フィールドバス

フィールドバスは、リアルタイム分散制御に使用される 産業用デジタル通信ネットワーク[1]の一種です。フィールドバスのプロファイルは、国際電気標準会議（IEC）によってIEC 61784/61158として標準化されています。

複雑な自動化産業システムは、通常、分散制御システム（DCS）として階層的に構築されます。 この階層では、生産管理の上位レベルは、タイムクリティカルでない通信システム（Ethernetなど）を介してプログラマブルロジックコントローラ（PLC）の直接制御レベルにリンクされます。 フィールドバス[2]は、直接制御レベルのPLCを、センサー、アクチュエータ、電動モーター、コンソールライト、スイッチ、バルブ、コンタクタなどのフィールドレベルのプラントコンポーネントにリンクします。 また、フィールドバスは、電流ループまたはデジタルI/O信号による直接接続を置き換えます。 そのため、フィールドバスに求められる要件は、タイムクリティカルでコストに敏感です。 2000年代以降、リアルタイムイーサネットに基づく多くのフィールドバスが確立されてきました。 これらは、長期的には従来のフィールドバスに取って代わる可能性があります。

説明

フィールドバスは、リアルタイム分散制御のための産業用ネットワーク システムです。これは、製造工場内の機器を接続する方法です。フィールドバスは、通常、デイジー チェーン、スター、リング、ブランチ、ツリーネットワーク トポロジーを可能にするネットワーク構造で動作します。以前は、2 つのデバイスのみが通信できるRS-232 (シリアル接続)を使用してコンピューターが接続されていました。これは、各デバイスがコントローラー レベルで独自の通信ポイントを持つ必要がある現在使用されている4～20 mA 通信方式に相当しますが、フィールドバスは、コントローラー レベルで 1 つの通信ポイントのみを必要とし、複数のアナログおよびデジタルポイントを同時に接続できる現在のLAN タイプ接続に相当します。これにより、必要なケーブルの長さと総数の両方が削減されます。さらに、フィールドバスを介して通信するデバイスはマイクロプロセッサを必要とするため、通常、複数のポイントは同じデバイスによって提供されます。一部のフィールドバス デバイスは、コントローラーに処理を強制するのではなく、デバイス側でPID 制御などの制御方式をサポートするようになりました。

歴史

分散制御システムでフィールドバスを使用する最も重要な目的は、オートメーションシステムの高い可用性と信頼性を損なうことなく、設備の設置と保守にかかるコストを削減することです。目標は、異なるメーカーのフィールドデバイスを2線式ケーブルとシンプルな構成で接続できるようにすることです。アプリケーションに応じて、センサーとアクチュエータの数は、1台のマシンに数百個、大規模なプラントに数千個分散するなど、多岐にわたります。フィールドバスの歴史は、これらの目標が長年にわたってどのように達成されてきたかを物語っています。

フィールドバスの前身

汎用インターフェースバス (GPIB)

おそらくフィールドバス技術の先駆けは、 1975年にIEEE 488 [3]で説明されたHP-IBです。「これは汎用インタフェースバス（GPIB）として知られるようになり、自動化および産業用計測器制御の事実上の標準となりました。」

GPIBの主な用途は、異なるメーカーの計測器を用いた自動計測です。GPIBは、24芯のケーブルとコネクタを備えたパラレルバスで、最大ケーブル長は20メートルに制限されています。

ビットバス

Intel 8044搭載Bitbusコントローラカード

最も古くから一般的に使用されているフィールド バス テクノロジは Bitbus です。Bitbus は、低速のI/O機能を高速のメモリ アクセスから分離することによって、産業システムでのマルチバスシステムの使用を強化するために Intel Corporation によって作成されました。1983 年に、Intel は既存の8051マイクロコントローラにフィールド バス ファームウェアを追加して、8044 Bitbus マイクロコントローラを作成しました。Bitbus は物理層でEIA-485を使用し、2 本のツイスト ペア (1 本はデータ用、もう 1 本はクロックおよび信号用) を使用します。データ リンク層でSDLCを使用すると、合計距離 13.2 km の 1 つのセグメントに 250 個のノードを接続できます。Bitbus には 1 つのマスター ノードと複数のスレーブがあり、スレーブはマスターからの要求にのみ応答します。Bitbus では、ネットワーク層でのルーティングは定義されていません。8044 では比較的小さなデータ パケット (13 バイト) のみが許可されますが、効率的な RAC (リモート アクセスおよび制御) タスクのセットと、カスタム RAC タスクを開発する機能が組み込まれています。 1990年にIEEEはBitbusをマイクロコントローラシステムシリアル制御バス（IEEE-1118）として採用した。[4] [5]

現在、BITBUSはBEUG - BITBUSヨーロッパユーザーグループによってメンテナンスされています。[6]

自動化のためのコンピュータネットワーク

オフィス ネットワークは、上限が決まった伝送遅延がないため、自動化アプリケーションには適していません。1975年にオフィス接続用に考案されたARCNETはトークン メカニズムを使用していたため、後に産業界で利用されるようになりました。

製造自動化プロトコル（MAP）

製造自動化プロトコル（ MAP）は、1984年にゼネラルモーターズが開始した自動化技術におけるOSI準拠プロトコルの実装でした。MAPは多くのメーカーに支持されたLAN標準化提案となり、主に工場自動化に使用されました。MAPは、10MbpsのIEEE 802.4トークンバスを伝送媒体として使用しました。

MAPはその範囲と複雑さゆえに、大きな進歩を遂げることができませんでした。複雑さを軽減し、少ないリソースでより高速な処理を実現するために、1988年にEnhanced Performance Architecture (EPA) MAPが開発されました。このMiniMap [7]には、開放型システム間相互接続(OSI) 基本参照モデルのレベル1、2、7のみが含まれています。この近道は、後のフィールドバス定義に引き継がれました。

MAP の最も重要な成果は、MAP のアプリケーション層である Manufacturing Message Specification (MMS) です。

製造メッセージ仕様（MMS）

製造メッセージ仕様（MMS）は、ネットワークデバイスまたはコンピュータアプリケーション間でリアルタイムのプロセスデータと監視制御情報を転送するためのアプリケーションプロトコルとサービスを取り扱う国際標準ISO 9506 [8]であり、1986年に最初のバージョンが公開されました。

これは、 ProfibusのFMSやCANopenのSDOなど、他の産業用通信規格における多くの発展のモデルとなっています。IEC 61850規格では、電力設備の自動化など、アプリケーション層として現在も使用されています。

製造自動化のためのフィールドバス

製造自動化の分野では、フィールドバスの要件は、わずか数ビットまたはバイトを数百メートル以内で送信し、短い応答時間をサポートすることです。

モドバス

1979年、Modicon（現Schneider Electric ）は、自社のプログラマブルロジックコントローラー（PLC）を接続するためのシリアルバス「Modbus」を定義しました。最初のバージョンでは、ModbusはEIA 485 UART信号に対応した2線式ケーブルを使用していました。プロトコル自体はマスター/スレーブ方式の非常にシンプルなもので、データタイプは当時のPLCが認識できるものに限られていました。しかしながら、Modbus（Modbus-TCPバージョンを含む）は、主にビルディングオートメーション分野で、現在でも最も広く使用されている産業用ネットワークの一つです。

プロフィバス

1987年、ドイツ政府の財政支援を受けた研究プロジェクトにより、フィールドバス・メッセージ仕様（FMS）に基づくフィールドバスPROFIBUSが定義されました。 [9]実際のアプリケーションでは、現場での取り扱いが複雑すぎることが判明しました。1994年、シーメンスは改良されたアプリケーション層「Decentralized Periphery（DP）」を提案し、製造業で高い評価を得ました。2016年現在、PROFIBUSは世界で最も多く導入されているフィールドバスの一つであり[10]、2018年には導入ノード数が6,000万に達しました。[11]

インターバス

1987年、フェニックス・コンタクト社は、空間的に分散した入出力を集中コントローラに接続するためのシリアルバスを開発しました。[12]コントローラは、すべての入出力データを含む1つのフレームを物理的なリングを介して送信します。ケーブルには5本の線があり、グランド信号に加えて、送信フレーム用の2本の線と戻りフレーム用の2本の線で構成されています。このケーブルを使用することで、設備全体をツリー型トポロジで構成することが可能です。[13]

INTERBUSは製造業で大きな成功を収め、2,290万台以上のデバイスが現場に設置されました。INTERBUSはProfinet技術に統合され、イーサネットベースのフィールドバスProfinetが誕生しました。INTERBUSは現在、Profibus Nutzerorganisation eV [14]によって保守されています。

できる

1980年代、ドイツのロバート・ボッシュ社は、自動車内の異なる制御システム間の通信問題を解決するために、コントローラ・エリア・ネットワーク（CAN）を初めて開発しました。CANのコンセプトは、あらゆるデバイスを1組の配線で接続し、接続されたすべてのデバイスが他のデバイスと自由にデータを交換できるようにすることでした。CANはすぐに、他の多くの技術とともに、ファクトリーオートメーション市場にも進出しました。

DeviceNetは、CANプロトコルに基づくオープンフィールドバス規格として、米国企業のAllen-Bradley （現在はRockwell Automationが所有）とODVA（Open DeviceNet Vendor Association）によって開発されました。DeviceNetは、欧州規格EN 50325-2で標準化されています。DeviceNet規格の仕様策定と保守はODVAが担当しています。ControlNetやEtherNet/IPと同様に、DeviceNetはCIPベースのネットワークファミリーに属しています。CIP（ Common Industrial Protocol）は、これら3つの産業用ネットワークの共通アプリケーション層を形成します。そのため、DeviceNet、ControlNet、およびEthernet/IPは十分に連携しており、管理レベル（EtherNet/IP）、セルレベル（ControlNet）、フィールドレベル（DeviceNet）の段階的な通信システムをユーザーに提供します。DeviceNetはオブジェクト指向のバスシステムで、プロデューサ/コンシューマ方式で動作します。DeviceNetデバイスは、クライアント（マスター）またはサーバ（スレーブ）、あるいはその両方になることができます。クライアントとサーバは、プロデューサ、コンシューマ、またはその両方になることができます。

CANopen は、CANopen のユーザーおよびメーカー協会である CiA ( CAN in Automation ) によって開発され、2002 年末から欧州規格 EN 50325-4 として標準化されています。CANopen は、CAN 規格 (ISO 11898-2) のレイヤー 1 と 2、およびピン割り当て、伝送速度、アプリケーション層に関する拡張機能を使用します。

プロセス自動化のためのフィールドバス

プロセスオートメーションにおいて、従来、フィールドトランスミッタのほとんどは4～20mAの電流ループを介して制御装置に接続されています。これにより、測定値を電流レベルと共に伝送できるだけでなく、1000メートルを超える長さの2線式ケーブル1本でフィールドデバイスに必要な電力を供給することができます。これらのシステムは危険区域にも設置されます。NAMURによれば、これらのアプリケーションにおけるフィールドバスはこれらの要件を満たす必要があります。[15]計装に関する特別な規格であるIEC/EN 60079-27は、ゾーン0、1、または2に設置するためのフィールドバス本質安全コンセプト（FISCO）の要件を規定しています。

ワールドFIP

FIP規格は、将来のフィールドバス規格のための要件分析を行う1982年のフランスの取り組みに基づいています。この調査は、1986年6月に13のパートナーが参加するフィールドバス規格のための欧州Eurekaイニシアチブへと発展しました。開発グループ（réseaux locaux industriels）は、フランスで標準化される最初の提案を作成しました。FIPフィールドバスの名称は、当初フランス語の「Flux d'Information vers le Processus」の略称として付けられましたが、後に英語の「Factory Instrumentation Protocol」でFIPを指すようになりました。

FIPは、その後10年間でヨーロッパ市場で主流となったProfibusに押され、その地位を奪われました。WorldFIPのホームページには2002年以降、プレスリリースが掲載されていません。FIPファミリーに最も近いのは、現在、鉄道車両用のWire Train Busです。しかし、WorldFIPの特定のサブセットであるFIPIOプロトコルは、機械部品に広く使用されています。

ファウンデーションフィールドバス（FF）

Foundation Fieldbusは、国際計測制御学会（ISA）によって長年にわたりSP50として開発されました。現在、Foundation Fieldbusは、石油精製、石油化学、発電、さらには食品・飲料、医薬品、原子力といった多くの重工業プロセスアプリケーションにおいて、導入実績が拡大しています。[16]

2015年1月1日より、フィールドバス財団は新しいフィールドコムグループの一部となりました。[17]

プロフィバスPA

Profibus PA（プロセスオートメーション）は、プロセスエンジニアリングにおいて、計測機器、プロセス機器、アクチュエータ、プロセス制御システム（PLC / DCS）間の通信に使用されます。Profibus PAは、プロセスオートメーションに適した物理層を備えたProfibusバージョンであり、フィールド機器を備えた複数のセグメント（PAセグメント）を、いわゆるカプラを介してProfibus DPに接続できます。これらのセグメントの2線式バスケーブルは、通信だけでなく、参加者への電源供給も担います（MBP伝送技術）。Profibus PAのもう一つの特徴は、広く使用されているデバイスプロファイル「PAデバイス」（PAプロファイル） [18]です。このプロファイルでは、フィールドデバイスの最も重要な機能がメーカー間で標準化されています。

ビルオートメーション向けフィールドバス

ビルオートメーション市場では、フィールドバスのアプリケーションに対してさまざまな要件があります。

  • 広いスペースにわたって多数のシンプルな I/O が分散されたインストール バス。
  • 暖房、換気、空調（HVAC）制御用の自動化フィールドバス
  • 施設管理のための管理ネットワーク

1989年に定義され、主にフランスで使用されているBatiBUS、欧州設備バス（EIB）に拡張されたInstabus 、そして1999年にKonnex（KNX）規格 EN 50090 （ISO/IEC 14543-3）に統合された欧州ホームシステムプロトコル（EHS）があります。2020年現在、495の会員企業が世界190カ国で8,000点のKNXインターフェース製品を提供しています。[19]

ロンワークス

LonWorksは1980年代に遡り、他のネットワークとは異なり、Echelon社のコンピュータ科学者たちの研究成果です。1999年に通信プロトコル（当時はLonTalkと呼ばれていました）がANSIに提出され、制御ネットワークの標準規格（ANSI/CEA-709.1-B）として承認され、2005年にはEN 14908（欧州ビルオートメーション規格）として承認されました。このプロトコルは、ビルオートメーション向けBACnet ASHRAE/ANSI規格のデータリンク層/物理層の一つでもあります。

BACネット

BACnet規格は、1987年からアメリカ暖房冷凍空調学会（ASHRAE ）によって開発され、現在も維持されています。BACnetは、1995年から米国国家規格（ ANSI）135、欧州規格、多くの国の国家規格、そして2003年からは国際ISO規格16484となっています。[20] BACnetは、2017年にビルオートメーション市場で60％の市場シェアを占めています。[21]

標準化

フィールドバス技術は1988年から存在していましたが、ISA S50.02規格の完成とともに、国際規格の策定には長年を要しました。1999年、IEC SC65C/WG6標準化委員会は、IECフィールドバス規格案における相違点を解決するために会合を開きました。この会合の結果、「タイプ」と呼ばれる8つの異なるプロトコルセットを含むIEC 61158規格の初期版が策定されました。

この形式の規格は、当初欧州共同市場向けに開発されたもので、共通性にはあまり重点を置いておらず、国家間の貿易制限の排除という本来の目的を達成しています。共通性の問題は現在、各フィールドバス規格タイプをサポートする国際コンソーシアムに委ねられています。IEC規格が承認されるとすぐに規格策定作業は中止され、委員会は解散しました。新しいIEC委員会SC65C/MT-9が結成され、4000ページを超えるIEC 61158における形式と内容の矛盾を解決しました。上記のプロトコルタイプに関する作業はほぼ完了しています。安全フィールドバスやリアルタイムイーサネットフィールドバスなどの新しいプロトコルは、典型的な5年メンテナンスサイクルの間に、国際フィールドバス規格の定義に取り入れられています。2008年版の規格では、フィールドバスタイプは通信プロファイルファミリ（CPF）に再編成されています。[22]

フィールドバス規格の構造

フィールドバスには多くの競合技術が存在し、単一の統合通信メカニズムという当初の期待は実現されていません。フィールドバス技術はアプリケーションごとに異なる実装方法を必要とするため、これは予想外のことではありません。自動車用フィールドバスはプロセスプラント制御用フィールドバスとは機能的に異なります。

IEC 61158: 産業用通信ネットワーク - フィールドバス仕様

1999年6月、IECの活動委員会（CA）は、新世紀を迎えるにあたり、2000年1月1日に発効する第1版からフィールドバス規格の新しい構造を採用することを決定しました。すべてのフィールドバスが属するIEC 61158規格が存在します。[23]専門家は、IEC 61158の構造を、サービスとプロトコルに分割された異なるレイヤーに従って維持することを決定しました。個々のフィールドバスは、この構造に異なるタイプとして組み込まれています。

標準 IEC 61158産業用通信ネットワーク - フィールドバス仕様は、次の部分に分かれています。

  • IEC 61158-1 パート1：IEC 61158およびIEC 61784シリーズの概要とガイダンス
  • IEC 61158-2 PhL: パート2: 物理層仕様およびサービス定義
  • IEC 61158-3-x DLL: パート3-x: データリンク層サービス定義 - タイプx要素
  • IEC 61158-4-x DLL: パート4-x: データリンク層プロトコル仕様 - タイプxの要素
  • IEC 61158-5-x AL: パート5-x: アプリケーション層サービス定義 - タイプxの要素
  • IEC 61158-6-x AL: パート6-x: アプリケーション層プロトコル仕様 - タイプxの要素

各パートは依然として数千ページに及ぶため、さらにサブパートに分割されています。個々のプロトコルには、単にタイプ番号が付けられています。したがって、必要に応じて、各プロトコルタイプごとにサブパートが存在します。

IEC 61158 規格の個々のパートの対応するサブパートを見つけるには、特定のファミリの対応するプロトコル タイプを知っておく必要があります。

IEC 61158の2019年版では、最大26種類のプロトコルが規定されています。IEC 61158の標準化では、ブランド名の使用は避けられ、無味乾燥な技術用語と略語が使用されています。例えば、Ethernetは技術的に正しいCSMA/CD、または対応するISO規格8802.3への参照に置き換えられています。フィールドバスの名称も同様で、すべてタイプ番号に置き換えられています。そのため、読者はIEC 61158フィールドバス規格全体を通して、PROFIBUSやDeviceNetといった名称を目にすることはありません。「IEC 61784への準拠」セクションには、完全な参照表が掲載されています。

IEC 61784: 産業用通信ネットワーク - プロファイル

IEC 61158に含まれるこのフィールドバス規格集は、実装に適していないことは明らかです。使用説明書を補足する必要があります。これらの説明書は、IEC 61158のどの部分をどのように、そして機能するシステムに組み立てることができるかを示しています。この組み立て説明書は、後にIEC 61784フィールドバスプロファイルとしてまとめられました。

IEC 61158-1 [24]によれば、規格IEC 61784は以下の部分に分かれている。

  • IEC 61784-1 産業用制御システムにおけるフィールドバスの使用に関する連続製造および個別製造のプロファイルセット
  • IEC 61784-2 リアルタイムアプリケーションにおける ISO/IEC 8802 3 ベースの通信ネットワークの追加プロファイル
  • IEC 61784-3 機能安全フィールドバス – 一般規則およびプロファイル定義
  • IEC 61784-3-n 機能安全フィールドバス – CPF n の追加仕様
  • IEC 61784-5-n フィールドバスの設置 - CPF n の設置プロファイル

IEC 61784-1: フィールドバスプロファイル

IEC 61784 Part 1 [25]規格「産業用制御システムにおけるフィールドバス利用に関する連続製造および個別製造向けプロファイルセット」には、各国の標準化団体によって提案されているすべてのフィールドバスが列挙されている。2003年の初版では、7つの異なる通信プロファイルファミリ（CPF）が導入されている。

航空機製造（ボーイング社）で広く使用されているSwiftnetは、この規格の初版に含まれていました。これは後に誤りであることが判明し、2007年の第2版ではこのプロトコルは規格から削除されました。同時に、CPF 8 CC-Link、CPF 9 HARTプロトコル、CPF 16 SERCOSが追加されました。2014年の第4版では、最後のフィールドバスであるCPF 19 MECHATROLINKが規格に追加されました。2019年の第5版は、新しいプロファイルの追加を伴わないメンテナンス改訂版でした。

この規格に含まれていないフィールドバスのオートメーション プロトコルのリストを参照してください。

IEC 61784-2: リアルタイムイーサネット

フィールドバス プロファイルの第 2 版には、すでに Ethernet を物理層としてベースとした最初のプロファイルが含まれています。[26]この新しく開発されたリアルタイム Ethernet (RTE) プロトコルはすべて、リアルタイム アプリケーションにおける ISO/IEC 8802 3 ベースの通信ネットワーク用の追加プロファイルとしてIEC 61784 パート 2 [27]にまとめられています。ここにはEthernet/IPソリューション、PROFINET IO の 3 つのバージョン (クラス A、B、C)、P-NET のソリューション、[28] Vnet/IP [29] TCnet、[30] EtherCAT、Ethernet POWERLINK、Ethernet for Plant Automation (EPA)、および新しい Real-Time Publish-Subscribe MODBUS-RTPS と従来のプロファイル MODBUS-TCP を備えたMODBUSがあります。

この文脈においてSERCOSソリューションは興味深いものです。軸制御分野のこのネットワークには、独自の規格IEC 61491がありました[31]。イーサネットベースのソリューションであるSERCOS IIIの導入により、この規格は分離され、通信部分はIEC 61158/61784に統合されました。アプリケーション部分は、他のドライブソリューションと共に、特別なドライブ規格IEC 61800-7に統合されました。

2007 年の第 1 版の RTE のリストはすでに長くなってしまいました。

2010年:

2019年:

  • CPF 19 FL-net
  • CPF 20 ADSネット

2023年:

  • CPF 21 オーブス

2010年には、CPF 17 RAPIEnetとCPF 18 SafetyNET pを含む第2版が発行されました。第3版（2014年）では、CC-Linkの産業用イーサネット（IE）バージョンが追加されました。 2019年の第4版では、 2つのプロファイルファミリ、CPF 20 ADS-net [32]とCPF 19 FL-net [33]が追加されました。

これらの RTE の詳細については、産業用イーサネットに関する記事を参照してください。

IEC 61784-3: 安全性

機能安全に関しては、様々なコンソーシアムが、 IEC 61508準拠の安全度水準3（SIL）またはISO 13849準拠のパフォーマンスレベル「e」（PL）までの安全アプリケーション向けに、様々なプロトコルを開発しています。ほとんどのソリューションに共通するのは、ブラックチャネルをベースとしているため、様々なフィールドバスやネットワークを介して伝送できることです。実際のプロファイルに応じて、安全プロトコルはカウンター、 CRC、エコー、タイムアウト、送信側と受信側の一意のID、クロスチェックなどの対策を提供します。

2007年に発行されたIEC 61784パート3の初版[34] 「産業用通信ネットワーク - プロファイル - 機能安全フィールドバス」には、通信プロファイルファミリ（CPF）が含まれています。

SERCOSはCIP安全プロトコルも使用しています。[36] 2010年に発行された第2版では、追加のCPFが規格に追加されました。

2016年の第3版では、最新の安全プロファイルであるCPF 17 SafetyNET pが追加されました。新しい第4版は2021年に発行される予定です。現在、この規格には9つの異なる安全プロファイルが含まれています。これらはすべて、次のセクションのグローバルコンプライアンス表に含まれており、参照されています。

IEC 61784への準拠

各ブランド名のプロトコルファミリは通信プロファイルファミリと呼ばれ、番号付きのCPFと略されます。各プロトコルファミリは現在、フィールドバス、リアルタイムイーサネットソリューション、設置規則、機能安全プロトコルを定義できます。これらの可能なプロファイルファミリはIEC 61784に規定されており、以下の表にまとめられています。

例として、PROFIBUS-DPの規格を検索してみましょう。これはCPF 3ファミリーに属し、プロファイルCP 3/1を持ちます。表5を見ると、そのプロトコル範囲はIEC 61784 Part 1で定義されていることがわかります。プロトコルタイプ3を使用するため、プロトコル定義にはIEC 61158-3-3、61158-4-3、61158-5-3、および61158-6-3が必要です。物理インターフェースは、タイプ3の共通規格61158-2で定義されています。設置規則は、IEC 61784-5-3の付録Aに記載されています。PROFIsafeは、IEC 61784-3-3規格で定義されているFSCP3/1と組み合わせることができます。

メーカーがこれらの規格をすべて明示的にリストアップする必要がないように、プロファイルへの参照は規格に明記されています。PROFIBUS-DPの例では、関連する規格の仕様は次のように記述する必要があります。

IEC 61784-1 Ed.3:2019 CPF 3/1への準拠

IEC 62026: コントローラデバイスインターフェース（CDI）

プロセスオートメーションアプリケーション（炭化水素処理や発電などの産業における流量計、圧力トランスミッタ、その他の計測機器、制御弁など）向けのフィールドバスネットワークの要件は、モーションセンサーや位置センサーなど、多数の個別センサーが使用される自動車製造などの個別製造アプリケーションで見られるフィールドバスネットワークの要件とは異なります。個別フィールドバスネットワークは、しばしば「デバイスネットワーク」と呼ばれます。

国際電気標準会議（IEC）は、2000年に既に、機器ネットワークをカバーするためのコントローラ・デバイス・インタフェース（CDI）のセットを技術委員会TC 121低電圧配電装置および制御装置によって規定することを決定しました。この規格セットはIEC 62026 [37]と番号付けされており、2019年版では以下の部分が含まれています。

以下の部品は 2006 年に廃止され、現在はメンテナンスされていません。

  • IEC 62026-5: パート5: スマート分散システム (SDS)
  • IEC 62026-6: パート6: Seriplex（シリアル多重化制御バス）

コスト優位性

フィールドバスでは、4-20mA設備に比べて必要なケーブル数が大幅に少なくなります。これは、4-20mA機器の場合のように機器ごとに専用のケーブルセットを必要とするのではなく、多くの機器がマルチドロップ方式で同じケーブルセットを共有するためです。さらに、フィールドバスネットワークでは機器ごとに複数のパラメータを通信できますが、4-20mA接続では1つのパラメータしか送信できません。フィールドバスは、予測的かつ積極的な保守戦略を構築するための優れた基盤を提供します。フィールドバス機器から提供される診断機能は、機器の問題が重大な問題になる前に対処するために使用できます。[38]

ネットワーキング

各技術はフィールドバスという総称を共有しているにもかかわらず、多様なフィールドバスは容易に互換性がありません。各フィールドバス間の違いは非常に大きく、容易に相互接続することはできません。[39]フィールドバス規格間の違いを理解するには、フィールドバスネットワークの設計方法を理解する必要があります。OSI参照モデルを参照すると、フィールドバス規格はケーブル配線の物理媒体と、参照モデルの第1層、第2層、第7層によって決定されます。

各技術について、物理媒体および物理層規格は、ビットタイミング、同期、符号化／復号化、帯域速度、バス長、およびトランシーバーと通信線との物理的接続の実装を詳細に規定しています。データリンク層規格は、物理層によるメッセージの送信準備方法、エラー処理、メッセージフィルタリング、バス調停、そしてこれらの規格をハードウェアに実装する方法を詳細に規定しています。アプリケーション層規格は、一般的に、データ通信層が通信を希望するアプリケーションとどのようにインターフェースするかを定義します。メッセージ仕様、ネットワーク管理の実装、そしてアプリケーションからのサービス要求への応答について規定しています。第3層から第6層は、フィールドバス規格では規定されていません。[40]

特徴

フィールドバスはそれぞれ異なる機能と性能を備えています。データ転送方式に根本的な違いがあるため、フィールドバスの性能を一概に比較することは困難です。以下の比較表では、対象となるフィールドバスが通常1ミリ秒以上のデータ更新サイクルをサポートしているかどうかのみを示しています。

フィールドバスバスパワーケーブルの冗長性最大デバイス数同期サブミリ秒サイクル
AFDXいいえはいほぼ無制限いいえはい
ASインターフェースはいいいえ62いいえいいえ
CANオープンいいえいいえ127はいいいえ
コンポネットはいいいえ384いいえはい
コントロールネットいいえはい99いいえいいえ
CCリンクいいえいいえ64いいえいいえ
デバイスネットはいいいえ64いいえいいえ
イーサキャットはいはい65,536はいはい
イーサネットパワーリンクいいえオプション240はいはい
イーサネット/IPいいえオプションほぼ無制限はいはい
インターバスいいえいいえ511いいえいいえ
ロンワークスいいえいいえ3万2000いいえいいえ
モドバスいいえいいえ246いいえいいえ
プロフィバスDPいいえオプション126はいいいえ
プロフィバスPAはいいいえ126いいえいいえ
PROFINET（ IRTを含む）いいえオプションほぼ無制限はいはい
セルコスIIIいいえはい511はいはい
SERCOSインターフェースいいえいいえ254はいはい
ファウンデーションフィールドバスH1はいいいえ240はいいいえ
財団HSEいいえはいほぼ無制限はいいいえ
RAPIEnetいいえはい256開発中条件付き
フィールドバスバスパワーケーブルの冗長性最大デバイス数同期サブミリ秒サイクル

市場

2008年現在、プロセス制御システムでは、 Foundation FieldbusとProfibus PAが市場を独占しています。[41]どちらの技術も同じ物理層（31.25kHzの2線式マンチェスター符号化電流変調）を使用していますが、互換性はありません。一般的な目安として、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）によって制御および監視されるアプリケーションはPROFIBUSに、デジタル/分散制御システム（DCS）によって制御および監視されるアプリケーションはFoundation Fieldbusに傾向しています。PROFIBUS技術は、ドイツのカールスルーエに本社を置くProfibus Internationalを通じて提供されています。Foundation Fieldbus技術は、テキサス州オースティンのFieldbus Foundationが所有および販売しています。

参照

参考文献

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