産業用ワイヤレス通信は、産業オートメーション、モーション制御、リモート監視、その他のアプリケーションに安全でコスト効率の高い接続を提供するために30年以上にわたって使用されてきました。長年にわたって設置の多様性と分散性が増すにつれ、新しいワイヤレス テクノロジーが進化し、範囲、信頼性、電力効率の特殊な組み合わせが提供されるようになりました。
今日、モノのインターネットはこの拡大の現在の頂点を表しています。 センサー、モーション コントローラー、バルブ、ポンプ、緊急停止制御、およびその他の多くの種類のデバイスが、世界中の設備に時間的に重要な情報を提供するために、ほぼ無限の方法で使用されています。 このモノのインターネット (IoT) の産業面を強化するために、従来の有線通信と、Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、SigFox、セルラーWANなどの新しい無線テクノロジーがそれぞれ独自のソリューションを提供します。 理想的なソリューションを選択するには、それぞれの長所と短所を明確に理解する必要があります。
有線通信は信頼性が高く高速な技術として確立されていますが、移動や展開の効率が求められる場合にはワイヤレス ソリューションが大きなメリットをもたらします。 ワイヤレス産業用通信の最初でおそらく最も明白な利点は、通信ケーブルの敷設に伴う手間とコストを回避できることです。これらのコストは、過酷な環境下でケーブル配線が数百メートルに及ぶ大規模な工場や、通信ケーブルを敷設するにはコストがかかりすぎる屋外の設置では、かなり大きくなる可能性があります。 技術者が長いケーブル配線の損傷を調査する必要がなく、代わりに限られた数の設置ポイントに集中して問題をデバッグできるため、メンテナンス コストも削減されます。 特に低電力バッテリー駆動のステーションやセンサーの場合、試運転時間と複雑さも軽減されます。 ワイヤレス ソリューションは、その利点を組み合わせることで、従来の有線ソリューションに代わる非常に魅力的なソリューションとなります。
ただし、産業環境でワイヤレス ソリューションを導入する場合は、慎重に計画する必要があります。 信頼性と安全性を確保するために、満たさなければならない物理的要件と運用上の要件がしばしば存在します。 通信デバイスは、極端な温度や湿度だけでなく、水、化学物質、衝撃、振動、ノイズ、電磁干渉への暴露にも耐えられる必要があります。 屋外に設置されるデバイスには通常、IP65定格が必要です。これは、デバイスが水やほこりの侵入に対して完全に密閉されていることを示します。 これらの厳しい環境要件を満たさないデバイスは、産業用展開で故障することが多く、安全性に関する懸念や、通信システムの故障に起因する明らかな運用上の問題を引き起こす可能性があります。 操作されたデータは安全性と正しい操作の両方を損なう可能性があるため、セキュリティはもう一つの大きな懸念事項の1つです。 最後に、通信システムは、産業システムが意図したとおりに動作し続けるか、または故障時にシャットダウンすることを保証するために、厳格な安全性、可用性、および応答時間の要件も満たす必要があります。 アイソクロナス システムでは、一時的な送信または受信障害が発生するだけでも、製造プロセス全体が停止する可能性があります。
幸いなことに、ワイヤレス産業用制御にはいくつかの異なるオプションがあり、それぞれに独自の長所があります。 建物内および建物周辺での局所的な展開では、2.4 GHzおよび5 GHzテクノロジが圧倒的に優勢なソリューションとなっていますが、複数のデバイスが同じ周波数範囲で動作している場合は、適切な動作を確保するために通常、計画が必要です。 屋外設置や広範囲に分散したデバイスの場合、通常は何らかのセルラー通信が使用されます。
Bluetooth は2400-2480 MHz間で動作し、産業用シリアル通信リンクによく使用されます。 Bluetooth基本レート (BR) デバイスは最大約780 kbpsをサポートできますが、拡張データ レート (EDR) デバイスは約2.1 Mbpsのスループットをサポートします。 使用されるデバイスのクラスに応じて、産業環境での範囲は3 ～ 100メートルの範囲になります。 80個の1 MHzチャネルでの適応型周波数ホッピング操作により、複数のBluetoothデバイス間の接続が非常に堅牢になり、リンクは128ビット暗号化によって保護されます。 フルスループットを維持しながら、最大7台のデバイスを1つのマスター デバイスに接続できます。Bluetoothはリアルタイム対応のテクノロジーでもあり、遅延はわずか5 ～ 10ミリ秒です。一部のデバイスでは、Bluetooth Low Energy (LE) デバイス (Bluetooth Smartとも呼ばれます) へのリンクもサポートされています。 TIは、 CC2564 Bluetooth 4.1デュアルモード ホスト コントローラ インターフェイス認定モジュールで、これらのデュアル ロール対応デバイスの優れた例を提供しています。 産業環境に適しており、統合アンテナの有無にかかわらず利用可能で、最大7つのBR/EDR接続と最大10個のアクティブBluetooth LE接続を同時にサポートします。 個別のバッファリングにより、Bluetooth LE接続が発生したときにアクティブなBR/EDR接続が影響を受けないことが保証されます。
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Bluetooth Low Energyは、堅牢なBluetooth仕様を活用し、特にエネルギー効率と低頻度の通信を対象としたいくつかの機能強化を提供します。 エネルギーを節約するために、リンクはアクティブ状態で維持されませんが、リンクの再確立には10ミリ秒未満しかかかりません。送信が断続的であるため、接続できるアクティブなスレーブデバイスの数が多くなります。 ただし、デバイスの数が増えるとシステムのレイテンシが大きくなるため、接続されるデバイスの数はシステムのリアルタイムのレイテンシ要件に合わせてバランスを取る必要があります。 エネルギー節約機能のトレードオフとして、リンクが約270 kbpsに制限されるため、スループットが低下します。 今後のBluetooth® Smart 2016標準の機能強化には、より長い範囲、より高速、メッシュ ネットワークが含まれます。このため、産業環境では、Bluetooth LEは、断続的に短時間のデータバーストのみを必要とするバッテリー駆動の センサー、アクチュエーター、その他のデバイスに最適です。 TIにはBluetooth LE向けの優れたソリューションもいくつかあります。SimpleLinkTMCC2640デバイスは、ARM-Cortex M3をベースにしたBluetooth LE MCUであり、 CC2540 および 2541 は、業界標準の8051 MCUをベースに構築されたマスターまたはスレーブBluetooth LEアプリケーション向けのコスト効率の高い システム オン チップ (SoC) ソリューションです。 いずれも多数のI/O接続を提供し、設計者は独自の要件を満たす設計を迅速に実装できます。
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ZigBeeは、ワイヤレス産業制御および監視にますます使用されるようになっている、もう1つの低電力、狭帯域2.4 GHzワイヤレス メッシュ テクノロジーです。 これはBluetoothやワイヤレスLANシステムよりも低コストのソリューションですが、レイテンシがはるかに高く、データ レートは200 kbpsに制限されます (展開されるノードの数によってはそれ以下になる場合もあります)。 ワイヤレス メッシュ トポロジにより、ZigBeeには非常にユニークな利点がいくつかあります。 個々のリンクは30 ～ 100メートルの見通し距離に制限されますが、全体としては、単一のZigBeeメッシュ ネットワーク上で非常に広いエリアを接続できます。 デバイスが自動的にネットワークに追加されるように設定することもできます。 交通制御システム、監視システム、プロセス データ制御、およびその他の低データ レート アプリケーションは、ZigBeeが推奨されるシステムの代表的な例です。 リンクは128ビット暗号化によって保護されているため、優れたセキュリティが提供されます。 TIには、あらゆる産業用設置要件を満たすZigBeeデバイスがいくつかあります。 同社のSimpleLink CC2630は、ARM Cortex-M3 CPUと、静電容量式タッチ ボタンの組み込みサポートを含む独自のI/O機能を備えたフル機能のワイヤレスZigBee MCUであり、より強力な CC2630 では、独自のI/O機能の一部が追加のフラッシュとSRAMと引き換えに提供されています。 8051マイクロコントローラが必要な場合は、TIの CC2530 SoCの方が適している可能性があります。
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産業用WLANは、より高いスループットが必要な場合に非常に普及している2.4 GHzソリューションであり、優れた範囲、干渉に対する耐性、および非常に優れたセキュリティを提供します。 ProfiNET、Profisafe、その他の同様のテクノロジーによって強化されると、ワイヤレス産業通信にとって非常に効果的なソリューションになります。 このテクノロジーのバージョンは20年以上にわたって着実に進化し続けています。 2.4 GHz帯域には重複しない3つのチャネルが存在し、スループットは最大数百Mbpsになります。 BluetoothとZigBeeはどちらも2.4 GHz WLANと対話するためのメカニズムを備えており、802.11標準の新しいバージョンでは、スペクトルが非常に混雑した場合でも相互運用性を確保するのに役立つ機能も追加されています。 WLANは、5 GHz帯域で最大19個の重複しないチャネルでも動作でき、各チャネルはBluetooth、ZigBee、その他の2.4 GHzテクノロジと同じ周波数の競合を完全に回避します。 使用される周波数が高いため、5 GHzアプリケーションでは見通しを維持することが推奨されますが、それでもスペクトルが混雑していないため魅力的な選択肢となります。 WLANの弱点の1つは、アクセス ポイント間の切り替えに50ミリ秒から数秒かかることです。 広範囲に移動するデバイスを制御するためにWLANリンクを使用する場合は、移行中に通信が中断されないように注意する必要があります。 単一のアクセス ポイントを設置する場合、複数の広い間隔を置いたアンテナを単一のアクセス ポイントに接続することで、中断のないリンクを確保できます。また、いわゆる「リーキー」RFケーブルを使用することで、拡張された固定ルートに沿って連続した短距離アンテナと同等の機能を実現できます。 複数のアクセス ポイントがあるルートの場合、複数の無線実装が最も信頼性が高くなります。 一般的なシナリオとしては、1つの接続を制御シグナリングに使用し、別の接続をデータに使用することや、プライマリ ネットワークがアクセス ポイント間で移行しているときに2番目のアクティブ ネットワークへのフェールオーバーを可能にするために使用される冗長APの段階的システムなどがあります。TIは、産業用WLAN向けの魅力的なソリューションをいくつか提供しています。 SimpleLink CC3200は、産業環境に最適な、単一ICのARM Cortex-M4ベースの802.11 b/g/n Wi-Fiマイクロコントローラです。 ProfiNETやProfisafeなどの産業用Wi-Fiプロトコルを実行でき、広範なI/Oオプションを提供します。 1つの認定モジュールに統合されたWL1837 Wi-FiおよびBluetooth/Bluetooth LE無線は、LinuxおよびAndroidクライアント デバイスまたはブリッジ アプリケーションでも使用できます。 Bluetoothおよび802.11 a/b/g/n RFセクション、パワー アンプ、クロック、RFフィルターとスイッチ、および電源管理を100ピンMOCパッケージに統合します。
地理的に広範囲にわたる通信には、通常、何らかのワイヤレスWANテクノロジ (WWAN) が使用されます。 SigFoxは、超狭帯域 (UNB) デバイス向けのグローバルなセルラー スタイルのネットワークを構築している新興の低電力WANネットワーク プロバイダーです。 プロビジョニングのコストは非常に低く、デバイスごとに固有のデータ プランや契約を気にすることなく、非常に大規模な展開を簡単に展開できます。 メッセージ サイズは12バイトに制限され、デバイスは1日あたり140回の送信に制限されますが、デバイスは2本のAAサイズの電池で長年にわたって動作します。 メッセージのサイズによりセキュリティは多少制限されますが、リプレイ防止やメッセージのシーケンスなどの機能があります。 SigFoxデバイスはすでに広く導入されており、TIは CC112x RFトランシーバーとCC1190 RFフロントエンド デバイスで複数のSigFoxソリューションを提供しています。 CC112xは、最大200 kbpsのデータ レートで169 ～ 950 MHzの7つのISM/SRDバンドをサポートする高性能かつ超低消費電力のシングル チップ トランシーバーです。 また、強化されたウェイクオンラジオ機能とパケット確認および再送信機能も備えています。 CC1190 は、850～950 MHzで動作する低コストで高性能なRFフロントエンドで、コンパクトな4x4mm QFN-16設計に統合された低ノイズ アンプ、パワー アンプ、RFスイッチ、RFマッチング機能を備えています。
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LoRa Low Power WAN Allianceは、地理的に分散したデバイス向けに別のソリューションを提供します。 少量のデータを断続的に送信し、リモート トランシーバーのデバイス クラスに応じて、バッテリー駆動のデバイスは数年間持続します。 データの整合性とプライバシーを確保するために、複数レベルのセキュリティが使用されます。 また、建物や障害物の貫通に適した周波数で動作します。 SigFoxと同様に、導入コストは非常に低いですが、商用LoRaプロバイダーはさまざまなサービス レベルを提供できます。 比較的狭いエリアに多数のデバイスを導入することを検討している企業の場合、社内で所有および管理されるゲートウェイを導入することが可能です。
セルラー接続は、確立されたWANソリューションであり、世界中に広がっています。 2G GSMおよびGPRSリンクは最も一般的なリンク ソースの1つですが、ヨーロッパ以外の多くの携帯電話ネットワーク オペレーターは、すでに2Gネットワークをオフにしているか、2020年までにオフにする予定です。ネットワークが将来も維持される場合、2G GSMは、リモートの断続的または低データ レートの通信に適した電力効率の高い方法です。 WiMAXは利用可能な市場でも受け入れられていますが、多くのネットワークはLTEに移行しているか、すでに停止されています。 LTEは、さまざまなエンド デバイス カテゴリで帯域幅と電力のニーズをアプリケーションに適応させることができるため、リモートIoTデバイスにとって魅力的な分野です。 既存のカテゴリー3 LTEデバイスは、理論上最大150 Mbpsのダウンロード速度と50 Mbpsのアップロード速度を提供でき、新しく実装されたカテゴリー6デバイスは、理想的な条件下で300 Mbpsのダウンロード速度に到達できます。 一方、LTEカテゴリ1デバイスと、今後リリースされるLTEカテゴリ0 (またはカテゴリM) は、最大スループットが1 ～ 10 Mbpsで、電力効率がはるかに高いIoT向けに設計されています。 これらのWANソリューションは柔軟性に優れていますが、通常、初期費用と運用コストがはるかに高く、現場に設置されるデバイスごとに地域のネットワーク オペレータとの契約が必要になるため、導入には計画と時間が必要です。
短距離無線接続でも分散WANシナリオでも、 TI は、製品開発を迅速化し、ワイヤレス産業通信向けの高価値で低コストのソリューションを実現するドロップイン デバイスを提供することで、さまざまな接続ニーズに簡単に対応できるようにしています。
以下のスプレッドシートを こちらからダウンロードしてください:
