第4次産業革命の文脈における産業ネットワーク

まず、昨年発表された第4次産業革命に関する小さな歴史的余談。

• 産業の到来。 最初の産業革命は19世紀の初めに行われ、筋肉力の使用から蒸気エンジンのエネルギーへの大規模な移行に関連していました。 キーテクノロジー-蒸気機関、工場。 大量生産の可能性がありましたが、その製品は高価でした。
• 大量生産。 2番目の革命は20世紀の初めに起こり、安価な大量生産の始まりを示しました。 主要な技術は、コンベヤーとテーラリズムです。 大量生産された製品は一桁も落ちました。
  
  
• 自動化 業界での3番目の革命は80年代に起こりました。 CNCマシンとロボットは、現代の工場を事実上無人にしました。 （開発途上国への肉体労働のアウトソーシングは、この傾向を滑らかにしました。）大量生産された製品は、価格が一桁下がりました（修理するよりも捨てる方が安くなっています）。
• 地方分権。 現在、4点ゼロ革命が起こっています。 重要なテクノロジーは、業界とIT、3Dプリンターの融合です。 大規模なシリーズで同じシリーズのコストに近い価格で小規模なシリーズまたはユニークな製品を生産する可能性があります。

これは、産業発展の4つの4つの段階に関するドイツの見方です。 また、第三段階と第四段階を分離しないアメリカ人もいます。



はじめに、一般的なフレーズが多すぎて、技術的なハードコアが少なすぎたように思えます。 産業用ネットワークとそれに関連するインテル製品に関するいくつかの技術的な詳細を説明するために、これを修正します（+ロボットの別の写真）。



個人的には、第4次産業革命の主な問題は、クジラとゾウのどちらを誰が収集するかです。 業界がメインフレーム->ミニコンピューター-> PCで有名なIT業界の歴史を繰り返すかどうか。 説明します。 ITと業界の収束は解決された問題であるため、誰の条件でそれが行われるのかという疑問が残ります。 業界の巨人-シーメンス、ロックウェル、三菱、ABB、シュナイダーなどは、この傾向をよく理解しているようで、小規模生産のコストを根本的に削減するために、産業革命4.0の約束を果たすためにITテクノロジーをフルスピードで展開しています。 ただし、3Dプリンターやスタートアップの形でITとの競争があり、産業用ロボットのコストを大幅に削減できると期待されています。 どこかで、新しい自作のコンピューター業界クラブが集まり、若いハッカーがIBMとDECの産業カウンターパートと戦う準備をしています。 誰に賭けますか？



上記のマントラを繰り返しました-「ITテクノロジーが業界に登場し、生産コストを根本的に削減します。」 根拠がないようにするには、どのテクノロジーをリストアップする必要があります。 主に3つの要素があります。

1.汎用プロセッサ/チップセットに基づく制御デバイスの使用。業界の要件（信頼性、リアルタイム、温度、ファンレスなど）に合わせてわずかに変更されています。 私はすでにこの傾向について書きました 。

2.センサー、アクチュエータ、ロボット、制御要素を備えた自動機の通信のためのITネットワークインフラストラクチャの使用。 今日のこの投稿について。

3.前の2つの段落は、プログラミング、システム管理、情報セキュリティに対するITのアプローチを工業製品で使用する必要性を自動的に示しています。 ここの畑は耕されていません！ （ところで、CNCマシンとロボットのプログラミングの機能に関する投稿が必要ですか？また、ITで使用されているプログラミングテクノロジーは、すでにこの分野にどのように浸透していますか？）



産業でITテクノロジーを使用することの経済的議論は非常に単純です。 数十億のラップトップおよびパーソナルコンピューターユーザーが、関連技術のR＆Dおよび大量生産に対して既に支払っています。 たとえば、HPCで使用されているのと同じ方法で、それを活用してみませんか？ （ほとんどのスーパーコンピューターのプロセッサーは、主にラップトッププロセッサーを搭載した数十億ドルの工場で製造されています。XeonEPとCore i3コアのマイクロアーキテクチャも同じです。）



そのため、産業用ネットワーク（ Filedbus ）について詳しく説明します。 第三次産業革命の間に、Profibus、Modbus、Sercosなど、多くのフィールドバス標準が作成されました...それらはすべて特殊なphyを使用しているため、ベンダーは特別なハードウェア（ASICまたはFPGA）と特別なdevelopを開発し、維持する必要がありました。ユーザー-非標準のケーブルを引き伸ばし、珍しいコネクタを使用します。



ITでは、ネットワークの同じ動物園がかつて存在していました（トークンリング、Apple Net、ARCNET、同軸経由のイーサネットを覚えていますか？）。 最終的に、イーサネットツイストペアとTCP / IPが全員を破りました。 物理レベルでの収束の基盤を持つ業界では、疑問もありません。 明らかに、産業用ネットワークの将来は、標準のツイストペアケーブル上のイーサネットベースのプロトコル、 Profinet 、 Ethercat 、 Sercos III 、およびEtherNet / IPに 基づいてい ます 。 実際、イーサネットに基づく産業用ネットワークの種類の数はいくぶん大きいです。 たとえば、韓国の国家標準さえあります。 しかし、上記は最も一般的であるため、このレビューではそれらに限定します。



それらはすべて、IT業界で長年使用されてきたケーブルおよびネットワークインフラストラクチャを使用できます。 古いフィールドバスのようなオシロスコープではなく、Wiresharkでデバッグできます。 各規格には、大きな「母」（プロフィネット-シーメンス、イーサキャット-ベッコフ、イーサネット/ IP-ロックウェル、セルコスIII-ボッシュ）と、それを推進する企業のコンソーシアムがあります。 ただし、各主要メーカーの機器は、産業ネットワークの「お気に入り」標準だけでなく、残りの大部分もサポートしています。 したがって、市場にはこれらのネットワーク間に無数のブリッジオプションがあります。 このような断片化はあまり喜ばしいことではなく、数年後には1〜2個の基本的な標準が残ると疑われています。 反科学的な占いをして、最も一般的なプロトコルの特性を比較してタブレットをスケッチできます。

プロトコル	1つのセグメントのデバイス	最小サイクル	インターネットの互換性	トポロジー
Ethercat	65536	12.5us	あまりない	任意だが論理的リング
プロフィネット	ワズー	31.25us	いいね	arbitrary意的
セルコスIII	511	31.25us	いいね	リングライン
イーサネット/ IP	ワズー	〜1ms	最高	arbitrary意的

いくつかの点を簡略化しましたが、全体的にはどういうわけかです。 最終的にどの標準が優先されるかを推測することは興味深いでしょう。 （もちろん、最後に1つだけが残ると仮定した場合）。



TCP / IPネットワークプロトコルのサポートの程度によって、インターネットの互換性のレベルを評価しました。 Ethercat、Profinet、およびSercos IIIの各ネットワークのパケットはイーサネットフレームで送信され、独自のEthertype（IPやARPなど）を持っています。 イーサネット/ IPは、それらとは対照的に、リングトポロジの場合を除いてIPを使用し、次にそのイーサネットタイプも使用します。 したがって、イーサネット/ IPは、多くの産業用イーサネット規格の中で最もIT指向です。 これが主な機能ですが、主な欠点でもあります-リアルタイムで高速サイクルを提供することは困難です。 次に、ProfinetとSercos IIIが登場します。ProfinetとSercos IIIでは、重要なデータを送信するのに忙しくないときに、インターネットトラフィックが設計上同じワイヤを通ります。 たとえば、プロファイネットネットワークでは、IP、UDP、TCPを使用して、DHCP経由でアドレスを配布できます（または、その弟であるDCPを使用します）。



ITから最も遠いのはEthercatですが、潜在的には最速です。 Ethercat、Profinet、およびSercos IIIネットワークは、マスターとスレーブ（コントローラーとデバイス）の2つのクラスのデバイスを持っているという事実によって区別されます。 マスターは通常のネットワークカードに実装でき、スレーブカードは少し複雑です。 その場で着信パケットを読み取り、その中にデータを挿入し、さらに送信する必要があります（または、Ethercat回線の最後にある場合はその逆）。 トークンリングに似たMACを実装していることがわかります。



産業用ネットワークがネットワークインフラストラクチャをどのように使用できるかを説明することで、物事を少し簡略化しました。 もちろん、いくつかのスイッチと同様に、ケーブルとコネクタが機能します（ただし、それらを使用してニュアンスが可能です）。 しかし、通常のネットワークカード、そして最も重要なことは、数十マイクロ秒の決定論的なサイクルを持つドライバーは動作するように適合されていません。 数字の典型的な要件は何ですか？ 1つのネットワークセグメントで複数のデバイスを接続し、最大数10キロヘルツの周波数で小さなデータパケット（単位から数百バイト）を交換し、サイクルごとに時間通りにデータを配信できるようにする必要があります。 30キロヘルツの最大周波数は、最小サイクルが33マイクロ秒であることを意味します。 したがって、Profinet IRTおよびSERCOS III標準では、最小サイクルは31.25マイクロ秒と定義されています。 各サイクルで数百バイトの転送は、デバイスごとに最大25メガビット/秒です。 産業用ネットワークはまだ100BASE-TXで正常に動作しています。 1ギガビットへの移行はまだ始まったばかりであり、主にレイテンシー（「パイプ」の幅。100メガビットで十分だと示した）を減らすためです。



すべてのベンダーには、通常のイーサネットphyトランシーバーを備えた特別なカードと、対応するネットワークスタックの上位レイヤーを実装するための特別なボディキットがあります。 FPGA XilinxおよびAltera向けのこれらのネットワークの実装には、さまざまな程度の有料ファームウェアもあります。 Intelは、プロセッサとチップセットに加えて、ネットワークカードを製造していることを誰もが知っています。 最近、 I210 （Springville）カードがリリースされました。これは、高速サイクルフィールドバスアダプターの実装を可能にするいくつかの機能を実装しています。



Intel I210が産業用PHYイーサネットベースのネットワークに特に適している理由は何ですか？ 読み取りと書き込みに使用可能な独自のRTタイマーがあり、割り込みを生成できます。 これにより、鉄で実装することができました

ProfinetおよびSercos IIIプロトコルに含まれるIEEE 1588 / 802.1AS同期。 また、タイマーでフレームを送信することも可能になり、フィールドバスプロトコルを実装するのに役立ちます。 送信用の4つの独立したキューと受信用の4つのキューを使用して、リアルタイムトラフィックと非リアルタイムトラフィックを分離したり、複数の仮想マシンを操作したりできます（VMDqを使用）。



2か月前にEmbedded World 2013で開催されたIntel博覧会で、ルービックキューブを収集しているこの鉄の友人を撮影しました。 バックグラウンドのマザーボードから、Profinetネットワーク、Intel I210ネットワークアダプタ、KW-SoftwareのProfinet IRTスタックを介して制御されます。



habractorの技術的な詳細に税金を払うことを願っています。これで、いくつかの一般的なフレーズで投稿を終えることができます。 IT業界の私たちは誇大宣伝に慣れています-世界に革命をもたらす新しいテクノロジーが毎年登場します（クラウド、Web 2.0など）業界には誇大宣伝があります-モノのインターネット、M2Mなど。 しかし、第4次産業革命には具体的な技術的および経済的基盤があると思います。 そして、あなたはそれに参加することができます。 70年代から2010年代には、このような一般的な親の呪いがありました-あなたはよく勉強せず、職業訓練学校に行き、それから工場に行きます。 しかし、今では工場の仕事が再びセクシーになりそうです！ （確かに、工場は完全に異なります）



直接の実務経験に加えて（残念なことに、イーサネット/ IPはヨーロッパではあまり一般的ではないので、ウィキペディアからデータを取得したことはありません）、この投稿では2つの学術記事のデータを使用しました：

1.「イーサネットベースのリアルタイムプロトコルの最小サイクルタイム分析」

2.「fldbus戦争：歴史または戦い間の短い休憩？」