(57)【要約】      （修正有）【課題】入力タイミングのずれによる出力値の誤差への影響を小さくすると共に、非同期に動作する入力手段、コントローラ、出力手段のプロセス応答時間の揺らぎを抑える。【解決手段】フィールド値の入力手段と、前記入力値を読み出して演算処理した出力値を格納するコントローラと、前記出力値を機器に通知する出力手段とよりなり、前記入力手段は、前記入力値と該入力値を取得する時に時刻通知手段からの取得時刻とをセットにして入力データ領域に格納し、前記コントローラは、前記入力データ領域から読み出した入力値を特定時刻の入力値に補間する入力値補間手段を備え、特定時刻に補間された入力値を演算した出力値にセットされる前記特定時刻に対して付加時刻を追加して出力データ領域に格納し、前記出力手段は、付加時刻を追加された前記出力値を、前記付加時刻に前記機器に通知する。【選択図】図１
2007226511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器のフィールド値を取得して入力データ領域に入力値として格納する入力手段と、格納された前記入力値を読み出して演算処理した出力値を出力データ領域に格納するコントローラと、出力データ領域に格納された前記出力値を前記機器に通知する出力手段と、よりなる制御装置において、
前記入力手段と前記コントローラと前記出力手段とに、時刻を通知する時刻通知手段を備え、
前記入力手段は、前記入力値と該入力値を取得する時に前記時刻通知手段から通知される取得時刻とをセットにして前記入力データ領域に格納し、
前記コントローラは、前記入力データ領域から読み出した入力値を、その入力値にセットされている取得時刻よりも以前又は以後の特定時刻の入力値に補間する入力値補間手段を備え、特定時刻に補間された入力値を演算した出力値にセットされる前記特定時刻に対して付加時刻を追加して出力データ領域に格納し、
前記出力手段は、付加時刻を追加されて格納された前記出力値を、前記付加時刻に前記機器に通知する、
ことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記入力値補間手段は、保持されている前回の取得時刻の入力値と今回の取得時刻の入力値に基づき、前回の取得時刻と今回の取得時刻の間にある特定時刻における入力値に補間することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記入力値補間手段は、保持されている前回の取得時刻の入力値と今回取得時刻の入力値に基づき、今回の取得時刻以降の特定時刻における入力値に補間することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記特定時刻の設定手段及び前記付加時刻の設定手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の制御装置。
【請求項５】
前記付加時刻は、前記特定時刻から前記出力手段による前記機器への出力値の通知までの最大処理時間以上に設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の制御装置。
【請求項６】
前記コントローラは、内部に前記時刻通知手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の制御装置。
【請求項７】
前記入力手段及び前記出力手段は、入力機能と出力機能とを備える入出力手段で構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機器のフィールド値を取得して入力データ領域に入力値として格納する入力手段と、格納された前記入力値を読み出して演算処理した出力値を出力データ領域に格納するコントローラと、出力データ領域に格納された前記出力値を前記機器に通知する出力手段と、よりなる制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来技術による制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。１はプラント、１１，１２，１３，…は、制御対象の機器である。制御装置は、入力手段２，３，４、コントローラ５、出力手段６により構成されている。
【０００３】
入力手段２，３，４の入力ポート２１，３１，４１は、機器１１，１２，１３と通信して、夫々フィールド値F_IN1,F_IN2,F_IN3が更新されて保持されている。入力手段２，３，４の入力処理手段２２，３２，４２は、夫々異なるサンプリング周期で入力ポート２１，３１，４１のフィールド値F_IN1,F_IN2,F_IN3を読み出して、入力データ領域２３，３３，４３に入力値IN1,IN2,IN3として書き込み格納する。
【０００４】
コントローラ５の演算手段５１は、入力手段２，３，４の入力データ領域２３，３３，４３から通信等を経由して入力値IN1,IN2,IN3を順次読み出してPID演算等の制御演算を行ない、出力値OUT1を算出する。
【０００５】
コントローラ５は、算出した出力値OUT1を、通信等を経由して出力手段６に設けられた出力データ領域６１に書き込み格納する。出力処理手段６２は、格納された出力値OUT1を所定の読み出し周期で読み出して出力ポート６３にフィールド値F_OUT1を出力する。このフィールド値F_OUT1は、通信等を経由してプラント１の機器に通知される。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１１２５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術では、次のような問題点がある。
（１）入力手段２、３、４、コントローラ５、出力手段６は全て非同期で処理を行っている。そのため、入力データ領域２３に入力値IN1が格納される時刻と、入力データ領域３３に入力値IN2が格納される時刻と、入力データ領域４３に入力値IN3が格納される時刻は全く非同期である。
【０００８】
また、コントローラ５が各入力手段の入力データ領域に格納された入力値IN1、IN2、IN3を読み出すタイミングも、ほぼ同時にIN1、IN2、IN3の全てを読み出せるかもしれないし、あるいは、最大でコントローラが読み出す周期分ずれて読み出すかもしれない。従って、入力値IN1、IN2、IN3の取得タイミングは大きく揺らぐ。
【０００９】
更に、コントローラ５が演算結果である出力値OUT1を出力手段６の出力データ領域６１に通知するタイミング、あるいは出力処理手段６２が出力データ領域６１の出力値OUT1を読み出すタイミング等も、非同期となる。
【００１０】
従って、フィールド入力値F_IN1、F_IN2、F_IN3を各入力手段が読み出してから、コントローラ５を経由して出力手段６がプラントへフィールド値F_OUT1を通知するまでのプロセス応答時間は大きく揺らぐ。
【００１１】
従来技術による制御装置で対応していたプロセスは、比較的プロセス応答が遅くてもよいプロセスであったため、プロセス応答の揺らぎおよび制御演算に使用する入力値IN１、IN2、IN3の取得タイミングずれは無視できる範囲であった。しかし、応答の速いシステム、例えばガスタービンの回転数制御等に適用させようとした場合、この揺らぎのために制御が不安定になってしまう。
【００１２】
（２）そこで、入力手段２，３，４のフィールド値読み出しサンプリング周期、及びコントローラ５と各入力手段並びに出力手段間のサンプリング周期を高速化し、非同期による揺らぎの影響を小さくするという解決策がある。しかし、この場合、サンプリング周期の高速化は非常に困難である。
【００１３】
即ち、コントローラ５と入力手段並びに出力手段間のデータ転送を、通信ではなく専用プロセッサを搭載して実施する等の対策が必要となり、既存の資源を流用することができず、製品のコストアップにつながってしまう。
【００１４】
（３）また、コントローラから入力手段１，２，３、出力手段６へ同期信号を伝送し、その同期信号のタイミングに基づいて入力値を取得、あるいは出力値を通知することにより同期をとるという解決策が特許文献１に開示されている。しかし、同期信号による処理環境を新たに追加する必要があり、これも既存の資源を流用することができない。
【００１５】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、異なるタイミングで取得した入力値から制御演算を実施する場合において、入力タイミングのずれによる出力値の誤差への影響を小さくすると共に、非同期に動作する入力手段、コントローラ、出力手段のプロセス応答時間の揺らぎを抑えることを可能とする制御装置を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）機器のフィールド値を取得して入力データ領域に入力値として格納する入力手段と、格納された前記入力値を読み出して演算処理した出力値を出力データ領域に格納するコントローラと、出力データ領域に格納された前記出力値を前記機器に通知する出力手段と、よりなる制御装置において、
前記入力手段と前記コントローラと前記出力手段とに、時刻を通知する時刻通知手段を備え、
前記入力手段は、前記入力値と該入力値を取得する時に前記時刻通知手段から通知される取得時刻とをセットにして前記入力データ領域に格納し、
前記コントローラは、前記入力データ領域から読み出した入力値を、その入力値にセットされている取得時刻よりも以前又は以後の特定時刻の入力値に補間する入力値補間手段を備え、特定時刻に補間された入力値を演算した出力値にセットされる前記特定時刻に対して付加時刻を追加して出力データ領域に格納し、
前記出力手段は、付加時刻を追加されて格納された前記出力値を、前記付加時刻に前記機器に通知する、
ことを特徴とする制御装置。
【００１７】
（２）前記入力値補間手段は、保持されている前回の取得時刻の入力値と今回の取得時刻の入力値に基づき、前回の取得時刻と今回の取得時刻の間にある特定時刻における入力値に補間することを特徴とする（１）に記載の制御装置。
【００１８】
（３）前記入力値補間手段は、保持されている前回の取得時刻の入力値と今回取得時刻の入力値に基づき、今回の取得時刻以降の特定時刻における入力値に補間することを特徴とする（１）に記載の制御装置。
【００１９】
（４）前記コントローラは、前記特定時刻の設定手段及び前記付加時刻の設定手段を備えることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の制御装置。
【００２０】
（５）前記付加時刻は、前記特定時刻から前記出力手段による前記機器への出力値の通知までの最大処理時間以上に設定されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の制御装置。
【００２１】
（６）前記コントローラは、内部に前記時刻通知手段を備えることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の制御装置。
【００２２】
（７）前記入力手段及び前記出力手段は、入力機能と出力機能とを備える入出力手段で構成されていることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の制御装置。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）本発明では、異なるタイミングで取得された多点の入力値に対して特定時刻への入力値補間を行うことにより、あたかもコントローラの制御演算の基準タイミングに合わせて全入力値を同時に取得したかのように扱うことが可能となる。
【００２４】
（２）従って、入力値IN1(＠T11)はT11のタイミング、入力値IN2(＠T21)はT21のタイミング、入力値IN3(＠T31)はT31のタイミングで取得したにもかかわらず、特定時刻T41に入力値補間された仮想的な入力値IN1’(＠T41)、IN2’(＠T41)、IN3’(＠T41)は、T41という特定時刻のタイミングで同時に取得したデータであると考えることができ、多点の入力値間及び入力値―コントローラの演算基準タイミング間の同期をとることができる。
【００２５】
（３）更に、出力値OUT1を常時コントローラが決めた時刻（T41＋α）にプラントに通知するため、コントローラ―出力間の同期をとることが可能となる。
【００２６】
（４）従って、制御装置全体として考えると、多点の入力値間、入力値―コントローラ間、コントローラ―出力値間の同期をとることができ、プロセス応答時間の揺らぎを抑えることが可能となり、制御性能が向上する。
【００２７】
（５）本発明では、追加される構成要素は既存の資源を利用したプログラム修正で対応可能であり、新たなＩＣ等の実装が必要ないため、部品コストが上がらない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図６で説明した、従来技術による制御装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００２９】
図１において、２００，３００，４００は入力手段、５００はコントローラ、６００は出力手段である。これら要素は、基本的には、図６で説明した入力手段２，３，４、コントローラ５、出力手段６と同一の機能を備える。
【００３０】
入力手段２００，３００，４００の夫々において、２０１，３０１，４０１は入力ポート、２０２，３０２，４０２は入力処理手段、２０３，３０３，４０３は入力データ領域である。各要素の基本機能は、図６で説明した入力手段２，３，４の各要素と同一である。同様に、コントローラ５００の演算手段５０１の基本機能は、図６で説明したコントローラ５の演算手段５１１と同一である。
【００３１】
同様に、出力手段６００において、６０１は出力データ領域、６０２は出力処理手段、６０３は出力ポートである。各要素の基本機能は、図６で説明した出力手段６の各要素と同一である。
【００３２】
７００は本発明の特徴部を形成する時刻通知手段であり、入力手段２００，３００，４００、コントローラ５００、出力手段６００に対して時刻T1…を通知する機能を持つ。この時刻通知手段は、コントローラ５００が備える既存の資源（内部時計）を利用して容易に実現可能である。
【００３３】
入力装置２００，３００，４００の入力処理手段２０２，３０２，４０２は、夫々入力ポート２０１，３０１，４０１より、フィールド値F_IN1、F_IN2、F_IN3を定周期で読み出す。その際、読み出した取得時刻を夫々T11、T21、T31とする。
【００３４】
入力処理手段２０２，３０２，４０２内に形成された入力時刻付加手段２０４，３０４，４０４は、フィールド値F_IN1、F_IN2、F_IN3に対して取得時刻T11、T21、T31を付加し、夫々の取得時刻がセットされた入力値IN1（＠T11）、IN2（＠T21）、IN3（＠T31）として入力データ領域２０３，３０３，４０３に書き込み、格納する。
【００３５】
コントローラ５００は、あるタイミングで入力手段２００，３００，４００の入力データ領域に格納されている入力値IN1（＠T11）、IN2（＠T21）、IN3（＠T31）を順次通信経由で読み出す。これら入力値IN1（＠T11）、IN2（＠T21）、IN3（＠T31）は、全く非同期のタイミング（取得時刻T11,T21,T31）にて読み出された値である。
【００３６】
コントローラ５００は、読み出した入力値IN1（＠T11）、IN2（＠T21）、IN3（＠T31）を入力値補間手段５０２によって、特定時刻T41での夫々の仮想入力値IN1’（＠T41）、IN2’（＠T41）、IN3’（＠T41）に補間処理する。
【００３７】
入力値補間手段５０２は、前回の読み出し周期で取得した入力値を保持する前回値保持手段５０３を備えており、入力値の前回値と今回値の差をもとに所定の補間アルゴリズムに基づいて特定時刻T41での仮想入力値を推定する。
【００３８】
５０４は、特定時刻設定手段であり、入力値補間手段５０２に設定する。コントローラ５００は、この特定時刻T41により制御演算の基準となるタイミングを管理することができる。
【００３９】
演算手段５０１は、入力値補間手段５０２により補間された仮想入力値IN1’（＠T41）、IN2’（＠T41）、IN3’（＠T41）を用いてPID演算等の演算処理を行い、出力値OUT1（＠T41）を算出する。
【００４０】
５０５は出力値時刻付加手段であり、演算手段５０１で算出される出力値OUT1（＠T41）に対し、その出力値をプラントに通知して欲しい時刻に関する情報を付加し、OUT1(＠T41+α)として出力手段６００の出力データ領域６０１に通知する。
【００４１】
５０６は付加時刻設定手段であり、付加したい時刻αを出力値時刻付加手段５０５に設定する。ここで、付加時刻αとは、コントローラ５００が制御演算の基準とする時刻（例ではT41）から、演算処理を経て出力手段６００の出力処理手段６０２からフィールド値F_OUT1を出力するまでに必要な時間以上の“あらかじめ決められた時刻”であり、変更可能である。
【００４２】
出力手段６００の出力処理手段６０２は、コントローラから通知されて出力データ領域６０１に格納された出力値OUT1(＠T41+α)に従い、特定タイミング出力手段６０４の機能によりT41+αのタイミングを監視し、時刻T41+αに出力ポート６０３にフィールド値F_OUT1(＠T41+α)を出力する。
【００４３】
次に、図２乃至図５により入力値補間の手法について説明する。図２は、特定時刻T41を、取得時刻よりも以前の過去におく場合の直線補間のイメージ図である。３本の曲線Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を、夫々IN1,IN2,IN3の時系列入力値変化とする。
【００４４】
まず前回のサンプリングタイミング時刻T10で読み出されたIN1をIN1(＠T10)とする。また、今回のサンプリングタイミングT11で読み出されたIN1をIN1(＠T11)とする。この時、ある特定時刻T41におけるIN1の値を、IN1(＠T10)とIN1(＠T11)との直線補間により求め、IN1’(＠T41)とする。
【００４５】
同様に、ある特定時刻T41におけるIN2の値をIN2(＠T20)とIN2(＠T21)との直線補間により求めIN2’(＠T41)とする。同様に、ある特定時刻T41におけるIN3の値をIN3(＠T30)とIN3(＠T31)との直線補間により求めIN3’(＠T41)とする。
【００４６】
図３は、特定時刻T41を、取得時刻よりも以前の過去におく場合の、特定時刻T41と付加時刻αの関係を示すタイムチャートである。（Ａ）は前回の入力タイミングT10,T20,T30で
の入力値、（Ｂ）は今回の入力タイミングT11,T21,T31での入力値、（Ｃ）は特定時刻T41で補間された入力値を示す。（Ｄ）は特定時刻T41より付加時刻αを付加した時刻(T41+α)に出力手段からプラントに通知される出力値F_OUT1(@T41+α)のタイミングを示している。
【００４７】
図４は、特定時刻T41を、取得時刻よりも以後の未来におく場合の直線補間のイメージ図である。３本の曲線Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を、夫々IN1,IN2,IN3の時系列入力値変化とする。
【００４８】
まず前回のサンプリングタイミング時刻T10で読み出されたIN1をIN1(＠T10)とする。また、今回のサンプリングタイミングT11で読み出されたIN1をIN1(＠T11)とする。この時、今回のサンプリングタイミングよりも未来のある特定時刻T41におけるIN1の値を、IN1(＠T10)とIN1(＠T11)との直線補間により求め、IN1’(＠T41)とする。
【００４９】
同様に、ある特定時刻T41におけるIN2の値をIN2(＠T20)とIN2(＠T21)との直線補間により求めIN2’(＠T41)とする。同様に、ある特定時刻T41におけるIN3の値をIN3(＠T30)とIN3(＠T31)との直線補間により求めIN3’(＠T41)とする。
【００５０】
図５は、特定時刻T41を、取得時刻よりも以後の未来におく場合の、特定時刻T41と付加時刻αの関係を示すタイムチャートである。（Ａ）は前回の入力タイミングT10,T20,T30で
の入力値、（Ｂ）は今回の入力タイミングT11,T21,T31での入力値、（Ｃ）特定時刻T41で補間された入力値を示す。（Ｄ）は特定時刻T41より付加時刻αを付加した時刻(T41+α)に
出力手段からプラントに通知される出力値F_OUT1(@T41+α)のタイミングを示している。      
【００５１】
図２乃至図５では、前回入力値と今回入力値の間で一次補間を行って制御演算の基準となる特定時刻における入力値に補間する手法を示したが、必要とする精度及び入力値の性質によって、二次補間や多点からの補間等の他の補間手法を用いても良い。また入力補間は、前回値と今回値だけでなく、過去および現在のいくつかのデータを用いても良い。
【００５２】
以上説明した実施形態では、複数入力手段からの各1chずつの入力値から制御演算を実施しているが、もちろん、一つの入力手段の中の複数chからの入力値を使用した制御演算であっても良い。更に、多点入力多点出力、１点入力１点出力、１点入力多点出力等、全ての組み合わせにおいて本発明を適用することが可能である。
【００５３】
尚、時刻通知手段７００は、独立して存在する必要はなく、コントローラ５００内に組み込んでも良いし、コントローラ―入力手段、出力手段間に存在する通信手段等に組み込んでも良い。
【００５４】
更に、入力手段２００乃至４００と出力手段６００とを別々の手段として例示しているが、入力手段の機能と出力手段の機能を兼ね備えた入出力手段として一体化することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明を適用した制御装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】特定時刻を、取得時刻よりも以前の過去におく場合の直線補間のイメージ図である。
【図３】特定時刻を、取得時刻よりも以前の過去におく場合の、特定時刻と付加時刻の関係を示すタイムチャートである。
【図４】特定時刻を、取得時刻よりも以後の未来におく場合の直線補間のイメージ図である。
【図５】特定時刻を、取得時刻よりも以後の未来におく場合の、特定時刻と付加時刻の関係を示すタイムチャートである。
【図６】従来技術による制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  プラント
１１，１２，１３，…  機器
２００，３００，４００  入力手段
２０１，３０１，４０１  入力ポート
２０２，３０２，４０２  入力処理手段
２０３，３０３，４０３  入力データ領域
２０４，３０４，４０４  入力時刻付加手段
５００  コントローラ
５０１  演算手段
５０２  入力値補間手段
５０３  前回値保持手段
５０４  特定時刻設定手段
５０５  出力値時刻付加手段
５０６  付加時刻設定手段
６００  出力手段
６０１  出力データ領域
６０２  出力処理手段
６０３  出力ポート
６０４  特定タイミング出力手段
７００  時刻通知手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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