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ブログ: シングル・ペア・イーサネット - センサーおよび周辺機器へのクラウド・アクセスの強化

パート1:SPE - 概要

シングル・ペア・イーサネットは、各センサへのIPベースのネットワークを可能にする新しい取り組みとして、ケーブル配線の薄型化、プラグとコネクタのフットプリントの縮小、およびスペース要件の軽減によって、付加価値を高めます。そのため、センサをITやクラウドシステムに直接統合して、センサや周辺領域にある多数の既存のフィールドバスを置き換えるのに適しています。


たとえば、新型コロナウイルス感染症の世界的流行がそうであったように、私たちの快適な生活空間の劇的な変化ほど、、デジタル化を日々の生活の中心に浸透させるものはありません。突然、テレビ会議、オンライン会議、トレーニングなどの専門的なビジネス分野で部分的に使用されていたツールや方法が、私たちの新常識の一部になりました。デジタル・エコシステムやデジタルサービスの需要の急激な高まりは革命と言えるかもしれませんが、製造業のデジタル化が本格化するまでには、もっと長い時間を要しました。それは数年にわたる政府活動の後に現在も進行中で、概念実証や規格の前進において役立つことをを証明しています。しかし、予知保全やスマートロボティクスなどのビジネスモデルに必要なセンサとクラウド間のシームレスな通信を実現したいという要望は、依然としてネットワーク・インフラストラクチャにおけるギャップに直面しています。

シングル・ペア・イーサネットは、各センサへのIPベースのネットワークを可能にする新しい取り組みとして、ケーブル配線の薄型化、プラグとコネクタのフットプリントの縮小およびスペース要件の軽減により、付加価値を高めます。そのため、センサをITやクラウドシステムに直接統合して、センサや周辺領域にある多数の既存のフィールドバスを置き換えるのに適しています。

ヒルシャーは、2021年中にはプロセス産業で導入されると予想しています。イーサネット・インフラストラクチャと、特にIO-Linkが今日のデジタル化における多くの課題をすでに解決しているため、ディスクリート産業が2025年に向けて後に続くと予想されます。

ヒルシャーの見通しでは、長期的にはSPEが導入され、市場シェアを獲得することは間違いありません。当社のネットワーク・プロセッサのnetXファミリは、、SPEインフラストラクチャを簡単に導入し、移行パスを可能にするために既存のネットワーク・インフラストラクチャからSPEへのゲートウェイを構築する機会を提供します。

このブログ・シリーズでは、ヒルシャーの視点からシングル・ペア・イーサネットの現状と進捗について説明します。

 

デジタル化の進捗状況とメリット

第4次産業革命と呼ばれているにもかかわらず、製造業はすでに2011年頃からデジタル化の時代に入っています。その背景には、「プラットフォーム・インダストリー4.0」、「インダストリアル・インターネット・コンソーシアム」、「中国製造2025」といったタイトルの構想があり、生産設備のパフォーマンスを全体的に向上させるためにデジタルの手法や技術を使用するプログラムを立ち上げ、資金を提供することを目的としています。さまざまなグローバル・コンサルティング企業がこれを分析し、「1兆ドルのチャンスが手に入る大変革」と呼んでいます(Accenture、2015年)。

「新しい産業パラダイム」は、「組込みシステムにおけるインテリジェンスの向上と、スマート・サービスを通じた価値創造の必要性」で明らかになり、予測生産活動とプロセスの透明性のための高度な分析にとっての成功のカギとなります(Capgemini、2015年)。産業界企業への100件以上のインタビューに基づく2015年のマッキンゼーの分析でも、「破壊的技術が製造業のデジタル化を可能にする」と結論付け、特にクラウド技術、高度な分析、タッチ操作と次世代GUI、仮想現実と拡張現実、高度なロボット工学、付加製造を挙げています。数多く研究機関に基づき、右のグラフのようなバリュードライバが導き出されました。

 

したがって、期待値は非常に高く、ポテンシャルは確かに大きいように見えますが、インダストリアル・インターネット・コンソーシアムなどを通して多数の概念実証が進められているにもかかわらず、依然として工場現場からITシステムにいたるまで、スマート生産システムの垂直ネットワーク化をどのように実現するかが課題となっています。

数年にわたる研究と調査を経て、今日、製造業部門におけるデジタル化のニーズとメリットについてより深く理解し、それを広く共有することが求められています。技術的には、OPC UAは、ITとOTの世界間の垂直的なセマンティックな課題を解決するのに役立つ最も一般的な規格となっています。ビジネス面では、2015年に予測されたように、さまざまな業界における生産システムの付加価値を実現するイニシアチブを推進する組織がいくつかあります。ヒルシャーは、Open Industry 4.0アライアンスに参加し、そのプログラムやビジネス・モデルを推進しています。

当社は、netFIELDの製品とサービスによって、大規模なパートナー・ネットワークと協力して顧客価値を広く提供するオープンな共有エコシステムをサポートしています。しかし、クラウド・サービスをセンサ・レベルに接続することは依然として課題であり、そのアクセスを解決する1つの機会としてシングル・ペア・イーサネットが提案されています。

 

産業用ネットワーク

2000年代初頭から、これらのデジタル化の取り組みと並行して、産業界は産業用イーサネットを、すべての業界で、PROFIBUS、InterBus、CC-Link、Sercos、DeviceNetといった以前のフィールドバス・システムに代わる主要な通信規格として採用しました。イーサネットのいくつかのバリアントが、自動車、包装、食品、飲料などのファクトリー・オートメーション関連業界で特に必要とされる、より広い帯域幅と決定的なリアルタイム通信への高い要求をサポートするために標準化されました。

 

さまざまなイーサネットの規格がさまざまなオートメーション企業によって推進され、リアルタイムの要求をサポートするために、MACとリンク層のOSI層のさまざまなレベルの変更要求を有しています。プロトコルには、従来のTCP/IPベースのイーサネット・システムに基づいているもの、第3層と第4層を変更するもの、さらには変更されたハードウェアをデータ・リンク層に必要とするものがあります。最新のリアルタイム・イーサネット・システムのTime-Sensitive Networking(TSN)は、IEEEによって最終リリースされ、共通のハードウェア・ベース用の第1、2、3層のリアルタイム機能を標準化しています。すべてのイーサネット・バリアントは、オフィス側から作業現場まで工場をネットワーク接続し、全体的な生産パフォーマンス、診断、および可用性を向上させる能力を共有しています。しかし、イーサネットの複雑さと、デイジー・チェーンやスイッチド・ネットワークといったネットワークトポロジのため、センサやアクチュエータなどの周辺機器での使用には限界がありました。シームレスなイーサネット・ベースのIPネットワーク・インフラストラクチャにおけるこのギャップは、現在、シングル・ペア・イーサネット(SPE)の標準化努力によって対処されています。

シングル・ツイストペアに基づくイーサネットの標準化が始まったのは、自動車業界が発端でした。車載ネットワークでは、CAN、MOST、FlexRayといった既存の規格は、ケーブル配線とソフトウェアにコストがかかりすぎました。そのため、これらを徐々に置き換えるための共通規格としてイーサネットが発見されました。ただし、標準イーサネットのケーブル配線作業は、同程度に大変なものでした。Broadcomは、BroadR Reachを開発し、シンプルなツイストペア・ケーブルで高速データを短距離伝送できることを最初に示しました。IEEEは、よく知られた802.3イーサネット規格のもとで標準化のイニシアチブを取り、同様の課題に対処するために、工業分野や建築分野にもその範囲を広げました。実際、各センサへのシームレスなIPベース・ネットワークを対象とする場合、工業分野では前述のフィールドバスや、ビル・オートメーションではLON、BACnet、Modbusが注目されます。

 

センサからクラウドへの垂直統合はデジタル・ビジネス・モデルの主要な基盤であるため、センサへのIPネットワークを強化する利点は魅力的です。

  • 可視性、診断、制御の強化
  • OPC UAで1つのセマンティックを通してすべてのオートメーション機器にアクセス
  • ベンダに依存しない1つの共通のツール
  • 堅牢性と可用性の向上
  • 予知品質保全の実現

シングル・ペア・イーサネットは、ケーブル配線の薄型化、プラグとコネクタのフットプリントの縮小、およびスペース要件の軽減により、付加価値を高めます。そのため、センサや周辺領域にある多数の既存のフィールドバスを置き換えるのに適しています。しかし、重要な問題は、オートメーションのさまざまな領域への展開がこれからどのように行われるかということです。

参考資料

Accenture(2015)、Purdy、Davarzani、「成長の大変革: Industrial Internet of Thingsはどのように進化と繁栄を加速させるか」

CapGemini(2015)、Bechtold、Kern、Lauenstein、Bernhofer、「インダストリー4.0 - Capgemini Consultingの視点 - 過度な期待を超えて見えてきた未来像」

 

関連リンク

SPEの詳細は、Niels Trappのホワイトペーパーをご覧ください!リンクをクリックしてダウンロード

 

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SPEに関するブログ・シリーズのパート2: IPベースのネットワークをセンサ・レベルにまで拡張するというアイデアは確かに有益ですが、問題は、どのようにSPEを目的のデバイスや装置に展開できるかということです。

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