【ホワイトペーパー】リアルタイム対応イーサネットが標準に～OPC UAとタッチインターネットアプリケーション用TSN

ホワイトペーパー リアルタイム対応イーサネットが標準に OPC UAとタッチインターネットアプリケーション用TSN

1 OPC UAとタッチインターネットアプリケーション用TSN リアルタイム対応イーサネットが標準に 5Gテクノロジーの登場と工場における10+ GbEネットワークの導入により、OPC UAやその他のタッチ インターネットアプリケーションのリアルタイムデータ処理が、重要な新しい分野として浮上していま す。Time-Sensitive Networking（TSN）テクノロジーにより、これらの接続されたリアルタイムアプリ ケーションへの道は開かれており、すでに確立された独自の産業用イーサネットの導入にも影響を与 えます。 Time-Sensitive Networking イーサネ ット規格のコア機能には、時刻同期、 トラフィックスケジューリング、 および マスターとスレーブデバイスのシステ ムコンフィグレーションが含まれます。 フィールドバスは、 今後数年間、産業 用通信システムとして重要な役割を 果たし続けますが、 産業用IoTやイン ダストリー 4.0アプリケーションにとっ てはそれほど重要ではありません。 なぜなら、 IoTやインダストリー 4.0の 自動化とプロセスコントロールテクノ Time-Sensitive Networking イーサネット規格のコア機能には、時刻同期、トラフィックスケジューリング、およびマスターとス レーブデバイスのシステムコンフィグレーションが含まれます。 ロジーでは高い帯域幅とパフォーマン スの要求があり、 エッジにおいてはクラウドとフォグへの接続が必要であり、 自動化ピラミッドのトップレ ベルとの垂直データ交換に依存しているためです。 それは、 従来のフィールドバスでは実現できないもの です。 需要の高まりと産業用PCテクノロジーの段階的な導入により、 かつては最も重要な産業用通信シ ステムであったフィールドバスが、新しい「第2の」フィールドバス世代である産業用イーサネットに置き換え られてきています。 2019 年の HMS 市場調査によると、 ファクトリーオートメーション用に新しくインストールされたノードの約 59％が産業用イーサネットをサポートしていますが、 新しいノードの約35％のみが従来のフィールドバスシ ステムを介して接続されています。 産業用イーサネットアプリケーションでは、リアルタイムデータとITデータが、理想的には共通の伝送媒体 を共有します。 ほとんどのフィールドバスアプリケーションとは異なり、 接続されているデバイスの数やネ ットワークのサイズに実質的に制限はありません。 同時に、 シームレスで統合されたネットワーク接続によ り、 運用エリア全体にわたるデータの継続性が保証されて、 これらはセキュリティプロトコルとITセキュリ ティ管理によって保護され、 厳密に制御されます。 もちろん、 適切なゲートウェイがあれば、従来のフィー ルドバスをフィールドの下位ネットワークシステムとして使用することもできます。 これまで主流だった独自規格 しかし、 多くの異なるフィールドバスシステムと同様に、 現在の産業用イーサネットは統一された規格では なく、 互いに互換性のないさまざまな独自のソリューションがあります。 この第2世代のフィールドバスの 規格は、第１世代のフィールドバスと同じ企業や団体によって開発され、 個別に必要な要件に合わせて開 発、導入されたため、 この事実はそれほど驚くべきことではありません。 たとえば、 CANopen は CAN フィールドバスの産業用イーサネットバージョンであり、 Profinet は Profibus、 Modbus/TCP はModbusにもとづいている、 などです。 これにより、産業用イーサネット、あるいはフィール ドバスと産業用イーサネットを組み合わせたアプリケーションへの移行が簡単にはなりますが、 これら独 自の産業用イーサネットシステムのいずれかを選択すると、 シームレスに工場を接続するときにライセン

2 OPC UAとタッチインターネットアプリケーション用TSN ス関連の問題や制限が発生する可能性があります。 なぜならば、 ほとんどの場合、 専用ハードウェアとし て特別な産業用イーサネットコントローラが必要になるからです。 EtherCAT プロトコルのみが、 標準のイ ーサネットコントローラを使ったリアルタイムネットワーキングを可能にしており、 利用可能な産業用イー サネットのバリエーションの中で特別な位置を占めています。 イーサネットから産業用イーサネットへ ただし、リアルタイム通信を実装する第2世代のフィールドバスの開発者にとって、 応答時間の要求によっ て異なるリアルタイムクラスに分割されることは大きな問題で、 これはすべての種類に当てはまります。 こ の問題は、 従来のIEEE 802.3準拠のイーサネットが、 比較的高い伝送速度を実現しているにもかかわら ず、 到達時間を保証する伝送をサポートしていないという事実に起因しています。データ衝突に関する問 題は、ランダムな原理にもとづくメカニズムによって解決されますが、 これは、 データトラフィックの不規則 な遅延につながる可能性があります。リアルタイム対応のイーサネットソリューションは、独自の大幅にス リム化されたリアルタイムプロトコルスタックを導入することで、このような衝突を防ぎます。これらは、イ ーサネットプロトコル層でいう「 EtherType」 によってマーキングされ、 それに応じて優先順位が付けられ ます。通常のTCP/IP通信（電子メール、Webサーバーなど）に必要なシームレスなイーサネット接続は保証 されます。これは、 タイムクリティカルでないデータは、 いわゆるメールボックスチャネルを介して、 リアル タイムトラフィックを妨げることなく、並列にトンネリングできるためです。 ハードリアルタイム ソフトリアルタイムのアプリケーションは比較 的大きな信号伝搬遅延を許容しますが、 ハー ドリアルタイムでは正確な予測可能な応答 時間が必要であり、多くの場合遅延はほぼゼ ロで、 クロックサイクルはμsのレンジになり ます。 同期は常に正確なタイミングでおこな う必要があります。 したがって、遅延が保証さ れたハードリアルタイムのイーサネット通信 では、通信に関与するすべてのノードの正確 な時刻同期が必要です。 しかし、 コンピュー タの日付と時刻を設定するために使用され る Network Time Protoco（l NTP）は、 このよ うなリアルタイム同期には適していません。 こ れが、 最新のフィールドバスシステムがIEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP）を使用 している理由で、これは、異なるノード（マスタ ー、スレーブ）のクロックを2桁のナノ秒の精度 TSN同期のタッチインターネットの典型的な産業用アプリケーション分野は、クラウドベースのコント で同期します。 しかしそのためには、 PTPをネ ロールステーション技術や遠隔手術用の遠隔制御医療ロボットのみならず、従来のフィールドバスや 産業用イーサネットアプリケーションよりも広いスケーラビリティ、帯域幅、メーカーの中立性や柔軟 ットワークインタフェースのハードウェアにイ 性を提供する従来のコントロールソリューションにも見られ、自動化ピラミッドにさらに深く浸透して います。 ンテグレーションする必要があります。 そうし ないと、 同期が歪む可能性があります。 個々のノード間でこのようなリアルタイムの動作を実現するため に、各種の産業用イーサネットは、 これまで主に独自のハードウェア、 または特定の拡張プロトコルに依存 してきました。 このことが、 相互に互換性のない産業用イーサネット規格が増加した原因で、 リアルタイム イーサネット通信のためのオープンで相互運用可能な規格のニーズの高まりとなりました。 特に、 IIoTやイ ンダストリー 4.0 により接続される工場のトレンドを見ると、 自動化ピラミッドに独自の新しいレイヤを定 義し、 OPC UAなどのリアルタイムプロトコルを使用した標準化されたデータ交換を要求しています。 さら に、タッチインターネットアプリケーションは、 工場や、 自動運転車両（ロジスティクス）、 エネルギーグリッ

3 OPC UAとタッチインターネットアプリケーション用TSN ドにおける5Gテクノロジーと10+ GbEネットワークの導入によって可能になった、 重要な新しい分野として 浮上してきています。 TSNを使用したリアルタイムタッチインターネット ゴールは今やますます手の届くところにあります。 商用ネットワークのリアルタイム動作の改善に取り組ん でいる IEEE 802.1のTSNタスクグループは、 この目的のために IEEE 802.1Qbvなど、いくつかのIEEE規格 をすでに公開しています。 この IEEE 802.1Qbvは、Time Aware Shaper（ TAS）と呼ばれるタイムスライスプ ロセスを使って、ネットワークトラフィックの正確なスケジューリングを可能にします。IEEE 802.1AS TSN規 格は、TSNノードの周期的な同期のために前述のIEEE 1588 PTPのプロファイルを実装します。 このソリューシ ョンは産業用に適していて、IEEE 802.1ASはハードリア ルタイムアプリケーション用PTPのベースとして、すで に標準のIntel i210、 およびi219イーサネットコントロ ーラにインテグレートされているため、 標準コンポーネ ントとして利用することができます。 たとえば、コンガテックは、 Intel® Atom® E3900プロセ ッサを搭載しPico-ITXボードで、 i210 を使用して IEEE 1588 PTP 仕様に従ってTSNプロトコルを統合する概 念実証（PoC）をすでに実現しています。 MQTT、 DDS、 OPC UA、 その他の産業用イーサネットプロトコルな どのソリューションをサポートするために、この統合 によって、通信プロトコルの上位レイヤでのリアルタイ タッチインターネットには正確な時刻同期が必要です。 コンガテックのPico-ITXボードなど、Time- Sensitive Networkingをサポートする産業用コンピュータプラットフォームは、この同期を保証でき ム機能が保証されます。 PoCは、 複数の conga-PA5 ます。 Precision Time Protocolはノード間の時刻同期を担当し、マスターが時刻を設定します。 個 々のスレーブは、2桁のナノ秒の精度でクロックを同期します。 Pico-ITXボードで構成され、イーサネットベースロード として高解像度ビデオファイルをストリーミングしながら、 同時にリアルタイムの重要なデータを生成し送 信します。 デモでは、 デジタルスイッチによりIEEE 1588 PTPの同期をオン、またはオフにすることができ、イ ーサネット接続された分散デバイスやフォグサーバの異なった通信動作を測定・表示できます。 PoCは、ネ ットワークの負荷が大きいにもかかわらず、 最大ジッタを高精度のナノ秒スケールまで削減できることを 実証しています。 これで、タッチインターネットの準備は万全です。 著者: ゼリコ・ロンカリック（Zeljko Loncaric） コンガテック社、マーケティングエンジニア

コンガテック（congatec）について コンガテック（congatec）は、標準フォームファクタのCOM Express、Qseven、SMARCを使用した産業用コンピュータモジュー ル、およびシングル・ボード・コンピュータとカスタマイズサービスのリーディングサプライヤーです。 コンガテックの製品は、産 業オートメーション、医療、エンターテインメント、輸送、テレコミュニケーション、試験と計測、POSなど、さまざまな産業とアプリ ケーションで使用できます。 コア知識と技術的ノウハウには、独自の拡張BIOS機能と、包括的なドライバとボード・サポート・パ ッケージが含まれます。 設計フェーズに続いて、お客様は長い製品ライフサイクル管理を通じてサポートを受けることができま す。 コンガテックの製品は、最新の品質基準に従って専門のサービスプロバイダーによって製造されています。 コンガテックは、 ドイツのデッゲンドルフに本社を置き、現在、米国、台湾、中国、日本、オーストラリア、英国、フランス、チェコ共和国に事業拠点 を置いています。 詳細については、当社の Web サイト www.congatec.com/jp または LinkedIn, Twitter YouTube をご覧くださ い.。 本社 congatec GmbH Auwiesenstraße 5 94469 Deggendorf Germany Phone +49 (991) 2700-0 info@congatec.com www.congatec.com 子会社 congatec Asia Ltd. congatec, Inc. コンガテックジャパン株式会社. congatec China Technology Ltd. 2F., No.186, Sec. 3, 6262 Ferris Square 〒105-0013 東京都 港区 浜松町1-2-7 Sunyoung Center, 901 Building B, Chengde Rd. San Diego ユニゾ浜松町一丁目ビル301 No. 28 Xuanhua Road, Changning District, 10366 Taipei, Taiwan CA 92121 USA Phone +81 (3) 6435-9250 Shanghai 200050, China Phone +886 (2) 2597-8577 Phone +1 (858) 457-2600 sales-jp@congatec.com Phone +86 (21) 6025-5862 sales-asia@congatec.com sales-us@congatec.com www.congatec.jp sales-asia@congatec.com www.congatec.tw www.congatec.us www.congatec.cn congatec Australia Pty Ltd. congatec Korea Ltd. Real-Time Systems GmbH Unit 2, 62 Township Drive Mr. Yoonsun Kim Gartenstrasse 33 West Burleigh (Yatap-Dong), #707, 88212 Ravensburg Queensland 4219, Australia 42, Jangmi-ro, Bundang-gu, Germany Phone +61 (7) 5520-0841 Seongnam-si, Gyeonggi-do, Phone +49 (751) 359558-0 sales-au@congatec.com South Korea info@real-time-systems.com www.congatec.com Phone: +82 (10) 2715-6418 www.real-time-systems.com yoonsun.kim@congatec.com セールスオフィス France United Kingdom / Ireland Nordics & Baltics Mr. Luc Beugin Mr. Darren Larter Mr. Anders Rasmussen Phone: +33 6 44 32 70 88 Phone: +44 784 581 4792 Phone: +45 285 649 92 cfr-sales@congatec.com cuk-sales@congatec.com cdk-sales@congatec.com