JP5404442B2 - 安全入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラントやフィールド機器を監視・制御する制御装置の入出力装置、特に、自己診断機能を備えた安全入力装置に関する。

プラントやフィールド機器などを監視・制御するための制御装置において、特に、高度の信頼性を要求される安全制御システムにおいては、制御装置自身の故障を人間の手を介さずに自己診断する機能を備えた制御装置が導入されている。

このような安全制御システムの構成の例を図５に示す。図５において、安全制御システム１００は、例えば、原子力プラントやそのフィールド機器などの被制御対象２００の状態を検出するセンサなどの入力端部１２と、入力端部１２からの出力を入力信号として、予め記憶した制御プログラムにしたがってバルブなどの操作端部１３を制御する出力信号を生成する制御装置１１と、この操作端部１３とを備える。

制御装置１１は、入力端部１２からの信号を入力信号として受ける入力装置１１ｂと、この入力信号に応じた演算出力を求める演算装置１１ａと、この演算出力を操作端部１３に送る出力装置１１ｃとを備える。

ところで、この入力装置１１ｂと出力装置１１ｃとを一体で構成する場合は、入出力装置、または、Ｉ／Ｏ装置と呼ばれることもある。

例えば、近年のＰＬＣ（Programmable Logic Controller）などの制御装置１１に接続される入力端部１２となる安全機器は、定期的に自己診断用の自己診断パルス信号を出力している。この自己診断パルス信号は、極めて短いパルス幅（例えば、２０μｓｅｃ）のオフ信号であって、この自己診断パルス信号を安全機器自身にフィードバックして出力系統に異常がないことを確認している。

この場合、ＰＬＣは、自己診断パルスを作動信号と誤ってＰＬＣの本体部に取り込んでしまうことが考えられるため、自己診断パルス信号を出力する外部機器を接続しても、安定したシーケンス制御を行うことが可能な入力回路及び信号入力方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１による入力回路によれば、予め知られている安全機器の自己診断パルス信号が発生していないインターバル期間を設定し、外部機器から受信した自己診断パルス信号と作動時出力用のステップ信号とを選別して、作動時出力用のステップ信号のみを制御装置（ＰＬＣ）本体に取り込むようにしている。

また、操作端部１３となる安全機器のフェールセーフスイッチのオンライン診断方法も開示されている（例えば，特許文献２参照。）。

また、安全制御システムとしては、安全制御と高精度な自己診断を同時に行うようにするため、主プロセッサと独立した診断実行手段を備えたコントローラも開示されている（例えば、特許文献３参照。）。

特許第４１３１１３４号公報 特許第３６３０５８３号公報 特開２００７−６６２４６号公報

一般に、制御装置の入力装置及び出力装置に重畳する安全装置の自己診断パルス信号は、通常の制御用の入力信号及び出力信号と区別する為に、自己診断パルス信号のパルス幅が制御用の入力信号及び出力信号のパルス幅よりも十分細いパルス幅信号とする。

ところで、制御装置１１の入力装置１１ｂ、出力装置１１ｃと、外部の入力端部１２と操作端部１３等の安全機器とを結ぶ入力線１００ａ及び出力線１００ｂには、夫々制御装置１１の設置環境に応じたノイズの混入がある。

この入力線１００ａ、出力線１００ｂに重畳したノイズによるノイズパルスのパルス幅が自己診断パルス信号と同程度となる場合、自己診断パルス信号とノイズパルスとを区別出来ないため、正常な自己診断が行われない問題が発生する。

この対策として、一般的な安全制御システムの入力装置及び出力装置には、自己診断パルス信号のパルス幅と同等以下のパルス幅のノイズパルスを除去するため入力端にノイズフィルタを備える。

しかしながら、このノイズフィルタの周波数分離特性によるノイズ除去方法では、広帯域な周波数成分を有する外来のノイズを完全に分離できないので、不要なノイズパルス信号と、被制御装置２００の故障や、入力端部１２、操作端部１３と制御装置１１とを接続する入力線１００ａ、出力線１００ｂの断線の兆候が原因で発生するパルス信号とを区別する事が出来ない。

そのため、このノイズフィルタによって、故障の兆候を示すパルス信号を見逃したり、故障と誤検出してしまったりする恐れがあるので、入力線１００ａ、出力線１００ｂの故障検出が困難となる問題がある。

また、上述した特許文献１に開示された、予め知られている安全機器の自己診断パルス信号が発生していないインターバル期間を設定し、外部機器から受信した自己診断パルス信号と作動時出力用のステップ信号とを時間選別する方法の場合、安全な制御と入出力装置の自己診断とを並列に、また、任意のタイミング行えない問題がある。

本発明は上記制御装置の出力装置の課題を解決するためになされたものであり、センサ等の入力端部と入力装置を結ぶ入力線に重畳するノイズに影響されにくい安全な制御と自己診断とを並列に行うことが可能な自己診断機能を備えた制御装置の安全入力装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による安全入力装置は、入力端部からの入力信号を入力データとして制御装置の演算装置に送るとともに、自装置の自己診断を行う当該制御装置の安全入力装置であって、前記安全入力装置は、前記演算装置で予め設定される制御周期に同期して、前記入力信号を前記入力データに変換して前記演算装置に送ることを制御する入力制御部と、前記制御周期に同期し、当該制御周期内の予め定める診断期間で、予め設定された前記制御周期毎に異なる第1の自己診断パターンデータを出力することを命令する出力制御部と、前記出力制御部から送られた前記第１の自己診断パターンデータを、予め設定されるパルス幅以下のパルス列信号として符号化した、ベースバンド伝送方式で出力するテストパターン生成部と、前記パルス列信号と前記入力端部からの前記入力信号とを合成する合成入力部と前記入力信号に含まれるパルス列信号のパルス幅以下のパルスノイズを除去する低域通過フィルタを備え、前記入力信号を自装置の動作信号レベルに変換し、前記入力制御部から指令されたタイミングで当該入力信号及びその基準となる入力信号を前記入力制御部及び前記合成入力部に送る入力インタフェース部と前記合成入力部の出力信号を復号して第２の自己診断パターンデータとして再構成するパターン再構成部と、前記第１の自己診断パターンデータと前記第２の自己診断パターンデータとを比較し、相違の有無を判定する比較部とを備え、前記第１の自己診断パターンデータと復号した第２の自己診断パターンデータとを比較して当該データの相違から前記入力インタフェース部を含む前記安全入力装置自身の故障の有無を判定し、
入力データの入力処理と自己診断とを並列に行うようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、センサ等の入力端部と入力装置を結ぶ入力線に重畳するノイズに影響されにくい安全な制御と自己診断とを並列に行うことが可能な自己診断機能を備えた制御装置の安全入力装置を提供することができる。

本発明の実施例１の安全入力装置の構成図。 本発明の実施例１の動作を説明するタイムチャート。 本発明の実施例２の安全入力装置の構成図。 本発明の実施例３の安全入力装置の構成図。 安全制御システムの構成図。

以下、図面を参照して、本実施例について説明する。

以下、本発明に係る安全入力装置の実施例１について、図１と図２を参照して説明する。

先ず、安全入力装置が使用される安全制御システムは、図５で説明した構成と同じ部分は同一符号とし、その説明を省略する。本発明による安全入力装置は、図５で説明した従来の入力装置１１ｂと区別して、ここでは、安全入力装置１１ｂと呼ぶ。

図１において、本発明の安全入力装置１１ｂは、センサ等の入力端部１２から送られた入力信号を演算装置１１ａに入力データに変換して送るとともに、自身の自己診断を行う制御装置の安全入力装置１１ｂである。

この安全入力装置１１ｂは、演算装置１１ａで設定される制御周期に同期して、入力端部１２の入力信号を入力データに変換して演算装置１１ａに送ることを制御する入力制御部７と、予め設定された自己診断パターンデータを、演算装置１１ａからの制御周期に同期して出力することを命令する出力制御部１と、出力制御部１から送られた自己診断パターンデータを、予め設定されるパルス幅以下のパルス列信号として符号化した、ベースバンド伝送方式で出力するテストパターン生成部２と、パルス列信号と入力端部からの入力信号とを合成する合成入力部４とを備える。

さらに、入力信号に含まれるパルス列信号のパルス幅以下のパルスノイズを除去する低域通過フィルタを備え、入力信号を自装置の動作信号レベルに変換し、入力制御部７から指令されたタイミングで入力制御部７及び合成入力部４に送る入力インタフェース部３と、合成入力部４の出力信号を復号して自己診断パターンデータとして再構成するパターン再構成部５と、テストパターン生成部２で予め設定される自己診断パターンデータと復号された自己診断パターンデータとを比較し、相違の有無を判定する比較部６とを備える。

次に、各部の詳細設定について説明する。出力制御部１で設定する自己診断パターンデータｄ１ａとその設定の切り替え動作について説明する。

自己診断パターンデータｄ１ａは、単なる単発パルスや固定パターンの複数パルスでは無く、制御周期毎に異なったパターンデータを発行するようにして置く。そして、テストパターン生成部２においてベースバンド伝送方式などの符号化方式により、パルス列信号に変換する。

そうすると、安全入力装置１１ｂと入力端部１２とを結ぶ入力線１００ａに重畳する外来ノイズによるパルス信号が、偶然、自己診断パターンデータｄ１ａのパルス列信号に一致する確率を低くできる。

また、極めて可能性は低いが、自己診断パターンデータｄ１ａによるパルスパターンと外来ノイズによるパルスパターンが時間的に一致して混入するケースが考えられる。

この場合、自己診断機能が動作する毎に、出力制御部１から異なる自己診断パターンデータｄ１ａが発行される為、複数回の診断結果をもって故障の判定を行えば、自己診断パターンデータｄ１ａによるパルスパターンと外来のノイズによるパルスパターンが偶然一致する確率を無視できる程度まで低減する事が出来る。

このことにより、従来のノイズフィルタを用いた外来のノイズによるパルス信号を除去する構成と異なり、故障の兆候や、故障検出が可能な安全入力装置１１ｂの故障診断機能の信頼性を高める事が出来る。

次に、テストパターン生成部２のパルス列信号の設定について説明する。入力線１００ａに誘導し、入力信号に重畳するノイズパルスは、入力インタフェース部３に設ける低域通過フィルタで高周波のノイズパルスが除去される。

そして、テストパターン生成部２で生成される符号化されたパルス列信号は、例えば、入力インタフェース部３で設定された低域通過フィルタを通過する入力信号成分よりも早い周波数となる、狭いパルス幅を設定しておく。

このような構成とすることで、安全入力装置１１ｂの各部のいずれかが外来のノイズにより影響を受けた場合でも、各部のノイズをフィルタで除去し易く、且つ、パルス列信号による自己診断に影響を与えないようにして、演算装置１１ａに安全な入力データを送ることができる。

次に、このように構成された安全出力装置１１ｂの動作について、図２を参照して説明する。図２は、安全入力装置１１ｂ各部のデータの出力タイミングと、入出力信号の動作を説明するタイムチャートである。

先ず、安全入力装置１１ｂの入力制御部７は、演算装置１１ａから制御周期信号に同期した信号ｓ１１ａを受信して、これに同期したテスト指令信号ｓ１１を出力制御部１に、また入力信号の読み取り指令信号ｓ７をク入力インタフェース部３に送る。

出力制御部１は、入力制御部７を介して図２（ａ）に示すテスト指令信号ｓ１１を受信すると、図２（ｂ）に示すタイミングで、自己診断パターンデータｄ１ａをテストパターン生成部２に送る。

そして、図２(ｃ)に示すように、入力インタフェース部３は、入力端部信号ｓ１２をデジタル回路の論理レベル信号に変換して入力信号ｓ３として、合成入力部４の一方の入力端に送る。

ところで、この入力信号ｓ３は、通常ＤＩ入力とも呼ばれる信号で、1ビットの状態変化信号、または、複数ビットのデータで構成されるが、図２（ｃ）は、その入力信号ｓ３の１ビットの状態変化のタイミングを示したものである。また、アクティブ、非アクティブの信号論理の定義は適宜変更することで、いずれの場合でも対応することができる。

また、図２（ｄ）に示すように、テストパターン生成部２では、送られた自己診断パターンデータｄ１ａをパルス列信号ｓ２に変換して、ベースバンド伝送方式で合成入力部４の他方の入力端に送る。

合成入力部４では、図２（ｅ）に示すように、入力信号ｓ３とパルス列信号ｓ２の論理積をとって、合成された合成出力信号ｓ４を出力する。

パターン再構成部５は、図２（ｆ）に示すように、合成出力信号ｓ４を復号し、復号された自己診断パターンデータｄ５を比較部６に送る。

比較部６では、出力制御部１から指令した自己診断パターンデータｄ１ａを含む診断比較制御データｄ１ｃを受信して、設定した自己診断パターンデータｄ１ａと復号された自己診断パターンデータｄ５とを比較して、相違の有無を判定し、図２(ｇ)に示すタイミングで、判定結果を比較部出力データｄ６として演算装置１１ａと出力制御部１とに送る。

また、この自己診断処理が終了すると、入力制御部７は、入力信号ｓ１２を入力データｄ７に変換し、この入力データｄ７と比較部出力データｄ６とを演算装置１１ａに送る。

この予め設定した自己診断パターンデータｄ１ａと復号された自己診断パターンデータとのデータ比較から異常の有無を判定するまでの処理は、演算装置１１ａで制御する制御周期Ｔの特定の診断期間Ｔｃ内に実行し、入力データの取り込みと自己診断とを制御周期Ｔの期間内に並列で行うようにする。

本安全入力装置は、入力端部信号が、デジタル入力信号の場合を例にして説明したが、入力端部信号がアナログ入力信号の場合には、入力インタフェース部３には、ＡＤＣ(Analog Digital Converter)を備え、デジタル信号に変換して合成入力部４に送るようにすることで、本安全入力装置を容易に構成することが出来る。

以上の説明したように本発明によれば、入力線等から誘導された外来のノイズが入力信号に重畳しても安全な自己診断を行うことが出来る。

また、この自己診断は、演算装置に送る入力データを中断することなく、並行して、常時診断が可能なので、故障の見逃しを防止できる。

次に、図３を参照して、実施例２の安全入力装置１１ｂについて説明する。実施例２の各部について図１に示す各部と同一部分は同一符号で示しその説明を省略する。

実施例２が実施例１と異なる点は、実施例１では、テストパターン生成部２が生成する自己診断パターンデータは、このパターンデータのみの構成としたが、実施例２では、この自己診断パターンデータに誤り検出符号を付随させたる誤り符号生成部２ａを備え、さらに、パターン再構成部５には付随させた誤り検出符号を検査する誤り検出符号検査部５ａを備えるようにした。

そして、比較部６では、設定した自己診断パターンデータと復号され、符号を除外された自己診断パターンデータとを比較して、相違の有無を判定するようにした点が異なる。

以下、本実施例２の詳細について、実施例１との相違点について説明する。実施例２のテストパターン生成部２では、出力制御部１より受信した自己診断パターンデータｄ１ａを、パルス列信号に変換する前に、誤り符号生成部２ａに送り、誤り符号生成部２ａでは、受信した自己診断パターンデータｄ１ａからデータ誤りを検出する為の誤り検出符号の計算を行う。

この誤り検出符号の種類は、例えば、巡回冗長検査（Cyclic Redundancy Check,CRC）などの関数が使用される。誤り符号生成部２ａでは、自己診断パターンデータｄ１ａの末尾に、計算した固定長の誤り検出符号データを付随させた符号付自己診断パターンデータを生成し、テストパターン生成部２では、符号付自己診断パターンデータをベースバンド伝送方式などの符号化方式により、パルス列信号ｓ２に変換して合成入力部４の一方の入力端に送る。

そして、合成入力部４では、このパルス列信号ｓ２と他方の入力端に送られる入力信号ｓ３との論理積をとる。

そして、パターン再構成部５では、例えば、ベースバンド復調方式により、テストパターン生成部２とは逆の信号復号化手順により、符号付自己診断パターンデータに復号する。

そして、誤り符号検査部５ａでは、誤り符号生成部２ａで生成したものと同じ巡回冗長検査を用いて復号された符号付自己診断パターンデータの誤り検査を行う。そして、誤り符号検査部５ａでの誤り検出の結果と、符号を除いた自己診断パターンデータｄ５とをパターン再構成部５ｂから比較部６に送る。

比較部６では、復号された自己診断パターンデータと設定した自己診断パターンデータとの比較をして相違の有無を判定して、当該安全入力装置１１ｂの故障の有無を演算装置１１ａ、及び出力制御部１に送る。

しかしながら、パターン再構成部５での誤り検出の結果が「誤り」であった場合、当該安全入力装置１１ｂに故障が発生している可能性ありと見なすことが出来るので、比較部６は削除した構成としても良いが、パターン再構成部５の誤り判定と、比較部６での比較診断とを組み合わせて運用することも可能である。

また、誤り符号生成部２ａは、自己診断パターンデータに誤り検出訂正符号を付随させた符号付自己診断パターンデータを生成し、符号付自己診断パターンデータをパルス列信号としてベースバンド伝送方式で出力する構成とすることも出来る。

この誤り検出訂正符号としては、高速処理が可能で、１ビットの誤り訂正と同時に１ビットまでの誤り検出を行うことが可能な拡張ハミング符号が使用できる。

このように構成された実施例２によれば、符号付自己診断パターンデータを用いることで、出力制御部１と比較部６との間のデータの異常を検出して、自己診断回路各部のいずれかのデータの異常を検出することが出来る。

また、誤り符号検査と、自己診断パターンデータとそのリードバックした自己診断パターンデータとの比較診断とを組み合わせて、当該安全入力装置の故障診断機能の信頼性をさらに高める事が出来る。

次に、図４を参照して、実施例３の安全入力装置について説明する。実施例３の各部について図１に示す各部と同一部分は同一符号で示しその説明を省略する。

実施例３が実施例１と異なる点は、入力インタフェース部３に信号反転部３ａを備え、出力制御部１から自己診断パターンデータの出力が指令されない場合において、入力信号ｓ３を反転させ、比較部６では、出力制御部１から指令した入力信号の入力反転指令信号ｓ１のタイミングを考慮して、反転データを比較するようにした点が異なる。

即ち、実施例１の構成による自己診断パターンデータによる診断は、例えば、入力線１００ａのグランド信号線の断線により、０V電位が入力不可能になっていた場合、また、入力インタフェース部３の故障により、合成入力部４及びパターン再構成部５に入力される入力信号によって入力信号レベルを認識しているので、この信号レベルが０Vを発生するまでは、故障を検出する事が出来ない問題がある。

ところが、本実施例３によれば、入力信号が変化しない状況下において入力インタフェース部３に入力された入力信号の論理を変化させることが出来る為、上記の様な当該安全入力装置の誤信号を検出すことが出来る。

また、本実施例３によれば、自己診断データパターンによる診断の実行周期はそのままで、この実施例３の機能を付加することで、本安全入力装置の自己診断の信頼性をさらに高めることが出来る。

本発明は上述したような実施例に何ら限定されるものではなく、自己診断パターンデータ、誤り符号及び誤り検出訂正符号等は、信頼性、診断時間などの安全システムの要求に応じて適宜最適なものを、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 出力制御部
２ テストパターン生成部
２ａ 誤り符合生成部
３ 入力インタフェース部
３ａ 信号反転部
４ 合成入力部
５ パターン再構成部
５ａ 誤り符合検査部
６ 比較部
７ 入力制御部
１１ 制御装置
１１ａ 演算装置
１１ｂ 安全入力装置
１１ｃ 出力装置
１２ 入力端部
１３ 操作端部
１００ 安全制御システム
１００ａ 入力線
１００ｂ 出力線
２００ 被制御対象
ｓ１ 入力反転指令信号
ｓ１１ テスト指令信号
ｓ２ パルス列信号
ｓ３ 入力信号
ｓ４ 合成(出力部)出力信号
ｓ７ デジタル入力信号
ｓ７ａ 読み取り制御信号
ｓ１２ 入力端部信号
ｄ１ａ 自己診断パターンデータ
ｄ１ｃ 診断比較制御データ
ｄ５ 再構成データ
ｄ６ 比較部出力データ

Claims (6)

1. 入力端部からの入力信号を入力データとして制御装置の演算装置に送るとともに、自装置の自己診断を行う当該制御装置の安全入力装置であって、
   前記安全入力装置は、前記演算装置で予め設定される制御周期に同期して、前記入力信号を前記入力データに変換して前記演算装置に送ることを制御する入力制御部と、
   前記制御周期に同期し、当該制御周期内の予め定める診断期間で、予め設定された前記制御周期毎に異なる第1の自己診断パターンデータを出力することを命令する出力制御部と、
   前記出力制御部から送られた前記第１の自己診断パターンデータを、予め設定されるパルス幅以下のパルス列信号として符号化した、ベースバンド伝送方式で出力するテストパターン生成部と、
   前記パルス列信号と前記入力端部からの前記入力信号とを合成する合成入力部と
   前記入力信号に含まれるパルス列信号のパルス幅以下のパルスノイズを除去する低域通過フィルタを備え、前記入力信号を自装置の動作信号レベルに変換し、前記入力制御部から指令されたタイミングで当該入力信号及びその基準となる入力信号を前記入力制御部及び前記合成入力部に送る入力インタフェース部と
   前記合成入力部の出力信号を復号して第２の自己診断パターンデータとして再構成するパターン再構成部と、
   前記第１の自己診断パターンデータと前記第２の自己診断パターンデータとを比較し、相違の有無を判定する比較部と
   を備え、
   前記第１の自己診断パターンデータと復号した第２の自己診断パターンデータとを比較して当該データの相違から前記入力インタフェース部を含む前記安全入力装置の故障の有無を判定し、
   入力データの入力処理と自己診断とを並列に行うようにしたことを特徴とする安全入力装置。
2. 前記テストパターン生成部は、さらに、前記第１の自己診断パターンデータに誤り検出符号を付随させた符号付自己診断パターンデータを生成し、当該符号付自己診断パターンデータをパルス列信号として符号化したベースバンド伝送方式で出力する誤り符号生成部を備え、
   前記パターン再構成部は、前記合成入力部の出力信号に対してベースバンド復調方式の復号化処理を行い、復号後のデータに付随する前記誤り検出符号を用いて誤り符号検査を行い、当該当該誤り符号検査の検査結果、または、当該誤り検出符号を除いた第２の自己診断パターンデータを前記比較部に送る誤り検出符号検査部を備え、
   前記比較部は、前記検査結果から、または、前記第１の自己診断パターンデータと第２の自己診断パターンデータとを比較して相違の有無を判定して故障を検出するようにした請求項１に記載の安全入力装置。
3. 前記テストパターン生成部は、さらに、前記第１の自己診断パターンデータに誤り検出訂正符号を付随させた符号付自己診断パターンデータを生成し、当該符号付自己診断パターンデータをパルス列信号として符号化したベースバンド伝送方式で出力する誤り符号生成部を備え、
   前記パターン再構成部は、前記合成入力部の出力信号に対してベースバンド復調方式の復号化処理を行い、復号後のデータに付随する前記誤り検出訂正符号を用いて誤り符号検査を行い、当該当該誤り符号検査の検査結果、または、当該誤り検出訂正符号を除いた第２の自己診断パターンデータを前記比較部に送る誤り検出符号検査部を備え、
   前記比較部は、前記検査結果から、または、前記第１の自己診断パターンデータと第２の自己診断パターンデータとを比較して相違の有無を判定して故障を検出するようにした請求項１に記載の安全入力装置。
4. 前記誤り検出訂正符号は、拡張ハミング符号とした請求項３に記載の安全入力装置。
5. 前記入力インタフェース部には、前記入力端部からの入力信号を反転する信号反転部を備え、前記出力制御部から前記第１の自己診断パターンデータの出力が指令されていない場合において、前記入力信号を反転させ、
   前記比較部では、前記出力制御部から指令した反転パターンと前記パターン再構成部から送られた出力データとの比較から故障の有無を判定するようにした請求項１に記載の安全入力装置。
6. 前記出力制御部は、前記制御周期毎に異なる前記第1の自己診断パターンデータの出力を命令し、前記比較部は、複数回の診断結果が一致することで異常の有無を判定するようにした請求項1に記載の安全入力装置。

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