(57)【要約】【課題】  故障の発生を事前に予測することができるシステムを提供する。【解決手段】  本発明の故障予測システムは、データ通信器の入出力電圧レベルの変化から劣化進行度を求め、警報を出力する。データ通信器の入出力電圧を取り込むＡ／Ｄ変換器、劣化進行度の計算モデルを格納したメモリ、検出した電圧レベルから劣化進行度を計算する演算器、劣化進行度に応じて警報を出力する警報出力部から構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
データを送受信するデータ通信器と、該データ通信器へ送信データを出力する、または、該データ通信器から受信データを入力されるマイクロコントローラを有するデータ通信システムにおいて、前記データ通信器の入出力電圧レベルから劣化進行度を判別する劣化判定部と、該劣化判定部の判定結果に基づき警報を出力する警報出力部を有する故障予測システム。
【請求項２】
請求項１記載の故障予測システムであって、
前記データ通信器は、入力信号を増幅する増幅器と、該増幅器に入力する増幅電圧を出力する電圧変換器とを有し、前記劣化判定部は、前記増幅器の出力電圧、または、前記電圧変換器の増幅電圧を入力することを特徴とする故障予測システム。
【請求項３】
請求項２記載の故障予測システムであって、
前記劣化判定部は、前記データ通信器の出力電圧を入力とするコンパレータ回路と、このコンパレータ回路の判定しきい値となる基準信号を生成する分圧回路を具備し、該分圧回路は可変抵抗で構成され、製造後においても抵抗値を任意の値に設定することで、前記コンパレータ回路の判定基準を変更できることを特徴とする故障予測システム。
【請求項４】
請求項２記載の故障予測システムであって、
前記劣化判定部が、前記データ通信器の出力電圧を入力とするＡ／Ｄ変換器と、劣化進行度を計算する演算器と、劣化進行度を計算するための劣化数式モデルを格納した劣化情報記憶部からなることを特徴とする故障予測システム。
【請求項５】
請求項４記載の故障予測システムであって、
前記故障予測システムが、劣化に影響する温度や湿度などの環境データを計測する劣化計算用センサを具備し、前記劣化判定部の前記劣化数式モデルはそのセンサデータから劣化進行度を計算するものであることを特徴とする故障予測システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５に記載された少なくともいずれか一つの故障予測システムを具備することを特徴とする通信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電プラントや鉄道、自動車、建設機械における高信頼性が要求されるネットワーク分散型の制御コントローラに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車やロボット分野を先頭に、さまざまな制御システムにおいて、ネットワーク分散化、機能の多様化が進展している。 なかでも、発電プラントや鉄道など、高い信頼性が要求される社会インフラにおいては、こういったシステム複雑化に伴う故障の増大は、深刻な問題といえる。しかしながら、新興国向け製品等では高信頼ながら低価格であることが強く求められており、過剰な冗長化や故障対策はできる限り抑制しなければならない。また、故障に対しても、事後対応から事前予測へと、さらなる安定稼働に向けた技術が求められている。 とくにネットワークの不具合は、システム全体に影響が波及する恐れがあり、故障や寿命の予測は高信頼化に効果的である。
【０００３】
故障が起こった後に検知を行うシステムとして特許文献１があるが、故障の予兆を警告するシステムではないため、ネットワーク上の不具合が起こるとシステム全体に影響が波及し高信頼化が望めない。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−１５３１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、 ０と１のデータ列を送受信するデジタル通信においては、送られたデータに誤りがないかのチェックが行われる。例えば、基本的な方法としてパリティチェックがある。パリティチェックは、データ列の中に含まれる１（または０）の個数の偶奇を示すパリティビットをデータに加えて送信する。この偶奇が合わなければデータに誤りがあると判断し、再送を要求する。ただし、パリティエラーは、電源のスパイクノイズ、外部の電磁ノイズなど一過性の要因であることも多い。このため、通信モジュールの故障の場合、パリティエラーが頻繁に発生するなど、問題が顕在化した段階で初めて故障発生と判定し、対策が行われる。よって、突然の故障対応が必要であったり、影響拡大後で復旧が遅れてしまうといった問題があったりする。また、稼働を止めないためには、高コストな冗長構成をとることが多い。 
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここで、一般的なデータ通信システムとして、データを送受信する通信器と、この通信器に対してデータを入出力するマイクロコントローラからなる構成を一例とし、本出願で開示される発明のうち代表的なものの概要について説明する。
【０００７】
本故障予測システムは、４つの構成要素からなる。まず、データ通信器の入出力電圧を取り込み、その電圧レベルをデジタル信号で出力するＡ／Ｄ変換器、劣化の判断基準となる新品時（劣化・故障がないとき）の電圧レベルと、劣化進行度を計算するための劣化数式モデルを格納したメモリ、メモリに格納された劣化数式モデルを用いて、Ａ／Ｄ変換器の出力した電圧レベルのデータから劣化進行度を計算する演算器、演算器が出力する劣化進行度に応じて、マイクロコントローラへ警報を出力する警報出力部から構成される。たとえば、故障となる電圧レベルに対して、新品時と比べて80％以上近づいたら警告するように設定する。  なお、本故障予測システムは、コンパレータ回路と可変抵抗を用いた分圧回路によって構成することも可能である。コンパレータの判別しきい値となる基準電圧は、可変抵抗を用いた分圧回路で生成する。こうすることで、抵抗値の設定次第で、任意の電圧レベルを判別でき、つまり、任意の劣化進行度での警報を出力できる。また、もし警報すべき電圧レベルがたかだか数種類で、かつ製造前に決定できるのであれば、各電圧レベル判別用にそれぞれコンパレータと固定抵抗の組み合せを用意する方法でもよい。
【０００８】
即ち、本発明の特徴は、デジタル回路の出力において、０と１のデジタル信号値としては正しく認識される場合においても、電圧レベルが初期の状態と差があれば、その差の大きさから劣化度合いを計算し、故障の予兆として警告する故障予測システムにある。
たとえば、通信器の出力電圧を生成するＤＣ−ＤＣ変換器においては、劣化が進むにつれて出力電圧が低下する。これは、構成要素のコンデンサが、劣化の進行に伴いドライアップ(電解液の蒸発)やＥＳＲ(等価直列抵抗)増大など特性変化が生じることによる。このため、コンデンサは十分な電荷を蓄積できず、その結果として、ＤＣ−ＤＣ変換器の出力電圧が低下してしまう。
【０００９】
第１の発明の特徴は、（１）データを送受信するデータ通信器と、該データ通信器へ送信データを出力する、または、該データ通信器から受信データを入力されるマイクロコントローラを有するデータ通信システムにおいて、前記データ通信器の入出力電圧レベルから劣化進行度を判別する劣化判定部と、該劣化判定部の判定結果に基づき警報を出力する警報出力部を有する故障予測システムにある。
【００１０】
（２）（１）において、前記データ通信器は、入力信号を増幅する増幅器と、該増幅器に入力する増幅電圧を出力する電圧変換器とを有し、前記劣化判定部は、前記増幅器の出力電圧、または、前記電圧変換器の増幅電圧を入力する。
【００１１】
（３）（２）において、前記劣化判定部は、前記データ通信器の出力電圧を入力とするコンパレータ回路と、このコンパレータ回路の判定しきい値となる基準信号を生成する分圧回路を具備し、該分圧回路は可変抵抗で構成され、製造後においても抵抗値を任意の値に設定することで、前記コンパレータ回路の判定基準を変更できる。
【００１２】
（４）（２）において、前記劣化判定部が、前記データ通信器の出力電圧を入力とするＡ／Ｄ変換器と、劣化進行度を計算する演算器と、新品時の電圧レベルと劣化進行度を計算するための劣化数式モデルを格納した劣化情報記憶部からなる。
【００１３】
（５）（４）において、前記故障予測システムが、劣化に影響する温度や湿度などの環境データを計測する劣化計算用センサを具備し、前記劣化判定部の前記劣化数式モデルはそのセンサデータから劣化進行度を計算する。
【００１４】
第２の発明の特徴は、（６）（１）〜（５）に記載された少なくともいずれか一つの故障予測システムを具備する通信モジュールにある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電圧レベルが初期の状態と差があれば、その差の大きさから、
劣化の進行度合い、故障の発生を事前に予測することができる。 このため、高価な冗長構成が必要なくなり、安価で高信頼なシステムを実現できる。さらに、交換部品の適時調達も可能となる。 
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】故障予測システムの基本構成図。
【図２】データ通信器の回路構成例。
【図３】故障予測用センサを具備した故障予測システムの構成図。
【図４】故障予測システムの処理手順の一例。
【図５】故障予測システムの回路構成例。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１７】
本発明にかかる故障予測システムについて、図１〜図５を用いて説明する。
【００１８】
図１では、マイクロコントローラ（ｕＣ）がデータ通信器（ＣＯＭ）を通じてデータ送受信（Ｔｘ／Ｒｘ）をおこなうデータ通信システムを示している。ここで、データ通信器（ＣＯＭ）の例としては、図２の回路構成があげられる。データ通信器は、電源電圧（Ｖｄｄ）を昇降圧するＤＣ−ＤＣ変換器（ＤＤＣ）と、そのＤＣ−ＤＣ変換器の出力を増幅電圧とする増幅器（ＡＭＰ）で構成される。本発明の故障予測システム（ＦＤＳ）は、図２に示されるＤＣ−ＤＣ変換器の出力か、もしくは、増幅器の出力を入力信号とし、マイクロコントローラへの警報信号を出力とするものである。
【００１９】
図１に示されるデータ通信システムの故障予測システムは、タイマユニット（ＴＩＭ）、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、劣化情報記憶部（ＭＥＭ）、演算器（ＣＵ）、警報装置（ＷＲＮ）から構成される。
【００２０】
タイマユニット（ＴＩＭ）は、故障予測システムの診断のタイミングを管理するものである。あらかじめ設定した固定周期で診断をおこなう方法でもよいが、劣化状態に応じて演算器（ＣＵ）がタイマユニットの診断周期の設定を変えることで、より効率的な診断ができる。つまり、新品時は劣化故障の可能性は低いため診断周期は長くてもよく、劣化が進むにつれて診断周期を短くするといった方法が考えられる。
【００２１】
Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）は、データ通信器の出力電圧または増幅電圧などを取込み、演算器（ＣＵ）へ出力する。Ａ／Ｄ変換器へ入力する信号は、劣化により変化する信号であればよいため、とくに限定しない。たとえば、生信号よりも特定の周波数成分のみ抽出した方が劣化との相関性が高い場合は、その周波数成分を抽出するフィルタ回路を加えておくことで、予測精度を向上できる。
【００２２】
劣化情報記憶部（ＭＥＭ）には、新品時（初期）の電圧レベルと劣化進行度を計算する数式、もしくは、実験データ等に基づく信号と劣化進行度との関係表を用意し、格納しておく。演算器（ＣＵ）は、新品時（初期）の電圧レベル（値）とデータ通信器から出力された信号電圧の電圧レベル（値）とを比較し、上記数式や関係表から現在の劣化進行度を求め、初期の電圧レベルと所定以上の差があれば、警報装置（ＷＲＮ）へ送る。
【００２３】
警報装置（ＷＲＮ）は、演算器の計算結果から、劣化警報の可否および警報の段階を判定し、マイクロコントローラ（ｕＣ）へ通知する。マイクロコントローラは、この警報に基づき、故障までの残り寿命に応じて、事前に定められた動作モードに遷移するなどし、故障による稼働停止を事前に回避することができる。
【００２４】
ここで、図３に示すように、劣化の進行に関係する温度や湿度など環境データをセンサ（ＳＮＳ）で計測しておくことで、残り寿命の予測精度を向上させることが可能な場合がある。この場合、演算器（ＣＵ）はデータ通信器（ＣＯＭ）の電圧に加えて、各種センサデータの計測値や履歴から得られる変化傾向など、より多くの情報から予測することができる。
【００２５】
次に、図４を用いて故障予測システム（ＦＤＳ）の処理手順を説明する。この処理は、たとえばプログラムとしてメモリに格納されて演算器で処理される。まず、故障予測システムは、通信器の出力電圧または増幅電圧などから通信電圧レベルを取得する（Ｐ４０1）。次に、接続されているすべてのセンサから計測データの取得をおこなう（Ｐ４０２）。そして、取得した通信器の電圧レベルとセンサデータに基づいて劣化計算モデルを更新し、現在の劣化進行度を得る（Ｐ４０３）。そして、得られた劣化進行度と、現在までの劣化進行の履歴情報とから、故障発生までの残時間を推定する（Ｐ４０４）。もし前回と今回の残時間の差が規定範囲より大きい場合、診断の時間間隔を残時間の減少幅に応じて短くする（Ｐ４０６）。また、前回と今回の残時間の差が規定範囲内であれば、そのまま次のステップに移る。最後に、残時間に応じた警告通知をおこなう（Ｐ４０７）。以上の処理手順により、故障予測システムは、データ通信システムのマイクロコントローラ等に故障を事前に警告する。
【００２６】
ここで、故障予測システムは、図５に示すような簡易なコンパレータ回路によっても実現できる。図５の故障予測システム（ＦＤＳ）は、比較回路（ＣＭＰ）と比較回路への入力信号を生成する分圧回路（ＴＨＬ）で構成される。分圧回路は、出力電圧が自由に設定できるよう可変抵抗で構成されている。比較回路は、通信器と分圧回路の出力電圧を比較し、通信器の出力電圧が分圧回路の出力電圧を下回れば、出力（ＯＵＴ）が反転する。このため、警報を出したい電圧レベルに合わせて分圧回路の抵抗値を設定しておけば、通信器の劣化による電圧低下を検出できる。
【００２７】
新品時は一般に、劣化故障の可能性は低いが、時間の経過に伴い、データ通信器（ＣＯＭ）の信号は、劣化により変化（電圧低下）する信号であるため、「電圧レベル」が初期の状態と差があれば、劣化の進行度合いが分かります。
【００２８】
初期の状態（劣化、故障がないとき）の電圧レベルは設定が必要です。
通常、ネットワークでつないだ後に設定しますが、この設定値と所定以上の差があれば故障が発生すると予測します。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
電圧レベルが初期の状態と差があれば、その差の大きさから劣化度合いを計算し、
故障の発生を事前に予測することができるシステムを提供できるため、高価な冗長構成が必要なくなり、低価格で高信頼なシステムを実現できる。さらに、交換部品の適時調達も可能となる。 
【符号の説明】
【００３０】
ｕＣ    マイクロコントローラ
ＣＯＭ  データ通信器
ＴＩＭ  タイマユニット
ＡＤＣ  Ａ／Ｄ変換器
ＣＵ    演算器
ＭＥＭ  劣化情報記憶部
ＷＲＮ  警報装置
ＦＤＳ  故障予測システム
Ｔｘ    送信データ
Ｒｘ    受信データ
Ｖｄｄ  電源電圧
ＤＤＣ  ＤＣ−ＤＣ変換器
ＡＭＰ  増幅回路
ＳＮＳ  センサ
Ｌ      故障発生までの残時間
Ｔ      診断の時間間隔
ＣＭＰ  比較回路
ＴＨＬ  可変抵抗の分圧回路
ＯＵＴ  出力信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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