産業用オートメーション機器に適したコンピュータオンモジュール規格の選択

産業オートメーションには、機械制御やデータ分析プラットフォームからロボット組立ライン、視覚検査システム、人間と機械のインターフェース（HMI）など、幅広い高度な電子システムが必要です。これらのシステム内では、多様な周辺機器とのインターフェースを行い、データを最小限の遅延で処理するために高度なエッジコンピューティングが不可欠であり、機器の安全性と最大効率を確保します。

さらに、これらのシステムは過酷な産業環境で信頼性を持って動作しなければなりません。なぜなら、ダウンタイムは製造業者の収益機会を損なうからです。稼働時間を最大化するために、モジュラー機器アーキテクチャは、交換が容易なコンポーネントを通じて迅速なサービスを提供します。適切な計画を立てることで、モジュール性はアップグレードを容易にし、機器のライフサイクルを延ばして収益をさらに最大化することができます。

このブログでは、アップグレード可能なオンボード処理を可能にするアプローチとして、オープンなコンピュータオンモジュール（COM）標準の紹介を行います。その後、産業オートメーション機器の選択基準に関するガイダンスを提供し、同じプロセッサを使用する2つの異なるCOMを比較することで、COM標準の選択が長期的にどのような影響を与えるかを示します。

産業オートメーションにおけるCOMの利点

COMベースの設計は、システムのコアコンピューティングリソースを単一のモジュールに集約し、簡単に取り外して交換できるようにします。これにより、プロセッサがマザーボードに直接はんだ付けされているモノリシックシステムと比較して、修理が劇的に簡素化され、ダウンタイムが最小限に抑えられます。同様に、このアプローチはプロセッサのアップグレードを容易にし、機器のライフサイクルを延ばし、システムを現代化する手助けをします。

オープン標準に基づく市販のCOM（COTS）は、機器の修理やアップグレードを加速する際に、完全にカスタム設計されたものよりもいくつかの追加の利点を提供します：

• 既製のコンピューティングプラットフォームは、市場投入までの時間とコンポーネントの入手可能性を向上させ、開発を効率化します。
• 標準化された統合は、異なるプロセッサチップセットや複数のベンダー間のソリューション間の相互運用性を高め、サプライチェーンの懸念を軽減します。
• 高い統合レベルは、産業グレードの堅牢性をサポートすることが多く、例えば、衝撃や振動に対する事前認証を提供するベンダーもいます。

システムオンモジュール（SOM）とも呼ばれるCOMは、通常、外部接続ポート、ディスプレイ、その他のオペレーター向け機能へのアクセスを提供するカスタムアプリケーション固有のキャリアボードに取り付けられます。同じキャリア設計を維持し、同じ標準とピン配置のCOMに交換するだけで、メーカーは最小限のハードウェア変更で複数の製品世代にわたって製品ラインを簡単にアップグレードでき、開発時間とコストを大幅に節約できます。ただし、COM標準と初期キャリア設計の選択は、アプリケーションに利用可能なインターフェースを設定するため、これらの決定は長期的な影響を持ちます。

SMARC対COM Express – パフォーマンスと実際の実装

多くのオープンCOM標準が利用可能ですが、SMARCとCOM Expressは産業環境に適した2つの標準を提供します。どちらも、産業システムの高帯域幅周辺機器をサポートするために、PCI Express（PCIe）、USB、Gigabit Ethernet（GbE）などの高速インターフェースを提供しますが、両者には基本的な違いがあります。

通常、SMARCは広範なArmと低消費電力x86のサポートを提供し、カメラ用のMIPI-CSIやフラットパネルディスプレイ用のLVDSなど、ビジョンに焦点を当てたI/Oを備えた小型で低消費電力のデバイスに対応しており、モバイル展開に最適です。対照的に、COM Expressは主に高性能x86プロセッサと高帯域幅I/Oをサポートするいくつかのサブタイプを含んでいます。これにより、通常はより高い消費電力を犠牲にしてアプリケーションの多様性が向上します。COM Expressのサブタイプは、ボードサイズ、信号、電力エンベロープの間でトレードオフを提供します。表1は、これらの違いがキャリアボード設計と特定の産業オートメーションアプリケーションにおけるSMARC対COM Express Type 6 Compactの適合性にどのように影響するかを要約しています。

表1: キャリアボード設計とアプリケーション領域におけるCOM標準の影響の比較。

ダウンタイムを削減し、アップグレードを容易にすることを目指す場合、SMARCの広範なArmと低消費電力x86のサポートは、キャリアボードの再設計を最小限または不要にしてCOMの交換柔軟性を高めますが、初期設定時に考慮が必要なI/Oの違いがあるかもしれません。それにもかかわらず、SMARCの少ない高速レーンは、COM Expressよりも低いパフォーマンスの上限を設定し、機能性を制限します。代わりに、COM ExpressはSMARCに対するより柔軟で強力な代替手段を提供し、交換モジュールの調達時に役立つ成熟したエコシステムを持っています。ただし、高いTDPチップセットは、メンテナンスが少ない密閉型のファンレス機器を作成するのがより困難になる可能性があり、定期的なダウンタイム要件を増加させます。

COM標準が機器の機能を定義する方法

産業オートメーション機器を設計する際にCOM標準の選択が重要であることを示すために、以下の比較では、同じプロセッサを持つ2つの異なるCOMを提示し、それぞれの潜在的な違いを示します。

SECOの産業グレードSOM-SMARC-ASLとSOM-COMe-CT6-ASLは、どちらもIntel Atom® x7000REシリーズプロセッサ（コードネームAmston Lake）に基づいており、緊密に調整された自動化タスクに不可欠なTSN（Time Sensitive Networking）とTCC（Time Coordinated Computing）機能をサポートしています。どちらのCOMも最大3つの独立したディスプレイをサポートする統合Intel UHDグラフィックスコントローラを備えていますが、表2に示される詳細な分析では、SOM-SMARC-ASLがグラフィックスとネットワーキングに焦点を当てているのに対し、SOM-COMe-CT6-ASLは高速周辺機器と大容量ストレージインターフェースにシフトしていることが明らかになります。

表2: 異なるCOM標準におけるIntel Atom x7000RE実装の比較。

このように両方のCOMを検討することで、SMARCがIoTゲートウェイやコンパクトなHMIに適している理由と、COM Expressが自動化された組立および検査システムで成功する理由がより明確になります。どちらのCOMも同じプロセッサを中心にしていますが、SOM-COMe-CT6-ASLではIntel Atomプロセッサのワットあたりの高性能が熱管理要件を緩和し、通常のCOM Expressソリューションよりもコンパクトな設計を可能にします。

それでも、ダウンタイムを最小限に抑え、機器のライフサイクルを延ばすためには、特定のチップセットよりも適切なCOM標準を選択することが重要である理由を理解することが重要です。チップセットとパフォーマンスはアップグレード可能ですが、基本的な機能はキャリアとその上にあるCOM標準によって設定されます。

Intel Atomプロセッサに基づくSMARCおよびCOM Expressベースのソリューションの詳細は、SECOの製品ページで入手可能です。

これらのアーキテクチャ上の考慮事項があなたのロードマップに関連している場合は、お問い合わせいただき、技術的な議論を開始し、特定のアプリケーション要件に最適なアプローチを探ることができます。