産業用I/OにおけるEthernet：メリット、デメリット、主要設計考慮点

産業用入出力（I/O）デバイスは、多くの現代機械の中枢神経系を構成し、ひいては産業プラント全体の中枢となっています。過去10年間で、フィールドバスI/Oデバイスの物理層としてEthernetが採用されたことは、産業オートメーション設計において最も重要な進歩の一つです。

最新のEtherNet/IP（Ethernet Industrial Protocol）は、従来のEthernetと産業オートメーション向けの産業アプリケーション層プロトコルを組み合わせたものです。これは、従来のIEEE規格の短所を克服するために作られました。従来のIEEEには2つの大きな問題がありました：

1. 従来のIEEEは、現代のオートメーションに関わる複雑でデータ量の多いプロセスすべてを処理するのに適していませんでした。さまざまな規格を使用するため、I/Oのメンテナンスと利用が困難になる可能性があります
2. かつては、フィールドバス団体がコネクタ、プロトコル、スタックの独自規格を作っていました。現在は、物理層を産業・オフィス・家庭向けのEthernet規格を定める広範な国際標準化団体が扱えるようになりました。

I/OデバイスをEthernetで接続し、リモート制御、データ収集・解析、ステータス監視を行うことで、多くのプラントが信頼性、一貫性、効率を向上させてきました。I/O Ethernetは、ラインやオートメーションプロセスのアップグレードを目指すプラントにとって、今後も重要な役割を果たします。

しかし、あらゆる技術と同様、産業オートメーション設計環境にEthernetを導入することにはメリットとデメリットがあります。生産改善の判断材料として、I/O Ethernetの主なポイントを以下に整理しました：

• メリット
• デメリット
• Ethernet vs その他の選択肢
• ベストプラクティス

I/O用Ethernetのメリット

Ethernetを用いたネットワークI/Oは、パフォーマンス向上、柔軟なトポロジー、シンプルな設定など、さまざまな利点をもたらします。

1. 処理高速化 – Ethernet I/Oにより、1ミリ秒未満でリアルタイム更新が可能に。高速処理によりデータ収集・分析の効率が上がり、データ集約型産業オートメーションの重要な基盤となります。
2. 産業オートメーション設計向け標準化オープン通信プロトコル – Ethernetは、EtherCAT、Profinet、EtherNet/IP、Powerlinkなどのオープン・標準プロトコルと組み合わせて使用されます。これらはすべて、ドライブ、エンコーダー、産業用コントローラーなど、I/Oネットワーク上の多くのデバイスと容易にインターフェース可能。フィールドバスがよりオープンになり、Ethernetのような既知の物理技術に依存するようになったことで、I/Oネットワーク更新レートが向上し、制御システム内のリアルタイムイベントに追従できるようになりました。
3. 銅線削減 — コストダウン – 従来のIEEEネットワークでは、産業デバイスに大量の銅配線が必要でした。現在、I/Oデバイスをコントローラーに接続するには、I/Oネットワーク接続、制御電源、高エネルギーデバイスの場合は三相電源のみ。アースループや銅線の煩雑さが解消され、標準ケーブル1本でコントローラーを遠隔地に配置可能な産業用OSに接続できます。
4. プラットフォーム陳腐化からの保護 – Ethernetは事実上すべてのハードウェアプラットフォームで利用可能なため、特定のメーカーや機器クラスに縛られません。将来にわたって接続性が確保され、長期的なセキュリティ強化にもつながります。
5. 信頼性 – Ethernet I/Oは、太陽光発電所、石油・ガス精製所、鉄道、風力発電所、海洋施設などの過酷な環境でも確実に動作。産業オートメーション設計におけるEthernet I/Oは、お客様の要求の厳しい生産環境にも対応できる可能性が高いです。
6. 一般的な認定規格と幅広いベンダーサポート – 産業用Ethernetは、従来のEthernetのトランスポート/制御プロトコルと、市販のEthernetインターフェースカードにあるメディアアクセス/シグナリング技術を使用。堅牢で認証可能な標準であり、デバイスの品質と一貫性を保証するEtherNet/IPテストラボで認定・テスト・承認されています。EtherNet/IPの核は、ControlNet、DeviceNet、CompoNetで使用されるCIP（Control and Information Protocol）です。この標準は、ネットワークデバイスをオブジェクトの集合として整理し、アクセス、オブジェクト動作、拡張を定義。共通のメカニズムで膨大なデバイスにアクセスでき、あらゆる業界でEthernetが使われているため、ほぼあらゆるタイプのI/Oデバイスで広範なベンダーサポートが受けられます。
7. シンプルで高速なセットアップ – Ethernetは、安全性、フィールドバス、プログラミング削減、Webサーバーなど、生産者により多くの選択肢を提供。プロトコル間の移行や、フィールドバスの初導入をシンプルなプラグイン方式で実現。多くの製品は自己設定型で、マスタープロトコルを自動認識します。
8. その他のメリット – I/O用Ethernetによる産業オートメーション設計の追加メリット：ネットワークとストレージI/Oの単一（高可用性ならペア）インターコネクト；消費電力削減、冷却効率向上、床面積有効活用、より持続可能なプラント環境；サーバーパフォーマンス向上、PCIとメザニンスロットの最大活用；高性能・クラスタ化アプリケーション需要に対応するI/O容量の優れた拡張性。

I/O用Ethernet導入のデメリット

Ethernet I/Oのメリットを詳しく説明しましたが、主なデメリットもいくつかあります：

• 帯域幅の制限 – Ethernet I/Oには帯域幅制限があります。多くのPLCは約500バイトのパケットサイズしか扱えないため、場合によっては大きな障害となり、操作が遅くなる可能性があります。
• TCP/IPレイヤーで処理能力を消費 – EtherNet/IPはTCP/IPパケット内で転送されるアプリケーション層プロトコルです。つまり、TCP/IPレイヤーの処理に多くのプロセッサ帯域を消費し、パフォーマンス低下を招きます。
• 情報モデリングなし – Ethernetでは真の情報モデリングができません。属性を持つオブジェクトを作成できますが、オブジェクト同士を階層構造でリンクすることはできません。これは産業オートメーション設計の実装で課題となり得ます。
• 機器によるばらつき – 特定のコントローラーではEthernetの機能が制限されるため、最適な機器選定に注意が必要です。
• オーバースペック – 多くの場合、Ethernetはディスクリート制御アプリケーションに最適。プロセス制御でも動作しますが、過剰なソリューションとなり、予算を不必要に圧迫する可能性があります。より実用的で低コストなソリューションが存在する場合もあります。
• 診断 – 汎用診断がすべてのEthernetデバイスに組み込まれているわけではありません。各デバイスごとにカスタム診断の設計・実装が必要となり、多くの時間を要することがあります。

Ethernetと他技術の比較

属性	I/O戦略
	ホスト常駐型	RS-232	RS-485/422	Ethernet
グランドループ耐性	低	中	中	優秀
標準化ISOプロトコル層	なし	Layer 1	Layer 1	Layers 1-3
通信データレート	優秀	115 Kbps	10 Mbps	10-1000 Mbps
プラットフォーム寿命予測	低	良好	良好	良好
拡張性	低	低	中	優秀
標準化コネクタ	なし	DB9 or DB25	なし	RJ-45
ホストコンピューターのケーブル混雑	低	中	良好	良好
ホスト-I/Oシステム間距離	低	中	優秀	優秀

知っておくべき重要ポイント

Ethernet I/Oへの移行時には、適切なEthernetを選ぶために幅広い機能を評価することが重要です。以下のEthernet IOSアーキテクチャを検討してください：

• モジュールごとのEthernetシステム
• モジュールキャリアシステム
• スタークラスタシステム

必須機能

アーキテクチャ以外にも、すべてのEthernet IOSには評価すべき重要な機能があります。すべての産業用IOSは、以下の共通機能について一定レベルのサポートを提供する必要があります：

• 電源監視
• 電力分配
• インターロックサポート
• 環境保護

弊社がサポートします

Ethernetプロトコルの選択は多くの要因に依存しますが、多くの場合、施設で使用しているPLCと顧客要求が決定要因になります。Siemensを使用しているならProfibus DPやProfiNet IOが最適。Rockwell ControlLogixやCompactLogixならEtherNet/IPやDeviceNetが最適です。アプリケーション要件と既存インフラが意思決定を導きます。

EPICは幅広いシステムと技術に関する深い専門知識を持ち、世界中のプラントを支援してきました。お客様のプラントの産業オートメーション設計に最適な技術選定で専門的な支援が必要なら、弊社がお手伝いします。

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もう一つの優れたリソース

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