JP2011118502A

JP2011118502A - フィールド制御システム

Info

Publication number: JP2011118502A
Application number: JP2009273272A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Asawa; 智浅輪
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】演算部とプラントとの間でやり取りされる入出力データを適切に取り扱うことが可能なフィールド制御システムを提供する。
【解決手段】演算部からプラントに向けて入力するデータが逐次書き込まれる入力バッファと、前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を許容する状態と、前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を禁止する状態とを切り替える入力状態切替手段と、を備える。前記入力状態切替手段で与えられる状態に依らず、前記演算部は、前記入力バッファに書き込まれた前記データを前記入力データとみなして前記演算を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラントから出力された出力データに基づく演算により前記プラントに入力する入力データを生成することで前記プラントを制御する演算部を備えるフィールド制御システムに関する。

プラントの間でデータをやり取りしながら、そのデータに基づく演算を実行し、リアルタイムにプラントの状態を制御するフィールドシステムが知られている。制御のための演算を実行する演算部では、プラントからプロセス値（温度、圧力等）などの出力データを取得し、この取得された出力データに基づきプラントに与えるべき最適な入力データ（例えば、バルブ開度等の設定値）を算出する。算出された入力データはプラントに入力される。このような演算を定周期で繰り返し実行することにより、プラントをリアルタイムに所望の状態に制御することが可能となる。

特開２００８−１０２６８６号公報

演算部で使用される演算アルゴリズムは種々あるが、プラントの設備変更に応じて、あるいはアルゴリズムの最適化のために、新たな演算アルゴリズムを適用し、あるいは演算アルゴリズムを修正したい場合がある。このような場合には、新たな演算アルゴリズムについて予めオンラインテストにより制御動作を確認する必要がある。しかし、不測の事態を避けるために、プラントに与える入力データを制限しつつ制御が正常に行われるか試行する必要がある。このため、オンラインテスト時には演算部における演算結果（プロセス値）等がプラントに不用意に入力されないよう、個々のデータの入出力を切り離し、あるいはオンラインテスト用に仮想のタグ（プロセスデータ）を設定するなどの作業が必要とされる。しかし、この作業は現場であるプラントの各部で行う必要があるため、非常に煩雑であり、誤設定等を招くおそれもある。

また、プラントの通常の操業中においても、演算部で使用する演算アルゴリズムをプラントの状態に応じて切り替えたい場合があり、制御の連続性を確保するためには演算で使用する入出力データを演算アルゴリズム間で円滑に受け渡す必要がある。従来のシステムでは、演算アルゴリズムの切り替え時には、一旦、それまでの一方の演算アルゴリズムによる制御を停止させた後、他方の演算アルゴリズムによる制御を起動させる必要があり、入出力データが不連続となるという問題がある。

本発明の目的は、演算部とプラントとの間でやり取りされる入出力データを適切に取り扱うことが可能なフィールド制御システムを提供することにある。

本発明のフィールド制御システムは、プラントから出力された出力データに基づく演算により前記プラントに入力する入力データを生成することで前記プラントを制御する演算部を備えるフィールド制御システムにおいて、前記演算部から前記プラントに向けて入力するデータが逐次書き込まれる入力バッファと、前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を許容する状態と、前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を禁止する状態とを切り替える入力状態切替手段と、を備え、前記入力状態切替手段で与えられる状態に依らず、前記演算部は、前記入力バッファに書き込まれた前記データを前記入力データとみなして前記演算を実行することを特徴とする。
このフィールド制御システムによれば、入力バッファに書き込まれるデータのプラントへの入力を許容する状態と、これを禁止する状態とを切り替えるので、演算部とプラントとの間でやり取りされる入出力データを適切に取り扱うことが可能となる。

前記プラントから前記演算部に向けて出力されるデータが逐次書き込まれる出力バッファと、前記出力バッファへの前記データの書き込みによるデータ更新を許容する状態と、前記出力バッファへの前記データの書き込みによるデータ更新を禁止する状態とを切り替える出力状態切替手段と、を備え、前記出力状態切替手段で与えられる状態に依らず、前記演算部は、前記出力バッファに書き込まれたデータを前記出力データとみなして前記演算を実行してもよい。

前記出力状態切替手段により前記データ更新が禁止された状態にある場合に、前記出力バッファに任意のデータを強制的に書き込む強制書込み手段を備えてもよい。

本発明のフィールド制御システムは、プラントから出力された出力データに基づく第１の演算により前記プラントに入力する入力データを生成することで前記プラントを制御する第１の演算部と、前記プラントから出力された出力データに基づく第２の演算により前記プラントに入力する入力データを生成することで前記プラントを制御する第２の演算部と、を備えるフィールド制御システムにおいて、前記第１の演算部または前記第２の演算部から前記プラントに向けて入力されるデータが逐次書き込まれる入力バッファと、前記第１の演算部から前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を許容し、前記第２の演算部から前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を禁止する第１の状態と、前記第２の演算部から前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を許容し、前記第１の演算部から前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を禁止する第２の状態と、を切り替える入力状態切替手段と、前記入力状態切替手段で与えられる状態に依らず、第１の演算部および第２の演算部は、前記入力バッファに書き込まれた前記データを前記入力データとみなして前記演算を実行することを特徴とする。
このフィールド制御システムによれば、第２の演算部から入力バッファに書き込まれるデータのプラントへの入力を禁止する第１の状態と、第１の演算部から入力バッファに書き込まれるデータのプラントへの入力を禁止する第２の状態と、を切り替えるので、演算部とプラントとの間でやり取りされる入出力データを円滑に受け渡すことができる。

前記入力状態切替手段は、前記プラントの状態に応じて前記第１の状態または前記第２の状態を選択してもよい。

本発明のフィールド制御システムによれば、入力バッファに書き込まれるデータのプラントへの入力を許容する状態と、これを禁止する状態とを切り替えるので、演算部とプラントとの間でやり取りされる入出力データを適切に取り扱うことが可能となる。

本発明のフィールド制御システムによれば、第２の演算部から入力バッファに書き込まれるデータのプラントへの入力を禁止する第１の状態と、第１の演算部から入力バッファに書き込まれるデータのプラントへの入力を禁止する第２の状態と、を切り替えるので、演算部とプラントとの間でやり取りされる入出力データを円滑に受け渡すことができる。

一本実施形態のフィールド制御システムの構成を示すブロック図。高度制御装置の構成を示すブロック図。各アクセス状態における入出力データの取り扱い方法を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は、演算部からプラントに与えられる方向のデータの取り扱い方法を示す図、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）はプラントから演算部に与えられる方向のデータの取り扱い方法を示す図。演算部における演算アルゴリズムに変更、編集を加える場合の作業手順を示す図。複数の演算アルゴリズムを切り替え可能に構成された高度制御装置の構成を示すブロック図。アクセス状態切替スイッチにより設定可能なアクセス状態を示す図であり、（ａ）は第１の状態を示す図、（ｂ）は第２の状態を示す図。高度制御装置における演算アルゴリズムの切り替え動作を示すフローチャート。

以下、本発明によるフィールド制御システムの実施形態について説明する。

図１は、本実施形態のフィールド制御システムの構成を示すブロック図、図２は高度制御装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態のフィールド制御システムは、それぞれフィールド機器１，１，・・・が接続されてプラントに分散配置されるフィールドコントローラ２，２，・・・と、制御バス６を介してフィールドコントローラ２，２，・・・に接続され、フィールドコントローラ２，２，・・・を介してプラントの監視を行う監視ステーション３と、フィールドコントローラ２，２，・・・との間でデータの入出力を行い、それらのデータを用いた演算を実行することで、プラントを統括的に制御する高度制御装置４と、を備える。

高度制御装置４は通信バス７に接続され、制御バス６と通信バス７の間にＯＰＣステーション５が接続されている。ＯＰＣステーション５は、高度制御装置４とフィールドコントローラ２，２，・・・との間の通信時におけるゲートウェイとして機能する。

図２に示すように、高度制御装置４はフィールドコントローラ２，２，・・・およびＯＰＣステーション５を介して取得されるプラントからの出力データを用いた演算を実行する演算部４１と、演算部４１からプラントに入力されるデータおよびプラントから出力されたデータが逐次、書き込まれる入出力マッピングバッファ４２と、入出力マッピングバッファ４２における記憶領域の割り当て等を自動生成するバッファ作成部４４と、演算部４１における演算アルゴリズムを作成、編集するためのエンジニアリング用インタフェース４５と、演算部４１で使用するデータを格納する記憶部４６と、を具備する。

図２に示すように、入出力マッピングバッファ４２にはアクセス状態切替スイッチ４３が設けられている。アクセス状態切替スイッチ４３で設定可能な状態は、「フル・コントロール」、「リード・オンリー」および「オフ」の３種類である。これらの状態は、演算部４１とフィールドコントローラ２，２，・・・との間でやり取りされるデータごとに設定される。

図３は、アクセス状態切替スイッチ４３で設定される各状態における入出力データの取り扱い方法を示す図である。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、演算部４１からプラントに与えられる方向のデータの取り扱いを示している。

このうち、図３（ａ）は、アクセス状態切替スイッチ４３で設定される状態が「フル・コントロール」の場合を示している。この場合、演算部４１から出力されるデータによって逐次、入出力マッピングバッファ４２のデータが更新されるとともに、このデータがＯＰＣステーション５を介してフィールドコントローラ２に書き込まれる。したがって、演算部４１から出力されるデータは入力データとしてプラントに入力される。

一方、図３（ｂ）は、アクセス状態切替スイッチ４３で設定される状態が「リード・オンリー」または「オフ」の場合を示している。この場合、演算部４１から出力されるデータによって逐次、入出力マッピングバッファ４２のデータは更新される。しかし、このデータの読み出しが禁止され、フィールドコントローラ２へのデータ更新が停止される。したがって、演算部４１から出力されるデータは、実際には入力データとしてプラントに入力されないが、演算部４１は入出力マッピングバッファ４２に書き込んだデータをプラントに入力された入力データとして認識し、演算を行う。

図３（ｃ）〜（ｅ）は、プラントから演算部４１に与えられる方向のデータの取り扱いを示している。

このうち、図３（ｃ）は、アクセス状態切替スイッチ４３で設定される状態が「フル・コントロール」または「リード・オンリー」の場合を示している。この場合、フィールドコントローラ２から出力されるデータによって逐次、入出力マッピングバッファ４２のデータが更新されるとともに、このデータが演算部４１に逐次、与えられる。したがって、演算部４１に与えられるデータは、プラントからの実際の出力データを反映したものとなる。

また、図３（ｄ）は、アクセス状態切替スイッチ４３で設定される状態が「オフ」の場合を示している。この場合、フィールドコントローラ２から出力されるデータによる入出力マッピングバッファ４２のデータ更新が禁止される。したがって、演算部４１には更新停止直前のデータが常に与えられる。しかし、演算部４１は入出力マッピングバッファ４２から読み込まれたデータをプラントから与えられた出力データとして認識し、演算を行う。

アクセス状態切替スイッチ４３で設定される状態が「オフ」の場合、図３（ｅ）に示すように、更新が停止されている入出力マッピングバッファ４２のデータの値を強制的に設定値に設定することができる。この場合、演算部４１はこの設定値をプラントから与えられた出力データとして認識し、演算を行う。

図４は、演算部４１における演算アルゴリズムに変更、編集を加える場合の作業手順を示す図である。

まず、事前準備（ステップＳ１）として、エンジニアリング用インタフェース４５を用いて、演算部４１における演算アルゴリズムの変更、編集を行う（ステップＳ１１）。ただし、オンラインテストのためのオフラインファイル８（図２）が作成済みであれば、新たなエンジニアリングは不要である。次いで、エンジニアリング用インタフェース４５を用いて、演算部４１とフィールドコントローラ２，２，・・・との間でやり取りされる各データについてアクセス状態切替スイッチ４３の状態を登録する（ステップＳ１２）。ここでは、個々のデータごとに、あるいは適宜グループ化されたデータごとに、アクセス状態切替スイッチ４３の状態を登録することができる。ただし、オンラインテストのためのオフラインファイル８（図２）が作成済みであれば、この作業も不要である。

次に、オンラインテストの実行に際して、監視ステーション３を介する操作によりテスト実行（ステップＳ２）の作業を行う。まず、オンラインテストのテスト条件を設定する（ステップＳ２１）。ここでは、予め登録されているアクセス状態切替スイッチ４３の状態（ステップＳ１２）を用いて、オンラインテスト時の実際のアクセス状態を選択、設定することができる。このように、登録済みの設定情報を用いるので、簡単にテスト条件を設定できる。テスト条件が設定されると、バッファ作成部４４は設定されたテスト条件に合うように、入出力マッピングバッファ４２における記憶領域の割り当て、およびアクセス状態切替スイッチ４３の状態を自動設定する。

次いで、監視ステーション３を介する操作によりオンラインテスト（シミュレーション）を開始させる。

これにより、各データのアクセス状態を設定した状態で、オンラインテストを行うことができる。この場合、例えば、特定のデータのアクセス状態が「リード・オンリー」となっている場合には、そのデータがプラントに与えられることはないが、プラントの出力データ（例えば、温度、圧力等の計測値）を逐次、演算部４１に与えることはできるため（図３（ｃ））、演算部４１ではリアルタイムでシミュレーションを実行することができる。したがって、プラントに不都合を発生させることなく、システムのオンラインテストが可能となる。オンラインテストで問題が生じなければ、あるいはンラインテストで発見された不都合を解消後、各データのアクセス状態を「フル・コントロール」に切り替えることで、そのまま操業状態に移行できる。

以上のように、本実施形態のフィールド制御システムによれば、演算部４１とＯＰＣステーション５の間に入出力マッピングバッファ４２を配置し、入出力データのアクセス状態を切替可能としたので、テスト開始時の作業負担が大幅に軽減され、容易にオンラインテストを行うことができる。また、仮想的なタグの設定作業等も不要となるため、オンラインテスト時における不必要なデータアクセス（ＯＰＣステーション５あるいはフィールドコントローラ２へのアクセス）をなくすことができる。

また、演算部４１に強制的に設定値を与えることが可能となるため（図３（ｅ））、設定値の変更や条件（例えば計測値）の変更による影響をテストすることができる。

さらに、エンジニアリング用インタフェース４５を用いることによりオンラインテストの設定を行うことができ、プラントの現場における各部の設定作業が不要となる。このため作業負担が軽減されるとともに、誤設定を効果的に予防できる。

図５は、複数の演算アルゴリズムを切り替え可能に構成された高度制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図５において、図１または図２に示す要素と同一要素については同一符合を付している。

図５に示すように、高度制御装置４Ａは、フィールドコントローラ２，２，・・・およびＯＰＣステーション５を介して取得されるプラントからの出力データを用いた演算を実行する第１演算部４１ａおよび第２演算部４１ｂと、第１演算部４１ａおよび第２演算部４１ｂからプラントに入力されるデータおよびプラントから出力されたデータが逐次、書き込まれる入出力マッピングバッファ４２Ａと、を備える。

図５に示すように、第１演算部４１ａおよび第２演算部４１ｂは、それぞれオフラインファイル８ａおよびオフラインファイル８ｂに規定された演算を並行して実行している。オフラインファイル８ａおよびオフラインファイル８ｂに定義された演算で使用される入出力データは同一である。しかし、オフラインファイル８ａおよびオフラインファイル８ｂに定義された演算アルゴリズムには、互いに相違する部分がある。

図５に示すように、入出力マッピングバッファ４２Ａにはアクセス状態切替スイッチ４３Ａが設けられている。また、高度制御装置４Ａには、プラントの状態に応じてアクセス状態切替スイッチ４３Ａを切り替える条件判断部４６が設けられている。

図６は、アクセス状態切替スイッチ４３Ａにより設定可能なアクセス状態を示す図である。

図６（ａ）はアクセス状態切替スイッチ４３Ａにより設定可能な１つのアクセス状態を示している。この状態では、第１演算部４１ａは上記の「フル・コントロール」の状態にあり、第２演算部４１ｂは上記の「リード・オンリー」の状態にある。すなわち、第１演算部４１ａおよび第２演算部４１ｂはいずれも入出力マッピングバッファ４２Ａ（の異なる領域）にデータを書き込んでおり、それぞれ自らが書き込んだデータをプラントへの入力データとして認識して演算を実行している。しかし、実際にフィールドコントローラ２に入力されるのは、第１演算部４１ａ由来のデータであり、第２演算部４１ｂ由来のデータはプラントに反映されない。

一方、フィールドコントローラ２経由のプラントからのデータは、常時、入出力マッピングバッファ４２Ａのデータに反映されるとともに、第１演算部４１ａおよび第２演算部４１ｂはいずれも入出力マッピングバッファ４２Ａの当該データを読み込んでおり、いずれも実際のプラントからの出力データを認識し、演算を実行している。

図６（ｂ）はアクセス状態切替スイッチ４３Ａにより設定可能な他の１つのアクセス状態を示している。この状態では、第２演算部４１ｂは上記の「フル・コントロール」の状態にあり、第１演算部４１ａは上記の「リード・オンリー」の状態にある。すなわち、第１演算部４１ａおよび第２演算部４１ｂはいずれも入出力マッピングバッファ４２Ａ（の異なる領域）にデータを書き込んでおり、それぞれ自らが書き込んだデータをプラントへの入力データとして認識して演算を実行している。しかし、実際にフィールドコントローラ２に入力されるのは、第２演算部４１ｂ由来のデータであり、第１演算部４１ａ由来のデータはプラントに反映されない。

図７は、高度制御装置４Ａにおける演算アルゴリズムの切り替え動作を示すフローチャートである。

図７のステップＳ３１では、アクセス状態切替スイッチ４３Ａにより、アクセス状態を図６（ａ）に示す状態（第１の状態）に設定し、ステップＳ３２へ進む。

ステップＳ３２では、条件判断部４６において、所定の切り替え条件を満たすか否か判断する。ここでは、プラントが所定の状態になったか否か、例えば、所定のプロセス値（例えば、温度、圧力等の計測値）が所定値に到達したか否かを判断し、判断が肯定されればステップＳ３３へ進み、否定されればステップＳ３１へ戻る。

ステップＳ３３では、条件判断部４６においてアクセス状態切替スイッチ４３Ａを切り替え、アクセス状態を図６（ｂ）に示す状態（第２の状態）に設定し、処理を終了する。

このように、図５に示す高度制御装置４Ａでは、アクセス状態の切り替えにより、プラントに入力されるデータを第１演算部４１ａ由来のデータから第２演算部４１ｂ由来のデータに切り替えることができる。このため演算アルゴリズムの切り替えに伴う制御の中断が発生しない。また、演算アルゴリズムの切り替えに先立って、第２演算部４１ｂではプラントからの出力データを取得するとともに、その出力データと自らが出力するデータ（入力データ）を用いた演算処理を行い、演算結果を得ることができる。このため、演算アルゴリズムの切り替え時に、第２の演算部４１ｂはプラントの状態をほぼ正確に引き継ぐことができ、制御の連続性を確保することができる。

なお、図７の例では、条件判断部４６における条件判断に従ってアクセス状態を切り替えているが、アクセス状態を手動により第１の状態（図６（ａ））から第２の状態（図６（ｂ））に切り替えてもよい。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、プラントから出力された出力データに基づく演算により前記プラントに入力する入力データを生成することで前記プラントを制御する演算部を備えるフィールド制御システムに対し、広く適用することができる。

４１演算部
４１ａ第１演算部（演算部、第１の演算部）
４１ｂ第２演算部（演算部、第２の演算部）
４２，４２Ａ入出力マッピングバッファ（入力バッファ、出力バッファ）
４３，４３Ａアクセス状態切替スイッチ（入力状態切替手段、出力状態切替手段）

Claims

プラントから出力された出力データに基づく演算により前記プラントに入力する入力データを生成することで前記プラントを制御する演算部を備えるフィールド制御システムにおいて、
前記演算部から前記プラントに向けて入力するデータが逐次書き込まれる入力バッファと、
前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を許容する状態と、前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を禁止する状態とを切り替える入力状態切替手段と、
を備え、
前記入力状態切替手段で与えられる状態に依らず、前記演算部は、前記入力バッファに書き込まれた前記データを前記入力データとみなして前記演算を実行することを特徴とするフィールド制御システム。
前記プラントから前記演算部に向けて出力されるデータが逐次書き込まれる出力バッファと、
前記出力バッファへの前記データの書き込みによるデータ更新を許容する状態と、前記出力バッファへの前記データの書き込みによるデータ更新を禁止する状態とを切り替える出力状態切替手段と、
を備え、
前記出力状態切替手段で与えられる状態に依らず、前記演算部は、前記出力バッファに書き込まれたデータを前記出力データとみなして前記演算を実行することを特徴とする請求項１に記載のフィールド制御システム。
前記出力状態切替手段により前記データ更新が禁止された状態にある場合に、前記出力バッファに任意のデータを強制的に書き込む強制書込み手段を備えることを特徴とする請求項２に記載のフィールド制御システム。
プラントから出力された出力データに基づく第１の演算により前記プラントに入力する入力データを生成することで前記プラントを制御する第１の演算部と、前記プラントから出力された出力データに基づく第２の演算により前記プラントに入力する入力データを生成することで前記プラントを制御する第２の演算部と、を備えるフィールド制御システムにおいて、
前記第１の演算部または前記第２の演算部から前記プラントに向けて入力されるデータが逐次書き込まれる入力バッファと、
前記第１の演算部から前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を許容し、前記第２の演算部から前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を禁止する第１の状態と、前記第２の演算部から前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を許容し、前記第１の演算部から前記入力バッファに書き込まれる前記データの前記プラントへの入力を禁止する第２の状態と、を切り替える入力状態切替手段と、
前記入力状態切替手段で与えられる状態に依らず、第１の演算部および第２の演算部は、前記入力バッファに書き込まれた前記データを前記入力データとみなして前記演算を実行することを特徴とするフィールド制御システム。
前記入力状態切替手段は、前記プラントの状態に応じて前記第１の状態または前記第２の状態を選択することを特徴とする請求項４に記載のフィールド制御システム。