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公開：2024-06-07

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)とは

EtherCATは産業用オートメーションシステムにおけるリアルタイム性と高速性を実現するためのフィールドバスシステムの一種です。EtherCATはEthernet for Control Automation Technologyの略称で、イーサネットベースの通信プロトコルを利用しています。

EtherCATの特徴はマスタデバイスからスレーブデバイスへデータを送信する際に、スレーブデバイスがデータを受信しながら同時に次のデバイスへデータを転送できる点にあります。この通信方式により、多数のデバイスが接続されているシステムでも高速かつ効率的なデータ通信を実現しているのです。

EtherCATはモーションコントロールや高速I/Oなど、リアルタイム性が求められるアプリケーションに適しています。また、EtherCATはケーブル1本で電源供給とデータ通信を同時に行うことができるため、配線の簡素化にも貢献しています。

EtherCATはオープンな標準規格であり、様々なベンダーが対応機器を開発しています。これにより、ユーザーは複数のベンダーから機器を選択し、システムを構築することが可能となっています。

EtherCATは産業用オートメーションシステムにおいて、高速性、リアルタイム性、柔軟性、そして相互接続性を提供する重要な通信技術の一つとなっています。今後も、産業用イーサネットの発展とともに、EtherCATの活用が広がっていくことが期待されます。

EtherCATの通信方式と高速性

EtherCATの通信方式と高速性に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• EtherCATのデータ転送方式
• EtherCATの同期通信メカニズム
• EtherCATの高速性を支える技術要素

EtherCATのデータ転送方式

EtherCATはマスタデバイスからスレーブデバイスへデータを送信する際に、特殊なデータ転送方式を採用しています。具体的にはマスタデバイスから送信されたEtherCATフレームは各スレーブデバイスを経由しながら次のデバイスへと転送されていきます。

この際、スレーブデバイスは受信したフレームから自身宛てのデータを読み取り、同時に次のデバイス宛てのデータを書き込みます。この一連の処理はフレームが各スレーブデバイスを通過する際に行われ、非常に高速なデータ転送を実現しているのです。

EtherCATのデータ転送方式は従来のマスタ・スレーブ方式と比較して、通信オーバーヘッドが少なく、高い効率性を発揮します。これにより、EtherCATは大規模なシステムにおいても高速かつリアルタイムな通信を可能にしています。

EtherCATの同期通信メカニズム

EtherCATは分散クロック同期メカニズムを採用することで、高精度な同期通信を実現しています。分散クロック同期ではシステム内の全てのデバイスが共通のタイムベースを持ち、これを基準として動作します。

マスタデバイスは定期的に同期信号をスレーブデバイスに送信し、各スレーブデバイスはこの同期信号に基づいて自身のクロックを調整します。これにより、システム全体で高い時刻同期精度が維持され、リアルタイムな制御が可能となります。

EtherCATの同期通信メカニズムはモーションコントロールや計測システムなど、複数のデバイス間で高い同期性が求められるアプリケーションに適しています。分散クロック同期により、EtherCATはμs単位の高精度な同期を実現しているのです。

EtherCATの高速性を支える技術要素

EtherCATの高速性は前述のデータ転送方式や同期通信メカニズムに加え、いくつかの技術要素によって支えられています。その一つが、EtherCATのハードウェア構成です。

EtherCATスレーブデバイスはEtherCATを処理するためのASIC(特定用途向け集積回路)を内蔵しています。このASICは受信したEtherCATフレームを高速に処理し、次のデバイスへ転送する機能を持っています。

また、EtherCATは100Mbpsや1Gbpsといった高速なイーサネット物理層を利用することで、大容量のデータ通信を高速に行うことができます。これらの技術要素が相まって、EtherCATは産業用オートメーションシステムにおける高速通信を実現しているのです。

EtherCATの柔軟なトポロジーとケーブル

EtherCATの柔軟なトポロジーとケーブルに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• EtherCATの自由なトポロジー構成
• EtherCATの冗長化機能
• EtherCATのケーブルとコネクタ

EtherCATの自由なトポロジー構成

EtherCATはライン、ツリー、スター、リングなど、様々なトポロジー構成をサポートしています。この柔軟性により、システムの規模や要件に応じて最適なネットワーク構成を選択することができます。

例えば、ライントポロジーはシンプルで配線が容易な構成であり、小規模なシステムに適しています。一方、ツリートポロジーは多数のデバイスを階層的に接続できるため、大規模なシステムに適しています。

また、EtherCATは複数のトポロジーを組み合わせたハイブリッド構成もサポートしています。この柔軟性により、EtherCATは様々な産業用アプリケーションに適応することができるのです。

EtherCATの冗長化機能

EtherCATはネットワークの信頼性を高めるための冗長化機能を備えています。冗長化されたEtherCATシステムでは複数のマスタデバイスや通信経路が用意され、一方に障害が発生した場合でも、もう一方の経路で通信を継続することができます。

EtherCATの冗長化はケーブルの二重化やリングトポロジーの採用によって実現されます。リングトポロジーではネットワークの最後のスレーブデバイスがマスタデバイスに接続され、ループを形成します。

これにより、ケーブルの断線や機器の故障などの障害が発生した場合でも、もう一方の経路でデータ通信を維持することができます。EtherCATの冗長化機能はシステムの可用性を高め、生産ラインの停止を防ぐために重要な役割を果たしています。

EtherCATのケーブルとコネクタ

EtherCATは産業用イーサネットの標準であるIEEE 802.3に準拠したケーブルとコネクタを使用します。一般的にはカテゴリー5eやカテゴリー6のシールドツイストペアケーブル(STP)が用いられます。

EtherCATの特徴の一つはケーブル1本で電源供給とデータ通信を同時に行える点です。この機能はEtherCAT P(Power over EtherCAT)と呼ばれ、専用のコネクタを使用することで実現されています。

EtherCAT Pにより、システムの配線が簡素化され、設置や保守の作業が容易になります。また、コネクタは産業用途に適した堅牢な設計となっており、過酷な環境下でも信頼性の高い接続を提供します。

EtherCATの対応機器と開発環境

EtherCATの対応機器と開発環境に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• EtherCAT対応のデバイスとモジュール
• EtherCATマスタスタックとスレーブスタック
• EtherCAT対応の開発ツールと設計支援

EtherCAT対応のデバイスとモジュール

EtherCATはオープンな標準規格であるため、多くのベンダーがEtherCAT対応の機器を提供しています。代表的なデバイスにはI/Oモジュール、モーションコントロールモジュール、センサ、アクチュエータなどがあります。

これらのデバイスはEtherCATスレーブコントローラを内蔵しており、EtherCATネットワークに直接接続することができます。また、モジュラー型のI/OシステムではベースユニットにEtherCATインターフェイスを備え、様々な機能モジュールを組み合わせて使用することができます。

EtherCAT対応デバイスは高速かつ高精度な制御を必要とするアプリケーションに適しており、機械制御、プロセス制御、計測システムなど、幅広い分野で活用されています。ユーザーは用途に応じて最適なデバイスを選択し、システムを構築することができます。

EtherCATマスタスタックとスレーブスタック

EtherCATシステムを開発する際にはマスタデバイス用のソフトウェアスタック(マスタスタック)と、スレーブデバイス用のソフトウェアスタック(スレーブスタック)が必要となります。これらのスタックはEtherCATの通信プロトコルを処理するためのソフトウェアコンポーネントです。

マスタスタックはPC上で動作するソフトウェアであり、EtherCATネットワークの管理、プロセスデータの交換、同期通信の制御などを行います。一方、スレーブスタックはEtherCATスレーブデバイス上で動作し、マスタからの指示に従ってデータの入出力や状態の報告を行います。

EtherCATマスタスタックとスレーブスタックはEtherCATテクノロジーグループ(ETG)が提供する標準化されたインターフェイスに基づいて開発されます。これにより、異なるベンダーのマスタデバイスとスレーブデバイスを組み合わせて使用することが可能となっています。

EtherCAT対応の開発ツールと設計支援

EtherCATシステムの開発を支援するため、様々な開発ツールや設計支援ツールが提供されています。これらのツールはシステムの設計、構成、プログラミング、デバッグ、診断などの作業を効率化し、開発期間の短縮や品質の向上に貢献します。

代表的な開発ツールにはEtherCATネットワークの構成や設定を行うためのコンフィギュレータ、マスタデバイスのアプリケーション開発を支援するSDK(ソフトウェア開発キット)、スレーブデバイスの動作を検証するためのコンフォーマンステストツールなどがあります。

また、設計支援ツールとして、ネットワークの性能を予測するためのシミュレータや、システムの動作を可視化するためのモニタリングツールなども提供されています。これらのツールを活用することで、EtherCATシステムの開発や保守を効率的に行うことができます。

※上記コンテンツはAIで確認しておりますが、間違い等ある場合はコメントよりご連絡いただけますと幸いです。

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