JP5815660B2 - 数値制御システム - Google Patents

Description

本発明は、産業用の通信ネットワークに関する。

図６は従来の通信制御システムのブロック図を示す。図７は従来方式の数値制御装置ＣＮＣからアンプへの送信の例である。図７に示されるように、従来方式における、数値制御装置ＣＮＣからアンプへの通信では、数値制御装置ＣＮＣが全てのアンプに対する送信データを通信周期毎に送る。図８に示されるように、従来方式における、アンプから数値制御装置への通信では、全てのアンプが数値制御装置に送信データを通信周期毎に送る。

産業用のネットワークでは、ある通信時間内に必ず通信が実行されること（定時性）の保証が重要である。定時性を保証することで、モーションコントロールの同期制御のような厳しいリアルタイム性が要求されるアプリケーションへの適用が可能となる。定時性を保証する通信制御システムでは、通信時間、通信周期、通信機器数、通信データ量、通信機器間の距離などが明確に定められ管理されている。

例えば、国際標準規格であるＩＥＥＥ１３９４規格は産業用通信規格ではないが、画像や音声のように再生途中で止まってしまっては困るリアルタイム系のデータの定時性を保証する方法として、アイソクロナス転送が規定されている（特許文献１参照）。具体的には、転送帯域を時分割でアイソクロナス転送と非アイソクロナス転送に分け、アイソクロナス転送に割り振られた時間の中で、決められた数の機器と、決められたデータ量を転送する。

特許第３５０２３５９号公報

背景技術で説明した従来技術では、定時性を保証する通信では、通信時間、通信周期、通信機器数、通信データ量、通信機器間の距離などが明確に定められ管理されているため、通信システムの柔軟性が無い。このように、従来の通信方式は、数値制御装置とアンプ間の通信における定時性は確保されているが、通信周期が一律に決まっており、低い通信周期でも制御可能なアンプが含まれていても、一番早い周期が必要なアンプに通信仕様を合わせる必要があり、この結果、接続可能なアンプの台数が制限され数値制御装置がシリアルバス上の各アンプと１対１で直接通信を行うとし、通信路の遅延や、通信パケットが各アンプを経由するのにかかる回路遅延は無いものとして簡単に考えると、以下の式が成り立つ。

通信周期：Ｔ（ｓ）
実効通信レート：Ｒ（ｂｐｓ）
アンプ数：Ｎ（台）
アンプ１台当たりの通信量Ｂ（ｂｉｔ）
シリアル通信の送受信データ量 ＝ 全アンプの送受信データ量
Ｔ ｘ Ｒ ＞ Ｎ ｘ Ｂ
したがって、Ｎ ＜ Ｔ ｘ Ｒ ／ Ｂ （台）
シリアル通信の通信レートとアンプ１台当たりの通信量が決まっているシステムにおいて、通信周期とアンプ接続台数は反比例の関係にある。

以上から、短い通信周期が必要なアンプが存在し、シリアル通信周期をそのアンプに合わせて早くした場合、接続可能なアンプ数が減ることになる。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、通信機器の中には、定時性は必要であるが、通信周期が長くてもいい、通信データ量が少なくて良いなど、通信要件が緩いものが多く存在するので、これらに対する通信を適切に制御することで、通信帯域を効率よく利用する事が可能な数値制御システムを提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、数値制御装置と複数のユニットがデイジーチェーン状のシリアルバスで接続され、前記数値制御装置から前記シリアルバスを経由して前記複数のユニットに送信し、前記複数のユニットから前記シリアルバスを経由して前記数値制御装置に送信する数値制御システムにおいて、前記複数のユニットは第１のグループと第２のグループにグループ化され、前記数値制御装置から第１のグループのユニット、第２のグループのユニットの順に接続されると共に、前記数値制御装置から前記第２のグループのユニットに対する通信周期を、前記第１のグループの通信周期の２以上の自然倍数とし、前記第２のグループのユニットのうち、前記数値制御装置に近い所定の台数のユニットを第２グループ第１群とし、他のユニットを第２グループ第２群とし、前記第２グループ第１群のユニットは、前記第２グループ第２群のユニットから前記数値制御装置に対して送信される信号を受信して保存し、前記第１のグループの通信周期毎に前記保存した信号または前記第２グループ第１群のユニットの信号を選択して前記数値制御装置に送信することを特徴とする数値制御システムである。

請求項２に係る発明は、数値制御装置と複数のアンプがデイジーチェーン状のシリアルバスで接続され、前記数値制御装置から前記シリアルバスを経由して送信される一定周期の指令に基づいて前記複数のアンプの各々がモータを駆動すると共に、前記指令に対するフィードバックデータを前記シリアルバスを経由して前記数値制御装置に送信する数値制御システムにおいて、前記複数のアンプは第１のグループと第２のグループにグループ化され、前記数値制御装置から第１のグループのアンプ、第２のグループのアンプの順に接続されると共に、前記数値制御装置から前記第２のグループのアンプに対する通信周期を、前記第１のグループの通信周期の２以上の自然倍数とし、前記第２のグループのアンプのうち、前記数値制御装置に近い所定の台数のアンプを第２グループ第１群とし、他のアンプを第２グループ第２群とし、前記第２グループ第１群のアンプは、前記第２グループ第２群のアンプから前記数値制御装置に対して送信されるフィードバックデータを受信して保存し、前記第１のグループの通信周期毎に前記保存したフィードバックデータまたは前記第２グループ第１群のアンプのフィードバックデータを選択して前記数値制御装置に送信することを特徴とする数値制御システムである。

本発明により、定時性を保証する通信制御システムにおいて、長い通信周期を許容可能な機器に対し、従来の２以上の自然数倍の周期で通信することで、他の通信機器の通信には影響を与えることなく、通信機器数を増やすこと、通信ラインの総線長を伸ばすことが可能な数値制御システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る通信制御システムのブロック図である。 本発明の実施形態に係る他の通信制御システムのブロック図である。 本発明の実施形態における数値制御装置からアンプへの送信の例を示す図である。 図３のシステムにおける、数値制御装置からアンプへの送信データの受信タイミングの例を示す図である。 本発明におけるアンプから数値制御装置への送信の例を示す図である。 従来の通信制御システムのブロック図である。 従来方式の数値制御装置からアンプへの送信の例である。 従来方式のアンプから数値制御装置への送信の例である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る通信制御システムのブロック図である。数値制御装置ＣＮＣは機械本体に備わった各モータを駆動制御する各アンプに指令値を送信し、各アンプからフィードバックを受信している。図１に記載した指令値とフィードバックは、具体的には電流、トルク、速度、位置を意味する。アンプ群Ａにはアンプ１〜アンプｊが属し、アンプＢ群にはアンプｌ〜アンプｋが属する。数値制御装置ＣＮＣとｊ台のアンプＡ群とｋ台のアンプＢ群のアンプが前記順番でデイジーチェーン状のシリアルバスで接続されるシステムにおいて、数値制御装置とアンプＢ群とが送受信する通信周期Ｔｂを、数値制御装置とアンプＡ群とが送受信する通信周期Ｔａの自然数倍（ｎ倍、ｎ≧２）とする。

すなわち、数値制御装置ＣＮＣからアンプへの指令については、アンプＡ群への周期Ｔａでのデータ送信と、アンプＢ群へのデータ送信をＴｂ＝Ｔａ×ｎの周期で行う。一方、アンプから数値制御装置へのフィードバックについても同様に、アンプＡ群からの周期Ｔａでのデータ送信と、アンプＢ群からのデータ送信をＴｂ＝Ｔａ×ｎの周期で行う。なお、この際に、アンプＢ群のデイジーチェーン上で数値制御装置ＣＮＣに最も近いｍ台のアンプＢ１群（ｍ＞ｋ÷ｎ）が、それより後段のアンプからの送信データを１台または複数台で分散して保存して、数値制御装置に対して自身のデータを含めて周期Ｔａで送信する。

アンプＢ１群は、通信ライン上は数値制御装置とＡ群と同じ周期で送受信を行っており、通信能力の点からこの通信ラインに周期Ｔａで送受信できる台数の限界である台数まで、Ａ，Ｂ１群のアンプを接続可能になるが、これに加えて、Ｂ１以外のＢ群アンプである、ｋ−ｍ台のＢ２群アンプが接続されていることになり、Ａ群のアンプの通信仕様を全く変更することなく、台数の拡張が可能になる。

図２は本発明の実施形態に係る他の通信制御システムのブロック図である。図２は、１台のアンプの通信周期を２倍にして、新たに１台のアンプを追加した例である。図２の例では、予め決められた接続可能なアンプ数Ｎ台と機器間の距離に対して、１台のアンプ（アンプＮ）の通信周期を２倍にすることで、新たに１台のアンプ（アンプＮ＋１）を接続可能にし、またシステムの総線長を延長している。これは、従来のアンプＮの通信帯域を、アンプＮとアンプＮ＋１で共有して使用することで実現されており、アンプ１からアンプＮ−１には何の影響も与えない。

＜数値制御装置からアンプへの通信の説明＞
図３は、本発明における数値制御装置からアンプへの送信の例を示す図である。この例では、全アンプへの送信データが１つのパケットに含まれる通信プロトコルを仮定している。また、従来は接続可能なアンプ台数が４台であったものを、アンプ３，４の転送周期を２倍にすることで、アンプ３−１，４−１を新たに接続可能にした通信システムを仮定している。

従来、数値制御装置ＣＮＣとアンプ３，４との通信に使われていた通信帯域が、アンプ３とアンプ３−１あるいはアンプ４とアンプ４−１で交互に利用されている。数値制御装置ＣＮＣとアンプ１、数値制御装置ＣＮＣとアンプ２の通信には全く影響が無い。

図４は、図３のシステムにおける、数値制御装置ＣＮＣからアンプへの送信データのアンプ側での受信タイミングの例である（スタートコードは省略）。パケットが各アンプに到着するまでには、線長遅延やアンプ通過時の回路遅延が存在するので、遠いアンプ程到着時間が遅くなる。

図７に示した従来のシステム構成では最大接続アンプ数が４台と仮定しているので、図４のサイクル２の様に、アンプ４台まではサイクル内に受信できる事が保証されている。一方、図３に示した本発明のシステム構成では、アンプ３−１とアンプ４−１を追加しており、アンプ３−１とアンプ４−１の受信タイミングは、図４のサイクル１のように次のサイクルに食い込んだものになり得る。この様に、アンプ数が増え、システムの総線長が延長された場合でも、アンプ３−１とアンプ４−１は、２倍周期のサイクル１内で受信できており、２倍周期で定時性が保たれている。

＜アンプから数値制御装置への通信＞
図５に、本発明の方式におけるアンプから数値制御装置ＣＮＣへの送信の例を示す。この例では、図３と同様に、全アンプへの送信データが１つのパケットに含まれる通信プロトコルを仮定している。また、従来は接続可能なアンプ台数が３台であったものを、アンプ３の転送周期を２倍にすることで、アンプ４を新たに接続可能にした通信システムを仮定している。

図５では、アンプ３が、現在のサイクル番号をもとに、自分のデータを送信するのかそれともアンプ４のデータを送信するのかを判断している。つまりアンプ３は自身とアンプ４の転送のまとめ役になっている。サイクル１と３でアンプ４の転送データがアンプ３に送られてアンプ３で保持しているので、サイクル２と４でアンプ３がアンプ４の転送データを送信することができる。

定時性が保証されている通信においては、回路遅延や線長遅延を考慮し、数値制御装置と最遠端スレーブ間の通信遅延が通信周期内に収まっていないといけないので、システムの通信周期が決まれば、接続可能な最大のアンプ数や最大合計線長が決まる。本例においては従来接続可能なアンプ台数は３台と仮定しているので、定時性が保証されたアンプ台数は３台である。つまり、単純にアンプ４を追加しただけでは、アンプ４が送信するデータが同一サイクル中に数値制御装置に届く事は保証されず、アンプ４が送信するデータは同一サイクル中に数値制御装置に届かなければ、次のサイクルに食い込み、次のサイクルで他のアンプが送信するデータと送信タイミングがバッティングする可能性がある。それに対して図５では、アンプ４の送信するデータはサイクル１の間にアンプ３に届いて一旦保持され、サイクル２でアンプ３より送信されるため、サイクル２の時間中に数値制御装置に届き他の送信データとのバッティングは起こらない。

この様に、アンプから数値制御装置への通信についても、アンプ数を追加し、総線長を延長した場合でも、Ｎ倍周期の定時性が確保される。また、アンプ１とアンプ２の通信には全く影響が無い。

なお、数値制御装置（ＣＮＣ）と工作機械（図示せず）との間では、ＤＩ／ＤＯ信号（入力信号／出力信号）の入出力を行うために、外部信号入出力用ユニット（ＩＯユニット）を複数台接続する構成がとられており、通常、数値制御装置（ＣＮＣ）とＩＯユニット間では、ＤＩ／ＤＯ信号の転送が行われている。アンプに替えて、複数台のＩＯユニットを数値制御装置にデイジーチェーン式に接続したシステムにも適用できる。特許請求の範囲の請求項１におけるユニットはアンプあるいはＩＯユニットを含む。

ＣＮＣ 数値制御装置

Claims (2)

1. 数値制御装置と複数のユニットがデイジーチェーン状のシリアルバスで接続され、前記数値制御装置から前記シリアルバスを経由して前記複数のユニットに送信し、前記複数のユニットから前記シリアルバスを経由して前記数値制御装置に送信する数値制御システムにおいて、
   前記複数のユニットは第１のグループと第２のグループにグループ化され、前記数値制御装置から第１のグループのユニット、第２のグループのユニットの順に接続されると共に、前記数値制御装置から前記第２のグループのユニットに対する通信周期を、前記第１のグループの通信周期の２以上の自然倍数とし、
   前記第２のグループのユニットのうち、前記数値制御装置に近い所定の台数のユニットを第２グループ第１群とし、他のユニットを第２グループ第２群とし、前記第２グループ第１群のユニットは、前記第２グループ第２群のユニットから前記数値制御装置に対して送信される信号を受信して保存し、前記第１のグループの通信周期毎に前記保存した信号または前記第２グループ第１群のユニットの信号を選択して前記数値制御装置に送信することを特徴とする数値制御システム。
2. 数値制御装置と複数のアンプがデイジーチェーン状のシリアルバスで接続され、前記数値制御装置から前記シリアルバスを経由して送信される一定周期の指令に基づいて前記複数のアンプの各々がモータを駆動すると共に、前記指令に対するフィードバックデータを前記シリアルバスを経由して前記数値制御装置に送信する数値制御システムにおいて、
   前記複数のアンプは第１のグループと第２のグループにグループ化され、前記数値制御装置から第１のグループのアンプ、第２のグループのアンプの順に接続されると共に、前記数値制御装置から前記第２のグループのアンプに対する通信周期を、前記第１のグループの通信周期の２以上の自然倍数とし、
   前記第２のグループのアンプのうち、前記数値制御装置に近い所定の台数のアンプを第２グループ第１群とし、他のアンプを第２グループ第２群とし、前記第２グループ第１群のアンプは、前記第２グループ第２群のアンプから前記数値制御装置に対して送信されるフィードバックデータを受信して保存し、前記第１のグループの通信周期毎に前記保存したフィードバックデータまたは前記第２グループ第１群のアンプのフィードバックデータを選択して前記数値制御装置に送信することを特徴とする数値制御システム。