JP5660082B2 - プロセス制御装置及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、プロセス制御装置及びシステムに関する。

従来から、プラントや工場等（以下、これらを総称する場合には、単に「プラント」という）においては、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）を制御するプロセス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。従来のプロセス制御システムは、例えば以下の特許文献１の図７（特許文献２，３の図１（ＦＩＧ．１））に示す通り、流量計や温度計等の複数のセンサとバルブ等のアクチュエータとが直接コントローラに接続された構成であり、コントローラがセンサの検出結果に応じてアクチュエータを制御することによって上述した各種の状態量が制御される。

ここで、プラントは、寿命を約３０年として設計されることが多いが、プロセス制御システムをなす各種機器（上述したコントローラ、センサ、アクチュエータ）は、汎用的な電子部品が用いられることが多いため、その寿命が電子部品の寿命で規定されてしまい約１０年程度である。センサは寿命がきても単体で交換可能だが、コントローラのインターフェイス部であるＩ／Ｏカードに汎用的な電子部品が搭載されているため、コントローラの寿命は１０年程度に制限され、プロセス制御システムの寿命も制限されてしまう。

このように、プロセス制御システムをなす各種機器はプラントよりも寿命が短いことから、プラントの寿命を迎える前にプロセス制御システムをリプレース（再構築）する必要がある。そこで、以下の特許文献１の図１（特許文献２，３の図２（ＦＩＧ．２））に示されている通り、プロセス制御システムをなす各種機器を同じネットワークに接続した構成にし、上記のＩ／Ｏカードを無くすことによってプロセス制御システムの寿命を延ばすことが考えられる。

特許第４３９９７７３号公報 国際公開第２００５／０５０３３６号 米国特許出願公開第２００７／００７８９８０号明細書

ところで、プロセス制御システムをなす各種機器には、コントローラのＩ／Ｏカード以外の部分にも汎用的な電子部品が用いられている。また、近年においては、プロセス制御システムで用いられるオペレーティングシステム（ＯＳ）やアプリケーションプログラム等のソフトウェアの供給可能期間が５〜１０年程度と短くなってきている。このため、上述の通り、Ｉ／Ｏカードを無くすことによってプロセス制御システムの寿命を延ばすことができたとしても、結局のところハードウェア及びソフトウェアの双方の面からプロセス制御システムのリプレースが必要になってしまう。

また、近年においては、プロセス制御システムの機能を維持するだけでなく、様々な目的（例えば、省エネルギーを実現する目的、環境規制への対応を行う目的、或いは生産効率の向上を図る目的）から、プロセス制御システムの機能を積極的に向上させたいという要求も増加している。このような要求に応えるためには、プラントの寿命を迎える前に、プラントに既に構築されているプロセス制御システムを新たなプロセス制御システムにリプレースする必要がある。

ここで、プロセス制御システムのリプレースを行う場合には、リプレース前後での制御性を担保した後、機能向上や新規機能の導入を行う安心・安全なリプレース手順が望まれる。そのため、リプレース前におけるプロセス制御システムの制御性が、リプレース後においても保証される必要がある。このため、プロセス制御システムのリプレースを行った場合には、リプレースが行われたプロセス制御システムの制御性の評価を十分に行わなければならず、評価に長時間を要するとともに多大なコストが必要になるという問題があった。

プロセス制御システムをリプレースするに際し、既存のシステムと新たなシステムとを一時的に併存させて各々のシステムの制御性を評価し、評価を終えた後に既存のシステムを取り除くようにすれば、上記の評価の時間を短縮することができるとも考えられる。しかしながら、新旧２つのシステムが併存している場合には、各々のシステムで用いられる各種機器（例えば、コントローラ）を異なるタグ名で管理する必要があり、既存のシステムを取り除いた後のオペレーションがやりにくくなるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、既存システムを新たなシステムにリプレースする際の制御性の評価を容易に行うことが可能なプロセス制御装置及びシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のプロセス制御装置は、プラントで実現される工業プロセスの制御を行うプロセス制御装置（２０、２０ａ、２０ｂ）において、ハードウェア（２１）上でハードウェアの代わりとして動作する仮想化部（２２）と、前記仮想化部上で動作して前記工業プロセスの制御に必要な測定及び操作の少なくとも一方を行う複数のフィールド機器（１０）の動作を制御する第１，第２制御部（２３ａ、２４ａ，２３ｂ、２４ｂ）と、前記仮想化部に設けられ、前記フィールド機器からの信号を前記第１，第２制御部に分配する分配部（４１）と、前記仮想化部に設けられ、前記第１，第２制御部の出力を取得して何れか一方の出力を前記複数のフィールド機器のうちの少なくとも１つのフィールド機器に出力する取得部（４２、４３）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、フィールド機器からの信号が仮想化部に設けられた分配部によって仮想化部上で動作する第１，第２制御部に分配されるとともに、第１，第２制御部の出力が仮想化部に設けられた取得部によって取得され、取得された何れか一方の出力が複数のフィールド機器のうちの少なくとも１つのフィールド機器に出力される。
また、本発明のプロセス制御装置は、前記取得部が、取得した前記第１，第２制御部の出力の比較を行う比較部（４２ａ）を備えることを特徴としている。
また、本発明のプロセス制御装置は、前記第１，第２制御部が、前記仮想化部上で動作するオペレーティングシステム（２３ａ、２３ｂ）と、前記オペレーティングシステム上で動作するアプリケーション（２４ａ、２４ｂ）とからなることを特徴としている。
本発明のプロセス制御システムは、プラントで実現される工業プロセスの制御を行うプロセス制御システム（１、２）において、前記プラントに設けられるネットワーク（Ｎ１）と、前記ネットワークに接続され、前記工業プロセスの制御に必要な測定及び操作の少なくとも一方を行う複数のフィールド機器（１０）と、前記ネットワークに接続された上記の何れかに記載のプロセス制御装置とを備えることを特徴としている。
また、本発明のプロセス制御システムは、前記ネットワークに接続され、前記プロセス制御装置の前記取得部で取得された前記第１，第２制御部の出力の比較を行う比較装置（５０）を備えることを特徴としている。
また、本発明のプロセス制御システムは、前記プロセス制御装置の前記取得部が、取得した前記第１，第２制御部の出力を、前記ネットワークを介して前記比較装置に送信することを特徴としている。

本発明によれば、フィールド機器からの信号を仮想化部に設けられた分配部によって仮想化部上で動作する第１，第２制御部に分配するとともに、第１，第２制御部の出力を仮想化部に設けられた取得部によって取得し、取得した何れか一方の出力が複数のフィールド機器のうちの少なくとも１つのフィールド機器に出力しているため、第１，第２制御部の何れか一方で工業プロセスにおける状態量の制御を行いつつ、取得部によって取得した第１，第２制御部の出力を用いて、既存システムを新たなシステムにリプレースする際の制御性の評価を容易に行うことができるという効果がある。

本発明の第１実施形態によるプロセス制御システムの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態におけるコントローラの交換手順の概要を説明するための図である。 本発明の第１実施形態におけるコントローラの動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態におけるコントローラ内のデータの流れを示す図である。 本発明の第２実施形態によるプロセス制御システムの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態におけるコントローラ内のデータの流れを示す図である。 本発明の第１，第２実施形態によるプロセス制御システムの第１応用例を説明するための図である。 本発明の第１，第２実施形態によるプロセス制御システムの第２応用例を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるプロセス制御システムについて詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態によるプロセス制御システムの要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態のプロセス制御システム１は、フィールド機器１０、コントローラ２０（プロセス制御装置）、及び監視装置３０を備えており、監視装置３０の監視の下でコントローラ２０がフィールド機器１０を制御することによって、プラント（図示省略）で実現される工業プロセスの制御を行う。

ここで、フィールド機器１０及びコントローラ２０はフィールドネットワークＮ１に接続され、コントローラ２０及び監視装置３０は制御ネットワークＮ２に接続される。フィールドネットワークＮ１は、例えばプラントの現場に敷設された有線のネットワークである。他方、制御ネットワークＮ２は、例えばプラントの現場と監視室との間を接続する有線のネットワークである。尚、これらフィールドネットワークＮ１及び制御ネットワークＮ２は、無線のネットワークであっても良い。

フィールド機器１０は、例えば流量計や温度センサ等のセンサ機器、流量制御弁や開閉弁等のバルブ機器、ファンやモータ等のアクチュエータ機器、その他のプラントの現場に設置される機器である。尚、図１においては、理解を容易にするために、プラントに設置されたフィールド機器１０のうちの流体の流量を測定するセンサ機器１１と流体の流量を制御（操作）するバルブ機器１２とを図示している。

フィールド機器１０は、コントローラ２０からフィールドネットワークＮ１を介して送信されてくる制御データに応じた動作を行う。例えば、コントローラ２０からセンサ機器１１に測定データ（流体の流量の測定結果を示すデータ）の送信要求が送信されてきた場合には、センサ機器１１は、フィールドネットワークＮ１を介してコントローラ２０に向けて測定データを送信する。また、コントローラ２０からバルブ機器１２に対して制御データ（開度を制御するデータ）が送信されてきた場合には、バルブ機器１２は、流体が通過する弁の開度を制御データで指示される開度にする。

コントローラ２０は、監視装置３０の監視の下でフィールド機器１０（例えば、センサ機器１１）からの測定データを収集するとともに、収集した測定データに基づいてフィールド機器１０（例えば、バルブ機器１２）を制御する。尚、コントローラ２０は、フィールド機器１０の状態を示すステータスの収集も行う。このコントローラ２０の機能は、ソフトウェアがコンピュータに読み込まれて、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働することによって実現される。

具体的に、コントローラ２０の機能は、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit：マイクロプロセッサ）やメモリ等からなるハードウェア２１によって、インストールされたプログラムが実行されることによって実現される。ここで、コントローラ２０には、ハイパーバイザ２２（仮想化部）を実現するプログラム、オペレーティングシステム（ＯＳ）２３ａ（第１制御部）を実現するプログラム、オペレーティングシステム２３ｂ（第２制御部）を実現するプログラム、アプリケーション２４ａ（第１制御部）を実現するプログラム、及びアプリケーション２４ｂ（第２制御部）を実現するプログラムがインストールされている。

上記のハイパーバイザ２２は、ハードウェア２１上でハードウェアの代わりとして仮想的に動作し、オペレーティングシステム２３ａ，２３ｂ及びアプリケーション２４ａ，２４ｂを変更することなくハードウェア２１の交換を可能にするために設けられる。また、ハイパーバイザ２２は、オペレーティングシステム２３ａ及びアプリケーション２４ａと、オペレーティングシステム２３ｂ及びアプリケーション２４ｂとをそれぞれ独立して動作させるためにも設けられる。

つまり、ハイパーバイザ２２は、ハードウェア２１がＭＰＵアーキテクチャ、メモリサイズ、キャッシュサイズ、メモリマップ、デバイスインターフェイス等が異なるものに変更されても、変更前と同様のインターフェイスをオペレーティングシステム２３ａ，２３ｂに対して提供する。これにより、ハイパーバイザ２２上で動作するオペレーティングシステム２３ａ，２３ｂはハードウェア２１の変更の影響を受けないため、従前用いられていたオペレーティングシステム２３ａ，２３ｂ及びアプリケーション２４ａ，２４ｂを新たなハードウェア２１上でそのまま動作させることができる。

また、ハイパーバイザ２２を設けることで、オペレーティングシステム２３ａ，２３ｂ及びアプリケーション２４ａ，２４ｂを以下の通り動作させることができる。
・オペレーティングシステム２３ａ及びアプリケーション２４ａのみの動作
・オペレーティングシステム２３ｂ及びアプリケーション２４ｂのみの動作
・オペレーティングシステム２３ａ及びアプリケーション２４ａと、オペレーティングシステム２３ｂ及びアプリケーション２４ｂとの独立した動作

図１に示す通り、ハイパーバイザ２２は、入力分配部４１（分配部）及び出力取得部４２（取得部）を備える。入力分配部４１は、フィールド機器１０（例えば、センサ機器１１）からの測定データやステータスを、オペレーティングシステム２３ａ，２３ｂを介してアプリケーション２４ａ，２４ｂにそれぞれ分配する。出力取得部４２は、アプリケーション２４ａ，２４ｂから出力されてオペレーティングシステム２３ａ，２３ｂを介した制御データをそれぞれ取得し、取得した制御データの何れか一方（ここでは、アプリケーション２４ａから出力された制御データとする）をフィールド機器１０（例えば、バルブ機器１２）に出力する。ここで、出力取得部４２は、取得した制御データ（アプリケーション２４ａ，２４ｂから出力された制御データ）の比較を行う出力比較部４２ａを備える。詳細は後述するが、このような入力分配部４１及び出力取得部４２をハイパーバイザ２２に設けるのは、既存システムを新たなシステムにリプレースする際の制御性の評価を容易にするためである。

オペレーティングシステム２３ａ，２３ｂは、ハイパーバイザ２２上で独立して動作し、例えばアプリケーション２４ａ，２４ｂを動作させるために必要となるプロセス管理やメモリ管理等の各種管理をそれぞれ行う。アプリケーション２４ａ，２４ｂは、オペレーティングシステム２３ａ，２３ｂ上でそれぞれ独立して動作し、プロセスの制御を行う上で必要なフィールド機器１０の制御（例えば、センサ機器１１からの測定データ等の収集やバルブ機器１２に対する制御データの送信等）をそれぞれ行う。

監視装置３０は、例えばコンピュータによって実現され、運転員によって操作されてプロセスの監視のために用いられる。具体的に、監視装置３０は、コントローラ２０で動作するオペレーティングシステム２３ａ，２３ｂやアプリケーション２４ａ，２４ｂの動作状態のモニタや管理を行い、そのモニタ等の結果に応じて（或いは、運転員の操作指示に応じて）コントローラ２０を制御する。

次に、上記構成におけるプロセス制御システム１に設けられたコントローラの交換（リプレース）手順について説明する。尚、コントローラの交換は、例えばコントローラの処理能力を向上させる場合、或いはコントローラに新たな機能を追加する場合等に行われる。図２は、本発明の第１実施形態におけるコントローラの交換手順の概要を説明するための図である。尚、図２においては、図１中の監視装置３０及び制御ネットワークＮ２の図示を省略している。

ここで、前述したオペレーティングシステム２３ａ及びアプリケーション２４ａは、交換前の従前のコントローラ（図２（ａ）に示すコントローラ１００）で用いられていたソフトウェアであるとする。これに対し、前述したオペレーティングシステム２３ｂ及びアプリケーション２４ｂは、交換後の新たなコントローラ（図１及び図２（ｂ），(ｃ）に示すコントローラ２０）で用いられるソフトウェアであるとする。

コントローラの交換作業が開始されると、まず現場の作業者によって交換すべきコントローラを特定する作業が行われる。ここでは、交換すべきコントローラとして、図２（ａ）に示すコントローラ１００が特定されたとする。このコントローラ１００は、ハードウェア１０１上で、オペレーティングシステム２３ａ及びアプリケーション２４ａが動作しているものである。

次に、特定された従前のコントローラ１００をフィールドネットワークＮ１から取り外して新たなコントローラ２０をフィールドネットワークＮ１に接続する作業が作業者によって行われる。このコントローラ２０は、ハイパーバイザ２２を実現するプログラム、オペレーティングシステム２３ａ，２３ｂを実現するプログラム、及びアプリケーション２４ａ，２４ｂを実現するプログラムがインストールされたものである。

以上の作業が終了した後に、作業者がコントローラ２０の電源を投入すると、インストールされたプログラムが実行され、図２（ｂ）に示す通り、ハードウェア２１上で、ハイパーバイザ２２、オペレーティングシステム２３ａ，２３ｂ、及びアプリケーション２４ａ，２４ｂが動作する。これにより、コントローラ２０は、従前のコントローラ１００で用いられていたソフトウェア（オペレーティングシステム２３ａ及びアプリケーション２４ａ）と、新たなソフトウェア（オペレーティングシステム２３ｂ及びアプリケーション２４ｂ）との双方が独立して実行されている状態になる。

図３は、本発明の第１実施形態におけるコントローラの動作を示すフローチャートである。また、図４は、本発明の第１実施形態におけるコントローラ内のデータの流れを示す図である。尚、図３に示すフローチャートは、作業者による交換作業が終了してコントローラ２０の電源が投入された後に、センサ機器１１からの測定データ（或いは、ステータス）が入力されると開始される。

図３に示すフローチャートの処理が開始されると、まずセンサ機器１１からの測定データを新旧アプリケーションに分配する処理が行われる（ステップＳ１１）。具体的には、図４（ａ）に示す通り、センサ機器１１から出力されてフィールドネットワークＮ１を介してコントローラ２０に入力された測定データが入力分配部４１によって分配され、オペレーティングシステム２３ａ，２３ｂを介してアプリケーション２４ａ，２４ｂにそれぞれ入力される。

フィールド機器１０からの測定データが入力されると、入力された測定データに応じたバルブ機器１２の制御量がアプリケーション２４ａ，２４ｂでそれぞれ求められ、その制御量を示す制御データがアプリケーション２４ａ，２４ｂからそれぞれ出力される。すると、新旧アプリケーションの出力を取得する処理（ステップＳ１２）、取得した旧アプリケーションの出力をバルブ機器１２に出力する処理（ステップＳ１３）、及び新旧アプリケーションの出力を比較する処理（ステップＳ１４）が順次行われる。

具体的には、図４（ｂ）に示す通り、アプリケーション２４ａ，２４ｂから出力されてオペレーティングシステム２３ａ，２３ｂを介した制御データが出力取得部４２でそれぞれ取得される。そして、取得された制御データのうち、アプリケーション２４ａからの制御データが、出力取得部４２からフィールドネットワークＮ１を介してバルブ機器１２に出力される。また、出力取得部４２で取得されたアプリケーション２４ａ，２４ｂからの制御データが出力比較部４２ａに入力され、出力比較部４２ａにおいて制御値や出力タイミングが比較される。

次に、ステップＳ１４の比較の結果、旧アプリケーションに対する新アプリケーションの制御性の差（制御データの制御値や出力タイミングの差）が予め規定された基準内であるか否かが出力比較部４２ａによって判断される（ステップＳ１５）。制御性の差が予め規定された基準内であると判断された場合（ステップＳ１５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、ハイパーバイザ２２によって、旧アプリケーションを新アプリケーションに切り替える処理が行われる（ステップＳ１６）。

具体的には、オペレーティングシステム２３ａ及びアプリケーション２４ａを実現するプログラムの実行を停止する処理が行われる。かかる処理によって、図２（ｃ）に示す通り、コントローラ２０のハイパーバイザ２２上で、オペレーティングシステム２３ｂ及びアプリケーション２４ｂを実現するプログラムのみが実行される状態になる。尚、旧アプリケーションから新アプリケーションへの切り替えは、監視装置３０を操作する運転員による切り替え許可の指示があってから行うようにしても良い。

これに対し、制御性の差が予め規定された基準外であると判断された場合（ステップＳ１５の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ１４で行われた比較結果を監視装置３０に通知する処理が行われる（ステップＳ１７）。かかる通知がなされると、監視装置３０を操作する運転員は、通知された比較結果を参照して、新旧アプリケーションの切り替えを指示するか否か、新アプリケーションに対するパラメータを変更して制御性を改善してから新旧アプリケーションの切り替えを指示するか否か、等を判断する。尚、運転員によって新旧アプリケーションの切り替えが指示された場合には、ステップＳ１６の処理と同様の処理が行われて新旧アプリケーションの切り替えが行われる。

以上の通り、本実施形態では、ハードウェア２１上でハードウェアの代わりとしてハイパーバイザ２２を動作させ、センサ機器１１からの測定データ等を入力分配部４１によってハイパーバイザ２２上で動作するアプリケーション２４ａ，２４ｂに分配し、これらアプリケーション２４ａ，２４ｂからの出力を取得して何れか一方の出力（アプリケーション２４ａの出力）をバルブ機器１２に出力するとともに、取得した出力を比較するようにしている。これにより、旧システムで用いられていたアプリケーション（アプリケーション２４ａ）を新たなシステムで用いられるプリケーション（アプリケーション２４ｂ）に切り替える際の制御性の評価を容易に行うことができる。しかも、旧システムで用いられていたアプリケーション（アプリケーション２４ａ）で工業プロセスにおける状態量の制御を行いつつ上記の制御性の評価を行うことができるため、プラント更新をより安全かつ短時間で行うことができる。

〔第２実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態によるプロセス制御システムの要部構成を示すブロック図である。尚、図５においては、図１に示す構成と同じブロックについては同一の符号を付してある。図５に示す通り、本実施形態のプロセス制御システム２は、アプリケーション２４ａ，２４ｂから出力された制御データの比較を、コントローラ２０の外部で行うものである。具体的に、プロセス制御システム２は、図１に示す出力取得部４２に代えて出力取得部４３を設け、出力比較装置５０を新たに追加した構成である。

出力取得部４３は、図１に示す出力取得部４２と同様に、アプリケーション２４ａ，２４ｂから出力されてオペレーティングシステム２３ａ，２３ｂを介した制御データをそれぞれ取得し、取得した制御データの何れか一方（アプリケーション２４ａから出力された制御データ）をフィールド機器１０（例えば、バルブ機器１２）に出力する。但し、出力取得部４３は、出力比較部４２ａが省略されており、取得した制御データの双方を出力比較装置５０に向けて送出する点において、図１に示す出力取得部４２とは相違する。

出力比較装置５０は、フィールドネットワークＮ１に接続されており、コントローラ２０からフィールドネットワークＮ１を介して送信されてきた制御データ（アプリケーション２４ａ，２４ｂから出力された制御データ）の比較を行う。この出力比較装置５０は、フィールドネットワークＮ１に常時接続されている必要は必ずしもなく、例えば新旧アプリケーションの切り替えが行われる際の制御性の評価を行う場合のみフィールドネットワークＮ１に接続される。また、また、出力比較装置５０は、フィールドネットワークＮ１に接続されていても制御ネットワークＮ２に接続されていても良い。

上記構成におけるプロセス制御システム２の動作は、アプリケーション２４ａ，２４ｂから出力された制御データの比較がコントローラ２０の外部に設けられた出力比較装置５０で行われる点を除いて、図１に示すプロセス制御システム１の動作と同様である。つまり、図３のフローチャートに示す通り、まずセンサ機器１１からの測定データを新旧アプリケーションに分配する処理が行われる（ステップＳ１１）。これにより、アプリケーション２４ａ，２４ｂからは、分配された制御データに応じた制御量を示す制御データが出力される。

次に、新旧アプリケーションの出力を取得する処理（ステップＳ１２）、取得した旧アプリケーションの出力をバルブ機器１２に出力する処理（ステップＳ１３）、及び新旧アプリケーションの出力を比較する処理（ステップＳ１４）が順次行われる。具体的には、図６に示す通り、アプリケーション２４ａ，２４ｂから出力されてオペレーティングシステム２３ａ，２３ｂを介した制御データが出力取得部４３でそれぞれ取得される。そして、取得された制御データのうち、アプリケーション２４ａからの制御データが、出力取得部４３からフィールドネットワークＮ１を介してバルブ機器１２に出力される。また、出力取得部４３で取得されたアプリケーション２４ａ，２４ｂからの制御データが、フィールドネットワークＮ１を介して出力制御部５０に送信され、出力制御部５０において制御値や出力タイミングが比較される。図６は、本発明の第２実施形態におけるコントローラ内のデータの流れを示す図である。

以上の処理が終了すると、旧アプリケーションに対する新アプリケーションの制御性の差（制御データの制御値や出力タイミングの差）が予め規定された基準内であるか否かが出力比較装置５０によって判断される（ステップＳ１５）。そして、制御性の差が予め規定された基準内であると判断された場合（ステップＳ１５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、ハイパーバイザ２２によって、旧アプリケーションを新アプリケーションに切り替える処理が行われる（ステップＳ１６）。これに対し、制御性の差が予め規定された基準外であると判断された場合（ステップＳ１５の判断結果が「ＮＯ」の場合）には、ステップＳ１４で行われた比較結果を、ネットワークＮ１，Ｎ２を接続するゲートウェイ（図示せず）を介して、監視装置３０に通知する処理が行われる（ステップＳ１７）。

以上の通り、本実施形態では、アプリケーション２４ａ，２４ｂからの出力の比較をコントローラ２０の外部に設けられた比較装置５０で行っている点において相違するものの、第１実施形態と同様に、ハードウェア２１上でハイパーバイザ２２を動作させ、入力分配部４１による測定データ等の分配、アプリケーション２４ａ，２４ｂからの出力の取得等を行っている。このため、第１実施形態と同様に、旧システムで用いられていたアプリケーション（アプリケーション２４ａ）を新たなシステムで用いられるアプリケーション（アプリケーション２４ｂ）に切り替える際の制御性の評価を容易に行うことができる。しかも、旧システムで用いられていたアプリケーション（アプリケーション２４ａ）で工業プロセスにおける状態量の制御を行いつつ上記の制御性の評価を行うことができるため、プラント更新をより安全かつ短時間で行うことができる。

〔応用例〕
次に、上述した第１，第２実施形態によるプロセス制御システムの応用例について説明する。前述した第１，第２実施形態は、図２（ｂ）に示す通り、ハイパーバイザ２２が動作し、ハイパーバイザ２２上で２つのアプリケーション２４ａ，２４ｂの動作が可能であるコントローラ２０を用いることで、従前の１台のコントローラ１００（図２（ａ）参照）を、新たな１台のコントローラ２０（図２（ｃ）参照）に交換するものであった。これに対し、本応用例は、ハイパーバイザ２２を動作させ、ハイパーバイザ２２上で３つ以上のアプリケーションの動作を可能とすることで、従前の複数台のコントローラを、少なくとも１台の新たなコントローラに交換するものである。

〈第１応用例〉
図７は、本発明の第１，第２実施形態によるプロセス制御システムの第１応用例を説明するための図である。図７に示す通り、本応用例は、ハイパーバイザ２２が動作し、ハイパーバイザ２２上で４つのアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ）の動作が可能であるコントローラ２０を用いることで、従前の３台のコントローラ１１１〜１１３を、１台の新たなコントローラ２０に交換するものである。尚、図７においては、表記の都合上、アプリケーションを「ＡＰ」と表記している。また、図７中の出力取得部４２，４３は、図１に示した出力取得部４２或いは図５に示した出力取得部４３を表している。

従前のコントローラ１１１〜１１３は、ハードウェア上で１つのオペレーティングシステム及び１つのアプリケーションが動作しているものである。具体的には、図７（ａ）に示す通り、コントローラ１１１は、オペレーティングシステム（旧ＯＳ１）及びアプリケーション（旧ＡＰ１）が動作し、コントローラ１１２は、オペレーティングシステム（旧ＯＳ２）及びアプリケーション（旧ＡＰ２）が動作し、コントローラ１１３は、オペレーティングシステム（旧ＯＳ３）及びアプリケーション（旧ＡＰ３）が動作している。

以上の従前の３台のコントローラ１１１〜１１３をフィールドネットワークＮ１から取り外し、新たなコントローラ２０をフィールドネットワークＮ１に接続する。ここで、新たなコントローラ２０は、ハイパーバイザ２２を実現するプログラム、オペレーティングシステム（旧ＯＳ１〜旧ＯＳ３，新ＯＳ）を実現するプログラム、及びアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ）を実現するプログラムがインストールされたものである。

以上の交換を終えた後に、コントローラ２０の電源を投入すれば、インストールされたプログラムが実行され、図７（ｂ）に示す通り、ハードウェア２１上で、ハイパーバイザ２２、オペレーティングシステム（旧ＯＳ１〜旧ＯＳ３，新ＯＳ）、及びアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ）が動作する。尚、ハイパーバイザ２２内の入力分配部４１は、センサ機器１１からの測定データやステータスを、アプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ）に分配する。また、ハイパーバイザ２２内の出力取得部４２，４３は、アプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ）の出力を取得し、取得した出力のうちのアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３）の出力をバルブ機器１２に出力する。

図７（ｂ）に示す状態で、アプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３）の出力とアプリケーション（新ＡＰ）の出力とを比較することで、切り替えを行う際の制御性の評価を行うことができる。その後、オペレーティングシステム（旧ＯＳ１〜旧ＯＳ３）及びアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３）を実現するプログラムを停止させれば、コントローラ２０のハイパーバイザ２２上で、オペレーティングシステム（新ＯＳ）及びアプリケーション（新ＡＰ）を実現するプログラムのみが実行される状態になる（図７（ｃ）参照）。

〈第２応用例〉
図８は、本発明の第１，第２実施形態によるプロセス制御システムの第２応用例を説明するための図である。図８に示す通り、本応用例は、ハイパーバイザ２２がそれぞれ動作し、ハイパーバイザ２２上で４つのアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ１１）の動作が可能であるコントローラ２０ａと、ハイパーバイザ２２上で３つのアプリケーション（旧ＡＰ４，旧ＡＰ５，新ＡＰ１２）の動作が可能であるコントローラ２０ｂとを用いることで、従前の５台のコントローラ１２１〜１２５を、２台の新たなコントローラ２０ａ，２０ｂに交換するものである。尚、図８においても、表記の都合上、アプリケーションを「ＡＰ」と表記しており、図８中の出力取得部４２，４３は、図１に示した出力取得部４２或いは図５に示した出力取得部４３を表している。

従前のコントローラ１２１〜１２５は、ハードウェア上で１つのオペレーティングシステム及び１つのアプリケーションが動作しているものである。具体的には、図８（ａ）に示す通り、コントローラ１２１は、オペレーティングシステム（旧ＯＳ１）及びアプリケーション（旧ＡＰ１）が動作し、コントローラ１２２は、オペレーティングシステム（旧ＯＳ２）及びアプリケーション（旧ＡＰ２）が動作し、コントローラ１２３は、オペレーティングシステム（旧ＯＳ３）及びアプリケーション（旧ＡＰ３）が動作している。また、コントローラ１２４は、オペレーティングシステム（旧ＯＳ４）及びアプリケーション（旧ＡＰ４）が動作し、コントローラ１２５は、オペレーティングシステム（旧ＯＳ５）及びアプリケーション（旧ＡＰ５）が動作している。

以上の従前の５台のコントローラ１２１〜１２５をフィールドネットワークＮ１から取り外し、新たなコントローラ２０ａ，２０ｂをフィールドネットワークＮ１に接続する。ここで、新たなコントローラ２０ａは、ハイパーバイザ２２を実現するプログラム、オペレーティングシステム（旧ＯＳ１〜旧ＯＳ３，新ＯＳ１１）を実現するプログラム、及びアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ１１）を実現するプログラムがインストールされたものである。また、新たなコントローラ２０ｂは、ハイパーバイザ２２を実現するプログラム、オペレーティングシステム（旧ＯＳ４，旧ＯＳ５，新ＯＳ１２）を実現するプログラム、及びアプリケーション（旧ＡＰ４，旧ＡＰ５，新ＡＰ１２）を実現するプログラムがインストールされたものである。

以上の交換を終えた後に、コントローラ２０ａ，２０ｂの電源を投入すれば、インストールされたプログラムが実行される。つまり、図８（ｂ）に示す通り、コントローラ２０ａにおいては、ハードウェア２１上で、ハイパーバイザ２２、オペレーティングシステム（旧ＯＳ１〜旧ＯＳ３，新ＯＳ１１）、及びアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ１１）が動作する。また、コントローラ２０ｂにおいては、ハードウェア２１上で、ハイパーバイザ２２、オペレーティングシステム（旧ＯＳ４，旧ＯＳ５，新ＯＳ１２）、及びアプリケーション（旧ＡＰ４，旧ＡＰ５，新ＡＰ１２）が動作する。

尚、コントローラ２０ａで動作するハイパーバイザ２２内の入力分配部４１は、センサ機器１１からの測定データやステータスを、アプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ１１）に分配する。また、ハイパーバイザ２２内の出力取得部４２，４３は、アプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３，新ＡＰ１１）の出力を取得し、取得した出力のうちのアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３）の出力をバルブ機器１２に出力する。

同様に、コントローラ２０ｂで動作するハイパーバイザ２２内の入力分配部４１は、センサ機器１１からの測定データやステータスを、アプリケーション（旧ＡＰ４，旧ＡＰ５，新ＡＰ１２）に分配する。また、ハイパーバイザ２２内の出力取得部４２，４３は、アプリケーション（旧ＡＰ４，旧ＡＰ５，新ＡＰ１２）の出力を取得し、取得した出力のうちのアプリケーション（旧ＡＰ４，旧ＡＰ５）の出力をバルブ機器１２に出力する。

図８（ｂ）に示す状態で、コントローラ２０ａにおけるアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３）の出力とアプリケーション（新ＡＰ１１）の出力とを比較し、コントローラ２０ｂにおけるアプリケーション（旧ＡＰ４，旧ＡＰ５）の出力とアプリケーション（新ＡＰ１２）の出力とを比較する。これにより、切り替えを行う際の制御性の評価を行うことができる。

その後、コントローラ２０ａにおいて、オペレーティングシステム（旧ＯＳ１〜旧ＯＳ３）及びアプリケーション（旧ＡＰ１〜旧ＡＰ３）を実現するプログラムを停止させれば、コントローラ２０ａのハイパーバイザ２２上で、オペレーティングシステム（新ＯＳ１１）及びアプリケーション（新ＡＰ１１）を実現するプログラムのみが実行される状態になる。また、コントローラ２０ｂにおいて、オペレーティングシステム（旧ＯＳ４，旧ＯＳ５）及びアプリケーション（旧ＡＰ４，旧ＡＰ５）を実現するプログラムを停止させれば、コントローラ２０ｂのハイパーバイザ２２上で、オペレーティングシステム（新ＯＳ１２）及びアプリケーション（新ＡＰ１２）を実現するプログラムのみが実行される状態になる（図８（ｃ）参照）。

以上、本発明の実施形態によるプロセス制御システムについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、複数のオペレーティングシステムやアプリケーションを動作させ得る仮想環境をハイパーバイザ２２によってコントローラ２０，２０ａ，２０ｂに実現する例について説明したが、このような仮想環境を実現する手段はハイパーバイザ２２に限られるものではない。例えば、上記の仮想環境をハードウェアによって実現しても良い。

また、上述した第１，第２実施形態及びその応用例では、コントローラの交換（リプレース）をオフラインで行う（一時的にプロセス制御システムを停止させて行う）例について説明したが、コントローラの交換をオンラインで行う（プロセス制御システムを停止させずに行う）ことも可能である。具体的には、従前のコントローラがフィールドネットワークＮ１に接続されている状態で新たなコントローラをフィールドネットワークＮ１に接続し、電源を投入して新たなコントローラを動作させた後で、従前のコントローラをフィールドネットワークＮ１から取り外せば、プラント制御システムを停止させることなくリプレースすることができる。

また、コントローラが冗長化されている場合にも、冗長化されたコントローラの交換をオンラインで行うことが可能である。具体的には、冗長化された従前のコントローラ（制御コントローラ及び待機コントローラ）がフィールドネットワークＮ１に接続されている状態で、まず新たなコントローラをフィールドネットワークＮ１に接続して動作させ、待機コントローラをフィールドネットワークＮ１から取り外す。次に、もう１つの新たなコントローラをフィールドネットワークＮ１に接続して動作させ、制御コントローラの制御権を新たなコントローラの一方に移譲した後で、制御コントローラをフィールドネットワークＮ１から取り外す。このようにして、コントローラが冗長化されている場合にも、プラント制御システムを停止させることなくリプレースすることができる。

また、上述した実施形態では、フィールド機器１０がフィールドネットワークＮ１を介したディジタル通信が可能なものを例に挙げて説明したが、アナログ信号の入出力を行うフィールド機器を用いることもできる。このようなフィールド機器を用いる場合には、フィールド機器で入出力される信号（アナログ信号）とフィールドネットワークＮ１を介して通信される信号（ディジタル信号）との変換を行うＩＯノードをフィールドネットワークＮ１に接続し、このＩＯノードとフィールド機器とをアナログ伝送路（例えば、「４〜２０ｍＡ」信号の伝送に使用される伝送線）で接続すれば良い。

更に、前述した第１，第２実施形態を組み合わせ、図１に示す出力比較部４２ａが設けられているコントローラと、図５に示す出力比較装置５０とがフィールドネットワークＮ１に接続された構成にすることも可能である。かかる構成にすれば、出力比較部４２ａと出力比較装置５０との何れによって比較を行うかを選択することができ、システムの構成に応じた柔軟な運用を実現することができる。

１，２ プロセス制御システム
１０ フィールド機器
２０ コントローラ
２０ａ，２０ｂ コントローラ
２１ ハードウェア
２２ ハイパーバイザ
２３ａ，２３ｂ オペレーティングシステム
２４ａ，２４ｂ アプリケーション
４１ 入力分配部
４２ 出力取得部
４２ａ 出力比較部
４３ 出力取得部
５０ 出力比較装置
Ｎ１ フィールドネットワーク

Claims (6)

1. プラントに設けられるネットワークに接続され、前記プラントで実現される工業プロセスの制御に必要な測定及び操作の少なくとも一方を行う複数のフィールド機器の動作を前記ネットワークを介して制御するプロセス制御装置において、
   ハードウェア上でハードウェアの代わりとして動作する仮想化部と、
   前記仮想化部上で動作して、前記ネットワークを介して前記フィールド機器の動作を制御する第１，第２制御部と、
   前記仮想化部に設けられ、前記フィールド機器からの信号を前記第１，第２制御部に分配する分配部と、
   前記仮想化部に設けられ、前記第１，第２制御部の出力を取得して何れか一方の出力を前記複数のフィールド機器のうちの少なくとも１つのフィールド機器に出力する取得部と
   を備えることを特徴とするプロセス制御装置。
2. 前記取得部は、取得した前記第１，第２制御部の出力の比較を行う比較部を備えることを特徴とする請求項１記載のプロセス制御装置。
3. 前記第１，第２制御部は、前記仮想化部上で動作するオペレーティングシステムと、前記オペレーティングシステム上で動作するアプリケーションとからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプロセス制御装置。
4. プラントで実現される工業プロセスの制御を行うプロセス制御システムにおいて、
   前記プラントに設けられるネットワークと、
   前記ネットワークに接続され、前記工業プロセスの制御に必要な測定及び操作の少なくとも一方を行う複数のフィールド機器と、
   前記ネットワークに接続され、前記ネットワークを介して前記フィールド機器の動作を制御する請求項１から請求項３の何れか一項に記載のプロセス制御装置と
   を備えることを特徴とするプロセス制御システム。
5. 前記ネットワークに接続され、前記プロセス制御装置の前記取得部で取得された前記第１，第２制御部の出力の比較を行う比較装置を備えることを特徴とする請求項４記載のプロセス制御システム。
6. 前記プロセス制御装置の前記取得部は、取得した前記第１，第２制御部の出力を、前記ネットワークを介して前記比較装置に送信することを特徴とする請求項５記載のプロセス制御システム。

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