JP5219954B2 - 統合化ウェブ・サーバを備えるプログラマブル・ロジック・コントローラ - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、工業用制御または自動化の分野に関する。更に特定すれば、本発明は、工業用制御または自動化システムに関連する制御機能を実行するプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）と、制御機能に付随するデータの監視および一般的な制御システム情報の監視に用いるコンピュータとの間におけるネットワークを通じた通信に関する。

工業用制御システムは、多くの場合、工業用制御機器の制御を調整するためにプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）を含む。制御機器には、種々のエレメントが含まれ、多くの場合、ＰＬＣに入力を供給するセンサまたはＰＬＣからの出力を受信するリレーのいずれかであり、各々エレメント・コントローラの制御の下で動作し、各々ネットワークを通じネットワークＩ／Ｏデバイスを介してＰＬＣに接続されている。ＰＬＣを用いる工業用制御では、高速走査と呼ばれるものが必要となる。これは、ＰＬＣによって繰り返し実行される次の３つの主要ステップの連続的高速実行を意味する。即ち、制御対象プロセスに対していわゆるラダー・ロジックを実行するために必要なＰＬＣへの各入力のステータスの把握、各出力を決定するためのラダー・ロジックの解明、および出力のステータスの更新である。

ラダー・ロジックという用語は、機械制御分野における初歩の労働者にわかる形式で工業用制御システムの監視エレメントに基づいて、工業用制御システムの制御エレメントをどのように制御すべきかを示す表現として用いられている。ラダーという用語が用いられるのは、制御ロジックの表現が実際に梯子の形態であることが多いからであり、ラダーの各横さんが出力、即ち、制御エレメントに要求される状態に対する値および１つ以上の入力、即ち、監視エレメントからの信号に対応する値を有する。

効果的な工業用制御のためには、ＰＬＣは、一定の走査速度で接続されているＩ／Ｏデバイスの走査を実行し、周辺のタスクに捕らわれ過ぎて、その規則的に予定されているＩ／Ｏデバイスの監視をおろそかにするようになってはならない。

通常、プロセス動作は、少なくとも間欠的に１箇所以上の中央管理ステーションにおいて監督要員によって監視されている。各ステーションは、操作員が選択するＰＬＣ（およびそれらと連動するセンサ）のステータスをサンプリングし、何らかの有意なフォーマットでデータを提示する。管理ステーションは、監視対象機器と同じ現場に位置してもしなくてもよく、１つの中央ステーションが多数の現場にアクセスすることができる場合が多い（これらが関連するプロセスを実行するか否かには関係ない）。したがって、プロセス機器が物理的に近接している従来の工業環境においても、通信連鎖は、極めて重要な場合もある。何故なら、少なくとも一部の監督要員が不在のこともあるからである。

必要な通信を容易に行うために、ＰＬＣおよび関連する監視ステーションをコンピュータ・ネットワークで接続する。通常、ネットワークは、いずれのコンピュータでも他のあらゆるネットワーク・コンピュータと通信できるように編成されている。通信プロトコルが提供するメカニズムによって、メッセージを分解し、何らかの形式のアドレスによって特定される宛先コンピュータに送出することができる。プロトコルは、メッセージの各コンポーネントにルーティング情報の「ヘッダ」を置くことができ、このヘッダが発信元アドレスおよび宛先アドレスを指定し、当該コンポーネントを識別するので、後に宛先コンピュータがメッセージ全体を再生することが容易となる。このデータ転送手法によって、ネットワークは、転送速度を低下させることなく、あるいは各ネットワーク・コンピュータが各ネットワーク・メッセージを処理する必要なく、大量の通信を高速かつ効率的に処理し、長い個別メッセージに対応することができる。ルーティングの度合いは、ネットワークのサイズによって異なる。ローカル・ネットワークの各コンピュータは、通常、各メッセージのヘッダを調べ、当該コンピュータの識別子との一致を検出する。多元ネットワーク・システムは、ルーティング情報を用いて最初にメッセージ・コンポーネントを適正なネットワークに導出する。

ＰＬＣは、しばらくの間、コンピュータ・ネットワークによって相互接続されていた。例えば、米国特許第５，３０７，４６３号が参照される。典型的なシステムでは、監視用コンピュータは、いずれのＰＬＣまたは全てのＰＬＣからも離れて配置され、ＰＬＣにアクセスして周期的に問い合わせを行い、制御対象プロセスまたは機械あるいはＰＬＣ自体を記述するデータを取得する。次いで、これらのデータは、監視用コンピュータによる分析に利用することができる。

米国特許第５，８０５，４４２号は、分散型インターフェースと呼ばれるものを開示している。これは、遠隔コンピュータにインターネットを通じてＰＬＣから情報を取得させ、ＰＬＣから取得した情報は、データおよびこのデータをどのように表示するかに関する命令双方を含む（つまり、「分散型インターフェース」という用語が用いられるのは、ＰＬＣからのデータを表示する命令の少なくとも一部が遠隔コンピュータではなくＰＬＣに配置され、表示するデータと共に遠隔コンピュータに伝達されるからである）。ここに開示されているＰＬＣは、ウェブ・サーバ、即ち、インターネットを通じて受信したデータ要求に応答して、データおよび当該データを表示する命令を供給するモジュールを組み込んでいる。データおよび表示命令の組合わせは、いわゆるウェブ・ページとして一方または他方のＰＬＣ記憶装置に常駐する。しかしながら、ＰＬＣがそれに取り付けられたＩ／Ｏデバイスの走査速度を一定に保持可能にするロジックは、開示されていない。

ウェブ・サーバをＰＬＣに組み込む際に、当該ウェブ・サーバが遠隔コンピュータによるＰＬＣからのデータ要求に応答することによって、ＰＬＣ走査速度に影響を及ぼすことがないようにする方法が求められている。

（発明の概要）
したがって、本発明は、工業用制御または自動化システムの一部としてのコントローラおよび対応する方法を提供する。コントローラは、１つ以上の入出力デバイスを制御し、コントローラは、インターネットのようなネットワークを通じて遠隔地に位置するコンピュータと双方向処理を行うことができる。このコントローラは、（少なくとも１つの制御対象入出力デバイスに関連するラダー・ロジックを解くことを含むコントローラ走査を実行する手段であって、コントローラ走査が所定の走査速度を有する手段と、制御機能に関係するデータを収集するウェブ・サーバであって、遠隔地に位置するコンピュータからのデータ要求に応答するウェブ・サーバと、データと検索可能な関連命令とから成り、遠隔地に位置するコンピュータによって実行可能なウェブ・ページであって、命令が遠隔地に位置するコンピュータに所定のフォーマットでデータを表示させるウェブ・ページとを含み、データ要求に応答して、ウェブ・サーバが１つ以上のウェブ・ページを供給し、その中に要求データを表示する。

本発明の別の態様では、データを収集する手段は、背景タスクとして実行する。
本発明の更に別の態様では、データを収集する手段は、コントローラ走査を実行する手段と並列に実行する。

本発明の更に別の態様では、遠隔コンピュータからのデータ要求に応答して、データを収集する手段は、コントローラ走査を実行する手段によって走査毎に所定の最大バイト数未満のデータおよび命令の組合わせを供給する。本発明のこの更に別の態様によるいくつかの応用では、走査毎の最大バイト数は、コントローラ走査を実行する手段において１回の走査に必要な時間未満で遠隔コンピュータへの配信のためにネットワークに伝達することができるバイト数に予め決められている。

本発明の更にまた別の態様では、少なくともデータの一部が異なるコントローラに常駐しており、データ収集手段は、コンピュータ・ネットワークを通じて、この異なるコントローラにアクセスしデータを取得するように構成されている。

本発明の更に別の態様では、コントローラは、あらゆるＭＯＤＢＵＳコマンドまたはメッセージも単一のＴＣＰ／ＩＰパケットとして伝達するようにカスタム化した伝送制御プログラム（ＴＣＰ）／インターネット・プロトコル（ＩＰ）スタックを備えている。本発明のこの更に別の態様によるいくつかの応用では、ウェブ・サーバは、ウェブ・ページを供給するファイル・サーバおよびファイル取得機能性を備えたハイパーテキスト転送プロトコル（ＨＴＴＰ）サーバを備えており、またいくつかの応用では、ネットワークを通じＴＣＰ／ＩＰスタックを介して新たなウェブ・ページまたは交換ウェブ・ページを受信し、これらをファイル・サーバに供給するファイル転送プロトコル（ＦＴＰ）サーバを備えている。
本発明の前述およびその他の目的、特徴ならびに利点は、添付図面に関連付けて示す以下の詳細な説明を検討することによって明らかとなる。

本発明による統合化ウェブ・サーバを有するＰＬＣの種々のロジック・コンポーネントを示すブロック図である。 遠隔コンピュータにデータを伝達する数個のＰＬＣを示すブロック図である。 本発明による統合化ウェブ・サーバを有するＰＬＣのルーチン動作における主ステップを示すフロー・チャートである。

図１を参照すると、工業用制御システムの一部または自動化システムの一部として用いるプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）１０ａ（以降、単にコントローラと呼ぶ）は、本発明によれば、ラダー走査機能性を有するモジュール１１と、ウェブ・サーバ・モジュール１２とを含む。ラダー走査機能性を有するモジュール１１は、デバイス２３に接続されているＩ／Ｏモジュール２２を作動させる。デバイス２３は、センサまたはアクチュエータのいずれかであり、いわゆるラダー・ロジックを解いて連動する各デバイスに対する全ての入力に基づいて、当該デバイスの次の状態を指令する出力を決定する。ＰＬＣによって制御されるデバイスは、直接的に（デバイス２３ａのように）、ローカル・ネットワーク６０によって（デバイス２３ｂのように）またはインターネット７０によって（デバイス２３ｃのように）コントローラに取り付けることができる。インターネット７０によってコントローラ１０ａに接続されているデバイス２２ｃの場合、コントローラは、インターネット・インターフェース３０ａを用いて、デバイス２２ｄに関連する入力および出力を処理する。ネットワーク・インターフェースは、伝送制御プログラム（ＴＣＰ）／インターネット・プロトコル（ＩＰ）スタック３３にモドバス（ＭＯＤＢＵＳ）（登録商標）ハンドラ３１を含む。ＭＯＤＢＵＳハンドラ３１は、あるＭＯＤＢＵＳ機能性を有し、ＴＣＰ／ＩＰによるインターネットを通じた通信を行うために設けられている。

ＭＯＤＢＵＳという用語は、ここでは、自動化機器の監督および制御を目的とした単純な、販売業者を問わない通信プロトコル系を意味する。好適な実施形態では、ＴＣＰ／ＩＰスタックは、ＭＯＤＢＵＳ／ＴＣＰに準拠する。ＭＯＤＢＵＳ／ＴＣＰは、ＭＯＤＢＵＳプロトコル系の１つであり、「インターネット」におけるＭＯＤＢＵＳメッセージ送信の使用またはＴＣＰ／ＩＰプロトコルを用いた「インターネット」環境に対応する。現時点において最も一般的なＴＣＰ／ＩＰプロトコルの使用は、イーサネット（登録商標）においてコントローラ、Ｉ／Ｏモジュールおよび「ゲートウェイ」を別の単純なフィールド・バスまたはＩ／Ｏネットワークに取り付ける場合である。インターネット・インターフェース３０ａのいずれのファームウェアも、Open MODBUS/TCP specification, release 1.0によって規定されているＭＯＤＢＵＳ ＴＣＰ／ＩＰを基準とすることが好ましい。この文献の内容は、この言及により本願にも含まれるものとする。この仕様書は、インターネットを通じてＭＯＤＢＵＳサーバへそしてＭＯＤＢＵＳサーバから公知のポート５０２を用いてＭＯＤＢＵＳコマンドや応答をいかにして配信するかについて規定している。

好適な実施形態では、ＴＣＰ／ＩＰスタック３３は、カスタム・スタックであり、いずれのＭＯＤＢＵＳコマンドまたはメッセージでも単一のパケットとして供給するようにプログラムされており、全てのＭＯＤＢＵＳ通信を最適化する。

ウェブ・サーバ１２は、好ましくはリンク・リスト・ファイル・システムを用いるファイル・サーバ２０と、いわゆるＨＴＴＰサーバ３２、即ち、インターネット・ハイパーテキスト転送プロトコルＨＴＴＰにしたがってハイパーテキストを通信する（ウェブ・ページをブラウザに記述し、ブラウザがウェブ・ページを表示可能にするために用いられる）モジュールとの双方を含む。一実施形態では、ＨＴＴＰサーバ３２は、"file get"（ファイル取得）機能性のみというように、最小の機能性を有する。好適な実施形態では、ウェブ・サーバ１２は、ファイル転送プロトコル（ＦＴＰ）サーバ３４も含み、新たなウェブ・ページおよび交換ウェブ・ページのダウンロードを受け入れ、これらをファイル・サーバ２０に供給する。

ＴＣＰ／ＩＰスタック３３は、着信メッセージ（ＴＣＰ／ＩＰパケット）がＭＯＤＢＵＳハンドラ３１、ＨＴＴＰサーバ３２またはＦＴＰサーバ３４のどれに宛てられているかを、当該着信メッセージに指定されているポート番号に基づいて判定する。

図２を参照すると、遠隔コンピュータ５０のユーザがディスプレイ５１にグラフィカル・ユーザ・インターフェースが表示されているブラウザ５２を用いて、インターネット７０を通じネットワーク・インターフェース５３を介して、コントローラ１０ａとそのインターネット・インターフェース３０ａを介して通信する場合、コントローラは、ブラウザ５２に対してウェブサイト・サーバとして動作し、そのＨＴＴＰサーバ３２およびファイル・サーバ２０を介して、コントローラ１０ａは、記憶装置に格納してあるウェブ・ページ２１をブラウザ５２に伝達する。ウェブ・ページは、コントローラ・ラダー走査機能性を有するモジュール１１によって与えられるデータおよびブラウザ５２がどのようにデータを表示するかについての命令の双方を含む。一般に、ウェブ・ページ２１は、ホスト・コントローラ１０ａに直接的または間接的に取り付けられているデバイスからのデータだけでなく、他のコントローラによって供給されるデータも含むことができる。したがって、第１のコントローラ１０ａは、そのウェブ・ページに第２のコントローラ１０ｂによって供給されるデータを含むことができる。第２のコントローラによって供給されるデータは、例えば、第２のコントローラに直接的または間接的に取り付けられているデバイスに関連するデータである。ウェブ・ページは、他のコントローラからのデータを埋め込みデータとして、あるいは他のコントローラのデータの場所に対する参照として含むことができ、参照は、ブラウザ５２に理解可能であるので、ブラウザがかかる参照を有するウェブ・ページをロードした場合、ブラウザは、他のコントローラから参照されたデータを取得するように処理することができる。

図３を参照する。本発明によれば、ラダー走査機能性を有するモジュール１１によって行われるラダー走査タスクおよびウェブ・サーバ１２によって実行されるウェブ・サーバ・タスクは、単一の中央演算装置（ＣＰＵ）においてコントローラ１０ａの並列スレッドとして実行される。並列スレッドという用語は、ここでは、単一の中央演算装置（ＣＰＵ）が並列処理機能を有する場合には、ＣＰＵがウェブ・サーバ・タスクと並列にラダー走査タスクを実行すること、あるいは標準的な順次処理ＣＰＵの場合、いずれかの所与のタイム・スライスのラダー走査タスクの実行に割り当てられる部分に比較して、同じタイム・スライスの小さい部分でウェブ・サーバを実行することを想定している。即ち、ウェブ・サーバは、背景タスクとして実行される。

図３に示すように、ラダー走査タスクは、ラダー・ロジックを実行するステップと、取り付けられている各デバイス毎に入出力処理を実行するステップと、いずれかのコントローラをコントローラ・コマンドに割り当てるステップとを含む。これら３つのタスクは、ここで言う走査速度で何度も繰り返され、本発明によれば、この走査速度は、ウェブ・サーバ・タスクの実行による影響を受けない。図３に示すように、ウェブ・サーバ・タスクは、ポート８０に対する要求のチェック（ＨＴＴＰサーバに対する要求）を含み、要求がある場合、要求に答えるが、所定長よりも長いメッセージに対する要求には答えない。メッセージの所定長は、ＣＰＵが１回のラダー走査を完了するのに必要な時間未満で、背景タスクが所定長のメッセージを処理できるような長さである。メッセージが所定長よりも長い場合、ウェブ・サーバは、１回の走査でメッセージの一部を処理し、後続の走査でメッセージの一部を処理する。このように、ラダー走査タスクの決定が維持される。即ち、ラダー走査の走査速度は、統合化したウェブ・サーバの実行による影響を受けない。

前述の構成は、本発明の原理を適用した例示に過ぎないことは理解される。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多数の変更や代替構成も当業者には考案することができる。特許請求の範囲は、かかる変更や構成にも適用されることを意図するものとする。

Claims (16)

1. 工業用制御システムの一部または自動化システムの一部として用い、少なくとも１つの入出力デバイスを制御し、ネットワークを通じて遠隔地に位置するコンピュータと双方向通信を行うプログラマブル・ロジック・コントローラであって、
   ａ）制御対象である前記少なくとも１つの入出力デバイスに関連するラダー・ロジックを含む前記コントローラの所定の走査速度を有する走査タスクを実行する手段と、
   ｂ）コントローラのデータを収集するウェブ・サーバであって、前記遠隔地に位置するコンピュータからの前記コントローラのデータに対する要求に応答するウェブ・サーバと、
   ｃ）前記遠隔地に位置するコンピュータによって検索可能で実行可能なコントローラのデータおよびその関連命令を含むウェブ・ページであって、前記命令が前記遠隔地に位置するコンピュータに所定のフォーマットで前記コントローラのデータを表示させるウェブ・ページと、
   を備え、
   前記コントローラのデータに対する要求に応答して、前記ウェブ・サーバは、要求された前記コントローラのデータが表示される１つ以上のウェブ・ページを供給し、
   前記ウェブ・サーバは、前記コントローラの走査タスクの所定の走査速度が、前記遠隔に位置するコンピュータによる要求に応答する前記ウェブ・サーバの実行により影響されないように、前記コントローラの走査タスクを実行する前記手段が１回の走査に必要な時間未満で背景タスクが処理できる所定長のデータを供給するコントローラ。
2. 請求項１記載のコントローラにおいて、前記コントローラのデータを収集する前記ウェブ・サーバは、前記コントローラの走査タスクを実行する前記手段と並列に実行するコントローラ。
3. 請求項１記載のコントローラにおいて、前記遠隔地に位置するコンピュータからの前記コントローラのデータに対する要求に応答して、前記コントローラのデータを収集する前記ウェブ・サーバは、前記コントローラの走査タスクを実行する前記手段によって走査毎に所定の最大バイト数未満の前記コントローラのデータおよび命令の組み合わせを供給するコントローラ。
4. 請求項３記載のコントローラにおいて、前記走査毎の最大バイト数は、前記コントローラの走査タスクを実行する前記手段による１回の走査に必要な時間未満で前記遠隔地に位置するコンピュータに配信するために前記ネットワークに伝達可能なバイト数に予め決定されているコントローラ。
5. 請求項１記載のコントローラにおいて、前記コントローラのデータの少なくとも一部は、異なるコントローラに常駐し、前記コントローラのデータを収集する前記ウェブ・サーバは、コンピュータ・ネットワークを通じて前記異なるコントローラにアクセスし前記コントローラのデータを取得するように構成されているコントローラ。
6. 請求項１記載のコントローラにおいて、前記コントローラは、更に、いずれのモドバス（ＭＯＤＢＵＳ）（登録商標）コマンドまたはメッセージも単一のＴＣＰ／ＩＰパケットとして伝達するようにカスタム化した伝送制御プログラム（ＴＣＰ）／インターネット・プロトコル（ＩＰ）スタックを備えるコントローラ。
7. 請求項６記載のコントローラにおいて、前記ウェブ・サーバは、前記ウェブ・ページを供給するファイル・サーバを備えているコントローラ。
8. 請求項７記載のコントローラにおいて、前記ウェブ・サーバは、更にファイル取得機能性を備えたハイパーテキスト転送プロトコル・サーバを備えているコントローラ。
9. 請求項８記載のコントローラにおいて、前記ウェブ・サーバは、更に前記ＴＣＰ／ＩＰスタックを介して前記ネットワークを通じて新たなウェブ・ページまたは交換ウェブ・ページを受信し、これらを前記ファイル・サーバに供給するファイル転送プロトコル（ＦＴＰ）サーバを備えているコントローラ。
10. 請求項６記載のコントローラにおいて、前記コントローラの走査タスクを実行する前記手段をモドバス（ＭＯＤＢＵＳ）（登録商標）ハンドラに結合し、更に該モドバス・ハンドラを前記ＴＣＰ／ＩＰスタックに結合することによって、前記コントローラの走査タスクを実行する前記手段を前記ネットワークに結合するコントローラ。
11. 請求項６記載のコントローラにおいて、前記コントローラの走査タスクを実行する前記手段をローカル・ネットワーク入出力インターフェースに結合することによって、前記コントローラの走査タスクを実行する前記手段をローカル・ネットワークに結合するコントローラ。
12. プログラマブル・ロジック・コントローラが工業用制御システムまたは自動化システムの少なくとも１つの入出力デバイスを制御し、ネットワークを通じて遠隔地に位置するコンピュータと双方向通信を行う方法であって、
    ａ）制御対象である前記少なくとも１つの入出力デバイスに関連するラダー・ロジックを含む前記コントローラの所定の走査速度を有する走査タスクを実行するステップと、
    ｂ）コントローラのデータを収集するステップと、
    ｃ）前記遠隔地に位置するコンピュータによって検索可能で実行可能なコントローラのデータおよびその関連命令を含むウェブ・ページを格納するステップであって、前記命令が前記遠隔地に位置するコンピュータに所定のフォーマットで前記コントローラのデータを表示させるステップと、
    ｄ）前記遠隔地に位置するコンピュータからの前記コントローラのデータに対する要求に応答するステップであって、要求された前記コントローラのデータを表示するために用いる前記ウェブ・ページを１つ以上供給するステップと、
    を含み、
    前記ウェブ・サーバは、走査タスクを実行するステップａ）の所定の走査速度が、ウェブ・ページのステップｂ）、ｃ）、ｄ）の実行により影響されないように、走査タスクを実行するステップａ）が１回の走査に必要な時間未満で、背景タスクが処理できる所定長のデータを供給する方法。
13. 請求項１２記載の方法において、前記コントローラのデータを収集する前記ステップおよび前記コントローラのデータに対する要求に応答する前記ステップを、前記コントローラの走査タスクを実行する前記ステップと並列に実行する方法。
14. 請求項１２記載の方法において、前記遠隔地に位置するコンピュータからの前記コントローラのデータに対する要求に応答して、走査毎に所定の最大バイト数未満の前記コントローラのデータおよび命令の組合わせを供給する方法。
15. 請求項１４記載の方法において、走査毎の最大バイト数は、１回の走査に必要な時間未満で前記遠隔地に位置するコンピュータに配信するために前記ネットワークに伝達可能なバイト数に予め決定されている方法。
16. 請求項１２記載の方法であって、更に前記ネットワークを通じてモドバス（ＭＯＤＢＵＳ）（登録商標）コマンドまたはメッセージを伝達するステップを含み、いずれのモドバス・コマンドまたはメッセージも前記ネットワークを通じて単一のＴＣＰ／ＩＰパケットとして伝達する方法。
    

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