JP4419617B2 - 多重ループ型ネットワークの故障箇所判定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、たとえば、リング型トポロジーを持つLAN、制御ネットワークなどのリングネットワークにおいて、各局が全局に宛ててフレームをサイクリックに送信(ブロードキャスト)し、各局がそれを受信し、送信フレーム内の送信元局番の識別情報を認識するようなネットワークシステムにおける故障箇所判定技術等に適用して有効な技術に関する。
リング型ネットワークは、トークンリング、FDDIのほか、様々なネットワークが知られている。前述のように、例えばトークン巡回などの方法で送信権を均一に、定期的に巡回するようなシステムにおいては、各局が相互に存在を定期的に認識することができる。例えばある一定期間以上送信を行わない局については、何らかの理由でリングから脱落したとみなす。それにより、リング上の実際の構成情報を認識、更新することができる。
回線の信頼性を向上させるため、ループネットワークの伝送回線を二重化する方法は複数知られており、代表的な例としてはFDDIのように、異常発生もしくは故障個所を検出した場合に、その両端の局において回線を折り返して伝送機能を確保する、ループバック方式と呼ばれるものがある(たとえば特許文献1)。また、ほかに、二つの回線を並列に動作させ、送信局が双方に対して同一フレームを送信し、中継、受信する各局が例えば先着優先などの方法によりどちらかの入力フレームを選択して受信するという方法が知られている。
このように、回線を二重化したネットワークにおいては、一般的に、一箇所の故障や異常が発生しても、伝送機能を従前のとおり継続することが可能である。すなわち、ネットワーク上に存在する論理的な局の接続構成は、物理的な一箇所の故障では影響を受けないように冗長化させ、信頼性を高めることができる。
このような高い信頼性の要求されるシステムにおいては、たとえば特許文献2のように、ネットワークの監視機能を、特定の専用ノードに任せるのではなく、機能を分散して冗長化させるのが一般的である。一箇所が故障した状態は、伝送継続が可能であるとは言うものの、その状態を速やかに解決しなければ、さらに続く故障が起きたときにネットワークシステム全体の動作継続が不可能となるからである。
すなわち、この特許文献2では、二重化されたリング状の回線に接続された複数のノードからなるシステムにおいて、フレームは、境界ノードと呼ぶリング内唯一のノードから送出され、その他の一般ノードは、境界ノードにより送出したフレームの再生中継動作を行うとともに、上流ノードからのフレーム受信が途絶えたときは、自ノード番号を付けた代替フレームを送出し、一巡した自ノードのフレームを検出できないときに、故障情報を付加したフレームを送信し、このフレームを特定のネットワーク監視ノードにて受信して故障判定を行っている。
このような二重化ネットワークは、プログラマブルコントローラなどの制御機器などを相互に接続して構成する高信頼性制御システムなどに使用される場合が多く、予防保守的な意味で、故障個所を早期に認識することは非常に重要な機能ということができる。
また、このような制御用のネットワークシステムの場合、各ノードは例えば盤内であるとか、床下、機器組込みなどの状態でシステム上に配置されることが多い。したがって、異常個所の検出は制御機器やネットワークアダプタ本体に付属のLED表示などではなく、パソコンやディスプレイ、タッチパネル表示システムなどの表示機器に表示させ、中央制御室や保守員が監視しやすいところに配置する必要性がある。一般的にはそれらの表示機器はノードのいずれかに接続して使用するので、システム構築の自由度を高めるためには、いずれのノードに表示機器が接続されても、故障個所の認識が同じように可能であることが望ましい。
しかし、上述の特許文献2の場合のように特定のノードに故障判定機能を固定して割り当てる場合には、システム構成や変更等の自由度が損なわれる、という問題を生じる。
特開昭61−70833号公報 特開2001−189738号公報
本発明の目的は、冗長構成のループ型ネットワークにおいて、システム構築の自由度を損なうことなく、故障箇所の早期認識による予防保守を実現することが可能な技術を提供することにある。
本発明の第1の観点は、情報の伝送方向が互いに逆の複数のループ型伝送路と、複数の前記ループ型伝送路に接続され、前記情報の送信時には複数の前記ループ型伝送路に同時に送信し、前記情報の受信時には複数の前記ループ型伝送路のいずれか一つを選択して受信を行う複数のノード装置と、を含む多重ループ型ネットワークの故障箇所判定方法であって、
個々の前記ノード装置が、個々の前記ループ状情報伝送路上で存在を観測した他の前記ノード装置を記録した実構成情報を常に前記情報とともに複数の前記ループ型伝送路の各々に互いに逆方向に同時に送信して、他の前記ノード装置と交換して共有する第1工程と、
任意の前記ノード装置において、個々の前記ループ状情報伝送路上に本来存在すべき前記ノード装置が記録された設定構成情報と、前記実構成情報とに基づいて、個々の前記ループ状情報伝送路上の故障箇所を特定する第2工程と、
を含み、
前記設定構成情報は、個々の前記ループ状情報伝送路上に本来存在すべき個々の前記ノード装置の存在の有無を1ビット(有:1、無:0)に割り当てた第1ビット列で構成され、
前記実構成情報は、個々の前記ループ状情報伝送路上における個々の前記ノード装置の実在の有無を1ビット(有:1、無:0)に割り当てた第2ビット列で構成され、
前記第2工程では、個々の前記ループ状情報伝送路毎に、個々の前記ノード装置で観測された複数の前記第2ビット列の論理和と、前記第1ビット列との排他的論理和を算出し、
前記排他的論理和のビット列がすべて0でない場合には、前記排他的論理和で1のビット位置に対応する前記ノード装置を故障とみなし、
前記排他的論理和のビット列がすべて0の場合には、
個々のループ状情報伝送路毎に、個々の前記ノード装置で観測された複数の前記第2ビット列の論理積をとり、前記論理積と前記第1ビット列とが一致する場合は当該ループ状情報伝送路に障害なしと判定し、前記論理積と前記第1ビット列とが不一致の場合には、前記論理積の1のビット位置に対応した前記ノード装置の上流側の当該ループ状情報伝送路に障害が発生したと見なす、多重ループ型ネットワークの故障箇所判定方法を提供する。
上述の本発明においては、個々のノード装置は、故障箇所を可視化して表示する機能、あるいは、故障箇所の情報を外部に出力する機能を備えることができる。
このように、本発明では、冗長化された多重のループ状情報伝送路に接続される複数のノード装置の各々において、他のノード装置やループ状情報伝送路の監視のみならず、現時点で動作が確認されたノード装置を記録した実構成情報を、たとえばビット列として相互に交換して共有し、個々のノード装置において、このビット列の論理演算による故障箇所の判定機能を備えているので、たとえば、ノード装置の多重故障等に影響されることなく、故障箇所の早期認識による予防保守を実現することが可能となる。
また、どのノード装置を用いて故障箇所の判定を行うかを任意に選択できるので、システム構築の自由度を損なうことなく、故障箇所の早期認識による予防保守を実現することが可能となる。
本発明によれば、冗長構成のループ型ネットワークにおいて、システム構築の自由度を損なうことなく、故障箇所の早期認識による予防保守を実現することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態である故障箇所判定方法を実施する多重ループ型ネットワークの構成の一例を示す概念図であり、図2は、この多重ループ型ネットワークにおける故障箇所の判定に用いられる実構成局情報テーブルの初期状態の構成の一例を示す概念図、図3は、この多重ループ型ネットワークにて用いられる情報フレームのフレームフォーマットの一例を示す概念図、図4および図5は、ノード装置の故障発生時における本実施の形態の多重ループ型ネットワークの作用の一例を示す概念図、図6および図7は、伝送路の故障時における本実施の形態の多重ループ型ネットワークの作用の一例を示す概念図、図8は、本実施の形態の多重ループ型ネットワークを構成するノード装置の構成の一例を示すブロック図である。
図1に例示されるように、本実施の形態の多重ループ型ネットワークシステムは、互いに情報の伝送方向が逆な複数のA系回線11(ループ状情報伝送路)およびB系回線12(ループ状情報伝送路)の各伝送路からなるループ状情報伝送路10と、このループ状情報伝送路10に接続され、当該A系回線11およびB系回線12を介して情報の授受を行う複数の局(ノード装置20)からなる。
この図1の例では、最大局数(ノード装置20の数)が10局(局番は9〜0)のネットワークを簡略化して、局0、局8,局9が存在しない構成が、初期の本来の設定構成である場合を例示している。また、実際のシステム構成では局の接続は必ずしも順々に配置されるわけではないので、あえて順不同に配置した例を示している。
図2の上側に例示される設定構成局情報50(設定構成情報)は、この図1の初期の設定構成を記憶するための情報であり、各局に対応したビット数(この場合、9〜0の10ビット)のビット列となっている。各ビット(存在フラグ)の1は、当該局が初期状態で存在すること、0は、当該局が初期状態で存在しないことを表している。
すなわち、設定構成局情報50は、システム設計者が、システムとして存在すべき局を設定した構成局情報を示し、この設定構成局情報50は、全ての局が同じ情報を持つ。
また、図2の下側に例示された設定構成局情報50は、個々の局が持つ実構成局情報テーブル60(実構成情報)の一例を示している。この実構成局情報テーブル60には、各局間で交換される実構成局情報63が、当該実構成局情報63(実構成情報)の送信元の局9〜0のすべてについて、A系実構成局情報61およびB系実構成局情報62に格納される。
すなわち、実構成局情報63は、上述の設定構成局情報50で示される初期の設定状態から、個々の局が、個々のA系回線11およびB系回線12毎に、他の局の故障や局間の伝送路の断線等によって当該他の局を認識できなくなったことを観測した結果をまとめて記録し、他の局との間で交換されるビット列である。各ビットの1は、当該局から各ビット対応の他の局が観測されたこと、0は、観測されなかったことを表している。
この実構成局情報63は、A系回線11およびB系回線12の各々における他局の観測結果を個別に保持/伝達するために、付加する実構成局情報63のデータ量は、最大局数×2ビット(本実施の形態の場合、20ビット)である。
個々の局を構成するノード装置20は、図8に例示されるように、全体を制御するマイクロプロセッサ21と、このマイクロプロセッサ21を制御して、後述のような故障箇所の判定処理や、この判定処理に必要な情報の送受信を行うための機能を実現する制御プログラム21aや、上述の設定構成局情報50、実構成局情報テーブル60等のデータや故障箇所の判定結果が格納されるデュアルポートメモリ22と、ループ状情報伝送路10に対する情報の送受信を行う送受信回路23を備えている。
送受信回路23は、送受信データが一時的に格納されるバッファメモリ24と、A系回線11およびB系回線12のいずれの伝送路と送受信を行うかを切り換える送信/受信選択部25と、A系回線11に対するデータの送受信を行うA系送信/受信回路26と、B系回線12に対するデータの送受信を行うB系送信/受信回路27で構成されている。
そして、マイクロプロセッサ21が送受信回路23を制御することで、データ送信時には、送受信回路23からA系回線11およびB系回線12の両方に送信し、データ受信時には、A系回線11およびB系回線12のどちらかを選択してデータの取り込みを行う。
また、個々のノード装置20は、外部のパーソナルコンピュータ等の情報処理装置40に対して、たとえばシステムバス等のホストI/F42を介して接続可能に構成されており、情報処理装置40の側からデュアルポートメモリ22に格納された故障箇所の判定結果等の情報を読み出して、たとえば、情報処理装置40に備えられたディスプレイ41に表示する処理等が可能になっている。
なお、特に図示しないが、ノード装置20自体にディスプレイを設けて、設定構成局情報50、実構成局情報テーブル60、さらには故障箇所の判定結果等の情報を表示するようにしてもよい。
図3に例示されるように、ループ状情報伝送路10を経由して複数のノード装置20の間で授受される情報を搬送するフレーム30は、フレーム30の先頭を識別するためのスタートデリミタ31、当該フレーム30の送信元および宛て先のノード装置20のアドレス情報やフレームの種別等が格納されるフレームヘッダ32、当該フレーム30にて搬送される伝送データ33、フレーム30のエラー検出/訂正のためのフレームチェックコード35、フレーム30の終端を識別するためのエンドデリミタ36から構成されている。
さらに、本実施の形態の場合、フレーム30には、当該フレーム30の送信元のノード装置20(局0〜9)において観測された実構成局情報63が格納される実構成局情報部34が設けられている。
すなわち、各局は、伝送データ33の後尾に常に送信時における自局から観測された実構成局情報63を付加して送信し、受信した側では、受け取った実構成局情報63を、設定構成局情報50の送信元の局のエントリのA系回線11およびB系回線12の各々に対応させて格納することで、局間における実構成局情報63の交換が行われる。
図4は、図1の初期状態から、局5が脱落した異常発生時の状態を示し、図5は、その時の各局のA系回線11、B系回線12の実構成局情報63を格納した実構成局情報テーブル60の状態を示している。
また、図6は、図1の初期状態から、局5と局7の間で物理的に断線が起きた状態を示し、図7は、その場合の各局のA系回線11、B系回線12の実構成局情報63が格納された実構成局情報テーブル60の状態を示している。
なお、設定構成局情報50の設定直後の初期状態では、実構成局情報テーブル60のA系実構成局情報61およびB系実構成局情報62の各々における各局対応のエントリは、設定構成局情報50のビット列にて初期化されている。
各局は、送信権を獲得した際に、全局宛て(ブロードキャスト)のフレーム30を送信し、他の局はそれを受信しつつ、受信したフレーム30を上流から下流へと中継転送する。リングを一周して戻ったフレーム30は、送信元にて削除され、次の局に送信権が渡るものとする。送信は常に同時にA系回線11、B系回線12の両系に同じフレーム30を送信し、受信局は両系から受信し、どちらか一方を選択して取り込むものとする。
例えば、図1において、局1が送信したフレーム30は、A系では局6⇒局3⇒局5の方向へと流れ、最終的に局1に戻る。また、B系では、局2⇒局4⇒局7の方向へと流れ、最終的に局1に戻る。各局は送信されたフレーム30を受信しつつ中継する。
図1および図2、図4および図5、図6および図7のように、各局から見て、ある局が存在する場合に、実構成局情報63の、その局の局番に該当するビット位置の存在フラグを1、存在しない場合に存在フラグを0とする。そして、相互に交換した実構成局情報63は、個々の局が持つ実構成局情報テーブル60に格納される。
存在フラグは、ある一定期間にその局からのブロードキャストフレームの受信が確認された場合に1とし、例えば3回以上連続して確認されなければ0とすることとする。
接続局数が有限であるとすると、これらの実構成局情報63は、二重化された各リング(A系回線11、B系回線12)ごとに、桁数が最大接続局数に等しい二進数であらわすことができる。
さて、図4のように、ある個所、例えば局5が故障(脱落状態)となった場合に、故障個所の下流局にはフレーム30が流れないので、実構成局情報テーブル60における二重化リングのA系回線11、B系回線12の実構成局情報63の状態は図5のようになる。
また、図6に示すように、一箇所が物理的に断線した場合、同様に故障個所の下流局にはフレーム30が流れないので、実構成局情報テーブル60における二重化リングのA系回線11、B系回線12の実構成局情報63の状態は図7のようになる。
これらのリングに存在する全ての局から収集して実構成局情報テーブル60に格納された実構成局情報63の値と、設定構成局情報50の値を用いて、下記の方法で故障個所を割り出すことができる。
ステップ1:自局のA系回線11、B系回線12の実構成局情報63をそれぞれ論理和したものと、設定構成局情報50との排他的論理和を算出し、αとする。
ステップ2:α≠0ならば、αのビットが立っている位置に相当する局が脱落したとみなす(図4および図5のケースであり、局5に対応したαのビットが1であり、局5が脱落したと判定する)。
ステップ3:α=0ならば、A系回線11、B系回線12の双方において、全局から収集した実構成局情報63の全領域について、以下の処理を行う。
(処理ア):設定構成局情報50に登録されていない局の領域は、全ビット1とする。
(処理イ):設定構成局情報50に登録されている局の領域は、そのままとする。
(処理ウ):(処理ア)、(処理イ)の後、全領域を垂直に論理積する。この論理積の結果を、値βとする。A系の値をAβ、B系の値をBβとする。
(処理エ):Aβ、Bβを設定構成局情報50と比較する。
AβまたはBβと設定構成局情報50が一致している場合、その系には回線上の障害はない。両者が不一致である場合は、立っているビット位置が1つの局番を示す。この場合、この局番の上流の回線に、物理的障害が発生しているとみなす(図6および図7のケースであり、Aβと設定構成局情報50は一致するため障害はないとみなし、Bβと設定構成局情報50は不一致のため、不一致のビット位置の局5の上流側に回線障害が発生したと見なす)。
上述のように、本実施の形態では、個々の局(ノード装置20)の各々にて、相互に交換した実構成局情報63が格納される実構成局情報テーブル60を持つので、任意の局において常時、上述のような故障箇所の検出を行うことが可能である。このため、任意の局に情報処理装置40を接続して、故障箇所の検出結果を読み出し、たとえば、脱落した局に×印等を付してディスプレイ41に可視化して表示することで、システム管理者に提示することが可能となる。また、必要に応じて、実構成局情報テーブル60のビットマップそのものを出力あるいは表示してもよい。
すなわち、どの局(ノード装置20)を用いて故障箇所の判定を行うかを任意に選択できるので、個々の局の配置等のシステム構築の自由度を損なうことなく、故障箇所の早期認識による予防保守を実現することが可能となる。
図9に、ノード装置の変形例を示す。この図9の変形例では、ループ状情報伝送路10に接続される局として、プログラマブルコントローラ等の産業用制御機器等で構成されるPLCシステム70を接続している。PLCシステム70は、ループ状情報伝送路10に接続されるノード部73と、外部の情報処理装置40のネットワークI/F43にLAN(Local Area Network)44等の情報ネットワークを介して接続するためのネットワークI/F72と、これらを制御するプロセッサ部71で構成されている。
ノード部73は、上述のノード装置20と等価な機能を有し、ノード部73内のメモリに格納された故障箇所の判定結果等の情報をプロセッサ部71が読み出して、ネットワークI/F72、LAN44を経由して情報処理装置40に送出し、情報処理装置40の側では、読み出した故障箇所の判定結果等の情報を、ディスプレイ41に可視化して表示する処理を行う。
産業用制御機器等のPLCシステム70は、プロセッサ性能やメモリ等の資源がコスト等の制約から低く抑制されていることが一般的であるが、上述のように、本実施の形態の故障箇所判定方法では、数十〜数百ビットの設定構成局情報50および実構成局情報テーブル60を個々のPLCシステム70にもたせ、小規模の論理演算を行わせるだけで、少ないメモリ資源や処理負荷にて低コストにて容易に実現できる。
以上説明したように、本実施の形態により、A系回線11およびB系回線12にて多重化されたループ状情報伝送路10を備えた多重化リング型ネットワークにおいて、一箇所に故障が起きた場合に、その個所を明示的に割り出すことができ、保守の容易化、システム管理の容易化、予防保全性の向上を図ることができ、さらなる信頼性の向上につながる。
また、前述のように、故障個所を割り出す演算には、各局において認識できる実構成局情報63とシステム全体で同一の設定である設定構成局情報50のみしか使用していないので、容易に故障個所の判定を行うことができる。これは、本実施の形態の機能を、各局を構成するネットワーク端末機器に搭載しても、ネットワーク端末機器の伝送に関わる処理を圧迫することがなく、監視機能や故障診断を集中させた従来の方式に比べ、処理を分散して、かつ同一の機能を実現できるので、信頼性が向上するとともに、故障診断情報の入手性が向上し、表示機器をどのノードに接続しても必要な情報が得られるので、システム構築の柔軟性も向上する。
本発明の一実施の形態である故障箇所判定方法を実施する多重ループ型ネットワークの構成の一例を示す概念図である。 この多重ループ型ネットワークにおける故障箇所の判定に用いられる実構成局情報テーブルの初期状態の構成の一例を示す概念図である。 この多重ループ型ネットワークにて用いられる情報フレームのフレームフォーマットの一例を示す概念図である。 ノード装置の故障発生時における多重ループ型ネットワークの作用の一例を示す概念図である。 図4の故障状態に対応する実構成局情報テーブルの内容の一例を示す説明図である。 伝送路の故障時における多重ループ型ネットワークの作用の一例を示す概念図である。 図6の故障状態に対応する実構成局情報テーブルの内容の一例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態である多重ループ型ネットワークを構成するノード装置の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態である多重ループ型ネットワークにおけるノード装置の変形例を示すブロック図である。
符号の説明
10 ループ状情報伝送路
11 A系回線
12 B系回線
20 ノード装置
21 マイクロプロセッサ
22 デュアルポートメモリ
23 送受信回路
24 バッファメモリ
25 送信/受信選択部
26 A系送信/受信回路
27 B系送信/受信回路
30 フレーム
31 スタートデリミタ
32 フレームヘッダ
33 伝送データ
34 実構成局情報部
35 フレームチェックコード
36 エンドデリミタ
40 情報処理装置
41 ディスプレイ
42 ホストI/F
43 ネットワークI/F
44 LAN
50 設定構成局情報
60 実構成局情報テーブル
61 A系実構成局情報
62 B系実構成局情報
63 実構成局情報
70 PLCシステム
71 プロセッサ部
72 ネットワークI/F
73 ノード部

Claims (2)

  1. 情報の伝送方向が互いに逆の複数のループ型伝送路と、複数の前記ループ型伝送路に接続され、前記情報の送信時には複数の前記ループ型伝送路に同時に送信し、前記情報の受信時には複数の前記ループ型伝送路のいずれか一つを選択して受信を行う複数のノード装置と、を含む多重ループ型ネットワークの故障箇所判定方法であって、
    個々の前記ノード装置が、個々の前記ループ状情報伝送路上で存在を観測した他の前記ノード装置を記録した実構成情報を常に前記情報とともに複数の前記ループ型伝送路の各々に互いに逆方向に同時に送信して、他の前記ノード装置と交換して共有する第1工程と、
    任意の前記ノード装置において、個々の前記ループ状情報伝送路上に本来存在すべき前記ノード装置が記録された設定構成情報と、前記実構成情報とに基づいて、個々の前記ループ状情報伝送路上の故障箇所を特定する第2工程と、
    を含み、
    前記設定構成情報は、個々の前記ループ状情報伝送路上に本来存在すべき個々の前記ノード装置の存在の有無を1ビット(有:1、無:0)に割り当てた第1ビット列で構成され、
    前記実構成情報は、個々の前記ループ状情報伝送路上における個々の前記ノード装置の実在の有無を1ビット(有:1、無:0)に割り当てた第2ビット列で構成され、
    前記第2工程では、個々の前記ループ状情報伝送路毎に、個々の前記ノード装置で観測された複数の前記第2ビット列の論理和と、前記第1ビット列との排他的論理和を算出し、
    前記排他的論理和のビット列がすべて0でない場合には、前記排他的論理和で1のビット位置に対応する前記ノード装置を故障とみなし、
    前記排他的論理和のビット列がすべて0の場合には、
    個々のループ状情報伝送路毎に、個々の前記ノード装置で観測された複数の前記第2ビット列の論理積をとり、前記論理積と前記第1ビット列とが一致する場合は当該ループ状情報伝送路に障害なしと判定し、前記論理積と前記第1ビット列とが不一致の場合には、前記論理積の1のビット位置に対応した前記ノード装置の上流側の当該ループ状情報伝送路に障害が発生したと見なす、ことを特徴とする多重ループ型ネットワークの故障箇所判定方法。
  2. 任意の前記ノード装置において、前記第2工程で得られた前記故障箇所の情報を可視化して表示する第3工程をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の多重ループ型ネットワークの故障箇所判定方法。
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