JP2022152921A - コントローラ及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コントローラの冗長化にかかるコストを低減する。
【解決手段】コントローラは、別のコントローラとともに冗長化コントローラを構成するコントローラであって、プラントのプロセス制御に必要な制御演算を実行可能な外部装置と通信する通信機能部と、通信機能部を介して外部装置から取得した制御演算の結果をプロセス制御に反映させるアクティブ状態、及び、制御演算の結果をプロセス制御に反映させないスタンバイ状態を含む複数の状態の間で、コントローラの状態を切り替える冗長化管理部と、を備え、冗長化管理部は、コントローラ及び別のコントローラの一方がアクティブ状態であるように、コントローラの状態を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コントローラ及び制御方法に関する。

制御演算結果を用いてプラントのプロセス制御を行うコントローラが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特許第４０９９８１６号

２つのコントローラを用いた冗長化構成が採用されることもある。一方のコントローラはアクティブ状態であり、他方のコントローラはスタンバイ状態である。異常発生時等には、必要に応じて、スタンバイ状態のコントローラがアクティブ状態に切り替わる。ただし、切り替えの発生自体が稀であり、スタンバイ状態のコントローラの稼働率が極めて低くなるため、コストパフォーマンスの問題がある。

本発明は、コントローラの冗長化にかかるコストを低減することを目的とする。

一側面に係るコントローラは、別のコントローラとともに冗長化コントローラを構成するコントローラであって、プラントのプロセス制御に必要な制御演算を実行可能な外部装置と通信する通信機能部と、通信機能部を介して外部装置から取得した制御演算の結果をプロセス制御に反映させるアクティブ状態、及び、制御演算の結果をプロセス制御に反映させないスタンバイ状態を含む複数の状態の間で、コントローラの状態を切り替える冗長化管理部と、を備え、冗長化管理部は、コントローラ及び別のコントローラの一方がアクティブ状態であるように、コントローラの状態を切り替える。

一側面に係る制御方法は、別のコントローラとともに冗長化コントローラを構成するコントローラによる制御方法であって、プラントのプロセス制御に必要な制御演算を実行可能な外部装置と通信することと、通信を介して外部装置から取得した制御演算の結果をプロセス制御に反映させるアクティブ状態、及び、制御演算の結果をプロセス制御に反映させないスタンバイ状態を含む複数の状態の間で、コントローラの状態を切り替えることと、を含み、切り替えることでは、コントローラ及び別のコントローラの一方がアクティブ状態であるように、コントローラの状態を切り替える。

本発明によれば、コントローラの冗長化にかかるコストを低減することができる。

実施形態に係るコントローラが用いられる冗長化コントローラの概略構成の例を示す図である。 冗長化コントローラにおいて実行される処理の例を示すフローチャートである。 冗長化コントローラにおいて実行される処理の例を示すフローチャートである。 冗長化コントローラにおいて実行される処理の例を示すフローチャートである。 冗長化コントローラにおいて実行される処理の例を示すフローチャートである。 変形例に係る冗長化コントローラの概略構成の例を示す図である。 変形例に係るコントローラ及び外部装置の概略構成の例を示す図である。 コントローラのハードウェア構成の例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ実施形態について説明する。同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係るコントローラが用いられる冗長化コントローラの概略構成の例を示す図である。例示される冗長化コントローラ４は、制御システム１００に適用される。制御システム１００は、プラント１の制御に用いられる。冗長化コントローラ４は、プラント１のプロセス制御（運転制御等）を行う。プラント１には、さまざまなフィールドデバイス２が設けられる。図１には、フィールドデバイス２として、センサ２１及びアクチュエータ２２が例示される。

フィールドデバイス２は、入出力機器３に接続される。入出力機器３は、フィールドデバイス２と後述の冗長化コントローラ４との間のデータの受け渡しを担う。例えば、入出力機器３は、冗長化コントローラ４からの要求に応じて、フィールドデバイス２から制御データを取得し、冗長化コントローラ４に渡す。また、入出力機器３は、冗長化コントローラ４から制御データを受け取り、フィールドデバイス２に与える。これにより、制御データ（後述の制御演算結果等）が、プラント１のプロセス制御に反映される。

「制御データ」は、プロセスデータ、制御パラメータ等を含む。プロセスデータの例は、センサ２１の検出結果（例えば圧力、温度、流量等）等である。制御パラメータの例は、プラント１の運転制御における設定パラメータ等であり、例えばアクチュエータ２２の設定値等である。制御データが入出力機器３を介してフィールドデバイス２から取得されたりフィールドデバイス２に与えられたりするので、本開示では、「制御データ」を、「入出力データ」という場合もある。

制御システム１００は、冗長化コントローラ４と、外部装置５と、端末装置６とを含む。上述のフィールドデバイス２及び／又は入出力機器３も、制御システム１００の構成要素であってよい。

冗長化コントローラ４は、後述の制御演算の結果を用いてプラント１のプロセス制御を行う。冗長化コントローラ４は、フィールドデバイス２のデータを取得したりフィールドデバイス２にデータを与えたりできるように、入出力機器３と通信可能に接続される。冗長化コントローラ４と入出力機器３とを接続する通信線を、制御バスＣＢと称し図示する。

冗長化コントローラ４は、可用性において高水準を満たすように、冗長化された構成（冗長化構成）を備える。可用性とは、何らかの異常が発生しても継続して稼働できる能力を意味する。冗長化コントローラ４は、各々がプラント１のプロセス制御を行うことのできる複数のコントローラを備えることによって冗長化される。

具体的に、冗長化コントローラ４は、コントローラ４１と、コントローラ４２とを含む。冗長化コントローラ４を構成するコントローラ４１及びコントローラ４２のうち、例えばコントローラ４２が、実施形態に係るコントローラであってよい。コントローラ４２からみたときに、コントローラ４１は、冗長化コントローラ４を構成する別のコントローラである。コントローラ４１は、制御演算の結果を用いてプラント１のプロセス制御を行うための第１のコントローラである。コントローラ４２は、制御演算の結果を用いてプラント１のプロセス制御を行うための第２のコントローラである。

コントローラ４１及びコントローラ４２の各々は、制御バスＣＢを介して、入出力機器３に接続される。これにより、コントローラ４１及びコントローラ４２の各々が、入出力機器３との間で制御データの送受信を行える。

コントローラ４１及びコントローラ４２どうしは、システムバスＳＢを介して、互いに接続される。冗長化に必要なさまざまなデータが、コントローラ４１とコントローラ４２との間で送受信される。詳細は後述する。

コントローラ４１は、制御演算部４１１と、冗長化管理部４１２と、フィールド入出力機能部４１３と、冗長化入出力機能部４１４とを含む。コントローラ４２は、冗長化管理部４２２と、フィールド入出力機能部４２３と、冗長化入出力機能部４２４と、通信機能部４２５とを含む。

コントローラ４１の制御演算部４１１は、プロセス制御に必要な制御演算を実行する。プロセス制御に関するあらゆる制御演算が実行されてよい。制御演算の例は、制御データを用いたＰＩＤ制御等である。所与の制御アプリケーション等で規定されるさまざまな制御も、制御演算に含まれてよい。制御演算の結果（制御演算結果）がプラント１のプロセス制御に反映される（入出力機器３に送信されセンサ２１に与えられる）ことにより、プラント１が実際に制御される。

コントローラ４１の冗長化管理部４１２及びコントローラ４２の冗長化管理部４２２は、冗長化を管理する部分であり、冗長化に必要なさまざまな処理を実行する。具体的な処理のいくつかの例について述べる。

冗長化管理部４１２及び冗長化管理部４２２による処理の例は、等値化である。等値化は、制御演算に必要なデータを、コントローラ４１及びコントローラ４２の一方のコントローラから他方のコントローラにコピーすることを含む。制御演算に必要なデータの例は、制御データ（入出力データ）及び制御演算に必要な内部データ等である。等値化により、コントローラ４１とコントローラ４２との間で、制御演算に必要なデータが共有（共通化）される。

冗長化管理部４１２及び冗長化管理部４２２による処理の他の例は、制御演算結果の取得である。冗長化管理部４１２は、制御演算部４１１から、制御演算結果を取得可能である。制御演算部４１１は、制御演算に必要な入出力データ（制御データ）を冗長化管理部４１２に要求する。冗長化管理部４１２は、要求された入出力データを制御演算部４１１に渡す。制御演算部４１１は、受け取った入出力データを用いて制御演算を実行し、制御演算結果を冗長化管理部４１２に渡す。このようにして、冗長化管理部４１２は、制御演算部４１１から、制御演算結果を取得することができる。また、冗長化入出力機能部４２４は、後述の外部装置５の制御演算部５１から、制御演算結果を取得可能である。これについては後に改めて説明する。

冗長化管理部４１２及び冗長化管理部４２２による処理の他の例は、コントローラ４１及びコントローラ４２の異常検知である。異常検知の一例は、同期外れ検知である。例えば、冗長化管理部４１２及び冗長化管理部４２２は、コントローラ４１及びコントローラ４２が同期して動作するように、コントローラ４１及びコントローラ４２を制御する。同期手法は特に限定されないが、例えば、コントローラ４１及びコントローラ４２の各々が実行ステップ数を互いに通知するステップカウント（特許文献１も参照）等の手法が用いられてよい。ソフトウェア自身で同期処理を実行するようなプログラムが準備され、そのソフトウェアによって同期処理が実行されてもよい。同期に必要な情報は、システムバスＳＢを介してやり取りされる。これらの例に限らず、さまざまな異常検知が採用されてよい。

冗長化管理部４１２及び冗長化管理部４２２による処理の他の例は、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態管理である。例えば、冗長化管理部４１２及び冗長化入出力機能部４２４は、コントローラ４１及びコントローラ４２が複数の状態のうちのいずれの状態であるのかを管理する。

複数の状態の例は、アクティブ状態、スタンバイ状態及び停止状態等である。アクティブ状態は、その状態のコントローラにおいて取得された制御演算結果が、プラント１のプロセス制御に反映される（入出力機器３に送信されフィールドデバイス２に与えられる）状態である。スタンバイ状態は、その状態のコントローラにおいて取得可能である制御演算結果はプラント１のプロセス制御に反映されない（入出力機器３に送信されずフィールドデバイス２に与えられない）状態である。停止状態では、その状態のコントローラによっては制御演算結果が取得されない状態である。

冗長化管理部４１２及び冗長化管理部４２２による処理の他の例は、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態の切り替えである。コントローラ４１とコントローラ４２とで分けて説明する。

コントローラ４１において、冗長化管理部４１２は、制御演算部４１１から制御演算結果を取得し、取得した制御演算結果をプラント１のプロセス制御に反映させる（冗長化入出力機能部４１４を介して入出力機器３に送信する）ことにより、コントローラ４１をアクティブ状態に切り替える。冗長化管理部４１２は、制御演算部４１１の制御演算結果をプラント１のプロセス制御に反映させないことにより、コントローラ４１をスタンバイ状態に切り替える。スタンバイ状態では、制御演算部４１１の制御演算結果は、冗長化管理部４１２によって取得されてもよいし取得されなくてもよい。冗長化管理部４１２は制御演算部４１１から制御演算結果を取得せず、（当然ながら）プロセス制御に反映もさせないことにより、コントローラ４１を停止状態に切り替える。停止状態では、制御演算部４１１による制御演算自体が実行されなくて（停止されても）もよい。

コントローラ４２において、冗長化管理部４２２は、後述する外部装置５から制御演算結果を取得し、取得した制御演算結果をプラント１のプロセス制御に反映させることにより、コントローラ４２をアクティブ状態に切り替える。冗長化管理部４２２は、後述の外部装置５の制御演算部５１の制御演算結果をプラント１のプロセス制御に反映させないことにより、コントローラ４２をスタンバイ状態に切り替える。スタンバイ状態では、外部装置５の制御演算部５１の制御演算結果は、冗長化管理部４１２によって取得されてもよいし取得されなくてもよい。冗長化管理部４２２は、外部装置５から制御演算結果を取得せず、プロセス制御に反映もさせないことにより、コントローラ４２を停止状態に切り替える。停止状態では、外部装置５の制御演算部５１による制御演算自体が実行されなくても（停止されても）よい。

切り替えの例について述べる。コントローラ４１の冗長化管理部４１２及びコントローラ４２の冗長化管理部４２２は、コントローラ４１及びコントローラ４２の一方がアクティブ状態であるように、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態を切り替える。例えば、冗長化管理部４１２及び冗長化入出力機能部４２４は、異常検知に応じて（異常が発生したことに応じて）、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態を切り替える。例えば、アクティブ状態のコントローラに異常が発生すると、スタンバイ状態のコントローラが、アクティブ状態に切り替えられる。切り替え判断において、後述の自己診断結果も考慮されてよい。

上記の例に限らず、さまざまな切り替え手法が用いられてよい。コントローラ４１及びコントローラ４２が、専用のシステムバスＳＢを介して接続され、また、冗長化に関する機能（冗長化管理部４１２等及び冗長化管理部４２２等）がそれらのコントローラ内に実装されていることにより、迅速な異常検知及び切り替えが可能である。

なお、以下では、上述のようなシステムバスＳＢによって接続されたコントローラ４１及びコントローラ４２内に冗長化に関する機能が実装されている構成を、「専用のハードウェア構成」ということもある。

冗長化管理部４１２及び冗長化管理部４２２による処理の他の例は、自己診断である。自己診断の例は、異常発生の原因の特定、プラント１のプロセス制御が可能であるか否か（アクティブ状態からスタンバイ状態への切り替えの要否等）等である。自己診断結果は、システムバスＳＢを介して、互いに通知等されてよい。これにより、各々の自己診断結果が、コントローラ４１の冗長化管理部４１２及びコントローラ４２の冗長化管理部４２２によって把握（共有）される。

上記の例に限らず、さまざまな自己診断が採用されてよい。上述の専用のハードウェア構成を備えることよって、コントローラ４１とコントローラ４２との間で、互いの自己診断結果が素早く共有される。これにより、異常発生の原因の特定、切り替わりの要否等を迅速に行うことができる。

フィールド入出力機能部４１３及びフィールド入出力機能部４２３は、制御バスＣＢを介して、入出力機器３との間で入出力データ（制御データ）を送受信する。例えば、フィールド入出力機能部４１３又はフィールド入出力機能部４２３は、入出力データを入出力機器３に要求する。入出力機器３は、要求された入出力データをフィールドデバイス２から取得し、フィールド入出力機能部４１３又はフィールド入出力機能部４２３に送信する。また、フィールド入出力機能部４１３又はフィールド入出力機能部４２３は、フィールドデバイス２に与えるべき入出力データを入出力機器３に送信する。入出力機器３は、受信した入出力データをフィールドデバイス２に与え、プラント１のプロセス制御に反映させる。

ここで、コントローラ４１及び入出力機器３の間の入出力データの送受信と、コントローラ４２及び入出力機器３の間の入出力データの送受信とは、排他的に行われる。具体的には、アクティブ状態のコントローラだけが、入出力機器３との間で入出力データの送受信を行う。スタンバイ状態のコントローラは、上述の等値化により、アクティブ状態のコントローラから入出力データを取得する。

冗長化入出力機能部４１４及び冗長化入出力機能部４２４は、システムバスＳＢを介して、互いに必要な情報の送受信を行う。先に述べた冗長化管理部４１２及び冗長化管理部４２２の処理に必要なさまざまな情報が、冗長化入出力機能部４１４及び冗長化入出力機能部４２４を介して送受信される。

コントローラ４２の通信機能部４２５は、外部装置５と通信する。この例では、外部装置５は、ネットワークＮを介してコントローラ４２に接続される。外部装置５は、例えば、クラウドコンピューティングを可能にするクラウドサーバ装置である。ネットワークＮの例は、インターネット、ＬＡＮ等である。ネットワークＮは、システムバスＳＢとは異なる通信経路である。

外部装置５は、制御演算部５１と、通信機能部５５とを含む。制御演算部５１は、上述のコントローラ４１の制御演算部４１１と同様の機能を備える。通信機能部５５は、コントローラ４２の通信機能部４２５と通信する。

外部装置５の制御演算部５１、通信機能部５５、冗長化コントローラ４の通信機能部４２５及び冗長化管理部４２２によって、先に説明したコントローラ４１の制御演算部４１１及び冗長化管理部４１２の機能が実現される。具体的に、制御演算部５１は、制御演算に必要な入出力データ（制御データ）を冗長化管理部４２２に要求する。冗長化管理部４２２は、要求された入出力データを制御演算部５１に送信する。制御演算部５１は、送信された入出力データを用いて制御演算を実行し、制御演算結果を冗長化管理部４２２に送信する。このようにして、冗長化管理部４２２は、外部装置５から、制御演算結果を取得することができる。外部装置５の制御演算部５１からみると、冗長化コントローラ４の冗長化管理部４２２の機能が、外部装置５の通信機能部５５によって呼び出されるともいえる。冗長化コントローラ４の冗長化管理部４２２からみると、外部装置５の制御演算部５１の機能が、冗長化コントローラ４の通信機能部４２５によって呼び出されるともいえる。

端末装置６は、制御システム１００のユーザが、コントローラ４１及びコントローラ４２を操作等するために用いられる。端末装置６は、例えば汎用のＰＣ等によって構成され、図示しない信号線等によってコントローラ４１及びコントローラ４２それぞれに接続され得る。端末装置６は、ユーザ操作を受け付けるインタフェース等を提供してよい。端末装置６が受け付けるユーザ操作の例は、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態の切り替えである。例えば切り替えを指示する情報（コマンド等）が端末装置６からコントローラ４１の冗長化管理部４１２及びコントローラ４２の冗長化管理部４２２に送信され、切り替えが行われる。これにより、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態の手動切り替えも可能になる。端末装置６を介さないユーザ操作によって切り替えが行われてもよい。そのようなユーザ操作の例は、コントローラ４１及びコントローラ４２を設置したり取り外したりする（例えば制御カードを抜き差しする）ことである。例えば、コントローラ４１がアクティブ状態のときにコントローラ４１を取り外すことで、コントローラ４１の異常検知を発生させ、コントローラ４２をアクティブ状態に切り替えることができる。コントローラ４１及びコントローラ４２それぞれに、状態切り替え用のスイッチ等が設けられていてもよい。ユーザは、そのスイッチ等を操作することにより、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態を切り替えることもできる。

以上説明したようなコントローラ４１及びコントローラ４２を備えることによって、冗長化コントローラ４が冗長化される。冗長化コントローラ４において、コントローラ４２は、制御演算の機能を内部に有しておらず、代わりに、外部装置５の制御演算部５１に制御演算を実行させ、その制御演算の結果を取得可能である。演算機能の実装が不要になる分、コントローラ４２の機能が簡素化され、その分、コントローラ４２のコスト、ひいては冗長化コントローラ４のコストが低減される。

外部装置５は、制御演算部５１の機能を実現できる範囲内において、任意のコンピューティング環境を用いて実現されてよい。汎用のコンピュータ等を用いることで、制御演算に掛るコストをさらに低減できる可能性が高まる。

冗長化中は、コントローラ４１及びコントローラ４２の一方がアクティブ状態で動作し、他方がスタンバイ状態で動作する。アクティブ状態のコントローラに異常が発生すると、スタンバイ状態のコントローラがアクティブ状態に切り替えられ、プラント１のプロセス制御が継続される。状態切り替えは、先に説明したように、専用のハードウェア構成によって行われる。そのため、例えば冗長化に関する機能ブロックがコントローラの外部において汎用のコンピュータ等（プラットフォーム等）を用いて実現されたり、そのために別途ネットワーク通信等が必要になったりする場合と比較して、高速な切り替えが可能になる。

図２～図５は、冗長化コントローラにおいて実行される処理（冗長化方法、制御方法）の例を示すフローチャートである。

図２には、冗長化構成を得るための等値化等の動作が例示される。この動作は、アクティブ状態のコントローラ４１とともにコントローラ４２が準備（実装等）されている状態で、例えばユーザ操作をトリガとして開始される。ユーザ操作の例は、上述の端末装置６を介したユーザ操作、プラント１のオペレータ等が画面（監視操作用画面等）を見ながら行う操作等である。

ステップＳ１～ステップＳ３において、制御データのコピーの開始が通知される。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、コピー開始通知を外部装置５に送信する。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して、コピー開始通知を受信する。

ステップＳ４～ステップＳ６において、制御データのコピーの開始が許可される。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して、コピー開始許可をコントローラ４２に送信する。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、コピー開始許可を受信する。

ステップＳ７及びステップＳ８において、コピーが要求される。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、冗長化入出力機能部４２４を介して、コピー要求をコントローラ４１に送信する。コントローラ４１は、コピー要求を受信する。

ステップＳ９において、コントローラ４１は、コピーモードに遷移する。コピー対象の各制御データについて、次に説明するステップＳ１０～ステップＳ１７の処理が実行され、制御データが、コントローラ４１から、コントローラ４２及び外部装置５にコピーされる（等値化が行われる）。

ステップＳ１０及びステップＳ１１において、コントローラ４１の冗長化管理部４１２は、例えば制御演算部４１１による制御演算が行われたタイミングで、制御データをコントローラ４２に送信する。コントローラ４２の冗長化入出力機能部４２４は、制御データを受信する。

ステップＳ１２及びステップＳ１３において、コントローラ４２の冗長化入出力機能部４２４は、制御データを冗長化管理部４２２に渡すとともに、制御データを自メモリに反映する（例えばコントローラ４２内の図示しない記憶装置等に記憶する）。

ステップＳ１４～ステップＳ１７において、冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、制御データを外部装置５に送信する。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して制御データを受信し、また、制御データを自メモリに反映する（例えば外部装置５内の図示しない記憶装置等に記憶する）。

上述のステップＳ１０～ステップＳ１７の処理によって、コピー対象のすべての制御データが、コントローラ４１から、コントローラ４２及び外部装置５にコピーされる。その後、ステップＳ１８に処理が進められる。

ステップＳ１８～ステップＳ２０において、コピーの終了が通知される。コントローラ４１は、コピー終了通知をコントローラ４２に送信し、処理を待機する（待ちになる）。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、冗長化入出力機能部４２４を介して、コピー終了通知を受信する。

ステップＳ２１～ステップＳ２７において、冗長化の開始に向けて処理が進められる。

コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、冗長化の準備を進めるとともに、冗長化入出力機能部４２４を介して、冗長化開始通知をコントローラ４１に送信する。コントローラ４１は、冗長化開始通知を受信し、冗長化を開始するとともに、冗長化開始通知をコントローラ４２に送信する。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、冗長化入出力機能部４２４を介して冗長化開始通知を受信し、冗長化を開始する。

ステップＳ２８において、コントローラ４１は、制御を開始する。コントローラ４１の冗長化管理部４１２は、これまでと同様に、制御演算部４１１から制御演算結果を取得する。この例ではコントローラ４１はアクティブ状態であり、制御演算結果はプラント１のプロセス制御に反映される。

ステップＳ２９～ステップＳ３２において、コントローラ４２も制御を開始する。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、制御データを外部装置５に送信する。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して制御データを受信し、受信した制御データを用いて制御演算を開始する。この例ではコントローラ４２はスタンバイ状態であり、制御演算結果はプラント１のプロセス制御には反映はされない。

例えば以上のようにして、アクティブ状態のコントローラ４１及びスタンバイ状態のコントローラ４２によって構成される冗長化コントローラ４が得られる。

図３には、コントローラ４１及びコントローラ４２がアクティブ状態及びスタンバイ状態のときに実行される処理が例示される。

ステップＳ４１～ステップＳ４４において、外部装置５の制御演算部５１が制御演算を実行するために必要な入出力データが要求される。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して、入出力要求をコントローラ４２に送信する。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、入出力要求を受信する。

ステップＳ４４において、コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、要求された入出力データが等値化によって得られるまで、処理を待機する（等値化待ちになる）。

ステップＳ４５及びステップＳ４６において、コントローラ４１が制御演算を実行するために必要な入出力データが要求される。コントローラ４１は、入出力要求を入出力機器３に送信する。入出力機器３は、要求された入出力をフィールドデバイス２から取得し、コントローラ４１に送信する。コントローラ４１は、入出力データを受信する。

ステップＳ４７～ステップＳ５１において、入出力データが、コントローラ４１から、コントローラ４２及び外部装置５にコピーされる。コントローラ４１は、入出力データをコントローラ４２に送信する。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、冗長化入出力機能部４２４を介して入出力データを受信し、自メモリに反映する。冗長化管理部４２２は、等値化待ちを解除し、通信機能部４２５を介して、入出力データを外部装置５に送信する。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して入出力データを受信し、自メモリに反映する。

ステップＳ５２において、コントローラ４１は、制御演算を実行する。この例ではコントローラ４１はアクティブ状態であり、制御演算結果はプラント１のプロセス制御に反映される。

ステップＳ５３において、外部装置５の制御演算部５１は、制御演算を実行する。この例ではコントローラ４２はスタンバイ状態であり、制御演算結果はプラント１のプロセス制御には反映されない。

例えば以上のようにして、アクティブ状態及びスタンバイ状態のコントローラ４１及びコントローラ４２の両方において同じデータに基づく制御演算結果が取得できるようになる。そのうち、アクティブ状態であるコントローラ４１において取得された制御演算結果が、プラント１のプロセス制御に反映される。

図４には、コントローラ４１及びコントローラ４２がスタンバイ状態及びアクティブ状態のときに実行される処理が例示される。

ステップＳ６１～ステップＳ６７において、外部装置５の制御演算部５１が制御演算を実行するために必要な入出力データが要求され、取得される。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して、入力要求をコントローラ４２に送信する。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、入出力要求を受信する。冗長化管理部４２２は、フィールド入出力機能部４２３を介して、入力要求を入出力機器３に送信する。入出力機器３は、要求された入出力データをフィールドデバイス２から取得し、コントローラ４２に送信する。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、フィールド入出力機能部４２３を介して、入出力データを受信する。

ステップＳ６８において、コントローラ４１は、制御演算に必要な入出力データが等値化によって得られるまで、処理を待機する（等値化待ちになる）。

ステップＳ６９～Ｓ７１において、等値化が行われる。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、冗長化入出力機能部４２４を介して、入出力データをコントローラ４１に送信する。コントローラ４１は、入出力データを受信し、自メモリに反映する（例えばコントローラ４１内の図示しない記憶装置等に記憶する）。コントローラ４２の冗長化入出力機能部４２４は、等値化が完了したことを冗長化管理部４２２に通知する。
を用いて、

ステップＳ７２～ステップＳ７４において、入出力データが、外部装置５にも送信される。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、入出力データを外部装置５に送信する。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して、入出力データを受信する。

ステップＳ７５において、外部装置５の制御演算部５１は、制御演算を実行する。この例では、コントローラ４２はアクティブ状態であり、制御演算結果がプラント１のプロセス制御に反映される。

ステップＳ７６において、コントローラ４１は、制御演算を実行する。この例では、コントローラ４１はアクティブ状態であり、制御演算結果はプラント１のプロセス制御には反映されない。

例えば以上のようにして、スタンバイ状態及びアクティブ状態のコントローラ４１及びコントローラ４２の両方において同じデータに基づく制御演算結果が取得できるようになる。そのうち、アクティブ状態であるコントローラ４２において取得された制御演算結果が、プラント１のプロセス制御に反映される。

図５には、異常発生時の切り替え手順が例示される。手順には、異常検知、異常個所の特定及び切り替えが含まれる。

ステップＳ８１～ステップＳ８４において、異常が検知される。コントローラ４１は、異常検知をコントローラ４２に送信する。コントローラ４２の冗長化入出力機能部４２４は、異常検知を受信することによって異常を検知し、また、フィールド入出力機能部４２３に異常を通知する。

ステップＳ８５～ステップＳ８７において、異常通知が外部装置５にも送信される。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を用いて、異常通知を外部装置５に送信する。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して、異常通知を受信する。

ステップＳ８８において、外部装置５の制御演算部５１は、処理を待機する（待ちになる）。この待機は、異常発生時等に生じる特殊な状態（イレギュラーな処理）ともいえる。

ステップＳ８９において、コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、例えば自己診断を行うことによって、異常個所を特定し、コントローラ４２をアクティブ状態に切り替え可能か否か（制御権をコントローラ４１からコントローラ４２に交代できるか否か）判断する。

上記の冗長化管理部４２２の判断結果に応じて、この後の処理が分岐する。コントローラ４２がアクティブ側に切り替え可能な場合の処理を、ステップＳ９０～ステップＳ９４として図示する。切り替え不可能な場合の処理を、ステップＳ９０Ｘ～ステップＳ９４Ｘとして図示する。

ステップＳ９０～ステップＳ９４において、コントローラ４２がアクティブ状態に切り替わる。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、制御交代処理を実行する。具体的に、冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、制御再開を外部装置５に通知する。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して制御再開の通知を受け、制御演算を再開する。制御演算結果がプロセス制御に反映される。

ステップＳ９０Ｘ～ステップＸ９４Ｘにおいて、コントローラ４２は、改めてスタンバイ状態でリスタートする。コントローラ４２の冗長化管理部４２２は、リスタート処理を実行する。具体的に、冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して、リスタート要求を外部装置５に送信する。外部装置５の制御演算部５１は、通信機能部５５を介して、リスタート要求を受信し、リスタートする。これまでと同様に制御演算が行われる。制御演算結果は、プロセス制御には反映されない。

例えば以上のようにして、異常発生時に、必要に応じて（例えば診断結果に応じて）、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態が切り替えられる。

以上説明した冗長化コントローラ４によれば、冗長化コントローラ４を構成するコントローラ４２における演算機能が、外部装置５で実現される。その分、コントローラのコストを削減することができる。汎用のコンピュータ等を外部装置５として用いることにより、制御演算に掛るコストも低減できる可能性も高まる。従って、コントローラの冗長化にかかるコストを低減することが可能になる。また、冗長化に関する機能（冗長化管理部４１２、冗長化管理部４２２等）がコントローラ内に実装されることにより、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態の高速な切り替えが可能である。

これまでよりも低コストで冗長化コントローラ４を実現できることから、応用範囲も広がる。例えば、冗長化構成が一時的に利用（一時利用）されてよい。通常運転時はコントローラ４１だけでプロセス制御を行うシングル構成において、必要な時にだけ、低コストのコントローラ４２が追加され冗長化構成が実現されてよい。先に述べたように、コントローラ４２は、制御演算結果を取得しない（さらには制御演算自体も実行されなくてよい）停止状態にも切り替わる。コントローラ４２がスタンバイ状態と停止状態との間で切り替えられると、コントローラ４２がスタンバイ状態のときだけ（つまり一時的に）冗長化構成が得られる。切り替えは、ユーザ操作等によって任意のタイミングで行われてよい。すなわちコントローラ４２の冗長化管理部４１２は、コントローラ４１がアクティブ状態のときに、任意のタイミングで、コントローラ４２をスタンバイ状態及び停止状態の間で切り替える。これにより、冗長化構成の一時利用が可能になる。

例えば、一時的なリスク回避のために冗長化構成が用いられてよい。制御の工程によってリスクの高低がある場合には、比較的リスクが高い時にだけ冗長化構成が用いられてもよい。稼働状況や工程管理を監視しながら、動的に冗長化構成にすることも可能である。

プラント１のプロセス制御を止めることなく行う作業（ライブマイグレーション）にも利用できる。例えば、異常が特定されたコントローラに対して、交換作業、修理作業等のエンジニアリング作業を行うために必要な冗長化構成を、低コストで実現できる。コントローラのソフトウェアのアップデート等の作業も可能である。

外部装置５の利用に応じて料金が設定されてもよい。例えば、外部装置５の制御演算部５１等の機能の利用時間等に応じた料金が、外部装置５に掛る費用としてユーザに請求されてよい。このような課金制のプラットフォームを採用することで、冗長化にかかるコストをさらに低減できる可能性が高まる。

以上、本開示の一実施形態について説明した。開示される技術は、上記の実施形態に限られない。いくつかの変形例について説明する。

一実施形態において、第１のコントローラも、外部装置５を用いて制御演算結果が取得可能であってよい。これについて、図６を参照して説明する。

図６は、変形例に係る冗長化コントローラの概略構成の例を示す図である。例示される制御システム１００Ａの冗長化コントローラ４Ａは、コントローラ４１Ａ及びコントローラ４２を含む。コントローラ４１Ａは、コントローラ４１（図１）と比較して、制御演算部４１１を備えない代わりに、通信機能部４１５Ａを備える点において相違する。通信機能部４１５Ａは、コントローラ４２の通信機能部４２５と同様の機能を備える。コントローラ４１Ａ及びコントローラ４２の各々は、対応する外部装置５とそれぞれ通信する。冗長化コントローラ４Ａでは、コントローラ４１Ａにおいても演算機能の実装が不要になる分、さらなるコスト低減が実現される。なお、コントローラ４１Ａに対応する外部装置５の機能（制御演算部５１、通信機能部５５）と、コントローラ４２に対応する外部装置５の機能とは、１つの外部装置に集約されてもよい。

一実施形態において、外部装置は、複数の異なる制御演算を実行可能であってよい。これについて、図７を参照して説明する。

図７は、変形例に係るコントローラ及び外部装置の概略構成の例を示す図である。コントローラ４２ＡＢは、外部装置５Ａ及び外部装置５Ｂの２つの外部装置それぞれと通信可能である。外部装置５Ａの制御演算部５１Ａと、外部装置５Ｂの制御演算部５１Ｂとは、異なる制御演算を実行する。例えば、コントローラ４２ＡＢの冗長化管理部４２２ＡＢは、制御演算部５１Ａ及び制御演算部５１Ｂの少なくとも一方の制御演算の結果を、外部装置５Ａ及び／又は外部装置５Ｂから取得可能である。演算機能のバリエーションが増える分、プロセス制御の可能性が広がる。冗長化管理部４２２ＡＢは、制御演算部５１Ａ及び制御演算部５１Ｂの両方の制御演算の結果が取得可能であってもよい。演算機能の高度化、演算速度の高速化等が可能になる。３つ以上の異なる制御演算が実行可能で合ってよく、その場合冗長化管理部４２２ＡＢは、複数の異なる制御演算のうちの少なくとも１つの制御演算の結果を取得可能である。なお、複数の外部装置（外部装置５Ａ及び外部装置５Ｂ等）の機能が１つの外部装置に集約されてもよい。

上記実施形態では、冗長化構成としてコントローラ４１及びコントローラ４２の２つのコントローラが用いられる例について説明した。ただし、３つ以上のコントローラによって冗長化構成が実現されてもよい。

図８は、コントローラのハードウェア構成の例を示す図である。このハードウェア構成は、バス等で相互に接続される通信装置４２ａ、表示装置４２ｂ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）４２ｃ、メモリ４２ｄ及びプロセッサ４２ｅを備える。

通信装置４２ａは、ネットワークインタフェースカードなどであり、他の装置との通信を可能にする。表示装置４２ｂは、例えばタッチパネルやディスプレイなどである。ＨＤＤ４１ｃは、内部メモリ等の記憶部として機能し、例えばコントローラ４２の処理を実行するためのプログラム（冗長化プログラム、制御プログラム）を記憶する。

プロセッサ４２ｅは、上述のプログラムをＨＤＤ４２ｃ等から読み出してメモリ４２ｄに展開することで、コントローラ４２の機能を実現する。機能は、これまで説明したような冗長化管理部４２２の機能、フィールド入出力機能部４２３の機能及び冗長化入出力機能部４２４の機能を含む。

プログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、プログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－ＲＯＭ、ＭＯ（Magneto－Optical disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することができる。

コントローラ４２以外の装置、例えばコントローラ４１、外部装置５及び端末装置６等も、上述と同様のハードウェア構成を備えてよい。

以上説明した技術は、例えば次のように特定される。図１～図５等を参照して説明したコントローラ４２は、コントローラ４１（別のコントローラ）とともに冗長化コントローラ４を構成するコントローラである。コントローラ４２は、通信機能部４２５と、冗長化管理部４２２とを含む。通信機能部４２５は、プラント１のプロセス制御に必要な制御演算を実行可能な外部装置５と通信する。冗長化管理部４２２は、通信機能部４２５を介して外部装置５から取得した制御演算の結果をプロセス制御に反映させるアクティブ状態、及び、制御演算の結果をプロセス制御に反映させないスタンバイ状態を含む複数の状態の間で、コントローラ４２の状態を切り替える。冗長化管理部４２２は、コントローラ４２及びコントローラ４１の一方がアクティブ状態であるように、コントローラ４２の状態を切り替える。

上記のコントローラ４２によれば、プラント１のプロセス制御に必要な演算機能が、外部装置５で実現される。その分、コントローラ４２のコストを削減することができる。汎用のコンピュータ等を外部装置５として用いることにより、制御演算に掛るコストも低減できる可能性も高まる。従って、コントローラの冗長化にかかるコストを低減することが可能になる。また、冗長化管理部４２２がコントローラ４２内に実装されることにより、コントローラ４１及びコントローラ４２の状態の高速な切り替えが可能である。

コントローラ４２は、冗長化コントローラ４を構成するために一時的に利用されてよい。上述のようにコントローラ４２のコストが削減されているので、このような一時的な利用にコントローラ４２を好適に用いることができる。

複数の状態は、制御演算の結果を取得しない停止状態を含み、冗長化管理部４２２は、コントローラ４１がアクティブ状態のときに、任意のタイミングで、コントローラ４２をスタンバイ状態及び前記停止状態の間で切り替えてよい。この場合、外部装置５の利用に応じて料金が設定されてよい。コントローラ４２の一時的な利用に応じた料金設定とすることで、冗長化にかかるコストをさらに低減できる可能性が高まる。

冗長化管理部４１２は、制御演算に必要なデータをコントローラ４１からコントローラ４２にコピーし、コピーしたデータを、通信機能部４２５を介して外部装置５に送信し、外部装置５から制御演算の結果を取得してよい。例えばこのようにして、コントローラ４１及びコントローラ４２で同じデータに基づく演算結果が取得されるようにすることで、冗長化構成を得ることができる。

図７等を参照して説明したように、外部装置５（例えば外部装置５Ａ及び外部装置５Ｂ）は、複数の異なる制御演算を実行可能であり、冗長化管理部４２２ＡＢは、複数の異なる制御演算のうちの少なくとも１つの制御演算の結果を、通信機能部４２５を介して外部装置５から取得可能であってよい。これにより、演算機能のバリエーションが増えるので、プラント１のプロセス制御の可能性が広がり、また、演算機能の高度化、演算速度の高速化等が可能になる。

図２～図５を参照して説明した制御方法も、実施形態の１つである。制御方法は、コントローラ４１（別のコントローラ）とともに冗長化コントローラ４を構成するコントローラ４２による制御方法であって、プラント１のプロセス制御に必要な制御演算を実行可能な外部装置５と通信すること（ステップＳ２、Ｓ５、Ｓ１５、Ｓ３０、Ｓ４２、Ｓ５０、Ｓ６２、Ｓ７３、Ｓ８６、Ｓ９２、Ｓ９２Ｘ等）と、通信を介して外部装置５から取得した制御演算の結果をプロセス制御に反映させるアクティブ状態、及び、制御演算の結果をプロセス制御に反映させないスタンバイ状態を含む複数の状態の間で、コントローラ４２の状態を切り替えること（ステップＳ９０等）と、を含み、切り替えることでは、コントローラ４２及びコントローラ４１の一方がアクティブ状態であるように、コントローラ４２の状態を切り替える。このような制御方法によっても、これまで説明したように、コントローラの冗長化にかかるコストを低減することが可能になる。

制御方法においても、上述のように、コントローラ４２を、冗長化コントローラ４を構成するために一時的に利用してよい。複数の状態は、制御演算の結果を取得しない停止状態を含み、切り替えることでは、コントローラ４１がアクティブ状態のときに、任意のタイミングで、コントローラ４２をスタンバイ状態及び停止状態の間で切り替えてよい。外部装置５の利用に応じて料金が設定されてよい。制御演算の結果を取得することでは、制御演算に必要なデータをコントローラ４１からコントローラ４２にコピーし、コピーしたデータを、外部装置５に送信し、外部装置５から制御演算の結果を取得してよい。外部装置５（例えば図７の外部装置５Ａ及び外部装置５Ｂ）は、複数の異なる制御演算を実行可能であり、切り替えることでは、複数の異なる制御演算のうちの少なくとも１つの制御演算の結果を、通信を介して外部装置５から取得可能であってよい。

１ プラント
２ フィールドデバイス
２１ センサ
２２ アクチュエータ
３ 入出力機器
４ 冗長化コントローラ
４１ コントローラ（第１のコントローラ、別のコントローラ）
４２ コントローラ（第２のコントローラ）
４１１ 制御演算部
４１２ 冗長化管理部
４１３ フィールド入出力機能部
４１４ 冗長化入出力機能部
４２２ 冗長化管理部
４２３ フィールド入出力機能部
４２４ 冗長化入出力機能部
４２５ 通信機能部
４２ａ 通信装置
４２ｂ 表示装置
４２ｃ ＨＤＤ
４２ｄ メモリ
４２ｅ プロセッサ
５ 外部装置
５１ 制御演算部
５５ 通信機能部
６ 端末装置
１００ 制御システム
Ｎ ネットワーク
ＣＢ 制御バス
ＳＢ システムバス

Claims (12)

1. 別のコントローラとともに冗長化コントローラを構成するコントローラであって、
   プラントのプロセス制御に必要な制御演算を実行可能な外部装置と通信する通信機能部と、
   前記通信機能部を介して前記外部装置から取得した前記制御演算の結果を前記プロセス制御に反映させるアクティブ状態、及び、前記制御演算の結果を前記プロセス制御に反映させないスタンバイ状態を含む複数の状態の間で、前記コントローラの状態を切り替える冗長化管理部と、
   を備え、
   前記冗長化管理部は、前記コントローラ及び前記別のコントローラの一方がアクティブ状態であるように、前記コントローラの状態を切り替える、
   コントローラ。
2. 前記冗長化コントローラを構成するために一時的に利用される、
   請求項１に記載のコントローラ。
3. 前記複数の状態は、前記制御演算の結果を取得しない停止状態を含み、
   前記冗長化管理部は、前記別のコントローラが前記アクティブ状態のときに、任意のタイミングで、前記コントローラを前記スタンバイ状態及び前記停止状態の間で切り替える、
   請求項１又は２に記載のコントローラ。
4. 前記外部装置の利用に応じて料金が設定される、
   請求項３に記載のコントローラ。
5. 前記冗長化管理部は、前記制御演算に必要なデータを前記別のコントローラから前記コントローラにコピーし、前記コピーしたデータを、前記通信機能部を介して前記外部装置に送信し、前記外部装置から前記制御演算の結果を取得する、
   請求項１～４のいずれか１項に記載のコントローラ。
6. 前記外部装置は、複数の異なる制御演算を実行可能であり、
   前記冗長化管理部は、前記複数の異なる制御演算のうちの少なくとも１つの制御演算の結果を、前記通信機能部を介して前記外部装置から取得可能である、
   請求項１～５のいずれか１項に記載のコントローラ。
7. 別のコントローラとともに冗長化コントローラを構成するコントローラによる制御方法であって、
   プラントのプロセス制御に必要な制御演算を実行可能な外部装置と通信することと、
   前記通信を介して前記外部装置から取得した前記制御演算の結果を前記プロセス制御に反映させるアクティブ状態、及び、前記制御演算の結果を前記プロセス制御に反映させないスタンバイ状態を含む複数の状態の間で、前記コントローラの状態を切り替えることと、
   を含み、
   前記切り替えることでは、前記コントローラ及び前記別のコントローラの一方がアクティブ状態であるように、前記コントローラの状態を切り替える、
   制御方法。
8. 前記コントローラを、前記冗長化コントローラを構成するために一時的に利用する、
   請求項７に記載の制御方法。
9. 前記複数の状態は、前記制御演算の結果を取得しない停止状態を含み、
   前記切り替えることでは、前記別のコントローラが前記アクティブ状態のときに、任意のタイミングで、前記コントローラを前記スタンバイ状態及び前記停止状態の間で切り替える、
   請求項７又は８に記載の制御方法。
10. 前記外部装置の利用に応じて料金が設定される、
    請求項９に記載の制御方法。
11. 前記制御演算の結果を取得することでは、前記制御演算に必要なデータを前記別のコントローラから前記コントローラにコピーし、コピーしたデータを、前記外部装置に送信し、前記外部装置から前記制御演算の結果を取得する、
    請求項７～１０のいずれか１項に記載の制御方法。
12. 前記外部装置は、複数の異なる制御演算を実行可能であり、
    前記切り替えることでは、前記複数の異なる制御演算のうちの少なくとも１つの制御演算の結果を、前記通信を介して前記外部装置から取得可能である、
    請求項７～１１のいずれか１項に記載の制御方法。

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