市販PCのIPC化について

1. はじめに
- Specification
2. ソフトウェアインストール
- 2.1. Visual Studioのインストール
- 2.2. TwinCAT3のインストール
3. TwinCAT3対応NIC (Network Interface Card)
- 3.1 NICの準備
- 3.2. NICの取付
- 3.3. TwinCAT Realtime Ethernet Driverのインストール
- 追記 (2023.07.28)
4. Windows テストモード
- 4.1. セキュアブートの無効化
- 4.2. ドライバー署名の強制の無効化
- 4.3. テストモードに移行
5. リアルタイム処理の安定化
- 5.1. CPU CoreのIsolation
- 5.2. CPU Coreの確認
- 5.3. 実行中のパフォーマンス（例）

1. はじめに

EtherCAT Masterとしてリアルタイム動作するIPC (Industrial PC)といえばBeckhoff Automation社製のものが有名ですが、昨今の情勢で納期がかなり延びています。

そこで製品搭載までの繋ぎの研究開発用だったり、非商用の個人レベルの開発でも気軽にIPCを使えるように、市販のPCをIPC化するための手順を記しておきたいと思います。

今回使用したPCはコスパが高くて評判のミニPC ThinkCentre M75q Tiny Gen2です。

Specification

OS: Windows 11 Pro 64bit
GPU: AMD Ryzen™ 5 PRO 5650GE
Memory: 8 GB DDR4-3200MHz
Storage: 256 GB SSD, M.2 PCIe-NVMe

購入後、メモリは空スロットに16 GB追加、ストレージは1 TBに交換していますが、そのままでも大丈夫です。

また、大きなPCでも置き場所に困らない方には、PCI-Expressスロットが付いているタワーPCの方がより簡単です。

2. ソフトウェアインストール

2.1. Visual Studioのインストール

Beckhoff Automationが提供しているTwinCAT3はVisual Studio開発環境にアドオンする形で使用するため、まずはVisual Studio 2019をインストールします。個人利用の場合はVisual Studio Community 2019、商用の場合はVisual Studio Professional 2019になります。詳細手順はLinkを参照ください。

Visual Studio Installerにて下記の項目のチェックボックスを有効にし、インストールします。なお、TwinCAT C++で開発するための最小構成を示しています。言語パックは必須ではありませんが、Englishを追加し設定しておくことを推奨します。

Workload

NET desktop development
Desktop development with C++

Language packs

English

2.2. TwinCAT3のインストール

TwinCAT3には、大きく開発環境PC用のソフトウェアXAE (eXtended Automation Engineering) と実行環境PC用のソフトウェアXAR (eXtended Automation Runtime) の2つの役割に分かれており、開発も実行(リアルタイム処理)も同じPCで行うことも、それぞれの目的に応じてPCを分けて行うこともできます。インストーラはコチラからダウンロードできます。インストールの詳細手順はLinkを参照ください。今回のミニPCはどちらも十分にこなせる性能がありますので、どちらもインストールしておいて良いでしょう。

3. TwinCAT3対応NIC (Network Interface Card)

3.1 NICの準備

[C:\TwinCAT\3.1\Driver\System]のTcI8254x.infおよびTcI8255x.infをテキストエディタで開くと、TwinCAT3に対応するNICの一覧を確認できます。
Link

この中に記載のあるIntel製のネットワークチップ搭載のNICを購入し、PCに取り付けます。

こちらが今回購入したNICです。Intel製82573Lチップが搭載されています。Amazon等で3,000円弱で購入できます。

NICのインターフェースは基本的にPCI-Expressなので、今回使用するPCには対応スロットがなく、このままでは取り付けられません。
そこで、M.2 Key A/EからPCI-Express X1へ変換するアダプタを購入し、取り付けられるようにします。

PCI-Express側には別途12V電源が必要になるので、USB Portの5Vを12Vに昇圧してくれる昇圧器も併せて購入しました。
ねじ端子付き5.5mmx2.1mm DCジャックコネクタ（メス）も併せて購入しておくと便利です。
Amazonでアダプタは約3,000円、昇圧器は約500円、DCジャックコネクタは約60円/個でした。

3.2. NICの取付

物が揃ったらいよいよ取付です。先述のように今回のミニPCにはPCI-Eスロットが無いため、いったん中を開けてM.2 Key A/Eスロットに刺さっているWireless LAN・Bluetooth Card 9260NGWを外し、変換アダプタを取り付けます。

NICが大きすぎて中に納まらないので、図のようにフレキシブルケーブルを介してPCの天板上に置く感じになります。
USBスロットから昇圧した12VをPCI-E側の該当端子に接続したら完了です。

Wireless LANやBluetooth機能が引き続き必要な場合は、それぞれUSB対応アダプターを購入してください。
Bluetoothは必要だったので購入しました。

3.3. TwinCAT Realtime Ethernet Driverのインストール

Visual Studioを起動し、TwinCAT -> Show Realtime EtherNet Compatible Devicesをクリックするか、「C:\TwinCAT\3.1\System\TcRteInstall.exe」を直接開きます。
[Compatible devices]から取り付けたIntel製NICを選択し、「Install」ボタンをクリックすると、TwinCAT Driverがインストールされます。

[Installed and ready to use devices(realtime capable)]にTwinCAT-Intel PCI Ethernet Adapter (Gigabit)としてIntel製のNICにドライバがインストールされていることを確認します。

元々PCに搭載されているRealtek製のNICに対してTwinCAT Driverをインストールしようとすると、[Installed and ready to use devices(for demo use only)]に移動します。こちらでもXARをRunすることはできますが、動作が不安定になってしまい使い物になりません。

したがって、市販のPCを安定的にEtherCAT Masterとして動かすためには対応するIntel製NICが必須になります。

追記

その後、AliExpressにてM.2 Key A/Eから直接TwinCAT3対応のIntelチップ(I210)搭載のNICを見つけました。これを使うと余計な変換も12V電源も不要になり、見た目がとてもシンプルになりました。TwinCAT Realtime Ethernet Driverのインストールも問題なくできました。