JP2023058938A - 制御装置、制御システム、及び時刻同期方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の制御装置間で共有した情報から調停して時刻同期を実現する。【解決手段】被制御装置に対する制御を実行する制御システムを構成する制御装置であって、前記制御装置に関する情報を送受信する通信部と、前記通信部を介して、時刻マスタ装置である制御装置から受信した時刻同期情報を格納する共有データ格納部と、他の前記制御装置の共有データ格納部への格納と同期して、自制御装置の共有データ格納部へ時刻同期情報の格納を制御する同期更新部と、前記時刻マスタ装置に対するクロックのずれ量を検出し、前記検出されたクロックのずれ量を前記共有データ格納部へ格納する時刻管理部と、前記共有データ格納部に格納された前記クロックのずれ量に基づいて時刻マスタ装置を選択し、他制御装置と調停し時刻マスタ装置を決定する調停部とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、制御システムを構成する制御装置に関する。

各種の社会インフラシステムには、制御システムが設置されている。制御システムには、演算処理を実行する複数の制御装置による制御システムの自動化と効率化とによって、社会インフラシステムが自動化され、効率化されている。

このような制御システムを構成する制御装置は、フィールドに設置されるセンサなどの検出機器から各種の状態量などの取得情報を取得し、制御装置の中央演算処理装置が演算処理を実行する。そして、制御装置は、フィールドに設置されるモータやアクチュエータなどの操作機器に制御指令を出力し、制御対象である操作機器をリアルタイムに制御する。

また、大規模な社会インフラシステムにおける制御システムは、複数の制御装置が共通ネットワークを介して接続され、分散制御システムを構成する。分散制御システムは、広大なフィールドに設置される複数の検出機器から取得される取得情報を１カ所の制御装置に集約し、演算処理を実行する。このような分散制御システムは、演算処理を実行する制御装置と制御指令を出力する制御装置との役割を分担し、高い効率の制御を実行する。

分散制御システムにおける制御装置間でデータを同期する方法として、共有メモリ方式がある。共有メモリ方式では、分散制御システムを構成するそれぞれの制御装置が、それぞれの制御装置に実装されるメモリに共有メモリを有し、自制御装置は、共有メモリに格納されるデータを他制御装置に送信する。これにより、制御装置間でデータが共有され、制御装置間の通信負荷が軽減される。

さらに、複数の制御装置が時刻同期し、タイミングを合わせて制御対象に対する制御指令を出力することで、複数の工程を同時に実施したり、時系列に所望の時刻に処理するなど、高精度なリアルタイム制御も考えられる。そのため、前述の共通ネットワークでは、時刻同期のための情報をやり取りし、各制御装置が時刻を同期する。

この技術分野の背景技術として、特開２００９―２８４０５４号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、時刻基準装置が送信するＵＴＣに対して直接時間同期が確立できる基地局と、直接時間同期が確立できない基地局と、を含む通信システムであって、直接時間同期が確立できない基地局が、直接時間同期が確立できる基地局から時間誤差情報を取得し、取得した情報に基づいて時間同期を確立するためのマスタ局を選択し、遅延量計測のための遅延量計測信号をマスタ局に送信し、マスタ局が、遅延量計測信号を基地局に転送し、遅延量Ｅを計測して基地局に通知し、基地局が遅延量Ｅに基づいてマスタ局と時間同期を確立する通信システムが記載されている。

特開２００９―２８４０５４号公報

特許文献１に記載された通信システムでは、クロックマスタである複数の基地局から、大元のクロックマスタからの段数が小さい基地局を選んで時刻同期を確立する。しかし、特許文献１には、クロックマスタと自局のクロックのずれ量の考慮や、複数の基地局間で共有した情報から調停して一つのクロックマスタを決定する技術は記載されていない。

そこで、本発明は、複数の制御装置間で共有した情報から調停して時刻同期を実現し、高精度なリアルタイム制御を継続し、製品の品質、精度向上させる精度の高い制御を実現する制御装置の提供を目的とする。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、被制御装置に対する制御を実行する制御システムを構成する制御装置であって、前記制御装置に関する情報を送受信する通信部と、前記通信部を介して、時刻マスタ装置である制御装置から受信した時刻同期情報を格納する共有データ格納部と、他の前記制御装置の共有データ格納部への格納と同期して、自制御装置の共有データ格納部へ時刻同期情報の格納を制御する同期更新部と、前記時刻マスタ装置に対するクロックのずれ量を検出し、前記検出されたクロックのずれ量を前記共有データ格納部へ格納する時刻管理部と、前記共有データ格納部に格納された前記クロックのずれ量に基づいて時刻マスタ装置を選択し、他制御装置と調停し時刻マスタ装置を決定する調停部とを備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、高精度なリアルタイム制御を実現できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。

実施例１に係る制御システムの構成を示す図である。 実施例１に係る制御装置の構成を説明する説明図である。 実施例１に係る制御装置の機能構成を示す図である。 実施例１に係る制御装置の他の機能構成を示す図である。 実施例１に係る制御装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 実施例１に係る制御装置の情報保持部の内容の一例を示す図である。 実施例１に係る制御装置の共有データ格納部の内容の一例を説明する説明図である。 実施例１に係る制御装置の時刻同期情報の例を示す図である。 実施例１に係る各制御装置の補正後の時刻同期情報の例を示す。 実施例１に係る制御装置の時刻同期動作の状態を示す図である。 実施例１に係る制御装置（制御システム）がセンサから取得される取得情報及び時刻同期情報を共有する処理のフローチャートである。 実施例１に係る制御装置が制御指令を演算し、制御装置が制御指令を共有する処理のフローチャートである。 実施例２に係る制御装置を鉄鋼システムに適用した一例を説明する説明図である。 実施例３に係る制御装置をＦＡシステムに適用した一例を説明する説明図である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、重複する説明を省略する場合がある。

先ず、実施例１に係る制御システムの構成を説明する。

図１は、実施例１に係る制御システムの構成を示す図である。

実施例１の制御システムは、制御装置（制御Ａ）１００、制御装置（制御Ｂ）１０１、制御装置（制御Ｃ）１０２が共通ネットワーク１を介して接続され、分散制御システムを構成する。

制御装置１００、１０１、１０２は、フィールドに設置されるモータ８、１１やアクチュエータ９などの操作機器（制御対象である被制御装置）に制御指令（制御信号、指令値などの制御データ）を出力し、操作機器をリアルタイムに制御する。つまり、分散制御システムは、操作機器に対する制御を実行する制御装置によって構成される。

共通ネットワーク１は、例えば、ＴＳＮ（Ｔｉｍｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ）と呼称されるＩＥＥＥ規格で構成される通信方式によるデータ通信を実行するネットワークや、ＩＥＣ６１７８４などにより規格化される産業用ネットワークなど、時分割制御に基づくタイムスロット通信を使用することにより、制御装置間の通信遅延における時間確定性を向上させるネットワークである。また、接続形態としては、有線ケーブルによる接続や、携帯電話網や無線ＬＡＮなどの無線での接続でもよい。

制御装置１００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００１とメモリ１００２とを有する。同様に、制御装置１０１は、ＣＰＵ１０１１とメモリ１０１２とを有し、制御装置１０２は、ＣＰＵ１０２１とメモリ１０２２とを有する。

メモリ１００２には、各制御装置で動作するプログラムＡを保持する領域と、各制御装置が取得する保持情報Ａを保持する領域と、共通ネットワーク１を介して各制御装置間で共有される共有データを保持する領域（共有データ領域）が設けられる。ここでの共有データには、制御Ａで得た取得情報や、他制御装置から受信した制御指令などの情報が含まれる。同様に、メモリ１０１２は、プログラムＢと保持情報Ｂとを保持する領域、及び、共有データを保持する領域、が設置され、メモリ１０２２は、プログラムＣと保持情報Ｃとを保持する領域、及び、共有データを保持する領域、が設置される。

また、制御装置１００には、フィールドネットワーク２０を介して、センサＡ７、モータＡ８、アクチュエータＡ９が接続される。同様に、制御装置１０１には、フィールドネットワーク２１を介して、センサＢ１０、モータＢ１１が接続され、制御装置１０２には、フィールドネットワーク２２を介して、センサＣ１２、センサＣ１３が接続される。

なお、フィールドネットワーク２０、２１、２２は、例えば、ＩＥＣ６１１５８によって規定されるネットワークでもよい。また、制御装置１００等と検出機器７等や操作機器８、９等との間を、直接接続して、デジタル信号やアナログ信号を入出力してもよい。この場合、制御装置１００等と各検出機器７等や各制御対象８、９等とは、複数の入出力信号線により接続されるとよい。

制御装置１００は、センサ７から入力されたセンシングデータを、共通ネットワーク１を介して、制御装置１０１及び制御装置１０２と共有データとして共有する。同様に、制御装置１０１は、センサ１０から入力されたセンシングデータを、共通ネットワーク１を介して、制御装置１００及び制御装置１０２と共有データとして共有し、制御装置１０２は、センサ１２及びセンサ１３からの入力を受けて、共通ネットワーク１を介して、制御装置１０１及び制御装置１０２と共有データを共有する。

そして、特に、制御装置１０２は、共有される入力データから、例えば、モータ８、アクチュエータ９、モータ１１への制御指令（指令値）を演算し、制御装置１０１及び制御装置１０２と制御指令を共有する。一方、制御装置１００は、共有される制御指令によって、モータ８及びアクチュエータ９を制御し、同様に、制御装置１０１は、共有される制御指令によって、モータ１１を制御する。

なお、フィールドに設置されるセンサ７、センサ１０、センサ１２、センサ１３は、検出機器であり、各種の流量、温度、圧力、張力、回転速度などの状態量である取得情報を検出し、取得する。

次に、実施例１に係る制御装置１００の構成を説明する。

図２は、実施例１に係る制御装置１００の構成を説明する説明図である。

制御装置１００は、ＣＰＵ１００１、メモリ１００２、通信制御部１００３、インタフェース部１００４、不揮発性記憶媒体１００５、バス１００６及び入出力部１００７を有する。

なお、ここでは、制御装置１００について説明するが、制御装置１０１及び制御装置１０２も、基本的な構成は、制御装置１００と同じである。

ＣＰＵ１００１は、制御装置１００の各構成要素の動作を制御する中央演算処理装置である。

メモリ１００２には、ＣＰＵ１００１が動作する際に使用される一時的な記憶領域であり、不揮発性記憶媒体１００５から転送されるオペレーティングシステム（以下、ＯＳと呼称する）や、アプリケーションプログラムなどが格納される。

また、メモリ１００２には、各制御装置で動作するプログラムＡを保持する領域と、各制御装置が取得する保持情報Ａ（各制御装置が検出機器や制御対象から取得する情報）を保持する領域と、共通ネットワーク１を介して各制御装置間で共有される共有データ（制御Ａで取得される取得情報や制御指令）を保持する領域が設けられる。

通信制御部１００３は、共通ネットワーク１を介して、制御装置１０１及び制御装置１０２とデータ通信を実行する。データ通信の方式としては、例えば、ＩＥＥＥ８０２．３規格のＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）層の機能が実装されるとよい。なお、通信制御部１００３の実装例としては、例えば、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ゲートアレイなどがある。また、通信制御部１００３は、ＣＰＵ１００１と一体化して構成されてもよい。

更に、通信制御部１００３は、ネットワークを使用し時刻同期パケットをやり取りして時刻同期プロトコルを実行する機能を有する。つまり、通信制御部１００３は、時刻同期パケットの送受信時における計時機能や、時刻同期パケットへの補正値の設定や加算などの機能を有する。このような時刻同期プロトコルとして、ＩＥＥＥ１５８８、ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ、ＮＴＰ、ＳＮＴＰが使用される。また、通信制御部１００３は、同期時刻に基づく時刻管理機能を有し、制御装置１０１及び制御装置１０２への同期時刻情報を通信する。

インタフェース部１００４は、共通ネットワーク１との間で、データを送受信する。インタフェース部１００４は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．３の物理層の機能が実装される。なお、インタフェース部１００４は、通信制御部１００３に含まれもよい。

図２では、制御装置１００は、一つの通信制御部１００３及び一つのインタフェース部１００４を有しているが、複数の通信制御部１００３及び複数のインタフェース部１００４を有してもよい。

不揮発性記憶媒体１００５は、情報の記憶媒体であり、例えばＯＳ、アプリケーション、デバイスドライバ、ＣＰＵ１００１を動作させるプログラム、プログラムの実行結果が保存される。

不揮発性記憶媒体１００５は、例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、フラッシュメモリなどで構成される。また、不揮発性記憶媒体１００５は、外部記憶媒体として取り外しが容易なＵＳＢメモリ、ソリッドステートドライブなどで構成されてもよい。

入出力部１００７は、制御装置１００に接続される装置、例えば、センサ７から取得情報を取得し、モータ８やアクチュエータ９を制御する入出力インタフェースである。入出力部１００７は、例えば、前述の各種のフィールドネットワーク２０の機能や、デジタル入出力機能やアナログ入出力機能が実装される。なお、図２では、入出力部１００７から１本の信号線を図示しているが、複数の信号線があってもよい。

バス１００６は、ＣＰＵ１００１、メモリ１００２、通信制御部１００３、不揮発性記憶媒体１００５及び入出力部１００７を、通信可能に接続する。

次に、実施例１に係る制御装置の機能構成を説明する。

図３は、実施例１に係る制御装置の機能構成を示す図である。

図３に示す制御装置は、時刻同期部３００、通信部３０１、同期更新部３０２、共有データ格納部３０３、時刻管理部３０４、入出力制御部３０５、情報保持部３０６及び調停部３０７を有する。つまり、制御装置１００、制御装置１０１、制御装置１０２は、これら機能部を有することが好ましい。特に好ましくは、制御装置１００、制御装置１０１は、これら機能部を有する。

時刻同期部３００は、時刻同期手順を実行する。時刻同期部３００が実行する時刻同期プロトコルは、前述のＩＥＥＥ１５８８、ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ、ＮＴＰ、ＳＮＴＰなどである。なお、時刻同期部３００は、後述の通信部３０１で時刻同期パケットの送信時や受信時に計測する時刻などを使用し、制御装置１０１及び制御装置１０２と時刻同期する。つまり、時刻同期部３００は、分散制御システムを構成する他制御装置と時刻同期する。

なお、時刻同期部３００は、ＣＰＵ１００１で動作するアプリケーションで実現してもよいし、通信制御部１００３をＩＣやＦＰＧＡによるハードウェア論理回路で実現してもよい。また、時刻同期部３００を、ＣＰＵ１００１のソフトウェアと通信制御部１００３のハードウェアとの両方で構成してもよい。この場合、時刻同期パケットの送信タイミングや受信タイミングの計測機能や、時刻同期パケットフォーマットの生成は、通信制御部１００３で処理するとよい。

通信部３０１は、共通ネットワーク１に接続し、共通ネットワーク１の通信プロトコルに基づいて、通信をする機能部である。例えば、通信部３０１は、ＣＰＵ１００１で動作するソフトウェア、通信制御部１００３、インタフェース部１００４で構成される。つまり、通信部３０１は、共通ネットワーク１を介して、自制御装置に関する情報を他制御装置に送信し、他制御装置に関する情報を他制御装置から受信する。通信部３０１は、自制御装置に関して自制御装置が取得した情報（センサ情報）を送信し、他制御装置に関して他制御装置が取得した情報（センサ情報）を受信する。

同期更新部３０２は、通信部３０１から受信した通信内容を保持する。同期更新部３０２は、後述の時刻管理部３０４から通知される同期時刻情報（時刻通知や時刻通知割込などを含む）によって、保持する情報を後述の共有データ格納部３０３に格納する。つまり、同期更新部３０２は、他制御装置の共有データ格納部３０３への共有データ（情報）の格納と同期して、又は、他制御装置の共有データ格納部３０３からの共有データ（情報）の格納と同期して、自制御装置の共有データ格納部３０３へ共有データ（情報）を格納する。

共有データ格納部３０３は、各制御装置間で共有する共有データを保持する機能部である。共有データ格納部３０３には、各制御装置の共有データ領域が割り当てられる。例えば、各制御装置が周期的なブロードキャスト通信を実行し、受信した制御装置が、送信元の制御装置を識別し、該当する共有データ領域を更新する。共有データ格納部３０３は、後述の情報保持部３０６に保持された情報を格納する。そして、共有データ格納部３０３は、他制御装置から送信された共有データを格納し、後述の演算部４０１にて演算された制御対象に対する制御指令を格納する。

時刻管理部３０４は、同期時刻に基づいて、各制御装置における後述の情報保持部３０６の同期時刻情報を管理する。

入出力制御部３０５は、例えば、制御装置１００に接続されるセンサ７から取得情報を取得し、モータ８やアクチュエータ９を制御し、情報を入出力する。つまり、入出力制御部３０５は、検出機器から取得情報を取得し、制御対象を制御する情報を入出力する。

情報保持部３０６は、入出力制御部３０５から入力されるセンサ情報などを保持する。情報保持部３０６は、例えばリングバッファで構成され、情報保持部３０６は、センサ情報を保持する際に、時刻管理部３０４から通知される同期時刻情報（センサ情報を取得した時刻が付加されたセンサ情報）、つまり、センサ情報と当該センサ情報を取得した時刻とを保持する。また、情報保持部３０６は、時刻同期の状態についても、時刻管理部３０４からの情報を受け保持する。そして、情報保持部３０６は、保持したデータを共有データ格納部３０３に格納する。また、情報保持部３０６は、共有データ格納部３０３に格納された情報を取り込んで保持する。

調停部３０７は、共有データに格納され、共通ネットワーク１に接続されている各制御装置の時刻同期の情報に基づいて、共通ネットワーク１に接続されている制御装置の中から時刻同期のためのクロックマスタを選択する。例えば、クロックマスタからメッセージが受信できなければ、クロックマスタとの通信が切断されており、新しいクロックマスタを選択する。通信の切断は、例えば、無線通信の不安定性によって生じたり、ケーブル断やコネクタ離脱による有線通信回線の切断によって生じ得る。

このように、実施例１に係る制御装置は、分散制御システムを構成する他制御装置と時刻同期する時刻同期部３００と、他制御装置に自制御装置に関する情報を送信し、他制御装置から他制御装置に関する情報を受信する通信部３０１と、情報に同期時刻情報を付加し、情報を保持する情報保持部３０６と、共有データを格納する共有データ格納部３０３と、を有する。

また、同期更新部３０２は、通信部３０１を介して共有データを送信する。

次に、実施例１に係る制御装置の他の機能構成を説明する。

図４は、実施例１に係る制御装置の他の機能構成を示す図である。

図４に示す制御装置は、時刻同期部３００、通信部３０１、同期更新部３０２、共有データ格納部３０３、時刻管理部３０４、入出力制御部３０５（図示なし）情報保持部３０６、調停部３０７及び演算部４０１を有する。なお、時刻同期部３００、通信部３０１、同期更新部３０２、共有データ格納部３０３、時刻管理部３０４、入出力制御部３０５、情報保持部３０６及び調停部３０７は、図３に示す機能部と同じである。

この制御装置は、特に、演算部４０１を有し、制御装置１０２に対応する。なお、図３に示す制御装置が、演算部４０１を有してもよい。つまり、制御装置１０２は、演算部４０１を有する。

演算部４０１は、入出力制御部３０５に接続されるモータやアクチュエータを制御するため、必要な制御指令を演算する。演算部４０１における演算処理は、共有データ格納部３０３から取得する、各制御装置が取得した取得情報（センサ情報）を使用し、実行される。演算部４０１は、共有データ格納部３０３に格納されている取得情報（センサ情報）を読み出し、制御指令を演算する。演算される制御指令は、共有データ格納部３０３に格納され、他制御装置（制御装置１００及び制御装置１０１）と共有する。つまり、演算部４０１は、通信部３０１にて送信された共有データに基づいて、制御対象に対する制御指令を演算する。

自制御装置（制御装置１００及び制御装置１０１）に割り当てられる制御指令は、自制御装置の共有データ格納部３０３から読み出され、図２に示す入出力部１００７（図３に示す入出力制御部３０５）に接続されるモータやアクチュエータに出力される。なお、演算部４０１は、ＣＰＵ１００１で動作するソフトウェアで実現される。

次に、実施例１に係る制御装置の動作タイミングを説明する。

図５は、実施例１に係る制御装置の動作タイミングを示すタイミングチャートであり、制御システムが予め決定される制御周期に基づいて処理を実行する状態を示す。

図５（ａ）は、制御装置１００、制御装置１０１及び制御装置１０２の各共有データを制御周期の先頭において共有していることを示す。

制御装置１００がデータを共有し、制御装置１００のデータ共有時間が終了すると制御装置１０１がデータを共有し、制御装置１０１のデータ共有時間が終了すると制御装置１０２がデータを共有する。そして、制御装置１０２のデータ共有時間が終了すると、次の制御周期の開始時刻までの間、各制御装置のＣＰＵは、演算や制御などの別の処理を実行する。

つまり、各制御装置は、次のデータ共有時間までの間に、センサ情報や時刻同期情報を取得し、保持することにより、同期更新部３０２によって、各制御装置の共有データ格納部３０３が、制御周期毎に更新され、データを共有する。

図５（ｂ）は、制御装置１０２が制御指令を演算し、演算結果（制御指令）を共有していることを示す。

制御装置１０１のデータ共有期間が終了すると、制御装置１０２は、制御装置１００及び制御装置１０１から送信された共有データであるセンサ情報と制御装置１０２におけるセンサ情報とに基づいて、制御指令を演算する。

そして、次のデータ共有時間において、得られる演算結果（制御指令）を共有し（制御装置１０２は、得られる演算結果（制御指令）を制御装置１００及び制御装置１０１に送信し）、制御装置１００及び制御装置１０１は、制御装置１０２から送信された制御指令により、対応するモータやアクチュエータに対する制御を実行する。

次に、実施例１に係る制御装置の情報保持部３０６の内容の一例を説明する。

図６は、実施例１に係る制御装置の情報保持部３０６の内容の一例を示す図である。

図６は、時刻ｔ１におけるそれぞれの制御装置の情報保持部３０６の保持領域内容の一例を示すものであり、図６（ａ）は、制御装置１００の情報保持部３０６の保持領域内容の一例である保持領域６０を示し、図６（ｂ）は、制御装置１０１の情報保持部３０６の保持領域内容の一例である保持領域６１を示し、図６（ｃ）は、制御装置１０２の情報保持部３０６の保持領域内容の一例である保持領域６２を示す。

保持領域６０には、制御装置１００に接続されるセンサ７で取得したセンサ情報ａ、及び時刻同期情報ａｔが取得時刻と共に格納される。保持領域６１には、制御装置１０１に接続されるセンサ１０で取得したセンサ情報ｂ、及び時刻同期情報ｂｔが取得時刻と共に格納される。保持領域６２には、制御装置１０２に接続されるセンサ１２及びセンサ１３で取得したセンサ情報ｃ１、ｃ２、及び時刻同期情報ｃｔが取得時刻と共に格納される。

これらの各制御装置の保持領域６０に格納された情報は、各制御装置の共有データ格納部３０３に格納される。

制御装置１０２の演算部４０１は、制御装置１０２の共有データ格納部３０３に格納される他制御装置及び自制御装置から取得したデータ情報に基づいて、制御指令を演算する。つまり、この演算には、制御装置１００にて取得したセンサ７のセンサ情報、制御装置１０１にて取得したセンサ１０のセンサ情報、制御装置１０２にて取得したセンサ１２及びセンサ１３のセンサ情報が使用される。

次に、実施例１に係る制御装置の共有データ格納部３０３の内容の一例を説明する。

図７は、実施例１に係る制御装置の共有データ格納部３０３の内容の一例を説明する説明図である。

制御装置１０２において、制御指令の演算前では、制御装置１００にてセンサ７で取得したセンサ情報（センサ値ａ）と時刻同期情報（時刻同期ａｔ）、制御装置１０１にてセンサ１０で取得したセンサ情報（センサ値ｂ）と時刻同期情報（時刻同期ｂｔ）、制御装置１０２にてセンサ１２及びセンサ１３で取得したセンサ情報（センサ値ｃ１及びｃ２）と時刻同期情報（時刻同期ｃｔ）とが、共有データ７０として、共有データ格納部３０３に格納される。

そして、制御装置１０２は、これらのセンサ情報に基づいて、制御指令を演算し、その演算結果（制御指令値）を共有データ格納部３０３に格納する。

次に、実施例１に係る制御装置の時刻同期情報の一例を説明する。

図８は、実施例１に係る制御装置の時刻同期情報の例を示す図であり、図７の共有データ７０から時刻同期情報を抽出したものである。

図８（ａ）は、制御装置１０２がクロックマスタである場合の時刻同期情報８０を示し、例えば、クロックマスタとのクロックのずれ量が格納される。時刻同期ａｔは、制御装置１００が有する時計と制御装置１０２との時刻変化の差分Δａ１、及び時刻の差分Δａ２が格納される。同様に時刻同期ｂｔは、制御装置１０１の時計と制御装置１０２との時刻変化の差分Δｂ１、及び時刻の差分Δｂ２が格納される。時刻同期ｃｔは、制御装置１０２が基準時刻を提供するクロックマスタであるため、それぞれの値はゼロとなる。これらの値は、各制御装置の保持領域６０にも保持される。ＣＰＵ１００１（演算部４０１）は、時刻変化の差分及び時刻の差分を加算してクロックを補正する。

ここで、クロックマスタである制御装置１０２が共有ネットワークから離脱し、次のクロックマスタを選択する場合、前述の調停部３０７が、共有されている時刻同期情報を参照して、共通ネットワーク１に接続されている制御装置の中から、制御装置１０２とのクロックのずれ量のうち時刻の差分が小さい制御装置を選択する。制御装置１０１が選択されクロックマスタになった後、時刻同期情報８１は図８（ｂ）のようになる。すなわち、時刻同期ａｔは、制御装置１００の時計と制御装置１０１との時刻変化の差分Δａ１’、及び時刻の差分Δａ２'が格納される。時刻同期ｂｔは、制御装置１０１が基準時刻を提供するクロックマスタであるため、それぞれの値はゼロとなる。

調停部３０７は、共有データ格納部３０３に格納された通信路の情報に基づいてクロックマスタになる制御装置を決定してもよい。例えば、各制御装置が接続している共通ネットワーク１の品質情報を用いてもよい。また、共通ネットワーク１が無線による接続形態である場合、電波強度や、基地局か中継局かの情報等に基づいて接続安定性を評価して、クロックマスタになる制御装置を決定してもよい。

また、共有される時刻同期情報は、ネットワークに接続されている全ての制御装置について共有する必要はなく、例えば５台分の記憶領域を用意し、ずれ量の小さい制御装置の時刻同期情報を格納してもよい。時刻同期情報の記憶数を限定することによって、共有メモリの容量を低減できる。

図９は、実施例１に係る制御システムのクロックマスタに制御装置１０１が選択された場合の、各制御装置の補正後の時刻同期情報の例を示す。

図９（ａ）は、制御装置１００の補正後の時刻同期情報９０であり、クロックマスタが制御装置１０２の際の時刻同期情報が加算されている。この時刻同期情報に基づいて制御装置１００が時刻同期動作を行うことによって、制御装置１０２がクロックマスタに選択されていた際の時刻同期の状態を維持でき、高精度なリアルタイム制御を実現できる。

図９（ｂ）は、制御装置１０１の補正後の時刻同期情報９１であり、クロックマスタが制御装置１０２の際の時刻同期情報が加算されている。この時刻同期情報に基づいて制御装置１０１が時刻同期動作を行うことによって、制御装置１０２がクロックマスタに選択されていた際の時刻同期の状態を維持することができ、同様に高精度なリアルタイム制御を実現できる。

この時刻同期情報９０は、保持領域６０に格納されている共有メモリの保持値から演算したものであり、保持領域６０に追記してもよい。

図１０は、実施例１に係る制御装置１００の時刻同期動作の状態を示す図であり、時間ｔｍを境にクロックマスタが制御装置１０２から制御装置１０１に変更された状態を示す。

線１１１は制御装置１０２の時計の時刻であり、線１１２は制御装置１００の時計の時刻である。前述の時刻同期プロトコルによって、クロックマスタとの時計の差分を検出し、時刻１１１への同期のため、制御装置１００の時計を合わせるよう制御される。この際、前述のように、時計の時刻変化の差分、及び時刻の差分が各制御装置で共有される。線１１３は制御装置１０１の時計の時刻である。前述の補正後の時刻同期情報によって、時刻ｔｍ以降も、制御装置１０２がクロックマスタに選択された際の時刻同期の状態を維持でき、高精度なリアルタイム制御を実現できる。

他の方法として、制御装置１０１が時刻情報を配信する際に、制御装置１０２とのクロックのずれ量を加算した時刻情報を配信しても同様の効果が得られる。

また、制御装置１０２の共通ネットワーク６００への接続が復帰した場合は、制御装置１０２をクロックマスタとして選択することで、時刻同期をずれなく継続できる。

さらに、共通ネットワーク６００から切断された制御装置は、再度接続が復帰するまでの間、保持領域６０に保持している補正後の時刻同期情報によって時計の補正を継続して、共通ネットワーク６００への接続が復帰した場合に時刻同期をずれなく継続できる。また、クロックマスタの調停に時間を要する場合にも補正後の時刻同期情報により自走することで、クロックマスタとの接続復帰時においても時刻同期をずれなく継続できる。

次に、実施例１に係る制御装置（制御システム）が共有情報を共有する処理を説明する。

図１１は、実施例１に係る制御装置（制御システム）がセンサから取得される共有データ（取得情報及び時刻同期情報）を共有する処理のフローチャートである。

ステップＳ９１にて、制御システムの動作フローが開始する。

ステップＳ９２にて、制御システムが起動する。

ステップＳ９３にて、時刻同期部３００が、他制御装置との時刻同期動作を行う。また、前述のように、クロックマスタが選択される。

ステップＳ９４にて、各制御装置が、取得したセンサ情報、及び時刻同期情報を、取得時刻と共に情報保持部３０６に格納する。

ステップＳ９５にて、各制御装置が、情報保持部３０６に格納されたセンサ情報、及び時刻同期情報を共有データ格納部３０３に格納し、共有データとして他制御装置と共有する。

そして、これらのステップが、制御周期毎に繰り返し実行される。

次に、実施例１に係る制御装置（制御システム）が制御指令を演算し、制御装置（制御システム）が制御指令を共有する処理を説明する。

図１２は、実施例１に係る制御装置（制御システム）が制御指令を演算し、制御装置（制御システム）が制御指令を共有する処理のフローチャートである。

ステップＳ１０１にて、制御システムの動作フローが開始する。

ステップＳ１０２にて、制御システムが起動する。

ステップＳ１０３にて、時刻同期部３００が、他制御装置との時刻同期動作を行う。また、前述のように、クロックマスタが選択される。

ステップＳ１０４にて、各制御装置が、共有データを共有する。なお、ステップＳ９５に対応するステップである。

ステップＳ１０４にて、演算部４０１が制御指令を演算する。

ステップＳ１０５にて、各制御装置が、演算された制御指令を共有する。

そして、これらのステップが、制御周期毎に繰り返される。

なお、制御装置間の時刻同期情報８０の共有の方法は、時刻同期プロトコルにおける時刻同期パケットのユーザ定義領域に格納する方法でもよい。

以上のように、実施例１によれば、ずれなく時刻同期を継続し、製品の品質を向上させ、精度の高い制御を実現する制御装置を提供できる。

次に、前述した制御装置を鉄鋼システムに適用した実施例を説明する。

図１３は、実施例２に係る制御装置を鉄鋼システムに適用した一例を説明する説明図である。

鉄鋼システムは、鉄鋼の熱延設備８００を、制御装置１００、制御装置１０１、制御装置１０２、制御装置１０４及び制御装置１０５が制御する。制御装置１００、制御装置１０１、制御装置１０２、制御装置１０４及び制御装置１０５は、共通ネットワーク６００に接続される端末５００によって制御される。また、共通ネットワーク６００に接続される制御装置１００、制御装置１０１、制御装置１０２、制御装置１０４及び制御装置１０５、及び端末５００は、例えば制御装置１０５をクロックマスタとして時刻同期している。

加熱炉８０１で加熱された鋼は、熱延設備８００に投入される。熱延設備８００は、粗圧延機８０２、仕上圧延機８０３、冷却設備８０４及び巻取機８０５を有する。

温度センサ７００によって取得される加熱炉８０１の温度は、フィールドネットワーク６０１を介して、制御装置１００に入力される。

制御装置１０１は、送り制御・板速度センサ部７０１を制御し、粗圧延機８０２の回転数を調整し、鋼の送り速度を検出する。

制御装置１０２は、圧延制御・板厚センサ部７０２を制御し、仕上圧延機８０３の回転数や張力を調整し、鋼の板厚を検出する。

温度センサ７０３により取得される冷却設備８０４の温度は、制御装置１０４に入力される。

制御装置１０５は、巻き取り制御・板厚センサ・板速度センサ部７０４を制御し、巻取機８０５の回転数を調整し、鋼の板厚や鋼の巻き取り速度を検出する。また、制御装置１０５は、各制御装置に対する制御指令の演算を実行する。

また、各制御装置は、前述の動作フローに従って、制御を実行する。

ここで、制御装置１０５と共通ネットワーク６００との間で接続される有線ケーブルの断線などによって制御装置１０５が他制御装置との接続が断たれた場合にも、接続を継続している他制御装置によって 安定した時刻同期を維持できる。このため、取得情報から最適な制御指令を演算でき、品質、精度の高い制御を実現できる。

次に、前述した制御装置をＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）制御システムに適用した実施例を説明する。

図１４は、実施例３に係る制御装置をＦＡシステムに適用した一例を説明する説明図である。

ＬＡＮ６２０にはサーバ５２０と、監視端末５２１と、無線ブリッジ５２２、無線ブリッジ５２３が接続される。また、制御装置１２０、１２１は、無線ブリッジ５２２に無線接続され、制御装置１２２、１２３は、無線ブリッジ５２３に無線接続される。これによって、制御装置１２０、１２１、１２２、１２３の制御を実行する。また、制御装置１２１、１２２、１２３は、制御装置１２０をクロックマスタとして時刻同期している。

制御装置１２０は、接続されるＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）７２０を制御し、制御装置１２１は、接続されるＰＬＣ７２１を制御する。また、制御装置１２２は、ＰＬＣ７２２を制御し、制御装置１２３は、ＰＬＣ７２３を制御する。

そして、ＰＬＣ７２０は、ピッキングロボット８２２を制御し、ＰＬＣ７２１は、コンベアモータ８２３及びカメラ８２１を制御し、ＰＬＣ７２２は、塗装ロボット８２４を制御し、ＰＬＣ７２３は、カメラ８２５を制御する。

ベルトコンベア８２６に搭載される製品（製造対象物）は、ＰＬＣ７２０が制御するピッキングロボット８２２によって、所定の位置・姿勢（例えば、製品の正しい向きなど）に配置される。ベルトコンベア８２６は、ＰＬＣ７２１が制御するコンベアモータ８２３により、所定の速度で移動する。ベルトコンベア８２６を移動する製品は、ＰＬＣ７２１が制御するカメラ８２１により撮影され、このカメラ８２１は、この製品が所定の位置に設置されているか否かを観測する。

ＰＬＣ７２１は、カメラ８２１で撮影された製品の画像を取得し、製品が所定の位置に設置されているか否かの検査を実行する。ＰＬＣ７２２が制御する塗装ロボット８２４は、製品の表面を塗装する。ＰＬＣ７２３が制御するカメラ８２５は、塗装された製品を撮影し、製品が正しく塗装されている否かを観察する。ＰＬＣ７２３は、カメラ８２５で撮影された製品の画像を取得し、製品が正しく塗装されている否かの検査を実行する。

そして、制御装置１２１には、カメラ８２１によるカメラ情報（センサ情報）が入力され、制御装置１２３には、カメラ８５２によるカメラ情報（センサ情報）が入力される。

そして、制御装置１２１及び制御装置１２２は、これら入力されるカメラ情報に基づいて、同一の製品に対するカメラ情報である共有データを選択し、制御装置１２０は、共有データに基づいて、ピッキングロボット８２２の制御指令を演算する。また、制御装置１２２は、共有データに基づいて、塗装ロボット８２４に対する制御指令を演算する。

なお、ピッキングロボット８２２が製品を設置し、カメラ８２１が製品を撮影し、塗装ロボット８２４が製品を塗装する。カメラ８２５が製品を撮影する時刻は、制御装置の時刻管理部３０４により管理される。

ここで、制御装置１２０と無線ブリッジ５２２の無線接続が切断された場合、実施例１で述べたように、共有メモリの時刻同期情報から、接続を維持している制御装置１２１、１２２、１２３の中から新たにクロックマスタを調停して選択する。

以上のように、実施例３によれば無線接続が切断された場合でも、時刻同期を安定して維持することができる。このため、取得情報から最適な制御指令を演算でき、品質、精度の高い制御を実現できる。

なお、実施例１の制御装置は、ＦＡシステムや鉄鋼システムの他、上下水処理システム、発電制御システム、エレベーター制御システム、鉄道制御システム、自動車制御システム、建設機械制御システムなど、種々の制御システムに使用することができる。

以上に説明したように、本実施例の制御装置は、制御装置に関する情報を送受信する通信部３０１と、通信部３０１を介して、時刻マスタ装置である制御装置から受信した時刻同期情報を格納する共有データ格納部３０３と、他の制御装置の共有データ格納部３０３への格納と同期して、自制御装置の共有データ格納部３０３へ時刻同期情報の格納を制御する同期更新部３０２と、時刻マスタ装置に対するクロックのずれ量を検出し、検出されたクロックのずれ量を共有データ格納部３０３へ格納する時刻管理部３０４と、共有データ格納部３０３に格納されたクロックのずれ量に基づいて時刻マスタ装置を選択し、他制御装置と調停し時刻マスタ装置を決定する調停部３０７とを備えるので、複数の制御装置間で共有される情報から調停して時刻同期を実現し、高精度なリアルタイム制御が継続でき、製品の品質を向上させ、精度の高い制御を実現する制御装置を提供することができる。

また、調停部３０７は、時刻マスタ装置との通信が遮断された場合に、他の前記制御装置から新たに時刻マスタ装置を選択するので、正常に稼働している制御装置を用いて時刻同期を継続できる。

また、調停部３０７は、共有データ格納部３０３に格納されたクロックのずれ量が最小の制御装置を時刻マスタ装置に選択するので、時刻補正量が小さくなり、時刻の誤差を小さくできる。

また、時刻管理部３０４は、接続している通信路の情報を共有データ格納部３０３へ格納し、調停部３０７は、格納された通信路の情報に基づいて時刻マスタ装置を選択するので、通信が安定している通信路で転送された時刻同期情報の使用によって、安定した時刻同期を実現できる。

また、調停部３０７は、元の時刻マスタ装置である制御装置との通信が復帰した場合、当該制御装置を時刻マスタ装置に選択するので、元の時刻マスタ装置に戻すことで、余計な補正を不要として、安定した時刻同期を実現できる。

また、時刻管理部３０４は、自制御装置の通信が遮断された後、再接続まで自制御装置のクロックのずれ量を加算してクロックを補正し自走するので、時刻同期が不可能になっても、システム全体として動作を継続できる。

また、共有データ格納部３０３は、所定数の制御装置から受信した時刻同期情報を格納する記憶領域を有し、クロックの差分が小さい制御装置の時刻同期情報を格納するので、時刻同期情報の記憶数を限定して、共有データ格納部３０３の記憶容量を低減できる。

また、クロックのずれ量は、時刻の差分及び時刻変化の差分であって、調停部３０７は、クロックの時刻の差分が最小の制御装置を時刻マスタ装置に選択し、制御装置は、時刻の差分及び時刻変化の差分を加算してクロックを補正するので、時刻の差分を用いる時刻同期と比較して、正確に時刻を同期できる。すなわち、時刻変化の差分を用いないと、時刻同期後に制御装置間の時刻差が大きくなるが、時刻変化の差分を用いた時刻同期によって、時刻誤差を長期間低減できる。

なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明は限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えてもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をしてもよい。

また、前述した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により、ハードウェアで実現してもよく、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納することができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、実装上必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてよい。

１、６００…共通ネットワーク、２０、２１、２２、６０１…フィールドネットワーク、１００１、１０１１、１０２１…ＣＰＵ、１００２、１０１２、１０２２…メモリ、７、１０、１２、１３…センサ、８、１１…モータ、９…アクチュエータ、１００、１０１、１０２、１０４、１０５、１２０、１２１、１２２、１２３…制御装置、１００３…通信制御部、１００４…インタフェース部、１００５…不揮発性記憶媒体、１００６…バス、１００７…入出力部、３００…時刻同期部、３０１…通信部、３０２…同期更新部、３０３…共有データ格納部、３０４…時刻管理部、３０５…入出力制御部、３０６…情報保持部、３０７…調停部、４０１…演算部、５２０…サーバ、５２１…監視端末、７００、７０３…温度センサ、７０１…送り制御・板速度センサ、７０２…圧延制御・板厚センサ、７０４…巻き取り制御・板厚センサ・板速度センサ、７２０、７２１、７２２、７２３…ＰＬＣ、８２２…ピッキングロボット、８２１…カメラ、８２３…コンベアモータ、８２４…塗装ロボット、８２５…カメラ、８２６…ベルトコンベア、８００…圧延設備、８０１…加熱炉、８０２…粗圧延機、８０３…仕上圧延機、８０４…冷却設備、８０５…巻取機。

Claims (11)

1. 被制御装置に対する制御を実行する制御システムを構成する制御装置であって、
   前記制御装置に関する情報を送受信する通信部と、
   前記通信部を介して、時刻マスタ装置である制御装置から受信した時刻同期情報を格納する共有データ格納部と、
   他の前記制御装置の共有データ格納部への格納と同期して、自制御装置の共有データ格納部へ時刻同期情報の格納を制御する同期更新部と、
   前記時刻マスタ装置に対するクロックのずれ量を検出し、前記検出されたクロックのずれ量を前記共有データ格納部へ格納する時刻管理部と、
   前記共有データ格納部に格納された前記クロックのずれ量に基づいて時刻マスタ装置を選択し、他制御装置と調停し時刻マスタ装置を決定する調停部とを備えることを特徴とする制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記調停部は、前記時刻マスタ装置との通信が遮断された場合に、他の前記制御装置から新たに時刻マスタ装置を選択することを特徴とする制御装置。
3. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記調停部は、前記共有データ格納部に格納された前記クロックのずれ量が最小の制御装置を時刻マスタ装置に選択することを特徴とする制御装置。
4. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記時刻管理部は、接続している通信路の情報を前記共有データ格納部へ格納し、
   前記調停部は、前記格納された通信路の情報に基づいて時刻マスタ装置を選択することを特徴とする制御装置。
5. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記時刻管理部は、自制御装置が時刻マスタ装置に決定された場合、自制御装置のクロックのずれ量を加算して時刻同期情報を他の前記制御装置に送信することを特徴とする制御装置。
6. 請求項２に記載の制御装置であって、
   前記調停部は、元の時刻マスタ装置である制御装置との通信が復帰した場合、当該制御装置を時刻マスタ装置に選択することを特徴とする制御装置。
7. 請求項６に記載の制御装置であって、
   前記時刻管理部は、自制御装置の通信が遮断された後、再接続まで自制御装置のクロックのずれ量を加算してクロックを補正し自走することを特徴とする制御装置。
8. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記共有データ格納部は、所定数の前記制御装置から受信した時刻同期情報を格納する記憶領域を有し、クロックの差分が小さい制御装置の時刻同期情報を格納することを特徴とする制御装置。
9. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記クロックのずれ量は、時刻の差分及び時刻変化の差分であって、
   前記調停部は、前記クロックの時刻の差分が最小の制御装置を時刻マスタ装置に選択し、
   前記制御装置は、前記時刻の差分及び前記時刻変化の差分を加算してクロックを補正することを特徴とする制御装置。
10. 被制御装置に対する制御を実行する制御システムであって、
    複数の制御装置と、前記複数の制御装置を通信可能に接続するネットワークとを備え、
    前記複数の制御装置の各々は、
    前記制御装置に関する情報を送受信する通信部と、
    前記通信部を介して、時刻マスタ装置である制御装置から受信した時刻同期情報を格納する共有データ格納部と、
    他の前記制御装置の共有データ格納部への格納と同期して、自制御装置の共有データ格納部へ時刻同期情報の格納を制御する同期更新部と、
    前記時刻マスタ装置に対するクロックの時刻変化の差分及び時刻の差分を検出し、前記検出されたクロックの差分を前記共有データ格納部へ格納する時刻管理部と、
    前記共有データ格納部に格納された前記制御装置のクロックの時刻の差分から時刻マスタ装置を選択し、他制御装置と調停し時刻マスタ装置を決定する調停部とを有することを特徴とする制御システム。
11. 被制御装置に対する制御を実行する制御システムを構成する制御装置が実行する時刻同期方法であって、
    前記制御システムは、複数の制御装置と、前記複数の制御装置を通信可能に接続するネットワークとを有し、
    前記時刻同期方法は、
    前記制御装置が、時刻マスタ装置である制御装置から受信した時刻同期情報を共有データ格納部に格納し、
    前記制御装置が、他の前記制御装置の共有データ格納部への格納と同期して、自制御装置の共有データ格納部へ時刻同期情報の格納を制御し、
    前記制御装置が、前記時刻マスタ装置に対するクロックの時刻変化の差分及び時刻の差分を検出し、前記検出されたクロックの時刻の差分を前記共有データ格納部へ格納し、
    前記制御装置が、前記共有データ格納部に格納された前記制御装置のクロックの差分から時刻マスタ装置を選択し、他制御装置と調停し時刻マスタ装置を決定することを特徴とする時刻同期方法。

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