1/20ページ
カタログの表紙 カタログの表紙 カタログの表紙
カタログの表紙

このカタログをダウンロードして
すべてを見る

ダウンロード(2.2Mb)

Industrial Ethernet Facts 3nd Edition 日本語版

ホワイトペーパー

5大産業用オープンネットワークの比較

EPSG (the EtherNet Powerlink Standardization Group)POWERLINK Officeより発行された、‟INDUSTRIAL ETHERNET FACTS‟ 3rd Editionの日本語版です。
主要な5つの産業用イーサネットシステムを、第三者的な立場で様々な角度から比較しています。
産業用オープンネットワークの世界がややこしいと思うのは、あなただけではありません。産業用イーサネットに関する理解を深めましょう。

B&Rでは産業用PC、PLC、モーションコントロール、HMI、統合型安全技術など、トータルソリューションをお客様に提供しています。
製品に関するお問い合わせやご質問等は、弊社営業までご連絡ください。

このカタログについて

ドキュメント名 Industrial Ethernet Facts 3nd Edition 日本語版
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
ファイルサイズ 2.2Mb
登録カテゴリ
取り扱い企業 B&R株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

このカタログの内容

Page1

発行人欄 “INDUSTRIALETHERNETFACTS” は、the ETHERNET POWERLINK STANDARDIZATION GROUP(EPSG)による情報提供サービスの一環です。 POWERLINK-Offi ce Bonsaiweg 6 15370 Fredersdorf · Germany Phone:+49 33439 539 270 Fax:+49 33439 539 272 SシYSスTEテMム C比OM較PARISON info@ethernet-powerlink.org www.ethernet-powerlink.org © Copyright Notice "INDUSTRIALETHERNETFACTS” の名前およびレイアウトは著作権法で保護されています。 この冊子の全部または一部についての引用の際は、編集者より事前の許可を 必要とします。 5Th大e テ5 クMaノjoロr ジTeーchnologies PROOFIFNIENT, ET, 3rd EditionPOWWERELRINLKI, NK, EtthhereNreNt/eIPt,/ IP, EtthhereCrACT,A T, SERRCCOSO ISII III どHoのw tよheう Syにsteシmスs テムが 動Woくrkか ユTheー Uザseーr 団体 ラOrイgaセnンizスatのio仕ns組み A Look behind the Scenes 価Inv値est存me続nt性 と パViaフbilォityー anマd ンス 知Peっrfてorおmくaべncきeこと! Everything You Need to Know! OPPCC U AUA 事Mo実re 上thのan just 業界標準として PROFIsafe openSAFETY CIPSafety FSoE epsg_ethernet_facts_3rd_edition_english_3_ds.indd 1 16.03.16 13:20 MM-BR-PL-IEF-JP-03 INDUSTRIALETHERNETFACTS MÄRZ 2016 JAPANESE
Page2

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition イントロダクション 4 · システム概要 序文 産業用イーサネットの世界がややこしいと思うのは、外部の人たちだけではありません。 競合するシステムの幅広く不透明なラインナップに、専門家でも同じように戸惑ってい どのようにシステムが動くか 6 · リアルタイム性確立へのアプローチ ます。多くのメーカーは総括的で把握しやすい形で、規格の技術的特徴や特別な機能な · PROFINET通信 どをとらえて分類した情報を提供してはいません。ユーザーは、主要なシステムを明確 · POWERLINK通信 に比較し、客観的な評価を行っている資料をうまく探せないと思っているでしょう。 · EtherNet/IP通信 · EtherCAT通信 私たちは主要なシステムの概要に関する問合せや「実際どこがちがうんですか?」と · SERCOS III通信 いう質問にたびたび遭遇してきました。そこで、私たちは Industrial Ethernet Facts の1つの号を、まるごとこのトピックに充てることにしたのです。この号を作るにあ ユーザー団体について 12 · ユーザー団体とライセンスの仕組み たり、このマーケットの人間としてできる限り客観的であるよう努めました。私たち の総まとめは、技術的・経済的・戦略的基準に照点を当てています。そのすべてが産 · 互換性 / 下位互換性 業用イーサネット装置の投資的価値の存続性を考慮する上で必要です。発行の過程で 投資的価値の存続性に関する基準 16 · 電磁両立性 (EMC) · 電気的接点 起きた論点は、この分野のディベロッパーや意思決定者と会話や討論を重ね、進展・ · 配線 / 実現可能なトポロジ · ホットプラグ機能 実証されました。実務的に可能な場合は、主張についての検証を行うようあらゆる試 · 稼働率の高さ · ギガビット対応 みをしました。 · セーフティソリューションの可用性 · 市場への浸透度 この冊子は事前に発行者の許可なく 努力はしましたが、いくつかの点については正確かつ検証可能な情報を確認すること パフォーマンスについて 18 · 理論上可能なサイクルタイム · 通信アーキテクチャ修正を加えることはできません。 ができませんでした。これについてはみなさまのお力をお借りしたく存じます。もし · ダイレクト・クロス・トラフィック · 大容量データ通信量 この冊子は全体のまま渡されること 修正や訂正のご提案がございましたら、メールやお電話にてご連絡いただければあり · セーフティ通信用ネットワーク負荷 を特に推奨いたします。 がたく存じます。この総まとめを補完するサポートをいただけることを楽しみにして · 実サイクルタイム · ジッタ · パフォーマンス・テスト 現行版はwww.ethernet-powerlink. おりますとともに、様々な産業用イーサネット規格の評価をできうる限り徹底し、客 org.よりダウンロード可能です。 観的なものにするために役立つ話し合いを歓迎したく存じます。Industrial Ethernet Facts の本号では、2011 年 11 月、2013 年 2 月の前 2 号の発行後に産業用イーサネッ 導入について 22 · マスタ導入 · ネットワーク部品のコスト · スレーブ導入 · ノード接続コスト トのコミュニティより届けられたフィードバックも含めております。 · オペレーションコスト OPC UA 26 · OPCファウンデーション コンタクト :POWERLINK-Office, Luca Lachello, Software Engineering Manager COMAU Robotics – Italy · リアルタイム実現性 phone:+49 33439 539 270 Peter Wratil, Managing Director Innotec – Germany · OPC UA vs. 産業用イーサネット info@ethernet-powerlink.org Anton Meindl, President EPSG – Germany Stefan Schönegger, Business Unit Manager B&R – Austria セーフティ機能 30 · ハードワイヤリングからネットワーク統合型へ Bhagath Singh Karunakaran, CEO Kalycito – India · セーフティ・フィールドバス・システム Huazhen Song, Marketing Manager POWERLINK Association – China · 標準バスまたはネットワークライン経由でのセーフティ・データ伝送 Stéphane Potier, Technology Marketing Manager EPSG – France 安全システムがどのように動作するか 33 · CIP Safety · PROFIsafe · openSAFETY · FSoE · 認証 · テクノロジー · デバイスの導入 · 統合 · パフォーマンス · CRC 2 3 Luca Lachello Peter Wratil Anton Meindl Stefan Schönegger Bhagath Singh Karunakaran Huazhen Song Stéphane Potier
Page3

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition 比較するシステムの選択について | Industrial Ethernet Facts の本号は PROFINET(RT, IRT), 市場への浸透度 POWERLINK, EtherNet/IP, EtherCAT, SERCOS III, すなわ 産業用イーサネットシステムの比較対象を選ぶ上で、他に重要 ち、現在世界中に 30 以上ある産業用イーサネット・システム な要素として市場への浸透度があります。様々なIMSやARCサー のうち5つを比較しています。1 では、なぜこの5つなのでしょ ベイによると、世界中の産業用イーサネットアプリケーション うか?この選択は技術的側面、標準化の状況、戦略的マーケッ のおよそ 3/4 が EtherNet/IP、PROFINET、あるいは Modbus ト状況に基づいています。ユーザー団体が進行中のプロトコル TCP を使用しています。その次に来るのが POWERLINK と 開発を支援するか、プロトコルが IEC スタンダードに分類され EtherCAT で、この2つは特にハードリアルタイム要件に適して るか、システムがハードリアルタイム要件に合っているかと い ま す。 ユ ー ザ ー 団 体 で あ る ODVA が Modbus TCP を いった関連事項も含んでいます。 EtherNet/IP に統合したと述べているため、Modbus TCP 単独 では検証していません。しかし、SERCOS III はマーケットシェ リアルタイム性 アは限られているものの、比較対象に含まれています。このシ データの衝突を解決するメカニズムは IEEE 802.3 イーサネッ ステムは高速のモーションコントロールソリューションには極 ト規格の一部ですが、これによりデータ転送の不規則な遅れが めて重要な役割を果たしているからです。 生じます。リアルタイム性を保持するために、産業用イーサネッ ト・プロトコルはそのような衝突を回避する特別な予防措置を 取り入れています。ハードリアルタイムに対しては、信号伝送 時間が与えられたタイムフレームと正確に合っている必要があ Building technology, control and automation levels, trouble-free ります。そうでなければ、ジッタに対するエラーが発生します。 processes, storage systems ソフトリアルタイムに対しては、限られた時間内でのジッタは 許されます。例えばサイクルタイムが数百 msec 程度までの温 Conveying systems, simple controls, 度モニタリングなどのアプリケーションの場合、ソフトリアル majority of all automated systems タイムで十分でしょう。デジタルコントロールシステムやモー ションコントロールでは、1msec 以下を要求するアプリケー Machine tools, fast processes, ションが多いようです。 リアルタイムクラスrobots とアプリケーション の範囲(IAONA 分類) Highly dynamic processes, electronic drives 1 システムのより広い概要については、www.pdv.reutlingen-university. de/rte/ を参考にしてください。Reutlingen University の the Process Data Processing Lab 長 の工学博士・教授、Jürgen Schwager 氏が編纂 したものです。 1 s 10 s 100 s 1 ms 10 ms 100 ms 1 s 10 s Response time / jitter 4 5
Page4

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition PROFINET通信 | PROFINET( “Process Field Network” ) は、様々なタイミング モーションコントロールアプリケーションで要求される 1msec 要件に対応するためにパフォーマンスクラスの違いによって区 以下のクロック同期サイクルタイムは PROFINET IRT が提供し 別されています。 ており、特別に管理されたハードウェア同期スイッチに基づい PROFINET RT はソフトリアルタイム、もしくはまったくリアル て時間多重モードを取り入れています。いわゆるダイナミック・ どのようにシステムが動くか タイム要件のない場合向け、PROFINET IRT はハードリアルタ フレーム・パッキング (DFP) によって、将来、加重フレームの | イ ム パ フ ォ ー マ ン ス 向 け で す。 こ の 技 術 は シ ー メ ン ス 社 原則を使って、ネットワーク上の特定のデバイスのセットのサ PROFIBUS ユーザー団体の PNO によって開発されました。 イクルタイムを最適化するよう設計された新しい種類の リアルタイム性確立への多様なアプローチ EtherCAT と SERCOS III は加重フレーム方式を使って伝送し PROFIBUS DP、PROFINET I/O のイーサネットベースの後継と PROFINET がユーザーに提供されるでしょう。 リアルタイム・イーサネット・ソリューションを確立するには、 ます。ネットワーク上のノードの全てのデータが、毎サイクル して、I/O コントローラ間のすべてのデータ転送やパラメータ、 3つの異なるアプローチがあります : 通信します。ネットワークのリングトポロジに沿って、ひとつ 診断、ネットワークレイアウトを指定します。 1. TCP/IP ベース : プロトコルは標準 TCP/IP レイヤをベースに のテレグラムが進み、その過程で各ノードへの読み書きを行い しており、トップレイヤにリアルタイムメカニズムを組み込 ます。 どのように機能するか Application Engineering, Standard んでいます。 それと反対に、シングルテレグラム方式はテレグラムを個別に 異なるパフォーマンスクラスをカバーするために、PROFINET business application Real-time cyclical Real-time acyclical Standard integration (FTP, HTTP etc.) このソリューションは用途や到達可能なパフォーマンスに制 ノードに送り、ノードもそれぞれのテレグラムに個別に反応し はメーカー・消費者の無償利用を原則とし、様々なプロトコル PROFINET PROFINET PROFINET 限があります。 ます。 やサービスに働きかけています。イーサネットプロトコル経由 2. 標準型イーサネット : プロトコルは標準イーサネットレイヤ で直接送られた優先度の高いペイロードデータが、VLAN 優先度 Middleware DCOM のトップに実装されています。このソリューションの利点は システムはネットワークアクセスとデータ同期について、3 つ に準じてイーサネットフレームで伝送されるのに対し、診断や Standard UDP Standard TCP 追加費用をかけずにイーサネットを進化させられる点です。 の違ったメカニズムを使います : コンフィギュレーションデータは、UDP/IP を使って送られま Standard IP 3. 改良型イーサネット : 標準型イーサネットレイヤと、イーサ – マスタがネットワーク上のタイミングをコントロールする。 す。これによりシステムは I/O アプリケーションの場合、おお ネットメカニズム、インフラを改良したものです。このソ POWERLINK では、スレーブからのデータ発信をマスタが許 むね 10ms のサイクルタイムに到達できます。 Standard Ethernet リューションでは最もパフォーマンスが重視されています。 可します。EtherCAT と SERCOS III のネットワークでは、 テレグラムの伝送はマスタのクロックに従います。 この冊子で比較している様々な産業用イーサネットシステムの – PROFINET IRT は通信のコントロールに同期スイッチを使い 決定的なちがいは、ひとつにはデータ伝送をどのように体系化 ます。 するか、またリアルタイムパフォーマンスをどのように実現す – E therNet/IP は CIP Sync を使い、ネットワーク全体に Destination Source Type = るかというところにあります。 IEEE1588 準拠時間を伝えます。 address address 802.1q 0x8892 Data CRC Based on TCP/IP Standard Ethernet Modified Ethernet IEEE 802.3 Media Access Frame ID Process data Status info PROFINET EtherNet/IP EtherCAT POWERLINK SERCOS III PROFINET RT PROFINET IRT TCP/UDP/IP Ethernet Ethernet Modified Ethernet リアルタイム・ Ethernet Cabling イーサネット導入 の方法 6 7
Page5

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition Device Profiles I/O Encoders Valves Drives Medical Others EtherNet/IP Device Profiles CIP Motion Valves I/O Robots Other POWERLINK通信 Protocol CANopen EtherNet/IP通信 CIP Application LayerSoftware Application Layer – Object Dictionary Application Library | | CIPMessaging (SDO and PDO) Application CIP Data Management ServicesExplicit Messages, I/O Messages POWERLINK Transport CIP Message Routing, Connection Management POWERLINK はもともと B&R によって開発され、2001 年に CAN basedCANopen UDP/IP 2000 年 に 初 め て リ リ ー ス さ れ た EtherNet/IP は Allen- 発表されました。 Transport POWERLINK Driver Bradley ( ロックウェル・オートメーション ) と ODVA (Open Encapsulation Transport TCP UDP ControlNet DeviceNet CompoNetTransport Transport Transport The Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) CAN Driver Ethernet Driver DeviceNet Vendors Association) によって開発された産業用 Network IP EtherNet は、民主憲章を持った独立ユーザー協会であり、2003 年より オープン・スタンダードです。“産業用イーサネット・プロト Data Link ControlNet CAN CompoNetCSMA/CD CTDMA CSMA/NBA Time Slot テクノロジーの更なる開発を担っています。 EtherNet ControlNet DeviceNet CompoNetHardware CAN Controller Ethernet Controller コル” は基本的には CIP アプリケーション・プロトコル Physical Physical Layer Phys. Layer Phys. Layer Phys. Layer POWERLINK は特許権を持たず、完全にベンダーから独立して (Common Industrial Protocol) のイーサネット・データ伝送 おり、純粋にソフトウェアベース通信システムでリアルタイム 多くの共通した特徴:CANopenとPOWERLINK OSI model プロトコルのポートであり、すでに ControlNet と DeviceNet EtherNet/IPレイヤーモデル パフォーマンスを行います。2008 年にオープンソースバージョ に使用されています。EtherNet/IP は特にアメリカ市場では定 ンが無償で使用できるようになりました。POWERLINK は のノードにも伝わります。POWERLINK のサイクルは3期か 着しており、ロックウェルのコントロールシステムと共によく CANopen のメカニズム全体を統合し、IEEE 802.3 イーサネッ ら構成されています。“Start Period” には、MN が “Start of 使われています。 ト規格に完全に準拠しています。つまり、プロトコルがクロス・ Cycle( サイクルのスタート )”(SoC)フレームをすべての ズムを持っています。CIP アプリケーションプロトコルは、コ トラフィックやホットプラグ機能を含めすべての標準イーサ CN に送り、デバイスを同期させます。ジッタはおよそ どのように機能するか ンフィギュレーションとデータ取得のための “implicit( 暗示 ネット機能を提供し、どんなネットワークトポロジの選択にも 20nsec に な り ま す。2 番 目 の ピ リ オ ド で あ る “Cyclic EtherNet/IP は標準イーサネット上で動作し、データ伝送に 的 )” I/O メッセージと “explicit( 明示的 )” クエリ・応答テレ 対応しています。 period” では、 周期的な同期データの通信が行われます。マ TCP/IP と UDP/IP の両方を使います。プロデューサ / コン グラムを区別します。explicit メッセージは TCP フレームに組 ルチプレクシングにより、このピリオドでの帯域の使用が最 シューマの機能が CIP プロトコルにサポートされているため、 み込まれているのに対し、リアルタイムアプリケーションデー どのように機能するか 適化されます。3 番目のピリオドからが非同期フェーズの開 EtherNet/IP はプロデューサ / コンシューマが思うように使え タは UDP を経由して送られます。後者のプロトコルはよりコ POWERLINK はリアルタイムデータ伝送をするためにタイム 始となり、大容量のタイム・クリティカルでないデータパケッ るよう、サイクリックポーリング、イベントトリガやタイムト ンパクトなフォーマットでオーバーヘッドも小さいためです。 スロットとポーリングの工程をミックスして使います。コー トの伝送が可能になります。例えばユーザーデータや TCP/IP リガ、マルチキャストや 2 地点間接続など、様々な通信メカニ スイッチはスタートポロジネットワークの中心を形成しつつ、 ディネーションを確実にするために、PLC または産業用 PC が などは、非同期フェーズのいくつかのサイクルに分散されま 2 地点間接続でつながったデバイスからのデータの衝突を防ぎ マネージング・ノード(MN)にあてられます。この MN がサ す。POWERLINK はリアルタイムとノンリアルタイムのドメ ます。EtherNet/IP は、一般的には 10msec くらいのサイクル イクルタイムを管理し、周期的にスレーブと通信を行うこと インを識別します。非同期のデータ伝送は標準 IP フレームを producer consumer consumer consumer タイムでソフトリアルタイムパフォーマンスを行います。CIP で、全てのスレーブとの同期が可能になります。他のデバイ サポートし、ルータがデータをリアルタイムドメインから安 accept accept シンクと CIP モーションは IEEE1588 標準で特定されたディ スはすべて、コントロール・ノード(CN)として動作します。 全かつ透過的に分離します。POWERLINK は、I/O や、モーショ ストリビューテッドクロック経由での正確なノード同期と同様 ひとつのクロック・サイクルの中で、MN はいわゆる “ポーリ ンコントロール、ロボティクス、PLC 間通信など、あらゆる prepare filter filter filter に、サイクルタイムとジッタ値をサーボモータ制御に十分な速 ング要求” を決まったシークエンスで CN に次々と送ります。 種類のオートメーション・アプリケーションに非常によく適 度まで下げるために使われます。 CN はこの要求に直ちに “ポーリング応答” で応え、これは他 しています。 send receive receive receive Cycle Time broadcast communication SoC PReq PReq PReq PReq SoA MNCN1 CN2 CN3 CNn PRes PRes PRes PRes CN1 CN2 CN3 CNn Async Data CN Isochronous Asynchronous Phase Phase SoC = Start of Cycle PReq = Poll Request MN = Managing Node SoA = Start of Async PRes = Poll Response CN = Controlled Node 8 9
Page6

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition Frame delay = (total byte count for header + data) x 10 ns 250 ns 115 ns Real-time channel Non-real-time channel … Ethernet EtherCAT通信 MasterPHY SERCOSIII 通信 I/O profile application | IOS via LVDS | Motion profilePHY IOS via LVDS Generic device profile S III PHY E the rCAT ( “E t he r ne t f o r Con t r o l Au t oma t i on デジタルドライブインターフェースで自由に使えるリアルタイ protocol Technology” ) は、ベッコフ・オートメーションによって開発 ム通信規格である SERCOS III は、物理的接続のハードウェア RT channels SVC (primary/secondary) Safety channel されました。このテクノロジーのユーザーはすべて自動的に アーキテクチャを指定するのみでなく、 UDP/TCPCross-communication EtherCAT Technology Group (ETG) のメンバーになります。 す。EtherCAT のそれぞれのフレームは、ひとつのヘッダと数 プロトコル構造や広範囲にわたるプロファイル定義も指定しま M/S communication IP 個の EtherCAT コマンドでできています。これらはそれぞれ固 す。SERCOS III は、事実上、1985 年に発表された Sercos イ どのように機能するか 有のヘッダ、スレーブに対する命令データ、ワーキングカウン ンターフェースの第 3 世代であり、IEEE 802.3 による標準イー Synchr. Ethernet EtherCAT は 加 重 フ レ ー ム 方 式 を ベ ー ス と し て い ま す: ターから構成されています。それぞれのスレーブに対して サネットがデータ伝送プロトコルとしての役目をします。この EtherCAT マスタはネットワーク上のすべてのノードのデータ 64kbytes までコンフィギュレーション可能なアドレス空間が 通信システムはほとんどがモーションコントロールベースの SERCON 100M/S (FPGA)+ or netX with を含むイーサネットフレームを送信します。そのフレームはす 使えます。アドレス指定はオートインクリメントしながら進 オートメーションシステムで使われます。登録団体の sercos Ethernet Dual PHY SERCOS III べてのノードを順番に通過します。トランキングの最後のノー み、それぞれのスレーブは 16 ビットのアドレスフィールドま International e.V. がテクノロジーの継続的開発をサポート ドまで来ると、フレームは引き返します。ノードはフレームが でカウントアップします。またスレーブは、スタートアップ し、規格の準拠を保証しています。 RT = Real Time SVC = Service Channel TCP = Transmission Control ProtocolM/S = Master Slave S III = SERCOS III FPGA = Field Progr. Gate Array 一方向に通過する間に、フレーム内の情報を処理します。それ フェーズにマスタによって割り当てられた分散ステーションの Synchr. = Synchronization UDP = User Datagram Protocol PHY = Physical Layer ぞれのノードは割り当てられたデータをオンザフライで読み出 アドレス経由でアドレス指定することも可能です。 どのように機能するか SERCOSテクノロジー用の特別なマスタ/スレーブ通信コント し、フレームにレスポンスデータを挿入します。100 Mbit/s スレーブについては特定のハードウェアが無条件に必要になり ローラはSERCONとして知られています。 の帯域幅をサポートするために、ASICs か FPGA をベースにし EtherCAT のプロセス同期 ますが、ソフトウェアソリューションはマスタに合わせていま た特別なハードウェアがデータ通過時の高速処理用に必要にな スレーブ接続はみな、IEEE1588 に似た技術を使ってマスタに す。sercos のユーザー団体は FPGA ベースの SERCOS III ハー ります。実際は、EtherCAT ネットワークのトポロジは常に論 よって同期されたリアルタイムクロックを提供します。ハード ドウェア開発のサポートに必須の SERCOS III IP を提供して ノードを通過し、つまりサイクルごとに 2 回処理されることに 理リングを構成します。専用のハードウェアを用いることで、 ウェア上での要求が厳しくなるため、スレーブデバイスにはリ います。SERCOS III は加重フレーム方式を採っています。ネッ なります。したがって、デバイスはひとつの通信サイクルで互 追加の接続も可能となります。 アルタイムメカニズムを持っているものと持っていないものが トワークノードはデイジー・チェーンまたはクローズドリング いに通信することができ、マスタを通してデータを送る必要は 実際、テレグラムが分岐した線を行き来するところに双方向 あります。リアルタイムクロックをベースとして、制御信号は で配置される必要があります。データはデバイスを通過しなが ありません。 ジャンクションを加えるだけでよいのです。 高精度で同期されるようになります。物理的には、EtherCAT ら処理され、いろいろな通信タイプに対して異なるタイプのテ プロトコルはイーサネット上だけでなく、LVDS (Low Voltage レグラムが使われます。イーサネット接続の全二重化機能によ リアルタイムチャンネルはデータ伝送が衝突しないよう予約帯 EtherCAT フレームの構造 Differential Signaling 低電圧差動信号 ) 上でも動作します。こ り、デイジー ・ チェーンは実際にはシングルリングを構成し、 域幅を持つタイムスロットを使いますが、その他に SERCOS 個々のノードに対する命令が書かれた EtherCAT テレグラム の規格はベッコフが端末上の内部バスとして使っています。標 厳密なリングトポロジは実質的にはダブルリングを構成し、 IIIはオプションでノンリアルタイムチャンネルも提供します。 は、すべてフレームのペイロードデータエリアに含まれていま 準イーサネットインターフェースが入った PC は通常 EtherCAT データ伝送の冗長化を行います。すべてのノード上の 2 つの 通信サイクルのはじめの方で、最初のリアルタイムテレグラム マ ス タ を 導 入 す る た め に 使 わ れ ま す。POWERLINK や COM ポートによってダイレクト・クロス・トラフィックが可 の指示で、ノードはハードウェアレベルで同期します。マスタ PROFINET など他のプロトコルとは違い、EtherCAT は OSI モ 能になります。デイジー ・ チェーンと同じくリングネットワー 同期テレグラム (MST) はそのために最初のテレグラムに組み デルの 7 レイヤのうちレイヤ 1 から 3 まで重点的に拡張しま クにおいても、リアルタイムテレグラムは往復ともすべての 込まれます。100nsec 以下で同期オフセットを保持し、精度を す。したがって、他のシステムに相当するアプリケーション機 高めるため、イーサネットハードウェアから来るランタイムの 能を得るために、余分にプロトコルレイヤ (CoE, EoE) を重ね ディレイやばらつきをハードウェアベースのプロシージャで補 る必要があります。 います。さまざまなネットワークセグメントが異なるサイクル AT: Drive Telegram MDT: Master Data Telegram IP: IP Channel C クロックを使用することがあっても、完全に同期した動作がで Ethernet HDR FH EH Data WC CRC きます。AT MDT IP EtherCATの動作原理 Master Slave Slave Slave Slave Slave Slave 10 11
Page7

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition ユーザー団体について | システムの全体評価においてはユーザーの独立性も重要な側面 POWERLINK – EPSG です。ブランド権や特許など未解決の問題があると、ユーザー The Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) 自身での開発が制限される可能性もあり、システムの決定をす は 2003 年にドライブ、オートメーションセクタの会社の独立 る際に重大な要素として考慮されます。あとで不都合を生じさ 団体として設立されました。グループの目標は 2001 年に B&R せる可能性のある法的な落とし穴は、いろいろなソリューショ によって発表された POWERLINK プロトコルの標準化と開発 ンを支援している製作者とユーザー団体をよく見てみることで の継続です。EPSG は CAN in Automation (CiA) や IEC といっ 避けられます。 た標準化機構と協力しています。EPSG はスイス民法典によっ て設立された登録団体です。 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS www.ethernet-powerlink.org RT|IRT LINK IP III 団体 PNO EPSG ODVA ETG sercos EtherNet/IP – ODVAInternational ODVA はすべての DeviceNet と EtherNet/IP ユーザーの団体で profibus. ethernet- www. powerlink. odva.org ethercat. sercos.org す。この団体はアメリカとアジアで主に使われ、またヨーロッcom org org パでも使われているこれらのフィールドバスの開発の継続とさ らなる流通に注力しています。団体の活動の重要な要素として、 EtherCAT – ETG SERCOS III – sercos International e. V. PROFINET – PI CIP プロトコルとそれをベースにした他のプロトコルの開発と普 The EtherCAT Technology Group は、ユーザー、OEM、マシ sercos International e. V. (SI) は、ドイツ・フランクフルト PROFIBUS & PROFINET International (PI) は 25 の地域の 及があります。ユーザーはテクノロジーを利用するだけでなく、 ンベンダ、その他のオートメーション・サプライヤが共同で設 で裁判所登録された団体です。団体のメンバーはコントロール・ PROFIBUS & PROFINET Associations の国際的統括団体です。 Special Interest Groups (SIG) に参加して進行中の開発に貢献 立したフォーラムです。グループの目的は、オープンテクノロ システム、ドライブ、その他オートメーションコンポーネント これにはユーザー団体の PNO(PROFIBUS Nutzerorganisation することも奨励されています。ODVA はまた、他の標準化団体 ジーとしての EtherCAT の利益をサポートし、広めることです。 のメーカーとユーザー、マシンベンダ、調査機関、他団体など e. V)も含まれます。PI は合同プロジェクトの管理やメンバー や産業コンソーシアムにも積極的に参加しています。協会の規 認証ラボはニュルンベルクにある団体の本部と提携していま です。北米とアジアに現地団体があります。シュトゥットガル その他関係者への広報などを行っています。PROFIBUS と 約はどちらかというと複雑です。 す。テクノロジーの使用に関する契約書はベッコフ・オートメー ト大学にある認証ラボは、団体の本部と提携しています。 PROFINET 製品認証の認証センターは PI と提携しています。 www.odva.org ションと直接結ばなくてはなりません。ドイツのニュルンベル www.sercos.org 1996 年 4 月 24 日に採択された規約で PI の任務と責任が規定 クを本拠地とする the EtherCAT Technology Group は “nicht されています。メンバーシップはデバイスベンダ、ユーザー、 eingetragener Verein”、つまり、ドイツ民法典でいう非登録協 システム・ソリューション・プロバイダ、または PROFIBUS や 会(非営利団体)です。 PROFINET ネットワークのオペレーターとして、PI の利益を支 www.ethercat.org 持するすべての国、団体、機関に開かれています。 www.profibus.com 12 13
Page8

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition 地位、権利、ライセンス 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS 指標 PROFINET POWER EtherNet/IP EtherCAT SERCOS 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS さまざまなユーザー団体の法的地位は?テクノロジー RT|IRT LINK IP III RT|IRT LINK III RT | IRT LINK IP III の所有者は?ライセンスの枠組みによって、特定のテ 団体の 協会 協会 協会 非登録協会 協会 メンバーシップ メンバーシップ メンバーシップ メンバーシップ メンバーシップ マスタ用の(非営利団体) 種類 + + + o + 負担金 フィー フィー フィー フィー不要 フィー 無償ソース - + - o +クノロジーを使用する開発者にどんな法的効力が生じ o o o + o コード るのか?次のページで概要をご説明します。 PNO EPSG ODVA メンバー SERCOS スレーブ用の 法的責任 + + + o + 無償ソース - + + - o ETGのメンバーシップは無料です。他の団体はすべてメンバー コード シップフィーが必要です。年間の負担金は、通常、会社の大き EtherCAT Technology Group: 非登録協会は法人ではありませ さによってちがいます。POWERLINKとsercosのユーザー団体は、メンバーでなくても製品を開発して市場に出すことを許可 PROFINET:The PROFIBUS user organization (PNO) はんが、実質的には団体と個人の間であって、法的責任は不明確 しています。 PROFINET導入のためのソースコードと文書(PROFINET です。 runtime software)をメンバーに提供しています。このソフト ウェアのライセンス契約1.5項では、PNOのメンバーに5個の特 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS 許を使用する権利を与えています。 RT|IRT LINK IP III 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS RT|IRT LINK IP III POWERLINK:POWERLINKのマスタ・スレーブコードはBSD 権利 メンバー メンバー メンバー Beckhoff メンバー オープンソースライセンスの元で自由に入手できます。ソフト 所有者 + + + o + マスタ・ PNO EPSG ODVA Beckhoff SERCOSスレーブの + + + o o ウェアスタックはSourceForge.netより入手可能です。スペック PNO EPSG ODVA Beckhoff SERCOS EtherNet/IP:スタックは様々なサービスプロバイダより購入ブランド オーナー + + + o + して入手が可能です。オープンソースバージョンは大学によって開発されました。 SERCOS IIIとEtherCATの通信メカニズムについては、仕様は 公開されていますが、スレーブの内部構造については公表され EtherCAT:スレーブの導入には必ずASICまたはFPGAが必要で 多くの場合、テクノロジーに対する権利は担当する団体にあり ていません。ユーザーはASICかFPGAを用いなくてはなりませ す。 ます。したがって、メンバーは共有者として利用する権利があ ん。ベッコフのFPGA IPコードは、EtherCATのオブジェクト FPGA用のVHDLかIPコードをベッコフから購入する必要があり ります。他の個人や会社がテクノロジーに対する権利を所有し コードとして入手できますが、ソースコードは公開されていま ます。ソースコードは入手不可能です。ETGはマスタ側のサン た場合、将来的な法的利用の見通しは不明確になります。 せん。 プルソースコードを提供しています。特許権者がオープンソー スライセンス型に同意していないため、ソースコードはオープ ンソースとみなされません。* SERCOS III:ソフトウェアマスタはLGPLライセンスの元に、 無償で提供されています。ASICまたはFPGAコードをスレーブ のために購入しなくてはなりません。 * 出典 :Open Source Automation Development Lab (www.osadl.org) 14 15
Page9

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition 投資的価値の存続性 | すでに述べたように、システムへの長期的な投資的価値の存続 柔軟な配線トポロジ ホットプラグ機能 国際標準のサポート 性は、システムがオープンかどうかと関係があります。加えて、 EtherCAT と SERCOS III ネットワークは常に論理リングを構 POWERLINK、EtherNet/IP、PROFINET ではユーザーはホット IEC 61158 国際標準は産業用コントロールシステムで使用され 長期にわたる安全な投資について決定するには、技術的・戦略 成します。このリングは物理的にマスタで閉じることができま プラグ機能が使用可能です。SERCOS III と EtherCAT ではリン るプロトコル(“タイプ” と呼ばれる)を統一しています。IEC 的な点について何度も検討することが重要です。 す。あるいは、デイジーチェーンの場合、物理行の最後のノー グトポロジが必須のため、多少の制限があります。物理的リング 61784-2 は communication profile families(“CPF” と呼ば ドの内部で閉じられます。EtherCAT はトランクを特別なジャ トポロジでは、SERCOS III はネットワークからシングルノード れる)を統一しています。GB 規格は中国国家標準であり、中 既存のアプリケーションプロファイルとの互換性 ンクション経由で分岐させますが、全体のフレームはそういっ を取り除くことを可能にします。この場合、2つの隣り合ったノー 国国家標準化管理委員会によって記述・発行されています。こ 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS た水平方向のネットワークラインを行き来します。つまり、ネッ ドが TX と RX のラインを閉じます。ノードはマスタのどちら側 の規格はすべての産業で中国全土で有効です。GB/Z stands RT | IRT LINK IP III トワーク全体としては、論理リングになっています。 からもアクセスできます。EtherCAT にはいくつかのホットプラ for national technical guidelines. これは主に参考情報的な性 PROFIBUS CANopen DeviceNet CANopen SERCOS II グ機能があります:EtherCAT スレーブコントローラでは、リン 格のものであり、拘束力はありません。通信技術の最高位の認 下位 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS 互換性 RT | IRT LINK IP III クが検知されなければオープンポートは自動的に閉じられます。 定規格は GB/T です。中国の推奨産業規格である GB/T は、い+ + + + + しかし、EtherCAT のディストリビュートクロックは再同期化を くつかの要求を満たす必要があります:完全にオープンなテク ツリー型 トポロジ + + + o o 必要とし、アプリケーションに影響する場合もあります。 ノロジーで、広く使われ、世界標準のテクノロジーでなくては なりません。特定の国や会社の支配下にあってはいけません。 EMC( 電磁両立性 ) 感受性 / 伝送信頼性 星型 + + + o o 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS トポロジ RT | IRT LINK IP III 加重フレーム式プロトコルはシングルフレームプロトコルより PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS リング + + + + + ホット + + + o o LINK IP IIIも干渉を受けやすくなっています。フレームが壊れると、加重 トポロジ プラグ フレーム式プロトコルは必ずサイクル全体を失います。 IEC 61158 Type 10 Type 13 Type 2 Type 12 Type 19 デイジー 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS チェーン・ + + + + + RT | IRT LINK IP III トポロジ 論理リングをベースにしたテクノロジー(EtherCATとSERCOS III)では、 IEC ネットワークトポロジの制限がホットプラグ機能も制限しています。 61784-2 CPF 3 CPF 13 CPF 2 CPF 12 CPF 16 電磁 + + + o o ホットプラグ可能なモジュールはデイジーチェーン(SERCOS III)の片側に感受性 のみ接続可能で、ノード障害のあと、ディストリビュートクロックは再同期 GB 中国 GB/Z GB/T GB/Z GB/T 化を要求します。これはアプリケーションに制限をかけることもあります。 国家標準 25105-2010 27960-2011 26157-2010 31230 可用性の高さ SERCOS IIIは2つのテレグラムを使うため、この比較において POWERLINK の場合のみマスタとケーブルの冗長性がスペックに含 ギガビット対応 は、EtherCATより 信頼性が50%高くなっています。 まれており、実際のプロジェクトに導入されています。PROFINET EtherNet/IP と POWERLINK は完全にソフトウェアベースのテクノロ と EtherNet/IP については、特別なスイッチをベースにしたアプリ ジーなので、これらのプロトコルはギガビットハードウェアでも使うこ 市場の製品 電気的接点 ケーションの導入が可能です。 とができます。 産業用リアルタイムイーサネットをベースにした IRT 製品は一 EtherCAT の特別な機能のひとつとして、すべての通信を内部の EtherCAT はギガビットまで拡張できますが、ASIC の再設計が必要です。 般的に市場で入手可能です。しかし、DFP 機能の導入やそれに I/O ターミナルバスを経由させるというオプションがあります。 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS RT | IRT LINK IP III PROFINET IRT も特にスイッチ関係など、ハードウェアの再設計が多少 合わせた新世代のASIC(Phoenixが供給するTiger Chipなど) しかし、この機能と関連してよく挙げられる優れたパフォーマン 必要になります。FPGAの場合はギガビットイーサネットも利用可能です。 により現行の IRT ソリューションの将来的な互換性が疑問視さ リング・ スは、 干渉感受性(接点と電磁両立性)が増すことによる安全性 リダンダンシ o + o + + れています。 リスクと相殺されてしまいます。 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS マスタと RT | IRT LINK IP III ケーブルの o + o o - 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS RT | IRT LINK IP III 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS リダンダンシ ギガビット RT | IRT LINK IP III 対応 + - + + - o 市場の + o + + + + 電気的 製品 接点 + + + o + sercos InternationalはIPコアは基本的にギガビット対応してい ると述べています。 16 17
Page10

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition パフォーマンスについて | 理論上達成可能なサイクルタイム したがって、もしマスタが他のノードを通過しない、自身にア システムの通信アーキテクチャ システムのパフォーマンスは激しい議論の的ですが、その議論 ドレス指定されたフレームを送信したら、そのフレームは は主に産業用イーサネットによる理論上達成可能なサイクルタ 122µsec(シングルの場合は、最長イーサネットフレーム)が 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS RT | IRT LINK IP III イムにフォーカスしてきました。理論的に可能な最短サイクル 経過すればマスタで再び使えるようになります。 集中型制御 タイムは次のように計算されます: をサポート + + + + + 理論的には受け取りしだい、フレームのパーツは処理可能で 分散型制御 す。しかし、受け取ったデータの有効性を確定する CRC バイ をサポート + + + - o トはフレームの終わりのほうで、最後に届きます。このシナリ Number of bytes: 7 1 6 6 2 38 ... 1 5 0 0 4 オは PHY、ケーブル、イーサネットポートにより影響を受ける ディレイ、マスタの内部データ伝送の時間を織り込んでいませ ダイレクト・クロス・トラフィック 1010…0101..011 Destination Source ん。さらに、信号がマスタを出たあと、ネットワークラインを ダイレクト・クロス・トラフィックの決定的なメリットは、特 移動するのにかかる時間(5nsec/m)とスレーブ内部での処理 にリアルタイム性の要求が非常に厳しい場合にあります。速度 時間も計算に入れる必要があります。 がはやいドライブコントローラでは、軸は簡単に、極めて高い Preamble 精度で同期が可能です。すべての座標値をマスタに通さなくて Starting frame delimiter 予想されるシステムの拡張や将来的に必要になりそうな条件な も直接割り振ることができるからです。その結果、ネットワー Destination MAC address ども、集中型、分散型いずれのアーキテクチャを選択するにし クの負荷が低くなり、またそのデータ(例えば実際の軸の角位 Source MAC address Length (if <1501*) / EtherType (if >1535*) ても注意して考慮する必要があります。さまざまなコントロー 置)が現在のサイクル内の関連するノードすべてで利用可能に Payload data ルループを分散型で処理する利点は、ひとつには基本のサイク なります。もしもデータが先にマスタを通過する必要がある場 Check sequence (cycling redundancy check) ルタイムに大きな影響を与えずにノードを追加できることで 合、1 サイクルだけ遅れるのではなく、ネットワーク上のデー *Decimal values す。つまり、コンセプト全体への根本的な変更をしないですみ タ通信量全体も増加します。 ます。 Number of bytes Number of bits Duration at 100 Mbit/s さらに、コンディションモニタリングや統合型セーフティテク 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS RT | IRT LINK IP III Minimum length 26 + 38 = 64 512 5.1 µs ノロジーなどの追加機能がコントロールコンセプトに与える影 ダイレクト・ 響は、低容量データに大きく依存している集中型アーキテク クロス・ Maximum length 26 + 1500 = 1526 12208 122 s トラフィック + + + - + チャに比べ、少なくなります。 出典: IEEE 802.3において定義されたフレーム構成 POWERLINKとSERCOS IIIでは、ダイレクト・クロス・トラ (フレーム間ギャップ.96µsecを上記に引用された5.1µsecに追加する必要がある) 将来的にも利用可能なソリューションのためには、特にサーボ フィックはスレーブ機能のみを持つモジュールでも使える機能 ドライブなどの場合、分散化されたスレーブの制御サイクルに です。一方EtherNet/IPではスキャナ機能を持ったモジュール おいて 500µsec 以下にする必要があります。 が必要になります。 18 19
Page11

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition 大容量データ通信量 実質的サイクルタイム パフォーマンス・テスト ションで速くなります。EtherCAT はネットワーク伝送量がごく たくさんの処理データを伴うアプリケーションでは、ノードを 加重フレーム方式を使うソリューションでは、データはそれぞ 実際にシステムパフォーマンス比較してみると、様々なシステ 少ないアプリケーションに最適化されています。よりデータ負荷 通過するのに必要な時間がサイクルタイム全体に大きな影響を れコントローラを 2 回通過しなくてはなりません。全てのス ムにそれぞれ特有な性質があるため、難しい試みであることが が重いシステムの場合、EtherCAT 環境ではサイクルタイムの不 及ぼします。そのため、データの優先順位付けをすることで、 レーブと毎サイクル通信するため、ノード数が増えれば増える わかります。EtherNet/IP と PROFINET RT はソフトリアルタ 均衡が起きます。分散型アーキテクチャ ( 例えば、分散型モーショ サイクルタイムを短くすることが可能です。優先順位付けのメ ほど、伝送時間は長くなります。そのため、ネットワーク統合 イム要求のみに適しているため、初めから除外されます。 ンコントロール ) が導入されている場合、EtherCAT はダイレク カニズムをサポートするシステムでは、優先度の高いデータを 型セーフティのパフォーマンスを評価する場合には、各サポー PROFINET IRT は別のアプリケーションアーキテクチャにつな ト・クロス・トラフィック(双方における)の欠如の弊害を大き サイクルに一度ずつ読み込み、優先度の低いデータは n サイク ト団体が公表しているセーフティ・プロトコルのパフォーマン がる必須スイッチが原因で支障を来たします。これは測定結果 く受け、理論的に到達可能なパフォーマンスが激減します。 ルに一度しかポーリングしないということが可能になります。 ス以外にシステムの規模などを考慮し計算する必要がありま の直接の比較をより複雑にします。下記の数値は公表された算 EtherCAT に直接 I/O を統合した場合も、(I/O システムの)サン す。他にもタスクの種類など、制御システム上のアプリケーショ 定条件をもとに策定されています。 プリングレートは低くなります。信号が I/O を通過するのにかか 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS RT | IRT LINK IP III ンの実装状態により、影響を受けます。 る時間が到達するまでのサイクルタイムに直接影響するからで テストシナリオ す。POWERLINK と SERCOS III ではそのゆおな影響はありませ 優先順位 付け + + + o + 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS 1RT | IRT LINK IP III 1. マスタ1個と I/O モジュール 33 個から成る小規模のマシン ん。EtherCAT に関する計算については、Prytz の発表 (2008) パフォーマ ( アナログ 64 チャンネルとデジタル 136 チャンネル ); が参照として使われます。EtherCAT ASIC を通過する信号の遅れ ンスに o + + o + + ついて 2. マスタ1個と、33 個ずつのモジュールがついたイーサネッ は、測定によっても確認されています。POWERLINK については、POWERLINKとEtherNet/IP、PROFINETでは、様々なサイク ルタイムがプロトコルのスペックでしっかり作られています。 トスレーブ 12 個を含む I/O システム1個(全部でデジタル 実機を使ったアプリケーションが実際の測定に使われ、挙げられ SERCOS I I Iは最近になってこの機能が加わりました。 2000、アナログ 500 チャンネルがこのアプリケーションに た数字に対して再確認する必要や疑問の余地はありません。 EtherCATでは、この要求に対するソリューションは特定のアプ リケーションの一部として導入が可能です。 ジッタ 含まれる) ネットワーク上のコントロールの品質においては、ジッタを最 3.2 4 軸のモーションコントロールネットワークとデジタル SERCOS III に対してはテストや計算は行われていません。し セーフティ通信用ネットワーク負荷 小限(クロック偏差)にし、信号のディレイをごく正確にする 110、アナログ 30 の I/O を含む I/O ステーション1個 かし、SERCOS III は POWERLINK と同程度のレベルのパ セーフティ・オーバー・イーサネットは、セーフティノード ( 緊 ことが極めて重要です。 フォーマンスを提供し、多くのアプリケーションで EtherCAT 急停止スイッチ、セーフティコントローラ付ドライブなど)間 このため、ネットワーク・ノードはできる限り正確に同期され 実際には、POWERLINK は EtherCAT よりほとんどのアプリケー より速いと予想できます。 の保護データの周期的な通信をベースとしています。この安全 なくてはなりません。競合するイーサネットの方式では、この 保護プロセスでは、データの二重化と安全な “コンテナ” への 目的を果たすためにそれぞれ異なるメカニズムを採用していま カプセル化・格納が必要となります。これにより、ネットワー す。EtherCAT が ESC (EtherCAT Slave Controller) 内の独自 Better ク上のデータ利用率が上がります。加重フレーム方式を使うソ のアルゴリズムで解決されるディストリビュートクロックの原 リューションではフレームカウントが上がり、反対にシングル 理を使用しているのに対し、POWERLINK ネットワークでは単 Motion decentralized: EtherCAT 542.88 フレーム方式では送られる予定の各フレームのデータ量が増加 純な同期信号(SoC)を経由して行われます。 Motion decentralized: POWERLINK 269.98 します。加重フレーム方式は理論的にはパフォーマンスが優れ ていますが、全体としては変わらなくなります。 指標 PROFINET POWER EtherNet/ EtherCAT SERCOS I/O System: EtherCAT 363.48RT | IRT LINK IP III I/O System: POWERLINK 325.25 ジッタ o + + o + + Motion centralized: EtherCAT 271.44 Motion centralized: POWERLINK 269.98 EtherCAT、POWERLINK、SERCOS III ではシステム上で常時 ほとんどジッタはありません(< 100 ns)。 EtherNet/IPネット Small I/O: EtherCAT 53.4 1 G . Prytz, EFTA Conference 2008, A ワークでは、ジッタはすべてのコンポーネント上の特別なIEEE Performance analysis of EtherCAT and 1588拡張機能によって、かなり削減されます。PROFINET IRT 81.21 PROFINET IRT.EtherCAT テクノロジーグ アプリケーションでもジッタの削減は実現しています。 Small I/O: POWERLINK ループのウェブサイト , www.ethercat. 0 100 200 300 400 500 org. にて参照 最終閲覧 :2011/9/14 Cycle time [µs] 20 21
Page12

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition 導入について | 導入コストには開発費用、ライセンス費用、ハードウェア費用 必要となるネットワーク部品のコスト を含みます。ここではコード ( プログラムまたはハードウェア 外部装置 = 外部スイッチまたはハブ 導入の場合は VHDL) が利用可能かについても考慮に入れる必 内部マルチポート = デバイス、主にデイジーチェーンとリングトポロジに直接統合できるポート 要があります。 マスタ導入 マスタ導入 PROFINET POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III ネットワーク・コンポー PROFINET POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III RT | IRT ネントのコスト RT | IRT マスタアクセス – + – o + 外部装置 + o + o o o 特別な 複雑な機能を持つ 将来的に外部インフラ オープンソースのマスタ openPOWERLINK オープンソースのマスタ 1 普及版 SERCOS III マスタ 標準 スイッチ、 マネージドスイッチが必要 特別なネットワーク・ 装置の仕様を指定して は利用不可 ( オープンソース版 ) は利用不可 特許保護あり API ( オープンソース ) スイッチ IRT サポート 標準ハブまたはスイッチ (IGMP スヌーピング、 コンポーネントが必要 1 いるが、執筆時点では が必要 ポートミラーリングなど ) 未定 導入コスト o – + o + o 内部マルチポート o o + o + + ソフトウェア コプロセッサ ベッコフ ASIC が必要 2 スタックが つきの特別な 標準ソフトウェア上で ソフトウェアスタックが 標準ソフトウェア上で 通常はコプロセッサ 統合型 シーメンス 非常に複雑な FPGA ベースの ハードウェア 動作 高価 動作 サポートが必要 スイッチ ASIC が必要 標準ハブ 統合型スイッチ または 高価 ベッコフ FPGA IP-Core テクノロジー が必要 1 オープンソースでないマスタ、適用性を保証していないサンプルコードのみ 1 EtherCAT では、スタートポロジやツリートポロジには特別なネットワークコンポーネントが必要 すべてのプロトコルが標準イーサネットチップ上のマスタの 2 Beckhoff ET1100. ソフトウェア導入を可能としている。 22 23
Page13

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition 25 $ 20 $ スレーブ導入 オペレーションコスト EtherCAT、SERCOS III、PROFINET IRT については、スレー しかし、ユーザーはプロトコルの複雑さがコードの量や、さら 15 $ オペレーションコストの大部分はメンテナンス費用とネット ブへのバスプロトコル導入にはハードウェアソリューションが に言えば論理ブロックの必要数に影響を与えることを認識する ワ ー ク 運 用 費 で 構 成 さ れ て い ま す。CIP Sync を 使 っ た 必要です (ASIC または FPGA)。POWERLINK、EtherNet/IP、 必要があります。データリンク層機能もこの数量にはかなりの 10 $ EtherNet/IP や PROFINET IRT など、高度に複雑でそのためか PROFINET RT では、マイクロコントローラベースのソフトウェ 影響を及ぼす可能性があります。スイッチはハブより多くのブ なりのネットワーク運用コストがかかるテクノロジーもありま アソリューションも可能です。ソフトウェアソリューション費 ロックを必要とし、複雑なマネージドスイッチは過剰な数の論 5 $ す。さらに、何らかのマネージドスイッチを使う場合、ネットワー 用はスタックのライセンス費用を含みます。費用を追加すれ 理ブロックを必要とします。POWERLINK はもっとも複雑でな 22.2 $ 9.2 $ 15.2 $ 11.0 $ 15.2 $ クの専門知識が必要になります。多くの場合はネットワークエ ば、高機能なコントローラの利用も可能です。 いリアルタイムイーサネットソリューションです。さらに、 PROFINET POWERLINK EtherNet/IP EtherCAT SERCOS III ンジニアが試運転やメンテナンスの場で必要になります。 ハードウェアソリューションについては、ユーザーはFPGAベー POWERLINK はネットワークレイアウト内のハブにのみ依存し RT | IRT スか ASIC ベースの通信インターフェースを選べます。原理上 ているので、このプロトコルは論理ブロックを少ししか必要と この図表における数値は異なる産業用イーサネットソリュー ソリューションで使用される同期テクノロジーがリアルタイム は、FPGA はソフトウェアソリューションにも使えます。 せず、小規模の FPGA に適しています。 ションを導入した経験のある様々なメーカーからのフィード 通信では重要な役割を持っています。POWERLINK と SERCOS バックを元にしています。オートメーション業界誌上のメー カーの数字から引用したものもあります。PHY (2 × 1.1 $)の III では非常に正確でエラーで支障を来たすことがごく稀なマ FPGA(Field-Programmable Gate Array) は、ハードウェア EtherCAT と SERCOS III は逆に要求が多く、より多くの論理 コストはすべてのプロトコルに対して同じ方法で係数をかけて スタ管理のメカニズムを通して同期を確立しています。IEEE ディベロッパが自分で構成できる統合型回路です。プログラマ ブロックを必要とします。 います。コネクタは除外しています。 ノード当たりの見積コストは年1000ユニットとして計算してい 1588 対応の同期メカニズムに依存しています。結果として特 ブル・ロジックコンポーネント、いわゆる論理ブロックとリコ ます。 にハードウェアやソフトウェアのエラーにより同期に障害を起 ンフィギュラブル・コンポーネント回路用の階層からできてい PROFINET:計算はERTEC200 ASICを使ったソリューションを こしているデバイスを隔離しなくてはならない場合、ネット ます。ASIC が実行できる論理関数は FPGA にも導入できます。 異なるリアルタイムイーサネット環境でのノード接続 反映しています。将来的には導入の際、フェニックスコンタク ワーク運用が著しく複雑になります。 機能は試運転前にカスタマイズできます。FPGAのソリューショ コスト トによって開発されたTPS1チップを装備したデバイスも使われるかもしれません。その場合、コストはEtherCATと並ぶレベル ンにおいて 1 回ごとの開発費用は ASIC よりも低くなります。 下記のノード当たりの接続コストはハードウェアの運用費を参 まで落ちる可能性があります。POWERLINKの価格レベルには ホットプラグなどの機能( 動いているネットワーク上でデバイ FPGA は産業用イーサネットソリューションにとって魅力的な 考にしています。発生の可能性があるソフトウェアスタックな なりません。 スを交換するオプション)は、メンテナンス費用を下げるのに テクノロジーのひとつです。コストが低くパフォーマンスは高 どに対するライセンスコストは考慮されていません。 POWERLINK:計算はFPGAベースのソリューションに当てはめて 大いに役立ちます。システム全体のリアルタイム機能に何も障 います。RAMとフラッシュメモリのコストは考慮されています。 く、マルチプロトコルを使えて、そのうえデータリンク層の機 害を与えずに交換デバイスを更新・構成できるからです。 能を統合した部品(ハブ、スイッチ)も使えるようにしている EtherNet/IP:EtherNet/IPの数字はおおよそFPGAソリューションに当てはめています。 コスト PROFINET POWER- EtherNet/ EtherCAT SERCOS からです。 EtherCAT:計算は最も安価な、イーサネットポート (ET1100) RT | IRT LINK IP III を2つ使ったEtherCAT ASICソリューションに基づいていま す。FPGAに対するEtherCATソリューションはもっと高くなり 購入費用 o - + o + o ます。リアルタイムクロックを使った同期ソリューションの場 合、もっとも違いが出ます。 オペレーション コスト o + o + + SERCOS III:SERCOS IIIの数値は典型的なFPGAソリューショ ンに当てはめています。 24 25 Minimum Hardware Costs
Page14

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition OPC UAと産業用イーサネット | OPC UA とは何か? ベンダーとプラットフォームから独立しており、たとえばイン OPC UA はユーザに何を提供するのか? トワーク上のすべてのクライアントに提供し、直接後処理を行 OPC Unified Architecture (OPC UA) は、産業用オートメー ターネット経由でも伝送可能です。OPC Classic の機能はすべ OPC UA は加工前データや前処理された情報をセンサやフィー えるようにします。クライアントはコントローラでも、 ション・アプリケーション向けのベンダー独立型通信プロトコ て OPC UA に引き継がれています。情報モデルも標準化されて ルド・レベルから監視制御や生産計画システムへ伝送可能にし SCADA、ERP システムでも使用可能です。 ルです。クライアント・サーバ型の原理をベースにしており、 います。ひとつのサーバだけで、プロセスデータ、アラーム、 ます。インターフェースやゲートウェイ、それに関連する情報 ERP システムから個々のセンサ、アクチュエータに至るまで 履歴、プログラム呼び出しなどを行うことができます。 の損失というのは昔の話です。 アラーム・データ(AC) シームレスな通信を可能にします。OPC UA プロトコルはフレ アラームとコンディション(AC)情報モデルはアラームとコン キシブルで、プラットフォーム独立型であり、組込み型のセー セキュリティも完全に統合 OPC UA は生産データ、アラーム、イベント、履歴データを ディションがどのように扱われるかを定義します。アラームま フティ・メカニズムを持っており、そのためインダストリー 4.0 プロトコルには複数の統合型セーフティ・メカニズムがありま OPC UA サーバ上で統合可能にします。これによって、たとえ たはコンディションが “イベント” と呼ばれるトリガを変更し の実現にとって理想的な通信プロトコルであると考えられてい す。必要な場合は、ユーザレベルのセキュリティ、アプリケー ば、温度測定機器を温度の値、アラーム・パラメータ、さらに ます。クライアントはそのようなイベントをサブスクライブ(購 ます。 ションレベルのセキュリティ、伝送レベルのセキュリティを個 対応するアラーム・リミットを収容するオブジェクトとして機 読)し、利用可能な付随データのうち、どれを通知メッセージ 別に、または組み合わせて実装できます。安全性の高い X.509 能させることも可能になります。この情報はすべての OPC UA (メッセージ・テキストまたは受信確認など)の一部として受 OPC の起源 証明書をベースとしており、OPC UA は厳格な IT セキュリティ クライアントで利用可能です。 信するかを選択します。 最初の OPC(現在では OPC Classic と言われます)は、工業 規格に適合しています。 生産におけるベンダー独立型データ交換のために、90 年代に データは情報として役立つようになります。 ヒストリカル・データ(HA) 開発されました。OPC (OLE for process control) はマイクロ OPC ファウンデーション ベンダやプラットフォームの制限なくデータを使えるようにす ヒストリカル・データ(HA)情報モデルはクライアントがさ ソフトのテクノロジーである OLE と COM/DCOM をベースに OPC ファウンデーションは、OPC UA 標準規格の策定と開発を るために、OPC UA はどんな OPC UA 対応デバイスでも解釈、 まざまな変数値やイベントの履歴にアクセスできるようにしま しています。 行う第三者委員会です。2015年12月時点で、OPCファウンデー 使用できるようにするために必要なコンテクストを含む情報 す。データの読み出し、書き込み、編集が可能になります。デー ションのメンバーは 450 団体にのぼり、大手オートメーショ に、データを変換します。このプロセスはデータ・モデリング タはデータベース、アーカイブ、または別々のメモリに保管が OPC UA の開発 ン・メーカのメンバーも多数在籍しています。 と呼ばれます。OPC UA の仕様には、汎用情報モデルが含まれ 可能です。 2006 年、後継の標準である OPC UA の仕様が策定され、 ており、必要に応じて追加モデルのベースとして使用できま Windows ベース・システムへの依存をなくし、他にも多くの す。最も重要なモデルとしては: プログラムとファンクション(Prog) イノベーションを取り入れました。OPC UA プロトコルは分割 プログラム(Prog)情報モデルはプログラムとファンクション された通信スタックをベースとしています。OPC UA は 100% プロセス・データ (DA) を呼び出します。たとえば、バッチ・プロセスを実装するため センサ、コントローラ、エンコーダがプロセス・データを生成 に使用できます。OPC UA 経由でレシピをラインに送り、制御 します。データ・アクセス(DA)情報モデルはこのデータをネッ 値をアプリケーションに返します。 ベンダ情報モデル 産業標準情報モデル (コンパニオン仕様:FDI, PLCopen, 情報 POWERLINK, …) モデル DA AC HA Prog 情報アクセス (データ・モデルとサービス) OPC UA トランスポート – ベース プロトコル・ Discovery マッピング 26 27 セキュリティ 堅牢性
Page15

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition OPC UA vs. 産業用イーサネット OPC UA と POWERLINK OPC UA のリアルタイム性 標準イーサネットのリアルタイム性 OPC UA は最近のサービス志向アーキテクチャ(SoA)をベー OPC ファウンデーションと EPSG は、生産システム内またはシ 今までは、リアルタイム要求のある複雑なプロセスとなると、 出版-購読型モデルだけでは、OPC UA にリアルタイム性を持 スとしており、既存のフィールドバス・ソリューションを補う ステムどうしのインターフェースフリーな通信に協力して取り OPC UA には限界がありました。そのため、OPC ファウンデー たせるには不十分です。そのため、OPC ファウンデーションは ものとして理想的です。OPC UA はどんなフィールドバスや産 組んでいます。これを可能にするために、コンパニオン仕様を ションは OPC UA をリアルタイム性を持った通信標準にするこ Time Sensitive Networking (TSN) も採用しています。TSN 業用イーサネットシステムが使用されているかに関わらず、製 共同開発しています。マシン・データはすべて OPC UA サーバ とを目的とし、2 つの拡張を図っています。ひとつは出版ー購 はリアルタイム性を目的とした複数のサブ・スタンダードを 造プラント向けの包括的で一貫性のある通信ソリューションの から機械のコントローラへ割り当てられるので、標準化された 読型モデル、もうひとつは TSN(Time-Sensitive Networking) 使って IEEE 802.1 イーサネット標準を拡張します。 カギをほぼ 100%握っています。POWERLINK、PROFINET、 方法で与えられます。 向けの IEEE802.1 規格の利用です。 EtherCAT、SERCOS について、対応するコンパニオン仕様が 自動車産業は TSN の開発を推進 発表されています。これによって OPC UA は、上流プロトコル 将来的には、OPC UA を完全に POWERLINK プロトコルに統 出版-購読型モデル 自動車産業は TSN に依存しているので、必要な半導体コンポー レイヤに対する事実上のグローバル・スタンダードとなってい 合することが可能になります。非同期フェーズにおいて(リア OPC UA は、クライアント / サーバ・メカニズムによって動作 ネントは非常に早く比較的安価で手に入ります。自動車産業 ます。 ルタイム・データとは別に)POWERLINK はどんなイーサネッ します。クライアントは情報を要求し、サーバからレスポンス は、機能安全が必要なコントロールタスクとアプリケーション ト・プロトコルでも伝送可能です。 を受け取ります。このアプローチには、特定の情報が異なるク もイーサネット経由で扱うことを幅広く目標としています。こ OPC UA ライアントに定義された時間内に正確に到達しなければならな れを可能にするには、リアルタイム・レンジのサイクルタイム (Service-oriented Architecture) 結果として、POWERLINK と IT の世界を結ぶインターフェー い状況では、限界があります。それに対して、出版-購読型モ と決定論的なネットワーク動作が必要です。 スがいらなくなるので、ゲートウェイは不要になります。 デルは 1 対多、または多対多の通信を可能にします。サーバは POWERLINK PROFINET EtherCAT SERCOS III SCADA システムは OPC UA を利用してセンサにアクセスした ネットワークにデータを送信(出版)し、すべてのクライアン OPC UA - 製造プラントの標準 り、パラメータの変更を行ったり、診断情報を引き出したりで トはこのデータを受信(購読)できます。また、データが伝送 OPC UA はすでに、昨今の生産システムの IT 関連分野で中心 IEEE802 Ethernet きます。OPC UA のサービスはすべて制限なく利用可能になり される間隔も正確に定義することができます。 的な役割を果たしています。TSN と出版-購読型モデルの追加 ます。 によって、OPC UA で可能なアプリケーションの幅を大きく拡 OPC UAは事実上の標準として選ばれています げます。安全な、プラント全体を結ぶイーサネット通信を、E RPシステムからセンサまで、最小限の費用と手間で導入する ことができます。 28 29
Page16

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition セーフティ機能 | 製造環境における安全要件はこの 10 年ほどで非常に厳しく 新しい標準により厳格な認証手順を踏む新しい機械が必要にな 一見、ハードワイヤリング式のほうがコストがかからないよう どのように機能するか なっています。EU の 2006/42/EC 機械指令導入により、機械・ り、使用されるセーフティコンポーネントのパフォーマンス要 に見えるかもしれません。ハードウェア部品の購入費用が低い 認証済ソフトウェアをベースにしたセーフティアプリケーショ プラントメーカーはこの問題にフォーカスするようになりまし 件は引き上げられています。多くの新しく革新的なセーフティ ため、多くのケースではそうなるかもしれませんが、セーフティ ンは、カウンター、タイマー、スピードモニタなどのファンク た。メーカーは高い生産性レベルを保ちつつ、作業者の傷害に 製品の助けもあり、メーカーはセーフティソリューションの概 ソリューション全体から見ればそうではありません。システム ションブロックを使ってプログラムされています。専用のセー 対する保護と機械自体の損傷に対する保護を保証する総合的な 念設計に対するアプローチの変化を促進しています。機械の安 が単一の緊急停止ボタンより複雑になれば、ネットワーク統合 フティコントローラ上で動作し、従来のハードワイヤリング安 ソリューションを設計するよう求められています。 全境界が侵害されたときに反応するのは、もはや機械のすべて 型セーフティシステムを選ぶのが好ましいです。部品や必要な 全回路にとって代わります。ソフトウェアでのセーフティアプ のパーツを直ちに止める緊急スイッチだけではありません。安 配線の数を減らし、ハードワイヤリングをコンフィギュレー リケーションの導入により、セーフティコンポーネントと標準 全制限速度で稼動を続けるといったスマートな安全反応によ ションやパラメータセッティングに変えることで、安全論理回 I/O モジュールの両方の数を減らすことができます。これによ り、最高速度に戻るまでの時間を削減し、よりよい生産性をも 路設計をより柔軟なものにします。また、エラー診断が大変簡 り、既存のネットワーク接続経由の安全なデータ伝送が個別の たらしつつ、多くの場合は要求されるレベルの保護を実現する 単になります。集中型データストレージと組み合わせれば、リ 配線に代わるとともに、セーフティ導入のコストと複雑さを非 ことができます。多くの例ではそのことにより、特に学習・調 カバリが速くなります。ネットワーク統合型セーフティによっ 常に小さくすることができます。既存のネットワーク接続を利 整シナリオにおいて、作業者と機械のより直接的な交流を可能 てプラントと機械の可用性が最大になります : 用するため、機械のレイアウトとオプションの種類を増やして にします。 も専用のセーフティ接続を必要としません。また、セーフティ – セ ーフティセンサが直接ネットワークにつながっている アプリケーションの設計や、既存のプラントと機械のライフサ ハードワイヤリングからネットワーク統合型へ – コ ンポーネントの情報を直接読み出せる イクル中の修正について柔軟性と自由度を改善します。診断用 従来の安全装置は専用のスイッチング回路と配線で接続されて – ネットワーク全体にわたって部品のパラメータセッティング 信号は追加のハードウェアがなくても伝送可能です。全体とし おり、多くの場合、セーフティロジックはハードウェア内部に が自動化されているため、メンテナンスが容易 てみれば、統合型セーフティを使うことでエンジニアリングを ハード的に組み込まれています。多少の手間はかかりますが、 – ランタイム中のパラメータセッティングにより、より安全な スピードアップし、市場へ出す時間を大幅に縮めます。 理論的にはこの方式で多くのケースをカバーすることが可能で オペレーションモードの切替が可能 す。 – リ レーによって起きる待ち時間がなくなるため、反応時間が しかしながら機械メーカーは、装置の付加価値向上のため、統 減少 合型セーフティのメリットを認識し始めています。安全用プロ – ネットワーク構成とセーフティソフトウェアにサポートされ グラマブル・コントロール・ハードウェアと I/O モジュールを たモジュラーデザイン ベースにしており、既存のフィールドバスを使って安全関連の – 総 合的診断により可用性が向上 データを交換します。 – 部 品の数と配線を削減 – セーフティ機能の種類が非常に多くなる ( 安全稼動停止、安 全制限速度 ...) 30 31
Page17

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition ブラックチャネルの原理 安全システムがどのように動作するか | | セーフティ・フィールドバス・システム 標準バスまたはネットワーク・ライン経由のセーフ CIP Safety セーフティ向けフィールドバスはプラントや機械内でのコン ティデータ伝送 CIP Safety プロトコルは EtherNet/IP または DeviceNet を経 CRC (cyclic redundancy check) の計算のために、CIP Safety ポーネントの配置を簡単にします。多くの場合、必要になるの ブラックチャネルの原理によってフェイルセーフと標準データ 由したセーフティデータ伝送向けの仕様となっています。CIP プロトコルは8ビットから 32 ビット CRC までの5つの異なる は電源用と通信用の 2 本のケーブルのみです。センサはセーフ を同じネットワークやバスライン経由で伝送可能になります。 Safety プロトコルは既存の CIP(Common Industrial Protocol) フォーマットを利用します。これは、データサイズが 1 ~ 2 バ ティネットワークに直接取り付けることができます。診断用信 そのラインで使用される通常のデータ伝送メカニズムから独立 サービスを土台として使い、プロデューサ / コンシューマメカニ イトなのか、または 3 ~ 254 バイトなのか、そしてチェック 号の返信用に別のケーブルは必要ありません。これによって、 しているため、セーフティコンポーネントは基本のネットワー ズムを安全ノード間のデータ交換に利用します。ここでいうコ サム計算によってカバーされるデータの幅によって決まりま 必要なハードウェア部品が削減できます。 クチャンネルセーフティフィールドバスは独自の物理的特性を ンシューマとは指定された「発信元」、プロデューサーとは「宛 す。“Unique Node Identifier(UNID)” は安全ノードの固有識 持たない純粋なアプリケーションプロトコルなので、利用でき 先」のことを指します。プロデューサとコンシューマの間の安 別のために使われます。これはネットワーク ID とノードアド ブラックチャネルの原理を使って、セーフティ関連のデータや る帯域幅とサイクルタイムは使われているデータ伝送プロトコ 全時刻同期は時系列監視によります。提供されるネットワーク レスの組合せであり、MAC アドレスに等しくなっています。 診断用情報を既存のネットワーク接続経由で交換します。この ルによります。データ伝送の間に起きる可能性のあるエラー 上のすべてのノード間の同期や、安全メッセージの発信の時間 DIP スイッチを使うか、またはソフトウェアの構成によって手 ため、より速いレスポンスが可能になります。運転モードが変 と、適切な対処方法は IEC 61784-3 規格に定められています。 はタイムスタンプを使って決定されます。この方法は処理され 動で設定できます。起動段階で、発信元はネットワーク上の構 更された場合に最適化されたパラメータ設定がセンサにダウン そういった予防措置を安全なデータ伝送プロトコルの極めて重 たデータが最新であるよう保証します。安全データの伝送には 成された UNID をチェックします。タイムアウトディレイ、 ロードされるようにし、また部品交換の際にデバイス自体の上 要な部分として導入する必要があります。伝送エラー検出の要 “Safety Validator Objects” が使われます。これは CIP Safety ping の間隔やノードの最大数など、他のパラメータは Safety でパラメータの調整をしなくてよいようにするプロトコルもあ 求品質は、どの程度のセーフティレベルに到達する必要がある ネットワーク内のメッセージの整合性を作り、保証します。こ Configuration Tool (SNCT) を使って構成されます。 ります。こういった機能により生産性を最大にし、ダウンタイ かによります。 れらのオブジェクトはセーフティ通信とフィールドバスまたは ムを削減します。 使用されているネットワークの間の橋渡しをします。データ伝 送のためには、プロトコルはシングル伝送またはマルチキャス ト接続を提供しています。それらの利用は、接続をサポートす るのに使われるチャネルの容量に依存します。 Safety Standard Safety Standard Application Application Application Application Pneumatic Safety Other Valves AC Drives Semi Devices Other Profiles I/O Block Safety Profiles Object Library Safety-Specific CIP- CommonObject Library Safety Indus trial Protocol Safety layer Safety layer Safety Data Management Services Safety Layer (CIP) layer Explicit Messages, I/O Messages Connection Management, Routing Communication Protocol Communication Protocol TCP UDP “Black Channel” DeviceNet ControlNet Transport Transport Internet Protocol (IP) Ethernet CAN ControlNet Networ k CSMA/CD CSMA/NBA CTDMA Adaptions of CIP Industrial Ethernet, Fieldbus, Backplanes... Ethernet DeviceNet ControlNet Physical Layer Physical Layer Physical Layer ブラックチャネル・メカニズム EtherNet/IP DeviceNet Contr olNet 32 33
Page18

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition PROFIsafe openSAFETY PROFIsafe は「マスタ - スレーブ」メカニズムを安全テレグラ アドレス(ユニークコード名)は自動的に F- デバイスに伝わ openSAFETY は安全関連のデータをどんなフィールドバスや openSAFETY Object Dictionary (SOD) はすべてのパラメー ムの伝送に使用します。通常「F- ホスト」と呼ばれるマスタは、 りますが、宛先のアドレスは DIP スイッチを介してデバイスで ネットワーク経由でも伝送できることをねらいとして設計され タと個別ノードそれぞれの設定を管理します。ノードの構成と 「F- デバイス」と呼ばれるスレーブ全てと、循環的に安全に関 直接調整されます。F- デバイスは設定を “GSD(General ました。イーサネットベースかどうかにかかわらず、どんな 起動フェーズが完了すると、プロデューサとコンシューマの間 係するデータを交換します。各 F- デバイスは、F- ドライバー Station Description)”を経由した F- パラメータと、I- パラメー フィールドバス上でも使用できます。 の周期的データ伝送が開始されます。セーフティ・クリティカ に F -ホストと F- スレーブの間で「セーフティ PDU」(Protocol タ(個別のF-デバイスパラメータ)の伝送を通して受信します。 ルなデータの伝送には、Safety Process Data Objects (SPDO) Data Unit)と呼ばれる安全メッセージの調整をさせます。 これあのパラメータは iPar サーバ内で管理され、そこから標準 安全データの伝送には、プロデューサー / コンシューマーモデル が使われます。openSAFETY フレームは2つのサブフレーム PDU の CRC 計算は伝送されるメッセージのサイズにより、サ インターフェースを使って PROFIsafe デバイスに伝送できま が使われます。このモデルの長所は、openSAFETY ネットワー から出来ています。1-8バイトのペイデータにはCRC8を使い、 イズは 12 バイトまでの「スリム PDU」と 123 バイトまでの「ロ す。通常、iPar サーバは「CPD- ツール」(共同プロダクトデザ ク内のすべてのコンシューマーがプロデューサーによって送ら 9-254 バイトのペイロードには CRC16 を使って、最大 240 バ ング PDU」で区別されます。CRC24 はスリム PDU の計算に イン)と呼ばれるエンジニアリングツールに統合されます。プ れたメッセージを受領し、そのまま処理できることです。各 イトの安全データを送ることができます。 使われ、ロング PDU には CRC32 が使われます。メッセージの ロダクトデザイナーにとっては、これは完全に F- デバイスを openSAFETY ノ ー ド は 独 自 の UDID(openSAFETY Unique 受信者がテレグラムが正しいシーケンスで届いているかを判断 構成するために、GSD ファイルを作成する必要があり CPD- Device Identification) ナンバーを持っています。起動のプロセ openSAFETY を使えば、非常に大きなネットワークを作るこ する方法として、PROFIsafe は安全テレグラムの連続番号を使 ツール用のインターフェースを各製品のために供給する必要が スで、Safety Configuration Manager(SCM)はデバイスタイ とができます。それぞれの openSAFETY Domain (SD) には、 用します。さらに、テレグラムの受信時にリセットされる許容 あるということになります。 プと UDID をチェックし、正しいネットワーク構成が使われて 1023 個までのセーフティ・ノードを接続できます。SCM に対 時間(F- ウォッチドッグタイム)をモニターし、常にその時点 いることを自動的に判断します。ユーザーによる確認の後、要 応しているため、追加のハードウェアスイッチは必要ありませ で有効なテレグラムが読まれるようにします。いわゆる F- パ 求されるパラメータは自動的に Safety Nodes (SN) に伝送され ん。ひとつの openSAFETY ネットワークの構成は最大で、 ラメータ(PROFIsafe パラメータ)は F- ホストと F- デバイス ます。自動設定によってメンテナンスの時間が削減され、結果 100 万 以 上 の セ ー フ テ ィ・ ノ ー ド を 持 つ 合 計 1023 個 の の一意識別子を提供します。 として機械の可用性が向上します。 openSAFETY ドメインになります。個々のドメイン間の通信 User Program F-Device Technology (Logic Operations) iParameter (e.g. Laser Scanner) は openSAFETY Domain Gateway (SDG) によって行われま す。 Services Services F-Host Diver Instance F-Parameter F-Device Driver State Machine State Machine Safety Related Application openSAFETY PROFIsafe Message Industrial Ethernet CRC Control Byte Output Data POWERLINK PROFINET EtherNet/IP Modbus/TCP SERCOS III Input Data Status Byte CRC 34 35 TCP/IP CAN USB LVDS IO-Link RS485 . . .
Page19

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition 統合型セーフティシステム比較 | FSoE Fail Safe over EtherCAT (FSoE) は FSoE マスタと FSoE スレー での「シーケンスナンバー」を作成します。こうして現時点で有 認証 テクノロジー ブ EtherCAT を使う EtherCAT を通じた安全データの伝送スキー 効なメッセージのみを処理するようにします。個々のデバイスの 指標 CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE 指標 CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE ムです。各 FSoE サイクルにおいて、マスタはセーフティ PDU アドレス指定には、DIP スイッチを使ったハードウェアのセッ (Protocol Data Unit) をスレーブに送り、同時にウォッチドッグ ティングにより独自のノード番号を割り当てる必要があります。 ブラック ペイロード チャネル データの二重 – – タイマーをスタートさせます。スレーブは受信したデータを確 各 FSoE マスタは「FSoE マスタハンドラー」を含んでおり「、FSoE ベース + + + + 化サポート + + 認・演算してからマスタに返します。この場合、スレーブもウォッ スレーブハンドラー」を通してスレーブと通信します。オプショ IEC マルチキャスト チドッグタイマーをスタートさせます。マスタはウォッチドッグ ンとして、マスタに導入可能な追加の「FSoE スレーブハンド 61784-3 + + + + メッセージング – –サポート + + タイマーを止めて、スレーブと同じようにデータを受信・処理し ラー」によって、ネットワーク内の別のマスタとの通信が可能に 認証機関 TÜV Rheinland TÜV Süd TÜV Süd セーフティ ます。このサイクルが完了して初めて、マスタは新しいセーフティ なります。PDU の伝送を厳密に保護するために、安全データ2 TÜV Süd デバイス + o oIFA IFA TÜV Rheinland 構成 + PDU を作り出します。このメカニズムのため、安全通信は常に バイトごとに、CRC16 が1回使われます。10 バイトの伝送に対 セーフ・モー 使われるハードウェアとトポロジに依存します。 して、CRC16 が5回使われることになります。 ション・コン o + + + 一般的に言うと、いろいろな統合型セーフティテクノロジーが トロール ありますが、どれも同じように安全要件を満たしています。こ マスタ・スレーブ間のアドレスの関係は「FSoE- 接続」と呼ばれ パラメータ設定自体は、仕様化されていません。パラメータ化 れらはすべてI「ブラックチャネル」の原理をベースにしてお ます。その特徴は独自の接続 ID にあります。16 ビット接続 ID のプロセスはユーザーがプログラムしたアプリケーションソフ り、IEC 61784-3 規格に掲載され、SIL3まで認証されていま 安全デバイスの設計において、テクノロジーを考慮に入れるこ す。しかし、セーフティの背後にテクノロジーがコンポーネン とは大きな意味を持っています。セーフティフレームの複雑さ がマスタによって個々のスレーブに伝送されます。ユーザーは各 トウェアの一部である必要があります。FSoE の仕様が要求さ トメーカーやエンドユーザーに採用されるかどうかを決めるの によっては、構成に余分な導入の労力が必要になり、好ましく スレーブに独自の ID が与えられるような方法を使う必要があり れるパラメータを詳述するのに対し、ユーザーは個々の FSoE に直結した指標が隠れています。顕著な違いは手近で問題解決 ありません。 ます。ランプアップシーケンスの正しい識別のために、マスタと スレーブが正しいパラメータを受信できるようにする必要があ するためのアプリケーションにテクノロジーを容易に統合でき マルチキャストメッセージをサポートすると、レスポンスタイるかどうかです。 ムを速くする助けになります。これは同様に、プラントや機械 スレーブの両方がすべてのメッセージについて 0 から 65535 ま ります。 の設計全体にも影響を与えます。例えば、機械の設置面積や必 要な床面積を削減できます。 メンテナンスやデバイスの交換の後、セーフティスレーブは 指標 CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE セーフティマスタによって自動的に構成されなければなりませ Safety-over-EtherCAT Software Architecture ん。デバイスが異なるマスタによっても構成できるように、構 SIL3 認証 成インターフェースは独自に指定する必要があります。 (IEC + + + + PROFIsafeに対しては、この要求をカバーするためにiPar- Safety Application 61508) Serverが開発されました。マーケットでの相互運用状況は不明 Application です。というのは、以前は構成データはシステム内ではなく、SIL4 対応 o o + o 使われるマスタのメーカーから来たからです。 Safety Objects Safety Data FSoEはカプセル化された安全データを安全アプリケーションに 伝送する安全パラメータ化チャンネルを提供していますが、安 Safety Management openSAFETYテクノロジーはSIL3まで認証されています。まだ 全アプリケーションパラメータのアドレス指定スキームは存在 認証されてはいませんが、このテクノロジーの中核原理は しません。 Application Layer (AL) probability of failure on demand (PFD)を含め、SIL4に対応 する準備ができています。 EtherCAT Data Link Layer (DL) EtherCAT Physical Layer 36 37
Page20

システムの総まとめ 5大テクノロジー 3rd Edition デバイスの導入 統合化 パフォーマンスについて セーフティプロトコルはアプリケーションプロトコルなので、 セスでは信号の遅れが4倍になり、貴重な反応時間が経過して 指標 CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE 指標 CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE セーフティネットワークのパフォーマンスは土台となるデータ しまいます。軸の緊急停止距離が故障応答時間の二乗と負の加 法的制限 + – + – スタックの互換性 o o + – 伝送プロトコルに依存します。ベースとなるプロトコルの選択 速度で増加するので、信号伝送時間が4倍になると緊急停止距 により、利用可能な帯域幅やサイクルタイムだけでなく、ホッ 離は 16 倍に延びることになります。 投資の 保護 o o + o パフォーマンスについて o o + o トプラグ機能やクロストラフィック機能などの機能性も変化し ます。 指標 CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE開発時間 + + + o アドレス 指定 + – + – クロストラフィックは安全指向のシステムのパフォーマンスに 導入 – o + + Safe Reaction Time o o + o おいて決定的な役割を演じます。クロストラフィックをサポー CRC の範囲 8-32 ビット 24-32 ビット 8-16 ビット 16 ビット トするネットワークでは、セーフティノードはマスタを通して 現時点でのマー ケットシェア o + o – 20 バイトネット異なるメーカーのセーフティ製品どうしの互換性を確保するた ルーティングせずに、互いに信号を直接伝送しあうことができ データに対して 2 1 2 10必要な CRC 演算 入手可能な めには、マーケットのすべてのスタックの間で互換性があるよ ます。これは危険な状態のときに最適な反応時間をもたらしま 認証済スタック + + + – うにすることが不可欠です。 す。クロストラフィックをサポートしないネットワークでは、 異なる CRC の数 5 2 2 1 openSAFETYのオープンソース・ストラテジーはスタックの互 セーフティノードはシグナルをフィールドバスマスタノードに デバイスメーカーにとって、独立性と導入コストは重要な検討 換性を保証します。 事項です。導入については、ライセンス料、ソフトウェアス 送り、そこからネットワークのセーフティマスタに確認のため タック、適応テスト、認証などあらゆるコストを比較の際に考 セーフティネットワークではすべてのノードが固有のIDを持っ に中継されます。それからフィールドバスマスタノードに返さ 異なるチェックサムを必要数行うことで、導入の複雑さが増 慮に入れています。それぞれのテクノロジーの複雑さと必要な ていなくてはなりません。パラメータセッティングのエラーを し、開発費用も高くなってしまいます。 さらに、多重にCRCのれ、さらに受信セーフティノードに転送されます。クロストラ リソースへのインパクト、導入コストも同様です。 避けるために、アドレス指定は自動化される必要があります。 演算を行うと、安全基準違反に対する反応を著しく遅らせま しかしながら、PROFIsafeとFSoEのプロトコルは、DIPスイッ フィック経由のダイレクトなデータ伝送に比べると、このプロ す。 PROFIsafeとFSoEはそれらのユーザー団体のプロトコルに限定 チを使ったそれぞれのセーフティデバイスに対してマニュアル しています。これは、異なるオートメーションシステムと のアドレス指定を要求します。これは、制御盤内部の安全機器 フィールドバスを使用する装置が組合わさった場合に、いくつ の導入・組み付けをより複雑にします。ヒューマンエラーは、 かのセーフティプロトコルを導入する際の要求にもつながる可 特に保全計画においては、パラメータセッティングの障害につ 能性があります。CIP Safetyはブラックチャネル内の専用の ながる可能性があります。ハードウェアスイッチを使ってモ openSAFETY Failsafe over EtherCAT CIP抽象化レイヤの導入が必要になり、結果としてエンジニアリ ジュラーマシンコンセプトを作るのも、非常に困難です。この ングの労力が増えます。 タイプのアドレス指定は常に柔軟性がなく、コンポーネントを 自動で構成することができないからです。 POWERLINK EtherCAT Master Master 指標 CIP Safety PROFIsafe openSAFETY FSoE プロデューサ・コンシューマの原理に従って、openSAFETYは PROFINET ダイレクトクロスコミュニケーションをサポートし、非常に速 3 サポートさ EtherCAT いリアクションにつながっています。PROFIsafeやFSoEのよう Safe Safe 2 れている産 EtherNet/IP EtherNet/IP業用イーサ に、すべてのセーフティメッセージをマスタ経由でルーティン PLC PLC クロストラフィックによる信号伝 ネットプロ SERCOSIII PROFINET Modbus EtherCAT 4 POWERLINK グするとサイクルタイムは延びます。したがって、セーフティ 送 時 間 短 縮 の 例: ク ロ ス ト ラ トコル PROFINET リアクションのための貴重な時間が奪われます。 フィックはセーフティノードどう SERCOSIII Safe Safe1 Motion 1 Motion しの互いの直接通信を可能にするSafe Safe CIP Safetyはクロストラフィックをサポートする発信機能を要 Sensor X Sensor X のに対し(左側)、クロストラオープン ソース導入 – – – 求しますが、スレーブ(宛先)間のクロストラフィックは不可 フィックをサポートしないシステ 可能 + 能です。 ムでは信号経路が4倍になる(右 側)。 Task: Task: openSAFETYスタックは現時点ではセーフティ通信用の唯一の (X) Safe Sensor has to send data to Safe Motion (X) Safe Sensor has to send data to Safe Motion オープンソースソフトウェアです。 技術的にも法律的な見地か らも、openSAFETYは完全にテクノロジーから独立しています。 Solution: Solution: (1) Safe Sensor sends data to Safe Motion (1) Safe Sensor sends data to EtherCAT Master (2) EtherCAT Master relays data to Safety Master (3) Safety Master sends data to EtherCAT master (4) EtherCAT master relays data to Safe Motion 38 39