ネットワーク技術は何十年も前から存在していますが、これまでで最も有名なものの1つがイーサネットです。しかし、イーサネットは、信頼性と低遅延が求められる大規模な産業用ネットワークには急速に不向きになってきています。
この記事では、 シングル ペア イーサネット (SPE) とタイム センシティブ ネットワーキングがどのように役立つかについて説明します。
導入
ネットワーク テクノロジーを選択する場合、選択肢は多数あります。一部のネットワーク テクノロジーは物理層に重点を置いており、他のネットワーク テクノロジーは物理層で使用されるプロトコルに重点を置いています。たとえば、イーサネットはコネクタの種類、電圧、データ レートを記述しますが、TCP/IPはイーサネット経由でデータを送信する方法を記述します。よく使用されるネットワークの他の例としては、 CAN、I2C、ProfiNet、EtherCAT、 Wi-Fi、Bluetooth、5Gなどがあります。
これらのテクノロジーにはそれぞれ長所と短所があるため、特定のシナリオに適したネットワーク テクノロジーを選択することが非常に重要です。たとえば、Wi-Fiは高いデータ レートと低いpingを提供するため家庭環境に最適ですが、長距離では動作しません。一方、有線イーサネットは、長距離でも高いデータ レートと低いpingを提供できます。ただし、イーサネットは有線であるため、イーサネット ポートにアクセスできるデバイスのみがネットワークにアクセスできます。
従来のイーサネットが産業環境で機能しないのはなぜですか?
イーサネットは、大容量かつ高速なデータ転送が必要な場合に適した有線ネットワーク ソリューションですが、産業環境での使用は非常に困難です。その理由を理解するには、まず産業プロセスが標準的な家庭やオフィスのネットワークとどのように異なるかを検討する必要があります。
家庭やオフィスでは、ユーザーがファイルを転送したりビデオをストリーミングしたりするときに大きな帯域幅が必要になることがありますが、イーサネットはこれを実現するのに非常に適しています。ただし、工業プロセス (フライス加工ステーションや自動プレスなど) ではリアルタイム データが生成され、そのデータは最小限の遅延で何らかのエンドポイントにストリーミングされる必要があります。標準的なイーサネット ネットワークでは、時間に敏感な情報は考慮されず、可能な場合はいつでもフレームが送信されます。つまり、リアルタイム システムでは、ソースと受信者間の同期が非常に早く失われる可能性があります。
タイムスタンプをフレームに追加することはできますが、リアルタイム プロセスでは、どのデータ フレームが現在の時刻と一致するかを判断するために時間を費やす余裕はありません。さらに、標準的なルーターは、データ フレームが時間に敏感なものか、単なる標準データ フレームかに基づいて優先順位を付けないので、時間に敏感なフレームにはランダムな量の遅延が追加される可能性があります。
さらに悪いことに、産業システムにはリアルタイムでデータを生成する何千ものデバイスが存在する可能性があり、集中管理されたネットワークでは、データを送信するデバイスと受信側の間の時間遅延が明確に定義されていることを確認しながら、時間に敏感なパケットと標準データ パケットを効率的に区別する必要があります。
イーサネット ケーブルが産業環境にもたらすもう1つの課題は、そのサイズです。一般的なイーサネット ケーブルでは、複数のツイスト ペア (8本のワイヤ/4本のツイスト ペア) が使用されるため、曲げ半径が大きい重いケーブルになります。何百本ものケーブルをケーブル トレイの周りに配線するのは困難であり、ケーブルを識別することも技術者にとって大きな課題となります。さらに困難なことに、同じケーブルは、振動、温度、湿気や腐食性のある雰囲気への耐性など、過酷な産業環境に耐えられる定格にする必要があります。
現在の産業環境ではどのようなソリューションが使用されていますか?
イーサネットは産業現場で非常に求められており、イーサネットの利点を産業用アプリケーションにもたらすことを目的とした、イーサネットをベースにした複数のソリューションが存在しています。
よく使用される妥協策の1つは、ローカライズされたデバイス ネットワークと大規模な産業ネットワークの間にブリッジを作成することです。たとえば、マシン ステーションでは、複数のPLCとセンサーの間に2線式ネットワーク バスを展開し、このバスと大規模な産業サイトの間に単一のブリッジを配置することで、そのローカル バスへのリモート アクセスと監視が可能になります。
この方法により、ローカル ネットワーク内のデバイスは、リモート アクセスを許可しながら、時間に敏感なネットワークを介して相互に通信できるようになります。しかし、ローカル ネットワークと、より広範な産業ネットワーク上の他のシステムとの間の時間感度という課題が依然として残っています。また、送信データ パケットと受信データ パケットを変換する必要があるブリッジによって遅延が追加されるという課題もあります。
解決策として何が必要でしょうか?
産業用ネットワークを構築する際の問題は、ハードウェアとソフトウェアの両方のソリューションが必要になることです。太くて重いケーブルを使用すると配線と管理が難しくなり、市販のソリューションでは高帯域幅と時間に敏感なフレーム優先順位付けを備えたネットワークを構築できません。さらに、イーサネットの動作方法では、送信者と受信者の間のパスが明確に定義されていないため、正確に判定できないサイズの遅延が発生する可能性があります。ここでもう一つの重要な要素、つまり決意が重要になります。
イーサネット ネットワークは、その性質上、決定論的ではありません。つまり、メッセージがたどるパス、それらのメッセージを処理するルーター、およびノード間の遅延を考慮せずにメッセージを送信します。これが、標準イーサネットを産業環境で確実に実装できない主な理由の1つです。
シングルペアイーサネットのハードウェアソリューション
シングルペア イーサネットは、産業環境でイーサネット プロトコルを実装するための1つのソリューションです。名前が示すように、データの送信と受信の両方に単一のツイストペアが使用されます。
単一のツイストペアを使用すると、標準のイーサネットと比較してSPE上のデータ速度は遅くなりますが、6本のワイヤがなくなるため、ケーブルをより細く軽くすることができます。さらに、コネクタを2つだけ使用することでケーブルの取り付けが簡単になり、ケーブルのサイズが小さくなるため、よりきつく曲げることができ、よりコンパクトなケーブル配線が可能になります。
シングルツイストペアケーブルのもう1つの利点は、データレートが低いことです。ケーブルの長さを長くすることができます。
多くの産業プロセスではリアルタイム データが生成されますが、ビデオ ストリーミングとは異なり、膨大な量のデータは生成されません。たとえば、8ビットのサイズで1秒あたり1,000のデータ ポイントを生成するシステムでは、必要な帯域幅はわずか1 kB/秒です (これには制御フレームは含まれませんが、送信されるデータの量はまだ非常に小さいです)。
データ レートが低いということは、電圧の遷移時間 (高と低の間) が遅くなる可能性があることを意味します。これにより、データ伝送の信頼性が向上するだけでなく、より高い電圧を使用できるようになり、ケーブルの配線を長くすることができます。これは、工場の規模が数百メートルに及ぶ産業用途では特に有利です。
SPEケーブルは、従来のイーサネット ケーブルよりも配線が少なくなります。曲げ半径が小さく、軽量で製造コストも安価です。これは、狭いスペース (キャビネットやオーバーヘッド ケーブル トレイなど) に多数のケーブルを設置する必要があるアプリケーションで有利です。ケーブルが小さくなるとコネクタのサイズも小さくなり、有線ネットワークに接続するデバイスのサイズも小さくなります。
最後に、SPEは (標準のイーサネットと同様に) データ ライン経由で電力を供給できるため、接続されたデバイスもケーブルから電力を供給できます。イーサネットと電源を1本のツイストペアに組み合わせることで、有線接続を必要とする何千ものデバイスが存在する産業用アプリケーションで使用できる非常に便利なケーブルが生まれます。
SPE上の時間依存ネットワーク — ソフトウェア ソリューション
シングルペア イーサネットは、イーサネット ケーブルが直面する物理的な課題は解決しますが、高遅延、非決定性、優先順位付けなどのソフトウェアの課題は解決しません。ここで、時間に敏感なネットワークが役に立ちます。
時間の経過がデータの品質や有用性に影響を及ぼす場合、それは時間に敏感であると言われます。たとえば、ドライバーにとっての車両の速度は時間に敏感です。ドライバーは、その瞬間の車両の速度を知る必要があるからです。この情報の受信が遅れると、記録された速度はもはやその瞬間の車両の速度を表さなくなるため、役に立たなくなります。
工業プロセスも全く同じです。収集されたデータのほとんどは、ある程度時間に敏感であり、生成されるとすぐに処理されることがよくあります。たとえば、製紙工場では、巻かれる紙の厚さを放射線ビームを使って測定しますが、この情報は読み取られたらすぐに処理する必要があるため、時間に敏感です。この厚さの読み取り処理が遅れると、製造上のミス（紙が厚すぎる、または薄すぎるなど）が発生します。
この問題を解決するために、IEEEは時間感度を統合した新しいイーサネット プロトコルを開発しました。これにより、ネットワーク経由で送信される時間感度としてマークされたデータ パケットが他のトラフィックよりも優先されるようになります。これにより、時間に敏感なパケットが宛先に送信される前にバッファに保存されなくなります。
さらに、イーサネットの非決定性により、時間に敏感なパケットが到着したときに、それらのパケットがどのくらい前に送信されたか、それらのパケットがどのような遅延に直面したかを正確に知ることは困難です。そのため、IEEEが開発した新しい時間依存型ネットワーク プロトコルは、送信者と受信者の間のパスが適切に確立され、理解される決定論的なネットワークを提供します。ネットワークの長さとノード間の時間遅延も把握され、これにより、受信側で遅延が正確に把握されるメッセージが作成されます。
3つのIEEE SPE TSN標準
従来のイーサネット（速度に応じて異なるカテゴリがある）と同様に、SPEも速度に応じていくつかのカテゴリに分類されます。違いをよりよく理解するために、以下の表に、TSNを使用したSPEの3つの主なカテゴリを示します。
さまざまなカテゴリを見ると、帯域幅を増やすとケーブルの長さが短くなるだけでなく、デバイスへの電力供給が増加するという追加の利点も得られることが明確にわかります。前述したように、多くのリアルタイム システムは大量のデータを生成することはなく、生成されたデータのみがタイムリーに到着する必要があります。つまり、低速 (10 Mbpsなど) でも、時間に敏感な機能を提供しながら、非常に遠い距離でもネットワーク カバレッジを実現できます。PLCと機械センサーを相互接続するケーブルが短くなれば、高帯域幅ケーブルを簡単に利用できるようになり、同時にPower over Ethernetを活用して追加の電源ケーブルの必要性を排除できます。
結論
産業分野には多くのネットワーク ソリューションが存在しますが、これらは独自のものであることが多く、相互に連携することはほとんどありません。さらに、ネットワーク テクノロジの数が膨大であるため、産業用アプリケーションのさまざまなセンサーやデバイスが相互に通信することが困難になる場合もあります (多くの場合、ネットワーク ブリッジが必要になります)。
インダストリー4.0 では、センサーの大規模な統合とリアルタイムのデータ監視が実現されることを考えると、統合されたネットワーク テクノロジが必要です。イーサネットは、その広い帯域幅と適応性により、すでにオフィスで広く使用されていますが、ケーブルのサイズが大きく、非決定論的な性質があるため、産業環境への統合は困難です。
したがって、IEEEが規定するSPEとTSNの組み合わせは、業界標準のネットワーク ソリューションになる可能性があります。2本のワイヤとシールドのみで構成されるケーブルは、イーサネット ケーブルよりも大幅に小型化されると同時に、配線も容易になります。ネットワーク プロトコルの標準化により、コンバータやブリッジを必要とせずに、複数の企業のさまざまな機器をすべて同じネットワーク上で動作させることもできます。
さらに、SPEが時間に敏感なネットワークで動作できるということは、将来の産業現場で生成される膨大な量のデータをリアルタイムで処理できることを意味します。このようなリアルタイム データは、AIやその他の高度なテクノロジーと組み合わせることで、産業プロセスを可能な限り最適化し、同時に現場のオペレーターにこれまで以上の力を与えることができます。
