JP2016012194A - データ伝送装置及びプラント制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】制御の多重化による冗長化機能を集積論理素子で実現するデータ伝送装置及びプラント制御システムを提供する。
【解決手段】データ伝送装置２０は、接点群２１をコネクタ１５に着脱自在に連結させる基板２２と、入力接点２１ｘから入力したデータを外部に送信させる送信部２４と、外部から受信したデータを出力接点２１ｙからデータバス１９に出力させる受信部２６と、第１回路２３の途中から分岐する第３回路２７ａの終端に設けられ他のデータ伝送装置２０ｂ上の第３回路２７ｂの終端と相互に電気的に連結する連結接点２８と、連通設定時は送信部２４に出力するデータを連結接点２８ａからも出力させ遮断設定時は連結接点２８ｂから入力したデータを送信部２４に出力させるスイッチ２９と、を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、制御の多重化により冗長性を確保するデータ伝送装置及びプラント制御システムに関する。

制御装置の異常により制御対象（例えば、各種プラント）が停止又は誤動作しても、重大事故の発生を回避するため、制御装置の構成を、常用系と待機系とで多重化（冗長化）することが行われる。
この場合、複数の制御装置のうちいずれか一方を常用系、他方を待機系として、通常は常用系のみで制御対象を制御し、常用系に異常が生じたときに、待機系を常用系用に切り替え、制御を続行させる。
そして、この待機系の制御装置を常用系用に切り替え、常用系の制御装置を待機系用に切り替える作業は、ＣＰＵプロセッサにより、ソフトプログラムに記述された命令に従って実行されていた。

特開２００１−６７３３４号公報 特開平９−３３０２２８号公報

ところで、原子力発電プラントの安全系システムは、設計の透明性が求められている。
昨今におけるＣＰＵの複雑化及び抽象化の進展により、特にソフトウェアの透明性を確保する作業に膨大な工数がかかり、設計効率の阻害要因になる課題がある。
そこで、ソフトウェアによる構成を、ＰＬＤ等の集積論理素子に置き換えることが考えられるが、ソフトウェアが実現している複雑なロジックを、ロジックの単純化が求められる集積論理素子で実装させることは困難な課題がある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、制御の多重化による冗長化機能を、集積論理素子で実現するデータ伝送装置及びプラント制御システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態におけるデータ伝送装置において、データバスに接続するコネクタに対し接点群を着脱自在に連結させる基板と、前記前記データバスを通過するデータを前記接点群のうちの入力接点から入力し第１回路を介して外部に送信させる送信部と、外部からデータを受信して第２回路を介して前記接点群のうちの出力接点から前記データバスに出力させる受信部と、前記第１回路の途中から分岐する第３回路の終端に設けられ他の伝送基板上の第３回路の終端と相互に電気的に連結させる連結接点と、前記第１回路の途中経路及び前記第２回路の途中経路を切替自在に連通／遮断し、連通設定時は前記送信部に出力するデータを前記連結接点からも出力させ、遮断設定時は前記連結接点から入力したデータを前記送信部に出力させるスイッチと、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態により、制御の多重化による冗長化機能を、集積論理素子で実現するデータ伝送装置及びプラント制御システムが提供される。

本発明の実施形態に係るプラント制御システムの概略図。 本発明の実施形態に係るデータ伝送装置の概略図。 データ伝送装置におけるスイッチ設定と「常用／待機」の状態との関係を示す表。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように実施形態に係るプラント制御システム１０は、複数のデータ伝送装置２０（２０ａ，２０ｂ）、センサ１１（１１ａ，１１ｂ）の検出信号の入力装置１２（１２ａ，１２ｂ）、及びアクチュエータ１３（１３ａ，１３ｂ）の駆動信号の出力装置１４（１４ａ，１４ｂ）がそれぞれ装着されている複数のコネクタ１５を有するバックプレーン１６と、複数のデータ伝送装置２０のそれぞれに接続されるとともにセンサ１１の検出信号に基づいてアクチュエータ１３の駆動信号を演算する複数の演算部１７（１７ａ，１７ｂ）と、を備え、スイッチ２９ａ（図２）が連通に設定されているデータ伝送装置２０ａに接続されている演算部１７ａが常用設定され、スイッチ２９ｂが遮断に設定されているデータ伝送装置２０ｂに接続される演算部１７ｂが待機設定され、この常用設定された演算部１７ａにより演算された駆動信号が出力装置１４からアクチュエータ１３に出力される。

プラントは、温度計１１ａや圧力計１１ｂ等といったプラントの構成要素の物理状態を検出した信号を出力する複数のセンサ１１と、ポンプ１３ａや開閉弁１３ｂ等といった物理的な駆動動作によってプラント運転を制御するアクチュエータ１３とを含んでいる。
信号伝送ユニット１８は、データ伝送装置２０、入力装置１２及び出力装置１４を収容する空間を有するキャビネットと、対応するピン同士をデータバス１９により相互接続した複数のコネクタ１５を配列させた回路基板であるバックプレーン１６とから構成されている。

入力装置１２（１２ａ，１２ｂ）は、ライン接続する複数のセンサ１１（１１ａ，１１ｂ）の検出信号を集約して入力し、デジタルデータに変換して、データバス１９に伝送させるものである。
データ伝送装置２０ａ，２０ｂは、データバス１９に伝送される検出信号のデジタルデータを取得するようにコネクタ１５に着脱自在に装着され、それぞれには、別々の演算部１７ａ，１７ｂが物理的に接続されている。
なお、実施形態においてデータバス１９は、デジタルの出入力データ（ＤＩ，ＤＯ）を転送するものが例示されているが、アナログの出入力データを転送するものも含まれる。

演算部１７ａ，１７ｂは、それぞれ同一の構成を有しており、いずれか一方が常用設定され、他方が待機設定されている。
常用設定されている側のデータ伝送装置２０ａは、後述するように、スイッチ２９ａ（図２）が連通に設定され、データバス１９に伝送されている検出信号を、両方の演算部１７ａ，１７ｂに伝送する。

それぞれの演算部１７ａ，１７ｂは、伝送された検出信号に基づいて所定の演算を実行した演算信号を、物理的に直接接続されているデータ伝送装置２０ａ，２０ｂのそれぞれに伝送する。
常用設定されている側のデータ伝送装置２０ａは、演算部１７ａから伝送された演算信号を、データバス１９に伝送する。
一方で、待機設定されている側のデータ伝送装置２０ｂでは、演算部１７ｂから伝送された演算信号、及びデータバス１９から伝送された検出信号は、遮断されて伝送されない。

出力装置１４（１４ａ，１４ｂ）は、複数のアクチュエータ１３（１３ａ，１３ｂ）にライン接続し、データバス１９を伝送している演算部１７ａの演算信号を取得し駆動信号に変換してそれぞれのアクチュエータ１３に出力する。
データ伝送装置２０（２０ａ，２０ｂ）、入力装置１２（１２ａ，１２ｂ）及び出力装置１４（１４ａ，１４ｂ）は、信号伝送ユニット１８に設けられたバックプレーン１６のコネクタ１５に着脱自在に装着され、キャビネットの内部に収容される。

なお、実施形態において、待機設定の演算部１７ｂ及びデータ伝送装置２０ｂは、一組のみ開示されているが、複数の組みが設けられていても良い。
この場合、３組以上の演算部１７及びデータ伝送装置２０のうちいずれか一つの組みが常用設定され、残りの組みが待機設定されることになる。

図２に示すようにデータ伝送装置２０（２０ａ，２０ｂ）は、データバス１９に接続するコネクタ１５に対し接点群２１を着脱自在に連結させる基板２２（２２ａ，２２ｂ）と、データバス１９を通過するデータを接点群２１のうちの入力接点２１ｘから入力し第１回路２３を介して外部に送信させる送信部２４と、外部からデータを受信して第２回路２５を介して接点群２１のうちの出力接点２１ｙからデータバス１９に出力させる受信部２６と、第１回路２３の途中から分岐する第３回路２７ａの終端に設けられ他のデータ伝送装置２０ｂ上の第３回路２７ｂの終端と相互に電気的に連結させる連結接点２８（２８ａ，２８ｂ）と、第１回路２３の途中経路及び第２回路２５の途中経路を切替自在に連通／遮断し、連通設定時（２９ａ参照）は送信部２４に出力するデータを連結接点２８ａからも出力させ、遮断設定時（２９ｂ参照）は連結接点２８ｂから入力したデータを送信部２４に出力させるスイッチ２９（２９ａ，２９ｂ）と、を備えている。

データ伝送装置２０（２０ａ，２０ｂ）のそれぞれは、スイッチ２９の設定により、接続する演算部１７（１７ａ，１７ｂ）のそれぞれを、常用設定にしたり待機設定にしたりするが、共通の構成を有している。

基板２２（２２ａ，２２ｂ）は、図面において符号で示される各種機能部や回路が実装されており、少なくともこれらの機能は、ＰＬＤ等の集積論理素子で実現され、ソフトプログラムで動作するＣＰＵプロセッサにより実現されることはない。
そして、基板２２の縁端には、複数の入力接点２１ｘ、出力接点２１ｙ及び連結接点２８ａを含む接点群２１が形成されている。
これら接点群２１は、コネクタ１５内の接点と物理的に接触して、対応するデータバス１９に電気的に接続する。
なお、実施形態において接点群２１を構成するそれぞれの接点は、データバス１９のそれぞれのバスに対して１対１で接続されているが、データを乗せるタイミングを知らせる制御線（図示略）とともに、１対ｎ（ｎ≧２）で接続される場合もある。

マルチプレクサ３３は、複数の入力接点２１ｘからそれぞれ入力された複数のデータを多重化する。そして、多重化したデータは、第１回路２３と連通設定されたスイッチ２９ａとを介して、送信部２４から外部の演算部１７（図１）に送信される。
さらに、第１回路２３を伝送するデータは、第１回路２３の途中から分岐する第３回路２７ａにも伝送される。

第３回路２７ａの終端には、連結接点２８が設けられ、データバス１９のライン（ＤＸ）を介して、他のデータ伝送装置２０ｂ上の第３回路２７ｂの終端と相互に電気的に連結する。なおこのライン（ＤＸ）は、一つのデータ伝送装置２０ａ上の第３回路２７ａと他のデータ伝送装置２０ｂ上の第３回路２７ｂとにデータを相互に伝送させるものであるために、入力装置１２や出力装置１４が連結されるコネクタ１５に接続する必要はない。

また、一つのデータ伝送装置２０ａ上の第３回路２７ａの終端の連結接点（図示略）と他のデータ伝送装置２０ｂ上の第３回路２７ｂの終端の連結接点（図示略）とを基板２２ａ，２２ｂの側端に設け、コネクタ１５を介さずに、これら連結接点を直接ケーブル接続する形態も取り得る。

データ伝送装置２０ｂは、スイッチ２９ｂが待機設定されているので、第３回路２７ｂを経由して伝送されたデータは、送信部２４ｂから出力される。
なお、スイッチ２９ｂのように待機設定されている場合は、自身の基板２２ｂの入力接点２１ｘから入力されたデータは、第１回路２３の途中で伝送が遮断されて、自身の基板２２ｂの送信部２４ｂ及び連結接点２８ｂから出力されない。
ところで、連結接点２８（２８ａ，２８ｂ）は、図示されるようにコネクタ１５に連結する接点群２１に含まれる場合もあるし、基板２２の側端に設けられ（図示略）相互にケーブル接続されるように構成される場合もある。

受信部２６は、外部の演算部１７で演算され多重化されたデータを受信して第２回路２５に伝送させる。
この多重化されたデータは、連通設定されたスイッチ２９ａと第２回路２５とを介して、デマルチプレクサ３４に伝送される。
デマルチプレクサ３４は、受信された多重化データを元のデータに分割し、これらデータを、複数の出力接点２１ｙからそれぞれのデータバス１９に出力させる。
なお、スイッチ２９ｂのように待機設定されている場合、受信部２６で受信したデータは、第２回路２５の途中で遮断され、データバス１９に伝送されない。

なお、マルチプレクサ３３を用いずに、複数の入力接点２１ｘから入力されたデータを多重化せずに、そのままパラレルで送信部２４から送信する場合もある。
同様にデマルチプレクサ３４を備えず、演算部１７から複数の信号をパラレルで受信して、複数の出力接点２１ｙからそのままデータバス１９に出力させる場合もある。

このように、常用設定（ＯＮ設定）されたスイッチ２９ａは、第１回路２３及び第２回路２５を連通させて、入力接点２１ｘに入力したデータを送信部２４ａ及び連結接点２８ａに出力させ、受信部２６で受信されたデータを出力接点２１ｙから出力させる。
そして、待機設定（ＯＦＦ設定）されたスイッチ２９ｂは、第１回路２３及び第２回路２５を遮断して、同じ基板２２ｂ上の入力接点２１ｘに入力したデータ及び受信部２６で受信されたデータの伝送を遮断する。
さらに、待機設定（ＯＦＦ設定）されたスイッチ２９ｂは、常用設定側の入力接点２１ｘから入力されたデータを、連結接点２８を介して伝送し、待機設定側の送信部２４ｂに出力させる。

設定部３１（３１ａ，３１ｂ）は、入力接点２１ｘのデータ入力を検知するポートｘと、受信部２６のデータ受信を検知するポートｙと、送信部２４からのデータ送信を検知するポートｚと、を有している。
そして、設定部３１（３１ａ，３１ｂ）は、これらポートｘ，ｙ，ｚの検知状態に応じて、スイッチ２９の連通／遮断の設定を自動的に変更することができる。

なお第３回路２７の終端は、二つの整流器に挟まれて第１回路２３に接続されており、連結接点２８から入力したデータがポートｘに検知されないように構成されている。
また、起動時におけるスイッチ２９の連通／遮断の初期設定は、記載を省略する別の方法に則って行われている。

そして図３に示すように、常用設定されている演算部１７ａ及びデータ伝送装置２０ａは、正常である限り、設定部３１ａの全てのポートｘ，ｙ，ｘにおいて、データが検知される。
この場合、データ伝送装置２０ａの設定部３１ａは、スイッチ２９に対し、連通設定（ＯＮ設定）が持続するように働きかける。
そして、常用設定されている演算部１７ａ及びデータ伝送装置２０ａに、故障が発生した場合は、ポートｘ，ｙ，ｘのうち少なくとも一つにおいて、データが非検知となる。
この場合、データ伝送装置２０ａの設定部３１ａは、スイッチ２９ａに対し、連通設定（ＯＮ設定）から遮断設定（ＯＦＦ設定）に変更するように働きかけ、待機状態にさせる。

一方において、待機設定されている演算部１７ｂ及びデータ伝送装置２０ｂは、正常である限り、設定部３１ａのポートｙ，ｘにおいてデータが検知され、ポートｙでは非検知である。
この場合、データ伝送装置２０ｂの設定部３１ｂは、スイッチ２９に対し、遮断設定（ＯＦＦ設定）が持続するように働きかける。
そして、常用設定されている演算部１７ａ及びデータ伝送装置２０ａに故障が発生した場合は、データ伝送装置２０ａのスイッチ２９ａが遮断設定（ＯＦＦ設定）になるために、データ伝送装置２０ｂの設定部３１ｂのポートｙにおいて、データが非検知となる。
この場合、データ伝送装置２０ｂの設定部３１ｂは、スイッチ２９ｂに対し、遮断設定（ＯＦＦ設定）から連通設定（ＯＮ設定）に変更するように働きかけ、待機から常用に状態変化させる。

このように常用設定されているデータ伝送装置２０aは、送信部２４からのデータ送信及び受信部２６からのデータ受信のうち少なくとも一方が停止したことを察知した場合はスイッチ２９ａの設定を連通から遮断に切り替え、待機設定される。
一方、待機設定されているデータ伝送装置２０ｂは、第３回路２７ｂにおける連結接点２８ｂからのデータ入力が停止したことを察知した場合はスイッチ２９ｂの設定を遮断（ＯＦＦ）から連通（ＯＮ）に切り替えて、常用設定される。

図１を参照して、常用／待機の設定が切り替わる前から、センサ１１（１１ａ，１１ｂ）の検出信号は、両方の演算部１７ａ，１７ｂに伝送されて演算されている。
しかし、常用／待機の設定が切り替わった後は、新しく常用設定された演算部１７ｂの演算信号が、物理接続されているデータ伝送装置２０ｂを介して伝送され、アクチュエータ１３を駆動する。

ＩＤ付与部３２（図２）は、入力接点２１ｘから入力されたデータに、コネクタ１５を識別するＩＤデータを付与するものである。なお、コネクタ１５の識別は、接続しているデータバス１９のバスからの情報に基づいて行うことができる。
これにより、常用設定されているか待機設定されているかについては、データ伝送装置２０（２０ａ，２０ｂ）のスイッチ２９（２９ａ，２９ｂ）の設定にのみ依存するところ、演算部１７（１７ａ，１７ｂ）においても識別することが可能となる。

またデータ伝送装置２０は、自己診断機能（図示略）を具備し、待機期間中に診断結果を、演算部１７に出力して潜在エラーを事前に把握することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のデータ伝送装置によれば、常用／待機の切替ロジックを単純化することができるため、制御の多重化による冗長化機能を集積論理素子で実現することが可能となり設計の透明性を確保することができる。

本発明のいくつか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、組み合わせ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同様に、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ものである。

１０…プラント制御システム、１１…センサ、１１ａ…温度計、１１ｂ…圧力計、１２…入力装置、３…アクチュエータ、１３ａ…ポンプ、１３ｂ…開閉弁、１４…出力装置、１５…コネクタ、１６…バックプレーン、１７（１７ａ，１７ｂ）…演算部、１８…信号伝送ユニット、１９…データバス、２０（２０ａ，２０ｂ）…データ伝送装置、２１…接点群、２１ｘ…入力接点、２１ｙ…出力接点、２２（２２ａ，２２ｂ）…基板、２３…第１回路、２４（２４ａ，２４ｂ）…送信部、２５…第２回路、２６…受信部、２７（２７ａ，２７ｂ）…第３回路、２８（２８ａ，２８ｂ）…連結接点、２９（２９ａ，２９ｂ）…スイッチ、３１（３１ａ，３１ｂ）…設定部、３２…ＩＤ付与部、３３…マルチプレクサ、３４…デマルチプレクサ、ｘ，ｙ，ｚ…ポート。

Claims (6)

1. データバスに接続するコネクタに対し接点群を着脱自在に連結させる基板と、
   前記データバスを通過するデータを前記接点群のうちの入力接点から入力し第１回路を介して外部に送信させる送信部と、
   外部からデータを受信して第２回路を介して前記接点群のうちの出力接点から前記データバスに出力させる受信部と、
   前記第１回路の途中から分岐する第３回路の終端に設けられ他のデータ伝送装置上の第３回路の終端と相互に電気的に連結させる連結接点と、
   前記第１回路の途中経路及び前記第２回路の途中経路を切替自在に連通／遮断し、連通設定時は前記送信部に出力するデータを前記連結接点からも出力させ、遮断設定時は前記連結接点から入力したデータを前記送信部に出力させるスイッチと、を備えることを特徴とするデータ伝送装置。
2. 前記送信部からのデータ送信及び前記受信部からのデータ受信のうち少なくとも一方が停止したことを察知した場合は前記スイッチの設定を連通から遮断に切り替え、
   前記第３回路における前記連結接点からのデータ入力が停止したことを察知した場合は前記スイッチの設定を遮断から連通に切り替える設定部を、さらに備える請求項１に記載のデータ伝送装置。
3. 前記連結接点は、前記コネクタに連結する前記接点群に含まれる請求項１又は請求項２に記載のデータ伝送装置。
4. 前記入力接点から入力されたデータに前記コネクタを識別するＩＤデータを付与するＩＤ付与部を、さらに備える請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のデータ伝送装置。
5. 複数の前記入力接点からそれぞれ入力された複数のデータを多重化して前記送信部に送信させるマルチプレクサ及び前記受信部に受信された多重化データを元のデータに分割して複数の前記出力接点のそれぞれに出力させるデマルチプレクサのうち少なくとも一方を、さらに備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のデータ伝送装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の複数のデータ伝送装置、センサの検出信号の入力装置、及びアクチュエータの駆動信号の出力装置がそれぞれ装着されている複数の前記コネクタを有するバックプレーンと、
   前記複数のデータ伝送装置のそれぞれに接続されるとともに前記センサの検出信号に基づいて前記アクチュエータの駆動信号を演算する複数の演算部と、を備え、
   前記スイッチが連通に設定されているデータ伝送装置に接続されている演算部が常用設定され、前記スイッチが遮断に設定されているデータ伝送装置に接続される演算部が待機設定され、前記常用設定された演算部により演算された前記駆動信号が前記出力装置から前記アクチュエータに出力されることを特徴とするプラント制御システム。

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