リアルタイムデータを活用したモダン産業システムの精密制御

WindowsやmacOSのような従来のハイレベルオペレーティングシステム（OS）のスケジューラーの目標は、CPU使用率の最大化です。このシナリオでは、複数のユーザーが同時に多くのアプリケーションを実行したいと考えます。すべての基盤となるプロセスとスレッドは、CPU時間の公平なシェアを得るべきです。

図1. 産業用オペレーティングシステムの描写。画像提供：Pixabay

一方、リアルタイムOSには異なる目標があります。このオペレーティングシステムは、各スレッドが事前に決められた時間枠内で、かつ有効な順序で厳密に実行されることを保証しなければなりません。タイミングと実行順序を考慮せずにCPU使用率とデータスループットを最大化するだけでは、産業アプリケーションで一般的に見られる実世界の時間制約を扱う際には不十分です。

この記事では、高データスループット、正確なレイテンシ、ジッター制御を必要とするアプリケーションを設計する際、エンジニアができることを調査します。

さまざまな機械とそのネットワーキングニーズ

純粋なリアルタイムシステムは、環境の他の部分から隔離された単一の装置を見る場合の解決策になりがちです。

しかし、現代の工場フロアは生産ホールの機械だけで構成されるわけではありません。産業用モノのインターネット（IIoT）、インダストリー4.0、エッジコンピューティングが近年着実に増加しているため、単一の生産ホール内の通信要件はより複雑になっています。これは接続デバイスの増加による部分もありますが、各デバイスの異なる通信要件も重要な役割を果たしています。

この文脈では、エンジニアはしばしばオペレーションテクノロジー（OT）とインフォメーションテクノロジー（IT）という用語を使用して、ネットワーク通信の2つの主要な異なるカテゴリを分類します。OTは時間クリティカルなトラフィックです。例えば、部品がピックアップ準備完了になったとき、ある機械からロボットアームへ送られる信号です。ここでは、情報が所定の時間枠内にすべての受信者に到達しなければなりません。

図2. 産業機械のネットワーク。

一方、ITはより高いデータスループットを必要とすることが多いです。通常、これはセキュリティカメラからのビデオストリームや、電子メールなどのオフィスアプリケーションのようなデータです。ITではスループットが重要です。信頼性、レイテンシ、ジッターはしばしば二次的な懸念事項です。

エンジニアは、過度な複雑さとコストを追加せずに、ITとOTの両トラフィックの要件を満たせる単一のネットワークを設計したいと考えています。以前の記事でこれら2つの概念についてより詳細に議論しました。さらに、時間感度ネットワーキング（TSN）がITとOTのトラフィックを同一ネットワーク上で融合する問題をどう解決するか、またLayerscape LS1028Aのようなネットワーキングハードウェアがエンジニアによるモダン産業ソリューションの設計をどう支援するかを研究しています。

OTとITが手を携える理由：アプリケーション例

モダンな産業制御システム環境では、リアルタイム機能と非リアルタイム機能はもはや分離されていません。代わりに、リアルタイムと非リアルタイムの機能が手を携えて働くことで、生産施設が効率的かつ正確に機能することを保証しなければなりません。

発電所は、数百のデバイスが異なる標準で接続されている具体的な例として見ることができます。さまざまなセンサーが、定期的にリアルタイムで読み取り値を報告します。こうしたセンサーには、温度センサー、圧力センサー、プロセスが生成する有害ガスを検出するデバイスなどが含まれます（これらに限定されません）。

図3. 牛乳工場の圧力計。

これらのセンサーからのデータは、短い期間（通常はデバイスが次の読み取り値を提供するまで）のみ有効、正確、有用です。したがって、センサーデータを収集・集約する最初のエントリーポイントは、リアルタイムでそれを実行できる必要があります。

この例では、センサーは遠く離れた手の届きにくい場所にあります。ワイヤレスネットワークで接続され、センサーと通信する最初のアクセスポイントはリアルタイム能力を持たなければなりません。

センサーに加え、プラント内の機械には多数の入出力（I/O）モジュールがあり、例えばアクチュエータに接続されています。この場合、発電所のエンジニアはI/Oモジュールとプログラマブルロジックコントローラ（PLC）を接続するために有線ネットワークを使用することにしました。

I/Oモジュール、アクチュエータ、PLCはすべてリアルタイムで動作し、デバイスを接続するためにリアルタイム対応の通信ブリッジが必要です。I/Oモジュールにはベアメタルコードを実行するマイクロコントローラーが必要と思われ、PLCと通信ブリッジにはNXPのリアルタイムエッジソフトウェアのようなリアルタイムオペレーティングシステムを実行するマイクロプロセッサーが使用されます。

ストリームのさらに上流にあるITシステムは、統計を収集し、全体システムを監視し、カメラからのビデオデータを送信します。これらのシステムはリアルタイムOSを実行していません。同様に、ITシステムとのデータ送受信もリアルタイムでは行われません。

OTとITをサポートするソフトウェアソリューション

ネットワーキングの側面に加え、ITとOTの運用を単一のプロセッサーで統合できれば有益です。そうすれば、時間クリティカルなタスク専用のプロセッサーと、それ以外の比較的クリティカルでない操作専用のプロセッサーを別々に用意するより、全体的なシステムの複雑さとコストを削減できます。リアルタイムOSは時間クリティカルなアプリケーションで鍵となる役割を果たします。

図4. NXPのリアルタイムエッジソフトウェアのブロック図。画像提供：NXP

既存のソフトウェアソリューションの中には、エンジニアがオープンソースLinuxを使用して、安全でスケーラブル、保守可能な時間クリティカルなアプリケーションを構築できるものがあります。NXPのリアルタイムエッジソフトウェアにより、決定論的レイテンシと予測可能なジッターを必要とするアプリケーションのための安全で信頼性の高いリアルタイム環境が提供されます。

典型的なアプリケーションには、産業制御、ビルオートメーション、自動車制御、安全、インフォテインメントシステムなど、さまざまな専門分野の接続デバイスが含まれます。

まとめ

多くの商用システムは、他の装置と通信する際に精密なタイミングと決定論的レイテンシを必要とします。接続デバイスの数が増えるにつれ、エンジニアはOTとITのトラフィックを単一ネットワークで統合する方法を探しています。OTトラフィックは信頼性の高いリアルタイムネットワーキングインフラを必要とすることが多く、ITデータは高スループットレートを必要とすることが多いです。

NXPのリアルタイムソフトウェアは、TSNイーサネットを使用してOTとITのトラフィックを単一回線で融合できるネットワークを構築します。これにより、ネットワークの複雑さと全体的なコストを削減できます。NXPはまた、リアルタイム通信のさまざまな重要な側面をサポートする3つの主要なビルディングブロックで構成されるリアルタイムエッジソフトウェアも提供しています。