JP6433623B2 - データ処理装置、データ処理方法及びデータ処理プログラム - Google Patents
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Description
図7に示すシステムでは、コントローラ100aとコントローラ100bが制御ネットワーク101に接続されている。以下、コントローラ100aとコントローラ100bを区別する必要がないときは、コントローラ100aとコントローラ100bを総称してコントローラ100という。
制御ネットワーク101には、HMI(Human Machine Interface)102が接続されている。
また、コントローラ100は、プロセス入出力ユニット106a、106b、106c(以下、PIOユニット106a、106b、106cという)とI/O(Input/Output)ネットワーク103を介して接続されている。
PIOユニット106a、106b、106cを区別する必要がないときは、PIOユニット106a、106b、106cを総称して、PIOユニット106という。
PIOユニット106aは、入出力端104aで取得したプラント109の状態を示すデータを、周期的にコントローラ100へ送信する。
PIOユニット106bは、入出力端104bで取得したプラント109の状態を示すデータを、周期的にコントローラ100へ送信する。
PIOユニット106cは、入出力端104cで取得したプラント109の状態を示すデータを、周期的にコントローラ100へ送信する。
コントローラ100a及びコントローラ100bは、それぞれ、PIOユニット106a、106b、106cからデータを受信する。
HMI102は、作業員に対してプラント109の制御状態を表示し、作業員の入力に応じてプラント109の制御のための指令をコントローラ100a及びコントローラ100bへ送信する。HIM102は、例えば、パネルコンピュータである。
PIOユニット106aは、コントローラ100aからの演算結果を、入出力端104aからプラント109に送信する。
PIOユニット106bは、コントローラ100aからの演算結果を、入出力端104bからプラント109に送信する。
PIOユニット106cは、コントローラ100aからの演算結果を、入出力端104cからプラント109に送信する。
なお、コントローラ100とPIOユニット106との間で送受信されるデータをプロセスデータと呼ぶ。
また、コントローラ100aとコントローラ100bは、トラッキングバス105を介して接続されている。コントローラ100aは異常が発生したときに、直ちにコントローラ100bが制御を継続できるようにするため、コントローラ100aの内部のデータを送信している。
図7に示すシステムでは、上記のコントローラ100の対と複数のPIOユニット106との組み合わせが複数存在している。コントローラ100の対は制御ネットワーク101を介してHMI102と接続されている。また、コントローラ100の対はトラッキングバス105を介して接続されている。
コントローラ100は、制御周期tcで周期的にプロセスデータ取得処理、演算処理、プロセスデータ送信処理、トラッキングデータ送信処理を行う。
PIOユニット106は、プロセスデータ送信1にて、PD#1をコントローラ100に送信する。
コントローラ100a及びコントローラ100bは、PD#1を受信する(図8のPD#1の吹き出し)。そして、コントローラ100a及びコントローラ100bは、それぞれ、受信したPD#1を内部のメモリに格納する。
時刻t0においてコントローラ100aは、プロセスデータ取得処理を行う。プロセスデータ取得処理は、コントローラ100内のプロセッサがコントローラ100内のメモリからプロセスデータを読み出す処理である。時刻t0では、プロセスデータ取得処理として、コントローラ100a内のプロセッサが、最も最近に受信したプロセスデータであるPD#1をメモリから読み出し、読み出したPD#1をプロセッサ内のバッファに保存する。
次に、コントローラ100a内のプロセッサがPD#1を用いた演算を行う。なお、演算結果は、HMI102から受信した指令(目標値)と、それまでにPIOユニット106に送信したデータの系列(演算に用いる系列のサイズはシステムにより異なる)と、演算に用いるPIOデータのみにより定まるものとする。
さらに、コントローラ100aは、プロセスデータ送信処理にて、演算結果をPIOユニット106へ送信する(送信の矢印の図示は省略)。
最後に、コントローラ100aは、トラッキングデータ送信処理を行う。トラッキングデータ送信処理では、コントローラ100aは、トラッキングデータをコントローラ100bに送信する。トラッキングデータは、演算結果及びコントローラ100aの内部状態を通知するデータである。図8では、図示を省略しているが、コントローラ100bは、トラッキングデータを受信し、受信したトラッキングデータを内部のメモリに格納する。
次に、時刻t2において、コントローラ100bは、トラッキングデータ取得処理を行う。トラッキングデータ取得処理では、コントローラ100b内のプロセッサが、トラッキングデータをメモリから読み出し、読み出したトラッキングデータをプロセッサ内のバッファに保存する。そして、コントローラ100b内のプロセッサは、トラッキングデータに基づき、以下を更新する。
・PIOユニット106への出力値(演算結果)
・内部状態
特許文献1では、図7に示すシステムにおいて、構成を簡素化するために、トラッキングバス105を制御ネットワーク101と共用する方法が開示されている。
上位装置と接続されている第1のネットワークを介してバックアップ装置と接続され、前記第1のネットワークと異なる第2のネットワークを介して機器と接続されているデータ処理装置であって、
前記機器から繰り返し送信される、シーケンス番号が設定されている被演算データを前記第2のネットワークを介して前記機器から受信し、受信した前記被演算データに対する演算を行い、演算結果を前記第2のネットワークを介して前記機器に送信する演算管理部と、
前記演算管理部が演算を行う度に、前記演算管理部が次に演算を行う被演算データのシーケンス番号を次シーケンス番号として算出し、算出した前記次シーケンス番号を前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に通知するシーケンス番号管理部と、
前記演算管理部による演算結果と前記データ処理装置の内部状態とを通知するトラッキングデータの送信権が前記データ処理装置に一時的に付与されている場合に、前記トラッキングデータを前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に送信するトラッキングデータ管理部とを有する。
***構成の説明***
図1は、本実施の形態に係るシステム構成例を示す。
制御ネットワーク101、HMI102、I/Oネットワーク103、入出力端104a、入出力端104b、入出力端104c、PIOユニット106a、PIOユニット106b、PIOユニット106c、プラント109は、図7に示したものと同じである。本実施の形態でも、PIOユニット106a、106b、106cを区別する必要がないときは、PIOユニット106a、106b、106cを総称して、PIOユニット106という。
コントローラ11aとコントローラ11bは、制御ネットワーク101を介してHMI102に接続されている。HMI102は、上位装置に相当する。制御ネットワーク101は、第1のネットワークに相当する。
また、コントローラ11aとコントローラ11bは、I/Oネットワーク103を介してPIOユニット106a、106b、106cと接続されている。PIOユニット106a、106b、106cは、それぞれ機器に相当する。また、I/Oネットワーク103は第2のネットワークに相当する。
コントローラ11aは、PIOユニット106から受信したデータ(プラント109の状態)とHMI102から受信した指令をもとに演算を行い、演算結果を示すデータを周期的にPIOユニット106へ送信する。また、コントローラ11aは、HMI102にプラント109の状態を送信する。コントローラ11bは、コントローラ11aが正常に稼動している間は待機しており、コントローラ11aに異常が発生した場合に、コントローラ11aを代替する。コントローラ11aを現用コントローラ11ともいい、コントローラ11bを待機コントローラ11ともいう。また、図面上は、コントローラ11aを「現用」と表記し、コントローラ11bを「待機」と表記することがある。
コントローラ11aは、データ処理装置に相当する。また、コントローラ11aにより行われる動作は、データ処理方法に相当する。
コントローラ11bは、コントローラ11aをバックアップし、バックアップ装置に相当する。
以下、コントローラ11aとコントローラ11bを区別する必要がないときは、コントローラ11aとコントローラ11bを総称してコントローラ11という。
コントローラ11は、コンピュータである。
コントローラ11は、ハードウェアとして、プロセッサ201、メモリ202、ROM(Read Only Memory)203、PIOインタフェース204及び制御ネットワークインタフェース205を備える。
ROM203には、後述する制御部303の機能を実現するプログラムが記憶されている。
そして、制御部303の機能を実現するプログラムはROM203からメモリ202にロードされ、プロセッサ201により実行される。
PIOインタフェース204は、I/Oネットワーク103とのインタフェースである。PIOインタフェース204は、PIOユニット106からのプロセスデータを受信し、また、PIOユニット106へのプロセスデータをPIOユニット106に送信する。
制御ネットワークインタフェース205は、制御ネットワーク101とのインタフェースである。コントローラ11aの制御ネットワークインタフェース205は、コントローラ11bにプロセスデータのシーケンス番号を通知するメッセージを送信し、また、トラッキングデータを送信する。また、コントローラ11bの制御ネットワークインタフェース205は、コントローラ11aからシーケンス番号を通知するメッセージを受信し、また、トラッキングデータを受信する。
送信部302は、制御ネットワーク101又はI/Oネットワーク103にデータを送信する。
より具体的には、現用コントローラ11の受信部301は、I/Oネットワーク103を介して、PIOユニット106からプロセスデータを受信する。また、コントローラ11aの受信部301は、制御ネットワーク101を介して、HMI102から指令を受信する。また、コントローラ11aの送信部302は、制御ネットワーク101を介して、シーケンス番号を通知するメッセージ及びトラッキングデータをコントローラ11bに送信する。
また、コントローラ11bの受信部301は、I/Oネットワーク103を介して、PIOユニット106からプロセスデータを受信する。コントローラ11bの受信部301は、制御ネットワーク101を介して、HMI102から指令を受信する。また、コントローラ11bの受信部301は、制御ネットワーク101を介して、シーケンス番号を通知するメッセージ及びトラッキングデータをコントローラ11aから受信する。
受信部301及び送信部302は、PIOインタフェース204及び制御ネットワークインタフェース205により実現される。
制御部303は、プロセスデータ管理部304、時間計測部305、シーケンス番号管理部306、トラッキングデータ管理部307で構成される。
待機コントローラ11では、プロセスデータ管理部304は、現用コントローラ11から通知された次シーケンス番号(後述)に基づき、演算に用いるプロセスデータを選択する。そして、選択したプロセスデータに対する演算を行う。待機コントローラ11では、プロセスデータ管理部304は、演算結果は送信しない。
現用コントローラ11のプロセスデータ管理部304は、演算管理部に相当する。また、現用コントローラ11のプロセスデータ管理部304により行われる処理は演算管理処理に相当する。
また、待機コントローラ11では、シーケンス番号管理部306は、現用コントローラ11から通知された次シーケンス番号を記憶部308に格納する。
現用コントローラ11のシーケンス番号管理部306により行われる処理はシーケンス番号管理処理に相当する。
より具体的には、現用コントローラ11のトラッキングデータ管理部307は、送信権が現用コントローラ11に一時的に付与されている場合に、過去にトラッキングデータを待機コントローラ11に送信したことがあるか否かを判定する。そして、トラッキングデータを待機コントローラ11に送信したことがない場合に、プロセスデータ管理部304による最新の演算結果と現用コントローラ11の現在の内部状態とを通知するトラッキングデータを待機コントローラ11に送信する。
待機コントローラ11では、トラッキングデータ管理部307は、制御ネットワーク101及び受信部301を介してトラッキングデータを受信し、受信したトラッキングデータを記憶部308に格納する。また、待機コントローラ11では、トラッキングデータ管理部307は、トラッキングデータに基づき、演算結果の更新及び待機コントローラ11の内部状態の更新を行う。
現用コントローラ11のトラッキングデータ管理部307により行われる処理はトラッキングデータ管理処理に相当する。
記憶部308は、メモリ202により実現される。
次に、本実施の形態に係る動作を、図4を用いて説明する。
現用コントローラ11には、トラッキングデータの送信権が一時的に付与される。現用コントローラ11は、トラッキングデータの送信権が付与されている間のみ、トラッキングデータを送信することができる。トラッキングデータの送信権が付与されていないときは、現用コントローラ11は、トラッキングデータを送信することができない。つまり、現用コントローラ11は、トラッキングデータ送信処理をスキップする。
制御ネットワーク101上に送信権は同時に1つしか存在しない。あらかじめ任意に定められた1つのノードがシステムで最初に送信権を持つものとする。以下では、HMI102が最初に送信権を持つものとする。
図4では、HMI102は、コントローラ11aに送信権を送信している。
そして、時刻t400において、コントローラ11aの受信部301が、PD#1を受信する。
コントローラ11aでは、時間計測部305が、PD#1を時刻t400で受信してから、実際に時刻t401で使用するまでの時間tdを計測する。
時刻t401において、コントローラ11aのプロセスデータ管理部304が、図8に示した従来のコントローラ100aと同様にプロセスデータの取得処理を行う。さらに、プロセスデータ管理部304が、図8に示した従来のコントローラ100aと同様に演算を行い、時刻t412において、送信部302が、演算結果を通知するプロセスデータをPIOユニット106に送信する。
具体的には、シーケンス番号管理部306は、式1に従って次シーケンス番号Pnextを計算する。式1において、Plastは、最後の演算で使用したプロセスデータのシーケンス番号を示す。また、tcは制御周期であり、tpはプロセスデータ周期であり、tdは時間計測部305が計測した時間である。
そして、シーケンス番号管理部306は、送信部302及び制御ネットワーク101を介して、コントローラ11bに次シーケンス番号Pnextを通知する。
・システムが起動してからコントローラ11bに対して1度もトラッキングデータを送信していない。
・コントローラ11aがトラッキングデータの送信権を持っている。
コントローラ11aは、トラッキングデータを送信後、HMI102にトラッキングデータの送信権を返却する。
なお、ステップS100と同時に、時間計測部305が時間tdの計測を開始する。
また、ステップS110と同時に、時間計測部305が時間tdの計測を停止する。
コントローラ11aにトラッキングデータの送信権が付与されている場合は、トラッキングデータ管理部307は、システム起動後にコントローラ11bにトラッキングデータを送信したことがあるか否かを判定する。
コントローラ11bにトラッキングデータを送信していない場合は、送信部302が制御ネットワーク101からコントローラ11bにトラッキングデータを送信する。
ステップS240で受信されたプロセスデータのシーケンス番号が次シーケンス番号Pnextに一致しない場合は、ステップS270において、プロセスデータ管理部304は、プロセスデータを破棄する。
一方、ステップS240で受信されたプロセスデータのシーケンス番号が次シーケンス番号Pnextに一致する場合は、プロセスデータ管理部304は、プロセスデータを用いた演算を行う。そして、プロセスデータ管理部304は、演算結果を記憶部308に格納する。
このように、本実施の形態では、現用コントローラ11は、トラッキングデータの送信権が付与されている場合のみ、トラッキングデータを待機コントローラ11に送信する。このため、トラッキングデータの送信によってネットワーク帯域が圧迫される事態を回避することができる。
本実施の形態で説明した手法を用いない場合は、制御周期tcの度に、現用コントローラから待機コントローラにトラッキングデータが送信される。このため、本実施の形態で説明した手法を用いない場合に、1組の現用コントローラと待機コントローラの間のトラッキングデータの通信に要する帯域は、制御周期tcの繰り返し数npと、トラッキングデータのデータサイズdtを乗じた値である。たとえばnp=50(回)、データサイズdt=240Mbpsとすると、トラッキングデータの通信に要する帯域は12Gbpsである。1Gbpを超える通信を実現するための方式(10GBASE−Tなど)は、普及が進みつつあるものの依然高価であるため、本実施の形態で説明した手法を用いない場合は、制御ネットワーク101のコストが高くなる。
本実施の形態では、1組の現用コントローラと待機コントローラとの間でトラッキングデータが1回送信されるのみである。このため、1組の現用コントローラと待機コントローラ11との間のトラッキングデータの通信に要する帯域は、トラッキングデータのデータサイズdt(240Mbps)のみである。
このため、本実施の形態によれば、広く普及しており安価な1000BASE−Tで制御ネットワーク101を構成することができる。
最後に、コントローラ11のハードウェア構成の補足説明を行う。
図2に示すプロセッサ201は、プロセッシングを行うIC(Integrated Circuit)である。
プロセッサ201は、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)等である。
図2に示すメモリ202は、RAM(Random Access Memory)である。
また、ROM23の代わりに、フラッシュメモリ、HDD(Hard Disk Drive)を用いてもよい。
図2に示すPIOインタフェース204及び制御ネットワークインタフェース205は、データを受信するレシーバー及びデータを送信するトランスミッターを含む。
PIOインタフェース204及び制御ネットワークインタフェース205は、それぞれ、例えば、通信チップ又はNIC(Network Interface Card)である。
そして、OSの少なくとも一部がプロセッサ201により実行される。
プロセッサ201はOSの少なくとも一部を実行しながら、プロセスデータ管理部304、時間計測部305、シーケンス番号管理部306及びトラッキングデータ管理部307(以下、これらをまとめて「部」という)の機能を実現するプログラムを実行する。
プロセッサ201がOSを実行することで、タスク管理、メモリ管理、ファイル管理、通信制御等が行われる。
また、コントローラ11は、プロセッサ201を代替する複数のプロセッサを備えていてもよい。これら複数のプロセッサは、「部」の機能を実現するプログラムの実行を分担する。それぞれのプロセッサは、プロセッサ201と同じように、プロセッシングを行うICである。
また、「部」の処理の結果を示す情報やデータや信号値や変数値が、メモリ202、プロセッサ201内のレジスタ及びキャッシュメモリの少なくともいずれかに記憶される。
また、「部」の機能を実現するプログラムは、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ブルーレイ(登録商標)ディスク、DVD等の可搬記憶媒体に記憶されてもよい。
また、コントローラ11は、ロジックIC(Integrated Circuit)、GA(Gate Array)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)といった電子回路により実現されてもよい。
この場合は、「部」は、それぞれ電子回路の一部として実現される。
なお、プロセッサ及び上記の電子回路を総称してプロセッシングサーキットリーともいう。
Claims (5)
- 上位装置と接続されている第1のネットワークを介してバックアップ装置と接続され、前記第1のネットワークと異なる第2のネットワークを介して機器と接続されているデータ処理装置であって、
前記機器から繰り返し送信される、シーケンス番号が設定されている被演算データを前記第2のネットワークを介して前記機器から受信し、受信した前記被演算データに対する演算を行い、演算結果を前記第2のネットワークを介して前記機器に送信する演算管理部と、
前記演算管理部が演算を行う度に、前記演算管理部が次に演算を行う被演算データのシーケンス番号を次シーケンス番号として算出し、算出した前記次シーケンス番号を前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に通知するシーケンス番号管理部と、
前記演算管理部による演算結果と前記データ処理装置の内部状態とを通知するトラッキングデータの送信権が前記データ処理装置に一時的に付与されている場合に、前記トラッキングデータを前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に送信するトラッキングデータ管理部とを有するデータ処理装置。 - 前記トラッキングデータ管理部は、
前記送信権が前記データ処理装置に一時的に付与されている場合に、過去に前記トラッキングデータを前記バックアップ装置に送信したことがあるか否かを判定し、前記トラッキングデータを前記バックアップ装置に送信したことがない場合に、前記トラッキングデータを前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に送信する請求項1に記載のデータ処理装置。 - 前記トラッキングデータ管理部は、
前記送信権が前記データ処理装置に一時的に付与されている場合に、前記演算管理部による最新の演算結果と前記データ処理装置の現在の内部状態とを通知するトラッキングデータを前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に送信する請求項1に記載のデータ処理装置。 - 上位装置と接続されている第1のネットワークを介してバックアップ装置と接続され、前記第1のネットワークと異なる第2のネットワークを介して機器と接続されているコンピュータが、
前記機器から繰り返し送信される、シーケンス番号が設定されている被演算データを前記第2のネットワークを介して前記機器から受信し、受信した前記被演算データに対する演算を行い、演算結果を前記第2のネットワークを介して前記機器に送信し、
演算を行う度に、次に演算を行う被演算データのシーケンス番号を次シーケンス番号として算出し、算出した前記次シーケンス番号を前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に通知し、
演算結果と前記コンピュータの内部状態とを通知するトラッキングデータの送信権が前記コンピュータに一時的に付与されている場合に、前記トラッキングデータを前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に送信するデータ処理方法。 - 上位装置と接続されている第1のネットワークを介してバックアップ装置と接続され、前記第1のネットワークと異なる第2のネットワークを介して機器と接続されているコンピュータに、
前記機器から繰り返し送信される、シーケンス番号が設定されている被演算データを前記第2のネットワークを介して前記機器から受信し、受信した前記被演算データに対する演算を行い、演算結果を前記第2のネットワークを介して前記機器に送信する演算管理処理と、
前記演算管理処理により演算が行われる度に、前記演算管理処理により次に演算が行われる被演算データのシーケンス番号を次シーケンス番号として算出し、算出した前記次シーケンス番号を前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に通知するシーケンス番号管理処理と、
前記演算管理処理による演算結果と前記コンピュータの内部状態とを通知するトラッキングデータの送信権が前記コンピュータに一時的に付与されている場合に、前記トラッキングデータを前記第1のネットワークを介して前記バックアップ装置に送信するトラッキングデータ管理処理とを実行させるデータ処理プログラム。
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