JP2016201687A - 制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】制御装置と入出力装置がデイジーチェーン接続された制御システムにおいて、外部ノイズの混入経路を特定することが可能な制御システムを提供すること。【解決手段】本発明の制御システム１は、シリアル通信により受信したシリアルデータの位相差を検出する位相検出回路と、位相検出回路が検出した位相差が予め設定された閾値を超えたか否かを判定して判定信号を出力する位相判定回路と、判定信号が出力された回数を記録する記録手段とを備えた複数の入出力装置２１〜２５と、制御装置１０とがデイジーチェーン接続されており、制御装置１０は、各入出力装置の記録手段に記録されている判定信号の出力回数を取得する取得手段と、取得した各入出力装置の判定信号の出力回数に基づいてノイズの混入経路を特定するノイズ特定手段と、ノイズ特定手段により特定したノイズの混入経路を通知する通知手段と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、制御システムに関し、特にデイジーチェーン接続された入出力装置へのノイズの混入経路を特定することが可能な制御システムに関する。

制御装置と入出力装置がシリアル通信でデイジーチェーン接続された制御システムにおいて、装置間の通信エラーを発生させる要因として、外部ノイズの影響がある。特に工場等のＦＡ環境で使用される制御システムの場合、外部ノイズが原因で通信エラーが発生するケースが多く、対策が求められている。外部ノイズによる通信エラーは、ノイズの混入経路の特定が困難なことから、その原因を特定できず、原因の究明に長期間を要する場合が多く、早期問題解決のため、ノイズの混入経路を切り分けることは重要である。

従来では、外部ノイズの混入の恐れがある複数の回路毎に外部ノイズ検出部を接続し、検出データを保存する記録手段を備え、保存したデータを正常時のデータと比較することで、ノイズの種類と混入経路を特定するという技術が特許文献１で開示されている。

また、特許文献２では、シリアル通信機能を備えた制御機器において、外部ノイズ等によって生じる、シリアルデータの立ち上がり、あるいは立ち下がりエッジの位相と基準クロックの位相との差を位相データとして出力する位相検出回路を有する制御装置に関する技術が開示されている。

特開２０１１−１０３５４５号公報 特開２０１０−００４１４４号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術を導入するためには、外部ノイズ混入経路全てに検出回路を接続する必要があることから、一般的に回路規模も大きくなり、コストアップを招いてしまうという問題があった。
また、特許文献２に開示される技術では、外部ノイズにより生じる前記位相差を検出することで、外部ノイズの侵入の有無は検知できたが、外部ノイズ混入経路については特定することができない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、上述の特許文献２で開示されている発明を応用して、制御装置と入出力装置がシリアル通信でデイジーチェーン接続された制御システムにおいて、通信エラーを発生させる原因となる、外部ノイズの混入経路を特定することが出来る制御システムを提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明は、シリアル通信機能を有する制御装置とリクロック機能を有する複数の入出力装置がデイジーチェーン接続された制御システムであって、前記入出力装置は、シリアル通信により受信したシリアルデータの立ち上がりあるいは立ち下がりエッジの位相を検出し、前記シリアルデータの立ち上がりあるいは立ち下がりエッジの位相と基準クロックの位相との間の位相差を位相差データとして出力する位相検出回路と、前記位相検出回路から出力される前記位相差データが予め設定された範囲を超えたか否かを判定し、前記位相差データが予め設定された範囲を超えたと判定した場合に判定信号を出力する位相判定回路と、前記位相判定回路が出力した前記判定信号の回数を記録する第１の記録手段と、を備え、前記制御装置は、前記シリアル通信機能により前記入出力装置の第１の記録手段が記録した各入出力装置の前記判定信号の回数を取得する取得手段と、前記取得手段により取得した前記各入出力装置の前記判定信号の回数に基づいてノイズの混入経路を特定するノイズ特定手段と、前記ノイズ特定手段により特定したノイズの混入経路を通知する通知手段と、を備えたことを特徴とする制御システムである。

本願の請求項２に係る発明は、前記制御装置は、前記複数の入出力装置に接続された電源装置の接続形態を入力する入力手段と、前記入力手段により入力した前記電源装置の接続形態を記録する第２の記録手段と、を更に備え、前記ノイズ特定手段は、前記シリアル通信機能により取得した前記各入出力装置の前記判定信号の回数と、前記第２の記録手段により記録された前記電源装置の接続形態に基づいてノイズの混入経路を特定する、ことを特徴とする請求項１に記載の制御システムである。

本発明により、外部ノイズ検出部などの特別な構成を用意することなくノイズの混入経路を特定することが可能となり、また、ノイズの混入経路が、シリアル通信の信号線なのか、入出力装置に接続された電源線なのかを切り分けることができ、更には、電源線からのノイズが、電源装置に起因するものなのか、入出力装置と電源装置を繋ぐケーブルから混入しているのかを切り分けることができる。

本発明の実施形態における制御装置の要部ブロック図である。 本発明の実施形態におけるノイズカウンタおの回路構成図である。 本発明の実施形態における入出力装置の要部ブロック図である。 本発明の第１の実施形態における制御システムの電源部へ混入した外部ノイズの混入経路を解析する方法を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における制御システムの電源部へ混入した外部ノイズの混入経路を通知する例である。 本発明の第１の実施形態における制御システムの通信線へ混入した外部ノイズの混入経路を解析する方法を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における制御システムの通信線へ混入した外部ノイズの混入経路を通知する例である。 本発明の第２の実施形態における制御システムの電源装置の接続形態を入力する画面例である。 本発明の第２の実施形態における制御システムの電源部へ混入した外部ノイズの混入経路を解析する方法を説明する図である。 本発明の第２の実施形態における制御システムの電源部へ混入した外部ノイズの混入経路を通知する例である。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明を実施すための形態について、図１に示す制御システムの構成図に基づいて説明する。
本発明の制御システム１は、シリアル通信機能を有する制御装置１０と複数の入出力装置（ＩＯユニット）２１〜２５がデイジーチェーン接続された構成を備えており、各入出力装置２１〜２５は、上流の装置からの通信データを受信する回路と、下流の装置からの通信データを受信する回路にノイズ検出回路を設けた構成とする。また、各入出力装置２１〜２５は、複数の電源装置３１〜３３から電力供給を受けている。

図２は、図１に示した入出力装置２１〜２５内に設けられたノイズ検出回路５０の構成図である。ノイズ検出回路５０は、先行技術文献として挙げた特許文献２に開示されているものである。特許文献２では位相検出回路５１と位相判定回路５４が開示されているが、本明細書では位相検出回路５１と位相判定回路５４とを合わせた回路をノイズ検出回路５０と呼ぶ。

位相検出回路５１は、シリアル通信機能を備えた機器において、前記シリアル通信機能により受信したシリアルデータの立ち上がり、あるいは立ち下がりエッジの位相を検出し、該シリアルデータの立ち上がり、あるいは立ち下がりエッジの位相と基準クロック回路５３からの基準クロックの位相との間の位相差を位相データとして出力することを特徴とする回路である。

ノイズ環境下でシリアルデータに外部ノイズが混入すると、前記シリアルデータに波形歪みが発生する。シリアルデータに波形歪みが発生した場合、前記シリアルデータを受信した位相検出回路５１では、通常時に比べて大きな位相差を検出し、前記位相差を位相データとして出力する。位相判定回路５４は、前記位相検出回路５１から出力される前記位相データが予め設定された範囲を超えたか否かを判定し、前記位相データが予め設定された範囲を超えたと判定したならば判定信号を出力することを特徴とした回路である。

前記ノイズ検出回路５０は入出力装置２１〜２５の通信を制御するＬＳＩに内蔵される。ノイズ検出回路５０が、入出力ユニットのシリアル通信を制御するＬＳＩに内蔵されることで、外部に検出回路等を設ける必要はなく、コスト面や省スペース、回路をシンプルにできるといったメリットがある。

また、入出力装置２１〜２５は、ノイズ検出回路５０が一定時間内に出力した判定信号の回数を記録する記録手段５５を備えている。記録手段５５としては、上記通信制御ＬＳＩの内部メモリ（カウンタ）に書き込む。このとき、ノイズ検出回路５０と記録手段５５を合わしたものをノイズカウンタ４０と呼ぶ。

制御装置１０は、図３に示すようにシリアル通信線を介して各入出力装置と通信可能に構成されており、シリアル通信機能により、制御装置１０に接続された各入出力装置の通信ＬＳＩ内部に記録されている判定信号の回数を取得する。各入出力装置は、上流の装置からの通信データを受信するノイズカウンタと、下流の装置からの通信データを受信するノイズカウンタを備えている。例えば、図において入出力装置２０は、上流の制御装置からの通信データを受信するノイズカウンタ４０ａと、下流の入出力装置からの通信データを受信するノイズカウンタ４０ｂを備えている。

制御装置１０が各入出力装置からカウンタ値を取得するタイミングは、ある一定周期毎や、転送周期毎にスタートビットをトリガにする等の方法がある。そして、取得した各入出力装置の判定信号の回数に基づいてノイズの混入経路を特定するとともに、特定したノイズの混入経路を制御装置１０の画面に表示する。

前述の制御システム１において、外部ノイズが混入した場合、下記のようにノイズカウンタの値が上昇する傾向がある。これらの傾向を利用して、ノイズの混入経路を特定する。
●ケース１：入出力装置の電源部（電源装置および電源線）に外部ノイズが混入した場合
電源部に外部ノイズが混入した入出力装置内部の上流および下流側両方のノイズカウンタと、前記入出力装置から下流側の入出力装置内部の上流側のノイズカウンタと、前記入出力装置から上流側の入出力装置内部の下流側のノイズカウンタだけ、カウンタ値が上昇する。

●ケース２：入出力装置どうしを接続する通信線に外部ノイズが混入した場合
外部ノイズが混入した通信線から見て上流側の入出力装置内部の下流側のノイズカウンタと、前記通信線から見て下流側の入出力装置内部の上流側のノイズカウンタだけ、カウンタ値が上昇する。また、シリアル通信信号には上流方向と下流方向で同じ条件でノイズが混入することから、前述の２つのノイズカウンタの値は等しくなる。したがって、ノイズカウンタの値を比較することにより、電源部に外部ノイズが混入する場合との切り分けが可能になる。

以下に、ケース１とケース２について詳述する。
●ケース１の場合：
ノイズの混入経路の特定手段として、例えば図４（ａ）に示すように入出力装置２３の電源装置３１に外部ノイズが混入した場合を考える。なお、以下では、入出力装置２１における上流側ノイズカウンタに符号４１ａ、下流側ノイズカウンタに符号４１ｂ、入出力装置２２における上流側ノイズカウンタに符号４２ａ、下流側ノイズカウンタに符号４２ｂといったルールで符号を付与して説明する。

［制御装置１０から入出力装置２２への経路］
上記経路上でシリアル通信信号は外部ノイズの影響を受けないために、入出力装置２１が備えるノイズカウンタ４１ａ（図示せず）、および入出力装置２２が備えるノイズカウンタ４２ａでのノイズカウンタでのカウンタ値は上昇しない。

［入出力装置２２から入出力装置２３への経路］
入出力装置２２から入出力装置２３へ送信されるシリアル通信信号は正常な通信信号である。しかしながら、入出力装置２３の電源装置３１に外部ノイズが混入していることから、入出力装置２３内部の回路でシリアル通信信号の波形は歪んでしまう。したがって、ノイズカウンタ４３ａではカウンタ値は上昇する。

［入出力装置２３から入出力装置２４への経路］
入出力装置２３の電源装置３１に外部ノイズが混入していることから、入出力装置２３から入出力装置２４へ送信される通信信号は異常な通信信号になる。このとき、ノイズカウンタ４４ａではカウンタ値は上昇する。

［入出力装置２４から後段の経路］
リクロック機能を持つ入出力装置では、シリアル信号が入出力装置内部に入力されると、前記シリアル信号は前記入出力装置内部の制御用ＬＳＩ内の回路で一旦ビットストリームデータとしてバッファリングされた後に、自身の内部動作クロックに基づきシリアル信号として再度出力される。したがって、入出力装置２４に入力される通信信号は異常な信号になっているが、入出力装置２４から下流方向に出力される通信信号は、ノイズによる歪を含まない波形となる。そのため、入出力装置２４以降の入出力装置内部のノイズカウンタではカウンタ値は上昇しない。

［入出力装置２４から入出力装置２３への経路］
入出力装置２４から送信された通信信号は、入出力装置２３で電源装置３１に外部ノイズが混入していることから、入出力装置２３には異常な通信信号が受信される。したがって、ノイズカウンタ４３ｂではカウンタ値は上昇する。

［入出力装置２３から入出力装置２２への経路］
入出力装置２３の電源装置３１に外部ノイズが混入していることから、入出力装置２３から入出力装置２２へ送信される通信信号は異常な通信信号になる。このとき、ノイズカウンタ４２ｂではカウンタ値が上昇する。

［入出力装置２２から前段の経路］
入出力装置２２から上流方向に出力される通信信号は正常な通信信号である。そのため、入出力装置２２から上流方向のノイズカウンタではカウンタ値は上昇しない。

制御装置１０は、上記の各段階で得られたノイズカウンタの値を取得する。制御装置１０内の記憶装置に保存する。前記保存したデータを見ると、ノイズカウンタ４２ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４ａでカウンタ値が上昇していることが分かる。以上のようなカウンタ値が得られたとき、入出力装置２３の電源部（電源線および電源装置）に外部ノイズの混入があると特定する。そして、特定した箇所を、例えば図５に示すように制御装置１０の画面に表示して、オペレータに通知する。通知の方法は画面でなくとも、ＬＥＤやランプでも良い。

●ケース２の場合：
次に、ノイズの混入経路の特定手段として、装置間を接続する通信線に外部ノイズが混入した場合について考える。例えば、図６（ａ）に示すように入出力装置２２と入出力装置２３を接続する通信線に外部ノイズの混入があった場合では下記のようになる。

［数値制御装置から入出力装置２２への経路］
上記経路上でシリアル通信信号は外部ノイズの影響を受けないために、入出力装置２１が備えるノイズカウンタ４１ａ（図示せず），および入出力装置２２が備えるノイズカウンタ４２ａでのカウンタ値は上昇しない。

［入出力装置２２から入出力装置２３への経路］
入出力装置２２と２３を接続する通信線から外部ノイズが混入していることから、入出力装置２３に入力されるシリアル通信信号の波形は歪んでいると考えられる。そのため、ノイズカウンタ４３ａではカウンタ値は上昇する。

［入出力装置２３から後段の経路］
前述のとおり、リクロック機能を有する入出力装置では歪んだ通信波形が入力されても、正常な通信信号が出力される。そのため、入出力装置２３のリクロック機能によりデータは正常なデータとなり、入出力装置２４から下流側の入出力装置内部のノイズカウンタではカウンタ値は上昇しない。

［入出力装置２３から入出力装置２２への経路］
入出力装置２２と２３を接続する通信線から外部ノイズが混入していることから、入出力装置２２に入力されるシリアル通信信号の波形は歪んでいると考えられる。そのため、ノイズカウンタ４２ｂではカウンタ値は上昇する。

［入出力装置２２から前段の経路］
入出力装置２２から上流方向に出力される通信信号は正常な通信信号である。そのため、入出力装置２１が備えるノイズカウンタ４１ｂ（図示せず）ではカウンタ値は上昇しない。

制御装置１０は、上記で得られたノイズカウンタの値を各入出力装置から取得し、その値を制御装置内の記憶装置に保存する。前記保存したデータより、ノイズカウンタ４２ｂ，４３ａで判定信号の数値が上昇している場合には、入出力装置２２と２３間の通信線に外部ノイズの混入があると判定する。そして、特定した箇所を、例えば図７に示すように制御装置の画面に表示したり、ＬＥＤ等によってオペレータに通知する。

このように、本実施形態の制御システムでは、外部ノイズ検出部などの特別な構成を用意することなくノイズの混入経路を特定することが可能となり、また、ノイズの混入経路が、シリアル通信の信号線なのか、入出力装置に接続された電源線なのかを切り分けることができる。

＜第２の実施形態＞
本実施形態では、複数の入出力装置に対する電源装置の接続形態に係る情報に基づいて、電源部における電源装置や電源線に混入する外部ノイズの混入経路を特定する例を示す。本実施形態における制御システムの基本的な構成は第１の実施形態と同様である。
ここで入出力装置の動作電源は、電源装置から供給されている。この電源装置は、入出力装置と１対１に接続されている必要はない。むしろ省スペース化やコストカットを目的として、１つの電源装置から複数の入出力装置に対して電源を供給している場合も多い。

制御装置１０は、上記のように接続された複数の入出力装置に接続された電源装置の接続形態を入力することが出来る構成とする。図８は、マスタである制御装置１０にｎ個のスレーブとなる入出力装置がデイジーチェーン接続され、これに対して電源装置がＸ個あるとして、それぞれのスレーブとなる入出力装置にどの電源装置から電源が供給されているかを、制御装置１０の画面に入力した例である。入力した電源の接続形態は、制御装置１０が有する図示しない記録手段により、制御装置１０の内部に保存される。

制御装置１０は、シリアル通信機能により取得した各入出力装置の判定信号の回数と、制御装置１０の記録手段により記録された各入出力装置の電源の接続形態に基づいてノイズの混入経路を特定する。

第１の実施形態で説明した通り、電源部（電源線および電源装置）に外部ノイズが混入した場合と通信線に外部ノイズが混入した場合について、シリアル通信機能により取得した各入出力装置の判定信号の回数から切り分けることが可能である。ところで、工作機械内部に入出力装置を複数台配置するとき、入出力装置に入力する電源はある程度共通の電源装置から入力される場合が多い。ここで、前記電源装置に外部ノイズが混入した場合、前記電源装置から接続される入出力装置全ての電源部に外部ノイズが混入していると考えられる。

例えば、図９（ａ）に示すように、入出力装置２１，２２に対して電源装置３１から電源供給されており、また、入出力装置２３〜２５が電源装置３２から電源供給されている接続形態の制御システム1について考える。

いずれの入出力装置に対していずれの電源装置が接続されているかを特定するために、制御装置１０に各入出力装置２１〜２５に接続される電源装置の略称を入力しておく。このとき、例えば電源装置３１に外部ノイズの混入があった場合、電源装置３１と接続する入出力装置２１と入出力装置２２に対して同様に外部ノイズが混入してしまう。したがって、第１の実施形態と同様に考えた場合、図９（ｂ）に示すように、入出力装置２１が備えたノイズカウンタ４１ａ，４１ｂ、入出力装置２２が備えたノイズカウンタ４２ａ，４２ｂ、および入出力装置２３が備えたノイズカウンタ４３ａの値が上昇する。したがって、第１の実施形態で説明したように、各ノイズカウンタの値を解析することで制御装置１０は入出力装置２１と入出力装置２２の電源部に外部ノイズの混入があったことを特定することが出来る。

さらに、制御装置１０に入力された電源装置の接続形態に係る情報から、入出力装置２１と入出力装置２２は同一の電源装置３１に接続されていることが判るので、電源装置３１に外部ノイズの混入があったと判定することができる。そして、特定した箇所を図１０に示すように制御装置の画面に表示してもよいし、ＬＥＤ等によってオペレータに通知する。

また、仮に入出力装置２１が備えたノイズカウンタ４１ｂ、入出力装置２２が備えたノイズカウンタ４２ａ，４２ｂ、および入出力装置２３が備えたノイズカウンタ４３ａの値が上昇した場合には、第１の実施形態で説明したように、制御装置１０は入出力装置２２の電源部に外部ノイズの混入があったことを特定することが出来る。

そして、制御装置１０に入力された電源装置の接続形態に係る情報から、入出力装置２１と入出力装置２２は同一の電源装置３１に接続されていることが判る。ここで、電源装置３１にノイズが混入したのであれば、入出力装置２１が備えたノイズカウンタ４１ａの値も上昇するはずだが、上記の通りノイズカウンタ４１ａの値は上昇していないため制御装置１０は、電源装置３１ではなく、電源装置３１と入出力装置２２との間を繋ぐケーブルに対して外部ノイズの混入があったと判定することができる。

このように、本実施形態の制御システムでは、各入出力装置の電源の接続形態に係る情報を制御装置の記録手段により記録しておき、該電源の接続形態に係る情報と各入出力装置のノイズカウンタでカウントされた判定信号の回数とにより、電源線からのノイズが、電源装置に起因するものなのか、入出力装置と電源装置を繋ぐケーブルから混入しているのかを切り分けることができる。

以上、本発明の実施の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。
例えば、第２の実施形態において制御システムにおける電源装置の接続形態は手動で入力しているが、電源装置に係る情報を取得できる構成を備えた入出力装置を用いる場合には、電源装置の接続形態に係る情報を自動的に取得する構成としてもよい。

１ 制御システム
１０ 制御装置
２１〜２５ 入出力装置
３１〜３３ 電源装置
４０〜４４ｂ ノイズカウンタ
５０ ノイズ検出回路
５１ 位相検出回路
５２ 位相比較器
５３ 基準クロック回路
５４ 位相判定回路
５５ 記録手段

Claims (2)

1. シリアル通信機能を有する制御装置とリクロック機能を有する複数の入出力装置がデイジーチェーン接続された制御システムであって、
   前記入出力装置は、
   シリアル通信により受信したシリアルデータの立ち上がりあるいは立ち下がりエッジの位相を検出し、前記シリアルデータの立ち上がりあるいは立ち下がりエッジの位相と基準クロックの位相との間の位相差を位相差データとして出力する位相検出回路と、
   前記位相検出回路から出力される前記位相差データが予め設定された範囲を超えたか否かを判定し、前記位相差データが予め設定された範囲を超えたと判定した場合に判定信号を出力する位相判定回路と、
   前記位相判定回路が出力した前記判定信号の回数を記録する第１の記録手段と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記シリアル通信機能により前記入出力装置の第１の記録手段が記録した各入出力装置の前記判定信号の回数を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得した前記各入出力装置の前記判定信号の回数に基づいてノイズの混入経路を特定するノイズ特定手段と、
   前記ノイズ特定手段により特定したノイズの混入経路を通知する通知手段と、
   を備えたことを特徴とする制御システム。
2. 前記制御装置は、
   前記複数の入出力装置に接続された電源装置の接続形態を入力する入力手段と、
   前記入力手段により入力した前記電源装置の接続形態を記録する第２の記録手段と、
   を更に備え、
   前記ノイズ特定手段は、前記シリアル通信機能により取得した前記各入出力装置の前記判定信号の回数と、前記第２の記録手段により記録された前記電源装置の接続形態に基づいてノイズの混入経路を特定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御システム。

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