JP7374381B1 - シミュレーションプログラム、シミュレーション方法及びシミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

プログラムは、シミュレーション装置（１０）を、プログラマブルコントローラ（２１）によって実行される実行プログラム（２１ａ）と、ＦＡシステム（２２）の構成を示すシステム構成情報と、を取得する取得部（１１）、プログラマブルコントローラ（２１）に対応する仮想コントローラ（３１）の第１シミュレーション時間とシステム構成情報に基づいて構成される仮想システム（３２）の第２シミュレーション時間とを予め定められた周期毎に同期させつつ、仮想コントローラ（３１）に実行プログラム（２１ａ）を実行させて得る仮想出力によって仮想システム（３２）を動作させることで、プログラマブルコントローラ（２１）及びＦＡシステム（２２）の動作を模擬するシミュレーション部（１４）、として機能させる。

Description

本開示は、シミュレーションプログラム、シミュレーション方法及びシミュレーション装置に関する。

ＦＡ（Factory Automation）の現場では、センサ及びサーボモータに代表される種々のＦＡ機器を含むＦＡシステムがプログラマブルコントローラの指示に従って稼働することで種々の工程が実現される。この種のＦＡシステムの稼働については、事前にシミュレーションを行って、不具合の有無、プログラマブルコントローラに実行させるプログラム、又は、ＦＡ機器に設定するパラメータを検証することが望ましい（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１には、コントローラによって制御されるプラントを模擬するシミュレータを有する仮想プラントシミュレーションシステムについて記載されている。特許文献１の技術では、オペレータが「停止」の操作をすると、コントローラの動作及びシミュレータの演算が停止してその状態を維持し、「起動」又は「実行」の操作があれば、その操作に対応する指令の内容をコントローラ及びシミュレータが実行する。

特開２０１７－１８７９４７号公報

特許文献１の技術では、シミュレータが実機のコントローラに対してリアルタイムにシミュレーションを行う。しかしながら、プログラマブルコントローラの動作についてもシミュレーションを行えば、実機のプログラマブルコントローラを準備する必要がなく、より早期にプログラマブルコントローラ及び当該プログラマブルコントローラに接続されるＦＡシステムの協働運転について検証することができる。

ここで、プログラマブルコントローラとＦＡシステムを一体としてシミュレーションを行うのではなく、プログラマブルコントローラのシミュレーションをＦＡシステムのシミュレーションとは別個に行うことが、シミュレーションソフトウェアの開発の負担及び将来の拡張性の観点から好ましい。しかしながら、プログラマブルコントローラのシミュレーションと、ＦＡシステムのシミュレーションと、を並列に実行する場合であっても、停止操作がなされたときに、双方のシミュレーション上の時間が同一であるとは限らない。すなわち、異なる時刻までの動作が模擬された状態でシミュレーションが停止してしまう可能性がある。そのため、停止した状態からシミュレーションを再開する際に、シミュレーションの進行度が異なってしまい、プログラマブルコントローラ及びＦＡシステムの正確なシミュレーションを実行することができないおそれがある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、プログラマブルコントローラ及びＦＡシステムの正確なシミュレーションを実行することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示のシミュレーションプログラムは、プログラマブルコントローラと、プログラマブルコントローラからの出力に従って動作するシステムと、のそれぞれの動作を模擬するコンピュータを、プログラマブルコントローラからの出力を生成するためにプログラマブルコントローラによって実行される実行プログラムと、システムの構成を示すシステム構成情報と、を取得する取得手段、プログラマブルコントローラに対応する仮想コントローラの第１シミュレーション時間とシステム構成情報に基づいて構成される仮想システムの第２シミュレーション時間とを予め定められた周期毎に同期させつつ、仮想コントローラに実行プログラムを実行させて得る仮想出力によって仮想システムを動作させることで、プログラマブルコントローラ及びシステムの動作を模擬するシミュレーション手段、として機能させ、仮想システムは、入力端子及び出力端子の少なくとも一方が２つ以上である部品を含む複数の部品を有し、複数の部品それぞれの入力端子又は出力端子に相当する仮想システムの要素はそれぞれ、他の要素に接続されて、他の要素から出力される信号の受信及び他の要素への信号の送信の少なくとも一方を実行し、他の要素から信号を受信した場合に当該信号に基づいて変化する状態を有し、システム構成情報は、複数の要素と、複数の要素の接続関係と、出力端子の状態が入力端子の状態に依存することを示す依存関係を含む、各要素の状態に関する情報と、を示し、シミュレーション手段は、システム構成情報に基づいて複数の要素の有向非巡回グラフを生成し、生成した有向非巡回グラフのトポロジカルソートを実行することにより、各要素の順序を決定し、決定した順序で各要素の状態の変化を模擬し、取得手段は、シミュレーション手段による模擬を停止するための停止指示を取得し、シミュレーション手段は、取得手段によって停止指示が取得されると、第１シミュレーション時間及び第２シミュレーション時間を同期させる予め定められた周期のタイミングで仮想コントローラ及び仮想システムによる動作の模擬を停止する。

本開示によれば、シミュレーション手段が、第１シミュレーション時間及び第２シミュレーション時間を同期させるタイミングで動作の模擬を停止する。これにより、プログラマブルコントローラ及びシステムの動作のシミュレーションの進行度を等しいものとしてシミュレーションを再開することができる。したがって、プログラマブルコントローラとＦＡシステムの正確なシミュレーションを実行することができる。

実施の形態に係るシミュレーション装置の構成を示す図 実施の形態に係るシミュレーション装置のハードウェア構成を示す図 実施の形態に係るシミュレーション装置に設定される情報の一例を示す図 実施の形態に係るシステム構成情報の一例を示す図 実施の形態に係るコントローラ構成情報の一例を示す図 実施の形態に係るシミュレーションの経過の表示例を示す図 実施の形態に係る時間設定データの一例を示す図 実施の形態に係るシミュレーション時間の同期について説明するための図 実施の形態に係る有向非巡回グラフの作成例を示す図 実施の形態に係る仮想コントローラ処理及び仮想システム処理を示すフローチャート 実施の形態に係る仮想コントローラ及び仮想システムのシミュレーションの実行又は停止の指令が伝送される例を示す図

以下、本開示の実施の形態に係るシミュレーションプログラムを実行するシミュレーション装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

実施の形態．
本実施の形態に係るシミュレーション装置１０は、図１に示されるように、プログラマブルコントローラ２１及びＦＡシステム２２の動作をソフトウェア上で模擬するコンピュータであって、例えば、産業用ＰＣ（Personal Computer）、タブレット端末、又は、ネットワーク上のサーバ装置である。

プログラマブルコントローラ２１は、通信線を介してＦＡシステム２２に接続される。通信線は、電流信号又は電圧信号を伝送する配線であってもよいし、シリアルデータを伝送する信号線であってもよいし、産業用ネットワークであってもよい。または、通信線は、１つであってもよいし複数であってもよい。プログラマブルコントローラ２１は、異なる種別の複数の通信線でＦＡシステム２２に接続されてもよい。

プログラマブルコントローラ２１は、実行プログラム２１ａを実行することでＦＡシステム２２に信号を出力する。実行プログラム２１ａは、例えば、ラダー言語で記述されたラダープログラム、又は、その他の言語で記述されるプログラムである。実行プログラム２１ａは、ＦＡシステム２２に出力すべき信号の内容及び手順が記述されるプログラムであればよい。

ＦＡシステム２２は、プログラマブルコントローラ２１から出力される信号に基づいて動作するシステムである。ＦＡシステム２２は、一又は複数の要素を有する。ＦＡシステム２２が複数の要素を有する場合に、これら複数の要素は、互いに接続されてもよい。詳細には、各要素は、他の要素に接続されて、他の要素から出力される信号の受信及び他の要素への信号の送信の少なくとも一方を実行してもよい。また、各要素は、他の要素から信号を受信した場合に当該信号に基づいて変化する状態を有する。

図１に示されるようにＦＡシステム２２が要素２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを有する場合において、例えば、要素２２ａは、プログラマブルコントローラ２１からＯＮ信号を受信するときに点灯し、ＯＦＦ信号を受信するときに消灯するランプ又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。また、要素２２ｂは、サーボモータである要素２２ｃ，２２ｄをプログラマブルコントローラ２１からの制御指令に従って駆動するサーボアンプであってもよい。ＦＡシステム２２を構成する要素は、上述の例に限られず、論理演算素子、ＬＥＤ及びＬＣＤ（Liquid Crystal Display）に代表される表示装置、ゲージ、センサ、スイッチ、アクチュエータ、サーボアンプ、サーボモータ、その他のモータ、バルブ、ロボット、工作機械、その他のＦＡ機器であってもよい。また、いずれかの要素がプログラマブルコントローラ２１とは異なる他のプログラマブルコントローラであってもよいし、ＦＡシステム２２は、他のプログラマブルコントローラを含まなくともよい。プログラマブルコントローラ２１からの出力に従ってＦＡシステム２２が動作することにより、生産工程、加工工程、検査工程、及び監視工程に代表されるような、工場における種々の工程が実現される。

なお、図１に示されるように、ＦＡシステム２２は、互いに接続される要素２２ｂ，２２ｃ、２２ｄと、他の要素に接続されない要素２２ａをさらに有している。ＦＡシステム２２は、他の要素に接続されずにプログラマブルコントローラ２１に接続される要素を複数有してもよい。

シミュレーション装置１０は、上述のようなプログラマブルコントローラ２１及びＦＡシステム２２を実際に構築することなく、実行プログラム２１ａに基づくプログラマブルコントローラ２１及びＦＡシステム２２の動作を模擬するためのソフトウェアを実行する。このようなソフトウェアを実行するために、シミュレーション装置１０は、図２に示されるようなハードウェア構成を有する。詳細には、シミュレーション装置１０は、プロセッサ４１と、主記憶部４２と、補助記憶部４３と、入力部４４と、出力部４５と、通信部４６と、を有する。主記憶部４２、補助記憶部４３、入力部４４、出力部４５及び通信部４６はいずれも、内部バス４７を介してプロセッサ４１に接続される。

プロセッサ４１は、処理回路としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。プロセッサ４１は、補助記憶部４３に記憶されるプログラムＰ１を実行することにより、シミュレーション装置１０の種々の機能を実現して、後述の処理を実行する。

主記憶部４２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。主記憶部４２には、補助記憶部４３からプログラムＰ１がロードされる。そして、主記憶部４２は、プロセッサ４１の作業領域として用いられる。図２では１つのプログラムＰ１が代表的に示されているが、複数のプログラムＰ１があってもよい。例えば、シミュレーションのためのソフトウェアに相当するプログラムＰ１に加えて、実行プログラム２１ａを編集するためのエンジニアリングツールに相当するプログラムＰ１があってもよい。シミュレーションのためのプログラムＰ１は、シミュレーションプログラムの一例に相当する。

補助記憶部４３は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）及びＨＤＤ（Hard Disk Drive）に代表される不揮発性メモリを含む。補助記憶部４３は、プログラムＰ１の他に、プロセッサ４１の処理に用いられる種々のデータを記憶する。補助記憶部４３は、プロセッサ４１の指示に従って、プロセッサ４１によって利用されるデータをプロセッサ４１に供給し、プロセッサ４１から供給されたデータを記憶する。

入力部４４は、キーボード及びポインティングデバイスに代表される入力デバイスを含む。入力部４４は、シミュレーション装置１０のユーザによって入力された情報を取得して、取得した情報をプロセッサ４１に通知する。

出力部４５は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）及びスピーカに代表される出力デバイスを含む。出力部４５は、プロセッサ４１の指示に従って、種々の情報をユーザに提示する。

通信部４６は、外部の装置と通信するためのネットワークインタフェース回路を有する。通信部４６は、外部から信号を受信して、この信号により示される情報をプロセッサ４１へ出力する。また、通信部４６は、プロセッサ４１から出力された情報を示す信号を外部の装置へ送信する。

なお、入力部４４及び出力部４５は、シミュレーション装置１０のＵＩ（User Interface）に相当する。ただし、シミュレーション装置１０は、通信部４６を介して外部のＵＩ装置に接続されて、通信部４６を介してユーザからの情報を取得するとともにユーザに情報を提供してもよい。入力部４４及び出力部４５に代えて外部のＵＩ装置がシミュレーション装置１０のＵＩとして用いられる場合には、入力部４４及び出力部４５が省略されて、通信部４６が、ＵＩのための情報を授受する機能を発揮してもよい。

図１に戻り、シミュレーション装置１０は、上述のハードウェア構成が協働することで実現される機能的な構成を有する。詳細には、シミュレーション装置１０は、種々の情報を取得する取得部１１と、シミュレーションに関する情報をユーザに対して表示する表示部１２と、進行するシミュレーションのあるタイミングにおける状態を示す状態データを記憶して保存する状態データ記憶部１３と、仮想的に構築した仮想コントローラ３１及び仮想システム３２をプログラマブルコントローラ２１及びＦＡシステム２２と同様に動作させることでプログラマブルコントローラ２１及びＦＡシステム２２の動作を模擬するシミュレーション部１４と、を有する。

取得部１１及び表示部１２は、ＵＩとしての入力部４４及び出力部４５と、エンジニアリングツールを実行するプロセッサ４１と、によって実現される。シミュレーション部１４は、シミュレーションのためのソフトウェアを実行するプロセッサ４１によって実現される。シミュレーション装置１０は、プログラマブルコントローラと、プログラマブルコントローラからの出力に従って動作するシステムと、のそれぞれの動作を模擬するシミュレーション装置の一例に相当する。

取得部１１は、実行プログラム２１ａと、ＦＡシステム２２の構成を示すシステム構成情報を取得する。詳細には、取得部１１は、ユーザによって直接入力される実行プログラム２１ａ及びシステム構成情報を取得してもよいし、ユーザによって指定された補助記憶部４３のアドレス又は外部の記憶装置から実行プログラム２１ａ及びシステム構成情報を読み出すことで取得してもよい。実行プログラム２１ａは、仮想コントローラ３１によって実行され、システム構成情報は、仮想システム３２を構成するために利用される。取得部１１は、プログラマブルコントローラからの出力を生成するためにプログラマブルコントローラによって実行される実行プログラムと、システムの構成を示すシステム構成情報と、を取得する取得手段の一例に相当する。

図３には、システム構成情報を入力するための画面例が示されている。図３の上段右側の「仮想システム」の欄に示されるように、ユーザは、ＦＡシステム２２を構成する要素に対応するオブジェクトを配置するとともに、オブジェクト同士を線で結ぶことにより、ＦＡシステムを構成する要素及び要素同士の関係を入力してもよい。これにより、仮想システム３２は、ＦＡシステム２２と同様に要素が接続されたものとして構成される。

図３の例では、仮想コントローラ３１を構成する出力ユニットに対応する「出力ユニットブロック」の２～４番目の端子それぞれから３つのランプに信号が出力され、最上部のランプの信号はさらにＮＯＴ素子を通って、仮想コントローラ３１を構成する入力ユニットに対応する「入力ユニットブロック」の１番目の端子に入力されている。また、２つのスイッチの出力がそれぞれ「入力ユニットブロック」の３，５番目の端子に入力されている。さらに、「出力ユニットブロック」の８番目の端子から信号がシリンダーに入力され、シリンダーからの信号が「入力ユニットブロック」の７番目の端子に入力されている。

ここで、「出力ユニットブロック」及び「入力ユニットブロック」は実質的には、外部と信号を送受信するための仮想コントローラ３１の構成要素であって、仮想システム３２の構成要素ではないが、仮想コントローラ３１と仮想システム３２の要素との接続を明確にするために便宜上表示されている。図３から分かるように、ＦＡシステム２２は通常、プログラマブルコントローラ２１の制御対象である。また、ＦＡシステム２２から出力される信号をプログラマブルコントローラ２１にフィードバックして閉ループシステムを構成してもよい。

図３に例示される「シリンダー」の動作の詳細については、「シリンダー」のブロックを選択することで表示されるサブウィンドウを用いてユーザが入力してもよいし、動作の詳細が記述されたファイルをユーザが別途指定してもよい。ＦＡシステムを構成する要素の動作の詳細は、要素に入力される信号に基づいて要素の状態がどのように変化するかを示す情報であって、システム構成情報に含まれる。例えば、シリンダーにＯＮ信号が入力されていれば、シリンダー位置が秒速１ｍｍで増加し、ＭＡＸ位置である１００ｍｍに達するとＯＮ信号を出力することが、シリンダーの動作の詳細となる。

図３に例示されるブロックダイアグラムにより、取得部１１は、図４にテーブル形式で示されるようなシステム構成情報を取得することとなる。なお、ブロックダイアグラムに代えて、図４に示されるテーブルをユーザが直接入力してもよいし、シミュレーション装置１０は、その他の形式で表されるシステム構成情報を取得してもよい。システム構成情報は、複数の要素と、当該複数の要素の接続関係と、各要素の状態に関する情報と、を示すものであればよい。

また、プログラマブルコントローラ２１が図３の仮想コントローラ３１に示されるように、複数のユニットを組み合わせることで構成されるビルディングブロック形式のＰＬＣ（Programmable Logic Controller）である場合には、取得部１１は、プログラマブルコントローラ２１の構成を示すコントローラ構成情報を取得してもよい。コントローラ構成情報は、図３の上段左側の「仮想コントローラ」の欄に示されるようにブロックダイアグラムの形式でユーザにより入力されてもよいし、図５に示されるようなテーブル形式のコントローラ構成情報が入力されてもよい。

ここで、図５のコントローラ構成情報は、ベースユニット上に装着される各ユニットと、各ユニットのベースユニット上の装着位置と、を示す。図５中の「実行ユニット」は、実行プログラム２１ａを実行するユニットであって、図３中の「ＣＰＵ（Central Processing Unit）」に対応する。また、図５中の「入力ユニット」は、図３中の「ＩＮ」に対応し、図５中の「出力ユニット」は、図３中の「ＯＵＴ」に対応する。また、ベースユニット上に装着されるユニットとして、プログラマブルコントローラ２１及び仮想コントローラ３１は、さらに他のユニットを有してもよい。他のユニットは、例えば、サーボアンプに接続されてサーボシステムを高精度に制御するためのモーションユニット、サーボアンプユニット、ネットワークを介して通信するためのネットワークユニット、上述の入力ユニット及び出力ユニットの少なくとも一方の機能を有する入出力ユニット、並びに、リモート入出力ユニットである。プログラマブルコントローラ２１を構成する際にこれらのユニットの結線に関する情報が必要となる場合には、コントローラ構成情報は、この結線に関する情報を含む。

表示部１２は、例えば、図６に示されるように、シミュレーションの結果を表示する。なお、シミュレーションの結果は、シミュレーションの経過、すなわち進行するシミュレーションのあるタイミングまでの進行結果を含む。図６の例では、仮想コントローラ３１によって実行されている実行プログラム２１ａのブレークポイントが三角形のオブジェクト５１によって示されるとともに、仮想コントローラ３１が有するメモリ内のアドレスとそのアドレスに格納される値とが対応づけられて示されている。メモリの値は実行プログラム２１ａの実行に伴って変化し、仮想コントローラ３１はこの値を用いて仮想システム３２に対する仮想出力を生成するため、ユーザはこの値を観察することで実行プログラム２１ａに規定される処理が正しく実行されているか否かを確認することができる。

また、図６の上段右側に示されるように、仮想システム３２を構成する各要素の、シミュレーションの進行に伴って変化する状態が表示部１２によって表示される。例えば、ランプの点灯及び消灯並びにスイッチのＯＮ状態及びＯＦＦ状態が、ユーザによって区別して視認されるように表示され、シリンダー位置を示す文字列が表示される。

シミュレーションの進行中においては、シミュレーションの進行に関するユーザからの指示が、表示部１２によって表示される画面を介して、取得部１１によって取得される。シミュレーションの進行に関する指示は、例えば、シミュレーションを一時的に停止する停止指示、停止したシミュレーションを再開する再開指示、仮想コントローラ３１に対する操作、及び、仮想システム３２のうちのユーザ入力を受け付ける要素に対する操作である。停止指示は、図６に例示されるボタンＢ２をユーザが選択することで入力され、再開指示は、ボタンＢ１を選択することで入力される。仮想コントローラ３１に対する操作は、図３のように表示されているオブジェクトに含まれる部品を操作することで入力されてもよいし、図６に示される値を直接上書きすることで入力されてもよい。仮想システム３２の要素に対する操作は、図６のように表示されているオブジェクトを操作することで入力されてもよい。

また、シミュレーションに関する指示として、図６に例示されるボタンＢ３を選択することで入力される、現在のシミュレーションの状態を保存する保存指示と、ボタンＢ４を選択することで入力される、保存されたシミュレーションの状態を読み出す読出し指示と、が取得部１１によって取得される。保存指示は、例えば、ユーザの終業時、離席前、シミュレーション装置１０の電源の切断前、又は、進行中のシミュレーションの現在のタイミングにおける状態が後の検証に必要であると判断された場合に、入力される。読出し指示は、例えば、ユーザの始業時、着席後、シミュレーション装置１０の電源投入後、又は、過去のシミュレーション経過の検証時に、シミュレーション状態を復元するために入力される。読出し指示に続いて開始指示が入力されると、読み出された状態からシミュレーションが再開されることとなる。

状態データ記憶部１３は、主として補助記憶部４３によって実現される。状態データ記憶部１３には、保存指示が入力されたときのシミュレーションの状態を示す状態データが格納される。状態データは、実行プログラム２１ａ、実行プログラム２１ａのブレークポイント、仮想コントローラ３１のメモリに格納されているデータ、コントローラ構成情報、システム構成情報、及び、仮想システム３２の各要素の状態を示す。また、状態データ記憶部１３からは、読出し指示が入力されたときに状態データが読み出される。そして、状態データは、シミュレーションを途中から再開するために利用される。状態データ記憶部１３は、停止指示に従って動作の模擬が停止した仮想コントローラ及び仮想システムの状態を示す状態データを記憶する状態データ記憶手段の一例に相当する。

シミュレーション部１４は、仮想コントローラ３１に実行プログラム２１ａを実行させることで、プログラマブルコントローラ２１による実行プログラム２１ａの実行を模擬する。シミュレーション部１４は、実行プログラム２１ａ及びコントローラ構成情報に基づいて仮想コントローラ３１を構成し、システム構成情報に基づいて仮想システム３２を構成する。

そして、シミュレーション部１４は、プログラマブルコントローラ２１と同様のデータが格納されるメモリを有し、実行プログラム２１ａに含まれる命令を逐次実行する。また、シミュレーション部１４は、命令の実行とともに経過するシミュレーション時間を計時する。このシミュレーション時間は、プログラマブルコントローラ２１が実行プログラム２１ａを実行するときに経過する実時間と同様に、仮想コントローラ３１が実行プログラム２１ａを実行するときに経過する仮想的な時間である。例えば、シミュレーション部１４は、図７に示されるような時間設定データに基づいてシミュレーション時間を計時する。時間設定データは、実行プログラム２１ａに含まれる命令と当該命令の実行にかかる時間長とを対応づけて示す。時間設定データは、実行プログラム２１ａとともに取得部１１によって取得されてもよい。

なお、シミュレーション時間は、命令の実行に対して実時間と同様に連動していればよく、実時間に対応していなくてもよい。また、シミュレーション時間の計時と命令の実行シミュレーションとは、同時になされてもよく、一方を起点として他方がなされてもよい。例えば、シミュレーション部１４が、シミュレーション時間を進めた後に、進めた長さのシミュレーション時間内で実行可能な命令を実行してもよいし、命令を実行した後に、当該命令に対応する長さだけシミュレーション時間を進めてもよい。

また、シミュレーション部１４は、仮想システム３２の動作のシミュレーションを行う。詳細には、シミュレーション部１４は、実行プログラム２１ａの実行により変化する、仮想コントローラ３１からの仮想的な出力に基づいて、仮想システム３２の要素の状態変化を模擬する。シミュレーション部１４は、仮想システム３２のシミュレーション時間を、仮想コントローラ３１のシミュレーション時間とは別個に計時する。すなわち、シミュレーション部１４は、仮想コントローラ３１のシミュレーションと、仮想システム３２のシミュレーションとを、別個に実行する。ただし、シミュレーション部１４は、仮想コントローラ３１のシミュレーション時間と、仮想システム３２のシミュレーション時間と、を予め定められた周期毎に同期させる。

図８には、シミュレーション時間の同期について模式的に示されている。図８の例では、仮想コントローラ３１及び仮想システム３２それぞれのシミュレーション時間が６μｓｅｃの周期毎に同期されている。詳細には、仮想コントローラ３１及び仮想システム３２はそれぞれ、前回の同期のタイミングから周期に等しい長さのシミュレーション時間が経過したときに、相手においても同等の長さのシミュレーション時間が経過していなければ待機し、経過している場合には次の周期におけるシミュレーションを開始する。

各周期内においては、仮想コントローラ３１及び仮想システム３２それぞれのシミュレーション時間は同期しているとは限らない。しかしながら、仮想コントローラ３１及び仮想システム３２のシミュレーション時間の同期誤差の上限値がこの周期の長さに等しくなるため、ある程度小さい誤差でシミュレーション時間が同期することとなる。

さらに、仮想システム３２を構成する要素それぞれの動作のそれぞれについて、シミュレーション部１４は、その動作を模擬する。ただし、要素同士が接続されている場合には、仮想コントローラ３１からの仮想出力の影響を受ける順番が定まる。このため、シミュレーション部１４は、システム構成情報に基づいて要素の順序を決定し、決定した順序で要素の状態の変化を模擬する。詳細には、シミュレーション部１４は、複数の要素の有向非巡回グラフを生成し、生成した有向非巡回グラフのトポロジカルソートを実行することにより、要素の順序を決定する。入出力が規定された要素同士の接続関係は実質的に、有向非巡回グラフに等しい情報であり、一般的に知られている手法を用いれば当該グラフを生成することができる。また、与えられた有向非巡回グラフに対するトポロジカルソートについても、一般的に知られている手法を用いればよいため、その詳細を省略する。

図８の例では、仮想システム３２を構成する要素Ｈ，Ｉ，Ｊの動作がこの順で模擬されている。なお、図８中の０～６μｓｅｃの周期において示されるように、要素Ｈの当該周期内の動作を模擬してから、要素Ｉの当該周期内の動作を模擬し、その後に要素Ｊの当該周期内の動作を模擬してもよい。また、図８中の６～１２μｓｅｃの周期において示されるように、要素Ｉの動作の模擬と要素Ｊの動作の模擬とを、これら要素Ｉ，Ｊの先後関係を維持していれば、一部並列に実行してもよい。すなわち、あるシミュレーション時間、例えば８μｓｅｃに着目したときに、仮想コントローラ３１からの出力の影響を先に受ける要素Ｉのシミュレーションが要素Ｊのシミュレーションより先に行われていればよい。

なお、図９に示されるように、仮想システム３２を構成する部品の入力及び出力の少なくとも一方が２つ以上になる場合には、部品の各端子をノードとして有向非巡回グラフを作成し、入出力信号を模擬すべき端子の順序を決定すればよい。すなわち、要素に相当する部品の端子について、順序が決定されてもよい。また、各端子を、仮想システム３２を構成する要素として扱ってもよい。

また、図９の例では、部品同士の関係についてはループが発生しているが、端子の依存関係を考慮すれば、ループが生じていないため、有向非巡回グラフを作成することができる。しかしながら、要素同士の接続関係あるいは端子の依存関係においてループが生じる場合がある。この場合には、仮想コントローラ３１に接続されている要素又は端子を起点として各要素又は各端子に順序を付していき、ループを生じさせる接続関係の直前のノードを終点として扱って、有向非巡回グラフを作成すればよい。例えば、図９の端子Ｊ２が端子Ｊ３だけでなく端子Ｊ１にも依存するような場合に、端子Ｊ１と端子Ｊ２との依存関係を省略してグラフを作成すればよい。

仮想コントローラ３１のシミュレーション時間は、第１シミュレーション時間の一例に相当し、仮想システム３２のシミュレーション時間は、第２シミュレーション時間の一例に相当する。シミュレーション部１４は、プログラマブルコントローラに対応する仮想コントローラの第１シミュレーション時間とシステム構成情報に基づいて構成される仮想システムの第２シミュレーション時間とを予め定められた周期毎に同期させつつ、仮想コントローラに実行プログラムを実行させて得る仮想出力によって仮想システムを動作させることで、プログラマブルコントローラ及びシステムの動作を模擬するシミュレーション手段の一例に相当する。

続いて、シミュレーション装置１０によって実行される処理について、図１０，１１を用いて説明する。図１０には、仮想コントローラ３１によって実行される仮想コントローラ処理、及び、仮想システム３２によって実行される仮想システム処理の手順が模式的に示されている。

仮想コントローラ処理では、仮想コントローラ３１は、現在の周期内における実行プログラム２１ａの実行を模擬する（ステップＳ１１）。具体的には、シミュレーション部１４が、時間設定データを参照して、実行プログラム２１ａに規定される処理のうちの、予め指定された長さの周期内において実行可能な命令を逐次実行する。

周期内における命令の実行が完了すると、仮想コントローラ３１は、当該周期における動作の模擬の完了を仮想システム３２に通知する（ステップＳ１２）。図１０においては、この通知が破線の矢印で示されている。

そして、仮想コントローラ３１は、仮想システム３２のシミュレーション時間が現在の周期の終了時刻に等しいか否かを判定する（ステップＳ１３）。具体的には、仮想コントローラ３１が、模擬が完了した旨の通知を仮想システム３２から受けたか否かを判定する。

ステップＳ１３の判定が否定された場合（ステップＳ１３；Ｎｏ）、ステップＳ１３の判定が繰り返され、当該判定が肯定されるまで、仮想コントローラ３１は実行プログラム２１ａの実行を継続することなく待機する。一方、ステップＳ１３の判定が肯定された場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、仮想コントローラ３１は、次の周期に移行して（ステップＳ１４）、ステップＳ１１に戻ることにより、実行プログラム２１ａの実行を継続する。

仮想システム処理では、仮想システム３２は、現在の周期内における各要素の動作を模擬する（ステップＳ２１）。具体的には、シミュレーション部１４が、システム構成情報を参照して、仮想コントローラ３１からの出力に基づいて、予め指定された長さの周期内における各要素の状態変化を模擬する。

模擬が完了すると、仮想システム３２は、当該周期における動作の模擬の完了を仮想コントローラ３１に通知する（ステップＳ２２）。図１０においては、この通知が一点鎖線の矢印で示されている。

そして、仮想システム３２は、仮想コントローラ３１のシミュレーション時間が現在の周期の終了時刻に等しいか否かを判定する（ステップＳ２３）。具体的には、仮想システム３２が、模擬が完了した旨の通知を仮想コントローラ３１から受けたか否かを判定する。

ステップＳ２３の判定が否定された場合（ステップＳ２３；Ｎｏ）、ステップＳ２３の判定が繰り返され、当該判定が肯定されるまで、仮想システム３２はシミュレーションを継続することなく待機する。一方、ステップＳ２３の判定が肯定された場合（ステップＳ２３；Ｙｅｓ）、仮想システム３２は、次の周期に移行して（ステップＳ２４）、ステップＳ２１に戻ることにより、シミュレーションを継続する。

図１１には、シミュレーションの実行の有無を示す指示が入力された場合において仮想コントローラ３１及び仮想システム３２が実行する処理の手順が示されている。具体的には、仮想コントローラ３１は、シミュレーションの実行の有無を示す指示があるか否かを判定する（ステップＳ３１）。ここで、シミュレーションの実行の有無を示す指示は、シミュレーションの開始若しくは再開、又は停止の指示を意味する。

指示がないと判定した場合（ステップＳ３１；Ｎｏ）、仮想コントローラ３１は、ステップＳ３１の判定を繰り返す。一方、指示があると判定した場合（ステップＳ３１；Ｙｅｓ）、仮想コントローラ３１は、シミュレーション時間が同期タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ３２）。シミュレーション時間が同期タイミングでないと判定した場合（ステップＳ３２；Ｎｏ）、仮想コントローラ３１は、ステップＳ３２の判定を繰り返して、シミュレーション時間が同期タイミングになるまで待機する。一方、シミュレーション時間が同期タイミングであると判定した場合（ステップＳ３２；Ｙｅｓ）、仮想コントローラ３１は、指示に従って実行プログラム２１ａを実行し又は当該実行を停止する（ステップＳ３３）。これにより、仮想コントローラ３１は、シミュレーションを実行している状態において停止の指示があるときに、同期タイミングまでシミュレーションを実行する。なお、仮想コントローラ３１がシミュレーションを停止している状態においてステップＳ３１にてシミュレーションの開始又は再開の指示があるときには、ステップＳ３２が省略されてもよい。

次に、仮想コントローラ３１は、ステップＳ３１で入力されたと判定された指示を仮想システム３２に送信する（ステップＳ３４）。

仮想システム３２は、送信された指示を受信し（ステップＳ３５）、この指示に従ってシミュレーションを実行し又は停止する（ステップＳ３６）。これにより、停止指示がなされた場合には、仮想コントローラ３１及び仮想システム３２の双方が、シミュレーション時間の同期するタイミングにおいてシミュレーションを停止することとなる。図１０，１１に示される処理は、シミュレーション装置によって実行されるシミュレーション方法の一例に相当する。

以上、説明したように、シミュレーション部１４は、仮想コントローラ３１のシミュレーション時間及び仮想システム３２のシミュレーション時間を同期させるタイミングで動作の模擬を停止する。これにより、プログラマブルコントローラ２１及びＦＡシステム２２の動作のシミュレーションの進行度を等しいものとしてシミュレーションを再開することができる。したがって、プログラマブルコントローラ２１とＦＡシステム２２の正確なシミュレーションを実行することができる。

また、シミュレーション部１４は、システム構成情報に基づいて、仮想システム３２の要素の順序を決定し、決定した順序で各要素の状態の変化を模擬する。これにより、仮想システム３２のシミュレーションを正確に実行することができる。詳細には、シミュレーション部１４は、複数の要素の有向非巡回グラフを生成し、生成した有向非巡回グラフのトポロジカルソートを実行することにより、各要素の順序を決定する。有向非巡回グラフの生成及びトポロジカルソートについては、効率的なアルゴリズムが知られているため、シミュレーション部１４は、高速に各要素の順序を決定することができる。

また、本実施の形態に係る状態データ記憶部１３は、仮想コントローラ３１及び仮想システム３２の状態を示す状態データを記憶し、状態データの読出し指示が取得部１１によって取得されると、シミュレーション部１４は、状態データにより示される仮想コントローラ３１及び仮想システム３２の状態を復元する。ここで、仮想コントローラ３１の状態は、特定のシミュレーション時間における当該シミュレーション時間の値、実行プログラム２１ａの実行状態、コントローラ構成情報、及び仮想コントローラ３１を構成する仮想ユニットの状態と、を意味する。実行プログラム２１ａの実行状態は、実行プログラム２１ａ、そのブレークポイント及び実行プログラム２１ａに設定すべきデータを含む。また、仮想システム３２の状態は、システム構成情報、仮想システム３２のシミュレーション時間、及び、各要素の状態を意味する。これにより、シミュレーションを再び最初から実行する必要が無く、その途中から再開することができる。例えば、プログラマブルコントローラ２１及びＦＡシステム２２の装置始動シーケンスが完了した状態からシミュレーションを開始して、シミュレーション結果の分析にかかる時間を短縮することができる。

以上、本開示の実施の形態について説明したが、本開示は上記実施の形態によって限定されるものではない。

例えば、ビルディングブロック型のプログラマブルコントローラ２１の構成を示すコントローラ構成情報に基づいて仮想コントローラ３１が構成される例を中心に説明したが、これには限定されない。例えば、上述の複数のユニットの機能を有する一体的に構成されたプログラマブルコントローラ２１の型番を示す情報を、コントローラ構成情報に代えてシミュレーション装置１０に提供することで、仮想コントローラ３１が構成されてもよい。

また、仮想コントローラ３１及び仮想システム３２がシミュレーション時間上の周期内における動作の模擬が完了した旨を通知する例について説明したが、これには限定されない。仮想コントローラ３１及び仮想システム３２は、計時しているシミュレーション時間を相手に通知するとともに、相手から通知されたシミュレーション時間が周期の終了時刻に等しいか否かを判定してもよい。

また、シミュレーション装置１０の機能は、専用のハードウェアによっても、また、通常のコンピュータシステムによっても実現することができる。

例えば、プロセッサ４１によって実行されるプログラムＰ１を、コンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムＰ１をコンピュータにインストールすることにより、上述の処理を実行する装置を構成することができる。このような記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read－Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＭＯ（Magneto－Optical Disc）が考えられる。

また、プログラムＰ１をインターネットに代表される通信ネットワーク上のサーバ装置が有するディスク装置に格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、コンピュータにダウンロードするようにしてもよい。

また、通信ネットワークを介してプログラムＰ１を転送しながら起動実行することによっても、上述の処理を達成することができる。

さらに、プログラムＰ１の全部又は一部をサーバ装置上で実行させ、その処理に関する情報をコンピュータが通信ネットワークを介して送受信しながらプログラムを実行することによっても、上述の処理を達成することができる。

なお、上述の機能を、ＯＳ（Operating System）が分担して実現する場合又はＯＳとアプリケーションとの協働により実現する場合には、ＯＳ以外の部分のみを媒体に格納して配布してもよく、また、コンピュータにダウンロードしてもよい。

また、シミュレーション装置１０の機能を実現する手段は、ソフトウェアに限られず、その一部又は全部を、回路を含む専用のハードウェアによって実現してもよい。

本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。つまり、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、本開示の範囲内とみなされる。

本開示は、プログラマブルコントローラ及びその周辺機器の動作のシミュレーションに適している。

１０ シミュレーション装置、 １１ 取得部、 １２ 表示部、 １３ 状態データ記憶部、 １４ シミュレーション部、 ２１ プログラマブルコントローラ、 ２１ａ 実行プログラム、 ２２ ＦＡシステム、 ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 要素、 ３１ 仮想コントローラ、 ３２ 仮想システム、 ４１ プロセッサ、 ４２ 主記憶部、 ４３ 補助記憶部、 ４４ 入力部、 ４５ 出力部、 ４６ 通信部、 ４７ 内部バス、 ５１ オブジェクト、 Ｂ１～Ｂ４ ボタン、 Ｐ１ プログラム。

Claims (7)

1. プログラマブルコントローラと、前記プログラマブルコントローラからの出力に従って動作するシステムと、のそれぞれの動作を模擬するコンピュータを、
   前記プログラマブルコントローラからの前記出力を生成するために前記プログラマブルコントローラによって実行される実行プログラムと、前記システムの構成を示すシステム構成情報と、を取得する取得手段、
   前記プログラマブルコントローラに対応する仮想コントローラの第１シミュレーション時間と前記システム構成情報に基づいて構成される仮想システムの第２シミュレーション時間とを予め定められた周期毎に同期させつつ、前記仮想コントローラに前記実行プログラムを実行させて得る仮想出力によって前記仮想システムを動作させることで、前記プログラマブルコントローラ及び前記システムの動作を模擬するシミュレーション手段、
   として機能させ、
   前記仮想システムは、入力端子及び出力端子の少なくとも一方が２つ以上である部品を含む複数の部品を有し、
   前記複数の部品それぞれの前記入力端子又は前記出力端子に相当する前記仮想システムの要素はそれぞれ、他の要素に接続されて、前記他の要素から出力される信号の受信及び前記他の要素への信号の送信の少なくとも一方を実行し、前記他の要素から信号を受信した場合に当該信号に基づいて変化する状態を有し、
   前記システム構成情報は、複数の前記要素と、複数の前記要素の接続関係と、各前記部品の前記出力端子の状態が前記入力端子の状態に依存することを示す依存関係を含む、各前記要素の状態に関する情報と、を示し、
   前記シミュレーション手段は、前記システム構成情報に基づいて複数の前記要素の有向非巡回グラフを生成し、生成した前記有向非巡回グラフのトポロジカルソートを実行することにより、各前記要素の順序を決定し、決定した順序で各前記要素の状態の変化を模擬し、
   前記取得手段は、前記シミュレーション手段による模擬を停止するための停止指示を取得し、
   前記シミュレーション手段は、前記取得手段によって前記停止指示が取得されると、前記第１シミュレーション時間及び前記第２シミュレーション時間を同期させる前記予め定められた周期のタイミングで前記仮想コントローラ及び前記仮想システムによる動作の模擬を停止する、
   シミュレーションプログラム。
2. 前記システムは、前記プログラマブルコントローラの制御対象であって、他のプログラマブルコントローラを有しない、
   請求項１に記載のシミュレーションプログラム。
3. 前記コンピュータを、
   前記停止指示に従って動作の模擬が停止した前記仮想コントローラ及び前記仮想システムの状態を示す状態データを記憶する状態データ記憶手段、としてさらに機能させ、
   前記取得手段は、前記状態データを読み出すことを示す読出し指示を取得し、
   前記シミュレーション手段は、前記取得手段によって前記読出し指示が取得されると、前記状態データ記憶手段から前記状態データを読み出して、読み出した前記状態データにより示される前記仮想コントローラ及び前記仮想システムの状態を復元する、
   請求項１又は２に記載のシミュレーションプログラム。
4. 前記プログラマブルコントローラは、ベースユニットと、前記ベースユニットに装着されるユニットとして、前記実行プログラムを実行する実行ユニットと、ネットワークを介して通信するためのネットワークユニット、サーボシステムを制御するためのモーションユニット、及び外部と信号を送受信するための入出力ユニットのうちの少なくとも１つと、を有し、
   前記取得手段は、前記プログラマブルコントローラが有する前記ユニットを示すコントローラ構成情報を取得し、
   前記シミュレーション手段は、前記コントローラ構成情報に基づいて前記仮想コントローラを構成し、
   前記状態データは、前記コントローラ構成情報及び前記システム構成情報を含む、
   請求項３に記載のシミュレーションプログラム。
5. 前記状態データは、前記実行プログラムの実行状態と、前記コントローラ構成情報により示される前記ユニットに対応する仮想ユニットの状態と、を前記仮想コントローラの状態として示す、
   請求項４に記載のシミュレーションプログラム。
6. プログラマブルコントローラと、前記プログラマブルコントローラからの出力に従って動作するシステムと、のそれぞれの動作を模擬するシミュレーション装置によって実行されるシミュレーション方法であって、
   取得手段が、前記プログラマブルコントローラからの前記出力を生成するために前記プログラマブルコントローラによって実行される実行プログラムと、前記システムの構成を示すシステム構成情報と、を取得し、
   シミュレーション手段が、前記プログラマブルコントローラに対応する仮想コントローラの第１シミュレーション時間と前記システム構成情報に基づいて構成される仮想システムの第２シミュレーション時間とを予め定められた周期毎に同期させつつ、前記仮想コントローラに前記実行プログラムを実行させて得る仮想出力によって前記仮想システムを動作させることで、前記プログラマブルコントローラ及び前記システムの動作を模擬し、
   前記取得手段が、前記シミュレーション手段による模擬を停止するための停止指示を取得し、
   前記シミュレーション手段が、前記取得手段によって前記停止指示が取得されると、前記第１シミュレーション時間及び前記第２シミュレーション時間を同期させる前記予め定められた周期のタイミングで前記仮想コントローラ及び前記仮想システムによる動作の模擬を停止する、
   ことを含み、
   前記仮想システムは、入力端子及び出力端子の少なくとも一方が２つ以上である部品を含む複数の部品を有し、
   前記複数の部品それぞれの前記入力端子又は前記出力端子に相当する前記仮想システムの要素はそれぞれ、他の要素に接続されて、前記他の要素から出力される信号の受信及び前記他の要素への信号の送信の少なくとも一方を実行し、前記他の要素から信号を受信した場合に当該信号に基づいて変化する状態を有し、
   前記システム構成情報は、複数の前記要素と、複数の前記要素の接続関係と、各前記部品の前記出力端子の状態が前記入力端子の状態に依存することを示す依存関係を含む、各前記要素の状態に関する情報と、を示し、
   前記シミュレーション手段は、前記システム構成情報に基づいて複数の前記要素の有向非巡回グラフを生成し、生成した前記有向非巡回グラフのトポロジカルソートを実行することにより、各前記要素の順序を決定し、決定した順序で各前記要素の状態の変化を模擬する、
   シミュレーション方法。
7. プログラマブルコントローラと、前記プログラマブルコントローラからの出力に従って動作するシステムと、のそれぞれの動作を模擬するシミュレーション装置であって、
   前記プログラマブルコントローラからの前記出力を生成するために前記プログラマブルコントローラによって実行される実行プログラムと、前記システムの構成を示すシステム構成情報と、を取得する取得手段と、
   前記プログラマブルコントローラに対応する仮想コントローラの第１シミュレーション時間と前記システム構成情報に基づいて構成される仮想システムの第２シミュレーション時間とを予め定められた周期毎に同期させつつ、前記仮想コントローラに前記実行プログラムを実行させて得る仮想出力によって前記仮想システムを動作させることで、前記プログラマブルコントローラ及び前記システムの動作を模擬するシミュレーション手段と、
   を備え、
   前記仮想システムは、入力端子及び出力端子の少なくとも一方が２つ以上である部品を含む複数の部品を有し、
   前記複数の部品それぞれの前記入力端子又は前記出力端子に相当する前記仮想システムの要素はそれぞれ、他の要素に接続されて、前記他の要素から出力される信号の受信及び前記他の要素への信号の送信の少なくとも一方を実行し、前記他の要素から信号を受信した場合に当該信号に基づいて変化する状態を有し、
   前記システム構成情報は、複数の前記要素と、複数の前記要素の接続関係と、各前記部品の前記出力端子の状態が前記入力端子の状態に依存することを示す依存関係を含む、各前記要素の状態に関する情報と、を示し、
   前記シミュレーション手段は、前記システム構成情報に基づいて複数の前記要素の有向非巡回グラフを生成し、生成した前記有向非巡回グラフのトポロジカルソートを実行することにより、各前記要素の順序を決定し、決定した順序で各前記要素の状態の変化を模擬し、
   前記取得手段は、前記シミュレーション手段による模擬を停止するための停止指示を取得し、
   前記シミュレーション手段は、前記取得手段によって前記停止指示が取得されると、前記第１シミュレーション時間及び前記第２シミュレーション時間を同期させる前記予め定められた周期のタイミングで前記仮想コントローラ及び前記仮想システムによる動作の模擬を停止する、
   シミュレーション装置。

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