JP7369028B2

JP7369028B2 - ノイズ環境診断機能付き通信回路およびユニット

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Publication number: JP7369028B2
Application number: JP2019231283A
Authority: JP
Inventors: 厚阿竹
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2023-10-25
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: JP2021100194A

Description

本発明は、通信路を流れる通信信号を受信する通信回路であって、通信路のノイズ環境の診断機能が付いた通信回路と、それを含むユニットに関する。

工作機械のような装置またはシステムは、複数のユニットを含み、ユニット間は通信線（通信路とも言う）により接続される。装置は、各ユニットが相互に通信を行いながら制御される。例えば、各ユニット間の通信にはシリアル通信が使用される。

装置は、例えばモータやインバータ等の機器、電力線（動力線）等を含み、それらが電気的ノイズ源となって、装置内の他の機器に影響を与えたり、ユニット間の通信線を流れる通信信号にノイズを発生させることがある。また、ユニット間の通信線は、装置内の限られた配線経路を使用して配線されるため、電気的ノイズ源となる配線と束ねられて配線されることが多く、通信信号にノイズが乗ることがある。

特許文献１には、ＮＣ制御工作装置に関し、制御部を、機械的な工作部分から分離させて、工作機械特有の環境（電気的なノイズ信号や機械的な振動）に影響されないようにした構成が開示されている。

特開２０１３－２３２１０２号公報

ユニット間の通信路は、電気的ノイズ源とは分離して配線する等し、通信信号に極力、ノイズを発生させないようにすることが望ましい。しかし、装置内部に通信路用に別の配線経路を設けることは難しく、動力線等の電気的ノイズ源との配線分離は作業者の技量によるところが大きく、安定した通信品質を確保することが難しい。また、完成済みの装置を使用中に、経年劣化等により、通信路の通信信号に含まれるノイズの量が多くなってくることもある。

従って、装置の開発設計中または完成済み装置の使用中等において、作業者等が、装置のユニット間における通信路の通信信号に含まれるノイズの量が許容量よりも多いか否か（通信路のノイズ環境）を把握して、通信路の改善を行えるように支援する仕組みが望まれている。

本発明の目的は、装置のユニット間における通信路の通信信号に含まれるノイズの量が許容量よりも多いか否かを把握できるようにすることにある。

本発明の通信回路は、装置のユニット間における通信路の通信信号を受信する通信回路であって、予め定められた期間における前記通信信号の立ち上がり、または、立ち下がりの一方または両方である信号エッジの数に基づいて、前記通信信号に含まれるノイズの量であるノイズ量を数値化するノイズ量数値化手段を備え、前記ノイズ量数値化手段は、判定パルスを出力する判定パルス発生回路を備え、前記予め定められた期間は、作業者により入力された、前記判定パルスを最初にアクティブにするタイミング、および、前記判定パルスのアクティブ間隔に基づいて規定されており、前記ノイズ量数値化手段は、前記信号エッジを検出するエッジ検出手段と、前記判定パルスがアクティブになったタイミングでリセットされて、次に前記判定パルスがアクティブになるまでの前記予め定められた期間の前記信号エッジの数をカウントするカウント手段と、を備え、前記ノイズ量数値化手段は、前記カウント手段のカウント値に基づいて前記ノイズ量を取得し、前記通信回路は、前記ノイズ量が予め定められたノイズ許容量を超えた場合に、通知手段により通知を行うために、判定信号を変化させて出力する判定信号出力手段を備える、ことを特徴とするノイズ環境診断機能付き通信回路である。

本発明の通信回路において、前記ノイズ量数値化手段は、前記カウント手段の前記カウント値と予め定められた値の差分を前記ノイズ量として取得する差分取得手段を備える、としてもよい。

本発明の通信回路において、前記エッジ検出手段は、第２エッジ検出手段であり、前記カウント手段は、第２カウント手段であり、前記カウント手段の前記カウント値は、実カウント値であり、前記ノイズ量数値化手段は、前記通信信号を入力し、基準信号を出力するノイズフィルターと、前記基準信号の立ち上がり、または、立ち下がりの前記一方または両方である基準信号エッジを検出する第１エッジ検出手段と、前記予め定められた期間における前記基準信号エッジの数をカウントして基準カウント値を出力する第１カウント手段と、前記基準カウント値と前記実カウント値の差分を前記ノイズ量として取得する差分取得手段と、を備える、としてもよい。

また、本発明のユニットは、以上に記載の通信回路と、前記通信回路の前記判定信号の変化に従って、通知を行う通知手段と、を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、装置のユニット間における通信路の通信信号に含まれるノイズの量が予め定められたノイズ許容量を超えた場合には、判定信号が変化し、通知手段により通知が行われる。これにより、作業者等は、通信路の通信信号に含まれるノイズの量が予め定められたノイズ許容量よりも多いか否かを把握することができる。

この構成により、装置の開発設計者（作業者）は、例えば、ユニット間の通信路を仮配線した後に、装置を動作させ、通知手段により通知が行われるか否かを確認しながら、通信路の本配線を行うことができ、通信路の安定した通信品質を確保することができる。また、完成済み装置の使用者（作業者）は、通知手段により通知が行われた際には、通信路のノイズ環境に問題が発生していることを把握することができ、通信路の改善に着手する機会を得ることができる。

ノイズ環境診断機能付き通信回路の構成を示すブロック図である。通信路の通信信号にノイズが重畳されていない時の通信回路の動作の一例を示すタイムチャートである。通信路の通信信号にノイズが重畳されている時の通信回路の動作の一例を示すタイムチャートである。別の実施形態に係るノイズ環境診断機能付き通信回路の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の各実施形態を、図面を用いて説明する。全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、ノイズ環境診断機能付き通信回路２の構成を示すブロック図である。本実施形態のノイズ環境診断機能付き通信回路２（単に通信回路２とも言う）は、ＮＣ工作機械５０の制御装置２０の内部に設けられている。

ＮＣ工作機械５０（装置５０またはシステム５０とも言う）は、制御装置２０と、制御装置２０にＮＣ工作機械５０のアクチュエータ等の動作状態を伝えると共に制御装置２０からの指令をＮＣ工作機械５０のアクチュエータ等に伝える入出力端末３０を備える。制御装置２０と入出力端末３０は、ユニット２０、３０とも呼ばれる。制御装置２０と入出力端末３０は、通信線ＣＰ（通信路）を含む通信線により接続されている。通信線ＣＰ（通信路）は、入出力端末３０から制御装置２０に向かってシリアル信号が流れる線である。

入出力端末３０は、ＮＣ工作機械５０に配置されたスイッチ等の入力情報を受け付けると共に、ＮＣ工作機械５０に配置されたアクチュエータへの制御装置２０からの指令を伝達するユニットである。入出力端末３０は、制御装置２０との間で信号を送受信する通信回路１を備える。通信回路１は、通信路ＣＰを含む通信線と接続され、通信路ＣＰに対して送信回路として機能し、シリアル信号を送出する。

制御装置２０は、各アクチュエータ及び入出力端末３０に指令を行うユニットである。制御装置２０は、予め決められたプログラムによりアクチュエータを制御するＮＣ装置１１と、ＮＣ装置１１と電気的に接続されたディスプレイ、ランプ等である通知装置１２と、ＮＣ装置１１と入出力端末３０の間に介在する通信回路２を備える。なお、通知装置１２は、通知手段の一例である。

通信回路２は、ＮＣ装置１１からの指令を入出力端末３０に送信すると共に、入出力端末３０からの情報をＮＣ装置１１に伝える通信インターフェイスである。図１には、通信回路２の受信機能に関係する部分のみが示されている。通信回路２は、通信路ＣＰを含む通信線と接続され、通信路ＣＰに対して受信回路として機能し、シリアル信号を受け付ける。通信回路２は、例えばFPGA（Field Programmable Gate Array）、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）等に入れられた回路であるが、これらに限定されるものではない。

次に、通信回路２の受信機能について説明する。通信回路２は、フィルター回路３（ノイズフィルター３とも言う）と受信部４を備え、通信路ＣＰを流れてきた通信信号は、フィルター回路３により予め定められた定数でフィルタリングが行われた後、受信部４に入力される。そして、受信部４は、入力された信号をシリアル－パラレル変換して受信データとして出力し、ＮＣ装置１１は、受信部４から受信データを受け付けて、入出力端末３０から送られてきた情報を得る。

通信回路２は、通信路ＣＰのノイズ環境を診断する機能（ノイズ環境診断機能とも言う）を有する。通信回路２は、当該機能を実現するために、予め定められた期間における通信路ＣＰの通信信号の立ち上がりエッジ（信号エッジとも言う）の数に基づいて、通信信号に含まれるノイズの量（ノイズ量）を数値化するノイズ量数値化部４０と、ノイズ量が予め定められたノイズ許容量を超えた場合に、通知装置１２により通知を行うために、判定信号を変化させて出力する判定信号出力部１４を備える。なお、ノイズ量数値化部４０、判定信号出力部１４のそれぞれは、ノイズ量数値化手段、判定信号出力手段の一例である。

ノイズ量数値化部４０は、フィルター回路３と、第１エッジ検出回路５と、第１カウンタ回路７と、第２エッジ検出回路６と、第２カウンタ回路８と、判定パルス発生回路９と、判定回路１０の一部である差分取得部１３を備える。なお、第１エッジ検出回路５、第１カウンタ回路７、第２エッジ検出回路６、第２カウンタ回路８、および差分取得部１３のそれぞれは、第１エッジ検出手段、第１カウント手段、第２エッジ検出手段、第２カウント手段、および差分取得手段の一例である。また、判定信号出力部１４は、判定回路１０の一部である。以下、図１～３を参照しながら、ノイズ量数値化部４０の各部、判定信号出力部１４の接続関係（入出力関係）および動作について説明する。

図２は、通信路ＣＰの信号（通信信号）にノイズが重畳されていない時のノイズ量数値化部４０の各部、および、判定信号出力部１４の信号変化の一例を示すタイムチャートである。図３は、通信路ＣＰの信号（通信信号）にノイズが重畳されている時のノイズ量数値化部４０の各部、および、判定信号出力部１４の信号変化の一例を示すタイムチャートである。図２、３には、通信路ＣＰの信号の一例としてクロック状の信号が示されている。また、図３には、クロック状の通信信号に乗ったノイズが破線で示されている。なお、図３の通信路ＣＰの信号は、正常な通信が可能なレベルの通信信号にノイズを重畳させたものである。

図１に示すように、通信路ＣＰの信号は、フィルター回路３に入力され、フィルター回路３は、通信路ＣＰの信号に対して予め定められた定数でフィルタリングを行い、所定のノイズが除去された信号（以下、基準信号とも言う）を出力する。

第１エッジ検出回路５には、フィルター回路３の出力信号（基準信号）が入力され、第１エッジ検出回路５は、入力された基準信号の立ち上がりエッジ（基準信号エッジとも言う）を検出し、基準信号エッジのタイミングでパルス状の信号を出力する（図２、３参照）。

第１カウンタ回路７には、第１エッジ検出回路５の出力信号が入力され、第１カウンタ回路７は、入力された第１エッジ検出回路５の出力信号に含まれるパルスの数（基準信号エッジの数）をカウントしてカウント値（基準カウント値とも言う）を出力する。

ここで、第１カウンタ回路７と第２カウンタ回路８には、判定パルス発生回路９から判定パルスが入力されており、第１カウンタ回路７と第２カウンタ回路８の各カウント値は、判定パルスがアクティブ（Ｈｉｇｈ）になったタイミングでリセットされる（図２、３参照）。第１カウンタ回路７は、判定パルスがアクティブになってから、次に判定パルスがアクティブになるまでの期間（以下、予め定められた期間とも言う）における、基準信号エッジの数をカウントする。第１カウンタ回路７のカウント値（基準カウント値）は、判定回路１０に入力されている。

なお、判定パルスがアクティブになってから、次に判定パルスがアクティブになるまでの期間（予め定められた期間）は、例えば、作業者等がユニット２０の入力装置（不図示）を介して、判定パルスを最初にアクティブにするタイミング、判定パルスのアクティブ間隔等を入力し、メモリ等（不図示）に記憶したものであってもよいし、作業者等の入力無しに、予めメモリ等に記憶したものであってもよい。

図１に示すように、第２エッジ検出回路６には、通信路ＣＰの信号（通信信号）が入力され、第２エッジ検出回路６は、入力された通信信号の立ち上がりエッジ（信号エッジとも言う）を検出し、通信路ＣＰの信号エッジのタイミングでパルス状の信号を出力する（図２、３参照）。

第２カウンタ回路８には、第２エッジ検出回路６の出力信号が入力され、第２カウンタ回路８は、入力された第２エッジ検出回路６の出力信号に含まれるパルスの数（信号エッジの数と同じ）をカウントしてカウント値（実カウント値とも言う）を出力する。前述したように、第２カウンタ回路８は、判定パルスがアクティブ（Ｈｉｇｈ）になったタイミングでリセットされるので、判定パルスがアクティブになってから、次に判定パルスがアクティブになるまでの期間（予め定められた期間）の信号エッジの数をカウントすることになる。第２カウンタ回路８のカウント値（実カウント値）は、判定回路に入力されている。

図１に示すように、判定回路１０は、差分取得部１３（ノイズ量数値化部４０の一部）と、判定信号出力部１４を備える。差分取得部１３には、基準カウント値、実カウント値、および判定パルス発生回路９からの判定パルスが入力される。差分取得部１３は、判定パルスがアクティブ（Ｈｉｇｈ）になったタイミングで、リセットされる前の基準カウント値と実カウント値の差を、通信路ＣＰのノイズ量として取得する。このノイズ量は、判定パルスのアクティブ間隔（予め定められた期間）の長さに応じた、通信路ＣＰのノイズ量を表している。

図２に示すように、通信路ＣＰの信号にノイズが重畳されていない場合には、予め定められた期間における基準信号エッジ（フィルター回路３の出力信号の立ち上がりエッジ）の数と信号エッジ（通信路ＣＰの信号の立ち上がりエッジ）の数が同じか、又は、ほぼ同じになる。そのため、判定パルスがアクティブ（Ｈｉｇｈ）になるタイミングにおける基準カウント値と実カウント値は同じ値になるか、又は、ほぼ同じ値となる。図２には、判定パルスがアクティブ（Ｈｉｇｈ）になるタイミングで、基準カウント値と実カウント値が共に「１０」であり、ノイズ量として「０」が取得される例が示されている。

一方、図３に示すように、通信路ＣＰの信号にノイズが重畳されている場合には、予め定められた期間における、フィルター回路３の出力信号に比べて通信路ＣＰの信号には多くの立ち上がりエッジが含まれる（ノイズの分の立ち上がりエッジが含まれる）。すなわち、予め定められた期間における、基準信号エッジ（フィルター回路３の出力信号の立ち上がりエッジ）の数に比べて、信号エッジ（通信路ＣＰの信号の立ち上がりエッジ）の数が多くなる。そのため、判定パルスがアクティブ（Ｈｉｇｈ）になるタイミングでは、基準カウント値に比べて実カウント値が大きくなる。図３には、判定パルスがアクティブ（Ｈｉｇｈ）になるタイミングで、基準カウント値が「１０」であり、実カウント値が「１７」であり、ノイズ量として「７」が取得される例が示されている。

判定信号出力部１４には、差分取得部１３からノイズ量が入力され、判定信号出力部１４は、ノイズ量が、予め定められたノイズ許容量を超えた場合に、判定信号をアクティブ（Ｈｉｇｈ）に変化させて出力する。なお、ノイズ許容量は、例えば、作業者等が、ユニット２０の入力装置（不図示）を介して入力し、メモリ等（不図示）に記憶しておいてもよいし、作業者等の入力無しに、予めメモリ等に記憶したものであってもよい。

図２、３には、ノイズ許容量が「５」に設定されていた場合の判定信号の動作が示されている。図２の場合には、ノイズ量が「０」であり、ノイズ許容量の「５」を超えないから、判定信号がディスエイブル（Ｌｏｗ）のままである。すなわち、通信路ＣＰは良好な通信品質であると判定されている。一方、図３の場合には、ノイズ量が「７」であり、ノイズ許容量の「５」を超えるから、判定信号がアクティブ（Ｈｉｇｈ）になる。すなわち、通信路ＣＰの通信品質に問題があると判定されている。

図１に示すように、判定信号は、ＮＣ装置１１に接続されており、ＮＣ装置１１は、通知装置１２に接続されている。判定信号がアクティブ（Ｈｉｇｈ）になった際には、その情報がＮＣ装置１１を介して通知装置１２に伝えられ、通知装置１２は、ディスプレイに警告を表示したり、警告を示すランプを点灯したりする。通知装置１２がスピーカーを含む場合には、スピーカーから警告音が発せられてもよい。これにより、作業者等に注意を促す。

以上説明した実施形態によれば、ＮＣ工作機械５０のユニット２０、３０間における通信路ＣＰの通信信号に含まれるノイズの量が予め定められたノイズ許容量を超えた場合には、通知装置１２により通知が行われる。これにより、作業者等は、通信路ＣＰの通信信号に含まれるノイズの量が予め定められたノイズ許容量よりも多いか否かを簡単に把握することができる。

また、以上説明した実施形態によれば、ＮＣ工作機械５０の開発設計者（作業者）は、ユニット３０の通信回路１からユニット２０の通信回路２までの配線（各ユニット２０、３０内の配線を含む）を行う際に、例えば、通信線ＣＰを仮配線した後にＮＣ工作機械５０を動作させ、通知装置１２により通知が行われるか否かを確認しながら、通信路ＣＰの本配線を行うことができる。また、完成済みＮＣ工作機械５０の使用者（作業者）は、通知装置１２により通知が行われた際には、経年劣化等により通信路ＣＰのノイズ環境に問題が生じていることを把握することができ、通信路ＣＰの改善に着手する機会を得ることができる。

次に、別の実施形態について説明する。図４は、別の実施形態に係るノイズ環境診断機能付き通信回路２Ａの構成を示すブロック図である。図４の通信回路２Ａは、図１の通信回路２における第１エッジ検出回路５と第１カウンタ回路７を省き、図１の通信回路２における第２エッジ検出回路６、第２カウンタ回路８の名称を、エッジ検出回路６Ａ、カウンタ回路８Ａと変更し、差分取得部１３の機能を変更したものである。なお、エッジ検出回路６Ａ、カウンタ回路８Ａのそれぞれは、エッジ検出手段、カウント手段の一例である。図４の差分取得部１３Ａは、基準カウント値に代えて、予め定められた値を用いてノイズ量を取得する点で、図１の差分取得部１３とは異なる。

図４のカウンタ回路８Ａは、図１のカウンタ回路８と同様に、予め定められた期間における信号エッジ（通信路ＣＰの信号の立ち上がりエッジ）の数をカウントしてカウント値（実カウント値）を出力する。差分取得部１３Ａは、判定パルスがアクティブ（Ｈｉｇｈ）になったタイミングで、リセットされる前のカウンタ回路８Ａのカウント値と予め定められた値の差を、通信路ＣＰのノイズ量として取得する。なお、予め定められた値は、例えば、作業者等が、ユニット２０の入力装置（不図示）を介して入力し、メモリ等（不図示）に記憶しておいてもよいし、作業者等の入力無しに、予めメモリ等に記憶したものであってもよい。図４の判定信号出力部１４および通知装置１２の機能は、図１の実施形態のそれらと同じである。

以上説明した実施形態は、例えば、通信路ＣＰに同期信号等の規則的な信号が流れており、予め定められた期間の（ノイズが重畳されていない）通信信号の信号エッジの数が予測できる場合、すなわち、図１の第１エッジ検出回路５と第１カウンタ回路７が無くても、第１カウンタ回路７のカウント値（基準カウント値）を予測できる場合等に適用することができる。以上説明した実施形態によれば、通信回路２Ａの構成が簡易でありながら、上記した図１の通信回路２と同様の作用効果を得ることができる。

なお、以上説明した各実施形態は、ノイズ環境診断機能付き通信回路２、２Ａが、ＮＣ工作機械５０に組み込まれていた。しかし、ノイズ環境診断機能付き通信回路２、２Ａは、ＮＣ工作機械５０以外の装置（システム）にも適用することができる。ノイズ環境診断機能付き通信回路２、２Ａは、様々なユニットに組み込まれて、通信路ＣＰのノイズ環境を診断することができる。ユニットには、通信を行う様々な機器、モジュール（例えばアクチュエータ、ＮＣ装置、センサ、入出力装置等）が含まれ得る。

また、以上説明した通信回路２（図１参照）の第１エッジ検出回路５、第２エッジ検出回路６、および通信回路２Ａ（図４参照）のエッジ検出回路６Ａは、信号の立ち上がりエッジを検出するものであったが、信号の立ち下がりエッジを検出する構成であってもよいし、信号の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの両方を検出する構成であってもよい。

１通信回路、２，２Ａノイズ環境診断機能付き通信回路（通信回路）、３フィルター回路（ノイズフィルター）、４受信部、５第１エッジ検出回路、６第２エッジ検出回路、６Ａエッジ検出回路、７第１カウンタ回路、８第２カウンタ回路、８Ａカウンタ回路、９判定パルス発生回路、１０判定回路、１１ＮＣ装置、１２通知装置、１３，１３Ａ差分取得部、１４判定信号出力部、２０制御装置（ユニット）、３０入出力端末（ユニット）、４０，４０Ａノイズ量数値化部、５０ＮＣ工作機械（装置，システム）、ＣＰ通信路（通信線）。

Claims

装置のユニット間における通信路の通信信号を受信する通信回路であって、
予め定められた期間における前記通信信号の立ち上がり、または、立ち下がりの一方または両方である信号エッジの数に基づいて、前記通信信号に含まれるノイズの量であるノイズ量を数値化するノイズ量数値化手段を備え、
前記ノイズ量数値化手段は、判定パルスを出力する判定パルス発生回路を備え、
前記予め定められた期間は、作業者により入力された、前記判定パルスを最初にアクティブにするタイミング、および、前記判定パルスのアクティブ間隔に基づいて規定されており、
前記ノイズ量数値化手段は、
前記信号エッジを検出するエッジ検出手段と、
前記判定パルスがアクティブになったタイミングでリセットされて、次に前記判定パルスがアクティブになるまでの前記予め定められた期間の前記信号エッジの数をカウントするカウント手段と、を備え、
前記ノイズ量数値化手段は、前記カウント手段のカウント値に基づいて前記ノイズ量を取得し、
前記通信回路は、
前記ノイズ量が予め定められたノイズ許容量を超えた場合に、通知手段により通知を行うために、判定信号を変化させて出力する判定信号出力手段を備える、
ことを特徴とするノイズ環境診断機能付き通信回路。
請求項１に記載の通信回路において、
前記ノイズ量数値化手段は、
前記カウント手段の前記カウント値と予め定められた値の差分を前記ノイズ量として取得する差分取得手段を備える、
ことを特徴とするノイズ環境診断機能付き通信回路。
請求項１に記載の通信回路において、
前記エッジ検出手段は、第２エッジ検出手段であり、
前記カウント手段は、第２カウント手段であり、
前記カウント手段の前記カウント値は、実カウント値であり、
前記ノイズ量数値化手段は、
前記通信信号を入力し、基準信号を出力するノイズフィルターと、
前記基準信号の立ち上がり、または、立ち下がりの前記一方または両方である基準信号エッジを検出する第１エッジ検出手段と、
前記予め定められた期間における前記基準信号エッジの数をカウントして基準カウント値を出力する第１カウント手段と、
前記基準カウント値と前記実カウント値の差分を前記ノイズ量として取得する差分取得手段と、を備える、
ことを特徴とするノイズ環境診断機能付き通信回路。
請求項１から３のいずれか一項に記載の通信回路と、
前記通信回路の前記判定信号の変化に従って、通知を行う通知手段と、を備える、
ことを特徴とするユニット。