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JP5954338B2 - 計装システム及びその保守方法 - Google Patents

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Description

本発明は、計装システム及びその保守方法に関する。
プラントや工場等に構築される計装システムは、概してフィールド機器と呼ばれる現場機器(測定器、操作器)と、これらの動作を制御するコントローラと、フィールド機器及びコントローラの管理や制御を行う上位装置とが通信手段を介して接続された構成である。このような計装システムでは、フィールド機器で得られたプロセス値(例えば、圧力、温度、流量等の測定値)がコントローラに収集され、収集されたプロセス値に応じたフィールド機器の制御が上位装置の管理の下でコントローラにより行われる。
ここで、計装システムで用いられるフィールド機器は、測定対象及び操作対象に応じて様々な種類のものが存在し、入出力される信号の信号形式も多様である。例えば、「4〜20mA」信号等のアナログ信号の入出力を行うもの、「24V」のディジタル信号の入出力を行うもの、熱電対信号の出力を行うもの、接点信号の入出力を行うもの等が存在する。このため、フィールド機器は、信号変換やプロトコル変換を行うI/Oモジュールを介してコントローラに接続されるのが一般的である。
上記のI/Oモジュールは、フィールド機器に対して1対1で接続されるもの(点毎タイプ)と、複数のチャネルを備えていてチャネル毎にフィールド機器を接続可能なもの(多点タイプ)とに大別される。点毎タイプのI/Oモジュールは、フィールド機器に1対1で接続されるため、保守が容易であるものの、設置場所(フットプリント)が必要になり製造コストが高くなる。これに対し、多点タイプのI/Oモジュールは、複数のフィールド機器を接続可能であるため、設置場所や製造コストを削減できるものの、保守が困難になることがある。
以下の特許文献1には、従来のI/Oモジュールの一例が開示されている。具体的に、以下の特許文献1に開示されたI/Oモジュールは、故障による停止の影響を少なくするために、二重化(冗長化)されて用いられるものである。このように、I/Oモジュールを冗長化することで、一方のI/Oモジュールが故障したとしても、他方のI/Oモジュールによって動作(制御ループの動作)が継続されるため、信頼性を向上させることができる。
特開2001−100816号公報
ところで、上述したI/Oモジュールは、上記の特許文献1に開示された通りに冗長化された構成(冗長化構成)で用いることも、冗長化されない構成(非冗長化構成:シングル構成)で用いることも可能である。I/Oモジュールを、冗長化構成で用いるか、或いはシングル構成で用いるかは、そのI/Oモジュールの故障がプロセスに与える影響の大きさを考慮して決定される。
ここで、I/Oモジュールが冗長化構成で用いられる場合には、I/Oモジュールが点毎タイプ及び多点タイプの何れであっても、一方のI/Oモジュールに故障が生じた場合には、他方のI/Oモジュールにより動作が継続される。このため、冗長化構成のI/Oモジュールの双方が同時に故障しない限り、計装システム全体の稼働率が大幅に低下することは無いと考えられる。
しかしながら、多点タイプのI/Oモジュールをシングル構成で用いる場合において、I/Oモジュールに故障が生じたときには、故障が生じたI/Oモジュールを交換する作業を行う必要がある。すると、I/Oモジュールの故障が1チャネルのみの故障であったとしても、正常なチャネルを介した制御ループの動作も停止させる必要があるため、計装システム全体の稼働率が低下してしまうという問題がある。
また、シングル構成で用いられる多点タイプのI/Oモジュールを交換する際には、故障が生じていない正常なチャネルを介した制御ループの動作を停止させることによってプロセスに悪影響が無いか、或いはその悪影響の拡散を予防するために必要な作業は何か等を事前に把握する事前作業を行う必要がある。このように、I/Oモジュールの交換を行う際には、上記の事前作業が必要になることから、保守性が低下してしまうという問題もある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、多点タイプのI/Oモジュールを非冗長化構成で用いる場合であっても、稼働率及び保守性の低下を防止することが可能な計装システム及びその保守方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、計装システムは、測定対象の測定及び操作対象の操作の少なくとも一方を行うフィールド機器(11)を複数備える計装システム(1、2)において、複数の前記フィールド機器を接続可能なI/Oモジュール(20)が装着される複数のスロット(SL1)を有する接続装置(13、13a)と、前記接続装置のスロットに装着された前記I/Oモジュールを冗長化構成にするか或いは非冗長化構成にするかを個別に設定可能であり、前記接続装置のスロットに装着された前記I/Oモジュールのうち、非冗長化構成にする設定がなされている前記I/Oモジュールを擬似的な冗長化構成で動作させる上位制御装置(14、30)とを備えることを特徴としている。
また、本発明の計装システムは、擬似的な冗長化構成で動作している前記I/Oモジュールが、交換が必要になった場合に、前記接続装置のスロットに装着された新たなI/Oモジュールと冗長化されることを特徴としている。
また、本発明の計装システムは、前記上位制御装置が、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールが冗長化された場合に、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールの制御権を前記新たなI/Oモジュールに移行することを特徴としている。
また、本発明の計装システムは、前記上位制御装置が、前記制御権の移行を行う前に、前記新たなI/Oモジュールに対し、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールと同等の機能にする設定を行うことを特徴としている。
また、本発明の計装システムは、前記上位制御装置が、少なくとも非冗長化構成にする設定がなされている前記I/Oモジュールの交換が必要になったときに、交換が必要になった前記I/Oモジュールを擬似的な冗長化構成で動作させることを特徴としている。
また、本発明の計装システムは、前記上位制御装置が、前記接続装置のスロットに装着された前記I/Oモジュールを冗長化構成にするか或いは非冗長化構成にするかを個別に設定可能な上位装置(14)と、前記フィールド機器の制御を行うとともに、前記接続装置のスロットに装着された前記I/Oモジュールのうち、前記上位装置によって非冗長化構成にする設定がなされている前記I/Oモジュールを擬似的な冗長化構成で動作させる制御装置(30)とを備えることを特徴としている。
また、本発明の計装システムは、前記制御装置が、擬似的な冗長化構成で動作している前記I/Oモジュールから前記上位装置に向けて送信される異常を示す前記健全性情報をマスクすることを特徴としている。
本発明の計装システムの保守方法は、測定対象の測定及び操作対象の操作の少なくとも一方を行うフィールド機器(11)を複数備える計装システム(1、2)の保守方法であって、複数の前記フィールド機器を接続可能なI/Oモジュール(20)が装着される複数のスロット(SL1)を有する接続装置(13、13a)に装着された前記I/Oモジュールのうち、非冗長化構成にする設定がなされている前記I/Oモジュールを擬似的な冗長化構成で動作させる第1ステップと、擬似的な冗長化構成で動作している前記I/Oモジュールの交換が必要になったときに、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールと、前記接続装置のスロットに装着された新たなI/Oモジュールとを冗長化させる第2ステップと、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールの制御権を前記新たなI/Oモジュールに移行する第3ステップとを有することを特徴としている。
本発明によれば、接続装置のスロットに装着されたI/Oモジュールのうち、非冗長化構成にする設定がなされているI/Oモジュールを擬似的な冗長化構成で動作させるようにしており、新たなI/Oモジュールが装着された場合に冗長化させることが可能であるため、多点タイプのI/Oモジュールを非冗長化構成で用いる場合であっても、稼働率及び保守性の低下を防止することが可能であるという効果がある。
本発明の第1実施形態による計装システムの構成を示す図である。 本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュールの内部構成を示すブロック図である。 本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュール及びコントローラの要部構成を示す図である。 本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュールの交換手順を示すフローチャートである。 本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュールの交換時の作業状態を示す図である。 本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュールの交換時における制御権切替管理部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第2実施形態による計装システムの構成を示す図である。 本発明の第2実施形態におけるI/Oモジュールの状態表示例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態による計装システム及びその保守方法について詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態による計装システムの構成を示す図である。図1に示す通り、本実施形態の計装システム1は、フィールド機器11、ターミナルボード12、接続制御ユニット13(接続装置)、及び監視装置14(上位制御装置、上位装置)を備えており、監視装置14の監視の下で接続制御ユニット13がフィールド機器11を制御することによって、プラントや工場等(以下、これらを総称する場合には、単に「プラント」という)で実現されるプロセスの制御を行う。
フィールド機器11は、プラントの現場に設置され、プロセスの制御のために必要となる測定対象の測定及び操作対象の操作の少なくとも一方を行う。具体的に、フィールド機器11は、例えば流量計や温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、プラント内の状況や対象物を撮影するカメラやビデオ等の撮像機器、プラント内の異音等を収集したり警報音等を発したりするマイクやスピーカ等の音響機器、各機器の位置情報を出力する位置検出機器、その他の機器である。これらフィールド機器11は、フィールドケーブルCB1を介してターミナルボード12に接続される。尚、フィールドケーブルCB1は、2線以上のケーブルから成り、単数の通信リンクを伝送するものである。
ターミナルボード12は、フィールド機器11に接続されるフィールドケーブルCB1を集線して接続制御ユニット13に接続するための集線装置である。このターミナルボード12は、フィールドケーブルCB1を接続可能な複数のコネクタC1と、接続制御ユニット13のI/Oモジュール20(詳細は後述する)に接続されるターミナルボード用ケーブルCB2を接続可能な2つのコネクタC2,C3とを備える。尚、ターミナルボード用ケーブルCB2は、複数の通信リンクを伝送可能なケーブルである。
フィールドケーブルCB1が接続される複数のコネクタC1は、コネクタC2にターミナルボード用ケーブルCB2が接続された場合には、ターミナルボード用ケーブルCB2をなす個々のケーブルとそれぞれ電気的に接続され、コネクタC3にターミナルボード用ケーブルCB2が接続された場合には、ターミナルボード用ケーブルCB2をなす個々のケーブルとそれぞれ電気的に接続される。つまり、ターミナルボード12は、コネクタC1に接続される複数のフィールドケーブルCB1(各フィールド機器11に接続される1チャネル分のフィールドケーブルCB1)を、コネクタC2,C3に接続されるターミナルボード用ケーブルCB2(I/Oモジュール20に接続される複数チャネル分のターミナルボード用ケーブルCB2)に集線する集線装置ということができる。
ここで、詳細は後述するが、接続制御ユニット13に設けられるI/Oモジュール20は、冗長化された構成(冗長化構成)で用いられ、或いは冗長化されない構成(非冗長化構成:シングル構成)で用いられる。冗長化構成のI/Oモジュール20がターミナルボード12に接続される場合には、冗長化された一方のI/Oモジュール20がターミナルボード用ケーブルCB2を介してコネクタC2に接続されるとともに、冗長化された他方のI/Oモジュール20が別のターミナルボード用ケーブルCB2を介してコネクタC3に接続される。
これに対し、シングル構成のI/Oモジュール20がターミナルボード12に接続される場合には、図1に示す通り、シングル構成のI/Oモジュール20は、コネクタC2,C3の何れか一方(図1に示す例ではコネクタC2)にのみ接続される。尚、かかる場合には、図1に示す通り、コネクタC2,C3の何れか他方(図1に示す例ではコネクタC3)は使用されない。
接続制御ユニット13は、バックボードB、I/Oモジュール20、及びコントローラ30(上位制御装置、制御装置)を備えており、フィールド機器11との間で授受される信号の処理を行うとともに、監視装置14の監視の下でフィールド機器11の制御を行う。尚、図1に示す接続制御ユニット13は、最大で8個のI/Oモジュール20と2個のコントローラ30とをバックボードBに装着可能なものである。尚、バックボードBに装着可能なI/Oモジュール20の最大数は8個よりも少なくても多くても良く、また、バックボードBに装着可能なコントローラ30は、1つのみ若しくは3つ以上であっても良い。
バックボードBは、I/Oモジュール20を装着可能な複数のスロットSL1(図1に示す例では8個のスロットSL1)と、コントローラ30を装着可能な複数のスロットSL2(図1に示す例では2個のスロットSL2)とを備える基板である。尚、図1では、バックボードBに設けられた8個のスロットSL1のうちの7個のスロットにI/Oモジュール20(20a〜20g)が装着されており、2個のスロットSL2の全てにコントローラ30(30a,30b)が装着されている状態を図示している。
ここで、バックボードBに設けられた複数のスロットSL1のうち、少なくとも1つのスロットSL1は空き状態(空きスロット)とされる。これは、シングル構成のI/Oモジュール20に故障等の異常が生じて交換が必要になった場合に、計装システム1の稼働率及び保守性を低下させることなく、異常が生じたシングル構成のI/Oモジュール20の交換を可能にするためである。
また、バックボードBには、スロットSL1に装着されるI/Oモジュール20及びスロットSL2に装着されるコントローラ30を電気的に接続し、これらの間の通信を可能にする通信線Lが設けられている。尚、この通信線Lは、信頼性を高めるために冗長化されている。つまり、スロットSL1に装着されるI/Oモジュール20及びスロットSL2に装着されるコントローラ30は、2本の通信線を介して電気的に接続される。
I/Oモジュール20は、ターミナルボード12を介して複数のフィールド機器11が接続可能であり、バックボードBに設けられた通信線Lを介してコントローラ30に接続され、接続されたフィールド機器11とコントローラ30との間で入出力される信号の処理(信号変換やプロトコル変換)を行う。このI/Oモジュール20は、複数のフィールド機器11をコントローラ30に接続し、フィールド機器11で入出力される信号とコントローラ30で入出力される信号との中継を行うモジュールであるということもできる。
I/Oモジュール20は、監視装置14によって冗長化構成或いはシングル構成に設定される。冗長化構成のI/Oモジュール20は、2つ(例えば、I/Oモジュール20f,20g)が対とされ、対とされた一方(例えば、I/Oモジュール20f)が制御側にされ、他方(例えば、I/Oモジュール20g)が待機側にされる。これに対し、シングル構成のI/Oモジュール20は、冗長化構成のように対とされることはなく、コントローラ30の制御の下でそれぞれ個別に動作する。
本実施形態では、説明を簡単にするために、監視装置14によって接続制御ユニット13に装着されたI/Oモジュール20の全て(I/Oモジュール20a〜20g)がシングル構成に設定されているとする。尚、詳細は後述するが、監視装置14によってI/Oモジュール20a〜20gがシングル構成に設定されていたとしても、これらI/Oモジュール20a〜20gは、コントローラ30によって擬似的な冗長化構成で動作するようにされる。
図2は、本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュールの内部構成を示すブロック図である。図2に示す通り、I/Oモジュール20は、共通回路部21と複数のチャネル部22とを備える。尚、図2に示すI/Oモジュール20は、8個のチャネル部22を備える8チャネルのI/Oモジュールであるが、I/Oモジュール20に設けられるチャネル部22の数(チャネル数)は任意である。例えば、I/Oモジュール20は、4個のチャネル部22を備える4チャネルのI/Oモジュールであっても良く、16個のチャネル部22を備える16チャネルのI/Oモジュールであっても良い。
共通回路部21は、バックボードBに形成された通信線Lに接続され、通信線Lからの信号をチャネル部22の何れかに出力するとともに、チャネル部22からの信号を通信線Lに出力する。つまり、共通回路部21は、通信線Lを介して送受信される信号と、複数のチャネル部22で入出力される信号とを中継する。また、共通回路部21は、監視装置14の設定に応じて、I/Oモジュール20を冗長化構成で動作させ、或いはシングル構成(擬似的な冗長化構成)で動作させる。尚、前述の通り、バックボードBに形成された通信線Lは冗長化されているが、図2においては図示を簡略化している。
チャネル部22は、ターミナルボード用ケーブルCB2をなす個々のケーブルに接続され、各々がフィールド機器11と1対1で接続される。このチャネル部22には、接続されるフィールド機器11の種類(フィールド機器11で入出力される信号の種類)に応じた処理回路が設けられる。例えば、「4〜20mA」信号等のアナログ信号を出力するフィールド機器11が接続されるチャネル部22には、アナログ信号をディジタル信号に変換する変換回路が上記の処理回路として設けられる。また、電磁弁を備えるフィールド機器11が接続されるチャネル部22には、絶縁回路や電圧変換回路が上記の処理回路として設けられる。
ここで、チャネル部22には、上記の処理回路に代えてユニバーサル回路が設けられていても良い。ユニバーサル回路とは、例えば米国特許第8392626号明細書等に示されており、フィールド機器11からのアナログ信号の入力、フィールド機器11へのアナログ信号の出力、フィールド機器11からのディジタル信号の入力、及びフィールド機器11へのディジタル信号の出力を行うことが可能である。尚、ユニバーサル回路に上記の入出力の何れを行わせるかは、例えばコントローラ30の制御によって設定される。本実施形態では、I/Oモジュール20のチャネル部22には、ユニバーサル回路が設けられているとする。
コントローラ30は、監視装置14の監視の下でフィールド機器11の制御を行う。具体的に、コントローラ30は、あるフィールド機器11(例えば、センサ機器)からの測定データを収集し、他のフィールド機器11(例えば、バルブ機器)を制御する制御データを演算して他のフィールド機器11(例えば、バルブ機器)に送信する処理を行う。ここで、接続制御ユニット13に設けられた2つのコントローラ30(30a,30b)は、信頼性を向上させるために冗長化されている。例えば、コントローラ30aが制御側とされ、コントローラ30bが待機側とされている。
また、コントローラ30は、接続制御ユニット13のスロットSL1に装着されているI/Oモジュール20のうち、監視装置14によってシングル構成に設定されたI/Oモジュール20を擬似的な冗長化構成で動作させる。ここで、擬似的な冗長化構成とは、冗長化されるべきI/Oモジュールが定まっていない状態で、I/Oモジュール20を冗長化構成の制御側として動作させる構成をいう。
つまり、本来の冗長化構成では、対にされるI/Oモジュール20が予め定まっており、制御側のI/Oモジュール20は、故障等の異常が生じない限り、待機側のI/Oモジュール20と対となって動作する。これに対し、擬似的な冗長化構成とされたI/Oモジュール20は、対となるI/Oモジュールが存在しないことを前提として動作する。尚、擬似的な冗長化構成で動作しているI/Oモジュールは、故障等の異常が生じて交換が必要になった場合に、接続制御ユニット13のスロットSL1に装着された新たなI/Oモジュールと冗長化される。
ここで、シングル構成に設定されたI/Oモジュール20を擬似的な冗長化構成にする必要があるのは、故障等の異常が生じてそのI/Oモジュール20の交換が必要になったときである。このため、コントローラ30は、少なくともシングル構成に設定されたI/Oモジュール20の交換が必要になったときに、そのI/Oモジュール20を擬似的な冗長化構成で動作させる。尚、本実施形態では、説明を簡単にするために、コントローラ30は、監視装置14でI/Oモジュール20の全て(I/Oモジュール20a〜20g)をシングル構成にする設定が行われた直後に、これらの全てを擬似的な冗長構成で動作させるものとする。
図3は、本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュール及びコントローラの要部構成を示す図である。図3に示す通り、I/Oモジュール20は、バックボード通信部21a、制御権切替部21b、及び自己診断部21cを備える。これらバックボード通信部21a〜自己診断部21cは、図2に示す共通回路部21の内部に設けられていても、共通回路部21の外部に設けられていても良い。尚、図3においても、図2と同様に、バックボードBに形成された通信線Lを簡略化して図示している。
バックボード通信部21aは、バックボードBに設けられた通信線Lを介した各種信号の送受信を行う。具体的に、バックボード通信部21aは、通信線Lを介して送信されてくるコントローラ30からの設定データD1を受信して制御権切替部21bに出力するとともに、制御権切替部21bから出力される冗長化状態データD2及び自己診断部21cから出力される自己診断データD3を、通信線Lを介して他のI/Oモジュール20或いはコントローラ30に送信する。
ここで、上記の設定データD1は、I/Oモジュール20の構成(冗長化構成、擬似的な冗長化構成、或いはシングル構成)や、フィールド機器11との間で授受する信号の種類及び各種パラメータ等を設定するためのデータである。また、上記の冗長化状態データD2は、I/Oモジュール20が冗長化構成で動作する場合、或いは擬似的な冗長化構成で動作する場合の状態を示すデータであり、自モジュールが制御権を有するか否かを示す制御権情報と、待機側のI/Oモジュールの異常の有無を示す健全性情報とを含む。また、上記の自己診断データD3は、自己診断部21cで行われる自己診断の結果を示す情報である。制御権切替部21bは、自己診断データD3を入力として、ペアとなるI/Oモジュールに通知するための自身の異常の有無を示す情報を生成する。この情報は、冗長化状態データD2に含まれる。
尚、擬似的な冗長化構成で動作しているI/Oモジュール20は待機側のI/Oモジュールが存在しないため、上記の冗長化状態データD2に含まれる健全性情報は異常となる。また、上記の設定データD1、冗長化状態データD2、及び自己診断データD3は、基本的にはバックボードBに設けられた通信線Lを介して授受されるが、冗長化状態データD2に含まれる制御権情報及び健全性情報は、通信線Lとは別にバックボードBに設けられた専用線L1を介して授受されるようにしても良い。
制御権切替部21bは、設定データD1によって冗長化構成、或いは擬似的な冗長化構成で動作するように設定された場合に、コントローラ30の管理の下で、制御側となるか待機側となるかを規定する制御権の切り替えを行う。例えば、制御権切替部21bは、擬似的な冗長化構成で正常に動作している場合には制御権を取得しており、故障等の異常が生じた場合にはスロットSL1(空きスロット)に装着される新たなI/Oモジュール(図3中のI/Oモジュール20h)に対して制御権を移行する。また、制御権切替部21bは、冗長化の状態に応じて上記の冗長化状態データD2を出力する。
具体的に、制御権切替部21bは、まず自己診断部21cからの自己診断データD3に基づいて、自モジュールが制御を継続できる程度に健全であるか否かを判断して前述した健全性情報を生成する。次に、制御権切替部21bは、自モジュールの健全性情報及び他のI/Oモジュール(例えば、図3中のI/Oモジュール20h)の健全性情報及び設定データから制御権の切り替えが可能であるか否かを判断する。そして、制御権の切り替えが可能であると判断した場合に、制御権切替部21bは、他のI/Oモジュール(例えば、図3中のI/Oモジュール20h)に制御権を移行する。
自己診断部21cは、自モジュールの状態が正常であるか否かを診断し、その診断結果を示す自己診断データD3をバックボード通信部21a及び制御権切替部21bに出力する。尚、自己診断部21cから出力される自己診断データD3は、上述の通り、自モジュール内で用いられるだけではなく、他のI/Oモジュールで用いられることもある。
コントローラ30は、バックボード通信部31a、制御権切替管理部31b、及び制御通信部31cを備える。バックボード通信部31aは、I/Oモジュール20のバックボード通信部21aと同様に、バックボードBに設けられた通信線Lを介した各種信号の送受信を行う。具体的に、バックボード通信部31aは、制御権切替管理部31bから出力される設定データD1を、通信線Lを介してI/Oモジュール20に送信し、通信線Lを介して送信されてくる冗長化状態データD2及び自己診断データD3を受信して制御権切替管理部31bに出力する。
制御権切替管理部31bは、監視装置14から送信されてくる設定データを必要に応じて変換する。具体的には、監視装置14からの設定データがI/Oモジュール20をシングル構成にするものである場合に、その設定データを擬似的な冗長化構成にする変換を行う。また、制御権切替管理部31bは、I/Oモジュール20から送信されてくる冗長化状態データD2を参照してI/Oモジュール20間で行われる制御権の切り替えを管理するとともに、I/Oモジュール20から送信されてくる自己診断データD3を受信してI/Oモジュール20の状態を把握する。制御通信部31cは、監視装置14との間で通信を行う。
ここで、I/Oモジュール20が擬似的な冗長化構成で動作している場合には、待機側のI/Oモジュールが存在しないため、冗長化状態データD2に含まれる健全性情報は異常となる。この健全性情報が監視装置14に向けて送信されると、待機側のI/Oモジュールの異常を示す健全性情報がシングル構成のI/Oモジュールから送信されてきたこととなり、監視装置14を利用している保守作業員が混乱する可能性がある。このような事態を避けるため、制御権切替管理部31bは、擬似的な冗長化構成で動作しているI/Oモジュール20から送信されてくる健全性情報をマスクして、監視装置14に送信されるのを防止する。
監視装置14は、例えばプラントの運転員によって操作され、プロセスの監視や各種設定(フィールド機器11及びI/Oモジュール20の設定)のために用いられる装置である。具体的に、監視装置14は、フィールド機器11の入出力データをコントローラ30から取得して表示を行う。そして、監視装置14は、運転員の必要に応じた操作によって入力された指示に応じてフィールド機器11の操作を行う。
また、監視装置14は、プラントの運転員の指示に基づいて、接続制御ユニット13に装着されたI/Oモジュール20を冗長化構成にするか、或いは非冗長化構成にするかを個別に設定可能である。尚、本実施形態では、上述の通り、接続制御ユニット13に装着された全てのI/Oモジュール20は、シングル構成にする設定がなされているものとする。また、監視装置14は、プラントの運転員の指示に基づいて、I/Oモジュール20のチャネル部22(図2参照)に設けられたユニバーサル回路の設定も可能である。つまり、監視装置14は、接続制御ユニット13に装着された新たなI/Oモジュール(図3中のI/Oモジュール20h)に対し、交換が必要になったI/Oモジュール20(擬似的な冗長化構成で動作していたI/Oモジュール20)と同等の機能にする設定を行うことが可能である。
次に、上記構成における計装システム1において、監視装置14によってシングル構成に設定されたI/Oモジュール20を交換する手順について説明する。図4は、本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュールの交換手順を示すフローチャートである。また、図5は、本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュールの交換時の作業状態を示す図である。
尚、以下では、接続制御ユニット13のバックボードBに装着されたI/Oユニット20(20a〜20g)のうち、I/Oモジュール20cに故障が生じたものとして説明する。また、I/Oモジュール20cに故障が生ずる前の初期状態では、図5(a)に示す通り、I/Oモジュール20a〜20dと、4つのターミナルボード12のコネクタC2とがターミナルボード用ケーブルCB2によってそれぞれ接続されているものとする。
I/Oモジュール20cを交換するための作業が開始されると、まず接続制御ユニット13のバックボードBに設けられたスロットSL1(空きスロット)に新たなI/Oモジュール20(図3中のI/Oモジュール20h)を装着する作業が行われる(ステップS1)。尚、図5(a)に示す例では、バックボードBに設けられたスロットSL1のうちの、最も左側に位置するスロットSL1(I/Oモジュール20gが装着されているスロットの左側のスロット)に、新たなI/Oモジュール20hが装着される。
次に、新たなI/Oモジュール20hとターミナルボード12とを接続する作業が行われる(ステップS2)。具体的には、図5(b)に示す通り、新たなI/Oモジュール20hと、交換が必要になったI/Oモジュール20cに接続されているターミナルボード12のコネクタC3とを、ターミナルボード用ケーブルCB2を用いて接続する作業が行われる。
続いて、監視装置14を用いたI/Oモジュール20hに対する設定作業が行われる(ステップS3)。具体的には、I/Oモジュール20hのチャネル部22(図2参照)に設けられたユニバーサル回路を、そのチャネル部22に接続されたフィールド機器11の種類に応じて設定する作業が行われる。つまり、新たなI/Oモジュール20hを、交換が必要になったI/Oモジュール20cと同等の機能する設定が行われる。
以上の設定作業が完了すると、交換が必要になったI/Oモジュール20cと、I/Oモジュール20cに接続されていたターミナルボード用ケーブルCB2とを取り外す作業が行われる(ステップS4)。これにより、図5(c)に示す通り、I/Oモジュール20cが装着されていたスロットSL1が空きスロットになり、I/Oモジュール20cが接続されていたターミナルボード12には、新たなI/Oモジュール20hのみが接続された状態になる。これより、I/Oモジュール20cの交換作業が完了する。
次に、上述した交換作業が行われている最中におけるコントローラ30の制御権切替管理部31bで行われる動作について説明する。図6は、本発明の第1実施形態におけるI/Oモジュールの交換時における制御権切替管理部の動作を示すフローチャートである。尚、図6に示すフローチャートは、故障が生じた旨を示す自己診断データD3がI/Oモジュール20cから送信され、この自己診断データD3がコントローラ30で受信されたときに開始される。
尚、コントローラ30の制御権切替管理部31bは、I/Oモジュール20cをシングル構成にする設定データが監視装置14から送信されてきた場合には、この設定データを擬似的な冗長化構成にする変換を行って設定データD1としてI/Oモジュール20cに送信する処理を行う。これにより、制御権切替管理部31bは、監視装置14によってシングル構成に設定されたI/Oモジュール20cを、予め擬似的な冗長化構成で動作させる(第1ステップ)。
図6に示すフローチャートの処理が開始されると、制御権切替管理部31bは、まず、故障が生じたI/Oモジュール20cから送信されてくる冗長化状態データD2を参照し、冗長化されるべき待機側のI/Oモジュール20(図3中のI/Oモジュール20h)が健全であるか否かを判断する(ステップS11)。ここで、故障が生じた時点では、冗長化されるべき待機側のI/Oモジュール20(図3中のI/Oモジュール20h)は接続制御ユニット13に装着されておらず、冗長化状態データD2に含まれる健全性情報は異常となるため、ステップS11の判断結果は「NO」になる。
ステップS11の判断結果が「NO」になると、I/Oモジュール20cから送信されてきた健全性情報(異常を示す健全性情報)をマスクする処理が制御権切替管理部31bで行われる(ステップS12)。かかる処理が行われると、I/Oモジュール20cから送信されてきた健全性情報は、コントローラ30の制御権切替管理部31bにおいて破棄されるため、監視装置14に送信されることはない。尚、冗長化されるべき待機側のI/Oモジュール20(図3中のI/Oモジュール20h)が接続制御ユニット13に装着されるまで、ステップS11,S12の処理が繰り返される。
図4に示すステップS1の作業により、新たなI/Oモジュール20(図3中のI/Oモジュール20h)が接続制御ユニット13に装着されると、故障が生じたI/Oモジュール20cと新たなI/Oモジュール20hとの間で各種情報のやりとりが行われ、故障が生じたI/Oモジュール20cと新たなI/Oモジュール20hとが冗長化される(第2ステップ)。すると、I/Oモジュール20cから送信される冗長化状態データD2に含まれる健全性情報は健全を示すものとなる。
この冗長化状態データD2がコントローラ30で受信されると、制御権切替管理部31bは、I/Oモジュール20cの待機側が健全であると判断し、これによりステップS11の判断結果は「YES」になる。すると、故障が生じたI/Oモジュール20cに対し、健全な待機側(新たなI/Oモジュール20h)が装着された旨を監視装置14に通知する処理が制御権切替管理部31bで行われる(ステップS13)。
以上の処理が終了すると、新たなI/Oモジュール20hから送信される冗長化状態データD2或いは自己診断データD3を参照し、待機側(新たなI/Oモジュール20h)の設定が適切に行われたか否かが制御権切替管理部31bで判断される(ステップS14)。図4に示すステップS2,S3の作業が行われていない場合、或いはステップS2,S3の作業が行われたものの、新たなI/Oモジュール20hに対する設定が不適切な場合には、ステップS14の判断結果は「NO」になる。
これに対し、新たなI/Oモジュール20hに対する設定が適切になされた場合には、ステップS14の判断結果が「YES」になる。すると、I/Oモジュール20c,20hから送信されてくる冗長化状態データD2を参照して、故障が生じたI/Oモジュール20cの制御権が、待機側の新たなI/Oモジュール20hに移行されたか否かが制御権切替管理部31bで判断される(ステップS15)。
故障が生じたI/Oモジュール20cの制御権が、待機側の新たなI/Oモジュール20hに移行されてないと判断した場合(判断結果が「NO」の場合)には、ステップS15の処理が繰り返される。これに対し、故障が生じたI/Oモジュール20cの制御権が、待機側の新たなI/Oモジュール20hに移行されると(第3ステップ)、ステップS15の判断結果が「YES」になり、I/Oモジュール20cの制御権がI/Oモジュール20hに移行した旨を監視装置14に通知する処理が制御権切替管理部31bで行われる(ステップS16)。
以上の処理が終了すると、故障が生じたI/Oモジュール20cの取り外しが完了したか否かが制御権切替管理部31bで判断される(ステップS17)。図4に示すステップS4の作業が行われていない場合にはステップS17の判断結果は「NO」になる。これに対し、図4に示すステップS4の作業が行われ、I/Oモジュール20cが接続制御ユニット13から取り外されると、ステップS17の判断結果は「YES」になる。すると、故障が生じたI/Oモジュール20cが接続制御ユニット13から取り外された旨を監視装置14に通知する処理が制御権切替管理部31bで行われる(ステップS18)。以上により、図6に示す一連の処理が終了する。
以上の通り、本実施形態では、接続制御ユニット13に装着されたI/Oモジュール20のうち、監視装置14によってシングル構成に設定されたI/Oモジュール20(20a〜20g)をコントローラ30が擬似的な冗長化構成で動作させるようにしている。そして、擬似的な冗長構成で動作しているI/Oモジュール20の故障が生じた場合に、故障が生じたI/Oモジュール20(20c)と、接続制御ユニット13に装着された新たなI/Oモジュール20hとを冗長化させた上で、故障が生じたI/Oモジュール20(20c)の制御権を新たなI/Oモジュール20hに移行するようにしている。
このため、監視装置14によってシングル構成に設定されたI/Oモジュール20(20c)に故障が生じても、故障が生じたI/Oモジュール20(20c)を介して行われていた正常な制御ループが新たなI/Oモジュール20hに引き継がれて、正常な制御ループを停止させる必要はない。このため、複数のフィールド機器11を接続することが可能なI/Oモジュール20が、監視装置14によってシングル構成で動作するように設定されている場合であっても、計装システム1の稼働率及び保守性の低下を防止することができる。
〔第2実施形態〕
図7は、本発明の第2実施形態による計装システムの構成を示す図である。尚、図7において、図1に示した構成と同様の構成には同一の符号を付してある。図7に示す通り、本実施形態の計装システム2は、概して図1示すターミナルボード12を省略し、接続制御ユニット13を接続ユニット13aと制御ユニット13bとに分離してこれらを通信線L10で接続した構成である。
接続ユニット13aは、バックボードB1及びI/Oモジュール20を備えており、フィールド機器11を制御ユニット13bに接続するとともに、フィールド機器11と制御ユニット13bとの間で授受される信号の処理(信号変換やプロトコル変換)を行う。尚、図7に示す接続ユニット13aは、最大で2個のI/Oモジュール20をバックボードB1に装着可能なものである。
バックボードB1は、I/Oモジュール20を装着可能な2つのスロットSL1と、フィールド機器11が接続される複数のコネクタC10とを備える基板である。ここで、本実施形態では、図7に示す通り、バックボードB1に設けられた2個のスロットSL1のうちの一方にのみI/Oモジュール20が装着され、他方は空きスロットとされる。これは、第1実施形態と同様に、シングル構成のI/Oモジュール20に故障等の異常が生じて交換が必要になった場合に、計装システム2の稼働率及び保守性を低下させることなく、異常が生じたシングル構成のI/Oモジュール20の交換を可能にするためである。
また、バックボードB1に設けられた複数のコネクタC10は、図1に示すターミナルボード12のコネクタC1と同様に、フィールドケーブルCB1を接続可能なものである。このコネクタC10は、2つのスロットSL1と電気的に接続されている。このため、2つのスロットSL1の双方にI/Oモジュール20が装着された場合には、コネクタC10に接続されたフィールド機器11は、2つのスロットSL1に挿入されている双方のI/Oモジュール20と電気的に接続されることとなる。尚、バックボードB1には、図1に示す通信線Lの一部に相当する通信線L11が設けられており、スロットSL1に装着される2つのI/Oモジュール20は通信線L11を介して電気的に接続される。
制御ユニット13bは、バックボードB2及びコントローラ30を備えており、接続ユニット13a及び監視装置14に接続され、監視装置14の監視の下でフィールド機器11の制御を行う。尚、図1に示す制御ユニット13bは、最大で2個のコントローラ30とをバックボードB2に装着可能なものである。尚、バックボードB2に装着可能なコントローラ30は、1つのみ若しくは3つ以上であっても良い。
バックボードB2は、コントローラ30を装着可能な2つのスロットSL2を備える基板である。尚、図7では、バックボードB2に設けられた2個のスロットSL2の全てにコントローラ30(30a,30b)が装着されている状態を図示している。尚、バックボードB2には、図1に示す通信線Lの一部に相当する通信線L12が設けられており、スロットSL2に装着される2つのコントローラ30は通信線L12を介して電気的に接続される。
上記構成における計装システム2において、I/Oモジュール20をシングル構成で用いる場合には、図7に示す通り、バックボードB1に設けられた2個のスロットSL1のうちの一方にのみI/Oモジュール20が装着され、他方は空きスロットとされる。そして、コントローラ30が、バックボードB1のスロットに装着されたI/Oモジュール20を、擬似的な冗長化構成で動作させる。
また、バックボードB1のスロットに装着されたI/Oモジュール20が故障した場合には、新たなI/Oモジュールを空きスロットに装着すれば、第1実施形態と同様に故障が生じたI/Oモジュールと新たなI/Oモジュールとが冗長化され、故障が生じたI/Oモジュールの制御権が新たなI/Oモジュールに移行される。ここで、本実施形態では、前述の通り、バックボードB1に設けられたコネクタC10が2つのスロットSL1と電気的に接続されているため、図4中のステップS2の作業は省略される。
図8は、本発明の第2実施形態におけるI/Oモジュールの状態表示例を示す図である。接続ユニット13aに装着されるI/Oモジュール20の状態はコントローラ30で常時把握されており、I/Oモジュール20の状態を示す情報がコントローラ30から監視装置14に送信されることにより、図8に示す表示がなされる。
図8において、符号A1,A2が付された矩形形状の図形(アイコン)は、接続ユニット13aに設けられた2つのスロットSL1をそれぞれ示すものである。また、これらアイコンA1,A2の内部に表示される文字列STは、スロットSL1の装着されたI/Oモジュール20の種別(例えば、型番)を示す情報である。図8に例示する文字列STは、「Module A」なるものである。尚、この文字列はI/Oモジュール20がスロットSL1に装着されると表示され、I/Oモジュール20がスロットSL1から取り外されると消去される。
また、図8において、符号Q1が付された文字「R」は、スロットSL1が空きスロットとして扱われている場合に表示され、符号Q2が付された文字「C」はチャネル故障が生じた場合に表示されるものである。また、符号Q3が付された記号「×」は、スロットSL1に装着されたI/Oモジュール20が故障等により不健全である場合、或いは設定が未設定の場合に表示されるものである。
まず、図7に示す通り、接続ユニット13aに設けられた2つのスロットSL1のうちの一方のスロットSL1に装着されたI/Oモジュール20が正常に動作しており、他方のスロットが空きスロットとされている場合には、図8(a)に示す表示が監視装置14でなされる。具体的には、「Module A」なる文字列STがアイコンA1内に表示され、符号Q1が付された文字「R」がアイコンA2に表示される。
次に、スロットSL1に装着されたI/Oモジュール20にチャネル故障が生じたとすると、図8(b)に示す通り、符号Q2が付された文字「C」がアイコンA1内に表示される。次いで、空きスロットとされているスロットSL1に新たなI/Oモジュール20が装着されると、図8(c)に示す通り、「Module A」なる文字列STに加えて、符号Q3が付された記号「×」がアイコンA2内に表示される。
続いて、新たに装着されたI/Oモジュール20に対する設定が完了し、チャネル故障が生じたI/Oモジュール20の制御権が、新たなI/Oモジュール20に移行すると、図8(d)に示す表示が監視装置14でなされる。具体的には、アイコンA1内に表示されていた文字「C」が文字「R」に変更されるとともに、アイコンA2内に表示されていた記号「×」が消去されてアイコンA1内に表示される。そして、チャネル故障が生じたI/Oモジュール20が取り外されると、図8(e)に示す通り、アイコンA1内に表示されていた「Module A」なる文字列ST及び記号「×」が消去される。
以上の通り、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、監視装置14によってシングル構成に設定されたI/Oモジュール20をコントローラ30が擬似的な冗長化構成で動作させ、故障が生じたI/Oモジュール20と、新たに装着されたI/Oモジュール20とを冗長化させた上で制御権を移行するようにしている。このため、I/Oモジュール20が、監視装置14によってシングル構成で動作するように設定されている場合であっても、計装システム2の稼働率及び保守性の低下を防止することができる。
以上、本発明の実施形態による計装システム及びその保守方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、空きスロットが1つのみ用意されている場合を例に挙げて説明したが、空きスロットの数は任意である。空きスロットを複数用意しておくことで、同時期に複数のI/Oモジュール20が故障した場合であっても対処が可能になるという利点がある。
また、上述した実施形態では、I/Oモジュール20の制御権の管理を行う制御権切替管理部31bがコントローラ30に設けられている例について説明したが、制御権切替管理部31bは監視装置14に設けられていても良い。また、上述した実施形態では、I/Oモジュール20に故障が生じた場合に、故障が生じたI/Oモジュール20を交換する例について説明したが、I/Oモジュール20に故障が生じていない場合であっても、I/Oモジュール20の交換は可能である。例えば、経時変化による予防交換、上位機器へのアップデート交換等である。
また、上述した第1実施形態では、I/Oモジュール20の交換を行う場合に、新たなI/Oモジュール20hに対してターミナルボード用ケーブルCB2を取り付ける作業を行う必要があった。しかしながら、接続制御ユニット13とターミナルボード12との間に予めセレクタを設けておき、セレクタの切り替えによってI/Oモジュール20とターミナルボード12との接続を切り替えるようにしても良い。
また、上述した実施形態では、監視装置14を用いて作業員が新たなI/Oモジュール20(I/Oモジュール20h)の設定を行う例について説明したが、この設定を自動化しても良い。但し、第2実施形態のように冗長化されるI/Oモジュール20が予め定まっている場合に限る。具体的には、例えばコントローラ30が新たなI/Oモジュール20(I/Oモジュール20h)の取り付けを検知し、新たなI/Oモジュール20(I/Oモジュール20h)に制御側の設定データをコピーすることにより実現される。
また、上述した実施形態では、故障が生じたI/Oモジュール20の制御権が、自動的に新たなI/Oモジュール20に移行される例について説明した。しかしながら、I/Oモジュール20の制御権の移行は、作業員による手作業により行われても良い。例えば、I/Oモジュールにスイッチ等を設け、作業員がスイッチを押下することにより、制御権の切り替えを行うといった具合である。
1,2 計装システム
11 フィールド機器
13 接続制御ユニット
13a 接続ユニット
14 監視装置
20 I/Oモジュール
30 コントローラ
SL1 スロット

Claims (8)

  1. 測定対象の測定及び操作対象の操作の少なくとも一方を行うフィールド機器を複数備える計装システムにおいて、
    複数の前記フィールド機器を接続可能なI/Oモジュールが装着される複数のスロットを有する接続装置と、
    前記接続装置のスロットに装着された前記I/Oモジュールを冗長化構成にするか或いは非冗長化構成にするかを個別に設定可能であり、前記接続装置のスロットに装着された前記I/Oモジュールのうち、非冗長化構成にする設定がなされている前記I/Oモジュールを、冗長化されるべきI/Oモジュールが定まっていない状態で冗長化構成の制御側とする構成である擬似的な冗長化構成で動作させる上位制御装置と
    を備えることを特徴とする計装システム。
  2. 擬似的な冗長化構成で動作している前記I/Oモジュールは、交換が必要になった場合に、前記接続装置のスロットに装着された新たなI/Oモジュールと冗長化されることを特徴とする請求項1記載の計装システム。
  3. 前記上位制御装置は、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールが冗長化された場合に、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールの制御権を前記新たなI/Oモジュールに移行することを特徴とする請求項2記載の計装システム。
  4. 前記上位制御装置は、前記制御権の移行を行う前に、前記新たなI/Oモジュールに対し、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールと同等の機能にする設定を行うことを特徴とする請求項3記載の計装システム。
  5. 前記上位制御装置は、少なくとも非冗長化構成にする設定がなされている前記I/Oモジュールの交換が必要になったときに、交換が必要になった前記I/Oモジュールを擬似的な冗長化構成で動作させることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の計装システム。
  6. 前記上位制御装置は、前記接続装置のスロットに装着された前記I/Oモジュールを冗長化構成にするか或いは非冗長化構成にするかを個別に設定可能な上位装置と、
    前記フィールド機器の制御を行うとともに、前記接続装置のスロットに装着された前記I/Oモジュールのうち、前記上位装置によって非冗長化構成にする設定がなされている前記I/Oモジュールを擬似的な冗長化構成で動作させる制御装置と
    を備えることを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の計装システム。
  7. 前記制御装置は、擬似的な冗長化構成で動作している前記I/Oモジュールから前記上位装置に向けて送信される異常を示す健全性情報をマスクすることを特徴とする請求項6記載の計装システム。
  8. 測定対象の測定及び操作対象の操作の少なくとも一方を行うフィールド機器を複数備える計装システムの保守方法であって、
    複数の前記フィールド機器を接続可能なI/Oモジュールが装着される複数のスロットを有する接続装置に装着された前記I/Oモジュールのうち、非冗長化構成にする設定がなされている前記I/Oモジュールを、冗長化されるべきI/Oモジュールが定まっていない状態で冗長化構成の制御側とする構成である擬似的な冗長化構成で動作させる第1ステップと、
    擬似的な冗長化構成で動作している前記I/Oモジュールの交換が必要になったときに、擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールと、前記接続装置のスロットに装着された新たなI/Oモジュールとを冗長化させる第2ステップと、
    擬似的な冗長化構成で動作していた前記I/Oモジュールの制御権を前記新たなI/Oモジュールに移行する第3ステップと
    を有することを特徴とする計装システムの保守方法。
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