JP2015002546A - 二重化監視制御システムのリモートｉ／ｏユニット、及びその保守方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リモートＩ／Ｏネットワークのダウンタイムを最小にして、且つ、リモートＩ／Ｏユニットの電源モジュール、Ｉ／Ｏモジュールの保守点検が容易に行えるリモートＩ／Ｏユニット、及びその保守方法を提供することを目的とする。
【解決手段】２つのコントローラとの子局となる複数のリモートＩ／Ｏユニットは、二重化された電源モジュール３１、３２、電源バスと、伝送モジュール３３と、Ｉ／Ｏモジュールと、外部バックアップ電源６０と、を備え、伝送モジュール３３は、基板内部回路部３３ｂと、電源モジュール、又は、外部バックアップ電源の何れかを選択する電源制御部３３ａと、を備え、電源制御部は、供給電圧が予め定める監視電圧以下となった場合、基板内部回路部の供給電源を外部バックアップ電源に切替え、電源モジュールからの供給電圧が、動作電圧以上に回復した場合、基板内部回路部の供給電源を電源モジュールに復帰させる。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニット、及びその保守方法に関する。

プラントにおける大事故を契機にして、近年、国際標準としての機能安全規格ＩＥＣ６１５０８が制定され、さらに、プラント用アプリケーション規格として、ＩＥＣ６１５１１が発行された。また、システムの安全度水準が定められ、安全認証機関による認証が行われるようになっている。

このためプラントの監視制御システムの高信頼化を図る手段として、監視制御システムの機能モジュールを二重、三重に冗長化し、各モジュールの単一故障によるシステムダウンの発生率を低下させる方法が採用されている。

例えば、図７に示すような、２つのマスタ局となるコントローラと、子局となる遠隔地に分散して備えられるリモートＩ／Ｏユニットと、を二重化されたネットワークで構成した二重化監視制御システムがある。

この監視制御システムでは、マスタ局となるコントローラ１０、及びコントローラ２０と、リモートＩ／Ｏユニット３０〜５０が伝送ケーブルで接続される。

リモートＩ／Ｏネットワーク１００は、通信ケーブルＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、及びＣ１４で接続され、リモートＩ／Ｏネットワーク２００は、通信ケーブルＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３、及びＣ２４で接続される。

また、コントローラ１０とコントローラ２０とは、相互の動作状態の監視、データの同期化、及び、データの等値化を行うためのケーブルＣ１で接続される。

コントローラ１０は、ＣＰＵ１１、リモートＩ／Ｏユニット３０と接続される伝送モジュール１２、上位の制御用ＬＡＮ３００と接続されるイーサネット（登録商標）モジュール１３、及びこれらのモジュールの供給電源を生成する電源モジュール１４と、を備える。

同様に、コントローラ２０は、ＣＰＵ２１、リモートＩ／Ｏユニット３０と接続される伝送モジュール２２、上位の制御用ＬＡＮ３００と接続されるイーサネット（登録商標）モジュール２３、及びこれらのモジュールの電源モジュール２４と、を備える。

リモートＩ／Ｏユニット３０〜５０は、夫々、同じ構成で、その一つのユニットであるリモートＩ／Ｏユニット３０について言えば、二重化された電源モジュール３１、３２、伝送モジュール３３、３４、及びＩ／Ｏモジュール３５を備える。

このような二重化監視制御システムは、コントローラ１０、または、コントローラ２０の一方が稼働中、他方が待機中の待機冗長型(Duplex)を構成する場合や、他方がホットスタンバイ状態の比較冗長型(Dual)を構成する場合がある。

また、リモートＩ／Ｏユニット３０は、電源モジュール３１、３２、伝送モジュール３３、３４、が二重化された場合を図示しているが、Ｉ／Ｏモジュール３５を二重化する構成も可能で、夫々のモジュール間は図示しない電源バス、及び制御バスで接続される。

また、リモートＩ／Ｏネットワーク１００、及びリモートＩ／Ｏネットワーク２００のトポロジーは、一般にリング型であるが、バス型の場合もある。

また、伝送モジュール３３、３４は、２ポートイーサネット(登録商標)モジュールであるが、２ポートスイッチングイーサネット(登録商標)モジュールでも良い。この場合、２つのネットワークの一方の伝送モジュールが故障した場合には、他方の伝送モジュールに切り換えることが可能で、マスタコントローラ１０は、予め定めたれた制御周期内のスキャンタイムで子局をスキャンすることが可能となる。

また、図７においては、二重化された状態を例にしているが、三重化されることもある。

多重化リングネットワークの冗長化方法については、種々の冗長化方法が開示されている(例えば、特許文献１参照)。

特開２０１２−１５１８５０号公報

図７に示したような二重化監視制御システムなどの多重化ネットワークシステムにおいては、ネットワーク上にある子局となるリモートＩ／Ｏユニット３０の伝送モジュール３３、３４は、Ｉ／Ｏモジュール３５と電源モジュール３１、３２で生成される電源を共有しており、リモートＩ／Ｏユニット３３、３４の突発的な単発故障や停電、または、Ｉ／Ｏモジュール３５の保守点検により電源を一時的に停止するので伝送モジュール３３、３４の電源がダウンする。

この場合には、リモートＩ／Ｏネットワーク１００も切断されてしまう。そのため、他の正常で動作している子局ノードであるリモートＩ／Ｏユニット４０、５０は、単独バス状態となり、リモートＩ／Ｏネットワークの信頼性が低下する問題や、保守点検作業のタイミングが制約される問題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏネットワークのダウンタイムを最小にして、且つ、リモートＩ／Ｏユニットの電源モジュール、Ｉ／Ｏモジュールの保守点検が容易に行える二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニット、及びその保守方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニットは、二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニットであって、前記二重化監視制御システムは、何れかがマスタ局となる２つのコントローラと、当該コントローラの子局となる複数のリモートＩ／Ｏユニットと、を備え、前記コントローラと前記複数のリモートＩ／Ｏユニットとは、二重化されたリモートＩ／Ｏネットワークを構成し、前記リモートＩ／Ｏユニットは、自身に備える各モジュールの供給電源を生成する二重化された電源モジュールと、当該電源モジュールと当該各モジュールとを接続する電源バスと、２ポートイーサネット（登録商標）を備え、前記ネットワークの子局として、その他の子局及び前記コントローラとの通信を行う伝送モジュールと、前記コントローラが監視制御する入出力機器とのインタフェースを行うＩ／Ｏモジュールと、前記電源モジュールが故障、又は、保守する場合に使用される外部バックアップ電源と、を備え、前記伝送モジュールは、前記２ポートイーサネット（登録商標）の通信処理を行う基板内部回路部と、前記基板内部回路部の供給電源を、前記電源モジュール、又は、前記外部バックアップ電源の何れかを選択する電源制御部と、を備え、前記電源制御部は、前記電源モジュールからの供給電圧を監視し、当該供給電圧が予め定める監視電圧以下となった場合、前記基板内部回路部の供給電源を前記外部バックアップ電源に切替え、前記電源モジュールからの供給電圧が、前記基板内部回路部の動作が可能となる動作電圧以上に回復した場合、前記基板内部回路部の供給電源を前記電源モジュールに復帰させるようにしたことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本実施形態の二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニットの保守方法は、二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニットの保守方法であって、前記二重化監視制御システムは、何れかがマスタ局となる２つのコントローラと、当該コントローラの子局となる複数のリモートＩ／Ｏユニットと、を備え、前記コントローラと前記複数のリモートＩ／Ｏユニットとは、二重化されたネットワークを構成し、前記リモートＩ／Ｏユニットは、自身に備える各モジュールの供給電源を生成する二重化された電源モジュールと、当該電源モジュールと当該各モジュールとを接続する電源バスと、２ポートイーサネット（登録商標）を備え、前記ネットワークの子局として、その他の子局及び前記コントローラとの通信を行う伝送モジュールと、前記コントローラが監視制御する入出力機器とのインタフェースを行うＩ／Ｏモジュールと、前記電源モジュールが故障、又は、保守する場合に使用される外部バックアップ電源と、を備え、前記伝送モジュールは、前記２ポートイーサネット（登録商標）通信処理を行う基板内部回路部と、前記基板内部回路部の供給電源を、前記電源モジュール、又は、前記外部バックアップ電源の何れかを選択する電源制御部と、を備え、前記外部バックアップ電源を、予め前記伝送モジュールと接続して置き、前記電源モジュールからの供給電源を断ち、前記基板内部回路部の供給電源を前記外部バックアップ電源に自動的に切替え、前記電源モジュールからの供給電圧が、前期基板内部回路部の動作が可能となる動作電圧以上に回復した場合、前記基板内部回路部の供給電源を前記電源モジュールに自動的に復帰させ、前記電源モジュール及び前記Ｉ／Ｏモジュールの保守が、前記ネットワークの伝送機能をダウンさせないで行えるようにしたことを特徴とする。

実施形態の二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニットの保守時の電源系統の接続構成図。 外部バックアップ電源とリモートＩ／Ｏユニットの接続図。 電源モジュール故障時の伝送モジュールの電源切替えの動作フロー図。 伝送モジュールの動作を説明する第１のケースのタイムチャート。 伝送モジュールの動作を説明する第１のケースの他のタイムチャート。 伝送モジュールの動作を説明する第２のケースのタイムチャート。 従来の二重化監視制御システムの構成図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図６を参照して実施形態の二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニット、及びその保守方法について説明する。

二重化監視制御システム、及びそのリモートＩ／Ｏユニットのモジュールの構成は、図７において説明したものと同一番号を付し、重複する説明は極力省略する。

先ず、二重化監視制御システムの構成は、何れかがマスタ局となる２つのコントローラ１０、及びコントローラ２０と、これらのコントローラ１０、及びコントローラ２０の子局となる複数のリモートＩ／Ｏユニット３０〜５０と、を備え、２つのコントローラ１０、２０と、複数のリモートＩ／Ｏユニット３０〜５０とは、二重化されたリモートＩ／Ｏネットワーク１００、及びリモートＩ／Ｏネットワーク２００を構成する。

次に、図２を参照して、一方のリモートＩ／Ｏネットワーク１００の、１つのリモートＩ／Ｏユニット３０の構成について説明し、他方のリモートＩ／Ｏネットワーク２００については、その説明を省略する。

リモートＩ／Ｏユニット３０は、自身に備える各モジュールの供給電源を生成する二重化された電源モジュール３１、３２と、電源モジュール３１と各モジュールとを接続する図示しない電源バスと、２ポートイーサネット（登録商標）を備え、ネットワークの子局として、その他の子局及びコントローラ１０との通信を行う伝送モジュール３３と、コントローラ１０が監視制御する入出力機器とのインタフェースを行うＩ／Ｏモジュール３５と、電源モジュール３１、３２が故障、又は、保守する場合に使用される外部バックアップ電源６０と、を備える。

次に、図１を参照して、伝送モジュール３３の詳細について説明する。伝送モジュール３３は、２ポートのイーサネット（登録商標）の通信処理を行う基板内部回路部３３ｂと、基板内部回路部３３ｂの供給電源を、電源モジュール３１、３２、又は、外部バックアップ電源６０の何れかを選択する電源制御部３３ａと、を備える。

さらに、伝送モジュール３３は、図示しないリモートＩ／Ｏユニット３０に挿入して固定される伝送モジュール３３の前面パネル等に設けられるＵＳＢコネクタ３３ｃ、電源モジュール３１、３２の出力端と基板内部回路部３３ｂとの間に設けられ、電源モジュール３１、３２から部３３ｂに供給される電源を開閉するスイッチＳＷ１、外部バックアップ電源６０の出力端と基板内部回路部３３ｂとの間に設けられ、外部バックアップ電源６０から基板内部回路部３３ｂに供給される電源を開閉するスイッチＳＷ２、及び電源モジュール３１、３２の出力端とスイッチＳＷ１との間に設けられ、保守時に、電源モジュール３１、３２から供給される出力を強制的に切断するスイッチＳＷ３、とを備える。

さらに、詳細には、電源制御部３３ａは、電源モジュール３１、３２から出力される出力電圧Ｖｒｐを監視する電源監視部３３ａ１と、出力電圧Ｖｒｐが予め定める異常監視電圧Ｖｓｄ以下となった場合、基板内部回路部３３ｂの供給電源を外部バックアップ電源６０に切替える電源切替制御部３３ａ２、を備える。

電源切替制御部３３ａ２は、電源モジュール３１、３２からの供給電圧が、基板内部回路部３３ｂの動作が可能となる動作電圧Ｖａ以上に回復した場合、基板内部回路部３３ｂへの供給電源を電源モジュール３１、３２側に復帰させる（接続する）。

尚、回復監視電圧Ｖｓｒは、異常監視電圧Ｖｒｐ、又は，動作可能電圧Ｖａのいずれでも良い。

ここで、異常監視電圧Ｖｒｐは、動作可能電圧Ｖａの上限値以下で、且つ、動作可能電圧Ｖａの下限値以上の範囲に設定する。

尚、外部バックアップ電源６０は、商用電源で動作するもので無く、バッテリで構成しても良い。この場合には、子局の停電に備えることができる。

次に、このように構成された二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニット保守作業時の伝送モジュール３３の電源切替えの動作について、図３〜図６を参照して説明する。

伝送モジュール３３の電源切替の動作には、２つのケースがある。第１のケースは、定期的な保守などの場合で、予め、外部バックアップ電源６０がＵＳＢコネクタ３３ｃに接続できる場合である。第２のケースは、外部バックアップ電源６０がＵＳＢコネクタ３３ｃに接続されていない状態で、二重化された電源モジュール３１、３２が、何らかの原因で故障した場合である。

先ず、第１のケースの動作について説明する。外部バックアップ電源６０を伝送モジュール３３のＵＳＢコネクタに接続する（ｓ１）。

次に、スイッチＳＷ３を操作して、電源モジュール３１、３２の出力を切断する。すると、電圧監視部３３ａ１は、電源モジュール３１、３２からの出力が、異常監視電圧がＶｓｄ以下となることで、電源モジュール３１，３２が切断されたことを電源切替制御部３３ａ２に通知する(ｓ２)。

電源切替制御部３３ａ２は、スイッチＳＷ１をオンからオフに、また、スイッチＳＷ２をオフからオンに切り替える（ｓ３)。

この場合、図４に示すように、電源モジュール３１、３２の出力（図４（ｂ））から外部バックアップ電源６０の出力(図４（ｄ）)への切替え時間Ｔ１は、非常に短い時間となるので、基板内部回路部３３ｂへの供給電圧Ｖｐは、図４（ｅ）に示すように、切替え時においても基板内部回路部３３ｂの動作可能電圧Ｖａ以下に低下することがない。

即ち、電源モジュール３１／３２の出力端部、及び基板内部回部３３ｂの入力端部には、図示しない電源コンデンサを備えているので、この電源コンデンサに蓄えたチャージ電荷により短い時間の電源は動作可能電圧Ｖａ以上に維持できる。

この切替え時間の電源供給に不安がある場合には、図５に示すように、スイッチＳをオンするタイミング(図５（ｃ）)を、スイッチＳ１をオフする前のタイミングとする様に、電源切替え制御部３３ａ２の制御タイミングを調整することで、基板内部回路部３３ｂへの供給電圧Ｖｐが動作可能電圧（Ｖａ）の下限値以下となる恐れのない切替えが可能となる。

次に、電源モジュール３１、３２、または、Ｉ／Ｏモジュールの保守作業が終了すると、当該モジュールをリモートＩ／Ｏユニット３０に取り付け、スイッチ３をオフにセットする（ｓ４）。

すると、電源制御部３３ａは、監視電圧が予め設定される回復監視電圧Ｖｓｒ以上となったことで、スイッチＳＷ１をオフからオンに、また、スイッチＳＷ２をオンからオフに切り替える（ｓ５）。

この場合、図４（ｅ）、及び図５（ｅ）に示すように、基板内部回路部３３ｂへの供給電圧Ｖｐは、基板内部回路部３３ｂの動作可能電圧Ｖａ以下となることがない。

即ち、この保守においては、電源モジュール３１、３２からの電源の供給が断たれても、外部バックアップ電源６０によりリモートＩ／Ｏネットワーク１００は、その機能を継続することができる。

次に、第２のケースの動作について図３及び図６を参照して説明する。伝送モジュール３３の電圧監視部３３ａ１が、電源モジュール３１、３２の出力が異常監視電圧Ｖｓｄ以下となったことを検知し、電源モジュール３１，３２が切断されたことを電源切替制御部３３ａ２に通知するとともに、図示しないモニタに出力する(ｓ１１)。但し、このモニタ出力は、電源モジュール３１、３２の電源とは別に備えることが必要である。

すると、この保守作業を行う保守員は、外部バックアップ電源６０を伝送モジュール３３のＵＳＢコネクタに接続する（ｓ１２）。

電源切替制御部３３ａ２は、スイッチＳＷ１をオンからオフに、また、スイッチＳＷ２をオフからオンに切り替える。この場合、図６（ｅ）に示すように、電源モジュール３１、３２の出力（図６（ｂ））が低下して動作可能電圧Ｖａの下限値以下となり、外部バックアップ電源６０の出力が回復してＶａ以上となる、外部バックアップ電源６０の取り付け作業が完了するまでの時間Ｔｄの間断たれる。

そして、伝送モジュール３３は、基板内部回路部３３ｂへの供給電圧Ｖｐが動作可能電圧Ｖａ以上になって、正常な動作を開始する。

しかしながら、この時間Ｔｄは、ＵＳＢコネクタで供給可能な外部バックアップ電源６０の取り付けのための作業時間であるので、通常、分オーダのダウンタイム以内に抑えることが可能であり、外部バックアップ電源の容量を適宜選択することで、リモートＩ／Ｏネットワークが長時間、異常状態となることを避けることが可能である。

この外部バックアップ電源６０を常時取り付けることが可能なシステムにおいては、図４及び図５に示した様なタイミングで、自動的に外部バックアップ電源６０に切り替えることができるのは言うまでもない。

したがって、このような本願構成に拠れば、二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏネットワークのダウンタイムを最小にして、且つ、リモートＩ／Ｏユニットの電源モジュール、Ｉ／Ｏモジュールの保守点検が容易に行える二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニット、及びその保守方法を提供することができる。

本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、２０ コントローラ
１１、２１ ＣＰＵ
１２、２２ 伝送モジュール
１３、２３ イーサネット（登録商標）モジュール
１４、２４ 電源モジュール
３０、４０、５０ リモートＩ／Ｏユニットユニット
３１、４１、５１ 電源モジュール
３２、４２、５２ 電源モジュール
３３、４３、５３ 伝送モジュール
３４、４４、５４ 伝送モジュール
３５、４５、５５ Ｉ／Ｏモジュール
３３ａ 電源制御部
３３ａ１ 電源監視部
３３ａ２ 電源切替制御部
３３ａ１２ 異常／回復電圧検出部
３３ｂ 基板内部回路部
３３ｃ ＵＳＢコネクタ
６０ バックアップ電源

Claims (4)

1. 二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニットであって、
   前記二重化監視制御システムは、何れかがマスタ局となる２つのコントローラと、当該コントローラの子局となる複数のリモートＩ／Ｏユニットと、を備え、前記コントローラと前記複数のリモートＩ／Ｏユニットとは、二重化されたリモートＩ／Ｏネットワークを構成し、
   前記リモートＩ／Ｏユニットは、自身に備える各モジュールの供給電源を生成する二重化された電源モジュールと、当該電源モジュールと当該各モジュールとを接続する電源バスと、２ポートイーサネット（登録商標）を備え、前記ネットワークの子局として、その他の子局及び前記コントローラとの通信を行う伝送モジュールと、前記コントローラが監視制御する入出力機器とのインタフェースを行うＩ／Ｏモジュールと、前記電源モジュールが故障、又は、保守する場合に使用される外部バックアップ電源と、
   を備え、
   前記伝送モジュールは、前記２ポートイーサネット（登録商標）の通信処理を行う基板内部回路部と、前記基板内部回路部の供給電源を、前記電源モジュール、又は、前記外部バックアップ電源の何れかを選択する電源制御部と、
   を備え、
   前記電源制御部は、前記電源モジュールからの供給電圧を監視し、当該供給電圧が予め定める監視電圧以下となった場合、前記基板内部回路部の供給電源を前記外部バックアップ電源に切替え、
   前記電源モジュールからの供給電圧が、前記基板内部回路部の動作が可能となる動作電圧以上に回復した場合、前記基板内部回路部の供給電源を前記電源モジュールに復帰させるようにしたことを特徴とする二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニット。
2. 前記伝送モジュールは、ＵＳＢコネクタを備え、前記外部バックアップ電源は、ＵＳＢコネクタを接続して電源を供給するようにした請求項1に記載の二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニット。
3. 前記外部バックアップ電源はバッテリである請求項1に記載の二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニット。
4. 二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニットの保守方法であって、
   前記二重化監視制御システムは、何れかがマスタ局となる２つのコントローラと、当該コントローラの子局となる複数のリモートＩ／Ｏユニットと、を備え、前記コントローラと前記複数のリモートＩ／Ｏユニットとは、二重化されたネットワークを構成し、
   前記リモートＩ／Ｏユニットは、自身に備える各モジュールの供給電源を生成する二重化された電源モジュールと、当該電源モジュールと当該各モジュールとを接続する電源バスと、２ポートイーサネット（登録商標）を備え、前記ネットワークの子局として、その他の子局及び前記コントローラとの通信を行う伝送モジュールと、前記コントローラが監視制御する入出力機器とのインタフェースを行うＩ／Ｏモジュールと、前記電源モジュールが故障、又は、保守する場合に使用される外部バックアップ電源と、を備え、
   前記伝送モジュールは、前記２ポートイーサネット（登録商標）通信処理を行う基板内部回路部と、前記基板内部回路部の供給電源を、前記電源モジュール、又は、前記外部バックアップ電源の何れかを選択する電源制御部と、を備え、
   前記外部バックアップ電源を、予め前記伝送モジュールと接続して置き、
   前記電源モジュールからの供給電源を断ち、
   前記基板内部回路部の供給電源を前記外部バックアップ電源に自動的に切替え、
   前記電源モジュールからの供給電圧が、前期基板内部回路部の動作が可能となる動作電圧以上に回復した場合、前記基板内部回路部の供給電源を前記電源モジュールに自動的に復帰させ、
   前記電源モジュール及び前記Ｉ／Ｏモジュールの保守が、前記ネットワークの伝送機能をダウンさせないで行えるようにしたことを特徴とする二重化監視制御システムのリモートＩ／Ｏユニットの保守方法。

Images