(57)【要約】【課題】  クロストーク対策が施されていないフィールドバス用の通信ケーブルを用いても通信速度の速い伝送を可能としたリモートＩＯシステムを提供すること【解決手段】  フィールドバスを介して接続されるマスタユニット１０とスレーブ２０との間で制御データを送受し、スレーブの駆動電源はフィールドバスを構成する通信ケーブル６経由で供給される。通信ケーブルは、電力供給するための通信電源線６ａと、制御データを送受するための通信信号線６ｂとを備える。マスタと、スレーブと、通信ケーブルの終端に接続される終端器３０と、リピータ４０の内部に、通信電源線の＋／−のライン間に接続される整合回路５０〜５３を設けた。この整合回路は、通信電源線と通信信号線間に発生するクロストーク成分を減らすように設定される。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィールドバスを介して接続されるマスタとスレーブとの間で制御データを送受し、前記スレーブの駆動電源は前記フィールドバスを構成する通信ケーブル経由で供給されるプログラマブルコントローラ用のリモートＩＯシステムであって、
前記通信ケーブルは、電力供給するための通信電源線と、前記制御データを送受するための通信信号線とを備え、
前記マスタと、前記スレーブと、前記通信ケーブルの終端に接続される終端器との内部に、前記通信電源線の＋／−のライン間に接続される整合回路を設け、
その整合回路は、前記通信電源線と前記通信信号線間に発生するクロストーク成分を減らすものであることを特徴とするリモートＩＯシステム。
【請求項２】
リモートＩＯ用のマスタであって、
外部の通信電源に接続される通信電源供給線と、フィールドバス用の通信ケーブルの通信電源線にそれぞれ接続される通信電源２線間に整合回路を配置したことを特徴とするマスタ。
【請求項３】
リモートＩＯ用のスレーブであって、
フィールドバス用の通信ケーブルの通信電源線と、内部用電源部２９との接続部分の通信電源２線間に整合回路を配置したことを特徴とするスレーブ。
【請求項４】
リモートＩＯ用の中継器であって、
上位側のフィールドバス用の通信ケーブルの通信電源線と内部用電源部との接続部分の通信電源２線間に上位側整合回を配置し、
外部の通信電源に接続される通信電源供給線と下位側のフィールドバス用の通信ケーブルの通信電源線との接続部分の通信電源２線間に整合回路を配置したことを特徴とする中継器。
【請求項５】
フィールドバスを介して接続されるマスタとスレーブとの間で制御データを送受し、前記スレーブの駆動電源は前記フィールドバスを構成する通信ケーブル経由で供給されるプログラマブルコントローラ用のリモートＩＯシステムにおける前記通信ケーブルの終端に接続される終端器であって、
前記通信電源線間に整合回路を配置したことを特徴とする終端器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リモートＩＯシステムおよびマスタ並びにスレーブ及び中継器並びに終端器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）におけるネットワークシステムは、生産設備の制御を司る１または複数のＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）と、そのＰＬＣにより動作が制御される機器とが、制御系のネットワークに接続される。それらＰＬＣと機器は、その制御系のネットワークを介してサイクリックに通信を行なうことで、ＩＯデータの送受を行ない、生産設備を制御する。
【０００３】
ＰＬＣは、制御プログラムに基づいて演算実行するＣＰＵユニット、センサやスイッチなどの入力機器を接続してそれらのオン・オフ信号を入力信号として取り込む入力ユニット、アクチュエータやリレーなどの出力機器を接続してそれらに対して出力信号を送り出す出力ユニット、ネットワークに接続された他の装置とデータの送受を行なう通信ユニット、マスタスレーブ通信をするためのマスタユニット、各ユニットに電源を供給する電源ユニット、などの複数のユニットを組み合わせることにより構成されている。
【０００４】
また、ＦＡシステムでは、ＰＬＣのマスタユニットにフィールドバスを接続するとともに、そのフィールドバスにスレーブを接続し、そのスレーブに入力機器や出力機器を接続する構成を採るリモートＩＯシステムがある。これにより、スレーブに接続された入力機器や出力機器は、マスタスレーブ通信を利用してＰＬＣとＩＯデータの送受が行なえる。スレーブへの電源供給は、フィールドバスを構成する通信ケーブルを介して行なわれる。よって、フィールドバス用の通信ケーブルは、１本の通信ケーブルに通信信号線と通信電源線を備える。
【０００５】
このように１本の通信ケーブルで通信信号線と通信電源線を持つ通信ケーブルでは、金属が隣接した線間で互いの金属同士が結合するため、通信信号線でデータを送信する時の電圧変動により隣接並行に配置されている通信電源線にクロストークが重畳して通信信号線の電圧変動が生じる。そして、フィールドバスを用いたネットワークでは、通信電源線の末端（終端抵抗接続部分や電源を別供給されるノード部分）で信号電源線を開放（オープン）処理していたため、信号電源線に重畳したクロストーク波形が通信電源線の開放端で反射して２倍の電圧になり、その２倍の電圧が再度通信信号線にクロストークで戻ってくることにより通信信号波形が乱れる。
【０００６】
このクロストーク対策としては、一般に、通信信号線をシールドし、通信信号線から通信電源線へのクロストークの発生を抑止することが行なわれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、通信信号線をシールドするクロストーク対策を施していない通信ケーブルを用いるとクロストークによる信号波形の乱れは生じるものの、通信速度が低速の場合、図１（ａ）に示すように、クロストークの影響がおさまる時間に比べ通信の１ビット伝達時間が長いため、クロストークの影響がおさまった後の安定した波形でデータを判定することができる。
【０００８】
しかし、通信速度の高速化に伴い、１本の通信ケーブルでの通信信号線と通信電源線間でのクロストーク（信号漏話）とクロストークした波形の反射が問題となる。これは、図１（ｂ）に示すように、クロストークで重畳された波形やその反射が減衰しておさまる前にデータを判定する必要があるためである。
【０００９】
一方、上記の特許文献１に開示された発明のように、通信ケーブルをシールド処理したクロストーク対策のものを用いた場合には、クロストークの発生を抑制できるものの、フィールドバスのネットワークを構成する全ての通信ケーブルに係るクロストーク対策済みの通信ケーブルを用いればよいが、係る通信ケーブルはコスト高であるばかりでなく、既設の通信速度が遅いネットワークを、通信速度を速くするように変更した場合には、既設の通信ケーブルとの交換作業が必須で、資源の無駄な浪費を招き、省資源化に逆行する。
【００１０】
この発明の目的は、クロストーク対策が施されていないフィールドバス用の通信ケーブルを用いても通信速度の速い伝送を可能としたリモートＩＯシステムおよびマスタ並びにスレーブ及び中継器並びに終端器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によるリモートＩＯシステムは、フィールドバスを介して接続されるマスタとスレーブとの間で制御データを送受し、前記スレーブの駆動電源は前記フィールドバスを構成する通信ケーブル経由で供給されるプログラマブルコントローラ用のリモートＩＯシステムであって、前記通信ケーブルは、電力供給するための通信電源線と、前記制御データを送受するための通信信号線とを備え、前記マスタと、前記スレーブと、前記通信ケーブルの終端に接続される終端器との内部に、前記通信電源線の＋／−のライン間に接続される整合回路を設け、その整合回路は、前記通信電源線と前記通信信号線間に発生するクロストーク成分を減らすものとした。
【００１２】
本発明のマスタは、リモートＩＯ用のマスタであって、外部の通信電源に接続される通信電源供給線と、フィールドバス用の通信ケーブルの通信電源線にそれぞれ接続される通信電源２線間に整合回路を配置した。
【００１３】
本発明のスレーブは、リモートＩＯ用のスレーブであって、フィールドバス用の通信ケーブルの通信電源線と、内部用電源部２９との接続部分の通信電源２線間に整合回路を配置した。
【００１４】
本発明の中継器は、リモートＩＯ用の中継器であって、上位側のフィールドバス用の通信ケーブルの通信電源線と内部用電源部との接続部分の通信電源２線間に上位側整合回を配置し、外部の通信電源に接続される通信電源供給線と下位側のフィールドバス用の通信ケーブルの通信電源線との接続部分の通信電源２線間に整合回路を配置した。
【００１５】
本発明の終端器は、フィールドバスを介して接続されるマスタとスレーブとの間で制御データを送受し、前記スレーブの駆動電源は前記フィールドバスを構成する通信ケーブル経由で供給されるプログラマブルコントローラ用のリモートＩＯシステムにおける前記通信ケーブルの終端に接続される終端器であって、前記通信電源線間に整合回路を配置した。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、リモートＩＯシステムにおいて、クロストーク対策が施されていないフィールドバス用の通信ケーブルを用いても通信速度の速い伝送が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図２は、本発明が適用されるフィールドバスを用いたネットワークシステムの一例を示している。ＰＬＣ１は、電源ユニット２，ＣＰＵユニット３，ＩＯユニット４，マスタユニット１０などの各種のユニットから構成される。マスタユニット１０には、フィールドバスを構成する通信ケーブル６の一端が連結されている。この通信ケーブル６は、図３に示すように、２本の通信電源線６ａと、２本の通信信号線６ｂとを有する複数本撚り構造となっている。これら通信電源線６ａ、通信信号線６ｂの周囲は外皮６ｃで被覆されている。なお、図では外皮６ｃの内周面側にシールド層６ｄを設け、通信電源線６ａ、通信信号線６ｂを一括してシールドするようにしたが、このシールド層６ｄは設けなくても良い。また、本実施形態では、撚り線構造の通信ケーブルを用いたが、フラットケーブルとしても良い。通信信号線の本数も任意である。
【００１８】
通信ケーブル６には、ブランチ８を介して或いはディジチェーン接続によりスレーブ２０が接続される。また、通信ケーブル６の開放端には、終端器３０が接続される。マスタユニット１０には、通信電源供給線７ａを介して外部の通信電源７が接続される。この通信電源７は、マスタユニット１０内で通信電源線６ａに導通する。これにより、スレーブ２０に対しては、通信電源７から通信ケーブル６（通信電源線６ａ）を介して電源供給される。
【００１９】
通信ケーブル６の配線距離が長くなると、信号レベルが低下すると共に、波形も劣化する。そこで、通信ケーブル６の所定位置にリピータ４０を設置し、波形整形を行ない、信号の伝達距離を延ばすようにすることもある。このリピータ４０の駆動電源も、上位側（マスタユニット１０に近い方）の通信ケーブルを介して供給される。
【００２０】
リピータ４０には、通信電源供給線７ａ′を介して外部の通信電源７′が接続される。この通信電源７′は、リピータ４０内でリピータ４０の下位側（マスタユニット１０から遠い方）に接続される通信ケーブル６の通信電源線６ａに導通する。これにより、リピータ４０の下位側に接続されるスレーブ２０に対しては、通信電源７′から通信ケーブル６（通信電源線６ａ）を介して電源供給される。
【００２１】
マスタユニット１０とスレーブ２０とは、マスタスレーブ通信を行ないデータ交換がされる。上記のフィールドバスを用いたネットワークシステムは、一般的に用いられるものであるので、詳細な説明を省略する。
【００２２】
ここで本発明では、図４に示すように、通信電源線の開放端となる部分、つまり、マスタユニット１０，スレーブ２０，終端機３０並びにリピータ４０に整合回路５０〜５３を設けた。つまり、従来オープンとしていた終端器、各ノード物理層の通信電源線間、通信電源供給線と通信ケーブルの通信電源線接続部に整合回路（コンデンサーのような反射係数が０以下になる回路を含む）を挿入することにより、通信電源線開放端やインピーダンス不整合部分での電圧変動（電圧が増加する方向のもの）を抑制し信号線へのクロストークの影響を低減するようにした。
【００２３】
具体的には、図５から図８に示すような内部構成とする。図５は、マスタユニット１０の内部構造を示している。マスタユニット１０は、図５に示すように、フィールドバスである通信ケーブル６に接続され、実際にデータの送受を行う通信インタフェース１１と、その通信インタフェース１１を介してマスタスレーブ間通信をし、スレーブ２０，リピータ４０との間でＩ／Ｏデータの送受を行なったり、所定のコマンドの送信並びにそれに基づくレスポンスの受信を行うマスタ用ＡＳＩＣ１２と、各種の制御を行うＭＰＵ１５と、各種の制御実行時にワークエリア等として使用されるＲＡＭ１３と、上記制御を行なうプログラムや、各種の設定データ等が格納されたＥＥＰＲＯＭ１６と、他のユニット（例えば、ＣＰＵユニット）と内部バス１ａを介して通信を行うための内部バスインタフェース１４と、動作状態（通信状態）や異常／正常などを示すＬＥＤ表示部１７並びにアドレスの設定などを行なうための設定スイッチ１８と、を備えている。なお、基本的なハードウェア構成等は、従来のマスタユニットと同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００２４】
ここで本発明では、通信電源供給線７ａと通信ケーブル６の通信電源線接続部分の通信電源２線間に整合回路５０を配置した。この整合回路５０は、例えば図９に示すようなＬＣＲ回路等により実現できる。
【００２５】
スレーブ２０は、図６に示すように、フィールドバス用の通信ケーブル６（通信信号線６ｂ）に接続され、実際にマスタユニット１０との間でＩ／Ｏデータや各種メッセージ等の送受を行う通信インタフェース２１と、その通信インタフェース２１を介して取得したマスタスレーブ間通信をし、Ｉ／Ｏデータの送受を行なったり、所定のコマンドの受信並びにそれに基づくレスポンスの送信を行うスレーブ用ＡＳＩＣ２２と、各種の制御を行うＭＰＵ２５と、上記制御を行うプログラムや、各種の設定データ，ＩＯデータ等が格納されたＥＥＰＲＯＭ２６と、入力機器や出力機器等の外部ＩＯ機器と接続しＩ／Ｏデータの送受を行うＩ／Ｏインタフェース２４と、動作状態（通信状態）や異常／正常などを示すＬＥＤ表示部２７並びにノードアドレスの設定などを行うための設定スイッチ２８と、を備えている。さらに、フィールドバス用の通信ケーブル６（通信電源線６ａ）を介して与えられる入力電圧（２４Ｖ）を５Ｖに降圧し、スレーブ２０内の各素子に電源供給する内部用電源部２９を備えている。なお、スレーブ２０の構成並びに作用効果は、従来のものと同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００２６】
ここで本発明では、通信ケーブル６の通信電源線６ａと内部用電源部２９との接続部分の通信電源２線間に整合回路５１を配置した。この整合回路５１は、例えば図１０（ａ），（ｂ）に示すようなＬＣＲ回路等により実現できる。
【００２７】
リピータ４０は、図７に示すように上位側のフィールドバス用の通信ケーブル６に接続される上位側通信インタフェース４１と、下位側のフィールドバス用の通信ケーブル６に接続される下位側通信インタフェース４３と、両通信インタフェース４１，４３間に実装され、伝送されるデータ（信号）に対して所定の処理を行なうリピータ用ＡＳＩＣ４２と、各種の制御を行うＭＰＵ４５と、上記制御を行うプログラムや、各種の設定データ等が格納されたＥＥＰＲＯＭ４６と、動作状態（通信状態）や異常／正常などを示すＬＥＤ表示部４７並びにノードアドレスの設定などを行うための設定スイッチ４８と、を備えている。さらに、上位側のフィールドバス用の通信ケーブル６（通信電源線６ａ）を介して与えられる入力電圧（２４Ｖ）を５Ｖに降圧し、リピータ４０内の各素子に電源供給する内部用電源部４９を備えている。このリピータ用ＡＳＩＣ４２は、基本的には伝送される信号（乱れている）の波形を整え、綺麗な１／０のデジタル信号に復元し、出力する機能を備えている。これらの構成・機能は、従来からあるリピータの基本機能であるので、具体的な構成・処理手順については説明を省略する。
【００２８】
ここで本発明では、上位側の通信ケーブル６の通信電源線６ａと内部用電源部４９との接続部分の通信電源２線間に整合回路５１を配置した。この整合回路５１は、例えば図１０（ａ），（ｂ）に示すようなＬＣＲ回路等により実現できる。さらに、通信電源供給線７ａ′と下位側の通信ケーブル６の通信電源線６ａと接続部分の通信電源２線間に整合回路５２を配置した。この整合回路５２は、例えば図９に示すようなＬＣＲ回路等により実現できる。
【００２９】
終端器３０は、図８に示すように２本の通信信号線６ｂ間を終端抵抗３１で接続し、終端させる。ここで本発明では、従来開放端としていた２本の通信電源線６ａ間に整合回路５３を配置した。この整合回路５３は、例えばＲＣ回路等により実現できる。
【００３０】
各整合回路５０〜５３を構成する各素子の定数設定は、通信ケーブル６のインピーダンスとクロストーク波形の周波数を基準に実施する。ノードや終端器のインピーダンスが高い場合には、終端器３０に対する実装例として記述したＣやＲによる並列接続をして調整し、インピーダンスが低ければ直列にＬやＲを接続しインピーダンスを高くしさらに並列にＣやＲを入れて調整することになる。
【００３１】
図１１は、本発明の対策を行なわない従来の構成における波形を示している。図１１（ａ）に示すように、通信信号線６ｂを伝送される本来の送信波形は、矩形波である。本実施形態では、“１”の時にＨの通信信号線に電圧をかけ、“０”の時にＬの通信信号線に電圧をかける差動伝送方式を採る。
【００３２】
すると、通信信号線６ｂでデータを送信する時の電圧変動により隣接並行に配置されている通信電源線にクロストークした波形（図１１（ｃ）参照）が重畳し、その重畳したクロストーク波形が通信電源線の開放端（オープン配線）で反射する。図１１（ｄ）は、係る通信電源線にクロストークした波形が開放端で１次反射した波形を示している。
【００３３】
よって、クロストークした波形（進行波）と、それが反射した波形（反射波）を足し合わせたもの（図１１（ｂ）参照）が、信号電源線６ａに現れるクロストーク波形となる。この信号電源線６ａに生じたクロストークの電圧が再度通信信号線にクロストークで戻ってくることにより、通信信号波形が劣化する（図１１（ｅ）参照）。
【００３４】
なお、信号電源線にクロストークした波形は、１次，２次，……と反射するが、２次反射以降は振幅も小さく与える影響も少ないため、波形が減衰しておらず影響が最も大きい１次反射のみを示した。また、遠端のクロストークの影響のみを考慮した。
【００３５】
これに対し、本発明では、図１２（ａ）に示すように、矩形波からなる送信波形を通信信号線に伝送した場合、通信信号線６ｂでデータを送信する時の電圧変動により隣接並行に配置されている通信電源線にクロストークした波形（図１２（ｃ）参照）が重畳するが、そのクロストーク波形が通信電源線６ａの終端により反射しないため一時反射が無くなる（図１２（ｄ）参照）。
【００３６】
よって、クロストークした波形（進行波）と、それが反射した波形（反射波）を足し合わせたものが、信号電源線６ａに現れるクロストーク波形となるが、反射波が無くなったため最終的に信号電源線に現れるクロストーク波形は小さくなる（図１２（ｂ）参照）。この信号電源線６ａに生じたクロストークの電圧が再度通信信号線にクロストークで戻ってくるが、信号電源線に現れるクロストーク波形が小さくなったため、通信信号線６ｂに伝送されるクロストークの影響を受けた送信波形の乱れが小さくなる（図１２（ｅ）参照）。
【００３７】
図１２は、整合回路の各回路定数を整合終端させ反射波が発生しない理想状態の例を示したが、完全に反射波が無くならなくても最終的に通信信号線に重畳するクロストーク波形は小さくすることができる。
【００３８】
また、反射係数を−１にすると、図１３（ｃ），（ｄ）に示すようにクロストークした波形（進行波）と、それが反射した波形（反射波）とが反転した波形になり、それらを足し合わせた波形は図１３（ｂ）に示すようにほぼゼロにすることができる。よって、図１３（ｅ）に示すように、通信信号線を伝送される送信波形はクロストークの影響をほとんど受けないようにすることができる。
【００３９】
ところで、クロストークには、大きく静電容量結合、電磁結合とあるが、差動伝送では出力信号が2線間で逆相となるため電磁結合は打ち消しあい影響が小さくなる。
【００４０】
その分、静電結合が大きな比率となる。静電容量結合でのクロストーク波形は周波数が高いため、開放端反射後に減衰しやすい（下記（式１）参照）。よって、開放端付近での電圧変化を押さえられれば影響は小さくなる。
【数１】
2007300527.tif 000003
ω＝２πｆから、ｆ(周波数)が高くなると、減衰が大きくなる。
【００４１】
各ノードと終端部分で通信電源線が終端されているため、どのノードからの送信に対しても遠端クロストークを低減する効果を持つ。これにより通信配線工数を低減できる通信信号線と通信電源線を1本にまとめた通信ケーブルで、通信信号線に対してシールドがないケーブルを使用しても、高速な伝送速度で伝送品質が確保できるようになった。
【００４２】
本発明の効果を実証するため、図１４に示すリモートＩＯシステムを構築し、矢印部分における波形を測定した。ノードや終端器に本発明の対策を施さない場合、図１５に示すように波形が乱れるが、すべてのノードと終端器に整合回路を挿入すると、図１６に示すように、波形の形状が滑らかになり乱れが少なくなることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】クロストークの問題点を説明する図である。
【図２】本発明が適用されるリモートＩＯを含むネットワークシステムの一例を示す図である。
【図３】本実施形態で使用する通信ケーブルの断面図である。
【図４】本実施形態の要部を説明する図である。
【図５】マスタユニットの内部構造を示すブロック図である。
【図６】スレーブの内部構造を示すブロック図である。
【図７】リピータの内部構造を示すブロック図である。
【図８】終端器の内部構造を示すブロック図である。
【図９】マスタユニット並びにリピータの下位側に実装する整合回路の一例を示す回路図である。
【図１０】スレーブ並びにリピータの上位側に実装する整合回路の一例を示す回路図である。
【図１１】従来構成の問題点を説明する図であれる。
【図１２】本発明の作用効果（動作原理）を説明する図である。
【図１３】本発明の作用効果（動作原理）を説明する図である。
【図１４】本発明の効果を実証するための実験を行なったネットワーク構成を示す図である。
【図１５】実験結果を示す図である。
【図１６】実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
６  通信ケーブル
６ａ  通信電源線
６ｂ  通信信号線
１０  マスタユニット
２０  スレーブ
３０  終端器
４０  リピータ
５０，５１，５２，５３  整合器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007300527.tif 000013
【図１１】
2007300527.tif 000014
【図１２】
2007300527.tif 000015
【図１３】
2007300527.tif 000016
【図１４】
2007300527.tif 000017
【図１５】
2007300527.tif 000018
【図１６】
2007300527.tif 000019