JP2005094216A - 分散制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】配信時に複数のローカルコントローラが同時にデータ送信を行った場合に伝送が混雑し、有効な送信ができなくなる輻輳状態に陥る前に伝送路内のデータ送信を抑制する分散制御システムに関する。
【解決手段】コントロールステーションは、単位時間あたりの伝送負荷が一定値以上となるのを検出した場合には、ネットワークに接続された制御用コンピュータ全てに対し、データ送信を抑制する指令を出力し、制御用コンピュータは、この指令を受信すると、予め設定された以外の種類のデータ送信を停止するので、ネットワークが輻輳状態となる前に輻輳状態に移行しつつあるネットワーク負荷を制限し、必要最小限のデータ伝送を継続し、分散制御システムとして設備の監視を継続する。
【選択図】図１

Description

本発明は多目的インテリジェントビル、オフィスビル、住居ビルなどの各種ビル、上水道プラント、下水道プラント、空港システムなどのプラントに設置されるプラント設備の監視および制御を行う分散制御システムに関する。

近年、ビル、水道プラントなどのプラント監視制御システムは、分散制御システムに移行してきている。分散制御システムでは、分散接続された制御用コンピュータが中央のコンピュータに対して自身で監視しているデータが変化した場合にデータを送信するイベントドリブン方式を採用するものが多くなっている。

分散接続された制御用コンピュータ各々が制御を行う分散制御システムにおいては、各ローカルコントローラがイベントドリブン方式でデータ変化を通知する場合が多い。
しかし、配信時に複数のローカルコントローラが同時にデータ送信を行った場合に伝送が混雑し、送信しようとしたデータが相手に届かないために再送を行い、この再送によってさらに伝送が混雑し、ネットワークの負荷が急激に上昇して、再送パケットや確認のパケットばかりで有効な通信がほとんどできなくなる輻輳状態に陥ってしまい、監視が不能となってしまう場合がある。
また、特許文献１に記載されているように、ゲートウェイにて輻輳を検出すると、送信端末へ受信端末から受信できない旨のAckを擬似的に通知することが行われている。
特開平１０−２６２０５４号公報

上記課題を解決するために、本発明は、各種設備の監視制御を行う分散制御システムにおいて、伝送路に分散接続され、制御対象の制御に必要なデータを計測および収集して制御を行う複数の制御用コンピュータと、分散接続された前記制御用コンピュータのデータの管理を行い、設定された制御条件が成立した場合に制御出力要求を出力する伝送路に接続された単数もしくは複数のコントロールステーションと、単数もしくは複数の前記コントロールステーションに必要なデータの設定および表示、制御用コンピュータの計測データ表示、状態表示、制御対象の遠隔操作を行う伝送路に接続された単数もしくは複数のヒューマンインタフェースステーションとから構成される。

本発明において、前記コントロールステーションは、制御用コンピュータが分散接続されたネットワークからの伝送受信部において、単位時間あたりの伝送負荷が一定値以上となるのを検出した場合には、ネットワークに接続された制御用コンピュータ全てに対し、データ送信を抑制する指令を出力する。制御用コンピュータは、この指令を受信すると、予め設定された以外の種類のデータ送信を停止する。仕組みにより、ネットワークが輻輳状態となる前に輻輳状態に移行しつつあるネットワーク負荷を制限し、必要最小限のデータ伝送を継続し、分散制御システムとして設備の監視を継続する。

その後、コントロールステーションは、単位時間あたりの伝送負荷が予め設定した値を下回る状況が一定時間継続した場合に、ネットワークに接続された制御用コンピュータに全て対し、データ送信を抑制する指令を出力する。また、コントロールステーションは、制御用コンピュータに全て対しデータ送信を抑制する指令を出力する場合に、ヒューマンインタフェースステーションに対し、データ送信を抑制するモードに移行したことを通知する。ヒューマンインタフェースステーションは、コントロールステーションのこの通知を受信すると、システム状態表示画面等でコントロールステーションの状態が変化していることを表現する。コントロールステーションが正常の状態に復帰した場合は、復帰の通知をヒューマンインタフェースステーションに対して送信し、ヒューマンインタフェースステーションはこの通知を受信すると、システム状態表示画面等でコントロールステーションの状態が正常に復帰したことを表現する。
これにより、ヒューマンインタフェースステーションにおいて、コントロールステーションと制御用コンピュータが接続されている伝送路の状態を知ることができる。

他の本発明において、前記制御用コンピュータは、送信したAckdメッセージが一定時間内に一定個数戻ってこない場合に、リトライ送信を行わないモードに推移し、それからさらに一定時間はそのモードを維持した後に、Ackd送信の場合にAckが戻ってくればリトライ送信を行うモードに推移することを特徴とし、制御用コンピュータの接続されているネットワークの輻輳を事前に回避することが可能となる。

さらに他の本発明において、前記コントロールステーションは、定周期で自身と同一ネットワーク上の前記制御用コンピュータのステータス情報をポーリングし、同一の制御用コンピュータで複数回連続して内部ステータス異常を検出した場合に、その制御用コンピュータに対して再起動要求を行い、再起動により制御用コンピュータの復旧を図ることを特徴とする分散制御システム。ここで、コントロールステーションが自身と同一ネットワークに接続された制御用コンピュータのステータス情報を検出する方法は、コントロールステーションが制御用コンピュータの内部ステータスをポーリングせずに、制御用コンピュータがコントロールステーションに対して定期的に内部ステータスを送信して制御用コンピュータがそれを受信する方法でも良い。

さらに別の本発明において、前記コントロールステーションは、伝送路を介して単位時間あたりに予め設定した数以上の伝送メッセージを受信した場合において、メッセージキューが一杯となった場合に、メッセージ受信後の処理を完全には行わず、最低限必要な処理だけを行い、伝送メッセージの受信数が設定値以下に減少してからデータの整合処理を行うため、データの読み出しを行い、それ以後はメッセージ受信後の処理を完全に行うモードに推移する。これにより、コントロールステーションが伝送高負荷時でも受信処理および受信後の処理が追いつかずに、自身に接続された制御用コンピュータのステータスを異常と誤判断してしまうこと、自身のステータスが異常となってしまうことを回避し、なおかつ、高負荷から通常負荷に推移した場合に、監視している制御用コンピュータのデータをポーリングしデータの整合処理を行うことにより、コントロールステーションと制御用コンピュータのデータ不整合を回避することができる。

本発明によると、ネットワークが輻輳状態となる前に、分散制御システムを構成する制御用コンピュータおよび制御用コンピュータのデータに基づいて設備を制御するコントロールステーションにおいて、輻輳を事前に回避し、分散制御システムとして設備の監視を正常に継続することができる。

図１は本発明の分散制御システムの最良の実施形態を示す構成図である。
図１において、HIS４は監視対象設備の入出力信号の設定、設備データの表示、設備の遠隔操作のインタフェースを行うためのステーションであり、CRTやLCD等のディスプレイ装置への画面表示は複数のウィンドウを同時に表示できるマルチウィンドウ表示が可能である。マルチウィンドウ表示はマルチウィンドウ表示システムに対応したＯＳ(オペレーティングシステム)を用い、別々の設備画面を同時に表示したり、監視画面とトレンドグラフを同時に表示することができる。

HIS４のヒューマンマシンインタフェース機能により、日報／月報の設定、グラフの設定、グラフィック画面の作成／変更および印字要求、各種自動制御アプリケーションの実行／中止の操作、表示画面の切り替え等が、マウス操作またはペン操作またはキーボード操作で行うことができる。また、本分散制御システムでは、HIS５のように、１システムにおいて複数のHISを接続し、HIS４と同様に操作可能である。

伝送路１にはイーサーネットを採用し、伝送プロトコルはBACnet^TMもしくはTCP/IP、UDP/IPとBACnet^TMの併用、もしくはオリジナルのプロトコルとTCP/IP、UDP/IPとの併用を用いる。ここで、 BACnet^TMは米国の学会ASHRAEで規格化したプロトコルである。
複数のHISを接続して各HISで同様のデータ表示を行うためには、各HISがコントロールステーションに対して表示データの読み出しを行う。

SVSは、サーバステーションであり、分散制御システム中に通常は１台設置し、分散制御システムの入出力データの瞬時値、平均値、積算値データのファイリング、履歴データの保存、システムデータのバックアップを行う。分散制御システムの規模により、SVSを複数設置しても良い。

LOC１０からLOC２１は制御用コンピュータであり、各種自動制御に必要な設定情報に基づき、設備の監視・制御を行う。また、プロセス入出力信号の管理を行い、プロセス信号の種類には、アナログ入力、アナログ出力、アナログ入出力、ディジタル入力、ディジタル出力、ディジタル入出力、積算値がある。

伝送路２は、コントロールステーション８およびLOCを接続しており、この伝送路にはLON（Local Operating Network：米国エシェロン社の登録商標）を用いる。１台のGWには最大64ノード接続可能である。伝送路２についてはイーサーネットを採用しても良く、その場合の伝送プロトコルはBACnet^TMもしくはTCP/IP、UDP/IPとBACnet^TMの併用、もしくはオリジナルのプロトコルとTCP/IP、UDP/IPとの併用を用いても良い。

GWは伝送路３のイーサーネットの伝送プロトコルと伝送路のLONの伝送プロトコルを変換するためのゲートウェイである。
コントロールステーション８は、伝送路１および伝送路２に接続され、伝送路１および伝送路２の伝送プロトコルに対応している。HISからの要求により、各LOCのデータの送受信を行う。伝送路２がLONの場合は、LOCのネットワーク変数とバインドすることにより、データのインタフェースを行う。

プリンタはネットワークプリンタであり、制御メッセージ、警報もしくは異常発生／回復等の履歴、日報／月報等の帳票の印字を行う。また、HISの画面のハードコピーを印刷する。ネットワークプリンタは１システムに複数接続可能で、ネットワークプリンタへの印字制御はHISもしくはSVSで行う。

本実施例の分散制御システムにおけるコントロールステーションは、図１の伝送路２からの受信パケットを監視し、単位時間あたりに受信したパケット数が予め設定した数を超えた場合に、伝送路２が輻輳状態に陥る危険を事前に回避するために、伝送路２に接続された全LOCに対して、一時的に伝送を抑制する指令を送信する。このメッセージを受信したLOCは、伝送抑制を解除する指令を受信するまで、入出力データが変化したときに送信するイベントドリブンの伝送およびアナログデータの変化時および定周期送信を抑制する。通常これらイベントドリブンの伝送およびアナログデータの変化時および定周期送信はAckdメッセージ送信となるため、相手が応答しない場合にリトライ送信を行う。

分散制御システムでは、イベントドリブンの伝送およびアナログデータの変化時および定周期送信の送信先がコントロールステーションとなる。コントロールステーションが何らかの異常もしくは過負荷によりAckdメッセージに対するAckを返せなくなると、同一伝送路に接続された全ての制御用コンピュータはAckdメッセージに対するリトライ送信を実施し、伝送路がリトライ送信で輻輳状態となり、コントロールステーションが異常状態もしくは過負荷状態から正常状態に復帰しても、輻輳状態となったネットワークからのAckd送信に対し、Ackが返せなくなってしまう。コントロールステーションは常時伝送路２からの受信パケットを監視し、単位時間あたりに受信したパケット数が予め設定した数を超えた場合に、伝送路２に接続された全LOCに対して、一時的に伝送を抑制する指令を送信することで、伝送路２が輻輳状態に陥る危険を事前に回避することができる。

コントロールステーションが伝送抑制指令を送信した後は、コントロールステーションは、自身のステータスを、伝送抑制指令を出力したというステータスに変化させる。これにより、HISはコントロールステーションのステータスを読み出した場合に、コントロールステーションの状態を知ることができる。コントロールステーションは伝送路２の伝送負荷が単位時間あたり一定値以下になると、同一ネットワーク上のLOCに対し、１台ずつ一定の時間間隔を空けて伝送抑制を解除する指令を送信する。解除指令を送信した後に、同一ネットワークに接続された全てのLOCに対してデータの読み出しを行い、自身が管理しているLOCのデータとLOCの実際のデータの整合処理を行う。これにより、LOCが伝送を抑制している状態から復帰したときに、抑制したことによるデータの不整合が起こらなくなる。

本実施例の分散制御システムにおける制御用コンピュータについて説明する。
図１の制御用コンピュータ１は、伝送路２に接続されたコントロールステーション８もしくはLOC１１からLOC１５のいずれかに対し、監視データの状態変化、計測値の差分変化発報、定周期送信などのAckdメッセージを送信し、Ackが戻ってこない場合は一定時間経過後にAckが戻ってくるまで一定回数リトライ送信を行う。このとき、伝送路２の異常もしは送信宛先なった伝送路２上のノードであるコントロールステーション８もしくはLOC１１からLOC１５のいずれかが異常の場合、LOC１０に対してAckを返信できない場合がある。LOC１０は初めのリトライ送信から一定時間内にAckが必要個数戻ってこないと判断した場合、もしくは一定時間内に一定個数以上リトライ送信を行った場合に、Ackd送信に対するAckが戻らなくてもリトライ送信を行わないモードに推移する。ここで、制御用コンピュータの多くは管理点数が２から16程度であり、制御用コンピュータの全てのAckd送信がリトライを行う状態となった場合、１台あたり１秒間に２から16個の送信を伝送路１に対して行うため、伝送路１内の全ての制御用コンピュータが継続してリトライ送信を行う状態になると、伝送路１は輻輳状態に陥る可能性がある。

本実施例では、制御用コンピュータが単位時間あたりのリトライ送信するメッセージ数を超えた場合に、制御用コンピュータ自身の判断で一定時間リトライ送信を行わないため、伝送路がリトライ送信により輻輳状態に陥らないようにすることが可能となる。

本実施例の分散制御システムにおけるコントロールステーションは、自身と同一ネットワークに接続されている複数台の制御用コンピュータの構成情報と、この構成情報に基づき各コントロールステーションが正常かどうか確認するために、定周期で制御用コンピュータのステータス情報をポーリングし、同一の制御用コンピュータが複数回特定の異常が継続した場合に、その制御用コンピュータに対し再起動要求を行い、再起動によって制御用コンピュータ異常の復旧を図る。

図２はコントロールステーションにおける制御用コンピュータの構成情報の例を示す図、図３は制御用コンピュータのステータス情報を示す図である。図２の例では、制御用コンピュータの構成と制御用コンピュータのアドレスを定義している。図３の例では、制御用コンピュータのステータスの内容を示している。

本実施例では、コントロールステーションが制御用コンピュータのステータスをポーリングし、同一の制御用コンピュータにおいてシステム異常の値が３回連続で異常となった場合に、コントロールステーションは異常となった制御用コンピュータに対し、再起動要求コマンドを送信する。これを受信した制御用コンピュータは自身に対し再起動を実行する。再起動により制御用コンピュータのステータスが正常になった場合は、再起動による復旧が成功したことになる。再起動によっても制御用コンピュータのステータスが正常にならない場合は、コントロールステーションが再び３回連続でその制御用コンピュータの異常を検出すると再起動要求を送信する。

本実施例のコントロールステーションは、図１の伝送路２を介して予め設定した数以上の伝送メッセージを受信した場合に、メッセージ受信後の処理が追いつかず処理渋滞に陥ってしまうのを事前に回避するため、最低限必要な処理、ここでは機器状態変化メッセージの伝送路１への送信処理、伝送路１へのステータス送信処理、HIS４もしくはHIS５からの機器操作要求に対応した制御用コンピュータへの制御出力処理のみを実施するモードに移行する。このとき、コントロールステーションにおけるアナログ計測値変化時の伝送路１への送信処理、アナログ計測値のファイリング処理は、処理の優先度が低いため行われない。最低限必要な処理のみを実施するモードに移行するための伝送メッセージの受信数およびそのモードに移行したときに実施するプロセスについては、コントロールステーションの設定ファイルで設定変更可能である。

この設定ファイルの例を図４に示す。このモードに移行することにより、コントロールステーション自身が伝送受信処理および伝送受信後処理の高負荷により全ての処理を実施できない高負荷状態に陥るのを防ぐことが可能となる。また、伝送メッセージ受信後に実施するプロセスが減少することにより、伝送路１へ送信するメッセージ数も減少し、伝送路１の伝送負荷を減少することができる。
再びコントローラの伝送受信負荷が、単位時間あたりに予め設定した伝送メッセージ数未満となったときに、メッセージ受信後の処理を全て実施する通常のモードに復帰する。

実施例２に記載の制御用コンピュータが単位時間あたりのリトライ送信が一定個数を超えた場合にリトライ送信を行わないモードに推移するが、単位時間あたりの送信メッセージ数が一定個数を超えない場合にはイベントドリブン送信を行うモードに推移し、その際には定周期送信を行わないことで、送信メッセージ数を抑制する、としても良い。また、サーバステーションはヒューマンインタフェースステーションと一体型でも良い。

本発明において、図１の伝送路１は一重でも二重化されていても構わず、ループ型でも構わない。また、コントロールステーションと制御用コンピュータを接続する図２の伝送路２の接続形態はバス型でもスター型でも、フリートポロジーでも構わない。

伝送路１、伝送路２の伝送路はEthernetでもLONでもフィールドバスでも良く、特に伝送路の種別およびプロトコルにはこだわらない。
注記：LONはEchelon社の登録商標、BACnetはASHRAEの登録商標

本発明によれば、ローカルに分散された制御用コンピュータがイベントドリブンの送信を行う場合においても、伝送路が輻輳状態に陥る前に伝送路内のデータ送信を抑制し、上位での監視を正常に継続することができる。また、コントロールステーションにおいて、受信データ数が増えすぎて処理が追いつかずに異常状態から復帰しない状態となることを回避できる。さらに、コントロールステーションがHISおよびSVSの接続される伝送路に一定以上のデータ変化送信を行わないため、HISおよびSVSの受信データの処理が高負荷になり、操作応答性が悪くなったり、機能しなくなることを回避できる。

本発明の一実施例の分散制御システムの構成図。 コントロールステーションにおける制御用コンピュータの構成情報を示す図。 制御用コンピュータのステータス情報を示す図。 コントロールステーションの設定ファイルを示す図。

符号の説明

１，２，３…伝送路、４，５…HIS、６…SVS、７…プリンタ、８，９…コントロールステーション、１０〜２１…LOC。

Claims (4)

1. 各種設備の監視制御を行う分散制御システムにおいて、
   伝送路に分散接続され、制御対象の制御に必要なデータを計測および収集して制御を行う複数の制御用コンピュータと、
   分散接続された前記制御用コンピュータのデータの管理を行い、設定された制御条件が成立した場合に制御出力要求を出力する伝送路に接続された単数もしくは複数のコントロールステーションと、
   単数もしくは複数の前記コントロールステーションに必要なデータの設定および表示、制御用コンピュータの計測データ表示、状態表示、制御対象の遠隔操作を行う伝送路に接続された単数もしくは複数のヒューマンインタフェースステーションと、
   前記コントロールステーションから送信されるデータ履歴データの保存および計測データのファイリングを行うサーバステーションを有し、
   前記コントロールステーションは、前記制御用コンピュータが接続された伝送路において、一定値以上の単位時間あたりの伝送負荷を検出した場合には、前記制御用コンピュータに対し、データ送信を抑制する指令を出力し、伝送過負荷による送信データの消失および送受信処理の高負荷によるデータ処理異常が発生しないようにすることを特徴とする分散制御システム。
2. 各種設備の監視制御を行う分散制御システムにおいて、
   伝送路に分散接続され、制御対象の制御に必要なデータを計測および収集して制御を行う複数の制御用コンピュータと、
   分散接続された前記制御用コンピュータのデータの管理を行い、設定された制御条件が成立した場合に制御出力要求を出力する伝送路に接続された単数もしくは複数のコントロールステーションと、
   単数もしくは複数の前記コントロールステーションに必要なデータの設定および表示、制御用コンピュータの計測データ表示、状態表示、制御対象の遠隔操作を行う伝送路に接続された単数もしくは複数のヒューマンインタフェースステーションと、
   前記コントロールステーションから送信されるデータ履歴データの保存および計測データのファイリングを行うサーバステーションを有し、
   前記制御用コンピュータは、送信したAckdメッセージが一定時間内に一定個数以上戻ってこない場合に、リトライ送信を行わないモードに推移し、さらに一定時間はそのモードを維持した後に、Ackd送信の場合にAckが戻ってくればリトライ送信を行うモードに推移することを特徴とする分散制御システム。
3. 各種設備の監視制御を行う分散制御システムにおいて、
   伝送路に分散接続され、制御対象の制御に必要なデータを計測および収集して制御を行う複数の制御用コンピュータと、
   分散接続された前記制御用コンピュータのデータの管理を行い、設定された制御条件が成立した場合に制御出力要求を出力する伝送路に接続された単数もしくは複数のコントロールステーションと、
   単数もしくは複数の前記コントロールステーションに必要なデータの設定および表示、制御用コンピュータの計測データ表示、状態表示、制御対象の遠隔操作を行う伝送路に接続された単数もしくは複数のヒューマンインタフェースステーションと、
   前記コントロールステーションから送信されるデータ履歴データの保存および計測データのファイリングを行うサーバステーションを有し、
   前記コントロールステーションは、定周期で自身と同一ネットワーク上の前記制御用コンピュータのステータス情報をポーリングし、同一の制御用コンピュータで複数回異常が継続した場合に、その制御用コンピュータに対して再起動要求を行い、制御用コンピュータの復旧を図ることを特徴とする分散制御システム。
4. 各種設備の監視制御を行う分散制御システムにおいて、
   伝送路に分散接続され、制御対象の制御に必要なデータを計測および収集して制御を行う複数の制御用コンピュータと、
   分散接続された前記制御用コンピュータのデータの管理を行い、設定された制御条件が成立した場合に制御出力要求を出力する伝送路に接続された単数もしくは複数のコントロールステーションと、
   単数もしくは複数の前記コントロールステーションに必要なデータの設定および表示、制御用コンピュータの計測データ表示、状態表示、制御対象の遠隔操作を行う、伝送路に接続された単数もしくは複数のヒューマンインタフェースステーションと、
   前記コントロールステーションから送信されるデータ履歴データの保存および計測データのファイリングを行うサーバステーションを有し、
   前記コントロールステーションは、単位時間あたりに伝送路を介して予め設定した数以上の伝送メッセージを受信した場合に、メッセージ受信後の処理を完全には行わず、最低限必要な処理だけを行い、伝送メッセージの受信数が設定値未満に減少してからデータの整合処理を行い、それ以後はメッセージ受信後の処理を完全に行うモードに推移することを特徴とする分散制御システム。
   
   

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