JP2013051684A - 自動化システムにおけるメッセージの伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】個々のネットワークコンポーネント間の効率的なデータ伝送を達成する。
【解決手段】多数のネットワークコンポーネント１２を接続してネットワークを構成した自動化システム１０において、メッセージ１４，１８を伝送する方法を提案する。各メッセージ１４，１８においてデータグラム１６が各ネットワークコンポーネント１２に関連付けられている。各ネットワークコンポーネント１２は、第１のメッセージ１４を受信し、該第１のメッセージ１４から当該ネットワークコンポーネント１２に関連するデータグラム１６を取り除き、当該ネットワークコンポーネント１２に関連する更新データグラム１６を第１のメッセージ１４の中に挿入することによって第２のメッセージ１８を生成し、ネットワークのネットワークコンポーネント１２の少なくとも１つに第２のメッセージ１８を送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動化システムにおけるメッセージの伝送方法に関する。本発明は、自動化システムにも関する。

自動化システムにおいては、通信リンクとしてリアルタイムシステムを使用することが好ましい。何故ならば、リアルタイムシステムは、通信に関する優れた性能及び高い有用性を保証するからである。幾つかの事例では、データは、自動化システムの個々のネットワークコンポーネントだけでなく、一群のアプリケーションにも関連する。この場合に、自動化システムの個々のネットワークコンポーネント間での通信が理想的であり、この通信においては、必要なデータがその送信先にできるだけ僅かな遅れで伝達される。このときに、通信リンクのデータ伝送速度によって必然的に限界がもたらされる。しかしながら、データ伝送の遅れは、他の影響要因によって決定的に制限されてはならない。このことは、送信元と送信先との間の経路上にある個々のネットワークコンポーネントが故障した場合であっても通用しなければならない。

自動化システムにおいてデータは、例えばメッセージの形態で個々のネットワークコンポーネント間で転送される。データ線としては一般に、国際規格ＩＥＣ６１１５８に定義されているフィールドバスが使用される。このために例えばイーサネット（登録商標)リンクが使用され、イーサネットリンクは、メッセージの始めにあるアドレス情報の補助でデータを送信元から送信先へ直接的に伝送する相応のスイッチを有する。したがって、スイッチの最小限の遅れを計算に入れなければならない。故障時に、該当する減結合を保証することができるように、大抵は、個々のメッセージを各ネットワークコンポーネントに中間蓄積（バッファ）する所謂「ストアアンドフォワード（stre-and-forward）原理」が使用される。これによって、通常、数ミリ秒の範囲にある総合伝送時間が生じる。イーサネットリンクは、基本的に、１つのネットワークコンポーネント又は１つのネットワークセグメントの故障時における必要な有効性が冗長的な経路選択によって達成される、能動的なネットワークである。これは、例えば構成的に、線型トポロジ（linear topology）が１つのリングに統合されることによって達成される。

一連のアプリケーションにおいて、１つのデータ送信装置が複数のデータ受信装置に送信する（マルチキャスト）。これは例えば、電流の測定値が各種の保護機能のために要求される場合である。このようなマルチキャスト通信リンクは、効率上の理由からデータを１度だけ送信することを前提とする。さらなる重要な観点が、データの同期性である。データが時間的に歪められていると、論理動作の結果は信用できない。また、スピードが重視されないデータも同一の通信チャンネルで伝送できることが必要である。

イーサキャット（EtherCAT）のような他のリアルタイムシステムは、パック伝送を使用する。ただし、マルチキャストリンクは１つのマスタから出発してのみ実現することができる。同様に方向依存性によって順序が決定的役割を演ずる。

プロフィネット（Profinet）のような多くのリアルタイムシステムは、周期的なサービスのために特定のデータ伝送速度を要求する。その際に残りのデータは、標準イーサネットリンクを介して交換され得る。これによりデータ伝送の効率は確かに原理的に変わらないけれども、交換で最小サイクル時間が限定される。他の問題となる点は、所謂フレームオーバヘッドである。クライアント−サーバ通信関係において、これは、選択されたコンポーネントがデータの送信元か又は送信先かのどれかである、動的パック処理により解決される。マルチキャストリンクでは一般に個別伝送も使用可能であるが、この場合にはデータ伝送速度もシステム負荷も限定される。

特許文献１は、その実施形態において、唯一のメッセージが多数のネットワークコンポーネントに到達する自動化システムを開示している。この場合、１つのメッセージの受信時に、ネットワークコンポーネント用にメッセージ中に含まれているペイロード、すなわちデータグラムが取り出され、その取り出されたデータグラムだけメッセージが短縮される。このようにしてデータ処理量の増大を達成することができる。

国際公開第２００８／０９２８０５号

本発明の課題は、複数のネットワークコンポーネントを含む冒頭に述べた如き自動化システムにおいて、個々のネットワークコンポーネント間の効率的なデータ伝送を達成することにある。

上記課題は、請求項１に係る方法によって解決される。
すなわち、多数のネットワークコンポーネントを接続してネットワークを構成した自動化システムにおいてメッセージを伝送する方法であって、
前記メッセージにおいてデータグラムが前記各ネットワークコンポーネントに関連付けられ、
前記各ネットワークコンポーネントにより、
前記メッセージ中の第１のメッセージを受信し、
該第１のメッセージから、当該ネットワークコンポーネントに関連するデータグラムを取り除き、
当該ネットワークコンポーネントに関連する更新データグラムを前記第１のメッセージに挿入することによって第２のメッセージを生成し、
当ネットワークの前記ネットワークコンポーネントの少なくとも１つに前記第２のメッセージを伝送する、
ステップが実行される、方法である。

本発明に係る方法において、自動化システムは、ネットワークを構成するように接続されている、同じ権限を与えられた多数のネットワークコンポーネントを含む。個々のネットワークコンポーネントの間に階層構造は必要ではない。個々のネットワークコンポーネントは、マルチキャストリンクに配置されている。先ず各ネットワークコンポーネントによって、自己のデータグラムを有する該当のフレームが発生させられる。これに並行して、各ネットワークコンポーネントによって第１のメッセージが受信され、該第１のメッセージは、各ネットワークコンポーネント用に対応するデータグラムを含んでいる。各ネットワークコンポーネントは、自己に関連するデータグラムを取り除いて、自己に関連する更新データグラムを挿入する。これにより生成された第２のメッセージが、ネットワークのその他のネットワークコンポーネントに送信される。受信されたデータは、各ネットワークコンポーネントによって任意に利用可能である。

このようなデータグラムは、例えばデータフレーム、データパケット又はデータセグメントであり得る。自動化システムでは、該当する測定値、又は、個々のネットワークコンポーネントの動作状態を特徴づける量（変数）が含まれ得る。このようにして個々のネットワークコンポーネントの間における高速のデータ伝送と、高められた有用性とを達成することができる。

ネットワークコンポーネントの受信する第１のメッセージに含まれたデータグラムは、当該ネットワークコンポーネントによって以前に挿入されたものであり、このデータグラムが、当該ネットワークコンポーネントによって取り除かれて、更新データグラムが挿入されることが好ましい。個々のネットワークコンポーネントは、ネットワークにおいて次のように互いに接続されている。すなわち、或る１つのネットワークコンポーネントによって以前に挿入されたデータグラムが再び当該ネットワークコンポーネントによって受信されるように、互いに接続されている。この場合、当該ネットワークコンポーネントによって、（これが必要であれば）自己のデータグラムが適宜に更新されてメッセージに挿入され得る。したがって、各ネットワークコンポーネントによって、自己のデータグラムのみが監視されて適宜更新される。このようにして、自動化システムの個々のネットワークコンポーネント間において効率的なデータ伝送を達成することができる。

好ましい態様では、ネットワークコンポーネントが第１のメッセージで受信する、ネットワークのその他のネットワークコンポーネントに関連するデータグラムは、当該ネットワークコンポーネントから第２のメッセージで転送される。各ネットワークコンポーネントは、第１のメッセージで、ネットワークのその他のネットワークコンポーネントの該当のデータグラムを受信する。これにより、個々のネットワークコンポーネントの間で該当するデータグラムを簡単に交換して利用することができる。各ネットワークコンポーネントに受信されたその他のネットワークコンポーネントのデータグラムは、例えば、当該ネットワークコンポーネントの記憶要素内に適宜中間記憶（バッファ）され、そして、第２のメッセージで伝送される。これらのデータグラムは変更されない。その他のネットワークコンポーネントのデータグラムの伝送は、自己のネットワークコンポーネントの更新データグラムの挿入と一緒に行うことができる。したがって、データグラムを簡単かつ効率的に個々のネットワークコンポーネントの間で交換することができる。

他の態様では、各ネットワークコンポーネントは、第１のメッセージの受信から第２のメッセージの送信までの間隔に対して最小時間が予め与えられている。個々のネットワークコンポーネントの間でデータグラムを時間制御により伝送する場合に、第２のメッセージが既に伝送された後に遅れて第１のメッセージが到来する場合があり得る。これを避けるためには、相応の最小時間が予め与えられているとよい。これにより、個々のネットワークコンポーネント間でのデータグラムの安全で信頼性のある伝送を達成することができる。同様に、第１のメッセージの受信から第２のメッセージの送信までの最大の遅れが考慮されるとよい。このために予め与える時間は、自動化システムの構成時に静的に決定してもよいし、該当の遅れ時間の測定に応じて動的に決定してもよい。

好ましい態様では、メッセージが全てのネットワークコンポーネントによって同期伝送される。この場合、予め与えられた時点で全てのネットワークコンポーネントによってメッセージ伝送が開始され、これにより調和した循環が可能にされる。メッセージの同期伝送によって、対応する遅れ時間を最小化することができ、安全に信頼性をもってデータを伝送することができる。

他の態様では、ネットワークコンポーネントの１つによるメッセージの伝送がイベントに依存して開始される。自動化システムにおいてメッセージを伝送するための方法もイベント制御により行われるとよい。その際には先ず、自己のデータグラムをその他のネットワークコンポーネントに送信するネットワークコンポーネントの１つによって、過程が開始されるとよい。この場合、例えば１回目の循環時に各ネットワークコンポーネントの個々のデータグラムがメッセージに取り込まれ、２回目の循環時に個々のデータグラムの分配が可能にされるとよい。したがって、自動化システムを特定のイベントに依存して制御し、これにより個々のネットワークコンポーネント間のデータ転送を開始させることができる。すなわち、自動化システムを効果的に作動させることができる。

本発明によればさらに、多数のネットワークコンポーネントを接続してネットワークを構成した自動化システムであって、
前記各ネットワークコンポーネントが、
第１のメッセージを受信し、該第１のメッセージにおいてデータグラムが前記各ネットワークコンポーネントに関連付けられており、
当該ネットワークコンポーネントに関連する前記データグラムを前記第１のメッセージから取り除き、
当該ネットワークコンポーネントに関連する更新データグラムを前記第１のメッセージに挿入することにより第２のメッセージを生成し、
当ネットワークの少なくとも１つの前記ネットワークコンポーネントに前記第２のメッセージを送信する、
ように構成されている、自動化システムが提供される。
自動化システムにおいてメッセージを伝送する本発明に係る方法に関連して上述した態様は、同様に本発明に係る自動化システムに転用することができる。

好ましい態様では、第１及び第２のメッセージの各データグラムは予め規定されたデータ量を有する。データ量が予め規定されることによって、第２のメッセージが送信された後に第１のメッセージが当該ネットワークコンポーネントに受信されることを防止することができる。したがって、個々のネットワークコンポーネント間での安全で信頼性のある通信を達成することができる。同様にデータグラムは、例えば２つ以上のフレームに分割されるとよい。これは、例えば使用されるデータリンクの最大フレーム量を超えないならば利用することができる。この場合、信頼性をもって個々のフレームをネットワークコンポーネントに伝送することを保証するために、適切な遅れ時間も考慮するとよい。

ネットワークにおいて、ネットワークコンポーネントはリング型接続で配置されていることが好ましい。このトポロジの場合には、第２のメッセージの伝送が各ネットワークコンポーネントによってそれぞれ規定された時点で開始される。したがって、データグラムを個々のネットワークコンポーネント間で交換することを簡単なやり方で達成することができる。

他の態様では、ネットワークにおいて、ネットワークコンポーネントが線型接続で配置されている。個々のネットワークコンポーネントは同様に線型トポロジで配置される。この配置では、メッセージの伝送を、例えば列の端にあるネットワークコンポーネントから開始するとよい。同様に、自動化システムで、相応の階層システムを実施することができる。

図１は、リング型接続で配置されている多数のネットワークコンポーネントを対象とする自動化システムを示す概略図である。 図２は、図１に係る自動化システムを他の実施形態で示す概略図である。 図３は、ネットワークコンポーネントが線型接続で配置されている自動化システムを示す概略図である。 図４は、ネットワークコンポーネントが階層型接続で配置されている自動化システムを示す概略図である。 図５は、ネットワークコンポーネントのメッセージにおけるデータグラムの態様を具体例で示した表の図である。

本発明を添付図面に基づいて更に詳細に説明する。

以下において更に詳細に説明する例示的実施形態は、本発明の好ましい実施形態である。

図１は自動化システム１０の概略図を示し、この自動化システム１０では、多数のネットワークコンポーネント１２が接続されてネットワークを構成している。この例の場合、ネットワークコンポーネント１２がリング型接続で配置されている。図１に示されたリング型接続は、８個のネットワークコンポーネント１２を含み、これらのネットワークコンポーネント１２は番号を付して表示してある。各ネットワークコンポーネント１２は、x１及びx２で示された２つのポートを有する。

個々のネットワークコンポーネント１２の間でデータ交換が行われる。このデータ交換に関して、ここでは、番号１を付した（１番の）ネットワークコンポーネント１２の例にて説明する。１番のネットワークコンポーネント１２が、そのポートx１を介して第１のメッセージ１４を受信する。この第１のメッセージ１４は、各ネットワークコンポーネント１２用にそれぞれ１つのデータグラム１６を含んでいる。図１の例では、各データグラム１６がネットワークコンポーネント１２それぞれの番号で表されており、これら番号は、カンマによって互いに区別して表示されている。すなわち、各データグラム１６の数字は該当する番号のネットワークコンポーネント１２に対応する。ここで説明するデータグラム１６とは、相応のデータフレーム、データパケット又はデータセグメントのことであると理解すべきである。当該データグラム１６は、例えば個々のネットワークコンポーネント１２の該当する測定値を含み得るし、あるいは、データグラム１６中に各ネットワークコンポーネント１２の動作状態を特徴づける量（変数）が記録されていてもよく、又はその両方であってもよい。

１番のネットワークコンポーネント１２が第１のメッセージ１４を受信すると、１番のネットワークコンポーネント１２は、自身に関連する数字１で表されたデータグラム１６を取り除く。そして、１番のネットワークコンポーネント１２は、当該ネットワークコンポーネント１２に関連する更新データグラム１６を挿入した第２のメッセージ１８を送信する。この第２のメッセージ１８は、２番のネットワークコンポーネント１２に転送される。

図示の実施形態では、メッセージ１４，１８が各ネットワークコンポーネント１２の間で時計回りに交換される。この場合、各ネットワークコンポーネント１２に関連付けられたデータグラム１６は、対応するネットワークコンポーネント１２によって更新される。その際に、残りの（自身以外の）ネットワークコンポーネント１２のデータグラム１６は変更されないで第２のメッセージ１８として転送される。したがって、各ネットワークコンポーネント１２によって、第１のメッセージ１４の受信時に、当該ネットワークコンポーネント１２に関連付けられているデータグラム１６のみが更新される。このために、データグラム１６中に含まれているデータが対応して消去されて新たに挿入されるか、もしくは上書きされる。

図５において、表２２，２４，２６，２８に、各ネットワークコンポーネント１２の対応するメッセージ１４，１８が示されている。一番目の表２０には、個々のネットワークコンポーネント１２の番号が上下に並べて示されている。次の表２２には、番号１〜８を有するネットワークコンポーネント１２の各第１のメッセージ１４（受信メッセージ）が各段に示されている。そして、表２４には、各ネットワークコンポーネント１２の各第２のメッセージ１８（送信メッセージ）がそれぞれ示されている。表２２〜２４は、メッセージ１４，１８が８個のネットワークコンポーネント１２の間で時計回りに交換される場合に当てはまる。一方、図５に示されている表２６〜３０は、メッセージ１４，１８が、前述したリング型接続において反時計回りに交換される場合に当てはまる。表２６の各段は、各ネットワークコンポーネント１２の第１のメッセージ１４を示し、表２８の各段は、各ネットワークコンポーネント１２の第２のメッセージ１８を示す。各ネットワークコンポーネント１２の番号付けは表３０に示されている。

図１に示されている例においては、第２のメッセージ１８が、各ネットワークコンポーネント１２から、予め規定された時点で同期してそれぞれ隣接するネットワークコンポーネント１２へ伝送される。同様に、個々のネットワークコンポーネント１２間におけるメッセージ１４，１８の伝送を、イベント制御により行うことも考えられ得る。このような例が図２に示されている。この場合、メッセージ１４，１８の伝送は、１番のネットワークコンポーネント１２から開始される。メッセージ１４，１８はそれぞれ時計回りに個々のネットワークコンポーネント１２の間で転送される。その際、最初の循環時に、個々のネットワークコンポーネント１２のデータグラム１６がそれぞれ第２のメッセージ１８の中に書き込まれる。この最初の循環後、メッセージ１４，１８が再び１番のネットワークコンポーネントのもとに到着したときには、前述の如きデータ交換を行うことができる。

図３は、個々のネットワークコンポーネント１２が線型接続で配置されている自動化システム１０の概略図を示す。この場合には、メッセージ１４，１８の伝送は、時間制御又はイベント制御により行われる。メッセージ１４，１８の伝送は、例えば、その線型接続の始端又は終端にあるネットワークコンポーネント１２の１つから開始される。

図４は、個々のネットワークコンポーネント１２が階層型接続で配置されている自動化システム１０の概略図を示す。図示の例では、上段における４番のネットワークコンポーネント１２が上位階層のネットワークコンポーネント１２として構成されている。この場合にも、前述のようにネットワークコンポーネント１２の間でメッセージ１４，１８を交換することができる。

１〜８ ネットワークコンポーネントの番号
１０ 自動化システム
１２ ネットワークコンポーネント
１４ 第１のメッセージ
１６ データグラム
１８ 第２のメッセージ
２０〜３０ 表
x１，x２ ポート

Claims (10)

1. 多数のネットワークコンポーネント（１２）を接続してネットワークを構成した自動化システム（１０）においてメッセージ（１４，１８）を伝送する方法であって、
   前記メッセージ（１４，１８）においてデータグラム（１６）が前記各ネットワークコンポーネント（１２）に関連付けられ、
   前記各ネットワークコンポーネント（１２）により、
   第１のメッセージ（１４）を受信し、
   該第１のメッセージ（１４）から、当該ネットワークコンポーネント（１２）に関連する前記データグラム（１６）を取り除き、
   当該ネットワークコンポーネント（１２）に関連する更新データグラム（１６）を前記第１のメッセージ（１４）に挿入することによって第２のメッセージ（１８）を生成し、
   当ネットワークの前記ネットワークコンポーネント（１２）の少なくとも１つに前記第２のメッセージ（１８）を送信する、
   ステップが実行される、方法。
2. 前記ネットワークコンポーネント（１２）の受信する前記第１のメッセージ（１４）に含まれた前記データグラム（１６）が、当該ネットワークコンポーネント（１２）によって以前に挿入されたものであり、このデータグラム（１６）が当該ネットワークコンポーネント（１２）によって取り除かれて、前記更新データグラム（１６）が挿入される、請求項１記載の方法。
3. 前記ネットワークコンポーネント（１２）が前記第１のメッセージ（１４）で受信する、当ネットワークのその他の前記ネットワークコンポーネント（１２）に関連する前記データグラム（１６）は、当該ネットワークコンポーネント（１２）から前記第２のメッセージ（１８）で転送される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記各ネットワークコンポーネント（１２）は、前記第１のメッセージ（１４）の受信から前記第２のメッセージ（１８）の送信までの間隔に対して最小時間が予め与えられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記メッセージ（１４，１８）が全ての前記ネットワークコンポーネント（１２）によって同期伝送される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ネットワークコンポーネント（１２）の１つによる前記メッセージ（１４，１８）の伝送が、イベントに依存して開始される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 多数のネットワークコンポーネント（１２）を接続してネットワークを構成した自動化システム（１０）であって、
   前記各ネットワークコンポーネント（１２）が、
   第１のメッセージ（１４）を受信し、該第１のメッセージ（１４）においてデータグラム（１６）が前記各ネットワークコンポーネント（１２）に関連付けられており、
   当該ネットワークコンポーネント（１２）に関連する前記データグラム（１６）を前記第１のメッセージ（１４）から取り除き、
   当該ネットワークコンポーネント（１２）に関連する更新データグラム（１６）を前記第１のメッセージ（１４）に挿入することにより第２のメッセージ（１８）を生成し、
   当ネットワークの少なくとも１つの前記ネットワークコンポーネント（１２）に前記第２のメッセージ（１８）を送信する、
   ように構成されている、自動化システム。
8. 前記第１及び第２のメッセージ（１４，１８）の前記各データグラム（１６）が、予め規定されたデータ量を有する、請求項７に記載の自動化システム。
9. 当ネットワークにおいて、前記ネットワークコンポーネント（１２）がリング型接続で配置されている、請求項７又は請求項８に記載の自動化システム。
10. 当ネットワークにおいて、前記ネットワークコンポーネント（１２）が線型接続で配置されている、請求項７又は請求項８に記載の自動化システム。

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