JP5150105B2 - リング形状の通信ネットワークを作動するための方法およびこの方法に用いられる通信ネットワーク - Google Patents

Description

本発明は冗長的な、リング形状の通信ネットワークを作動するための方法並びにこの方法に用いられる通信ネットワークに関する。

従来技術から、主加入者（「マスター」）および副加入者（「スレーブ」）を有している冗長機能を備えているリング形状の通信システムが公知である。

ドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ１０２００４０４１０９３号の図１ａには、例えば軸なし製造機械に対する制御およびドライブシステムと言ってよいこの種のリング形状の通信システムが記載されている。この形式のシステムは通信のためにいわゆる逆向きのダブルリングを利用している。冗長例（故障時）においてダブルリングは２つのライントポロジーに崩壊する。その場合、障害の生じていないサブステーション間の通信は専ら、副加入者から送信されるすべてのデータの、メインステーションを介する再コピーにより行われる。これによりメインステーションの負荷は著しく高められかつ直接隣接している副加入者間の伝搬遅延時間を更に遅らせる原因となる。
ドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ１０２００４０４１０９３号

本発明の課題は、故障発生時のデータ伝送を確実なものにし、主加入者にかかる負荷をできるだけ軽減しかつ副加入者間の伝搬遅延時間の遅れが殆ど生じないようにすることである。

この課題は、データ伝送装置を用いて相互に通信する、少なくとも１つの主加入者と少なくとも２つの副加入者とを備えている冗長的な、リング形状の、殊に逆方きに相互通信する通信ネットワークの作動方法であって、副加入者がデータ伝送装置を用いて直接相互に通信するおよび／または主加入者が副加入者間で交換されるべきデータをそのデータ伝送装置の接続端子間で殊に伝送クロックに従って交換することによって主加入者およびデータ伝送装置を用いて間接的に通信する方法によって解決される。

データ伝送装置は例えば、双方向の通信を可能にする、有線または無線により行われるデータ伝送を用いて実現されるようにすることができる。主加入者のデータ伝送装置接続端子は主加入者とデータ伝送装置との間のインタフェースである。リング形状の、冗長的なシステムが扱われているので、各加入者（副加入者および主加入者）はデータ伝送装置に対して４つの接続端子（それぞれ２つの入力端子および２つの出力端子）を有している。本発明は冗長的でかつ故障耐性のあるシステムを提供する。というのは副加入者が主加入者とは無関係に相互に直接通信することができて、これにより主加入者の負荷が軽減されるからである。従って直接隣接する副加入者は相互に最短距離で通信し、これによりデータの伝搬遅延時間は低減される。付加的に、副加入者に対するデータ伝送装置に機能障害があってもなお、主加入者を用いて通信する可能性がある。

有利には、主加入者は２つの副加入者間のデータ伝送が遮断状態になったときにだけ、副加入者から送出されるすべてのデータを伝送クロックに従って副加入者間で交換する。ここで、障害を受けていない副加入者からのデータも考慮される。つまり、ダブルリングトポロジーに障害が生じるや否や、メインステーションは第１のデータ伝送装置接続端子に接続されているサブステーションのすべてのデータを別のサブステーションが接続されている第２のデータ伝送装置接続端子に伝送し始める。逆のこともある。これにより、それぞれの副加入者がデータ流から当該副加入者に定められているデータを受信することができることが保証される。障害のない作動では副加入者はメインステーションを迂回して効率よく相互に直接通信する。従って主加入者ＣＰＵにかかる負荷は僅かに抑えられ、しかも障害があっても通信を維持することができる。

択一選択的に、主加入者は、データ伝送装置に障害があった場合に専ら、クロス通信データ（副加入者によって副加入者に定められているデータ）を伝送クロックに従って交換する。その場合には、主加入者に対するデータも含んでいる可能性がある、副加入者から送信されるすべてのデータはもはや交換されず、実際に別の副加入者に対しても定められているデータのみが交換される。従って副加入者と主加入者との間で交換すべきであるデータは別の副加入者にはアクセスできなくなっている。これによりこの方法はより効率がよくなる。何故ならば、データ発生量はこの場合には著しく低減されるからである。

有利にはこの方法は、直接障害を受けている副加入者だけが、殊に該加入者が障害を識別しかつ主加入者に通報することによって、主加入者を用いて通信するようにまで簡単化される。障害発生時にメインステーションはその時点で分かっている障害発生場所に基づいてコピーすべきデータを位置決定する。従ってメインステーションはまだ機能可能である、通信ネットワークの部分ラインからまだ機能可能である別の部分ライン（図２参照）に交換されなければならないデータだけを突き止める。これらデータだけが再コピーされる。まだ直接相互通信することができる副加入者間のデータはデータ流から除外される。それ故に副加入者間でもはや直接伝送することができない副加入者からの、障害を受けている副加入者データだけが主加入者を介する経路を得られる。障害はデータ伝送装置を用いて主加入者に通信されかつ主加入者は位置決定された障害に基づいて通信を、対応を整合させて上手く行う。この方法により主加入者における低減されたデータ負荷に基づいて効率が高められる。

特別有利には主加入者は副加入者間に転送されるべきデータを次のように処理する：これらデータが、例えばデータ伝送が基づいているデータテレグラム（Datentelegram）内のデータフィールドを操作することによって、副加入者間で直接交換されるデータとは区別できるようにするのである。副加入者によるこの形式のデータ処理も考えられる。このことは特別有利である。というのは、主加入者を介する間接的なデータ伝送に基づいてデータテレグラムの伝搬遅延時間の遅れが生じる可能性があるからである。その場合この伝搬遅延時間が大きくなったデータは主加入者を用いて別個にマークされ、こうして識別可能でありかつ必要に応じて後から調製（加工処理）可能である。

上に説明したステップに対して補足的に、データに対して有利には副加入者および／または主加入者によって付加的なデータ調製が施される。例えば外挿を用いる、伝搬遅延時間が大きくなったデータのこの形式の特別処置により、意図した伝搬遅延時間補正または平均値形成が可能になる。エラーのあるデータに基づいたシステム内のエラーにこうして予防策がとられ、システムは一段と安定しかつ保守の必要が少なくなる。

有利には有線の通信ネットワークが本発明の方法に基づいており、その際本発明の方法はイーサネット（登録商標）テクノロジーまたは光導波体テクノロジーに基づいておりかつ通信はフィールドバス規格に基づいている。イーサネットテクノロジーにより接続線路の簡単な操作が可能になる。というのは、接続線路は普通、銅線路に基づいているからである。イーサネットは信頼性があり、さほどコストがかからずしかもエラーを生じにくい。光導波体テクノロジーは電磁障害を受けにくく、しかもデータ耐性が高められる。フィールドバスネットワーク（Profibus, SERCOS, CANopen 等）の枠内での通信ネットワークの実現により、自動化技術へ一歩近づくことができる。リアルタイム可能通信を使用する際に、殊にタイムクリチカルなデータの処理の際に別の有利な分野での用途が開けてくる。

特別有利には、ドライブシステムが殊に自動化目的のためにこの種の通信ネットワークを使用し、その際これは主加入者として電気的な制御部および／またはドライブ調整器および副加入者として電気的な制御部および／または電気的なドライブ調整器を含んでいる。本発明の構想により、自動化システムに包括される機械の可用性が高められる。

次に本発明を以下に示す実施例に基づいて詳細に説明する。

図１に図示の通信ネットワークは、データ処理装置１ｃおよび２つのネットワーク接続端子１ａおよび１ｂを備えている主加入者１、並びに双方向の接続線路３を用いるデータ伝送装置によって相互に接続されている副加入者２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄから成っている。双方向の接続線路３により、個々の副加入者２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと主加入者１との間の直接的でかつ双方向のデータ交換が可能である。逆向きリングの形の双方向の接続線路３に対して付加的に、副加入者２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが主加入者１を用いても相互に通信することができることにより冗長性が提供される。主加入者を用いての通信は、その接続端子１ａ（入力側／出力側）の入力側に到来するデータを主加入者がデータ処理部１ｃを用いて接続端子１ｂの出力側（入力側／出力側）に転送することにより行われる。こうして例えば副加入者２ｂに対して双方向の接続線路３を用いての副加入者２ｃと直接的な通信を行うまたは主加入者１を用いて間接的な通信を行うという可能性がある。

図２に示されているように、例えば副加入者２ｂと２ｃとの間に断線４が生じた場合、副加入者２ｂと２ｃとの間のデータトラヒックを主加入者１を介して維持するために本発明を利用することができる。図２に示されているように、ライン形状のトポロジーにおけるリング形状の通信ネットワークは崩壊し、その際主加入者１は副加入者２ａおよび２ｂと一緒に第１の部分ラインを形成しかつ主加入者１は副加入者２ｃおよび２ｄと一緒に第２の部分ラインを形成する。副加入者２ａはこの場合副加入者２ｂと同様に主加入者１のずっと上に説明したデータ転送機能を用いて副加入者２ｃおよび／または２ｄと通信することができることになる。従って障害の発生時にだけ、主加入者１を介する迂回が選択され、その際障害があるにも拘わらず通信は維持されている。こうして主加入者１は副加入者間に断線があった場合にクロス通信データ（専ら副加入者間で交換されかつこの種のものとして主加入者に対するデータを含んでいない有効データ：Querkommunikationsdate）だけを伝送クロックに従って交換しかつその際に副加入者間のクロス通信のために必要であるデータに集中しているので、処置はより効率的になる。というのはこの場合にはデータ発生量は著しく僅かであるからである。

通信ネットワークは次のように構想することもできる：断線４の影響を直接受けている副加入者２ｂ，２ｃが通信ネットワーク内の物理的に生じている遮断を該副加入者が接続されているまだ機能している部分ラインを用いて主加入者１に通報することによって、当該副加入者だけが主加入者１を用いて通信する。このコンフィギュレーションにおいて副加入者２ａおよび２ｂもしくは２ｃおよび２ｄは依然、障害のない場合のように相互に直接通信することになる。従ってこれら副加入者間のデータは、主加入者１を介して流れるデータ流から取り除かれている。これにより、主加入者によって処理すべきデータ量は低減されかつ付加的にネットワークの効率は高められる。

主加入者１は副加入者２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄへの転送の場合データを、これらが副加入者間で直接交換されるデータと区別可能であるように調製することができる。副加入者２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄはその場合、場合によってはデータに後調製を行って、例えば伝搬遅延時間エラーを補正することができる。主加入者１はこの場合障害発生場所を知っており、どの副加入者がもはや相互に直接通信することができないかに関しての情報を持っている。

障害のない場合にも主加入者１はクロス通信データを接続端子１ａから別の接続端子１ｂにおよび逆にコピーできるようにしてもよく、その場合には両方のデータパス、すなわち副加入者間の直接的な通信および主加入者を介する間接的な通信を利用できるようになっている。従って主加入者１および副加入者２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄにおいて利用できるようになっている計算能力は用途向きに利用することができる。

双方向の接続線路３は有利にはイーサネットテクノロジー（銅線路）または光導波体テクノロジーに基づいている。普及しているフィールドバスの枠内において通例であるプロトコル（Profibus, SERCOS I, II, III）により、自動化技術の世界へのアクセスが可能になるので、主加入者１として例えば電気的な制御部および副加入者２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄとして電気的な制御部および／またはドライブ調整器を含んでいるものであってよい。本発明の構想により、ドライブシステムを用いて実現されている機械の使用能力が高められる。

制御部を用いて実現されている副加入者はいわばサブステーションであり、主加入者はいわばヘッドステーションである。それぞれのサブステーションに、リングまたはライン形状のドライブ調整器が接続されているようにすればよい。ヘッドステーション自体にもこのことは可能であるが、その場合にはこれは有利には中央のタスクを引き受ける。図１および図２に図示のヘッドステーションは専ら上位の、分散制御タスクを充足し、一方サブステーションは中央の制御タスクを処理する。

障害なく動作する、冗長的な通信ネットワーク 障害が生じている、冗長的な通信ネットワーク

符号の説明

１ 主加入者、 １ａ，１ｂ 接続端子（入力側および出力側）、 １ｃ データ処理部、 ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 副加入者、 ３ データ伝送装置もしくは接続線路、 ４ 通信遮断箇所もしくは断線

Claims (6)

1. データ伝送装置（３）を用いて相互に通信する、ヘッドステーション（マスタ）として構成された少なくとも１つの主加入者（１）と、サブステーション（スレーブ）として構成された少なくとも２つの副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）とを備えている冗長的なリング形状の双方向通信ネットワークの作動方法であって、
   前記副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）は、前記データ伝送装置（３）を用いて直接相互に通信し、および／または
   前記副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）は、主加入者（１）が副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）間で交換されるべきデータをそのデータ伝送装置の接続端子（１ａ，１ｂ）間で伝送クロックに従って交換することによって、主加入者（１）およびデータ伝送装置（３）を用いて間接的に通信し、
   前記主加入者（１）は、１つのデータ処理装置（１ｃ）と２つのネットワーク接続端子（１ａ，１ｂ）を有し、
   前記主加入者（１）と前記副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）は双方向の接続線路（３）によって互いに冗長的に接続されており、
   前記双方向の接続線路はイーサネットテクノロジーまたは光導波体テクノロジーに基づくものであり、データ伝送がフィールドバス規格を使用して行われ、
   前記主加入者（１）は、前記第１のネットワーク接続端子（１ａ）の入力側に到来するデータを前記データ処理装置（１ｃ）を用いて前記第２のネットワーク接続端子（１ｂ）の出力側に転送し、
   主加入者（１）は、前記２つの副加入者（２ｂ，２ｃ）間にデータ伝送の障害（４）があった場合だけ、副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）から送信されるすべてのデータを交換するか、または
   主加入者（１）は、副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）間にデータ伝送の障害（４）があった場合に、副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）に定められているデータだけを副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）から交換し、
   前記主加入者（１）は電気的な制御部および／または電気的なドライブ調整器を含んでおり、前記副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）は電気的な制御部および／または電気的なドライブ調整器を含んでいる
   作動方法。
2. 障害（４）に基づいてもはや直接相互に通信することができない副加入者（２ｂ，２ｃ）だけが、前記主加入者（１）を用いて通信し、障害（４）は前記副加入者（２ｂ，２ｃ）を用いて識別されるおよび／または位置決定される
   請求項１記載の方法。
3. 障害はデータ伝送装置（３）を用いて前記主加入者（１）に通報され、かつ当該主加入者（１）は位置決定された障害（４）に基づいて通信を整合調整する
   請求項２記載の方法。
4. 前記主加入者（１）を用いて転送されるデータに前記副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）および／または前記主加入者（１）を用いて付加的なデータ処理が行われる
   請求項３記載の方法。
5. イーサネットテクノロジーまたは光導波体テクノロジーに基づいており、その際データ伝送はフィールドバス規格に基づいている
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法を実施するための通信ネットワーク。
6. データ伝送装置（３）を用いて相互に通信する、ヘッドステーション（マスタ）として構成された少なくとも１つの主加入者（１）と、サブステーション（スレーブ）として構成された少なくとも２つの副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）とを備えている請求項５記載の通信ネットワークの作動のための、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法であって、
   前記副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）は、データ伝送装置（３）を用いて直接相互に通信し、および／または
   前記副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）は、前記主加入者（１）が当該副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）間で交換されるべきデータをそのデータ伝送装置の接続端子（１ａ，１ｂ）間で交換し、該データを処理して、該データが副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）間で直接交換されるべきデータと区別されるようにすることによって、前記主加入者（１）とデータ伝送装置とを用いて間接的に相互に通信し、
   前記主加入者（１）は電気的な制御部および／または電気的なドライブ調整器を含んでおり、前記副加入者（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）は電気的な制御部および／または電気的なドライブ調整器を含んでいる方法。

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