JP2021064409A - 制御システム、制御方法及び等値化装置 - Google Patents
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Abstract
Description
他方、DCSユーザからは、将来における拡張容易性、各装置の柔軟な入手性、コスト削減などを目的として特定ベンダに依存しないオープンなアーキテクチャが要求されることがある。拡張容易性とは、新技術を容易に導入可能とする特性を意味する(特許文献1参照)。このような構成をとる目的は、例えば、マルチベンダに対応すること、機能や仕様の動的変更に対応することなどである。また、コントローラを、専用ハードウェアではなく、汎用のPC(Personal Computer)で実現することや、特定プロセッサに依存しないこと、オンラインで制御を停止せずに機能強化することも求められている。
・落雷などによって生じた外部からのノイズにより、一部経路のデータが欠損もしくは変化する。
・データの伝搬経路における再配送、迂回遅延により、一部データが遅延する。
これらの事象を原因としてコントローラ40間で入力値が異なってしまうと、各コントローラ40が内部で保持したパラメータ(例えば、PID制御における積分値)もコントローラ40間で異なることとなる。結果として、長期にわたって各コントローラ40からの演算結果(出力)が異なる状態が持続し、プロセス制御の信頼性を損ねてしまう。
まず、本発明の第1実施形態に係る制御システムの一構成例について説明する。
図1は、本実施形態に係る制御システム1の一構成例を示すブロック図である。
本実施形態に係る制御システム1は、分配装置20と、N(Nは、2以上の整数)個の等値化装置30と、N個のコントローラ40と、採択装置50と、を含んで構成される。以下の説明では、Nが4である場合を例とする。また、個々の等値化装置30、コントローラ40及びそれらの構成部(例えば、入力データ受信部32)を、子番号1〜4等を付して区別することがある。また、複数の装置もしくは構成部を総称する場合や区別する必要がない場合には、単に、等値化装置30等と子番号を付さずに呼ぶことがある。
等値化装置30−1〜30−4とコントローラ40−1〜40−4は、それぞれ対応付けられ、等値化装置30ならびにコントローラ40の組が4セット形成される。Nセットの等値化装置30ならびにコントローラ40の組は、互いに異なる位置に分散して配置されてもよい。
センサ10は、プラントの状態を示す物理量を測定値として検出する。センサは、例えば、温度を検出する温度センサ、圧力を検出する圧力センサ、流量を検出する流量計など、である。センサ10は、検出した測定値S1のデータを分配装置20に出力する。以下の説明では、測定値S1を示すデータもしくは信号を、単に測定値S1と呼ぶことがある。その他の値や量についても同様とする。逆に、入力データS’11が示す値や量を単に入力データS’11と呼ぶことがある。その他のデータについても同様とする。
なお、センサ10が測定値S1を出力するサンプリング周期は、制御周期と等しいかより短くてもよい。制御周期よりも短い周期で測定値S1をサンプリングすることを、オーバサンプリングと呼ぶ。
コントローラ40−1〜40−4は、それぞれ生成した操作量A1〜A4を採択装置50に送信する。コントローラ40−1〜40−4の機能構成については、後述する。
採択装置50は、コントローラ40−1〜40−4からそれぞれ操作量A1〜A4を受信する。採択装置50は、操作量A1〜A4の代表値を操作量Azとして採択する。採択すべき代表値の種別は、例えば、最頻値、平均値、最早値、中央値、中央平均値、等のいずれであってもよい。代表値の詳細については、データ採択部38−1の説明において後述する。採択装置50は、採択した操作量Azをアクチュエータ60に出力する。採択装置50は、例えば、ネットワークスイッチ、ブリッジ、ルータ等のネットワーク機器として構成されてもよい。
等値化装置30−1は、入力データ受信部32−1と、受信データ出力部34−1と、他装置データ受信部36−1と、データ採択部38−1と、を含んで構成される。
受信データ出力部34−1は、入力データ受信部32−1から入力された入力データS’11をネットワークNWに送出する。他の等値化装置30−2〜30−4それぞれの受信データ出力部34−2〜34−4からもネットワークNWに入力データS’12〜S’14が送出される。また、受信データ出力部34−1は、その入力データS’11を他装置データ受信部36−1にネットワークNWを介さずに直接出力する。
他装置データ受信部36−1は、取得した入力データS’11〜S’14をデータ採択部38−1に出力する。
データ採択部38−1は、出力データS”11を採択する際、次のいずれかの種別の代表値を採択してもよい。
最頻値(多数決)、平均値、最早値、中央値、中央平均値、等
最頻値もしくは中央値を採択する場合には、Nは、3以上である必要がある。最早値とは、各制御周期に設けられた所定の期間T2(後述)において最も早期に取得できた値である。中央平均値とは、取得した入力値のうち、予め定めた上位n個の入力値、下位m個の入力値を除いた入力値の中央部分の平均値に相当する。従って、中央平均値を採択する場合には、Nは、4以上である必要がある。但し、採択する代表値の種別は、等値化装置30−1〜30−4で同一である必要がある。これは、等値化装置30−1〜30−4は、出力データS”11〜S”14を相互に等しくすること(等値化:Equalization)を目的とするためである。
なお、入力データ受信部32−1、受信データ出力部34−1、他装置データ受信部36−1は、例えば、通信インタフェースを含んで構成される。
コントローラ40−1は、制御演算部42−1と、演算結果出力部44−1と、を含んで構成される。
外部の標準時刻をタイミングマスタとし、全ノードをこれに同期させる。
より具体的には、等値化装置30−1〜30−4の各部及びコントローラ40−1〜40−4の各部は、ネットワークNWを介して所定のタイマ装置(図示せず)から同報され標準時刻を示す同期信号を受信する。等値化装置30−1〜30−4の各部及びコントローラ40−1〜40−4の各部は、受信した同期信号が示す標準時刻をタイミングの基準として動作する。ここで、制御システム1は、標準時刻を計時するためのタイマ装置を備え、計時した標準時刻を示す同期信号を等値化装置30−1〜30−4に送信してもよい。
(2)コントローラ40−1〜40−4のいずれかがタイミングマスタとして、基準時刻を示す同期信号を生成し、生成した同期信号を等値化装置30−1〜30−4の各部及びコントローラ40−1〜40−4の各部にネットワークNWを介して送信する。等値化装置30−1〜30−4の各部及びコントローラ40−1〜40−4の各部は、受信した同期信号が示す基準時刻をタイミングの基準として動作する。
(1)、(2)ともにネットワークNWを介した時刻同期となるが、アプリケーションとして絶対時刻が要求されることがある。その場合には、(1)のように標準時刻に合わせて同期する方式が好都合である。
次に、本実施形態に係る制御システム1の動作フローについて説明する。
図2は、本実施形態に係る制御システム1の制御周期毎の動作を示す動作タイムチャートである。図2では、等値化装置30−2〜30−4の図示が省略されているが、以下では等値化装置30−1についての説明を援用する。同様に、コントローラ40−2〜40−4の図示が省略されているが、コントローラ40−1についての説明を援用する。
分配装置20は、センサ10から入力される測定値S1を等値化装置30−1〜30−4にネットワークNWを介して測定値S11〜S14として分配する。
なお、入力データS’11〜S’14のいずれかに代替フラグが付加されている場合には、データ採択部38−1は、例えば、上述の代替フラグが付加された入力データを破棄することで出力データS”11の候補から除外してもよい。また、データ採択部38−1は、代替フラグが付加された入力データよりも、代替フラグが付加されていない入力データが優先して採択してもよい。一例として、データ採択部38−1が入力データの重み付き平均値を採択する場合には、データ採択部38−1は、代替フラグが付加されていない入力データに乗算される重み係数として、代替フラグが付加された入力データに乗算する重み係数より大きい重み係数を用いる。
演算結果出力部44−1は、制御演算部42−1から入力された操作量A1を採択装置50にネットワークNWを介して送信する。図2において、期間T4は、操作量A1の制御演算部42−1からの入力から採択装置50への送信までの処理時間を示す。期間T4の起点は、期間T3の終期から制御演算部42−1における処理時間の経過後となる。
アクチュエータ60は、操作量Azに応じて、その動作の動作量を調整する。
制御システム1の構成要素として、汎用機器を利用しても、その動作原理、内部構成を特段考慮しなくても一定の信頼性を確保することができる。例えば、コントローラ40−1〜40−4として、汎用のPCを採用しても、分配装置20もしくは採択装置50として汎用のネットワーク機器を採用することができる。そのような場合でも、制御演算やその入力値もしくは演算結果などの伝達系の健全性が、データ採択部38−1〜38−4と採択装置50で確保されるためである。演算性能が比較的高く、低価格の汎用PCを複数台用いてコントローラ40群を構成することで、個々のPCの自己診断機能が比較的脆弱であっても制御システム1全体として信頼性が向上する。
入力データS’11〜S’14や操作量A1〜A4の採択の可否判断は、それらの情報を受けるデータ採択部38−1〜38−4や採択装置50が行う。例えば、採択装置50やアクチュエータ60へ操作量Azを出力する出力I/O(Input/Outputモジュール)は、指示値の受信の有無や、受信した指示値を判断すれば足り、その送信元を特定することを要しない。そのため、多重化されているコントローラ40−1〜40−4の一部の変更を、容易に実施することが可能となる。例えば、実際に稼働させる(アクティブ)コントローラ40−1〜40−4の一部を、ネットワークNWに接続された他の機器からオンラインで変更可能となり、その変更に係る作業が従来よりも格段に軽減される。例えば、コントローラ40−1〜40−4のOS(Operating System)のアップグレードを行う際、1台ずつコントローラ40として機能させるPCの制御プログラムを停止させ、OSを更新した後で、その制御プログラムを再起動すれば足りる。これに伴う、等値化装置30やコントローラ40の動作モードの変更や接続先の機器設定(コンフィグレーション)などの変更を要しない。それらの作業は、プラントの制御を完全に停止させずに制御の継続中に実施可能となるため、操業に対する影響を抑制もしくは回避することができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。以下の説明は、第1実施形態との差異点を主とする。第1実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を援用する。
図3は、本実施形態に係る制御システム1の一構成例を示すブロック図である。
本実施形態に係る制御システム1は、データ採択部38−1〜38−4のそれぞれから受信データ出力部34−1〜34−4のそれぞれにフィードバックループを備える。すなわち、データ採択部38−1〜38−4は、それぞれ入力データS’11〜S’14から採択した代表値Spdを受信データ出力部34−1〜34−4に出力する。その後、受信データ出力部34−1〜34−4は、データ採択部38−1〜38−4からそれぞれ入力された代表値Spdを入力データS’11〜S’14としてネットワークNWに送出する。また、受信データ出力部34−1〜34−4は、それぞれ代表値Spdを入力データS’11〜S’14として他装置データ受信部36−1〜36−1にそれぞれ出力してもよい。従って、受信データ出力部34−1〜34−4からの入力データS’11〜S’14の送出と、データ採択部38−1〜38−4における入力データS’11〜S’14から代表値Spdの採択までの一連の処理が繰り返される。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。以下の説明は、第1実施形態との差異点を主とする。第1実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を援用する。
図5は、本実施形態に係る制御システム1の一構成例を示すブロック図である。
本実施形態に係る制御システム1は、2台の分配装置20−1、20−2を備える。分配装置20−1、20−2には、それぞれプラントに備えられたセンサ10−1、10−2から各チャネルの測定値S1、S2が入力される。分配装置20−1、20−2は、入力された測定値S1、S2を等値化装置30−1〜30−4にネットワークNWを介して測定値S11〜S14、S21〜S24として分配する。
入力データ受信部32−11〜32−14、32−21〜32−24の機能構成は、それぞれ入力データ受信部32−1と同様である。受信データ出力部34−11〜34−14、34−21〜34−24の機能構成は、それぞれ受信データ出力部34−1〜34−4と同様である。他装置データ受信部36−11〜36−14、36−21〜36−24の機能構成は、それぞれ他装置データ受信部36−1〜36−4と同様である。また、データ採択部38−11〜38−14、38−21〜38−24の機能構成は、それぞれデータ採択部38−1〜38−4の機能構成とそれぞれ同様である。
受信データ出力部34−21〜34−24は、入力データ受信部32−21〜32−24からそれぞれ入力された入力データS’21〜S’24をネットワークNWに送出する。
また、受信データ出力部34−21〜34−24は、入力データS’21〜S’24をそれぞれ他装置データ受信部36−21〜36−24に直接出力する。
なお、受信データ出力部34−21〜34−24は、入力データS’21〜S’24をそれぞれ他装置データ受信部36−21〜36−24に直接出力しなくてもよい。その場合には、他装置データ受信部36−21〜36−24は、ネットワークNWを介して入力データS’21〜S’24をそれぞれ受信する。
他装置データ受信部36−21〜36−24は、取得した入力データS’21〜S’24をデータ採択部38−21〜38−24に出力する。
採択装置50は、コントローラ40−1〜40−4からそれぞれ受信した操作量A1〜A4から上述の手法を用いて代表値Azを採択する。採択装置50は、採択した代表値Azを示す採択データをアクチュエータ60に出力する。
なお、図5に示す例でも、図3に示す例と同様にデータ採択部38−11〜38−14、38−21〜38−24から受信データ出力部34−11〜34−14、34−21〜34−24にそれぞれフィードバックループが設けられてもよい。
ベクトルのままの扱いを、図3に示すフィードバックループに適用してもよい。より具体的には、データ採択部38−1〜38−4は、ベクトルの一致度が所定の一致度以上となる場合、採択した代表値のフィードバックを行わない。即ち、データ採択部38−1〜38−4は、採択した代表値をコントローラ40−1〜40−4に送信する。データ採択部38−1〜38−4は、ベクトルの一致度が所定の一致度未満となる場合、採択した代表値のフィードバックを実行する。即ち、データ採択部38−1〜38−4は、採択した代表値をコントローラ40−1〜40−4に送信せずに、受信データ出力部34−1〜34−4に出力する。ベクトルのばらつきとして、そのベクトルを構成する要素値の意味を利用してもよい。例えば、ベクトルが取得時刻とその時点の単数もしくは複数の変数値を要素値として構成されている場合などでは、データ採択部38−1〜38−4は、ベクトルを構成する要素値のうち、取得時刻もしくはその期間を利用して採択を行ってもよい。また時刻情報としてベクトルに含まれる取得時刻に限定せず、入力データ受信部32−1〜32−4や他装置データ受信部36−1〜36−4がデータを取得した時刻が採択の手がかりとして用いられてもよい。従って、入力データの構成要素である要素値からなるベクトル値として取得されるまでフィードバックが繰り返される。よって、入力データのベクトル値としての信頼性がさらに向上する。
なお、コントローラ40−1〜40−2の制御演算部42−1〜42−4は、それぞれデータ採択部38−1〜38−4から入力される代表値(出力データS”11〜S”14)について所定の制御演算を行って操作量A1〜A4を算出する。この例では、以降のデータの流れは、図5に示す例と同様である。
コントローラ40−11〜40−14、40−21〜40−24は、それぞれ制御演算部42−11〜42−14、42−21〜42−24と、演算結果出力部44−11〜44−14、44−21〜44−24とを含んで構成される。
制御演算部42−11〜42−14、42−21〜42−24には、それぞれ等値化装置30のデータ採択部38−11〜38−14、38−21〜38−24から出力データS”11〜S”14、S”21〜S”24が入力される。制御演算部42−11〜42−14、42−21〜42−24は、それぞれ出力データの要素値S”11〜S”14、S”21〜S”24について予め定めた制御方式で制御演算を行って操作量A11〜A14、A21〜A24を算出する。制御演算部42−11〜42−14、42−21〜42−24は、それぞれ算出した操作量A11〜A14、A21〜24を演算結果出力部44−11〜44−14、44−21〜44−24に出力する。
演算結果出力部44−11〜44−14、44−21〜44−24は、それぞれ操作量A11〜A14、A21〜A24を採択装置50−1、50−2にネットワークNWを介して送信する。
採択装置50−1、50−2は、それぞれ、演算結果出力部44−11〜44−14、44−21〜44−24からネットワークNWを介して受信した操作量A11〜A14の代表値Az1、A21〜24の代表値Az2を上述の手法を用いて定める。採択装置50−1、50−2は、定めた代表値Az1、Az2を示す採択データをそれぞれアクチュエータ60−1、60−2に出力する。
また、図5に示す例は、多入力1出力の制御演算、図6に示す例は、1入力多出力の制御演算の適用例を示すが、これらを組み合わせた多入力多出力の制御演算に適用されてもよい。
また、上述の実施形態では、制御システム1において各1個の等値化装置30と1個もしくは複数個のコントローラ40とを対応付ける場合を例にしたが、これには限られない。個々の等値化装置30は、他の機器と対応付けられてもよい。例えば、等値化装置30と、等値化装置30から出力される出力データを記憶する記憶装置(図示せず)とが対応付けられてもよい。その場合には、複数の記憶装置にそれぞれ記憶される出力データが等値化される。
また、上述した実施形態における分配装置20、等値化装置30、コントローラ40および採択装置50の一部、又は全部を、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路として実現してもよい。分配装置20、等値化装置30、コントローラ40および採択装置50の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部又は全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず専用回路、又は汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりLSIに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
Claims (8)
- プロセスの状態を測定するセンサから送信されるデータを入力データとして受信する複数の等値化装置と、前記等値化装置のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記等値化装置からの出力データを用いて前記プロセスを制御するアクチュエータの操作量を算出する演算装置と、を備える制御システムであって、
前記等値化装置のそれぞれは、
前記入力データをネットワークに送出する受信データ出力部と、
前記受信データ出力部から前記入力データを取得し、他の等値化装置のそれぞれから送出された入力データを前記ネットワークから受信する他装置データ受信部と、
前記他装置データ受信部が取得した入力データの代表値を前記出力データとして採択するデータ採択部と、を備え、
前記データ採択部は、
前記代表値を前記受信データ出力部に出力し、
前記受信データ出力部は、
前記入力データとして前記代表値を前記ネットワークに送出し、
前記演算装置のそれぞれは、
対応する前記等値化装置からの前記出力データに基づいて前記アクチュエータの操作量を算出する
制御システム。 - 前記等値化装置のそれぞれは、
制御周期毎に繰り返される受信期間内に前記入力データを受信できない場合に、最後に受信した入力データ又は予め定められた入力データを前記受信データ出力部に出力する入力データ受信部を備える
請求項1に記載の制御システム。 - 前記入力データ受信部は、
前記入力データが最新ではないことを示す付加情報を前記受信データ出力部に出力する
入力データに付加する
請求項2に記載の制御システム。 - 前記データ採択部は、
前記複数の等値化装置のそれぞれから取得した前記入力データが相互に一致する度合いである一致度を算出し、
前記一致度が所定の一致度の閾値以上となるまで、前記出力データを前記演算装置に出力せず、前記代表値を前記受信データ出力部に出力する処理を繰り返す
請求項1から請求項3のいずれかに記載の制御システム。 - 前記等値化装置のそれぞれは、
入力データのチャネル毎に前記他装置データ受信部及び前記データ採択部を備え、
前記演算装置のそれぞれは、
チャネル毎の前記出力データに基づいて前記操作量を算出する
請求項1から請求項4のいずれかに記載の制御システム。 - 等値化装置毎に複数の前記演算装置が対応付けられ、
前記複数の演算装置のそれぞれは、
前記出力データの一部もしくは全部の要素とそれぞれ異なるアクチュエータに対応付けられ、
前記要素に基づいて対応する前記アクチュエータの操作量を算出する
請求項1から請求項5のいずれかに記載の制御システム。 - プロセスの状態を測定するセンサから送信されるデータを入力データとして受信する複数の等値化装置と、前記等値化装置のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記等値化装置からの出力データを用いて前記プロセスを制御するアクチュエータの操作量を算出する演算装置と、を備える制御システムにおける制御方法であって、
前記等値化装置のそれぞれは、
前記入力データをネットワークに送信する第1受信データ出力過程と、
他の等値化装置のそれぞれから送出された入力データを受信する第1他装置データ受信過程と、
自装置で取得された前記入力データと前記第1他装置データ受信過程において取得された入力データとの代表値を採択する第1データ採択過程と、
前記入力データとして前記代表値を前記ネットワークに送出する第2受信データ出力過程と、
前記他の等値化装置のそれぞれから送出された入力データを受信する第2他装置データ受信過程と、
自装置で取得された前記入力データと前記第2他装置データ受信過程において取得された入力データとの代表値を出力データとして採択する第2データ採択過程と、
を有し、
前記演算装置のそれぞれは、
対応する等値化装置からの前記出力データに基づいて前記アクチュエータの操作量を算出する操作量算出過程、を有する
制御方法。 - プロセスの状態を測定するセンサから送信されるデータを入力データとして受信する等値化装置であって、
前記入力データをネットワークに送出する受信データ出力部と、
前記受信データ出力部から前記入力データを取得し、他の等値化装置のそれぞれから送出された入力データを前記ネットワークから受信する他装置データ受信部と、
前記他装置データ受信部が取得した入力データの代表値を出力データとして採択するデータ採択部と、を備え、
前記データ採択部は、
前記代表値を前記受信データ出力部に出力し、
前記受信データ出力部は、
前記入力データとして前記代表値を前記ネットワークに送出する
等値化装置。
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