現代システムに決定論的制御が不可欠な理由

2019年7月5日

決定論的制御の必要性が高まる理由

• 執筆：Brian McMorris
• カテゴリ：EtherCat
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著者：Dave Perkon、テクニカルエディター
Control Design誌（2019年6月27日）より再録
https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulating-case-for-deterministic-control/

機械メーカー、システムインテグレーター、製造業者がタイムセンシティブネットワーキング（TSN）について知っておくべきことは何か？ 端的に言えば、それは「より良いEthernet」です。

かつては性能要件を満たすために複数のネットワークとゲートウェイが必要でしたが、これからは決定論的制御と情報が単一ケーブルで実現されます。

パフォーマンス向上に加え、使いやすくなりますが、インテグレーターとエンドユーザーは現行ソリューションの継続を支持しています。

「TSNが先進製造とロボティクスに関わるインテグレーターにとって物事を複雑にするとは思いません」と、アリゾナ州スコッツデールのFutura Automation社長、Brian D McMorris氏は言います。「私たちは工場フロアのインテグレーターです。ITの世界については詳しくありませんが、当社の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、その多くは工場フロアで実行されます。例えば、Tulip Interfaceソフトウェアラインでアプリケーションレベルの製造実行システム（MES）の世界にいます。フィールドサービス機能を提供し、お客様がMES、コンピュータ化保全管理システム（CMMS）、品質管理システム（QMS）のメリットを実装できるよう支援しています。」

FuturaはITとは主にセキュリティ面で連携しています。クラウドベースのソリューションとクラウドアプリのセキュリティ確保の観点からです。「IEEEがEtherCATのような企業主導プロトコルを、業界団体の後援のもとグローバルなオープン標準にすることは良いことだと思いますが、現在のEtherCATに欠点はライセンスコスト（デバイス単位）以外には見当たりません」とMcMorris氏は語ります。

McMorris氏はネットワーキング技術の発展を支持しつつ、EtherCATでは大きな制約を感じていません。「当社は、サーボトロニクスドライブとともにEtherCATを使用し、オープン設計ロボット（直交型とデルタ型）で多軸制御を行っています。ジッターが1マイクロ秒未満の非常に高速なプロプライエタリネットワークですが、オートメーション技術における特定のハードおよびソフト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。」

Owens Designのソフトウェア開発ディレクター、Doug Putnam-Pite氏は、EtherCATやCC-Link IEのようなプロプライエタリネットワークがリアルタイム通信を提供することを評価しつつ、それらの限界も認めています。「これらの技術の欠点は、そのプロトコルをサポートする制御デバイスでしか動作しないことです。つまり、プロトコルをサポートしないデバイスを同じネットワーク上に置くことはできません。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Ethernetネットワークから分離する必要があります。」

TSNは、現在リアルタイム通信ができないデバイスでもそれを可能にするかもしれません。「タイムセンシティブネットワーキングは、インテグレーターに制御システムのアーキテクチャにより多くの選択肢を与えます」とPutnam-Pite氏。「TSNを搭載したツールでは制御を分散化し、個々のデバイスがリアルタイムで直接通信できるようになり、ある程度の制御を中央ツールコントローラーからオフロードできます。また、PCがタイムセンシティブネットワークデバイスと準リアルタイムで通信できるようになるかもしれません。」

進捗報告

「機械メーカー、システムインテグレーター、製造業者がTSNを導入するには、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ベンダーセットによってサポートされている必要があります」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）TSNテストベッドコーディネーター、シスコのIoTソリューションアーキテクト、Paul Didier氏は言います。「まだその段階には至っていませんが、業界はその目標に向けて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が、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たちによって順調に進められています。
（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）プレジデント、Dr. Al Beydoun氏によれば、決定論とサービス品質を実現するTSNを目的とした約12のIEEE 802標準のセット定義作業が進行中です。「さらに、相互運用性の維持が必須です。IEC/IEEE 60802産業用TSNプロファイルの完成が鍵であり、2021年半ばを目標としています」と同氏。「その間、EtherNet/IP仕様などのネットワーク仕様のアップデートは、基盤となるTSN標準が確定するまで最終化されません。」

PI北米のエグゼクティブディレクター、Michael Bowne氏は「標準Ethernetは設計上決定論的ではありません」と述べます。「タイムセンシティブネットワーキングは、標準化された決定論的Ethernetを作成する約2ダースのIEEE標準のツールキットです。現在、産業オートメーション以外の業界も決定論的Ethernetに関心を持つようになり、ハードウェアの市場が拡大しています。最終的にはこの技術が市販の汎用（COTS）チップで利用可能になることが期待されています。TSNツールボックスのIEEE標準のうち、産業オートメーションに特に関連する約半ダースを特定しました。これらの標準は、同期、低レイテンシ、高可用性、堅牢性などの機能で決定論に対応しています。」

標準を正しく策定することが重要であり、それには時間がかかります。「前述の通り、TSNは単一のものではなく、多くの異なる標準のツールボックスです」とBowne氏。「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TSNの異なる『フレーバー』が生まれないよう、IEC/IEEE 60802として知られる取り組みが開始されました。現在は、大手から中小までのオートメーションベンダーのエンジニアたちによって、企業間の調和を確保するために人員が配置されています。」

デジタルファクトリーは、通信における相互運用性とシンプルさを要求すると、RelyumのシステムオンチップエンジニアリングCEO、Armando Astarloa Cuéllar氏は言います。「TSNは、まさにそれらの要件を満たすために明示的に設計された次世代Ethernetです。」導入はセクターによって段階的に進みますが、鉄道、自動車、航空宇宙などの重要分野では、新プラットフォームでTSNを標準のIT/OTネットワークとして採用し始めています。

なぜTSNを気にする必要があるのか？

「ユーザーの観点からは、現時点ではタイムセンシティブネットワーキングのステータスは少し停滞気味です」と、Rockwell Automationのネットワーク担当ビジネス開発マネージャー、Paul Brooks氏（IIPA、グローバル標準、OPC、タイムセンシティブネットワーキング担当）。「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、システムレベルの相互運用性は提供しません。したがって、ベンダーの観点からは、産業オートメーションコミュニティとしてIEC/IEEE 60802を開発しており、これがTSNの産業オートメーションプロファイルを決定し、システムレベルの相互運用性を提供します。」

これらの標準が確定するまで、ODVAなどのプロトコル団体はそのプロファイルを仕様に公開できません、とBrooks氏は続けます。「一部の企業がプレ標準製品をリリースしており、それらはユーザーに価値を提供しますが、最終標準との互換性が保証されるわけではありません。」

2018年11月、OPC財団は、ABB/B&R、Belden、シスコ、Huawei、Intel、三菱、Moxa、Rockwell Automation、Schneider Electric、Siemensなど、非常に幅広い産業界とITプレイヤーによって支援されるフィールドレベル通信イニシアチブを発表しました、とシスコのDidier氏。「ビジョンは、センサー、アクチュエータ、コントローラ、クラウド間で、産業オートメーションのすべての要件に対応する、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」と同氏。「このイニシアチブは、OPCのパブ/サブとTSN通信に関する作業を取り込みます（図2）。」

図2：OPC UAによるTSN通信は、制御アプリケーションを、センサーからクラウドまで、多様な他のトラフィックやアプリケーションと共存するオープンな標準ネットワークで動作可能にします。
（出典：Hilscher）

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、他の多種多様なトラフィックタイプやアプリケーションもサポートできます。この融合と、センサーからクラウドまで通信できる能力が、主要な改善点です」とDidier氏。

「TSNは、標準Ethernet上で決定論的メッセージングとリアルタイム能力を提供するように設計されており、情報を固定かつ予測可能な時間で通信することを保証します」とBeydoun氏は説明します。「TSNの主要なアプリケーションは、精密タイミング制御と決定論的ネットワーク動作を必要とするものです。しかし、Ethernet TSNは、オーディオや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ように、より高い帯域幅とより速いネットワーク応答が求められるあらゆる産業アプリケーションで望まれています。TSNの拡張性により、より高いギガビット転送レートで、保証されたレイテンシでの高帯域幅パケットストリーミングが可能になります。」

なぜTSNが必要なのか？

「多くのインテグレーターと機械メーカーはTSNの必要性を疑問視し、既存の産業用Ethernetや関連プロトコル（EtherNet/IP、EtherCAT、Profinetなど）でニーズが満たされているため、『なぜTSNが必要なのか？』という質問はよくあります」と、PI北米のBowne氏。「これは妥当な質問です。特に、TSNで採用されている多くの技術——同期、帯域幅予約、スケジューリング——は、Profinetで15年以上前から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、それを採用し、多くのエンジニアリング工数を節約できたでしょう。それでもProfinetは、高速制御関連トラフィックが他の情報関連トラフィックと平然と共存することを常に可能にしてきました。」

まったく同じ原理がTSNにも適用されます。では、なぜ必要なのか？「答えは微妙で、ネットワーキングの未来に関係しています」とBowne氏。「インダストリー4.0/IIoTの領域へ移行するにつれ、より多くの情報が上位システムに提供されるようになります。最終的に、パデューモデルの何らかのフラット化が起こる可能性があります。TSNがこのフラット化のドライバーになるとは限りませんが、それを可能にするツールの一つにはなり得ます。」

将来的には、より多くの帯域幅がITプロトコルによって利用されるようになる中で、TSNは、他のベストエフォート型ITトラフィックでネットワークが混雑していても、タイムセンシティブ——その名の通り——なOTトラフィックが必要な決定論を確保できるようになると、Bowne氏は説明します。「それらすべてが共通のTSN基盤を共有する限り、メーカーはOTトラフィックがITトラフィックの犠牲になることを心配せずに、収束したIT/OTネットワークの実装を開始できます」と同氏。「我々は、正しいタスクに正しいツールを使うという長年の哲学を貫きたいと考えています：データ移動にはProfinetプロトコル、情報移動にはOPC UAなどの他のプロトコル、すべて単一のワイヤー上で。」

OT/IT統合のロードマップは、ゲートウェイを介して接続された多様なデバイスが並存する中間状態で終わるものではない、とRelyumのCuéllar氏。「代わりに、両世界で有効なリンクレベルの通信技術の採用を促進します」と同氏。「このようにして、均質なプラントでのオールツーオールデータ交換トポロジーが、柱のように実現可能になります（図3）。」

図3：オートメーションの柱は、プラントフロアのI/Oデバイスとコントローラから、工場、エンタープライズレベル、クラウドへの明確で高速な接続を示しています。
（出典：Belden via System-On-Chip Engineering）

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に含まれる要素が、リモートクラウドで有効化されたアプリケーションやサービスと直接通信するようになります」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極めて重要になります。TSNのリアルタイム要件は、従来のITサイバーセキュリティメカニズムが必要なレイテンシでパケット伝送を保証できないため、この種のネットワークを保護する上で最大の課題の一つです。」

TSNはプロトコルではない

TSNは単なる、もう一つのより良いバージョンのEthernetであり、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Ethernetベース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。「TSNはISO/OSIモデルのデータリンク層（レイヤー2）に位置します（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）に位置します。ゲートウェイは異なるプロトコル間、つまり言語間でデータを翻訳します。」

図4：TSNはISO/OSIモデルのデータリンク層レイヤー2に位置し、アプリケーション層レイヤー7に位置するプロトコルではありません。
（出典：PI北米）

TSNは既存のネットワーク機能に追加的に設計されています。「今日利用可能で信頼性の高い運用を提供しているネットワーク機能は、TSN導入後も同じように利用可能でなければなりません」とRockwellのBrooks氏。「新たな価値がその変更を正当化しない限り、動作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的信頼性の大部分はTSN導入後も同じままですが、変更を正当化する価値が追加されます。
（出典：Rockwell Automation）

EtherNet/IPに焦点を当てると、タイムセンシティブ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ます、とBrooks氏は続けます。「ODVAやOPC財団などのプロトコル団体の役割は、単に自分たちのプロトコルがTSNとどう連携するかを定義し、TSNをユーザーにとって可能な限り透過的にすることです。そして、DSCP（差別化サービスコードポイント）のような既存の品質保証メカニズムを、ほとんどの機械メーカーとシステムインテグレーターが決して理解する必要のない頭文字語にすることです！」

TSNはアプリケーションにどう役立つか？

「我々が皆正しく仕事をすれば、機械メーカーやシステムインテグレーターはTSNとほとんどやり取りする必要がなくなるでしょう」と、PI北米のBowne氏。「エンジニアリング、設定、コミッショニングといったProfinet関連タスクにとって、簡単に利用でき、透過的になります。ただ、今日のEthernetのより良いバージョンに過ぎません。」

タイムセンシティブ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、それを可能かつ実用的にするツールの一つに過ぎません、とRockwellのBrooks氏。「例えば、ネットワーク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核心です」と同氏は説明します。「タイムセンシティブネットワーキングはセグメンテーションには役立ちません。これにはルーテッドプロトコルが必要で、TSNはルーティングをサポートしません。」

しかし、単一ケーブルを複数の高帯域幅ストリームが通過する場合、TSNはネットワークリンクが期待通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工数を確実に削減できます、とBrooks氏。「ネットワーク上の各デバイスが、トラフィック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周期的レートを通知できます」と同氏。「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全体的なトラフィック量に基づいてネットワーク負荷を計画できます。また、このトラフィック量がネットワークを流れることを保護するためにネットワークリソースを守ることもできます。」

TSNにより、さまざまなIEプロトコルが、I/O、安全、モーションなどすべての産業制御アプリケーションに単一の相互接続ネットワークを使用し、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しながら、制御アプリケーションが依存する決定論的ネットワーク要件を維持できます、とシスコのPaul Didier氏。「このようにして、Industrial IoTアプリケーションがエンドデバイスに直接かつ安全にアクセスし、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と情報を抽出できるようになります。」

著者について：Dave Perkon

Dave Perkon氏はControl Designのテクニカルエディターです。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企業で自動化プロジェクトのエンジニアリングと管理を担当してきました。