JP4078065B2 - 複数のユニットで進行するプロセスを同期化する装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、別個のプロセッサで実行され、中央のユニットのシステムクロックに合わせて同調されるプロセスを同期化する装置および方法に関する。このような装置ないし方法は、用紙を処理する機械のさまざまなコンポーネントにおける閉じたプロセスで利用される。
【０００２】
【従来の技術】
通常、バスを介して専用のプロトコルが送られ、それによってさまざまなプロセッサが制御システムと同期化されることが、種々の装置ないし方法から公知である。このような種類のシステムは、プロセッサに時間的な負担をかけるものであり、しかも専用のハードウェアがあることを前提としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特に欧州特許出願明細書０７４７２１６Ｂ１は、角度位置信号の供給を受けなければならないさまざまなユニットを、２つのバスシステムで接続することを提案している。この場合それぞれのユニットは、一方のバスシステムによって常に最新の角度値を受け取るとともに、他方のバスシステムによって、実行されるべき切換プロセスに関する情報を受け取る。切換プロセスが作動させらられるべき角度目標値は、それぞれのユニットの記憶装置に保存されている。
【０００４】
以上の従来技術を出発点とする本発明の装置およびこれに対応する方法の目的は、簡単な手段で多数のプロセスの同期化を行うことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１および１０の特徴部に記載の構成要件によって達成される。発展例は従属請求項２から９、および１１から１８に記載されている。
【０００６】
本発明による装置は、中央のユニットが、周辺にある他のさまざまなユニットの調整を引き受けることを前提としている。このとき中央のユニットには、周辺で進行しているすべてのプロセスを同期化する役割が与えられる。そのために、中央で生成されるシステムクロックが、たとえばＣＡＮバスなどのフィールドバスの空き回線で、プロセスに関与するすべてのユニットに送られる。システムクロックの故障しやすさを低く抑えるため、ないし、このクロック信号が他の信号回線に漏れるのを防ぐため、システムクロックの周波数は比較的低く選択される。したがって、クロック信号は１つの周波数領域の中で変動するので、比較的長い距離を通してクロック信号を分配することが可能である。さらに、到着するシステムクロックから、適当なフィルタ処理によって妨害を除去することも可能である。
【０００７】
通常、周辺ユニットにおける１つのプロセスのために、システムクロックよりも速いクロックが必要になることが不可欠である。したがって、本発明による装置は、周辺ユニットで、到着するシステムクロックを必要に応じて乗算することを提案する。こうして生成されたいわゆるモジュールクロックは、所望の分解能を有しており、ないし有利には所望の分解能に合わせて調整可能である。したがって、周辺ユニットでは常に、各プロセスにとって必要なクロックが優位を占めている。
【０００８】
本発明による装置は、システムクロックによって同期化され、周辺ユニットに一体化されたクロック発振器を意図している。システムクロックによる同期化インターバルの合間には、クロック発振器は自由に作動している。周辺ユニットにおけるモジュールクロックの周波数を安定的に保つために、本発明の変形例は、モジュールクロックをクォーツで安定化することを提案する。安定化するクォーツの品質によって生じる較正されたドリフトに応じて、同期化インターバルの時間間隔を決定することができる。
【０００９】
ローカルなモジュールクロックの生成は、中央ユニットで生成されたシステムクロックがダウンしたとき、プロセスが制御不能に進行して事故につながる危険がないという利点をもたらす。無関係に進行するプロセスの同調はもはや不可能だからである。そのための対処方法としては、システムクロックの未到着が周辺ユニットのプロセッサによって認識され、次いでこのプロセッサがローカルモジュールクロックを用いて、制御下でプロセスを下降させていって停止させる。システムクロックの未到着と、プロセスの制御下での下降との間に必要な時間は非常に短いので、すでに述べたようなシステムクロックによるモジュールクロックのドリフトはさほどの問題につながらない。すなわち、さまざまな周辺ユニットで進行し、システムクロックによって互いに同期化されるすべてのプロセスは、その場で生成されるモジュールクロックによって制御下で停止させられる。
【００１０】
さらに、本発明による方法は、定期的な間隔で、たとえば１００番目のシステムクロックの後ごとに、いわゆる同期化インターバルを行うことを提案する。このプロセスにより、周辺ユニットを絶対時間に調整する時間アナウンスが、周辺ユニットに対して行われる。同期化インターバルのとき、すべての周辺ユニットは時間調整のために絶対時間、いわゆるタイムスタンプを受け取る。このような情報を分配することで、それぞれの周辺ユニットが各々のプロセスを現在進行中の機械に同調することができ、すなわち、現在進行中のプロセスが修正措置によって同期性を保つことができ、あるいはこれから開始するプロセスが正しい時点で、ないし機械の正しい角度位置でスタートすることができる。
【００１１】
さらに、すべての周辺ユニットはたとえばＣＡＮバスシステムによって、用紙を処理する機械の制御に関連する下記の値と、値の検出時点とを受け取る。
回転数ｖ（ｔ）
加速度ａ（ｔ）
最新の角度位置φ（ｔ）
場合により発振器のその他の値、たとえば給紙装置の用紙到着信号
値の検出時間が同時に通知されることで、周辺ユニットは外挿法によって、通知された値を、通知された２つの値の間のどの任意の時点にでも合わせて計算することができる。すなわち、すでに値を伝送するときの時間遅延によって、値を受け取ったときにはその値がすでに最新ではなくなっているという問題が生じている。本発明の装置ないし方法により、最新の値を常に検出することができるので、値の伝送にどれだけの時間かかるかが、ほぼ無視できるという利点が得られる。
【００１２】
これに加えて、伝送された２つの値の間で開始されたプロセスのスタート時点を、上に述べた外挿法によって正確に計算できる利点がある。たとえば周辺ユニットは値の伝送と同時に機械の最新の角度位置、たとえばφ＝２７０°、速度ｖ＝８０００回転／時間、加速度ａ＝０などを受け取る。クライアントは、角度位置がφ＝２７８°のときに事象を開始し、ないしはプロセスをスタートさせることになっていると仮定する。クライアントは受け取った値を利用して、機械がφ＝２７８°の角度位置に達するまでの時間を算出することができる。独自の時間ベースを用いて、ないしは、最後のシステムクロックを受け取ったときにこれに合わせて同期化されたモジュールクロックを用いて、行われるべき事象を開始することができ、そのために中央ユニットの時間同期した指図が行われる必要はない。このような角度依存的な事象は、どの周辺ユニットによっても開始することができ、そのために中央のインクリメンタルエンコーダとの直接のケーブル接続は必要ない。これによって、一方ではケーブル接続のコストが省かれ、また他方では、故障の起こりやすさが少なくなる。
【００１３】
いかなる理由からであれシステムクロックの時点でモータの実際値を読み込むことが不可能なときは、任意の時点でこの実際値を読み込むこともできる。次いで外挿法により、システムクロックが存在していた時点ないし存在している時点に合わせて前に戻して、または先に進ませて実際値を計算する。
【００１４】
メイン駆動装置とは別個に進行する追加駆動装置を同期制御するために、本発明による方法は次のような変形例を提案する。
【００１５】
追加駆動装置は独自の目標値設定器を備えている。この目標値設定器は、追加駆動装置に対する目標値を算出する。追加駆動装置の動力学上の要求に応じて、追加駆動装置の実際値が読み込まれ、さまざまな規則アルゴリズムによって新たな目標値が設定される走査クロックが定義される。メイン駆動装置の実際値は、（バス負荷の理由から）分散した時点で送信されるが、その頻度は追加駆動装置の走査クロックよりも低い。その都度一緒に送信される、メイン駆動装置の実際値の検出時点によって、メイン駆動装置の実際値のその後の推移を、どのような任意の時点についても追加駆動装置で計算で求めることができる（補間法／外挿法）。
【００１６】
本発明による装置または方法の付加的な用途は、互いに同期して動作するさまざまなモータが、メイン駆動装置の実際値に従ってではなく、中央のコマンド設定に合わせて制御されることにある。すなわち、中央ユニットによって、プロセスに関与するすべての駆動装置に対するコマンドが設定される。駆動装置が回転数比でたとえば半速、３分の１速、あるいは２倍速で作動している場合、周辺ユニットの目標値生成器は、相応に適合化された目標値を生成するように働く。すべてのモータ制御器が同一のアルゴリズムに従って作動することになり、モータの実際値を常に正確に同じ時点で読み込む。この時点はシステムクロックに相当する。それにより、すべてのモータが仮想的な電子波動に合わせて制御されることが達成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、２つのプロセッサ１ａと１ｂのネットワークを示している。プロセッサ１ａ，１ｂは、インターフェース２ａ，２ｂおよびこれに接続された入出力カード３ａ，３ｂおよびモータ制御カード４ａ，４ｂとともに、それぞれ１つのユニット５ａ，５ｂをなしている。プロセッサ１ａとインターフェース２ａないしプロセッサ１ｂとインターフェース２ｂなど、それぞれのローカルコンポーネントはＶＭＥバスシステム６によって相互に接続されている。インターフェース２ａにはさらにシステムクロック７がある。このシステムクロック７は、空き回線９、たとえばＣＡＮバスシステム１０によって、周辺にある入出力カード３ａおよびモータ制御カード４ａに転送される。この場合、入出力カード３ａの数またはモータ制御カード４ａの数は、問題ではない。空き回線としてＣＡＮバスシステム１０に付属する追加の回線９を介して、ユニット５ｂのインターフェース２ｂにシステムクロックが転送される。インターフェース２ｂには、たとえばフィルタまたは増幅器を含んでいるシステムクロック前処理部８がある。システムクロック７は、インターフェース２aから、ユニット５ｂに帰属する入出力カード３ｂやモータ制御カード４ｂにも、回線９によって伝えられる。クライアントとも呼ばれる入出力カード３ｂないしモータ制御カード４ｂは、用途が定義されていないクライアント１６ａ，１６ｂによって拡張することができる。同様に、ユニット５ａ，５ｂごとのインターフェース２ａ，２ｂの数も、本実施形態で示しているよりも多くてよい。システムクロック７，８は、さらにローカルのＶＭＥバスシステム６ａ，６ｂを介して、ユニット５ａ，５ｂに属しているすべてのローカルコンポーネント１ａ，１ｂないし２ａ，２ｂに提供される。別のユニット５ｎも回線９を介してシステムクロック７に接続可能である。
【００１９】
入出力カード３ａ，３ｂおよびおよびモータ制御カード４ａ，４ｂでは、システムクロック７が提供するよりも精密な時間分解能を必要とする役割が遂行される。したがって、これらのカード３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂには追加の乗算ユニット１１が必要である。乗算ユニット１１は、必要な条件に応じて分解能を乗算する役割を有している。このことは、たとえば図２に示す実施形態で行うことができる。
【００２０】
図２は、さまざまな入出力カード３ａ，３ｂおよびモータ制御カード４ａ，４ｂにある乗算ユニット１１のブロック図を示している。周波数発振器１２では、たとえば１ＭＨｚの周波数をもつクロックが生成される。周波数の安定化のため、これにクォーツ１３が付属している。周波数発振器１２にはカウンタ１４が接続されている。システムクロック７で、カウンタ１４がスタートまたはリセットされる。システムクロック７がたとえば１ｋＨｚのクロック周波数を有している場合、カウンタ１４はシステムクロック７の周期の範囲内で０から９９９までカウントを行い、この動作を常時繰り返している。厳密に言えばこのことは、周波数発振器１２のパルスがシステムクロック７と同期している場合には、このパルスがいわば通過スイッチングでつながれることを意味している。周波数発振器１２のパルスとシステムクロック７が正確に同期していない場合、このことは、カウンタ１４が早期にリセットされた場合には１０００個のパルスのうち最後のパルスが若干短くなったり、あるいは、カウンタ１４がカウント動作を９９９で止めるので最後のパルスが若干長く延びることにつながる。出力部では、同期化されたモジュールクロック１５が、入出力カード３ａ、３ｂないしモータ制御カード４ａ，４ｂに提供される。
【００２１】
図３（ａ）から図３（ｅ）には、システムクロック７（図３（ａ））と、カウンタ１４のランプ関数（図３（ｂ））と、モジュールクロック１５の精密分解能（図３（ｃ），（ｄ），（ｅ））とを示す複数のグラフが示されている。図３（ａ）のグラフはシステムサイクル７を示しており、図３（ｂ）のグラフによれば、カウンタ１４のランプ関数は常にシステムクロック７の立下りエッジ３０でスタートしている。すでに上に述べたように、カウンタ１４は、システムクロック７の立下りエッジ３０どうしの間に位置する周期の範囲内で、０から９９９までカウントする。ランプ関数３３，３４，３５は、図３（ｃ），（ｄ），（ｅ）のグラフによって説明することのできる異なる挙動を示している。たとえば図３（ｃ）を見ると、最後のカウントパルス９９９が先行するパルスよりも短いことがわかる。このことは、モジュールクロック１５の周波数が、システムクロック７の１０００倍よりもわずかに遅いことで説明できる。すると９９９番目のカウントパルスがシステムクロック７によって修正され、それによって同期化が行われる。
【００２２】
図３（ｄ）のグラフは、システムクロック７に対するモジュールクロック１５が、システムクロック７の１０００倍よりもわずかに速い場合を示している。カウンタ１４が９９９のときにカウンタ水準をそれ以上増やさないことによって、最後のカウントパルス（９９９）は、システムクロック７の立下りエッジ３０によってカウンタのリセットが行われるまで、そのままの状態にとどまる。こうして同じく修正ないし同期化が行われる。図３（ｅ）のグラフはさらに別の変形例を示している。カウンタ水準９９９に達した後、たとえばシステムクロック７が故障しているためにカウンタ１４がシステムクロック７でリセットされず、所定のタイムスロット３６を過えたことに基づいてカウンタ１４のリセットが行われる。このタイムスロット３６は、所定のカウンタ水準（たとえば９９０）のときにスタートし、カウンタ水準９９９に達してからたとえば１０μｓ後に終わる。それによってモジュールクロック１５の強制的なリセットが行われ、このことは同時に、モジュールクロック１５によって刻時されているプロセスが、システムクロックの最初の未到着の時点を起点として、制御によって停止させられるという結果をもたらす。
【００２３】
タイムスロット３６の働きはフィルタリングにも匹敵する。たとえばＡＮＤゲートによって、タイムスロット３６とシステムクロック７の結合が得られ、それにより、システムクロック７の直通がタイムスロット３６の範囲内でのみ可能となる。システムクロック７の回線に生じる障害信号は、タイムスロット３６の範囲外では無視される。
【００２４】
図４は、システムクロック７の一部の推移に関するタイムチャートを示している。システムクロック７のクロック周波数はたとえば１ｋＨｚであり、不均一なクロック比を有している。立下りエッジ３０の後、早くもたとえば５０μｓ後には立上りエッジ３１が現われる。それにより、クライアント３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂが立下りエッジ３０のたとえば５５０μｓ後に、通常のケースではシステムクロック７のハイ状態に位置する測定サイクル３２をスタートできるという利点が得られる。測定サイクル３２のスタートと同時に、クライアント３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂは、次のシステムクロック７がいつ来るかを認識することに注意を向ける。１００ｍｓごとに、すなわち１００番目のシステムクロック７の後ごとに、いわゆるタイムアナウンス３７が行われる。このタイムアナウンス３７は、立下りエッジ３０の５５０μｓ後にシステムクロック７のハイ状態が支配的でないことによって認識される。それによってクライアント３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂは、それがタイムアナウンス３７の予告であることを認識する。このようなタイムアナウンス３７により、それぞれのクライアント３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂは、機械がオンされてから経過した時間（絶対時間）に関する正確な報告を受け取る。その利点は、後からオンされたクライアント、すなわち機械がすでに作動している間オンされたクライアントに、機械の絶対時間を常に知らせることにある。するとそれぞれのクライアント３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂは絶対時間を基準とする事象を実行することができ、そのために中央ユニット５ａからコマンドを受け取らなくてもよい。
【００２５】
図５は、２つのモータを制御するためのブロック図を示している。図５は図１に比べて、モータ制御カード４ａ，４ｂにそれぞれモータ２０ａ，２０ｂとエンコーダ２１ａ，２１ｂが付け加えられて拡張されている。さらに、インターフェース２ａには、機械の操作者によって行うことのできる入力のための入力装置２２が追加されている。モータ２０ａは、たとえば印刷機の各胴の回転運動を担当するメインモータであるとする。このモータ２０ａは次のように制御される：
入力装置２２によって、機械の操作者が回転数の値を入力する。この値はＣＡＮバスシステム１０ａを介してモータ制御カード４ａに供給され、モータ制御カード４ａはこれに基づいてモータ２０ａに対する制御値（電流目標値）を求めて設定する。モータ２０ａには、モータ２０ａのモータ軸に直接設置されているか、またはモータ２０ａによって駆動される伝動装置ないし歯車列の適切な部位に設置されるエンコーダ２１ａがある。エンコーダ２１ａのパルスは、モータ制御カード４ａによって読み込まれる。この読み込みプロセスは、常にシステムクロック７の時点で行われる。モータ制御カード４ａではこのパルスに基づいてモータ２０ａの回転数、加速度、および角度位置が算出される。これらの算出された値は、一方ではモータ２０ａの制御に利用され、他方では、これらの値は必ず検出時点と一緒に他のすべてのクライアント３ａ，ｂ，４ｂに通知される。検出時点が一緒に供給されることによって、データが迅速に伝送されるかどうか、データが特定の時点で伝送されるかどうか、あるいはすべてのクライアントがデータを同時に伝送されるかどうかは問題でなくなる。
【００２６】
たとえばプロセッサ２ｂによって、モータ２０ｂをモータ２０ａに同期して作動させる役割を与えられているモータ制御カード４ｂも、これらの値を受け取る。このような役割は、モータ制御カード４ｂの中で、いわゆるコマンド解釈器によって実行される。モータ制御カード４ｂは一定間隔で、モータ２０ａの回転数、加速度、および角度位置の値が伝送される。そしてこれらの値から、各自のモータ２０ｂに対する目標値を算出する。
【００２７】
検出時点の相応の報告を含む、モータ２０ａの回転数、加速度、および角度位置の値の２回の伝送の時間的間隔は、２つのモータ２０ａと２０ｂの同期を維持するのには長すぎるかもしれないので、その間の時間に補間が行われる。この補間はモータ制御カード４ｂで行われ、こうして補間された値を用いてモータ２０ｂに対する目標値が算出される。
【００２８】
さらに、モータ制御カード４ｂには、図２に示すモジュールクロック１５を生成するための乗算ユニット１１がある。モジュールクロック１５の分解能は、モータ制御カード４ｂで行なわれている処理（モータ２０ａの動作の補間、エンコーダ２１ｂのパルスの読み込み、エンコーダ２１ｂのパルスに基づくモータ２０ｂの実際値の計算、モータ２１ｂに対する新たな目標値の算出など）が、すべて時間が最適になるように考慮されるように設定されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】さまざまなプロセスのネットワークのブロック図である。
【図２】乗算ユニットに関するブロック図である。
【図３】図３（ａ）はシステムクロックの時間グラフ、図３（ｂ）はカウントプロセスの時間グラフ、図３（ｃ）、図３（ｄ）、図３（ｅ）はモジュールクロックの精密分解能の時間グラフである。
【図４】システムクロックの推移に関する時間グラフである。
【図５】図１に追加のモータ制御部を加えた図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ プロセッサ
２ａ、２ｂ インターフェース
３ａ、３ｂ 入出力カード
４ａ、４ｂ データ制御カード
５ａ、５ｂ 装置
５ｎ 他の装置
６ ＶＭＥバスシステム
７ システムクロック
８ システムクロック前処理部
９ 空き回線
１０ ＣＡＮバスシステム
１１ 乗算ユニット
１２ 周波数発振器
１３ クオーツ
１４ カウンタ
１５ モジュールクロック
１６ａ、１６ｂ クライアント
２０ａ、２０ｂ モータ
２１ａ、２１ｂ エンコーダ
２２ 入力装置
３０ 立下りエッジ
３１ 立上りエッジ
３２ 測定サイクル
３３、３４、３５ ランプ関数
３６ タイムスロット
３７ タイムアナウンス

Claims (18)

1. 中央ユニットが、モータ制御カードを含む他のユニットとフィールドバスを介して接続され、前記中央ユニットがシステムクロックを生成する装置を有しており、前記他のユニットにシステムクロックを分配するためにフィールドバスの空き回線が設けられており、前記他のユニットにはシステムクロックを乗算する装置が設けられている、用紙を処理する機械における、複数のユニットで進行するプロセスを同期化する装置において、
   前記システムクロックの未到着が他のユニットのプロセッサによって認識され、該プロセッサは次いでプロセスをローカルなモジュールクロックを用いて制御下で停止させることを特徴とする、複数のユニットで進行するプロセスを同期化する装置。
2. システムクロックとともに、回転数ｎ、加速度ａ、角度位置φ、および場合により機械のその他の値を検出可能である、請求項１記載の装置。
3. 回転数ｎ、加速度ａ、角度位置φ、および場合により機械のその他の値などの検出された値を、バスシステムによって前記他のユニットに供給可能である、請求項２記載の装置。
4. 前記乗算ユニットがフィルタ装置を有している、請求項１記載の装置。
5. 前記乗算ユニットが、絶対時間アナウンスを認識する装置を有している、請求項１記載の装置。
6. 前記乗算ユニットがクォーツで安定化された周波数発振器を有している、請求項１記載の装置。
7. 前記乗算ユニットが、他のユニットで行われているプロセスのためのモジュールクロックを生成する、請求項２記載の装置。
8. モジュールクロックが、他のユニットで行われているプロセスに応じて調整可能である、請求項３記載の装置。
9. システムクロックを分配するためのバスシステムがローカルバスシステムである、請求項１記載の装置。
10. 中央ユニットで生成されるシステムクロックと、モータ制御カードを含む他のユニットで生成されるモジュールクロックとを備え、前記中央ユニットで生成されるシステムクロックが、他のユニットで生成されるモジュールクロックを同期化するために用いられる、用紙を処理する機械における、中央ユニットと他のユニットで進行するプロセスを同期化する方法において、
    前記システムクロックの未到着が他のユニットのプロセッサによって認識され、該プロセッサは次いでプロセスをローカルなモジュールクロックを用いて制御下で停止させることを特徴とする、中央ユニットと他のユニットで進行するプロセスを同期化する方法。
11. 絶対時間に合わせた前記他のユニットの同期化が定期的な間隔で行われる、請求項１０記載の方法。
12. 加入しているユニットの中に存在するモジュールクロックが、そこで行われているプロセスのために利用される、請求項１０記載の方法。
13. システムクロックがダウンすると、加入している他のユニットによって主導されているプロセスがモジュールクロックによって導かれながら停止させられる、請求項１０記載の方法。
14. モジュールクロックの周波数が、そこで進行している処理に応じて調整される、請求項１０記載の方法。
15. 回転数ｎ、加速度ａ、角度位置φ、および場合により機械のその他の値が、システムクロックと同時に検出される、請求項１０記載の方法。
16. 回転数ｎ、加速度ａ、角度位置φ、および場合により機械のその他の値が、検出時点と一緒に前記他のユニットに転送される、請求項１０記載の方法。
17. 回転数ｎ、加速度ａ、角度位置φ、および場合により機械のその他の値が、中央ユニットによって伝送されてから次の最新の値が伝送されるまでの間、加入しているユニットの計算モジュールによって算出される、請求項１０記載の方法。
18. 所定数の分割されたシステムクロックの後、中央の計算機ユニットから、加入している計算機ユニットに絶対時間が伝送される、請求項１０記載の方法。

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