Industry 4.0 対応 PLC の構築

ファクトリー・コントロール・ネットワークの心臓部にはプログラマブル・ロジック・コントローラー (PLC) が使用されています。これは、ファクトリー・コントロール・ソフトウェアをマスタ通信プロトコル・スタックとともに実行するアプリケーション・プロセッサーの周辺に構築されます。PLC アーキテクチャーには、プロセッサーのほかに複数の専用ペリフェラル、バックプレーン、およびカスタム・インターフェイスへのサポートが必要とされ、通常これらは FPGA で実装されます。インテル® SoC は、アプリケーション・プロセッサーと FPGA の両方を 1 つのデバイスに実装できる独自のプラットフォームを提供します。

インテル® SoC による PLC オンチップへの電源供給

プロセッサー、FPGA、およびペリフェラルなどその他の必要な機能をインテル® SoC に統合することによって、消費電力、コスト、およびボードスペースの削減が可能になります。インテルは、シングルチップ上にヒューマン・マシン・インターフェイス (HMI) デザインを統合した完全な PLC の開発を迅速化するために、以下の企業と協力しました。

  • 3S-Smart Software Solutions GmbH 社:主要な PLC ソフトウェア開発会社
  • EXOR International 社:HMI 開発におけるリーダー
  • Barco-Silex 社:セキュリティーおよび暗号化 IP (Intellectual Property) におけるリーダー


その結果実現したソリューションは、FPGA ファブリックでの SSL 暗号化 (プロセッサー・ベースの実装と比較して最大 4 倍高速) を含め、HMI およびOPC-UA によるセキュアなエンタープライズ接続を統合した PLC のシングルチップ実装です。

テストは、特定システムでの特定テストにおけるコンポーネントのパフォーマンスを測定しています。ハードウェア、ソフトウェア、システム構成などの違いにより、実際の性能は掲載された性能テストや評価とは異なる場合があります。購入を検討される場合は、その他の情報も参考にして、パフォーマンスを総合的に評価することをお勧めします。性能やベンチマーク結果についての、さらに詳しい情報は、http://www.intel.com/benchmarks/ (英語)をご参照ください。

インテル® SoC による PLC オンチップの実現

インテル® SoC:

  • SoC のデュアルコア ARM* Cortex*-A9 を同期マルチプロセッシング (SMP) または 非同期マルチプロセッシング (AMP) モードで使用して、PLC アプリケーション・ソフトウェア、イーサネット・マスター・プロトコル・スタック、およびモーション・コントロール・ソフトウェアを実行
  • SoC のハード・プロセッサー・システム (HPS) によって、USB、CAN、イーサネット、タイマー、UART などの多くのペリフェラルを実装
  • FPGA ファブリックを使用して、マルチポート・イーサネット・スイッチや TCP/IP オフロードなどの専用ペリフェラルを実装
  • ヒューマン・マシン・インターフェイス (HMI) を FPGA ファブリックに実装
  • OPC-UA によってエンタープライズ接続する IoT クラウド・サーバーを SoC に実装
  • Open SSL 暗号化アクセラレーション・エンジンを FPGA ファブリックに実装

現在の PLC デザインでは、簡単な操作・保守、オペレーター・トレーニング、情報の可用性、および安全性を実現するために、タッチスクリーンによる 3D GUI (Graphical User Interface) をはじめとするリッチなヒューマン・マシン・インターフェイス (HMI) が広く普及しています。HMI を別のアプリケーション・プロセッサーでデザインすることは、部品コストの面で不利であるほか、チップ間データ通信の面でも無駄があり、HMI プロセッサーと PLC プロセッサー間の遅延やレイテンシーの増加につながります。SoC のハード・プロセッサー・システム (HPS) を使用すれば、これらの問題を軽減できますが、高性能グラフィックスの実行に必要なプロセッサー・サイクルの点で無駄があります。

FPGA ファブリックに HMI を実装してハード・プロセッサー・システムをオフロード

インテルの HMI ソリューションは、ハード・プロセッサー・システムではなく FPGA ファブリックを利用します。このアプローチでは、HMI を PLC と同じ SoC に統合できることに加え、グラフィック・アクセラレーションおよびタッチスクリーン機能をすべて FPGA ファブリック内で実行することにより、HPS が HMI 関連のグラフィックス演算から解放されます。

CODESYS 統合によるドラッグ・アンド・ドロップ・シンボル・ライブラリー

インテルの HMI ソリューションは、Exor International 社の Cyclone® V SoC 用 JMobile Studio Graphics Editor の形で 3S Software 社の CODESYS PLC と直接統合し、ドラッグ・アンド・ドロップ HMI を実現する広範なシンボル・ライブラリーを提供します。それにより、効率的な情報表現に効果的なグラフィック・インターフェイスを構築し、統合された CODESYS PLC と HMI によるプロセス制御アプリケーションの開発を容易にします。

特に、FPGA ファブリックに実装されたインテル® HMI ソリューションは、以下の機能をサポートしています。

  • アクティブ・マトリックス・ディスプレイ・リフレッシュ (TFT、プラズマ、AMOLED)
  • ディスプレイ・パワーアップ・シーケンス制御
  • 32x32 ~ 8192x4096 のディスプレイ解像度、最大 16,777,216 色
  • 8/16/24 ビットデータ出力
  • 複数のフレームバッファー
  • 内部ピクセル・クロック・ジェネレーター
  • RGB8、RGB16、RGB32、ARGB32 フレーム・バッファー・フォーマット
  • マルチレイヤー・ウィンドウおよびオーバーレイ画像アセンブリー
  • レイヤー単位の可変フレーム・バッファー・ジオメトリー
  • カラーキー透過による標準オーバーレイ
  • レイヤー単位のフェーディングによるアルファ・ブレンディング
  • アルファ・マスク・レイヤー・サポート
  • バックライト制御および調光

 

OPC は、産業用オートメーション分野およびその他の業界におけるセキュアで確実なデータ交換のための相互運用性規格です。プラットフォームに依存せず、異なるベンダーのデバイス間のシームレスな情報フローを保証します。この規格の策定と管理は OPC Foundation が行っています。2008 年に公開された OPC Unified Architecture (UA) は、各 OPC Classic 仕様の全機能を 1 つの拡張可能なフレームワークに統合したプラットフォーム独立のサービス指向アーキテクチャーです。

インテルのパートナーである Exor International 社のインテルのシングルチップ PLC デザインは、PLC、HMI、ゲートウェイ、およびクラウドサーバーを 1 個の Cyclone® V SoC に統合し、OPC-UA によるセキュアなエンタープライズ通信に対応します。セキュリティーと暗号化は、インテルのパートナーである Barco-Silex 社の暗号化アクセラレーション IP によって Open SSL で実現します。

インテルのパートナーである Barco-Silex 社の容易に統合可能なセキュリティー/暗号 IP コアにより、PLC アプリケーションにセキュリティーを組み込むことが可能です。FPGA ファブリック・ベースの実装によって優れた性能とセキュリティーが実現すると同時に、スケーラブルな IP コア・フットプリントによってニーズに応じたカスタマイズが可能です。

BARCO Security SoC Solution for Cyclone V SoC は、以下の機能を提供します。

  • カスタム OS またはベアメタル・プログラミング用 API
  • Linux* カーネル・ドライバー
  • OpenSSL 統合
  • ハードウェア・アクセラレーション
  • 対称鍵:AES、SHA、DES
  • 公開鍵:RSA、ECC
  • 真の乱数発生器
  • 容易な統合のための AXI* インターフェイス

インテルの FPGA ファブリック・ベースのセキュリティー IP 実装は、プロセッサー・ベースの暗号化と比較して最大 4 倍の性能向上を実現し、セキュアな M2M およびエンタープライズ通信の帯域幅利用を大幅に効率化します。