JP6851273B2

JP6851273B2 - プラント監視制御装置

Info

Publication number: JP6851273B2
Application number: JP2017132764A
Authority: JP
Inventors: 大輝北岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: JP2019016143A

Description

この発明は、発電プラント等のプラント制御を行うプラント監視制御装置に関するものであり、特にプラント内で自立して制御することの出来る小規模な制御システムの構成に関するものである。

近年発電プラント等の計装制御向けの監視制御装置にはデジタル制御装置が適用されている。これらのデジタル制御装置は、制御対象機器の状態の監視、制御をおこなうＩＯ部と、制御ロジックの演算を行うＣＰＵ部から構成される。ＩＯ部の情報は集中制御を行うためにＣＰＵ部に集約される。そのため、制御規模に関わらず、ＣＰＵ部、ＩＯ部及びそれらを接続する中継機器が必要となり、制御規模の大小に関わらず、システム構成の変動は少ない。

このようなシステムとして従来、ＣＰＵカードおよびＩＯマスタカードを含む演算部と、ＩＯマスタカードに接続された入出力部とを備えた制御装置を複数個配置したディジタル式制御システムにおいて、複数個の制御装置の入出力部の数だけＩＯマスタカードを各演算部に配置し、この演算部が各制御装置の入出力部の全てをアクセスするようにしたものがあった（特許文献１参照）。

特開２００３−５８４３４号公報

小規模な制御システムにデジタル制御装置を適用する場合、従来のアナログ制御システムと比較して、システムの構成部品が多くなってしまう。従って故障率が増加し、信頼性の低下を招く。また、冗長化したシステム構成にすることにより設備規模は制御規模に比較して増大していた。
そこで従来の情報伝送方法を変更し、集中制御部を用いずに自立した制御システムを構成することで、複雑な制御を必要としない小規模なシステムを構成し、信頼性を向上することが必要となっている。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、小規模な制御システムを構成することにより、従来必要であったＣＰＵ部とＩＯ部とを繋ぐ中継装置を不要とし、更に内部配線を少なくすることが出来るプラント監視制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係るプラント監視制御装置は、制御対象機器からのデータを入力する入力部と、上記入力部から送られるデータに基づいて演算を行う演算部と、上記入力部又は上記演算部から送られるデータを出力する出力部と、上記入力部、上記出力部及び上記演算部を接続する共通のネットワークと、上記入力部と上記演算部の間、上記出力部と上記演算部の間、更には上記入力部と上記出力部の間の情報の伝送を指示するとともに、上記伝送の順序を管理するＩＯマスタ部を備えたものである。

上記のように構成されたプラント監視制御装置によれば、小規模な制御システムを構成することができるので、従来必要であったＣＰＵ部とＩＯ部とを繋ぐ中継装置を不要とし、更に内部配線を少なくすることが出来る。

実施の形態１によるプラント監視制御装置の構成を示すブロック構成図である。実施の形態１によるプラント監視制御装置の制御動作を示すブロック構成図である。ネットＩＤの各名称と接続情報を関連させ、演算の順序に応じて並べたものを示した表である。実施の形態１によるＩＯマスタがポーリングを実行する順序、及びそれに対応した各Ｎｏｄｅの応答を示す表である。実施の形態１による診断情報が付加された各Ｎｏｄｅの応答データを示す表である。実施の形態１によるＩＯマスタの動作を示すフローチャートである。実施の形態１による入力部の動作を示すフローチャートである。実施の形態１による演算部の動作を示すフローチャートである。実施の形態１による出力部の動作を示すフローチャートである。実施の形態２による動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１によるプラント監視制御装置を示すブロック構成図であり、プラントにおける小規模制御システムの構成例である。図１はハードウェア構成を示したものである。図１において、ＩＯマスタ１はネットワーク３０の通信制御を行うとともに、演算部２及びＩＯ部２１、２２、２３に情報を伝達する。演算部２は固定化した演算を実行する。本実施形態の場合はＡＮＤ演算を行う場合について示しているが他の演算でも構わない。ＩＯ部２１、２２、２３は入出力信号をネットワークに送受信する。ここでネットワーク３０に接続される機器をＮｏｄｅと定義する。図１ではＮｏｄｅ１はＩＯ部２１が該当し、Ｎｏｄｅ２は演算部２が該当し、Ｎｏｄｅ３はＩＯ部２２が該当し、Ｎｏｄｅ４はＩＯ部２３が該当する。ＩＯマスタ１は、自身の動作を監視し、更には故障時の切り替えを目的に冗長化されている。即ち制御系１１と監視系１２とからなる。ＩＯマスタ１の制御系１１は、ネットワーク３０の通信制御を実施する。監視系１２は制御系１１の制御状態を監視する。監視系１２が制御系１１の異常を検出した時、ネットワーク３０の通信制御を引き継ぎ、制御系１１に代わって次回は監視系１２が制御を実施する。

図２は、図１に示した各Ｎｏｄｅ１〜４をユーザー仕様に応じて配置及び接続した一例を示すブロック構成図であり、ソフトウェア構成を示したものである。各信号を接続した配線には、ネットＩＤと称する固有の名称（Ｎｅｔ１〜Ｎｅｔ４）を設ける。図２において、Ｎｏｄｅ１（ＩＯ部２１、入力部）、Ｎｏｄｅ３（ＩＯ部２２、入力部）には図示しない制御対象機器（発電プラントにおけるポンプ、弁等）からデータ（例えばＯＮ，ＯＦＦ信号、電流、電圧等）が送られる。Ｎｏｄｅ２（演算部２）においては、本例においてＡＮＤ演算が行われる。例えばＮｏｄｅ１、３から送られてきた信号が両方ともＯＮであればＯＮを出力し、あるいは電流であれば大きい方を出力する。そしてＮｏｄｅ２で演算されたデータはＮｏｄｅ４（ＩＯ部２３、出力部）に送られ、Ｎｏｄｅ４からデジタルデータとして出力される。又各Ｎｏｄｅには装置の信号ＩＤ（Ｎ１１、Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ２３、Ｎ３１、Ｎ３２、Ｎ４１、Ｎ４２）が設けられている。

図３は図２の接続例を元に、ネットＩＤの各名称と接続情報を関連させ、演算の順序に応じて並べたものを示した表である。各Ｎｏｄｅ１〜４には、定義したネットＩＤの名称（Ｎｅｔ１〜Ｎｅｔ４）のうち、該当する名称を動作前に予め記憶させ、ネットＩＤの名称である情報を受け取るだけで、あるＮｏｄｅから他のＮｏｄｅへデータを自動的に送れるようにする。図３について詳細に説明すると、実行順序１としてＮｅｔ１を定義し、Ｎｏｄｅ１の信号ＩＤであるＮ１１からＮｏｄｅ２の信号ＩＤであるＮ２１に情報を送信する。実行順序２としてＮｅｔ２を定義し、Ｎｏｄｅ３の信号ＩＤであるＮ３１からＮｏｄｅ２の信号ＩＤであるＮ２２に情報を送信する。実行順序３としてＮｅｔ３を定義し、Ｎｏｄｅ２の信号ＩＤであるＮ２３からＮｏｄｅ４の信号ＩＤであるＮ４１に情報を送信する。実行順序４としてＮｅｔ４を定義し、Ｎｏｄｅ３の信号ＩＤであるＮ３２からＮｏｄｅ４の信号ＩＤであるＮ４２に情報を送信する。即ちＮｅｔ４においてはＮｏｄｅ２を介さずＮｏｄｅ３からＮｏｄｅ４へ直接情報を送信するものである。

図４は、図３の順序にしたがって、ＩＯマスタ１がポーリング（複数の機器に対して順番に定期的に問い合わせること）を実行する順序、及びそれに対応した各Ｎｏｄｅの応答を示す表である。ＩＯマスタ１は通信順序とネットＩＤの種類と送信順番を予め記憶する。図４について詳細に説明すると、順序１において、ＩＯマスタ１はＮｏｄｅ１に対してポーリングを行い、Ｎｅｔ１の通信データを送る。順序２において、Ｎｏｄｅ１はＮｅｔ１によりＮｏｄｅ２に対してＮｏｄｅ１データ１（例えばＯＮ，ＯＦＦ信号）を送る。
順序３において、ＩＯマスタ１はＮｏｄｅ３に対してポーリングを行い、Ｎｅｔ２の通信データを送る。順序４において、Ｎｏｄｅ３はＮｅｔ２によりＮｏｄｅ２に対してＮｏｄｅ３データ１を送る。

順序５において、ＩＯマスタ１はＮｏｄｅ２に対してポーリングを行い、Ｎｅｔ３の通信データを送る。順序６において、Ｎｏｄｅ２はＮｅｔ３によりＮｏｄｅ４に対してＮｏｄｅ２データ３を送る。
順序７において、ＩＯマスタ１はＮｏｄｅ４に対してポーリングを行い、Ｎｅｔ３で送られたデータを出力するように指示する通信データを送る。順序８において、Ｎｏｄｅ４はＮｅｔ３で送られたデータを外部に送信する。
順序９において、ＩＯマスタ１はＮｏｄｅ３に対してポーリングを行い、Ｎｅｔ４の通信データを送る。順序１０において、Ｎｏｄｅ３はＮｅｔ４によりＮｏｄｅ４に対してＮｏｄｅ３データ２を送る。
順序１１において、ＩＯマスタ１はＮｏｄｅ４に対してポーリングを行い、Ｎｅｔ４で送られたデータを出力するように指示する通信データを送る。順序１２において、Ｎｏｄｅ４はＮｅｔ４で送られたデータを外部に送信する。

図５は図４において更に診断情報が付加された各Ｎｏｄｅの応答データを示す表である。図５に示すように、各Ｎｏｄｅの状態を監視するために、各Ｎｏｄｅは通信データに各Ｎｏｄｅの診断情報をセットし、ネットワーク３０を介して他の全装置に診断情報を送る。即ち各Ｎｏｄｅは入力したデータが健全であるかどうかを各自判断し、その診断情報をネットワーク３０を介して送られるのでＩＯマスタ１にも送られる。そしてＩＯマスタ１は、図５に示した全通信データを監視することで、配線単位のネットＩＤ毎に診断情報を得ることが可能となり、ＩＯマスタ１はその診断情報を元にして次の動作に進むかどうかを判断する。このようにＩＯマスタ１に警報通知機能を搭載することで、次に説明する図６に示すように、システムの状態をユーザーへ通知することができる（図６のステップＳ０９）。

図６はＩＯマスタ１の動作を示すフローチャートである。図４に示したＩＯマスタ１の動作順序に従って、各Ｎｏｄｅへポーリングを実行し（ステップＳ０１、Ｓ０３、Ｓ０５、Ｓ０７）、最後までポーリングを完了すると、最初の順番（図４の順序１）に戻り同じ動作を繰り返す。図６について詳しく説明すると、図４の順序１に示すように、ＩＯマスタ１はＮｏｄｅ１に対してポーリングを行い（ステップＳ０１）、Ｎｏｄｅ１は上記の通り、入力されたデータが健全であるかどうかを自分自身で判断し、この診断情報はネットワーク３０を介してＩＯマスタ１にも送られるので、ＩＯマスタ１は健全データを受信したかどうかを判断し（ステップＳ０２）、異常があると判断した場合はユーザーに対して故障通知警報を出す（ステップＳ０９）。以下Ｎｏｄｅ３、Ｎｏｄｅ２、Ｎｏｄｅ４に対しても同様に対処する（ステップＳ０３〜Ｓ０８）。

図７は、Ｎｏｄｅ１，３（ＩＯ部（Ｉｎｐｕｔ）２１、２２）の動作を示すフローチャートである。ＩＯマスタ１からのポーリング通信を受信（ステップＳ１１）した後（図４の順序１等）、ＩＯマスタ１から送られた受信データをチェックし、自己のＮｏｄｅ宛てのアドレスであるかどうかをチェックする（ステップＳ１２）。該当しない場合は、受信データを破棄し待機する（ステップＳ１３）。該当する場合は、該当するネットＩＤのデータ（ＯＮ、ＯＦＦ等の入力データ）をネットＩＤ名称（図２のＮｏｄｅ１ならＮｅｔ１）と共にネットワーク３０全体に送信する（ステップＳ１４）。ネットＩＤが複数ある場合は、続けて送信する。即ち図２においてはＮｏｄｅ１に対してネットＩＤはＮｅｔ１の１つだけであるが、複数存在する場合もあり、この場合は続けて送信するものである。

図８は、Ｎｏｄｅ２（演算部２）の動作を示すフローチャートである。ＩＯマスタ１からのポーリング通信を受信（ステップＳ２１）した後（図４の順序５）、ＩＯマスタ１からの受信データをチェックし、自己のＮｏｄｅ宛てのアドレスであることをチェックする（ステップＳ２２）。該当しない場合は、受信データを破棄し待機する（ステップＳ２３）。該当する場合、受信データを元に演算（例えばＡＮＤ演算）を実行し、結果を保存し（ステップＳ２４）、演算結果をネットＩＤ名称と共にネットワーク３０全体に送信する（ステップＳ２５）。ネットＩＤが複数ある場合（同時に演算される）は、続けて送信する。

図９は、Ｎｏｄｅ４（ＩＯ部（Ｏｕｔｐｕｔ）２３）の動作を示すフローチャートである。ＩＯマスタ１からのポーリング通信を受信（ステップＳ３１）した後（図４の順序７）、ＩＯマスタ１からの受信データをチェックし、自己のＮｏｄｅ宛てのアドレスであることをチェックする（ステップＳ３２）。該当しない場合は、受信データを破棄し待機する（ステップＳ３３）。該当する場合、受信データの内容に従って出力処理を実行する（ステップＳ３４、図４の順序８）。出力処理後、出力結果をネットＩＤ名称と共にネットワーク３０全体に送信する（ステップＳ３５）。ネットＩＤが複数ある場合（同時に複数のデータを出力した場合）は、続けて送信する。

以上のようにして、ＣＰＵ部が担う演算機能のうち、小規模な制御システムで必要な演算機能をもつ演算部２と、ＩＯ部２１〜２３を共通のネットワーク３０で接続するとともに、ＩＯ部２１〜２３と演算部２の間、又はＩＯ部とＩＯ部間の情報伝送を指示し、通信スケジュールを管理するＩＯマスタ１でシステムを構成したので、従来必要であったＣＰＵ部とＩＯ部とを繋ぐ中継装置を省略でき、小規模な自立制御システムが得られる。更にＣＰＵ部及びＩＯ部との中継装置を不要とすることで、制御システムを構成する装置の種類を減らすことができ、設備全体の規模を最小化することができる。そして同じ制御システムを構築する従来のアナログ制御システムと比較すると、内部配線を少なくすることが出来る。また、小規模システムに見合うようハードウェア物量を低減することができ、初期コストや保守コストを低減することができる。
更に通信データを識別するために定義する識別記号（ネットＩＤ）は、制限なく多数定義できるので、ユーザーの設計環境を活用して新たな環境構築にかかる費用を抑制できる。

実施の形態２．
図１０は実施の形態２による動作を示すフローチャートであり、冗長化されたＩＯマスタ１の監視、及び故障時の制御切り替えの動作を示したものである。通常時ＩＯマスタ１の１つは図６に示すように、予め決められた順番に各Ｎｏｄｅ１〜４へポーリングを実行する（これを制御系１１と呼ぶ）。冗長化されたＩＯマスタ１のうち通信制御を行わないものは、制御系１１の動作を監視する（これを監視系１２と呼ぶ）。制御系１１、監視系１２共に通信順序とネットＩＤの種類と送信順番を予め記憶する（図４参照）。制御系１１は図６に示すように、決められた順番に各Ｎｏｄｅ１〜４へポーリングを実行し、監視系１２は制御系１１からのポーリングデータを受信し（ステップＳ１００）、順序及び内容が正しいか、自身の設定と比較し監視する（ステップＳ１０１）。

受信データが異常であった場合、連続で受信データが異常となった回数をカウントする（ステップＳ１０２）。そして初めて異常データを検知した場合は、制御系１１にリトライ通知を送信し（ステップＳ１０３）、制御系１１にポーリングを再度最初から実行させる（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０２において連続で２回受信データが異常となった場合は、制御系１１に故障通知し（ステップＳ１０５）、ポーリングの実行を停止させる。又制御系１１が故障したことをユーザーへ通知する（ステップＳ１０６）。その後監視系１２が制御系１１となり、各Ｎｏｄｅへのポーリングを最初から再開する（ステップＳ１０７）。
尚上述したシステム構成や制御ロジックは、本発明の内容を説明するための一例であり、システム構成や制御ロジックはこれに限られるわけではない。
更に本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ＩＯマスタ部、２演算部、１１制御系、１２監視系、２１，２２入力部、２３出力部。

Claims

制御対象機器からのデータを入力する入力部と、
上記入力部から送られるデータに基づいて演算を行う演算部と、
上記入力部又は上記演算部から送られるデータを出力する出力部と、
上記入力部、上記出力部及び上記演算部を接続する共通のネットワークと、
上記入力部と上記演算部の間、上記出力部と上記演算部の間、更には上記入力部と上記出力部の間の情報の伝送を指示するとともに、上記伝送の順序を管理するＩＯマスタ部を備えたことを特徴とするプラント監視制御装置。
上記入力部、上記出力部及び上記演算部には装置の信号ＩＤが設けられるとともに上記各信号ＩＤの接続部分にはネットＩＤと称する固有の名称を設け、
上記ＩＯマスタ部は通信順序と上記ネットＩＤの種類と送信順番を予め記憶するとともに上記入力部、上記出力部及び上記演算部に上記ネットＩＤの通信データを送り、
上記入力部、上記出力部及び上記演算部は上記通信データに基づき上記入力部、上記出力部及び上記演算部の各データを送信する請求項１記載のプラント監視制御装置。
上記入力部、上記出力部及び上記演算部は入力したデータが健全であるか否かを判断するとともに、判断結果である診断情報を上記ＩＯマスタ部に送信し、上記ＩＯマスタ部は上記診断情報に基づき異常があると判断した場合はユーザーに対し故障通知警報を出すことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプラント監視制御装置。
上記ＩＯマスタ部は制御系と監視系とからなり、上記監視系は上記制御系による通信制御の異常を検出したとき上記監視系が上記制御系に切り替わることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラント監視制御装置。