JP2022086065A - 監視制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＯ装置に無線通信器を備えた監視制御システムでは、それぞれに無線通信機能を持たせる必要があり、ＩＯ装置の大型化、高価格化となる。【解決手段】監視制御システムにおいて、ＩＯ装置と中継機器とを接続するケーブル上に現場側無線通信器を接続することで、ＩＯ装置それぞれに無線通信機能を持たせる必要がなくなった。【選択図】図１

Description

本願は、監視制御システムに関する。

発電プラントなどでは、センサ出力等のプロセス値を発信する現場機器を制御する装置として、監視制御システムが実用化されている。監視制御システムは、金属線あるいは光ファイバによるケーブル接続した有線通信回線でプロセス値を制御装置に伝送する方法が知られている。

また、有線通信回線の異常検出手段として、プラントの現場機器に接続されるインプット、アウトプット（ＩＯ）装置に無線通信機能を持たせることで、有線通信回線による伝送経路でプロセス信号と機器の健全性のチェック結果の送受信の伝送を行いつつ、同時に機器の健全性のチェック結果を無線伝送により送受信する。その結果、信頼性を確保しつつ、異常発生時には異常発生箇所の特定を容易にすることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－１７３６９６号公報

伝送経路に有線通信回線を用いている監視制御システムでは、この有線通信回線に異常が発生した場合、その部分から先の機器の状態が不明確になる。異常から復旧する際には、機器状態の確認に手間および時間が必要になる。

また、伝送経路に有線通信回線を全く使用せず、無線通信回線のみによる信号伝送を行う場合は、無線伝送の一般的な特徴として、空気中を飛び交う外部電波の影響を受けやすい。しかし、高い信頼性とリアルタイム性を求められている電気またはガスなどの社会インフラ系のプラントでは、無線伝送のみで信頼性を確保するには、検証と対応に手間がかかっている。

特許文献１では有線通信回線と無線通信回線の併用により問題の解決を図っているが、ＩＯ装置それぞれに無線通信機能を持たせる必要があるため、大型化、複雑化、高価格化は避けられない。さらに、既設のプラントに適用する場合、ＩＯ装置をすべて取り換える必要があり、実現性が低い。

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あり、監視制御システムにおける有線通信回線と無線通信回線の併用による信頼性の向上を容易にすることを目的とする。

本願に開示される監視制御システムは、
制御信号を出力するＣＰＵ、
ＣＰＵと第１のケーブルで接続され、送信されてくる制御信号に基づいて複数の現場機器を制御するドライバ、
ＣＰＵに接続されている制御側無線通信器、
ドライバと第２のケーブルで接続され、受信した制御信号を複数の中継機器に分配して配信する中継ユニット、
中継機器と現場機器との間に第３のケーブルで接続され、現場機器からの信号を第１から第３のケーブルで構成された有線通信経路にてＣＰＵに送信するとともに、自己の処理の診断を行う自己診断プログラムを有するＩＯ装置、
ＩＯ装置と中継機器とを接続するケーブルに接続された現場側無線通信器、を備え、
現場機器からの信号がＣＰＵで受信できない場合、有線通信経路への送信を停止するとともに、制御側無線通信器と現場側無線通信器との間で通信を行い、ＩＯ装置のアドレスと処理の診断結果を送信するよう指示することを特徴とする。

本願に開示される監視制御システムによれば、監視制御システムにおける有線通信回線と無線通信回線の併用による信頼性の向上を容易にする。

実施の形態１に係る監視制御システムの概略構成図である。 実施の形態１に係るＩＯ装置の機能構成図である。 実施の形態１に係るＩＯ装置の動作を説明するフローチャートである。 実施の形態１に係るポーリング信号の概略構成図である。 実施の形態１に係る有線通信回線の応答がない場合の対応を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る制御側無線通信器の機能構成図である。 実施の形態１に係る現場側無線通信器の機能構成図である。 実施の形態１に係る制御部のハードウエア構成の一例を示す図である。

以下、本願に係る監視制御システムの好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。

実施の形態１．
図１は、監視制御システム１００の概略構成図である。監視制御システム１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１と、ドライバ２と、中継ユニット３と、中継機器４ａ、４ｂと、ＩＯ（Input Output）装置５ａ～５ｄと、現場機器６ａ～６ｄと、ヒューマンマシンインターフェース（HMI：Human Machine Interface）７とで構成されている。

ケーブル８ａ～８ｇは、監視制御システム１００の有線通信回線を構成している。具体的には、ケーブル８ａは、ＨＭＩ７とＣＰＵ１を接続している。ケーブル８ｂは、ＣＰＵ１とドライバ２とを接続している。ケーブル８ｃは、ドライバ２と中継ユニット３とを接続している。ケーブル８ｄ（ネットワークケーブル）は、中継ユニット３と中継機器４ａとを接続している。同様に、ケーブル８ｆ（ネットワークケーブル）は、中継ユニット３と中継機器４ｂとを接続している。

ケーブル８ｅは、中継機器４ａとＩＯ装置５ａ、５ｂを接続している。ＩＯ装置５ａは現場機器６ａと接続され、ＩＯ装置５ｂは、現場機器６ｂと接続され、現場機器６ａ、６ｂが発信するプロセス信号をＣＰＵ１まで吸い上げている。ＩＯ装置はＰＩＯ（Process Input Output）とも呼ばれている。

ケーブル８ｇは、中継機器４ｂとＩＯ装置５ｃ、５ｄとを接続している。ＩＯ装置５ｃは、現場機器６ｃと接続され、ＩＯ装置５ｄは、現場機器６ｄと接続され、現場機器６ｃ、６ｄが発信するプロセス信号をＣＰＵ１まで吸い上げている。

ＣＰＵ１はＨＭＩ７から入力された情報と、現場機器６ａ～６ｄから収集した情報に基づき、現場機器６ａ～６ｄを制御する制御信号を演算する。ドライバ２は、ＣＰＵ１からケーブル８ｂを経由して送信されてくる制御信号（プロセス情報信号）をもとに現場機器６ａ～６ｄを制御する。ドライバ２は、マスタとして働き、スレイブに相当するＩＯ装置５ａ～５ｄを制御している。ＩＯ装置５ａ～５ｄは、各自が有する自己診断プログラムにより自装置の状態を監視することで信頼性をチェックすることができる。

中継ユニット３には、中継機器４ａ、４ｂが接続されている。中継ユニット３が分岐点となり、中継機器４ａ、４ｂに信号を分配する。本実施の形態では、中継機器４ａには、ＩＯ装置５ａ、５ｂが実装され、中継機器４ｂには、ＩＯ装置５ｃ、５ｄが実装されている。ＩＯ装置５ａ～５ｄにはそれぞれ固有のアドレスが割り当てられている。ドライバ２からＩＯ装置５ａ～５ｄへの接続は、ケーブルを共有している部分が多いが、ＩＯ装置５ａ～５ｄに割り当てられたアドレスを指定することにより、通信経路を分離している。

中継機器４ａ、４ｂと中継ユニット３は、ネットワークで接続され、電気回線あるいは光回線で送受信する。ＩＯ装置５ａ～５ｄは、現場機器６ａ～６ｄからのプロセス信号（デジタル信号またはアナログ信号）を受け取る、又は現場機器６ａ～６ｄに制御信号（プロセス情報信号）を送る。さらにＩＯ装置５ａ～５ｄは信号の更新およびフィルタリングをソフトウエアで実施する。

監視制御システム１００では、現場機器６ａ～６ｄを監視制御する。現場機器６ａ～６ｄは、例えば発電プラントのなかで温度，流量，圧力を計測するさまざまなセンサ、バルブ、またはモータなどのアクチュエータであり、それぞれの機器のプロセス値である、センサ出力またはアクチュエータの状態情報を示すプロセス信号を出力するとともに、制御のために必要なプロセス情報信号を入力する。これら信号は、デジタル信号（例えば、接点オン／オフ）またはアナログ信号(電流信号および／または電圧信号)で入力または出力される。ＩＯ装置５ａ～５ｄは、現場機器６ａ～６ｄの出力をデジタルデータに変換したプロセス信号をＣＰＵ１まで吸い上げる。また、ＣＰＵ１が発する制御信号（プロセス情報信号）を、現場機器６ａ～６ｄに入力する。

本実施の形態１では、中継機器４ａとＩＯ装置５ａ、５ｂとの間、中継機器４ｂとＩＯ装置５ｃ、５ｄの間の通信経路に現場側無線通信器９ａ、９ｂを接続する。また、ＣＰＵ１に、制御側無線通信器１０を接続する。

監視制御システム１００のそれぞれの構成は、自身を構成する各装置に異常がないかを検出する自己診断機能を有する。前述した通り、ＩＯ装置５ａ～５ｄも自己診断機能を有しており、以後の動作の説明で述べるように、ＩＯ装置５ａ～５ｄが行う各処理につき、処理内容のチェックを行い、処理が正常に行われていれば次の処理を行い、処理に異常が見つかればＲＡＳ処理を行い、自装置の異常をＲＡＳ（Reliability, Availability and Serviceability）データとして、中継機器４ａ、４ｂ、中継ユニット３を経由してＣＰＵ１へ通知している。また併せて、診断結果に応じてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を点灯させて表示する機能を有する。

ここで、ＲＡＳとは、コンピュータシステムが期待された機能と性能を安定して発揮できるか否かを検証するための評価項目として知られる３つの要素である。装置の異常時に起動して、故障通知を行う処理で、結果はプロセス信号の入力と同じ経路でＣＰＵ１に通知される。

中継ユニット３から分岐した中継機器４ａ、４ｂから現場機器６ａ～６ｄの構成は同一であるため、以後の説明は、ＨＭＩ７、ＣＰＵ１、ドライバ２、中継ユニット３、中継機器４ａ、ＩＯ装置５ａ、５ｂ、現場機器６ａ、６ｂの構成を代表して説明する。

次に、監視制御システム１００の動作を説明する。まず、現場機器６ａ、６ｂからプロセス信号を取り込む場合は、現場機器６ａ、６ｂの出力信号をＩＯ装置５ａ、５ｂが受信し、デジタルデータに変換する。さらに、この中のプロセス信号は、中継機器４ａから中継ユニット３を経由して、ドライバ２に送られる。ドライバ２は、受信したプロセス信号をＣＰＵ１に伝送する。逆に、ＣＰＵ１から現場機器６ａ、６ｂを制御する場合は、ＣＰＵ１から、プロセス値を含む制御信号（プロセス情報信号）をドライバ２が受信する。さらに、このプロセス情報信号は中継ユニット３から中継機器４ａを経由して、ＩＯ装置５ａ、５ｂに伝送される。ＩＯ装置５ａ、５ｂは、受信した制御信号を、現場機器６ａ、６ｂに入力する信号形式（デジタル信号またはアナログ信号）に変換し伝送する。現場機器６ａ、６ｂは受け取ったプロセス情報信号に従い動作する。

図２は、ＩＯ装置５ａ、５ｂの機能構成図である。図３は、ＩＯ装置５ａ、５ｂの制御手段２２の動作のフローチャートである。図２および図３に従ってＩＯ装置５ａ、５ｂの動作を説明する。

ＩＯバス２０を経由してドライバ２から送られた図４（ａ）で示される信号（ポーリング信号）を受信手段２１で受信する（ステップＳ１）。ＩＯ装置５ａ、５ｂは受信した信号を制御手段２２で解析処理し、アドレスデータを抽出する（ステップＳ２）。ポーリング信号内のアドレスデータが自身に割り当てられたアドレスと一致するかを判定し（ステップＳ３）、一致した場合、受信した信号からコマンドデータとプロセス値データを抽出処理し（ステップＳ４）、コマンドデータにて指定されたデータを送信手段２３からドライバ２へ送信するための処理を一定時間内に行う（ステップＳ６）。送信するデータを、図４（ｂ）で示す。例えば、ＩＯ装置５ａ、５ｂのアドレス、自己状態監視手段２４により出力されたＩＯ装置５ａ、５ｂでの処理の異常状態を示すＲＡＳデータ、または現場機器６ａ、６ｂから入力手段２５により入力されたプロセス信号などである（ステップＳ５）。ドライバ２から現場機器６ａ、６ｂに送信される信号には上述した制御信号であるプロセス情報信号が含まれており、この信号を受信手段２１で受信した場合には、制御手段２２によりプロセス情報信号を抽出し、現場機器６ａ、６ｂへ出力する信号形式にプロセス値を変換し、出力手段２６から出力する（ステップＳ７）。

図５に示すように、何らかの原因によりドライバ２にてＩＯ装置５ａ、５ｂの応答が有線通信回線経由にて返ってこなくなった場合（ステップＳ８）、ＣＰＵ１は、有線通信回線でのドライバ２からＩＯ装置５ａ、５ｂへのデータ送信(ポーリング)を停止する。次に、ＣＰＵ１は、制御側無線通信器１０を用いて、現場側無線通信器９ａにポーリング信号を送信する（ステップＳ９）。ＩＯ装置５ａ、５ｂは無線通信回線経由でポーリング信号を受信する（ステップＳ１０）。ＩＯ装置５ａ、５ｂが正常であれば、ポーリング信号に対する応答信号を無線通信回線経由でＣＰＵ１に送信する（ステップＳ１１）。このとき、ＩＯ装置５ａ、５ｂの動作は、有線回線経由で信号を受信した場合の動作（通常時の動作）と同様である。

現場側無線通信器９ａは、ＩＯ装置５ａ、５ｂから送られた信号を制御側無線通信器１０に送信し、制御側無線通信器１０はＩＯ装置５ａ、５ｂから送られたデータをＣＰＵ１に伝送する（ステップＳ１１）。ＣＰＵ１はＩＯ装置５ａ、５ｂのデータから、アドレスデータとＲＡＳデータを抽出する（ステップＳ１２）。この結果、抽出されたＲＡＳデータなどからＩＯ装置５ａ、５ｂが正常であることを検出した場合、有線通信回線に問題があることを特定し、ＨＭＩ７を操作するオペレータに通知する（ステップＳ１３）。抽出されたＲＡＳデータに異常がある場合、または無線通信回線経由でＩＯ装置５ａ、５ｂから応答がない場合、ＩＯ装置５ａ、５ｂに問題があると特定し、オペレータに通知する（ステップＳ１４）。

図６に従って、制御側無線通信器１０の動作を説明する。現場側無線通信器９ａから無線通信回線を経由して送られた信号を、受信手段３１で受信し、制御手段３２でデータを抽出し、抽出したデータを、ＩＯバス３３からＣＰＵ１へ伝送する。これにより、ＩＯ装置５ａ、５ｂが出力したアドレスデータとＲＡＳデータ（図４（ｂ）参照）がＣＰＵ１に伝送される。

ＣＰＵ１にてアドレスデータとＲＡＳデータを解析することにより、ＩＯ装置５ａ、５ｂの稼働状態を監視することができる。伝送するデータをアドレスデータとＲＡＳデータのみとすることで、無線通信回線経由で伝送するデータ量を最小限に抑えることができる。

図７に従って、現場側無線通信器９ａの動作を説明する。ＩＯ装置５ａ、５ｂと中継機器４ａとの間の、ＩＯバス２０内の双方向の通信信号を、制御手段４１で解析する。図４に示すとおり、通信に用いている信号はアドレスデータ、コマンドデータ、プロセスデータ、ＲＡＳデータで構成されている。現場側無線通信器９ａでは、このうちＩＯ装置５ａ、５ｂが出力するアドレスデータとＲＡＳデータを抽出し、送信手段４２から制御側無線通信器１０に無線通信回線にて送信する。

制御手段２２、３２、４１のハードウエアの一例を図８に示す。プロセッサ２００と記憶装置３００から構成され、図示していないが、記憶装置はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ２００は、記憶装置３００から入力されたプログラムを実行することにより、例えば、信号の抽出または解析を行う。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ２００にプログラムが入力される。また、プロセッサ２００は、演算結果等のデータを記憶装置３００の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

本実施の形態では、ＩＯ装置５ａ～５ｄのＲＡＳデータは前述のとおり、有線回線に異常があり機能していない場合でも、現場側無線通信器９ａ、９ｂおよび制御側無線通信器を１０経由してＣＰＵ１に伝達される。ＣＰＵ１がＨＭＩ７にこれらのＲＡＳデータを送ることで、オペレータはＩＯ装置５ａ～５ｄの稼働状態を知ることができる。

以上のように、本実施の形態では、ＩＯ装置と中継機器の通信経路上に無線通信器を接続し、ＣＰＵに接続された無線通信器と送受信することにより、ＩＯ装置からＲＡＳデータを無線回線経由で受信するため、中継ユニットが故障して、ドライバと中継機器が通信できない場合でも、ＣＰＵおよびオペレータはＲＡＳデータを確認することができ、ＩＯ装置が正常に動作しているかどうかを確認できる。これにより、ＩＯ装置の確認作業を軽減することができるので、復旧作業に要する手間を削減できる。

本実施の形態では、中継機器を２台、ＩＯ装置を４台、現場機器を４台、現場側無線通信器を２台で説明したが、これに限るものではなく、システムの大小、監視領域の大小などにより、各装置、機器の数は変更されるのは当然である。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、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が含まれるものとする。

１：ＣＰＵ、２：ドライバ、３：中継ユニット、４ａ、４ｂ：中継機器、５ａ～５ｄ：ＩＯ装置、６ａ～６ｄ：現場機器、７：ＨＭＩ、８ａ～８ｇ：ケーブル、９ａ、９ｂ：現場側無線通信器、１０：制御側無線通信器。

Claims (2)

1. 制御信号を出力するＣＰＵ、
   前記ＣＰＵと第１のケーブルで接続され、送信されてくる前記制御信号に基づいて複数の現場機器を制御するドライバ、
   前記ＣＰＵに接続されている制御側無線通信器、
   前記ドライバと第２のケーブルで接続され、受信した前記制御信号を複数の中継機器に分配して配信する中継ユニット、
   前記中継機器と前記現場機器との間に第３のケーブルで接続され、前記現場機器からの信号を前記第１から前記第３のケーブルで構成された有線通信経路にて前記ＣＰＵに送信するとともに、自己の処理の診断を行う自己診断プログラムを有するＩＯ装置、
   前記ＩＯ装置と前記中継機器とを接続するケーブル上に接続された現場側無線通信器、を備え、
   前記現場機器からの信号が前記ＣＰＵで受信できない場合、前記有線通信経路への送信を停止するとともに、前記制御側無線通信器と前記現場側無線通信器との間で通信を行い、前記ＩＯ装置のアドレスと処理の診断結果を送信するよう指示することを特徴とする監視制御システム。
2. 前記ＣＰＵは、前記診断結果に基づいて、前記ＩＯ装置が正常に動作していると判断した場合は、有線通信経路の異常と判断し、前記ＩＯ装置が正常に動作していない場合は、前記ＩＯ装置の異常と判断することを特徴とする請求項１に記載の監視制御システム。

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