CC-Link IE TSN リモート局 認証クラスB対応製品開発技術の確立

CC-Link IE TSN リモート局 認証クラスB対応製品開発技術の確立
里中 大紀，米良 滉太郎
1. まえがき
本稿では，先進のFA ネットワーク規格であるCC-LinkIE TSN リモート局認証クラスB に準拠した試作基板の開発結果を報告する。筆者の所属部門は，FA 制御機器に関するハードウエア(以下，H/W と記載)及びソフトウエア(以下，S/W と記載)を開発している。本開発では，H/W とS/W の技術者が製品の仕様策定段階から連携し，リモート局認証クラスB製品の認証取得及び実製品を想定したH/W の小型化やS/W の流用性確保を目指した。結果，認証機関であるCC-Link 協会(以下，CLPA(注1)という)のコンフォーマンステストに合格し，CC-Link IETSN の認証クラスB 製品開発技術を確立した。
2. 背景と目的三菱電機（株）では，スマート工場の実現に向けて，生産現場とIT システムを融合するオープン統合ネットワークであるCC-Link IE TSN の普及を推進している。当社においては，H/W とS/W の両面からCC-Link IE TSN製品を受託開発できるパートナーとしての役割が求められているため，“CC-Link IE TSN リモート局認証クラスB 製品の設計・開発を市場から受注するために必要な技術を獲得する”ことを目的に開発を行った。3. CC-Link IE TSN についてここでは，CC-Link IE TSN 及び本開発の対象としたリモート局の概要を述べる。3.1. CC-Link IE TSN の概要CC-Link IE TSN とは，時分割制御方式を採用したFA 制御機器の通信規格である。図1 に示すように，1 周期の間に制御通信と情報通信を混在できるため，制御通信のリアルタイム性を保証しながら，IT システムとの情報通信が可能となる。1 CLPA：CC-Link Partner Association図 1. 制御通信と情報通信の混在イメージ3.2. リモート局とはリモート局は，工場内で分散配置されている各種機器のデータをマスタ局と送受信するための機器である。リモート局を介した構成例を図 2 に示す。従来であれば，制御と情報用に別々のネットワークが必要だった。しかし，リモート局を介することで各種機器との信号接続を同一ネットワークに融合可能である。そのため，工場全体の省配線を実現できる。図内で記載されている“GXWorks”は三菱電機（株）で開発されたプログラマブルロジックコントローラ制御用のエンジニアリングツールである。（以下，エンジニアリングツールと記載）図 2. CC-Link IE TSN のシステム構成例1通信周期制御通信情報通信マスタ局 リモート局 リモート局(開発品) IP通信機器制御通信情報通信iQWorksGX Worksリモート局 リモート局(開発品)IP通信機器パソコン マスタ局 制御通信情報通信積層表示灯EthernetケーブルUSBケーブルGX WorksCC-Link IE TSN リモート局 認証クラスB 対応製品開発技術の確立23.3. 認証クラスB 製品とはCLPA では，機能や性能に応じて認証クラスを設定している。表1 に示すように，認証クラスB の方が高機能・高性能であり，専用の通信LSI を搭載したH/W の開発及びS/W の組込みが必要である。認証クラスA は19 年度に認証取得済みである。認証クラスB は，認証クラスA よりも開発難易度は高いが性能を最大限に発揮することが可能である。このため採用する顧客が多い状況である。そこで，本開発では認証クラスB をターゲットに開発を行うこととした。表 1. 機器の認証クラス分類No. 機能 条件認証クラスA B1 受信/中継 フルレート受信/中継 - ○2 対応規格 IEEE1588 準拠 ○ ○IEEE802.1AS 準拠 - ○IEEE802.1Qbv 準拠 - ○3 同期精度 1us 以下 - ○4 通信方式 時分割方式 - ○タイムマネージド・ポーリング方式○ -5 サイクリック伝送 VLAN ○ ○ユニキャスト ○ ○ブロードキャスト/マルチキャスト- ○6 トランジェント伝送 NRSV-Transient ○ ○-：不要 ○：必須3.4. コンフォーマンステストとはコンフォーマンステストとは，その製品がCC-Link IETSN の通信仕様を満たし，CC-Link IE TSN ネットワークに接続できることを確認するテストである。コンフォーマンステストを実施することでCC-Link IE TSN 通信部分の信頼性が確保できる。4. 方針とスケジュール4.1. 開発方針2 章の背景と目的に基づき，以下の開発方針を策定した。CC-Link IE TSN リモート局 認証クラスB の取得受託開発を見据えた技術力の蓄積(a) H/W とS/W 技術者が連携した製品開発力の蓄積(b) 顧客の現場ニーズに即したH/W，S/W それぞれの技術獲得表 2. 獲得を目指す技術内容獲得目標技術H/W 小型化，汎用化S/W 流用性確保，使用性向上(注2) 点数とは，FA 製品における信号数を意味する。4.2. 実施スケジュール上記の開発方針に基づき，表3 のとおり(1)仕様策定から(6)コンフォーマンステストまでは約1 年間のスケジュールで実施した。表 3. 本開発のスケジュール5. 仕様策定ここでは，本開発におけるリモート局の仕様策定プロセスについて記載する。5.1. 認証クラスB 対応仕様策定表1 に示した認証クラスB の仕様を満たすため，リモート局の仕様を以下に決定した。サイクリックデータとは制御情報を送受信するリンクデバイスであり，RX/RY はビットデータを，RWr/RWw はワードデータを送受信するために使用する。本開発では，ビットデータとワードデータをそれぞれ16 点数分(注2)用意した。表 4.本開発のリモート局仕様(抜粋)項目 内容局番 1～120ネットワークNo. 1～239通信速度 1Gbps/100Mbps伝送路形式 ライン型，スター型通信方式 時分割方式サイクリックデータbit RX/RY：各16 点word RWr/RWw：各16 点サイクリック伝送 VLAN/ユニキャスト/ブロードキャスト/マルチキャストトランジェント伝送 NRSV-Transient5.2. 受託開発を見据えた仕様検討実際の受託開発を想定し，H/W 技術者とS/W 技術者で顧客の現場ニーズに即した付加価値について協議した。結果として，流用性・使用性・実用性の3 つの観点で検討する。各観点の詳細は下記項目に示す。流用性(a) S/W の機能追加や流用を考慮してスイッチやメモリー容量に余裕のある実装部品を検討する。(H/W+ S/W)(b) 今後のカスタマイズを考慮して変更しやすいS/W4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月(1) 仕様策定(2) H/W設計(3) S/W設計(4) H/W(基板)製造(5) S/W実装(6) コンフォーマンステスト作業内容2020年度CC-Link IE TSN リモート局 認証クラスB 対応製品開発技術の確立3構成にする。(S/W)使用性(a) 既存のリモート局製品を参考にしてLED の配置と各種I/O の個数，及び設定を決定する。(H/W)(b) 通信の状態や製品の異常を視覚的に特定できるようにする。(H/W + S/W)実用性(a) 実製品を想定したコストの低減，及び省スペースで使用できるように基板の小型化/汎用化を実現する。(H/W)6. 設計上のポイント6.1. H/W 設計回路設計図3 にH/W 構成のブロック図，図4 に本開発で製造した基板を示す。クラスB 専用通信LSI はルネサスエレクトロニクス(株)製“R-IN32M4-CL3”を使用する。H/W 構成は“R-IN32M4-CL3”を中心に，メイン基板にはスイッチ回路・メモリー回路・電源回路・リセット回路・水晶発振回路を実装し，サブ基板(デジタルI/O 基板)に絶縁回路と入出力回路を実装した。次の項目以降で，S/W 技術者と協議を行い，流用性・使用性・実用性3 つの観点から留意すべき設計内容があったブロックについて記載を行う。　R-IN32M4-CL3非絶縁電源回路リセット回路水晶回路LED回路イーサネット通信回路RJ45コネクター　× 2(プルート付き)FLASH　ROM回路非同期SRAM回路スイッチ回路< メイン基板 > < サブ基板 >基 板 間 コ ネ ク ター入 出 力 コ ネ ク ターIO回路アイソレーター非絶縁電源回路絶縁電源回路絶縁回路電源コネクター　２４V図 3. H/W 構成 ブロック図図 4. 基板完成品メイン基板デジタルI/O基板メイン基板上部に接続デジタルI/O基板メイン基板サブ基板接続前サブ基板接続後CC-Link IE TSN リモート局 認証クラスB 対応製品開発技術の確立4(a) スイッチ構成S/W 処理の観点から汎用ディップスイッチの用途が5 信号分確定している。しかし今後のシステム仕様変化に応じて，インターフェースを柔軟に変更できるようにするため8 信号分の操作が可能な汎用8点ディップスイッチを2 つ実装し16 点分の信号を操作できるようにする。汎用ディップスイッチの信号割当ては表11 に記載する。表 5. 実装ディップスイッチスイッチ種別 実装数汎用8 点ディップスイッチ 2(b) メモリー構成S/W 技術者と協議を行いメモリーの容量を決定した。S/W技術者が見積もった必要容量がSRAM：約300KB，FlashROM：約4MB である。メモリーサイズは300KB を使用できる最小限のサイズである512KB のメモリーを実装し，FlashROM は今後のS/W の追加を考慮して8MB を実装した。表 6. 実装メモリー詳細メモリー種別 容量SRAM 512KBFlashROM 8MB(c) 入出力構成接続先機器に選択肢を持たせるためデジタルI/Oとして24V 入出力と5V 入出力を用意する。また入出力は将来的にアナログI/O に切り替えることを可能とするためメイン基板とは別のサブ基板として実装する。表 7. 入出力構成入出力種類 点数24V 入力 4 点5V 入力 4 点24/5V 共用出力 8 点基板製造(a) 基板サイズ同等の機能を持つ三菱電機（株）製品と同等サイズを目標としてメイン基板を作成する。サイズを小さくするために，表8 の優先度順にそれぞれの配線長が短くなるように部品配置を検討した。結果として図5 の部品配置となり，表 9 に示すとおり目標と同等サイズで実現できた。表 8. 部品配置優先度優先度 内容1サブ基板やコネクターへの接続性と配線が交差しないことを重視し通信LSI とコネクターの位置を決定2メモリーは配線長が極力短くなるよう通信LSI の端子配置から位置を決定3LEDやスイッチは周波数が低い部品であり配線長が長くなっても問題が無いため，操作性や視認性を重視し位置を決定表 9. メイン基板サイズ比較(本開発品/目標)種別 本開発品サイズ[mm2] 目標サイズ[mm2]メイン基板 約11，000 約11，000表 10. サブ基板サイズ種別 本開発品サイズ[mm2]サブ基板 約3，500子基板デジタル/アナログIO基板C CDCJackCMG02DLW5BSZ60 1TQ2H=4.5220Uφ8H:10NRS4018CD2.5Va naspi sramledrsjtag優先度2： メモリー優先度3： スイッチ・ LED優先度１： 通信LSI・ コネクター図 5. 主要部品の配置検討図(b) 製造コスト基板は複数の層から構成され，各層ごとに部品配置のパターンデータを設計し，これを元にフィルムと呼ばれる基板加工用機材を製造する。フィルムの製造費は高価なためこれらのコストを抑える必要がある。図6 に示すように，メイン基板・サブ基板のフィルムを一体化した。これによりフィルム製造費を抑えることができ，合計コストを約20%削減できた。CC-Link IE TSN リモート局 認証クラスB 対応製品開発技術の確立5フィルムメイン基板フィルムサブ基板サブ基板フィルムメイン基板サブ基板フィルム一体化前フィルム一体化後図 6. フィルム数削減イメージ6.2. S/W 設計S/W 構成S/W の実装は，ルネサスエレクトロニクス(株)から開発用に提供されているサンプルプログラムを流用・改造して行った。今後の機能拡張を考慮に入れてユーザープログラムをイベント処理とアプリケーション処理に分離した構成とし，通信処理に関しては完全に流用できる構成とした。このような構成とすることで顧客からの機能追加や変更に柔軟に対応できる。また，通信処理を完全に流用できる構成とすることで，今後のCC-Link IETSN の仕様変更に素早く対応できる。図 7. S/W 構成各種アプリケーション(a) モード切替機能ディップスイッチのみで簡単にパラメーターやLED 表示切替の設定を行えるようにした。これにより，工場内の分散配置されたリモート局製品に対して，顧客がエンジニアリングツールなしで直接設定の変更や状態の確認を行うことができる。また，コンフォーマンステストを行う際，各種試験項目に応じた設定切替えを容易にできる。表 11. ディップスイッチの機能割付けBit 機能 設定0 リンクアップ設定 ON ：100Mbps リンクアップOFF：1Gbps リンクアップ1 H/W テスト設定ON ：H/W テストモードOFF：ネットワーク通信モード2 RY/RX 折り返し設定 ON ：RY→RX 折り返しOFF：GPIO の通常入出力3 LED 表示設定 ON ：RX で表示OFF：RY で表示4 サイクリック受信データHOLD/CLEAR 設定ON ：CLEAROFF：HOLD5～15リザーブ(ユーザー定義可能)-(b) 状態通知機能サイクリックデータは表4 に示すとおり各RWr につき16bit である。RWr0～14 は，通常の制御データを送信するために使用する。RWr15 を状態通知用のシステム予約領域として定義し，各bit を表12 のように定めた。顧客がこのRWr15 をエンジニアリングツールに取り込むことで本開発品の状態を容易に把握でき，システムの停止等を迅速に行うことができる。表 12. RWr15 の機能割付けBit 機能 更新条件0 Ready 通知 サブ基板装着時，ON1 エラー発生通知 解列・サブ基板が脱着・Fatalエラー発生時，ON2 異常時のサイクリックデータHOLD 通知表11 のディップスイッチBit4 がOFF かつ，解列・サブ基板が脱着・Fatal エラー発生時，ON3 異常時のサイクリックデータCLEAR 通知表11 のディップスイッチBit4 がON かつ，解列・サブ基板が脱着・Fatal エラー発生時，ON4～7I/O サブ基板装着状態 0x0：未装着0x1：デジタルI/Oサブ基板装着中0x2：アナログI/Oサブ基板装着中8～15リザーブ(ユーザー定義可能)-7. 開発成果7.1. 認証クラスB 取得認証クラスB を取得するには，コンフォーマンステストのH/W 試験，S/W 試験，プロファイル記述確認，エージング試験の4 つに合格する必要がある。H/W 試験以外については当社内で実施し，H/W 試験については機材手配ができないことから外部委託という形をとった。結果，コンフォーマンステストに合格し認証クラスB を取得した。R-IN32M4-CL3開発キット(通信処理)CC-Link IE TSN/Field　Moduleその他周辺回路SLMP機能処理サイクリックI/O処理S/W(流用)H/W凡例S/W(変更)ユーザープログラムR-IN32M4-CL3周辺回路ドライバーH/Wテスト処理LED更新処理S/W(新規)ディップスイッチ変更検出処理イベント処理アプリケーション処理CC-Link IE TSN リモート局 認証クラスB 対応製品開発技術の確立67.2. 受託開発を見据えた技術力の獲得5.2 節に示した3 つの観点について，本開発での達成度を表13 に示す。表 13.本開発の達成度機能仕様 説明 達成度流用性今後の機能追加やカスタマイズを考慮したH/W，S/W 構成とすることで流用性を満たす設計を行うことができた。○使用性顧客がディップスイッチ操作にて容易にパラメーター設定やLED表示内容変更を可能とするなど，使用性を向上できた。○実用性実用性を考慮して基板の小型化や汎用化を目指し，目標と同等の基板サイズで実装できた。○8. 今後の課題8.1. 受託開発に向けた競争力の強化今後の受託開発に向けた課題を以下に示す。(1) 基板の更なる小型化表13 に示すように，目標と同等の基板サイズを実現できた。しかし基板サイズは顧客のニーズに沿って変更する必要があるため更なる小型化を目指す。そのために使用数が多い抵抗やコンデンサーを一段階小型の物に変更することが必要である。(2) アナログI/O サブ基板の追加本開発品では，サブ基板としてデジタルI/O サブ基板のみ製作した。今後温度センサー等顧客のニーズが多いアナログ信号を扱えるようにするため，アナログI/O サブ基板の設計及びそれに対応したS/W 設計技術を獲得することが必要である。(3) アプリケーションの拡充本開発で搭載した通信速度切替やLED 表示切替等の他，製品レベルで必要な機能に対応できることを目指す。そのためにシリアル通信によるデータ送受信機能や通信負荷表示機能を搭載する。8.2. プロモーション活動の推進今後，製品開発を受託する上でのプロモーション活動について，以下に示す。(1) 展示会での技術PRCLPA が主催する各種セミナー及び社外の展示会にて，本開発品製作実績のPR を行う。(2) 顧客ニーズの調査CLPA と連携して顧客ニーズの調査を実施し今後の改善点を抽出する。(3) 評価用基板としての製品化本開発の基板を評価用基板として製品化し，CC-LinkIE TSN 認証クラスB 導入予定の顧客に貸し出し又は販売する。9. むすび開発の目的であるCC-Link IE TSN リモート局認証クラスB の取得，及び対応製品の設計・開発を市場から受注するために必要な技術獲得を達成できた。今後も継続して課題解決に取り組むことで受注獲得・拡大を果たし，産業用ネットワーク市場シェア拡大へ貢献する所存である。商 標(1) CC-Link 及びCC-Link IE TSN は，三菱電機(株)の登録商標である｡(2) IEEE は， the Institute of Electrical andElectronics Engineers， Inc. の登録商標である。(3) GX Works は，三菱電機(株)の登録商標である。(4) Ethernet 及びイーサネットは，富士ゼロックス(株)の登録商標である。(5) R-IN32M4-CL3 は，ルネサスエレクトロニクス(株)の商標である。参考文献(1) CC-Link 協会 HP：https://www.cc-link.org/ja/執 筆 者 紹 介里中 大紀（さとなか たいき）2016 年度入社。FA 製品に関するS/W 開発に従事。現在，第４事業部 FA 制御技術部 FA 制御技術第1 課に所属。米良 滉太郎（めら こうたろう）2017 年度入社。FA 製品に関するH/W 開発に従事。現在，第４事業部 FA 制御技術部 FA 制御技術第１課に所属。