JP2019012375A

JP2019012375A - 計装制御システム

Info

Publication number: JP2019012375A
Application number: JP2017128144A
Authority: JP
Inventors: 奨奥田; Susumu Okuda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-24
Also published as: US10678205B2; US20190004492A1

Abstract

【課題】ケーブル物量を削減するとともに、全体的な設置スペースを削減することでシステム全体のコンパクト化を図ることが可能な計装制御システムを提供する。
【解決手段】各々のフィールド機器３、４に対応しかつ隣接して設置された入出力モジュール６、７と、入出力モジュール６、７の内部に実装されフィールド機器３、４に対する各種の制御演算処理を行う制御ロジック部６ａ、７ａと、入出力モジュール６、７の相互間を通信回線８により接続している通信ネットワーク１０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、原子力発電プラント、工業プラント等の各種のプラントに配備されている計装制御システムに係り、特にはケーブル物量および演算処理部の設置スペースの削減技術に関するものである。

近年、原子力市場では、次世代プラントとしてＳＭＲ（ＳｍａｌｌＭｏｄｕｌａｒＲｅａｃｔｏｒ）をはじめとした小型炉の開発が行われている。小型炉のメリットの一つとして、プラントの設置面積が小さいことが挙げられる。このようなプラント設置面積のコンパクト化のため、プラント制御を行う計装制御システムについてもコンパクト化が要求されている。

計装制御システムでは、温度計、圧力計、レベル計、流量計などの各種センサで得られるプロセスデータを監視し、その監視結果から得られる制御変数に基づいて制御弁、ポンプ、モータ、シリンダ等のアクチュエータを制御する。このような計装制御システムにおいては、上記コンパクト化の要求に応えるために、フィールド機器（上記の各種センサ、各種アクチュエータ等）と、これらフィールド機器との間で信号を入出力するための入出力モジュールとの間を結ぶケーブル物量の削減、入出力モジュールの設置スペースの削減、および入出力モジュールから得られたプロセスデータについて各種の制御演算処理を行う演算処理装置の設置スペースの削減が望まれている。

ところで、従来の計装制御システムでは、階層構造の分散型システムが採用されており、フィールド機器に対して個別に入出力モジュールを設けて両者間をアナログ回線で接続し、また、必要数の入出力モジュールに対しては演算処理装置をデジタル回線でそれぞれ接続している。

そして、各種センサで得られた信号を入出力モジュールに取り込んでデジタル化した後、演算処理装置に対してプロセスデータとして送信して各種の演算処理を行う。一方、演算処理装置で得られた制御データを入出力モジュールに送信してアナログ信号に変換した後、各種のアクチュエータに出力することでアクチュエータの動作を制御する（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２００６−５８９８３号公報

原子力プラントの安全保護システムにおいては、規制要求が厳しく、フィールド通信に対応したインテリジェントデバイスの適用が進んでいないのが実情である。すなわち、上記特許文献１に記載のような従来技術では、入出力モジュールは、主に入出力インタフェースとして機能する役目だけを担っており、各種の演算処理まで行うものではない。このため、各種の演算処理を行うための演算処理装置を、入出力モジュールとは別途、設ける必要がある。したがって、入出力モジュールを収納した盤筐体と演算処理装置を収納した盤筐体をそれぞれ設置する必要があり、盤筐体設置のために広いスペースを確保する必要がある。

さらに、従来技術では、フィールド機器に対して入出力モジュールが離れて配置されているため、フィールド機器と入出力モジュールとの間を接続するアナログ回線の長さが長くなる。また、入出力モジュールと演算処理装置との間もデジタル回線で接続しているので、システム全体としての接続ケーブル物量も多くなっている。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、システム全体のケーブル物量を削減するとともに、入出力モジュールおよび演算処理部の全体的な設置スペースを削減することでシステムのコンパクト化を図ることが可能な計装制御システムを提供することを目的とする。

この発明に係る計装制御システムは、各々のフィールド機器に対応しかつ隣接して設置された入出力モジュールと、上記入出力モジュールの内部に実装され、上記フィールド機器に対する各種の制御演算処理を行う制御ロジック部と、上記入出力モジュールの相互間を通信回線により接続している通信ネットワークと、を備えたものである。

この発明に係る計装制御システムは、入出力モジュールの内部に制御演算処理を行う制御ロジック部を実装しているので、従来は別途設置していた演算処理装置を収納した盤筐体が不要となり、制御設備の設置スペースを削減することができる。また、従来では入出力モジュールと演算処理装置との間を接続するために必要であったデジタル回線のケーブル物量を削減することができる。さらに、各々のフィールド機器に隣接して入出力モジュールを設置しているので、入出力モジュールとフィールド機器との間を接続するケーブル物量も削減することができる。これにより、システム全体のコンパクト化を実現することが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る計装制御システムを示す構成図である。図１の入出力モジュールのハードウエアの一例を示す図である。図１の中央監視制御装置としてのＨＭＩの構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態２に係る計装制御システムを示す構成図である。この発明の実施の形態３に係る計装制御システムを示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る計装制御システムを示す構成図である。なお、この実施の形態１では、本発明に係る計装制御システムを原子力発電プラントに適用している例を示したが、原子力発電プラントに限定されるものではなく、工業プラント等その他のプラントに広く適用できる。

この実施の形態１の計装制御システム１は、プラント内に温度計、圧力計、レベル計、流量計等の各種のセンサ３と、制御弁、ポンプ、モータ、シリンダ等のアクチュエータ４が配備されている。なお、ここでは上記の各種のセンサ３および各種のアクチュエータ４を総称してフィールド機器と称する。

また、この実施の形態１では、各種のセンサ３に隣接して計装モジュール６が個別に設置され、また、各種のアクチュエータ４に隣接して制御モジュール７が個別に設置されている。そして、各種のセンサ３と計装モジュール６との間および各種のアクチュエータ４と制御モジュール７との間は、それぞれアナログ回線等の通信回線３ａおよび４ａで接続されている。なお、ここでは、上記の計装モジュール６と制御モジュール７を総称して入出力モジュールと称する。

各々の入出力モジュール（計装モジュール６および制御モジュール７）の内部には上記フィールド機器（センサ）３およびフィールド機器（アクチュエータ）４に対する各種の制御演算処理を行う制御ロジック部６ａおよび制御ロジック部７ａがそれぞれ実装されるとともに、デジタル・アナログ変換用のモデムを内蔵した入出力インタフェース（図示せず）を備えている。そして、各々の入出力モジュール６および７の相互間は、通信回線として有線の通信ケーブル（バスライン）８で接続されて通信ネットワーク１０が構成されている。

入出力モジュールとしての計装モジュール６および制御モジュール７のハードウエアの一例を図２に示す。図２の例に示すように、計装モジュール６および制御モジュール７は、演算処理を行うプロセッサ１０１と、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置およびフラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを有する記憶装置１０２と、通信ネットワーク１０を介してデータの入出力を行う入出力インタフェース１０３ａと、フィールド機器３または４と通信回線３ａまたは４ａを介してデータの入出力を行う入出力インタフェース１０３ｂを備えている。なお、フラッシュメモリの代わりにハードディスクなどの補助記憶装置を備えても良い。プロセッサ１０１は、記憶装置１０２に記憶された演算プログラムに基づいて各種の演算処理を行う。ここで、プロセッサ１０１および記憶装置１０２は、本実施の形態の制御ロジック部６ａおよび７ａに相当する。

また、この計装制御システム１は、中央監視制御装置としての役目を果たすＨＭＩ（ヒューマンマシンインターフェース）１２が設けられている。このＨＭＩ１２は、図３に示すように、中央演算装置１２１とともに、メモリ、ハードディスクなどの記憶装置１２２、ディスプレイ等の表示装置１２３、マウス、キーボード等の入力装置１２４を備えている。そして、このＨＭＩ１２にはデータ入出力用のＨＭＩモジュール１３が接続され、このＨＭＩモジュール１３が通信ネットワーク１０に接続されている。

上記構成を備えた計装制御システム１の動作について説明する。
計装モジュール６の入出力インタフェース１０３ｂは、対応するセンサ３からの信号をデジタル化して入力し、制御ロジック部６ａに転送する。制御ロジック部６ａは、制御ロジック部６ａに実装した制御ロジック（図２の記憶装置１０２に記憶された演算プログラム）に基づいて、入力した信号の演算（ノイズ除去、警報の判定、基準信号との比較演算など）を実行する。計装モジュール６は上記演算結果をプロセスデータとして入出力インタフェース１０３ａから通信ネットワーク１０を経由して制御モジュール７へ出力する。また、計装モジュール６の入出力インタフェース１０３ａは、通信ネットワーク１０を経由してＨＭＩモジュール１３へ演算結果を出力する。

一方、制御モジュール７の入出力インタフェース１０３ａは、通信ネットワーク１０を経由して計装モジュール６から伝送されてきた信号を受信するとともに、通信ネットワーク１０を経由してＨＭＩモジュール１３から伝送されてきた信号を受信する。制御ロジック部７ａは、制御ロジック部７ａに実装した制御ロジック（図２の記憶装置１０２に記憶された演算プログラム）に基づいて、上記受信した信号のロジック演算（シーケンス制御、プロセス制御演算）を実行し、その演算結果を入出力インタフェース１０３ｂを介してアクチュエータ４へ出力する。これにより、アクチュエータ４は、制御モジュール７によって、計装モジュール６で得られたプロセスデータに基づいて自動制御される。

また、計装モジュール６は、通信ネットワーク１０を経由してＨＭＩモジュール１３にプロセスデータを伝送するので、ＨＭＩモジュール１３は、各センサ３から得られたプロセスデータをＨＭＩ１２に転送する。これにより、ＨＭＩ１２においてプロセスデータを画面表示するなどしてセンサ３およびアクチュエータ４の現在の可動状態を監視することができる。

その監視結果から、プロセスデータの制御変数を変更するなどの必要がある場合には、ＨＭＩ１２から制御変数を変更するなどの指令を与える。ＨＭＩ１２からの指令はＨＭＩモジュール１３から通信ネットワーク１０を経由して制御モジュール７に伝送される。制御モジュール７の制御ロジック部７ａは、このＨＭＩ１２からの指令に基づいてロジック演算を実行し、そのロジック演算に基づいてアクチュエータ４を制御する。

また、この構成の計装制御システム１では、入出力モジュール（計装モジュール６および制御モジュール７）に実装した制御ロジックを、ＨＭＩモジュール１３を経由してＨＭＩ１２から変更することも可能である。そのため、制御ロジック部６ａ、７ａの制御ロジックの設計変更のために、プログラムジェネレータ等を計装モジュール６、制御モジュール７付近まで移動することなく容易にプログラムを設計変更することができる。

以上のように、この実施の形態１の計装制御システムは、入出力モジュールの内部に制御演算処理を行う制御ロジック部を実装しているので、従来は別途設置していた演算処理装置を収納した盤筐体が不要となり、制御設備の設置スペースを削減することができる。また、従来では入出力モジュールと演算処理装置との間を接続するために必要であったデジタル回線のケーブル物量を削減することができる。さらに、各々のフィールド機器に隣接して入出力モジュールを設置しているので、入出力モジュールとフィールド機器との間を接続するケーブル物量も削減することができる。これにより、計装制御システム全体のコンパクト化を実現することが可能となる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る計装制御システム１を示す構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応、もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

図１に示した実施の形態１では、通信ネットワーク１０を構成するための通信回線として有線の通信ケーブル８を適用することで計装モジュール６、制御モジュール７、およびＨＭＩモジュール１３の間を互いに接続している。これに対して、この実施の形態２では、図４に示すように、通信ネットワーク１０として、親機としての無線ルータ１４を設けるとともに、各々の入出力モジュール６、入出力モジュール７、およびＨＭＩモジュール１３には、子機となる無線通信器を備えて無線ＬＡＮが構成されている。

以上のように、この実施の形態２では、通信ネットワークに無線ＬＡＮを適用することで、ケーブルを使用しないで計装制御システムを実現することができる。このため、フィールド機器の現場設置の自由度が高まるとともに、実施の形態１の場合よりもさらにケーブル物量を削減することができ、システム全体のコンパクト化を実現できる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係る計装制御システム１を示す構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応、もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

図１に示した実施の形態１では、通信ネットワーク１０を構成するための通信回線として、有線の通信ケーブル８を使用しているが、この実施の形態３では、図５に示すように、この通信ケーブル８を用いて入出力モジュール６、７への電源供給を可能としたものである。

すなわち、この実施の形態３では、通信ネットワーク１０にＰｏＥ（ＰｏｗｅｒｏｖｅｒＥｔｈｅｒｎｅｔ）、ＥｔｈｅｒＣＡＴＰ、あるいはＵＳＢＰＤ（ＵＳＢＰｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒｙ）といった公知の電源伝送技術を適用することにより、計装モジュール６および制御モジュール７への電源供給を通信ケーブル８に兼用させる、いわゆるＩ／Ｏバス給電を実施することで、電源ケーブルの敷設量を削減したものである。

なお、この発明は、上記の実施の形態１〜３の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、各実施の形態１〜３の構成の一部を変更したり、その構成を省略することができ、また、各実施の形態１〜３の構成を適宜組み合わせることが可能である。

１計装制御システム、３センサ（フィールド機器）、
４アクチュエータ（フィールド機器）、６計装モジュール（入出力モジュール）、
６ａ制御ロジック部、７制御モジュール（入出力モジュール）、
７ａ制御ロジック部、８通信ケーブル（通信回線）、１０通信ネットワーク、
１３ＨＭＩモジュール、１４無線ルータ。

Claims

各々のフィールド機器に対応しかつ隣接して設置された入出力モジュールと、
上記入出力モジュールの内部に実装され、上記フィールド機器に対する各種の制御演算処理を行う制御ロジック部と、
上記入出力モジュールの相互間を通信回線により接続している通信ネットワークと、を備えた計装制御システム。
上記入出力モジュールは、計装モジュールおよび制御モジュールを有し、
上記計装モジュールは、対応する上記フィールド機器からの信号を上記計装モジュール内の上記制御ロジック部に転送し、上記制御ロジック部は入力した信号の演算処理を実行し、上記演算処理の結果をプロセスデータとして上記通信ネットワークを経由して出力すると共に、
上記制御モジュールは、上記計装モジュールからの上記プロセスデータを受信し、上記制御モジュール内の上記制御ロジック部は上記プロセスデータのロジック演算を実行し、上記ロジック演算の結果を対応する上記フィールド機器に出力する請求項１に記載の計装制御システム。
上記通信ネットワークには中央監視制御装置が接続され、
上記中央監視制御装置は上記計装モジュールからの上記プロセスデータを入力して上記フィールド機器の稼働状態を監視すると共に、上記プロセスデータの制御変数を変更する指令を上記制御モジュールに出力する請求項２に記載の計装制御システム。
上記通信ネットワークには中央監視制御装置が接続され、
上記中央監視制御装置は上記計装モジュールおよび上記制御モジュールに実装した制御ロジックを変更する請求項２または請求項３に記載の計装制御システム。
上記通信ネットワークは、無線ルータを設けるとともに、各々の上記入出力モジュールには無線通信器を備えて無線ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）が構成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の計装制御システム。
上記通信ネットワークは、通信ケーブルと電源ケーブルとを兼用してＩ／Ｏバス給電を行うものである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の計装制御システム。