JP2016518736A - 油田処理制御システム - Google Patents

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Abstract

油田処理制御システムは、広範囲の有線及び無線のプロトコルを使用して複数のフィールドデバイスとインターフェースをとり、フィールドでのモニタリング及び各フィールドデバイスの制御を提供し、遠隔の中央制御室と通信し、高いデータ速度及び帯域幅を提供する多重化プロトコルを使用して制御室とフィールドとの間のデータを交換し、さもなければそのような非常に信頼性の高い通信システムに対して負担されるであろう、配線とコンジットと他のインフラストラクチャとにかかるコストを著しく減少させることが可能となるフィールド汎用制御ゲートウェイ構成要素を含む。

Description

この発明は、石油化学プラントもしくはガス／石油分離プラントの中央制御室からの多重処理制御及び安全信号のフィールドデバイスへの高速デジタル通信ネットワークを介するルーティングに関する。また、本発明は、種々の油田制御デバイスのためのフィールドにおいてフィールド又はロジックにおける制御を提供するフィールド搭載型インターフェースに関する。
関連出願の相互参照
この出願は、２０１３年３月１２日付け出願の米国仮特許出願第６１／７７７，１４２号に基づく優先権を主張し、当該出願の開示はその全体において参照によりここに組み込まれる。
従来の設計実務は、個々の処理制御及び複数の安全信号を処理インターフェースビルディング（ＰＩＢ）及び／もしくは中央制御室（ＣＣＲ）からフィールドデバイスへとルーティングすることである。センサは、他の機器の中から、圧力スイッチ及び送信機、レベルスイッチ及び送信機、温度スイッチ及び送信機、位置及びリミットスイッチ、振動モニタを含むことができる。最後の素子はモータの開始及び停止並びにそのようなモータの速度、完全なもしくは特定の位置までのバルブの開閉などを制御するための電子ソレノイド、アクチュエータ及びポジショナーを含むことができる。従来では、フィールドデバイスが分離した電力を必要とする場合、これはまたＰＩＢもしくはＣＣＲから供給される。これらの従来の設計はＰＩＢもしくはＣＣＲでの多数の制御システム入力／出力（Ｉ／Ｏ）ラックと、フィールドまでの及びフィールドからの多量のケーブル及びコンジットとを必要とする。フィールドバスファウンデーション（協会）（ＦＦ）のＨ１技術はフィールドレベルでの「マルチドロップ」機器への能力を提供した。
米国特許第７８６９８８９号明細書 米国特許第８６４５８８８号明細書
しかしながら、ＦＦ−Ｈ１システムを用いたフィールドワイヤリングの減少による主要な石油化学プロジェクトにより獲得されたネットコストの節約は３１．２５Ｋビット／秒の通信速度によって制限され、それは共通のＦＦ−Ｈ１セグメントを効果的に共有することができるフィールドデバイスの数を制限する。また、ＦＦ−Ｈ１システム及び他の従来の制御システムは、フィールドから制御システムへのインターフェースを提供するためにＣＣＲもしくはＰＩＢ内の大きなシステムラックキャビネットを必要とする。既存の従来の「リモートＩ／Ｏ」技術は完全なスタンドアローンターミネーション（端末処理）、電源、状態ベースのロジック、及び信号変換能力を提供するには不十分である。
必要とされるのは、ＣＣＲもしくはＰＩＢにおけるベンダーＩ／Ｏラック内の代わりに、計測及び制御信号の変換が、「フィールドにおける」高速デジタル通信へと変換されることを可能とするシステムである。そのようなシステムは、現在はフィールド搭載型ジャンクションボックスとＰＩＢもしくはＣＣＲとの間をルーティングする必要がある、相互接続するハードワイヤードケーブル、コンジット、ケーブルトレイ、他の配線管の数を非常に減少させるのみならず、ＣＣＲもしくはＰＩＢ内に必要とされるラックキャビネットの数を減少させるであろう。プラントハードウェア及びインフラストラクチャ要件におけるこの著しい低減は実質的なコスト節約を提供するであろう。
そのようなシステムは、エンドユーザに共通の高速デジタル通信ネットワークを介して種々のフィールドデバイスと通信することのより高い柔軟性を提供するであろう。
また、スマートジャンクションボックス（ＳＪＢ）内に搭載されるフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）が例えば石油／ガスのウェルサイトで配置されたセンサやバルブなどの種々の油田制御デバイスの単一の筐体内の接続性を可能とするフィールド搭載型制御インターフェースが含まれる。ＦＶＣＧ／ＳＪＢは臨界入力をモニタリングして許容限界に対するパラメータをチェックして安全でかつ信頼できるウェルサイトの動作を提供するために必要とされる動作を実行することのフィールドでの完全な制御機能を提供する。ＦＶＣＧ／ＳＪＢは工業で使用される多数のフィールド通信プロトコルの変換のための条件、デバイスレベルが「健全」であるという診断上の指標を認識してユーザ定義の基準に基づく全体的な安全計装機能（ＳＩＦ）の信頼性及び安全性を強化するために局所状態ベースのロジックを適用することの能力、例えば必要とされるリスク低減などの基準を考慮すること、故障に対する適切な応答、及び導入されたデバイスの冗長性を含む。ＦＶＣＧ／ＳＪＢにより可能となった高速通信を介して中央制御室に戻すような通信される。
便宜上、従来技術を説明するためと本発明を説明するためとに使用される用語の略称を以下に列挙する。
ＣＣＲ：中央制御室、
ＣＰＵ：中央処理装置、
ＤＣＳ：分散制御システム、
ＥＩ：イーサネット（登録商標）インターフェース、
ＥＳＤ：緊急運転停止（シャットダウン）、
ＦＦ：フィールドバスファウンデーション、
ＦＶＣＧ：フィールド汎用制御ゲートウェイ、
Ｉ／Ｏ：入力／出力、
ＩＳＡ１００：国際計測制御学会の無線プロトコル、
ＨＳＬ：単一モードファイバ、マルチモードファイバ、及びイーサネットを使用する高速リンク、
ＩＳＣＩ：インテリジェント安全及びコントロールインテグレータ、
ＪＢ：ジャンクションボックス、
ＰＩＢ：処理インターフェースビルディング、
ＰＲＣ：プラントルーティングコントローラ、
ＳＩＦ：安全計装機能、
ＳＪＢ：スマートジャンクションボックス。
本発明はフィールドにおける及び制御室における種々のプラント機器及びシステムの相互接続のための処理制御システムを含む一方で、相互接続の配線、ＣＣＲまたはＰＩＢインターフェース機器、複数の電力／エネルギー供給モジュール、並びに関連するコンジット、複数のケーブルトレイ及び配線管や他のインフラ要件を最小限にする。システムの１つの鍵となる要素は、当該システムが（１）フィールドデバイスインターフェース、（２）局所制御、及び（３）フィールドレベルでの信号変換技術の組み合わせを提供するということである。当該システムはフィールドでの制御及びフィールドでのロジック、フィールドデバイスの電力及び配線インターフェース、並びに（有線及び無線のセンサと最終要素との両方のための）信号変換をサポートして可能とさせる。本発明のシステムは高速サンプリング及び制御応答時間を用いてフィールドでの多変数制御を可能にする。
複数のフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）の使用によりフィールドからＣＣＲまたはＰＩＢへの配線の減少が可能となる。複数のＦＶＣＧはインターフェースを従来のフィールドデバイスに供給し、高速デジタル通信ネットワークを介して処理制御及び安全情報を出力するのに必要とされる信号変換を行う。データは、信頼性を高めるために、有線通信、無線通信、もしくは有線と無線との両方の通信を介して、複数のＦＶＣＧ間及び単一のＦＶＣＧと多数のフィールドデバイスとの間を通過させることができる。
処理施設の至るところの所定の場所で分配される複数のＦＶＣＧはＣＣＲまたはＰＩＢ内に存在する汎用制御インターフェースと通信する。汎用制御インターフェースは高速デジタル通信を介して送信されたＦＶＣＧからの処理制御及び安全信号を収集し、それら信号を中央汎用制御スイッチにルーティングする。中央汎用制御スイッチは、適応型ロジック並びにシミュレーション及びプラントルーティングコントローラ機能を用いてネットワークのためのスマート能力を有する完全に統合化された処理制御及び安全システムの高度なルーティング能力を実行する。
演算制御のためのロジックがＦＶＣＧと分配された制御システム（ＤＣＳ）との間で共有される。特定の制御アプリケーションに対してＤＣＳが一次制御を有し、ＦＶＣＧが二次制御を有する一方で、他の制御アプリケーションに対してＦＶＣＧが一次制御を有し、ＤＣＳが二次制御を有するようにシステムが構成される。同様に、特定のアプリケーションに対する一次制御及び他のアプリケーションに対する二次制御を有するＦＶＣＧを用いて、緊急運転停止制御のためのロジックがＦＶＣＧとプラントの中央ロジックソルバーとの間で共有される。すべてのケースにおいて、もし一次制御デバイスの故障が存在すれば、制御は二次制御デバイスにシフトするであろう。ここで使用されるように、用語「中央ロジックソルバー」は安全分離機能に関連するすべての入力及び出力を管理するための伝統的な緊急運転停止システムで使用される専用のプログラマブル制御システムに言及する。通常、「中央ロジックソルバー」は、調整制御システム（ＤＣＳという）から完全に分離して独立したシステムとして備えられる。このアプリケーションにより導入された概念はウェルヘッド（油井）と関連する完全な安全機能を局所的に管理し、ＦＶＣＧにより可能となる高速デジタル通信を介して「中央ロジックソルバー」との通信を必要に応じた調整レベルまで制限することである。
一実施形態では、（例えばＦＶＣＧの健全性をモニタリングすることやＦＶＣＧに関連する重大な警告をモニタリングし、ＦＶＣＧのＣＰＵ実行時間を測定することなど）ＦＶＣＧをモニタリングして、ＤＣＳがＦＶＣＧに過剰な負荷がかかっているかもしくはＦＶＣＧが劣化したかどうかを決定することを可能とする。もしそのような決定が行われれば、その場合には、制御機能に対する責務がＦＶＣＧからＤＣＳへと転送され、ＦＶＣＧは純粋の通信及びトランキングモジュールとして動作し、制御モジュールとして動作しない。従って、ＦＶＣＧは、情報が複数のデバイスを通過する通信デバイスとしてのモード１と、制御及び通信デバイスとしてのモード２との２つのモードで動作できる。
別の実施形態では、ＦＶＣＧは、スマートフィールドデバイスの自己診断と特定の安全計装機能（ＳＩＦ）と関係するリスクとに基づいて、安全システムボーティング内で使用されるユーザ定義の安全システム劣化状態を構成するための能力を提供する。
別の実施形態では、ＦＶＣＧは、プラントワイドのＥＳＤシステムに同期するクロックを用いた各スマートフィールドデバイスの自己診断故障のタイムスタンプを提供し、検出された故障の存在を中央ＥＳＤシステム、ＤＣＳ及び／もしくは局所制御パネルへと通信し、デバイスの故障が存在するときの経過時間を収集する。ここで、ＦＶＣＧは、デバイス（もしくは複数のデバイスの組み合わせ）が劣化されたかもしくは故障状態にある所定の時間長の後に関連する処理が安全状態となるように構成されてもよい。
別の実施形態では、システムはＦＶＣＧが被る温度、湿度、負荷レベル及び振動をモニタリングする。もしパラメータが所定の基準を超えれば、共通のトラブル信号がＤＣＳに送信され、ＦＶＣＧにより通常行われる制御機能がＤＣＳにシフトされ、ＦＶＣＧにより通常行われる緊急運転停止機能がＥＳＤコントローラにシフトするであろう。
また別の実施形態では、石油／ガスのウェルが主要な処理プラントから遠隔にあるとき、局所ＦＶＣＧは制御機能、テスト、保守、及び機器アップグレードのためのフィールドでのロジックを提供するであろう。
ＦＶＣＧ／ＳＪＢは従来技術の複数のフィールド搭載型ジャンクションボックス（ＪＢ）に置き換えることができる。ＦＶＣＧ／ＳＪＢは以下の機能を提供する。すなわち、（１）複数のフィールドデバイスに対するインターフェース、（２）信号及びプロトコルの変換、（３）好ましくは各ＦＶＣＧへと供給される冗長な電源を有するフィールドデバイスに対する電源及び電力調整、及び（４）ＦＦ−Ｈ１セグメント及び、複数のフィールドセンサ及び複数の最終素子のための短絡保護を有する終端ブロックに対する配線終端。
ＦＶＣＧは各フィールドデバイス、すなわち個々の処理センサ及び最終素子への接続点として機能する。各フィールドデバイスからの配線終端は（分離された従来の４−２０ｍＡの端末とＦＦ−Ｈ１のスプール接続との両方が備えられる）ＦＶＣＧ終端モジュールに接続される。ＦＶＣＧ終端モジュールはフィールドデバイス配線の物理的な終端（端末）を提供し、接続されたＦＦ−Ｈ１スプール及び他の従来の制御信号配線の必要とされる短絡回路及び開回路検出を実行する。また、複数のフィールドデバイスに対する電源及び電力調整がＦＶＣＧ終端モジュールを介して提供される。ＦＦ−Ｈ１回路に対して、ＦＶＣＧ終端モジュールは既存のＦＦ−Ｈ１デバイスカプラーとＦＦ−Ｈ１セグメント電源及び電力調整の機能を結合する。
個々の「ペア」もしくは個々のＦＦの「スプール」が従来のＦＦデバイスカプラーに取って代わりかつＦＦセグメントの「トランク」終端のみならずＦＦ−Ｈ１ホストインターフェースでのシステムキャビネット内の診断及び電源モジュールの必要性を除去する終端モジュールの分離されたセクションにおいて終端処理される。本発明のシステムは、複数のＦＦデバイスカプラー間で現在必要とされる「トランク」ケーブル、ＦＦ電源及び調整器、及びＦＦ−Ｈ１ホストインターフェースを完全に除去する。ＦＶＣＧはスマート無線トランクモジュールの機能を提供し、高速デジタル通信とフィールド信号配線環境との間のインターフェースとして機能する。
また、各ＦＶＣＧは有線のＨ１スプールと他のＦＶＣＧを用いた高速デジタル通信とのそれぞれの状態の診断結果を提供する。制御システムインターフェースの末端では、中央汎用制御スイッチはプラントルーティングコントローラからコマンドを受信して有線の高速通信リンクかもしくは無線通信メッシュのいずれかを介してＦＶＣＧ信号が利用可能となることを確実とする。このような方法で、システムはフィールドデバイス及びより上位のレベルの制御システムへの制御情報並びに該フィールドデバイス及びより上位のレベルの制御システムからの制御情報を送信するための非常に信頼できる手段を提供する。当該技術において知られるように、ネットワークは典型的には、複数の中央ルータ及び複数の周辺ルータを有する。このアプリケーションでは、プラントルーティングコントローラは処理制御システムを介してのデータをルーティングするための中央ルータである一方で、ＦＶＣＧは周辺ルーティング機能を提供する。当該技術において理解されるように、プラントルーティングコントローラはオペレータインターフェースを提供するための処理、メモリ、及びモニタを含み、オペレータが全体のプラントルーティングの既存の状態をモニタリングして診断することを可能にする。プラントルーティングコントローラはまたユーザが特定のルーティングもしくは代わりのルーティングのためのルールを入力することを可能にする。この発明の文脈では、プラントルーティングコントローラは複数のＦＶＣＧを介してのルーティングテーブル及び中央汎用制御スイッチがルーティングルールに矛盾することなしに整合して調整される。
新しい複数のＦＶＣＧ終端モジュールは、一次有線通信信号と、国際計測制御学会（ＩＳＡ）ＩＳＡ１００のプロトコルを使用する無線通信チャネルとの健全性をモニタリングする。例えば健全な無線チャネルなどを経由する有線のフィールドデバイス信号に対して故障が検出されれば、新しいインターフェースはシームレス通信を汎用制御インターフェース及び中央汎用制御スイッチに提供するＩＳＡ１００の無線通信経路へと切り替わるであろう。いかなる時でも、もしＦＶＣＧの終端モジュールが例えば健全な有線のＨ１トランクなどを経由する無線通信チャネルにおける故障を検出すれば、デバイスの無線通信に問題が存在することをオペレータに警告するためにエラーメッセージが中央制御システムに送信されるであろう。ＦＶＣＧはスマートロジックを含み、ＣＣＲとの接続が中断されるときに動作するようにプログラミングされ、サブシステムの継続的な動作を可能とする。
各ＦＶＣＧは好ましくはｎ個の冗長な一次電力回路から供給され、ＣＣＲからかもしくはＰＩＢからのいずれかまたはそれらの両方をソースとするバルク電源を含む。代わりの実施形態では、ソーラーチャージャーを有するバッテリーシステムにより提供される冗長性を用いて、電源はＣＣＲもしくはＰＩＢから供給される。例えば遠隔の石油もしくはガスのウェルをモニタリングするなどの遠隔領域のために特に適している代わりの実施形態では、電源は関連したソーラーチャージャーを有する単一の（例えば非冗長な）バッテリー（充電池）から供給される。ＦＶＣＧは電源分配システムを介して電力を内部の複数のＦＶＣＧモジュールに分配する。
ＦＶＣＧは、有線機器及び無線機器の両方からの複数の信号を受信し、受信した複数の信号を、多くの信号が単一の高速デジタル通信出力上を通過することができるように多重化する。このことは、フィールドに装着された増大された数の装置のプロセス制御及び安全性データを、単一（冗長）対の有線上でプラント環境内でルーティングすることを可能にする。本発明は、新しい有線技術のアプリケーションを信号変換及び高速通信と組み合わせることで、フィールド配線及び配線管において大きな減少をもたらし、その結果、大規模プロジェクトに対して大幅なコスト削減をもたらす。
ＦＶＣＧは各デバイスへの有線と無線との両方のリンクをモニタリングし失われたもしくは劣化された通信上でユーザ定義の動作を実行するための状態ベースの通信ロジックを備える。この状態ベースの通信ロジックは特許文献１で説明され、それが参照によりここで組み込まれる。この拡張されたモニタリング及び救済的な動作能力は従来技術のシステムを用いても可能性がない計装／制御システム設計者に対して柔軟性を提供する。
本発明はまた、主要なプラントＤＣＳと統合する複数のＦＶＣＧを統合することにより、インテリジェント油田（Ｉ−フィールド）のために改善された制御を提供する。ＦＶＣＧ故障の場合には、主要なプラントＤＣＳは影響されたウェルのバックアップ制御を提供することができる。典型的にはいくつかの石油及びガスウェルから構成されるＩ−フィールドのために、生産レベル及びタイプは施設の収益性を決定し貯蔵要件を最小化する際において使用される２つの重要な変数である。例えば、契約要件を満たすために及び／もしくは利益を最大化するために、（それぞれに特定のパーセンテージを有する）多数の炭化水素生成物が必要とされてもよい。主要なＤＣＳシステムは各ウェルに対して必要とされる生産レベル及びタイプを決定し、この情報を、ＤＣＳから受信される要件に従ってそのウェルに対するフィールドデバイスを制御するであろう、各ウェルのＦＶＣＧに対して送信することができる。この処理は実際は動的とすることができ、毎日何回も変更もしくは調整することができる。従来技術のシステム及び方法は各ウェルでの生産レベル及びタイプの手動調整を必要とし、結果として生産レベル及びタイプの準最適な調整へと導く。これに対して、各ウェルでのＦＶＣＧの使用は高速サンプリングレートに基づいて高速でかつ正確な制御を可能とするであろう。このことはより動的な処理制御、より多い生産量、過剰な貯蔵容量の最小化、及び増加された収益性を提供する。共通リンクの通信故障の場合には、システムはフィールドジャンクションボックスレベルでの冗長信号コンバータと、複数のＦＶＣＧ間の冗長通信リンク、及び改善された能力のインストールを含むことで、プラントルーティングコントローラを使用して通信を再ルーティングすることができる。
例えばモニタリング機器もしくはセンサなどの重要性の低い制御デバイスは例えば無線接続だけを使用するなどして冗長性なしでＦＶＣＧと通信することができる。ＦＶＣＧは全体の健全性のために無線通信を連続的にモニタリングして、無線通信の故障が検出された場合に、インターフェースは警告を処理制御システムに送信する。いくつかの制御回路が実際上重要であるので、冗長な信号変換機能がＦＶＣＧに含まれる。内部のＦＶＣＧ状態ベースのロジックを利用して、重大なサービス制御デバイスは有線通信だけを用いるかもしくは２つの冗長な方法における無線及び有線の通信を介してＦＶＣＧと通信することができる。もしＦＶＣＧ間の有線通信経路上で故障が検出されて健全な無線経路が利用可能であれば、インターフェースは無線経路へと切り替わり、一次有線リンク上でトラブルが検出されたことをプラントルーティングコントローラに警告するであろう。ＦＶＣＧの内部のＦＶＣＧ通信ロジックにより、エンドユーザがフィールドデバイス内で故障が検出されたときにどのようにデバイスがＦＶＣＧに対して対応して動作するかを定義することを可能とする。この方法において、デュアル冗長通信経路がフィールドデバイスと、接続された信号コンバータとの間で、並びに個々のフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）間で必要に応じてオプショナルで利用可能となる。
ＦＶＣＧは例えばＦＦ−Ｈ１もしくはアナログ信号の新生のＩＳＡ１００の無線通信技術などの既存の従来の通信プロトコルと、参照によりここで組み込まれる特許文献１で説明された新しい無線使用可能なスマート安全機器のアプリケーションとを組み合わせる。新しいシステム及び装置により提供される柔軟性は必要に応じてフィールドレベルでのデュアル冗長通信インターフェースか、もしくは無線もしくは有線のいずれかのフィールド搭載型機器との単一方向への通信を提供し、フィールドデバイスケーブリングの導入に関連する費用においてさらなる削減を促進する。
新しいＦＶＣＧインターフェースは処理制御及び多変数制御を実行するためのロジックを含む。ＦＶＣＧロジックは高速なサンプリング及び制御応答時間でフィールドでの多変数制御のより簡単な実装を促進する。ＤＣＳが一時的にサービス停止状態にあって重負荷のもとかもしくはアップグレードのもとで動作しているとき、ＦＶＣＧは集中型ＤＣＳのためのバックアップとして機能する。従来技術では、もし集中型ＤＣＳがサービス停止中であった場合には、プラントはシャットダウンされなければならなかった。本発明は、真に冗長でありかつ分散された制御システムを達成するために、処理の一次制御を局所ＦＶＣＧから中央ＤＣＳへと及び中央ＤＣＳから局所ＦＶＣＧへと転送するために必要とされるメッセージングを提供する。
次に制御室において分析される、スマートフィールドデバイスからデバイス診断結果を収集するための第三者のソフトウェアパッケージに依存する従来技術とは対称的に、ＦＶＣＧにおける入力／出力カードはスマートフィールド機器からの診断結果を受信しその診断結果に基づいてフィールドにおいて決定することができる。これが入力／出力カード内に内蔵されかつ例えばＨＡＲＴやフィールドバスファウンデーションなどのプロトコルを介して商業的に利用可能なチップレベル／ソフトウェアベースの特徴である。例えば、今日のスマートバルブは、ソレノイドバルブが動作し損なったときと主要なバルブが故障したときと主要なバルブが凍結したときとアクチュエータ圧力が低すぎるときと他の機能とを検出できる。安全性及び動作性を保持するために複数のバルブが同一の処理ライン内に存在するとき、これが従来技術を用いるよりもより複雑なフィールドにおけるボーティング（投票）ロジック代替物を可能とする。別の例では、１個の圧力送信機からの「トラブル」信号が保護動作をトリガーしないであろうが、劣化された、２個から２個のボーティングされた配列を結果として生じるであろうように、従来の安全システム設計では、局所フィールド制御は、離散的な診断結果の入力だけを用いて３個のボーティングロジックから２個を用いて設計されたかもしれない。スマートフィールド機器からの診断を受信するように新しい設計及びＦＶＣＧの能力を用いて、ＦＶＣＧは「トラブル」信号だけでなく、影響された圧力送信機により登録された実際の圧力もまた見ることができる。従って、ＦＶＣＧは、特定の安全アプリケーションに基づく２個から１個のもしくは２個から２個のボーティングされた配列における残余の「健全な圧力送信機」を利用するようにプログラミングされる。
一実施形態では、フローラインを保護するスマートバルブは３個からの１個のボーティングロジックを用いてそれらをモニタリングするＦＶＣＧにより制御される。もしスマートバルブのうちの１つにおいて故障が検出されれば、ＦＶＣＧはその故障を認識し警告信号を制御室内のオペレータに送信するであろう。ＦＶＣＧはトリップへのそのフローラインを保護する他のスマートバルブにコマンドを出すかもしくはフローラインのトリップを開始する前に例えば３個から２個のボーティングロジックなどのそのフローライン上のスマートバルブの第２の故障を待つかのいずれかであろう。ＦＶＣＧの構成はフィールドにおいて取得され、３個からの１個のロジックや３個からの２個のロジックなどに基づいて動作するかどうかを決定する能力を含む。デバイスレベル診断のこのフィールドレベルで適応型の使用は今日において存在する技術では利用できない。
この発明のシステムを用いて、処理センサ及び最終素子が例えば適応型ロジック及びシミュレーション、ＥＳＤコントローラ、及びＤＣＳなどの補助アプリケーションとより簡単に統合することが可能であり、結果として新しいレベルのシステム統合化を生じる。システムはまたＩＳＣＩ（インテリジェント安全及び制御インテグレータ）、中央汎用制御スイッチ及びプラントルーティングコントローラを介してＤＣＳ及びＥＳＤコントローラと統合することが可能である。
本発明のシステム及び方法は従来の集中型制御システムの能力により現在は制限されたフィールドレベル及び処理制御の改善に対して多変数制御を提供する。
各フィールド搭載型ＦＶＣＧ間の冗長な通信経路と多様な通信経路とのこの特有の組み合わせが信頼性を損なうことなしに改善された通信スループットを提供するであろう。
本発明の好ましい実施形態が以下の図面を参照してここで以下に説明される。
従来技術の油田制御システムを図示する。 新しい油田処理制御システムを図示する。 フィールド汎用制御ゲートウェイ内の構成要素を図示する。 ＦＶＣＧへの電力分配を図示する。 汎用制御インターフェース内の構成要素を図示する。 制御をＦＶＣＧからＤＣＳへと転送する方法を図示する。 中央汎用制御スイッチを図示する。 ＤＣＳとＥＳＤコントローラとの間の提案された接続性を図示する。
図１は従来技術の石油処理制御システム１００を概略的に図示する。主要なプラントＤＣＳ１１０は配線１１５（典型的には高速イーサネット）を介して緊急運転停止（ＥＳＤ）コントローラ１２０と統合される。ＤＣＳはケーブリング１１７を介して従来の入力／出力マーシャリングキャビネット１４０に接続され、ケーブリング１１６を介してフィールドバスファウンデーション電源及びマーシャリングキャビネット１３０に接続される。ＤＣＳ１１０、ＥＳＤコントローラ１２０、及びマーシャリングキャビネット１３０及び１４０はＰＩＢもしくはＣＣＲ１９０内に配置される。
従来のＩ／Ｏマーシャリングキャビネット１４０はマーシャリングキャビネット１４０とＪＢ１５０との間でルーティングされたケーブル１４５及びＪＢ１５０とフィールドデバイス１６０との間でルーティングされたケーブル１５５を用いて、ＪＢ１５０を介して多数の従来のフィールドデバイス１６０に配線される。これらのケーブル１４５及び１５５は典型的には（例えば圧力送信機からの４−２０ｍＡの信号及び比例制御バルブへの４−２０ｍＡの信号などの）アナログ信号のためのツイストペアシールド線と、（例えば位置スイッチからの入力、リミットスイッチ、トルクスイッチなどやバルブコントローラへの「開」及び「閉」信号などの）離散制御信号のためのノンシールド配線とを含む。
ＦＦ電源及びマーシャリングキャビネット１３０は、マーシャリングキャビネット１３０とＪＢ１７０との間でルーティングされたＨ１トランクケーブル及びＪＢ１７０とＦＦフィールドデバイス１８０との間でルーティングされたＨ１スプールを用いて、ＪＢ１７０を介して多数のＦＦフィールドデバイス１７５に有線接続される。
図２は新しい発明の新しい油田処理制御システム２００の実施形態を概略的に図示する。そのシステムは、４つの主要な部品から構成される。すなわち、フィールドデバイスとインターフェースをとるＦＶＣＧ２７０と、ＦＶＣＧ２７０へと送信されるデータ及びＦＶＣＧ２７０から送信されるデータを収集する汎用制御インターフェース２５０と、プラントルーティングコントローラ２３０と、中央汎用制御スイッチ２２０とである。もし一次回路が機能しなくなれば二次冗長回路が引き継ぐように、もしくは３重の冗長性の場合には、もし一次回路及び二次回路の両方が機能しなくなれば二次冗長回路が引き継ぐように、中央汎用制御スイッチ２２０は二重もしくは三重の冗長性をサポートする。３つの汎用制御インターフェース２５０が図２で図示される一方で、特定の数のデバイスがメッセージを処理するための中央汎用制御スイッチ２２０の電力制限及び容量に依存する。必要に応じて、付加的な中央汎用制御スイッチ２２０が付加的な汎用制御インターフェース２５０をサポートするように追加される。新しいシステム構成は、ＦＶＣＧレベルでの従来の通信方法と無線ＩＳＡ１００の通信方法との両方の装置、並びにフィールドレベルでの高速デジタル通信の変換及びルーティングの装置において特有であり、従来技術では存在していた種々の配線キャビネットに対する必要性を取り除く。「そのクラスで最高の」フィールド機器を使用し、ウェルサイト及び安全要件に応じて適切にそれらのすべてを共通のＦＶＣＧ／ＳＪＢ内で接続することの柔軟性はこの発明の鍵となる要素である。本発明は、ウェルサイトでの制御、安全及び機能テスト要件をモニタリングして管理し、ステータス信号を用いて例えばガス／石油分離プラント（ＧＯＳＰ）などの主要なプラントの中央制御室と通信することができる内蔵型の局所制御システムを提供するために必要に応じて任意の組み合わせにおける有線のアナログ信号、有線の（マルチドロップ）フィールドバスファウンデーション信号、離散（オン／オフ）信号、無線信号（ＩＳＡ１００、ＨＡＲＴなど）を使用するための柔軟性を有する局所フィールドインターフェースを含む。
主要なプラントＤＣＳ２１０は配線２１５を介して中央汎用制御スイッチに接続される。ＤＣＳは（配線２２５を介して）プラントルーティングコントローラ２３０に中央汎用制御スイッチ２２０を介して接続され、（配線２２６を介して）適応型ロジック及びシミュレーションユニット２４０に接続され、さらに（配線２２５を介して）汎用制御インターフェース２５０に接続される。ＤＣＳ２１０、中央汎用制御スイッチ２２０、プラントルーティングコントローラ２３０、適応型ロジック及びシミュレーションデバイス２４０、並びに汎用制御インターフェース２５０はＰＩＢもしくはＣＣＲ２９５において配置される。ＤＣＳ２１０はまた、配線２２７を介してＩＳＣＩ２８０に中央汎用制御スイッチを介して接続される。ＩＳＣＩ２８０はフィールド内に配置される。
汎用制御インターフェース２５０は多数のフィールドデバイス２９０とインターフェースをとることができる。これらのインターフェースは、汎用制御インターフェース２５０と複数のＪＢ２６０との間でルーティングされたケーブル２５５及び複数のＪＢ２６０とフィールドデバイス２９０との間でルーティングされたケーブル２６５を用いて従来技術の従来の（従来技術の）複数のＪＢ２６０を介して形成される。汎用制御インターフェース２５０はまた、本発明の複数のＦＶＣＧ２７０を介してフィールドデバイス２９０とインターフェースがとられる。汎用制御インターフェース２５０と複数のＦＶＣＧ２７０との間の通信は複数の有線経路２５７及び複数の無線経路２５８を含むことができる。複数のＦＶＣＧ２７０は有線経路２７４もしくは無線経路２７８のいずれかを介して複数のフィールドデバイス２９０に直接に通信することができる。複数のＦＶＣＧはまた、有線経路２７６もしくは無線経路２７９のいずれかを介して他の複数のＦＶＣＧと通信することができる。複数のＦＶＣＧはまた、有線経路２７５を介して従来の複数のＪＢ２６０と通信することができる。本発明の付加的な新しい特徴は、緊急運転停止ロジック及び適応型ロジックの新しいレベルの統合化を可能とするプラントルーティングコントローラ及び中央汎用制御スイッチの導入により可能となった新しい機能を含む。
図３は、例えばフィールドでの制御能力を提供するウィンドウベースのオペレーティングシステムなどを有する中央処理装置（ＣＰＵ）３２５を含むフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）３００内の代表的な構成要素を概略的に図示する。ルーティングデータベース３３０及びルーティングモジュール３４０がまた含まれる。ルーティングモジュール３４０は複数のフィールドデバイスからのデータをＣＰＵ３２５へ及びＣＰＵ３２５からルーティングし、また他の複数のＦＶＣＧへとＦＶＣＧからのルーティング並びにＣＣＲもしくはＰＩＢへとＣＣＲもしくはＰＩＢからのルーティングを提供する。ルーティングモジュール３４０はまた、（Ｍ＋１）本のリンクにわたって同一のデータパケットのマルチキャストを提供する。この指定法は１つのリンクが一次リンクであり「Ｍ」本の付加的なリンクがホット冗長スタンバイリンクとして機能することを意味する。もし例えば連続したＣＣＲの失敗のために元来指定された一次リンクが失敗すれば、最初に指定された冗長リンクが新しい一次リンクとなるであろうし、失敗した一次リンクはサービス停止中のリンクとして指定されるであろう。（Ｍ＋１）本のリンク設計は、臨界データがＦＶＣＧをＣＣＲに接続するリンクを介して正確に伝送されることを確実にする。ルーティングデータベース３３０は、一次ルート及び代替ルート、機器アドレス及び隣接アドレスを含み、プラントルーティングコントローラ（ＰＲＣ）により動的に更新される。
ＦＶＣＧ３００はまた、警告モジュール３３５、電力管理及び調整モジュール３１０、及び電力端子ブロック３１５を含む。電力管理及び調整モジュール３１０はＦＶＣＧ３００内部の電子機器に対して電力を供給するだけでなく、調整された電力を複数のフィールドデバイスに供給もする。複数のヒューズもしくは複数の回路ブレーカ及び複数の過渡電圧サージ抑制デバイス（ＴＶＳＳ）がまたＦＶＣＧ３００の筐体内に含まれる。電力及び通信が共通ケーブルを介してＦＶＣＧ３００から複数のフィールドデバイスへと供給される。警告モジュール３３５は複数のフィールドデバイスとの無線通信の健全性をモニタリングする。診断結果は、（例えば温度、圧力、レベルなどの）複数の送信機の処理信号の健全性の診断結果、デバイス電子機器の健全性、電力変動、中央制御室からの通信の健全性及び中央制御室への通信の健全性などを含む。ＦＶＣＧ３００内のロジックは、ウェルサイト制御機能、検出された故障のタイプ及び提供された冗長性と関連したリスクに基づいて、診断された故障の認識に基づいて適切な動作を行うようにユーザにより構成される。
ＦＶＣＧ３００はまた、アップリンクインターフェースカード３４５、データバス３５０及び電力ケーブル３２０、並びにコンバータ／プロトコルトランスレータ３５５を含む。コンバータ／プロトコルトランスレータ３５５は、例えば４−２０ｍＡのＨ１、ＥＩ、シリアル、無線、もしくはＨＳＥから、ＨＳＬフォーマットへのプロトコル変換／カプセル化を提供する。ＨＳＬフォーマットは、ＣＣＲもしくはＰＩＢへのアップリンクを提供するであろうシングルモードファイバー、マルチモードファイバー及びイーサネット通信に基づく。
無線インターフェースカード３８０、４−２０ｍＡのインターフェースカード３７５、Ｈ１インターフェースカード３７０、ＥＩカード３９０、シリアルインターフェースカード３６５、オン／オフインターフェースカード３６０を含む多数のインターフェースカードを使用できる。ＨＳＬアップリンクインターフェースカード３４５は１Ｇｂｐｓデータレートを有する標準イーサネット（ＩＥＥＥ８０２．３）としてもしくはフィールドバスファウンデーションＨＳＥとして構成することができる。従来技術のシステムは一般的にＨＳＥ及びＨ１リンクを含む一方で、Ｈ１接続が１００Ｍｂｐｓのリンクを有する標準イーサネット（ＩＥＥＥ８０２．３）により置換され、ＨＳＥ接続は１Ｇｂｐｓのデータレートを有する標準イーサネット（ＩＥＥＥ８０２．３）により置換されるであろうことが予測される。
ＦＶＣＧ３００は種々のタイプ（ＨＤＬ、ＨＳＥ、Ｈ１、４−２０ｍＡ）のインターフェースカードが特定の処理アプリケーションに対して必要とされるインターフェースタイプに依存して追加可能であるという意味においてモジュール形式の装置である。３２個のフィールドデバイスとインターフェースをとることができる各カードを用いて、４個の冗長なペアの有線カードに対して８個のスロットが存在する。カードの数はインストールによって変更され、図示された数は例示の目的のためだけである。すべてのカードは冗長なペアとして提供される。
また、最大２５６個のフィールドデバイスのためにスター／メッシュトポロジーをサポートする２つのインターフェースからなる冗長な複数の無線カード（１つの無線カードだけが図面において図示される）が存在する。
最後に、ＦＶＣＧ３００をＣＣＲもしくはＰＩＢに接続する１つの冗長なインターフェース、もしくは代替としてＦＶＣＧをＣＣＲもしくはＰＩＢに接続された中間のＦＶＣＧに接続する１つの冗長なインターフェースが存在する。アップリンクインターフェースカードは、Ｍ個の冗長なリンクを介して同一のデータパケットを汎用制御インターフェース（ＶＣＩ）にマルチキャストしてミッションでクリティカルな高い信頼性のある通信を取得することによりＭ個の冗長な高速データリンクをサポートする。従って、ＦＶＣＧとＣＣＲまたはＰＩＢとの間の通信が有線のＭ個の冗長なリンクを介して、または代替には冗長な無線リンクを介して、または代替には有線のＭ個の冗長なリンクと冗長な無線リンクとの両方を介して行われる。
従って、各ＦＶＣＧ３００は１２８個の有線の入力と、２５６個の無線接続と、例えばＣＣＲもしくはＰＩＢへのアップリンクなどのＭ個の冗長な高速データリンクとをサポートすることができる。
図４は本発明のシステムに対する電力分配設計の実施形態を図示する。電力筐体４０５は冗長電力調整ユニット４２０及びＵＰＳ４３０を含む。４つの電力分配ノード４４０，４５０，４６０及び４７０を図示する実施形態を用いて、２つもしくはそれ以上の電力分配ノードがまた含まれる。電力調整ユニット４２０は例えばユーティリティ電力などの外部電源、及び例えばディーゼルもしくは天然ガスユニットなどの局所緊急発電機などの冗長な複数の電源から電力を受電する。各電力分配ノード４４０，４５０，４６０及び４７０は外部電源からその一次電力を取得する。しかしながら、この電力が遮断された場合には、ＵＰＳ４３０は複数の緊急発電機が開始されるかもしくは外部電源が回復されるまで電力を供給するであろう。
好ましくは、フィールドでの各ＦＶＣＧ４８０は少なくとも２つの電力調整ユニット（Ｎ＋１）からの電力により供給されてミッションでクリティカルな電力の非常に高レベルの信頼性及び利用可能性を確立させる。図示された実施形態では、各ＦＶＣＧ４８０は電力分配ノード４４０，４５０，４６０及び４７０からそれぞれケーブル４４５，４５５，４６５及び４７５により供給される。ＦＶＣＧ４８０は（Ｎ＋１）本の電力ケーブル、すなわち一次ケーブル及び「Ｎ」本の冗長なケーブルから受電してＦＶＣＧの内部サブシステムに電力を供給して関連する複数のフィールドデバイスに対して電力を供給する。（Ｎ＋１）本のリンクを介してＣＣＲもしくはＰＩＢから受電された電力は（Ｎ＋１）本のケーブルにわたって共有される。従って、（Ｎ＋１）本のケーブルからの１つのケーブルの損失は複数のＦＶＣＧ及び関連した複数のフィールドデバイスの動作に必要とされる電力の利用可能性に対して即時に悪影響を及ぼさないであろう。
図５は電力管理及び調整モジュール５１０と電力分配ノード５１５と電力ケーブル５６０とを含む代表的な汎用制御インターフェース５００の構成要素を概略的に図示する。プロセッサ及びルーティングするためのルート及びアルゴリズムを含むメモリ（データベース）を組み込むルーティングテーブル５２０と、実際のルーティングを実行するルーティングモジュール５３０とがまた含まれる。それにより、ポートから受信されたパケットまたはメッセージがルーティングテーブル５２０のルート及びアルゴリズムに基づいてその出力ポートに転送される。データバス５３５及びコンバータ／プロトコルトランスレータ５４０が含まれる。複数のＦＶＣＧとの通信のためのアップリンクインターフェースカード５２５と、ＤＣＳへのアップリンクインターフェースカード５５０と、無線インターフェースカード５４５とがまた含まれる。
ＦＶＣＧは２つの動作モードを有する。
１．ＤＣＳの機能を補完するプラント制御システムの一部としてのスマートコントローラとしてのモード１。このモードでは、ＦＶＣＧは以下の多数の機能を提供する。
ａ．「フィールドでの制御」を実行するための能力を含む、ＦＶＣＧと関連する複数の局所デバイスもしくは複数のユニットに対する局所処理コントローラ。
ｂ．複数の局所ユニットもしくは機器を介してのルーティング、並びにＣＣＲへのルーティング及びＣＣＲからのルーティング。
ｃ．種々のフィールド処理デバイス及びインターフェースを介してのプロトコル変換。
ｄ．ＦＶＣＧと関連する複数の局所デバイスへの電力管理及び供給。
ｅ．ＤＣＳ故障の場合に冗長なバックアップとして機能すること。
ｆ．種々のプロトコルに対するマルチインターフェース能力。
ｇ．ＣＣＲへの高速接続性。
２．ＥＳＤコントローラの機能を補完するプラント安全及び停止システムの一部としてのスマート安全コントローラとしてのモード２。
ａ．「フィールドでのロジック」を実行するための能力を含む、ＦＶＣＧと関連する複数の局所デバイスもしくは複数のユニットに対する局所安全ロジックソルバーもしくはコントローラとしての動作。
ｂ．複数の局所ユニットもしくは機器を介してのルーティング、及びＣＣＲへのルーティング及びＣＣＲからのルーティング。
ｃ．種々のフィールド安全デバイス及びインターフェースを介してのプロトコル変換。
ｄ．ＦＶＣＧと関連する複数の局所デバイスへの電力管理及び供給。
ｅ．ＥＳＤコントローラの故障の場合に冗長なバックアップとして機能すること。
ｆ．種々のプロトコルへのマルチインターフェース能力。
ｇ．ＣＣＲへの高速接続性。
ＦＶＣＧはプラント制御システムのためのスマートコントローラ及び通信インターフェース／ルーティングマネージャとして使用されるかもしくはそれは全体のプラント安全システムの一部として安全コントローラ及び通信インターフェース／ルーティングマネージャとして使用できる。しかしながら、プラント内の安全及びコントローラシステムの分離を確実とするために、同一のＦＶＣＧが両方に対して使用することができず使用されるべきではない。
比例積分微分コントローラ（ＰＩＤコントローラ）は工業的な処理制御システムで広く使用される中央ループフィードバック機構（コントローラ）である。ＰＩＤコントローラは、測定された処理変数と所望の設定点との間の差として「誤差」値を計算する。コントローラは処理制御出力を調整することにより誤差を最小化しようとする。ＰＩＤコントローラアルゴリズムは３つの分離した一定のパラメータを含み、それ故にときどき、Ｐ，Ｉ及びＤとそれぞれ記された比例値、積分値、及び微分値の３項制御と呼ばれる。簡単に言えば、これらの値は時間の項で解釈され、ここで、Ｐは現在の誤差に依存し、Ｉは過去の誤差の累積に依存し、Ｄは現在のレートの変化に基づく未来の誤差の予測である。これらの３つの動作の重み付けされた合計は例えば制御値、ダンパー、もしくは加熱素子に供給される電力の位置などの制御素子を介して当該処理を調整するように使用される。「フィールドでの制御」の概念は、古典的な「ＰＩＤ」タイプ制御が他のマルチドロップデバイスに対する「マスター」として供給していたフィールドデバイス内で起こることを可能とするためにフィールドバスファウンデーションにより導入された。換言すれば、ＤＣＳもしくはＣＣＲ内で処理されることの代わりに、これによりＰＩＤ制御がフィールドレベルに移動することを可能とする。この発明では、「フィールドでの制御」は「バス上の」情報を捕捉してそれを使用してＦＶＣＧ内で値を加算するかもしくは決定することを意味するように使用される。
同様に、「フィールドでのロジック」との用語は、因果関係のタイプの入出力（Ｃ＆Ｅ）をとってそれらを相互に関連付けて例えばＦＶＣＧなどのバスアーキテクチャーもしくは局所コントローラを介してスマート「マスター」フィールド搭載型デバイスに対して利用可能な入力に基づいて決定することに言及するようにここで使用される。この文脈内で、ＦＶＣＧは、中央ＥＳＤコントローラを使用することの代わりに、局所／フィールドレベルにおいてＩ／Ｏモジュールの複数のデジタル入力／出力もしくはアナログ入力／出力を管理するであろう。代替には、ＦＶＣＧは主要かつ中央のロジックソルバーに対して冗長なもしくはバックアップの「ロジックソルバー」として機能することができる。図７は電力管理及び調整ユニット７１０とルーティングテーブル７２０とルーティングプロセッサ及びロジックユニット７３０と複数のＨＳＬインターフェースカード７４０とを含む中央汎用制御スイッチ７００を図示する。
図６は例えばＦＶＣＧに過重な負荷がかかったかもしくはＦＶＣＧが劣化したかの決定などに対するＦＶＣＧからＤＣＳへの処理制御責務の転送を反映して一連のメッセージが交換される方法６００を図示する。ステップ６０５では、「制御転送をリクエストする」とのメッセージがＤＣＳからＦＶＣＧへと送信される。そのリクエストメッセージは以下のデータを含む。
Figure 2016518736
コマンドタイプ（１）は処理制御をＤＣＳからＦＶＣＧへと転送するためかもしくは処理制御をＦＶＣＧからＤＣＳへと転送するためのいずれかのコマンドとすることができる。図６で図示された例では、制御はＦＶＣＧからＤＣＳへと転送される。
制御転送のための理由（２）はＤＣＳ故障、ＦＶＣＧ故障、ＤＣＳとＦＶＣＧとの間の通信の故障、例えば過度の熱、湿度、振動、負荷レベル、ＦＶＣＧによる制御不能な処理障害、（例えば保守もしくはテスト要件に対して行われるなどの）自発的な決定、またはオペレータの介入などのＦＶＣＧ環境条件を含むことができる。ＦＶＣＧによる制御不能な処理障害の例は個々のウェルからの生産を減少させるかもしくは中止させるためのガス石油分離プラントからの信号であろう。ＦＶＣＧとＣＧＳとの両方の制御が必要とされ、リモート制御もしくは停止が取得される、局所制御もしくは停止の損失の場合において冗長性を提供する。また、ＦＶＣＧにおいて局所的に検出されないであろういくつかの出来事が例えばウェルから遠隔のパイプリークなどの中央制御室におけるＤＣＳで検出可能であるかもしれない。
もし完全なＦＶＣＧ故障が存在すれば、各フィールドデバイスの故障モードは使用される個々のデバイス構成に依存するであろう。例えば、ＨＡＲＴ診断もしくはＦＶＣＧへのファウンデーションフィールドバスを有する４−２０ｍＡのアナログを介して通信する従来のスマートバルブコントローラはユーザにより構成されるようにフェイルオープンされるかフェイルクローズされるであろう。すべての通信が失われたので、ユーザはこのフェイルセーフ状態を保守的に構成してリスクに晒される脅威を減少させるであろう。しかしながら、ＦＶＣＧが健全なままであるという条件で、デバイスレベル故障が全体の安全及び信頼性を改善するためのバルブもしくは処理センサ内で検出されるときに局所状態ベースのロジック内で定義される付加的なオプションがユーザにより選択されてもよい。
本例では時刻ＴＤ（３）は制御がＦＶＣＧにより転送されるべき及びＤＣＳにより仮定されるべき例えば１３：４５．３５１などの時刻である。
メッセージ臨界（４）は正常レベル、臨界レベルもしくは緊急レベルとすることができる。メッセージ臨界は何の機能がＤＣＳからＦＶＣＧへと転送されるかを説明する。「正常」状態に対して、ＦＶＣＧは処理条件をモニタリングして警告して診断ログを保持するであろう。「臨界」状態に対して、ＦＶＣＧは例えば閉ループ制御や開ループ制御などの機能をさらに実行するであろう。「緊急」状態に対して、ＦＶＣＧは緊急運転停止機能をさらに実行するであろう。
含まれた構成要素（５）は、本例では制御がＦＶＣＧからＤＣＳへと転送されるべきシステム、構成要素、及び機器であろう。
ステップ６１０では、「制御転送を肯定応答する」とのメッセージがＦＶＣＧからＤＣＳへと送信される。肯定応答メッセージは以下のデータを含む。
Figure 2016518736
肯定応答タイプ（１）は制御転送リクエストの肯定応答、制御をドロップするのにリクエストされた時刻の肯定応答、臨界レベルの肯定応答、システムパラメータ状態の肯定応答、システムパラメータ更新メッセージの肯定応答、もしくは制御ドロップされたメッセージの肯定応答のいずれかとすることができる。
ステップ６１０では、「制御転送を肯定応答する」とのメッセージがＦＶＣＧからＤＣＳへと送信される。肯定応答メッセージは以下のデータを含む。
Figure 2016518736
肯定応答タイプ（１）は、制御転送リクエストの肯定応答、転送がリクエストされた時刻の肯定応答、臨界レベルの肯定応答、受信されたシステムパラメータの肯定応答、受信されたシステム更新メッセージの肯定応答、もしくは制御ドロップされたメッセージに肯定応答のいずれかとすることができる。
同様に、ステップ６１５では、「転送の時刻を肯定応答する」とのメッセージがＦＶＣＧからＤＣＳへと送信される。ステップ６２０では、「臨界レベルを肯定応答する」とのメッセージがＦＶＣＧからＤＣＳへと送信される。
ステップ６２５では、「システムパラメータ状態」メッセージがＦＶＣＧからＤＣＳへと送信される。システムパラメータ状態メッセージ及び関連したシステムパラメータ更新メッセージは以下のデータを含む。
Figure 2016518736
システムパラメータ状態メッセージ（１）は制御の転送において含まれる各機器又は装置の現在の状態を提供する。システムパラメータ更新メッセージ（２）は特定の装置もしくは機器の状態が変化したときの通知を提供する。
タイミング同期チェックは宛先アドレス及びソースデバイスへの局所時刻の交換を提供して制御交換の正確なタイミングを確実とする。
ステップ６３０では、「システムパラメータ状態を肯定応答する」とのメッセージがＦＶＣＧからＤＣＳへと送信される。肯定応答メッセージが上述したステップ６１０で説明された。
ステップ６３５では、「転送前に更新する」とのメッセージがＤＣＳからＦＶＣＧへと送信される。
ステップ６４０では、「転送前の更新を肯定応答する」とのメッセージがＤＣＳからＦＶＣＧへと送信される。
ステップ６４５では、「ドロップされるように制御する」とのメッセージがＦＶＣＧからＤＣＳへと送信される。これは以下のデータを含む制御交換メッセージである。
Figure 2016518736
交換モード（１）はステップ６４５の場合と同様の「ドロップされるように制御する」とのメッセージ、第２のデバイスが制御を支配したことを示す「制御を支配した」とのメッセージ、もしくは第１のデバイスが第２のデバイスへ制御を譲渡したことを示す「制御がドロップした」とのメッセージのうちのいずれかとすることができる。
上述したように、タイミング同期チェック（２）は宛先及びソースデバイスへの局所時刻の交換を提供して制御交換の正確なタイミングを確実とする。
ステップ６５０では、ＤＣＳが制御を制したことを知らせる「制御を支配した」とのメッセージはＤＣＳからＦＶＣＧへと送信される。留意すべきことは、このメッセージが所定の時刻ＴＤで送信されることである。ステップ６５５では、ＦＶＣＧはもはや制御していないことを確認する「制御がドロップした」とのメッセージはＦＶＣＧからＤＣＳへと送信される。
ステップ６６０では、「制御がドロップしたことの肯定応答」のメッセージはＤＣＳからＦＶＣＧへと送信される。肯定応答メッセージはステップ６１０に対して前に説明された。
従って、ステップ６２５，６３０及び６３５はシステムパラメータを通信するメッセージ、そのようなメッセージの肯定応答、及び「転送前に更新する」とのメッセージを説明した。これらはほとんどの最新のパラメータの観点においてＤＣＳ及びＦＶＣＧシステムを同期するように意図される。ステップ６４５の「ドロップされるように制御する」とのメッセージは、時刻ＴＤであってＤＣＳに制御を支配するように指示する機能の実行の後にＦＶＣＧが制御をＤＣＳに転送するであろうことを示す。
次に、ＤＣＳはＦＶＣＧが時刻ＴＤで制御機能をドロップするであろうことを気付いているという肯定応答が受信される。従って、ステップ６４５はスムーズハンドのオフを確実とする。ステップ６５０では、ＤＣＳは、ＤＣＳが時刻ＴＤで制御を支配して次にそのときに初めてステップ６５５で説明したように、ＦＶＣＧは制御機能をドロップするであろう。すなわち、制御機能を不使用とすることはできないので、その制御機能がＤＣＳにより支配されるまでＦＶＣＧは制御機能をドロップすることはできない。逆に言えば、本発明は１つの処理を支配する２つのコントローラが存在しないであろうことを保証する。
１つの付加的なタイプのメッセージが可能である。図６で図示された例では図示されない、このメッセージは、以下のデータを含む「制御変化リクエストを転送するための時刻」のメッセージである。
Figure 2016518736
このメッセージは制御機能を転送するために前に選択された時刻の変化をリクエストする。時刻変化は前に選択された時刻よりも早いかもしくは遅いかのいずれかとすることができる。例えば、ＦＶＣＧは制御の転送が特定の時刻で起こるようにしてもよい一方で、ＤＣＳは例えばシステムアップグレードやダウンロードパッチなどの他の動作のために異なる時刻を選択してもよい。
上述したように、タイミング同期チェック（２）は宛先及びソースデバイスに対して局所時刻の交換を提供して制御交換の正確なタイミングを確実とする。
図８は制御システム８００と緊急運転停止システム８３５との間の接続を概略的に図示する。制御システム８００では、ＤＣＳ８１５は、プラントルーティングコントローラ８０５、適応型ロジック及びシミュレーションユニット８１０、汎用制御インターフェース８２５、及びインテリジェント安全及び制御インテグレータ（ＩＳＣＩ）８３０にまた接続する中央汎用制御スイッチ８２０に接続される。緊急運転停止システム８３５では、ＥＳＤコントローラ８５５は、プラントルーティングコントローラ８４０、適応型ロジック及びシミュレーションユニット８４５、汎用制御インターフェース８６０、及びインテリジェント安全及び制御インテグレータ（ＩＳＣＩ）８６５にまた接続する中央汎用制御スイッチ８５０に接続される。特許文献２が参照により組み込まれ、制御システムとＥＳＤシステムとの間の相互接続の特定の態様を開示する。
本発明のより好ましい実施形態が図示されここで説明される一方で、そのような態様が例だけの目的で提供されることが明白となろう。多数の変形例、変更例及び代替例がまた本発明から離れることなしに当業者に明白であり、その範囲は以下の特許請求の範囲により決定されるべきである。

Claims (21)

  1. 遠隔のＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢ内の制御装置と通信するように動作可能であり、処理制御システムを構成する複数のフィールドデバイスとインターフェースをとるように適応されたフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）であって、
    上記ＦＶＣＧは、マイクロプロセッサと、メモリと、ルーティングデータベースと、ルーティングモジュールと、プロトコルトランスレータと、無線インターフェースカードと、アンテナとを備え、
    上記ＦＶＣＧは、フィールドでの制御能力を提供し、
    上記ＦＶＣＧは、４−２０ｍＡ，フィールドバスファウンデーションＨ１，オン／オフインターフェース，無線，シリアル，及びＥＩから構成されるグループから選択された１つもしくはそれ以上のプロトコルを用いてフィールドデバイスと通信し、
    上記ＦＶＣＧは、有線のＨＳＬプロトコル，無線接続の１つもしくはそれ以上、または有線のＨＳＬプロトコル及び無線接続を介して上記ＦＶＣＧと中央制御位置との間のデータの多重化通信を提供し、
    上記ルーティングデータベース及びルーティングモジュールは、上記フィールドデバイスと上記ＦＶＣＧマイクロプロセッサとの間並びに上記ＦＶＣＧマイクロプロセッサとリモートＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢとの間でデータをルーティングし、
    上記プロトコルトランスレータは、４−２０ｍＡ，フィールドバスファウンデーションＨ１，シリアル，ＥＩ及びオン／オフインターフェースプロトコルからのフィールドデバイスのデータを上記リモートＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢとの通信のためのＨＳＬプロトコルに変換し、
    上記ＦＶＣＧは、スマートフィールドデバイスの自己診断をモニタリングし、上記モニタリングされた診断を上記ＦＶＣＧのフィールドでの制御能力に適用し、
    上記ＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢモニタ内の上記制御装置は上記ＦＶＣＧの状態をモニタリングし、上記ＦＶＣＧがフィールドでの制御を継続することを可能とするかどうか、もしくは制御機能を上記ＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢ内の上記制御装置に戻すように転送するかどうかを決定するフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）。
  2. ａ）フィールドデバイスとインターフェースをとる複数のフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）を備えた処理制御システムであって、
    上記複数のＦＶＣＧのそれぞれはマイクロプロセッサと、メモリと、ルーティングデータベースと、ルーティングモジュールと、プロトコルトランスレータと、無線インターフェースカードと、アンテナとを備え、
    上記複数のＦＶＣＧは、上記フィールドでの制御能力を提供し、
    上記複数のＦＶＣＧは、４−２０ｍＡ，フィールドバスファウンデーションＨ１，オン／オフインターフェース，無線，シリアル，及びＥＩから構成されるグループから選択された１つもしくはそれ以上のプロトコルを用いてフィールドデバイスと通信し、
    上記複数のＦＶＣＧは、有線のＨＳＬプロトコル，無線接続の１つもしくはそれ以上、または有線のＨＳＬプロトコル及び無線接続を介して上記ＦＶＣＧと中央制御位置との間のデータの多重化通信を提供し、
    上記ルーティングデータベース及びルーティングモジュールは、上記フィールドデバイスと上記ＦＶＣＧマイクロプロセッサとの間並びに上記ＦＶＣＧマイクロプロセッサと中央制御位置との間でデータをルーティングし、
    上記プロトコルトランスレータは、上記中央制御位置との通信のために、４−２０ｍＡ，フィールドバスファウンデーションＨ１，シリアル，ＥＩ及びオン／オフインターフェースプロトコルからのフィールドデバイスのデータのＨＳＬプロトコルへの変換を提供し、
    上記処理制御システムは、
    ｂ）上記中央制御位置において位置され、上記複数のＦＶＣＧへ送信されかつ上記複数のＦＶＣＧから送信されるデータを収集する複数の汎用制御インターフェースと、
    ｃ）分配された制御システムとインターフェースをとり、上記中央制御位置において位置され、上記複数の汎用制御インターフェースへ送信されかつ上記汎用制御インターフェースから送信されるデータを収集する中央汎用制御スイッチと、
    ｄ）上記中央制御位置において位置され、上記処理制御ネットワーク内のデータの上記ルーティングの管理制御を提供するプラントルーティングコントローラと、
    ｅ）分配された制御システム（ＤＣＳ）及び緊急運転停止（ＥＳＤ）コントローラとのインターフェースとを備える処理制御システム。
  3. 上記複数のＦＶＣＧの１つもしくはそれ以上は、１つもしくはそれ以上の他のＦＶＣＧまたは無線プロトコルと通信する請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  4. 上記複数のＦＶＣＧのそれぞれは、上記ＦＶＣＧと各フィールドデバイスとの間及び上記ＦＶＣＧと関連した汎用制御インターフェースとの間の複数の通信チャネルの健全性をモニタリングし、上記ＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢに対して検出された任意の故障を報告し、データ転送のための代替の利用可能な健全な通信経路を割り当てる警告モジュールを含む請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  5. 上記関連したＦＶＣＧと通信している上記複数のＦＶＣＧの１つもしくはそれ以上は、
    上記複数のＦＶＣＧ間の通信チャネルもしくは複数の通信チャネルの健全性をモニタリングし、上記ＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢに対する任意の故障を報告し、データ転送のための上記複数のＦＶＣＧ間の利用可能な健全な通信経路を割り当て、上記主要な割り当てられた通信経路の健全性の品質が劣化したときにデータ転送のための上記複数のＦＶＣＧ間の代替の健全な通信経路を割り当てる警告モジュールを含む請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  6. 上記中央汎用制御スイッチは、マッピングされたインテリジェント安全及び制御インテグレータ（ＩＳＣＩ）インターフェースを介して、緊急運転停止及びＤＣＳデータにアクセスして共有する請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  7. 上記フィールドでのロジック能力は、局所緊急運転停止機能を含む、複数の局所制御機能を実行するためのＦＶＣＧの使用を含む請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  8. 上記ＤＣＳは上記一次制御システムであり、上記ＤＣＳが故障もしくは誤動作するときまたは上記ＤＣＳ上の通信が故障もしくは劣化したときに上記ＦＶＣＧは上記一次制御システムとして起動する請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  9. 上記ＦＶＣＧは上記一次制御システムであり、上記ＦＶＣＧ上で故障もしくは通信が劣化したときに上記ＤＣＳは上記一次制御システムとして起動する請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  10. 中央ロジックソルバーは上記一次緊急運転停止制御システムであり、上記中央ロジックソルバーが故障したときもしくは上記中央ロジックソルバーと上記ＦＶＣＧとの間の通信が劣化したときに上記ＦＶＣＧは上記一次緊急運転停止制御システムとして起動する請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  11. 上記ＦＶＣＧは上記一次緊急運転停止制御システムであり、上記ＦＶＣＧが故障したときまたは中央ロジックソルバーと上記ＦＶＣＧとの間の通信が劣化したときに上記中央ロジックソルバーは二次緊急運転停止制御を提供する請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  12. 上記中央汎用制御スイッチは二重もしくは三重の冗長性をサポートする請求項２記載の処理制御ネットワーク。
  13. 上記ＦＶＣＧの動作のための電力は、複数の電力分配ノードにより供給され、
    上記複数の電力分配ノードは無停電電源（ＵＰＳ）によるバックアップを有する電力調整ユニットから電力が供給され、
    上記電力調整ユニットは、オンサイトの発電機からのバックアップを用いて、ユーティリティ電源から電力が供給される請求項１記載のフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）。
  14. 制御機能のための責務をフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）から分配された制御システム（ＤＣＳ）へと転送する方法であって、上記方法は、
    「制御転送をリクエストする」とのメッセージを上記ＤＣＳから上記ＦＶＣＧへと送信し、責務が転送されるべき複数のデバイスと上記転送の効果が生じるべき時刻とを特定することと、
    上記ＤＣＳ内のカウントダウンクロックを設定して上記転送の予想される時刻を反映することと、
    上記ＦＶＣＧで上記「制御転送をリクエストする」とのメッセージを受信し、上記ＦＶＣＧ内のカウントダウンクロックを設定して上記転送の予想される時刻を反映することと、
    上記「制御転送をリクエストする」とのメッセージの受信及び上記リクエストされた転送の時刻を肯定応答する肯定応答メッセージを上記ＦＶＣＧから上記ＤＣＳへと送信することと、
    責務が転送されるべき複数のデバイスの複数のパラメータ及び上記ＦＶＣＧで認識された上記局所時刻を含む、「システムパラメータ状態」のメッセージを上記ＦＶＣＧから上記ＤＣＳへと送信することと、
    上記ＤＣＳで上記「システムパラメータ状態」のメッセージを受信し、上記ＤＣＳにおいて上記カウントダウンクロックを調整して上記ＦＶＣＧで認識された局所時刻と上記ＤＣＳで認識された局所時刻との間の任意の偏差値を反映することと、
    上記「システムパラメータ状態」のメッセージの受信を肯定応答する肯定応答メッセージを上記ＤＣＳから上記ＦＶＣＧに送信することと、
    「転送前に更新する」とのメッセージを上記ＦＶＣＧから上記ＤＣＳへと送信することと、
    上記「転送前に更新する」とのメッセージの受信を肯定応答する肯定応答メッセージを上記ＦＶＣＧから上記ＤＣＳへと送信することと、
    「ドロップされるように制御する」とのメッセージを上記ＦＶＣＧから上記ＤＣＳへと送信することと、
    上記指定された時刻において、上記特定されたデバイスの制御が上記ＤＣＳへと転送され、上記ＤＣＳは「制御を支配した」とのメッセージを上記ＦＶＣＧへと送信することと、
    上記ＦＶＣＧが制御の転送が完了した後に「制御がドロップした」とのメッセージを上記ＤＣＳへと送信することと、
    上記ＦＶＣＧが上記特定された複数のデバイスの制御を転送したことのメッセージの受信を肯定応答する肯定応答メッセージが上記ＤＣＳから上記ＦＶＣＧへと送信されることとを含む方法。
  15. 上記ＦＶＣＧは、上記スマートフィールドデバイスの自己診断及び特定の安全計装機能（ＳＩＦ）に関連したリスクに基づいて、安全システムボーティング内で使用されるユーザ定義の安全システム劣化状態を構成するための能力を提供する請求項１記載のフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）。
  16. 上記ＦＶＣＧは、プラントワイドＥＳＤシステムに同期されたクロックを用いて各スマートフィールドデバイスの自己診断故障のタイムスタンプを提供し、
    上記ＦＶＣＧは上記中央ＥＳＤシステム、上記ＤＣＳ及び／もしくは局所制御パネルに対して検出された故障の存在を通信し、
    上記ＦＶＣＧはデバイス故障が存在するときに経過時間を収集し、上記ＦＶＣＧはデバイス（もしくは複数のデバイスの組み合わせ）が劣化したもしくは故障状態にある所定の時間長の後に、関連した処理が安全状態となるように構成されてもよい請求項１記載のフィールド汎用制御ゲートウェイ（ＦＶＣＧ）。
  17. 上記ＥＳＤコントローラは、要求に基づいて緊急運転停止機能を実行し、上記複数のＦＶＣＧの１つもしくはそれ以上は上記プラント制御室から地理的に遠隔にある装置のためのフィールドでのロジックを実行する請求項２記載の処理制御システム。
  18. 上記ＥＳＤコントローラは、要求に基づいて緊急運転停止機能を実行し、通信故障もしくは通信劣化のために上記ＥＳＤコントローラの緊急運転停止機能が実行されないときに、上記複数のＦＶＣＧの１つもしくはそれ以上はフィールドでのロジック機能を実行して冗長性を提供する請求項２記載の処理制御システム。
  19. 上記ＤＣＳは、上記ＦＶＣＧの健全性をモニタリングし、任意の故障を上記ＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢに報告し、上記ＦＶＣＧの健全性の品質が劣化するときに上記ＦＶＣＧのフィールドでの制御機能を上記ＤＣＳに戻すように転送する警告モジュールを含む請求項２記載の処理制御システム。
  20. 上記ＥＳＤコントローラは、上記ＦＶＣＧの健全性をモニタリングし、任意の故障を上記ＣＣＲ及び／もしくはＰＩＢに報告し、上記ＦＶＣＧの健全性の品質が劣化するときに上記ＦＶＣＧのフィールドでのロジック機能を上記ＥＳＤコントローラに戻すように転送する警告モジュールを含む請求項２記載の処理制御システム。
  21. 上記フィールドでのロジック能力は、複数の装置に対して順次的な局所緊急運転停止機能を実行するための複数のＦＶＣＧを含む請求項２記載の処理制御システム。
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