特許 7396526 プラント制御システム及びプラント制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-04

(45)【発行日】2023-12-12

(54)【発明の名称】プラント制御システム及びプラント制御方法

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/05 20060101AFI20231205BHJP

   G05B 9/03 20060101ALI20231205BHJP

   G05B 23/02 20060101ALI20231205BHJP

【ＦＩ】

G05B19/05 L

G05B9/03

G05B23/02 V

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023085633

(22)【出願日】2023-05-24

【審査請求日】2023-05-26

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢島 英治

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 雄三

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 和幸

【審査官】藤崎 詔夫

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－２４４５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１８４５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１８６６６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１４０３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１４９１１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ １９／０５

Ｇ０５Ｂ ９／０３

Ｇ０５Ｂ ２３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

相互に連携して動作するコントローラと入出力装置とを有するプラント制御システムであって、
前記コントローラは、
第１機器から得た受信データを基に第１出力データを作成し、前記入出力装置を介して第２機器へ送信して制御する主制御部を備え、
前記入出力装置は、
前記第１機器から得た前記受信データを基に第２出力データを作成する補助制御部と、
前記主制御部及び前記補助制御部と前記第１機器及び前記第２機器との間の通信を中継する入出力部と、
前記コントローラとの前記連携が損なわれた場合、前記第１出力データの前記第２機器への送信を行なわずに、前記第２出力データを前記第２機器へ送信するように前記入出力部を制御する管理部とを備えた
ことを特徴とするプラント制御システム。

【請求項2】

前記管理部は、前記連携が維持されている場合、前記主制御部により作成された前記第１出力データを前記第２機器へ送信するように前記入出力部を制御することを特徴とする請求項１に記載のプラント制御システム。

【請求項3】

前記管理部は、前記第１出力データの前記第２機器へ送信と、前記第２出力データの前記第２機器へ送信とを排他的に制御することを特徴とする請求項２に記載のプラント制御システム。

【請求項4】

前記主制御部は、前記入出力部を介して前記第１機器から送出された前記受信データを入力として受け付け、前記入出力部を介して各前記受信データを基に作成した前記第１出力データを前記第２機器へ出力し、
前記補助制御部は、前記入出力部を介して前記第１機器から送出された前記受信データを入力として受け付け、前記入出力部を介して各前記受信データを基に作成した前記第２出力データを前記第２機器へ出力する
ことを特徴とする請求項１に記載のプラント制御システム。

【請求項5】

前記連携が損なわれた場合、
前記管理部は、前記第２出力データの前記第２機器への出力を前記入出力部に指示し、前記連携の復帰を確認すると、前記入出力部から出力された前記第２出力データを前記主制御部へフィードバックし、前記第１出力データの前記第２機器への出力を前記入出力部に指示し、
前記補助制御部は、前記連携の復帰が前記管理部により確認されるまで、前記受信データ及び前記入出力部から出力された前記第２出力データを基に、次回の前記第２出力データを算出し、
前記主制御部は、前記連携の復帰が前記管理部により確認されると、前記受信データ及び前記管理部からフィードバックされた前記入出力部から出力された前記第２出力データを基に、次回の前記第１出力データを算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のプラント制御システム。

【請求項6】

前記連携が維持されている場合、
前記管理部は、前記第１出力データの前記第２機器への出力を前記入出力部に指示し、且つ、前記入出力部から出力された前記第１出力データを前記補助制御部へフィードバックし、
前記主制御部は、前記受信データ及び前記入出力部から出力された前記第１出力データを基に、次回の前記第１出力データを算出し、
前記補助制御部は、前記受信データ及び前記管理部からフィードバックされた前記入出力部から出力された前記第１出力データを基に、次回の前記第２出力データを算出する
ことを特徴とする請求項１に記載のプラント制御システム。

【請求項7】

前記管理部は、前記主制御部から取得したプラントの状態を表す状態情報に基づいて前記主制御部が異常状態と判定した場合、又は、前記主制御部から計画停止の通知を受けた場合に、前記連携が損なわれたと判定することを特徴とする請求項１に記載のプラント制御システム。

【請求項8】

相互に連携して動作するコントローラ及び入出力装置によるプラント制御方法であって、
前記コントローラが、
第１機器から得た受信データを基に第１出力データを作成し、前記入出力装置を介して第２機器へ送信して制御し、
前記入出力装置が、
前記第１機器から得た前記受信データを基に第２出力データを作成し、
前記コントローラとの前記連携が維持されている場合、前記コントローラから前記第１出力データを取得して前記第２機器へ送信し、
前記コントローラとの前記連携が損なわれた場合、前記第１出力データの前記第２機器への送信を行なわずに、前記第２出力データを前記第２機器へ送信する
ことを特徴とするプラント制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラント制御システム及びプラント制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、石油、石油化学、化学、ガスなどを用いた各種プラントでは、工業プロセスにおける各種の状態量（例えば、圧力、温度、流量等）を制御するプラント制御システムが構築されており、高度な自動操業が実現されている。プラント制御システムは、例えば、ＤＣＳ（Distributed Control System）等である。プラント制御システムには、フィールド機器と呼ばれる現場機器（測定器、操作器）が設けられる。そして、プラント制御システムは、流量計や温度計等の各種測定器による測定結果を取得し、この測定結果に応じてバルブやアクチュエータ等の操作機器の操作量を求め、この操作量に応じて操作機器を制御する。

【0003】

上述したような制御を行うため、プラント制御システムは、フィールド機器とのデータ交換を行う入出力機能と、入力データを利用し制御演算を実施し出力データを作成する制御機能とを有する。そして、プラント制御システムでは入出力機能と制御機能とが連携して動作することで、安定したプラントの操業が可能となる。プラント制御システムは、入出力機能と制御機能が一体化した装置で実現される場合と、入出力機能と制御機能が分離した装置で実現される場合があり、目的により選択利用することが可能である。ここでは、プラント制御装置が入出力機能と制御機能が分離した構成における入出力機能を有する装置をＩＯ（Input Output）装置と呼び、制御機能を有する装置をコントローラと呼ぶ。

【0004】

プラント制御システムにおいて、入出力機能と制御機能とを異なる装置に配備することで、以下のようなメリットが得られる。１つには、ＩＴ（Internet Technology）技術の活用等に基づいたコントローラの高性能化による制御機能の能力アップが容易になるといったメリットが挙げられる。他にも、コントローラを計器室などの安全な環境に設置可能となることや、コントローラとＩＯ装置をスケーラブルに拡張可能となることや、ノード分離により小規模高分散化されることでメンテナンス性が高まることがメリットとして挙げられる。

【0005】

なお、プラント施設の管理方法として、以下の様な技術が提案されている。例えば、計測された第１装置のプロセス値及び設定されたパラメータに基づいて第２装置の第１制御値を計算し、他の装置で計算された第２装置の第２制御値と第１制御値とを比較して、第１制御値を第２装置に設定するか否かを決定する技術が存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１９－６１６６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、プラント制御システムにおいて入出力機能と制御機能とを異なる装置に配備した場合、入出力機能と制御機能の連携が損なわれると安定したプラント操業が行えなくなるおそれがある。連携が損なわれる原因として以下の様な理由が考えられる。例えば、入出力機能と制御機能の物理的距離が離れるほど経路が複雑となるため、経路が途切れる確率が高まる。また、サーバＰＣ（Personal Computer）やクラウドの利用等といったＩＴ技術を活用するほどそれらの装置の障害により連携が損なわれるリスクが高まる。他にも、高度化した制御機能のハードウェアやソフトウェアでは、メンテナンス頻度が高まるが、メンテナンス目的で各装置の動作が一時的に停止されることが考えられ、その場合に連携が途切れることになる。

【0008】

そして、入出力機能と制御機能との連携が損なわれた場合、操業を停止してプラントを安全な状態に移行することが行われる。プラントを一時停止した場合、再度操業を開始するまでに大きな機会損失が生じる。このように、従来、プラント制御システムにおける入出力機能と制御機能とを異なる装置に配備した場合に、安定したプラント操業を実現することは困難であった。

【0009】

また、算出した制御値と他の装置により算出された制御値とを比較して制御に用いるか否かを決定する技術では、制御値の信頼性を向上させることはできるが、入出力機能と制御機能の連携が損なわれた場合の対処は困難である。したがって、この技術を用いても、安定したプラント操業を実現することは困難である。

【0010】

本発明の一側面は、安定したプラント操業を実現する。

【課題を解決するための手段】

【0011】

一側面に係るプラント制御システムは、相互に連携して動作するコントローラと入出力装置とを有する。前記コントローラは、第１機器から得た受信データを基に第１出力データを作成し、前記入出力装置を介して第２機器へ送信して制御する主制御部を備える。前記入出力装置は、前記第１機器から得た前記受信データを基に第２出力データを作成する補助制御部と、前記主制御部及び前記補助制御部と前記第１機器及び前記第２機器との間の通信を中継する入出力部と、前記コントローラとの前記連携が損なわれた場合、前記第１出力データの前記第２機器への送信を行なわずに、前記第２出力データを前記第２機器へ送信するように前記入出力部を制御する管理部とを備える。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、入出力機能と制御機能との連携が損なわれた場合にも制御状態を維持して、安定したプラント操業を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態に係るプラント制御システムのブロック図である。

【図2】コントローラが正常状態の操作機器制御処理のシーケンス図である。

【図3】コントローラが異常状態の操作機器制御処理のシーケンス図である。

【図4】コントローラのメンテナンス時の操作機器制御処理のシーケンス図である。

【図5】コントローラの異常状態からの復帰時の操作機器制御処理のシーケンス図である。

【図6】コンピュータのハードウェア構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しつつプラント制御システム及びプラント制御方法の実施形態について説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。また、各実施形態は、矛盾のない範囲内で適宜組み合わせることができる。

【0015】

（全体構成）
図１は、実施形態に係るプラント制御システムのブロック図である。プラント制御システム１は、プラントの状態を表す情報を入力データとして取得する。そして、プラント制御システム１は、入力データを利用して制御演算を実施して出力データを作成する。その後、プラント制御システム１は、生成した出力データを用いてプラントを制御する。

【0016】

本実施形態に係るプラント制御システム１は、コントローラ１０及びＩＯ装置２０を有する。コントローラ１０とＩＯ装置２０とは、ネットワーク３０を介して接続される。また、ＩＯ装置２０は、測定器４１及び操作機器４２を含む各種フィールド機器４０に接続される。測定器４１には、例えば、圧力センサ、温度センサ及び流速センサ等が含まれる。また、操作機器４２には、バルブやアクチュエータ等が含まれる。この測定器４１が「第１機器」の一例にあたり、操作機器４２が「第２機器」の一例にあたる。

【0017】

コントローラ１０は、例えば、ＤＣＳにより実現される。コントローラ１０は、プラントの状態を表す情報としてフィールド機器４０のうちの測定器４１による測定結果を入力データとしてＩＯ装置２０から定期的に受信して、受信した入力データを用いて制御演算を実施して出力データを作成する主制御機能を有する。また、コントローラ１０は、ＩＯ装置２０を介して出力データを操作機器４２へ送信する。

【0018】

コントローラ１０は、主制御機能により複数のＩＯ装置２０を統括した制御ループを構築可能である。これにより、コントローラ１０は、複数のＩＯ装置２０にまたがってプラント全体の効率的な制御運転が実現可能となる。

【0019】

コントローラ１０は、ＩＯ装置２０と分離されることで、性能や物理的な配置の制約が軽減される。これにより、コントローラ１０は、処理能力、応答性及びメンテナンス性を考慮した制御対象範囲や配置場所の決定が可能となる。

【0020】

ＩＯ装置２０は、例えば、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）により実現される。ＩＯ装置２０は、フィールド機器４０のうちの測定器４１による測定結果を各測定器４１から定期的に取得する。そして、ＩＯ装置２０は、取得した測定結果を入力データとしてネットワーク３０を介してコントローラ１０へ送信する。また、ＩＯ装置２０は、ネットワーク３０を介して出力データをコントローラ１０から受信する。そして、ＩＯ装置２０は、取得した出力データを操作機器４２へ送信する。ＩＯ装置２０は、以上の入出力機能を有する入出力装置である。

【0021】

また、ＩＯ装置２０は、通信切断などによりコントローラ１０との連携が損なわれた場合、コントローラ１０に代わって入力データから出力データを算出して操作機器４２を制御する補助制御機能を有する。コントローラ１０との連携が回復すると、ＩＯ装置２０は、操作機器４２の制御をコントローラ１０に戻して、入出力機能の処理を実施する。ここで、「連携」とは、単に接続され通信可能となった状態ではなく、コントローラ１０とＩＯ装置２０との間でデータの送受信を行い協働して動作可能な状態を指す。

【0022】

ＩＯ装置２０は、プラントの各所に配置される各操作機器４２と物理的に結線されるため、物理的な配置が固定されることから、プラントの各所に分散配置される。ＩＯ装置２０は、プラントの稼働率向上とコストの観点を加味して「制御対象の単位」で配置される。すなわち、ＩＯ装置２０は、データの送受信を行う対象とするユニットが割り当てられる。以下では、制御対象の単位を「ユニット」と呼ぶ。プラントにおけるユニットは、１つのまとまりとなる処理を行う機構がまとめられたものであり、「貯蔵タンク」や「配管」や「反応窯」等にあたる。

【0023】

ＩＯ装置２０は、補助制御機能により割り当てられたユニットに含まれる操作機器４２に限定した制御ループを構築可能である。ＩＯ装置２０は、補助制御機能により、割り当てられたユニットのスコープの範囲で制御を維持し、危険を察知した場合はフォールバックを行うことで、割り当てられたユニットを安全状態に移行させることができる。

【0024】

（コントローラ１０）
コントローラ１０は、図１に示すように、主制御機能を備えた主制御部１１を有する。

【0025】

主制御部１１は、ＩＯ装置２０の入出力部２２からネットワーク３０を介して入力データを受信する。次に、主制御部１１は、予め登録されたアプリケーションを用いて制御演算を実行して、入力データ及び自己が前回出力した出力データで示される出力値から操作機器４２を制御するための出力値を含む出力データを作成する。以下では、自己が前回出力した出力データで示される出力値を、「自己の前回出力値」と呼ぶ。その後、主制御部１１は、作成した出力データをＩＯ装置２０の入出力部２２へネットワーク３０を介して送信する。また、主制御部１１は、ハートビートなどの自己の状態を示す状態信号をＩＯ装置２０の管理部２１へ継続的に送信する。

【0026】

コントローラ１０が異常状態となり停止されて修理された後に復帰した場合及びメンテナンスにより停止されて復帰した場合のいずれの場合も、主制御部１１は、状態信号の送信を再開する。その後、主制御部１１は、ＩＯ装置２０の補助制御機能により算出された前回の出力データで示される前回出力値のフィードバックをＩＯ装置２０の管理部２１から受ける。以下では、管理部２１から受信した前回出力値を、「フィードバックされた前回出力値」と呼ぶ。

【0027】

また、主制御部１１は、ＩＯ装置２０の入出力部２２からネットワーク３０を介して入力データを受信する。そして、主制御部１１は、受信した入力データ及びフィードバックされた前回出力値を用いて制御演算を実行して出力データを作成する。これにより、主制御部１１は、補助制御部２３からのバンプレスな制御対象に対する制御機能の切り替えを可能とする。

【0028】

ここで、主制御部１１により作成された操作機器４２を制御するための出力データが「第１出力データ」の一例にあたる。すなわち、主制御部１１は、第１機器である測定器４１から得た受信データを基に第１出力データを作成する。より詳しくは、主制御部１１は、入出力部２２を介して第１機器から送出された受信データを入力として受け付け、入出力部２２を介して各受信データを基に作成した第１出力データを第２機器である操作機器４２へ出力する。また、主制御部１１は、連携の復帰が管理部２１により確認されると、受信データ及び管理部２１からフィードバックされた入出力部２２から出力された第２出力データを基に、次回の第１出力データを算出する。ここで、ＩＯ装置２０が有する補助制御機能により作成された操作機器４２を制御するための出力データが「第２出力データ」の一例にあたる。

【0029】

（ＩＯ装置２０）
ＩＯ装置２０は、図１に示すように、主制御機能と補助制御機能との運用を管理する管理部２１、入出力機能を備えた入出力部２２及び補助制御機能を備えた補助制御部２３を有する。

【0030】

管理部２１は、状態信号をコントローラ１０の主制御部１１から受信する。管理部２１は、受信した状態信号からコントローラ１０が正常状態か否かを判定する。例えば、管理部２１は、受信した信号を解析してコントローラ１０が正常状態であるか異常状態であるかを判定する。他にも、管理部２１は、状態信号を受信しなくなった場合にコントローラ１０に異常が発生したと判定してもよい。

【0031】

管理部２１は、コントローラ１０が正常状態であると判定した場合、コントローラ１０の主制御部１１からの出力データを操作機器４２へ出力することを入出力部２２に指示する。この場合、管理部２１は、補助制御部４３により作成された出力データの操作機器４２への入出力部２２による送信を停止させる。さらに、管理部２１は、入出力部２２が操作機器４２へ出力した、コントローラ１０により作成された出力データを前回出力値として補助制御部２３へフィードバックする。管理部２１は、入出力部２２が操作機器４２へ出力データを出力するたびに、出力データを前回出力値として補助制御部２３へフィードバックすることを繰り返す。

【0032】

これに対して、コントローラ１０が異常状態であると判定した場合、管理部２１は、連携が損なわれたとして、補助制御部２３からの出力データを、操作機器４２へ出力することを入出力部２２に指示する。また、コントローラ１０のメンテナンス時に、管理部２１は、メンテナンス実行の通知をコントローラ１０の主制御部１１から受信する。そして、メンテナンス実行の通知を受信した場合も、管理部２１は、連携が損なわれたとして、補助制御部２３からの出力データを、操作機器４２へ出力することを入出力部２２に指示する。このように、異常状態の場合やメンテナンス等の計画停止の場合等に、管理部２１は、コントローラ１０との連携が損なわれたと判定する。そして、コントローラ１０との連携が損なわれた場合に、管理部２１は、補助制御部２３からの出力データを、操作機器４２へ出力することを入出力部２２に指示する。また、いずれの場合も、管理部２１は、主制御部１１により作成された出力データの操作機器４２への入出力部２２による送信を停止させる。以下では、コントローラ１０が異常状態であると補助制御部２３に判定された場合の「異常状態の場合」と呼び、コントローラ１０にメンテナンスが行われた場合を「メンテナンスの場合」と呼ぶ。

【0033】

異常状態の場合及びメンテナンスの場合等の連携が損なわれたいずれの場合でも、コントローラ１０の修理やメントナンスの完了後にコントローラ１０が復帰すると、管理部２１は、コントローラ１０の主制御部１１からの状態信号の受信を再開する。そして、状態信号の受信を再開してコントローラ１０が正常状態であることを確認すると、管理部２１は、入出力部２２が操作機器４２へ出力した最新の出力データを前回出力値として主制御部１１へフィードバックする。

【0034】

その後、管理部２１は、コントローラ１０の主制御部１１からの出力データを、操作機器４２へ出力する状態に戻るように入出力部２２に指示する。この場合、管理部２１は、補助制御部４３により作成された出力データの操作機器４２への入出力部２２による送信を停止させる。さらに、管理部２１は、入出力部２２が操作機器４２へ出力した出力データの前回出力値としての補助制御部２３へのフィードバックを再開する。

【0035】

このように、管理部２１は、連携が損なわれた場合、第２出力データを第２機器である操作機器４２へ送信するように入出力部２２を制御する。より詳しくは、管理部２１は、連携が損なわれたことを確認して、第２出力データの第２機器への出力を入出力部２２に指示し、連携の復帰を確認すると、入出力部２２から出力された各受信データを基に作成した第２出力データを主制御部１１へフィードバックし、第１出力データの第２機器への出力を入出力部２２に指示する。また、管理部２１は、連携が維持されている場合、主制御部１１により作成された第１出力データを第２機器へ送信するように入出力部２２を制御する。より詳しくは、管理部２１は、連携が維持されていることを確認して、第１出力データの第２機器への出力を入出力部２２に指示し、且つ、入出力部２２から出力された第１出力データを補助制御部２３へフィードバックする。また、管理部２１は、第１出力データの第２機器へ送信と、第２出力データの第２機器へ送信とを排他的に制御する。また、管理部２１は、主制御部１１から取得したプラントの状態を表す状態情報に基づいて主制御部１１が異常状態と判定した場合、又は、主制御部１１から計画停止の通知を受けた場合に、連携が損なわれたと判定する。

【0036】

入出力部２２は、測定結果を測定器４１から受信する。そして、入出力部２２は、取得した測定結果を入力データとして主制御部１１及び補助制御部２３へ送信する。このように、入出力部２２は、主制御部１１及び補助制御部２３と第１機器である測定器４１及び第２機器である操作機器４２との間の通信を中継する。

【0037】

入出力部２２は、コントローラ１０が正常状態である場合、主制御部１１からの出力データの操作機器４２への出力の指示を管理部２１から受ける。また、コントローラ１０が正常状態である場合、入出力部２２は、出力データを主制御部１１及び補助制御部２３の双方から受信する。この場合、入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、主制御部１１から受信した出力データを操作機器４２へ出力する。

【0038】

これに対して、異常状態の場合又はメンテナンスの場合等のようにコントローラ１０との連携が損なわれた場合、入出力部２２は、補助制御部２３からの出力データの操作機器４２への出力の指示を管理部２１から受ける。そして、入出力部２２は、出力データを補助制御部２３から受信する。この場合、入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、補助制御部２３から受信した出力データを操作機器４２へ出力する。

【0039】

その後、コントローラ１０が復帰して正常状態であることが確認されると、入出力部２２は、主制御部１１からの出力データを、操作機器４２へ出力する状態に戻す指示を管理部２１から受ける。この場合、コントローラ１０が正常状態に戻ったため、入出力部２２は、出力データを主制御部１１及び補助制御部２３の双方から受信する。そして、入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、主制御部１１から受信した出力データを操作機器４２へ出力する。

【0040】

補助制御部２３は、コントローラ１０が正常状態の場合、コントローラ１０の主制御部１１により算出された前回の出力データで示される前回出力値のフィードバックを管理部２１から受ける。また、補助制御部２３は、入力データを入出力部２２から取得する。そして、補助制御部２３は、フィードバックされた前回出力値及び入力データを用いて制御演算を実行して出力データを作成する。その後、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ出力する。

【0041】

異常状態の場合又はメンテナンスの場合等でありコントローラ１０との連携が損なわれた場合、補助制御部２３は、入出力部２２が操作機器４２へ出力した出力データで示される前回出力値のフィードバックの受信が中断する。この場合も、補助制御部２３は、入力データを入出力部２２から取得する。そして、異常状態の場合又はメンテナンスの場合等いずれの場合にも、その後の１回目の出力データの生成において、補助制御部２３は、フィードバックされた前回出力値及び取得した入力データを用いて制御演算を実行して出力データを作成する。そして、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ出力する。このように、補助制御部２３は、フィードバックされた前回出力値を用いて制御演算を行なって出力データを作成することで、バンプレスな切り替えが可能となる。

【0042】

その後、補助制御部２３は、自己の前回出力値及び取得した入力データを用いて制御演算を実行して出力データを作成する。そして、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ出力する。補助制御部２３は、自己の前回出力値を用いた出力データの作成及び入出力部２２への出力を、コントローラ１０が復帰して正常状態になるまで繰り返す。

【0043】

その後、コントローラ１０が復帰して正常状態であることが確認されると、補助制御部２３は、コントローラ１０の主制御部１１により算出された前回の出力データで示される前回出力値の管理部２１からのフィードバックが再開される。また、補助制御部２３は、入力データを入出力部２２から取得する。そして、補助制御部２３は、フィードバックされた前回出力値及び取得した入力データを用いて制御演算を実行して出力データを作成する。その後、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ出力する。

【0044】

ここで、補助制御部２３は、ユニットに限定した制御ループを構築可能である。例えば、１つのユニットである貯蔵タンクに備えられたセンサやバルブ等をまとめて制御対象として、補助制御部２３は、それらに関する測定結果を測定器４１から受信してユニット単位での操作機器４２の制御を実行する。そして、補助制御部２３は、担当するユニットスコープの範囲で制御を維持し、危険を察知した場合はフォールバックを行うことで、担当するユニットを安全状態に移行することができる。フォールバックでは、補助制御部２３は、出力値をホールドして一定の出力値を維持したり、安全側の値を出力値として設定したりすることで、割り当てられたユニットを安全状態に移行する。例えば、補助制御部２３は、バルブの制御であれば、安全側の値としてバルブを完全に閉めるために出力値を０に設定することができる。

【0045】

このように、補助制御部２３は、第１機器である測定器４１から得た受信データである測定結果を基に第２出力データを作成する。また、補助制御部２３は、入出力部２２を介して第１機器から送出された受信データを入力として受け付け、入出力部２２を介して第２出力データを第２機器へ出力する。そして、連携が損なわれた場合、補助制御部２３は、連携の復帰が管理部２１により確認されるまで、受信データ及び入出力部２２から出力された第２出力データを基に、次回の第２出力データを算出する。また、連携が維持されている場合、受信データ及び管理部２１からフィードバックされた入出力部２２から出力された第１出力データを基に、次回の第２出力データを算出する。

【0046】

（操作機器制御処理）
（正常状態）
図２は、コントローラが正常状態の操作機器制御処理のシーケンス図である。各部の間を結ぶ矢印は信号の送受信を表す。次に、図２を参照して、本実施形態に係るプラント制御システム１によるコントローラ１０が正常状態における操作機器制御処理の流れを説明する。

【0047】

入出力部２２は、オーバーサンプリング方式により、割り当てられたユニットに配置された測定器４１から測定結果を高周期で取得する（ステップＳ１０１）。ここで、図２ではステップＳ１０１として測定結果を取得するように記載したが、実際には、入出力部２２は、オーバーサンプリング方式による測定結果の取得を継続する。

【0048】

入出力部２２は、操作機器制御処理の定周期イベントのタイミングが到来したことを確認する（ステップＳ１０２）。

【0049】

次に、入出力部２２は、収集済みの最新データである測定結果を入力データとしてコントローラ１０の主制御部１１及び補助制御部２３へ送信する（ステップＳ１０３）。

【0050】

主制御部１１は、入力データをＩＯ装置２０の入出力部２２から受信する。そして、主制御部１１は、入力データ及び自己の前回出力値から出力データを作成する（ステップＳ１０４）。

【0051】

次に、主制御部１１は、作成した出力データをＩＯ装置２０の入出力部２２へ送信する（ステップＳ１０５）。

【0052】

また、補助制御部２３は、入力データを入出力部２２から受信する。そして、補助制御部２３は、入力データ及びフィードバックされた前回出力値ら出力データを作成する（ステップＳ１０６）。

【0053】

次に、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ送信する（ステップＳ１０７）。

【0054】

管理部２１は、コントローラ１０から受信した状態情報から、コントローラ１０が正常状態であると判定する（ステップＳ１０８）。

【0055】

そして、管理部２１は、コントローラ１０から受信した出力データの操作機器４２への出力を入出力部２２に指示する（ステップＳ１０９）。

【0056】

入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、コントローラ１０から受信した出力データを操作機器４２へ送信する（ステップＳ１１０）。

【0057】

管理部２１は、入出力部２２により出力された出力データを取得する。（ステップＳ１１１）。

【0058】

その後、管理部２１は、取得した出力データを前回出力値として補助制御部２３にフィードバックする（ステップＳ１１２）。

【0059】

（異常状態発生時）
図３は、コントローラが異常状態の操作機器制御処理のシーケンス図である。次に、図３を参照して、本実施形態に係るプラント制御システム１によるコントローラ１０が異常状態における操作機器制御処理の流れを説明する。

【0060】

入出力部２２は、定周期イベントとして測定結果の取得及び取得した測定結果の入力データとしての送信を含む入力データ送信処理を実行する（ステップＳ２０１）。この入力データ送信処理は、図２のステップＳ１０１からステップＳ１０３にあたる。ただし、この場合、コントローラ１０が異常状態となり、ＩＯ装置２０とコントローラ１０との間の連携が喪失しているため、入出力部２２は、入力データのコントローラ１０への送信は行わない。

【0061】

補助制御部２３は、入力データをＩＯ装置２０の入出力部２２から受信する。そして、補助制御部２３は、入力データ及びフィードバックされた前回出力値から出力データを作成する（ステップＳ２０２）。

【0062】

次に、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ送信する（ステップＳ２０３）。

【0063】

管理部２１は、コントローラ１０から受信した状態情報から、コントローラ１０が異常状態であると判定する（ステップＳ２０４）。

【0064】

そして、管理部２１は、補助制御部２３から受信した出力データの操作機器４２への出力を入出力部２２に指示する（ステップＳ２０５）。

【0065】

入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、補助制御部２３から受信した出力データを操作機器４２へ送信する（ステップＳ２０６）。

【0066】

その後、定周期イベントのタイミングが再度到来すると、入出力部２２は、入力データ送信処理を実行する（ステップＳ２０７）。

【0067】

補助制御部２３は、入力データをＩＯ装置２０の入出力部２２から受信する。そして、補助制御部２３は、入力データ及び自己の前回出力値から出力データを作成する（ステップＳ２０８）。

【0068】

次に、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ送信する（ステップＳ２０９）。

【0069】

入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、補助制御部２３から受信した出力データを操作機器４２へ送信する（ステップＳ２１０）。

【0070】

（メンテナンス時）
図４は、コントローラのメンテナンス時の操作機器制御処理のシーケンス図である。次に、図４を参照して、本実施形態に係るプラント制御システム１によるコントローラ１０のメンテナンス時における操作機器制御処理の流れを説明する。

【0071】

管理部２１は、メンテナンス通知をコントローラ１０から受信する（ステップＳ３０１）。その後、コントローラ１０はメンテナンスのために停止され、ＩＯ装置２０とコントローラ１０との間の連携が喪失する。

【0072】

入出力部２２は、入力データ送信処理を実行する（ステップＳ３０２）。

【0073】

補助制御部２３は、入力データをＩＯ装置２０の入出力部２２から受信する。そして、補助制御部２３は、入力データ及びフィードバックされた前回出力値から出力データを作成する（ステップＳ３０３）。

【0074】

次に、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ送信する（ステップＳ３０４）。

【0075】

管理部２１は、コントローラ１０からメンテナンス通知を受信しているので、補助制御部２３から受信した出力データの操作機器４２への出力を入出力部２２に指示する（ステップＳ３０５）。

【0076】

入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、補助制御部２３から受信した出力データを操作機器４２へ送信する（ステップＳ３０６）。

【0077】

その後、定周期イベントのタイミングが再度到来すると、入出力部２２は、入力データ送信処理を実行する（ステップＳ３０７）。

【0078】

補助制御部２３は、入力データをＩＯ装置２０の入出力部２２から受信する。そして、補助制御部２３は、入力データ及び自己の前回出力値から出力データを作成する（ステップＳ３０８）。

【0079】

次に、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ送信する（ステップＳ３０９）。

【0080】

入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、補助制御部２３から受信した出力データを操作機器４２へ送信する（ステップＳ３１０）。

【0081】

（異常状態からの復帰時）
図５は、コントローラの異常状態からの復帰時の操作機器制御処理のシーケンス図である。次に、図５を参照して、本実施形態に係るプラント制御システム１によるコントローラ１０が異常状態から正常状態に復帰した場合における操作機器制御処理の流れを説明する。

【0082】

管理部４０１は、復帰したコントローラ１０から状態情報を受信して、コントローラ１０が正常状態に戻ったことを確認する（ステップＳ４０１）。

【0083】

そして、管理部４０１は、入出力部２２により前回出力された出力データを前回出力値としてコントローラ１０の主制御部１１へフィードバックする（ステップＳ４０２）。

【0084】

入出力部２２は、入力データ送信処理を実行する（ステップＳ４０３）。

【0085】

主制御部１１は、入力データをＩＯ装置２０の入出力部２２から受信する。そして、主制御部１１は、入力データ及びフィードバックされた前回出力値から出力データを作成する（ステップＳ４０４）。

【0086】

次に、主制御部１１は、作成した出力データをＩＯ装置２０の入出力部２２へ送信する（ステップＳ４０５）。

【0087】

また、補助制御部２３は、入力データを入出力部２２から受信する。そして、補助制御部２３は、入力データ及び自己の前回出力値ら出力データを作成する（ステップＳ４０６）。

【0088】

次に、補助制御部２３は、作成した出力データを入出力部２２へ送信する（ステップＳ４０７）。

【0089】

管理部２１は、コントローラ１０が正常状態であることを確認しているので、コントローラ１０から受信した出力データの操作機器４２への出力を入出力部２２に指示する（ステップＳ４０８）。

【0090】

入出力部２２は、管理部２１からの指示にしたがい、コントローラ１０から受信した出力データを操作機器４２へ送信する（ステップＳ４０９）。

【0091】

管理部２１は、入出力部２２により出力された出力データを取得する。（ステップＳ４１０）。

【0092】

その後、管理部２１は、取得した出力データを前回出力値として補助制御部２３にフィードバックする（ステップＳ４１１）。

【0093】

（効果）
以上に説明したように、実施形態に係るプラント制御システム１は、制御機能を有するコントローラ１０と入出力機能と有するＩＯ装置２０とに分離される。ＩＯ装置２０は、補助制御機能を有し、ユニット単位でフィールド機器４０を管理する。そして、ＩＯ装置２０は、コントローラ１０が正常状態の場合、コントローラ１０により算出された出力データをフィールド機器４０へ送信して制御を行い、且つ、出力データを補助制御機能にフィードバックする。そして、コントローラ１０とＩＯ装置２０との連携が損なわれた場合、ＩＯ装置２０は、補助制御機能により、フィードバックされた前回出力値を用いて出力データを計算してフィールド機器４０へ送信して制御を行う。これにより、ＩＯ装置２０は、ユニット単位でプラントの制御を継続する。さらに、コントローラ１０の復帰時には、コントローラ１０は、ＩＯ装置２０が作成した前回出力値のフィードバックを受けて、フィードバックされた前回出力値から出力データを計算して、プラントの制御を継続する。

【0094】

これにより、プラント制御システム１は、入出力機能と制御機能の連携が損なわれた場合でも、安定したプラント操業を行うことが可能となる。ここで、主制御機能と補助制御機能では、異なるロジックで動作させることが可能である。また、通常時はコストパフォーマンスの高いサーバＰＣやクラウドのような汎用コンピュータで主制御機能を実行することが可能である。そして、異常時には、操業を守る最低限の制御が、補助制御機能を利用して実行することが可能となる。補助制御機能では、コストパフォーマンスが制限されたコンピュータを利用することができる。また、補助制御機能は、プラントを安全に停止させるためのフォールバック動作を実施してもよい。このように、両制御機能が連動して動作することで、99.99999%(セブンナイン)の稼働率に近づけることができ、プラントの安定した操業を保証することが可能となる。

【0095】

また、本実施形態に係るプラント制御システム１によれば、メンテナンス時にも補助制御機能によりプラント制御を継続させることができ、安定したプラント操業を実施しつつ、制御機能のメンテナンスを容易に行うことが可能となる。例えば、リファイナリのプラントを例にすると、コントローラ１０のオープン化によりセキュリティの脅威にさらされており、定期的なセキュリティ強化のための更新が必要になる。更新のタイミングで、プラントの操業が停止した場合、プラントの規模にもよるが安定的な操業を開始するまでに１週間程度要することが多く、機会損失として１００Ｍ円以上が見込まれる。これに対して、本実施形態に係るプラント制御システム１では、セキュリティ強化のための更新時にもプラントの操業を停止することなく更新を実施できるため、機会損失を抑えることが可能となる。

【0096】

また、本実施形態に係るプラント制御システム１によれば、制御設備の実コスト（ＴＯＴＥＸ：Total Expenditure）削減が可能である。例えば、本実施形態に係るプラント制御システム１では、制御機能の負荷変動が大きいアプリケーションの場合、高負荷な制御をクラウド上で実施させることで、制御システムのコストを下げることが可能である。アプリケーションをクラウド上で動作させた場合、利用量に応じたサブスクリプション方式で課金されるため、コストを抑えることができる。このように、高負荷な制御はクラウド上の主制御機能で実施し、低負荷な制御はＩＯノード上の補助制御機能で実施することで、計装設備のＴＯＴＥＸを下げることが可能である。例えば、Ｂａｔｃｈ制御で管理を行うビール製造では、発酵や貯蔵の工程は低負荷な制御であり、行程中の占める時間割合も大きい。そこで、発酵や貯蔵の工程を補助制御機能で実施することで、クラウド上で動作する主制御機能の稼働時間を短くすることができ、ランニングコストを下げることが可能である。また、クラウドではなく、専用のコントローラを用意する場合でも、複数の製造工程をずらして実施することで主制御機能が同時に実行されないように管理すれば、主制御機能が動作するコントローラ１０は１台準備すればよく、設備投資を抑えることができる。

【0097】

（ハードウェア）
次に、コントローラ１０及びＩＯ装置２０を実現するためのハードウェア構成例を説明する。図６は、コンピュータのハードウェア構成図である。コントローラ１０及びＩＯ装置２０は、例えば、図６に示すコンピュータ９０により実現可能である。コンピュータ９０は、図６に示すように、プロセッサ９１、メモリ９２、ハードディスク９３及び通信装置９４を有する。プロセッサ９１は、バスを介してメモリ９２、ハードディスク９３及び通信装置９４と接続される。

【0098】

通信装置９４は、ネットワークインタフェースカード等であり、他の情報処理装置との通信に使用される。例えば、コントローラ１０であれば、通信装置９４は、ＩＯ装置２０との間の通信に使用される。また、ＩＯ装置２０であれば、通信装置９４は、コントローラ１０やフィールド機器４０との間の通信に使用される。

【0099】

ハードディスク９３は、補助記憶装置である。例えば、コントローラ１０であれば、ハードディスク９３は、主制御部１１の機能を実現するためのプログラムを含む各種プログラムを格納する。また、ＩＯ装置２０であれば、ハードディスク９３は、管理部２１、入出力部２２及び補助制御部２３の機能を実現するためのプログラムを含む各種プログラムを格納する。

【0100】

プロセッサ９１は、ハードディスク９３に格納された各種プログラムを読み出してメモリ９２に展開して実行する。これにより、プロセッサ９１は、コントローラ１０であれば、主制御部１１の機能を実現する。また、ＩＯ装置２０であれば、プロセッサ９１は、管理部２１、入出力部２２及び補助制御部２３の機能を実現する。

【0101】

このように、コンピュータ９０は、プログラムを読み出して実行することで各種処理方法を実行する情報処理装置として動作する。また、コンピュータ９０は、媒体読取装置によって記録媒体から上記プログラムを読み出し、読み出された上記プログラムを実行することで上記した実施形態と同様の機能を実現することもできる。なお、ここでいうプログラムは、コンピュータ９０によって実行されることに限定されるものではない。例えば、他のコンピュータまたはサーバがプログラムを実行する場合や、これらが協働してプログラムを実行するような場合にも、本発明を同様に適用することができる。

【0102】

このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－ＲＯＭ、ＭＯ（Magneto－Optical disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することができる。

【0103】

開示される技術的特徴の組合せのいくつかの例を以下に記載する。

【0104】

（１）
相互に連携して動作するコントローラと入出力装置とを有するプラント制御システムであって、
前記コントローラは、
第１機器から得た受信データを基に第１出力データを作成する主制御部を備え、
前記入出力装置は、
前記第１機器から得た前記受信データを基に第２出力データを作成する補助制御部と、
前記主制御部及び前記補助制御部と前記第１機器及び第２機器との間の通信を中継する入出力部と、
前記連携が損なわれた場合、前記第２出力データを前記第２機器へ送信するように前記入出力部を制御する管理部とを備えた
ことを特徴とするプラント制御システム。
（２）
前記管理部は、前記連携が維持されている場合、前記主制御部により作成された前記第１出力データを前記第２機器へ送信するように前記入出力部を制御することを特徴とする（１）に記載のプラント制御システム。
（３）
前記管理部は、前記第１出力データの前記第２機器へ送信と、前記第２出力データの前記第２機器へ送信とを排他的に制御することを特徴とする（１）又は（２）に記載のプラント制御システム。
（４）
前記主制御部は、前記入出力部を介して前記第１機器から送出された前記受信データを入力として受け付け、前記入出力部を介して各前記受信データを基に作成した前記第１出力データを前記第２機器へ出力し、
前記補助制御部は、前記入出力部を介して前記第１機器から送出された前記受信データを入力として受け付け、前記入出力部を介して各前記受信データを基に作成した前記第２出力データを前記第２機器へ出力する
ことを特徴とする（１）～（３）のいずれか一つに記載のプラント制御システム。
（５）
前記連携が損なわれた場合、
前記管理部は、前記第２出力データの前記第２機器への出力を前記入出力部に指示し、前記連携の復帰を確認すると、前記入出力部から出力された前記第２出力データを前記主制御部へフィードバックし、前記第１出力データの前記第２機器への出力を前記入出力部に指示し、
前記補助制御部は、前記連携の復帰が前記管理部により確認されるまで、前記受信データ及び前記入出力部から出力された前記第２出力データを基に、次回の前記第２出力データを算出し、
前記主制御部は、前記連携の復帰が前記管理部により確認されると、前記受信データ及び前記管理部からフィードバックされた前記入出力部から出力された前記第２出力データを基に、次回の前記第１出力データを算出する
ことを特徴とする（１）～（４）のいずれか一つに記載のプラント制御システム。
（６）
前記連携が維持されている場合、
前記管理部は、前記第１出力データの前記第２機器への出力を前記入出力部に指示し、且つ、前記入出力部から出力された前記第１出力データを前記補助制御部へフィードバックし、
前記主制御部は、前記受信データ及び前記入出力部から出力された前記第１出力データを基に、次回の前記第１出力データを算出し、
前記補助制御部は、前記受信データ及び前記管理部からフィードバックされた前記入出力部から出力された前記第１出力データを基に、次回の前記第２出力データを算出する
ことを特徴とする（１）～（５）のいずれか一つに記載のプラント制御システム。
（７）
前記管理部は、前記主制御部から取得した前記プラントの状態を表す状態情報に基づいて前記主制御部が異常状態と判定した場合、又は、前記主制御部から計画停止の通知を受けた場合に、前記連携が損なわれたと判定することを特徴とする（１）～（６）のいずれか一つに記載のプラント制御システム。
（８）
相互に連携して動作するコントローラ及び入出力装置によるプラント制御方法であって、
前記コントローラが、
第１機器から得た受信データを基に第１出力データを作成し、
前記入出力装置が、
前記第１機器から得た前記受信データを基に第２出力データを作成し、
前記連携が維持されている場合、前記コントローラから前記第１出力データを取得して第２機器へ送信し、
前記連携が損なわれた場合、前記第２出力データを前記第２機器へ送信する
ことを特徴とするプラント制御方法。

【符号の説明】

【0105】

１ プラント制御システム
１０ コントローラ
１１ 主制御部
２０ ＩＯ装置
２１ 管理部
２２ 入出力部
２３ 補助制御部
３０ ネットワーク
４０ フィールド機器
４１ 測定器
４２ 操作機器

【要約】

【課題】入出力機能と制御機能との連携が損なわれた場合にも制御状態を維持して、安定したプラント操業を実現する。
【解決手段】コントローラ１０は、測定器４１から得られる受信データを基に操作機器４２を制御するための第１出力データを作成する主制御部１１を備える。ＩＯ装置２０は、測定器４１から得られた受信データを基に操作機器４２を制御するための第２出力データを作成する補助制御部２３と、主制御部１１及び補助制御部２３と測定器４１及び操作機器４２との間の通信を中継する入出力部２２と、連携が損なわれた場合、補助制御部２３により作成された第２出力データを操作機器４２へ送信するように入出力部２２を制御する管理部２１とを備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】