JP2006287684A - データ伝送装置およびデータ伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 データの伝送時間を管理することが可能なデータ伝送装置およびデータ伝送方法を提供する。
【解決手段】 送信手段１０１は、第１の機器から送信時刻を含む通信データを送信する。受信手段１０２は、送信された通信データを第２の機器において受信する。検出手段１０３は、通信データの受信時刻と上記送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出する。また、判断手段１０４は、検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には通信異常と判断する。データ保持手段１０５は、検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には、前回受信された通信データを保持する。このデータ伝送装置によれば、受信時刻と送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出するので、データ伝送時間を適切に管理できる。第１の機器および第２の機器は限定されない。互いに異なるノードであればよい。上記送信時刻は第１の機器が保有するタイマに基づいて定められ、上記受信時刻は第２の機器が保有するタイマに基づいて定められてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、送信側の機器から受信側の機器に向けてデータを伝送するデータ伝送装置およびデータ伝送方法に関し、とくに伝送時間を検出可能なデータ伝送装置およびデータ伝送方法に関する。

プラントの異常を検出し、所定の処理を実行する安全計装システムが知られている。プラントの異常は、フィールド機器を制御するフィールドコントローラにおいて、フィールド機器からの情報に基づき検出される。異常が検出された場合、フィールドコントローラからフィールド機器に向けてフェイルセーフ値を出力することで、プリアラームやシャットダウン等の所定の処理を実行させている。

特開２００４−５４５５５号公報

フィールドコントローラで異常を検出した場合、他のフィールドコントローラにその情報を転送し、転送先のフィールドコントローラ側で必要な処理を実行することが考えられる。また、安全計装システムでは、プラントに異常が発生した場合、事故が発生する前に必要な処置（シャットダウン動作など）を、あらかじめ設計された時間(セーフティリアクションタイム)以内に確実に実行することが要求される。上記のように、フィールドコントローラ間で通信を行う場合には、通信データの伝送時間はリアクションタイム、すなわち異常を検出してから処置を実行するまでの時間の一部となる。したがって、この場合には通信データの伝送時間を適切に管理することが要求される。

本発明の目的は、データの伝送時間を管理することが可能なデータ伝送装置およびデータ伝送方法を提供することにある。

本発明のデータ伝送装置は、第１の機器から第２の機器へデータを伝送するデータ伝送装置において、前記第１の機器から送信時刻を含む通信データを送信する送信手段と、送信された前記通信データを前記第２の機器において受信する受信手段と、前記通信データの受信時刻と前記送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。
このデータ伝送装置によれば、受信時刻と送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出するので、データ伝送時間を適切に管理できる。第１の機器および第２の機器は限定されない。互いに異なるノードであればよい。

前記送信時刻は前記第１の機器が保有するタイマに基づいて定められ、前記受信時刻は前記第２の機器が保有するタイマに基づいて定められてもよい。

検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には通信異常と判断してもよい。

検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には、前回受信された通信データを保持するデータ保持手段を備えてもよい。

前記第１の機器および前記第２の機器は、フィールド機器を制御するフィールドコントローラであってもよい。

本発明のデータ伝送方法は、第１の機器から第２の機器へデータを伝送するデータ伝送方法において、前記第１の機器から送信時刻を含む通信データを送信するステップと、送信された前記通信データを前記第２の機器において受信するステップと、前記通信データの受信時刻と前記送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出するステップと、を備えることを特徴とする。
このデータ伝送方法によれば、受信時刻と送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出するので、データ伝送時間を適切に管理できる。第１の機器および第２の機器は限定されない。互いに異なるノードであればよい。

前記送信時刻は前記第１の機器が保有するタイマに基づいて定められ、前記受信時刻は前記第２の機器が保有するタイマに基づいて定められてもよい。

検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には通信異常と判断するステップを備えてもよい。

検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には、前回受信された通信データを保持するステップを備えてもよい。

本発明のデータ伝送方法は、第１の機器から第２の機器へデータを伝送するデータ伝送方法において、前記第１の機器から、前記第１の機器が保有する第１のタイマにより計測された現在時刻を送信するステップと、送信された前記現在時刻を前記第２の機器において受信し、前記第２の機器が保有する第２のタイマによりその受信時刻を計測するステップと、それぞれ計測された前記現在時刻および前記受信時刻の差分に基づいて、前記第１のタイマおよび前記第２のタイマの計時ずれを検出するステップと、を備えることを特徴とする。
このデータ伝送方法によれば、計測された現在時刻および受信時刻の差分に基づいて、第１のタイマおよび前記第２のタイマの計時ずれを検出するので、タイマの計時ずれを適切に管理できる。第１の機器および第２の機器は限定されない。互いに異なるノードであればよい。

前記第１の機器および前記第２の機器は、フィールド機器を制御するフィールドコントローラであってもよい。

本発明のデータ伝送装置によれば、受信時刻と送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出するので、データ伝送時間を適切に管理できる。また、本発明のデータ伝送方法によれば、受信時刻と送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出するので、データ伝送時間を適切に管理できる。さらに、本発明のデータ伝送方法によれば、計測された現在時刻および受信時刻の差分に基づいて、第１のタイマおよび前記第２のタイマの計時ずれを検出するので、タイマの計時ずれを適切に管理できる。

図１は本発明によるデータ伝送装置を機能的に示すブロック図である。

図１において、送信手段１０１は、第１の機器から送信時刻を含む通信データを送信する。受信手段１０２は、送信された通信データを第２の機器において受信する。検出手段１０３は、通信データの受信時刻と上記送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出する。

また、判断手段１０４は、検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には通信異常と判断する。データ保持手段１０５は、検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には、前回受信された通信データを保持する。

以下、図２〜図３を参照して、本発明によるデータ伝送装置の一実施形態について説明する。

図２は本実施形態のデータ伝送装置が適用される安全計装システムの構成を示すブロック図である。

図２に示すように、安全計装システムは、電磁弁、センサ等のフィールド機器１，１，・・・が接続されたフィールドコントローラ２Ａ，２Ｂ，・・・と、プラント内に分散配置されたフィールドコントローラ２Ａ，２Ｂ，・・・を介してフィールド機器１，１，・・・を監視するマンマシンインタフェース３と、を備える。フィールドコントローラ２Ａ，２Ｂ，・・・およびマンマシンインタフェース３は、制御バス５を介して互いに接続されている。

図２に示すように、フィールドコントローラ２Ａ，２Ｂ，・・・は、それぞれフィールドコントローラ２Ａの動作を制御するＣＰＵ２１Ａ，２１Ｂと、フィールド機器１，１，・・・との間での通信を行う入出力装置２２と、を具備する。入出力装置２２には、各フィールド機器１との間での通信を担当する入出力モジュール２２ａが実装される。

このシステムでは、マンマシンインタフェース３に備えられた制御機能により、フィールドコントローラ２Ａ，２Ｂ，・・・を介してフィールド機器１，１，・・・が制御され、プラントの自動操業が実行される。また、マンマシンインタフェース３を介して、プラントに対する各種の手動操作を実行できる。

また、フィールドコントローラ２Ａ，２Ｂ，・・・は、フィールド機器１，１，・・・からの情報に基づいて、プラントの異常を検出し、安全を確保するための所定の処理を実行させる。例えば、フィールドコントローラ２Ａ，２Ｂ，・・・は、通常時にはフィールド機器１，１，・・・からの入力値を出力先に向けて出力するが、異常検出時には出力先に向けて既定のフェイルセーフ値を出力する。この場合、フェイルセーフ値を受けた出力先では安全側の動作を実行するため、プラントの安全が確保される。

本実施形態では、フィールドコントローラ２Ａおよびフィールドコントローラ２Ｂは、独立して動作しているが、制御バス５を介して互いに通信を行っている。例えば、フィールドコントローラ２Ａはフィールドコントローラ２Ａに接続されたフィールド機器１からの入力値を、一定周期でフィールドコントローラ２Ｂに転送する。入力値を受けたフィールドコントローラ２Ｂでは、受信した入力値に基づく処理を実行する。

フィールドコントローラ２Ａからフィールドコントローラ２Ｂに転送される通信データには、上記入力値の制御データのほか、通信の信頼性を確保するために、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check；巡回冗長検査）コードおよび処理フレームとの対応を示すシーケンス番号が付加されている。

また、この通信データには、送信時刻が付加されており、フィールドコントローラ２Ｂにおいて、通信データを受信した時刻と、上記送信時刻とを比較することで、通信データの伝送に費やされた伝送時間を検出している。

伝送時間が適切な場合には、通信データに含まれる入力値が出力先に出力される。伝送時間が一定の時間よりも長い場合には、新たな通信データは無視され、前回の通信データに基づく処理を保持する。さらに、一定時間にわたり新たな通信データが受信されない場合には、通信異常と判断してフェイルセーフ値を出力する。この場合、プリアラームやシャットダウン等の処理が実行される。

図３はフィールドコントローラ２Ａからフィールドコントローラ２Ｂに対する通信処理の手順を示すフローチャートである。

図３のステップＳ１Ａ〜ステップＳ２Ａは、フィールドコントローラ２Ａにおける処理手順を示している。この手順は、ファンクションブロックとして作成されたプログラムに従うＣＰＵ２１Ａの制御に基づき実行される。

図３のステップＳ１Ａでは、１フレーム分の所定の処理を実行し、ステップＳ２Ａへ進む。ステップＳ２Ａでは、上記通信データを作成するとともにフィールドコントローラ２Ｂに向けて通信データを送信し、ステップＳ１Ａへ戻る。その後、次のフレームの処理が実行される（ステップＳ１Ａ）。このような手順を繰り返すことにより、フィールドコントローラ２Ａからフィールドコントローラ２Ｂに向けて、処理フレーム単位で、一定周期で通信データが送信される。

上記のように通信データには送信時刻Ｔ１が付加される。この送信時刻Ｔ１は、フィールドコントローラ２Ａに設けられたタイマ２３Ａに基づく時刻である。

一方、図３のステップＳ１〜ステップＳ９は、フィールドコントローラ２Ｂにおける処理手順を示している。この手順は、ファンクションブロックとして作成されたプログラムに従うＣＰＵ２１Ｂの制御に基づき実行される。

図３のステップＳ１では、フィールドコントローラ２Ａからの通信データが受信されたか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ２へ進み、否定されればステップＳ８へ進む。

ステップＳ８では、前回の受信時から所定時間が経過したか否か判断する。この判断が肯定された場合、すなわち、所定時間にわたり新たな通信データの受信が行われない場合には、通信異常と判断し、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、フェイルセーフ値を出力する。その後、ステップＳ１へ戻る。なお、ステップＳ８の判断に用いられる上記所定時間の長さは、ユーザにより任意に設定可能であるため、プラントの実情に応じた適切な時間を選択できる。この判断が否定された場合は、ステップＳ６へ進む。

一方、ステップＳ２では、フィールドコントローラ２Ｂに設けられたタイマ２３Ｂに基づき通信データの受信時刻Ｔ２を取得する。さらに、その受信時刻Ｔ２と、通信データに含まれる送信時刻Ｔ１とに基づき、通信データの転送に費やされた時間（伝送時間ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）を計算する。

ステップＳ３では、−Ｔａ＜ΔＴ＜Ｔａの条件が満たされるか否か判断し、判断が肯定されればステップＳ５へ進み、否定されればステップＳ８へ進む。ステップＳ５では、受信された通信データを正常なデータとして取り扱い、出力値を通信データに含まれる入力値に更新する。その後、ステップＳ７へ進む。

ここで、ステップＳ３の判断が肯定される場合とは、伝送時間ΔＴの値が小さく、伝送遅延が実質的に発生していないと判断される場合である。Ｔａはユーザにより任意の値に設定できるため、プラントの事情に応じてＴａを適切な値に設定できる。なお、ΔＴの閾値として、負の値についても定めているのは、フィールドコントローラ２Ａのタイマ２３Ａおよびフィールドコントローラ２Ｂのタイマ２３Ｂ間の計時に食い違いが生じている場合を考慮したものである。ステップＳ３の判断では、ある程度の計時のずれは許容している。

一方、ステップＳ６では、直前のステップＳ１に受信が確認された今回の通信データを無視し、制御で用いる出力値を、前回の通信データに含まれる入力値のまま保持する。その後、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ３の判断が否定される場合とは、通信データは受信されたが、伝送遅延が発生していると判断される場合である。この場合、ステップＳ８にて、伝送遅延が所定時間を超えて継続しているか否か判断する。この判断が否定された場合、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では一時的な伝送遅延とみなして、伝送遅延が発生した状態での通信データを無視する。この場合、フェイルセーフ値を出力する処理には移行しない。なお、ΔＴが、−Ｔａ以下となっている場合には、実質的に伝送遅延が計測できない状態であるので、伝送遅延が発生している場合と同様に取り扱っている。

ステップＳ７では、１フレーム分の所定の処理を実行し、ステップＳ１へ戻る。

このように、フィールドコントローラ２Ｂでは、ステップＳ１〜ステップＳ９の処理を処理フレーム単位で繰り返し、通信データを受信するたびに伝送時間ΔＴを計算する。そして、その計算結果に応じた処理を逐次実行している。

なお、ステップＳ２の処理は検出手段１０３に、ステップＳ８の処理は検出手段１０３および判断手段１０４に、ステップＳ６の処理はデータ保持手段１０６に、それぞれ対応する（図１）。

以上のように、本実施形態では、ユーザの設定により通信データの伝送遅延時間が保証される。このため、予め設計された時間（セーフティリアクションタイム）内で確実に必要な処置を実行できるアプリケーションを容易に実現できる。また、伝送時間あるいは受信間隔に基づいて通信状態を検知することができる。このため、要求される時間的余裕（プロセスセーフティタイム）を確保できない状態になったときに、プリアラームやシャットダウンなどの予防措置をとることができる。

また、本実施形態では、プラントの稼動中に伝送時間を計測しているので、プラント内での機器の故障や通信状態の瞬間的な変動に適切に対応できる。

本発明によるデータ伝送装置は、ネットワークの形態には依存しない。したがって、任意の物理層への適用、および任意のプロトコルへの適用が可能である。

また、上記実施形態では、フィールドコントローラ２Ａのタイマ２３Ａおよびフィールドコントローラ２Ｂのタイマ２３Ａの計時ずれが少ない状態を前提として伝送時間を計算している。これに対し、計測された通信時間の伝送時間に基づいて、送信側および受信側のタイマの計時ずれを検出することもできる。

この場合、送信側の機器から、送信側の機器が保有する第１のタイマにより計測された現在時刻を送信するステップと、送信された現在時刻を受信側の機器において受信し、受信側の機器が保有する第２のタイマによりその受信時刻を計測するステップと、それぞれ計測された現在時刻および受信時刻の差分に基づいて、第１のタイマおよび第２のタイマの計時ずれを検出するステップと、を実行することで、タイマの計時ずれを検出することができる。

このような方法を安全計装システムにおいて実行する場合には、古いデータを誤って取り込むことによる誤動作等を有効に防止できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、安全計装システムやプラントにおけるデータ通信への適用に限定されることなく、各種機器間でデータ通信を行う場合に対し、広く適用することができる。

本発明によるデータ伝送装置を機能的に示すブロック図。 本実施形態のデータ伝送装置が適用される安全計装システムの構成を示すブロック図。 通信処理の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１０１ 送信手段
１０２ 受信手段
１０３ 検出手段
１０４ 判断手段
１０５ データ保持手段

Claims (11)

1. 第１の機器から第２の機器へデータを伝送するデータ伝送装置において、
   前記第１の機器から送信時刻を含む通信データを送信する送信手段と、
   送信された前記通信データを前記第２の機器において受信する受信手段と、
   前記通信データの受信時刻と前記送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出する検出手段と、
   を備えることを特徴とするデータ伝送装置。
2. 前記送信時刻は前記第１の機器が保有するタイマに基づいて定められ、
   前記受信時刻は前記第２の機器が保有するタイマに基づいて定められることを特徴とする請求項１に記載のデータ伝送装置。
3. 検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には通信異常と判断する判断手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のデータ伝送装置。
4. 検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には、前回受信された通信データを保持するデータ保持手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のデータ伝送装置。
5. 前記第１の機器および前記第２の機器は、フィールド機器を制御するフィールドコントローラであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のデータ伝送装置。
6. 第１の機器から第２の機器へデータを伝送するデータ伝送方法において、
   前記第１の機器から送信時刻を含む通信データを送信するステップと、
   送信された前記通信データを前記第２の機器において受信するステップと、
   前記通信データの受信時刻と前記送信時刻とを比較してデータ伝送時間を検出するステップと、
   を備えることを特徴とするデータ伝送方法。
7. 前記送信時刻は前記第１の機器が保有するタイマに基づいて定められ、
   前記受信時刻は前記第２の機器が保有するタイマに基づいて定められることを特徴とする請求項６に記載のデータ伝送方法。
8. 検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には通信異常と判断するステップを備えることを特徴とする請求項６または７に記載のデータ伝送方法。
9. 検出されたデータ伝送時間が所定の時間よりも長い場合には、前回受信された通信データを保持するステップを備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のデータ伝送方法。
10. 第１の機器から第２の機器へデータを伝送するデータ伝送方法において、
    前記第１の機器から、前記第１の機器が保有する第１のタイマにより計測された現在時刻を送信するステップと、
    送信された前記現在時刻を前記第２の機器において受信し、前記第２の機器が保有する第２のタイマによりその受信時刻を計測するステップと、
    それぞれ計測された前記現在時刻および前記受信時刻の差分に基づいて、前記第１のタイマおよび前記第２のタイマの計時ずれを検出するステップと、
    を備えることを特徴とするデータ伝送方法。
11. 前記第１の機器および前記第２の機器は、フィールド機器を制御するフィールドコントローラであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載のデータ伝送方法。
    

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