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イーサネット

Jun 12, 2023Jun 12, 2023

2022 年 8 月 1 日 | Gerd Niedermayer (BASF) および Benedikt Spielmann (Endress + Hauser) 著

今日のプロセス プラントでは、スマート デバイスからフィールド レベルで利用できる膨大な量のデータを入手できます。 ただし、フィールド レベルのデバイスとエンタープライズ レベルのイーサネット アーキテクチャ間の通信テクノロジが異なるため、組織の他のレベルではこれらのデータにアクセスすることはほとんどできません。 このデータ アクセスの欠如は、デジタル化プロジェクトの実装を妨げ、プロセス プラントがデジタル ツインや予知保全モデルの使用などのデータ駆動型アプローチの最大のメリットを達成することを妨げます。

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) は、より高いレベルのアプリケーションに必要な速度と帯域幅でフィールド データとエンタープライズ システム間の接続を提供することで、これらの課題を克服しています。 この記事では、イーサネット APL がどのように使用されているかを説明し、その機能と利点について詳しく説明します。

Ethernet-APL は 2 線ケーブルを介して電力とデータを送信し、長いケーブル長でも 10 Mbit/s のデータ レートを達成できます。 Ethernet-APL は本質安全要件に準拠しており、機能安全ソリューションが開発中です。 ネットワークのトポロジ設計に応じて、最大 50 台の APL デバイス、さらには 200 台を超える APL デバイスが Ethernet-APL セグメント上に存在できます。

この技術は、2021 年の Achema Pulse Conference (ドイツ、フランクフルト、www.achema.de) で発表され [1]、BASF (ドイツ、ルートヴィヒスハーフェン、www.basf.de) の実験室でテストされました。 この評価中に多くの利点が証明されました。 このテクノロジーは、APL インターフェイスを備えた多くのフィールド デバイスがすでに利用可能であるか、まもなく利用可能になるため、急速に拡大すると予想されます。

産業用計装は、元の空気圧技術からアナログ デバイス、さらには HART、Profibus PA、Foundation Fieldbus などのデジタル技術へと進歩してきました。 新しいテクノロジーはそれぞれ、前世代に比べて利点を提供してきましたが、依然としてそれぞれに独自の制限があります。

HART プロトコルは非常に遅いです。 トラブルシューティングとパラメータ設定は、デバイスでローカルに実行する必要があります。 配線には費用がかかり、システムはリモート アクセスのために複雑なプロトコル変換を必要とします。 HART 技術者は、デバイスの初期セットアップ時やデバイス交換時に手動で測定値をスケールする必要があります。 このテクノロジーは主にパラメータ化とトラブルシューティングに使用され、プロセス制御にはほとんど使用されません。

フィールドバス テクノロジも、HART プロトコルよりも高速ではありますが、データ転送速度が遅いです。 ただし、フィールドバス システムは、リモート アクセスのためのプロトコル変換、セグメントのエンジニアリング、トラブルシューティングの点で複雑です。 フィールドバス技術の使用に伴う複雑さのため、業界ではフィールドバス技術の広範な採用にある程度の抵抗があります。

既存の産業用アーキテクチャには、フィールド デバイス用の電子またはフィールドバス層、監視および制御層用のプラント イーサネット ネットワーク、および管理と計画用のエンタープライズ イーサネットがあります。 ただし、すべての層にわたってシームレスなデータ アクセスを可能にするには、単一のネットワーク テクノロジが必要です。 プロセスプラントの過酷な環境の要件を満たしながら、最適化および分析モデルに大量のデータをリアルタイムで利用できるようにすることは、Ethernet-APL の開発につながる主な推進力の 1 つです。 (図1)。

図 1. イーサネットの「ギャップ」がフィールドデバイスレベルに存在する

図 1. イーサネットの「ギャップ」がフィールドデバイスレベルに存在する

図 1. イーサネットの「ギャップ」がフィールドデバイスレベルに存在する

標準イーサネットは、次世代の産業用フィールド計装に必要な機能の多くを提供しているようです。 ただし、産業環境に直接実装することを不可能にするいくつかの欠点があります。 たとえば、100BASE-TX イーサネットのデータ転送速度は 100 Mbit/s 全二重ですが、ケーブル長は 100 m に制限されています。

標準のイーサネットは、4 本の内部ワイヤを持つ CAT5/6 ケーブルを使用します。 これは、フィールド計装用の 2 線ソリューションを必要とする産業用設備とは互換性がありません。 産業用イーサネット ソリューションを既存の 2 線インフラストラクチャと統合して、プラント全体の再配線の必要性を回避することが重要です。これは財政的に正当化できません。