JP2013138430A - 状態表示器 - Google Patents

Abstract

【課題】通信モジュールの動作状態を制御する状態マシンの現在の状態に関するデータを提供する。
【解決手段】通信モジュール１０１から運用データを転送する方法であって、前記運用データが、通信モジュールに接続された第１の電気装置１３０から、通信モジュール１０１内で受信され、通信モジュール内の状態マシンによって制御される事前定義された１つまたは複数の動作状態の間に、通信モジュールに接続された第２の電気装置１００に転送する方法。本方法は、どの動作状態で通信モジュール１０１が現在動作しているか決定すること、運用データに情報を追加することであって、前記情報が、状態マシンの現在の動作状態を示すこと、ならびに追加された情報と運用データとを含む電文を第２の電気装置に転送することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は概して、データ通信、より詳細には、通信モジュールから受信されたデータの妥当性を決定する方法に関する。

制御システム内の異なるユニットの間の通信を可能にする産業界では、フィールド・バス・システムが頻繁に使われる。様々なタイプのフィールド・バスが、世界中の様々な企業と組織によって開発されている。フィールド・バスという用語は、異なる多くの産業ネットワーク・プロトコルに及ぶ。概して、産業用フィールド・バスは、それが提供する機能に応じて、異なるカテゴリに下位分割されてよい。最も単純なフィールド・バス・プロトコルは、主として、例えばバルブ、近接センサ、およびリミット・スイッチ用に使われるオン／オフ・インターフェイス向けに設計され、より複雑なフィールド・バス・プロトコルは、コンピュータがＰＬＣ（プログラム可能な論理コントローラ）と通信する際の、大量のデータの操作を可能にする。今日使われている様々な複雑さの、ファイルされたバスの例は、ＣＯＮＴＲＯＬＮＥＴ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＤＥＶＩＣＥＮＥＴ、ＣＡＮＢＵＳ、およびＬＯＮＷＯＲＫＳである。

例えばＰＬＣをある特定のフィールド・バスに接続するとき、ＰＬＣの製造元は、フィールド・バス・ネットワークを介したデータの受信と送信とを可能にするために、ファイルされたバスへのインターフェイスを提供しなければならない。使用可能なフィールド・バス・プロトコルの数が大きく、プロトコルのほとんどは、物理的な観点からも通信的観点からも互換性がないので、例えばＰＬＣを可能なあらゆるファイルされたバス・システムに提供することは費用がかかり煩雑である。

上記の問題に対する一解決法は、ＰＬＣとフィールド・バス・ネットワークとの間のインターフェイスとして作用する通信モジュールを提供することである。従って、通信モジュールとＰＬＣとの間のインターフェイスは、固定され標準化されてもよいが、ファイルされたバス・ネットワークに対するインターフェイスは、モジュールごとに変わってもよい。

しかし、通信モジュールを介してフィールド・バス・ネットワークに接続されるべきＰＬＣなどの装置は、多くの場合、通信モジュールを介してネットワークから受信されたデータが実際に正しいかどうか決定できなければならない。例えば、原子力発電所の冷却システムにおいて使われるポンプを制御しているＰＬＣは、セキュリティの問題上、中央制御システムから受信されたデータが有効かどうか決定できなければならない。より具体的には、ＰＬＣは、間違った値を受信し、その値が確かに間違っていると決定することができた場合、例えば、最大流量の冷却液が設定されるようにＰＬＣがポンプを制御する所定の緊急状態に切り換わってもよい。

例えばケーブル断線を検出することを可能にする異なる手法が、当該分野において提案されている。特化されたデジタル・プロトコルまたは所定の信号レベル（例えば、アナログ制御用に使われる４〜２０ｍＡの基準）が、産業界において広く使われる。上述した通信モジュールは、ネットワークを介して受信されたデータを容易にチェックし、データが間違っている場合、通信モジュールが接続されている装置に警告してよい。しかし、フィールド・バスに関連した技術分野においては、特にＰＬＣなどの装置が、インターフェイスとして作用する通信モジュールを介して、フィールド・バスを用いて制御センタと通信しているとき、多くの場合、装置は、受信されたデータに基づいて、データの完全性に何か問題があるかどうか決定することができないので、問題が生じる。

従って、通信モジュールから受信されたデータが正しいかどうか、装置が決定することを可能にする、堅牢であり信頼できる方法が必要である。

米国公開公報ＵＳ２００３／０１３５５３３ 欧州公開公報ＥＰ ０ ８７７ ３２２ 米国公開公報ＵＳ２００２／００７８１７３

本発明の目的は、受信されたデータの妥当性の決定に関して、知られている技術の上述した問題を克服することである。本発明の特有の利点は、通信モジュールの動作状態を制御する状態マシンの現在の状態に関するデータを提供することである。本発明のそれ以外の利点は、状態マシンの現在の状態に関して、装置を絶え間なくアップデートできることである。

本発明の特有の特徴は、通信モジュールから装置に送られる他のデータに追加されるヘッダーの提供に関し、ヘッダーは、状態マシンの現在の状態に関する情報を含む。

上記の目的、利点および特徴は、他の多数の目的、利点および特徴とともに、以下の詳細な説明から明らかになるであろうが、運用データを、通信モジュールから通信モジュール内の状態マシンによって制御される事前定義された１つまたは複数の動作状態の間に、通信モジュールに接続された電気装置に転送する方法による、本発明の第１の態様によって得られる。本方法は、
どの動作状態で通信モジュールが現在動作しているか決定すること、
運用データに情報を追加することであって、前記情報が、状態マシンの現在の動作状態を指示すること、ならびに
追加される情報と運用データとを含む電文を第２の電気装置に転送することを含む。

情報は、運用データに追加されるヘッダーの一部でもよい。

運用データは、電気装置を制御するプロセス・データを含んでもよい。

上記の目的、利点および特徴は、他の多数の目的、利点および特徴とともに、以下の詳細な説明から明らかになるであろうが、通信モジュールから、電気装置内で、通信モジュールの第１の組の所定の動作状態の間に受信された運用データを変換する方法による、本発明の第２の態様によって得られ、前記方法は、
通信モジュールから電文を受信すること、
電文から、運用データと、通信モジュールの現在の動作状態に関する情報とを抽出すること、
通信モジュールの現在の動作状態に関する抽出された情報から、第１の組の状態の所定の動作状態のどれにおいて、通信モジュールが現在動作しているか決定すること、ならびに
通信モジュールの決定された動作状態が、１つまたは複数の所定の動作状態を含む、第２の組の状態の一部である場合、受信された運用データを無効であるとして破棄することを含む。

通信モジュールの現在の動作状態に関する情報は、運用データに追加されるヘッダーの一部でもよい。

運用データは、電気装置を制御するプロセス・データを含んでもよい。

以降の詳細な説明を添付の図面と併せて検討すると、本発明のそれ以外の目的、特徴および利点が明らかになるであろう。

最初に、本発明が適用されることができる通信モジュールが、図１を参照して説明される。次いで、本発明による通信モジュールの詳細が、残りの図面を参照して説明される。

図１で、第１の装置１００が、上述した通信モジュール１０１を介してネットワーク１２０に接続され、通信モジュール１０１は、装置１０１から伝送されたデータを、ネットワークを介したデータの転送に使われるプロトコルに適応させる。同様に、通信モジュール１０１は、ネットワーク１２０から受信されたデータを、装置１００による受信に適した形式に適応させる。第１の装置１００と同様に、図２の第２の装置１１０で示されるそれ以外の装置も、それに関連づけられた通信モジュール１１１を介してネットワーク１２０に接続されてよい。データは、装置１００、１１０と制御センタ１３０との間を転送される。

好ましくは、制御センタ１３０は、スレーブとして作用する装置１００、１１０に対するマスタとして作用する。従って、制御センタ１３０は、制御データおよびプロセス・データを装置１００、１１０に送信し、装置１００、１１０は、プロセス・データを制御センタ１３０に返送する。制御データおよびプロセス・データは、装置１００、１１０の固有の機能に応じて変わる。例えば、装置が、上記のようなポンプを制御するＰＬＣの場合、制御データは、移動される１秒あたりの液体体積の所望の値でも、ポンプを駆動するモータの回転速度の所望の値でもよい。これに応じて、プロセス・データは、モータの実際の回転速度、モータの筐体内部の温度、ポンプで注入される液体の温度などでよい。

通信モジュール１０１、１１１は、ネットワークとプロトコル固有の全機能とをデフォルト（すなわち接続、データ交換、イベントなど）として扱い、装置１００、１１０は、ネットワークにとって利用可能なデータとサービスを制御する。従って、装置１００、１１０は、どの特定のネットワーク１２０が、装置１００、１１０と制御センタ１３０との間でデータを転送して往復させる媒体として現在使われているか、知らなくてよい。装置１００、１１０と通信モジュール１０１、１１１との間の通信は、固定された電気的インターフェイスを介して、直列または並列モードのどちらかで施行される。次いで、装置１００、１１０と通信モジュール１０１、１１１との間の通信は、例えばデータ転送速度、転送するべきデータの量、通信モジュール１０１、１１１および装置１００、１１０のサイズなど、具体的な設計パラメータに関して最適化されてよい。

以降では、明確さのために、１つの装置１００と、それに関連づけられた通信モジュール１０１に対してのみ、参照が行われる。しかし、上述したように、１つまたは複数の装置１００、１１０がネットワーク１２０に同時に接続されてもよいことが理解されよう。

通信モジュール１０１の動作は、図２に示す状態マシン２００を用いて制御され、状態マシン２００は、通信モジュール１０１を、状態マシン２００の現在の状態に応じて、異なる動作状態にセットする。好ましくは、状態マシン２００は、それ自体が知られている技法に従ってマイクロプロセッサによって実行されるアルゴリズムとして実装される。しかし、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラム可能なゲート・アレイ）やＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）などとしての、状態マシン２００の他の実装形態も、本発明の範囲内で等しく可能である。

起動の後、通信モジュール１０１の状態マシン２００は、セットアップ状態２１０に入り、状態２１０の間、装置１００は、通信モジュール１０１についての情報を決定し、１組のパラメータのどれを、装置１００が制御センタ１３０と共有することになるかを、通信モジュール１０１に通知する。すなわち、装置１００は、多くのパラメータを制御および監視用に内部で使用することができるが、外部では、そうしたパラメータの一部だけを共有することを望む。

セットアップが完了し、通信モジュール１０１がセットアップを受諾すると、状態マシン２００は、ネットワーク初期化状態２２０に入り、状態２２０において、通信モジュール１０１は、ネットワーク１２０への接続を確立するルーチンを、使われている具体的なネットワーク・プロトコルに従って実行する。ネットワークの初期化の間、通信モジュール１０１は、装置１００によって提供され得るネットワーク固有の機能性に関して、装置１００に照会してよい。ネットワーク・アドレス、ボー・レートなども、ネットワークの初期化中に装置１００によって提供され得る。ネットワークの初期化を終了した後、通信モジュールは、ネットワーク参加の監視（すなわち、ネットワーク参加が、別のネットワーク装置によって監視されているか？）、結果として起こる、ネットワーク参加におけるエラー、およびプロセス・データの妥当性に関して、装置１００にデータを提供してよい。

ネットワーク初期化状態の後、通信モジュール１０１は、装置１００とネットワーク１２０との間のインターフェイスとして作用する準備が整い、状態マシン２００は、待機状態２３０に入り、状態２３０において、通信モジュール１０１は、ネットワーク１２０または装置１００どちらかからのデータを待ち受ける。待機状態２３０の間、通信ユニット１０１から装置１００に転送されるどのプロセス・データも、無効となり得る。

しかし、データが、ネットワーク１２０から、または装置１００から受信された場合、状態マシン２００は、アクティブ状態２４０に入り、状態２４０において、装置１００から受信されたデータは、通信モジュール１０１によって、制御センタ１３０との通信用に使われる実際のネットワーク・プロトコルに従うように変換される。通常、この変換は、データ・パケットのソースと宛先とを指示するヘッダーの作成を含む。診断データや割込みデータなどの追加データも、アクティブ状態２４０の間に転送されてよい。

待機状態２２０またはアクティブ状態２４０のどちらからでも、状態マシンは、アイドル状態２５０に入り得る。アイドル状態２５０の定義は、ネットワーク固有であり、すなわち、状態マシンがアイドル状態２５０に入るときに通信モジュール１０１が入るモードは、通信モジュール１０１がどのネットワークと通信するように適応されているかに依存する。例えば、Ｐｒｏｆｉｂｕｓプロトコルがネットワーク上での通信用に使われる場合、通信モジュール１０１が送られる電文に対する応答を受信した後、状態マシン２５０は、アイドル状態２５０に入り得る。これは、電文の送信元が、応答を受信した後で、別の電文を送るまで待たなければならない時間遅延を定義するＰｒｏｆｉｂｕｓプロトコルによる。

深刻なネットワーク・エラーが起きた場合、状態マシン２５０は、ネットワークを介したどの通信も可能でないことを示すエラー状態２６０に入る。また、状態マシン２５０は、待機状態２３０またはアクティブ状態２４０のどちらからでも、エラー状態２６０に入り得る。エラー状態２３０において、好ましくは、装置１００は、安全な状態に進むべきである。例えば、上述したように、装置１００が、原子力発電所の冷却システム内で使われるポンプを制御しているＰＬＣの場合、ＰＬＣは、通信ユニットがエラー状態２６０に入った場合、例えば、最大流量の冷却液が設定されるようにポンプを制御する所定の緊急状態に切り換わるべきである。

状態マシンは、アプリケーション・エラーによりそれ以上のプロセスが通信モジュール１０１によって停止されていることを示す例外状態２７０に入り得る。（例えば無効なネットワーク構成パラメータ、タイムアウトなど）。

図３は、装置１００と通信モジュール１０１との間の通信を示す。装置１００と通信モジュール１０１との間の通信インターフェイスは、電文３０１のメッセージ通信に本拠がある。好ましくは、同じメッセージング構造体は、装置１００と通信モジュール１０１との間の直列および並列通信両方のために使われる。好ましくは、電文３０１は、装置１００による制御下で、半二重方式で交換され、通信モジュール１０１は、装置１００から受信されたどのメッセージにも応答することになる。装置１００内または通信モジュール１０１内でのメッセージ受信の後、各メッセージは、その内容を決定し、メッセージの一部でよいプロセス・データを抽出するために処理される。次いで、装置１００内または通信モジュール１０１内でのデータのアップデートは、抽出されたプロセス・データに基づいて実施される。

図４ａは、装置１００と通信モジュール１０１との間で転送される電文の好まれる構造体を示す。装置１００と通信モジュール１０１とのそれぞれから送信される電文４００は、後でより詳しく開示されるように、少々異なるヘッダーを別にすると、構造的に似ている。

ヘッダー４１０は、コマンドと応答とに関する情報、例えばデータの長さ、コマンド・タイプ、オブジェクト、インスタンス、属性ならびにエラー指示を含む。ヘッダー４１０は、通信制御および状況情報、すなわち装置１００によって、通信モジュール１０１との通信を制御するのに用いられる情報、通信モジュール１０１によって、装置１００との通信を制御するのに用いられる情報、ならびに通信モジュール１０１によって、通信モジュール１０１とネットワーク１２０との状況を装置に示すのに用いられる情報も含む。

メッセージ・データ部分４２０は、ヘッダー４１０中で識別される、どのコマンド／応答に関連づけられたデータも含む。装置１００と通信モジュール１０１との間の各方向に、いくつかの未処理メッセージが同時に存在してよく、すなわち、１つまたは複数のメッセージが、多くの電文４００に渡ってよいことが理解されよう。ヘッダー４１０とメッセージ・データ部分４２０とに加え、電文は、オプションのプロセス・データ部分４３０も含む。

電文４００のヘッダー４１０の好まれる実施形態が、図４ｂでより詳しく示される。電文が装置１００から通信モジュール１０１に伝送される場合、ヘッダー４１０の第１の部分４４０は、制御データを含む。より具体的には、制御データ部分は、装置１００が、新規コマンドを受信する準備ができていることを示すレディ・ビット（Ｒ）４４１を含む。
制御部分は、装置１００が、ネットワーク１２０上に転送されるべきである少なくとも１つのデータ部分を有することを示すガード・ビット（Ｇ）４４２も含む。制御データ部分のサイズは、制御するべきイベントの数に応じて変わり得る。ほとんどの場合、８ビットで十分であろうが、他のどのビット数、例えば１６や３２も、等しく可能である。

電文が通信モジュール１０１から装置１００に送られる場合、ヘッダー４１０の第１の部分４４０は、状況データを含む。制御データ部分と同様、状況データ部分は、通信モジュール１０１が、新規コマンドを受信する準備ができていることを指示するレディ・ビット（Ｒ）４４１も含む。

状況データ部分は、通信モジュール１０１が別のネットワーク装置によって監視されることを示す監視ビット（ＳＵＰ）４４３も含む。従って、通信モジュール１０１は、その状態のいずれにおいても、ネットワーク参加の監視に関する情報を、装置１００に提供することができる。

状況データ部分の重要な１つの特徴は、通信モジュール１０１内での状態マシン２００の現在の状況を装置１００に示すのに使われる、１つまたは複数の状況ビットＳ１〜Ｓｎ ４４４ａ〜ｃの提供である。本明細書で開示した実施形態において、状態マシン２００は、７通りの状態２１０〜２７０に入る可能性があり、状況データ部分において３つの状況ビット４４４ａ〜ｃを提供することによって、７つの状態のどれで、通信モジュール１０１が現在動作しているかを、装置１００に示すことが可能である。従って、装置１００が、通信モジュール１０１から電文４００を受信すると、装置は、最初に、コマンドと他のデータとを抽出するために、電文中のデータを処理することになる。状況データ部分中の状況ビット４４４ａ〜ｃを分析することによって、抽出されたコマンドとデータとが正当であるかどうか、すなわち、有効なデータを生じることになる状態に状態マシン２００があるかどうかを装置１００がチェックすることができるかどうか、装置が決定することが可能である。

装置１００は、状態マシン２００が有効でないデータを提供する状態のリストを格納することができる。あるいは、装置１００は、通信モジュール１０１の異なる動作状態２１０〜２７０と、運用データ、すなわちメッセージ４２０および任意のプロセス・データ４３０が存在し得る範囲とを含むデータベースを格納することが可能である。運用データが、ある特定の状態に対して定義された範囲外の値を想定している場合、装置は、データを、有効でないとして破棄してもよい。例えば、原子力発電所における冷却ポンプを再度引用すると、通信モジュール１０１が有効でないデータ状態（例えば、エラー状態２８０や例外状態２７０）に入った場合、状況ビット４４４ａ〜ｃの提供によって、ＰＬＣが自動モードに切り換わることが可能であり、ここで、ＰＬＣは例えば、現在のポンプ速度を維持してもよく、ポンプが最高速度で動作する緊急状態に入ってもよい。

本発明が、特にその具体的な実施形態を参照して示され説明されたが、それに対して形と細部とにおける様々な変更が行われてよく、本明細書において具体的に説明された実施形態を越える本発明の他の実施形態が、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われても実施されてもよいことが、当業者には理解されよう。

本発明の実施形態が適用されてよいネットワーク・システムを示す略図である。 本発明の好まれる実施形態による、通信モジュールの挙動の制御に使われる状態マシンを示す概略図である。 本発明の好まれる実施形態による、電気装置と通信モジュールとの間の通信を示す図である。 本発明の好まれる実施形態による、電気装置と通信モジュールとの間で転送される電文の好まれる構造体を示す。 本発明の好まれる実施形態による電文のヘッダーを示す。

１００ 第１の装置、装置
１０１ 通信モジュール、通信ユニット
１１０ 第２の装置、装置
１１１ 通信モジュール
１２０ ネットワーク
１３０ 制御センタ
２００ 状態マシン
２１０ セットアップ状態
２２０ ネットワーク初期化状態
２３０ 待機状態、エラー状態
２４０ アクティブ状態
２５０ アイドル状態、状態マシン
２６０ エラー状態
２７０ 例外状態
２８０ エラー状態
３０１ 電文
４００ 電文
４１０ ヘッダー
４２０ メッセージ・データ部分
４３０ プロセス・データ部分

Claims (9)

1. 通信モジュール（１０１）から運用データ（４２０、４３０）を、前記通信モジュール内の状態マシン（２００）によって制御される、前記通信モジュール内の事前定義された１つまたは複数の動作状態（２１０〜２７０）の間に、前記通信モジュールに接続された第２の電気装置（１００）に転送する方法であって、前記運用データ（４２０、４３０）が、前記通信モジュールに接続された第１の電気装置（１３０）から、前記通信モジュール（１０１）において受信され、
   どの動作状態（２１０〜２７０）で前記通信モジュール（１０１）が現在動作しているか決定すること、
   前記運用データ（４２０、４３０）に情報（４１０）を追加することであって、前記情報が、前記状態マシンの前記現在の動作状態を示すこと、ならびに
   前記追加された情報と前記運用データとを含む電文（３０１）を前記第２の電気装置に転送することを含む方法。
2. 前記情報が、前記運用データ（４２０、４３０）に追加されるヘッダー（４１０）の一部である、請求項１に記載の方法。
3. 前記運用データ（４２０、４３０）が、前記電気装置（１００）を制御するプロセス・データを含む、請求項２に記載の方法。
4. 通信モジュール（１０１）から、第２の電気装置（１００）内で、前記通信モジュールの第１の組の所定の動作状態（２１０〜２７０）の間に受信された運用データ（４２０、４３０）を変換する方法であって、
   前記通信モジュール（１０１）から電文（３０１）を受信すること、
   前記電文から、運用データ（４２０、４３０）と、前記通信モジュールの現在の動作状態（２１０〜２７０）に関する情報とを抽出することであって、前記運用データ（４２０、４３０）が、前記通信モジュールに接続された第１の電気装置（１３０）から、前記通信モジュール（１０１）内で受信されること、
   前記通信モジュールの現在の動作状態（２１０〜２７０）に関する前記抽出された情報から、前記第１の組の状態（２１０〜２７０）の前記所定の動作状態のどれにおいて、前記通信モジュールが現在動作しているか決定すること、ならびに
   前記通信モジュールの前記決定された動作状態が、１つまたは複数の所定の動作状態を含む、第２の組の状態の一部である場合、前記受信された運用データを無効であるとして破棄することを含む方法。
5. 前記通信モジュールの現在の動作状態（２１０〜２７０）に関する前記情報が、前記運用データ（４２０、４３０）に追加されるヘッダー（４１０）の一部である、請求項４に記載の方法。
6. 前記運用データ（４２０、４３０）が、前記電気装置（１００）を制御するプロセス・データを含む、請求項５に記載の方法。
7. 通信モジュールに接続された第１の電気装置から運用データを受信するように、また、前記通信モジュールから、前記通信モジュール内の状態マシン（２００）によって制御される、前記通信モジュール内の事前定義された１つまたは複数の動作状態（２１０〜２７０）の間に、前記通信モジュールに接続された第２の電気装置（１００）に前記運用データ（４２０、４３０）を転送するようになされた通信モジュール（１０１）であって、
   どの動作状態（２１０〜２７０）で前記通信モジュール（１０１）が現在動作しているか決定し、
   前記運用データ（４２０、４３０）に情報（４１０）を追加することであって、前記情報が、前記状態マシンの前記現在の動作状態を示し、
   前記追加された情報と前記運用データとを含む電文（３０１）を前記第２の電気装置に転送するようになされた通信モジュール。
8. 前記通信モジュールが、ヘッダー（４１０）の一部である情報を前記運用データ（４２０、４３０）に追加するようになされた、請求項７に記載の通信モジュール。
9. 前記通信モジュールが、前記電気装置（１００）を制御するプロセス・データを含む運用データ（４２０、４３０）を転送するようになされた、請求項８に記載の通信モジュール。

Images