産業ネットワークは、プラントや工場の稼働にとって非常に重要です。産業用ネットワークは、制御と監視のために何千ものエンドノードが集約され、多くの場合、過酷な環境で動作するため、接続性と通信に対する厳しい要件が特徴です。
IIoT向け産業用コネクティビティ
産業用ネットワーク プロトコルは、産業用ネットワーク デバイス間の通信の基盤を形成し、過去数十年にわたって多数の業界固有のネットワーク プロトコルが開発され、それぞれが特定の目的と環境向けに設計されてきました。下の図は、主要なアプリケーション ドメインと、これらのドメインで現在利用可能な多数のプロトコルの概要を示しています。産業用IoT (IIoT) の出現と、ワイヤレスおよびイーサネットによる接続の新たな可能性により、プロトコルの状況は変化しています。パブリックおよびプライベートのエンタープライズ クラウド、運用システム、ビジネス ドメインを統合することで生まれる新たな価値により、産業環境におけるプロトコルの調和化の新たな機会が生まれます。
この入門書では、産業環境で使用される主要なプロトコルを調査し、次世代の産業環境をサポートするためにこれらのプロトコルの進化を構成する新たな傾向を評価します。
産業用ネットワークプロトコル
産業用プロトコル環境の基礎となるのは、産業用通信ネットワークにおけるデータの取得と集約のさまざまなレイヤーです。産業環境における一般的なネットワークには4つの層があります。
1. フィールド層 - この層は、多数のセンサー、トランスデューサー、アクチュエーター ノードで構成されます。センサー/トランスデューサー ノードは通常、環境情報またはプロセス制御情報を収集し、それをコントローラーに中継したり、監視したりします。アクチュエータは、コントローラから受信した指示を現場機器の物理的なモーター動作として実行します。
2.制御層 - 分散型または集中型のロジック コントローラーは、センサー/アクチュエータ データを集約し、それを大規模なプラント制御システムに送信します。プログラマブル ロジック コントローラー (PLC) または分散制御システム (DCS) も、通常は工場内の特定のドメイン グループに対してローカル制御を提供します。さまざまな種類のマシンを実行したり、ロジック、シーケンス、タイミング、カウント、演算などの命令を処理したりして、デジタルまたはアナログ モジュールを介して制御します。
3.監視層 - この層には、プラントの運用を制御するためのヒューマンマシンインターフェースを備えたプラント制御システムが含まれます。監視制御およびデータ収集 (SCADA) システムは、人間のオペレーターにレポートし、アラートの継続的なリモート監視を提供し、管理対象システム全体の包括的なビューを提供します。このレイヤーの主な機能には、データ処理、ログ記録、履歴トレンド分析も含まれます。
4. 実行および計画レイヤー – 製造およびエンジニアリングの実行を実行します。リソースと機器のスケジュール、進行中の作業 (WIP) ジョブの仕様、および一般的な作業計画は、製造実行システム (MES) によって実行および実行されます。このレイヤーは、ビジネスの優先順位と運用システム間のインターフェースです。需要計画、調達、予測管理、在庫などの企業および計画関連の機能は、このレイヤーのエンタープライズ リソース プランニング (ERP) システムによって実行される重要な機能です。
ネットワーク プロトコル階層
プロトコルと接続の要件は、アプリケーションのニーズ、信頼性の要件、帯域幅などに基づいて、ネットワーク階層全体で異なります。プロトコルの選択は、いくつかの要素を考慮して行われます。
• エンドノードの電力: センサーとアクチュエータを構成するエンドノードは、プラント制御システムへの重要な入力であり、継続的に電力を供給する必要があります。バッテリー電源と主電源の両方が使用されます。一部のプロトコルは他のプロトコルよりも多くの電力を消費するため、電源にアクセスすることでそれらの使用を排除したり、容易にしたりできます。たとえば、Wi-Fiは電力要件が高く、バッテリー駆動のリモート ノードには適していないことが多く、バッテリーを頻繁に交換するコストが高額になる可能性があります。
• 配線: 現代のプラントは数平方キロメートルに及ぶこともあり、末端ノードを接続するために長い配線を設置するのは、多くの場合、費用のかかる作業です。煙突のCO2センサーのようにセンサー ノードが届きにくい位置にある場合、問題はさらに深刻になる可能性があります。電力要件を効果的に満たすことができる場合、ワイヤレス プロトコルはこのようなニーズにより適している可能性があります。また、中間制御ポイント (PLC) をエンドノードの近くに配置して、配線を節約することもできます。制御層とセンサー層ではプロトコルが異なることが多いため、プロトコルの選択はプラント内の中間制御の程度によって影響を受ける可能性があります。
• 動作条件: 産業インフラストラクチャと機器は、多くの場合、風雨や腐食性の環境にさらされます。さらに、安全性と危険に対する許容範囲は厳しく、特別な考慮が必要です。通信の信頼性を損なうことなく、これらの環境の要求に耐えることができるプロトコルが重要です。最適な動作温度範囲、振動やノイズの影響、干渉の受けやすさ、湿度による劣化の影響はすべて、プロトコルの選択において重要な要素となります。
• パケット損失率: 一部のプロトコルは、輻輳、ビット エラー、接続不良などの伝送の問題によるデータ劣化を最小限に抑える点で、他のプロトコルよりも耐性があります。重要でないアプリケーションやノードでは、多少のデータ損失は問題になりませんが、原子炉コアなどの重要なアプリケーションでは、データ損失のない転送が必要です。
• スループット: データ転送の種類とサイズはプロトコルの選択に大きな影響を与える可能性があります。オン/オフの状態を通信する単純なバイナリ データは、低コストで低スループットのプロトコルで十分です。ただし、カメラからの画像データには、はるかに大きなデータ量を可能にするプロトコルが必要です。
• リアルタイム/決定論的: 一部の産業用アプリケーションでは、通信の遅延が許容されません。リアルタイムではなく、データ パケットが即座に配信されることを保証できないプロトコルは、要求を満たすのに適していません。この考慮事項は、産業環境でTCP/IPなどの一般的なコンピュータ プロトコルを使用しない理由としてよく挙げられます。
• ネットワークの範囲、負荷、およびアーキテクチャ: データがネットワーク内で移動する距離、ネットワーク内のノードの数、およびネットワーク アーキテクチャ自体が、プロトコルの選択に大きな影響を与える可能性があります。特定のネットワーク アーキテクチャでは、ネットワークの輻輳、スループット、データ損失が顕著になる可能性があります。間違ったプロトコルを選択すると、効率的なプラントと問題が発生しやすいプラントの違いが生じる可能性があります。
• セキュリティ: 産業用ネットワークでは、意図しない脅威と悪意のある脅威の両方に対する保護が必要です。ウェブサイトやその他のITの停止とは異なり、セキュリティ侵害の影響は、金銭的損害や評判の損害だけで測定できるものではありません。暗号化などの適切な保護のないネットワークが侵害されると、人間の安全と国家の安全保障が脅かされる可能性があります。
• スケーラビリティと拡張性: 必要なスケーラビリティと拡張性の程度も重要な要素です。新しいノードを頻繁に追加したり、ネットワーク構成を変更したりする必要がある場合、実装によってはコストが高くなることがあります。また、ZigBeeなどの一部のネットワークは、障害発生時に自己組織化および自己修復するように設計できるため、新しいノードの追加や削除が迅速かつ安価に行えます。
上記のすべての要素はネットワークの層に関係なく影響しますが、汎用プロトコルは、レイテンシが低くリアルタイム要件が厳しい上位層でより適用可能です。
産業用ネットワークプロトコルの現状
これまで、産業用ネットワークの厳しい要求により、さまざまな独自プロトコルやアプリケーション固有のプロトコルが開発されてきました。有線ネットワークと無線ネットワークにはそれぞれ独自のプロトコル セットがあります。利用可能なプロトコルは多数ありますが、ほとんどの有線プロトコルは、フィールドバスまたは産業用イーサネットの2つの標準に準拠しています。最近では、ワイヤレス接続によってネットワーク コストを削減できる可能性が示されており、Wi-Fi、セルラー、Bluetooth、ZigBeeなどのプロトコルがさまざまな程度で使用されています。 さらに、シリアルポイントツーポイントプロトコルであるIO-Linkが人気を集めています。
スマートセンサータイプのアプリケーションで。
フィールドバスアプリケーション
フィールドバスは、リアルタイム分散制御に使用される産業用コンピュータ ネットワーク プロトコルのファミリであり、IEC 61158として標準化されています。フィールドバス プロトコルにより、シリアル接続 (RS 232など) を介して2つのデバイスのみが相互に通信できるという従来の制約が解消されました。コントローラ レベルで1つの通信ポイントのみを提供することで、数百のアナログ ノードとデジタル ノードがフィールドバス プロトコルを使用して同時に通信できるようになります。デイジーチェーン、スター、リング、ブランチ、ツリー タイプのネットワーク トポロジがすべてサポートされています。フィールドバスによってもたらされる最大の利点は、工場の配線が大幅に削減されたことです。以下の表は、このファミリ内のさまざまなプロトコルとその特性をまとめたものです。利点、欠点、アプリケーションの適合性についても説明します。信頼性とシンプルさという顕著な特徴により、フィールドバスは産業用ネットワークのプロトコルとして選ばれています。
関連商品を見る
産業用イーサネット: IIoTソリューション
これは、自動化またはプロセス制御のための標準イーサネット プロトコルの使用を指します。これらのプロトコルは、厳しい産業環境に耐える頑丈なコネクタと拡張温度スイッチを備えており、特に確定的な配信がそれほど厳しくない場合に広く導入されています。ファイバー イーサネットを使用すると、電気ノイズの問題が軽減され、電気絶縁が提供されるため、機器の損傷を防ぐことができます。イーサネット プロトコルではデータの衝突が頻繁に発生するため、イーサネットの産業用途では、衝突が送信時間に許容できない影響を与えないように、全二重規格やその他の方法を採用しています。以下の表は、このファミリ内のさまざまなプロトコルとその特性をまとめたものです。利点、欠点、アプリケーションの適合性についても説明します。イーサネットの成長の背後にある主な原動力は、その高いパフォーマンスとオフィス ネットワークとの統合能力です。
ワイヤレス ネットワーク プロトコル: 産業ネットワークにおけるワイヤレス テクノロジー
ワイヤレスにより、ネットワーク運用コストを節約し、インストールを容易にする新たな機会が生まれました。これらのプロトコルはまだ導入の初期段階にありますが、将来的なものとしてますます注目されています。主な利点は、配線が不要になり、より多くの監視ポイントと制御ポイントを駆動できることです。現在、センサーと測定デバイスが主なワイヤレス プロトコル ユーザーです。産業オートメーション用の最も一般的なワイヤレス テクノロジには、802.11.x Wi-Fi、Bluetooth、セルラー、独自の無認可ISM無線、およびWirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA、ZigBeeなどの802.15.4ベースのプロトコルが含まれます。Wi-Fiの導入は通常、産業用イーサネットの導入に伴って行われ、通信用の第2のバックボーンとして共存することがよくあります。Bluetoothは、HMIソリューションとフィールド デバイス間など、ポイントツーポイントの配線の代替として使用されています。セルラー接続は通常、工場間のバックホール通信、長距離SCADAアプリケーションでのリモート デバイスの接続、および機械やロボットへのサードパーティ アクセスに使用されます。以下の表は、このファミリ内のさまざまなプロトコルとその特性をまとめたものです。利点、欠点、アプリケーションの適合性についても説明します。データ分析とIoTによって新たな可能性が解き放たれ、ワイヤレス プロトコルは産業環境で成長を続けるでしょう。
ネットワーク接続の進歩
数十年にわたって使用されてきたフィールドバス ベースのプロトコル ソリューションは、現在使用されているプロトコルの大部分を占めています。アナリストは、すべての産業用接続の55 ～ 65% がフィールドバス テクノロジによって実現され、年間の割合は約7% であると推定しています。 産業用イーサネット接続は主流となり、採用が拡大しています。イーサネット ノードは、従来の接続性の成長を上回ると予想されます。しかし、フィールドバスがもたらす安全性、回復力、伝統が主な原因で、導入率は予想よりも遅くなっています。 一般的に、業界の利害関係者は、失敗が壊滅的な結果をもたらす可能性があるため、自社の環境に急速な変化をもたらすことに消極的です。ほとんどの予測では、イーサネットの普及率は30 ～ 40% 程度で推移し、成長率は20% の範囲にあります。産業用アプリケーションにおけるワイヤレス デバイスのインストール ベースは4% であり、年間複合成長率30% で成長すると予測されています。産業オートメーションにおけるワイヤレスIoTデバイスの主要ベンダーのほとんどは、さまざまなアプリケーションをサポートするために、さまざまなワイヤレス テクノロジーを備えた幅広いソリューションを提供しています。
一般的なネットワーク接続デバイス
よりスマートで低コストのデバイスが普及し、最新のイーサネット プロトコルによって実現されるデジタル コンバージェンスの価値が高まるにつれて、イーサネットとそれに伴うワイヤレスの採用が拡大することが広く予想されます。IoT、パーベイシブセンシング、データの増加は、業界における変化の最大の原動力となります。個々の制御および監視ポイントを監視する可能性と、高度な予防保守スキームに供給するための大量のデータを収集する機能は、業界の専門家にとって大きな関心事です。特に重要なのは、エンタープライズ システムと運用システムの統合価値です。ほとんどの企業は、ITインフラストラクチャの総所有コストを削減するために、クラウド (パブリックおよびプライベート) 運用モデルを活用しています。クラウドパラダイムは、次世代の制御システムにも採用される可能性が高いでしょう。膨大な量のデータの収集を前提とした新しい戦略が普及するにつれ、データ スループットとセキュリティに関する現在の制限ではもはや十分ではなくなります。
ある技術が他の技術よりも衰退すると予測することは困難ですが、フィールドバス デバイスの巨大なインストール ベースとそれに伴う専門家のコミュニティは、イーサネット、フィールドバス、ワイヤレス技術が今後何年も共存する未来を示しています。
関連商品を見る
