JP2007206946A - 多重化システム - Google Patents

Abstract

【課題】汎用ＯＳ上で稼動するＪａｖａ（登録商標）アプリケーション等の非同期で実行されるソフトウェアを、ＯＳに特別な仕組みを組み込まずに構築可能な多重化システムを実現する。
【解決手段】制御側のコンピュータと待機側のコンピュータとからなる多重化システムにおいて、制御側のコンピュータのファイル等値化手段は、制御側のコンピュータのファイルへの書き込み内容を、制御側のコンピュータの補助記憶手段に書き込み、待機側のコンピュータのファイル等値化手段は、制御側のコンピュータのファイル等値化手段から渡されるファイル書き込み内容を、待機側のコンピュータの補助記憶手段に書き込み、制御側のコンピュータは実行させ、待機側のコンピュータは実行させず、前記待機側のコンピュータが制御側に切り換えられる場合には、新たに制御側となるコンピュータは、補助記憶手段の保持データを初期データとして起動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ソフトウェアが実装されたコンピュータが多重化され、１つのコンピュータが制御側に、他のコンピュータが待機側になる多重化システムに関するものである。本発明は、制御側のソフトウェア及び待機側のソフトウェアが、Java（登録商標）実行環境で稼動する場合の多重化に有効的に適用できる。

図４は、特許文献１に開示されている技術に基づく二重化制御システムの構成例を示す機能ブロック図である。１は制御側コンピュータ、２は待機側コンピュータである。

３は、これらコンピュータに選択的に接続されるＩ／Ｏデバイス、４は、このＩ／Ｏデバイスを介して制御されるプラント機器である。図示されていないが、制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２は、制御バス等の通信バスを介して接続され、二重化に必要な処理を実行するための通信を行なう。

制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２を横断する領域Ｐは、制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２の二重化対象領域である。同様に、制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２を横断する領域Ｑは、制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２の二重化対象外の領域である。

二重化対象領域Ｐにおいて、１０は制御側コンピュータ１に実装された制御ソフトウェア、２０は待機側コンピュータ２に実装された制御ソフトウェアである。３０は制御側コンピュータ１に実装されたＩ／Ｏドライバ、４０は待機側コンピュータ２に実装されたＩ／Ｏドライバである。

制御ソフトウェア１０は、制御タスクＡを実行するソフトウェア１１及び制御タスクＢを実行するソフトウェア１２並びにこれらソフトウェアの入出力機能を持つＩ／Ｏバッファ１３を備える。

同様に、制御ソフトウェア２０は、制御タスクＡを実行するソフトウェア２１及び制御タスクＢを実行するソフトウェア２２並びにこれらソフトウェアの入出力機能を持つＩ／Ｏバッファ２３を備える。

制御側コンピュータ１側で制御タスクＡを実行するソフトウェア１１と、待機側コンピュータ２側で制御タスクＡを実行するソフトウェア２１は、全く同一のプログラム（ＯＳ及びアプリケーション）が夫々のＣＰＵモジュールで実行され、両者が互いに同期をとって並列実行される。制御タスクＢを実行するソフトウェア１２と、制御タスクＢを実行するソフトウェア２２も同様である。

定常の制御状態では、制御側コンピュータ１側のＩ／Ｏバッファ１３のみがＩ／Ｏドライバ３０と通信し、Ｉ／Ｏデバイス３を介してプラント機器４を制御すると共に、待機側のＩ／Ｏバッファ２３にＩ／Ｏバッファ１３の入力情報を送り、データの等値化を実行する。待機側のＩ／Ｏバッファ２３とＩ／Ｏドライバ４０の通信並びにＩ／Ｏドライバ４０とＩ／Ｏデバイス３との通信は切り離されている。

図５は、制御タスクの同期動作を説明するシーケンス図である。（Ａ）は制御側のＩ／Ｏバッファ１３のＩ／Ｏ入出力のシーケンス、（Ｂ）は待機側のＩ／Ｏバッファ２３のＩ／Ｏ入出力のシーケンスを示しており、制御側のＩ／Ｏバッファ１３は、Ｉ／Ｏ入力とＩ／Ｏ出力のシーケンスで待機側と待ち合わせを実行し、制御タスクの同期実行を実現している。

このような待ち合わせシーケンスによる同期実行環境によって、制御側コンピュータ１に異常が発生した際でも、制御に全く影響を与えることなく、完全に制御を継続した状態で瞬時に待機側コンピュータ２に制御権を移行させる切り換えが実現できる。切り換え処理の詳細については、特許文献１に開示されている。

図４に戻り、制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２を横断する領域Ｑで示す二重化対象外の領域では、制御側と待機側で互いに非同期動作している複数のアプリケーションがあり、これらアプリケーションは二重化対象外とされている。

これらアプリケーションの内、５０及び６０は、制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２内に構築されたJava（登録商標）実行環境であり、このJava（登録商標）実行環境における仮想マシンであるJava（登録商標） VM上でアプリケーションJava（登録商標） APが稼動している。

このように、従来の制御システムでは、市販の汎用ＯＳ上で二重化を実現するために、同期実行が可能な制御ソフトウェアのみを二重化の対象とし、Java（登録商標）実行環境を含む他のアプリケーションを二重化の対象外としている。

特開２００３−３６１０１号公報

特開平７−３６７２０号公報

従来の制御システムでは、次のような問題点がる。
（１）Java（登録商標）実行環境をはじめとする、制御ソフトウェア以外のアプリケーションでは、同期ポイントが存在しないため、制御ソフトウェアのような完全な同期実行はできない。従って、市販のJava（登録商標） VMを従来システムにそのまま適用することはできず、Java（登録商標） VMに対し高度な二重化制御の仕組みを組み込む必要がある。

（２）従来システムのように、両コンピュータで同一ソフトを同時実行する方式では、一方のコンピュータがダウンした状態から元の二重化状態に復帰させるためにはＡＰＣ(All Program Copy)処理が必要となる。

（３）ＡＰＣ処理では、基本的に制御を実行していた側のコンピュータの全メモリ内容を待機していた側のコンピュータにコピーする必要があるが、Java（登録商標）実行環境に対し、そのままＡＰＣ処理を行うと以下の問題が発生する。

（４）Java（登録商標）実行環境は多くのメモリ(一般的に３２Mbyte程度は必要)を必要とするため、これらのメモリを待機側のコンピュータにコピーするには時間がかかる。ＡＰＣ処理中は全機能を停止する必要があるため、Java（登録商標）実行環境をＡＰＣ処理対象とすることにより、制御機能に対し大きな影響(制御が一時的に停止する)を及ぼしてしまう。

（５）ＡＰＣ処理完了直後の待機側コンピュータの状態は、制御の状態そのもののため、ネットワークのコンフィギュレーション(ＩＰアドレス等)やファイルシステムの再コンフィギュレーション処理が必要になる。しかしながら、Java（登録商標） VMは、ＯＳに限りなく近い機能のため、ネットワーク、補助記憶手段をはじめとするハードウェアへの依存度が強いコンポーネントであり、これらのコンフィギュレーションに対するオンライン変更に耐えられないのが実情である。

（６）特許文献２に開示されているように、ＯＳ部で全ての二重化機能を実現し、アプリケーション層では二重化を意識しない構成とした場合には、すべてのアプリケーションを二重化対象とすることが可能であるが、この場合には以下の制約が生じ、実現は困難となる。

（７）特殊なハードウェア及びＯＳが必要となり、ＯＳ部には高度な二重化処理の組込みが必要となる。従って、市販の汎用ＯＳでの対応は不可能であり、メーカ異存の専用ＯＳしか選択の余地がなくなる。

（８）Java（登録商標） 実行環境のような高度なミドルウェアは、市販品を購入して使用するのが一般的であり、これをメーカ依存の専用ＯＳにポーティングすることは非常に困難かつ膨大な投資が必要となる。

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、汎用のＯＳ上で稼動している、Java（登録商標） アプリケーション等の非同期で実行されているソフトウェアを、ＯＳに特別な仕組みを組み込む必要なしに構築可能な多重化システムの実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）ソフトウェアが実装されたコンピュータが多重化され、１つのコンピュータが制御側に、他のコンピュータが待機側になる多重化システムにおいて、
各コンピュータは、ファイル等値化手段及び補助記憶手段を有し、
制御側のコンピュータにあるファイル等値化手段は、制御側のコンピュータにあるソフトウェアのファイルへの書き込み内容を、制御側のコンピュータの補助記憶手段に書き込み、
待機側のコンピュータにあるファイル等値化手段は、制御側のコンピュータにあるファイル等値化手段から渡されるファイル書き込み内容を、待機側のコンピュータの補助記憶手段に書き込み、
制御側のコンピュータのソフトウェアは実行させ、待機側のコンピュータのソフトウェアは実行させず、
前記待機側のコンピュータが制御側に切り換えられる場合には、新たに制御側となるコンピュータにあるソフトウェアは、補助記憶手段の保持データを初期データとして起動されることを特徴とする多重化システム。

（２）前記制御側のコンピュータに実装されたソフトウェアと、前記待機側のコンピュータに実装されたソフトウェアとは、互いに非同期で動作していることを特徴とする（１）に記載の多重化システム

（３）異常であった待機側のコンピュータが制御側に復帰する場合には、現在制御側のコンピュータのメモリ内容を制御側に復帰するコンピュータにコピーするＡＰＣ処理を実行後に、制御側に復帰するコンピュータのソフトウェアを起動することを特徴とする（１）又は（２）に記載の多重化システム。

（４）前記ソフトウェアは、Ｊａｖａ（登録商標）実行環境で稼動するソフトウェアであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の多重化システム。

（５）前記制御側のコンピュータと前記待機側のコンピュータとの間で同期関係を持って稼動する制御ソフトウェアに夫々アクセスするデータアクセス手段を各コンピュータが備え、
前記制御側のコンピュータにあるソフトウェアは、前記制御側のコンピュータにあるデータアクセス手段へのアクセスデータを、前記待機側のコンピュータにあるデータアクセス手段に渡して等値化を実行することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の多重化システム。

（６）前記制御側のコンピュータ及び前記待機側のコンピュータにあるソフトウェアは、汎用通信ネットワークを介して前記制御側のコンピュータ及び前記待機側のコンピュータに接続されたユーザコンピュータと通信することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の多重化システム。

（７）前記制御側のコンピュータ及び前記待機側のコンピュータは、入出力デバイスを介して選択的にプラントの機器を制御することを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の多重化システム。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）市販のJava（登録商標） VMおよびJava（登録商標）アプリケーションに手を加えることなく実装して二重化システムを実現できる。

（２）既存の二重化制御システムにそのまま適用可能で、制御機能の二重化性能(切替時間や復帰時間)に影響を与えない。

（３）ハードウェア、ＯＳ及びJava（登録商標） VM に依存しないJava（登録商標）実行環境での二重化が可能であり、市販のＯＳやJava（登録商標） VMに対して簡単に適用できる。

（４）Java（登録商標）のファイルアクセスに対し、両コンピュータにファイルを等値化する機能を有し、ファイル操作に関するJava（登録商標）の継続性を保証できる。

（５）制御システム以外の汎用コンピュータによる二重化システムにも適用可能である。更に、Java（登録商標）以外のアプリケーションプラットフォームに対しても適用可能である。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した二重化システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。図４で説明した従来の二重化システムと同一要素には同一符号を付し、説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

図１の実施形態は、図４で説明した制御ソフトウェア１０及び制御ソフトウェア２０の二重化システムを土台として、Java（登録商標）実行環境の二重化機能をアドオンした形態となっている。

制御側コンピュータ１において、実線のブロック１００は、制御側に実装されたJava（登録商標）実行環境であり、制御側コンピュータ１のＯＳに依存するJava（登録商標） VM上で稼動する複数のJava（登録商標） APよりなる。

同様に、待機側コンピュータ２において、点線のブロック２００は、待機側に実装されたJava（登録商標）実行環境であり、制御側コンピュータ２のＯＳに依存するJava（登録商標） VM上で稼動する複数のJava（登録商標） APよりなる。

従来システムから継承される制御ソフトウェア１０及び２０に関しては、基本的に全く同一のソフトウェアを両側のコンピュータで同期を取りながら並列実行することで、一方のコンピュータに故障が発生しても、完全に処理を継続した状態で他方のコンピュータへの切換えが可能となっている。

Java（登録商標）実行環境１００及び２００については、汎用のＯＳ下では、前述のように完全な継続実行を行うことが困難なことから、本発明では、コンピュータの切り換えが発生した際には、初期スタートを実行する切り換え形態をとる。従って、図示の定常制御状態では、制御側コンピュータ１のJava（登録商標）実行環境１００のみが動作状態におかれ、待機側コンピュータ２のJava（登録商標）実行環境２００は不動作状態におかれている。

制御側で動作しているJava（登録商標）実行環境１００のJava（登録商標） APは、Ethernet（登録商標）５を介して制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２に接続されているＦＴＰサーバ６、Ｍａｉｌサーバ７、操作監視用ＰＣ８と通信して所定のアプリケーションを実行する。

ＦＴＰサーバ６は、Loggingファイルの収集やConfigurationのロードを実行する。Ｍａｉｌサーバ７は、Alarm通知のMail受信や操作指令のMail送信を実行する。操作監視用ＰＣ８は、ブラウザによる制御データやAlarmの監視を実行する。

１０１は制御側のファイル等値化手段であり、Java（登録商標）実行環境１００でJava（登録商標）アプリケーションから要求されたファイル編集操作、例えばE-Mailの受信やロギングデータの書込み等のファイル書込み操作が発生した場合に、制御側の補助記憶手段１０２にファイル書き込みを行う。

同時に、待機側のファイル等値化手段２０１に同一データを渡し、待機側の補助記憶手段２０２にファイル書き込みを実行する。これにより、両コンピュータの補助記憶手段の内容が等値化される。

Java（登録商標）アプリケーションがファイル操作を行う場合には、クラスライブラリを経由して実行される。同時に、このクラスライブラリは、ファイル操作を制御側ファイル等値化手段１０１に通知する役割を果たす。

制御側のファイル等値化手段１０１は、クラスライブラリから受けたファイル操作要求を待機側コンピュータに通知すると共に、制御側の補助記憶手段１０２に操作を反映する。待機側コンピュータでは、制御側コンピュータより渡されたファイル操作情報を待機側の補助記憶手段２０２に反映する。

１０３及び２０３は、制御側及び待機側のデータアクセス手段であり、外部の機能が制御ソフトウェア１０及び２０のデータにアクセスするためのインタフェースである。制御側のデータアクセス手段１０３は、Java（登録商標）アプリケーションをはじめとする外部機能よりデータ書込み要求を受けると、制御ソフトウェア１０にデータ書込み要求を送る。

同時に、待機側のデータアクセス手段２０３に対して制御ソフトウェア２０への書込み要求を行う。これにより、制御ソフトウェアのデータは、両コンピュータで完全に同期して書き込みが行われる。

二重化された制御システムでは、制御側及び待機側コンピュータの自己診断及びハードウェアの診断機能より異常を検出し、自己停止あるいはコンピュータの切り換えを実行する機能を供えている。

待機側コンピュータ２では、制御側コンピュータ１のダウンを検出すると、コンピュータの切り換え処理及び動作を停止していたJava（登録商標）実行環境２００の起動処理を実行し、初期スターとさせる。

図２は、切り換え処理直後の制御側コンピュータ１と切り換えにより制御側となる待機側コンピュータ２との関係を示す機能ブロック図である。ダウンした制御側コンピュータ１と待機側コンピュータ２の通信関係は絶たれ、待機側コンピュータ２は、シングルコンピュータの動作状態となる。

Ethernet（登録商標）５を介した外部機器との通信は、待機側コンピュータ２側に移る。更に、Ｉ／Ｏデバイス３は、待機側コンピュータのＩ／Ｏドライバ４０と通信してプラント機器５の制御を実行する。

Java（登録商標）実行環境２００の起動処理では、Java（登録商標）実行環境は初期スタートとなるが、制御側コンピュータ１がダウン直前までに行ったファイル書込み操作は、待機側の補助記憶手段２０２に等値化されているため、待機側コンピュータ２は起動処理を継続することができる。

図２のシングルコンピュータの動作状態から、図１の二重化システムの動作状態に復帰する際には、ＡＰＣ(All Program Copy)処理を行う。ＡＰＣ処理では、全機能を一旦サスペンドし、全メモリ内容を復帰対象のコンピュータ（図１の制御側コンピュータ１）にコピーし、待機側コンピュータ２の補助記憶手段２０２上のファイルシステム及び主記憶を制御側コンピュータ１に等値化させた後、制御ソフトウェア１０及び２０の同期実行を開始する。

制御側Java（登録商標）実行環境１００は、ＡＰＣ処理の直前に一旦シャットダウンし、制御側コンピュータ１のＣＰＵの主記憶上から消去する。これにより、ＡＰＣ処理完了後に、制御側コンピュータ１でのみJava（登録商標）実行環境１００の再起動を行い、定常の二重化動作状態に復帰する。

本発明は、プラント等の制御システムにアドオンした図１の形態のみならず、汎用コンピュータのJava（登録商標）実行環境に対しても適用可能である。図３は、汎用コンピュータを制御側コンピュータ１及び待機側コンピュータ２として使用したJava（登録商標）実行環境の二重化システムの機能ブロック図である。

制御側及び待機側を横断する領域ＲがJava（登録商標）二重化実行環境である。同じく、領域Ｓが二重化対象外の汎用アプリケーション実行領域であり、そのまま動作させる。Java（登録商標）二重化実行環境の構成及び動作は、図１で説明した構成及び動作と同一である。

この実施形態の特徴は、２台の汎用コンピュータで実現が可能であり、Java（登録商標）以外の機能には一切手を入れることなく、通常のコンピュータとして動作させることができる。つまり、汎用のＯＳ及びアプリケーションをそのまま使用することが可能である。

従って、Java（登録商標）実行環境にのみ本発明の二重化機能をポーティングすることで、汎用コンピュータ２台によるJava（登録商標）の二重化環境を実現することが可能となる。更に、制御側と待機側の通信には汎用のEthernet（登録商標）を使用することで、特別な仕組みは一切不要である。このEthernet（登録商標）を使用して、コンピュータ間の健全性診断を行い、異常検出時には切り換え処理を実行することができる。

以上説明した実施形態では、二重化の対象となる制御側と待機側において非同期で作動するソフトウェアとして、Java（登録商標）実行環境で稼動するソフトウェアを例示したが、本発明の適用対象は、Java（登録商標）実行環境に限定されるものではなく、互いに非同期関係の汎用のアプリケーションプラットフォームに対しても同様の手法を用いて二重化を実現することが可能である。

更に、実施形態では二重化システムを例示したが、待機側コンピュータを複数台備える多重化システムに対しても、本発明を有効に適用することが可能である。

本発明を適用した二重化システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。 切り換え処理直後の制御側コンピュータと待機側コンピュータとの関係を示す機能ブロック図である。 汎用コンピュータを制御側コンピュータ及び待機側コンピュータとして使用したJava（登録商標）実行環境の二重化システムの機能ブロック図である。 特許文献１に開示されている技術に基づく二重化システムの構成例を示す機能ブロック図である。 制御タスクの同期動作を説明するシーケンス図である。

符号の説明

１ 制御側コンピュータ
２ 待機側コンピュータ
３ Ｉ／Ｏデバイス
４ プラント機器
５ Ethernet（登録商標）
６ ＦＴＰサーバ
７ Ｍａｉｌサーバ
８ 操作監視用ＰＣ
１０ 制御ソフトウェア（制御側）
２０ 制御ソフトウェア（待機側）
３０ Ｉ／Ｏドライバ（制御側）
４０ Ｉ／Ｏドライバ（待機側）
１００ Ｊａｖａ（登録商標）実行環境（制御側）
１０１ ファイル等値化手段（制御側）
１０２ 補助記憶手段（制御側）
１０３ データアクセス手段（制御側）
２００ Ｊａｖａ（登録商標）実行環境（待機側）
２０１ ファイル等値化手段（待機側）
２０２ 補助記憶手段（待機側）
２０３ データアクセス手段（待機側）

Claims (7)

1. ソフトウェアが実装されたコンピュータが多重化され、１つのコンピュータが制御側に、他のコンピュータが待機側になる多重化システムにおいて、
   各コンピュータは、ファイル等値化手段及び補助記憶手段を有し、
   制御側のコンピュータにあるファイル等値化手段は、制御側のコンピュータにあるソフトウェアのファイルへの書き込み内容を、制御側のコンピュータの補助記憶手段に書き込み、
   待機側のコンピュータにあるファイル等値化手段は、制御側のコンピュータにあるファイル等値化手段から渡されるファイル書き込み内容を、待機側のコンピュータの補助記憶手段に書き込み、
   制御側のコンピュータのソフトウェアは実行させ、待機側のコンピュータのソフトウェアは実行させず、
   前記待機側のコンピュータが制御側に切り換えられる場合には、新たに制御側となるコンピュータにあるソフトウェアは、補助記憶手段の保持データを初期データとして起動されることを特徴とする多重化システム。
2. 前記制御側のコンピュータに実装されたソフトウェアと、前記待機側のコンピュータに実装されたソフトウェアとは、互いに非同期で動作していることを特徴とする請求項１に記載の多重化システム
3. 異常であった待機側のコンピュータが制御側に復帰する場合には、現在制御側のコンピュータのメモリ内容を制御側に復帰するコンピュータにコピーするＡＰＣ処理を実行後に、制御側に復帰するコンピュータのソフトウェアを起動することを特徴とする請求項１又は２に記載の多重化システム。
4. 前記ソフトウェアは、Ｊａｖａ（登録商標）実行環境で稼動するソフトウェアであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多重化システム。
5. 前記制御側のコンピュータと前記待機側のコンピュータとの間で同期関係を持って稼動する制御ソフトウェアに夫々アクセスするデータアクセス手段を各コンピュータが備え、
   前記制御側のコンピュータにあるソフトウェアは、前記制御側のコンピュータにあるデータアクセス手段へのアクセスデータを、前記待機側のコンピュータにあるデータアクセス手段に渡して等値化を実行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多重化システム。
6. 前記制御側のコンピュータ及び前記待機側のコンピュータにあるソフトウェアは、汎用通信ネットワークを介して前記制御側のコンピュータ及び前記待機側のコンピュータに接続されたユーザコンピュータと通信することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の多重化システム。
7. 前記制御側のコンピュータ及び前記待機側のコンピュータは、入出力デバイスを介して選択的にプラントの機器を制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の多重化システム。
   

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