シングルペアイーサネット（SPE）がIIoTのDNAになる？
シングルペアイーサネット（SPE）は、今や産業用データ通信のメガトレンドの1つです。データケーブル配線に1対の電線しか使わないSPEのメリットを理解するには、まずイーサネットと産業用オートメーションの歴史を紐解いてみるのがいいかもしれません。
1970年代、イーサネットは、まだ標準化されていないソフトウェアプロトコルとして、有線コンピュータネットワーク（LAN：ローカル・エリア・ネットワーク）内とローカルに限定されたデータパケット伝送を目的に開発されました。米国電気電子学会（IEEE）は、その後の20年間でソフトウェアプロトコルと物理層（コネクタやケーブルなどの物理インターフェイスを含む）を定義し、802.4（トークン・バス）、802.5（トークン・リング）、そして最後には802.11無線LAN（WLAN）などのさまざまなプロトコルを導入して、現代のインターネットの基礎を築きました。
共通言語
1980年代になると、これと並行して、電気自動化技術の活用が増え、フィールドバス技術の開発が始まりました。基本的な考え方はどれも同じでした。さまざまな通信機器は、一定の方法に従い、共通のシステムを使って互いに通信できなければなりません。しかし、Interbus、DeviceNet、Profibusなどのさまざまなフィールドバスプロトコルは、企業レベルでのコンピュータのネットワーク接続には使用されず、制御・管理レベルでセンサやアクチュエータをシリアル接続、パラレル接続するために使用されていました。
最終的に、2つの伝送プロトコルを並行して開発することにより、今日でも採用されているオートメーションピラミッド構造が確立しました。最上位レベルは、ローカルに限定されたコンピュータネットワークで、大まかな生産計画や詳細な計画の策定に使用されます。下位レベルは、信号、データ、および電力伝送で構成され、物理的な生産工程の記録、制御、調整が行われます（図1）。
図1：パラダイムシフト：SPEは従来のオートメーションピラミッドを覆します。(出典： フエニックス・コンタクト）
ピラミッドの構造は、主にさまざまなレベルの階層論理的なつながりから生まれました。ただし、この構造は、イーサネットによる高速・短距離伝送、フィールドバスによる低速・長距離伝送という、従来の産業用データ伝送のフレームワーク条件を表すものです。
ピラミッドの崩壊
では、いったい何が起きているのでしょうか？ 産業用イーサネット、特にシングルペアイーサネット（SPE）の登場によって、このオートメーションピラミッドが崩れようとしています。EtherNet/IP、Profinet、EtherCATなどのEthernetベースのプロトコルの開発により、企業レベルから現場レベルへのリアルタイムのデータ伝送が可能になったのです。
物理インターフェイスは、データ伝送を埃、振動、電磁放射などの干渉から保護しなければならないため、電気的により強力かつ複雑になりました。そのため、現場レベルでのこうした高まる要件に応えるために、コネクタメーカーはIP6xで保護された特別なイーサネットインターフェースを開発しました。オートメーションピラミッドの頂点の企業レベルや運用レベルでは、IP20ソリューションでまだ十分でした。
データと電力の伝送
これまで、標準化の取り組みは、ますます高速化するデータ速度とケーブル配線技術に対する高い要求に限られていました。これらの要求は、銅ベースのケーブル配線カテゴリのより高い性能クラスによって定義されました。
シングルペアイーサネットは、さらに高い帯域幅や伝送距離を定義するものではなく、アプリケーションに合わせてケーブル配線を減らすための標準的なフレームワークを形成します。IEC 63171-2 (IP20)およびIEC 63171-5 (IP67)規格は、10Mbpsから100Mbpsの低い伝送速度に重点を置いています。たった1対の電線を使ったデータケーブル配線で、最大1000メートルの伝送距離が可能になります（図2）。したがって、SPEは初めて、従来のイーサネットではできなかった、例えばインプロセス技術のような、アプリケーション領域を可能にします。プラントオペレーターにとっての利点は、同一のインターフェイスなどのイーサネットプロトコルに基づいてデータケーブル配線を継続的に実行でき、ピンコネクタパターンを異なる環境で使用できることです。
図2：標準化：現場レベルとデータセンターのデータ伝送速度は、順次標準化されています。(出典：フエニックス・コンタクト）
もう1つの利点は、シングルペアのインターフェイスが、2対や4対のデバイスコネクタやケーブルコネクタよりも大幅にコンパクトであるという点です。ですから、SPEは、産業オートメーション、プロセス技術、ビルディングオートメーション、電気通信インフラなどのアプリケーションにおける、デバイスの小型化や分散化という今後も続く傾向に対応します。SPEはアプリケーションに関わりなく、デバイスを産業用モノのインターネット（IIoT）のDNAに変えることができるのです。
新しいピンコネクタパターンと高い信頼性
米国電気電子学会（IEEE）は、すべてのインターフェイスの一貫した互換性を確保するために、それぞれ10Mbps、100Mbps、1000Mbpsの伝送速度を持つ異なるアプリケーションの標準化に向けて作業部会を結成し、10-Base-T1、100-Base-T1、1000-Base-T1の規格を採用しました。
フエニックス・コンタクト社は、こうしたインターフェイスの標準化を推進する大きな原動力となっています。パートナー企業であるReichle & De-Massari社、Weidmüller社と協力し、接続技術のスペシャリストとして、1対および4対ケーブル用の保護ピンコネクタパターンと非保護ピンコネクタパターンを開発しています。MICEモデルは、機械的堅牢性（M1またはM2/3）、IP保護性能（I1またはI2/3）、耐薬品性および耐気候性（C1またはC2/3）、電磁波安全性（E1またはE2/3）を示しています。
コンパクトなピンコネクタパターンは、多数の通信機器の効率的なケーブル配線に理想的です。4つの通信機器が共通の回線とインターフェイスを共有する場合は、1対の配線でも、4対の配線でも可能です（図3）。インターフェイスが共通であるため、IP20とIP6xのソリューションだけでなく、1対と4対のケーブル配線の概念を混在させることができます。アプリケーションとしては、8 線ケーブル配線を 4 つの通信機器用に 4 つのSPE ストリングに分割することや、8 線デバイスインターフェイス内の個々のペアケーブルの寸法を調整することなどが考えられます。2 線技術によって、同じ 1 対の電線（PoDL ：Power over Data Line ）を介して、最大 60 ワットの出力を持つ端末デバイスに、アプリケーション固有の電源を供給することができます。
図3: 効率的な配線：IP20およびIP6xアプリケーションの配線には、１対および4対のMICインターフェイスが使用されます。(出典：マウザー・エレクトロニクス）
通信技術の未来
SPEは、産業用データ伝送におけるメガトレンドとして、他の標準化の取り組みから独立して捉えることはできません。産業用通信技術の将来のための基本的な枠組みは、さまざまな委員会やプロジェクトで並行して作成されています。OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）、TSN（Time-Sensitive Networking）、5Gなどの新しい通信規格は、センサからマシン、そして上位システムを経てクラウドに至るまでのネットワークの基盤を形成します。
新しい標準規格は、コスト、データスループット、レイテンシ、決定性において、既存のプロトコルやインターフェイスよりも優れています。フエニックス・コンタクトは、産業用通信で30年以上の経験を持ち、関連するすべての標準化委員会に参画しています。その目標は、自動化のための、メーカーに依存しない新しい通信規格を推進することです。
今日、OPC UAは、すでに工場で重畳的な通信標準として使用されており、現在、I/O、安全性、またはドライブアプリケーション向けに、現場で標準化されたアプリケーションプロファイルによって拡張されています。さらに、ネットワークデバイスの均一な構成と診断のために、標準化されたデバイスモデルが定義されています（図4）。
図4：情報（IT）とオペレーショナルテクノロジー（OT）：新しい通信規格は、センサからマシン、そして上位システムからクラウドまでの統合ネットワークの基盤を形成します。(出典：フエニックス・コンタクト）
要約
シングルペアイーサネット（SPE）は、企業・運用レベルのIP20の世界と、制御・現場レベルのIP6xの世界をつなぎ、新しいアプリケーション分野を切り拓きます。その目標は、共通のプロトコル言語と統一インターフェイスをベースに、すべての通信機器をシームレスに接続することです。1対または4対のケーブル配線で済むため、ユーザーはセンサから制御、そして企業レベル、さらにはクラウドに至るまで、効率的なネットワークとケーブル配線構造を構築することができます。また、最大1000Mbpsのデータ速度に加えて、SPEケーブルはエンドデバイスに最大60Wの電力を供給することもできます。