2021年に向けたEtherCATの最新情報

Ethernet for Control Automation Technology（EtherCAT）の基礎は、約40年前に確立されました。今日、EthernetベースのフィールドバスシステムはIEC 61158で標準化されており、高度な産業用オートメーションの幅広い用途で不可欠なものとなっています。

図1：EtherCAT規格のロゴです。（画像提供：EtherCAT Technology Group）

1980年代半ばには、いくつかのオートメーションメーカーがEthernetの台頭を見て、工場の現場でEthernetの利点を活用することが可能かどうかを疑問に思っていました。PCベースの制御システムの経験を有する人の中には、Ethernetの物理的なハードウェアが産業用アプリケーション向けに強化されていないことを知っていた人もいました。より問題だったのは、当時のTCP/IPプロトコルと計算能力が、最先端の自動化に対して遅すぎるということでした。それに、Ethernetのデータは確定的ではありませんでした。一方で、設置ノード数は指数関数的に増加しており、Ethernet接続は非常にシンプルであったため、（その限界を克服できれば）Ethernetのアプローチは既存のフィールドバスよりもはるかに安価で実用的なアーキテクチャになるだろうと考えられていました。

図2：このLAN9252 DIGIOボードは、ハードウェアのみで動作するEtherCATセカンダリデバイスであり、付属のMCUなしで動作します。このボードでは、SFPモジュールを介した通信用にRJ45ソケットまたは光ファイバインターフェースへのデュアルネットワーク接続が可能です。このボードは事前に設定されており、電源投入時にEtherCATセカンダリとしてホストに表示されます。（画像提供：Microchip Technology）

EtherCATの起源の初期と中核的要素

Ethernetの初期の改良点の1つは、RJ45プラグからブルーケーブルへの接続を頑丈にすることでした。工業環境で使用するために、摩耗、衝撃、および複数のフレックスサイクルに耐えることができる強靭で防水性の高い接続を備えたコネクタにする必要がありました。Ethernetを実現可能な技術と見なしたケーブルメーカーは、このようなコネクタの導入を開始しました。最初は、標準的なTCP/IPプロトコルとすでに使用されていた7層標準のOSI（Open Systems Interconnection）に基づいた産業用Ethernet（IE）制御用として導入されました。

図3：産業用Ethernetケーブルには、妥協のないデータ送信を確保し、費用がかさむダウンタイムを防いで安全で安心な機械動作を維持するために、頑丈な耐摩耗構造が採用されています。(画像提供：Getty Images)

このような物理的な接続により、マザーボード上にデータ収集カードを配置し、データ処理と単純なプロセスのための制御信号の提供が可能な産業用制御の新しい形が補完されました。これは、オートメーションにおけるEthernetの使用増加に向けた動きの合理的な最初のステップであり、速度が重要ではないイベント（または、温度、流量、および湿度がかなりゆっくりと変化するようなプロセス変数）でこのような配置がうまく機能しました。

しかし、PCをベースにした自動化制御にはまだ手が届かない状況でした。パケット衝突によりタイミングの一貫性がなくなり、高速生産ラインでのボトル検査や包装機の中でのフライングナイフ方式での動作のように、より高度な動作に必要な秒単位のタイミングとタスクを同期させることができませんでした。このようなオートメーションには新しいアプローチが必要であり、いくつかのメーカーが様々なソリューションを提供しました。その中で最も広く採用されたのがEtherCATです。

2003年に最初にリリースされたEtherCATは、Ethernetベースの通信オプションの中で最速のサイクルタイムを備えていた（そして現在も備えている）ため、すぐにファクトリオートメーションに望ましいネットワークおよび制御アーキテクチャとなりました。1つ注意点があります。EtherCATを最大限に活用するためには (産業用オートメーションの速度と確定性の要件を満たすためには) 、高速制御ハードウェアでバスを補完する必要があり、多くの場合、EtherCAT機能を扱う制御装置内のアプリケーション専用集積回路やASICに依存します。

確定性をもたらすためのEtherCATの基本構造

EtherCATではEthernetデータのテレグラム構造を使用して、プライマリ（マスター制御）と工場フロアのセカンダリ（ノード）センサやアクチュエータとの関係を確立します。この構成の性能を向上させるために、各ノードには安価な小型ASICが搭載されています。

図4：100Mbの物理層（PHY）を持つTMC8462 EtherCATセカンダリコントローラは、リアルタイム通信が可能です。そのデュアルスイッチレギュレータ電源と24V I/Oにより、産業環境での速度を補完します。通常、セカンダリのMC8462コントローラは、ウォッチドッグ、PWM、SPI/I²Cプライマリユニットとペアリングして、デバイスエミュレーションモードまたは外部CPUとの組み合わせで高度な機能を発揮します。（画像提供：TRINAMIC Motion Control）

以下に仕組みを説明します。EtherCATのリングトポロジに沿って移動するテレグラムはプライマリコントローラから始まり、すべてのノードを通過します。各ノードには、オフロードするための命令と、テレグラムに情報を追加するためのデータパケットが用意されています。テレグラムがノードを通過する際に速度を落とすことなく、各ノードのASICが高速で情報交換を行い、テレグラムは次のノードへと素早く移ります。完全に周回すると、すべてがコントローラ内で更新され、別のデータパケットが経路に送信されます。この方式はEtherCATの構造に固有のものであり、パケット衝突を防ぎつつ、各サイクルの終了時にコントローラに対してデータが即座に利用可能になるようにします。テレグラムを放つことができるのは、プライマリ（コントローラ）のみです。

この例ではリングトポロジを使用していますが、全二重システムのため、セグメントの最後のノードが開いている場合は、そのノードからプライマリにパケットを送り返します。

データの確定性を確保するために、EtherCATでは分散クロックを使用します。ここでは、プライマリコントローラが全ノードにパケットを送信し、それに応答して内部クロックを2回ラッチします。1回目はパケット受信時、2回目はプライマリに戻ったときです。このようなルーチン（実際には数回繰り返すことが可能）により、各ノードに関連する伝播遅延の直接測定が提供されます。その後、結果として計算された遅延は、オフセットクロックにロードされます。最後に、プライマリは、シーケンスの最初のノードをバス上にある他のすべてのノードの基準クロックとして設定します。

EtherCATは、この遅延時間を定期的に更新したり、サイクルごとに更新したりするように設定できます。高速データサイクルタイムと分散クロックの組み合わせにより、システム全体が100Mビット/秒のデータレート、0.1ミリ秒未満のジッタで動作し、ほとんどの産業用タスクに十分な性能を発揮します。

図5：自動化された機械の高性能制御の鍵は、確定的な値の取得と出力および、最小応答時間です。次の必要な出力の前に出力コンポーネントで結果が得られる限り、通信や計算が行われる正確なタイミングによる違いはありません。EtherCATはこの機能を提供することにより、離散的なEtherCAT制御ループへの入力（値の取得）に応じて、その値をコントローラに転送（通信）し、コントローラは応答を計算します。（画像提供：EtherCAT Technology Group）

EtherCATには、もう1つの時間管理機能が内蔵されています。特定のセンサ、アクチュエータ、システムはリアルタイム制御に大きく依存しており、サーボモータ、安全装置、エレベータなどはその一例です。EtherCATシステムではこれらのコンポーネントやシステムをサポートするために、システムのプライマリコントローラのプログラミングを行い、重要なデータを優先して設定することができます。重要度の低いコンポーネントではデータ要求や更新が少なくなり、重要度の高いコンポーネントではデータ要求や更新が多くなります。

EtherCATの最新機能のタイムライン

EtherCATの中核は、Beckhoff AutomationのLightbus（1989年リリース）と2003年のFast Lightbus（Ethernetケーブル採用）に遡ります。2005年にEtherCATの仕様が公開され、2007年にはフィールドバス規格としてIEC 61158で成文化されました。Beckhoffをはじめとするメーカーは、正当な国際規格を持つことで、EtherCATの機能を活用しながら下位互換性を維持するための物理的なハードウェアやソフトウェアの開発にいち早く着手しました。

EtherCAT規格を管理しているのはEtherCAT Technology Group（ETG）であり、これはOEMやエンドユーザーが開発を共有し、EtherCAT互換デバイスの相互運用性を確保するための業界団体です。さまざまな取り組みがありますが、中でもこのグループは新しいデバイスが相互運用性規格に適合しているかどうかを検証するために、CTT（Conformance Test Tool）と呼ばれる互換性テスタを開発しています。

EtherCATは様々な業界で広く受け入れられており、継続的な技術革新を支えています。

2008年：XFCによる分散クロック - EtherCAT通信の動作の中核となる分散タイミング特性については、この記事の前のセクションで説明しました。ただし、分散EtherCATクロックはBeckhoffのeXtreme Fast Control（XFC）技術の一部であり、すべてのEtherCATデバイスはEtherCATシステム上の他のすべてのクロックと連続的に同期する独自のクロックを必要とすることを追記しておく必要があります。EtherCATは、クロック間の偏差を100ナノ秒未満に保持し、様々なコンポーネントの異なる通信ランタイムを補正します。タイムスタンプ付きデータは、1つのテレグラム内で特定の制御パラメータのタイミングを絞り込むために使用されます。分散システムクロックは、すべてのシステムクロックを100ナノ秒未満に同期させることを保証し、制御イベントのタイミングは通常、サイクルタイムによって制限されます。XFCでは、タイムスタンプデータにより、データサイクル間のアクティブ化（およびイベント）が可能となり、迅速かつ高精度の制御が実現します。また、200kHzのデータサンプリングレートでデータノイズを最小化します。

図6：このゲートウェイにより、シリアルRS-232/422/485コンポーネントをEtherCAT制御システムに接続できます。Anybus Communicatorと呼ばれ、インテリジェントなプロトコル変換を実行し、シンプルなI/OデータとしてプライマリPLCまたはコントローラにシリアルデータを送信します。（画像提供：HMS Connecting Devices）

2010年代：様々なEtherCAT開発ソフトウェア環境 - EtherCATの初期導入により、統合を容易にするソフトウェアのリリースに拍車がかかり、アプリケーション固有のオートメーション機能の統合を簡素化するためのモジュール付きのソフトウェアが提供されるようになりました。このような初期のモジュールのターゲットは、工作機械業界および必要とされるPLC、NC、CNC、ロボティクス制御でした。今日、EtherCATの使用を促進するソフトウェアは、IEC 61131-3コードおよび、C/C++、Visual Studio、MATLAB、Simulink環境からのプログラミングとの互換性が高まっています。後者の開発では、実装前に制御システムの構築、シミュレーション、最適化を行うことができます。

2011年：サーボ軸への電力とデータの供給を簡素化するEtherCATケーブル - 、モーションシステムのインテグレータ（オートメーション分野に遍在）は長年にわたり、サーボ軸が電気モータ制御、電力、フィードバックのために複数のケーブルを必要とすることに不満を感じてきました。1本のケーブルを使用して、電力および異なる電圧レベルの信号タイプが混在した状態で伝送を行うと、信号ノイズ、レベルシフト、クロストークが発生する可能性があります。しかし約10年前、モーションコンポーネントのサプライヤが（ケーブルのジャケット、シールド、静電容量の緩和、導体サイズや配置に注意を払って）シングルケーブル（電力とデータ）のEtherCATケーブルソリューションを市場に投入し始めました。現在、これらの製品（EtherCAT Pケーブル）は、サーボモータ軸やその他互換性のあるフィールドデバイスに使用されています。

2014年から2017年：多軸およびマシンビジョンシステムのサポート強化 - この数年、さまざまな内蔵安全機能（STO, SOS, SS1, SS2など）を搭載することで、EtherCATソフトウェアは多軸システムを拡張するためのハードウェアのスタッキングを可能にしてきました。柔軟性とモジュール式の配備が必要なロボティクスおよびピックアンドプレースオペレーションで最も役立ちます。また、EtherCATベースのマシンビジョンのサポートも増えてきました。EtherCATの本質的に高速な処理方法との相性が良く、マシンビジョンのリアルタイムデータ要件を容易にサポートしています。一部のソフトウェアでは、マシンビジョンタスクを機械のプログラミングに直接統合してEtherCATベースの制御を実現し、検査、ロボティクス、品質管理のタスクを簡略化することもできます。

2018年：下位互換性を備えたEtherCATの高速バージョン - EtherCAT G（速度1Gb/秒）とEtherCAT G10（速度10Gb/秒）は、オリジナルのEtherCAT構造の使用を可能にしながら、市場でますます強化されているオートメーションコントローラを補完します。これらのネットワークでは、すべてのプロセスがEtherCATのオリジナルのイタレーション（分散クロックシステムを含む）と同じですが、フィールドデバイスによってはサイクルタイムの高速化に苦労する場合があります。この問題を解決するには、1Gb/秒のループと100Mb/秒のループのアレイに対応するEtherCATブランチコントローラ（接続ノード）が必要です。

2018年以降：EtherCATハードウェアとソフトウェアのオプションとIoTサポートの増加 - 近年、EtherCATネットワーク化された産業用コンポーネントや統合システムの導入が加速しています。また、EtherCATを活用した機械学習モジュールを搭載したソフトウェアや、クラウドベースのエンジニアリング、EtherCAT対応ゲートウェイを介したアクセスも見られます。これにより、EtherCATネットワーク化された機械を所有または使用しているエンドユーザーは、ソースコードの交換、システムシミュレーションの実行、さらにはIoT解析のための機械情報の活用が可能となり、地理的に離れた製造現場で機械を操作しているエンドユーザーにとっては特に有用です。2020年8月中旬時点で、3,000社以上の会員企業IDがETGに発行されています。

結論

約40年前、産業用オートメーション業界は、産業用通信のためにEthernetのユビキタス性とパワーを活用する方法を追求し始めました。今日、Ethernetベースの通信と制御は、決して変わったものではなく、多くの設定において標準として機能しています。EtherCATの機能の組み合わせにより、現在市場に出回っているEthernet対応バスの中で最高レベルの性能対コスト比を実現します。インダストリー4.0とIIoTの設備コンセプトをサポートすることで、EtherCATは今後のオートメーションの変革に欠かせないものとなるでしょう。