古くからのPCユーザーであれば、RS-232Cという規格を聞いたことがあるかもしれません。では、PLCという言葉はどうでしょうか。実はこれらは、産業用ネットワークの分野で使われている規格や言葉で、産業分野ではとても重要なものなのです。ここでは、産業用ネットワークについて簡単にご紹介します。
産業用ネットワークとは？
産業用ネットワークとは、装置や生産ラインに設置されたセンサやデバイスを制御し、その情報を製造実行システムなどの上位システムに伝送するネットワークです。フィールドネットワーク、FAネットワーク、フィールドバスなどとも呼ばれる。
一般的に工場のネットワークシステムは、以下の4層構造で構成されています。
- レイヤー1：情報系ネットワーク
- レイヤー2：コントローラネットワーク
- Tier3：フィールドネットワーク
- レイヤー4：省配線ネットワーク
情報系ネットワークにはMES（製造実行システム）、コントローラー系ネットワークにはPLC（プログラマブルロジックコントローラー）などがあります。また、フィールドネットワークには、センサーやモーターと通信するコントローラーがあり、最下層には、センサーとコントローラー間の通信配線を簡略化する省配線ネットワークがあります。
今回は、第3層のフィールドネットワークについて取り上げます。古いパソコンに付いているrs-232Cというインタフェースは、もともとこの第3層のネットワークでは古い規格なのです。
工場の設備や生産ラインでは、物理デバイスやセンサーなど、ネットワークの構成要素の変動が少なく、常時同じものが接続されていることが多い。一方、データ伝送の誤りや停止といった問題はなく、データ伝送量の変化にかかわらず、常に同じ速度で安定的かつ確実に動作することが求められる（これを「リアルタイム性の確保」と呼ぶ）。
そのため、オフィスで使われるインターネットやLANなどのネットワークの規格であるEthernetに代わり、独自のネットワークの規格が発展してきた。しかし、近年普及している製造実行システムなどの上位システムがEthernetベースで構築されていることや、Ethernetシステムの弱点であったリアルタイム性が向上した結果、最近ではフィールドネットワークもEthernetベースの規格が増えてきています。
フィールドネットワークの歴史と基準
工場の設備をネットワークでつなぎ、データを収集したり、モーターやロボットなどを制御するコントローラーをネットワークでつなぎ、統合管理するという考え方は、1970年の今のIoTに近いと思います。1990年代と言われています。すでに実験的な研究は行われていた。しかし、当時はアナログの時代で、デジタルのハードもソフトもまだまだ貧弱で、こうした実用的なデジタルネットワークの実現は当分先のことと考えられていた。
その後、デジタル技術の進歩により、1990年代にはフィールドネットワークが実用化されました。当時はさまざまな規格が生まれ、約40種類の規格がひしめき合っていた時期もあった。その後、組織の整備が進み、現在は10種類以上の主要な規格に絞られています。
フィールドネットワークには、RS-232Cから発展したrs-485方式、イーサネット方式、無線方式の3つがある。前述したように、近年はイーサネットの規格が主流となっています。また、無線方式も徐々に増えてきている。
特長 RS-485フィールドネットワーク用
RS-485方式の利点は、歴史が古く、多くの現場で使用されていることだと言えます。また、動作が比較的安定しており、リアルタイム性にも優れています。さらに、ノイズに強いという特徴もあります。これらの「信頼性の高さ」と「実績」が、rs-485のフィールドネットワークが30年以上にわたって使用されてきた大きな理由であり、イーサネット方式が主流となった現在でも、かなり「捨てがたい」規格となっています。
デメリットは、イーサネット方式に比べ伝送速度が遅いことです。また、イーサネット方式に比べ、機器の価格が若干高くなる傾向があります。
特長 イーサネットフィールドネットワーク用
イーサネットシステムの利点は、やはりベストエフォート型の比較的速い伝送速度が得られることです。プロトコルやハードウェアは上位の情報系システムと共通なので、導入が容易である。また、ケーブルやネットワークアダプターなどのハードウェアは、すでに普及しているLANと共通なので、機器の価格を低く抑えることができる。
一方、イーサネットはネットワークトラフィックが増えると伝送速度が遅くなる。つまり、生産システムの規模が大きくなり、時間を長くしようとすると、伝送速度が低下し、データ伝送のリアルタイム性が損なわれてしまうのです。そのため、リアルタイム性を確保するためには工夫が必要です。
ワイヤレスフィールドネットワークの特徴
ワイヤレスシステムの最大のメリットは、有線配線が不要であることです。後からフィールドネットワークを導入する場合や、工場の床下や天井裏に有線配線を行うスペースがない場合などに、非常に有利になります。また、同じ理由で、工場のレイアウト変更などのケースにも柔軟に対応できます。また、ケーブルの敷設だけの費用がかからないため、システム全体の初期費用が安くなる傾向があります。
一方、無線は電波を使って通信するため、回折や反射など電波の伝搬状況によってはうまく伝送できないことがあり、無線ならではのデメリットがあります。そのため、原則として機器のアンテナはお互いが見える位置に設置する必要があります。
各系統の代表的な規格とその特殊性
RS-485規格とその特殊性
主なものとして、CC-Link、PROFIBUS DPがある。
"CC-Link "は、三菱電機が日本 、アジアで開発した代表的な規格です。特長 、転送速度は最大10Mbps、伝送距離は1.2kmと、比較的高速で伝送距離も長いのが特徴です。また、1ネットワークあたり64台の機器を接続することができます。日本 、この規格はほぼ工場出荷時の標準となっている。Cc-Link はもともと RS-485 の規格ですが、近年はイーサネットベースの CC-Link IE も登場しています。イーサネットとRS-485を変換したコントローラもあります。
「PROFIBUS DP」は、ヨーロッパを中心とした有力な規格です。世界では最大のシェアを誇っています。特徴として、1ネットワークあたり126台の機器を接続することができます。また、光ファイバーケーブルにも対応しています。
イーサネットの規格とその特殊性
主なものは「EtherNet/IP」「EtherCAT」です。
"Ethernet/IP "は、Ethernetの弱点を克服するために、サイクリック通信をサポートした通信規格です。Cyclic communicationの略。一定の周期で通信を行うことで、この規格特有の通信制御を行う。これにより、見かけ上のリアルタイム性を確保している。自動車メーカーのGMが採用したことでも知られ、米国で大きなシェアを獲得している。
"Ether CAT "とは、Ethernetの弱点を克服するために、原則としてネットワークトポロジー（ネットワークの物理的な接続形態）をツリーからリングに限定した規格である。トヨタ自動車株式会社が採用したことで知られている。通常のネットワークでは、ハブやルーターを使ってツリー状に分岐するが、EtherCATではデイジーチェーン状に機器を接続する。このため、リング内のトラフィック量が一定となり、リアルタイム性が確保される。
ワイヤレス規格とその専門分野
無線規格には「ローカル5G」「LPWA」などがあります。
"ローカル5G "とは、次世代携帯電話の規格である5Gを空間的に限定して利用することです。5Gの高速性を生かしたフィールドネットワークへの活用が期待されています。
"LPWA "は現在、無線フィールドネットワークで主流となっている方式で、低電力で広いエリアをカバーできるとして人気があります。伝送速度が遅いというデメリットはありますが、コストが低く、普及に貢献します。
規格の数が多いということは、選択の幅が広いということです
以上、産業用ネットワークに関する規格を簡単に紹介しました。産業用ネットワークにはさまざまな規格がある。現在はイーサネット系の規格がやや優勢ですが、長年多くの現場で使用されてきたrs-485系の規格も捨てがたいものがあります。また、場合によっては、無線系も少しは相当なものと言えるでしょう。いずれにしても、それぞれの規格の特徴を理解し、構築しようとしている生産システムに最適な規格を選択することが重要です。いろいろな規格があるからこそ、幅広い選択ができることを活かしていきましょう。
