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IIoTやインダストリー4.0のためにTSNが実現する5つのこと

Liam Cheng     2021年3月9日
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COVID-19のパンデミックが企業に大打撃を与えているにもかかわらず、米国連邦準備制度理事会は、2021年のGDPが4.2%成長すると予測しています*。世界経済の復活には、製造業が非常に重要な役割を果たすことが期待されています。トンネルの先に光が見えてきたことを受けて、製造業の大手企業の中には、需要の増加に対応して、より迅速かつ的確な方法で生産を拡大することを計画しているところも少なくありません。しかし、この好転は、生産効率の向上とメンテナンスコストの削減を可能にする革新的な技術を採用する企業の意欲にかかっています。

タイムセンシティブ・ネットワーキング(TSN)は、インダストリー4.0やIIoT(Industrial Internet of Things)アプリケーションが高い生産効率を達成するだけでなく、メンテナンスコストを削減するのに役立つ技術として注目されています。TSN技術の活用を開始した業界プレイヤーは、2020年を通して複数の仮想デモンストレーションを行うことで、TSNが単なる未成熟なアイデアではなく、具体的な技術であることを世界に示しました。しかし、将来に目を向ける前に、正しい投資を行うために知っておくべきことがあります。

▎質問1 ▎TSNを採用するメリットは何ですか?

A:TSNの2つの究極の目標は、正確さと定時性が求められるデータを産業プロセスにシームレスに組み込むことと、ビジネスオーナーが市場の要求にリアルタイムで迅速に対応するためにオペレーションの詳細かつ全体的な視野を提供することです。TSN技術を利用することで、ビジネスオーナーは2つの主要な目標を達成し、以下のようなメリットを享受することができます。

  1. TSNは、高速ネットワーク、大容量のデータ伝送、高精度のモーションコントロール、低遅延を可能にします。
  2. TSNはネットワークトラフィックに優先順位をつけることができるため、リアルタイムの通信が保証され、緊急性の高いデータが適切な場所に適切なタイミングで配信されることになります。つまり、標準的なイーサネットをベースにした産業用オートメーションでは、1つの統一されたネットワーク上でアプリケーションを統合するという目的が達成されます。最終的には、多様なアプリケーションのために1つの統一されたネットワークを持つことが可能になります。これにより、緊急性の高いデータが時間内に目的地に届かないという心配がなくなります。(詳細はデモビデオをご覧ください。)
  3. TSNは、許可されていないデータの流入を避けるために、正確なデータ送信をスケジュールすることができるので、ネットワークセキュリティを強化することができます。

図。多様化するアプリケーションに対応する統一されたネットワーク

▎質問2 ▎「一つに統一されたネットワーク」は重要ですか?

A:生産プロセスの洞察を可能にする正確で連携のとれたデータを促進するためには、OTとITのネットワークを1つに統一されたネットワークに収束させることが必要です。しかし、OT環境に孤立した独自のオートメーション・アイランドを統合することもさることながら、OTとITのネットワークの間にギャップがある場合、その統合を実現することもまた非常に困難です。1つに統一されたネットワークには、以下のようなメリットがあります。

  1. 単一の業界標準による通信を実現。
  2. 異なるベンダーのプロトコルを理解するためのトレーニング労力を最小限に抑制
  3. ケーブル配線やメンテナンスコストの削減

1つに統一されたネットワークの概念については、以下の記事「インダストリー4.0におけるTSNの成功を保証する相互運用性の実現」を参照してください。

▎質問3  ▎TSNの潜在的なアプリケーションは何ですか?

TSNはAVB(Audio Video Bridging)から発展したものですが、TSNの使用はオーディオやビデオのアプリケーションに限定されるものではありません。TSNは、半導体、自動車、機械、食品、化学、発電など、さまざまな業界で使用されている幅広いアプリケーションに欠かせない、有望な機能と利点を備えています。しかし、それぞれのTSNアプリケーションには固有の要件があり、現在、既存のTSN規格とアプリケーション固有のTSNシステムの間には大きなギャップがあります。Moxaがどのようにしてザイリンクスと協力し、Industry 4.0アプリケーションのための定時性を有したネットワーキング技術の開発を進めたかについては、このプレスリリースをお読みください。

▎質問 4  ▎私のアプリケーションがTSN技術を利用することは可能ですか?

あなたの組織がTSNを導入すべきかどうかは、以下の記述を読むことで評価できます。

 3つ以上の記述にチェックを入れるなら、TSNはあなたにとって理想的なソリューションとなるでしょう。

  • 標準的な通信技術や独自の通信技術を統合する際に膨大なコストがかかる。
  • 孤立したネットワーク構造のため、既存のネットワークシステムのデバッグに非常にコストがかかる。
  • ネットワークシステムの管理が難しく、ツールの開発が必要なため、手間がかかる。
  • 既存のシステムとITシステムの間に相互運用性の問題がある。
  • 自動化されたシステムを開発したいので、より広いネットワーク帯域が必要。
  • ネットワークのセキュリティを強化したいと考えている。

▎質問 5  ▎私の組織は、既存の生産プロセスとネットワーク設定で問題ありません。なぜTSNの導入を検討する必要があるのでしょうか?

当面は、生産量に満足できるかもしれません。しかし、長期的には、TSN技術を導入している競合他社に追いつくのは難しいでしょう。既存のインフラに基づいて生産を拡大することはできますが、例えば、コンベヤベルトがPROFINETによってHMIと通信していることを発見すると、その拡大は限界に達します。一方で、ハードなリアルタイム性が要求されるモーションコントロールにはEtherCATが使われ、ロボットアームの制御には三菱CC-Link IEなどの別のプロトコルが使われていたりします。必要に応じてアドオンブロックを利用することは比較的容易ですが、異なる産業用イーサネット技術を利用する異なるベンダーのデバイスをすべて管理することは非常に困難です。各セルが孤立していると、プロセスの微調整や生産効率の向上はもちろんのこと、データの統合だけでも多くの障害があります。長期的には、インダストリー4.0やIIoTアプリケーションの実現とは逆の方向に進んでしまうことになります。さらに重要なことは、TSNテクノロジーは、マシンビジョンやモーションカメラなどの追加アプリケーションを1つの統合されたネットワーク上に追加する際に、プラグアンドプロデュースのソリューションを可能にするということです。

図:TSNユニファイドネットワークにアプリケーションを追加する

つまり、インダストリー4.0やIIoTアプリケーションを可能にするのは、ITとOTのネットワークの融合なのです。TSNは、これらのネットワークを連携させることで、ネットワーク接続に大きなメリットをもたらし、システム導入時のコストを削減することができます。TSNはまだ実証されていない技術だと誤解している人がいますが、実際にはTSNスイッチ、PLC、サーボ、IOだけではなく、IIoTやインダストリー4.0アプリケーションの目標を達成するためのエコシステムへと進化しています。

TSNテクノロジーの詳細については、当社のマイクロサイト www.moxa.com/jp/TSN

*出典連邦公開市場委員会報告書

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