JP4986155B2 - 通信品質診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の間隔時間でフレームを送受信する通信の品質を診断する通信品質診断装置に関するものである。

フィールド(現場)と制御システムの間で温度や流量等のプロセス入出力のやりとりに、Foundation Fieldbus FF-H1, PROFIBUS-PA等の２線式バス給電型のディジタル通信によるフィールドバスを取り入れているプロセス制御システムでは、これらのフィールドバスの通信品質を常時監視し、実際に通信障害となる前に品質の劣化をユーザに通知して必要な対策を講ずることを可能とする品質管理が望まれている。

従来、温度計,圧力伝送器,バルブポジショナ等のフィールド機器とコントローラとを一対一のアナログ信号で行っていた入出力を、フィールドバスの採用によりディジタル通信として機器1台あたりに多くの情報を扱えるようになったのと同時に、１本の信号線(セグメント)上に複数台の機器を扱えるようになった。

このため、フィールドバス通信入出力モジュールがアナログ入出力モジュールと比べて高価なこともあって、できるだけ多くのフィールドバス機器を１セグメント上に接続し実装効率を上げる設計が行なわれている。

図７は、フィールドバスを採用した従来の制御システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。上位装置１は、制御バス２を介してコントローラ３と通信する。コントローラ３は、フィールドバス通信入出力モジュール４を介して１セグメントを形成するフィールドバス５に接続された複数台の機器６ａ，６ｂ，…６ｎと通信し、これらの制御を実行するマルチドロップ方式の構成をとる。

図８は、ノイズの影響を受けるフィールドバス上のフレーム波形図である。図８（Ａ）は、フィールドバス上にノイズが存在しない(もしくは仕様上の許容範囲内の電圧レベル)状態の通信波形を示している。この場合、フィールドバス仕様により通信フレームの間隔がほぼ均一となっている。

図８（Ｂ）は、単発ノイズの重畳による影響を示しており、フレームの途中でノイズが重畳した場合はフレーム内容が破壊され（現象１）、フレーム間にノイズが重畳した場合はフレーム間隔が不安定に拡大する（現象２）が発生する。

図８（Ｃ）は、微小振幅ノイズの重畳による影響を示しており、（Ｂ）と同様なフレーム間隔が不安定に拡大する（現象２）状態並びに受信動作が完了しない（現象３）状態が発生する。

前記の現象１〜３が頻発するようになると、通信障害として顕在化することになる。現状のセグメントの健全性診断は、このフレーム破壊の回数（CRC Errorチェック）をベースに行われている。

このような現象に至る前の段階(ノイズのレベルがまだ比較的低い段階)において、実際のバス上では、現象３のような「フレーム間隔時間が不安定」という現象が見られるようになる。これは、これから送信を開始しようとしていたフィールドバス機器が、これらのノイズを実際のフレームの一部として認識したため、フィールドバス仕様で決められている最小フレーム間隔時間を守るために送信開始時間を遅らせるためである。

図９は、ノイズ環境におけるフレーム間隔の乱れを示すタイムチャートである。図９（Ａ）は、ノイズが無い適正な通信環境におけるフレーム間隔時間を示しており、フレーム間隔がほぼ均一である。

一方、フレーム破壊まで至っていなくても、現象２のようにノイズにより送信開始タイミングが遅れることにより、フレーム間隔にばらつきが発生する。図９（Ｂ）は、このフレーム間隔のばらつきを示したものである。

特開２００６−２８７６８４号公報

フィールドバスを用いた入出力機能の場合、セグメント上に不正な波形がノイズとして重畳したり、フィールドバスに接続された機器がセグメント上に不正な波形を出すような故障状態となって通信障害が発生すると、図７に示すように、同一セグメント上に接続されている他の全ての機器の入出力に悪影響が及び、最悪の場合、同一セグメント上の機器との通信が一切行えなくなり、コントローラでの制御動作が停止する場合もある。

このような状況を未然に防ぐために、セグメントの通信品質を診断し、ユーザに警告を行うセグメント診断機能が各ベンダにおいて開発されてきている。現状では、このフィールドバスセグメントの通信品質の指標として「フレームのデータ破壊」を用いることが主流となっている。

しかしながら、フレームのデータ破壊は、通信障害とほぼ同じレベルの現象で「検出→通信障害発生」が非常に近い位置あり、通信障害の原因究明という局面でしか使えない場面が多く、通信障害の予知診断のための手法としては利用できない、という問題がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、ノイズによる通信障害が顕在化する前の段階で、早期に前兆現象を検出して警報することを可能とする通信品質診断装置の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りの構成になっている。
（１）所定の間隔時間でフレームを送受信する通信の品質を診断する通信品質診断装置において、
前記フレームの、今回の送／受信開始時間と一つ前の送／受信完了時間との時間差で与えられるフレーム間隔時間を監視するフレーム間隔時間検出部と、
検出されたフレーム間隔時間が、少なくとも１個のフレーム間隔時間を示す第１の閾値を超える回数を検出し、この検出回数が第２の閾値を超えた時に診断異常と判定するフレーム間隔異常判定部と、
診断異常をアラームとして上位装置に通知する診断異常通知部と、
を備え、
前記フレーム間隔時間検出部は、プロセス制御システムに用いられるフィールドバスに接続された複数のフィールド機器が１台のコントローラと通信する通信環境における前記フィールドバス上の送受信フレームを監視することを特徴とする通信品質診断装置。

（２）前記第２の閾値は、前記第１の閾値を超えるフレーム間隔時間の連続数であることを特徴とする（１）に記載の通信品質診断装置。

（３）前記フレーム間隔異常判定部は、正常な通信でフレーム間隔時間が定常値より伸びるフレームのフレーム間隔時間を、異常診断対象より除外することを特徴とする（１）または（２）に記載の通信品質診断装置。

（４）前記フレーム間隔時間検出部は、送信フレームまたは受信フレームの、送信または受信完了時間情報並びに受信フレームまたは送信フレームのデータ長情報に基づいて前記フレーム間隔時間を検出することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の通信品質診断装置。

（５）前記フレーム間隔時間検出部は、送信フレームまたは受信フレームの、送信または受信完了時間情報に基づいて前記フレーム間隔時間を検出することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の通信品質診断装置。

（６）前記フレーム間隔異常判定部は、所定のサンプリング周期毎に判定することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の通信品質診断装置。
（７）前記フィールドバスは、２線式バス給電型のディジタル通信であることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の通信品質診断装置。
（８）前記フィールド機器の１つは、温度計、圧力伝送器、バルブポジショナのいずれかであることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の通信品質診断装置。

本発明の構成によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）「通信フレーム破壊」という通信障害と同等の現象ではなく、フレーム破壊発生前の兆候現象レベルで通信環境の適不適を判断することができる。

（２）これにより、実際の現場において、余裕を持った障害要因の調査、保守点検スケジュールを立てることができる。

（３）毎秒１００回程度行われるフィールドバス通信のほぼ全てでフレーム間隔の判定が行えるため、サンプリング間隔を、従来の「受信フレーム破壊」を元にした診断手法に比べて遙かに短く設定できる。このため、異常判定までの応答時間を高速化することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明の通信品質診断装置を備える制御システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。図７で説明した従来システムと同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

本発明が適用されるフィールドバス通信入出力モジュール１００は、通信品質診断装置２００を内蔵すると共に、送受信バッファ１０１及び送受信回路１０２を備え、フィールドバス５に接続された機器と通信する。機器６ａを代表で示せば、送受信バッファ６１及び送受信回路６２によりフィールドバス通信入出力モジュール１００と通信する。

本発明は、フレーム間隔のばらつきの頻度をパラメータとして、セグメントの通信品質を診断することがポイントである。通信診断装置２００の機能構成は、フレーム間隔時間検出部２０１、フレーム間隔異常判定部２０２、診断異常通知部２０３により構成されており、その中で中心となるのは２０１及び２０２である。

フレームの間隔時間を監視する、フレーム間隔時間検出部２０１の間隔時間検出の手法を説明する。一般に、オシロスコープ等の外部測定器では、波形を使って送／受信終了から次の送／受信開始までを観測することでフレーム間隔を容易に測定できる。

しかしながら、通信入出力モジュールの場合、この内の送／受信開始のタイミングは通信を行うためには不要であり、もしこれを検出しようとすると、本来の仕事に不要なハードウェアが必要となる。

本発明では、このような無駄なハードウェアを追加することなく、通信入出力モジュールが本来の仕事である通信動作に必須となっている機構を流用することによりフレーム間隔時間を検出することを特徴としている。

図２は、フレーム間隔時間検出部の動作を説明する機能ブロック図である。図２（Ａ）は、フィールドバス通信入出力モジュール１００から機器６ａへの送信動作時、図２（Ｂ）は機器６ａからフィールドバス通信入出力モジュール１００への受信動作時を示している。

これら通信で得られる情報である「送／受信データ長」（Ls,Lr）と「送／受信完了時間」（Ts,Tr）を用いて、フレーム間隔時間を「今回と一つ前の送/受信完了時間との時間差から、（今回の送／受信データ長×1データ当たりの時間）を引いたもの」として算出する。

図３は、フレーム間隔時間検出部２０１の動作を説明するタイムチャートである。このタイムチャートにより、送信→受信、受信→送信、受信→受信の各場合のフレーム間隔時間Ti1，Ti2，Ti3，Ti4を算出すると、
（１）Ti1 = Tr1-Ts1-Lr1*B [送信→受信 の順の場合] (B: 1データ当たりの時間)
（２）Ti2 = Ts2-Tr1-Ls2*B [受信→送信 の順の場合]
（３）Ti3 = Tr2-Ts2-Lr2*B
（４）Ti4 = Tr3-Tr2-Lr3*B [受信→受信 の順の場合]
となる。

よって、送信／受信のどのような組み合わせにおいても、フレーム間隔時間の測定が可能である。これは、自分自身が送信動作時には検出できない「受信フレーム破壊」を元にした従来の診断手法に比べて、検出対象が広がるという効果もある。

次に、フレーム間隔時間検出部２０１で検出されたフレーム間隔時間が、所定の閾値を超えた時に診断異常と判定するフレーム間隔異常判定部２０２の動作を説明する。図４は、フレーム間隔異常判定部２０２の動作を説明する波形図であり、各サンプリング周期Ｔ１〜Ｔ５のおけるフレーム間隔時間の変動状況を示している。

フレーム間隔時間検出部２０１は、判定の基準として第１の閾値Ｌ１、第２の閾値Ｌ２、第３の閾値Ｌ３が設定され、サンプリング周期毎に第１の閾値Ｌ１を超えたフレームが第２の閾値Ｌ２または第３の閾値Ｌ３を超えた時に診断異常と判定する。

（１）判断閾値Ｌ１：
フレーム間隔時間のブレの度合いの許容範囲を設定する。フィールドバス仕様による論理的な計算結果と比較し、この範囲以上大きくなった場合に、診断異常判定の候補とする。この判断閾値は、複数段階に設定して危険候補の管理をきめ細かくすることも可能である。

（２）判断閾値Ｌ２：
閾値Ｌ１を超えた検出回数が、Ｌ２で設定される値を超えた場合に、診断異常と判断する。閾値Ｌ２を例えば４に設定したとすれば、図４におけるサンプリング周期Ｔ４では４個が閾値Ｌ１を超えているので診断異常の判定となる。他のサンプリング周期では４個未満であるために診断異常の判定とならない。

（３）判断閾値Ｌ３：
第１の閾値Ｌ１を超えたフレームの連続数が、Ｌ３で設定される値を超えた場合に、診断異常と判断する。閾値Ｌ３を例えば３に設定したとすれば、図４におけるサンプリング周期Ｔ２では３個が連続して閾値Ｌ１を超えているので診断異常の判定となる。他のサンプリング周期では連続個数が３個未満であるために診断異常の判定とならない。

（４）閾値判定の例外：
フレーム間隔異常判定部１０２は、正常な通信で間隔時間が定常値より伸びるフレームＦの情報をフィールドバス通信入出力モジュール内部から取得し、このフレームＦの間隔時間を異常診断対象より除外する。

診断異常通知部２０３は、フレーム間隔異常判定出部２０２において診断異常と判定された場合に、その診断結果をコントローラ３及び制御バス２を経由して上位装置１にアラームとして通知する。

上位装置１には、図示されていないが通信異常への対応処理を実行するアプリケーションが稼動しており、診断異常通知部２０３からのアラームに基づく対応策の指令をオペレータに指示する。

フレーム間隔時間検出部２０１の仕組みとして、送受信開始／完了のタイミングを取得できる場合は、図２及び図３によるフレーム長による演算の代わりに、フレーム間隔時間を直接検出することも可能である。

図５は、フレーム間隔時間検出部の動作を説明する他の実施形態を示す機能ブロック図である。図６は、図５におけるフレーム間隔時間検出部の動作を説明するタイムチャートである。

この実施形態によれば、送信及び受信動作時に取得される送信開始時間、送信完了時間、受信開始時間、受信完了時間情報に基づいて送信→受信、受信→送信、受信→受信、送信→送信の各場合のフレーム間隔時間を簡単な減算により算出することができる。

以上説明した実施形態ではフィールドバス通信によるプロセス制御システムへの適用例を説明したが、本発明は所定の間隔時間でフレームを送受信する通信一般の品質を診断する通信品質診断装置に汎用的に適用することができる。

本発明の通信品質診断装置を備える制御システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。 フレーム間隔時間検出部の動作を説明するする機能ブロック図である。 図２におけるフレーム間隔時間検出部の動作を説明するタイムチャートである。 フレーム間隔異常判定部の動作を説明する波形図である。 フレーム間隔時間検出部の動作を説明する他の実施形態を示す機能ブロック図である。 図５におけるフレーム間隔時間検出部の動作を説明するタイムチャートである。 従来の制御システムの一実施形態を示す機能ブロック図である。 ノイズの影響を受けるフィールドバス上のフレーム波形図である。 ノイズ環境におけるフレーム間隔の乱れを示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 上位装置
２ 制御バス
３ コントローラ
７ フィールドバス
８ 機器
８１ 送受信バッファ
８２ 送受信回路
１００ フィールドバス通信入出力モジュール
１０１ 送受信バッファ
１０２ 送受信回路
２００ 通信品質診断装置
２０１ フレーム間隔時間検出部
２０２ フレーム間隔異常判定部
２０３ 診断異常通知部

Claims (8)

1. 所定の間隔時間でフレームを送受信する通信の品質を診断する通信品質診断装置において、
   前記フレームの、今回の送／受信開始時間と一つ前の送／受信完了時間との時間差で与えられるフレーム間隔時間を監視するフレーム間隔時間検出部と、
   検出されたフレーム間隔時間が、少なくとも１個のフレーム間隔時間を示す第１の閾値を超える回数を検出し、この検出回数が第２の閾値を超えた時に診断異常と判定するフレーム間隔異常判定部と、
   診断異常をアラームとして上位装置に通知する診断異常通知部と、
   を備え、
   前記フレーム間隔時間検出部は、プロセス制御システムに用いられるフィールドバスに接続された複数のフィールド機器が１台のコントローラと通信する通信環境における前記フィールドバス上の送受信フレームを監視することを特徴とする通信品質診断装置。
2. 前記第２の閾値は、前記第１の閾値を超えるフレーム間隔時間の連続数であることを特徴とする請求項１に記載の通信品質診断装置。
3. 前記フレーム間隔異常判定部は、正常な通信でフレーム間隔時間が定常値より伸びるフレームのフレーム間隔時間を、異常診断対象より除外することを特徴とする請求項１または２に記載の通信品質診断装置。
4. 前記フレーム間隔時間検出部は、送信フレームまたは受信フレームの、送信または受信完了時間情報並びに受信フレームまたは送信フレームのデータ長情報に基づいて前記フレーム間隔時間を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の通信品質診断装置。
5. 前記フレーム間隔時間検出部は、送信フレームまたは受信フレームの、送信または受信完了時間情報に基づいて前記フレーム間隔時間を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の通信品質診断装置。
6. 前記フレーム間隔異常判定部は、所定のサンプリング周期毎に判定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の通信品質診断装置。
7. 前記フィールドバスは、２線式バス給電型のディジタル通信であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の通信品質診断装置。
8. 前記フィールド機器の１つは、温度計、圧力伝送器、バルブポジショナのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の通信品質診断装置。

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