EtherCATの動作原理 - 業界の知識 - ニュース - 深センECONテクノロジー株式会社

EtherCATの動作原理

1. 動作原理：

リアルタイム機能を提供するために利用可能なイーサネットソリューションは数多くあります。たとえば、CSMA / CDアクセスプロセスは、上位レベルのプロトコルレイヤーによって無効にされ、タイムスライスまたはポーリングプロセスに置き換えられます。他のソリューションでは、専用のスイッチを使用し、正確な時間制御を使用してイーサネットパケットを配信します。これらのソリューションは、接続されたイーサネットノードへのパケットをより迅速かつ正確に配信できますが、特に、典型的な自動化装置の場合、帯域幅の使用率は非常に低くなります。さらに、出力またはドライブコントローラへのリダイレクトおよび入力データの読み取りに必要な時間は、主に実行モードに依存します。通常は、サブシステムを使用する必要があります。特に、モジュラーI / Oシステム、これらのシステムとBeckhoFF Kバス、同期サブバスシステムを使用して伝送速度を上げる必要がありますが、このような同期は回避できません通信バス伝送によって生じる遅延。

BeckhoFFは、EtherCAT技術を使用することで、他のイーサネットソリューションのシステム上の限界を突破しました。以前のように各接続ポイントでイーサネットパケットを受信する代わりに、プロセスデータとしてデコードしてコピーします。フレームが各デバイス（下にある端末デバイスを含む）を通過すると、EtherCATスレーブコントローラはデバイスにとって重要なデータを読み取ります。同様に、入力データは、通過するメッセージに挿入することができます。フレームが渡されると（わずか数ビットしか遅延しない）、スレーブは関連するコマンドを認識し、それを処理する。このプロセスは、スレーブコントローラ内のハードウェアで実施されるため、リアルタイムオペレーティングシステムまたはプロトコルスタックソフトウェアのプロセッサ性能とは無関係です。セグメント内の最後のEtherCATスレーブは、メッセージが最初のスレーブからマスタへの応答として返されるように、完全に処理されたメッセージを返します。

イーサネットの観点からは、EtherCATバスセグメントは、イーサネットフレームを送受信できる大規模なイーサネットデバイスです。ただし、「デバイス」には、ダウンストリーム・マイクロプロセッサーを備えた単一のイーサネット・コントローラーはなく、多数のEtherCATスレーブしか含まれていません。他のイーサネットと同様に、EtherCATはスイッチを必要とせずに通信を確立し、純粋なEtherCATシステムを構築できます。

2.端末はイーサネットを実装しています：

システムの各デバイスは、サブバスを使用せずに、各I / O端末に対しても完全なイーサネットプロトコルの使用を保証します。カプラの伝送媒体をツイストペア（100baseTX）からEバスに変換するだけで、電子端子ブロックの要件を満たすことができます。端子ブロックのEバス信号タイプ（LVDS）は専用ではありませんが、10ギガビットイーサネットにも使用できます。ターミナルブロックの終わりで、物理バスの特性は100baseTX規格に変換されます。

コントローラ内のハードウェアとして使用するには、標準イーサネットMACまたは安価な標準ネットワークカード（NIC）で十分です。 DMA（Direct Memory Access）は、PCにデータを転送するために使用されます。つまり、ネットワークアクセスはCPUのパフォーマンスに影響を与えません。同じ原則がBeckhoFFマルチポートカードで使用されています。このカードは、1つのPCIスロットに最大4つのイーサネットチャネルをバンドルしています。

3.プロトコル処理はハードウェアで完全に実行されます。

3.1プロトコル：

EtherCATプロトコルはプロセスデータ用に最適化され、イーサネットフレームに直接転送されるか、またはUDP / IPデータグラムに圧縮されます。 UDPプロトコルは、他のサブネットのEtherCATセグメントがルータによってアドレス指定されている場合に使用されます。イーサネットフレームにはいくつかのEtherCATメッセージが含まれています。各メッセージは、4GBまでの論理プロセスイメージをプログラムするために使用できる特定のメモリ領域専用です。データチェーンはEtherCAT端子の物理シーケンスとは独立しているため、EtherCAT端子は自由にアドレス指定できます。スレーブステーションは、ブロードキャスト、マルチキャスト、および通信が可能です。

このプロトコルは、通常、非周期的なパラメータ通信も処理することができる。パラメータの構造と意味はCANOPENデバイスプロファイルによって設定され、これらのデバイスプロファイルはさまざまなデバイスクラスとアプリケーションに使用されます。 EtherCATは、IEC 61491規格に準拠した従属ルールもサポートしています。このプロファイルはSERCOSTMにちなんで命名され、モーションコントロールアプリケーションの世界で普遍的に認識されています。

EtherCATは、マスタ/スレーブの原理に従ったデータ交換に加え、コントローラ（マスタ/マスタ）間の通信にも非常に適しています。さまざまなパラメータ化、診断、プログラミング、およびリモートコントロールサービスだけでなく、自由にアドレス可能なプロセスデータネットワーク変数は、さまざまな要件を満たすことができます。マスタ/マスタとのマスタ/スレーブ通信のデータインタフェースは同じです。

FMMU：メッセージ処理はハードウェアで完全に実行されます

3.2パフォーマンス：

EtherCATはネットワーク性能の新たな高さに達しました。 1000の分散I / Oデータのリフレッシュサイクルは、ターミナルサイクル時間を含めてわずか30μsです。イーサネットフレームを使用すると、1486バイトまでのプロセスデータを交換できます。これは、約12,000のデジタルI / Oに対応します。このデータ量の伝送はわずか300μsです。

100サーボ軸との通信には100μsしかかかりません。この間、すべての軸に設定値と制御データを提供することができ、実際の位置と状態を報告することができます。分散型クロック技術は、これらの軸間の同期時間が1マイクロ秒未満で逸脱することを確実にします。

EtherCAT技術の優れた性能を利用して、従来のフィールドバスシステムでは実現できない制御方法を実現することができます。このようにして、バスを介して超高速制御ループを形成することもできる。以前はローカルの専用ハードウェアサポートが必要だった機能をソフトウェアにマッピングできるようになりました。巨大な帯域幅リソースにより、ステータスデータをあらゆるデータと並行して送信することができます。 EtherCAT技術により、最新の高性能産業用PCとの通信技術が可能になります。バスシステムはもはや制御コンセプトのボトルネックにはなりません。分散I / Oデータ転送は、ローカルI / Oインターフェイスでのみ達成できるパフォーマンスを超えています。

このネットワークパフォーマンスの利点は、比較的中程度のコンピューティングパワーを持つ小型コントローラで明らかです。 EtherCATの高速ループは、2つの制御サイクルの間に完了することができます。従って、コントローラは常に最新の利用可能な入力データを有し、出力アドレッシングの遅延は最小限である。コントローラの応答動作は、独自のコンピューティング能力を強化する必要なく大幅に改善されます。

EtherCAT技術の原理は100M帯域幅に限定されず、スケーラブルであり、イーサネットをギガビットまで拡張することも可能です。

3.3 EtherCATはPCIを置き換えます：

PC部品の小型化の加速に伴い、産業用PCのサイズは主に必要なスロット数に依存します。

高速イーサネット帯域幅とEtherCAT通信ハードウェア（EtherCATスレーブコントローラ）のデータ帯域幅を使用することで、アプリケーションの新しい可能性が開かれます。通常、IPC内にあるインターフェイスはEtherCATシステムのインテリジェントインターフェイス端末に転送されます。分散I / O、軸、および制御ユニットに加えて、フィールドバスマスタ、高速シリアルインターフェイス、ゲートウェイ、およびその他の通信インターフェイスなどの複雑なシステムは、PCのイーサネットポートを介してアドレス指定することができます。プロトコルの変形に限定されない他のイーサネット装置でさえ、分散スイッチ端末を介して接続することができる。産業用PCホストのサイズはますます小さくなり、コストはますます低くなっています。すべての通信タスクにはイーサネットインターフェイスで十分です。

分散型フィールドバスマスター端末を介して統合するために、PCIフィールドバスデバイス（Profibus、CANOPEN、DeviceNet、AS-iなど）の代わりにイーサネットが使用されています。フィールドバスマスターを使用しないと、PCにPCIスロットが保存されます。

3.4トポロジ：

バス、ツリー、またはスター：EtherCATは、ほぼすべてのトポロジをサポートします。したがって、フィールドバスから導出されたバス構造をイーサネット（Ethernet）に使用することもできます。バスと分岐構造を組み合わせることは、システム配線に特に役立ちます。すべてのインターフェイスはカプラにあり、追加のスイッチは不要です。もちろん、従来のスイッチベースのスター型イーサネットトポロジを使用することもできます。

異なる伝送ケーブルを使用することにより、ケーブルの柔軟性が最大限に発揮されます。柔軟で安価な標準イーサネットパッチケーブルは、イーサネットモード（100baseTX）またはEバス経由で信号を送信できます。特殊用途に光ファイバ（PFO）を使用できます。イーサネット帯域幅（例えば、異なる光ファイバケーブルおよび銅ケーブル）は、スイッチまたはメディアコンバータと組み合わせて使用できます。ファストイーサネットの物理的特性により、デバイス間の距離は100メートルになりますが、Eバスは10メートルの間隔しか保証できません。ファストイーサネットまたはEバスは、距離要件に応じて選択できます。 EtherCATシステムは最大65,535個のデバイスを収容できるため、ネットワーク全体はほとんど無制限です

4.トポロジの自由な選択

ケーブルの柔軟性には、スイッチを使用するかどうか、バストポロジーを使用するかツリートポロジーを使用するかが最大限に柔軟になります。自動アドレス割り当て。 IPアドレスを設定する必要はありません。

4.1分散クロック：

正確な同期は、複数のサーボ軸が同時にリンケージタスクを実行している場合など、幅広い同時処理が必要な分散プロセスで特に重要です。

分散クロックの正確な較正は、同期のための最も効果的なソリューションです。逆に、完全同期を使用すると、通信エラーが発生したときに同期データの品質に大きな影響があります。通信システムでは、段階的較正クロックは、ある程度誤差遅延に耐性がある。 EtherCATでは、データ交換は完全に純粋なハードウェアデバイスに基づいています。通信は、論理リングネットワーク構造、全二重高速イーサネット、および実際のリングネットワーク構造を利用するので、「マスタクロック」は、各「スレーブクロック」に対する動作補償を簡単かつ正確に決定することができ、その逆も同様である。分散クロックはこの値に基づいて調整されます。つまり、ネットワークで1マイクロ秒未満のジッタで非常に正確なクロックベースを提供できます。

しかし、高性能分散クロックは、同期に使用されるだけでなく、データ取得中の現地時間に関する正確な情報も提供します。新しい拡張データタイプの導入により、測定値に非常に正確なタイムスタンプを割り当てることができます。

4.2ホット接続：

多くのアプリケーションでは、動作中にI / O構成を変更する必要があります。例えば、特性が変化する処理センタ、センサ付きツールシステム、インテリジェントトランスミッション装置、フレキシブルワークアクチュエータ、および印刷ユニットを独立して閉じることができるプリンタが挙げられる。「ホットコネクション」機能は、ネットワークのさまざまな部分を接続または切断するか、または「動的に」再構成して構成の変更に柔軟に対応することができます。

4.3高可用性：

オプションのケーブル冗長性は、ネットワークのシャットダウンを行わずに機器を交換できるように、システムの可用性を向上させる要求が高まります。

EtherCATは、ホットスタンバイを備えた冗長マスターステーションもサポートしています。 EtherCATスレーブコントローラは、割り込みが発生したときに自動的にフレームを返すため、デバイスの障害によってネットワーク全体がシャットダウンすることはありません。例えば、ケーブル保護チェーンは、断線を防止するために短いバーの形態で特別に構成することができる。

4.4安全性：

セキュリティ機能は、一般に、自動化ネットワークとは別に、ハードウェアを介して、または専用のセキュリティバスシステムを使用して実装されます。 TwinSAFE（BeckhoFFのセキュリティ技術）のおかげで、セキュリティ関連の通信と同じネットワーク上の制御通信に EtherCATセキュリティプロトコルを使用できるようになりました。

セキュリティプロトコルはEtherCATのアプリケーション層に基づいており、下位層には影響しません。この安全プロトコルは、安全統合レベル（SIL）3を達成するためにIEC 61508に従って認定されており、関連する対策を講じた後でもSIL4に到達することができます。データの長さは、プロトコルが安全I / Oデータと安全ドライブ技術に等しく適用できるように変更することができます。他のEtherCATデータと同様に、セキュアなルータやゲートウェイを使用せずにセキュアなデータをルーティングすることができます。

4.5診断：

ネットワークの診断機能は、ネットワークの可用性を高め、試運転時間を短縮し（したがって全体的なコストを削減するため）、非常に重要です。エラーは、迅速かつ正確に検出され明確に特定された場合にのみ、迅速に排除することができます。したがって、EtherCATの開発中に、典型的な診断機能に特別な注意が払われました。

テスト動作中、I / O端子の実際の構成は、指定された構成を使用して連続性がチェックされます。トポロジも構成に一致する必要があります。組み込みのトポロジー識別のために、I / Oは、システムの起動時または自動インストール時に確認できます。

データ送信中のビットエラーは、有効な32ビットCRCで検出できます。ブレークポイントの検出とロケーションに加えて、EtherCATシステムプロトコルによる物理層とトポロジの伝送は、個々の伝送セグメントの高品質な監視を実現します。関連するエラーカウンタを自動的に分析することにより、重要なネットワーク部分を正確に見つけることができます。ネットワークの修復能力に過度の影響を与えていない場合でも、EMC干渉、コネクタの不良、ケーブルの損傷など、一定のエラーの原因を検出して特定できます。

4.6オープン性：

EtherCATテクノロジはイーサネットと完全に互換性があるだけでなく、特別なデザインのオープン性も備えています。このプロトコルは、さまざまなサービスを提供する他のイーサネットプロトコルと共存でき、すべてのプロトコルが同じ物理メディアに共存します。小さな程度のインパクト。標準的なイーサネットデバイスは、スイッチ端子を介してEtherCATシステムに接続することができます。これはサイクルタイムに影響しません。従来のフィールドバスインタフェースを備えたデバイスは、EtherCATフィールドバスマスタ端末の接続を介してネットワークに統合することができます。 UDPプロトコルの変形により、デバイスを任意のスロットインタフェースに統合することができます。 EtherCATは、完全にオープンなプロトコルであり、正式なIEC仕様（IEC / PAS62407）として識別されています。