(57)【要約】【課題】プロセス制御装置においてコントローラと外部のフィールド機器が接続される入出力モジュールとの間の通信の周期を短縮して制御の高速度化、高精度化を図る。【解決手段】従来、別々のモジュールに分けられていたアナログ入力部２４、アナログ出力部２５、デジタル入力部２６、デジタル出力部２７を一つの入出力モジュール２に集約し、入出力制御部２２が出力データの分配や入力データの集約を担う。マスタ機であるコントローラユニット１からスレーブ機である入出力モジュール２に送出される下りデータに出力データを載せ、これに応じて入出力モジュール２からコントローラユニット１に返信される上りデータに入力データを載せる。これにより、１往復の通信で入出力信号を更新することができ、制御の高速化、高精度化を図ることができる。【選択図】図１
2019079458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の一又は複数の入力用フィールド機器により収集された情報に基づく所定の演算を実行し、該演算の結果に基づいて外部の出力用フィールド機器を制御する又は駆動するプロセス制御装置であって、
a)制御のための演算処理を行う演算部と、後記入出力モジュールとの間の通信を制御する通信制御部と、を含むコントローラユニットと、
b)一又は複数のアナログ入力用フィールド機器からアナログ入力信号を収集するアナログ入力部と、一又は複数のアナログ出力用フィールド機器にアナログ出力信号を出力するアナログ出力部と、一又は複数のデジタル入力用フィールド機器からデジタル入力信号を収集するデジタル入力部と、一又は複数のデジタル出力用フィールド機器にデジタル出力信号を出力するデジタル出力部と、前記コントローラユニットとの間の通信を制御する通信制御部と、該通信制御部と前記アナログ入力部、前記アナログ出力部 、前記デジタル入力部、及びデジタル出力部との間に介挿され、該通信制御部を介して前記コントーラユニットから受け取った出力データをアナログ出力用フィールド機器及びデジタル出力用フィールド機器が利用可能な形式に変換しつつ分配する一方、前記アナログ入力部及び前記デジタル入力部を介してアナログ入力用フィールド機器及びデジタル入力用フィールド機器から受け取った入力データを前記コントーラユニットが処理可能な形式に変換しつつ集約する入出力制御部と、を含む入出力モジュールと、
c)前記コントローラユニット及び前記入出力モジュールがそれぞれ装着され、該コントローラユニットと該入出力モジュールとの間の通信のための信号線が集約されたベースラックと、
を備えることを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプロセス制御装置であって、
前記コントローラユニット及び前記入出力モジュールそれぞれの通信制御部は、該コントローラユニットをマスタ機、該入出力モジュールをスレーブ機とした、マスタ−スレーブ方式による通信を行うことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のプロセス制御装置であって、
前記コントローラユニットから前記入出力モジュールへ送信される下りデータは、前記入出力モジュールの入出力制御部が前記アナログ出力部及び前記デジタル出力部を介してアナログ出力用フィールド機器及びデジタル出力用フィールド機器に出力される出力データを含み、
前記入出力モジュールが前記下りデータを受け取ったあとに、これに対応して前記コントローラユニットへ送信される上りデータは、前記入出力制御部が前記アナログ入力部及び前記デジタル入力部を通してアナログ入力用フィールド機器及びデジタル入力用フィールド機器から取得した入力データを含むことを特徴とするプロセス制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載のプロセス制御装置であって、
前記コントローラユニットから前記入出力モジュールへの下りデータの送信及びそれに続く該入出力モジュールから前記コントローラユニットへの上りデータの受信の一往復の送受信毎に、該入出力モジュールは各フィールド機器への出力信号を更新するとともに前記コントローラユニットは該入出力モジュールから各フィールド機器による入力信号を収集することを特徴とするプロセス制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業プラント等の制御を行うためのプロセス制御装置に関し、さらに詳しくは、ＤＣＳ（distributed control system：分散形制御システム）やＰＬＣ（programmable logic controller）のような、プログラム可能なコントローラを用いてフィールド機器を制御するプロセス制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場、発電施設、ゴミ焼却施設、水処理施設等におけるプラント設備では、様々な種類の多数のフィールド機器（圧力計、温度計、流量計、モータ、電磁リレーなど）を一括して制御するために、プログラム可能なコントローラユニットを中心とするプロセス制御装置が広く用いられている。
図３は特許文献１、２等に記載の分散形制御システムにおける一つのプロセス制御装置の概略ブロック構成図である。
【０００３】
この制御装置は、ＬＡＮ等のネットワーク回線１０７を介して図示しないオペレータコンソールに接続されるコントローラユニット１００と、それぞれフィールド機器１０６が接続されるアナログ入力モジュール１０１、アナログ出力モジュール１０２、デジタル入力モジュール１０３、及びデジタル出力モジュール１０４と、入出力信号線の集まりであるバスを備えるベースラック１０５と、を含む。コントローラユニット１００は各種の演算処理を実行するために、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるマイクロコンピュータ（以下、慣用に従って「マイコン」と略す）を含む。また、アナログ入力モジュール１０１は、図４に示すように、マイコン１０１１とアナログ入力部１０１２とを含む。他の入力又は出力モジュール１０２〜１０４も基本的にはこのアナログ入力モジュール１０１と同様の構成である。
【０００４】
コントローラユニット１００、アナログ入力モジュール１０１、アナログ出力モジュール１０２、デジタル入力モジュール１０３、及びデジタル出力モジュール１０４は、それぞれベースラック１０５に装着され、ベースラック１０５に設けられているバスを介して、各入力又は出力モジュール１０１〜１０４とコントローラユニット１００との間の通信が行われる。なお、フィールド機器１０６には、非特許文献１に開示されているような、圧力計、流量計、指示計などの機器のほか、モータ、電磁リレー、各種のセンサスイッチなど様々な機器が含まれる。図３では、一つの入力又は出力モジュール１０１〜１０４にそれぞれ一つずつのフィールド機器１０６が接続されているが、実際には、一つの入力又は出力モジュール１０１〜１０４に多数（例えば１６個或いは６４個など）のフィールド機器１０６を接続することが可能である。
【０００５】
この制御装置では、ベースラック１０５に設けられているバスを介して、コントローラユニット１００がマスタ機、各入力又は出力モジュール１０１〜１０４がそれぞれスレーブ機となるマスタ−スレーブ方式の通信が行われる。その通信によって、各入力モジュール１０１、１０３に接続されているフィールド機器１０６で収集された入力データが該入力モジュール１０１、１０３からコントローラユニット１００に送られる。また逆に、コントローラユニット１００から各出力モジュール１０２、１０４に送られた出力データに基づいて、該出力モジュール１０２、１０４はそれに接続されているフィールド機器１０６を制御したり駆動したりする。
【０００６】
上述したように、各入力又は出力モジュール１０１〜１０４にはそれぞれ複数のフィールド機器１０６を接続することが可能であるが、その数は制御対象であるプラント設備の構成によって様々である。コントローラユニット１００と各入力又は出力モジュール１０１〜１０４との間でやりとりされるデータの量は、各入力又は出力モジュール１０１〜１０４に接続されるフィールド機器１０６の数によって異なる。したがって、入力又は出力モジュール１０１〜１０４に接続されるフィールド機器１０６の数が多い場合には、コントローラユニット１００と各入力又は出力モジュール１０１〜１０４との間での信号の送受の周期を長く設定する必要がある。一方、入力又は出力モジュール１０１〜１０４に接続されるフィールド機器１０６の数が少ない場合であっても、コントローラユニット１００と各入力又は出力モジュール１０１〜１０４との間で４往復の信号の送受を行う必要がある。１往復の信号の送受に必要な時間はバスに接続されるモジュールの種類によって異なるものの、例えば１往復の信号の送受に平均で１０msecの時間を要する場合、通信周期はその時間の４倍の４０msecとなる。即ち、４０msec周期でしか信号の更新を行うことができない。
【０００７】
一般に、プラント設備等における温度センサや流量センサなどによる検出信号の時間的な変動は比較的緩慢であるため、従来は上述したような信号更新の周期の長さは殆ど問題とならなかった。これに対し、近年は、こうしたプロセス制御装置による監視制御対象が広がっており、例えば鉄鋼製造プロセス等における監視制御では、通常速度での制御に加え、より高速である監視処理が要求されるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１４８８０２号公報（図１）
【特許文献２】特開２００７−２３３９３０号公報（図１）
【０００９】
【非特許文献１】「フィールドトップ  製品情報」、［online］、横河電機株式会社、［平成２９年７月２４日検索］、インターネット＜URL: https://www.yokogawa.co.jp/fld/top/fld-top-jp.htm＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主たる目的は、コントローラユニットと入力モジュールや出力モジュールとの間の通信の周期を短縮し、高速・高精度の制御を行うことができるプロセス制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明は、外部の一又は複数の入力用フィールド機器により収集された情報に基づく所定の演算を実行し、該演算の結果に基づいて外部の出力用フィールド機器を制御する又は駆動するプロセス制御装置であって、
a)制御のための演算処理を行う演算部と、後記入出力モジュールとの間の通信を制御する通信制御部と、を含むコントローラユニットと、
b)一又は複数のアナログ入力用フィールド機器からアナログ入力信号を収集するアナログ入力部と、一又は複数のアナログ出力用フィールド機器にアナログ出力信号を出力するアナログ出力部と、一又は複数のデジタル入力用フィールド機器からデジタル入力信号を収集するデジタル入力部と、一又は複数のデジタル出力用フィールド機器にデジタル出力信号を出力するデジタル出力部と、前記コントローラユニットとの間の通信を制御する通信制御部と、該通信制御部と前記アナログ入力部、前記アナログ出力部 、前記デジタル入力部、及びデジタル出力部との間に介挿され、該通信制御部を介して前記コントーラユニットから受け取った出力データをアナログ出力用フィールド機器及びデジタル出力用フィールド機器が利用可能な形式に変換しつつ分配する一方、前記アナログ入力部及び前記デジタル入力部を介してアナログ入力用フィールド機器及びデジタル入力用フィールド機器から受け取った入力データを前記コントローラユニットが処理可能な形式に変換しつつ集約する入出力制御部と、を含む入出力モジュールと、
c)前記コントローラユニット及び前記入出力モジュールがそれぞれ装着され、該コントローラユニットと該入出力モジュールとの間の通信のための信号線が集約されたベースラックと、
を備えることを特徴としている。
【００１２】
本発明に係るプロセス制御装置では、それぞれ異なる形式（つまりはアナログ形式とデジタル形式）の信号を扱うアナログ入力部、アナログ出力部、デジタル入力部、及びデジタル出力部を、一つのモジュール（入出力モジュール）に集約している。そして、その一つの入出力モジュールにおいて、アナログ入力部やデジタル入力部を通してそれぞれ外部のフィールド機器から得られたデータと、アナログ出力部やデジタル出力部を通してそれぞれ外部のフィールド機器を制御したり駆動したりするためのデータとを、入出力制御部により集約したり分配したりする。したがって、ベースラックにおける通信線を介した、コントローラユニットの通信制御部と入出力モジュールの通信制御部との間の信号のやり取りによって、外部の一又は複数の入力用フィールド機器により収集された情報に基づく、外部の出力用フィールド機器の制御や駆動を行うことができる。
【００１３】
また本発明に係るプロセス制御装置では、好ましくは、前記コントローラユニット及び前記入出力モジュールそれぞれの通信制御部は、該コントローラユニットをマスタ機、該入出力モジュールをスレーブ機とした、マスタ−スレーブ方式による通信を行う構成とするとよい。
【００１４】
具体的に、本発明に係るプロセス制御装置では、前記コントローラユニットから前記入出力モジュールへ送信される下りデータは、前記入出力モジュールの入出力制御部が前記アナログ出力部及び前記デジタル出力部を介してアナログ出力用フィールド機器及びデジタル出力用フィールド機器に出力される出力データを含み、
前記入出力モジュールが前記下りデータを受け取ったあとに、これに対応して前記コントローラユニットへ送信される上りデータは、前記入出力制御部が前記アナログ入力部及び前記デジタル入力部を通してアナログ入力用フィールド機器及びデジタル入力用フィールド機器から取得した入力データを含むものとすることができる。
【００１５】
本発明に係るプロセス制御装置では、マスタ機であるコントローラユニットの通信制御部からスレーブ機である入出力モジュールに下りデータが送出され、これを受けた入出力モジュールの通信制御部はコントローラユニットへ上りデータを返信する。この１往復の信号のやり取りによって、コントローラユニットは演算部における制御演算に必要な入力データを取得することができ、入出力モジュールではその制御演算によって求まる制御値や指令値を目的とする出力用フィールド機器に与えることができる。
【００１６】
なお、この場合、前記コントローラユニットから前記入出力モジュールへの下りデータの送信及びそれに続く該入出力モジュールから前記コントローラユニットへの上りデータの受信の一往復の送受信毎に、該入出力モジュールは各フィールド機器への出力信号を更新するとともに前記コントローラユニットは該入出力モジュールから各フィールド機器による入力信号を収集するとよい。
【００１７】
コントローラユニットの演算部による演算処理とコントローラユニットの通信制御部によるデータの送受信とは並行して行うことができるから、演算処理の周期（演算周期）とデータの送受信の周期（通信周期）とは非同期で構わない。もちろん、演算周期と通信周期とを同期させてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るプロセス制御装置によれば、コントローラユニットと入出力モジュールとの間での信号の往復の回数を減らすことができる。コントローラユニットと入出力モジュールとの間での１往復の通信時間が例えば上述したように平均１０msecと決まっている場合、フィールド機器の点数が少なく送受すべきデータ量が少なくても、１往復の信号の送受に平均で１０msecの時間を要する。図３に示した構成の従来のプロセス制御装置では、入力用フィールド機器による入力データを受け取る一方、出力用フィールド機器を制御したり駆動したりするのに、上述したように少なくとも４往復の信号のやり取りが必要であるため、通信周期を４０msecにしなければならない。それに対し、本発明に係るプロセス制御装置では、フィールド機器の点数が少なければ１往復の信号のやり取りで済む。そのため、出力用フィールド機器を制御する信号の更新や入力用フィールド機器から読み込む信号の更新の周期を短くすることができ、それによって制御の高速化や高精度化が可能となる。
【００１９】
また従来のプロセス制御装置では、使用するフィールド機器の点数が少ない場合であっても複数の入力用又は出力用モジュールを使用する必要があった。それに対し本発明に係るプロセス制御装置によれば、フィールド機器の点数が少なくてもよい場合には、一つの入出力用モジュールを使用すればよいので、装置を小型化、軽量化することができる。それによって、従来装置では導入が困難であったような小規模な設備にも、プロセス制御装置を導入することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例によるプロセス制御装置の概略ブロック構成図。
【図２】本実施例のプロセス制御装置においてコントローラユニットと入出力モジュールとの間でやり取りされるデータの形式を示す概略図。
【図３】従来のプロセス制御装置の概略ブロック構成図。
【図４】従来のプロセス制御装置におけるアナログ入力モジュールの概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施例であるプロセス制御装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例のプロセス制御装置の要部のブロック構成図である。
【００２２】
本実施例のプロセス制御装置は、コントローラユニット１と、入出力モジュール２と、ベースラック３と、を備える。図示するように、コントローラユニット１は１台でもよいが、信頼性を高めるために２重化する場合には２台設けることもできる。また、入出力モジュール２を２重化することもできる。
ベースラック３は、コントローラユニット１と入出力モジュール２をそれぞれ装着するためのコネクタを含む接続部３０、３１と、その二つの接続部３０、３１の間を相互に接続する複数の信号線の束である入出力バス３２と、を含む。
【００２３】
コントローラユニット１は、機能ブロックとして、プロセス制御のための演算処理を実行する制御演算部１１と、入出力モジュール２との間の通信を行うための通信制御部１２と、ベースラック３の接続部３０と接続される入出力コネクタを含むインタフェース部１３と、を備える。制御演算部１１や通信制御部１２の実体はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイコン１０を中心に構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵで実行することにより各機能ブロックの機能が実現される。ただし、制御演算部１１における演算を高速化するために、特定の演算処理を実行するデジタルシグナルプロセッサ等の専用のハードウェア回路を設けてもよい。
【００２４】
入出力モジュール２は、アナログ入力部２４と、アナログ出力部２５と、デジタル入力部２６と、デジタル出力部２７と、コントローラユニット１との間の通信を行うための通信制御部２１と、各入力部又は出力部２４〜２７を介したデータの入出力を制御する入出力制御部２２と、ベースラック３の接続部３１と接続される入出力コネクタを含むインタフェース部２３と、を備える。コントローラユニット１と同様に、通信制御部２１や入出力制御部２２の実体はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むマイコン２０を中心に構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵで実行することにより各機能ブロックの機能が実現される。
【００２５】
入出力モジュール２におけるアナログ入力部２４は、図４に示した従来装置においてアナログ入力モジュール１０１に備えられているアナログ入力部１０１２と実質的に同じである。即ち、本実施例のプロセス制御装置では、従来装置において複数のモジュールに分けられていた、アナログ入力部２４、アナログ出力部２５、デジタル入力部２６及びデジタル出力部２７が一つの入出力モジュール２に集約されている。そして、アナログ出力部２５とデジタル出力部２７とに出力データを分配するため、また、アナログ入力部２４とデジタル入力部２６とを通して入力された入力データを集約するために、入出力制御部２２が設けられている。
【００２６】
次に、本実施例のプロセス制御装置におけるプロセス制御動作を説明する。
本実施例のプロセス制御装置では、コントローラユニット１をマスタ機、入出力モジュール２をスレーブ機としたマスタ−スレーブ方式の通信を行う。通信の周期は１０msec、４０msec、８０msecの３種類が用意されており、その中からユーザが適宜の周期を選択することができる。入出力モジュール２を１台のみ使用する場合、つまりは入出力モジュール２の２重化を行わない場合には、最短である１０msecの通信周期を選択することができる。ただし、この通信周期の数値は一例であり、適宜の周期に定めることができる。
【００２７】
コントローラユニット１において制御演算部１１は、予め設定されたプログラムに従い、後述するようにフィールド機器４による入力値に対応するデータに基づいて、フィールド機器４であるモータ等を制御するための所定の演算処理、例えばＰＩＤ演算を実施して制御値等を算出する。制御演算部１１による演算処理は必要なデータが得られた時点で行うことができるから、上記通信周期とは非同期である演算周期毎に実行する。ただし、この演算周期と通信周期とを同期させても構わない。
【００２８】
通信制御部１２は、入出力モジュール２に送信すべき、上記制御値等の出力データに所定のヘッダを付加した下りデータ（図２（ａ）参照）を作成する。この信号形式は予め決められた任意の形式でよい。該下りデータはコントローラユニット１の通信制御部１２からインタフェース部１３、ベースラック３の入出力バス３２、入出力モジュール２のインタフェース部２３を通して、入出力モジュール２の通信制御部２１に送られる。入出力モジュール２の通信制御部２１は、受け取ったデータ中のヘッダを解析し、その入出力モジュール２自体に送られたデータであることを認識する。
【００２９】
コントローラユニット１の通信制御部１２は入出力モジュール２の通信制御部２１への下りデータの送出を上述のように定められた通信周期（例えば１０msec）毎に実行する。通信制御部２１による下りデータの送出は制御演算部１１による演算処理と並行して実施され、通信制御部２１はその直前の演算周期における演算処理で求まった制御値等の出力データを送出する。
なお、入出力モジュール２の通信制御部２１は、受け取ったデータ中のヘッダの解析結果から該データがその入出力モジュール２に宛てられたデータでないことを認識した場合、そのデータを無視すればよい。
【００３０】
入出力モジュール２の通信制御部２１がコントローラユニット１から送られて来た下りデータを受領し、そのデータ中の出力データが入出力制御部２２に渡されると、入出力制御部２２はまず、アナログ入力部２４及びデジタル入力部２６を通してそれぞれに接続されているフィールド機器４で得られた検出データを受け取る。アナログ入力部２４はアナログデジタル変換器を備え、フィールド機器４から入力されたアナログ値である検出信号をデジタル値に変換したうえで入出力制御部２２に渡す。デジタル入力部２６は、フィールド機器４から入力された制御値や指示値を必要に応じて適宜変換したうえで入出力制御部２２に渡す。
【００３１】
引き続いて入出力制御部２２は、直前に通信制御部２１から受け取った出力データに基づく制御値や指示値をその出力先のフィールド機器４に応じてアナログ出力部２５とデジタル出力部２７とに分配する。アナログ出力部２５はデジタルアナログ変換器を備え、デジタル値である制御値や指示値をアナログ値に変換したうえで、接続されているフィールド機器４にそれぞれ出力する。一方、デジタル出力部２７は、与えられた制御値や指示値を必要に応じて適宜変換したうえで、接続されているフィールド機器４にそれぞれ出力する。
【００３２】
一方、入出力モジュール２の通信制御部２１は下りデータを受領して出力データを入出力制御部２２に渡したあと、その直前の通信周期中に入出力制御部２２が入力部２４、２６を介してフィールド機器４から受け取ったデータを該入出力制御部２２から受け、データを集約して入力データを作成する。さらに、その入力データに所定のヘッダを付加して上りデータ（図２（ｂ）参照）を用意する。入力データには、その直前に受け取った下りデータの確認信号を含むようにしてもよい。そして、入出力モジュール２の通信制御部２１はその上りデータを、インタフェース部２３、ベースラック３の入出力バス３２、コントローラユニット１のインタフェース部１３を介してコントローラユニット１の通信制御部１２に送出する。
【００３３】
コントローラユニット１の通信制御部１２は入出力モジュール２から受け取ったデータ中のヘッダを解析し、そのコントローラユニット１に送られたデータであることを認識する。コントローラユニット１の通信制御部１２は、上りデータを受領すると入力データの中からフィールド機器４によるアナログ入力値やデジタル入力値に対応するデータを抽出し制御演算部１１に渡す。そして制御演算部１１は上述したように、その入力値に基づく所定の演算処理を実行する。コントローラユニット１の通信制御部１２が上述したように入出力モジュール２に下りデータを送出してから上りデータの受領を完了するまでの処理は、一つの通信周期中に実施される。
【００３４】
このように本実施例のプロセス制御装置では、コントローラユニット１から入出力モジュール２への下りデータの送出、そしてこれを受けての入出力モジュール２からコントローラユニット１への上りデータの送出、という１往復のデータのやり取りによって、アナログ出力部２５及びデジタル出力部２７にそれぞれ接続されているフィールド機器４への新たな指示信号や制御信号の出力、並びに、アナログ入力部２４及びデジタル入力部２６にそれぞれ接続されているフィールド機器４から入力された新たな信号の読み込み、が完了する。即ち、従来の装置ではコントローラユニットと複数の入出力モジュールとの間で４往復の通信が必要であったものが、１往復の通信で済む。それにより、１往復の通信周期が１０msecに設定されている場合、従来は４０msec間隔でしか信号の更新が行えなかったのに対し、１０msec間隔での信号の更新が可能となる。
【００３５】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【符号の説明】
【００３６】
１…コントローラユニット
１０、２０…マイコン
１１…制御演算部
１２、２１…通信制御部
１３、２３…インタフェース部
２…入出力モジュール
２２…入出力制御部
２４…アナログ入力部
２５…アナログ出力部
２６…デジタル入力部
２７…デジタル出力部
３…ベースラック
３０、３１…接続部
３２…入出力バス
４…フィールド機器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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