JP4888741B2 - 分散型制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、複数のフィールドコントローラが制御ネットワークを介して接続された分散型制御システムに関する。
プラント内のフィールド機器を、プラント内に分散配置されたフィールドコントローラを介して制御する分散型制御システムでは、エンジニアリングステーション、操作監視装置、フィールドコントローラなど、複数の機器が制御ネットワークを介して接続される。複数のフィールドコントローラ間では他のフィールドコントローラのプロセスデータを制御ネットワーク経由で受け取り、自らのフィールドコントローラでの制御演算に使用することができる。このような制御演算(制御スキャン)は、フィールドコントローラごとに一定周期で実行される。
特開2006−276958号公報
フィールドコントローラにおける制御演算は電源投入後速やかに開始される。そのため、複数のフィールドコントローラが存在する場合には、電源投入のタイミングにより個々のフィールドコントローラにおける制御演算のタイミングは異なる。
フィールドコントローラ間で制御演算のタイミングを揃えることができれば、全体としての演算速度も高まり安定した制御が可能となる。このため、ネットワーク時刻を基準としてすべてのフィールドコントローラにおける制御演算を同期して実行することも考えられる。しかし、同時に、フィールドコントローラにおける制御演算では、個々の制御演算ごとの演算の継続性も要求される。例えば、特定のフィールドコントローラで瞬間的な停電が発生した場合、復電後には中断された制御演算の続きから演算を再開する必要がある。しかし、ネットワーク時刻を基準として制御演算を実行しようとすれば、このような制御演算の継続性が失われてしまう。
本発明の目的は、複数のフィールドコントローラにおける制御演算の同時性と継続性の両立を図ることができる分散型制御システムを提供することにある。
本発明の分散型制御システムは、複数のフィールドコントローラが制御ネットワークを介して接続された分散型制御システムにおいて、
個々の前記フィールドコントローラに設けられ、当該フィールドコントローラにおける制御のタイミングを規定する周期的な内部タイマクロック信号を発生させる内部クロック発生手段と、
前記制御ネットワークに周期的なネットワークタイマクロック信号を出力する出力手段と、
個々の前記フィールドコントローラに設けられ、当該フィールドコントローラの前記内部タイマクロック信号の波形と前記制御ネットワークを介して得られる前記ネットワークタイマクロック信号の波形とを比較した結果に基づいて前記内部タイマクロック信号が示す前記内部時刻と前記ネットワークタイマクロック信号が示す前記ネットワーク時刻との時間差を検出するとともに、前記時間差が縮小するように前記内部タイマクロック信号の周期を制御することで前記内部時刻をその連続性を保持しつつ前記ネットワーク時刻に一致させる調整手段と、
を備えることを特徴とする。
この分散型制御システムによれば、フィールドコントローラの制御時計の時刻を、制御ネットワークを介して得られるネットワーク時刻に応じて調整するので、複数のフィールドコントローラにおける制御演算の同時性と継続性の両立を図ることができる。
前記調整手段は、前記内部時刻と前記ネットワーク時刻との前記時間差が所定の閾値よりも小さい場合には前記内部タイマクロック信号の周期を変更することで前記内部時刻をその連続性を保持しつつ前記ネットワーク時刻に一致させ、前記時間差が所定の閾値よりも大きい場合には前記内部時刻を非連続的に前記ネットワーク時刻に切り替えてもよい。
前記調整手段は、前記内部タイマクロック信号の周期を変更する際に、前記内部タイマクロック信号の位相差を生じさせないタイミングで切り替えてもよい。
前記内部時刻と前記ネットワーク時刻との時間差が解消された後は、前記内部クロック発生手段は、前記ネットワークタイマクロック信号を前記内部タイマクロック信号として出力してもよい。

本発明の分散型制御システムによれば、フィールドコントローラの制御時計の時刻を、制御ネットワークを介して得られるネットワーク時刻に応じて調整するので、複数のフィールドコントローラにおける制御演算の同時性と継続性の両立を図ることができる。
以下、本発明による分散型制御システムの一実施形態について説明する。
図1は、本実施形態の分散型制御システムの構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施形態の分散型制御システムは、プラントに分散配置されたフィールドコントローラ2A,2B,・・・と、フィールドコントローラ2A,2B,・・・を介してプラントのフィールド機器群を操作、監視する操作監視装置3と、を備える。フィールドコントローラ2A,2B,・・・および操作監視装置3は、互いに制御ネットワーク5により接続されている。
図1に示すように、フィールドコントローラ2A,2B,・・・には、フィールド制御機能を有する制御部21と、通信バス5を介する通信機能を有する通信部22と、ネットワーク時刻を管理するためのネットワーク時計23と、制御部21における制御のタイミングを規定する制御時計21aにTick(タイマクロック)信号を与えるTick調整部24と、を備える。
図1において、フィールドコントローラ2Bは時刻マスターとして機能し、制御ネットワーク5に接続される機器のネットワーク時刻は、フィールドコントローラ2Bのネットワーク時計23に基づいて設定される。フィールドコントローラ2Bのネットワーク時計23の時刻(ネットワーク時刻)は、フィールドコントローラ2Bの通信部22によって、制御ネットワーク5を介して送信される。制御ネットワーク5に接続されたフィールドコントローラ2A等の他の機器は、制御ネットワーク5を介して受信されるネットワーク時刻に基づいて自らのネットワーク時計を進める。
図2は、フィールドコントローラ2Aの起動時に実行される制御部21によるフィールドコントローラ2A内の制御時計21aの調整手順を示すフローチャートである。図2の手順は、例えば、停電により動作が停止していたフィールドコントローラ2Aが、復電により起動した際に開始される。停電等に際して、フィールドコントローラ2Aの制御時計21aは停止するが、通信が継続しているためにネットワーク時計23の計時は継続している場合などがあり、復電時に制御時計21aとネットワーク時計23との間でずれを生ずる可能性がある。以下の手順では、このような時計間のずれを解消している。
図2のステップS1では、復電による起動した際に、フィールドコントローラ2Aの制御時計21aが示す時刻と、フィールドコントローラ2Aのネットワーク時計23が示す時刻とを比較し、その差分Δtが閾値Tよりも大きいか否か判断する。ステップS1の判断が肯定されればステップS2へ進み、否定されればステップS3へ進む。
ステップS2では、ネットワーク時計23が示す時刻に制御時計21aを合わせるように制御時計21aの時刻を進め(時刻を切り替え)、処理を終了する。この場合には、制御部21は停電前に中断していた制御の残りを継続的に実行せず、制御時計21aにより生成されるタイミングに合わせて新たな制御スキャンを最初から実行する。また、制御時計21aには、ネットワーク時計23により得られるTick信号が与えられる。
一方、ステップS3では、制御部21は停電前に中断していた制御の残りを継続的に実行し、残りの制御が終了するのを待って、ステップS4へ進む。
ステップS4では、制御時計21aに与えられる信号を、ネットワーク時計23により得られるTick信号ではなく、Tick調整部24により得られるTick出力信号とする。これにより、制御時計21aの進行速度が速まり、制御スキャンの周期(制御周期)が短くなる。この場合には、制御部21は停電前に中断していた制御の残りを継続的に実行し、次の制御周期で新たな制御スキャンに移行する。
次に、ステップS5では、フィールドコントローラ2Aの制御時計21aが示す時刻と、フィールドコントローラ2Aのネットワーク時計23が示す時刻とを比較し、両者が一致するか否か判断する。ステップS5の判断が肯定されればステップS6へ進み、否定されればステップS4を繰り返す。
ステップS6では、制御時計21aに与える信号をネットワーク時計23から得られるTick信号に戻して処理を終了する。これにより、制御時計21aの進行速度が元の速度となり、制御周期は通常の長さに戻る。
図3は、制御周期の変更により制御スキャンのタイミングを合わせる様子を示す図である。
図3に示すように、制御時計21aが示す時刻と、ネットワーク時計23が示す時刻との差分Δtが閾値Tよりも大きくない場合(ステップS1の判断が否定された場合)には、停電期間の終了後に、中断していた制御の残りを実行する(ステップS3)。
復電後には、本来の制御周期Tよりも短い制御周期T1となるため、徐々に制御スキャンのタイミングが早まり、停電がなかった場合の制御状態に追いつく。制御時計21aが示す時刻と、ネットワーク時計23が示す時刻とが一致すれば、制御周期を本来の制御周期Tに戻す(ステップS6)。このようにして、制御ネットワーク5に接続された他の機器との間で制御のタイミングを一致させることができる。
図4はTick調整部24の構成例を示すブロック図である。
この例では、Tick調整部24は、ネットワーク時計23からのTick入力信号を受けて、Tick入力信号よりも周波数の高い模擬Tick出力信号を生成する模擬Tick生成部24aと、Tick入力信号および模擬Tick出力信号の位相差を検出するための比較器24bと、制御時計21aに与える信号としてTick入力信号および模擬Tick出力信号のいずれか1つを選択するセレクタ24cとを備える。
図5は、制御時計21aに与える信号としてTick入力信号および模擬Tick出力信号を切り替える際のTick調整部24の動作を示すタイミングチャートである。
図5に示すように、比較器24bはTick入力信号および模擬Tick出力信号の位相が一致するタイミングで、セレクタ24cに与える選択信号を切り替える。このため、周波数の変更時にTick出力信号の波形に乱れが発生することがなくなり、制御時計21aの進行速度をスムーズに調整できる。
なお、制御時計の時刻がネットワーク時計の時刻よりも進んでいる場合には、制御周期を本来の周期よりも長くすることで、同様に制御のタイミングを調整することができる。
制御周期の変更幅は、例えば、本来の制御周期Tの0.5%程度とすることができる。
以上のように、本実施形態の分散型制御システムによれば、複数のフィールドコントローラをネットワーク時刻に同期させることができるため、フィールドコントローラ間における制御の揺らぎを抑え、安定した制御処理を継続させることができる。とくに、制御時計とネットワーク時計の時刻の差分が小さい場合には、制御演算の継続性を保持しつつ制御のタイミングをネットワーク時刻に合わせることができるため、停電回復時における制御の継続性が要求される場合に効果的である。
上記実施形態では、起動後に制御時計を調整する例を示したが、本発明はなんらかの原因で制御時計とネットワーク時計との間にずれを生じた場合に対し、広く適用できる。
また、フィールドコントローラ2Bを時刻マスターとして用いた例を示したが、制御ネットワークに接続された任意の機器を時刻マスターとして使用できる。
また、本発明は、フィールドコントローラを二重化する場合にも適用できる。この場合、制御側および待機側として機能する2つの装置(CPU)にそれぞれ制御時計を持たせることもできる。
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、複数のフィールドコントローラが制御ネットワークを介して接続された分散型制御システムに対し、広く適用することができる。
一実施形態の分散型制御システムの構成を示すブロック図。 制御時計の調整手順を示すフローチャート。 制御周期の変更により制御スキャンのタイミングを合わせる様子を示す図。 Tick調整部の構成例を示すブロック図。 Tick調整部の動作を示すタイミングチャート。
5 制御ネットワーク
2A フィールドコントローラ
2B フィールドコントローラ
21a 制御時計
24 Tick調整部(調整手段)

Claims (4)

  1. 複数のフィールドコントローラが制御ネットワークを介して接続された分散型制御システムにおいて、
    個々の前記フィールドコントローラに設けられ、当該フィールドコントローラにおける制御のタイミングを規定する周期的な内部タイマクロック信号を発生させる内部クロック発生手段と、
    前記制御ネットワークに周期的なネットワークタイマクロック信号を出力する出力手段と、
    個々の前記フィールドコントローラに設けられ、当該フィールドコントローラの前記内部タイマクロック信号の波形と前記制御ネットワークを介して得られる前記ネットワークタイマクロック信号の波形とを比較した結果に基づいて前記内部タイマクロック信号が示す前記内部時刻と前記ネットワークタイマクロック信号が示す前記ネットワーク時刻との時間差を検出するとともに、前記時間差が縮小するように前記内部タイマクロック信号の周期を制御することで前記内部時刻をその連続性を保持しつつ前記ネットワーク時刻に一致させる調整手段と、
    を備えることを特徴とする分散型制御システム。
  2. 前記調整手段は、前記内部時刻と前記ネットワーク時刻との前記時間差が所定の閾値よりも小さい場合には前記内部タイマクロック信号の周期を変更することで前記内部時刻をその連続性を保持しつつ前記ネットワーク時刻に一致させ、前記時間差が所定の閾値よりも大きい場合には前記内部時刻を非連続的に前記ネットワーク時刻に切り替えることを特徴とする請求項1に記載の分散型制御システム。
  3. 前記調整手段は、前記内部タイマクロック信号の周期を変更する際に、前記内部タイマクロック信号の位相差を生じさせないタイミングで切り替えることを特徴とする請求項1または2に記載の分散型制御システム。
  4. 前記内部時刻と前記ネットワーク時刻との前記時間差が解消された後は、前記内部クロック発生手段は、前記ネットワークタイマクロック信号を前記内部タイマクロック信号として出力することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の分散型制御システム。
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