フィールドネットワーク開発

フィールドネットワークとは、工場内のPLC・ロボット・センサ・モータ・スイッチなど、大小さまざまな機器と、システム・コントローラを繋ぐための産業用ネットワークです。これまでは主に省配線化などに活用されてきたフィールドネットワークですが、リアルタイム制御や、稼動データの収集などにも活用でき、生産現場のIoT化や予防保全に役立てられると期待されています。

フィールドネットワークにはいくつかのプロトコルがあり、接続機器や環境・用途によって最適なプロトコルが活用されています。代表的なフィールドネットワークを下記にてご紹介します。

東京エレクトロンデバイスではさまざまな種類の産業用イーサネット通信に対応する半導体デバイスやIPコアを用意しています。お客様のご要望に応じ、複数のメーカーのソリューションやIPコアをご紹介、受託開発・製造迄のワンストップソリューションを提供しています。

各種プロトコル対応半導体デバイス

Texas Instruments社では10年ほど前から産業用イーサネットプロトコルに対応するプロセッサの販売を開始しました。代表的なSitaraプロセッサでは、メインCPUコアとは別に、リアルタイム性を備えたサブCPUユニットを搭載し、ファームウェアの置き換えにより複数の産業用イーサネットプロトコルに対応することを可能とします。つまり同じハードウェア資産を流用できるソリューションとなります。メインCPUは産業用イーサネットのプロトコルスタックのほか、ユーザーアプリケーションなどを処理できるよう、Cortex®-Aシリーズを搭載しています。

• NXP製マルチプロトコル対応マイコン/プロセッサ製品
  NXP: i.MX RT1170, i.MX RT1180（*¹）
  *¹： i.MX RT1180は開発中の製品です。
  ※各製品の対応プロトコルについては、弊社までご相談ください。

• その他のEtherCAT(Slave)対応マイコン/プロセッサ製品
  TI製：TMS320F28388
  Infineon製：XMC4800、XMC4300

• 以下の一覧で代表的なプロトコルの一覧とご提案可能なプロセッサ群を記します。

ベンダー	シリーズ	EtherNet /IP Adaptor	PROFINET Device	EtherCAT Slave	CPUコア	ボード
TI	AM64x	○	○	○	Arm® Cortex®-A53/R5F
	AM243x	○	○	○	Arm® Cortex®-R5F
	AM57x	○	○	○	Arm® Cortex®-A15/C66
	AM437x	○	○	○	Arm® Cortex®-A9
	AM335x	○	○	○	Arm® Cortex®-A8
	AMIC120	○	○	○	Arm® Cortex®-A9
	AMIC110	○	○	○	Arm® Cortex®-A8
	TMS320F28388	×	×	○	C28
Infineon	XMC4800	×	×	○	Arm® Cortex®-M4F
	XMC4300	×	×	○	Arm® Cortex®-M4F

MECHATROLINK-III IPコア

東京エレクトロンデバイスではMECHATROLINK協会認定済のザイリンクス社FPGAに組み込めるMECHATROLINK-Ⅲ IPコア（Master/Slave）をご提供しています。FPGAでMECHATROLINK-Ⅲを実現するにあたって下記の特徴があります。

• 周辺回路を1チップ化
  32-bit MPUやUART、I2C、SPI、EthernetなどのFPGA向けIPコアがあり、マイコンと同等の機能も1チップに取込み可能です。

• 内部のバス信号を観測できる
  FPGA内部バスを観測できるツールもあり、実機動作中のプロトコルデータの観測も可能です。

• マルチプロトコル
  IPコアを複数実装することで、1チップで複数並列処理も可能です。また、ほかのプロトコルIPを用意すれば、ハードを変えることなくプロトコル変換が可能で、ロジックサイズによっては、1チップで複数プロトコルも実現できます。

• 特徴
  ・MECHATROLINK-III Master/Slave機能をザイリンクス FPGA用にIPコア化
  ・最大100MHzクロックに同期可能な高速ホストインタフェースを搭載
  ・FPGAのファブリックを活用することにより、さまざまなシステムを柔軟に構成可能

MECHATROLINK-III IPコアの仕様

EtherNet/IP(Adapter)、PROFINET(Device)、EtherCAT(Slave)

下記の例では、FA機器や各種制御装置などのアプリケーションに産業用イーサネット機能を追加するためにTI社のプロセッサ製品であるAM6442を使用しています。FPGAに搭載されたPCIeなどの高速インタフェースを通じてAM6442と通信することが可能です。

評価・開発環境について

ICベンダーが提供する評価ボードにデモソフトを組み込むことでSlave機器としてすぐに評価することが可能です。また、 ICベンダーが提供するソフトウェア開発キット（SDK）を利用することですぐに開発を開始することが可能です。SDKや評価ボードの設計データ利用することで評価・開発期間の短縮が可能です。

接続例

MECHATROLINK-III IPコア構成例

Slave IO Device

MECHATROLINK-III IPコアのほかにペリフェラルIPコアをFPGAに集約することで、IOデバイスを1チップで構成できます。部品点数や基板配線など削減でき、コストダウンも期待できます。下記のような汎用的なペリフェラルIPは設計ツールで生成できることが多く、ユーザの設計箇所は最小限で済みます。On Chipでペリフェラルが実装されているデバイスもあります。

DMA対応PCIeカード

MECHATROLINK-III ASIC + PCIeブリッジデバイスを、FPGA 1チップに集約することも可能です。PCIeは広帯域ですが、レガシーPCIに比べアクセスあたりのレイテンシが大きくなり、CPU処理時間が増えるケースがあります。DMAコントローラをFPGA内に実装することで、データ転送をオフロードし、CPU負荷を軽減でき、より多くのSlaveを制御できるようになります。

Multi-core Master

FPGAのロジックサイズに合わせて、MECHATROLINK-III IPのコアは複数実装可能です。複数接続をASICで実現しようとすると、複数デバイスが必要となる場合があり、基板面積が大きくなる上、ホストインタフェースとのボトルネックも増加します。下記のように、1つのFPGAに複数IPコアを実装することで、そのような課題も解決可能です。

Zynq SoMを使用した運用例

東京エレクトロンデバイスではザイリンクス社Zynqを搭載したSoMをご提供しています。ギガビットイーサを2ch搭載することで、下記のようなカスケード接続も可能になります。

フィールドネットワークソリューションの提案から開発まで

生産現場はオペレーションのスマート化や、IoT・AIを活用したフレキシブルかつ安定生産の実現など、めまぐるしく変化しています。そこにはリアルタイムに機器の状況を判断し、コントロールするフィールドネットワークが不可欠です。東京エレクトロンデバイスは、フィールドネットワークに対応したデバイスやIPのご提案でお客様の課題を解決いたします。