はじめに
工場やプラントでは、毎日さまざまな製品が生産されています。その裏側で、安全かつ効率的な生産を支えているのが、高度な制御システムです。
「DCS (分散制御システム)」という言葉を聞いたことはありますか?
普段あまり目にすることはありませんが、実は私たちの生活に欠かせない製品の製造に深く関わっています。この記事では、DCSの基本的な概念から、横河電機が提供するDCS「CENTUM」について、初心者の方にもわかりやすく解説します。
この記事を読み終える頃には、DCSとCENTUMの役割や仕組み、そしてその魅力がきっと理解できるはずです。
DCS(分散制御システム)とは?
DCSとは、Distributed Control System(分散制御システム)の略で、工場やプラント全体の制御を統合的に行うシステムのことです。例えるなら、大規模な工場やプラントの「頭脳」のような役割を果たします。
DCSはプラント内の様々な制御機器をネットワークで接続し、それぞれの機器の制御を分散して行います。これにより、システム全体への影響を最小限に抑え、安定したプラント運転を実現します。
具体的な役割としては、以下の点が挙げられます。
- プラント全体の監視と制御: プラント内の温度、圧力、流量などのデータを収集し、オペレーターがプラント全体の状況を把握できるようにします。また、収集したデータに基づいて、機器の制御を行います。
- 各制御機器の連携: プラント内の様々な制御機器をネットワークで接続し、互いに連携して動作するように制御します。
- 異常発生時の対応: プラント内で異常が発生した場合、迅速に検知し、オペレーターに知らせ、適切な対応を支援します。
上記よりDCSは主に石油精製、石油化学、化学、鉄鋼、食品、電力、ガス、上下水道など、流体を扱うプロセスオートメーション (PA) 分野で広く利用されています。これらの分野では、連続的な生産プロセスが重要であり、DCSは安全で効率的な生産を支える上で欠かせないシステムです。
DCSのメリット
DCSには、以下のような多くのメリットがあります。
- システム全体への影響を低減: 制御機能が複数のCPUに分散されているため、一部の機器に故障が発生しても、システム全体への影響を最小限に抑えることができます。
- 高い信頼性: プロセッサやネットワークなどを二重化することで、システム全体の信頼性を高めています。
- 柔軟な制御: ソフトウェアで制御ロジックやインターロックを柔軟に構築できるため、プラントの変更や拡張に容易に対応できます。
- 省配線: フィールド配線を削減できるため、設置コストやメンテナンスコストを低減できます。
- 容易なメンテナンス: システムの監視機能や診断機能により、メンテナンスやトラブルシューティングが容易に行えます。
- 長期的なコスト効率: 初期費用は高額になる傾向がありますが、長期的に見ると、安定稼働による生産性向上やメンテナンスコストの低減により、コスト効率が高いと言えます。
DCSとPLCの違い
DCSとよく比較されるものに、PLC(プログラマブルロジックコントローラ)があります。どちらも工場などで使われる制御システムですが、得意なフィールドが異なります。
- DCS: プラント全体の統合的な制御を目的とし、プロセス制御(連続的な制御や複雑な制御)に適しています。
- PLC: 特定の機械や装置の制御に使用されることが多く、シーケンス制御(ON/OFF制御やインターロック制御)に適しています。
DCSは高い信頼性と冗長性を重視する一方、PLCはより高速な制御や柔軟性を重視する傾向があります。近年では、PLCもDCSの代替として使用されるケースも見られるようになり、その境界は曖昧になってきています。
DCSは、安全性や経済的・社会的影響を考慮し、絶対に停止してはならないプラントにおいて、その真価を発揮します。大規模なプラントでは、DCSの信頼性と安定性が、生産を維持するために不可欠です。
CENTUMとは?
CENTUMとは、横河電機が提供するDCSのブランド名です。世界中のプラントで導入されており、その信頼性と実績は高く評価されています。
CENTUMは1975年に世界初のDCSとして誕生し、45年以上の歴史を持っています。長年の技術経験を集約し、常に最新の技術を取り入れながら、信頼性、堅牢性を進化させ続けています。
横河電機のDCS技術は、プロセス制御分野において長年にわたり業界を牽引しており、その歴史はまさにDCSの進化の歴史と言えるでしょう。横河電機の公式サイトにも詳しい情報が掲載されています。
CENTUMの進化と最新モデルの概要
CENTUMは、横河電機が開発した分散制御システム(DCS)であり、その歴史の中で複数のモデルが開発されてきました。ここでは、資料に基づきCENTUMの過去のモデルと最新モデルについて説明します。
- 初代CENTUM (1975年): 横河電機が世界で初めて発売したDCSです。このシステムは、プラント制御の分野に革新をもたらしました。
- 2代目CENTUM (1981年): 初代CENTUMの成功を受け、さらに機能を向上させたモデルです。
- CENTUM V (1983年): 技術革新を取り入れ、より高度な制御機能を搭載したモデルです。
- CENTUM-XL (1988年): システムの拡張性と柔軟性を向上させ、より大規模なプラントにも対応可能となりました。
- CENTUM CS (1993年): オープンシステム化が進展し、より多くのユーザーが利用しやすいシステムへと進化しました。
- CENTUM CS 3000 (1998年): Windowsプラットフォームを採用し、GUI機能が大幅に向上しました。操作性や情報表示能力の向上により、より使いやすいシステムとなりました。
- CENTUM CS 3000 R3 (2005年): CENTUM CS 3000をさらに改良したモデルです。
- CENTUM VP (2008年): CENTUMシリーズの9代目となる最新世代のシステムです。高信頼性、長期安定性、従来のシステムとの互換性を維持しつつ、最新技術を取り入れています。
CENTUM CS 3000の特徴
- オペレータステーション(HIS): Windows XPまたはWindows 2000をベースとしたHISを採用しています。
- エンジニアリングステーション(ENG): HISと同じくPCベースであり、エンジニアリングソフトウェアが搭載されています。HISにエンジニアリングソフトウェアを搭載することで、HISとENGの両方の機能を持たせることも可能です。
- 通信ネットワーク: Vネットというリアルタイム制御バスを使用し、最大64台のステーションを接続できます。また、Ethernetも利用可能です。
- フィールド制御ステーション(FCS): プラントの制御を行うための信頼性の高いコントローラです。FCSには、FIOというコンパクトで費用対効果の高いI/Oサブシステムが搭載されています。
CENTUM VPの特徴
- 最新モデルとしての位置づけ: CENTUM VPは、CENTUMシリーズの最新モデルであり、過去のモデルの技術と経験を基に開発されました。
- 最適な操作・エンジニアリング環境: プラントのライフサイクル全体を通して、最適な操作・エンジニアリング環境を提供します。
- OpreXブランド: OpreXという包括的なブランドの一部であり、OpreX Controlに分類されます。
- コントローラの高信頼性: 高い信頼性と安定性を実現するために、ペア&スペア技術を採用しています。
過去のモデルからの移行
- スムーズな更新: 横河電機は、既設のCENTUMシステム(CENTUM CS 3000, CENTUM CS 1000, CENTUM CS, CENTUM-XL)から最新のCENTUM VPへのスムーズな更新を提案しています。既存のハードウェア、アプリケーション、運転ノウハウを最大限に再利用・活用できるため、最小限の投資と短期間でシステムを更新できます。
- 段階的な更新: HMIとコントローラ/I/Oは独立して更新できるため、段階的な更新も可能です。
これらの情報から、CENTUMは初代モデルから最新のCENTUM VPに至るまで、技術革新を続けながら、常に顧客のニーズに応えるシステムへと進化してきたことがわかります。
CENTUM VP
CENTUM VPは、CENTUMシリーズの9世代目の製品であり、最新の技術と機能が搭載されています。このシステムは、プラントの効率的な運用と安全性の向上に大きく貢献しています。ここではCENTUM VPについて更に深く掘り下げます。
CENTUM VPのコンセプト
CENTUM VPは、「VigilantPlant」というコンセプトに基づき、ユーザーの理想的な操業を実現することを目指しています。
VigilantPlantとは、プラントの情報を正確に把握し、将来を予測し、変化に迅速に対応することで、ビジネスの成長を支えるという考え方です。 具体的には、以下の3つの要素から構成されます。
- See Clearly: プラントの隅々まで見渡し、現状を正確に把握する。
- Know in Advance: 得られた情報により将来を予見し、リスクを事前に察知する。
- Act with Agility: 俊敏な操業でビジネスの成長を支える。
このコンセプトは、プラントのライフサイクル全体を通して、安全・安定・高効率な操業を実現することを目的としています。
CENTUM VPの特長
CENTUM VPには、以下のような多くの特長があります。
- 安全で統一された操作環境: 人間工学に基づいたHMI(ヒューマンマシンインターフェース)により、効率的で安全なプラント操作を実現します。
- 継続的な改善: プラントのライフサイクル全体を通して、システムの改善や拡張を容易に行うことができます。
- 柔軟な設計が可能なエンジニアリング環境: モジュールベースエンジニアリングなどの最新のエンジニアリング技術により、効率的なシステム構築を支援します。
- 高信頼コントローラ: Pair & Spare技術や完全二重化構成により、高い信頼性と安定性を実現しています。
- 他システムとの融合: OPC、Modbus、Ethernet/IPなどの標準プロトコルをサポートし、他社システムとの連携を容易に行うことができます。
- フィールドデジタルの活用: FOUNDATION fieldbus、HART、ISA100.11aなどのフィールドデジタル技術を活用し、プラントの効率化に貢献します。
- インターオペラビリティテスト(相互運用性テスト)の実施: 異なるベンダーのシステムとの相互接続性を確保するためのテストを実施しています。
- PROFINET対応: 最新版では、PROFINETなどの産業用ネットワークにも対応し、システムの拡張性と柔軟性を向上させています。
CENTUM VPのシステム構成
CENTUM VPは複数の機器が連携して動作するシステムです。ここでは、主要な構成機器とその役割について説明します。
HIS (ヒューマンインタフェースステーション)
- オペレーターがプラントの運転状況を監視し、操作を行うためのステーションです。
- デスクトップ型とコンソール型があり、制御室のレイアウトに合わせて自由に選択できます。
- 1台のHISに対して、最大4つのモニターを使用でき、複数のウィンドウを同時に表示できます。
- システムメッセージバナーは、アラーム発生状況などを表示し、常に画面上部に表示されます。
FCS (フィールドコントロールステーション)
- プラントの制御を行うコントローラです。現場のセンサーやアクチュエータからの信号を処理し、制御ロジックに基づいて制御機器を操作します。
- プロセッサモジュール、電源、制御バスはすべて二重化されており、高い信頼性を確保しています。
- 横河電機独自のペア&スペア技術により、プロセッサモジュール内のMPUも二重化されており、エラー発生時の無瞬断切り替えを実現しています。
- N-IO用、FIO用、コンパクトFCSなど、様々な種類があります。
ENG (エンジニアリングステーション)
- システムの設定や制御プログラムの作成、変更を行うためのステーションです。
- エンジニアは、ENGを使用して、制御ロジック、HMI画面、通信設定などを構成します。
- ENGでは、ADスイートと呼ばれるエンジニアリングツールを使用します。
UGS (統合ゲートウェイステーション)
- STARDOMや他社のPLCなどのサブシステムをCENTUM VPに統合するためのゲートウェイステーションです。
- 異なるメーカーの制御システムを統合的に監視、制御することができます。
- OPC、Modbus、Ethernet/IPなどの様々な通信プロトコルをサポートします。
ネットワーク:Vnet/IPとEthernet
CENTUM VPのシステム内では、以下の2つのネットワークが使われています。
-
Vnet/IP: HISとFCS間を接続するリアルタイム制御バスです。高い信頼性と高速応答性を実現しています。
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Ethernet: HIS、ENG、UGSなどのステーション間を接続する情報ネットワークです。一般的なネットワーク技術であり、柔軟なネットワーク構成を可能にします。
その他のコンポーネント:プラントの効率化をサポート
- FIO(Field network I/O):プロセス信号の種類ごとにI/Oモジュールを用意し、フィールドでの豊富な実績に裏付けられた高信頼のプロセス入出力モジュールです。
- N-IO(Network I/O):AI/AO/DI/DOの各信号を1つのI/Oモジュールで取り扱え、各点のI/O信号種別をソフトウェアで変更できる柔軟性を持つモジュールです。
- BCV (バス変換機): CENTUM VPシステムと旧CENTUMシステムとの接続や、異なるネットワーク間の通信を仲介する装置です。
- APCS (アドバンストプロセスコントロールステーション): 高度な制御を行うためのステーションで、プラントの効率改善に貢献します。
- PRM (プラントリソースマネージャ): フィールド機器の管理・メンテナンスを効率化するためのソフトウェアです。主にHART通信によって現場機器からの情報を定期的に収集することが出来ます。
- Exaopc (OPCインタフェースパッケージ): 上位システムとのデータ連携を容易にするためのソフトウェアです。
- Exaquantum (プラント情報管理システム): プラントのデータを収集・分析し、生産状況の把握や改善活動を支援するソフトウェアです。
- Exapilot (運転効率向上支援パッケージ): 熟練オペレーターの運転ノウハウをシステム化し、運転効率を向上させるためのソフトウェアです。
- Exaplog (イベント解析パッケージ): プラントの操業記録を解析し、問題点の特定や改善活動を支援するソフトウェアです。
- DTSX: 光ファイバーを活用した分散型温度センサーで、パイプラインやタンクなどの温度監視に使用されます。
これらのコンポーネントが連携することで、プラントの安定的な稼働と効率的な操業が実現されます。
CENTUM VPの導入事例
CENTUM VPは、様々な業界で豊富な導入実績があります。ここでは、いくつかの導入事例を紹介します。
- 石油化学プラント: 東南アジア最大の石油化学コンビナートであるIRPCに導入され、効率改善と安全操業に貢献しています。
- ガス・LNGプラント: ノルウェーのガス液化プラントや世界最大のLNGターミナルに導入され、安全で安定した生産を支えています。
- 発電所: 世界初の海洋温度差発電実用実証設備に導入され、発電効率の向上に貢献しています。
- 医薬品工場: 最先端のバイオ医薬品工場に導入され、バッチプロセスのスムーズな運用やフィールドデジタルによるプロアクティブ保全を実現しています。
- 鉄鋼プラント: 連鋳設備などの制御に利用され、安定操業に貢献しています。
- 食品工場: 製糖工場やバイオエタノールプラントなどに導入され、自動化や効率化を実現しています。
- その他: 排水・廃棄物処理設備、燃料貯蔵設備、教育用システムなど多岐にわたります。
- 化学プラント: AIによる自律制御を導入し、長時間の連続運転に成功した事例も報告されています。
これらの導入事例から、CENTUM VPがプラントの安定稼働、効率向上、そして安全性確保に大きく貢献していることがわかります。横河電機の事例紹介ページでは、さらに多くの導入事例が紹介されています。
CENTUM VP Basic
CENTUM VP Basicは、小規模プラントや試験プラント向けに最適化されたDCSです。大規模なシステムと同等の信頼性を持ちながら、小規模プラントでも導入しやすいようにコンパクトに設計されています。
CENTUM VP Basicの特徴
CENTUM VPの機能をベースとしながらも、いくつかの点で異なる特徴を持っています。
導入コストの抑制
- DCSの導入コストを抑えたい、または既存システムをリーズナブルに更新したいというニーズに対応しています。
- PLCや温調計からのアップグレードを検討しているが、より信頼性の高いシステムを求める場合に推奨されます。
- CENTUM VPと同じ操作性を維持しながら、小規模設備への導入を希望する場合に適しています。
システム構成
- ヒューマンインタフェースステーション(HIS): プラントの操作・監視を行うHMIで、Windows OS搭載のコンピュータがプラットフォームとして使用されます。エンジニアリング機能も搭載可能です。
- フィールドコントロールステーション(FCS): プラントの制御を担う高信頼性コントローラで、制御部(FCU)と入出力モジュールを格納するノードユニットから構成されます。
- Vnet/IP: FCSとHISなどのステーション間を接続する高速制御バスで、ギガビットEthernet技術を採用しており、高い信頼性と高速応答性を備えています。
導入事例
- 各種試験プラント、再生可能エネルギー発電設備、重合・調合・蒸留設備、各種連鋳設備、各種監視システム、LNGサテライト設備、教育用システムなど、多種多様なプラントや設備に適用可能です。
柔軟な拡張性
- パイロットプラントのような小規模構成から、生産量の増加に合わせてシステムを拡張できます。
- 既存のCENTUM VP Basicの資産を活用し、スケーラブルにアップグレード可能です。
- フィールドコントロールユニットやノードユニットを継続利用できるため、既存のアプリケーションもそのまま利用できます。
遠隔監視機能
- リモート操作監視サーバ機能(HIS-TSEサーバ)により、計器室から離れた場所でもプラントの操作・監視が可能です。
- クライアントPCには操作監視機能を搭載する必要がなく、汎用PCなどで画面表示が可能です。
操作性とエンジニアリング
- CENTUMシリーズの操作性を継承しつつ、最新のUIデザインを採用し、安全で効率的な操作監視環境を提供します。
- エンジニアリング環境はシンプルで、設備の変更やテストをスムーズに行うことができます。
コントローラ
- DCSメーカーとしての長年の経験と技術が活かされたコントローラは、高機能かつ高信頼性であり、プラントの長期安定稼働を支えます。
- 連続プロセスやバッチプロセスなど、幅広い制御に対応可能で、PLCや各種フィールドバスとの連携も可能です。
ソリューション
- 運転効率向上支援パッケージやプラント情報管理システムなど、プラントの運転業務を支援するさまざまなソリューションとの連携が可能です。
- これらのソリューションにより、最小限の投資で最大の効果を生み出すことができます。
CENTUM VPとの主な違い
- 規模: CENTUM VP Basicは小規模プラント向けに最適化されており、大規模プラント向けのCENTUM VPと比較して、システム規模やI/O点数に制限があります。
- 価格: CENTUM VP Basicは、小規模プラント向けに特化することで、導入コストを抑えることができます。
- 柔軟性: CENTUM VP Basicは、小規模プラントのニーズに合わせて、よりシンプルで柔軟な構成になっています。
- 機能: CENTUM VP Basicは、CENTUM VPの主要な機能を継承しつつも、一部機能が限定されている場合があります。
- 拡張性: CENTUM VP Basicもスケーラブルな拡張が可能ですが、大規模プラント向けのCENTUM VPと比較すると、拡張の範囲に制限があります。
- ターゲット: CENTUM VPは、石油精製、化学、鉄鋼、食品、電力など幅広い分野の大規模プラントを対象としているのに対し、CENTUM VP Basicは、試験プラントや小規模設備に特化しています。
まとめ
この記事ではDCSの基本的な概念から、横河電機のDCS「CENTUM」について、その仕組みや特徴、導入事例などを解説しました。
DCSは、現代のプラントを支える上で不可欠なシステムであり、CENTUMは、その中でも長年の実績と高い信頼性を誇るDCSです。
初心者の方でも、この記事を通してDCSとCENTUMの基本を理解できたかと思います。
参考文献・URL
- CENTUM VP | YOKOGAWA
- 統合生産制御システム CENTUM VP システム概説(全般編)
- 統合生産制御システム CENTUM VP システム概説(FCS 編)
- DCS Yokogawa Centum Vp architecture
- Introduction to FCS Programming with ‘Plant in a Box’
- Centum VP Software Tips: Searching Tag in System View
- YOKOGAWA CENTUM CS 3000 R3
- 小規模プラント向けにも対応可能な CENTUM VP Basic | YOKOGAWA
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