エムエスツデー 2006年11月号
第11回 産業用Ethernetとその現状（その2）
NPO法人 日本プロフィバス協会 会長 元 吉 伸 一
国際規格化の現状
産業用Ethernet（RTE, Real-Time Ethernet）に対応する通信規格は、すでにいくつかマーケットに登場しており、それとともに国際規格化の活動も盛んに行われています。
具体的には、IEC（International Electrotechnical Commission）のTC65／SC65C／WG11にて、RTEプロファイルの国際規格IEC 61784-2が審議・編集されています。
IEC 61784-2では、表1に示すCommunication Profile Family（CPF）が審議されています。現在は国際規格原案（CDV）の段階にあり、2007年8月に国際標準規格（IS）発行を目指して活動が進んでいます。
この国際規格化で興味深い点は、様々な仕様をもつ産業用Ethernetをひとつの規格書として編集していることです。つまり、規格化といいながら、規格を一つにまとめるのではなく、さまざまな規格の並立を前提としています。
日本から提案されているTC-net、V-net／IPを含めて、いろいろな通信規格が存在していると感じられることでしょう。
表1 IEC 61784-1／2のCommunication Profile Family（CPF）
CPF No. |
IEC 61784-1 Fieldbus |
IEC 61784-2 Real-Time Ethernet |
Organization |
| CPF1 | Foundation Fieldbus （H1、HSE） |
− |
Fieldbus Foundation |
| CPF2 | CIP （ControlNet、EtherNet／IP） |
EtherNet／IP time sync. | ControlNet International、 ODVA |
| CPF3 | PROFIBUS （DP、 PA）、 PROFINET （CBA） |
PROFINET IO | PROFIBUS International |
| CPF4 | P-NET | P-NET on IP | Denmark |
| CPF5 | WorldFIP | − |
WorldFIP |
| CPF6 | INTERBUS | PROFINET GW | INTERBUS Club |
| CPF8 | CC-Link | − |
CLPA |
| CPF9 | HART | − |
HART Communication Foundation |
| CPF10 | − |
V-net／IP | JAPAN |
| CPF11 | − |
TC-net | JAPAN |
| CPF12 | − |
EtherCAT | EtherCAT Technology Group |
| CPF13 | − |
ETHERNET Powerlink | ETHERNET Powerlink Standardization Group |
| CPF14 | − |
EPA | CHINA |
| CPF15 | − |
MODBUS-RTPS | MODBUS-IDA |
| CPF16 | − |
SERCOS III | Interests Group SERCOS interface e.V. |
技術トピックス
前回にも説明しましたが、これらの産業用Ethernetへの主な要求事項としては以下の2点が挙げられます。
1）ある時間内に必ず通信が実行されるというリアルタイム性（またはDeterministic：時間確定性）
2）標準のIT通信と制御用通信の共存
表1に挙げられているすべての規格がEthernetと称しているわけで、これらの規格はすべてEthernetのMACフレーム（図1）を使います。
また、オフィスなどで使う汎用のEthernet機器と共存できるように、通信コンポーネントとして市販のルータ、スイッチなどともつながることを前提としています。
非常に乱暴なまとめ方で問題があるかもしれませんが、産業用Ethernetへの要求に対応するため、各規格が採用している技術には以下のようなものがあります。
1．リアルタイム性実現の技術
工場現場における通信では、ある時間内に必ず通信を実行することが基本です。現場機器で検出される測定データは刻一刻と変化します。測定データの伝送に欠損があっては、正しい制御演算が実行できません。また制御機器で計算して得られた操作データも、ある時間間隔内に常に操作機器に送ることが必要です。
Ethernetでデータが届かない、通信が欠損する主な理由として、以下のものがあります。
（1）多量の通信フレームが一斉に発生し、衝突を起こす。
（2）多量の通信フレームが一斉に発生し、通信コンポーネントの扱える限界をオーバーし、切捨てが行われる。
Ethernetは通信スピードが100Mbpsと非常に速いのですが、対応できるスピードを超えて通信フレームが集中すれば問題が発生します。Ethernetでは各機器（とくに汎用IT機器）がアットランダムに送信を開始するため、このような現象が起こる可能性があります。実際にはシステム構成などを考慮するなら、データの欠損は起きにくいのですが、工場のアプリケーションでは、起きにくいというだけでは十分でなく、さらにトラブルを予防する方策が求められます。現在、フレームが衝突を起こしたり、切り捨てられたりするような状態を防止するため、主に以下の3つの技術が採用されています。
（1）たくさんの通信フレームが発生しても、制御用の通信フレームをピックアップして、他の通信フレームよりも優先して処理する優先制御（QoS機能）
（2）制御用の通信フレームが発生する時間を割り当てることでフレームの衝突を避ける、あるいは制御用通信フレームが流れるときは汎用の通信フレームを強制的に停止して衝突を防止する帯域制御
（3）Ethernet機器が多数接続されていても、関係ある機器だけをソフト的にまとめて、そのグループ内での通信を優先させるVLAN機能
これらの技術は産業用Ethernet独自の技術ではありません。最近、汎用のEthernet通信でも“ある時間内に必ず信号を到着させたい”アプリケーションが増えてきたのです。
たとえば、インターネットを使ったIP電話などがその例です。IP電話では20ms分の音声データを毎秒50回送信することで、電話回線をつなげています。これらのデータが欠損したりすると、音声をきれいにとどけることができません。ただし、産業用Ethernetではさらに厳しく要求されていると理解してください。
各産業用Ethernetがこれら3つの技術をどのように使用しているかは、それぞれのホームページをご覧ください。
さらに、リアルタイム性を実現する技術は、産業用Ethernetに対応した制御機器とEthernetの通信コンポーネント（スイッチングハブ、ルータなど）の組み合わせで実現することに注意してください。制御機器がさまざまなオートメーションベンダから提供されているように、通信コンポーネントもさまざまなベンダーから出荷されています。したがって、実際のプロジェクトでは慎重なシステム設計が望まれます。
2． 標準IT通信と制御用通信の共存
汎用IT機器を接続でき、PCなどの機器から発生するEthernetフレームと制御機器からの通信フレームを共存させる機能は、どの産業用Ethernetももっています。ただし、共存させる方法としては、制御用フレームを汎用機器と同じくTCP／IPまたはUDP／IPといったプロトコルで送る方法と、それ以外の形式で送る方法があります。
EthernetのMACフレームには、そのフレームがどのプロトコルで作られているかを示すイーサネットタイプを記述する場所があります。たとえばIP通信はこの記述が0800Hですが、IPアドレスからMACアドレスを探すARP通信は0806Hとなります。この番号はアメリカのIEEEが管理していて、全世界で統一されています。したがってIEEEに制御フレーム用の番号を申請して認証を受ければ、標準のEthernetとしてその産業用Ethernetのフレームを流すことができるわけです。
2つの方式についてどちらが良いかは、各産業用Ethernet担当者がそれぞれ次のようなメリットを主張しています。
• 制御用フレームもEthernet通信で最も多く用いられるTCP・UDP／IPプロトコルに準拠することで、Ethernetのオープン性を活かすことができるという考え方
• 制御用フレームは高速で高信頼性をもって送る必要があるため、オーバーヘッドの少ないフレームで送った方が効率がよいという考え方
具体的には、EtherNet／IPとV-net／IPは制御用フレームにUDP／IPを使用しています。またPROFINETとTC-netは、IEEEのイーサネットタイプに制御用フレームの番号を登録し（PROFINETは8892H、TC-netは888bH）、これを使用しています。
産業用Ethernetはこれからの工場通信ネットワークの技術です。実際には、今後どのような産業用Ethernetが普及していくかは、フィールドバスの普及のときと同じく、技術的な要因だけでは決めることができません。マーケットからの要求、サポートする企業・製品の数、サポート団体の体制、実績、そしてこれからのEthernetの発展にどのくらい同期できるかなど、目が離せない状態が続くと考えられます。
