JPH11232581A - 分散制御システムの通信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】データ衝突時における、フレームのデータ部の
信頼性を向上させ、データの伝送路占有時間を短縮化す
ることが可能な、分散制御システムの通信装置を実現す
る。 【解決手段】データフレームのデータ部では、入力信号
１３が、ハイレベル、ローレベルのいずれの状態の場合
でも、プッシュプル回路用ドライバ２０及びプッシュプ
ル回路１１、１２により、常に伝送路４をドライブして
おり、データ調停部２３のように伝送路４をドライブし
ない状態はない。このため、伝送路４上の負荷容量に貯
まった電荷を、ターミネータ１７の抵抗値により消費し
て電圧を落とす必要が無く、ノイズ、磁場変化等の影響
を受けること無く、データ衝突時に、安定してデータを
送信でき、信頼性の高い分散制御システムの通信装置
を、安価な回路で実現することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、信号伝送路で接続
された複数のコントローラにより、計測・制御に行う分
散制御システムの通信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プロセスオートメーションやファクトリ
ーオートメーションのようなシステムでは、圧力、温
度、流量などの物理量を検出するセンサ、流量などを制
御するバルブ、機械を駆動するモータ、位置検出を行う
フォトセンサなど、フィールド機器と呼ばれる機器が多
数利用されている。これらのフィールド機器は、一般に
コントローラにより制御され測定結果が処理される。

【０００３】コントローラとフィールド機器とをそれぞ
れ複数配置し、各コントローラをネットワークで接続し
て統一的に管理できるようにした分散制御システムがあ
る。このシステムは、例えば、図７に示すように、計測
・制御対象の各種機器に対応して設けられた複数のコン
トローラ１ａ〜１ｎと、コントローラ１ａ〜１ｎを共通
に接続する信号伝送路４により構成される。

【０００４】各コントローラ１ａ〜１ｎは、信号伝送路
４を介して時分割方式の通信を行う。例えば、図７、図
８に示すように、コントローラ１ａが自分のステイタス
や温度情報などの測定値をデータａ１として送信する
と、コントローラ１ｂが、データａ１と自らの情報を演
算し、その結果をデータｂとして送信する。コントロー
ラ１ａはデータｂを受信し、データａ２として送信す
る。

【０００５】また、コントローラ１ｎもコントローラ１
ｂと同じくデータａ１を受信しており、このデータａ１
に基づいて、接続されているアクチュエータやバルブな
どを動作させ、動作終了時に、その動作結果をデータｎ
として送信する。

【０００６】また、コントローラ１ｃは、データａ２と
データｎとに基づいて、接続されているバルブやアクチ
ュエータを動作させる。このように、各コントローラ１
ａ〜１ｎは、自分に必要なデータを受け取り、その動作
結果を伝送路４に送信している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、各コン
トローラ１ａ〜１ｎは、ある程度のシーケンス制御をし
ているものの、並列に処理を行ったり、異常結果を送信
するなどの場合には、各コントローラの互いのデータが
衝突する可能性が高い。

【０００８】データが衝突した場合、情報系のネットワ
ークの多くに採用されているＣＳＭＡ／ＣＤ方式のよう
に、衝突したフレームを破棄して、各コントローラが持
つランダムな時間だけ待ってから、再送信する方式が有
るが、再送信に衝突しないという保証はないため、最悪
時間、つまり、データ送信の最悪遅延時間を規定するこ
とができない。

【０００９】そのため、フィールドネットワークのよう
に、高速応答性が必要なシステムにおいては、衝突時で
も、一番優先度の高いフレームが生き残れるようにする
ために、オープンドレイン方式の伝送形態を使用してい
る。これは、信号伝送路の状態とドライバの状態の違い
を利用している。

【００１０】すなわち、データ送信時、信号フレームの
データ調停部では、オンオフが繰り返されており、デー
タが衝突した場合、衝突したフレームをドライブしてい
るコントローラが、ドライバオン時（データ調停部にお
ける信号が、オン状態）とドライバオフ時（データ調停
部における信号が、オフ状態）であれば、伝送路上には
ドライバオン時の状態が反映される。

【００１１】したがって、ドライバオフ時のコントロー
ラは、伝送路上の状態とドライブ状態とに食い違いが起
き、これが起きたコントローラはデータ送信を終了す
る。つまり、ドライバオン時のコントローラが優先され
る。このため、複数のコントローラからのデータ衝突が
生じた場合、データ調停部全てのビットで、この作業を
繰り返せば、最終的には１つのコントローラのみが伝送
路を占有することとなる。

【００１２】これにより、衝突時でもただ一つのフレー
ムが生き残り、データ送信時の最悪時間は規定可能とな
っている。このオープンドレイン方式は、ドライバオン
時は、ドライバの能力が規定する時間内に伝送路の状態
を高速に変化させる（データのオンオフ周期を高速化す
る）ことが出来る。

【００１３】しかし、ドライバオフ時には、伝送路上に
設けているターミネータの抵抗値と伝送路上の容量成分
で決定される立ち上がり時間（インパルス入力）以上の
伝送速度が出せない。

【００１４】すなわち、伝送路上の負荷容量に貯まった
電荷を、ターミネータの抵抗値により消費して電圧を落
とすという物理的な構成となるため、ノイズ、磁場変化
等の耐性に問題が有り、立ち上がり時は非常に不安定な
状態となる。

【００１５】また、ドライバオフ時のデータの変化時間
でデータ通信速度を規定せざるを得ず、データの通信速
度を低くしなければならない。すなわち、データの伝送
路占有時間を長くしなければならないという通信性能上
の問題もある。

【００１６】一方、各データは受信されたことを確認し
なければ、次のシーケンス制御に移れないため、再送信
する必要が有る。高速な処理を必要とする場合、送信と
その送信に対する応答を高速に行う必要が有る。

【００１７】また、送信するコントローラは複数にわた
るため、それぞれのデータの伝送路の占有時間を短くす
る必要が有る。これには、データ長を短くするか、通信
速度を上げるかの２つしか方法はないが、ビット伝送・
バイト伝送を基本とするフィールドネットワークでは、
そもそものデータ長が短いため、これ以上のデータ長の
短縮は無理であり、後者の方法を取らざるを得ない。

【００１８】そこで、本発明の目的は、データ衝突時に
おける、フレームのデータ部の信頼性を向上させ、デー
タの伝送路占有時間を短縮化することが可能な、分散制
御システムの通信装置を実現することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】（１）本発明は、上記目
的を達成するため、次のように構成される。すなわち、
対象機器の計測もしくは制御を行う複数のコントローラ
と、これら複数のコントローラに共通に接続される信号
伝送路とで構成され、上記コントローラ間の通信は、複
数のコントローラからの通信信号のフレームが互いに衝
突しても、一つの通信信号のフレームが伝送路中に残留
するためのデータ調停部と、実際のデータ部分であるデ
ータ部とを有する、通信信号によって行われる分散制御
システムの通信装置において、上記コントローラは、送
信する通信信号がハイレベル、ローレベルのいずれであ
っても、上記伝送路に上記通信信号を伝送するプッシュ
プル形機能と、送信する通信信号がハイレベルかローレ
ベルかのいずれか一方の信号を上記伝送路に伝送するオ
ープンドレイン形機能とを有するプッシュプル手段と、
上記送信する通信信号のデータ調停部では、上記プッシ
ュプル手段の動作をオープンドレイン形とし、上記送信
する通信信号のデータ部では、上記プッシュプル手段の
機能を、プッシュプル形とするプッシュプル手段用ドラ
イバと、を備える。

【００２０】このような通信システムでは、フレーム中
のデータ部が、プッシュプル手段によって駆動され、送
信する通信信号がハイレベル、ローレベルのいずれであ
っても、通信信号を伝送路に伝送するプッシュプル形機
能となるため、データの安定性を向上できる。また、こ
の方式はオープンドレイン形の機能とプッシュプル形の
機能とを、プッシュプル形の手段で実行できるため、簡
単な構成により実現できる。

【００２１】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記フレーム中のデータ調停部の通信速度と上記データ
部の通信速度とを変え、上記データ部の通信速度を上記
データ調停部の通信速度よりも高速とする。

【００２２】このような通信システムでは、データ調停
時には、オープンドレイン形の機能となるため、データ
衝突時でもデータの優先度の一番高いフレームが残留
し、データ部では、オープンドレイン形の機能となるデ
ータ調停部に規定される通信速度以上の速度を適用する
ことが可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、図面を
用いて、本発明の実施の形態について説明する。図１
は、本発明の第１の実施形態に係る分散制御システムの
全体概略構成図である。図示するように、分散制御シス
テムは、計測・制御対象の複数の機器３００に対応して
設けられた複数のコントローラ１００と、各コントロー
ラ１００に共通に接続される信号伝送路４（ＤＡＴＡ
Ａの伝送路である伝送路１５、ＤＡＴＡ Ｂの伝送路で
ある伝送路１６）とを有する。

【００２４】各コントローラ１００は、図２に示すよう
に、ＤＡＴＡ Ａの伝送路である伝送路１５、ＤＡＴＡ
Ｂの伝送路である伝送路１６、及びターミネータ１７
で構成される伝送路中に接続された、ドライバ２２、プ
ッシュプル回路１１、１２と、プッシュプル回路用ドラ
イバ２０、イネーブルコントロール素子２１とを有して
いる。

【００２５】そして、プッシュプル回路１１は、トラン
ジスタ１１ａと１１ｂとを有し、トランジスタ１１ａの
エミッタと、トランジスタ１１ｂのエミッタとが互いに
接続され、トランジスタ１１ｂのコレクタが接地されて
いる。また、トランジスタ１１ａと１１ｂの互いのエミ
ッタの接続点は、ドライバ２２の一方の入力端子に接続
されるとともに、伝送路１５に接続される。

【００２６】また、プッシュプル回路１２は、トランジ
スタ１２ａと１２ｂとを有し、トランジスタ１２ａのエ
ミッタと、トランジスタ１２ｂのエミッタとが互いに接
続され、トランジスタ１２ｂのコレクタが接地されてい
る。また、トランジスタ１２ａと１２ｂの互いのエミッ
タの接続点は、ドライバ２２の他方の入力端子に接続さ
れるとともに、伝送路１６に接続される。また、プッシ
ュプル回路用ドライバ２０は、オンオフ用ドライバ２０
ａとオンオフ用ドライバ２０ｂとを有している。

【００２７】イネーブルコントロール素子２１には、イ
ネーブル端子１８からのイネーブル信号と、入力信号
（送信する通信信号）１３とが入力され、このイネーブ
ルコントロール素子２１の出力信号は、プッシュプル回
路用ドライバ２０のオンオフ用ドライバ２０ａの入力端
子に供給される。

【００２８】オンオフ用ドライバ２０ａの一方の出力信
号は、プッシュプル回路１１のトランジスタ１１ｂのベ
ースに供給される。また、オンオフ用ドライバ２０ａの
他方の出力信号は、否定された後、プッシュプル回路１
２のトランジスタ１２ａのベースに供給される。

【００２９】また、入力信号１３は、プッシュプル用ド
ライバ２０のオンオフ用ドライバ２０ｂの入力端子に否
定された後、供給される。オンオフ用ドライバ２０ｂの
一方の出力信号は、プッシュプル回路１２のトランジス
タ１２ｂのベースに供給される。また、オンオフ用ドラ
イバ２０ｂの他方の出力信号は、否定された後、プッシ
ュプル回路１１のトランジスタ１１ａのベースに供給さ
れる。

【００３０】プッシュプル回路１１、１２は、送信する
通信信号がハイレベル、ローレベル、つまり、ディジタ
ル信号の“０”又は“１”のいずれであっても、伝送路
４を駆動（ドライブ）するプッシュプル形機能と、送信
する通信信号がハイレベルかローレベルかに応じて、伝
送路４の駆動と非駆動とを切り替えるオープンドレイン
形機能とを有する。

【００３１】次に、本発明の特徴であるフレーム中のデ
ータ部の波形安定性を図２及び図３を用いて説明する。
送信するデータがある場合、まず、入力信号１３とし
て、Ｓｔａｒｔ ＯｆＦｒａｍｅが、プッシュプル回路
用ドライバ２０に供給され、プッシュプル回路１１、１
２を通して、ＤＡＴＡ Ａの伝送路１５及びＤＡＴＡ
Ｂの伝送路１６とがドライブされる。続いて、各コント
ローラ固有の値が、入力信号１３として、データ調停部
２３がプッシュプル回路用ドライバ２０に供給される。

【００３２】このとき、入力信号１３がローレベルの場
合、プッシュプル回路１１、１２は、ＤＡＴＡ Ａの伝
送路１５、ＤＡＴＡ Ｂの伝送路１６をドライブする
が、入力信号１３が、ハイレベルの場合は、プッシュプ
ル回路１１、１２は、ＤＡＴＡＡの伝送路１５、ＤＡＴ
Ａ Ｂの伝送路１６をドライブしない。そのときの波形
を示したのが図３である。このとき、イネーブル端子１
８はローレベルのままである。

【００３３】同時に送信したコントローラ１００が他に
有るとすると、データ調停部２３で、調停をおこなう。
すなわち、各コントローラ１００は、常に、伝送路４を
ドライバ回路２２からの出力信号１４で、他のコントロ
ーラ１００が同時にデータを送信しているか否かを監視
し、他のコントローラ１００がデータを送信していなけ
れば、自分のデータを送信するようになっている。

【００３４】しかし、複数のコントローラ１００が、同
時にデータを送信した場合、データは衝突するが、伝送
路４には、プッシュプル回路１１、１２がドライブして
いる状態、すなわち、入力信号１３がローレベルのコン
トローラのデータが現れる。各コントローラ１００は、
入力信号１３と出力信号１４とを比較し、矛盾が有れ
ば、送信を取りやめる構成となっているため、データ調
停部２３の終了時には、ただ一つのコントローラ１００
しか送信状態に無いこととなる。

【００３５】しかし、図３に示すように、プッシュプル
回路１１、１２が、オフ時のデータは、伝送路４上の容
量性負荷に貯えられた電荷を抵抗性分が消費する速度、
すなわち、（Ｖ［ＤＡＴＡ Ａ］−Ｖ［ＤＡＴＡ
Ｂ］）・（１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ））という式で表さ
れる速度でＤＡＴＡ Ａの伝送路１５とＤＡＴＡ Ｂの
伝送路１６との電圧差がなくなる。ただし、Ｖ［ＤＡＴ
Ａ Ａ］は、伝送路１５の電圧、Ｖ［ＤＡＴＡ Ｂ］は
伝送路１６の電圧、ｔは時間、Ｒは伝送路４の等価抵
抗、Ｃは伝送路４の等価静電容量である。

【００３６】送信を取りやめなかった唯一のコントロー
ラは、データ調停部２３が終了した後に、データ部２４
を送信する。この時、イネーブル端子１８をハイレベル
とする。入力信号１３がローレベルとされた場合は、上
述したデータ調停部２３と同じ動作となる。

【００３７】入力信号１３がハイレベルとされた場合、
イネーブルコントロール素子２１とプッシュプル回路用
ドライバ２０とプッシュプル回路１１、１２とを介して
伝送路４をドライブする。すなわち、入力信号１３がハ
イレベル、ローレベルとなった場合のいずれの状態の場
合でも、伝送路４はドライブされている状態となる。

【００３８】以上のように、本発明の第１の実施形態で
ある分散制御システムの通信装置によれば、データフレ
ームのデータ部２４では、入力信号１３が、ハイレベ
ル、ローレベルのいずれの状態の場合でも、プッシュプ
ル回路用ドライバ２０及びプッシュプル回路１１、１２
により、常に伝送路４をドライブしており、データ調停
部２３のように伝送路４をドライブしない状態はない。

【００３９】このため、伝送路４上の負荷容量に貯まっ
た電荷を、ターミネータ１７の抵抗値により消費して電
圧を落とす必要が無く、ノイズ、磁場変化等の影響を受
ける事無く、データ衝突時に、安定してデータを送信で
き、信頼性の高い分散制御システムの通信装置を、安価
な回路で実現することが出来る。

【００４０】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実
施形態に係る分散制御システムの概略構成図である。図
４において、各コントローラ５００は、図５に示す速度
変換回路３１を有する点を除き、上述した第１の実施形
態におけるコントローラ１００と、同じ構成を有する。

【００４１】つまり、入力信号３３が速度変換回路３１
に入力され、この速度変換回路３１の出力信号が、イネ
ーブル端子１８からのイネーブル信号及び入力信号１３
となる。そして、イネーブル信号及び入力信号１３がイ
ネーブルコントロール素子２１に入力され、入力信号１
３は、オンオフ用ドライバ２０ｂに入力される。これ以
降の回路構成は、第１の実施形態と同様となる。

【００４２】ここで、速度変換回路３１は、データ調停
部２３以外のデータ部分で通信速度をｎ倍する機能を実
現している。

【００４３】速度変換回路３１を備えていないコントロ
ーラ１００の場合、データ調停部２３で、入力信号１３
がハイレベルとなった場合の波形により、通信速度の上
限が決定されていた。

【００４４】すなわち、プッシュプル回路１１、１２が
オフの時の伝送路４の電荷が消費されるまでの時間以上
の通信速度は出せないこととなる。

【００４５】これに対して、通信速度変換回路３１を設
けた第２の実施形態では、データ調停部２３とデータ部
３２の通信速度を変え、データ調停部２３に依存しない
通信速度でデータ送信が可能となる。

【００４６】次に、データ部３２の動作について説明す
る。なお、データ調停部２３は、第１の実施形態と同様
である。データ調停部２３の後、速度変換回路３１は、
通信速度をｎ倍に上げる。この例の場合は、図６に示す
ように、データ部３２の通信速度は、データ調停部２３
の通信速度の２倍となっている。この場合、入力信号３
３は、データ部３２の通信速度よりも速く入力される。

【００４７】速度変換回路３１は、イネーブル端子１８
からのイネーブル信号をハイレベルにする。入力信号３
３がローレベルとされた場合、入力信号１３とプッシュ
プル回路用ドライバ２０とプッシュプル回路１１、１２
を介して伝送路４をドライブする。入力信号３３がハイ
レベルとされた場合、入力信号１３とイネーブル素子２
１とプッシュプル回路用ドライバ２０とプッシュプル回
路１１、１２を介して伝送路４をドライブする。

【００４８】以上のように、本発明の第２の実施形態に
よれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができ
る他、データ調停部２３の通信速度に規定されない、高
速なデータ転送が可能となり、コントローラが伝送路４
を占有する時間を短縮することができることから、高速
な応答速度が必要なフィールドネットワークに適用すれ
ば、フィールド機器の制御等を高速に実行することがで
きる。

【００４９】なお、この第２の実施形態において、さら
に高速な応答速度が必要な場合は、データ調停部２３の
データ長を短くすることによって、伝送路４の占有率を
下げることができ、高速化が実現可能である。

【００５０】また、上述した例においては、データ部３
２の通信速度を、データ調停部２３の通信速度の２倍と
したが、これに限らず、１倍を越える適切な倍数とする
ことが可能である。

【００５１】

【発明の効果】本発明は、以上に説明したように構成さ
れているため、次のような効果がある。データフレーム
のデータ部では、通信信号が、ハイレベル、ローレベル
のいずれの状態の場合でも、プッシュプル回路用ドライ
バ及びプッシュプル回路により、常に伝送路をドライブ
しており、データ調停部のように伝送路をドライブしな
い状態はない。

【００５２】したがって、伝送路上の負荷容量に貯まっ
た電荷を、ターミネータの抵抗値により消費して電圧を
落とす必要が無く、ノイズ、磁場変化等の影響を受ける
事無く、データ衝突時に、安定してデータを送信でき、
信頼性の高い分散制御システムの通信装置を、安価な回
路で実現することが出来る。

【００５３】また、データ調停部の通信速度のｎ倍の通
信速度をデータ部で実行することにより、フレームの伝
送路占有率が減少し、高速な応答速度を有する分散制御
システムの通信装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る分散制御システ
ムの全体概略構成図である。

【図２】第１の実施形態に係わるコントローラの構成の
一部を示す図である。

【図３】第１の実施形態における入力信号及び伝送路の
信号波形の一例を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る分散制御システ
ムの全体概略構成図である。

【図５】第２の実施形態に係わるコントローラの構成の
一部を示す図である。

【図６】第２の実施形態における入力信号及び伝送路の
信号波形の一例を示す図である。

【図７】従来の分散制御システムの全体概略構成図であ
る。

【図８】信号伝送路における信号波形の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

４ 伝送路 １１ プッシュプル回路 １１ａ、１１ｂ トランジスタ １２ プッシュプル回路 １２ａ、１２ｂ トランジスタ １３ 入力信号 １４ 出力信号 １５ ＤＡＴＡ Ａの伝送路 １６ ＤＡＴＡ Ｂの伝送路 １７ ターミネータ １８ イネーブル端子 ２０ プッシュプル回路用ドライバ ２０ａ、２０ｂ オンオフ用ドライバ ２１ イネーブル素子 ２３ データ調停部 ２４ データ部 ３１ 速度変換回路 ３２ データ部 ３３ 入力信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象機器の計測もしくは制御を行う複数の
   コントローラと、これら複数のコントローラに共通に接
   続される信号伝送路とで構成され、上記コントローラ間
   の通信は、複数のコントローラからの通信信号のフレー
   ムが互いに衝突しても、一つの通信信号のフレームが伝
   送路中に残留するためのデータ調停部と、実際のデータ
   部分であるデータ部とを有する、通信信号によって行わ
   れる分散制御システムの通信装置において、 上記コントローラは、 送信する通信信号がハイレベル、ローレベルのいずれで
   あっても、上記伝送路に上記通信信号を伝送するプッシ
   ュプル形機能と、送信する通信信号がハイレベルかロー
   レベルかのいずれか一方の信号を上記伝送路に伝送する
   オープンドレイン形機能とを有するプッシュプル手段
   と、 上記送信する通信信号のデータ調停部では、上記プッシ
   ュプル手段の動作をオープンドレイン形とし、上記送信
   する通信信号のデータ部では、上記プッシュプル手段の
   機能を、プッシュプル形とするプッシュプル手段用ドラ
   イバと、を備えることを特徴とする分散制御システムの
   通信装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の分散制御システムの通信装
   置において、上記フレーム中のデータ調停部の通信速度
   と上記データ部の通信速度とを変え、上記データ部の通
   信速度を上記データ調停部の通信速度よりも高速とした
   ことを特徴とする分散制御システムの通信装置。