WO2018146891A1 - 通信システム、通信装置および通信方法 - Google Patents

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WO2018146891A1
WO2018146891A1 PCT/JP2017/041295 JP2017041295W WO2018146891A1 WO 2018146891 A1 WO2018146891 A1 WO 2018146891A1 JP 2017041295 W JP2017041295 W JP 2017041295W WO 2018146891 A1 WO2018146891 A1 WO 2018146891A1
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光宏 米田
太雅 新實
紘志 澤田
信幸 阪谷
達也 北口
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オムロン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a communication system in which a plurality of communication devices time-synchronized with each other are network-connected, a communication device directed to the communication system, and a communication method in the communication system.
  • ICT Information and Communication Technology
  • Patent Document 1 shows an example of realizing high speed and high reliability of data communication by cycle type transfer in a LAN using Ethernet (registered trademark). . Specifically, Patent Document 1 transfers a frame by repeating a reservation transfer section, which is a time slot for reserving and transferring a frame, and a free transfer section, a time slot for freely transferring a frame, at a constant period. A network device is disclosed, and a mode switching control unit selects a store-and-forward method or a cut-through method as a transfer method.
  • JP-A-2015-109552 (Patent Document 2) considers the difference between the transmission speed at the input port and the transmission speed at the output port.
  • Patent Document 2 A configuration for selecting a cut-through method or a store-and-forward method is disclosed.
  • control information system data In the production line, in addition to the control system data and information system data as described above, data such as the control system data that requires a certain level of arrival time is required (for example, equipment There is also data on configuration and management). Hereinafter, for convenience of explanation, such data is also referred to as “control information system data”.
  • control system data and information system data there is a need to handle a total of three types of control information system data having intermediate characteristics between the two.
  • Patent Document 1 only discloses selecting a store-and-forward method or a cut-through method as a data transfer method in a general LAN.
  • Patent Document 2 is originally intended to absorb the difference between the transmission speed at the input port and the transmission speed at the output port, and does not disclose any means for handling three types of data.
  • a communication system in which a plurality of communication devices time-synchronized with each other are connected to the network.
  • Each of the plurality of communication devices includes first data that is periodically transmitted used for controlling the manufacturing apparatus or the production facility, second data that needs to arrive at a destination within a specified time, Management means for transmitting the first data and the third data different from the second data according to a predetermined communication schedule, and a data transfer method for each data transmitted based on the communication schedule, Selection means for selecting from on-the-fly method, cut-through method, store-and-forward method, and each data received from another communication device to another communication device according to the data transfer method determined for the data Transmitting and receiving circuit.
  • the selection unit selects an on-the-fly method for the first data.
  • the transmission / reception circuit transmits the control system data received at the input port from one output port defined by a predetermined communication schedule among the plurality of output ports.
  • the transmission / reception circuit transmits the control system data received at the input port from each of the plurality of output ports.
  • the transmission / reception circuit transmits the control system data received at the input port from each of the plurality of output ports.
  • the selection unit selects a cut-through method for the second data.
  • the selection unit selects the cut-through method for one of the plurality of second data when the transfer processing of the plurality of second data overlaps in time in the same communication apparatus, and The store-and-forward method is selected for the rest of the second data, and the transmission / reception circuit first executes the transfer process for the second data for which the cut-through method is selected, and the store-and-forward method is selected. The second data is subsequently processed.
  • the transmission / reception circuit does not wait for the completion of the data store process for the second data for which the store-and-forward method is selected.
  • the second data transmission process is started.
  • the selection means selects a store and forward method for the third data.
  • a communication device that is network-connected to a communication system.
  • the communication device includes synchronization means for synchronizing time with other communication devices, first data periodically transmitted for use in controlling the manufacturing apparatus or the production facility, and within a specified time.
  • Management means for transmitting the second data that needs to arrive at the destination and the first data and the third data different from the second data according to a predetermined communication schedule; Based on this, the data transfer method for each data to be transmitted is selected from an on-the-fly method, a cut-through method, a store-and-forward method, and each data received from another communication device is determined for that data.
  • a transmission / reception circuit for transferring to another communication device according to the data transfer method.
  • a communication method in a communication system in which a plurality of communication devices time-synchronized with each other are network-connected.
  • the communication method includes periodically transmitting first data used for controlling a manufacturing apparatus or a production facility, second data that needs to arrive at a destination within a specified time, first data, and A step of managing a predetermined communication schedule for the third data different from the second data, and a data transfer method for each data to be transmitted based on the communication schedule, an on-the-fly method, a cut-through method, Selecting a store-and-forward method and transferring each data received from another communication device to another communication device according to a data transfer method determined for the data.
  • control information system data in addition to control system data and information system data, control information system data can be transmitted while satisfying each request on the same network.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the overall configuration of a communication system 1 according to the present embodiment.
  • networks are connected to a plurality of levels, and different functions are assigned to networks at each level. Specifically, four levels of networks 2 to 5 are provided.
  • the network 2 is a control level network, and includes a control device 100 that is a machine control device, a device / line management device 190 that is a device / line management device, and a display device 180 that provides a SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) function. Are connected, and a link capable of transmitting data between devices is formed.
  • the network 2 establishes a data link between the controller (control device 100) and the management equipment (device / line management device 190 and display device 180).
  • control device 100 Various devices such as sensors and actuators are connected to the control device 100. These devices may be directly connected via an input / output unit attached to the control apparatus 100, or may be connected via a field network.
  • the control device 100 includes one or more field networks 110, and one or more devices 200 are connected to each field network 110.
  • Each of the one or more devices 200 includes an input device that obtains a field signal, and an output device or actuator that performs some action on the field in accordance with an instruction from the control device 100.
  • a field level field network is further added to the communication system 1 shown in FIG. 1 in addition to the four levels of the networks 2 to 5.
  • the field level provides input and device control as the main functions.
  • the network 2 is a control level network, to which the device / line management device 190 and the display device 180 are connected, and a link capable of transmitting data between the devices is formed.
  • the network 2 mainly provides transmission of information related to the control system as a main function.
  • the network 3 is a management level network, and the apparatus / line management apparatus 190, the manufacturing management apparatus 300, and the database apparatus 310 are connected to each other, and a link capable of transmitting data between the apparatuses is formed.
  • the network 3 provides management information exchange and device / line information transmission as main functions.
  • the network 4 is a computer-level network, and the manufacturing management device 300 and the database device 310 are connected to the production management device 350 that manages production plans and the like, and a link that can transmit data between the devices is formed.
  • the network 4 provides production management and information-related data transmission as main functions.
  • the network 5 is an external network such as the Internet, and the production management device 350 is connected to the cloud, the supply chain, and the like.
  • the network 3 and lower levels are also referred to as “factory networks”, and data for actually controlling devices (hereinafter sometimes collectively referred to as “control system data”). Provide control system communication.
  • the level of the network 4 or higher is also referred to as “corporate network”, and data for monitoring, managing, and controlling production activities in the production line / factory (hereinafter sometimes referred to as “information data”). ) To provide information communication.
  • protocols and frameworks corresponding to such required differences in characteristics are adopted.
  • EtherNet / IP registered trademark
  • EtherCAT registered trademark
  • general-purpose Ethernet As a protocol for the networks 4 and 5 belonging to the corporate network, general-purpose Ethernet or the like is used in order to ensure diversity of connection destinations. By adopting general-purpose Ethernet, real-time performance cannot be realized, but there is no limitation on the amount of data that can be transmitted.
  • control information system data data (for example, data related to device setting and management) that requires a certain amount of arrival time guarantee.
  • data for example, data related to device setting and management
  • control information system data data related to device setting and management
  • FIG. 2 is a diagram showing data types transmitted in the communication system 1 of FIG. Referring to FIG. 2, in communication system 1, (1) control system data, (2) control information system data, and (3) information system data are mainly transmitted. It should be noted that transmission of data not classified into any of these is not excluded, and another type of data may be transmitted.
  • the control system data includes data for actually controlling the device as its main purpose. That is, the control system data corresponds to data used for controlling the manufacturing apparatus or the production facility. Examples of control system data include servo command values, encoder values, sensor ON / OFF values, and the like. Control system data is basically transmitted periodically. The communication cycle of such control system data is preferably set to 10 msec or less. And it is necessary to guarantee this communication cycle reliably. On the other hand, since the contents of the control system data transmitted on the network are preset, the data size is fixed and relatively small.
  • the control information system data is classified into information necessary for control among data used in information system communication, and includes data related to device setting / management as its main point. That is, the control information system data corresponds to data that needs to arrive at the destination within a designated time.
  • setting of various parameters such as a threshold value for the sensor device, collection of abnormality information (log) stored in each device, updating firmware for each device, and the like can be cited.
  • the contents of control information system data transmitted over such a network are various, but are basically data related to setting and management of equipment, and therefore, the data size is assumed to be about several kbytes. . Therefore, it is preferable that the communication cycle of the control information system data is set to less than 100 msec. Although the communication cycle may be relatively long, the arrival time of data needs to be guaranteed.
  • the arrival time may be specified arbitrarily by the user, or an application or device that generates or requests data may be specified according to a predetermined rule.
  • the information system data is classified into information necessary for the upper management system among the data used in the information system communication, and includes data used in the upper management system as the gist thereof.
  • Examples of information-related data include statistical data such as information collected by sensors over a certain period, and monitoring images (still images / moving images) captured under certain conditions.
  • the contents of the control system data transmitted on such a network are various, and the data size is also various.
  • the data size of information-related data is assumed to be larger than the data size of control information-related data. Further, since it is not directly related to device control, it is assumed that information-related data is transmitted by the best effort method. In this case, importance is placed on the high throughput rather than the real-time property (that is, the arrival of data at a specified time).
  • each data it may be determined uniquely whether it is classified as a control system, a control information system, or an information system, or even if it is the same data, depending on its application, the control system. You may make it change whether it is classified into a control information system or an information system. In the latter case, typically, the type of data is determined depending on how each data is used in the target layer. Such classification may be preset for each data.
  • control data high-speed and high-accuracy communication is required for control data
  • large-capacity communication is required for information-related data.
  • control information data intermediate characteristics between the control data and the information data are required.
  • the data transfer method in each of the communication devices involved in data transmission is adaptively selected.
  • data transmission satisfying the requirements imposed on each of control system data, control information system data, and information system data can be realized.
  • each communication device constituting the communication system supports three data transfer methods: (1) on-the-fly method, (2) cut-through method, and (3) store-and-forward method. To do.
  • another data transfer method may be supported.
  • a plurality of types with different settings such as the amount of data to be buffered may be prepared in advance.
  • other data transfer methods may be prepared so that a plurality of types with different settings can be selected.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a network configuration example of the communication system 1 according to the present embodiment.
  • the communication system 1 shown in FIG. 3 employs a network in which at least some communication devices are connected in a daisy chain.
  • the communication system 1 includes a control device 100, a plurality of devices 200A to 200H, and a relay device 400 that functions as a line concentrator.
  • the control device 100 functions as a master that manages data transmission in the network, and the devices 200A to 200H and the relay device 400 function as slaves that perform data transmission in accordance with instructions from the master.
  • the control device 100 and the relay device 400 are connected by a higher-order transmission path 111, and are branched into two lower-order transmission paths 112 and 113 by the relay device 400.
  • Devices 200A to 200D are sequentially connected in a daisy chain to the lower transmission path 112 connected to the relay apparatus 400, and devices 200E to 200H are daisy chained to the lower transmission path 113 connected to the relay apparatus 400. Connected sequentially.
  • control device 100 In the network of the communication system 1, the control device 100, the devices 200A to 200H, and the relay device 400 can all be regarded as “communication devices having a data transfer function”. Each communication device has a network switching function and supports the three data transfer methods described above.
  • each of the control device 100, the devices 200A to 200H, and the relay device 400 includes data (hereinafter, one data transfer) transferred from a certain communication device connected adjacently on the network.
  • data of the transfer unit is also referred to as “frame”)
  • the received frame is addressed to the own apparatus, the received frame is processed by the apparatus itself that has received the frame without being transferred to another communication apparatus.
  • the network of the communication system 1 includes a control device 100 that controls a manufacturing apparatus, a production facility, and the like, and is configured to satisfy a so-called industrial network or requirements conforming to an industrial network. . As one of such requirements, the time when the data sent from the transmission source arrives at the destination is guaranteed.
  • a communication system 1 in which a plurality of communication devices time-synchronized with each other is connected to the network is employed. That is, the transmission / reception timings are time-synchronized between the communication devices constituting the network of the communication system 1. More specifically, each of the communication devices constituting the network has a time-synchronized timer (or a counter that is synchronously incremented or decremented), and according to the time-synchronized timer or counter Each communication device determines the timing of data transmission or reception.
  • the control device 100 has a timer 101
  • the relay device 400 has a timer 401
  • the devices 200A to 200H have timers 201A to 201H, respectively.
  • the timer 101 of the control device 100 functions as a grand master
  • the timers of the relay device 400 and the devices 200A to 200H synchronize timing with this grand master as a reference. Due to the synchronization between the timers, the transmission timing of frames and the like can be matched with each other in the communication system 1.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example for realizing a data transfer method that can be used in the communication system 1 according to the present embodiment.
  • 4A shows a configuration example of the on-the-fly method
  • FIG. 4B shows a configuration example of the cut-through method
  • FIG. 4C shows a configuration example of the store-and-forward method. .
  • a transfer unit 22 that can be connected to an arbitrary port 10 among the plurality of ports 10 is arranged.
  • the transfer unit 22 is provided with a queue 24 for sequentially processing received incoming frames.
  • the queue 24 functions as a FIFO (First In First First Out) data holding unit, which sequentially stores received incoming frames and sequentially outputs from the previously received portion.
  • the transfer unit 22 sequentially transmits incoming frames received at any of the ports 10 from the port 10 corresponding to a predetermined transfer destination.
  • the received frames are sequentially processed and sequentially output to the transfer destination.
  • the header information included in the received incoming frame is referred to, the destination is specified, and the next transfer destination is directed to the destination.
  • a transfer unit 18 that can be connected to an arbitrary port 10 among the plurality of ports 10 is arranged.
  • a controller 20 is connected to the transfer unit 18.
  • the transfer unit 18 buffers the incoming frame received at any of the ports 10 and outputs header information at the head of the incoming frame to the controller 20.
  • the controller 20 specifies a destination based on the header information, specifies a transfer destination corresponding to the specified destination, and transmits the received incoming frame from the port 10 corresponding to the specified transfer destination.
  • the destination information at the head of the received frame is referred to and transferred to the next destination.
  • the data body existing after the header information of the incoming frame is not referred to and sent as it is to the transfer destination.
  • the received incoming frame is temporarily buffered, and then the buffered frame is sent to the next transfer destination toward the destination.
  • a receiving unit 12 and a transmitting unit 16 that can be connected to an arbitrary port 10 among the plurality of ports 10 are arranged.
  • the receiving unit 12 and the transmitting unit 16 are connected to the buffer 14.
  • the receiving unit 12 writes the incoming frame received at any of the ports 10 to the buffer 14, and the transmitting unit 16 sends out the frame (outgoing frame) read from the buffer 14 from any of the ports 10.
  • the received frame is stored (stored) in a buffer and then transferred (forwarded) to the next destination.
  • FIG. 5 is a diagram comparing data transfer methods that can be used in communication system 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 5 shows an example of a result of comparing the delay time, presence / absence of frame check, and presence / absence of destination confirmation for each data transfer method.
  • the delay time decreases in the order of (3) store-and-forward method, (2) cut-through method, and (1) on-the-fly method.
  • (3) in the store-and-forward method the entire incoming frame is temporarily queued, so in addition to the physical delay related to frame processing, the total data size of the incoming frame is determined in advance. Time required for processing in the band is required.
  • control system data As shown in Fig. 5, different requirements are imposed on each data type. Specifically, high-speed and high-accuracy are emphasized in the control system data, and are usually associated with tasks such as fixed-cycle refresh, so the communication timing and destination are fixed in advance. Control information system data emphasizes guaranteeing the arrival time, and usually the destination changes each time depending on the contents. Information-related data is transferred by the best effort method, and the destination changes each time. Since the data size of information-related data is relatively large, for example, if there is a frame in which a CRC (Cyclic Redundancy Check) error has occurred, the influence on the communication efficiency decline is great.
  • CRC Cyclic Redundancy Check
  • the data transfer method of each device is dynamically selected according to the communication schedule considering the data characteristics. Communication efficiency can be improved by such optimal switching of the data transfer method.
  • the transmission / reception timing is time-synchronized between the communication devices constituting the network of the communication system 1.
  • a communication schedule is determined in a time synchronized state.
  • Such time synchronization between communication devices can be realized by adopting a high-precision time protocol such as IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1588, IEEE 802.1AS, IEEE 802.1AS-Rev.
  • control device 100 Under the management of the communication device (control device 100) functioning as a master in the network, it is preset which type of data (control system data / control information system data / information system data) is transferred at which timing. Suppose that That is, it is assumed that control system data, control information system data, and information system data are managed (scheduled) so as to be transmitted according to a predetermined communication schedule between the communication devices constituting the network. .
  • Each of the communication apparatuses acquires in advance the data type and timing of data transferred over the network, and can sequentially switch the data transfer system based on these pieces of information.
  • Such a communication schedule (traffic scheduling) can be realized by adopting a procedure stipulated in IEEE 802.1Qbv or the like.
  • control system data control information system data
  • information system data it is preferable that the control system data strictly defines the transmission / reception timing.
  • the control information system data and the information system data are regularly transmitted. Therefore, the communication schedule may not be included.
  • the communication schedule may not be included.
  • By making only the control system data the target of the communication schedule it is possible to increase the use efficiency by flexibly allocating the communication band. In this case, for example, by assigning identification information indicating the type of control information data and information system data, data transfer can be performed even when transmitted along with control system data. Can be done efficiently.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a selection example of the data transfer method in the communication system 1 according to the present embodiment.
  • a communication schedule is determined every predetermined control period.
  • a regular cycle refresh for updating input / output data is executed.
  • Each control cycle is preferentially assigned control system data required for fixed-cycle refresh, and the remaining time of each control cycle (that is, the remaining communication bandwidth) is controlled according to the situation such as the communication request. Data and information system data are allocated.
  • control system data and control information system data are scheduled in the first control period, and control system data, control information system data, and information system data are scheduled in the second control period.
  • control system data and information system data are scheduled in the third control cycle.
  • Control system data is transferred by the on-the-fly method, control information data is transferred by the cut-through method, and information data is transferred by the store-and-forward method.
  • the data is sequentially selected by an appropriate data transfer method according to the data type and the schedule.
  • FIG. 6 shows an example of data transfer, and is not limited to this method.
  • the behavior of selecting a data transfer method may differ depending on the configuration of a communication device existing on the network.
  • behaviors of (1) daisy chain connection, (2) switch (1 input N output), and (3) switch (N input 1 output) will be mainly described as an example.
  • the communication apparatus may include control apparatus 100, devices 200A to 200H, and relay apparatus 400.
  • the device configuration of the control device 100 is illustrated, but the devices 200A to 200H and the relay device 400 also have the same device configuration.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a hardware configuration of control device 100 which is a typical example of the communication device according to the present embodiment.
  • the control device 100 may be configured based on a PLC (programmable controller).
  • control device 100 includes a processor 102, a memory 104, a storage 106, and a communication control circuit 130 as main components. These components are connected via a bus 109.
  • One or a plurality of ports 140-1 to 140 -N are connected to the communication control circuit 130.
  • the processor 102 implements various processes by reading the system program 107 and the user application program 108 stored in the storage 106 into the memory 104 and executing them.
  • the memory 104 includes a volatile storage device such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory) or an SRAM (Static Random Access Memory).
  • the storage 106 includes a nonvolatile storage device such as a hard disk or a flash memory.
  • the storage 106 stores a user application program 108 designed according to the control target.
  • the communication control circuit 130 controls the data transmission / reception operation in each of the ports 140-1 to 140-N.
  • Ports 140-1 to 140-N correspond to transmission / reception circuits that transfer each data received from another communication device to another communication device according to the data transfer method determined for the data. A method for determining the data transfer method will be described later.
  • Each of the ports 140-1 to 140-N includes a reception circuit (RX) and a transmission circuit (TX), and is connected to one of the networks.
  • RX reception circuit
  • TX transmission circuit
  • the ports 140-1 to 140-N may be collectively referred to as “port 140”.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a more detailed configuration of the communication control circuit 130 of the control device 100 shown in FIG.
  • communication control circuit 130 includes a schedule management unit 132, a data transfer method determination unit 134, and a timing management unit 136.
  • the communication control circuit 130 may have a hard-wired configuration (hardware implementation) such as an application specific integrated circuit (ASIC) or a field-programmable gate array (FPGA), or a function required by the processor executing the program.
  • a configuration software implementation
  • a mounting form in which hardware mounting and software mounting are combined may be employed. An optimal mounting form is appropriately adopted according to the use of the communication apparatus and the required specifications.
  • the schedule management unit 132 provides a management function for transmitting control system data, control information system data, and information system data according to a predetermined communication schedule. More specifically, the schedule management unit 132 manages the timing of frames transferred over the network, based on information from the communication device functioning as a master and a time synchronized timer managed by the timing management unit 136. To do.
  • the data transfer method determination unit 134 sequentially determines the data transfer method for frames sequentially transferred on the network, and gives the determination result to the port 140. More specifically, the data transfer method determination unit 134 selects a data transfer method for each data to be transmitted from an on-the-fly method, a cut-through method, and a store-and-forward method based on the communication schedule.
  • the timing management unit 136 provides a synchronization function for time synchronization with other communication devices. More specifically, the timing management unit 136 manages time-synchronized timers based on synchronization information from a communication device functioning as a master. That is, the timing management unit 136 manages counter decrement or increment timing based on the synchronization information from the master.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a more detailed configuration of the port 140 of the control device 100 shown in FIG.
  • each of ports 140 includes a receiving circuit 141, a plurality of input gates 142-1 to 142-M (hereinafter also collectively referred to as “input gate 142”), and a plurality of queues. 143-1 to 143-M (hereinafter sometimes collectively referred to as “queue 143”) and a plurality of output gates 144-1 to 144-M (hereinafter collectively referred to as “output gate 144”). ), A timing control circuit 145, a transfer control circuit 147, and a transmission circuit 148.
  • Each of the ports 140 is provided with a plurality of circuits that sequentially store a plurality of frames including an input gate 142, a queue 143, and an output gate 144.
  • frames according to the data type are queued to a plurality of queues 143, and the timing output from the queue 143 is controlled according to the data transfer method determined for each frame. Is done.
  • the timing control circuit 145 has a timing control table 146.
  • the timing control table 146 stores timing information from the timing management unit 136 of the communication control circuit 130.
  • the timing control circuit 145 refers to the timing information stored in the timing control table 146 and selectively activates the input gates 142-1 to 142-M. Frames received by the receiving circuit 141 are sequentially stored in a queue 143 connected to the activated input gate 142.
  • control system data is queued in the queue 143-1
  • control information system data is queued in the queue 143-2
  • the information system data is stored in the remaining queues 143-3 to 143-M.
  • the timing control circuit 145 can know the data type before receiving the frame based on the timing information acquired in advance, the input gate 142 is selectively selected according to the predetermined queue 143 allocation. Activate.
  • the timing control circuit 145 refers to the timing information stored in the timing control table 146, and selectively activates the output gates 144-1 to 144-M. For example, when data is transferred by the on-the-fly method, it is necessary to read a frame from the queue 143 in parallel with storing the frame in the queue 143. When data is transferred by the cut-through method, it is necessary to read out the frame from the queue 143 after at least header information of the frame is stored in the queue 143. When data is transferred by the store-and-forward method, it is necessary to read the frame from the queue 143 after the entire frame is stored in the queue 143. The timing control circuit 145 controls the timing for activating the output gates 144-1 to 144 -M based on the determination result from the data transfer method determination unit 134 of the communication control circuit 130.
  • the transfer control circuit 147 refers to the whole or a part of the frame (header information) stored in the queue 143, confirms the destination (transfer destination) of the target frame, or checks the soundness of the frame.
  • the transfer control circuit 147 gives a command to the transmission circuit 148 according to the transfer destination of the target frame. Further, when the transfer control circuit 147 determines that the target frame is an inappropriate frame, it can also stop sending the frame.
  • each of the ports 140 is linked to the communication control circuit 130 to transfer the incoming frame to the next destination by the data transfer method according to the data type or the like.
  • the input frames 142-1 to 142-M are provided in association with the queues 143-1 to 143-M, respectively, so that the input frame is selectively selected according to the data type.
  • the input gate 142 is not necessarily provided in each of the queues 143-1 to 143-M.
  • a circuit for determining the data type of the input frame is provided in the reception circuit 141 or downstream of the reception circuit 141, and the input frame is determined according to the data type based on the determination result in the circuit.
  • it may be stored in the queue 143 selectively.
  • the control information system data may be determined which of the information system data.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a transfer process when the communication method according to the present embodiment is applied to a communication device connected in a daisy chain.
  • FIG. 10 shows an example of transfer processing in the device 200 configuring the communication system 1 shown in FIG.
  • Each time width shown in FIG. 10 is exaggerated for easy understanding, and does not necessarily indicate an actual time width. The same applies to other figures.
  • device 200 receives control system data at time t0, receives control information system data at time t2, and receives information system data at time t3. To do.
  • the data reception timing as described above is determined in advance according to the communication schedule. That is, which data type of data is transmitted at which timing is scheduled in advance and known.
  • the data transfer method is determined according to the data type of the incoming frame, and the data transfer method once determined for the incoming frame is not changed midway.
  • control system data (incoming frame) received at time t0 is transferred to the next destination (outgoing frame) with a delay of the physical delay related to queuing.
  • the control information system data (incoming frame) received at time t1 is delayed by the time for storing (storing) the header information including the destination and the time for confirming the destination based on the stored header information in addition to the physical delay.
  • Information-related data (incoming frames) received at time t2 includes, in addition to physical delay, a time for storing the entire frame, a time for checking the stored frame, and destination confirmation based on header information. It is transferred to the next destination with a delay in time (outgoing frame).
  • the destination confirmation it is determined only whether the incoming frame is addressed to the device 200 or not. If the incoming frame is addressed to the device 200, transfer to the next destination is not performed, otherwise, the incoming frame is sent as it is to the next destination.
  • the information data may be changed to the cut-through method instead of the store-and-forward method. . This is because in daisy chain connection, destination confirmation only needs to determine whether an incoming frame is addressed to the own device.
  • the new incoming frame is information-related data that does not need to guarantee the arrival time, there is basically no problem because data transfer can be performed using the free time (empty bandwidth).
  • the new incoming frame is control system data and control information system data whose arrival time needs to be guaranteed, the previously received information system data and control information system data are divided and transferred.
  • Such a function may be implemented.
  • Such a division transfer function can be implemented using, for example, Frame Preemption defined in IEEE 802.1Qbu.
  • appropriate settings may be made in advance so that the transfer of the control system data and the control information system data is not disturbed by the transfer of the information system data, and it is confirmed in advance that the arrival time can be guaranteed by simulation or the like. You may leave it.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing an example of a transfer process when the communication method according to the present embodiment is applied to a communication device functioning as a switch with 1 input and N output.
  • FIG. 11 shows an example of transfer processing in the relay apparatus 400 that constitutes the communication system 1 shown in FIG.
  • relay device 400 receives control system data (destination 1) at time t0, receives control information system data (destination 1) at time t2, and at time t3.
  • Information system data (destination 2) is received.
  • the data reception timing as described above is determined in advance according to the communication schedule. That is, which data type of data is transmitted at which timing is scheduled in advance and known.
  • control system data Since the demand for delay time is strict in the order of control system data, control information system data, and information system data, on-the-fly system, cut-through system, store-and-forward as the data transfer system to meet this delay time requirement Each method is selected.
  • control system data (incoming frame) received at time t0 is transferred from both ports to the next destination (outgoing frame) with a physical delay related to queuing.
  • destination confirmation in the relay apparatus 400 it is determined only whether the incoming frame is destined for any lower-order port (destination).
  • a communication schedule can also be made in advance for the transfer path (input port and output port) in the switch of 1 input N output.
  • the transmission frame is transmitted according to the schedule.
  • the transmission / reception circuit of the relay device 400 transmits the control system data received at the input port from one output port defined by a predetermined communication schedule among the plurality of output ports.
  • control information data and information data are sent from the port corresponding to the destination because the destination is confirmed.
  • the control information data (destination 1) received at time t1 is delayed by the time for storing (stores) the header information including the destination and the time for confirming the destination based on the stored header information in addition to the physical delay.
  • the information-related data (destination 2) received at time t2 includes, in addition to the physical delay, a time for storing the entire frame, a time for checking the stored frame, and a time for confirming the destination based on the header information Only after a delay, the data is sent from the port corresponding to the destination 2.
  • the information data may be changed to the cut-through method instead of the store-and-forward method. This is because the relay device 400 only needs to determine from which port the incoming frame should be sent.
  • the communication schedule of the input port and the output port for the switch of 1 input N output may not be performed, and only the transmission / reception timing may be scheduled.
  • the control system data received at the input port may be transmitted from each of the plurality of output ports (see the transmission frame indicated by the broken line in FIG. 11).
  • the control system data received by the relay device 400 is transmitted from all ports connected to the lower side.
  • control system data may be transmitted from any one of the output ports according to a transfer path defined in a network to which a switch of 1 input and N output is connected. In this case, even if control system data is sent from an output port different from the actual destination, the data is sequentially transferred and finally transmitted to the target destination.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an example of a transfer process when the communication method according to the present embodiment is applied to a communication device that functions as an N-input / one-output switch.
  • FIG. 12 shows an example of a transfer process in the relay apparatus 400 constituting the communication system 1 shown in FIG.
  • FIG. 12 consider a case in which frames are received from a plurality of ports of relay apparatus 400 and frames received from other ports are transmitted.
  • the frames received at the first port and the second port are referred to as “incoming frame 1” and “incoming frame 2”, respectively.
  • relay device 400 receives control system data at time t0, receives control information system data 1 at time t2, and receives control information system data 2 at time t3. To do.
  • the data reception timing as described above is determined in advance according to the communication schedule. That is, which data type of data is transmitted at which timing is scheduled in advance and known.
  • the on-the-fly method is selected as the data transfer method.
  • the cut-through system is selected as the data transfer system and the other control information system data is selected. Selects the on-the-fly method as the data transfer method.
  • a cut-through method is selected for one of the plurality of control information system data and a plurality of control information systems are controlled.
  • the store and forward method is selected for the rest of the information system data.
  • a cut-through method with a shorter delay time is selected for the control information system data 1 received earlier, and a delay time of the control information system data 2 received later is selected.
  • Choose the long store-and-forward method That is, the transfer processing is first executed for the control information system data for which the cut-through method is selected, and the control information system data for which the store-and-forward method is selected is subsequently processed.
  • control system data (incoming frame) received at time t0 is transferred to the next destination (outgoing frame) with a delay of the physical delay related to queuing.
  • control information system data 1 received at time t1 is output after being delayed by the time for storing the header information including the destination and the time for confirming the destination based on the stored header information in addition to the physical delay. Sent from the port.
  • the control information data 2 received at time t2 is delayed by the time for storing the entire frame, the time for checking the stored frame, and the time for confirming the destination based on the header information in addition to the physical delay. Sent from the output port.
  • the transfer process using the cut-through method for the control information system data 1 and the transfer process using the store-and-forward system for the control information system data 2 do not overlap in time. If the time required for the transfer processing of the control information system data 1 is long, there is a possibility that the two compete. In this case, for the control information system data 2 to be transferred later, the transfer may be started after the control information system data 1 is transferred. That is, the later control information is synchronized with the later timing of the timing for completing the transfer processing for the previous control information system data and the timing for completing the start of the transfer processing for the later control information system data. What is necessary is just to start transmission of system data.
  • control system data Since the control system data is transmitted at a predetermined communication timing, size, and destination, the data transfer method is determined based on the communication schedule so that there is no contention in the communication device. On the other hand, since control information system data and information system data are generated and transferred according to conditions, whether or not message transmission occurs within a predetermined period depends on the situation. Therefore, depending on the situation, there may be a competition between control information data and / or information data in the communication device.
  • control information system data may be transferred by the store-and-forward method when the previously processed frame is transferred by the cut-through method. In this case, in a state where the control information system data is stored in the buffer, if the time for processing the control system data comes, the control information system data processing is interrupted and the control system data is processed preferentially. That's fine.
  • an area for storing control information system data and an area for storing information system data may be arranged separately. By separating the areas in this way, the control information system data can be preferentially processed compared to the information system data.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing another example of the transfer process when the communication method according to the present embodiment is applied to a communication device that functions as an N-input / one-output switch.
  • the example shown in FIG. 13 shows an example in which the subsequent control information system data is transferred by a partial store and forward method. Specifically, an example is shown in which the transfer process of the subsequent control information system data 2 is started at the timing when the transfer process of the previous control information system data 1 is completed.
  • the control information system data 2 is transferred by the store and forward method.
  • the header information at the head of the control information system data 2 is stored first, and the destination confirmation is executed first as in the cut-through method.
  • the storage process of the control information system data 2 is continued during the transfer process of the control information system data 1 transferred first.
  • the stored portion of the control information system data 2 is checked for data corruption. If the transfer process of the control information system data 2 has continued for a relatively long time, the frame check can be performed on the entire control information system data 2; A check is performed.
  • the data storage process for the control information system data 2 for which the store-and-forward system has been selected is completed, without waiting for the completion of the data store process.
  • the transmission process of the control information system data 2 is started. That is, during the transfer process of the preceding frame, the data store process of the frame is continued, and after the transfer process of the preceding frame is completed, the transfer process of the subsequent frame is started.
  • the header information (including destination information) stored in the cut-through method is stored.
  • all of the remaining part or Some are stored depending on the situation.
  • FIG. 14 is a flowchart showing a processing procedure in each communication device constituting communication system 1 according to the present embodiment. Each step shown in FIG. 14 is realized by the cooperation of the processor and the peripheral circuit of the communication apparatus.
  • the communication device establishes time synchronization with reference to another communication device functioning as a master (step S100). Subsequently, the communication device receives a communication schedule related to data transfer from another communication device functioning as a master (step S102), and determines a data transfer method for each data to be transmitted based on the communication schedule. (Step S104). When the communication device receives some data from another communication device (YES in step S106), the data that needs to be transferred is sent to the other communication device in accordance with a predetermined data transfer method (step S108). ). Until the end of the communication process of the communication apparatus is instructed (YES in step S110), the processes in and after step S104 are repeated.
  • a plurality of communication devices time-synchronized with each other are connected to a network, whereby different types of data such as control system data, control information system data, and information system data are determined in advance. Can be transmitted according to the schedule. Based on such a communication schedule, a data transfer method (any one of (1) on-the-fly method, (2) cut-through method, and (3) store-and-forward method) is adaptively selected according to each data type. As a result, the efficiency of data transmission on the network can be improved.
  • 1 communication system 2, 3, 4, 5 network, 10 ports, 12 receiving units, 14 buffers, 16 transmitting units, 18, 22 forwarding units, 20 controllers, 24 queues, 100 control units, 101, 201A to 201H, 401 Timer, 102 processor, 104 memory, 106 storage, 107 system program, 108 user application program, 109 bus, 110 field network, 111 upper transmission path, 112, 113 lower transmission path, 130 communication control circuit, 132 schedule management unit, 134 Data transfer method determination unit, 136 timing management unit, 140, 140-1 to 140-N ports, 141 receiving circuit, 142 input gate, 143 queue, 144 output gate, 1 5.
  • Timing control circuit 146 timing control table, 147 transfer control circuit, 148 transmission circuit, 180 display device, 190 line management device, 200, 200A, 200D, 200E, 200H device, 300 manufacturing management device, 310 database device, 350 production Management device, 400 relay device.

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Abstract

互いに時刻同期された複数の通信装置がネットワーク接続された通信システムが提供される。複数の通信装置の各々は、製造装置または生産設備の制御に用いられる周期的に伝送される第１のデータと、指定された時間内に宛先へ到着させる必要のある第２のデータと、第１のデータおよび第２のデータとは異なる第３のデータとを、予め定められた通信スケジュールに従って伝送するための管理手段と、通信スケジュールに基づいて、伝送される各データに対するデータ転送方式を、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式のうちから選択する選択手段と、他の通信装置から受信した各データを当該データに対して決定されたデータ転送方式に従って、別の他の通信装置へ転送する送受信回路とを含む。

Description

通信システム、通信装置および通信方法
　本発明は、互いに時刻同期された複数の通信装置がネットワーク接続された通信システム、当該通信システムに向けられた通信装置、および、当該通信システムにおける通信方法に関する。
　近年の情報通信技術（ＩＣＴ：Information　and　Communication　Technology）の進歩に伴って、生産ラインについても、現場の製造機器から上位の管理装置までを一体のネットワーク化するようなシステムが実現されつつある。
　このようなネットワーク化されたシステムにおいて伝送されるデータには、その用途、目的などに応じた要件が課される。例えば、製造装置または生産設備の制御に用いるデータ（制御系データ）は、そのデータサイズはそれほど大きくないものの、リアルタイム性が要求される。これに対して、上位の管理装置などが扱うデータ（情報系データ）は、リアルタイム性などは必要ないものの、比較的大きいサイズのデータを伝送しなければならない。
　データ伝送に関する先行技術として、特開２００９－２３９４５３号公報（特許文献１）は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）を用いたＬＡＮにおいてサイクル型転送によるデータ通信の高速性および高信頼性を実現する一例を示す。具体的には、特許文献１は、予約してフレームを転送する時間帯である予約転送区間と、自由にフレームを転送する時間帯である自由転送区間とを一定周期で繰返してフレームを転送するネットワーク装置を開示するものであり、モード切替制御部が、転送方法として、ストアアンドフォワード方式またはカットスルー方式を選択する。
　データ通信の高速性および高信頼性を目的とするものではないが、特開２０１５－１０９５５２号公報（特許文献２）は、入力ポートにおける伝送速度と出力ポートにおける伝送速度との差を考慮して、カットスルー方式またはストアアンドフォワード方式を選択する構成を開示する。
特開２００９－２３９４５３号公報 特開２０１５－１０９５５２号公報
　生産ラインにおいては、上述したような制御系データおよび情報系データに加えて、制御系データのような高速なリアルタイム性は要求されないものの、ある程度の到着時刻の保証が必要なデータ（例えば、機器の設定および管理に関するデータ）も存在する。以下では、説明の便宜上、このようなデータを「制御情報系データ」とも称す。
　制御系データおよび情報系データに加えて、両者の中間的な特性を有する制御情報系データの合計３種類のデータを取り扱う必要性が生じている。
　上述の特許文献１は、一般的なＬＡＮにおけるデータ転送の手法として、ストアアンドフォワード方式またはカットスルー方式を選択することを開示するのみである。特許文献２は、そもそも入力ポートにおける伝送速度と出力ポートにおける伝送速度との差を吸収することを目的とするものであり、３種類のデータを取り扱うことの解決手段を何ら開示するものではない。
　制御系データおよび情報系データに加えて制御情報系データを、同一のネットワーク上でそれぞれの要求を満たしつつ伝送させるための新たな技術が要望されている。
　本発明のある実施の形態に従えば、互いに時刻同期された複数の通信装置がネットワーク接続された通信システムが提供される。複数の通信装置の各々は、製造装置または生産設備の制御に用いられる周期的に伝送される第１のデータと、指定された時間内に宛先へ到着させる必要のある第２のデータと、第１のデータおよび第２のデータとは異なる第３のデータとを、予め定められた通信スケジュールに従って伝送するための管理手段と、通信スケジュールに基づいて、伝送される各データに対するデータ転送方式を、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式のうちから選択する選択手段と、他の通信装置から受信した各データを当該データに対して決定されたデータ転送方式に従って、別の他の通信装置へ転送する送受信回路とを含む。
　好ましくは、選択手段は、第１のデータに対してオンザフライ方式を選択する。
　好ましくは、送受信回路は、入力ポートで受信した制御系データを複数の出力ポートのうち予め定められた通信スケジュールにて規定される１つの出力ポートから送出する。
　好ましくは、送受信回路は、入力ポートで受信した制御系データを複数の出力ポートのそれぞれから送出する。
　好ましくは、送受信回路は、入力ポートで受信した制御系データを複数の出力ポートのそれぞれから送出する。
　好ましくは、選択手段は、第２のデータに対してカットスルー方式を選択する。
　好ましくは、選択手段は、同一の通信装置において複数の第２のデータの転送処理が時間的に重なると、複数の第２のデータのうち１つに対してカットスルー方式を選択するとともに、複数の第２のデータの残りに対してストアアンドフォワード方式を選択し、送受信回路は、カットスルー方式が選択された第２のデータについて先に転送処理を実行するとともに、ストアアンドフォワード方式が選択された第２のデータを続いて処理する。
　好ましくは、送受信回路は、カットスルー方式が選択された第２のデータについての転送処理が完了すると、ストアアンドフォワード方式が選択された第２のデータについてのデータストア処理の完了を待たずに、当該第２のデータの送出処理を開始する。
　好ましくは、選択手段は、第３のデータに対してストアアンドフォワード方式を選択する。
　好ましくは、複数の通信装置の少なくとも一部は、デイジーチェーン接続されている。
　本発明の別の実施の形態に従えば、通信システムにネットワーク接続される通信装置が提供される。通信装置は、他の通信装置との間で互いに時刻同期するための同期手段と、製造装置または生産設備の制御に用いられる周期的に伝送される第１のデータと、指定された時間内に宛先へ到着させる必要のある第２のデータと、第１のデータおよび第２のデータとは異なる第３のデータとを、予め定められた通信スケジュールに従って伝送するための管理手段と、通信スケジュールに基づいて、伝送される各データに対するデータ転送方式を、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式のうちから選択する選択手段と、他の通信装置から受信した各データを当該データに対して決定されたデータ転送方式に従って、別の他の通信装置へ転送する送受信回路とを含む。
　本発明の別の実施の形態に従えば、互いに時刻同期された複数の通信装置がネットワーク接続された通信システムにおける通信方法が提供される。通信方法は、製造装置または生産設備の制御に用いられる周期的に伝送される第１のデータと、指定された時間内に宛先へ到着させる必要のある第２のデータと、第１のデータおよび第２のデータとは異なる第３のデータとを、予め定められた通信スケジュールを管理するステップと、通信スケジュールに基づいて、伝送される各データに対するデータ転送方式を、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式のうちから選択するステップと、他の通信装置から受信した各データを当該データに対して決定されたデータ転送方式に従って、別の他の通信装置へ転送するステップとを含む。
　本発明のある実施の形態によれば、制御系データおよび情報系データに加えて制御情報系データを、同一のネットワーク上でそれぞれの要求を満たしつつ伝送させることができる。
本実施の形態に従う通信システムの全体構成の一例を示す模式図である。 図１の通信システムにおいて伝送されるデータ種別を示す図である。 本実施の形態に従う通信システムのネットワーク構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信システムにおいて利用可能なデータ転送方式を実現する構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信システムにおいて利用可能なデータ転送方式を比較して示す図である。 本実施の形態に従う通信システムにおけるデータ転送方式の選択例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信装置の典型例である制御装置のハードウェア構成の一例を示す模式図である。 図７に示す制御装置の通信制御回路のより詳細な構成を示す模式図である。 図７に示す制御装置のポートのより詳細な構成を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信方式をデイジーチェーン接続された通信装置に適用した場合の転送処理の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信方式を１入力Ｎ出力のスイッチとして機能する通信装置に適用した場合の転送処理の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信方式をＮ入力１出力のスイッチとして機能する通信装置に適用した場合の転送処理の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信方式をＮ入力１出力のスイッチとして機能する通信装置に適用した場合の転送処理の別の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信システムを構成する各通信装置における処理手順を示すフローチャートである。
　本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
　＜Ａ．通信システムの全体構成＞
　まず、本実施の形態に従うデータ伝送方式を採用した通信システムの全体構成について説明する。図１は、本実施の形態に従う通信システム１の全体構成の一例を示す模式図である。
　図１を参照して、通信システム１では、ネットワークが複数レベルに接続されており、各レベルのネットワークには、それぞれ異なる機能が割り当てられる。具体的には、４つのレベルのネットワーク２～５が設けられている。
　ネットワーク２は、コントロールレベルのネットワークであり、マシン制御機器である制御装置１００と、装置／ライン管理機器である装置／ライン管理装置１９０およびＳＣＡＤＡ（Supervisory　Control　And　Data　Acquisition）機能を提供する表示装置１８０とが接続されており、装置間でデータを伝送できるリンクが形成される。ネットワーク２は、コントローラ（制御装置１００）と管理機器（装置／ライン管理装置１９０および表示装置１８０）との間でデータリンクを構築する。
　制御装置１００には、センサ、アクチュエータといった各種デバイスが接続される。これらのデバイスは、制御装置１００に装着される入出力ユニットを介して直接接続される場合もあるが、フィールドネットワークを介して接続されることもある。図１に示す構成例においては、制御装置１００では、１または複数のフィールドネットワーク１１０が構成されており、各フィールドネットワーク１１０には、１または複数のデバイス２００が接続される。１または複数のデバイス２００の各々は、フィールド信号を取得する入力デバイス、および、制御装置１００からの指示に従ってフィールドに対して何らかのアクションを行う出力デバイスあるいはアクチュエータを含む。したがって、図１に示す通信システム１には、ネットワーク２～５の４つのレベルに加えて、フィールドレベルのフィールドネットワークがさらに追加されることになる。フィールドレベルは、入力およびデバイス制御を主たる機能として提供する。
　ネットワーク２は、コントロールレベルのネットワークであり、装置／ライン管理装置１９０および表示装置１８０が接続されており、装置間でデータを伝送できるリンクが形成される。ネットワーク２は、主として、制御系に係る情報の伝送を主たる機能として提供する。
　ネットワーク３は、管理レベルのネットワークであり、装置／ライン管理装置１９０と、製造管理装置３００およびデータベース装置３１０とが接続されており、装置間でデータを伝送できるリンクが形成される。ネットワーク３は、管理情報の遣り取りおよび装置／ラインの情報の伝送を主たる機能として提供する。
　ネットワーク４は、コンピュータレベルのネットワークであり、製造管理装置３００およびデータベース装置３１０と生産計画などを管理する生産管理装置３５０とが接続されており、装置間でデータを伝送できるリンクが形成される。ネットワーク４は、生産管理および情報系のデータの伝送を主たる機能として提供する。
　ネットワーク５は、インターネットなどの外部ネットワークであり、生産管理装置３５０とクラウドやサプライチェーンなどとが接続される。
　図１に示す通信システム１において、ネットワーク３およびそれ以下のレベルは、「ファクトリーネットワーク」とも称され、機器を現実に制御するためのデータ（以下、「制御系データ」と総称することもある）を遣り取りする制御系通信を提供する。一方、ネットワーク４以上のレベルは、「コーポレートネットワーク」とも称され、生産ライン／工場での生産活動などを監視・管理・制御するためのデータ（以下、「情報系データ」と総称することもある）を遣り取りする情報系通信を提供する。
　ネットワーク２～５およびフィールドネットワーク１１０には、このような要求される特性の違いに応じたプロトコルおよびフレームワークが採用される。例えば、ファクトリーネットワークに属するネットワーク２および３のプロトコルとしては、汎用的なＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）上に制御用プロトコルを実装した産業用オープンネットワークであるＥｔｈｅｒＮｅｔ／ＩＰ（登録商標）を用いてもよい。また、フィールドネットワーク１１０のプロトコルとしては、マシンコントロール用ネットワークの一例であるＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）を採用してもよい。
　このようなマシンコントロールに適したネットワーク技術を採用することで、機器間の伝送に要する時間が保証されたリアルタイム性を提供できる。但し、１回の通信周期で伝送可能なデータ量には制限がある。
　一方、コーポレートネットワークに属するネットワーク４および５のプロトコルとしては、接続先の多様性を担保するために、汎用的なＥｔｈｅｒｎｅｔなどが用いられる。汎用的なＥｔｈｅｒｎｅｔを採用することで、リアルタイム性は実現できないものの、送信可能なデータ量などの制限は存在しない。
　＜Ｂ．要求される通信性能＞
　図１に示すファクトリーネットワークにおいては、基本的には、上述したような制御系データが周期的に伝送されることになるが、コーポレートネットワークに含まれる製造管理装置３００、データベース装置３１０、生産管理装置３５０などが要求する情報系データも伝送する必要がある。なお、以下の説明においては、ファクトリーネットワークとの対比において、コーポレートネットワークに含まれる装置の全部または一部を「上位管理システム」と総称することもある。
　さらに、制御系データのような高速なリアルタイム性は要求されないものの、ある程度の到着時刻の保証が必要なデータ（例えば、機器の設定および管理に関するデータ）も存在する。以下では、説明の便宜上、このようなデータを「制御情報系データ」とも称す。
　図２は、図１の通信システム１において伝送されるデータ種別を示す図である。図２を参照して、通信システム１においては、主として、（１）制御系データ、（２）制御情報系データ、（３）情報系データ、が伝送される。なお、これらのいずれにも分類されないデータが伝送されることを排除するものではなく、さらに別の種別のデータを伝送するようにしてもよい。
　（１）制御系データは、その主旨として、機器を現実に制御するためのデータを含む。すなわち、制御系データは、製造装置または生産設備の制御に用いられるデータに相当する。制御系データの一例としては、サーボ指令値、エンコーダ値、センサのＯＮ／ＯＦＦ値などが挙げられる。制御系データは、基本的には、周期的に伝送される。このような制御系データの通信周期は１０ｍｓｅｃ以下に設定されることが好ましい。そして、この通信周期を確実に保証する必要がある。一方で、ネットワーク上で伝送される制御系データの内容は予め設定されているため、データサイズとしては、固定的で比較的小さい。
　（２）制御情報系データは、情報系通信において用いられるデータのうち、制御に必要な情報に分類されるものであり、その主旨として、機器の設定・管理に関するデータを含む。すなわち、制御情報系データは、指定された時間内に宛先へ到着させる必要のあるデータに相当する。制御情報系データの一例としては、センサデバイスに対するしきい値といった各種パラメータの設定、各機器に格納されている異常情報（ログ）の収集、各機器に対する更新用のファームウェアなどが挙げられる。このようなネットワーク上で伝送される制御情報系データの内容は多種多様であるが、基本的には、機器の設定・管理に関するデータであるので、データサイズとしては、数ｋｂｙｔｅ程度が想定される。そのため、制御情報系データの通信周期は１００ｍｓｅｃ未満に設定されることが好ましい。通信周期は比較的長くてもよいが、データの到着時刻は保証される必要がある。なお、到着時間の指定は、ユーザが任意に行ってもよいし、データを生成または要求するアプリケーションもしくは装置が予め定められたルールに従って行ってもよい。
　（３）情報系データは、情報系通信において用いられるデータのうち、上位管理システムに必要な情報に分類されるものであり、その主旨として、上位管理システムで利用されるデータを含む。情報系データの一例としては、ある期間に亘るセンサでの収集情報といった統計的データや、何らかの条件で撮像された監視画像（静止画像／動画像）などが挙げられる。このようなネットワーク上で伝送される制御系データの内容は多種多様であり、データサイズとしても多種多様である。典型的には、情報系データのデータサイズは、制御情報系データのデータサイズより大きいことが想定される。また、機器の制御には直接関係しないので、情報系データはベストエフォート方式で伝送されることが想定される。この場合、リアルタイム性（すなわち、指定された時間にデータが到着すること）ではなく、スループットの高さが重視される。
　なお、データ毎に、制御系、制御情報系、情報系のいずれに分類されるのかを一意に決定するようにしてもよいし、同じデータであっても、その用途に応じて、制御系、制御情報系、情報系のいずれに分類されるのかが変化するようにしてもよい。後者の場合には、典型的には、各データが対象となるレイヤでどのように使われるかによって、いずれの種別に分類されるのかが決定されることになる。このような分類は、データ毎に予め設定されていてもよい。
　このように、制御系データについては高速高精度の通信が要求され、情報系データについては大容量の通信が要求される。そして、制御情報系データについては、制御系データと情報系データとの間の中間的な特性が要求される。
　＜Ｃ．概要＞
　本実施の形態に従う通信システムにおいては、データ伝送に関与する通信装置の各々におけるデータ転送方式を適応的に選択する。このようなデータ転送方式の適応的な選択によって、制御系データ、制御情報系データ、情報系データのそれぞれに課される要件を満足したデータ伝送を実現できる。
　具体的には、本実施の形態に従う通信システムを構成する各通信装置は、データ転送方式として、（１）オンザフライ方式、（２）カットスルー方式、（３）ストアアンドフォワード方式の３つをサポートする。なお、これらの３つのデータ転送方式に加えて、さらに別のデータ転送方式をサポートするようにしてもよい。また、例えば、ストアアンドフォワード方式については、バッファされるデータ量などの設定を異ならせた複数種類を予め用意しておいてもよい。同様に、他のデータ転送方式についても、設定を異ならせた複数種類を選択可能に用意しておいてもよい。
　以下、それぞれのデータ転送方式の詳細およびデータ転送方式の選択方法について詳述する。
　＜Ｄ．ネットワーク構成例＞
　次に、本実施の形態に従う通信システム１のネットワーク構成例について説明する。図３は、本実施の形態に従う通信システム１のネットワーク構成例を示す模式図である。
　図３に示す通信システム１は、一例として、少なくとも一部の通信装置がデイジーチェーン接続のネットワークを採用する。具体的には、通信システム１は、制御装置１００と、複数のデバイス２００Ａ～２００Ｈと、集線装置として機能する中継装置４００とを含む。制御装置１００は、ネットワーク内のデータ伝送を管理するマスターとして機能し、デバイス２００Ａ～２００Ｈおよび中継装置４００は、マスターからの指令に従ってデータ伝送を行うスレーブとして機能する。
　制御装置１００と中継装置４００との間は、上位伝送路１１１で接続されており、中継装置４００にて２つの下位伝送路１１２，１１３に分岐されている。中継装置４００に接続される下位伝送路１１２には、デバイス２００Ａ～２００Ｄがデイジーチェーンで順次接続されており、中継装置４００に接続される下位伝送路１１３には、デバイス２００Ｅ～２００Ｈがデイジーチェーンで順次接続されている。
　通信システム１のネットワーク内においては、制御装置１００、デバイス２００Ａ～２００Ｈ、および中継装置４００は、いずれも「データ転送機能を有する通信装置」とみなすことができる。各通信装置は、ネットワークのスイッチング機能を有しており、上述したような３つのデータ転送方式をサポートする。
　図３に示す例においては、制御装置１００、デバイス２００Ａ～２００Ｈ、および中継装置４００の各々は、隣接して接続されているある通信装置から、ネットワーク上を転送されるデータ（以下では、１つの転送単位のデータを「フレーム」とも称す。）を受信すると、当該入来したフレームを必要に応じて、隣接して接続されている別の通信装置へ転送する機能を有している。なお、受信されたフレームが自装置宛てである場合には、当該受信したフレームを他の通信装置へ転送されることなく、当該フレームを受信した装置自体で当該フレームが処理される。
　本実施の形態に従う通信システム１のネットワークは、製造装置や生産設備などを制御する制御装置１００を含むものであり、いわゆる産業用ネットワークまたは産業用ネットワークに準拠する要件を充足するように構成される。そのような要件の一つとして、送信元から送出したデータが宛先に到着する時刻が保証される。
　このような宛先への到着時刻を保証するために、互いに時刻同期された複数の通信装置がネットワーク接続された通信システム１が採用される。つまり、通信システム１のネットワークを構成する通信装置の間では送受信タイミングが時刻同期されている。より具体的には、ネットワークを構成する通信装置の各々は、時刻同期されたタイマ（あるいは、同期してインクリメントまたはデクリメントされるカウンタ）を有しており、それらの時刻同期されたタイマまたはカウンタに従って、各通信装置がデータの送信または受信のタイミングを決定する。
　図３に示す例においては、制御装置１００はタイマ１０１を有しており、中継装置４００はタイマ４０１を有しており、デバイス２００Ａ～２００Ｈはタイマ２０１Ａ～２０１Ｈをそれぞれ有している。例えば、制御装置１００のタイマ１０１がグランドマスタとして機能し、中継装置４００およびデバイス２００Ａ～２００Ｈのタイマがこのグランドマスタを基準としてタイミングを同期させる。このようなタイマ間の同期によって、通信システム１において、フレームの伝送タイミングなどを互いに一致させることができる。
　＜Ｅ．データ転送方式＞
　次に、上述した３つのデータ転送方式について詳述する。図４は、本実施の形態に従う通信システム１において利用可能なデータ転送方式を実現する構成例を示す模式図である。図４（Ａ）には、オンザフライ方式の構成例を示し、図４（Ｂ）には、カットスルー方式の構成例を示し、図４（Ｃ）には、ストアアンドフォワード方式の構成例を示す。
　図４（Ａ）を参照して、（１）オンザフライ方式においては、入来フレームの受信と、次の転送先へのフレームの送出とが並列的に実行される。具体的には、複数のポート１０のうち任意のポート１０と接続可能な転送部２２が配置されている。転送部２２には受信した入来フレームを順次処理するためのキュー２４が用意されている。キュー２４は、ＦＩＦＯ（First　In　First　Out）のデータ保持部として機能し、受信された入来フレームを順次記憶されるとともに、先に受信された部分から順次出力される。転送部２２は、いずれかのポート１０で受信された入来フレームを、予め定められた転送先に対応するポート１０から順次送出する。
　このように、オンザフライ方式においては、受信したフレームから順次処理されて、転送先へ順次出力される。
　図４（Ｂ）を参照して、（２）カットスルー方式においては、受信した入来フレームに含まれるヘッダ情報を参照して、宛先を特定した上で、当該宛先に向けて次の転送先へ送出する。具体的には、複数のポート１０のうち任意のポート１０と接続可能な転送部１８が配置されている。転送部１８にはコントローラ２０が接続されている。転送部１８は、いずれかのポート１０で受信された入来フレームをバッファリングするとともに、入来フレームの先頭にあるヘッダ情報をコントローラ２０へ出力する。コントローラ２０は、ヘッダ情報に基づいて宛先を特定するとともに、当該特定した宛先に対応する転送先を特定し、当該特定した転送先に対応するポート１０から、受信した入来フレームを送出する。
　このように、カットスルー方式においては、受信したフレームの先頭にある宛先情報が参照されて次の宛先へ転送される。このとき、入来フレームのヘッダ情報以降に存在するデータ本体については参照されず、そのまま転送先へ送出される。
　図４（Ｃ）を参照して、（３）ストアアンドフォワード方式においては、受信した入来フレームを一旦バッファリングした上で、バッファリングしたフレームを宛先に向けて次の転送先へ送出する。具体的には、複数のポート１０のうち任意のポート１０と接続可能な受信部１２および送信部１６が配置されている。受信部１２および送信部１６は、バッファ１４と接続されている。受信部１２は、いずれかのポート１０で受信された入来フレームをバッファ１４に書込み、送信部１６は、バッファ１４から読出したフレーム（送出フレーム）をいずれかのポート１０から送出する。
　このように、ストアアンドフォワード方式においては、受信したフレームをバッファに格納（ストア）した上で次の宛先へ転送（フォワード）される。
　図５は、本実施の形態に従う通信システム１において利用可能なデータ転送方式を比較して示す図である。図５には、各データ転送方式について、遅延時間、フレームチェックの有無、宛先確認の有無の点を比較した結果例を示す。
　図５を参照して、遅延時間に関しては、（３）ストアアンドフォワード方式、（２）カットスルー方式、（１）オンザフライ方式の順で小さくなる。具体的には、（３）ストアアンドフォワード方式においては、入来フレームの全体を一旦キューイングするため、フレーム処理に係る物理遅延に加えて、入来フレームの全データサイズを予め定められた通信帯域で処理するために要する時間が必要となる。
　フレームチェックの有無に関しては、（３）ストアアンドフォワード方式においては、フレーム全体をチェックし、フレーム内のデータ破損などの不適切フレームである場合には、転送を行わないようにすることができる。一方、（１）オンザフライ方式においては、フレームチェックは行われない。（２）カットスルー方式については、基本的には、フレームチェックは行われないが、ヘッダ情報を参照するため、フレームチェックを行うようにしてもよい。このようなフレームチェックを行う転送方式として、フラグメントフリー方式なども知られている。
　宛先確認の有無に関しては、（３）ストアアンドフォワード方式および（２）カットスルー方式においては、転送先を決定するために入来フレームのヘッダ情報に含まれる宛先が確認される。一方、（１）オンザフライ方式においては、宛先確認は行われない。逆に言えば、（１）オンザフライ方式については、宛先の認識および派別が不要なトポロジまたは通信方式に適用される。
　＜Ｆ．データ転送方式の最適切替え＞
　上述したように、３つのデータ転送方式は、互いに異なる特性を有している。これらの異なる特性を有する３つのデータ転送方式を選択的に用いて、３つの異なるデータ種別（制御系データ、制御情報系データ、情報系データ）を転送する必要がある。
　図５に示すように、データ種別毎に異なる要件が課されている。具体的には、制御系データには、高速および高精度が重視され、通常は、定周期リフレッシュなどのタスクに関連付けられるため、通信タイミングおよび宛先が予め固定されている。制御情報系データは、到着時刻を保証することが重視され、通常は、内容に応じて宛先は都度変わることになる。情報系データは、ベストエフォート方式で転送され、宛先は都度変わることになる。情報系データはデータサイズが相対的に大きいので、例えば、ＣＲＣ（Cyclic　Redundancy　Check）エラーが発生したフレームがあると、通信効率低下への影響が大きい。
　上述したように、３つのデータ転送方式と３つのデータ種別とを一意に対応付けるだけでは、通信効率を向上させることはできない。そこで、本実施の形態に従う通信システム１においては、データ特性を考慮した通信スケジュールに応じて、各機器のデータ転送方式を動的に選択する。このようなデータ転送方式の最適切替えによって、通信効率を向上させることができる。
　図３に示すように、通信システム１のネットワークを構成する通信装置の間では送受信タイミングが時刻同期されている。この時刻同期された状態で、通信スケジュールが決定される。このような通信装置間の時刻同期は、ＩＥＥＥ（Institute　of　Electrical　and　Electronics　Engineers）１５８８、ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ、ＩＥＥＥ８０２．１ＡＳ－Ｒｅｖなどの高精度時間プロトコルを採用することで実現できる。
　ネットワーク内のマスターとして機能する通信装置（制御装置１００）の管理下において、いずれの種別のデータ（制御系データ／制御情報系データ／情報系データ）がいずれのタイミングで転送されるのかが予め設定されているとする。すなわち、ネットワークを構成する通信装置の間で、制御系データ、制御情報系データ、情報系データについては、予め定められた通信スケジュールに従って伝送するように管理されている（スケジュールされている）とする。通信装置の各々は、ネットワーク上を転送されるデータのデータ種別およびタイミングを予め取得しており、これらの情報に基づいて、データ転送方式を逐次切替えることができる。
　このような通信スケジュール（トラフィックのスケジューリング）は、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑｂｖなどに規定される手続きを採用することで実現できる。
　なお、制御系データ、制御情報系データ、情報系データのうち、制御系データは、送受信タイミングなどを厳密に規定することが好ましいが、制御情報系データおよび情報系データについては、定常的に伝送されるものではないので、通信スケジュールの対象としなくてもよい。制御系データのみを通信スケジュールの対象とすることで、通信帯域を柔軟に割り当てることで、利用効率を高めることができる。この場合には、例えば、制御情報系データおよび情報系データに対して、その種別を示す識別情報などを付与しておくことで、制御系データに交じって伝送される際にも、データ転送を効率的に行うことができる。
　図６は、本実施の形態に従う通信システム１におけるデータ転送方式の選択例を示す模式図である。図６を参照して、本実施の形態に従う通信システム１においては、予め定められた制御周期毎に通信スケジュールが決定されるとする。各制御周期においては、入出力データを更新するための定周期リフレッシュが実行される。各制御周期には、定周期リフレッシュに必要な制御系データが優先的に割り当てられるとともに、各制御周期の残り時間（すなわち、残り通信帯域）には、通信要求などの状況に応じて、制御情報データおよび情報系データが割り当てられる。
　図６に示す例においては、第１の制御周期において、制御系データおよび制御情報系データがスケジュールされ、第２の制御周期において、制御系データ、制御情報系データおよび情報系データがスケジュールされ、第３の制御周期において、制御系データおよび情報系データがスケジュールされている。
　制御系データについては、オンザフライ方式でデータ転送され、制御情報系データについては、カットスルー方式でデータ転送され、情報系データについては、ストアアンドフォワード方式でデータ転送される。このように、データ種別およびスケジュールに応じて、適切なデータ転送方式で逐次選択されることになる。
　図６にはデータ転送の一例が示されており、この方式に限られるものではない。特に、ネットワーク上に存在する通信装置の構成に応じて、データ転送方式を選択する挙動が異なる場合がある。以下では、主として、（１）デイジーチェーン接続、（２）スイッチ（１入力Ｎ出力）、および、（３）スイッチ（Ｎ入力１出力）の各々における挙動を一例に説明する。
　＜Ｇ．通信装置の装置構成＞
　先に、本実施の形態に従う通信システム１を構成する通信装置の装置構成の一例について説明する。本実施の形態においては、通信装置としては、制御装置１００、デバイス２００Ａ～２００Ｈ、および中継装置４００を含み得る。以下では、典型例として、制御装置１００の装置構成について例示するが、デバイス２００Ａ～２００Ｈおよび中継装置４００についても同様の装置構成を有している。
　図７は、本実施の形態に従う通信装置の典型例である制御装置１００のハードウェア構成の一例を示す模式図である。制御装置１００は、ＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）をベースとして構成されてもよい。図７を参照して、制御装置１００は、主たるコンポーネントとして、プロセッサ１０２と、メモリ１０４と、ストレージ１０６と、通信制御回路１３０とを含む。これらのコンポーネントはバス１０９を介して接続されている。通信制御回路１３０には、１または複数のポート１４０－１～１４０－Ｎが接続されている。
　プロセッサ１０２は、ストレージ１０６に格納されているシステムプログラム１０７およびユーザアプリケーションプログラム１０８をメモリ１０４に読み出して実行することで、各種処理を実現する。メモリ１０４は、ＤＲＡＭ（Dynamic　Random　Access　Memory）やＳＲＡＭ（Static　Random　Access　Memory）などの揮発性記憶装置からなる。ストレージ１０６は、ハードディスクやフラッシュメモリなどの不揮発性記憶装置からなる。ストレージ１０６には、制御装置１００の各部を制御するためのシステムプログラム１０７に加えて、制御対象などに応じて設計されるユーザアプリケーションプログラム１０８が格納される。
　通信制御回路１３０は、ポート１４０－１～１４０－Ｎの各々におけるデータの送受信動作を制御する。
　ポート１４０－１～１４０－Ｎは、他の通信装置から受信した各データを当該データに対して決定されたデータ転送方式に従って、別の他の通信装置へ転送する送受信回路に相当する。データ転送方式の決定方法などについては後述する。ポート１４０－１～１４０－Ｎの各々は、受信回路（ＲＸ）および送信回路（ＴＸ）を含んでおり、いずれかのネットワークに接続されている。以下では、ポート１４０－１～１４０－Ｎを「ポート１４０」と総称することもある。
　図８は、図７に示す制御装置１００の通信制御回路１３０のより詳細な構成を示す模式図である。図８を参照して、通信制御回路１３０は、スケジュール管理部１３２と、データ転送方式判断部１３４と、タイミング管理部１３６とを含む。通信制御回路１３０は、ＡＳＩＣ（application　specific　integrated　circuit）やＦＰＧＡ（field-programmable　gate　array）などのハードワイヤードな構成（ハードウェア実装）としてもよいし、プロセッサがプログラムを実行することで必要な機能を提供するように構成（ソフトウェア実装）としてもよい。さらに、ハードウェア実装とソフトウェア実装とを組み合わせた実装形態を採用してもよい。通信装置の用途や要求されるスペックなどに応じて、適宜最適な実装形態が採用される。
　スケジュール管理部１３２は、制御系データ、制御情報系データ、情報系データを、予め定められた通信スケジュールに従って伝送するための管理機能を提供する。より具体的には、スケジュール管理部１３２は、マスターとして機能する通信装置からの情報およびタイミング管理部１３６が管理する時刻同期されたタイマに基づいて、ネットワーク上を転送されるフレームのタイミングなどを管理する。
　データ転送方式判断部１３４は、ネットワーク上を順次転送されるフレームについてのデータ転送方式を順次判断し、その判断結果をポート１４０へ与える。より具体的には、データ転送方式判断部１３４は、通信スケジュールに基づいて、伝送される各データに対するデータ転送方式を、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式のうちから選択する。
　タイミング管理部１３６は、他の通信装置との間で互いに時刻同期するための同期機能を提供する。より具体的には、タイミング管理部１３６は、マスターとして機能する通信装置からの同期情報などに基づいて、時刻同期されたタイマを管理する。すなわち、タイミング管理部１３６は、マスターからの同期情報に基づいて、カウンタのデクリメントまたはインクリメントのタイミングなどを管理する。
　図９は、図７に示す制御装置１００のポート１４０のより詳細な構成を示す模式図である。図８を参照して、ポート１４０の各々は、受信回路１４１と、複数の入力ゲート１４２－１～１４２－Ｍ（以下、「入力ゲート１４２」と総称することもある。）と、複数のキュー１４３－１～１４３－Ｍ（以下、「キュー１４３」と総称することもある。）と、複数の出力ゲート１４４－１～１４４－Ｍ（以下、「出力ゲート１４４」と総称することもある。）と、タイミング制御回路１４５と、転送制御回路１４７と、送信回路１４８とを含む。
　ポート１４０の各々には、入力ゲート１４２と、キュー１４３と、出力ゲート１４４とからなる複数のフレームを順次記憶する回路が複数実装されている。各ポート１４０においては、複数のキュー１４３に対して、データ種別に応じたフレームをキューイングするとともに、各フレームに対して決定されるデータ転送方式に応じて、キュー１４３から出力されるタイミングが制御される。
　タイミング制御回路１４５は、タイミング制御テーブル１４６を有している。タイミング制御テーブル１４６には、通信制御回路１３０のタイミング管理部１３６からのタイミング情報が格納される。タイミング制御回路１４５は、タイミング制御テーブル１４６に格納されるタイミング情報を参照して、入力ゲート１４２－１～１４２－Ｍを選択的にアクティブにする。受信回路１４１で受信されたフレームは、アクティブにされた入力ゲート１４２に接続されているキュー１４３に順次格納される。
　例えば、キュー１４３－１には、制御系データがキューイングされ、キュー１４３－２には、制御情報系データがキューイングされ、残りのキュー１４３－３～１４３－Ｍには、情報系データがキューイングされるとする。タイミング制御回路１４５は、予め取得されているタイミング情報に基づいて、フレームの受信前にデータ種別を知ることができるので、予め定められたキュー１４３の割り当てに応じて、入力ゲート１４２を選択的にアクティブにする。
　また、タイミング制御回路１４５は、タイミング制御テーブル１４６に格納されるタイミング情報を参照して、出力ゲート１４４－１～１４４－Ｍを選択的にアクティブにする。例えば、オンザフライ方式でデータ転送する場合には、キュー１４３へのフレームの格納と並行して、キュー１４３からフレームを読み出す必要がある。カットスルー方式でデータ転送する場合には、キュー１４３にフレームの少なくともヘッダ情報が格納されてから、キュー１４３からフレームを読み出す必要がある。ストアアンドフォワード方式でデータ転送する場合には、フレーム全体のキュー１４３への格納が完了した後に、キュー１４３からフレームを読み出す必要がある。タイミング制御回路１４５は、通信制御回路１３０のデータ転送方式判断部１３４からの判断結果に基づいて、出力ゲート１４４－１～１４４－Ｍをアクティブにするタイミングを制御する。
　転送制御回路１４７は、キュー１４３に格納されたフレームの全体または一部（ヘッダ情報）を参照して、対象のフレームの宛先（転送先）を確認し、あるいは、フレームの健全性をチェックする。転送制御回路１４７は、対象のフレームの転送先に応じて、送信回路１４８へ指令を与える。また、転送制御回路１４７は、対象のフレームが不適切フレームであると判断すると、当該フレームの送出を中止することもできる。
　上述したように、ポート１４０の各々には、通信制御回路１３０と連係して、データ種別などに応じたデータ転送方式で、入来フレームを次の宛先へ転送する。
　なお、図９に示す構成においては、キュー１４３－１～１４３－Ｍにそれぞれ対応付けて入力ゲート１４２－１～１４２－Ｍを設けることで、入力されたフレームをデータ種別に応じて選択的にキュー１４３へ格納するが、必ずしも、キュー１４３－１～１４３－Ｍの各々に入力ゲート１４２を設ける必要はない。例えば、受信回路１４１の内部または受信回路１４１の下流側に、入力されたフレームのデータ種別を判断する回路を設け、その回路での判断結果に基づいて、入力されたフレームをデータ種別に応じて選択的にキュー１４３へ格納するようにしてもよい。
　一例として、データ種別を判断する回路においては、入力されたフレームが制御系データであるか否かを先に判断した上で、制御系データではないと判断された場合に、制御情報系データおよび情報系データのいずれであるかを判断するようにしてもよい。このように、制御系データであるか否かを先に判断することで、転送に係る時間ロスを低減できる。
　＜Ｈ．デイジーチェーン接続＞
　次に、本実施の形態に従う通信方式をデイジーチェーン接続された通信装置に適用した場合の転送処理の一例について説明する。
　図１０は、本実施の形態に従う通信方式をデイジーチェーン接続された通信装置に適用した場合の転送処理の一例を示す模式図である。図１０には、図３に示す通信システム１を構成するデバイス２００での転送処理の一例を示す。なお、図１０に示す各時間幅は、理解を容易にするために誇張して描かれたものであり、実際の時間幅を示すものとは限らない。他の図についても同様である。
　図１０を参照して、システム周期の１周期分を想定すると、デバイス２００は、時刻ｔ０において制御系データを受信し、時刻ｔ２において制御情報系データを受信し、時刻ｔ３において情報系データを受信する。上述したようなデータの受信タイミングは、通信スケジュールによって予め決定されている。つまり、いずれのデータ種別のデータが、いずれのタイミングで伝送されるかについては、予めスケジュールされており、既知である。
　図１０に示す例においては、制御系データ、制御情報系データ、情報系データの順に、遅延時間への要求が厳しいので、この遅延時間に対する要求に対応するように、データ転送方式として、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式がそれぞれ選択される。
　図１０に示す転送処理の一例においては、入来フレームのデータ種別に応じて、データ転送方式が決定され、当該入来フレームについて一旦決定されたデータ転送方式は、途中で変更されない。
　この結果、時刻ｔ０に受信された制御系データ（入来フレーム）は、キューイングに係る物理遅延だけ遅れて、次の宛先へ転送される（送出フレーム）。時刻ｔ１に受信された制御情報系データ（入来フレーム）は、物理遅延に加えて、宛先を含むヘッダ情報を格納（ストア）する時間および格納されたヘッダ情報に基づく宛先確認の時間だけ遅れて、次の宛先へ転送される（送出フレーム）。時刻ｔ２に受信された情報系データ（入来フレーム）は、物理遅延に加えて、フレーム全体を格納（ストア）する時間、格納されたフレームをチェックする時間、および、ヘッダ情報に基づく宛先確認の時間だけ遅れて、次の宛先へ転送される（送出フレーム）。
　図１０に示すネットワーク構成において、デバイス２００は、デイジーチェーン接続されているので、宛先確認としては、入来フレームが当該デバイス２００宛てであるか否かのみが判断される。入来フレームがデバイス２００宛てであれば、次の宛先への転送は行われず、そうでなければ、入来フレームがそのまま次の宛先へ送出される。
　なお、ストアアンドフォワード方式を選択することで通信効率が低下し、デイジーチェーン全体のパフォーマンスに影響が生じる場合には、情報系データをストアアンドフォワード方式ではなく、カットスルー方式に変更してもよい。これは、デイジーチェーン接続において、宛先確認は、入来フレームが自装置宛てであるか否かを判断するだけでよいためである。
　図１０に示すように、入来フレームの受信完了から次の宛先への転送完了までに要する時間がシステム周期内に収まる場合には、基本的には、通信スケジュールを維持する観点からは問題ない。入来フレームの受信完了から次の宛先への転送完了までに、新たな入来フレームを受信した場合には、当該受信した入来フレームのデータ種別に応じて、所定の処理を行うことが好ましい。
　新たな入来フレームが、到着時刻を保証する必要のない情報系データの場合には、空時間（空帯域）を利用してデータ転送を行えばよいので、基本的には問題ない。一方、新たな入来フレームが、到着時刻を保証する必要のある制御系データおよび制御情報系データの場合には、先に受信されている情報系データおよび制御情報系データを分割して転送するような機能を実装してもよい。このような分割転送の機能は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１Ｑｂｕに規定されるＦｒａｍｅ　Ｐｒｅｅｍｐｔｉｏｎなどを用いて実装することができる。
　あるいは、制御系データおよび制御情報系データの転送が情報系データの転送によって邪魔されないように、予めしかるべき設定を行っておいてもよいし、予めシミュレーションなどによって到着時刻が保証できることを確認するようにしておいてもよい。
　＜Ｉ．スイッチ（１入力Ｎ出力）＞
　次に、本実施の形態に従う通信方式を１入力Ｎ出力のスイッチとして機能する通信装置に適用した場合の転送処理の一例について説明する。
　図１１は、本実施の形態に従う通信方式を１入力Ｎ出力のスイッチとして機能する通信装置に適用した場合の転送処理の一例を示す模式図である。図１１には、図３に示す通信システム１を構成する中継装置４００での転送処理の一例を示す。
　図１１を参照して、中継装置４００の上位側に接続されたポートからフレームを受信し、下位側に接続された複数のポートから受信したフレームを送出する場合を考える。下位側の２つのポートがそれぞれ宛先１および宛先２に接続されているとする。
　一例として、システム周期の１周期分を想定すると、中継装置４００は、時刻ｔ０において制御系データ（宛先１）を受信し、時刻ｔ２において制御情報系データ（宛先１）を受信し、時刻ｔ３において情報系データ（宛先２）を受信する。上述したようなデータの受信タイミングは、通信スケジュールによって予め決定されている。つまり、いずれのデータ種別のデータが、いずれのタイミングで伝送されるかについては、予めスケジュールされており、既知である。
　制御系データ、制御情報系データ、情報系データの順に、遅延時間への要求が厳しいので、この遅延時間に対する要求に対応するように、データ転送方式として、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式がそれぞれ選択される。
　この結果、時刻ｔ０に受信された制御系データ（入来フレーム）は、キューイングに係る物理遅延だけ遅れて、両ポートから次の宛先へ転送される（送出フレーム）。図１１に示すネットワーク構成において、中継装置４００での宛先確認としては、入来フレームが下位側のいずれのポート（宛先）宛てであるか否かのみが判断される。
　制御系データについては、１入力Ｎ出力のスイッチにおける転送経路（入力ポートおよび出力ポート）についても、予め通信スケジュールしておくことができる。この場合には、送出フレームを送出するポートおよびタイミングが予め設定されているので、そのスケジュールに従って、送出フレームが送出される。このように、中継装置４００の送受信回路は、入力ポートで受信した制御系データを複数の出力ポートのうち予め定められた通信スケジュールにて規定される１つの出力ポートから送出する。
　一方、制御情報系データおよび情報系データについては、宛先確認がなされるため、宛先に応じたポートから送出される。時刻ｔ１に受信された制御情報系データ（宛先１）は、物理遅延に加えて、宛先を含むヘッダ情報を格納（ストア）する時間および格納されたヘッダ情報に基づく宛先確認の時間だけ遅れて、宛先１に対応するポートから送出される。時刻ｔ２に受信された情報系データ（宛先２）は、物理遅延に加えて、フレーム全体を格納（ストア）する時間、格納されたフレームをチェックする時間、および、ヘッダ情報に基づく宛先確認の時間だけ遅れて、宛先２に対応するポートから送出される。
　なお、ストアアンドフォワード方式を選択することで通信効率が低下し、ネットワーク全体のパフォーマンスに影響が生じる場合には、情報系データをストアアンドフォワード方式ではなく、カットスルー方式に変更してもよい。これは、中継装置４００においては、入来フレームをいずれのポートから送出すればよいのかを判断するだけで済むためである。
　なお、処理を簡素化するために、１入力Ｎ出力のスイッチに対する入力ポートおよび出力ポートの通信スケジュールなどは行わず、送受信タイミングのみを通信スケジュールするようにしてもよい。この場合には、入力ポートで受信された制御系データについては、複数の出力ポートのそれぞれから送出してもよい（図１１の破線で示される送出フレームを参照）。オンザフライ方式においては、宛先確認がなされないため、フレームを送出すべきポートを決定できない。そのため、中継装置４００にて受信された制御系データについては、下位側に接続されたすべてのポートから送出されることになる。
　あるいは、１入力Ｎ出力のスイッチが接続されるネットワークにおいて定められている転送経路に従って、いずれかの１つの出力ポートから制御系データを送出するようにしてもよい。この場合、実際の宛先とは異なる出力ポートから制御系データを送出したとしても、順次転送されて、最終的には目的の宛先へ伝送される。
　図１１に示すように、入来フレームの受信完了から次の宛先への転送完了までに要する時間がシステム周期内に収まるように、必要に応じて、付加的な処理または設定を行うことが好ましい。このような付加的な処理および設定については、図１０を参照して説明したので、詳細な説明は繰返さない。
　＜Ｊ．スイッチ（Ｎ入力１出力）＞
　次に、本実施の形態に従う通信方式をＮ入力１出力のスイッチとして機能する通信装置に適用した場合の転送処理の一例について説明する。
　図１２は、本実施の形態に従う通信方式をＮ入力１出力のスイッチとして機能する通信装置に適用した場合の転送処理の一例を示す模式図である。図１２には、図３に示す通信システム１を構成する中継装置４００での転送処理の一例を示す。
　図１２を参照して、中継装置４００の複数のポートからそれぞれフレームを受信し、別のポートから受信したフレームを送出する場合を考える。図１２に示す例では、第１のポートおよび第２のポートで受信されるフレームをそれぞれ「入来フレーム１」および「入来フレーム２」と記す。
　一例として、システム周期の１周期分を想定すると、中継装置４００は、時刻ｔ０において制御系データを受信し、時刻ｔ２において制御情報系データ１を受信し、時刻ｔ３において制御情報系データ２を受信する。上述したようなデータの受信タイミングは、通信スケジュールによって予め決定されている。つまり、いずれのデータ種別のデータが、いずれのタイミングで伝送されるかについては、予めスケジュールされており、既知である。
　制御系データについては、遅延時間への要求が厳しいので、データ転送方式として、オンザフライ方式を選択する。図１２に示す例では、複数の制御情報系データを同時に処理する必要があるので、一方の制御情報系データについては、データ転送方式として、カットスルー方式を選択し、他方の制御情報系データについては、データ転送方式として、オンザフライ方式を選択する。
　このように、同一の通信装置において複数の制御情報系データの転送処理が時間的に重なると、複数の制御情報系データのうち１つに対してカットスルー方式が選択されるとともに、複数の制御情報系データの残りに対してストアアンドフォワード方式が選択される。遅延時間の異なる２種類のデータ転送方式を組み合わせることで、転送開始のタイミングをずらすことができ、通信効率低下への影響を低減できる。
　図１２に示す例では、先に受信された制御情報系データ１に対して、より遅延時間の短いカットスルー方式を選択し、後に受信された制御情報系データ２に対して、より遅延時間の長いストアアンドフォワード方式を選択する。つまり、カットスルー方式が選択された制御情報系データについて先に転送処理が実行されるとともに、ストアアンドフォワード方式が選択された制御情報系データが続いて処理される。
　この結果、時刻ｔ０に受信された制御系データ（入来フレーム）は、キューイングに係る物理遅延だけ遅れて、次の宛先へ転送される（送出フレーム）。
　一方、時刻ｔ１に受信された制御情報系データ１は、物理遅延に加えて、宛先を含むヘッダ情報を格納（ストア）する時間および格納されたヘッダ情報に基づく宛先確認の時間だけ遅れて、出力ポートから送出される。時刻ｔ２に受信された制御情報系データ２は、物理遅延に加えて、フレーム全体を格納（ストア）する時間、格納されたフレームをチェックする時間、および、ヘッダ情報に基づく宛先確認の時間だけ遅れて、出力ポートから送出される。
　このように、複数の制御情報系データに対してカットスルー方式およびストアアンドフォワード方式がそれぞれ選択されるので、１つの出力ポートからの送出の競合を回避でき、通信効率低下への影響を低減できる。なお、図１２に示す例では、制御情報系データ１に対するカットスルー方式での転送処理と、制御情報系データ２に対するストアアンドフォワード方式による転送処理とが時間的に重ならないようになっているが、制御情報系データ１の転送処理に要する時間が長い場合には、両者は競合する可能性がある。この場合には、後から転送する制御情報系データ２については、制御情報系データ１の転送後に転送を開始すればよい。つまり、先の制御情報系データに対する転送処理が完了するタイミングと、後の制御情報系データに対する転送処理の開始準備が完了するタイミングとのうち、より遅い方のタイミングに合わせて、後の制御情報系データの送出を開始すればよい。
　制御系データは、予め定められた通信タイミング、サイズ、および宛先で伝送されるため、通信装置で競合が生じないように、通信スケジュールに基づいてデータ転送方式が決定される。一方、制御情報系データおよび情報系データは、条件に応じて生成および転送されるので、予め定められた期間内にメッセージ伝送が生じるか否かは、状況次第である。そのため、状況によっては、通信装置内で、制御情報系データおよび／または情報系データの競合が生じる場合がある。
　このようなデータ競合が生じた場合であっても、情報系データについては、バッファにストアした上で出力するので、受信した順番で処理することで対応可能である。一方、制御情報系データについては、図１２に示すように、先に処理されているフレームがカットスルー方式で転送されている場合には、ストアアンドフォワード方式で転送するようにすればよい。この場合、制御情報系データがバッファにストアされている状態において、制御系データを処理しなければならない時間が到来すると、制御情報系データの処理を中断し、制御系データを優先的に処理すればよい。
　また、図９に示すように、制御情報系データを格納するための領域と、情報系データを格納するための領域とを分離して配置してもよい。このように領域を分離することで、制御情報系データを情報系データに比較して優先的に処理できるようになる。
　図１３は、本実施の形態に従う通信方式をＮ入力１出力のスイッチとして機能する通信装置に適用した場合の転送処理の別の一例を示す模式図である。図１３に示す例においては、後の制御情報系データを部分的なストアアンドフォワード方式で転送する例を示す。具体的には、先の制御情報系データ１の転送処理が完了したタイミングにおいて、後の制御情報系データ２の転送処理を開始する例を示す。
　図１３に示す例においては、基本的には、制御情報系データ２をストアアンドフォワード方式で転送する。制御情報系データ２をバッファに格納するにあたって、制御情報系データ２の先頭にあるヘッダ情報が先に格納され、カットスルー方式と同様に、宛先確認を先に実行する。そして、先に転送される制御情報系データ１の転送処理中において、制御情報系データ２の格納処理が継続される。制御情報系データ２の格納された部分について、データ破損の有無などのチェックが行われる。制御情報系データ２の転送処理が相対的に長い時間継続した場合には、制御情報系データ２の全体についてフレームチェックが可能であり、そうでなければ、制御情報系データ２の一部についてフレームチェックが実施される。
　このように、カットスルー方式が選択された制御情報系データ１についての転送処理が完了すると、ストアアンドフォワード方式が選択された制御情報系データ２についてのデータストア処理の完了を待たずに、当該制御情報系データ２の送出処理が開始される。つまり、先行のフレームの転送処理中においては、フレームのデータストア処理が継続され、当該先行のフレームの転送処理完了後に、後続のフレームの転送処理が開始される。カットスルー方式において格納されるヘッダ情報（宛先の情報を含む）を格納するものであったが、このような部分的なストアアンドフォワード方式においては、ヘッダ情報に加えて、残りの部分の全部または一部が状況に応じて格納される。このような部分的なストアアンドフォワード方式を採用することで、通信効率低下への影響を低減しつつ、転送されるフレームに含まれるデータ破損などをチェックすることができるため、通信の信頼性を高めることができる。
　＜Ｋ．処理手順＞
　次に、本実施の形態に従う通信システム１を構成する各通信装置における処理手順について説明する。図１４は、本実施の形態に従う通信システム１を構成する各通信装置における処理手順を示すフローチャートである。図１４に示す各ステップは、通信装置のプロセッサおよび周辺回路が協働することで実現される。
　図１４を参照して、通信装置は、マスターとして機能する他の通信装置を基準として時刻同期を確立する（ステップＳ１００）。続いて、通信装置は、マスターとして機能する他の通信装置からデータ転送に係る通信スケジュールを受信し（ステップＳ１０２）、通信スケジュールに基づいて、伝送される予定の各データに対するデータ転送方式を決定する（ステップＳ１０４）。通信装置は、他の通信装置から何らかのデータを受信すると（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、転送が必要なデータについては、予め決定しておいたデータ転送方式に従って、他の通信装置へ送出する（ステップＳ１０８）。通信装置の通信処理の終了が指示されるまで（ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、ステップＳ１０４以下の処理が繰返される。
　＜Ｌ．利点＞
　本実施の形態に従う通信システムにおいては、互いに時刻同期された複数の通信装置がネットワーク接続されており、これによって、制御系データ、制御情報系データ、情報系データといった異なる種別のデータを、予め定めたスケジュールに従って伝送することができる。このような通信スケジュールに基づいて、各データ種別に応じて、データ転送方式（（１）オンザフライ方式、（２）カットスルー方式、（３）ストアアンドフォワード方式のいずれか）を適応的に選択することで、ネットワーク上のデータ伝送の効率を向上させることができる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　通信システム、２，３，４，５　ネットワーク、１０　ポート、１２　受信部、１４　バッファ、１６　送信部、１８，２２　転送部、２０　コントローラ、２４　キュー、１００　制御装置、１０１，２０１Ａ～２０１Ｈ，４０１　タイマ、１０２　プロセッサ、１０４　メモリ、１０６　ストレージ、１０７　システムプログラム、１０８　ユーザアプリケーションプログラム、１０９　バス、１１０　フィールドネットワーク、１１１　上位伝送路、１１２，１１３　下位伝送路、１３０　通信制御回路、１３２　スケジュール管理部、１３４　データ転送方式判断部、１３６　タイミング管理部、１４０，１４０－１～１４０－Ｎ　ポート、１４１　受信回路、１４２　入力ゲート、１４３　キュー、１４４　出力ゲート、１４５　タイミング制御回路、１４６　タイミング制御テーブル、１４７　転送制御回路、１４８　送信回路、１８０　表示装置、１９０　ライン管理装置、２００，２００Ａ，２００Ｄ，２００Ｅ，２００Ｈ　デバイス、３００　製造管理装置、３１０　データベース装置、３５０　生産管理装置、４００　中継装置。

Claims (11)

  1. 　互いに時刻同期された複数の通信装置がネットワーク接続された通信システムであって、
    　前記複数の通信装置の各々は、
    　　製造装置または生産設備の制御に用いられる周期的に伝送される第１のデータと、指定された時間内に宛先へ到着させる必要のある第２のデータと、前記第１のデータおよび前記第２のデータとは異なる第３のデータとを、予め定められた通信スケジュールに従って伝送するための管理手段と、
    　　前記通信スケジュールに基づいて、伝送される各データに対するデータ転送方式を、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式のうちから選択する選択手段と、
    　　他の通信装置から受信した各データを当該データに対して決定されたデータ転送方式に従って、別の他の通信装置へ転送する送受信回路とを備える、通信システム。
  2. 　前記選択手段は、前記第１のデータに対してオンザフライ方式を選択する、請求項１に記載の通信システム。
  3. 　前記送受信回路は、入力ポートで受信した制御系データを複数の出力ポートのうち予め定められた通信スケジュールにて規定される１つの出力ポートから送出する、請求項２に記載の通信システム。
  4. 　前記送受信回路は、入力ポートで受信した制御系データを複数の出力ポートのそれぞれから送出する、請求項２に記載の通信システム。
  5. 　前記選択手段は、前記第２のデータに対してカットスルー方式を選択する、請求項１～４のいずれか１項に記載の通信システム。
  6. 　前記選択手段は、同一の通信装置において複数の前記第２のデータの転送処理が時間的に重なると、前記複数の第２のデータのうち１つに対してカットスルー方式を選択するとともに、前記複数の第２のデータの残りに対してストアアンドフォワード方式を選択し、
    　前記送受信回路は、カットスルー方式が選択された第２のデータについて先に転送処理を実行するとともに、ストアアンドフォワード方式が選択された第２のデータを続いて処理する、請求項５に記載の通信システム。
  7. 　前記送受信回路は、カットスルー方式が選択された第２のデータについての転送処理が完了すると、ストアアンドフォワード方式が選択された第２のデータについてのデータストア処理の完了を待たずに、当該第２のデータの送出処理を開始する、請求項６に記載の通信システム。
  8. 　前記選択手段は、前記第３のデータに対してストアアンドフォワード方式を選択する、請求項１～７のいずれか１項に記載の通信システム。
  9. 　前記複数の通信装置の少なくとも一部は、デイジーチェーン接続されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の通信システム。
  10. 　通信システムにネットワーク接続される通信装置であって、
    　他の通信装置との間で互いに時刻同期するための同期手段と、
    　製造装置または生産設備の制御に用いられる周期的に伝送される第１のデータと、指定された時間内に宛先へ到着させる必要のある第２のデータと、前記第１のデータおよび前記第２のデータとは異なる第３のデータとを、予め定められた通信スケジュールに従って伝送するための管理手段と、
    　前記通信スケジュールに基づいて、伝送される各データに対するデータ転送方式を、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式のうちから選択する選択手段と、
    　他の通信装置から受信した各データを当該データに対して決定されたデータ転送方式に従って、別の他の通信装置へ転送する送受信回路とを備える、通信装置。
  11. 　互いに時刻同期された複数の通信装置がネットワーク接続された通信システムにおける通信方法であって、
    　製造装置または生産設備の制御に用いられる周期的に伝送される第１のデータと、指定された時間内に宛先へ到着させる必要のある第２のデータと、前記第１のデータおよび前記第２のデータとは異なる第３のデータとを、予め定められた通信スケジュールを管理するステップと、
    　前記通信スケジュールに基づいて、伝送される各データに対するデータ転送方式を、オンザフライ方式、カットスルー方式、ストアアンドフォワード方式のうちから選択するステップと、
    　他の通信装置から受信した各データを当該データに対して決定されたデータ転送方式に従って、別の他の通信装置へ転送するステップとを備える、通信方法。
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