JP2019153941A - 通信制御装置及び通信制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明を適用した第一実施例におけるシステム構成を図1に示す。通信装置120a〜120l(以下、通信装置120a〜120lを総称して通信装置120と称することがある。)は、ネットワーク122、ネットワーク中継装置121a〜121h(以下、ネットワーク中継装置121a〜121hを総称してネットワーク中継装置121と称することがある。)を介して、他の通信装置120と接続し、通信する。
図2に通信装置120のハードウェア構成を示す。
通信制御部102の機能構成を図3に示す。
通信装置120aの送信に関する動作手順を図6に示す。
通信装置120におけるパケット受信処理は、図7と同様の手順をとり、S016における受信処理によって、パケットを受信する。
送信制御部130は、図6のS003のデータ加工処理において、システム識別子変換部138の生成した識別子を用いることができる。例えば、システム識別子変換部138の生成したVIDを用いてVLANタグを生成することやEthernetヘッダの宛先アドレスを設定することが例示される。
図1のネットワーク中継装置121h、121a、通信装置120a、120b、120cに着目して、ネットワーク中継装置121の設定例を図8に示す。図8におけるネットワーク中継装置121の設定は、転送先の宛先ポートを複数設定している。図8に示すようにタグ1を有するパケット150が、通信ポート190a〜190dを有するネットワーク中継装置121hに入力されると、ネットワーク中継装置121hから、パケット150の宛先となる宛先の通信装置120aに対して、通信経路160、161、162を経由して、パケット150が伝送される。したがって、通信経路160、161、162のいずれかに障害が起きた場合であっても、パケット150が宛先の通信装置120に到達することができる。同様に、パケット150の宛先がネットワーク中継装置121aの先に接続している場合も通信装置120a、120b、120cを経由する3つの通信経路160、161、162を通って伝送することができる。
あるいは、通信装置120がVLANタグのVIDを変更して経路数を制御してもよい。
加えて、リングネットワーク内での位置情報を考慮したパケット転送制御を、図5を用いて説明する。
ここで、図10を用いて冗長経路を利用する場合の時刻の補正について述べる。
なお、ネットワーク中継装置121がIEEE 1588に対応しない場合について説明する。
今、ネットワーク中継装置121hの出力ポートでSyncメッセージを出力する瞬間を仮定する。このとき送信元が格納したタイムスタンプ(図11のoriginTimestamp183)TSが10秒000で、correctionField(図11のcorrectionField178)CFoldが10マイクロ秒であったとする。通信経路160の遅延D1を10マイクロ秒、通信経路161の遅延D2を20マイクロ秒とする。また、その瞬間の通信装置120aの時刻Ca1を11秒10マイクロ秒とする。
= 10秒20マイクロ秒 − 11秒20マイクロ秒
= −1秒 ・・・(3)
= 10マイクロ秒 + (20マイクロ秒 ― 10マイクロ秒)
= 20マイクロ秒 ・・・(5)
= 10秒30マイクロ秒 − 11秒30マイクロ秒
= −1秒 ・・・(6)
通信装置120aでcorrectionFieldを補正する場合は、本来の通信経路と、その通信遅延を把握する必要がある。加えて、通信装置120bにおいては、どの通信装置120への通信であるか(今回の場合は通信装置120a)とその際の遅延(D2)が必要となる。
図14に本発明を適用した冗長化通信制御部250の機能構成図を示す。
本発明は、冗長経路へパケットを転送する際の同期パケット上の時刻情報を補正することで、冗長経路の利用による高信頼化と時刻同期の両立を図る。本実施例においては、被制御装置241の動作が関係する。IEC61158、IEC61784パート2のCommunication Profile Family 12で定義されるEtherCAT仕様に準拠した被制御装置241を例に説明する。ただし、本発明の効果はEtherCAT仕様に限定されない。
図15に被制御装置241におけるハードウェア構成を示す。
スレーブIC271の構成を図16に示す。
また、被制御装置241における時刻同期機能について説明する。
EtherCATにおいては、スレーブ間の通信遅延を計算するために図17で示す機能を有している。すなわち、所定のパケットの受信にともなって、各通信ポートでの受信時刻(Ta、Tb、Tc、Td、Te)やEtherCAT Processing Unit280での受信時刻(TAP、TBP、TCP)を計時する機能を具える。なお、スレーブ間の通信遅延を求めることができれば、被制御装置241が具えなければならない機能は上記の計時機能に限定されない。例えば、NTP(Network Time Protocol)やIEEE1588のバウンダリクロック機能や、end−to−end TC(Transparent Clock)、peer−to―peer TC(Transparent Clock)、あるいはそれらに類する機能を用いることが例示される。
本実施例における動作を図18(経路異常が発生していない場合)、図19(経路異常が発生している場合)を用いて説明する。本実施例の動作を説明するため、冗長化通信制御部250における経路制御部262、時刻補正部263を中心に説明する。出力選択部260、入力選択部261については図示していない。送信部132はTx、受信部133はRxとして図示している。
今、Toldが10秒000で、tABが10マイクロ秒であったとする。被制御装置241bが基準時刻配信用データグラムを受信した際の被制御装置241bのローカルクロックCb1が11秒10マイクロ秒だったとする。
= 10秒10マイクロ秒 − 11秒10マイクロ秒
= −1秒 ・・・(10)
= 10秒000 + 50マイクロ秒 ― 10マイクロ秒
= 10秒40マイクロ秒 ・・・(12)
= Tnew + tAB − Cb2
= 10秒40マイクロ秒 + 10マイクロ秒 − 11秒50マイクロ秒
= −1秒 ・・・(13)
以上の仕組みを実現するためには、経路制御部262で経路を制御するための経路異常発生の判定と経路制御、時刻補正部263における遅延変化分を決定するための経路異常位置の特定が必要である。これらについて以下説明する。
はじめに、冗長ポートからパケットを受信する前に、主ポートからパケットを受信したかどうかをみる方法が例示される。冗長ポートでパケットを受信せず、主ポートで受信した場合に、通信経路を異常と判定する。
EtherCATのパケット構成を図20に示す。EtherCATの通信内容は、Ethernetフレーム290のデータ領域292に格納される。EtherCATにおける、Ethernetヘッダ291のTypeフィールドは0x88A4である。データが正しいかどうかをFCS(Frame Check Sequence)293を用いて検査する。
あるいは、各スレーブの各通信ポートのロストリンクカウンタレジスタを読み、非ゼロの値が取得された通信ポートが接続する通信経路が異常であると判定する。なお、ロストリンクカウンタレジスタは読み込みと同時に、書込みによってレジスタ値をクリアしてもよい。以上の方法によって、通信経路の異常が起きたと判定した位置を特定できる。これはCPU101上で動作するプログラム等に提示してもよい。
本発明を実現する上で、補正する遅延を算出する必要がある。補正する遅延は、経路異常の発生位置によって変わる。したがって、経路異常の発生位置を特定する必要がある。これは前記のとおり、ワーキングカウンタ298を用いる方法等が例示される。
あるいは変化遅延に関する情報を被制御装置241に格納し、その値を用いてもよい。EtherCATでは、論理アドレスによるアドレス方法を用いることができる。論理アドレスとは、仮想上のアドレス空間であり、任意のスレーブの物理アドレスを対応付けることができる。各スレーブは論理アドレスへのアクセスコマンドを受信した場合、該当の論理アドレスが自身の物理アドレスに割り当てられているかを確認する。もし割り当てられていれば、該当の物理アドレスの情報に対してアクセスする(リードコマンドであればデータグラムに情報を載せ、ライトコマンドであれば該当の物理アドレスにデータを書き込む)。論理アドレスにアクセスすることで、対応付けられたスレーブの物理アドレスの情報にアクセスすることができる。
変化遅延の情報取得に論理アドレスの仕組みを用いることができる。
なお、制御用計算機240自身を基準スレーブに同期する場合は、基準時刻配信用データグラム上の基準時刻を変更していることに注意する必要がある。経路異常がない状態(図18)では、冗長化通信制御部250が基準時刻配信用データグラムを受信した後、遅延tmAと、基準時刻配信用データグラム上の基準時刻Caを用いて同期する。この関係を次の(14)式に示す。
なお、各スレーブに格納する変化遅延情報は、基準時刻配信用データグラム上の基準時刻に加算する値そのもの(例えば(9)式のDch−tAB)を計算して求めてもよいし、制御用計算機240で計測可能な値に対する補正分としてもよい。一例を示せば、これは図18のTm−Tsに対する差分である。
+tmD ・・・(16)
−(tAm + tBA + tCB + tDC
+ tmD)
= tAm’−tAm+tB―tBA
= tdiffA + tB ― tBA ・・・(17)
なお、TmとTsは、同じパケット、データグラムに対して計時する必要がある。時刻補正部263による基準時刻の変更は、基準時刻配信用データグラムに対して実行するため、基準時刻配信用データグラムを対象とすることが例示されるが、それ以外のデータグラムやEthernetフレームを対象としてもよい。なお、計測遅延の誤差を低減するため、Ethernetフレーム上の同一箇所を対象に計測することが望ましく、Ethernetヘッダの先頭やプリアンブルの先頭、EtherCATヘッダの先頭などが例示される。
なお、制御用計算機240がどのようにパケットを経路制御したかをパケット上に記憶し、それを用いて経路制御部262においてパケットの経路を制御してもよい。
データグラム上の4ビットを用いる例を図21に示す。なお、図21に示すビット情報のパラメータを格納する領域として、index300、IRQ306、MACアドレスの一部やNOPなどの付加データグラムを利用してもよい。
つまり、ビット0は主ポートから送信した場合に1とする。ビット1は主ポートで受信した場合に1とする。ビット2は、冗長ポートから送信した場合に1とする。ビット3は冗長ポートで受信した場合に1とする。なお、主ポートからは必ず送信するとした場合はビット0を省略可能である。主ポートあるいは冗長ポートで受信後、上記ビットを確認し、該パケットの経路制御を実行する。
なお、Ethernetフレームの先頭に近いデータを用いる方が、経路制御にともなうEthernetフレームのバッファリングを最小限にできるため、高速な経路制御処理及びバッファ容量の削減といった効果がある。
別の実施例を図18、図19、図23、図24に示す。
なお、経路制御部262の内部経路の切り替えは、受信パケットごとに異常の有無を判定して、切り替えてもよいし、図18、図19、図23に示す経路構成を状態遷移で管理してもよい。状態間の遷移は、受信パケットの異常判定、正常判定に基づいて制御することが例示される。
本実施例によれば、通信経路に異常が発生したとしても、制御用計算機240は冗長経路を利用し、かつ、冗長経路を利用した場合の遅延の変化を基準時刻配信用データグラム上の基準時刻に反映することで、被制御装置241は経路異常の発生を意識することなく時刻同期を維持することができる。したがって、制御用途のリアルタイム通信において、経路冗長化による高信頼化と高精度な時刻同期を実現できる。
本実施例によれば、通信経路異常が2箇所以上発生した場合でも、制御通信を継続できる被制御装置241に対しては時刻同期を維持できる。よって、本実施例により、経路冗長化によるリアルタイム通信の高信頼化と時刻同期を実現できる。
あるいは中継装置310以下に動的に被制御装置241を追加するようにしてもよい。
本実施例により、時刻同期と経路冗長化を両立しながら、制御ネットワークのトポロジの構成の自由度を増すことができ、通信制御システムの物理的制約にあわせて通信制御システムを構築できる。
Claims (15)
- 時刻情報を含む同期パケットの通信経路を構成するネットワークに接続されて前記同期パケットを送受信する1又は2以上の送受信手段と、
前記送受信手段の受信した前記同期パケットを処理する処理手段と、を備え、
前記処理手段は、
前記同期パケットの宛先への通信経路として、第一の通信経路に対して冗長化された第二の通信経路を含む場合、前記第一の通信経路を前記同期パケットが通信する際の第一の通信遅延と、前記第二の通信経路を前記同期パケットが通信する際の第二の通信遅延との遅延変化分を基に前記同期パケットに属する前記時刻情報を補正することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項1に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記第二の通信経路における前記同期パケットに属する前記時刻情報を補正する際に、前記遅延変化分を前記第二の通信経路における前記同期パケットに属する前記時刻情報に加算することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項1に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記第二の通信経路における前記同期パケットに、前記時刻情報としてタイムスタンプ又はコレクションフィールドが付加されている場合、前記時刻情報を補正する際に、前記遅延変化分を前記タイムスタンプ又は前記コレクションフィールドに加算することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項1に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記送受信手段のうち前記第一の通信経路に接続される第一の送受信手段の受信した前記同期パケットを判別して経路異常と判定した場合、前記第一の送受信手段の受信した前記同期パケットに属する前記時刻情報を、前記遅延変化分を基に補正し、補正された前記時刻情報を含む前記同期パケットを前記第二の通信経路に接続される第二の送受信手段を介して前記第二の通信経路に送信することを特徴する通信制御装置。 - 請求項4に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記第一の送受信手段の送受信した第一の送受信情報または前記第二の送受信手段の送受信した第二の送受信情報のうち少なくも一方の送受信情報を前記同期パケットに記憶し、前記第一の送受信手段又は前記第二の送受信手段が前記同期パケットを受信した際に、記憶した前記送受信情報を基に、前記受信した同期パケットに対する処理として、前記同期パケットの受信、前記同期パケットの破棄、或いは前記同期パケットの転送のうち少なくとも一つの処理を実行することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項5に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記第一の送受信手段が前記同期パケットを受信した際に、前記記憶した送受信情報の中に前記第二の送受信手段から前記同期パケットを送信済みであることを示す情報が存在しない場合、経路異常と判定し、前記第一の送受信手段が受信した前記同期パケットを前記第二の送受信手段を介して前記第二の通信経路に転送することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項4に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
計時の要否と、前記第一の送受信手段での受信後の前記同期パケットの転送先と、前記第二の送受信手段での受信後の前記同期パケットの転送先と、前記第二の送受信手段による送信の要否をそれぞれ識別する識別子を前記同期パケットに関連づけて記憶し、前記第一の送受信手段又は前記第二の送受信手段が前記同期パケットを受信した際に、前記識別子に基づいて、前記同期パケットの受信、前記同期パケットの破棄或いは前記同期パケットの転送のうち少なくとも一つの処理を実行することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項4に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記第一の送受信手段が前記第一の通信経路に前記同期パケットを送信する際に、前記第二の通信遅延を算出するための遅延情報となるデータグラムを前記同期パケットに付加することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項8に記載の通信制御装置において、
前記データグラムは、
前記処理手段が、前記同期パケットに付加される論理アドレスまたは設定済みアドレスへアクセスするデータグラムであることを特徴とする通信制御装置。 - 請求項4に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記第一の送受信手段が前記第一の通信経路に送信した前記同期パケットを、前記第二の送受信手段が前記第二の通信経路から受信した第一の受信時刻を保持し、前記同期パケットを受信後に前記第二の送受信手段を介して前記同期パケットを前記第二の通信経路に送信し、その後、前記第一の送受信手段が前記第一の通信経路から前記同期パケットを受信する第二の受信時刻を保持し、前記第一の受信時刻と前記第二の受信時刻とを基に前記第二の通信遅延を算出することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項4に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記第二の送受信手段が前記第二の通信経路から前記同期パケットを受信した際に、受信した前記同期パケットに、前記第二の通信経路中に存在する通信対象の変更を示す変更情報が存在する場合、前記変更情報を基に前記時刻情報を補正するための補正量を示す前記遅延変化分を変更し、変更した前記遅延変化分を基に前記第二の送受信手段から前記同期パケットの宛先へ送信する前記同期パケットに属する前記時刻情報を補正することを特徴とする通信制御装置。 - 請求項4に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記第一の送受信手段の受信した前記同期パケットに属する前記時刻情報と、前記時刻情報を補正するための補正量を示す前記遅延変化分に基づいて、前記処理手段が管理する時刻情報を前記同期パケットの送信元に同期させることを特徴とする通信制御装置。 - 請求項1に記載の通信制御装置において、
前記処理手段は、
前記送受信手段の通信対象の変更に伴って、前記同期パケットの通信経路が、前記第一の通信経路から前記第二の通信経路に変更され、前記第二の通信経路が前記ネットワーク上で動的に構成される場合、前記第一の通信経路における前記第一の通信遅延と前記第二の通信経路における前記第二の通信遅延とを基に前記遅延変化分を算出することを特徴とする通信制御装置。 - 時刻情報を含む同期パケットの通信経路を構成するネットワーク中に配置される複数のネットワーク中継装置と、前記複数のネットワーク中継装置の各々に接続されて前記同期パケットを通信する複数の通信装置と、を備え、
前記複数のネットワーク中継装置又は前記複数の通信装置のうち少なくとも一つは、
前記同期パケットを送受信する1又は2以上の送受信手段と、
前記送受信手段の受信した前記同期パケットを処理する処理手段と、を備え、
前記処理手段は、
前記同期パケットの宛先への通信経路として、第一の通信経路に対して冗長化された第二の通信経路を含む場合、前記第一の通信経路を前記同期パケットが通信する際の第一の通信遅延と、前記第二の通信経路を前記同期パケットが通信する際の第二の通信遅延との遅延変化分を基に前記同期パケットに属する前記時刻情報を補正することを特徴とする通信制御システム。 - 時刻情報を含む同期パケットの通信経路を構成するネットワーク中に配置される制御用計算機と、前記ネットワーク中に配置されて前記同期パケットを基に制御対象を制御する複数の被制御装置と、を備え、
前記制御用計算機又は前記複数の被制御装置のうち少なくとも一つは、
前記同期パケットを送受信する1又は2以上の送受信手段と、
前記送受信手段の受信した前記同期パケットを処理する処理手段と、を備え、
前記処理手段は、
前記同期パケットの宛先への通信経路として、第一の通信経路に対して冗長化された第二の通信経路を含む場合、前記第一の通信経路を前記同期パケットが通信する際の第一の通信遅延と、前記第二の通信経路を前記同期パケットが通信する際の第二の通信遅延との遅延変化分を基に前記同期パケットに属する前記時刻情報を補正することを特徴とする通信制御システム。
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