PROFIBUS & PROFINET DAY 2010 2010/June/30 Softingからのご提案 PROFINET開発、PB-PA機器開発、PROFIBUS診断 2 アジェンダ Softingについて リアルタイ イ サネット（産業用 リアルタイムイーサネット（産業用RTE）について ） て PROFINET IO SoftingのFPGAベース・RTEソリューション SoftingのRTEスタック タ ク SoftingのPROFIBUS-PAソリューション SoftingのPROFIBUS診断機器 3 Softingについて g Softingとは？ – 会社概要 1979年に設立、1997年より株式会社に 年 設 、 年 り株式会社 本社: ハール / ミュンヘン フランクフルト証券取引所 従業員: 約250名 売 売上高: 高 約 約3千万ユーロ 千万 販売代理店: 世界各国 Softingとは？– コアとなる事業 産業オ 産業オートメーション シ フィールドバス技術、オートメーション・システムのネットワークと コントローラーのソリューション カ カーエレクトロニクス クト ク 制御機器（車載ネットワーク）と車輌診断の通信 共に、キーワードは「通信」 6 リアルタイムイーサネット（産業用）について 7 産業通信の現状 入手可能で有用かつ必要とされる情報量は絶えず増加している。 入手可能で有用か 必要とされる情報量は絶えず増加している。 これらの情報すべてを処理することはますます重要になっている。 情報交換は情報処理の基礎である。 今日の工場では、プロセスレベルではフィールドバス、他のレベルで はイーサネットと、定着した異なる通信システムが情報交換に使用さ れている。 れている 相互運用不可能なシステムの存在は情報交換や情報処理に制約を 与える。 これらの制約は、フィールドレベルでもイーサネットを使用することで解 消される。この使用法はリアルタイムイーサネット（RTE）、または産業 用イ サネットと呼ばれている。 用イーサネットと呼ばれている。 すべてのレベルでイーサネットを使用することで、効率的な情報処理 をサポートする新しいアプリケーションを生み出すことができる。 8 RTE導入の様々な方法 既成 イ サ ッ 既成のイーサネットコンポーネント ポ ベスト リアルタイム エフォート TCP/UDP （最適化） ベスト リアルタイム エフォート ベスト リアルタイム エフォート TCP/UDP TCP/UDP IP IP IP （最適化） 優先順位付け スケジュ ル制御 スケジュール制御 イーサネットMAC イーサネットMAC イーサネットMAC EtherNet/IP PROFINET RT PROFINET IRT、 EtherCAT、CC-Link/IE 9 PROFINET IO 10 対象市場 オートメーションのための「すべてを網羅した」産業用イーサネットソ オ トメ ションのための す てを網羅した」産業用イ サネットソ リューションとして、PROFINETは以下に対応している。 工場オートメーション プロセスオートメーション ビルオートメーション … 安全アプリケーション モーション制御 … 11 システムモデル PN IOスーパーバイザー PN IOコントローラー PN IOデバイス 工場ネットワーク PN IO コントローラー 12 PROFINET IO – プロトコル構造 アプリケーション SNMP RTA RTC CL RPC CM RTA, RTC, PTCP, DCP, MRRT ICMP UDP (1) (17) IP (R)ARP LLDP (0x0800) (0x0806) (0x88CC) (0x8892) MRP (0x88E3) Ethernet LLCおよび メディアアクセス制御 (00-80-C8-8E-A9-94) RTC – リアルタイム・サイクリック RTA – リアルタイム・アサイクリック PTCP – 精密トランスペアレント・クロック・ プロトコル DCP – ディスカバリー・アンド・コンフィギュレーション・プロトコル CM – コンテキスト管理（接続確立、読み書き） SNMP – 簡易ネットワーク管理プロトコル（オプション） MRP – メディア二重化プロトコル 13 二重化（メディア） MRM 1 リングを確認するためMRMが周期的にテストフレームを送信する リングに途切れが発見されると トポロジー・チェンジ・フレームが 送信される 2 MRC MRC これにより、MRCとMRMのアドレステーブルが変更される リングの再構成を確認するため周期的にテストフレームを送信し 続ける MRCが他のステーションへのリンクを確認した場合、損傷したラ インを発見しMRMへ伝えることができる MRC MRC 14 認証 - コンフォーマンス・クラス クラスC: 高性能で確定的なデータ交換 認証機器およびインフラ・コンポーネント 最高の性能 クラスB: 認証機器およびインフラ・コンポーネント LLDPおよびSNMP対応 診断、二重化 クラスA: 通常のイーサネット部品 認証機器とコントローラー - 適用クラス: 非アイソクロナス 非アイソクロナス 非アイソクロナス/アイソクロナス - 通信クラス: TCP/IP RT TCP/IP、RT TCP/IP RT TCP/IP、RT TCP/IP RT IRT TCP/IP、RT、IRT - プロファイル: RedClass 1（オプション） RedClass 1（必須） RedClass 1、2、3（必須） 15 SoftingのFPGAベース・ RTEソリューション 16 FPGAベース・ソリューションの利点 市場で認識されている利点 市場 認識され る利点 専用IPコアの使用により様々なプロトコルに柔軟に適合 単一のASICベンダーに縛られない ICの旧式化に対応できる マイクロエレクトロニクスの向上に必然的に関与 イク クト ク の向 必然的 関与 メーカー固有IPコアの統合が可能 拡張性 17 対象となるアプリケーションと特長 対象となるアプリケーション フィールド機器への様々な工業イーサネット・プロトコルの統合 特長 Altera社Cyclone Alt 社C l III 様々なアプリケーション・シナリオに対応するNIOS IIコア （シングルまたはデュアル） 専用IPコア（スイッチ、MAC使用、その他も利用可） 専用IP ア（スイ チ MAC使用 その他も利用可） PROFINET、それ以外にもEtherNet/IP、EtherCAT、Modbus提供中 低消費電力 IPコアの使用による小さな占有面積 定着しているレガシーバスPROFIBUSやCANへの対応も可能 通信スタック向けのOS、eCosを使用 通信スタック向けのOS eCosを使用 スタック・アクセス向けSimple Device Application Interface（SDAI） アプリケーション・シナリオは単純なプロトコルの統合から、高性能 ウェブサーバー等のTCP/IPベース・アプリケーションまで 18 必要なリソース Altera社Cyclone 社 y III NIOS II スタックプロセッサ（eCos） アプリケーション プロセッサ （ C ） （eCos） •コードおよび静的データ 2.1MB （OS、TCP/IPスタック、PNスタッ ク S ク、SDAI） ） 61,124バイト アプリケーション PROFINET IO SDAI NIOS II マッピング層 スタック •SDAIの動的データ 0.5～1.5MB TCP/IP Eth N t/IP EtherNet/IP •コードおよびデータ コ ドおよびデ タ 735KB （OS、TCP/IPスタック、EIPスタ ック、SDAI） EtherCAT •コードおよびデータ 300KB （OS、ECATスタック、SDAI） OS インターフェース IPコア MII / RMII 19 IPコア – PROFINET、EtherNet/IP 20 IPコア – PROFINET、EtherNet/IP 21 SDAI構造（シングルプロセッサ） ユーザー アプリケーション Method Calls Callbacks Lib SDAI インターフェース RTOS SDAI RTEスタック イーサネット･ドライバ プロセッサ 22 SDAI構造（デュアルプロセッサ） ユーザー アプリケーション Method Call OS Callbacks Lib SDAI インターフェース （DP-RAM） （DP RAM） プロセッサ 2 プロセッサ 1 SDAI RTEスタック RTOS イーサネット･ドライバ 23 SDAI – アプリケーションとスタック間の相互作用 アプリケーション sdai_init sdai_plug_unit SDAI（RTEスタック） - Init SDAI - Init Interface - Init RTE Stack - Plugging Unit Sdai_plug_unit(complete) - Config RTE Stack - Start RTE Stack Callback Function 例: inc Write Request Sdai_g get_data() () - Update p local I/O Data Sdai_set_data() - Set stack I/O Data Sdai_deinit() - Stop RTE Stack - Deinit SDAI オンライン 24 ビジネスモデル・ケース 1 ビジネス・ケース ビジネス ケ ス 1 ユーザが自社でハードウェアを製作 ハードウェア設計とソフトウェア 製 は既製品を利用可能 各種対応プロトコルに共通な API 評価フラットフォームあり 評価フラ トフ ムあり セキュリティEEPROMによる1 台ごとのライセンス管理、価格 は数量 応じる は数量に応じる わずかな手間、あるいは全く 手を加えることなく将来の拡張 が可能 Controller/Device対応可 25 開発時の工程 ハードウェア Altera社製IPコア 社製 ア （Nios II、…） SoftingのIPコア （RTE機能） メーカーの IPコア ソフトウェア OS （eCos、…） Softingの プロトコルソフトウ ア プロトコルソフトウェア メーカーの アプリケーションソフトウェア 26 セキュリティEEPROM DS28E01-100 SHA-1エンジン付き 1KB保護 1-Wire EEPROM www.maxim-ic.com 使用法 シークレットを定義し、EEPROMに保存 シ ク ットを定義し、 保存 ランタイムでハッシュ値を算出・検証 27 ビジネスモデル・ケース 2 ビジネス・ケース ビジネス ケ ス 2 ハードウェアをSoftingがユーザに代わっ て製作 すぐに使えるコンポーネントを納品 各種対応プロトコルに共通なAPI 評価フラットフォームあり モジュールごとにライセンス管理、 価格は数量に応じる わずかな手間、あるいは全く手を 加えることなく将来の拡張が可能 Controller/Deviceに対応可 28 SoftingのRTEスタック g 29 ビジネスモデル・ケース 3 Device,, Controller,, Supervisor p 向け専用スタック（自社開発） 向け専用 タック（自社開発） スタックはコンフォーマンス・クラスA or Bを実装 Altera社Cyclone y III Evaボードのデバイススタックは認証を 無事通過 スタックは以下の環境に移植済み: Intelプロセッサ上のWindows XP Freescale、Intel、SH4、Atmelプロセッサ上のLinux NetARM上のNet+OS Altera社FPGA上のeCos Freescale、Intelプロセッサ上のVxWorks 30 プロトコルソフトウェの構造 Freescale Intel Nios II µBlaze Windows Linux eCos µC/OS ARM VxWorks NEC others more OS-9 others more Application API (PNAK/SDAI) Stack Porting Layer Windows Linux eCos µC/OS VxWorks OS-9 others more Freescale Intel Nios II µBlaze ARM NEC others more 31 スタックの仕様 Controller Device 通信相手のデバイス数 Max. 255 2 関連するアプリケーション数 Max. 255 2 デバイス毎のパラメータとコンフィグレー ションデータ量 8 kByte 8 kByte 各アプリケーションに対する通信数 4 4 サイクルタイム (システム環境による) 1 ms 1 ms デバイス毎の周期 I/Oデータ量 1440 Byte 1440 Byte 必要なリソース 必要なリソ ス > 1 MByte Flash > 1 MByte Flash > 1 MByte RAM > 1 MByte RAM 32 Softing スタックのメリット • Softingが培ってきた産業用システムのインプリメンテーション経験をベースに開 発された安定した製品 SoftingはPIの多くの Working Groupのメンバーとして活動 既に実績として各製品に搭載: O Omron (PLC, ( C RemoteIO) O) Cisco (Switch) Fuji electric (RemoteIO) （その他にも採用されているが、社名は公開不可） • 特定のハードウェア・ソフトウェア環境に依存しない • 下記の条件を満たした唯一の製品 コンフォーマンスクラスBを完全に対応 esp.: Medium-Redundancy-Protocol Medium Redundancy Protocol (MRP (MRP-Client) Client) Multicast Connections (MCR) 広範囲なデバッグと診断をサポート 包括的なソフトウェア・ハードウェアのインテグレーションサービス 同じ実行ファイルにデバイスとコントローラ機能をインプリメント可能 CiR (Configuration in Run)のサポート 33 その他 必要なリソ ス 必要なリソース 実行ファイル用メモリ（コンフォーマンス・クラスB）: お デ タ用 2MB コードおよびStaticデータ用 Dynamic データ用 0.5～1.5MB 今後のプラン コンフォ コンフォーマンス・クラスC マンス クラスC IRT機能性の最終定義を待つ コント コントローラー側に導入 ラ 側に導入 FPGA上のIPコアに導入 34 Configurator ユーザーインターフェースの例 35 SoftingのPROFIBUS-PAソリューション 36 ２つのフィールドバス – １つのソリューションで 37 Softingのご提案 • Softing は、既存デバイスを簡単に迅速にフィールドバス対応にす るためのインターフェイスを提案 FFと PAを１つのソリュー ションで • 完全なサービス: 技術的なトレーニング ソフトウェアとハードウェアの仕様確認 ソフトウェアとハードウェアの開発 テスト デバイス機器の認証をサポート EDD と DTM 開発 量産 38 Fieldbus Kit または Fieldbus Integration 選択可能 • デバイ に タ クをイ デバイスにスタックをインテグレート グ ト • Softingの組込みモジ Softingの組込みモジュール ル 39 インプリメントのアプローチ Solution 1 Sensor Board HART Interface Solution 2 Sensor Board Proprietary e.g. serial Solution 3 Fieldbus Module (FBK) Fieldbus Module (FBK) Sensor an FF Module One board – one processor 40 Fieldbus Kit – FBK2 既にHARTまたはシリアルインターフェイスをもっている既存の フィールドデバイス機器を、簡単に迅速にFoundation fieldbus ま たは PROFIBUS PAに対応させるためのインターフェイス • ほとんどの既存デバイスのハウジングにインストール可能なコン パクトなサイズのモジュール • 本質安全防爆設計が施され、ATX認証を 受けている • フィールドデバイスへの接続: ルドデバイス の接続 UART （オプション： I²C or SPI） • プログラマブルな プ グラ ブルな • HARTコマンドへのカスタマイズを 簡単・早く実現するテンプレートを用意 AI/AO / O と DI/DO / O 41 Fieldbus Kit FBK2 – 簡単なインテグレーション - SW 42 Fieldbus Kit FBK2 – 簡単なインテグレ 簡単なインテグレーション ション - HW 43 シリアル HART とFF/PA間のマッピング 他のシリアルプロトコルも ユ ザリクエストで可 ユーザリクエストで可 Device Hardware Device-HART Mapping HART M Mapping i TB Fieldbus Kit AI-FB PID-FB Function Block Application Function Block Shell Stack Physical Layer HART HARTMaster RB 44 １つのプロセッサでのインテグレ ション １つのプロセッサでのインテグレーション Device Application pp Device Application pp TB RB AI-FB Stack PID-FB Function Block Application Function Block Shell Stack Physical Layer 45 Fieldbus ASIC - UFC 100 FOUNDATION FieldbusとPROFIBUS PA対応の Fieldbus ASIC： ピンとソフトウェアは、ヤマハの YTZ420 (“FIND1+”) ASICと完全互換 46 各アプローチの比較 Solution 1 Sensor Board HART Interface Solution 2 Sensor Board Proprietary e.g. serial FF Module (FBK) FF Module (FBK) Sensor an FF Module One board – one processor Solution 3 Development Cost Development Time System Performance Device Cost Solution 1 + ++ - - S l ti 2 Solution - + + + Solution 3 -- -- ++ ++ 47 Softingのご提案 （要約） • Solution 1: FBK hardware • Solution 2: FBK hardware • Solution 3: FBK schematics, Fieldbus ASIC, stack • エンジニアリング・サービス: • トレーニング (例 技術的なトレーニングと開発ツール) • Workshop (例 FF / PB PA デバイスの設計、仕様、開発キックオ フ、 テスト) • 仕様 (例 ハードウェアとソフトウェアのレビュー) • 開発 (ハードウェアとソフトウェア) • テスト (例 pre-certification, host system integration, Emerson stress PROFIBUS PA noise test) stress, 48 SoftingのPROFIBUS診断機器 49 PROFIBUS 診断機器 General Accessories: Fieldbus Leakage Clamp ポートフォリオ PB Service Interfaces PROFIBUS Diagnostics Suite 概要 • 操作性を共通化、各ツールごとに新しいユーザインターフェイスを 覚える必要無し！ • 簡単で直感的な使い勝手 – フィールドバスの専門知識不要 • 1クリックでテスト結果を表示 • 明確なテスト結果 – 問題がある部分は色で識別、診断はテキストで 50 PROFIBUS Diagnostics Suite スタートページ • 使い始めが簡単、使用頻度が高い機能へのクイックアクセス 51 PROFIBUS Diagnostics Suite 標準機能: Bus / Network Status 標準機能 • Bus Statusでは、テストの開始に関わらずバスの状態を継続的に表示 • Quick Test または User-Controlled Test後は、Network Status は診断 結果を表示し、バスの物理層と通信の概要を提供 52 PROFIBUS Diagnostics Suite 標準機能: Network Status - Protocol 標準機能 • Protocolタブ segment, master, slave の各レベルで異なる情報を提供 正しいGSDファイルにより、デバイスタイプ、エラーメッセージ、 コンフィグレーション、パラメータがテキストで表示 グ 53 PROFIBUS Diagnostics Suite 標準機能: Network Status - Signal 標準機能 g Quality Q y • Signal Quality タブは、全てのバスデバイスの 品質指数の測定結果を表示することで、バス の物理的な概要を提供 • 各デバイスの信号の詳細も表示 54 PROFIBUS Diagnostics Suite 標準機能: Network Status - Topology 標準機能 p gy • Topology scan 全てのバスステーションのシーケンスと距離を測定 55 PROFIBUS Diagnostics Suite 標準機能: Trend 標準機能 • Trend test は、バス通信と物理的なバスの両方を対象としたテスト • レアな障害や長期間かけて発生しうる特発性の問題を検知するのに 最適な機能 56 PROFIBUS Diagnostics Suite 標準機能: Test Report 標準機能 p • グラフィックを含む詳細なテストリポートの生成 • テストリポートは印刷、またはPDF, Excelファイルにエキスポート 57 PROFIBUS Diagnostics Suite 拡張機能: Oscilloscope 拡張機能 p • Oscilloscope 機能は、信号を波形で解析 58 PROFIBUS Diagnostics Suite 拡張機能: Frames 拡張機能 • Frame 解析機能は、各フレーム毎の解析のためのパワフルなトリガ とフィルタ設定を提供 59 PROFIBUS Diagnostics Suite 対 機能 対応機能 PROFIBUS Diagnostics Suiteが対応する各ツールの機能 60 61 PROFIBUS 診断ツール • BC-230-PB: PB-PA セグメントの計 測 - バスパワーによりバッテリ不要 テストリポ トをExcelファイルで - テストリポートをExcelファイルで 作成 • BC-450-PB: PB-DP/PAのプロトコル 解析 - RS485/MBP同時解析 オプションのケ ブルで3m延長可 - オプションのケーブルで3m延長可 • PB-T3: PBケーブルテスタ - 信号解析、トポロジーチェック PROFIBUS 診断ツール ® BC-502-PB バス常時監視機器 常時監視機器 Inspektor p • バス上の全通信を継続的にモニタすることで バス上の全通信を継続的にモニタすることで、予測していなかったシ 予測していなかったシ ステムダウンの原因となるバス通信の悪化を確実に検知することがで きる • メンテナンスのアクションが必要とされる場合、このツールが自動的 にオペレーションスタッフに警告する • プロトコル解析をベースに プロトコル解析をベ スに、BC-502-PBは BC-502-PBは バスサイクルタイムを決定し、下記のクリ ティカルイベントをモニタする: エラーフレーム ラ レ ム リトライ ドロップアウト / 再スタ 再スタート ト デバイスエラー (internal/external diagnostics) • PROFIBUS DP,, DPV1,, FMS,, MPI対応 • Baud rates: 9,6 kBit/s – 12 MBit/s 62 PROFIBUS Inspektor® PLC/プロセッサコントローラ経由でのアラート ッサ ン ラ経由 アラ PROFIBUS DP Alerting: By relay contact or via network/server (optional) Control inputs (usage optionally): Start/stop trigger alarm acknowledgement, event counter reset Ethernet Web interface: (w/o SW installation) For parameterization and diagnosis at alarms 63 PROFIBUS Inspektor® セントラルデータとサーバ ントラルデ タとサ ((option) p ) PROFIBUS DP Other fieldbus, e.g. CAN On request Ethernet PROmanage Server: Central event and alarm database for up to 80 Inspektors Office PC: Overall fieldbus breakdown warning+analysis Web interface w/o SW installation 64 Inspektor® PROFIBUS Web インタ インターフェイス フェイス – イ イベントと状態表示 ントと状態表示 65 PROFIBUS Inspektor® Extended analysis • 最後１００のクリティカルイベントのアラームリスト表示 表 • 最後８のクリティカルイベントの500テレグラムのスナップ ショット 付属のプロトコルアナライザのソフトを使用して、解析を WebインターフェイスからPCにダウンロード 66 PROFIBUS 診断ツール BC-600-PB • All-in-one: 物理レイヤと通信レイヤを同時にテスト可能 フィールドバスの全ての問題を検知する高い信頼性のツール ケーブルまたはコネクタのような物理的な障害の検知、またはPLCや バスデバイスのような通信の問題を、迅速に明確に表示 • PCと接続しても、スタンドアロンとしても使用可能 • ボーレート、PB-DPセグメントとの接続上の電圧の自動検知 • DP 信号解析、トポロジースキャン: 正確なテスト結果を提供 • USB インターフェイス ガルバニックアイソレーション 67 PROFIBUS 診断ツール アプリケーションエリア ア リケ ション リア BC-600-PB • バスへの影響を最小限に抑えてPB-DPセグメントをフルにテスト • 特発的に発生するような劣化の問題も検知 • マスターシミュレータ搭載により、PLCが準備されていない状況でも バスのテストと疑わしいデバイスの個別チェックが可能 • ユニバーサルツールとして: システムの設定と始動 検収テスト 故障予防の保守ツール トラブルシューティング フィールドのデバイステスト 68 PROFIBUS 診断ツール BC-600-PB フィ ルドでもすぐに使えるように パッケ ジとして用意 フィールドでもすぐに使えるように、パッケージとして用意 69 PROFIBUS 診断ツール タンドア ン ド BC-600-PB スタンドアロンモード • 全てのバスデバイスのライブステイタス • マスタ シミュレータ • 全てのバスデバイスのクイックテスト • 全てのバスデバイスの長期間の傾向のチェック • PROFIBUS Diagnostics Suiteを使ってPC上でテスト結果の詳細な解析 を表示可能 70 Output ip i.p. Oscillo ogram analy ysis Test re eport Critical events Network status Signal q quality Master simulator Topolog gy Signal A Analysis Protoco ol Analysis Overvie ew phys. & co omm. Quick a and long-term m test Perma anent bus sta atus Input PROFIBUS Tester 4 BC-600-PB Frame analysis Test functions Stand--alone opera ation PROFIBUS 診断ツール BC-600-PB PCモード 71 • PROFIBUS Diagnostics g Suite の全機能を対応 Standard tests Expert p tests Trend Trigger PROFIBUS 診断ツール 利点 BC-600-PB • 始動時間の短縮 • ライブバス上の定期的予防テストにより、プラントの有用性とオペ レーションの信頼性を拡張可能 • システムのダウンタイムを最少にする助けとなる 72
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