(57)【要約】      （修正有）【課題】通信遅延時間の変動を抑制しながら制御性能を維持してフィードバック制御によるプロセス管理を実行することが可能なネットワーク型制御システム、およびネットワーク型制御システムにおける通信遅延時間制御方法を提供する。【解決手段】ネットワーク型制御システムは、管理対象プロセスの状態を制御する制御対象機器と、対象プロセスの状態量を計測する計測装置２０Ａと、制御対象機器および計測装置２０Ａにネットワーク３０を介して接続され、計測装置２０Ａによる管理対象プロセスの状態量の計測値に基づいて制御対象機器をフィードバック制御する制御装置４０とを有する。このネットワーク型制御システムは、ネットワークにおける通信遅延時間を演算する手段と、通信遅延時間が所定値以上になったときに、前記フィードバック制御を行うために前記ネットワークに送出する情報量を低減させる手段とを備える。【選択図】図２
2013114444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管理対象プロセスの状態を制御する制御対象機器と、前記対象プロセスの状態量を計測する計測装置と、前記制御対象機器および前記計測装置にネットワークを介して接続され、前記計測装置による前記管理対象プロセスの状態量の計測値に基づいて前記制御対象機器をフィードバック制御する制御装置とを有するネットワーク型制御システムにおいて、
前記ネットワークにおける通信遅延時間を演算する手段と、
前記通信遅延時間が所定値以上になったときに、前記フィードバック制御を行うために前記ネットワークに送出する情報量を低減させる手段と
を備えることを特徴とするネットワーク型制御システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記ネットワークに送出する情報量を、前記制御対象機器に送信する操作量情報の量子化分解能を低くすることで低減させる
ことを特徴とする請求項１に記載のネットワーク型制御システム。
【請求項３】
前記通信遅延時間は、前記計測装置から計測値が送信される際に当該計測値に付与される送信時刻情報と、前記制御装置で当該計測値が受信された際に取得される受信時刻情報との差から演算される
ことを特徴とする請求項１または２に記載のネットワーク型制御システム。
【請求項４】
前記計測装置は、前記ネットワークに送出する情報量を、前記対象プロセスの状態量を計測するためのサンプリング周期を長くすることで低減させる
ことを特徴とする請求項１に記載のネットワーク型制御システム。
【請求項５】
前記計測装置は、前記ネットワークに送出する情報量を、前記制御装置に送信する計測値のデータ数を削減することで低減させ、
前記制御装置は、計測値が削減されたことにより受信できなかった計測値を、予測する手段を有する
ことを特徴とする請求項１または４に記載のネットワーク型制御システム。
【請求項６】
前記通信遅延時間は、前記制御装置から操作量情報が送信される際に当該操作量情報に付与される送信時刻情報と、前記制御対象機器で当該操作量情報が受信された際に取得される受信時刻情報との差から演算される
ことを特徴とする請求項１、４、または５に記載のネットワーク型制御システム。
【請求項７】
複数の前記制御対象機器を備え、
前記制御装置は、前記ネットワークに送出する情報量を、予め設定された優先順位の高い所定数の前記制御対象機器に操作量情報を送信することで低減させ、
前記各制御対象機器は、前記優先順位が低く操作量情報が受信されなかったときに、前回取得した操作量情報を維持して自機器を駆動する
ことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のネットワーク型制御システム。
【請求項８】
複数の前記制御対象機器を備え、
前記制御装置は、前記ネットワークに送出する情報量を、予め設定された優先順位の低い制御対象機器に送信する操作量情報の量子化分解能を低くするかまたは、前回の操作量情報と今回の操作量情報との差が所定値以下である制御対象機器に送信する操作量情報の量子化分解能を低くすることで低減させる
ことを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載のネットワーク型制御システム。
【請求項９】
管理対象プロセスの状態を制御する制御対象機器と、前記対象プロセスの状態量を計測する計測装置と、前記制御対象機器および前記計測装置にネットワークを介して接続され、前記計測装置による前記管理対象プロセスの状態量の計測値に基づいて前記制御対象機器をフィードバック制御する制御装置とを有するネットワーク型制御システムの前記ネットワークにおける通信遅延時間を演算し、
前記通信遅延時間が所定値以上になったときに、前記フィードバック制御を行うために前記ネットワークに送出する情報量を低減させることで通信遅延時間の変動を抑制する
ことを特徴とするネットワーク型制御システムにおける通信遅延時間制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ネットワーク型制御システム、およびネットワーク型制御システムにおける通信遅延時間制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネット等を介したリアルタイム遠隔制御や、多くの組み込み機器を共有回線で接続した大規模プラント等、ネットワークを介して対象となるプロセスを制御するネットワーク型制御システム（NCSs : Networked Control Systems）が発展してきている。
【０００３】
従来のネットワーク型制御システムでは、信号伝送に無限の通信スループット（bps）を仮定している。ここで、通信に専用線を用いる場合には、無限の通信スループットを想定して制御装置を実装しても特に問題は生じない。一方、インターネットなどの共有回線を用いた場合には通信スループットには制約があり、それを無視して制御系を設計すると、制御系の性能や安定性に支障をきたすという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２６９７９２号公報
【特許文献２】特許第４１９４３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これに鑑み、通信遅延時間の発生を予め考慮してプロセス操作量を送信する技術が提案されているが、ネットワーク型制御システムをフィードバック制御に用いる場合には、通信遅延時間が変動しやすい、パケットを損失する確率が比較的高い等の問題があり、制御性能を悪化させたり安定性に支障をきたしたりする可能性があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、通信遅延時間の変動を抑制しながら制御性能を維持してフィードバック制御によるプロセス管理を実行することが可能なネットワーク型制御システム、およびネットワーク型制御システムにおける通信遅延時間制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための実施形態によれば、ネットワーク型制御システムは、管理対象プロセスの状態を制御する制御対象機器と、対象プロセスの状態量を計測する計測装置と、制御対象機器および計測装置にネットワークを介して接続され、計測装置による管理対象プロセスの状態量の計測値に基づいて制御対象機器をフィードバック制御する制御装置とを有する。このネットワーク型制御システムは、ネットワークにおける通信遅延時間を演算する手段と、通信遅延時間が所定値以上になったときに、前記フィードバック制御を行うために前記ネットワークに送出する情報量を低減させる手段とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態〜第３実施形態によるネットワーク型制御システムの構成を示す全体図である。
【図２】第１実施形態によるネットワーク型制御システムの構成を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態によるネットワーク型制御システムの動作を示すシーケンス図である。
【図４】第１実施形態によるネットワーク型制御システムの制御装置において操作量情報を生成するときの動作を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態によるネットワーク型制御システムの構成を示すブロック図である。
【図６】第２実施形態によるネットワーク型制御システムの動作を示すシーケンス図である。
【図７】第２実施形態によるネットワーク型制御システムの計測装置において計測値の送信頻度を修正するときの動作を示すフローチャートである。
【図８】第３実施形態によるネットワーク型制御システムの構成を示すブロック図である。
【図９】第３実施形態によるネットワーク型制御システムの動作を示すシーケンス図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
《本実施形態において利用するネットワーク型制御システムの概要》
本発明の実施形態において利用するネットワーク型制御システムの構成概要について、図１を参照して説明する。本実施形態によるネットワーク型制御システムは、鉄鋼用プラント、電力系統および上下水道プラント等の各種制御対象プラントにおいてネットワークを介して相互に情報を通信し、フィードバック制御により、各種対象プロセスの状態を管理する機器の制御を遠隔で行うものである。
【００１０】
本実施形態のネットワーク型制御システム１は、制御対象機器であるアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０により制御される対象プロセスの状態量を計測する計測装置２０と、アクチュエータ１０および計測装置２０にネットワーク３０を介して接続された制御装置４０とを備える。なお、図１においてはネットワーク３０にアクチュエータ１０および計測装置２０がそれぞれ１台接続されている場合について示したが、これらは複数台接続されていてもよい。
【００１１】
アクチュエータ１０は、制御装置４０から送信される操作量MVに基づいて動作する機器であり、例えばプラント内に設置されたポンプやバルブ、または設備内の空調機等である。計測装置２０は、アクチュエータ１０により制御される対象プロセス（水位、圧力、温度等）の状態量を計測する機器、例えば水位センサ、圧力センサ、温度センサ等である。ネットワーク３０は専用線である必要はなく、インターネット等の通信スループットが変動する信頼性が低い通信路であってもよい。制御装置４０は、計測装置２０で計測された対象プロセスに関する計測値PVをネットワーク３０を介して取得し、この計測値PVをフィードバックして対象プロセス状態量を予め設定された目標値SVにするためのアクチュエータ１０の操作量MVを算出して、ネットワーク３０を介してアクチュエータ１０に送信する。
【００１２】
通常、ネットワークを利用したシステムにおける通信遅延時間Tnは、下記式（１）に示すように、通信スループットV（bps）と送信するデータ量N（ビット数）とに依存し、データ量Nは、データ数nと量子化分解能Qと送信頻度Mとに依存する。
【数１】
2013114444.tif 000003
【００１３】
上記式（１）により、通信スループットV（bps）または送信するデータ量N（ビット数）を変更させることで通信遅延時間の短縮を図ることが可能である。通信スループットVは通信環境である通信網のスペックやルータなどの周囲環境により変更可能であるが、本実施形態においてはデータ量Nを修正することによって通信遅延時間の変動（増加）を抑制する。
【００１４】
また、制御対象となるアクチュエータ１０の対象プロセスの状態量は、離散時間の線形システムで以下の状態方程式（２）〜（４）で与えられる。
【数２】
2013114444.tif 000004
【００１５】
ここで、x(k)は時刻kにおける制御対象の対象プロセスの状態量、u(k)はアクチュエータ１０の操作量、y(k)は計測装置２０による対象プロセス状態の計測値、tcpは制御装置４０による操作量送信からアクチュエータ１０による受信までの通信遅延時間、tpcは計測装置２０による計測値送信から制御装置４０による受信までの通信遅延時間である。
【００１６】
対象プロセス状態量x(k)を所望の目標値SVに制御することを目的としたネットワークを介したフィードバック制御では、通信遅延時間tcpまたはtpcが増加すると制御性能や安定性に影響を及ぼす。
【００１７】
そこで以下に説明する実施形態において、第１実施形態として、通信遅延時間tcpの増加を抑制する場合、第２実施形態として、通信遅延時間tpcの増加を抑制する場合、第３実施形態として、複数のアクチュエータや計測装置が設置された状態で両者（tcpおよびtpc）の増加を抑制する場合について説明する。なお、一般にはTcp=Tpcであるため、以降では、両者を通信遅延時間Tnと称するが、Tcp≠Tpcである通信環境においてもこれらの実施形態による効果を得ることが可能である。
【００１８】
《第１実施形態》
〈第１実施形態によるネットワーク型制御システムの構成〉
本発明の第１実施形態によるネットワーク型制御システムの詳細な構成について、図２を参照して説明する。
【００１９】
本実施形態によるネットワーク型制御システム１Ａは、上述したように、フィードバック制御により、各種対象プロセス状態を管理する機器（アクチュエータ）の制御を遠隔で行うものであり、制御対象機器であるアクチュエータ１０Ａと、アクチュエータ１０Ａにより制御される対象プロセスの状態量を計測する計測装置２０Ａと、アクチュエータ１０Ａおよび計測装置２０Ａにネットワーク３０を介して接続された制御装置４０Ａとを備える。
【００２０】
アクチュエータ１０Ａは、操作量情報受信処理部１１Ａと、駆動部１２とを有する。操作量情報受信処理部１１Ａは、ネットワーク３０を介して制御装置４０Ａから送信された操作量情報MVを受信する操作量情報受信部１１１と、受信した操作量情報MVの量子化分解能を判定してアナログ情報に復号する量子化分解能判定部１１２とを有する。駆動部１２は量子化分解能判定部１１２で復号された操作量情報MVに基づいて自アクチュエータ１０Ａを駆動して対象プロセス状態を制御する。
【００２１】
計測装置２０Ａは、計測部２１と、計測値送信処理部２２Ａとを有する。計測部２１は、アクチュエータ１０Ａの駆動により制御される対象プロセスの状態量を計測する。計測値送信処理部２２Ｂは、現在時刻を計時する計時部２２１と、計測部２１で計測された対象プロセスの状態量の計測値PVを、ネットワーク３０を介して制御装置４０Ａに送信する計測値送信部２２２と、計測値送信部２２２から計測値PVを送信するときの時刻を計時部２２１から取得して送信時刻情報として当該計測値PVに付与する送信時刻情報付与部２２３とを有する。
【００２２】
制御装置４０Ａは、計測値受信処理部４１Ａと、操作量演算部４２Ａと、操作量情報送信処理部４３Ａとを有する。
【００２３】
計測値受信処理部４１Ａは、計測装置２０Ａから送信された、送信時刻情報が付与された計測値PVを、ネットワーク３０を介して受信して制御部演算部４２Ａに送出する計測値受信部４１１と、現在時刻を計時する計時部４１２と、計測値受信部４１１で計測値PVを受信したときの時刻を計時部４１２から取得して受信時刻情報として当該計測値PVに付与する受信時刻情報付与部４１３とを有する。
【００２４】
操作量演算部４２Ａは、計測値受信部４１１から送出された計測値PVを取得し、これに付与されている送信時刻情報と受信時刻情報との差から求まる通信遅延時間Tnを演算するとともに、当該計測値PVと予め設定された対象プロセス状態の目標値SVとの差に基づいてアクチュエータ１０Ａを駆動するための操作量を演算する。演算の手法はフィードバック制御であれば良く、ＰＩＤ制御やモデル予測制御、Ｈインフィニティ制御など、様々なアルゴリズムを用いることができる。
【００２５】
操作量情報送信処理部４３Ａは、遅延時間変動判定部４３１と、量子化分解能修正部４３２と、操作量情報送信部４３３と、前回操作量情報記憶部４３４とを有する。
【００２６】
遅延時間変動判定部４３１は、操作量演算部４２Ａで演算された通信遅延時間Tnが所定値以上に増加したか否かを判定する。
【００２７】
量子化分解能修正部４３２は、遅延時間変動判定部４３１において通信遅延時間Tnが所定値以上に増加したことが判定されたときに、操作量演算部４２Ａで演算された操作量情報MVをネットワーク３０に送出するための量子化分解能を、必要最小限の低いビット数に修正し、操作量情報送信部４３３に設定する。
【００２８】
操作量情報送信部４３３は、設定された量子化分解能で操作量情報MVを量子化して符号化された操作量情報MVを生成し、ネットワーク３０を介してアクチュエータ１０Ａに送信する。
【００２９】
前回操作量情報記憶部４３４は、前回の処理で生成された操作量情報MVを記憶する。
【００３０】
〈第１実施形態によるネットワーク型制御システムの動作〉
次に、本実施形態によるネットワーク型制御システムの動作について、図３のシーケンス図を参照して説明する。
【００３１】
まず、計測装置２０Ａの計測部２１において、アクチュエータ１０Ａにより制御される対象プロセスの状態量が計測される（Ｓ１）。計測により取得された対象プロセスの状態量の計測値PVには、計測値送信処理部２２において、計時部２２１から取得された現在時刻情報が送信時刻情報付与部２２３により送信時刻情報として付与され、計測値送信部２２２からネットワーク３０に送出される（Ｓ２）。
【００３２】
計測装置２０Ａから送出された計測値PVは、ネットワーク３０を介して制御装置４０Ａの計測値受信処理部４１Ａの計測値受信部４１１で受信される。そして受信された計測値PVには、計時部４１２から取得された現在時刻情報が受信時刻情報付与部４１３により受信時刻情報として付与され、計測値受信部４１１から操作量演算部４２Ａに送出される（Ｓ３）。
【００３３】
操作量演算部４２Ａでは、計測値受信部４１１から送出された計測値PVが取得され、これに付与されている送信時刻情報と受信時刻情報との差から求まる通信遅延時間Tnが演算されるとともに、当該計測値PVと予め設定された対象プロセス状態の目標値SVとの差に基づいてアクチュエータ１０Ａを駆動するための操作量が演算される（Ｓ４）。
【００３４】
演算された通信遅延時間Tnおよび操作量情報MVは操作量情報送信処理部４３Ａで取得され、この通信遅延時間Tnに基づいて設定された量子化分解能で操作量情報MVが量子化され、符号化された操作量情報MVが生成される（Ｓ５）。
【００３５】
操作量情報送信処理部４３Ａにおいて、符号化された操作量情報MVが生成されるときの詳細な処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３６】
まず、操作量演算部４２Ａで演算された通信遅延時間Tnおよびアクチュエータ１０Ａの操作量情報MVが遅延時間変動判定部４３１で取得される（Ｓ１１）。
【００３７】
次に遅延時間変動判定部４３１では、通信遅延時間Tnが所定値以上に増加したか否かが判定される（Ｓ１２）。増加していないときには（Ｓ１２の「NO」）、予めデフォルトで操作量情報送信部４３３に設定された量子化分解能が維持される（Ｓ１３）。
【００３８】
通信遅延時間Tnが所定値以上に増加したと判定されたとき（Ｓ１２の「YES」）には、量子化分解能修正部４３２において、今回演算された操作量情報MVと前回操作量情報記憶部４３４に記憶された前回演算された操作量情報MVとの差が所定値以上であるか否かが判定される（Ｓ１４）。
【００３９】
判定の結果、今回演算された操作量情報MVと前回操作量情報記憶部４３４に記憶された前回演算された操作量情報MVとの差が所定値以上あるときには（Ｓ１４の「YES」）、操作量の変動が激しく詳細な操作量情報の送信が必要であると判断され、予めデフォルトで操作量情報送信部４３３に設定された量子化分解能が維持される（Ｓ１３）。
【００４０】
またステップＳ１４において今回演算された操作量情報MVと前回操作量情報記憶部４３４に記憶された前回演算された操作量情報MVとの差が所定値を超えていないと判定されたときには（Ｓ１４の「NO」）、さらに計測値PVが目標値SVに近くの平衡点付近であるか否かが判定される（Ｓ１５）。
【００４１】
計測値PVが目標値SVに近く平衡点付近であると判定されたとき（Ｓ１５の「YES」）は、操作量の微調整のために詳細な操作量情報の送信が必要であると判断され、予めデフォルトで操作量情報送信部４３３に設定された量子化分解能が維持される（Ｓ１３）。
【００４２】
またステップＳ１５において計測値PVが平衡点付近ではないと判定されたとき（Ｓ１５の「NO」）には、必要最小限の低い量子化分解能が算出され、量子化分解能修正部４３２により操作量情報送信部４３３の設定が修正される（Ｓ１６）。
【００４３】
そして、操作量情報送信部４３３において、設定された量子化分解能で操作量情報MVが量子化されて符号化された操作量情報MVが生成される（Ｓ１７）。
【００４４】
図３に戻り、生成された操作量情報MVが、操作量情報送信部４３３からネットワーク３０を介してアクチュエータ１０Ａに送信される（Ｓ６）。
【００４５】
一例として、操作量情報送信部４３３にデフォルトで設定された量子化分解能が8bitであり、図４のステップＳ１６で修正された必要最小限の低い量子化分解能が6bitである場合の、操作量情報の精度とデータ量との関係について説明する。例えば、操作量が0〜100%であり、送信する信号のヘッダー部を除いて量子化分解能がデフォルトで設定された8bitである場合には、100/256＝0.39が送信信号の最小単位になる。このとき仮に操作量として「2.0%」を送信する場合には、送信信号の最小単位「0.39」の倍数であり「2.0%」に最も近い値である0.39×5＝1.95%が操作量情報としてアクチュエータ１０Ａに送信される。一方、必要最小限の低い量子化分解能として6bitに修正された場合には、100/64＝1.56が送信信号の最小単位になる。このとき操作量として「2.0%」を送信する場合には、この送信信号の最小単位「1.56%」が操作量情報としてアクチュエータ１０Ａに送信される。
【００４６】
このように、量子化分解能が高い（上述した例では8bit）ほうが、送信可能な信号の最小単位が小さく操作量情報の精度は高くなるが、送信する操作量情報のデータ量は多くなり、量子化分解能が低い（上述した例では6bit）ほうが、送信可能な信号の最小単位が大きく操作量情報の精度は低くなるが、送信する操作量情報のデータ量は少なくなる。これにより、通信遅延時間が増加し（Ｓ１２の「YES」）、且つ制御の精度がある程度低くても構わない状況であるとき（Ｓ１４の「NO」およびＳ１５の「NO」）には、量子化分解能を低くする（Ｓ１６）ことでデータ量を少なくして通信遅延時間を短くするように制御することができる。
【００４７】
制御装置４０から送信された操作量情報MVは、アクチュエータ１０Ａの操作量情報受信処理部１１Ａの操作量情報受信部１１１で受信される。受信された操作量情報MVは、量子化分解能判定部１１２で量子化分解能が判定されてアナログ情報に復号される（Ｓ７）。
【００４８】
そして復号された操作量情報MVに基づいて、駆動部１２により自アクチュエータ１０Ａが駆動され、対象プロセス状態が制御される（Ｓ８）。
【００４９】
例えば、アクチュエータ１０Ａがポンプである場合には操作量情報MVはポンプ回転数を示す情報であり、駆動部１２はポンプ回転数に応じて羽根車を回転させる機構である。
【００５０】
以上の第１実施形態によれば、ネットワークを介して接続された制御装置から、対象プロセスに対するアクチュエータを制御する制御システムにおいて、通信遅延時間に応じた量子化分解能で操作量情報を符号化して制御装置からアクチュエータに送信することにより、通信遅延時間の変動を抑制しながら制御性能を維持してフィードバック制御によるプロセス管理を適切に実行することができる。
【００５１】
また、上述した第１実施形態の図４のステップＳ１４において今回演算された操作量情報MVと前回の操作量情報MVとの差が所定値を超えておらず（Ｓ１４の「NO」）、この差が十分に小さい場合には、操作量情報MVを新たに送信する必要がないと判定してアクチュエータ１０Ａへの送信を省略することにより、さらに通信データ量を少なくして通信遅延時間を短くするようにしてもよい。
【００５２】
《第２実施形態》
〈第２実施形態によるネットワーク型制御システムの構成〉
本発明の第２実施形態によるネットワーク型制御システムの詳細な構成について、図５を参照して説明する。
【００５３】
本実施形態によるネットワーク型制御システム１Ｂは、制御対象機器であるアクチュエータ１０Ｂと、アクチュエータ１０Ｂにより制御される対象プロセスの状態量を計測する計測装置２０Ｂと、アクチュエータ１０Ｂおよび計測装置２０Ｂにネットワーク３０を介して接続された制御装置４０Ｂとを備える。
【００５４】
制御装置４０Ｂは、計測値受信処理部４１Ｂと、操作量演算部４２Ｂと、操作量情報送信処理部４３Ｂとを有する。
【００５５】
計測値受信処理部４１Ｂは、計測装置２０Ｂから送信された対象プロセスに関する計測値PVを、ネットワーク３０を介して受信して制御部演算部４２Ｂに送出する計測値受信部４１１を有する。
【００５６】
操作量演算部４２Ｂは、計測値受信部４１１から送出された計測値PVを取得し、当該計測値PVと予め設定された対象プロセス状態の目標値SVとの差に基づいてアクチュエータ１０Ｂを駆動するための操作量を演算する。
【００５７】
操作量情報送信処理部４３Ｂは、操作量演算部４２Ｂで演算された操作量情報MVを符号化し、ネットワーク３０を介してアクチュエータ１０Ｂに送信する操作量情報送信部４３３と、現在時刻を計時する計時部４３５と、操作量情報送信部４３３から操作量情報MVを送信するときの時刻を計時部４３５から取得して送信時刻情報として当該操作量情報MVに付与する送信時刻情報付与部４３６とを有する。
【００５８】
アクチュエータ１０Ｂは、操作量情報受信処理部１１Ｂと、駆動部１２とを有する。操作量情報受信処理部１１Ｂは、ネットワーク３０を介して制御装置４０Ｂから送信された操作量情報MVを受信して復号する操作量情報受信部１１１と、現在時刻を計時する計時部１１３と、操作量情報受信部１１１で操作量情報を受信したときの時刻を計時部１１３から取得する受信時刻情報取得部１１４と、操作量情報受信部１１１から受信された操作量情報MVに付与されている送信時刻情報と受信時刻情報取得部１１４で取得された受信時刻情報との差から求まる通信遅延時間Tnを演算する遅延時間演算部１１５とを有する。
【００５９】
計測装置２０Ｂは、計測部２１と、計測値送信処理部２２Ｂとを有する。計測部２１は、アクチュエータ１０Ｂの駆動により制御される対象プロセスの状態量を計測する。計測値送信処理部２２Ｂは、計測部２１で計測された対象プロセスの状態量の計測値PVを、ネットワーク３０を介して制御装置４０Ｂに送信する計測値送信部２２２と、操作量情報受信処理部１１Ｂの遅延時間演算部１１５で演算された通信遅延時間が所定値以上に増加したときに、計測値送信部２２２から送信する計測値のサンプリング周期を大きくし、送信頻度を少なくするように設定する計測値送信時刻調整部２２４と、前回の処理で計測された計測値PVを記憶する前回計測値記憶部２２５とを有する。
【００６０】
〈第２実施形態によるネットワーク型制御システムの動作〉
次に、本実施形態によるネットワーク型制御システムの動作について、図６のシーケンス図を参照して説明する。
【００６１】
まず、計測装置２０Ｂからネットワーク３０を介して送信された対象プロセスの計測値PVが、制御装置４０Ｂの計測値受信処理部４１Ｂの計測値受信部４１１で受信される（Ｓ２１）。そして受信された計測値PVは操作量演算部４２Ｂに送出される。
【００６２】
操作量演算部４２Ｂでは、計測値受信部４１１から送出された計測値PVが取得され、当該計測値PVと予め設定された対象プロセス状態の目標値SVとの差に基づいてアクチュエータ１０Ｂを駆動するための操作量が演算される（Ｓ２２）。
【００６３】
演算された操作量情報MVは操作量情報送信処理部４３Ｂで取得され、符号化された操作量情報MVが生成される。
【００６４】
生成された操作量情報MVには、計時部４３５から取得された現在時刻情報が送信時刻情報付与部４３６により送信時刻情報として付与され、操作量情報送信部４３３からネットワーク３０に送出される（Ｓ２３）。
【００６５】
制御装置４０Ｂから送出された操作量情報MVはアクチュエータ１０Ｂの操作量情報受信部１１１で受信されて復号される。そして、復号された操作量情報MVに基づいて、駆動部１２により自アクチュエータ１０Ｂが駆動され、対象プロセス状態が制御される（Ｓ２４）。
【００６６】
また、操作量情報MVが受信されたときの現在時刻情報が、受信時刻情報取得部１１４により計時部１１３から受信時刻情報として取得される（Ｓ２５）。
【００６７】
次に遅延時間演算部１１５において、操作量情報受信部１１１で受信された操作量情報MVに付与された送信時刻情報と、受信時刻情報取得部１１４で取得された受信時刻情報との差から求まる通信遅延時間Tnが演算される。演算された通信遅延時間Tnは、計測装置２０Ｂに送信される（Ｓ２６）。
【００６８】
次に計測装置２０Ｂにおいて、アクチュエータ１０Ｂから送信された通信遅延時刻情報が受信され、この通信遅延時間が所定値以上に増加したときに、計測値送信時刻調整部２２４において計測値送信部２２２から送信される計測値の送信頻度が修正される（Ｓ２７）。
【００６９】
計測値送信時刻調整部２２４において計測値の送信頻度が修正されるときの詳細な処理について、図７のフローチャートを参照して説明する。
【００７０】
まず、アクチュエータ１０の操作量情報受信処理部１１Ｂから通信遅延時間Tnが受信されると（Ｓ３１）、この通信遅延時間Tnが所定値以上に増加したか否かが判定される（Ｓ３２）。増加していないときには（Ｓ３２の「NO」）、予めデフォルトで計測値送信部２２２に設定されたサンプリング周期で計測部２１から計測値が取得され、送信頻度が維持される（Ｓ３３）。
【００７１】
通信遅延時間Tnが所定値以上に増加したと判定されたとき（Ｓ３２の「YES」）には、今回計測された計測値PVと前回計測値記憶部２２５に記憶された前回計測された計測値PVとの差が所定値以上であるか否かが判定される（Ｓ３４）。
【００７２】
判定の結果、今回計測された計測値PVと前回計測値記憶部２２５に記憶された前回計測された計測値PVとの差が所定値以上あるときには（Ｓ３４の「YES」）、計測値の変動が激しく詳細な計測値の送信が必要であると判断され、予めデフォルトで計測値送信部２２２に設定されたサンプリング周期で計測部２１から計測値が取得され、送信頻度が維持される（Ｓ３３）。
【００７３】
またステップＳ３４において今回計測された計測値PVと前回計測値記憶部２２５に記憶された前回計測された計測値PVとの差が所定値を超えていないと判定されたときには（Ｓ３４の「NO」）、さらに計測値PVが目標値SVに近くの平衡点付近であるか否かが判定される（Ｓ３５）。
【００７４】
計測値PVが目標値SVに近く平衡点付近であると判定されたとき（Ｓ３５の「YES」）は、対象プロセスは安定した状態であることを示す安定フラグ情報のみが計測値送信部２２２からの送信対象とされる（Ｓ３６）。
【００７５】
またステップＳ３５において、計測値PVが平衡点付近ではないと判定されたとき（Ｓ３５の「NO」）には、計測値送信部２２２からの計測値の送信頻度が低くなるように、計測部２１からの計測値のサンプリング周期が修正される（Ｓ３７）。つまり、サンプリング周期が長くなるように修正される。
【００７６】
このように送信頻度および送信対象が設定された状態で、対象プロセスの計測値の送信が継続される（Ｓ２８）。
【００７７】
以上の第２実施形態によれば、ネットワークを介して接続された制御装置から、対象プロセスに対するアクチュエータを制御する制御システムにおいて、対象となるプロセス状態の計測値を、通信遅延時間に応じた頻度でネットワークを介して計測装置から制御装置に送信することにより、通信遅延時間の変動を抑制しながら制御性能を維持してフィードバック制御によるプロセス管理を適切に実行することができる。
【００７８】
《第３実施形態》
〈第３実施形態によるネットワーク型制御システムの構成〉
本発明の第３実施形態によるネットワーク型制御システムの詳細な構成について、図８を参照して説明する。
【００７９】
本実施形態によるネットワーク型制御システム１Ｃは、制御対象機器であるアクチュエータ１０Ｃと、アクチュエータ１０Ｃにより制御される複数の対象プロセスの状態量を計測する計測装置２０Ｃと、複数のアクチュエータ１０Ｃおよび計測装置２０Ｃにネットワーク３０を介して接続された制御装置４０Ｃとを備える。
【００８０】
複数のアクチュエータ１０Ｃのそれぞれの構成は、第２実施形態において説明したアクチュエータ１０Ｂの構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００８１】
計測装置２０Ｃは、計測部２１と、計測値送信処理部２２Ｃと、送信計測値選択部２３とを有する。計測部２１は、複数のアクチュエータ１０Ｃの駆動により制御される複数の対象プロセスの状態量を計測する。送信計測値選択部２３は、予め設定された優先度に基づいて、各対象プロセスに関する計測値の中から所定の計測値PVを選択する。計測値送信処理部２２Ｃは、計測値送信部２２２と、計測値送信時刻調整部２２４と、前回計測値記憶部２２５とを有する。
【００８２】
計測値送信部２２２は、計測部２１で計測された計測値PVまたは送信計測値選択部２３で選択された計測値PVを、ネットワーク３０を介して制御装置４０Ｃに送信する。計測値送信時刻調整部２２４は、通常時は計測部２１で計測されたすべての計測値PVを計測値送信部２２２から送信させ、操作量情報受信処理部１１Ｃの遅延時間演算部１１５で演算された通信遅延時間が所定値以上に増加したときには、各対象プロセスに関し送信計測値選択部２３で選択された計測値PVのみを計測値送信部２２２から送信させ、送信データ数が削減されるようにする。前回計測値記憶部２２５は、前回の処理で計測された計測値PVを記憶する。
【００８３】
制御装置４０Ｃは、計測値受信処理部４１Ｃと、操作量演算部４２Ｃと、操作量情報送信処理部４３Ｃと、計測値予測部４４Ｃとを有する。
【００８４】
計測値受信処理部４１Ｃは、計測装置２０Ｃから送信された計測値PVを、ネットワーク３０を介して受信して計測値予測部４４Ｃに送出する計測値受信部４１１を有する。
【００８５】
計測値予測部４４Ｃは、各対象プロセスに関し、取得されなかった計測値がある場合にはこの計測値PVの予測値を算出し、取得した計測値PVとともに操作量演算部４２Ｃに送出する。
【００８６】
操作量演算部４２Ｃは、計測値予測部４４Ｃから送出された、予測値を含む計測値PVを取得し、当該計測値PVと予め設定された対象プロセス状態の目標値SVとの差に基づいてアクチュエータ１０Ｃを駆動するための操作量を演算する。
【００８７】
操作量情報送信処理部４３Ｃは、量子化分解能修正部４３２と、操作量情報送信部４３３と、前回操作量情報記憶部４３４と、計時部４３５と、送信時刻情報付与部４３６とを有する。
【００８８】
量子化分解能修正部４３２は、予め保持した複数のアクチュエータ１０の駆動優先順位情報に基づいて、通信遅延時間Tnが所定値以上であるときに、駆動優先順位が高い順に所定数のアクチュエータ１０Ｃにのみ操作量情報MVを送信するように、操作量情報送信部４３３を設定する。
【００８９】
操作量情報送信部４３３は、設定されたアクチュエータ１０Ｃに、対応する操作量情報MVをネットワーク３０を介して送信する。
【００９０】
計時部４３５は現在時刻を計時し、送信時刻情報付与部４３６は操作量情報送信部４３３から操作量情報MVを送信するときの時刻を計時部４３５から取得して、送信時刻情報として当該操作量情報MVに付与する。
【００９１】
〈第３実施形態によるネットワーク型制御システムの動作〉
次に、本実施形態によるネットワーク型制御システムの動作について、図９のシーケンス図を参照して説明する。
【００９２】
まず、計測装置２０Ｃの計測部２１において、複数のアクチュエータ１０Ｃにより制御される複数の対象プロセスの状態量が計測される（Ｓ４１）。計測により取得された対象プロセスの状態量の計測値PVには、送信計測値選択部２３に予め設定された優先度に基づいて、各対象プロセスに関する計測値の中から所定の計測値PVが選択される（Ｓ４２）。
【００９３】
次に、アクチュエータ１０Ｃで後述するように演算された通信遅延時刻情報が受信され、この通信遅延時間が所定値以上に増加したときに、計測値送信時刻調整部２２４において計測値送信部２２２から送信される計測値の送信データ数が修正される。具体的には、計測値送信時刻調整部２２４では、通常時は計測部２１で計測されたすべての計測値PVを計測値送信部２２２から送信させ、操作量情報受信処理部１１Ｃの遅延時間演算部１１５で演算された通信遅延時間が所定値以上に増加したときには、各対象プロセスに関し送信計測値選択部２３で選択された計測値PVのみを計測値送信部２２２から送信させ、送信データ数が削減されるようにする（Ｓ４３）。
【００９４】
計測装置２０Ｃからネットワーク３０を介して送信された対象プロセスの計測値PVは、制御装置４０Ｃの計測値受信処理部４１Ｃの計測値受信部４１１で受信され、計測値予測部４４Ｃに送出される。
【００９５】
計測値予測部４４Ｃでは、各対象プロセスに関し、選択された計測値PVのみが送信されたために取得されなかった計測値PVがある場合にはこの計測値PVの予測値が算出され、取得された計測値PVとともに操作量演算部４２Ｃに送出される（Ｓ４４）。
【００９６】
計測値PVの予測には、例えば下記式（５）で算出されるような予測値が利用される。
【数３】
2013114444.tif 000005
【００９７】
ここで、x(k)は時刻kにおける制御対象の対象プロセスの状態量である。ただし、Lは行列（A-LC）の固有値の実部が負となるように設計されているものとする。
【００９８】
次に操作量演算部４２Ｃにおいて、計測値予測部４４Ｃから送出された計測値PVが取得され、当該計測値PVと予め設定された対象プロセス状態の目標値SVとの差に基づいて各アクチュエータ１０Ｃを駆動するための操作量が演算される（Ｓ４５）。
【００９９】
次に操作量情報送信処理部４３Ｃの量子化分解能修正部４３２において、予め保持された複数のアクチュエータ１０の駆動優先順位情報に基づいて、後述するように演算される通信遅延時間Tnが所定値以上であるときに、駆動優先順位が高い順に所定数のアクチュエータ１０Ｃにのみ操作量情報MVが送信されるように、操作量情報送信部４３３に設定される。
【０１００】
そして、操作量演算部４２Ｃで演算された操作量情報MVが符号化され、さらに計時部４３５から取得された現在時刻情報が送信時刻情報付与部４３６により送信時刻情報として付与されて、操作量情報送信部４３３から設定せれた各アクチュエータ１０Ｃ宛に送出される（Ｓ４６）。
【０１０１】
制御装置４０Ｃから送出された操作量情報MVは各アクチュエータ１０Ｃの操作量情報受信部１１１で受信されて復号される。そして、復号された操作量情報MVに基づいて、駆動部１２により自アクチュエータ１０Ｃが駆動され、対象プロセス状態が制御される（Ｓ４７）。ここで、駆動優先順位が低く操作量情報MVが送信されなかったアクチュエータ１０Ｃでは、前回取得された操作量情報MVが保持され駆動される。
【０１０２】
また、操作量情報MVが受信されたときの現在時刻情報が、受信時刻情報取得部１１４により計時部１１３から受信時刻情報として取得される（Ｓ４８）。
【０１０３】
次に遅延時間演算部１１５において、操作量情報受信部１１１で受信された操作量情報に付与された送信時刻情報と、受信時刻情報取得部１１４で取得された受信時刻情報との差から求まる通信遅延時間Tnが演算される。演算された通信遅延時間Tnは、計測装置２０Ｃに送信される（Ｓ４９）。
【０１０４】
計測装置２０Ｃではプロセス状態量の計測が継続され、ステップＳ４９で送信された通信遅延時間Tnに応じてステップＳ４２、Ｓ４３の処理により送信データ数が修正されて制御装置４０Ｃへの送信処理が行われる（Ｓ５０）。
【０１０５】
以上の第３実施形態によれば、ネットワークを介して接続された制御装置から、対象プロセスに対する複数のアクチュエータを制御する制御システムにおいて、対象となるプロセス状態の計測値のデータ数を通信遅延時間に応じて削減して計測装置から制御装置に送信し、また、通信遅延時間に応じて優先順位の高い所定数のアクチュエータにのみ操作量情報を制御装置から送信することにより、通信遅延時間の変動を抑制しながら制御性能を維持してフィードバック制御によるプロセス管理を適切に実行することができる。
【０１０６】
上記第３実施形態においては、通信遅延時間が所定値以上であるときに、制御装置４０Ｃの操作量情報送信処理部４３Ｃにおいて、駆動優先順位が高い順に所定数のアクチュエータ１０Ｃにのみ操作量情報MVを送信する場合について説明したが、駆動優先順位情報、通信遅延時間、および前回操作量情報記憶部４３４に記憶された前回の操作量情報と操作量演算部４２Ｃで演算された今回の操作量情報との差に基づいて、駆動優先順位が低いアクチュエータ１０Ｃや、前回と今回との操作量情報の差が所定値以下であるアクチュエータ１０Ｃに送信する操作量情報MVの量子化分解能を必要最小限に低くするように修正し、操作量情報送信部４３３に設定するようにしてもよい。この場合、量子化分解能修正部４３２に対する量子化分解能の設定は、第１実施形態で説明した場合と同様に実行される。
【０１０７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０８】
１、１Ａ〜１Ｃ…ネットワーク型制御システム
１０、１０Ａ〜１０Ｃ…アクチュエータ
１１Ａ〜１１Ｃ…操作量情報受信処理部
１２…駆動部
２０、２０Ａ〜２０Ｃ…計測装置
２１…計測部
２２、２２Ａ〜２２Ｃ…計測値送信処理部
２３…送信計測値選択部
３０…ネットワーク
４０、４０Ａ〜４０Ｃ…制御装置
４１Ａ〜４０Ｃ…計測値受信処理部
４２Ａ〜４２Ｃ…制御部演算部
４３Ａ〜４３Ｃ…操作量情報送信処理部
４４Ｃ…計測値予測部
１１１…操作量情報受信部
１１２…量子化分解能判定部
１１３…計時部
１１４…受信時刻情報取得部
１１５…遅延時間演算部
２２１…計時部
２２２…計測値送信部
２２３…送信時刻情報付与部
２２４…計測値送信時刻調整部
２２５…前回計測値記憶部
４１１…計測値受信部
４１２…計時部
４１３…受信時刻情報付与部
４３１…遅延時間変動判定部
４３２…量子化分解能修正部
４３３…操作量情報送信部
４３４…前回操作量情報記憶部
４３５…計時部
４３６…送信時刻情報付与部
【図１】
2013114444.tif 000006
【図２】
2013114444.tif 000007
【図３】
2013114444.tif 000008
【図４】
2013114444.tif 000009
【図５】
2013114444.tif 000010
【図６】
2013114444.tif 000011
【図７】
2013114444.tif 000012
【図８】
2013114444.tif 000013
【図９】
2013114444.tif 000014