JP7375532B2 - 制御システム - Google Patents

Description

本開示は、ＦＡ（Factory Automation）の制御システムに関する。

様々な生産現場において、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）などの制御装置を用いたＦＡ技術が広く普及している。従来は、ＦＡの制御システムにおいて実時刻を管理する時計の精度が高くなかったので、時計とは別に制御用のカウンタが実装されていたが、実時刻を管理する高精度な時計が利用可能になりつつある。このような利用方法として、制御用のカウンタを実時刻に同期させる仕組みが提案されている。

例えば、特開２０１８－１９０２１６号公報（特許文献１）は、ＰＬＣが内部クロックを備え、時刻サーバからグローバル時刻を取得し、内部クロックを取得したグローバル時刻に同期させる構成を開示する。

特開２０１８－１９０２１６号公報

制御システムにおいて管理可能な実時刻の精度は上がりつつあるが、その一方で、制御用のカウンタは従来のものを利用しつつ、制御システムにおいて高精度な時刻を利用したいとの要望がある。

本開示の目的は、従来の制御用のカウンタを用いて、制御システムの環境または運用において利用可能な精度を有した時刻を提供することである。

この開示にかかる制御システムは、ファクトリオートメーションの制御システムであって、データを遣り取りする第１のユニットおよび第２のユニットと、クロックを用いて、第１のユニットが備える制御用のカウンタと第２のユニットが備える制御用のカウンタとを同期させる同期手段と、を備え、各ユニットは、ユニット間で共有される情報であって、当該ユニットのカウンタのカウンタ値から時刻を算出する換算に関する情報を格納するための情報格納手段を備える。

上述の開示によれば、換算に関する情報を用いてカウンタ値から時刻を算出することによって、従来の制御用のカウンタを用いながら、上記の環境または運用において利用可能な精度を有した時刻を提供することができる。

上述の開示において、クロックは、ユニット外の外部クロックまたは第１のユニットおよび第２のユニットのうちの一方のユニットが備える内部クロックを含む。

上述の開示によれば、ユニット間のカウンタを同期させるためのクロックとして、外部クロックまたはユニットの内部クロックを利用できる。これにより、制御システムは、外部クロックまたはユニットの内部クロックの精度を有した、すなわち上記の環境または運用において利用可能な精度を有した時刻を提供することができる。

上述の開示において、同期手段は、外部クロックが管理する時刻の精度が所定条件を満たすとき、第１のユニットおよび第２のユニットの互いに同期するカウンタの値を、外部クロックの時刻に合わせて調整する。

上述の開示によれば、外部クロックの精度が所定条件を満たす、例えば精度が高い場合は、第１のユニットおよび第２のユニットの互いに同期するカウンタの値は、外部クロックの時刻に合わせて調整されることで、カウンタのカウンタ値を外部クロックに同期させることができる。

上述の開示において、同期手段は、外部クロックが管理する時刻の精度が所定条件を満たさないとき、内部クロックが管理する時刻を基準として、第１のユニットおよび第２のユニットのカウンタを同期させる。

上述の開示によれば、外部クロックの精度が所定条件を満たさない、例えば精度が低い場合は、第１のユニットおよび第２のユニットの互いに同期するカウンタの値は、ユニットが備える内部クロックの時刻を基準に同期させることができる。

上述の開示において、換算に関する情報は、各ユニットのカウンタ値と基準カウンタ値との差と、基準カウンタ値に対応する基準時刻から実時刻を換算するための換算式を含み、基準時刻は、クロックの時刻を含む。

上述の開示によれば、各ユニットは、基準カウンタ値、これに対応するクロックの時刻および当該ユニットのカウンタ値を用いて、換算式から時刻を算出することができる。

上述の開示において、一方のユニットは、他のユニットと共有される換算に関する情報を管理する管理手段を備え、管理手段は、制御用のカウンタの同期に用いるクロックに応じて、共有される換算に関する情報を更新する。

上述の開示によれば、管理手段は、ユニット間で共有される換算に関する情報を、カウンタの同期に用いるクロックに応じて更新することができる。例えば、クロックが外部クロックであれば、すなわち外部クロックの時刻の管理の精度が所定条件を満たす場合は、換算に関する情報は更新されずに固定のままであるが、当該精度が所定条件を満たさない場合は、換算に関する情報を内部クロックの時刻に基づき更新する。

上述の開示において、管理手段は、外部クロックが管理する時刻の精度が所定条件を満たさないとき、換算式を、基準カウンタ値および基準時刻に、それぞれ、一方のユニットのカウンタ値および当該カウンタ値に対応する内部クロックの時刻が設定されるように更新する。

上述の開示によれば、換算式を、カウンタの同期に用いる内部クロックの時刻と対応するカウンタ値を設定することで更新できる。

上述の開示において、第１のユニットは、データバスを介して第２のユニットとデータを遣取りし、制御システムは、一方のユニットにネットワーク接続される第３のユニットを備え、同期手段は、さらに、一方のユニットが備えるカウンタと第３のユニットが備える制御用のカウンタとを同期させ、第３のユニットは、ユニット間で共有される換算に関する情報を格納する。

上述の開示によれば、カウンタの同期の構成および換算に関する情報に基づく時刻の換算の構成を、ネットワーク上のユニットにも展開することができる。

上述の開示において、換算に関する情報は、カウンタの同期に用いるクロックが管理する時刻の精度に関する情報を含む。

上述の開示によれば、換算に関する情報を介して、各ユニットに、カウンタの同期に用いるクロックが管理する時刻の精度に関する情報を提供することができる。

上述の開示において、各ユニットは、共有される換算に関する情報に従い、カウンタのカウンタ値から時刻を算出し、アプリケーションから受付ける時刻の問合せに対し、算出された時刻を含む応答を出力する。

上述の開示によれば、ユニットにおいてはアプリケーションが、換算された時刻を参照（問合せ）する構成を提供することができる。

上述の開示において、問合せを受付けたとき換算を実施する。

上述の開示によれば、アプリケーションに、換算された時刻を提供する構成として、問合せ毎に換算を実施する構成を提供できる。したがって、アプリケーションは、最新の換算値（時刻）を取得できる。

上述の開示において、各ユニットは、換算された時刻を格納し、応答は、格納されている換算された時刻を含む。

上述の開示によれば、アプリケーションからの問合せの都度、換算を実施するのではなく、その時に格納されている（既に換算された）時刻を提供することができる。したがって、問合せの都度、換算を実施する必要はないので、換算に係る負荷を低減できる。

本開示によれば、従来の制御用のカウンタを用いて、制御システムの環境または運用において利用可能な精度を有した時刻を提供できる。

本実施の形態に係る制御システム１の全体構成の一例を模式的に示す図である。 本実施の形態に従う制御システム１のネットワーク構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う制御システム１のデータ通信処理を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御装置２のユニットの構成例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御装置２が備えるＣＰＵユニット１００のハードウェア構成例を示すブロック図である。 本実施の形態に係る制御装置２が備える機能ユニット２００のハードウェア構成例を示すブロック図である。 本実施の形態に係る制御装置２が備える機能ユニット３００のハードウェア構成例を示すブロック図である。 本実施の形態に係るＣＰＵユニット１００のソフトウェア構成例を示すブロック図である。 本実施の形態に係る制御装置２が管理する時刻同期のための構成の一例を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る時刻換算情報３０の一例を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る時刻換算情報３０を共有する構成の一例を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る時刻換算情報３０を共有する構成の他の例を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る機能ユニット２００のアプリケーションが現在時刻を参照するケースを模式的に示す図である。 本実施の形態に係る機能ユニット２００のアプリケーションが現在時刻を参照するケースを模式的に示す図である。 本実施の形態に係る機能ユニット２００のアプリケーションが現在時刻を参照するケースを模式的に示す図である。 本実施の形態に係る基準クロックの精度に応じて時刻換算情報３０を共有する構成を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る基準クロックの精度は所定条件を満たす場合の処理のフローチャートである。 本実施の形態に係る基準クロックの精度は所定条件を満たさない場合の処理のフローチャートである。 本実施の形態に係る製造実行システム４００の構成例を示す図である。 図１９のＤＢ管理プログラム４１１が実行されることで提供されるＤＢマネージャーを示す図である。 本実施の形態に係る制御装置２が製造実行システム４００に時系列データを送信する場合の処理例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御装置２において生成される時系列データのフレームを模式的に示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜Ａ．適用例＞
まず、本発明が適用される場面の一例について説明する。図９は、本実施の形態に係る制御装置２が管理する時刻同期のための構成の一例を模式的に示す図である。ファクトリオートメーションの制御システムは、複数の制御装置を備える。この制御装置は、例えばＰＬＣに相当する。制御装置は、データを遣り取りする第１のユニット（ＣＰＵユニット１００）および第２のユニット（機能ユニット２００）を備える。制御システムは、クロックを用いて、第１のユニットが備える制御用のカウンタ１２６と第２のユニットが備える制御用のカウンタ２１３とを同期させる同期処理部（同期処理部２１６、同期処理部１１４）を備える。各ユニットは、ユニット間で共有される情報であって、当該ユニットが備えるカウンタのカウンタ値から時刻を換算するための換算に関する時刻換算情報３０を格納している。時刻換算情報３０は、換算情報管理部１１５（換算情報管理部２１５）によって、ユニット間で共有されるように、当該時刻換算情報３０の配信が実施される。

したがって、制御システムは、ユニット間で制御用のカウンタ同士を同期させる構成と、同期したカウンタのカウンタ値から時刻を算出する換算に関する時刻換算情報３０をユニット間で共有する構成とを備える。これら両方の構成を備えることで、制御システムでは、各ユニットが備える制御用のカウンタは従来のものを用いて、ユニット間で同期した時刻を提供する仕組みを実現することができる。

カウンタの同期に用いるクロックには、ユニット外の外部クロックであるマスタクロック１９１Ａまたは第１のユニットおよび第２のユニットのうちの一方のユニットが備える内部クロック（例えばＣＰＵユニット１００が備えるＲＴＣ（Real Time Clock）１２８）を含めることができる。したがって、制御システムでは、システムが利用可能なクロックを用いた時刻、すなわち利用可能な環境および運用における精度を有した時刻を提供することが可能となる。これにより、制御システムは、当該システムの環境または運用に柔軟に対応し得る時刻を提供することが可能となる。

以下、本実施の形態のより具体的な応用例について説明する。

以下の説明においては、「制御装置」の典型例として、ＰＬＣを具体例として説明するが、ＰＬＣの名称に限定されることなく、本明細書に開示された技術思想は、任意の制御装置に対して適用可能である。また、ＰＬＣ（制御装置）を含むシステム全体を、以下では「制御システム」とも称する。

＜Ｂ．制御システムの全体構成＞
まず、本実施の形態に従うＦＡに適用され得る制御システムの全体構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る制御システム１の全体構成の一例を模式的に示す図である。

図１を参照して、制御システム１では、ネットワークが複数レベルに接続されており、各レベルのネットワークには、それぞれ異なる機能が割り当てられる。具体的には、限定されないが、例えば４つのレベルのネットワーク１１～１４が設けられている。

ネットワーク１１は、コントロールレベルのネットワークである。ネットワーク１１は、複数の制御装置２Ａ、２Ｂおよび２Ｃ（以下、「制御装置２」と総称することもある。）と、装置／ライン管理装置１９０よびＳＣＡＤＡ（Supervisory Control And Data Acquisition）機能を提供する表示装置２８０とが接続されており、ネットワーク１１では装置間でデータを遣り取りできるデータリンクが形成される。装置／ライン管理装置１９０および表示装置２８０は、ネットワークに接続される装置および生産ラインを管理する機器に相当する。ネットワーク１１は、主として、制御系に係る情報の伝送を主たる機能として提供する。

制御装置２には、例えばセンサ、アクチュエータといった各種のフィールド機器９０が接続される。これらのフィールド機器９０は、制御装置２に装着される入出力ユニットを介して制御装置２に直接接続される場合もあるが、ネットワーク１１０を介して制御装置２に接続されることもある。図１では、制御装置２は、１または複数のネットワーク１１０に接続される。各ネットワーク１１０には、１または複数のフィールド機器９０が接続される。１または複数のフィールド機器９０の各々は、製造装置または生産ラインなど（以下、「フィールド」とも総称する。）に対して何らかの物理的な作用を与えるアクチュエータ、およびフィールドとの間で情報を遣り取りする入出力装置などを含む。したがって、図２に示す制御システム１では、ネットワーク１１～１４の４つのレベルに加えて、フィールドレベルのネットワーク１１０がさらに追加されている。

ネットワーク１１０を介して、制御装置２とフィールド機器９０との間で遣り取りされるデータは、数１００μｓｅｃオーダ～数１０ｍｓｅｃオーダのごく短い周期で更新されることになる。なお、このような遣り取りされるデータの更新処理は、入出力リフレッシュ処理とも称される。

ネットワーク１２は、管理レベルのネットワークとして提供される。ネットワーク１２には、装置およびラインを管理する装置／ライン管理装置１９０、製造計画等を管理する製造管理装置３８０および３９０が接続される。装置／ライン管理装置１９０、製造管理装置３８０および３９０は、ネットワーク１２を介して、製造計画等の管理情報の遣り取り、および装置またはラインの情報を遣り取りする。

ネットワーク１３は、コンピュータレベルのネットワークとして提供される。ネットワーク１３には、製造管理装置３８０および３９０、ならびに時系列ＤＢ（データベースの略）４５０を管理する製造実行システム（ＭＥＳ：Manufacturing Execution System）４００が接続される。製造管理装置３８０および３９０、ならびに製造実行システム４００は、ネットワーク１３を介して、生産管理および情報系のデータを遣り取りする。

製造実行システム４００は、ネットワーク１３を介して収集するフィールド機器９０からの入力値である観測値を、観測された順番に従う時系列のデータとして時系列ＤＢ４５０に格納する。

具体的には、本実施の形態では、制御装置２は、指定された観測値を含むフレームを生成する機能を有する。制御装置２は、生成されるフレームをネットワーク１１，１２および１３を介して製造実行システム４００に転送する。製造実行システム４００は、制御装置２から受信した観測値のフレームを時系列に従い時系列ＤＢ４５０に格納する。

本実施の形態では、時系列ＤＢ４５０に格納されるデータを「時系列データ」とも称す。本実施の形態において、「時系列データ」は、任意の対象についてのデータ（観測値）の時間的な変化を連続的（あるいは、一定間隔をおいて不連続）に観測して得られる一連の値を意味する。

本明細書において「観測値」は、制御装置２での制御演算において利用可能な値（実値）を総称する概念であり、典型的には、制御対象から取得されて制御演算に入力される値（フィールドから取得された測定値など）、取得された入力値に基づいて制御演算によって決定される制御対象に対する出力値（フィールドへ与えられる指令値など）、制御演算の過程において算出される演算値（任意の変数値）などを含み得る。すなわち、「観測値」は、制御装置２においてデータとして格納できる、あるいは、制御装置２からデータとして外部出力できる任意の値を包含するものである。

ネットワーク１４は、インターネットなどの外部ネットワークを含む。ネットワーク１４には、製造実行システム４００とクラウド上の外部装置などが接続される。製造実行システム４００は、クラウド上の装置とデータを遣り取りすることにより、時系列ＤＢ４５０のデータをクラウド上の装置に転送する。

制御装置２は、サポート装置５００が接続され得る。サポート装置５００は、制御装置２が制御対象を制御するために必要な準備を支援する装置である。

制御システム１のネットワーク１１に接続される制御装置２Ａ、２Ｂおよび２Ｃは、それぞれ、異なる工程３Ａ、３Ｂおよび３Ｃに備えられる。限定されないが、例えば、工程３Ａは製品（ワーク）の組立工程を示し、工程３Ｂは組立てられた製品の塗装工程を示し、工程３Ｃが塗装された製品の検査工程を示す。

図１に示す制御システム１において、ネットワーク１２およびそれ以下のレベルにあるネットワーク１１およびネットワーク１１０は、「ファクトリーネットワーク」とも称され、機器を現実に制御するためのデータ（以下、「制御系データ」と総称することもある）を遣り取りする制御系通信を提供する。一方、ネットワーク１３およびそれ以上のレベルにあるネットワーク１４は、「コーポレートネットワーク」とも称され、生産ライン／工場での生産活動などを監視・管理・制御するためのデータ（以下、「情報系データ」と総称することもある）を遣り取りする情報系通信を提供する。

ネットワーク１１～１４およびネットワーク１１０には、このような要求される特性の違いに応じたプロトコルおよびフレームワークが採用される。例えば、ファクトリーネットワークに属するネットワーク１１および１２のプロトコルとしては、汎用的なＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）上に制御用プロトコルを実装した産業用オープンネットワークであるＥｔｈｅｒＮｅｔ／ＩＰ（登録商標）を用いてもよい。また、ネットワーク１１０のプロトコルとしては、マシンコントロール用ネットワークの一例であるＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）を採用してもよい。なお、ネットワーク１１のプロトコル（第１のプロトコル）とネットワーク１１０のプロトコル（第２のプロトコル）とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。このようなマシンコントロールに適したネットワーク技術を採用することで、機器間の伝送に要する時間が保証されたリアルタイム性を提供できる。

これに対して、コーポレートネットワークに属するネットワーク１３および１４のプロトコルとしては、接続先の多様性を担保するために、汎用的なＥｔｈｅｒｎｅｔなどが用いられる。汎用的なＥｔｈｅｒｎｅｔを採用することで、送信可能なデータ量などの制限を排除できる。

＜Ｃ．制御システム１における時刻同期＞
図１に示すファクトリーネットワークにおいては、ネットワーク１１に接続される複数の制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの各々は、ネットワーク１１０を介して接続される１または複数のフィールド機器９０とのデータを送受信する。具体的には、制御装置２は、フィールド機器９０において収集または生成されたデータ（入力データ）を収集する処理（入力処理）、フィールド機器９０に対する指令などのデータ（出力データ）を生成する処理（演算処理）および、生成した出力データを対象のフィールド機器９０へ送信する処理（出力処理）などを実行する。

ネットワーク１１０では、データの到着時間が保証される必要がある。そのため、制御装置２は、データ伝送のタイミングを規定する、データが送受信される主体（すなわち、１または複数のフィールド機器９０）の間で互いに時刻同期されたタイマを有している。

しかしながら、複数の制御装置２の間で時刻同期がとれていない場合には、例えば、１つの制御装置２に接続されるフィールド機器９０と、別の制御装置２に接続されるフィールド機器９０との間は時刻同期させることができない。その結果、入出力リフレッシュ処理のタイミングが一致しない場合が生じ得るため、互いに異なる制御装置２に接続される複数のフィールド機器９０を連係して動作させることが困難となる。

そこで、本実施の形態に従う制御システム１においては、複数の制御装置２の各々が有するタイマを互いに時刻同期させる。これにより、互いに異なる制御装置２に接続される、すなわち異なる工程間において複数のフィールド機器９０の協調制御を実現する。

以下、本実施の形態に係る制御システム１が提供する時刻同期機能について説明する。

（ｃ１．ネットワーク構成例）
次に、本実施の形態に従う制御システム１のネットワーク構成例について説明する。図２は、本実施の形態に従う制御システム１のネットワーク構成例を示す模式図である。

図２に示す制御システム１は、複数の制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃと、複数のフィールド機器９０Ａ～９０Ｉとを備える。制御システム１は、一例として、少なくとも一部の制御装置がデイジーチェーン接続のネットワークを採用する。制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの各々は、対応するネットワーク１１０内のデータ伝送を管理するマスタとして機能する。フィールド機器９０Ａ～９０Ｉは、対応するマスタからの指令に従ってデータ伝送を行なうスレーブとして機能する。

制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃは、コントロールレベルのネットワーク１１（上位のネットワーク）に接続されている。ネットワーク１１には、例えば装置／ライン管理装置１９０が接続されている。

制御装置２Ａに接続されるネットワーク１１０には、フィールド機器９０Ａ～９０Ｃがデイジーチェーンで順次接続されており、制御装置２Ｂに接続されるネットワーク１１０には、フィールド機器９０Ｄ～９０Ｆがデイジーチェーンで順次接続されており、制御装置２Ｃに接続されるネットワーク１１０には、フィールド機器９０Ｇ～９０Ｉがデイジーチェーンで順次接続されている。

ネットワーク１１０内において、制御装置２および１または複数のフィールド機器９０は、いずれもデータ伝送機能を有する通信装置とみなすことができる。図２に示す例においては、制御装置２および１または複数のフィールド機器９０の各々は、隣接して接続されているある通信装置から、ネットワーク上を伝送されるデータを受信すると、当該データを必要に応じて、隣接して接続されている別の通信装置へ伝送する機能を有している。

本実施の形態に従う制御システム１において、ネットワーク１１０に接続される複数の通信装置、すなわち制御装置２および１または複数のフィールド機器９０の間では、送受信タイミングが同期されている（図中の時刻同期（３）に相当）。具体的には、制御装置２および１または複数のフィールド機器９０の各々は、互いに時刻同期されたタイマ（あるいは、同期してインクリメントまたはデクリメントされるカウンタ）を備える。制御装置２および１または複数のフィールド機器９０の各々は、それらの時刻同期されたタイマまたはカウンタに従って、データの送信または受信のタイミングを決定する。

なお、本実施の形態では「タイミング」は何らかの事象が生じる時期、時間または時刻の概念を表す。また、「時刻同期」とはお互いが有するタイマ，時間データ等を同期させることを示す。

図２を参照して、制御装置２Ａはタイマ１０２Ａを備え、フィールド機器９０Ａ～９０Ｃはそれぞれタイマ９１Ａ～９１Ｃを備える。制御装置２Ａのタイマ１０２Ａがマスタとして機能し、フィールド機器９０Ａ～９０Ｃのタイマ９１Ａ～９１Ｃがこのマスタを基準としてタイミングを同期させる。例えば、タイマ１０２Ａのタイマ値に基づく値が、タイマ９１Ａ～９１Ｃに設定される。

制御装置２Ｂはタイマ１０２Ｂを有しており、フィールド機器９０Ｄ～９０Ｆはタイマ９１Ｄ～９１Ｆをそれぞれ有している。制御装置２Ｂのタイマ１０２Ｂがマスタとして機能し、フィールド機器９０Ｄ～９０Ｆのタイマ９１Ｄ～９１Ｆがこのマスタを基準としてタイミングを同期させる。例えば、タイマ１０２Ｂのタイマ値に基づく値が、タイマ９１Ｄ～９１Ｆに設定される。

制御装置２Ｃはタイマ１０２Ｃを有しており、フィールド機器９０Ｇ～９０Ｉはタイマ９１Ｇ～９１Ｉをそれぞれ有している。制御装置２Ｃのタイマ１０２Ｃがマスタとして機能し、フィールド機器９０Ｇ～９０Ｉのタイマ９１Ｇ～９１Ｉがこのマスタを基準としてタイミングを同期させる。例えば、タイマ１０２Ｃのタイマ値に基づく値が、タイマ９１Ｇ～９１Ｉに設定される。

すなわち、制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの各々は、対応のネットワーク１１０内のデータ伝送を管理するマスタとして機能し、各制御装置２に接続されるフィールド機器９０は、マスタからの指令に従ってデータ伝送を行なうスレーブとして機能する。マスタとスレーブとの間でタイマを互いに時刻同期させることにより、ネットワーク１１０を構成する制御装置２とフィールド機器９０との間でデータの伝送タイミングなどを互いに一致させることができる。

図２に示す例において、制御装置２Ａは、さらに、タイマ１０２Ａと時刻同期されたタイマ１０１Ａを有している。制御装置２Ｂは、さらに、タイマ１０２Ｂと時刻同期されたタイマ１０１Ｂを有している。制御装置２Ｃは、さらに、タイマ１０２Ｃと時刻同期されたタイマ１０１Ｃを有している（図中の時刻同期（２）に相当）。制御システム１においては、例えば、タイマ１０１Ａ～１０１Ｃのいずれかを、制御システム１全体のマスタとして機能させることができる。

一例として、図２では、制御装置２Ａのタイマ１０１Ａがマスタに設定され、制御装置２Ｂ，２Ｃのタイマがこのマスタに時刻同期する。これにより、複数の制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの間で、互いに時刻同期させることができる（図中の時刻同期（１）に相当）。

このように、複数の制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの各々は、複数の制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの間で互いに時刻同期された装置間タイマ（タイマ１０１Ａ、１０１Ｂおよび１０１Ｃ）と、ネットワーク１１０を介して接続される１または複数のフィールド機器９０と時刻同期された機器間タイマ（タイマ１０２Ａ、１０２Ｂおよび１０２Ｃ）とを有しており、装置間タイマと機器間タイマとは互いに時刻同期している。この結果、制御装置２Ａおよびフィールド機器９０Ａ～９０Ｃの間で時刻同期された機器間タイマ（タイマ１０２Ａ）と、制御装置２Ｂおよびフィールド機器９０Ｄ～９０Ｆの間で時刻同期された機器間タイマ（タイマ１０２Ｂ）と、制御装置２Ｃおよびフィールド機器９０Ｇ～９０Ｉの間で時刻同期された機器間タイマ（タイマ１０２Ｃ）とが互いに時刻同期することになる。

なお、図２には、いずれかの制御装置２のタイマをマスタとして設定する構成例について説明したが、ネットワーク１１を介して外部から取得する時刻をマスタとしてもよく、または装置／ライン管理装置１９０などの外部装置のタイマをマスタとしてもよい。

（ｃ２．時刻同期したデータ通信）
図３は、本実施の形態に従う制御システム１のデータ通信処理を示す模式図である。図３を参照して、ネットワーク１１０に接続される制御装置２Ａと複数のフィールド機器９０Ａ～９０Ｃとの間では、予め定められたシステム周期に従って、データが遣り取りされる。

制御装置２Ｂと複数のフィールド機器９０Ｄ～９０Ｆとの間、および、制御装置２Ｃと複数のフィールド機器９０Ｇ～９０Ｉとの間においても、システム周期に従って、データが遣り取りされる。このようなデータの遣り取りによって、制御装置２およびフィールド機器９０の制御動作が実現される。以下の説明では、ネットワーク１１０上の通信を「下位ネットワーク（ＮＷ）通信」とも称する。

上位のネットワーク１１に接続される制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの間では、予め定められたシステム周期に従って、各制御装置２が入力処理によってフィールド機器９０から収集したデータ、演算処理によって生成した出力データなどが遣り取りされる。このようなデータの遣り取りによって、制御装置２Ａに接続されるフィールド機器９０、制御装置２Ｂに接続されるフィールド機器９０および制御装置２Ｃに接続されるフィールド機器９０を連係して動作させることができる。すなわち、異なる工程間でフィールド機器９０を連係して動作させることができる。以下の説明では、ネットワーク１１上の通信を「上位のネットワーク（ＮＷ）通信」とも称する。

本実施の形態に従う制御システム１においては、下位ネットワーク通信におけるデータの伝送を開始すべきタイミングは、複数の制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの間で互いに時刻同期されているタイマに基づいて決定される。これにより、複数の制御装置２Ａ，２Ｂおよび２Ｃの間では、フィールド機器９０との間でデータを遣り取りするタイミングなどを互いに一致させることができるため、結果的に、異なる工程間でフィールド機器９０の制御タイミングを同期させることができる。

＜Ｄ．制御装置２の構成と時刻同期＞
図４は、本実施の形態に係る制御装置２のユニットの構成例を示す模式図である。図４を参照して、制御システム１が備える制御装置２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のユニット１００（以下、ＣＰＵユニット１００と称する）、１または複数の機能ユニット２００、および１または複数の機能ユニット３００を含む。図４では、制御装置２が備える機能ユニット３００は４台としているが、１台以上であれば４台に限定されず、また制御装置２が備える機能ユニット２００は２台としているが、１台以上であれば２台に限定されない。ＣＰＵユニット１００は、１または複数の機能ユニット２００を、データバス１１１と信号線１１３を介して接続する。また、ＣＰＵユニット１００は、１または複数の機能ユニット３００を、データバス１１２を介して接続する。

データバス１１１は、限定されないが、例えばＰＣＩｅ（PCI Express（ピーシーアイエクスプレス）)に従うＩ／Ｏシリアルインタフェースのバスである。信号線１１３は、光ファイバケーブルまたは電気的な信号ケーブルであり、トリガ信号である後述する時刻同期信号１３０を伝送する。

ＣＰＵユニット１００は、制御対象に応じて作成されたプログラムを実行するプログラム実行部を有している。より具体的には、ＣＰＵユニット１００は、システムプログラムおよび各種のユーザプログラムを実行する演算処理部に相当する。

機能ユニット２００は、通信処理または情報処理を実施する。機能ユニット２００は、データバス１１１を接続するインターフェイスおよび信号線１１３を接続する信号ポート２１２Ｐを備える。機能ユニット２００はネットワーク１１と制御装置２との間を仲介するように配置されることで、ＣＰＵユニット１００は、機能ユニット２００を介して、ネットワーク１１に接続されたデバイスとの間でデータ通信を行うことができる。また、ＣＰＵユニット１００の信号ポート１１０Ｐと機能ユニット２００の信号ポート２１２Ｐとの間に信号線１１３が接続されることで、ＣＰＵユニット１００および機能ユニット２００は信号線１１３を介して時刻同期信号１３０を受信する。

本実施の形態において、機能ユニット２００は、ＣＰＵユニット１００に対するネットワーク１４等のインターネットからのアクセス、および、ネットワーク１１内の他の装置からのＣＰＵユニット１００に対するアクセスを監視するとともに、何らかのセキュリティ事象の発生を検知すると、制御装置２の内部または外部へ当該検知したセキュリティ事象に係る通知を行う。なお、機能ユニット２００が実施する情報処理は、セキュリティ監視処理に限定されない。

機能ユニット３００は、フィールド機器９０等の制御対象の設備および装置、ならびに、それらに配置されている各種デバイス（センサやアクチュエータなど）との間で信号を遣り取りする、いわゆるＩ／Ｏユニットの機能を備える。具体的には、機能ユニット３００は、ＣＰＵユニット１００において算出される指令値をフィールドへ出力、あるいは、フィールドからの入力値を収集する。機能ユニット３００としては、例えば、制御対象からのデジタル信号を受取るＤＩ（Digital Input）モジュール、制御対象に対してデジタル信号を出力するＤＯ（Digital Output）モジュール、制御対象からのアナログ信号を受取るＡＩ（Analog Input）モジュール、制御対象に対してアナログ信号を出力するＡＯ（Analog Output）モジュールのうち１または複数のモジュールを有している。さらに、機能ユニット３００としては、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御やモーション制御といった特殊機能を実装したコントローラを含み得る。

機能ユニット２００または機能ユニット３００は、ＣＰＵユニット１００に対して、着脱自在に外付けされ得る拡張ユニットとして提供され得る。

（ｄ１．ＣＰＵユニット１００の構成）
図５は、本実施の形態に係る制御装置２が備えるＣＰＵユニット１００のハードウェア構成例を示すブロック図である。

ＣＰＵユニット１００は、プロセッサ１０２と、チップセット１０４と、主記憶装置１０６と、二次記憶装置１０８と、上位ネットワークコントローラ１０５と、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）コントローラ１０７と、メモリカードインターフェイス１０９と、ローカルバスコントローラ１２０，１２２と、フィールドネットワークコントローラ１１８と、カウンタ１２６と、ＲＴＣ（Real Time Clock）１２８と、信号ポート１１０Ｐを含む。

プロセッサ１０２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ（microprocessor unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などで構成され、二次記憶装置１０８に格納された各種プログラムを読出して、主記憶装置１０６に展開して実行することで、制御対象に応じた制御、および、後述するような各種処理を実現する。二次記憶装置１０８は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの不揮発性記憶装置などで構成される。主記憶装置１０６は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）などの揮発性記憶装置などで構成される。

チップセット１０４は、プロセッサ１０２と各デバイスを制御することで、ＣＰＵユニット１００全体としての処理を実現する。

二次記憶装置１０８には、基本的な機能を実現するためのシステムプログラムに加えて、制御対象の製造装置や設備に応じて作成されるユーザプログラムが格納される。さらに、二次記憶装置１０８には、時刻換算情報３０が格納される。時刻換算情報３０は、各ユニットが備えるカウンタの値から時刻（実時間）を算出するための換算に関する情報を示す。また、二次記憶装置１０８には、後述するような時系列データベースも格納される。なお、時刻換算情報３０を格納するデバイスは、二次記憶装置１０８に限定されず、主記憶装置１０６に格納されてもよい。

上位ネットワークコントローラ１０５は、上位のネットワーク１１を介して、製造実行システム４００またはクラウド上の装置（図１参照）などとの間のデータを遣り取りする。ＵＳＢコントローラ１０７は、ＵＳＢ接続を介してサポート装置５００との間のデータの遣り取りを制御する。

メモリカードインターフェイス１０９は、メモリカード１１６を着脱可能に構成されており、メモリカード１１６に対してデータを書込み、メモリカード１１６から各種データ（ユーザプログラムやトレースデータなど）を読出すことが可能になっている。

カウンタ１２６は、ＣＰＵユニット１００における各種処理の実行タイミングを管理するための時刻基準として用いられる。カウンタ１２６は、典型的には、所定周期毎にカウンタ値をインクリメントまたはデクリメントする。カウンタ１２６として、プロセッサ１０２を駆動するシステムバス上に配置された、ハードウェアタイマーである高精度イベントタイマー（ＨＰＥＴ：High Precision Event Timer）などを用いて実装してもよいし、あるいは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などの専用回路を用いて実装してもよい。

ＲＴＣ１２８は、計時機能を有する一種のカウンタであり、現在時刻をプロセッサ１０２などへ提供する。

ローカルバスコントローラ１２２は、ＣＰＵユニット１００に接続され得る機能ユニット３００－１，３００－２，…との間でデータを遣り取りするインターフェイスである。ローカルバスコントローラ１２２は、データバス１１２を介して接続される他のデバイスである、機能ユニット３００－１，３００－２，…との間でタイミングを管理するための時刻基準として用いられるカウンタ１２４を有している。同様に、機能ユニット３００－１，３００－２，…の各々も、ローカルバスコントローラ１２２および他の機能ユニット３００との間でタイミングを管理するための時刻基準として用いられるカウンタ１２５を有している。カウンタ１２４およびカウンタ１２５については、上述のカウンタ１２６と同様の構成を採用できる。

フィールドネットワークコントローラ１１８は、ネットワーク１１０を介したフィールド機器９０を含む他のデバイスとの間のデータの遣り取りを制御する。フィールドネットワークコントローラ１１８は、他のデバイスとの間でタイミングを管理するための時刻基準として用いられるカウンタ１１９を有している。図５では、フィールド機器９０のタイマ９１をカウンタ９１Ａ、９１Ｂ…で示される。

ローカルバスコントローラ１２０は、ＣＰＵユニット１００に接続され得る機能ユニット２００－１，２００－２，…との間でデータを遣り取りするインターフェイスである。ローカルバスコントローラ１２０は、データバス１１１を介して接続される他のデバイスである、機能ユニット２００－１，２００－２，…との間でタイミングを管理するための時刻基準として用いられるカウンタ１２１を有している。同様に、機能ユニット２００－１，２００－２，…の各々も、ローカルバスコントローラ１２０との間でタイミングを管理するための時刻基準として用いられるカウンタ２１３を有している。カウンタ１２１およびカウンタ２１３は上述のカウンタ１２６と同様の構成を採用できる。

また、ネットワーク１１０上の各デバイスも、フィールドネットワークコントローラ１１８との間でタイミングを管理するための時刻基準として用いられるカウンタを有している。

カウンタ１１９ならびにフィールド機器９０などのデバイスが有するカウンタ（カウンタ９１）については、上述のカウンタ１２６と同様の構成を採用できる。

フィールドネットワークコントローラ１１８は、ネットワーク１１０を介した定周期通信を行うための通信マスタとして機能し、フィールドバスに接続されている各デバイスが有するカウンタが示すカウンタ値とカウンタ１１９が示すカウンタ値との差分を逐次監視して、必要に応じて、カウンタ値にずれが発生しているデバイスに対して補正を指示するための同期信号を出力する。このように、フィールドネットワークコントローラ１１８は、デバイスのカウンタが示すカウンタ値をカウンタ１１９が示すカウンタ値と一致させるための指令をデバイスへ与える同期管理機能を有している。

信号ポート１１０Ｐは、時刻同期信号１３０を伝送する信号線１１３が接続される。

図５のＣＰＵユニット１００では、カウンタ１１９、カウンタ１２１およびカウンタ１２４は、カウンタ１２６と同期する。

図５には、プロセッサ１０２がプログラムを実行することで必要な機能が提供される構成例を示したが、これらの提供される機能の一部または全部を、専用のハードウェア回路（例えば、ＡＳＩＣ（Application specific Integrated Circuit）またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）など）を用いて実装してもよい。あるいは、ＣＰＵユニット１００の主要部を、汎用的なアーキテクチャに従うハードウェア（例えば、汎用パソコンをベースとした産業用パソコン）を用いて実現してもよい。この場合には、仮想化技術を用いて、用途の異なる複数のＯＳ（Operating System）を並列的に実行させるとともに、各ＯＳ上で必要なアプリケーションを実行させるようにしてもよい。

本実施の形態に係る制御システム１においては、ＣＰＵユニット１００およびサポート装置５００が別体として構成されているが、これらの機能の全部または一部を単一の装置に集約するような構成を採用してもよい。

（ｄ２．機能ユニット２００の構成）
図６は、本実施の形態に係る制御装置２が備える機能ユニット２００のハードウェア構成例を示すブロック図である。図６を参照して、機能ユニット２００は、プロセッサ２０２、チップセット２０４、主メモリ２０６、ストレージ２０８、ユニット間インターフェイス２１０、ネットワークインターフェイス２２０、および信号ポート２１２Ｐを含む。信号ポート２１２Ｐは、時刻同期信号１３０を伝送する信号線１１３が接続される。

プロセッサ２０２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵなどで構成される。上述のＣＰＵユニット１００と同様に、機能ユニット２００は、１または複数のプロセッサ２０２、および／または、１または複数のコアを有するプロセッサ２０２を有している。チップセット２０４は、プロセッサ２０２および周辺エレメントを制御することで、機能ユニット２００全体としての処理を実現する。チップセット２０４は、時刻同期信号１３０を生成する回路素子である信号ジェネレーター２０５を含む。信号ジェネレーター２０５からの時刻同期信号１３０は、信号ポート２１２Ｐを介して信号線１１３に送出される。主メモリ２０６は、ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの揮発性記憶装置などで構成される。ストレージ２０８は、例えば、フラッシュメモリなどの不揮発性記憶装置などで構成される。

プロセッサ２０２は、ストレージ２０８に格納された各種プログラムを読出して、主メモリ２０６に展開して実行することで、例えばセキュリティ事象の監視などの処理を実現する。ストレージ２０８には、基本的な処理を実現するためのＯＳ（Operating System）２７を含むシステムプログラム２２とユーザプログラム２０を格納する。また、ストレージ２０８は、カウンタ２１３のカウンタ値から実時刻を算出するための換算に関する情報である時刻換算情報３０を格納するとともに、機能ユニット２００が収集した観測値の時系列データを格納する記憶領域２１を有する。なお、時刻換算情報３０を格納する記憶デバイスは、ストレージ２０８に限定されず、主メモリ２０６であってもよい。

ユーザプログラム２０は、機能ユニット２００が扱う時刻を管理する時刻管理プログラム２６およびセキュリティ監視処理のためのセキュリティプログラム２４を含む。時刻管理プログラム２６は、ユニット間でカウンタを同期するためのカウンタ同期プログラム２３、および実行されるとカウンタ値を補正する補正プログラム２５を含む。セキュリティプログラム２４は、実行されると、制御装置２の運用者または管理者などが予め定めた規則などを規定するセキュリティ設定に基づく、セキュリティ監視処理を実施し、処理の結果に基く観測値を収集し、時系列データとして記憶領域２１に格納する。補正プログラム２５が実行されることによりカウンタ値の補正処理が実施されるが、補正処理については後述する。

ユニット間インターフェイス２１０は、データバス１１１を接続する。ユニット間インターフェイス２１０は、データバス１１１を介してＣＰＵユニット１００または他の機能ユニット２００とデータを遣り取りする。

ユニット間インターフェイス２１０は、ＣＰＵユニット１００または他の機能ユニット２００とデータを送受信するためのコントローラ（図中ではTx/Rx CTRLで示す）およびバッファを備えるデータ通信回路２１１、およびカウンタ２１３を備える。

ネットワークインターフェイス２２０は、ネットワーク１１を介してデータを遣り取りするためにコントローラ（図中ではTx/Rx CTRLで示す）２２２およびバッファ２２６を含む。

ユニット間インターフェイス２１０およびネットワークインターフェイス２２０が備えるバッファは、送信すべきデータおよび受信したデータなどを一時的に蓄える記憶部に相当する。カウンタ２１３は、ＣＰＵユニット１００が備えるカウンタ１２６（図６参照）と同様の構成を備える。

機能ユニット２００のネットワークインターフェイス２２０およびユニット間インターフェイス２０１は、例えばＮＩＣ（Network Interface Card）を備える。また、図６は、プロセッサ２０２がプログラムを実行することで必要な処理が実現される構成例を示したが、これらの提供される処理の一部または全部を、専用のハードウェア回路（例えば、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなど）を用いて実装されてもよい。

（ｄ３．機能ユニット３００の構成）
図７は、本実施の形態に係る制御装置２が備える機能ユニット３００のハードウェア構成例を示すブロック図である。図７を参照して、機能ユニット３００は、制御システム１による様々な機械または設備等の制御を実現するために必要な各種機能を提供する。より具体的には、機能ユニット３００の各々は、機能モジュール１５７と、Ｉ／Ｏ（入出力）インターフェイス１５９と、通信回路１６１とを含む。

機能モジュール１５７は、各機能ユニット３００の主たる処理を実行する部分であり、制御対象の機械または設備などからのフィールド情報の収集および制御対象の機械または設備などへの指令信号の出力などを司る。

Ｉ／Ｏインターフェイス１５９は、制御対象の機械または設備等との間の信号の遣り取りを仲介する回路である。

通信回路１６１は、データバス１１２を順次転送されるデータを処理する。すなわち、通信回路１６１は、データバス１１２を介して何らかのデータを受信すると、当該受信したデータを処理した後に、データバス１１２上において次に位置する機能ユニット３００へ当該通信データを送信する。通信回路１６１は、このようなデータをリレーする機能を提供する。

より具体的には、通信回路１６１は、送受信ポート１６２，１６４、送受信のためのコントローラ（図中ではTx/Rx CTRLで示す）１６６およびカウンタ１６８を含む。

送受信ポート１６２，１６４は、データバス１１２と物理的に接続される部位であり、コントローラ１６６からの指令に従って、データバス１１２上を伝送されるデータの受信および再生などの処理を行うことで、データの順次転送を実現する。

コントローラ１６６は、データバス１１２上を転送されるデータの読出し、データの変更等のデータ処理を実施する。

カウンタ１６８は、コントローラ１６６による指令出力または機能モジュール１５７での処理実行などのタイミングの基準となるクロックを発生する。カウンタ１６８には、例えばリアルタイムクロックによるカウンタを採用することもできるが、本実施の形態においては、所定周期でカウントアップ（インクリメント）するフリーランカウンタを適用することができる。

（ｄ４．ＣＰＵユニット１００のソフトウェア構成例）
次に、本実施の形態に係る制御システム１を構成するＣＰＵユニット１００のソフトウェア構成例について説明する。

図８は、本実施の形態に係るＣＰＵユニット１００のソフトウェア構成例を示すブロック図である。図８を参照して、ＣＰＵユニット１００は、ＰＬＣエンジン１５０と、時系列データベース１８０と、上位接続プログラム１９２と、ゲートウェイプログラム１９４とを含む。

ＰＬＣエンジン１５０は、各種プログラムの実行環境下において各種プログラムを実行する。典型的には、この実行環境は、ＣＰＵユニット１００のプロセッサ１０２が、二次記憶装置１０８に格納されているシステムプログラムを読出して主記憶装置１０６に展開して実行することで提供される。

より具体的には、ＰＬＣエンジン１５０は、制御プログラム１５２と、変数管理プログラム１６０と、スケジューラプログラム１７０と、入力プログラム１７２と、出力プログラム１７４と、時刻同期プログラム１７７と、換算情報管理プログラム１７９とを含む。変数管理プログラム１６０と、スケジューラプログラム１７０と、入力プログラム１７２と、出力プログラム１７４とについては、システムプログラムの一部として実装されてもよい。この場合には、これらのプログラムが提供するそれぞれの機能を単一のシステムプログラムが提供するようにしてもよい。

制御プログラム１５２は、典型的には、ユーザプログラム１５４と、データベース書込みプログラム１５６と、シリアライズ通信プログラム１５８とにより構成される。ユーザプログラム１５４は、制御演算機能を提供する主たる部分に相当し、ＣＰＵユニット１００の制御対象の製造装置や設備などに応じて任意に構成することができる。ユーザプログラム１５４は、例えば、ファンクションブロックなどを利用したラダーロジックなどで規定することができる。

データベース書込みプログラム１５６は、ユーザプログラム１５４内に規定された命令によって呼び出され、時系列データベース１８０に対して指定されたデータを書込む。

シリアライズ通信プログラム１５８は、データベース書込みプログラム１５６から時系列データベース１８０に対して書込まれるデータに対してシリアライズ処理を行う。より具体的には、シリアライズ通信プログラム１５８は、時系列データを格納可能なバイト列に変換する処理（シリアライズ）を実行する。対象のデータは、シリアライズ処理により所定のバイト列に変換された上で、時系列データベース１８０内に格納される。なお、時系列データベース１８０へのデータ書込みの速度およびデータ容量などに応じて、必ずしもシリアライズ処理を行う必要はない。すなわち、シリアライズ通信プログラム１５８はオプショナルな構成である。

変数管理プログラム１６０は、ＰＬＣエンジン１５０で利用可能な値を変数の形で管理する。より具体的には、変数管理プログラム１６０は、ＣＰＵユニット１００の状態などを示すシステム変数と、ＣＰＵユニット１００とローカルバスまたはフィールドバスを介して接続される各種デバイスが保持する値を示すデバイス変数と、ＣＰＵユニット１００で実行されるユーザプログラム１５４が保持する値を示すユーザ変数とを管理する。

入力プログラム１７２は、ＣＰＵユニット１００とローカルバスまたはフィールドバスを介して接続される各種デバイスから入力データを取得する機能を提供する。

出力プログラム１７４は、ＣＰＵユニット１００において実行されるユーザプログラム１５４によって算出される指令値（出力データ）をデータバス１１２またはネットワーク１１０を介して接続される対象のデバイスへ出力する。

時刻同期プログラム１７７は、ＣＰＵユニット１００内の制御プログラムの実行周期、データバス１１２に接続される機能ユニット２００、およびネットワーク１１０に接続されるフィールド機器９０と相互の間で時刻同期を実現する。時刻同期プログラム１７７は、時刻同期をとるために管理するタイマを適宜補正するための補正プログラム１７８を備える。補正プログラム１７８が実行されることにより後述する補正処理が実施されるが、補正処理については後述する。

換算情報管理プログラム１７９は、カウンタの値から時刻を算出するための換算に関する換算情報の管理を実現する。換算情報管理プログラム１７９が実現する換算情報の管理には、ユニット間における換算情報の共有を含む。換算情報の共有は、例えば時刻換算情報３０を他のユニットに配信することにより実現される。

スケジューラプログラム１７０は、ＣＰＵユニット１００のプロセスまたはタスクなどに対して、リソース割当てや実行タイミングなどを管理する。このような、プロセスまたはタスクは、制御プログラム１５２および変数管理プログラム１６０、入力プログラム１７２、出力プログラム１７４、時刻同期プログラム１７７および換算情報管理プログラム１７９等がＣＰＵユニット１００により実行されることにより生成され得るプロセスまたはタスクが含まれる。

時系列データベース１８０は、典型的には、主記憶装置１０６または二次記憶装置１０８に配置され、データを格納する機能とともに、外部からの要求（クエリ）に応答して、指定されたデータを応答する検索機能を搭載している。時系列データベース１８０は、データベース書込みプログラム１５６により書込まれる時系列データ１８２を格納している。すなわち、時系列データベース１８０は、入力データ、出力データ、制御プログラム１５２による制御演算において算出される演算データ、製造データ、イベントデータの少なくとも一部を時系列に格納する。このような入力データおよび出力データには、ＣＰＵユニット１００が機能ユニット３００から受信するデータおよびＣＰＵユニット１００が機能ユニット３００へ送信するデータが含まれる。また、イベントデータには、ＣＰＵユニット１００が、機能ユニット２００から受信するセキュリティ監視に関するデータが含まれ得る。

上位接続プログラム１９２は、製造実行システム４００などの上位のネットワーク１３に接続された外部装置との間でデータを遣り取りする。本実施の形態に係るＣＰＵユニット１００においては、ＣＰＵユニット１００から製造実行システム４００に対して入力データや演算データが出力されるとともに、製造実行システム４００から製造情報を受信することができる。このように、上位接続プログラム１９２は、制御対象に関連付けられた製造実行システム４００から製造データを取得する製造データ取得機能を提供する。

本実施の形態では、製造実行システム４００は時系列ＤＢ４５０を有している。この場合には、上位接続プログラム１９２に代えて、あるいは、上位接続プログラム１９２の一部として、データベース接続プログラム１９３（図中ではデータベースを“ＤＢ”と示す）が設けられ得る。データベース接続プログラム１９３は、例えば、リレーショナルデータベースに対してＳＱＬなどのクエリを送信するとともに、応答を受信する処理を実行するようにしてもよい。データベース接続プログラム１９３が実行されることにより、ＣＰＵユニット１００内の時系列データベース１８０の時系列データ１８２は、製造実行システム４００に転送されて、時系列ＤＢ４５０に格納され得る。データベース接続プログラム１９３により製造実行システム４００へ出力される時系列データの詳細については後述する。

ゲートウェイプログラム１９４は、クラウド上の装置と通信する。例えば、クラウド上のＩｏＴサービスを提供する装置に対して、時系列データベース１８０の時系列データ１８２を提供する。具体的には、ゲートウェイプログラム１９４は、時系列データベース１８０から、指定された種類のデータを指定された周期で取得して、時系列データとして出力する。ゲートウェイプログラム１９４によりＩｏＴサービスの提供装置へ出力される時系列データは、例えば、データベース接続プログラム１９３により製造実行システム４００へ出力される時系列データと同様な構成を備えることができる。

ＣＰＵユニット１００の入力プログラム１７２は、データバス１１１，１１２および／またはネットワーク１１０を介してセンサ等のフィールド機器９０から入力データを取得する。

ＣＰＵユニット１００の上位接続プログラム１９２は、製造実行システム４００から製造データを取得する。変数管理プログラム１６０は、これらの取得された入力データおよび製造データを変数として管理する。

ユーザプログラム１５４は、変数管理プログラム１６０により管理されるシステム変数、デバイス変数、ユーザ変数を参照しつつ、予め指定された制御演算を実行し、その実行結果（出力データ）を変数管理プログラム１６０に出力する。

出力プログラム１７４は、ユーザプログラム１５４の制御演算によって算出される出力データを制御出力として、データバス１１２および／またはネットワーク１１０を介してアクチュエータ等のフィールド機器９０へ出力する。

データベース書込みプログラム１５６は、変数管理プログラム１６０により管理される変数のうち指定された観測値を時系列データベース１８０に書込む。

上位接続プログラム１９２は、変数管理プログラム１６０により管理される変数のうち指定された変数の値、および／または、時系列データベース１８０に格納された時系列データ１８２のうち指定されたデータを、時系列データとして製造実行システム４００へ出力する。

ゲートウェイプログラム１９４は、変数管理プログラム１６０により管理される変数のうち指定された変数の値、および／または、時系列データベース１８０に格納された時系列データ１８２のうち指定されたデータを、時系列データとしてＩｏＴサービスへ出力する。ＩｏＴサービスの提供装置は、例えば、ＣＰＵユニット１００からの時系列データに基づいて、挙動解析を行って、制御対象の設備や装置などの予知保全などを行うサービスを提供する。

＜Ｅ．時刻同期の構成＞
まず、本実施の形態に係る制御装置２は、時刻およびカウンタを同期させる機能（以下、それぞれ「時刻同期」および「カウンタ同期」とも称す。）を有している。

本明細書において、「時刻」は、時の流れにおけるある一点を示すものを意図し、例えば、時分秒などの単位を用いて規定される。「カウンタ」は、制御装置２および関連する装置内でタイミングを制御するための値を包含し、基本的には、予め定められた単位時間毎に所定値ずつインクリメントまたはデクリメントされる値（以下では、カウンタが示す値を「カウンタ値」とも称す。）を示す。本実施の形態では、限定されないが、カウンタ値はタイマの値に相当し、限定されないが、例えばナノ秒のオーダを表現し得る６４ビット長の整数値を表す。

本実施の形態では、制御装置２を構成するユニット間および各ユニットとフィールド機器９０を含む他のデバイスとの間では、カウンタ値を用いた時刻同期が採用される。

再び、図９を参照して、ネットワーク１１から各制御装置２が実時刻を管理する基準クロックであるマスタクロックのカウンタ値を受信（取得）するための構成、および時刻同期信号１３０をトリガとして時刻同期の実現するための構成を説明する。図９では、時刻同期信号１３０は、機能ユニット２００の信号ジェネレーター２０５により生成されて信号線１１３に伝送される。

このような時刻同期を実現する構成は、例えば、ネットワーク１１がＴＳＮ（Time-Sensitive Networking）に従うデータ通信を実施するケースと、ネットワーク１１がＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標：Ethernet for Control Automation Technology）に従うデータ通信を実施するケースとを含み得る。なお、ネットワーク１１に適用される規格は、これらに限定されず、例えばＩＥＥＥ１５８８であってもよい。

図９を参照して、時刻を管理するマスタクロック１９１Ａは、例えばネットワーク１１上の装置／ライン管理装置１９０により提供される。マスタクロック１９１Ａは、例えばインターネット上に配置された時刻同期サーバが管理する絶対時刻（実時刻）を示す。マスタクロック１９１Ａは、カウンタ同期のための基準クロックとして用いることができて、基準クロックとしてのマスタクロック１９１Ａは、ネットワーク１１上の他の装置に備えられてもよい。

ＣＰＵユニット１００は、時刻同期プログラム１７７が実行されることにより、同期処理部１１４を備える。同期処理部１１４は、上位ネットワークコントローラ１０５を介して装置／ライン管理装置１９０と通信し、マスタクロック１９１Ａを参照する。同期処理部１１４は、装置／ライン管理装置１９０の時刻同期サーバとしての機能を利用して、マスタクロック１９１Ａの時刻を取得するとき、ネットワーク１１等の伝送遅延を補正する。これにより、同期処理部１１４は、マスタクロック１９１Ａから、より正確な時刻を取得することができる。また、同期処理部１１４は、時刻同期プロトコルを用いて時刻を取得する際に、同期処理部１１４は時刻同期プロトコルを実行したタイミングにおけるカウンタ１２６のカウンタ値をラッチする。これにより、マスタクロック１９１Ａから取得される時刻とカウンタ値の紐付けが得られる。このような紐付けの結果は「時刻換算情報３０」となる。紐付けを維持することは、マスタクロック１９１ＡとＣＰＵユニット１００の同期に相当する。また、この紐付けを維持するにあたって、「時刻換算情報３０」の更新、ユニット内の時刻（ＲＴＣ１２８の時刻）の更新、カウンタの補正が実行され得る。

機能ユニット２００は、カウンタ同期プログラム２３が実行されることにより実現される同期処理部２１６を備える。機能ユニット２００の同期処理部２１６は、例えば起動時にデータバス１１１を介してＣＰＵユニット１００からカウンタ１２６のカウンタ値を受信し、受信したカウンタ値をカウンタ２１３に設定する。以降は、同期処理部２１６は、カウンタ２１３のカウンタ値を内部のハードウェア回路からの出力に同期して周期的に更新（インクリメント、またはデクリメント）し、更新後の値を制御用のカウンタ２１３に設定する。これにより、カウンタ２１３のカウンタ値は周期的に更新される。

ＣＰＵユニット１００では、スケジューラプログラム１７０は、制御用のカウンタ１２６を基準にして制御プログラム１５２等のスケジューリングを実施する。また、入力プログラム１７２および出力プログラム１７４は、カウンタ１２６に同期したカウンタ１１９およびカウンタ１２４を基準にして各デバイスと時刻同期を実施する。これにより、ＣＰＵユニット１００内における制御プログラム１５２等のスケジューリング、および制御装置２に接続される各デバイスと当該制御装置２の時刻同期を、マスタクロック１９１Ａを基準にして実施することが可能となる。その結果、ＣＰＵユニット１００内における制御プログラム等のスケジューリングおよび制御装置２に接続される各デバイス（フィールド機器９０など）と当該制御装置２の間の入出力を、マスタクロック１９１Ａに同期させて実施することが可能となる。

（ｅ１．同期処理部によるカウンタの調整処理）
本実施の形態では、例えば、カウンタ１２６のカウンタ値の更新はＣＰＵユニット１００の内部のハードウェア回路の出力信号に同期して実施される。そのため、ハードウェア回路の誤差等に起因して機能ユニット２００のカウンタ２１３のカウンタ値と、ＣＰＵユニット１００のカウンタ１２６のカウンタ値との差（以下、これを同期ずれともいう）が大きくなる可能性がある。同期ずれが大きくなると、ＣＰＵユニット１００内における制御プログラムのスケジューリング、および制御装置２に接続される各デバイスと当該制御装置２との間の入出力を、マスタクロック１９１Ａに同期させて実施することができないとの事態が生じる。なお、上記の差が生じる要因は、ハードウェア回路の誤差等に限定されない。

このような事態を防止するために、機能ユニット２００の同期処理部２１６とＣＰＵユニット１００の同期処理部１１４は、同期ずれを低減するための補正処理を実施する。この補正処理は、同期処理部１１４では補正プログラム１７８が実行されることにより実現されて、同期処理部２１６では補正プログラム２５が実行されることにより実現される。同期処理部１１４および同期処理部２１６は、信号線１１３から時刻同期信号１３０をトリガとして、ラッチ処理を含む補正処理を実施する。

ラッチ処理では、同期処理部１１４および同期処理部２１６は、それぞれ、時刻同期信号１３０を受信（入力）したとき、カウンタ１２６およびカウンタ２１３のカウンタ値をラッチ（取得）し、ラッチしたカウンタ値を所定の記憶領域に格納する。その後、同期処理部１１４および同期処理部２１６は、データバス１１１を介して、ラッチされたカウンタ値を相互に遣り取りして照合し、照合の結果に基づきカウンタ値の差（以下、この差を同期ずれともいう）を導出し、導出された差が小さくなるように、対応するカウンタのカウンタ値を差に基づく調整値で調整する。この調整は、例えば、カウンタ値を調整値で加算または減算するカウンタ値の補正処理を含む。

なお、同期ずれの調整が実施されるタイミングは、時刻同期信号１３０が受信された時点であってもよく、または、時刻同期信号１３０を受信した時から所定時間経過後であってもよい。

また、時刻同期信号１３０の送信元のユニットは、機能ユニット２００に限定されず、制御システム１に備えられる他のユニットであってもよい。本実施の形態では、時刻同期信号１３０は、周期的に、例えば１ｍ秒毎に出力されるが、周期的に出力される方式に限定されない。例えば、機能ユニット２００は、カウンタ２１３のカウンタ値が、ある指示値に等しくなったときに、時刻同期信号１３０が出力するとしてもよい。

（ｅ２．実時刻を提供するクロックの切替）
上記の実施の形態では、マスタクロック１９１Ａをカウンタを同期させるための基準クロックとして用いたが、時刻同期のための基準クロックを切替えることができる。

具体的には、同期処理部１１４（または同期処理部２１６）は、マスタクロック１９１Ａから受信する時刻について、時刻の精度（例えば、ミリ秒、マイクロ秒など）が所定条件を満たすか否かを判断する。なお、時刻の精度の指標は、ミリ秒、マイクロ秒などに限定されない。例えば、指標は、マスタクロック１９１Ａの供給源（timesource）となるサーバーの精度（サーバ名など）、同期のプロトコル、マスタクロック１９１Ａが示すtimezoneなどの情報を含んでもよい。したがって、所定条件は、時刻の精度の指標が示す値が、所定値であることを含み得る。マスタクロック１９１Ａが供給する時刻の精度は所定条件を満たすと判断されたとき、上記の時刻同期において、カウンタ１２６と２１３のカウンタ値は、マスタクロック１９１Ａから受信される時刻に合わせて調整される。

これに対して、同期処理部１１４（または同期処理部２１６）は、マスタクロック１９１Ａから受信する時刻の精度は所定条件を満たさないと判断したとき、ＣＰＵユニット１００および機能ユニット２００のうちの一方のユニットが備える内部クロックが管理する時刻を基準として、ＣＰＵユニット１００のカウンタ１２６および機能ユニット２００のカウンタ２１３を同期させる。本実施の形態では、この内部クロックとして、ＲＴＣ１２８を用いるが、機能ユニット２００がＲＴＣに対応する内部クロックを備える場合は、基準クロックとして機能ユニット２００の内部クロックを用いてもよい。

本実施の形態では、同期処理部１１４（または同期処理部２１６）は、マスタクロック１９１Ａが管理する時刻の精度を、限定されないが、例えば、制御システム１の構成を示すコンフィグレーション情報から取得することができる。

（ｅ３．時刻同期の他の実装例）
図９を参照して、制御システム１は、さらに、ＣＰＵユニット１００および機能ユニット２００とは異なるユニット３７０を備えて、ユニット３７０に上記に述べた時刻同期処理を実施させてもよい。

ユニット３７０は、信号線１１３とデータバス１１１に接続され得る。ユニット３７０は、ハードウェアプロセッサを備えて、ハードウェアプロセッサがプログラムを実行することにより、ＣＰＵユニット１００のカウンタ１２６および機能ユニット２００のカウンタ２１３を同期させる。具体的には、ユニット３７０は、信号線１１３において時刻同期信号１３０を検出すると、データバス１１１を介してカウンタ１２６とカウンタ２１３からカウンタ値を読出す。ユニット３７０は、読出されたカウンタ値を用いて上記に述べたように、同期ずれを小さくするようカウンタ１２６および２１３のカウンタ値を補正する。ユニット３７０は、補正後のカウンタ値を、データバス１１１を介して各カウンタに設定する。

以上のとおり、各制御装置２においては、マスタクロック１９１Ａの時刻を用いて、（ｉ）ユニット間で時刻同期が実現され、また（ｉｉ）各ユニットと当該ユニットに接続されるデバイス間で時刻同期が実現され、また（ｉｉｉ）ＣＰＵユニット１００ではスケジューラプログラム１７０により制御プログラム１５２，入力プログラム１７２および出力プログラム１７４の実行についての時刻同期が実現される。さらに各制御装置２が共通のマスタクロック１９１Ａを用いた時刻同期を実施することで、（ｉｖ）異なる制御装置２の間で時刻同期を実現することができる。また、異なる工程毎に制御装置２が備えられる場合は、異なる工程間で時刻同期を実施することができる。

＜Ｆ．時刻換算情報と換算の例＞
図１０は、本実施の形態に係る時刻換算情報３０の一例を模式的に示す図である。時刻換算情報３０は、ユニット間で共有される情報であって、カウンタの値から実時刻を算出する換算に関する情報を含む。例えば、時刻換算情報３０は、ユニット間で共有される換算式３６と変換表３５を含む。本実施の形態では、ユニット間での換算式の共有は、図１０に示される変換表３５を用いて実現される。

換算式３６は、例えば、currentTOD = baseTOD ＋ （currentCount - baseCount）である。換算式３６は、基準時刻（baseTOD）からの経過時間を制御用のカウンタ値を用いた（currentCount - baseCount）で算出し、この算出値に基準時刻（baseTOD）を加算することで現在の実時刻（currentTOD）を得る式である。

図１０を参照して変換表３５は、表の要素３１のそれぞれに対応付けて、当該要素の説明３２、型・単位の例３３および値の例３４を含む。要素３１は、例えば「baseCount」と「baseTOD」と「timezone」と「timeSource」を含む。「baseCount」と「baseTOD」は、換算式３６のオペランドを示す。具体的には、「baseCount」は、基準となる制御用カウンタ値であって、本実施の形態では、ＣＰＵユニット１００のカウンタ１２６のカウンタ値を示す。また、「baseTOD」は、「baseCount」の値と対になる値とであって、本実施の形態では、ＣＰＵユニット１００のＲＴＣ１２８のクロック値であるＴＯＤ値を示す。

ＣＰＵユニット１００の後述する時刻管理部１１７は、換算式３６のオペランド（baseCount）および（baseTOD）に、それぞれ、変換表３５の要素３１から読出した値を設定し、制御用のカウンタ１２６の現在のカウンタ値をオペランド（currentCount）に設定することにより、換算式３６から現在の実時刻を示す（currentTOD）の値を算出する。同様に、機能ユニット２００の後述する時刻管理部２１５は、換算式３６のオペランド（baseCount）および（baseTOD）に、それぞれ、変換表３５の要素３１から読出した値を設定し、制御用のカウンタ２１３の現在のカウンタ値をオペランド（currentCount）に設定することにより、換算式３６から現在の実時刻を示す（currentTOD）の値を算出する。なお、演算においては、単位の適切な変換が実施される。

換算の一例として、変換表３５とcurrentCount=333444555666のケースでは、次のように現在の実時刻が換算される。

currentTOD={秒＝1558436425, ナノ秒＝849614166}(=May 21 20:00:25 2019 (JST))
なお、変換表３５の要素３１のうち、「timezone」と「timeSource」は、カウンタの同期に用いるクロックが管理する時刻の精度に関する情報の一例であって、換算に際してはオプション情報として扱うこともできる。

＜Ｇ．時刻換算情報３０の共有＞
本実施の形態では、例えば、時刻換算情報３０が各ユニット間で共有されるように、マスタ（例えばＣＰＵユニット１００）が時刻換算情報３０をスレーブ（例えば機能ユニット２００）に配信する。

図１１は、本実施の形態に係る時刻換算情報３０を共有する構成の一例を模式的に示す図である。図１１では、マスタ（ＣＰＵユニット１００）には、例えば２台のスレーブ（機能ユニット２００）が接続されている。なお、マスタに接続されるスレーブの台数は、１台または複数台である。

マスタの換算情報管理部１２３は、二次記憶装置１０８に格納されている時刻換算情報３０を各スレーブに配信（送信）する。この配信は、例えばデータバス１１１を介して実施される。スレーブは、時刻管理プログラム２６が実行されることで実現される時刻管理部２１５を備える。時刻管理部２１５は、マスタから送信された時刻換算情報３０を受信し、ストレージ２０８に格納するとともに、時刻換算情報３０を用いて上記に述べた現在時刻（currentTOD）を算出する。また、時刻管理部２１５は、ＯＳ２７が備える時間マネージャー２１４が管理する現在時刻を、算出された現在時刻で調整する。これにより、各スレーブでは、ＯＳ２７が管理する現在時刻を、ユニット間で共有される時刻換算情報３０から算出された現在時刻（currentTOD）に更新することができて、その結果、ユニットが管理する現在時刻を、ユニット間で互いに同期させることができる。

なお、機能ユニット２００がＲＴＣ１２８に対応する内部クロックを備えて、マスタクロック１９１Ａを当該内部クロックを同期させる場合は、機能ユニット２００が備える換算情報管理部がマスタとなって、時刻換算情報３０を管理し、スレーブとなるＣＰＵユニット１００に配信するとしてもよい。

（ｇ１．時刻換算情報３０の共有の他の例）
本実施の形態では、例えば、時刻換算情報３０が各ユニット間で共有されるように、マスタによって時刻換算情報３０が配信されるスレーブは機能ユニット２００に限定されない。このようなスレーブには、例えば、機能ユニット３００またはフィールド機器９０が含まれ得る。図１２は、本実施の形態に係る時刻換算情報３０を共有する構成の他の例を模式的に示す図である。

図１２では、例えば、マスタと時刻換算情報３０を共有するユニットとしてネットワーク１１０に接続されたフィールド機器９０が示される。

ＣＰＵユニット１００は、ネットワーク１１０（例えばEtherCAT（登録商標））を介して接続されるフィールド機器９０Ａ、９０Ｂおよび９０Ｃと互いに時刻同期する。より具体的には、ＣＰＵユニット１００の制御用のカウンタ１１９とフィールド機器９０Ａ、９０Ｂおよび９０Ｃのカウンタ９１Ａ、９１Ｂおよび９１Ｃが互いに時刻同期する。図１２では、マスタからの時刻換算情報３０はフィールド機器９０Ｂに配信されているが、他のフィールド機器に配信されてもよい。

なお、図１２のケースでは、共有される変換表３５の要素３１の「baseCount」と「baseTOD」は、そのネットワーク１１０のプロトコルが機器間で同期するクロック（例：EtherCATではDistributed Clock (DC))値と、それに対応するTOD値のペアとなる。

図１２によれば、ＣＰＵユニット１００は、データバス１１１を介して機能ユニット２００とデータを遣取りするとともに、ネットワーク１１０に接続される第３のユニットと通信する。同期処理部は、ＣＰＵユニット１００が備えるカウンタ１２６とフィールド機器９０が備える制御用のカウンタ９１とを同期させる。図１２では、ＣＰＵユニット１００のカウンタ１２６として、当該カウンタ１２６に時刻同期しているカウンタ１１９が示されている。フィールド機器９０は、ＣＰＵユニット１００から配信される時刻換算情報３０を格納する。これにより、ＣＰＵユニット１００、機能ユニット２００およびフィールド機器９０の間で、制御用のカウンタを同期させることができるとともに、時刻換算情報３０をユニット間で共有できる。

＜Ｈ．現在時刻を参照するための構成＞
図１３、図１４および図１５は、本実施の形態に係る機能ユニット２００のアプリケーションが現在時刻を参照するケースを模式的に示す図である。機能ユニットのアプリケーションは、限定されないが、例えばセキュリティプログラム２４を含み得る。図１３は、アプリケーションがＯＳ２７に現在時刻を問合せるケースを示す、図１４と図１５は、アプリケーションは時刻管理部２１５に現在時刻を問合せるケースを示す。

図１３を参照して、アプリケーションはＯＳ２７に現在時刻を問合わせると（ステップ（１））、ＯＳ２７の時間マネージャー２１４は、応答として、管理している現在時刻をアプリケーションに返信する（ステップ（２））。図１３のケースでは、既存のアプリケーションは、一般的なインターフェイスで現在時刻を、すなわち時刻管理部２１５がユニット間で共有する時刻換算情報３０から算出された現在時刻を取得することができる。

図１４を参照して、アプリケーションは時刻管理部２１５に現在時刻を問合せると（ステップ（１））、時刻管理部２１５は制御用のカウンタ２１３から現在のカウンタ値を参照（読出）し（ステップ（２））、当該カウンタ値を（currentCount）として用いて、変換表３５および換算式３６に基づき、現在時刻を算出し（ステップ（３））、算出した現在時刻を、応答としてアプリケーションに返信する（ステップ（４））。図１４のケースでは，時刻管理部２１５が問合せを受信したときにカウンタ２１３が示すカウンタ値（currentCount）を用いて現在時刻が算出されるので、アプリケーションは高い精度を有した現在時刻を取得できる。

図１５のケースでは、時刻管理部２１５は、内部にカウンタ２１３の現在のカウンタ値と時刻換算情報３０から算出した現在時刻を保持し、保持される現在時刻を適宜更新している（ステップ（１））。時刻管理部２１５は、アプリケーションから現在時刻の問合わせを受けると（ステップ（２））、保持している計算済みの現在時刻を応答としてアプリオケーションに返信する（ステップ（３））。図１５のケースでは、アプリケーションが高い頻度で問合せを実施するとしても、時刻管理部２１５は保持されている現在時刻を返信するだけなので（すなわち、問合せの都度、現在時刻を算出する必要はなく）、時刻管理部２１５によるハードウェア（例えば、カウンタ２１３）への高頻度なアクセスを回避することができる。

なお、各ユニットは、図１３～図１５に示すケースに従う方法のうちの１つを提供してもよく、または、複数の方法を提供してもよい。

＜Ｉ．基準クロックの精度に応じた時刻換算情報３０の共有＞
図１６は、本実施の形態に係る基準クロックの精度に応じて時刻換算情報３０を共有する構成を模式的に示す図である。図１６では、ＣＰＵユニット１００にデータバス１１１を介して接続される例えば２台の機能ユニット２００が示されている。２台の機能ユニット２００は、図１６では、機能ユニット２００Ａと機能ユニット２００Ｂとして区別されるが、これら機能ユニットは同様の構成を備えている。図１６では、これら機能ユニット２００のうち、機能ユニット２００Ａがマスタクロック１９１Ａを提供する外部の時刻サーバと通信する。図１７は、本実施の形態に係る基準クロックの精度は所定条件を満たす場合の処理のフローチャートである。図１８は、本実施の形態に係る基準クロックの精度は所定条件を満たさない場合の処理のフローチャートである。この基準クロックは、例えば、マスタクロック１９１Ａに相当し、マスタクロック１９１Ａは、例えば装置／ライン管理装置１９０が提供するＴＳＮのグランドマスタクロックである。

図１７を参照して、マスタクロック１９１Ａが管理する時刻の精度が所定条件を満たす場合の処理を、適宜、図９を参照しつつ説明する。このケースでは、時刻換算情報３０は固定である。まず、図１６の機能ユニット２００Ａの同期処理部２１６（図９）は、装置／ライン管理装置１９０との間で時刻同期のプロトコルを実施する（ステップＳ１）。例えば、ステップＳ１では、同期処理部２１６は、マスタクロック１９１Ａの現在時刻（実時刻）を問合せ（ステップＳ３）、装置／ライン管理装置１９０からマスタクロック１９１Ａの現在時刻を受信する（ステップＳ５）。

同期処理部２１６は同期の結果２６１（図１６）を取得し（ステップＳ７）、取得した同期の結果２６１をＣＰＵユニット１００に送信する（ステップＳ９）。この同期の結果２６１は、（マスタクロック１９１Ａの実時刻と対応するカウンタ２１３のカウンタ値）を含む。

ＣＰＵユニット１００の同期処理部１１４（図９）は、機能ユニット２００Ａから同期の結果２６１を受信し（ステップＳ１１）、受信した同期の結果を分析する（ステップＳ１３）。分析において、同期処理部１１４は、同期の結果２６１の実時刻およびカウンタ値を、それぞれ、変換表３５の「baseTOD」および「baseCount」の値と比較し、比較の結果に基づき、外部の実時間の経過に同期するようにカウンタ１２６（図９）のカウンタ値を調整（補正）する（ステップＳ１５）。カウンタ１２６には、補正（加算または減算）後のカウンタ値が設定される。

具体的には、同期処理部１１４は、現在保持している変換表３５の要素３１（baseCount，baseTOD）と今回取得された同期の結果２６１の差を、時刻(TOD)およびカウンタ値のそれぞれについて計算する。

算出されたTODの差、カウンタ値の差分の差(＝TOD上の経過時間と、カウンタ上の経過時間の差）が、外部の時計であるマスタクロック１９１Ａに対する、制御用のカウンタ１２６の進捗の差分（進んでいる・遅れている）となる。同期処理部１１４は、算出した制御用のカウンタ１２６の進捗の差分を相殺するように、コントローラの制御用カウンタを補正する。補正では、実行中の制御に影響が発生しないよう、時間をかけて少量ずつ減算または加算を実施する。なお、補正には、制御用のカウンタ１２６の速度そのものの補正を含んでもよい。

その後、時刻同期信号１３０（図９）をトリガとして、同期処理部１１４および同期処理部２１６は、上記に述べた時刻同期処理を実施する（ステップＳ１７，Ｓ１９）。この時刻同期信号１３０をトリガとした時刻同期処理は、機能ユニット２００Ｂの同期処理部２１６およびＣＰＵユニット１００の同期処理部１１４との間でも同様に実施される。

なお、ステップＳ１５の処理は、制御システム１の起動後、最初の時刻同期プロトコルの実行時には実施されない。つまり、差分を計算するための換算式３６を含む時刻換算情報３０がまだ各ユニットに格納されていないからである。この場合は、ＣＰＵユニット１００は、同期の結果２６１を用いて換算式３６を含む時刻換算情報３０を更新し、ユニット群に更新後の時刻換算情報３０を配信し、ユニット間で共有する。

図１７では、同期の結果２６１を用いてＣＰＵユニット１００の制御用のカウンタ１２６が補正されることで、すなわちカウンタ１２６がマスタクロック１９１Ａに同期することで、各ユニットの制御用のカウンタをマスタクロック１９１Ａに同期させることができる。ステップＳ１の処理は定期的に実施されることで、各ユニットの制御用のカウンタをマスタクロック１９１Ａに精度良く同期させる（同期ずれを少なくする）ことができる。制御システム１は外部の精度の高い時計（マスタクロック１９１Ａ）から実時刻を取得し、システム全体の時刻と制御用のカウンタを、これに同期させて動作することができる。

これに対して、図１８の処理では、同期の結果２６１を用いた制御用のカウンタ１２６の補正は実施されず、換算情報管理部１１５（図９）は、同期の結果２６１に基づき変換表３５を更新（変更）する。

図１８を参照して、マスタクロック１９１Ａが管理する時刻の精度が所定条件を満たさない場合の処理を、適宜、図９を参照して説明する。このケースでは、時刻換算情報３０は同期の結果２６１に応じて更新される。まず、図１６の機能ユニット２００Ａの同期処理部２１６（図９）は、装置／ライン管理装置１９０との間で時刻同期のプロトコルを実施する（ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ５）。同期処理部２１６は同期の結果２６１（図１６）を取得し（ステップＳ７）、取得した同期の結果２６１をＣＰＵユニット１００に送信する（ステップＳ９）。ＣＰＵユニット１００の同期処理部１１４（図９）は、機能ユニット２００Ａから同期の結果２６１を受信する（ステップＳ１１）。

換算情報管理部１１５は、受信した同期の結果２６１に基づき時刻換算情報３０を更新し、更新後の時刻換算情報３０を機能ユニット２００Ａに送信（配信）する（ステップＳ２３）。機能ユニット２００の換算情報管理部２１５は、時刻換算情報３０を受信し（ステップＳ２５）、受信した更新後の時刻換算情報３０により、ストレージ２０８の元の時刻換算情報３０を更新（上書き）する（ステップＳ２７）。

そして、同期処理部１１４と同期処理部２１６は、ＣＰＵユニット１００のカウンタ１２６と機能ユニット２００のカウンタ２１３を同期させる（ステップＳ２４、Ｓ２８）。

上記のステップＳ２１では、換算情報管理部１１５は、同期の結果２６１を分析し、分析の結果に基づき、変換表３５を更新するとともに、ＲＴＣ１２８の現在時刻を更新する。この更新は、大きな時刻の変化が生じないよう、例えば小さい調整量を用いて繰り返し実施（時間をかけて実施）する。ここで、同期の結果２６１が、時刻のみの形式であった場合、換算情報管理部１１５は、カウンタ１２６の現在のカウンタ値を用いて、同期の結果２６１を（時刻，当該時刻に対応するカウンタ値）に変更する。換算情報管理部１１５は、同期の結果２６１が示す時刻および当該時刻に対応するカウンタ値を、それぞれ、「baseTOD」および「baseCount」として変換表３５に設定し、変換表３５を更新する。

なお、図１８では、カウンタの同期処理は、時刻換算情報３０の配信の後に実施されているが、同期処理の実施タイミングはこれに限定されない。上記の時刻換算情報３０の更新および共有に係る処理（ステップＳ２３、Ｓ２５、Ｓ２７）および時刻同期信号１３０をトリガとした時刻同期処理（ステップＳ２４、Ｓ２８）は、機能ユニット２００ＢとＣＰＵユニット１００との間でも同様に実施される。

図１８では、同期の結果２６１を用いてＣＰＵユニット１００のＲＴＣ１２８はマスタクロック１９１Ａの時間に同期することで、すなわちカウンタ１２６がマスタクロック１９１Ａに同期する。これにより、各ユニットにおける時刻換算情報３０を用いた時刻換算処理によって、ユニット間でマスタクロック１９１Ａから取得した時刻を共有することが可能となる。

なお、機能ユニット２００Ｂは、マスタクロック１９１を備える外部のサーバーと通信することが可能であり、その場合、機能ユニット２００Ａで実施された処理（図１７と図１８）と同様の処理を機能ユニット２００Ｂでも実施することができる。

＜Ｊ．時系列データの処理＞
図１９は、本実施の形態に係る製造実行システム４００の構成例を示す図である。製造実行システム４００は、一例として、汎用的なアーキテクチャに従うハードウェア（例えば、汎用パソコン）を用いて実現される。

図１９を参照して、製造実行システム４００は、プロセッサ４０２と、メインメモリ４０４と、入力部４０６と、出力部４０８と、ストレージ４１０と、光学ドライブ４１５と、外部装置と通信するためのＵＳＢコントローラ４２０と、ネットワーク１３，１４を接続するネットワークインターフェイス４１３を含む。これらのコンポーネントは、プロセッサバス４１８を介して接続されている。

プロセッサ４０２は、ＣＰＵやＧＰＵなどで構成され、ストレージ４１０に格納されたプログラムを読出して、メインメモリ４０４に展開して実行することで、後述するような各種処理を実現する。

メインメモリ４０４は、ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの揮発性記憶装置などで構成される。ストレージ４１０は、例えば、ＨＤＤやＳＳＤなどの不揮発性記憶装置などで構成される。

ストレージ４１０には、基本的な機能を実現するためのＯＳ４１２に加えて、製造実行システム４００としての機能を提供するための各種プログラムが格納される。各種プログラムは、ＤＢ管理プログラム４１１を含む。また、ストレージ４１０は、時系列ＤＢ４５０を格納する領域を有する。

入力部４０６は、キーボードやマウスなどで構成され、製造実行システム４００に対するユーザ操作を受付ける。出力部４０８は、ディスプレイ、各種インジケータ、プリンタなどで構成され、プロセッサ４０２からの処理結果などを出力する。

製造実行システム４００は、光学ドライブ４１５を有しており、コンピュータ読取可能なプログラムを非一過的に格納する記録媒体４１４（例えば、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの光学記録媒体）から、その中に格納されたプログラムが読取られてストレージ４１０などにインストールされる。

図１９には、プロセッサ４０２がプログラムを実行することで、製造実行システム４００として必要な機能が提供される構成例を示したが、これらの提供される機能の一部または全部を、専用のハードウェア回路（例えば、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなど）を用いて実装してもよい。

図２０は、図１９のＤＢ管理プログラム４１１が実行されることで提供されるＤＢマネージャーを示す図である。図２０を参照して、プロセッサ４０２により、ＤＢ管理プログラム４１１が実行されることで提供されるＤＢマネージャー４５１は、時系列ＤＢ４５０を管理（例えば、ＤＢの生成，集約，編集，解析，出力等）する。

（Ｊ１．観測値の時刻同期）
図２１は、本実施の形態に係る制御装置２が製造実行システム４００に時系列データを送信する場合の処理例を示す模式図である。図２１では時刻同期処理が実施されないケース（図２１（Ａ）参照）と時刻同期処理が実施されるケース（図２１（Ｂ）参照）とが対比して示される。図２２は、本実施の形態に係る制御装置２において生成される時系列データのフレームを模式的に示す図である。

図２１（Ａ）には、制御装置２Ａ，２Ｂが上位のネットワーク１３を介して製造実行システム４００と接続されている構成を示す。図２１（Ａ）に示す構成においては、制御装置２Ａと制御装置２Ｂとの間では時刻同期がなされていないとする。

各時系列データには、制御装置２Ａ，２Ｂが収集した観測値および各観測値に対応付けられる時刻が含まれる。逆にいえば、図２１（Ａ）に示す構成においては、制御装置２Ａ，２Ｂは、各観測値の収集タイミングを示す情報としては時刻を付加することしかできない。時刻は、制御装置２Ａ，２Ｂがそれぞれ管理するものであり、時刻同期は不完全である。

その結果、製造実行システム４００にて収集される時系列データの間では、時刻が完全には一致しないので、ＤＢマネージャー４５１は、タイミングを正確に合せてそれぞれの時系列データを集約（すなわち、統合）することはできない。

これに対して、図２１（Ｂ）に示す構成においては、制御装置２Ａと制御装置２Ｂとは上記に述べた時刻同期されたカウンタおよび時刻換算情報３０で換算された時刻を備えている。その結果、制御装置２Ａ，２Ｂからそれぞれ送信される時系列データのフレームには、工程３Ａ，３Ｂにおいて収集した観測値に対応付けて、各観測値を収集したタイミングを示す時刻（例えば、時刻換算情報３０で換算された時刻）およびカウンタ値を含めることができる（図２２（Ａ）と（Ｂ）を参照）。

ＤＢマネージャー４５１は、制御装置２Ａ，２Ｂのそれぞれから受信した時系列データに含まれるカウンタ値または時刻を用いて、時系列データに含まれる観測値のタイミングを合せることができる。すなわち、異なる制御装置２（異なる工程）でそれぞれ収集された観測値であっても、時間軸をほぼ完全に一致させて集約し（図２２（Ｃ）参照）、集約したデータを観測値の解析に用いることができる。

＜Ｋ．利点＞
本実施の形態においては、各ユニット（機能ユニット２００、ＣＰＵユニット１００、機能ユニット３００、フィールド機器９０）は、自ユニットが備える既存の制御用のカウンタを用いて、マスタクロック１９１Ａとの時刻同期およびユニット間の時刻同期を実現することができる。この場合、各ユニットは、特別な時刻参照のプロトコル（例えば、通信の所要時間のゆれを補償する仕組みを備えたコストがかかるプロトコル）を実装および実行する必要はない。

上記の時刻同期に関して、図１６に示されるように、制御用のカウンタが相互に同期しているユニット群のうちいずれか一台が外部のマスタクロック１９１Ａと時刻同期する関係を確立することで、互いに時刻同期しているユニットすべてが同じ時刻（マスタクロック１９１Ａの時刻）を共有することができる。

各ユニットの制御用のカウンタは一旦、マスタクロック１９１Ａと時刻同期すれば、その後は、その「カウンタ値」をマスタクロック１９１Ａの時刻から独立させることができる。これにより、外部の時刻サーバーの有無、時刻サーバーの時刻の管理精度が低い、時刻サーバーが提供する時刻の非連続な変更など、制御システム１に関する構成および環境の変動があるとしても、制御システム１では、各ユニットの制御用のカウンタを互いに時刻同期した状態に維持することができる。このことは、制御システム１において安定した制御動作を維持することを可能にする。

＜Ｌ．付記＞
上述したような本実施の形態は、以下のような技術思想を含む。
［構成１］
ファクトリオートメーションの制御システム（１）であって、
データを遣り取りする第１のユニット（１００）および第２のユニット（２００）と、
クロック（１９１Ａ、１２８）を用いて、前記第１のユニットが備える制御用のカウンタ（１２６）と前記第２のユニットが備える制御用のカウンタ（２１３）とを同期させる同期手段（１１５、２１５、３７０）と、を備え、
各ユニットは、
ユニット間で共有される情報であって、当該ユニットの前記カウンタのカウンタ値から時刻を算出する換算に関する情報（３０）を格納するための情報格納手段（１０８、２０８）を備える、制御システム。
［構成２］
前記クロックは、ユニット外の外部クロック（１９１Ａ）または前記第１のユニットおよび前記第２のユニットのうちの一方のユニットが備える内部クロック（１２８）を含む、構成１に記載の制御システム。
［構成３］
前記同期手段は、
前記外部クロックが管理する時刻の精度が所定条件を満たすとき、前記第１のユニットおよび前記第２のユニットの互いに同期するカウンタの値を、前記外部クロックの時刻に合わせて調整する、構成２に記載の制御システム。
［構成４］
前記同期手段は、
前記外部クロックが管理する時刻の精度が所定条件を満たさないとき、前記内部クロックが管理する時刻を基準として、前記第１のユニットおよび前記第２のユニットのカウンタを同期させる、構成２または３に記載の制御システム。
［構成５］
前記換算に関する情報は、各ユニットの前記カウンタ値と基準カウンタ値との差と、前記基準カウンタ値に対応する基準時刻から実時刻を換算するための換算式（３６）を含み、
前記基準時刻は、前記クロックの時刻を含む、構成２から４のいずれか１に記載の制御システム。
［構成６］
前記一方のユニットは、他のユニットと共有される前記換算に関する情報を管理する管理手段（１１５、２１５）を備え、
前記管理手段は、前記制御用のカウンタの同期に用いる前記クロックに応じて、共有される前記換算に関する情報を更新する、構成５に記載の制御システム。
［構成７］
前記管理手段は、
前記外部クロックが管理する時刻の精度が前記所定条件を満たさないとき、前記換算式を、前記基準カウンタ値および前記基準時刻に、それぞれ、前記一方のユニットの前記カウンタ値および当該カウンタ値に対応する前記内部クロックの時刻が設定されるように更新する、構成６に記載の制御システム。
［構成８］
前記第１のユニットは、データバス（１１１）を介して前記第２のユニットとデータを遣取りし、
前記制御システムは、前記一方のユニットにネットワーク（１１０）接続される第３のユニット（９０）を備え、
前記同期手段は、さらに、
前記一方のユニットが備える前記カウンタと前記第３のユニットが備える制御用のカウンタ（９１）とを同期させ、
前記第３のユニットは、
ユニット間で共有される前記換算に関する情報を格納する、構成２から７のいずれか１に記載の制御システム。
［構成９］
前記換算に関する情報は、前記カウンタの同期に用いるクロックが管理する時刻の精度に関する情報を含む、構成１から８のいずれか１に記載の制御システム。
［構成１０］
前記各ユニットは、
共有される前記換算に関する情報に従い、前記カウンタのカウンタ値から前記時刻を換算し、
アプリケーションから受付ける前記時刻の問合せに対し、換算された前記時刻を含む応答を出力する、構成１から９のいずれか１に記載の制御システム。
［構成１１］
前記問合せを受付けたとき前記換算を実施する、構成１０に記載の制御システム。
［構成１２］
前記各ユニットは、
換算された前記時刻を格納し、
前記応答は、格納されている前記換算された時刻を含む、構成１０または１１に記載の制御システム。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 制御システム、２ 制御装置、１１，１２，１３，１４，１１０ ネットワーク、２３，１７７ カウンタ同期プログラム、２４ セキュリティプログラム、２５，１７８ 補正プログラム、２６ 時刻管理プログラム、３０ 時刻換算情報、３５ 変換表、３６ 換算式、９０ フィールド機器、９１Ａ，１１９，１２１，１２４，１２５，１２６，１６８，２１３ カウンタ、１００ ＣＰＵユニット、３７０ ユニット、１１１，１１２ データバス、１１３ 信号線、１１４，２１６ 同期処理部、１１５，１２３，２１５ 換算情報管理部、１３０ 時刻同期信号、１７９ 換算情報管理プログラム、２００ 機能ユニット、２０５ 信号ジェネレーター、２６１ 同期の結果。

Claims (13)

1. ファクトリオートメーションの制御システムであって、
   データを遣り取りする第１のユニットおよび第２のユニットと、
   クロックを用いて、前記第１のユニットが備える制御用のカウンタと前記第２のユニットが備える制御用のカウンタとを同期させる同期手段と、を備え、
   各ユニットは、
   ユニット間で共有される情報であって、当該ユニットの前記カウンタのカウンタ値から時刻を算出する換算に関する情報を格納するための情報格納手段を備える、制御システム。
2. 前記クロックは、ユニット外の外部クロックまたは前記第１のユニットおよび前記第２のユニットのうちの一方のユニットが備える内部クロックを含む、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記外部クロックが管理する時刻の精度が所定条件を満たすか否かを判断する判断手段を、さらに備える、請求項２に記載の制御システム。
4. 前記同期手段は、
   前記外部クロックが管理する時刻の精度が前記所定条件を満たすと前記判断手段によって判断されるとき、前記第１のユニットおよび前記第２のユニットの互いに同期するカウンタの値を、前記外部クロックの時刻に合わせて調整する、請求項３に記載の制御システム。
5. 前記同期手段は、
   前記外部クロックが管理する時刻の精度が前記所定条件を満たさないと前記判断手段によって判断されるとき、前記内部クロックが管理する時刻を基準として、前記第１のユニットおよび前記第２のユニットのカウンタを同期させる、請求項３または４に記載の制御システム。
6. 前記換算に関する情報は、各ユニットの前記カウンタ値と基準カウンタ値との差と、前記基準カウンタ値に対応する基準時刻から実時刻を換算するための換算式を含み、
   前記基準時刻は、前記クロックの時刻を含む、請求項３から５のいずれか１項に記載の制御システム。
7. 前記一方のユニットは、他のユニットと共有される前記換算に関する情報を管理する管理手段を備え、
   前記管理手段は、前記制御用のカウンタの同期に用いる前記クロックに応じて、共有される前記換算に関する情報を更新する、請求項６に記載の制御システム。
8. 前記管理手段は、
   前記外部クロックが管理する時刻の精度が前記所定条件を満たさないと前記判断手段によって判断されるとき、前記換算式を、前記基準カウンタ値および前記基準時刻に、それぞれ、前記一方のユニットの前記カウンタ値および当該カウンタ値に対応する前記内部クロックの時刻が設定されるように更新する、請求項７に記載の制御システム。
9. 前記第１のユニットは、データバスを介して前記第２のユニットとデータを遣取りし、
   前記制御システムは、前記一方のユニットにネットワーク接続される第３のユニットを備え、
   前記同期手段は、さらに、
   前記一方のユニットが備える前記カウンタと前記第３のユニットが備える制御用のカウンタとを同期させ、
   前記第３のユニットは、
   ユニット間で共有される前記換算に関する情報を格納する、請求項２から８のいずれか１項に記載の制御システム。
10. 前記換算に関する情報は、前記カウンタの同期に用いるクロックが管理する時刻の精度に関する情報を含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の制御システム。
11. 前記各ユニットは、
    共有される前記換算に関する情報に従い、前記カウンタのカウンタ値から前記時刻を換算し、
    アプリケーションから受付ける前記時刻の問合せに対し、換算された前記時刻を含む応答を出力する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の制御システム。
12. 前記問合せを受付けたとき前記換算を実施する、請求項１１に記載の制御システム。
13. 前記各ユニットは、
    換算された前記時刻を格納し、
    前記応答は、格納されている前記換算された時刻を含む、請求項１１または１２に記載の制御システム。

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