リアルタイムデータを利用して最新の産業用アプリケーションを制御することの重要性

WindowsやmacOSなどの従来の高レベルオペレーティングシステム（OS）のスケジューラーは、CPU使用率を最大化することを目的としています。このシナリオでは、複数のユーザーが一度に多くのアプリケーションを実行したい場合があります。基盤となるすべてのプロセスとスレッドは、CPU時間のかなりの部分を取得する必要があります。

図1 。産業用オペレーティングシステムの描写。画像はPixabayの好意で使用されました

一方、リアルタイムOSにはさまざまな目標があります。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定された時間枠内で有効な順序で厳密に実行されるようにする必要があります。産業用アプリケーションで一般的に見られる実際の時間の制約に対処する場合、タイミングと実行順序に関係なくCPU使用率とデータスループットを最大化するだけでは不十分です。

この記事では、高いデータスループット、正確なレイテンシ、および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ときにエンジニアができることを調査します。

さまざまなマシンとそのネットワークのニーズ

純粋なリアルタイムシステムは、他の環境から分離された単一の機器を見る場合のソリューションであることがよくあります。

しかし、現代の工場の床は、生産ホールの機械だけではありません。産業用モノのインターネット（IIoT）、インダストリー4.0、およびエッジコンピューティングが過去数年間で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、接続されているデバイスの増加も一因ですが、各デバイスの異なる通信要件も重要な役割を果たします。

このコンテキストでは、エンジニアは、ネットワーク通信の2つの主要なカテゴリを分類するために、運用テクノロジ（OT）と情報テクノロジ（IT）という用語をよく使用します。 OTはタイムクリティカルなトラフィックです。たとえば、部品をピックアップする準備ができたときに、あるマシンからロボットアームに送信されます。ここで、情報は特定の時間枠内にすべての受信者に届く必要があります。

図2 。機械の産業ネットワーク。

一方、ITは、多くの場合、より高いデータスループットを必要とします。通常、これは、たとえばセキュリティカメラや電子メールなどのオフィスアプリケーションからのビデオストリームなどのデータです。 ITでは、スループットが重要です。多くの場合、信頼性、遅延、およびジッターは二次的な懸念事項です。

エンジニアは、複雑さとコストをあまり追加せずに、ITトラフィックとOTトラフィックの両方の要件を満たすことができる単一のネットワークを設計したいと考えています。以前の記事では、2つの概念について詳しく説明しました。さらに、時間依存型ネットワーキング（TSN）が、同じネットワーク上でITトラフィックとOTトラフィックをマージする問題の解決にどのように役立つかを調査し、LayerscapeLS1028Aなどのネットワーキングハードウェアがエンジニアが最新の産業用ソリューションを設計するのにどのように役立つかを調査します。

OTとITが連携する理由：アプリケーションの例

リアルタイム機能と非リアルタイム機能は、現代の産業用制御システム環境では分離されなくなりました。代わりに、リアルタイム機能と非リアルタイム機能が連携して機能し、生産施設が効率的かつ正しく機能するようにする必要があります。

発電所は、すべてが異なる規格を使用して接続されている可能性のある数百のデバイスで構成される具体的な例と見なすことができます。たとえば、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。このようなセンサーには、温度センサー、圧力センサー、およびプロセスが生成する可能性のある有害ガスを検出するデバイスが含まれますが、これらに限定されません。

図3。 製乳工場の圧力計。

これらのセンサーからのデータは、有効で正確であり、短期間（通常はデバイスが後続の読み取り値を配信するまで）のみ有用である可能性があります。したがって、センサーデータを収集および集約する最初のエントリポイントは、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ており、手の届きにくい場所にあります。これらはワイヤレスネットワークを介して接続されており、センサーと通信する最初のアクセスポイントにはリアルタイム機能が必要です。

センサーに加えて、プラント内の機械には、たとえばアクチュエーターに接続する多数の入出力（I / O）モジュールが含まれています。この場合、発電所のエンジニアは、有線ネットワークを使用して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ー（PLC）を接続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には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になる可能性があり、PLCと通信ブリッジは、NXPのリアルタイムエッジソフトウェアなどの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を使用します。

さらに上流のITシステムは、統計を収集し、システム全体を監視し、カメラから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システムとの間のデータの送受信は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

ネットワークの側面に加えて、ITとOTの運用を単一のプロセッサに統合することは有益です。そうすることで、タイムクリティカルなタスク専用のプロセッサや、他のそれほど重要ではない操作のみを実行するプロセッサと比較して、システム全体の複雑さとコストを削減できます。リアルタイムOSは、タイムクリティカルなアプリケーションで重要な役割を果たします。

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。 NXPの厚意により使用された画像

一部の既存のソフトウェアソリューションでは、エンジニアはオープンソースLinuxを使用して、安全でスケーラブルで保守可能なタイムクリティカルなアプリケーションを構築できます。リアルタイムエッジソフトウェアを備えたNXPは、確定的な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に、安全で信頼性の高いリアルタイム環境を提供します。

典型的なアプリケーションには、産業用制御、ビルディングオートメーション、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にわたる接続デバイスが含まれます。

概要

多くの商用システムでは、他の機器と通信するときに正確なタイミングと決定論的な遅延が必要です。接続されるデバイスの数が増えるにつれて、エンジニアはOTトラフィックとITトラフィックを単一のネットワークに統合する方法を探しています。多くの場合、OTトラフィックには信頼性の高いリアルタイムネットワークインフラストラクチャが必要ですが、ITデータには高いスループットレートが必要です。

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トラフィックとITトラフィックを単一の回線にマージできるネットワークを作成します。そうすることで、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、3つの主要な構成要素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おり、それぞれがリアルタイム通信のさまざまな主要な側面をサポートしています。