JP7317554B2 - 水処理施設の監視制御システム及びデータ伝送装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、水処理施設の監視制御システム及びデータ伝送装置に関する。

従来から、上水道又は下水道の水処理施設を監視及び制御する監視制御システムは、ポンプや弁等の各デバイスまでの間に、監視制御サーバを最上位層とする階層状の命令処理系統を構築しており、監視制御サーバの他、複数の上位コントローラ及び複数の下位コントローラを備えている。上位コントローラから離れた地にある下位コントローラは、上位コントローラとテレメータ回線で接続されている。テレメータ回線は一般電話回線を用いたものであり、ＬＡＮよりも伝送可能距離が長い。

監視制御サーバからは、水処理施設の運転計画に従ったリクエストが上位コントローラへ送信される。上位コントローラは、プログラマブルロジックコントローラであり、リクエストを達成するシーケンスを進め、実行コマンドを下位コントローラに送信する。下位コントローラは、デバイスを駆動するアナログ又はパルス波による電流又は電圧信号を生成する駆動回路とマイコンを備え、実行コマンドを解釈してデバイスを実際に駆動させている。

上位コントローラは、上位コントローラ間でデータを相互に交換し、各上位コントローラが有するデータを共有する仕組みを有する。例えば、上位コントローラは、自ノードと他ノードのデータを記憶する共有メモリを各々が備え、巡回するトークンを獲得したときに、自ノードのデータを他の上位コントローラの共有メモリのうち、自ノード用に宣言した領域に書き込んでいる。監視制御システム内に２０台の上位コントローラが備えられる場合、２０台分のデータが共有メモリに書き込まれる。

２０１４－２２９７８号公報

近年、省人化を目的として、監視制御システムは中央集中型のシステムを指向している。即ち、一の監視制御システムが複数の水処理施設を監視及び制御することが要望されている。管轄とする水処理施設の増大は、監視制御システム内の上位コントローラの数の増大を招く。

上位コントローラは、共有メモリの容量等のようなハードウェア上の問題により、データ共有が可能な接続台数に制限がある。監視対象の水処理施設を増大させようとすると、監視制御システムが備える上位コントローラの数が制限を超えてしまう虞がある。従って、所望するような規模の監視制御システムを構築することはできず、満足いく省人化が達成できなかった。

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、複数の水処理施設を容易に監視及び制御可能な監視制御システム及びデータ伝送装置を提供することにある。

本発明の実施形態である水処理施設の監視制御システムは、水処理施設内のデバイスを制御する監視制御システムであって、デバイスをシーケンス制御する複数のコントローラと、前記コントローラの１又は複数と対応付けられ、対応関係にあるコントローラと通信可能に接続されると共に、相互に通信可能な複数のデータ伝送装置と、を備え、前記データ伝送装置は、前記対応関係にあるコントローラのデータを記憶して、データ伝送装置間で共有する共有メモリと、前記共有メモリに記憶されたデータのうち、前記対応関係にあるコントローラが必要なデータを特定するリストを、前記コントローラから取得して記憶する第１記憶部と、前記第１記憶部に記憶する前記リストに基づき、前記必要なデータを当該対応関係にあるコントローラへ送信する送受信部と、を有し、前記コントローラは、前記必要なデータを特定するリストを記憶する第２記憶部を備え、前記第２記憶部は、前記必要なデータを特定するリストを前記データ伝送装置に送信する。

また、本発明の実施形態であるデータ伝送装置は、水処理施設内のデバイスを複数のコントローラによって制御する監視制御システムに複数備えられ、前記コントローラの１又は複数と対応付けられ、対応関係にあるコントローラと通信可能に接続されると共に、相互に通信可能であり、前記対応関係にあるコントローラのデータを記憶して、データ伝送装置間で共有する共有メモリと、前記共有メモリに記憶されたデータのうち、前記対応関係にあるコントローラが必要なデータを特定するリストを、前記コントローラから取得して記憶する第１記憶部と、前記第１記憶部に記憶する前記リストに基づき、前記必要なデータを当該対応関係にあるコントローラへ送信する送受信部と、を有し、前記コントローラは、前記必要なデータを特定するリストを記憶する第２記憶部を備え、前記第２記憶部は、前記必要なデータを特定するリストを前記データ伝送装置に送信する。

実施形態の監視制御システムの構成を示すブロック図である。 実施形態のデータ伝送装置の構成を示すブロック図である。 データ伝送装置間でのサイクリック伝送を示す模式図である。 実施形態の監視制御システムの適用例を示すブロック図である。

実施形態の水処理施設の監視制御システムを、図面を参照して説明する。図１は、監視制御システムの構成を示すブロック図である。監視制御システム１は、上水道又は下水道の水処理施設の状態を監視し、水処理施設内の各デバイス１００を運転計画に従って制御する。水処理施設の状態は、例えばデバイス１００の運転、停止、異常、水位等を含む。デバイス１００は、例えばポンプ及び弁等が挙げられる。

この監視制御システム１は、監視制御サーバ２と操作端末３とを備えている。監視制御サーバ２と操作端末３は各々がコンピュータであり、通信インターフェースを備えて互いに通信可能となっている。操作端末３は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示装置、及びキーボードやマウスやタッチパネル等のマンマシン入力装置を更に備えている。この監視制御サーバ２は、水処理施設の状態を収集して操作端末３に送信し、操作端末３は、監視制御サーバ２が収集した水処理施設の状態を表示する。また、監視制御サーバ２は、操作端末３を用いたオペレータの操作に応じて水処理施設の運転計画を作成する。

運転計画の実行のため、監視制御システム１は、監視制御サーバ２を最上位層としてデバイス１００までに階層状の命令処理系統を構築している。このような監視制御システム１は、監視制御サーバ２に加えて、複数の上位コントローラ５及び複数の下位コントローラ６を備えている。上位コントローラ５はプログラマブルロジックコントローラである。下位コントローラ６はデバイス１００を駆動するアナログ又はパルス波による電流又は電圧信号を生成する駆動回路とマイコンを備えている。

監視制御サーバ２は、抽象度が高く解釈が必要な運転リクエストを水処理施設の運転計画に従って上位コントローラ５に送信する。尚、運転リクエストには、停止指示も含まれる。上位コントローラ５は、運転リクエストを解釈し、運転リクエストを達成するためのシーケンスを進め、実行コマンドを下位コントローラ６に送信する。下位コントローラ６は、デバイス１００と接続され、実行コマンドを解釈し、実際にデバイス１００を駆動するアナログ又はパルス波による電流又は電圧信号をデバイス１００に出力し、デバイス１００を駆動させる。

上位コントローラ５は、運転リクエストの処理のために他の上位コントローラ５が有するデータを利用することがある。このため、監視制御システム１は更に複数のデータ伝送装置４を備えている。データ伝送装置４は、上位コントローラ５と１対１で対応付けられ、対応関係にある上位コントローラ５と接続されている。また、複数のデータ伝送装置４は、共通のネットワーク７に接続されて互いに通信可能となっている。このデータ伝送装置４は、産業用ＰＣであり、対応関係にある上位コントローラ５のデータを取得しつつ、上位コントローラ５間のサイクリック伝送をデータ伝送装置４間で代行することで、他の上位コントローラ５が有するデータを共有し、対応関係にある上位コントローラ５が必要とするデータを当該上位コントローラ５に配布する。

図２は、このようなデータ伝送装置４と上位コントローラ５のサイクリック伝送に係る構成を示すブロック図である。図２に示すように、データ伝送装置４は、局間送受信部４１、局間共有メモリ４２、局内送受信部４３、局内共有メモリ４４及びリスト記憶部４５を備えている。また、上位コントローラ５は、局内送受信部５１、局内共有メモリ５２、リクエスト処理部５３及びリスト記憶部５４を備えている。

局間送受信部４１と局間共有メモリ４２は、サイクリック伝送により各データ伝送装置４が同一内容を記憶する仮想的なメモリを作出する。図３は、データ伝送装置４間でのサイクリック伝送を示す模式図である。図３に示すように、局間共有メモリ４２は、個々のデータ伝送装置４に備えられ、全データ伝送装置４で同じ論理アドレスが割り付けられている。局間送受信部４１は、論理アドレスが重複しないように自ノードのエリア４２ａを宣言し、局間共有メモリ４２内には、自ノードのエリア４２ａと他のデータ伝送装置４のエリア４２ｂが確保されている。

そして、局間送受信部４１は、巡回するトークンを順番に獲得してトーカとなり、自ノードのエリア４２ａに書き込まれているデータをブロードキャストにて他のデータ伝送装置４に送信する。リスナとなっている他のデータ伝送装置４の局間送受信部４１は、トーカによって確保されているエリア４２ｂに、トーカから受信したデータを記憶させる。

また、図３に示すように、データ伝送装置４の局内送受信部４３及び局内共有メモリ４４並びに上位コントローラ５の局内送受信部５１及び局内共有メモリ５２は、対応関係にあるデータ伝送装置４と上位コントローラ５が同一内容を記憶する仮想的なメモリを作出する。局内共有メモリ４４と局内共有メモリ５２には、対応関係にあるデータ伝送装置４と上位コントローラ５で同じ論理アドレスが割り付けられている。また、局内送受信部４３は、論理アドレスが重複しないように自ノードのエリア４４ａを宣言し、局内送受信部５１は、論理アドレスが重複しないように自ノードのエリア５２ａを宣言し、局内共有メモリ４４内及び局内共有メモリ５２内には、データ伝送装置４のエリア４４ａと上位コントローラ５のエリア５２ａが確保されている。

そして、上位コントローラ５の局内送受信部５１は、自ノードのエリア５２ａに書き込まれているデータを、対応関係にあるデータ伝送装置４に送信する。対応関係にあるデータ伝送装置４の局内送受信部４３は、上位コントローラ５が確保したエリア５２ａに、上位コントローラ５から受信したデータを書き込む。また、データ伝送装置４の局内送受信部４３は、自ノードのエリア４４ａに書き込まれているデータを、対応関係にあるデータ伝送装置４に送信する。対応関係にある上位コントローラ５の局内送受信部５１は、データ伝送装置４が確保したエリア４４ａに、データ伝送装置４から受信したデータを記憶させる。

ここで、図３に示すように、上位コントローラ５のリクエスト処理部５３は、運転リクエストを解釈してシーケンスを進める。このリクエスト処理部５３は、運転リクエストを処理してシーケンスを進めた結果、局内共有メモリ５２の自ノードのエリア５２ａに、自身が発生させたデータを書き込む。また、上位コントローラ５によって確保された局内共有メモリ４４内のエリア５２ａと、データ伝送装置４によって確保された局間共有メモリ４２内のエリア４２ａは同じ領域である。換言すると、データ伝送装置４間でサイクリック伝送を行う局間送受信部４１は、対応関係にある上位コントローラ５が自ノードとして確保されたエリア５２ａを、データ伝送装置４との間において自ノードのエリア４２ａとして宣言する。

また、図３に示すように、リクエスト処理部５３は、運転リクエストを処理するために、他の上位コントローラ５が発生させたデータを参照する。対応関係にある上位コントローラ５が参照するデータが書き込まれた局間共有メモリ４２内のエリア４４ａと、データ伝送装置４によって自ノードとして確保された局内共有メモリ４４内のエリア４４ａは同じである。換言すると、局内送受信部４３は、対応関係にある上位コントローラ５が参照するデータが書き込まれたエリア４４ａを、上位コントローラ５との間において自ノードのエリア４４ａとして宣言する。

図３に示すように、局内送受信部４３は、自ノードのエリア４４ａを宣言する際、リスト記憶部４５に記憶されているリスト４５ａを参照する。リスト４５ａは、対応関係にある上位コントローラ５が必要なデータが書き込まれる局内共有メモリ４４内のエリア４４ａを特定している。局内送受信部４３は、このリスト４５ａが特定するエリア４４ａを上位コントローラ５に対して自ノードのエリア４４ａとして確保する。尚、このリスト４５ａは、上位コントローラ５のリスト記憶部５４に記憶されており、上位コントローラ５からデータ伝送装置４に送信され、リスト記憶部４５に記憶される。

例えば、第１の上位コントローラ５が有するデータＤ１は、この第１の上位コントローラ５が第１のデータ伝送装置４との関係において、自ノードのものとして宣言したエリア５２ａに記憶されている。このデータＤ１は、第１のデータ伝送装置４と第１の上位コントローラ５との通信によって、第１のデータ伝送装置４内の局内共有メモリ４４のエリア５２ａに書き込まれる。第１のデータ伝送装置４のエリア５２ａは、局間共有メモリ４２の立場からすると、第１のデータ伝送装置４がデータ伝送装置４間で宣言した自ノードのエリア４２ａでもある。そのため、第１のデータ伝送装置４は、第１の上位コントローラ５が有するデータを他のデータ伝送装置４に配布することになる。

次に、他の上位コントローラ５が有するデータＤ２，Ｄ３は、データ伝送装置４間のサイクリック伝送によって、第１の上位コントローラ５の局間共有メモリ４２のうち、他ノードが宣言したエリア４２ｂに書き込まれている。全エリア４２ｂのうち、データＤ２，Ｄ３が書き込まれたエリア４２ｂは、局内共有メモリ４４の立場からすると、第１のデータ伝送装置４が第１の上位コントローラ５との間で宣言した自ノードのエリア４４ａでもある。そのため、第１のデータ伝送装置４は、他のデータ伝送装置４が宣言した全エリア４２ｂに書き込まれたデータのうち、データＤ２，Ｄ３のみを第１の上位コントローラ５に配布することになる。

尚、第１のデータ伝送装置４が第１の上位コントローラ５との間で自ノードとして宣言していないエリア４２ｂに書き込まれている、他の上位コントローラ５が有するデータＤ４，Ｄ５は、第１の上位コントローラ５にとって不要であり、第１の上位コントローラ５に渡されることはない。

このように、データ伝送装置４は、対応関係にある上位コントローラ５のデータを取得し、データ伝送装置４間で共有する。換言すると、監視制御システム１が有する各上位コントローラ５は、全上位コントローラ５のデータの共有をデータ伝送装置４に任せ、上位コントローラ５間でのデータ共有は行わない。しかも、データ伝送装置４は、データ伝送装置４間で共有したデータのうち、対応関係にある上位コントローラ５が必要とするデータのみを、当該上位コントローラ５に渡す。

そのため、上位コントローラ５の局内共有メモリ５２は、監視制御システム１の規模が拡大し、上位コントローラ５の数が増加しても飽和してしまうことはない。従って、監視制御システム１の規模を拡大して中央集中型システムを構築することが可能となり、省人化を達成することができる。図４は、そのような監視制御システム１の適用例を示す構成図である。

図４に示す監視制御システム１は、中央集中型システムであり、一施設に限らず、当該監視制御システム１の設置施設から離れた水処理施設を含む複数施設に対してＷＡＮ７２を通じた管理及び制御を実行する。複数施設に対する管理及び制御によって上位コントローラ５の数は増大するが、上位コントローラ５が直接情報共有を行わず、データ伝送装置４が代行しているので、上位コントローラ５のハードウェア制限に関係なく、情報共有が図られている。

データ伝送装置４は、対応関係にある上位コントローラ５と同一施設内に設置される。即ち、複数のデータ伝送装置４が接続された共通のネットワーク７は、ＬＡＮ７１とＷＡＮ７２で構築されている。ＬＡＮ７１は、監視制御サーバ２が設置される場内に敷設される他、監視制御サーバ２の無い他の水処理施設にも敷設され、監視制御サーバ２の無い他の水処理施設内のＬＡＮ７１にもデータ伝送装置４が接続されている。尚、ＬＡＮ７１は冗長性を持たせるべく二重化され、ＬＡＮ７１とＷＡＮ７２との間にはゲートウェイ装置７３が設置される。

次に、上位コントローラ５と下位コントローラ６との接続に関し、従来は、一般電話回線を使用した接続方式であるテレメータ回線となる場合があった。その理由は次の通りである。即ち、上位コントローラ５に台数制限がある場合、一台の上位コントローラ５にできるだけ多くの下位コントローラ６を接続する必要がある。そして、一台の上位コントローラ５に接続する全ての下位コントローラ６が上位コントローラ５の周りに密集していない場合がある。このケースでは、遠隔の地にある下位コントローラ６と上位コントローラ５との間は、伝送距離の制約によりＬＡＮ接続が使用できず、テレメータ回線となるものである。テレメータ回線は、回線事業者に対する料金が必要となるほか、ＬＡＮ８と比べて伝送速度が低速であるために、データ送受信のレスポンスの遅延を運用上のリスクとして許容する必要がある。

これに対し、この監視制御システム１では、上位コントローラ５の台数制限が無い。従って、他の下位コントローラ６から離れた場所に設置された下位コントローラ６には、その下位コントローラ６専用の上位コントローラ５を別途配置することが可能である。換言すると、下位コントローラ６と上位コントローラ５とをＬＡＮ接続が可能な位置関係に置くことができる。従って、この監視制御システム１では、上位コントローラ５と下位コントローラ６は、テレメータ回線に依らずＬＡＮ８で接続される。

このように、この監視制御システム１は、デバイス１００をシーケンス制御する複数の上位コントローラ５と、上位コントローラ５の１又は複数と対応付けられ、対応関係にあるコントローラと通信可能に接続されると共に、相互に通信可能な複数のデータ伝送装置４とを備えるようにした。データ伝送装置４は、対応関係にある上位コントローラ５のデータを記憶して、データ伝送装置４間で共有する局間共有メモリ４２と、局間共有メモリ４２に記憶されたデータのうち、対応関係にある上位コントローラ５が必要なデータのみを、当該対応関係にある上位コントローラ５へ送信する局間送受信部４１とを有するようにした。

これにより、上位コントローラ５の数が増加する事態となっても、各上位コントローラ５のデータを共有することができるため、監視制御システム１の規模を拡大させ、中央集中型システムを構築することが可能となり、省人化を達成することができる。即ち、監視制御システム１から離れた遠隔の複数の水処理施設のデバイス１００を制御することが可能となる。

また、上位コントローラ５から実行コマンドを受けて実際にデバイス１００を稼働させる下位コントローラ６を備え、上位コントローラ５と下位コントローラ６とは、ＬＡＮ８により接続されるようにした。これは、上位コントローラ５の数の増加が容易になったためであるが、これにより、上位コントローラ５と下位コントローラ６との間をＬＡＮ８により接続でき、回線事業者に対する料金が不要となるほか、遅延が少ないので、監視制御システム１による高速処理が可能となる。

また、上位コントローラ５は、必要なデータを特定するリスト４５ａを記憶するリスト記憶部５４を備え、データ伝送装置４は、リスト４５ａを取得して記憶するリスト記憶部４５を備え、局内送受信部４３は、当該リスト４５ａに基づき、必要なデータを対応関係にある上位コントローラ５に送信するようにした。これにより、上位コントローラ５側で必要となるデータが変更されてもデータ伝送装置４側で即座に対応することができ、システムに柔軟性を付与できる。

（他の実施形態）
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許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ものである。

例えば、データ伝送装置４は、上位コントローラ５と１対１で対応付けられる例を説明したが、１対ｎで対応付けられていてもよい。データ伝送装置４内の自ノードのエリア４２ａを分割して、複数の上位コントローラ５の自ノードのエリア５２ａが割り当てられるようにする。また、複数の上位コントローラ５からリスト４５ａを受け取り、各リスト４５ａで特定される全てを自ノードのエリア４４ａとする。そして、データ伝送装置４及び各上位コントローラ５のデータ送受信は、送信先を特定したメッセージ伝送とする。

また、上位コントローラ５と下位コントローラ６は、１対１で対応付けられる他、１対ｎで対応付けられるようにしてもよい。

１ 監視制御システム
２ 監視制御サーバ
３ 操作端末
４ データ伝送装置
４１ 局間送受信部
４２ 局間共有メモリ
４２ａ エリア
４２ｂ エリア
４３ 局内送受信部
４４ 局内共有メモリ
４４ａ エリア
４５ リスト記憶部
４５ａ リスト
５ 上位コントローラ
５１ 局内送受信部
５２ 局内共有メモリ
５２ａ エリア
５３ リクエスト処理部
５４ リスト記憶部
６ 下位コントローラ
７ ネットワーク
７１ ＬＡＮ
７２ ＷＡＮ
７３ ゲートウェイ装置
８ ＬＡＮ
１００ デバイス

Claims (5)

1. 水処理施設内のデバイスを制御する監視制御システムであって、
   デバイスをシーケンス制御する複数のコントローラと、
   前記コントローラの１又は複数と対応付けられ、対応関係にあるコントローラと通信可能に接続されると共に、相互に通信可能な複数のデータ伝送装置と、
   を備え、
   前記データ伝送装置は、
   前記対応関係にあるコントローラのデータを記憶して、データ伝送装置間で共有する共有メモリと、
   前記共有メモリに記憶されたデータのうち、前記対応関係にあるコントローラが必要なデータを特定するリストを、前記コントローラから取得して記憶する第１記憶部と、
   前記第１記憶部に記憶する前記リストに基づき、前記必要なデータを当該対応関係にあるコントローラへ送信する送受信部と、
   を有し、
   前記コントローラは、前記必要なデータを特定するリストを記憶する第２記憶部を備え、
   前記第２記憶部は、前記必要なデータを特定するリストを前記データ伝送装置に送信する、
   監視制御システム。
2. 複数の水処理施設に配置されるデバイスを制御する、
   請求項１記載の監視制御システム。
3. 前記データ伝送装置は、
   複数の水処理施設に分散して配置され、
   同じ水処理施設内に設置される前記コントローラの一部又は全部と対応関係を有する、
   請求項２記載の監視制御システム。
4. 前記コントローラからコマンドを受けて実際に前記デバイスを稼働させる下位コントローラを備え、
   前記コントローラと前記下位コントローラとは、ＬＡＮにより接続されている、
   請求項３記載の監視制御システム。
5. 水処理施設内のデバイスを複数のコントローラによって制御する監視制御システムに複数備えられ、
   前記コントローラの１又は複数と対応付けられ、対応関係にあるコントローラと通信可能に接続されると共に、相互に通信可能であり、
   前記対応関係にあるコントローラのデータを記憶して、データ伝送装置間で共有する共有メモリと、
   前記共有メモリに記憶されたデータのうち、前記対応関係にあるコントローラが必要なデータを特定するリストを、前記コントローラから取得して記憶する第１記憶部と、
   前記第１記憶部に記憶する前記リストに基づき、前記必要なデータを当該対応関係にあるコントローラへ送信する送受信部と、
   を有し、
   前記コントローラは、前記必要なデータを特定するリストを記憶する第２記憶部を備え、
   前記第２記憶部は、前記必要なデータを特定するリストを前記データ伝送装置に送信する、
   データ伝送装置。
   

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