JP2013540317A - プロセス制御システムを仮想化するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

プロセス制御システムを仮想化するための方法および装置が説明される。説明されるプロセス制御システムは、１つまたは複数のサーバーを含むサーバークラスタを含む。動作時に、サーバークラスタは、仮想ワークステーションまたは仮想サーバー、その仮想ワークステーションまたはサーバーと相互運用し、かつプロセス制御動作を実施するための仮想コントローラ、およびその仮想コントローラと相互運用し、かつプロセス制御システム内の１つまたは複数のフィールド装置と結合するための仮想入力／出力装置を提供する。

Description

〔関連出願〕
本特許は、２０１０年９月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／３８６，８１０号の出願日の利益を主張し、その開示全体が参照によりその全体として本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、プロセス制御システムに関し、より詳細には、プロセス制御システムを仮想化するための方法および装置に関する。

化学、石油、または他のプロセスで使用されるような、プロセス制御システムは、一般に、少なくとも１つのホストまたはオペレータワークステーションと、および１つまたは複数のフィールド装置と、アナログバス、デジタルバスまたはアナログ／デジタル結合バスを介して、通信的に結合された１つまたは複数のプロセスコントローラ、および入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置を含む。フィールド装置は、例えば、バルブ、バルブポジショナ、スイッチおよび送信機（例えば、温度、圧力、および流量センサー）であり得るが、バルブの開閉およびプロセス制御パラメータの測定など、プロセス内のプロセス制御機能を実行する。プロセスコントローラは、フィールド装置によって行われたプロセス測定を示す信号を受信し、この情報を処理して制御ルーチンを実装し、そして、プロセスの動作を制御するために、バスまたは他の通信回線を経由してフィールド装置に送信される制御信号を生成する。このように、プロセスコントローラは、フィールド装置を通信的に結合するバスおよび／または他の通信回線を介してフィールド装置を用いて、制御方式を実行および調整し得る。

フィールド装置およびコントローラからのプロセス情報は、オペレータが、プロセスの現在の状態の表示（例えば、グラフィカルユーザーインタフェースを通じて）、プロセスの評価、プロセスの動作の変更（例えば、視覚的オブジェクト図を通じて）、など、プロセスに関して所望の機能を実行できるようにするため、オペレータワークステーション（例えば、プロセッサベースのシステム）によって実行される１つまたは複数のアプリケーション（すなわち、ソフトウェアルーチン、プログラムなど）に対して利用可能にされ得る。多くのプロセス制御システムは、１つまたは複数のアプリケーションステーションも含む。一般に、これらのアプリケーションステーションは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を介して、プロセス制御システム内のコントローラ、オペレータワークステーション、および他のシステムと通信的に結合されている、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、または同様のものを用いて実施される。各アプリケーションステーションは、プロセス変数の値、プロセスに関連する品質パラメータの値、プロセス障害検出情報、および／またはプロセス状態情報を含むプロセス制御情報を表示するグラフィカルユーザーインタフェースを含み得る。

プロセス制御システム例は、１つまたは複数のサーバーを含むサーバークラスタを含む。サーバークラスタは、動作時に、仮想ワークステーションまたは仮想サーバー、仮想ワークステーションまたは仮想サーバーと相互運用し、かつプロセス制御動作を実施するための仮想コントローラ、および仮想コントローラと相互運用し、かつプロセス制御システム内の１つまたは複数のフィールド装置と結合された仮想入力／出力装置を提供する。

プロセス制御システムの別の例は、マルチコア処理装置を含む。マルチコア処理装置は、動作時に、ワークステーションまたはサーバーと相互運用し、かつプロセス制御動作を実施するための仮想コントローラ、および仮想コントローラと相互運用し、かつプロセス制御システム内の１つまたは複数のフィールド装置と結合された仮想入力／出力装置を提供する。

プロセスシステムを制御するための方法例は、仮想ワークステーションまたは仮想サーバーを確立すること、仮想ワークステーションまたは仮想サーバーと相互運用し、かつプロセス制御動作を実施するために仮想コントローラを確立すること、および仮想コントローラと相互運用するための仮想入力／出力装置を確立することを含む。

周知の制御システムアーキテクチャを示す。 リモート部分を有する周知の制御システムアーキテクチャを示す。 完全に統合されたプラント機能を含む、別の周知の制御システムアーキテクチャを示す。 完全に統合されたプラント機能を含む、別の周知の制御システムアーキテクチャを示す。 別の周知の制御システムアーキテクチャを示す。 デジタル制御システムの物理的態様を示す。 デジタル制御システムの物理的態様を示す。 制御システムとともに使用され得る、ディスプレイ、制御方式および警報構成を示す。 ワークステーションおよび／またはサーバーを仮想化する方法例を示す。 制御システムが仮想化され得る方法例を示す。 図８に示す仮想化を実行するために使用され得るアーキテクチャ例を示す。 図８に示す仮想化を実行するために使用され得るアーキテクチャ例を示す。 仮想化制御システムの物理的態様を示す。

以下は、他のコンポーネントの中でとりわけ、ハードウェア上で実行されるソフトウェアおよび／またはファームウェアを含む、方法および装置の例を説明するが、これらの例は例示にすぎず、制限するものと見なすべきでないことに留意すべきである。例えば、ハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェアコンポーネントの一部または全部は、全てハードウェアだけ、全てソフトウェアだけ、またはハードウェアとソフトウェアの任意の組合せで実施できると考えられる。その結果、以下は方法および装置の例を説明するが、当業者であれば、提供される例は、かかる方法および装置を実施する唯一の方法ではないことが容易に理解されるであろう。

マルチコア処理装置、商用のオペレーティングシステム、およびネットワーキングなどのコンピュータアーキテクチャにおける技術進歩の組合せは、効果的で、管理しやすい、仮想化コンピューティング環境の発展を可能にしている。かかる仮想化環境は、費用を削減し、システムの動作可能時間を増やすために情報技術部門によって使用されてきた。仮想化環境でホストされているサーバーおよびクライアントを実行する集中型コンピューティング資源へのシフトがうまく確立されているが、かかる仮想化環境を製造環境、すなわち、より一般には、プロセス制御システム、および、とりわけリアルタイム組込み環境に適用するためのアーキテクチャが利用可能になっている。

本明細書に記載する方法および装置の例は、組込み処理装置を採用するかかる環境またはシステムを含む、プロセス制御環境またはシステム全体を仮想化するために使用され得る。すなわち、本明細書に記載する方法および装置の例は、ワークステーション、サーバー、コントローラ、入力／出力装置、およびフィールド装置が１つまたは複数のサーバーを有するサーバークラスタを用いて仮想化できるようにするプロセス制御システムアーキテクチャを提供し得る。従って、プロセス制御システム全体は、かかる仮想化環境またはアーキテクチャ内で実施され得、それにより、プロセス制御システムの柔軟性および頑強性を著しく改善する。例えば、保守目的でプロセス制御システムの動作中に、サーバーの故障に応答して、そうでなく、サーバーをシャットダウンする必要性、サーバークラスタ内の資源のバランスをとる必要性などに応答して、プロセス制御システムの任意の仮想化部分が、サーバークラスタ内の１つのサーバーから別のサーバーまたは複数のサーバーに容易に移行できる。かかる移行は、いかなるデータ損失もなく、また、例えば、仮想化オペレータインタフェースと、入力／出力装置および／またはコントローラなどのプロセス制御システムの他の仮想化部分との間の通信を中断する必要もなく、起こることができる。さらに、サーバークラスタのサーバーは、同一場所に配置され得るか、および／または異なる地理的地域にあり得る。

特定の一例では、プロセス制御システムは、１つまたは複数のサーバーを含むサーバークラスタで実施され得、そこでは、サーバークラスタは、動作時に、仮想ワークステーションまたは仮想サーバー、仮想ワークステーションまたはサーバーと相互運用し、かつ、プロセス制御動作を実施する仮想コントローラ、および仮想コントローラと相互運用し、かつ、プロセス制御システム内の１つまたは複数のフィールド装置と結合された、仮想入力／出力装置を提供する。仮想ワークステーションは、例えば、オペレータインタフェース、診断インタフェースまたは構成インタフェースなどの、プロセス制御システムに対するユーザーインタフェースを提供し得る。仮想サーバーは、例えば、データ記憶もしくは収集、構成機能、計算機能、または別のシステムへのインタフェースなど、プロセス制御システムに対してバックエンドサービスを提供する。

サーバークラスタのアーキテクチャは、仮想ワークステーションまたはサーバー、仮想コントローラ、および仮想入力／出力装置の各々に対応するゲストオペレーティングシステムと相互運用する少なくとも１つの仮想マシンサーバーを採用し得る。追加として、アーキテクチャは、ゲストオペレーティングシステムのためにデータを格納するストレージエリアネットワークを含み得る。ユーザーは、パーソナルコンピュータ、別のワークステーション、またはシンクライアント装置を用いて実施されたリモートデスクトップサービスを通じて仮想ワークステーションまたはサーバーにアクセスし得る。さらに、ワークステーション、サーバー、コントローラおよび入出力装置の仮想化に加えて、アーキテクチャは、フィールド装置を仮想化するためにも使用され得、それにより、シミュレーションおよび／または任意の他のテストを容易にする。

前述のアーキテクチャ例は、組込みシステムで使用するために拡張され得、代替または追加として、仮想ワークステーションもしくはサーバー、仮想コントローラおよび／または仮想入力／出力装置が、１つまたは複数のマルチコア処理装置で実施され得る。

プロセス制御システムを仮想化するための方法および装置の例をより詳細に説明する前に、図１、図２、および図３に関連して、デジタル制御システム（ＤＣＳ）について以下で説明する。ＤＣＳは、集中的なトレーニングおよび設計活動のために主に使用される、スタンドアロンラップトップから、プラント全体を制御するためのマルチゾーン構成に及ぶ構成において配備される。いくつかの場合には、ＤＣＳは、例えば、オンショア（ｏｎｓｈｏｒｅ）動作をカバーするシステムの一部および何キロも離れた（ｏｆｆｓｈｏｒｅ）プラットフォームを制御するオフショアコンポーネントを備えた広い地理的地域にわたって拡張し得る。いくつかのプロセスプラントでは、ＤＣＳは、検査データ、スケジューリング、保守システムなどへのリアルタイムアクセスを提供するビジネスシステムと統合される。

図１は、周知の制御システム１００を示す。図１に示すように、ワークステーションおよびサーバー１０２は、オペレータインタフェース、保守、履歴データ収集、プラントネットワークとの統合を含む、様々な機能を提供する。多くの場合、ユーザーは、例えば、仮想プライベートネットワーク（ＶＰＮ）接続を介して、ターミナルサービスを使用する、シンクライアント１０４を通じて、ＤＣＳへのリモートアクセスが提供される。これらの接続は、１つまたは複数のターミナルサーバー１０６を通じて接続し得、一般に、シンクライアント接続と呼ばれ得る。

いくつかの例では、システム１００の一部は、メインの制御システムからリモートであり得る。これらのリモート操作を接続するネットワークは、イーサネット（登録商標）バックホール、電話回線、ケーブル、ファイバ、マイクロ波、および／または衛星を経由した通信回線を含み得る。セキュリティ、サンプリング時間、および信頼性は、通常、かかるリモート接続に対して考慮される。

図２は、リモート操作を伴う別の周知の制御システム２００を示す。多くの場合、ＤＣＳは、プラント操作全体に完全に組み込まれ得、また、ＤＣＳ、安全システム、バーナー管理、およびマシン健康機能が統合されるのは珍しいことではない。

図３Ａおよび図３Ｂは、プラント機能を完全に統合したシステム３００を示す。図３Ａおよび図３Ｂに示すような分散制御システムは、ワークステーションおよびサーバー、コントローラ、入力／出力装置、フィールド装置、制御技術、およびプラントデータヒストリアン（ｐｌａｎｔ ｄａｔａ ｈｉｓｔｏｒｉａｎ）などのアプリケーションから構成される。以下でさらに詳述するように、図３Ａおよび図３Ｂのシステム例は、本明細書に記載する方法および装置の例によって仮想化され得る。システム例３００を仮想化すると、他のタスクの中で特に、プロセス制御担当者が、システム構成をシミュレートおよびテストできるようになる。さらに、システム例３００の仮想化は、障害復旧を改善し得る。例えば、仮想化システムをホストしている資源が、ハリケーンによる影響を受けると予期される地域に配置されている場合、異なる場所にある他の資源が、その仮想化システムをホストするために使用され得、それによってハリケーンからのシステムダウン時間を防ぐ。追加として、システム例３００の仮想化は、システムシナリオが、物理的なシステムアップグレードの前に、テストできるようにする。

周知のプロセス制御システムアーキテクチャ４００を図４に示す。図４に示すように、アーキテクチャ４００は、ワークステーションならびにサーバー４０２および４０４を含む。ワークステーション４０２は、オペレータインタフェース、診断、および／または構成などのユーザーインタフェース機能をサポートし得る。サーバー４０４は、データ収集および記憶、構成、計算、および外部システムへのインタフェースなどのバックエンド機能をサポートする。

プロセスに対するオペレータインタフェースは、通常、ワークステーション４０２およびサーバー４０４、キーボード、マウス、ならびに液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）モニターを含むか、または伴う。例えば、制御の幅広い表示および範囲を提供するために、複数のモニターが様々な配置で使用され得る。プラントの概観表示をサポートするために、大型のＬＣＤモニターが使用され得る。さらに、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標） Ｓｅｒｖｅｒ ２００８およびＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標） ７などの周知のオペレーティングシステムが、これらのシステムに対する、製造業者が利用可能な幅広いサポートのために、利用され得る。

プロセス条件をモニターし、プロセス動作の設定点を操作するためにオペレータが使用する装置が、中央制御室に配置され得るか、または装置に近いプラントのフロア上に分散され得る。これらの場所から、オペレータは、処理地域から送信され、オペレータのディスプレイ上に表示された情報を見ることができ、かつ、オペレータに対する適切なセキュリティ特権を前提として、入力装置から制御状態を変更することができる。

オペレータ表示アプリケーションは、通常、１つまたは複数のワークステーション４０２においてシステム全体ベースで実装され、プラント内の制御システムまたは装置の動作状態に関して、事前構成された表示をオペレータまたは保守要員に提供する。通常、これらの表示は、プロセスプラント内のコントローラ４０６および４０８または装置４１０によって生成された警報を受信する警報要約表示、プロセスプラント内のコントローラおよび他の装置の動作状態を示す制御表示、プロセスプラント内の装置の動作状態を示す保守表示など、の形式をとる。

表示は、関連するグラフィックを有するオブジェクトの使用を通じて作成され得る。オブジェクトは、例えば、タンクが半分満たされていることを示すため、流量センサーによって測定された流量を示すため、など、受信したデータに基づいてディスプレイ画面上にグラフィックを動画化し得る。表示用の情報はプロセスプラント内の装置または構成データベースから送信されるが、情報は、ユーザーにその情報を含む表示を提供するために使用される。結果として、警報の生成、プラント内の問題の検出などに使用される全ての情報およびプログラミングは、プロセスプラント制御システムの構成中に、コントローラおよびフィールド装置など、プラントに関連する異なる装置によって生成され、それらの内部で構成され得る。

プロセス制御システム命令のプログラミングは、物理構成、制御方式構成、表示構成、および履歴データ収集構成など、いくつかの構成活動を伴う。これらの活動は、通常、並行して実行され、次いで、プロセス制御システムが設計されるときに統合される。構成データベースは、ユーザー（例えば、プラントオペレータ）が制御方式を作成および変更でき、これらの方式を、制御ネットワーク４１２を介して分散コントローラ４０６および４０８、コンソール、ならびに装置４１０にダウンロードできるようにする。通常、制御方式は、入力に基づき制御方式内の機能を実行する、相互接続された機能ブロック、ＳＦＣ、装置および単位表現から構成され、制御方式内の他の機能ブロックおよび／または入力／出力装置に出力を提供する。構成アプリケーションはまた、データをオペレータに対して表示し、オペレータがプロセス制御システム内の設定を変更できるようにするために、表示アプリケーションによって使用されるオペレータインタフェースを、設計者が作成または変更できるようにする。コントローラ４０６および４０８、ならびに、いくつかの場合には、フィールド装置４１０の各々は、実際のプロセス制御機能を実施するために割り当てられ、ダウンロードされた制御モジュールを実行するコントローラアプリケーションを格納および実行する。ＦＤＡ認証を必要とするものなど、既定されているか、および／または非常にクリティカルなプロセス制御アプリケーションに対して、構成はバージョン管理され得る。バージョンおよび監査証跡アプリケーションは、全ての変更、誰が変更を行ったか、いつ変更が行われたかを記録する。

ＤＣＳは、バッチデータ、連続的データ、およびイベントデータを収集する機能も含む。中央で定義された履歴データベースは、履歴データの格納に利用され得る。任意の属性値、任意の制御方式の警報、警告、またはプロセス条件が、その状態とともに履歴データベースに記録できる。最新の制御システムでは、データ値が、システムの統合機能として収集される。イベントが収集され、それらの源でタイムスタンプが押される。例えば、データが収集され得、数ミリ秒の分解能で記録され得る。ユーザーおよびレイヤードアプリケーション（ｌａｙｅｒｅｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）は、バッチデータ、連続的データ、およびイベントデータを時間順で取り出すことができる。セキュリティ上の理由から、値は、監査証跡を残すことなく、編集し得ない。

セキュリティは、一般に、ＤＣＳアーキテクチャの一部である。ＤＣＳは、ユーザー、プラント地域、単位、およびワークステーションによってユーザーが何を行うことができるかを管理する。レイヤードアプリケーションは、それらがシステムへのアクセスを許可される前に、認証され得る。ＤＣＳ内のセキュリティは、ユーザーおよびレイヤードアプリケーションのためのＤＣＳへのアクセスが、それにより、ユーザーアカウントを保護するパスワードの使用を通して制御される、認証プロセスを伴い得る。ＤＣＳセキュリティは、ＤＣＳのユーザーに、アクセスするためにシステム上にユーザーアカウントをもつことを要求すること、全てのユーザーアカウントを命名すること、サイトの範囲内で全てのユーザーアカウントに一意の名前を提供すること、およびＤＣＳセッションを開始するために、全てのユーザーに、アカウント名とともに提供されるパスワードをもつことを要求すること、などのユーザー関連の態様も伴い得る。その上さらに、ＤＣＳセキュリティは、ユーザーアカウントに基づき、プロセス制御プラント内のゼロ以上の地域で変更を行うためにアクセスを許可することまたは拒否することなどの、プラント地域セキュリティ態様を伴い得る。アクセスが許可される各プラント地域に対して、アクセスは、実行時属性データの分類に従って実行時に制限でき、変更できる。アクセスが許可される各プラント地域に対して、構成変更を行う機能が制限できる。ユーザーアカウントは、ユーザーアカウントおよび特権情報を表示または変更するためのアクセスも、許可または拒否できる。いくつかのシステムでは、承認を可能にすることもできる。これらの場合、１人または複数のユーザーは、あるパラメータの変更、バッチの開始／終了などを、パスワードによって確認し得る。

統合された診断は、ＤＣＳの特徴であり得る。かかる診断は、ＤＣＳの、ハードウェア、冗長性、通信、制御、および、ある程度、ソフトウェアをカバーし得る。

制御ネットワーク４１２は、コントローラ４０６および４０８、リモート入力／出力、ならびにワークステーション４０２およびサーバー４０４を接続するために使用される。プロセス警報および値の決定論的通信を提供するために、いくつかのＤＣＳシステムは固有ネットワークを使用する。しかし、これらは、ほとんどのプロセス制御システムでは、１０Ｍｂｐｓ、１００Ｍｂｐｓ、および１Ｇｂｐｓの通信速度で動作する安価なイーサネット（登録商標）インタフェースによって大部分が置き換えられている。

制御ネットワーク上のネットワークの分割は、スイッチ４１４および４１６を用いて達成される。標準的なスイッチは、組込みのファイアウォール機能を備えたスマートスイッチに取って代わられている。スマートスイッチを備えた制御ネットワーク４１２を設計することにより、制御システムの保護およびトラフィックの流れの管理の両方が可能になる。制御ネットワーク４１２の信頼性を向上させるため、制御ネットワーク４１２は、冗長スイッチ、冗長イーサネット（登録商標）カード、および／または冗長ネットワークケーブル配線を含み得る。

コントローラ４０６および４０８は、アナログバス、デジタルバス、またはアナログ／デジタル結合バスを介して、フィールド装置４１０と接続される。フィールド装置４１０は、例えば、バルブ、バルブポジショナ、スイッチおよび送信機（例えば、温度、圧力、レベル、および流量センサー）であり得、プロセス環境内に配置されて、バルブの開閉、プロセス制御パラメータの測定などの、プロセス機能を実行する。入力／出力バスプロトコルに準拠するフィールド装置などのスマートフィールド装置も、制御計算、警報機能、および他の制御機能を実行し得る。コントローラ４０６および４０８は、制御方式を実施し、それは、フィールド装置４１０から測定値を読み取り、制御機能を実行し、プロセスの動作を制御するために、通信回線を経由してアクチュエータ、モーターなどに信号を送信する。

フィールド装置４１０ならびにコントローラ４０６および４０８からの情報は、制御ネットワーク４１２を通じて、オペレータワークステーション４０２、データヒストリアン４０４、報告書作成プログラム、集中型データベースなどに対して利用可能にされる。これらのノードは、例えば、プロセス制御ルーチンの設定の変更、コントローラ４０６および４０８またはフィールド装置４１０内の制御モジュールの動作の変更、プロセスの現在の状態の表示、フィールド装置４１０ならびにコントローラ４０６および４０８によって生成された警報の表示、担当者のトレーニングまたはプロセス制御ソフトウェアのテストのためのプロセス動作のシミュレーション、構成データベースの維持および更新など、プロセスに関する機能をオペレータが実行できるようにし得るアプリケーションを実行する。

制御システムの配置を開発するために使用され得る１つのアプローチは、例えば、化学反応器および蒸留塔を同じ物理コントローラ内に配置することなど、入力／出力装置をプロセスの単位および単位操作とともに維持することを伴う。このアプローチが選択される場合、プロセスは、コントローラ４０６、４０８が機能している限り、制御下に置かれている。このシナリオの信頼性を高めるため、コントローラ４０６、４０８および入力／出力モジュール、カードまたは装置４１８が冗長化できる。コントローラ４０６および４０８は、「Ｔｅｒｒｙ Ｂｌｅｖｉｎｓ， Ｍａｒｋ Ｎｉｘｏｎ． Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌｏｏｐ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ − Ｂａｔｃｈ ａｎｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ， Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｐａｒｋ： ＩＳＡ，２０１０」でさらに説明されており、その全体が参照により組み込まれる。

入力／出力カードまたは装置４１８は、様々なフィールド測定値およびアクチュエータに対処し得る。入力／出力カードまたは装置のタイプの例には、（１）アナログ入力（絶縁した）１〜５ボルトＤＣ、４〜２０ｍａ、（２）アナログ出力４〜２０ｍＡ、（３）絶縁したＲＴＤ入力（２、３、または４線）および熱電対入力（Ｂ、Ｅ、Ｊ、Ｋ、Ｎ、Ｒ、Ｓ、Ｔ）、（４）離散入力２４ ＶＤＣ、１２０／２３０ ＶＡＣ、（５）離散出力２４ ＶＤＣ、１２０／２３０ ＶＡＣ、（６）パルス計数入力、ならびに（７）パルス期間出力を含む。

デジタル送信機およびアクチュエータは、様々な利用可能な通信プロトコルおよび物理インタフェースを使用し得る。通信インタフェースカードの例には、（１）ＨＡＲＴ ＡＩカード、４〜２０ｍＡ、（２）ＨＡＲＴ ＡＯカード、４〜２０ｍＡシリーズ、（３）ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ（ボーレート１２５ ２５０ ５００キロビット／秒）、（３）ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ、（４）ＡＳ−Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、（５）Ｐｒｏｆｉｂｕｓ ＤＰボーレート（９．６ １９．２ ９３．７５ １８７．５ ５００ １５００キロビット／秒）、および（６）シリアルインタフェース（ＭｏｄｂｕｓまたはＡｌｌｅｎ ＢｒａｄｌｅｙのＤａｔａ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｐｌｕｓプロトコル）を含む。

さらに、いくつかの製造業者は、特別な要件を満足するために、入力／出力カードを提供し得る。例えば、一連のイベント（ＳＯＥ：Ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｅｖｅｎｔｓ）入力カードが、フィールド内の装置から直接受信したプロセスアップセットイベントを捕捉するために使用される。イベントが捕捉され、ＳＯＥ入力カード上に一時的にローカルに格納されるので、カード上の各チャネルに対するより迅速な記録が可能になる。例えば、ＳＯＥ入力カードによって捕捉されたイベントは、１／４ミリ秒の分解能を用いて、タイムスタンプが押される。

入力および出力終端は、電子取付けフレームの一部であり得るか、または別個の端子盤上であり得る端子で行われる。端子盤の場合には、端子盤と電子コントローラファイルとの間のケーブル接続が使用され得る。接続は、キャビネットの前面から行われ得る。あるいは、端子板の列で充填された別個の終端キャビネットが使用され得る。この代替アプローチは、終端キャビネットからリモートコントローラキャビネット内の端子への追加の配線を伴うが、分散制御ハウジングが供給されてインストールされる前に、フィールド配線が完了できるようにする。

アナログ入力および出力信号は、銅線のシールド付きツイストペアで伝達され得る。１２０ボルトＡＣまたは２４ボルトＤＣのいずれかの、デジタル入力および出力は、ツイストペアで伝達でき、それは、シールドする必要がない。アナログ信号は、交流配線に近接して実行されない可能性がある。多くのコントローラは、１〜５ボルトの直流（ＤＣ）信号を処理するように構成される。従って、しばしば使用される１つの入力は４〜２０ｍＡ電流信号であり、それは、入力端子盤上に取り付けられた２５０オームの抵抗にわたって１〜５ボルトの入力を発展させる。いくつかの分散制御システムは、ＲＴＤおよび熱電対から低レベル信号を受け付けることができ、それらの入力電子回路内で信号増幅を実行できる。いくつかのシステムは、タービン流量計からの信号が直接使用できるようにするため、十分に高い周波数をもつパルス入力を受け付けることができる。

ほとんどの供給業者は、信号のいくつかの調節を提供する。平方根をとること、熱電対および抵抗温度計から導出された信号を線形化すること、およびノイズの多い入力を抑制することが、構成によって選択できる。いくつかの入力／出力ボードは、正電圧を２線送信機に供給するために使用できる、ヒューズ付きの２４ボルトＤＣ電力をもつ端子を提供する。

別個の端子盤が、デジタル入力および出力信号に対しても供給され得る。これらの信号に対する光分離が提供され得る。ＤＣ入力信号（または整流した交流（ＡＣ）入力信号）が、絶縁リレー内の発光ダイオード（ＬＥＤ）を通電させる。ＬＥＤから通電された光電デバイスは、デジタル入力を信号送信するために、トランジスタ‐トランジスタ論理（ＴＴＬ）入力回路内のトランジスタを作動させる。デジタル出力信号は、ＤＣ出力用のトランジスタ駆動回路またはＡＣ出力用のトライアックを作動させるために、同様に絶縁される。出力がそこから生成されるソリッドステートリレーが、ドライ接点と同様に機能し、出力が別個の電力源から電力供給される。

冗長性に対する要求および入力／出力処理に対するインタフェースは、プロセスコントローラに対するカスタムハードウェア設計という結果になり得る。通信および入力／出力処理ならびに制御実行に対処するため、複数のプロセッサがしばしば使用される。また、組込みアプリケーションのためのリアルタイムオペレーティングシステムが、決定性スケジューリングおよび制御システムの実行を提供するために使用され得る。

「装置（ｄｅｖｉｃｅ）」という用語は、総称して、流量計などの送信機およびバルブなどの最終制御要素を指し得る。スマート装置は、測定データおよび診断情報の両方を提供する。診断情報は、装置の健康状態、および、ある程度、装置がモニタリングしているプロセスの健康状態をモニターするために使用できる。システム全体を確実に実行できるようにするため、情報が継続的にモニタリングされ得る。

ローカル制御バスを含む装置に接続し、それらと通信するための様々な方法がある。制御バスインタフェースを備えた装置は、制御バスと直接接続することができる。かかる装置には、フロー計算機、ガスクロマトグラフ、アンチサージ（ａｎｔｉ−ｓｕｒｇｅ）制御システム、および他の複雑なフィールド装置を含む。代替として、フィールドバスが使用され得る。フィールドバス機能を備えた装置は、ＤＣＳコントローラまたはリンク装置（ゲートウェイ）を用いて接続できる。フィールドバスには、Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｈ１、ＨＡＲＴ、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、およびＡＳｉ（Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を含む。Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｈ１およびＰｒｏｆｉｂｕｓは、主に連続信号に対して使用されるが、ＡＳｉは「オンオフ制御」または「オンオフモニタリング」に従うフィールドセンサーおよびアクチュエータ（近接スイッチ、開閉弁、およびオンオフインジケータなどの、２状態フィールド装置）をネットワークで結ぶために使用される。さらなる代替手段では、従来型の入力／出力が使用され得る。例えば、ＨＡＲＴを備えた４〜２０ｍＡ電流ループが使用され得る。ＨＡＲＴプロトコルは、装置内の構成および診断がプラントシステムによって利用できるようにする。装置については、「ＭｃＭｉｌｌａｎ，Ｇｒｅｇｏｒｙ Ｋ．Ｅｓｓｅｎｔｉａｌｓ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｆｉｎａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ：Ａ Ｇｕｉｄｅ ｔｏ Ｄｅｓｉｇｎ， Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ， Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ， Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｐａｒｋ： ＩＳＡ，２０１０」でさらに説明されており、その全体が参照により組み込まれる。

周知のＤＣＳ構成の物理的態様を図５Ａおよび図５Ｂに示し、ディスプレイ、制御方式、および警報構成を図６に示す。

構成システムの一部として、実際の機器上に配備する前に、構成をテストすることは必要であり得るかまたは望ましい。かかるテストを達成するために、様々な技法が使用されてきた。例えば、構成は、仮想コントローラまたはシミュレートされたコントローラ上でテストされ得る。しかし、前述した周知のシステムおよび技法では、かかるテストは、相当量の追加の作業という結果になり、仮想化の極めて限られた本質のために、システムの全体的な性能をテストし得ない。プロセスを動的にシミュレートするために、いくつかの形式の動的プロセスシミュレーションが使用されてきた。大多数の場合、プロセスを表すために、特別に構成された制御方式を使用することは可能である。これらのプロセスシミュレーションは、コントローラ内で、またはアプリケーション／統合ステーションの一部である仮想コントローラ内で実行できる。

本明細書に記載するプロセス制御システムを仮想化するための装置および方法の例が、プロセス制御システムのコア機能および特徴を変更することなく、採用され得る。代わりに、本明細書に記載する装置および方法の例が、機能および特徴を基本的なハードウェアから分離する、プロセス制御システムアーキテクチャを実施するために使用され得る。その際に、本明細書に記載する装置および方法の例ならびにそれによって提供されるＤＣＳアーキテクチャが、制御システム全体、または制御システムの一部が単一サーバーまたはサーバーのクラスタ上で実施（例えば、実行）できるようにする。

本明細書に記載する方法および装置の例に従って実施されたアーキテクチャ例を図７、図８、図９および図１０に示す。これらの図に示すように、仮想化は、ゲストオペレーティングシステム、または複数のゲストオペレーティングシステムがサーバーのクラスタ上で動作できるようにする。仮想化プロセス制御システムまたは環境は、中央処理装置（ＣＰＵ）、ストレージ、およびネットワーキングなどのインフラストラクチャコンポーネントの集合をシームレスで動的な動作環境に結合する。仮想化システムまたは環境は、ＣＰＵ、メモリ、ストレージ、およびネットワーキングなどのハードウェアおよびインフラストラクチャ資源の抽象化、統合、および割当てを行う、インフラストラクチャサービスを含む。仮想化システムまたは環境は、アプリケーションに対する可用性、セキュリティ、およびスケーラビリティを確実にする、アプリケーションサービスも含む。仮想化システムまたは環境は、仮想化環境に対して単一制御点を提供する、管理サービスをさらに含む。本明細書に記載するアーキテクチャ例を実施するために適用または適合され得る仮想化技術が、「ＶＭｗａｒｅ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ＶＭｗａｒｅ ｖＳｐｈｅｒｅ，Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，ＣＡ，２００９」および「ＶＭｗａｒｅ，ＥＳＸｉ Ｉｎｓｔａｌｌａｂｌｅ ａｎｄ ｖＣｅｎｔｅｒ Ｓｅｒｖｅｒ Ｓｅｔｕｐ Ｇｕｉｄｅ，Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，ＣＡ，２００９」で大まかに説明されており、その全体が参照により組み込まれる。

図７は、ワークステーションおよび／またはサーバー７００を単一のホストコンピュータ７０２に仮想化する方法例を示す。図７に示すように、複数のシンクライアント７０４がホストコンピュータ７０２とＬＡＮで通信的に結合され得る。加えて、図７に示すように、ホストコンピュータ７０２内のソフトウェア７０８が、仮想ワークステーション７１２とオペレーティングシステム７１４およびハードウェア７１６の層との間に入る、仮想マシン（ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｃｈｉｎｅ）サーバー層７１０を提供するために構築される。仮想ワークステーション７１２の各々は、アプリケーションがその中で実行されるカプセル化したアプリケーションおよびオペレーティングシステムを含む。従って、このように、ワークステーション７００が、単一のホストコンピュータ（例えば、コンピュータ７０２）内で動作するように統合され得る。

図８は、制御システム８００が仮想化され得る方法例を示す。入力／出力装置８０２の仮想化が、参照８０４に対応するシステムで示されている。参照８０８に対応するシステム内で示されているように、コントローラ８０６が、追加または代替として仮想化され得る。同様に、ワークステーション８１０が、参照８１２に対応するシステム内で示されているように、追加または代替として仮想化され得る。その上さらに、図８では示されていないが、フィールド装置が追加または代替として同様に仮想化され得る。入力／出力装置８０２、コントローラ８０６、およびワークステーション８１０の仮想化の結果として生じた様々なソフトウェア層が、参照８１４に対応するブロック内に示されている。

図８の仮想化環境に対するアーキテクチャを、図９および図１０にさらに示す。図９および図１０に示すように、仮想ワークステーションまたはサーバー９００が、１つまたは複数のサーバーを有する物理サーバーのクラスタ９０２上で実行される。ストレージエリアネットワーク９０４は、物理サーバーのクラスタ９０２上で実行しているゲストオペレーティングシステムに対して共通のストレージを提供する。サーバーのクラスタ９０２は、オペレータステーションおよび構成ステーションなどのゲストワークステーションまたは仮想デスクトップ９０６ならびにゲストサーバーまたは仮想化サーバー９００（ＰＲＯＰｌｕｓおよびアプリケーションステーションなど）がその中で実行され得る環境を提供する。ユーザーは、リモートデスクトップサービス９０８を通じてサーバーおよびクライアントにアクセスし得、それらのサービスは、ユーザーのラップトップ、ワークステーションまたはシンクライアント装置から起動し得る。クラスタ９０２は、画像を格納するためにも使用され得、それらは、物理デスクトップ９１０に流れ出され得る。この場合、クラスタ９０２は、物理ハードドライブ上に格納されている物理画像を管理するために使用され得る。

さらに、図１０に示すように、コントローラ９１２およびＣＩＯＣ ９１４も仮想化され得る。この場合、コントローラおよびＣＩＯＣは仮想化され、クラスタ９０２上で稼働し、そして、フォールトトレラント（ＦＴ）モードで稼働する場合、専用ハードウェア内で稼働する場合と同じ信頼性を提供する。

図１１は、仮想化制御システムの物理的態様を示す。具体的には、クラスタ化サーバー１１００、アクティブディレクトリおよびドメインコントローラ１１０２、ワークステーション１１０４、仮想マシンソフトウェア１１０６ならびにワークステーションテンプレート１１０８の階層的配列を示す。

制御システムを仮想化するため、インフラストラクチャバスが、分散システム、コントローラ、および／または他の分散プロセス制御コンポーネントを同期化するために使用され得る。システム、コントローラ、および／または他の分散プロセス制御コンポーネント上で動作するプロセスが移行される例では、本明細書に記載する方法および装置の例は、非同期および／または同期のメモリ状態および／またはデータ状態の転送を使用し得る。例えば、１つのセットのコントローラの動作を別のセットのコントローラに転送するため、コントローラのディスクおよび／またはメモリ状態が、最初は非同期に転送され得る。次いで、最初のディスクおよび／またはメモリ転送の後、コントローラのセットが、転送するデータの総量を削減するため、および／または転送時間を短縮するために、任意の最適化ルーチンを用いて、残りのディスクおよび／またはメモリ状態を同期して転送し得る。このように、第１のセットのコントローラのディスクおよび／またはメモリ状態に対する変更が、第２のセットのコントローラに伝搬される。実質的に全てのメモリ状態および／またはディスク状態が転送された後、本明細書に記載する方法および装置の例は、トラフィックを第２のセットのコントローラに経路指定し、第１のセットのコントローラを停止し、そして、残りのメモリおよび／またはディスク状態を第２のセットに転送し得る。

他の例では、本明細書に記載の方法および装置は、プロセスを転送するために、冗長システム、コントローラ、および／または他の分散プロセス制御コンポーネントを使用し得る。これらの例では、任意のプロセスが、システム、コントローラ、および／または他の分散プロセス制御コンポーネント間で、コンピューティング負荷および／またはクライアント要件変更として、実質的にシームレスに転送され得るように、冗長バックプレーンが仮想化スイッチによって利用され得る。

マルチコア技術は、半導体メーカーが、熱、電波放出／妨害などを増加し得る、クロック速度を高める必要なく、計算能力を高めることを可能にする。かかるマルチコア技術は、仮想化を利用するために使用され得る。例えば、複数のゲストオペレーティングシステムがハードウェア機能を使用できるようにするために、ハイパーバイザがハードウェア上で実行し得る。

本明細書に記載する方法および装置例によって提供される仮想化には多数の利点がある。かかる利点には、ハードウェアおよびソフトウェアの陳腐化に起因するアップグレードを最小限にする延長されたシステム寿命、システムアップグレードの混乱を減らしてインストレーションおよび保守費用を最小限にする単純化された移行、保守およびバックアップ中の可用性を含めて改善されたシステム可用性、最小限にされた資源利用およびスケーラビリティに起因する改善されたシステム性能、リモートソフトウェアサポートに加えて、容易なパッチ管理およびセキュリティアップデートに起因する改善された保守およびサポートを含む。

本明細書に記載する方法および装置例の利点には、コンピューティング資源の最大限の利用および低いハードウェアおよびインストレーション費用に起因する費用効率の高いワークステーション配備；集中型のバックアップおよびストレージ、容易なウイルス防止オペレーティングシステムのアップデート、および容易なプロセス制御システムソフトウェアのアップグレードに起因する低い保守費用；クリティカルなアプリケーションに対する冗長コンピューティングおよびデータ記憶ならびにワークステーション障害からの迅速な復旧に起因する改善された可用性；アクセスを制限し監査および制御を提供するための追加のセキュリティレベルに起因する改善されたセキュリティ；脅威状況に対するより迅速な応答；より柔軟なトレーニングおよび開発システム、ＦＡＴに対して必要とされる削減されたハードウェアならびに並列ＦＡＴおよびサイト入力／出力チェックアウトによる低減されたプロジェクトスケジュールに起因する改善された柔軟性；非侵入型のリモート保守およびトラブルシューティングに起因する改善されたサポート；入力／出力を個々のコントローラに対して稼働する必要なく、コントローラがクラスタとして一緒にパッケージできるので、改善されたパッケージング；制御方式の大部分を再テストする必要なく、コントローラ間で制御方式を移動できる能力に起因する削減されたエンジニアリング費用；クラスタ化されたコントローラおよび入力／出力サーバーが、システムへのアクセスを失うことなく、利用可能なコントローラおよび入力／出力コンピューティングプラットフォーム間で移行できるので、改善された可用性；任意のコントローラロード問題が追加のＣＰＵで補正できるので、単純化されたＦＡＴ；利用圏、石油貯蔵施設、石油プラットフォーム、およびリモートステーション（例えば、炭化水素産地内の）をカバーするために、クラスタは、同じプラント内またはメインの制御システムからリモートに配置できるので、改善されたシステム分散；ならびに、クラスタは、それらをバックアップするために、高速回線で移行できるので、改善された障害復旧がさらに含まれる。

本明細書ではある方法および装置の例が説明されているが、本特許の対象の範囲はそれに制限されない。それとは逆に、本特許は、文字通り、または均等物の原則の下のいずれかで、添付する特許請求の範囲に適正に含まれる全ての方法、装置、および製造品をカバーする。

Claims (22)

1. １つまたは複数のサーバーを含むサーバークラスタであって、動作時に
   仮想ワークステーションまたは仮想サーバーと、
   前記仮想ワークステーションまたはサーバーと相互運用し、かつプロセス制御動作を実施するための仮想コントローラと、
   前記仮想コントローラと相互運用し、かつ前記プロセス制御システム内の１つまたは複数のフィールド装置と結合するための仮想入力／出力装置と
   を、提供するサーバークラスタを備える、
   プロセス制御システム。
2. 前記仮想ワークステーションが前記プロセス制御システムにユーザーインタフェースを提供するためである、請求項１に記載のプロセス制御システム。
3. 前記ユーザーインタフェースが、オペレータインタフェース、診断インタフェース、または構成インタフェースを提供するためである、請求項２に記載のプロセス制御システム。
4. 前記仮想サーバーが前記プロセス制御システムに対してバックエンドサービスを提供するためである、請求項１に記載のプロセス制御システム。
5. 前記バックエンドサービスが、データ記憶もしくは収集、構成機能、計算機能、または別のシステムに対するインタフェースを提供することである、請求項４に記載のプロセス制御システム。
6. 前記サーバークラスタが、前記仮想ワークステーションまたはサーバー、前記仮想コントローラ、および前記仮想入力／出力装置の各々に対応するゲストオペレーティングシステムと相互運用するために、少なくとも１つの仮想マシンサーバーを含む、請求項１に記載のプロセス制御システム。
7. 前記ゲストオペレーティングシステムのためにデータを格納するためのストレージエリアネットワークをさらに含む、請求項６に記載のプロセス制御システム。
8. ユーザーが前記仮想ワークステーションまたはサーバーにアクセスできるようにするためのリモートデスクトップサービスをさらに含む、請求項１に記載のプロセス制御システム。
9. 前記リモートデスクトップサービスが、パーソナルコンピュータ、別のワークステーション、またはシンクライアント装置で実施されている、請求項８に記載のプロセス制御システム。
10. 動作時に
    ワークステーションまたはサーバーと相互運用し、かつプロセス制御動作を実施するための仮想コントローラと、
    前記仮想コントローラと相互運用し、かつ前記プロセス制御システム内の１つまたは複数のフィールド装置と結合するための仮想入力／出力装置と
    を、提供する、マルチコア処理装置を備える、
    プロセス制御システム。
11. 前記ワークステーションまたはサーバーが仮想ワークステーションまたはサーバーを含む、請求項１０に記載のプロセス制御システム。
12. 前記仮想ワークステーションまたはサーバーが前記マルチコア処理装置によって実施される、請求項１０に記載のプロセス制御システム。
13. 前記仮想ワークステーションが、前記プロセス制御システムにユーザーインタフェースを提供するためである、請求項１０に記載のプロセス制御システム。
14. 前記仮想サーバーが、前記プロセス制御システムにバックエンドサービスを提供するためである、請求項１０に記載のプロセス制御システム。
15. 前記マルチコア処理装置が、前記仮想コントローラおよび前記仮想入力／出力装置の各々に対応するゲストオペレーティングシステムと相互運用するために、少なくとも１つの仮想マシンサーバーを含む、請求項１０に記載のプロセス制御システム。
16. プロセスシステムを制御する方法であって、
    仮想ワークステーションまたは仮想サーバーを確立することと、
    前記仮想ワークステーションまたはサーバーと相互運用するため、およびプロセス制御動作を実施するために、仮想コントローラを確立することと、
    前記仮想コントローラと相互運用するために仮想入力／出力装置を確立することと
    を含む方法。
17. 前記プロセス制御システムの動作中に、前記仮想ワークステーションまたはサーバー、前記仮想コントローラまたは前記仮想入力／出力装置を、サーバークラスタの１つのサーバーから、前記サーバークラスタの別のサーバーに移行することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記サーバークラスタの前記サーバーおよび前記サーバークラスタの前記別のサーバーが異なる地理的地域にある、請求項１７に記載の方法。
19. 前記移行が、前記サーバークラスタ内の資源のバランスをとる必要性、前記サーバークラスタの前記サーバーのうちの１つをシャットダウンする必要性、または前記クラスタの前記サーバーのうちの前記１つの障害に応答する、請求項１７に記載の方法。
20. 前記移行が、ゲストオペレーティングシステムを、データを失うことなく、または前記プロセス制御システムのオペレータインタフェースとの接続を失うことなく、前記サーバークラスタの前記１つのサーバーから、前記サーバークラスタの前記別のサーバーへ移動することを含む、請求項１７に記載の方法。
21. 前記移行が、障害から復旧する必要性に応答する、請求項１７に記載の方法。
22. 前記移行が、前記プロセス制御システム内のソフトウェアバージョンを変更する必要性に応答する、請求項１７に記載の方法。

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