JP7287325B2 - 制御システム、制御装置、及び、フィールド機器へのアクセス方法 - Google Patents
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Description
特許文献1は、制御アプリケーションがフィールド機器の接続されていないコントローラ上の仮想ハードウェアで動作し、フィールド機器が接続された冗長化IOノードとコントローラとがネットワークを介して接続する構成のプロセス制御システムを提案している。このプロセス制御システムによれば、冗長化IOノードは、フィールド機器で入出力される信号と、ネットワークを介してコントローラと通信される信号との変換を行う。これにより、制御アプリケーションは任意のコントローラ上で動作し、また任意のフィールド機器と接続することができる。このプロセス制御システムによれば、制御アプリケーションとコントローラとの組み合わせを一時的に変更することで、システムを止めることなくコントローラのハードウェアを交換することができる。しかしながら、特許文献1の制御システムでは、冗長化IOノードは制御アプリケーションを搭載せず、フィールド機器はコントローラのみから制御された。このため、フィールド機器へのアクセス方法には改良の余地があった。
図1は、第1実施形態に係る制御システム1の一例を示す概略図である。制御システム1は、それぞれ一つ以上のフィールド機器10、IOノード20、及び、コントローラ30、並びに、ネットワーク40を含む。制御システム1は、さらに、監視装置45を含んでよい。フィールド機器10は、第1のフィールド機器である。IOノード20は、第1の制御装置である。コントローラ30は第2の制御装置である。
フィールド機器10の入出力単位は、通常IOノード20のメモリ領域に割り当てられる。IOノード20の制御アプリケーション21が、IOノード20に直接つながっているフィールド機器10にアクセスする場合、IOアクセスルーティング部22は、制御アプリケーション21がI/O名で示したフィールド機器10の入出力単位に対応したメモリ領域のアドレスを指定して、フィールド機器10にアクセスする。
コントローラ30の制御アプリケーション31がネットワーク40でつながっているIOノード20に接続されたフィールド機器10にアクセスする場合、IOアクセスルーティング部32は、制御アプリケーション31からI/O名とともに示された入出力指示を、ネットワーク40を経由してIOノード20に転送する。コントローラ30から入出力指示を受けたIOノード20のIOアクセスルーティング部22は、フィールド機器10の入出力に対応したメモリアドレスを指定してフィールド機器10にアクセスする。IOノード20の制御アプリケーション21がネットワーク40でつながっている他のIOノード20Aに接続されたフィールド機器10Aにアクセスする場合も、IOアクセスルーティング部22は、制御アプリケーション21からの入出力指示を、ネットワークを経由してIOノード20Aに転送する。
図3及び図4を参照して、IOアクセスルーティング部22、32の実行する処理の例を説明する。図3は、制御アプリケーション21、31から指示を受けて、IOアクセスルーティング部22、32が実行する処理を示す。図4は、IOノード20の通信部24が、ネットワーク40を経由して他のIOノード20A又はコントローラ30からの入出力指示を受け、通信部24からこの入出力指示を受けてIOアクセスルーティング部22が実行する処理を示す。
次に、図5のフローチャートを参照して、制御アプリケーション21を制御対象のフィールド機器10が接続されたIOノード20からコントローラ30に移動させる場合の処理を説明する。この場合、I/Oへのアクセス方法が、メモリアドレス指定からネットワーク経由に変更される。制御アプリケーション21の移動自体は、一般的なライブマイグレーションの仕組みを利用することができる。移動の対象は制御アプリケーション21のみである。仮想化部25及びIOアクセスルーティング部22は移動しない。
一般に、フィールド機器を交換する際、IOノードから対象の入出力単位の情報にアクセスすることができなくなるため、IOノード内のI/Oにより取得される情報の値を指定した値に書き換えて固定し、実際のI/Oに対応する入出力単位の情報の値とは切り離す機能が知られている。このような機能は、フォーシング又はI/Oロック等と呼ばれる。制御アプリケーションはフィールド機器の交換中もI/Oへのアクセスをしているかのように動作を継続する。
第2実施形態に係る制御システム1Aは、第1実施形態の制御システム1の構成に加え、図7に示すようにネットワーク40に接続されたキャッシュサーバ50を備える。キャッシュサーバ50は、過去にアクセスした入出力データのキャッシュ機能を有する。ネットワーク40に接続されたコントローラ30は、キャッシュサーバ50を経由して、フィールド機器10にアクセスすることができる。
IOノード20のIOアクセスルーティング部22は、接続されたフィールド機器10への入出力負荷を監視する。IOノード20のIOアクセスルーティング部22は、IOノード20の負荷が所定の条件を満たす場合、フィールド機器10への入出力指示を、キャッシュサーバ50に振り向けてよい。特定のIOノード20に複数の制御アプリケーション21、31からの入出力が集中した場合、IOノード20は、処理負荷が高くなりリアルタイムに応答できなくなる可能性がある。このような場合、IOアクセスルーティング部22は、他のIOノード20A及びコントローラ30に対しアクセス方法をキャッシュサーバ50経由に変更するように指示する。以降の処理において、IOノード20は、入出力データをキャッシュサーバ50に転送し、他のIOノード20A及びコントローラ30とは通信をしない。
IOノード20のIOアクセスルーティング部22は、I/Oへの入出力のアクセス用途に基づいて、入出力を分散させることができる。例えば、I/Oを制御に使う場合、制御アプリケーション21、31は、フィールド機器10の接続されたIOノード20を介して、フィールド機器10に直接入出力を行うように設定されうる。I/Oを監視用途に使用する場合、制御アプリケーション21、31は、キャッシュサーバ50に格納されたデータを参照するように設定されうる。
本実施形態に係る制御システム1Aでは、IOノード20を交換する場合のフォーシング機能を、キャッシュサーバ50に持たせることができる。図9を参照して、制御システム1Aにおいて、IOノード20を交換する手順を説明する。
図10には、第3実施形態に係る制御システム1Bが示される。この制御システム1Bでは、第1実施形態に係る制御システム1の構成要素に加え、フィールド機器10B(センサ11B、アクチュエータ12B)が、ネットワーク40に直接接続されている。さらに、制御システム1Bは、第2実施形態と同様にキャッシュサーバ50を備えてよい。フィールド機器10Bは、第2のフィールド機器である。フィールド機器10Bとしては、IoT(Internet of Things)センサ等が想定される。この場合、安価な汎用機器を使うことが考えられるので、フィールド機器10B自体にIOアクセスルーティング機能を持たせることはできないと想定する。
図11に示すように、第4実施形態に係る制御システム1Cにおいて、各装置のIOアクセスルーティング部22、32、52は、アプリケーションフレームワーク26、35、55上に構築される。制御システム1Cは、第2実施形態に係る制御システム1Aにおいて、仮想化部25、34、54にIOアクセスルーティング部22、32、52が含まれていた構成とは異なる。
上記各実施形態において、IOアクセスルーティング部22、32、52は、互いに連携して、制御アプリケーション21、31からのI/Oへの入出力指示に対して、入出力の経路を制御し、適切な装置に振り向ける動作を行った。IOアクセスルーティング部22、32、52には、複数の制御アプリケーション21、31からの演算結果に基づいて、フィールド機器10に対する制御内容を決定する機能を持たせることもできる。
10、10A フィールド機器(第1のフィールド機器)
10B フィールド機器(第2のフィールド機器)
11、11A、11B センサ
12、12A、12B アクチュエータ
20、20A IOノード(第1の制御装置)
21 制御アプリケーション(第1の制御アプリケーション)
22 IOアクセスルーティング部(第1のアクセス経路制御部)
23 IOアクセス部
24 通信部
25 仮想化部
26 アプリケーションフレームワーク
27 判定部
30 コントローラ(第2の制御装置)
31 制御アプリケーション(第2の制御アプリケーション)
32 IOアクセスルーティング部(第2のアクセス経路制御部)
33 通信部
34 仮想化部
35 アプリケーションフレームワーク
40 ネットワーク
45 監視装置
50 キャッシュサーバ
51 キャッシュデータベース(記憶部)
52 IOアクセスルーティング部(第3のアクセス経路制御部)
53 通信部
54 仮想化部
55 アプリケーションフレームワーク
Claims (11)
- プラントの制御のためのデータの取得、及び、前記プラントの操作の少なくとも一方を行う一つ以上のフィールド機器と、
前記一つ以上のフィールド機器に含まれる第1のフィールド機器が直接接続され、前記第1のフィールド機器を制御可能な第1の制御アプリケーション、及び、第1のアクセス経路制御部を含む、第1の制御装置と、
前記第1のフィールド機器を制御可能な第2の制御アプリケーション、及び、第2のアクセス経路制御部を含む、少なくとも一つの第2の制御装置と、
前記第1の制御装置及び前記第2の制御装置を通信可能に接続するネットワークと
を備え、
前記第1のアクセス経路制御部及び前記第2のアクセス経路制御部は、協働して、前記第1の制御アプリケーション及び前記第2の制御アプリケーションのそれぞれからの、前記第1のフィールド機器への入出力の経路を制御するように構成される、制御システム。 - 前記第1のアクセス経路制御部及び前記第2のアクセス経路制御部は、前記第1の制御アプリケーションが前記第1のフィールド機器に入出力する第1の状態と、前記第2の制御アプリケーションが前記第1のフィールド機器に入出力する第2の状態とを切り替え可能に構成される、請求項1に記載の制御システム。
- 前記第1のアクセス経路制御部及び前記第2のアクセス経路制御部は、前記第1の制御アプリケーションが前記第1のフィールド機器の入出力単位を特定する方法と、前記第2の制御アプリケーションが前記第1のフィールド機器の前記入出力単位を特定する方法とが同じとなるように構成される、請求項1または2に記載の制御システム。
- 前記第1の制御アプリケーション及び前記第2の制御アプリケーションは、前記第1のフィールド機器の前記入出力単位を、固有の名称により特定するように構成される、請求項3に記載の制御システム。
- 前記第1のフィールド機器の前記入出力単位は、前記第1の制御装置のメモリ領域に割り当てられ、前記第1のアクセス経路制御部は、前記第1の制御アプリケーション及び前記第2の制御アプリケーションから前記第1のフィールド機器への入出力指示を、前記メモリ領域のアドレスを指定することにより実行するように構成される、請求項3又は4に記載の制御システム。
- 前記第2のアクセス経路制御部は、前記第2の制御アプリケーションからの前記第1のフィールド機器への前記入出力指示を、前記ネットワークを経由して、前記第1のアクセス経路制御部へ転送するように構成される、請求項5に記載の制御システム。
- 前記第1のフィールド機器を交換する場合において、前記第1のアクセス経路制御部は、前記メモリ領域に記憶される入出力データを固定するように構成される、請求項5又は6に記載の制御システム。
- 前記一つ以上のフィールド機器に含まれる、前記ネットワークに直接接続された第2のフィールド機器をさらに備え、前記第1のアクセス経路制御部及び前記第2のアクセス経路制御部の少なくとも何れかは、前記第2のフィールド機器に入出力可能に構成され、
前記第1のアクセス経路制御部及び前記第2のアクセス経路制御部は、前記第1の制御アプリケーション及び前記第2の制御アプリケーションから、前記第2のフィールド機器への入出力の経路を制御可能に構成される、請求項1から7の何れか一項に記載の制御システム。 - 前記第1の制御装置は、判定部を備え、
前記第1の制御アプリケーション及び前記第2の制御アプリケーションの少なくとも何れかを含む複数の制御アプリケーションが、前記第1のフィールド機器からの出力値に基づいて、同一の制御演算を行い前記第1のフィールド機器への入力値を算出し、
前記判定部は前記複数の制御アプリケーションにより算出された複数の前記入力値に基づいて、前記第1のフィールド機器への入力値を決定するように構成される、請求項1から8の何れか一項に記載の制御システム。 - プラントの制御のためのデータの取得、及び、前記プラントの操作の少なくとも一方を行うフィールド機器が直接接続された制御装置であって、
前記フィールド機器を制御可能な制御アプリケーションと、
前記制御装置とは異なる他の制御装置が有する他のアクセス経路制御部と協働して、前記制御アプリケーション及び前記他の制御装置の制御アプリケーションから前記フィールド機器への入出力の経路を制御するように構成される、アクセス経路制御部と、
を備える制御装置。 - プラントの制御のためのデータの取得、及び、前記プラントの操作の少なくとも一方を行うフィールド機器に対して制御装置から入出力を行うためのフィールド機器へのアクセス方法であって、
前記制御装置の制御アプリケーションが前記フィールド機器の入出力単位を指定して入出力を指示し、
前記制御装置のアクセス経路制御部が、前記指定されたフィールド機器の位置情報を取得し、
前記位置情報に基づいて、前記フィールド機器が他の制御装置に接続されている場合、前記フィールド機器が接続された前記他の制御装置のアクセス経路制御部を経由して、前記フィールド機器に入出力を行う、
アクセス方法。
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