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INDUSTRY4.0を支えるフィールドネットワーク開発

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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
スマートファクトリー、生産設備のDX推進を進めるうえで、フィールドネットワークの構築は重要です。東京エレクトロンデバイスは、フィールドネットワークプロトコルに対応したデバイスやFPGAに実装可能なプロトコルIPを取り扱うほか、設計・受託サービスで蓄積したノウハウをもとにお客様が抱える課題を解決いたします。

フィールドネットワークとは

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とは?

フィールドネットワークの種類 

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。

EtherNet/IP PROFINET EtherCAT Ethernet
POWERLINK
SERCOS-Ⅲ CC-Link/IE MECHATRO
LINK-Ⅲ
起源・発祥地域 米国 欧州 欧州 欧州 欧州 日本 日本
推進団体 ODVA プロフィバス協会 ETG EPSG SERCOS
International
CC-Link協会 MECHATROLINK協会
制定年 2000年 2001年 2003年 2003年 2006年 2007年 2007年
Ethernet
種類
100Base-TX 100Base-TX 100Base-TX 10/100Base-TX 10/100Base-TX 1000Base-TX 1000Base-TX
ターゲット
システム
コントローラ間
フィールド
ネットワーク
モーション制御
モーション制御 モーション制御 モーション制御 モーション制御 コントローラ間 モーション制御

 

デバイス・IPソリューション

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。

 

各種プロトコル対応半導体デバイス

 

  • 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 AM64x
AM243x Arm® Cortex®-R5F AM243x
AM57x Arm® Cortex®-A15/C66 AM57x
AM437x Arm® Cortex®-A9 AM437x
AM335x Arm® Cortex®-A8 AM335x
AMIC120 Arm® Cortex®-A9 AMIC120
AMIC110 Arm® Cortex®-A8 AMIC110
TMS320F28388 × × C28 TMS320F28388
Infineon XMC4800 × × Arm® Cortex®-M4F XMC4300
XMC4300 × × Arm® Cortex®-M4F XMC4800

 

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。

 

MECHATROLINK-III IPコア

 

  • 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

機能 TIP-ML3MST TIP-ML3SLV
種別 Master IP Slave IP (Single/Multi)
ホストインタフェース 32bit 同期IF(AXI4) 32bit 同期IF(AXI4)
バイトオーダ リトルエンディアン リトルエンディアン
ネットワークインタフェース Ethernet MII Ethernet MII
対応FPGA Xilinx Spartan-6
Xilinx Zynq-7000
Xilinx Artix7
Xilinx Spartan-6
Xilinx Zynq-7000
Xilinx Artix7
Lattice ECP5(開発中)
提供形態 ネットリストデータ
– プロジェクトライセンス
ネットリストデータ
– プロジェクトライセンス

ユースケース

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。

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

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
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。

MECHATROLINK-III IPコア構成例

 

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。

DMA対応PCIeカード

 

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。

Multi-core Master

 

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。

Zynq SoMを使用した運用例

 

 

まとめ

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。

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