JP6508538B2 - 産業用無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、産業用無線通信システムに関し、特に、ＦＡ（Factory Automation）環境において、安定した無線通信を実現することができる産業用無線通信システムに関する。

従来、産業用設備として、特許文献１記載のネットワークシステムがある。このシステムは、ネットワークシステムに、複数のシーケンサがバスで接続され、各シーケンサにアクチュエータやロボットの駆動源が導電部及び信号線で電気的に接続され、さらに、駆動源とアクチュエータ及びロボットとが電気配線を介して接続されている。

特開平０５−０７３７９５号公報

ところで、産業用設備において、従来から省配線化の要求がある。特許文献１に示すように、上位コントローラと各制御機器は、産業用通信規格のフィールドバスにて接続されている。各機器は、通信線と電源線の接続が必要で、大規模な設備や、分散設置される設備においては、信号線を上位コントローラから接続していく必要があり、機器の設置の自由度が限られている。

また、産業用設備のインテリジェント化にあたっては、ロボットや、回転する機構等の可動部においても通信線の敷設が必要となる。この場合、高価なスリップリングの利用や、信号線の断線リスクがあり、通信機器の設置、並びに産業用設備のインテリジェント化そのものを断念せざるを得なかった。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、産業用設備に設置される各種機器の可動部における信号線の断線リスク等を低減することができ、しかも、産業用設備の設計の自由度を向上させることができる産業用無線通信システムを提供することを目的とする。

［１］ 本発明に係る産業用無線通信システムは、産業用設備内の少なくとも監視を行うコンピュータと、前記コンピュータとフィールドバスで接続された少なくとも１つのマスター無線装置と、それぞれ対応する機器に設置され、前記マスター無線装置と無線通信を行う複数のスレーブ無線装置と、前記マスター無線装置と前記スレーブ無線装置間で無線での接続処理を行う接続処理部と、前記マスター無線装置と前記スレーブ無線装置間で無線でのデータ送受信を行う送受信処理部とを有し、前記接続処理部は、５００ｍｓｅｃ以内の時間間隔で、前記マスター無線装置から前記複数のスレーブ無線装置に対してブロードキャスト方式で、且つ、同期周波数で無線通信を行い、前記送受信処理部は、前記マスター無線装置と前記スレーブ無線装置間で周波数ホッピング方式で無線通信を行い、前記スレーブ無線装置からの返信がない場合又は前記マスター無線装置からの返信がない場合、所定回数だけリトライし、リトライの回数が上限を超えた場合、送信先のスレーブ無線装置のステータスを非接続とし、前記接続処理部での処理に移行することを特徴とする。

コンピュータ（例えばＰＬＣ等）に接続されたマスター無線装置と、機器（ロボット、溶接ガン、回転治具、モータ等）に設置されたスレーブ無線装置との間で、無線での接続処理及びデータ送受信を行うようにしたので、機器の可動部における信号線の断線リスク等を低減することができ、しかも、設備の設計の自由度を向上させることができる。産業用設備のインテリジェント化の促進につながる。

また、５００ｍｓｅｃ以内の時間間隔で、ブロードキャスト方式で、無線での接続処理を行うことから、例えば治具脱着時の電源投入から通信開始までの時間を短縮することができる。また、マスター無線装置とスレーブ無線装置間で周波数ホッピング方式で無線通信を行うことから、他の無線通信との干渉を防止することができる。

［２］ 本発明において、無線周波数として２．４ＧＨｚ帯を使用し、無線電力が１ｍＷ以下であることが好ましい。

工場等の産業設備のノイズ源（電源線、ロボット、溶接ガン、回転治具、モータ等）から発生されるノイズ周波数より高い無線周波数を採用することから、無線通信のノイズ周波数による影響を低減することができる。また、無線電力を１ｍＷ以下に抑えたので、同一エリア内での他の通信機器への干渉を低減することができる。

［３］ 本発明において、前記接続処理が行われた前記スレーブ無線装置に対して、定期的に前記マスター無線装置の時計情報を送信して、前記マスター無線装置との接続維持処理を行う接続維持処理部を有し、前記接続維持処理部は、前記接続処理よりも短い時間間隔で、前記マスター無線装置から前記スレーブ無線装置に対して、前記マスター無線装置の時計情報をブロードキャスト方式で、且つ、同期周波数で無線通信を行ってもよい。

これにより、接続処理を終えたスレーブ無線装置は、定期的にマスター無線装置の時計情報が送信されるため、スレーブ無線装置とマスター無線装置との間で、時計情報が一致することとなる。その結果、データ送受信等のタイミングを容易に同期させることができる。

［４］ 本発明において、前記スレーブ無線装置からの定期的な送信と、前記マスター無線装置での受信を繰り返すことで、前記マスター無線装置と前記スレーブ無線装置との無線通信が確立していることを確認する接続確認処理部を有し、前記接続確認処理部は、前記スレーブ無線装置が、少なくとも接続確認用のデータパケットを定期的に前記マスター無線装置に対して周波数ホッピング方式による送信を行い、前記マスター無線装置が、前記スレーブ無線装置との送受信の有無を定期的に確認し、送受信がない場合、そのスレーブ無線装置を非接続状態と判断し、前記マスター無線装置において、一旦、非接続状態と判定された前記スレーブ無線装置からデータパケットが送信され、前記マスター無線装置にて受信された場合に、前記マスター無線装置は、当該スレーブ無線装置を接続状態と判定してもよい。

スレーブ無線装置から定期的に送信されているはずが、マスター無線装置において受信されない場合に、当該スレーブ無線装置が非接続状態と判断する。非接続状態と判断された当該スレーブ無線装置からの送信がマスター無線装置において受信されれば、当該スレーブ無線装置が接続状態であると判断する。これにより、どのスレーブ無線装置が接続状態で、どのスレーブ無線装置が非接続状態であるかを容易に判断することができ、早期に非接続状態と判断されたスレーブ無線装置に対する接続処理あるいはメンテナンス等を行うことができる。
［５］ 本発明において、前記マスター無線装置及び前記スレーブ無線装置は近距離無線通信装置を有してもよい。例えばマスター無線装置やスレーブ無線装置への内部パラメータの設定、マスター無線装置とスレーブ無線装置間のペアリング（ＩＤ照合等）、スレーブ無線装置と機器（センサー等）間のペアリング（ＩＤ照合等）において、機械的な設定や調整を必要としないため、パラメータ設定やペアリング等を容易に行うことができ、調整作業の時間短縮、工数の削減を図ることができる。

本発明に係る産業用無線通信システムによれば、産業用設備に設置される各種機器の可動部における信号線の断線リスク等を低減することができ、しかも、産業用設備の設計の自由度を向上させることができる。

本実施の形態に係る産業用無線通信システムを示す構成図である。 産業用無線通信システムを示す機能ブロック図である。 接続処理の一例を示す動作概念図である。 図４Ａは２．４ＧＨｚ帯の無線周波数の多重化を示す説明図であり、図４Ｂはネットワーク間の送信周波数の違いを示す説明図であり、図４Ｃは周波数ホッピングの一例を示すタイムチャートである。 ネットワーク毎の同期周波数の割り当ての一例を示す図である。 周波数ホッピング回数とＦＨ送信周波数との関係を示す図である。 接続維持処理の一例を示す動作概念図である。 接続確認処理の一例を示す動作概念図である。 マスター無線装置からスレーブ無線装置への送信処理を示す動作概念図である。 スレーブ無線装置からマスター無線装置への送信処理を示す動作概念図である。 マスター無線装置から２つのスレーブ無線装置に順次にデータパケットを送信する場合の時間に対する送信周波数の変化を示すタイムチャートである。 本実施の形態に係る産業用無線通信システムの一実施例を示す構成図である。 送受信処理部によるデータパケットの送受信の一例を示す説明図である。

以下、本発明に係る産業用無線通信システムの実施の形態例を図１〜図１３を参照しながら説明する。なお、本明細書において、数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。

本実施の形態に係る産業用無線通信システム（以下、無線通信システム１０と記す）は、図１に示すように、産業用設備内の少なくとも監視を行うＰＬＣ１２（プログラマブル・ロジック・コントローラ）と、ＰＬＣ１２に接続された複数のネットワーク１４とを有する。

各ネットワーク１４には、ＰＬＣ１２とフィールドバス１６で接続された１つのマスター無線装置１８と、それぞれ対応する機器２０に設置され、マスター無線装置１８と無線通信を行う複数のスレーブ無線装置２２とを有する。スレーブ無線装置２２が設置される機器２０は、ロボットハンドの先端可動部（溶接ガン等）、組立治具、回転テーブル等が挙げられる。

さらに、無線通信システム１０は、図２において、機能ブロックで示すように、接続処理部３０と、接続維持処理部３２と、接続確認処理部３４と、送受信処理部３６とを有する。これら接続処理部３０、接続維持処理部３２、接続確認処理部３４、送受信処理部３６はマスター無線装置１８と複数のスレーブ無線装置２２との連携で構成される機能部である。

接続処理部３０は、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間で無線での接続処理を行う。

具体的には、図３に示すように、５００ｍｓｅｃ以内の時間間隔、本実施の形態では、２５０ｍｓｅｃの時間間隔で、マスター無線装置１８から複数のスレーブ無線装置２２に対してブロードキャスト方式で、且つ、同期周波数で無線通信を行う。

この接続処理の目的は、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２の時刻合わせ、マスター無線装置１８の初期値とスレーブ無線装置２２の初期値の交換を行う。

以下に、正常の場合の通信手順と異常の場合の通信手順を図３を参照しながら説明する。

＜正常の場合＞
（ａ−１） マスター無線装置１８は、時計情報を含む同期パケットＰａを例えば２５０ｍｓｅｃ間隔で管轄する全スレーブ無線装置２２にブロードキャスト方式で送信する。この送信では、周波数ホッピング方式による同期送信を行う。

（ａ−２） スレーブ無線装置２２は、時計情報を含む同期パケットＰａを受信し、スレーブ無線装置２２の時計情報を校正する。

（ａ−３） スレーブ無線装置２２は、マスター無線装置１８に接続コマンドと初期値を含むデータパケットＰｂを送信する。この送信では、スレーブ無線装置２２からマスター無線装置１８への周波数ホッピング方式による送信を行う。

（ａ−４） マスター無線装置１８は、スレーブ無線装置２２からのデータパケットＰｂを受信し、次に、接続コマンドと共にマスター無線装置１８の初期値を含むデータパケットＰｃをスレーブ無線装置２２に送信する。この送信では、マスター無線装置１８からスレーブ無線装置２２への周波数ホッピング方式による送信を行う。

（ａ−５） スレーブ無線装置２２は、マスター無線装置１８からのデータパケットＰｃを受信し、接続を完了する。すなわち、マスター無線装置１８との接続確立が終了する。

＜異常の場合＞
スレーブ無線装置２２は、時計情報を含む同期パケットＰａの受信後、タイムアウトの計測を開始する。例えば４秒以内にマスター無線装置１８との間で接続確立が終了しない場合、再度、時計情報の受信からリトライする。

ここで、周波数ホッピング方式（ＦＨＳＳ）について図４Ａ〜図６を参照しながら簡単に説明する。

周波数ホッピング方式は、図４Ａに示すように、送信機と受信機間で多重化された周波数を同期して次々に変更しながら通信を行う方式である。

本実施の形態では、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、各ネットワーク毎に異なるパターンのホッピング方式を採用している。第１ネットワーク１４Ａでは、周波数として、例えば２４０２ＭＨｚ、２４５５ＭＨｚ、２４２１ＭＨｚ・・・を使用し、第２ネットワーク１４Ｂでは、周波数として、例えば２４１２ＭＨｚ、２４６５ＭＨｚ、２４０５ＭＨｚ・・・を使用し、第３ネットワーク１４Ｃでは、周波数として、例えば２４３２ＭＨｚ、２４４５ＭＨｚ、２４７１ＭＨｚ・・・を使用する。

そして、図４Ｃに示すように、各送信時刻毎（ｔ_０、ｔ_０＋ｔ、ｔ_０＋２ｔ、ｔ_０＋３ｔ・・・）に、各ネットワークにおいて送信周波数をホッピングして通信を行う。なお、区間Ｆａは、無線ＬＡＮの使用帯域を示す。

このように、周波数ホッピング方式を採用することで、ネットワーク１４間や無線ＬＡＮとの電波干渉が軽減されると共に、マルチパスフェージングによる電力の減衰を軽減することができる。

ここで、周波数ホッピング方式による同期周波数の算出方法の一例について以下に説明する。

先ず、使用する周波数範囲を１ＭＨｚ単位にチャネルに換算する。例えば最小周波数を２４０３ＭＨｚ、最大周波数を２４８１ＭＨｚとしたとき、０ｃｈ〜７８ｃｈの７９チャネルとなる。

マスター無線装置１８からの例えば３回のブロードキャストによる無線通信を１ターンとして、各ターンにおける３回の無線通信のチャネル間隔をＪＡＭＰ、１ターン間のチャネル間隔をＳＰＡＣＥとする。また、使用するチャネル範囲の偏差（最大チャネル−（最小チャネル−１））をＣＨｍ、ネットワーク番号（０からの連番）をＮｎ、１ターン内の無線通信の回数をＮｃ（＝０、１、２）とする。

そして、下記演算式にて各々の無線通信の同期周波数のチャネル数ＳＹＮＣ＿ＣＨを算出する。なお、％は余り演算子である。
ＳＹＮＣ＿ＣＨ＝Ｎｎ＊ＳＰＡＣＥ＋ＪＡＭＰ＊Ｎｃ％ＣＨｍ

同期周波数のチャネル数の計算結果を下記表１に示し、同期周波数のチャネル数を周波数換算した結果を下記表２に示す。また、表２に基づくネットワーク番号に対する同期周波数の割り当てを図５に示す。

表１、表２並びに図５からもわかるように、ネットワーク１４間で同期周波数が重複することがないため、各ネットワーク１４にてそれぞれ割り当てられた同期周波数を同時にブロードキャスト方式で送信することが可能となる。

次に、周波数ホッピング方式による送信周波数（ＦＨ送信周波数という）の算出方法の一例について説明する。

先ず、上述した同期周波数の算出方法と同様に、使用する周波数範囲を１ＭＨｚ単位にチャネルに換算する。例えば最小周波数を２４０３ＭＨｚ、最大周波数を２４８１ＭＨｚとしたとき、０ｃｈ〜７８ｃｈの７９チャネルとなる。

周波数ホッピング間隔をＪＡＭＰ、使用するチャネル範囲の偏差（最大チャネル−（最小チャネル−１））をＣＨｍ、ネットワーク番号（０からの連番）をＮｎ、周波数ホッピング回数をＦＨｎとする。

そして、下記演算式にて各々のＦＨ送信周波数のチャネル数ＦＨ＿ＣＨを算出する。なお、％は余り演算子である。
ＦＨ＿ＣＨ＝Ｎｎ＋ＪＡＭＰ＊ＦＨｎ％ＣＨｍ

図６に、周波数ホッピング回数とＦＨ送信周波数との関係を示す。図６からもわかるように、周波数ホッピングを行う毎に、周波数ホッピング間隔Δｆ（例えば２２ＭＨｚ）でＦＨ送信周波数が変化することから、他の無線通信との干渉を防止することができる。

さらに、スレーブ無線装置２２は、電波の混信防止のために、衝突防止機能（ＣＣＡ）を使用することが好ましい。ＣＣＡは、乱数による待ち時間が必要である。本実施の形態では、スレーブ無線装置２２は、４つの送信タイミングを持つため、スレーブアドレスに基づいてランダム関数を用いて送信タイミングを決定するようにしている。

次に、接続維持処理部３２について説明する。接続維持処理部３２は、マスター無線装置１８との接続確立が終了したスレーブ無線装置２２に対して、定期的にマスター無線装置１８の時計情報を送信して、マスター無線装置１８との接続維持処理を行う。

具体的には、マスター無線装置１８との接続確立が終了した複数のスレーブ無線装置２２に対して、上述した接続処理部３０よりも短い時間間隔、本実施の形態では、例えば１００ｍｓｅｃの時間間隔で、マスター無線装置１８からスレーブ無線装置２２に対してブロードキャスト方式で、且つ、同期周波数で無線通信を行う。

この接続維持処理の目的は、マスター無線装置１８の時計情報をスレーブ無線装置２２に送信して、スレーブ無線装置２２の時計情報を更新する。

以下に、正常の場合の通信手順と異常の場合の通信手順を図７を参照しながら説明する。

＜正常の場合＞
（ｂ−１） 時計情報を含む同期パケットＰｄを例えば１００ｍｓｅｃ間隔でブロードキャスト方式で送信する。この送信では、周波数ホッピング方式による同期送信を行う。

（ｂ−２） スレーブ無線装置２２は、時計情報を含む同期パケットＰｄを受信し、スレーブ無線装置２２の時計情報を校正する。

＜異常の場合＞
スレーブ無線装置２２は、マスター無線装置１８からの同期パケットＰｄ（時計情報）を受信できない場合、時計情報の校正を見送り、次の１００ｍｓｅｃ後の時計情報の受信を試みる。

次に、接続確認処理部３４について説明する。接続確認処理部３４は、スレーブ無線装置２２からの定期的な送信と、マスター無線装置１８での受信を繰り返すことで、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２との無線通信が確立していることを確認する。

以下に、接続確認処理部３４での通信手順を図８を参照しながら説明する。

先ず、マスター無線装置１８は、スレーブ無線装置２２との接続を例えば５ｍｓｅｃ毎に確認する。スレーブ無線装置２２は、マスター無線装置１８に例えば２ｍｓｅｃ毎に送信する。この接続確認処理の一例を以下に示す。

＜接続確認＞
（ｃ−１） スレーブ無線装置２２は、マスター無線装置１８からの受信、又は、接続確認用のデータパケットＰｅを２ｍｓｅｃ毎にマスター無線装置１８に対して周波数ホッピング方式による送信を行う。

（ｃ−２） マスター無線装置１８は、スレーブ無線装置２２との送受信の有無を５ｍｓｅｃ毎に確認し、送受信がない場合、そのスレーブ無線装置２２を非接続状態と判断する。

（ｃ−３） マスター無線装置１８において、一旦、非接続状態と判定されたスレーブ無線装置２２からデータパケットＰｅが送信され、マスター無線装置１８にて受信された場合、マスター無線装置１８は、当該スレーブ無線装置２２を接続状態と判定する。

次に、送受信処理部３６について説明する。送受信処理部３６は、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間で無線でのデータ送受信を行う。

具体的には、送受信処理部３６は、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間で周波数ホッピング方式で無線通信を行う。すなわち、マスター無線装置１８からスレーブ無線装置２２に対して、ＦＨ送信周波数で送信し、スレーブ無線装置２２からマスター無線装置１８に対して、新たなＦＨ送信周波数で送信する。

以下に、マスター無線装置１８からスレーブ無線装置２２への送信と、スレーブ無線装置２２からマスター無線装置１８への送信の通信手順を図９及び図１０を参照しながら説明する。

＜マスター無線装置１８からスレーブ無線装置２２への送信＞
（ｄ−１） 図９に示すように、マスター無線装置１８は送信要求により指定されたアドレスのスレーブ無線装置２２に動作指示データを含むデータパケットＰｆをＦＨ送信周波数で送信する。

（ｄ−２） スレーブ無線装置２２は、マスター無線装置１８からのデータパケットＰｆを受信する。

（ｄ−３） スレーブ無線装置２２は、データパケットＰｆを正常に受信した場合、受信電力を３段階のレベルで判定する。

（ｄ−４） スレーブ無線装置２２は、データパケットＰｆに含まれる動作指示データに基づく動作を、接続された機器２０に指示する。

（ｄ−５） 機器２０が指示された動作を完了した段階で、少なくとも動作完了を示す情報と受信電力の判定情報を含むデータパケットＰｇをマスター無線装置１８にＦＨ送信周波数で返信する。

（ｄ−６） スレーブ無線装置２２でのデータパケットＰｆの正常受信からデータパケットＰｇのマスター無線装置１８への返信までに、マスター無線装置１８からデータパケットＰｆの送信が複数回あった場合、スレーブ無線装置２２は、複数回のデータパケットＰｆを無視し、機器が動作完了した段階で、マスター無線装置１８にデータパケットＰｇを１度だけ返信する。

（ｄ−７） マスター無線装置１８は、送信に失敗した場合、例えばスレーブ無線装置２２からのデータパケットＰｇの返信がない場合、例えば５ｍｓｅｃの時間間隔で２５０回リトライする。リトライの回数が上限（２５０回）を超えた場合、マスター無線装置１８は、送信先のスレーブ無線装置２２のステータスを非接続とする。

＜スレーブ無線装置２２からマスター無線装置１８への送信＞
（ｅ−１） 図１０に示すように、スレーブ無線装置２２は、送信要求によりマスター無線装置１８に必要なデータ、例えばスレーブ無線装置２２に接続されたセンサの測定値とリトライ回数等を含むデータパケットＰｈをＦＨ送信周波数で送信する。

（ｅ−２） マスター無線装置１８は、スレーブ無線装置２２からのデータパケットＰｈを受信する。

（ｅ−３） マスター無線装置１８は、データパケットＰｈを正常に受信した場合、受信電力を３段階のレベルで判定する。

（ｅ−４） マスター無線装置１８は、少なくとも正常受信したことを示す情報と受信電力の判定情報を含むデータパケットＰｉをスレーブ無線装置２２にＦＨ送信周波数で返信する。

（ｅ−５） マスター無線装置１８でのデータパケットＰｈの正常受信からデータパケットＰｉのスレーブ無線装置２２への返信までに、スレーブ無線装置２２からデータパケットＰｈの送信が複数回あった場合、マスター無線装置１８は、複数回のデータパケットＰｈを無視し、マスター無線装置１８での必要な受信処理が完了した段階で、スレーブ無線装置２２にデータパケットＰｉを１度だけ返信する。

（ｅ−６） スレーブ無線装置２２は、送信に失敗した場合、例えばマスター無線装置１８からのデータパケットＰｉの返信がない場合、例えば５ｍｓｅｃの時間間隔で２５０回リトライする。リトライの回数が上限（２５０回）を超えた場合、マスター無線装置１８は、送信先のスレーブ無線装置２２のステータスを非接続とし、接続処理に移行する。

ここで、マスター無線装置１８から２つのスレーブ無線装置２２に順次にデータパケットＰｆを送信する場合について、図１１を参照しながら説明する。

先ず、時点ｔ０において、マスター無線装置１８は、ＦＨ送信周波数でデータパケットＰｆを送信する。送信先のスレーブ無線装置２２は、マスター無線装置１８からのデータパケットＰｆを正常に受信し、スレーブ無線装置２２に接続された機器に対して指示された動作を行わせる、あるいは、センサの値を取得する等の入出力動作を行う。

時点ｔ０から５ｍｓｅｃ経過後の時点ｔ１において、スレーブ無線装置２２は、動作完了を示すデータパケットＰｇをＦＨ送信周波数で返信する。この例は１回もリトライしていないことから、最速での無線通信（送受信）となる。すなわち、最速応答時間Ｔｍｉｎは、マスター無線装置１８でのデータパケットＰｆの送信が終了した時点ｔａからスレーブ無線装置２２でのデータパケットＰｇの送信が終了した時点ｔｂまでの時間である。他のネットワークでは、別のＦＨ送信周波数にて無線通信を行っていることから、他のネットワークによる干渉はない。

次に、時点ｔ２において、マスター無線装置１８は、ＦＨ送信周波数でデータパケットＰｆを送信する。時点ｔ２から５ｍｓｅｃ経過後の時点ｔ３において、スレーブ無線装置２２は、動作完了を示すデータパケットＰｇをＦＨ送信周波数で返信する。このとき、ＦＨ送信周波数が例えば無線ＬＡＮが使用する周波数帯域内であって、且つ、無線ＬＡＮによる無線通信が行われている場合、スレーブ無線装置２２からの無線通信は、無線ＬＡＮの無線通信と衝突し、マスター無線装置１８には送信されない。そのため、時点ｔ３から５ｍｓｅｃ経過後の時点ｔ４において、マスター無線装置１８は、ＦＨ送信周波数でデータパケットＰｆを送信する。すなわち、同じ内容のデータパケットＰｆの送信をリトライする。時点ｔ４から５ｍｓｅｃ経過後の時点ｔ５において、スレーブ無線装置２２は、動作完了を示すデータパケットＰｇをＦＨ送信周波数で返信する。このとき、他のネットワークでは、別のＦＨ送信周波数にて無線通信を行っていることから、他のネットワークによる干渉はない。また、この例は１回だけリトライしていることから、マスター無線装置１８でのデータパケットＰｆの送信が終了した時点ｔｃから、１回目のリトライでのデータパケットＰｆの送信が終了した時点ｔｄまでの時間が、応答遅れ時間Ｔｄとして追加されることとなる。

なお、マスター無線装置１８及びスレーブ無線装置２２等にはＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）通信技術を内蔵している。その結果、例えばマスター無線装置１８やスレーブ無線装置２２への内部パラメータの設定、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間のペアリング（ＩＤ照合等）、スレーブ無線装置２２と機器２０（センサー等）間のペアリング（ＩＤ照合等）において、機械的な設定や調整を必要としないため、パラメータ設定やペアリング等を容易に行うことができ、調整作業の時間短縮、工数の削減を図ることができる。

次に、無線通信システム１０の１つの実施例について、図１２及び図１３を参照しながら説明する。

この実施例は、図１２に示すように、ワーク４０の搬入から搬出までの４工程を行う回転式生産設備４２に適用した無線通信システムである。回転式生産設備４２は、中央に設置された回転テーブル４４と、工程１〜工程４に対応してそれぞれロボットハンド４６（４６ａ〜４６ｄ）や組立治具４８（４８ａ〜４８ｄ）が取り付けられている。なお、回転テーブル４４の中央に設定された供給部５０を通じて、各ロボットハンド４６や組立治具４８への電源電力及びエアーの供給が行われる。

各スレーブ無線装置２２は、回転式生産設備４２を組む前に、それぞれ対応するロボットハンド４６や組立治具４８に設置される。図１２の例では、ローダー工程（工程１）に対応する第１ロボットハンド４６ａに第１スレーブ無線装置２２Ａが設置され、第１組立治具４８ａに第５スレーブ無線装置２２Ｅが設置される。第１アセンブリ工程（工程２）に対応する第２ロボットハンド４６ｂに第２スレーブ無線装置２２Ｂが設置され、第２組立治具４８ｂに第６スレーブ無線装置２２Ｆが設置される。第２アセンブリ工程（工程３）に対応する第３ロボットハンド４６ｃに第３スレーブ無線装置２２Ｃが設置され、第３組立治具４８ｃに第７スレーブ無線装置２２Ｇが設置される。アンローダー工程（工程４）に対応する第４ロボットハンド４６ｄに第４スレーブ無線装置２２Ｄが設置され、第４組立治具４８ｄに第８スレーブ無線装置２２Ｈが設置される。

各スレーブ無線装置２２は、回転式生産設備４２を組む前に、製品に対応したタグ情報及びマッピングされたＩ／Ｏ点数が設定されている。

マスター無線装置１８は、回転式生産設備４２で使用する第１スレーブ無線装置２２Ａ〜第８スレーブ無線装置２２Ｈの台数分を予め登録し、メンテナンス時に必要に応じてスレーブ無線装置２２を組み替え可能となっている。設定内容は、必要に応じてファイル保管可能で、スレーブ無線装置２２の組み替えがあった場合は、保管ファイルから設定内容を復元可能である。

保管可能な設定内容は、タグ情報、Ｉ／Ｏ点数及びその他の設定パラメータである。

また、回転式生産設備４２の外側に取り付けられたマスター無線装置１８は、例えば配電盤に設置されたＰＬＣ１２からの信号を受けて、回転式生産設備４２内に設置されたスレーブ無線装置２２にＦＨ送信周波数を送信する。

ここで、工程１〜工程４での動作を図１３も参照しながら説明する。

＜工程１：ローダー工程＞
マスター無線装置１８は、ＰＬＣ１２からの投入開始信号の入力に基づいて、第１スレーブ無線装置２２Ａに、投入を示すデータパケットＰｆａを送信する。第１スレーブ無線装置２２Ａは、データパケットＰｆａの受信に基づいて、第１ロボットハンド４６ａにワーク４０を把持する指示を行う。第１ロボットハンド４６ａは、第１スレーブ無線装置２２Ａからの指示に基づいて、ワーク４０を把持し、回転テーブル４４上にワーク４０を搬入する。第１スレーブ無線装置２２Ａは、第１ロボットハンド４６ａによるワーク４０の搬入が終了した段階で、搬入の終了を示すデータパケットＰｇａをマスター無線装置１８に送信する。

マスター無線装置１８は、第１スレーブ無線装置２２ＡからのデータパケットＰｇａの受信に基づいて、第５スレーブ無線装置２２Ｅに位置決めを示すデータパケットＰｆｅを送信する。第５スレーブ無線装置２２Ｅは、データパケットＰｆｅの受信に基づいて、第１組立治具４８ａに投入時の位置決め指示を行う。第１組立治具４８ａは、第５スレーブ無線装置２２Ｅからの指示に基づいて、ワーク４０の位置決めを行う。第５スレーブ無線装置２２Ｅは、第１組立治具４８ａによるワーク４０の位置決めが終了した段階で、位置決めの終了を示すデータパケットＰｇｅをマスター無線装置１８に送信する。マスター無線装置１８は、第５スレーブ無線装置２２ＥからのデータパケットＰｇｅの受信に基づいて、ＰＬＣ１２に投入完了信号を出力する。

＜工程２：第１アセンブリ工程＞
マスター無線装置１８は、ＰＬＣ１２からの第１組立信号の入力に基づいて、第２スレーブ無線装置２２Ｂに、第１パーツ供給を示すデータパケットＰｆｂを送信する。第２スレーブ無線装置２２Ｂは、データパケットＰｆｂの受信に基づいて、第２ロボットハンド４６ｂにパーツを供給する指示を行う。第２ロボットハンド４６ｂは、第２スレーブ無線装置２２Ｂからの指示に基づいて、第２組立治具４８ｂにパーツを供給する。第２スレーブ無線装置２２Ｂは、第２ロボットハンド４６ｂによるパーツの供給が終了した段階で、第１パーツ供給の終了を示すデータパケットＰｇｂをマスター無線装置１８に送信する。

マスター無線装置１８は、第２スレーブ無線装置２２ＢからのデータパケットＰｇｂの受信に基づいて、第６スレーブ無線装置２２Ｆに組立を示すデータパケットＰｆｆを送信する。第６スレーブ無線装置２２Ｆは、データパケットＰｆｆの受信に基づいて、第２組立治具４８ｂに組立指示を行う。第２組立治具４８ｂは、第６スレーブ無線装置２２Ｆからの指示に基づいて、ワーク４０に対する第１組立作業を行う。第６スレーブ無線装置２２Ｆは、第２組立治具４８ｂによるワーク４０の第１組立作業が終了した段階で、第１組立作業の終了を示すデータパケットＰｇｆをマスター無線装置１８に送信する。マスター無線装置１８は、第６スレーブ無線装置２２ＦからのデータパケットＰｇｆの受信に基づいて、ＰＬＣ１２に第１組立完了信号を出力する。

＜工程３：第２アセンブリ工程＞
マスター無線装置１８は、ＰＬＣ１２からの第２組立信号の入力に基づいて、第３スレーブ無線装置２２Ｃに、第２パーツ供給を示すデータパケットＰｆｃを送信する。第３スレーブ無線装置２２Ｃは、データパケットＰｆｃの受信に基づいて、第３ロボットハンド４６ｃにパーツを供給する指示を行う。第３ロボットハンド４６ｃは、第３スレーブ無線装置２２Ｃからの指示に基づいて、第３組立治具４８ｃにパーツを供給する。第３スレーブ無線装置２２Ｃは、第３ロボットハンド４６ｃによるパーツの供給が終了した段階で、第２パーツ供給の終了を示すデータパケットＰｇｃをマスター無線装置１８に送信する。

マスター無線装置１８は、第３スレーブ無線装置２２ＣからのデータパケットＰｇｃの受信に基づいて、第７スレーブ無線装置２２Ｇに組立を示すデータパケットＰｆｇを送信する。第７スレーブ無線装置２２Ｇは、データパケットＰｆｇの受信に基づいて、第３組立治具４８ｃに組立指示を行う。第３組立治具４８ｃは、第７スレーブ無線装置２２Ｇからの指示に基づいて、ワーク４０に対する第２組立作業を行う。第７スレーブ無線装置２２Ｇは、第３組立治具４８ｃによるワーク４０の第２組立作業が終了した段階で、第２組立作業の終了を示すデータパケットＰｇｇをマスター無線装置１８に送信する。マスター無線装置１８は、第７スレーブ無線装置２２ＧからのデータパケットＰｇｇの受信に基づいて、ＰＬＣ１２に第２組立完了信号を出力する。

＜工程４：アンローダー工程＞
マスター無線装置１８は、ＰＬＣ１２からの搬出開始信号の入力に基づいて、第８スレーブ無線装置２２Ｈに位置決めを示すデータパケットＰｆｈを送信する。第８スレーブ無線装置２２Ｈは、データパケットＰｆｈの受信に基づいて、第４組立治具４８ｄに搬出時の位置決め指示を行う。第４組立治具４８ｄは、第８スレーブ無線装置２２Ｈからの指示に基づいて、ワーク４０の位置決めを行う。第８スレーブ無線装置２２Ｈは、第４組立治具４８ｄによるワーク４０の位置決めが終了した段階で、位置決めの終了を示すデータパケットＰｇｈをマスター無線装置１８に送信する。マスター無線装置１８は、第８スレーブ無線装置２２ＨからのデータパケットＰｇｈの受信に基づいて、第４スレーブ無線装置２２Ｄに、搬出を示すデータパケットＰｆｄを送信する。第４スレーブ無線装置２２Ｄは、データパケットＰｆｄの受信に基づいて、第４ロボットハンド４６ｄにワーク４０を把持する指示を行う。第４ロボットハンド４６ｄは、第４スレーブ無線装置２２Ｄからの指示に基づいて、ワーク４０を把持し、回転テーブル４４外にワーク４０を搬出する。第４スレーブ無線装置２２Ｄは、第４ロボットハンド４６ｄによるワーク４０の搬出が終了した段階で、搬出の終了を示すデータパケットＰｇｄをマスター無線装置１８に送信する。マスター無線装置１８は、第４スレーブ無線装置２２ＤからのデータパケットＰｇｄの受信に基づいて、ＰＬＣ１２に搬出完了信号を出力する。

マスター無線装置１８からの搬出完了信号の出力により、ワーク４０の搬出が完了し、一連の組立工程が終了する。

ＰＬＣ１２から各種指示信号が発生する順番で、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間でデータパケットのやり取りを行うため、データパケットの応答が必要なスレーブ無線装置２２から動作させることができる。すなわち、不要なスレーブ無線装置２２との通信を行う必要がないため、応答速度の向上を図ることができる。

本実施の形態は、周波数ホッピング方式のチャネル数がＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）並みに７９チャネルあるにも関わらず、送信するデータパケットのデータ容量が５０バイト以下と小さいため、各無線通信での送信電力を１ｍＷ以下に抑えることができる。

このように、本実施の形態に係る無線通信システム１０は、産業用設備内の少なくとも監視を行うＰＬＣ１２と、該ＰＬＣ１２とフィールドバス１６で接続された少なくとも１つのマスター無線装置１８と、それぞれ対応する機器２０に設置され、マスター無線装置１８と無線通信を行う複数のスレーブ無線装置２２とを有する。さらに、無線通信システム１０は、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間で無線での接続処理を行う接続処理部３０と、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間で無線でのデータ送受信を行う送受信処理部３６とを有する。

すなわち、ＰＬＣ１２に接続されたマスター無線装置１８と、機器２０（ロボット、溶接ガン、回転治具、モータ等）に設置されたスレーブ無線装置２２との間で、無線での接続処理及び送受信処理を行うようにしたので、機器２０の可動部における信号線の断線リスク等を低減することができ、しかも、設備の設計の自由度を向上させることができる。産業用設備のインテリジェント化の促進につながる。

そして、接続処理部３０は、５００ｍｓｅｃ以内の時間間隔で、マスター無線装置１８から複数のスレーブ無線装置２２に対してブロードキャスト方式で、且つ、同期周波数で無線通信を行い、送受信処理部３６は、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間で周波数ホッピング方式で無線通信を行うようにしている。

すなわち、接続処理部３０は、マスター無線装置１８からスレーブ無線装置２２に対して、周波数ホッピング方式で設定された周波数（同期周波数）で送信し、スレーブ無線装置２２からマスター無線装置１８に対して、周波数ホッピング方式で設定されたＦＨ送信周波数で送信する。一方、送受信処理部３６は、マスター無線装置１８からスレーブ無線装置２２に対して、周波数ホッピング方式で設定されたＦＨ送信周波数で送信し、スレーブ無線装置２２からマスター無線装置１８に対して、新たに周波数ホッピング方式で設定されたＦＨ送信周波数で送信する。

このように、５００ｍｓｅｃ以内の時間間隔で、ブロードキャスト方式で、無線での接続処理を行うことから、例えば治具脱着時の電源投入から通信開始までの時間を短縮することができる。また、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２間で周波数ホッピング方式で無線通信を行うことから、他の無線通信との干渉を防止することができる。

また、本実施の形態では、無線周波数として２．４ＧＨｚ帯を使用し、無線電力を１ｍＷ以下としている。工場等の産業設備のノイズ源（電源線、ロボット、溶接ガン、回転治具、モータ等）から発生されるノイズ周波数より高い無線周波数を採用することから、無線通信のノイズ周波数による影響を低減することができる。また、無線電力を１ｍＷ以下に抑えたので、同一エリア内での他の通信機器への干渉を低減することができる。

さらに、本実施の形態では、接続処理が行われたスレーブ無線装置２２に対して、定期的にマスター無線装置１８の時計情報を送信して、マスター無線装置１８との接続維持処理を行う接続維持処理部３２を有する。

接続処理を終えたスレーブ無線装置２２は、定期的にマスター無線装置１８の時計情報が送信されるため、スレーブ無線装置２２とマスター無線装置１８との間で、時計情報が一致することとなる。その結果、データ送受信等のタイミングを容易に同期させることができる。

また、本実施の形態は、スレーブ無線装置２２からの定期的な送信と、マスター無線装置１８での受信を繰り返すことで、マスター無線装置１８とスレーブ無線装置２２との無線通信が確立していることを確認する接続確認処理部３４を有する。

スレーブ無線装置２２から定期的に送信されているはずが、マスター無線装置１８において受信されない場合に、当該スレーブ無線装置２２が非接続状態と判断する。非接続状態と判断された当該スレーブ無線装置２２からの送信がマスター無線装置１８において受信されれば、当該スレーブ無線装置２２が接続状態であると判断する。これにより、どのスレーブ無線装置２２が接続状態で、どのスレーブ無線装置２２が非接続状態であるかを容易に判断することができ、早期に非接続状態と判断されたスレーブ無線装置２２に対する接続処理あるいはメンテナンス等を行うことができる。

なお、本発明に係る産業用無線通信システムは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…産業用無線通信システム １２…ＰＬＣ
１４…ネットワーク １６…フィールドバス
１８…マスター無線装置 ２０…機器
２２…スレーブ無線装置 ３０…接続処理部
３２…接続維持処理部 ３４…接続確認処理部
３６…送受信処理部 ４０…ワーク
４２…回転式生産設備 ４４…回転テーブル
４６…ロボットハンド ４８…組立治具
５０…供給部

Claims (5)

1. 産業用設備内の少なくとも監視を行うコンピュータと、
   前記コンピュータとフィールドバスで接続された少なくとも１つのマスター無線装置と、
   それぞれ対応する機器に設置され、前記マスター無線装置と無線通信を行う複数のスレーブ無線装置と、
   前記マスター無線装置と前記スレーブ無線装置間で無線での接続処理を行う接続処理部と、
   前記マスター無線装置と前記スレーブ無線装置間で無線でのデータ送受信を行う送受信処理部とを有し、
   前記接続処理部は、５００ｍｓｅｃ以内の時間間隔で、前記マスター無線装置から前記複数のスレーブ無線装置に対してブロードキャスト方式で、且つ、同期周波数で無線通信を行い、
   前記送受信処理部は、前記マスター無線装置と前記スレーブ無線装置間で周波数ホッピング方式で無線通信を行い、前記スレーブ無線装置からの返信がない場合又は前記マスター無線装置からの返信がない場合、所定回数だけリトライし、リトライの回数が上限を超えた場合、送信先のスレーブ無線装置のステータスを非接続とし、前記接続処理部での処理に移行することを特徴とする産業用無線通信システム。
2. 請求項１記載の産業用無線通信システムにおいて、
   無線周波数として２．４ＧＨｚ帯を使用し、
   無線電力が１ｍＷ以下であることを特徴とする産業用無線通信システム。
3. 請求項１又は２記載の産業用無線通信システムにおいて、
   前記接続処理が行われた前記スレーブ無線装置に対して、定期的に前記マスター無線装置の時計情報を送信して、前記マスター無線装置との接続維持処理を行う接続維持処理部を有し、
   前記接続維持処理部は、前記接続処理よりも短い時間間隔で、前記マスター無線装置から前記スレーブ無線装置に対して、前記マスター無線装置の時計情報をブロードキャスト方式で、且つ、同期周波数で無線通信を行うことを特徴とする産業用無線通信システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の産業用無線通信システムにおいて、
   前記スレーブ無線装置からの定期的な送信と、前記マスター無線装置での受信を繰り返すことで、前記マスター無線装置と前記スレーブ無線装置との無線通信が確立していることを確認する接続確認処理部を有し、
   前記接続確認処理部は、前記スレーブ無線装置が、少なくとも接続確認用のデータパケットを定期的に前記マスター無線装置に対して周波数ホッピング方式による送信を行い、
   前記マスター無線装置が、前記スレーブ無線装置との送受信の有無を定期的に確認し、送受信がない場合、そのスレーブ無線装置を非接続状態と判断し、
   前記マスター無線装置において、一旦、非接続状態と判定された前記スレーブ無線装置からデータパケットが送信され、前記マスター無線装置にて受信された場合に、前記マスター無線装置は、当該スレーブ無線装置を接続状態と判定することを特徴とする産業用無線通信システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の産業用無線通信システムにおいて、
   前記マスター無線装置及び前記スレーブ無線装置は近距離無線通信装置を有することを特徴とする産業用無線通信システム。

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