TSN (Time-Sensitive Networking)を実装するメリット

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TSN (Time-Sensitive Networking)を実装するメリット

これまで学術誌上で議論されてきたTSN (Time-Sensitive Networking)は、近年、実社会での実用的なアプリケーションに導入されるようになりました。この素晴らしいテクノロジーの恩恵を受けるためには、企業は業界のニーズを理解し、TSNに対応したシステムを構築する必要があります。Moxaは、IEEE TSNタスクグループが形成される前から、業界のパートナーと提携し、Industry 4.0としても知られる製造業のデジタル化および産業オートメーションのすべての主要技術を促進してきました。TSNは、Moxaが貢献してきた産業用デジタル化アプリケーションの重要なイネーブラーです。実際、Moxaは多くの業界関係者と提携してTSN対応システムを構築し、技術的発展および実際のアプリケーションを通じてTSNの実証されたメリットを工場などの現場にもたらしています。

従来の産業オートメーションアプリケーションでは、様々なデバイスやインターフェース、プロトコルが存在するため、大量のデータをタイムリーに送信、受信、処理する際の大きな課題となっていました。TSNは、ネットワーク上で時刻同期を有効にすることでこれらの課題を克服し、すべての接続デバイスがすべてのデータにおいて、特定のタスクに対して任意の時点で利用できる共通の時刻基準を共有することができます。これらのTSN対応システムは信頼性が高く、決定論的ネットワーク環境に組み込まれた低遅延によってパフォーマンスとセキュリティが最適化されます。

技術的成果

技術的観点から、Moxaはオランダの半導体設計および製造業者であるNXP Semiconductors N.V.と提携し、重要なTSN冗長プロトコルである802.1 CBの高信頼性を証明しました。さらにIntelおよびKeysightとの協力により、将来的なワイヤレスTSNネットワークの実現可能性も実証しました。

実証済みのネットワーク冗長性

高レベルの信頼性を実現するために、IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER)は複数のばらばらのパスを介してコピーを送信します。そのため、部分的なネットワーク障害が発生した場合でも、プロアクティブな冗長性によりシームレスな通信が可能です。Taipei Automation 2022において、MoxaはNXPおよびport Industrial Automation GmbHと提携し、NXPの装置をMoxaのスイッチで接続し、802.1CBベースのリングトポロジの信頼性を試験しました。エンジニアがネットワーク障害をシミュレーションするためにネットワークケーブルを抜いても、重要なデバイスを制御するデータパケットは同期され、正常に動作していました。さらに、この試験では、堅牢なネットワーク冗長性が単一障害点のみでなく複数の障害点の回復にも役立つことを証明しました。

ワイヤレスの可能性を引き出す

TSNを産業オートメーションに実装するために重要なもう1つのポイントは、データをワイヤレスアプリケーションで確実に送信できるようにすることです。多くの産業用デバイスがモバイルであるため、真のIIoTは幅広いTSNワイヤレスアプリケーションがなくては実現しません。Taipei Automation 2021では、MoxaとIntel、port Industrial Automation GmbHは、業界初のすぐに利用可能なアプリケーション間のTSNソリューションを実証するプラットフォームを開発し、データの即時転送を実現しました。この新しいプラットフォームは、様々な通信プロトコルに対応できるよう柔軟性と拡張性を備えています。つまり、次世代型スマートマニュファクチャリングおよびロジスティクスソリューションを構築するため、特にモバイルデバイスが望まれるだけでなく実際の使用事例で必要とされる場合に使用可能です。ワイヤレスTSNは、真の統合高性能ネットワークインフラとしてのTSNの可能性を最大限に引き出し、あらゆる種類のトラフィックを共存させることができます。

テクノロジーをさらに進化させる

Moxaはテクノロジーが機能することを証明するだけではなく、TSNを実際のアプリケーションに実装し、企業に利益をもたらしました。

ウエハ製造における総所有コストを削減

Moxaは、台湾の大手リソグラフィソリューションプロバイダのELS System Technologyと提携し、TSNをウエハ製造プロセスへ統合することに成功しました。このシステムには、マシンビジョンをウエハのミスアライメント補正システムに組み込むことが含まれていますが、TSNテクノロジーを用いることで、高帯域幅ビデオアプリケーションを高信頼性オンデマンドモーション制御CC-Link IE TSNに統合することができました。このソリューションにより、ミスアライメント補正システム用のマシンビジョンを完備した安定したモーション制御システムを実現しました。MoxaのTSNソリューションは、異なる要件を持つ様々なタイプのトラフィックをサポートし、同じオープンで標準的なネットワークを使用して、ネットワークトラフィックに関する正確なモーション制御データをリアルタイムで提供します。さらに、TSNソリューションは、インフラの保守とスケールアップが容易なので、ネットワークの経済的実現可能性を高め、総所有コスト (TCO)を削減するのに役立ちます。

ビデオコンポーネントロギングでダウンタイムの影響を最小限に抑える

リアルタイムのビデオ監視は、データと帯域幅を大量に消費します。TSNの超信頼性と低遅延により、ネットワーク経由のライブビデオの録画およびストリーミングのための集中型アプリケーションの構築が実現可能です。三菱電機株式会社の目視検査中の全システムコンポーネントのロギングの改善を支援するため、Moxaはビデオストリーム、波形および関連情報を記録できるモジュールを作製し、ユーザーが必要に応じてトラブルシューティングを迅速化できるようにしました。エンジニアは、様々なデバイスやネットワークを調査する必要がなくなり、重要な同期されたビジュアルデータが安全にアクセス、保存および保護されるTSNベースの統合システムでフォレンジック調査を実行できるようになりました。

TSNはどう役立つのか

決定論的なリアルタイム通信で様々なデバイスをシームレスに連携することができるため、TSNはスマートファクトリーオートメーションの鍵となります。ネットワークの規模と複雑さが増すと、TSNはトラフィック管理を実行しシステムリソースに優先順位をつけ、重要なデータを時間通りに配信できるようにします。これにより、ネットワークの信頼性と安全性を高めることができます。次に、TSNの2つの事例と、Moxaがどのようにシステムインテグレータやマシンメーカー、エンドユーザーと連携してより大きな利益をもたらすかご紹介します。

事例1: マシンメーカー

高度かつ統合され、自動化された装置に対する需要に応えるため、マシンメーカーは組み込みのスケーラビリティや高速センシング、複雑なレーザーおよびマシン制御アプリケーションを備えた装置を提供することを目指しています。しかし、様々なコンポーネントの専用ネットワークは、最適なパフォーマンスのためにシームレスな通信と統合を必要とします。さらに、マシンが海外に出荷され、オペレータが十分にトレーニングされていない場合、これらのネットワークのメンテナンスが問題となります。

Moxaは、カメラ、センサおよびマシン制御間の決定論的通信を可能にする統合TSNネットワークを開発しました。MoxaのフルギガビットマネージドスイッチTSN-G5008シリーズは、複数のI/Oをサーボドライバおよびマシンビジョンカメラに接続します。イーサネットの”first-in, first-served”の性質により、重要なデータを同じケーブルで送信することはできません。しかし、標準のイーサネットTSNインフラであれば、トラフィック管理により重要なデータがネットワークリソースを共有し、データパケット配信を確実にします。TSN-G5008シリーズは、マシンメーカーなどの製造ネットワークにTSNとの互換性を持たせ、Industry 4.0のメリットを享受できるように設計されています。

事例2: マスカスタマイゼーション生産システム

生産サイクルの短縮は、効率性がコストの削減と柔軟性の向上につながり、企業に利益をもたらします。また、企業は変化する市場に対応し、商用オフザシェルフ (COTS)などのマスカスタマイズされた利益率の高い製品を提供できます。このような効率性と柔軟性は、生産、組立ライン、物流を含む様々なシステムが統合されたネットワーク上にあり、生産や流通プロセスの変更や調整をより効果的かつ迅速に実行できる場合にのみ達成することができます。

製造業者は、マスカスタマイゼーションを実現するためにMoxaのイーサネットスイッチTSN-G5004シリーズとTSN-G5008シリーズを導入し、既存の専用ネットワークを単一のTSN対応ネットワークに統合し、効率を向上させることができます。最も重要なのは、製造業者がIT (Information Technology)とOT (Operational Technology)を統合し、生産に必要なプロセス数を削減できるということです。資産がTSN対応ネットワークを介して管理されるため、適応生産、マスカスタマイゼーションおよび生産の最適化が可能になり、決定論的通信によって生産プロセス全体を効果的に制御することができます。

簡素化されたネットワークトポグラフィは、メンテナンスが容易になりコスト効率が向上するため、オペレータにメリットをもたらします。プロトコルや要件が異なる多数のネットワークから統一されたネットワークに変更することで、トレーニングを合理化することもできます。また、配線もより簡単になり、メンテナンスコストの削減に貢献します。

無限のメリット

TSNは、産業オートメーション界に効率性、管理の容易さ、費用対効果をもたらします。TSNの決定論的通信は、有線、無線を問わず、要求の厳しい産業システムに必要な超高信頼性に貢献します。TSNは様々なデバイスに標準の統合ネットワークを必要とするため、IT/OTコンバージェンスによりノード数の削減、合理的な配線、容易なメンテナンスが可能になります。これらのメリットは、マシンメーカーからシステムインテグレータ、エンドユーザーまで幅広い関係者によって証明されています。

マシンメーカー

TSNテクノロジーを用いることで、マシンメーカーは競争力のあるネットワークインフラを利用し、ネットワークを介して送信されるモーションバスと情報を同じケーブルに集約することができます。この簡素化されたアーキテクチャはノード数を削減できるため、全体のコストとメンテナンスの労力を軽減できます。さらに、性能面では、制御ループのサイクルタイムが短縮され、より多くのデバイスを制御できます。また、TSNテクノロジーはギガビットネットワークで実行されるため、帯域幅が高いほど、将来アプリケーションを追加するのに適しています。

システムインテグレータ

統合TSNネットワークは、配線とエンジニアの労力を削減することで、ネットワークとオートメーションアーキテクチャを簡素化します。すべての専用ネットワークテクノロジーをケーブル1本に集約するTSNは、ネットワークの計画と規模を制御および予測できることを意味し、総所有コストとメンテナンスの労力を削減します。

エンドユーザー

TSNは既存のネットワークと互換性があるため、様々な専用システムに接続するための追加のネットワークゲートウェイは不要です。実際に、TSNの既存の標準ネットワークとの互換性により、データのアクセスが容易になり、システムはエンドユーザーのリソースと労力をより簡単に最適化できます。

TSNは重要ではないが高帯域幅を消費するアプリケーションよりも重要なパケットを優先する機能を備えており、他の既存のネットワークテクノロジーよりもシステム全体のダウンタイムを短縮することができます。

最後に、標準のイーサネットテクノロジーを利用できることは、イーサネット用に開発された最新のサイバーセキュリティソリューションをTSNネットワークに使用できることを意味し、常に変化する脅威状況でより強力な保護と適応性を提供します。

TSN導入への準備

TSN対応アプリケーションの実装については、既存のアプリケーション要件とネットワークトポロジを完全に理解していることが、スイッチとエンドデバイスに最適なプロトコルと適切な設定を選択するための必須条件です。

PLC通信とイメージキャプチャの両方が必要な例を見てみましょう。このアプリケーションでは、2タイプのデータを同じホストコンピュータに送信する必要があります。統合ネットワークトポロジを使用すると、ビデオストリームがポート4からポート1へ送信され、コントローラがマスタサーバに同期メッセージをポート2からポート1へ送信していることが分かります。

高帯域幅ビデオストリームから制御パケットを保護するには、関連するコンポーネントとポートでの時刻同期 (802.1 AS)およびタイムアウェアシェイパ (802.1 Qbv)を含む、ネットワーク上で必要なプロトコルを設定する必要があります。制御パケットは1秒周期で送信され、300 µsで周期データ、200 µsで時刻同期データ、残りの500 µsで非周期データを実行しています。デバイスは対応するVLAN IDを各スロットに割り当て、サイクルデータが影響を受けないようにすることができます。

最後のステップは、アプリケーションの挙動を明確にした後、イーサネットスイッチとエンドデバイスで必要な設定をすることです。

Moxaは長年、TSNテクノロジーがその可能性を実現できるよう、そして企業が産業オートメーションのデジタル化を加速できるよう取り組んできました。このコラムでご紹介した事例を通して、Moxaが信頼できるパートナーや関係者と協力し、デジタル化の様々な段階にいるお客様に将来性のあるTSNソリューションを提供できるよう活動してきたことをご理解いただけると幸いです。

コラムで取り上げた製品についてはこちら

4GポートフルギガビットマネージドイーサネットスイッチTSN-G5004シリーズ	8Gポートフルギガビットマネージドイーサネットスイッチ TSN-G5008シリーズ