JP4676900B2 - 分散制御システム用シミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、各種プラントを監視／制御するための分散制御システムの動作を模擬する分散制御システム用シミュレータに関する。

近年、各種のプラントなどの制御には分散制御システム（ＤＣＳ）が使用されることが多い。こうしたシステムでは自動化が進んではいるものの、オペレータによる操作・監視を必要とすることも多く、高い信頼性と安全性とを確保するにはオペレータの運転の習熟が不可欠である。オペレータが運転の訓練を行うために実機を使用することは実際上難しいため、実機の動作を模擬したシミュレータを用いて運転訓練を行うのが一般的である（例えば特許文献１、２など参照）。

図２は従来の分析制御システム用シミュレータの概略構成図である。プラントモデル１３は、実際のプラントにおける各種制御端末（例えばバルブ、ヒータなど）や各種監視端末（例えば流量センサ、温度センサなど）の動作を第２コンピュータ１２上で模擬するものである。一方、模擬制御部１１は、実際の分散制御システムの機能を第１コンピュータ１０上でエミュレーションしたものであって、上記プラントモデル１３に含まれる模擬監視端末による監視信号に基づいて所定の演算処理を行って模擬制御端末を制御するための模擬制御信号を生成する機能を有する。また、オペレータコンソール用端末１４は訓練者が操作するものである。

模擬制御部１１の機能が実現される第１コンピュータ１０とプラントモデル１３の機能が実現される第２コンピュータ１２とは、例えばＬＡＮなどのネットワーク回線１５により接続され、オペレータコンソール用端末１４も同じくネットワーク回線１５により接続されている。また、ここでは図示しないが、訓練を指導する教官が操作するための操作端末も接続されている。

制御対象の各種プラントは、工場、発電設備、水処理設備、ゴミ焼却設備など様々であり、それぞれ構成がかなり相違する。したがって、シミュレータにおいてはプラントモデルもそれに応じて用意される。一方、分散制御システムもハードウエア構成の相違や性能の相違などいくつかの種類がある。そこで、前述のようにプラントモデル１３を搭載したコンピュータと模擬制御部１１を搭載したコンピュータとを分けておくことにより、目的に応じて様々な組み合わせが可能でありシミュレータとしてはフレキシビリティが高いという利点がある。

その反面、上記のような従来の構成のシミュレータでは次のような問題がある。即ち、一般に、分散制御システムは、監視信号を読み込んでこれに基づく所定の演算処理を実行し、その結果である制御信号を出力するという一連の処理を一定周期毎に行うようになっており、この動作をエミレーションする模擬制御部１１の処理動作も同様である。一方、プラントモデル１３も制御信号を読み込んでそれに対応した動作を行い、その動作に応じた監視信号を出力する、という一連の動作を一定周期毎に行うように構成される。しかしながら、模擬制御部１１とプラントモデル１３とは別個のコンピュータ１０、１２上で独立に動作するため、ネットワーク回線１５を通して模擬制御信号や模擬監視信号（アナログ値とデジタル値）を受け渡す際の遅延時間が一定でない。しかも、ネットワーク回線１５を介して送受するため余計時間遅延が大きくなり易い。

模擬制御部１１が或る模擬制御信号を出力し、それに対しプラントモデル１３からすぐに応答を受け取るべきような状況のときに遅延時間が長すぎると、リアルタイム性が乏しくなって運転訓練の質の低下を招く。一方、実際のプラントにおける各種制御端末には応答の遅れ時間を有しているものがあり、プラントモデル１３ではそうした遅れ時間を再現するが、上述のように信号の送受の過程で遅延時間の差異が大きいと、プラントモデル１３における特有の遅れ時間を正確に再現することが難しくなり、実機との相違が生じてしまうことになる。

特開平１１−３０９４８号公報 特開平１１−２１２６２２号公報

本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的とするところは、模擬制御部及びプラントモデルにおける処理動作と両者の間での信号の送受を適切に制御することにより、実プラントの運転状態により近い環境を再現して適切な運転訓練を行えるようにした分散制御システム用シミュレータを提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、プラントの運転状況をモニタする監視端末や運転を制御する制御端末の動作をコンピュータ上で模擬するプラントモデルと、前記プラントモデルにより生成される模擬監視信号を受けて所定の演算処理を実行して前記プラントモデルに対し模擬制御信号を与えるためにコンピュータ上にエミュレートされた模擬制御部と、を具備する分散制御システム用シミュレータにおいて、
a)前記プラントモデルで生成された模擬監視信号を前記模擬制御部に受け渡す処理を実行する第１信号配送処理部と、
b)前記模擬制御部で生成された模擬制御信号を前記プラントモデルに受け渡す処理を実行する第２信号配送処理部と、
c)前記プラントモデルの処理動作、前記第１信号配送処理部の処理動作、前記模擬制御部の処理動作、及び前記第２信号配送処理部の処理動作、がこの順序で逐次的に実行されるように各処理動作を監視しつつそれぞれに処理開始を指令する動作制御部と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る分散制御システム用シミュレータでは、動作制御部の監視・制御の下に、プラントモデル、第１信号配送処理部、模擬制御部、及び第２信号配送処理部が順番に、即ち、或る処理動作は前の処理動作が終了した後に引き続いて実行される。したがって、プラントモデルの処理動作と模擬制御部の処理動作とは同一周期で同期的に実行されることになり、従来のように両者が非同期で動作することに起因する問題は解消される。例えば、模擬制御信号や模擬監視信号の送受に伴う遅延時間は常に一定になるから、プラントモデルにおいて遅れ時間要素を有する制御対象についても、上記遅延時間を考慮して遅れ時間要素を設定しておくことにより、実プラントの時間遅延に近い状態をシミュレーションで再現することができる。

また、本発明に係る分散制御システム用シミュレータでは、プラントモデルと模擬制御部とが並行して動作することがなく、順序性を伴った一巡の処理動作を１周期として捉えることができる。したがって、前記動作制御部は、前記プラントモデルの処理動作、前記第１信号配送処理部の処理動作、前記模擬制御部の処理動作、及び前記第２信号配送処理部の処理動作、を含む一巡の処理を一定周期で繰り返し行う構成とすることができる。

このような構成によれば、従来の非同期式の処理動作では実現できない、又は実現が難しい多様な機能を容易に実現できる。例えば、１周期毎に処理を一時的に停止することにより、模擬制御信号の状態や制御指令に対する応答（模擬監視信号の状態）を確認しながら運転訓練を進めることができる。また、任意の時点、つまり任意の或る周期におけるシステム状態（模擬制御部におけるアナログ及びデジタルの入出力データ、及び模擬制御部の演算状態など）をその因果関係を保った状態で記憶装置等に保存することが可能であるから、後でこの保存しておいた情報を利用して運転訓練の状況を検証したり、保存しておいた情報を展開してその時点からのシミュレーションを再開したりすることもできる。

なお、本発明に係る分散制御システム用シミュレータは、プラントモデルと模擬制御部とが異なるコンピュータ上に存在していて両コンピュータがネットワーク回線を通して接続されている場合でも構成可能であるが、こうした構成ではネットワーク回線を通すことによる時間遅延は避けられない。また、上述のように同期をとって一巡の処理動作を行う際の制御も複雑になる。そうしたことから、好ましくは、前記プラントモデルと前記模擬制御部が同一のコンピュータ上に実現されている構成とするのが好ましい。

この構成によれば、プラントモデル、模擬制御部のほか、第１及び第２信号配送処理部、動作制御部の全てが同一のコンピュータ上でのプログラムの実行により具現化されるので、互いのデータの受け渡しが非常に高速で行え、同期をとって処理動作を制御する動作制御部を実施するための制御プログラムが複雑になることを回避できる。

本発明に係る分散制御システム用シミュレータによれば、シミュレータ特有の時間遅延は軽減され、プラントモデルでの各模擬制御端末や模擬監視端末で遅れ時間があるものについてはそれが正確に反映されるので、実プラントの監視・操作に近い環境下でシミュレーションを実行することができる。それにより、従来に比べて効果的な運転訓練が行える。特にプラントモデルと模擬制御部とを同一コンピュータ上で実現すれば、ネットワーク回線を通してデータを送受することによる時間遅延もなくなるので、より一層リアルタイム性が向上し、実機に近い環境を作り出すことができる。

以下、本発明の一実施例である分散制御システム用シミュレータについて図面を参照して説明する。

図１は本実施例の分散制御システム用シミュレータの全体構成図である。本実施例のシミュレータでは、従来、別のコンピュータ上に構築されていたプラントモデル１３と模擬制御部１１とが同一のコンピュータ１６上で動作するようになっている。即ち、分散制御システムが達成する機能のエミュレーションがコンピュータ１６上で実行されるとともに、実プラントの動作の模擬もコンピュータ１６上で実行される。模擬制御部１１とプラントモデル１３との間の信号（データ）の授受はコンピュータ１６内で完結している。

図３はコンピュータ１６にインストールされたソフトウエアにより実行される機能をブロックとして記述したブロック構成図である。上記模擬制御部１１及びプラントモデル１３の機能を果たすのは、ここではそれぞれ模擬制御処理部２３及びプラントモデル処理部２１である。

一例を挙げると、プラントモデル処理部２１は模擬制御端末としてバルブを、模擬監視端末として流量センサを含み、模擬制御信号に基づいてこのバルブの開度を調節し、その結果として流路に流れる液体の流量を流量センサでモニタして模擬監視信号として出力する。一方、模擬制御処理部２３は、模擬監視信号を受け取り、それに対し所定の演算処理を実行して模擬制御信号を生成して出力する。例えば、上述したように模擬監視信号が流量であるとき、この流量と目標流量値との差を求め、その差をゼロとするような値を演算により算出してこれを模擬制御信号とする。

また第１入出力処理部（本発明における第１信号配送処理部に相当）２２はプラントモデル処理部２１から模擬監視信号を受け取り、これを模擬制御処理部２３に渡す処理を実行する。一方、第２入出力処理部（本発明における第２信号配送処理部に相当）はこれとは逆に、模擬制御処理部２３から模擬制御信号を受け取り、これをプラントモデル処理部２１に渡す処理を実行する。プラントモデル処理部２１、第１入出力処理部２２、模擬制御処理部２３、第２入出力処理部２４は図３に示すように循環的に接続されていると考えていることができ、さらに、これら各部の動作をそれぞれ独立に監視するとともに各部の処理開始指令を出すために同期制御部（本発明における動作制御部に相当）２０が設けられている。外部のオペレータコンソール用端末１４から与えられる操作指令は一旦同期制御部２０に入力され、同期制御部２０が各部に対して実行の指令を出す。さらにまた、同期制御部２０は外部からの指示に基づいて、各部の状態や授受されるデータ等をデータ記憶部２５に保存する機能を有する。

このシミュレータの動作の一例を説明する。オペレータコンソール用端末１４から或る制御指令が与えられると、同期制御部２０はまずプラントモデル処理部２１に処理の開始を指令し、プラントモデル処理部２１では模擬監視端末による模擬監視信号を生成する。同期制御部２０はこの処理動作を監視し、模擬監視信号（アナログ値、デジタル値又はその両方）が用意されると、次に第１入出力処理部２２に対しデータの受け渡しを実行するように指令を出す。すると、第１入出力処理部２２はプラントモデル処理部２１から模擬監視信号を受け取り、模擬制御処理部２３に送る用意をする。同期制御部２０はこの処理動作を監視し、今度は模擬制御処理部２３に処理開始の指令を出す。

模擬制御処理部２３は指令に応じて処理を開始し、模擬監視信号を受け取ってこれに基づいて所定の演算処理を実行し模擬制御信号を生成する。同期制御部２０はこの処理動作を監視し、模擬制御信号が用意されたならば、次いで第２入出力処理部２４に対しデータの受け渡しを実行するように指令を出す。すると、第２入出力処理部２４は模擬制御処理部２３から模擬制御信号を受け取り、プラントモデル処理部２１に送る用意をする。同期制御部２０はこの処理動作を監視し、今度はプラントモデル処理部２１に処理開始の指令を出す。これを受けてプラントモデル処理部２１は受け取った模擬制御信号に基づき模擬制御端末を制御する。これにより、模擬監視端末による模擬監視信号が変化する。

このようにして一巡の処理動作が終了するから、運転の中止や一時停止等の指示がない限り、これを１周期として上記のような循環的な処理動作を繰り返す。プラントモデル処理部２１、第１入出力処理部２２、模擬制御処理部２３、第２入出力処理部２４はそれぞれ同期制御部２０から指令を受けて初めて１周期分の処理動作を開始し、その処理開始後はそれぞれの処理部において決められた手順で処理を実行し、１周期分の処理動作が終わると次の指令が来るまで待機する。したがって、周期を決めるのは同期制御部２０である。ここで同期制御部２０は、常に一定の周期で上述したような処理動作が循環するように指令を出す。この１周期が最大限の時間遅延であり、処理動作上はこれ以上の時間遅延は生じない。一方、プラントモデルにおいて或る種の模擬制御端末／模擬監視端末は１周期以上の遅れ時間要素を持つ場合があるが、その場合には１乃至複数周期遅れた後に模擬監視信号が出されることがあり得る。１周期の時間はできるだけ短いことが望ましいが、ＣＰＵの処理速度の関係上制約がある。したがって、現状の比較的安価なパーソナルコンピュータで実現する場合には、１周期は１００ｍｓ〜数百ｍｓ程度に設定することになる。

上述したように本実施例のシミュレータでは、プラントモデル１３の動作と模擬制御部１１の動作とが同期的に実行されるため、データの入力と、その入力を用いた演算状態と、その演算により得られる出力データと、の関係が明確である。したがって、周期毎に、プラントモデルで生成された模擬監視信号の内容、模擬制御部で実行された演算処理の内容、その演算処理の結果として生成された模擬制御信号の内容、等をまとめてデータ記憶部２５に保存しておくことができる。このようなデータの保存を利用すれば、単なるシミュレーションの開始、停止、一時停止などの標準的な機能のほかに、運転訓練に有用な機能を持たせることができる。

具体的な例を挙げると、任意の時点でシミュレーションを中断或いは終了したときにそのとき（周期）のシステム状態を示すデータをデータ記憶部２５に保存し、次にその保存されたデータを展開してデータを保存した時点からシミュレーションを再開することが可能である。また、保存しておいたデータを利用してその状態を運転訓練のシナリオの初期状態とすることもできる。また、一定周期で連続的に処理動作を繰り返しながら運転訓練を遂行するのではなく、１周期毎に処理を一時停止し、入出力データと演算処理状態などを確認・検証しながら間欠的に運転訓練を進めることもできる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例による分散制御システム用シミュレータの全体構成図。 従来の分散制御システム用シミュレータの全体構成図。 本実施例の分散制御システム用シミュレータにおいてコンピュータにインストールされたソフトウエアにより実行される機能をブロックとして記述したブロック構成図。

符号の説明

１１…模擬制御部
１３…プラントモデル
１４…オペレータコンソール用端末
１６…コンピュータ
２０…同期制御部
２１…プラントモデル処理部
２２…第１入出力処理部
２３…模擬制御処理部
２４…第２入出力処理部
２５…データ記憶部

Claims (3)

1. プラントの運転状況をモニタする監視端末や運転を制御する制御端末の動作をコンピュータ上で模擬するプラントモデルと、前記プラントモデルにより生成される模擬監視信号を受けて所定の演算処理を実行して前記プラントモデルに対し模擬制御信号を与えるためにコンピュータ上にエミュレートされた模擬制御部と、を具備する分散制御システム用シミュレータにおいて、
   a)前記プラントモデルで生成された模擬監視信号を前記模擬制御部に受け渡す処理を実行する第１信号配送処理部と、
   b)前記模擬制御部で生成された模擬制御信号を前記プラントモデルに受け渡す処理を実行する第２信号配送処理部と、
   c)前記プラントモデルの処理動作、前記第１信号配送処理部の処理動作、前記模擬制御部の処理動作、及び前記第２信号配送処理部の処理動作、がこの順序で逐次的に実行されるように各処理動作を監視しつつそれぞれに処理開始を指令する動作制御部と、
   を備えることを特徴とする分散制御システム用シミュレータ。
2. 前記動作制御部は、前記プラントモデルの処理動作、前記第１信号配送処理部の処理動作、前記模擬制御部の処理動作、及び前記第２信号配送処理部の処理動作、を含む一巡の処理を一定周期で繰り返し行うことを特徴とする請求項１に記載の分散制御システム用シミュレータ。
3. 前記プラントモデルと前記模擬制御部が同一のコンピュータ上に実現されていることを特徴とする請求項２に記載の分散制御システム用シミュレータ。
   
   

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