JPH11177554A - 制御系統及びアクチュエータ・ノード - Google Patents

制御系統及びアクチュエータ・ノード

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JPH11177554A
JPH11177554A JP10249237A JP24923798A JPH11177554A JP H11177554 A JPH11177554 A JP H11177554A JP 10249237 A JP10249237 A JP 10249237A JP 24923798 A JP24923798 A JP 24923798A JP H11177554 A JPH11177554 A JP H11177554A
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JP
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sensor
actuator
node
sensor data
control
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Application number
JP10249237A
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English (en)
Inventor
John C Eidson
ジョン・シー・エイドソン
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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Abstract

(57)【要約】 【課題】非決定性通信を用いる制御系統においてセンサ
の正確なタイミング情報と、アクチュエータに制御値を
供給する際の正確なタイミングとを与える。 【解決手段】センサ・データサンプルを得る時間とほぼ
同時にセンサ・タイムスタンプを生成するセンサ・ノー
ドを含む。このセンサ・タイムスタンプによって、アク
チュエータ制御値およびアクチュエータ・タイムスタン
プを正確に算出することができる。制御系統は、またア
クチュエータ・タイムスタンプを使用してアクチュエー
タ制御値のアクチュエータへの供給をトリガする回路を
有するアクチュエータ・ノードを含むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、総じて制御系統に
関し、詳細には、非決定性通信を使用した実時間制御系
統に関する。
【０００２】
【従来の技術】実時間制御系統は一般に、産業プロセス
で使用される装置等を制御するように構成されたセンサ
とアクチュエータと適用業務制御装置とから成り立って
いる。センサには、温度センサ、圧力センサ、タコメー
タなどが含まれる。アクチュエータには弁、モータ、ヒ
ータなどが含まれる。そのような制御系統の適用業務制
御装置は、プログラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ）ま
たはパーソナル計算機系統を含む計算機系統を用いて施
工することができる。
【０００３】最も簡単な形の実時間制御系統は、適用業
務制御装置と、少なくとも１つのセンサと、少なくとも
１つのアクチュエータとを含む。通常、適用業務制御装
置は、制御中の特定の装置の設定値を維持するように構
成された制御アルゴリズムを実施する。通常、適用業務
制御装置は、センサからセンサ・データサンプルを得
て、アクチュエータに適用する制御値を算出する制御ア
ルゴリズムへの入力としてこのセンサ・データサンプル
を使用する。適用業務制御装置は次いで、通常はこの制
御値をアクチュエータに書き込む。通常、適用業務制御
装置はセンサ・データサンプルを連続的に得て、アクチ
ュエータに制御値を連続的に与え、所望の設定値を維持
する。そのような構成を閉ループ制御系統と呼ぶことが
できる。
【０００４】たとえば、モータ用の簡単な実時間制御系
統は、モータの回転速度を測定するタコメータ（セン
サ）と、供給される制御値に応答してモータの回転速度
を増減させる増幅器回路（アクチュエータ）とを含むこ
とができる。適用業務制御装置は、タコメータから回転
速度サンプルを周期的に得て、増幅器回路に制御値を周
期的に書き込み、モータの速度に関する所望の設定値を
維持する。
【０００５】そのような実時間制御系統用の典型的な制
御アルゴリズムは通常、タイミング情報をセンサ・デー
タサンプルと共に使用して制御値を算出する。また、そ
のような制御アルゴリズムは通常、タイミング情報を各
制御値に関連付ける。１つのそのような種類の制御アル
ゴリズムを比例積分微分（ＰＩＤ）アルゴリズムと呼
ぶ。ＰＩＤアルゴリズムは通常、各センサ・データサン
プルに関連付けられた時間値を入力として取り込む。こ
の時間値によって、ＰＩＤアルゴリズムは、新しい制御
値を算出する際にセンサ・データサンプルの変化率を考
慮に入れることができる。また、ＰＩＤアルゴリズムは
通常、新しい制御値がアクチュエータに供給される時間
を示す時間値を各新しい制御値に割り当てる。
【０００６】したがって、実時間制御系統は通常、各セ
ンサ・データについて正確なタイミング情報を与え、制
御値を正確に算出しなければならない。また、実時間制
御系統は通常、各制御値をアクチュエータに正確なタイ
ミングで供給し、所望の設定値を正確に制御しなければ
ならない。残念なことに、従来型の制御系統は一般に、
センサ・データサンプルとそれに関連するタイミング情
報との関係が不正確であることに悩まされている。ま
た、従来型の系統では、アクチュエータに制御値が供給
される時間も一般に不正確である。一般に、そのような
不確かさは、従来型の実時間制御系統で一般に使用され
る通信の非決定性によるものである。
【０００７】たとえば、従来型の実時間制御系統のセン
サ、アクチュエータ、制御装置は一般に、通信網を介し
て相互接続される。そのような通信網は、衝突処理を含
むパケット準拠通信プロトコルを用いて実施することが
できる。Ｅｔｈｅｒｎｅｔは、衝突処理を含むパケット
準拠網の一例である。他の例は、プロセス制御環境向け
に構成された現場向け制御バスであるＬｏｎＴａｌｋで
ある。そのような通信網は、時分割多重アクセス（ＴＤ
ＭＡ）プロトコルやトークン・リング・プロトコルなど
を用いて実施することもできる。
【０００８】そのような通信網に接続された適用業務制
御装置は通常、通信網を介して転送されるメッセージを
使用してセンサ・データサンプルを得る。通常、適用業
務制御装置は、通信網を介して受信される各センサ・デ
ータサンプルに時間値を割り当てるために使用される実
時間クロックを含む。
【０００９】通常、センサ・データサンプルが生成され
る時間と適用業務制御装置が、その実時間クロックから
そのセンサ・データサンプルの時間値を得る時間との間
には遅延が存在する。そのような遅延には通常、通信経
路を介したメッセージ転送に関連する遅延が含まれる。
そのような遅延には、適用業務制御装置がその実時間ク
ロックから時間値を得ることに関連する遅延も含む。
【００１０】また、適用業務制御装置が制御値を生成す
る時間とその制御値がアクチュエータに供給される時間
との間に通常、遅延が存在する。そのような遅延は通
常、通信経路を介してアクチュエータへ転送されるメッ
セージに関連する遅延と、制御値が供給される前のアク
チュエータ内の遅延とを含む。
【００１１】センサ・データ・タイミングと制御値の供
給の両方におけるそのような遅延は通常、一定ではな
く、非決定的またはランダムに変動する。遅延のそのよ
うな変動をジッタと呼ぶことができる。ジッタは、通信
網上のトラフィックの変動によって生デることがある。
また、通信網上で起こる衝突がかなりの量のジッタを導
入することがある。他のジッタ源には、様々な量のオペ
レーティング・システムの活動にもかかわらずに実時間
クロック値を与えるために、通常適用業務制御装置を実
行するオペレーティング・システムが費やす時間の変動
を含めることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】残念なことに、そのよ
うなジッタは通常、センサ・データサンプルに時間値を
関連付ける際の不確実さをもたらす。そのようなジッタ
は通常、アクチュエータに制御値を供給するタイミング
の不確実さももたらす。そのような不確実さによって通
常、そのような従来型の制御系統の精度および効率が低
下する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】非決定性通信にもかかわ
らずに、センサ・データサンプルに関する正確なタイミ
ング情報と、アクチュエータに制御値を供給する際の正
確なタイミングとを与える制御系統を開示する。この制
御系統は、それ自体がセンサ・データサンプルを得る時
間とほぼ同時にセンサ・タイムスタンプを生成する回路
を有するセンサ・ノードを含む。このセンサ・タイムス
タンプによって、アクチュエータ制御値およびアクチュ
エータ・タイムスタンプを正確に算出することができ
る。制御系統は、アクチュエータ・タイムスタンプを使
用してアクチュエータ制御値のアクチュエータへの供給
をトリガする回路を有するアクチュエータ・ノードを含
む。
【００１４】本発明の他の特徴および利点は、以下の詳
細な説明から明らかになろう。
【００１５】本発明を特定の例示的な実施形態に関して
説明し、それに応デて図面を参照する。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１は、非決定性通信にもかかわ
らずに、センサ・データサンプルに関する正確なタイミ
ング情報とアクチュエータに制御値を供給する際の正確
なタイミングとを与える実時間制御系統１０の一実施形
態を示す。実時間制御系統１０は、適用業務制御装置１
２と、センサ・ノード１４と、アクチュエータ・ノード
１６とを含む。センサ・ノード１４は、センサ２０のセ
ンサ・データサンプルに正確にタイムスタンプ付けでき
るようにする回路を含む。アクチュエータ・ノード１６
は、アクチュエータ２２に制御値を正確に供給できるよ
うにする回路を含む。
【００１７】網通信経路１８は、様々な通信機構のうち
の１つを用いて実施することができる。一実施形態で
は、網通信経路１８はＥｔｈｅｒｎｅｔ通信網である。
他の実施形態では、網通信経路１８は、プロセス制御環
境向けに構成されたＬｏｎＴａｌｋフィールドレベル制
御バスである。他の実施形態では、網通信経路１８は、
ほんの数例を挙げると、時分割多重アクセス（ＴＤＭ
Ａ）プロトコルやトークン・リング・プロトコルなどを
用いて施工することができる。
【００１８】センサ２０は、実時間制御系統内で使用で
きる任意のセンサを代表するものである。そのようなセ
ンサにはたとえば、温度センサ、圧力センサ、タコメー
タなどの装置が含まれる。アクチュエータ２０は、実時
間制御系統内で使用できる任意のアクチュエータを代表
するものである。そのようなアクチュエータにはたとえ
ば、弁、モータ、ヒータ、増幅器などの装置が含まれ
る。
【００１９】センサ・ノード１４はセンサ２０と網通信
経路１８とのインタフェースをとり両者を接続する。セ
ンサ・ノード１４は、網通信経路１８を介した通信に必
要な通信ハードウェアと通信ソフトウェアとを含む。セ
ンサ・ノード１４は、センサ２０から得られたセンサ・
データサンプルにタイムスタンプを正確に付加できるよ
うにするクロック回路３０も含む。
【００２０】アクチュエータ・ノード１６はアクチュエ
ータ２２と網通信経路１８とのインタフェースをとる。
アクチュエータ・ノードは、網通信経路１８を介した通
信に必要な通信ハードウェアと通信ソフトウェアとを含
む。アクチュエータ・ノード１６は、アクチュエータ２
２に制御値を正確に供給できるようにするクロック回路
３２も含む。一実施形態では、網通信経路１８を介して
時間パケットを転送し、米国特許第５５６６１８０号に
記載されたようにセンサ・ノード１４およびアクチュエ
ータ・ノード１６に時間パケット検出器を設けることに
よって、クロック回路３０とクロック回路３２の同期が
とられる。
【００２１】適用業務制御装置１２は、装置（図示せ
ず）の閉ループ制御用のプロセス制御アルゴリズムを実
施する。適用業務制御装置１２は、センサ２０を使用し
て装置の動作を検知し、アクチュエータ２２を使用して
装置の動作を制御する。たとえば、装置はモータでよ
く、アクチュエータ２２は、モータの速度を制御する増
幅器でよく、センサ２０は、モータの速度を測定するタ
コメータでよい。適用業務制御装置１２は、網通信経路
１８を介した通信に必要な、通信ハードウェアと通信ソ
フトウェア、すなわちプロトコル・スタックとを含む。
適用業務制御装置１２はプログラム可能な論理制御装置
（ＰＬＣ）として施工することも、あるいは計算機系統
として施工することもできる。
【００２２】センサ・ノード１４は、センサ２０からセ
ンサ・データ信号２４をサンプリングすることによって
センサ・データサンプルを生成する。センサ・ノード１
４は同時に、クロック回路３０からセンサ・タイムスタ
ンプを得る。センサ・タイムスタンプは、正確なセンサ
・タイムスタンプを与えるためにセンサ・データ信号２
４のサンプリングとほぼ同時にクロック回路３０から得
られる。一実施形態では、センサ・ノード１４は、網通
信経路１８を介して受信されたセンサ・データを求める
要求メッセージに応答してセンサ・データ信号２４をサ
ンプリングする。そのような実施形態は、外部ノードが
センサ・データ１４からデータを引き出すのでプル系統
と呼ぶことができる。センサ・データ要求は、適用業務
制御装置１２またはアクチュエータ・ノード１６が出す
ことができる。
【００２３】センサ・ノード１４はセンサ・データ・パ
ケット４０を生成する。センサ・データ・パケット１４
は、センサ２０から得られたセンサ・データサンプル
と、クロック回路３０から得られたセンサ・タイムスタ
ンプとを含む。センサ・ノード１４は、センサ・データ
・パケット４０を網通信経路１８を介して転送する。プ
ル系統内のセンサ・データ・パケット４０は、センサ・
データを求める要求を発行した網通信経路１８上のノー
ド、すなわち適用業務制御装置１２とアクチュエータ・
ノード１６のどちらかへ転送される。
【００２４】他の実施形態では、センサ・ノード１４
は、要求メッセージなしでセンサ・データ信号２４をサ
ンプリングし対応するセンサ・タイムスタンプを得る。
この実施形態をプッシュ系統と呼ぶことができる。プッ
シュ系統では、センサ・ノード１４は、センサ・データ
サンプルおよびセンサ・タイムスタンプを周期的に得る
ように事前にプログラムされる。センサ・ノード１４
は、新たに得られたセンサ・ノード・サンプルとセンサ
・タイムスタンプとを含むセンサ・データ・パケット４
０を網通信経路１８を介して適用業務制御装置１２とア
クチュエータ・ノード１６へ周期的に転送する。
【００２５】以下の議論では、適用業務制御装置１２が
プロセス制御アルゴリズムを実施すると仮定される。適
用業務制御装置１２は、センサ・データ・パケット４０
を通信経路１８を介して受信し、それに含まれるセンサ
・データサンプルおよびセンサ・タイムスタンプをその
プロセス制御アルゴリズムへの入力として使用する。プ
ロセス制御アルゴリズムは、アクチュエータ制御値と、
アクチュエータ制御値がアクチュエータ２２に供給され
る将来の時間を示す対応するアクチュエータ・タイムス
タンプとを生成する。適用業務制御装置１２は、アクチ
ュエータ制御値とアクチュエータ・タイムスタンプをア
センブルし制御パケット４２を得る。適用業務制御装置
１２は次いで、制御パケット４２を網通信経路１８を介
してアクチュエータ・ノード１６へ転送する。
【００２６】アクチュエータ・ノード１６は、網通信経
路１８を介して制御パケット４２を受信し、そこに含ま
れるアクチュエータ・タイムスタンプをトリガ事象とし
て使用して、アクチュエータ制御値をアクチュエータ信
号２６としてアクチュエータ２２に供給する。アクチュ
エータ・ノード１６は、クロック回路３２を使用してア
クチュエータ制御値の供給とアクチュエータ・タイムス
タンプの同期をとる。クロック回路３２はクロック回路
３０と同期し、適用業務制御装置１２は、クロック回路
３０によって生成されたセンサ・タイムスタンプからア
クチュエータ・タイムスタンプを導く。
【００２７】図のプロセス制御系統１０は、適用業務制
御装置１２が網通信経路１８を介してセンサ・ノード１
４からセンサ・データサンプルおよびタイムスタンプを
得て、アクチュエータ制御値およびアクチュエータ・タ
イムスタンプを算出し、次いでアクチュエータ制御値お
よびタイムスタンプを通信経路１８を介してアクチュエ
ータ・ノード１６へ転送する。他の実施形態では、プロ
セッサとその他のソフトウェア実行資源とを含むアクチ
ュエータ・ノード１６内でプロセス制御アルゴリズムを
実施することができる。そのような実施形態では、アク
チュエータ・ノード１６は通信経路１８を介してセンサ
・ノード１４からセンサ・データサンプルおよびタイム
スタンプを得て、アクチュエータ制御値およびタイムス
タンプを算出し、アクチュエータ２２にアクチュエータ
制御値を供給する。
【００２８】他の実施形態では、アクチュエータ２２に
接続された装置用のプロセス制御アルゴリズムは、プロ
セッサと他のソフトウェア実行資源とを含むセンサ・ノ
ード１４内で実施される。そのような実施形態では、セ
ンサ・ノード１４は、センサ・データサンプルおよびタ
イムスタンプを得て、アクチュエータ制御値およびタイ
ムスタンプを算出し、次いで、アクチュエータ制御値お
よびタイムスタンプを網通信経路１８を介してアクチュ
エータ・ノード１６へ転送する。
【００２９】図２は、本発明の一実施形態でセンサ・デ
ータサンプルにタイムスタンプを正確に付加するための
センサ・ノード１４内の機構を示す。センサ・ノード１
４は、アナログ・デジタル変換器５４からセンサ・デー
タサンプル６２を、クロック回路３０からセンサ・タイ
ムスタンプ６４を得て、次いで、センサ・データ・パケ
ット４０をアセンブルする。センサ・ノード１４は、網
通信経路１８を介した通信を可能にするソフトウェア要
素とハードウェア要素とを含むプロトコル・スタック５
０も含む。
【００３０】アナログ・デジタル変換器５４は、センサ
２０からアナログ・センサ・データ信号２４を受信する
ように結合される。アナログ・デジタル変換器５４は、
プロセッサ５２によって生成されるストローブ信号６０
に応答してセンサ・データ信号２４をデジタル化するこ
とによってセンサ・データサンプル６２を生成する。ア
ナログ・デジタル変換器５４は、後でプロセッサ５２に
よって読み取れるようにセンサ・データサンプル６２を
保持する。ストローブ信号６０によって、ラッチ５６は
クロック回路３０からクロック値６６をサンプリングし
保持する。ストローブ信号６０によって、ラッチ５６
は、アナログ・デジタル変換器５４がセンサ・データ信
号２４をサンプリングするのとほぼ同時にクロック値６
６をサンプリングする。
【００３１】一実施形態では、プロセッサ５２は、網通
信経路１８を介して受信した要求メッセージに応答し
て、ストローブ信号６０を発行しクロック値６６および
センサ・データ信号２４をサンプリングする。他の実施
形態では、プロセッサ５２はストローブ信号６０を周期
的に発行してクロック値６６およびセンサ・データ信号
２４をサンプリングする。たとえば、プロセッサ５２は
クロック値６６を読み取りあるいは「ポーリング」し
て、クロック値６６とセンサ・データ信号２４とからな
る他の１組のサンプルをいつ得るべきかを判定する。
【００３２】プロセッサ５２は、アナログ・デジタル変
換器５４によって保持されているセンサ・データサンプ
ル６２を読み取り、それをセンサ・データ・パケット４
０に書き込む。また、プロセッサ５２は、ラッチ５６に
よって保持されているセンサ・タイムスタンプ６４を読
み取り、それをセンサ・データ・パケット４０に書き込
む。プロセッサ５２は次いで、プロトコル・スタック５
０を使用して網通信経路１８を介してセンサ・データ・
パケット４０を転送する。プル系統内のセンサ・データ
・パケット４０は要求側ノード、たとえば適用業務制御
装置１２へ転送される。プッシュ系統では、プロセッサ
５２は、適用業務制御装置１２とアクチュエータ・ノー
ド１６のうちで、事前に標的として決定されている方へ
センサ・データ・パケット４０を転送する。
【００３３】図３は、アクチュエータ２２にアクチュエ
ータ制御値を正確に供給するためのアクチュエータ・ノ
ード１６内の機構の一実施形態である。アクチュエータ
・ノード１６は、網通信経路１８を介した通信を可能に
するソフトウェア要素とハードウェア要素とを含むプロ
トコル・スタック７０を含む。アクチュエータ・ノード
１６は、プロトコル・スタック７０を使用して網通信経
路１８を介して制御パケット４２を受信するプロセッサ
７２も含む。
【００３４】プロセッサ７２は、アクチュエータ制御値
を制御パケット４２からデジタル・アナログ変換器７４
に制御値８０として書き込む。デジタル・アナログ変換
器７４は、ストローブ信号８８が比較器７８によってア
サートされるまで制御値８０を保持する。また、プロセ
ッサ７２は、制御パケット４２に含まれるアクチュエー
タ・タイムスタンプをラッチ７６に書き込む。
【００３５】比較器７８は、ラッチされているアクチュ
エータ・タイムスタンプ８２と、クロック回路３２によ
って生成されるフリーラン・クロック値８６を比較す
る。フリーラン・クロック値８６が、ラッチされている
アクチュエータ・タイムスタンプ８２に到達すると、比
較器７８はストローブ信号８８を発行する。ストローブ
信号８８によって、デジタル・アナログ変換器７４は制
御値８０をアクチュエータ２２に対するアクチュエータ
制御信号２６に変換する。
【００３６】他の実施形態では、比較器７８により与え
られるトリガ機能が、たとえばファームウェア内で実行
され、比較指令がプロセッサ７２によって実行される。
【００３７】図４は、事象嵐を処理する方法を実施する
プロセス制御網１００を示す。プロセス制御網１００
は、共に制御ループを実施するセンサ・ノード１０４と
アクチュエータ・ノード１０６とを含む。センサ・ノー
ド１０４およびアクチュエータ・ノード１０６はそれぞ
れ、同期クロック回路と、網通信経路１０２を介した通
信用のハードウェア要素およびソフトウェア要素とを含
む。センサ・ノード１０４は、センサ・データサンプル
と対応するセンサ・タイムスタンプとを含むセンサ・デ
ータ・パケットを網通信経路１０２を介してアクチュエ
ータ・ノード１０６へ周期的に転送する。
【００３８】一実施形態では、センサ・ノード１０４と
アクチュエータ・ノード１０６は、アクチュエータ・ノ
ード１０６がセンサ・ノード１０４への要求メッセージ
を網通信経路１０２を介して周期的に転送するプル系統
を形成する。センサ・ノード１０４は、センサ・データ
サンプルと対応するセンサ・タイムスタンプとを得て、
それらをセンサ・データ・パケットで網通信経路１０２
を介して転送することによって各要求メッセージに応答
する。他の実施形態では、センサ・ノード１０４とアク
チュエータ・ノード１０６は、センサ・ノード１０４が
センサ・データサンプルと対応するセンサ・タイムスタ
ンプとを周期的に得て、それらをセンサ・データ・パケ
ットで網通信経路１０２を介して転送するプッシュ系統
を形成する。
【００３９】プロセス制御網１００は、１組のモニタ・
ノード１１０〜１１４を含む。モニタ・ノード１１０〜
１１４はそれぞれ、監視機能を実行し、プロセス制御網
１００内の例外的な事象または警報を検出する。このよ
うな警報はたとえば、温度上昇警報や、プロセス制御網
１００の他の部分に伝達しなければならないその他の事
象でよい。
【００４０】プロセス制御網１００では、事象嵐と呼ば
れる状態が生じることがある。事象嵐が生じるのはたと
えば、多数のモニタ・ノード１１０〜１１４が例外的な
事象を検出したときである。例外的な事象を検出するモ
ニタ・ノード１１０〜１１４は、警報メッセージを網通
信経路１０２を介して転送し、プロセス制御網１００の
他の部分に例外的な事象を知らせる。
【００４１】事象嵐中に網通信経路１０２を介して転送
される多数の警報メッセージは、網通信経路１０２の利
用可能な帯域幅の大部分を消費することがある。このよ
うな事象嵐によって何度も衝突が起こると、網通信経路
１０２上の衝突調停機構がプロセス制御網１００の全体
的なスループットを低化させる恐れがある。したがっ
て、センサ・ノード１０４とアクチュエータ・ノード１
０６との間の制御ループを維持するために必要なメッセ
ージが遅延し、あるいは場合によっては失われあるいは
誤った順序で転送される恐れがある。
【００４２】網通信経路１０２を介して転送されるセン
サ・データ・パケットに含まれるセンサ・タイムスタン
プによって、遅延または欠落しているセンサ・データ・
パケット、あるいは順序の誤ったセンサ・データ・パケ
ットを検出することができる。たとえば、センサ・ノー
ド１０４とアクチュエータ・ノード１０６との間の制御
ループが、ｔ０秒ごとのセンサ・データのサンプリング
を含むと仮定する。そうである場合、センサ・データ・
パケットは、約ｔ０秒おきに網通信経路１０２を介して
転送すべきであり、各センサ・データ・パケットに含ま
れるセンサ・タイムスタンプは前のタイムスタンプと約
ｔ０秒だけ異なるべきである。網通信経路１０２上で搬
送される２つの連続的なセンサ・データ・パケットのタ
イムスタンプ値の差がｔ０秒よりも著しく大きい場合、
それは、センサ・データ・パケットが場合によっては事
象嵐のために遅延しており、あるいは失われていること
を示している。
【００４３】アクチュエータ・ノード１０６およびモニ
タ・ノード１１０〜１１４のうちの１つまたは複数は、
網通信経路１０２を介して転送されたセンサ・データ・
パケット中のセンサ・タイムスタンプを使用して事象嵐
を検出することができる。ターゲットとしてのアクチュ
エータ・ノード１０６はすでにセンサ・データ・パケッ
トを受信しており、センサ・タイムスタンプを抽出しア
クチュエータ制御値を算出する。また、モニタ・ノード
１１０〜１１４は網通信経路１０２をセンサ・データ・
パケットに関して監視または「スヌープ」し、センサ・
タイムスタンプを記録し、遅延または欠落しているセン
サ・データ・パケットを検出する。
【００４４】一実施形態では、たとえばモニタ・ノード
は、事象嵐を知らせるセンサ・データ・パケットの遅延
または欠落を検出した場合、所定の期間にわたって通信
経路１０２上でモニタ・メッセージの転送を停止する。
他の実施形態では、モニタ・ノード１１０は、起こりう
る事象嵐を検出した場合に通信経路１０２を介して緊急
通知メッセージを転送する。緊急通知メッセージによっ
て、残りのモニタ・ノード１１２〜１１４は所定の期間
にわたって通信経路１０２上でメッセージの転送を停止
する。
【００４５】起こりうる事象嵐を検出する他の方法で
は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔなど、網通信経路１０２が衝突処
理を行う実施形態の場合に、網通信経路１０２上で衝突
が検出される。たとえば、センサ・ノード１０４内のプ
ロトコル・スタック、すなわち通信ハードウェアと通信
ソフトウェアは、網通信経路１０２上の衝突の発生をロ
グする機構を含む。センサ・ノード１０４内のプロセッ
サは、対応するプロトコル・スタックに周期的に問い合
わせ、事象嵐を示すことのある過度の回数の衝突が発生
しているかどうかを判定する。
【００４６】他の実施形態では、センサ・ノード１０４
内のプロトコル・スタックは、メッセージを網通信経路
１０２を介して転送できるようにバッファするアウトバ
ウンド・メッセージ待ち行列を含む。センサ・ノード１
０４内のプロセッサは、アウトバウンド・メッセージ待
ち行列を周期的に検査する。アウトバウンド・メッセー
ジ待ち行列がほぼ満杯となることで、事象嵐が生じてい
ることを示すことができる。
【００４７】一実施形態では、センサ・ノード１０４お
よびアクチュエータ・ノード１０６は、事象嵐が検出さ
れた場合には制御ループを低性能モードで実行する。低
性能状態の一実施形態では、センサ・ノード１０４は、
事象嵐のない通常の状態でのｔ０秒当たりサンプル１個
ではなく１／Ｋ（Ｋは１超過の定数）個のセンサ・デー
タサンプルを与える。低性能状態では、制御ループを維
持するために必要な網通信経路１０２上の帯域幅利用率
が低下する。
【００４８】他の実施形態では、センサ・ノード１０４
およびアクチュエータ・ノード１０６は、事象嵐が検出
された場合に制御ループを「安全」状態にする。安全状
態は、アクチュエータ・ノード１０６によって最後に首
尾良く受信された制御値に対応する。別法として、アク
チュエータ・ノード１０６は、事象嵐が検出された後に
アクチュエータをオフにすることができる。
【００４９】モニタ・ノード１１０〜１１４は、事象嵐
が検出された後に様々な処置をとることができる。たと
えば、モニタ・ノード１１０〜１１４は、警報メッセー
ジを含め網通信経路１０２上のメッセージの転送をある
期間にわたって停止することができる。モニタ・ノード
１１０〜１１４は、引き続き監視データを得ることがで
き、かつモニタ・データにタイムスタンプを正確に付加
できるようにする同期クロック回路を含むことができ
る。これによって、モニタ・ノード１１０〜１１４は、
事象嵐が停止した後、バッファされているモニタ・デー
タおよびタイムスタンプを網通信経路１０２を介して転
送することができ、受信側ノードは正確なタイミング情
報でモニタ・データを再構築することができる。別法と
して、モニタ・ノード１１０〜１１４は、事象嵐中ある
期間にわたって網通信経路１０２上でメッセージを転送
する速度を低下させることができる。
【００５０】本発明の上記の詳細な説明は、例示のため
に与えたものであり、網羅的なものでも、あるいは開示
した厳密な実施形態に本発明を制限するものでもない。
したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によ
って定義される。しかしながら、本発明の広範な実施の
ための参考に本発明の実施態様を以下に例示する。
【００５１】（実施態様１）センサ（２０）を通信経路
（１８）に接続するセンサ・ノード（１４）とアクチュ
エータとを備える制御系統であって、該センサ・ノード
（１４）は、センサ・データサンプルを得るとほぼ同時
にセンサ・タイムスタンプを生成する回路を有し、該セ
ンサ・データサンプルと該センサ・タイムスタンプによ
って、アクチュエータ（２２）に供給されるアクチュエ
ータ制御値を正確に計算することを特徴とする制御系
統。
【００５２】（実施態様２）前記センサ・データサンプ
ルおよび前記センサ・タイムスタンプによって、前記ア
クチュエータ制御値がアクチュエータ（２２）に供給さ
れる時間を示すアクチュエータ・タイムスタンプを正確
に算出することができることを特徴とする実施態様１に
記載の制御系統。 （実施態様３）さらに、アクチュエータ（２２）と通信
経路（１８）とを接続するアクチュエータ・ノード（１
６）を備え、アクチュエータ・ノード（１６）が、前記
アクチュエータ・タイムスタンプを使用して、アクチュ
エータ制御値のアクチュエータ（２２）への供給をトリ
ガする回路を有することを特徴とする実施態様２に記載
の制御系統。
【００５３】（実施態様４）さらに、通信経路（１８）
を介してセンサ・データサンプルおよびセンサ・タイム
スタンプを受信するように結合された適用業務制御装置
ノード（１２）を備え、適用業務制御装置ノード（１
２）が、センサ・データサンプルおよびセンサ・タイム
スタンプに応答してアクチュエータ制御値およびアクチ
ュエータ・タイムスタンプを生成することを特徴とする
実施態様３に記載の制御系統。 （実施態様５）アクチュエータ・ノード（１６）が、適
用業務制御装置ノード（１２）から通信経路（１８）を
介してアクチュエータ制御値およびアクチュエータ・タ
イムスタンプを受信することを特徴とする実施態様４に
記載の制御系統。
【００５４】（実施態様６）アクチュエータ・ノード
（１６）が、通信経路（１８）を介して受信したセンサ
・データサンプルおよびセンサ・タイムスタンプに応答
してアクチュエータ制御値およびアクチュエータ・タイ
ムスタンプを生成するプロセッサ（７２）を含むことを
特徴とする実施態様３に記載の制御系統。 （実施態様７）センサ・ノード（１４）が、センサ・デ
ータサンプルを得て、通信経路（１８）を介して受信し
た要求メッセージに応答してセンサ・タイムスタンプを
生成することを特徴とする実施態様１に記載の制御系
統。 （実施態様８）センサ・ノード（１４）が、センサ・デ
ータサンプルを周期的に得て、通信経路（１８）を介し
て要求メッセージを受信することなしにセンサ・タイム
スタンプを生成することを特徴とする実施態様１に記載
の制御系統。
【００５５】（実施態様９）センサ・ノード（１４）が
通信経路（１８）を介して一連のセンサ・データ・パケ
ット（４０）を転送し、各センサ・データ・パケット
（４０）がタイムスタンプを含み、そのため、通信経路
（１８）上で搬送されるタイムスタンプによってプロセ
ス制御系統内の事象嵐を検出することができることを特
徴とする実施態様１に記載の制御系統。 （実施態様１０）さらに、通信経路（１８）をスヌープ
し、タイムスタンプを調べ、１つまたは複数のセンサ・
データ・パケット（４０）が欠落または遅延しているか
どうかを判定するモニタ・ノード（１１０）を備えるこ
とを特徴とする実施態様９に記載の制御系統。 （実施態様１１）１つまたは複数のセンサ・データ・パ
ケット（４０）が欠落または遅延している場合に、モニ
タ・ノード（１１０）が通信経路（１８）を介して緊急
通知メッセージを転送することを特徴とする実施態様１
０に記載の制御系統。
【００５６】（実施態様１２）緊急通知メッセージによ
って、通信経路（１８）上の１つまたは複数の他のノー
ドが所定の時間間隔にわたって通信経路（１８）上での
メッセージの送信を停止することを特徴とする実施態様
１１に記載の制御系統。 （実施態様１３）制御系統（１０）の通信経路（１８）
とセンサ（２０）とを接続する回路と、センサ（２０）
からセンサ・データサンプルを得るとほぼ同時にセンサ
・タイムスタンプを生成し、該センサ・データサンプル
および該センサ・タイムスタンプによって、制御系統
（１０）内のアクチュエータ（２２）に供給されるアク
チュエータ制御値を正確に計算できるようにする回路と
を備えることを特徴とするセンサ・ノード。
【００５７】（実施態様１４）センサ・データサンプル
およびセンサ・タイムスタンプによって、アクチュエー
タ制御値がアクチュエータ（２２）に供給される時間を
示すアクチュエータ・タイムスタンプを正確に算出する
ことができることを特徴とする実施態様１３に記載のセ
ンサ・ノード。 （実施態様１５）センサ（２０）からセンサ・データサ
ンプルを得て、それとほぼ同時にセンサ・タイムスタン
プを生成する回路が、クロック回路（３０）を含むこと
を特徴とする実施態様１３に記載のセンサ・ノード。 （実施態様１６）センサ・ノード（１４）が、センサ・
データサンプルを得て、通信経路（１８）を介して受信
した要求メッセージに応答してセンサ・タイムスタンプ
を生成することを特徴とする実施態様１３に記載のセン
サ・ノード。
【００５８】（実施態様１７）センサ・ノード（１４）
が、センサ・データサンプルを周期的に得て、センサ・
タイムスタンプを生成し、次いで、通信経路（１８）を
介してセンサ・データサンプルおよびセンサ・タイムス
タンプを転送することを特徴とする実施態様１３に記載
のセンサ・ノード。 （実施態様１８）制御系統のアクチュエータ・ノードで
あって、アクチュエータ（２２）を制御系統（１０）の
通信経路（１８）に接続するための回路と、アクチュエ
ータ・タイムスタンプを使用して、アクチュエータ制御
値のアクチュエータ（２２）への供給をトリガする回路
とを備えることを特徴とするアクチュエータ・ノード。
【００５９】（実施態様１９）さらに、通信経路（１
８）を介して受信したセンサ・データサンプルおよびセ
ンサ・タイムスタンプに応答してアクチュエータ制御値
およびアクチュエータ・タイムスタンプを決定する手段
を備えることを特徴とする実施態様１８に記載のアクチ
ュエータ・ノード。 （実施態様２０）アクチュエータ制御値の供給をトリガ
する回路がクロック回路（３２）を含むことを特徴とす
る実施態様１８に記載のアクチュエータ・ノード。
【図面の簡単な説明】
【図１】非決定性通信にもかかわらずに、センサ・デー
タサンプルに関する正確なタイミング情報と、アクチュ
エータに制御値を供給する際の正確なタイミングとを与
える実時間制御系統の一実施形態を示す図である。
【図２】センサ・データサンプルにタイムスタンプを正
確に付加するためのセンサ・ノード内の機構の一実施形
態を示す図である。
【図３】アクチュエータにアクチュエータ制御値を正確
に供給するためのアクチュエータ・ノード内の機構の一
実施形態を示す図である。
【図４】事象嵐を処理する方法を実施するプロセス制御
網を示す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】センサを通信経路と接続するセンサ・ノー
    ドとアクチュエータとを備える制御系統であって、該セ
    ンサ・ノードは、センサ・データサンプルを得るとほぼ
    同時にセンサ・タイムスタンプを生成する回路を有し、
    該センサ・データサンプルと該センサ・タイムスタンプ
    によって、アクチュエータに供給されるアクチュエータ
    制御値を正確に計算することを特徴とする制御系統。
JP10249237A 1997-09-22 1998-09-03 制御系統及びアクチュエータ・ノード Pending JPH11177554A (ja)

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US934,792 1997-09-22
US08/934,792 US6173207B1 (en) 1997-09-22 1997-09-22 Real-time control system with non-deterministic communication

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