JP4857807B2

JP4857807B2 - 制御装置

Info

Publication number: JP4857807B2
Application number: JP2006046474A
Authority: JP
Inventors: 佳奈谷垣; 幸雄馬庭
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP2007226511A

Description

本発明は、機器のフィールド値を取得して入力データ領域に入力値として格納する入力手段と、格納された前記入力値を読み出して演算処理した出力値を出力データ領域に格納するコントローラと、出力データ領域に格納された前記出力値を前記機器に通知する出力手段と、よりなる制御装置に関するものである。

図６は、従来技術による制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。１はプラント、１１，１２，１３，…は、制御対象の機器である。制御装置は、入力手段２，３，４、コントローラ５、出力手段６により構成されている。

入力手段２，３，４の入力ポート２１，３１，４１は、機器１１，１２，１３と通信して、夫々フィールド値F_IN1,F_IN2,F_IN3が更新されて保持されている。入力手段２，３，４の入力処理手段２２，３２，４２は、夫々異なるサンプリング周期で入力ポート２１，３１，４１のフィールド値F_IN1,F_IN2,F_IN3を読み出して、入力データ領域２３，３３，４３に入力値IN1,IN2,IN3として書き込み格納する。

コントローラ５の演算手段５１は、入力手段２，３，４の入力データ領域２３，３３，４３から通信等を経由して入力値IN1,IN2,IN3を順次読み出してPID演算等の制御演算を行ない、出力値OUT1を算出する。

コントローラ５は、算出した出力値OUT1を、通信等を経由して出力手段６に設けられた出力データ領域６１に書き込み格納する。出力処理手段６２は、格納された出力値OUT1を所定の読み出し周期で読み出して出力ポート６３にフィールド値F_OUT1を出力する。このフィールド値F_OUT1は、通信等を経由してプラント１の機器に通知される。

特開２０００−１１２５１９号公報

従来技術では、次のような問題点がある。
（１）入力手段２、３、４、コントローラ５、出力手段６は全て非同期で処理を行っている。そのため、入力データ領域２３に入力値IN1が格納される時刻と、入力データ領域３３に入力値IN2が格納される時刻と、入力データ領域４３に入力値IN3が格納される時刻は全く非同期である。

また、コントローラ５が各入力手段の入力データ領域に格納された入力値IN1、IN2、IN3を読み出すタイミングも、ほぼ同時にIN1、IN2、IN3の全てを読み出せるかもしれないし、あるいは、最大でコントローラが読み出す周期分ずれて読み出すかもしれない。従って、入力値IN1、IN2、IN3の取得タイミングは大きく揺らぐ。

更に、コントローラ５が演算結果である出力値OUT1を出力手段６の出力データ領域６１に通知するタイミング、あるいは出力処理手段６２が出力データ領域６１の出力値OUT1を読み出すタイミング等も、非同期となる。

従って、フィールド入力値F_IN1、F_IN2、F_IN3を各入力手段が読み出してから、コントローラ５を経由して出力手段６がプラントへフィールド値F_OUT1を通知するまでのプロセス応答時間は大きく揺らぐ。

従来技術による制御装置で対応していたプロセスは、比較的プロセス応答が遅くてもよいプロセスであったため、プロセス応答の揺らぎおよび制御演算に使用する入力値IN１、IN2、IN3の取得タイミングずれは無視できる範囲であった。しかし、応答の速いシステム、例えばガスタービンの回転数制御等に適用させようとした場合、この揺らぎのために制御が不安定になってしまう。

（２）そこで、入力手段２，３，４のフィールド値読み出しサンプリング周期、及びコントローラ５と各入力手段並びに出力手段間のサンプリング周期を高速化し、非同期による揺らぎの影響を小さくするという解決策がある。しかし、この場合、サンプリング周期の高速化は非常に困難である。

即ち、コントローラ５と入力手段並びに出力手段間のデータ転送を、通信ではなく専用プロセッサを搭載して実施する等の対策が必要となり、既存の資源を流用することができず、製品のコストアップにつながってしまう。

（３）また、コントローラから入力手段１，２，３、出力手段６へ同期信号を伝送し、その同期信号のタイミングに基づいて入力値を取得、あるいは出力値を通知することにより同期をとるという解決策が特許文献１に開示されている。しかし、同期信号による処理環境を新たに追加する必要があり、これも既存の資源を流用することができない。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、異なるタイミングで取得した入力値から制御演算を実施する場合において、入力タイミングのずれによる出力値の誤差への影響を小さくすると共に、非同期に動作する入力手段、コントローラ、出力手段のプロセス応答時間の揺らぎを抑えることを可能とする制御装置を実現することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）機器のフィールド値を取得して入力データ領域に入力値として格納する入力手段と、格納された前記入力値を読み出して演算処理した出力値を出力データ領域に格納するコントローラと、出力データ領域に格納された前記出力値を前記機器に通知する出力手段と、よりなる制御装置において、
前記入力手段と前記コントローラと前記出力手段とに時刻を通知する時刻通知手段と、
前記入力値と該入力値を取得する時に前記時刻通知手段から通知される取得時刻とをセットにして前記入力データ領域に格納する入力手段と、
特定時刻設定手段と、
保持されている前回の取得時刻の入力値と今回の取得時刻の入力値に基づき、前回の取得時刻と今回の取得時刻の間にある特定時刻、又は今回の取得時刻以降の特定時刻を前記特定時刻設定手段より取得して補間する、前記コントローラに設けた入力値補間手段と、
付加時刻設定手段と、
前記特定時刻から前記出力手段による前記機器への出力値の通知までの最大処理時間以上の付加時刻を前記付加時刻設定手段より取得して前記特定時間に付加する、前記コントローラに設けた出力値時刻付加手段と、
を備え、
前記コントローラは、前記入力データ領域から読み出した入力値を、その入力値にセットされている取得時刻よりも以前又は以後の特定時刻の入力値に補間すると共に、特定時刻に補間された入力値を演算した出力値にセットされる前記特定時刻に対して付加時刻を追加して前記出力データ領域に格納し、前記出力手段は、付加時刻を追加されて格納された前記出力値を前記付加時刻に前記機器に通知する、ことを特徴とする制御装置。

（２）前記コントローラは、内部に前記時刻通知手段を備えることを特徴とする（１）に記載の制御装置。

（３）前記入力手段及び前記出力手段は、入力機能と出力機能とを備える入出力手段で構成されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の制御装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）本発明では、異なるタイミングで取得された多点の入力値に対して特定時刻への入力値補間を行うことにより、あたかもコントローラの制御演算の基準タイミングに合わせて全入力値を同時に取得したかのように扱うことが可能となる。

（２）従って、入力値IN1(＠T11)はT11のタイミング、入力値IN2(＠T21)はT21のタイミング、入力値IN3(＠T31)はT31のタイミングで取得したにもかかわらず、特定時刻T41に入力値補間された仮想的な入力値IN1’(＠T41)、IN2’(＠T41)、IN3’(＠T41)は、T41という特定時刻のタイミングで同時に取得したデータであると考えることができ、多点の入力値間及び入力値―コントローラの演算基準タイミング間の同期をとることができる。

（３）更に、出力値OUT1を常時コントローラが決めた時刻（T41＋α）にプラントに通知するため、コントローラ―出力間の同期をとることが可能となる。

（４）従って、制御装置全体として考えると、多点の入力値間、入力値―コントローラ間、コントローラ―出力値間の同期をとることができ、プロセス応答時間の揺らぎを抑えることが可能となり、制御性能が向上する。

（５）本発明では、追加される構成要素は既存の資源を利用したプログラム修正で対応可能であり、新たなＩＣ等の実装が必要ないため、部品コストが上がらない。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図６で説明した、従来技術による制御装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図１において、２００，３００，４００は入力手段、５００はコントローラ、６００は出力手段である。これら要素は、基本的には、図６で説明した入力手段２，３，４、コントローラ５、出力手段６と同一の機能を備える。

入力手段２００，３００，４００の夫々において、２０１，３０１，４０１は入力ポート、２０２，３０２，４０２は入力処理手段、２０３，３０３，４０３は入力データ領域である。各要素の基本機能は、図６で説明した入力手段２，３，４の各要素と同一である。同様に、コントローラ５００の演算手段５０１の基本機能は、図６で説明したコントローラ５の演算手段５１１と同一である。

同様に、出力手段６００において、６０１は出力データ領域、６０２は出力処理手段、６０３は出力ポートである。各要素の基本機能は、図６で説明した出力手段６の各要素と同一である。

７００は本発明の特徴部を形成する時刻通知手段であり、入力手段２００，３００，４００、コントローラ５００、出力手段６００に対して時刻T1…を通知する機能を持つ。この時刻通知手段は、コントローラ５００が備える既存の資源（内部時計）を利用して容易に実現可能である。

入力装置２００，３００，４００の入力処理手段２０２，３０２，４０２は、夫々入力ポート２０１，３０１，４０１より、フィールド値F_IN1、F_IN2、F_IN3を定周期で読み出す。その際、読み出した取得時刻を夫々T11、T21、T31とする。

入力処理手段２０２，３０２，４０２内に形成された入力時刻付加手段２０４，３０４，４０４は、フィールド値F_IN1、F_IN2、F_IN3に対して取得時刻T11、T21、T31を付加し、夫々の取得時刻がセットされた入力値IN1（＠T11）、IN2（＠T21）、IN3（＠T31）として入力データ領域２０３，３０３，４０３に書き込み、格納する。

コントローラ５００は、あるタイミングで入力手段２００，３００，４００の入力データ領域に格納されている入力値IN1（＠T11）、IN2（＠T21）、IN3（＠T31）を順次通信経由で読み出す。これら入力値IN1（＠T11）、IN2（＠T21）、IN3（＠T31）は、全く非同期のタイミング（取得時刻T11,T21,T31）にて読み出された値である。

コントローラ５００は、読み出した入力値IN1（＠T11）、IN2（＠T21）、IN3（＠T31）を入力値補間手段５０２によって、特定時刻T41での夫々の仮想入力値IN1’（＠T41）、IN2’（＠T41）、IN3’（＠T41）に補間処理する。

入力値補間手段５０２は、前回の読み出し周期で取得した入力値を保持する前回値保持手段５０３を備えており、入力値の前回値と今回値の差をもとに所定の補間アルゴリズムに基づいて特定時刻T41での仮想入力値を推定する。

５０４は、特定時刻設定手段であり、入力値補間手段５０２に設定する。コントローラ５００は、この特定時刻T41により制御演算の基準となるタイミングを管理することができる。

演算手段５０１は、入力値補間手段５０２により補間された仮想入力値IN1’（＠T41）、IN2’（＠T41）、IN3’（＠T41）を用いてPID演算等の演算処理を行い、出力値OUT1（＠T41）を算出する。

５０５は出力値時刻付加手段であり、演算手段５０１で算出される出力値OUT1（＠T41）に対し、その出力値をプラントに通知して欲しい時刻に関する情報を付加し、OUT1(＠T41+α)として出力手段６００の出力データ領域６０１に通知する。

５０６は付加時刻設定手段であり、付加したい時刻αを出力値時刻付加手段５０５に設定する。ここで、付加時刻αとは、コントローラ５００が制御演算の基準とする時刻（例ではT41）から、演算処理を経て出力手段６００の出力処理手段６０２からフィールド値F_OUT1を出力するまでに必要な時間以上の“あらかじめ決められた時刻”であり、変更可能である。

出力手段６００の出力処理手段６０２は、コントローラから通知されて出力データ領域６０１に格納された出力値OUT1(＠T41+α)に従い、特定タイミング出力手段６０４の機能によりT41+αのタイミングを監視し、時刻T41+αに出力ポート６０３にフィールド値F_OUT1(＠T41+α)を出力する。

次に、図２乃至図５により入力値補間の手法について説明する。図２は、特定時刻T41を、取得時刻よりも以前の過去におく場合の直線補間のイメージ図である。３本の曲線Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を、夫々IN1,IN2,IN3の時系列入力値変化とする。

まず前回のサンプリングタイミング時刻T10で読み出されたIN1をIN1(＠T10)とする。また、今回のサンプリングタイミングT11で読み出されたIN1をIN1(＠T11)とする。この時、ある特定時刻T41におけるIN1の値を、IN1(＠T10)とIN1(＠T11)との直線補間により求め、IN1’(＠T41)とする。

同様に、ある特定時刻T41におけるIN2の値をIN2(＠T20)とIN2(＠T21)との直線補間により求めIN2’(＠T41)とする。同様に、ある特定時刻T41におけるIN3の値をIN3(＠T30)とIN3(＠T31)との直線補間により求めIN3’(＠T41)とする。

図３は、特定時刻T41を、取得時刻よりも以前の過去におく場合の、特定時刻T41と付加時刻αの関係を示すタイムチャートである。（Ａ）は前回の入力タイミングT10,T20,T30で
の入力値、（Ｂ）は今回の入力タイミングT11,T21,T31での入力値、（Ｃ）は特定時刻T41で補間された入力値を示す。（Ｄ）は特定時刻T41より付加時刻αを付加した時刻(T41+α)に出力手段からプラントに通知される出力値F_OUT1(@T41+α)のタイミングを示している。

図４は、特定時刻T41を、取得時刻よりも以後の未来におく場合の直線補間のイメージ図である。３本の曲線Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を、夫々IN1,IN2,IN3の時系列入力値変化とする。

まず前回のサンプリングタイミング時刻T10で読み出されたIN1をIN1(＠T10)とする。また、今回のサンプリングタイミングT11で読み出されたIN1をIN1(＠T11)とする。この時、今回のサンプリングタイミングよりも未来のある特定時刻T41におけるIN1の値を、IN1(＠T10)とIN1(＠T11)との直線補間により求め、IN1’(＠T41)とする。

図５は、特定時刻T41を、取得時刻よりも以後の未来におく場合の、特定時刻T41と付加時刻αの関係を示すタイムチャートである。（Ａ）は前回の入力タイミングT10,T20,T30で
の入力値、（Ｂ）は今回の入力タイミングT11,T21,T31での入力値、（Ｃ）特定時刻T41で補間された入力値を示す。（Ｄ）は特定時刻T41より付加時刻αを付加した時刻(T41+α)に
出力手段からプラントに通知される出力値F_OUT1(@T41+α)のタイミングを示している。

図２乃至図５では、前回入力値と今回入力値の間で一次補間を行って制御演算の基準となる特定時刻における入力値に補間する手法を示したが、必要とする精度及び入力値の性質によって、二次補間や多点からの補間等の他の補間手法を用いても良い。また入力補間は、前回値と今回値だけでなく、過去および現在のいくつかのデータを用いても良い。

以上説明した実施形態では、複数入力手段からの各1chずつの入力値から制御演算を実施しているが、もちろん、一つの入力手段の中の複数chからの入力値を使用した制御演算であっても良い。更に、多点入力多点出力、１点入力１点出力、１点入力多点出力等、全ての組み合わせにおいて本発明を適用することが可能である。

尚、時刻通知手段７００は、独立して存在する必要はなく、コントローラ５００内に組み込んでも良いし、コントローラ―入力手段、出力手段間に存在する通信手段等に組み込んでも良い。

更に、入力手段２００乃至４００と出力手段６００とを別々の手段として例示しているが、入力手段の機能と出力手段の機能を兼ね備えた入出力手段として一体化することも可能である。

本発明を適用した制御装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。特定時刻を、取得時刻よりも以前の過去におく場合の直線補間のイメージ図である。特定時刻を、取得時刻よりも以前の過去におく場合の、特定時刻と付加時刻の関係を示すタイムチャートである。特定時刻を、取得時刻よりも以後の未来におく場合の直線補間のイメージ図である。特定時刻を、取得時刻よりも以後の未来におく場合の、特定時刻と付加時刻の関係を示すタイムチャートである。従来技術による制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１プラント
１１，１２，１３，… 機器
２００，３００，４００入力手段
２０１，３０１，４０１入力ポート
２０２，３０２，４０２入力処理手段
２０３，３０３，４０３入力データ領域
２０４，３０４，４０４入力時刻付加手段
５００コントローラ
５０１演算手段
５０２入力値補間手段
５０３前回値保持手段
５０４特定時刻設定手段
５０５出力値時刻付加手段
５０６付加時刻設定手段
６００出力手段
６０１出力データ領域
６０２出力処理手段
６０３出力ポート
６０４特定タイミング出力手段
７００時刻通知手段

Claims

機器のフィールド値を取得して入力データ領域に入力値として格納する入力手段と、格納された前記入力値を読み出して演算処理した出力値を出力データ領域に格納するコントローラと、出力データ領域に格納された前記出力値を前記機器に通知する出力手段と、よりなる制御装置において、
前記入力手段と前記コントローラと前記出力手段とに時刻を通知する時刻通知手段と、
前記入力値と該入力値を取得する時に前記時刻通知手段から通知される取得時刻とをセットにして前記入力データ領域に格納する入力手段と、
特定時刻設定手段と、
保持されている前回の取得時刻の入力値と今回の取得時刻の入力値に基づき、前回の取得時刻と今回の取得時刻の間にある特定時刻、又は今回の取得時刻以降の特定時刻を前記特定時刻設定手段より取得して補間する、前記コントローラに設けた入力値補間手段と、
付加時刻設定手段と、
前記特定時刻から前記出力手段による前記機器への出力値の通知までの最大処理時間以上の付加時刻を前記付加時刻設定手段より取得して前記特定時間に付加する、前記コントローラに設けた出力値時刻付加手段と、
を備え、
前記コントローラは、前記入力データ領域から読み出した入力値を、その入力値にセットされている取得時刻よりも以前又は以後の特定時刻の入力値に補間すると共に、特定時刻に補間された入力値を演算した出力値にセットされる前記特定時刻に対して付加時刻を追加して前記出力データ領域に格納し、前記出力手段は、付加時刻を追加されて格納された前記出力値を前記付加時刻に前記機器に通知する、ことを特徴とする制御装置。
前記コントローラは、内部に前記時刻通知手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記入力手段及び前記出力手段は、入力機能と出力機能とを備える入出力手段で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。