JP5221292B2 - サイクリック伝送システム、及びその伝送方法 - Google Patents

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本発明は、複数のノードから成るネットワークのサイクリック伝送システム、及びその伝送方法に関し、特に、その伝送効率の向上に関する。
鉄鋼、上下水道、石油化学などの監視制御システムにおいては、制御用のデータを伝送するためLAN等のネットワークを使用してデータ伝送を行っている。
このデータ伝送は、制御性能に影響与えないように迅速に行う必要があるため、同報サイクリック伝送(スキャン伝送とも言う、以後サイクリック伝送と称す)方式とし、各ノード同士は共有メモリによる情報交換方式を採用している。
この情報交換方式によれば、各ノードの共有メモリは周期的に更新され、送信権が全ノードを一巡することにより各共有メモリは同一の内容となるので、各ノード間ではあたかも一つのメモリが存在するように扱うことができ、各ノード間の情報交換を高速化できる。
また、このサイクリック伝送方式は、常にメモリ内容が周期的に送信されるため、何等かの障害によりメモリの内容が正しく受信できなくなった場合、速やかに異常を検知できる効果もある。
この他に、予め伝送周期時間内に伝送余裕時間を見込み、この伝送余裕時間を利用して送信要求の発生頻度は少ないが、伝送データ量が多く、且つ、各ノード間で必要なときに1対1で各ノードのイベント情報等を伝送するメッセイジ伝送を行なうようにする場合もある。
図9(a)は、このような従来のサイクリック伝送システムによる伝送データのタイムチャートを図示したもので、例えば、ノード1〜ノード5の5つとノード間で、伝送周期Tcでサイクリック伝送を行なっている様子を示す。
例えば、ノード2(10)のデータの送信周期は、ノード1の10倍の遅い伝送周期を示している。
この場合、各ノードの伝送周期は、一番早い伝送周期のノード1に合せて送信する。また、図9(b)に示すように、伝送周期Tcの時間と全ノードのサイクリック伝送に要するサイクリック伝送時間Σtiとの差tm(=Tc−Σti)は、メッセイジ伝送などに使用される伝送余剰時間tmを示す。
このような従来のサイクリック伝送方式では、自ノードの伝送データエリアの内容が更新されたか否かにかかわらず、周期的に全メモリ内容をそのまま同報送信しているので、自ノードの伝送データエリアの内容が更新されていない場合でも、無駄に同じデータを一番早い伝送周期に合せて同報送信することになり、ネットワークの伝送路の利用効率が著しく低下してしまう問題があった。
そこで、各ノードの送信側では伝送エリアのデータ更新の有無を検知し、データが更新されていなければ、送信圧縮情報を転送することにより、無駄に同じデータを送信することがなくなり、伝送路の利用効率を高め、伝送時間を短縮できる技術が開示されている(特許文献1参照。)。
特許第2816016号公報
特許文献1に開示された従来の複数のネットワーク間の伝送システムにおいては、データの更新が有った場合のみ送信するので、伝送路の利用効率は高められるが、異なる伝送周期のノードが多数で構成されるネットワークシステムや、多数のノードが増設される場合には、各ノードのデータが同時に変化する確率は高くなり、この場合に各ノードのイベントなどの緊急なメッセイジ伝送を送信するための伝送余剰時間を確実に確保することが困難と成る問題がある。
本発明は上述した問題点を解決するためになされたもので、多数の異な伝送周期のノードから構成されるシステムや、多数のノードが増設される場合においても緊急なメッセイジ伝送などのための伝送余剰時間を確実に確保できるネットワーク伝送システム、及びその伝送方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係るサイクリック伝送システムは、複数のノードが共通の伝送路に接続され、当該ノードの夫々には前記複数のノードに対応する個別の記憶領域を持つ共有メモリを備え、夫々の前記ノードの送信側が所定の順序に従って順次送信権を巡回させて、前記記憶領域のデータをサイクリックに送信するサイクリック伝送システムにおいて、前記サイクリック伝送システムの最短の伝送周期である伝送単位周期毎に、他ノードからのデータの送信の要否を送信する1つのマスタノードと、当該マスタノードから送信された前記送信の要否に従って、自ノードが送信権を得てデータを送信する複数のスレーブノードとから成り、前記マスタノードは、前記スレーブノード毎の前記伝送周期とその伝送優先度とを予め記憶し、前記スレーブノードに対してデータの送信の要否を前記伝送単位周期毎に送信し、前記スレーブノードからサイクリック送信されたデータが同一の前記伝送単位周期に予め設定される数以上含まれる場合には、予め設定される前記伝送優先度に従って、優先度の低い方の前記スレーブノードのデータの送信を前記伝送単位周期の整数倍遅延した伝送タイミングで送信する伝送制御演算部と、前記共有メモリ部と、当該サイクリック伝送システムの前記送信権の制御を行う伝送部とを備え、スレーブノードから同一の伝送単位周期での伝送余裕時間が不足しないように、予め設定される伝送優先度に基づいて、スレーブノードの送信タイミングを自動的に更新するようにしたことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の本発明の請求項2に係るサイクリック伝送システムは、複数のノードが共通の伝送路に接続され、当該ノードの夫々には前記複数のノードに対応する個別の記憶領域を持つ共有メモリを備え、夫々の前記ノードの送信側が所定の順序に従って順次送信権を巡回させて、前記記憶領域のデータをサイクリックに送信するサイクリック伝送システムにおいて、前記サイクリック伝送システムの最短の伝送周期である伝送単位周期毎に、他ノードからのデータの送信の要否を送信する1つのマスタノードと、当該マスタノードから送信された前記送信の要否に従って、自ノードが送信権を得てデータを送信する複数のスレーブノードとから成り、前記マスタノードは、前記スレーブノード毎の前記伝送周期とその伝送優先度とを予め記憶し、前記スレーブノードに対してデータの送信の要否を前記伝送単位周期毎に送信し、前記伝送単位周期時間と全ノードのサイクリック伝送時間との差を伝送余裕時間として求め、この伝送余裕時間が所定の値以下になった場合には、予め設定される前記伝送優先度に従って、優先度の低い方の前記スレーブノードのデータの送信を前記伝送単位周期の整数倍遅延した伝送タイミングで送信する伝送制御演算部と、前記共有メモリ部と、当該サイクリック伝送システムの前記送信権の制御を行う伝送部とを備え、スレーブノードから同一の伝送単位周期での伝送余裕時間が不足する場合、予め設定される伝送優先度に基づいて、スレーブノードの送信タイミングを自動的に更新するようにしたことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の請求項4に係るサイクリック伝送システムの伝送方法は、複数のノードが共通の伝送路に接続され、当該ノードの夫々には前記複数のノードに対応する個別の記憶領域を持つ共有メモリを備え、夫々の前記ノードの送信側が所定の順序に従って順次送信権を巡回させて、前記記憶領域のデータをサイクリックに送信するサイクリック伝送システムの伝送方法であって、前記サイクリック伝送システムの最短の伝送周期である伝送単位周期毎に、他ノードからのデータの送信の要否を送信する1つのマスタノードと、当該マスタノードから送信された前記送信の要否に従って、自ノードが送信権を得てデータを送信する複数のスレーブノードとから成り、前記マスタノードは、前記スレーブノード毎の前記伝送周期とその伝送優先度とを予め記憶するステップと、前記スレーブノードに対してデータの送信の要否を前記伝送単位周期毎に送信するステップと、前記スレーブノードからサイクリック送信されたデータが同一の前記伝送単位周期に予め設定される数以上含まれるか否かを判定するステップと、所定数以上の場合には、予め設定される前記伝送優先度に従って、優先度の低い方の前記スレーブノードのデータの送信を前記伝送単位周期の整数倍遅延した伝送タイミングで送信するステップとから成り、スレーブノードから同一の伝送単位周期での伝送余裕時間が不足しないように、予め設定される伝送優先度に基づいて、スレーブノードの送信タイミングを自動的に更新するようにしたことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明の請求項5に係るサイクリック伝送システムの伝送方法は、複数のノードが共通の伝送路に接続され、当該ノードの夫々には前記複数のノードに対応する個別の記憶領域を持つ共有メモリを備え、夫々の前記ノードの送信側が所定の順序に従って順次送信権を巡回させて、前記記憶領域のデータをサイクリックに送信するサイクリック伝送システムにおいて、前記サイクリック伝送システムの最短の伝送周期である伝送単位周期毎に、他ノードからのデータの送信の要否を送信する1つのマスタノードと、当該マスタノードから送信された前記送信の要否に従って、自ノードが送信権を得てデータを送信する複数のスレーブノードとから成り、前記マスタノードは、前記スレーブノード毎の前記伝送周期とその伝送優先度とを予め記憶するステップと、前記スレーブノードに対してデータの送信の要否を前記伝送単位周期毎に送信するステップと、前記伝送単位周期時間と全ノードのサイクリック伝送時間との差を伝送余裕時間として求め、この伝送余裕時間が所定の値以下になった否かを判定するステップと、所定の値以下の場合には、予め設定される前記伝送優先度に従って、優先度の低い方の前記スレーブノードのデータの送信を前記伝送単位周期の整数倍遅延した伝送タイミングで送信するステップとから成りスレーブノードから同一の伝送単位周期での伝送余裕時間が不足する場合、予め設定される伝送優先度に基づいて、スレーブノードの送信タイミングを自動的に更新するようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、多数の異な伝送周期のノードから構成されるシステムや、多数のノードが増設される場合においても緊急なメッセイジ伝送などのための伝送余剰時間を確実に確保できるネットワーク伝送システム、及びその伝送方法を提供することが出来る。
以下、本発明の実施例について、図を参照して説明する。
本発明による実施例1について、図1及び図6を参照して説明する。図2は、本発明のサイクリック伝送システムの全体構成の例を示し、図1はその構成要素であるノードの詳細構成を示す。
図2に示すように、本発明のサイクリック伝送システムは、例えば、5つのノード(マスタノード1、スレーブノード2a〜d)が共通の伝送路3に接続され場合で、当該ノードの夫々には夫々のノードに対応する個別の記憶領域を持つ図示しない共有メモリを備え、夫々のノードの送信側が所定の順序に従って順次送信権を巡回させて、自ノードに接続される外部機器からのデータを書き込み、この個別の記憶領域のデータをサイクリックに送信する。
また、図1に示すように、夫々のノードは、サイクリック伝送システムの最短の伝送周期である伝送単位周期毎に、他ノードからのデータの送信の要否を送信する1つのマスタノード1と、当該マスタノードから送信された送信の要否に従って、自ノードが送信権を得てデータを送信する複数のスレーブノード2a〜2dとから成る。
マスタノード1は、夫々のノードに対応する個別の記憶領域を備える共有メモリ11と、スレーブノード2(2a〜2d)毎の伝送周期と、同じ伝送単位周期において伝送余裕時間が不足することを避けるため、優先度の低いノードの伝送を遅延することを予め定める伝送優先度とを予め記憶し、スレーブノード2に対してデータの送信の要否を伝送単位周期毎に送信し、スレーブノード2からサイクリック送信されたデータが同一の伝送単位周期に予め設定される数以上含まれる場合には、伝送優先度に従って優先度の低いスレーブノード2のデータの送信を伝送単位周期の整数倍遅延した伝送タイミングで送信する伝送制御演算部12と、当該サイクリック伝送システムの送信権の制御を行う伝送部13と、これら各部を接続するバス15とを備える。
次に、各部の詳細構成に付いて説明する。先ず、本発明のサイクリック伝送システムのネットワークについて説明する。このネットワークは、例えば、Ethernet(登録商標)等のLAN(Local Area Network)で、IEEE802・4規格、またはIEEE802・5規格で、媒体アクセス方式がトークン・パッシング方式のLANであれば良く、そのトポロジーは、バス、ループのいずれでも良い。また、このネットワークシステムに要求される制御応答性能に対する要求から最適の伝送速度が予め設定される。
次に、マスタノード1の伝送制御演算部12は、CPU12aとこのノードの制御プログラムを記憶するプログラムメモリ12bと、データを一次記憶するデータメモリ12cと、外部機器1aからのデータを収集するための機器インタフェース12dと、これらの各部を接続する内部バス12aとから成る。
また、伝送部13は、CPU12aと独立してノード間の送信権の授受を制御するメディアアクセス制御(MAC)部13aと送受信する通信インタフェース13bとを備える。
また、スレーブノード2(2a〜2d)の各部は、マスタノード1の各部と同じものは同一符号とし、その説明を省略する。スレーブノード2とマスタノード1とは、プログラムメモリ12bとデータメモリ12cとは、夫々に実装するプログラム及びそのデータとが異なり、CPU12aで実行する演算内容が異なる他は同一構成としておく。
次に、同報サイクリック伝送される伝送フレームデータの例を図3(a)に示す。このフレームデータは、予め定められる共有メモリ11のマスタノードの記憶領域に同報送信するスレーブノード2のアドレス、または、夫々のスレーブノード2の予め指定されたアドレスを宛先とする宛先アドレスD31、これを送信するマスタノード1の送信元アドレスD32、このデータのフレーム種別D33、自マスタノード1から最小の伝送周期Tc時間で送信するスレーブノード2毎の送信の要否をフラグで示した送信フラグデータD34、及びフレームチェックシーケンス(FCS)D35から構成される。
また、図3(b)は、同報サイクリック伝送するスレーブノード2の伝送フレームの例を示す。このフレームデータは、夫々の共有メモリ11の予め指定されたスレーブノードの記憶領域のアドレスに同報送信する宛先アドレス51、これを送信する送信元(自スレーブノード2)の送信元アドレスD52、このデータのフレーム種別D53、そして、自スレーブノード2が機器インタフェース2aを介して収集した伝送データD54、及びフレームチェックシーケンス(FCS)D55から構成される。
次に、このように構成されたサイクリック伝送システムの動作について、図4乃至図6を参照して説明する。図4は、図2に示したサイクリック伝送システムの各ノードから送信される送信データを最小の伝送周期である伝送単位周期Tc信号を基準信号としてタイムチャートで示したものである。
マスタノード1からは、図3(a)に示した伝送フレームでのデータが送信され、各スレーブノード2からは、要求された伝送周期で、図3(b)に示した伝送周期での伝送フレームでのデータが送信されている様子を示す。
例えば、スレーブノード2a(10)は、伝送周期が伝送単位周期の10倍の周期で要求されるデータであることを示し、矢印に示す1つ目の伝送開始の伝送単位周期の10倍×整数倍の各伝送単位周期において、マスタノード1、スレーブノード2a、2c、2dの4つの伝送が同一の伝送単位周期Tci、Tck、また、マスタノード1、スレーブノード2a、2b、2c、2dの5つの伝送が同一の伝送単位周期及びTcj、Tcmの周期で送信されている様子を示している。
さらに、伝送単位周期の5倍×整数倍の各伝送単位周期において、スレーブノード2cのデータが送信されている。
図5は、本発明によるスレーブノード2の伝送周期の位相を伝送単位周期の整数倍以上で、予め設定する伝送優先度にしたがって遅延した場合の動作を示す。
詳細には、スレーブノード2a、2dの伝送周期は、伝送周期Tcjで送信する予定であったスレーブノード2a及び2dを、さらに伝送単位周期の2倍分遅延しTcj+3の位相で、また、Tcmで送信する予定であったスレーブノード2bの伝送は、さらに伝送単位信号の3倍分遅延して伝送周期Tcm+4の位相で送信した様子を図示している。
次に、このように伝送周期の分散させる本発明のサイクリック伝送システムの詳細動作について、図5及び図6を参照して説明する。図9(b)から分るように、通常、システム構築の初期段階で予め必要な伝送余裕時間tmは、設定される。
即ち、伝送余裕時間は、予め設定される伝送単位周期の時間Tcとスレーブノードのサイクリック伝送の送信数iから伝送余裕時間tm(=Tc−Σti)が推定できるので、この送信数iが所定の数以上になったことで許容値を超えたか否かを推定する。
先ず、図6(a)に示すように、マスタノード1から、システムの初期立ち上げ時にサイクリック伝送の初期である(s1、s2)ことを、フレームデータが送信がされていないことで検出し、マスタノード1から各ノードの伝送周期を設定するフレームデータを送信してサイクリック伝送システムの運転を開始する(s3)。
しかしながら、システム運転開始後において、システムが変更されたり、スレーブノード2の増設等が繰り返されたりすることで伝送余裕時間tmの確保が不確かな状態が発生する。
そこで、本実施例1では、マスタターノード2において、各ノードの伝送周期とその周期での伝送の重要度から伝送優先度を予め登録して置き、伝送単位周期Tc内に送信されたノードからの送信されたフレーム数を検出し(s1)、予め設定された送信数以下であるか否かを判定して(s4)、以上である場合には、伝送優先度を参照して、次の伝送タイミングで、更新した送信フラグを送信して送信タイミングを遅延する(s5)。
スレーブノード2では、図6(b)に示すように、送信権を受信すると自ノードの送信フラグの有無を参照し(s11、s12)受信して、フラグがアクティブの場合、自ノードのデータを送信するs13)。
マスタノード1で送信タイミングが変更された場合には、この送信フラグが遅れて送信されることになる。
即ち、マスタノード1は、スレーブノード2から同一の伝送単位周期に複数のスレーブノード2から送信が重なった場合に、予め設定された伝送優先度に基づいて、スレーブノード2の夫々の送信タイミングを自動的に分散して送信するので、伝送単位周期での伝送余裕時間を確実に確保できる。
図7及び図8を参照して、実施例2のサイクリック伝送システムについて説明をする。
図7に示す実施例2の各部について、実施例1のサイクリック伝送システムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
この実施例2が実施例1と異なる点は、実施例1では、伝送余裕時間は、予め設定される伝送単位周期の時間とスレーブノードのサイクリック伝送の送信数(Tc−Σti)から伝送余裕時間tmを推定するので、この送信数iが所定の数以上になったことを検出して、予め定める伝送優先度にしたがってスレーブノード2の送信する位相を分散遅延させたが、実施例2では、伝送余裕時間tmを直接計測して、この値が所定の時間以下になった場合に、予め定める伝送優先度にしたがってスレーブノード2の送信する位相を分散遅延させるようにした点が異なる。
即ち、マスタノード1及び夫々のスレーブノード2は、夫々タイムサーバからの時刻を受信して時計信号を生成する時刻発信部14を備え、マスタノード2の伝送制御演算部12は、時刻発信部14でタイムスタンプした自ノードのデータの送信開始時刻とスレーブノード2の時刻発信部14でタイムスタンプされ送信されたデータに付随する送信時刻との差から伝送単位周期Tcでの伝送余裕時間tmを求める。
詳細には、時刻発信部14は、例えば、GPSからの時刻信号を受信し、UTC(Universal Time Coordinated)に同期したGPS時刻信号を出力するGPS時計からなるタイムサーバ2から時刻信号を受信するI/F(インタフェース)部14bと、この受信した時刻信号からGPS時計に同期した単位精度で校正された時刻信号生成する内部時計(RTC)14aとからなる。
このように構成されたサイクリック伝送システムは、夫々が時刻信号を備え、送信権を巡回させるだけで各ノードが伝送余裕時間を監視することが可能で、マスタノードが故障した場合でも、スレーブノードが故障した場合でも容易に交換が可能となる効果もある。
本発明は、上述した実施例に何ら限定されるものではなく、伝送余裕時間を伝送優先度に従って分散送信するようにしたものであれば良く、伝送優先度、分散の方法はシステムの要求に応じ、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
本発明のサイクリック伝送システムの実施例1の詳細構成図。 本発明のサイクリック伝送システムの全体の構成図。 実施例1の各ノードからの送信データの例。 本発明のサイクリック伝送の動作例。 本発明のネットワーク伝送の伝送タイミングの修正動作の例。 本発明のサイクリック伝送の各ノードの動作を説明するフロー図。 本発明のサイクリック伝送システムの実施例2の構成図。 実施例2のサイクリック伝送の各ノードの動作を説明するフロー図。 従来のサイクリック伝送の動作を説明するタイムチャート。
符号の説明
1 マスタノード
1a 外部機器
2 スレーブノード
3 伝送路
4 タイムサーバ
11 共有メモリ
12 伝送制御演算部
12a CPU
12b プログラムメモリ
12c データメモリ
12d 機器インタフェース
12a 内部バス
13 伝送部
13a メディアアクセス制御部(MAC)
13b 通信インタフェース部
14 時刻発信部
14a RTC
14b インタフェース部
15 バス

Claims (2)

  1. 複数のノードが共通の伝送路に接続され、当該ノードの夫々には前記複数のノードに対応する個別の記憶領域を持つ共有メモリを備え、夫々の前記ノードに所定の順序に従って巡回するように順次送信権を与えて、前記複数のノードの夫々が前記個別の記憶領域のデータをサイクリックに送信するサイクリック伝送システムにおいて、
    前記複数のノードは、前記サイクリックの最短の伝送周期である伝送単位周期毎に、他ノードから通知されるデータの送信の要否を送信する1つのマスタノードと、当該マスタノードから送信された前記送信の要否に従って、自ノードが送信権を得てデータを送信する複数のスレーブノードとから成り、
    前記マスタノード及び前記スレーブノードは、夫々タイムサーバからの時刻を受信して時計信号を生成し、データ送信時に送信開始時刻をタイムスタンプする時刻発信部を備え、
    前記マスタノードは、
    前記スレーブノード毎の前記伝送周期とその伝送優先度とを予め記憶し、前記スレーブノードに対してデータの送信の要否を送信する前記伝送単位周期時間と全ノードのサイクリック伝送時間との差を伝送余裕時間として求め、この伝送余裕時間が所定の値以下になった場合には、予め設定される前記伝送優先度に従って、優先度の低い方の前記スレーブノードのデータの送信を前記伝送単位周期の整数倍遅延したタイミングとする伝送制御演算部と、前記共有メモリを含む記憶部と、前記送信権の制御を行う伝送部とを備え、前記スレーブノードから同一の伝送単位周期での伝送余裕時間が不足する場合、予め設定される前記伝送優先度に基づいて、前記スレーブノードの送信タイミングを自動的に更新するようにし
    前記マスタノードの前記伝送制御演算部は、前記時刻発信部でタイムスタンプした自ノードのデータの送信開始時刻と前記スレーブノードにて前記時刻発信部でタイムスタンプされた前記スレーブノードから送信されたデータに付随する送信開始時刻との差から前記伝送単位周期での前記伝送余裕時間を求めるようにしたことを特徴とするサイクリック伝送システム。
  2. 複数のノードが共通の伝送路に接続され、当該ノードの夫々には前記複数のノードに対応する個別の記憶領域を持つ共有メモリを備え、夫々の前記ノードの送信側が所定の順序に従って順次送信権を巡回させて、前記記憶領域のデータをサイクリックに送信するサイクリック伝送システムの伝送方法において、
    前記サイクリック伝送システムが、前記複数のノードとして、最短の伝送周期である伝送単位周期毎に、他ノードから通知されるデータの送信の要否を送信する1つのマスタノードと、当該マスタノードから送信された前記送信の要否に従って、自ノードが送信権を得てデータを送信する複数のスレーブノードとから成るとき、
    前記マスタノード及び前記スレーブノードは、夫々タイムサーバからの時刻を受信して時計信号を生成し、データ送信時に送信開始時刻をタイムスタンプするようにし、
    前記マスタノードは、
    前記スレーブノード毎の前記伝送周期とその伝送優先度とを予め記憶するステップと、
    前記スレーブノードに対してデータの送信の要否を前記伝送単位周期毎に送信するステップと、
    前記伝送単位周期時間と全ノードのサイクリック伝送時間との差を伝送余裕時間として求め、この伝送余裕時間が所定の値以下になった否かを判定するステップと、
    前記伝送余裕時間が前記所定の値以下の場合には、予め設定される前記伝送優先度に従って、優先度の低い方の前記スレーブノードのデータの送信を前記伝送単位周期の整数倍遅延した伝送タイミングで送信するステップと
    から成り、
    前記スレーブノードから同一の伝送単位周期での伝送余裕時間が不足する場合、予め設定される前記伝送優先度に基づいて、前記スレーブノードの送信タイミングを自動的に更新するようにし、
    前記データ送信時にタイムスタンプした自ノードのデータの送信開始時刻と前記スレーブノードにてデータ送信時にタイムスタンプされた前記スレーブノードから送信されたデータに付随する送信開始時刻との差から前記伝送単位周期での前記伝送余裕時間を求めるようにしたことを特徴とするサイクリック伝送システムの伝送方法。
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