通信系统、通信装置以及通信方法与流程

本发明涉及网络连接有彼此时刻同步的多个通信装置的通信系统、面向该通信系统的通信装置以及该通信系统中的通信方法。

背景技术：

随着近年来的信息通信技术(ICT：Information and Communication Technology)的进步，对于生产线，也正在实现使从现场的制造设备到上游的管理装置成为一体的网络化的系统。

对于在这样的网络化的系统中传输的数据，根据其用途、目的等而施加相应的要求。例如，在用于控制制造装置或生产设备的数据(控制系统数据)中，虽然其数据大小不是很大，但要求实时性。与此相对，上游的管理装置等所处理的数据(信息系统数据)虽然不要求实时性等，但必须传输尺寸比较大的数据。

作为与数据传输相关的现有技术，日本特开2009-239453号公报(专利文献1)示出了在使用了Ethernet(注册商标)的LAN中基于循环型传送来实现数据通信的高速性和高可靠性的一例。具体而言，专利文献1公开了一种网络装置，该网络装置以固定周期重复预约传送区间和自由传送区间来传送帧，其中，该预约传送区间是预约传送帧的时间段，该自由传送区间是自由传送帧的时间段，模式切换控制部选择存储转发方式或直通方式来作为传送方法。

虽然不是以数据通信的高速性和高可靠性为目的，但日本特开2015-109552号公报(专利文献2)公开了如下结构：考虑了输入端口中的传输速度与输出端口中的传输速度之差，来选择直通方式或存储转发方式。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-239453号公报

专利文献2：日本特开2015-109552号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在生产线中，除了上述的控制系统数据以及信息系统数据之外，还存在虽然不要求控制系统数据那样的高速实时性但需要保证一定程度的到达时刻的数据(例如，与设备的设定和管理相关的数据)。以下，为了便于说明，将这样的数据也称为“控制信息系统数据”。

除了控制系统数据以及信息系统数据之外，还需要处理具有两者的中间特性的控制信息系统数据，合计3种数据。

在上述的专利文献1中，仅公开了如下内容：作为通常的LAN中的数据传送的方法，选择存储转发方式或直通方式。专利文献2原本是以吸收输入端口的传输速度与输出端口的传输速度之差为目的的技术，并没有公开任何处理3种数据的解决手段。

期望用于除了控制系统数据以及信息系统数据之外还使控制信息系统数据在同一网络上满足各自的要求的同时进行传输的新技术。

用于解决课题的手段

根据本发明的某一实施方式，提供了网络连接有彼此时刻同步的多个通信装置的通信系统。多个通信装置分别包含：管理单元，其用于按照预先确定的通信调度传输用于控制制造装置或生产设备的周期性传输的第一数据、需要在指定的时间内到达目的地的第二数据以及与第一数据和第二数据不同的第三数据；选择单元，其根据通信调度，从即时方式(on the fly)、直通方式(cut-through)、存储转发方式(store and forward)中选择与传输的各数据对应的数据传送方式；以及发送接收电路，其将从其他通信装置接收到的各数据按照针对该数据决定的数据传送方式，向另外其他的通信装置传送。

优选的是，选择单元针对第一数据选择即时方式。

优选的是，发送接收电路将由输入端口接收到的控制系统数据从多个输出端口中的按照预先确定的通信调度规定的一个输出端口送出。

优选的是，发送接收电路将由输入端口接收到的控制系统数据从多个输出端口分别送出。

优选的是，发送接收电路将由输入端口接收到的控制系统数据从多个输出端口分别送出。

优选的是，选择单元针对第二数据选择直通方式。

优选的是，选择单元在同一通信装置中多个第二数据的传送处理在时间上重叠时，针对多个第二数据中的一个第二数据选择直通方式，针对多个第二数据中的其余第二数据选择存储转发方式，发送接收电路针对被选择了直通方式的第二数据首先执行传送处理，并且继续处理被选择了存储转发方式的第二数据。

优选的是，发送接收电路在针对被选择了直通方式的第二数据的传送处理完成时，不等待针对被选择了存储转发方式的第二数据的数据存储处理完成，就开始该第二数据的送出处理。

优选的是，选择单元针对第三数据选择存储转发方式。

优选的是，多个通信装置的至少一部分以菊花链方式连接。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种与通信系统网络连接的通信装置。通信装置具有：同步单元，其用于使其他通信装置之间彼此时刻同步；管理单元，其用于按照预先确定的通信调度传输用于控制制造装置或生产设备的周期性传输的第一数据、需要在指定的时间内到达目的地的第二数据以及与第一数据和第二数据不同的第三数据；选择单元，其根据通信调度，从即时方式、直通方式、存储转发方式中选择与传输的各数据对应的数据传送方式；以及发送接收电路，其将从其他通信装置接收到的各数据按照针对该数据决定的数据传送方式向另外其他的通信装置传送。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种网络连接有彼此时刻同步的多个通信装置的通信系统的通信方法。通信方法具有如下步骤：按照预先确定的通信调度管理用于控制制造装置或生产设备的周期性传输的第一数据、需要在指定的时间内到达目的地的第二数据以及与第一数据和第二数据不同的第三数据；根据通信调度，从即时方式、直通方式、存储转发方式中选择与传输的各数据对应的数据传送方式；以及将从其他通信装置接收到的各数据按照针对该数据决定的数据传送方式向另外其他的通信装置传送。

发明效果

根据本发明的任意实施方式，除了控制系统数据以及信息系统数据之外还能够使控制信息系统数据在同一网络上满足各自的要求的同时进行传输。

附图说明

图1是示出本实施方式的通信系统的整体结构的一例的示意图。

图2是示出在图1的通信系统中传输的数据类别的图。

图3是示出本实施方式的通信系统的网络结构例的示意图。

图4是示出实现本实施方式的通信系统可利用的数据传送方式的结构例的示意图。

图5是对本实施方式的通信系统可利用的数据传送方式进行比较并示出的图。

图6是示出本实施方式的通信系统中的数据传送方式的选择例的示意图。

图7是示出作为本实施方式的通信装置的典型例的控制装置的硬件结构的一例的示意图。

图8是示出图7所示的控制装置的通信控制电路的更详细的结构的示意图。

图9是示出图7所示的控制装置的端口的更详细的结构的示意图。

图10是示出将本实施方式的通信方式应用于以菊花链方式连接的通信装置的情况下的传送处理的一例的示意图。

图11是示出将本实施方式的通信方式应用于作为1输入N输出的转换器而发挥功能的通信装置的情况下的传送处理的一例的示意图。

图12是示出将本实施方式的通信方式应用于作为N输入1输出的转换器而发挥功能的通信装置的情况下的传送处理的另一例的示意图。

图13是示出将本实施方式的通信方式应用于作为N输入1输出的转换器而发挥功能的通信装置的情况下的传送处理的另一例的示意图。

图14是示出构成本实施方式的通信系统的各通信装置中的处理过程的流程图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，对图中的相同或相当的部分标注相同的标号而不重复其说明。

＜A.通信系统的整体结构＞

首先，对采用了本实施方式的数据传输方式的通信系统的整体结构进行说明。图1是示出本实施方式的通信系统1的整体结构的一例的示意图。

参照图1，在通信系统1中，网络以多个级别连接，对各个级别的网络分别分配不同的功能。具体而言，设置有4个级别的网络2～5。

网络2是控制级别的网络，连接有作为机器控制设备的控制装置100、作为装置/线路管理设备的装置/线路管理装置190以及提供SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition：监督控制和数据采集)功能的显示装置180，形成能够在装置间传输数据的链路。网络2在控制器(控制装置100)与管理设备(装置/线路管理装置190和显示装置180)之间构建数据链路。

在控制装置100上连接有传感器、致动器这样的各种器件。这些器件有时经由安装在控制装置100上的输入输出单元直接连接，但有时也经由现场网络连接。在图1所示的结构例中，控制装置100构成有一个或多个现场网络110，在各现场网络110中连接有一个或多个器件200。一个或多个器件200分别包含获取现场信号的输入器件和根据来自控制装置100的指示而对现场进行某种动作的输出器件或致动器。因此，在图1所示的通信系统1中，除了网络2～5这4个级别之外，还追加了现场级别的现场网络。现场级别提供输入和器件控制来作为主要功能。

网络2是控制级别的网络，连接有装置/线路管理装置190和显示装置180，形成能够在装置间传输数据的链路。网络2主要提供与控制系统有关的信息的传输来作为主要功能。

网络3是管理级别的网络，连接有装置/线路管理装置190、制造管理装置300以及数据库装置310，形成能够在装置间传输数据的链路。网络3提供管理信息的交换和装置/线路的信息传输来作为主要功能。

网络4是计算机级别的网络，连接有制造管理装置300和数据库装置310以及管理生产计划等的生产管理装置350，形成能够在装置间传输数据的链路。网络4提供生产管理和信息系统的数据的传输来作为主要功能。

网络5是互联网等外部网络，连接有生产管理装置350、云和供应链等。

在图1所示的通信系统1中，网络3及其以下的级别也被称为“工厂网络”，提供对用于实际控制设备的数据(以下有时也统称为“控制系统数据”)进行交换的控制系统通信。另一方面，网络4以上的级别也被称为“企业网络”，提供对用于监视/管理/控制生产线/工厂中的生产活动等的数据(以下有时也统称为“信息系统数据”)进行交换的信息系统通信。

在网络2～5以及现场网络110中，采用与这种要求的特性的差异相对应的协议和框架。例如，作为属于工厂网络的网络2和网络3的协议，可以使用EtherNet/IP(注册商标)，该EtherNet/IP是在通用的Ethernet(注册商标)上安装有控制用协议的产业用开放网络。另外，作为现场网络110的协议，可以采用作为机器控制用网络的一例的EtherCAT(注册商标)。

通过采用这样的适于机器控制的网络技术，能够提供保证设备间的传输所需的时间的实时性。但是，在1次通信周期中可传输的数据量存在限制。

另一方面，作为属于企业网络的网络4和网络5的协议，为了确保连接目的地的多样性，使用通用的Ethernet(以太网)等。通过采用通用的Ethernet，虽然无法实现实时性，但不存在可发送的数据量等的限制。

＜B.要求的通信性能＞

在图1所示的工厂网络中，基本上周期性地传输上述那样的控制系统数据，但也需要传输企业网络中包含的制造管理装置300、数据库装置310、生产管理装置350等所要求的信息系统数据。另外，在以下的说明中，有时在与工厂网络的对比中，也将企业网络中包含的装置的全部或一部分统称为“上游管理系统”。

并且，也存在虽然不要求控制系统数据那样的高速的实时性但需要保证一定程度的到达时刻的数据(例如，与设备的设定和管理相关的数据)。以下，为了便于说明，也将这样的数据称为“控制信息系统数据”。

图2是示出在图1的通信系统1中传输的数据类别的图。参照图2，在通信系统1中，主要传输(1)控制系统数据、(2)控制信息系统数据、(3)信息系统数据。另外，并不排除传输未被分类为它们中的任一种的数据的情况，还可以传输其他类别的数据。

(1)控制系统数据作为其主旨而包含用于实际控制设备的数据。即，控制系统数据相当于在制造装置或生产设备的控制中使用的数据。作为控制系统数据的一例，可举出伺服指令值、编码器值、传感器的接通/断开(ON/OFF)值等。控制系统数据基本上周期性地传输。优选将这样的控制系统数据的通信周期设定为10msec以下。而且，需要可靠地保证该通信周期。另一方面，由于在网络上传输的控制系统数据的内容被预先设定，因此作为数据大小是固定且比较小的。

(2)控制信息系统数据是在信息系统通信中使用的数据中的被分类为控制所需的数据，作为其主旨，包含与设备的设定/管理相关的数据。即，控制信息系统数据相当于需要在指定的时间内到达目的地的数据。作为控制信息系统数据的一例，可举出相对于传感器器件的阈值这样的各种参数的设定、保存在各设备中的异常信息(日志)的收集、针对各设备的更新用的固件等。在这样的网络上传输的控制信息系统数据的内容多种多样，但基本上是与设备的设定/管理相关的数据，因此作为数据大小，设想几kbyte左右。因此，优选将控制信息系统数据的通信周期设定为小于100msec。虽然通信周期可以比较长，但需要保证数据的到达时刻。另外，到达时间的指定可以由用户任意进行，也可以由生成或请求数据的应用程序或装置按照预先确定的规则进行。

(3)信息系统数据是在信息系统通信中使用的数据中的被分类为上游管理系统所需的信息的数据，作为其主旨，包含在上游管理系统中使用的数据。作为信息系统数据的一例，可举出在某期间内的传感器中的收集信息这样的统计数据、在某些条件下拍摄的监视图像(静态图像/动态图像)等。在这样的网络上传输的控制系统数据的内容多种多样，作为数据大小也多种多样。典型地说，设想信息系统数据的数据大小比控制信息系统数据的数据大小大。另外，由于与设备的控制没有直接关系，因此设想信息系统数据以尽力而为的方式被传输。在这种情况下，吞吐量的高度被重视，而不重视实时性(即，数据在指定的时间到达)。

另外，也可以对每个数据唯一地决定被分类为控制系统、控制信息系统、信息系统中的某一种，即使是相同的数据，也可以根据其用途，改变被分类为控制系统、控制信息系统、信息系统中的某一种的情况。在后者的情况下，典型地说，根据各数据在作为对象的层中如何使用，来决定被分类为哪个类别。这样的分类也可以针对每个数据预先设定。

这样，对控制系统数据要求高速高精度的通信，对信息系统数据要求大容量的通信。而且，对控制信息系统数据要求控制系统数据与信息系统数据之间的中间特性。

＜C.概要＞

在本实施方式的通信系统中，适应性地选择参与数据传输的各个通信装置中的数据传送方式。通过这样的数据传送方式的适应性选择，能够实现满足对控制系统数据、控制信息系统数据、信息系统数据分别施加的要求的数据传输。

具体而言，在构成本实施方式的通信系统的各通信装置中，作为数据传送方式，支持(1)即时方式、(2)直通方式、(3)存储转发方式这三个方式。另外，除了这三种数据传送方式之外，还可以进一步支持其他的数据传送方式。另外，例如，关于存储转发方式，也可以预先准备使缓冲的数据量等的设定不同的多种方式。同样地，对于其他的数据传送方式，也可以准备设定不同的多种方式以供选择。

以下，对各个数据传送方式的详细内容以及数据传送方式的选择方法进行详细说明。

＜D.网络结构例＞

接下来，对本实施方式的通信系统1的网络结构例进行说明。图3是示出本实施方式的通信系统1的网络结构例的示意图。

在图3所示的通信系统1中，作为一例，至少一部分的通信装置采用以菊花链方式连接的网络。具体而言，通信系统1包含控制装置100、多个器件200A～200H、以及作为集线装置而发挥功能的中继装置400。控制装置100作为管理网络内的数据传输的主机而发挥功能，器件200A～200H和中继装置400作为按照来自主机的指令进行数据传输的从属机而发挥功能。

控制装置100与中继装置400之间由上游传输路径111连接，由中继装置400分支为两个下游传输路径112、113。在与中继装置400连接的下游传输路径112上，以菊花链方式依次连接有器件200A～200D，在与中继装置400连接的下游传输路径113上，以菊花链方式依次连接有器件200E～200H。

在通信系统1的网络内，控制装置100、器件200A～200H以及中继装置400均可以被看作“具有数据传送功能的通信装置”。各通信装置具有网络的切换功能，支持上述那样的三种数据传送方式。

在图3所示的例子中，控制装置100、器件200A～200H以及中继装置400分别具有如下功能：在从相邻连接的某个通信装置接收在网络上传送的数据(以下，将一个传送单位的数据也称为“帧”)时，根据需要将该输入的帧向相邻连接的其他通信装置传送。另外，在接收到的帧是发往本装置的情况下，不将该接收到的帧向其他通信装置传送，由接收到该帧的装置自身对该帧进行处理。

本实施方式的通信系统1的网络包含控制制造装置、生产设备等的控制装置100，构成为满足所谓的产业用网络或符合产业用网络的要求。作为这样的要求之一，要保证从发送源送出的数据到达目的地的时刻。

为了保证这样的到达目的地的到达时刻，采用网络连接有彼此时刻同步的多个通信装置的通信系统1。即，在构成通信系统1的网络的通信装置间，发送接收定时被时刻同步。更具体而言，构成网络的通信装置分别具有被时刻同步的计时器(或者，同步地递增或递减的计数器)，根据这些被时刻同步的计时器或计数器，决定各通信装置发送或接收数据的定时。

在图3所示的例子中，控制装置100具有计时器101，中继装置400具有计时器401，器件200A～200H分别具有计时器201A～201H。例如，控制装置100的计时器101作为接地主机而发挥功能，中继装置400和器件200A～200H的计时器以该接地主机为基准使定时同步。通过这样的计时器间的同步，在通信系统1中，能够使帧的传输定时等相互一致。

＜E.数据传送方式＞

接下来，对上述的三种数据传送方式进行详细说明。图4是示出实现本实施方式的通信系统1可利用的数据传送方式的结构例的示意图。在图4(A)中示出了即时方式的结构例，在图4(B)中示出了直通方式的结构例，在图4(C)中示出了存储转发方式的结构例。

参照图4(A)，在(1)即时方式中，并行地执行输入帧的接收和向下一个传送目的地的帧的送出。具体而言，配置有能够与多个端口10中的任意端口10连接的传送部22。在传送部22中准备有用于依次处理接收到的输入帧的队列24。队列24作为FIFO(First In First Out：先进先出)的数据保持部而发挥功能，依次存储接收到的输入帧，并且从先前接收到的部分依次输出。传送部22从与预先确定的传送目的地对应的端口10依次送出由任一个端口10接收到的输入帧。

这样，在即时方式中，从接收到的帧开始依次进行处理，并向传送目的地依次输出。

参照图4(B)，在(2)直通方式中，参照接收到的输入帧中包含的报头信息，在确定了目的地之后，朝向该目的地向下一个传送目的地送出。具体而言，配置有能够与多个端口10中的任意的端口10连接的传送部18。在传送部18上连接有控制器20。传送部18对由任一个端口10接收到的输入帧进行缓冲，并且将位于输入帧的开头的报头信息向控制器20输出。控制器20根据报头信息确定目的地，并且确定与该确定的目的地对应的传送目的地，从与该确定的传送目的地对应的端口10送出接收到的输入帧。

这样，在直通方式中，参照位于接收到的帧的开头的目的地信息，向下一个目的地传送。此时，不参照在输入帧的报头信息之后存在的数据主体，直接向传送目的地送出。

参照图4(C)，在(3)存储转发方式中，在暂时缓冲接收到的输入帧之后，将缓冲后的帧朝向目的地向下一个传送目的地送出。具体而言，配置有能够与多个端口10中的任意端口10连接的接收部12和发送部16。接收部12和发送部16与缓冲器14连接。接收部12将由任一个端口10接收到的输入帧写入缓冲器14，发送部16将从缓冲器14读出的帧(送出帧)从任一个端口10送出。

这样，在存储转发方式中，在将接收到的帧保存(存储)在缓冲器中之后，向下一个目的地传送(转发)。

图5是对本实施方式的通信系统1可利用的数据传送方式进行比较并示出的图。在图5中示出了针对各数据传送方式比较了延迟时间、帧检查的有无、目的地确认的有无这些点的结果例。

参照图5，关于延迟时间，按照(3)存储转发方式、(2)直通方式、(1)即时方式的顺序变小。具体而言，(3)在存储转发方式中，由于使整个输入帧暂时排队，因此除了与帧处理相关的物理延迟之外，需要为了在预先确定的通信频带中处理输入帧的全部数据大小而所需的时间。

关于帧检查的有无，(3)在存储转发方式中，检查整个帧，在是帧内数据破损等的不适当帧的情况下，能够不进行传送。另一方面，(1)在即时方式中，不进行帧检查。(2)关于直通方式，基本上不进行帧检查，但为了参照报头信息，也可以进行帧检查。作为进行这样的帧检查的传送方式，还公知有碎片隔离方式等。

关于有无目的地确认，在(3)存储转发方式和(2)直通方式中，为了决定传送目的地，确认包含在输入帧的报头信息中的目的地。另一方面，(1)在即时方式中，不进行目的地确认。反过来说，关于(1)即时方式，应用于不需要目的地的识别以及派别的拓扑或通信方式。

＜F.数据传送方式的最佳切换＞

如上所述，三种数据传送方式具有相互不同的特性。需要选择性地使用具有这些不同特性的三种数据传送方式来传送三个不同的数据类别(控制系统数据、控制信息系统数据、信息系统数据)。

如图5所示，对每个数据类别施加了不同的要求。具体而言，控制系统数据中重视高速以及高精度，通常与恒定周期刷新等任务相关联，因此通信定时和目的地被预先固定。控制信息系统数据重视保证到达时刻，通常目的地根据内容每次都会变化。信息系统数据以尽力而为的方式被传送，目的地每次都变化。由于信息系统数据的数据大小相对较大，因此，例如如果存在发生CRC(Cyclic Redundancy Check：循环冗余检查)错误的帧，则对通信效率下降的影响较大。

如上所述，仅通过使三种数据传送方式与3个数据类别唯一地对应，无法提高通信效率。因此，在本实施方式的通信系统1中，根据考虑了数据特性的通信调度，动态地选择各设备的数据传送方式。通过这样的数据传送方式的最佳切换，能够提高通信效率。

如图3所示，在构成通信系统1的网络的通信装置之间，发送接收定时被时刻同步。在该时刻同步的状态下，决定通信调度。这样的通信装置间的时刻同步能够通过采用IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers：电气和电子工程师协会)1588、IEEE802.1AS，IEEE802.1AS-Rev等高精度时间协议来实现。

在作为网络内的主机而发挥功能的通信装置(控制装置100)的管理下，预先设定了哪个类别的数据(控制系统数据/控制信息系统数据/信息系统数据)在哪个定时下被传送。即，在构成网络的通信装置间，对于控制系统数据、控制信息系统数据、信息系统数据，以按照预先确定的通信调度进行传输的方式进行管理(调度)。通信装置分别预先获取在网络上传送的数据的数据类别和定时，根据这些信息，能够依次切换数据传送方式。

这样的通信调度(流量调度)是能够通过采用IEEE802.1Qbv等中规定的手续来实现。

另外，优选控制系统数据、控制信息系统数据、信息系统数据中的控制系统数据严格地规定了发送接收定时等。关于控制信息系统数据和信息系统数据，由于不是稳定地传输的数据，因此也可以不作为通信调度的对象。通过仅将控制系统数据作为通信调度的对象，从而通过灵活地分配通信频带，能够提高利用效率。在该情况下，例如，通过对控制信息系统数据和信息系统数据事先赋予表示其类别的识别信息等，即使在混入到控制系统数据中进行传输时，也能够有效地进行数据传送。

图6是示出本实施方式的通信系统1中的数据传送方式的选择例的示意图。参照图6，在本实施方式的通信系统1中，按照每个预先确定的控制周期决定通信调度。在各控制周期中，执行用于更新输入输出数据的恒定周期刷新。在各控制周期中，优先分配恒定周期刷新所需的控制系统数据，并且在各控制周期的剩余时间(即，剩余通信频带)中，根据通信请求等的状况，分配控制信息数据和信息系统数据。

在图6所示的例子中，在第一控制周期中，调度控制系统数据和控制信息系统数据，在第二控制周期中，调度控制系统数据、控制信息系统数据以及信息系统数据，在第三控制周期中，调度控制系统数据和信息系统数据。

关于控制系统数据，以即时方式进行数据传送，关于控制信息系统数据，以直通方式进行数据传送，关于信息系统数据，以存储转发方式进行数据传送。这样，根据数据类别和调度，以适当的数据传送方式依次进行选择。

图6中示出了数据传送的一例，但并不限于该方式。特别是，根据存在于网络上的通信装置的结构，有时选择数据传送方式的举动不同。以下，主要以(1)菊花链连接、(2)转换器(1输入N输出)以及(3)转换器(N输入1输出)各自的举动为一例进行说明。

＜G.通信装置的装置结构＞

首先，对构成本实施方式的通信系统1的通信装置的装置结构的一例进行说明。在本实施方式中，作为通信装置，可以包含控制装置100、器件200A～200H以及中继装置400。以下，作为典型例，对控制装置100的装置结构进行例示，但对于器件200A～200H和中继装置400也具有同样的装置结构。

图7是示出作为本实施方式的通信装置的典型例的控制装置100的硬件结构的一例的示意图。控制器100可以基于PLC(可编程控制器)而构成。参照图7，控制装置100包含处理器102、内存104、存储器106、通信控制电路130来作为主要组件。这些组件经由总线109连接。在通信控制电路130上连接有一个或多个端口140-1～140-N。

处理器102通过在内存104中读出保存在存储器106中的系统程序107和用户应用程序108并执行，来实现各种处理。内存104由DRAM(Dynamic Random Access Memory：动态随机存取存储器)和SRAM(Static Random Access Memory：静态随机存取存储器)等易失性存储装置构成。存储器106由硬盘、闪存等非易失性存储装置构成。在存储器106中，除了用于控制控制装置100的各部的系统程序107之外，还保存有根据控制对象等设计的用户应用程序108。

通信控制电路130控制各个端口140-1～140-N中的数据的发送接收动作。

端口140-1～140-N相当于将从其他通信装置接收到的各数据按照针对该数据决定的数据传送方式，向另外其他的通信装置传送的发送接收电路。关于数据传送方式的决定方法等在后面进行说明。端口140-1～140-N分别包含接收电路(RX)和发送电路(TX)，并与任意一个网络连接。以下，有时也将端口140-1～140-N统称为“端口140”。

图8是示出图7所示的控制装置100的通信控制电路130的更详细的结构的示意图。参照图8，通信控制电路130包含调度管理部132、数据传送方式判断部134以及定时管理部136。通信控制电路130也可以采用ASIC(application specific integrated circuit：专用集成电路)、FPGA(field-programmable gate array：现场可编程门阵列)等硬接线的结构(硬件安装)，也可以构成为通过处理器执行程序来提供必要的功能(软件安装)。并且，也可以采用组合了硬件安装和软件安装的安装方式。根据通信装置的用途、所要求的规格等，适当采用最佳的安装方式。

调度管理部132提供用于将控制系统数据、控制信息系统数据、信息系统数据按照预先确定的通信调度进行传输的管理功能。更具体而言，调度管理部132根据来自作为主机而发挥功能的通信装置的信息和定时管理部136管理的时刻同步的计时器，来管理在网络上传送的帧的定时等。

数据传送方式判断部134对于在网络上依次传送的帧依次判断数据传送方式，并将其判断结果提供给端口140。更具体而言，数据传送方式判断部134根据通信调度，从即时方式、直通方式、存储转发方式中选择与所传输的各数据对应的数据传送方式。

定时管理部136提供用于与其他通信装置之间彼此时刻同步的同步功能。更具体而言，定时管理部136根据来自作为主机而发挥功能的通信装置的同步信息等，管理时刻同步的计时器。即，定时管理部136根据来自主机的同步信息，管理计数器的递减或递增的定时等。

图9是示出图7所示的控制装置100的端口140的更详细的结构的示意图。参照图8，各个端口140包含接收电路141、多个输入门142-1～142-M(以下有时也统称为“输入门142”)、多个队列143-1～143-M(以下有时也统称为“队列143”)、多个输出门144-1～144-M(以下有时也统称为“输出门144”)、定时控制电路145、传送控制电路147以及发送电路148。

在各个端口140上安装有多个由输入门142、队列143以及输出门144构成的依次存储多个帧的电路。在各端口140中，针对多个队列143，对与数据类别对应的帧进行排队，并且根据针对各帧决定的数据传送方式，控制从队列143输出的定时。

定时控制电路145具有定时控制表146。在定时控制表146中保存有来自通信控制电路130的定时管理部136的定时信息。定时控制电路145参照保存在定时控制表146中的定时信息，选择性地激活输入门142-1～142-M。由接收电路141接收到的帧被依次保存在与被激活的输入门142连接的队列143中。

例如，在队列143-1中排队有控制系统数据，在队列143-2中排队有控制信息系统数据，在其余的队列143-3～143-M中排队有信息系统数据。定时控制电路145能够根据预先获取的定时信息，在帧的接收前获知数据类别，因此根据预先确定的队列143的分配，选择性地激活输入门142。

另外，定时控制电路145参照保存在定时控制表146中的定时信息，选择性地激活输出门144-1～144-M。例如，在以即时方式传送数据的情况下，需要与帧向队列143的保存并行地从队列143中读出帧。在以直通方式传送数据的情况下，需要在队列143中保存帧的至少报头信息后，从队列143中读出帧。在以存储转发方式传送数据的情况下，需要在完成了整个帧向队列143的保存之后，从队列143读出帧。定时控制电路145根据来自通信控制电路130的数据传送方式判断部134的判断结果，控制将输出门144-1～144-M激活的定时。

传送控制电路147参照保存在队列143中的帧的整体或一部分(报头信息)，确认作为对象的帧的目的地(传送目的地)，或者检查帧的健全性。传送控制电路147根据作为对象的帧的传送目的地，向发送电路148发出指令。另外，传送控制电路147在判断为作为对象的帧是不适当帧时，也可以中止该帧的送出。

如上所述，各个端口140与通信控制电路130互连，以与数据类别等对应的数据传送方式将输入帧向下一个目的地传送。

另外，在图9所示的结构中，通过与队列143-1～143-M分别对应地设置输入门142-1～142-M，将输入的帧根据数据类别选择性地向队列143保存，但并不一定需要在各个队列143-1～143-M中设置输入门142。例如，也可以在接收电路141的内部或接收电路141的下游侧设置判断所输入的帧的数据类别的电路，根据该电路中的判断结果，将输入的帧根据数据类别选择性地向队列143保存。

作为一例，在判断数据类别的电路中，也可以是，先判断出所输入的帧是否是控制系统数据，在判断为不是控制系统数据的情况下，判断是控制信息系统数据和信息系统数据中的哪一种数据。这样，通过先判断是否是控制系统数据，能够降低与传送相关的时间损失。

＜H.菊花链连接＞

接下来，对将本实施方式的通信方式应用于以菊花链方式连接的通信装置的情况下的传送处理的一例进行说明。

图10是示出将本实施方式的通信方式应用于以菊花链方式连接的通信装置的情况下的传送处理的一例的示意图。在图10中示出了构成图3所示的通信系统1的器件200中的传送处理的一例。另外，图10所示的各时间宽度是为了容易理解而夸张描述的宽度，并不限于表示实际的时间宽度。对于其他图也是同样的。

参照图10，当设想为系统周期的一个周期时，器件200在时刻t0接收控制系统数据，在时刻t2接收控制信息系统数据，在时刻t3接收信息系统数据。上述那样的数据的接收定时由通信调度预先决定。即，关于哪个数据类别的数据在哪个定时被传输，是被预先调度的，是已知的。

在图10所示的例子中，按照控制系统数据、控制信息系统数据、信息系统数据的顺序，对延迟时间的要求严格，因此以与对该延迟时间的要求相对应的方式，分别选择即时方式、直通方式、存储转发方式来作为数据传送方式。

在图10所示的传送处理的一例中，根据输入帧的数据类别，决定数据传送方式，针对该输入帧暂时决定的数据传送方式在中途不可变更。

其结果是，在时刻t0接收到的控制系统数据(输入帧)仅延迟与排队相关的物理延迟后，向下一个目的地传送(送出帧)。在时刻t1接收到的控制信息系统数据(输入帧)除了物理延迟之外，还延迟了保存(存储)包含目的地的报头信息的时间和基于所保存的报头信息的目的地确认的时间后，向下一个目的地传送(送出帧)。在时刻t2接收到的信息系统数据(输入帧)除了物理延迟之外，还延迟了保存(存储)整个帧的时间、检查所保存的帧的时间以及基于报头信息的目的地确认的时间后，向下一个目的地传送(送出帧)。

在图10所示的网络结构中，由于器件200以菊花链方式连接，因此作为目的地确认，仅判断输入帧是否发往该器件200。如果输入帧是发往器件200，则不进行向下一个目的地的传送，否则，输入帧直接向下一个目的地送出。

另外，通过选择存储转发方式而使通信效率降低，对菊花链整体的性能产生影响的情况下，也可以不将信息系统数据变更为存储转发方式，而变更为直通方式。这是因为，在菊花链连接中，目的地确认只要判断输入帧是否发往本装置即可。

如图10所示，在从输入帧的接收完成到向下一个目的地的传送完成所需的时间包含在系统周期内的情况下，从维持通信调度的观点来看基本上没有问题。在从输入帧的接收完成到向下一个目的地的传送完成为止接收到新的输入帧的情况下，优选根据该接收到的输入帧的数据类别，进行规定的处理。

在新的输入帧是不需要保证到达时刻的信息系统数据的情况下，由于只要利用空时(空带)进行数据传送即可，因此基本上没有问题。另一方面，在新的输入帧是需要保证到达时刻的控制系统数据和控制信息系统数据的情况下，也可以安装对先前接收到的信息系统数据和控制信息系统数据进行分割并传送那样的功能。这样的分割传送的功能例如可以使用IEEE802.1Qbu中规定的Frame Preemption等进行安装。

或者，也可以预先进行适当的设定，以使得控制系统数据和控制信息系统数据的传送不受信息系统数据的传送妨碍，也可以预先通过模拟等确认能够保证到达时刻。

＜I.转换器(1输入N输出)＞

接下来，对将本实施方式的通信方式应用于作为1输入N输出的转换器而发挥功能的通信装置的情况下的传送处理的一例进行说明。

图11是示出将本实施方式的通信方式应用于作为1输入N输出的转换器而发挥功能的通信装置的情况下的传送处理的一例的示意图。在图11中示出了构成图3所示的通信系统1的中继装置400中的传送处理的一例。

参照图11，考虑从与中继装置400的上游侧连接的端口接收帧，从与下游侧连接的多个端口将接收到的帧送出的情况。下游侧的两个端口分别与目的地1和目的地2连接。

作为一例，当设想为系统周期的一个周期时，中继装置400在时刻t0接收控制系统数据(目的地1)，在时刻t2接收控制信息系统数据(目的地1)，在时刻t3接收信息系统数据(目的地2)。上述那样的数据的接收定时由通信调度预先决定。即，对于哪个数据类别的数据在哪个定时被传输，是被预先调度的，是已知的。

按照控制系统数据、控制信息系统数据、信息系统数据的顺序，对延迟时间的要求严格，因此以与对该延迟时间的要求相对应的方式，分别选择即时方式、直通方式、存储转发方式作为数据传送方式。

其结果是，在时刻t0接收到的控制系统数据(输入帧)仅延迟与排队相关的物理延迟后，从两个端口向下一个目的地传送(送出帧)。在图11所示的网络结构中，作为中继装置400中的目的地确认，仅判断输入帧是否发往下游侧的某一个端口(目的地)。

关于控制系统数据，对于1输入N输出的转换器中的传送路径(输入端口和输出端口)，可以预先进行通信调度。在这种情况下，由于预先设定了将送出帧送出的端口和定时，因此根据该调度而将送出帧送出。这样，中继装置400的发送接收电路将由输入端口接收到的控制系统数据从多个输出端口中的按照预先确定的通信调度规定的一个输出端口送出。

另一方面，关于控制信息系统数据和信息系统数据，由于进行目的地确认，因此从与目的地对应的端口送出。在时刻t1接收到的控制信息系统数据(目的地1)除了物理延迟之外，还延迟了保存(存储)包含目地的报头信息的时间和基于所保存的报头信息的目的地确认的时间后，从与目的地1对应的端口送出。在时刻t2接收到的信息系统数据(目的地2)除了物理延迟之外，还延迟了保存(存储)整个帧的时间、检查所保存的帧的时间以及基于报头信息的目的地确认的时间后，从与目的地2对应的端口送出。

另外，通过选择存储转发方式而使通信效率降低，对网络整体的性能产生影响的情况下，也可以不将信息系统数据变更为存储转发方式，而变更为直通方式。这是因为，中继装置400只要判断应该从哪个端口送出输入帧即可。

另外，为了简化处理，可以不进行针对1输入N输出的转换器的输入端口和输出端口的通信调度等，仅对发送接收定时进行通信调度。在该情况下，对于由输入端口接收到的控制系统数据，可以从多个输出端口分别送出(参照图11的虚线所示的送出帧)。在即时方式中，由于没有进行目的地确认，因此无法决定应送出帧的端口。因此，对于由中继装置400接收到的控制系统数据，从与下游侧连接的所有端口送出。

或者，可以按照在连接有1输入N输出的转换器的网络中确定的传送路径，从任意一个输出端口送出控制系统数据。在该情况下，即使从与实际的目的地不同的输出端口送出了控制系统数据，也被依次传送，最终被传输到目标目的地。

如图11所示，以使从输入帧的接收完成到向下一个目的地的传送完成所需的时间被包含在系统周期内的方式，优选根据需要进行附加的处理或设定。关于这样的附加的处理和设定，参照图10进行了说明，因此不重复进行详细说明。

＜J.转换器(N输入1输出)＞

接下来，对将本实施方式的通信方式应用于作为N输入1输出的转换器而发挥功能的通信装置的情况下的传送处理的一例进行说明。

图12是示出将本实施方式的通信方式应用于作为N输入1输出的转换器而发挥功能的通信装置的情况下的传送处理的一例的示意图。在图12中示出了构成图3所示的通信系统1的中继装置400中的传送处理的一例。

参照图12，考虑从中继装置400的多个端口分别接收帧，并从其他端口送出接收到的帧的情况。在图12所示的例子中，将由第一端口和第二端口接收到的帧分别记为“输入帧1”和“输入帧2”。

作为一例，当设想为系统周期的一个周期时，中继装置400在时刻t0接收控制系统数据，在时刻t2接收控制信息系统数据1，在时刻t3接收控制信息系统数据2。上述那样的数据的接收定时由通信调度预先决定。即，关于哪个数据类别的数据在哪个定时被传输，是被预先调度的，是已知的。

关于控制系统数据，由于对延迟时间的要求严格，因此作为数据传送方式，选择即时方式。在图12所示的例子中，由于需要同时处理多个控制信息系统数据，因此对于一方的控制信息系统数据，选择直通方式作为数据传送方式，对于另一方的控制信息系统数据，选择即时方式作为数据传送方式。

这样，当在同一通信装置中多个控制信息系统数据的传送处理在时间上重叠时，针对多个控制信息系统数据中的一个数据选择直通方式，并且针对多个控制信息系统数据的其余数据选择存储转发方式。通过组合延迟时间不同的两种数据传送方式，能够错开传送开始的定时，能够降低对通信效率下降的影响。

在图12所示的例子中，对于先前接收到的控制信息系统数据1，选择延迟时间更短的直通方式，对于之后接收到的控制信息系统数据2，选择延迟时间更长的存储转发方式。即，对选择了直通方式的控制信息系统数据先执行传送处理，并且继续处理选择了存储转发方式的控制信息系统数据。

其结果是，在时刻t0接收到的控制系统数据(输入帧)仅延迟了与排队相关的物理延迟后，向下一个目的地传送(送出帧)。

另一方面，在时刻t1接收到的控制信息系统数据1除了物理延迟之外，还延迟了保存(存储)包含目的地的报头信息的时间和基于所保存的报头信息的目的地确认的时间后，从输出端口送出。在时刻t2接收到的控制信息系统数据2除了物理延迟之外，还延迟了保存(存储)整个帧的时间、检查所保存的帧的时间以及基于报头信息的目的地确认的时间后，从输出端口送出。

这样，由于针对多个控制信息系统数据分别选择了直通方式以及存储转发方式，因此能够避免来自一个输出端口的送出竞合，能够降低对通信效率下降的影响。另外，在图12所示的例子中，针对控制信息系统数据1的直通方式下的传送处理与针对控制信息系统数据2的存储转发方式下的传送处理在时间上不重叠，但在控制信息系统数据1的传送处理所需的时间长的情况下，两者有可能发生竞合。在该情况下，对于之后传送的控制信息系统数据2，只要在控制信息系统数据1的传送后开始传送即可。即，只要与对先前的控制信息系统数据的传送处理完成的定时和对之后的控制信息系统数据的传送处理的开始准备完成的定时中的较迟一方的定时相对应，开始之后的控制信息系统数据的送出即可。

控制系统数据以预先确定的通信定时、大小以及目的地被传输，因此以在通信装置中不产生竞合的方式，根据通信调度来决定数据传送方式。另一方面，控制信息系统数据和信息系统数据根据条件而生成以及传送，因此在预先确定的期间内是否产生消息传输，取决于状况。因此，根据状况，有时在通信装置内产生控制信息系统数据和/或信息系统数据的竞合。

即使在发生这样的数据竞合的情况下，由于信息系统数据是在存储到缓冲器中之后进行输出的，因此能够通过按照接收到的顺序进行处理来应对。另一方面，关于控制信息系统数据，如图12所示，在先前处理的帧以直通方式传送的情况下，只要以存储转发方式进行传送即可。在该情况下，在控制信息系统数据被存储在缓冲器中的状态下，当必须处理控制系统数据的时间到来时，只要中断控制信息系统数据的处理，优先处理控制系统数据即可。

另外，如图9所示，也可以将用于保存控制信息系统数据的区域和用于保存信息系统数据的区域分离地配置。通过这样分离区域，与信息系统数据相比，能够优先处理控制信息系统数据。

图13是示出将本实施方式的通信方式应用于作为N输入1输出的转换器而发挥功能的通信装置的情况下的传送处理的另一例的示意图。在图13所示的例子中，示出了以部分的存储转发方式传送之后的控制信息系统数据的例子。具体而言，示出在先前的控制信息系统数据1的传送处理完成的定时下，开始之后的控制信息系统数据2的传送处理的例子。

在图13所示的例子中，基本上以存储转发方式传送控制信息系统数据2。在将控制信息系统数据2保存到缓冲器中时，先保存位于控制信息系统数据2的开头的报头信息，与直通方式同样地，先执行目的地确认。然后，在先传送的控制信息系统数据1的传送处理中，继续进行控制信息系统数据2的保存处理。对于保存有控制信息系统数据2的部分，进行有无数据破损等的检查。在控制信息系统数据2的传送处理持续了相对长的时间的情况下，能够对整个控制信息系统数据2进行帧检查，否则，对控制信息系统数据2的一部分实施帧检查。

这样，当针对选择了直通方式的控制信息系统数据1的传送处理完成时，不等待针对选择了存储转发方式的控制信息系统数据2的数据存储处理的完成，就开始该控制信息系统数据2的送出处理。即，在先行的帧的传送处理中，继续帧的数据存储处理，在该先行的帧的传送处理完成后，开始后续的帧的传送处理。保存在直通方式中保存的报头信息(包含目的地的信息)，但在这样的部分的存储转发方式中，除了报头信息之外，根据状况保存剩余部分的全部或一部分。通过采用这样的部分的存储转发方式，能够降低对通信效率下降的影响，并且能够检查被传送的帧中包含的数据破损等，因此能够提高通信的可靠性。

＜K.处理过程＞

接下来，对构成本实施方式的通信系统1的各通信装置中的处理过程进行说明。

图14是示出构成本实施方式的通信系统1的各通信装置中的处理过程的流程图。图14所示的各步骤，通过通信装置的处理器和周边电路协作来实现。

参照图14，通信装置以作为主机而发挥功能的其他通信装置为基准，建立时刻同步(步骤S100)。接着，通信装置从作为主机而发挥功能的其他通信装置接收与数据传送相关的通信调度(步骤S102)，根据通信调度，决定针对被传输的预定的各数据的数据传送方式(步骤S104)。通信装置在从其他通信装置接收到某种数据时(在步骤S106中为“是”)，针对需要传送的数据，按照预先决定的数据传送方式，向其他通信装置送出(步骤S108)。直到指示通信装置的通信处理结束为止(在步骤S110中为“是”)，重复进行步骤S104以下的处理。

＜L.优点＞

在本实施方式的通信系统中网络连接有彼此时刻同步的多个通信装置，由此，能够将控制系统数据、控制信息系统数据、信息系统数据这样的不同类别的数据按照预先确定的调度进行传输。基于这样的通信调度，根据各数据类别，适应性地选择数据传送方式((1)即时方式、(2)直通方式、(3)存储转发方式中的任一种方式)，由此能够提高网络上的数据传输的效率。

本次公开的实施方式在所有方面都应该被认为是例示而不是限制性的内容。本发明的范围由权利要求书来表示而非上述的说明，意味着包含与权利要求书均等的意思和范围内的所有变更。

标号说明

1：通信系统；2、3、4、5：网络；10：端口；12：接收部；14：缓冲器；16：发送部；18、22：传送部；20：控制器；24：队列；100：控制装置；101、201A～201H、401：计时器；102：处理器；104：内存；106：存储器；107：系统程序；108：用户应用程序；109：总线；110：现场网络；111：上游传输路径；112、113：下游传输路径；130：通信控制电路；132：调度管理部；134：数据传送方式判断部；136：定时管理部；140、140-1～140-N：端口；141：接收电路；142：输入门；143：队列；144：输出门；145：定时控制电路；146：定时控制表；147：传送控制电路；148：发送电路；180：显示装置；190：线路管理装置；200、200A、200D、200E、200H：器件；300：制造管理装置；310：数据库装置；350：生产管理装置；400：中继装置。