(57)【要約】【課題】プロセス制御システムが備える主制御装置と副制御装置の間で制御データを一致化する際に、通信負荷やＣＰＵ負荷を最適化する。【解決手段】本発明に係るプロセス制御システムは、主制御装置と副制御装置の間で制御データを一致化させるために必要なネットワーク負荷と演算負荷を用いて、一致化の効率を表す効率指数を求め、その傾向に応じて一致化処理の負荷を調整する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラント設備の制御対象の動作を制御するシステムであって、
前記制御対象を制御する主制御装置と、
前記主制御装置が前記制御対象を正常に制御できないとき前記制御を前記主制御装置から引き継いで実行する副制御装置と、
前記主制御装置が使用する制御データを前記主制御装置から前記副制御装置に対して転送することにより、前記主制御装置と前記副制御装置の間で前記制御データを一致化させるデータ一致化部と、
を備え、
前記データ一致化部は、
前記主制御装置と前記副制御装置の間で前記制御データを一致化させるために必要なネットワーク負荷と演算負荷を用いて、前記一致化の効率を表す効率指数を求め、
前記効率指数が下降傾向にある場合は前記ネットワーク負荷と前記演算負荷のうち少なくとも一方を減少させるように前記転送における処理内容を変更し、前記効率指数が上昇傾向にある場合は前記ネットワーク負荷と前記演算負荷のうち少なくとも一方を増加させるように前記転送における処理内容を変更する
ことを特徴とするプロセス制御システム。
【請求項２】
前記データ一致化部は、
前記制御データを前記主制御装置から前記副制御装置に対して転送する際に、前記制御データを複数のデータブロックに分割して前記データブロック毎に前記副制御装置に対して転送し、
前記効率指数が下降傾向にある場合は前記データブロックのサイズを増やすことにより少なくとも前記ネットワーク負荷を減少させ、前記効率指数が上昇傾向にある場合は前記データブロックのサイズを減らすことにより少なくとも前記ネットワーク負荷を増加させる
ことを特徴とする請求項１記載のプロセス制御システム。
【請求項３】
前記データ一致化部は、
前記制御データを前記主制御装置から前記副制御装置に対して転送する処理を実施する演算装置の占有時間を前記演算負荷として求め、
前記効率指数が下降傾向にある場合は前記データブロックのサイズを増やすことにより少なくとも前記演算負荷を減少させ、前記効率指数が上昇傾向にある場合は前記データブロックのサイズを減らすことにより少なくとも前記演算負荷を増加させる
ことを特徴とする請求項２記載のプロセス制御システム。
【請求項４】
前記データ一致化部は、
前記効率指数が下降傾向であり、かつ前記効率指数の変動幅が所定範囲内に収まってそれ以上変動していない場合は、前記処理内容を変更することを所定時間中断し、その後に改めて前記処理内容を変更することを再開する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のプロセス制御システム。
【請求項５】
前記データ一致化部は、
前記処理内容を所定回数変更しても前記効率指数が下降傾向を継続し、または上昇傾向を継続する場合は、前記転送における処理内容を初期状態に戻した上で、前記処理内容を変更することを所定時間中断し、その後に改めて前記処理内容を変更することを再開する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のプロセス制御システム。
【請求項６】
前記データ一致化部は、
前記処理内容を所定回数変更しても前記効率指数が下降傾向を継続し、または上昇傾向を継続する場合は、前記データブロックのサイズを初期状態に戻すことにより、前記転送における処理内容を初期状態に戻した上で、前記処理内容を変更することを所定時間中断し、その後に改めて前記処理内容を変更することを再開する
ことを特徴とする請求項２または３記載のプロセス制御システム。
【請求項７】
前記プロセス制御システムは、前記データブロックのサイズとして使用すべき値を複数記述したデータブロックサイズリストを保持しており、
前記データ一致化部は、前記データブロックサイズリストが記述しているサイズのうちいずれかを選択することにより、前記データブロックのサイズを増減させる
ことを特徴とする請求項２または３記載のプロセス制御システム。
【請求項８】
前記データ一致化部は、
前記転送における処理内容が初期状態である場合の前記ネットワーク負荷を表す初期ネットワーク負荷と、前記転送における処理内容が現在状態である場合の前記ネットワーク負荷を表す現在ネットワーク負荷との比を求め、
前記転送における処理内容が初期状態である場合の前記演算負荷を表す初期演算負荷と、前記転送における処理内容が現在状態である場合の前記演算負荷を表す現在演算負荷との比を求め、
求めた前記２つの比を乗算することにより前記効率指数を求める
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のプロセス制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度、圧力等のフィードバック制御、シーケンス制御、プロセス状態監視などのプラント設備制御を実施するプロセス制御システムは、主制御装置と副制御装置による冗長化構成を備える。制御処理のために用いる制御データを主制御装置から副制御装置に対して転送することにより、主制御装置と副制御装置の間において制御データを一致化する。
【０００３】
下記特許文献１は、稼働系制御装置から待機系制御装置へデータを一致化する技術が記載されている。同文献においては、稼働系処理装置がアクセスしたデータを稼働系データモニタ装置がモニタし、データ転送装置によって待機系処理装置に転送し、待機系処理装置に転送されたデータは待機系データ蓄積装置により蓄積される。蓄積されたデータはデータ展開装置により待機系主メモリに書き込まれる。同文献におけるデータ一致化は、ハードウェアによって一元的に実施されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３２８８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１記載の技術においては、稼働系・待機系間のデータ転送プロトコルは固定されており、一致化するデータ量の大小による通信負荷やＣＰＵ負荷の違いが考慮されていない。したがって、高信頼性を要求されるプロセス制御装置でありながら、大規模データを一致化する場合であっても、データ一致化のため無条件でＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）時間を占有してしまう。
【０００６】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、プロセス制御システムが備える主制御装置と副制御装置の間で制御データを一致化する際に、通信負荷やＣＰＵ負荷を最適化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るプロセス制御システムは、主制御装置と副制御装置の間で制御データを一致化させるために必要なネットワーク負荷と演算負荷を用いて、一致化の効率を表す効率指数を求め、その傾向に応じて一致化処理の負荷を調整する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るプロセス制御システムによれば、データ一致化処理を自動的に最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】プロセス制御システム１００とその周辺機器の構成図である。
【図２】プロセス制御システム１００のハードウェア構成図である。
【図３】プロセス制御システム１００の内部構成図である。
【図４】主制御装置１０１ａと副制御装置１０１ｂの間で制御データを一致化する処理を示す図である。
【図５】プロセス制御システム１００が制御装置間で制御データを一致化させる処理を最適化する手順を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係るプロセス制御システム１００とその周辺機器の構成図である。操作卓２０１は、プロセス制御システム１００に対する操作命令を入力する端末である。通信回線２０２は、操作卓２０１とプロセス制御システム１００を接続する。プロセス制御システム１００は、反応缶２０３の配管２０５に取付けられた流量検出部２０６から流量信号を取込んでＰＩＤ演算を実施し、演算結果に基づき調節弁２０４を制御する。
【００１１】
プロセス制御システム１００は、温度が目標値を超えたら蒸気の流入バルブを閉めるなどのプラント機器に対する重要な指令を発する役割を担うため、高信頼性が要求される。なお、上述したプロセス制御システム１００の制御対象は例示であり、これらに限られるものではない。また、図１に示したプロセス制御システム１００その他機器の配置は１例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１２】
図２は、プロセス制御システム１００のハードウェア構成図である。図２において、通信回線２０２に主制御装置１０１ａと副制御装置１０１ｂが接続される。以下の説明において、主制御装置１０１ａが備える機能部には添字「ａ」を付し、副制御装置１０１ｂが備える機能部には添字「ｂ」を付す。両制御装置がともに備える機能部については、添字を適宜省略する。
【００１３】
各制御装置は、相互診断回路１０２、プロセス入出力回路１０３、データ一致化回路１０４を備える。
プロセス入出力回路１０３は、センサデータ取り込み回路１０８とプロセス入出力中継回路１０７を介して流量検出部２０６の流量信号を取り込み、プロセス入出力中継回路１０７と制御信号出力回路１０９を介して調節弁２０４に対する制御信号を出力する。
相互診断回路１０２は、相互のたすき掛け配線を通じて、相手方制御装置が正常であるか否かを診断する。
【００１４】
データ一致化回路１０４ａと１０４ｂの間は、主制御装置１０１ａから副制御装置１０１ｂに向かって制御データを転送する一致化ライン１０５ａ、副制御装置１０１ｂから主制御装置１０１ａへ制御データを転送する一致化ライン１０５ｂによって相互接続されている。これにより、プロセス制御を継続する上で必要なデータ（プラントのサンプリングデータなどの制御データ）が１サンプリング時点毎に現用制御装置から待機制御装置に転送される。すなわち、主制御装置１０１ａが現用であれば、一致化ライン１０５ａを通じて副制御装置１０１ｂへ制御データが転送され、副制御装置１０１ｂが現用であれば、一致化ライン１０５ｂを通じて主制御装置１０１ａへ制御データが転送される。
【００１５】
主制御装置１０１ａと副制御装置１０１ｂは同じ構成を備えており、現用系制御装置が上記一連の制御演算およびデータ一致化処理を実施し、待機系制御装置はアイドリング状態になっている。
【００１６】
図３は、プロセス制御システム１００の内部構成図である。主制御装置１０１ａにおいて、プロセス入出力回路１０３ａは、サンプリング周期ごとに、プロセス入出力中継回路１０７とセンサデータ取り込み回路１０８を経由して、プロセスデータを取り込む。演算部１１０ａは、温度、流量等の制御やシーケンス制御などの制御演算を実施する。制御演算によって得られた制御信号は、プロセス入出力回路１０３ａ、プロセス入出力中継回路１０７、制御信号出力回路１０９の順路で、制御対象に対して出力される。演算部１１０ａは、現サンプリング時点における制御演算結果を、データ一致化回路１０４ａから副制御装置１０１ｂのデータ一致化回路１０４ｂに対して転送し、１サンプリング分の処理が完結する。
【００１７】
操作卓２０１ａと２０１ｂは、オペレータがプロセス制御のための命令を入力し、その結果を監視する端末である。各操作卓ともに、主制御装置１０１ａとの間で制御命令やその結果を送受信する。
【００１８】
相互診断回路１０２は、所定時間ごとに診断を実施する。主制御装置１０１ａが異常であり副制御装置１０１ｂが正常である場合、プロセス制御の実行権を主制御装置１０１ａから副制御装置１０１ｂに切り替える。主制御装置１０１ａが正常であり副制御装置１０１ｂが異常である場合、主制御装置１０１ａから副制御装置１０１ｂへプロセス制御の実行権を切り替えることを禁止する。現用系／待機系が入れ替わると、操作卓２０１は全て新たな現用系制御装置との間で通信する。
【００１９】
図４は、主制御装置１０１ａと副制御装置１０１ｂの間で制御データを一致化する処理を示す図である。データ一致化回路１０４ａは、現用系制御装置の制御データ４０１ａの一部分を１回分の転写データ４０２ａとして取り出し、データ一致化回路１０４ｂに対して転送する。データ一致化回路１０４ｂは、転写データ４０２ａを待機系制御装置の制御データ４０１ｂに対して順次反映する。これにより、現用系と待機系の間で制御データ４０１が一致化される。
【００２０】
図５は、プロセス制御システム１００が制御装置間で制御データを一致化させる処理を最適化する手順を説明するフローチャートである。以下、図５の各ステップについて説明する。なお、ここでは主制御装置１０１ａから副制御装置１０１ｂに対して制御データを転送することを想定しているが、反対向きに転送場合においても処理は同様である。
【００２１】
（図５：ステップＳ５０１）
データ一致化回路１０４ａは、今回のサンプリング時点が主制御装置１０１ａを立ち上げてから初回であるか否かを判断する。初回であればステップＳ５０３に進み、初回でなければステップＳ５０２に進む。
【００２２】
（図５：ステップＳ５０２〜Ｓ５０３）
データ一致化回路１０４ａは、初回サンプリング時である場合は転写データ４０２ａのデータサイズを規定サイズに設定し（Ｓ５０３）、初回サンプリング時でない場合は現状のデータサイズに設定する（Ｓ５０２）。
【００２３】
（図５：ステップＳ５０４〜Ｓ５０６）
データ一致化回路１０４ａは、制御データ４０１ａの内容を先頭から順次、副制御装置１０１ｂに対して転送する（Ｓ５０４）。制御データ４０１ａの全ブロックを転送した場合はステップＳ５０７へ進み（Ｓ５０５）、未転送のブロックが残っている場合は次のデータブロックを転送する（Ｓ５０６）。
【００２４】
（図５：ステップＳ５０７）
データ一致化回路１０４ａは、本最適化処理を現在中断中であるか否かを判定する。本最適化処理を中断する原因については後述する。中断中であれば、現サンプリング時点におけるデータ一致化処理は終了する。中断中でなければステップＳ５０８へ進む。
【００２５】
（図５：ステップＳ５０８：その１）
データ一致化回路１０４ａは、現サンプリング時点における制御データ４０１ａを転送する効率を表す効率指数を求める。この効率指数は、現サンプリング時点におけるデータ転送時間とＣＰＵ占有時間を、転写データ４０２ａのサイズが規定値（初期状態）であるときのそれぞれの数字でノーマライズして両者の積を求めたものである。この効率指数は、初期状態に比べて現サンプリング時点におけるデータ転送がどの程度の効率となっているかを示す指数である。効率が上がっていれば本指数は１より小さく、下がっていれば１より大きく、変わらなければ１である。
【００２６】
（図５：ステップＳ５０８：効率指数の演算式）
効率指数  ＝（Ｔｘ／Ｔｓ）・（Ｌｘ／Ｌｓ） 
ただし、
Ｔｘ：転写データ４０２ａが規定サイズであるときの転送時間
Ｔｓ：今回の転送時間
Ｌｘ：転写データ４０２ａが規定サイズであるときの転送ＣＰＵ占有時間
Ｌｓ：今回のＣＰＵ占有時間。
【００２７】
（図５：ステップＳ５０８：その２）
データ一致化回路１０４ａは、効率指数が１より下降傾向にあり、かつ今回値と前回値の差が規定値以内であれば、効率指数の増減が飽和状態であると判断して、ステップＳ５１４へ進む。それ以外であればステップＳ５０９へ進む。
【００２８】
（図５：ステップＳ５０８：補足その１）
データ一致化回路１０４ａによる処理はある程度のＣＰＵ負荷を占有するが、プロセス制御システム１００はその間も通常制御処理を実施しているので、データ一致化回路１０４ａによるＣＰＵ負荷が増加して通常制御処理に支障が生じることは望ましくない。他方、通常制御処理における支障が生じないにも関わらずデータ一致化回路１０４ａによるＣＰＵ負荷を極端に抑制することも妥当でない。これらの観点において、ＣＰＵ負荷を用いて効率指数を求めることが望ましいといえる。
【００２９】
（図５：ステップＳ５０８：補足その２）
転写データ４０２ａを転送する際のネットワーク負荷が高まると、主副制御装置を切り替える必要が生じた場合に、主制御装置１０１ａの処理を副制御装置１０１ｂへスムーズに引き継ぐことができない可能性が高まる。そのため、転写データ４０２ａを転送する際のネットワーク負荷を用いて効率指数を求めることが望ましいといえる。
【００３０】
（図５：ステップＳ５０８：補足その３）
転写データ４０２ａを転送する際のＣＰＵ負荷とネットワーク負荷は、通常制御処理などのその他処理と関連して変動するため、転送処理負荷が増減した原因がＣＰＵ負荷とネットワーク負荷のいずれに起因するものであるのかは一概に判断し難い。そこで本実施形態１においては、これらを総合的に考慮して効率指数を求めるため、上記のような計算式を用いることとした。ＣＰＵ負荷とネットワーク負荷双方の影響を考慮することができれば、その他の計算式を用いることもできる。
【００３１】
（図５：ステップＳ５０９）
データ一致化回路１０４ａは、本最適化処理を連続してある規定回数実施したか否かを判定する。実施している場合は、これ以上の改善は見込めず、無限ループに陥る危険性もあると判断して、ステップＳ５１３へ進む。それ以外であればステップＳ５１０へ進む。
【００３２】
（図５：ステップＳ５１０〜Ｓ５１２）
データ一致化回路１０４ａは、効率指数が下降傾向であるのか上昇傾向であるのかを判断する（Ｓ５１０）。下降傾向であればステップＳ５１１において転写データ４０２ａのサイズを規定量ΔＢだけ拡大し、上降傾向であればステップＳ５１２において規定量ΔＢだけ縮小する。拡大または縮小されたサイズは、次回サンプリング時点におけるステップＳ５０２の現状サイズとして使用される。
【００３３】
（図５：ステップＳ５１０〜Ｓ５１２：補足その１）
転写データ４０２ａのサイズを拡大すればデータ転送の回数が減り、縮小すればデータ転送回数が増える。データ転送回数は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）のオーバーヘッドに影響を与え、これが多い程オーバーヘッドが増える。すなわちＣＰＵ占有時間が長くなる。また転写データ４０２ａのサイズは、通信回線上の転送効率に影響を与える。例えば転送回数が増えるとパケットヘッダなどのオーバーヘッドによりネットワーク負荷が増える可能性がある。これらの値が転送処理に与える影響は上述の通り一義的に決まるものではない。そこで本ステップにより、転写データ４０２ａのサイズを試行錯誤的に拡大・縮小して、最も転送時間が短くなる最適値を求めることとした。
【００３４】
（図５：ステップＳ５１３）
データ一致化回路１０４ａは、転写データ４０２ａのサイズを規定値（初期値）に設定してステップＳ５１４に進む。
【００３５】
（図５：ステップＳ５１４）
データ一致化回路１０４ａは、本最適化処理を所定時間中断する。最適化処理を継続してもデータ転送効率が改善されないと見込まれるからである。所定時間経過後は、転写データ４０２ａの内容やシステム負荷が変化しているので、改めて本最適化処理を実施して転送効率を最適化することを図る。
【００３６】
＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係るプロセス制御システム１００は、主制御装置１０１ａから副制御装置１０１ｂへ制御データを転送する処理を、ステップＳ５０８で求める効率指数を用いて自動的に最適化することができる。これによりプロセス制御システムを長期間安定的に運転し、稼働率を向上させることができる。
【００３７】
また、本実施形態１に係るプロセス制御システム１００は、転写データ４０２ａを転送する際のＣＰＵ負荷とネットワーク負荷を双方考慮した効率指数を用いて転送処理の効率を判定し、その増減に応じて転写データ４０２ａのサイズを増減させる。これにより、ＣＰＵ負荷とネットワーク負荷が転送処理の効率に対して与える影響が必ずしも明らかでない場合であっても、実際の転送負荷に応じて転送処理を最適化することができる。
【００３８】
また、本実施形態１に係るプロセス制御システム１００は、転写データ４０２ａのサイズを変更することを繰り返しても効率指数が安定しない場合は、転写データ４０２ａのサイズを初期値に戻し、最適化処理を所定時間中断して再開する。これにより、効率指数の改善が見込めないにも関わらず同じ処理を実施し続ける無限ループに陥ることを回避することができる。
【００３９】
また、本実施形態１に係るプロセス制御システム１００は、効率指数が下降傾向にありかつ飽和状態である場合は、最適化処理を所定時間中断して再開する。これにより、効率指数の改善が見込めないにも関わらず最適化処理を実施し続けることを回避できる。
【００４０】
＜実施の形態２＞
実施形態１のステップＳ５１１〜Ｓ５１２において、転写データ４０２ａのサイズをΔＢ増減させることを説明した。この値は、プロセス制御システム１００があらかじめ適当なデータファイルやプログラム内に定義しておいてもよいし、操作卓２０１から指示するなどして都度指定してもよい。
【００４１】
あるいは、転写データ４０２ａのブロックサイズとして用いることができる複数の値をあらかじめプロセス制御システム１００が保持しておくかまたは操作卓２０１からその複数値を指定し、ステップＳ５１１〜Ｓ５１２においてはそれらの値のなかからいずれかを選択することにより、ブロックサイズを増減させるようにしてもよい。
【００４２】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。
【００４３】
上記各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１００：プロセス制御システム、１０１ａ：主制御装置、１０１ｂ：副制御装置、１０２：相互診断回路、１０３：プロセス入出力回路、１０４：データ一致化回路、１０５：一致化ライン、１０７：プロセス入出力中継回路、１０８：センサデータ取り込み回路、１０９：制御信号出力回路、１１０：演算部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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