JP2590208B2

JP2590208B2 - デジタル制御装置の制御方法

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Publication number: JP2590208B2
Application number: JP15816788A
Authority: JP
Inventors: 隆村越
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1988-06-28
Publication date: 1997-03-12
Anticipated expiration: 2012-03-12
Also published as: JPH028906A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、演算制御装置と入出力制御装置からなり、
データ入力処理、演算処理、および、データ出力処理を
一定周期で繰返し行なうデジタル制御装置の制御方法に
関する。

（従来の技術）例えば、工業プラントの監視装置などのデジタル制御
装置の高速化方法としては、中央処理部の高速化、メモ
リアクセス時間の短縮、データ伝送速度の高速化など、
主としてのハードウェアの性能を向上するものと、デジ
タル制御装置に必要な各種機能を専用装置に分散し、各
層値を有機的に結合することでハードウェアおよびソフ
トウェアの両面から高速化を実現しようとするものの２
つがある。

第４図および第５図は、後者の方法によるデジタル制
御装置の高速化の一例を示している。この場合、演算処
理機能とデータ入出力機能を別々の装置で実現してい
る。

第４図において、デジタル制御装置DPは、例えば、プ
ラント制御・監視のための演算処理を実行する演算制御
装置CUと、プラント（図示略）の各部の状態をあらわす
プロセスデータを入力するとともに演算制御装置CUの演
算結果を対応する要素に出力するための多数の入出力制
御装置IO₁〜IC_nから構成されており、演算制御装置CU
と、おのおのの入出力制御装置IO₁〜IO_nは、それぞれシ
ステムバスSB₁〜SB_nを介してデータのやりとりが行なわ
れている。

第５図において、演算制御装置CUは、マイクロプロセ
ッサ、タイマ、メモリなどからなり、デジタルコントロ
ーラの各種演算処理を実行する演算制御部CPUと、入出
力制御装置IO₁〜IO_nとシステムバスSB₁〜SB_nを介してデ
ータをやりとりするためのシステムバス伝送制御部SBC₁
〜SBC_nからなり、おのおののシステムバス伝送制御部SB
C₁〜SBC_nには、データ伝送用のバッファメモリを備えて
いる。また、演算制御部CPUとシステムバス伝送制御部S
BC₁〜SBC_nとは、内部バスIBを介して接続されている。

入出力制御装置IO₁は、プラント（図示略）からのプ
ロセスデータを入力するための多数の入力モデュールIM
（IM₁,IM₂,…）、プラントに種々の制御信号等を出力す
るための多数の出力モデュールOM（OM₁〜OM_m）、およ
び、マイクロプロセッサ、タイマ、メモリ、伝送コント
ローラなどからなり、入力モデュールIMおよび出力モデ
ュールOMとシステムバスSB₁との間のデータのやりとり
を制御するためのインタフェース制御部IFCからなる。
また、インタフェース制御部IFCと入力モデュールIMお
よび出力モデュールOMとは、入出力バスLBを介して接続
されている。

また、他の入出力制御装置IO₂〜IO_nも、入出力制御装
置IO₁と同様に構成されている。

第６図は、このようなデジタル制御装置DPの動作の従
来例を示している。

時刻t₀で起動されると、演算制御装置CUおよび入出力
制御装置IO₁〜IO_nは、おのおのの内部状態を初期化する
ためのイニシャライズ処理を実行する。

このイニシャライズ処理を終了すると、演算制御装置
CUは、入出力制御装置IO₁〜IO_nからのプロセスデータを
入力する入力処理、入力データに基づく所定の制御動作
を実行する演算処理、演算結果を入出力制御装置IO₁〜I
O_nに出力する出力処理からなる一連の制御動作を、入出
力周期T₁で繰返し実行する。

一方、入出力制御装置IO₁〜IO_nは、演算制御装置CUか
ら入力データ送信要求IPが通知されると、その時点で内
部に蓄積している入力データIDをシステムバスSB₁〜SB_n
を介して演算制御装置CUに転送し、また、演算制御装置
CUから出力データODが送信されてくると、その出力デー
タODを取り込んで一定のタイミングで出力モデュールOM
よりプラントに出力する。また、そのデータ出力を終了
すると、入力モデュールIMより次に演算制御装置CUに出
力するデータを取り込んで蓄積する。

ただし、イニシャライズ処理終了後に演算制御装置CU
より入力データ送信要求IPが通知されたとき、入出力制
御装置IO₁〜IO_nは、その時点で入力モデュールIMよりプ
ロセスデータを入力し、その入力データを処理入力デー
タID_iとして演算制御装置CUに出力する。なお、１回目
の入出力周期T₁が終了したのちに演算制御装置CUから入
力データ送信要求IPが通知されたときにも、この初期入
力データID_iが入力データとして演算制御装置CUに出力
されている。

このようにして、入出力制御装置IO₁〜IO_nは、演算制
御装置CUより入力データ送信要求IPが通知されると、演
算制御装置CUの演算処理に必要なデータを演算制御装置
CUに出力し、また、演算処理結果である出力データを対
応するプラントの各部に出力している。

また、入出力制御装置IO₁〜IO_nのプラントに対するデ
ータ入出力動作は、演算制御装置CUが演算処理を実行し
ているときに平行して行なわれるので、演算制御装置CU
がプラントに対するデータ入出力動作を行なう場合に比
べて、デジタル制御装置DPの処理時間が短縮され、デジ
タル制御装置DPの処理を高速化することができる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような従来方法では、次のような
不都合を生じていた。

すなわち、機能分散化されている演算制御装置CUと入
出力制御装置IO₁〜IO_nの動作を同期する必要があるが、
入出力制御装置IO₁〜IO_nが演算制御装置CUの処理周期を
知ることができず、演算制御装置CUからの入力データ送
信要求IPの出旅タイミングを事前に知ることができない
ので、演算制御装置CUからの出力データODの出力タイミ
ングを基準とし、その出力データODをプラントに出力し
たあとにプラントよりデータを入力し、その入力データ
を次の処理サイクルに使用している。

このために、入出力制御装置IO₁〜IO_nがデータを入力
してから、その入力データが演算制御装置CUの演算処理
に使用されるまでの入力応答時間T₂、すなわち、演算処
理装置CUの入力処理に要する時間T₁₁、出力処理に要す
る時間T₁₂、および、データ入力から出力処理の開始ま
での時間T₁₃の総和は、とくに時間T₁₃が長くなるために
比較的長い時間になり、その結果、デジタル制御装置DP
の応答性があまりよくないという不都合を生じていた。

そこで、本発明は、このような従来技術の課題を解決
し、システムの応答性を向上できるデジタル制御装置の
制御方法を提供することを目的としている。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明では、起動時、演算制御装置は入出力制御装置
に処理周期を通知し、入出力制御装置は、一定入力間隔
でデータを入力して、処理周期ごとに最終入力時のデー
タを演算制御装置に出力するようにしたものである。

（作用）したがって、入出力制御装置が、演算制御装置の処理
周期を知ることができるので、最新の入力データを演算
制御装置に送信することができ、その結果、デジタル制
御装置の応答性が大幅に向上する。

（実施例）以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を詳
細に説明する。

第１図および第２図は、デジタル制御装置を構成する
演算制御装置の演算制御部、および、多数の入出力制御
装置のインタフェース制御部の処理例をそれぞれ示して
いる。なお、この実施例では、第４図および第５図と同
一構成のデジタル制御装置を用いており、以下の説明に
おいては、第４図および第５図と同一の符号を用いる。

第１図に示すように、演算制御装置CUの演算制御部CP
Uは、起動されると、まず、入出力周期T₁₀を管理するた
めの入出力周期計時タイマやシステムバス伝送制御部SB
C₁〜SBC_nの内部状態など、内部の各要素の状態を初期設
定するイニシャライズ処理を実行したのち（処理10
1）、入出力周期T₁₀をシステムバス伝送制御部SBC₁〜SB
C_nに送信データとしてセットし（処理102）、システム
バス伝送制御部SBC₁〜SBC_nにデータ送信を開始させる
（処理103）。

これによって、システムバス伝送制御部SBC₁〜SBC_nか
ら入出力処理制御装置IO₁〜IO_nに、それぞれ入出力周期
T₁₀が通知される。

ここで、入出力周期T₁₀は、演算制御部CPUが実行する
入力処理に要する時間T₁₁、出力処理に要する時間T₁₂、
および、演算処理に要する時間の最大値T₁₅の総和であ
り、例えば、監視員が操作入力することであらかじめ演
算制御装置CUに設定されている。

次に、システムバス伝送制御部SBC₁〜SBC_nのステータ
スを監視することで、初期入力データが入出力処理制御
装置IO₁〜IO_nから送信されてシステムバス伝送制御部SB
C₁〜SBC_nに受信されるまで待ち（判断104のNOルー
プ）、その受信を完了すると、入出力周期計時タイマに
入出力周期T₁₀をセットして起動する（処理105）。

そして、出力処理に要する時間T₁₂を待ち（処理10
6）、その時点でシステムバス伝送制御部SBC₁〜SBC_nの
受信バッファに蓄積されている初期入力データを取り込
む（処理107）。

このようにして入力した入力データに基づき、プラン
ト（図示略）の監視・制御などに関する各種の演算処理
を実行し（処理108）、その演算処理を終了した時点
で、入出力周期T₁₀の終了を待つために入出力周期計時
タイマがタイムオーバするまで待つ（判断109のNOルー
プ）。

入出力周期T₁₀を終了すると、次の入出力周期T₁₀の終
了を監視するために入出力周期計時タイマに入出力周期
T₁₀をセットして起動し（処理110）、処理108で得た演
算結果に対応して、各システムバス伝送制御部SBC₁〜SB
C_nの送信データを更新し（処理111）、システムバス伝
送制御部SBC₁〜SBC_nの送信動作を起動する（処理11
2）。

そして、演算制御部CPUは、入出力処理制御装置IO₁〜
IO_nから送信されて、その時点でシステムバス伝送制御
部SBC₁〜SBC_nに蓄積されている入力データを取り込み
（処理113）、処理108に戻ってその入力データを用いた
演算処理を実行する。

それ以降、演算制御部CPUは、処理108から処理113ま
での処理動作を繰返し行なう。

このようにして、演算制御装置CUは、起動時に入出力
周期T₁₀を入出力処理制御装置IO₁〜IO_nに通知したのち
に最初の入力データが得られるまで待ち、その初期入力
データの取り込みを終了すると、初期入力データを用い
た演算処理を実行し、初期入力データを得てから入出力
周期T₁₀が終了するまで待つ。

そして、それ以降は、演算処理によって得た出力デー
タの入出力処理制御装置IO₁〜IO_nへの出力、入出力処理
制御装置IO₁〜IO_nからの入力データの取り込み、およ
び、入力データに基づく演算処理を、入出力周期T₁₀の
周期で繰返し実行する。

また、演算処理に要した時間が時間T₁₅よりも短い場
合には、演算処理を終了した時点でその時間T₁₅との時
間差を待ち、それぞれの処理の開始間隔が入出力周期T
₁₀に一致するように同期合わせしている。

第２図に示すように、入出力制御装置IO₁（〜IO_n）の
インタフェース制御部IFCは、起動されると、まず、入
出力周期T₁₀を管理するための入出力周期計時タイマ、
および、入力モデュールIMや出力モデュールOMの内部状
態など、内部の各要素の状態を初期設定するイニシャラ
イズ処理を実行したのち（処理201）、演算制御装置CU
のシステムバス伝送制御部SBC₁から入出力周期T₁₀が送
信されるのを待つ（判断202のNOループ）。

入出力周期T₁₀を入力すると、これを保存し（処理20
3）、入力モデュールIMを作動してその時点でのプラン
トからのプロセスデータを入力して送信バッファに蓄積
する（処理204）。

次に、入出力周期計時タイマに入出力周期T₁₀をセッ
トして起動し（処理205）、そのときに送信バッファに
蓄積されているプロセスデータを初期入力データとし
て、演算制御装置CUに転送する（処理206）。

これにより、起動時のプラントの状態をあらわす初期
入力データが演算制御装置CUに入力される。

このようにして、初期入力データの送信を完了する
と、インタフェース制御部IFCは、入出力周期計時タイ
マがオーバフローするまでの間、入力モデュールOMから
入力されるプロセスデータを送信バッファに取り込み、
それを一定のタイミングで繰返し行なって、常に送信バ
ッファの内容を最新のものに更新している（判断207、
処理208の処理ループ）。

そして、入出力周期計時タイマがオーバフローして判
断207の結果がYESになると、次の入出力周期T₁₀の終了
を監視するために入出力周期計時タイマに入出力周期T
₁₀をセットして起動し（処理209）、インタフェース制
御部IFCは、そのときに送信バッファに蓄積されている
最新の入力データを、入力データとして演算制御装置CU
に出力する（処理210）。

次に、演算制御装置CUから出力データの受信を完了す
るまで待ち（判断211のNOループ）、出力データの受信
を完了すると、その出力データを対応する出力モデュー
ルOMにそれぞれ割り当てておのおのの出力モデュールOM
に出力動作を実行させ、それによって、演算制御装置CU
からの出力データを対応したプラントの要素に出力する
（処理212）。

このようにして、データ出力を終了すると、入力モデ
ュールIMを作動してその時点でのプラントからのプロセ
スデータを入力して送信バッファに蓄積し（処理21
3）、その時点で入出力周期計時タイマがオーバフロー
しているかどうかを調べ（判断214）、判断214の結果が
YESになるまでの間、一定の入力モデュールOMから入力
されるプロセスデータを送信バッファに取り込み、それ
を一定のタイミングで繰返し行なって、常に送信バッフ
ァの内容を最新のものに更新する（処理215）。

そして、入出力周期計時タイマがオーバフローして判
断214の結果がYESになると、次の入出力周期T₁₀の終了
を監視するために入出力周期計時タイマに入出力周期T
₁₀をセットして起動し（処理216）、インタフェース制
御部IFCは、そのときに送信バッファに蓄積されている
最新の入力データを入力データとして演算制御装置CUに
出力し（処理217、判断211に戻って、次の処理サイクル
が開始されるのを待つ。

このようにして、入出力制御装置IO₁（IO_n）は、演算
制御装置CUから入出力周期T₁₀が通知されると、プロセ
スデータを初期化し、入出力周期計時タイマに入出力周
期T₁₀をセットして起動したのちに初期入力データ演算
制御装置CUに送信する。

そして、入出力周期T₁₀を経過すると、入出力周期計
時タイマを再起動するとともに、その直前に入力してい
るプロセスデータを入力データとして演算制御装置CUに
出力する。

これにより、演算制御装置CUの演算処理が終了して出
力データが出力されてくるのを待ち、出力データを受入
すると、対応するプラントの要素にその出力データを出
力する。

それ以降は、入出力周期T₁₀を通過するたびに、その
直前に取り込んだプロセスデータを入力データとして演
算制御装置CUに送信し、演算制御装置CUからの出力デー
タを待ってそれを対応するプラント要素に出力し、プロ
セスデータを入力するという動作を繰返し行なう。

したがって、演算制御装置CUと入出力制御装置IO
₁（〜IO_n）は、第３図に示すように、入出力制御装置IO
₁（〜IO_n）が主導権をもっている状態で、相互に同期し
ながら動作する。

すなわち、時刻t₀でこのデジタル制御装置DPが起動さ
れると、演算制御装置CUおよび入出力制御装置IO₁〜IO_n
は、おのおのの内部状態を初期化するためのイニシャラ
イズ処理を実行する。

このイニシャライズ処理を終了すると、演算制御装置
CUは、入出力周期T₁₀をあらわす周期データDTを入出力
制御装置IO₁〜IO_nに出力して、入出力制御装置IO₁〜IO_n
に入出力周期T₁₀を通知する。

これにより、入出力制御装置IO₁〜IO_nは、その時点で
のプロセスデータを入力し、それを初期入力データID_i
として演算制御装置CUに出力し、その直後に入出力周期
計時タイマに入出力周期T₁₀をセットして起動する。

一方、演算制御装置CUでは、システムバス伝送制御部
SBC₁〜SBC_nが初期入力データID_iを受信完了するまで待
っており、初期入力データID_iを受信完了すると、入出
力周期計時タイマに入出力周期T₁₀をセットして起動す
るとともに、その時点から、出力処理の時間T₁₂を待つ
同期合わせを行なったのちに、受信した初期入力データ
ID_iを演算制御部CPUの内部に取り込む。

そして、演算制御部CPUの演算処理を終了すると、入
出力周期計時タイマがオーバフローするまで待ち、入出
力周期計時タイマに入出力周期T₁₀をセットして再起動
した直後に、演算処理により得た出力データODを、シス
テムバス伝送制御部SBC₁〜SBC_nを介して入出力制御装置
IO₁〜IO_nに出力する。

ここで、入出力制御装置IO₁〜IO_nにおいては、演算処
理部CPUの演算処理期間が終了する前の時点で入出力周
期計時タイマがオーバフローし、その直前に入力した入
力データを入力データIDとして演算制御装置CUに出力し
ている。したがって、演算処理部CPUの演算処理期間が
終了する直前に、次の処理サイクルで使用する入力デー
タIDがシステムバス伝送制御部SBC₁〜SBC_nに蓄積され
る。なお、入出力周期計時タイマは、オーバフロー直後
に再起動される。

その結果、演算制御部CPUは、演算処理期間が終了
し、その演算処理で得られた出力データを入出力制御装
置IO₁〜IO_nに送信終了すると、その直後に、次のサイク
ルの演算処理で使用する入力データIDを入力することが
できる。

このようにして、演算制御装置CUが行なう一連の入力
処理、演算処理および出力処理と、入出力制御装置IO₁
〜IO_nのデータ入力処理およびデータ出力処理は、入出
力周期計時タイマの機能により、完全に同期して行なわ
れ、かつ、演算制御装置CUと入出力制御装置IO₁〜IO_nが
完全に平行して行なわれる。

経時的にみると、入出力制御装置IO₁〜IO_nから演算制
御装置CUのシステムバス伝送制御部SBC₁〜SBC_nに対する
データ入力処理、システムバス伝送制御部SBC₁〜SBC_nか
ら入出力制御装置IO₁〜IO_nに対するデータ出力処理、シ
ステムバス伝送制御部SBC₁〜SBC_nから演算制御部CPUへ
の入力データの取り込み、および、演算制御部CPUの演
算処理の順に、演算制御装置CUと入出力制御装置IO₁〜I
O_nの処理が経過し、演算制御装置CUと入出力制御装置IO
₁〜IO_nの間におけるデータのやりとり、および、演算制
御装置CUと入出力制御装置IO₁〜IO_nの内部処理が円滑に
行なわれている。

さて、入出力制御装置IO₁〜IO_nでデータが入力されて
から、演算制御部CPUがそのデータを演算処理に使用す
るまでの入力応答時間T₂₀を考えると、この入力応答時
間T₂₀は、演算制御部CPUの入力処理に要する時間T₁₁、
出力処理に要する時間T₁₂、および、入出力制御装置IO₁
〜IO_nがデータを入力してから演算処理部CPUの演算処理
期間が終了するまでの時間T₁₄の総和になる。

このとき、時間T₁₄は、従来技術における時間T₁₃に比
べて大幅に短いので、入力応答時間T₂₀は、従来技術に
おける入力応答時間T₂に比べて大幅に短縮される。

これにより、本実施例では、入力応答時間T₂₀を大幅
に改善することができる。

以上のように、本実施例では、入出力制御装置が演算
制御装置に対して動作タイミングを規定しているので、
入出力制御装置でプロセスデータのサンプリングタイミ
ングを設定でき、それによって、プロセスデータを入力
してから演算処理で使用されるまでの入力応答時間を大
幅に改善することができた。

なお、上述した実施例では、工業プラントを運転・監
視するデジタル制御装置に本発明を適用しているが、本
発明の適用範囲はこれに限ることはない。

［発明の効果］以上のように、本発明によれば、起動時、演算制御装
置は入出力制御装置に処理周期を通知し、入出力制御装
置は、一定入力間隔でデータを入力して、処理周期ごと
に最終入力時のデータを演算制御装置に出力しているの
で、入出力制御装置は演算制御装置の処理周期を知るこ
とができ、それによって、最新の入力データを演算制御
装置に送信することができるためにデジタル制御装置の
応答性が大幅に向上するという効果を得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる演算制御部の処理例
を示すフローチャート、第２図は本発明の一実施例にか
かるインタフェース制御部の処理例を示すフローチャー
ト、第３図は本発明の一実施例にかかる演算制御装置と
入出力制御装置の動作を説明するためのタイミング図、
第４図はデジタル制御装置の一例を示すブロック図、第
５図は演算制御装置および入出力制御装置の一例を示す
ブロック図、第６図はデジタル制御装置の動作の従来例
を示すタイミング図である。 CU……演算制御装置、IO₁〜IO_n……入出力制御装置、CP
U……演算制御部、SBC₁〜SBC_n……システムバス伝送制
御部、IFC……インタフェース制御部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】演算制御装置と入出力制御装置からなり、
演算制御装置は、入出力制御装置よりデータを入力する
入力処理、入力データを処理する演算処理、および、こ
の演算処理により得られた出力データを入出力制御装置
に出力する出力処理を一定周期で順次繰返し行なうデジ
タル制御装置の制御方法において、起動時、演算制御装
置は入出力制御装置に処理周期を通知し、入出力制御装
置は、一定入力間隔でデータを入力して、処理周期ごと
に最終入力時のデータを演算制御装置に出力する一方、
演算制御装置は、それにより入力した入力データを用い
て演算処理を行なうことを特徴とするデジタル制御装置
の制御方法。