モジュラー設計における組み込み技術のメリット

ゴードン・ムーアが半世紀以上前に唱えたムーアの法則は、時の試練に耐え続ける驚異的な法則です。半導体業界は、コンピューティングパワーをより狭い空間に、驚くほど低価格で詰め込み続け、消費者に信じられないほどのメリットを提供しています。

マレーシアのオートメーションプロバイダーPentamasterが構築したGlove Unique Reprocessing Unit（GURU）は、こうした技術進歩を観察する完璧なケーススタディです。7つのワークステーションのうち2つで、GURUシステムによりマシンビジョンモジュールを駆動する産業用PCの数を半減させることに成功しました。

最初のマシンビジョンモジュールは、4台のカメラからの画像データを処理し、グローブを自動ローディングステーションで適切に位置決めします。化学・熱除染後、2番目のマシンビジョンモジュールが4台のカメラからデータを受信し、グローブの外観欠陥を検査します。残り3ワークステーションは、ピンホール検出と検査合格グローブのロボット包装、不合格品のシュレッダー処理に使用されます。

マシンビジョン技術の進化する能力に対応するため、Pentamasterはシステムのプロセッサアップグレードが必要と判断しました。高度なアルゴリズムをデータ塊に実行するには相当な処理能力が必要です。これに対応するため、Pentamasterはビジョンモジュールのプリミティブなプロセッサを、統合グラフィック処理能力を持つマルチコアプロセッサに置き換えました。これらはインテルの3DトライゲートCore i5で、データをはるかに効果的に処理できました。さらに、ハイパースレッディング技術により、仮想コアを使用して2タスクを同時処理可能になりました。

これらの強化により、検査サイクルを2秒未満に短縮し、検査レートを従来の600個/時間から900個/時間へ向上させました。処理能力向上により、不要になった2つのビジョンモジュールを廃止し、管理・メンテナンスを簡素化し、エネルギー消費も抑制しました。

組み込みリモート診断

Pentamaster設計チームは、さらなる改善を模索しています。例えばテストルーチンの追加、そして最近ではActive Management Technology（AMT）の導入により、ハードウェアのリモート管理・修復・保護を可能にしようとしています。

この技術により、オペレーターと技術者は自分のコンピュータから離れた組み込みシステムにアクセスし、ファームウェアやルートレベルの問題をリモートで解決できます。AMTはまた、ソフトウェアをリモートチャネル経由でインストールでき、定期的なパッチ適用やマルウェア検出・除去の手間を自動化します。

この技術の非常に有益な側面は、組み込みシステムデバイスの電源がオフでも、技術者がリモートで問題を診断できる点です。これはAMTがOSレイヤーより下位で動作するためで、従来のリモート管理ソフトウェアとの差別化要因です。SCADAアプリケーションを実行する産業用PCでは、セキュリティとパフォーマンス関連の定期アップデートが不可欠ですが、この技術で一元管理可能です。

モジュラーマシン設計

リモート診断とコンピューティングシステムの統合だけでなく、機械ビルダーの間で設計・組立プロセスをモジュラー方式で行う一般的傾向も、近年の組み込み技術の成功の主要因です。既存の既製品を使用して製品を組み立てる方が、ゼロから構築するより容易です。機械の複雑さは急速に増しており、企業がシステムをテーラーメイドすることはもはや非現実的です。

今日、顧客はシステムインテグレータに対していくつかの重要な要求を突きつけています：

• よりエネルギー効率が良いこと
• より高速なスループット
• 予防保全のサポート
• 他機械および在庫管理システムとの通信

組み込み技術は、インバータ、センサ、ドライブ、インテリジェントHMIなどのモジュラーコンポーネントを提供することで、ビルダーがこれらの要求に応えられるよう支援します。これらのコンポーネントは、産業用PCやPLCによって制御・シーケンス制御され、イーサネットネットワークがシステムのアーキテクチャ的バックボーンとして機能します。

組み込み技術の旗印の下で統合も緊密化しています。重要な例は、デュアルコアARMプロセッサとXilinxおよびAlteraのFPGAの統合です。これにより、オートメーションベンダーは手頃な価格で高度に統合されたマルチ軸ドライブを構築でき、複数機械の制御をコスト効率良く同期的に行えるようになりました。

FPGA不要

専用固定機能ASICやFPGAは、低レイテンシ産業ネットワークへの接続プロトコル埋め込みに使用されてきましたが、テキサスインスツルメンツがSitaraファミリのARM Cortex-AプロセッサにIndustrial Communication Sub-System（ICSS）を搭載したことで、これらが不要になりました。

FPGAと汎用プロセッサの組み合わせは、ホストプロセッサに通信プロトコルや低レイテンシI/O拡張機能がない場合の一般的な実装手法でした。今日、オンチップ低レイテンシアクセラレータが設計・実装され、システムのコスト・複雑さ・開発時間を削減しています。

ICSSの存在は、通信プロトコル実装へのモジュラリティももたらします。ベンダーはしばしば、時間とコストの制約下で最高レベルの通信標準を維持することに苦労します。ICSSは複数プロトコルを包括し、事前認証可能な統一モジュールを提示することでこの問題を解決します。

OSの使い分け

システム内のインテリジェントコンポーネント統合と処理能力の統合は、組み込み技術によってさらにもう一つの形で補完されています。リアルタイムOSは、PLC向けIEC 61131標準に従い、専門的なグラフィカル・テキストベース機械制御言語を実行します。IEC 61508準拠は、SIL 3標準確保に必要です。

仮想化はゲームチェンジャーとなり、業界を根底から覆しました。単一マシン上で、複数のOSの複数インスタンスを実行することが可能になりました。ベンダーはレイテンシと信頼性の懸念に対処するスキームを急速に開発しています。単一アプリケーションごとに複数マシンを調達・保守する必要はなくなり、単一の強力マシンのポテンシャルをフル活用できるようになりました。

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