JP5122000B2 - A/d変換装置およびプログラマブルコントローラシステム - Google Patents

A/d変換装置およびプログラマブルコントローラシステム Download PDF

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Description

本発明は、プログラマブルコントローラ(PLC)に装着されるA/D変換装置およびPLCシステムに関する。
PLCにアナログデータ値を入力する場合、入力されるアナログデータ値をデジタル値に変換するアナログ入力ユニット(A/D変換装置)が用いられる。一般的に、入力されるアナログデータ値をデジタル値に変換するアナログ入力ユニットのA/D変換のサンプリング周期と、PLC全体を制御するCPUユニットの制御周期(スキャンタイム)とは非同期であり、かつサンプリング周期の方が高速な場合が多い。このため、アナログ入力ユニットによるA/D変換値のロギングを行う場合、CPUユニットにて全てのA/D変換値を取りこぼすことなくロギングを行うことは困難である。
全てのA/D変換値を取りこぼすことなくロギングを行う方法として、アナログ入力ユニット内でロギング処理を行う方法があるが、収集したデータを参照するためには、ロギング完了後にCPUユニットに該データを読み出す必要がある。従来、この読み出し処理において、専用の通信処理を複数回実行する必要があり、手間がかかる、という問題があった。
この問題に関し、専用の通信処理を必要とせず、CPUユニットから常時アクセス可能なメモリエリアである共用メモリにA/D変換値を格納する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、連続したデータの収集方法として、リングバッファ形式にて収集を行う技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。さらに、共用メモリにリングバッファ形式にて収集を行う技術が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開平8−69355号公報 特開2008−20392号公報 特開2007−233593号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術によれば、データ格納のたびに前データが上書きされてしまい、連続したデータの収集、及び参照が不可能であった。
また、特許文献2に記載の技術によれば、リングバッファ構造のメモリエリアにおいて、最新・最旧データを識別することができず、収集したデータを時系列に扱うことが不可能であった。
また、特許文献3に記載の技術は、CPUユニットの制御周期に同期したロギングを実現するためのものであり、より高速なA/D変換のサンプリング周期で更新される、A/D変換値をロギングすることは不可能であった。
本発明は上記に鑑みてなされたもので、全てのA/D変換値を取りこぼすことなくロギングするとともに、ロギングしたデータを時系列との対応付け可能な状態で特別な通信処理を必要とせず容易に読み出すことができるA/D変換装置およびPLCシステムを得ることを目的とする。
上記目的を達成するため、PLCに装着され、外部から入力されるアナログ値を逐次デジタル値に変換するA/D変換装置において、前記デジタル値を逐次ロギングするためのリングバッファ構成のログ格納領域と次のログデータの格納位置を示すパラメータである先頭ポインタを記憶するパラメータ格納領域とを備える前記PLC全体を制御するCPUユニットから読み出しアクセス可能な共用メモリと、前記ログ格納領域の前記先頭ポインタが示すアドレスにデジタル値をログデータとして書き込むとともに前記先頭ポインタを更新するロギング実行部と、を備える、ことを特徴とする。
この発明によれば、リングバッファ構成のログ格納領域を共用メモリに確保するとともにログ格納領域に格納されている最新ログデータと最旧ログデータとの境界のアドレスを示す先頭ポインタを格納するパラメータ格納領域を共用メモリに確保するように構成したので、全てのA/D変換値を取りこぼすことなくロギングするとともに、ロギングしたデータを時系列との対応付け可能な状態で特別な通信処理を必要とせず容易に読み出すことができるA/D変換装置を得ることができるという効果を奏する。
図1は、この発明による実施の形態のPLCシステムの構成を示す図である。 図2は、ログ格納領域およびパラメータ格納領域に格納されるデータのデータ構造を説明する図である。 図3は、ログ格納領域およびパラメータ格納領域に格納されるデータのデータ構造を説明する図である。 図4は、この発明による実施の形態のアナログ入力ユニットの動作を説明するフローチャートである。 図5は、この発明による実施の形態のアナログ入力ユニットの動作を説明するフローチャートである。 図6は、ログデータの並び替えを説明する図である。 図7は、並び替え後のログ格納領域の状態を説明する図である。
符号の説明
100 アナログ入力ユニット
110 アナログデータ入力I/F
120 A/D変換部
130 演算部
131 トリガ検出部
132 ロギング実行部
140 共用メモリ
141 A/D変換値格納領域
142 ログ格納領域
143 パラメータ格納領域
150 トリガ入力I/F
160 バスI/F
210 演算部
220 内部メモリ
230 バスI/F
240 パーソナルコンピュータI/F
250 表示器I/F
300 ユニット間バス
1000 PLC
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるA/D変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
図1は、A/D変換装置(アナログ入力ユニット)を含むPLCシステムの構成を説明するブロック図である。図示するように、アナログ入力ユニット100は、ユニット間バス300を介してCPUユニット200に接続されており、アナログ入力ユニット100およびCPUユニット200はPLC1000の一部を構成している。PLC1000には、アナログ入力ユニット100、CPUユニット200のほかに、目的に合わせ、サーボアンプなどを制御して多軸の位置制御を実行するモーションコントローラユニットや、CPUユニット200から指令された温度に到達するように加熱・冷却するための温度制御信号を出力する温度コントローラユニットなどがユニット間バス300を介して装着されるが、ここではアナログ入力ユニット100、CPUユニット200以外のユニットについては言及しない。
アナログ入力ユニット100は、PLC1000が制御対象とする産業用機器などに関する種々の観測値、例えば流量、圧力、温度などを観測して電流値や電圧値として出力するセンサからのアナログデータ値の入力を受け付け、該受け付けたアナログデータ値の入力をデジタル値に変換し、内部に備える共用メモリ140に前記デジタル値(A/D変換値)を書き込む。CPUユニット200は、PLC1000が備える種々のユニットを動作させて産業用機器を制御するためのプログラムであるユーザプログラムの実行と、実行結果の出力と、ユーザプログラムが使用する値などの入力値の取得と、を所定の周期で繰り返す。この繰り返しの動作はサイクリック処理と呼ばれる。CPUユニット200は、サイクリック処理に含まれる入力値の取得動作の一環として、前記共用メモリ140から前記観測値のデジタル値(A/D変換値)を読み出す。
CPUユニット200は、ユーザプログラムの実行やCPUユニット200全体の制御を実行する演算部210と、ユーザプログラムの実行に必要となるデータやユーザプログラムの入出力値を格納するためのメモリである内部メモリ220と、ユニット間バス300を介してアナログ入力ユニット100と通信を行うための通信インタフェースであるバスI/F230と、ユーザプログラムの設定や内部メモリ220のデータの状態を表示するための周辺装置であるパーソナルコンピュータ、表示器を夫々接続するためのインタフェースであるパーソナルコンピュータI/F240および表示器I/F250と、を備えている。演算部210、内部メモリ220、およびバスI/F230は、夫々内部バスで接続されている。なお、PLC1000およびPLC1000に接続された周辺装置(パーソナルコンピュータおよび/または表示器)を含むシステムをPLCシステムと呼ぶ。
ここで、アナログ入力ユニット100が備える共用メモリ140について説明する。共用メモリ140には、CPUユニット200によるサイクリック処理により読み出されるA/D変換値を記憶する領域であるA/D変換値格納領域141が確保されている。前記したように、通常、アナログデータ値をサンプリングしてデジタル値に変換する間隔(サンプリング間隔)は、サイクリック処理の周期よりも高速であるため、CPUユニット200がA/D変換値格納領域141に書き込まれたA/D変換値を取りこぼすことなく読み出してロギングすることは難しい。そこで、本発明の実施の形態では、アナログ入力ユニット100がデータを高速に書き込むことができ、かつCPUユニット200が煩雑な通信処理を実行することなく読み出しアクセスすることができる共用メモリ140に、前記したA/D変換値格納領域141の他に、A/D変換値をログデータとして記憶するための記憶領域であるログ格納領域142を確保することとした。なお、ログ格納領域142に記憶されているログデータは、ユニット間バス300、CPUユニット200を介して周辺装置に読み出される。
ログ格納領域142はリングバッファ構成となっている。すなわち、ログ格納領域142は、ログデータが先頭アドレスから順番に時系列順に書き込まれる。そして、ログデータの書込みアドレスが最後尾に到達したとき、ラップアラウンドして再び先頭アドレスからログデータが上書き書き込みされる。ここでは、ロギングが開始されてからラップアラウンドされるまでのログデータ書き込みを1週目の書き込みと表現し、それ以降は1+n(nはラップアラウンドの回数)週目の書き込みと表現することとする。共用メモリ140は、1週目における最新ログデータの書き込み位置を求めるためのパラメータである格納データ数と、2週目以降における最新ログデータの書き込み位置を示すポインタである先頭ポインタと、を格納するパラメータ格納領域143をさらに備えている。2周目以降は、先頭ポインタは最新ログデータの書き込み位置を示すので、最新ログデータと最旧ログデータとの境界を示すこととなる。
図2および図3は、ログ格納領域142およびパラメータ格納領域143のデータ構造を説明する図である。図2は1週目、図3は2週目の場合のデータ構造を示している。なお、ここでは、ログ格納領域142はNワード分の記憶容量を有し、時間Tが経過する毎に1ワードのログデータ(ログデータとしてのA/D変換値)が書き込まれるとしている。図2に示すように、ロギングが開始されてから時刻nT(n<N)が経過した時点では、1週目であるので、先頭ポインタの値は0に固定され、格納データ数はn+1となっている。つまり、次のデータの書き込み先は、ログ格納領域142の先頭アドレス+(n+1)ワードの位置であることがわかる。図3に示すように、2週目は、最新データが先頭アドレスからn−Nワードの位置に書き込まれているので、先頭ポインタはn+1−Nとなっており、格納データ数はN(固定)となっている。なお、3週目以降の先頭ポインタの値は、mod(n,N)+1となる。
図1に戻り、アナログ入力ユニット100は、前記した共用メモリ140のほか、アナログデータ値の入力を受け付けるアナログデータ入力インタフェース(I/F)110と、受け付けたアナログデータ値をデジタル値(A/D変換値)に変換するA/D変換部120と、A/D変換値のロギングを停止させるためのトリガを受け付けるトリガ入力インタフェース(I/F)150と、アナログ入力ユニット100全体の制御を実行する演算部130と、ユニット間バス300を介してCPUユニット200と通信を行うための通信インタフェースであるバスI/F160と、を備えている。演算部130、共用メモリ140、バスI/F160間は、内部バスで夫々接続されている。
演算部130は、トリガ入力I/F150が受け付けたトリガを検出するトリガ検出部131と、トリガ検出部131が検出したトリガとパラメータ格納領域143が格納しているパラメータとに基づいて、A/D変換部120が出力するA/D変換値を逐次ログデータとしてログ格納領域142に書き込むロギング実行部132と、をさらに備えている。ロギング実行部132は、トリガ検出部131がトリガを検出した時点から予め設定されたデータ数(トリガ後データ数)分だけログデータを書き込んだ後、ロギングを停止する。なお、トリガとしては、トリガ入力I/F150からの信号入力によるトリガのほか、例えば以下の種別のトリガが使用できる。
・PLC1000の内部信号によるトリガ。
・A/D変換値が設定した値を上回った、もしくは下回った際に発生するトリガ。
・PLC1000の内部時計情報を使用し、毎日定時に発生する定時トリガ。
・ログ格納領域142の容量がフルになると発生するバッファフルトリガ
・アナログ入力ユニット100が備えているエラー出力機能、警報検出機能と連動したエラートリガ、警報トリガ。
・上記トリガのうちの複数のAND条件、OR条件で発生する複合トリガ
次に、図4および図5を参照して本発明の実施の形態の動作を説明する。図4および図5はアナログ入力ユニット100の動作を説明するフローチャートである。
図4において、まず、ロギング実行部132は、ユーザにより設定されたロギングに関する初期設定を取得する(ステップS10)。初期設定では、ロギングの周期、トリガ種別、トリガ後データ数が設定されている。ロギングの周期は、サンプリング間隔周期の整数倍が設定されている。
続いて、ロギング実行部132は、A/D変換部120によるA/D変換が開始されると、A/D変換値のロギングの動作をスタートする(ステップS11)。具体的には、ロギング実行部132は、ロギング周期毎にログデータをログ格納領域142に書き込むために、タイマやカウンタを使用してロギング周期間隔時間に到達したか否かを判定する(ステップS12)。
ステップS11または前回の書き込みからの経過時間がロギング周期間隔時間に達していない場合(ステップS12、No)、ロギング周期間隔時間に到達したか否かを判定するステップを続行する。ロギング周期間隔時間に達した場合(ステップS12、Yes)、ロギング実行部132は、ロギングが一週目か否かをさらに判定する(ステップS13)。ロギングが一週目か否かは、例えば格納データ数の値が示す記憶容量がログ格納領域142の記憶領域に等しいか否かで判定することができる。
ロギングが一週目である場合(ステップS13、Yes)、ロギング実行部132は、パラメータ格納領域143から格納データ数を取得し(ステップS14)、A/D変換部120が出力したA/D変換値をログ格納領域142の先頭アドレスに格納データ数分の容量を加算したアドレスに書き込む(ステップS15)。そして、ロギング実行部132は、格納データ数を1加算する更新を行う(ステップS16)。
ロギングが2週目以降である場合(ステップS13、No)、ロギング実行部132は、パラメータ格納領域143から先頭ポインタを取得し(ステップS17)、A/D変換部120が出力したA/D変換値をログ格納領域142の先頭ポインタが示すアドレスに書き込む(ステップS18)。そして、ロギング実行部132は、先頭ポインタに一つのデータ分だけ加算し(ステップS19)、先頭ポインタがログ格納領域142の最後尾アドレスを越えたか否かを判定する(ステップS20)。最後尾アドレスを越えた場合(ステップS20、Yes)、先頭ポインタをログ格納領域142の先頭アドレスにセットする(ステップS21)。
ステップS16、ステップS21またはステップS20にて先頭ポインタがログ格納領域142の最後尾アドレスを越えなかった場合(ステップS20、No)、ロギング実行部132は、格納データ数をパラメータ格納領域143に出力し(ステップS22)、先頭ポインタをパラメータ格納領域143に出力し(ステップS23)、ステップS12に移行する。
次に、トリガを検出したときのアナログ入力ユニット100の動作を説明する。図5はトリガを検出したときのアナログ入力ユニット100の動作を説明する図である。
まず、ロギング実行部132は、初期設定を取得してトリガ後データ数を取得する(ステップS30)。そして、ロギング実行部132は、トリガ検出部131がトリガを検出したか否かを判定する(ステップS31)。トリガを検出していない場合(ステップS31、No)、引き続きトリガを検出するまで判定を続行する。トリガを検出した場合(ステップS31、Yes)、ロギング実行部132は、トリガを検出してからトリガ後データ数分のデータをログ格納領域142に書き込んだか否かをさらに判定する(ステップS32)。トリガ後データ数分のデータをログ格納領域142に書き込んでいない場合(ステップS32、No)、トリガ後データ数分のデータを書き込むまで判定を続行する。
トリガ後データ数分のデータをログ格納領域142に書き込んだ場合(ステップS32、Yes)、ロギング実行部132は、ログデータ格納処理を停止し(ステップS33)、ログ格納領域142の先頭から時系列順になるようにログ格納領域142に記憶されているログデータを並び替える(ステップS34)。図6は、ステップS34における並び替えを説明する図である。前述のように、ログ格納領域142はリングバッファ構成となっているので、所定の時点においては、図6左図に示すように、最新ログデータと最旧ログデータとの境界が存在する。ロギング実行部132は、図6左図のように記憶されているデータを、図6右図に示すように並び替え、先頭に最旧ログデータ、最後尾に最新ログデータが格納されるようにする。図7は、並び替え後のログ格納領域142の状態を説明する図である。図7に示すように、トリガ検出時の時点における書き込みアドレス以降のアドレスには、トリガ後データ数のログデータが格納されている状態となっている。なお、ここでは、先頭から時系列順に並び替えるとしたが、最後尾から時系列順になるように並び替えるようにしてもよい。
そして、ステップS34の後、ロギング実行部132は、ロギングが完了した旨を示すロギング完了フラグをONにし(ステップS35)、動作を終了する。なお、共用メモリ140内の一部のビットをロギング完了フラグ用の記憶領域とし、該記憶領域のビットを1とすることによりロギング完了を示すようにしてもよいし、その他の記憶領域をロギング完了フラグとするようにしてもよい。また、ロギング実行部132は、ロギング完了フラグをONにするとともに、CPUユニット200にロギングが完了した旨を通知するようにしてもよい。この状態でパーソナルコンピュータまたは表示器にログ格納領域142の先頭アドレスから順番にログデータを読み出すようにすると、ログデータを時系列順に取得することができる。
なお、ステップS34において先頭アドレスからデータを時系列順に格納されるようにデータを並び替えるとしたが、ステップS34の動作を実行するかスキップするかを初期設定により設定可能に構成するようにしてもよい。スキップする場合、周辺装置はログデータだけでなく先頭ポインタをも読み出すようにすると、周辺装置側でログデータを時系列順に並び替えることが可能になる。また、周辺装置は、ロギング完了フラグがONになったときだけでなく、いつでも共用メモリ140に読み出しアクセスしてログデータを読み出すことができる。その際、前述と同様に、先頭ポインタも読み出すようにするとよい。
また、サイクリック処理の周期よりも早いサンプリング処理間隔でロギングする、として説明したが、ロギング周期をサイクリック処理の周期よりも遅く設定し、CPUユニット200を介してログデータを周辺装置に略リアルタイムで読み出すようにしてもよい。また、周辺装置は、読み出したログデータを読み出し順に配列すると、ログデータの時間的推移を示すリアルタイムトレンドグラフを作成することができる。
以上のように、本発明の実施の形態によれば、アナログ入力ユニット100は、リングバッファ構成のログ格納領域142を共用メモリ140に確保し、ログ格納領域142に格納されているログデータのうち最新ログデータと最旧ログデータとの境界のアドレスを示す先頭ポインタを共用メモリ140に格納するように構成したので、全てのA/D変換値を取りこぼすことなくロギングするとともに、ロギングしたデータを時系列との対応付け可能な状態で特別な通信処理を必要とせず容易に読み出すことができるようになる。また、アナログ入力ユニット100は、リングバッファ構成となっているログ格納領域142に格納されているログデータを時系列順に並び替えるように構成したので、特別な操作を実行することなく時系列順のログデータを読み出すことができるようになる。
なお、以上の説明においては、サイクリック処理により読み出されるA/D変換値をA/D変換値格納領域141に格納し、A/D変換値のログデータをログ格納領域142に格納する、として説明したが、A/D変換値格納領域141を削除し、CPUユニット200はサイクリック処理においてログ格納領域142に格納されているログデータとしてのA/D変換値を読み出すようにしてもよい。その際、CPU200は、先頭ポインタあるいは格納データ数に基づいて最新データの格納位置を参照するようにするとよい。すなわち、1週目の場合、先頭アドレスに格納データ数分の記憶容量を加算して求まるアドレスが最新のA/D変換値が格納されているアドレスとなり、2週目以降の場合、(先頭ポインタ−1)が示すアドレスが最新のA/D変換値が格納されているアドレスとなる。また、ユーザプログラムがA/D変換値の過去値を使用する場合、CPUユニット200は、ログ格納領域142にログデータとして格納されているA/D変換値の過去値を読み出すようにしてもよい。
また、トリガ検出によるロギング停止後、トリガ条件が解除されることによって、ロギング処理を再開するようにしてもよい。これにより、トリガ条件のON、OFFによりロギングの開始・停止を制御することができる。
また、A/D変換部120がA/D変換を開始するとロギングが開始される、としたが、A/D変換開始後、トリガ検出によってロギングを開始するようにしてもよい。
以上のように、この発明にかかるA/D変換装置およびPLCシステムは、PLCに装着されるA/D変換装置およびPLCシステムに適用して好適である。

Claims (4)

  1. プログラマブルコントローラ(PLC)に装着され、外部から入力されるアナログ値を逐次デジタル値に変換するA/D変換装置において、
    前記デジタル値を逐次ロギングするためのリングバッファ構成のログ格納領域と次のログデータの格納位置を示すパラメータである先頭ポインタを記憶するパラメータ格納領域とを備える前記PLC全体を制御するCPUユニットから読み出しアクセス可能な共用メモリと、
    前記ログ格納領域の前記先頭ポインタが示すアドレスにデジタル値をログデータとして書き込むとともに前記先頭ポインタを更新し、さらにロギングを停止した後、前記ログ格納領域に格納されている夫々のログデータの格納位置を前記先頭ポインタに基づいて変更して時系列順に整列させるロギング実行部と、
    を備える、
    ことを特徴とするA/D変換装置。
  2. 前記ロギング実行部は、所定のトリガを検知した場合、前記トリガを検知した時点以降にロギングされたログデータの数が予め定められた所定の数に到達した時、ロギングを停止する、
    ことを特徴とする請求項に記載のA/D変換装置。
  3. 前記所定のトリガは、前記PLCの内部信号、外部から入力される入力信号、A/D変換値が所定の値を下回ったまたは上回った際に発生する信号、前記PLCの内部時計情報を使用した定時信号、前記ログ格納領域の空き容量がなくなった時点でロギング停止するためのバッファフル信号、自身が発する警報あるいは自身がエラーを検出したときに発する信号、からなる群のうちの一つの信号または複数の信号を全て受信するかあるいは1つ受信したときに発生する信号である、
    ことを特徴とする請求項に記載のA/D変換装置。
  4. 前記1〜の何れか一項に記載のA/D変換装置、CPUユニット、および前記A/D変換装置と前記CPUユニットとを接続するバスを備えるPLCと、前記CPUユニットおよび前記バスを介して前記A/D変換装置が備える共用メモリのログ格納領域からログデータを読み出す周辺装置と、を備えるプログラマブルコントローラシステムにおいて、
    前記周辺装置は、
    前記ログデータを略リアルタイムで読み出して、前記読み出したログデータのデジタル値を時系列順に配列したトレンドグラフを表示する、
    ことを特徴とするPLCシステム。
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