JP2603880B2 - プロセスコントロールシステムにおける冗長プロセツサのデータベースの更新を制御する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、１次データベースとプロセスコントロー
ルシステム内の１つの冗長プロセツサの１つのデータベ
ースの２次イメージとの間の一貫性を維持する方法、詳
述すれば、１次データベースへの変更を追跡し、２次デ
ータベースへの変更を行い、変更した所定のエリヤだけ
更新し、それによつて更新機能の実行効率を上げる方法
に関するものである。

1972年２月２日J.A.Hoganに交付された米国特許第4,1
33,027号および1979年２月20日Y.Keilesに交付された米
国特許第4,141,066号に記載のバツクアツププロセスコ
ントローラの有するプロセスコントロールシステムに
は、専用のランダムアクセスメモリ（RAM）および専用
読出し専用記憶素子（ROM）を含んでいる。バツクアツ
プコントローラは本質的には使用されていないか、また
はバツクグラウンドタスクを果すことができるが、その
タスクは直接プロセスコントロール機能に関連している
ものではない。１次プロセスコントローラのどれかが故
障した場合、それを検知した後すぐに故障したコントロ
ーラのRAMに記憶されているデータは、１次コントロー
ラを作動させるためにバツクアツプコントローラのRAM
に転送しなければならない。これらのシステムは１対Ｎ
冗長方式を示す。

この発明には、１対１冗長方式における１つの方法が
提供されており、それによつて２次装置（すなわち、２
次またはバツクアツプコントローラ）のデータベースが
定期的に更新され、更新プロセスが１次（基本）機能に
透過的であり、CPUまたはプロセツサの実行をさせなく
する（またはペナルテイ化する）ことをさせず、また使
用時間を最小限におさえる。この発明の方法は変更した
情報だけを更新し、CPUまたはマイクロプロセツサをよ
り効果的に使用でき、またリアルタイムベースで更新プ
ロセスをより頻繁に実行でき、またコントロールダイナ
ミツクスがフエイルオーバー（fai−lover）に影響され
ないように大量のデータを追跡することを実践的にす
る。このようにして、フエイルオーバー状態が起こつた
場合、故障した１次コントローラに代つて２次コントロ
ーラを作動させるのにかかる時間が実質的に短縮される
ばかりでなく、制御下にあるプロセスに与える衝撃をよ
り少なくする。

従つて、この発明には、プロセスコントロールシステ
ムの冗長コントローラ内のデータベースのメンテナンス
（すなわち更新）を制御する方法が提供されている。プ
ロセスコントロールシステムには、第１および第２コン
トローラ、すなわち前者は１次コントローラとしてのコ
ントローラで、後者は２次コントローラとしてのコント
ローラを有するプロセスコントローラが含まれている。
各コントローラにはデータベースのイメージがあり、１
次コントローラはデータベースに基づいて作動し、更新
し、また２次コントローラはデータベースの等価イメー
ジを保持する。１次コントローラは、プロセスコントロ
ールシステムの定義済制御機能を実行する。それには、
定義済制御機能を実行した後の１次コントローラと関連
のあるデータベースの更新も含まれている。１次コント
ローラと関連あるデータベースを更新するこの発明の方
法は、この制御機能を実行する手段から構成されてい
る。それによる変更が２次コントローラと関連あるデー
タベースを更新するのに利用される。データベースの更
新と同時に、１次データベースに記憶されているあらか
じめ定めてある情報が収集される。制御機能の実行完了
後、あらかじめ定めてある情報が２次コントローラに転
送され、２次コントローラのデータベースが更新され
る。

従つて、この発明の目的は、プロセスコントロールシ
ステムの冗長コントローラのデータベースを保持する方
法を提供することにある。

この発明の別の目的は、あらかじめ定めてある変更だ
けを更新する冗長コントローラのデータベースを保持す
る方法を提供することにある。

この発明のさらに目的とするところは、CPUまたはマ
イクロプロセツサに重大な衝撃を与えず、プロセスコン
トロールシステムの冗長コントローラのデータベースを
保持する方法を提供することにある。

この発明のこれらの目的および他の目的は、以下の説
明および添付図によれば更に明らかになるであろう。そ
れらの中の同一文字は同一部品を示しており、また図面
は、この出願の一部である。

図１について説明する。それは、この発明の方法を使
用している冗長コントローラを有するプロセスコントロ
ールシステム10のブロツクダイアグラムを示しており、
更に具体的にいうと、冗長プロセスコントローラ20の機
能ブロツクダイアグラムを示しており、そのコントロー
ラには、１次コントローラ30および２次コントローラ40
が含まれている。後述してあり、またコントローラは１
次コントローラ30および２次コントローラ40というよう
に識別してあるが、そのコントローラは、冗長性につい
ては双方向性で、冗長な（または２次的と言われること
もある）コントローラのどちらかが１次的または２次的
なものとして十分に作動できることを意味している。１
次的および２次的と本書中識別してある符号は、識別及
び説明の目的のみに用いられている。

プロセスコントロールシステム10には、プラントコン
トロールネツトワーク11が含まれており、複数のプロセ
スコントローラを取付け可能にしているデータハイウエ
イ12に接続されている。１次コントローラ30には１次プ
ロセツサ31、１次メモリ32および１次追跡装置33があ
る。２次コントローラ40には２次プロセツサ41、２次メ
モリ42および２次追跡装置43がある。１次プロセツサ31
および２次プロセツサ41は、それぞれデータハイウエイ
12に接続されている。１次プロセツサ31は、１次メモリ
32およびその１次追跡装置33に接続されている。２次プ
ロセツサ41はその２次メモリ42およびその２次追跡装置
43に接続されている。アナログインプツト（A/I）、ア
ナログアウトプツト（A/O）、デイジタルインプツト（D
/I）およびデイジタルアウトプツト（D/O）を含む様々
なインプツトおよびアウトプツトがプロセスコントロー
ラ20に接続されている。またこれらのインプツトおよび
アウトプツトは現在の情報または状況を表示したり、プ
ロセスコントロールシステムのプロセスを制御するのに
使用される種々な弁、圧力スイツチ、圧力計、熱電対な
どにも接続されている。プラントコントロールネツトワ
ーク11は、1986年８月19日、R.A.Henzelに発行し、本出
願人に譲渡された米国特許第4,607,256号明細書に述べ
てあるものにすることができる。ここに示されていない
けれども、種々のアナログおよびデイジタルのインプツ
トおよびアウトプツトが１次プロセツサ31および２次プ
ロセツサ41に適切なインターフエイス装置を介して接続
されることも周知のことである。

プロセスコントローラ20内で、コントローラ30、40の
どちらのコントローラを１次とするか、２次とするかの
決定は、プラントコントロールネツトワーク11からのダ
ウンロードコントロールパーソナリテイ（すなわち動作
ソフトウエアおよびデータベース情報）によつてなされ
る。その時、コントローラ30,40のうちローデイングさ
れた最初のコントローラが１次コントローラとなり、も
う一方は２次コントローラの役割を果たすことになる。
説明および例のために図１で示してあるプロセスコント
ローラ20のうちのコントローラ30,40はすでにコントロ
ーラ30が１次コントローラとして、またコントローラ40
が２次コントローラとして識別してあるが、１次コント
ローラがコントローラ40となり、２次コントローラがコ
ントローラ30となることも周知のことである。このよう
にしてコントローラ30,40の基本的/2次的役割を設定し
てあるので、１次コントローラ30は制御処理アルゴリズ
ム（算法）を実行するが、それには、弁、圧力計などか
らの入力データの読込み、あらかじめ定めてある計算実
行および結果の出力が含まれている。データは、また１
次メモリ32で記憶される。追跡メモリ（または追跡RA
M）と指定される１次メモリ32のエリヤがある。このエ
リヤすなわち追跡RAMへの書込みは１次追跡装置33によ
り追跡される。１次追跡装置33は、追跡RAMへの書込み
と同時に、内部にある記憶装置（図示せず）へ所定のデ
ータをパケットとして示される所定のフォーマットで記
憶する。所定の時間のその処理機能の完了後、１次プロ
セツサ31は１次追跡装置33に制御信号を送つて、１次追
跡装置33内に記憶したデータを２次追跡装置43に転送し
始める。ヘツド情報、バイトカウント、データの種類な
どの制御情報も１次プロセツサ31により確実に転送され
る。それから２次プロセツサ41が２次追跡装置43に記憶
されているデータを取出して、２次追跡装置43に記憶さ
れている情報パケツトから必要な情報を作成し、２次メ
モリ42を更新する。２次プロセツサ41はこのパケツトを
受入れ、完全性テストを実行し、テスト結果を１次プロ
セツサ31に伝達し、データ値を引き出し、それから２次
メモリ42の情報パケツト中の識別されたアドレスに記憶
するためにアドレスを計算する。この方法で２次メモリ
を更新することによつて、１次プロセツサ31の実行ペナ
ルテイは大幅に少なくなり、１次プロセツサ31の制御処
理容量（ここでは帯域幅と称することもある）が増大す
る。この方法の別の利点はコントロールデータすべてが
自動追跡され、制御がより確かなものになり、またソフ
トウエアのエラーが大幅に減少する。好ましい実施態様
におけるプロセツサ31,41に使用されているCPUは、タイ
プMotorola68000である。

図２について説明する。それは、１次プロセツサ31に
より使用される時間の配分を示している。この発明の好
ましい実施態様においては、サイクルは、１秒間という
時間の長さと定義し、８つのサブサイクルに分けてあ
る。サブサイクル毎に、プロセツサは上記した定めてあ
るアルゴリズム（図２ではポイント処理と称する）を実
行する。ポイント処理に必要な時間は、サブサイクルの
時間よりも少ない。ポイント処理を開始する前に基本プ
ロセツサ31は、追跡データを２次コントローラ40に転送
（図ではDBAデータ転送と示してある）し始める。この
タイムフレームダイアグラムから、２次コントローラ40
のデータベースに含まれているデータは１次コントロー
ラ30のデータベースに含まれているデータより１ステッ
プ（すなわちサブサイクル）遅れていることがすぐにわ
かる。従つて、１次コントローラがサブサイクルｎの制
御操作（すなわちポイント処理）を実行している間、２
次コントローラは、サブサイクルＮ−１で起った変化で
データベースを更新する。（１次メモリへの各書込みが
２次メモリに書き込まれることになるシステムでは、１
次コントローラと２次コントローラは同一のデータベー
スを保持する。しかし、エラー、すなわち部分的バイト
の転送中故障が生じた場合には、１次コントローラと２
次コントローラの両方とも部分的バイトデータ、すなわ
ち同一の不完全データを持つことになる。）この発明に
おいては、前述した通り、２次データベースは完全デー
タを持つことになるが、１次コントローラよりも１ステ
ップ前のものである。他の機能は、サブサイクルの時間
内に実行できる。好ましい実施態様においては、ネツト
ワークの他のノードからの外部データ記憶も実行される
が、それはこの発明の一部とならないのでここでは説明
しない。

図３について説明する。それは、１次メモリ32の部分
的メモリマツプを示している。弁、圧力計などから読込
まれる通りのI/Oの実際値を含んでいるスキヤンデータ
が含まれている。構成データとマークされているセクシ
ョンには、どのオプシヨンが選択されているか、ポイン
トがどのように構成されているか、どのようなアルゴリ
ズムが作動しているかなどが示してある情報が含まれて
いる。バツクアツプするプロセスデータを示しているセ
クシヨンには、アルゴリズムの結果が含まれている。ま
たセツトされている種々のタイマー、セツトされている
種々のアラーム装置などの種々の機能の働きを示してい
る情報も含まれている。メモリマークDBAデータのエリ
ヤは、「追跡メモリ」と呼ばれる１次メモリ32（すなわ
ちRAM）のエリヤである。１次メモリ32のこのエリヤへ
の書込みが、１次追跡装置33によつて収集（すなわち追
跡、フォロー又は捕獲ともいう）される。１次追跡装置
33によつて収集されたデータは、定義済パケツトでフオ
ーマツトされる。

図４について説明する。それは、この発明の好ましい
実施態様における１次追跡装置33によつて作られたパケ
ツトのフオーマツトを示している。上部および下部デー
タストローブ値は、最下位のアドレスビツト値を示して
おり、また最上位の５つのアドレスビツトが追跡メモリ
のレイアウトにより仮定できる（すなわち暗黙に知られ
ている）。追跡メモリパケツトが、追跡メモリへの書込
み（バイトまたはワード）毎に作られるがメモリの追跡
が要求されている場合にのみである。１次追跡装置33の
重要な特徴は、上述した通り、本質的に追跡メモリへの
書込み時実行ペナルテイがないことである。

追跡データパケツトが１次追跡操作33のメモリ記憶装
置（示されていない）に記憶される。３つのワードパケ
ツトは、連続してでなくてコラムフオーマツトに記憶さ
れる。１次追跡装置は、１次追跡装置33のカウンター
（示されていない）に基づいてパケツトを記憶される。
そのカウンターパケツトが記憶される時はいつでも１つ
ずつ増やされる。このカウンターは、転送するデータ量
を確認するために１次プロセツサ31によつて読込み可能
である。１次追跡装置33は、１次プロセッサ31と１次メ
モリ32とに接続され、１次プロセッサ31から１次メモリ
へ格納すべきデータを転送するときに、そのデータのう
ち２次コントローラのデータベースを更新する必要のあ
る所定のデータを収集して、内蔵されている記憶手段に
一時的に記憶し、１次プロセッサからの指示に従ってそ
の一時的に記憶したデータを２次コントローラへ転送す
るものである。

図５について説明する。それは、この発明の方法を実
施化している１次コントローラ30と２次コントローラ40
の両方のソフトウエアのフローダイアグラムを示してい
る。そのソフトウエアの作動開始後すぐに、各プロセツ
サは必要な初期化を実行するが、それには診断テスト、
自己試験、種々のバツフアおよびメモリ位置のゼロ化…
など（ブロツク100）を含めることができる。各プロセ
ツサは、プロセツサが１次プロセツサかまたは２次プロ
セツサとして作動しているかどうか決定する。この決定
は、コントローラのパーソナリテイイメージがダウンロ
ードされている時になされる。その決定は１次コントロ
ーラ（ブロツク105）が存在しているかどうかに基づ
く。プロセツサが１次プロセツサとして作動することを
決定した場合には、このコントローラは基本の正規機能
（ブロツク110）の一部として２次コントローラが操作
可能なようにローデイングされているかどうかを定期的
にテストする。２次コントローラが検知されると、全デ
ータベースが２次プロセツサ（ブロツク115）に転送さ
れ、１次プロセツサ31がコントロール動作（ブロツク12
0）を実行し始める。実行制御機能には、全制御機能、
すなわち制御に関連あるすべてのものが含まれている。
これにはインプツトの入手、アウトプツト機能の実行、
ポイント処理の実行、データハイウエイ12からの変更の
処理、データハイウエイ12を介したプラントコントロー
ルネツトワーク11に対する必要な、あらかじめ定めてあ
る情報の出力、内部のデータベースの更新等が含まれて
いる。実行制御機能が、上記図２によつて説明したポイ
ント処理として表示されたサブサイクル中実行される。
実行制御機能を終了した後、データベースの変更が２次
コントローラに転送される。変更データがあらかじめ定
めてあり、DBAデータ（ブロツク125）と呼ばれる。この
発明のプロトコルにおいて、２次コントローラが現在作
動していることを基本コントローラに表示する他の機能
の実行に加えて、すべてのデータが受取られ、エラーが
検知されていないことを２次コントローラが基本コント
ローラに応答する。この機能は、２次コントローラが適
切に作動しているかどうか（ブロツク130）の決定に従
う。２次コントローラがエラーなしで適切に実行してい
る場合には、プロセスは実行された制御機能（ブロツク
120）に戻す。エラーがなくて、２次コントローラが作
動可能な普通の状況の場合には、ブロツク120、125およ
び130から構成されているループが、サブサイクルごと
に連続作動している。１次コントローラのエラーが２次
コントローラによつて検知される場合には、フエイルオ
ーバー状態が発生するが、２次コントローラ40は１次コ
ントローラになり、また１次コントローラ30はオフライ
ンになる。２次コントローラ40（現在は１次コントロー
ラ）の処理が制御機能ブロツク135を実行し、ブロツク1
10に戻る。以前の１次コントローラ30がまだオフライン
の場合には、２次コントローラがあるかどうかのブロツ
ク110での決定に対する応答は無効になり、またブロツ
ク135および110から構成されているループが以前の１次
コントローラ30が作動可能になるまでに連続実行され
る。コントローラ30かまたは40のどちらかが１次コント
ローラとして作動できるので、回復されると以前の１次
コントローラへのスイツチバツクは、この発明の好まし
い実施態様では必要ないし、また望ましいものでもな
い。

初期起動および初期化後、コントローラが２次コント
ローラ（ブロツク105）として作動すると決定すると、
２次コントローラは、１次コントローラ（ブロツク14
0）から転送される全データブロツクを受けるように設
定する。その全データブロツクには、スキヤンデータお
よびプラントコントロールネツトワーク11によつて定め
られているパーソナリテイイメージが含まれている構成
データが含まれている。フエイルオーバーを効果あるも
のにするために、２次コントローラは１次コントローラ
が作動可能であるか（ブロツク145）テストする。１次
コントローラが作動不可能な場合には、２次コントロー
ラが１次状態またはモード（ブロツク150）を帯び、１
次コントローラとなり、処理がブロツク110で続行す
る。１次コントローラが作動可能な場合には、２次コン
トローラとして作動するコントローラは、１次コントロ
ーラ（ブロツク155）の転送変更（ブロツク125）機能の
結果として１次コントローラに転送されるデータベース
の変更を受けるように設定し、またそれを受ける。変更
を受取つた後、２次プロセツサとして作動するプロセツ
サは、データパケツトを２次追跡装置で解釈し、このパ
ケツトに含まれている新しい値を２次メモリ42、すなわ
ち２次データベースに書込むことによつて２次プロセツ
サのデータベースで受けたデータを記憶するように働
く。２次プロセツサがデータパケツトすべての処理完了
後（たとえばフラツグの設定）、２次プロセツサによつ
て１次プロセツサに表示がなされる。１次プロセツサ
は、２次コントローラがその処理を完了しているかどう
か判断するためのフラツグのテストをする。以前転送し
たデータが２次コントローラによつてまだ記憶されてい
る間に新しい転送を要求する場合には、２次コントロー
ラは１次コントローラにその要求を休止するよう要求す
ることによつて応答できる。従つて、上述した通り、１
次処理から受けたサブサイクルＮ−１のデータパケツト
を解釈し、記憶する２次プロセツサが、１次コントロー
ラがセグメントＮを実行している間サブサイクルＮに発
生する。すなわち２次プロセツサのデータベース内に記
憶されたデータが、上述した通り、１つのサブサイクル
による１次プロセツサのデータベース内にデータをラギ
ングする。２次プロセツサはデータを受けるように設定
する。２次プロセツサは、本質的にスタンバイモードに
あり、すなわちそれ自身の迅速さモニター診断のような
様々なバツクグラウンドタスクを実行する。

１次コントローラ30および２次コントローラ40は、３
つの媒体、すなわちデータハイウエイ12、１次追跡装置
33と２次追跡装置43とのリンク13およびI/Oリンク（図
示しない。このリンクは、１次プロセッサ31と２次プロ
セッサ41とがA/O、A/D、D/IおよびD/Oとインターフェイ
スするためのパスである。）によってお互い伝達し合え
る。これらの伝達パスによつて、１次コントローラ30
は、確実に２次コントローラ40が存在し、作動可能なよ
うにすることができ、また２次コントローラは、いつそ
れ（すなわち２次コントローラと示されたコントロー
ラ）が１次状態（またはモード）となるか判断するため
に１次コントローラが作動可能であるかテストできる。

この発明の好ましい実施態様と考えられているものを
ここに示したが、この発明の本質的な精神と範囲に反す
ることなくいろいろと変更して実施できることが明白で
ある。従つて、この発明の真の範囲内にある変更はすべ
て添付クレイムに含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は冗長コントローラを有するプロセスコントロー
ルシステムのブロツクダイアグラムを示し、第２図はコ
ントローラのサイクルを定義する時間配分を示し、第３
図はこの発明の好ましい実施態様のコントローラの１次
メモリの部分的メモリマツプであり、第４図はこの発明
の好ましい実施態様における収集データのパケツトフオ
ーマツトであり、第５図はこの発明の方法を実施化して
いる基本コントローラと２次コントローラ両方のソフト
ウエアのフローダイアグラムである。 11……プラントコントロールネツトワーク、12……デー
タハイウエイ、20……プロセスコントローラ、30……１
次コントローラ、31……１次プロセツサ、32……１次メ
モリ、33……１次追跡装置、40……２次コントローラ、
41……２次プロセツサ、42……２次メモリ、43……２次
追跡装置。

フロントページの続き (72)発明者 パンカイ・エイチ・モデイ アメリカ合衆国 19044 ペンシルベニ ア州・ホーシヤム・ウインマー ドライ ブ・22 (56)参考文献 特開 昭59−177666（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−153460（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−118848（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−231652（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プロセスコントロールシステムの状態を表
   す情報と、その状態の情報のいずれかのプロセスを実行
   した結果を表す情報を保持するデータベースをそれぞれ
   が有する１次コントローラ及びバックアップコントロー
   ラを備えたプロセスコントロールシステムにおいて、 （ａ） 前記１次コントローラが制御機能を実行し、 （ｂ） 前記１次コントローラが前記（ａ）の工程での
   制御機能の実行の結果である情報を自身のデータベース
   に書き込み、 （ｃ） その書込みと同時に、前記１次コントローラは
   前記（ｂ）の工程でデータベースに書き込まれた情報を
   収集し、 （ｄ） 前記１次コントローラが前記バックアップコン
   トローラの動作のもとでその収集された情報をバックア
   ップコントローラのデータベースに転送する ことを特徴とする前記１次コントローラが前記プロセス
   コントロールシステムの制御機能を実行したときにバッ
   クアップコントローラのデータベースを更新する方法。
2. 【請求項２】前記請求項１記載の（ａ）〜（ｄ）の工程
   が終了した後さらに（ａ）の工程に戻ることを特徴とす
   る請求項１記載のデータベースを更新する方法。