JP6383112B2

JP6383112B2 - 制御装置

Info

Publication number: JP6383112B2
Application number: JP2017541503A
Authority: JP
Inventors: 達夫弘田; 基彦岡部
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2036-09-06
Also published as: CN107710697A; CN107710697B; JPWO2017051702A1; WO2017051702A1; US20180341617A1

Description

本発明の実施形態は、制御装置に関する。

マイクロコンピュータ（所謂、マイコン）を有するコンピュータでは、機能拡張用のモジュール間を接続するインタフェースとして、PCI-Expressが広く普及している。また、フィールド機器，モータ，バルブ，センサ，流量計等の制御対象機器を制御および監視する制御装置においても、PCI-Expressを備えたものが普及してきている。

また、制御装置のマザーボードに実装された複数のモジュールの故障を検知する故障診断においては、制御装置を制御するモジュールであるコントローラモジュールが、PCI-Expressを介して、各モジュールの故障を検知するとともに、通信用のモジュールを介して、外部の監視装置に対して、各モジュールの故障の検知結果を通知している。

ここで、コントローラモジュールにおける各モジュールの故障の検知方法としては、各モジュールが備えるメモリに記憶されたエラー情報を定期的に読み出す方法（所謂、ポーリング）、各モジュールからの割り込み信号により当該各モジュールの異常箇所を検知する方法等が一般的に用いられる。

特開２０１３−２１１７７３号公報

しかしながら、コントローラモジュールが監視装置に対して各モジュールの故障の検知結果を通知する方法においては、コントローラモジュール自体に異常が発生した場合に、監視装置に対して、当該検知結果を通知することができない。

実施形態の制御装置は、外部の制御対象機器の制御に関わる複数のモジュールを有する制御装置であって、当該複数のモジュールは、コントローラモジュールと、通信モジュールと、を備える。コントローラモジュールは、モジュールの制御に関する制御データを算出し、当該制御データに基づいて複数のモジュールを制御し、制御対象機器およびモジュールの少なくとも一方の故障に関する第１情報を取得し、かつ当該取得した第１情報を、第１ネットワークを介して、監視装置に対して送信する。通信モジュールは、制御データおよび第１情報を記憶可能なメモリを有し、第１ネットワークとは異なる第２ネットワークを介して、監視装置を含む外部装置に対して、所定時間毎に、メモリに記憶された制御データおよび第１情報を送信する。

図１は、本実施形態にかかる制御システムの構成の一例を示す図である。図２は、本実施形態にかかる制御システムの制御装置の機能構成の一例を示す図である。図３は、本実施形態にかかる制御システムにおける制御データおよび故障情報の共有処理の一例を説明するための図である。図４は、本実施形態にかかる制御システムにおける制御データおよび故障情報の共有処理の一例を説明するための図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる制御装置を適用した制御システムについて説明する。

図１は、本実施形態にかかる制御システムの構成の一例を示す図である。図１に示すように、本実施形態にかかる制御システムは、複数の制御装置１０１、計算機２０１、監視装置３０１、制御対象機器５０１等を有している。制御対象機器５０１は、フィールド機器、モータ、バルブ、センサ、流量計など、後述する制御装置１０１によって制御される外部機器である。

制御装置１０１は、外部の制御対象機器５０１の制御に関わる複数のモジュールを有する。そして、制御装置１０１は、当該モジュールによって制御系の演算処理を実行して、TC-net I/O（登録商標）４０１を介して、制御対象機器５０１を制御する。また、制御装置１０１は、イーサネット（登録商標）等の情報系のネットワークＮＴ１（以下、情報系ネットワークと言う。第１ネットワークの一例）を介して、他の制御装置１０１、計算機２０１、監視装置３０１等と接続されている。そして、制御装置１０１は、情報系ネットワークＮＴ１を介して、外部の監視装置３０１に対して、故障情報を送信する。ここで、故障情報（所謂、ＲＡＳ情報。第１情報の一例）は、制御装置１０１が有するモジュール自身および制御対象機器５０１の少なくとも一方の故障に関する情報である。

さらに、制御装置１０１は、IEC61784-2/61158で標準化されたTC-net（登録商標）であるリアルタイムイーサネット（登録商標）等に従った制御系のネットワークＮＴ２（以下、制御系ネットワークと言う。第２ネットワークの一例）を介して、他の制御装置１０１、監視装置３０１、および計算機２０１と接続されている。また、制御装置１０１は、制御データおよび故障情報を記憶可能なスキャンメモリ１０５ａを有する。ここで、制御データは、制御装置１０１が有するモジュールの制御に関する情報である。そして、制御装置１０１は、制御系ネットワークＮＴ２を介して、スキャンメモリ１０５ａに記憶された制御データおよび故障情報を、他の制御装置１０１（外部装置の一例）、監視装置３０１、および計算機２０１（外部装置の一例）に対して、定期的に（所定時間毎に）、同報送信する。本実施形態では、制御装置１０１は、制御データおよび故障情報を、監視装置３０１、他の制御装置１０１、および計算機２０１（以下、監視装置３０１等と記載する）に対して、所定時間毎に同報送信しているが、制御データおよび故障情報を、監視装置３０１等に対して、所定時間毎に送信するものであれば良い。これにより、制御装置１０１は、スキャンメモリ１０５ａに記憶された制御データおよび故障情報を、他の制御装置１０１、監視装置３０１、および計算機２０１と共有する。

監視装置３０１は、情報系ネットワークＮＴ１および制御系ネットワークＮＴ２を介して、複数の制御装置１０１、計算機２０１、および監視装置３０１と接続される。そして、監視装置３０１は、情報系ネットワークＮＴ１または制御系ネットワークＮＴ２を介して制御装置１０１から受信した故障情報に基づいて、制御装置１０１および計算機２０１の状態を検知、TC-net I/O４０１や制御対象機器５０１の状態の検知等を行う。計算機２０１は、情報系ネットワークＮＴ１および制御系ネットワークＮＴ２を介して、制御装置１０１および監視装置３０１と接続されている。そして、計算機２０１は、制御系ネットワークＮＴ２を介して、制御装置１０１から受信した故障情報に基づいて、制御装置１０１を制御するための演算処理を実行する。また、計算機２０１は、当該演算処理により算出する制御データを、制御系ネットワークＮＴ２を介して、所定時間毎に、制御装置１０１に対して送信する。

図２は、本実施形態にかかる制御システムの制御装置の機能構成の一例を示す図である。図２に示すように、本実施形態では、制御装置１０１は、当該制御装置１０１内の各モジュールを実装するベースユニット１０２を有する。ベースユニット１０２に実装されたモジュールは、電源モジュール１０３、コントローラモジュール１０４、制御伝送モジュール１０５、Ｉ／Ｏ制御モジュール１０６、拡張モジュール１０７、および故障監視ＩＣ１０８である。そして、制御装置１０１内の複数のモジュール同士は、PCI-Express１０９（フィールドバスの一例）を介して互いに接続されている。

電源モジュール１０３は、制御装置１０１内のモジュールに電源を供給する。コントローラモジュール１０４は、制御データを算出する。そして、コントローラモジュール１０４は、当該算出する制御データに基づいて、制御装置１０１内のモジュールを制御する。本実施形態では、コントローラモジュール１０４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０４ａ、記憶装置１０４ｂ、ＤＤＲ（Double Data Rate）ＳＤＲＡＭ（Synchronous Dynamic Random Access Memory）１０４ｃ、および通信Ｉ／Ｆ１０４ｄを有する。

ＣＰＵ１０４ａは、後述する記憶装置１０４ｂに記憶される制御プログラムを実行して、制御装置１０１全体を制御する制御部である。具体的には、ＣＰＵ１０４ａは、制御装置１０１内のモジュールを制御するための制御系の演算（例えば、制御データの算出）を実行するとともに、当該演算の結果に従って、PCI-Express１０９を介して、各モジュールを制御する。また、ＣＰＵ１０４ａは、通信Ｉ／Ｆ１０４ｄを制御して、情報系ネットワークＮＴ１を介して接続された他の制御装置１０１や計算機２０１や監視装置３０１等と通信可能である。

本実施形態では、ＣＰＵ１０４ａは、後述する故障監視ＩＣ１０８から故障情報を取得し、当該取得した故障情報を記憶装置１０４ｂに書き込む。また、ＣＰＵ１０４ａは、通信Ｉ／Ｆ１０４ｄを制御して、情報系ネットワークＮＴ１を介して、記憶装置１０４ｂに記憶された故障情報を監視装置３０１に対して送信する。

記憶装置１０４ｂは、ＣＰＵ１０４ａにより実行される制御プログラムや、制御データ、故障情報等の各種情報を記憶可能である。ＤＤＲＳＤＲＡＭ１０４ｃは、ＣＰＵ１０４ａによって各種演算が実行される際の作業領域として機能する。具体的には、ＤＤＲＳＤＲＡＭ１０４ｃは、ＣＰＵ１０４ａによる演算結果、監視装置３０１に送信する故障情報等の各種情報を記憶する。また、ＤＤＲＳＤＲＡＭ１０４ｃは、当該ＤＤＲＳＤＲＡＭ１０４ｃに記憶した故障情報の誤りを検知し、検知した誤りを訂正するＥＣＣ（Error Check Correct）機能を有する。通信Ｉ／Ｆ１０４ｄは、情報系ネットワークＮＴ１を介して接続された他の制御装置１０１や計算機２０１や監視装置３０１等の外部装置と通信可能である。

制御伝送モジュール１０５（通信モジュールの一例）は、スキャンメモリ１０５ａおよび制御デバイス１０５ｂを有する。スキャンメモリ１０５ａは、他の制御装置１０１、監視装置３０１、および計算機２０１と共有する情報（例えば、制御データおよび故障情報）を記憶可能なメモリの一例である。本実施形態では、スキャンメモリ１０５ａは、当該スキャンメモリ１０５ａに記憶された制御データや故障情報等の誤りを検知し、当該検知した誤りを訂正するＥＣＣ機能を有している。

制御デバイス１０５ｂは、制御系ネットワークＮＴ２を介して、他の制御装置１０１や計算機２０１から、制御データを受信する。また、制御デバイス１０５ｂは、PCI-Express１０９を介して、コントローラモジュール１０４により算出される制御データを取得する。また、制御デバイス１０５ｂは、後述する故障監視ＩＣ１０８から故障情報を取得する。制御デバイス１０５ｂは、他の制御装置１０１や計算機２０１から取得した制御データ、コントローラモジュール１０４から取得する制御データ、および故障監視ＩＣ１０９から取得する故障情報をスキャンメモリ１０５ａに書き込む。そして、制御デバイス１０５ｂは、制御系ネットワークＮＴ２を介して、他の制御装置１０１や監視装置３０１や計算機２０１等の外部装置に対して、スキャンメモリ１０５ａに記憶された制御データおよび故障情報をスキャン伝送する。ここで、スキャン伝送は、他の制御装置１０１や監視装置３０１や計算機２０１等の外部装置に対して、スキャンメモリ１０５ａに記憶された制御データおよび故障情報を同報送信する。これにより、制御装置１０１は、他の制御装置１０１や監視装置３０１や計算機２０１等の外部装置と、スキャンメモリ１０５ａに記憶された制御データおよび故障情報を共有する。本実施形態では、制御デバイス１０５ｂは、所定時間毎に、他の制御装置１０１や監視装置３０１や計算機２０１等の外部装置に対して、スキャンメモリ１０５ａに記憶された制御データおよび故障情報をスキャン伝送する。

Ｉ／Ｏ制御モジュール１０６は、TC-net I/O Loop等のフィールドバスＦＢを介して接続された制御対象機器５０１と通信可能である。本実施形態では、Ｉ／Ｏ制御モジュール１０６は、制御デバイス１０６ａとスキャンメモリ１０６ｂを有する。スキャンメモリ１０６ｂは、制御対象機器５０１と共有する故障情報を記憶する。ここで、故障情報は、制御対象機器５０１において発生した異常に関する情報である。

制御デバイス１０６ａは、制御対象機器５０１から、故障情報の通知を受信し、当該受信した故障情報をスキャンメモリ１０６ｂに書き込む。さらに、制御デバイス１０６ａは、フィールドバスＦＢを介して接続された制御対象機器５０１に対して、スキャンメモリ１０６ｂに記憶された故障情報を所定時間毎に同報送信する。これにより、制御装置１０１は、制御対象機器５０１と、スキャンメモリ１０６ｂに記憶された故障情報を共有する。

拡張モジュール１０７は、計算機２０１や監視装置３０１や制御対象機器５０１以外のその他の機器とのインタフェース機能やメモリ拡張機能等を実現するモジュールである。故障監視ＩＣ１０８（検知部の一例）は、コントローラモジュール１０４を含む制御装置１０１が有する各モジュールの故障情報を取得して、当該取得した故障情報を、制御デバイス１０５ｂを介してスキャンメモリ１０５ａに書き込む。また、故障監視ＩＣ１０８は、Ｉ／Ｏ制御モジュール１０６のスキャンメモリ１０６ｂに記憶される故障情報を取得し、当該取得した故障情報を、制御デバイス１０５ｂを介してスキャンメモリ１０５ａに書き込む。

本実施形態では、故障監視ＩＣ１０８は、ＧＰＩＯ（General Purpose Input / Output）やＬＰＣ（Low Pin Count）インタフェースや制御装置１０１内のモジュールの故障を検知する。そして、故障監視ＩＣ１０８は、当該各モジュールの故障の検知結果を含む故障情報およびＩ／Ｏ制御モジュール１０６のスキャンメモリ１０６ｂから取得した故障情報を、ＣＰＵ１０４ａを介して、記憶装置１０４ｂに書き込む。また、故障監視ＩＣ１０８は、各モジュールの故障の検知結果を含む故障情報を、制御デバイス１０５ｂを介してスキャンメモリ１０５ａに書き込む。

次に、図２〜４を用いて、本実施形態にかかる制御システムにおける制御データおよび故障情報の共有処理について説明する。図３および図４は、本実施形態にかかる制御システムにおける制御データおよび故障情報の共有処理の一例を説明するための図である。本実施形態では、図３に示すように、制御対象機器５０１における故障の発生の有無に関わらず、各制御装置１０１の制御デバイス１０５ｂは、制御系ネットワークＮＴ２を介して、他の制御装置１０１、監視装置３０１、および計算機２０１に対して、所定時間毎に、スキャンメモリ１０５ａに記憶された制御データおよび故障情報Ｉを送信する。これにより、図３に示すように、時刻ｔにおいて、制御対象機器５０１（例えば、上水道の処理場に設けられるポンプ）または制御装置１０１のモジュールが故障した際に、情報系ネットワークＮＴ１が混雑していたり、コントローラモジュール１０４が故障したりしていても、当該コントローラモジュール１０４から情報系ネットワークＮＴ１を介して監視装置３０１に故障情報Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ）を送信できない場合でも、制御デバイス１０５ｂが、制御系ネットワークＮＴ２を介して、他の制御装置１０１や監視装置３０１や計算機２０１に対して故障情報Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ）を送信できる。よって、制御対象機器５０１またはコントローラモジュール１０４が故障した場合でも、監視装置３０１において、制御対象機器５０１および制御装置１０１のモジュールの故障を特定し易くすることができる。

また、図４に示すように、時刻ｔ＋Δｔにおいて制御対象機器５０１または制御装置１０１のモジュールに故障が発生した際に、情報系ネットワークＮＴ１が混雑していたり、コントローラモジュール１０４が故障したりしていても、各制御装置１０１の制御デバイス１０５ｂは、制御系ネットワークＮＴ２を介して接続された他の制御装置１０１、監視装置３０１、および計算機２０１に対して、所定時間毎に、スキャンメモリ１０５ａに記憶される制御データおよび故障情報Ｉ１（ｔ＋Δｔ），Ｉ２（ｔ＋Δｔ）を送信し続ける。そのため、情報系ネットワークＮＴ２を介して接続された各制御装置１０１のスキャンメモリ１０５ａに記憶される故障情報Ｉ１（ｔ＋Δｔ），Ｉ２（ｔ＋Δｔ）が送信できずに滞留することを防止できる。

次に、図２を用いて、本実施形態にかかる制御システムにおける故障の検知処理について説明する。本実施形態では、故障監視ＩＣ１０８は、コントローラモジュール１０４のＰＯＳＴコード、ＤＤＲＳＤＲＡＭ１０４ｃのＳＭＡＲＴ（Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology）情報、ＤＤＲＳＤＲＡＭ１０４ｃのＥＣＣ機能により検知されたエラー、電源モジュール１０３の異常、拡張モジュール１０７のエラー情報を、PCI-Express１０９を介さずに、各モジュール（電源モジュール１０３、コントローラモジュール１０４、制御伝送モジュール１０５、Ｉ／Ｏ制御モジュール１０６、拡張モジュール１０７など）から、故障情報として取得する。これにより、コントローラモジュール１０４と制御伝送モジュール１０５とを結ぶインタフェース（PCI-Express１０９）が故障した場合でも、故障情報を制御伝送モジュール１０５のスキャンメモリ１０５ａに書き込むことができるので、当該故障情報を、制御系ネットワークＮＴ２を介して監視装置３０１に通知できる。

また、故障監視ＩＣ１０８は、コントローラモジュール１０４から故障情報を取得する際、コントローラモジュール１０４が故障して動作できない場合でも、コントローラモジュール１０４を介さずに、各モジュールから、故障情報を取得する。そして、故障監視ＩＣ１０８は、取得した故障情報を、制御伝送モジュール１０５のスキャンメモリ１０５ａに書き込む。これにより、コントローラモジュール１０４に故障が発生して、PCI-Express１０９を介してコントローラモジュール１０４にアクセスすることができない場合でも、各モジュールの故障情報を取得することができるので、取得した故障情報を制御系ネットワークＮＴ２を介して監視装置３０１に対して故障情報を送信することができる。

次に、図２を用いて、本実施形態にかかる制御システムにおける故障の検知処理の他の例について説明する。故障監視ＩＣ１０８は、コントローラモジュール１０４ａを制御して、PCI-Express１０９を介して、制御伝送モジュール１０５のスキャンメモリ１０５ａにアクセスして、当該アクセスの成否に従って、PCI-Express１０９およびスキャンメモリ１０５ａの故障（所謂、ヘルシー状態）を検知するヘルシーカウンタ機能を有する。

本実施形態では、故障監視ＩＣ１０８は、所定時間毎に、PCI-Express１０９を介して、スキャンメモリ１０５ａにアクセスして、ヘルシー状態を検知する。そして、故障監視ＩＣ１０８は、ヘルシー状態の検知結果を故障情報として取得して、当該取得した故障情報をスキャンメモリ１０５ａに書き込む。これにより、ヘルシー状態を含む故障情報を監視装置３０１に通知することができるので、制御装置１０１内で発生した故障をより詳細に監視装置３０１において管理することができる。

次に、図２を用いて、本実施形態にかかる制御装置１０１のスキャンメモリ１０５ａが有するＥＣＣ機能について説明する。本実施形態では、スキャンメモリ１０５ａは、ＥＣＣ機能を有している。スキャンメモリ１０５ａは、当該スキャンメモリ１０５ａに記憶される故障情報のエラーを検知する。

そして、スキャンメモリ１０５ａは、検知したエラーが訂正可能なコレクタブルエラーである場合には、故障情報を訂正する。一方、スキャンメモリ１０５ａは、検知したエラーが訂正不可能なアンコレクタブルエラーである場合には、故障情報にアンコレクタブルエラーがあることをコントローラモジュール１０４に通知する。これにより、エラーが訂正された故障情報を監視装置３０１に通知することができるので、故障情報を記憶するスキャンメモリ１０５ａの信頼性を確保することができる。

このように、本実施形態にかかる制御装置１０１によれば、情報系ネットワークＮＴ２が混雑していたり、コントローラモジュール１０４が故障したりしていても、監視装置３０１において、制御対象機器５０１および制御装置１０１のモジュールの故障を特定し易くすることができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims

外部の制御対象機器の制御に関わる複数のモジュールを有する制御装置であって、
前記複数のモジュールは、
前記モジュールの制御に関する制御データを算出し、当該制御データに基づいて前記複数のモジュールを制御し、前記制御対象機器および前記モジュールの少なくとも一方の故障に関する第１情報を取得し、かつ当該取得した第１情報を、第１ネットワークを介して、監視装置に対して送信するコントローラモジュールと、
前記制御データおよび前記第１情報を記憶可能なメモリを有し、前記第１ネットワークとは異なる第２ネットワークを介して、前記監視装置を含む外部装置に対して、所定時間毎に、前記メモリに記憶された前記制御データおよび前記第１情報を送信する通信モジュールと、
を備えた制御装置。
前記モジュール同士を接続するフィールドバスをさらに備え、
前記フィールドバスを介さずに、前記各モジュールから、前記第１情報を取得して、当該取得した第１情報を前記メモリに書き込む検知部を備えた請求項１に記載の制御装置。
前記検知部は、前記コントローラモジュールを介さずに、前記各モジュールから前記第１情報を取得する請求項２に記載の制御装置。
前記検知部は、前記コントローラモジュールを制御して、前記フィールドバスを介して前記メモリにアクセスして、当該アクセスの成否に従って、前記フィールドバスおよび前記メモリの故障を検知し、前記フィールドバスおよび前記メモリの故障の検知結果を前記第１情報として取得する請求項３に記載の制御装置。
前記メモリは、当該メモリに記憶された前記第１情報の誤りを検知しかつ訂正する機能を有する請求項１に記載の制御装置。