ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化
Panduit および Fluke Networks

ホワイトペーパーネットワーク接続の活用

はじめに
イーサネットテクノロジーはほぼすべての業界で、自動制御用に標準化されるように進化しています。これらの業界の多くでは、コントローラーはイーサネットでアップストリーム通信するように設定されていますが、RS-485 やその他のシリアルおよびアナログ物理層を使用してデー
タを取り込んでいます。IEEE 802.3cg や IEEE 802.3bu などの IEEE シングルペアイーサ
ネット (SPE) 規格や、現在開発中の関連する規格は、操作用機器のイーサネットテクノロジーに向けた歩みを続けることが予想されます。これらの規格により、1 つのツイストペアの導体でイーサネットの通信および給電が可能になりますが、シングルペア導体は以前はシリアルおよびアナログ通信の領域でした。
テクノロジーの進化とともに、実際の用途を従来のテクノロジーからイーサネットベースのソ
リューションに移行する必要が生じています。専門家は、この移行は 5 年から 10 年の期間で起きると考えています。この移行を前提として、
エンドユーザーはこの将来のテクノロジーにいったいどのように備えるのでしょうか。既に持っている従来のインフラやトポロジーを新しいイー
サネットベースのシングルペアデバイス用に再利用できるでしょうか。現在、最新型のシリアル
およびアナログのデバイスを導入しているのであれば、そのためにイーサネット対応のインフラを使用できるでしょうか。
このホワイトペーパーでは、シングルペアイーサネット (SPE) 用途向けに従来の配線およびト
ポロジーを使用することと、従来の用途向けにシングルペアイーサネットシステムを使用することについて評価します。

2 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

フィールドバスネットワークおよびテクノロジー
産業用オートメーションネットワークおよびビルディングオートメーションネットワークには、互いにいくつかの類似点があります。具体的なフィールドバスシステムについて議論する前段としてこれらの類似点を確認しておくと役に立ちます。フィールドバスネットワークは一般に以下のような特徴を備えています。
• 製造プロセス、労働者の快適性と安全性、最新の施設のその他多くの要素に関する変数を測定して制御します• エッジデバイス (センサーやアクチュエーターなど) は、従来からレガシープロトコルを使用して OT ネットワー
クに接続しており、その多くは RS-485 物理レイヤーを使用し、一般的なメディアとして 18 AWG シールド
ツイストペアが選択されます• 通常はコネクターを使用せず、接続はふつう端子板 (ネジ端子) で行います。これらの接続は、許容可能な性能を実現するには施工の良さに大きく依存します• 低いデータレートで長距離となることが多く、RS-485 では 31.2 kb/s で 1,000 m を超えます• OT ネットワーク配線は、音声およびデータのネットワーク経路に従わず、音声とデータのネットワークで見られるリンク長に準拠しません• 最大 18 AWG までの大きい寸法のワイヤーを必要とする少量の電力 (1W 以下) を供給することもあります

シリアルおよびアナログの通信システム
次に、いくつかの通信システムとそのトポロジー、物理インフラストラクチャ、および産業ネットワークやビルディ
ングネットワークでそれらがどのように使用されるかの詳細について要約します。

3 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

HART™ (Highway Addressable Remote Transducer) 通信プロトコル
HART は世界各国の装置産業で使用されているオープン規格で、多くの製品が敷設されています。HART では、
アナログ配線 (従来は 4 〜 20 mA) を使用して、スマートデバイスと制御システムの間でデジタル情報を送受信します。アナログプロセス値は、デジタル信号が送信されるのと同じ配線を使用して送信されます。HART では、既存のアナログ制御機器とプラント配線を保持することができます。
HART によってアナログ信号に重畳されたデジタル情報は、診断データと保守データを提供します。システムを制御するために HART 装置を接続する最も一般的な方法はポイントツーポイントトポロジーですが、マルチドロップも使用できます。マルチドロップネットワークにはさらなる設計作業が必要ですが、更新レートはずっと遅くなります。電気的な問題により、プロセス値のためのアナログ信号が使用できなくなったため、すべてデジタ
ルのネットワークとして運用されます。理論的には、HART プロトコルの最大送信距離は 3,000 m ですが、これはデバイスの数と、ケーブル設計の電気的特性に左右されます。フィールドデバイスの取り付けは、通常は10 〜 50 m の範囲になります。HART ネットワークでは RS-485 タイプのケーブルが一般に使用されます。通常の取り付けでは、シールドシングルペア 22 AWG ケーブルが必要です。距離が長い場合は、最大 18 AWGのさらに大きい寸法のワイヤーが必要になります。

フィールドバス
帯域幅

最高レート

最大距離

3,000 m

1,200 bps

ポイントツーポイント (オプションとしてマルチドロップ)

トポロジー

HART

4 〜 20 mA アナログ

4 〜 20 mA アナログ

HART 信号

HART 信号＋インフラストラクチャ

18 〜 24 AWG ツイストペア(例: 3105a、9841)

図 1: HART プロトコルの要約表

4 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化

＋

ネジ端子

ネットワーク接続の活用

BACnet MS/TP
BACnet MS/TP はビルディングオートメーションの用途に広く使用されているプロトコルです。北米では、
BACnet プロトコルはビルディングオートメーションの用途の独占的な市場シェアを持っています。BACnet MS/
TP (マスタースレーブ/トークンパッシング) プロトコルは、複数のマスターを持つトークンパッシングに基づくピア
ツーピアネットワークです。トークンとは、ネットワーク内のデバイス間で渡される情報のパケットです。BACnet
MS/TP フィールドバスではデータ送信の物理レイヤー規格として RS-485 を使用します。ケーブルは、特性イ
ンピーダンスが 100 〜 130 オームのシールド (フォイルまたは編組) ツイストペアケーブルです。通信ケーブル
は、デイジーチェーンとしても知られている線形バスで設定されます。つまり、図 2 に示すように、1 本のメインケーブルがあり、他のネットワークデバイスは、その経路に沿って直接接続されます。BACnet MS/TP フィールドバ
スネットワークは、18 AWG ケーブルでの最大ケーブル長が 1,219 m (4,000 フィート) です。リピーターと呼ばれる電源を備えたデバイスを使用して、幹線の長さを延長することができます。

フィールドバス
帯域幅
物理レイヤー

最大距離

76,800 bps @ 1,200m

最高レート

115,200 bps @ 1,000m

ANSI/TIA-485-A (一般的に RS-485 と呼ばれます)
デイジーチェーン / バス

トポロジー

BACnet MS/
TP

インフラ
ストラクチャ

18 〜 24 AWG ツイストペア(例: 9841、3106A)

図 2: BACnet プロトコルの要約表

5 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化

ネジ端子

ネットワーク接続の活用

従来のアナログデジタルフィールドバステクノロジーが主流になる前、ほとんどのネットワークは簡単なアナログ通信に頼っていました。この通信は通常、0 〜 10 ボルト DC または 4 〜 20 mA の形式の直流の電気的な基準を提供する、コントローラーからデバイスへの一方向の信号でした。この信号の物理メディアはシールドツイストペアケーブ
ルで、通常は 22 AWG または 18 AWG で、ポイントツーポイントケーブルで接続されます。ケーブルは通常、ネジ端子、バネ付き端子板、または何らかの種類の圧接接続で接続されます。他のデバイスからの電気妨害を低減するため、シールドケーブルが使用されます。PLC およびコントローラーでは、本当の信号を分離するためにフィルターが使用されます。ケーブルの電圧降下のため、電圧信号の距離は制限されます。一般的な推奨として、
電圧信号 (0 〜 10 VDC など) の場合は 50 フィートを超えないようにし、電流信号 (4 〜 20 mA など) の場合は500 フィートを超えないようにします。ただし、アナログ回路全体の抵抗を計算して設計を最適化することによって、もっと長い距離を実現することができます。
この設定は電気的に堅牢であるため、幅広い種類のケーブルを使用できます。アナログシステムは、適切に設置されればうまく機能し、費用対効果も高いため、現在でも使用されています。アナログ信号インターフェイスは一
般的に、連続的な位置センサーや基準信号 (速度や位置など) のような用途で使用されます。下図は、アナログ
入力信号で可変周波数駆動の速度を制御する例と、アナログ信号をコントローラーに送り返すセンサーで位置を監視する例の 2 つのアナログ信号を示しています。この設定はコスト効果が非常に高いですが、提供される機能は限定されます。アナログシステムは、使用できるデータおよび制御情報の量が制限されているため、フィール
ドバステクノロジーが望ましい代替策となります。

フィールドバス
帯域幅
物理レイヤー

最高レート
連続的

距離

500m 以上

0 〜 10 VDC または 4 〜 20 mA
ポイントツーポイント

トポロジー
アナログ

速度基準

4 〜 20 mA 入力

インフラ
ストラクチャ

位置基準

4 〜 20 mA 出力

18 〜 24 AWG ツイストペア(例: 8761)

図 3: アナログ通信の要約表

6 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化

ネジ端子

ネットワーク接続の活用

PROFIBUS DP/PAPROFIBUS には 2 つ の 種 類 があり、 それぞ れ に独自の 物 理レイヤー要 件 があります。PROFIBUS DP(Decentralized Peripherals: 分散周辺機器) は、RS-485 ネットワークをベースに、ファクトリーオートメーショ
ン、モーションコントロール、危険を伴わない場所のプロセスオートメーションなど、様々な用途に対応しています。
PROFIBUS PA (Process Automation: プロセスオートメーション) は、危険物、防爆、本質安全のアプリケーショ
ン向けに設計されており、PROFIBUS DP ネットワークと共存することができます。Profibus DP と PA では全
く同じプロトコルが使用されますが、使用される通信物理レイヤーは異なります。どちらの種類もさまざまなトポ
ロジーをサポートします。PROFIBUS DP は RS-485 に基づいていますが、通常の RS-485 ネットワーク (通常は 120 オームの特性インピーダンス) とは若干異なるケーブル (150 オームの特性インピーダンス) を使用することが推奨されています。

PROFIBUS PA 物理レイヤーは MBP (Manchester encoded bus powered) で、データと電力を同じ 2 本のケーブルで送信します。MBP は本質安全操作をサポートするため、この物理レイヤーでは危険な環境での使用が可能になります。通常、PROFIBUS PA と DP は同じネットワークで使用されますが、物理レイヤーが電気的に異なるため、中継デバイスが必要になります。PROFIBUS PA では、通常は 18 AWG シールドケーブル
である IEC 61158-2 タイプ A ケーブルを使用します。これはシングルペアイーサネットの用途に使用されるものと同じ種類のケーブルです。最大 1,200 m の距離が可能ですが、データレートは低く、約 9.6 kbps になります。
12Mb/s の送信レートを実現するには、ケーブルは約 100 m に制限する必要があります。

フィールドバス
帯域幅
物理レイヤー

最高レート

最大距離

12Mb/s (DP)31.25 kbits/s (PA)1,200m (DP)MBP または ANSI/TIA-485-A
フィールドデバイス

コントローラー

T

トポロジー

PROFIBUS DP

セグメント結合および電力供給T
PROFIBUS PA

および PA

フィールド分配器
(保護)

終端装置
T

幹線
支線
エッジデバイス

インフラ
ストラクチャ

18 〜 24 AWG ツイストペア
IEC 61158-2

図 4: PROFIBUS プロトコルの要約表

7 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化

ネジ端子

ネットワーク接続の活用

FOUNDATION Fieldbus™ H1「フィールドバス」という用語は一般名詞で、フィールドデバイスに接続するあらゆるバスのことを示します。
FOUNDATION Fieldbus (FF) は、もともと 4 〜 20 mA のアナログテクノロジーを強化して置換するためのものだった特定のフィールドバスです。FF は主に、石油、ガス、石油化学業界のほか、プロセス業界でも使用されています。FF はすべてデジタルのパブリッシャー /サブスクライバー通信ネットワークで、PROFIBUS PA と同様に危険な場所でも使用できます。FF のトポロジーには、ポイントツーポイント、幹線/支線、デイジーチェー
ン、ツリーのほか、これらのサポートされているテクノロジーの組み合わせが使用できます。

FF では最適な性能を得るために、IEC 61158-2 要件、タイプ A バリアントに適合したケーブルが推奨されています。IEC 61158 要件の他のバリアント (タイプ B など) も使用できますが、システム速度や送信距離が低下します。最も最適化された FF の取り付けは、IEC 61158-2 タイプ A ケーブル (ドレイン線付きのシールド 18
AWG ケーブル) を使用して設定されます。これはシングルペアイーサネットに使用されるものと同じ構造です。

フィールドバス
帯域幅
物理レイヤー

最大距離

最高レート

1,900m31.25 kbits/s

MBP (Manchester encoded bus powered)フィールドバスデイジーチェーントポロジー
フィールドバス
ホスト

T
終端装置

T
H

L

H

L

H

L

H

L

フィールドバス フィールドバス フィールドバス フィールドバス
装置
装置
装置
装置

トポロジー

FOUNDATION
Fieldbus

フィールドバス バストポロジー
フィールドバス
ホスト

ジャンクション
ボックス

T

終端装置

T

幹線
支線

H

L

H

L

H

L

H

L

フィールドバス フィールドバス フィールドバス フィールドバス
装置
装置
装置
装置

インフラ
ストラクチャ

18 〜 24 AWG ツイストペア
IEC 61158-2 タイプ A

図 5: FOUNDATION Fieldbus プロトコルの要約表

8 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化

ネジ端子

ネットワーク接続の活用

フィールドバスネットワークの検証と将来性の保証
従来のフィールドバスネットワークでは、システム全体の試運転および検証についての強い文化があります。検証は通常、システム機能レベルで実行されます。従来のフィールドバスネットワーク検証手順では、高性能のイー
サネット通信ネットワークで行われるような物理インフラ通信ネットワークの性能の測定や評価は通常行われません。
フィールドバス物理インフラの検証は、通常は次の手順で行います。
- 当該用途で実証済みであるか、オートメーションの製造元によって推奨されている特定ブランドのコンポーネントとケーブルを使用する- 導通試験および信号品質試験を実施する- デバイスを接続し、すべてが認識されて応答しているか検証する- 最大の通信負荷をかけて一定時間失敗せずに動作させる

この方法でのフィールドバスシステムの評価は長年にわたってうまくいっていましたが、ユーザーは次の 3 つのリ
スクにさらされます。
• 第 1 に、これらの手順はケーブルインフラの検証ではなく機能的な性能評価であるため、システムは実行するように設計されている機能に対して検証されるのであって、フィールドバスシステムの将来のアップグレー
ドに対して必ずしも検証されるわけではありません。別の言い方をすれば、従来のフィールドバス試運転手
順では、将来の用途やアップグレードのための物理インフラの適合性を確認するために使用できるベースラ
イン設置データが生成されません。

• 第 2 に、検証はシステム全体として行われるため、発生した問題が物理インフラに関連しているのか、あるいはシステムに機器の異常があるのか診断することが困難になる可能性があります。システム性能に十分な信頼を得るには、数カ月にわたる苛酷なデバッグと、その後の数年にわたる正常な運用が必要になることもあります。

• 第 3 に、検証は、実行されたときの条件での操作のみ証明します。ケーブルが異なる条件 (温度、電磁妨害、
湿度など) で適切に機能を継続することは保証されません。

9 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

次世代型フィールドバスへの進化
フィールドバスとアナログ通信システムの評価に着手するためのもう 1 つの方法は、シングルツイストペアケーブ
ルでの高周波データ送信性能を測定するために特別に設計された試験方法を利用することです。
初期の結果では、IEC 61156-13 および -14 (ドラフト) および TIA-568.5 (ドラフト) に記載されているシングル
ペアイーサネットの試験方法とパラメーターを使用して、フィールドバスとI/Oインフラの性能を検証できることを示しています。これらの試験では、幅広い範囲の周波数でのケーブルの客観的かつ測定可能な性能が提供されており、従来のケーブルシステムが現在および将来の用途をどの程度サポートするか識別するのに役立ちます。

次世代通信のためのフィールドバスケーブルの使用
フィールドバスシステムは、イーサネットへの移行を既に始めています。つい最近の 2018 年には、産業オート
メーションノードの新規設置数は、従来のフィールドバスノードと産業用イーサネットノードとの間で均等に分かれていました。それから 3 年後、同じ出典からのデータによれば、産業用イーサネットノードが、設置されるノードの 65 パーセントを超えるようになっています。複数の業界では、通信プロトコルを担当する規格団体によって、通信プロトコルがイーサネットと従来のフィールドバス物理レイヤーの両方をサポートするように規格が変更されました。ODVA はユーザーの産業用イーサネットのニーズを満たすように EtherNet/IP を開発しました。これは DeviceNet や ControlNet のような先行する従来のフィールドバスプロトコルと CIP (Common Industrial
Protocol) を介してシームレスに統合するように設計されています。別の例として、PROFINET International
はフィールドバスプロトコル PROFIBUS を利用して、PROFINET と呼ばれるイーサネットベースのシステムを開発しました。さらに、BACnet 規格を発表した組織である ASHRAE は、BACnet メッセージをイーサネット
フレームの内部で転送する BACnet/IP を開発しました。この移行はほとんどすべての産業用オートメーションおよびビルディングオートメーションのフィールドバスプロトコルで進展しているため、ほほすべての用途で、(2 ペアまたは 4 ペアの銅線であっても光ファイバーインフラであっても) 標準化されたイーサネット物理レイヤーで動作できます。シリアルフィールドバスでは通常シングルツイストペアケーブルが使用されているため、この進化には通常、新しい専用のイーサネットインフラを設置し、1 ペアのシリアルインフラを撤去する必要がありました。

組織

従来のフィールドバス

産業用イーサネット

ODVA

ControlNet、DeviceNet

EtherNet/IP

Fieldcomm Group

FOUNDATION Fieldbus H1

FOUNDATION Fieldbus HSE

Fieldcomm Group

HART

HART IP

Profi International

PROFIBUS DP/PAPROFINETASHRAE

BACnet MS/TP

BACnet/IP

KNX

KNX

KNXnet/IP

図 6: 従来のフィールドバスプロトコルとそれに相当する新しい産業用イーサネット

10 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

シングルペアイーサネットの採用による明らかな利点は、産業用イーサネットアプリケーションがフィールドバス
配線と非常に似た構造のシングルツイストペアインフラ上で実行できるようになったことです。従来のフィールド
バスからイーサネットへのアップグレードのために、既存のシリアルインフラを使用できる可能性があります。この可能性に説得力があるのは、新しいケーブルインストールを排除することで、アップグレードの複雑さを大幅に軽減することができるためです。理想的なケースでは、これは可能なはずです。
アップグレードにあたって注意すべき、シリアルフィールドバスとシングルペアイーサネットケーブルの要件の主な相違点は次のとおりです。
1) SPE は従来のケーブルよりも広い周波数範囲で動作します。従来のケーブルは 100 kHz 未満の動作周波数用に構築されています。10 Mb/s で動作するシングルペアイーサネットネットワークは、最大 20MHz で動作します。この動作周波数の大きな差異は、将来的に 10 Mb/s を超える高速な SPE 仕様になると、より大きな効果が期待できます。

2) SPE およびシリアルケーブルはどちらも、通常 100 オームの公称インピーダンスが必要です。しかし、SPEで使用する周波数範囲が広いため、周波数範囲全体でインピーダンスの要求を満たす必要があります。

3) 周波数範囲が広がると、ケーブルが周波数範囲全体にわたってツイストペアバランス要件と反射減衰量を満たす必要があります。

フィールドバス配線は、将来のシステムよりも低い周波数で動作するよう設計されているため、設置済みのすべてのケーブルシステムが、イーサネットベースのフィールドバスネットワークにアップグレードできるかテストすることがユーザーにとって重要になります。

11 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

フィールドバスおよび I/O でのシングルペアイーサネットの使用
シングルペアイーサネットが業界全体に拡大するにつれ、フィールドバス配線には新たな SPE テクノロ
ジーに備えるためのチャンスがあります。今日使用されている一般的なフィールドバステクノロジ (BACnet、
FOUNDATION Fieldbus H1、HART、PROFIBUS PA/DP など) は、SPE ケーブルに類似したシングルペア
ケーブルで展開されています。では、これは SPE ケーブルがフィールドバスネットワークに使用できることを意味しているでしょうか。多くの場合、答えは「はい」となるでしょう。
以前述べたように、SPE とフィールドバスケーブルの主な違いの 1 つは、高い周波数で動作する能力です。フィー
ルドバス配線では、物理レイヤーのための産業用通信ネットワークを扱う IEC 61158-2 規格 (フィールドバス仕様) を通常参照します。IEC 61158-2 に含まれる一般的な仕様には、タイプ A とタイプ B の 2 種類があります。
たとえば、PROFIBUS PA と FOUNDATION Fieldbus は MBP (Manchester encoded bus powered) 物理レイヤーを使用するため、IEC 61158-2 タイプ A を参照しています。その一方で、PROFIBUS DP および HART は RS-485 に基づいているため、ケーブル仕様は IEC 61158-2 タイプ B バリアントに似ています。
SPE ケーブルは、これらのフィールドバスケーブルに設計が似ていますが、SPE ケーブル規格 IEC 61158-13 (ドラフト) に従います。この規格は、従来のフィールドバスではなく、SPE に固有の高周波数試験に焦点を合わせています。この規格に対する初期の試験によって、SPE ケーブルは、フィールドバスのタイプ A の用途の代わりに使用できることが示されています。ただし、その逆は真でない場合もあります。
タイプ A ケーブルは (他の仕様に加えて) 最大 20 MHz までのインピーダンスレベル試験に対処するため、異なるテスト要件や設計を持つタイプ B ケーブルよりも適合しやすくなっています。タイプ A ケーブルはイーサネット
APL (Advanced Physical Layer) ネットワークにも指定されています。 タイプ B 仕様はタイプ A と比べて、周波数、速度、長さが制限されています。表 1 は IEC 61158 規格からの引用で、従来のフィールドバスネットワー
クで発生するさまざまな伝送速度に対するタイプ A とタイプ B の最大ケーブル長の差を示しています。最も確実な方法は、ネットワークで必要な要件に基づいて、
フィールドでテストを行うことです。しかし、試験と仕様に基づき、SPE ケーブルは、IEC 61158-2 タイプ A ケーブルの用途に代わるケーブルとなります。フィールドバス用途向けに SPE ケーブルを使用すると、将来を見越した物理レイヤーとなります。

表 1: 伝送速度を変えた場合のケーブルタイプ A とケーブルタイプ B の最大ケーブル長
項目

単位

値

データレートkbit/s

9.6

19.2

93.75

187.5

500

1500

3000

6000

12000

ケーブル
タイプ A

m

1200

1200

1200

1000

400

200

100

100

100

ケーブル
タイプ B

m

1200

1200

1200

600

200

70

12 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化

許容されないネットワーク接続の活用

構造化配線
銅線ネットワークケーブルの接続には、構造化と直接接続 (ポイントツーポイント) の 2 つの選択肢があります。
信頼性と長寿命のための好ましい方法は、標準規格に準拠した構造化配線設定です。構造化配線は、今日および将来の音声、データ、動画、制御を含む通信に必要なケーブル管理を体系的に整理した、計画的なケーブル
配線システムです。構造化配線はエンタープライズやデータセンターの配備内において始まりましたが、今ではビルディングオートメーションや産業用システムなどの多くの業界に拡大しています。図 7 は、直接接続構成 (上)と従来の構造化配線構成 (下) の違いを示しています。

図 7: イーサネットネットワークの構造化配線

13 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

構造化配線のメリット• 専用ケーブルが不要• 冗長経路が削減される• 低電圧ケーブルを管理できる• IP デバイスへの移行パスが提供される• 資産管理• 作業量が減少して展開が早くなる• 移動、追加、変更が容易でコストが低下する• 性能を確保するためのテスト可能なリンク• 予定外の停止から速やかに回復するためのパッチング

一般的に、ポイントツーポイント配線は構造化配線よりも耐障害性に劣ります。これは、テスト可能なリンクが存在しないこと、予備のポートを設置できないこと、撚り線導体の使用により到達距離が短くなることなどが理由です。また、ポイントツーポイントシステムでは、動作を回復するには障害のあるケーブルを交換する必要があります。ただし、短い単一接続の実行など、ポイントツーポイント接続に適した使用事例もあります。したがって、一般的な設備には、構造化配線とポイントツーポイント配線の両方が含まれています。構造化配線は、フィールド
デバイスを電気的に接続するために産業分野で利用されています。これは、異なるケーブルを使用すること以外
は、ネットワークの構造化配線と同じ原則です。このためのケーブルは、標準的な工作機械用電線で構成され、端子板を使用して接続されます (図 8 を参照)。

図 8: フィールドバス用の一般的な配線構造構造化された銅線ネットワークチャネルは、パッチコードをデバイスに接続し、パッチコードの一方のプラグをパッ
チパネルのジャックに接続して構成されます。このジャックは、もう片端のジャックまで銅線水平ケーブルで成端されます。図 7 に示すように、パッチコードの片端はジャックに接続され、もう一方の片端はデバイスに接続されて、チャネルが完了します。この構成は 4 ペアのイーサネットで一般的で、SPE のために同じ効果を得ることができます。

14 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

シングルペア通信ネットワークの検証
シングルペア通信ネットワークがビルディングオートメーションまたは産業用オートメーションで使用されている
か、またそれらのネットワークがインターネットプロトコルスタックやシリアルフィールドバス通信を使用しているかどうかにかかわらず、シングルペアネットワークの試験はエンドユーザーにメリットをもたらすことができます。
すべての通信ネットワークでは、イーサネットであれ、フィールドバスであれ、あるいはアナログであれ、電気信号が配線を通って送信され、信号強度の許容できない損失や過大なノイズを生じることなく、受信機に到達することが必要です。S/N 比が大きすぎる場合、アプリケーションは正しく機能せず、データ損失が生じて再送が必要になります。
アクティブな機器とは無関係に配線をテストすることで、ネットワーク上で規格に準拠した機器が動作している場
合、10BASE-T1L や Ethernet-APL などのシングルペアのアプリケーションや、より基本的な通信機器を確実にサポートすることが可能になります。
このような方法で配線をテストすることによって、不適合なケーブルやコネクターのほか、(たとえばチャネル全体で) 取り付け中の施工やトポロジーによって生じた問題を特定できます。

IEEE によって作成されたアプリケーション要件は、TIA および ISO のケーブル敷設要件に拡張されました。これらのケーブル要件には、完成したチャネルや設置を必要とせず、チャネルの個々の要素をテストする機能が含まれています。これらの設置要件のメリットには、デザインの簡素化、システムのさらなる柔軟性、信頼性の向上などがあります。
ケーブル配線に関するこれらの文書には、規格に準拠したケーブルの設置に追加することができ、なおかつ SPEのサポートを保証するパッチコードの要件も示されています。
これは、前述のようにチャネルテストの性能が要求されないため、ネットワーク上の機器の設置や操作によってしか容易に評価できない従来のフィールドバスネットワークとは大きく異なる点です。
テストの主な利点には、次のようなものがあります。
• 規格ベースの相互運用性• 用途または機器のサポートの保証• 性能の文書化• 保証の提出• やり直しおよび施工コストの削減• 遠隔電力レベルの確認• 高周波数で動作する将来の通信基準へのシステムの拡張

15 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

テストのベストプラクティス
ケーブル配線が SPE をサポートすることを確信するためには、TIA-5071/IEC 61935-4 の要件を満たす校正済みテスターを使用して、アプリケーションに必要なリンクまたはチャネル仕様に従ってケーブル配線の性能を試
験する必要があります。
テスターは、動作を保証するために必要な関連するすべての送信パラメーターを測定するほか、材料や製造上の欠陥箇所を特定するため、ネットワークの試運転やトラブルシューティングに必要な時間が少なくなります。
ケーブル性能は、ケーブル仕様をシステムの電気的特性に整合させることによって最適化されます。考慮すべき要素はいくつかありますが、最も重要なものの 1 つはインピーダンス整合です。取り付けられたケーブルは、送信側または受信側の電子機器に接続されるシステムの一部となります。インピーダンス整合により、電子機器が信号をやり取りするための最適な経路がケーブルによって提供されることが保証されます。インピーダンス整合が適切だと、電力伝送が最大化され、歪みや信号損失が最小化されます。あらゆるネットワークで最適に機能する唯一のケーブルはありません。最適なケーブルは、システム設計に整合したものとなります。
インピーダンス整合は、多くの試験方法によって検証できます。挿入損失 (IL) および反射減衰量 (RL) 試験は、元の信号と伝送される信号を比較し、その差をデシベル単位で測定して出力するものです。これらの試験は、ケーブルが使用される周波数範囲全体で実行されます。帯域幅が増加するにつれて周波数範囲も増加するため、これは重要なポイントです。これらの種類の試験は、構造化配線の手法を使用し (「構造化配線」のセクションを参照)、適切なテスト機器を使用する (「テストのベストプラクティス」を参照) ときに現場で実施できます。これ
らの試験は、システムを設置した際の実際の性能を示すものです。アクティブな機器とは無関係にケーブルをテストすることで、適合する機器を使用するときのシステム性能が保証されます。これは将来のトラブルシューティ
ングとネットワーク拡張のベースラインとして役立てることもできます。物理レイヤーの適切な設計とテストにより、システムの性能を当て推量することがなくなります。今日使用されている多くのプロトコルは、物理レイヤーについて類似した要件があるため、今後他の用途で活用することができます。これは適切な設計と検証テストによってのみ実現できます。

16 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

シングルペア伝送パラメーター
入射信号

減衰信号

反射信号

障害: 過剰な長さ、高周波数または高温、過大な反射減衰量、ワイヤー寸法が細すぎる、ケーブル設計の
不良。

挿入損失:

障害: ケーブルとコネクタ、ジャックとプラグ、またはケーブル間でのインピーダンスの不整合、コネクタでの撚り戻し、接続の配置が近い、非対称の撚り、高抵抗の接点、ケーブルまたはコネクタ設計の不良。

反射減衰量:

伝搬遅延:

障害: 過剰な長さ、ケーブル設計の不良。

横方向変換損失 (TCL):
同一ペアのコモンモード（CM）電圧と、同一ペアのディファレンシャルモード（DM）電圧の比。
TCL は、ペアのバランスが良好に保たれているか、外部ノイズに対する耐性があるかどうかを示し
ます。
近端

遠端

CM 信号

DM 信号

ある場合は保護する

図 9: ツイストペアケーブルの一般的な伝送パラメーター

17 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

配線の計画と使用
SPE では、ケーブルの施工方法を変えないので、施工済みの従来ケーブルの種類によっては再利用できる可能性が高まります。これにより、小型のフィールドスイッチをエッジデバイス (HVAC、機械、安全) に直接接続でき、試運転が素早く簡単に行えるため、プロジェクトの完成が早まります。
既に設置済みのケーブルをテストすることをお勧めします。元の仕様で SPE 要件が考慮されていない場合、テストが不可欠です。ケーブルの再利用に固有のリスクは、特に産業環境の場合、設置済みケーブルの電気的および機械的な正常性です。たとえば、SPE 要件が考慮されていないフィールドバス設備で IEC 61158-2 タイプ A
ケーブルを使用した場合、このケーブルは SPE に対応することができます。ただし、フィールドバス設備に使用されているコンポーネントが問題を起こす場合もあります。フィールドテストにより、ネットワークが稼働する前にそれらの問題が見つかるため、トラブルシューティングのダウンタイムのリスクが除去されます。

APL エンジニアリングガイドラインなどの一部の規格では、テストによって従来の配線が新しい仕様に準拠していることを確認する必要性が明確に強調されています。

「受入試験中に、配線の整合性を測定して、今後の使用と計画のために文書化する必要があります。」- イーサネット APL ネットワークの計画、設置、および試運転 - バージョン 1.0

18 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化ネットワーク接続の活用

まとめ
シングルペアイーサネット (SPE) は、既存のアナログ、シリアル、および従来の通信アプリケーションを統合型イーサネットネットワークに進化させるための重要なテクノロジーです。このテクノロジーには、機器を始動する前の物理レイヤーの検証に役立つ物理レイヤーのテスト規格が付属しています。

SPE は、ケーブル構造の類似性とフィールドバスの動作評価から、フィールドバスケーブルのアプリケーションとの後方互換性が期待できる結果を示しています。このデータから、SPE ケーブルはフィールドバスの新規展開に使用でき、イーサネットベースのシングルペアシステムへの移行を将来にわたって保証できることがわかります。
従来のフィールドバス配線は SPE 配線と構造が似ていますが、SPE で発生する高周波数での使用を想定して設計されてはいません。SPE アプリケーションにアップグレードを行う前に、設置済みのフィールドバスケーブルの再利用の実現可能性をテストする必要があります。ケーブル配線インフラストラクチャのテストを行うことで、設置時間とネットワークのダウンタイムが削減されます。ケーブル製造元とテスト機器の提供業者と連携して、準拠性とアプリケーションの保証を確立するような適切なテストを実行することが重要です。

19 ホワイトペーパー – ビルディングと産業用フィールドバスの統合イーサネットインフラへの進化Fluke Networks
World Headquarters
6920 Seaway BoulevardEverett, WA 98203
電話: 425-446-4519

企業のビジネス目標と市場での成功を結び付けるうえで、1955 年以来、パンドウイットが独自の有意義な役割を果たせてきた
理由は、問題解決に対する好奇心と情熱という企業文化にあります。パンドウイットは、データセンターから電気通信室、
デスクトップからプラントフロアに至るエンタープライズ全体の環境に対応する、最先端の物理、電気、およびネットワーク
インフラストラクチャソリューションを創り出します。米国イリノイ州ティンリーパークに本社を置き、世界 112 カ所の拠点で活動するパンドウイットは、品質と技術リーダーシップに関する確固とした評価を得ており、その強固なパートナーエコシステムと力を合わせながら、「つながる世界」におけるビジネスの成長をサポートし、維持し、強化する役割を果たし続けます。
詳しい情報はwww.panduit.co.jp にお問い合わせください。
カスタマーサービスのメールアドレス: jpn-toiawase@panduit.com
電話番号: 03-6863-6060

本稿は、技術的スキルを持つ作業者が自分の判断と責任においてガイドとして使用することを前提に作成されています。パンドウイットのいかなる製品についても、購入者には、使用前に当該製品が目的の用途に適合することを確認する責任があります。また購入者は、それに伴うあらゆるリスクおよび責任を負うものとします。パンドウイットは、この文書に記載された、または記載されていないいかなる情報から生じるいかなる責任も負いません。

パンドウイットのすべての製品には、当該時点で最新の限定製品保証の利用条件および制限事項が適用されます。詳しくは、www.panduit.com/warranty をご覧ください。

* 本書に記載されたすべての商標、サービスマーク、商号、製品名、およびロゴの所有権は、それぞれの所有者に帰属します。

PANDUIT US/CANADA
電話: 800.777.3300

PANDUIT EUROPE LTD.

英国、ロンドンcs-emea@panduit.com
電話: 44.20.8601.7200

PANDUIT SINGAPORE PTE.LTD.

シンガポール共和国

cs-ap@panduit.com
電話: 65.6305.7575

PANDUIT JAPAN日本、東京

cs-japan@panduit.com
電話: 81.3.6863.6000

PANDUIT LATIN AMERICA

メキシコ、
グアダラハラcs-la@panduit.com
電話: 52.33.3777.6000

PANDUIT AUSTRALIA PTY.LTD.

オーストラリア、ビクトリア

cs-aus@panduit.com
電話: 61.3.9794.9020©2022 Panduit Corp. ALL RIGHTS RESERVED. CPAT92--SA-JPN 5/2022