まるで動きの交響曲を演奏しているかのように、各軸に高精度のモーター ドライバー、センサー、またはマシン ビジョンが装備され、曲げたり回転したりできるロボット アームを想像してください。しかし、システムの各コンポーネントに、それぞれの操作をいつ、どのように実行するかを伝える「指揮者」がなければ、ロボット アームから耳障りなカタカタ音や金属が擦れるような音が発生する可能性があります。
リアルタイム制御に関する以前の記事では、センシング、駆動、処理に使用されるリアルタイム制御 (RTC) 機器について説明しました。それらを統合するには、「コンダクター」、つまりリアルタイム通信が必要です。この記事では、リアルタイム通信と制御に基づくインダストリアル 4.0 を議論の出発点として使用します。
オートメーション分野におけるビッグデータの発展を促進する要因
パンデミックの影響により、人手を介さない工場操業が広く普及しました。ビッグデータ (オックスフォード辞典では、計算分析を通じてパターン、傾向、相関関係、特に人間の行動や相互作用に関連するものを明らかにできる非常に大規模なデータセットとして定義されています) の収集と適切な配布により、デジタル ツイン、計測、サービス請求、予知メンテナンスをサポートできます。たとえば、ビッグ データにアクセスできると、ロボット アームのパフォーマンスやシステムの健全性だけでなく、データ レート、温度、湿度、振動などを監視できるため、ビッグ データ (デジタル ツイン) に基づいて将来のパフォーマンスや健全性を予測できる AI モデルの開発が可能になります。これらの利点を最大限に活用するには、情報技術 (IT) と運用技術 (OT) を統合して、エッジでインターネット プロトコル (IP) および RTC システムをサポートする必要があります。論理的には、これは IT と OT の融合と呼ばれます。
イーサネットでは、オープン システム相互接続 (OSI) モデルのネットワーク層とトランスポート層が伝送制御プロトコル/インターネット プロトコル (TCP/IP) をサポートしているため、イーサネットは本質的に IPv4 (および IPv6) をサポートしています。さらに、必要な量の情報を確実に送信できるため、産業用イーサネットは産業オートメーションの融合分野における実質的な通信標準になりつつあります。既存のインフラストラクチャでは通常、ローカル TCP/IP をサポートしない 2 線式プロトコルが使用されているため、エッジ デバイスとの通信には依然として従来のフィールドバスが使用されています。図 1 は、産業オートメーション分野における現在の通信方式を示しています。
図 1: 産業オートメーション分野における現在の通信方式
産業用通信の実装方法は変革を迎えています。シングルペア イーサネット (SPE) は、既存の 2 線式システム アーキテクチャを維持しながら、産業用イーサネットの高速化と多数の利点もサポートします。高度なフィールド診断は、分散型および集中型の監視と操作をサポートします。もちろん、SPE は複数の既存のフィールドバスによって確立された既存の 2 線インフラストラクチャを再利用できるため、コンバージェンス主導のアップグレードが簡素化され、コストが大幅に削減されます。
イーサネットを理解する
イーサネットはオープンでエンタープライズ アプリケーションで広く普及していますが、IT イーサネット フレーム送信は「ベスト エフォート」で管理されていないため、現時点ではリアルタイム アプリケーションには適していません。エラーは常に望ましくないものです。リアルタイム OT の場合、エラーは重大な結果をもたらしたり、危険をもたらしたりする可能性があります。 RTC システムは、システムが意図したとおりに動作することを保証するためのシステムの「指令センター」として、信頼性の高い通信を必要とします。これにより、製品の故障やシステムの損傷や人身傷害の発生を回避できます。 IT イーサネットは通常、企業環境または消費者環境で使用されるため、環境上の課題に遭遇することはほとんどありません。対照的に、RTC システムは過酷な環境で動作することがよくあります。
堅牢で決定的な動作 (広い温度範囲、ノイズの多い環境、汚れた環境における信頼性など) とより高いデータ レートの需要により、産業用イーサネットの出現が促進されました。産業用イーサネットは確定的かつ堅牢で、追加の帯域幅と固有の IP 接続を提供して、RTC システムを最大限に活用します。
タイミング特性と、それがイーサネット物理層 (PHY) にどのように適用されるかを見てみましょう。
タイミング特性の重要性
RTC システムには 3 つの重要なタイミング特性があります。
遅れ。このコンテキストでは、伝播遅延などの遅延を考慮する必要があります。伝播遅延とは、データがシステム、サブシステム、またはサブシステム コンポーネントに入ってから出るまでの時間の長さです。たとえば、TI の DP83826E 10Mbps/100Mbps イーサネット PHY の往復遅延は 208ns です。遅延が小さくなると、サイクル タイムが短縮されたり、バス上のノード数が増加したりする可能性があります。
決定論。データがシステムを通過するたびに到着時間が大きく異なる場合、遅延がどれだけ短いかは重要ではなくなります。この到着時間の変動は決定論として知られています。ジッターが低いほど、決定性が優れていることを示します。決定性が低いということは、さまざまな遅延に対応するためにシステムに組み込む必要があるマージンが少ないことを意味します。図 2 は、DP83826E の遅延 (208ns) と確定性 (±2ns) を示しています。リアルタイム イーサネット プロトコル (EtherCAT など) は、イーサネット PHY の低遅延かつ確定的な遅延特性を活用できます。
図 2: 遅延とその決定論
同期。システム全体または複数の完全なシステムのタイミングをバインドすることにも、特定の利点があります。安全な動作を保証しながら効率とスループットを最大化するために、異なるサブシステムは、別のサブシステムがいつ特定の動作を実行するかを正確に知る必要がある場合があります。すべての産業用イーサネット プロトコルは、何らかの形式の同期をサポートしています。 Time-Sensitive Networking (TSN) は、RTC システムの時刻同期の一例です。 Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2 は、Precision Time Protocol (PTP) とも呼ばれ、複数のデバイスが相互に同期を維持するのに役立ちます。 Generalized PTP (gPTP) としても知られる IEEE 802.1as は、RTC などの時間に敏感なアプリケーションの同期をさらに可能にします。
結論
RTC と通信の導入を成功させることは、インダストリー 4.0 の基礎です。ただし、インダストリー 4.0 を達成するだけではありません。確定的で同期された低レイテンシーの通信 PHY と産業用イーサネット プロトコルを使用すると、すべての楽器を組み合わせて美しい交響曲を演奏できます。