JPH03194601A - 協調分散制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野〕 この発明は、制御装置の故障やプラント異常に対し、プ
ロセス情報のサンプリング時間（以下、制御周期という
）隣接する制御装置間の協調動作により機能を再構成し
て、該プラント制御の機能を維持する協調分散制御シス
テムに関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、プラント制御は該プラントを複数のサブシステ
ムに分割し、それぞれのサブシステムからプロセス情報
を取得し、制御処理（以下、タスクという）を行ってい
る。

第６図は例えば特開昭６１−１６６４６号公報に示され
た第１の従来例としての分散制御システムの構成を示す
ブロック図であり、図において、ＨＣは各制御装置Ｐｉ
、Ｐ２．Ｐ３を管理するホストコンピュータで、伝送路
２により接続され、各制御装置ＰＩ、Ｐ２．Ｐ３はプラ
ントの各プロセス情報を取得する検出器Ｓと、タスクを
実行した結果に従って該プラントの制御を行う操作器Ｐ
に接続されている。

さらに、制御装置Ｐ１はプロセス情報及びタスク実行結
果（制御情報）を格納する記憶回路１１１．１．１２を
有した人出力部ＩＩ、通常は伝送路Ｂｌと制御部Ｃ１と
を接続し、制御部Ｃ１に故障が発生すると前記伝送路Ｂ
ｌをバイパス状態にする切替えスイッチＳＷＩ及び信号
伝送回路Ｃ１１、ＣＩ２を有しタスク実行を行う制御部
Ｃ１から構成されており、他の制御装置Ｐ２．Ｐ３につ
いても同様に構成されている。

また、第７図は例えば特開昭５８−６４５０２号公報に
示された第２の従来例としての分散制御システムの構成
を示すブロック図であり、図において、１は伝送路２を
介して各制御装置Ａ、Ｂ。

Ｃを管理するホストコンピュータで、各制御装置Ａ、Ｂ
、Ｃはプラントの各プロセス情報を取得する検出器１０
Ａ、ＩＯＢ、ＩＯＣと、タスクを実行した結果に従って
該プラントの制御を行う操作器１１Ａ、ＩＩＢ、ＩＩＣ
に接続されている。さらに、制御装置Ａはタスクを実行
するＣＰＵ部３Ａ、他の制御装置Ｂ、Ｃあるいはホスト
コンピュータ１との通信を行う通信部４Ａ、タスク実行
のためのプログラム再構成部５Ａ、前記検出器１０Ａ及
び操作器ｌＩＡとのデータ授受を行うプロセス入出力部
８Ａ、制御装置Ａで実行するタスクのプログラムをすべ
て格納するメモリ部６Ａ、７Ａ及び通常は前記プロセス
入出力部８Ａと検出器１０Ａ、操作器１１Ａとを接続し
、該制御装置Ａが故障すると、中継信号線１２ＡＢ、１
２ＢＡをバイパス状態にする切替えスイッチ９Ａから構
成されており、他の制御装置Ｂ、Ｃも同様に構成されて
いる。

次に第１の従来例の動作について説明する。

各制御装置Ｐｉ、Ｐ２．Ｐ３の動作はそれぞれ同様であ
るので、ここでは制御装置Ｐ１の動作について説明する
。

まず、検出器Ｓによりプロセス情報を取得した人出力部
ｒ１は、該プロセス情報を記憶回路Ｉｌｌに格納すると
ともに、伝送路Ｂ１を介して切替えスイッチＳＷＩに出
力する。この切替えスイッチＳＷＩは通常制御部Ｃ１と
接続されており、該プロセス情報は信号伝送回路Ｃ１ｌ
により制御部Ｃ１に入力され、所定のタスクが実行され
る。

そして、タスクの実行が終了すると、該実行結果である
制御情報は信号伝送回路Ｃ１２より出力される。この制
御情報は切替えスイッチＳＷＩ、伝送路Ｂ１を介して入
出力部１１の記憶回路１１２に格納されるとともに、操
作器Ｐに送られる。

次に例えば制御部Ｃ２が故障した場合の制御部Ｃ３の動
作について説明する。

このとき切替えスイッチＳＷ２は伝送路Ｂ２をバイパス
状態にして、制御部Ｃ２との接続を切離している。制御
部Ｃ３は入出力部Ｉ２にアクセスしたときに、該入出力
部■２の応答を受信することで制御部Ｃ２の故障を検出
し、該入出力部Ｉ２の記憶回路Ｉ２２に格納されている
制御情報（制御部Ｃ２が異常になる直前の制御情報であ
り、例えば、積分定数、比例定数、あるいは現在の積分
値等で、データ量はあまり多くはない）を受信し、この
制御部Ｃ３が該故障した制御部Ｃ２の機能を代行してバ
ンプレスバックアップを開始する。

次に第２の従来例の動作について説明する。

各制御装置Ａ、Ｂ、Ｃの動作はそれぞれ同様であるので
、ここでは制御装置Ａの動作について説明する。

まず、検出器１０Ａにより取得されたプロセス情報は切
替えスイッチ９Ａを介してプロセス入出力部８Ａに入力
される。このプロセス情報を用いてメモリ部６Ａに格納
されている制御プログラムのうち制御装置Ａが担当する
制御プログラムを読出し、タスクをＣＰＵ部３Ａで実行
する。そして、タスクの実行が終了すると、該実行結果
である制御情報をプロセス人出力部８Ａから切替えスイ
ッチ９Ａを介して操作器１１Ａに出力する。

次に例えば制御装置Ｂが故障した場合の制御装置Ｃの動
作について説明する。

このとき切替えスイッチ９Ｂは伝送路１２ＣＢ。

１２ＢＣをバイパス状態にして、制御装置Ｂを切離して
いる。制御装置Ｃは検出器１０Ｂ及び操作器１１Ｂを接
続収容するとともに、該故障した制御装置Ｂから転送さ
れる制御プログラム及び当該制御装置Ｃの制御プログラ
ムをメモリ部６Ｃより続出し、プログラム再構成部５Ｃ
で重要な制御プログラムを選択し、ＣＰＵ部３Ｃでタス
ク実行を行うことで該故障した制御装置Ｂの本来行うべ
きタスクの重要なものの実行を保証している。

〔発明が解決しようとする課題〕

第１の従来例の分散制御システムは以上のように構成さ
れているので、隣接する制御装置の機能をバックアップ
する制御装置は、本来の機能に加えてバックアップする
機能も担当することから負荷が増大するので、各制御装
置の処理能力は予め本来の機能に倍する余裕を与えてお
く必要がある。

また、すでにバックアップ動作を行っている制御装置が
故障すると、該故障した２台の制御装置のバックアップ
が可能な装置にすべての機能を担当させることになり、
当然、その制御装置はそれらの制御プログラムを保持し
、かつ機能を担当する動的余裕が必要となる。

また、第２の従来例の分散制御システムは以上のように
構成されているので、故障した制御装置の重要な機能を
バックアップする制御装置に転送して該バックアップす
る制御装置の機能を再構成する時間を含めて、制御周期
を超過しないようにする必要がある。また、バックアッ
プする機能をすべての制御装置に均等に割り当てなけれ
ば、重要な機能がひとつの制御装置に集中することにな
り、このとき全体的に重要な機能が選択されない可能性
もある。

このように、第１及び第２の従来例では特定の制御装置
への機能や負荷の集中が起こり、そのときの機能（処理
）が制御周期を満足できない可能性があるなどの課題が
あった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、制御装置の故障や対象プラントの異常といった
状態や環境の変化に対して、制御周期を満足しながら制
御機能あるいは負荷を隣接する制御装置間の協調動作に
より全制御装置に均等に分散再構成し、プラント制御の
機能を適応維持する協調分散制御システムを得ることを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る協調分散制御システムは、制御周期ごと
に各制御装置で、隣接する制御装置にタスク実行権を移
動させる局所的な通信を行い、負荷が同等になるように
機能分担を決定する分散スケジューリングを行うととも
に、優先度の低い機能を縮退させて負荷過剰を防ぎ、該
制御周期時間内で実行タスクを終了させる自律スケジュ
ーリングを行うようにしたものである。

〔作用］ この発明における制御装置は制御周期ごとに、分散スケ
ジューリングにより隣接する制御装置間で分担する機能
を決定し、自律スケジューリングにより特定の制御装置
での負荷過剰を防止するようにしたので、制御周期を繰
り返すたびに、負荷を分散させ、リスク分散の意味で最
適な機能分散状態とすることができる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による協調分散制御システ
ムの構成を示したブロック図であり、１３は制御対象と
なるプラント、１４は該プラント１３のプロセス情報を
取得する検出部及び制御情報により該プラントを操作す
る操作器からなる入出力部、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、
１５ｄ、１５ｅはそれぞれ、該プラントを制御する制御
装置、１６は前記入出力部１４が任意のプロセス情報を
授受するための伝送路、１７は制御装置間の局所的通信
を行う伝送路である。

次に当該システム全体の動作について第２図及び第３図
のフローチャートを用いて説明する。

通常、第２図（ａ）のように、各制御装置１５ａ〜１５
ｅは局所的な通信を行い（ステップＳＴ１　ａ、５Ｔ２
ａ）　、分散スケジューリングを行って（ステップ５Ｔ
３ａ）、各制御周期時間内にタスク実行が終了するよう
に動作している。このとき、各制御装置は隣接する制御
装置としか通信を行わないので、隣接する制御装置の故
障検出、故障時に隣接する制御装置をひとつ隣の装置に
切替える機能および故障復旧時の再接続機能をそれぞれ
の制御装置が有する必要がある。これらの機能を満足す
るために１局所的な通信は相手のアドレスを指定してメ
ツセージを送り、受信側はそのデータをバッファリング
しておき必要に応じて読込む非同期型通信を基本とする
。

仮に、第２図（ｂ）のように、制御装置１５ｃが故障し
たとすると、故障検出は、分散スケジューリングを隣接
する制御装置間で行う際、受信側が一定時間待っても受
信されない場合に送信側が故障したとするタイムアウト
判定法を用いる（ステップ５Ｔ４）。この故障を検出し
た制御装置はひとつ隣の制御装置を各自が記憶するネッ
クワーク接続のデータベースから捜して（ステップ５Ｔ
５）、さらに隣接する制御装置のアドレスを変更して（
ステップ５Ｔ６）、以後その制御装置を隣接する制御装
置として分散スケジューリングを行う（ステップ５Ｔ７
）。なお、このネットワーク接続データベースは、考慮
する多重故障に対処できる程度であればよく、全データ
を持つ必要はない。

また、この故障した制御装置１５ｃに隣接していた制御
装置１５ｂ、１５ｄは、第３図（ｃ）のように該制御装
置１５ｃが分担していた機能と負荷をも分担することに
なるが、第３図（ｄ）のように、制御周期を重ねるにつ
れて分散スケジューリングによる負荷分散が行われ、最
終的には第２図（ｅ）のように、各制御袋［１５ａ、１
５ｂ。

１５ｄ、１５ｅの負荷は均等になり、全体として安定す
る。

そして、故障していた制御装置１５ｃが復旧すると、そ
の制御装置１５ｃは復旧したことを前述したデータベー
スに記載された隣接する制御装置１５ｂ、１５ｄに送信
する（ステップ５Ｔ８ａ）。

この隣接する制御装置が正常であれば次の制御周期に返
信があるが、故障中であれば返信がないのでタイムアウ
ト故障判定法により故障を検出する（ステップ５Ｔ９ａ
）。そして隣接するひとつ向こうの制御装置に同じメツ
セージを送信する（ステップ５Ｔ１０ａ）。両隣の制御
装置１５ｂ。

１５ｄからの通信を得たとき、改めて復旧した制御装置
１５ｃは両装置にメツセージを送って同期を取り、次の
制御周期から復旧した制御装置１５Ｃが分散スケジュー
リングに参加する。

制御周期ごとに分散スケジューリングを行うことは、故
障直後に一度で機能分散構成を決定するより余分に時間
を浪費するように見えるが、ある特定の制御周期だけ負
荷が急増する方式では、そのときの制御周期を満足する
だけの処理能力を与えねばならず、かえって制御装置が
高価になる。

また、この発明では隣接する制御装置とのみ通信を行い
かつ各装置が並行に動作するため、−回の分散スケジュ
ーリングに要する時間は制御装置の数に比例せず、短時
間に行うことができる。

次に分散スケジューリングの動作について第４図のフロ
ーチャートを用いて説明する。

分散スケジューリングは隣接するふたつの制御装置間で
行われ、それが全ての制御装置で並行して行われる。図
中右側の制御装置に現在分担している機能と負荷を送信
する。受信は送信に優先する割り込み処理となっている
ので、図中左側の制御装置からの送信は自分が送信中で
も可能である（ステップ５ＴＩＩ）。次に、左側の制御
装置と自己の負荷を比較して、その差がある閾値な越え
ると機能分担を変更し負荷の差が閾値な下回るまで繰り
返しくステップ５Ｔ１２）、機能分担を決定する（ステ
ップ５７１３）、決定した機能分担を左側に送信し、右
側とのスケジューリング結果を右側から割り込み受信す
る（ステップ５Ｔ１４）。

この動作はすべての制御装置で同一であり、どの制御装
置が故障しても動作を変更することなく隣接する制御装
置と接続するだけで正常に動作する。

このことは、前述した制御装置１５ｃが故障した場合に
、先のネットワーク再接続機能により該故障した制御装
置１５ｃを切離して制御装置１５ｂ、１５ｄをそれぞれ
隣接させても、故障復旧時の場合にも同様である。

また、すべての制御装置の動作が同一であるがら、どの
制御装置から処理を行ってもよく、これから全ての制御
装置は各自並行して分散スケジューリングを行うことが
でき、制御装置全体の同期は制御周期で行われるプロセ
ス情報の授受により保証されるが、局所的には分散スケ
ジューリングの受信待ちで取ることもできる。

また、この分散スケジューリングでは、ある機能がシス
テム上で消失したり二重に処理されたりしないことを保
証するため、制御装置間でタスク実行権を移動しタスク
実行権を有するときそのタスクを実行して、タスクの唯
一性を保証している。

制御装置は現在有するタスク実行権を二分割し、そのう
ち半分を右側に送信する。そして残る実行権を左側から
得た実行権をもとに前述した分散スケジューリングを行
い（ステップ５ＴＩＩ〜５Ｔ１３）、結果のタスク実行
権を左側の制御装置に送信し右側の制御装置から受信す
る（ステップ５Ｔ１４）。左側のスケジューリングで自
分が担当することになった結果と、右側から得た結果を
統合したタスク実行権に従い（ステップ５Ｔ１５）、タ
スクを実行する（ステップＳＴ　１６）。

故障した制御装置のバックアップを行うには、該故障し
た制御装置が担当していたために失われたタスク実行権
を、故障した制御装置の両隣の制御で復活させればよい
。

まず、分散スケジューリングの結果を左側の制御装置に
送信する際、自分が担当するタスクをバックアップ情報
として送信する。すなわち、分散スケジューリングが終
わったときに分散スケジューリングを行ったふたつの（
隣接する）制御装置は、相互に相手が故障時のバックア
ップすべきタスクを知ることになる。

しかし、分散スケジューリングはタスク実行権の移動に
より管理されるので、左右の制御装置に同じタスクのバ
ックアップ情報が送られることはなく、例えば、制御装
置１５ｃが故障して、その左右の制御装置１５ｂ、１５
ｄが前述した分散スケジューリングで得たバックアップ
情報に基き、該故障した制御装置１５ｃが分担していた
ために失なわれたタスク実行権を復活させる。

次に自律スケジューリングの動作について第５図のフロ
ーチャートを用いて説明する。

この発明では、制御同期ごとに、局所的な通信を行い、
隣接する制御装置間で機能分担する分散スケジューリン
グを行うことで、負荷を拡散させ會 でいるが、負荷分散が十分に進んでいない場合に故障が
発生すると、隣接する制御装置の処理余裕が足りない場
合が起こりつる。この欠点を解決するために、分散スケ
ジューリングにより機能分担した後、各制御装置で独立
にタスク実行モードの決定する自律スケジューリングを
行う。

また、タスク実行権を持つタスクの処理時間と分散スケ
ジューリングおよびプロセス情報の授受にががる時間の
合計を求め（ステップ５Ｔ１７）、制御周期の時間と比
較して、制御周期の方が短ければ優先度の低いタスクか
ら簡易モードとする。

全てのタスクが簡易モードになっても処理時間合計が制
御周期時間を越えていると、優先度の低いタスクから休
止モードに切替えて、タスク処理時間が制御周期時間を
下回るまで繰り返す（ステップ５Ｔ１９〜５Ｔ２０）。

そして、休止モードでないタスクのみを実行する（ステ
ップ５Ｔ２１）。

ここで、実行モードとは、制御周期ごとにタスクを実行
するモードで、簡易モードとは、例えばプロセス情報の
サンプリングを一回おきにしてタスクの実行間隔を長く
するモードであり、優先度の低いプラント監視や制御で
あれば、全体の機能維持への影響は少ない。また、休止
モードとは、タスクの実行を行わないモードである。

この自律スケジューリングにより、続けて多重故障が発
生したときなど一次的に負荷が集中した場合でも優先度
の高い機能が選択的に実行されるため、全体の主要機能
は可能な限り維持される。

しかも、局所的な負荷増大のために機能縮退が起きた場
合でも、前述した分散スケジューリングにより負荷が全
体に分散させて機能縮退は解消される。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、制御周期ごとに各制御
装置で、隣接する制御装置にタスク実行権を移動させる
局所的な通信を行い、負荷が同等になるように機能分担
を決定する分散スケジューリングを行うとともに、優先
度の低い機能を縮退させて負荷過剰を防ぎ、該制御周期
時間内に実行タスクを終了させる自律スケジューリング
を行うようにしたので、待機冗長系を各制御装置ごとに
用意する必要がなく、また、多重故障に対しても耐故障
性を向上させる協調分散制御システムが得られるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による協調分散制御システ
ムの構成を示すブロック図、第２図はこの発明の一実施
例による協調分散システムの故障時動作を説明する図、
第３図はこの発明の一実施例による協調分散制御システ
ムの動作を説明するフローチャート、第４図はこの発明
における各制御装置間の分散スケジューリングの動作を
説明するフローチャート、第５図はこの発明における各
制御装置の自律スケジューリングの動作を説明するフロ
ーチャート、第６図は第１の従来例としての分散制御シ
ステムの構成を示すブロック図、第７図は第２の従来例
としての分散制御システムの構成を示すブロック図であ
る。 図において、１３はプラント、１４は入出力部、ｔ５ａ
〜１５ｅは制御装置である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. プラントに接し、検出器及び操作器の制御情報を集積す
   る入出力部と、このプラントを制御する複数の制御装置
   と、このプラントの運転員と接する運転制御盤とを有し
   、故障制御装置の機能を他の制御装置に割合てて、該プ
   ラント制御の機能を維持する分散制御システムにおいて
   、前記各制御装置は、制御周期ごとに、隣接する制御装
   置間でタスク実行権を移動させる局所的な通信を行い、
   負荷が同等になるように機能分担を決定する分散スケジ
   ューリングを行うとともに、優先度の低い機能を縮退さ
   せて負荷過剰を防ぎ、該制御周期時間内に実行タスクを
   終了させる自律スケジューリングを行うことを特徴とす
   る協調分散制御システム。