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PROFINET IRT: リアルタイムでも十分ではない場合

PROFINET IRTが必要な理由

PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IPなどの産業用通信プロトコルは、リアルタイム通信プロトコルに分類されます。これらのプロトコルでは、1ミリ秒という短いサイクルタイムと、10から100マイクロ秒のジッタを達成することがすでに可能です。

ですが、このレベルの性能でも十分ではない場合があります。実際のところ、データの送信と処理には時間がかかります。特定のアプリケーションでは、この時間を正確に同期させ、本番の手順が正しく実行されるようにすることが重要です。

これが特に当てはまるのが、モーションコントロールです。標準的なリアルタイムPROFINETのサイクルタイムでは速度が足りず、ジッタや決定論のようなその他の主要な指標が、求められる水準を満たさなくなるほど、データ通信の速度と性能に対する要求が高まっています。

たとえば、ロボットアームは、部品を拾い上げたり加工処理したりするために、特定の時間に精密に定義された位置にこなければなりません。アームがわずかにでも早かったり遅かったりすると、プロセスの中断が深刻なものになる可能性があります。このようなケースでは、データの送信と処理が、速さと信頼性の両方を満たしている必要があります。

PROFINET IRTは、標準的なリアルタイム通信では限界で、データ通信に並外れた速度での非常に正確な同期が求められる場合に使用されます。

The inside of a factory with a conveyor belt and grey boxes. On the right side is the PROFINET logo.

PROFINET IRTの仕組み

PROFINET IRTでは、ネットワーク内で特定のデータパケットを送信する際に、厳密な決定が求められます。これは、ネットワークの衝突やジッタなどの遅延に影響されることなく、事前に定義された時間枠内に、正確な順序でデータを受信、処理、転送する必要があることを意味します。

これを実現するため、PROFINET IRTネットワークでは、時間が重要なデータの処理に、特定のタイムスロットが割り当てられます。たとえば、ネットワークトラフィックの20 %が、PROFINET IRTなどのIRT通信用に予約されている場合、ネットワークトラフィックは5つの時間セグメントに分割されます。

  • セグメントの1つはIRT通信専用
  • 残りの4つのセグメントは、通常のリアルタイム通信用に予約

この場合、ネットワークは、所定の時間の80 %を標準のPROFINETネットワークとして機能します。残りの20 %の間は、PROFINET IRT関連のデータパケットのみが処理され、同期された決定論的な送信が保証されます。IRT通信が行われている間、通常のPROFINETのデータパケットはバッファされ、IRTの時間セグメントが完了した時に処理されます。

A picture with numerous columns lined up in it. Every fifth column is labeled IRT, while the rest is labeled RT.

このシステムが効果的に機能するためには、PROFINET IRTネットワークが、次の2つの必須要件を満たしている必要があります:

すべてのIRTデバイス間での同期

すべてのPROFINET IRTデバイス間で、一貫した同期サイクルを維持する必要があります。これは、高精度のクロックをすべてのデバイスで共有することで管理します。IEEE 1588規格には、このメカニズムとPrecision Time Protocol (PTP) などの追加のメカニズムが定義されています。PROFINET IRTでは、この規格がPrecision Transparent Clock Protocol (PTCP) で拡張されています。PTCPは、PROFINET IRTデバイス間で共有されているクロックを維持するだけでなく、ネットワークスイッチと関連する配線の間での遅延も計算します。

An icon of acomputer display with a loading icon in the middle.
バッファ機能

指定されたIRTの通信時間中に受信したIRT以外のイーサネットトラフィックをバッファするには、ネットワークスイッチ内に別の電気回路が必要です。

ヒルシャーとnetXによるPROFINET IRT

このような時間が重要なデータ通信の要件を満たすには、OSIモデルの第1層と第2層、特にMAC層に介入する必要があります。これは、ネットワークデバイスがIRT時間セグメントを提供できるようにするために必要で、この時間セグメントでイーサネット通信がTDMA (時分割多元接続) 方式に変換されます。それ以外は通常のPROFINET通信の時間で、データ伝送は標準のCSMA-CD (搬送波感知多重アクセス/衝突検出) 方式で機能します。

ヒルシャーは、コントローラアプリケーション向けのPROFINET IRTを提供する、世界でも数少ないサプライヤの1つです。これを実現しているのは、ヒルシャーのnetX通信コントローラで、対応するプロトコルソフトウェアとともに開発されています。

Transport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerModified Ethernethardware-based RTEHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET, EtherCAT, ...Specific Real-Timehardware and functions(for example PROFINETIRT, Sercos, EtherCAT,Powerlink or TSN)Ethernet PHYTransport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerLegacy FieldbusStandard Ethernethardware-based RTEIP-Multicast IPEthernet MACEthernet PHYHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET RT, EtherNet/IP(CIP), Modbus, ...UDPTCP

netXがPROFINET IRTを可能にする

ヒルシャーは、netXテクノロジーでこの課題に対応しています。netXコントローラの特徴は、OSIの第1層と第2層に独自のxC構造があることです。プログラム可能なこれらのマイクロコントローラとヒルシャーのPROFINETプロトコルスタックを使用すると、PROFINETネットワークの動作をOSIの最初の2層で定義できます。

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

ヒルシャーの柔軟なマイクロコード

netXの主な特徴として、ハードコードされていないこの動作を、マイクロコードを使用して柔軟に調整できることがあります。ヒルシャーが提供するマイクロコードを使用して、ユーザは第2層と第3層の間のインターフェースにアクセスできます。

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

すでにPROFINETソリューションを導入している場合は、まず、ハードウェアがIRTに対応しているかどうかを確認してください。ほとんどの場合、対応はしていません。これは、IRT標準に従ってデータを送信するには、ハードウェアとソフトウェアの両方が特定の要件を満たしていなければならないためです。これらの要求は、ほとんどの産業用アプリケーションに求められる要件を上回るもので、通常は、モーションコントロールやロボット工学で使用されるような高性能システムにのみ必要とされるものです。残念ながら、PROFINET対応デバイスの多くが、PROFINET IRTには適合しません。最悪の場合、PROFINET IRTネットワークを既存のインストールとは完全に分けて、処理および開発する必要があります。

netXを使用したPROFINETおよびPROFINET IRT

netXテクノロジー使用すると、移行がはるかに簡単になります。必要なPROFINET IRT構成は、当社のPROFINET標準スタックにすでに統合されており、すべてのnetX通信コントローラに必要なxC構造が備わっています。ご使用のハードウェアにもソフトウェアにも、変更を加える必要はありません。ネットワークの設定のみ行ってください。

同じことが、EtherCATなど、他のネットワーク技術にも当てはまります。netXのマルチプロトコル機能により、同じハードウェアでEtherCATもサポートできます。

 

A black square with netX written on it on colorful background. On the right side is a PROFINET logo.

ケーブルの長さが異なるとジッタがさらに増加しますが、これは回避できない物理的な特性で、PROFINET IRTネットワークを実装する際には特別な注意が必要です。

たとえば、10 cmのケーブルで送信されるデータパケットは、100 mのケーブルで送信されるデータパケットより送信時間が短くなります。PROFINET IRTネットワークでは、こうしたケーブルの長さの違いとデータパケット送信中に生じるジッタを考慮して、コントローラがネットワーク上のデバイスを適切に管理できるようにする必要があります。

ヒルシャーでは、トポロジエディタという便利なツールをご用意しています。ユーザはこれを使用して、工場のレイアウトをマップし、デバイス同士を接続するケーブルの長さを調査できます。

どのようなデバイスがPROFINET IRTに適していますか。

PROFINET IRTの要件を満たすデバイスは、PROFINET認証プロセスの一部として適合クラスC (CC-C) に分類されます。このクラスは、サイクルタイムが32.5マイクロ秒という短いクロック通信に対応します。CC-Cは、PROFINETの最も高度で要求の厳しい適合クラスです。適合クラスは他にもあり、基本クラスのCC-Aでは通常のリアルタイム通信、非周期リアルタイム伝送、標準のTCP-IPイーサネットがサポートされます。CC-BはCC-Aの上に構築され、簡易ネットワーク管理 (SNMP) プロトコルのサポートが追加されています。これらのクラスは累積するもので、CC-CではIRT通信をサポートするだけでなく、CC-AとCC-Bのすべての機能にも対応しています。

ヒルシャーのnetXテクノロジーは適合クラスCに完全に準拠しているため、当社のPROFINETスタックには、必要なソフトウェア機能がすべて含まれています。ハードウェア面では、IRTアプリケーション向けにnetX通信コントローラが標準で搭載されています。

PROFINET適合クラスABC
サイクルタイムが最大1ミリ秒のリアルタイムデータ交換
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アラームおよび診断機能
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ネットワークトポロジのサポート
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SNMPサポート 
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サイクルタイムが最短31.25マイクロ秒のリアルタイムデータ交換  
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