JP6370132B2 - 通信異常検出装置、通信異常検出方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、通信異常検出装置、通信異常検出方法及びプログラムに関し、特に、マスター装置と複数のスレーブ装置との間で行われる通信の異常を検出する通信異常検出装置等に関する。

近年、複数の電動バルブアクチュエータ（以下、「ＶＡ」という。）を制御するために、例えばPROFIBUS通信システムが採用されている。PROFIBUS通信では、マスター装置が複数のＶＡとシリアルに接続して通信する。PROFIBUS通信では、通信ラインの常時観察が標準規格に準備されていない。このようなPROFIBUS通信を用いてＶＡ群を運用する場合、定期的に専用のアナライザや通信解析装置を接続し、通信ラインをモニタしていた。

特許文献１には、バルブ等を制御するためのシステムにおいて、パラメータを収集して統計モデルを生成して品質予測や故障検出を実現することが記載されている。

特開２０１３−０８４２５１号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、通信により集めたパラメータに対して、統計モデルを用いて各装置の振る舞いを評価して、品質予測や故障検出を行うものである。通信ラインは、各装置の通信の基礎となるものであり、通信ラインにおける異常を直接的に検出するものではない。

例えばPROFIBUS通信では、配線抵抗の増加や各スレーブ装置の接触抵抗の増加により通信電圧が減衰する。ある個所で配線抵抗や接触抵抗が増加すると、当該箇所よりも上流側（マスター装置側）にあるスレーブ装置は適切な通信電圧で通信できても、当該箇所よりも下流側（マスター装置とは反対側）に存在するスレーブ装置は、減衰した通信電圧となり、通信不能となる可能性が高い。このような故障をマスター装置で検出すると、通常、マスター装置の故障として判断され、現場担当者は、全装置を対象にメンテナンスすることとなり、多大な負担となる。

ゆえに、本発明は、例えばPROFIBUS通信のように通信ラインの常時観察が標準規格に準備されていなくても、その通信ラインの異常を自動的に検出可能な通信異常検出装置等を提供することを目的とする。

本願発明の第１の観点は、マスター装置と複数のスレーブ装置との間で通信が行われる通信システムであって、マスター装置と複数のスレーブ装置との間で行われる通信の異常を検出する通信異常検出装置を備え、前記通信異常検出装置は、前記マスター装置と少なくとも一つの前記スレーブ装置との間の通信電圧を検出する検出手段と、前記通信電圧が設定電圧よりも小さい、又は、前記設定電圧よりも小さくなることが予想されるならば前記マスター装置に対して警告情報を通知する通知手段を備えるものである。

本願発明の第２の観点は、第１の観点の通信システムであって、前記複数のスレーブ装置は、前記マスター装置と通信ラインで接続する一つ又は複数の第１次スレーブ装置と、前記第１次スレーブ装置を経由して前記マスター装置と通信する第２次スレーブ装置とを含み、前記検出手段は、前記マスター装置と前記第１次スレーブ装置との間の通信ラインにおける矩形波の立ち上がり又は立ち下がりの電圧値を読み込むことにより、前記通信電圧を検出するものである。

本願発明の第３の観点は、第１又は第２の観点の通信システムであって、前記検出手段は、前記通信電圧とともに、通信対象であるスレーブ装置を識別するための識別情報を監視するものであり、前記通知手段は、前記通信電圧が前記設定電圧以下であること、又は、前記設定電圧よりも小さくなることが予想されることを検出すると、前記マスター装置に対して、前記警告情報に加えて、その通信における通信相手を特定するための識別情報を通知し、前記マスター装置は、通信により前記識別情報により特定されたスレーブ装置に対して、警告情報が通知されたことを通知する通信手段を備え、前記スレーブ装置は、前記警告情報が通知されたことを通知されると、前記警告情報が通知されたことを表示する表示部を備えるものである。

本願発明の第４の観点は、第１から第３のいずれかの観点の通信システムであって、前記通知手段は、以前に検出した通信電圧とその後に検出した通信電圧を比較して通信電圧の減衰が第１設定範囲にあるか否かを判断し、通信電圧の減衰が前記第１設定範囲を超えるのであれば前記マスター装置に対して警告情報を通知し、及び／又は、隣接するスレーブ装置との通信電圧差が第２設定範囲にあるか否かを判断し、通信電圧差が前記第２設定範囲を超えるのであれば前記マスター装置に対して警告情報を通知するものである。

本願発明の第５の観点は、マスター装置と複数のスレーブ装置との間で行われる通信の異常を検出する通信異常検出方法であって、前記マスター装置と少なくとも一つの前記スレーブ装置との間の通信電圧を検出する検出ステップと、前記通信電圧が設定電圧よりも小さい、又は、前記設定電圧よりも小さくなることが予想されるならば前記マスター装置に対して警告情報を通知する通知ステップを含むものである。

本願発明の第６の観点は、コンピュータを、マスター装置と少なくとも一つのスレーブ装置との間の通信における通信電圧を検出する検出手段と、前記通信電圧が設定電圧よりも小さい、又は、前記設定電圧よりも小さくなることが予想されるならば前記マスター装置に対して警告情報を通知する通知手段として機能させるためのプログラムである。

なお、本願発明を、第６の観点のプログラムを定常的に記録するコンピュータ読み取り可能な記録媒体として捉えてもよい。

また、設定電圧、第１設定範囲、第２設定範囲は、通信異常検出装置が備える記憶手段に記憶されるものであってもよい。

本願発明の各観点によれば、PROFIBUS通信システムなどにおいて通信異常検出装置を付加し、通信異常検出装置がマスター装置とスレーブ装置との間の通信ラインにおける通信電圧を常時検出してその低下を判断することにより、通信ラインの常時観察が標準規格に準備されていなくても、常時、マスター装置とスレーブ装置との間の通信ラインにおける通信電圧の低下故障の発生やその発生の予測をすることが可能になる。

さらに、第２の観点によれば、例えばシリアル通信のように、一部のスレーブ装置（第１次スレーブ装置）がマスター装置と直接（すなわち、他のスレーブ装置を経由せずに）接続して通信し、他のスレーブ装置（第２次スレーブ装置）が第１次スレーブ装置を経由して通信する場合に、マスター装置と第１次スレーブ装置との間の通信ラインの通信電圧を常時検出することにより、通信システム全体として通信電圧の異常低下の発生・予測をすることが可能になる。

さらに、第３の観点によれば、通信電圧の低下故障の発生・予測が検出されたスレーブ装置を特定することにより、配線抵抗や接触抵抗の増加が生じている箇所を容易に特定することができる。さらに、通信相手を特定するための識別情報は、通信のために用いられるものであって、いわば仮想空間上のものである。そのため、各スレーブ装置に表示部を設け、通信電圧の低下が検出されたときに通信を行っていたスレーブ装置に異常が生じた旨を表示することにより、現場担当者は、実空間である故障現場で故障箇所を容易に特定することができる。

さらに、第４の観点によれば、常時検出により継続的に通信電圧を検出していることを利用して過去に検出した通信電圧と比較したり、隣接するスレーブ装置との通信電圧差を利用したりすることにより、通信電圧の低減を高精度に予測することが可能になる。これにより、保守計画立案による予備的保守が可能になり、予期せぬ故障の発生を抑えることができる。ここで、あるスレーブ装置の隣接スレーブ装置とは、当該スレーブ装置と直接通信するものであって、当該スレーブ装置が経由してマスター装置と通信を行うもの、又は、当該スレーブ装置を経由してマスター装置と通信を行うものである。

本願発明の実施の形態に係る通信システムの構成の一例を示すブロック図である。 図１の通信システム１の動作の一例を示すフロー図である。 図１の検出部３１が検出する通信電圧を示すグラフであり、（ａ）正常な場合と、（ｂ）異常が生じた場合を示す図である。 隣接スレーブ装置との間の通信電圧差の自乗の一例を示すグラフである。 通信異常検出装置７において、通信電圧の矩形波の立ち上がりを監視して電圧値を読み込む場合の電圧値の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の実施の形態に係る通信システムの構成の一例を示すブロック図である。通信システム１は、マスター装置３（本願請求項の「マスター装置」の一例）と、複数のスレーブ装置５₁，…，５_N（本願請求項の「スレーブ装置」の一例）（Ｎは、２以上の自然数。以下、添え字は省略する場合もある。）と、通信異常検出装置７（本願請求項の「通信異常検出装置」の一例）を備える。

図１において、マスター装置３とスレーブ装置５は、PROFIBUS通信を行うものであり、シリアル通信を行うものである。マスター装置３は、スレーブ装置５₁と直接（すなわち、たのスレーブ装置を経由せずに）通信を行う（スレーブ装置５₁が、本願請求項の「第１次スレーブ装置」の一例であり、他のスレーブ装置５が、本願請求項の「第２次スレーブ装置」の一例である。）。スレーブ装置５₁は、マスター装置３及びスレーブ装置５₂と直接通信を行う。スレーブ装置５_i（ｉは、２以上Ｎ−１以下の自然数）は、スレーブ装置５_i-1及び５_i+1と通信を行う。スレーブ装置５_Nは、スレーブ装置５_N-1と通信を行う。スレーブ装置５₁の隣接スレーブ装置は、スレーブ装置５₂である。スレーブ装置５_iの隣接スレーブ装置は、スレーブ装置５_i-1及び５_i+1である。スレーブ装置５_Nの隣接スレーブ装置は、スレーブ装置５_N-1である。

マスター装置３は、通信部１１と、監視部１３と、表示部１５を備える。スレーブ装置５は、通信部２１と、表示部２３と、制御部２５を備える。通信異常検出装置７は、検出部３１と、通知部３３と、記憶部３５を備える。

マスター装置３の通信部１１は、スレーブ装置５の通信部２１との間で通信を行い、各スレーブ装置５の動作を制御する。スレーブ装置５には、それぞれ識別するための番号（ＩＤ）が付与されている。マスター装置３は、ＩＤで特定されるスレーブ装置５との間で通信を行う。通信時には、通信相手を特定するためにＩＤを含む情報が含まれている。そのため、検出部３１は、ＩＤを検出することにより、通信相手となるスレーブ装置を検出することができる。

スレーブ装置５は、電動バルブアクチュエータ（ＶＡ）であり、制御部２５は、マスター装置３からの指示に従ってバルブ制御などを行う。

通信異常検出装置７の検出部３１は、マスター装置３と、マスター装置３と直接通信を行うスレーブ装置５₁との間の通信ラインで、通信電圧を検出する。検出部３１は、通信電圧を、通信における矩形波の立ち上がり又は立ち下がりの電圧値を読み込むことにより検出する（図５参照）。検出部３１は、通信におけるスレーブ装置５のＩＤを併せて検出することにより、通信相手であるスレーブ装置５を特定する。

記憶部３５は、設定値（本願請求項の「設定電圧」の一例）を記憶する。PROFIBUS通信であればＤＣ５Ｖでの通信を行っており、設定値は、例えば２．５Ｖと設定する。通知部３３は、検出された通信電圧が設定値よりも小さいならば、マスター装置３に、通信電圧の低下が生じたことを通知する。このとき、通知部３３は、スレーブ装置５のＩＤを併せて通知する。

また、記憶部３５は、第１設定範囲（本願請求項の「第１設定範囲」の一例）を記憶する。通知部３３は、同じスレーブ装置において、今回測定値と前回測定値との差の自乗が第１設定範囲を超えると、マスター装置３に、重要点検が必要であることを通知する。このとき、通知部３３は、スレーブ装置５のＩＤを併せて通知する。

また、記憶部３５は、第２設定範囲（本願請求項の「第２設定範囲」の一例）を記憶する。通知部３３は、測定値と隣接スレーブ装置の測定値との差の自乗が第２設定範囲を超えると、マスター装置３に、重要点検が必要であることを通知する。このとき、通知部３３は、スレーブ装置５のＩＤを併せて通知する。

監視部１３は、表示部１５に警告情報を表示させて現場担当者に特定箇所の保守警告をするとともに、通信を用いてＩＤにより特定されたスレーブ装置５の表示部２３に対して異常が生じたことを表示させて保守予告を表示することができる。現場担当者は、スレーブ装置５の表示部２３の表示を参考にして通信不安定箇所を特定し、その周辺の通信回路をメンテナンスする。これにより、保守性を向上させることができる。

図２は、図１の通信システム１の動作の一例を示すフロー図である。通信異常検出装置７の検出部３１は、通信電圧を監視する（ステップＳＴ１）。このとき、ＩＤと電圧レベルを監視する。そして、通信電圧の異常が検出又は予測されたか否かを判断する（ステップＳＴ２）。通信電圧の異常は、前述のように、例えば、通知部３３が、今回測定値が設定値を超えるか否かを判断したり、今回測定値と前回測定値との差の自乗が第１設定範囲を超えるか否かを判断したり、今回測定値と隣接スレーブ装置の測定値との差の自乗が第２設定範囲を超えるか否かを判断したりして、警告情報を通知するか否かを判断する。さらに、履歴を考慮することにより、交換の必要性までも判断することもできる。電圧レベルに異常がなければ、ステップＳＴ１に戻る。

電圧レベルが異常であれば、マスター装置３の監視部１３に対して、電圧低下検出時に検出されたＩＤと電圧低下の警告（アラーム）を出力する（ステップＳＴ３）。監視部１３は、表示部１５に異常を表示するとともに、通信部１１に対して、ＩＤにより特定されたスレーブ装置５の通信部２１に、電圧異常が生じたことを通知させる（ステップＳＴ４）。電圧異常が生じたことが通知されたスレーブ装置では、表示部２３に異常が生じたことを表示する（ステップＳＴ５）。現場担当者は、スレーブ装置５の表示部２３の表示により異常が検出されたスレーブ装置５を容易に特定することができ、当該スレーブ装置５を中心に周辺の通信回路をメンテナンスすることにより、電圧低下異常を容易に修復することができる（ステップＳＴ６）。そして、ステップＳＴ１に戻る。

図３は、通信電圧を示すグラフであり、（ａ）正常な場合と、（ｂ）異常が生じた場合を示す。図３において、横軸は、シリアル接続するスレーブ装置を、マスター装置から順番に示すものであり、縦軸は、マスター装置と各スレーブ装置との通信で検出された通信電圧を示す。通信電圧は、各ＶＡの枝線抵抗変動があると下流側隣接ＶＡに比べて、通信電圧が下がる場合があるために数か所の例外を除き、原則として、経由するスレーブ装置が増加するにつれて低下する。（ａ）正常な場合には、全体にわたって２．５Ｖ以上である。異常が生じた場合、あるスレーブ装置までは２．５Ｖ以上であるが、それを超えると２．５Ｖ以下となる。そのため、通信不能となる可能性が高い。ただし、この２．５Ｖは、測定のバラツキがありバラツキを考慮した閾値として設定されており、完全に通信不能となる可能性は低い。そのため、通信を用いて、異常の発生したスレーブ装置に通信電圧異常が生じたことを通知する。例えば、設定値未満のスレーブ装置が複数台検出された場合には、少なくとも、設定値未満の中で、検出された通信電圧値の最も高いスレーブ装置に通信電圧低下を表示させてもよい。例えば、通信電圧値2.5Ｖ以下の値を持つスレーブの中の最も高い通信電圧値スレーブ装置に表示させてもよく、電圧値の高い順に所定の個数までのスレーブ装置に通知して表示してもよい。また、設定値未満の全スレーブ装置に表示させてもよい。

図４は、隣接通信電圧差の自乗を示すグラフである。横軸はスレーブ装置を示し、縦軸は隣接するスレーブ装置との通信電圧差の自乗を示す。第２設定範囲を0.02以下と設定すると、縦軸の値が0.02よりも大きいスレーブ装置５は、次回の定期点検対象とすることとなる。図４では、このような定期点検対象とするものは認められない。同様に、定期的な測定において得られた、測定値の隣接差の自乗や前回測定値との差の自乗において、システムで指定される許容値を大幅に超えた場合（例えば3*3=9<10から10倍以上の場合）警告情報を出力する。

図５は、通信電圧の矩形波の立ち上がりを監視して、電圧値を読み込む場合の例を示すものである。図５にあるように、通信における矩形波の電圧レベルを監視することにより、通信電圧を検出することが可能である。

なお、本願発明は、図１のような構成に限定されず、例えばツリー構造のように、マスター装置３に直接接続するスレーブ装置が複数存在し、通信異常検出装置７は、マスター装置と直接接続する複数のスレーブ装置との間で通信電圧を検出して、その低下を検出するものであってもよい。

１ 通信システム、３ マスター装置、５ スレーブ装置、７ 通信異常検出装置、１１ 通信部、１３ 監視部、１５ 表示部、２１ 通信部、２３ 表示部、２５ 制御部、３１ 検出部、３３ 通知部、３５ 記憶部

Claims (6)

1. マスター装置と複数のスレーブ装置との間で通信が行われる通信システムであって、
   マスター装置と複数のスレーブ装置との間で行われる通信の異常を検出する通信異常検出装置を備え、
   前記通信異常検出装置は、
   前記マスター装置と少なくとも一つの前記スレーブ装置との間の通信電圧を検出する検出手段と、
   前記通信電圧が設定電圧よりも小さいならば前記マスター装置に対して警告情報を通知する通知手段を備え、
   前記検出手段は、前記通信電圧とともに、通信対象であるスレーブ装置を識別するための識別情報を監視するものであり、
   前記通知手段は、前記通信電圧が前記設定電圧以下であることを検出すると、前記マスター装置に対して、前記警告情報に加えて、その通信における通信相手を特定するための識別情報を通知し、
   前記マスター装置は、通信により前記識別情報により特定されたスレーブ装置に対して、警告情報が通知されたことを通知する通信手段を備え、
   前記スレーブ装置は、前記警告情報が通知されたことを通知されると、前記警告情報が通知されたことを表示する表示部を備える、通信システム。
2. マスター装置と複数のスレーブ装置との間で通信が行われる通信システムであって、
   マスター装置と複数のスレーブ装置との間で行われる通信の異常を検出する通信異常検出装置を備え、
   前記通信異常検出装置は、
   前記マスター装置と少なくとも一つの前記スレーブ装置との間の通信電圧を検出する検出手段と、
   前記通信電圧が設定電圧よりも小さいならば前記マスター装置に対して警告情報を通知する通知手段を備え、
   前記通知手段は、
   以前に検出した通信電圧とその後に検出した通信電圧を比較して通信電圧の減衰が第１設定範囲にあるか否かを判断し、通信電圧の減衰が前記第１設定範囲を超えるのであれば前記マスター装置に対して警告情報を通知し、及び／又は、
   検出した通信電圧と、検出したスレーブ装置とは異なるスレーブ装置で検出された通信電圧との差が第２設定範囲にあるか否かを判断し、通信電圧の差が前記第２設定範囲を超えるのであれば前記マスター装置に対して警告情報を通知する、通信システム。
3. 前記複数のスレーブ装置は、前記マスター装置と通信ラインで接続する一つ又は複数の第１次スレーブ装置と、前記第１次スレーブ装置を経由して前記マスター装置と通信する第２次スレーブ装置とを含み、
   前記検出手段は、前記マスター装置と前記第１次スレーブ装置との間の通信ラインにおける矩形波の立ち上がり又は立ち下がりの電圧値を読み込むことにより、前記通信電圧を検出するものである、請求項１又は２に記載の通信システム。
4. 通信異常検出装置がマスター装置と複数のスレーブ装置との間で行われる通信の異常を検出する通信異常検出方法であって、
   前記通信異常検出装置が備える検出手段が、前記マスター装置と少なくとも一つの前記スレーブ装置との間の通信電圧を検出するとともに、通信対象であるスレーブ装置を識別するための識別情報を監視する検出ステップと、
   前記通信異常検出装置が備える通知手段は、前記通信電圧が設定電圧以下であることを検出すると、前記マスター装置に対して、警告情報に加えて、その通信における通信相手を特定するための識別情報を通知する通知ステップと、
   前記マスター装置が備える通信手段が、通信により、前記識別情報により特定されたスレーブ装置に対して、警告情報が通知されたことを通知するステップと、
   前記スレーブ装置が備える表示部が、前記警告情報が通知されたことを通知されると、前記警告情報が通知されたことを表示するステップを含む通信異常検出方法。
5. 通信異常検出装置がマスター装置と複数のスレーブ装置との間で行われる通信の異常を検出する通信異常検出方法であって、
   前記通信異常検出装置が備える検出手段が、前記マスター装置と少なくとも一つの前記スレーブ装置との間の通信電圧を検出する検出ステップと、
   前記通信異常検出装置が備える通知手段が、前記通信電圧が設定電圧以下であるならば前記マスター装置に対して警告情報を通知する通知ステップを含み、
   前記通知ステップにおいて、前記通知手段は、
   以前に検出した通信電圧とその後に検出した通信電圧を比較して通信電圧の減衰が第１設定範囲にあるか否かを判断し、通信電圧の減衰が前記第１設定範囲を超えるのであれば前記マスター装置に対して警告情報を通知し、及び／又は、
   検出した通信電圧と、検出したスレーブ装置とは異なるスレーブ装置で検出された通信電圧との差が第２設定範囲にあるか否かを判断し、通信電圧の差が前記第２設定範囲を超えるのであれば前記マスター装置に対して警告情報を通知する、通信異常検出方法。
6. マスター装置と複数のスレーブ装置との間で行われる通信における通信電圧を検出可能なコンピュータを、
   前記マスター装置と少なくとも一つの前記スレーブ装置との間の通信における通信電圧を検出する検出手段と、
   前記通信電圧が設定電圧以下であるならば前記マスター装置に対して警告情報を通知する通知手段として機能させるためのプログラムであって、
   前記通知手段は、
   以前に検出した通信電圧とその後に検出した通信電圧を比較して通信電圧の減衰が第１設定範囲にあるか否かを判断し、通信電圧の減衰が前記第１設定範囲を超えるのであれば前記マスター装置に対して警告情報を通知し、及び／又は、
   検出した通信電圧と、検出したスレーブ装置とは異なるスレーブ装置で検出された通信電圧との差が第２設定範囲にあるか否かを判断し、通信電圧の差が前記第２設定範囲を超えるのであれば前記マスター装置に対して警告情報を通知する、プログラム。