EtherCATとは：アーキテクチャ、動作、およびそのアプリケーション

EtherCAT は大手企業によって最初に開発されました。 PLC メーカー、すなわちリアルタイム制御システムで使用されるベッコフ オートメーション & 産業自動化 . Beckhoff Automation は、他のインターフェースの帯域幅の問題に対処するために、1980 年代に LightBus のような独自の Fieldbus バージョンを開発しました。このプロトコルの追加作業により、最終的に EtherCAT が発明されました。 Beckhoff は、2003 年に EtherCAT プロトコルを世界中で開始しました。その後、2004 年に EtherCAT Technology Group (ETG) に権利を寄付しました。ETG には非常に活発な開発者とユーザー グループがあります。この記事では、概要について説明します イーサキャットの基本 – アプリケーションの操作。

イーサキャットとは？

EtherCAT またはイーサネット コントロール オートメーション テクノロジは、非常に高速でより高度な通信を実現するために使用されるイーサネット システムに依存する産業用ネットワーク システムです。そのため、EtherCAT は専用のハードウェアとソフトウェアでデータを処理するために使用される非常に高速なネットワークです。このネットワークは、マスター/スレーブ、全二重構成を使用します。 ネットワークトポロジー .

1000 I/O ポイントの処理にかかる時間は 30 秒で、100 マイクロ秒以内に 100 サーボ軸と通信します。サーボ軸は設定値を取得してデータを制御し、実際のステータスを報告します。これらの軸は、単純な IEEE 1588 バージョンである分散クロック方式によって同期され、ジッターが 1 マイクロ秒未満に減少します。メッセージが次のスレーブに移動される前にハードウェア内で処理されるため、EtherCAT は高速出力を提供します。

EtherCAT アーキテクチャ

メディアへのアクセスを制御するためにマスター/スレーブの原則を使用する EtherCAT ネットワーク アーキテクチャを以下に示します。このアーキテクチャでは、EtherCAT マスターは通常、一般的なイーサネット ポートと、ENI (EtherCAT ネットワーク情報) ファイル内に格納されたネットワーク構成情報を利用する制御システムです。

EtherCAT Network Information ファイルは、加盟店からデバイスごとに提供される ESI (EtherCAT SlaveInformation) ファイルに基づいて単純に作成されます。ここで、マスターノードは、これらのフレームからデータを挿入および削除できるスレーブノードにフレームを送信します。スレーブ デバイスは、EtherCAT マスターを介して通信するためのイーサネット ポートを含む EPOS3 モーター ドライブのようなノードです。ここで、EtherCATマスターは、マスターと異なるスレーブ間のデータ通信を維持するために使用されるコンピューターデバイスです。

EtherCAT はどのように機能しますか?

EtherCAT は、通常、1 つのフレームですべてのノードとの間で制御データを送受信するのに十分な高性能動作モードによって、産業用イーサネットの典型的な障害を克服するために使用されます。 EtherCAT プロトコルはイーサネットの物理層上に構築されていますが、EtherCAT は TCP/IP を使用するのではなく、オンザフライ通信とも呼ばれるトランスポートおよびメッセージ ルーティングにオンザフライ処理アプローチを利用します。

EtherCAT マスターとスレーブの構成を以下に示します。この構成では、Ethercat のマスターは、ノードとも呼ばれるすべてのスレーブ全体にデータ パケット (テレグラム) を送信します。
EtherCAT の主な機能は、上記の構成内のスレーブが、別の方法でテレグラムから必要な関連データを抽出し、2 番目のノードまたはスレーブに移動する前にテレグラムに情報を追加して読み取ることができることです。そのため、テレグラムは接続されているすべてのスレーブ全体に移動し、その後マスターに戻ります。

EtherCAT プロトコルは、マスター デバイスからネットワーク内に接続されているすべてのスレーブにテレグラムを送信します。ネットワーク内のすべてのスレーブは、そのスレーブに適用可能なデータを読み取るだけで、2 番目のノードに移動する前にテレグラムにデータを追加できます。

データの読み取りと書き込みは、EtherCAT のすべてのスレーブで特別な ASIC を介して簡単に実行できます。このアプローチでは、すべてのスレーブが手順に最小限の遅延を導入し、衝突は実現不可能です。

EtherCAT プロトコルは、複数の軸間の同期を実現するための追加のハードウェアを必要とせずに、同期多軸モーション制御と互換性のあるリアルタイムで確定的な通信を提供します。

耐障害性

EtherCAT のマスター & スレーブ構成では、最後のノードの出力がマスターに関連付けられていない場合、データは EtherCAT プロトコルを介して別の方向に自動的に返されます。したがって、タイムスタンプは維持されます。

上記の構成のすべてのノードは、データが取得されるとタイムスタンプを付け、その後、それを 2 番目のノードに送信すると再度スタンプを付けます。その結果、マスターが異なるノードからデータを取得するたびに、各ノードのレイテンシーを簡単に判断できます。マスターからのデータ送信では、各ノードから I/O タイムスタンプを取得して、EtherCAT をより確定的かつ正確にします。

フォールト トレランスとは、EtherCAT のネットワークを上の図のようにリング ネットワークで接続する必要がないことを意味しますが、ツリー トポロジ、ライン トポロジ、リング トポロジ、スター トポロジなど、さまざまな方法で接続できます。組み合わせ。

もちろん、スレーブとマスターの間には接続レーンが必要です。ネットワーク トポロジは非常に柔軟で、優れたレベルでエラーを許容しますが、プラグを抜くと機能しなくなります。

EtherCAT システムでは、イーサネットで見られるようなスイッチは必要ありません。ノード間のケーブル長は最大 100 メートルです。ツイストペア銅線ケーブルの低電圧差動信号は、消費電力が非常に少ない最大速度で動作します。そのため、光ファイバー ケーブル (FOC) を利用して速度を向上させ、デバイス間にガルバニック絶縁を含めることも可能です。

EtherCAT は、2 つのノード間で最大 100m の範囲にあるイーサネット ケーブルを使用します。さらに、このプロトコルにより、1 本のケーブルでデータ伝送と電力供給が可能になります。この種の接続は、センサーなどのさまざまなデバイスを 1 本の線で接続するために使用されます。ノードの距離が 100m を超える場合は、100BASE-FX のように光ファイバー ケーブルが使用されます。 EtherCAT の場合、完全なイーサネット配線範囲も利用できます。

EtherCAT フレーム

EtherCAT プロトコルは、最低 1 つ以上のデータグラムを含む典型的なイーサネット フレームを使用します。このフレームでは、データグラム ヘッダーは、マスター デバイスが実行したいエントレの種類を指定します。

• 読み、書き、読み書き。
• 直接アドレス指定による特定のスレーブ デバイスへのエントリ権、または論理アドレス指定によるさまざまなスレーブ デバイスへのエントリ権。

論理アドレス指定は、各データグラムが EtherCAT プロトコルのセグメント内のプロセス イメージの正確な部分をアドレス指定する周期的なデータ交換のプロセスに使用されます。

すべてのスレーブ デバイスには、確立されたネットワーク全体で、このグローバル アドレス空間内の 1 つ以上のアドレスが割り当てられます。複数のスレーブデバイスが同様の領域内でアドレスを割り当てられている場合、単一のデータグラムと見なすことができます。

EtherCAT では、データグラムにデータ アクセスに関連する情報が含まれているため、マスター デバイスはいつデータにアクセスするかを決定します。

プロトコルの安全性

現在、通信だけでなくデータ転送の自動化分野でも、安全性は重要な機能の 1 つです。そのため、EtherCAT は、データの安全性と制御の両方に唯一の通信システムを許可することにより、セキュリティ目的でプロトコル Safety を使用します。この安全機能は、データを柔軟に変更し、セキュリティ システム アーキテクチャなどを拡張します。

EtherCAT プロトコルの安全技術は TÜV 認定を受けており、IEC 61508 に基づいて開発され、IEC 61784-3 と同一です。このプロトコルは、SIL 3 に相当する安全度水準を通じて、安全アプリケーションに適用できます。

Ethercat 対イーサネット

EtherCAT とイーサネットの違いについては、以下で説明します。

Ethercat 対 Profinet

EtherCAT と Profinet の違いについては、以下で説明します。

Ethercat 対 CANopen

EtherCAT と CANopen の違いについては、以下で説明します。

Ethercat 対 Modbus

EtherCAT との違い モドバス 以下で説明します。

長所と短所

Ethercat プロトコルの利点には、次のようなものがあります。

• EtherCAT は、モーション コントロール アプリケーションで使用される優れたフィールドバスです。
• 柔軟なトポロジ、決定論的なパフォーマンス、およびさまざまな機能セットを通じて、マシンのパフォーマンスを最適化することが検証されています。
• CANopenファミリー全体とSercosのドライブプロファイルをサポートするだけです。これにより、ユーザーは定義済みの基本プロファイルを変更することで、正確なアプリケーションに合わせて EtherCAT ネットワークを簡単に構成できます。
• リングトポロジーによる冗長化も可能。EtherCATもスター、ツリー、ライン、 バス トポロジ .
• このプロトコルは、イーサネットと比較して高速で、データ トラフィックが少なく、ハードウェア コストが低く、クロックの精度と同期メカニズムが優れています。
• このネットワーク速度は、コンピューターがより多くのサイクル数を処理するのに問題がある可能性があるため、管理することもできます。したがって、EtherCAT 内での最適化を実現できます。
• ほぼすべてのトポロジーをサポートしているため、一般的なイーサネット スター トポロジー ベースのスイッチで幅広いアプリケーションで使用できます。
• イーサネット プロトコル 非常に安全で、簡素化されたマスターを使用し、データ容量が多く、処理がオンザフライです。

Ethercat プロトコルの欠点には、次のようなものがあります。

• EtherCAT の主な欠点は、スレーブ デバイスが EtherCAT を実行するために特定の ASIC ハードウェアを挿入する必要があることです。そのデータモデルは非常に異なり、理解するのも非常に困難です。

アプリケーション

の EtherCATのアプリケーション 以下のものが含まれます。

• EtherCAT は、優れたパフォーマンス、シンプルさ、堅牢性、手頃な価格、統合セキュリティ、柔軟なトポロジなどの多くの機能により、さまざまな分野に適用できます。工作機械、ロボット工学、印刷機、プレス機、発電所、変電所、テストベンチ、溶接機、農業機械、クレーンとリフト、風力タービン、フライス盤、ピックアンドプレース機、包装機、測定などのさまざまな分野で使用されていますシステム、製鉄所、紙パルプ機械、ステージ制御システム、トンネル制御システムなど
• 機器、医療機器、機械制御、モバイル機器、多数の組み込みシステム、自動車の測定に適用できます。
• 非常に高性能で、インストールが簡単で、イーサネット アプリケーションで使用されるオープン アプリケーション層ベースのプロトコルです。
• これはリアルタイムでオープンな通信システムであるため、オートメーション製造で広く使用されています。

したがって、これは Ethercatの概要 – アプリケーションの操作。 EtherCAT は、システムとマシンをよりシンプルに、より高速に、より費用対効果の高いものにします。これは、安定性だけでなくオープン性も表す国際的な IEC 規格です。これまで、EtherCAT の仕様は変更されておらず、互換性があるだけで拡張されています。 EtherCAT は、イーサネットの利点と標準のフィールドバス システムのシンプルさを融合させ、IT テクノロジの複雑さを回避するため、「イーサネット フィールドバス」と見なされます。ここで質問があります。イーサネットとは何ですか?