採用事例: 小規模工業生産におけるPROFINETの統合
課題
超音波溶接システムのメーカーは、明らかな課題に直面していました。新しいデバイスバージョンのコントローラで、PROFINETをサポートする必要があったのです。以前のモデルでは、シリアルインターフェースでパラメータ化を処理していました。STM32マイクロコントローラでは、周波数、振幅、その他のパラメータを制御します。
新しい世代の製品に対してエンドユーザが求めるものは、リアルタイム対応のPROFINET通信でした。新しいインターフェースは、既存のアーキテクチャにシームレスに統合する必要もありました。同時に、ハードウェアの変更と認定に関しては特に、必要な労力を最小限に抑えなければなりませんでした。
要件
プロジェクトでは、機械メーカーに対して、明確な優先順位が制約として設定されており、時間、エンジニアリングリソース、生産量が制限されていました。
PROFINETインターフェースは、既存のシステムアーキテクチャに適合させる必要がありました。機械メーカーのチームは、ハードウェアの大規模な再設計を始めたくはありませんでした。認定も簡素なままにしておく必要があったため、範囲は必要不可欠なものに意図的に縮小されました。
具体的なプロジェクトの要件:
プロジェクトの設定
プロジェクトは、エンドユーザである機械メーカーに代わって、システム開発者のBrückmann Elektronikが管理しました。Brückmannは、PROFINETの経験が数少なかったため、システムエンジニアリングのスペシャリストであるBurger Engineeringをサポートに招きました。Burgerのチームは、数年前からヒルシャーの「netXデザインイン・パートナー」に公式に認定されており、ヒルシャー製品を使用した産業用通信の統合に関して、実践的な専門知識を幅広く有しています。
重要な要素は、適切な通信モジュールの選択でした。決定はすぐに行われ、ヒルシャーのnetRAPID 90が選ばれました。
netRAPID 90は、netX 90チップを内蔵したコンパクトな通信モジュールです。Brückmann とその顧客には、PROFINET通信スタックが事前にロードされた状態で提供されました。EtherCATやEtherNet/IPなど、その他の通信プロトコルや、PROFIBUSやDeviceNetなどのフィールドバスも利用可能です。このモジュールは、大規模なハードウェア開発を行うことなく、既存の設計に統合できます。
ヒルシャーのnetRAPID 90の製品ハイライト:
- はんだ付け可能な設計のnetX 90
- ホストに対するSPIインターフェース
- 産業用イーサネットおよびフィールドバス用のピンを備えたマルチプロトコル設計
- アプリケーションタスク用のCortex-M4プロセッサを統合
BrückmannとBurgerのチームは、netX 90をデバイスに直接組み込むことを含め、数多くの選択肢についても議論しました。最終的に、ヒルシャーのマルチプロトコルプロセッサのデザインインを使用した、個別のPCB開発はすぐに除外されました。予想される生産量が少なかったため、労力が釣り合わなかったと考えられます。
コンパクトなフォームファクタ、通信とアプリケーションの完全なユニット、開発と認定に利用可能なツールにより、netRAPID 90が、最も効率的なソリューションであると確認されました。
プロジェクトのフェーズの概要
フェーズ1: 実装 — 2023年2月から6月
- 技術フレームワークの定義
- 最適なソリューションとしてnetRAPID 90を選択
- 評価ボードを使用したアプリケーションの実装と初期開発
フェーズ2: 最適化と認定
- PROFINETの公式認定に向けたソリューションの準備
- 認証
- ソリューションを必要な機能セットに縮小
実装
アプリケーションと通信の分離
技術ソリューションの中核は、アプリケーションロジックと通信ロジックを明確に分離することでした。既存のSTM32コントローラは、周波数制御、振幅制御、電源管理など、デバイス固有のすべての機能にすでに対応していました。このため、PROFINETの作業をさらに実行する予定はありませんでした。
当初、チームは、netRAPID 90をコンパニオンモードで運用する予定でした。このアプローチでは、アプリケーションはSTM32上に残り、netRAPID 90がPROFINETネットワークへの接続を処理します。
しかし、STM32は時間が重要なシーケンスであり、すでに性能の上限で稼働していたため、チームは、代わりにスタンドアロンモードを選択しました。このため、netX 90の2番目の中核により、プロバイダとコンシューマの間で、PROFINETを介してアプリケーションデータを交換できるようになりました。その結果、PROFINET通信は事実上、STM32の性能にさらなる影響を与えることなく実装されました。
SPIインターフェースを介した接続
チームは、STM32への接続をSPIインターフェースを介して実装しました。netRAPID 90では、プロセス関連のデータをSTM32の制御チップから直接取り出し、逆方向でのSTM32への送信も行いしました。このように、プロセスデータを周期的に交換することにより、タイミングの安定性が大幅に改善されました。また、送信されたデータの後からの調整も行いやすくなりました。
シンプルな構成のデータ構造
データ構造に関して、チームは、シンプルな構成を意図的に選びました。netRAPID 90では、実際の内容には関知しませんでした。代わりに、64バイトのプロバイダデータと64バイトのコンシューマデータを生バイト配列として、PROFINETネットワークとSTM32の間で周期的に交換しました。そのため、内容の解釈は、すべて上位レベルのPLCとSTM32に残されました。netRAPIDモジュールでは、定義された間隔でのみ、データがミラーリングされました。
プロジェクト終了まで変更が可能
このミラーリングにより、開発の労力が大幅に削減されました。パラメータの追加、8ビットから16ビットへの値の切り替え、新しい制御コマンドの追加など、データ構造の変更は、プロジェクトが終盤に差しかかっていても、通信層を再度変更することなく行えました。この切り離しこそが、プロジェクトの柔軟性とスピードを向上させたのです。
開発者にとって、これは複雑な診断や骨の折れる解釈、不必要なパラメータ化ではなく、単に、堅牢で柔軟なプロセスデータの交換でした。さらに、組込みモジュールソリューションとしてヒルシャーのnetRAPID 90を使用したことで、開発時間が短縮されました。これは、集積チップベースのアプローチに比べて、必要な労力が大幅に少なかったためです。
製品開発プロジェクトでは、長年にわたり、フルサービスの安心パッケージを提供してきました。近頃、お客様から、頻繁にこのパッケージをご要望いただくようになりました。これには、社内の人手不足など、いくつかの理由があります。製品開発に何か月もかけられる時代は終わりました。ファームウェアがあらかじめインストールされ、十分なテストが行われた組込みモジュールを使用すれば、開発サイクルを大幅に短縮できます。
Jörg Klenke
経営陣のメンバー
Burger Engineering
業界の専門家に対するプレゼンテーションの成功
関連リンク
netRAPIDを使用すれば、スレーブ・インターフェースを短時間で安全に実装できます。netXチップキャリアは、コストのかかる自社開発に代わる選択肢です。
産業用通信プロジェクトのインテグレーションパートナーをお探しですか。マルチプロトコル対応のnetXチップからIIoTアプリケーションまで - パートナー企業のネットワークでお客様に必要なサポートをお届けします。