PROFIBUSネットワークの全容およびIIoTサービスとの連携方法

PROFIBUSは、フィールドセンサと制御システム/コントローラ間の通信を担うデジタルネットワークです。開発当初は、まずPROFIBUSソリューションをファクトリーオートメーション産業に導入し、その後、プロセス産業、製造業などへの展開が想定されていました。

最初に、関係団体はPROFIBUS FMS（Fieldbus Message Specification：フィールドバスメッセージ仕様）を開発しました。これは複雑なプロトコルであり、現在は使用されていません。その後、PROFIBUS DP（Decentralised Peripherals：分散型周辺機器）プロトコルを開発し、1998年にはPROFIBUS PA（Process Automation：プロセスオートメーション）を発表しました。

今日、PROFIBUSといえば、PROFIBUS DPとPROFIBUS PAを指しますが、イーサネット通信を基盤としたPROFINETも開発され、すでにさまざまな分野やアプリケーションに導入されています。

前述のとおり、市場にはPROFIBUS DPとPROFIBUS PAが流通しています。ここでは、PROFIBUS DPとPAの仕組み、そしてこれらがよく利用されるアプリケーションについて説明します。

PROFIBUS DPネットワークは、RS485物理層と欧州規格EN-50170を基盤とする高速通信ソリューションとして開発されました。物理層には銅線だけでなく、無線や光ファイバーも使用できます。PROFIBUS DPは、Decentralized Periphery（分散型周辺機器）の略語です。この名前はI/O接続を示しており、完全に分散化された高速シリアル通信を使用して中央コントローラに接続します。

また、PROFIBUS DPプロトコルはISO 7498規格に準拠した開放型システム間相互接続（OSI）モデルに基づいており、各プロトコル層にはタスクが定義されています。PROFIBUS DPネットワークはマルチマスタトークンネットワークです。つまり、システムに2つ以上のマスタが存在する場合、フィールド機器へのアクセス権を付与するトークンがマスタ間で受け渡され、各マスタに通信時間が配分されます。

マスタには2つのクラスがあります。マスタクラス01は、プロセス制御用の情報を周期的に通信します。マスタクラス02（オプション）は、診断、アラーム、機器設定用の情報を非周期的に通信します。ネットワークの通信速度は、100～1000メートルのシステムで、9.6 kbp/sから最大12 Mbp/sです。トポロジーについては、PROFIBUS DPネットワークは線形トポロジーであり、ゲートウェイ、リピーター、ターミネータを使用します。また、DPネットワークはProfiSafeプロファイルに対応しており、SIL3安全アプリケーションで利用できることも重要なポイントです。

当初、PROFIBUS PAは、HART通信の進化型プロトコルとして開発され、計測機器と制御システム間の通信が必要なフィールドアプリケーションにのみ使用されました。PROFIBUS PAでは、電源と通信の両方にシールド付きツイストペアケーブルを使用します。物理ネットワーク構造はIEC-61158-2に準拠しており、ネットワーク上のデータ伝送速度は31.25 kbit/sです。実は、これはFOUNDATION Fieldbus H1とほぼ同じであり、これらのプロトコルはいずれも同じ規格に準拠しています。

開発時点では、フィールド機器が送受信する情報タイプから考えて、31.25 kbit/sは十分すぎるほどの速度でした（そして現在もそれは変わりません）。PROFIBUS PA機器はコントローラに直接接続されません。コントローラはより高速なPROFIBUS DPネットワーク上に配置され、カプラまたはリンクを介して接続されます。カプラ/リンクはネットワークインタフェースとして機能し、バスに電力を供給します。

PROFIBUS PA機器はコントローラに直接接続されません。コントローラはより高速なPROFIBUS DPネットワーク上に配置され、カプラまたはリンクを介して接続されます。カプラ/リンクはネットワークインタフェースとして機能し、バスに電力を供給します。PAネットワークの優れた点は、本質安全設計に対応していることです。つまり、接続機器を危険場所で使用できます。

通常、従来のネットワークと比較して、本質安全バスでは機器の数が少なくなりますが、最適な機器数はいくつかの要因によって決まります。たとえば、機器の消費電流、バスの長さ、ケーブルタイプなどの要因があります。

ここでは、PROFINETの詳細な説明は割愛させていただきます。なぜかと言うと、PROFINETもPROFIBUS関係団体が管理していますが、異なるプロトコルであるためです。

PROFINETはPROFIBUSの進化型プロトコルと言えるでしょう。今日の産業では、イーサネット（IEEE 802.3）とOSIモデルを基盤としたプロトコルがよく使用されています。PROFINETは、制御からフィールド通信にまで利用でき、統一された垂直ネットワークを実現し、ITのあらゆるメリットを企業の製造現場にもたらします。

すでに多くのメーカーが、イーサネットベースのネイティブプロトコルを使用するフィールド機器を製造しています。また、このようなプロトコルには、インフラコストが低い周知のモデルが使用されるため、実装が容易であるというメリットもあります。PROFINETとPROFIBUSイーサネットを同じものとは考えないでください。PROFINETはイーサネットベースのオープン標準であり、PROFIBUSの進化型プロトコルです。

PROFINETの大きなメリットは、TCP/IPとの共存が可能である点であり、これは大きな付加価値をもたらします。すべての機器が単一のネットワークに接続され、そこで制御や診断などが行われます。通常、ゲートウェイは不要です。この規格では、リング型、ライン型、ツリー型、スター型など、さまざまなトポロジーでネットワークを構築できます。PROFINETの通信速度は最大1000 Mbpsで、最大ケーブル長は100メートルです。高速通信のため、応答時間は1ミリ秒未満です。

PROFIBUSは、さまざまな産業やアプリケーションで導入されている、すでに広く知られているデジタル通信プロトコルです。このプロトコルはシリアル通信をベースとしており、産業に多くのメリットを提供しています。

PROFINETは産業用イーサネットベースのプロトコルです。PROFINETはより高速な通信をサポートし、より広い帯域幅にも対応しています。つまり、PROFINETネットワークで交換されるメッセージには、PROFIBUSのメッセージよりも多くの情報を含めることができます。

両プロトコルを比較したPROFIBUS Internationalの表を以下に示します。

結局のところ、PROFINETは利用可能な最高のソリューションの1つです。ただし、アプリケーションの要件を理解した上で、プラントに最適な通信プロトコルを導入することがやはり重要になります。

PROFIBUS and PROFINET Internationalは、世界各地に拠点を置く大規模なオートメーションコミュニティです。市場の主流となっている2つの通信プロトコル、PROFIBUSとPROFINETを管理しています。この組織は、さまざまな産業におけるフィールドプロトコルに関する知識や情報の不足を補う活動に取り組んでおり、技術について説明し、エンドユーザーに知識や情報を提供するイベントを開催しています。

一部のPROFIBUSユーザーは、このネットワークを4～20 mAシステムと同じように導入していますが、ネットワークのデータを活用することで、状況を把握し、事前に対策を講じることが可能になります。

従来の状態監視は、一部のシナリオにおいて非常に複雑化する場合があります。しかし、現在のIIoTサービスは、リモート操作の場合でも機器の健全性を容易に監視し、データベース情報や関連資料への迅速なアクセスを提供できるようになっています。

診断情報やステータス情報を現場から収集するには、いわゆるフィールドゲートが必要です。その好例として、Fieldgate SFG500を挙げることができます。これはクラス02のDPマスタとして機能し、フィールド機器のすべてのデータを収集します。フィールドゲートは、FieldEdge SGC500などのエッジデバイスに接続されます。

機器のすべての情報は、安全な環境を使用してクラウドに転送されます。ここで、Netilion HealthなどのさまざまなIIoTサービスを利用して、フィールド機器の健全性ステータスを監視できます。

同時に、Netilion Libraryを使用して、技術マニュアルや校正レポートなど、フィールド機器に関するすべての資料を管理できます。

さらに、インストールベースをより適切に管理することもできます。Netilion Analyticsは、エッジデバイスと連携して機器のデジタルツインを作成し、機器タイプ、ベンダー、重要度、陳腐化など、インストールベースに関するあらゆる情報を提供します。