JP2007511806A - 技術的装置を制御するための冗長性自動化システム及びその作動方法 - Google Patents

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Abstract

本発明に従う冗長性自動化システム(1)及びかかる自動化システム(1)の作動方法においては、2つの自動化機器(3a、3b)が設けられ、それらの自動化機器に共通のメモリユニットが所属せしめられており、このメモリユニットに自動化機器(3a、3b)の状態データが記憶されている。従って自動化機器(3a、3b)は共通のデータベースへの直接のアクセスを持ち、欠陥が生じた場合、待機自動化機器(3b)への切換の際にメモリ比較を行う必要がない。

Description

本発明は、技術的装置を制御するための冗長性自動化システム及びかかる自動化システムの作動方法に関し、その際少なくとも2つの自動化機器が存在するものである。その際第1の自動化機器はマスタ自動化機器として作動し、第2の自動化機器は待機自動化機器として作動する。
機器及びシステムの持続的な有効性は、技術的設備(特に発電設備)の自動化において最も重要な要求の1つである。危険にさらす可能性を排除するための信頼性の理由で、また電気エネルギー又は材料を確実に供給するために、自動化システムの故障及びそれと結び付く重要な技術的設備の停止は確実に避けなければならない。
この問題を解決するため、従来技術においていわゆる高有効性のいくつかの自動化システム、例えばシーメンス(Siemens)社のジーマチック(SIMATIC)S-7 Hが知られており、これらのシステムにおいてはメモリユニット及び給電ユニットを含むすべての構成要素は冗長性を持たせて設置されており、その結果一つの自動化機器に欠陥があるときは他の同一に構成された自動化機器に中断することなく切り換えられるようになっている。その際それらの自動化機器はその命令実行に関して互いに同期しており、その結果両自動化機器においては完全に時間並列的に同じデータが処理され、また同じ命令が実行される。そして、そのように作動する待機自動化機器は欠陥を抱えたマスタ自動化機器の機能を引き継ぐ。
このような高有効性の自動化システムは、従来実際にはもっぱらいわゆるプログラム可能な論理制御(SPC)をベースに入手可能であるが、その使用は複雑で、その調達には極めて費用がかかる。
それ故本発明は、冒頭に述べたような自動化システムであって、簡単に構成され、特にパーソナル・コンピュータ技術分野の標準的構成要素を十二分に使用することのできるものを提示することを課題とするものである。
自動化システムに関してこの課題は、独立請求項1の特徴を持った技術的装置を制御するための冗長性自動化システムによって解決される。
その際本発明は、冗長性自動化システムを実現するための最も重要な前提の1つが、技術設備及び自動化システムの状態を記述する実際のデータベースを準備することにあるという考慮から出発するものである。マスタ自動化機器から待機自動化機器への著しい遅延なしの切換は、両自動化機器が欠陥の発生時点に同じ実際のデータを自由に使用できる場合にのみ達成され、その結果予備機器への切換は直ちにかつ「データの飛び」なしに可能となる。
高有効性のプログラム可能な論理制御の従来技術においては、このことは、両自動化機器が同一に構成され、しかもなかんずくそれぞれが上述の命令同期の処理に基づいて同じデータが書き込まれ同じデータが読み出されるメモリユニットを含むことによって解決される。
それとは異なり本発明においては、たしかに2つの自動化機器が存在するが、これらの自動化機器に対してただ1つの共通のメモリユニットが設けられ、このメモリユニットに両自動化機器が書込みアクセス及び読取りアクセスを持つようになっている。その限りにおいて、従来技術に対し実行のための費用が著しく減ぜられる。何故なら一方ではただ1つのメモリユニットを必要とするだけであり、他方ではそのことから自動化機器の複数のメモリユニット間の同期化するのに必要な費用が無くなるからである。
自動化機器の故障のほとんどは、例えば入力又は出力カード、電力供給、又は自動化機器のCPUの機能欠損に由来する。即ち、そのことから認められるように、本発明は自動化の実際上克服すべき冗長性の大部分の問題に対する経済的で簡単化された解決策を提供する。
PC(パソコン)ベースの自動化の若干の解決策が既に存在するにもかかわらず、これらの解決策はこれまで予備の自動化機器への無衝撃切換をなお保証し得ていない。何故なら自動化機器がアクセスするデータベースの必要な同期化が既知の手段によっては必要な速度で行ない得ないからである。無衝撃の切換は、マスタ自動化機器から予備自動化機器(待機自動化機器)への切換が実際上自動化システムの入力及び出力信号への影響なしに行われることを意味し、その結果欠陥を生じた自動化機器が調節を突然中止したまさしくその個所で調節が引き続き行われる。従って予備自動化機器には調節を引き継いだ時点で、調節過程の過去が関係するいわゆる初期値が自由に利用されなければならない(その際積分成分及び微分成分又はそのいずれか一方を有する調節アルゴリズムを特に含む)。
本発明は、自動化機器に対する実際のデータベースの問題を、そのためにただ1つの共通のメモリユニットが設けられるということで解決する。
本発明に従う自動化システムにおけるPC技術によるそのようなメモリユニットを実現するための解決策は、例えば、商業的に入手可能なPCユニットとして使用し得るいわゆる「リフレクティブメモリ」の使用を含む。
それによって、PC、ワーク・ステーション又は「埋蔵型システム」(特に異なる作動システムを備えた)は、実際上実時間に共通のデータベースにアクセスすることができる。
ローカル計算機においては、リフレクティブメモリ・ユニットはネットワークの関与する計算機の共通のメモリのアドレス空間に存在する。従って各自動化レベルからのデータは、特にユーザソフトウエアのデータも、直接このメモリ範囲内に書き込まれ、またこのメモリ範囲から読み出され得る。そうすればローカル計算機がこの「リフレクティブメモリ」に書き込むデータは、自動的にすべての他の計算機において並列的かつ時間遅れなしに自由使用することができる。
リフレクティブメモリ・ユニットの特殊な技術的構成に基づいて、その際計算機間で行われるデータ移送はこの計算機の通常の性能に影響しない。
本発明の有利な構成においては、さらに監視モジュールが設けられ、このモジュールを用いてマスタ自動化システムの作動が監視可能であり、マスタ自動化機器に欠陥が存在する場合には待機自動化機器への切換が可能となり、この待機自動化機器がそれに基づいてこれまでのマスタ自動化機器の機能を引き継ぐ。
この実施形態においては、欠陥識別を含めて機器機能の監視が実現されている。例えば、監視モジュールはその際マスタ自動化機器が働いているかどうかの兆候の評価を含み、その際マスタ自動化機器がよく機能している場合には例えば点検の各サイクルにおいて或るパラメータが変えられる。万一このパラメータがあるサイクルにおいて変えられない場合には、このことはこのマスタ自動化機器の欠陥に対するしるしであり、監視モジュールは所属の待機自動化機器への切換過程を実行する。
上述のパラメータの変更を妨げる可能性のある欠陥は、例えばハードウエア欠陥、作動システム欠陥、ユーザソフトウエア欠陥などが含まれる。
本発明の別の有利な構成においては、マスタ自動化機器に欠陥が発生する時点の直前の技術的装置及び自動化システムの実際の作動状態を記述するような状態データが共通のメモリ範囲に存在する。
それによって、待機自動化機器がこれまでのマスタ自動化機器の機能を直ちに引き継ぎ得るようにすることができる。何故なら、そのために必要なすべてのデータが共通のメモリ範囲にファイルされており、引き続き処理を続けるために待機自動化機器から時間遅れなしに読み出されることが可能だからである。
状態データはその際調節アルゴリズムの初期値に対応するようなデータを含むべきであり、その結果待機自動化機器にはこの初期値を用いて関係する調節過程の履歴も既知であり、対応する調節が待機自動化機器によって連続してさらに続けて行われ得る。
さらに状態データは、自動化システムによって検出され且つ技術的装置に与えられる、又はそのいずれか一方による、技術的装置の入力及び出力データを含む。これらのデータの全体はプロセスイメージといわれる。
待機自動化機器の共通のメモリ範囲内に存在するデータの少なくとも一部が技術的装置及び自動化システムの実際の状態イメージとして直接引き続き処理されることによって、切換は衝撃なしに特に有利に行われる。
その際マスタ自動化機器と待機自動化機器との間の切換は、実用上遅延なしに待機自動化機器による技術的装置の制御の連続的な受け継ぎのもとに行われる。
本発明はさらに、技術的装置を制御するための冗長性自動化システムの作動方法に連なり、独立請求項5の特徴を有するものである。
本発明に従う方法の有利な構成は、所属の従属請求項に記載されている。
次に本発明の実施例を図面について詳細に説明する。
図には本発明に従う冗長性自動化システム1が示され、そのシステムは自動化機器3a、3bを含む。その際第1の自動化機器はマスタ自動化機器3aとして構成され、技術的装置の制御を引き受ける。技術的装置からの信号及び技術的装置への制御命令は、その際フィールド機器17によって処理され、フィールドバス15を介して自動化機器3a、3bに伝達される。
第1の自動化機器3aに欠陥がある場合には、待機自動化機器3bとして構成され第1の自動化機器3aの制御課題を引き継ぎ得る第2の自動化機器を自由に使用することができる。
欠陥識別及び第1の自動化機器3aから第2の自動化機器3bへの切換のために監視モジュール23が設けられている。このモジュールはなかんずく第1の自動化機器3aが働いているかどうかの兆候25を評価し、欠陥が存在する場合には第2の自動化機器3bへ切り換え、この第2の自動化機器はそれにしたがってこれまでのマスタ自動化機器3aの制御課題を引き継ぐ。
自動化機器3a、3bはそれぞれCPU5a、5b及び場合によってはメモリ6a、6bを備える。それらは好ましくはパーソナル・コンピュータとして構成され、このパーソナル・コンピュータにおいて制御課題はタスク7a、7bとして呼び出され実行される。従来のプログラム記憶式制御と比較して、これらの自動化タスク7a、7bは明らかにより迅速に進行し、そのためこのように構成されたPCベースの自動化機器においては命令同期化は行われず、タスク同期化が行われる。それぞれ対応するタスク7a、7bの同期化は割込み11を用いて行われる。
第1の自動化機器が欠陥なくマスタ自動化機器3aとして機能する通常作動の場合には、フィールド機器17によって検出されている技術的装置からのデータは、両自動化機器3a、3bによってそれぞれ少なくとも1つの読取り過程19を用いて絶えず読み取られる。しかしながら、技術的装置の構成要素への制御命令の出力及びその他の作用は、少なくとも1つの書込み過程21を用いてマスタ自動化機器3aによってのみ行われる。
欠陥が存在する場合、これまでの待機自動化機器への切換後は、この書込み過程21は第2の自動化機器3bによって引き継がれる。このことは図では第2の自動化機器3bからフィールドバス15までの破線接続によって表示されている。
割込み11を用いて自動化タスク7a、7bが同期化されると、各タスク呼出しの前に、タイマ、カウンタ、プロセスデータ及び場合によっては他の内部ないし外部のデータの同期化が行われる。
本発明に従えば、両自動化機器3a、3bには両自動化機器3a、3bがアクセスを持つ一つのメモリユニット9が所属している。このメモリユニットには主として自動化機器3a、3bの状態データが記憶されており、その際メモリユニット9は少なくとも1つのメモリ範囲を含み、このメモリ範囲は両自動化機器3a、3bによって書込み及び読出し可能である。このようにして、少なくともこのメモリ範囲に存在するデータは自動化機器3a、3bによって並列的に利用可能である。両自動化機器3a、3bは従って両自動化機器がそれぞれアクセスを持つメモリユニット9の形で共通のデータベースを利用することができるので、マスタ自動化機器3aに欠陥が生じた場合には少なくとも上述の状態データの比較に関しては自動化機器3a、3b間のメモリ比較は行われる必要がない。それ故欠陥のある場合にはマスタ自動化機器3aから待機自動化機器3bへの切換が極めて急速かつ衝撃なしに行われ、既知の冗長性自動化システムに比較して実行に要する費用が低減される。メモリユニット9の共通のメモリ範囲内にファイルされた自動化機器3a、3bの状態データは、自動化機器3a、3bの実際の作動状態を記述するすべてのデータ、例えば技術的装置から自動化機器へ伝達される信号(プロセスイメージ)の実際値、マスタ自動化機器から技術的装置へ伝達される信号及び命令の実際値、並びに必要なら少なくとも微分制御部及び積分制御部又はそのいずれか一方を含む制御アルゴリズムの実際初期値、を含む。
実際の初期値を知ることは、これまでの待機自動化機器が関係する調節を連続的に、特に制御量の飛びなしにさらに先へ続け得るために、マスタ自動化機器の欠陥が発生した時点において重要である。
メモリユニット9は、いわゆる「リフレクティブメモリ」として構成されるのが有利であり、このメモリはパーソナル・コンピュータにおける使用のためのユニットとして入手可能である。このユニットは自動化機器3a、3bの1つに物理的に設置されるのが有利であり、その際この自動化機器がユニットに書き込むデータはすべての他の自動化機器で同様に使用することができる。
本発明を要約すると、以下のように書き直すことができる。
本発明に従う冗長性自動化システム(1)及びそのような自動化システム(1)の作動方法においては、2つの自動化機器(3a、3b)が設けられ、これらの自動化機器に共通のメモリユニットが所属しており、このメモリユニットに自動化機器(3a、3b)は状態データを記憶可能である。従って自動化機器(3a、3b)は共通のデータベースに直接のアクセスを持ち、欠陥が生じた場合、待機自動化機器(3b)への切換の際にメモリ比較を行う必要がない。
本発明に従う冗長性自動化システムの説明図である。
符号の説明
1 自動化システム
3a、3b 自動化機器
5a、5b CPU
6a、6b メモリ
7a、7b タスク
9 メモリユニット
11 割込み
15 フィールドバス
17 フィールド機器
19 読み出し過程
21 書込み過程
23 監視モジュール
25 働いているかどうかの兆候

Claims (8)

  1. 少なくとも2つの自動化機器(3a、3b)を含み、自動化機器の第1はマスタ自動化機器(3a)として、自動化機器の第2は待機自動化機器(3b)として構成されている技術的装置を制御するための冗長性自動化システム(1)において、少なくとも2つの自動化機器(3a、3b)に所属するメモリユニット(9)を備え、このメモリユニットには自動化機器(3a、3b)の状態データが記憶可能であり、またメモリユニット(9)は共通のメモリ範囲を含み、このメモリ範囲は少なくとも2つの自動化機器(3a、3b)によって書込み及び読出し可能であり、このメモリ範囲に存在するデータが自動化機器(3a、3b)により並列的に使用できるようになっていることを特徴とする冗長性自動化システム。
  2. 監視モジュール(23)を備え、この監視モジュールを用いてマスタ自動化機器(3a)の作動を監視可能であり、またマスタ自動化機器(3a)に欠陥が存在するとき待機自動化機器(3b)への切換を可能とし、待機自動化機器(3b)はそれにしたがってこれまでのマスタ自動化機器(3a)の機能を引き継ぐことを特徴とする請求項1記載の冗長性自動化システム。
  3. 共通のメモリ範囲内に、マスタ自動化機器(3a)の欠陥が発生する時点のすぐ前の技術的装置及び自動化システムの実際の作動状態を記述する状態データが存在することを特徴とする請求項1又は2記載の冗長性自動化システム。
  4. 共通のメモリ範囲内に存在するデータの少なくとも一部が待機自動化機器(3b)によって技術的装置及び自動化システム(1)の実際の状態イメージとして直接引き続き処理されることによって、切換が衝撃なしに行われることを特徴とする請求項2又は3記載の冗長性自動化システム。
  5. 少なくとも2つの自動化機器(3a、3b)を含み、自動化機器の第1はマスタ自動化機器(3a)として、自動化機器の第2は待機自動化機器(3b)として作動する技術的装置を制御するための冗長性自動化システム(1)の作動方法において、少なくとも2つの自動化機器(3a、3b)に所属するメモリユニット(9)内に自動化機器(3a、3b)の状態データが記憶され、その際メモリユニットの共通のメモリ範囲が少なくとも2つの自動化機器(3a、3b)によって書き込まれ及び読み出されることが可能であり、その結果このメモリ範囲に存在するデータが自動化機器(3a、3b)によって並列的に使用可能であることを特徴とする冗長性自動化システムの作動方法。
  6. マスタ自動化機器(3a)の作動が監視され、マスタ自動化機器(3a)の欠陥が存在するときは待機自動化機器(3b)へ切り換えられ、待機自動化機器(3b)がそれに基づいてこれまでのマスタ自動化機器(3a)の機能を引き継ぐことを特徴とする請求項5記載の方法。
  7. 共通のメモリ範囲内に、マスタ自動化機器(3a)の欠陥が発生する時点のすぐ前の技術的装置及び自動化システムの実際の作動状態を記述する状態データが存在することを特徴とする請求項5又は6記載の方法。
  8. 共通のメモリ範囲内に存在するデータの少なくとも一部が待機自動化機器(3b)によって技術的装置及び自動化システム(1)の実際の状態イメージとして直接引き続き処理されることにより、切換が衝撃なしに行われることを特徴とする請求項6又は7記載の方法。
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