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JP4383476B2 - プラント制御システム及び方法 - Google Patents

プラント制御システム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、例えば製鉄プラントを制御するのに好適なプラント制御システム及び方法に関する。
例えば製鉄プラントを制御するプラント制御システムでは、製鉄プラントを管理・制御するプロセスコンピュータを上位層とし、プロセスコンピュータと製鉄プラントの各種機器との間に介在するプログラマブルロジックコントローラを下位層としてＬＡＮを構成することが多い。プログラマブルロジックコントローラは、プロセスコンピュータからの出力に従って、製造装置のアクチュエータ類を制御したり、製造工程の温度、圧力及び速度等のプロセス計測するためのセンサ類からセンサ情報を取得したりして、主に数ｍｓｅｃ〜数百ｍｓｅｃ程度の周期にて高速なリアルタイム制御を担当する。
特開２０００−１３７６６２号公報
ところで、プログラマブルロジックコントローラは、その動作において安全性や安定性が確保されているが、収束演算や学習演算を伴うような複雑又は大規模な演算処理に対してはソフトウェアの開発効率が悪いという問題がある。一方、近年のコンピュータ技術の発展により、汎用のパーソナルコンピュータの演算処理能力やソフトウェアの開発容易性が格段に向上している。こういった観点からいうと、プログラマブルロジックコントローラと同層に汎用のパーソナルコンピュータを導入して、演算処理を担わせるようにする利点は多い。
しかしながら、汎用のパーソナルコンピュータは、演算処理能力やソフトウェアの開発容易性の点で優れるが、工業用途では信頼性に劣っているため、そのまま製鉄プラントの各種機器に接続して制御させるとトラブルが発生する危険がある。
この種の技術に関して、特許文献１には、プログラマブルロジックコントローラを直接ホストコンピュータに接続するのではなく、当該プログラマブルロジックコントローラよりも演算処理能力が高く、データ通信適性の高い表示装置を介してホストコンピュータに接続することが開示されている。特許文献１では、該表示装置によってプロトコル変換を行っており、ホストコンピュータ側で、共通のプログラムで各プログラマブルロジックコントローラを制御することができるとされている。
本発明は、プラント制御システムに汎用のパーソナルコンピュータ等の高速又は高機能な情報処理装置を導入して、プログラマブルロジックコントローラと情報処理装置とでそれぞれのデータ処理能力に見合うように処理すべき機能を振り分けられるようにするとともに、例えば、製造プラントを構成する各装置・機器間の動作タイミングすなわち定時性の点において情報処理装置の工業用途での信頼性を補うようにすることを目的とする。
本発明のプラント制御システムは、プラントを管理し、該プラントの機器を所定の制御周期で制御するプロセスコンピュータと、前記プロセスコンピュータと前記プラントの機器と間に介在するプログラマブルロジックコントローラと、前記プログラマブルロジックコントローラとＬＡＮを介して接続され、該プログラマブルロジックコントローラより高速かつ複雑な演算処理が可能なパーソナルコンピュータで構成されており、該プログラマブルロジックコントローラから受信した演算用データに基づいて演算処理を実行し、その演算結果データを前記プログラマブルロジックコントローラに送信する情報処理装置とを備え、前記プログラマブルロジックコントローラは、前記プラントの機器から自機に入力されたデータから演算用データを抽出し、カウンタ値を含む時間管理情報を付加して前記情報処理装置に送信する送信処理手段と、前記情報処理装置から受信した演算結果データの有効性を評価するために、演算結果データに付加されている時間管理情報に基づいて、定周期性である時間的な整合性をチェックする整合性チェック手段とを具備し、前記情報処理装置は、前記プログラマブルロジックコントローラに送信する演算結果データに、その基になった演算用データに付加されていた時間管理情報に関連付けられた時間管理情報を付加する手段を備えることを特徴とする。
本発明のプラント制御方法は、プラントを管理するプロセスコンピュータと、前記プロセスコンピュータと前記プラントの機器と間に介在し、該プラントの機器を所定の制御周期で制御するプログラマブルロジックコントローラと、前記プログラマブルロジックコントローラとＬＡＮを介して接続され、該プログラマブルロジックコントローラより高速かつ複雑な演算処理が可能なパーソナルコンピュータで構成されており、該プログラマブルロジックコントローラから受信した演算用データに基づいて演算処理を実行し、その演算結果データを前記プログラマブルロジックコントローラに送信する情報処理装置とを備えたプラント制御システムによるプラント制御方法であって、前記プログラマブルロジックコントローラが、前記プラントの機器から自機に入力されたデータから演算用データを抽出し、カウンタ値を含む時間管理情報を付加して前記情報処理装置に送信する送信処理手順と、前記情報処理装置から受信した演算結果データの有効性を評価するために、演算結果データに付加されている時間管理情報に基づいて、定周期性である時間的な整合性をチェックする整合性チェック手順とを実行し、前記情報処理装置が、前記プログラマブルロジックコントローラに送信する演算結果データに、その基になった演算用データに付加されていた時間管理情報に関連付けられた時間管理情報を付加することを特徴とする。
本発明によれば、シーケンシャルな制御ロジックはプログラマブルロジックコントローラで実行し、複雑な演算処理は汎用のパーソナルコンピュータ等の情報処理装置で実行する、といったように機能を振り分けることができるので、プラント制御の高精度化や高速化を図るとともに、ソフトウェアの開発環境を分離し、ソフトウェアの開発効率を向上させることができる。
その上で、情報処理装置から出力される演算結果データは必ずプログラマブルロジックコントローラを通ることにし、プログラマブルロジックコントローラで演算結果データの整合性をチェックするようにしたので、例えば定時性の点から情報処理装置の工業用途での信頼性を補うことができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るプラント制御システムの概略構成を示す。本実施形態では、鉄鋼製造設備を含む製鉄プラント（図示例は、鋼板を圧延するときの圧延ロール駆動用のスピンドル、ギア、シャフト、モータ等を含む圧延プラント）を例に説明する。
図１に示すように、プラント制御システムでは、上位層のプロセスコンピュータ１と、下位層のプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）２とによってＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）規格によるＬＡＮを構成する。
上位層のプロセスコンピュータ１は、製鉄プラントを管理するものであり、例えば製造計画に基づいてオペレータに製造指示を行ったり、各種センサ情報を収集したり、制御に必要な情報をＰＬＣ２に送信したりする。
下位層のＰＬＣ２は、プロセスコンピュータ１と製鉄プラントの各種機器３（アクチュエータ類、センサ類等）との間に介在するものであり、プロセスコンピュータ１からの出力に従ってアクチュエータ類を制御したり、センサ類からセンサ情報を取得したりする。下位層のＰＬＣ２では、主に数ｍｓｅｃ〜数百ｍｓｅｃ程度の周期にて高速なリアルタイム制御を担当する。
下位層には、ＰＬＣ２が製鉄プラントの機器３と通信を行う際にデータが入出力されるＲＩＯ等の入出力モジュール（Ｉ／Ｏ）４や、製造プラントに関する状態や作業指示などの各種情報を表示等するヒューマン・マシン・インタフェース（ＨＭＩ）５が含まれており、ＬＡＮ６を構成する。なお、ＰＬＣ２によっては入出力モジュール（Ｉ／Ｏ）４を経由せずに製鉄プラントの機器３と直結しても良いときもある。
さらに、ＰＬＣ２には、ＬＡＮ６を介して汎用のパーソナルコンピュータ（汎用ＰＣ）７が接続する。汎用ＰＣ７は、上位層のプロセスコンピュータ１とは別に設置されたコンピュータである。汎用ＰＣ７は、ＰＬＣ２から受信した演算用データに基づいて主にリアルタイム制御に必要な演算処理を実行し、その演算結果データをＰＬＣ２に送信するものであり、本発明でいう情報処理装置に相当する。図１では、汎用ＰＣ７がプロセスコンピュータ１とも接続するが、本発明においては汎用ＰＣ７が少なくともＰＬＣ２に接続していればよい。
なお、図１では、ＰＬＣ２を１台しか図示していないが、プロセスコンピュータに複数台のＰＬＣ２が接続可能であることは言うまでもない。
また、汎用ＰＣ７はＰＬＣ２ごとに設置されてもよいし、複数台のＰＬＣ２で共用されるようにしてもよい。汎用ＰＣ７が複数台のＰＬＣ２で共用される場合、例えばあるＰＬＣ２から受信する演算用データと、他のＰＬＣ２から受信する演算用データとを用いた統合演算を行い、その演算結果データをそれぞれのＰＬＣ２に送信できるようにしてもよい。
ここで、ＰＬＣ２は、小型のコンピュータの一種であるが、その動作の仕方が通常のコンピュータとは異なり、リレー回路を原型とするステートマシンを動作モデルとする。ＰＬＣ２は、ソフトウェアで動作する点は通常のコンピュータと変わらないが、多くの場合ラダー言語でプログラミングされているので複雑な演算を実装することは簡単ではないが、元来産業用途で開発・使用されてきた歴史から、安全性や安定性が確保されている。
一方、汎用ＰＣ７は、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）等の汎用オペレーティングシステム（ＯＳ）を使用するものであり、演算処理能力やソフトウェアの開発容易性の点で優れるが、工業用途では定時性（情報を決められた制御周期以内に伝送することを保証すること）等の点で、ＰＬＣと比べて信頼性に劣っていることが多い。例えば、負荷によっては演算処理時間にばらつきが生じてしまうことがある。また、汎用ＰＣ７は必ずしも長時間の連続操業を想定したものではないため、２４時間操業等においてハングアップ等の不具合が生じるおそれもある。
本発明を適用したプラント制御システムでは、シーケンシャルな制御ロジック（各種判断等）はＰＬＣ２で実行し、複雑な演算処理（収束演算等の数値演算）は汎用ＰＣ７で実行する、といったように処理すべき機能を振り分ける。そして、汎用ＰＣ７から出力される演算結果データは必ずＰＬＣ２を通ることにし、ＰＬＣ２で演算結果データの整合性をチェックすることにより、例えば定時性の点において汎用ＰＣ７の工業用途での信頼性を補うようにしている。
以下、図２を参照して、ＰＬＣ２及び汎用ＰＣ７の機能構成について説明する。ＰＬＣ２において、２１は入力処理部であり、製鉄プラントの機器３からＩ／Ｏ４を介してデータを入力する。２２は主シーケンス処理部であり、シーケンシャルな制御ロジックを実行する。
２３は定周期クロック処理部であり、定周期Ｔ（例えば３０ｍｓごと）にカウントアップする。２４は送信処理部であり、自機に入力されたデータ、典型的には製鉄プラントの機器３から入力されたデータから所定の演算用データを抽出して汎用ＰＣ７に送信する。送信処理部２４は、汎用ＰＣ７に演算用データを送信するときに、本発明でいう時間管理情報として、演算用データの送信ごとに＋１するカウンタ値を付加する。
２５は受信処理部であり、汎用ＰＣ７から演算結果データを受信する。２６は整合性チェック部であり、詳しくは後述するが、汎用ＰＣ７から受信した演算結果データの有効性を評価するための所定の基準との整合性をチェックする。２７は出力処理部であり、Ｉ／Ｏ４を介して製鉄プラントの機器３にデータ（例えば主シーケンス処理部２２により処理したデータや受信処理部２５により受信した演算結果データ、またはそれらデータから加減乗除などの簡単な演算により作成されたデータ）を出力する。
汎用ＰＣ７において、７１は受信処理部であり、ＰＬＣ２から演算用データを受信する。７２はアプリケーション処理部であり、ＰＬＣ２から受信した演算用データに基づいて演算処理を実行する。アプリケーション処理部７２はカウンタ値設定部７２ａを有し、ＰＬＣ２に送信する演算結果データに、その基になった演算用データに付加されていたカウンタ値をそのまま設定して付加する。７３は送信処理部であり、演算結果データをＰＬＣ２に送信する。
図３には、汎用ＰＣ７のハードウェア構成例を示す。汎用ＰＣ７は、装置全体を制御する中央処理装置であるＣＰＵ１０１、各種入力条件や解析結果等を表示する表示部１０２、解析結果等を保存するハードディスク等の記憶部１０３、制御プログラム、各種アプリケーションプログラム、データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリ）１０４、ＣＰＵ１０１が処理を行うときに用いる作業領域であるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１０５、及びキーボード、マウス等の入力部１０６等により構成される。
図４は、ＰＬＣ２での処理動作を示すフローチャートである。ＰＬＣ２は、定周期Ｔでデータの収集等の動作を実行する。入力処理部２１により製鉄プラントの機器３からＩ／Ｏ４を介してデータを入力し（ステップＳ４１）、主シーケンス処理部２２によりシーケンシャルな制御ロジックを実行する（ステップＳ４２）。
ステップＳ４２の主シーケンス処理と並行して、送信処理部２４により、製鉄プラントの機器３から入力されたデータから所定の演算用データを抽出する（ステップＳ４３）。そして、演算用データにカウンタ値を付加して（ステップＳ４４）、汎用ＰＣ７に送信する（ステップＳ４５）。いま、例えば演算用データにカウント値Ｘ（Ｘは整数）を付加して汎用ＰＣ７に送信したとする。
その後、受信処理部７１によりＰＬＣ２から演算用データを受信した場合（ステップＳ４６）、整合性チェック部２６により演算結果データの有効性を評価するための所定の基準との整合性をチェックする（ステップＳ４７）。
ここで、ステップＳ４７の整合性のチェックについて説明する。既述したように、汎用ＰＣ７では、ＰＬＣ２に送信する演算結果データに、その基になった演算用データに付加されていたカウント値と同じカウンタ値を付加する。したがって、ステップＳ４６で受信した演算結果データに付加されているカウンタ値がＸであれば、その演算結果データは、直近に送信した演算用データに対応するものであり、時間的な整合性がある（定周期性が保たれている）と判定することができる。
もちろん、演算用データの送信と演算結果データの受信とを同周期内に設定する必要はなく、データの種類や演算の内容等によっては、演算結果データの受信が数周期後であっても許容されるようにしてよい。すなわち、ステップＳ４６で受信した演算結果データに付加されているカウンタ値がＸ−ｎ（ｎは予め定められた整数）であれば、その演算結果データは時間的な整合性があると判定するようにしてもよい。
また、ステップＳ４６で受信した演算結果データが、予め設定されている上下限値内にあるかどうか、ＰＬＣ２で想定される極性（プラス、マイナス）と同じであるかどうか、といった整合性もチェックする。
ステップＳ４７での整合性のチェックの結果、整合性があると判定されない場合は、例えばその演算結果データは使用しないで破棄する。また、演算用データに対応する演算結果データが長時間戻ってこないような場合、汎用ＰＣ７になんらかの異常が発生した可能性もあるので、その旨をオペレータに通知するようにしてもよい。
ステップＳ４８では、出力部２７により、主シーケンス処理部２２により処理したデータに、整合性チェック部２６により整合性があると判定された演算結果データ、またはそれらデータから加減乗除などの簡単な演算により作成されたデータがあればそれを加えて、Ｉ／Ｏ４を介して製鉄プラントの機器３に出力する。
上述したステップＳ４１〜Ｓ４８の処理は、終了指示があるまで（ステップＳ４９）、定周期Ｔで繰り返される。
図５は、汎用ＰＣ７での処理動作を示すフローチャートである。汎用ＰＣ７は、ＰＬＣ２のクロックとは非同期に、イベントの発生により動作する。受信処理部７１によりＰＬＣ２から演算用データを受信すると（ステップＳ５１）、アプリケーション処理部７２により演算処理を実行する（ステップＳ５２）。そして、カウンタ値設定部７２ａにより、ＰＬＣ２に送信する演算結果データに、その基になった演算用データに付加されていたカウンタ値をそのまま設定して付加して（ステップＳ５３）、送信処理部７３によりＰＬＣ２に送信する（ステップＳ５４）。
図６には、ＰＬＣ２と汎用ＰＣ７との間で送受信されるデータの構成例を示す。図６（ａ）はＰＬＣ２から汎用ＰＣ７に送信される演算用データファイル２００の構成例を示し、図６（ｂ）は汎用ＰＣ７からＰＬＣ２に送信される演算結果データファイル７００の構成例を示す。演算用データファイル２００及び演算結果データファイル７００はいずれも、カウンタ値２０１、７０１、ハンドシェイク用フラグ２０２、７０２、実データ（演算用データ２０３、演算結果データ７０３）を含んで構成される。
ハンドシェイク用フラグ２０２、７０２は、ＰＬＣ２におけるシーケンス処理と汎用ＰＣ７における演算処理とを確実に連動させるためのものである。汎用ＰＣ７が連動して動作すべきシーケンス時に動作に固有な番号を付与することにより、ＰＬＣ２から汎用ＰＣ７への演算用データの送信時（すなわち、汎用ＰＣ７の動作開始タイミング）に、演算用データに合わせて送信してシーケンス処理をラッチする。そして、汎用ＰＣ７からの動作完了時に、演算結果データに合わせて送信される番号をもって、ラッチを解除してシーケンス処理を進める。
以上述べたように、シーケンシャルな制御ロジックはＰＬＣ２で実行し、複雑な演算処理は汎用ＰＣ７で実行する、といったように機能を振り分けることができるので、プラント制御の高精度化や高速化を図るとともに、ソフトウェアの開発環境を分離し、ソフトウェアの開発効率を向上させることができる。
その上で、汎用ＰＣ７から出力される演算結果データは必ずＰＬＣ２を通ることにし、ＰＬＣ２で演算結果データの整合性をチェックするようにしたので、例えば定時性の点から汎用ＰＣ７の工業用途での信頼性を補うことができる。これにより、演算処理の定時性が保証されない汎用ＰＣ７（汎用ＯＳ）の定時性を確保して、プラント制御に適用することができる。
図７は、本発明を適用したプラント制御システムの使用例を説明する図である。図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＰＬＣ２と、汎用ＰＣである、解析ＰＣ７ａ、シミュレーションＰＣ７ｂ、コントロールＰＣ７ｃとが接続されている。なお、機能を説明するために３つのＰＣ７ａ〜７ｃを別のものとして図示するが、必ずしも別のＰＣでなくてもよい。本例は、下記の（１）課題分析、（２）解決策の開発・オフライン検証、（３）試作・検証・評価、（４）恒久化、のステップ展開を効率化させる例である。
（１）課題分析
図７（ａ）に示すように、解析ＰＣ７ａでは、製鉄プラントからのプロセスデータを収集するとともに、製鉄プラントを監視する工業用テレビ（ＩＴＶ）８からの画像情報を同期再生して、リアルタイムに解析を行う。そして、解析ＰＣ７ａで解析したデータをシミュレーションＰＣ７ｂに入力し、より高度なデータ解析を推進する。上記実施形態の説明では、汎用ＰＣ７へは、製鉄プラントからＰＬＣ２を介してデータが入力されるとしたが、プロセスデータを収集する目的であれば、製鉄プラントから直接入力されるようにしてもよい。もちろん、ＰＬＣ２で取捨選択されたプロセスデータが入力されるようにしてもよい。
（２）解決策の開発・オフライン検証
解析の結果、なんらかの対策が必要である場合、図７（ｂ）に示すように、対策検討モデルの開発・検証を行う。具体的には、解析ＰＣ７ａで収集したプロセスデータとシミュレーションＰＣ７ｂでシミュレーションしたシミュレーションデータとを比較して、シミュレーションＰＣ７ｂでシミュレーションによるモデル検証を行うとともに、不可測定データの推定による検証を行う。
（３）試作・検証・評価
次に、図７（ｃ）に示すように、プログラミングの容易な汎用ＰＣを活用した検証ロジックの作りこみを行う。そして、シミュレーションＰＣ７ｂを活用してパララン検証を行い、ＰＬＣ２との協調により実機試験・検証を行う。
（４）恒久化
次に、図７（ｄ）に示すように、有効性の確認できたロジックはＰＬＣ２を経由して実機適用する（Ｉ／Ｌや上下限チェックはＰＬＣ２、複雑なモデル演算はＰＣで分担する）。
以上、本発明を実施形態とともに説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。例えば、上記実施形態では、汎用ＰＣ７において、ＰＬＣ２に送信する演算結果データに、その基になった演算用データに付加されていたカウンタ値をそのまま（すなわち、同一のカウンタ値）設定して付加するようにしたが、基になった演算用データに付加されていた時間管理情報に関連付けられた時間管理情報を付加できればよく、同一である必要はない。
なお、上記実施形態では、鉄鋼設備を含む製鉄プラントを例にしたが、本発明はガス、食薬品、化学製品、自動車、半導体等の各種プラントを制御する場合に適用可能である。
本実施形態に係るプラント制御システムの概略構成を示す図である。 本実施形態に係るＰＬＣ及び汎用ＰＣの機能構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る汎用ＰＣのハードウェア構成例を示すブロック図である。 本実施形態に係るＰＬＣでの処理動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る汎用ＰＣでの処理動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係るＰＬＣと汎用ＰＣとの間で送受信されるデータの構成例を示す図である。 本発明を適用したプラント制御システムの使用例を説明する図である。
符号の説明
１ プロセスコンピュータ
２ プログラマブルロジックコントローラ
３ 製鉄プラントの機器
４ 入出力モジュール
５ ヒューマン・マシン・インタフェース
６ ＬＡＮ
７ 汎用のパーソナルコンピュータ
２１ 入力処理部
２２ 主シーケンス
２３ 定周期クロック処理部
２４ 送信処理部
２５ 受信処理部
２６ 整合性チェック部
２７ 出力処理部
７１ 受信処理部
７２ アプリケーション処理部
７２ａ カウンタ値設定部
７３ 送信処理部

Claims (3)

  1. プラントを管理するプロセスコンピュータと、
    前記プロセスコンピュータと前記プラントの機器と間に介在し、該プラントの機器を所定の制御周期で制御するプログラマブルロジックコントローラと、
    前記プログラマブルロジックコントローラとＬＡＮを介して接続され、該プログラマブルロジックコントローラより高速かつ複雑な演算処理が可能なパーソナルコンピュータで構成されており、該プログラマブルロジックコントローラから受信した演算用データに基づいて演算処理を実行し、その演算結果データを前記プログラマブルロジックコントローラに送信する情報処理装置とを備え、
    前記プログラマブルロジックコントローラは、前記プラントの機器から自機に入力されたデータから演算用データを抽出し、カウンタ値を含む時間管理情報を付加して前記情報処理装置に送信する送信処理手段と、前記情報処理装置から受信した演算結果データの有効性を評価するために、演算結果データに付加されている時間管理情報に基づいて、定周期性である時間的な整合性をチェックする整合性チェック手段とを具備し、
    前記情報処理装置は、前記プログラマブルロジックコントローラに送信する演算結果データに、その基になった演算用データに付加されていた時間管理情報に関連付けられた時間管理情報を付加する手段を備えることを特徴とするプラント制御システム。
  2. 前記整合性チェック手段は、さらに、前記情報処理装置から受信した演算結果データの上下限及び極性のうち少なくともいずれか一方の整合性をチェック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。
  3. プラントを管理するプロセスコンピュータと、
    前記プロセスコンピュータと前記プラントの機器と間に介在し、該プラントの機器を所定の制御周期で制御するプログラマブルロジックコントローラと、
    前記プログラマブルロジックコントローラとＬＡＮを介して接続され、該プログラマブルロジックコントローラより高速かつ複雑な演算処理が可能なパーソナルコンピュータで構成されており、該プログラマブルロジックコントローラから受信した演算用データに基づいて演算処理を実行し、その演算結果データを前記プログラマブルロジックコントローラに送信する情報処理装置とを備えたプラント制御システムによるプラント制御方法であって、
    前記プログラマブルロジックコントローラが、前記プラントの機器から自機に入力されたデータから演算用データを抽出し、カウンタ値を含む時間管理情報を付加して前記情報処理装置に送信する送信処理手順と、前記情報処理装置から受信した演算結果データの有効性を評価するために、演算結果データに付加されている時間管理情報に基づいて、定周期性である時間的な整合性チェック手順とを実行し、
    前記情報処理装置が、前記プログラマブルロジックコントローラに送信する演算結果データに、その基になった演算用データに付加されていた時間管理情報に関連付けられた時間管理情報を付加することを特徴とするプラント制御方法。
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