EtherCAT

動作の原理

多くのさまざまなアプローチで、イーサネットにリアルタイム機能を提供することが試みられています。たとえば、CSMA/CDアクセスプロシージャを上位レベルプロトコルで無効にし、代わりにタイムスライスやポーリングを使用します。また、正確に時間を制御してイーサネットテレグラムを配信する特別なスイッチを使用する方法もあります。このようなソリューションでは、程度の差はあっても、より迅速かつ正確にデータパケットをイーサネットノードに転送できますが、バンド幅をうまく使用できません。効果的なバンド幅の使用はオートメーション装置では特に難しく、これはデータ量が極めて小さい場合でも、完全なイーサネットフレームを送信する必要があるためです。さらに、出力やドライブコントローラに対する出力先の変更や、入力データの読み取りのために必要な時間は、実装に大きく依存します。また、特にモジュール型I/Oシステムでは、通常はベッコフKバスのようなサブバスが必要です。このようなI/Oシステムは、同期ができて高速ですが、それでもなお、回避できない小さな遅延が常に通信に加わっています。

EtherCATテクノロジによって、ベッコフは他のイーサネットソリューションでのこのようなシステム上の制約を克服しています。EtherCATテクノロジのプロセスには、テレグラムの受信、解釈、プロセスデータのコピーといった継続的な手順は含まれていません。各デバイス(I/Oターミナル)では、フレームがそのデバイスを通過する間にEtherCATスレーブコントローラがそのデバイスへのデータを読み取ります。同様に、入力データはオンザフライでデータストリームに挿入されます。フレーム(この時点で数ビット時間だけ遅延)は既に通過していますが、該当するコマンドをスレーブは認識し、それに従ってコマンドを実行します。この処理はスレーブコントローラにハードウェアで実装されるため、プロトコルスタックのソフトウェアランタイムやプロセッサの性能に依存しません。セグメントの最後のEtherCATスレーブは全デバイスで処理されたフレームを返すため、最初のスレーブデバイスは、そのフレームを応答テレグラムの一種としてマスタに転送します。

イーサネット側から見れば、EtherCATバスセグメントはイーサネットフレームを受信して送信する1つの大きなイーサネットデバイスに過ぎません。ただし、この「デバイス」には下流のマイクロプロセッサを持つ単体のイーサネットコントローラではなく、多くのEtherCATスレーブが含まれています。他のすべてのイーサネットデバイスと同様に、スイッチなしで直接接続を確立でき、これによって純粋なEtherCATシステムを構築します。

ハードウェア内でのプロトコルの完全処理

ハードウェア内でのプロトコルの完全処理 | プロトコルASICが柔軟に設定変更可能。2ビット~64 KBのプロセスインターフェイス

 

ターミナルをイーサネットで接続

イーサネットプロトコルは個々のデバイス、つまり、各I/Oターミナルで有効なので、サブバスは必要ありません。電子ターミナルブロックの要件を満たすために、物理層のみが100BASE-TXまたは100BASE-FXからEバスに、カプラで変換されます。端子台内部でのEバス信号タイプ(LVDS)はEバス独自のものではなく、10 Gbitイーサネットにも使用されます。端子台の終端で、物理バス特性が100BASE-TX規格に再変換されます。

マスタデバイスのハードウェアとしては、オンボードのイーサネットMACで十分です。メインメモリへのデータ転送には、DMA (ダイレクトメモリアクセス)が使用されます。つまり、ネットワークデータアクセスの負荷がCPUから取り除かれます。同じ原理がベッコフのマルチポートカードにも使用され、最大4つのイーサネットチャンネルが1つのPCIスロットに実装されています。

EtherCATスレーブコントローラ(ESC)

EtherCATスレーブコントローラ(ESC) | EtherCATは、I/Oデバイス外部で高速であるばかりでなく、内部でも高速です。デジタルI/Oは、EtherCATスレーブコントローラによって直接操作されます。ローカルファームウェアによる遅延はなく、インストールされているμC性能に依存しません。

 

プロトコル

EtherCATプロトコルはプロセスデータに合わせて最適化されており、イーサネットフレームで直接転送されるか、UDP/IPデータグラムにパック化されるかのどちらかです。UDPバージョンは、他のサブネット内にあるEtherCATセグメントがルータを経由してアドレス指定される場合に使用されます。イーサネットフレームには複数のEtherCATテレグラムを入れることができ、それぞれのテレグラムが最大4 GBのアドレス空間を持つ、論理プロセスイメージの特定メモリ領域として機能します。データの配置は、ネットワーク内のEtherCATターミナルの物理的順序とは無関係です。アドレス指定は任意の順序で行うことができます。ブロードキャスト、マルチキャスト、Peer-to-Peer通信が可能です。

プロトコルは、通常は非周期的なパラメータ通信も処理することができます。パラメータの構造と意味は、幅広いデバイスクラスとアプリケーションで使用可能なCANopenデバイスプロファイルで指定されます。EtherCATは、IEC 61800-7-204に準拠したサーボプロファイルもサポートしています。SERCOSという名前でこのプロファイルは認識され、モーション制御アプリケーションで世界的に普及しています。

マスタ/スレーブ原理に従ったデータ交換に加えて、EtherCATはコントローラ(マスタ/マスタ)間の通信にも最適です。自由にアドレス指定できるプロセスデータ用のネットワーク変数と、パラメータ設定、診断、プログラミング、リモート制御用のさまざまなサービスが幅広い要件をカバーしています。マスタ/スレーブおよびマスタ/マスタ通信用のデータインターフェイスは同じです。

プロトコル構造

プロトコル構造 | プロセスイメージの割り当ては、自由に設定変更可能です。I/Oターミナルのデータは、プロセスイメージ内の指定した位置に直接コピーされます。追加のマッピングは不要です。アドレス空間は 4 GBの大きさがあります。

 

性能

EtherCATはネットワーク性能の新しい次元に到達しました。1,000個の分散された入出力からのデータの更新時間はわずか30 µsです。これには、ターミナルのサイクルタイムも含まれています。1つのイーサネットフレームで、最大1,486バイトのプロセスデータをやりとりできます。これは、ほぼ12,000個のデジタル入出力に匹敵します。このデータ量の転送には、わずか300 µsしかかかりません。

100軸のサーボとの通信が100 µsごとに行われます。このサイクルタイム内で、すべての軸にセット値と制御データ、その現在値とステータスのレポートが提供されます。ディストリビュートクロック技術によって、1 µsを大きく下回るジッターで軸が同期されます。

EtherCATテクノロジの極めて高度な性能が、従来のフィールドバスシステムでは実現できなかった制御コンセプトを可能にしました。そのため、超高速制御ループをバスで形成できます。以前は専用のローカルハードウェアサポートが必要だったファンクションも、今ではソフトウェアで組み込むことができます。非常に広いバンド幅によって、ステータス情報を各データアイテムと一緒に転送することができます。EtherCATは、最新の産業用PCの優れた計算能力に合った通信テクノロジを提供できます。バスシステムは、もはや制御コンセプトの「ボトルネック」ではありません。分散I/Oは、ほとんどのI/Oインターフェイスを使用する場合よりも高速に操作できます。

このネットワーク性能の利点は、中程度の計算能力を持つ小型のコントローラでも明らかです。EtherCATサイクルは非常に高速であるため、2つの制御サイクル間で実行することができます。したがって、コントローラは常に最新の入力データを入手できます。出力は最小限の遅延で更新されます。コントローラの応答動作が、計算能力自体を上げなくても大幅に改善されます。

EtherCATテクノロジの原理はスケーラブルで、ボーレートが100 Mbaudに限定されません。Gbitイーサネットへの拡張が可能です。

 

PCIに代わるEtherCAT

PCコンポーネントの小型化が進むにつれて、産業用PCの物理的サイズは、必要なスロットの数によって決まることが多くなりました。高速イーサネットのバンド幅は、EtherCAT通信ハードウェア(EtherCATスレーブコントローラ)のデータ幅と共に新しい可能性を開きました。従来IPC内に置かれていたインターフェイスが、EtherCATシステムではインテリジェントインターフェイスターミナルに置かれます。分散I/Oとは別に、軸と制御装置、フィールドバスマスタなどの複雑なシステム、高速シリアルインターフェイス、ゲートウェイ、その他の通信インターフェイスをPCの1つのイーサネットポートで対処することができます。プロトコルタイプに制約のないさらに進んだイーサネットデバイスも、分散スイッチポートターミナルで接続することが可能です。セントラルIPCが小型化されて費用対効果がさらに高くなり、1つのイーサネットインターフェイスで十分に周辺装置との完全な通信が行えるようになりました。