Presentation title (on one or two lines)

Size: px

Start display at page:

Download "Presentation title (on one or two lines)"

ふみなうるしはた
5 years ago
Views:

1 計測制御ネットワークの国際標準とプロトコルスタック ~ 各フィールドバスのスタック構成と機能について ~ SICE( 計測自動制御学会 ) ネット部会株式会社東芝高柳洋一 yoichi.takayanagi@toshiba.co.jp 2013 Toshiba Corporation

2 本日の目次はじめに計測制御システムのネットワーク階層フィールドバスとリアルタイムイーサネットとは?( その普及 ) マルチプロトコル規格としての国際標準化フィールドバスリアルタイムイーサネットの特長と分類パフォーマンスインディケータ ( その定義と特徴 ) プロトコルの多種多様化 ( その分類 ) プロトコルスタックの例フレームフォーマットの例おわりに計測制御ネットワーク上でのセキュアな通信方法 IEC JIS 化 2013 Toshiba Corporation 2

3 Automation protocols OPC は Process automation を Industrial control system に変換する機能として 1996 年に生まれた 2009 年 OPC-UA が生まれ Building automation Power system automation との連携も? Process automation フィールドバス & ネットワークここが対象です Industrial control system 製造制御システム通信 Building automation ビルディングオートメーション Power system automation 送電オートメーション Automatic meter reading 遠隔監視 Automobile / Vehicle 自動車制御通信 DF-1 FOUNDATION fieldbus (H1, HSE) Profibus PROFINET IO CC-Link Industrial Networks CIP Controller area network ControlNet DeviceNet DirectNET EtherNet/IP Ethernet Powerlink EtherCAT Interbus HART Protocol Modbus Ethernet Global Data (EGD) FINS HostLink MECHATROLINK MelsecNet Optomux Honeywell SDS GE SRTP SERCOS interface SERCOS III Sinec H1 SynqNet TTEthernet PieP BSAP OPC DA OPC HAD OPC UA MTConnect 1-Wire BACnet C-Bus DALI DSI KNX LonTalk Modbus obix VSCP X10 xap xpl ZigBee IEC IEC IEC DNP3 IEC IEC Modbus Profibus ANSI C12.18 IEC DLMS/IEC M-Bus Modbus ZigBee AFDX ARINC 429 ARINC 825 CAN FMS FlexRay IEBus J1587 J1708 J1939 Keyword Protocol 2000 LIN MOST NMEA 2000 VAN IAF 合同 WG( カンファレンス )

4 はじめに : 計測制御システムのネットワーク階層企業経営管理インターネットファイアウォール遠隔監視 / 保守生産管理 WS PC イントラネット情報系ネットワーク HMI エンジニアリングサーバコントローラネットワークコントローラフィールドネットワーク MCC フィールド機器 2013 Toshiba Corporation 4

5 フィールドバスとリアルタイムイーサネットとは? HMII HMII Real-Time Ethernet コントローラアナログ伝送からデジタル通信へコントローラ Fieldbus 各種フィールド機器各種フィールド機器フィールドバス : 物理層データリンク層アプリケーション層すべて定義リアルタイムイーサネット : 物理層とデータリンク層はイーサネットを利用その一部とアプリケーション層を定義 2013 Toshiba Corporation 5

6 その普及 :DFS から IS へ世界各地で De Fact Standard としてフィールドバスが普及その後 International Standard(IS) 化へ 2003 年 5 月 :IEC として Fieldbus の Profile を記述した IS(International Standard) 発行 2007 年 12 月 :IEC , として Fieldbus の改訂と Real-Time Ethernet(RTE) の Profile を記述した IS 発行 2013 年 12 月 ( 現在 ):Maintenance cycle 中 (Edition3.0) もうすぐ FDIS(Final Draft IS) 発行予定 IS は 2014 年 3 月発行見込みビジネス / 情報系ネットワーク IEC 標準化の範囲拡大コントローラレベルセンサレベル Drive MCC 2013 Toshiba Corporation 6

7 マルチプロトコル規格としての国際標準化 2013 Toshiba Corporation 7

8 マルチプロトコル規格としての国際標準化 TCnet TM -star TCnet TM TCnet TM -loop 100 TCnet TM -loop 1G 2013 Toshiba Corporation 8

9 マルチプロトコル規格としての国際標準化フィールドバスから国際標準化が行われたが多種多様なプロトコルを集めただけリアルタイムイーサネット (RTE) ではパフォーマンスインディケータを導入して整理 2013 Toshiba Corporation 9

10 フィールドバスリアルタイムイーサネットの特長と分類 : パフォーマンスインディケータの定義 RTE 規格では Performance Indicators (PIs) が定義されているユーザが自分のアプリケーションに最も最適なプロファイルを選択できるように各通信プロファイルの PI 値は公開されている Performance indicator 1 Delivery time ( 配達時間 ) 2 Number of end nodes ( ノード数 ) 3 Basic network topology ( 基本的なトポロジー ) 4 Number of switches between end nodes ( ノード間のスイッチ数 ) 5 Throughput RTE ( リアルタイム通信のスループット ) 6 Non-RTE bandwidth ( 非リアルタイム通信の帯域 ) 7 Time synchronization accuracy ( 時間同期の精度 ) 8 Non time-based synchronization accuracy ( 時間ベースでない同期の精度 ) 9 Redundancy recovery time ( 冗長化のリカバリータイム ) IEC では各 CPF ごとに各 PI のトレードオフを示すマトリックスを定義しておりユーザはアプリケーションの視点から最も最適なプロファイルを選択できるよう工夫された 2013 Toshiba Corporation 10

11 Performance Indicator の例 Toshiba Corporation 11

12 Performance Indicator の例 Toshiba Corporation 12

13 Outline of each RTE profile in IEC Regarding response time, system scale and redundancy, Examples of "Consistent Set of Performance Indicators" are provided in IEC IEC Real-Time Ethernet Delivery Time (Accuracy) Number of Node Recovery Time (Topology) EtherNet/IP time sync. 130 to 190 µs (<= 1 µs) 2 to PROFINET IO 1 ms (< 1 µs) 60 3 ms (Ring) P-NET on IP 6.3 ms (5.7 ms) Vnet/IP 200 ms (< 5 ms) 4,096 < 600 ms (Parallel) TCnet TM 2 ms / 20ms / 200ms (< 10 µs) 24 0 s (Parallel) EtherCAT < 150 µs (10 µs) µs (Ring) ( Powerlink) ( 400 µs (< 1 µs) ) (53) --- EPA 5 ms / 10 ms (< 10 µs) SERCOS III < 39.8 µs (< 1 µs) 9 0 s (Ring) 2013 Toshiba Corporation 13

14 Delivery Time 産業アプリケーションの多種多様化への対応 RTE は様々な仕様をもっているなぜなら多様化する産業アプリケーションに対応するためプリンタ機械は高速なレスポンスを必要とする化学プラントは大規模なシステム ( 数多くのノード ) を必要とする鉄鋼 ( 圧延 ) プラントは高速だが中規模なシステムを必要とするこのように各アプリケーションによって異なった仕様が必要とされる 100 ms 10 ms 1 ms FA (Discrete Control) Hybrid Control PA (Process Control) 100 us MC (Motion Control) 10 us 10 nodes 100 nodes 1000 nodes System Scale 2013 Toshiba Corporation 14

15 工業用イーサネット ( 産業用イーサネット ) とは? 工業用イーサネットの特徴 (1) リアルタイム性の課題時間確定性の実現 ) (2) 高可用性に対する課題冗長化による妥当なリカバリータイム工業用イーサネットの仕様は元々各フィールドバス標準化団体から提案されていたもので TCP/UDP/IP をベースにリアルタイム性と冗長化の仕様を標準化しているイーサネット工業用イーサネット (1) Real-time (2) High availability RTE( リアルタイムイーサネット ) IEC で定義されている 2013 Toshiba Corporation 15

16 工業用イーサネットの分類そして RTE とは? A Best-effort class: イーサネットの高い伝送速度スイッチングハブによるバッファリングおよび全二重通信による best-effort な通信クラス B Priority control class: IEEE p 等によるフレームに優先順位をつけて中継装置 ( スイッチングハブ等 ) にて優先順位の高いフレームを選んで中継するクラス C Token control on upper layer class: MACより上位層でトークンを周回させて各ノードの同期をはかり送信順番をスケジューリングするクラス Delivery time 100ms 10ms General Component D Clock synchronization class: 時刻同期プロトコルによって各ノードの時刻を正確に合わせて送信順番をスケジューリングするクラス E Token control on lower layer class: MAC 層でトークンを回して各ノードの時間同期をはかり送信順番をスケジューリングするクラス 1ms RTE とはノード間でタイミングを同期させるメカニズムをもち時間確定的な通信を可能にする規格で通常の TCP/IP メッセージ通信も同じ回線上で共存可能と定義される Special ASIC Dependence of Hardware 2013 Toshiba Corporation 16

17 RTE のプロファイル例リアルタイムアプリケーション向けで ISO/IEC をベース標準イーサネットアプリケーションはリアルタイム通信性能を制限せずに実行される <Layer> Application Transport Network Standard Ethernet application TELNET,FTP,HTTP, OPC XML-DA etc RFC768(UDP),RFC793(TCP) RFC791(IP) Real-Time Ethernet application Applications using Common memory Null Data Link Physical ISO/IEC Specific scheduling extension ISO/IEC8802-3(Redundant) 2013 Toshiba Corporation 17

18 フレームフォーマットの例コンパクトなデータレコードを効率的かつ頻繁に交換リアルタイム伝送フレーム : コンパクトなフレーム構造をもつフォーマット (8) (6) (6) (2) (2) (44~132) (4) Pre DA SA Type FC Data FCS Octets FC: Frame Control イーサネットフレームフォーマットに適合リアルタイム伝送フレーム用として Ether Type No. を IEEE 番号登録管理局より取得 ( 例えば 888b 等 ) メッセージ伝送フレーム : 標準の TCP/UDP/IP フォーマット (8) (6) (6) (2) (46 ~ 1500) (4) Octets Pre DA SA Type IP header TCP header Data FCS 2013 Toshiba Corporation 18

19 IEC におけるリアルタイム伝送フレームの定義例 1 DLPDU: Data Link Protocol Data Unit 2013 Toshiba Corporation 19

20 IEC におけるリアルタイム伝送フレームの定義例 Toshiba Corporation 20

21 おわりに : 計測制御ネットワーク上でのセキュアな通信方法まとめフィールドバスの物理層データリンク層はイーサネットではなくそれぞれ異なるリアルタイムイーサネットの物理層データリンク層はイーサネットを利用しているフィールドバスリアルタイムイーサネットには基本的にセキュリティ機能はないセキュアな通信を確保するには? 1 セキュアな通信回線上で各プロファイルの通信を行うリアルタイムイーサネットフレームを暗号化 ( カプセル化 ) して通信を行う例えば VPN 上でリアルタイムイーサネット通信を行う等 2 データフレームのデータ部分を暗号化して通信を行う上位層でデータ部分の暗号化および複合化を行って通信するコントロールフレームのセキュアな通信は? リアルタイム制御をしているネットワークドメインをブリッジで分離リアルタイム制御ドメイン内の機器には物理的な接続を禁止 2013 Toshiba Corporation 21

22 IEC JIS 化規格番号 JIS TR B 0031:2013 標題工業用通信ネットワークフィールドバス仕様第 1 部 :IEC 及び IEC 規格群の概要及び指針英訳標題 Industrial communication networks -- Fieldbus specifications -- Part 1: Overview and guidance for the IEC and IEC series 規格概要 IEC 規格群の概要及び指針を示す制定年月日出版年月日原案作成団体一般社団法人日本電気計測器工業会対応国際規格 IEC/TR :2010 (IDT) 2013 Toshiba Corporation 22

23 2013 Toshiba Corporation 23

sercos - Universelle Echtzeit-Kommunikation mit Ethernet

sercos - Universelle Echtzeit-Kommunikation mit Ethernet Sercos( ) Ethernet/IP TCP/IP 2014 7 2 ( ) 4 ( ) Sercos 1. SercosIII 2. Sercos III * * CIP Safety on SERCOS 3. Sercos Sercos 2 07-2014 (c) Sercos 1. Sercos III Sercos 1985 VDW ZVEI( +/ -10 1989 /EMO Sercos