シングルボードコンピュータで産業用オートメーションの範囲を拡張する方法

著者 Jeff Shepard（ジェフ・シェパード）氏

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2024-04-23

ArduinoやRaspberry Piのようなシングルボードコンピュータ（SBC）が、国際電気標準会議（IEC）61131-3規格に基づくソフトウェア開発ツールとともに産業環境で使用できるようになったことで、機械や工場のオートメーション設計者に新たな機会がもたらされました。これらの新しいSBCベースのソリューションの中には、環境モニタリング、スマートホームやビル設備、農業アプリケーションなど、非産業用システムの自動化に新たな可能性を開くものもあります。

産業用SBCは、マシンコントローラ、産業用PC（IPC）、産業用モノのインターネット（IIoT）ゲートウェイ、マイクロプログラム可能ロジックコントローラ（PLC）、ソフトPLC、アナログおよびデジタル入出力（I/O）モジュールなどに使用されています。これらのSBCベースのデバイスは、オープンハードウェアおよびオープンソフトウェアプラットフォーム上に構築されており、時には完全なルート権限も含まれます。

IEC 61131-3への準拠は、ラダー図、ストラクチャードテキスト、機能ブロック図、シーケンシャルファンクションダイアグラム、命令リストを含む5つの標準オートメーションプログラミング言語がサポートされていることを意味します。SBCを使用して構築されるということは、開発者がJava、Python、C、C++などの言語を利用できることを意味し、従来の産業制御ハードウェアよりも高い柔軟性を実現します。また、オンボードのセキュアエレメントと国際電気通信連合（ITU）X.509規格の公開鍵コンプライアンスにより、ハードウェアからクラウドまたは企業資源計画（ERP）システムのような上位ネットワークまでのデータセキュリティをサポートするものもあります。

この記事では、機械やオートメーションの設計者が、中小規模のオートメーション、小型機械への組み込み制御、大規模なファクトリオートメーション設備など、さまざまな用途で利用可能なArduino、Industrial Shields、およびKUNBUSが提供するSBCベースのソリューション例を紹介します。記事の後半では、PROFINETと決定論的ネットワークをSBC PLCにどのように実装できるかについて考察します。

Arduino PLC

ほとんどのArduinoベースPLCの利点の1つは、制御ソフトウェアを記述するためのArduino PLC統合開発環境（IDE）が利用できることです。Arduino PLC IDEにより、ユーザーはIEC 61131-3で定義された5つのプログラミング言語のいずれかを選択し、PLCアプリケーションを素早くコーディングしたり、既存のアプリケーションを移植したりすることができます。また、すぐに使えるArduinoスケッチ（プログラム）、チュートリアル、ライブラリも含まれています。

Industrial ShieldsのArduinoベースPLCは、Arduino IDEを使用して、または直接Cを使用してプログラムすることができます。これらのPLCにはオープンソースツールが含まれており、複数のソフトウェアプラットフォームでプログラム可能です。リモート接続では、USBまたはEthernetポートを使用してプログラムできます。ユーザーは、すべての変数、入力、出力の状態を継続的に監視することができます。

Industrial ShieldsのモデルIS.MDUINO.21+は、0℃～+60℃で動作し、そのATmegaプロセッサが16MHzで16MIPSのスループットを達成します（図1）。特長は次の通りです。

13個の入力：
- 7つの光絶縁デジタル（5V_DC～24V_DC）
  - 2つの割り込み（5V_DC～24V_DC）
- 6つのアナログ（0V_DC～10V_DC、10ビット）またはデジタル（5V_DC～24V_DC）として設定可能なソフトウェア
8個の出力：
- 5つの光絶縁デジタル（5V_DC～24V_DC）
- 3つのアナログ（0V_DC～10V_DC、8ビット）、デジタル（5V_DC～24V_DC）、またはパルス幅変調（5V_DC～24V_DC）として設定可能なソフトウェア
256KBメモリ
Ethernet、RS-232、RS-485、USB通信
最大127モジュールまで拡張可能

図1：Industrial ShieldsのモデルIS.MDUINO.21+には、13個の入力と8個の出力があります。（画像提供：Industrial Shields）

マイクロPLC

Arduino Optaは、IIoTアプリケーションをサポートするために設計されたマイクロPLCです。Arduino PLC IDEでプログラム可能で、Arduinoスケッチと標準PLC言語をサポートします。メインプロセッサは、480MHzのCortex M7、240MHzのCortex M4、1MBのプログラムメモリを備えたデュアルコアSTM32H747で、リアルタイム制御、監視、予知保全アルゴリズムの実装をサポートします。オンボードのセキュアエレメントとX.509コンプライアンスにより、セキュアなオーバーザエア（OTA）ファームウェア更新がサポートされています。

Opta PLCには、通信機能の異なる3つのバージョンがあります。3つともUSB-Cを搭載しています。モデルは以下の通りです。

10/100BASE-T Ethernetが追加されたOpta Lite、モデルAFX00003
10/100BASE-T Ethernetと半二重RS-485が追加されたOpta RS485、モデルAFX00001
10/100BASE-T Ethernet、半二重RS-485 802.11 b/g/n Wi-Fi、Bluetooth Low Energy（BLE）が追加されたOpta Wi-Fi、モデルAFX00002

これらのマイクロPLCは、8つのプログラム可能なアナログ/デジタル入力と、定格10A（2.3kW）の4つのノーマリオープンリレー出力を備えています。リアルタイムクロック（RTC）は、+25℃で通常10日間電力を保持し、Ethernetポートを介したネットワークタイムプロトコル（NTP）同期が利用可能です。DINレールに対応しているため、システム統合が迅速に行えます（図2）。

Opta Lite ArduinoマイクロPLCの画像 図2：ユニットの左前面にある4つの10Aリレー出力を示すOpta Lite ArduinoマイクロPLC。（画像提供：Arduino）

小型機械用組み込みPLC

ラベリング、成形、シール、カートンパッキング、接着、電気オーブン、産業用洗濯乾燥機、ミキサなどの小型機械の設計者は、170 x 90 x 50mmのPortenta機械制御PLCを利用することができます。DINバーと互換性のあるハウジングとプッシュイン端子を備え、高速接続が可能で、外部冷却なしで-40℃～+85℃の動作に対応しています（図3）。メインプロセッサは、480MHzのCortex M7と240MHzのCortex M4のデュアルコアSTM32H747です。このボードは、インストーラとオペレータのインターフェース用にフラットスクリーンディスプレイ、タッチパネル、キーボード、ジョイスティック、マウスをサポートしています。Arduino PLC IDEや他の組み込み開発プラットフォームを使用してプログラムすることができます。

ArduinoのPortentaマシンコントロールボードの画像 図3：Portentaマシンコントロールボードは、さまざまな機械の組み込みアプリケーション用に設計されています。（画像提供：Arduino）

Portentaマシンコントロールは、予知保全と人工知能（AI）ソフトウェアをサポートすることができます。組み込みRTCはプロセスの同期をサポートし、リアルタイムでのデータ収集や装置のリモート制御を可能にします。

絶縁されたプログラム可能なデジタルおよびアナログI/O接続、3つの設定温度チャンネル、I2Cコネクタにより、さまざまな外部センサやアクチュエータに接続できます。リセット可能なヒューズがすべてのI/Oを保護します。ネットワークコネクティビティは、USB、Ethernet、Wi-Fi、BLE、RS-485に対応しています。

ファクトリオートメーション用のRaspberry Pi

より複雑なオートメーションタスクは、Broadcom BCM2711B0プロセッサを使用したRaspberry Pi 4ベースのPLCの処理能力から恩恵を受けることができます。28ナノメートル（nm）プロセスで製造されたBCM2711B0は、Cortex-A72アーキテクチャを採用しています。クロック速度1.5GHzの4コアと4GBのRAMを搭載しています。タイマ、割り込みコントローラ、汎用I/O（GPIO）、USB、PCM/I2Sデジタルオーディオインターフェース、ダイレクトメモリアクセス（DMA）コントローラ、I2Cマスター、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）マスター、PWM、ユニバーサル非同期レシーバ/トランスミッタ（UART）、4K出力をサポートするデュアルマイクロHDMIポートなど、多数の周辺モジュールを統合しています。

Industrial ShieldsのRaspberry Pi Ethernet PLCはBCM2711B0を使用し、12V_DC～24V_DCの入力電圧で動作し、最大1.5Aの電流を消費します。Linuxオペレーティングシステムを搭載し、デュアルEthernetポート、デュアルRS-485ポート、Wi-Fi、BLE、CANバスオプションを備えているため、複数のプロトコルや通信ポートを使用して多くのデバイスと接続することができます。リアルタイム制御の恩恵を受けるアプリケーション向けに最適化されており、2GB、4GB、8GBのRAMが用意されています。Industrial ShieldsのRaspberry Pi PLCの例としては、以下のようなものがあります。

4GB RAMと21のI/Oを備えた012003000200（図4）
4GB RAMと54のI/Oを備えた012003001100
4GB RAM、21のI/O、一般パケット無線サービス（GPRS）セルラーコネクティビティを備えた016003000200

Industrial ShieldsのRaspberry Pi Ethernet PLCの画像 図4：Industrial Shieldsの4GB RAMと21のI/Oを備えたRaspberry Pi Ethernet PLC。（画像提供：Industrial Shields）

SimpleCommによりPLCでArduinoとRaspberry Piをブリッジ

SimpleComm C++ライブラリにより、設計者はRS-485、RS-482、Ethernet、その他のプロトコルを使用してデータを送信することができます。アドホック、マスタースレーブ、クライアントサーバなど、さまざまな通信トポロジに適応できます。元のプログラムは、Arduino環境用の直感的なアプリケーションプログラミングインターフェース（API）を備えています。最近、Industrial Shieldsは、SimpleCommをRaspberry Pi PLCのLinux環境に適応させました。

IPCおよびIIoTゲートウェイソリューション

より高い柔軟性が必要な場合、設計者はKUNBUSのRevPi Core SおよびSE IPC、RevPi Connect SおよびSE IIoTゲートウェイを利用することができます。これらは、すべてRaspberry Piをベースとし、DINレール取り付け用に設計されています（図5）。KUNBUSは回路図を提供するだけでなく、オープンソースのRaspberry Piオペレーティングシステム（OS）にリアルタイム動作パッチを適用しています。Raspberry Pi OSは、Raspberry Pi用に開発された幅広いソフトウェアアプリケーションとの強固な相互運用性を提供します。KUNBUSはソフトウェアベンダーと協力し、産業用デバイスやプロセスを制御、監視、分析するための監視制御とデータ取得（SCADA）ソフトウェアをサポートしています。完全なルートアクセスが可能なため、カスタムプログラムの実装がスピードアップします。

図5：RevPi Core SE IPC（左）とRevPi Connect IIoTゲートウェイ（右）の例。（画像提供：KUNBUS）

RevPi Core SおよびSEは、IEC 61131規格に準拠したオープンなハードウェアおよびオープンなソフトウェアプラットフォーム上に構築されています。RevPi Core Sユニットは、フィールドバスゲートウェイを含むすべてのKUNBUS拡張モジュールと互換性があります。RevPi Core SEユニットはKUNBUS I/Oモジュールと互換性がありますが、フィールドバスゲートウェイはサポートしていません。RevPi Core S/SE IPCは、USB、マイクロUSB、Ethernet、HDMI接続を備えています。1.5GHzのクアッドコアプロセッサと1GBのRAMを搭載し、8GB、16GB、32GBのストレージを備えたモデルが用意されています。たとえば、モデルPR100360、RevPi Core Sは16GBのメモリを備えています。

IIoTコネクティビティをサポートするため、RevPi Connect SおよびSEゲートウェイは最大32GBのメモリを搭載可能で、2つのRJ45 10/100 Ethernetソケット、2つのUSBポート、4ピンRS-485インターフェース、さらにマイクロHDMI、マイクロUSBソケットを備えています。2つのEthernetソケットは、オートメーションおよび情報技術（IT）ネットワークとの同時接続をサポートします。オープンソースソフトウェアプラットフォームとして、アプリケーションはNode-RED、Python、およびCを使用してプログラムできます。RevPi Connectは、拡張モジュールを使用せずに、PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、Modbus RTU機能をアップグレードできます。RevPi Connectユニットの例としては、以下のようなものがあります。

16GBメモリを備えたPR100363、RevPi Connect S。
PR100197、RevPiデジタルI/O拡張モジュール。
PR100250、RevPiアナログ拡張モジュール。

PROFINETとSBC PLC

SBC PLCは、高度なネットワーキングプロトコルをサポートできる洗練されたデバイスです。プロセスフィールドネットワーク（PROFINET）は、PLC、ドライブ、ロボット、診断ツールなどの産業用ネットワーキングデバイスに対応できるオープンスタンダードです。産業用Ethernet上で動作し、データを収集し、リアルタイム通信で産業用装置を制御するために最適化されています。ほとんどのArduinoとRaspberry Pi PLCで動作可能です。

産業用オートメーションネットワークは、高速で決定論的な通信を必要とします。PROFINETは、必要なとき、期待されるときに正確にメッセージを配信する決定論的な性能に重点を置いています。

つまり、実行されるタスクに応じた適切なスピードで各メッセージを配信するということです。すべてのタスクに同じような時間的制約があるわけではありません。PROFINETは以下のようなさまざまなプロトコルでメッセージを配信することができます。

PROFINETリアルタイム（RT）
PROFINETアイソクロナスリアルタイム（IRT）
タイムセンシティブネットワーキング（TSN）
TCP/IP（またはUDP/IP）

まとめ

ArduinoやRaspberry Piの技術をベースにしたSBCベースのPLCや産業用ネットワーキングデバイスが幅広く提供されています。それらのデバイスは、オープンソースソフトウェアと、場合によってはオープンソースハードウェアを使用しています。Arduino PLCには、小規模ネットワーク用の標準サイズのユニット、スペースに制約のある設備用のマイクロPLC、組み込みアプリケーション用のマシンコントローラがあります。クアッドコアのRaspberry PiベースのPLCは、より複雑な産業用ネットワークアプリケーションをサポートできます。ネットワーク設計と展開において高い柔軟性をサポートするRaspberry PiベースのIPCとIIoTゲートウェイが利用可能です。