JP6396820B2 - 通信信号監視装置、特徴量処理装置及び分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信信号監視装置、特徴量処理装置及び分析方法に関し、特に、マスター装置と複数のスレーブ装置との間の通信路における通信のためのアナログ通信信号を監視する通信信号監視装置等に関する。

従来、複数の電動バルブアクチュエータ（以下、「ＶＡ」ともいう。）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。

出願人は、未公開であるが、特許文献１にあるように、信号ラインに通信異常検出装置を並列接続することにより、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、その通信ラインの異常を自動的に検出可能なものを提案している。

特願２０１４−１３５６０１

しかしながら、通信異常は、単に異常の発生の可能性を検出することでは足りず、異常個所の推定を行う必要がある。通信ラインでは、アナログ信号を入力するとともに、これを分析してＶＡ等のスレーブ装置のＩＤを読み込むこととなる。これらを同時に読み込むことが困難であり、即時同期観察を実現することが難しかった。例えば、PROFIBUSでは、伝送速度／伝送距離の規格から187.5kbit/s／1,000mを選定している。この通信速度では、信号処理に使用するＣＰＵの演算速度に余裕がない。

ゆえに、本発明は、通信ラインにおけるアナログ通信信号の入力に加えて、その分析をも容易に実現することに適した通信信号監視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の通信路における通信のためのアナログ通信信号を検出する通信信号監視装置であって、前記アナログ通信信号に対して処理を行う特徴量処理部と、前記マスター装置との通信対象であるスレーブ装置の識別情報を検出する識別情報検出部を備え、前記特徴量処理部は、前記アナログ通信信号の前記特徴量を測定する特徴量測定部と、前記特徴量測定部が測定した前記特徴量から前記アナログ通信信号の立ち上がり及び立ち下がりを検出してデジタル波形信号を生成して前記識別情報検出部に送信するデジタル波形信号生成部を備え、前記識別情報検出部は、前記デジタル波形信号を監視して前記マスター装置との通信対象であるスレーブ装置の識別情報を特定する特定部を備えるものである。

本願発明の第２の観点は、第１の観点の通信信号監視装置であって、前記特徴量処理部は、前記立ち上がりから前記立ち下がるまでにおける前記アナログ通信信号の特徴量の一部又は全部を蓄積する特徴量蓄積部と、前記識別情報検出部からデータ送信指令を受信すると前記特徴量蓄積部が蓄積した前記特徴量を送信する特徴量送信部を備え、前記識別情報検出部は、前記識別情報が変化した場合に、前記特徴量処理部に対して前記データ送信指令を送信する送信部を備え、前記特徴量処理部が前記データ送信指令を受信すると、前記特徴量送信部は、前記特徴量蓄積部が蓄積した特徴量を送信するとともに、前記特徴量蓄積部は、受信後に前記特徴量測定部が測定した特徴量を、受信前とは別に蓄積するものである。

本願発明の第３の観点は、第２の観点の通信信号監視装置であって、前記特徴量蓄積部は、前記アナログ通信信号の立ち上がり後に設定時間経過してから、前記アナログ通信信号の立ち下がりまでの間の前記特徴量の最小値を蓄積し、前記送信部は、前記特徴量処理部が前記データ送信指令を受信すると、分析部に対して前記特徴量蓄積部が蓄積した特徴量の最小値を送信し、前記分析部は、前記電圧検出部が送信した前記通信電圧の最小値が判定設定値以下であるか否かを判定するものである。

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信号監視装置であって、前記特徴量は、通信電圧である。

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の通信路における通信のためのアナログ通信信号の特徴量を処理する特徴量処理装置であって、前記アナログ通信信号の前記特徴量を測定する特徴量測定部と、記特徴量測定部が測定した前記特徴量から前記アナログ通信信号の立ち上がり及び立ち下がりを検出してデジタル波形信号を生成して前記識別情報検出部に送信するデジタル波形信号生成部と、記立ち上がりから前記立ち下がるまでにおける前記アナログ通信信号の特徴量の一部又は全部を蓄積する特徴量蓄積部を備えるものである。

本願発明の第６の観点は、マスター装置と複数のスレーブ装置との間の通信路における通信のためのアナログ通信信号を監視する通信信号監視装置における通信信号検出方法であって、前記通信信号監視装置は、前記アナログ通信信号に対して処理を行う特徴量処理部と、前記マスター装置との通信対象であるスレーブ装置の識別情報を検出する識別情報検出部を備え、前記特徴量処理部が備える特徴量測定部が、前記アナログ通信信号の前記特徴量を測定し、前記特徴量処理部が備えるデジタル波形信号生成部が、前記特徴量測定部が測定した前記特徴量から前記アナログ通信信号の立ち上がり及び立ち下がりを検出してデジタル波形信号を生成して前記識別情報検出部に送信する生成ステップと、前記識別情報検出部が備える特定部が、前記デジタル波形信号を分析して前記マスター装置との通信対象であるスレーブ装置の識別情報を特定する特定ステップを含むものである。

本願発明の各観点によれば、特徴量処理部がアナログ通信信号を入力してノイズを除去してデジタル波形信号を生成し、識別情報検出部がデジタル波形信号を検出してマスター装置との通信相手であるスレーブ装置を特定することにより、特徴量処理部と識別情報検出部が並列して動作して、容易に、処理スピードを維持して即時同期観察をして最新状態を維持することができる。

さらに、本願発明の第２の観点によれば、特徴量処理部が検出する特徴量を、識別情報の検出のためのデジタル波形信号の生成だけでなく、要注意状態の検出等として活用することができる。

さらに、本願発明の第３の観点によれば、信号立ち上がり直後に乗るノイズ（反射ノイズやアースからのノイズ等）を除去して、正確な測定することができ、要注意状態の検出を精度よく実現することができる。

本願発明の実施の形態に係る通信システム１の構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）通信電圧処理部３１と、（ｂ）識別情報検出部３３の動作の一例を示すフロー図である。 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。 通信信号監視装置７の具体的な処理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、通信信号監視装置７（本願請求項の「通信信号監視装置」の一例）と、アナライザ９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、他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、分析部１３（本願請求項の「分析部」の一例）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。アナライザ９は、これまでも、定期的に電圧監視を行うために使用していたものである。アナライザ９では、取扱いに時間を要する。そのため、通信信号監視装置７は、従来のアナライザ９に加えて、常時各個監視を実現するために使用することができるものである。

通信信号監視装置７は、マスター装置３とスレーブ装置５₁の間の通信ラインに並列接続し、通信ラインのアナログ通信信号を分析して、スレーブ装置５の異常発生の可能性を検出するなどの処理を行うものである。通信信号監視装置７と通信ラインは、PROFIBUS-DP（187.5kbps）で接続し、通信信号監視装置７とマスター装置３とはRS-232Cで接続する。以下では、アナログ通信信号の特徴量として、通信電圧の場合について説明する。なお、本願発明の特徴量は、通信電圧以外であってもよい。

通信信号監視装置７は、通信電圧処理部３１（本願請求項の「特徴量処理部」の一例）と、識別情報検出部３３（本願請求項の「識別情報検出部」の一例）を備える。以下に説明するように、通信電圧処理部３１と識別情報検出部３３は、並列に動作するものである。そのため、例えば、通信電圧処理部３１は高速のＣＰＵ（ＦＰＧＡなど）により実現し、識別情報検出部３３は汎用ＣＰＵ（ＭＣＵなど）により実現するように、別々のプロセッサ等により実現してもよい。これにより、処理スピードを維持して即時同期観察をし、マスター装置３に対して最新状態を表示することができる。通信信号監視装置７は、ユニットのＩ／Ｏを共通化し、モジュール化・ブラックボックス化してもよい。

通信電圧処理部３１は、通信電圧測定部３７（本願請求項の「特徴量測定部」の一例）と、デジタル波形信号生成部３９（本願請求項の「デジタル波形信号生成部」の一例）と、通信電圧蓄積部４１（本願請求項の「特徴量蓄積部」の一例）と、通信電圧送信部４３（本願請求項の「特徴量送信部」の一例）と、記憶部４５を備える。識別情報検出部３３は、特定部４７（本願請求項の「特定部」の一例）と、送信部４９（本願請求項の「送信部」の一例）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（識別情報、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。通信信号には、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。識別情報検出部３３は、マスター装置３とスレーブ装置５との間の通信信号を分析してＩＤを特定することにより、マスター装置３の通信相手となるスレーブ装置５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。また、表示部２３は、マスター装置３の指示に従い、故障発生などを表示する。

通信電圧測定部３７は、高速サンプリングでマスター装置３とスレーブ装置５₁の間の通信ラインのアナログ通信信号の通信電圧を測定する。デジタル波形信号生成部３９は、通信電圧の立ち上がりと立下りを検出して、それぞれに対応して立ち上がり及び立下りとなるデジタル波形信号を生成する。PROFIBUS通信であればＤＣ５Ｖでの通信を行っており、立ち上がりは、例えば、規定電圧の５Ｖの７０％を超えたときとする。立下りは、例えば、５Ｖの７０％未満になったときとする。これにより、ノイズを除去したデジタル通信信号を抽出することができる。デジタル波形信号生成部３９は、デジタル波形信号を識別情報検出部３３に送信する。通信電圧蓄積部４１は、記憶部４５に、通信電圧測定部３７が測定した通信電圧の一部又は全部を記憶させる。例えば、通信速度１８７．５kbit/sにおいて、立ち上がりから１μｓ経過時の通信電圧値から記憶を開始し、0.02μｓ単位で16回サンプリングして記憶させる。通信速度が変わった場合には、例えば、同じ比率で検出タイミングを設定する。通信電圧は、通信信号の立ち上がり直後はノイズ（反射ノイズやアースからのノイズ等）が乗っており、正確な測定ができない。そのため、通信電圧蓄積部４１は、立ち上がりから立下りまでのうち、少なくとも立ち上がりから設定時間経過するまでを除く。これにより、検出信頼性を向上させることができる。通信電圧送信部４３は、識別情報検出部３３の送信部４９が、データ送信指令を送信した場合に、分析部１３に、記憶部４５に記憶された通信電圧を送信する。

識別情報検出部３３の特定部４７は、デジタル波形信号生成部４９が生成したデジタル波形信号を分析してＩＤを特定し、マスター装置３との通信対象であるスレーブ装置５を特定する。デジタル波形信号ではノイズが除去されており、ＩＤを精度よく特定することができる。送信部４９は、特定部４７が特定したＩＤが変更した場合に、分析部１３に以前のＩＤを送信するとともに、通信電圧処理部３１に対してデータ送信指令を送信する。

分析部１３は、通信電圧送信部４３から送信された通信電圧を設定値と比較する。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。分析部１３は、送信された通信電圧が設定値よりも小さいならば、通信電圧の低下が生じたと判断する。

なお、分析部１３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、スレーブ装置５のＩＤとともに、重要点検が必要であることを通知してもよい。また、分析部１３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、スレーブ装置５のＩＤとともに、重要点検が必要であることを通知してもよい。

分析部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。

なお、通信信号監視装置７に電圧分析部を設けて、通信電圧送信部４３及び送信部４９は、通信電圧とＩＤを電圧分析部に送信し、この電圧分析部が、通信電圧の低下を判断してＩＤと共にマスター装置３に送信するようにしてもよい。

図２は、（ａ）通信電圧処理部３１と、（ｂ）識別情報検出部３３及び分析部１３の動作の一例を示すフロー図である。

図２（ａ）を参照して、図１の通信電圧処理部３１の動作の一例を説明する。通信電圧測定部３７は、通信ラインのアナログ通信信号を測定して通信電圧を測定する。デジタル波形信号生成部３９は、立ち上がり及び立下りを検出してデジタル波形信号を生成し、識別情報検出部３３に送信する。また、通信電圧蓄積部４１は、記憶部４５に、通信電圧測定部３７が測定した通信電圧の一部又は全部を記憶させる（ステップＳＴＡ１）。通信電圧送信部４３は、識別情報検出部３３からデータ送信指令を受信したか否かを判断する（ステップＳＴＡ２）。受信していなければ、ステップＳＴＡ１の処理を繰り返す。受信したならば、通信電圧送信部４３は、分析部１３に対して、記憶部４５に記憶されたデータを送信し、記憶部４５のデータをリセットする（ステップＳＴＡ３）。そして、ステップＳＴＡ１に戻る。

図２（ｂ）を参照して、図１の識別情報検出部３３及び分析部１３の動作の一例を説明する。特定部４７は、デジタル波形信号を分析してＩＤを特定し、マスター装置３との通信対象であるスレーブ装置５を特定する（ステップＳＴＳ１）。送信部４９は、特定部４７が特定したＩＤが変わったか否かを判断する（ステップＳＴＳ２）。ＩＤが変わっていないならば、ステップＳＴＳ１の処理を繰り返す。ＩＤが変わったならば、送信部４９は、通信電圧処理部３１に対してデータ送信指示を送信し、分析部１３に対して変更前のＩＤを通知する（ステップＳＴＳ３）。分析部１３は、通信電圧送信部４３から受信した通信電圧に対して分析を行い、要注意状態が生じているか否かを判定する（ステップＳＴＳ４）。要注意状態は、例えば、通信電圧が設定値未満であったり、前回の電圧レベルよりも大きく低下していたり、隣接するスレーブ装置５の電圧レベルよりも大きく低下していたりするときである。要注意状態が生じていないならば、ステップＳＴＳ１に戻る。要注意状態が生じているならば、分析部１３は、マスター装置３に、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ＳＴＳ５）。そして、ステップＳＴＳ１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、通信信号監視装置７の具体的な処理の一例を示す図である。図４（ａ）は、PROFIBUSから取り込まれた信号の一例を示す。図４（ａ）にあるように、信号の立ち上がり時にノイズが乗っている。図４（ｂ）は、要注意状態が発生しているかを判断するための通信電圧の検出開始のタイミングの一例を示す。図４（ｂ）にあるように、通信電圧の立ち上がりから１μｓ経過時から測定された通信電圧を用いて、要注意状態の発生を判定する。図４（ｃ）は、通信データの一例を示す。識別情報検出部３３は、デジタル波形信号を分析して、通信ＩＤを検出する。例えば、各通信ＩＤとデジタル信号波形をマッチング処理することにより、通信ＩＤを検出することができる。

１ 通信システム、３ マスター装置、５ スレーブ装置、７ 通信信号監視装置、９ アナライザ、１１ 通信部、１３ 分析部、１５ 表示部、２１ 通信部、２３ 表示部、２５ 制御部、３１ 通信電圧処理部、３３ 識別情報検出部、３７ 通信電圧測定部、３９ デジタル波形信号生成部、４１ 通信電圧蓄積部、４３ 通信電圧送信部、４５ 記憶部、４７ 特定部、４９ 送信部

Claims (6)

1. マスター装置と複数のスレーブ装置との間の通信路における通信のためのアナログ通信信号を分析する通信信号監視装置であって、
   前記アナログ通信信号に対して処理を行う特徴量処理部と、
   前記マスター装置との通信対象であるスレーブ装置の識別情報を検出する識別情報検出部を備え、
   前記特徴量処理部は、
   前記アナログ通信信号の前記特徴量を測定する特徴量測定部と、
   前記特徴量測定部が測定した前記特徴量から前記アナログ通信信号の立ち上がり及び立ち下がりを検出してデジタル波形信号を生成して前記識別情報検出部に送信するデジタル波形信号生成部を備え、
   前記識別情報検出部は、前記デジタル波形信号を分析して前記マスター装置との通信対象であるスレーブ装置の識別情報を特定する特定部を備える、通信信号監視装置。
2. 前記特徴量処理部は、
   前記立ち上がりから前記立ち下がるまでにおける前記アナログ通信信号の特徴量の一部又は全部を蓄積する特徴量蓄積部と、
   前記識別情報検出部からデータ送信指令を受信すると前記特徴量蓄積部が蓄積した前記特徴量を送信する特徴量送信部を備え、
   前記識別情報検出部は、前記識別情報が変化した場合に、前記特徴量処理部に対して前記データ送信指令を送信する送信部を備え、
   前記特徴量処理部が前記データ送信指令を受信すると、
   前記特徴量送信部は、前記特徴量蓄積部が蓄積した特徴量を送信するとともに、
   前記特徴量蓄積部は、受信後に前記特徴量測定部が測定した特徴量を、受信前とは別に蓄積する、請求項１記載の通信信号監視装置。
3. 前記特徴量蓄積部は、前記アナログ通信信号の立ち上がり後に設定時間経過してから、前記アナログ通信信号の立ち下がりまでの間の前記特徴量の最小値を蓄積し、
   前記送信部は、前記特徴量処理部が前記データ送信指令を受信すると、分析部に対して前記特徴量蓄積部が蓄積した特徴量の最小値を送信し、
   前記分析部は、前記電圧検出部が送信した前記通信電圧の最小値が判定設定値以下であるか否かを判定する、請求項２記載の通信信号監視装置。
4. 前記特徴量は、通信電圧である、請求項１から３のいずれかに記載の通信信号監視装置。
5. マスター装置と複数のスレーブ装置との間の通信路における通信のためのアナログ通信信号の特徴量を処理する特徴量処理装置であって、
   前記アナログ通信信号の前記特徴量を測定する特徴量測定部と、
   前記特徴量測定部が測定した前記特徴量から前記アナログ通信信号の立ち上がり及び立ち下がりを検出してデジタル波形信号を生成して前記識別情報検出部に送信するデジタル波形信号生成部と、
   前記立ち上がりから前記立ち下がるまでにおける前記アナログ通信信号の特徴量の一部又は全部を蓄積する特徴量蓄積部を備える特徴量処理装置。
6. マスター装置と複数のスレーブ装置との間の通信路における通信のためのアナログ通信信号を分析する通信信号監視装置における通信信号分析方法であって、
   前記通信信号監視装置は、
   前記アナログ通信信号に対して処理を行う特徴量処理部と、
   前記マスター装置との通信対象であるスレーブ装置の識別情報を検出する識別情報検出部を備え、
   前記特徴量処理部が備える特徴量測定部が、前記アナログ通信信号の前記特徴量を測定し、前記特徴量処理部が備えるデジタル波形信号生成部が、前記特徴量測定部が測定した前記特徴量から前記アナログ通信信号の立ち上がり及び立ち下がりを検出してデジタル波形信号を生成して前記識別情報検出部に送信する生成ステップと、
   前記識別情報検出部が備える特定部が、前記デジタル波形信号を分析して前記マスター装置との通信対象であるスレーブ装置の識別情報を特定する特定ステップを含む通信信号分析方法。