JP5924616B2 - 冗長化無線制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、システムを冗長化し、当該システムが備える装置の点検や交換の際のメンテナンス性を向上させる無線制御システムに関するものである。
プラント制御技術の分野で、故障などに起因するシステム停止や縮退を防止する技術は重要である。システム停止や縮退を防止する技術は、システムの多重化(冗長化)である。多重化されたシステムは、単体の故障が発生しても運転を継続することができる。しかし、多重化されたシステムは、複数の故障が発生した場合に、やはりシステム停止/縮退する虞がある。
また、システム停止や縮退を予防する他の技術は、制御装置の定期点検と交換である。この制御装置の定期点検と交換の際に、システム停止時間をできる限り短くする技術も求められている。
このような背景から、制御装置の故障などが発生した場合でもシステムが停止・縮退することの無い冗長化制御システムや、システムを停止することなく制御装置の点検や交換が可能な冗長化制御システムが求められている。
特許文献1には、自動的に故障診断やシステム再構築手順の設定が行える冗長系を有した設備運用システムの発明が記載されている。
特許文献2には、従来よりもシステム全体の制御装置の数を削減してコストダウンを図ると共に、高性能で信頼性の高いシステムを構築することが可能なプラント制御システムの発明が記載されている。
特許文献3には、制御対象プロセスへの制御性能を維持しつつ無線装置の電源寿命を延長する電源制御装置の発明が記載されている。
特開2008−219512号公報 特開2006−323551号公報 特開2009−262884号公報
特許文献1〜3に記載されているいずれの発明も、入出力手段としてのPI/O(プロセス入出力装置)で異常が発生した場合を考慮したものではなかった。よって、特許文献1〜3に記載の発明は、システムが備える装置に故障などが発生すると、システムが縮退し、更には停止してしまう虞があった。
そこで、本発明は、システムが備える装置に故障などが発生した場合や、システムが備える装置を点検/交換した場合に、システムが停止した状態や縮退した状態となることを防止できる冗長化無線制御システムを提供することを課題とする。
前記した課題を解決するため、本発明の請求項1に記載の発明では、自らに設定された識別子を記憶し、当該識別子に基づいて外部装置と無線を介して通信する入出力手段と、前記入出力手段の異常を検知して、前記入出力手段の識別子を外部に通知する機能を有する通信制御手段と、前記入出力手段の予備であり、自らに設定された識別子を記憶する機能、および当該識別子に基づいて外部装置と無線を介して通信する機能を有する予備入出力手段と、前記通信制御手段が前記入出力手段の異常を検知して前記入出力手段の識別子を外部に通知した際に、通知された前記入出力手段の識別子を前記予備入出力手段に設定することにより、前記入出力手段を前記予備入出力手段によって代替させる機能を有する予備通信制御手段と、表示部を備えた上位装置とを備え、前記予備通信制御手段は、前記予備入出力手段が存在しなかったとき、その旨を前記上位装置に送信し、前記上位装置は、前記表示部に警報を表示する、ことを特徴とする冗長化無線制御システムとした。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
本発明によれば、システムが備える装置に故障などが発生した場合や、システムが備える装置を点検/交換した場合に、システムが停止した状態や縮退した状態となることを防止できる冗長化無線制御システムを提供することができる。
本実施形態に於ける冗長化無線制御システムを示す概略の構成図である。 本実施形態に於ける冗長化無線制御システムの運用を示すワークフロー図である。 本実施形態に於ける異常発生時の予備切替のシーケンス図である。 本実施形態に於ける異常発生時の警報表示のシーケンス図である。 本実施形態に於ける復旧のシーケンス図である。
以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
(本実施形態の構成)
図1は、本実施形態に於ける冗長化無線制御システムを示す概略の構成図である。
冗長化無線制御システム10は、例えばプラント制御システムであり、複数の主装置30−1〜30−nと、予備装置30−rと、上位装置である端末20とを備えている。
端末20は、この冗長化無線制御システム10を統括制御する上位装置であり、例えばコンピュータ装置である。端末20は、図示しない表示部と無線通信部とを有している。端末20は、当該表示部に情報を表示することができる。端末20は、図示しない無線通信部によって、複数の主装置30−1〜30−nおよび予備装置30−rと、無線通信を介して相互に通信可能である。
(主装置30の構成)
主装置30−1〜30−nは、各プラント設備の補機(AUX:auxiliary machine)40と検出器(SEN:Sensor)41と、無線通信を介して種々の通信を行い、当該プラントの制御を行うものである。以下、主装置30−1〜30−nを特に区別しないときには、単に「主装置30」と記載している場合がある。
予備装置30−rは、主装置30−1〜30−nの故障に備えた予備の装置である。
補機40は、例えば、調節弁、電動弁、電動モータなどに代表されるアクチュエータ、または、電源装置に代表される電力変換器などである。補機40は、無線通信機能を備え、予め決められたアドレスが設定されたPI/O32から無線通信を介して制御信号を受信可能である。
検出器41は、センサなどの入力機器であり、例えば温度、圧力、振動、回転速度などを測定するものである。検出器41は、無線通信機能を備え、予め決められたアドレスが設定されたPI/O32に、無線通信を介してセンサ信号を送信可能である。
これらの補機40や検出器41は、冗長化無線制御システム10の外部装置であり、かつ、冗長化無線制御システム10の制御対象である。
主装置30は、コントローラ31と、複数のPI/O32とを備えている。例えば、主装置30−1は、PI/O(11)〜PI/O(1n)を備えている。
コントローラ31(通信制御手段)は、無線通信機能を備え、当該主装置30が備えているPI/O32と、予備装置30−rが備えている予備コントローラ31−rと、上位装置である端末20と、無線通信を介して相互に通信可能である。コントローラ31(通信制御手段)は、補機40の制御機能、または/および、検出器41による状態検知機能を備えている。コントローラ31は更に、上位装置である端末20に無線通信を介して通信し、この端末20の指示によって動作する。
複数のPI/O32(入出力手段)は、無線通信機能を備え、当該主装置30のコントローラ31と無線通信を介して相互に通信可能であると共に、アドレスが設定されることにより、当該アドレスに係る補機40または/および検出器41と、無線通信を介して通信可能である。
具体的には、PI/O(11)は、識別子11が設定され、2台の検出器41と無線通信を介して通信可能である。この2台の検出器41は、アドレス(11)が付与されているPI/O32と通信するように構成されている。PI/O(1n)は、アドレス(1n)が設定され、2台の補機40と無線通信を介して通信可能である。この2台の補機40は、アドレス(1n)が付与されているPI/O32と通信するように構成されている。しかし、これに限られず、各PI/O32は、如何なる構成で補機40および/または検出器41と、無線通信を介して通信可能であってもよい。
(予備装置30−rの構成)
予備装置30−rは、予備コントローラ31−rと、複数の予備PI/O32−rとを備えている。
予備コントローラ31−r(予備通信制御手段)は、無線通信機能を備え、端末20と、各主装置30が備えるコントローラ31−1〜コントローラ31−nと、当該予備装置30−rが備えている予備PI/O32−rと、上位装置である端末20とに、無線通信を介して通信可能である。図1は予備装置30−rが稼働していない状態を示しているので、予備コントローラ31−r(予備通信制御手段)と予備PI/O32−rとの間に、破線は示されていない。
予備コントローラ31−r(予備通信制御手段)は、予備PI/O32−rにアドレスの設定を指示する機能と、設定したアドレスの解除を指示する機能とを備えている。予備コントローラ31−rは更に、上位装置である端末20に無線通信を介して通信し、この端末20の指示によって動作する。
複数の予備PI/O32−r(予備入出力手段)は、無線通信機能を備え、当該予備装置30−rの予備コントローラ31−rと無線通信を介して相互に通信可能であると共に、各コントローラ31−1〜31−nと無線通信を介して相互に通信可能であり、更に、アドレスが設定されることにより、当該アドレスに係る補機40または/および検出器41と無線通信を介して通信可能である。予備PI/O32−rは、入出力手段であるPI/O32の代替として機能する予備入出力手段である。
一般的に、装置間の通信や制御装置内の通信には有線通信が用いられる。しかし、本実施形態の冗長化無線制御システム10は、装置間の通信や制御装置内の通信を、無線で実現している。更に、本実施形態の冗長化無線制御システム10は、予備PI/O32−rを実装した予備装置30−rを備えて構成している。冗長化無線制御システム10は、PI/O32と検出器41や補機40間の信号の送受信を無線通信で実施し、コントローラ31とPI/O32間の信号の送受信も無線通信で実施する。
(本実施形態の動作)
図2は、本実施形態に於ける冗長化無線制御システムの運用を示すワークフロー図である。図1に示す冗長化無線制御システムと同一の要素には同一の符号を付与している。
ワークフローW1に於いて、主装置30−1のPI/O(11)で異常が発生する。
ワークフローW2に於いて、主装置30−1のコントローラ31は、無線通信を介して、予備装置30−rの予備コントローラ31−rに、PI/O(11)で異常が発生したことを送信する。
ワークフローW3に於いて、予備装置30−rの予備コントローラ31−rは、無線通信を介して、予備PI/O32−r用アドレス(*)が設定されている予備PI/O32−rのいずれか1つに対して、異常となっているPI/O(11)のアドレス(識別子)であるアドレス(11)を設定する信号を送信する。すなわち、予備コントローラ31−rは、PI/O(11)のアドレス(11)を、予備PI/O32−rのいずれか1つに対して設定して、異常発生した主装置30−1のPI/O32を代替させる。
ワークフローW4に於いて、無線信号を受信した当該予備PI/O32−rは、アドレスを11に設定する。
ワークフローW5に於いて、検出器41は、予備PI/O32−rにアドレス(11)が設定されたので、予備装置30−r内の当該予備PI/O32−rと、無線信号を再接続してセッションを確立する。
ワークフローW6に於いて、主装置30−1のコントローラ31は、予備装置30−r内の当該予備PI/O32−rと、無線信号を再接続してセッションを確立する。なお、ワークフローW5,W6の順序は、逆であってもよい。
これにより、コントローラ31は、予備PI/O32−rを介して、検出器41との無線信号が自動で再接続されてセッションが確立するので、主装置30−1内のPI/O32が故障した際でも、冗長化無線制御システム10が停止することや、縮退することがなくなる。
図3は、本実施形態に於ける異常発生時の予備切替のシーケンス図である。
シーケンスQ10,Q11は、無線信号の接続のシーケンスを示している。
PI/O32にアドレス(識別子)(11)が設定されたとき、無線信号の接続が開始する。
シーケンスQ10に於いて、コントローラ31は、アドレス(11)が設定されたPI/O32と、無線通信を介して接続する。
シーケンスQ11に於いて、アドレス(11)が設定されたPI/O32は、補機40または/および検出器41と、無線通信を介して接続する。シーケンスQ10,Q11は、ほぼ同時に行われる。シーケンスQ10,Q11の順序は、逆であってもよい。このシーケンスQ10,Q11により、コントローラ31は、補機40または/および検出器41と、PI/O32を介して通信することができる。
シーケンスQ20〜Q32は、異常発生時の予備切替のシーケンスを示している。
シーケンスQ20に於いて、アドレス(11)が設定されたPI/O32で異常が発生する。
シーケンスQ21に於いて、当該PI/O32は、自らのアドレス(11)の設定を解除する。図3では、アドレス(*)によって、アドレス設定の解除を示している。
シーケンスQ22に於いて、当該PI/O32は、コントローラ31に、アドレス(識別子)11の情報と共に、RAS(Reliability,Availability and Serviceability)の異常通知を行う。
シーケンスQ23に於いて、当該PI/O32は、上位装置である端末20に、アドレス(識別子)11の情報と共にRASの異常通知を行う。
シーケンスQ24に於いて、端末20は、図示しない表示部に、アドレス(11)が設定されていたPI/O32で異常が発生した旨を表示する。
シーケンスQ25に於いて、コントローラ31は、予備コントローラ31−rに、アドレス(識別子)11の情報と異常通知とを行う。
シーケンスQ26に於いて、予備コントローラ31−rは、予備PI/O32−rに、アドレス(識別子)11の設定を行う。これにより、予備コントローラ31−rは、予備PI/O32−rに、異常が発生したPI/O32の代替処理を行わせることができる。
シーケンスQ27に於いて、予備PI/O32−rは、自らのアドレス(識別子)に11を設定する。
シーケンスQ28に於いて、予備PI/O32−rは、予備コントローラ31−rに、肯定応答(ACK)を送信する。これにより、予備コントローラ31−rは、予備PI/O32−rが代替のPI/O(11)として機能していることを知ることができる。
シーケンスQ29に於いて、予備コントローラ31−rは、端末20に、予備PI/O32−rを使用開始した旨を通知する。
シーケンスQ30に於いて、端末20は、図示しない表示部に、予備PI/O32−rを使用開始した旨を表示する。
シーケンスQ31に於いて、アドレス(11)が設定された予備PI/O32−rは、補機40または/および検出器41を無線信号で接続する。
シーケンスQ32に於いて、コントローラ31は、アドレス(11)が設定された予備PI/O32−rとを無線信号で接続する。シーケンスQ31,Q32の順序は、逆であってもよい。
これらシーケンスQ20〜Q32により、コントローラ31は、補機40または/および検出器41と、予備PI/O32−rを介して通信することができるようになる。よって、冗長化無線制御システム10は、PI/O32に故障などが発生した場合であっても、システムが停止した状態や縮退した状態となることを防止できる。
図4は、本実施形態に於ける異常発生時の警報表示のシーケンス図である。図3に示す異常発生時の予備切替シーケンスと同一の要素には同一の符号を付与している。
シーケンスQ10,Q11の処理と、シーケンスQ20〜Q25の処理は、図3に示すシーケンスと同様である。
シーケンスQ40に於いて、予備コントローラ31−rは、端末20に、予備PI/O32−rが存在しなかった旨を通知する。
シーケンスQ41に於いて、端末20は、図示しない表示部に、警報を表示する。この警報は、予備PI/O32−rが存在せず、異常発生したPI/O32の代替処理が行われなかったことをオペレータに示している。
これらシーケンスQ40,Q41により、予備コントローラ31−rは、予備PI/O32−rを全て使い尽くした場合に、迅速に端末20に警報を表示して対処を促すことができる。
図5は、本実施形態に於ける復旧のシーケンス図である。
ここで復旧とは、例えば主装置30−1が管轄するPI/O32が修理され、このPI/O32に動作を切り替えることである。復旧処理が開始する前に於いては、予備装置30−rが管轄する予備PI/O32−rが、コントローラ31と、補機40または/および検出器41との通信を中継している。
シーケンスQ50に於いて、主装置30−1が管轄するPI/O32の修理が行われる。この修理は、例えば、PI/O32が備えたユニットの修理や交換などによって行われ、PI/O32は再び動作可能な状態となる。しかし、これに限られず、本実施形態は、異常発生したPI/O32自体の交換などを行って、主装置30−1が管轄するPI/O32を動作可能な状態としてもよい。
シーケンスQ51に於いて、端末20のオペレータは、主装置(1)の管轄で、アドレス(11)が設定されていたPI/O32を復旧する指示を入力する。
シーケンスQ52に於いて、端末20は、コントローラ31に対して、主装置(1)の管轄で、アドレス(11)が設定されていたPI/O32への復旧指示を送信する。
シーケンスQ53に於いて、コントローラ31は、予備コントローラ31−rに対して、アドレス(11)が設定されている予備PI/O32−rの動作を停止するよう指示する。
シーケンスQ54に於いて、予備コントローラ31−rは、アドレス(11)が設定されている予備PI/O32−rに対して、動作を停止するよう指示する。
シーケンスQ55に於いて、アドレス(11)が設定されている予備PI/O32−rは、自らのアドレス(11)を解除して、入出力手段としての動作を停止する。図5では、アドレス(*)により、設定したアドレスが解除されたことを示している。
シーケンスQ56に於いて、当該予備PI/O32−rは、予備コントローラ31−rに、肯定応答(Ack)を送信する。これにより、予備コントローラ31−rは、シーケンスQ54の指示が実行されたことを知ることができる。
シーケンスQ57に於いて、予備コントローラ31−rは、コントローラ31に、肯定応答(Ack)を送信する。コントローラ31は、シーケンスQ53の指示が実行されたことを知ることができる。
シーケンスQ58に於いて、コントローラ31は、修理したPI/O32に、アドレス(11)を設定するように指示する。
シーケンスQ59に於いて、修理したPI/O32は、自らのアドレスに(11)を設定する。
シーケンスQ60に於いて、コントローラ31は、アドレス(11)が設定されたPI/O32とを無線信号で接続する。
シーケンスQ61に於いて、アドレス(11)が設定されたPI/O32は、補機40または/および検出器41を無線信号で接続する。シーケンスQ60,Q61の順序は、逆であってもよい。
これらシーケンスQ50〜Q61により、コントローラ31は、当該主装置30が備えるPI/O32を修理したのち、補機40または/および検出器41と、無線通信を介して再び通信することができる。
更に、予備コントローラ31−rは、シーケンスQ55に於いて、予備PI/O32−rのアドレス設定を解除しているので、他のPI/O32の故障に備えて再び待機させることができる。
(本実施形態の効果)
以上説明した本実施形態では、次の(A)〜(D)のような効果がある。
(A) PI/O32に故障が発生した際に、現場で人間が手作業を実施しなくても、自動で予備PI/O32−rへ切り替えることが可能となる。
(B) 予備PI/O32−rを多く準備することで、予備PI/O32−rの数だけ装置故障に耐えることが可能となる。そのため、通常の多重化システムに比べ、冗長性を高くすることが可能となる。
(C) PI/O32の点検や交換の際には、予備PI/O32−rを使用することができる。これにより、システムの運転を継続しながら、主装置30の点検・交換作業を実施することが可能となる。
(D) 主装置30−1,…に対して予備装置30−rを共有化することで、予備PI/O32−rの準備量を最小化することができる。
(変形例)
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(c)のようなものがある。
(a) 本実施形態の冗長化無線制御システム10では、主装置30のコントローラ31と、予備装置30−rの予備コントローラ31−rと、端末20とは無線通信を介して通信している。しかし、これに限られず、冗長化無線制御システム10は、コントローラ31と、予備コントローラ31−rと、端末20とが有線で接続されていてもよい。
(b) 本実施形態の冗長化無線制御システム10は、プラント制御システムである。しかし、これに限られず、冗長化無線制御システム10は、ホームネットワークシステム、ホームセキュリティ制御システム、オフィス/ビル制御システムなど、どのような制御システムに適用してもよい。
(c) 本実施形態の冗長化無線制御システム10は、PI/O32および予備PI/O32−rの識別子として、機器のアドレス(例えばネットワークアドレスなど)を用いている。しかし、これに限られず、冗長化無線制御システム10は、PI/O32および予備PI/O32−rの識別子として、機器を識別できる任意の情報を使用してもよい。
10 冗長化無線制御システム
20 端末 (上位装置)
30 主装置
30−r 予備装置
31 コントローラ (通信制御手段)
31−r 予備コントローラ (予備通信制御手段)
32 PI/O (入出力手段)
32−r 予備PI/O (予備入出力手段)
40 補機 (外部装置)
41 検出器 (外部装置)

Claims (5)

  1. 自らに設定された識別子を記憶し、当該識別子に基づいて外部装置と無線を介して通信する入出力手段と、
    前記入出力手段の異常を検知して、前記入出力手段の識別子を外部に通知する機能を有する通信制御手段と、
    前記入出力手段の予備であり、自らに設定された識別子を記憶する機能、および当該識別子に基づいて外部装置と無線を介して通信する機能を有する予備入出力手段と、
    前記通信制御手段が前記入出力手段の異常を検知して前記入出力手段の識別子を外部に通知した際に、通知された前記入出力手段の識別子を前記予備入出力手段に設定することにより、前記入出力手段を前記予備入出力手段によって代替させる機能を有する予備通信制御手段と、
    表示部を備えた上位装置とを備え、
    前記予備通信制御手段は、前記予備入出力手段が存在しなかったとき、その旨を前記上位装置に送信し、
    前記上位装置は、前記表示部に警報を表示する、
    とを特徴とする冗長化無線制御システム。
  2. 前記入出力手段は、自らの異常を検知した際に、自らの前記識別子の設定を解除すると共に、前記識別子を前記通信制御手段に送信する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の冗長化無線制御システム。
  3. 前記通信制御手段は、前記入出力手段および前記予備入出力手段と無線を介して通信し、
    前記予備通信制御手段は、前記入出力手段および前記予備入出力手段と無線を介して通信する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の冗長化無線制御システム。
  4. 記入出力手段は、自らの異常を検知した際に、前記上位装置に異常状態を送信し、
    前記上位装置は、前記表示部に前記入出力手段の異常を表示する、
    ことを特徴とする請求項1ないし3のうちいずれか1項に記載の冗長化無線制御システム。
  5. 前記通信制御手段は、前記入出力手段が動作可能になったとき、前記予備入出力手段の前記識別子の設定を解除すると共に当該入出力手段に前記識別子を設定して復旧させる、
    ことを特徴とする請求項1ないし4のうちいずれか1項に記載の冗長化無線制御システム。
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