今回は、システム内で産業用イーサネットを活用する作業に取り組んでいる設計者向けの『適切な産業イーサネット規格を選択する方法』ブログ・シリーズの 3 回目の投稿です。 このシリーズでは、アプリケーションに適した規格を選択するための支援として、いくつかの一般的な産業用イーサネット通信プロトコルを網羅します。 これまでの投稿で、筆者は EtherCAT と Sercos III について説明しました。
今回は、process field network（PROFINET）について説明します。これは、ファクトリ・オートメーションの分野で有力な産業用イーサネット規格の 1 つです。 PROFINET には複数のバージョンが存在しており、今回の投稿では PROFINET I/O について説明します。
PROFINET ネットワーク・テクノロジーは、ファクトリ・オートメーション、プロセス・オートメーション、ビルディング・オートメーション、自動車製造ライン、発電所、ロボットの分野で見受けられます。
PROFINET は、Siemens で当初開発された PROFIBUS DP（RS-485 トランシーバを使用する 12Mbps のシリアル・フィールドバス通信）の後継規格です。 PROFINET は、全二重 100Mbps イーサネット上で動作します。
ドイツ主体の PROFBUS Nutzerorganisation（PROFBUS ユーザー組織、PNO）と、英国主体の PROFINET International（PI）は、PROFINET 規格に準拠しています。 これらの組織の合計は、合計 1,400 社以上の参加企業と、70 の作業部会に達しています。これらの部会は、産業用フィールドバスと産業用イーサネット規格のさまざまな側面について規定しています。 2003 年に、PROFINET 規格は IEC（国際電気標準会議）規格の一部になり、IEC 61158 と IEC 61784 に含められました。
PROFINET は、図 1 に示すようにマスター/スレーブ・ネットワーク・アーキテクチャを採用しています。 ネットワーク内でマスターの役割を担当する PROFINET 入出力（I/O）コントローラと、スレーブの役割を担当する I/O デバイスで構成されています。 PROFINET は、ネットワーク・トポロジの点で非常にフレキシブルで、ライン・トポロジ、リング・トポロジ、スター・トポロジ、およびハブとスイッチ・デバイスを使用したそれらの組み合わせに対応しています。
図 1： オートメーション・システム内の PROFINET ネットワーク
イメージ：PROFIBUS International より提供
長年にわたり、PROFINET 規格は市場の要件に基づいて進化を続けてきました。 さまざまな種類の性能クラスは、単純に A、B、C と名付けられています。各性能クラスは、それより下位にあるクラスに対して性能と機能を向上させています。 このアプローチにより、PROFINET は以前の世代の PROFINET デバイスとの下位互換性を維持しています。
ここで、各性能クラスの重要な機能を示します。
- Conformance class A（CC-A）：
- リアルタイム・イーサネット通信。
- サイクリック I/O。
- パラメータ構成。
- アラーム。
これは PROFINET IO の最初のバージョンで、サイクル時間は 10ms 範囲内です。 ほとんどの場合、この性能クラスは標準的なイーサネット MAC（メディア・アクセス・コントローラ）上に実装されています。 このデバイスは、2 個のイーサネット・ポートを必要としません。1 個の MAC で十分です。
- Conformance class B（CC-B）： CC-A と同等の機能を実現し、さらに以下の機能を追加しています。
- ネットワーク診断。
- トポロジ検出。
- システム冗長化。
PROFINET IO のこのバージョンは、1ms 範囲内のサイクル時間でも動作します。 フレーム・ジッタ削減とサイクル時間精度向上を実現するには、どの産業用アプリケーションでも、専用の 2 ポート産業用イーサネット MAC が有益です（ただし、必須ではありません）。
- Conformance class-C（CC-C）：CC-B と同等の機能を実現し、さらに以下の機能を追加しています。
- アイソクロナス・リアルタイム（IRT）として知られる、特定の PROFINET フレーム用に帯域幅を確保。
- コントローラとデバイスの間での時間同期。
PROFINET IO のこのバージョンは、最短 31.25μs のサイクル時間をサポートします。 ただし、ほとんどのアプリケーションは、250μs またはそれより長いサイクル時間でも正常に動作します。 PROFINET IO の IRT バージョンを使用するには、専用の 2 ポート産業用イーサネット MAC が必要です。 したがって、どのソリューションも、専用の産業用イーサネット MAC ハードウェアを使用して構築する必要があります。この場合、外部の FPGA（フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ）または ASIC（特定用途向け集積回路）デバイスを追加することになります。 シングルチップ・ソリューションに関心がある場合は、PROFINET IRT をサポートしている TI 製 Sitara™ プロセッサをご検討ください。
PROFINET IRT を詳細に観察してみましょう。 サイクル時間は、赤、緑、黄色の各フェーズに分割されています。図 2 をご覧ください。 各フェーズは、特定のタイプの PROFINET フレームとその他のイーサネット・フレーム用に帯域幅を確保しています。
図 2： PROFINET IRT の通信フェーズ
赤い期間は、PROFINET リアルタイム・クラス 3 フレーム（RTC3）用に厳格に予約されています。このフレームは、どの PROFINET ネットワークでも最高の優先順位を割り当てられています（図 3）。 ネットワーク・デバイスは、赤い期間のうちは他のどの種類のフレームも送信できません。 各 RTC3 パケットは、事前に設計されています。つまり、I/O デバイスは事前定義された送信時刻に RTC3 フレームを送信します。 これらの送信時刻は、初期ネットワーク構成の際に、各 I/O デバイス内にある I/O コントローラによって事前設定されます。
図 3： PROFINET IRT の高速レーン
イメージ：PROFIBUS International より提供
緑の期間は、その他のイーサネット・フレームすべて、つまり、リアルタイム・クラス 1 の PROFINET フレーム（RTC1）、PROFINET アラーム・フレーム（PTA）、時間同期フレーム、PROFINET 関連プロトコル・フレームと標準的な送信制御プロトコル、およびインターネット・プロトコル TCP/IP フレームを対象にしています。
黄色い期間が開始された後は、ネットワーク・デバイスはどの新しいフレーム送信も開始できません。 緑色の期間の最後に開始されたフレームは、黄色の期間が期限切れになる前に完了する必要があります。 これらのフレームは、次の赤いフェーズまでずれ込むことはありません。黄色いフェーズは、これらのフレームの送信を完了させる前の十分な長さを確保しているからです。
PROFINET RT と IRT を対象とする TI の Sitara™ プロセッサ・ソリューション（図 4 を参照）は、独自の PRU-ICSS（Programmable Real-time Unit in the Industrial Communication Subsystem）ペリフェラルにより、すべての Conformance Class をサポートしています。 PRU-ICSS は、カットスルー・スイッチを統合して、赤いフェーズのうちに RTC3 フレームを処理するほか、緑と黄色のフェーズのうちにその他のイーサネット・フレームを処理します。 PROFINET RT と IRT に関する認定取得済みソリューションの詳細については、PROFINET 通信開発プラットフォーム（TIDEP0008） と1GHz ARM アプリケーション・プロセッサを搭載した認定取得済み Profinet IRT V2.3 デバイスのリファレンス・デザイン（TIDEP0029）をご確認ください。
図 4： Sitara プロセッサを使用した PROFINET RT/IRT ソリューション
2015 年の SPS IPC Drives 2015 トレード・ショーは、このブログ投稿から少し後の 11 月 24 ～ 26 日 にわたってドイツのニュルンベルクで開催されました。TI は Sitara プロセッサを活用してスケーラブルな PROFINET IRT ソリューションを展示しましたが、来場された方には興味深い内容だったと思います。 TI は Hall 6, booth No. 441（ホール 6、ブース番号 441）のブースに出展しました。また、Hall 2, booth No. 220（ホール 2、ブース番号 220）の PNO/PI ブースでも追加の展示を行いました。 このブログをお読みになってトレード・ショーに来場された方に、筆者は TI ブースでお会いできたものと思います。
PROFINET の機能について理解するうえで、この投稿がお役に立つことを希望します。 このシリーズの他の投稿もご覧になり、多くの産業用イーサネット規格についてご確認ください。
その他のリソース
- 1GHz ARM アプリケーション・プロセッサを搭載した認定取得済み Profinet IRT V2.3 デバイスのリファレンス・デザインをご覧ください。
- 『Industrial Communication Solutions Guide（英語）』をダウンロードしてください。
- PROFINET 規格について紹介するホワイト・ペーパー『PROFINET on TI’s Sitara processors（英語）』をご覧ください。
- PROFINET 規格の詳細については、PI Web サイト（英語）をご覧ください。
- TI が出展した SPS IPC Drive 2015 トレード・ショー
