JP4247157B2 - プロセス制御装置 - Google Patents

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本発明は工業プラント等の制御を行うプロセス制御装置に関し、更に詳しくは、プロセス制御装置において、データバスを介して或る回路ボードから他の回路ボード上の共有メモリに読み書きのアクセスを行う際の異常を検出する異常検知装置に関する。
プロセス制御装置では、例えば、プラグインケースに設けられた複数の回路ボードスロットにシステムコントローラ、入出力モジュールなどの機能を有する複数の回路ボードが挿設され、各回路ボードはそのケースの背面側(又はマザーボードなど)に配設されたデータバスなどの信号線を介して相互に接続される構成が採用されている。図5は、こうした従来のプロセス制御装置の概略構成の一例である。
この例では、回路ボード1a上にマイクロコンピュータ(以下マイコンと略す)10a、共有メモリ11a、バスバッファ12a、バスコントローラ13aなどが搭載されており、マイコン10a、共有メモリ11a、バスバッファ12aは内部データバス14aにより相互に接続され、インタフェイス機能を有するバスバッファ12aを介して外部データバス2に接続されている。また、バスバッファ12aはシステム全体に共通のシステムクロック信号線4に接続されてシステムクロックを受け取るとともに、バスコントローラ13aはシステム全体に共通のACK信号線3に接続され他の回路ボードからのACK信号を受け取る。他の回路ボード1bも上記回路ボード1aと基本的にはほぼ同一の構成を有しているが、実際には、例えばマイコン10a、10bの動作を決める制御プログラムによって、例えば回路ボード1aはシステムコントローラ、回路ボード1bは制御用演算回路或いは入出力モジュールなどと使い分けられる。
いま、ここでは第1回路ボード1a上のマイコン10aが第2回路ボード1b上の共有メモリ11bに対して読み書きを行うべくアクセスすることで外部データバス2を介してデータの授受を行う場合について考える。具体的には外部データバス2を介して所定のデータをパラレルで転送し、共有メモリ11bの所定アドレスに書き込む場合を想定する。その際の動作について図6を参照して説明する。
第1回路ボード1aから第2回路ボード1bに外部データバス2を介してデータ(メモリアドレス+読み書きすべきデータ)が送られると、第2回路ボード1b上のバスコントローラ13bはこれを受け取ったことを示す信号としてACK信号をACK信号線3を通して第1回路ボード1aへと返信する。第1回路ボード1aのバスコントローラ13aはデータを転送してから規定の時間内にACK信号が戻って来たことを検出すると、アクセスが正常に行われたものと判断する(図6(a)参照)。第2回路ボード1b上の共有メモリ11bは、バスバッファ12bを介して受け取ったメモリアドレスに受け取ったデータを書き込む。
例えば第2回路ボード1b上のバスコントローラ13bに不具合がある場合、データを受け取ってもACK信号を返信することができない。このとき、第1回路ボード1a上のバスコントローラ13aはACK信号が返信されて来ない前にタイムアウトになったことを検知して、アクセスに異常があったと判断する(図6(b)参照)。したがって、このときにはアクセスの異常を検知することができるから、例えば再度アクセスを試みる等の適宜の対処を行い、所定回数同一のアクセスを繰り返してもアクセスが異常である場合に故障であると判断して、故障報知などを行うことができる。
ところが、例えば外部データバス2の一部のみに不具合があって授受されるデータの一部が欠損した場合、第2回路ボード1bのバスコントローラ13bは正常に送られたデータに基づいてACK信号を返信してしまう場合がある。この場合、第2回路ボード1bの共有メモリ11bには正常なデータ書き込みが行えないにも拘わらず、第1回路ボード1a上のバスコントローラ13aはACK信号が返信されて来るためにアクセスが正常に行われたものと判断してしまう(図6(c)参照)。また、第2回路ボード1b上では、アクセスが異常であったという認識がないために、異常なデータ書き込み(書き込むデータ内容の誤り又は書き込むメモリアドレスの誤り)を行ってしまい、このデータに基づいて誤った制御が行われるおそれがある。
こうした外部データバス上での不具合を検出する装置として、例えば特許文献1に記載の装置が知られている。この装置では、共有メモリ内に通常のデータの読み書き領域とは別に外部データバスの全データビットに対応したシフトレジスタを用意しておき、そのシフトレジスタに決まったデータをセットした後、一定時間毎にそのシフトレジスタ内のデータを1ビットずつシフトする。そして、そのシフト動作の際にデータの値を確認することによりデータバスの正常/異常を判断する。
しかしながら、こうした異常検知方法では、異常検知用に設けられた記憶領域を一定時間毎にアクセスする時間やマイコン上で異常を検知するための時間等の余計な処理時間が掛かり、本来の制御演算処理の速度に悪影響を及ぼす場合がある。また、2枚の回路ボードで相互に異常を検知するには相互にアクセスを行う必要があり、さらに相手方での異常検知結果を知るためには異常検知結果を相互に通信する必要もあって、構成が非常に煩雑になる。
特開平11−316697号公報
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、データの授受を行った2枚の回路ボードがそのデータの授受に引き続いて迅速に且つ相互にデータバスの異常を検知することができる異常検知機能を有するプロセス制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために成された本発明は、マイクロコンピュータと、読み書きの可能な共有メモリと、該マイクロコンピュータと共有メモリとを接続する内部データバスと、を有する回路ボードを複数具備し、該回路ボード上の共有メモリを互いにアクセスするために外部データバスにより各回路ボードが相互に接続されて成るプロセス制御装置において、第1の回路ボード上のマイクロコンピュータから第2の回路ボード上の共有メモリにアクセスして前記外部データバスを介してデータの授受を行ったときに、そのアクセスの異常を検知するための異常検知手段を備え、該異常検知手段は、
a)各回路ボードを相互に接続する異常検知用データバスと、
b)同じく各回路ボードを相互に接続するエラー通知信号線と、
c)各回路ボード上にあって、
c1)前記外部データバスを介して送出した又は受け取ったデータに基づいてチェックデータを作成するチェックデータ作成部と、
c2)該チェックデータを前記異常検知用データバスに出力するオープンコレクタ出力形式の第1出力部と、
c3)前記異常検知用データバス上で複数の第1出力部の出力のワイヤードORによって決まるデータと前記チェックデータとの不一致を検出してエラー検出信号を生成するデータ比較部と、
c4)該エラー検出信号を前記エラー通知信号線に出力するオープンコレクタ出力形式の第2出力部と、
c5)前記エラー通知信号線上で複数の第2出力部の出力のワイヤードORによって決まる信号レベルを検出してアクセス上の異常を認識する異常判定部と、
を備えることを特徴としている。
本発明に係るプロセス制御装置では、例えば第2の回路ボード上の共有メモリに所定のデータを書き込む際には、その書き込み先のメモリアドレスと書き込み対象のデータとが第1の回路ボード上の内部データバス→外部データバス→第2の回路ボード上の内部データバスと流れる。第1回路ボードでは、チェックデータ作成部はその送出したデータに基づいてチェックデータを作成し、第1出力部はそのチェックデータを異常検知用データバスに出力する。他方、第2回路ボードでは、チェックデータ作成部は受け取ったデータに基づいてチェックデータを作成し、第1出力部はそのチェックデータを異常検知用データバスに出力する。第1出力部はオープンコレクタ出力形式であるため、例えば異常検知用データバスの各ビットにプルアップ抵抗を設けると、それぞれの信号レベルは直結された複数の出力の負のOR論理(つまりワイヤードOR)となる。したがって、第1及び第2回路ボード上の第1出力部の出力が同一でない場合には、いずれかの回路ボードにおけるチェックデータと異常検知用データバス上での信号レベルとが不一致となる。
上記アクセスによるデータの授受が正常に行われた場合、第1回路ボードで送出されたデータと第2回路ボードで受け取ったデータとは同一である。このとき、第1及び第2回路ボードのデータ比較部はいずれも、チェックデータと異常検知用データバス上での信号レベルとが一致していると判定し、第2出力部の出力はエラー無しを示す状態となる。第2出力部も第1出力部と同様にオープンコレクタ出力形式であるため、第1及び第2回路ボードの第2出力部の出力がともにエラー無しを示す状態である場合には、両者の異常判定部はいずれもエラー通知信号線上の信号レベルから相互に異常がないことを認識する。
これに対し、例えば外部データバスに不具合があってアクセスによるデータの授受に異常がある場合、第1回路ボードで送出されたデータと第2回路ボードで受け取ったデータとは同一とはならず、それぞれの回路ボード上で求まるチェックデータも相違する。このとき、上述したように異常検知用データバス上での各ビットの信号レベルは両チェックデータの負のOR論理となるため、第1及び第2回路ボードのデータ比較部のいずれか一方は、チェックデータと異常検知用データバス上での信号レベルとが不一致であると判断しエラー検出信号を生成する。エラー通知信号線上の信号レベルも第1及び第2回路ボードの第2出力部の出力の負のOR論理となり、いずれか一方でエラーが検出されている場合にはエラー通知信号線上ではエラー有りの状態となる。第1及び第2回路ボードの異常判定部はいずれも、このエラー通知信号線上の信号レベルによりアクセスの異常を検知し、各回路ボード内又は外部データバス上で不具合があったことを認識する。
なお、各回路ボード内での異常の有無を、それぞれの回路ボード上に搭載された別の異常検知回路によって検知する構成としておけば、各回路ボードに異常が無いことを認識した上で上記異常検知手段によりアクセス異常を検知することで、外部データバス上の不具合を認識することができる。
このようして本発明に係るプロセス制御装置によれば、第1回路ボードと第2回路ボードとの間でデータの授受を行った直後に外部データバスの不具合(例えば断線、接触不良などのハードウエア的な不具合のほか、ノイズの混入なども含む)に関わるアクセスの異常を迅速に検知することができる。特に、第1回路ボードと第2回路ボードとの間でエラー検知結果を相互に通信することなく、共通のエラー通知信号線上の信号レベルで以て相手方で異常が検知されたか否かを認識できるので、異常の検知を非常に高速で行うことができ、しかもハードウエアも煩雑にならずに済む。
以下、本発明の一実施例であるプロセス制御装置について図面を参照して説明する。
図1は本実施例のプロセス制御装置の要部のブロック構成図である。既に説明した図5と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。構成上で従来の装置と異なる点は、回路ボード1a、1b上のバスバッファ15a、15bが内部データバス14a、14b上のデータをラッチして一時的に固定する機能を有すること、内部データバス14a、14bが異常診断回路16a、16bに接続されていること、各回路ボード1a、1b上の異常診断回路16a、16bが外部のチェック結果確認バス5及びエラー通知信号線6を介して相互に接続されていること、である。
図3は本実施例のプロセス制御装置における異常診断回路16aの具体的な構成を示すブロック図である。なお、第2回路ボード1bの異常診断回路16bも同様の構成を有するため、図3では記載していないが、異常診断回路16bの各部の構成は異常診断回路16aの各部の構成の符号のaをbに書き換えたものとする。
図3において、マイコン10a、バスバッファ15a、及び共有メモリ11aを接続するアドレスバス及びデータバスから成る内部データバス14aは水平・垂直パリティ演算回路162aに接続され、この水平・垂直パリティ演算回路162aの演算結果はコンパレータ164aとバッファ163aとに与えられる。バッファ163aは各ビットがそれぞれオープンコレクタ(OC)出力になっており、その出力はチェック結果確認バス5を介して第2回路ボード1b(及びさらに他の回路ボード)の異常診断回路16bのバッファ163bの出力に接続されるとともに、コンパレータ164aの他方の入力に接続されている。コンパレータ164aは、2系統のデータを各ビット毎に比較して全てが一致しているか否かの結果を1(エラー無し)又は0(エラー有り)として出力する。このコンパレート結果はバッファ165aを介して第2回路ボード1b(及びさらに他の回路ボード)に至るエラー通知信号線6に出力されるとともにタイミングコントローラ161aに入力される。バッファ165aも上記バッファ163aと同様に出力がオープンコレクタ(OC)形式となっている。
なお、チェック結果確認バス5及びエラー通知信号線6にはオープンコレクタ出力のバッファ(トランジスタ)のみが接続されているため、いずれか1つの回路ボード上又はマザーボード上などにおいてプルアップ抵抗が接続される。
次に、本実施例のプロセス制御装置における外部データバス2を介したデータ授受の一例として、第1回路ボード1a上のマイコン10aが第2回路ボード1b上の共有メモリ11bに対して読み書きを行うべくアクセスする場合について、図2〜図4を参照しつつその動作を説明する。
従来の装置と同様に、第1回路ボード1aから第2回路ボード1bに外部データバス2を介してデータ(メモリアドレス+読み書きすべきデータ)が送られると、第2回路ボード1b上のバスコントローラ13bはこれを受け取ったことを示す信号としてACK信号をACK信号線3を通して第1回路ボード1aへと返信する。例えば第2回路ボード1b上のバスコントローラ13bに不具合がある場合、データを受け取ってもACK信号を返信することができない。このとき、第1回路ボード1a上のバスコントローラ13aはACK信号が返信されて来ない前にタイムアウトになったことを検知して、アクセスに異常があったと判断する。このときは異常診断回路16a、16bの動作を待つまでもなくアクセスに異常があったことが確認できるから、後述するような異常診断は行わない(図2(b)参照)。
これに対し、第1回路ボード1aのバスコントローラ13aがデータを転送してから規定の時間内にACK信号が戻って来たことを検出すると、アクセスが成功したものと一旦判断する(図2(a)及び(c)参照)。このとき、両回路ボード1a、1b上の異常診断回路16a、16bのタイミングコントローラ161a、161bはACK信号のアサートに同期して(具体的には図4(a)に示すように1→0のタイミングで)バスバッファ15a、15bにラッチクロックを送り、外部データバス2上のデータをバスバッファ15a、15bにラッチすることで内部データバス14a、14b上の信号レベルを固定する(図4(b)参照)。このようにデータをラッチすることで、ACK信号のアサート後に外部データバス2上に発生した一過性のエラーの影響を排除することができる。
次いで、水平・垂直パリティ演算回路162a、162bは内部データバス14a、14b上のデータを元に水平・垂直パリティを計算する。具体的には、水平方向、垂直方向に並んだデータビットの0、1をチェックし、例えば0が偶数個である場合に「0」、奇数個である場合に「1」とする。そしてそのパリティ演算結果を8ビットのチェック演算結果としてバッファ163a、163bを介してチェック結果確認バス5に出力する。
第1回路ボード1a上の異常診断回路16aでは、その回路ボード1a上の内部データバス14aでのデータ、つまり第2回路ボード1bの共有メモリ11bに書き込むために送出したデータに基づくチェック演算結果が求まり、他方、第2回路ボード1b上の異常診断回路16bでは、その回路ボード1b上の内部データバス14bでのデータ、つまり第1回路ボード1aから外部データバス2を介して受け取って共有メモリ11bに書き込もうとしているデータに基づくチェック演算結果が求まる。したがって、外部データバス2が正常な状態であれば両者は一致する筈であり、不一致であれば何らかの異常が発生していると判断することができる。
上記のようにバッファ163a、163bはいずれもはオープンコレクタ出力であって、バッファ163a、163bの各ビットの出力はチェック結果確認バス5を介して直結されていて且つプルアップされているため、両出力はワイヤードORされてその結果は負のOR論理となる。したがって、両者の出力が共に1又は0であるときにはチェック結果確認バス5上での信号レベルは1又は0になるが、一方が0で他方が1であるときに、チェック結果確認バス5上では0が優先されて0になる。なお、このとき第1、第2回路ボード1a、1b以外の他の回路ボードが接続されている場合には、この回路ボード上のバッファ出力が影響しないように、回路ボード1a、1b以外の回路ボード上のバッファはタイミングコントローラからのゲート制御信号によりディセーブル状態となっており、実質的にチェック結果確認バス5に接続されていないものとみなすことができる。
第1及び第2回路ボード1a、1bのタイミングコントローラ161a、161bは、システムクロックを所定個数カウントすることで所定の時間だけ遅延したタイミングで、チェック結果確認バス5上の8ビットデータとそれぞれの回路ボード1a又は1b上のチェック結果の8ビットデータとを比較し、両者が完全に一致しているか否かを判定する(図4(d)参照)。そして、一致している場合にはエラー通知信号をネゲート(ここでは1)とし、不一致である場合にはアサート(ここでは0)とする(図4(e)参照)。ここで、時間遅延をとるのは、第1、第2回路ボード1a、1bにおいてそれぞれのパリティ演算結果であるバッファ163a、163bの出力が安定し、且つプラグインケース内のチェック結果確認バス5両端まで信号のレベルが安定するまでの時間を確保するためである。
いま例えば、第1回路ボード1a上でのパリティ演算結果が「10111111」となり、第2回路ボード1b上でのパリティ演算結果が「10111110」である場合、チェック結果演算バス5上での信号レベルは「10111110」となる。そのため、第1回路ボード1aのコンパレータ164aでは、自身の回路ボード1aによるパリティ演算結果とチェック結果確認バス5上の信号レベルとを比較した結果が不一致と判定されるため、エラー通知信号をアサート(ここでは0)とする。他方、第2回路ボード1bのコンパレータ164bでは、自身の回路ボード1bによるパリティ演算結果とチェック結果確認バス5上の信号レベルとを比較した結果が一致と判定されるため、エラー通知信号をネゲート(ここでは1)とする。
このエラー通知信号もそれぞれオープンコレクタ出力形式のバッファ165a、165bを介してエラー通知信号線6に出力されるから、少なくともいずれか一方の出力がアサート(ここでは0)となっていればエラー通知信号線6の値はアサートとなる。両回路ボード1a、1bのタイミングコントローラ161a、161bはこのエラー通知信号線6の信号レベルを検出し、アサート状態つまり0であればいずれかの異常診断回路16a、16bで異常が検知されたものと判断し、マイコン10a、10bに対してエラーを通知する。上述したようにACK信号がタイムアウト前に戻って来たときには、上記の手順で異常診断回路16a、16bによる異常診断が実行され、回路ボード1a及び1b上でのパリティ演算結果が不一致である場合には、両回路ボード1a、1bのマイコン10a、10bに対していずれもエラーが通知されることになる。その結果、両マイコン10a、10bは先のアクセスが異常であったことをそれぞれ認識する(図2(c)参照)。その後、タイミングコントローラ161a、161bはそれぞれバッファ163a、163b、165a、165bの出力をネゲートすることにより、チェック結果確認バス5及びエラー通知信号線6の信号をネゲートする。そして、アクセス異常を認識した第1回路ボード1a上のマイコン10aは、例えばアドレス信号及びデータ信号を再度第2回路ボード1bに送出することで、アクセスを再試行する。
一方、外部データバス2が正常でありデータの授受が問題なく行われた場合には、ACKアサートに伴って上記のように異常診断が実行されるが、第1及び第2回路ボード1a、1b上のコンパレータ164a、164bではいずれも比較結果が一致と判定される。その結果、エラー通知信号をネゲートし、エラー通知信号線6上の信号もネゲート、つまりエラー無し状態となり、タイミングコントローラ161a、161bはこのエラー通知信号線6の信号レベルを検出し、いずれかの異常診断回路16a、16bでも異常が検知されなかったものと判断する(図2(a)参照)。この判断結果を受けて、マイコン10a、10bはともにアクセスが正常に行われたことを認識する。
以上のように、本実施例のプロセス制御装置では、外部データバス2上の一部の異常によってデータの授受に問題があった場合でも速やかに検知することができ、しかも、データの授受に関与した両回路ボード(上記例では1a、1b)で相互に且つほぼ同時にその異常を検知することができる。
なお、上記実施例では、第1回路ボード1aから第2回路ボード1b上の共有メモリ11bにデータの書き込みのアクセスを行った場合について説明したが、共有メモリ11bに記憶されているデータを読み出す場合にも同様に異常検知が可能であることは明らかである。また、上記実施例では、理解を容易にするために2枚の回路ボードについて記載したが、実際には多数の回路ボードが配設されている中の任意の2枚の回路ボードにおける上記のような共有メモリのアクセスに適用できることも明らかである。
また、上記実施例では、エラーの検知のみを行っていたが、水平・垂直パリティ演算回路162a、162bに代えてデータの修復が可能な演算回路にすることにより、何らかの異常が検知されたときに、バッファバスを介して受け取った信号内容を元に異常診断回路において外部データバス2に出力するアクセス内容の修復を試みることも可能である。もちろん、水平・垂直パリティに代えて、サムやCRCなどの他のエラー検出符号を利用することも可能である。
また、それ以外の点についても、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、修正、追加を行っても本願発明に包含されることは当然である。
本発明の一実施例によるプロセス制御装置の概略構成図。 本実施例のプロセス制御装置における回路ボード間でのアクセスの際の動作を説明するための図。 本実施例のプロセス制御装置における異常診断回路の具体的な構成を示すブロック図。 異常診断回路の動作を説明するためのタイミング図。 従来のプロセス制御装置の概略構成の一例を示す図。 従来のプロセス制御装置における回路ボード間でのアクセスの際の動作を説明するための図。
符号の説明
1a、1b…回路ボード
2…外部データバス
3…ACK信号線
4…システムクロック信号線
5…チェック結果確認バス(異常検知用データバス)
6…エラー通知信号線
10a、10b…マイクロコンピュータ
11a、11b…共有メモリ
13a、13b…バスコントローラ
14a、14b…内部データバス
15a、15b…バスバッファ
16a、16b…異常検知回路
161a、161b…タイミングコントローラ(異常判定部)
162a、162b…水平・垂直パリティ演算回路(チェックデータ作成部)
163a、163b…バッファ(第1出力部)
164a、164b…コンパレータ(データ比較部)
165a、165b…バッファ(第2出力部)

Claims (1)

  1. マイクロコンピュータと、読み書きの可能な共有メモリと、該マイクロコンピュータと共有メモリとを接続する内部データバスと、を有する回路ボードを複数具備し、該回路ボード上の共有メモリを互いにアクセスするために外部データバスにより各回路ボードが相互に接続されて成るプロセス制御装置において、第1の回路ボード上のマイクロコンピュータから第2の回路ボード上の共有メモリにアクセスして前記外部データバスを介してデータの授受を行ったときに、そのアクセスの異常を検知するための異常検知手段を備え、該異常検知手段は、
    a)各回路ボードを相互に接続する異常検知用データバスと、
    b)同じく各回路ボードを相互に接続するエラー通知信号線と、
    c)各回路ボード上にあって、
    c1)前記外部データバスを介して送出した又は受け取ったデータに基づいてチェックデータを作成するチェックデータ作成部と、
    c2)該チェックデータを前記異常検知用データバスに出力するオープンコレクタ出力形式の第1出力部と、
    c3)前記異常検知用データバス上で複数の第1出力部の出力のワイヤードORによって決まるデータと前記チェックデータとの不一致を検出してエラー検出信号を生成するデータ比較部と、
    c4)該エラー検出信号を前記エラー通知信号線に出力するオープンコレクタ出力形式の第2出力部と、
    c5)前記エラー通知信号線上で複数の第2出力部の出力のワイヤードORによって決まる信号レベルを検出してアクセス上の異常を認識する異常判定部と、
    を備えることを特徴とするプロセス制御装置。
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