WO2023238255A1

WO2023238255A1 - データ通信システム、データ通信方法、中継装置、中継方法、及びプログラム

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Publication number: WO2023238255A1
Application number: PCT/JP2022/023016
Authority: WO
Inventors: 夏樹安原; 慎一吉原; 秀雄川田; 広尚阿部; 優平川上; 尊広久保
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2022-06-07
Filing date: 2022-06-07
Publication date: 2023-12-14
Also published as: WO2023238501A1

Abstract

データ通信システム（１）は、第１の通信周期で、第１の通信フレームをスレーブ装置（２０）又は中継装置（３０）に送信するマスター装置と、データの読み取り及び書き込みを行い、マスター装置又は下段の装置に第１の通信フレームを送信するスレーブ装置（２０）と、受信した第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成し、異なる通信周期上の絶対時刻との合わせこみを行い、第２の通信周期で第２の通信フレームを遠隔スレーブ装置（４０）に送信し、遠隔スレーブ装置（４０）より第２の通信周期で受信した第２の通信フレームに書き込まれたデータを第１の通信フレームに載せ替えて、第１の通信周期でマスター装置（１０）又はスレーブ装置（２０）へ送信する中継装置（３０）と、中継装置（３０）にデータの読み取り及び書き込みを行った第２の通信フレームを返送する遠隔スレーブ装置（４０）と、を備える。

Description

データ通信システム、データ通信方法、中継装置、中継方法、及びプログラム

　本開示は、ＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）通信における、マスター・スレーブ間のデータ通信距離を長延化する、データ通信システム、データ通信方法、中継装置、中継方法、及びプログラムに関する。

　図６は、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信におけるデータの送受信を説明するブロック図である。図６に示すように、ＥｔｈｅｒＣＡＴの通信フレームは、システム全体を制御するマスター装置Ｍ―１から送信され、スレーブ装置Ｓ―１～Ｓ―Ｎの全てを、接続された順番で通過し、終端のスレーブ装置Ｓ―Ｎに到着すると、往路を逆行して再びマスター装置Ｍ―１へ帰還する。

　ＥｔｈｅｒＣＡＴは、通信フレームの送信から帰還までの時間差を計測し、マスタクロックからの補正により、時刻同期通信を行うことができる。すなわち、マスター装置が通信フレームに時刻を書き込み、各スレーブ装置が該時刻を読み込んで自ノードとマスター装置との間の時間遅延を計算することにより、時刻同期が行われる。

　ＥｔｈｅｒＣＡＴの通信フレームのデータ部には、各スレーブ装置における処理データがまとめて格納（データパッキング）されている。スレーブ装置は、該通信フレームが自ノードを通過する際に、処理データを送受信（オンザフライ読み取り書き込み) する通信方式を採用しており、短い周期で処理データを伝送することにより、リアルタイム性（低遅延）を実現している。

　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信は、マスター装置から順番にスレーブ装置の全てを一方向で通過し、最初の通過において処理データの読み取り及び書き込みを行い、２回目の通過時（帰還時）には処理を行わない。そのため、スレーブ装置間の通信は、通信フレームの送受信を２サイクル繰り返すことにより実現する必要があった。本開示において、スレーブ装置間の通信を、フィードバック通信又はＦＢ通信ともいう。スレーブ装置間の通信は、フィードバック（ＦＢ）制御通信に代表される。ＦＢ制御とは、出力の信号を入力側に送り返すことにより、出力が適切な目標値または基準値になるように制御することをいう。図６に示すように、マスター装置Ｍ―１は、第１サイクル及び第２サイクルの２回のサイクルで、通信フレームをスレーブ装置Ｓ―１へ送信している。

　非特許文献１には、ＥｔｈｅｒＣＡＴ技術の概要が記載されている。

「ＥｔｈｅｒＣＡＴ-イーサネットフィールドバス」、ＥｔｈｅｒＣＡＴ　Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇ　Ｇｒｏｕｐ、［ｏｎｌｉｎｅ］、［２０２２年５月１７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.ethercat.org/download/documents/ETG_Brochure_JP.pdf＞

　図７は、ＥｔｈｅｒＣＡＴにおけるＦＢ（フィードバック）制御通信を説明するブロック図である。図７に示すように、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信においては、マスター・スレーブ間の周期通信を一方向で行うため、ＦＢ（フィードバック）制御通信に代表されるようなスレーブ装置間の通信は、第１サイクル及び第２サイクルの２サイクルのデータ送受信を行うことにより実現されていた。そのため、ＦＢ通信遅延は、マスター・スレーブ間の通信距離に依存し、通信時間の短い短周期のＦＢ通信と通信時間の長い長周期のＦＢ通信とをＥｔｈｅｒＣＡＴシステム上に、混在させることはできなかった。本開示において、短周期で行われるデータ通信を短周期通信、長周期で行われるデータ通信を長周期通信ともいう。

　図７に示すように、マスター装置Ｍ－１は、スレーブ装置Ｓ－１及びＳ－２との間で、短周期通信を行う。第１サイクルで、スレーブ装置Ｓ－２によりＳ－１へのＦＢ制御を行う旨のデータが書き込まれると、帰還した通信フレーム内のデータを読み取ったマスター装置Ｍ－１は、第２サイクルでスレーブ装置Ｓ－１宛に該データが書き込まれた通信フレームを送信する。一方、図７に示すように、スレーブ装置Ｓ－３が長周期通信の必要な遠隔地へ移動すると、マスター装置Ｍ－１は、スレーブ装置Ｓ－３との間で、短周期通信を行うことができなくなる。このため、エッジコンピューティングの様に、遠隔制御対象とは別に、低遅延が必要な処理部分を、短周期の応答が必要なマスター装置の近くに設置する場合には、別ノードにより通信距離に応じた新たなマスター・スレーブシステムを追加で構築するしかなく、同一ノードでの経済的な対応が課題となっていた。

　図８は、マスター装置同士のＩＰ通信により、データ通信の長延化を実現する公知技術の例を示すブロック図である。図８に示すように、マスター装置Ｍ－１と、短周期の応答が必要なスレーブ装置Ｓ－１及びＳ－２とから構成される短周期通信を行うマスター・スレーブシステムと、マスター装置Ｍ－２と、遠隔制御の対象となるスレーブ装置Ｓ－３とにより構成された長周期通信を行うマスター・スレーブシステムとが共存している。図８のシステムでは、マスター装置Ｍ－１は、短周期通信に収まるスレーブ装置Ｓ－１及びＳ－２を管理し、マスター装置Ｍ－２は、短周期通信に収まらないスレーブ装置Ｓ－３を管理し、マスター装置Ｍ－１とＭ－２とはＩＰ通信を行う。図８を参照し、具体的なシステムの動作を説明する。

　図８に示すマスター・スレーブシステムでは、（ｉ）最初に、マスター装置Ｍ－１が、第１サイクル及び第２サイクルの通信フレームを送信すると、第２サイクルにおいて、スレーブ装置Ｓ－２からＳ－１へのＦＢ制御が間接的に実現される。（ｉｉ）つぎに、第３サイクルにおいて、マスター装置Ｍ－２が、長周期通信の圏内に設置されたスレーブ装置Ｓ－３に通信フレームを送信し、該通信フレームを読み取ったスレーブ装置Ｓ－３は、スレーブ装置Ｓ－１へのＦＢ制御を行うデータを書き込んで、マスター装置Ｍ－２へ返送する。（ｉｉｉ）第４サイクルにおいて、マスター装置Ｍ－２とＭ－１とがＩＰ通信を行い、マスター装置Ｍ－２からＭ－１へスレーブ装置Ｓ－３により書き込まれたデータが転送される。（ｉｖ）第５サイクルにおいて、マスター装置Ｍ－１が、スレーブ装置Ｓ－３により書き込まれたデータを含む通信フレームを送信し、スレーブ装置Ｓ－１が通信フレーム内のデータを読み取ると、スレーブ装置Ｓ－３からＳ－１へのＦＢ制御が実現される。しかし、図８に示すマスター・スレーブシステムによると、短周期の数サイクルに１回の頻度でしかスレーブ装置Ｓ－３からのＦＢ制御ができないという課題がある。さらに、マスター装置Ｍ－２とスレーブ装置Ｓ―３とによる新たなマスター・スレーブシステムを追加で構築する必要があり、経済的な対応が課題となっていた。

　図９は、スレーブ装置同士をつなぐブリッジ通信により、データ通信の長延化を実現する公知技術の例を示すブロック図である。図９に示すように、マスター装置Ｍ－１と短周期の応答が必要なスレーブ装置Ｓ－１及びＳ－２とから構成される短周期通信を行うマスター・スレーブシステムと、マスター装置Ｍ－２、と遠隔制御の対象となるスレーブ装置Ｓ－３と、ブリッジ装置Ｂ－１内のマスター装置Ｍ－２側のスレーブ装置と、により構成された長周期通信を行うマスター・スレーブシステムとが共存しており、ブリッジ装置Ｂ－１内のマスター装置Ｍ－１側のスレーブ装置と、マスター装置Ｍ－２側のスレーブ装置との間でブリッジ通信が行われる。図９を参照し、具体的なシステムの動作を説明する。

　図９に示すマスター・スレーブシステムでは、（ｉ）最初に、マスター装置Ｍ－１が、第１サイクル及び第２サイクルで通信フレームを送信すると、第２サイクルにおいて、スレーブ装置Ｓ－２からＳ－１へのＦＢ制御が間接的に行われる。（ｉｉ）つぎに、第３サイクルにおいて、マスター装置Ｍ－２が、長周期通信の圏内に設置されたスレーブ装置Ｓ－３へ通信フレームを送信し、該通信フレームを読み取ったスレーブ装置Ｓ－３は、通信フレームにデータを書き込んで、マスター装置Ｍ－２へ返送する。（ｉｉｉ）第４サイクルにおいて、マスター装置Ｍ－１により送信された通信フレームが終端に設置されたブリッジ装置Ｂ－１に到達すると、ブリッジ装置Ｂ－１は、マスター装置Ｍ－１により送信された通信フレームに含まれるデータと同じ内容のデータを、マスター装置Ｍ－２と、スレーブ装置Ｓ－３と、ブリッジ装置Ｂ－１内のマスター装置Ｍ－２側のスレーブ装置とで構成されるマスター・スレーブシステムで循環する通信フレームに載せ替えて、スレーブ装置Ｓ－３へ送信する。そして、スレーブ装置Ｓ－３から返送された通信フレーム内のデータは、ブリッジ装置Ｂ－１内のマスター装置Ｍ－１と、スレーブ装置Ｓ－１と、スレーブ装置Ｓ－２と、ブリッジ装置Ｂ－１内のマスター装置Ｍ－１側のスレーブ装置とで構成されるマスター・スレーブシステムで循環する通信フレームに載せ替えられて、マスター装置Ｍ－１へ返送される。（ｉｖ）第５サイクルにおいて、マスター装置Ｍ－１が、スレーブ装置Ｓ－３により書き込まれたデータを含む通信フレームを送信することにより、スレーブ装置Ｓ－３からＳ－１へのＦＢ制御が間接的に行われる。しかし、図８に示すマスター・スレーブシステムによっても、短周期の数サイクルに１回の頻度でしかスレーブ装置Ｓ－３からのＦＢ制御ができないという課題がある。さらに、新たなマスター・スレーブシステムを追加で構築する必要があり、経済的な対応が課題となっていた。

　図１０は、スレーブ装置の構成例を示すブロック図である。図１０に示すように、スレーブ装置は、データの入出力を担当する入出力部と、自ノード宛のデータの読み取り及び書き込み等を行うスレーブ　コントローラと、デバイスとの通信を行うデバイス　コントローラとを備える。

　図１１は、ブリッジ装置の構成例を示すブロック図である。図１１に示すように、ブリッジ装置は、短周期通信側でデータの入出力を担当する入出力部及び自ノード宛のデータの読み取り及び書き込み等を行うスレーブ　コントローラと、長周期通信側でデータの入出力を担当する入出力部及び自ノード宛のデータの読み取り及び書き込み等を行うスレーブ　コントローラと、短周期通信の通信フレームに格納されるデータと同じ内容のデータを、長周期通信の通信フレームに載せ替えるとともに、長周期通信の通信フレームに格納されるデータと同じ内容のデータを、短周期通信のフレームに載せ替えるブリッジと、を備える。

　かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、中継装置（代理スレーブ）を設けることにより、新たに長周期通信を行うマスター・スレーブシステムを追加することなく、マスター装置とスレーブ装置との間のデータ通信距離を長延化するデータ通信システム、データ通信方法、中継装置、中継方法、及びプログラムを提供することにある。

　上記課題を解決するため、本実施形態に係るデータ通信システムは、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信における通信距離を長延化するデータ通信システムであって、第１の通信周期で、データが格納された第１の通信フレームをスレーブ装置又は中継装置に送信するマスター装置と、前記第１の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記マスター装置、下段のスレーブ装置又は中継装置に前記第１の通信フレームを送信する前記スレーブ装置と、前記スレーブ装置の前段又は後段に接続され、前記マスター装置又は前記スレーブ装置より受信した前記第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成し、前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行い、前記第２の通信周期で前記第２の通信フレームを前記遠隔スレーブ装置に送信し、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期で前記マスター装置又は前記スレーブ装置へ送信する前記中継装置と、前記中継装置より受信した前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記中継装置に前記第２の通信フレームを返送する、前記遠隔スレーブ装置と、を備える。

　上記課題を解決するため、本実施形態に係るデータ通信方法は、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信における通信距離を長延化するデータ通信方法であって、マスター装置により、第１の通信周期で、データが格納された第１の通信フレームをスレーブ装置又は中継装置に送信するステップと、前記スレーブ装置により、前記第１の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行うステップと、前記スレーブ装置により、前記マスター装置、後段のスレーブ装置又は中継装置に前記第１の通信フレームを送信するステップと、中継装置により、前記マスター装置又は前記スレーブ装置より受信した前記第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成するステップと、前記中継装置により、前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行うステップと、前記中継装置により、前記第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行うステップと、前記中継装置により、前記第２の通信周期で前記第２の通信フレームを前記遠隔スレーブ装置に送信するステップと、前記遠隔スレーブ装置により、前記中継装置より受信した前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行うステップと、前記遠隔スレーブ装置により、前記中継装置に前記第２の通信フレームを返送するステップと、前記中継装置により、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを、前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期で前記マスター装置又は前記スレーブ装置へ送信するステップと、を実行する。

　上記課題を解決するため、本実施形態に係る中継装置は、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信において異なる通信周期の通信間を中継する中継装置であって、受信した第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成する複製部と、前記第２の通信フレームに格納されたデータの読み取り及び書き込みを行い、第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行い、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期でマスター装置又はスレーブ装置へ送信する第１制御部と、前記第１の通信周期でデータの送受信を行う前記スレーブ装置に代わり、前記第２の通信周期で、前記遠隔スレーブ装置との間で、前記第２の通信フレームの送受信を行う第２制御部と、を備える。

　上記課題を解決するため、本実施形態に係るプログラムは、コンピュータを、上記中継装置として機能させる。

　本開示によれば、新たに長周期通信を行うマスター・スレーブシステムの追加が不要となるため、システムトータルでの装置コスト（イニシャルコスト、ランニングコスト）を低減することができる。

本実施形態に係るデータ通信システムの構成例を示すブロック図である。本実施形態に係る中継装置の構成例を示すブロック図である。本実施形態に係るデータ通信システムが実行するデータ通信方法の一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る中継装置が実行する中継方法の一例を示すフローチャートである。中継装置として機能するコンピュータの概略構成を示すブロック図である。ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信におけるデータの送受信を説明するブロック図である。ＥｔｈｅｒＣＡＴにおけるＦＢ制御通信を説明するブロック図である。マスター装置同士のＩＰ通信により、通信距離の長延化を実現する公知技術の例を示すブロック図である。スレーブ装置同士をつなぐブリッジ通信により、通信距離の長延化を実現する公知技術の例を示すブロック図である。スレーブ装置の構成例を示すブロック図である。ブリッジ装置の構成例を示すブロック図である。

　以下、本発明を実施するための形態が、図面を参照しながら詳細に説明される。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。

＜データ通信システム＞
　図１は、本開示の一実施形態に係るデータ通信システム１の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、データ通信システム１は、マスター装置１０と、スレーブ装置２０（２０―１～２０―ｎ）と、中継装置３０と、遠隔スレーブ装置４０と、を備える。スレーブ装置２０（２０―１～２０―ｎ）は、１以上のスレーブ装置により構成することができる。遠隔スレーブ装置４０と、スレーブ装置２０とは同一の機能を有する。また、遠隔スレーブ装置４０は、１以上設置可能であるため、遠隔スレーブ装置４０－１～４０－ｍとも表記する。データ通信システム１は、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信におけるマスター装置とスレーブ装置との間の通信距離を長延化する。

　マスター装置１０は、第１の通信周期で、データが格納された第１の通信フレームをスレーブ装置２０（２０―１～２０―ｎ）又は中継装置３０に送信する。本開示において、第１の通信周期とは、短周期、すなわち、マスター装置１０の出力部（ＩＦ）から送信された第１の通信フレームが、スレーブ装置２０等を経由してマスター装置１０の入力部（ＩＦ）で受信されるまでの時間をいう。第１の通信フレームとは、マスター装置１０が、スレーブ装置２０（２０―１～２０―ｎ）に送信する通信フレームをいう。マスター装置１０は、第1サイクル、第２サイクル、・・・、第Ｘサイクルを開始するにあたり、第１の通信フレームをスレーブ装置２０（２０―１～２０―ｎ）の最上位のスレーブ装置２０―１へ送信する。

　図１に示すように、マスター装置１０は、第１の通信フレームの送信を複数サイクル（第1サイクル、第２サイクル、・・・、第Ｘサイクル）繰り返して行う。上述したように、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信は、マスター装置１０から順番にスレーブ装置２０の全てを一方向で通過し、最初の通過において処理データの読み取り及び書き込みを行い、２回目の通過時（帰還時）には処理を行わない。このため、スレーブ装置２０の任意のスレーブ装置間の通信は、第２サイクルにおいて、すなわち通信フレームの送信を少なくとも２サイクル繰り返すことにより、実現される。一方、後述する長周期通信を行う遠隔スレーブ装置４０と、短周期通信を行う複数のスレーブ装置２０との間で通信を行うためには、Ｘサイクルが必要となる。Ｘサイクルが必要な理由は、長周期通信を行う中継装置３０と遠隔スレーブ装置４０との間の1回の周期通信（データ送受信）に費やされる時間は通信距離に依存するため、その間にマスター装置１０が通信フレームを何サイクル回せるか特定できないからである。このため、遠隔スレーブ装置４０と複数のスレーブ装置２０の任意のスレーブ装置と間の通信は、第Ｘサイクルにおいて、実現されるとした。なお、遠隔スレーブ装置４０からの情報をもとにしたＦＢ制御の初回までにはＸサイクルかかるものの、それ以降は短周期サイクルにより遠隔スレーブ装置４０の情報をもとにしたＦＢ制御が可能となる。

　スレーブ装置２０は、１以上のスレーブ装置２０―１～２０―ｎが接続されて構成される。スレーブ装置２０は、マスター装置１０又は中継装置３０から送信された第１の通信フレームを受信すると、第１の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、マスター装置１０、下段のスレーブ装置２０又は中継装置３０に第１の通信フレームを送信する。

　中継装置（代理スレーブともいう。）３０は、スレーブ装置２０（２０―１～２０―ｎ）の前段又は後段に接続されている。中継装置３０は、（ｉ）マスター装置１０又はスレーブ装置２０より受信した第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成し、（ｉｉ）第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、（ｉｉｉ）第１の通信周期上の中継装置３０の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置４０の絶対時刻との合わせこみを行い、（ｉｖ）第２の通信周期で第２の通信フレームを遠隔スレーブ装置４０に送信し、（ｖ）遠隔スレーブ装置４０から第２の通信周期で受信した第２の通信フレームに書き込まれたデータを、前記第１の通信フレームに載せ替えて、第１の通信周期でマスター装置１０へ返送する。本開示において、第２の通信周期とは、長周期、すなわち、中継装置３０の遠隔スレーブ装置４０側のスレーブ装置の出力部（ＩＦ）から送信された第２の通信フレームが、遠隔スレーブ装置４０を経由して、中継装置３０の遠隔スレーブ装置４０側のスレーブ装置の出力部（ＩＦ）で受信されるまでの時間をいう。第２の通信フレームとは、中継装置３０が第１の通信フレームを複製して作成した通信フレームをいう。中継装置３０は、第１の通信周期よりも長周期にあたる第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置４０の絶対時刻を第１の通信周期上の中継装置３０の絶対時刻に補正してマスター装置１０へ送信することにより、第１の通信周期上の中継装置３０の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置４０絶対時刻の合わせこみを実施する。絶対時刻の合わせこみを行うことにより、中継装置３０は、第１の通信周期と第２の通信周期との間で通信を中継することができる。中継装置３０は、第２の通信周期で通信できる圏内に設置された遠隔スレーブ装置４０に、データを格納した第２の通信フレームを送信する。

　遠隔スレーブ装置４０（４０－１～４０－ｍ）は、中継装置３０より受信した第２の通信フレームに対して、データの読み取り及び書き込みを行い、中継装置３０にデータの読み取り及び書き込みが完了した第２の通信フレームを返送する。遠隔スレーブ装置４０（４０－１～４０－ｍ）は、第１の通信周期で通信を行うことができない遠隔地に設置されており、中継装置３０と、第１の通信周期よりも長周期である第２の通信周期で通信を行う。遠隔スレーブ装置４０（４０－１～４０－ｍ）と、複数のスレーブ装置２０（２０―１～２０―ｎ）のそれぞれのスレーブ装置は同一の機能を有する。

＜中継装置＞
　図２は、本開示の一実施形態に係る中継装置３０の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、中継装置３０は、入出力部３１（３１―１～３１―３）と、複製部３２と、第１制御部３３と、第２制御部３４と、を備える。中継装置３０は、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信において異なる通信周期間の通信を中継するする。中継装置３０は、図９に示す従来のスレーブ装置、あるいは図１０に示す従来のブリッジ装置のブロック図と比較すると、複製部（Ｒｅｐｅａｔｅｒ）３２を有することが顕著な違いである。本開示において、中継装置３０は、複数のスレーブ装置２０の後段に接続されているものとして説明を行うが、中継装置３０は、マスター装置１０及びマスター装置１０に接続される複数のスレーブ装置２０との間で短周期通信ができる圏内に配置されれば良く、スレーブ装置２０の前段に配置されてもよいし、後段に配置されてもよい。複製部３２と、第１制御部３３と、第２制御部３４とにより制御演算回路（コントローラ）５０が構成される。制御演算回路５０は、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ(Field-Programmable Gate Array)等の専用のハードウェアによって構成されてもよいし、プロセッサによって構成されてもよいし、双方を含んで構成されてもよい。

　入出力部３１（３１―１～３１―３）は、マスター装置１０、スレーブ装置２０、又は遠隔スレーブ装置４０との間で第１の通信フレームあるいは第２の通信フレームの入出力を担当する。入出力部３１（３１―１～３１―３）は、インターネット・フレーム（通信フレーム）を送受信するための物理層トランシーバー・デバイス（ＥｔｈｅｒＰＨＹ)により構成される。

　複製部３２は、受信した第１の通信フレームａを複製した第２の通信フレームｂを作成する。複製部３２は、第１の通信フレームａ及び複製された第２の通信フレームｂを第1制御部へ出力する。

　第１制御部３３は、（ｉ）第２の通信フレームｂに格納されたデータの読み取り及び書き込みを行い、（ｉｉ）第１の通信周期上の中継装置３０の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置４０の絶対時刻との合わせこみを行い、（ｉｉｉ）第２の通信フレームｂを後段の第２制御部３４へ出力する。さらに（ｉｖ）第１制御部３３は、第２制御部３４が遠隔スレーブ装置４０から第２の通信周期で受信した第２の通信フレームｂに記載されたデータｄｒを受け取ってメモリー３３Ａに格納し、（ｖ）複製部３２より受信した第１の通信フレームａにデータｄｒを載せ替える。（ｖｉ）そして、第１制御部３３は、データｄｒが書き込まれた第１の通信フレームａを入出力部３１―２へ送出して、第１の通信周期でマスター装置１０又はスレーブ装置２０へ送信する。

　第２制御部３４は、第１の通信周期でデータの送受信を行うスレーブ装置２０に代わり、第２の通信周期で、入出力部３１―２経由で後段の遠隔スレーブ装置４０との間で、第２の通信フレームｂの送受信を行う。第２制御部３４は、外部デバイスである遠隔スレーブ装置４０との間の処理を統括する。そして、第２制御部３４は、遠隔スレーブ装置４０から第２の通信フレームｂを受信すると、第２の通信フレームｂに書き込まれたデータｄｒを第１制御部３３に送出し、第２の通信フレームｂを終端（廃棄）する。

　図３は、本実施形態に係るデータ通信システム１が実行するデータ通信方法の一例を示すフローチャートである。なお、以下のステップＳ１０１～ステップＳ１１３は、通信フレームの送信サイクル（第1サイクル、第２サイクル、・・・、又は第Ｘサイクル）のそれぞれのサイクルにおいて、データ通信システム１が実行するデータ通信方法である。

　ステップＳ１０１では、マスター装置１０が、最上位のスレーブ装置２０―１又は中継装置３０へ、第１の通信フレーム送信する。

　ステップＳ１０２では、マスター装置１０から第１の通信フレームを受信した装置が、中継装置３０であるか否かを判断する。該装置が、中継装置３０である場合、ステップＳ１０３へ進む。該装置が、スレーブ装置２０である場合、ステップＳ１０９へ進む。

　ステップＳ１０３では、中継装置３０が、受信した第１の通信フレームを複製して第２の通信フレームを作成する。

　ステップＳ１０４では、中継装置３０が、第１の通信周期上の中継装置３０の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置４０の絶対時刻との合わせこみを行う。

　ステップＳ１０５では、中継装置３０が、廃棄フレーム管理用に第２の通信フレームを記憶して、第２の通信フレームを第２制御部３４経由で遠隔スレーブ装置４０に送信する。

　ステップＳ１０６では、遠隔スレーブ装置４０が、第２の通信フレームに格納されたデータ読み取り及び第２通信フレームに格納されたデータへの書き込みを行う。

　ステップＳ１０７では、中継装置３０が、第２の通信フレームに書き込まれたデータｄｒ（内容）を第1の通信フレームの送信周期に時刻を合わせ込んでメモリー３３Ａに書き込みを行う。

　ステップＳ１０８では、中継装置３０が、第２の通信フレームを廃棄し、廃棄フレーム管理用情報を更新する。

　ステップＳ１０９では、スレーブ装置２０が、第１の通信フレームに格納されたデータの読み取り及び第１の通信フレームに格納されたデータへの書き込みを行い、中継装置３０が、メモリ３３Ａに書き込まれたデータｄｒを第１の通信フレームにオンザフライで書き込む。

　ステップＳ１１０では、スレーブ装置２０又は中継装置３０が、終端（最下段）装置であるか否かを判断する。終端装置である場合、ステップＳ１１１へ進む。該装置が、終端装置でない場合、ステップＳ１１２へ進む。

　ステップＳ１１１では、スレーブ装置２０又は中継装置３０が、第１の通信フレームをマスター装置１０へ返信する。

　ステップＳ１１２では、スレーブ装置２０又は中継装置３０が、第1の通信フレームを下段の装置へ送信する。

　ステップＳ１１３では、マスター装置１０が、返送された第１の通信フレームを読み取り、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信が終了か否かを判断する。ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信が終了していないと判断した場合、ステップＳ１０１へ戻り、ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信が終了したと判断した場合、周期通信を終了する。

　図４は、本実施形態に係る中継装置３０が実行する中継方法の一例を示すフローチャートである。図４のフローチャートは、図３のフローチャートのうち、ステップＳ１０３からステップＳ１０９に記載された中継装置３０が実行する主要な中継方法をより具体的に説明したものである。

　ステップＳ２０１では、中継装置３０の複製部３２が、受信した第１の通信フレームを複製して第２の通信フレームを作成する。

　ステップＳ２０２では、中継装置３０の第１制御部３３が、第１の通信周期上の中継装置３０の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置４０の絶対時刻との合わせこみを行う。

　ステップＳ２０３では、中継装置３０の第１制御部３３が、廃棄フレーム管理用に第２の通信フレームを記憶して、第２の通信フレームを第２制御部３４経由で遠隔スレーブ装置４０に送信する。

　ステップＳ２０４では、中継装置３０の第２制御部３４が、遠隔スレーブ装置４０から送信された第２の通信フレームを受信する。

　ステップＳ２０５では、中継装置３０の第１制御部３３が、第２の通信フレームに書き込まれたデータｄｒ（内容）を第１の通信フレームの送信周期に時刻を合わせこんでメモリー３３Ａに書き込む。

　ステップＳ２０６では、中継装置３０の第１制御部３３が、第２の通信フレームを廃棄し、廃棄フレーム管理情報を更新する。

　ステップＳ２０７では、中継装置３０の第１制御部３３が、メモリ３３Ａに書き込まれたデータｄｒを第１の通信フレームにオンザフライで書き込む。

　本実施形態に係るデータ通信システム１によれば、新たに長周期通信を行うマスター・スレーブシステムの追加が不要となるため、システムトータルでの装置コスト（イニシャルコスト、ランニングコスト）を低減することができる。また、遠隔スレーブ装置４０からの情報をもとにしたＦＢ制御の初回までにはＸサイクルかかるものの、それ以降は短周期サイクルにより遠隔スレーブ装置４０の情報をもとにしたＦＢ制御が可能となる。

　上記の中継装置３０を機能させるために、プログラム命令を実行可能なコンピュータを用いることも可能である。図５は、中継装置３０として機能するコンピュータの概略構成を示すブロック図である。ここで、中継装置３０として機能するコンピュータは、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、ワークステーション、ＰＣ（Personal Computer）、電子ノートパッド等であってもよい。プログラム命令は、必要なタスクを実行するためのプログラムコード、コードセグメント等であってもよい。

　図５に示すように、コンピュータ１００は、プロセッサ１１０と、記憶部としてＲＯＭ（Read Only Memory）１２０、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３０、及びストレージ１４０と、入力部１５０と、出力部１６０と、通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）１７０と、を備える。各構成は、バス１８０を介して相互に通信可能に接続されている。

　ＲＯＭ１２０は、各種プログラム及び各種データを保存する。ＲＡＭ１３０は、作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。ストレージ１４０は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive)又はＳＳＤ(Solid State Drive）により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラム及び各種データを保存する。本開示では、ＲＯＭ１２０又はストレージ１４０に、本開示に係るプログラムが保存されている。

　プロセッサ１１０は、具体的にはＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＳｏＣ（System on a Chip）等であり、同種又は異種の複数のプロセッサにより構成されてもよい。プロセッサ１１０は、ＲＯＭ１２０又はストレージ１４０からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１３０を作業領域としてプログラムを実行することで、上記各構成の制御及び各種の演算処理を行う。なお、これらの処理内容の少なくとも一部をハードウェアで実現することとしてもよい。

　プログラムは、中継装置３０が読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。このような記録媒体を用いれば、中継装置３０にインストールすることが可能である。ここで、プログラムが記録された記録媒体は、非一過性（non-transitory）の記録媒体であってもよい。非一過性の記録媒体は、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等であってもよい。また、このプログラムは、ネットワークを介して外部装置からダウンロードされる形態としてもよい。

　以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

　（付記項１）
　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信における通信距離を長延化するデータ通信システムであって、
　第１の通信周期で、データが格納された第１の通信フレームをスレーブ装置又は中継装置に送信するマスター装置と、
　前記第１の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記マスター装置、下段のスレーブ装置又は中継装置に前記第１の通信フレームを送信する前記スレーブ装置と、
　前記スレーブ装置の前段又は後段に接続され、前記マスター装置又は前記スレーブ装置より受信した前記第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成し、前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行い、前記第２の通信周期で前記第２の通信フレームを前記遠隔スレーブ装置に送信し、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期で前記マスター装置又は前記スレーブ装置へ送信する前記中継装置と、
　前記中継装置より受信した前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記中継装置に前記第２の通信フレームを返送する、前記遠隔スレーブ装置と、
を備えるデータ通信システム。
　（付記項２）
　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信において異なる通信周期の通信間を中継する中継装置であって、
　受信した第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成し、
　前記第２の通信フレームに格納されたデータの読み取り及び書き込みを行い、第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行い、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期でマスター装置又はスレーブ装置へ送信し、
　前記第１の通信周期でデータの送受信を行う前記スレーブ装置に代わり、前記第２の通信周期で、前記遠隔スレーブ装置との間で、前記第２の通信フレームの送受信を行うコントローラ、を備える中継装置。
　（付記項３）
　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信における通信距離を長延化するデータ通信方法であって、
　マスター装置により、第１の通信周期で、データが格納された第１の通信フレームをスレーブ装置又は中継装置に送信し、
　前記スレーブ装置により、前記第１の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、
　前記スレーブ装置により、前記マスター装置、後段のスレーブ装置又は中継装置に前記第１の通信フレームを送信し、
　中継装置により、前記マスター装置又は前記スレーブ装置より受信した前記第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成し、
　前記中継装置により、前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、
　前記中継装置により、前記第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行い、
　前記中継装置により、前記第２の通信周期で前記第２の通信フレームを前記遠隔スレーブ装置に送信し、
　前記遠隔スレーブ装置により、前記中継装置より受信した前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、
　前記遠隔スレーブ装置により、前記中継装置に前記第２の通信フレームを返送し、
　前記中継装置により、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを、前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期で前記マスター装置又は前記スレーブ装置へ送信するデータ通信方法。
　（付記項４）
　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信において異なる通信周期の通信間を中継する中継方法であって、
　中継装置により、
　受信した第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成し、
　前記第２の通信フレームに格納されたデータの読み取り及び書き込みを行い、
　第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行い、
　前記第１の通信周期でデータの送受信を行う前記スレーブ装置に代わり、前記第２の通信周期で、前記遠隔スレーブ装置との間で、前記第２の通信フレームの送受信を行い、
　前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期でマスター装置又はスレーブ装置へ送信する中継方法。
　（付記項５）
　コンピュータによって実行可能なプログラムを記憶した非一時的記憶媒体であって、前記コンピュータを付記項２に記載の中継装置として機能させるプログラムを記憶した非一時的記憶媒体。

　上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本開示の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。たとえば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

１                          データ通信システム
１０                        マスター装置
２０（２０－１～２０－ｎ）  スレーブ装置
３０                        中継装置（代理スレーブ）
３１（３１－１～３１－３）  入出力部（ＥｔｈｅｒＰＨＹ）
３２                        複製部（Ｒｅｐｅａｔｅｒ）
３３                        第１制御部（Ｓｌａｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）
３３Ａ                      メモリー
３４                        第２制御部（Ｐｒｏｘｙ）
４０                        遠隔スレーブ装置
５０                        制御演算回路（コントローラ）
１００                      コンピュータ
１１０                      プロセッサ
１２０                      ＲＯＭ
１３０                      ＲＡＭ
１４０                      ストレージ
１５０                      入力部
１６０                      出力部
１７０                      通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）
１８０                      バス

Claims

　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信における通信距離を長延化するデータ通信システムであって、
第１の通信周期で、データが格納された第１の通信フレームをスレーブ装置又は中継装置に送信するマスター装置と、
　前記第１の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記マスター装置、下段のスレーブ装置又は中継装置に前記第１の通信フレームを送信する前記スレーブ装置と、
　前記スレーブ装置の前段又は後段に接続され、前記マスター装置又は前記スレーブ装置より受信した前記第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成し、前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行い、前記第２の通信周期で前記第２の通信フレームを前記遠隔スレーブ装置に送信し、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期で前記マスター装置又は前記スレーブ装置へ送信する前記中継装置と、
　前記中継装置より受信した前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行い、前記中継装置に前記第２の通信フレームを返送する、前記遠隔スレーブ装置と、
を備えるデータ通信システム。
　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信において異なる通信周期の通信間を中継する中継装置であって、
　受信した第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成する複製部と、
　前記第２の通信フレームに格納されたデータの読み取り及び書き込みを行い、第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行い、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期でマスター装置又はスレーブ装置へ送信する第１制御部と、
　前記第１の通信周期でデータの送受信を行う前記スレーブ装置に代わり、前記第２の通信周期で、前記遠隔スレーブ装置との間で、前記第２の通信フレームの送受信を行う第２制御部と、
を備える中継装置。
　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信における通信距離を長延化するデータ通信方法であって、
　マスター装置により、第１の通信周期で、データが格納された第１の通信フレームをスレーブ装置又は中継装置に送信するステップと、
　前記スレーブ装置により、前記第１の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行うステップと、
　前記スレーブ装置により、前記マスター装置、後段のスレーブ装置又は中継装置に前記第１の通信フレームを送信するステップと、
　中継装置により、前記マスター装置又は前記スレーブ装置より受信した前記第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成するステップと、
　前記中継装置により、前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行うステップと、
　前記中継装置により、前記第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行うステップと、
　前記中継装置により、前記第２の通信周期で前記第２の通信フレームを前記遠隔スレーブ装置に送信するステップと、
　前記遠隔スレーブ装置により、前記中継装置より受信した前記第２の通信フレームに対し、データの読み取り及び書き込みを行うステップと、
　前記遠隔スレーブ装置により、前記中継装置に前記第２の通信フレームを返送するステップと、
　前記中継装置により、前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを、前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期で前記マスター装置又は前記スレーブ装置へ送信するステップと、を実行するデータ通信方法。
　ＥｔｈｅｒＣＡＴ通信において異なる通信周期の通信間を中継する中継方法であって、
　中継装置により、
　受信した第１の通信フレームを複製した第２の通信フレームを作成するステップと、
　前記第２の通信フレームに格納されたデータの読み取り及び書き込みを行うステップと、
　第１の通信周期上の前記中継装置の絶対時刻と第２の通信周期上の遠隔スレーブ装置の絶対時刻との合わせこみを行うステップと、
　前記第１の通信周期でデータの送受信を行う前記スレーブ装置に代わり、前記第２の通信周期で、前記遠隔スレーブ装置との間で、前記第２の通信フレームの送受信を行うステップと、
　前記遠隔スレーブ装置より前記第２の通信周期で受信した前記第２の通信フレームに書き込まれたデータを前記第１の通信フレームに載せ替えて、前記第１の通信周期でマスター装置又はスレーブ装置へ送信するステップと、
を実行する中継方法。
　コンピュータを、請求項２に記載の中継装置として機能させるためのプログラム。