イーサネットは、有線ネットワーク用のデータ伝送技術であり、家庭やオフィスのローカルネットワーク(LAN、Local Area Network)でデータパッケージを伝送するための規格です。
このようなネットワーク内では、コンピューター、プリンター、サーバーなど、接続されたすべての電子機器は、LANケーブルを介して互いに通信できます。
データはイーサネット経由で送受信されます。イーサネットはWLANのようにワイヤレスでは動作せず、有線でのみ動作します。ネットワーク化された産業環境では、有線イーサネットは、WLAN（Wireless Local Area Network）を介した代替ネットワーキングよりもはるかに高いデータ伝送速度と信頼性の高い伝送安定性を提供します。
アメリカのワーキンググループIEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)は、IEEE仕様802.3でイーサネットネットワークプロトコルとそのパッケージ構造を定義し、標準化しました。
イーサネットの関連性
イーサネット規格は1970年代に始まりました。しかし、当時は非常に低い伝送速度しか実現できませんでした。過去数十年の間に、データ伝送技術は着実に発展し、現在では、最大10,000Mbit/sまたは10Gbit/sです。これはギガビットイーサネットとも呼ばれています。
インダストリー4.0とモノのインターネットの出現により、データ伝送の可能性をさらに発展させる時が来ました。この新しい経済環境は、ビルやオフィスのネットワークから ITシステムを産業用機械ネットワークに統合することを必要としています。これによって通信の種類が変わり、データ伝送の要件も変わりました。
建物の配線から得られる従来のイーサネットの特性は、産業環境にはもはや十分でないことがすぐに明らかになりました。
「イーサネット」とは実際にはどういう意味ですか？
エーテル
エーテル理論に由来する古代ギリシャ語で、「天国」を意味します。かつて、エーテルは電磁波が空間を伝播する媒体であると考えられていました。
ネット
イーサネットと産業用イーサネットの比較
産業用イーサネットは、従来のオフィス用LANイーサネットの後継で、主に工業生産におけるデータ通信に使用されます。シームレスなネットワークインフラをリアルタイムで提供できるからです。、現場レベル 、制御レベル 、企業経営レベル （受注調整のための製造実行システム[MES]、資材計画のための企業資源計画[ERP]）まで、適用分野は多岐にわたります。
産業用イーサネット技術は、非常に大きなアドレス空間も提供します。IPV6アドレッシングは、事実上無制限のノード数を持つネットワークを実装することを可能にします。大容量のデータを銅線経由で最大40Gbit/sの高速で同時に伝送できます。銅線ケーブルに比べ、光ファイバーケーブルは80kmもの距離をつなぐことができます。ネットワークは、スイッチやルーターを使って簡単に拡張・セグメント化できます。
フィールドバス技術と比較した産業用イーサネットの利点
フィールドバスは、フィールドレベルで使用されるバスシステムで、センサーやアクチュエータを接続して制御コンピューターと情報を交換します。フィールドバスの起源は生産技術です。今でも主に使われています。
自動化に関して言えば、通信プロセスは通常、いくつかのレベルにまたがって行われます。産業用イーサネットは、フィールドバスの機能がもはや十分でない産業オートメーションで使用されます。結局のところ、産業用イーサネットの利点は以下の通りです。
- オートメーションピラミッドの複数のレベルにまたがるネットワークの可能性
- データ伝送の大幅な高速化
- リアルタイム特性の向上
- より高い技術性能
- 大容量データの伝送
- 安全プロトコルの統合
ワイヤレスネットワークへの接続が可能
無線LAN では、ワイヤレスでデータを伝送する ネットワーク内では、ワイヤレス技術 を使用します。インテリジェントなワイヤレスソリューションは、産業分野でも人気が高まっています。その結果、複雑でダイナミックに設計された無線フィールドが生まれます。
無線ネットワークと有線ネットワーク間でデータを送信できるため、WLANとイーサネットは相互に通信できます。
ワイヤレス技術の利点
- モバイルネットワーク参加者と固定参加者の接続
- カルーセルやクレーンなど、回転する参加者への接続
- 建物の境界や水面をまたぐワイヤレスブリッジの建設
- アクセスが困難な参加者とのコミュニケーション
ワイヤレス技術の欠点
- 電波は障害物で回折する
- 電波は障害物で反射される
- 電波は通過時に減衰する
- 電波は無許可で傍受・利用できる
ワイヤレスが不可能な場合
有線ソリューションの使用は、工業生産において依然として最大の利点を持っています。ケーブルは、固定された伝送特性を持つ排他的で一貫性のある媒体であり、ネットワーク参加者を明確に識別します。データ伝送技術としてイーサネットを使用する人は、銅線ケーブルまたは光ファイバーケーブルを使用してデータ・パッケージを配信することができます。
イーサネットプロトコル規格によるシンプルなネットワーク通信
プロトコルまたはネットワークプロトコルとは、データを交換するための標準化されたルールの集合であり、ネットワーク言語の一種です。これは、コンピューターと機器間の通信に使用されます。 標準化されたプロトコルはプロトコル規格とも呼ばれます。
イーサネットテクノロジーの主要プロトコル規格については、以下をご覧ください：
PROFINETは、ヨーロッパをリードするオープンな産業用イーサネット規格で、産業オートメーション技術のすべての分野に対応しています。この種の通信システムでは、産業用イーサネットを使用して、コントローラー機器とフィールド機器との間でリアルタイムにデータを交換することができます。PROFINETはPROFIBUSの後継で、PROFIBUS & PROFINET International (PI)によって標準化されたフィールドバスプロトコル規格です。LAPPは、PROFINETのさらなる発展に積極的な役割を果たしています。
PROFINETのRT (Real Time)バリアントは、コントローラ機器とフィールド機器がリアルタイムで通信することを可能にします。そのためにネットワークコンポーネントに追加要件を課す必要はありません。クロック同期なしのデータ交換のサイクルタイムは約10msです。RTバリアントは、例えばリモートI/Oシステムで使用されます。
サーボドライブの同期など、クロック同期が必要な特殊なアプリケーションでは、PROFINETのIRT (Isochronous Real Time)のように、コントローラデバイスとフィールドデバイス間でアイソクロナス通信を使用することが不可欠です。IRTネットワークでは、ハードウェアにさらなる要件が課せられ、標準的なイーサネットスイッチはもはや許されません。データ交換のサイクルタイムは1ms以下です。
EtherNET/IPは、制御およびオートメーションシステムで使用される産業用バスシステムであり、、アメリカ地域でますます使用されるようになっています。
EtherNET/IPは標準的なイーサネットハードウェアを使用して動作し、トランスポートプロトコルTCP/IPとUDPを使用します。また、ネットワークのアプリケーションレイヤを構成するアプリケーションプロトコルCIP(Common Industrial Protocol)を使用しています。このオープンな工業規格が提供する主な利点のひとつは、シリアルRSインターフェースを持つ既存のフィールド機器を簡単に統合できることです。通信サービスは、オートメーションアプリケーションに、現場レベルからの周期的でタイムクリティカルなデータを供給します。
しかし、このようなネットワークが達成できるサイクルタイムは10ms前後「だけ」であるため、この通信規格だけでは、アイソクロナスサーボ動作の厳しいリアルタイム要件（1ms未満）に対応することはできません。クロック同期を必要とするアプリケーションのために、プロトコルはMotionSyncとCIPSyncを含むように拡張されました。
EtherNET/IPはODVA (Open DeviceNet Vendor Association)によって維持され、さらに開発されています。LAPP はODVAのメンバーであり、EtherNET/IPシステムのさらなる発展に積極的な役割を果たしています。
アジアでは、CC-Link IEはCC-Linkフィールドバスシステムの後継規格として、イーサネットベースで業界をリードしています。CC-Linkがフィールドバスシステムとして限界に達している産業用アプリケーションでは、より強力なCC-Link産業用イーサネットバリアントが、より大量のデータを管理するために使用されます。Gbitレベルの性能を提供するこの高速データ伝送規格は、リアルタイムプロトコルを提供し、現在ネットワーク内で最大120台のデバイスを接続することができます。CC-Link IEには、CC-Link IE Field（フィールドレベルでのデータ交換用）、CC-Link IE Control（制御レベルでのデータ交換用）、CC-Link IE Safety（セーフティコントローラとのセキュアな通信用）、CC-Link IE Field Motion（サーボドライブの同期用）などのバージョンがあります。
LAPP はCLPA（CC-Link Partner Association）ユーザー組織のメンバーであり、規格のさらなる発展に積極的な役割を果たしています。以下に提供するコンポーネントの多くは、CLPAの仕様に従って認定されています。
EtherCATは産業用イーサネットで広く使用されているプロトコルであり、高速イーサネットを保証します。この呼称はEthernet for Control Automation Technologyの略で、スループット・レートとリアルタイム性能の点で特に高速なイーサネットと考えられています。
通信には標準イーサネットフレーム、処理可能なデータパッケージを使用します。これらのデータパッケージはイーサネットヘッダ、EtherCATヘッダ、1～15個のEtherCATデータグラム、ビットエラーを検出するテストメカニズムで構成されます。
制御は、マスターと1つ以上のスレーブとの通信システムによって行われます。マスターはTARGET条件をスレーブに送り、スレーブはACTUAL条件を返します。たとえば、制御命令を送信したり、マシンの現在の状態に関する質問に答えたりすることが可能です。
マスターは取得したデータからEtherCATダイアグラムを作成し、接続されたスレーブに送信します。前述のように、EtherCATが特別なのはその速度です。データパッケージがまだスレーブを通して実行されている間、各スレーブはダイアグラムから自分に適用されるTARGET条件のみを取り出し、そのACTUAL条件を直接挿入します。それぞれのスレーブが意図していないデータは処理されず、直ちに転送されます。スレーブの接続台数が多くても、1台あたりのスループット遅延は数ナノ秒なので、通信時間は非常に速いです。
リアルタイムの重要なデータを効果的に制御するTSN規格
TSNとは、Time-Sensitive Networkingの略で、イーサネットネットワークにおけるデータフローの制御と優先順位付けの方法について説明しています。しかし、イーサネットTSNは独立した通信プロトコルではなく、プロトコルの機能を定義する一連の標準規格です。これらの機能定義は、PROFINETなどの異なるプロトコルで使用できます。
TSN規格の開発の目的は、情報技術と産業工学をインテリジェントに融合させることです。そのためには、安全関連部品の信号取得など、リアルタイムで重要なアプリケーションからのデータ伝送が必要となります。
既存のイーサネット標準を定義し拡張することで、TSNはITと接続されたマシンやデバイスとの間のコンバージェンスを実現します。リアルタイムの重要なデータやデータ集約型のアプリケーションを効果的に制御することで、イーサネットネットワークは1本の一般的なイーサネットケーブルを介して実装することができます。