JP2011040842A - 二重化システムの装置切替方式 - Google Patents

Abstract

【課題】重化装置の状態監視と切替制御を確実、容易にかつコストダウンを図ることができる。
【解決手段】通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂに同じ回路構成のインタフェース１００Ａ，１００Ｂを設け、両インタフェースはオープンコレクタ回路をＤＩ／ＤＯ兼用回路とし、装置Ａ，Ｂのそれぞれの状態監視信号ＤＯＡ，ＤＯＢでオープンコレクタ回路をオン／オフ制御して相手装置に運用／待機切替制御信号としてツイストペア線伝送路１１０で伝送すると共に自装置内に状態確認信号としてバッファＢＵＦＩＡ，ＢＵＦＩＢで入力する。
オープンコレクタ回路に代えて、ターミネータ回路とし、送信バッファによりオン／オフ制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御システムまたは通信システムにおける信号処理装置を二重化（冗長化）したシステムに係り、特に二重化した信号処理装置の切替方式に関する。

各種機器の制御システムや各種装置間の通信システムでは、重要な情報処理装置や通信装置にはその予備装置や予備ソフトウェアを用意した冗長化や二重化を行い、二重化された一方の装置の故障等に際して他方の装置が機能を代行することでシステムダウンや処理の中断を回避する。

例えば、制御システムでは、通信装置の故障による機能停止を避けるため、同一に構成された通信装置を併設した二重化構成としておき、一方を通常運用装置とし、他方をバックアップ用装置とし、通常運用装置が故障等で停止した場合にバックアップ用装置に切り替えて運用を継続可能にする。

図５は二重化通信装置を搭載して遠隔地の機器を制御する制御システムの要部構成を示す。制御装置１０は通信装置を使用して外部機器（他の機器）２０と通信接続される場合に、その通信装置の信頼性を高めるため、通信装置３０Ａ、３０Ｂの２台を用意して接続し、外部機器２０とはハブ装置４０等を利用して通信接続される。

制御装置１０は、通信装置３０Ａ，３０Ｂとの間で監視用インタフェース信号ａ、ｂをやり取りしてそれら通信装置３０Ａ，３０Ｂの状態を監視し、例えば通信装置３０Ａが故障した場合、３０Ａとの通信情報ｃを停止し、通信装置３０Ｂの通信情報ｄの入出力によって通信を継続する。

一方、インターネットを利用した通信システムでは、ＨＵＢやゲートウエイ装置のようなネットワーク機器を冗長化や二重化を行うことでシステムの信頼性を高める。ネットワーク機器は、システムの動作を維持するために必要不可欠な要素であり、その故障はシステムダウンを引き起こすことになるため、ネットワーク機器の冗長化を行ってその故障時にもシステムの稼働を継続することが求められる。このために、システムそのものを二重化する方法や、機器の二重化をプロトコルによって実現したりしている。

図６はインターネットを利用してサーバ装置５０とクライアント６０で通信接続し、映像情報などの各種情報を授受する通信システムの概略構成を示す。今、図６の（ａ）に示すように、クライアント６０がインターネットとゲートウエイ装置７０Ａを経由してサーバ装置５０にアクセスする構成で、ゲートウエイ装置７０Ａが故障した場合、サーバ装置５０ヘのアクセスは不可能となってしまう。このため、図６の（ｂ）に示すように、もう１台のゲートウエイ装置７０Ｂを用意しておき、ゲートウエイ装置７０Ｂ経由でアクセスする。８０と９０はハブ装置である。

以上のような制御システムや通信システムにおいて、二重化した信号処理装置の運用／待機切替制御は、例えば、図６における装置切替には、２台のゲートウェイ装置７０Ａ，７０Ｂでの異常の有無を判定し（Ｈ：正常、Ｌ：アラーム）、この判定結果の組み合わせに応じて両ゲートウェイ装置７０Ａ，７０Ｂの動作をＨ：アクティブ、Ｌ：非アクティブに制御またはこれまでの状態に保持する（例えば特許文献１参照）。

特開平６−１６４５５９号公報

制御装置における二重化システムは、図５に示すように、外部機器２０が通信装置を介して制御装置１０に接続される場合に、その通信装置の信頼性を高めるために２台の通信装置３０Ａ、３０Ｂを用意し、外部機器２０とはハブ等を通して接続し、通信装置３０Ａ，３０Ｂの状態を監視して、例えば通信装置３０Ａが故障した場合、３０Ａ側通信を停止して、通信装置３０Ｂの経路にて通信を継続するようにしている。このような二重化構成は、二重化装置およびその切替装置の構成を複雑にし、ハードウエア（Ｈ／Ｗ）が高価になり、また、制御するためのソフトウエア（Ｓ／Ｗ）も必要になるなど、システムが高価となる原因となっていた。

同様に、図６に示す通信システムでは、通信経路の冗長化を行う際に、通信システム全体を二重化する方法はコストが増大する問題がある。また、図６におけるゲートウエイ装置の二重化には、２台のゲートウエイ装置をそのまま接続したのではＨＵＢによる経路切替えがゲートウエイ装置に認識できないでループ構成となってしまうため、スパニングツリープロトコル（ＳＴＰ）やラピッドスパニングツリープロトコル（ＲＳＴＰ）等の標準プロトコルを装備したものを複数台使用することになる。しかしながら、特定用途に使用するゲートウエイ装置７０Ａ，７０Ｂでは、標準化されたプロトコルが適用できないことがあるため、機器の二重化のために装置自体に専用の二重化機構を実装する必要があり、その実現は複雑なソフトウエアまたはハードウエアが必要となっている。

本発明の目的は、二重化装置の状態監視と切替制御を確実、容易にかつコストダウンを図ることができる二重化システムの装置切替方式を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂに同じ回路構成のインタフェースを設け、両インタフェースはオープンコレクタ回路またはターミネータ回路をＤＩ／ＤＯ兼用回路として伝送路で接続し、装置Ａ，Ｂのそれぞれの状態監視信号でオープンコレクタ回路またはターミネータ回路をオン／オフ制御して相手装置に運用／待機切替制御信号として伝送すると共に自装置内に状態確認信号として入力するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）制御システムまたは通信システムにおける信号処理装置を二重化（冗長化）した二重化システムにおいて、該二重化した信号処理装置を通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂに切替える装置切替方式であって、
前記通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂに同−回路構成のインタフェースを設け、両インタフェースは、オープンコレクタ回路またはターミネータ回路をＤＩ／ＤＯ兼用回路として伝送路で接続し、装置ＡまたはＢの状態監視信号でオープンコレクタ回路をオン／オフ制御、またはターミネータ回路への電圧印加をオン／オフ制御して伝送路を通して相手装置に運用／待機切替制御信号として伝送すると共に自装置内に状態確認信号として入力する構成にしたことを特徴とする。

（２）前記バックアップ用装置Ｂは、通常運用装置Ａからインタフェースに伝送される運用／待機切替制御信号を定期的にポーリングすることを特徴とする。

（３）前記オープンコレクタ回路のオン／オフ制御は、前記状態監視信号でリトリガされて出力を保持するモノステーブルマルチマバイブレータで行うことを特徴とする。

（４）前記ターミネータ回路への電圧印加は、前記通常運用装置Ａまたはバックアップ用装置でイネーブル入力がネゲートされるとハイインピーダンスとなる送信バッファでオン／オフ制御することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂに同じ回路構成のインタフェースを設け、両インタフェースはオープンコレクタ回路またはターミネータ回路をＤＩ／ＤＯ兼用回路とし、装置Ａ，Ｂのそれぞれの状態監視信号でオープンコレクタ回路またはターミネータ回路をオン／オフ制御して相手装置に運用／待機切替制御信号として伝送すると共に自装置内に状態確認信号として入力するようにしたため、二重化装置の状態監視と切替制御を確実、容易にかつコストダウンを図ることができる。

具体的には、
（ａ）装置単体で二重化を行うため、簡単な構成で実現できる。

（ｂ）二重化インタフェースの構成が簡単である。

（ｃ）二重化のためにホスト装置による監視と制御が必要でなく、同一の装置Ａ，Ｂを２台用意すれば実現できる。

（ｄ）通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂのどちらも電源をオフすることのみで取り外すことが可能であり、機器メンテナンスが容易となる。

（ｅ）単純なソフトウエア処理により構成可能である。

（ｆ）インタフェース間の接続は２本の信号線のみで良い。

（ｇ）複雑な切替プロトコルが必要ない。

（ｈ）異常検出と切り替えが速い。

実施形態１における二重化装置の装置切替インタフェースの回路図。 装置切替えのタイムチャート。 実施形態１における装置切替インタフェースの変形例。 実施形態２における二重化装置の装置切替インタフェースの回路図。 二重化通信装置を搭載した制御システムの要部構成図。 二重化ゲートウエイ装置を搭載した通信システムの概略構成図。

（実施形態１）
図１は、本実施形態における二重化装置の装置切替インタフェースの回路図である。通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂとを備える二重化装置に対し、同−回路構成の装置Ａ側インタフェース１００Ａと装置Ｂ側インタフェース１００Ｂを設け、両インタフェース１００Ａと１００Ｂの伝送入出力端子（ＤＩＯ１、ＤＩＯ０）はＤＩ／ＤＯ兼用端子としてツイストペア線伝送路１１０で接続し、両インタフェース１００Ａと１００Ｂには装置Ａ，Ｂとの間で論理レベルの運用／待機状態監視出力信号（ＤＯＡ、ＤＯＢ）の出力と運用／待機切替制御入力信号（ＤＩＡ、ＤＩＢ）の入力をし、これら状態監視出力信号（ＤＯＡ、ＤＯＢ）で自インタフェースが接続される装置Ａ，Ｂへの運用／待機切替え確認信号とすると共に、この状態信号を伝送路１１０を通して相手インタフェース側に伝送し、相手インタフェースで状態監視信号を運用／待機切替制御入力信号（ＤＩＡ、ＤＩＢ）として取り込んで自装置の運用／待機の切替制御信号にする。

インタフェース１００Ａ、１００Ｂの回路構成を説明する。伝送入出力端子（ＤＩＯ１、ＤＩＯ０）の端子（ＤＩＯ１）は入力バッファ（ＢＵＦＩＡ、ＢＵＦＩＢ）の入力端に接続され、この入力端（ＸＡ点、ＸＢ点）とアース間にはスイッチ素子（図示ではＦＥＴ）ＳＷＡ、ＳＷＢを設け、抵抗で制御電源電圧（＋Ｖ）にプルアップするオープンコレクタ構成とする。これらスイッチ素子ＳＷＡ、ＳＷＢを出力バッファ（ＢＵＦＯＡ、ＢＵＦＯＢ）の出力でドライブ可能にする。インタフェース１００Ａ、１００Ｂの伝送入出力端子（ＤＩＯ１、ＤＩＯ０）の両端子間にはツイストペア線伝送路で接続される。

ここで、通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂの状態監視と運用／待機の切替制御を図２のタイムチャートを参照して説明する。

（時刻ｔ１）通常運用側装置Ａは、起動後直ちに運用状態となり、この運用状態で装置Ａ側インタフェース１００Ａの端子ＤＯＡのオンでスイッチ素子ＳＷＡをオンする（ＤＯＡアサート）。この状態信号は装置Ａ側に確認信号ＤＩＡとして入力され、通常運用側装置Ａが遅れ（ディレイ）を有して運用制御される。また、状態信号は伝送路１１０を通して装置Ｂ側インタフェース１００Ｂに伝送される。

（時刻ｔ２）バックアップ側インタフェース１００Ｂは、装置Ｂの起動後、スイッチ素子ＳＷＢをオフ状態に保ち、入力バッファ（ＢＵＦＩＢ）を定期的にポーリングする。このポーリング入力がオン状態であれば、通常運用側装置Ａは正常動作しているためバックアップ側装置Ｂは待機制御される。

（時刻ｔ３）バックアップ側インタフェース１００Ｂは、入力バッファ（ＢＵＦＩＢ）のポーリング結果がオフであれば、通常運用側装置Ａの電源が入っていないかまたは異常であると判断し、バックアップ側装置Ｂは起動され、運用状態になる。

したがって、二重化装置Ａ，Ｂにそれぞれ接続するインタフェース１００Ａ．１００Ｂは、自装置からの運用／待機状態監視出力信号（ＤＯＡ、ＤＯＢ）でオン／オフ制御されるスイッチ回路（スイッチ素子とプルアップ回路）をそれぞれ設け、このスイッチ回路の出力を自インタフェースが接続される装置の運用／待機の切替制御信号とする。これに並行して、スイッチ回路の出力をツイストペア線伝送路を通して相手インタフェースに伝送し、この相手インタフェースのスイッチ回路との並列接続（ワイヤードＯＲ）信号とし、この信号の状態変化を相手インタフェースが接続される装置がポーリングで検出して自装置の運用／待機の切替制御信号（ＤＩＡ，ＤＩＢ）にする。

このことより、本実施形態では、二重化装置の装置切替制御には、オープンコレクタ構成のスイッチ回路とその制御入力と状態出力をする一対のバッファからなるインタフェースと、両インタフェースのスイッチ回路のオン／オフ状態を相手インタフェースに伝送するツイストペア線伝送路を設けることで済み、二重化装置の状態監視と切替制御を確実、容易にかつコストダウンを図ることができる。

なお、通常運用側を装置Ａから装置Ｂへの切替えは、二重化インタフェース１００Ａ．１００Ｂを外して行うことができ、通常運用側装置の交換後、二重化インタフェース１００Ａ，１００Ｂを接続して通常側として電源を投入すれば、スイッチ素子ＳＷＡがオンしていることをバックアップ側で検出することにより、バックアップ側は待機状態に移行し、通常運用側装置Ａに切り替えることができる。このため、両装置Ａ，Ｂはどちらも電源をオフすることのみで取り外すことが可能であり、機器メンテナンスが容易となる。

また、実施形態１では入力バッファと出力バッファが装置Ａ，Ｂに直接接続されていたが、絶縁型の入力バッファと出力バッファを用いた絶縁型インタフェース回路とすることができる。

また、実施形態１では、出力をグランドに接続するスイッチ素子としてＦＥＴを用いたが、トランジスタやアナログスイッチ等を用いても実現できる。

また、スイッチ素子をドライブする出力バッファの入力回路部にモノステーブルマルチバイブレータを用いることができる。この例を図３に示す。モノステーブルマルチマバイブレータＭＭは、図３中に入出力波形図を示すように、例えば入力の立ち上がり毎にリトリガされ、入力が時定数内に変化しつづける限り出力が保持される。したがって、バッファＢＵＦＯＡの入力をバイブレータＭＭの時定数以内に定期的にＯＮ／ＯＦＦすることより、ＦＥＴをオンし続ければ、装置Ａの異常が発生すると、装置Ａの異常により故障し、自律的にオフできない場合でもＦＥＴを自動的にオフさせることができる。

（実施形態２）
図４は、本実施形態における二重化装置の装置切替インタフェースの回路図であり、図６におけるゲートウェイ装置７０Ａ，７０Ｂの状態監視で運用／待機を自動切替えするものである。

今、図６の（ｂ）のようにサーバ装置にクライアントがインターネット経由で二重化したゲートウエイ装置を経由してアクセスする場合で、運用側のゲートウエイ装置が故障した場合、もう１台のゲートウエイ装置をそのまま接続したのではループ構成となってしまうため、ＨＵＢ装置にはＳＴＰ等のプロトコルが必要となる。しかしながらＳＴＰ等は、経路切り替えに時間がかかったり、ＨＵＢの経路切り替えがゲートウエイ装置に認識できない問題があるため、ゲートウエイ装置自身が切り替えを行うほうが適切である場合がある。

このような時、ゲートウエイ装置同士の内どちらが動作するべきかを判断するために、図６中に示すインタフェース１００によりお互いの状態を監視できるようにしておく必要がある。このインタフェース１００には、シリアル通信ポートやイーサネット（登録商標）ポートにより通信を行う方法があるが、このような通信ポートを使用した場合、状態監視用プロトコルを実装する必要があるなど、簡単な構成では実現できない。

そこで、本実施形態では、図４に示す簡単なＨ／Ｗ構成のインタフェースを提案するものである。同図中、ゲートウェイ装置７０Ａ側のインタフェース回路と、ゲートウェイ装置７０Ｂ側のインタフェースとも同一の構成にされ、その間はツイストペア線伝送路１１０で接続される。また、Ｉは受信バッファ、Ｏはイネーブル付き送信バッファで、イネーブル入力ＤＯＡ，ＤＯＢがネゲートされるとハイインピーダンスとなるバッファである。送信バッファＯのオン／オフ出力は出力抵抗Ｒａを通してターミネータ回路用の終端抵抗Ｒｂに印加する。インタフェースでは、終端抵抗Ｒｂに発生するオン／オフ信号を相手インタフェースの終端抵抗Ｒｂに伝送し、この信号を受信バッファＩを経て相手装置に運用／待機切替制御信号として出力すると共に、自装置の受信バッファＩから自装置内に状態確認信号として取り込む。

この構成で、インタフェースの制御は、信号ＤＩＡ，ＤＩＢはゲートウェイ装置のＣＵＰの汎用入力ポートに接続し、信号ＤＯＡ，ＤＯＢは汎用出力ポートで制御することができる。

装置を常用運転用とバックアップ用で動作させるための切替処理例を以下に説明をする。なお、これら動作に必要な設定は、ソフトウエイアやＤＩＰスイッチなどの設定により切り替えを行う。

（切替処理例１）常用運転側の装置Ａは、・正常時には常に稼働状態となる。・正常動作中にはＤＯＡをアサートする。・異常時にはＤＯＡをネゲートする。

バックアップ運転側の装置Ｂは、・ＤＯＢをネゲートする。・ＤＩＢの入力がＨｉｇｈの時は待機状態とする。・ＤＩＢの入力をポーリングし、Ｌｏｗになった時は常用側が異常となったと判断し稼働する。・ＤＩＢの入力をポーリングし、Ｈｉｇｈになった時は常用が正常となったと判断し、停止する。

（切替処理例２）常用運転側の装置Ａは、・正常時には常に稼働状態となる。・正常動作中にはＤＯＡをアサートする。・立ち上がり時にＤＩＡを読み込み、ＤＩＡがＨｉｇｈである時はＤＯＡをアサートせずに待機状態となる。・異常時にはＤＯＡをネゲートする。

バックアップ側の装置Ｂは、・ＤＯＢをネゲートする。・ＤＩＢの入力がＨｉｇｈの時は待機状態とする。・ＤＩＢの入力をポーリングし、Ｌｏｗになった時は常用側が異常となったと判断し稼働する。・稼働時にＤＯＢをアサートする。

この場合は、常用運転側装置が一旦異常となった後、修理されて装着された時に再び常用運転側装置に切り替わることにより、ネットワークが一時的に切断されるのを防ぐことができる。

１００Ａ 装置Ａ側インタフェース
１００Ｂ 装置Ｂ側インタフェース
１００ インタフェース
１１０ ツイストペア線伝送路
ＳＷＡ、ＳＷＢ スイッチ素子
ＢＵＦＩＡ、ＢＵＦＩＢ 入力バッファ
ＢＵＦＯＡ、ＢＵＦＯＢ 出力バッファ
Ｉ 受信バッファ
Ｏ 送信バッファ

Claims (4)

1. 制御システムまたは通信システムにおける信号処理装置を二重化（冗長化）した二重化システムにおいて、該二重化した信号処理装置を通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂに切替える装置切替方式であって、
   前記通常運用装置Ａとバックアップ用装置Ｂに同−回路構成のインタフェースを設け、両インタフェースは、オープンコレクタ回路またはターミネータ回路をＤＩ／ＤＯ兼用回路として伝送路で接続し、装置ＡまたはＢの状態監視信号でオープンコレクタ回路をオン／オフ制御、またはターミネータ回路への電圧印加をオン／オフ制御して伝送路を通して相手装置に運用／待機切替制御信号として伝送すると共に自装置内に状態確認信号として入力する構成にしたことを特徴とする二重化システムの装置切替方式。
2. 前記バックアップ用装置Ｂは、通常運用装置Ａからインタフェースに伝送される運用／待機切替制御信号を定期的にポーリングすることを特徴とする請求項１に記載の二重化システムの装置切替方式。
3. 前記オープンコレクタ回路のオン／オフ制御は、前記状態監視信号でリトリガされて出力を保持するモノステーブルマルチマバイブレータで行うことを特徴とする請求項１に記載の二重化システムの装置切替方式。
4. 前記ターミネータ回路への電圧印加は、前記通常運用装置Ａまたはバックアップ用装置でイネーブル入力がネゲートされるとハイインピーダンスとなる送信バッファでオン／オフ制御することを特徴とする請求項１に記載の二重化システムの装置切替方式。

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