JP2009130536A - 回線接続装置及び通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】マルチドロップ接続形式の通信回線における異常信号の伝播を防止する。
【解決手段】幹線Ｋと、複数の支線Ｂ1〜Ｂ3と、幹線Ｋに接続された制御装置Ｈ（親局）と、支線Ｂ1〜Ｂ3に各々接続されたプロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）と、支線Ｂ1〜Ｂ3を幹線Ｋにマルチドロップ形式で接続する回線接続装置Ｊとを備える通信システムであって、制御装置Ｈ（親局）は、通信エラーを検出すると、回線接続装置Ｊに支線Ｂ1〜Ｂ3との接続を順次遮断させ、当該順次遮断の間の通信エラーをモニタすることによって異常支線を判定し、当該異常支線を回線接続装置Ｊに遮断させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回線接続装置及び通信システムに関する。

プラント制御の技術分野では、プロセス・オートメーション用のフィールドバスの仕様がＩＥＣ（International Electrotechnical Commission：国際電気標準会議）等の公的機関によっていくつか規格化されている。上記ＩＥＣが規格化したフィールドバスの仕様の１つとして、例えばIEC61784-1 CP1/1 (Foundation Fieldbus H1)がある。このIEC61784-1 CP1/1に規定されたフィールドバスは、複数のプロセス機器をマルチドロップ接続形式、つまり幹線ケーブルに対して各プロセス機器を所謂芋づる式に接続する形式のものである。
下記特許文献１には、このようなマルチドロップ接続形式のフィールドバスに関する発明が開示されている
特開２００６−２７０６６０号公報

ところで、上記フィールドバスのようなマルチドロップ接続形式の通信システムでは、機器の異常や外部からの侵入等によってシステム内にノイズが発生した場合、当該ノイズは、全ての機器に伝播して悪影響を及ぼす。したがって、マルチドロップ接続形式の通信システムの信頼性を向上させるためには、ノイズ対策が重要である。
例えばプロセス機器の異常によって正常な信号の信号長よりも長い信号長の異常信号や正常な信号の送信タイミングとは異なる送信タイミングの異常信号が任意のプロセス機器からフィールドバスに送出された場合、異常信号が他のプロセス器機から送出された正常信号と輻輳し、フィールドバスが全体として機能しなくなる。
また、外部からフィールドバスに侵入したノイズによって正常な信号の電圧よりも大きな電圧の異常信号がフィールドバス上に発生した場合、異常信号はフィールドバス上を伝搬して全てのプロセス器機に入力されるので、プロセス器機間の正常な通信を阻害する。
このような背景から、上記フィールドバスのようなマルチドロップ接続形式の通信回線においては、通信の信頼性を向上させるために異常信号対策が重要である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）マルチドロップ接続形式の通信回線における異常信号の伝播を防止する。
（２）マルチドロップ接続形式の通信回線及び通信システムの信頼性を向上させる。

上記目的を達成するために、本発明では、回線接続装置に係る解決手段として、幹線と複数の支線とをマルチドロップ形式で接続する回線接続装置であって、幹線に接続された制御装置から異常信号を入力する異常支線の切り離しを指示する信号を受信すると、当該指示に基づいて異常支線を切り離す異常信号伝播防止手段を備える、という手段を採用する。
また、本発明では、通信システムに係る第１の解決手段として、幹線と、複数の支線と、幹線に接続された親局と、支線に各々接続された子局と、支線を前記幹線にマルチドロップ形式で接続する回線接続装置とを備える通信システムであって、親局は、通信エラーを検出すると、異常信号を入力する異常支線を判定し、当該異常支線を回線接続装置に遮断させる、という手段を採用する。
通信システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、親局は、通信エラーを検出すると、回線接続装置に各支線との接続を順次遮断させ、当該順次遮断の間の通信エラーをモニタすることによって異常支線を判定する、という手段を採用する。
通信システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、IEC61784-1 CP1/1 (Foundation Fieldbus H1)に規定された通信方式の通信信号を伝送する、という手段を採用する。

本発明によれば、幹線に接続された制御装置から異常信号を入力する異常支線の切り離しを指示する信号を受信すると、当該指示に基づいて異常支線を切り離す異常信号伝播防止手段を備えるので、異常信号が幹線や正常な支線に伝播することを防止することが可能であり、よって通信回線の信頼性を向上させることができる。
また、本発明によれば、親局は、通信エラーを検出すると、異常信号を入力する異常支線を判定し、当該異常支線を回線接続装置に遮断させるので、異常信号が幹線や正常な支線に伝播することを防止することが可能であり、よって通信回線の信頼性を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る通信システムのシステム構成図である。この通信システムは、制御装置Ｈ（親局）、幹線Ｋ、終端器Ｔ、回線接続装置Ｊ、３つの支線Ｂ1〜Ｂ3及びプロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）から構成されている。これら各構成要素のうち、幹線Ｋ、終端器Ｔ、回線接続装置Ｊ及び支線Ｂ1〜Ｂ3はフィールドバス（通信回線）を構成しており、制御装置Ｈ（親局）とプロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）とは、上記フィールドバスを介して相互に通信を行う。

なお、図示しないが、幹線Ｋには所定電圧の直流電力を出力する電源が接続されており、制御装置Ｈ（親局）及び各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）は、幹線Ｋ、回線接続装置Ｊ及び各支線Ｂ1〜Ｂｎを介して上記電源から供給される直流電力によって作動する。

上記フィールドバスは、例えばＩＥＣが規格化したフィールドバスの仕様の１つであるIEC61784-1 CP1/1 (Foundation Fieldbus H1)に準拠した仕様で構成されており、制御装置Ｈ（親局）及び各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）は、フィールドバスを介して上記IEC61784-1 CP1/1 (Foundation Fieldbus H1)に準拠した通信信号（通信フレーム）を互いに送受信する通信局である。

制御装置Ｈ（親局）は、上記フィールドバスに接続されており、上記フィールドバスを介して各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）と通信を行うことにより当該各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）を統括的に制御するものである。また、この制御装置Ｈ（親局）は、各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）との通信において通信エラーを検出すると、後述する回線診断処理を実行することにより、異常信号を出力する支線（異常支線）を特定し、この異常支線を切り離すように回線接続装置Ｊを制御する。上記回線診断処理の詳細については、本通信システムの動作説明として後述する。

各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）は、支線Ｂ1〜Ｂ3に各々接続されており、プラントを構成する各種アクチュエータやプロセス検出器等であり、上記フィールドバスを介して御装置Ｈ（親局）と通信を行うことにより、御装置Ｈ（親局）から供給される設定指示に基づいて各種プロセス量を設定したり、あるいは各種プロセス量の検出値を御装置Ｈ（親局）に供給する。

幹線Ｋは、プラント内に配線された主伝送線路であり、上記通信フレームと直流電力とを伝送する。この幹線Ｋは、図示するように、一対のケーブルによって構成された平衡形式の伝送線路である。このような幹線Ｋの一端には制御装置Ｈと終端器Ｔとが接続され、他端には回線接続装置Ｊが接続されている。終端器Ｔは、所定の特性インピーダンスを有する受動回路であり、交流信号である通信信号（通信フレーム）の反射を抑制するためのものである。

回線接続装置Ｊは、幹線Ｋと複数の支線Ｂ1〜Ｂ3とをマルチドロップ形式で相互接続するものであり、図示するように幹線接続部ｊ1、支線接続部ｊ2、通信制御部ｊ3、終端器ｊ4及び３つの伝播防止スイッチＳＷ1〜ＳＷ3から構成されている。これら各構成要素のうち、通信制御部ｊ3及び各伝播防止スイッチＳＷ1〜ＳＷ3は、異常信号伝播防止手段を構成している。

幹線接続部ｊ1は、幹線Ｋの他端がそれぞれ接続される一対の接続端子を備えている。支線接続部ｊ2は、一端がプロセス器機Ｎ1に接続された支線Ｂ1の他端が接続される３対の接続端子を備えている。通信制御部ｊ3は、所定の制御プログラムが記憶されたメモリ、この制御プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御装置Ｈ（親局）及び各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）と通信を行うための通信回路及び伝搬防止スッチＳＷ1〜ＳＷ3を操作するためのインターフェース回路等からなり、制御装置Ｈ（親局）及び各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）との通信結果に基づいて伝搬防止スッチＳＷ1〜ＳＷ3の開閉を制御する。なお、この通信制御部ｊ3の制御処理の詳細については、本実施形態の動作説明として後述する。

終端器ｊ4は、幹線Ｋの他端を終端するものであり、幹線接続部ｊ1における一対の接続端子に接続されている。伝搬防止スッチＳＷ1〜ＳＷ3は、図示するように、幹線接続部ｊ1と支線接続部ｊ2との間に挿入されている。すなわち、伝搬防止スッチＳＷ1は、幹線接続部ｊ1の接続端子と支線接続部ｊ2において支線Ｂ1が接続された接続端子との間に挿入され、伝搬防止スッチＳＷ2は、幹線接続部ｊ1の接続端子と支線接続部ｊ2において支線Ｂ2が接続された接続端子との間に挿入され、伝搬防止スッチＳＷ3は、幹線接続部ｊ1の接続端子と支線接続部ｊ2において支線Ｂ3が接続された接続端子との間に挿入されている。これら伝搬防止スッチＳＷ1〜ＳＷ3は、通信制御部ｊ3から入力される制御信号に基づいて上記各端子間の接続、つまり幹線Ｋと各支線Ｂ1〜Ｂ3とを接続／遮断する。

また、これら伝搬防止スッチＳＷ1〜ＳＷ3は、幹線Ｋと各支線Ｂ1〜Ｂ3との間に伝搬する直流電力及び通信信号（通信フレーム）のうち、直流電力は常時通過させるものの通信信号（通信フレーム）は切替信号に基づいて通過／遮断するもの、つまり直流信号は常時通過させるものの交流信号については切替信号に基づいて通過／遮断するものである。したがって、各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）は、伝搬防止スッチＳＷ1〜ＳＷ3が開状態となっても直流電力の供給が継続される。

各支線Ｂ1〜Ｂ3は、上記回線接続装置Ｊを介して幹線Ｋに分岐状に接続されており、通信信号（通信フレーム）及び直流電力を伝送する。これら支線Ｂ1〜Ｂ3は、上述した幹線Ｋと同様に、一対のケーブルによって構成された平衡形式の伝送線路であり、一端にプロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）が各々接続されている。

次に、このように構成された通信システムの動作、特に回線接続装置Ｊの動作について図２に示すフローチャートに沿って詳しく説明する。

回線接続装置Ｊの通信制御部ｊ3は、通常状態においては全ての伝搬防止スッチＳＷ1〜ＳＷ3を閉状態として幹線Ｋと全ての支線Ｂ1〜Ｂ3を接続状態とするが、制御装置Ｈ（親局）との通信においてフィールドバスの診断の開始を指示する開始コマンドを受信すると（ステップＳ1）、以下のステップＳ2〜Ｓ17の処理を実行する。

すなわち、制御装置Ｈ（親局）は、各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3（子局）との間の通信状態を常時監視し、通信エラーが一定時間継続することを検出した場合には、上記開始コマンドを回線接続装置Ｊに送信する。そして、通信制御部ｊ3は、上記開始コマンドの受信後、予め設定された規定時間内に制御装置Ｈから次のコマンドを受信しない場合（ステップＳ2）、伝搬防止スッチＳＷ1を操作することにより、第１の支線Ｂ1のみを遮断状態に移行させる（ステップＳ3）。

そして、通信制御部ｊ3は、次のコマンドを上記規定時間内に受信しない場合（ステップＳ4）、伝搬防止スッチＳＷ1，ＳＷ2を操作することにより、第１の支線Ｂ1を遮断状態から接続状態に復帰させると共に第２の支線Ｂ2を遮断状態に移行させ（ステップＳ5）、次のコマンドを上記規定時間内に受信した場合には（ステップＳ4）、第１の支線Ｂ1を遮断中である旨の応答を親局である制御装置Ｈに返信する（ステップＳ6）。

さらに、通信制御部ｊ3は、次のコマンドを上記規定時間内に受信しない場合（ステップＳ7）、伝搬防止スッチＳＷ2，ＳＷ3を操作することにより、第２の支線Ｂ2を遮断状態から接続状態に復帰させると共に第３の支線Ｂ3を遮断状態に移行させ（ステップＳ8）、次のコマンドを上記規定時間内に受信した場合には（ステップＳ7）、第２の支線Ｂ2を遮断中である旨の応答を親局である制御装置Ｈに返信する（ステップＳ9）。

さらに、通信制御部ｊ3は、次のコマンドを上記規定時間内に受信しない場合（ステップＳ10）、伝搬防止スッチＳＷ3を操作することにより、第３の支線Ｂ3を遮断状態から接続状態に復帰させ（ステップＳ11）、次のコマンドを上記規定時間内に受信した場合には（ステップＳ10）、第３の支線Ｂ3を遮断中である旨の応答を親局である制御装置Ｈに返信する（ステップＳ12）。

すなわち、通信制御部ｊ3は、開始コマンドを受信してから規定時間が経過していない間は第１の支線Ｂ1→第２の支線Ｂ2→第３の支線Ｂ3の順で遮断状態への移行と当該遮断状態から接続状態への復帰を順次行わせる一方、上記規定時間内に次のコマンドを受信した場合には、支線Ｂ1〜Ｂ3の何れかが遮断状態であることを制御装置Ｈに報告する。

制御装置Ｈ（親局）は、このような支線Ｂ1〜Ｂ3の接続状態の変更期間にフィールドバス上を伝送される通信信号（通信フレーム）を常時監視することによって、何れかの支線を遮断状態としたときに通信エラーが解消するか否かを検知する。すなわち、何れかの支線に外部から飛来したノイズが侵入して支線にノイズ信号が発生した場合、あるいは何れかのプロセス器機が何らかの原因で異常器機となり、異常フレームを支線に送出した場合、これらノイズ信号や異常フレームは、フィールドバスの仕様とは異なる異常信号なので、当該異常信号が原因となって通信エラーが発生する虞がある。

例えば、図１に示すように支線Ｂ1から回線接続装置Ｊに上記異常信号が入力された場合、異常信号は幹線Ｋ及び他の支線Ｂ2，Ｂ3に伝播するので、制御装置Ｈ（親局）とプロセス器機Ｎ1との通信が通信エラーになるだけではなく、他の各プロセス器機Ｎ2，Ｎ3と制御装置Ｈ（親局）との通信も通信エラーになる虞がある。

ここで、制御装置Ｈ（親局）は、ノイズ信号や異常フレームを異常信号と判定することにより異常支線を検出するが、異常信号の判定手法には様々な手法が考えられる。すなわち、通信の技術分野ではＯＳＩ参照モデルとして第１層〜第７層からなる通信モデルが規定されているが、異常信号の判定処理は、上記７階層の何れの階層の処理として行っても良い。異常信号の異常内容によっては、物理層（第１層）等の低階層では異常を判定することができない場合がある。この点を考慮すると、より上位層で異常信号の判定処理を行うことが正確性の面で好ましい。しかしながら、より上位層での異常信号の判定処理は、制御装置Ｈ（親局）あるいは異常信号の検出機能を追加機能として備えた回線接続装置の負荷を増大させるという弊害がある。

制御装置Ｈ（親局）は、ある支線を遮断状態としたときに、他の支線に接続されたプロセス器機との間の通信エラーが解消された場合、上記ある支線を異常支線として遮断状態とする遮断コマンドを回線接続装置Ｊに送信する。そして、通信制御部ｊ3は、上記遮断コマンドを受信すると、ステップＳ2の判断が「Ｙｅｓ」となるので、上記ある支線（指定支線）を遮断状態とし（ステップＳ13）、当該遮断処理が完了したことを制御装置Ｈ（親局）に返信し（ステップＳ14）、引き続きステップＳ2の処理を行う。

例えば、支線B1を遮断状態としたときに、他の支線Ｂ2，Ｂ3に接続されたプロセス器機Ｎ2，Ｎ3との間の通信エラーが解消された場合、制御装置Ｈ（親局）は、上記支線Ｂ1を遮断状態とする遮断コマンドを回線接続装置Ｊに送信し、この結果として、通信制御部ｊ3は、支線Ｂ1を指定支線として遮断状態とし、当該支線Ｂ1の遮断処理が完了したことを制御装置Ｈ（親局）に報告する。

一方、上記異常支線に対策が施されて正常な支線に復帰した結果、当該支線の再接続を指示する指令が管理者等から操作入力されると、制御装置Ｈ（親局）は、正常になった支線を再接続することを示す接続コマンドを回線接続装置Ｊに送信する。通信制御部ｊ3は、上記接続コマンドを受信すると、ステップＳ2の判断が「Ｙｅｓ」となるので、上記正常になった支線（指定支線）を接続状態とし（ステップＳ15）、当該遮断処理が完了したことを制御装置Ｈ（親局）に返信する（ステップＳ14）。

以上のようにして、フィールドバスの状態診断が完了すると、制御装置Ｈ（親局）は、診断の終了を示す終了コマンドを回線接続装置Ｊに送信する。そして、通信制御部ｊ3は、上記終了コマンドを受信すると、ステップＳ2の判断が「Ｙｅｓ」となるので、全ての支線Ｂ1〜Ｂ3を接続状態とし（ステップＳ16）、当該接続処理が完了したことを制御装置Ｈ（親局）に返信し（ステップＳ17）、引き続きステップＳ1の処理を行う。

本実施形態によれば、回線接続装置Ｊが制御装置Ｈ（親局）から受信する開始コマンドに基づいて各支線Ｂ1〜Ｂ3を遮断状態に順次移行させ、制御装置Ｈ（親局）は各支線Ｂ1〜Ｂ3の遮断時における通信エラーをモニタすることによって異常支線を判定し、当該異常支線を遮断することを指示する遮断コマンドを回線接続装置Ｊに送信し、この結果として回線接続装置Ｊが異常支線を切り離すので、切り離した支線以外の支線に接続されたプロセス機器と制御装置Ｈ（親局）との通信を異常信号が妨害することを防止することが可能であり、よってフィールドバスの信頼性を向上させることができる。
また、各伝播防止スイッチＳＷ1〜ＳＷ3は交流的に支線Ｂ1〜Ｂ3を切り離すので、幹線Ｋの直流電力の切り離したプロセス器機Ｎ1〜Ｎ3への給電を継続しつつ支線Ｂ1〜Ｂ3から幹線Ｋへの異常信号の伝播を防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、制御装置Ｈ（親局）から受信する各種のコマンドに基づいて回線接続装置Ｊがフィールドバスの診断を行うと共に、異常支線が検出された場合には当該異常支線を切り離すが、回線接続装置Ｊの異常信号伝播防止手段が異常信号の検出機能を追加機能として備え、所定のタイムインターバルで自立的にフィールドバスの診断を行うようにしても良い。

異常信号が原因となって制御装置Ｈ（親局）と回線接続装置Ｊとが正常な通信を行えない場合が考えられるが、上記変形例（１）は、このような場合に有効である。
また、回線接続装置Ｊは制御装置Ｈ（親局）との通信を行うことなく自立的にフィールドバスの診断を行うので、本発明を親局が存在せず各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3が同等な通信局として各支線を介して幹線にドロップダウン形式で接続する形態の通信回線に適用することができる。

（２）上記各実施形態では幹線Ｋ及び各支線Ｂ1〜Ｂ3を平衡伝送路として構成したが、幹線Ｋ及び各支線Ｂ1〜Ｂ3が平衡伝送路として構成しても良い。この場合、制御装置Ｈ（親局）、回線接続装置Ｊ及び各プロセス機器Ｎ1〜Ｎ3は平衡伝送路に対応した入出力回路を備えたものとして構成される。

本発明の一実施形態に係わる通信システムのシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係わる通信システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｈ…制御装置、Ｋ…幹線、Ｔ…終端器、Ｊ…回線接続装置、ｊ1…幹線接続部、ｊ2…支線接続部、ｊ3…通信制御部、ｊ4…終端器、ＳＷ1〜ＳＷ3…伝播防止スイッチ、Ｂ1〜Ｂ3…支線、Ｎ1〜Ｎ3プロセス機器

Claims (4)

1. 幹線と複数の支線とをマルチドロップ形式で接続する回線接続装置であって、
   前記幹線に接続された制御装置から異常信号を入力する異常支線の切り離しを指示する信号を受信すると、当該指示に基づいて前記異常支線を切り離す異常信号伝播防止手段を備えることを特徴とする回線接続装置。
2. 幹線と、複数の支線と、前記幹線に接続された親局と、前記支線に各々接続された子局と、前記支線を前記幹線にマルチドロップ形式で接続する回線接続装置とを備える通信システムであって、
   前記親局は、通信エラーを検出すると、異常信号を入力する異常支線を判定し、当該異常支線を前記回線接続装置に遮断させることを特徴とする通信システム。
3. 前記親局は、通信エラーを検出すると、前記回線接続装置に各支線との接続を順次遮断させ、当該順次遮断の間の通信エラーをモニタすることによって異常支線を判定することを特徴とする請求項２記載の通信システム。
4. IEC61784-1 CP1/1 (Foundation Fieldbus H1)に規定された通信方式の通信信号を伝送することを特徴とする請求項２または３記載の通信システム。

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