インダストリー4.0とそのスマート製造のための最新技術の推進に対する期待と注目は高まっています。一部の大規模な産業製造アプリケーションでは、より高速で優れた技術を導入することでリアルタイムの意思決定とデータ分析を活用し、主要な課題に取り組んでいます。これには、分散化され、主要なデータセンターや「クラウド」インフラストラクチャとの直接通信への依存度が低い、電力効率の高いプロセッサー性能が含まれます。この新たな変化は、リアルタイム監視、ロギング、さらにはリアルタイムの意思決定を可能にする産業オートメーションアプリケーションに大きなメリットをもたらします。これは、自動化とロボット工学を利用する工場インフラにおける迅速な導入モデルです。例えば、大規模な製造を伴う多くの産業オートメーション施設では、ロボット工学を活用して特定のタスクの生産性と効率を向上させ、人間が運用における他の重要なタスクに集中できるようにすることができます。
新しい自動化技術に加えて、製造における自動化された産業制御のアーキテクチャに実装される産業用コンピュータ、センサー、およびデバイス間の効率的な通信トポロジのために標準化されているいくつかの重要な基本的な産業用コンピューティングプロトコルがあります。これらの一般的なプロトコルは、安定した運用と生産のための重要な通信システムを駆動する集中型プログラマブルロジックコントローラ、または「PLC」に工場フロアの産業機器がどのように接続されているかを理解する上で極めて重要です。
フィールドバスプロトコルとは？
複雑な自動化された産業環境で必要とされるすべてのデバイスとセンサーを効率的に制御および管理するために、通信プロトコルのファミリーとしてフィールドバスが作成されました。製造組立ラインなどの工場運営における重要な要件の1つは、リアルタイムの分散制御と階層です。例えば、温度センサーは、温度が特定のしきい値を超えたときにアラームをトリガーするために使用される場合があります。そのアラームが作動すると、信号は適切なデバイスに送信され、アクションが実行される必要があります。信号伝達に遅延があると、壊滅的な結果を招く可能性があります。フィールドバスプロトコルは、産業工場で複数のデバイスを接続する際の特有の課題のいくつかに対処するために設計されました。工場環境と接続要件に応じて、今日使用されているさまざまな一般的なフィールドバスプロトコルがあります。
PROFIBUSプロトコルとは？
プロセスフィールドバスは、今日の自動化プロセス産業で最も広く採用されているフィールドバスです。現在、PROFIBUSにはPROFIBUS DPとPAの2つのバリアントがあります。より一般的に使用されているプロトコルはPROFIBUS DP（分散型周辺機器）です。これは、コントローラと生産自動化アプリケーションに使用されるさまざまなセンサー/アクチュエータ間の通信に使用されます。PROFIBUS PA（プロセスオートメーション）は、主に測定機器の監視に使用されます。DPとPAは同じプロトコルを共有しているため、互換的に使用できます。リアルタイム制御信号に加えて、PROFIBUSを使用する利点の1つは、デバイス間で送信される広範な診断メッセージです。これにより、オペレーターは各デバイスの健全性ステータスをリアルタイムで監視し、予防保全を行うことができます。PROFIBUSは、最大接続デバイス数が126であるため、拡張性を考慮して設計されました。
EtherCAT、EtherNet/IP、およびPROFINETプロトコルとは？
イーサネットベースのネットワーク通信の普及により、イーサネット技術に基づいたより新しくモダンなフィールドバスプロトコルが開発されました。それがEtherCAT、EtherNet/IP、PROFINETです。これらのプロトコルは、データリンク/ネットワーク層で同じ標準イーサネットケーブルを使用しますが、アプリケーション層を変更して産業オートメーションおよびプロセス制御に最適化されています。これらのイーサネットベースのフィールドバスの主な利点は、速度とデバイスの最大数の2つです。これらのプロトコルは同じイーサネット物理層を使用しているため、速度は最大1Gbpsに達し、PROFIBUSの最大速度12Mbpsと比較して高速です。EtherCATの最大デバイス数は65,536ですが、EtherNet/IPとPROFINETではほぼ無制限です。高い伝送速度により、これらのプロトコルは非常に短いサイクルタイム（100マイクロ秒未満）を提供し、これによりすべてのデバイス間で非常に正確な時間同期（1マイクロ秒未満）が可能になります。コントローラとデバイス間のリアルタイムに近い更新と同期を必要とする工場アプリケーションでは、これらのプロトコルがPROFIBUSやCANopenよりも優先して使用されます。
CANopenプロトコルとは？
このプロトコルは主にモーションコントロールシステム用に開発されました。CANopenの主なアプリケーションは、モーターおよびロボットコントローラーです。CANopenは、主に自動車アプリケーションで使用されるCANbusプロトコルに基づいています。このプロトコルの利点は、CANbusで使われている既存のハードウェアとケーブルを活用できることです。CANopenは、最大速度1Mbpsで最大127デバイスに対応しており、PROFIBUSとさまざまなイーサネットベースのフィールドバスの中間に位置します。