JP6761584B2 - 産業機器の制御装置、産業機器の制御システム、及び産業機器の制御方法 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、産業機器の制御装置、産業機器の制御システム、及び産業機器の制御方法に関する。

特許文献１には、設備の稼働監視を行うのにあたり、設備の運転停止等の実績を把握するための構成が開示されている。

特開２０１０−１３４８８８号公報

近年では、ユーザ自身でも周期処理の追加や設定を任意で行えることが要望されている。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ユーザ自身で容易に周期処理の追加や設定が可能な産業機器の制御装置、産業機器の制御システム、及び産業機器の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、制御周期毎に制御処理を実行する産業機器の制御装置であって、前記制御処理の内容を設定する制御処理設定部と、前記制御周期毎に実行される前記制御処理以外の処理であるユーザ周期処理の上限量を設定するユーザ周期処理上限量設定部と、を有する産業機器の制御装置が適用される。

また、本発明の別の観点によれば、制御周期毎に制御処理を実行する制御装置と、前記制御装置の制御対象である産業機器と、を有する産業機器の制御システムであって、前記制御装置は、前記制御処理の内容を設定する制御処理設定部と、前記制御周期毎に実行される前記制御処理以外の処理であるユーザ周期処理の上限量を設定するユーザ周期処理上限量設定部と、を有する産業機器の制御システムが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、制御周期毎に制御処理を実行する制御装置と、前記制御装置の制御対象である産業機器と、を有する制御システムで実行する産業機器の制御方法であって、前記制御装置が備える演算装置は、前記制御処理の内容を設定することと、前記制御周期毎に実行される前記制御処理以外の処理であるユーザ周期処理の上限量を設定することと、を実行する産業機器の制御方法が適用される。

本発明によれば、ユーザ自身で容易に周期処理の追加や設定が可能となる。

実施形態の産業機器の制御システムの概略的なブロック構成を表す図である。 コントローラとエンジニアリングツールとの情報送受を説明する図である。 コントローラと運用サーバとの情報送受を説明する図である。 コントローラで実行される周期処理を模式的に表した図である。 コントローラの周期処理に関する設定を産業機器メーカとユーザとの間で分担して行う工程を説明する図である。 コントローラが実装する処理ブロック構成を表した図である。 マルチコアＣＰＵを備える場合のコントローラで実行される周期処理を模式的に表した図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜産業機器の制御システムの全体構成＞
図１を参照しつつ、本実施形態に係る産業機器の制御システムの全体構成の一例について説明する。

図１は、産業機器の制御システムの概略的なブロック構成を表している。なお本実施形態の例における産業機器の制御システムは、産業機器の駆動を制御する制御システムとして説明する。図１に示すように、産業機器制御システム１００は、コントローラ１と、産業機器２とを有している。

コントローラ１（制御装置の一例）は、特に図示しないＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリなどを備えたコンピュータで構成され、後述する運用サーバ４から入力された上位制御指令に基づいて産業機器２に所望の経時的動作を行わせるよう制御する制御装置である。この動作制御機能の形態として具体的には、産業機器２の動力源である特に図示しないモータやエアシリンダなどのアクチュエータ等に対して所望の動作をリアルタイムかつ高精度に指示する制御指令を所定の制御周期毎に出力する制御処理の実行機能を有している（後述の図４参照）。なお、本実施形態では、このコントローラ１のＣＰＵがいわゆるコア（処理実行機能部）を１つしか備えていないシングルコアのものを例に説明するが、本発明はこれに限らず複数のコアを有する演算装置にも適用可能である。

産業機器２は、産業機器制御システム１００によってその駆動が制御される対象の機械システムであり、この例では後述するユーザ（製品メーカー）が運用することで所定の材料や部品から所定の製品を製造する産業機器を想定している（後述の図５参照）。この産業機器２の内部構成としては、そのほとんどは特に図示しないモータやエアシリンダなどのアクチュエータを備えてそこから入力されるトルクや推力により動作が制御される機構部分である。

また本実施形態のシステム構成においては、当該産業機器制御システム１００のユーザインターフェースとしてエンジニアリングツール３と運用サーバ４との２つの端末が別途接続可能となっており、これらエンジニアリングツール３と運用サーバ４は操作者の違いによって使い分けられる。ここで、上記コントローラ１に対しては２種類の操作者が存在する。その一方の操作者として、上記コントローラ１を利用して当該産業機器制御システム１００全体を製造した産業機器メーカーがエンジニアリングツール３を操作する。他方の操作者として、当該産業機器制御システム１００を運用して製品を製造するユーザとしての製品メーカーが運用サーバ４を操作する。

図２に示すように、上記エンジニアリングツール３（第１の入力機器の一例）は、当該産業機器制御システム１００の製造時、実務運用前の調整時、及び修理時等にコントローラ１に接続して産業機器メーカのみが使用する端末であり、ユーザが使用することはない。

エンジニアリングツール３は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ（以上、図示省略）、表示部、操作部等を備えた汎用パーソナルコンピュータ（図示する例ではノートＰＣ）で構成されてもよいし、または特に図示しない専用の操作端末で構成されてもよい。エンジニアリングツール３は、産業機器２の各工程での詳細な制御内容を指示するための各種設定指令をコントローラ１に出力したり、またその時点のコントローラ１内部における各種の状態情報を入力、表示する機能を有している。

また図３に示すように、上記運用サーバ４（第２の入力機器の一例）は、基本的に当該産業機器制御システム１００を運用して製品を製造する際に常時コントローラ１に接続してユーザが使用する端末であるが、調整時や修理時等で必要に応じて産業機器メーカがエンジニアリングツール３を別途接続して使用する場合もある。なお、図中では産業機器２としてマシニングセンタを適用した場合を示している。
なお、第２の入力機器としては、運用サーバ４のような形態をとらず、ユーザーが別途エンジニアリングツールをもちいて接続してコントローラ１に設定するような構成であってもよい。この際、第２の入力機器としてのエンジニアリングツールは常時接続を要しない。

運用サーバ４は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ（以上、図示省略）、表示部、操作部等を備えた制御装置（例えば、汎用パーソナルコンピュータ）で構成され、産業機器２の稼動状態を表示する機能や産業機器２の稼動状態に基づいて何らかの制御指令をコントローラ１に出力する機能などが併せて設けられている。なお、このような産業機器制御システム１００の運用時には、エンジニアリングツール３はシステムから取り外された構成でもよい（後述の図５参照）。

＜本実施形態の特徴＞
以上説明したように、一般的なファクトリーオートメーションとしての産業機器制御システム１００においては、当該産業機器２を制御対象として制御処理を実行する制御装置としてのコントローラ１を備える場合が多い。このようなコントローラ１は、所定の制御周期毎に制御処理を実行することでリアルタイム性の高い制御を通常行っている。

また一般的には、上記のコントローラ１を利用して産業機器制御システム１００を製造する産業機器メーカーと、この産業機器制御システム１００を購入して利用するユーザが異なる場合が多く、近年では当該産業機器制御システム１００に対する運用の管理や最適化等を目的として、そのユーザ自身でも独自に上記制御周期に同期したリアルタイム性の高い周期処理（以下、ユーザ周期処理という）の追加やそれに関する各種設定を任意で行えることが要望されている。

しかしながら、そのようなコントローラ１の制御処理に関する仕様情報は、産業機器２の機械構成と駆動制御を設計した産業機器メーカーだけが知り得る情報であり、それを知らずに ユーザ側で自由にユーザ周期処理の追加や各種設定を行った場合には産業機器制御システム１００の運用自体できなくなる可能性が高い。

具体的には、制御周期の１周期長（時間長）内においてまず優先的に制御処理を実行する必要があり、他のユーザ周期処理を追加する場合にはその制御処理の実行後に行うことになるが、その後に実行するユーザ周期処理の実行時間が当該１周期長を超過した場合にはエラー処理がなされて制御動作が停止してしまう。これを回避して他のユーザ周期処理を追加するためには、上記の１周期長や制御処理の最長必要実行期間などの仕様情報を知ってそれに対応した設定を行う必要があり、ユーザがそのような知り得ない仕様情報に対応したユーザ周期処理の追加と設定を行うことは困難であった。

これに対して本実施形態では、コントローラ１が、制御処理の内容を設定する制御処理設定部と、制御周期毎に実行される上記制御処理以外の処理であるユーザ周期処理の上限量を設定するユーザ周期処理上限量設定部と、を有している。

これにより、ユーザは、産業機器２側の制御上の制約（例えば１つの制御周期に安定して実行可能な処理量）などを考慮することなく、所望のユーザ周期処理の追加と設定を容易に行うことができる。以下、このようなユーザ周期処理の設定手法について順次、詳細に説明する。

＜コントローラが実行する周期処理について＞
図４は、コントローラ１において制御周期毎に繰り返し実行される周期処理（同期タスク）を模式的に示している。コントローラ１は、図示するように一定時間間隔にある制御周期の１周期長ΔＴのうちで、最初に例えばラダープログラムなどによって制御指令を生成する制御処理（図中の実線横縞部分参照）を実行する。そして、ユーザ周期処理が追加される場合には、その制御処理の実行後に実行される。このユーザ周期処理の具体的な一例としては、当該コントローラ１がそれ自体の内部又は産業機器２などの外部機器における各種制御データや制御パラメータを制御周期に同期して取得し、保存するデータロギング処理などが想定される。

これら制御処理とユーザ周期処理は制御周期の各周期毎に繰り返し実行する周期処理であり、例えばこれら２つの周期処理を併せた全体の実行期間が制御周期の１周期長ΔＴを超過した場合にはコントローラ１自体がエラー処理を実行して制御動作を停止してしまうため、２つの周期処理を併せた全体の実行期間は１周期長ΔＴ内に納める必要がある。

そこで上記エラー処理を回避するために、例えば各制御周期における制御処理の実行期間ＴＣがおよそ一定である一方、各制御周期におけるユーザ周期処理の実行期間ＴＬ（図中の黒色部分参照）が変動する場合には、ユーザ周期処理の実行期間ＴＬに対してあらかじめ適切に設定したその最長限度（つまりユーザ周期処理の上限量；図中の網掛け部分参照）を越えないよう当該ユーザ周期処理を実行すればよい。その設定として具体的には、制御周期の１周期長ΔＴから制御処理の必要実行期間ＴＣ（およそ一定）を引いた差分時間以下でユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘ（≦ΔＴ−ＴＣ）を固定的に設定する。

＜周期処理に関する各種設定の分担について＞
ここで、コントローラ１に対して制御処理以外のユーザ周期処理の追加と設定を要望するのは、当該産業機器制御システム１００を運用するユーザである。しかしながら、上述した制御周期の１周期長ΔＴ、制御処理の実行期間ＴＣ、及びユーザ周期処理の実行期間ＴＬの内訳などの仕様情報は、産業機器２の機械構成と駆動制御を設計した産業機器メーカーだけしか知り得ない情報である。そのような仕様情報を知らずにユーザ側で自由にユーザ周期処理の追加や各種設定を行った場合には、コントローラ１自体がエラーとなって産業機器制御システム１００の運用自体できなくなる可能性が高い。このため本実施形態では、図５に示すように、産業機器メーカとユーザとの間でコントローラ１の周期処理に関する各種の設定を分担して行うようにする。

すなわち、図示するように、まず産業機器メーカがコントローラ１を組み込んで産業機器制御システム１００を製造する。なお、このコントローラ１には、もともと制御処理及びその他ユーザ周期処理として適用可能な各種の周期処理の実行機能が実装されていることを前提とする。そして産業機器メーカが、当該産業機器制御システム１００の工場出荷時又は現地調整時において、産業機器メーカのみが使用できるエンジニアリングツール３を介した操作により、コントローラ１の周期処理に対して必要な設定指令を入力する。具体的な設定指令としては、制御周期の周期長ΔＴを設定する制御周期設定指令と、制御処理の内容（上記例のラダープログラムなど）を設定する制御処理設定指令と、ユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘを設定するユーザ周期処理上限量設定指令と、を含んでいる。つまり、この産業機器メーカの設定操作により、コントローラ１がユーザ周期処理として実行し得る上限の最長実行期間ＴＬｍａｘについて、当該コントローラ１がエラーを生じないよう産業機器制御システム１００の仕様情報を考慮した適切な設定が可能になる。

そしてユーザが、運用サーバ４を介した入力操作により上記産業機器制御システム１００を運用し、材料や部品２１を供給して目的の最終製品２２を製造する。この運用中においてユーザ周期処理（例えばデータのロギング処理）を実行させる場合には、その運用前にユーザが運用サーバ４を介した操作によってコントローラ１に対し所望するユーザ周期処理の内容を設定するユーザ周期処理設定指令を入力する。このとき、コントローラ１は、あらかじめ産業機器メーカによって設定されている上記ユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘに基づいてその処理内容の設定を制限することで、運用時の周期制御の実行中に上記エラーの発生を回避できる。

例えば追加されるユーザ周期処理がデータロギング処理の場合には、各制御周期で実行されるユーザ周期処理の実行期間ＴＬは取得するデータの種類や数に依存する場合が多い。これに対応してユーザがユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘを越えるロギング処理内容（取得するデータの種類や数）を設定しようとした場合にはコントローラ１又は運用サーバ４が報知処理を行うようにしたり、又は実行期間ＴＬが最長実行期間ＴＬｍａｘ以内に収まるようロギングデータの種類や数を自動的に制限する設定ファイルの雛形をあらかじめ用意しておくとよい。これによりユーザは、データの種類や数に変換された形で、ユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘを間接的に参照できるようになる。

＜コントローラ内部の処理ブロック構成＞
以上説明した周期処理の設定を実現するために、コントローラ１が実装する処理ブロック構成を図６に示す。この図６において、コントローラ１は、制御周期設定部１１と、制御処理設定部１２と、制御処理実行部１３と、ユーザ周期処理上限量設定部１４と、ユーザ周期処理設定部１５と、ユーザ周期処理実行部１６を備えている。なお、これらコントローラ１が備える各処理ブロックは、それぞれ当該コントローラ１のＣＰＵ（制御装置が備える演算装置に相当）が実行するソフトウェアブロックの形態で実装している。

制御周期設定部１１は、上述したように産業機器メーカがエンジニアリングツール３を介して入力した制御周期設定指令に基づいて制御周期の周期長ΔＴを設定する機能を有している。

制御処理設定部１２は、産業機器メーカがエンジニアリングツール３を介して入力した制御処理設定指令に基づいて制御処理の内容（プログラムなど）を設定する機能を有している。

制御処理実行部１３は、運用時において制御周期毎に制御処理を実行する機能を有している。

ユーザ周期処理上限量設定部１４は、産業機器メーカがエンジニアリングツール３を介して入力したユーザ周期処理上限量設定指令に基づいてユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘを設定する機能を有している。

ユーザ周期処理設定部１５は、ユーザが運用サーバ４を介して入力したユーザ周期処理設定指令に基づいてユーザ周期処理の内容を設定する機能を有している。そしてこのユーザ周期処理設定部１５が、上述したように最長実行期間ＴＬｍａｘに基づいてユーザ周期処理の処理内容の設定を制限する。つまり、運用サーバ４から入力される指令によって上限量内で実行可能なようにユーザ周期処理の内容を設定する。

ユーザ周期処理実行部１６は、運用時において制御周期毎にユーザ周期処理を実行する機能を有している。

以上の構成により、コントローラ１は、産業機器メーカの設計とユーザの要望を両立させつつ各制御周期毎での制御処理とユーザ周期処理の実行が可能となる。

＜本実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態の産業機器の制御システム１００によれば、コントローラ１が、制御処理の内容を設定する制御処理設定部１２と、制御周期毎に実行される制御処理以外の処理であるユーザ周期処理の上限量（最長実行期間ＴＬｍａｘ）を設定するユーザ周期処理上限量設定部１４と、を有している。

これにより、ユーザは、産業機器側の制御上の制約などを考慮することなく、所望のユーザ周期処理の追加と設定を容易に行うことができる。換言すると、ユーザーが所望のユーザー周期処理を設定した場合でも、産業機器２のコントローラ１にこれによるエラー等の発生を防止することができる。

また、本実施形態では特に、制御処理設定部１２は、エンジニアリングツール３から入力される制御処理設定指令によって制御処理の内容を設定し、ユーザ周期処理上限量設定部１４は、エンジニアリングツール３から入力されるユーザ周期処理上限量設定指令によって最長実行期間ＴＬｍａｘを設定する。

一般的に、産業機器メーカーが産業機器制御システム１００に対して調整、設定を行うために利用するエンジニアリングツール３は、ユーザが産業機器制御システム１００を運用するために利用できる運用サーバ４と仕様が大きく異なり、エンジニアリングツール３の方が運用サーバ４よりもコントローラ１に対してより多くの設定が可能となっている。

そして、制御周期の周期長ΔＴ内で実行される制御処理の内容と他のユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘについての設定に関しては産業機器２を設計した産業機器メーカーのみによって行われるべきであり、そのような制御処理の内容とユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘを産業機器メーカーだけが利用できるとしたエンジニアリングツール３だけで設定できることで、コントローラ１のエラーの発生を回避するといった産業機器制御システム１００の正常動作を確保できる。

また、本実施形態では特に、エンジニアリングツール３から入力される制御周期設定指令によって制御周期の周期長ΔＴを設定する制御周期設定部１１をさらに有する。コントローラ１の制御周期についての設定に関しては産業機器２を設計した産業機器メーカーのみによって行われるべきであり、そのような制御周期を産業機器メーカーだけが利用できるエンジニアリングツール３だけで設定できることで、コントローラのエラーの発生を回避するといった産業機器制御システム１００の正常動作を確保できる。

また、本実施形態では特に、運用サーバ４から入力されるユーザ周期処理設定指令によって最長実行期間ＴＬｍａｘ内で実行可能なようにユーザ周期処理の内容を設定するユーザ周期処理設定部１５をさらに有する。

ユーザ周期処理の内容についての設定に関してはユーザ自身が行うことを要望しており、エンジニアリングツール３以外のユーザが利用できる運用サーバ４でユーザ周期処理の内容を最長実行期間ＴＬｍａｘ内で実行可能に設定できることで、コントローラ１のエラーの発生を回避しつつユーザ自身で容易に周期処理の追加や設定が可能となる。

また、本実施形態では特に、制御周期毎にユーザ周期処理を実行するユーザ周期処理実行部１６をさらに有する。これにより、当該コントローラ１自体で制御周期の１周期長ΔＴ内における制御処理以外のユーザ周期処理の実行が可能となる。

なお上記実施形態では、コントローラ１のＣＰＵ（特に図示せず）がシングルコアであり、同時に複数の処理を並列実行できない場合を想定しているが、これに限られない。例えば、コントローラ１のＣＰＵが複数のコアを有するいわゆるマルチコアの構成である場合には、制御処理とユーザ周期処理の各周期処理をそれぞれ専用に実行するコアを割り当てることで、上記図４に対応する図７に示すように２つの周期処理を部分的にでも時間重複させて並列に実行することも可能である。このような場合でも、産業機器メーカしか知り得ない制御周期の周期長ΔＴに対応してユーザ周期処理の最長実行期間ＴＬｍａｘが制限される（つまり最長でも最長実行期間ＴＬｍａｘは周期長ΔＴ以下）ため、上記実施形態の適用は有用である。

なお、以上の説明において、「垂直」「平行」「平面」等の記載がある場合には、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「垂直」「平行」「平面」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に垂直」「実質的に平行」「実質的に平面」という意味である。

また、以上の説明において、外観上の寸法や大きさ、形状、位置等が「同一」「同じ」「等しい」「異なる」等の記載がある場合は、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「同一」「等しい」「異なる」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に同一」「実質的に同じ」「実質的に等しい」「実質的に異なる」という意味である。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ コントローラ（制御装置）
２ 産業機器
３ エンジニアリングツール（第１の入力機器）
４ 運用サーバ（第２の入力機器）
１１ 制御周期設定部
１２ 制御処理設定部
１３ 制御処理実行部
１４ ユーザ周期処理上限量設定部
１５ ユーザ周期処理設定部
１６ ユーザ周期処理実行部
１００ 産業機器の制御システム

Claims (6)

1. 制御周期毎に制御処理を実行する産業機器の制御装置であって、
   前記制御周期を設定可能な第１の入力機器から入力される指令によって、前記制御処理の内容を設定する制御処理設定部と、
   前記第１の入力機器から入力される指令によって、前記制御周期毎に実行される前記制御処理以外の処理であるユーザ周期処理の上限量を設定するユーザ周期処理上限量設定部と、
   前記ユーザ周期処理の内容を設定可能な第２の入力機器から入力される指令によって、前記上限量内で実行可能なように前記ユーザ周期処理の内容を制限するユーザ周期処理設定部と、
   を有することを特徴とする産業機器の制御装置。
2. 前記第１の入力機器から入力される指令によって前記制御周期を設定する制御周期設定部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の産業機器の制御装置。
3. 前記制御周期毎に前記ユーザ周期処理を実行するユーザ周期処理実行部をさらに有することを特徴とする請求項１又は２記載の産業機器の制御装置。
4. 前記ユーザ周期処理実行部は、
   前記ユーザ周期処理が設定されているいないにかかわらず、前記ユーザ周期処理の前記上限量に相当する演算処理を実行することを特徴とする請求項３記載の産業機器の制御装置。
5. 制御周期毎に制御処理を実行する制御装置と、
   前記制御装置の制御対象である産業機器と、
   前記制御周期を設定可能な第１の入力機器と、
   前記制御周期毎に実行される前記制御処理以外の処理であるユーザ周期処理の内容を設定可能な第２の入力機器と、
   を有する産業機器の制御システムであって、
   前記制御装置は、
   前記第１の入力機器から入力される指令によって、前記制御処理の内容を設定する制御処理設定部と、
   前記第１の入力機器から入力される指令によって、前記ユーザ周期処理の上限量を設定するユーザ周期処理上限量設定部と、
   前記第２の入力機器から入力される指令によって、前記上限量内で実行可能なように前記ユーザ周期処理の内容を制限するユーザ周期処理設定部と、
   を有することを特徴とする産業機器の制御システム。
6. 制御周期毎に制御処理を実行する制御装置と、
   前記制御装置の制御対象である産業機器と、
   前記制御周期を設定可能な第１の入力機器と、
   前記制御周期毎に実行される前記制御処理以外の処理であるユーザ周期処理の内容を設定可能な第２の入力機器と、
   を有する制御システムで実行する産業機器の制御方法であって、
   前記制御装置が備える演算装置は、
   前記第１の入力機器から入力される指令によって、前記制御処理の内容を設定することと、
   前記第１の入力機器から入力される指令によって、前記ユーザ周期処理の上限量を設定することと、
   前記第２の入力機器から入力される指令によって、前記上限量内で実行可能なように前記ユーザ周期処理の内容を制限することと、
   を実行することを特徴とする産業機器の制御方法。
   

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