JP7195495B1 - 管理コントローラ、機器通信システム、通信方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

時分割方式を適用したＴＳＮ（Time Sensitive Networking）にてサイクリック通信する管理コントローラ（１０）は、時分割方式における１周期内の通信において、マルチキャスト通信に非対応の第１機器と第１タイムスロットにて通信し、マルチキャスト通信に対応する第２機器と第２タイムスロットにて通信する通信部（１００）と、通信部（１００）が第１タイムスロットにて第１機器から受信したデータを、通信部（１００）により第２タイムスロットにて第２機器に転送する転送部（１０２）と、を備える。

Description

本開示は、管理コントローラ、機器通信システム、通信方法及びプログラムに関する。

ＦＡ（Factory Automation）分野のネットワークは、ネットワーク全体を制御する管理コントローラと制御機器である一般コントローラとが通信するコントローラ間ネットワークと、管理コントローラと入出力機器とが通信するフィールドネットワークとに分かれることが一般的である。また、フィールドネットワークでは１つの機器に対してデータを送信する通信方式であるユニキャスト通信が行われ、コントローラ間ネットワークでは複数の機器に対して一度にデータを送信する通信方式であるマルチキャスト通信が行われることが一般的である。これは、入出力機器はユニキャスト通信にのみ対応し、マルチキャスト通信には対応していないことが一般的だからである。

一方で、ネットワークをコントローラ間ネットワークとフィールドネットワークとに分けずに１のネットワーク内で機器間通信を行う技術も存在する。特許文献１には、高精度に時刻同期されたマスタ装置とスレーブ装置（これらをまとめて通信装置と呼ぶ）とがサイクリック通信を行い、そのサイクリック通信のデータをデータ収集管理装置が収集するデータ収集システムが開示されている。このシステムでは、マルチキャストによりデータを更新するサイクリック通信期間と、ユニキャストによりデータを更新する非サイクリック通信期間を設けることにより、１のネットワーク内で、マルチキャスト通信に対応する通信装置と、マルチキャスト通信に対応しないデータ収集管理装置とが、機器間通信を行うことができる。

特許６８３６６９２号公報

特許文献１のデータ収集システムでは、マルチキャスト通信によりデータを更新するサイクリック通信を行うため、マルチキャスト通信が可能な通信装置のデータしか収集できないという問題がある。そのため、例えば、特許文献１のデータ収集システムでは、入出力機器のデータを容易には収集できない。上述のとおり入出力機器はマルチキャスト通信に対応していないことが一般的であるからである。したがって、特許文献１のデータ収集システムは、ユーザにとって利便性に欠ける。

本開示は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、マルチキャスト通信に対応する機器とマルチキャスト通信に非対応の機器とが混在するネットワークにおいてユーザの利便性がよい管理コントローラ等を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本開示に係る管理コントローラは、時分割方式を適用したＴＳＮ（Time Sensitive Networking）にて通信する管理コントローラであって、時分割方式における１周期内の通信において、マルチキャスト通信に非対応の第１機器と第１タイムスロットにて通信し、マルチキャスト通信に対応する第２機器と第２タイムスロットにて通信する通信手段と、通信手段が第１タイムスロットにて第１機器から受信したデータを、通信手段により第２タイムスロットにて第２機器に転送する転送手段と、を備える。

本開示によれば、マルチキャスト通信に対応する機器とマルチキャスト通信に非対応の機器とが混在するネットワークにおいてユーザの利便性がよい管理コントローラ等を提供できる。

本開示の実施の形態に係る機器通信システムの全体構成を示す図 本開示の実施の形態に係る機器通信システムにおけるサイクリック通信の一例を示すシーケンス図 本開示の実施の形態に係る管理コントローラの機能的構成を示す図 本開示の実施の形態に係る管理コントローラにおけるサイクリックメモリの一例を示す図 本開示の実施の形態に係る管理コントローラのハードウェア構成の一例を示す図 本開示の実施の形態に係る管理コントローラによる機器識別の動作の一例を説明するフローチャート 本開示の実施の形態に係る管理コントローラによる機器通信の動作の一例を説明するフローチャート

以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態に係る機器通信システムを説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。

（実施の形態）
図１を参照しながら、実施の形態に係る機器通信システム１を説明する。機器通信システム１は、例えば工場内ネットワーク上にて構築される機器通信システムである。機器通信システム１は、管理コントローラ１０と、１以上の一般コントローラ２０と、１以上の入出力機器３０とを備える。図１においては、２の一般コントローラ２０と１の入出力機器３０とが示されている。また、２の一般コントローラ２０をそれぞれ一般コントローラ２０－１，２０－２としている。以下では、これらの一般コントローラ２０を区別する必要がないときは単に一般コントローラ２０という。図１においては、ネットワークはライン型だが、バス型、スター型などのネットワークであってもよいし、複数の型が混在するネットワークであってもよい。機器通信システム１は、本開示に係る機器通信システムの一例である。

以下、管理コントローラ１０、一般コントローラ２０及び入出力機器３０を総称して「機器」ということがある。

機器通信システム１では、各機器は時分割方式を適用したＴＳＮ（Time Sensitive Networking）によるサイクリック通信にて通信する。サイクリック通信を行うために、各機器は時刻同期プロトコルにより高精度に時刻同期されている。機器通信システム１において、管理コントローラ１０と一般コントローラ２０とはマルチキャストにて通信し、管理コントローラ１０と入出力機器３０とはユニキャストにて通信する。一般コントローラ２０と入出力機器３０とは直接通信できない。管理コントローラ１０と一般コントローラ２０とは、マルチキャスト通信に対応しているが、入出力機器３０はマルチキャスト通信に非対応である。ここで、「マルチキャスト通信に非対応」とは、複数の機器に同時にデータを送信することができず、かつマルチキャスト通信にて送信されたフレームを処理することもできないことをいう。

管理コントローラ１０及び一般コントローラ２０は、例えばプログラマブルロジックコントローラである。入出力機器３０は、例えばセンサ及びアクチュエータである。管理コントローラ１０の機能的構成については後述する。管理コントローラ１０は、本開示に係る管理コントローラの一例である。一般コントローラ２０は、本開示に係る一般コントローラ及び第２機器の一例である。入出力機器３０は、本開示に係る入出力機器及び第１機器の一例である。

上記のとおり、一般コントローラ２０と入出力機器３０とは直接通信できないため、一般コントローラ２０が入出力機器３０を制御するには、一般コントローラ２０が管理コントローラ１０と通信し、その通信に基づいて管理コントローラ１０が入出力機器３０と通信することとなる。

図２を参照しながら、機器通信システム１におけるサイクリック通信の一例を説明する。各機器は、周期Ｔを１単位としてサイクリック通信を行う。また、１周期の間には、少なくとも第１タイムスロットＴＳ１にてユニキャスト通信が行われ、第２タイムスロットＴＳ２にてマルチキャスト通信が行われる。また、その他の通信が第３タイムスロットＴＳｘ及び第４タイムスロットＴＳｙにて行われるものであってもよい。その他の通信とは、例えばサイクリック通信とは別に行われる非定周期通信である。あるいは、第３タイムスロットＴＳｘ及び第４タイムスロットＴＳｙはなくてもよい。以下では、第３タイムスロットＴＳｘ及び第４タイムスロットＴＳｙはないものとして、より詳細に説明する。

まず、管理コントローラ１０が、ユニキャスト通信により入出力機器３０にデータを送信し（ステップＵ１）、入出力機器３０がユニキャスト通信により管理コントローラ１０にデータを送信する（ステップＵ２）。ステップＵ１及びＵ２におけるユニキャスト通信は、第１タイムスロットＴＳ１の期間内に行われる。

次に、管理コントローラ１０が、マルチキャスト通信により各一般コントローラ２０に一度にデータを送信し（ステップＭ１）、各一般コントローラ２０がそれぞれマルチキャスト通信により管理コントローラ１０及び他の一般コントローラ２０にデータを送信する（ステップＭ２，Ｍ３）。ステップＭ１，Ｍ２及びＭ３におけるマルチキャスト通信は、第２タイムスロットＴＳ２の期間内に行われる。ここまでで、サイクリック通信の１周期内におけるユニキャスト通信及びマルチキャスト通信が完了する。

このように、サイクリック通信の１周期内において、まず第１タイムスロットＴＳ１にて管理コントローラ１０がユニキャスト通信により入出力機器３０と通信し、その後に第２タイムスロットＴＳ２にて管理コントローラ１０がマルチキャスト通信により各一般コントローラ２０と通信することにより、サイクリック通信の１周期内にて、入出力機器３０から受信したデータを一般コントローラ２０に送信することができる。具体的にどのようにして入出力機器３０から受信したデータを一般コントローラ２０に送信するかについては後述する。

次に、図３を参照しながら、管理コントローラ１０の機能的構成を説明する。管理コントローラ１０は、通信部１００と通信制御部１０１と転送部１０２と識別部１０３と記憶部１０４とを備える。

通信部１００は、通信制御部１０１の制御に基づいて、入出力機器３０とユニキャスト通信をし、一般コントローラ２０とマルチキャスト通信をする。通信部１００は、本開示に係る通信手段の一例である。

通信制御部１０１は、現時点がサイクリック通信におけるどのタイムスロットに属するかを判定し、タイムスロットに応じた通信制御を行う。例えば、現時点が図２における第１タイムスロットＴＳ１に属するとき、通信制御部１０１は、ユニキャスト通信により入出力機器３０と通信するように通信部１００を制御する。現時点が図２における第２タイムスロットＴＳ２に属するとき、通信制御部１０１は、マルチキャスト通信により各一般コントローラ２０と通信するように通信部１００を制御する。

また、通信制御部１０１は、通信部１００が受信したデータを後述する転送部１０２に出力する。また、通信制御部１０１は、転送部１０２が通信制御部１０１に出力したデータに基づいて通信部１００を制御する。詳細は後述するが、これにより、管理コントローラ１０は、入出力機器３０がユニキャスト通信により管理コントローラ１０に送信したデータを、マルチキャスト通信により一般コントローラ２０に転送することができる。また、同様に、管理コントローラ１０は、一般コントローラ２０がマルチキャスト通信により管理コントローラ１０に送信したデータを、ユニキャスト通信により入出力機器３０に転送することができる。

なお、通信制御部１０１は、機器管理システム１の各機器のうちどの機器がマルチキャストに対応し、どの機器がマルチキャストに非対応であるかを、後述の識別部１０３により判定し、判定結果に応じた通信制御を行う。

転送部１０２は、通信部１００が受信し通信制御部１０１が出力したデータを、後述の手法により記憶部１０４のサイクリックメモリに保存する。転送部１０２は、記憶部１０４のサイクリックメモリからデータを読み込んで通信制御部１０１に出力する。これにより、結果として入出力機器３０から一般コントローラ２０にデータを転送し、一般コントローラ２０から入出力機器３０へデータを転送できる。転送部１０２は、本開示に係る転送手段の一例である。

以下、図４を参照しながら、記憶部１０４のサイクリックメモリを説明する。図４に示すように、サイクリックメモリは、各機器から受信したデータ及び各機器に送信するデータをそれぞれ別個に保存する。転送部１０２は、通信部１００が受信し通信制御部１０１が出力したデータを、送信元の機器ごとにサイクリックメモリに保存する。

転送部１０２は、サイクリックメモリに保存されたデータのうち、送信先の機器に送信すべきデータを読み込んで通信制御部１０１に出力する。「送信先の機器」は、現時点がサイクリック通信におけるどのタイムスロットに属するかに応じて入出力機器３０であるか一般コントローラ２０であるかが異なるので、「送信先の機器に送信すべきデータ」も、現時点がサイクリック通信におけるどのタイムスロットに属するかに応じて異なる。

例えば、現時点が第１タイムスロットＴＳ１でありユニキャスト通信により入出力機器３０と通信する場合を考える。この場合、転送部１０２は、「入出力機器３０に送信するデータ」「一般コントローラ２０－１から受信したデータ」及び「一般コントローラ２０－２から受信したデータ」を通信制御部１０１に出力する。同様に、現時点が第２タイムスロットＴＳ２でありマルチキャスト通信により一般コントローラ２０と通信する場合、転送部１０２は、「入出力機器３０から受信したデータ」「一般コントローラ２０－１に送信するデータ」及び「一般コントローラ２０－２に送信するデータ」を通信制御部１０１に出力する。

識別部１０３は、管理コントローラ１０の通信対象となる機器のうち、どの機器がマルチキャスト通信に対応し、どの機器がマルチキャスト通信に非対応であるかを識別する。識別部１０３は、例えば接続機器検出フレームを全ての機器にブロードキャストし、各機器が接続機器検出フレームに対して応答した機器情報に基づいて、どの機器がマルチキャスト通信に対応し、どの機器がマルチキャスト通信に非対応であるかを識別する。機器情報は、例えばマルチキャスト通信に対応しているか否かを示す情報を含む。一般コントローラ２０が応答する機器情報は、マルチキャストに対応している旨の情報を含む。入出力機器３０が応答する機器情報は、マルチキャストに対応していない旨の情報を含む。

識別部１０３は、識別結果を示す情報を記憶部１０４に保存する。通信制御部１０１は、記憶部１０４に保存された識別結果を示す情報を参照して、現時点が第１タイムスロットＴＳ１に属するときにはマルチキャスト通信に対応していない機器を通信対象としたユニキャスト通信を行い、現時点が第２タイムスロットＴＳ２に属するときにはマルチキャスト通信に対応した機器を通信対象としたマルチキャスト通信を行う。識別部１０３は、本開示に係る識別手段の一例である。

記憶部１０４は、上述のサイクリックメモリと、識別部１０３による識別結果を示す情報とを保存する。

次に、管理コントローラ１０のハードウェア構成の一例を、図５を参照しながら説明する。図５に示す管理コントローラ１０は、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコントローラなどのコンピュータにより実現される。

管理コントローラ１０は、バス１０００を介して互いに接続された、プロセッサ１００１と、メモリ１００２と、インタフェース１００３と、二次記憶装置１００４と、を備える。

プロセッサ１００１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）である。プロセッサ１００１が、二次記憶装置１００４に記憶された動作プログラムをメモリ１００２に読み込んで実行することにより、管理コントローラ１０の各機能が実現される。

メモリ１００２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）により構成される主記憶装置である。メモリ１００２は、プロセッサ１００１が二次記憶装置１００４から読み込んだ動作プログラムを記憶する。また、メモリ１００２は、プロセッサ１００１が動作プログラムを実行する際のワークメモリとして機能する。メモリ１００２により、記憶部１０４の機能が実現される。

インタフェース１００３は、例えばシリアルポート、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポート、ネットワークインタフェースなどのＩ／Ｏ（Input/Output）インタフェースである。インタフェース１００３により、通信部１００の機能が実現される。

二次記憶装置１００４は、例えば、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）である。二次記憶装置１００４は、プロセッサ１００１が実行する動作プログラムを記憶する。

次に、図６を参照しながら、管理コントローラ１０による機器識別の動作の一例を説明する。機器識別とは、どの機器がマルチキャスト通信に対応しどの機器がマルチキャスト通信に対応していないかを識別することである。図６に示す動作は、例えば初めて機器通信システム１が構築された際に実行される。

管理コントローラ１０の識別部１０３は、接続機器検出フレームを通信対象となる全ての機器にブロードキャストする（ステップＳ１０１）。

識別部１０３は、通信部１００が接続機器検出フレームに対する応答の機器情報を受信するのを待ち受ける（ステップＳ１０２）。

通信部１００がステップＳ１０２にて応答の機器情報を受信すると、識別部１０３は、機器情報に基づいて、応答した機器がマルチキャスト通信に対応しているか否かを識別する（ステップＳ１０３）。

識別部１０３は、ステップＳ１０３の識別結果を示す情報を記憶部１０４に保存する（ステップＳ１０４）。

識別部１０３は、通信対象となる全ての機器から機器情報を受信したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。全ての機器からは機器情報を受信していないとき（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、識別部１０３はステップＳ１０２からの動作を繰り返す。全ての機器から機器情報を受信したとき（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、識別部１０３は機器識別の動作を終了する。

次に、図７を参照しながら、管理コントローラ１０による機器通信の動作の一例を説明する。図７に示す動作は、例えば図６に示す動作の終了後に実行される。

管理コントローラ１０の通信制御部１０１は、現在時刻が第１タイムスロットＴＳ１の開始時点を経過するまで待機する（ステップＳ２０１）。

ステップＳ２０１にて現在時刻が第１タイムスロットＴＳ１の開始時点を経過すると、転送部１０２は、入出力機器３０に送信するデータを記憶部１０４のサイクリックメモリから読み込む（ステップＳ２０２）。読み込んだデータは、通信制御部１０１に出力される。

通信制御部１０１は、通信部１００を制御して、ユニキャスト通信で入出力機器３０と通信する（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０２にて読み込んだデータは、このステップにて入出力機器３０に送信される。

転送部１０２は、ステップＳ２０３にて通信部１００が入出力機器３０から受信したデータを記憶部１０４のサイクリックメモリに保存する（ステップＳ２０４）。

通信制御部１０１は、現在時刻が第２タイムスロットＴＳ２の開始時点を経過するまで待機する（ステップＳ２０５）。

ステップＳ２０５にて現在時刻が第２タイムスロットＴＳ２の開始時点を経過すると、転送部１０２は、一般コントローラ２０に送信するデータを記憶部１０４のサイクリックメモリから読み込む（ステップＳ２０６）。読み込んだデータは、通信制御部１０１に出力される。

通信制御部１０１は、通信部１００を制御して、マルチキャスト通信で一般コントローラ２０と通信する（ステップＳ２０７）。ステップＳ２０６にて読み込んだデータは、このステップにて一般コントローラ２０に送信される。

転送部１０２は、ステップＳ２０７にて通信部１００が一般コントローラ２０から受信したデータを記憶部１０４のサイクリックメモリに保存する（ステップＳ２０８）。そして通信制御部１０１は、ステップＳ２０１からの動作を繰り返す。

以上、実施の形態に係る機器通信システム１を説明した。機器通信システム１によれば、管理コントローラ１０が転送部１０２により各機器から受信したデータを適切なタイミングで適切に転送するので、マルチキャスト通信に対応する機器とマルチキャスト通信に非対応の機器とが混在するネットワークにおいてユーザの利便性がよい。例えば、機器通信システム１によれば、ユーザがマルチキャスト通信非対応の入出力機器３０からマルチキャスト通信対応の一般コントローラ２０へのデータ送信が必要なときに、ユーザが専用のプログラムを作成して対応する必要がないため、ユーザの利便性がよい。

（変形例）
図５に示すハードウェア構成においては、管理コントローラ１０が二次記憶装置１００４を備えている。しかし、これに限らず、二次記憶装置１００４を管理コントローラ１０の外部に設け、インタフェース１００３を介して管理コントローラ１０と二次記憶装置１００４とが接続される形態としてもよい。この形態においては、ＵＳＢフラッシュドライブ、メモリカードなどのリムーバブルメディアも二次記憶装置１００４として使用可能である。

また、図５に示すハードウェア構成に代えて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit：特定用途向け集積回路）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いた専用回路により管理コントローラ１０を構成してもよい。また、図５に示すハードウェア構成において、管理コントローラ１０の機能の一部を、例えばインタフェース１００３に接続された専用回路により実現してもよい。

管理コントローラ１０で用いられるプログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＵＳＢフラッシュドライブ、メモリカード、ＨＤＤ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布することが可能である。そして、かかるプログラムを特定の又は汎用のコンピュータにインストールすることによって、当該コンピュータを管理コントローラ１０として機能させることが可能である。

また、上述のプログラムをインターネット上の他のサーバが有する記憶装置に格納しておき、当該サーバから上述のプログラムがダウンロードされるようにしてもよい。

本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。つまり、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、本開示の範囲内とみなされる。

１ 機器通信システム、１０ 管理コントローラ、２０，２０－１，２０－２ 一般コントローラ、３０ 入出力機器、１００ 通信部、１０１ 通信制御部、１０２ 転送部、１０３ 識別部、１０４ 記憶部、１０００ バス、１００１ プロセッサ、１００２ メモリ、１００３ インタフェース、１００４ 二次記憶装置、ＴＳ１ 第１タイムスロット、ＴＳ２ 第２タイムスロット、ＴＳｘ 第３タイムスロット、ＴＳｙ 第４タイムスロット。

Claims (8)

1. 時分割方式を適用したＴＳＮ（Time Sensitive Networking）にてサイクリック通信する管理コントローラであって、
   前記時分割方式における１周期内の通信において、マルチキャスト通信に非対応の第１機器と第１タイムスロットにて通信し、マルチキャスト通信に対応する第２機器と第２タイムスロットにて通信する通信手段と、
   前記通信手段が前記第１タイムスロットにて前記第１機器から受信したデータを、前記通信手段により前記第２タイムスロットにて前記第２機器に転送する転送手段と、
   を備える管理コントローラ。
2. 前記第１機器は入出力機器であり、前記第２機器は前記入出力機器を制御する一般コントローラであり、
   前記１周期内の通信においては、前記第１タイムスロットによる通信が前記第２タイムスロットによる通信よりも前に行われる、
   請求項１に記載の管理コントローラ。
3. 前記通信手段は、前記第１タイムスロットよりも後かつ前記第２タイムスロットよりも前の第３タイムスロットにて非定周期通信を行う、
   請求項２に記載の管理コントローラ。
4. 通信手段による通信対象となる機器が第１機器であるか第２機器であるかを識別する識別手段をさらに備える、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の管理コントローラ。
5. 前記識別手段は、前記通信手段にて接続機器検出フレームを前記通信対象となる機器にブロードキャストし、前記通信対象となる機器が前記接続機器検出フレームに対して応答した機器情報に基づいて、前記通信対象となる機器が第１機器であるか第２機器であるかを識別する、
   請求項４に記載の管理コントローラ。
6. 請求項１から３のいずれか１項に記載の管理コントローラと、前記第１機器と、前記第２機器とを備える、
   機器通信システム。
7. 時分割方式を適用したＴＳＮ（Time Sensitive Networking）にてサイクリック通信する通信方法であって、
   前記時分割方式における１周期内の通信において、マルチキャスト通信に非対応の第１機器と第１タイムスロットにて通信し、マルチキャスト通信に対応する第２機器と第２タイムスロットにて通信し、
   前記第１タイムスロットにて前記第１機器から受信したデータを、前記第２タイムスロットにて前記第２機器に転送する、
   通信方法。
8. コンピュータに、請求項７に記載の通信方法を実行させるプログラム。

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