コネクティビティ - 持続可能なオートメーションのバックボーン

SPE、PoDL、Ethernet APLなどの技術は、従来の産業用通信の制限を克服しています。信号、データ、電力のための最先端のインターフェースは、オートメーションプロバイダが生産設備をネットワーク化する際に、リソースおよびコストを節約するのに役立ちます。

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デジタル化とシームレスなデータネットワークは、企業プロセスから生産の現場レベルまで徹底的に浸透しており、オートメーション技術における永続的な傾向です。彼らの目標は、多様化と生産性のかつてないレベルを達成するためにカスタマイズ可能な、柔軟性の高い生産環境を構築することです。この目的のために、製造業は「インダストリ4.0」の傘の下で破壊的な変革を経験しており、あらゆる利用可能な資源の持続可能な利用が最も重要な側面のひとつとなっています。

現場からクラウドへシームレスに

機械、製品、そして最終的には人との間のシームレスなコネクティビティは、この変革の特徴であり、操作技術（OT）と情報技術（IT）の間の従来の境界を大きく突き破り始めています。産業用Ethernetでは、TCP/IP経由で現場レベルのデバイスでさえも、企業のクラウドベースのデータインフラにブロードバンドかつコスト効率よくシームレスに相互接続できる技術が今日利用できます。フィールドバスとは異なり、産業用Ethernetは、フィールドデバイスからクラウドまで、オートメーションのすべてのレベル（エンドツーエンド）を横断します。そのため、工場やプラントのオペレータは、リアルタイムで機器データにアクセスし、生産計画、工程管理、データ分析に利用することができます。

産業用Ethernetは、例えば、センサ、電源、ドライブからのデータのリアルタイム取得と分析を可能にします。臨界点における温度変化や振動、負荷プロファイルに関する情報により、プロセスパラメータの最適化のための結論を導き出すことができます。過負荷が予想される場合には、それを知らせ、早い段階でメンテナンスの必要性を知らせます。予知保全は、ここでは特に重要です。それは、プラントや機械の稼働率を向上させるだけでなく、エネルギー消費および資源の使用を最小限に抑えることができます。また運用コストの低減、プロセスおよび工場プラントの持続可能性に重大な貢献もできます。

堅牢なRJ45の代替品

これらのネットワーク、特に産業用Ethernetの物理的バックボーンは、オートメーションネットワークのさまざまなノード間で信号とデータの信頼性の高い伝送を可能にする高性能相互接続技術です。産業用途で必要とされる物理的な堅牢性に加え、このようなソリューションは今日、多くの新たな課題に直面しています。たとえば、ネットワークノードの膨大な量、小型化、伝送帯域幅の広さなどが挙げられます。特に、小型フォームファクタ、設置や配線作業の軽減、高いシグナルインテグリティ（電磁干渉に対する高度なシールド）、長距離伝送における信頼性などが挙げられます。後者は、拡張プラント分野で特に重要です。また、データコネクタを使用する機器の電源供給も、ますます必要とされています。

Ethernet通信の標準インターフェースは、広く使われているRJ45コネクタです。接点の不具合やラッチングエレメントの破損が頻繁に報告されています。また、RJ45はそのサイズから小型化に限界があります。対照的に、ドイツのサプライヤである HARTINGの ix Industrialインターフェース （図1）のような代替製品は、大幅に小型化され、より堅牢で、特に衝撃や振動に強いです。メーカーによれば、標準的なRJ45と比較して、回路基板上のスペースを最大70%節約できます。360°シールドコネクタは、10Gbit/s Ethernet通信用に設計されており、PoE（Power-over-Ethernet）および電力伝送用のPoE+に対応しています。

図1：HARTINGの産業用Ethernetインターフェースix Industrialは、標準的なRJ45コネクタよりもかなり小型で堅牢です。（画像提供：HARTING）

ix Industrialは、HARTINGが日本のコネクタ専門メーカー Hiroseと共同開発したインターフェースです。寸法、電気的特性、符号化はIEC 61076-3-124規格に準拠しています。米国企業の Amphenol Communications Solutionsなどの他のメーカーでは、ix Industrialと相互嵌合性のある同等の特性を持った製品を提供しています。たとえば、保護等級IP65/66/67の 過酷な環境用プッシュプルコネクタ 、マグネットを内蔵した ix Magコネクタ （図2）、角度付きRJ45コネクタを備えた Ethernet-RJ45ケーブルアセンブリ などです。またそれらは、100Gbit EthernetおよびPoE/PoE+機能の両方も提供します。

図2：Amphenol ix Mag：最大10Gbit/sのEthernet通信、360°シールド、最大90 WのPoE++（画像提供：Amphenol Communications Solutions）

ix Industrialのユースケース

次の例は、インダストリ4.0アプリケーション向けの高性能で小型化されたEthernetインターフェースの大きな可能性を示しています。

オートメーションのスペシャリスト、BeckhoffのXTSリニア搬送システムは、完全に統合されたモータモジュールの軌道に沿って移動する磁気駆動ムーバーを使用するドライブソリューションです。Beckhoffによれば、個々のモーションプロファイルを可能にする独立制御は、段取り替えなどのダウンタイムを短縮し、より柔軟な製造プロセスを可能にする新しいマシンコンセプトの出発点です。

ムーバーが移動パターンに従うためには、コンピュータがそれぞれのモータモジュールのスイッチングと電流供給を常に計算しなければなりません。この目的のために、合計3枚のコンピュータボードを組み合わせることができ、それぞれのボードは、以前は4つのRJ45ソケットをポートとして持っていました。システムの寸法を変更することなく、より多くのムーバーを最新世代のXTSシステムで操作できるようにするため、RJ45ソケットはHARTINGのix Industrialインターフェースに置き換えられました。信頼性の高いシールドと高いデータスループットがここでの主な要件でした。RJ45とは異なり、ix Industrialコネクタは2つの100Mbit/s Ethernet接続が可能です。そのため、4ポートの代わりに8ポートを同じボードに搭載することができ、1ポートにつき1つではなく2つのEthernetチャンネルを搭載することができます。

その結果、3つのコンピュータボードには12ポートの代わりに48ポートが実装されました。したがって、最新のXTS世代では、1ユニットあたり12本のXTSラインが48本になり、輸送システムの性能が400%向上しました。

2本のワイヤ - 4本または8本ではなく

今日の産業オートメーション技術の特徴のひとつは、階層型アーキテクチャから分散型アーキテクチャへの移行です。これらは先進的で特に生産性が高く、さらにネットワークセキュリティの向上が期待できると考えられています。これは、特定のデータ処理タスクを自律的に実行できるスマートセンサやエッジコンピュータなどのインテリジェントノードが、エッジとクラウド間の機密データトラフィックを削減するためです。分散化の利点は明白ですが、現場で接続される機器の数は膨大に増えており、ケーブル配線やコネクティビティのための取り組みも必要です。材料や設置にかかる労力、エネルギー消費の両面から、その経済的な利用は、製造施設の持続可能性の強力な基準となりつつあります。

シングルペアEthernet（SPE）は、効率とコスト効率における決定的なブレークスルーと考えられています。通信技術はIEEE 802.3規格で定義されており、それぞれのコネクタにはIEC 63171-xシリーズ規格が適用されます。基本的には、1本のツイストペア、つまり従来の4本、あるいは8本の代わりに2本のワイヤ（低コストで資源効率に優れ、持続可能性が極めて高い）を使ってフィールドコンポーネントを接続することができます。もともと車載用電子機器向けに開発されたSPEは、多くのオートメーションプロバイダの要求を満たしており、1対のワイヤにより、多数の計測器、コントローラ、その他のデバイスをギガビットデータレートでEthernetネットワークに統合することができます（図3）。

図3：シングルペアEthernetは、ブロードバンドEthernet通信にフィールドレベルをリソースとコスト効率よく統合することを可能にします。(画像提供：SPE産業パートナーネットワーク）

もう1つの利点は、PoDL互換性（Power-over-Data-Line、IEEE P802.3bu）のおかげで、同じ1対の配線でデータだけでなく電力もフィールド機器に供給できることです。アクチュエータやセンサに加え、従来のPoE電源の電力範囲内であれば、たとえばカメラベースの機器も接続でき、PoDL経由で電力を供給できます。

シングルペアEthernet用製品

SPEセグメントにおいて、HARTINGはロック機能と360°EMIシールドを備えた T1コネクタでポジションを獲得しています（図4）。PoDL対応のT1は、M8およびM12を含む丸型デザインで利用できます。保護等級はIP20からIP67まであり、メーカーによれば、それぞれのインターフェースは保護等級を満たし、相互運用性を確保するように設計されています。

図4：シールド付きでロック機能付き - PoDL対応のT1は保護等級IP20からIP67まで対応。（画像提供：HARTING）

Phoenix Contact は、制御キャビネット、センサ、スイッチ、ゲートウェイとの間の包括的な フィールドケーブル用SPE製品ラインナップ も提供しています。このサプライヤの製品には、たとえば、産業用IP20からIP67環境で使用されるボードコネクタやケーブルアセンブリなどがあります。

オープンソースのツールプロバイダである SparkFun Electronics は、シングルペアEthernetを使用したアプリケーションの設計をサポートするSPEファンクションボードを提供しています（図5）。MicroMod COM-19038と呼ばれるこのボードには、 Analog DevicesのADIN1110Ethernetトランシーバ、 Würth Elektronikの受動部品、HARTINGのT1コネクタが搭載されています。統合MAC（メディアアクセスコントロール）インターフェースにより、全二重モードで10Mbit/secのホストコントローラとのシリアル通信が可能です。このボードは1700mのケーブル長でネットワークノードをサポートしますが、このケーブルでノードに電力を供給するようには設計されていません。SparkFunのカーク・ベネルCTOが デモビデオで開発ボードを紹介。

図5：ディスプレイを備えた環境センサのデモ機。（画像提供： SparkFun Electronics）

プロセス技術におけるエンドツーエンドのネットワーク

たとえば、状態監視や予知保全に関するシングルペアEthernetの技術的優位性は、プロセスオートメーションにも有益です。ただし、Ethernetコネクティビティのための拡張要件プロファイルがここに適用されます。堅牢で広帯域のリアルタイム通信に加え、製造現場でも必要とされるように、広範なプロセスプラントでは長距離のデータ転送が必要となります。さらに、オートメーションコンポーネントは、爆発の危険性がある環境で使用するため、本質的に安全でなければなりません。ここで、いわゆるEthernet APL（Ethernet Advanced Physical Layer）が登場します。これは、10Mbit/sのEthernet通信と、SPEと同様に1本のツインワイヤを介した1000mまでの距離の電力供給のための物理伝送レイヤを定義しています。SPEと同様、Ethernet APLは、汎用的な多目的フィールド機器に最適です。

まとめ

産業用Ethernet、特にシングルペアEthernetは、生産設備のブロードバンドネットワークをサポートします。現場レベルからクラウドへのシームレスな通信を可能にし、デバイスデータへのリアルタイムアクセスを可能にすることで、プラントやプロセスの最適化においてオペレータをサポートします。そのメリットは、運用コストの削減、可用性の向上、エネルギーと資源の最適な利用など、非常に明白です。ix IndustrialインターフェースやPoDL機能付きSPEコネクタなどの高度な接続技術により、すべてのネットワークノード間で信頼性の高いデータと電力伝送を実現します。このため、インダストリ4.0の重要な構成要素であり、持続可能なオートメーションコンセプトのバックボーンとなっています。