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【インダストリー4.0とは?】FAにおけるネットワークと概要説明

2021.01.07

インダストリー4.0や、コネクテットインダストリーズといった次世代の生産コンセプトが叫ばれる近年、FAにおけるネットワーク技術はより重要となってきています。

インダストリー4.0とは?

2011年にドイツ政府が掲げた施策で、FAによる生産工程の自動化を3.0(第3次)とした上で、次の技術革新として4.0(第4次)といいます。 FA(3.0)が生産工程をメインターゲットとしてIT技術を取り入れたのに対し、インダストリー4.0は、より広範囲に工場全体のIT化を見据えており、機械、デバイス、センサー、および人間が相互に通信する生産工場の実現を目指しています。
FA分野におけるネットワークは、通常のオフィスなどで使用するものとはその目的や特性が異なります。オフィスではネットワークに接続するデバイスはPCやタブレットなどがほとんどであり、ウェブへのアクセスを主体としています。

それに対して、工場内にはPLC、センサ、モータ、スイッチなど大小様々なハードウェアが存在しており、異なるハードウェア間での通信が想定されます。

こうした工場内での通信に対応するために製作されたシステム制御用のネットワークは一般的にフィールドネットワークと呼ばれています。

フィールドネットワークとは

工場内のネットワークでは、上位サーバーから、末端のセンサまでシームレスで接続できる事が求められます。
下位のセンサレベルでは、オンかオフの瞬間的なビット情報しか扱わないですが、高速でリアルタイムの通信を求められます。

逆にコントローラレベルではPLCやPC間で必要な情報を相互にやり取りするための速度や信頼性が優先されます。
こういった特性の違いに対応したネットワークがフィールドネットワークです。

特にセンサなど瞬間的な反応を求められる通信では、通常のデータ通信ではラグが発生してしまいます。加えて、オフィスとは違い、工場内では異なるハードウェアが多数存在します。PLC、カメラ、モータドライバ、センサなどの異種デバイスを同様のネットワーク上で制御できれば、保守、運用面で非常に便利になります。
それらの工場特有の通信ニーズを実現するためにフィールドネットワークが必要となるのです。

ネットワークレベル

フィールドネットワークには、接続するデバイスの特性毎にネットワークレベルという概念が存在します。レベル毎に対応したフィールドネットワークが存在し、FAネットワークを利用する際には各レベルに合わせたネットワークの選定が必要となります。

シリアル通信とEthernet通信

現在フィールドネットワークには、大きく分けてシリアル通信で通信を行うフィールドバスネットワークと、イーサネット通信をベースにしたリアルタイムイーサネット(RTE)の二種類があります。

シリアル通信はRS-232などのケーブルを介して機器間で通信を行う通信方式で、リアルタイム通信に優位性を持っているため多くの接続で使用されています。

RTEはイーサネットに準拠したケーブルを使用した通信方式でシリアル通信と同等の通信速度を実現しながら、上位との通信も可能とした次世代の通信方式です。現状、フィールドバスの方が多くのシェアを持っていますが、今後インダストリー4.0などの次世代生産方式の拡大に合わせて、イーサネットのシェアが拡大していくことが予想されています。

情報系ネットワークレベル

情報レベルとは、EPR(生産管理システム) や MES(生産実行システム)、SCADA(監視システム)などの上位のアプリケーション通信レベルのことを指します。

PCやDBとの接続、コントローラとの通信などを行うためLANなどのイーサネットベースでの接続を行います。

場合によっては通信プロトコルを製作する必要があるため、プログラミング言語に関する知識を有している必要があります。

コントロールレベルネットワーク

情報ネットワークとフィールドネットワークの中間に位置する制御ネットワークを指します。

制御装置、下位デバイス間及び上位情報レベルとの情報交換を行い、生産情報をリアルタイムで把握し、コントロール することができます。

具体的にはPC ⇄ PLC、PLC ⇄ PLC、PLC ⇄ T/P などの接続に利用することが可能です。上位との接続がない場合でも工場用PCと連携して装置を制御することができます。

フィールドレベルネットワーク

コントローラとインテリジェントな各種機器を接続する用途で主に利用されるネットワークのことです(例:ロボットコントローラとPLCの接続、サーボアンプとPLCの接続など)。

Ethernetベースネットワークは基本的にコントロールレベルで利用されるものが多いですが中にはフィールドレベルにも対応可能なものも存在します。

PLCと各種フィールド機器の接続は対応するデバイスを使用する必要があるため、その点には注意が必要です。

センサレベルネットワーク

センサやアクチュエータなどのコンポーネントとの通信に特化したネットワークがセンサレベルネットワークです。

非常に応答性が高く、設備の制御に悪影響を及ぼす事が無いようになっています。

デジタル(オン/オフ)だけでなく、アナログ(温度、電流など)データもシリアル通信を介して送信できるため設備周りの省配線化にも貢献することができます。

オープンフィールドネットワーク

フィールドネットワークは当初、各機器メーカが自社独自のものを使用していました。近年はその技術仕様などが公開され、どのメーカ、ユーザーでも自に使用できるオープンフィールドネットワークが主流となってきています。

近年のデバイスは様々なオープンフィールドネットワークに対応しており、同様の仕様のネットワーク上であれば異なるメーカの機器であったとしても、通信を行うことができるというメリットがあります。

異なるメーカのPLCとセンサ、モータ類が単一のオープンフィールドネットワーク上で通信できることはシステムインテグレータやエンドユーザにとって大きなメリットとなります。その上、メーカも個別に専用の通信プロトコルを開発する必要がなくなるため、メーカ、ユーザ双方にメリットががあります。

こうした理由から現在のFAネットワークはオープンフィールドネットワークが主流となっています。それぞれのオープンフィールドネットワークは対応する通信形態(トポロジー)や、通信速度、それらの通信を利用する場所(レベル)が異なります。それぞれの特徴を理解し、適切に利用することができれば次世代のFAシステム構築に大いに役立てることができます。

主要なオープンフィールドネットワーク

オープンフィールドネットワークは様々な企業、団体によって運営されています。それらのフィールドネットワークの中から代表的なものを運営団体別に記載し、合わせてその特徴を簡単に記載します。

(1) センサ&アクチュエータレベル

CAN(Controller Area Network)
自動車製造業を中心に利用。信頼性が非常に高い。

CC-Link/CC-Link LT
PLCとの連携が容易、高速。国産規格。転送速度は10MBPSでRS-485をベースとして1.2kmの伝送距離を持つ。

CompoNet(コンポネット)
センサやアクチュエータとのデータリンクに特化。転送速度は93.75k〜4Mbpsで、最大1.5km(93.75kbps時)の伝送距離まで延長可能。

Ethernet/IP
ネットワークと連携し様々な機器と接続可能。オープンな規格としてODVAで管理されており、米国やアジア各国でかなり普及している。

AS-i
アナログデータのシリアル通信。上位と接続するゲートウェイ有。

(2)フィールド(デバイス)レベル

DeviceNet
配線の自由度が高いCANベース。信頼性が高い。

PROFIBUS
高速シリアル通信欧州で大きなシェア。

CC-Link IE Field Network
PLCとの連携が容易、超高速通信。Ethernet対応。

(3)コントローラレベル

FL-Net
国内自動車ユーザ提案規格。国内での使用が多い。

EtherCAT
複数のトポロジーに対応。CANベース、信頼性が高い30μm伝送の超高速通信。

Modbus
通信速度が遅いが歴史があり、実績が多い。Ethernet版も存在。

Mechatrolink-III
モーション制御に特化ロボットと容易に連携。国産規格。

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