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■次世代データセンターにおけるPROFINETシステム冗長化■
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"PROFINET System Redundancy in Next-Gen Data Centers"



■重要インフラ・ネットワークへの高可用性の組み込み
□エグゼクティブ・サマリー
現代のデータセンターは、根本的な変革の最中にあります。
人工知能（AI）、機械学習、ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）
といったワークロードの拡大に伴い、新しい施設は規模と複雑さの両面で
増大しています。ハイパースケール・キャンパスの電力消費量は、
かつては産業用製造拠点に見られたレベルに達しており、高度な液冷システム、
水処理施設、蓄電池システム、そして電力会社レベルの配電網が
データセンター環境の標準的な構成要素となりつつあります。
その結果、これらの物理システムを管理するOTは、
それらが支えるサーバーと同様に稼働時間の維持に重要なものとなっています。

これまで、データセンターのレジリエンス（回復力・強靭性）確保に向けた
取組みは、主に機器の冗長化に重点が置かれてきました。
設計者は、冗長化された商用電源の引き込み、予備発電機、無停電電源装置（UPS）、
チラー、冷却塔、ポンプ、ネットワーク接続などを仕様に盛り込んでいました。
こうした戦略は依然として不可欠ですが、可用性に関する課題の一部に
対処しているに過ぎません。これらの資産を調整・制御するインフラは、
ネットワーク化された自動化システムへの依存度をますます高めています。
通信やコントローラーに障害が発生した場合、機械設備や電気設備が
冗長化されていても、それだけでは継続的な運用が保証されない可能性があります。

こうした状況を背景に、産業用高可用性ネットワーク技術への関心が
高まっています。
PROFINETは、冗長化された通信経路、冗長化されたコントローラー構成、
同期された制御システムを維持することで、自動化システム内の
単一障害点（SPOF）を排除するよう設計されたアーキテクチャを提供します。
「Media Redundancy」や「S2 Redundancy」といった機能は、この包括的な
システム冗長化戦略の重要な構成要素であり、ネットワーク・インフラや
自動化コントローラーが利用不能になった場合でも継続的な運用を可能にします。

ハイパースケール施設やAI特化型施設が、電力会社レベルのインフラ環境へと
進化を続ける中、PROFINETのシステム冗長化は、現代のデータセンター事業者が
求める可用性の目標を達成するための、実績あるフレームワークを提供します。

□IT施設から産業用インフラへ



数十年にわたり、データセンターは主にITの観点から捉えられてきました。
建物内のサーバーが価値の源泉と見なされる一方で、配電システム、冷却装置、
施設制御システムは、あくまでそれを支えるインフラと見なされていました。
今日、その境界線はますます曖昧になりつつあります。

最新のAIクラスターでは、従来のコンピューティング環境の数倍に及ぶ
電力密度が求められる場合があります。これに対応し、運用事業者は、
ダイレクト・ツー・チップ（チップ直接冷却）方式、冷却分配ユニット（CDU）、
大規模ポンプシステム、熱交換器、高度な水処理プロセス、高度に自動化された
エネルギー管理プラットフォームなど、ますます高度化する冷却アーキテクチャを
導入しています。同時に、電気システムも中圧配電、マイクログリッド、
蓄電池システム、発電設備、高度な電力品質監視機能を含むものへと
拡張されています。こうした施設の規模が拡大するにつれ、
従来のオフィスビルというよりは、むしろ産業用プロセスプラントに
近い様相を呈するようになっています。インフラ層そのものが、継続的な可視化、
連携、制御を必要とするミッションクリティカルな環境へと変化しているのです。

このような環境において、自動化システムは施設の「運用上の神経系」としての
役割を果たします。数千ものセンサー、ドライブ、コントローラー、リレー、
メーター、フィールドデバイスが絶えず情報をやり取りし、冷却能力の調整、
水流の管理、バックアップ発電の連携、電力負荷のバランス調整を行う
とともに、BMS（ビル管理システム）、EPMS（電力監視システム）、
DCIM（データセンター・インフラ管理）プラットフォームといった
上位監視システムへデータを提供しています。したがって、
こうした自動化ネットワークの可用性は、データセンターそのものの可用性と
切り離せないものとなっています。

□システム要件としての高可用性

従来の冗長化戦略は、機器の故障こそが稼働時間（アップタイム）に対する
最大の脅威であるという前提に基づいています。その結果、運用事業者は
施設全体にわたり、N+1や2N、あるいはそれ以上のレベルの冗長構成を
採用することが一般的です。こうした手法は個々の資産の故障には有効ですが、
それらの資産を連携させる制御インフラに潜む脆弱性を必ずしも
排除できるわけではありません。

例えば、複数の冗長化されたチラー（冷却機）とポンプシステムで構成される
冷却システムを考えてみましょう。機械的な冗長化が完全に
実施されていたとしても、コントローラー間での資産連携を妨げるような
通信障害が発生すれば、運用上の課題が生じる可能性があります。
同様に、バックアップ発電設備が商用電源の停電を支えるのに十分な容量を
備えていたとしても、電源切り替え時にコントローラーの障害が発生すれば、
システム全体の性能に影響が及ぶ恐れがあります。

したがって、可用性は個々の機器の特性ではなく、システム全体の特性として
捉える必要があります。通信ネットワーク、コントローラ、フィールドデバイスは
すべて、強固な運用アーキテクチャの構築に貢献しなければなりません。
このような状況において、PROFINETシステム冗長性は特に重要になります。

□PROFINETシステム冗長性について

PROFINETシステム冗長性は、自動化環境における障害発生時でも継続的な
運用を維持するように設計されています。単一のコンポーネントに焦点を
当てるのではなく、複数の潜在的な障害モードに対応する包括的な
高可用性フレームワークを提供します。このフレームワークにおいて、
メディア冗長性とS2冗長性は、システム全体の可用性を支える基盤となる
機能として連携して機能します。

Media Redundancyは、通信インフラストラクチャ自体の障害に対応します。
S2 Redundancyは、フィールドデバイスが複数のコントローラと
通信できるようにすることで、コントローラレベルの障害に対応します。
これらの機能は、ネットワーク、デバイス、またはコントローラの障害発生時でも
重要なプロセスの制御を中断なく維持するという、システム冗長性のより広範な
目標を支えています。Media RedundancyとS2 Redundancyは、包括的な
高可用性アーキテクチャを構成する相互補完的な要素として捉えるべきです。

□Media Redundancyとネットワーク可用性

Media Redundancyは、メディア冗長プロトコル（MRP）を介して、
物理通信ネットワーク内の障害から保護します。従来のアーキテクチャでは、
ケーブルの損傷、ネットワークスイッチの故障、または偶発的な切断によって、
コントローラとフィールドデバイス間の通信が中断される可能性があります。
このような障害は、可視性の低下、自動化パフォーマンスの低下、
またはプロセスの中断につながる可能性があります。

高可用性PROFINETアーキテクチャでは、冗長な通信経路により、ネットワークの
一部が利用不能になった場合でもデータフローが継続されます。
通信は手動操作を必要とせずに、自動的に代替経路に切り替わります。
データセンターでは、インフラストラクチャ資産が大規模なキャンパスに
分散していることが多いため、この機能は特に重要です。

□S2 Redundancyとコントローラ可用性

MRPがネットワークインフラストラクチャ内の障害に対処するのに対し、
S2 Redundancyは自動化コントローラレベルの障害に対処します。
S2アーキテクチャでは、PROFINETフィールドデバイスはプライマリコントローラと
バックアップコントローラの両方と通信関係を確立します。プロセスを
アクティブに制御するのは1つのコントローラのみですが、フィールドデバイスは
両方のシステムから認識されます。冗長コントローラからデバイスへのアクセスを
確保することで、S2 Redundancyはネットワーク層を超えて制御層自体に
可用性を拡張します。

□データセンターインフラストラクチャにおけるシステム冗長性



システム冗長性の真価は、これらの機能をミッションクリティカルな
インフラストラクチャアプリケーションに適用することで発揮されます。

中央冷却プラントでは、コントローラがチラー、冷却塔、熱交換器、ポンプ、
および関連計測機器の動作を調整します。MRPは分散機器間の通信を保護し、
S2 Redundancyはフィールドデバイスが冗長コントローラから
アクセス可能であることを保証します。これらの機能が連携することで、
通信障害やコントローラ障害が発生した場合でも、冷却運転の中断を
防ぐことができます。

液冷システムにも同様の原則が適用されます。AIデータセンターは、
冷却分配ユニット、二次冷却ループ、温度監視システム、
およびインテリジェントなポンプアーキテクチャへの依存度を高めています。
システム冗長性は、次世代冷却アーキテクチャを支える耐障害性基盤を提供します。

電力システムもまた、重要なアプリケーション分野です。発電所、
中電圧開閉装置、同期制御、保護システム、バッテリーエネルギー貯蔵設備は
すべて、信頼性の高い通信と協調的な自動化に依存しています。
MRPとS2 Redundancyの機能を組み合わせることで、システム冗長性は、
コントローラやネットワークの障害が重要なイベント発生時の運用継続性を
損なうことを防ぎます。

水管理システムも同様に、高可用性アーキテクチャの恩恵を受けます。
浄水施設、ろ過システム、化学処理プロセス、ポンプ場、貯水システムは、
ハイパースケールキャンパスにおける運用目標と持続可能性目標の両方を
ますますサポートするようになっています。システム冗長性は、
個々のシステムコンポーネントに障害が発生した場合でも、
重要な水インフラが運用を継続できるようにします。

□BMS、EPMS、DCIMアーキテクチャの実現

データセンターの運用は、施設全体に設置された数千ものデバイスからデータを
集約するエンタープライズレベルの管理プラットフォームへの依存度を
高めています。このアーキテクチャにおいて、PROFINETはセンサー、計測機器、
ドライブ、コントローラ、フィールドデバイスを接続する運用基盤として
機能します。メディア冗長性は、継続的なデータ通信の確保に役立ちます。

□結論

次世代のデータセンターは、単なる演算性能だけでなく、それを支えるインフラの
高度さによって定義されます。PROFINETのS2 Redundancyとシステム冗長化機能は、
階層化された高可用性アーキテクチャを採用することで、この課題に
対応しています。MRPは通信経路を保護し、S2 Redundancyはコントローラ間の
関係性を保護します。これらが組み合わさることで、ネットワークや
自動化環境内で障害が発生しても継続的な稼働を維持する、
包括的なシステム冗長化戦略が実現されます。


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