JP5411835B2 - プログラマブルコントローラ、および、通信制御方法 - Google Patents
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Description
しかし、単一パラレルバスによる接続は、拡張性や保守性が悪い、ある2つのモジュール間で通信中は別のモジュールは通信をしたくても待たされてしまうためにリアルタイム性が低い、などの問題がある。
各モジュールについてネットワークにデータを出力してよいタイムスロットが決められており、各モジュールはそのタイムスロットになったときにのみデータを出力する。タイムスロットは一定の周期で一周するので、その周期の間にはデータが必ず送受信できるので、リアルタイム性が保証される。
前記各通信ノードが、他通信ノードとの間で周期的にデータを通信し続ける周期的フローごとに、その周期的フローの周期と、その周期からの送信タイミングと、通信相手の他通信ノードとを対応づける送受信順序データを自通信ノード内の記憶手段に格納しており、その送受信順序データに従って、他通信ノードとの間で前記周期的フローを周期から前記送信タイミングだけずらした時刻に通信し、
前記スイッチが、前記周期的フローを中継するための前記スイッチの設定として、前記周期的フローの周期と、その周期からの前記送信タイミングと、前記周期的フローの送信元および送信先とを対応づける切替順序データを記憶手段に格納しており、その切替順序データに従って、前記周期的フローの送信元の前記通信ノードに接続される入力端子と、前記周期的フローの送信先の前記通信ノードに接続される出力端子とを、前記周期的フローの周期から前記送信タイミングだけずらした時刻に接続するクロスバスイッチとして動作し、
前記プログラマブルコントローラの構成制御部が、複数の前記周期的フローについて、その送信元と、送信先と、周期とが入力されると、送信元および周期の組み合わせが一致する複数の前記周期的フローと、送信先および周期の組み合わせが一致する複数の前記周期的フローとをそれぞれ衝突するフロー群として抽出し、前記衝突するフロー群における前記送信タイミングについて、互いに異なるタイミングを計算して、前記切替順序データおよび前記送受信順序データに書き出すことを特徴とする。
その他の手段は、後記する。
なお、モジュール1ごとに、そのモジュールを特定するためのIDが割り当てられている。pから始まるモジュールIDはプロセッサモジュールを示し、ioから始まるモジュールIDはI/O(Input/Output)モジュールを示す。I/Oモジュール1(io0,io1)には、それぞれ制御対象機器7(センサ、アクチュエータなど)が接続されている。
例えば、制御対象機器7(センサ)から取得したデータは、そのセンサに接続されるモジュール1(io0)からスイッチ2を経由して、モジュール1(p1)へと出力される(矢印を参照)。
これらの端子群には端子名(A,p0など)が記載されており、1つの端子(例えば、「p0」の端子)が1つのモジュール1(例えば、図1のモジュール1「p0」)に対応する。なお、端子名「A」は、調整信号の伝達用端子であり、どのモジュール1にも対応していない。
以下の説明では、スイッチの設定を「SW(入力端子ID,出力端子ID,ONまたはOFF)」と表記する。例えば、前記したモジュール1「io0」からモジュール1「p1」への送信を許可する設定は、「SW(io0,p1,ON)」と表記される。
なお、スイッチ2の初期状態では、全てのSWが「ON」の状態となる。
メモリ82は、CPU81が実行する各処理部のプログラム(構成処理部3、送受信部4など)や、各処理部がアクセスする各種データが記憶されている。
データ通信部83は、シリアルリンクと接続されており、CPU81の指示に従ってデータ信号の通信を行う。
書込用通信部84は、スイッチ設定レジスタ22へのスイッチ設定データの書込みを行う。
調停用通信部85は、オンデマンド通信(必要となったときに要求に応じて行う周期的ではない通信)により、スイッチ2への調停用信号を通信する。
設定出力部21は、書込用通信部84から通信部89を介して受信したスイッチ設定データを、スイッチ設定レジスタ22に書き出す。
スイッチ設定レジスタ22は、スイッチの設定データが書き込まれるレジスタ領域であり、このレジスタに値を書き込むことにより、スイッチ(SW)のON/OFFが制御される(図2参照)。
構成処理部3は、構成制御部31と、スイッチ切替指示部32と、周期送信データ33と、二重系データ34と、切替順序データ35とを含めて構成される。
送受信部4は、通信制御部41と、送受信順序データ42と、送信データ格納部43と、受信データ格納部44とを含めて構成される。
二重系データ34は、送信先のモジュール1を主系と従系との二重系として定義するデータであり、主系のモジュール1と従系のモジュール1とに同じデータが冗長送信される。この二重系データ34も、管理者などによりあらかじめ入力されている。
切替順序データ35は、スイッチ2を切り替える箇所および順番の情報である。
スイッチ切替指示部32は、切替順序データ35が作成されると、その切替順序データ35をスイッチ2の設定出力部21へ送信することで、スイッチ2の切り替えを指示する。
設定出力部21は、受信した切替順序データ35に基づき、スイッチ設定レジスタ22に時間の経過に応じてスイッチの切替情報を設定する。
通信制御部41は、タイマ81aから取得した時刻情報をもとに、送受信順序データ42のタイミングに沿って、送信データ格納部43および受信データ格納部44を介してフローのデータ送受信を行う。
送信データ格納部43は、自装置から他装置へ送信するデータを格納する送信バッファである。
受信データ格納部44は、他装置から自装置が受信したデータを格納する受信バッファである。
なお、「SW(p0,p1&io1,ON)」における「p0」は入力端子IDを、「p1&io1」は出力端子IDを示す。
図6(a)では、1つめのフロー「SW(p0,p1&io1,ON)」について、図5(b)と同様に、周期4nごとにスイッチ設定をして流す設定を示す。ここで、周期4nごとのスイッチ設定から2つめのフローを図6(b)に移動させることにより、衝突を回避する。
つまり、1つめのフローは、周期4nなので、t=0,4,8,12…のタイミングで送信されるが、2つめのフローは、周期4n+1なので、t=1,5,9,13…のタイミングで送信されることで、同時刻に2つのフローが送信されなくなる。
なお、表1では周期送信データ33として、2つのモジュール1(p0,p1)のものをまとめて1つの表としたが、実際には、各モジュール1内の周期送信データ33は、自装置に該当するレコード分だけ保持すればよい。よって、周期送信データ33内のモジュール列は、各モジュール1内に格納されるときには、省略可能である。
なお、多重化列が「1」であるときには、切替順序データ35の送信先列を検索キーとして、二重系データ34の主モジュール列を検索し、検索された二重系データ34の従モジュール列に記載されるモジュール1も、送信先に追加する。
なお、送受信順序データ42も、周期送信データ33と同様に、複数のモジュール1(p0,p1,io1)のものをまとめて1つの表としたが、実際には、各モジュール1内の送受信順序データ42は、自装置に該当するレコード分だけ保持すればよい。よって、送受信順序データ42内のモジュール列は、各モジュール1内に格納されるときには、省略可能である。
周期送信データ33のモジュール列を、切替順序データ35の送信元列とする。
周期送信データ33の送信先列を、切替順序データ35の送信先列とする。
周期送信データ33の<データアドレス、データ長>列を、切替順序データ35の<データアドレス、データ長>列とする。
周期送信データ33の送信先列の値が、二重系データ34の主モジュール列のいずれかの値に一致したときには、切替順序データ35の多重化列を「1」とし、一致しないときには「0」とする。
切替順序データ35の周期列、送信元列、および、送信先列を参照してフローの衝突判定を行い、その結果、衝突するフロー同士のタイミングを互いに異なる値(例えば、0と1)として設定する。フローの衝突判定は、以下の通りである。
・周期が同じ、かつ、送信元が同じ複数のフローを、衝突するフロー群とする。
・周期が同じ、かつ、送信先が同じ複数のフローを、衝突するフロー群とする。ここで、多重化列が「1」であるときには、送信先として二重系データ34の従モジュールも追加する。例えば、表1の切替順序データ35について、1行目のフローの送信先が「p1」であり、2行目のフローの送信先が「io1」であるため、このフローの送信先は一見衝突しない。しかし、1行目は多重化列が「1」であり、1行目のフローの送信先が「p1」だけでなく従系の「io1」も存在するため、2つのフローは衝突する。
周期送信データ33のモジュール列を、送受信順序データ42のモジュール列とする。ここで、周期送信データ33の1つのレコード(例えば、1行目のp0からp1へ送信する旨のレコード)を、送受信順序データ42では2つのレコード(p0からp1へ送信する旨のレコード,p1からp0へ受信する旨のレコード)に分割する。
切替順序データ35の<周期、タイミング>列を、送受信順序データ42の<周期、タイミング>列とする。
周期送信データ33の送信先列を、送受信順序データ42の相手列とする。そして、前記したように、送受信順序データ42で2つのレコードに分割したときの、相手への送信か(送)、相手からの受信か(受)を示す情報を、送受信順序データ42の送受列に格納する。
周期送信データ33のデータ長列を、送受信順序データ42のデータ長列とする。
切替順序データ35の多重化列を、送受信順序データ42の多重化列とする。
フローF1:t=0,4,8,12,16,20…
フローF2:t=0,4,8,12,16,20…
フローF3:t=12
フローF1:t=0,4,8,12,16,20…(タイミング+0)
フローF2:t=1,5,9,13,17,21…(タイミング+1)
フローF3:t=14(タイミング+2)
S11では、メインモジュール1(p0)は、オンデマンド通信調停タスクの生成を行う(図8(a)参照)。オンデマンド通信は周期的な通信ではなく必要となったときにモジュールから要求に応じて行われる通信である。モジュールからの要求を調停するのが、このオンデマンド調停タスクの役割である。
S12では、各モジュール1は、受信タスクを生成する(図8(b)参照)。ここでは、シリアルリンクからの受信を行うタスクが生成される。このタスクは周期的な通信もオンデマンド通信も両方の受信を受け持つ。
S13では、メインモジュール1(p0)は、切替順序データ35を初期化する。
(手順1)オンデマンド通信の送信要求を出力する。そして、出力した次のサイクルで送信許可を受信する。送信許可を受信できなかったときには送信が許可されなかったと判断して、次のサイクルで再び送信要求を出力する。
(手順2)送信が許可された場合には次のサイクルにおいてデータ送信を行う。
S14bでは、メインモジュール1(p0)は、S14aで送信された周期送信データ33を受信する(図9参照)。全てのサブモジュール1から周期送信データ33を受信すると、S15へ進む。
S15では、メインモジュール1(p0)は、受信した各モジュール1の周期送信データ33をもとに、切替順序データ35を構築する(図10参照)。
S16aでは、メインモジュール1(p0)は、受信した各モジュール1の周期送信データ33をもとに、各モジュール1用の送受信順序データ42を作成して、各モジュール1に配信する(図11参照)。
S16bでは、サブモジュール1(io0)は、S16aで送信された送受信順序データ42をオンデマンド通信で受信する。次に、受信した送受信順序データ42を各モジュール1の送受信順序データ42を保持するメモリ82内の領域に格納する。
S22では、各モジュール1は、モジュールの故障を検出できるようにするために正常に動作していることを表す生存通知データを周期的に送信データ格納部43に書き込む生存通知タスクを生成する。この生存通知タスクでは、まず、タイマから割り込みを待つ。次に、送信データ格納部43中にある生存通知データの値をインクリメントして更新する。生存通知データは、周期送信データ33に設定しておくことにより、周期的に他のモジュールに送信される。
S23では、メインモジュール1(p0)は、各モジュール1が生存通知情報を更新していることを監視する生死監視タスクを生成する(図13参照)。
S24では、メインモジュール1(p0)は、S15で構築した切替順序データ35をもとに、スイッチを設定するタスクを生成する(図14参照)。
S101では、オンデマンド通信は、通信を行いたいモジュールが周期通信が行われていないタイミングで、調停用通信部85に対して送信要求を送信することから始まる。よって、その送信要求が来るまで受信待ちをする。
S102では、メモリにある次サイクルスイッチ情報を読み出す。次サイクルスイッチ情報は、次のサイクルにスイッチ設定レジスタに設定する情報を保持している領域である。
S103では、受信した送信要求の送信元のスイッチが次サイクルに空いているかチェックしている。S103でYesならS104に進み、NoならS101に戻る。
S104では、受信した送信要求の送信先のスイッチが次サイクルに空いているかチェックしている。S104でYesならS105に進み、NoならS101に戻る。
S105では、要求元に送信許可を送信する。
S106では、送信元と送信先との間のスイッチが次にオンになるように次サイクルスイッチ情報を更新し、S101に戻る。
S111では、モジュール1のデータ通信部83がデータを受信し、割り込みによりCPU81にそれを通知してくるのを待つ。
S112では、S111での受信処理がオンデマンド通信かどうか判断する。この判断は受信したデータのヘッダなどに種別を入れることによっても判断可能であるし、送受信順序データ42に周期通信の受信として登録されているかどうか調べることによっても判断可能である。S112でYesならS114に進み、NoならS113に進む。
S113では、受信データ格納部44にデータを格納する。
S114では、オンデマンド通信の受信待ちをしているタスク(S16b、後記するS201など)に通知する。なお、アプリケーションプログラムでも必要に応じてオンデマンド通信が行われるので、それらのアプリケーションプログラムにも通知してもよい。
S202では、S201で受信した周期送信データ33の各エントリを読み出す。
S203では、S201で受信した周期送信データ33の全てのエントリを読み出しが終わったか否かを判断する。S203でYesなら図9の処理を終了し、NoならS204に進む。
S204では、読み出した周期送信データ33のエントリに対応して、切替順序データ35に周期の短い順になるように新しくエントリを作成する。
S205では、作成したエントリに周期送信データ33のエントリの情報を元に周期、送信元、送信先、データ長をライトする。
S206では、送信先が二重系データ34のエントリの主系の中にあるか否かを判断する。S206でYesならS208に進み、NoならS207に進む。
S207では、S204で作成したエントリの多重化の欄に0をライトする。
S208では、S204で作成したエントリの多重系の欄に1をライトする。
S209では、切替順序データ35に二重系データ34の従系を送信先とした同じエントリを作成する。これにより主系と従系とに同じデータが送信されるようになる。
S302では、切替順序データ35のどのエントリまでタイミング情報を生成したかを表すポインタpを1に初期化している。
S303では、切替順序データ35のp番目のエントリを読み出しEpとしている。
S304では、全部のエントリを読み出し終わったか判断している。S304でYesなら図10の処理を終了し、NoならS305に進む。
S305では、読み出したエントリEpの周期、送信元、送信先をそれぞれCp、Sp、Dpとしている。
S306では、タイミング情報を計算するための変数Tpを初期化している。
S307では、この後エントリEpよりも前にあるエントリと通信が競合しないかチェックする。そのために使用するエントリを指すポインタiを1に初期化する。
S308では、iがpまで進んだか判断している。S308でYesならS321に進み、NoならS309に進む。
S309では、切替順序データ35のi番目のエントリを読み出しEiとする。
S310では、Eiの周期、送信元、送信先、タイミングをそれぞれCi、Si、Di、Tiとする。
S311では、EpとEiのエントリの通信が競合しないか判断している。判定式「(Ti == Tp) &&((Si ==Sp) || (Di == Dp))」を満たす場合、つまり、タイミング情報TiとTpが等しく、かつ、送信元か送信先が等しい場合には競合する。S311でYesならS313に進み、NoならS312に進む。
S312では、iをインクリメントして次のエントリとの競合をチェックする。
S313では、競合する場合にはEpのタイミング情報Tpを1増やす。
S322では、pをインクリメントして、次のエントリのタイミング情報の計算に進むためにS303に戻る。
S402では、切替順序データ35からエントリを一つ読み出しEに代入している。
S403では、エントリを最後まで読んだか否かを判定する。S403でYesならS431に進み、NoならS404に進む。
S404では、エントリEの送信元をS、送信先をDに代入している。
S410では、送信元がnと等しいか否かを判定している。S410でYesならS411に進み、NoならS420に進む。
S412では、作成したエントリの送受の欄に送を設定する。
S413では、作成したエントリの相手の欄にDを設定する。
S414では、作成したエントリにEの周期、タイミング、データ長、多重化の内容をコピーして、S402に戻り、切替順序データ35の次のエントリを処理対象のEとする。
S421では、送受信順序データ42に新しくエントリを作成する。
S422では、作成したエントリの送受の欄に受を設定する。
S423では、作成した相手の欄にSを設定する。
S432では、作成した送受信順序データ42をオンデマンド通信でノード番号nのモジュールに対して送信する。
S433では、送信する必要はないので、作成した送受信順序データ42を自装置のメモリ82内の領域に格納する。
S502では、タイマ81aの値を読み出しTに代入する。
S503では、送受信順序データ42からエントリを一つ読み出しEに代入する。
S504では、エントリを最後まで読み出してしまったか判断している。S504でYesならS501に戻り、NoならS504に進む。
S506では、Eのデータ送信契機か否かを判定する。つまり、判定式「Se==送&&(T mod Ce)==Te」により、Eが表す通信が送であり、タイミングがタイマから読み出したTの値の周期Ceの剰余と一致しているか判断している。S506でYesならS507に進み、NoならS503に戻る。
S507では、Eに対応する周期送信データ33中のデータ送信を実行する。
S602では、受信データ格納部44中の各モジュールの生存通知データが更新されているかチェックしている。各モジュールが実行する生存通知タスクと周期通信により、モジュールが正常に動作しているならば受信データ領域の生存通知データが周期的に更新される。これが更新されていないということはモジュールの動作に異常があったことを表す。
S604では、未変更のモジュールのノード番号をnに代入する。
S606では、二重系の従であるモジュールのノード番号をmに代入している。以下、ノードnのモジュールが故障したことを検出したのでノードmのモジュールに切り替える処理を行う。
S612では、全てのエントリを調べ終わったか判断している。S612でYesならS621に進み、NoならS613に進む。
S613では、エントリの送信元がnと等しいか調べている。S613でYesならS614に進み、NoならS615に進む。
S614では、エントリの送信元の欄をmに変更する。
S615では、エントリの送信先がnか調べている。S615でYesならS616に進み、NoならS611に戻る。
S616では、一致している場合にはそのエントリを削除する。
S622では、全部のモジュールについて送受信順序データ42を配信したか判断している。S622でYesならS623に進み、NoならS621に戻る。
S623では、ノード番号nのモジュールに対してオンデマンド通信で従系から主系への切り替えを指示する。
S702では、前の周期に計算しておいた次サイクルスイッチ情報をスイッチ設定レジスタにライトしている。
S703では、次の周期の次サイクルスイッチ情報を計算するために、まず次サイクルスイッチ情報を初期化する。ここでも全部のスイッチがオフになるように設定する。
S704では、タイマ81aの値を読み出しTに代入する。
S706では、全部のエントリを読み出し終わったか判断している。S706でYesならS701に戻り、NoならS707に進む。
S707では、Eの周期をCe、EのタイミングをTeに代入する。
S709では、Eの送信元をS、送信先をDに代入する。
S710では、次サイクルスイッチ情報の送信元S、送信先Dのスイッチを表すビットをオンにし、次のエントリに進むためにS705に戻る。
そして、スイッチ2が切替順序データ35をもとにスイッチを切り替えることで、スイッチ2内で送信元から送信先への端子が切替順序データ35により接続されるため、各モジュール1が送受信順序データ42に従ってデータの送受信を行うときに、送信するデータに宛先情報を付加する必要がなくなる。
2 スイッチ
3 構成処理部
4 送受信部
7 制御対象機器
9 プログラマブルコントローラ
21 設定出力部
22 スイッチ設定レジスタ
31 構成制御部
32 スイッチ切替指示部
33 周期送信データ
34 二重系データ
35 切替順序データ
41 通信制御部
42 送受信順序データ
43 送信データ格納部
44 受信データ格納部
81 CPU
81a タイマ
82 メモリ
83 データ通信部
84 書込用通信部
85 調停用通信部
86 IO用通信部
89 通信部
Claims (6)
- 複数の通信ノードと、前記通信ノード間通信を中継するスイッチとを含めて構成されるプログラマブルコントローラであって、
前記各通信ノードは、他通信ノードとの間で周期的にデータを通信し続ける周期的フローごとに、その周期的フローの周期と、その周期からの送信タイミングと、通信相手の他通信ノードとを対応づける送受信順序データを自通信ノード内の記憶手段に格納しており、その送受信順序データに従って、他通信ノードとの間で前記周期的フローを周期から前記送信タイミングだけずらした時刻に通信し、
前記スイッチは、前記周期的フローを中継するための前記スイッチの設定として、前記周期的フローの周期と、その周期からの前記送信タイミングと、前記周期的フローの送信元および送信先とを対応づける切替順序データを記憶手段に格納しており、その切替順序データに従って、前記周期的フローの送信元の前記通信ノードに接続される入力端子と、前記周期的フローの送信先の前記通信ノードに接続される出力端子とを、前記周期的フローの周期から前記送信タイミングだけずらした時刻に接続するクロスバスイッチとして動作し、
前記プログラマブルコントローラの構成制御部は、複数の前記周期的フローについて、その送信元と、送信先と、周期とが入力されると、送信元および周期の組み合わせが一致する複数の前記周期的フローと、送信先および周期の組み合わせが一致する複数の前記周期的フローとをそれぞれ衝突するフロー群として抽出し、前記衝突するフロー群における前記送信タイミングについて、互いに異なるタイミングを計算して、前記切替順序データおよび前記送受信順序データに書き出すことを特徴とする
プログラマブルコントローラ。 - 前記スイッチは、前記周期的フローに加えて、送信回数が1回であるオンデマンドフローを前記通信ノード間通信として中継し、
前記プログラマブルコントローラの構成制御部は、前記オンデマンドフローの送信時刻と送信元と送信先とが入力されると、そのオンデマンドフローと送信元および送信時刻の組み合わせが一致する前記周期的フローと、そのオンデマンドフローと送信先および送信時刻の組み合わせが一致する前記周期的フローとを、前記切替順序データ内の前記周期的フローから抽出し、前記オンデマンドフローの送信時刻を、抽出した衝突する前記周期的フローの送信時刻よりも後にずらすことを特徴とする
請求項1に記載のプログラマブルコントローラ。 - 前記スイッチは、前記周期的フローの送信元の前記通信ノードに接続される1つの入力端子と、前記周期的フローの送信先の複数の前記通信ノードに接続される複数の出力端子とを、前記周期的フローの周期から前記送信タイミングだけずらした時刻に接続することを特徴とする
請求項1または請求項2に記載のプログラマブルコントローラ。 - 前記各通信ノードは、他通信ノードとの間で生存通知信号を通信し、所定時間以上、所定の前記通信ノードとの間で前記生存通知信号が通知されないことを検知すると、所定の前記通信ノードを対象とした前記周期的フローの登録データを自通信ノードの前記送受信順序データから削除することを特徴とする
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のプログラマブルコントローラ。 - 1つ以上の前記通信ノードは、制御対象であるプラント機器と接続されており、前記プラント機器から受信した計測データ、および、前記プラント機器へ送信する前記プラント機器の制御用データを、前記周期的フローの通信データとすることを特徴とする
請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のプログラマブルコントローラ。 - 複数の通信ノードと、前記通信ノード間通信を中継するスイッチとを含めて構成されるプログラマブルコントローラによる通信制御方法であって、
前記各通信ノードは、他通信ノードとの間で周期的にデータを通信し続ける周期的フローごとに、その周期的フローの周期と、その周期からの送信タイミングと、通信相手の他通信ノードとを対応づける送受信順序データを自通信ノード内の記憶手段から読み出し、その送受信順序データに従って、他通信ノードとの間で前記周期的フローを周期から前記送信タイミングだけずらした時刻に通信し、
前記スイッチは、前記周期的フローを中継するための前記スイッチの設定として、前記周期的フローの周期と、その周期からの前記送信タイミングと、前記周期的フローの送信元および送信先とを対応づける切替順序データを記憶手段から読み出し、その切替順序データに従って、前記周期的フローの送信元の前記通信ノードに接続される入力端子と、前記周期的フローの送信先の前記通信ノードに接続される出力端子とを、前記周期的フローの周期から前記送信タイミングだけずらした時刻に接続するクロスバスイッチとして動作し、
前記プログラマブルコントローラの構成制御部は、複数の前記周期的フローについて、その送信元と、送信先と、周期とが入力されると、送信元および周期の組み合わせが一致する複数の前記周期的フローと、送信先および周期の組み合わせが一致する複数の前記周期的フローとをそれぞれ衝突するフロー群として抽出し、前記衝突するフロー群における前記送信タイミングについて、互いに異なるタイミングを計算して、前記切替順序データおよび前記送受信順序データに書き出すことを特徴とする
通信制御方法。
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JP2010256676A JP5411835B2 (ja) | 2010-11-17 | 2010-11-17 | プログラマブルコントローラ、および、通信制御方法 |
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