最新のシステムに決定論的制御が不可欠な理由

05
7 月

確定的制御の累積事例

• 投稿者:ブライアン マクモリス
• イーサキャット
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テクニカルエディター、Dave Perkon 著
Control Design より転載、2019 年 6 月 27 日

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulated-case-for-deterministic-control/

機械ビルダー、システム インテグレーター、メーカーは、時間に敏感なネットワーキング (TSN) について何を知っておく必要がありますか?最も簡単に言うと、より優れたイーサネットです。

パフォーマンス要件を満たすためにこれまでは多数のネットワークとゲートウェイが必要でしたが、今後は決定的な制御と情報が 1 本のケーブルで提供されるようになります。

パフォーマンスが向上するだけでなく、使いやすさも向上しますが、インテグレーターとエンドユーザーは現在のソリューションを喜んでサポートします。

アリゾナ州スコッツデールにあるフューチュラ・オートメーション社の社長、ブライアン・D・マクモリス氏は、「先進的な製造やロボット工学に携わるインテグレーターにとって、TSNが事態を複雑化させるとは思わない」と語る。 「当社は工場現場のインテグレーターです。ITの世界についてはあまり詳しくありませんが、当社の企業構造とビジョンはインダストリー4.0に焦点を当てており、その多くは工場現場で実行されます。たとえば、当社はTulip Interfaceソフトウェアラインを使用したアプリケーションレベルで製造実行システム（MES）の世界にいます。当社はフィールドサービス機能を提供し、顧客がMES、コンピュータ化された保守管理システム（CMMS）、および品質管理システムの利点を導入するのを支援します」 (QMS)」

Futura は、クラウドベースのソリューションやクラウド アプリの安全性の観点から、主にセキュリティ面で IT と協力しています。 「IEEE が EtherCAT などの企業スポンサーのプロトコルを採用し、業界団体の後援の下で世界的なオープン スタンダードに変えるのは良いことだと確信していますが、使用するためのデバイスごとのライセンス コストを除けば、今日の EtherCAT の欠点は特に見当たりません。」と McMorris 氏は言います。

マクモリス氏はネットワーク テクノロジーの開発をサポートしていますが、EtherCAT については多くの制限があるとは感じていません。 「私たちは、オープン設計のロボット (デカルトとデルタ) の多軸制御に、Servotronix ドライブとともに EtherCAT を使用しています」と彼は言います。 「これは、ジッターが 1 マイクロ秒未満である非常に高速な独自のネットワークですが、自動化テクノロジーにおける特定のハードおよびソフトのリアルタイム コンピューティング要件にのみ適しています。」

カリフォルニア州フリーモントの Owens Design でソフトウェア開発ディレクターを務める Doug Putnam-Pite 氏は、EtherCAT や CC-Link IE などの独自ネットワークがリアルタイム通信を提供することを高く評価していますが、その限界も認めています。 「これらのテクノロジーの欠点は、そのプロトコルをサポートする制御デバイスでしか機能しないことです」とパットナム・パイト氏は言います。 「これは、そのプロトコルをサポートしていないデバイスを同じネットワーク上に置くことができないことを意味します。これらのフィールドバス ネットワークは、ツール内の他のイーサネット ネットワークから分離する必要があります。」

TSN により、現在リアルタイムで通信できないデバイスでもリアルタイム通信が可能になる場合があります。 「時間に敏感なネットワーキングにより、インテグレータは制御システムを構築する方法についてより多くの選択肢を得ることができます」とパットナム・パイト氏は言います。 「時間に敏感なネットワークを備えたツールは、制御を分散できる可能性があり、個々のデバイスがリアルタイムで相互に直接通信できるようになり、あるレベルの制御を中央のツール コントローラーからオフロードできるようになります。さらに、PC は時間に敏感なネットワーク デバイスと半リアルタイムで通信できる可能性があります。」

進捗レポート

「機械メーカー、システム インテグレーター、メーカーが TSN を展開するには、TSN が産業オートメーション プロトコルに組み込まれ、システムを構築するのに十分な広範なベンダーによってサポートされる必要があります」と、インダストリアル インターネット コンソーシアム (IIC、www.iiconsortium.org) の TSN テストベッド コーディネーターであり、シスコのモノのインターネット ソリューション アーキテクトである Paul Didier 氏は述べています。 「まだそうなっていませんが、業界はその目標を達成するために懸命に取り組んでいます (図 1)。」

図 1:TSN の多数の部分のテストは、ネットワーキング、オートメーション、エレクトロニクスの業界リーダーの多くによって順調に進行中です。
(出典:インダストリアル インターネット コンソーシアム)

ODVA (www.odva.org) の社長である Al Beydoun 博士によると、TSN に必要な決定性とサービス品質に対処することを目的とした、約 12 の IEEE 802 標準のセットを定義する作業が進行中です。 「さらに、相互運用性を維持する必要があります。TSN の IEC/IEEE 60802 産業プロファイルの完成が重要であり、これは 2021 年半ばを目標としています。」と彼は言います。 「その間、TSN の基礎となる規格が最終決定されるまで、EtherNet/IP 仕様などのネットワーク仕様の更新は最終決定されません。」

標準イーサネットは設計上決定論的ではない、と PI North America のエグゼクティブ ディレクター、Michael Bowne 氏は言います。 「時間に敏感なネットワーキングは、標準化された決定論的なイーサネットを作成する約 24 個の IEEE 標準のツールキットです」と彼は説明します。 「現在、産業オートメーション以外の他の業界が決定論的イーサネットに興味を持っているため、ハードウェアの市場はさらに大きくなっています。最終的にはこのテクノロジーが市販 (COTS) チップから利用可能になるという考えです。TSN ツールボックスに含まれる IEEE 標準のうち、特に産業オートメーションに関連するものを約 6 個特定しました。これらの標準は、同期、低遅延、高可用性、堅牢性などの機能で決定論に取り組んでいます。」

標準を正しく設定することが重要ですが、それには時間がかかります。 「上で述べたように、TSN はさまざまな標準のツールボックスであり、1 つの標準だけではありません」と Bowne 氏は言います。 「産業オートメーションに関連するものもあれば、そうでないものもあります。産業オートメーションでさまざまな種類の TSN が存在することのないように、IEC/IEEE 60802 として知られる取り組みが開始されました。現在、企業間の調和を確保するために、大小のオートメーション ベンダーのエンジニアがスタッフを配置しています。」

Relyum のシステムオンチップ エンジニアリング担当 CEO、Armando Astarloa Cuéllar 氏は、デジタル ファクトリーでは相互運用性と通信の簡素化が求められていると述べています。 「TSN は、これらの要件を満たすために特別に設計された新世代のイーサネットです」と彼は言います。 TSN の導入は分野に応じて段階的に行われますが、鉄道、自動車、航空宇宙などの重要な分野では、新しいプラットフォームの標準 IT/OT ネットワークとして TSN を採用しています。

TSN を考慮する必要があるのはなぜですか?

「ユーザーの観点から見ると、現時点では、時間に敏感なネットワーキングの状況は少し行き詰まっています」と、ロックウェル・オートメーションのネットワーク (IIPA、世界標準、OPC、および時間に敏感なネットワーキング) のビジネス開発マネージャーである Paul Brooks 氏は述べています。 「IEEE 802 の TSN 標準は公開されていますが、それらは機能レベルの相互運用性のみを提供しており、システム レベルの相互運用性は提供していません」と彼は言います。 「したがって、ベンダーの観点から、私たち産業オートメーション コミュニティは、このシステム レベルの相互運用性を実現するための TSN の産業オートメーション プロファイルを決定する IEC/IEEE 60802 を開発しています。」

これらの標準がロックダウンされた場合にのみ、ODVA などのプロトコル組織はそのプロファイルを仕様で公開できるようになります、と Brooks 氏は続けます。 「一部の企業は標準以前の製品をリリースしています。それらはユーザーに価値を提供しますが、これらの製品が最終標準と互換性があるという保証はありません。」

と彼は言いました。

2018 年 11 月、OPC Foundation は、ABB/B&R、ベルデン、シスコ、ファーウェイ、インテル、三菱、モクサ、ロックウェル・オートメーション、シュナイダー・エレクトリック、シーメンスなど、非常に広範な産業界および IT プレーヤーの支援によるフィールド レベル コミュニケーション イニシアチブを発表したとシスコのディディエ氏は述べています。 「ビジョンは、産業オートメーションのすべての要件に対応する、センサー、アクチュエーター、コントローラー、クラウド間のオープンで統一された標準ベースの IIoT 通信ソリューションを目指すことです」と彼は言います。 「このイニシアチブには、パブリッシュ/サブスクライブおよび TSN 通信に関する OPC の取り組みが組み込まれます (図 2)。」

図 2:OPC UA との TSN 通信により、制御アプリケーションは、センサーからクラウドまで、その他のさまざまなトラフィックやアプリケーションを含むオープンな標準ネットワーク上で動作できるようになります。
(出典:ヒルシャー)

TSN により、すべての制御アプリケーションがオープンな標準ネットワークに依存できるようになります。 「そのネットワークは、他の多種多様なタイプのトラフィックやアプリケーションもサポートできます。この統合と、センサーからクラウドへの通信機能が重要な改善点です。」と Didier 氏は言います。

「TSN は、固定かつ予測可能な時間内での情報通信を保証するために、標準イーサネット上で確定的なメッセージングとリアルタイム機能を提供するように設計されています」と Beydoun 氏は説明します。 「TSN の主要なアプリケーションは、高精度のタイミング制御と決定論的なネットワーク動作を必要とするアプリケーションです。しかし、オーディオおよびビデオ情報を伝送するネットワーク アプリケーションの場合のように、より高い帯域幅とより高速なネットワーク応答が求められる産業用アプリケーションでは、イーサネット TSN が望まれます。TSN の拡張性により、より高いギガビット転送レートで遅延が保証されたパケットの高帯域幅ストリーミングが可能になります。」

なぜ TSN が必要なのでしょうか?

「多くのインテグレーターや機械メーカーは、TSN の必要性に疑問を抱いており、既存の産業用イーサネットと、EtherNet/IP、EtherCAT、Profinet などの関連プロトコルがニーズを満たしていると主張しています。そのため、『なぜ TSN が必要なのですか?』という質問がよくあります。」と PI North America の Bowne 氏は述べています。 「これは有効な方法です。特に、TSN で採用されている技術の多く (同期、帯域幅予約、スケジューリング) は、私たちが Profinet で 15 年以上使用してきたものだからです。もし当時 TSN が存在していれば、私たちはそれを採用し、エンジニアリングの労力を大幅に節約できたでしょう。それでも、Profinet は常に、高速制御関連のトラフィックが他の情報関連のトラフィックと単純に共存できるようにしてきました。」

まったく同じ原則が TSN にも当てはまります。では、なぜ TSN が必要なのでしょうか? 「答えは微妙ですが、ネットワーキングの将来に関係しています」とボウン氏は言います。 「インダストリー 4.0/Industrial-Internet-of-Things (IIoT) の領域に移行するにつれて、より多くの情報が上位レベルのシステムに提供されるようになります。最終的には、パーデュー モデルのある程度のフラット化が発生する可能性があるようです。TSN はこれを推進するものではないかもしれませんが、それを実現するのに役立つツールの 1 つであることは確かです。」

将来的には、IT プロトコルで利用される帯域幅がますます増えるにつれて、TSN は、他のベストエフォート型の IT トラフィックが負荷されたネットワーク上であっても、時間に敏感な (そのためこの名前が付けられている) OT トラフィックが必要な決定性を確実に受信できるようにすることを想定していますと、Bowne 氏は説明します。 「共通の TSN 基盤を共有している限り、メーカーは、IT トラフィックを犠牲にして OT トラフィックが犠牲になることを心配することなく、統合型 IT/OT ネットワークの実装を開始できます。」と彼は言います。 「私たちは、適切なタスクには適切なツールを使用することを信じているので、この長年の哲学を継続したいと考えています。つまり、データの移動には Profinet プロトコルを使用し、情報の移動には OPC UA などの他のプロトコルをすべて 1 つのワイヤ上で使用します。」

Relyum の Cuéllar 氏は、OT/IT 統合ロードマップは、ゲートウェイを介して接続された多数の異種デバイスという中間的な状況で終わるわけではないと述べています。 「その代わりに、両方の世界に有効なリンクレベルでの通信テクノロジーの採用が促進されます」と彼は言います。 「このようにして、柱のような同種のプラント内での全対全データ交換トポロジが実現可能になります (図 3)。」

図 3:オートメーションの柱は、工場フロアの I/O デバイスとコントローラーと工場、エンタープライズ レベル、クラウドへの明確な高速接続を示しています。
(出典:システムオンチップエンジニアリングによる Belden)

この自動化の柱は、ベルデンのテクノロジーとイノベーションのシニア アーキテクトである René Hummen によるブログ投稿「TSN とは何ですか? 将来のイーサネット ネットワークにおけるその役割の考察」に基づいています。

この柱の文脈では、従来のレイヤーベースの通信とサイバーセキュリティのスキームはもはや有効ではありません。 「フィールド I/O に含まれる要素は、リモート クラウドで有効になっているアプリケーションやサービスと直接通信します」と Cuéllar 氏は説明します。 「したがって、異なるデバイス間の通信を保護することが重要です。TSN のリアルタイム要件は、この種のネットワークを保護するための大きな課題の 1 つです。従来のサイバーセキュリティ IT メカニズムでは、必要な遅延でのパケットの送信を保証できないためです。」

TSNはプロトコルではありません
TSN は、イーサネットの単なる改良版です。それはプロトコルではありません。 「改善されているのは、すべてのイーサネットベースのプロトコルが存在するインフラストラクチャです」と、PI の Bowne 氏は言います。 「TSN は、IOS/OSI モデルのデータ リンク層 (レイヤー 2) に存在します (図 4)。プロトコルは ISO/OSI モデルのアプリケーション層 (レイヤー 7) に存在します。ゲートウェイは、異なるプロトコルまたは言語間でデータを変換します。」

図 4:TSN は IOS/OSI モデルのデータ リンク レイヤ 2 に存在し、アプリケーション レイヤ 7 に存在するプロトコルではありません。
(出典:Pi North America)

TSN は、既存のネットワーク機能に追加できるように設計されています。 「現在利用可能で信頼性の高い動作を提供するネットワーク機能は、TSN 導入後も同様に利用できるようになるはずです」と Rockwell の Brooks 氏は述べています。 「その変更を正当化する新しい価値がない限り、行動の変更を強制すべきではありません (図 5)。」

図 5:ネットワーク ハードウェアと機能の信頼性の多くは TSN の導入後も変わりませんが、変更を正当化する付加価値が生まれます。
(出典:ロックウェル・オートメーション)

EtherNet/IP に焦点を当てると、時間に敏感なネットワーキングは通信プロトコルから完全に独立していると Brooks 氏は続けます。 「ODVA や OPC Foundation などのプロトコル組織の課題は、自社のプロトコルが TSN とどのように連携するかを定義し、ユーザーに対して TSN を可能な限り透過的にすることだけです」と彼は言います。 「そして、DSCP (Differentiated Services Code Point) などの既存のサービス品質メカニズムを、ほとんどの機械製造業者やシステム インテグレーターが理解する必要のない頭字語にすると同時に、これを行う必要があります。」

TSN はアプリケーションをどのように支援しますか?

「私たち全員が自分の仕事を正しく行えば、機械製造業者やシステム インテグレーターは TSN とほとんど対話する必要がなくなります」と PI North America の Bowne 氏は言います。 「採用が簡単で、エンジニアリング、構成、コミッショニングなどの Profinet 関連タスクが透過的になります。これは、現在採用されているイーサネットの単なる改良版です。」

時間に敏感なネットワーキングは、ネットワークのフラット化を容易にするツールですが、それはこれを可能にして実用的なツールの 1 つにすぎないと、Rockwell の Brooks 氏は述べています。 「たとえば、ネットワークのセグメンテーションは安全なネットワーク アーキテクチャの中心です」と彼は説明します。 「時間に敏感なネットワーキングはセグメンテーションには役に立ちません。このためには、ルーティングされたプロトコルを使用する必要がありますが、TSN はルーティングをサポートしていません。」

ただし、複数の高帯域幅ストリームが 1 本のケーブルを通過している場合、TSN を使用すると、ネットワーク リンクが期待どおりに動作することを確認するために必要なエンジニアリングの労力を確実に削減できます、と Brooks 氏は説明します。 「ネットワーク上の各デバイスは、トラフィックの量と、そのトラフィックがネットワーク インフラストラクチャに送信される定期的な速度を通知できます」と彼は言います。 「ネットワーク インフラストラクチャは、ネットワークを流れるトラフィックの全体量に基づいてネットワーク負荷を計画できます。また、ネットワーク リソースを保護して、この量のトラフィックがネットワークを流れることを保証できます。」

シスコの Paul Didier 氏によると、TSN を使用すると、さまざまな IE プロトコルが、I/O、安全性、モーションなどのすべての産業用制御アプリケーションに対して単一の相互接続されたネットワークを使用し、制御アプリケーションが依存する確定的なネットワーク要件を維持しながら、ビデオ カメラなどの他のデバイスやアプリケーションと共存できるようになります。 「このようにして、産業用 IoT アプリケーションはエンドデバイスに直接かつ安全にアクセスして、多くの場合ゲートウェイでは処理できない非常に関連性の高いデータや情報を抽出できます」と彼は言います。

著者について:Dave Perkon
Dave Perkon サムDave Perkon は、Control Design のテクニカル エディターです。彼は、医療、自動車、半導体、防衛、太陽光発電業界のフォーチュン 500 企業の自動化プロジェクトを設計および管理してきました。