インダストリー4.0のコンセプトに導かれ、産業用IoT (IIoT) におけるIO-Linkやセンサー技術などのネットワーク ソリューションの応用により、産業オートメーション アプリケーションは、よりインテリジェンスで、汎用性が高く、カスタマイズが容易な方向へと進んでいます。この記事では、産業オートメーションの関連アプリケーションとソリューション、およびインダストリー4.0の開発方向に関する詳細を紹介します。
IO-Linkネットワークソリューションはインダストリー4.0の基盤です
インダストリー4.0の概念は、ダウンタイムを最小限に抑え、エネルギーと廃棄物の節約の目標を達成するために、柔軟なレシピ機能、生産プロセスのリアルタイム監視、生産設備の予測メンテナンスなど、商品生産プロセスにおけるサプライ チェーン、生産終了、品質管理、梱包、出荷からのよりインテリジェントで柔軟なプロセス管理に対する需要を指します。
インダストリー4.0の目標を実現する上で重要な技術の1つがIO-Linkネットワーク ソリューションです。このソリューションにより、IoTアプリケーション環境のノイズの多い信号や、さまざまな配線の配置によって生じるネスト ラインが排除され、設置や修理による生産停止時間が大幅に短縮されます。
従来、アナログ技術を使用した信号伝送では、複数のA/D変換が必要となり、精度が低下し、EMIなどの外部要因の影響を受け、アナログ信号への影響により信号が検出されない可能性があり、EMI防止機能を備えたシールド ケーブルも比較的高価です。産業環境でIO-Linkデジタル技術を使用すると、不要な複数のA/D変換がなくなり、精度の低下が回避され、シールド ケーブルが不要になります。デジタル信号のEMI耐性により、シールドなしケーブルの使用が可能になり、アナログI/Oカードの使用にかかるコスト、スペース、費用を節約できます。デジタルキャリアの採用により、複数のデータを同時に伝送することが可能になります。
IO-Linkテクノロジーにより、ノイズ耐性が向上します。シンプルな3線式デジタル データ伝送により、変換損失が低減され、伝送速度が向上します。標準コネクタと最大20 mのケーブル (シールドなしM12/M8ケーブル) を使用できるほか、単一ポートで双方向の入力/出力伝送が可能になり、センサーとアクチュエータの接続が可能になります。さらに、IO-Link規格は単一のメーカーに限定されず、既存のあらゆるPLCやバスに適応でき、複数の規格の代替として機能します。汎用性が高いため、柔軟な生産ラインを迅速かつ簡単にカスタマイズできます。また、シームレスなリモート監視、柔軟なレシピ、ダウンタイムの短縮も可能になります。一方、機械の状態を遠隔監視することで予知保全や省エネを実現し、インダストリー4.0の発展を推進する基盤となります。
統計によると、2020年には世界のIO-Linkノードの数は1,600万を超え、IO-Link市場は2023年までに120億ドル以上に達すると予想されています。特に、アジア太平洋地域はIO-Linkアプリケーションにとって最大の市場に成長し、世界市場の30％以上、36億ドル以上の市場シェアを占めることになります。
完全なIO-Linkソリューションと技術サポート
IO-Linkテクノロジに対する市場の切実な需要に応えて、Arrow Electronicsは、IEC 61131-9 IO-Link仕様に準拠し、コントローラからセンサー/アクチュエータまでのポイントツーポイント接続を実現するARW-IOLM4P-STM32L4制御ボードを発表しました。ARW-IOLM4P-STM32L4は、STM32L431RBT6コントローラと低消費電力STM32 ARMを搭載したオールインワンIO-Linkマスター4ポートソリューションです。®皮質®-IO-Link V1.1.3に準拠した4ポート マスター コントローラ スタックを含むM4 MCU。制御ボードはIO-Linkマスター制御の適合テストに合格しています。SPI経由でホストCPUに接続できるため、IO-Linkマスター制御の設計が簡素化され、ソフトウェアの労力が軽減され、IO-Link機能が保証されます。Arrow Electronicsは、ARW-IOLM4P-EVAL01/02評価ボードも提供しており、市場投入までの時間を短縮できます。
STは、IO-Link通信コアのマスター制御およびデバイス トランシーバーICとして機能するだけでなく、豊富な評価ボード製品ポートフォリオやパートナーを含む完全なエコシステムも提供します。STは、Arrow ElectronicsおよびTEConceptと三者パートナーシップを締結しました。具体的な成果は、最大4つのIO-Linkデバイスを制御できる統合プロトコル スタックを備えた、超低消費電力のSTM32L4をベースにした4ポートIO-Linkマスター チップ ソリューションであるIOLM4Pです。
アローエレクトロニクスは、L6360 IO-LinkマスタートランシーバーとL6362A IO-Linkスレーブトランシーバーも提供しています。 前後メートル ST、および対応する 8-CH IO-linkマスターと センサー/アクチュエータを接続するためのインダストリー4.0のIO-Linkインターフェイス用のDI/DOハブ リファレンス デザインとIO-Linkスレーブ ソフトウェア プラットフォーム。産業オートメーション システム、Profinet/Ethernet/Profibus、プログラマブル ロジック コントローラ、予測メンテナンスなどのシナリオに適しています。
さらに、アローエレクトロニクスはSTと共同で、 マスター/イーサネットIP/Profinet機能を統合した単一のIO-Link MCU IO-Link V1.1.2標準に準拠した8ポート マスター コントローラー スタックと2つの統合EtherNet/IPインターフェイスを含む、8チャネルIO-Linkデバイスとデュアル コントロール アーキテクチャ (PCまたは組み込みホスト) をサポートできます。使用されるコアチップには、STMのSTM32H743ZIT6、VN808-32-E、L6360、M24256-BRDW6TP、L7986A、SLVU2.8-4A1、SMA4F28A、MicrochipのKSZ8863RLL、AmphenholのM12A-05PMMC-SF8B20、Apps ElectronicsのAE-RJC101013、AE-SB16001、AbraconのABM8W-19.2000MHZ-8-J1Z-T3などがあり、IO-Linkマスターハブ、PLC、ファクトリーオートメーションなどの分野に適用できます。
同じくArrow Electronicsがリリースした、M12標準産業用コネクタを使用するIO-Linkタワーライト ソリューションでは、IO-Linkインターフェイスを介してアクチュエータ タワーライトを制御できます。設定可能なモードにより、IO-Linkバージョン1.1/1.0の物理層互換性をサポートできます。使用されるコアチップには、STクワッドローサイドインテリジェントパワースイッチIPS4260L、IO-LinkデュアルチャネルトランシーバーIC L6364Q、ARM Cortex-M0+ 32ビットMCU STM32G071、8KビットシリアルEEPROM M24C08、1500W TVS SMB15F24A、アナログマルチプレクサSTG3157CTRが含まれます。この製品は、村田製作所のMEMS共振器WMRAG32K76CS1C00R0と8MHzセラミック共振器CSTNE8M00G520000R0、Amphenole ICCのM12A-04PMMP-SF8001、M12円形4POS STスルーホール4端子1ポートを備えたBergStik基板間コネクタ77311-1180xLFを組み込んでおり、アクチュエータタワーライト制御、工場自動化および制御、ビル自動化アプリケーションに適しています。
Arrow Electronicsは、TE-conceptと連携してIO-Linkソフトウェアとコンプライアンス テストもサポートしており、顧客がIO-Linkを事前テストできるようにしています。また、TE-Concept制御ツール、IO-Linkマスター テスター、IODD Designer、IO-Link診断ツール、STのすべての電子部品、およびAmphenoleのコネクタ、ケーブル、モジュールも提供されており、IO-Link関連アプリケーションの製品開発を迅速化します。
高度なIO-Linkマスター制御およびデバイスチップ
STは、IO-Link技術の開発に対して前向きな姿勢を示し、当初からIO-Link Allianceに参加しており、L6360、L6362Aトランシーバー、L6364の新デバイス チップを含むマスター制御およびデバイス チップにより、IO-Link通信の物理層を実現できます。
L6360は、COM1、COM2、およびCOM3モードをサポートするPHY2 (3線式) 準拠のモノリシックIO-Linkマスター トランシーバーです。 C/Q 出力段は、ハイサイド、ローサイド、またはプッシュプルとしてプログラムできます。カットオフ電流とその遅延時間の両方をプログラムすることができ、サーマルシャットダウンと自動再起動機能との組み合わせにより、デバイスを過負荷や短絡から保護します。C/Q およびL+ 出力段は、抵抗性、誘導性、容量性の負荷、さらには最大10 mJの誘導性負荷を駆動でき、電源電圧を監視して低電圧状態を検出することもできます。
L6360 IO-Link通信メイントランシーバーICは、電源電圧が 18 - 32.5 V で、小型のVFQFPN-26L (3.5 x 5 x 1 mm) のパッケージで提供され、最大500 mAのL+ 保護を備えたハイサイド ドライブ、追加のIEC61131-2タイプ1入力、短絡、過電流、過電圧 (> 36 V)、過熱、ESDなどの保護機能をサポートします。
L6362Aは、COM1、COM2、COM3モードをサポートするPHY2準拠 (3線接続) IO-LinkおよびSIO (標準IO) モード トランシーバーICであり、ローサイド、ハイサイド、プッシュプル出力構成が可能で、あらゆる種類の負荷 (抵抗性、容量性、誘導性) の駆動をサポートします。L6362Aは、24 V環境で動作する産業用センサーに最適なインターフェースであり、PLC、産業用IOモジュール、またはIO-Linkマスター側に接続できます。
L6362Aは、電源電圧範囲7 - 36 V、極めて効率的な電力レベル、R DSON 0.8 Ω/1 Ω (ローサイド/ハイサイド)、最大300 mAの出力電流を備えています。 最大500mJ/30μFのL/C/Rを駆動でき、ウェイクアップ検出と5 Vまたは3.3V、10 mAの選択可能なリニア レギュレータをサポートし、VCC、GND、OUTH、OUTL、I/Qピン間の逆極性保護など、産業用センサーの設置に重要な機能を含む豊富な保護機能も備えています。その他の利用可能な保護機能には、出力短絡、過電圧/低電圧、過負荷、過熱、高速過渡状態 (±1 kV、500 Ω、18 μFカップリング) などがあります。小型DFNパッケージ（3 x 3 mm）で提供され、-40～125℃の温度範囲での動作に適しており、EMC堅牢性によりバースト、サージ、ESDに耐えることができます。°
新しく発売されたL6364は、センサーまたはアクチュエータ機能を備えたマイクロコントローラと24 V電源および信号ケーブル間のブリッジを提供するデュアル チャネルIO-Linkデバイス トランシーバーICです。COM2およびCOM3モードでのIO-Link通信をサポートするように設計されています。
オールインワンの柔軟なPLCソリューション
STは、産業オートメーション アプリケーション向けに、12個の入力と12個の出力を備え、タッチ スクリーン ディスプレイHMIの使用をサポートする、フル機能の産業グレードのプログラマブル ロジック コントローラ (PLC) も導入しました。このオールインワン ソリューションにより、すべての制御機能に迅速かつ簡単にアクセスできます。DSPおよびFPU命令を備えた高性能STM32F7マイクロコントローラ、L1キャッシュを備えたアダプティブ リアルタイム アクセラレータ (ARTアクセラレータ™)、および強化されたグラフィック コンテンツを作成するための専用のChrom-ARTアクセラレータ™ を備えたLCD-TFTコントローラとペアになっています。
このソリューションは、SPIインターフェイスを備えた電気的に絶縁された8チャンネルのハイサイド スマート パワー ソリッド ステート リレー (ISO8200AQ) や、出力を駆動できる4チャンネルのローサイド インテリジェント パワー スイッチ (IPS4260L) など、入力アレイと出力アレイの両方でさまざまな可能性を提供します。高速デジタル入力電流リミッタ (CLT01-38SQ7) または自己給電デジタル入力電流リミッタ (CLT03-2Q3) は、60Vをサポートする高速SPIおよび自己給電入力を提供できます。
STが発表したISO8200AQは、SPIインターフェースとデイジーチェーン対応の20MHz SPIインターフェースを備えた電気的に絶縁された8チャンネルのハイサイド産業用出力ドライバで、チャンネルあたりの出力電流は0.7Aに達し、過熱（ケースおよびチャンネルごと）や接地損失などの多数の保護機能が組み込まれており、IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5、IEC 61000-4-8規格に準拠した誘導負荷の急速消磁を感知できます。
ST IPS4260は、それぞれ0.5 Aの電流容量を持つ4つの独立した保護チャネルを備えたクワッド ローサイド インテリジェント電源スイッチです。接地およびVCC断線、過電圧、オープン負荷など、さまざまな保護機能が組み込まれています。また、過負荷やサーマルシャットダウン（共通およびチャネルごと）などの豊富な診断機能を備えており、IEC 61131-2規格に準拠しています。
位置と動きを監視する産業用センサー
産業用センサー ノードでは、物体の位置と方向を検出したり、1つ以上の軸に沿った物体の変位と回転を検出したりするために、さまざまな位置および動きの監視センサーが採用されています。STは、マルチターゲット検出機能を備えた飛行時間 (ToF) 測距センサーなど、さまざまな用途に対応する最先端のデジタル センサーを製造しています。STの第3世代FlightSense特許技術が組み込まれたこのセンサーは、高性能の近接センサーと測距センサー、マルチターゲット距離測定、自動汚れ補正を組み合わせて、物体の位置と距離を検出します。さらに、加速度計は地球の重力場を参照できるため、最終製品の向きを検出したり、外部の動きが検出されたときにシステムを起動したりするのに適しています。STのMEMS加速度計は、非常に低い消費電力で高精度の測定結果を提供します。
STは、VL53L3CXマルチターゲット検出ToF測距センサー、VL53L0XToF測距センサー、VL53L1CB高度マルチゾーンおよびマルチオブジェクト検出ToF測距センサー、VL53L1X ToF測距センサー、VL53L4CD ToF高精度近接センサー、拡張測定範囲のVL53L4CX ToFセンサー、VL6180V1 ToF近接センサー、VL6180X近接センサー、周囲光センシング（ALS）モジュールなど、さまざまなToF測距センサーを発売しており、さまざまなアプリケーションで顧客の多様なニーズを満たすことができます。
STでは、産業用アプリケーション向けの超低消費電力・高性能デジタル出力3軸加速度計IIS2DH、MEMS技術を使用したデジタル出力モーション・センサ、産業用アプリケーション向けの高性能・超低消費電力3軸加速度計IIS2DLPC、産業用アプリケーション向けの高解像度・高安定性3軸デジタル傾斜計IIS3DHHC、産業用アプリケーション向けの高性能・超低消費電力デジタル出力3軸加速度計IIS328DQ、MEMSデジタル出力デュアルモーションおよび温度センサLIS2DTW12など、さまざまなアプリケーション向けの加速度計もリリースしており、産業用アプリケーション向けのさまざまな加速度測定が可能になっています。
STは、3軸センサー (通常は加速度計) のオフセットとゲインを計算できる1点または3点のタンブル センサー キャリブレーションも提供します。以前は、MotionFXライブラリは磁力計とジャイロスコープのキャリブレーション機能のみを提供していました。STは、MotionFXライブラリに加速度計のキャリブレーション機能を追加しました。これにより、エンド ユーザーは簡単にカスタマイズおよび拡張できます (MotionFXはバイナリ形式でのみ使用可能で、ソース コードは提供されません)。また、各マイクロコントローラで簡単に使用できるため (MotionFXはSTM32でのみ実行可能)、STのすべての加速度計、eCompassモジュール、iNemo慣性IMUに適用できます。
NFCテクノロジーは産業オートメーションの分野にも適しています。STのST25R3916/7は、NFCイニシエーター、NFCターゲット、NFCリーダー、および該当する場合はNFCカード エミュレーション モードをサポートする高性能NFCユニバーサル デバイスおよびEMVCoリーダーです。EMVCo 3.0アナログおよびデジタル規格に完全に準拠したNFC ICは、アンテナ周辺のノイズの多いLCDディスプレイなどの厳しい条件でも最速のEMVCo 3.0認証サイクルを達成できるようにPOS端末アプリケーションに最適化されています。
ST25R3916/7は、広い電源範囲（-40～5.5Vの範囲で2.6～5.5V）で使用できるように設計されています。° Cから +105° C; 2.4 - 5.5 V（-20℃）° Cから +105° C) と広い周辺IO電圧範囲 (1.65 - 5.5 V) を備えています。高いRF出力、低電力モード、広い電力範囲の組み合わせにより、これらのデバイスはインフラストラクチャにおけるNFCアプリケーションに最適です。
高精度かつ超低消費電力のリファレンスデザインとセンサー
STは産業用スマートセンサーキットSTEVAL-IOD04KT1も発売 頭いい センサーアプリケーション、L6364WデュアルIO-Linkデバイストランシーバーに基づくリファレンスデザインであり、 頭いい IO-Link産業用接続の分野における産業用センサー。このキットは、STEVAL-IOD004V1メインボード (別売)、STLINK-V3MINIプログラマーおよびデバッガー ツール (M8-M12産業用コネクタ アダプターおよび20cmケーブルを含む) で構成されています。STEVAL-IOD004V1メインボードには、主流のArmであるSTM32G071EBが搭載されています。® 皮質®-M0+ RISCコアMCU、最大64 MHzの動作周波数、SIOおよびIO-Linkセンサー アプリケーション向けのL6364Wデュアル チャネル トランシーバーIC。さらに、高精度かつ超低消費電力の3軸デジタル出力磁力計IIS2MDC、機械学習コアを搭載したiNEMO慣性モジュールISM330DHCX、デジタル出力付き有限ステートマシンを搭載しており、産業用途に適しています。
STEVAL-IOD04KT1リファレンス デザインは、IO-Linkプロトコル スタックv.1.1をサポートし、追加のセンサー コネクタ、ステータスLED、およびM8業界標準コネクタを提供します。サイズはわずか45.8 x 8.3 mmで、産業用センサー ハウジングに簡単に統合でき、STM32G071EBで実行できる関連ファームウェアの例を提供し、実際のさまざまな使用例を実現できます。このリファレンス デザインは、IO-Linkに基づくスマート産業用センサー アプリケーション向けに設計されており、簡単な構成、リモート監視、配線の削減、高度な診断、デバイスの簡単な交換を実現します。
結論
インダストリー4.0に向かう産業アプリケーション環境では、よりインテリジェントな産業オートメーション アプリケーションを実現するために、より高度なデジタルIO-Linkネットワーク テクノロジーとあらゆる種類のセンサーに依存する必要があります。Arrow ElectronicsがSTおよびその他のパートナーと協力して開始した包括的なソリューションと技術サービスにより、関連アプリケーションの開発を加速できます。より詳しい製品情報や技術情報については、Arrow Electronicsまですぐにお問い合わせください。