JP2019062467A - 制御システムおよび通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御システムにおいて、制御系データおよび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。【解決手段】予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワークに接続された第１の制御装置は、ネットワークが有する通信帯域のうちの第１の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の制御に用いられる第１のデータを予め定められた周期毎に伝送する。上記ネットワークに接続され、第１の制御装置と互いに時刻同期された第２の制御装置は、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域以外の第２の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の設定および管理に用いられる第２のデータを伝送する。【選択図】図１

Description

本発明は、製造装置または生産設備を制御する制御システムおよびその制御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制御システムが実現されつつある。

例えば、特開２０１７−１２０６１８号公報（特許文献１）には、少なくとも１つの機械と、当該機械を制御する少なくとも１つの機械制御装置と、当該機械制御装置と通信可能に接続されたセル制御装置と、当該セル制御装置と通信可能に接続された上位コンピュータとを備えるシステムが開示される。特許文献１では、セル制御装置と機械制御装置とはイントラネット等のネットワークを介して接続されており、上位コンピュータはインタネット等のネットワークを介してセル制御装置と接続されている。セル制御装置は、機械制御装置に指令を送出するとともに、機械制御装置から機械の稼働状態を示すデータ（予防保全データを含む）を取得する。セル制御装置は、さらに、機械制御装置から受信した予防保全データに基づいて算出した機械の部品が寿命に達するまでの猶予時間を上位コントローラに通知する。上位コントローラは、受信した猶予時間に基づいて、機械の部品の交換作業を含む保全計画を作成または更新する。

特開２０１７−１２０６１８号公報

上述したように、従来の制御システムでは、上位の管理装置が製造装置や生産設備の予防保全を担うため、製造装置または生産設備を制御する制御装置（典型的には、ＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）は、製造装置や生産設備などの制御に用いるデータ（制御系データ）に加えて、上位の管理装置が扱うデータ（情報系データ）を伝送しなければならない。一般的に、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、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。そのため、制御装置に処理負荷が集中することになる。

しかしながら、制御装置においては、製造装置や生産設備を高速かつ高精度に制御するために、制御系データの処理負荷を下げることができない。そのため、制御装置が伝送できる情報系データ量を制限せざるを得ず、結果的に上位の管理装置で扱うことのできる情報系データのデータ量が制約されてしまう。このように情報系データのデータ量が制約されると、上位の管理装置においては、異常の発生を未然に防ぐ予兆管理の精度が低下してしまうことが懸念される。

したがって、製造装置または生産設備を制御するための制御システムにおいては、制御系データおよび情報系データを、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。

本開示の一例では、製造装置または生産設備を制御する制御システムであって、予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワークに接続される第１の制御装置と、ネットワークに接続され、第１の制御装置と互いに時刻同期された第２の制御装置とを備える。第１の制御装置は、ネットワークが有する通信帯域のうちの第１の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の制御に用いられる第１のデータを予め定められた周期毎に伝送する。第２の制御装置は、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域以外の第２の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の設定および管理に用いられる第２のデータを伝送する。

本開示に従う制御システムによれば、互いに時刻同期している第１の制御装置および第２の制御装置に対して、第１のデータ（制御系データ）を予め定められた周期毎に伝送するのに必要な通信帯域と、第２のデータ（制御情報系データ）を伝送するのに必要な通信帯域をそれぞれ割り当てる。これにより、第１の制御装置および第２の制御装置の各々の処理負荷を増やすことなく、第１のデータおよび第２のデータを、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。その結果、製造装置または生産設備を制御する制御システムにおいては、製造装置または生産設備を高速かつ高精度に制御しながら、製造装置または生産設備の管理に必要な情報を高い時刻精度で収集することができるため、製造装置または生産設備の予兆管理を高い精度で行なうことができる。例えば、製造装置または生産設備の故障予知の精度を向上させることができるため、トラブルシューティングの効率化を実現することが可能となる。

好ましくは、第１の制御装置は、第１の通信帯域を用いて、第１のデータを周期的に伝送するとともに、第２の通信帯域の一部の通信帯域を用いて、第２のデータを伝送する。第２の制御装置は、第２の通信帯域の前記一部の通信帯域以外の通信帯域を用いて、第２のデータを伝送する。

これによると、第２のデータを伝送するのに必要な通信帯域を、第１の制御装置および第２の制御装置で分かち合うことにより、各制御装置の処理負荷を増やすことなく、第２のデータを伝送させることができる。

好ましくは、第２の制御装置は、さらに、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域および前記第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送する。

これによると、第１の制御装置および第２の制御装置の各々の処理負荷を増やすことなく、第１のデータ（制御系データ）、第２のデータ（制御情報系データ）および第３のデータ（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。

好ましくは、第２の制御装置は、第２のデータを、各周期において利用可能な通信帯域に応じたデータサイズに分割した上で、分割後のそれぞれのデータを複数の周期に割り当てる。

これによると、第１のデータ（制御系データ）を予め定められた周期毎に更新することを保証しつつ、第２のデータ（制御情報系データ）を伝送することができる。

好ましくは、制御システムは、ネットワークに接続され、第１および第２の制御装置と互いに時刻同期された第３の制御装置をさらに備える。第３の制御装置は、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域および第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送する。

これによると、第１の制御装置、第２の制御装置および第３の制御装置の各々の処理負荷を増やすことなく、第１のデータ（制御系データ）、第２のデータ（制御情報系データ）および第３のデータ（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。

本開示の一例によれば、製造装置または生産設備を制御する制御システムにおける通信方法が提供される。制御システムは、予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワークに接続される第１の制御装置と、ネットワークに接続され、第１の制御装置と互いに時刻同期された第２の制御装置とを含む。通信方法は、第１の制御装置が、ネットワークが有する通信帯域のうちの第１の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の制御に用いられる第１のデータを予め定められた周期毎に伝送するステップと、第２の制御装置が、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域以外の第２の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の設定および管理に用いられる第２のデータを伝送するステップとを備える。

本開示に従う通信方法によれば、制御システムを構成する第１の制御装置および第２の制御装置の各々の処理負荷を増やすことなく、第１のデータ（制御系データ）および第２のデータ（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。

好ましくは、通信方法は、第２の制御装置が、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域および第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送するステップをさらに備える。

これによると、第１および第２の制御装置の各々の処理負荷を増やすことなく、第１のデータ（制御系データ）、第２のデータ（制御情報系データ）および第３のデータ（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。

好ましくは、制御システムは、ネットワークに接続され、第１の制御装置および第２の制御装置と互いに時刻同期された第３の制御装置をさらに含む。通信方法は、第３の制御装置が、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域および第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送するステップをさらに備える。

これによると、第１の制御装置、第２の制御装置および第３の制御装置の各々の処理負荷を増やすことなく、第１のデータ（制御系データ）、第２のデータ（制御情報系データ）および第３のデータ（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。

本開示の一例によれば、製造装置または生産設備を制御するための制御システムにおいては、制御系データおよび情報系データを、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。

図１は、本実施の形態に従う係る制御装置１００，３００を中心とした制御システムを示す模式図である。 図１に示した制御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制御システムのハードウェア構成の一例を示す模式図である。 図３に示す制御系コントローラの送信回路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処理を実現するための制御系コントローラのソフトウェア構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信処理を実現するための情報系コントローラのソフトウェア構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信処理を実現するための構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う通信処理を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う通信処理の手順を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う通信処理（スケジューリング）の処理手順を示すフローチャートである。 本実施の形態の変形例１に従う制御システムの全体構成例を示す模式図である。 本実施の形態の変形例１に従う制御システムにおける情報系コントローラのソフトウェア構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態の変形例２に従う制御システムの全体構成例を示す模式図である。 本実施の形態の変形例２に従う通信処理を説明するための模式図である。 本実施の形態の変形例３に従う制御システムの全体構成例を示す模式図である。 本実施の形態の変形例３に従う通信処理を説明するための模式図である。

§１ 適用例
まず、図１を用いて本発明が適用される場面の一例について説明する。図１は、本実施の形態に従う制御システム１の適用場面の一例を模式的に例示する。本実施の形態に従う制御システム１は、製造装置または生産設備を制御する制御システムである。

図１を参照して、制御システム１は、予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワーク２に接続される制御装置１００および制御装置３００を備える。図１の例では、制御装置１００はＰＬＣによって具現化され、制御装置３００はＩＰＣ（産業用コントローラ）によって具現化されている。制御装置１００は本発明の「第１の制御装置」の一実施例に対応し、制御装置３００は本発明の「第２の制御装置」の一実施例に対応する。

制御装置１００は、ネットワーク２を介して１または複数のフィールド機器２００Ａ〜２００Ｄとの間で、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）を遣り取りする。すなわち、制御装置１００は、制御系通信を担う「制御系コントローラ」に相当する。一方、制御装置３００は、ネットワーク２上において、例えば、機器の設定および管理に関するデータのような、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、ある程度の定時性が求められるデータ（制御情報系データ）、および／または、上位の管理装置で利用されるデータ（情報系データ）を伝送する。すなわち、制御装置３００は、制御情報系通信（情報系通信を含む）を担う「制御情報系コントローラ」に相当する。

制御装置１００（制御系コントローラ）、制御装置３００（制御情報系コントローラ）およびフィールド機器２００Ａ〜２００Ｄの間は互いに時刻同期がとれている。本実施の形態に従う通信方法においては、制御装置１００および制御装置３００に対して、制御系データを予め定められた周期毎に更新するのに必要な通信帯域と、制御情報系データおよび情報系データを伝送するための通信帯域をそれぞれ割り当てる。これにより、制御装置１００，３００の各々の処理負荷を増やすことなく、制御系データ、制御情報系データおよび情報系データを、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。

なお、制御装置１００は、制御系データの伝送のみならず、制御情報系データおよび情報系データの伝送を担うこともできる。この場合、制御情報系データおよび情報系データの伝送は、制御装置１００と制御装置３００と分担して行なうこととなる。

本実施の形態に従う通信方法によれば、製造装置または生産設備を制御する制御システム１において、製造装置または生産設備を高速かつ高精度に制御しながら、製造装置または生産設備の管理に必要な情報を高い時刻精度で収集することができるため、製造装置または生産設備の予兆管理を高い精度で行なうことができる。具体的には、製造装置または生産設備の故障予知の精度を向上させることができるため、トラブルシューティングの効率化を実現することが可能となる。

§２ 構成例
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．制御システムの全体構成例＞
まず、本実施の形態に従う制御システム１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係る制御装置１００，３００を中心とした制御システム１を示す模式図である。

制御装置１００は、各種の設備や装置などの制御対象を制御する産業用コントローラに相当する。制御装置１００は、制御演算を実行する一種のコンピュータであり、典型的には、ＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）として具現化されてもよい。制御装置１００には、センサ、アクチュエータといった各種フィールド機器が接続される。これらのフィールド機器は、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、フィールドネットワーク２が構成されており、フィールドネットワーク２には、複数のフィールド機器２００Ａ〜２００Ｄ（以下、「フィールド機器２００」と総称することもある。）が接続される。複数のフィールド機器２００Ａ〜２００Ｄ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なう出力デバイスあるいはアクチュエータを含む。フィールドネットワーク２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。一般的に「フィールドネットワーク」は、「フィールドバス」とも称されるが、説明の簡素化のため、以下の説明においては、「フィールドネットワーク」は、狭義の「フィールドネットワーク」に加えて「フィールドバス」を含み得る概念である。

制御装置１００において実行される制御演算は、フィールド機器２００において収集または生成されたデータ（以下、「入力データ」とも称す。）を収集する処理（入力処理）、フィールド機器２００に対する指令などのデータ（以下、「出力データ」とも称す。）を生成する処理（演算処理）、生成した出力データを対象のフィールド機器２００へ送信する処理（出力処理）などを含む。

フィールドネットワーク２には、任意のフィールド機器２００を接続することができる、フィールド機器２００には、製造装置や生産ラインなど（以下、「フィールド」とも称する。）に対して何らかの物理的な作用を与えるアクチュエータ、および、フィールドとの間で情報を遣り取りする入出力装置などを含む。

フィールドネットワーク２を介して、制御装置１００とフィールド機器２００との間でデータが遣り取りされることになるが、これらの遣り取りされるデータは、数１００μｓｅｃオーダ〜数１０ｍｓｅｃオーダのごく短い周期で更新されることになる。なお、このような遣り取りされるデータの更新処理は、入出力リフレッシュ処理とも称される。

フィールドネットワーク２には、さらに、制御装置３００が接続される。制御装置３００は、制御対象の設備や装置からの情報を取得して、制御対象を監視および管理する管理機器に相当する。制御装置３００は、制御対象の設備や装置からの情報を取得して、マクロ的またはミクロ的な分析などを行なう一種のコンピュータであり、典型的にはＩＰＣ（産業用コンピュータ）として具現化されてもよい。

一般的な制御システムにおいては、制御装置３００のような管理機器は、フィールドネットワーク２の上位ネットワークを介して制御装置１００と接続されており、制御装置１００との間でデータ遣り取りするように構成されている。これに対して、本実施の形態に係る制御システム１においては、制御装置３００は、フィールドネットワーク２に接続されているため、フィールド機器２００から直接的にデータを取得することができる。

＜Ｂ．要求される通信性能＞
図１に示すフィールドネットワーク２においては、基本的には、機器を現実に制御するためのデータ（以下、「制御系データ」を総称することもある）が周期的に伝送されることになるが、上位ネットワークに含まれる装置が要求する、生産ライン／工場など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）を伝送する必要がある。

さらに、制御系データのような高速なリアルタイム性が要求されないものの、ある程度の定時性が求められるデータ（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に示した制御システム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、制御システム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。したがって、制御系データのような高速なリアルタイム性が要求されないものの、ある程度の定時性が求められる。機器の設定・管理に関するデータには、各機器の状態をセンシングしたデータが含まれており、機器の監視のためには、定周期で宛先に到着させる定時性が必要となる。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、各機器の状態を示す統計的データであって定時性が求められるデータなどが挙げられる。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、ユーザが任意に行なってもよいし、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なってもよい。

（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であって定時性が求められないデータや、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。

本実施の形態に従う通信処理は、同一レベルのネットワークに接続される複数の制御装置が協働して、これらの互いに異なる３種類の要件をそれぞれ満たしつつデータの伝送を行なうための構成および処理を提供する。具体的には、複数の制御装置は、ネットワークが有する通信帯域を分け合ってデータの伝送を行なう。これにより、要求される特性の異なる３種類のデータを単一ネットワーク上で統合した通信を実現する。

このようネットワークとしては、データの到達時間が保証される、定周期通信を行なうバスまたはネットワークを採用することが好ましい。例えば、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）、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）などの公知のプロトコルに係るネットワークを採用してもよい。

＜Ｃ．時刻同期機能＞
図１に示す制御システム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（制御系データ）が宛先に到着する時刻が保証される。

さらに、制御システム１のネットワークは、製造装置や生産設備などを監視、設定および管理する制御装置３００を含むものであり、制御装置１００と協働して、予め定められたシステム周期を維持しつつ、制御系データ、制御情報系データおよび情報系データを適宜パケットに格納するというスケジューリング機能を提供する。

このような宛先への到着時刻を保証しつつ、スケジューリング機能を実現するために、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が採用される。つまり、通信システムの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１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、制御装置３００はタイマ３０１を有しており、フィールド機器２００Ａ〜２００Ｄはタイマ２０１Ａ〜２０１Ｄ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、制御装置３００およびフィールド機器２００Ａ〜２００Ｄ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、制御システム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。

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などの高精度時間同期プロトコルを採用することで実現できる。

＜Ｄ．ハードウェア構成＞
本実施の形態に従う制御システム１において、フィールドネットワーク２が予め定められた周期毎にデータが更新される。その上で、制御装置１００および制御装置３００は、制御系データ、制御情報系データおよび情報系データのそれぞれを適切にスケジューリングする。なお、制御装置１００および制御装置３００はともに、これらの３種類のデータが伝送される１本の通信回線に物理的に接続することができる。

本実施の形態では、スケジューリングの一形態として、フィールドネットワーク２において、制御装置１００が制御系データを遣り取りする制御系通信を担うものとし、制御装置３００が制御情報系データを遣り取りする制御情報系通信、および情報系データを遣り取りする情報系通信を担うものとする。以下の説明では、制御装置１００を「制御系コントローラ１００」と称し、制御情報系通信および情報系通信を担う制御装置３００を「制御情報系コントローラ３００」とも称する。

図３は、本実施の形態に従う制御システム１のハードウェア構成の一例を示す模式図である。制御系コントローラ１００は、典型的には、ＰＬＣをベースとして構成されてもよい。制御情報系コントローラ３００は、典型的には、ＩＰＣをベースとして構成されてもよい。

図３を参照して、制御系コントローラ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、ネットワークコントローラ１１０とを含む。

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、後述するような処理を含む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には、制御系コントローラ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。

ネットワークコントローラ１１０は、制御系コントローラ１００がフィールドネットワーク２を介して各種フィールド機器２００との間でデータを遣り取りするためのインターフェイスを提供する。ネットワークコントローラ１１０は、主たるコンポーネントとして、受信回路（Ｒｘ）１１１と、受信バッファ１１２と、送受信コントローラ１１３と、送信バッファ１１４と、送信回路（Ｔｘ）１１５と、タイマ１０１とを含む。

受信回路１１１は、ネットワークコントローラ１１０上を定周期で伝送されるパケットを受信して、その受信したパケットに格納されているデータを受信バッファ１１２に書込む。送受信コントローラ１１３は、受信バッファ１１２に書込まれた受信パケットを順次読出すとともに、当該読出したデータのうち制御系コントローラ１００での処理に必要なデータのみをプロセッサ１０２へ出力する。送受信コントローラ１１３は、プロセッサ１０２からの指令に従って、他の装置へ送信すべきデータあるいはパケットを送信バッファ１１４へ順次書込む。送信回路１１５は、ネットワークコントローラ１１０上をパケットが転送される周期に応じて、送信バッファ１１４に格納されているデータを順次送出する。タイマ１０１は、送受信コントローラ１１３から通信フレームの送信などを指示するタイミングの基準となるパルスを発生する。タイマ１０１は、制御システム１における時刻を管理するマスタクロック（グランドマスタクロック）として機能する。

制御情報系コントローラ３００は、主たるコンポーネントとして、プロセッサ３０２と、メモリ３０４と、ストレージ３０６と、ネットワークコントローラ３１０とを含む。ネットワークコントローラ３１０は、制御情報系コントローラ３００がフィールドネットワーク２を介して各種フィールド機器２００との間でデータを遣り取りするためのインターフェイスを適用する。ネットワークコントローラ３１０は、制御情報系コントローラ３００がフィールドネットワーク２を介して各種フィールド機器２００との間でデータを遣り取りするためのインターフェイスを提供する。ネットワークコントローラ３１０は、主たるコンポーネントとして、受信回路（Ｒｘ）３１１と、受信バッファ３１２と、送受信コントローラ３１３と、送信バッファ３１４と、送信回路（Ｔｘ）３１５と、タイマ３０１とを含む。これらのコンポーネントの機能は、制御系コントローラ１００の対応するコンポーネントの機能と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。ただし、タイマ３０１は、グランドマスタクロックとして機能するタイマ１０１を基準としてタイミングを同期させる。

フィールド機器２００は、制御システム１による様々な設備や装置の制御を実現するために必要な各種機能を実現する。典型的には、フィールド機器２００の各々は、制御対象の設備や装置などからのフィールド情報の収集や、制御対象の設備や装置などへの指令信号の出力を司る。フィールド機器２００の各々は、主たるコンポーネントとして、プロセッサ２０２と、メモリ２０４と、ストレージ２０６と、通信回路２１０とを含む。通信回路２１０は、フィールドネットワーク２を順次転送される通信フレームを処理する。すなわち、通信回路２１０は、フィールドネットワーク２を介して何らかの通信フレームを受信すると、当該受信した通信フレームに対するデータ書込みおよび／またはデータ読出しを行なった後に、フィールドネットワーク２上において次に位置するフィールド機器２００へ当該通信フレームを送信する。

より具体的には、通信回路２１０は、受信回路（Ｒｘ）２１１と、送受信コントローラ２１２と、送信回路（Ｔｘ）２１３と、タイマ２０１とを含む。受信回路２１１および送信回路２１３は、フィールドネットワーク２と物理的に接続される部位であり、送受信コントローラ２１２からの指令に従って、フィールドネットワーク２上を伝送される通信フレームの受信および再生などの処理を行なうことで、通信フレームの順次転送を実現する。送受信コントローラ２１２は、フィールドネットワーク２上を転送される通信フレームに対するデータ書込みおよび／またはデータ読出しを行なう。タイマ２０１は、送受信コントローラ２１２による指令出力やフィールド機器２００での処理実行などのタイミングの基準となるクロックを発生する。タイマ２０１は、グランドマスタクロックとして機能するタイマ１０１を基準としてタイミングを同期させる。

図４は、図３に示す制御系コントローラ１００の送信回路１１５のより詳細な構成を示す模式図である。なお、制御情報系コントローラ３００の送信回路３１５、およびフィールド機器２００の送信回路２１３の各々も、制御系コントローラ１００の送信回路１１５と同様の構成を有している。

図４を参照して、送信回路１１５は、入力部１２１と、複数のキュー１２２−１〜１２２−Ｍ（以下、「キュー１２２」と総称することもある。）と、複数の出力ゲート１２３−１〜１２３−Ｍ（以下、「出力ゲート１２３」と総称することもある。）と、タイミング制御回路１２４と、送信部１２６とを含む。

入力部１２１は、送信バッファ１１４（図３）に格納されている、他の装置へ送信すべきデータあるいはパケットを順次読出し、複数のキュー１２２−１〜１１２−Ｍのいずれかに格納する。

例えば、キュー１２２−１には、制御系データがキューイングされ、キュー１２２−２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１２２−３〜１２２−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１２４は、タイミング制御テーブル１２５を有している。タイミング制御テーブル１２５には、プロセッサ１０２からのタイミング情報が格納されている。タイミング制御回路１２４は、タイミング制御テーブル１２５に格納されるタイミング情報を参照して、出力ゲート１２３−１〜１２３−Ｍを選択的にアクティブにする。例えば、制御系データを送信する場合には、キュー１２２−１からデータを読出す必要があるため、出力ゲート１２３−１をアクティブにする。制御情報系データを送信する場合には、キュー１２２−２からデータを読出す必要があるため、出力ゲート１２３−２をアクティブにする。タイミング制御回路１２４は、タイミング制御テーブル１２５のタイミング情報に基づいて、出力ゲート１２３−１〜１２３−Ｍをアクティブにするタイミングを制御する。

＜Ｅ．ソフトウェア構成＞
次に、本実施の形態に従う通信処理（スケジューリング）を実現するためのソフトウェア構成の一例について説明する。図５は、本実施の形態に従う通信処理を実現するための制御系コントローラ１００のソフトウェア構成の一例を示す模式図である。

図５を参照して、制御系コントローラ１００のプロセッサ１０２ではスケジューラ１７０が実行される。スケジューラ１７０は、予め定められたシステム周期に従って、複数の処理の実行順序や実行中断などを決定する。より具体的には、スケジューラ１７０は、制御系ユーザアプリケーション実行処理１７３と、各種処理を含む周辺処理１７４と、通信監理処理１７２とに対して、予め定められた優先度およびシステム周期などに従って、処理リソース（プロセッサ時間およびメモリなど）を割り当てる。

制御系ユーザアプリケーション実行処理１７３は、制御系ユーザアプリケーションプログラムの実行に係る処理を含む。

通信監理処理１７２は、制御系通信処理１７５と、制御情報系通信処理１７６と、情報系通信処理１７７と、時刻同期処理１７８とを含む。制御系通信処理１７５は、制御系データに係る処理、例えば、データ作成、エンコーディング、デコーディング、抽出、加工編集などを含む。同様に、制御情報系通信処理１７６は、制御情報系データに係る処理を含み、情報系通信処理１７７は、情報系データに係る処理を含む。

時刻同期処理１７８は、時刻同期に係る処理を含む。例えば、制御系コントローラ１００のタイマ１０１がグランドマスタクロックに設定された場合、時刻同期処理１７８は、制御情報系コントローラ３００およびフィールド機器２００との間で時刻同期をするために、タイマ１０１を基準として、制御情報系コントローラ３００およびフィールド機器２００のタイマを調整する処理などを含む。あるいは、制御情報系コントローラ３００のタイマ３０１がグランドマスタクロックに設定された場合、時刻同期処理１７８は、制御情報系コントローラ３００のタイマ３０１を基準として自身のタイマ１０１を調整する処理を含む。

さらに、制御系コントローラ１００のプロセッサ１０２には、通信ドライバ１７９およびＮＩＣ（Network Interface Card）１８０が実装されており、通信ドライバ１７９がネットワークコントローラ１１０（図３）などを制御する。ＮＩＣ１８０は、図示しない通信ポートに接続され、フィールドネットワーク２上でのデータ伝送を管理する。

図６は、本実施の形態に従う通信処理を実現するための制御情報系コントローラ３００のソフトウェア構成の一例を示す模式図である。

図６を参照して、制御情報系コントローラ３００のプロセッサ３０２は、図５に示す制御系コントローラ１００のプロセッサ１０２と同様に、スケジューラ３７０が実行される。スケジューラ３７０は、予め定められたシステム周期に従って、複数の処理の実行順序や実行中断などを決定する。より具体的には、スケジューラ３７０は、情報系ユーザアプリケーション実行処理３７３と、通信監理処理３７２（制御系通信処理３７５、制御情報系通信処理３７６、情報系通信処理３７７および時刻同期処理３７８）とに対して、予め定められた優先度およびシステム周期などに従って、処理リソース（プロセッサ時間およびメモリなど）を割り当てる。

情報系ユーザアプリケーション実行処理３７３は、情報系ユーザアプリケーションプログラムの実行に係る処理を含む。

制御系通信処理３７５は、制御系データに係る処理を含み、制御情報系通信処理３７６は、制御情報系データに係る処理を含み、情報系通信処理３７７は、情報系データに係る処理を含む。

時刻同期処理３７８は、時刻同期に係る処理を含む。例えば、制御系コントローラ１００のタイマ１０１がグランドマスタクロックに設定された場合、時刻同期処理３７８は、制御系コントローラ１００のタイマ１０１を基準として自身のタイマ３０１を調整する処理を含む。あるいは、制御情報系コントローラ３００のタイマ３０１がグランドマスタクロックに設定された場合、時刻同期処理３７８は、制御情報系コントローラ３００およびフィールド機器２００との間で時刻同期をするために、タイマ３０１を基準として、制御系コントローラ１００およびフィールド機器２００のタイマを調整する処理などを含む。

さらに、制御情報系コントローラ３００のプロセッサ３０２には、通信ドライバ３７９およびＮＩＣ３８０が実装されている。通信ドライバ３７９がネットワークコントローラ１１０（図３）などを制御する。ＮＩＣ３８０は、図示しない通信ポートに接続され、フィールドネットワーク２上でのデータ伝送を管理する。

制御系コントローラ１００のスケジューラ１７０（図５参照）および制御情報系コントローラ３００のスケジューラ３７０（図６参照）は、３種類のデータ（制御系データ、制御情報系データ、情報系データ）を互いに異なる要求特性を満足できるように、スケジューリングを行なう。

＜Ｆ．スケジューリング＞
本実施の形態に従うスケジューリングは、予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワークに適用されるものであり、基本的には、制御系通信を最優先しつつ、残りの通信帯域を他の通信において最大限に活用する。

本明細書において、「通信帯域」とは、ネットワーク上でデータを伝送するためのリソースを意味し、時間分割方式でデータを伝送する場合には、データを伝送するために割り当てられる時間幅を意味する。あるいは、周波数分割方式または符号分割法域でデータを伝送する場合には、データを伝送するために割り当てられる周波数または符号系列（論理的なチャネル）を意味し得る。

本実施の形態に従うスケジューリングは、対象のネットワークが有している有限の通信帯域の制約の下、制御系コントローラ１００による制御系通信および制御情報系コントローラ３００による制御情報系通信（情報系通信を含む）の各々に対して必要な通信帯域をどのように割り当てるのかをいう問題に向けられている。

本実施の形態に従うスケジューリングは、制御系コントローラ１００または制御情報系コントローラ３００に接続されたサポート装置（図７参照）を用いて実行することができる。図７には、制御系コントローラ１００にサポート装置５００が接続されている構成が例示されている。

サポート装置５００は、制御系コントローラ１００および制御情報系コントローラ３００が制御対象を制御するために必要な準備を支援する装置である。具体的には、サポート装置５００は、制御系コントローラ１００および制御情報系コントローラ３００で実行されるプログラムの開発環境（プログラム作成編集ツール、パーサ、コンパイラなど）、制御系コントローラ１００および制御情報系コントローラ３００とこれらに接続される各種フィールド機器のパラメータ（コンフィギュレーション）を設定するための設定環境、生成したユーザプログラムを制御系コントローラ１００および制御情報系コントローラ３００へ出力する機能、制御系コントローラ１００および制御情報系コントローラ３００上で実行されるユーザプログラムなどをオンラインで修正・変更する機能、などを提供する。サポート装置５００は設定ツールがインストールされたＰＣ（パーソナルコンピュータ）などにより構成される。

なお、図７に示す制御システム１においては、制御系コントローラ１００および制御情報系コントローラ３００とサポート装置５００とが別体として構成されているが、サポート装置５００の機能を制御系コントローラ１００または制御情報系コントローラ３００に搭載するような構成を採用してもよい。

以下、本実施の形態に従う通信処理（スケジューリング）に関して、具体例を示す。
図８は、本実施の形態に従う通信処理を説明するための模式図である。図８を参照して、本実施の形態に従う通信処理においては、予め定められたシステム周期Ｔｓに対して、制御系データ、制御情報系データ、情報系データの送受信（それぞれ、制御系通信、制御情報系通信、情報系通信と記す）がスケジューリングされる。

まず、制御系通信が優先的に割り当てられる。図８（Ａ）に示すように、システム周期Ｔｓに対して、制御系通信に要する処理時間ｔ１が先に割り当てられる。制御系通信は、フィールドネットワーク２を介して制御系コントローラ１００とフィールド機器２００との間で行なわれる。

図８（Ｂ）に示すように、必要に応じて、制御系通信を行なっていない空帯域で制御情報系通信が行なわれる。すなわち、システム周期Ｔｓのうち、制御系通信に要する処理時間ｔ１を除いた残りの時間に対して、制御情報系通信に要する処理時間ｔ２が割り当てられる。制御情報系通信は、フィールドネットワーク２を介して制御情報系コントローラ３００とフィールド機器２００との間で行なわれる。

制御情報系通信は、すべてのシステム周期で発生するものではないので、図８（Ｃ）に示すように、システム周期Ｔｓのうち、制御系通信に要する処理時間ｔ１を除いた残り時間に対して、情報系通信に要する処理時間ｔ３が割り当てられることもある。すなわち、情報系通信は、制御系通信および制御情報系通信のいずれも存在しない通信帯域で行なわれる。情報系通信は、フィールドネットワーク２を介して制御情報系コントローラ３００とフィールド機器２００との間で行なわれる。

また、図８（Ｄ）に示すように、システム周期Ｔｓに対して、制御系通信に要する処理時間ｔ１、制御情報系通信に要する処理時間ｔ２、および、情報系通信に要する処理時間ｔ３のすべてが割り当てられてもよい。

図９は、本実施の形態に従う通信処理の手順を説明するための模式図である。
図９を参照して、システム周期Ｔｓのうちの制御系通信に要する時間においては、フィールドネットワーク２に接続される制御系コントローラ１００および複数のフィールド機器２００の間で制御系データが送受信される。このとき、制御系コントローラ１００および複数のフィールド機器２００の各々（ノード）においては、送受信コントローラの送信回路（図４参照）から制御系データが出力されるタイミングが制御される。具体的には、各ノードの送信回路においては、タイミング制御回路１２４がタイミング制御テーブル１２５（図４参照）に格納されたタイミング情報に基づいて、制御系データが格納されたキュー１２２から制御系データが出力されるように、複数の出力ゲート１２３を選択的にアクティブにする。

例えば、複数のノードのうちの１つのノード（図９のノード１）においては、タイミング制御テーブル１２５に従って制御系データを他のノードへ送信し、その後、他のノードからの制御系データを受信可能な状態となる。

複数のノードのうちの別のノード（図９のノード２）においては、タイミング制御テーブル１２５に従って、ノード１が制御系データを送信した後、制御系データを他のノードへ送信する。制御系データを送信するタイミングの前後において、ノード２は他のノードからの制御系データを受信可能な状態となる。

このように、フィールドネットワーク２に接続される複数のノードが予め定められたタイミング制御テーブルに従って制御系データを順次送信するとともに、他のノードから送信された制御系データを受信することにより、制御系通信が実現される。

システム周期Ｔｓのうちの制御情報系通信に要する時間においては、フィールドネットワーク２を介して制御情報系コントローラ３００および複数のフィールド機器２００の間で制御情報系データが送受信される。このとき、制御情報系コントローラ３００および複数のフィールド機器２００の各々（ノード）においては、送受信コントローラの送信回路（図４参照）から制御情報系データが出力されるタイミングが制御される。具体的には、各ノードの送信回路においては、タイミング制御回路１２４がタイミング制御テーブル１２５（図４参照）に格納されたタイミング情報に基づいて、制御情報系データが格納されたキュー１２２から制御情報系データが出力されるように、複数の出力ゲート１２３を選択的にアクティブにする。

例えば、１つのノード（図９のノード１）においては、タイミング制御テーブル１２５に従って制御情報系データを他のノードへ送信し、その後、他のノードからの制御情報系データを受信可能な状態となる。別のノード（図９のノード２）においては、タイミング制御テーブル１２５に従って、ノード１が制御情報系データを送信した後、制御情報系データを他のノードへ送信する。制御情報系データを送信するタイミングの前後において、ノード２は他のノードからの制御情報系データを受信可能な状態となる。

このように、フィールドネットワーク２に接続される複数のノードが予め定められたタイミング制御テーブル１２５に従って制御情報系データを順次送信するとともに、他のノードから送信された制御情報系データを受信することにより、制御情報系通信が実現される。

図１０は、本実施の形態に従う通信処理（スケジューリング）の処理手順を示すフローチャートである。図１０に示す処理手順は、典型的には、サポート装置５００（図７参照）を用いて実行される。

図１０に示す処理を実行するにあたっては、サポート装置５００にインストールされた設定ツールを用いて、ユーザにより、システム周期Ｔｓの長さ、制御系コントローラ１００と各フィールド機器２００との間で遣り取りされるデータ、制御情報系コントローラ３００とかくフィールド機器２００との間で遣り取りされるデータなどが指定される。これらの情報は、システム周期Ｔｓ毎に制御系通信および制御情報系通信の各々で扱うデータのサイズを決定するために必要な情報である。

図１０を参照して、サポート装置５００は、上記情報に基づいて、制御系通信に要する処理時間ｔ１を算出するとともに（ステップＳ１００）、システム周期Ｔｓから算出した処理時間ｔ１を除いた残り時間Ｔｒ１を算出する（ステップＳ１０２）。そして、残り時間ｔｒ１が負の値であれば（ステップＳ１０４においてＮＯの場合）、制御系通信に要する時間ｔ１がシステム周期Ｔｓを超えることを意味するので、サポート装置５００はエラー処理を実行し（ステップＳ１０６）、処理は終了する。

これらのステップＳ１００〜Ｓ１０６に係る処理は、製造装置または生産設備の制御に用いる制御系データ（第１のデータ）を予め定められた周期毎に更新するのに必要な第１の通信帯域を確保するスケジューリング処理に相当する。つまり、これらのステップにおいて、制御系通信に要する時間が確保される。

一方、残り時間Ｔｒ１がゼロ以上であれば（ステップＳ１０４においてＹＥＳ判定の場合）、サポート装置５００は、制御情報系通信に要する処理時間ｔ２を算出する（ステップＳ１０８）とともに、ステップＳ１０２において算出した残り時間Ｔｒ１から処理時間ｔ２を除いた残り時間Ｔｒ２を算出する（ステップＳ１１０）。そして、残り時間Ｔｒ２が負の値であれば（ステップＳ１１２においてＮＯの場合）、システム周期Ｔｓ内に対象の制御情報系通信を追加できないことを意味するので、サポート装置５００は、残り時間Ｔｒ２がゼロ以上となるように、通信対象の制御情報系データを分割する（ステップＳ１１４）。すなわち、制御情報系データに関するスケジューリングにおいては、対象の制御情報系データを、各システム周期において利用可能な通信帯域に応じたデータサイズに分割した上で、分割後のそれぞれのデータを複数のシステム周期に割り当てる。

そして、通信対象の制御情報系データの分割後のデータ数（すなわち、必要なシステム周期の数）に基づいて、対象の制御情報系データを指定された時間内に送信先へ到着させることができるか否かを判断する（ステップＳ１１６）。対象の制御情報系データを指定された時間内に送信先へ到着させることができれば（ステップＳ１１６においてＹＥＳの場合）、ステップＳ１０８以下の処理が繰返される。これらの分割されたデータは、次のシステム周期以降に再度割り当てられることになる。

これに対して、対象の制御情報系データを指定された時間内に送信先へ到着させることができなければ（ステップＳ１１６においてＮＯの場合）、通信異常が通知される（ステップＳ１１８）。制御情報系データに関する到着時間は、予めユーザまたはアプリケーションによって指定されていてもよい。

この通信異常の通知は、システムフラグをオンするなどの方法を用いてもよいし、管理装置の表示面にあるインジケータを点灯させるなどの方法を採用してもよい。このように、制御情報系データ野分割によって、制御情報系データの指定された時間（到着時間）を保証できない場合には、適切な方法で通信異常を通知するようにしてもよい。このような通信異常の通知を受けて、ユーザは、指定された時間（到着時間）の要件を緩和するか、デバイス側のアプリケーション処理量を削減するなどの措置を採ることができる。

このように、ステップＳ１１６およびＳ１１８は、制御情報系データの分割により、制御情報系データを指定された時間内に送信先へ到着させることができない場合に、異常通知を行なう処理に相当する。

上述のステップＳ１０８〜Ｓ１１８に係る処理は、ネットワークが有する通信帯域のうち、制御系データに向けられた通信帯域以外の通信帯域内に、制御情報系データ（第２のデータ）を指定された時間内に送信先へ到着させるのに必要な通信帯域を確保するスケジューリング処理に相当する。つまり、これらのステップにおいて、制御情報系通信に要する時間が確保される。なお、通信対象の制御情報系データが存在しない場合には、ステップＳ１０８〜Ｓ１１８はスキップされてもよい。

一方、残り時間Ｔｒ２がゼロ以上であれば（ステップＳ１１２においてＹＥＳの場合）、管理装置は、情報系通信に要する処理時間ｔ３を算出する（ステップＳ１２０）とともに、ステップＳ１１０において算出した残り時間Ｔｒ２から処理時間ｔ３を除いた残り時間Ｔｒ３を算出する（ステップＳ１２２）。そして、残り時間Ｔｒ３が負の値であれば（ステップＳ１２４においてＮＯの場合）、システム周期Ｔｓ内に対象の情報系通信を追加できないことを意味するので、管理装置は、残り時間Ｔｒ３をゼロ以上となるように、通信対象の情報系データを分割する（ステップＳ１２６）。この分割されたデータは、次のシステム周期以降に再度割り当てられることになる。

これらのステップＳ１２０〜Ｓ１２６に係る処理は、ネットワークが有する通信帯域のうち、制御系データに向けられた通信帯域および制御情報系データに向けられた通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域内に、情報系データ（第３のデータ）を伝送するための通信帯域を確保するスケジューリング処理に相当する。つまり、これらのステップは、情報系通信に要する時間を確保する処理に相当する。なお、通信対象の情報系データが存在しない場合には、ステップＳ１２０〜Ｓ１２６はスキップされてもよい。

以上のような処理手順が実行されることで、図８に示したスケジューリングが実現される。サポート装置５００は、スケジューリング処理によって設定された第１の通信帯域を制御系コントローラ１００に送付し、スケジューリング処理によって設定された第２の通信帯域および第３の通信帯域を制御情報系コントローラ３００に送付する。

図１０に示す処理手順は、制御情報系通信の指定された時間（到着時間）に余裕があり、情報系通信が一定時間以上行なわれておらず、送信できていないフレームが溜まっているような状態を想定している。この場合、同一のシステム周期において、制御系データ、制御情報系データ、情報系データの３種類を送信または受信することができる。但し、情報系通信を行なったときの回線状況に基づいて、制御情報系通信についての指定された時間（到着時間）を保証できないと判断された場合には、情報系通信を行なわないようにしてもよい。すなわち、情報系通信については、回線状況などに基づいて、余裕がある期間でのみ実行するようにしてもよい。

さらに、情報系データを制御情報系データよりも優先する例外を設けてもよい。例えば、情報系通信が一定時間以上行なわれておらず、送信できないフレームが溜まっているような状態がさらに長い時間に亘って継続して場合であって、かつ、制御情報系通信に余裕がある場合には、制御情報系通信の到着時間を保証する限りで、情報系通信を優先するようにしてもよい。つまり、先に、情報系通信に必要な通信帯域を先に割り当てるようにしてもよい。

＜Ｇ．変形例＞
次に、本実施の形態に従う制御システム１の変形例について説明する。

（ｇ１：変形例１）
図１１は、本実施の形態の変形例１に従う制御システム１の全体構成例を示す模式図である。図１１を参照して、本変形例に従う制御システム１は、図１に示した制御システム１と基本的構成が同じである。相違点は、制御情報系コントローラ３００がスイッチ３００ＡおよびＰＣ（パーソナルコンピュータ）３００Ｂで構成されている点である。

スイッチ３００Ａは、時刻同期機能とスケジューリング機能とを有するスイッチである。ＰＣ３００Ｂは、例えば汎用のＰＣをベースとして構成されてもよい。本変形例においては、スイッチ３００ＡおよびＰＣ３００Ｂによって、上述した本実施の形態に従う通信処理が実現される。

図１２は、本実施の形態の変形例１に従う制御システム１における制御情報系コントローラ３００のソフトウェア構成の一例を示す模式図である。図１２には、スイッチ３００ＡおよびＰＣ３００Ｂのソフトウェア構成の一例が示されている。

図１１を参照して、スイッチ３００Ａのプロセッサ３０２Ａでは、図６に示す制御情報系コントローラ３００のプロセッサ３０２と同様に、スケジューラ３７０Ａが実行される。スケジューラ３７０Ａは、予め定められたシステム周期に従って、複数の処理の実行順序や実行中断などを決定する。より具体的には、スケジューラ３７０Ａは、通信監理処理３７２Ａ（制御系通信処理３７５Ａ、制御情報系通信処理３７６Ａ、情報系通信処理３７７Ａおよび、時刻同期処理３７８Ａ）に対して、予め定められた優先度およびシステム周期などに従って、処理リソース（プロセッサ時間およびメモリなど）を割り当てる。これらの処理は、図６に示す制御情報系コントローラ３００の対応する処理と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。

スイッチ３００Ａのプロセッサ３０２Ａには、複数の通信ドライバ３７９−１〜３７９−３・・・および複数のＮＩＣ３８０−１〜３８０−３・・・が実装されている。複数のＮＩＣ３８０−１〜３８０−３・・・のうち、ＮＩＣ３８０−１は、ＰＣ３００Ｂに実装されているＮＩＣ３８０Ｂに接続されている。その他のＮＩＣ３８０−２，３８０−３・・・は、図示しない複数の通信ポートにそれぞれ接続されている。ＮＩＣ３８０−１はＰＣ３００Ｂとの間のデータの遣り取りを管理する。

ＰＣ３００Ｂのプロセッサ３０２Ｂでは、スケジューラ３７０Ｂが実行される。スケジューラ３７０Ｂは、非リアルタイムオペレーションシステム環境で複数の処理の実行順序や実行中断などを決定する。より具体的には、スケジューラ３７０Ｂは、情報系ユーザアプリケーション実行処理３７３Ｂと、通信監理処理３７２Ｂ（制御情報系通信処理３７６Ｂおよび情報系通信処理３７７Ｂ）とに対して処理リソースを割り当てる。これらの処理は、図６に示す制御情報系コントローラ３００の対応する処理と同様であるので、詳細な説明は繰返さない。

ＰＣ３００Ｂのプロセッサ３０２Ｂには、通信ドライバ３７９ＢおよびＮＩＣ３８０Ｂが実装されている。通信ドライバ３７９ＢおよびＮＩＣ３８０Ｂがスイッチ３００Ａの通信ドライバ３７９−１およびＮＩＣ３８０−１との間のデータの遣り取りを制御する。

本変形例に従う通信処理においては、制御系コントローラ１００のスケジューラ１７０（図５参照）およびスイッチ３００Ａのスケジューラ３７０Ａが、３種類のデータ（制御系データ、制御情報系データ、情報系データ）を互いに異なる要求特性を満足できるように、スケジューリングを行なう。

（ｇ２：変形例２）
図１３は、本実施の形態の変形例２に従う制御システム１の全体構成例を示す模式図である。図１３を参照して、本変形例に従う制御システム１は、図１に示した制御システム１と基本的構成が同じである。相違点は、フィールドネットワーク２に対して情報系端末４００がさらに接続されている点である。

情報系端末４００は、制御対象の設備や装置からの情報を取得して、生産ライン／工場での生産活動などを監視および管理する管理機器に相当する。図１３の例では、フィールドネットワーク２にはゲートウェイ４５０が接続されており、ゲートウェイ４５０が情報系端末４００からのアクセスを仲介する。情報系端末４００は、例えば、タブレット端末からなるリモート保守端末であり、ゲートウェイ４５０を介して、フィールドネットワーク２に接続されているフィールド機器２００にアクセス可能になっている。

情報系端末４００とフィールド機器２００との間では、情報系データが遣り取りされる。情報系端末４００はタイマ４０１を有している。タイマ４０１は、制御系コントローラ１００、制御情報系コントローラ３００およびフィールド機器２００Ａ〜２００Ｄのタイマと互いに同期している。

本変形例に従う制御システム１において、制御系コントローラ１００は、フィールド機器２００Ａ〜２００Ｄとの間で、予め定められたシステム周期に従って制御系データを遣り取りする。制御情報系コントローラ３００は、フィールド機器２００との間で、到着時間を保証しつつ制御情報系データを遣り取りする。情報系端末４００は、フィールド機器２００との間で、ベストエフォート形式で情報系データを遣り取りする。すなわち、制御系コントローラ１００は制御系通信を担い、制御情報系コントローラ３００が制御情報系通信を担い、情報系端末４００は情報系通信を担う。情報系端末４００は本発明の「第３の制御装置」の一実施例に対応する。

本変形例に従うスケジューリングにおいては、対象のネットワークが有している有限の通信帯域の制約の下、制御系コントローラ１００による制御系通信、制御情報系コントローラ３００による制御情報系通信、および情報系端末４００による情報系通信の各々に対して必要な通信帯域が割り当てられる。

このように、制御情報系通信および情報系通信を別々の装置（制御情報系コントローラ３００および情報系端末４００）がそれぞれ担うことによって、装置ごとの処理負荷をさらに軽減することができる。したがって、ネットワーク上を伝送される制御情報系データおよび情報系データのデータ量が制約されることを抑制することができる。これにより、上位管理システムにおいては、製造装置または生産設備の管理に必要な情報を高い時間精度で収集することができるため、製造装置または生産設備の予兆管理を高い精度で行なうことが可能となる。

図１４は、本実施の形態の変形例２に従う通信処理を説明するための模式図である。図１４を参照して、本実施の形態の変形例２に従う通信処理においては、予め定められたシステム周期Ｔｓに対して、制御系通信、制御情報系通信、情報系通信がスケジューリングされる。

まず、制御系通信が優先的に割り当てられる。図１４（Ａ）に示すように、システム周期Ｔｓに対して、制御系通信に要する処理時間ｔ１が先に割り当てられる。制御系通信は、フィールドネットワーク２を介して制御系コントローラ１００とフィールド機器２００との間で行なわれる。

図１４（Ｂ）に示すように、必要に応じて、制御系通信を行なっていない空帯域で制御情報系通信が行なわれる。すなわち、システム周期Ｔｓのうち、制御系通信に要する処理時間ｔ１を除いた残りの時間に対して、制御情報系通信に要する処理時間ｔ２が割り当てられる。制御情報系通信は、フィールドネットワーク２を介して制御情報系コントローラ３００とフィールド機器２００との間で行なわれる。

制御情報系通信は、すべてのシステム周期で発生するものではないので、図１４（Ｃ）に示すように、システム周期Ｔｓのうち、制御系通信に要する処理時間ｔ１を除いた残り時間に対して、情報系通信に要する処理時間ｔ３が割り当てられることもある。すなわち、情報系通信は、制御系通信および制御情報系通信のいずれも存在しない通信帯域で行なわれる。情報系通信は、フィールドネットワーク２を介して情報系端末４００とフィールド機器２００との間で行なわれる。

図１４の例においては、制御系コントローラ１００とフィールド機器２００Ａ〜２００Ｄとの間ではシステム周期Ｔｓに従って制御系データが遣り取りされる。このような制御系データの遣り取りによって、制御系コントローラ１００およびフィールド機器２００Ａ〜２００Ｄの制御動作を実現できる。

例えば、フィールド機器２００Ａ〜２００Ｄの運転中には、フィールド機器２００Ｃを構成するカメラで撮像された画像が情報系データとしてゲートウェイ４５０を介して情報系端末４００まで伝送される。情報系端末４００（リモート保守端末）のユーザ（保守員）は、情報系端末４００上に表示される画像により、遠隔で状況を監視することができる。

フィールド機器２００Ａにおいて何らかの異常が発生すると、フィールド機器２００Ａは、その異常内容を示す情報を制御情報系データとして、フィールドネットワーク２を介して制御情報系コントローラ３００に送信する。そのメッセージは、制御情報系コントローラ３００からゲートウェイ４５０を介して情報系端末４００（リモート保守端末）まで転送される。情報系端末４００では、カメラで撮像された画像と受信した異常情報とが情報系端末４００のユーザ（保守員）に呈示される。この呈示の一例として、受信した異常情報に基づいて、実際に撮像された画像上の異常が発生した部位に関連付けて、その異常情報の内容を表示するようにしてもよい。

（ｇ３：変形例３）
図１５は、本実施の形態の変形例３に従う制御システム１の全体構成例を示す模式図である。図１５を参照して、本変形例に従う制御システム１は、図１に示した制御システム１と基本的構成が同じである。相違点は、制御系コントローラ１００が、制御系通信に加えて、制御情報系通信を担う点である。すなわち、本変形例では、制御系コントローラ１００と制御情報系コントローラ３００とで、制御情報系通信を分担して行なう。

本変形例に従う制御システム１において、制御系コントローラ１００は、フィールド機器２００Ａ〜２００Ｄとの間で、予め定められたシステム周期に従って制御系データを遣り取りする。制御系コントローラ１００は、さらに、フィールド機器２００との間で、到着時間を保証しつつ制御情報系データを遣り取りする。

制御情報系コントローラ３００は、制御系コントローラ１００との間で、制御情報系データを分かち合う。制御情報系コントローラ３００は、フィールド機器２００との間で、到着時間を保証しつつ、分担する制御情報系データを遣り取りする。

情報系端末４００は、フィールド機器２００との間で、ベストエフォート形式で情報系データを遣り取りする。

本変形例に従うスケジューリングにおいては、対象のネットワークが有している有限の通信帯域の制約の下、制御系コントローラ１００による制御系通信および制御情報系通信、制御情報系コントローラ３００による制御情報系通信、および情報系端末４００による情報系通信の各々に対して必要な通信帯域が割り当てられる。

このように、制御情報系通信を複数のコントローラで分担して行なうことによって、コントローラごとの処理負荷を軽減することができる。したがって、ネットワーク上を伝送される制御情報系データおよび情報系データのデータ量が制約されることを抑制することができる。これにより、上位管理システムにおいては、製造装置または生産設備の管理に必要な情報を高い時間精度で収集することができるため、製造装置または生産設備の予兆管理を高い精度で行なうことが可能となる。

図１６は、本実施の形態の変形例３に従う通信処理を説明するための模式図である。図１４を参照して、本実施の形態の変形例３に従う通信処理においては、予め定められたシステム周期Ｔｓに対して、制御系通信、制御情報系通信、情報系通信がスケジューリングされる。

まず、制御系通信が優先的に割り当てられる。図１６（Ａ）に示すように、システム周期Ｔｓに対して、制御系通信に要する処理時間ｔ１が先に割り当てられる。制御系通信は、フィールドネットワーク２を介して制御系コントローラ１００とフィールド機器２００との間で行なわれる。

必要に応じて、制御系通信を行なっていない空帯域で制御系通信が行なわれる。すなわち、システム周期Ｔｓのうち、制御系通信に要する処理時間ｔ１を除いた残りの時間に対して、制御情報系通信に要する処理時間ｔ２が割り当てられる。

図１６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、制御情報系通信に要する処理時間ｔ２は、処理時間ｔ２ａと、処理時間ｔ２ｂとに分割されて、制御系コントローラ１００および制御情報系コントローラ３００に割り当てられる。したがって、処理時間ｔ２ａでは、フィールドネットワーク２を介して制御系コントローラ１００とフィールド機器２００との間で制御情報系通信が行なわれ、処理時間ｔ２ｂでは、フィールドネットワーク２を介して制御情報系コントローラ３００とフィールド機器２００との間で制御情報系通信が行なわれる。

制御情報系通信は、すべてのシステム周期で発生するものではないので、図１６（Ｃ）に示すように、システム周期Ｔｓのうち、制御系通信に要する処理時間ｔ１を除いた残り時間に対して、情報系通信に要する処理時間ｔ３が割り当てられることもある。すなわち、情報系通信は、制御系通信および制御情報系通信のいずれも存在しない通信帯域で行なわれる。情報系通信は、フィールドネットワーク２を介して情報系端末４００とフィールド機器２００との間で行なわれる。

＜Ｈ．利点＞
以上説明したように、本実施の形態に従う制御システムの通信方法によれば、同一のネットワークに接続される複数の制御装置に対して、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）を予め定められた周期毎に更新するのに必要な通信帯域と、製造装置または生産設備の設定および管理に関するデータ（製造装置または生産設備の状態を示すデータであって、定時性が求められる制御情報系データ）、および、よりデータサイズの大きな情報系データを伝送するための通信帯域をそれぞれ割り当てることによって、複数の制御装置の各々の処理負荷を増やすことなく、制御系データ、制御情報系データおよび情報系データを、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。

これにより、製造装置または生産設備を制御する制御システムにおいては、製造装置または生産設備を高速かつ高精度に制御しながら、製造装置または生産設備の管理に必要な情報を収集することができるため、製造装置または生産設備の予兆管理を高い精度で行なうことができる。例えば、製造装置または生産設備の故障予知の精度を向上させることができるため、トラブルシューティングの効率化を実現することが可能となる。

［付記］
以上のように、本実施形態は以下のような開示を含む。

（１）本実施形態では、製造装置または生産設備を制御する制御システム（１）が提供される。制御システム（１）は、予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワーク（２）に接続される第１の制御装置（１００）と、ネットワーク（２）に接続され、第１の制御装置（１００）と互いに時刻同期された第２の制御装置（３００）とを備える。第１の制御装置（１００）は、ネットワークが有する通信帯域のうちの第１の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の制御に用いられる第１のデータを予め定められた周期毎に伝送する。第２の制御装置は、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域以外の第２の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の設定および管理に用いられる第２のデータを伝送する。

（２）本実施の形態に従う制御システム（１）において好ましくは、第１の制御装置（１００）は、第１の通信帯域を用いて、第１のデータを周期的に伝送するとともに、第２の通信帯域の一部の通信帯域を用いて、第２のデータを伝送する。第２の制御装置（３００）は、第２の通信帯域の一部の通信帯域以外の通信帯域を用いて、第２のデータを伝送する。

（３）本実施形態に従う制御システム（１）において好ましくは、第２の制御装置（３００）は、さらに、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域および第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送する。

（４）本実施形態に従う制御システム（１）において好ましくは、第２の制御装置（３００）は、第２のデータを、各周期において利用可能な通信帯域に応じたデータサイズに分割した上で、分割後のそれぞれのデータを複数の周期に割り当てる。

（５）本実施形態に従う制御システム（１）において好ましくは、ネットワークに接続され、第１の制御装置（１００）および第２の制御装置（３００）と互いに時刻同期された第３の制御装置（４００）をさらに備える。第３の制御装置（３００）は、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域および第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送する。

（６）本実施形態では、製造装置または生産設備を制御する制御システム（１）における通信方法が提供される。制御システム（１）は、予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワーク（２）に接続される第１の制御装置（１００）と、ネットワーク（２）に接続され、第１の制御装置（１００）と互いに時刻同期された第２の制御装置（３００）とを含む。通信方法は、第１の制御装置（１００）が、ネットワークが有する通信帯域のうちの第１の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の制御に用いられる第１のデータを予め定められた周期毎に伝送するステップと、第２の制御装置（３００）が、ネットワークが有する通信帯域のうち第１の通信帯域以外の第２の通信帯域を用いて、製造装置または生産設備の設定および管理に用いられる第２のデータを伝送するステップとを備える。

（７）本実施形態に従う通信方法において好ましくは、第２の制御装置（３００）が、ネットワーク（２）が有する通信帯域のうち第１の通信帯域および第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送するステップをさらに備える。

（８）本実施形態に従う通信方法において好ましくは、制御システム（１）は、ネットワーク（２）に接続され、第１の制御装置（１００）および第２の制御装置（３００）と互いに時刻同期された第３の制御装置（４００）をさらに含む。通信方法は、第３の制御装置（４００）が、ネットワーク（２）が有する通信帯域のうち第１の通信帯域および第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送するステップをさらに備える。

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、特許請求の範囲によって示され、特許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。

１００ 制御装置（制御系コントローラ）、３００ 制御装置（制御情報系コントローラ）、４００ 制御装置（情報系端末）、１０１，２０１（２０１Ａ〜２０１Ｄ），３０１，４０１ タイマ、１０２，３０２，３０２Ａ，３０２Ｂ プロセッサ、１０４，３０４ メモリ、１０６，３０６ 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、１１０，３１０ ネットワークコントローラ、１１１，２１１ 受信回路、１１２，３１２ 受信バッファ、１１３，２１２，３１３ 送受信コントローラ、１１４，３１４ 送信バッファ、１１５，２１３，３１５ 送信回路、１２１ 入力部、１２２−１〜１２２−Ｍ キュー、１２３−１〜１２３−Ｍ 出力ゲート、１２４ タイミング制御回路、１２５ タイミング制御テーブル、１２６ 送信部、１７０，３７０，３７０Ａ，３７０Ｂ スケジューラ、１７３ 制御系ユーザアプリケーション実行処理、１７４ 周辺処理、１７５，３７５，３７５Ａ 制御系通信処理、１７６，３７６，３７６Ａ，３７６Ｂ 制御情報系通信処理、１７７，３７７，３７７Ａ，３７７Ｂ 情報系通信処理、１７８，３７８，３７８Ａ 時刻同期処理、１７９，３７９，３７９Ｂ 通信ドライバ、２００，２００Ａ〜２００Ｄ フィールド機器、２１０ 通信回路、３００Ａ スイッチ、３７３，３７３Ｂ 情報系ユーザアプリケーション実行処理、４５０ ゲートウェイ、５００ サーボ装置。

Claims (8)

1. 製造装置または生産設備を制御する制御システムであって、
   予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワークに接続される第１の制御装置と、
   前記ネットワークに接続され、前記第１の制御装置と互いに時刻同期された第２の制御装置とを備え、
   前記第１の制御装置は、前記ネットワークが有する通信帯域のうちの第１の通信帯域を用いて、前記製造装置または前記生産設備の制御に用いられる第１のデータを前記予め定められた周期毎に伝送し、
   前記第２の制御装置は、前記ネットワークが有する通信帯域のうち前記第１の通信帯域以外の第２の通信帯域を用いて、前記製造装置または前記生産設備の設定および管理に用いられる第２のデータを伝送する、制御システム。
2. 前記第１の制御装置は、前記第１の通信帯域を用いて、前記第１のデータを周期的に伝送するとともに、前記第２の通信帯域の一部の通信帯域を用いて、前記第２のデータを伝送し、
   前記第２の制御装置は、前記第２の通信帯域の前記一部の通信帯域以外の通信帯域を用いて、前記第２のデータを伝送する、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記第２の制御装置は、さらに、前記ネットワークが有する通信帯域のうち前記第１の通信帯域および前記第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送する、請求項１または２に記載の制御システム。
4. 前記第２の制御装置は、前記第２のデータを、各周期において利用可能な通信帯域に応じたデータサイズに分割した上で、分割後のそれぞれのデータを複数の周期に割り当てる、請求項１に記載の制御システム。
5. 前記ネットワークに接続され、前記第１の制御装置および前記第２の制御装置と互いに時刻同期された第３の制御装置をさらに備え、
   前記第３の制御装置は、前記ネットワークが有する通信帯域のうち前記第１の通信帯域および前記第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送する、請求項１または２に記載の制御システム。
6. 製造装置または生産設備を制御する制御システムにおける通信方法であって、
   前記制御システムは、
   予め定められた周期毎にデータが更新されるネットワークに接続される第１の制御装置と、
   前記ネットワークに接続され、前記第１の制御装置と互いに時刻同期された第２の制御装置とを含み、
   前記第１の制御装置が、前記ネットワークが有する通信帯域のうちの第１の通信帯域を用いて、前記製造装置または前記生産設備の制御に用いられる第１のデータを前記予め定められた周期毎に伝送するステップと、
   前記第２の制御装置が、前記ネットワークが有する通信帯域のうち前記第１の通信帯域以外の第２の通信帯域を用いて、前記製造装置または前記生産設備の設定および管理に用いられる第２のデータを伝送するステップとを備える、通信方法。
7. 前記第２の制御装置が、前記ネットワークが有する通信帯域のうち前記第１の通信帯域および前記第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送するステップをさらに備える、請求項６に記載の通信方法。
8. 前記制御システムは、前記ネットワークに接続され、前記第１の制御装置および前記第２の制御装置と互いに時刻同期された第３の制御装置をさらに含み、
   前記第３の制御装置が、前記ネットワークが有する通信帯域のうち前記第１の通信帯域および前記第２の通信帯域のいずれにも設定されていない通信帯域を用いて、第３のデータを伝送するステップをさらに備える、請求項６に記載の通信方法。

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