JP6921219B2 - 分散制御システム - Google Patents
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Description
また、複数のCPUにシーケンスプログラムを1回路単位に読み出し実行する機能を持たせ、バスをバス競合管理回路で管理し、プログラムの実行を実行管理テーブルで管理することで、複数のCPUでシーケンスプログラムを並列処理するコントローラが開示されている(例えば、特許文献2)。
実施の形態1は、複数の制御装置と、制御装置間で共有され各制御装置から出力されるデータを保存する領域を有する出力データメモリと出力権限テーブルとを備えるプロセスIOマスタ機器と、センサおよびアクチュエータに接続された複数のプロセスIOモジュールとを備え、出力権限テーブルは、アクチュエータに対応するアドレス毎にどの制御装置の出力データを採用するかを決定する権限を付与する分散制御システムに関するものである。
分散制御システム1は、主要構成要素として、制御装置、プロセスIOマスタ機器、プロセスIOモジュール、およびセンサ/アクチュエータを備える。
具体的には、図1において、分散制御システム1は、第1A制御装置11、第1B制御装置12、第2制御装置20、プロセスIOマスタ機器31、プロセスIOモジュール100〜110およびセンサ/アクチュエータ200〜210から構成される。
なお、図1において、第1A制御装置は1ACU(CONTROL UNIT)、第1B制御装置は1BCU、第2制御装置は2CUと記載している。図2以降も、同様である。
また、プロセスIOモジュール100〜110を個別に区別する必要がない場合は、適宜プロセスIOモジュール100と記載する。センサ/アクチュエータ200〜210についても、個別に区別する必要がない場合は、適宜センサ/アクチュエータ200と記載する。
プロセスIOマスタ機器31とプロセスIOモジュール100〜110とは、フィールドバスで接続されている。プロセスIOモジュール100〜110とセンサ/アクチュエータ200〜210とは、それぞれプロセス信号線で接続されている。
プロセスIOマスタ機器31は、プロセスIOモジュール100〜110の各アクチュエータへ出力する出力データを格納する出力データメモリ50を有する。
さらに、プロセスIOマスタ機器31は、どの制御装置からの出力データを実際アクチュエータに出力するかを決定する出力権限を設定する出力権限テーブル60を有する。
これは、システム例であり、制御装置の台数、組合せはこれに限るものではない。
図2において、入力データメモリ40は、実入力領域41を備え、各領域はアドレスXα〜Xα+n、アドレスXβ〜Xβ+n、およびアドレスXγ〜Xγ+nに区分されている。
なお、nはシステムによって異なり任意であるが、図2ではn=3としている。
また、図2では、実入力領域を実入力と記載している。
プロセスIOモジュール100〜110のセンサとの対応としては、例えば、プロセスIOモジュール100のセンサをアドレスXα〜Xα+3、プロセスIOモジュール101のセンサをアドレスXβ〜Xβ+3、また、プロセスIOモジュール102のセンサをアドレスXγ〜Xγ+3に対応させることができる。
図2では、第1A制御装置領域を1ACUと、第1B制御装置領域を1BCUと、第2制御装置領域を2CUと、および実出力領域を実出力と記載している。
第1A制御装置領域51〜実出力領域54は、アドレスYα〜Yα+n、アドレスYβ〜Yβ+n、およびアドレスYγ〜Yγ+nに区分されている。
nはシステムによって異なり任意であるが、図2ではn=3としている。
図2では、出力権限領域を出力権限と記載している。
この出力権限領域61に設定された出力権限は、実出力領域54のアドレス毎にどの制御装置(ここでは、第1A制御装置11および第1B制御装置12の制御系側、あるいは第2制御装置20)の出力データを採用して、実出力データとするか、もしくはホールド(HOLD)するかを決めるものである。
出力権限テーブル60は、アクチュエータに対応するアドレス毎の出力データ決定の権限を付与するものであるが、本実施の形態1では、理解を容易にするため、出力権限領域61を3つのグループ(アドレスYα〜Yα+n、アドレスYβ〜Yβ+n、およびアドレスYγ〜Yγ+n)にまとめている。
この実出力データを決める仕組みを備えることで、実際にプロセスIOモジュール100のアクチュエータに出力する制御装置を容易に切り替えることが可能になる。
プロセスIOモジュール100〜110のセンサから入力された入力データは、入力データメモリ40内の実入力領域41に格納される。
この入力データは各制御装置(第1A制御装置11、第1B制御装置12、第2制御装置20)で読み出し可能である。
プロセスIOモジュール100〜110のアクチュエータとの対応としては、例えば、プロセスIOモジュール100のアクチュエータをアドレスYα〜Yα+3、プロセスIOモジュール101のアクチュエータをアドレスYβ〜Yβ+3、また、プロセスIOモジュール102のアクチュエータをアドレスYγ〜Yγ+3に対応させることができる。
まず、通常動作状態を図3で説明する。なお、第1A制御装置11、第1B制御装置12の内、第1A制御装置11を制御系とし、第1B制御装置12を待機系としている。また、第1A制御装置11が制御系であるとの情報は、プロセスIOマスタ機器に通知されているものとする。
先に説明したように、出力権限の設定が第1制御装置の場合は、第1A制御装置11および第1B制御装置12の内、どちらが制御系側の装置かの情報を別に受け取り、制御系側の出力データを採用する。このため、従来の待機冗長構成と変わらない動作が可能である。
また、第2制御装置20からの出力データは、アドレスYα〜Yα+3において0.0、アドレスYβ〜Yβ+3において3.0、アドレスYγ〜Yγ+3において4.0となっている。
すなわち、アドレスYα〜Yα+3には第1A制御装置11の出力である1.0が採用され、アドレスYβ〜Yβ+3には第2制御装置20の出力である3.0が採用され、アドレスYγ〜Yγ+3には、第1A制御装置11の出力である5.0が採用されている。
図4に示すように、出力権限テーブル60の出力権限領域アドレスYα〜Yα+3の権限をホールドに変更する(ステップ1)。これに従い、実出力領域54のアドレスYα〜Yα+3に対応する実出力データは未更新(*A1)となる。
図5に示すように、出力権限テーブル60の出力権限領域アドレスYα〜Yα+3の出力権限はホールドのままで、実出力領域54のアドレスYα〜Yα+3に対応する実出力データは未更新(*A1)のままである。しかし、第2制御装置20からの出力データは、アドレスYα〜Yα+3において0.0から0.7に変化している。
図6に示すように、出力権限テーブル60の出力権限領域アドレスYα〜Yα+3の出力権限はホールドのままで、実出力領域54のアドレスYα〜Yα+3に対応する実出力データは未更新(*A1)のままである。
図7に示すように、出力権限テーブル60の出力権限領域アドレスYα〜Yα+3の出力権限が第2制御装置20に変更されたため、実出力領域54のアドレスYα〜Yα+3に対応する実出力データは第2制御装置20からの出力データが採用され、1.1に更新(*A2)されている。
したがって、この分散制御システム1では、二重化あるいは一重化構成の各制御装置間でプロセスIOモジュールを共有する構成としているが、各制御装置で見ると、従来の構成、すなわち分散制御装置毎にプロセスIOマスタ機器を備えたシステムと同様のシステム設計ができ、ユーザの使い勝手は悪くならない。
実施の形態1の分散制御システムでは、出力権限テーブルはアドレス毎に出力権限を設定する構成としていたが、実施の形態2の分散制御システムでは、出力権限テーブルをブロック単位で出力権限を設定する構成としたものである。
図8において、実施の形態1の図1、図2と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態1と区別するため、分散制御システム201としている。
ここで、例えば、アドレスYα〜Yα+3の出力権限は第2制御装置に設定されている全体(固まり)をプロセスIOモジュールひとつと捉えることができる。これを図8(a)の図中の記号*B1で表している。
ここでは、理解しやすいように、実施の形態1の図7で説明した出力権限テーブル60(すなわち、図8(a))に対応させた例を記載している。
具体的には、アドレスYαのサイズは4であり、出力権限は第2制御装置に設定されている。アドレスYβのサイズは4であり、出力権限は第2制御装置に設定されている。アドレスYγのサイズは4であり、出力権限は第1制御装置に設定されている。
すなわち、出力権限テーブル60を複数のアドレス(例えば、Yα〜Yα+3)をまとめたブロック単位としている。
実施の形態3の分散制御システムは、実施の形態1の分散制御システムに、センサから入力された入力データを変更する入力データ変更機構を設け、制御装置で取得する構成としたものである。
図9、図10において、実施の形態1の図1、図2と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、実施の形態1と区別するため、分散制御システム301としている。
入力データ変更機構310は、入力データメモリ40、入力処理テーブル70、および入力データ変更器75を備える。
なお、図では、実入力領域を実入力と記載している。また図では、プロセスIOモジュール100をIO100と、プロセスIOモジュール101をIO101と、プロセスIOモジュール102をIO102と記載している。
そして、実入力領域41に入力されたセンサ/アクチュエータ201〜210のセンサからのデータは、第1A制御装置11、第1B制御装置12、および第2制御装置20にそれぞれ読み込まれる。
図9は通常状態を表し、入力処理テーブル70の入力処理は有効に設定されている。この入力処理テーブル70の入力処理領域72が有効であるため、プロセスIOモジュール100〜102のセンサからの入力データが、入力データメモリ40の実入力領域41に展開されている。
まず、入力処理テーブル70のアドレスXαの入力処理を無効に変更する(ステップ1)。図中において、*C1がステップ1に対応する。
これに対応して、入力データメモリ40の実入力領域41のアドレスXα〜Xα+3のデータ(プロセスIOモジュール100のセンサから入力されたデータ)が無効となる(ステップ2)。図中において、*C2がステップ2に対応する。
次に、入力データ変更器75により、プロセスIOモジュール100のセンサからの入力データを任意の値に変更する(ステップ3)。図中において、*C3がステップ3に対応する。
図10においては、例として、アドレスXαのデータが1.5、アドレスXα+1のデータが2.5、アドレスXα+2のデータが3.0、アドレスXα+3のデータが5.0に変更されている。
これにより、第1A制御装置11、第1B制御装置12、および第2制御装置20には、プロセスIOモジュール100のセンサから入力されたデータとして、入力データ変更器75で変更した値が取得される。
プロセスIOモジュール100のセンサから入力データを第1A制御装置11、第1B制御装置12、および第2制御装置20で使用していた場合を想定する。
試験的に入力値を変更して動作を確認したい場合、制御装置側で入力値を模擬すると、それぞれの制御装置間で動作が一致しない。
しかし、分散制御システム301の入力データ変更機構310を設けることで、すべての制御装置(第1A制御装置11、第1B制御装置12、および第2制御装置20)で同じデータを取得できる。したがって、制御装置間で共有する入力データを用いた試験をより簡単かつ正確に実施でき、試験の効率を向上させることができる。
実施の形態4の分散制御システムは、実施の形態1の分散制御システムに入力データおよび出力データに時系列の識別データを付与して管理する時系列データ管理機構を設けたものである。
なお、実施の形態1と区別するため、分散制御システム401としている。
時系列データ管理機構410は、入力データメモリ40、出力データメモリ50、出力権限テーブル60および時系列データ保存部80を備える。
出力データメモリ50は、第1A制御装置領域51、第1B制御装置領域52、第2制御装置領域53、および実出力領域54を備え、さらに第1A制御装置領域51から第2制御装置領域53に対して出力用時系列データ51I〜出力用時系列データ53Iを備える。
出力権限テーブル60は、出力権限領域61を備え、この出力権限領域61は、アドレスYα〜Yα+n、アドレスYβ〜Yβ+n、およびアドレスYγ〜Yγ+nに区分されている。
時系列データ保存部80は、時系列データが付与された実入力データ、第1A制御装置11の出力データ、第1B制御装置12の出力データ、および第2制御装置20の出力データを保存する。
時系列の識別データは、プロセスIOマスタ機器31において、入力処理毎にインクリメントされている。なお、図では、時系列の識別データをIDと記載している。
図12は、時系列の識別データ(ここでは1)が付与された第1A制御装置11に関するデータであり、ある時点の実入力データおよび第1A制御装置11の出力データがセットで保存される。
図13は、図12からある時間が経過した後の時系列の識別データ(ここでは2)が付与された第1A制御装置11に関するデータであり、この時点の実入力データおよび第1A制御装置11の出力データがセットで保存される。
図14において、時系列データ保存部80に、例えば、第1A制御装置11に関するデータとして、時系列の識別データID1、ID2、ID3、・・・に対する実入力データおよび第1A制御装置11の出力データのセットが保存されている。
図14では、新しく製作した制御ロジックは、設計通りの機能を有するかどうかを確認している。具体的には、時系列の識別データID1に対する実入力データを、新しく製作した制御ロジックに入力して、この新制御ロジックの出力と第1A制御装置11の出力データを比較する。
各時系列の識別データID2、ID3・・・に対する実入力データおよび第1A制御装置11の出力データを用いて、新制御ロジックの機能、すなわち制御動作を検証することができる。
また、実施の形態4では、時系列データ保存部80をプロセスIOマスタ機器31内に設けたが、各制御装置(第1A制御装置11、第1B制御装置12、および第2制御装置20)内、あるいは分散制御システム401の外部に設けることもできる。
実施の形態5の分散制御システムは、実施の形態1の分散制御システムに、制御装置からプロセスIOマスタ機器に出力された出力データと、アクチュエータに出力された実出力データとの差分を検出する出力データ差分検出機構を設けたものである。
なお、実施の形態1と区別するため、分散制御システム501としている。
出力データ差分検出機構510は、入力データメモリ40、出力データメモリ50、出力権限テーブル60、比較器90、および結果保存部91を備える。
出力データメモリ50は、第1A制御装置領域51、第1B制御装置領域52、第2制御装置領域53、および実出力領域54を備え、さらに第1A制御装置領域51から第2制御装置領域53に対して出力用時系列データ51I〜出力用時系列データ53Iを備える。
出力権限テーブル60は、出力権限領域61を備え、この出力権限領域61は、アドレスYα〜Yα+3、アドレスYβ〜Yβ+3、およびアドレスYγ〜Yγ+3に区分されている。
比較器90は、実出力領域54の実出力データと比較対象の制御装置(例えば、第1B制御装置)の出力データとを比較する。
結果保存部91は、比較器90が比較した結果を保存する。
第1A制御装置11、第1B制御装置12は、いずれか一方が制御系、もう一方は待機系という二重化冗長構成をとっている。実施の形態5では、第1A制御装置11が制御系、第1B制御装置12は待機系を想定している。
待機系である第1B制御装置12の出力データは、実入力データとしては採用されないため、アクチュエータには出力されない。
したがって、待機系の第1B制御装置12に異常があっても、顕在化せず、制御系と待機系とを切り替えたとき(この場合は、第1A制御装置11を待機系に、第1B制御装置12を制御系に切り替えたとき)、異常が顕在化する可能性がある。
なお、第1A制御装置11および第1B制御装置12と制御装置2の制御ロジックが異なっている場合は、差異が出るため、出力権限が第1制御装置にあるアドレス領域のみの比較を行う。
また、第1A制御装置11および第1B制御装置12と制御装置2の制御ロジックが同じであるか、一部同じである場合がある。
この場合、出力権限が第1制御装置にあるアドレス領域に対して、実出力領域54の実出力データと第2制御装置の出力データとを比較することで、第2制御装置20の異常を事前に検知することができる。したがって、出力権限がない制御装置(いわゆる、待機状態にある制御装置)の異常を常時監視することができる。
さらに、待機状態の制御装置を常時監視し、異常があった場合は、異常を検知したことを、上位システムに通知し、点検および交換を促すことができる。
Claims (6)
- 複数の制御装置と、
前記制御装置間で共有され、前記各制御装置から出力されるデータを保存する領域を有する出力データメモリと出力権限テーブルとを備えるプロセスIOマスタ機器と、
前記プロセスIOマスタ機器に接続され、かつセンサおよびアクチュエータに接続された複数のプロセスIOモジュールとを備え、
前記出力権限テーブルは、前記領域および前記アクチュエータに対応するアドレス毎にどの前記制御装置の出力データを採用するかを決定する権限を付与する分散制御システム。 - 前記出力権限テーブルは、前記アドレスを複数まとめたブロック単位でどの前記制御装置の出力データを採用するかを決定する権限を付与する請求項1に記載の分散制御システム。
- 前記センサから入力された入力データを変更する入力データ変更機構を前記プロセスIOマスタ機器に設け、
前記入力データ変更機構は、入力データメモリと入力データ変更器とを備え、試験的に前記入力データを変更して動作を確認したい場合、前記入力データ変更器は動作確認対象の前記センサからの入力を無効とした上で、前記無効にした入力に対応する前記入力データメモリ上のデータを任意の値に変更し、
前記入力データ変更機構で変更した前記入力データを前記制御装置で取得する構成とした請求項1あるいは請求項2に記載の分散制御システム。 - 前記センサから入力された入力データおよび前記出力データに時系列の識別データを付与して管理する時系列データ管理機構を前記プロセスIOマスタ機器に設けた請求項1あるいは請求項2に記載の分散制御システム。
- 前記入力データおよび前記出力データに時系列の識別データを付与して管理する時系列データ管理機構を前記プロセスIOマスタ機器に設けた請求項3に記載の分散制御システム。
- 前記制御装置から前記プロセスIOマスタ機器に出力された前記出力データと、前記アクチュエータに出力された実出力データとの差分を検出する出力データ差分検出機構を前記プロセスIOマスタ機器に設けた請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の分散制御システム。
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