コントローラは、例えばガスタービン・蒸気タービン制御装置やボイラ制御装置などである。

図１は、本発明の第１の実施形態による制御用コントローラと、その制御対象補機との接続を示すプラント制御装置の構成である。

制御用コントローラ１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、ＰＩＯインタフェース１０４を備え、コントローラ内部バス１０５によって接続している。ＣＰＵ１０１は対象主機、例えばボイラの全体プロセスまたは部分プロセスを制御する。通常は伝送インタフェース１０３を有し、他の制御用コントローラと接続して分散制御する。

さらに、ＰＩＯインタフェース１０４からＰＩＯ拡張バス１０６を介して、複数のドライブコントロールモジュール２００−１〜２００−ｎを設けている。

各々のドライブコントロールモジュール２００はＰＩＯインタフェース２０１、ＣＰＵ２０２、メモリ２０３及びシリアルインタフェース２０４を基板上に実装したカードでなる。メモリ２０３は書き換え可能な不揮発性メモリで、従来はハードウェアで構成していた操作端毎の保護機能を、ソフトウェア（プログラム）によって構成して格納している。このように、プログム可能なドライブコントロールモジュール２００を、以後はＰＤＣＭ（Programmable Drive Control Module）と呼ぶ。

本実施例のＰＤＣＭ２００は、制御対象となる現場の補機と１対１に対応し、操作端とその周辺機器を１本のシリアル信号線３００によって接続する。このために、シリアルインタフェース２０４を備え、ＣＰＵ２０２からのパラレルデータをシリアルデータに変換し、また、シリアル信号線３００からのシリアルデータをパラレルデータに変換する。

図１のように、シリアル信号線３００はＲＴＢ（Remote Terminal Box）４００を介して、操作端を含む対象補機と入出力する。図５に示すように、シリアル信号線３００はツイストペア・シリアル・ケーブル３０１の両端に、ツイストペアケーブルコネクタ３０２、３０３を接続したものからなり、制御機器室のＰＤＣＭ２００と現場のＲＴＢ４００をコネクタ接続する。従来のように、入出力点数分の配線の１本々々に圧着端子を設けてネジ止めするのに比べて、配線作業が簡単で保守点検も容易になる。

また、ケーブル３０１とコネクタ３０２、３０３を追加するのみで、シリアル回線の２重化が簡単に実現できる。この、２重化したシリアル回線で、ケーブル３０１の配置ルートを別々にすると、火災や地震などによる被害を片系に止めて、システムの復旧を容易にすることもできる。

シリアルツイストペアケーブルは１本のケーブルで、制御演算周期から許容されるシリアル通信容量の範囲で、Ｐ／Ｓ変換した複数の信号を伝送できる。また、対象補機の入出力点数などの必要から、図１のように複数のＲＴＢ４００−１、４００−２を使用する場合は、ＲＴＢ間をマルチドロップによってシリアル接続するので、現場と制御機器室間を接続するシリアル信号線を増加する必要は無い。なお、ＲＴＢ４００の構成については後述する。

図１における対象補機は、空気式調節弁５００を操作端とする流量制御弁とその周辺機器からなる。電空変換器（Ｅ／Ｐ）５０３は、ＲＴＢ４００−１のアナログ出力部（ＡＯ）のチャネル(1)ら出力される操作量の電流値（Ｅ）に比例して移動するソレノイドノズルによって、空気圧源５１０から供給される空気量を調節し、操作量（Ｅ）に対応する空気圧（Ｐ）に変換する。空気圧・バルブ位置変換器（Ｐ／Ｐ）５０２は、空気圧源５１０から供給されて、空気圧（Ｐ）に対応したバルブ位置に弁５００の開度を調節する。Ｐ／Ｐ５０２に設けられた弁開度計５０７により、操作端の弁開度がアナログ入力部（ＡＩ）のチャネル(2)入力される。また、操作端で制御されたプロセス流量が流量計５０１で測定され、ＡＩのチャネル(3)に入力される。

リミットスイッチ５０６は、操作端５００の全開または全閉を検出し、その検出信号をＲＴＢ４００−２のディジタル入力部（ＤＩ）のチャネル(6)、また、空気圧監視圧力ＳＷ５０８、５０９は、空気圧源５１０からの空気の供給をそれぞれ監視し、空気圧が異常低下（空気喪失）したとき、空気圧異常信号をＤＩのチャネル(7)または(8)に入力する。ＲＴＢ４００−２のディジタル出力部（ＤＯ）のチャネル(4)ら出力されるインターロック信号は、強制動作電磁弁５０４を動作して操作端５００を全開または全閉する。また、チャネル(5)から出力されるホールド信号は、開度保持電磁弁５０５を動作して操作端５００の開度を現状に保持する。

図６は、アナログ信号及びディジタル信号の入出力を行うＲＴＢの構成を示す。本実施例のＲＴＢは、引用例などに記載のある従来のドライブコントロールモジュールから、そのＣＰＵやメモリにより実現する機能を除き、対象機器とのインターフェース機能をハードウェア回路によって構成して、対象機器の近傍に配置している。

ＲＴＢ４００は、シリアル信号線３００を介して送受信するデータを、シリアル（Ｓ）からパラレル（Ｐ）にまたはその逆に変換（Ｐ⇔Ｓ）するシリアルＩ／Ｆ４０１、ＲＴＢ４００が扱う信号のアドレスを設定するアドレス設定器４０２、ＲＴＢ４００の動作のクロック信号を出力する発信回路４０３を有している。

対象補機の関連機器とは端子台２００で接続し、そのＤＩ信号はレベルチェンジャ４０７を介して、信号レベルを変更して取り込む。また、ＡＩ信号は２次変換器を介して取り込み、ＭＰＸ（マルチプレクサ）４０６、Ａ／Ｄ変換器４０５によりディジタルデータに変換する。これらの入力データは、シリアルＩ／Ｆ４０１で順番にシリアル信号に変換され、このときアドレスを付与されて、所定のタイミングでシリアル信号線３００に送出される。

一方、シリアルＩ／Ｆ４０１が受信したシリアル信号は、シリアル接続のＲＴＢが複数の場合に自局宛のアドレスのみ取り込む。インターロックなどのＤＯ信号は、ラッチ回路４１１の該当のアドレス部にラッチしたのち、レベルチエンジャ４１２、端子台４２０を介して対応する操作機器に出力する。操作端指令のＡＯ信号はＤ／Ａ変換器４１３、ＤＥ−ＭＰＸ４１４を介してアナログデータに変換し、アンプ４１５で増幅して出力する。なお、図１のように、アナログ信号とディジタル信号の入出力を別々のＲＴＢで分担する場合は、一方の機能のみを備えればよい。

ＲＴＢ４００における上記の動作は、それぞれ入力制御回路４０４と出力制御回路４１０によって制御される。制御回路４０４、４１０は、ＬＳＩなどのハード回路により構成され、発信回路４０３のクロックで歩進しながら、所定のシーケンスにより各回路の動作を進行させる。ＲＴＢと制御用コントローラの動作は非同期に行われてよいが、シリアル接続している全てのＲＴＢの一連の入出力周期は、制御用コントローラ１００の制御周期に制約される。また、ＲＴＢ４００のその他の機器や回路もハード構成されているので、高温や塵埃あるいはノイズなどの多い現場の環境下でも誤動作が少ない。

このように、本実施例のＲＴＢはＣＰＵやメモリを持たず、ハードウェアのみによって耐環境性を向上しているので、空調室などを用いることなく現場の対象機器近くに設置できる。また、１本のツイストペアシリアルケーブルによって簡単にマルチドロップ接続して、入出力点を必要に応じて増やすことができるので、システムの構築や変更あるいはＲＴＢ内部の機器の変更が容易になる。

次に、第１の実施形態によるプラント制御装置の動作を説明する。まず、シリアル信号の送受信処理から説明する。図７は、シリアル信号のフォーマットとその送受信処理フローを示している。（ａ）に示すように、シリアル信号はスタートフラグ、データ、アドレス、エンドフラグなどの後に、それらを反転した反転データが付加されている。ＰＤＣＭ２００とＲＴＢ４００の間では、各々のシリアルＩ／２０４、４０１で共に使用している専用ＬＳＩによって、送受信を折り返しながら処理する。

同図（ｂ）に示すように、ＰＤＣＭ２００がデータ送受信処理をスタートすると（ｓ１０１）、送信シリアル信号を作成し（ｓ１０２）、ＲＴＢ４００側へ送信する（ｓ１０３）。ＲＴＢ４００はシリアル信号を受信すると（ｓ１０４）、データの合理性チエックによるデータ受信処理を行なう（ｓ１０５）。合理性チエックは反転データ比較処理、反転フラグチエック、タイムアウト判断を行なう（ｓ１０５１）。この結果、ＲＴＢからの受信が正常であれば、該当のアドレスへデータを渡し（ｓ１０５２）、異常があればデータを廃棄する（ｓ１０５３）。その後、ＲＴＢ４００側からＰＤＣＭ２００側へ、折り返しデータ送信処理が自動スタートする（ｓ１０６）。ＲＴＢ４００は送信シリアル信号を作成し（ｓ１０７）、ＰＤＣＭ２００側へ送信する（ｓ１０８）。ＰＤＣＭ２００は折り返し信号を受信すると（ｓ１０９）、ステップｓ１０５と同様の合理性チエックによるデータ受信処理を行ない、正常受信の場合にデータを該当アドレスに取り込む（ｓ１１０）。

図８に、シリアル信号のアドレスを説明する。（ａ）のように、ＰＤＣＭ２００とＲＴＢ４００がシリアル接続しているとき、ＲＴＢ４００の入出力データのアドレスは、例えば（ｂ）のテーブルのように設定される。すなわち、ＰＤＣＭ２００からＲＴＢ４００−１に送信される出力１、出力２のアドレスは、ＲＴＢ（１）の出力データアドレスの１、２となる。例えば、出力データアドレス１は操作端の制御指令値である。図示のアドレス３、４は未使用で、欠番となっている。一方、ＲＴＢ４００−１からＰＤＣＭ２００に送信される入力１、入力２のアドレスは、ＲＴＢ（１）の入力データアドレスの１、２となる。例えば、入力データアドレス１はプロセス量の計測値である。

シリアル信号には上記の対応表によるアドレスが付与され、アドレス順に送信される。通常、ＡＩ，ＡＯのアナログ信号はディジタル化され、複数ビットによって表現されるので、１フレームに１個で伝送される。しかし、ＤＩ，ＤＯのディジタル信号は１フレームに複数のアドレスをまとめて伝送することが多い。

図９に、ＰＤＣＭが行うプラント保護動作の処理フローを示す。この処理プログラムはＰＤＣＭ２００のメモリ２０３に格納され、ＣＰＵ２０２によって実行される。通常の自動制御が行われている場合に、ＣＰＵ２０２は制御周期毎に以下の手順で処理する。

まず、ＣＰＵ１０１の正常信号を参照し、コントローラ１００が正常に動作しているかチエックする（ｓ２０１）。正常であれば、弁開度計５０７の測定値を参照し、弁開度信号に対しＲＴＢ正常診断を行なう（ｓ２０２）。ＲＴＢ正常診断は上記受信処理時の合理性判定チエックである。弁開度計信号が正常であれば指令値通りに動作しているかチエックする（ｓ２０３）。正常に動作していれば、操作端の弁開度のリミットスイッチ５０６の測定値を参照し、そのＲＴＢ正常診断（ｓ２０４）の結果が正常であれば、開度ＬＳ信号の値が正常側（１／０）であるかチエックする（ｓ２０５）。正常であれば、空気圧監視圧力ＳＷ５０８、５０９の測定値を参照し、そのＲＴＢ正常診断（ｓ２０６）の結果が正常であれば、空気圧に異常がないかチエックする（ｓ２０７）。異常がなければ、当該周期の処理を終了する。

一方、ｓ２０１で異常と判定されると、コントローラ異常とみてホールド信号を出力し（ｓ２０８）、開度保持電磁弁５０５によって操作端５００の開度を現状に保持し、手動モードを可能にする（ｓ２１１）。また、ｓ２０２などによるＲＴＢ正常診断の結果が異常のとき（(2)）、ＲＴＢ異常とみてインターロック信号を出力し（ｓ２０９）、強制動作電磁弁５０４によって操作端５００をフェイルセーフの方向（全開または全閉）に操作する。さらに、ｓ２０３、ｓ２０５及びｓ２０７の何れかで異常な場合には、操作端異常とみてインターロック信号を出力し（ｓ２１０）、ｓ２１２でフェイルセーフの方向（全開または全閉）に操作し、プラント事故の発生や拡大を防止する。

このように、制御用コントローラ１００の異常時に、ＰＤＣＭ２００のＣＰＵ２０２が独自に制御演算を行い、操作端のインターロックを行うことができる。上記の処理で、ＲＴＢ正常診断などはシリアルＩ／Ｆ２０４の専用ＬＳＩによって行なってもよい。また、メモリ２０３に記憶しているソフトウェアによる保護回路を、図４の保守ツール（ワークステーション）のＣＲＴにビジュアル化し、その動作状態を監視することも可能である。

以上、第１の実施形態によれば、シリアル接続によりＰＤＣＭの入出力点が固定されないので、インタロックやホールドなど、操作端毎に異なる固有の処理に対応して、標準のＰＤＣＭを用いた自由な組替えができ、任意のシステム設計を容易に行なえる。また、マルチドロップにより複数台のＲＴＢをシリアル接続できるので、対象補機の入出力点数、操作端や計装品のタイプ等の多様化にも柔軟に対応できる。当然の結果として、ＰＤＣＭと現場の対象補機は、原理的には１本のシリアル信号線によって接続できるので、現場配線が大幅に削減される。

もちろん、対象補機とのシリアル信号線は１本に限られるものではない。上述のように、シリアル信号線を２重化してもよい。また、プラント制御システムでは、全体への影響が著しいプロセスデータなどの喪失を回避するために、該当の計測点を２重化構成にすることも行われる。

図１０は、ＰＤＣＭと対象補機を複数のシリアル信号線で接続する、他の実施例を示したものである。図１との相違は、２重化されたプロセス流量計５０１ａ、５０１ｂの測定値（ＡＩ）のそれぞれを、専用のＲＴＢ４００−１ａ，１ｂ及びＤＰＣＭ２００−１ａ，１ｂを介して、制御用コントローラ１００に入力している点である。

本実施例では、対象補機の入出力を１つのＰＤＣＭに一括せず、特定の信号を専用に入出力するＰＤＣＭを別置し、専用のシリアル信号線とＲＴＢを介して接続している。これによっても、従来の配線数を大幅に削減しながら、システムの信頼性を維持している。この場合、ＰＤＣＭ独自の保護機能などは一つのＤＰＣＭに一括されるので、それらの入出力点が固定化されることはなく、機能の増設や変更あるいは補機側の機種変更などに柔軟に対応した組替えが可能である。

このように、シリアル回線の２重化により、片系（主系）が断線などの異常を起こしても、残りの片系に機能を引き継ぐことができる。さらに、災害に備えて２重化したシリアル回線を、発電所内で別ルートで配線すると、一層、システムの信頼性を向上できる。本実施形態によれば、シリアル通信によって配線が大幅に削減され、入出力点も固定されないので、このような冗長構成が容易に実現できる。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。上記した第１の実施形態では、ＰＤＣＭは対象補機の操作端と１対１に対応し、制御用コントローラ１００の制御指令はＰＤＣＭを経由して対応する操作端に出力される。しかし、本来は１つの制御機能でありがら、複数の操作端に分担して処理される場合がある。例えば、広いレンジの流量を全ての範囲で精度よく制御するためには、大きいサイズの弁と小さいサイズの弁を並置し、両者を連動しながら調整する必要がある。ちなみに、石炭火力発電所では３つの弁を連動して操作するケースがある。

従来、このような連動制御は、制御用コントローラで各操作端の個別指令を演算し、各々のドライブコントロールモジュールを通じて出力していた。すなわち、機能的にはひと纏まりの構成でありながら、ハードウェアを分割して処理していた。本実施形態では、このよな機能的にはひと纏まりの連動制御を、以下のように１つのＰＤＣＭによって実行する。

図１１は、２弁連動制御を行うプラント制御装置の概略図である。制御装置の基本的な構成は図１と同様になるが、ＰＤＣＭ２００の対象操作端は大流量弁６００と小流量弁７００になる。各弁の周辺機器については図示を省略しているが、図１とほぼ同じになる。

ＣＰＵ１００からトータルの流量制御指令を受け取ったＰＤＣＭ２００は、２弁連動制御プログラムを実行して大流量弁６００及び小流量弁７００開度指令を出力し、シリアル信号線３００とＲＴＢ４００−１〜４を経由して制御する。ＲＴＢ４００−１（ＡＩ／Ｏ）、４００−２（ＤＩ／Ｏ）は大流量弁６００及びその周辺機器と、ＲＴＢ４００−３（ＡＩ／Ｏ）、４００−４（ＤＩ／Ｏ）は小流量弁７００及びその周辺機器と、それぞれ接続している。

ＰＤＣＭ２００は、上記の２弁連動制御とともに、インターロックロジックの制御演算を実行し、プラントを保護する。なお、２弁連動制御の手順やインタロックのロジックは、メモリ２０３にプログラムで記憶されている。

図１２に、２弁連動制御の特性図の一例を示す。流量の５０％以下では、小流量弁７００の弁開度のみを流量に比例して制御し、この間大流量弁６００を全閉にする。一方、流量の５０％以上では、小流量弁７００を全開に保持し、大流量弁６００の弁開度を流量に比例して制御する。本例のＰＤＣＭ２００は、コントローラ１００からの制御指令にしたがって、大流量弁６００と小流量弁７００それぞれの弁開度を演算し、シリアル伝送によって各々に指令する。これにより、流量の０〜１００％の範囲を精度よく制御できる。

図１３に、インターロックロジックの処理フローを示す。通常の自動制御時、まずコントローラ正常信号によってコントローラ１００が正常か判断する。コントローラ異常と認められる場合は操作端の開度保持指令を出力し、手動モードに切り替える（ｓ３０８，ｓ３１２）。一方、コントローラ１００が正常動作している場合は、各操作端からの計測信号をＲＴＢ正常診断（ｓ３００）を経て参照し、以下のインターロックロジックによる判定を行う。

まず、小流量弁７００側の動作チエックを行う。小流量弁７００の開度計信号を参照し、小流量弁７００が指令値通りに動作しているかチエックする（ｓ３０２）。正常であれば、小流量弁７００のリミットスイッチ信号を参照し、小流量弁７００が連動関係に従って正常に動作しているかチエックする（ｓ３０３）。リミットスイッチ信号が正常であれば、空気源圧力ＳＷ信号を参照し、空気圧源が正常かチエックする（ｓ３０４）。上記ｓ３０２〜ｓ３０４のいずれかで小流量弁７００の異常が検知されると（ｓ３１０）、大流量弁・小流量弁全閉（または全開）の電磁弁出力を発行し、フェイルセーフ操作を行う（ｓ３１３）。小流量弁７００側の各判定が正常であれば、次に大流量弁６００側について、ステップｓ３０５〜ｓ３０７により、小流量弁７００側と同様に動作チエックを行い、異常が検知されるとフェイルセーフ操作を行う。ただし、連動制御操作端の一方のみをフェイルセーフ操作することもある。

上記のインターロックの処理手順はメモリ２０３に格納されるが、これを図４の保守ツールでシーケンス図または論理回路図に変換し、ＣＲＴでその動作状態を監視することができる。

以上のように、本実施形態では制御機能が同じで連動関係にある複数の流量弁の各制御指令を、１つのＰＤＣＭに格納したプログラムによって演算し、ＰＤＣＭからのシリアル接続によって各々の弁を連動制御する。また、それら各弁のインターロックも、ＰＤＣＭに格納したロジックにより連動処理する。これにより、本来はひと纏まりの機能をハードウェアを分割することなく簡単に構成できるので、システムの制御性能を向上でき、またシステムのフェイルセーフな設計を容易にする。

なお、上記実施例では大流量弁と小流量弁の連動制御を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、火力発電プラントでは、この他に給水ポンプ、再循環ポンプ、制御油ポンプ、燃料ポンプ、重油ポンプ等の大型補機で、その周辺機器との間で同様な連動制御が行われている。本発明はこのような連動制御にも適用でき、実施例の場合と同様な効果を奏することができる。

また、本例のような連動制御に関わる範囲は、保護機能を含む入出力点数は２０以上の多数になることが多い。しかし、本ＰＤＣＭはシリアル接続によって多数の入出力点を可能にしているので、従来のように特別仕様のコネクタを用いる必要がなくなり、システム設計が容易で保守性も向上できる。

本発明のプラント制御装置の一実施例を示す構成図。 本発明を適用するプラントの一例を示す概略図。 図２のプラントのレイアウトを示す説明図。 図２のプラントの全体的な監視制御を行う監視制御システムの構成図。 シリアル信号線とその接続の一実施例を示す説明図。 ＲＴＢの一実施例を示す構成図。 ＰＤＣＭとＲＴＢ間のシリアル信号と、その送受信処理を示す説明図。 ＲＴＢ側における入出力データとその設定アドレスの説明図。 ＰＤＣＭによるインターロック処理の一実施例を示すフローチャート。 図１を変形し、シリアル接続を多重化したプラント制御装置の構成図。 本発明のプラント制御装置の他の実施例で、連動制御を示す構成図。 大流量弁と小流量弁の連動制御で、流量に対する分担を示す説明図。 図１０の連動制御で、ＰＤＣＭによるインターロックを示すフローチャート。

符号の説明

１００…制御用コントローラ、１０１…ＣＰＵ、１０２…メモリ、１０３…伝送インタフェース、１０４…ＰＩ／Ｏインタフェース、１０５…内部バス、２００…ＰＤＣＭ（Programmable Drive Cnotrol Module）、２０１…ＰＩ／Ｏインタフェース、２０２…ＣＰＵ、２０３…不揮発性メモリ、２０４…シリアルＩ／Ｆ、３００…シリアル信号線、４００…ＲＴＢ（Remote Terminal Box）、４０１…シリアルＩ／Ｆ、４０２…アドレス設定器、４０３…発信回路、４０４…入力制御回路、４０５…Ａ／Ｄ変換器、４０６…ＭＰＸ、４０７…レベルチェンジャ、４０８…２次変換器、４１０…出力制御回路、４１１…ラッチ回路、４１２…レベルチェンジャ、４１３…Ｄ／Ａ変換器、４１４…ＤＥ−ＭＰＸ、４１５…アンプ回路、４２０…端子台、５００…空気式調節弁（操作端）、５０１…プロセス流量計、５０２…Ｐ／Ｐ変換器、５０３…Ｅ／Ｐ変換器、５０４…強制動作電磁弁、５０５…開度保持電磁弁、５０６…開度監視リミットＳＷ、５０７…弁開度計、５０８，５０９…空気圧監視圧力ＳＷ、５１０…空気源、６００…大流量弁、７００…小流量弁。

Claims (10)

1. 複数のプロセス機器を制御する複数のプロセスコントローラをネットワークにより結合して中央制御機器室に設置し、前記コントローラに付属して１以上の操作端ドライブモジュールを設け、前記モジュールと前記プロセス機器を伝送手段を介して接続し、前記プロセス機器を制御するプラント制御システムにおいて、
   前記操作端ドライブモジュールに、シリアル／パラレル変換が双方向に可能なシリアル通信手段を設け、前記プロセス機器における操作端の制御指令値やプロセス量の計測値などの複数のデータを、シリアル信号線を経由して入出力するように構成したことを特徴とするプラント制御システム。
2. 請求項１において、
   前記操作端ドライブモジュールに、対象操作端に固有の処理機能をソフトウェア化して格納する不揮発性のメモリと、前記ソフトウェアを前記プロセスコントローラと独立して実行するＣＰＵを設け、前記固有の処理機能に必要なデータを前記シリアル信号線を経由して入出力することを特徴とするプラント制御システム。
3. 請求項２において、
   前記固有の処理機能が保護機能で、対象操作端をホールドおよび／またはフェイルセーフ操作するプラント制御システム。
4. 請求項１、２または３において、
   前記プロセス機器の近傍に、双方向のシリアル／パラレル変換をして前記シリアル信号線と送受信するシリアル通信手段と、前記プロセス機器の駆動手段や計器と並列接続して前記データを入出力する入出力点端子を含むリモート端子台モジュールを設けたことを特徴とするプラント制御システム。
5. 請求項４において、
   前記リモート端子台モジュールは、前記プロセス機器とアナログデータを入出力するものと、ディジタルデータ（接点信号など）を入出力するものとに分けられ、前記シリアル信号線を介してディジタルのデータを送受信できるように構成したことを特徴とするプラント制御システム。
6. 請求項４または５において、
   前記リモート端子台モジュールがＣＰＵやメモリを持たず、ハードウェアの回路手段によって構成されているプラント制御システム。
7. 請求項４、５または６において、
   前記リモート端子台モジュールが入出力点の数または信号の種別などから複数に分割される場合、各リモート端子台モジュール間をマルチドロップで接続することを特徴とするプラント制御システム。
8. 請求項４、５、６または７において、
   前記操作端ドライブモジュールと前記リモート端子台モジュール間を、２重化シリアル回線で構成することを特徴とするプラント制御システム。
9. 中央制御機器室に複数のプロセス機器の制御演算を行う第１のＣＰＵと、前記ＣＰＵとバスを介して接続される複数の操作端ドライブモジュールを設け、前記モジュールと前記プロセス機器を伝送手段を介して接続し、前記プロセス機器を制御するプロセスコントローラにおいて、
   前記操作端ドライブモジュールに、対象操作端の固有の処理機能をソフトウェアで作成して書き換え可能に格納する不揮発性メモリと、前記ソフトウェアを前記第１のＣＰＵと独立して実行する第２のＣＰＵを設け、前記第１のＣＰＵの制御演算に必要なデータと前記第２のＣＰＵの固有の処理に必要なデータを、前記シリアル信号線を経由して入出力できるように構成したことを特徴とするプロセスコントローラ。
10. 請求項９において、
    前記固有の処理機能は、対象操作端のインターロックおよび／または複数の操作端間の連動制御であることを特徴とするプロセスコントローラ。

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