フィールドバスへの取組みについて】 【フィールドバス概説】 【フィールドバス比較表

 

フィールドバス概説

(株)マイクロネットで提供しているリアルタイムソリューションをになうフィールドバスについて、以下に解説します。
1.フィールドバスとは
ネットワークの一種ですが、工場内での計測・制御用機器間の通信に用いるディジタルネットワークのことです。即ち、検出端(センサー)または操作端と制御機器との通信、または制御機器同士の通信に特化したネットワークです。 従来これらの機器間はそれぞれスイッチや電磁弁関連のオンオフ信号線、あるいはアナログ信号の配線で接続されていましたが、配線を共通化し、時分割・多重化、マルチドロップ化することにより配線費用の低減がはかれるようになります。
従来から制御装置(DCS:Distributed Control System、PLC:Programmable Logic Controller)のディジタル化が先行して高性能化、高信頼化、保守容易化が進められてきましたが、フィールドバス導入とともにフィールド機器(検出端と操作端)のディジタル化も進められています。 これらフィールド機器がディジタル化されることにより、故障診断、ゼロスパン調節自動化などによって、高信頼化、保守容易化などの効果が期待できます。
電話網やインターネット、オフィスLANやWANもネットワークですが、これら情報系ネットワークとフィールドバスと最も異なる点は情報内容・種類の違いとリアルタイム性の有無の違いです。 即ち、情報系ではテキスト・メッセージ情報、画像音声などのマルチメディア情報あるいはプログラム情報が伝送対象ですが、フィールドバスでは温度・圧力・流量などの計測データ、弁操作・モータ速度制御などの操作信号あるいは開閉状態・開閉操作信号など主に計測制御情報(フィールド情報)を扱います。 また、情報系では伝送要求があってから処理・伝送完了するまでの時間は一定しませんが、フィールドバスではこのようなことは許されず、必ず一定時間内に処理が完了しなければなりません。 すなわち時間厳守のリアルタイム性(Deterministic Real-time)が必要です。
これらフィールドバスをさらに形態分類すると次のように分類できます。
A. コントロールバス
PLC、DCSまたは制御用パソコン・HMI(Human Machine Interface)相互の情報交換に用いられるネットワークです。 コントローラ上位ネットワークともいいます。
B. フィールドバス(狭義)
従来のPLC、DCSまたはアナログ型の制御機器と、フィールド機器間の接続をディジタル化・ネットワーク化したものです。 このレベルはさらにFA系(Factory Automation)、PA系(Process Automation)に分類されます。 コントローラ下位ネットワークあるいはフィールドネットワークともいいます。
C. センサーバス
センサー信号、アクチュエータ信号(検出端・操作端のオンオフ信号、接点信号、またはアナログ入出力信号)を高速に伝送するネットワークをいいます。 コード化された制御指令やメッセージは扱うことはありません。 デバイスバス、ビットバスあるいはセンサーレベルネットワークともいいます。
以下では特に断らない限り、広義のフィールドバス(コントローラ下位ネットワーク)について説明します。

フィールドバス

2.フィールドバスの規格
フィールドバスに接続される機器は異メーカ・異機種の多種類に渡ります。 従って接続される機器の側から見てフィールドバスの接続仕様はオープンでなければなりません。 また、産業設備用に利用されることが多く、設備とともに数年~数十年に渡って使用されるため、古い機器も新しい機器も同等に接続できるものでなくてはなりません。 そこで規格化が必要になります。 規格が広く使われるようになると標準と認められるようになります。 現在利用可能な規格のうち、あるものは計測・制御機器メーカが開発した独自のフィールドバス規格がオープン化されたもの、あるいは計測・制御機器メーカやその業界団体が取りまとめをしたものがあります。 一方、計測制御機器のユーザー業界団体(例えば自動車工業会)が主導して規格をまとめたものもあります。 世界規模で見ると、米国主導あるいは欧州主導といった地域的特性もあります。
フィールドバスのオープン化は1980年代初めにGM(Gneral Motors)社が主導したMAP(Manufacturing Automation Protocol)に始まると言われていますが、システムが複雑高額になるため、商業的には成功していません。 国際規格化の動きは1985頃から始まっていますが、2000年に至ってようやく国際規格IEC61158、IEC62026が制定されました。 これらIEC規格では3層のネットワークモデルについて定義していますが、具体的な仕様は定義せず、IEC61158ではFoundation Fieldbus, Contorlnet, PROFIBUSなど8種の具体的規格を列挙するに止まっています。 同様に、IEC62026ではDeviceNet、AS-interface、SDSを列挙していますがこれも一本化されてはいません。 IEC制定後日が浅いこともあって決定的な支配力を持つ規格はなく、フィールドバスは現在なお発展段階にあると言えます。 また、今後急速にメジャー標準に収束することも難しいでしょう。 これは、産業用途のさまざまなニーズを一つの規格で全て対応できるものがないこと、およびオフィスLANとは異なって産業設備対象のフィールドバスは設備と一体化されていて製品寿命が長く、新技術導入と世代交替が極めて緩やかであるためと考えられます。 したがって、ユーザーはその都度利用環境に対応した機器を選定する必要があります。
こういった中で一般に使われているパソコンの技術・規格がフィールドバスの分野に積極的に使われる方向にあることは確かでしょう。 例えばEthernetはパソコンLANで広範に使用されていますが、TCP/IPのプロトコルはそのまま使えないとしても、市場で豊富なボード類を使用できるのはオープン化推進の上では大きな魅力でしょう。 実際、Foundation Fieldbus HSE、FL-netなど比較的最近の規格がEthernetを用いたネットワーク構成を取り入れています。
3.フィールドバスの評価指標
ユーザーはフィールドバスを導入するにあたり、性能、信頼性および価格の面から検討する必要があります。
(1) 性能
(A) 速度
フィールドバスにおいてはリアルタイム性が必須条件です。 すなわち、あるセンサー状態の変化が制御装置に伝送されるまでの時間は所定値以内であることが要求されます。 この所定時間は用途によって数ms~1sと幅があります。 機械装置の制御(FA: Factory Automation)系では数ms級、プロセス制御(PA: Process Automation)系では数十ms~数百ms級で十分と言われています。 フィールドバスの種類がFA系/PA系と分類されるのは主にこの速度に関係します。
信号の伝送速度は、ネットワークの物理的な通信速度(bps: bit per second)とリピータ・ゲートウェイ等のハードウェア構成、および通信プロトコルと通信フレーム構造等のソフトウェア構成(イベント起動型、ポーリング型、優先処理など)に依存します。
単に速度が早い方が優れているとはいえません。 用途によって、さほど即応性を必要としない設備もあるし、通信速度が遅い方が耐ノイズ性に優れていたり、伝送距離を大きくしたりすることができます。 あくまでも用途に適した速度という観点から評価すべきでしょう。
(B) 接続台数
一つのバス(ネットワーク)に接続できる機器(ノード、局)の最大数。 接続台数が多すぎると一つの機器あたりの利用可能時間が短くなり、伝送可能なデータ量(データ長さ、フレームサイズ)減少または伝送頻度(伝送速度)が低下します。 一般には数十~100数十台です。
(C) データ量
1機器1回あたりのデータ量です。 データ量が大きいほど高い精度(多ビット)のアナログデータ伝送ができます。 またはノード機器に多数の入出力信号を接続することができます。 反面、データ量が多いと扱えるノード数が減少、または伝送速度が低下します。 フィールドバスでは数バイト(数十点)~数百バイトが一般的です。
(D) 距離
一般に高速になる程、伝送損失、耐ノイズ性の問題から伝送可能距離は短くなります。 メタルケーブルの場合、数十~数百m程度のため、工場内敷設の場合は仕様上限近くになることがあるので注意が必要です。 光ファイバーを適用できれば十数kmまで可能になるのでほとんどの場合距離の問題はありません。
(E) 接続種類・多様性
(a) ディジタル信号のみか、アナログ信号を扱えるかの分類があります
アナログ信号といっても、ネットワーク上のデータはディジタルで処理されますが、検出端・操作端のアナログ処理に適した構成になっているかどうかの分類です。 またフィールド機器に電源を供給するのに信号線と電源線を共有する2線式が可能か、可燃性ガス雰囲気での防爆性を考慮したものか、などの分類があります。
(b) 参加メーカ数
夫々のフィールドバス規格に対応するメーカの数が多ければ選択肢が広がり、安価で高性能な設備を得ることができます。
(c) 互換性・相互接続性
フィールドバスはいまなお発展段階にあり、新技術が導入された場合にも上位互換性があれば従来の装置を有効に利用できるとともに、更新のための停止期間を最小限にできます。
また、異なったフィールドバス(ネットワーク)との接続性が良好であれば、技術進歩に対応しやすくなり、柔軟なシステム構成をとることができます。
(F) 付加価値(自己診断、構成自動化等)
従来のアナログ機器でも熱伝対の焼失検出(バーンアウト)や、信号線の断線検出・電源断の検出が可能でしたが、フィールドバスではディジタル化によって様々なインテリジェント機能が可能になります。 ネットワークの断線検出、機器の自動ゼロスパン調節などの自己診断機能、およびパソコンのプラグアンドプレイ機能に相当する構成自動化などの機能が導入されているものがあります。 また、これら診断結果を総括表示・印刷・上位のコンピュータに伝送するなどの機能を備えたものもあります。
(2) 信頼性
フィールドバスは従来のアナログ機器構成に比べて外観は単純化される反面、システムとしては複雑化します。 以下の信頼性評価指標は電子機器共通のものですが、フィールドバス評価にとくに重要な事項を列挙します。
(A) 故障率、耐障害性
機器に使用する部品の信頼性要求は通常のフィールド機器と変わりありませんが、ネットワークバス構成をとるため、一つの機器の障害がネットワーク全体の障害を招く可能性があります。
ネットワーク径路の冗長度を持っているか、専用ケーブルを含めてノイズ対策がなされているか、配線工事の要求条件は何かなどを評価する必要があります。
(B) 実績
導入実績は信頼性の指標の一つです。 実績の多い機器・システムはそれだけ長期的にユーザーからの信頼性評価が高いともいえますし、メーカサービス体制が整備されていることが期待できます。 ただし、実績に頼りすぎると最新技術に乗り遅れる懸念もあります。
(C) サポート(サービス・地域・供給保証)
(a) サポートサービス
従来のアナログ構成に比べてフィールドバスでは機器メーカのサポートがより重要になります。アナログに比べてフィールドバスはより複雑なシステムとなるし、メーカ独自の規格・仕様があることも稀ではありません。
設置工場のすぐ側にメーカの出張所があって、オンサイトサポートの体制があれば理想的ですが、サポート技術者が必ずしもフィールドバスを熟知しているとは限らず、保守契約費も高額になるおそれがあります。 結局メーカ本社のサポート体制に依存せざるをえませんが、電話や電子メールでの問合せに適切かつ迅速に対応できる体制をとっているかどうかが評価ポイントとなります。 また、メーカ単独のバス規格より、数社~数百社が参加するコンソーシアム、協会の体制が整っている規格の方がメーカ間のサービス競争を期待できるでしょう。 これらのコンソーシアム、協会は普及のため講習会、展示会、技術資料提供、WEBページで最新情報・技術解説などを積極的に開示しているので、これらを利用するのがよいでしょう。
(b) 供給保証
フィールドバスを導入する設備は長期にわたって稼動させるため、保守用部品あるいは増設拡張時の部品供給を一定期間保証しているかを確認する必要があります。
(D) わかり易さ
(a) 構成の単純さ
ネットワークは接続するノード数が多いほど、階層が多くなるほど、接続機種数が多いほど、複雑になります。 また自己診断、自動構成などのインテリジェント機能はうまくいくときは便利な機能ですがトラブルになったときはかえって問題が長引くことがあります。 Modbusのように、20年以上の歴史をもつフィールドバスがいまだに根強く使われていますが、構成の簡明さが評価されていることもあると思われます。
(b) 保守用機器
電圧計や電流計で直接信号を確認できないため診断用機器が必須となります。 中央制御室で使用する診断用プログラムのほか、現地で診断・修復・調整可能な診断機器も重要な要素です。 診断用機器が使いやすい(わかり易い、間違いにくい、一人で操作できる、等)ものでなければなりませんが、保守員にはこれら保守用機器を使いこなし、障害判断・復旧措置をする技能が要求されます。
(c) マニュアル
フィールドバスに限ったことではありませんが、コンピュータ関連のマニュアルはわかりにくいと言われています。 フィールドバス導入にあたって各社のマニュアルを比較するのも一法でしょう。 最近ではWEB上で各社のマニュアルを比べることができるようになっています。
(E) 他の機器への影響
(a) ノイズ
フィールドバス自身がノイズ発生源となるおそれはないかを検討します。 通常、高電圧源からのノイズ防止のため、配線にはシールドケーブル、ツイストペアケーブルを用いればフィールドバス自身がノイズ発生源になるおそれは少ないですが、非絶縁型入出力アンプを使うとノイズを拾いやすくなるとともにノイズ発生源にもなるので注意が必要です。
(b) PLC、コンピュータ等の負荷
フィールドバスによってはDCS、PLCまたは制御用パソコンにかなりの負荷(演算時間、入出力バス使用時間、ディスクIO時間)をかけるものがあります。 メーカのデータシートで確認しておく必要があります。
(3) 価格
従来のアナログ機器とフィールドバスとを比較する場合、および各種フィールドバスを比較する場合、下記事項が比較対象になります。
(A) 機器
フィールドバス機器に係る導入初期費用です。
(B) 工事費
配線資材(ケーブル、ケーブルラック)、敷設工事費、現地調整費、工事期間にともなう機会損失等を評価します。
(C) 保守費
保守要員費(給与、教育費)、予備品在庫費、保守用道工具、メーカサポート契約費。
(D) 増設・拡張費
将来増設・拡張の可能性が高い場合、上記(a) 、(b) に相当する費用を想定し、現在価値に換算して比較します。 ただし、数年先の増設・拡張を予想するのはきわめて困難であるし、その時点の技術進歩を考慮して費用の予想をするのは殆ど不可能ですが、フィールドバスの特長を比較する上では是非評価しておきたいものです。
4.各種フィールドバス概説
以下に各種フィールドバスを概説しますが、詳細は「フィールドバス比較表」を参照してください。
(1) センサーバス
1)AS-Interface
AS-iとも言います。 リミットスイッチ、リレーオンオフなどディジタル信号の伝送に適したネットワークです。 単独で用いられる場合もありますが、上位のFA用フィールドバスの下位バスとしてAS-iを使えるよう、例えばPROFIBUS-DPとのブリッジモジュールを用意しています。 また、接続の容易さを追及した設計となっており、例えば、クランプするだけで電極ピンがケーブル被覆を貫通してモジュールの結線ができる2線専用ケーブルが用意されるなどの配慮をしています。 国内でも多数のメーカが対応していますが、国内普及組織はまだ設立されていません。
2) CAN
自動車工業の生産現場、車載用等に広く使われているバスです。 CANopen、DeviceNetのベースになっています。
3) EC-NET
マイクロネット、アンペール、MTTがコンソーシアムを組んで開発した簡素・安価・高速のリモートIOです。 自己診断等の機能はありませんが、それゆえに簡明で使いやすい点が利点です。
(2) FA用フィールドバス
1) DeviceNet
当初米Allen Bradleyが開発したFA用フィールドバスです。 1995以降オープン化組織ODVAで普及が図られ、米国では広く実績があります。 物理層、データリンク層をCANと同じにしています。 CANは自動車業界、車載用途で実績があり、ボード制御チップ等のデバイスも多数のメーカから供給されている点が強みと言われています。
2) PROFIBUS-DP
高速大容量の通信を狙ったFA用フィールドバスです。 フィールドバスの規格化の中で比較的早く制定され、参加企業数、実績はトップクラスです。 国内メーカも多数参加しており、日本プロフィバス協会が普及活動を展開しているので、ホームページから和文の関連資料を得ることができます。
3) CC-Link
PLCで実績の多い三菱電機が開発したFA用フィールドバスをオープン化したものです。 数少ない日の丸規格といえます。工作機械や制御機器とともに輸出されるため、世界規模で普及活動を展開しています。
4) Interbus
独コネクタメーカPhoenix Contact社が開発元のFA用フィールドバスです。 歴史が古く、欧州のメーカ・ユーザの参加が多く、広く普及しているようです。
(3) PA用フィールドバス
1) PROFIBUS-PA
PA(Process Automation)用フィールドバスは従来の工業計器が扱っていたアナログ信号を主体に扱いますが、FA用に比べて高速性は要求されない反面、防爆性、2線式(フィールド計器の電源供給線と信号線とが共通)が要求されます。 PROFIBUS-PAはPROFIBUS-DPのアーキテクチャをベースにPA信号伝送に適した構成を有するフィールドバスです。
2) Foundation Fieldbus
PROFIBUS-PAとならぶ二大バスの一つです。 規格化活動の開始から10数年後、2000年になって制定されたため、PROFIBUS-PAに比較して普及が遅れていますが、高度な機能的も備えています(例:ファンクションブロック機能により、フィールド機器に制御機能を分散化する)。 国内にも普及組織(日本フィールドバス協会)があって、和文資料等を得ることができます。 なお、日本フィールドバス協会・Foundation Fieldbusの「フィールドバス」は固有名詞であることに注意してください。
(4) コントロールバス
1) ControlNet
PLC,DCS(Distributed Control System),HMI(Human-Machine Interface)間のデータ交換を目標に規定されたコントローラ上位のネットワークです。 当初の開発元は米Allen Bradley社で、同社はコントローラ下位ネットワーク:DeviceNetの開発元でもあるため、組み合わせの相性がよいと言われています。
2) CANopen
自動車業界や車載用に使われるCAN(フィールドバス~センサーバスレベル)の上位ネットワークです。 CANの実績を踏まえており、欧米では自動車業界、ビルオートメでの実績が多いと言われています。
3) FL-net
当初、自動車工業会が生産現場に適したネットワークを提案したのが始まりで、現在は日本電機工業会(JEMA)の規格に制定されています。 我が国として今後世界の事実上標準化を目指しています。 1999年に制定されたばかりですが、主要な制御機器メーカは殆ど参加しており、今後の発展が期待されます。
4) Modbus
米国で歴史のあるネットワーク規格です。 RS232Cなどのシリアルインターフェースを使い、バス速度は19.2kbps以下で遅いのですが、歴史が古く構成が簡単なことから欧米で広く使われています。
5) Modbus Plus
Modbusの上位ネットワークで、速度は1Mbps、光ファイバを使えるなど、コントローラ上位~下位をカバーし、自己診断、自動構成などインテリジェント機能が充実されています。
5.マイクロネットの各種フィールドバスへの取組み
マイクロネットではお客様のさまざまなニーズに対応するため、主要なフィールドバスのドライバー込みのボード製品、またはドライバーソフトウェアを販売しています。 現在提供可能なINtime用のフィールドバス 製品は、CANopen、FL-net、DeviceNet、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、Interbus、CC-Link、AS-Interface、EtherCAT®、EC-NETです。MECHATROLINK(開発元:安川電機)、PROFINETについては開発中、または開発企画段階にあります。これ以外でもお客様のご要望に対応して開発いたしますのでご相談ください。

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