CN103314334A - 模拟输入单元以及可编程控制器 - Google Patents

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Abstract

一种模拟输入单元，其设置在可编程控制器中，将从外部输入的模拟值依次变换为数字值，其具有：模拟数字变换部（120），其将作为流量计的测量值的模拟值变换为数字值；流量运算部（131），其基于来自模拟数字变换部的数字值，计算瞬时流量、以及对每预先设定的设定时间的流量进行累计而得的总累计流量；以及存储部（140），其具有对由流量运算部计算出的瞬时流量和总累计流量进行存储的流量存储区域（143）。

Description

模拟输入单元以及可编程控制器
技术领域
本发明涉及一种模拟输入单元以及具有模拟输入单元的可编程控制器。
背景技术
在将通过流量计的测量而得到的流量数据导入可编程控制器（PLC）的情况下，使用模拟输入单元（A/D变换装置），该模拟输入单元（A/D变换装置）将作为流量计的测量值而输入的模拟值变换为数字值。流量计大多输出瞬时流量（瞬时值）作为测量值。当前，在利用PLC进行流量管理时，利用用户程序在与流量计的采样周期对应的定时（timing）下取得测量值，将瞬时值换算为每固定时间的流量并进行累计。
通常，流量计的采样周期和对PLC整体进行控制的CPU单元的处理周期（扫描时间）是非同步的。另外，开发出了下述流量计，其能够以与通常的CPU单元的处理周期相比较短的采样周期进行测量。因此，即使能够使模拟输入单元的变换速度与流量计的采样周期相对应，由于收集流量数据的间隔由CPU单元的处理周期确定，因此有时也无法有效运用模拟输入单元的高速性。
作为与该问题关联的技术，提出了下述技术，例如不依赖于定序程序的扫描时间而能够以固定周期进行数据收集的技术（例如，参照专利文献1），以及对收集到的数据进行各种加工处理的技术（例如，参照专利文献2）。另外，提出了下述技术，即，利用测量器计算累计值并存储的装置（例如，参照专利文献3），以及对与固定的流量相对应而从流量计发送的信号进行监视并计算累计量的系统（例如，参照专利文献4）。
专利文献1：日本特开平4－288602号公报
专利文献2：日本特开2000－122706号公报
专利文献3：日本特开2008－58006号公报
专利文献4：日本特开平5－164591号公报
发明内容
假如同时使用专利文献1的技术和专利文献2的技术，在该情况下，能够实施以固定周期进行的数据收集、以及对收集到的数据的流量进行的加工。在此情况下，在模拟输入单元中，没有将瞬时值换算为每固定时间的流量并累计的部件、以及保存累计值的部件，因此，这些处理依然通过用户程序而实施。另外，在模拟输入单元中也没有用于记录每固定时间（例如每1小时、每1天等）的流量的部件。
在流量计对测量值进行累计的专利文献3的技术、以及接收来自流量计的信号并对测量值进行累计的专利文献4的技术中，均不存在用于利用PLC进行流量管理的部件，无法直接应用于经过了从模拟值向流量的换算以及累计后的流量管理中。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，获得一种模拟输入单元以及可编程控制器，其能够利用PLC容易地实现流量管理及异常检测。
为了解决上述课题，实现目的，本发明提供一种模拟输入单元，其设置在可编程控制器中，将从外部输入的模拟值依次变换为数字值，其特征在于，具有：模拟数字变换部，其将作为流量计的测量值的模拟值变换为数字值；流量运算部，其基于来自所述模拟数字变换部的所述数字值，计算瞬时流量、以及对每预先设定的设定时间的流量进行累计而得的总累计流量；以及存储部，其具有流量存储区域，该流量存储区域对由所述流量运算部计算出的所述瞬时流量和所述总累计流量进行存储。
发明的效果
本发明所涉及的模拟输入单元通过利用流量运算部对瞬时流量和总累计流量进行计算，从而可以有效运用模拟输入单元的高速性及定周期性，得到累计流量及瞬时流量。由此，能够利用PLC容易地实现流量管理及异常检测。
附图说明
图1是表示具有本发明实施方式所涉及的模拟输入单元的PLC系统的结构的框图。
图2是对参数存储区域的数据构造进行说明的图。
图3是对流量存储区域的数据构造进行说明的图。
图4是对日报数据存储区域的数据构造进行说明的图。
图5是对模拟输入单元的动作流程进行说明的流程图。
图6是说明由于对每累计周期的流量进行累计而可能产生的误差的图。
图7是说明在累计周期内流量增加的情况下的校正的图。
图8是说明在累计周期内流量减少的情况下的校正的图。
图9是说明从每小时累计流量的取得至保存日报数据文件为止的流程的流程图。
图10是表示CSV文件的例子的图。
具体实施方式
下面，基于附图，详细说明本发明所涉及的模拟输入单元以及可编程控制器的实施方式。此外，本发明并不受本实施方式限定。
实施方式.
图1是表示具有本发明实施方式所涉及的模拟输入单元的PLC系统的结构的框图。PLC系统是包含PLC1以及与PLC1连接的外围装置的系统。例如，个人计算机2以及存储卡插槽3是包含在PLC系统中的外围装置。
模拟输入单元100经由单元间总线300与CPU单元200连接。模拟输入单元100以及CPU单元200构成PLC1的一部分。在PLC1中除了模拟输入单元100、CPU单元200之外，还对应于目的而经由单元间总线300安装有各种单元（省略图示）。
作为各种单元，例如在PLC1中安装有下述单元等，即：动作控制器单元，其通过伺服放大器等执行多轴的位置控制；以及温度控制器单元，其输出以达到由CPU单元200指示的温度的方式对加热以及冷却进行控制的温度控制信号。下面，对于各种单元中除了模拟输入单元100以及CPU单元200以外的单元，省略说明。
模拟输入单元100接受从外部输入至PLC1的模拟值，将所输入的模拟值依次变换为数字值。PLC1将与作为控制对象的工业用设备等相关的各种测量值例如流量、压力、温度等，变换为作为模拟值的电流值或电压值，并从各种传感器输入至模拟输入单元100。
模拟输入单元100具有模拟数据输入接口（I/F）110、模拟数字（A/D）变换部120、运算部130、共用存储器（存储部）140、触发输入接口（I/F）150以及总线接口（I/F）160。
模拟数据输入I/F110接受模拟值的输入。A/D变换部120将模拟值变换为数字值（A/D变换值）。运算部130执行模拟输入单元100整体的控制。共用存储器140存储来自A/D变换部120的A/D变换值及运算部130的运算结果。共用存储器140除了可以由运算部130进行读出以及写入之外，还可以由CPU单元200经由单元间总线300而进行读出、访问。
触发输入I/F150接受用于使流量累计开始或者停止的触发。总线I/F160是用于经由单元间总线300进行与CPU单元200之间的通信的通信接口。运算部130、共用存储器140以及总线I/F160经由内部总线170分别连接。
PLC1可以接受例如以下类别的请求作为使流量累计开始或者停止的触发。
·通过从CPU单元200发行的命令传递的请求
·通过PLC1的内部信号传递的请求
·通过向触发输入I/F150输入的输入信号传递的请求
CPU单元200以规定的周期反复进行下述动作：执行用于使PLC1所具有的各种单元动作并对工业用设备进行控制的程序即用户程序；输出执行结果；取得用户程序所使用的值等输入值。该反复的动作被称为循环处理。在CPU单元200中，作为在循环处理中包含的输入值取得动作的一个环节，从共用存储器140读出数字值（A/D变换值）。
CPU单元200具有存储卡接口（I/F）210、运算部220、内部存储器230、个人计算机接口（PC I/F）240以及总线接口（I/F）250。
存储卡I/F210是用于对设置在存储卡插槽3中的存储卡进行访问的接口。存储卡存储用户程序、用户程序的执行所需的数据、作为用户程序的执行结果的数据。运算部220执行用户程序以及CPU单元200整体的控制。
内部存储器230存储用户程序的执行所需的数据、及用户程序的输入输出值。PC I/F240是用于实现与个人计算机2之间的连接的接口。个人计算机2显示用户程序的设定及在内部存储器230中存储的信息。另外，个人计算机2通过波形生成工具生成信号波形。
总线接口（I/F）250是用于经由单元间总线300进行与模拟输入单元100之间的通信的通信接口。存储卡I/F210、运算部220、内部存储器230、PC I/F240以及总线I/F250经由内部总线260分别连接。
在共用存储器140中预留有A/D变换值存储区域141、参数存储区域142、流量存储区域143以及日报数据存储区域144。A/D变换值存储区域141存储来自A/D变换部120的A/D变换值。A/D变换值通过CPU单元200的循环处理而被从A/D变换值存储区域141读出。
图2是对参数存储区域的数据构造进行说明的图。参数存储区域142存储输入流量设定、累计周期设定、流量范围设定的各参数。所谓输入流量设定，是指流量计输出的测量值的种类，即，为瞬时流量（瞬时值）、累计流量（累计值）中的哪一种的设定。所谓瞬时流量，表示某一瞬间通过流量计的测量对象物的量。所谓累计流量，表示某一期间内通过流量计的测量对象物的量。作为流量计，除了输出瞬时值的流量计之外，还开发了输出累计值的流量计。在本实施方式中，流量计可以是输出瞬时值的流量计、输出累计值的流量计中的任意一种。
累计周期设定的参数表示作为由模拟输入单元100对流量进行累计的周期而设定的设定时间。流量范围设定的参数表示流量计输出的测量值的范围。在参数存储区域142中存储的参数例如通过用户的输入操作而设定。
图3是对流量存储区域的数据构造进行说明的图。流量存储区域143存储：基于来自A/D变换部120的A/D变换值计算出的瞬时流量；对每累计周期的流量进行累计而得的总累计流量；每小时的流量（每小时累计流量）。
图4是对日报数据存储区域的数据构造进行说明的图。日报数据存储区域144对在1天的期间内计算出的每小时累计流量进行收集，并作为日报数据（“0时～1时的流量”···、“11时～12时的流量”）而存储。
返回图1，运算部130具有流量运算部131以及触发检测部132。触发检测部132对使流量累计开始或者停止的触发进行检测。流量运算部131基于触发检测部132检测到的触发和在参数存储区域142中存储的参数，将来自A/D变换部120的A/D变换值换算为流量，并写入至流量存储区域143中。
流量运算部131具有瞬时流量运算部131a、累计流量运算部131b以及日报数据运算部131c。瞬时流量运算部131a对瞬时流量进行计算。累计流量运算部131b对总累计流量进行计算。日报数据运算部131c对日报数据进行计算。
模拟输入单元100利用流量计对与作为PLC1的控制对象的工业用设备等相关的流量进行测量，并收集测量数据。在流量计测量流量的间隔（采样周期）与CPU单元200的循环处理的周期相比较短的情况下，难以利用CPU单元200进行与流量计的采样周期同步的累计处理。
因此，在本实施方式中，利用能够相对于流量计的采样周期进行高速的数据收集的模拟输入单元100，进行流量的累计，将累计结果存储至共用存储器140中。此外，在共用存储器140的区域中存储的流量的数据，经由单元间总线300以及CPU单元200而被外围装置适当地读出。
图5是对模拟输入单元的动作流程进行说明的流程图。运算部130进行用于执行流量累计的初始设定（步骤S10）。在该工序中，取得由用户完成的与流量累计相关的设定。作为设定项目，具有输入流量设定（瞬时值或者累计值）、累计周期、流量计的流量范围。用户与成为连接对象的流量计的规格及设定相对应而设定上述项目的参数。
如果A/D变换部120的A/D变换开始且从触发检测部132接受到流量累计开始的请求，则流量运算部131开始流量累计的动作（步骤S11）。流量运算部131为了进行每累计周期的流量累计，而使用计时器或计数器对是否达到累计周期进行判定（步骤S12）。
在从步骤S11或者前一次流量累计开始的经过时间没有达到累计周期的情况下（步骤S12，否），只要不存在流量累计结束的请求（步骤S23，否），则流量运算部131继续进行是否达到累计周期的判定（步骤S12）。在从步骤S11或者前一次流量累计开始的经过时间达到了累计周期的（步骤S12，是）时刻，流量运算部131执行流量的累计处理。
流量的累计处理随着流量计输出的测量值的种类而变化。因此，流量运算部131对初始设定中的输入流量设定是瞬时值（瞬时流量）还是累计值（累计流量）进行判别（步骤S13）。
在输入流量设定是瞬时值的情况下（步骤S13，是），流量运算部131通过A/D变换值的换算而对瞬时流量进行计算，将计算出的瞬时流量存储至流量存储区域143中（步骤S14）。流量运算部131在瞬时流量的计算中使用例如下述计算式。
瞬时流量＝（流量范围上限值）×（A/D变换值）/｛（模拟输入单元中的A/D变换值的最大值）－（模拟输入单元中的A/D变换值的最小值）｝
然后，流量运算部131将计算出的瞬时流量换算为每累计周期的流量（步骤S15）。流量运算部131在每累计周期的流量的计算中使用例如下述计算式。
每累计周期的流量＝（步骤S14中计算出的瞬时流量）×（累计周期）×（单位换算值）
其中，假定单位换算值为用于对时间单位进行换算的参数。例如，如果将流量计的流量范围设为［/h］，将累计周期的单位设为［ms］，则用于将单位［/h］的流量换算为单位［ms］的流量的单位换算值，成为下述所示的计算式。
单位换算值＝1/60［min/h］×60［s/min］×1000［ms/s］
图6是说明由于对每累计周期的流量进行累计而可能产生的误差的图。在图中，纵轴表示瞬时流量，横轴表示时间（均为任意单位）。在流量计中的实际流量在累计周期C期间变化的情况下，在对步骤S15中得到的每累计周期的流量进行累计而得的总累计流量中，产生相对于实际流量的误差。
例如，在累计周期C内流量增加的情况下，如果对步骤S15中得到的每累计周期的流量直接进行累计，则由于没有加上累计周期C内的流量的增加量而产生不足误差E1。另外，在累计周期C内流量减少的情况下，如果对步骤S15中得到的每累计周期的流量直接进行累计，则由于加上了累计周期C内的流量的减少量而产生过剩误差E2。
因此，流量运算部131为了尽可能减少这种误差而执行流量的校正处理（步骤S16）。流量运算部131在前一次流量累计时的瞬时流量和本次流量累计时的瞬时流量之间存在差的情况下，认为在该期间内实际的流量发生了变化而执行校正处理。
图7是说明在累计周期内流量增加的情况下的校正的图。在此情况下，流量运算部131执行下述校正处理，即，将相当于累计周期C内的增加量的流量加入到每累计周期C的流量中。流量运算部131视作在累计周期C内实际的流量发生了线性变化而计算误差。
例如，在相对于某个累计定时TN-1中的瞬时流量SN-1，下一个累计定时TN中的瞬时流量SN增加的情况下（SN-1＜SN），流量运算部131通过以下的计算式而计算不足误差E1N。流量运算部131将相当于不足误差E1N的校正量E1N’与下一次累计的流量相加。
E1N＝（SN－SN-1）/2
图8是说明在累计周期内流量减少的情况下的校正的图。在此情况下，流量运算部131执行下述校正处理，即，从每累计周期C的流量中减去相当于累计周期C内的减少量的流量。
例如，在相对于某个累计定时TN-1中的瞬时流量SN-1，下一个累计定时TN中的瞬时流量SN减少的情况下（SN-1＞SN），流量运算部131通过下述的计算式而计算不足误差E2N。流量运算部131从下一次累计的流量中减去相当于不足误差E2N的校正量E2N’。
E2N＝（SN-1－SN）/2
然后，流量运算部131将校正处理后的值与在流量存储区域143中存储的总累计流量相加（步骤S17）。另外，流量运算部131将校正处理后的值与在流量存储区域143中存储的每小时累计流量相加（步骤S18）。此外，步骤S17以及步骤S18的顺序是任意的。
在初始设定中的输入流量设定是累计值的情况下（步骤S13，否），流量运算部131将A/D变换值换算为流量（步骤S19），从本次取得的流量中减去前一次取得的流量而计算变化量（步骤S20）。流量运算部131将对A/D变换值进行换算而得到的流量的变化量，作为每累计周期的流量而求出。
然后，流量运算部131将步骤S20中计算出的变化量与在流量存储区域143中存储的总累计流量相加（步骤S21）。另外，流量运算部131将步骤S20中计算出的变化量与在流量存储区域143中存储的每小时累计流量相加。
流量运算部131使步骤S20中计算出的变化量除以累计周期，而换算为每隔累计周期的瞬时流量，并存储至流量存储区域143中（步骤S22）。由此，用户在流量计输出的测量值为累计值的情况下，不仅可以掌握累计流量的变化，而且还可以掌握瞬时流量的变化。
在步骤S14至步骤S18、或者步骤S19至步骤S22的累计处理后，只要不存在流量累计结束的请求（步骤S23，否），则流量运算部131就反复进行从是否达到累计周期的判定（步骤S12）开始的流程。流量运算部131在存在流量累计结束的请求的情况下（步骤S23，是），结束流量的累计处理。
图9是说明从每小时累计流量的取得至保存日报数据文件为止的流程的流程图。日报数据文件是通过在每天确定的时刻例如0时，将在日报数据存储区域144中存储的日报数据读出而生成的。
流量运算部131取得定序器CPU的时钟信息（步骤S40），对当前时刻是否为整点（0分0秒）进行判定（步骤S41）。在当前时刻为整点的情况下（步骤S41，是），流量运算部131将在共用存储器140的流量存储区域143中存储的每小时累计流量读出，并存储至共用存储器140的日报数据存储区域144中（步骤S42）。另外，流量运算部131将流量存储区域143的每小时累计流量清零（步骤S43）。此外，在当前时刻不是整点的情况下（步骤S41，否），反复进行从“开始”算起的流程。
流量运算部131对当前时刻是否为0时进行判定（步骤S44）。在当前时刻为0时的情况下（步骤S44，是），流量运算部131将从共用存储器140的日报数据存储区域144中读出的1天量的日报数据保存至CSV文件中。流量运算部131生成包含从日报数据存储区域144读出的1天量的日报数据在内的日报数据文件（步骤S45）。在生成日报数据文件后或者当前时刻不是0时的情况下（步骤S44，否），反复进行从“开始”算起的流程。
图10是表示CSV文件的例子的图。向CSV文件中例如写入下述信息。
·日报数据的日期
·每小时累计流量
·1天的合计流量
·从开始流量累计起的总累计流量
所生成的日报数据文件的保存地址例如设为下述位置。
·CPU单元200的内部存储器230
·与CPU单元200的存储卡I/F210连接的存储卡
所生成的日报数据文件可以被读出至与CPU单元200的PC I/F240连接的个人计算机2内，随时进行浏览以及加工。或者，日报数据文件也可以通过在个人计算机2上运行的日报数据读出工具进行读出，并进行图形显示。
本发明所涉及的模拟输入单元100通过利用流量运算部131对瞬时流量和总累计流量进行计算，从而可以有效运用模拟输入单元100的高速性及定周期性，向PLC1中导入流量数据。另外，模拟输入单元100通过读出在共用存储器140中存储的每小时累计流量，从而可以容易地生成能够在PLC1的流量管理及异常检测中利用的日报数据。PLC1可以利用在系统内自动生成并保存的日报数据文件。由此，PLC1能够容易地实现流量管理及异常检测。
工业实用性
如上述所示，本发明所涉及的模拟输入单元以及可编程控制器，适用于与作为控制对象的工业用设备相关的流量管理及对有无异常进行监视的情况。
符号的说明
1PLC
2个人计算机
3存储卡插槽
100模拟输入单元
110模拟数据输入I/F
120A/D变换部
130运算部
131流量运算部
131a瞬时流量运算部
131b累计流量运算部
131c日报数据运算部
132触发检测部
140共用存储器
141A/D变换值存储区域
142参数存储区域
143流量存储区域
144日报数据存储区域
150触发输入I/F
160总线I/F
170内部总线
200CPU单元
210存储卡I/F
220运算部
230内部存储器
240PC I/F
250总线I/F
260内部总线
300单元间总线

Claims (7)

1.一种模拟输入单元，其设置在可编程控制器中，将从外部输入的模拟值依次变换为数字值，
其特征在于，具有：
模拟数字变换部，其将作为流量计的测量值的模拟值变换为数字值；
流量运算部，其基于来自所述模拟数字变换部的所述数字值，计算瞬时流量、以及对每预先设定的设定时间的流量进行累计而得的总累计流量；以及
存储部，其具有流量存储区域，该流量存储区域对由所述流量运算部计算出的所述瞬时流量和所述总累计流量进行存储。
2.根据权利要求1所述的模拟输入单元，其特征在于，
在所述流量计输出瞬时值作为所述测量值的情况下，所述流量运算部通过来自所述模拟数字变换部的所述数字值的换算而计算所述瞬时流量，且将计算出的所述瞬时流量换算为每所述设定时间的流量。
3.根据权利要求1所述的模拟输入单元，其特征在于，
在所述流量计输出累计值作为所述测量值的情况下，所述流量运算部将对来自所述模拟数字变换部的所述数字值进行换算后得到的流量的变化量，作为每所述设定时间的流量而求出，且将所述变化量换算为每隔所述设定时间的所述瞬时流量。
4.根据权利要求1或2所述的模拟输入单元，其特征在于，
所述流量运算部在所述设定时间内所述流量计中的流量增加的情况下，将相当于所述设定时间内的增加量的流量与每所述设定时间的流量相加而进行校正，在所述设定时间内所述流量计中的流量减少的情况下，从每所述设定时间的流量中减去相当于所述设定时间内的减少量的流量而进行校正。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模拟输入单元，其特征在于，
所述存储部具有以天为单位收集每小时的流量的日报数据存储区域。
6.根据权利要求5所述的模拟输入单元，其特征在于，
所述流量运算部生成包含从所述日报数据存储区域读出的1天量的数据在内的日报数据文件。
7.一种可编程控制器，其特征在于，具有：
模拟输入单元，其将从外部输入的模拟值依次变换为数字值；以及
CPU单元，其经由单元间总线与所述模拟输入单元连接，
所述模拟输入单元具有：
模拟数字变换部，其将作为流量计的测量值的模拟值变换为数字值；
流量运算部，其基于来自所述模拟数字变换部的所述数字值，计算瞬时流量、以及对每预先设定的设定时间的流量进行累计而得的总累计流量；以及
共用存储器，其具有对由所述流量运算部计算出的所述瞬时流量和所述总累计流量进行存储的流量存储区域，该共用存储器能够由所述CPU单元进行读出、访问。
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