(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御装置から第１及び第２の系統の通信路を介して夫々送信された制御要求フレームに応じて制御対象装置を制御するとともに、前記制御要求フレームに対する制御応答フレームを前記第１及び前記第２の系統の通信路を介して前記制御装置へ夫々送信する入出力装置と、
前記第１の系統の通信路に含まれ、前記第１の系統の通信路を介した前記制御要求フレームが重畳される光信号を電気信号に変換する第１変換装置と、
前記第１の系統の通信路に含まれ、前記制御応答フレームが重畳される電気信号を光信号に変換する第２変換装置と、
前記第２の系統の通信路に含まれ、前記制御応答フレームが重畳される電気信号を光信号に変換する第３変換装置と、
前記第２の系統の通信路に含まれ、前記第２の系統の通信路を介した前記制御要求フレームが重畳される光信号を電気信号に変換する第４変換装置とを備え、
前記第１変換装置は、前記制御装置からの状態要求フレームに対して、光信号の受信状態を含む状態応答フレームを電気信号に重畳して前記制御装置へ送信し、
前記第２変換装置は、前記第１変換装置によって送信される前記状態応答フレームが重畳される電気信号を光信号に変換し、
前記第４変換装置は、前記制御装置からの状態要求フレームに対して、光信号の受信状態を含む状態応答フレームを電気信号に重畳して前記制御装置へ送信し、
前記第３変換装置は、前記第４変換装置によって送信される前記状態応答フレームが重畳される電気信号を光信号に変換するとともに、前記第１変換装置から前記第１変換装置の前記受信状態を取得し、前記制御装置からの状態要求フレームに対して、前記第１変換装置の前記受信状態を含む状態応答フレームを、光信号に重畳して前記制御装置へ送信することを特徴とする入出力ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の入出力ユニットにおいて、
前記第１変換装置は、前記制御要求フレームが重畳される前記光信号の異常を検出すると、前記光信号の前記異常を表す前記受信状態を前記第３変換装置への通知を行い、
前記第３変換装置は、前記第１変換装置からの前記通知に基づき、前記第１変換装置の前記受信状態を取得することを特徴とする入出力ユニット。
【請求項３】
請求項２に記載の入出力ユニットにおいて、
前記第３変換装置は、前記第１変換装置の前記受信状態についてのデータ要求を含む状態問合せコマンドを前記第１変換装置へ送出し、
前記第１変換装置は、前記光信号の前記異常を表す前記受信状態を、前記状態問合せコマンドに対する状態通知レスポンスに含んで前記第２変換装置へ通知することを特徴とする入出力ユニット。
【請求項４】
請求項２または３に記載の入出力ユニットにおいて、
前記第３変換装置は、前記第１変換装置から前記第１変換装置の前記受信状態を取得し、前記制御装置からの前記状態要求フレームに対して、前記第１変換装置の前記受信状態を含む前記状態応答フレームを、前記光信号に重畳して前記制御装置へ送信するとともに、前記第１変換装置の前記受信状態を含む前記状態応答フレームを、電気信号に重畳して前記制御装置と状態同期した従系の制御装置へ送信することを特徴とする入出力ユニット。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の入出力ユニットと前記制御装置とを備える制御システムであって、
前記制御装置は、前記状態要求フレームを前記第１変換装置へ送信してから所定時間以内に前記第１変換装置によって返送された前記状態応答フレームを受信しなかったとき、
前記第１の系統の通信路が異常である旨を判定することを特徴とする制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入出力ユニット及び制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学プラントや原子力発電所等の、安全確保が最優先される現場に用いられる制御システムは、可用性（ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ：その対象が障害に対してどれだけ強いかを示す観点。稼働率。）に対する要求が厳しい。もし、システムが何らかの障害によって止まってしまうと、大事故に繋がる恐れが大きいからである。特許文献１には、ＣＰＵ装置二重化構成で回線二重化して、複数のＲＩＯ（Ｒｅｍｏｔｅ  Ｉｎｐｕｔ  Ｏｕｔｐｕｔ）ユニットを接続した構成により、可用性を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１３４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＣＰＵ装置二重化構成で回線二重化して、複数のＲＩＯ（Ｒｅｍｏｔｅ  Ｉｎｐｕｔ  Ｏｕｔｐｕｔ）ユニット（入出力ユニット）を接続した特許文献１に開示の構成を示すブロック図を、図５に示す。光ケーブルＳ１と光ケーブルＳ４が切断されたとき、特許文献１では初めに光ケーブルＳ４の異常を検出し、光ケーブルＳ４を修正した後に光ケーブルＳ１の異常を検出するというように、異常個所の検出に２回の手順が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）請求項１に記載の入出力ユニットは、制御装置から第１及び第２の系統の通信路を介して夫々送信された制御要求フレームに応じて制御対象装置を制御するとともに、制御要求フレームに対する制御応答フレームを第１及び第２の系統の通信路を介して制御装置へ夫々送信する入出力装置と、第１の系統の通信路に含まれ、第１の系統の通信路を介した制御要求フレームが重畳される光信号を電気信号に変換する第１変換装置と、第１の系統の通信路に含まれ、制御応答フレームが重畳される電気信号を光信号に変換する第２変換装置と、第２の系統の通信路に含まれ、制御応答フレームが重畳される電気信号を光信号に変換する第３変換装置と、第２の系統の通信路に含まれ、第２の系統の通信路を介した制御要求フレームが重畳される光信号を電気信号に変換する第４変換装置とを備え、第１変換装置は、制御装置からの状態要求フレームに対して、光信号の受信状態を含む状態応答フレームを電気信号に重畳して制御装置へ送信し、第２変換装置は、第１変換装置によって送信される状態応答フレームが重畳される電気信号を光信号に変換し、第４変換装置は、制御装置からの状態要求フレームに対して、光信号の受信状態を含む状態応答フレームを電気信号に重畳して制御装置へ送信し、第３変換装置は、第４変換装置によって送信される状態応答フレームが重畳される電気信号を光信号に変換するとともに、第１変換装置から第１変換装置の受信状態を取得し、制御装置からの状態要求フレームに対して、第１変換装置の受信状態を含む状態応答フレームを、光信号に重畳して制御装置へ送信することを特徴とする。
（２）請求項５に記載の制御システムは、請求項１〜４のいずれか１項に記載の入出力ユニットと制御装置とを備える制御システムであって、制御装置は、状態要求フレームを第１変換装置へ送信してから所定時間以内に第１変換装置によって返送された状態応答フレームを受信しなかったとき、第１の系統の通信路が異常である旨を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、回線異常箇所の特定を可能とする入出力ユニット及び制御システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】通信フレームの構成を示す図である。
【図３】正常時の通信タイムチャート図である。
【図４】異常時の通信タイムチャート図である。
【図５】先行技術による制御システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明によるＲＩＯユニット（入出力ユニット）を含む制御システムの構成を図１に示す。本制御システムは、ＣＰＵユニット５Ａ、ＣＰＵユニット５Ｂ、ＲＩＯユニット１、ＲＩＯユニット２、ＲＩＯユニット３から成り、指令装置４に接続される。ＣＰＵユニットＡ、ＲＩＯユニット１、ＲＩＯユニット２、ＲＩＯユニット３のそれぞれは光ケーブルＳ１〜Ｓ４、Ｔ１〜Ｔ４で互いに接続され、ＣＰＵユニットＢ、ＲＩＯユニット１、ＲＩＯユニット２、ＲＩＯユニット３のそれぞれは光ケーブルＵ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４で互いに接続され、ＣＰＵユニット５Ａ、ＣＰＵユニット５Ｂ、指令装置４のそれぞれは指令回線４１で互いに接続される。
【０００９】
ＣＰＵユニット５Ａは、ＣＰＵ装置（制御装置）Ａ１、電気光変換装置Ａ３１、Ａ３２から成る。ＣＰＵ装置Ａ１は、１系電気回線Ａ２１により電気光変換装置Ａ３１に、２系電気回線Ａ２２により電気光変換装置Ａ３２に接続される。ＣＰＵ装置Ａ１は、後述するように、ＲＩＯユニット内のＲＩＯ装置宛ての制御要求フレームや電気光変換装置宛ての状態要求フレームを送信するとともに、ＲＩＯユニット内のＲＩＯ装置からの制御応答フレームや電気光変換装置からの状態応答フレームを受信する。制御要求フレーム及び状態要求フレームを含む要求フレームＲ、ならびに制御応答フレーム及び状態応答フレームを含む応答フレームＡは、電気回線では電気信号に重畳されて転送され、光ケーブルでは光信号に重畳されて転送される。電気光変換装置Ａ３１、Ａ３２は電気側から受信したフレームを光側に送信し、光側から受信したフレームを電気側に送信する。すなわち、電気光変換装置Ａ３１、Ａ３２は、要求フレームＲ及び応答フレームＡが重畳された電気信号と光信号とを相互に変換する。電気側インタフェースは送受信一体だが、光側インタフェースは送信と受信が分かれている。電気光変換装置は１台単位に取り外しが可能である。この理由は、例えば、１系に接続されている電気光変換装置Ａ３１が故障して、これを交換する間も、２系に接続されている電気光変換装置Ａ３２を使って、システムは継続的に稼動が可能になる。２台の電気光変換装置Ａ３１とＡ３２は、通信を相互に送受信する電気回線であるリンクバスＡ３３で接続されている。
【００１０】
ＣＰＵユニット５Ｂも同様である。指令装置４から指令回線４１によりＣＰＵ装置Ａ１またはＣＰＵ装置Ｂ１のどちらか一方を主系にもう一方を従系にする。
【００１１】
ＲＩＯユニット１はＲＩＯ装置１１、電気光変換装置１２１、１２２、１４１、１４２から成る。ＲＩＯ装置１１は、１系電気回線１３１により電気光変換装置１２１、１４１に接続され、２系電気回線１３２により電気光変換装置１２２、１４２に接続される。ＲＩＯ装置１１には操作子１５０とセンサ１５１が接続され、これらは制御対象装置に接続される。ＣＰＵユニットと同じようにＲＩＯユニット１に含まれる２台の電気光変換装置１２１、１２２はリンクバス１２３により互いに接続され、２台の電気光変換装置１４１、１４２はリンクバス１４３により互いに接続される。ＲＩＯユニット２、ＲＩＯユニット３も同様である。
【００１２】
図２に通信フレームを示す。スタートフラグＦ１はフレームの先頭を示す。送信先アドレスＦ２については、ＣＰＵ、ＲＩＯ、電気光変換装置の各々が自分のアドレスと一致するならそのフレームを受信し、不一致なら受信しない。なお、全てのＣＰＵ、ＲＩＯ、電気光変換装置は重複しないユニークなアドレスを持つ。ぞれぞれ１系と２系に接続され、リンクバスにより互いに接続された２台の電気光変換装置は同じアドレスである。例えば、電気光変換装置Ａ３１とＡ３２は同じアドレスである。電気光変換装置１２１と１２２は同じアドレスである。送信元アドレスＦ３には、このフレームを送信するＣＰＵ、ＲＩＯ、電気光変換装置の各々が自分のアドレスを載せてフレームを送信する。タイプＦ４には要求フレーム（ＲＥＱ）と応答フレーム（ＡＣＫ）の区別を載せる。回線親局は要求フレームを送信し、応答する回線子局は応答フレームを返信する。ＲＩＯはデータＦ５に入力データまたは出力データを載せる。また、リンクバスで互いに接続される２台の電気光変換装置は、そのリンクバスを介したデータ通信により、１系光受信状態と２系光受信状態とを互いに常時通知し合う。したがって、電気光変換装置は、１系と２系の両方で受信される光信号の異常を表す受信状態を常時取得しておくことができるため、データＦ５に１系と２系の光信号の異常を表す受信状態を載せることができる。例えば電気光変換装置１２１ならば、自分自身が収集した光ケーブルＳ１の１系光受信状態とリンクバスで接続される電気光変換装置１２２が収集した光ケーブルＶ１の２系光受信状態を載せる。エンドフラグＦ６はフレームの終了を示す。
【００１３】
ＣＰＵ装置Ａ１が主系ならＣＰＵ装置Ａ１は回線親局となり、ＲＩＯ装置１１、２１、３１を子局として通信して、ＲＩＯ装置１１、２１、３１のそれぞれに、操作子１５０、２５０、３５０を介して制御対象装置へのデータ出力を行わせるとともに、センサ１５１、２５１、３５１を介して制御対象装置からのデータ入力を行わせる。ＣＰＵ装置Ｂ１はＣＰＵ装置Ａ１の通信内容の取り込み（スヌープ）をしている（スヌープ：ｓｎｏｏｐ：盗み聞きするという意味から転じて、ネットワーク等をモニタすることを意図する）。これを実現するために電気光変換装置１２１、３４２は光側から受信したＣＰＵ装置Ａ１宛てのフレームを光側（光ケーブルＵ１、Ｖ４が接続されている側）と電気側（１系電気回線１３１が接続されている側）へ常時送信する機能を有する。ＣＰＵ装置Ａ１宛てのフレームが、光ケーブルＵ１、Ｖ４を介してＣＰＵ装置Ｂ１へ送信されることにより、スヌープが実現される。ＣＰＵ装置Ｂ１が主系時の電気光変換装置１２２、３４１も同様である。このように電気光変換装置１２１、１２２、３４１、３４２は、他の電気光変換装置Ｅ／Ｏと異なるので、図１ではＥ／Ｏ−ＲＣと表記する。また、ＣＰＵユニット５Ａ、５Ｂ内の電気光変換装置Ａ３１，Ａ３２，Ｂ３１，Ｂ３２も他の電気光変換装置Ｅ／Ｏと異なるので、図１ではＥ／Ｏ−ＣＰと表記する。
【００１４】
図３に正常時の通信タイムチャートとして、ＣＰＵユニット５Ａにおける通信フレームの送受信の例を示す。通信は周期的に行われる。ＣＰＵ装置からＲＩＯ装置、１系電気光変換装置、２系電気光変換装置へ通信する。ＣＰＵ装置とＲＩＯ装置は、１系回線と２系回線に同じ要求フレームＲを送信する。はじめに、ＣＰＵ装置はＲＩＯ宛ての要求フレームＲを、１系回線では光ケーブルＳ１を介して送信し、２系回線では光ケーブルＴ４を介して送信する。送信した要求フレームＲが電気光変換装置によって転送されてＣＰＵ装置に戻ってくるが、ＣＰＵ装置は、その要求フレームの宛先が自分のアドレスと一致しないので、その戻ってきた要求フレームは受信しない。続いて、ＣＰＵ装置は、１系回線では光ケーブルＳ４を介して、２系回線では光ケーブルＴ１を介して、ＲＩＯ装置からＣＰＵ装置宛ての応答フレームＡを受信する。
【００１５】
次に、ＣＰＵ装置は、１系回線では光ケーブルＳ１を介して１系の電気光変換装置宛ての要求フレームＲを送信し、２系回線では光ケーブルＴ４を介して２系の電気光変換装置宛の要求フレームＲを送信する。送信した要求フレームＲが電気光変換装置によって転送されてＣＰＵ装置に戻ってくるが、ＣＰＵ装置は、その要求フレームの宛先が自分のアドレスと一致しないので、その戻ってきた要求フレームは受信しない。電気光変換装置は接続されている回線にフレームを送信する。ＣＰＵ装置は、１系回線では光ケーブルＳ４を介して１系の電気光変換装置からＣＰＵ装置宛ての応答フレームＡを受信し、２系回線では光ケーブルＴ１を介して２系の電気光変換装置からＣＰＵ装置宛ての応答フレームＡを受信する。図３は通信の１周期を示す。ＲＩＯ、１系電気光変換装置、２系電気光変換装置がそれぞれ１台ずつの場合の例を示しているが、複数台が接続されている場合は、それら接続された台数分の通信を繰り返す。図３では点線で表記する。電気光変換装置（Ｅ／Ｏ、Ｅ／Ｏ−ＲＣ、Ｅ／Ｏ−ＣＰ）は光回線と電気回線の両回線に応答フレームを送信する。これはＣＰＵ装置Ａ１、ＣＰＵ装置Ｂ１の２台のＣＰＵへ光受信状態を伝えるためである。
【００１６】
図４に異常時の通信タイムチャートを示す。図１において光ケーブルＳ１、Ｓ４がともに異常のときである。２系は正常に送受信できるが、１系は完全に受信ができない。ＣＰＵ装置Ａ１は制御要求フレームや状態要求フレームを送信後、ＲＩＯ装置からの制御応答フレームや電気光変換装置からの状態応答フレームの受信待ちをするが、所定時間以内に制御応答フレームや状態応答フレームの受信がないときは、受信を打ち切る。これを応答タイムアウト検出とする。要求フレーム送信から応答タイムアウト検出までの時間は、応答タイムアウト時間として、光ケーブルＳ１、Ｓ４がともに正常時に要求フレームを送信してから応答フレームを受信できるまでの時間の最大値以上の値にする。ＣＰＵ装置Ａ１は、応答タイムアウト検出に基づき、光ケーブルＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４によって構成される１系の通信路、すなわち、電気光変換装置１２１及び１４１を含む１系の通信路が異常である旨を判定する。このように判定することで、次の制御要求フレームまたは状態要求フレームを送信する処理に移ることができる。同様に、ＣＰＵ装置Ａ１は、応答タイムアウト検出に基づき、光ケーブルＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４によって構成される２系の通信路、すなわち、電気光変換装置１４２及び１２２を含む２系の通信路が異常である旨を判定する。このように判定することで、いずれの系統の通信路についても、次の制御要求フレームまたは状態要求フレームを送信する処理に移ることができる。
【００１７】
図１に示すように、本発明によるＲＩＯユニット（入出力ユニット）１は、ＲＩＯ装置１１と、電気光変換装置１２１と、電気光変換装置１４１と、電気光変換装置１２２と、電気光変換装置１４２とを有する。ＲＩＯ装置１１は、ＣＰＵ装置Ａ１からの制御要求フレームＲに応じて制御対象装置を制御するとともに、制御要求フレームＲに対する制御応答フレームＡを、電気信号に重畳してＣＰＵ装置Ａ１へ送信する。電気光変換装置１２１は、１系の通信路に含まれ、１系の通信路を介した制御要求フレームＲが重畳される光信号を電気信号に変換するとともに、ＣＰＵ装置Ａ１からの状態要求フレームＲに対して光信号の受信状態を含む状態応答フレームＡを電気信号に重畳してＣＰＵ装置Ａ１へ送信する。電気光変換装置１４１は、制御応答フレームＲが重畳される電気信号を光信号に変換するとともに、電気光変換装置１２１によって送信される状態応答フレームＡが重畳される電気信号を光信号に変換する。電気光変換装置１２２は、２系の通信路に含まれ、２系の通信路を介した制御要求フレームＲが重畳される光信号を電気信号に変換するとともに、電気光変換装置１４２によって送信される状態応答フレームＡが重畳される電気信号を光信号に変換する。電気光変換装置１２２は、さらに、電気光変換装置１２１から電気光変換装置１２１の受信状態を取得し、ＣＰＵ装置Ａ１からの状態要求フレームＲに対して、電気光変換装置１２１の受信状態を含む状態応答フレームＡを、光信号に重畳してＣＰＵ装置Ａ１へ送信する。電気光変換装置１４２は、２系の通信路に含まれ、２系の通信路を介した制御要求フレームＲが重畳される光信号を電気信号に変換するとともに、ＣＰＵ装置Ａ１からの状態要求フレームＲに対して光信号の受信状態を含む状態応答フレームＡを電気信号に重畳してＣＰＵ装置Ａ１へ送信する。したがって、光ケーブルＳ１及びＳ４がともに切断されても、ＣＰＵ装置Ａ１は、電気光変換装置１２２からＣＰＵ装置Ａ１への状態応答フレームＡに基づき、光ケーブルＳ１の切断を検出することができる。
【００１８】
リンクバスによるデータ通信タイミングは、上述した実施形態では常時送信と常時受信である。しかし、電気光変換装置がＣＰＵ装置からの要求フレームを受信したことを契機として、リンクバス経由で他系の電気光変換装置に対して他系光受信状態についてのデータ要求を含む状態問合せコマンドを送出し、その応答として通知される状態通知レスポンスに他系光受信状態についてのデータが含まれることとしても良い。このようにすることで、１系および２系の光受信状態を常時通知し合う必要が無くなるため、リンクバスを介したデータ通信処理性能を節約することができる。電気光変換装置は、こうして取得した他系光受信状態を、自系光受信状態とともに、ＣＰＵ装置からの要求フレームに対する応答フレームに載せて、ＣＰＵ装置と通信する。
【００１９】
ＣＰＵ装置の主系（ＣＰＵ装置Ａ１）と従系（ＣＰＵ装置Ａ２）を切替する前に光ケーブルＵ１からＵ４の異常を、１系に接続されている電気光変換装置から２系に接続されている電気光変換装置へのリンクバス経由でのデータ通信により、２系回線を介して収集することが可能である。こうしてＣＰＵ装置Ａ２によって収集される光ケーブルＵ１からＵ４の異常が指令装置４に通知されることにより、指令装置４のオペレータがＣＰＵ装置の系切替を中止することで、切替直後に通信不可となりＣＰＵ装置による制御対象への制御が継続できなくなることを回避できる。
【００２０】
従系のＣＰＵ装置Ｂ１は、ＣＰＵ装置の系切替に備えて主系のＣＰＵ装置Ａ１と定期的に状態同期している。その一方で、電気光変換装置１２１は、ＣＰＵ装置Ａ１からの状態要求フレームＲに対して光信号の受信状態を含む状態応答フレームＡを電気信号に重畳してＣＰＵ装置Ａ１へ送信するとともに、受信状態を含む状態応答フレームＡを光信号に重畳して、光ケーブルＵ１を介してＣＰＵ装置Ｂ１へ送信する。また、電気光変換装置１２３は、電気光変換装置１２１から電気光変換装置１２１の受信状態を取得し、ＣＰＵ装置Ａ１からの状態要求フレームＲに対して、電気光変換装置１２１の受信状態を含む状態応答フレームＡを、光信号に重畳してＣＰＵ装置Ａ１へ送信するとともに、電気光変換装置１２１の受信状態を含む状態応答フレームＡを、電気信号に重畳してＣＰＵ装置Ａ１と状態同期した従系のＣＰＵ装置Ｂ１へ送信する。電気信号に重畳された電気光変換装置１２１の受信状態を含む状態応答フレームＡは、電気光変換装置３４２によって光信号に重畳され、光ケーブルＶ４を介して従系のＣＰＵ装置Ｂ１に届く。こうして、ＣＰＵ装置Ｂ１は、電気光変換装置がＣＰＵ装置Ａ１へ送信する応答フレームをスヌープしているため、異常個所特定を、定期的な状態同期による異常個所特定よりも早くすることが可能になる。
【符号の説明】
【００２１】
１、２、３…ＲＩＯユニット、４…指令装置、５…ＣＰＵユニット、１１…ＲＩＯ装置、４１…指令回線、１２１、１２２、１４１、１４２、３４１、３４２…電気光変換装置、１２３、１４３…リンクバス、１３１、１３２…電気回線、１５０、２５０、３５０…操作子、１５１、２５１、３５１…センサ
【図１】
0005847023.tif 000002
【図２】
0005847023.tif 000003
【図３】
0005847023.tif 000004
【図４】
0005847023.tif 000005
【図５】
0005847023.tif 000006