JP2020038416A - Standby redundancy multiplex control device - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、プラントコンセントレータを備えた待機冗長多重化制御装置に関するものである。 The present application relates to a standby redundant multiplexing control device including a plant concentrator.
工場等で機械及び装置に用いる制御装置では、プログラムの実行及びデータの演算処理を行うCPU、制御機器とプロセスデータの授受を行うプロセス入出力装置及び通信装置等が数多く接続されて構成されている。このような制御装置のうち、特に可用性及び信頼性が求められる発電プラント等のプラント制御装置では、制御装置の故障に対しても対応できるよう冗長性を有する多重化構造が用いられている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art A control device used for a machine and a device in a factory or the like is configured by connecting a number of CPUs for executing programs and performing arithmetic processing of data, a process input / output device for transmitting and receiving process data to and from control devices, and a communication device. . Among such control devices, in particular, in a plant control device such as a power generation plant requiring availability and reliability, a multiplexing structure having redundancy is used so as to cope with a failure of the control device (for example, And Patent Document 1).
高い可用性及び信頼性が求められる発電プラント等の多重化制御装置では、制御系システムの異常時に備え、制御系システムと同一の構成のCPU、プロセス入出力装置等を待機系システムとして備えることが必要である。 In a multiplexed control device such as a power plant where high availability and reliability are required, it is necessary to provide a CPU and a process input / output device having the same configuration as the control system as a standby system in case of an abnormality in the control system. It is.
制御系システムの故障は、待機系システムを構成する対応する機器により補完される。そのため制御系システムが複数の制御対象を有する場合、制御系システムが大規模となると同時に待機系システムも大規模となり、機器のコスト、設置スペースの負担が大きくなるという問題がある。 The failure of the control system is complemented by the corresponding devices constituting the standby system. For this reason, when the control system has a plurality of control targets, the control system becomes large-scale and the standby system becomes large-scale, so that there is a problem that the cost of equipment and the load on the installation space increase.
本願は、上記のような課題を解決するためになされたもので、発電プラント等の高い可用性、信頼性が求められる待機冗長多重化制御装置であって、機器コスト、設置スペースの負担が小さい待機冗長多重化制御装置を得ることを目的とする。 The present application has been made in order to solve the above-described problems, and is a standby redundant multiplexing control device that requires high availability and reliability of a power generation plant and the like, and has a small equipment cost and a small installation space burden. An object is to obtain a redundant multiplexing control device.
本願の待機冗長多重化制御装置は、プラント機器の制御情報を記録し管理するメモリ及び入出力処理部を有し、プラント機器回線の集線及び制御を行うプラントコンセントレータと複数のCPUとを備え、フィールド機器とのデータの入出力を行うプロセス入出力装置、プラント監視装置及びプラント情報を通信するサーバとが接続された待機冗長多重化制御装置であって、複数のCPUは、第1の制御演算プログラムを実行する第1のCPUと、第1のCPUに代替して、第2の制御演算プログラムを読み込み実行する第2のCPUとを含むことを特徴とするものである。 The standby redundant multiplexing control device of the present application has a memory and an input / output processing unit that records and manages control information of plant equipment, and includes a plant concentrator and a plurality of CPUs for concentrating and controlling plant equipment lines. A standby redundant multiplexing control device connected to a process input / output device for inputting / outputting data to / from a device, a plant monitoring device, and a server for communicating plant information, wherein the plurality of CPUs includes a first control calculation program And a second CPU that reads and executes a second control calculation program instead of the first CPU.
本願の待機冗長多重化制御装置は、発電プラント等の高い可用性及び信頼性が求められる多重化制御装置を、小さな機器コスト、設置スペースで得ることができる。 The standby redundant multiplexing control device of the present application can obtain a multiplexing control device requiring high availability and reliability, such as a power plant, with a small equipment cost and an installation space.
実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。 In the description of the embodiments and the drawings, parts denoted by the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
実施の形態1.
本実施の形態について図1から図8を用いて説明する。図1はプラント制御装置の全体構成図、図2はプラントコンセントレータの構成図、図3から図5はプラントコンセントレータを構成する共有メモリ情報テーブル、制御演算プログラム情報テーブル、制御演算情報テーブルのデータ配列を説明する図である。図6は接続されている機器の状態遷移を示し、図7はCPU実行時間スケジュール、図8は制御演算プログラムの実行監視フローであり、制御演算プログラムを実行しているCPUで異常が発生した時の代替CPUへの切り替えフローを示している。
This embodiment will be described with reference to FIGS. 1 is an overall configuration diagram of a plant control device, FIG. 2 is a configuration diagram of a plant concentrator, and FIGS. 3 to 5 show data arrays of a shared memory information table, a control operation program information table, and a control operation information table that constitute the plant concentrator. FIG. 6 shows a state transition of the connected device, FIG. 7 shows a CPU execution time schedule, and FIG. 8 shows a flow of monitoring the execution of the control calculation program when an abnormality occurs in the CPU executing the control calculation program. 2 shows a flow of switching to the alternative CPU.
<プラント制御装置の構成>
図1は本実施の形態におけるプラント制御装置1の構成を示している。
プラント制御装置1は発電プラント等を構成するボイラー、タービン、発電機等の発電設備6の運転状況を確認し、状況に応じた対処方法等を各発電設備6へ指示するものであり、CPU3及び発電設備6の状況を取得するフィールド機器であるセンサ又はアクチエータ5に接続するPIO(プロセス入出力装置)4、HMI(プラント監視装置)7、さらにサーバ8がプラントコンセントレータ10を中心として接続している。
<Configuration of plant control device>
FIG. 1 shows a configuration of a
The
本実施の形態においては、プラントコンセントレータ10を中心として、スター型の接続形態を用いているが、その他の、バス型、リンク型等とすることもできる。また、接続に必要な通信プロトコルは特に限定するものではなく、TCP、UDP、IP及びインサーネット(登録商標)等の汎用の通信プロトコル処理を用いることができる。さらに、本実施の形態の図1においては、CPU3、HMI7、PIO4、センサ又はアクチエータ5は、それぞれ複数個を接続した状態を記載しているが、制御する発電設備6の種類等によって接続する装置の数は種々変えて用いることができる。
In the present embodiment, a star-type connection mode is used, centering on the
図1中の破線で囲んだ、5個のCPU3とプラントコンセントレータ10からなる部分は待機冗長多重化制御装置2であり、図2にプラントコンセントレータ10の構成を詳細に示している。
A portion composed of five
プラントコンセントレータ10は、データを受信する入力部11と受信したデータを処理する入出力処理部12、処理したデータを送信する出力部13とを有している。ここで、入力部11、出力部13でのデータの授受は、インサーネット(登録商標)等の汎用のプロトコル処理により行うことができる。
The
また、プラントコンセントレータ10には駆動に必要な情報、データを蓄積する共有メモリ情報テーブル14、制御演算情報テーブル15、共有メモリ16、制御演算プログラム情報テーブル17、プログラム格納ファイルシステム18を備えている。
Further, the
入力部11では、共有メモリ情報テーブル14と制御演算情報テーブル15とを参照して、入出力処理が必要であれば、入力部11から入出力処理部12へデータの受け渡しを行い、入出力処理部12で入出力処理を行った後、処理したデータは入出力処理部12から出力部13へデータを受け渡し、最後に出力部13から送信する。
The
入力部11において、共有メモリ情報テーブル14と制御演算情報テーブル15とに基づき入出力処理が必要でなければ、入力部11から直接、出力部13へ受け渡し、出力部13から送信する。また、入力部11は共有メモリ情報テーブル14を参照し、共有メモリ16への書き込みが必要であれば、書き込みを行い、逆に共有メモリからの読み出しが必要であれば読み出しを行い、その後データを送信する。
If input / output processing is not necessary in the
<各テーブルのデータ配列>
共有メモリ情報テーブル14、制御演算プログラム情報テーブル17及び制御演算情報テーブル15のデータ配列を図3から図5を沿って説明する。
図3は、共有メモリ情報テーブル14のデータ配列を示す図であり、プラントコンセントレータ10に接続される機器を識別するための機器識別子101、各接続機器が書き込むことができる共有メモリ16の先頭アドレス102とサイズ103で構成されている。機器識別子101、共有メモリの書き込みの先頭アドレス102、サイズ103はいずれも、あらかじめプラントコンセントレータ10に設定されている。
<Data array of each table>
The data arrangement of the shared memory information table 14, the control calculation program information table 17, and the control calculation information table 15 will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a diagram showing a data array of the shared memory information table 14, which includes a
図4は、制御演算プログラム情報テーブル17のデータ配列を示している。
制御演算プログラム情報テーブル17は、プラントコンセントレータ10に設けられたプログラム格納ファイルシステム18に格納されたプログラム数201と、そのプログラム数201に対応した制御演算プログラム情報210とから構成されている。ここで、制御演算プログラム情報210とは、一例として制御演算プログラムのファイル名211、プラントコンセントレータ10に接続される機器が制御演算プログラムを識別するためのプログラム識別子212、CPU3での制御演算の実行周期213で構成されている。
FIG. 4 shows a data array of the control operation program information table 17.
The control operation program information table 17 includes the
図4においては、プログラム識別子212、制御演算の実行周期213を制御演算プログラム情報210に含めて説明したが、これらの情報は制御演算プログラムの中に含めてデータ管理することもできる。
In FIG. 4, the
図5は、制御演算情報テーブル15のデータ配列を示す図である。制御演算情報テーブル15は、プログラム識別子301に示された制御演算プログラムを実行しているCPU3の機器識別子311と共有メモリの書き込みエリアの先頭アドレス321とサイズ322を示している。
プログラム識別子301は、制御演算プログラム情報テーブル17で実行している制御演算プログラムのファイル名211と対応して設定され、機器識別子311、共有メモリの書き込みエリアの先頭アドレス321とサイズ322は、制御演算プログラム実行時に設定される。
FIG. 5 is a diagram showing a data array of the control calculation information table 15. The control calculation information table 15 indicates the
The
<待機冗長多重化制御装置の動作>
図6は、プラントコンセントレータ10に接続される機器の状態遷移図である。プラントコンセントレータ10に接続される機器の状態には、待機状態401、動作状態402、異常状態403があり、共有メモリ情報テーブル14に示される。
<Operation of standby redundant multiplexing control device>
FIG. 6 is a state transition diagram of devices connected to the
図7は、CPU3の実行時間スケジュールを示しており、左から右方向へ時間の経過を示している。機器の状態が待機状態401であれば、実行周期(T)501の初期値の間に制御演算503を除いて、データ入力502とデータ出力504の処理のみを実行し、次の実行周期までの空き505の時間はそのまま保持される。
動作状態402の場合、CPU3がプラントコンセントレータ10から制御演算プログラムを読み出した際に制御演算プログラム情報テーブル17から取得した実行周期213を実行周期(T)501の初期値と置き換え、制御演算503に必要なデータ入力502、制御演算プログラムによる制御演算503の実行、制御演算結果のデータ出力504を行い、次の実行周期(T+1)までの空き505の時間はそのまま保持される。
異常状態403の場合は、何もせず、リセットすることにより待機状態401へ移行する。
FIG. 7 shows the execution time schedule of the
In the case of the
In the case of the
また、CPU3は、データ入力502の際に、プラントコンセントレータ10からの状態指示506を読み込み、指示された状態に移行して、データ出力504の際には逆に状態通知507としてその状態を共有メモリ16に書き込む。
Further, the
状態指示506は、例えば、CPU3の機器識別子311とCPU3の状態を対とした形式で、プラントコンセントレータ10の共有メモリ16の定められた書き込みエリアに保存されている。状態指示506の初期設定としては、多くの場合、待機状態401とすることが好ましい。
状態通知507は、一例としては、CPU3に対応する共有メモリ16の書き込みエリアに、そのCPU3の状態と実行周期ごとに自動増加させたカウンタ値とを組み合わせて書き込みを行う。
The
As an example, the
図8は、本実施の形態における、プラントコンセントレータ10が実施する制御演算プログラムの実行監視フローを示している。このフローは、制御演算プログラム情報テーブル17に示された制御演算プログラム毎に実施され、制御演算プログラムを実施しているCPU3について異常が発生した時に代替CPU3へ切り替えを行う工程を示すものである。
FIG. 8 shows an execution monitoring flow of the control calculation program executed by the
なお、各CPU3の異常状態を検出するための具体的な手法としては、一例としては、あらかじめ定められた時間間隔又は実行周期213の半分の時間間隔毎に監視し、自動増加のカウンタ値が実行周期内に変化していることを確認する方法等があるが、本願の本質ではなく、実行監視フローの詳細な説明を複雑とするため、ここでは省略する。
As a specific method for detecting an abnormal state of each
プラントコンセントレータ10は、制御演算情報テーブル15を参照し、監視対象である制御演算プログラムが実行されている機器識別子311の状態通知507が動作状態402を示していることを確認する(ステップS11)。状態通知507が動作状態402であれば、次回の監視時間までそのままの状態で動作を継続する(ステップS12)。
状態通知507が動作状態402でない場合、制御演算プログラムを現在実行しているCPU3から他の待機状態401のCPU3に切り替える必要があり、そのためにステップS21からステップS25までの処理を実施する。
The plant concentrator 10 refers to the control calculation information table 15 and confirms that the
If the
監視対象である制御演算プログラムが実行されている機器識別子311の状態通知507が動作状態402でない場合、状態通知507に基づき待機状態401となっているCPU3の中から選択する(ステップS21)。
制御演算プログラム情報テーブル17を参照し、監視対象となっている制御演算プログラムをプログラム格納ファイルシステム18から通信プロトコルにより通信し、前工程(ステップS21)で選択したCPU3へ書き込みを行う(ステップS22)。
If the
Referring to the control calculation program information table 17, the control calculation program to be monitored is communicated from the program
制御演算情報テーブル15を参照して、監視対象となっている制御演算プログラムの機器識別子311が有効か否かを確認する(ステップS23)。機器識別子311が有効でない場合、監視対象である制御演算プログラムは実行されていないので、共有メモリ情報テーブル14を参照し、ステップS21で選択したCPU3の機器識別子101に該当する共有メモリ書き込み先頭アドレス102とサイズ103を制御演算情報テーブル15の共有メモリ書き込み先頭アドレス321とサイズ322に設定する(ステップS31)。
With reference to the control calculation information table 15, it is confirmed whether or not the
ステップS23において、機器識別子311が有効と判断された場合、又は有効ではないもののステップS31で共有メモリ情報の更新を行った場合、選択したCPU3の機器識別子101を制御演算情報テーブル15の機器識別子311に設定する(ステップS24)。最後に、機器識別子311の状態指示506に動作状態402に設定し(ステップS25)、代替CPU3への切り替え処理を完了することができる。
When it is determined in step S23 that the
以上のように、本実施の形態においては、プラントコンセントレータ10を複数のCPU3と合わせて用いることにより待機冗長多重化制御装置を構成し、プラントコンセントレータ10が接続したCPU3及びPIO4等のプラント制御に必要な情報を共有メモリ16に集約してCPU3で実行する制御演算プログラムを格納している。これにより、CPU3で異常が発生した際に代替CPU3への切り替え処理を行うことができ、構成するCPU3の数と格納するプログラム数201との関係を調整することで、種々のレベルの冗長性を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, the standby redundant multiplexing control device is configured by using the
例えば、制御演算プログラムのプログラム数201より1つ多いCPU3を備えることで冗長化が可能であり、小さい機器コスト及び設置スペースの負担で多重化制御装置を得ることができる。また、可用性及び信頼性を高めるためには、制御演算プログラムの数の2倍以上のCPUを備えることで、従来の多重化制御装置に用いていたものと同等の冗長化を図ることができ、可用化及び信頼性のレベルを柔軟に調整することもできる。
For example, by providing one
実施の形態2.
実施の形態1ではCPU3に異常が発生した場合について述べたが、本実施の形態においては、同様の待機冗長多重化制御装置2を用いて、用いたCPU3の異常の発生とは無関係に、制御動作を停止することなく、制御演算プログラムを変更する手順を述べる。
In the first embodiment, the case where an abnormality has occurred in the
図9は本実施の形態における、制御演算プログラム変更フロー図を示している。
まず、変更する新たな制御演算プログラムをプログラム格納ファイルシステム18に格納し(ステップS101)、状態通知507を参照して待機状態401となっているCPU3を選択する(ステップS102)。
FIG. 9 shows a control operation program change flow chart in the present embodiment.
First, a new control operation program to be changed is stored in the program storage file system 18 (step S101), and the
ステップS101でプログラム格納ファイルシステム18に格納した変更後の制御演算プログラムを通信プロトコルによりステップS102で選択したCPU3へ書き込み(ステップS103)、変更する制御演算プログラム情報210のファイル名211を変更後の制御演算プログラムのファイル名211に更新する(ステップS104)。
The control arithmetic program after the change stored in the program
これまでに実行していたCPU3の状態指示506を待機状態401に設定し(ステップS105)、ステップS102で選択したCPU3の機器識別子101に更新し(ステップS106)、当該CPU3の状態指示506を動作状態402に設定する(ステップS107)。
The
以上の手順に従うことで、制御動作を止めることなく、制御演算プログラムを変更することができる。
プラントコンセントレータ10を用い、変更前後の制御演算プログラムを一元に管理することができ、制御系及び待機系のプログラムを個別に入れ替える必要がなく、保守性を高めることができる。
By following the above procedure, the control calculation program can be changed without stopping the control operation.
By using the
実施の形態3.
実施の形態1では、プラントコンセントレータ10を単体で用いた時の構成及び動作等について述べた。本実施の形態においては、待機冗長多重化制御装置2の可用化及び信頼性をより向上させる装置構成について述べる。本実施の形態では、図10に示すように、ハブ200に2つのプラントコンセントレータ10、100とCPU3及びプラント制御に必要なPIO4等が接続されている。
In the first embodiment, the configuration and operation when the
2つのプラントコンセントレータ10、100は、別の経路で入力部11、出力部13と接続されており、両者の共有部分に異常処理部20を備えている。このような構成を採用することで、2つのプラントコンセントレータ10、100を主系及び従系として用いることができる。つまり、主系のプラントコンセントレータ10の異常処理部20が異常を検出すると、従系のプラントコンセントレータ100へ通知し、従系のプラントコンセントレータ100が異常処理を引き継ぐことで、可用性及び信頼性の高い多重化制御装置2を得ることができる。
The two
本実施の形態に示した待機冗長多重化制御装置2では、共有メモリ情報テーブル14に記録する機器識別子101、共有メモリ書き込みエリアの先頭アドレス102及びサイズ103については、ハブ200に接続されたCPU3、PIO4等の各機器が、IPブロードキャスト通信又はマルチキャスト通信による同時データ配信機能を有することによりデータを送信し、共有メモリ16の内容を同一とすることができる。
In the standby redundant
また、本実施の形態の待機冗長多重化制御装置2では、主系で実施される実行監視及びプログラム変更の手順により変更される制御演算情報テーブル15、制御演算プログラム情報テーブル17、プログラム格納ファイルシステム18の内容は、変更される際にコンセントレータ10及び100が直接接続されている経路を経て、主系から従系へ通知され、それに基づいて従系において自身の情報を更新することで、両者のデータの同一性を保つことが得きる。なお、従系の出力部は、ハブ200へのデータ出力は抑止されているので、主系が出力するデータと重複することもない。
In the standby redundant
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although this application describes various exemplary embodiments and examples, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments may be applied to the application of a particular embodiment. The present invention is not limited thereto, and can be applied to the embodiment alone or in various combinations.
Accordingly, innumerable modifications not illustrated are contemplated within the scope of the technology disclosed herein. For example, a case where at least one component is deformed, added or omitted, and a case where at least one component is extracted and combined with a component of another embodiment are included.
1 プラント制御装置、2 待機冗長多重化制御装置、3 CPU、4 PIO、5 センサ又はアクチエータ、6 発電設備、7 HMI、8 サーバ、10 プラントコンセントレータ、11 入力部、12 入出力処理部、13 出力部、14 共有メモリ情報テーブル、15 制御演算情報テーブル、16 共有メモリ、17 制御演算プログラム情報テーブル、18 プログラム格納ファイルシステム、20 異常処理部、100 プラントコンセントレータ、101 機器識別子、102 先頭アドレス、103 サイズ、200 ハブ、201 プログラム数、210 制御演算プログラム情報、211 ファイル名、212 プログラム識別子、213 実行周期、301 プログラム識別子、311 機器識別子、321 先頭アドレス、322 サイズ、401 待機状態、402 動作状態、403 異常状態、501 実行周期、502 データ入力、503 制御演算、504 データ出力、505 空き、506 状態指示、507 状態通知。
REFERENCE SIGNS
Claims (4)
フィールド機器とのデータの入出力を行うプロセス入出力装置、プラント監視装置及びプラント情報を通信するサーバとが接続された待機冗長多重化制御装置であって、
前記複数のCPUは、第1の制御演算プログラムを実行する第1のCPUと、
前記第1のCPUに代替して、第2の制御演算プログラムを読み込み実行する第2のCPUとを含むことを特徴とする待機冗長多重化制御装置。 It has a memory and an input / output processing unit for recording and managing control information of the plant equipment, and includes a plant concentrator and a plurality of CPUs for concentrating and controlling plant equipment lines,
A standby redundant multiplexing controller connected to a process input / output device for inputting and outputting data to and from a field device, a plant monitoring device, and a server for communicating plant information,
A first CPU that executes a first control calculation program;
A standby redundant multiplexing control device, comprising: a second CPU that reads and executes a second control operation program instead of the first CPU.
前記第1のCPUが実行する前記第1の制御演算プログラムと同一であることを特徴とする請求項1に記載の待機冗長多重化制御装置。 The second control calculation program read by the second CPU is:
2. The standby redundant multiplexing control device according to claim 1, wherein the control program is the same as the first control calculation program executed by the first CPU.
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