JP2024055681A - 通信制御装置及び通信制御装システム - Google Patents

Abstract

【課題】時刻同期ネットワークを非同期ネットワークに接続した混在ネットワークを構成した場合であっても、時刻同期ネットワークの送信タイミングと既存の非同期ネットワークの送信プロトコルの両立を実現する【解決手段】送信周期に割り当てたタイムスロットのタイミングで複数の時刻同期ネットワーク接続機器が時刻同期メモリを更新し、タイムスロット以外の非タイムスロットのタイミングで非同期メモリの内容を時刻同期ネットワークに送信する。【選択図】図１

Description

本発明は、通信制御装置及び通信制御装システムに関する。

鉄鋼、水処理、ＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）、発電などの社会インフラ分野において、制御装置によって制御を行う制御システムが各種実用化されている。例えば、製鉄所、上下水処理場、工場、発電プラント等では、主機に接続された制御装置を複数有する制御システムが処理を担っている。これらの制御装置は、外部から入力されたセンシングデータ等を用いてＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）において制御演算処理を実行し、制御ネットワークに接続された複数機器で演算結果を共有し、複数の主機に対する制御指令を制御データ（信号）として複数機器から出力することで制御を行う。

このような制御を行うためには、制御システムにおける制御周期の時間内に演算処理が完了し、複数機器に演算結果を共有できるよう定められている送信周期の時間内に演算結果や制御データの送信と受信が完了しなければならない場合がある。制御ネットワークを介して複数機器間で時間内にデータが共有できず、複数の主機に対して正しい制御指令を出力できなかった場合、制御システムが正常に可動できなくなって損失が発生すると共に、制御システムの状態が不安定になる可能性がある。そのため、こうした制御システムにおける制御ネットワークには、通信の高速性とリアルタイム性が要求される。

複数機器による通信をリアルタイムに行うために、通信性能は１０Ｍｂｐｓ（Ｍｅｇａ ｂｉｔ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）、１００Ｍｂｐｓ、１Ｇｂｐｓ（Ｇｉｇａ ｂｉｔ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）と引き上げられてきた。また機器から送信される通信フレームには優先度を付加し、複数機器が非同期で送信し合い、データを共有する方式が取られてきた。

一方で、今後の制御システムのＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）化を見据えた場合、制御系データに加えてフィールドの画像・動画やセンシング情報などの情報系データを低コストに送信したいという要求がある。そのような要求を満たすために、今後の制御ネットワークでは複数機器を高精度に時刻同期させ、制御系データと情報系データを時分割で送信する仕組みを備えることが求められる。

特許文献１に示されたネットワーク機器の検出方法、通信制御装置、時刻同期方法は、ＴＳＮ（Ｔｉｍｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）を使用したシステム中、ＴＳＮ対応ネットワークとＴＳＮ未対応ネットワークとの境界に位置するＴＳＮ対応のネットワーク機器の通信を制御する方法であって、前記ＴＳＮ対応ネットワーク側から送信されたフレーム群中、重要データ以外の一般データのフレームを破棄し、前記重要データのフレームのみを前記ＴＳＮ未対応ネットワーク側に送信するステップと、前記ＴＳＮ未対応ネットワーク側から送信されたフレーム群を、前記ＴＳＮ対応ネットワーク側に重要データの時分割された期間に送信するステップと、を有することを特徴としている。

また、特許文献２に示されたネットワーク機器は、ＩＥＥＥ８０２．１ ＴＳＮ規格のスケジュールに基づき送信されるパケットに当該スケジュールに対応した時刻同期情報を付与させる中央演算部と、前記規格に準拠していないネットワーク機器から受信したパケットが当該規格に基づく時刻同期が必要なパケットである場合に当該パケットを前記中央演算部に転送するスイッチエンジンを備えることを特徴としている。

特開２０２１－１９７６０１号公報 特開２０２０－１７８７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のネットワーク機器の検出方法、通信制御装置、時刻同期方法は、ネットワークを通過するフレームを重要データと一般データに分類し、重要データを送信するタイムスロットでは一般データを破棄もしくは帯域制限することがあることから、重要データのみ扱う社会インフラ分野へ適用して全ての重要データを送信周期内に送信することは困難という問題があった。

また、特許文献２に記載のネットワーク機器では、ＴＳＮにＴＳＮ未対応機器を接続し、タイムスロット以外のタイミングで送信させているが、スイッチは全てＴＳＮに対応する前提となっている必要があり、非同期ネットワークとの混在には対応できないという問題があった。

本発明の目的は、時刻同期ネットワークを非同期ネットワークに接続した混在ネットワークを構成した場合であっても、時刻同期ネットワークの送信タイミングと既存の非同期ネットワークの送信プロトコルの両立を実現することにある。

本発明の一態様の通信制御装置は、複数の非同期ネットワーク接続機器を有する非同期ネットワークと複数の時刻同期ネットワーク接続機器を有する時刻同期ネットワークとに接続された通信制御装置であって、時刻を計測する時刻計測装置と、制御部と、前記非同期ネットワークによって更新される非同期メモリと、前記時刻計測手段により時刻同期する前記時刻同期ネットワークによって更新される時刻同期メモリと、を有し、前記制御部は、送信周期に割り当てたタイムスロットのタイミングで、複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器が前記時刻同期メモリを更新し、前記タイムスロット以外の非タイムスロットのタイミングで、前記非同期メモリの内容を前記時刻同期ネットワークに送信することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、時刻同期ネットワークを非同期ネットワークに接続した混在ネットワークを構成した場合であっても、時刻同期ネットワークの送信タイミングと既存の非同期ネットワークの送信プロトコルの両立を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置における時刻同期制御部の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置における非同期制御部の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置におけるタイムスロット情報の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置を適用した制御システムの構成例を示す図である。 本発明を適用しない場合の制御システムの動作の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置を適用した制御システムの動作の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置を適用した制御システムの動作の他の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置を適用した制御システムの動作の他の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る通信制御装置の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る通信制御装置のメモリの構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る通信制御装置の構成例を示す図である。 本発明の各実施形態に係る通信制御装置の実装例を示す図である。 本発明の各実施形態に係る通信制御装置を鉄鋼制御システムの熱延設備に適用した場合の適用例１の構成例を示す図である。 本発明の各実施形態に係る通信制御装置を水処理システムに適用した場合の適用例２の構成例を示す図である。 本発明の各実施形態に係る通信制御装置をＦＡシステムに適用した場合の適用例３の構成例を示す図である。 本発明の各実施形態に係る通信制御装置を発電制御システムに適用した場合の適用例４の構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する）の例について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び添付図面において、同一の構成要素又は実質的に同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置について図１～図８を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置１００の構成例を示す図である。

図１に示すように、通信制御装置１００は、時刻計測装置１１と、非同期メモリ２０と、時刻同期メモリ２１と、時刻同期制御部１４と、非同期制御部１５を有する。

時刻計測装置１１は、時刻同期制御部１４に時刻情報３１を出力し、非同期制御部１５に時刻情報３２を出力する。またタイムスロット情報３０は通信制御装置１００の時刻同期制御部１４、非同期制御部１５にそれぞれ入力される。

通信制御装置１００には非同期メモリデータ５０が入力され、非同期メモリ２０でバッファリングされるとともに、時刻同期制御部１４に入力される。時刻同期制御部１４は、非同期メモリデータ５０とバッファリングされた非同期メモリデータ５１から、時刻情報３１とタイムスロット情報３０をもとに時刻同期メモリデータ５２を出力する。また通信制御装置１００には時刻同期メモリデータ５３が入力され、時刻同期メモリ２１でバッファリングされるとともに非同期制御部５４に入力される。

非同期制御部１５は、時刻同期メモリデータ５３とバッファリングされた時刻同期メモリデータ５４から、時刻情報３２とタイムスロット情報３０をもとに非同期メモリデータ５５を出力する。

［時刻同期制御部の構成］
図２は、時刻同期制御部１４の構成例を示す図である。

図２に示すように、時刻同期制御部１４は、時刻比較部１２、時刻同期出力判定部１６、マルチプレクサ１７を有する。

時刻比較部１２は、現在の時刻情報３１とタイムスロット情報３０の比較の結果、タイムスロットの範囲内の時刻であるか、タイムスロットと非タイムスロットの切り替わりの時刻であるか、非タイムスロットの時刻であるか、を判定して時刻同期出力判定部１６に出力する。

時刻同期出力判定部１６は、時刻比較部１２の出力を受け、タイムスロットの範囲内の時刻であれば、時刻同期メモリデータ５２としてハイインピーダンス（Ｈｉ－Ｚ）５７を選択するようマルチプレクサ１７に出力する。タイムスロットと非タイムスロットの切り替わりの時刻であれば、時刻同期メモリデータ５２としてバッファリングされた非同期メモリデータ５１を選択するようマルチプレクサ１７に出力する。非タイムスロットの時刻であれば、時刻同期メモリデータ５２として非同期メモリデータ５０を選択するようマルチプレクサ１７に出力する。

ここで、時刻同期出力判定部１６がマルチプレクサ１７に出力する内容としては、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑｂｖに基づいたタイムスロットの弁の切り替え手段を利用し、タイムスロットが割り当てられていないタイミングの時刻に非同期メモリデータを時刻同期メモリデータとして出力する構成としてもよい。

［非同期制御部の構成］
図３は、非同期制御部１５の構成例を示す図である。

図３に示すように、非同期制御部１５は、フレーム結合部２２、フレームバッファ２３、マルチプレクサ２４、時刻比較部１３を有する。

フレーム結合部２２は、バッファリングされた非同期メモリデータ５４を複数結合してフレームバッファ２３に送信する。

フレームバッファは、非同期メモリデータ５４及びフレーム結合部２２による結合されたフレームデータを格納する。

時刻比較部１３は、現在の時刻情報３２とタイムスロット情報３０の比較の結果、タイムスロットの範囲内の時刻であるか、非タイムスロットの時刻であるか、を判定してマルチプレクサ２４に出力する。

マルチプレクサ２４は、時刻比較部１３の出力を受け、タイムスロットの範囲内の時刻であれば、非同期メモリデータ５５としてハイインピーダンス（Ｈｉ－Ｚ）５８を選択する。非タイムスロットの時刻であれば、非同期メモリデータ５５としてフレームバッファ２３の出力または時刻同期メモリデータ５３を選択する。

［タイムスロット情報の構成］
図４は、タイムスロット情報３０の構成例を示す図である。

図４に示すタイムスロット情報３０には、機器、非同期／時刻同期、送信周期［ｕｓ］、タイムスロットＮｏ．、タイムスロット開始オフセット［ｕｓ］、タイムスロット時間［ｕｓ］の各項目がある。

図４に示すタイムスロット情報３０の例では、機器が１～８まであり、このうち機器１～４が非同期ネットワークに接続し、機器５～８が時刻同期ネットワークに接続することを示す。

時刻同期ネットワークに接続する機器５～８にのみ、送信周期［ｕｓ］、タイムスロットＮｏ．、タイムスロット開始オフセット［ｕｓ］、タイムスロット時間［ｕｓ］が設定されている。

例えば、時刻同期ネットワークに接続する機器５は、送信周期が１０００［ｕｓ］で、タイムスロットＮｏ．がＴＳ１で、タイムスロット開始オフセットが１０［ｕｓ］で、タイムスロット時間が１００［ｕｓ］であることを表す。機器６～８についても同様である。

なお、図４に示したタイムスロット情報３０の内容については、ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳに基づいた時刻同期仕様をもとに設定してもよい。

図５～図９を用いて本発明の通信制御装置による効果を説明する。

図５は、本発明の通信制御装置１００を用いた制御システム３５０の構成例を示す図である。

この制御システム３５０は、本発明の通信制御装置１００によって非同期ネットワーク３００と時刻同期ネットワーク３０１を接続したネットワーク混在構成となっている。

本発明の通信制御装置１００には非同期ネットワーク３００が接続されている。非同期ネットワーク３００には、非同期スイッチ６１及び機器１、非同期スイッチ６２及び機器２、非同期スイッチ６３及び機器３、非同期スイッチ６４及び機器４がそれぞれ接続されている。

また通信制御装置１００には時刻同期ネットワーク３０１が接続されている。時刻同期ネットワーク３０１には、時刻同期スイッチ６５及び機器５、時刻同期スイッチ６６及び機器６、時刻同期スイッチ６７及び機器７、時刻同期スイッチ６８及び機器８がそれぞれ接続されている。

［本発明を適用しない場合の動作例］
図６は、非同期ネットワークと時刻同期ネットワークを接続したネットワーク混在構成の制御システムにおいて、本発明を適用しない場合のネットワークに流れるフレームの動作の一例を示すタイミングチャートである。本発明を適用しない場合の制御装置とは、例えば、図５に示した制御システムにおいて、本発明の通信制御装置の代わりに通信プロトコルの変換のみを行うブリッジを用いた構成が一例として相当する。

図６に示すタイミングチャートの上段「非同期ネットワーク接続機器」は、非同期ネットワークに接続された機器が他の機器にデータを送信して共有するための時間の幅を表す。例えば非同期ネットワークに接続された機器１は、他の機器２～８にデータを送信して共有しており、他の機器についても同様である。

図６に示すタイミングチャートの下段「時刻同期ネットワーク接続機器」は、時刻同期ネットワークに接続された機器が他の機器にデータを送信して共有するための時間幅を表す。例えば時刻同期ネットワークに接続された機器５は、他の機器１～４、６～８にデータを送信して共有しており、他の機器についても同様である。

時刻同期ネットワーク接続機器には送信周期８０が設定されている。また、各機器が他の機器に送信するための時刻と時間がタイムスロットとして設定される。機器５はタイムスロット７０、機器６はタイムスロット７１、機器７はタイムスロット７２、機器８はタイムスロット７３を用いてそれぞれ送信する。送信周期８０のうち、タイムスロット７０～７３が指定されていない時間は非タイムスロット７４とする。

本発明の通信制御システムを適用しない制御システムでは、時刻同期ネットワークに接続された機器５がタイムスロット７０で送信する。次に機器６がタイムスロット７１で送信しようとしたタイミングで非同期ネットワークの機器１から制御データの送信要求が発生すると、これらの間で競合が発生し、機器１の送信が優先されて機器６の送信ができなくなることがある。続けて機器７がタイムスロット７２で送信しようとしたタイミングで非同期ネットワークの機器２から制御データの送信要求が発生すると、これらの間でも競合が発生し、機器２の送信が優先されて機器７の送信ができなくなることがある。

タイムスロット７１で送信できなかった機器６とタイムスロット７２で送信できなかった機器７は、送信周期８０が終了した次の送信周期でそれぞれ送信することとなる。これによりデータ共有時間８１は送信周期８０を越えてしまい、制御システムで予め定められた制約時間内に演算結果を共有できなくなる。その結果、制御システムが正常に可動できなくなって損失が発生すると共に、制御システムの状態が不安定になる可能性がある。

［本発明を適用した場合の動作例］
これに対し図７は、本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置１００を適用したネットワーク混在構成の制御システム３５０において、ネットワークに流れるフレームの動作の一例を示すタイミングチャートである。

図７に示すタイミングチャートの上段「非同期ネットワーク接続機器」及び下段「時刻同期ネットワーク接続機器」は、図６で説明したとおりである。

ここで、タイミングチャートの「非同期メモリ」は、非同期ネットワーク接続機器１～４の送信データをバッファリングする。また、タイミングチャートの「時刻同期メモリ」は、時刻同期ネットワーク接続機器５～８の送信データをバッファリングする。

送信周期８２が設定された時刻同期ネットワークに接続された機器５がタイムスロット７０で送信し、機器６がタイムスロット７１で送信し、機器７がタイムスロット７２で送信し、機器８がタイムスロット７３で送信するタイミングで、各送信データは時刻同期ネットワークに接続された機器５～８で共有されるとともに、時刻同期メモリにバッファリングされる。

タイムスロット７０～７３のタイミングで、非同期ネットワーク接続機器１、２からの送信データは、非同期ネットワークに接続された機器１～４で共有されるとともに、非同期メモリにバッファリングされる。

タイムスロット７３が終了して非タイムスロット７５となったタイミングで、非同期メモリにバッファリングされていた機器１、２の送信データが時刻同期ネットワーク接続機器５～８に共有され、非タイムスロット７５の間に送信された機器３、４からの送信データも時刻同期ネットワーク接続機器５～８に共有される。

時刻同期メモリにバッファリングされた機器５～８の送信データは、非同期ネットワークに送信され、ここでは機器４の送信が終了したタイミングで機器１～４に共有される。

これにより、送信周期８２の時間内で非同期ネットワーク接続機器１～４、時刻同期ネットワーク５～８の間でのデータ共有がデータ共有時間８３で完了する。

図８は、本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置１００を適用したネットワーク混在構成の制御システム３５０におけるタイミングチャートの一例であり、図７に示したタイミングチャートと比較して、タイムスロットの設定タイミングが送信周期の中で分散している部分が異なっている。

非同期ネットワーク接続機器１の送信タイミングでは、送信周期８５が設定された時刻同期ネットワーク接続機器のタイムスロットが割り当てられていないため、機器１の送信データが機器２～８にも共有される。

非同期ネットワーク接続機器２の送信タイミングでは、時刻同期ネットワーク接続機器５のタイムスロット７６が割り当てられているため、機器５の送信データは機器６～８で共有されるとともに、時刻同期メモリにバッファリングされ、機器２の送信が終了したタイミングで非同期ネットワーク接続機器に共有される。一方、機器２の送信データは機器１、３、４で共有されるとともに、非同期メモリにバッファリングされ、タイムスロット７６が終了した時点で時刻同期ネットワーク接続機器に共有される。

同様に、非同期ネットワーク接続機器３、４及び時刻同期ネットワーク接続機器６、７、８もそれぞれ送信データを混在ネットワーク内で共有する。

これにより、送信周期８５の時間内で非同期ネットワーク接続機器１～４、時刻同期ネットワーク５～８の間でのデータ共有がデータ共有時間８６で完了する。

図９は、本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置１００を適用したネットワーク混在構成の制御システム３５０におけるタイミングチャートの一例であり、図７に示したタイミングチャートと比較して、タイムスロットの設定タイミングが送信周期の後半になっている部分が異なっている。

非同期ネットワーク接続機器１～４の送信タイミングでは、送信周期９２が設定された時刻同期ネットワーク接続機器のタイムスロットが割り当てられていないため、非同期ネットワーク接続機器の送信データが時刻同期ネットワーク接続機器にも共有される。

時刻同期ネットワーク接続機器５～８の送信タイミングでは、時刻同期メモリにバッファリングされる送信データがそのまま非同期ネットワークにも送信され、非同期ネットワーク機器に共有される。

これにより、送信周期９２の時間内で非同期ネットワーク接続機器１～４、時刻同期ネットワーク５～８の間でのデータ共有がデータ共有時間９３で完了する。

以上のとおり、本発明の第１の実施形態に係る通信制御装置は、複数の非同期ネットワーク接続機器を有する非同期ネットワークと複数の時刻同期ネットワーク接続機器を有する時刻同期ネットワークとに接続された通信制御装置であって、時刻を計測する時刻計測装置と、制御部と、前記非同期ネットワークによって更新される非同期メモリと、前記時刻計測手段により時刻同期する前記時刻同期ネットワークによって更新される時刻同期メモリとを有する。前記制御部は、送信周期に割り当てたタイムスロットのタイミングで、複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器が前記時刻同期メモリを更新し、前記タイムスロット以外の非タイムスロットのタイミングで、前記非同期メモリの内容を前記時刻同期ネットワークに送信する。

上述した第１の実施形態に係る通信制御装置によれば、非同期ネットワークとＴＳＮをはじめとする時刻同期ネットワークを非同期ネットワークと接続した混在ネットワーク構成とした場合であっても、時刻同期ネットワークの送信タイミングと既存の非同期ネットワークの送信プロトコルの両立を実現する仕組みを提供することができる。

以下、第２の実施形態から第３の実施形態までを説明するが、第１の実施形態に係る通信制御装置１００が備えている各部品を、第２の実施形態から第３の実施形態に係る各通信制御装置では図示していない場合でも、通信制御装置１００が備えている各部品は、各実施形態に係る通信制御装置でも備えられていると考えて差し支えない。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る通信制御装置について図１０～図１１を用いて説明する。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る通信制御装置１０１の構成例を示す図である。

図１０に示すように、通信制御装置１０１は、図１の通信制御装置１００に対して、非同期メモリ２０と時刻同期メモリ２１をメモリ２５として置き換えた部分が異なっている。

メモリ２５には非同期メモリデータ５０と時刻同期メモリデータ５３が入力され、メモリ２５からは非同期メモリデータ５６と時刻同期メモリデータ５４が出力される。

図１１は、メモリ２５の構成例を示す図である。

メモリ２５は、非同期メモリエリア２６と時刻同期メモリエリア２７を有する。非同期メモリエリア２６は、非同期メモリデータ５０による制御タイミングで内容が更新され、バッファリングされた非同期メモリデータ５６として出力される。

時刻同期メモリエリア２７は、タイムスロットによって送信タイミングが決定される時刻同期メモリデータ５３によって内容が更新され、時刻同期メモリデータ５５として出力される。

この第２の実施形態に係る通信制御装置によれば、非同期ネットワークとＴＳＮをはじめとする時刻同期ネットワークを非同期ネットワークと接続した混在ネットワーク構成とした場合であっても、時刻同期ネットワークの送信データと既存の非同期ネットワークの送信データを一時的に保存するメモリ容量を削減したり、制御信号数を削減して設計工数を減らしたりできる仕組みを提供することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る通信制御装置について図１２を用いて説明する。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る通信制御装置１０２の構成例を示す図である。

図１２に示すように、通信制御装置１０２は、図１の通信制御装置１００に対して、非同期メモリ２０と時刻同期メモリ２１を取り除いた部分が異なっている。

非同期メモリデータ５０とバッファリングされた非同期メモリデータ５１は通信制御装置１０２外から時刻同期制御部１４に入力され、時刻同期メモリデータ５２として出力される。時刻同期メモリデータ５３とバッファリングされた時刻同期メモリデータ５４は通信制御装置１０２の外部から非同期制御部１５に入力され、非同期メモリデータ５５として出力される。

この第３の実施形態に係る通信制御装置によれば、非同期ネットワークとＴＳＮをはじめとする時刻同期ネットワークを非同期ネットワークと接続した混在ネットワーク構成とした場合に、時刻ネットワーク側（例えば、時刻同期スイッチ６５）に時刻同期メモリを有しているか、非同期ネットワーク側（例えば、非同期スイッチ６２）に非同期メモリを有している場合、通信制御装置内にはメモリを持たず、低コストの通信制御装置を実現することができる。

なお、第３の実施形態では通信制御装置から非同期メモリと時刻同期メモリの両方を取り除いた例を示したが、どちらか片方のみ取り除いた構成としてもよい。

＜実装例＞
次に、ここまで説明した第１～第３の実施形態に係る通信制御装置１００～１０２を応用した実装例について図１３を参照して説明する。

図１３は、第１～第３の実施形態に係る通信制御装置１００～１０２の実装例を示す図である。

図１３に示す通信制御装置２００は、電源スイッチ２０１を有し、非同期メモリ２０６、時刻同期メモリ２０７、通信制御回路２０８を搭載した基板２０９を内蔵した構成になっている。

非同期メモリ２０６は、非同期通信ポート２０２、２０３とそれぞれ接続している。

時刻同期メモリ２０７は、時刻同期通信ポート２０４、２０５とそれぞれ接続している。

通信制御回路２０８は、各実施形態で示した時刻同期制御部１４と非同期制御部１５の機能を実装している。

各実施形態に示すように、非同期メモリが外部通信できるように通信ポートと接続し、時刻同期メモリが外部通信できるように通信ポートを接続し、通信制御機能を実装する構成とすることで、様々な形態で通信制御装置を構成することができる。

なお、通信制御装置に搭載する非同期通信ポート、時刻同期通信ポートなどの搭載数は、上述した数に限定されるものではなく、拡張して任意の数で実装することができる。

次に、第１～第３の実施形態に係る通信制御装置１００～１０２を鉄鋼制御などの各種設備の制御システムに適用した適用例１から適用例４について、図１４から図１７を用いて説明する。制御システムは、上述したいずれかの通信制御装置を１台以上有し、センサ及び制御機器（アクチュエータ、配電盤、各種設備、発電設備の主機・補機など）を運用する。

＜適用例１＞
図１４は、通信制御装置２００を鉄鋼制御システムの熱延設備に適用した場合の適用例１の構成例を示す図である。

鉄鋼制御システム１０００は、非同期ネットワーク６００に監視端末５００、制御装置４００、４０１が接続され、時刻同期ネットワーク６０１に学習サーバ５０１、制御装置４０２が接続され、非同期ネットワーク６００と時刻同期ネットワーク６０１は通信制御装置２００によって接続された構成となっている。監視端末５００は制御装置４００、４０１、４０２の制御及び監視を行うことで、全体の圧延制御及び監視が行われる。また、学習サーバ５０１は鉄鋼制御の過程で得られる精製時の様々なデータを収集して学習する。

加熱炉８０１で熱された鋼は熱延設備８００に投入される。温度センサ７００によって得られた加熱炉８０１の温度は制御装置４００で取得される。

制御装置４００は、ＰＩ／Ｏ装置７０１を制御し、粗圧延機８０２の回転数を調整する。制御装置４０１は、ＰＩ／Ｏ装置７０２を制御し、仕上圧延機８０３の回転数や張力を調整する。温度センサ７０３によって得られた冷却設備８０４の温度は、制御装置４０２で取得される。制御装置４０２は、ＰＩ／Ｏ装置７０４を制御し、巻取機８０５の回転数や方向を調整する。

通信制御装置２００は、非同期ネットワーク６００と時刻同期ネットワーク６０１をそれぞれ接続する配置にあり、非同期フレームと時刻同期フレームを中継することで、高精度なリアルタイム性と互換性が要求される鉄鋼制御システムを実現できる。

ここで、品質のよい鋼板を精製するために、ＣＰＵモジュール９０２とＩ／Ｏモジュール９１２を含む制御装置４０２は時刻同期ネットワーク６０１に接続し、冷却設備８０４の温度を高精度にセンシングして巻取機８０５の回転を高精度に制御できる構成としている。

一方、制御装置４００は、粗圧延機８０２に接続する従来のＰＩ／Ｏ装置７０１を制御するため、非同期ネットワーク６００に接続して従来の入出力処理及び通信処理と互換動作を行う必要がある。また、制御装置４０１は、仕上圧延機８０３に接続する従来のＰＩ／Ｏ装置７０２を制御するため、非同期ネットワーク６００に接続して従来の入出力処理及び通信処理と互換動作を行う必要がある。

よって、図１４に示す鉄鋼制御システム１０００では、高精度が要求される時刻同期通信が必要な装置と従来処理の互換性が要求される非同期通信が必要な装置をネットワーク上でデータ共有できるようにするために、本発明の各実施形態に係る通信制御装置を適用した混在ネットワークにより制御システムを構成している。

これにより、時刻同期による高精度処理と非同期による従来システムとの互換性を低コストに両立する鉄鋼制御システムを実現できる。

＜適用例２＞
図１５は、通信制御装置２００を水処理システムに適用した場合の適用例２の構成例を示す図である。

水処理システム１０１０は、非同期ネットワーク６１０にクラウドサーバ５１１、制御装置４１０が接続され、時刻同期ネットワーク６１１に制御装置４１１が接続され、非同期ネットワーク６１０と時刻同期ネットワーク６１１は通信制御装置２００によって接続された構成となっている。監視端末５１０は情報ネットワーク６１２を介してクラウドサーバ５１１に集められる制御装置のデータを分析しながら制御装置４１０、４１１の制御及び監視を行うことで、全体の水処理制御及び監視が行われる。

制御装置４１０は、フィールドバス６１３を介してＰＩ／Ｏ装置７１０とＰＩ／Ｏ装置７１１から高圧盤８１０及び低圧盤８１１をそれぞれ制御する。

制御装置４１１は、シーケンサ７１２を介してポンプ８１２とブロワ８１３によって送り出す水量を調節する。また、水質計８１４で得られた水質情報とカメラ８１５が撮影したフィールド画像データはシーケンサ７１３で収集され、制御装置４１１で取得する。

通信制御装置２００は、非同期ネットワーク６１０と時刻同期ネットワーク６１１をそれぞれ接続する配置にあり、非同期フレームと時刻同期フレームを中継することで、高精度なリアルタイム性と互換性が要求される水処理システムを実現できる。

ここで、効率よく水処理を行うために、ＣＰＵモジュール９２１、Ｉ／Ｏモジュール９３１、９３２を含む制御装置４１１は時刻同期ネットワーク６１１に接続し、ポンプ８１２とブロワ８１３に高精度な制御指令を出力するとともに、水質計８１４、カメラ８１５からの情報系データを取得可能な構成としている。

一方、制御装置４１０は、高圧盤８１０と低圧盤８１１にフィールドバス６１３を介して接続する従来のＰＩ／Ｏ装置７１０及びＰＩ／Ｏ装置７１１を制御するため、非同期ネットワーク６１０に接続して従来の入出力処理及び通信処理と互換動作を行う必要がある。

よって、図１５に示す構成の水処理システム１０１０では、高精度が要求される時刻同期通信が必要な装置と従来処理の互換性が要求される非同期通信が必要な装置をネットワーク上で共有できるようにするために、本発明の各実施形態に係る通信制御装置を適用した混在ネットワークにより制御システムを構成している。

これにより、時刻同期による高精度処理と非同期による従来システムとの互換性を低コストに両立する水処理システムを実現できる。

＜適用例３＞
図１６は、通信制御装置２００をＦＡシステムに適用した場合の適用例３の構成例を示す図である。

ＦＡシステム１０２０は、非同期ネットワーク６２０にＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）７２０、７２１が接続され、時刻同期ネットワーク６２１にＰＬＣ７２２、７２３が接続され、非同期ネットワーク６２０と時刻同期ネットワーク６２１は通信制御装置２００によって接続された構成となっている。監視端末５２０は情報ネットワーク６２２を介してＰＬＣ７２０、７２１、７２２、７２３の制御及び監視を行うことにより、全体の製造制御及び監視が行われる。

ベルトコンベア８２０に載せられた製品はカメラ８２１で撮影されて形状データがＰＬＣ７２０で処理され、ＰＬＣ７２１がピッキングロボット８２２を制御し所定の位置に配置する。ＰＬＣ７２２が制御するコンベアモータ８２３によってベルトコンベア８２０が所定の速度で回転し、ＰＬＣ７２３が制御する塗装ロボット８２４が製品の表面を塗装する。

通信制御装置２００は、非同期ネットワーク６２０と時刻同期ネットワーク６２１をそれぞれ接続する配置にあり、非同期フレームと時刻同期フレームを中継することで、高精度なリアルタイム性と互換性が要求されるＦＡシステムを実現できる。

ここで、このＦＡシステムで生産する製品で高品質な塗装を行うため、ＰＬＣ７２２、７２３を時刻同期ネットワーク６２１に接続し、コンベアモータ８２３の回転制御を高精度に処理しつつ、塗装ロボット８２４のモーション制御周期を短くしている。

一方、ＰＬＣ７２０、７２１は、高精度処理や短い制御周期の不要なカメラ８２１、ピッキングロボット８２２を制御しているため、非同期ネットワーク６２０に接続して従来の入出力処理及び通信処理と互換動作を行う必要がある。

よって、図１６に示す構成のＦＡシステムでは、高精度が要求される時刻同期通信が必要な装置と従来処理の互換性が要求される非同期通信が必要な装置をネットワーク上でデータ共有できるようにするため、本発明の各実施形態に係る通信制御装置を適用した制御ネットワークにより制御システムを構成している。

これにより、時刻同期による高精度処理と非同期による従来システムとの互換性を低コストに両立するＦＡシステムを実現できる。

＜適用例４＞
図１７は、通信制御装置２００を発電制御システムに適用した場合の適用例４の構成例を示す図である。

発電制御システム１０３０では、非同期ネットワーク６３０に制御装置４３０が接続され、時刻同期ネットワーク６３１に制御装置４３１、４３２が接続され、非同期ネットワーク６３０と時刻同期ネットワーク６３１は通信制御装置２００によって接続された構成となっている。監視端末５３０は制御ネットワーク６３２を介して制御装置４３０、４３１、４３２の制御及び監視を行うことにより、全体の発電制御及び監視が行われる。

この発電制御システム１０３０では、スイッチ８３１が押されたことによる制御データが電気制御盤８３０を介して制御装置４３０に送信され、発電制御システムが起動する。発電制御システムが起動すると、制御装置４３２は燃焼するボイラ８３５を制御するボイラ制御盤８３４を制御し、制御装置４３１は回転するタービン８３３の回転数をタービン制御盤８３２を介して監視する。制御装置４３０～４３２はこれら装置の状態を、非同期ネットワーク６３０、時刻同期ネットワーク６３１、制御ネットワーク６３２を介して監視端末５３０に伝えることで全体の制御が行われる。

通信制御装置２００は、非同期ネットワーク６３０と時刻同期ネットワーク６３１をそれぞれ接続する配置にあり、非同期フレームと時刻同期フレームを中継することで、高精度なリアルタイム性と互換性が要求される発電制御システムを実現できる。

ここで、環境に配慮した効率よい発電を安全に行うために、ＣＰＵモジュール９６１及びＩ／Ｏモジュール９７１を含む制御装置４３１と、ＣＰＵモジュール９６２及びＩ／Ｏモジュール９７２を含む制御装置４３２は時刻同期ネットワーク６３１に接続し、タービン制御盤８３２によるタービン８３３の制御と、ボイラ制御盤８３４によるボイラ８３５の制御を高精度に制御できる構成としている。

一方、制御装置４３０は、スイッチ８３１に接続する従来の電気制御盤８３０を制御するため、非同期ネットワーク６３０に接続して従来の入力処理と互換動作を行う必要がある。

よって、図１７に示す発電制御システムでは、高精度が要求される時刻同期通信が必要な装置と従来処理の互換性が要求される非同期通信が必要な装置をネットワーク上でデータ共有できるようにするため、本発明の各実施形態に係る通信制御装置を適用した制御ネットワークにより制御システムを構成している。

これにより、時刻同期による高精度処理と非同期による従来システムとの互換性を低コストに両立する発電制御システムを実現できる。

なお、各実施形態に係る通信制御装置及び制御システムの適用例は、上述した適用例１～適用例４に限定されるものではない。各実施形態の制御システムは、例えば、エレベーター制御システム、鉄道制御システム、自動車制御システム、建設機械制御システムなど、種々のシステムに使用することができる。

以上説明した本発明に係る各実施形態の通信制御装置を用いることにより、社会インフラなどを制御する制御システムにおいて、非同期ネットワークとＴＳＮをはじめとする時刻同期ネットワークを非同期ネットワークと接続した混在ネットワーク構成とした場合であっても、時刻同期ネットワークの送信タイミングと既存の非同期ネットワークの送信プロトコルの両立を実現する仕組みを提供することができる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。例えば、上述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために通信制御装置及び制御システムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成要素に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成要素を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成要素の追加、置換、又は削除をすることも可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。ハードウェアとして、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの広義のプロセッサデバイスを用いてもよい。

また、上記の各構成、機能、処理部等は、コンピューターが備えるプロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、又はＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）カード、不揮発メモリ等の記録媒体に置くことができる。また、これらの情報の保存にクラウドを活用することもできる。

また、上述した各実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成要素が相互に接続されていると考えてもよい。

１、２、３、４、５、６、７、８ 機器
１１ 時刻計測装置
１２、１３ 時刻比較部
１４ 時刻同期制御部
１５ 非同期制御部
１６ 時刻同期出力判定部
２０、２０６ 非同期メモリ
２１、２０７ 時刻同期メモリ
２２ フレーム結合部
２３ フレームバッファ
２５ メモリ
３０ タイムスロット情報
６１、６２、６３、６４ 非同期スイッチ
６５、６６、６７、６８ 時刻同期スイッチ
１００、１０１、１０２、２００ 通信制御装置
２０２、２０３ 非同期通信ポート
２０４、２０５ 時刻同期通信ポート
２０８ 通信制御回路
３００、６００、６１０、６２０、６３０ 非同期ネットワーク
３０１、６０１、６１１、６２１、６３１ 時刻同期ネットワーク
３５０ 制御システム
４００、４０１、４０２、４１０、４１１、４３０、４３１、４３２ 制御装置
６１２、６２２ 情報ネットワーク
６１３ フィールドバス
６３２ 制御ネットワーク

Claims (14)

1. 複数の非同期ネットワーク接続機器を有する非同期ネットワークと複数の時刻同期ネットワーク接続機器を有する時刻同期ネットワークとに接続された通信制御装置であって、
   時刻を計測する時刻計測装置と、
   制御部と、
   前記非同期ネットワークによって更新される非同期メモリと、
   前記時刻計測手段により時刻同期する前記時刻同期ネットワークによって更新される時刻同期メモリと、を有し、
   前記制御部は、
   送信周期に割り当てたタイムスロットのタイミングで、複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器が前記時刻同期メモリを更新し、
   前記タイムスロット以外の非タイムスロットのタイミングで、前記非同期メモリの内容を前記時刻同期ネットワークに送信することを特徴とする通信制御装置。
2. 前記制御部は、
   時刻同期制御部と非同期制御部を有し、
   前記非同期メモリは、
   複数の前記非同期ネットワーク接続機器から出力される非同期メモリデータをバッファリング非同期メモリデータとして格納し、
   前記時刻同期制御部は、
   前記非タイムスロットのタイミングで、前記非同期メモリデータと前記バッファリング非同期メモリデータを前記時刻同期ネットワークに時刻同期メモリデータとして送信し、
   前記時刻同期メモリは、
   複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器から出力される時刻同期メモリデータをバッファリング時刻同期メモリデータとして格納し、
   前記非同期制御部は、
   前記時刻同期メモリデータと前記バッファリング時刻同期メモリデータを非同期に前記非同期ネットワークに非同期メモリデータとして送信することを特徴とする請求項１に記載の通信制御装置。
3. 前記時刻計測装置は、
   前記時刻同期制御部と前記非同期制御部に時刻情報をそれぞれ出力し、
   前記時刻同期制御部と前記非同期制御部は、
   前記タイムスロットの情報がそれぞれ入力され、
   前記時刻同期制御部は、
   前記時刻情報と前記タイムスロットの情報に基づいて前記時刻同期メモリデータを出力し、
   前記非同期制御部は、
   前記時刻情報と前記タイムスロットの情報に基づいて前記非同期メモリデータを出力することを特徴とする請求項２に記載の通信制御装置。
4. 前記制御部は、
   前記送信周期の時間内かつデータ共有時間内において、前記非同期ネットワーク接続機器と前記時刻同期ネットワーク接続機器との間でのデータ共有が完了するように制御することを特徴とする請求項１に記載の通信制御装置。
5. 前記時刻同期制御部は、
   前記時刻情報と前記タイムスロットの情報を比較する時刻比較部と、
   前記時刻比較部の比較結果に応じて、前記非同期メモリデータと前記バッファリング非同期メモリデータを前記タイムスロットに応じたタイミングで選択して出力する選択部と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の通信制御装置。
6. 前記非同期制御部は、
   前記時刻情報と前記タイムスロットの情報を比較する時刻比較部と、
   前記時刻比較部の比較結果に応じて、前記時刻同期メモリデータと前記バッファリング時刻同期メモリデータを前記タイムスロット以外の非同期のタイミングで選択して出力する選択部と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の通信制御装置。
7. 前記非同期制御部は、
   前記バッファリング時刻同期メモリデータをフレーム単位で結合するフレーム結合部と、
   前記フレーム単位で結合されたフレームを格納するフレームバッファと、を更に有することを特徴とする請求項６に記載の通信制御装置。
8. 前記タイムスロットの情報は、
   非同期か時刻同期の情報、前記送信周期、前記タイムスロットの番号、前記タイムスロットの開始オフセット及び前記タイムスロットの時間を含み、
   前記時刻同期制御部と前記非同期制御部は、
   前記タイムスロットの情報を用いて、前記時刻同期メモリデータと前記非同期メモリデータをそれぞれ出力することを特徴とする請求項３に記載の通信制御装置。
9. 複数の非同期ネットワーク接続機器を有する非同期ネットワークと複数の時刻同期ネットワーク接続機器を有する時刻同期ネットワークとに接続された通信制御装置であって、
   時刻を計測する時刻計測装置と、
   制御部と、
   非同期メモリエリアと時刻同期メモリエリアとを含み、前記非同期ネットワークと前記時刻計装置により時刻同期する前記時刻同期ネットワークによって更新されるメモリと、を有し、
   前記制御部は、
   送信周期に割り当てたタイムスロットのタイミングで、複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器が前記時刻同期メモリエリアを更新し、
   前記タイムスロット以外の非タイムスロットタイミングで、前記非同期メモリエリアの内容を前記時刻同期ネットワークに送信することを特徴とする通信制御装置。
10. 前記制御部は、
    時刻同期制御部と非同期制御部を有し、
    前記非同期メモリエリアは、
    複数の前記非同期ネットワーク接続機器から出力される非同期メモリデータをバッファリング非同期メモリデータとして格納し、
    前記時刻同期制御部は、
    前記非タイムスロットのタイミングで、前記非同期メモリデータと前記バッファリング非同期メモリデータを前記時刻同期ネットワークに時刻同期メモリデータとして送信し、
    前記時刻同期メモリエリアは、
    複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器から出力される前記時刻同期メモリデータをバッファリング時刻同期メモリデータとして格納し、
    前記非同期制御部は、
    前記時刻同期メモリデータと前記バッファリング時刻同期メモリデータを非同期に前記非同期ネットワークに非同期メモリデータとして送信することを特徴とする請求項９に記載の通信制御装置。
11. 複数の非同期ネットワーク接続機器を有する非同期ネットワークと複数の時刻同期ネットワーク接続機器を有する時刻同期ネットワークとに接続された通信制御装置であって、
    時刻を計測する時刻計測装置と、
    時刻同期制御部と、
    非同期制御部と、を有し、
    前記非同期制御部は、
    送信周期に割り当てたタイムスロットのタイミングで、複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器から出力される時刻同期メモリデータと、外部でバッファリングされたバッファリング時刻同期メモリデータを受信し、
    前記時刻同期メモリデータと前記バッファリング時刻同期メモリデータを非同期に前記非同期ネットワークに非同期メモリデータとして送信し、
    前記時刻同期制御部は、
    複数の前記非同期ネットワーク接続機器から出力される非同期メモリデータと、外部でバッファリングされたバッファリング非同期メモリデータを受信し、
    前記タイムスロット以外の非タイムスロットのタイミングで、前記非同期メモリデータと前記バッファリング非同期メモリデータを前記時刻同期ネットワークに時刻同期メモリデータとして送信することを特徴とする通信制御装置。
12. 請求項１に記載の通信制御装置と、
    前記通信制御装置に接続され、複数の前記非同期ネットワーク接続機器を有する前記非同期ネットワークと、
    前記通信制御装置に接続され、複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器を有する前記時刻同期ネットワークと、
    を有することを特徴とする通信制御システム。
13. 請求項９に記載の通信制御装置と、
    前記通信制御装置に接続され、複数の前記非同期ネットワーク接続機器を有する前記非同期ネットワークと、
    前記通信制御装置に接続され、複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器を有する前記時刻同期ネットワークと、
    を有することを特徴とする通信制御システム。
14. 請求項１１に記載の通信制御装置と、
    前記通信制御装置に接続され、複数の前記非同期ネットワーク接続機器を有する前記非同期ネットワークと、
    前記通信制御装置に接続され、複数の前記時刻同期ネットワーク接続機器を有する前記時刻同期ネットワークと、
    を有することを特徴とする通信制御システム。

Images