世界初、CC-Linkが「TSN技術」を本格採用

世界初、CC-Linkが「TSN技術」を本格採用 – 記事

スマート工場に向け、ネットワークの一元化と各種時間対応強化

CC-Link協会は、2018年11月21日、新産業用オープンネットワーク「CC-Link IE TSN」の仕様を策定したと発表した。産業用ネットワークとしてTSN技術を本格採用したのは、世界で初めて。

概要

TSN(Time Sensitive Networking)とは、Ethernetにリアルタイム性を付与する拡張機能である。
「CC-Link IE TSN」は、世界に先駆けて、この「TSN」を本格的に採用した。「CC-Link IE TSN」を使用することで、スマート工場に向け、ネットワークの一元化と各種時間対応の強化が、ともに可能になるという。

背景

従来の産業用ネットワークは、リアルタイム性を確保するために、各々独自仕様とする必要があった、そのため、IT用ネットワークおよび他の産業用ネットワークとの間で、回線やデバイスを基本的に別々としないといけない、といった課題があった。つまり、FAの間での壁、またFAとITの間での壁があった。
それに対して、各種産業用ネットワークの基幹を共通化し、かつIT用ネットワークとの垣根を払うために、TSN(Time Sensitive Networking)が構想されてきた。

一方でこれまで、CC-Link IEは、業界で唯一、通信速度1Gbpsを実現している。コントローラ間を結ぶCC-Link IE Controlと、コントローラと現場の多彩な機器を結ぶCC-Link IE Fieldがある。とくにCC-Link IE Controlは、データのリンク点数が大幅に増加しても、通信周期があまり増加しない点を最大の特長としてきている。
さらに、汎用Ethernet上でソフトウェア実装した、小規模装置向けのCC-Link IE Field Basicがある。

CC-Link IE TSNのCC-Link内の位置付けは?

CC-Link IE TSNは、この3つのCC-Link IEネットワークの機能を統合し、かつTSN上でタイムクリティカルな性能を向上させたものと言える。
これにより、1つのCC-Link IE TSNネットワークを使用すれば、モーション制御から、I/O制御、ITシステム連携までが、一挙に可能となるという。

(出典:CC-Link協会https://www.cc-link.org/ja/cclink/cclinkie/cclinkie_tsn.htmlより)

解説

既存のEthernet(IEEE802.3)のデータリンク層(※)は、いつ届くかという時間をあまり気にしていない、とくにかく壊れずに確かに(とくにはやさには差をつけず)届くことに注力している。そのため、産業用ではそのままは使えない。そこで、各産業用ネットワークはとくにはやさの点で独自の工夫をしてきた。そのため、同じEthernetを使用しているのに、互いにつながらない別のもの、という乱立状況が発生している。

そこで、Ethernet自体を、いつ届くかという意味で「時間に厳しい」ものにしようという動きが2012年あたりから始まってきた。具体的には、IEEE802.1として規格化されてきた。それがTSNだ。いわば、「時間に厳しいEthernet」である。英語でTime Sensitive Networkingとしているゆえんである。なお、物理層はIEEE802.3のまま使用する。

この「新しいEthernet」上で動作するCC-Link IEが、「CC-Link IE TSN」である。したがって、要するに「時間に厳しいCC-Link IE」となっている。
※データリンク層は、ISO7階層の第2階層である。物理層(第1階層)とネットワーク層(第3階層)の橋渡しを実施するために必要な、各種方法(プロトコル)。
同一ネットワーク上に接続されているノード間の各種のやりとりを規定する。
「TSN」は、この層の技術。「CC-Link IE TSN」は、その上の第3~7階層の技術ある。後述の「CC-Link IE TSNのしくみは?」参照。

スマート工場に向けた、現在の課題は?

スマート工場とは、「あらゆるものをつないでデータを最大限に活用し、自律的で最適なものづくりを目指す工場」である。
しかし、ネットワークの観点から見た場合、そのスマート工場に向け、現在以下のような課題がある。すこし整理して列挙してみる。

●独自の産業用ネットワークが混在
現状、工場内で、いろいろな用途に応じた独自産業用ネットワークが混在している。その結果、配線や周辺機器が別となり、またネットワークが互いにつながらない。
例えば、汎用I/O制御用とモーション制御用。ビジョン制御用とモーション制御用。

●リアルタイム性の確保と情報の大容量化対応に課題

  • 制御でのリアルタイム性(とくにモーション制御でのリアルタイム性・同期性)を確保・向上しつつ、制御とITでの各情報の大容量化に対応することには、限界がある。そのため、以下のような課題が存在している
  • 少なくとも、制御とITで、ネットワークを別とせざるを得ない。
その結果、各種のつなぎ目があり、各種の無駄がある
  • 制御の中でも、用途によって必要な通信周期が異なるが、それらを同時に対応できない。その結果、別ネットワークになっている
  • モーション制御でサーボアンプの軸数が増加すると、軸間の同期を保証するために、通信周期が長くなってしまう
  • コントローラ間のデータのリンク量が大量になると、高速な通信周期の確保が困難である

●時系列データの対応が課題

  • トラブルシュートおよびデータ活用・分析のため、制御の時系列データ収集時に、データ間の時刻上の紐付けが困難である

●その他

  • 各独自産業用ネットワークでは、せっかくの汎用の診断・監視ツールなどを活用できない
  • 制御とIT間でネットワークを融合していくと、今度、セキュリティが問題である
  • オープンネットワークであっても、各FAデバイスメーカの多様な開発手法に柔軟に対応できない。その結果、対応機器の拡がりが制限されている

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