JP2018136810A - Ｉｏ装置およびこれを用いた制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】二重化されたＩＯ部の制御切替の動作を確認できるＩＯ装置を得る。【解決手段】現場機器６との間で信号の入出力を行ない、現場機器６を制御する制御装置１００とはネットワーク１０を介して接続されたＩＯ装置２００が、一方が制御系、他方が待機系として動作し、現場機器６および制御装置１００との間で入出力信号の信号処理を行なう一対のＩＯ部５１、５２を有し、この一対のＩＯ部５１、５２は、タイマ９の出力を基にして、一定時間ごとに制御系および待機系が自動で切り替わるように構成されているものである。【選択図】図１

Description

この発明は、主に発電プラントでプロセス値の制御に用いられる信号の入出力を行なうＩＯ（Ｉｎｐｕｔ Ｏｕｔｐｕｔ）装置およびこれを用いた制御システムに関するものである。

従来の制御装置においては、信頼性向上のために装置を二重化させて冗長性を持たせる場合、制御系と待機系で二重化を構成する手法が一般的になっている。（例えば、特許文献１参照）

特開２００２−１８５４６３号公報（第６〜７頁、第１図）

従来の制御装置では、制御系と待機系の装置は同じ装置が使われ、制御系の装置に異常があった場合には、待機系の装置が制御を引き継ぎ、システム全体として制御を継続させる構成であった。
しかしながら、この場合、待機系の装置が制御を引き継ぐことができることを定期的に確認する必要があり、定期検査などでかかる時間およびコストが増大するという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、二重化されたＩＯ部の制御切替の動作を確認できるＩＯ装置およびこれを用いた制御システムを得ることを目的とする。

この発明に係わるＩＯ装置においては、現場機器と現場機器を制御する制御装置との間に配置され、信号の入出力を行なうＩＯ装置であって、一方が制御系、他方が待機系として動作し、現場機器および制御装置との間で入出力信号の信号処理を行なう一対のＩＯ部を備え、一対のＩＯ部は、一定時間ごとに制御系および待機系が切り替わるように構成されているものである。

この発明によれば、現場機器と現場機器を制御する制御装置との間に配置され、信号の入出力を行なうＩＯ装置であって、一方が制御系、他方が待機系として動作し、現場機器および制御装置との間で入出力信号の信号処理を行なう一対のＩＯ部を備え、一対のＩＯ部は、一定時間ごとに制御系および待機系が切り替わるように構成されているので、二重化されたＩＯ部の制御切替の動作を確認することができる。

この発明の実施の形態１による制御システムを示す構成図である。 この発明の実施の形態１による制御システムのＩＯ部を示すハードウェア構成図である。 一般的な制御システムのＩＯ二重化構成の制御を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による制御システムのＩＯ二重化構成の制御を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による制御システムのＩＯ二重化構成の異常発生時の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２による制御システムを示す構成図である。 この発明の実施の形態３による制御システムを示す構成図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による制御システムを示す構成図である。
図1において、現場機器６を制御する制御システムは、制御装置１００とＩＯ装置２０
０がネットワーク１０により接続された構成である。制御装置１００が、現場機器６を制御する。ＩＯ装置２００は、制御装置１００と現場機器６との間に配置され、信号の入出力を行なう。

制御装置１００は、次のように構成されている。
ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１は、制御装置１００の全体を制御する。ドライバ２は、ＣＰＵ１とネットワーク１０との間に配置され、信号を転送する。中継ユニット３は、ネットワーク１０に接続されている。

ＩＯ装置２００は、次のように構成されている。
中継機器４は、ネットワーク１０に接続されている。ＩＯ部５１およびＩＯ部５２（一対のＩＯ部）は、一方が制御系、他方が待機系として動作し、それぞれ、現場機器６との間で、信号の入出力を行なう。タイマ９は、一定時間を計測するように構成され、その出力はＩＯ部５１およびＩＯ部５２に入力される。
ＩＯ部５１およびＩＯ部５２は、一定時間ごとに制御系および待機系の制御切替を自動的に行い、制御切替が行なわれた場合にタイマ９がリセットされる。
このＩＯ装置２００は、現場機器６からの信号が入力されると、ＡＤ変換などの信号処理をして、中継機器４とネットワーク１０を介して、制御装置１００に、処理済みの信号を送信する。また、制御装置１００から受信した信号を、信号処理をして、現場機器６に出力するようになっている。

図２は、この発明の実施の形態１による制御システムのＩＯ部を示すハードウェア構成図である。
図２において、ＩＯ部５１およびＩＯ部５２は、それぞれ次のようなハードウェア構成である。ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）２０２に格納されたプログラムにしたがって、ＩＯ部５１、５２の入出力信号の信号処理を行なうとともに、制御系、待機系の切り替えを行なう。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０３は、信号処理のための一時記憶に用いられる。なお、他の記憶装置が搭載されていてもよい。

図３は、一般的な制御システムのＩＯ二重化構成の制御を示す説明図である。
図３において、ＩＯ部５１が制御系として、ＩＯ部５２が待機系として動作するとともに、制御系で異常が発生した場合には待機系が制御系になるように制御切替が行なわれる。

図４は、この発明の実施の形態１による制御システムのＩＯ二重化構成の制御を示す説明図である。
図４において、ＩＯ部５１が制御系として、ＩＯ部５２が待機系として当初動作して、一定時間ごとに制御切替を行なうとともに、制御系で異常が発生した場合には待機系が制
御系になるように制御切替が行なわれる。

次に、動作について説明する。
まず、現場機器６からプロセス値を入力する場合は、現場機器６からのプロセス信号を制御系のＩＯ部５１またはＩＯ部５２が受け取り、ＡＤ（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ―ｄｉｇｉｔａｌ）変換などの信号処理ののち、中継機器４および中継ユニット３を経由して、ドライバ２に送られる。ドライバ２は、受け取った信号をＣＰＵ１に伝送する。
逆に、ＣＰＵ１から現場機器６を制御する場合は、ＣＰＵ１からの信号をドライバ２が受け取り、中継ユニット３および中継機器４を経由して、制御系のＩＯ部５１またはＩＯ部５２に伝送する。ＩＯ部５１またはＩＯ部５２は受け取った信号を、信号処理し、プロセス値として現場機器６に伝送して、現場機器６はプロセス値に従い動作する。

ＩＯ部５１、５２は、二重化構成であり、ＩＯ部５１とＩＯ部５２のいずれか一方が制御系、他方が待機系の状態で冗長化されている。仮にＩＯ部５１が制御を行っている時に、ＩＯ部５１に異常が発生して制御を継続できない場合、ＩＯ部５１が故障となり、待機系の状態だったＩＯ部５２が制御系を引き継ぐことで、システム全体の制御状態を維持するようになっている。

次に、実施の形態１の制御切替について、図３、図４を用いてさらに詳しく説明する。
一般的な制御切替を行なう図３では、ＩＯ部５１とＩＯ部５２が、それぞれ二重化構成で起動し、ある程度、時間が経過した後に異常が発生した場合、制御系だったＩＯ部５１は故障となり、それまで待機系だったＩＯ部５２に制御が切り替わるようになっている。

一方、実施の形態１の制御切替を示す図４では、ＩＯ部５１が制御系、ＩＯ部５２が待機系として起動した後に、一定時間で制御系と待機系を自動的に切り替える機能を両ＩＯ部に実装している。
図３では、起動されてから異常が発生するまでは制御系、待機系が切り替わらない。そのため、メンテナンスとして定期的に制御系と待機系を切り替えて、切り替え機能の信頼性をチェックする必要があった。
これに対し、実施の形態１では、図４のように、定期的に制御系、待機系を自動で切り替えるようにしているため、切り替え機能をチェックする必要がなく、このため、メンテナンス作業を簡素化することができる。

なお、起動してから最初の制御系、待機系の切り替えまでの期間、および、次の制御系、待機系の切り替えまでの期間は、自由に設定できる。
このための時間を測定する方法としては、図１ではタイマ９を用いたが、これに限らず、例えば、カウンタでカウントするものであっても、それ以外の計時手段であってもよい。

次に、主に異常発生時の二重化構成のＩＯ部の動作について、図５のフローチャートを用いて説明する。
まず、電源ＯＮ等のスタートで、処理が開始され、一方が制御系、他方が待機系として起動する。一定時間が経過するごとに、制御系および待機系を切り替える（ステップＳ１）。
異常チェックは、次のように行われる。
他系が制御系かどうか（ステップＳ２）を確認する。ここで他系が制御系でない場合は、制御系として動作（ステップＳ３）して、現場機器６との間の信号伝送を行う。制御中は、常時、異常が発生しているかどうかを監視（ステップＳ４）して、異常が発生していない場合は、制御系を継続して（ステップＳ３）、異常が発生した場合は、故障（ステップＳ５）となり、制御系には戻らない。
ステップＳ２で、他系が制御系かどうかを確認した際に、他系が制御系の場合は、待機系として動作（ステップＳ６）する。

待機状態中も制御状態時と同様に、常時、異常が発生しているかどうかを監視（ステップＳ７）する。ここで、異常が発生した場合は、故障（ステップＳ５）となり、待機系には戻らない。
ステップＳ７で、異常が発生していない場合、他系で異常が発生していないことを確認（ステップＳ８）する。このとき、他系に異常が発生していない場合は、待機状態を継続する（ステップＳ６）。
他系に異常が発生している場合は、制御状態に移行する（ステップＳ３）ことで、制御を行っているＩＯ部が切り替る。

これは、例えば図４のように、ＩＯ部５１とＩＯ部５２が、それぞれ二重化構成で起動し、一定時間ごとに制御切替を行なうが、制御系に異常が発生した場合、制御系だったＩＯ部５１は故障となり、それまで待機系だったＩＯ部５２に制御が切り替わる。

実施の形態１では、これに加えて、オペレータの操作などに応じて、ＣＰＵ１がＩＯ部５１とＩＯ部５２の制御系、待機系の状態を切り替える指示を出す機能を有するものとする。
この場合は、故障状態にはならず、制御系だったＩＯ部は、待機系になり、待機系だったＩＯは、制御系になる。

従来の制御システムでは、制御系のＩＯ部の異常発生時に、制御系、待機系の切り替えを行おうとした際に、万一、制御系、待機系を切り替える機能に不具合があった場合、片系が故障、もう片系は待機系のままとなり、システム全体の制御が途絶えてしまう危険性があった。
これに対し、実施の形態１では、定期的に自動で制御系、待機系の切り替えを行うことで、制御系、待機系の切り替え機能の不具合を早期に発見できる効果がある。

実施の形態１によれば、定期的に制御系、待機系を自動で切り替えるようにしたため、切り替え機能をチェックする必要がなく、メンテナンス作業を簡素化することができる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２による制御システムを示す構成図である。
図６において、１〜４、６、９、１０、５１、５２、１００、２００は図１におけるものと同一のものである。図６では、ＩＯ装置２００にＩＯ部５１、５２と同様に構成され、タイマ９の出力が入力されるＩＯ部５３（第三のＩＯ部）を設けている。さらに、ＩＯ部５１〜５３の各ＩＯ部と中継機器４との間にそれぞれスイッチ７１、７２、７３を設けるとともに、ＩＯ部５１〜５３の各ＩＯ部と現場機器６との間にそれぞれスイッチ７４、７５、７６を設けている。

実施の形態２は、図６に示すように、実施の形態１の構成に、ＩＯ部５１、５２とは別のＩＯ部５３を設け、スイッチ７３およびスイッチ７６で、中継機器４および現場機器６と接続する。また、ＩＯ部５１、５２にも、中継機器４との間にスイッチ７１、７２を設け、現場機器６との間にスイッチ７４、７５を設けている。
ＩＯ部５１、５２が、制御系、待機系として動作する間は、スイッチ７１、７２、７４、７５はＯＮし、スイッチ７３およびスイッチ７６はＯＦＦしており、実施の形態１と同様に、図５のフローにより、自動で、制御系、待機系を切り替えるようになっている。

実施の形態２でも、制御系で異常が発生した場合は、ＩＯ部５１とＩＯ部５２は制御系
、待機系の切り替えを行う。たとえばＩＯ部５１が制御中に異常が発生して故障になった場合、ＩＯ部の指示により、スイッチ７１およびスイッチ７４がＯＮ→ＯＦＦの動作をして、ＩＯ部５１を切り離すようになっている。
その際、スイッチ７３およびスイッチ７６がＯＦＦ→ＯＮとなり、ＩＯ部５３が待機系状態になることで、システムとして制御系、待機系の二重化構成を保持できる。

実施の形態２によれば、二重化構成として動作している一方のＩＯ部に故障が発生した場合に、故障したＩＯ部を切り離し、新たに二重化構成とすることができる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３による制御システムを示す構成図である。
図７において、１〜４、６、９、１０、５１、５２、１００、２００は図１におけるものと同一のものである。図７では、ＩＯ装置２００にＩＯ部５１、５２と同様に構成され、タイマ９の出力が入力されるＩＯ部５３、５４（第三のＩＯ部）を設けている。
さらに、ＩＯ部５１〜５４の各ＩＯ部と中継機器４とは、中継機器４側に無線送受信器８０を設けるとともに、各ＩＯ部側にもそれぞれ無線送受信器８１、８２、８３、８４を設けている。
また、現場機器６側にも無線送受信器８９を設け、各ＩＯ部側にも無線送受信器８５、８６、８７、８８を設けて、無線により信号を送受信するように構成されている。

実施の形態３は、図７に示すように、実施の形態１の構成で、無線送受信器８０〜８９を中継機器４、ＩＯ部５１〜５４、現場機器６にそれぞれ取り付けて、無線通信で信号のやり取りを行う。
ＩＯ装置２００の起動時は、ＩＯ部５１、ＩＯ部５２は、実施の形態１と同じように制御系、待機系で起動して、一定時間ごとに自動で制御系、待機系の切り替えを行う。
このとき、ＩＯ部５３、ＩＯ部５４も同様に起動させるが、制御系、待機系とは別のスタンバイ状態にしておく。

制御系のＩＯ部５１に異常が発生して故障になった場合、待機系のＩＯ部５２が制御系となるが、それに伴い、ＩＯ部５３が待機系になることで、システムとしての二重系を保持することができる。この切り替えは、ＩＯ部自身の判断で行われる。
これにより、ＩＯ装置２００の信頼性の向上につながる。
また、無線送受信器を使用することにより、配線を削減することによるコスト削減と装置の小型化が可能になる。

実施の形態３によれば、無線送受信器を使用して二重化構成として動作している一方のＩＯ部に故障が発生した場合に、無線送受信器を使用した別のＩＯ部を用いて新たな二重化構成とすることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ ＣＰＵ、２ ドライバ、３ 中継ユニット、４ 中継機器、６ 現場機器、
９ タイマ、１０ ネットワーク、５１〜５４ ＩＯ部、７１〜７６ スイッチ、
８０〜８９ 無線送受信器、１００ 制御装置、２００ ＩＯ装置、２０１ ＣＰＵ、
２０２ ＲＯＭ、２０３ ＲＡＭ

Claims (4)

1. 現場機器と上記現場機器を制御する制御装置との間に配置され、信号の入出力を行なうＩＯ装置であって、
   一方が制御系、他方が待機系として動作し、上記現場機器および上記制御装置との間で入出力信号の信号処理を行なう一対のＩＯ部を備え、
   上記一対のＩＯ部は、一定時間ごとに上記制御系および待機系が切り替わるように構成されていることを特徴とするＩＯ装置。
2. 上記一対のＩＯ部とは別に設けられた第三のＩＯ部、
   および上記一対のＩＯ部のいずれかが故障した場合に、故障したＩＯ部を切り離し、他方のＩＯ部と上記第三のＩＯ部とで新たな一対のＩＯ部とする切り替えを行なうスイッチを備えたことを特徴とする請求項１記載のＩＯ装置。
3. 上記制御装置との接続に用いられる中継機器、
   上記一対のＩＯ部とは別に設けられた第三のＩＯ部、
   および上記各ＩＯ部と上記中継機器との間、および各ＩＯ部と上記現場機器との間を無線で接続するようにそれぞれ配置された複数の無線送受信器を備え、
   上記一対のＩＯ部のいずれかが故障した場合に、他方のＩＯ部と上記第三のＩＯ部とで新たな一対のＩＯ部とする切り替えが行われることを特徴とする請求項１記載のＩＯ装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項記載のＩＯ装置、
   およびこのＩＯ装置とネットワークを介して接続され、上記ＩＯ装置を介して上記現場機器を制御する制御装置を備え、
   上記制御装置は、上記一対のＩＯ部の制御系および待機系の切り替えの指示を可能にしていることを特徴とする制御システム。
   
   
   

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