JP5240490B2

JP5240490B2 - 操作訓練システムおよび操作訓練方法

Info

Publication number: JP5240490B2
Application number: JP2007144949A
Authority: JP
Inventors: 威村上
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: CN101315559B; US20080299525A1; JP2008299068A; CN101315559A; DE102008026409A1

Description

本発明は、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作を訓練するための操作訓練システムに関する。

プラント制御システムの操作訓練のために、操作監視ステーションを含むシステム自身をコンピュータ上のソフトウェアでシミュレーションする機能を持ったプラント制御システムが知られている。このような機能と、プロセスの動特性をシミュレーションするプロセスシミュレータとを組み合わせることにより、プラント全体をコンピュータ上でシミュレーションすることが可能となり、プラント操業のための操作訓練を行うことができる。
特開２００５−７８５４５号公報

一方、プラント制御システムでは、各種システムや機能の統合化が進みつつあり、安全計装システムがプラント制御システムに接続され、プラント制御システムの操作監視ステーションを介して安全計装システムへの操作監視を可能としたシステムも存在する。

しかし、このようなシステムに対応した操作訓練を行うための操作訓練システムは開発されておらず、緊急事態発生時の安全計装システムの手動操作による危険回避の手順の訓練や、安全計装システムによる自動的な緊急遮断後の復帰手順の訓練、あるいは、安全計装システムから制御される緊急遮断バルブの開放などを含めたプラントの立ち上げ手順の訓練などを行うことができない。

従来の操作訓練システムを用いて、安全計装システムを含めた操作訓練を行うためには、安全計装システムで実行しているアプリケーションロジックをプラント制御システムのコントロールステーションで使用する記述言語で記述しなおし、プラント制御システムのシミュレータで動作を代替することが必要となる。しかし、安全計装システムとプラント制御システムでは、アプリケーションの記述言語が異なるとともに、フィールド機器や信号線の識別子も異なるなどの相違があり、アプリケーションの記述の変換には多大な工数を要する。

本発明の目的は、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作訓練ができるとともに、システムの構築が容易な操作訓練システムおよび操作訓練方法を提供することにある。

本発明の操作訓練システムは、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作を訓練するための操作訓練システムにおいて、前記安全計装システムは、プラントの安全を確保するための制御を実装プログラムに従って実行する実セーフティーステーションを備え、前記プラント制御システムは、プラントに分散配置され、プラントのプロセス制御を実装プログラムに従って実行する実コントロールステーションを備え、前記操作訓練システムは、前記操作を受け付ける操作受付手段と、前記操作受付手段により受け付けられた前記操作に従って動作し、前記実セーフティーステーションを模擬する模擬セーフティーステーションと、前記操作受付手段により受け付けられた前記操作に従って動作し、前記実コントロールステーションを模擬する模擬コントロールステーションと、前記プラント制御システムにより制御されるプロセスのシミュレーションを実行するシミュレーション手段と、前記模擬セーフティーステーションおよび前記シミュレーション手段の間の通信を実行することにより、前記模擬セーフティーステーションの動作を前記シミュレーション手段におけるシミュレーションに反映させる第１の通信手段と、前記模擬コントロールステーションおよび前記シミュレーション手段の間の通信を実行することにより、前記模擬コントロールステーションの動作を前記シミュレーション手段におけるシミュレーションに反映させる第２の通信手段と、を備え、前記実セーフティーステーションに実装される前記実装プログラムの記述言語と、前記実コントロールステーションに実装される前記実装プログラムの記述言語とが互いに異なり、前記模擬セーフティーステーションには、前記実セーフティーステーションに実装される前記実装プログラムと同一記述の実装プログラムが実装され、前記模擬セーフティーステーションはこの実装プラグラムに従って動作し、前記模擬コントロールステーションには、前記実コントロールステーションに実装される前記実装プログラムと同一記述の実装プログラムが実装され、前記模擬コントロールステーションはこの実装プラグラムに従って動作することを特徴とする。
この操作訓練システムによれば、安全計装システムで使用される実装プログラムを実行するとともに、実装プログラムの実行結果をシミュレーションに反映させるので、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作訓練ができるとともに、システムを容易に構築できる。

前記シミュレーション手段は、パネル計装のシミュレーションを前記プロセスのシミュレーションと併せて実行してもよい。

本発明の操作訓練方法は、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作を訓練するための操作訓練方法において、前記安全計装システムは、プラントの安全を確保するための制御を実装プログラムに従って実行する実セーフティーステーションを備え、前記プラント制御システムは、プラントに分散配置され、プラントのプロセス制御を実装プログラムに従って実行する実コントロールステーションを備え、前記操作訓練方法は、前記操作を受け付けるステップと、前記実セーフティーステーションを模擬する模擬セーフティーステーションに、予め前記実セーフティーステーションに実装される前記実装プログラムと同一記述の実装プログラムを実装する第１の実装ステップと、前記実コントロールステーションを模擬する模擬コントロールステーションに、予め前記実コントロールステーションに実装される前記実装プログラムと同一記述の実装プログラムを実装する第２の実装ステップと、前記模擬セーフティーステーションにおいて、前記受け付けるステップにより受け付けられた前記操作および前記第１の実装ステップにより実装された前記実装プログラムに従って、前記実セーフティーステーションを模擬するステップと、前記模擬コントロールステーションにおいて、前記受け付けるステップにより受け付けられた前記操作および前記第２の実装ステップにより実装された前記実装プログラムに従って、前記実コントロールステーションを模擬するステップと、前記プラント制御システムにより制御されるプロセスのシミュレーションをシミュレータにより実行するステップと、前記模擬セーフティーステーションおよび前記シミュレータの間の通信を実行することにより、前記模擬セーフティーステーションの動作を前記シミュレータによるシミュレーションに反映させる第１の通信ステップと、前記模擬コントロールステーションおよび前記シミュレータの間の通信を実行することにより、前記模擬コントロールステーションの動作を前記シミュレータによるシミュレーションに反映させる第２の通信ステップと、を備え、前記実セーフティーステーションに実装される前記実装プログラムの記述言語と、前記実コントロールステーションに実装される前記実装プログラムの記述言語とが互いに異なることを特徴とする。
この操作訓練方法によれば、安全計装システムで使用される実装プログラムを実行するとともに、実装プログラムの実行結果をシミュレーションに反映させるので、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作訓練ができるとともに、システムを容易に構築できる。

本発明の操作訓練システムによれば、安全計装システムで使用される実装プログラムを実行するとともに、実装プログラムの実行結果をシミュレーションに反映させるので、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作訓練ができるとともに、システムを容易に構築できる。

本発明の操作訓練方法によれば、安全計装システムで使用される実装プログラムを実行するとともに、実装プログラムの実行結果をシミュレーションに反映させるので、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作訓練ができるとともに、システムを容易に構築できる。

以下、図１〜図３を参照して、本発明による操作訓練システムの実施形態について説明する。

図１（ａ）は、安全計装システムが接続されたプラント制御システムの構成例を示すブロック図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のプラント制御システムに対応して構築された本実施形態の操作訓練システムの構成を示すブロック図である。

図１（ａ）に示すプラント制御システムは、プラントに分散配置され、フィールド機器群を介してプロセス１０４を制御するコントロールステーション１０１Ａ，１０１Ｂと、フィールド機器の緊急遮断などのプラントの安全を確保するための制御を実行するセーフティーステーション１０２と、オペレータの各種操作を受け付けるとともに、コントロールステーション１０１Ａ，１０１Ｂおよびセーフティーステーション１０２を介してフィールド機器群を操作、監視するための操作監視ステーション１０３Ａ，１０３Ｂと、を備える。

図１（ａ）に示すように、コントロールステーション１０１Ａ，１０１Ｂ、セーフティーステーション１０２、および操作監視ステーション１０３Ａ，１０３Ｂは、制御バス１０６を介して互に接続されている。

また、コントロールステーション１０１Ａ，１０１Ｂは入出力装置１１１を介し、セーフティーステーション１０２は入出力装置１２１を介し、それぞれフィールド機器群と接続されている。

一方、図１（ｂ）に示すように、本実施形態の操作訓練システムは、互いにＴＣＰ／ＩＰで接続される３台のパーソナルコンピュータＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３を用いて構成されている。

図１（ｂ）に示すように、パーソナルコンピュータＰＣ１により、コントロールステーション１０１Ａ，１０１Ｂをシミュレートするコントロールステーションシミュレータ１Ａ，１Ｂと、セーフティーステーション１０２をシミュレートするセーフティーステーションシミュレータ２と、操作監視ステーション１０３Ａをシミュレートする操作受付手段としての操作監視ステーション３Ａと、が構成される。また、パーソナルコンピュータＰＣ２により、操作監視ステーション１０３Ｂをシミュレートする操作受付手段としての操作監視ステーション３Ｂが構成される。さらに、パーソナルコンピュータＰＣ３により、プロセス１０４をシミュレートするシミュレーション手段としてのプロセスシミュレータ４が構成される。

コントロールステーションシミュレータ１Ａ，１Ｂ、セーフティーステーションシミュレータ２、および操作監視ステーション３Ａ，３Ｂは、パーソナルコンピュータＰＣ１およびパーソナルコンピュータＰＣ２に跨って設けられる仮想的な制御バス６を介して互いに接続される。これにより、オペレータは、操作監視ステーション３Ａと同様、操作監視ステーション３Ｂからコントロールステーションシミュレータ１Ａ，１Ｂおよびセーフティーステーションシミュレータ２を操作、監視できる。

また、コントロールステーションシミュレータ１Ａ，１Ｂは仮想的な入出力装置１１を介し、セーフティーステーションシミュレータ２は仮想的な入出力装置２１を介し、それぞれプロセスシミュレータ４のフィールド機器群と接続されている。

図２は、本実施形態の操作訓練システムの詳細を示すブロック図である。

図２に示すように、コントロールステーションシミュレータ１Ａは、パーソナルコンピュータＰＣ１に実装された第２のプログラム実行手段としての制御プログラム１２および第２の通信手段としての通信プログラム１３を用いて構成される。コントロールステーションシミュレータ１Ｂもまた、コントロールステーションシミュレータ１Ａと同様に構成される。

この制御プログラム１２は、実機であるコントロールステーション１０１Ａで実際に使用される実装プログラムである。実機で使用するプログラムをそのまま利用できるため、操作訓練システムのためにアプリケーションを記述しなおす必要はない。

通信プログラム１３は、パーソナルコンピュータＰＣ１に実装されたゲートウェイソフトウェア７を介してプロセスシミュレータ４との間で通信を実行するためのプログラムである。機能についてはさらに後述する。

図２に示すように、セーフティーステーションシミュレータ２は、パーソナルコンピュータＰＣ１に実装された第１のプログラム実行手段としてのアプリケーションプログラム２２および第１の通信手段としての通信プログラム２３を用いて構成される。

この制御プログラム２２は、実機であるセーフティーステーション１０２で実際に使用される実装プログラムである。実機で使用するプログラムをそのまま利用できるため、操作訓練システムのためにアプリケーションを記述しなおす必要はない。

通信プログラム２３は、パーソナルコンピュータＰＣ１に実装されたゲートウェイソフトウェア７を介してプロセスシミュレータ４との間で通信を実行するためのプログラムである。機能についてはさらに後述する。

図２に示すように、プロセスシミュレータ４は、プロセスシミュレーションソフトウェア４１と、通信ソフトウェア４２とを用いて構成される。

プロセスシミュレーションソフトウェア４１は、プロセス１０４で使用するプロセス値を変数として持ち、そのプロセス値を使った計算を実行することにより、プロセス１０４の動特性をシミュレーションする。

一方、通信ソフトウェア４２は、プロセスシミュレーションソフトウェア４１で使用する各変数と、コントロールステーションシミュレータ１Ａ，１Ｂの入出力装置１１の入出力端子との関係を保持しており、プロセスシミュレーションソフトウェア４１の計算結果を対応する入出力装置１１の入出力端子に書き込む旨の要求を、ゲートウェイソフトウェア７に向け専用のプロトコルで送る。また逆に、通信ソフトウェア４２は、入出力装置１１の入出力端子からの模擬的な出力信号を、ゲートウェイソフトウェア７を介して取得し、プロセスシミュレーションソフトウェア４１に送る。

ゲートウェイソフトウェア７は、プロセスシミュレータ４とコントロールステーションシミュレータ１Ａ，１Ｂとの間の通信に際して、通信ソフトウェア４１との通信に使用する専用プロトコルと、仮想的な制御バス６で使用するプロトコルとの間のプロトコル変換を実行する。

コントロールステーションシミュレータ１Ａおよびコントロールステーションシミュレータ１Ｂの通信プログラム１３は、制御プログラム１２とプロセスシミュレータ４との間で交換される入出力装置１１の模擬的な入出力信号を仲介する。通信プログラム１３は、プロセスシミュレータ４から送られてきた入力信号を入出力装置１１の所定の入出力端子に書き込む。書き込まれた値は、制御プログラム１２の演算で使用され、その演算結果はまた、入出力装置１１の所定の入出力端子に書き込まれる。制御プログラム１２が書き込んだ出力値は、通信プログラム１３によって、ゲートウェイソフトウェア７を介してプロセスシミュレータ４に送られる。

また、通信ソフトウェア４２は、プロセスシミュレーションソフトウェア４１で使用する各変数と、セーフティーステーションシミュレータ２の入出力装置２１の入出力端子との関係を保持しており、プロセスシミュレーションソフトウェア４１の計算結果を対応する入出力装置２１の入出力端子に書き込む旨の要求を、ゲートウェイソフトウェア７に向け専用のプロトコルで送る。また逆に、通信ソフトウェア４２は、入出力装置２１の入出力端子からの模擬的な出力信号を、ゲートウェイソフトウェア７を介して取得し、プロセスシミュレーションソフトウェア４１に送る。

ゲートウェイソフトウェア７は、プロセスシミュレータ４とセーフティーステーションシミュレータ２との間の通信に際して、通信ソフトウェア４１との通信に使用する専用プロトコルと、仮想的な制御バス６で使用するプロトコルとの間のプロトコル変換を実行する。

図２において矢印で示すように、セーフティーステーションシミュレータ２の通信プログラム２３は、アプリケーションプログラム２２とプロセスシミュレータ４との間で交換される入出力装置２１の模擬的な入出力信号を仲介する。通信プログラム２３は、プロセスシミュレータ４から送られてきた入力信号を入出力装置２１の所定の入出力端子に書き込む。書き込まれた値は、アプリケーションプログラム２２の演算で使用され、その演算結果はまた、入出力装置１１の所定の入出力端子に書き込まれる。アプリケーションプログラム２２が書き込んだ出力値は、通信プログラム２３によって、ゲートウェイソフトウェア７を介してプロセスシミュレータ４に送られ、プロセスシミュレータ４でのシミュレーションに反映される。

このように、本実施形態の操作訓練システムでは、セーフティーステーションシミュレータ２とプロセスシミュレータ４との間の模擬的な入出力信号のやり取りは、コントロールステーションシミュレータ１Ａ，１Ｂとプロセスシミュレータ４との間の模擬的な入出力信号のやり取りと、同様の仕組みで行われる。しかし、コントロールステーション１０１Ａ，１０１Ｂとセーフティーステーション１０２とでは、制御プログラムあるいはアプリケーションプログラムの記述言語が異なり、信号線の識別子など、入出力装置の入出力端子の読み出し方も異なる。本実施形態では、このような差異を通信プログラム１３および通信プログラム２３で吸収しているため、実機で使用される制御プログラム１２およびアプリケーションプログラム２２をそのまま使用しつつ、模擬的な入出力信号を同様の仕組みでやり取りすることを可能としている。

以上のように、本実施形態の操作訓練システムでは、安全計装システムが接続されたプラント制御システムの全体をシミュレーションできるため、安全計装システムによって実行される緊急遮断機構が働く場合や、その解除手順などを含め、安全計装システムとプラント制御システムとを統合したプラント操業全体の訓練を行うことができる。

また、実機の安全計装システムで使用されるアプリケーションプログラムをそのまま使用できるため、より実際のプラントに近い訓練システムを容易に構築することができる。

複数のコンピュータを組み合わせることもできるため、多くの台数のセーフティーステーションシミュレータを同時に動作させることも可能である。このため、大規模なプラントの訓練にも対応できる。

さらに、実機の安全計装システムで使用されるアプリケーションプログラムをそのまま使用できるため、本実施形態の操作訓練システムは、アプリケーションプログラムを作成する際の支援システムとしても利用可能である。

本発明による操作訓練システムでは、操作監視ステーションとは別に、パネル計装による操作、監視を行う場合のシミュレーションをプロセスのシミュレーションと併せて実行することもできる。

図３（ａ）は、パネル計装が接続されたプラント制御システムの構成例を示すブロック図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のプラント制御システムに対応して構築された操作訓練システムの構成を示すブロック図である。なお、図３において、図１と同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

図３（ａ）に示す例では、ランプ８１、サイレン８２、および警報機や機器類を手動操作するためのスイッチボタン８３が設けられたパネル１０８がプラントに設置されている。ランプ８１、サイレン８２あるいはスイッチボタン８３などは、入出力装置１２１を介してセーフティーステーション１０２に接続されている。

図３（ｂ）に示すように、実機のパネル１０８は、パーソナルコンピュータ３により構築されたプロセスシミュレータ４Ａにおいてパネル８としてシミュレートされている。パネル８は、他のフィールド機器と同様、セーフティーステーション１０２をシミュレートするセーフティーステーションシミュレータ２に仮想的な入出力装置２１を介して接続される。パネル８をパーソナルコンピュータＰＣ３等の画面上に表示し、画面上で操作を受け付けることにより、パネル８への操作についての訓練も可能となる。訓練時には、オペレータは操作監視ステーション３Ａ，３Ｂを介してプロセスへの操作、監視を行うとともに、画面上に表示されるパネル８を通して、安全計装システムの操作、監視の訓練を行うことができる。

以上説明したように、本発明の操作訓練システムによれば、安全計装システムで使用される実装プログラムを実行するとともに、実装プログラムの実行結果をシミュレーションに反映させるので、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作訓練ができるとともに、アプリケーションを記述しなおす作業が不要となり、システムを容易に構築できる。

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、プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作を訓練するための操作訓練システムおよび操作訓練方法に対し、広く適用することができる。

プラント制御システムおよび一実施形態の操作訓練システムの構成を示す図であり、（ａ）は、安全計装システムが接続されたプラント制御システムの構成例を示すブロック図、（ｂ）は、当該プラント制御システムに対応して構築された一実施形態の操作訓練システムの構成を示すブロック図。一実施形態の操作訓練システムの詳細を示すブロック図。プラント制御システムおよび一実施形態の操作訓練システムの構成を示す図であり、（ａ）は、パネル計装が接続されたプラント制御システムの構成例を示すブロック図、（ｂ）は、当該プラント制御システムに対応して構築された操作訓練システムの構成を示すブロック図。

符号の説明

３Ａ，３Ｂ操作監視ステーション（操作受付手段）
４プロセスシミュレータ（シミュレーション手段）
１２制御プログラム（第２のプログラム実行手段）
１３通信プログラム（第２の通信手段）
２２アプリケーションプログラム（第１のプログラム実行手段）
２３通信プログラム（第１の通信手段）

Claims

プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作を訓練するための操作訓練システムにおいて、
前記安全計装システムは、プラントの安全を確保するための制御を実装プログラムに従って実行する実セーフティーステーションを備え、
前記プラント制御システムは、プラントに分散配置され、プラントのプロセス制御を実装プログラムに従って実行する実コントロールステーションを備え、
前記操作訓練システムは、
前記操作を受け付ける操作受付手段と、
前記操作受付手段により受け付けられた前記操作に従って動作し、前記実セーフティーステーションを模擬する模擬セーフティーステーションと、
前記操作受付手段により受け付けられた前記操作に従って動作し、前記実コントロールステーションを模擬する模擬コントロールステーションと、
前記プラント制御システムにより制御されるプロセスのシミュレーションを実行するシミュレーション手段と、
前記模擬セーフティーステーションおよび前記シミュレーション手段の間の通信を実行することにより、前記模擬セーフティーステーションの動作を前記シミュレーション手段におけるシミュレーションに反映させる第１の通信手段と、
前記模擬コントロールステーションおよび前記シミュレーション手段の間の通信を実行することにより、前記模擬コントロールステーションの動作を前記シミュレーション手段におけるシミュレーションに反映させる第２の通信手段と、
を備え、
前記実セーフティーステーションに実装される前記実装プログラムの記述言語と、前記実コントロールステーションに実装される前記実装プログラムの記述言語とが互いに異なり、
前記模擬セーフティーステーションには、前記実セーフティーステーションに実装される前記実装プログラムと同一記述の実装プログラムが実装され、前記模擬セーフティーステーションはこの実装プラグラムに従って動作し、
前記模擬コントロールステーションには、前記実コントロールステーションに実装される前記実装プログラムと同一記述の実装プログラムが実装され、前記模擬コントロールステーションはこの実装プラグラムに従って動作することを特徴とする操作訓練システム。
前記シミュレーション手段は、パネル計装のシミュレーションを前記プロセスのシミュレーションと併せて実行することを特徴とする請求項１に記載の操作訓練システム。
プラント制御システムに接続された安全計装システムの操作を訓練するための操作訓練方法において、
前記安全計装システムは、プラントの安全を確保するための制御を実装プログラムに従って実行する実セーフティーステーションを備え、
前記プラント制御システムは、プラントに分散配置され、プラントのプロセス制御を実装プログラムに従って実行する実コントロールステーションを備え、
前記操作訓練方法は、
前記操作を受け付けるステップと、
前記実セーフティーステーションを模擬する模擬セーフティーステーションに、予め前記実セーフティーステーションに実装される前記実装プログラムと同一記述の実装プログラムを実装する第１の実装ステップと、
前記実コントロールステーションを模擬する模擬コントロールステーションに、予め前記実コントロールステーションに実装される前記実装プログラムと同一記述の実装プログラムを実装する第２の実装ステップと、
前記模擬セーフティーステーションにおいて、前記受け付けるステップにより受け付けられた前記操作および前記第１の実装ステップにより実装された前記実装プログラムに従って、前記実セーフティーステーションを模擬するステップと、
前記模擬コントロールステーションにおいて、前記受け付けるステップにより受け付けられた前記操作および前記第２の実装ステップにより実装された前記実装プログラムに従って、前記実コントロールステーションを模擬するステップと、
前記プラント制御システムにより制御されるプロセスのシミュレーションをシミュレータにより実行するステップと、
前記模擬セーフティーステーションおよび前記シミュレータの間の通信を実行することにより、前記模擬セーフティーステーションの動作を前記シミュレータによるシミュレーションに反映させる第１の通信ステップと、
前記模擬コントロールステーションおよび前記シミュレータの間の通信を実行することにより、前記模擬コントロールステーションの動作を前記シミュレータによるシミュレーションに反映させる第２の通信ステップと、
を備え、
前記実セーフティーステーションに実装される前記実装プログラムの記述言語と、前記実コントロールステーションに実装される前記実装プログラムの記述言語とが互いに異なることを特徴とする操作訓練方法。