産業用エッジコンピューティングアーキテクチャの進化

究極の産業用エッジ コンピューティング デバイスは、物理プロセスを感知して制御し、ローカル プログラムを実行し、産業用コントローラー、工場運営、エンタープライズ システム、クラウド アプリケーションと通信します。これは、リアルタイムのクローズドループ製造オペレーションが収益性と競争力を高めて運営されるために必要です。

長年にわたり、産業オートメーション アーキテクチャは、分散コンピューティングを使用してパフォーマンス、品質、信頼性、可用性、応答性を向上させ、ソフトウェアのメンテナンス コストを削減することを特徴としており、最終的にはフィールド デバイスでのコンピューティング量が増加しています。あらゆるステップにおける制限要因は、テクノロジーのコスト、耐久性、信頼性です。これは、ビジネス、消費者、モノのインターネット (IoT) 技術が日常生活に広く浸透し、低コストの通信が進歩するにつれて変化しました。スマートフォンは多くの人にとって日常的に使用するデバイスであり、通信機能と表示機能を統合した堅牢で強力なコンピューターの典型的な例です。

エッジデバイス

エッジ コンピューティングの主な価値は、物理的な生産に近い状態でアプリケーションを実行し、極めて低いレイテンシで高速な応答時間を実現し、リアルタイム データを取得することです。より高度な機能をこの新しいクラスの強力なフィールド デバイスと産業用コントローラに直接統合し、リアルタイム トランザクション処理ビジネス システムと組み合わせることで、産業用ミドルウェア ソフトウェアの必要性が軽減されます。ビジネス システムは、サプライ チェーン、顧客サービス、ロジスティクス、インターネット コマースなどのビジネス機能の要件を満たすために、産業システムよりも急速に進化しています。中レベルのソフトウェアとコンピューターは、センサーとコントローラーの情報をバッファリング、同期、変換、および精製するという目標を達成しましたが、多数の中レベルのコンピューター、重複したデータベース、複雑な構成制御、高価で保守が難しいソフトウェアからなる脆弱なシステムも生み出しました。エッジ コンピューティングとは、ユーザーまたはデータ ソースの物理的な場所またはその近くで実行されるコンピューティングです。エッジでの分散機能には、最適化、エキスパート システム、新しいタイプのデバイスによる人工知能が含まれます。

エッジデバイスの種類

• レガシーシステムをサポートするエッジゲートウェイ

産業用エッジ ゲートウェイは通常、PLC、ドライブ、その他のエッジ デバイスに接続して情報をコンテキスト化し、データ エンタープライズ ソフトウェアやデータベースにマッピングするミドルウェア ソフトウェアを実行する堅牢な産業用コンピューターです。エッジ ゲートウェイは、インストール済みの従来の制御と自動化を活用してエッジ コンピューティング機能を提供するための設備投資の拡張に最適です。

• エッジ産業用コンピューティング プラットフォーム

堅牢なエッジ コンピューティング プラットフォームは、ゲートウェイ機能のほか、分散制御、最適化、Web サーバー、OPC UA サーバーおよびクライアント、人工知能 (AI)、REST API、画像認識、クラウド通信 (AWS、AZURE など) などの多くの機能を提供します。多くは Docker や Kubernetes などのマルチユーザー環境と統合され、Python や JavaScript などの標準プログラミング言語で記述されたユーザー アプリケーションの追加をサポートします。

• スマート/インテリジェントフィールドエッジデバイス

スマート/インテリジェント フィールド エッジ デバイスは、コントローラ、エンタープライズ、クラウド アプリケーションと直接通信するスマート センサーやアクチュエータなどの新しいクラスのインテリジェント フィールド デバイスです。これらのデバイスには、最適化、Web サーバー、OPC UA サーバーおよびクライアント、REST API、クラウド通信 (AWS、AZURE など) などの分散制御機能が統合されています。ユーザーベースのイニシアチブでは、NAMUR Open Architecture (NOA) や Open Process Automation Forum (OPAF) 標準など、これらの概念に基づいた新しいアーキテクチャを定義しています。

エッジへのイーサネット IP

産業エッジは、シングルペア イーサネット標準 10BASE-T1 の統合により、コンピューティングと IoT の主流になりつつあり、センサーやアクチュエータなどのエンド フィールド デバイスに IP 通信を組み込むことがコスト効率よく行えるようになっています。産業用制御と自動化をサポートするイーサネット ベースのネットワークは、ハードウェア、ソフトウェア、サポートのコストが低いなど、大量生産されたイーサネット インフラストラクチャ製品の利点を活用します。 SPE は、センサー、アクチュエーター、ドライブ、モーター スターター、その他のデバイスからより多くの情報を直接取得する方法です。

シングルペア イーサネットは、危険な場所のフィールド レベルの計測機器にイーサネットを導入する Advanced Physical Layer (APL) の基礎です。フィールドレベル イーサネットは、その汎用性とスピードにより、プロセス産業のデジタル化を実現します。電流と電圧は、ゾーン 0 および 1/Div 1 に本質的に安全なソリューションを提供するために制限されます。主な目標は、プロセス自動化の分野で実証済みのテクノロジーとオプションを使用することです。

セマンティックコンテキストデータ接続

OPC Foundation の OPC UA FLC (フィールド レベル通信) イニシアチブは、産業オートメーション、ファクトリー オートメーション、プロセス オートメーションのすべての要件を満たすために、センサー、アクチュエーター、コントローラー、エンタープライズ、クラウド間のオープン スタンダードで意味的にコンテキスト化されたデータ接続通信ソリューションを作成します。 OPC UA FX は急速な進歩を続けており、最も基本的な産業用通信を主流のコンピューティング データ コンセプトで近代化し、産業の最先端に到達しています。 OPC UA フィールド レベル通信 (FLC) プログラムの目標は次のとおりです。

• 安全で信頼性の高い通信
• ベンダー、プラットフォーム、ドメインに依存しない
• センサーから企業、そしてそれ以降の相互運用性

OPC Foundation エコシステムは統合されており、産業、情報技術 (IT)、モノのインターネット (IoT)、クラウド組織で構成されており、産業分野から企業およびクラウド システムのセンサー/アクチュエータまでのデバイス向けの標準的なコンテキストおよびセマンティック データ モデルの定義と実装に重点を置いた 65 を超える共同ワーキング グループに参加しています。

OPC Foundation と Clean Energy and Smart Manufacturing Innovation Institute (CESMII) が共同で開発した、世界中で利用可能な UA クラウド リポジトリにより、OPC UA 情報モデルが世界中のクラウドで利用できるようになり、ユーザーは OPC モデルを効率的に検索して使用できるようになります。これにより、アプリケーション エンジニアリングが簡素化され、セマンティック データ モデルに単一の信頼できるソースが提供されます。

ビジネス部門に直接コミュニケーションする

従来の厳格な階層構造は、より応答性が高く直接的なモデルに取って代わられ、製造業はリアルタイムの製造ビジネス モデルに移行しています。フィールド デバイスは、ヒストリアン、高度なクラウド分析、リアルタイムのメンテナンス監視などの機能を含むアプリケーションと直接通信できます。これにより、これらの機能の適用が簡素化され、レベル 2 およびレベル 3 のソフトウェア コスト、複雑さ、パフォーマンスの低下、継続的なソフトウェア メンテナンスが排除されます。