工場ネットワークでは、PLC、リモートIO、カメラ、コンピューターがすべて同じ種類のネットワークケーブルに接続されている場合があります。しかし、それは同じプロトコルを使用していることを意味せず、どの産業用スイッチでもモーション制御の要件を満たせるという意味でもありません。スイッチを選定・使用する際は、接続能力、アプリケーションプロトコル、時間要件を併せて検討する必要があります。本記事では、これらの層の違いを説明します。PROFINETやEtherCATを、すべてのスイッチに備わる設定オプションとして扱うものではありません。
1．同じケーブルを使うことは、接続方法が同じである可能性を示すにすぎない
道路に例えると、ケーブルや光ファイバーは道路、Ethernetフレームは道路を走る車両、アプリケーションプロトコルは車両に積まれた荷物の符号化と配送のルールに相当します。車両が通行できる道路であっても、中国語の注文を自動的に別の形式へ変換するわけではありません。スイッチは主にフレーム情報に基づいて転送を行います。PLCと端末が互いのデータを理解できるかどうかは、別の問題です。
例えば、Modbus TCPに対応する収集デバイスは、対応する通信方式をサポートするホストコンピューターで読み取る必要があります。PROFINETコントローラーには、対応するIOデバイスとエンジニアリング設定が必要です。2組のデバイスを同じスイッチに接続しても、表示灯が点灯しているだけでプロトコル間の相互運用が可能だと判断してはいけません。実際に変換が必要な場合は、スイッチに標準で変換機能があると考えるのではなく、適切なゲートウェイまたはアプリケーションプログラムを確認してください。
2．実際の用途に基づいてネットワーク要件を整理する
「ネットワークポートがいくつ必要か」だけを列挙してはいけません。まず、端末名、プロトコル、通信方向、更新周期、メッセージ量、通信中断の影響を一覧にしてください。一定周期で更新する温度収集と、多軸サーボの同期制御では、時間要件が異なります。映像を継続的にアップロードするカメラと、スイッチの管理ページへの時折のアクセスも異なります。アプリケーションの動作を把握して初めて、帯域幅、トポロジー、診断機能を判断できます。
許容される中断や速度低下を明確に記載することも重要です。短時間の再試行を許容する用途もあれば、停止保護を作動させる必要がある用途もあります。ネットワーク設計だけで設備の安全機能を代替してはいけません。機械の動作や人員の安全に関わるシステムでは、担当する技術者が安全アーキテクチャを確認する必要があります。産業用スイッチの名称に「高信頼性」とあっても、安全コントローラーであることを意味しません。
3．ギガビットポートでも制御データが時間内に届くとは限らない理由
ポート速度は、指定された条件下でそのポートがデータを伝送する能力を示します。スイッチが複数の方向からトラフィックを受信し、それらのフローを同時に1つの出力ポートへ送る必要がある場合でも、その出力ポートはフレームを1つずつ送信しなければなりません。一時的に送信できないデータはバッファーに入ります。これは複数の車が同じ通路に合流するようなもので、流入する各道路が広くても、合流地点では渋滞が発生する場合があります。
平均帯域使用量が高くなくても、ある瞬間にバーストトラフィックが発生することがあります。待ち時間は負荷によって変化し、これが遅延変動の一因となります。キューの滞留が長く続くと、廃棄が発生する場合もあります。制御システムでは、伝送できるかどうかだけでなく、最も厳しい運用条件でも時間内に伝送できるかどうかを考慮する必要があります。1日の平均速度で、重要な時点における遅延やパケット損失の試験を代替することはできません。
4．PROFINET RTとIRTを区別して考えるべき理由
PROFINETは、単に「通常のネットワークケーブルより速い」というものではありません。診断、パラメーター設定、リアルタイムデータなどの処理に対応する、異なる通信機構を含みます。より高い同期性と決定性が求められる用途では、IRTは共通時刻、予約された伝送リソース、スケジューリングにも関わります。 PI North AmericaによるIRTの解説 では、これらの機構が明確に区別され、IRT通信経路上の関連デバイスには対応する機能が必要であると指摘されています。
したがって、産業用筐体、ギガビットポート、通常のQoS、リングネットワーク機能だけでは、デバイスがIRT要件を満たす証拠にはなりません。プロジェクトにどのPROFINET機能が必要かは、コントローラー、端末、トポロジー、システム要件に照らして確認する必要があります。メーカーが認証情報や互換性情報を提供している場合も、その情報が適用される正確な型式とバージョンを確認してください。シリーズ内の1製品の機能を、シリーズ全体に当てはめてはいけません。
5．EtherCATを通常のスイッチで汎用的に切り替えられる機能として扱ってはいけない
EtherCATは専用の通信・処理機構を使用します。 EtherCAT Technology Groupの技術解説 によると、そのスレーブデバイスコントローラーは、フレームが通過する際に該当するデータを処理できます。これは、Ethernetフレームを受信して転送する通常のスイッチの役割とは異なります。どのスイッチの画面にも「EtherCATを有効にする」ボタンがあり、それを押せばEtherCATスレーブや専用分岐デバイスになると考えてはいけません。
EtherCATの分岐、デバイスの交換、通常のネットワークへの接続が必要な場合は、制御システムのアーキテクチャと該当製品の説明書に従って構成部品を選定してください。通常のEthernetインターフェースとEtherCATインターフェースの両方を備えるデバイスもありますが、任意に混在させて接続することはできません。最も安全な方法は、コネクターの形状で判断せず、デバイスのポート表示と設計図面を確認することです。本記事では、特定の制御システムを前提としないデイジーチェーン接続手順は示しません。
6．VLAN、マルチキャスト、リングネットワークがそれぞれ解決する課題
VLANは論理的なネットワーク範囲を分割するために使用され、範囲をまたぐ不要な通信を減らせますが、物理的な切断でもプロトコル変換でもありません。マルチキャスト管理は、該当するマルチキャストトラフィックの転送範囲を制御するために使用されます。すべての産業用途がマルチキャストを使用するわけではなく、すべての用途で同じマルチキャスト機能を有効にする必要があるわけでもありません。有効にするかどうかは、アプリケーショントラフィックとデバイス要件に応じて判断してください。
リングネットワークプロトコルは、ネットワークの予備経路を制御し、レイヤー2ループを防止し、適用条件下で接続を復旧します。その復旧処理は制御通信に影響する場合があります。接続を復旧できることは、すべての制御システムにまったく影響がないことを意味しません。スター、ライン、リングの各トポロジーも、図の見栄えで選ぶものではありません。スターは分岐の障害を切り分けやすく、ラインでは下流の通信が上流のノードに依存する場合があり、リングではプロトコルと互換性に関する要件が追加されます。
7．Feichang製品の機能は具体的な型式ごとに確認する必要がある
Feichang 電気4ポート・光2ポート搭載レール取付型マネージドスイッチの製品ページ には、STP/RSTP、VLAN、マルチキャスト関連機能が記載されており、集約、光・電気接続、管理要件に対する選定の手掛かりになります。ただし、ページ上のこれらの情報は、PROFINET IRTやEtherCAT専用ノードの機能を備える証拠ではありません。これらの要件がある場合は、具体的な製品の資料とシステム互換性を別途確認する必要があります。
Feichangに要件を提示する際は、端末一覧、制御プロトコル、配線距離、トポロジー図、更新周期、許容復旧時間も併せて提供することを推奨します。これにより、顧客が必要としているものが、通常のEthernet接続なのか、管理可能なネットワークインフラなのか、特定の産業用プロトコルに対応する専用機器なのかを区別できます。調達時には、「産業用プロトコルに対応しているか」だけでなく、「このシステム、このバージョン、この通信経路の要件を満たせるか」を確認する必要があります。
8．実負荷で検証し、再現可能な記録を残す
試験は承認済みのオフライン環境で開始し、まず1組のコントローラーと端末の基本動作を確認してから、想定される映像、収集、管理トラフィックを段階的に追加してください。ポート速度、エラー数と廃棄数、アプリケーションの周期、アラームを記録し、負荷増加後に変化するかどうかに注意してください。リンク復旧を検証する必要がある場合は、プロジェクト計画に従って実施してください。稼働中の生産設備でケーブルを直接抜いて障害を発生させてはいけません。
受入記録からは、試験に使用したデバイスとバージョン、トポロジー、負荷の生成方法、継続時間、観測された異常、合格条件の決定者を確認できる必要があります。Webページが開くことは、そのアクセスが成功したことを示すだけです。Pingが1回正常に応答しても、すべての制御周期が正常である証拠にはなりません。「物理接続が正しい」「プロトコルに基づくアプリケーション動作が正しい」「時間性能が要件を満たす」を3項目に分けることで、最も簡単な試験を実際のシステム検証の代わりにしてしまうことを防げます。
現場での収集から上位システムまで、各デバイスが担う役割
まず現場の計測器やコントローラーがアプリケーションデータを生成し、Ethernetに接続できる端末がそのデータをスイッチングネットワークへ送信します。次に、アクセス機器と集約機器がネットワークのルールに従って、監視システムや上位システムへ運びます。シリアル機器や専用バス機器では、インターフェースとプロトコルのマッピングを行う適切なゲートウェイが必要です。クラウドアクセスには、ルーティング、セキュリティ認証、アプリケーションサービスが関わる場合もあります。スイッチは、収集値を自動的に生産情報として解釈するものではありません。また、名称に産業用インターネットとあるだけで、プロトコル変換装置やクラウドコンピューティング装置になるわけでもありません。
EtherCATやPROFINETなど、特定のリアルタイム機構に対応する産業用プロトコルには、それぞれ固有のデバイス要件とタイミング要件があります。通常のEthernet転送と互換性があっても、すべての要件を満たすことにはなりません。設計時には、アプリケーションプロトコル、更新周期、データ喪失時の処理方法、ネットワーク分離、通信相手側の対応を一覧にしたうえで、型式とトポロジーを決定してください。受入時には、エンドポイントのデータから上位システムの表示までを追跡し、管理アクセスと実際のアプリケーション動作を個別に試験する必要があります。Pingが通ることを、プロトコル、リアルタイム性能、セキュリティのすべてが適格であることと同一視してはいけません。
この概略図は一般的な仕組みを説明するものであり、製品の測定結果や特定型式の断面写真ではありません。インターフェース、プロトコル、保護、電源の各仕様・機能は、実際の型式に照らして確認する必要があります。
中国語の技術記事からの翻訳。原文初公開：2020-01-06。原文最終改訂：2026-10-13T10:26:21+08:00。 中国語の原文を読む
