JP7364428B2

JP7364428B2 - プログラマブルコントローラ

Info

Publication number: JP7364428B2
Application number: JP2019197432A
Authority: JP
Inventors: 直小野瀬; 充望月
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2023-10-18
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: US11561524B2; CN112748695A; CN112748695B; US20210132566A1; DE102020127997A1; JP2021071864A

Description

本発明は、プログラマブルコントローラに関する。

ＣＮＣ（数値制御装置）などで使用されるプログラマブルコントローラ（プログラマブルロジックコントローラ、ＰＬＣ）では、加工を行う機械の本体部や、加工に用いられる工具を管理する工具管理機構部、ローダなどの周辺機器部などの制御対象に係るシーケンスプログラムを動作させている。

プログラマブルコントローラは、その動作周期毎にシーケンス制御を繰り返し行う。プログラマブルコントローラは、各動作周期の開始タイミングから所定の実行可能時間の間、シーケンスプログラムをスキャン（実行）している。プログラマブルコントローラでは、第１レベル、第２レベルといったように複数のプログラムレベルが用意されているものがある（例えば、特許文献１等）。図９に例示されるように、複数のプログラムレベルを用意しているプログラマブルコントローラは、第１レベル用に用意されたシーケンスプログラムについては必ず１回は実行可能時間内でスキャン（実行）する。また、プログラマブルコントローラは、第２レベル用に用意されたシーケンスプログラムについては、実行可能時間内で第１レベルのシーケンスプログラムのスキャン（実行）が終了した後に、当該実行可能時間の残り時間でスキャン（実行）可能な分だけ分割し、割り込ませてスキャン（実行）する。図９の例では、実行可能時間が１６ｍｓであり、第１レベルでのスキャンは約４ｍｓで終了し、残りの約１２ｍｓで第２レベルでのスキャンを行っている。なお、プログラマブルコントローラは、シーケンスプログラムのスキャンタイムが１回の実行可能時間に対して十分に小さい場合には、シーケンスプログラムのスキャンを複数回行う場合もある。例えば、実行可能時間が１６ｍｓであり、シーケンスプログラムをスキャンするのに掛かるスキャンタイムが８ｍｓの場合、実行可能時間内でシーケンスプログラムのスキャンが２回行われる。

ところで、シーケンスプログラムのスキャンに掛かる時間は、ファンクションブロックの実行条件や、通るラングによって変化する。そのため、図１０の３２ｍｓからの動作周期に見られるように、実行可能時間内でスキャンするシーケンスプログラムのスキャンタイムが中途半端に短い場合、残った時間で２スキャン目のシーケンスプログラムのスキャンをすることができない。このような場合、実行可能時間の残りの「余り時間」はプログラマブルコントローラの動作における無駄な時間となる。

特開昭６３－３１７８３４号公報

プログラマブルコントローラにおいて、複数系統の複数のシーケンスプログラムを並列に実行する場合、実行可能時間をそれぞれの系統のシーケンスプログラムのスキャンタイムとして分割して割り当てる。この時、予め決められた割合で実行可能時間を割り当てて複数のシーケンスプログラムを並行にスキャンした場合、上記したように周辺機器の状況や処理条件によって各シーケンスプログラムのスキャンタイムが変動すると、たびたび余り時間が発生する。そして、結果としてプログラマブルコントローラの動作が非効率となる場合がある。

このような課題は、各動作周期において、それぞれのシーケンスプログラムのスキャンタイムを考慮して動的に実行可能時間を割り当てることで解決を図ることができる。しかしながら、プログラマブルコントローラの実行可能時間の割当を予め定め、各動作周期におけるそれぞれの系統のシーケンスプログラムのスキャンの開始タイミングを固定的に定めておいた方が、プログラマブルコントローラの動作をＣＮＣの分配周期と同期させることができるというメリットがあるため、設定された実行可能時間の割当を変更することが一概に良いとも言えない。
そこで、複数のシーケンスプログラムに対する実行可能時間の割当を保証し処理開始タイミングを変更することなく、余り時間を有効活用できる仕組みが望まれている。

本発明では、各動作周期における実行可能時間を予め定められた時間割合で複数のシーケンスプログラムに割り当てて順次繰り返して実行するプログラマブルコントローラにおいて、余り時間が発生した際に、該余り時間を予め定めた系統のシーケンスプログラムの実行に割り当てることで、上記課題を解決する。

そして、本発明の一態様は、１つの動作周期における実行可能時間を予め定められた割合で分割した割当時間を複数の系統に割り当て、該割当時間において各系統のシーケンスプログラムを実行するプログラマブルコントローラにおいて、前記割当時間内で前記シーケンスプログラムを実行するシーケンス実行部と、前記シーケンスプログラムの実行が終了した際の、前記割当時間の余りである余り時間を測定する余り時間測定部と、前記余り時間測定部が測定した前記余り時間において所定のシーケンスプログラムを実行するか否かを判断し、その判断結果に応じて前記所定のシーケンスプログラムを前記余り時間で実行するように前記シーケンス実行部へと指令する実行可否判断部と、
を備えたプログラマブルコントローラである。

本発明の一態様により、多系統の制御を行う際に、複数のシーケンスプログラムを自由に割り付けることができるので、安価に数値制御システムを変更、拡充することができる。また、確実に行わなければならないシーケンス制御にはスキャンタイムを分配し、重要度の低い制御は余り時間発生時のみ実行する等の制御を可能とすることで、よりフレキシブルなシーケンス制御を実現する。また、シーケンスの開始タイミングは変更することなく、使用していない時間を有効活用することで無駄のない制御が可能となる。

従来の多系統シーケンスでは、１つの系統は１実行周期で１回しか実行できなかったが、この方式によれば余り時間が存在すれば複数回特定の系統のシーケンスを繰り返し実行することが可能である。信号の更新処理が、１周期の間隔より早い場合やデータ収集等の処理に効果を発揮する。

一実施形態によるプログラマブルコントローラの概略的なハードウェア構成図である。一実施形態によるプログラマブルコントローラの概略的な機能を示すブロック図である。割当テーブルの例を示す図である。割当テーブルに従って複数の系統のシーケンプログラムを動作させた例を示す図である。余り時間に第４系統のシーケンプログラムを動作させた例を示す図である。割当テーブルに実行条件を設定した例を示す図である。割当テーブルに優先順位を設定した例を示す図である。一実施形態によるプログラマブルコントローラの概略的な動作を示すフローチャートである。従来技術によるプログラマブルコントローラの動作を説明する図である。従来技術によるプログラマブルコントローラの問題を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるプログラマブルコントローラの概略的なハードウェア構成図である。プログラマブルコントローラ１はシーケンス制御を実行するＣＰＵ１０を有する。ＣＰＵ１０には、バス１９を介してＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、不揮発性メモリ１３、入出力回路１４、インタフェース１５が接続されている。インタフェース１５にはＣＦメモリ（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈメモリ）等を読み書きするための外部装置２が接続されている。ＣＰＵ１０は、インタフェース１５を介してＣＦメモリ等が取り付けられた外部装置２から実行形式オブジェクトのシーケンスプログラムを取得し、不揮発性メモリ１３へと記録することができる。また、バス１９はバスインタフェース１８を介して数値制御装置等の制御装置に接続可能になっている。入出力回路１４にはＩ／Ｏユニット２０を介して工作機械や周辺装置等の制御対象となる機械の各種アクチュエータやセンサなどに接続されている。

ＲＯＭ１１には、プログラマブルコントローラ１のＣＰＵ１０が実行するシステム・プログラムが記憶されている。ＣＰＵ１０は、該システム・プログラムを実行することによりプログラマブルコントローラ１の各部の動作を制御する。また、不揮発性メモリ１３には、プログラマブルコントローラ１が実行するシーケンスプログラムが記憶される。シーケンスプログラムの実行時にＣＰＵ１０は、不揮発性メモリ１３から該シーケンスプログラムを読み出し、ＲＡＭ１２の実行用のシーケンスプログラム格納領域へと格納し、このＲＡＭ１２に記憶された実行用のシーケンスプログラムを順次実行する。

ＲＡＭ１２には、プログラマブルコントローラ１がシーケンスプログラムを実行するときの各種信号を記憶する実行用信号メモリ領域が設けられており、該実行用信号メモリ領域には、シーケンスプログラムを実行する際に必要となる入力信号、出力信号、シーケンスプログラムにおける内部リレーの状態等を記憶する領域が設けられている。

タイマ１６は、例えばＲＴＣ（ＲｅａｌＴｉｍｅＣｌｏｃｋ）等で構成され、処理時間等を計時するために用いられる。

図２は、本発明の一実施形態によるプログラマブルコントローラ１が備える機能を概略的なブロック図として示したものである。本実施形態によるプログラマブルコントローラ１が備える各機能は、図１に示したプログラマブルコントローラ１が備えるＣＰＵ１０がシステム・プログラムを実行し、プログラマブルコントローラ１の各部の動作を制御することにより実現される。

本実施形態のプログラマブルコントローラ１は、シーケンス制御部１１０を備える。また、プログラマブルコントローラ１のＲＡＭ１２乃至不揮発性メモリ１３には、プログラマブルコントローラ１で実行されるシーケンスプログラムを記憶する領域であるプログラム記憶部２１０、及びシーケンスプログラムに対する実行可能時間の割当情報が設定された割当テーブルを記憶する割当テーブル記憶部２２０が設けられている。

シーケンス制御部１１０の機能は、図１に示したプログラマブルコントローラ１が備えるＣＰＵ１０がＲＯＭ１１から読み出したシステム・プログラムを実行し、主としてＣＰＵ１０によるＲＡＭ１２、不揮発性メモリ１３を用いた演算処理と、タイマ１６による計時処理、入出力回路１４及びバスインタフェース１８を介した入出力処理が行われることで実現される。シーケンス制御部１１０は、プログラム記憶部２１０に記憶されるシーケンスプログラムに対して各動作周期の実行可能時間を割り当て、割り当てた実行可能時間に従って各シーケンスプログラムを実行する。シーケンス制御部１１０は、シーケンス実行部１１２、余り時間測定部１１４、実行可否判断部１１６を備える。

シーケンス制御部１１０が参照する割当テーブル記憶部２２０には、シーケンスプログラムに対する実行可能時間の割当情報が設定された割当テーブルが記憶されている。シーケンス制御部１１０は、割当テーブル記憶部２２０に記憶された割当テーブルで設定される実行可能時間の割当情報に従って実行可能時間を分割し、プログラム記憶部２１０から読みだした各シーケンスプログラムの実行に掛ける割当時間として割り当てる。

シーケンス実行部１１２は、シーケンス制御部１１０が割り当てた各割当時間内において、プログラム記憶部２１０に予め記憶されている少なくとも１つのシーケンスプログラムを実行する。シーケンス実行部１１２は、割当時間内にシーケンスプログラムの全体の実行が終了しない場合には、割当時間内に実行可能な範囲でシーケンスプログラムを分割し、分割したシーケンスプログラムを実行する。

図３は、割当テーブルの例を示している。割当テーブルは、例えば実行可能時間をシーケンスプログラムの実行に割り当てる割合を系統ごとに設定したテーブルとして定義できる。図３で示す割当テーブルでは、例えば第１系統、第２系統、第３系統の３つの系統を備えた機械のシーケンス制御を行う際、第１系統のシーケンスプログラムの実行に５０％、第２系統のシーケンスプログラムの実行に３０％、第３系統のシーケンスプログラムの実行に２０％の実行可能時間を、それぞれ割当時間として割り当てるように定義されている。また、例えば第１系統、第２系統、第３系統、第４系統の４つの系統を備えた機械のシーケンス制御を行う際、第１系統のシーケンスプログラムの実行に５０％、第２系統のシーケンスプログラムの実行に３０％、第３系統のシーケンスプログラムの実行に２０％の実行可能時間を、それぞれ割当時間として割り当て、第４系統に対しては割当時間を割り当てないように定義されている。また、第４系統には余り時間使用フラグ（図中のアスタリスク）が設定されている。この余り時間使用フラグは、余り時間が発生した際に該余り時間で実行する系統に対して作業者が予め付与しておく。

図４は、図３に例示される割当テーブルに従って、シーケンス実行部１１２が第１系統、第２系統、第３系統、第４系統の４つの系統を備えた機械のシーケンス制御を行うために、それぞれのシーケンスプログラムの実行を行う例を示している。プログラム記憶部２１０に、第１系統の第１レベル用シーケンスプログラム及び第２レベル用シーケンスプログラム、第２系統の第１レベル用シーケンスプログラム及び第２レベル用シーケンスプログラム、第３系統の第１レベル用シーケンスプログラム及び第２レベル用シーケンスプログラム、第４系統の第２レベル用シーケンスプログラムがそれぞれ記憶されているとする。この時、シーケンス制御部１１０は、実行可能時間Ｔ_pの５０％であるＴ_p×０．５を第１系統の第１レベル用シーケンスプログラム及び第２レベル用シーケンスプログラムの実行に割当時間として割り当てる。また、シーケンス制御部１１０は、実行可能時間Ｔ_pの３０％であるＴ_p×０．３を第２系統の第１レベル用シーケンスプログラム及び第２レベル用シーケンスプログラムの実行に、実行可能時間Ｔ_pの残り２０％であるＴ_p×０．２を第３系統の第１レベル用シーケンスプログラム及び第２レベル用シーケンスプログラムの実行に割当時間として割り当てる。なお、シーケンス制御部１１０は、第４系統には割当時間を割り当てない。そして、この割り当てられた割当時間に従って、シーケンス実行部１１２はそれぞれの系統のシーケンスプログラムを実行する。

余り時間測定部１１４は、シーケンス実行部１１２が所定の割当時間においてシーケンスプログラムの実行が終了した時、余り時間が存在しているかを確認する。余り時間測定部１１４は、余り時間が存在することが確認された場合、割当時間の残り時間を余り時間として測定し、測定した結果を実行可否判断部１１６へと出力する。例えば、図４では、第１系統のシーケンスプログラムの実行が終了した後、及び第２系統のシーケンスプログラムの実行が終了した後に、余り時間（点線矢印）が生じている。

実行可否判断部１１６は、余り時間測定部１１４が測定した余り時間に実行可能なシーケンスプログラムが有るかを判断する。実行可否判断部１１６は、余り時間に実行可能なシーケンスプログラムがあると判断した場合、当該シーケンスプログラムを余り時間内に実行するようにシーケンス実行部１１２に指令する。本実施形態による実行可否判断部１１６は、余り時間使用フラグの有無で、余り時間に実行可能なシーケンスプログラムの存在を判断する。

図５は、図４に示されるように割当時間が各系統に割り当てられた際に、余り時間で第４系統の第２レベル用シーケンスプログラムルを実行した例である。第１系統の割当時間内に、第１レベル用シーケンスプログラム及び第２レベル用シーケンスプログラムの実行が終了して余り時間が生じると、実行可否判断部１１６は、割当テーブルを参照して余り時間使用フラグが付与されている系統を確認する。図５の場合、第４系統に余り時間使用フラグが付与されているため、実行可否判断部１１６は、第４系統のシーケンスプログラムを余り時間で実行するようにシーケンス実行部１１２に指令する。そして、当該指令を受けたシーケンス実行部１１２は、プログラム記憶部２１０に記憶されている第４系統の第２レベル用シーケンスプログラムを分割して余り時間内で実行する。なお、余り時間使用フラグが付与される系統に対して複数のレベル用のシーケンスプログラムがある場合には、いずれのレベルのシーケンスプログラムを実行するのかを割当テーブルで指定できるようにしても良い。通常は、第１レベル用のシーケンスプログラムは毎動作周期に実行されることを前提としているので、余り時間に実行されるシーケンスプログラムとしては第２レベル用のシーケンスプログラムであることが望ましい。

なお、上記実施例では、余り時間使用フラグを普段実行しない系統に対して付与している。しかしながら、余り時間使用フラグは、普段実行される系統のうちで、余り時間が生じた時に他のシーケンスプログラムに優先して実行したい系統に対して付与するようにしても良い。

上記構成を備えた本実施形態によるプログラマブルコントローラ１は、余り時間を効率的に利用することができる。余り時間は、他のシーケンスプログラムと比較して重要度が低いシーケンスプログラムの実行や、逆に他のシーケンスプログラムよりも優先して実行したいシーケンスプログラムの実行に活用することができる。

本実施形態によるプログラマブルコントローラ１の一変形例として、余り時間においてシーケンスプログラムを実行する条件を、割当テーブルに設定できるようにしても良い。図６は、余り時間においてシーケンスプログラムを実行する条件を設定した割当テーブルの例を示している。図６の例では、４系統のシーケンス制御を行う際に、第４系統に対しては割当時間を割り当てず、余り時間が発生した場合に実行されるように余り時間使用フラグが付与されている。また、余り時間が０．４ｍｓ以上である場合に限って、第４系統のシーケンスプログラムを実行するように設定されている。この時、シーケンスプログラムを実行している際に余り時間が発生すると、実行可否判断部１１６は、発生した余り時間が０．４ｍｓ以上である時に限って、当該余り時間に第４系統のシーケンスプログラムを実行するようにシーケンス実行部１１２に指令する。このような実行条件が設定できるようにすることで、例えば所定の閾値以上の余り時間が無いと実行できないシーケンスプログラムについては、余り時間の長さに応じて実行するか否かを判定することが可能となる。なお、実行条件は、上記した余り時間に対する条件以外にも、所定の信号の状態や、シーケンスプログラムが分割されて実行されているか否か等を条件として設定できるようにしても良い。所定の信号の状態を条件とすると、例えば操作盤から作業者が所定のシーケンスプログラムの実行を指令する信号を入力している場合のみ、該所定のシーケンスプログラム（例えば、動作ログを取るシーケンスプログラムなど）を実行する、といったような柔軟な運用が可能となる。また、シーケンスプログラムの分割実行を条件とすると、実行可能時間内で終了しなかったシーケンスプログラムに余り時間を使用させるといった柔軟な運用が可能となる。

本実施形態によるプログラマブルコントローラ１の他の変形例として、余り時間に実行可能なシーケンスプログラムが複数ある場合に、それぞれのシーケンスプログラムの実行優先順位を、割当テーブルに設定できるようにしても良い。図７は、余り時間に実行可能な複数のシーケンスプログラムに対して優先順位を設定した割当テーブルの例を示している。図７の例では、４系統のシーケンス制御を行う際に、第４系統に対しては割当時間を割り当てず、第３系統と第４系統について余り時間が発生した場合に実行されるように余り時間使用フラグが付与されている。また、余り時間使用フラグには、第３系統が優先順１、第４系統が優先順２となるように優先度が設定されている。更に、第３系統は余り時間が０．６ｍｓ以上の時、第４系統は余り時間が０．４ｍｓ以上の時に実行するように実行条件が設定されている。この時、余り時間が発生すると、余り時間が０．６ｍｓ未満である場合には第４系統のシーケンスプログラムが、０．６ｍｓ以上である場合は第３系統のシーケンスプログラムが実行される。このように、優先順位が設定できるようにすることで、余り時間が発生した時のシーケンスプログラムの実行をより細かく制御することが可能となる。

図８は、上記した変形例のプログラマブルコントローラ１の１回の動作周期における動作を概略的なフローチャートで示したものである。
プログラマブルコントローラ１が備えるシーケンス制御部１１０は、動作周期毎に割当テーブル記憶部２２０に記憶される割当テーブルの設定を読み込み（ステップＳＡ０１）、各系統に対して実行可能時間を割り当てる。そして、系統毎にステップＳＡ０３～ＳＡ０９を繰り返し実行する（ステップＳＡ０２）。各系統では、タイマ１６で処理時間を計測しながら（ステップＳＡ０３，ステップＳＡ０５）、シーケンス実行部１１２がシーケンスプログラムを実行してシーケンス制御処理を行う（ステップＳＡ０４）。

そして、余り時間測定部１１４が割当時間に余り時間が発生したことを確認した場合（ステップＳＡ０６）、実行可否判断部１１６は、割当テーブルで余り時間使用フラグが付与されている系統について、優先順位に従ってステップＳＡ０８，ステップＳＡ０９を繰り返し実行する（ステップＳＡ０７）。実行可否判断部１１６は、余り時間の長さや各信号の状態、シーケンスプログラムが分割実行中か否か、等の実行条件の判定を行い（ステップＳＡ０８）、実行条件が成立している場合は、余り時間内に当該系統のシーケンスプログラムを実行するようにシーケンス実行部１１２に指令する。そして、シーケンス実行部１１２は、余り時間において指令されたシーケンスプログラムを実行する（ステップＳＡ０９）。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

１プログラマブルコントローラ
２外部装置
１０ＣＰＵ
１１ＲＯＭ
１２ＲＡＭ
１３不揮発性メモリ
１４入出力回路
１５インタフェース
１６タイマ
１８バスインタフェース
１９バス
２０Ｉ／Ｏユニット
１１０シーケンス制御部
１１２シーケンス実行部
１１４余り時間測定部
１１６実行可否判断部
２１０プログラム記憶部
２２０割当テーブル記憶部

Claims

１つの動作周期における実行可能時間を予め定められた割合で分割した割当時間を複数の系統に割り当て、該割当時間において各系統のシーケンスプログラムを実行するプログラマブルコントローラにおいて、
前記割当時間内で前記シーケンスプログラムを実行するシーケンス実行部と、
前記シーケンスプログラムの実行が終了した際の、前記割当時間の余りである余り時間を測定する余り時間測定部と、
前記余り時間測定部が測定した前記余り時間において所定のシーケンスプログラムを実行するか否かを判断し、その判断結果に応じて前記所定のシーケンスプログラムを前記余り時間で実行するように前記シーケンス実行部へと指令する実行可否判断部と、
を備えたプログラマブルコントローラ。
前記実行可能時間の前記複数の系統へ割り当てる割合を定義した割当テーブルを備え、
前記割当テーブルには、余り時間において実行する系統を指定する余り時間使用フラグを設定可能であり、
前記実行可否判断部は、前記余り時間使用フラグが設定された系統がある場合に、前記系統のシーケンスプログラムを前記余り事時間において実行すると判断する、
請求項１に記載のプログラマブルコントローラ。
前記割当テーブルには、更に余り時間使用フラグが設定された系統の実行条件を設定可能であり、
前記実行可否判断部は、前記実行条件を満足する場合に、前記系統のシーケンスプログラムを前記余り時間において実行すると判断する、
請求項２に記載のプログラマブルコントローラ。
前記割当テーブルには、更に余り時間使用フラグが設定された複数の系統間の優先順位が設定可能であり、
前記実行可否判断部は、前記優先順位を考慮して余り時間において実行する系統を判断する、
請求項３に記載のプログラマブルコントローラ。