Ethernet - EtherCAT

ethercat.org

Ethernet - EtherCAT

EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATテクノロジ

EtherCAT

Ethernetベース

超高速フィールドバスシステム

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

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Ethernet

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トポロジ

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低コスト

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実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATEthernetベースのフィールドバス

EtherCATはI/Oレベルまでリアルタイム制御

• 下位層のサブバスが不要

• ゲートウェイの遅延なし

• 入力、出力、センサー、サーボアンプ、ディスプレイ・・

すべてを一つのシステムで接続

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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24/04/2009

EtherCATの3つの特徴

• 速い!

• 安い!

• うまい!

(自由なトポロジ)

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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24/04/2009

Decisive Factors: Performance

Example: Hydraulic Presses

Dieffenbacher: Presses and more

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Decisive Factors: Performance

Example: Machines with CNC functionality

Laserplus Oy: Welding Transfer line for steel sandwich-plates

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24/04/2009

Decisive Factors: Performance

Example: Woodworking Machines

Nobilia Werke: Kitchen Production

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24/04/2009

Decisive Factors: Performance

Example: Packaging Machines

Radiator Specialty, (NC), USA: Filling and Packaging Line

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24/04/2009

Decisive Factors: Performance

Example: Postpress Processing Machine

Ferag, Switzerland:

Flexible, modular strapping without bundle turning (SmartStrap)

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24/04/2009

Decisive Factors: Performance

Example: Injection Molding

Husky (Canada): HyPAC

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24/04/2009

Decisive Factors: Topology

Example: Measurement Application:

Airbus Testrack for High-Lift-System

Ingenieurgesellschaft IgH: High Lift Slat Flap Testrig (HLSTR)

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24/04/2009

Decisive Factors: Topology

Example: Bridge absorption system

Dubrovnik (Croatia): Absorption of vibrations

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24/04/2009

Decisive Factors: Topology

Example: Snow Blower Control

Berchtold, Austria:

Systems of up to 1000 snow makers

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24/04/2009

Decisive Factors: Costs

Example: Edge Banding Machine

IMA: Novimat Concept

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24/04/2009

EtherCATは 超高速!

帯域幅: 2 x 100 Mbaud (フルデュプレックス)

アップデートタイム:

•256点のデジタルI/Oの読み書き → 11 µs

•100ノード1000点のデジタルI/Oの読み書き → 30 µs = 0.03

ms

•200のアナログI/O(16 bit、20kHz)の読み書き → 50 µs

•100サーボ軸 (8 Byte)の読み書き → 100 µs = 0.1 ms

•12000点のデジタルI/Oの読み書き → 350 µs

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24/04/2009

EtherCATは 超高速!

Ethernetの帯域を用いてI/Oやサーボアンプを接続すると:

Ethernetフレーム: 84 Bytes以下

(ヘッダーとIPGを含む)

22 Bytes

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

data pay load:

e.g. 2Bit…6Byte

4 Bytes

Ethernet Header Data: ≥46 Bytes CRC

出力データとリクエスト

12 Bytes

IPG

Ethernet Header Data: ≥46 Bytes CRC IPG

入力データとレスポンス

4 Byteの入力 + 4 Byteの出力時:

4.75% アプリケーション/データ比率 0µs ノード反応時間時:

1.9% アプリケーション/データ比率 10µs ノード反応時間時:

I/O

I/O

ノード

リアクション

タイム


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EtherCATは 超高速!

帯域の有効利用率の比較:

ノード毎に4 Byteの

ユーザーデータ時:

• ポーリング/タイムスライス

方式: 約2~5%

ノード毎に2 Bitのみの

ユーザーデータでさえ、

EtherCATは 80~97%使用!

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Polling /

Timeslicing

EtherCAT


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24/04/2009

動作原理: 「ノンストップ」 Ethernet

Car

9

高速列車に例えると・・:

• 「列車」 (Ethernetフレーム)は止まらない

• ホーム脇の狭い窓から列車の通過を見ていても、列車の

全車両、全座席を見ることができる

• 「車両編成(Sub-Telegram)」は伸縮可能

• 単体の座席(Bit)の読み書き、またはグループでの入出力

複数グループの同時読み書き可能

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24/04/2009

動作原理: 「ノンストップ」 Ethernet

Slave Device

EtherCAT Slave

Controller

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

Slave Device

EtherCAT Slave

Controller

プロセスデータはEthernetフレームに直接読み書き

• スレーブに対するプロセスデータサイズは、ほぼ上限なし

(1 Bit~60 Kbyte, フレームをいくつか使用することにより)

• 各サイクル毎に書き換えデータの変更が可能

例:サーボ軸制御には短いサイクルタイム、

I/Oのモジュールは長いサイクルタイムも可能

• 追加として非同期通信、イベントトリガの通信も可能


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24/04/2009

動作原理: 「ノンストップ」 Ethernet

座席番号使用によりプロトコルのオーバーヘッドを最小限化

..

IPC

DVI

Ethernet HDR FH EH

• 分散I/O用にテレグラムを最適化

• 通信は完全にハードウェアで実現:パフォーマンスを最大化

• ネットワークにEtherCATデバイスのみの場合は、

スイッチングハブ不要

• 突出した自己診断機能

Ethernetコンパチブルメンテナンス

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Data Data WKC

Data WKC

CRC

WKC

EH

EH


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動作原理: 「ノンストップ」 Ethernet

..

IPC

DVI

Switch

(optional!)

• 標準スイッチングハブも使用可能

• スイッチ使用時:

MACアドレスは1つのみ、最大65535ノード

• オプション:

VLANタグ付きスイッチ使用により、MACアドレスなしでのセ

グメントアドレス付けも可

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パフォーマンス: アプリケーション例

• 40 軸 (各6 Byte 入出力データ)

• 50箇所のI/Oステーション、合計560個のEtherCATバスターミナル

• 2000点デジタル + 200点アナログI/O, Bus合計長 500 m

• パフォーマンス EtherCAT: サイクルタイム 230µs

33%のバス負荷率、テレグラム長 77µs

• 比較対象:

1 CAN フレーム (8 Byte プロセスデータ) @ 500 kBit/s: 250µs

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24/04/2009

パフォーマンス: アプリケーション例

• 40 軸 (各 20 Byte 入出力データ)

• 50箇所のI/Oステーション、合計560個のEtherCATバスターミナル

• 2000点デジタル + 200点アナログI/O, Bus合計長 500 m

• パフォーマンス EtherCAT: サイクルタイム 276µs

44%のバス負荷率、テレグラム長 122µs

• 比較対象:

Profinet IRT 763 µs, Powerlink V2 2347µs*, Profinet RT 6355 µs

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

56% 帯域の空き

例) TCP/IP用

* Source: Ethernet Powerlink Spec V 2.0, App.3


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「遅い」制御システムでもパフォーマンス向上!

従来のフィールドバスI/O使用時の反応時間

Bus Cycle

I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task

T mpd

Bus Cycle

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle

T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O

Input

(最悪時)

Input

(最善時)

最善時反応時間

最悪時反応時間

Output

T mpd : Master Processing Delay

T I/O : Local I/O Update Time

(local Extension Bus + Firmware)


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24/04/2009

「遅い」制御システムでもパフォーマンス向上!

EtherCAT使用時のシステム アーキテクチャ

Bus Cycle

I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task

T mpd

Bus Cycle

T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

専用マスタデバイスは不要

Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle Bus Cycle

下位層の拡張バスは不要


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24/04/2009

「遅い」制御システムでもパフォーマンス向上!

EtherCAT使用時のシステム アーキテクチャ

I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I

PLC Task

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24/04/2009

「遅い」制御システムでもパフォーマンス向上!

EtherCAT使用時のシステム アーキテクチャ

I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task

T DMA (NIC)

T EtherCAT Cycle

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

T DMA (Direct Memory Access

経由によるEthernet

コントローラ間の転送時間):

無視できる大きさ


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24/04/2009

「遅い」制御システムでもパフォーマンス向上!

EtherCAT使用時のシステム反応時間

I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task

最悪時

反応時間

Input

(最悪時)

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

Input

(最善時)

最善時

Output

• 同じ制御システムのパフォーマンスでも、反応時間は大幅に向上

• 下位層のローカルI/Oサイクルや、拡張バスの遅延はもはや無し

• 大変単純なプロトコルで、特殊なマスタ(Plug inカード等)は不必要

CPUを変更することなく、パフォーマンスは倍増!


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24/04/2009

従来のFieldbus: 制御システムにマッピング処理が必要

• 伝統的なフィールドバスシステムは、物理的なプロセスイメージを生成

• このため、論理的なプロセスイメージにマッピングする必要があり

論理的プロセスイメージ

制御システム 例)IPC

Data n

PLC Data

NC Data

マッピング

Feldbus スキャナ/

DPRAM マスタ

node 1

node 2

node 3

node 4

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

node 1

node 4

node 2

node 3


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24/04/2009

従来のFieldbus: 制御システムにマッピング処理が必要

• 一種類のみのプロセスイメージのみの制御システムでも

• プロセスデータの復元には「マッピング」が必要

論理的プロセスイメージ

制御システム 例)PLC

Feldbus Scanner/

プロセス

データ

マッピング

DPRAM

node 1

node 2

node 3

node 4

Master

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

node 1

node 4

node 2

node 3


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24/04/2009

EtherCAT: マッピングはスレーブへ移動

論理プロセスイメージ: 最大 4 GByte

..

..

IPC

2 32

Data n

PLC Data

NC Data

0

DVI

テレグラム構造

Ethernet HDR HDR 1 PLC Data HDR 2 NC Data HDR n Data n CRC

サブ

テレグラム 1

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

サブ

テレグラム 2

• 制御システムには負荷がかからず、

マスタは大変シンプル構造に

サブ

テレグラム n

• データはアプリケーション要求に応じて伝送される:

とてつもなく高速、フレキシブル、効果的


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24/04/2009

EtherCAT 通信遅延測定 (I)

EtherCATのノードは行きと帰りのフレームの

違いを計測する

EtherCAT vom Master Frame

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24/04/2009

EtherCAT通信遅延測定 (II)

通信遅延はどこのノードからでも計算可能

..

IPC

DVI

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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24/04/2009

EtherCAT クロック配信

正確に調整されたクロック配信により、

正確な同期 (


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24/04/2009

EtherCAT クロック配信

300ノード、 120mのケーブル長でのジッタ(ゆらぎ)を

測定

Simultaneousness:

~15 ns

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

Jitter: ~ +/-20ns


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低コスト

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オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

IEEE 1588による外部クロックとの同期

スイッチポートを用い、

IEEE 1588による更に精密な

クロック配信も可能

..

IPC

DVI

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

M

S

S S S S S

IEEE 1588

グランドマスタ

クロック

S

バウンダリ

クロック

S


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オープン

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幅広い用途

24/04/2009

EtherCATEthernet互換

EtherCATはIEEE 802.3の標準フレームを使用

• オプションでUDP/IPヘッダ付加可能(IPルーティング必要時)

• フレームの短略化なし

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

MTU: max. 1514 Byte

48 Bit 48 Bit 16 Bit 16 Bit

32 Bit

Destination Source EtherType Header … CRC

EtherType 88A4h付き標準の

Ethernetフレームに組み込み

Ethernet H. IP Header UDP H. Header

又は、UDP Port 88A4h付きの

UDP/IP経由

160 Bit 64 Bit

11 Bit

Length

1..n EtherCAT

テレグラム

Res.

… CRC

1 Bit 4 Bit

Type

0 11 12 15


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自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATEthernet互換

• TCP/IPスタックを追加可能(オプション)

• Internetのすべてのサービスが利用可能: HTTP, FTP, XML, …

• リアルタイム通信には影響なし!

標準

TCP/IP

スタック

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

EtherCAT スレーブデバイス

Ethernet

アプリケーション

TCP UDP

IP

Mailbox

Ethernet PHY

非同期

データ

リアルタイム

アプリケーション

EtherCAT MAC / DLL

プロセスデータ

Ethernet PHY


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トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATEthernet互換

• Switchportを用いることにより、Ethernetデバイスを接続可

• 標準ブラウザを用いてWebサーバへ接続可能

..

IPC

DVI

仮想

Ethernetスイッチ

機能

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

スイッチポート

Webサーバ

アプリ例)サーボアンプの設定をブラウザ経由で


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トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

TX2 TX3 TX1

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

スイッチポート: すべてのEthernetプロトコル使用可

• すべてのEthernetデバイスやネットワークへのインタフェース

Ethernetフレームは分割されてEtherCATプロトコルへ挿入

• „Ethernet over EtherCAT

PHY

EtherCATのリアルタイム通信を保証

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

EtherCAT Switchport

Ethernet MAC PHY

RX1 RX2TXRX RX3

RX4

µC

Fragmentation

Mailbox

Process Data

EtherCAT MAC / DLL PHY

TX2 TX3 TX1


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トポロジ

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低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATEthernet互換

• 仮想EthernetスイッチがEthernetフレームをルーティング

..

IPC

DVI

仮想

Ethernetスイッチ

機能

Switch

Switch

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

スイッチポート


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トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

上位ネットワークとの接続 (I)

..

IPC

DVI

Switch

スイッチ使用時

利点:すべてのEthernetプロトコルを使用可

コントローラにEthernetポートは1つだけ使用

ただし、スイッチの通信遅れとトラフィックにより

EtherCATのリアルタイム性へ影響あり

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

上位ネットワークとの接続(II)

スイッチポートターミナル使用時

..

IPC

DVI

利点:すべてのEthernetプロトコルを使用可

コントローラにEthernetポートは1つだけ使用

EtherCATのリアルタイム性への影響なし

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

上位ネットワークとの接続(III)

..

IPC

DVI

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

2番目のEthernetポート使用時

利点: すべてのEthernetプロトコルを使用可

EtherCATのリアルタイム性への影響なし

ただしマスタにEthernetポート2つ必要


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Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT: 自在なシステム構築が可能

Master ↔ Slave

Master ↔ Master

Slave ↔ Slave

Master

..

IPC

DVI

Master

..

IPC

DVI

Switch

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT 自在なネットワークトポロジ

標準Ethernetトポロジ: スター型で複雑

以下はイメージです ;-(

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT自在なネットワークトポロジ

ライン型: ほぼ無制限に接続可能

最大

65535

ノード

..

IPC

DVI

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT自在なネットワークトポロジ

物理層を選択可: 100BaseTXまたはLVDS

..

IPC

DVI

モジュラーデバイス用

にはLVDS物理層上に

Ethernet

100BASE-TX上の

Ethernet;

ノード間100 mまで

転送用カプラ使用

LVDS: Low Voltage Differential Signaling (ディファレンシャル伝送)

ANSI/TIA/EIA-644とIEEE 802.3ae (10Gigabit Ethernet)に準拠

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

セグメント上で

何度でも物理層の

変更が可能


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT自在なネットワークトポロジ

Topologyの例: デイジーチェイン型

..

IPC

DVI

ケーブル: 標準CAT5eケーブル、ストレートタイプ

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT自在なネットワークトポロジ

Topologyの例: デイジーチェイン+ドロップライン型

..

IPC

DVI

ケーブル: 標準CAT5eケーブル、ストレートタイプ

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT自在なネットワークトポロジ

Topologyの例: ツリーを自在に組み替え可能

..

IPC

DVI

ケーブル: 標準CAT5eケーブル、ストレートタイプ

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

PCIバスからEtherCAT

既存の資産を有効利用:

• 既存のフィールドバスデバイスと

シームレスに接続

• PCIバス経由のプロセスイメージ

更新時間 :400µs

(入出力データ各500 Bytes時)

EtherCAT経由のプロセスイメージ

更新時間 :150µs

(入出力データ各1,500 Bytes時)

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

PCIバスからEtherCAT

• 制御コントローラにバススロットはもはや不要

• 小さくても大きな拡張性

EtherCAT

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATは設定が簡単

アドレス設定:

• マニュアルのアドレス設定は不要

• アドレスは自動認識、自動付与

• アドレスは保持可能-ノード追加時にアドレス不変

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATは設定が簡単

トポロジ:

• ネットワークトポロジを自動比較(設定と実際)

自己診断:

• どこのノードに不具合があったかを判別

ネットワーク設計:

• パフォーマンスは以下と独立:

–スレーブ実装

– トポロジ (スイッチングハブなし時)

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATは低コスト!

マスタ側:

専用のプラグインカード(もしくはコプロ)は

不要。オンボードのEthernetポートでOK

スレーブ側:

- 低価格なスレーブコントローラ

-FPGA またはASIC

-パワフルなマイクロ

コンピュータも不要

インフラ機器:

-スイッチングハブは不要

- 標準Ethernetケーブル(CAT5)

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

No

ASIC

needed!


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATは実装が容易

マスタ:

• マスタサンプルコード (Source)

EtherCAT設定ツール

Device

Description

(XML)

•XML Data フォーマット

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

システム

設定ツール

Network

Description

Boot-Upを含む

(XML)

Process

Image

Description

(XML)

EtherCATマスタ

制御タスク

HDR プロセスデータ

標準Ethernet MAC(NIC)


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

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24/04/2009

EtherCATは実装が容易

実装例: プロセスイメージが1つのみのマスタ時

• 典型的な小さなコントローラでは、1つのみの制御タスクを処理

• 最大1488 Byteのプロセスデータサイズ

• プロセスデータ通信のためのヘッダ部分は不変

Ethernet Header ECAT

EtherCAT Telegram

DA SA Type

Frame

HDR

不変のヘッダ

EtherCAT

HDR

• 最小の努力でマスタは実装可能

• 追加の通信プロセッサは不要 (プラグインカード等)

• 従来のフィールドバスシステムよりもシンプル

• 他の工業用Ethernetと比べて圧倒的にシンプル

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

Data

(6) (6) (2) (2) (10) (0….1486)

完全にマッピングされた

プロセスデータ

CTR

ワーキング

カウンタ:

不変

Ethernet

Pad.

(2)

(0…32)

FCS

(4)

Ethernet Controller

(MAC)から生成され

るフッタバイトとCRC


EtherCATは、:

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Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

マスタ実装: RTOS

EtherCATのマスタサポートのあるリアルタイムOS:

•eCos

•InTime

• Proconos OS

• Real Time Java

•RMOS

• RT Kernel

•RT Linux

• RTXC Quadros

•QNX

• VxWin + CeWin

• VxWorks

• Windows CE

• Windows XP/XPE with Codesys-SP

• Windows XP/XPE with TwinCAT RT-Extension

• XENOMAI Linux

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

オープン

ソースコード

あり

* As of Feb 2008


EtherCATは、:

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インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

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実績がある

オープン

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二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT は実績あり

• 量産製品は出荷済み

• PROFINET IRT, Powerlink

SERCOS IIIと比べて

多数のノード数を実装済み

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

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低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT アーキテクチャ+ デバイスプロファイル

ファイルシステム

ブートローダ

ファイルアクセス

HTTP, FTP,…

TCP UDP

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

IP

Ethernet

EtherCAT デバイス

SERCOS*

規格そのまま

Mailbox

IDN

Service Channel

IEC 61800-7-204

IEC 61800-7-304

EtherCATスレーブコントローラ

Ethernet 物理層

デバイス

アプリケーション

Object Dictionary

SDO PDO

EN 50325-4

IEC 61800-7-201

IEC 61800-7-301

CANopen

規格そのまま

Process Data

Mapping

AT

MDT

FoE EoE SoE CoE CoE/SoE

プロセスデータ

*SERCOS interface is a trademark by IGS e.V.


EtherCATは、:

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Ethernet

自在なネットワーク

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24/04/2009

EtherCATデバイスアーキテクチャの構成例

オプション

HTTP, FTP,…

TCP UDP

EtherCATデバイス

Mailbox

EtherCAT スレーブコントローラ

Ethernet物理層

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

IP

Ethernet

サーボアンプ

アプリケーション

IDN

サービスチャンネル

プロセスデータ:

AT / MDT

ドライブプロファイル IEC 61800-7-204

EtherCATへのマッピング: IEC 61800-7-304

EoE CoE CoE

プロセスデータ

IEC 61800-

7-204は

SERCOS*

ドライブプロ

ファイル

*SERCOS interface is a trademark by IGS e.V.


EtherCATは、:

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Ethernet

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実装が容易

実績がある

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24/04/2009

EtherCATはオープンなテクノロジ

• 設立: 2003年11月

• 目的: EtherCATの普及促進、技術支援

• すでに790社を超えるメンバー加入

欧州、北米、アジアをはじめ42カ国参加 :

– デバイスメーカー

–エンドユーザー

– システムインテグレータ

• 誰にでも参加資格あり

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

* as of Jul 2008


EtherCATは、:

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Ethernet

自在なネットワーク

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24/04/2009

EtherCAT Technology Group

メンバー増加状況

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

2009年2月現在: 940 Members


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幅広い用途

24/04/2009

世界中のETGチーム

ETG Office

North America

Austin, TX

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

ETG Headquarter

Germany

Nuremberg

ETG Office

China

Beijing

ETG Office

Japan

Tokyo

ETG Office

Korea

Seoul


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実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

6大陸 42カ国が参加

Australia

Croatia

Hungary

Mexico

Serbia

Switzerland

Austria

Czech Rep

India

Netherlands

Singapore

Taiwan

Belarus

Denmark

Israel

Norway

Slovakia

Thailand

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

Belgium

Finland

Italy

Poland

Slovenia

Turkey

Brazil

France

Japan

Ukraine

Canada

Germany

Korea

Portugal Romania

South Africa

Spain

United Kingdom

China

Greece

Liechtenstein

Russia

Sweden

USA


EtherCATは、:

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インダストリアル

Ethernet

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実績がある

オープン

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二重化対応

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24/04/2009

EtherCAT Technology Group Members (as of March 2008)

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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24/04/2009

日本のETGメンバー

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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24/04/2009

アジアでのETGメンバ (as of May 2008)

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

2008年7月日時点:

137 アジアメンバー

うち日本企業 57


EtherCATは、:

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Ethernet

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低コスト

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24/04/2009

ETG Member Meeting Japan

July 10, 2007

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


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二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

ETG Member Meeting Japan

July 8, 2008

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

ETG: Active Members

• メンバーの数よりも重要なこと:いくつの企業が活動的なのか?

どれだけ多くの実装例があるのか?

• 2008年4月現在: 550以上の評価キットがETGメンバーにて購入。

(29% マスター、71% スレーブ)

さらに、オープンソースのマスターもあり!

• Hannover Fair 2008: 54社のベンダーが150以上の

異なったEtherCATデバイスを展示

– 20のサーボアンプ

20の異なったマスタ

10の異なったOSが稼動

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

ハノーバーフェア 2008

54 ETG 出展者 ジョイントブース

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

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インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

MOF 2008 2008,9,10~12 東京ビックサイト

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

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インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

SEMICON 2008 2008,9,10~12 東京ビックサイト

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT: 広範な製品展示

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

I/O

コントローラ

サーボアンプ

高速アンプ

センサ, 油圧バルブ

スレーブ・マスタ開発キット

HMI, 表示機, 空圧バルブ,…


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCATはオープンなテクノロジ

• プロトコルは完全に公開:

EtherCATはIEC規格 (IEC/PAS 62407)

EtherCATは ISO 15745-4に参画

• IEC 61158, IEC 61784, IEC 61800規格取得

• SEMI規格 E54.20取得

• ASIC/IP-Coreスレーブコントローラは既に提供中

• オープンソースのマスタコードも提供中

• セコンドソースのASICも提供中

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT 製品 (セレクション)

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

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インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

Safety over EtherCAT: セーフティ機能

• すべてのソリューションを実装:

セーフティと通常通信をひとつの通信上で実現

• フィールドバスとインタフェースの冗長化を削減

• セーフティI/Oと非安全I/Oの設定、自己診断、

メンテナンスをひとつのツールで実現

• セーフティ アプリケーションはEtherCATの利点を

すべて供与される:

短いリアクションタイム

ほとんど無限のノード数

自在のネットワーク拡張性

ケーブル二重化オプション

活線挿抜

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

Safety over EtherCAT: 技術アプローチ

セーフティ

アプリケーション

セーフティ

プロトコル

EtherCAT

プロトコル

通常の

アプリケーション

EtherCATはブラックチャンネルとして働く

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

通常の

アプリケーション

セーフティ

アプリケーション

セーフティ

プロトコル

EtherCAT

プロトコル

Safety

over

EtherCAT

EtherCAT


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

Safety over EtherCAT: プロトコル仕様

• IEC 61508準拠のセーフティプロトコル

• プロトコルレベルはSIL4適応

• 非安全ゲートウェイ経由のルーティング可

• フィールドバスシステム経由のルーティング可

• プロトコルは異なった通信速度にも適応:

100Mbit Ethernetや10kbitのシリアル通信にも

• 異なるバスシステムの混在でさえ可能

• オーバーヘッド最小化のための様々なCRCサイズ

• セーフティI/Oやドライブに適切

• 優れた自己診断機能

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

Safety over EtherCAT: 実装

• 最初の実装: Beckhoff社のTwinSAFE製品ラインは

K-Bus上に実装

EtherCATシステムへの

転送実装はバスカプラ経由

• 次のステップ:

EtherCAT上に直接実装

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

K-Bus

TwinSAFE

Bus Terminal


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

Safety over EtherCAT: 実装

• セーフティ論理回路を分散設置

• 標準PLCとの組み合わせでOK

• PLC側は単純なデータ交換を実施

..

標準

PLC

IPC

DVI

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

Safety inputs

セーフティ入力

セーフティ出力 &

セーフティ論理回路

S

S

S

S


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

二重化なし: 通常運用時

Slave 1

RX TX

TX


RX

Slave M-1

RX TX

TX


RX

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

RX Unit

RX

Master

MAC 1

RX TX

TX Unit

TX

... ...


Slave N

RX TX

TX

RX


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

二重化なし: ケーブル不良発生時

Slave 1

RX TX

TX

RX

Slave M-1

RX TX

TX

RX

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

RX Unit

RX

Master

MAC 1

RX TX

TX Unit

TX

☺ ☺


Slave M+1

RX TX

... ...

TX

RX

Slave N

RX TX

TX

RX


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

二重化なし: ノード故障発生時

Slave 1

RX TX

TX

RX

Slave M-1

RX TX

TX

RX

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

RX Unit

RX

Master

MAC 1

RX TX

TX Unit

TX

☺ ☺

Slave M

RX TX

Slave M+1

RX TX

... ...

TX

RX

TX

RX

Slave N

RX TX

TX

RX


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

二重化あり: 通常運用時

Slave 1

RX TX

TX

RX

Slave M-1

RX TX

TX

RX

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

RX Unit

RX

Master

TX Unit

TX

MAC 1 MAC 2

RX TX RX TX

☺ ☺


... ...

2番目のEthernet

ポートを使うのみ

– 特殊な

インターフェース

カード不要

Slave N

RX TX

TX

RX


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

二重化あり: ケーブル不良発生時

Slave 1

RX TX

TX

RX

Slave M-1

RX TX

TX

RX

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

RX Unit

RX

Master

TX Unit

TX

MAC 1 MAC 2

RX TX RX TX

☺ ☺

☺ ☺

Slave M+1

RX TX

... ...

TX

RX

Slave N

RX TX

TX

RX


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

二重化あり: ノード故障発生時

Slave 1

RX TX

TX

RX

Slave M-1

RX TX

TX

RX

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

RX Unit

RX

Slave M

RX TX

TX

Master

RX

TX Unit

TX

MAC 1 MAC 2

RX TX RX TX

☺ ☺ ☺ ☺

Slave M+1

RX TX

... ...

TX

RX

Slave N

RX TX

TX

RX


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

EtherCAT: 高い機能

•ホットスタンバイ

• ケーブル二重化

• デバイスのホットスワップ(活栓挿抜)

• ネットワークセグメントへのホットコネクト

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology


EtherCATは、:

超高速

インダストリアル

Ethernet

自在なネットワーク

トポロジ

簡便な設定

低コスト

実装が容易

実績がある

オープン

セーフティ対応

二重化対応

幅広い用途

24/04/2009

That‘s EtherCAT!

EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology

www.ethercat.org

Martin Rostan

EtherCAT Technology Group

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90482 Nuremberg, Germany

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