JP5332421B2 - 計測レコーダ・システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の計測レコーダ間で時刻同期をとる計測レコーダ・システムに関し、特に、複数の計測レコーダのいずれかに故障が発生しても、残りの計測レコーダ間では時刻同期をとることができる計測レコーダ・システムに関する。

一般に、計測レコーダは工場内の広域エリアに分散して配置され、多数の測定ポイントのデータを記録する。また、これらの計測レコーダで測定されたデータを相互に関連付けるためには高精度な時刻同期を行うことが必要とされる。

しかし、長期間に渡る測定を計測レコーダに内蔵された時計で行うと、それぞれ時計の誤差が累積して高精度に時刻同期を行えないという問題がある。

そこで、近年の計測レコーダは、ネットワークを利用して複数の計測レコーダを分散して接続し、これら計測レコーダ間で種々の方法を用いた時刻同期を行い、所定の時刻における測定データを収集している。ネットワークを利用した時刻同期の方法には次のような特許文献がある。

特開２００１―３５６１８２号公報

以下、図面を参照して一般的な計測レコーダを説明する。図１１において、計測レコーダ１０は、センサ１１０，１１１，１１２で測定した値を時系列に記録紙またはメモリに記録するものである。

図１２は計測レコーダ１０の構成図である。水晶発振子１１はクロック信号５０１を出力する。ＲＴＣ（リアル・タイム・クロック）１２は、一定の周期でＣＰＵ１３に割り込み信号５０２を発行する。

ＣＰＵ１３は、この割り込み信号５０２を受け取ってＡ／Ｄ（Ａ／Ｄコンバータ）１４，１５，１６にデータ取得要求５０３を出力する。Ａ／Ｄ１４，１５，１６はセンサ１１０，１１１，１１２の測定値をデジタル値に変換し、ＣＰＵ１３に出力する。

このように、従来は１台の計測レコーダ１０に複数台のセンサ１１０，１１１，１１２を接続した場合、ＲＴＣ１２から出力される割り込み信号５０２を同期信号として測定値を取得するため、センサ１１０，１１１，１１２間の測定の同時性を保証することができる。

しかし、図１３に示すように複数台の計測レコーダ１０，２０，３０を使用して、センサ１１０〜１１２、１２０〜１２２、１３０〜１３２で測定したデータを記録する場合、計測レコーダ１０，２０，３０間では記録したデータの同時性を保証できない場合がある。

特に、これらの計測レコーダ１０，２０，３０を接続するネットワークがイーサネット（登録商標）Ｌ（登録商標）の場合には、図示しないパーソナルコンピュータ，プリンタ等の一般ＯＡ機器、更にはＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ），Ｉ／Ｏモジュール等の産業用デバイスに至るまで多数の機器が接続されており、様々なデータがやり取りされている。

従って、例えば異なる計測レコーダに接続されたセンサ１１０，１２０，及び１３０における測定値をたがいに比較・演算する場合には、各々のセンサ１１０，１２０，１３０で測定したデータの同時性が保証されず、比較・演算結果の信頼性が低いという問題がある。

また、他の問題として、システム全体の故障耐性の問題がある。例えば、図１４のように１台の計測レコーダ４０をマスタとすると共に、その他の計測レコーダ１０，２０，３０をスレーブとし、計測レコーダ４０から同期信号５１０を発行するシステムの場合、マスタである計測レコーダ４０が予期せぬ事由により動作不能に陥ると復帰が極めて困難となる。

さらに、図１４のようなシステムを構築すると、マスタとして稼動している計測レコーダ４０のみならず、スレーブとして動作する計測レコーダ１０，２０，３０の全てが時刻同期をとることができない 。

また、一般に、専用線を用いて同期信号を配信する方法がある。この方法を用いた場合、専用線上に流れる信号が同期信号のみに限定されるため、信号の伝達遅延時間（ＲＴＴ：Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ）が常に一定となり、精度の高い同期動作が期待できる。

しかし、専用線の敷設コストがかかり、システム全体の配線が煩雑になるという問題が生じる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、複数の計測レコーダ間で時刻同期をとることができ、特に、複数の計測レコーダのいずれかに故障が発生しても、残りの計測レコーダ間では時刻同期をとることができる計測レコーダ・システムを提供することを目的とする。

この様な課題を達成するために本発明は次の構成を備える。
（１） ネットワークを介して接続された複数の計測レコーダ間における測定時刻の同期をとる計測レコーダ・システムにおいて、
前記複数の計測レコーダ間の測定時刻の同期を取る信号を出力するマスタと、
このマスタが通信不能となった場合に自己の機器情報を前記ネットワークに出力すると共に、自己の機器情報と他の前記計測レコーダから配信されてきた機器情報を比較し、新たにマスタとなる前記計測レコーダを決定する複数のスレーブと、
を備え、
前記計測レコーダは、
リアル・タイム・クロックと、
前記リアル・タイム・クロックからＣＰＵに入力された割り込み信号の数をカウントするカウンタと、
を具備し、
前記カウンタのカウント数は前記計測レコーダにおける周期的に行われる各処理を実行する時間に対応付けられるとともに、特定のカウント数では実行すべき処理がなく、
スレーブとなっている前記計測レコーダは、マスタとなっている前記計測レコーダからの前記信号を受信した時点における前記カウンタのカウント数に基づき、前記特定のカウント数をスキップするか否かを決定することで、測定時刻をマスタとなっている前記計測レコーダにおける測定時刻に近づけることを特徴とする計測レコーダ・システム。
（２） スレーブとなっている前記計測レコーダは、
マスタとなっている前記計測レコーダに向けてデータを送信するデータ送信手段と、
前記データを受信した、マスタとなっている前記計測レコーダからの返信を受信するデータ受信手段と、
前記データ送信手段による送信時および前記データ受信手段による受信時における前記カウンタのカウント値の差に基づいて、マスタとなっている前記計測レコーダから自らの計測レコーダにデータが到達するまでの伝送遅延時間を算出する算出手段と、
を具備し、
スレーブとなっている前記計測レコーダは、前記算出手段における算出結果を加味して前記特定のカウント数をスキップするか否かを決定することを特徴とする請求項１に記載の計測レコーダ・システム。

本発明では次のような効果がある。マスタである計測レコーダが予期せぬ事由により動作不能に陥った場合、若しくは同期信号の伝達経路が予期せぬ事由により遮断された場合でも、スレーブとして動作していた計測レコーダが新たにマスタとして動作する計測レコーダを決定して時刻同期をとるので、障害に強い計測レコーダ・システムを提供することができる。

また、専用線を用いずに各計測レコーダ間で時刻同期をとることができる計測レコーダ・システムを提供することができる。

以下、図１を参照して本発明による計測レコーダ・システムの構成例を説明する。図１は本発明による計測レコーダ・システムの構成図である。ただし、図１３，図１４と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

計測レコーダ６０，６１，６２は、ネットワークＬ２を介してイーサネット（登録商標）・ハブ３００で接続されている。また、図１では、計測レコーダ６２がマスタとなり同期信号５２０を出力し、イーサネット（登録商標）・ハブ３００を介して計測レコーダ６０，６１に入力する。

次に、図２を参照して計測レコーダ６０の構成を説明する。ただし、図１２と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。また、計測レコーダ６１，６２については計測レコーダ６０と同様の構成であるので説明を省略する。

図２は、図１２の構成にカウンタ１７を加えたものである。ここでカウンタ１７は、ＲＴＣ１２から出力される割り込み信号５０２の回数をカウントするものであり、割り込み信号５０２が入力されると１ずつカウントアップされていき、測定周期毎に０にリセットされる。

このように、カウンタ１７を導入することで、ＣＰＵ１３は、ＲＴＣ１２からの割り込み信号５０２を、カウンタ１７のカウント値を参照することにより検出する。そして、ＣＰＵ１３は、カウンタ１７のカウント値が所定の値になったことを確認し、Ａ／Ｄ１４，１５，１６に対してデータ取得要求５０３を出力するので、このデータ取得信号５０３は毎回決まったタイミングで出力される。

ＣＰＵ１３は、測定周期毎に、上述の要領で毎回決まったタイミングでＡ／Ｄ１４，１５，１６に対してデータ取得要求５０３を発行し、センサ１１０，１１１，１１２で測定したデータを取得する。

ここで、ＲＴＣ１２から出力される割り込み信号５０２は、測定周期の１／１０の間隔 （例えば測定周期が「１００ｍｓｅｃ」であれば、割り込み信号５０２は「１０ｍｓｅｃ」)毎に発行するようにＲＴＣ１２を設定する。

次に、図２のカウンタ１７の動作について図３を参照して説明する。図３のカウンタ１７のカウント値は、割り込み信号５０２が入力されると１ずつカウントアップされる。また、「処理１」〜「処理８」は、例えば時刻の更新、Ａ／Ｄ変換されたデータの記録等、各計測レコーダの製品仕様により定周期で実行する必要のある処理内容を示している。

例えば、「処理１」の実行内容である「Ａ／Ｄ起動」は、図２のＡ／Ｄ１４，１５，１６に対して測定値をデジタル値に変換する命令の発行を示しており、「処理７」の内容である「Ａ／Ｄデータ受理」は、デジタル値に変換された測定値をＡ／Ｄ１４，１５，１６から受信する処理を示している。

なお、これらの動作から分かるように、一般に計測レコーダ６０においては、「処理１」の「Ａ／Ｄ起動」が行われてから処理７の「Ａ／Ｄデータ受理」までにある程度の時間を要する。

また、複数の計測レコーダ６０，６１，６２間で測定同期を実現するため、図３に示すカウンタ１７のカウント値が「９」のときのように、「処理」を行わない空隙を１箇所設けておく。

また、同期信号を配信するマスタである計測レコーダ６２は、カウンタ１７のカウント値が「０」のときに同期信号を配信する。

次に、図１を参照して測定同期の方法について説明する。スレーブである計測レコーダ６０，６１は、マスタである計測レコーダ６２から送信される同期信号５２０を受信した時点のカウンタ１７のカウンタ値（例えば「６」）を保持する。

マスタである計測レコーダ６２がスレーブである計測レコーダ６１へ同期信号５２０を送信するタイミングは、図３で説明したようにカウンタ１７のカウント値が「０」の時点である。

従って、スレーブである計測レコーダ６１が同期信号５２０を受信したときのカウンタ１７のカウンタ値（上記「６」）から、後述する伝達遅延時間 (ＲＴＴ：Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ)に相当するカウント値を引いた値がマスタである計測レコーダ６２とスレーブである計測レコーダ６１との測定タイミングの差（カウント数）となる。

ここで伝達遅延時間ＲＴＴは次のように求める。すなわち、スレーブである計測レコーダ６１から伝送遅延時間を測定するためのデータ（ＲＴＴ計測用データ）をマスタである計測レコーダ６２に出力し、マスタである計測レコーダ６２はこのＲＴＴ測定用データをそのままスレーブである計測レコーダ６１に返信する。

スレーブである計測レコーダ６１は、このＲＴＴ計測用データを受信した時点における自己のカウンタ１７のカウンタ値（例えば「８」）を読む。このとき、スレーブである計測レコーダ６１内のカウンタ１７のカウンタ値「８」（ＲＴＴ計測用データがスレーブ計測レコーダ６１とマスタ計測レコーダ６２とを往復する時間）を２で割った値がマスタである計測レコーダ６０からスレーブである計測レコーダ６１にデータが到達するまでの伝達遅延時間ＲＴＴ（８／２＝４）である。

尚、カウンタ１７のカウント値と伝送遅延時間の関係は１対１となるように設定されているものとする。（つまり、伝送遅延時間が「１」でカウンタのカウント値が「１」。）

また、測定タイミングの差（ここでは、マスタ計測レコーダ６０から同期信号を受信した時点のスレーブ計測レコーダ６１内カウンタ１７のカウント値である「６」−伝送遅延時間「４」相当のカウント値＝「２」）は、図３の処理の隙間（カウンタ１７のカウント値「９」）をスキップし、スレーブである計測レコーダ６１とマスタである計測レコーダ６２との間で生じた測定タイミングのズレを吸収する。この様子を表したのが図４であり、スレーブとなる計測レコーダ６１のＣＰＵ１３が遅延時間を考慮してカウント「９」をスキップし、カウント「０」とする。

図４は、遅延時間を吸収するため、符号６０１のように本来カウンタ１７のカウント値が「９」となるところをスキップし、カウント値を「０」としている。また、カウントのスキップは、測定周期毎に、差の量（カウント数）に応じて複数回行われる。尚、ここでは測定タイミングの差が「２」なので、カウンタ１７のカウント値「９」のスキップを２回行う。

このように、測定タイミングのズレを処理の隙間を利用して吸収する（カウント値「９」をスキップする）ので、計測レコーダ６０，６１間で記録したデータの同時性を保証できる。

一方、マスタである計測レコーダ６２と、スレーブとなる他の計測レコーダ６０との間のデータの測定同期を取る方式も上述と同様である。

尚、上記の測定同期は、処理の隙間であるカウント値「９」だけをスキップする方式を例示したが、処理の隙間が他のカウント値「ｍ」（「ｍ」は、上記の例では０≦ｍ≦８となる整数）にもある場合は、カウント値「９」とともにそのカウント値「ｍ」もスキップするようにしてもよい。これによれば、上記の例にあって、測定タイミングの差「２」を一度で解消できる。

次に、新たに計測レコーダがネットワークに参加する場合と、マスタとなる計測レコーダ６２の決定方法とについて図５を参照して説明する。自己の計測レコーダが、「スレーブ」に設定されるか或いは「マスタ」に設定されるかは、次の方法で決定する。

図５において、計測レコーダ６４が新規にネットワークＬ３に参加した場合、計測レコーダ６４は既にマスタとなっている計測レコーダ６０から同期信号が入力される。したがって、新たにネットワークＬ３に参加した計測レコーダ６４は、ネットワークＬ３上にマスタが既に存在しているとみなし自己をスレーブとして動作する。

続いて、障害が発生したときのマスタの決定方法について説明する。図６のようにマスタである計測レコーダ６０のネットワークＬ３が、何らかの障害により遮断された場合、スレーブとなっている計測レコーダ６１〜６４は、同期信号を受信することができない。

スレーブである計測レコーダ６１〜６４は、一定時間同期信号が受信できないと、マスタがネットワークＬ３から遮断され又はマスタが故障したものと判断し、新たにマスタとなる計測レコーダを決定する。

次に、新たなマスタとなる計測レコーダの決定方法を図７のフローチャートを参照して説明する。まず、各々の計測レコーダは自己の機器情報をネットワークＬ３に配信する（ステップＳＡ１）。ここで、機器情報は、イーサネット（登録商標）・マック・アドレス、計測レコーダのシリアル番号等、ネットワークＬ３上で自己の計測レコーダを一意に決定し得るものを用いる。

計測レコーダは、他の計測レコーダから出力される機器情報を受信する（ステップＳＡ２）。そして、自己の機器情報と他の計測レコーダから配信されてきた機器情報を比較し（ステップＳＡ３）、計測レコーダ間の「共通ルール」によって、自己の計測レコードがマスタとなるかどうかを判定する（ステップＳＡ４）。

ここで計測レコーダ間の「共通のルール」とは、例えばマック・アドレスが一番小さい計測レコーダをマスタとする、シリアル番号が一番大きい計測レコーダをマスタとするなどである。

マスタとなった計測レコーダは、ネットワークＬ３上に同期信号を配信する（ステップＳＡ５）。一方、スレーブとなった計測レコーダは、マスタから配信される同期信号５２０を受信し、測定タイミングを調整する（ステップＳＡ６）。

このように、マスタが接続されているネットワークＬ３が何らかの障害により遮断され、又はマスタが故障した場合でも、残りのスレーブがそれを検出して新たなマスタを決定するため、測定同期を継続して行うことができる。

次に、図８、図９を参照して伝送遅延時間ＲＴＴの算出方法を説明する。ここで、図８はネットワークＬ３に新たな計測レコーダ６４が参加した場合の構成図であり、図９は図８の動作を説明するフローチャートである。

新たに計測レコーダ６４がネットワークＬ３に参加し、スレーブとして動作する場合には、まずマスタとなる計測レコーダ６０との間で信号の伝達遅延時間ＲＴＴを計測する。

ネットワークＬ３に参加した計測レコーダ６４は、内部のカウンタ１７のカウント値「０」の時点でマスタである計測レコーダ６０に対して、ＲＴＴ計測用データＳ５３０を送信する（ステップＳＢ１）。

マスタである計測レコーダ６０は、ＲＴＴ計測用データＳ５３０を受信すると（ステップＳＢ２）、このＲＴＴ計測用データＳ５３０をそのまま送信元の計測レコーダ６４に返信する。

ここで、ネットワークＬ３に参加した計測レコーダ６４は、計測レコーダ６０から返信されたＲＴＴ計測用データＳ５３０を受信した時点における自己のカウンタ１７のカウンタ値を読む。このときのカウンタ１７のカウンタ値を２で割った値がマスタである計測レコーダ６４からスレーブである計測レコーダ６４にデータが到達するまでの伝達遅延時間ＲＴＴとなる（ステップＳＢ３）。

また、伝送遅延時間の測定は複数回行い（ステップＳＢ４）、その平均値を採用するようにしてもよい。これはイーサネット（登録商標）を使用した場合、多数の機器が接続されており様々なデータがやり取りされているため伝送遅延時間が安定しないからである。

また、所定の回数を計測した後、伝送遅延時間の標準偏差 (バラツキの大きさ) を求め（ＳＢ５）、既定値以上の場合はもう一度所定の回数の計測を行う（ステップＳＢ４〜ステップＳＢ７）ようにしてもよい。

このように、マスタとスレーブの間の平均伝送遅延時間を測定するので、伝達遅延時間が安定しないイーサネット（登録商標）上でも、正確な測定同期を行うことができる。

次に、図１０を参照して本発明の応用例を説明する。図１０に示す計測レコーダ７０〜７４は無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信部を備え、この無線ＬＡＮ通信部で他の計測レコーダと通信を行う。

一般に無線ＬＡＮ回線は、汎用イーサネット（登録商標）以上に外乱の影響を受けやすく、ネットワークの伝達遅延時間が安定しない。しかし、伝送時間の遅延の平均値を求めてその値を補償すれば、図８、図９の例と同様に伝送遅延時間の影響が少ない計測レコーダ・システムを提供できる。

本発明の計測レコーダ・システムの構成図である。 計測レコーダ６０の構成図である。 カウンタのカウント値と処理の関係を表した説明図である。 カウントをスキップし測定タイミングのズレを吸収する様子を表した説明図である。 ネットワークＬ３に新たな計測レコーダが参加する場合の図面である。 マスタである計測レコーダ６０が遮断された場合の説明図である。 図６のフローチャートである。 平均遅延時間を算出する場合の構成図である。 図８のフローチャートである。 本発明の応用例である。 従来の計測レコーダ１０に複数のセンサ１１０，１１１，１１２が接続される様子を表した図面である。 従来の計測レコーダ１０の構成図である。 複数の計測レコーダ１０，２０，３０を使用した例である。 従来の時刻同期の方法を説明する図面である。

符号の説明

１１ 水晶発振子
１２ ＲＴＣ
１３ ＣＰＵ
１４，１５，１６ Ａ／Ｄ変換器
６０，６１，６２ 計測レコーダ
１１０，１１１，１１２ センサ
１２０，１２１，１２２ センサ
１３０，１３１，１３２ センサ
３００ イーサネット（登録商標）・ハブ

Claims (2)

1. ネットワークを介して接続された複数の計測レコーダ間における測定時刻の同期をとる計測レコーダ・システムにおいて、
   前記複数の計測レコーダ間の測定時刻の同期を取る信号を出力するマスタと、
   このマスタが通信不能となった場合に自己の機器情報を前記ネットワークに出力すると共に、自己の機器情報と他の前記計測レコーダから配信されてきた機器情報を比較し、新たにマスタとなる前記計測レコーダを決定する複数のスレーブと、
   を備え、
   前記計測レコーダは、
   リアル・タイム・クロックと、
   前記リアル・タイム・クロックからＣＰＵに入力された割り込み信号の数をカウントするカウンタと、
   を具備し、
   前記カウンタのカウント数は前記計測レコーダにおける周期的に行われる各処理を実行する時間に対応付けられるとともに、特定のカウント数では実行すべき処理がなく、
   スレーブとなっている前記計測レコーダは、マスタとなっている前記計測レコーダからの前記信号を受信した時点における前記カウンタのカウント数に基づき、前記特定のカウント数をスキップするか否かを決定することで、測定時刻をマスタとなっている前記計測レコーダにおける測定時刻に近づけることを特徴とする計測レコーダ・システム。
2. スレーブとなっている前記計測レコーダは、
   マスタとなっている前記計測レコーダに向けてデータを送信するデータ送信手段と、
   前記データを受信した、マスタとなっている前記計測レコーダからの返信を受信するデータ受信手段と、
   前記データ送信手段による送信時および前記データ受信手段による受信時における前記カウンタのカウント値の差に基づいて、マスタとなっている前記計測レコーダから自らの計測レコーダにデータが到達するまでの伝送遅延時間を算出する算出手段と、
   を具備し、
   スレーブとなっている前記計測レコーダは、前記算出手段における算出結果を加味して前記特定のカウント数をスキップするか否かを決定することを特徴とする請求項１に記載の計測レコーダ・システム。

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