JPWO2014162564A1 - ノイズ判定装置 - Google Patents

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Abstract

実施の形態のノイズ判定装置は、周期性ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、前記入力信号に対して3回のサンプリングを実行するサンプリング部と、1回目と2回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズの周期の整数倍とは異なる値に設定し、2回目と3回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズが十分減衰するだけの間隔以上に設定するサンプリング間隔設定部と、1回目と2回目と3回目の3回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致する場合にのみ前記入力信号に前記ノイズが重畳していないと判定するノイズ判定部と、を備える。

Description

本発明は、ノイズ有無の判定を行なうノイズ判定装置に関する。
電子機器に関して、例えば、シーケンサシステム(プログラマブルコントローラ)内のデジタルI/Oユニットは、主に入力ユニットが入力機器から取り込んだ信号をCPUユニットに渡し、出力ユニットがCPUユニットにて入出力の処理が行われた信号を出力機器へ出力するといった役割を果たすユニットであり、入力データの安定性が重要である。しかし、ノイズが発生する環境下にて動作させる場合、ノイズの影響によって誤入力が発生するといったユニット動作に影響を及ぼす事象が発生する可能性がある。
入力データに対するノイズ対策としては、入力データをサンプリングしていき、同じサンプンリング値が規定回数連続したときに該当入力データを確定することで入力データをフィルタする技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、装置を使用する環境によって、例えば、モータが駆動し続ける装置付近においては、一定の周期性を持つノイズが発生する。上記従来の技術によれば、複数回の読み出しにおいてはデータを読み出すタイミング(以下、サンプリングという)が一定の間隔であるため、ノイズの周期とサンプリングのタイミングが一致した場合、誤入力する可能性がある。
特開2009−217539号公報
このようなノイズの効果的な除去を行なうためには、サンプリングの回数を増やし、より多くのデータを読み込むという方法がある。しかし、サンプリングの回数が増加するとCPUにかかる負荷も大きくなり、ノイズ有無の判定だけでなくシステム全体のデータ処理速度が遅くなってしまうというという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、周期性ノイズが発生する環境下においても、少ない回数のサンプリングで、ノイズの影響の有無を検出でき、誤入力のリスクを軽減できるプログラマブルコントローラを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、周期性ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、前記入力信号に対して3回のサンプリングを実行するサンプリング部と、1回目と2回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズの周期の整数倍とは異なる値に設定し、2回目と3回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズが十分減衰するだけの間隔以上に設定するサンプリング間隔設定部と、1回目と2回目と3回目の3回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致する場合にのみ前記入力信号に前記ノイズが重畳していないと判定するノイズ判定部と、を備えることを特徴とする。
本発明にかかるプログラマブルコントローラは、周期性ノイズが発生する環境下においても、少ない回数のサンプリングを実施することでノイズの影響の有無を検出でき、誤入力のリスクを軽減できるという効果を奏する。また、本発明にかかるプログラマブルコントローラは、ノイズを除去するための特別な回路が不要なため、回路、F/W等のわずかな変更で対応が可能であるので、低コストでの実現が可能である。
図1は、実施の形態にかかるプログラマブルコントローラの構成を示す図である。 図2は、実施の形態にかかるプログラマブルコントローラの構成を示す図である。 図3は、実施の形態1にかかるCPUユニットの処理の流れを示すフローチャートである。 図4は、実施の形態1にかかるサンプリング例を従来のサンプリングと対比して示した図である。 図5は、実施の形態1にかかるサンプリング例を示す図である。 図6は、実施の形態1にかかるサンプリングを制御周期で繰り返す例を示した図である。 図7は、実施の形態2にかかるCPUユニットの処理の流れを示すフローチャートである。 図8は、実施の形態2において3回のサンプリングが偶々周期性ノイズの周期と一致してしまう様子を示した図である。
以下に、本発明にかかるノイズ判定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、シーケンサシステムを例として、本発明の実施の形態にかかるプログラマブルコントローラ10の構成を示す図である。スイッチ、センサなどの入力機器100(外部機器)にプログラマブルコントローラ10は接続されている。プログラマブルコントローラ10は、入力信号を取り込む入力ユニット200、データの処理を行なうノイズ判定装置としてのCPUユニット300を備える。入力ユニット200からの入力信号には一般にノイズが重畳することがある。ノイズは周期性のノイズであることも多く、入力機器100からの信号が一定値を維持し続けている状態においても、入力信号にノイズが重畳していると判定された場合はそのデータに対してデータ処理は実行しない。従って、ノイズが重畳しているか否かの判定が必要となる。
図2は、CPUユニット300が実行する機能を機能ブロックで示して実施の形態にかかるプログラマブルコントローラ10の構成を示した図である。サンプリング部31は、サンプリング間隔設定部32が設定したサンプリング間隔で入力ユニット200からの入力信号のサンプリングを実行する。サンプリング間隔設定部32は、後述する手法によりサンプリング間隔を設定する。ノイズ判定部33は、サンプリング部31が取得した入力信号の値などに基づいて後述する手法により入力信号にノイズが重畳しているか否かを判定する。
本実施の形態においては、入力信号に重畳する周期性ノイズの周期が予測できる環境下にあって周期が予め分かっている場合について説明する。本実施の形態にかかるCPUユニット300の処理の流れを図3のフローチャートに示す。
まず、サンプリング部31は、1回目のサンプリングを実行する(ステップS10)。説明を分かりやすくするため、1回目のサンプリングのタイミングは周期性ノイズのピークであったとする。サンプリング間隔設定部32は、2回目のサンプリングがノイズの影響が最小限になるタイミングで実行されるようにサンプリング間隔を設定して(ステップS11)、2回目のサンプリングを実行する(ステップS12)。具体的には、図4の本実施の形態のサンプリング例1および2に示すように1回目と2回目のサンプリングの間隔を周期性ノイズの周期Tの整数倍とは異なる値に設定する。
例えば、図5に示すように、1回目と2回目のサンプリングの間隔をT(n+1/4)或いはT(n+3/4)にする。ここで、nは整数である。例えば、1回目のサンプリングのタイミングが周期性ノイズのピークのタイミングと一致すれば、この場合2回目のサンプリングにおいてノイズはゼロとなる。1回目のサンプリングのタイミングが周期性ノイズのピークのタイミングではなかったとしても周期Tの整数倍とは異なる値に設定することで周期性ノイズが重畳している環境下において1回目と2回目のサンプリングの値が異なる値となる可能性が高まる。
図4の従来のサンプリングの例のように、一定の間隔でサンプリングを実行しているときにその間隔が周期性ノイズの周期Tと一致してしまうと、ノイズが存在するか否かの判定のためには、サンプリング回数を増やさなければならない。従って処理時間も長くなってしまう。これに対して、本実施の形態によれば、少ないサンプリング回数で周期性ノイズの存在の判定が可能となる。
2回目のサンプリングの後、サンプリング間隔設定部32は、2回目と3回目のサンプリングの間隔を設定して(ステップS13)、3回目のサンプリングを実行する(ステップS14)。2回目と3回目のサンプリングの間隔は、1回目と3回目のサンプリングの間隔も周期性ノイズの周期Tの整数倍とは異なる値、例えば、T(m+1/4)或いはT(m+3/4)(mは整数)などとなるように設定する。ただし、1回目と2回目のサンプリングの間隔をT(n+1/4)にしたときは、1回目と3回目のサンプリングの間隔はT(m+3/4)とし、1回目と2回目のサンプリングの間隔をT(n+3/4)にしたときは、1回目と3回目のサンプリングの間隔はT(m+1/4)として、異なる位相の間隔を選択することが望ましい。このように2回目と3回目とで異なる位相のサンプリングの間隔を選択することで周期性ノイズの存在をより判定しやすくすることができると考えられる。
また或いは、図5に示すように3回目のサンプリングを周期性ノイズが十分減衰して入力信号に対してノイズの影響がなくなるまで時間を空けて実行してもよい。図4の本実施の形態のサンプリング例2に示すように、このように2回目と3回目のサンプリングの間隔を長くすれば、その間はサンプリングを実施しないためCPUユニット300を他の処理にあてることができる。
3回目のサンプリングを実行し終えた後、ノイズ判定部33は、1回目から3回目までの3回のサンプリングにより取得された値が全て一致するか否かを判定する(ステップS15)。全て一致する場合(ステップS15:Yes)は、ノイズが重畳していないとして入力データを採用する(ステップS17)。それ以外の場合、即ち、いずれか1つでもデータが異なる場合(ステップS15:No)は、入力データを破棄し(ステップS16)、ステップS10に戻って、図6に示すように3回のサンプリングを予め定めた制御周期で3回のサンプリングにより取得された値が全て一致するまで、即ちノイズが重畳しなくなるまで繰り返す。
以上説明したように、周期性ノイズが発生する環境下において、本実施の形態にかかるノイズ判定装置およびノイズ判定方法によれば、少ないサンプリング回数でノイズの影響の有無を検出することができ、誤入力のリスクを低減することができる。即ち、入力データに対して3回のサンプリングのみでノイズの有無の判定を実行するため、余分なサンプリングを行わなくて済み、少ない時間で効率的にノイズの除去を行うことができる。また、サンプリングをCPUなどの演算処理において実施している場合は、回路、F/W等のわずかな変更で低コストに実現が可能である。また、2回目と3回目のサンプリングの待ち時間の間にCPUに別の処理を実行させることが可能となり稼動効率も高まる。
実施の形態2.
本実施の形態においては、入力信号に重畳する周期性ノイズの周期が不明である環境下における場合について説明する。本実施の形態にかかるプログラマブルコントローラ10の構成を示す図は、図1および図2と同じである。本実施の形態にかかるCPUユニット300の処理の流れを図7のフローチャートに示す。
まず、サンプリング部31は、1回目のサンプリングを実行し(ステップS20)、サンプリング間隔設定部32は、1回目と2回目のサンプリングの間隔として予め定めた固定時間のサンプリング間隔を設定して(ステップS21)、2回目のサンプリングを実行する(ステップS22)。その後、2回目と3回目のサンプリングの間隔を設定して(ステップS23)、3回目のサンプリングを実行する(ステップS24)。ステップS23においては、2回目と3回目のサンプリングの間隔は異なった値を複数予め用意しておく。また、或いは固定差分時間ずつ追加していくようにして複数の間隔となるようにしてもよい。即ち、3回目のサンプリングは複数回実行する。即ち、3回目以降、予め定めた回数、サンプリング時間を変えて何度か繰り返す。ステップS25では、ノイズ判定部33は、1回目のサンプリング、2回目のサンプリング、および3回目以降で選択した1回のサンプリング、の3回のサンプリングにより取得された値が全て一致しているか否かを判定する。複数回実行した3回目のサンプリングで得られたサンプリングの値が1回目と2回目のサンプリングの値と一致した場合(ステップS25:Yes)は、ステップS26に進む。一致しない場合(ステップS25:No)は、異なる2回目と3回目のサンプリングの間隔に設定して(ステップS23)、3回目のサンプリングを実行する(ステップS24)。図7のステップS23、S24、S25は詳細を省略した記載になっている。2回目のサンプリングからのサンプリング間隔を変化させた3回目(3回目以降の1回)でのサンプリングの値が1回目と2回目のサンプリングの値と一致する場合は、サンプリング部31は、そのサンプリングの間隔に3回のサンプリングを固定して、以後のサンプリングを実行する。
複数回実行した3回目のサンプリングで得られたサンプリングの値が1回目および2回目のサンプリングの値と一致した場合(ステップS25:Yes)であっても、図8の遅延時間bの場合に示すように、3回のサンプリングが偶々周期性ノイズの周期と一致してしまうことがある。ステップS26では、このような場合を周期性ノイズが重畳したデータであるとして排除する。
即ち、1回目と2回目のサンプリングの値と3回目以降で選択した1回のサンプリング(遅延時間bの場合)の値が一致したとしても、その前後のサンプリング(遅延時間aおよびc場合)での値がそれらと異なる場合(ステップS26:Yes)は、ノイズ判定部33は、入力信号にノイズが重畳していると判定して、入力データを破棄し(ステップS27)、ステップS20に戻る。この場合は、ステップS21において、1回目と2回目のサンプリングの間隔も上述した固定値から変化させる。3回目以降で選択した1回のサンプリングの前後のサンプリングでの値の少なくとも1つが1回目および2回目のサンプリングの値と一致する場合(ステップS26:No)は、ノイズが重畳していないとして入力データを採用する(ステップS28)。
なお、3回のサンプリングが偶々周期性ノイズの周期と一致したことにより3回のサンプリングにより取得された値が全て一致しまった場合に、入力信号にノイズが重畳していると判定する方法としては、上記以外にも、例えば1回目と2回目のサンプリングの間隔と2回目と3回目のサンプリングの間隔が整数比であるか否かによって判定するようにしても構わない。
このように、本実施の形態にかかるノイズ判定装置およびノイズ判定方法によっても、周期性ノイズが発生する環境下において、周期性ノイズの周期が不明であっても、少ないサンプリング回数でノイズの影響の有無を検出することができ、誤入力のリスクを低減することができる。即ち、余分なサンプリングを行わなくて済み、少ない時間で効率的にノイズの除去を行うことができる。また、サンプリングをCPUなどの演算処理において実施している場合は、回路、F/W等のわずかな変更で低コストに実現が可能である。
また、上記実施の形態においては、ノイズ判定装置としてプログラマブルコントローラのCPUユニットを例にとって説明したが、これに限定されることなく、上記実施の形態にかかるノイズ判定方法は適用が可能である。
さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
以上のように、本発明にかかるノイズ判定装置は、プログラマブルコントローラにおける入力機器から取り込んだ信号のノイズ判定に有用であり、特に、シーケンサシステムのデジタルI/Oユニットに適している。
10 プログラマブルコントローラ、31 サンプリング部、32 サンプリング間隔設定部、33 ノイズ判定部、100 入力機器、200 入力ユニット、300 CPUユニット、S10〜S17,S20〜S28 ステップ。

Claims (7)

  1. 周期性ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、
    前記入力信号に対して3回のサンプリングを実行するサンプリング部と、
    1回目と2回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズの周期の整数倍とは異なる値に設定し、2回目と3回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズが十分減衰するだけの間隔以上に設定するサンプリング間隔設定部と、
    1回目と2回目と3回目の3回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致する場合にのみ前記入力信号に前記ノイズが重畳していないと判定するノイズ判定部と、
    を備える
    ことを特徴とするノイズ判定装置。
  2. 周期性ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、
    前記入力信号に対して3回のサンプリングを実行するサンプリング部と、
    1回目と2回目の前記サンプリングの間隔を前記周期性ノイズの周期の整数倍とは異なる第1の値に設定し、1回目と3回目の前記サンプリングの間隔を前記周期の整数倍とは異なり且つ第1の値より大きい第2の値に設定するサンプリング間隔設定部と、
    1回目と2回目と3回目の3回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致する場合にのみ前記入力信号に前記ノイズが重畳していないと判定するノイズ判定部と、
    を備える
    ことを特徴とするノイズ判定装置。
  3. 前記サンプリング間隔設定部は、1回目と2回目の前記サンプリングの間隔を、前記周期の整数倍に、前記周期の1/4倍或いは前記周期の3/4倍を加えた値とする
    ことを特徴とする請求項1または2に記載のノイズ判定装置。
  4. 第1の値と第2の値の前記周期での位相は異なる
    ことを特徴とする請求項2に記載のノイズ判定装置。
  5. ノイズ環境下において外部機器が出力する一定値の入力信号に対してノイズの有無の判定を行うノイズ判定装置であって、
    前記入力信号に対して3回以上のサンプリングを実行するサンプリング部と、
    1回目と2回目の前記サンプリングの間隔を予め定めた値に設定し、2回目と3回目以降の前記サンプリングの間隔を複数の異なる値に設定するサンプリング間隔設定部と、
    1回目、2回目、および3回目以降で選択した1回、の3回の前記サンプリングにより取得された値が全て一致している場合以外は前記入力信号に前記ノイズが重畳していると判定するノイズ判定部と、
    を備える
    ことを特徴とするノイズ判定装置。
  6. 前記ノイズ判定部は、1回目、2回目、および3回目以降で選択した1回、の3回のサンプリングにより取得された値が全て一致している場合であっても、3回目以降であって前記選択した1回の前後のサンプリングにより取得した値がそれらと異なる場合は前記入力信号に前記ノイズが重畳していると判定する
    ことを特徴とする請求項5に記載のノイズ判定装置。
  7. 前記サンプリング部は、1回目、2回目、および3回目以降で選択した1回、の3回のサンプリングにより取得された値が全て一致している場合は、そのサンプリングの間隔に3回のサンプリングを固定して、以後のサンプリングを実行する
    ことを特徴とする請求項5に記載のノイズ判定装置。
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