JP2008197735A - ディジタル制御システムおよびその運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ディジタル制御システムを構成する各装置・機器の更新時に、系統停止を不要にして稼働率を向上し、更新後の特性試験を容易に行なえるようにして、更新期間を短縮する。
【解決手段】ディジタルコントローラＣ１、…、ＣＬと、ネットワーク間の伝送信号を統括し中継する伝送中継装置Ｎ１、…、ＮＭと、現場機器Ｅ１、…、ＥＮと、現場機器の各々に付属し伝送信号の入出力を行なう伝送装置Ｔ１、…、ＴＮと、コントローラと伝送中継装置との間の伝送を行なう制御ネットワークＮＣと、伝送中継装置と伝送装置との間の伝送を行なう現場ネットワークＦ１、…、ＦＭと、を有する。各現場機器に付属の伝送装置は、各現場機器の更新と同時に更新が可能である。伝送中継装置の取替えを行なう場合には、当該取替え対象となる伝送中継装置をバイパスする機能を付加することにより、取替え中の制御を継続可能とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、大規模プラントなどを制御する制御システムで、装置の一部更新の際に更新期間の短縮が可能なディジタル制御システムおよびその運用方法に関する。

大規模プラントの制御システムにおいては、近年ディジタルコントローラと光多重伝送装置が適用され、複数の系統が同一のコントローラや多重伝送装置に統合され、制御される構成となっている（特許文献１参照）。

図６に、大規模プラントの一般的なディジタル制御システムの構成例を示す。制御システムは、コントローラＣ１、Ｃ２、…と、多重伝送装置ＲＭ１、ＲＭ２、…と、現場機器Ｅ１、Ｅ２、…、Ｅ６、…と、コントローラと多重伝送装置が接続され伝送を行なう制御ネットワークＮＣと、現場機器Ｅ１、Ｅ２、…、Ｅ６、…と多重伝送装置に実装された入出力基板ＩＯとを接続するフィールドケーブルＭＣとで構成される。

大規模プラントでは機能や制御目的に応じたいくつかの系統に分けられ、現場機器Ｅ１、Ｅ２、…、Ｅ６、…は一つの系統に属するが、異なる系統に属する機器の集合が一つの機器を構成する場合もある。たとえば、図６の機器Ｅ３は、一つの機器に異なる系統の機器が存在し、それらの機器とコントローラとの信号授受を行なうフィールドケーブルが複数本接続されていることを示している。コントローラＣ１には、系統Ａ、Ｃを制御する機能ＳＡ、ＳＣが実装され、コントローラＣ２には、系統Ｂ、Ｄを制御する機能ＳＢ、ＳＤが実装されているように、系統制御機能は複数コントローラのどれか一つに実装されている。

系統Ｂに属するセンサを機器Ｅ１、アクチュエータを機器Ｅ５とした場合、機器Ｅ１で計測されたプロセス値は、多重伝送装置ＲＭ１に実装された入力基板から入力され、多重伝送装置ＲＭ１によって、系統Ｂの制御機能を持つコントローラＣ２へ向けて制御ネットワークＮＣへ伝送出力される。コントローラＣ２が前記プロセス値を受信し、制御演算に使用される。演算結果による制御指令信号は、機器Ｅ５へ向けてコントローラＣ２から制御ネットワークＮＣへ出力され、多重伝送装置ＲＭ２が受信し、機器Ｅ５と接続している出力基板から制御指令信号を出力し、その信号に従って機器Ｅ５は動作する。
特開２０００−２１４９１３号公報

上述した従来の制御システムにおいては、１台の多重伝送装置の更新や１台のコントローラの更新であっても、更新対象の装置に関連する複数系統を同時に停止する必要があり、また、複数系統が更新による影響を受けるため、更新後の特性試験に時間を要する。そのため、プラントの停止期間が長期化する問題があり、更新期間を短縮する制御システムが必要とされている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ディジタル制御システムを構成する各装置・機器の更新時に、系統停止を不要にしてディジタル制御システムの稼働率を向上できるとともに、更新後の特性試験を容易に行なえるようにして、更新期間を短縮できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るディジタル制御システムは、少なくとも１台のディジタルコントローラと、ネットワーク間の伝送信号を統括し中継する複数台の伝送中継装置と、現場に配置される複数の現場機器と、前記現場機器の各々に付属し伝送信号の入出力を行なう伝送装置と、前記コントローラと伝送中継装置との間の伝送を行なう制御ネットワークと、前記伝送中継装置と伝送装置との間の伝送を行なう現場ネットワークと、を有し、前記各現場機器に付属の伝送装置は、各現場機器の更新と同時に更新が可能としたこと、を特徴とする。

また、本発明に係るディジタル制御システムの運用方法は、少なくとも１台のディジタルコントローラと、ネットワーク間の伝送信号を統括し中継する複数台の伝送中継装置と、現場に配置される複数の現場機器と、前記現場機器の各々に付属し伝送信号の入出力を行なう伝送装置と、前記コントローラと伝送中継装置との間の伝送を行なう制御ネットワークと、前記伝送中継装置と伝送装置との間の伝送を行なう現場ネットワークと、を有するディジタル制御システムの運用方法であって、前記各現場機器に付属の伝送装置を、各現場機器の更新と同時に更新すること、を特徴とする。

本発明によれば、ディジタル制御システムを構成する各装置・機器の更新時に、系統停止を不要にしてディジタル制御システムの稼働率を向上できるとともに、更新後の特性試験を容易に行なえるようにして、更新期間を短縮できる。

［第１の実施形態］
図１を用いて、本発明に係るディジタル制御システムの第１の実施形態を説明する。本ディジタル制御システムは、制御演算を行なう１台以上のコントローラＣ１、Ｃ２、…、ＣＬと、ネットワーク間の伝送信号を中継する複数台の伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭと、現場機器（フィールド機器）Ｅ１、Ｅ２、…ＥＮを有する。現場機器Ｅ１、Ｅ２、…ＥＮは一般にセンサやアクチュエータであって、それぞれに、伝送信号の入出力を行なう伝送装置Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮが付属している。

本ディジタル制御システムはさらに、コントローラＣ１、Ｃ２、…、ＣＬと伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭとの間の伝送を行なう制御ネットワークＮＣと、伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭと伝送装置Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮとの間の伝送を行なう現場ネットワークＦ１、Ｆ２、…、ＦＭと、現場ネットワークＦ１、Ｆ２、…、ＦＭの接続先として複数の伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭから１台を選択する選択機能Ｓ１、Ｓ２、…、ＳＭを有する。

このような伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭおよび伝送装置Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮからなるバス型ネットワーク構成は、多重伝送装置からなるスター型ネットワークの従来構成と比較して、簡素な構成で伝送経路の選択機能を実現できるものである。

図１では、構成表現を簡便化するため、選択機能Ｓ１の選択範囲を伝送中継装置Ｎ１と伝送中継装置Ｎ２としているが、伝送中継装置Ｎ２、Ｎ３、…、のように切り替え先を複数で構成しても良い。

図１に示す例で、たとえば機器Ｅ１をセンサとすれば、機器Ｅ１よって計測されたプロセス値は、伝送装置Ｔ１で電気信号に変換された後に現場ネットワークＦ１へ伝送信号として出力される。選択機能Ｓ１は現場ネットワークＦ１と伝送中継装置Ｎ１とを接続するように選択されていることから、伝送中継装置Ｎ１が前記プロセス値を受信する。伝送中継装置Ｎ１は受信したプロセス値を制御ネットワークＮＣに出力し、機器Ｅ１により計測されたプロセス値を制御演算に使用するコントローラをＣ２とすれば、コントローラＣ２がプロセス値を受信し、このプロセス値が制御演算に使用される。

演算結果による制御指令信号は、アクチュエータを機器Ｅ５とすれば、機器Ｅ５へ向けてコントローラＣ２から制御ネットワークＮＣへ出力され、伝送中継装置Ｎ２がこの制御信号を受信する。選択機能Ｓ２は伝送中継装置Ｎ２と現場ネットワークＦ２とを接続するように選択されていることから、伝送中継装置Ｎ２は受信した制御指令信号を現場ネットワークＦ２へ伝送信号として出力し、機器Ｅ５に付属の伝送装置Ｔ５が制御指令信号を受信する。機器Ｅ５は、受信した制御指令信号に従って動作する。

選択機能Ｓ１により現場ネットワークＦ１の接続先を中継伝送装置Ｎ２へ切り替えた場合、前記と同様に、機器Ｅ１をセンサ、コントローラＣ２を演算装置、アクチュエータを機器Ｅ５とすれば、機器Ｅ１よって計測されたプロセス値は、伝送装置Ｔ１で電気信号に変換された後現場ネットワークＦ１へ伝送信号として出力される。さらに、選択機能Ｓ１は現場ネットワークＦ１と伝送中継装置Ｎ２とを接続するように選択されていることから、伝送中継装置Ｎ２が前記プロセス値を受信する。伝送中継装置Ｎ２は受信したプロセス値を制御ネットワークＮＣに出力し、コントローラＣ２がプロセス値を受信する。このプロセス値が制御演算に使用される。

演算結果による制御指令信号は、機器Ｅ５へ向けてコントローラＣ２から制御ネットワークＮＣへ出力され、伝送中継装置Ｎ２が受信する。選択機能Ｓ２は伝送中継装置Ｎ２と現場ネットワークＦ２とを接続するように選択されていることから、伝送中継装置Ｎ２は受信した制御指令信号を現場ネットワークＦ２へ伝送信号として出力し、機器Ｅ５に付属の伝送装置Ｔ５が制御指令信号を受信する。機器Ｅ５は受信した制御指令信号に従って動作する。

本実施形態によれば、伝送装置Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮが個々の機器Ｅ１、Ｅ２、…、ＥＮに分散化されることで、伝送装置Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮは、個別の更新および対応する機器Ｅ１、Ｅ２、…、ＥＮの更新と同時に更新が可能となる。これにより、更新対象の伝送装置Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮにかかわる範囲に限定した部分更新ができる。したがって、更新時の影響範囲が自装置取り扱いの全信号に及んでいた多重伝送装置および入出力基板とからなる従来構成と比較して、更新期間を短縮することができる。

また、選択機能Ｓ１、Ｓ２、…、ＳＭにより、伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭを更新する場合にも、現場ネットワークＦ１、Ｆ２、…、ＦＭの接続を運転継続する他の伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭへ切り替えることで、コントローラＣ１、Ｃ２、…、ＣＬと機器Ｅ１、Ｅ２、…ＥＮの伝送が停止することなく制御継続が可能となる。これにより、伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭの更新機会を増やすことができるとともに、機器Ｅ１、Ｅ２、…ＥＮにかかわるアイソレーション作業やケーブル取外し・接続作業を不要とできる。これにより、更新時の被制御系統停止と停止にかかわるアイソレーション作業を必要としていた従来の多重伝送装置からなるシステムに比較して、更新期間を短縮することができる。

［第２の実施形態］
図２を用いて、第２の実施形態を説明する。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この第２の実施形態では、ネットワーク間の伝送信号を中継する伝送中継装置Ｎ１が、アイソレーション信号選択機能ＳＳ１と、第１の模擬機能ＳＥ１および第２の模擬機能ＳＥ１ａとを備える。アイソレーション信号選択機能ＳＳ１は、伝送処理されるデータＤ１のうち任意に指定する信号の伝送処理を停止／再開するものである。第１の模擬機能ＳＥ１は、伝送処理停止中の制御ネットワークＮＣ側信号に指定する値の書き込み保持／解除を行なう。第２の模擬機能ＳＥ１ａは、伝送処理停止中の現場ネットワークＦ１側信号に指定する値の書き込み保持／解除を行なう。

アイソレーション機能ＳＳ１により、伝送中継装置Ｎ１が伝送処理を行なうデータＤ１に対して、信号単位でのデータ選択を行ない、選択したデータの伝送処理停止を指定すれば、当該信号についてコントローラと機器との通信が停止する。第１および第２の模擬機能ＳＥ１、ＳＥ１ａにより、アイソレーション機能ＩＳ１にて伝送処理を停止した信号対して、制御ネットワークＮＣ側と現場ネットワークＦ１側とで独立に信号値の強制的な模擬を行なう。これにより、コントローラおよび機器はそれぞれ強制模擬した値を認識する。アイソレーション機能ＩＳ１による伝送再開と伝送停止は、当該信号が強制的に模擬されていない場合のみ実施できるインターロックを設ける。

本実施形態によれば、機器Ｅ１をセンサとすると、伝送装置Ｔ１、機器Ｅ１の更新時において、コントローラＣ１へ伝送されるプロセス値を更新前にアイソレーションすることで、コントローラＣ１が持つ更新機器にかかわるインターロックの不要な動作を防止し、他の機器への影響を抑制して制御継続が可能となる。これにより、更新期間を短縮できる。また、機器Ｅ１をアクチュエータとすると、コントローラＣ１の更新時において、機器Ｅ１へ伝送される制御指令信号を更新前にアイソレーションすることで、機器Ｅ１を停止する必要がなくなり、機器の停止作業・再起動作業が不要となる。

これらのアイソレーションを、伝送中継装置Ｎ１で容易かつ集中的に実施できることで、アイソレーション箇所が各コントローラで分散していた従来構成と比較して、アイソレーション作業時間を短縮し、更新期間を短縮することができる。

［第３の実施形態］
図３を用いて、第３の実施形態を説明する。ここで、第１または第２の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この第３の実施形態では、ネットワーク間の伝送信号を中継する伝送中継装置Ｎ１が試験信号印加機能ＳＴ１を備える。試験信号印加機能ＳＴ１は、伝送処理されるデータＤ１のうち任意に指定する制御指令信号に任意に設定する試験用信号を印加する試験信号印加機能ＳＴ１と、伝送処理されるデータＤ１のうち任意に指定する信号を採取しモニタする信号モニタ機能ＳＭ１とを備える。

試験機能ＴＳ１により、伝送中継装置Ｎ１が伝送処理データを行なうデータＤ１のうち、制御指令信号に対して信号単位でのデータ選択を行ない、選択したデータを伝送処理する。この伝送処理時に、試験信号印加機能ＳＴ１で任意に設定した試験信号を加えると、試験信号が重畳された制御指令信号を現場ネットワークＦ１側へ伝送出力する。現場ネットワークＦ１の機器は試験信号が重畳された制御指令信号で動作し、その動作結果のプロセス値の応答や機器状態の変動を、信号モニタ機能ＳＭ１で伝送処理回路の前段からデータとして採取し、応答や変動の評価を実施できる。

本実施形態によれば、別途試験機材を用意する必要はなく、伝送装置Ｔ１、機器Ｅ１の更新後に実施するコントローラＣ１による制御中に閉ループ特性試験を実施できる。また、第２の実施形態に記載のアイソレーション機能と併用すれば、開ループでの機器の単体特性試験にも適用可能である。

これらの特性試験を、伝送中継装置Ｎ１で容易かつ集中的に実施できることで、試験機能を具備していないものやコントローラごとに分散されていた従来構成と比較して、特性試験作業の時間を短縮し、更新期間を短縮することができる。

［第４の実施形態］
図４および図５を用いて、第４の実施形態を説明する。ここで、第１ないし第３の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この第４の実施形態は、図４に示すように、第１の実施形態におけるディジタル制御システムの複数のコントローラＣ１、Ｃ２、…、ＣＬに、制御対象となる複数系統（Ａ〜Ｄとする）の制御機能ＳＡ、…、ＳＤを持たせる。さらに、図５に示すように、伝送中継装置Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭに信号選択機能Ｖ１、Ｖ２、…、ＶＭを持たせた構成としている。

図４において、機器Ｅ１をセンサ、機器Ｅ２をアクチュエータとし、これらの機器が系統Ｃに属するものとすると、機器Ｅ１よって計測されたプロセス値は、伝送装置Ｔ１で電気信号に変換された後に現場ネットワークＦ１へ伝送信号として出力される。選択機能Ｓ１は現場ネットワークＦ１と伝送中継装置Ｎ１とを接続するように選択されていることから、伝送中継装置Ｎ１が前記プロセス値を受信する。伝送中継装置Ｎ１は受信したプロセス値を制御ネットワークＮＣに出力し、機器Ｅ１により計測されたプロセス値は、系統Ｃの制御機能を持つすべてのコントローラＣ１、Ｃ２、…、ＣＬで受信され、制御演算に使用される。

演算結果による制御指令信号は、機器Ｅ２へ向けてコントローラＣ１、Ｃ２、…、ＣＬから制御ネットワークＮＣへ個々に出力され、伝送中継装置Ｎ１が受信する。図５の信号選択機能ＶＴ１では、各コントローラＣ１、Ｃ２、…、ＣＬから伝送された制御指令信号を選択する。選択方式は信号によって、アナログ信号の場合、高値選択、低値選択、中間値選択などを行なう。また、ディジタル信号の場合、ＯＲ選択、ＡＮＤ選択などを行なう。これらの組み合わせによる、２／３選択（３信号のうち多数決によって選択）、２／４選択を行なうこともできる。

選択機能Ｓ２は伝送中継装置Ｎ２と現場ネットワークＦ２とを接続するように選択されていることから、信号選択機能ＶＴ１で選択した制御指令信号を現場ネットワークＦ１へ伝送信号として出力し、機器Ｅ２に付属の伝送装置Ｔ２が制御指令信号を受信する。機器Ｅ２は受信した制御指令信号に従って動作する。

この実施形態によれば、系統制御機能が複数のコントローラに搭載されることで、１台のコントローラが停止しても制御機能を喪失しない。これにより、コントローラ更新期間中も更新対象外コントローラで制御継続が可能で、コントローラ更新時は被制御系統の停止が必要であった従来構成と比較して、更新期間が短縮できるか、または不要になる。

また、信号選択機能を伝送中継装置に設けることで、個々のコントローラでの信号選択機能が不要となる。これにより、コントローラを構成する用品の物量が削減できコストを抑えることができる。さらに、複数コントローラの演算処理結果を信号選択してアクチュエータに出力することから、１台コントローラの異常時でも適切な信号選択を行なうことで正常な制御が継続可能となり、制御システムの稼働率が向上する効果も併せ持つ。

本発明の第１の実施形態に係るディジタル制御システムの構成図。 本発明の第２の実施形態に係る伝送中継装置の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る伝送中継装置の構成図。 本発明の第４の実施形態に係るディジタル制御システムの構成図。 本発明の第４の実施形態に係る伝送中継装置の構成図。 従来のディジタル制御システムの構成図。

符号の説明

Ｃ１、Ｃ２、…、ＣＬ ： コントローラ
Ｎ１、Ｎ２、…、ＮＭ ： 伝送中継装置
Ｓ１、Ｓ２、…、ＳＭ ： 選択機能
Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮ ： 伝送装置
Ｅ１、Ｅ２、…、ＥＮ ： 機器（現場機器）
ＮＣ ： 制御ネットワーク
Ｆ１、Ｆ２、…、ＦＭ ： 現場ネットワーク

Claims (8)

1. 少なくとも１台のディジタルコントローラと、
   ネットワーク間の伝送信号を統括し中継する複数台の伝送中継装置と、
   現場に配置される複数の現場機器と、
   前記現場機器の各々に付属し伝送信号の入出力を行なう伝送装置と、
   前記コントローラと伝送中継装置との間の伝送を行なう制御ネットワークと、
   前記伝送中継装置と伝送装置との間の伝送を行なう現場ネットワークと、
   を有し、
   前記各現場機器に付属の伝送装置は、各現場機器の更新と同時に更新が可能としたこと、を特徴とするディジタル制御システム。
2. 前記伝送中継装置の取替えを行なう場合に、当該取替え対象となる伝送中継装置をバイパスする機能を付加することにより、取替え中の制御を継続可能に構成されていること、を特徴とする請求項１に記載のディジタル制御システム。
3. 前記伝送中継装置は、伝送信号をアイソレーションする機能をもち、前記伝送中継装置、伝送装置または現場機器のいずれかが更新される場合に、当該信号をアイソレーションすることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディジタル制御システム。
4. 前記伝送中継装置は、試験信号印加および応答信号採取を行なう機能を持ち、前記伝送中継装置、伝送装置または現場機器のいずれかが更新される場合に、更新対象の確認試験をすることが可能に構成されていること、を特徴とする請求項３に記載のディジタル制御システム。
5. 前記ディジタルコントローラは複数台で構成し、各ディジタルコントローラは当該ディジタルコントローラに接続された前記伝送中継装置、伝送装置および現場機器を制御できるソフトウェアを備え、並列演算および、前記ディジタルコントローラの故障および更新時における相互バックアップを可能とし、前記伝送中継装置が前記ディジタルコントローラからの伝送信号を信号選択する機能を持つこと、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のディジタル制御システム。
6. 前記伝送中継装置が前記ディジタルコントローラからの伝送信号を信号選択する機能は、２／３選択機能、高／低／中間値選択機能の少なくとも一つを含むこと、を特徴とする請求項５に記載のディジタル制御システム。
7. 少なくとも１台のディジタルコントローラと、
   ネットワーク間の伝送信号を統括し中継する複数台の伝送中継装置と、
   現場に配置される複数の現場機器と、
   前記現場機器の各々に付属し伝送信号の入出力を行なう伝送装置と、
   前記コントローラと伝送中継装置との間の伝送を行なう制御ネットワークと、
   前記伝送中継装置と伝送装置との間の伝送を行なう現場ネットワークと、
   を有するディジタル制御システムの運用方法であって、
   前記各現場機器に付属の伝送装置を、各現場機器の更新と同時に更新すること、を特徴とするディジタル制御システムの運用方法。
8. 前記伝送中継装置の取替えを行なう場合に、当該取替え対象となる伝送中継装置をバイパスする機能を付加することにより、取替え中の制御を継続しながら当該取替えを行なうことを特徴とする請求項７に記載のディジタル制御システムの運用方法。

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