JP5405827B2 - ネットワーク上の動作周波数内にあるノイズの検出 - Google Patents

ネットワーク上の動作周波数内にあるノイズの検出 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
[発明の背景]
本発明は、ネットワークと、ネットワーク上の信号に関する。具体的には、本発明は、通信ネットワークの動作周波数内にあるノイズを検出することに関する。
一般的な工業プラントでは、分散制御システム(DCS)が、プラントで実行される多くの工業処理を制御するのに使用されている。一般的に、プラントには、コンピュータシステムを備えた集中制御室があり、コンピュータシステムには、コンピュータ技術において周知のユーザ入力部/出力部(I/O)と、ディスクI/Oと、他の周辺デバイスとが具備されている。コンピュータシステムには、コントローラとプロセスI/Oサブシステムとが連結されている。
プロセスI/Oサブシステムには、I/Oポートが具備されており、このI/Oポートには、プラント全体における種々のフィールドデバイスが接続されている。フィールドデバイスとしては、さまざまな種類の解析装置、シリコン圧力センサ、容量圧力センサ、抵抗温度検出器、熱電対、ひずみゲージ、リミットスイッチ、オン/オフスイッチ、流量送信器、圧力送信器、静電容量レベルスイッチ、計量器、トランスデューサ、バルブ固定装置、バルブコントローラ、アクチュエータ、ソレノイド、表示灯がある。“フィールドデバイス”という用語は、これらデバイスとともに、分散制御システムにおいて機能する他のいかなるデバイスも含む。
フィールドバスは、マルチドロップ・シリアル・ディジタル双方向通信プロトコルであり、分散制御システムにおける、現場計器と、監視ユニットや模擬ユニットといった他のプロセスデバイスとを接続するためのものである。フィールドバスによって、以前のプロセス制御ループ法におけるディジタル通信を強化しつつ、フィールドバス閉ループに連結されたプロセスデバイスに電力を供給する能力を維持するとともに、固有の安全要求に合致させることもできる。
合理的に標準化された2つの工業用フィールドバスプロトコルとして、ファウンデーション・フィールドバスと、プロフィバスとがある。フィールドバスプロトコルの物理層は、アメリカ計測学会(ISA)規格であるANSI/ISA−S50.02−1992と、1995年の2つの拡張案とに定義されている。フィールドバスプロトコルでは、2つのサブプロトコルが定義されている。H1フィールドバスネットワークは、最大31.25(キロビット/秒)(Kbps)の速度でデータを送信するとともに、ネットワークに接続されたフィールドデバイスに電力を供給する。H1物理層サブプロトコルは、1992年の9月に承認されたISA規格の第11節第2部に定義されている。H2フィールドバスネットワークは、最大2.5(メガビット/秒)(Mbps)の速度でデータを送信するものの、ネットワークに接続されたフィールドデバイスに電力を供給せず、余剰の伝送媒体を備えている。
フィールドバスネットワークは、大型モータ、プロセス設備、工場設備と関連して用いられることが多い。モータや設備を起動すると、通信媒体の動作周波数内にバーストノイズが発生することがある。このバーストノイズによって、メッセージが破損する可能性があり、極端な場合、ネットワークデバイスとの通信が喪失されてしまう可能性がある。
[発明の概要]
本発明は、通信媒体の動作周波数内にあるノイズを検出すること目的としている。通信媒体上では、破損メッセージがないか、メッセージが監視される。破損メッセージの数が、破損メッセージ閾値に達すると、ノイズ検出信号が発生される。
[詳細な説明]
<プロセス制御システムの概要>
フィールドバス物理層は、物理層プロトコルデータユニット(PhPDU)の形式で通信プロトコルデータを送受信する物理手段の電気的特性を定義している。さらに、フィールドバス物理層は、シンボル符号化、メッセージフレーム化、エラー検出方法を定義している。ISAフィールドバス規格は、3つの信号伝送速度と2つの結合モードとを定義している。本説明のため、ISA規格ANSI/ISA−S50.02の第2部−1992における第11節に定義されたH1物理層を背景にしてプロセス制御システムを説明する。この節は、低電力の選択肢を有した、31.25Kbps、電圧モード、導線媒体を対象としている。この選択肢によれば、通信媒体に接続されたデバイスは、通信媒体から動作電力の供給を受けることができる。物理層は、危険な環境のための固有の安全要求に合致させることができる。このプロトコルは、規格によって定義された電圧及び電流の制限に従って、低級ツイストペア線で動作し、多数のデバイスに対応するものである。
図1は、一般的なプロセス制御システム10を示している。このプロセス制御システム10は、セグメント12と、電源14と、5つのデバイスとを備えている。尚、5つのデバイスは、リンク・アクティブ・スケジューラ(LAS)20、リンク・マスタ(LM)デバイス22、基本デバイス24,26,28である。また、図1は、セグメント12に接続された診断ツール29も示している。セグメント12は、1対の導線上で32基のデバイスまで対応することができる。一般的に、セグメント12は、ループ実行速度と、電力と、固有の安全要求とに基づいて、4〜16基のデバイスを有することになる。
LAS20は、セグメント12上のデバイス間でなされる全ての通信の主要スケジュールを維持する。LAS20は、コンペル・データ(CD)・データ・リンク・プロトコル・データ・ユニット(DLPDUs)を各デバイスへ送信し、各デバイスが、その後に返信するようにスケジューリングされる周期的なデータを返信することで全体的な通信の信頼性を向上させる。LAS20は、セグメント12上のデータリンク時刻(DL時刻)の局部的な起点として機能する。DLPDUは、セグメント12をわたって通信されるPhPDUメッセージのデータ内容である。
LMデバイス22は、万が一、LAS20が故障した場合、もしくは正常に動作しなくなった場合に、LAS20の役割を引き継ぐように構成されている。図1には、LMデバイス22しか図示されていないが、複数のリンク・マスタ・デバイスをセグメント上に設けることができる。複数のリンク・マスタ・デバイスを設けることによって、リンク・アクティブ・スケジューラと第1のリンク・マスタとの双方が故障しても、第2のリンク・マスタがリンク・アクティブ・スケジューラを引き継ぐことができる。リンク・アクティブ・スケジューラがいったん機能しなくなると、リンク・マスタがリンク・アクティブ・スケジューラの機能を引き継ぐ。
各デバイスは、V(TN)と称する固有のアドレスを有している。尚、V(TN)は、ローカルノードID(This_Node)を表す。図1に示す例では、LAS20は、V(TN)=20というアドレス;LMデバイス22は、V(TN)=22というアドレス;基本デバイス24は、V(TN)=A5というアドレス;基本デバイス26は、V(TN)=F3というアドレス;基本デバイス28は、V(TN)=F5というアドレスを有している。
LAS20は、セグメント12上の全てのデバイスにパス・トークン(PT)メッセージとプローブ・ノード(PN)メッセージとを送信する。他のデバイス(LMデバイス22及び基本デバイス24,26,28)はそれぞれ、リターン・トークン(RT)メッセージとプローブ・レスポンス(PR)メッセージとをLAS20に適宜返信する。
基本デバイス24,26,28はそれぞれ、LAS20によって送信された各々に対するPTメッセージとPNメッセージとを確認する必要があるだけである。PTメッセージ及びPNメッセージは、符号化された宛先アドレス(DA)をDLPDUの第2バイトに有している。LAS20は、セグメント12上の全てのデバイスに対して、トークン(PT)の転送、もしくはノード(PN)の調査を1つづつ行う。
基本デバイス24,26,28は、各々の固有アドレス(DA=V(TN))と一致する宛先アドレスを有するPTメッセージを受信すると、LAS20に対してRTメッセージで応答する。基本デバイス24,26,28は、DA=V(TN)を有するPN DLPDUを受信すると、PRメッセージで応答することを要求される。
LAS20からのPTメッセージ、PNメッセージ、及びLAS20へのRTメッセージ、PRメッセージの送信によって、特定の基本デバイス24,26,28が受信や応答する必要がない種々のメッセージがセグメント12上に生成される。基本デバイス24,26,28はそれぞれ、その特定のデバイス宛のPTメッセージ及びPNメッセージに応答する必要があるだけである。LAS20からの他のデバイス宛のPTメッセージ及びPNメッセージ、さらに、他のデバイスからのLAS20宛のRTメッセージ及びPRメッセージに頻繁に割り込まれることにより、これら“妨害割込”を処理する過度の処理時間が生じ得る。基本デバイス24,26,28のために、DLPDUフィルタリングを用いて、基本デバイスが処理しなければならない割込の数を低減できる。他方、LAS20は、セグメント12上の各メッセージを処理しなければならない。
セグメント12上の全てのデバイスは、データをマンチェスタ符号化ベースバンド信号としてセグメント12上に送信する。マンチェスタ符号化によって、“0”及び“1”は、ビット周期内で起こるロウからハイへの変化と、ハイからロウへの変化とでそれぞれ表される。フィールドバスでは、公称ビット時間は32マイクロ秒(μ秒)であり、16μ秒で変化を生じる。マンチェスタ符号化法は、拡張され、非データプラス(N+)、非データマイナス(N−)といった2つの追加シンボルを含んでいる。但し、ビット周期中に変化は起こらず、マンチェスタ符号化ベースバンド信号は、ハイ(N+)もしくはロウ(N−)のままとなる。
診断ツール29は、例えば金属線やプローブなどの2つの導体素子によってセグメント12に接続される。診断ツール29の診断機能の1つは、セグメント12上において破損メッセージの数が、破損メッセージ閾値を超過すると、ユーザに警告を発することである。図4に関してより詳細に説明されているように、破損メッセージ閾値を超過することは、動作周波数内にあるノイズの指標となり得る。
<メッセージフォーマット>
図2に、メッセージをセグメント12上に送信するのに用いられる物理層プロトコルデータユニット(PhPDU)のフォーマットを示す。PhPDUは、プリアンブルと、スタート・デリミタ(SD)と、データリンク・プロトコル・データ・ユニット(DLPDU)と、エンド・デリミタ(ED)とを含んでいる。プリアンブルは、PhPDUメッセージの最初の数ビットである。フィールドバス仕様では、1〜8バイトのプリアンブルが許容されている。メッセージを受信するデバイスは、プリアンブルを用いて、到来するメッセージと同期する。図2に示すように、プリアンブルにおける最初のバイト列は、1 0 1 0 1 0 1 0となっている。
スタート・デリミタ(SD)は、プリアンブルの直後に続く。1つのメッセージにつき1つのSDがある。フィールドバス仕様では、SDは、非文字データ(N+及びN−)を有している必要がある。この非文字データは、常に、相互補完関係にある一対としてSDメッセージに現れる。この符号化方法によって、SDは独特のものとなり、SDとメッセージのデータ部分(DLPDU)との混同が生じることがない。図2に示すSDの列は、1 N+ N− 1 0 N− N+ 0となっている。
DLPDUは、可変長メッセージである。DLPDUは、その最初のバイトとしてフレーム制御(FC)バイトを含み、(以下により詳細に説明されている)その最後の2バイトとしてフレーム・チェック・シーケンス(FCS)チェックサムを含んでいる。DLPDUの長さは、可変であり、最小3バイト(RTメッセージの場合)から例えばおおよそ300バイトのジャバリミットまでである。
エンド・デリミタ(ED)は、DLPDUに続く。EDは、セグメント12上へ送信されたあらゆるPhPDUメッセージの最後のバイトを表している。SDと同様に、EDは、相互補完関係にある一対の非文字データを含んでいる。この符号化方法によって、EDは独特のものとなり、EDとDLPDUとの混同が生じることがない。図2に示すエンド・デリミタの列は、1 N+ N− N+ N− 1 0 1となっている。
また、図2は、キャリア検出信号を示している。キャリア検出信号の用途は、(a)到来するPhPDUメッセージがセグメント12上へ送出される時期、もしくは(b)デバイスがセグメント12上にメッセージを送信している時期を示すことである。
送信開始(SOT)は、送信イネーブル(TxE)がアクティブになったとき、つまり、PhPDUメッセージのプリアンブルがセグメント12へ最初に送出されたときに発生する。
活動開始(SOA)は、キャリア検出信号がアクティブになり、キャリア検出信号が少なくとも1ビット時間、もしくは2ビット時間(おおよそ16〜32μ秒)の間、安定したのちに発生する。この時間は、メッセージを受信するデバイスの内部クロックに対して、いつキャリア検出がアクティブになるかに依存する。キャリア検出信号が安定したのちに活動開始(SOA)が発生することによって、デバイスの通信コントローラは、プリアンブルの前半で起こる可能性が非常に高いノイズ異常を無視できる。追加時間は、ビット境界との同期に用いられ、それによりセグメント12上の短いノイズバーストが活動として誤解釈される可能性が排除される。送信メッセージの場合、送信イネーブルがいったんアクティブになると(つまり、PhPDUのプリアンブルがセグメント12へ送出されると)、SOAが発生する。
メッセージ開始(SOM)は、受信メッセージのFCバイトが検出されたときの最初のビットの始まりで発生する。
SOM_xmtは、メッセージ送信開始であり、送信メッセージのFCバイトが検出されたときの最初のビットの始まりで発生する。
SOMfは、フィルタ処理された受信DLPDUのSOMである。SOMfは、デバイス内の通信コントローラが、到来するメッセージをフィルタ処理するか判定するのに十分な情報を検出すると発生する。
メッセージ終了(EOM)は、EDにおける最後のビットの終わりが受信メッセージに現れると発生する。送信終了(EOT)は、送信メッセージにおけるEDの最後のビットの終わりで発生する。
活動終了(EOA)は、キャリア検出信号が非アクティブになったときに発生する。EOAは、送信DLPDU及び受信DLPDUの双方で発生する。
<診断ツール29>
図3は、診断ツール29の構成ブロック図である。診断ツール29は、ハウジング30と、液晶ディスプレイ(LCD)31と、導体素子32と、通信ボード33とを備えている。通信ボード33は、ハウジング30内に収容され、媒体接続装置(MAU)34と、中央処理装置(CPU)36と、通信コントローラ38とを備えている。
ハウジング30は、診断ツール29をより一層携帯し易い寸法を有している。例えば、ハウジング30は、診断ツール29が手持ちサイズのデバイスとなるような寸法であってもよい。
LCD31は、診断ツール29のユーザがディスプレイを外部から視認可能にハウジング30に収容されている。LCD31は、診断ツール29の操作に関連する情報をユーザに伝えるのに使用される。
診断ツール29は、導体素子32によってセグメント12に電気的に接続される。一実施形態では、導体素子32は、導体線もしくは導体プローブである。導体素子32は、セグメント12からMAU34へ信号を供給する。MAU34は、セグメント12からの信号を通信ボード33上のハードウェアで使用可能な信号に変換する送信機である。MAU34は、ネットワークプロトコルの物理層の一部であり、集積回路であってもよいし、個別部品で構成されてもよい。
CPU36は、通信コントローラ38を介して、MAU34に接続されている。CPU36は、モトローラ社製68LC302、モトローラ社製Mcore2075、モトローラ社製PowerPC850、アトメル社製ThumbプロセッサAT91M40800などといったマイクロプロセッサを基礎としたシステムである。一実施形態では、CPU36は、8ビット以上のプロセッサである。
通信コントローラ38は、特定用途向け集積回路(ASIC)素子であり、MAU34とCPU36との間のインターフェイスとして機能する。通信コントローラ38は、セグメント12に接続された外部のアナログ回路との間で符号化されたマンチェスタデータの送受信を行う。通信コントローラ38は、MAU34からシリアルデータを受信したのち、受信したデータを符号化し、符号化したデータをバイトに変換して、プリアンブル、SD、ED(そして、任意にFCSバイト)を除去し、リンク層が読み取るメッセージデータを供給する。
診断ツール29の1つの機能は、セグメント12上の動作周波数内にノイズが存在することを検出することである。図4は、セグメント12の動作周波数内にあるノイズを検出するために診断ツール29によって使用される、本発明の実施形態に係る処理のフローチャートである。この処理は、診断ツール29内のCPU36によって実行されるソフトウェアに組み込まれてもよいし、診断ツール29内のハードウェアに組み込まれてもよい。一般的に、診断ツール29は、セグメント12上で検出された破損メッセージを監視し、検出された破損メッセージの数が破損メッセージ閾値を超過すると、ノイズ検出信号を発生させる。
診断ツール29は、破損メッセージの形跡がないか、セグメント12上のメッセージを監視する(ステップ50)。一実施形態では、通信コントローラ38は、全ての受信メッセージに対するFCS検査の実行によって監視処理を開始する。FCS検査は、巡回冗長検査(CRC)であって、メッセージの伝送におけるエラーを検出するチェックサムを生成するのに使用されるハッシュ関数の一種である。FCS検査の結果は、DLPDUの最後の2バイトに格納される。セグメント12上のデバイスは、例えばLAS20からのPTメッセージ及びPNメッセージ、もしくは基本デバイスからのRTメッセージ及びPRメッセージなどのメッセージを送信するとき、常に、メッセージの送信前に、FCS検査の結果をメッセージの末尾に付加する。診断ツール29がメッセージを検出すると、通信コントローラ38は、同一のFCS検査をこのメッセージに行う。通信コントローラ38は、FCS検査の結果と、DLPDUの末尾のFCSバイトとを比較する。2つのFCS検査の結果が一致しなければ、メッセージは伝送中に破損してしまった可能性があり、通信コントローラ38は、メッセージが破損していることを示すエラーレジスタをセットする。
次に、通信コントローラ38は、キャリア検出が非アクティブになったときに発生するEOAの検出とともに割込を発生させる。EOAが受信メッセージの最後の処理を表しているので、この時点で割込を発生させることによって、メッセージの所定の受け手であるデバイスと、診断ツール29との双方は、メッセージを最初に処理できる。この割込は、メッセージが破損しているかの指標について、強制的にCPU36に通信コントローラ38のエラーレジスタを検査させる。
破損メッセージの検出とともに(ステップ52)、CPU36は、通信コントローラ38内のレジスタに格納された破損メッセージのカウント値を更新する(ステップ54)。一実施形態では、破損メッセージのカウント値は、通信コントローラによって受信された破損メッセージの合計数と関連している。別の実施形態では、破損メッセージのカウント値は、一期間内に受信された破損メッセージの数と関連している。さらなる実施形態では、破損メッセージのカウント値は、CPU36によって保持された、ネットワーク上で有効に通信しているデバイスのリストから削除されたデバイスと関連している。例えば、リスト上のデバイスが、このデバイスとの通信が喪失したことに起因して削除された場合、このデバイスとの通信の喪失は、ネットワーク動作周波数内にあるノイズの指標となり得る。さらなる実施形態では、破損メッセージのカウント値は、未更新データブロックのカウント値と関連している。未更新データブロックとは、複数回の実行後もデータが変化しない一期間のことである。
CPU36は、通信コントローラ38に格納された、破損メッセージ閾値と呼ばれるデータ領域を保持している。破損メッセージ閾値は、ユーザが、例えばデバイスとの通信の喪失などといった、セグメント12上の過剰な破損メッセージに起因する二次的兆候に遭遇し始める基準である。一実施形態では、破損メッセージ閾値は、例えば通信の喪失などといった二次的兆候が発生する前の期間を通じて許容可能な破損メッセージの最大数を表している。別の実施形態では、破損メッセージ閾値は、二次的兆候が発生する前のセグメント12上のメッセージの合計数のうち、許容可能な破損メッセージの最大数を表している。CPU36は、破損メッセージのカウント値を閾値と比較して、閾値が超過されたのか判定する(ステップ56)。
破損メッセージの数が破損メッセージ閾値を超過したとき、セグメント12の動作周波数内にあるノイズがメッセージを破損させている可能性がある。さらに、一期間内に検出された破損メッセージの数が、この期間に1つのデバイスが送信可能なメッセージの数よりも多い場合というのは、セグメント12の状態が、複数のデバイスへのメッセージ、及び複数のデバイスからのメッセージの破損を生じさせていることを示している可能性がある。この指標から、セグメント12の動作周波数内にあるノイズがメッセージを破損させていることを推測可能である。また、この指標は、例えば、不具合が生じているデバイスが破損メッセージを送信しているなどといった、他の原因によって破損メッセージが生じている可能性を排除する。
破損メッセージ閾値が超過されている場合、CPU36は、ノイズ検出信号を発生させる(ステップ58)。一実施形態では、ノイズ検出信号は、LCD31への信号であり、ネットワークの動作周波数内にあるノイズによって破損したメッセージが存在していることをユーザに警告する画像出力をLCD31に生成させる信号である。別の実施形態では、診断ツール29は、警報音を出力して、ネットワークの動作周波数内にあるノイズによって破損したメッセージが存在していることをユーザに警告する。
要約すると、通信媒体上のメッセージは、ネットワークの動作周波数内にあるノイズによって破損することがある。本発明は、通信媒体の動作周波数内にあるノイズを検出する方法である。破損したメッセージは、そのメッセージが通信媒体から受信されたときに検出される。検出された破損メッセージの数が破損メッセージ閾値に達すると、ノイズ検出信号が発生される。
本発明は、好ましい実施形態を参照しながら説明されているが、当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、形態の変更及び詳細な変更が可能であることを認識するであろう。
通信媒体セグメント上のデバイス間のディジタル通信を行うプロセス制御システムの図面である。 図1のプロセス制御システムにおけるデバイス間の通信のためのメッセージフォーマットを示す。 図1に示された診断ツールの構成ブロック図である。 ネットワーク上の動作周波数内にあるノイズを検出するための、本発明に係る処理のフローチャートである。

Claims (4)

  1. 通信媒体上のデバイスあるいは該通信媒体の周囲のデバイスに起因する、該通信媒体の動作周波数内にあるノイズを検出する方法であって、
    該方法は、
    破損メッセージがないか、前記通信媒体上で前記ノイズによって破損し得るメッセージを監視することと、
    破損メッセージの数が破損メッセージ閾値に達すると、ノイズ検出信号を発生することと
    を備え
    前記破損メッセージ閾値は、一期間内に1つのデバイスが送信可能なメッセージの数より多い、該期間内に検出された破損メッセージの数である
    ことを特徴とする方法。
  2. 通信媒体上のデバイスあるいは該通信媒体の周囲のデバイスに起因する、該通信媒体の動作周波数内にあるノイズを検出する方法であって、
    該方法は、
    前記ノイズによって破損し得る前記通信媒体上のメッセージから破損メッセージを検出することと、
    破損メッセージが検出されると、破損メッセージのカウント値を更新することと、
    前記破損メッセージのカウント値が破損メッセージ閾値に達すると、ノイズ検出信号を発生することと
    を備え
    前記破損メッセージ閾値は、一期間内に1つのデバイスが送信可能なメッセージの数より多い、該期間内に検出された破損メッセージの数である
    ことを特徴とする方法。
  3. 請求項に記載の方法であって、
    前記通信媒体上の破損メッセージを検出することは、前記通信媒体上で破損メッセージが発生したときに発生される割込信号を処理することを備えている
    ことを特徴とする方法。
  4. 通信媒体と接続する診断ツールであって、
    該診断ツールは、
    該診断ツールを前記通信媒体に接続する複数の導体素子と、
    該導体素子を介して、前記通信媒体からの信号を受信動作可能な媒体接続装置(MAU)と、
    該MAUに接続され、破損メッセージがないか、前記通信媒体上のデバイスあるいは前記通信媒体の周囲のデバイスに起因するノイズによって破損し得る前記通信媒体上のメッセージを監視動作可能であり、且つ、破損メッセージの数が破損メッセージ閾値に達すると、ノイズ検出出力を発生動作可能な処理装置と
    を備え
    前記破損メッセージ閾値は、一期間内に1つのデバイスが送信可能なメッセージの数より多い、該期間内に検出された破損メッセージの数である
    ことを特徴とする診断ツール。
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