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TSN - スマートファクトリーをさらに進化させる準備はできていますか?

Liam Cheng     2020年10月29日
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スマートファクトリーの構築は簡単ではありません。これまでは、さまざまなアプリケーションや機能に対して最高のパフォーマンスを発揮するために、工場はワークステーション、生産ライン、およびコントロールセンターの効率を最大化するために、独自の独立した階層化されたネットワークを構成する必要がありました。

生産能力の向上と生産コストの削減に加えて、インダストリー4.0への移行は、マス・カスタマイゼーションという将来のトレンドを後押ししています。製造業へのこの新しいアプローチは、工場内のすべてのデバイスの相互接続に依存しています。実際には、これは情報技術(IT)と運用技術(OT)ネットワークを統合して、すべてのエンドデバイスを接続し、原材料から生産、顧客への納品に至るまでのデータ収集を一元化することを意味します。このリアルタイムの情報により、工場は生産戦略を最適化することができます。

この傾向を念頭に置き、従来の階層化ネットワークを持つ工場のスマート工場化を支援しようとするシステムインテグレータは、技術的な実現可能性、追加構築、メンテナンスコストの増加などの困難な課題に直面することになるでしょう。真のスマート工場を構築するためには、まず従来の階層化ネットワークアーキテクチャを打破する必要があります。

オートメーション業界は、今日多くの工場が直面している課題に対処できる統合ネットワークの可能性を長い間期待してきました。ここでタイムセンシティブ・ネットワーキング(TSN)技術の出番です。標準イーサネットをベースにしたTSNは、産業用イーサネットプロトコルのサポートとともに、ネットワーク全体の時刻同期、低遅延、高信頼性、最適化された管理を実現します。これらの機能強化により、TSNはITとOTのコンバージェンスの複雑さを効果的に解決し、インダストリー4.0で想像される未来を実現します。

産業用オートメーションの大手メーカーで構成される規格開発団体ODVAは、"産業用イーサネットを介してタイムクリティカルなデータを送信するTSN規格は、ITとOTの融合によってもたらされるデータトラフィックの大幅な増加に対応できる」と指摘しています。

TSN技術は長年にわたって開発が進められてきました。しかし、スマート工場の構築を希望する企業は、TSNが業界にどのような実用的なメリットをもたらすのかをまだ待っています。システムインテグレータは、TSN技術はまだ実用化されていないと考えており、TSN技術の商業化と、より完全なTSNエコシステムを期待しています。

しかし、より大きな疑問が残っています。TSNはスマート工場で使用する準備ができているのでしょうか? 

TSN技術の実装を成功させるためには、3つの重要な要件があると考えています。

要件1:TSNを介した産業用イーサネットプロトコルのサポート

産業用通信技術は、あらゆる工場のオペレーションに欠かせないものです。産業用イーサネットプロトコルは、工場のOTネットワークで重要な役割を果たしています。さまざまな組織は、アプリケーションシステムの要件を満たすためにカスタマイズされたプロトコルを作成します。これにより、機器、生産ライン、およびアプリケーションが独立して動作する状況が生まれ、これらのシステムが相互に通信し、連携することが困難になります。
TSN技術の黎明期以来、主要な産業用イーサネットプロトコル組織は積極的に標準化をすすめ、TSN互換の産業用イーサネットプロトコルを開発し始めました。これにより、さまざまな産業用イーサネットプロトコルのエコシステムのユーザーは、最新のTSN技術を最大限に活用することができます。

例えば、2018年には、CC-Linkパートナー協会(CLPA)は、TSN標準に基づいた「CC-Link IE TSN」仕様を完成させ、発行しました。その後のCLPAのホワイトペーパーでは、自動車の塗装工場や半導体加工装置など、いくつかの応用事例が記載され、CC-Link IE TSNプロトコルを利用した統一ネットワークの実用的なメリットが示されています。2020 年 9 月現在、CLPA には 300 社以上の企業会員がおり、いくつかのメーカーが CC-Link IE TSN 規格に対応した製品をリリースしています。

世界中に1,700人の会員を持つPROFIBUS & PROFINET International(PI)組織は、2019年7月に「PROFINET仕様V2.4」を発表し、TSNネットワーク上でのPROFINETベースの産業用通信のサポートを導入しました。TSN技術の実現可能性を証明するだけでなく、TSNエコシステムの高度化を先駆的に進めています。

2018年にOPC財団が立ち上げた「OPC UA FLCイニシアティブ」は、TSNと関連するアプリケーションプロファイルを含むOPC UAを実装するためのオープンでまとまりのあるアプローチを提供することを目指しています。今回初めて、OPCファウンデーションは、共同プロジェクトに参加するために多くのトップ産業オートメーションメーカーを集めました。その目的は、TSN技術に基づいて将来の産業用オートメーションシステムに必要とされるフィールドレベルのリアルタイム通信プロトコルを構築することです。この標準はまだ開発中ですが、その実質的な進歩は、2019年4月にドイツで開催されるハノーバーメッセで、そして最新のパンフレットですでに目撃される可能性があります。


OPC UA FLCイニシアチブのキープレイヤー
出典:https://opcfoundation.org/wp-content/uploads/2020/10/OPCF-FLC.pdf

ODVAが開発した産業用イーサネットプロトコルであるEtherNet/IPも、その規格にTSN技術を活用しようとしています。例えば、2020年4月に発表された「EtherNet/IP Enhanced to Further Address Industry 4.0 and IIoT」では、リンクレイヤディスカバリープロトコル(LLDP)のサポートが追加され、EtherNet/IP仕様にTSN機能を組み込むための基盤が整いました。

これらの主要な産業用イーサネットプロトコルは、TSN規格をサポートするために更新されています。これらは完成度の異なる段階にありますが、もはや単なる理論的なものではありません。さらに、一部の機器メーカーは、これらの産業用イーサネットプロトコルと互換性のあるTSN対応製品をすでに発売しています。

要件2:TSNソリューションの準備

産業用イーサネットプロトコルの進化に続き、次に克服すべきハードルはTSNソリューションの対応力です。スマート工場で必要とされる自動化装置、システム、さらには生産ライン全体のために、完全なソリューションを実装し、TSN技術を実用化するためには、ソフトウェアとハードウェアがある程度TSNをサポートしていなければなりません。

例えば、ソフトウェアとハードウェアの開発キットとスタック、および開発ボードは、TSNアプリケーションと製品を生産するライフサイクル全体を通してデバイスメーカーを支援することができます。コントローラ、スイッチ、ヒューマン・マシン・インターフェース(HMI)、インバータ、および IO などのオートメーション・ハードウェア・デバイスもまた、次世代のオートメーション・システムとネットワークを構築するシステム・インテグレータを支援するために、TSN 関連の機能をサポートする必要があります。

一方で、スマート工場では、管理されたデバイスや収集されたデータの量が大幅に増加しています。システムインテグレータが全体的な導入コストや保守コストを削減できるようにするためには、TSN機器を集中管理するためのソフトウェア管理ツールも、ソリューション全体に欠かせないものとなっています。これにより、フィールドエンジニアは複雑なアプリケーション要件を簡素化し、TSN機器を構成する際の時間を大幅に節約することができます。

TSNエコシステム全体を見てみると、2016年にドイツでスマート・プロダクション・ソリューションズ(SPS)が発足して以来、チップ、開発ボード、機器、ソフトウェアキットなど、さまざまなメーカーからTSN関連の製品が徐々にリリースされている。近年の自動化大手が発売した製品を見る限り、TSNをベースとしたソリューションが急速に成熟していることは明らかです。

要件3:マルチベンダー間の相互運用性

TSNは多くの業界で認められているイーサネット標準の集合体ですが、異なるメーカーのデバイス間の互換性の問題は避けられません。これに対応して、インダストリアル・インターネット・コンソーシアム(IIC)、ラボ・ネットワーク・インダストリー4.0(LNI 4.0)、アライアンス・オブ・インダストリアル・インターネット(AII)、エッジ・コンピューティング・コンソーシアム(ECC)の4つの主要なTSN相互運用性テスト・プラットフォームが世界中で確立されています。これらのプラットフォームを通じて、デバイスメーカーは、デバイス間のTSN技術の相互運用性と統合性を確保するために協力することができます。

これは、TSNソリューションを提供するための多くのメーカーのコミットメントを示すだけでなく、システムインテグレータやユーザーを安心させる実用的な手段としても機能しました。


2019年ハノーバーメッセでのIIC合同デモの様子

TSNは準備ができています

様々な TSN ベンダーの総力を結集して、TSN エコシステムを構築するための重要な要素が徐々に整備されつつあり、すでにかなりの進展が見られています。

近年、実用的な TSN アプリケーションの多くのデモンストレーションが、世界中のオートメーション展示会で展示されています。これらの展示会は、TSN技術の開発をサポートするための標準化団体とメーカーの決意の証拠です。Moxaは、TSN標準を定義する初期段階から積極的な貢献者として、業界のリーダーと協力してTSNエコシステムの発展を進めてきました。

2019年11月、Moxaは三菱電機、B&R、およびAcontisとともに、ドイツのニュルンベルクで開催されたSmart Production Solutions(SPS)で「TSN:統一ネットワークインフラストラクチャ」を発表しました。TSN統一ネットワークアーキテクチャを使用して、CC-Link IE TSNとOPC UAという2つの主要な産業用イーサネットプロトコルをTSN上で動作させました。このデモでは、モーションコントロール、画像ストリーミング、データ収集などのアプリケーションを統合し、複数の製品でTSNの実用的な実装を実演しました。(詳細は”TSN-未来はもう始まっています”をご覧ください。)


2019年SPS TSNデモキット展示

2020年8月に開催された台北国際産業自動化展で、MoxaはCLPAからTSN統一ネットワークアーキテクチャのデモに招待され、MoxaのCC-Link IE TSN認定スイッチの動態展示を初めて実施しました。

2020年台北国際産業オートメーション展デモキット展示

これまで業界では、TSN規格と技術はまだ開発の初期段階にあると考えられていました。産業用イーサネットプロトコルのサポート、ソリューションの準備、相互運用性は、TSN技術の実装を妨げている3つの主要な要因です。最近の進歩に基づいて、これらの障害は徐々に過去のものになりつつあることが分かっています。

TSNはもはや単なる思いつきではありません。TSN互換の産業用イーサネットプロトコルとデバイスメーカーが設計した完全なTSNソリューションの導入は、将来の産業用モノのインターネット(IIoT)時代の礎となるよう設定された真のTSNエコシステムに向けて構築されています。

TSNの詳細については、ホワイトペーパーをダウンロードするか、TSNのウェブサイトをご覧ください。

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