EtherCAT – イーサネットフィールドバス

2

目

次

3

ごあいさつ

4

EtherCAT技術概要

6EtherCAT Technology Group8

技術的特長10 技術解説10 産業用イーサネット技術: EtherCAT
11 EtherCATの動作原理
12 EtherCATプロトコル
14 トポロジーの柔軟性
16 EtherCAT P: 通信と電源供給を1ケーブル化
18 高精度時刻同期 ディストリビュートクロック
20 診断と障害個所の特定
21 高可用性

22 システム概要
24 Safety over EtherCATによる安全データ通信
26 通信プロファイル
28 EtherCATオートメーションプロトコルによるプラントレベル通信
31 フィールドバスシステムの統合
33 EtherCAT, インダストリー4.0およびIoT

34 EtherCATインタフェースの実装
36 マスターデバイスの実装
38 スレーブデバイスの実装
40 コンフォーマンスと認証

43 コンタクトごあいさつ3

フィールドバスシステムは装置構成の中核部分

最も重点を置いて解説したいことはEtherCAT

ではありませんが、その性能はシステム全体がが皆様のアプリケーションに最適の選択である最高性能を発揮できるかどうかを決定づけることご理解いただくことです。本書の内容に対すとになります。フィールドバスシステムはシステ

るご質問は遠慮なくETGのオフィスまでご連絡

ム全体のコスト、立上げ期間や堅牢性に関連すください。我々は熱意をもってEtherCATの普る重要項目にもなります。このため優秀な技術

及活動を行っており、皆さんからのご意見をお者はシステム設計の第一歩として適切なフィー

待ちしています。

ルドバスの選定に注意を払います。
このパ ンフレットで はイーサネットフィール
ドバ スで あ る E t h e r C ATの 技 術 を 紹 介 しています。Et h e r CATの 一 般 知 識 だけ でな

EtherCAT Technology Groupチームを

く、EtherCATが最 速の産業用イーサネット

代表してであることを理 解できるように解 説し、世界

Martin Rostan,

最大のフィールドバス組織であるEtherCAT

エグゼクティブディレクター

Technology Group (ETG) も紹介しています。

EtherCAT Technology GroupMartin Rostan, エグゼクティブディレクター
EtherCAT Technology GroupETGチーム(世界戦略会議にて)

4

EtherCAT技術概要

E t h e r C AT は 、高 性 能 、低 コストか つ 使 い

トポロジーの柔軟性

やすい産 業 用イーサネット技 術であり、柔 軟なトポロジーに対応しています。この 技 術は通信性能だけでなく、EtherCATネットワーク

20 03年に公開され、20 07年には国際 規 格には最大65,635台のスレーブデバイスを接続となりました。EtherCAT Technology Group

できます。トポロジーや配置順序などの制約ははEtherCATの普及活動を行うとともに継続的ありません。サポートしているトポロジーにはラな技術開発を行っています。EtherCATはオー

イン型、バス型、ツリー型やスター型があり、自プンな技術であり、誰でもEtherCAT技術をデ由にこれらを組み合わせられます。ファーストイ

バイスに実装したり、EtherCATデバイスを使用

ーサネットの物理層は2つのデバイス間を最大したりできます。

100mのケーブルで接続できます。この長さを動作原理

超えたい場合には光ファイバーの使用も可能です。EtherCATはトポロジーの柔軟性を高める
豊富な機能を提供しており、デバイスグループのEtherCATの基礎となる動作原理はスレーブデホットコネクトやデバイスのホットスワップ、さらバイス内のイーサネットフレーム処理にありまにはリングトポロジーによるケーブル冗長性にす。各スレーブデバイスでは自身にアドレス指定

対応しています。

されたデータの読み出しやフレーム内へのデー
タの書き込みは、そのフレームを下流側に送信多用途しながら実行します。これによりネットワーク帯
域を効率よく使用できます (一般的に1サイクル

EtherCATは集中処理と分散処理のいずれのシあたり1つのフレームで通信を完了できます)。

ステムアーキテクチャーに対しても最適です。マ

また、スイッチングハブは使用しません。

スター・スレーブ間、マスター・マスター間およびネットワーク性能

スレーブ・スレーブ間通信に対応し、下層のフィールドバスをゲートウェイで組み込んで動作します。工場フロアレベルはEtherCATオートメーシ

特長的なフレーム処理によってEtherCATは最ョンプロトコルを使用して既存のネットワークイ

速の産業用イーサネット技術を実現しています。

ンフラを活用できます。

他の産業用イーサネット技術ではEtherCATの帯域使用効率や通信性能を超えられません。

簡単
従来のフィールドバスと比べEtherCATには明
らかな長所があります。ノードアドレスの自動設
定、ネットワークチューニングが不要、ピンポイ
ントでエラー発生個所を特定可能な診断機能などです。EtherCATにはこれらの利点だけでな
く、産業用イーサネットとしても設定が簡単です。設定が必要な高機能スイッチングハブは不要であり、MACやIPアドレスの複雑な設定は必要ありません。

5

低コスト

オープン技術

EtherCATは産業用イーサネットの全ての利点

EtherCATは国際規格のオープン技術です。

をフィールドバスのコストで使 用できます。まつまり、誰でも自由にこの技術に準拠した製品

ず、EtherCATには高価な敷設コンポーネントを開発できます。しかしながら、オープン技術が不要です。マスター側には特別なインタフェーというのは誰でも自由にEtherCATを独自仕

スカードは必要なく、スレーブ側も高機能かつ様に変更できるということではありません。こ

低コストのコントローラーICがさまざまなメー

れはインタオペラビリティーを損なう原因となカーから供給されています。さらに、IT技術のります。世界最大のフィールドバス組織である専門技術者やシステム管理者のコストも削減しEtherCAT Technology Groupは責任をもっます。

てEtherCAT技術の開発や拡張を行い、オープ

産業用イーサネット

ン性とインタオペラビリティーを維持します。

採用実績

EtherCATはネットワークのリアルタイム性能を損なうことなく、汎用のIT技術をサポートで

Et h e r C ATは 世界 中、他 に類 のないほど幅きます。
“Ethernet over EtherCAT”プロト

広いアプリケーション分野で採 用されていま

コル経由でFTP、HTTPやTCP/IPを送信できす。EtherCATは装置制御、計測装置、医療機ます。

器、自動車、特殊車両や様々な組込みシステム

機能安全“Safety over EtherCAT”は「無駄なく高速」というEtherCAT自身と同じ特長を持ちます。機能安全は集中制御と分散制御のいずれにも対応し、ネットワーク内に直接組み込みます。
「ブラックチャネル」アプローチによって他のフィールドバスシステム経由の通信にも対応します。

で稼働しています。

6

EtherCAT Technology Group

EtherCAT Technology Groupは全てのユー

E TGは世界でメンバー数が最大のフィールド

ザーのためにEtherCAT技術のオープン性を維バス組織です。ホームページに全メンバーのリ持します。EtherCATデバイスメーカー、実装サ

ストを掲載しています。しかしながら、重要なポートメーカーやエンドユーザーとともに技術点はどれだけのメンバーからなっているかではの拡張を行います。ETGには複数の技術作業

なく、製品を開発した活発なメンバーがどれだ

部会 (Technical Working Group: TWG) がけいるかということです。メンバー数だけでなあり、専門知識をもった技術者が参加し注意深

く、EtherCATデバイスの種 類は非常に豊富

く仕様の拡張作業を行っています。これらTWGであり、ヨーロッパ、アジアおよびアメリカのの活動目的は全て、EtherCAT技術仕様の安定

EtherCAT採用数の増加はますます加速していとインタオペラビリティーという共通の目標をます。

持っています。EtherCATにはバリエーションが存在したり、毎年新しいバージョンの仕様がメンバーシップ

発表されるということはありません。
展示会ETGブースにて製品ラインアップ展示と技術デモを実施

ETG日本メンバーミーティングを毎年開催

ETGは毎年ヨーロッパ、アジア、アメリカにて複ETGメンバーシップはデバイスメーカーやエン

数回のPlugFestというイベントを開催していま

ドユーザーを含め、あらゆる企業に対してオープす。PlugFestではEtherCATデバイスの開発者ンです。

が集ってテストを行い、デバイスのインタオペラ

ETGメンバーには以下の特典があります。

ビリティーを向上させています。各デバイスメー

技術仕様や開発者フォーラムへのアクセス

カーはEtherCATデバイスをリリースする前に技術作業部会を通じたEtherCAT仕様の公式のEtherCATコンフォーマンステストツール

開発を使用して認証テストを行います。ETGでは認

各ETGオフィスによる実装サポート

定テストセンターによるテストに合格したデバイ

無料スレーブソフトウェアスタック、ソフト

スに対して合格認定書を発行しています。

ウェアツール、その他の開発製品へのアク

ETGは世界各地でセミナーやワークショップをセス資格

開催し、展示会にも出展しています。ホームペー

EtherCATおよびETGロゴマークの使用

ジの製品ガイド、展示会ブースへの出展やセミ

ホームページの公式EtherCAT製品ガイド、ナーでの製品展示を行い、EtherCAT製品の普展示会やイベントでのEtherCAT製品やサ及活動も行っています。

ービスの掲載会員規約 (Bylaws)、登録フォームおよびご質問は下記までお問い合わせください。
ETG本部： info@ethercat.org
ETG日本オフィス： info.jp@ethercat.org
www.ethercat.org

7

国際規格

グローバル活動

EtherCAT Technology GroupはIECの公式パー

EtherCAT Technology Groupは全世界で活トナーです。EtherCATとSafety over EtherCAT動を行っています。ドイツ、日本、中国、韓国およはIEC規格(IEC 61158, IEC61784)になっていまびアメリカのETGオフィスの技術者が実装前かす。これらの規格は下位のプロトコル層だけでな

らアフターサポートまでを行います。

く、アプリケーション層やデバイスプロファイル

EtherCAT技術は技術作業部会 (TWG) によっ(サーボドライブなど)も含んでいます。SEMI™

て仕様拡張の定義、デバイスプロファイルや実(Semiconductor Equipment and Materials

装ガイドラインによる統一したデバイス動作のInternational) はEtherCATを半導体業界向仕様策定を行っています。ETGのメンバーは誰け通信規格(E54.20)として認定しました。各種

でもTWGに参加できますので、積極的なご参加

タスクグループがETG半導体製造装置技術作をお待ちしています。

業部会でデバイスプロファイルと実装ガイドラ
インの策定を行っています。
EtherCAT仕様書は英語、日本語、韓国語およETG日本メンバー500社証明書授与

ETG日本メンバーシップ
500社目を突破び中国語で提供しています。
ETGは、ETG 日本で開催されたメンバーミーテ
ィングにおいて、日本で 500 番目に入会した精密位置決めと光計測技術のリーディングカンパ
ニーである駿河精機株式会社を招待し記念の授与式を行いました。

EtherCATのマイルストーン

2003

2007

E
 therCAT   オープン化

2009

2012

2014

2015

2016

E
 therCAT

メ ンバー 1000社

メ ンバー 2000社

メ ンバー 3000社

F SoEテストセンターメ ンバー数4000社

IEC規格化独 ・日本にテスト  

S
 EMIデバイス      北米にテスト

設立

EtherCAT P

センター設置プロファイルE
 TG設立   センター設置
EtherCATを中国

イ ンダストリー4.0 &IoTイニシアチブ

   国家規格化

2005

Safety over     EtherCAT

2008

EtherCAT
ASIC

2013

2017

E
 therCAT I/F内蔵メ ンバー 2500社

日本メンバー数

コンフォーマンス

μP + μC中 国にテスト    

500社

テストツール

2006

2011

E
 therCAT        センター設置8

技術的特長

EtherCATには高速かつリアルタイム性能を備えた産業用イーサネットを実現するための技術的特長があります。EtherCATの性能は幅広いアプリケーション分野で性能向上をもたらします。

1. 超高性能

ライン型トポロジーの場合、リング型トポロジーに拡張しケーブル冗長性を実現できます。冗長性

EtherCATは一般的に最高速の産業用イーサネに必要なものは、マスターデバイス側の2番目のット技術であるといわれており、同期性能もナノ

イーサネットポートと1本のネットワークケーブル

秒の精度です。

だけであり、スレーブデバイスはスレーブコント

この性能はフィールドバスシステムによる制御

ローラーが冗長化機能をサポートしています。こでも計測アプリケーションでも大きな優位点との機能を使用するとネットワークセグメント内のなります。高速な応答時間によって処理中の通任意のデバイスを動作中に交換することも可能

信待ち時間を削減できるのでアプリケーションになります。

の効率が大幅に向上します。さらに同じサイクル
タイムで比較すると、EtherCATシステムのアー

3. 設定の容易さと堅牢性

キテクチャーは他のフィールドバスシステムに対してCPU負荷は一般的に25～30%低くなりま設定、診断およびメンテナンスの工数はシステムす。最適実装によりEtherCATの性能を引き出のコストに大きく関係します。EtherCATを用いすことで精度の改善、スループットの向上が期るとこれらの 作 業 は 飛 躍 的 に 容 易に なりま

待でき、生産コストの削減につながります。

す。EtherCATはノードアドレス割付を自動で設

2. トポロジーの柔軟性

定し、ロータリースイッチなどによる手動設定は通常必要ありません。ネットワーク帯域の使用負荷が低くピア・ツー・ピア接続を行うので、高EtherCATアプリケーションでは装置の構成にいEMC耐性を持ちます。ネットワーク内で障害応じた最適なネットワークトポロジーを選択でが発生した場所を正確に検出できるので、トラきます。従来の産業用イーサネットシステムではブルシューティングの時間を大幅に削減できま

スイッチングハブのカスケード段数などの制限がす。起動時にはネットワークセグメントと設定とあります。EtherCATではスイッチングハブを使を比較し、実際のデバイス接続との違いを検出用しないのでこのような制限はありません。つまします。

り、EtherCATはどのようなトポロジーにも制限

EtherCATは非常に高性能であり、システム設なく対応できる柔軟性を備えています。ライン

定の際のネットワークチューニングの手間が不型、ツリー型、スター型とそれらのあらゆる組み

要になります。ネットワーク帯域には十分な余合わせを選択でき、ノード数の制約はほとんどあ裕があります。EtherCATは直接にTCP/IPのりません。自動リンク検出機能によりノードグル

通信を行えませんが、これはMACアドレスやIP

ープとネットワークセグメントを動作中に切断とアドレスまたはマネージドスイッチのような高機再接続できます。

能なスイッチングハブの設定を行う必要がないということになります。

9

4.機能安全の統合

EtherCATアプリケーション例

機 能 安 全をフィールドバスシステムに 統 合でロボット

きます。EtherCATの機能安 全プロトコルは工作機械

Safety over EtherCAT (FSoE) と呼ばれ包装機ます。FSoEは2005年にすでにTÜVの認証を印刷機受けたデバイスがリリースされている実績ある

プラスチック製造装置

機能安全プロトコルです。このプロトコルはIEC

プレス装置

61508 SIL 3の要件を満たし、集中制御と分半導体製造装置

散制御の両方に対応しています。ブラックチャ

テストベンチ

ネルアプローチと効率的な安全データ構造によピッキング装置

り、FSoEは他のフィールドバスシステムを経由

計測装置

した通信も可能です。制御通信と機能安全を統発電所合することはシステムコストの削減につながり変電所ます。さらに、通常のコントローラーで安全デー

マテリアル・ハンドリング

タを受信し、処理することも可能です。

荷物処理システム

5. 低コスト

ショーステージ制御
自動組み立てシステム
製紙機械

EtherCATは高度な産業用イーサネットの機能

トンネル制御システムを従来のフィールドバスシステムと変わらない

溶接機

価格で提供します。マスターデバイスに必要なクレーン・リフト

ハードウェアは標準イーサネットポートだけであ

農業機械

り、特別なインタフェースカードやコプロセッサ

海上機器

は必要ありません。EtherCATスレーブコント

製材所

ローラーは多数のメーカーからASIC、FPGAベ

窓枠製造装置ースやマイコン内蔵型などの形態でリリースされビルディングオートメーションシステムています。この低価格なスレーブコントローラー

製鉄所がタイムクリティカルなタスクをすべて処理し、

風力発電機

スレーブデバイスのCPU性能はEtherCATの通家具製造装置信性能には影響せず、スレーブの機能を実現でフライス加工機

きる最低限のCPUを選択できます。EtherCAT

自動運行装置はスイッチングハブやその他のネットワーク敷

アミューズメント装置

設装置が不要であり、それら製品そのものや敷

医療機器設、設定、メンテナスのコストを削減できます。

木材加工機
板ガラス製造装置
計量器
など

10

技術解説

産業用イーサネット技術：EtherCAT
EtherCATは産業用イーサネット技術であり、イーサネット規格IEEE 802.3で定義されたフレーム
構造と物理層を使用します。しかしながら、オートメーションで使用するには以下の要件を満たさなければなりません。
	時間確定性のある応答時間を満足するハードリアルタイム性能
	多数のノードでシステムが構成され、1ノードあたりのプロセスデータサイズが小さい	低コストハードウェア
これらの要件は標準イーサネットをそのままでフィールドレベルで使用するのは事実上不可能であることを意味します。各ノードに個別にイーサネットテレグラムを使用すれば、たかだか数バイトの周期プロセスデータの送受信に対して有効データの帯域使用率がきわめて小さくなります。最小のイー
サネットテレグラムは (フレーム間ギャップやプリアンブルを含め) 84バイトであり、46バイトをプロ
セスデータに使用できます。例えば、サーボドライブがプロセスデータとして現在位置とステータス
で4バイトの送信、指定位置と制御情報で4バイトの受信を行うとします。このとき送信と受信の双方のテレグラムで有効データの帯域使用率は4/84 = 4.8% まで低下します。さらにサーボドライブには指定位置の受信後に動作を行い、現在位置の送信をトリガーするまでの応答時間が必要です。
その結果、100Mbit/sの帯域のほとんどが消費されてしまうことになります。
一般のオフィスなどITの分野の通信ではIPによるルーティングとTCPによるアプリケーションへのコ
ネクションが行われ、これらの処理はプロトコルスタックというソフトウェアが行います。そのため、各ノードでソフトウェア処理のオーバーヘッドが発生し、さらなる遅延が発生します。

11

EtherCATの動作原理
EtherCATは全セクションで述べたような欠点を克服し高性能な動作に対応したネットワークです。
通常、ネットワークセグメント内の全てのノードの送受信プロセスデータを1つのフレームで通信できます。
EtherCATマスターは1つのテレグラムを送 信し、そのテレグラムは各ノードを通 過します。各
EtherCATスレーブデバイスは自身にアドレス指定されたデータを「オンザフライ」で読み出し、またはフレーム内に書き込みつつ後方のスレーブデバイスにフレームを送信します。フレームはハード
ウェア伝送遅延時間の分だけしか遅延しません。セグメントまたは分岐の終端のノードではポートに接続がないことを認識し、マスター側へフレームを戻します。この通信はイーサネット物理層の全二重の経路で行います。このテレグラムの通信方法によって90%を超える有効データの帯域使用率を実現します。
EtherCATマスターはセグメント内でEtherCATフレームの送信を自発的に開始できる唯一のノードです。その他の全てのノードはただフレーム内のデータを処理しつつ次のノードへフレームをフォワードするだけになります。この仕組みによってネットワーク内の遅延を確定的かつ最小限にし、リアルタイム性を確保します。
マスターは標準のイーサネットメディアアクセスコントローラー (MAC) を使用し、これ以外の通信
プロセッサーは必要ありません。したがってマスターは標準のイーサネットポートを装備したハード
ウェアプラットフォームであれば実装が可能であり、リアルタイムOSやアプリケーションソフトウェ
アに依存しません。
EtherCATスレーブデバイスは、EtherCATスレーブコントローラー (ESC) を使用して完全にハードウェアでフレームをオンザフライ処理します。これにより個々のスレーブデバイス実装に関係なく
時間確定性のあるネットワーク性能が得られます。

EtherCATプロトコル

12

EtherCATのデータは標準イーサネットフレームのデータペイロード内に格納されます。EtherCATのフレームであることはEtherTypeフィールドの識別情報 (0x88A4) で判別します。EtherCATプ
ロトコルは短い周期プロセスデータに最適化されており、TCP/IPやUDP/IPなどの巨大なプロトコ
ルスタックは不要です。

イーサネットヘッダー

ECAT

イーサネット

DA

SA

Type

フレームHDR

データグラム1

データグラム2

データグラム3

パッド

FCS

(6)

(6)

(2/4)

(2)

(10+n+2)(10+m+2)(10+k+2)(0…32)(4)

EtherCATテレグラム

Ethertype Ox88A4

標準イーサネットフレーム (IEEE 802.3準拠) を使用したEtherCATデータグラム

ノード間のイーサネットIT通信を実現するためにオプション機能としてメールボックス経由でトンネル化したTCP/IPコネクションを使用できます。この通信はリアルタイム性能に影響を与えません。
起動時にマスターデバイスはスレーブデバイスのプロセスデータを論理アドレス空間に割り付けます。各々のスレーブでは1ビットから数バイト、あるいは数キロバイトというような任意のプロセ
スデータサイズを使用できます。
EtherCATフレームには複数のデータグラムを格納できます。マスターデバイスは読み出し、書き込み、または読み書きなどのアクセス方法や、ノードアドレスを直接指定し特定のスレーブデバイ
ス宛か、論理アドレス指定による複数のスレーブデバイス宛かをデータグラムヘッダーで記述します。
論理アドレス指定はプロセスデータの周期通信に使用します。各データグラムヘッダーでEtherCATセグメントのプロセスイメージの論理アドレス範囲を指定します。ネットワークの起動時に各スレーブ
デバイスは論理アドレス空間内に1つ以上のアドレスを割り当てられます。連続した論理アドレス空間
内に複数のスレーブデバイスのプロセスデータを割り付け、1つのデータグラムでその論理アドレス範囲を送信できます。データグラムヘッダーにはアクセス方法に関するあらゆる情報が記述でき、マス
ターはデータグラムごとに設定された送信周期でプロセスデータを送信できます。例えば、サーボド
ライブなどに対してはプロセスデータの更新に短いサイクルタイムを、I/Oには長めのサイクルタイムを設定できます。スレーブデバイスごとのプロセスデータ通信を行う必要がなく、その通信処理やデータコピーの処理が単純化できるため、EtherCATマスターの処理は従来のフィールドバスシステムと比べて負荷が低くなります。

EtherCATではマスターデバイスは1つのEtherCATフレームに出力更新のプロセスデータを詰め13

込むだけで、フレームはMACコントローラーのダイレクトメモリアクセス (DMA) で自動的に送信します。入力更新のプロセスデータに対してもMACコントローラー経由で受信し、マスターデバイスは
DMA経由でメモリに保存されたデータを処理するだけになります。CPUによるフレームデータのメモリコピーの負荷はなくなります。
周期プロセスデータ通信だけでなく、非同期通信やイベント駆動通信を行うフレームの送信も可能です。

イーサネットヘッダー

ECAT HDR

データグラム1

データグラム2

データグラム3

論理プロセス
イメージタスク 1

論理プロセス
イメージタスク 2

論理プロセス
イメージタスク 3

オンザフライ処理を行うプロセスデータの構造

論理アドレス指定に加え、マスターデバイスはスレーブデバイスをネットワーク内の位置で指定できます。この指定方法はネットワークの起動時に実際のネットワークトポロジーの検出と設定のトポロ
ジーとの比較に使用します。
ネットワーク設定の確認後にマスターデバイスは各ノードに固定ノードアドレスを割り当てます。この後マスターデバイスは固定ノードアドレスを使用して各ノードと通信を行えるようになります。固定ノードアドレスによってホットコネクトグループの接続または切断のように動作中にネットワークトポロ
ジーが変更されても通信を行えます。スレーブ間通信には2種類の方法があります。スレーブデバイ

イーサネットスは後方に接続した他のスレーブデバイス宛に直接データを送信できます。これはEtherCATフレ
14

ームが往路でのみ処理されるためで、この直接通信はネットワークトポロジーに依存し、装置内のネットワークを変更しない場合に使用できる方法です。任意のスレーブ間通信はマスターデバイス経由で通信設定を行えます。この方法では2回のフレームで通信を行います (プロセスデータ通信で2周期分という意味ではありません)。EtherCATはきわめて高速であり、この方法で通信を行っても大きな速度の低下はありません。

トポロジーの柔軟性
ライン型、ツリー型、スター型、ディジーチェーンなどEtherCATはほぼすべてのトポロジーをサポー
トしています。
EtherCATではスイッチングハブのカスケード接続の制限などは考慮する必要がなく、最も基本的なライン型のトポロジーを使用して数百のノードを簡単に接続できます。

柔軟なトポロジー: ライン型、ツリー型、スター型

配線時にはライン型から分岐を行うなど自由にトポロジーを構成できます。I/Oモジュールなどに分岐を行うためのポートがあるので特別な敷設コンポーネントは必要ありません。イーサネットで一般的に使用されるスター型トポロジーも使用できます。
モジュール型の装置やツールチェンジャーなどでは動作中にネットワークセグメントや個々のノードの接続・切断が要求される場合があります。EtherCATスレーブコントローラーにはホットコネクトを実現するための基本機能が内蔵されています。隣接したノードが取り外された場合、ポートは自動的に閉じられ、ネットワークの残りの部分は問題なく動作を継続します。この検出に要する時間は15µs以内であり、切り替えは円滑に行われます。
EtherCATでは各種のケーブルを自由に選択でき、ネットワーク内の場所ごとに要件を満たす最適な種類のケーブルを使用できます。低コストの産業用イーサネットケーブルで100BASE-TXモ
ードで最大100m間を接続できます。IEEE 802.3afに準拠したオプション機能のPower over
EtherCATではネットワークケーブルだけでセンサのようデバイスを接続し電源供給も行えます。100BASE-FXを使用した光ファイバーも使用可能であり、ノード間が100mを超えるような長距離にも対応できます。このようにEtherCATではイーサネットで使用できるあらゆるケーブルを使用できます。
1つのEtherCATセグメントに最大65,535台のデバイスを接続でき、ネットワークの最大構成は事実上無制限です。ノード数が事実上無制限ということはスライスI/Oのようなモジュール式のデバイスでも個々のモジュールをEtherCATスレーブとして設計できます。したがってメーカー固有の拡張バスを使用する意味がなくなります。EtherCATの高性能な通信機能を各モジュールレベルで使用できるのでメーカー固有バスの変換カプラによるゲートウェイやそれにともなう遅延などの性能低下がありません。

15

16

EtherCAT P:
通信と電源供給を1ケーブル化
RX- TX-

TX+ RX+

US

UP

電源供給 2 x 24 V DC,
3 A (US, UP)

GNDS

2ケーブル接続: EtherCAT + 電源供給

GNDP

EtherCAT P (P = power) は前述のEtherCAT標準プロトコルの追加仕様であり、4線のイーサネ
ットケーブル1本で通信データの伝送だけでなく動作電源も供給します。
EtherCATとEtherCAT Pはプロトコル自体は完全に同一であり、物理層だけに追加を加えています。EtherCAT P専用のEtherCATスレーブコントローラーは使用しません。EtherCAT P
はEtherCATと同じ通信上の利点があります。さらに通信ケーブルだけで電源供給ができるという魅力的な特徴をもち、様々なアプリケーションに適しています。
2系統の24VDC電源が供給され、これらは相互に絶縁され、個別にON/OFF可能です。EtherCAT
Pデバイスはこの電源で動作し、USはデバイスシステムの動作とセンサー駆動用、UPは出力やアクチュエーター動作用に使用します。両方の電源電圧USとUPは100Mbit/sイーサネット通信ラインに直接にカップリングされます。この電源供給機能によってユーザーは複数のEtherCAT Pデバイス
間をたった一本のケーブルでカスケード接続でき、省配線化、配線コストの削減やデバイスや装置の小型化に寄与します。

17

TXUS

RXUP

TX+
GNDS

RX+
GNDP

EtherCAT
Power

EtherCAT P: 1ケーブルでデータと電源供給

EtherCAT Pは、装置制御ユニットを内蔵したりや少点数のI/Oを各所に配置するような装置のネットワークとして特に適していて、支線分岐のケーブル1本でデータ通信と電源供給を可能としま
す。EtherCAT Pはあらゆるセンサー系接続にも最適です。コンパクトなM8コネクタを使用してセンサーなどのフィールドデバイスを効率よく高速ネットワークに接続し、電源供給まで行います。ケーブ
ル配線時に誤接続を防止するための機構や新形状のコネクタをEtherCAT P専用に設計しました。
EtherCAT Pは標準のEtherCAT製品と同じネットワーク内に混在させることも可能です。標準
EtherCATからEtherCAT Pの変換はEtherCATデータエンコーディングを維持して電源を重畳するための整流器を使用します。同様に逆のしくみでデバイス自身はEtherCAT Pで電源と通信を受けてその電源動作し、出力側は標準EtherCATプロトコルとするようなデバイスもあります。
EtherCAT Pに関する詳しい情報はETG Webサイトで紹介しています。
www.ethercat.org/ethercat-p

18

高精度時刻同期
ディストリビュートクロック
分散したデバイスや装置間で同時動作が必要なアプリケーションでは、正確な時刻同期が非常に重要になります。例えば、複数のサーボドライブ軸が協調動作をするようなアプリケーションが該当します。
完全な同期通信では通信エラーが発生するとその同期精度は大きく損なわれます。一方、それぞれのノードに分散した時計を同期させれば通信システムのジッタに対する許容範囲が大きくなります。このためEtherCATのノード間同期のソリューションはディストリビュートクロック (以下、DC) をベースとしています。

t

伝送遅延補正を行ったハードウェアベース時刻同期

ノードの時刻補正は完全にハードウェアによって行います。DCではネットワーク経路で最初に位置するDCスレーブデバイスの時刻をネットワーク内の参照時計としてシステム内の他の全てのデバイ
スに周期的に配信します。このメカニズムによってスレーブデバイス内の時計は正確に参照時計と一致するように補正します。その結果としてシステム内の時刻のジッタは1µsより十分小さな値となります。

参照時計の時刻が後続のスレーブデバイスに到達するまでにわずかな遅延が発生しますが、同期性
能と同時性を保証するために伝送遅延は各スレーブで計測を行い補正しなければなりません。この遅延はネットワークの起動時に計測され、また設定により動作中に継続して計測を行い、互いの時
刻が1µsより十分小さなズレで同期することを保証します。

同期性と同時性：300ノードと総ケーブル長120mをはさんだDCスレーブ間時刻同期信号のオシロス
コープ画像

全てのノードが同じ時刻情報を保持していれば、それらのノードは同時に信号を出力したり、入力信
号のラッチ時刻として正確なタイムスタンプを付加することもできます。モーション制御アプリケー
ションでは同期性と同時性に加えて周期精度も重要です。このようなアプリケーションでは速度は計測した位置情報から算出するので、位置計測を正確な周期で行うことが極めて重要となります。
たとえ位置測定タイミングに発生した誤差が非常に小さな場合でも、サイクルタイムが小さい場合な
どは速度の計算に大きな誤差となってしまうことがあります。
EtherCATでは位置計測は正確なローカル時計の時刻でトリガーし、フィールドバスシステムの通信を使用しないため高い精度で計測を行えます。
さらに、DCの使用はマスターデバイスの負荷にはなりません。位置計測のような動作は通信フレー
ムの受信ではなくノード内のローカルな時計で行うのでマスターデバイスのフレーム送信に対して厳密なタイミング要件が不要となります。これにより標準イーサネットポートのあるハードウェア上にマスタースタックをソフトウェアで実装できます。数マイクロ秒程度のジッタではディストリビュート
クロックの精度は影響を受けません。時刻の精度はそれが設定されたタイミングには依存せず、フレーム送信の絶対時刻とは関係ありません。EtherCATマスターに必要なことはDC信号がスレーブデ
バイスの出力をトリガーするより十分早いタイミングでEtherCATテレグラムを送信することになり
ます。

19

20

診断機能と
障害個所の特定
従来のフィールドバスシステムの経験から、診断機能は装置の可用性と障害検出までの時間を決定する重要な役割をもっています。障害検出に加え、障害個所の特定はトラブルシューティングにとって重要です。EtherCATには起動時に実ネットワークのスキャン結果と設定情報との比較を実行する機能があります。また、システム診断を行うための多くの機能をもっています。
各スレーブデバイスが内蔵しているEtherCATスレーブコントローラーはチェックサムによって通信中のフレームを検査します。通信データはフレームを正しく受信した場合にだけスレーブのアプリケーションに送られます。ビットエラーを検出すると、エラーカウンタをインクリメントして後続のノードにフレーム内にエラーがあることを通知します。マスターデバイスもフレームの破損を検出し、その通信データを破棄します。マスターデバイスはノードのエラーカウンタを調べて障害発生個所を特定できます。従来のフィールドバスシステムではエラーを含んだ通信フレームがバス幹線全体に送信されるため、エラー発生個所の特定が極めて困難になることに比べ、このEtherCATの障害個所特定機
能は大きな利点となります。EtherCATでは装置の動作に影響を与える前に偶発的に発生する障害の検出と個所の特定が可能です。
ユニークかつ効率的な通信帯域の使用方法によりEtherCATは通常1個のフレームで通信を完結できます。同じサイクルタイムで比較すると、他の産業イーサネットより通信フレームの送受信中の時間が極めて短くなり、外部ノイズなどの影響を受けてビットエラーが発生する確率もこれに比例して小さくなります。EtherCATでは高速なサイクルタイムを使用することが多く、フレーム破損が起こってもすぐに次のデータを受信し、再送より早くエラーから復帰できます。これはマスターに複雑なエラー回復処理が不要であることも意味します。
フレーム内部についてはワーキングカウンタを使用してデータグラム内のデータが処理されたことを監視できます。データグラムでアドレス指定された各ノードは、そのアドレス位置に対する処理を正しく行ったときにワーキングカウンタを自動的にインクリメントします。マスターは処理後のワーキン
グカウンタが予想値と異なると、そのデータグラム内のデータを制御アプリケーションに送信しません。マスターデバイスはノードのステータスやエラー情報ならびにリンク状態を検査し、不測の動作の原因を自動的に検出できます。
EtherCATは標準イーサネットフレームを使用するので、イーサネットネットワーク内の通信フレーム
はフリーのイーサネットキャプチャーツールなどで記録できます。例えば、ごく一般的に使用されているWiresharkというソフトウェアがあり、このソフトウェアにはEtherCATデータグラムのプロトコル
解析機能が内蔵されています。このソフトウェアを使用してワーキングカウンタやコマンドなどプロト
コル固有の情報をGUI画面に表示したり、テキストファイルに出力して解析できます。

高可用性
非常に高い可用性が要求される装置や設備にでは、ケーブル断線や特定ノードの障害でネットワー
クセグメントへのアクセスが不能になったり、ネットワーク全体が機能不全となってはいけません。
EtherCATではケーブル冗長性を非常に簡単に導入できます。マスターデバイスにもう1つイーサネッ
トポートを追加し、最後のノードのOUTポートから1本のケーブルを接続するだけでライン型のトポロジーからリング型トポロジーに拡張できます。ケーブル冗長性を有効にすると1か所のケーブル断線またはノードの故障が発生してもマスタースタックの冗長性機能がそれを自動的に検出します。冗長性機能はマスター側のサポートだけで実現できます。スレーブデバイス側の機能追加は必要なく、スレーブ自身では冗長性が有効であるかを認識する必要はありません。

標準EtherCATデバイスによる低コストなケーブル冗長化

スレーブデバイスはリンク状態を自動的に検出し、冗長性に対応します。リンクロス検出から冗長対応動作による機能復帰まではわずか15µsであり、影響を受けるのは最大で1通信サイクルだけです。
非常に短いサイクルタイムが必要なモーション制御でもケーブル断線に直ちに対応しスムーズなネットワーク経路の切り替えで動作が継続できます。
このケーブル冗長性機能はマスターデバイスにとってネットワークのホットスタンバイとみなせます。
可動部などの障害が発生しやすいネットワーク経路は支線分岐として接続することで、その個所のケーブル断線時でも幹線の通信を維持し、装置全体の動作を継続できます。

21

EtherCAT システム概要
EtherCAT工場ネットワーク

EtherCAT装置制御ネットワーク

EtherCATオートメーションプロトコル(EAP)

EtherCATデバイスプロトコル

ディストリビュート
クロック:
参照時計

標準
イーサネット
インタフェース

100BASE-TX
ノード間最大100m

MES

マスター間通信

ERP

スイッチングハブ

マスタクラス仕様準拠のクラスAまたはクラスB
マスタ

EtherCAT
セグメント間の
時刻同期と
データ交換

HMI
WiFi

集中制御
Safety over
EtherCATマスター

タブレット

高可用性: ケーブル冗長化

マスター・スレーブ間通信

スレーブ
間通信

分散制御
Safety over
EtherCATマスタ

光ファイバー
ノード間最大100m

例）- IEEE1588- GPS- DCF77

EBUS
LVDSバックプレーン

最大65,535
スレーブ
Junction

ID:01

External
Synchronization

Junction

ID:02

ディストリビュートクロックによる超高精度時刻同期
ジッタ&同期誤差 « 1μs

ID:03- ホットコネクト- デバイスID設定

柔軟なトポロジー
- ライン
- ツリー
- スター
- 分岐

EtherCAT P:
データ通信と電源を同じケーブルに供給

Switchport

24 V DC

SensorActor

標準イーサネットの統合:- Ethernet over
EtherCAT (EoE)例) TCP/IP

Sensor

スレーブ・マスター間通信

Gateway

ドライブの統合:-DS402ドライブプロファイル
CAN application protocol
over EtherCAT (CoE)-Servo drive profile
over EtherCAT (SoE)-安全ドライブプロファイル
モジュラーデバイスプロファイル(MDP)

フィールドバスの統合:- モジュラーデバイスプロ
ファイル(MDP)- ADS over EtherCAT(AoE)

その他のフィールドバスSafety over EtherCAT

24

最新の通信システムは制御データのリアルタイム通信だけでなく、同じネットワークメディア内に機能安全の制御データを送信できるようになっています。
EtherCATではSafety over EtherCATプロトコルを機能安全のプロトコルとして使用します。
	制御データと安全データを同一の通信システムに共存	安全システムを柔軟に拡張	認証済み機能安全コンポーネントで容易に安全アプリケーションを構築
	安全機能に対する強力な診断機能	装置設計にシームレスに安全システムを統合
	標準アプリケーションと安全アプリケーションに共通の開発ツールを使用

Relais Logic

リレーロジックに比べSafety over EtherCATで簡単かつ柔軟に機能安全を実現

EtherCATの安全技術はIEC 61508準拠として開発され、TÜVの認証済みです。また、IEC 61784-3
として国際規格になっています。このプロトコルは機能安全性SIL3までの安全アプリケーションに対応します。
Safety over EtherCATでは通信システムはいわゆるブラックチャネルとよばれる概念を使用し、通信経路を機能安全として考慮する必要がありません。標準通信システムとしてEtherCATを使用し、1つの経路で標準データと安全データを通信します。

安全フレームはセーフティコンテナと呼ばれ、安全プロセスデータやデータの信頼性を保証するための追加データからなります。セーフティコンテナは通信プロセスデータの一部として通信します。デー
タ通信が安全であるかどうかは通信技術には依存せず、EtherCAT以外の経路も使用できます。セー
フティコンテナはフィールドバスシステム内を伝送しますが、イーサネットやその他の通信技術も使用でき、銅線ケーブル、光ファイバーやワイヤレス通信も使用できます。

Ethernet テレグラム
ECAT HDR

イーサネットヘッダー

データグラム1

データグラム2

FCS

Safety over EtherCAT フレーム
CMD

安全データ

CRC_0

安全データ

CRC_1

Conn ID

周期プロセスデータ内のセーフティコンテナ

この柔軟性により、装置内の機能安全部分のネットワーク接続はより単純な構造になります。セーフ
ティコンテナは複数のコントローラーを通過し、装置内の様々な場所で処理されます。これにより装置の非常停止機能で全装置、または装置内の一部の機能だけを停止というようなシステム設計の選択が可能となります。例えば装置内のネットワークの一部がイーサネットなどの他のネットワークで接続されているような場合でも可能です。
FSoEプロトコルをデバイスに実装するのに必要なリソースは非常に小さく、低機能なCPUでも高性能かつ短い応答時間を実現できます。ロボット産業で安全モーション制御アプリケーションが使用されていますが、その閉ループ制御は8kHzで動作しています。
デバイス 1

コントローラーA
安全
プロトコル

デバイス 2

コントローラーB
安全
プロトコル

コントローラーA
安全
プロトコル

EtherCATスレーブコントローラーIN

コントローラーB
安全
プロトコル

EtherCATスレーブコントローラー

OUT

IN

OUT

EtherCAT

ブラックチャネルの概念: 標準通信インタフェースの使用

Safety over EtherCATに関する詳しい情報は以下のウェブサイトを参照してください。
www.ethercat.org/safety.

25

26

通信プロファイル
スレーブデバイスの設定や診断を行うために非同期通信によるスレーブアプリケーション層のパラメーターへのアクセス機能があります。これはメールボックス通信という信頼性の高い方法で行い、通信エラー時には自動的にエラー回復処理を行います。
多様なデバイスとアプリケーション層をサポートするために以下のようなEtherCAT通信プロファイ
ルが規定されています。
CAN application protocol over EtherCAT (CoE)Servo drive profile over EtherCAT (SoE) (IEC 61800-7-204準拠)
Ethernet over EtherCAT (EoE)
File Access over EtherCAT (FoE)
ADS over EtherCAT (AoE)

ファイル
システム/
ブートローダーファイル
アクセス

下層オブジェクト HTTP, FTP, … IEC 61800-7204 application
ディクショナリまたはデバイス(SERCOS)

ゲートウェイ
機能

CANopenapplication

TCP UDPIDN

オブジェクトディクショナリ

IP

サービス
チャネル

SDO

イーサネット

FoE

AoE

EoE

SoE

メールボックス

Process data

PDO
マッピ
ング

CoE

AT
MDT

CoE/SoE

プロセスデータ

EtherCATスレーブコントローラー

物理層

ネットワーク内に様々な通信プロファイルを混在可能

スレーブデバイスが全ての通信プロファイルをサポートする必要はありません。デバイスの機能に合わせて最も適切な通信プロファイルを選択してください。マスターデバイスはスレーブデバイスのESIファイルを参照してスレーブに実装されている通信プロファイルの種類を認識します。

CAN application protocol over EtherCAT (CoE)27
CoEプロトコルではEtherCATはEN 50325-4で規定されているCANopen®規格と同一の通信メカ
ニズムを提供します。CoEではオブジェクトディクショナリ、PDO (プロセスデータオブジェクト) マッ
ピングやSDO (サービスデータオブジェクト) などをサポートし、ネットワーク管理方法もCANopenとほぼ同様です。既にCANopenに対応したデバイス開発の経験があれば最小限の工数でEtherCATに
CoEを実装でき、CANopenのプロトコル処理ソフトウェアの大部分は再利用できます。CANopen仕様による8バイトのPDOサイズ制限はなく、EtherCATの大きな帯域を活用したオブジェクトディクシ
ョナリ全体のアップロードなどの拡張が行われています。CiA 402ドライブプロファイルのようなデバ
イスプロファイルもEtherCATで再利用できます。

Servo drive profile over EtherCAT (SoE)
SERCOS™はリアルタイム通信インタフェースとして知られ、特にモーション制御の分野で使用されています。SERCOS™のサーボドライブプロファイルは国際規格IEC 61800-7で規定されています。
この規格にはこのデバイスプロファイルのEtherCATへの適用が含まれています。全てのドライブ内部パラメーターや機能へのアクセス方法を含め、サービスチャネルはEtherCATメールボックスを使用します。

Ethernet over EtherCAT (EoE)
EtherCATはイーサネットの物理層とイーサネットフレームを使用します。イーサネットという言葉はTCP/IPコネクションを使用したITアプリケーションによるデータ通信という意味で使われることもあります。

Switchport

標準ITプロトコルの透過通信

Webserver

Ethernet over EtherCAT (EoE) プロトコルを使用すると、イーサネットデータ通信をEtherCAT
28

セグメント内で伝送できるようになります。イーサネットデバイスはスイッチポートと呼ばれるデバイスを介してEtherCATセグメントに接続します。イーサネットフレームはEtherCATプロトコル
でトンネル化します。伝送方法はインターネットプロトコルとよく似ています (例、TCP/IP, VPN,
PPPoE(DSL)など)。このような方法でEtherCATネットワーク内でイーサネットデバイスへの通信を実現しています。スイッチポート機能のあるデバイスはTCP/IPフレームの分割データをリアルタイム
通信が影響を受けないように通信します。
また、EtherCATデバイス自身でイーサネットプロトコル (HTTPなど) をサポートでき、EtherCATセグメント外から標準イーサネットノードのようにアクセスできます。マスターデバイスはレイヤ2ス
イッチに相当する機能を提供し、EoE経由で対応するノードにフレームを送信します。以上のようにEtherCAT環境内でウェブサーバー、E-mail、FTPなどのあらゆるIT技術を実装できます。

File access over EtherCAT (FoE)
TFTP (Trivial File Transfer Protocol) に類似した簡単なプロトコルを使用してデバイス内のファイルへアクセスしたり、ネットワーク経由でデバイスのファームウェアをアップロードすることも可能です。このプロトコル仕様は実装がコンパクトになるように設計されており、ブートローダープログ
ラムで実行できるように考慮されています。

ADS over EtherCAT (AoE)
ADS over EtherCAT (AoE)はEtherCAT仕様で定義されたメールボックス通信経由のクライアン
ト・サーバープロトコルです。CAN application protocol over EtherCAT (CoE)のようなプロ
トコルが意味論的処理を逐次に行うのに対し、AoEは従来のプロトコルを補完し、ルーティングかつ並列処理可能なサービスが可能となるように設計されています。例えば、ゲートウェイデバイスを使用してEtherCATネットワークから下層のサブネットワークにアクセスするための手段として使用
し、PLCプログラムからCANopen®、IO-Link™やその他のフィールドバスシステムにアクセスできます。
AoEはインターネットプロトコル(IP)にある同様のサービスと比べ、極めてオーバーヘッドが小さくなります。送信側と受信側をアドレス指定するパラメーターは常にAoEテレグラム内に含まれています。このため、サーバー側とクライアント側の両方において非常にコンパクトなコードで実装できます。AoEはEtherCATオートメーションプロトコル (EAP)の非周期通信のプロトコルとしても使用で
き、MESシステム、EtherCATマスターおよびゲートウェイ経由で接続した下層のフィールドバスデバ
イス間とシームレスな通信機能を提供します。AoEはEtherCATネットワークの診断情報をリモート診断ツールで取得するための標準的方法としても使用します。

EtherCATオートメーションプロトコル(EAP) による工場レベル通信
プロセス制御レベル専用の通信方法は、マスター・スレーブデバイス間のEtherCATデバイスプロト
コルとはやや異なる要件が要求されます。通常、装置間や装置の各部はステータス情報や次の製造段階に関するデータを相互に交換しなければならないことがあります。さらに、集中管理を行うコン
トローラーが製造過程全体を監視し、ユーザーに生産状態を通知し、各種装置に生産指令を発行します。
EtherCATオートメーションプロトコル (EAP) はこれらの要件を満たすプロトコルです。

ERP

HMI
(OPC, シンクライアント)スイッチングハブ

EtherCATオートメーションプロトコル

設定/
診断

プロセス
制御

タブレット

Switchport

EtherCATデバイスプロトコル(オンザフライ処理)

EtherCATオートメーションプロトコル(EAP)による工場レベル通信

29

このプロトコルは次のようなインタフェースとサービスを定義しています。
30

	EtherCATマスターデバイス間のデータ交換 (マスター間通信)
マンマシンインタフェース (HMI)の接続
上位監視装置からの下層のEtherCATセグメント内デバイスへのアクセス (ルーティング)
デバイスを含め、装置または工場全体の統合設定ツール

PROCESSCONTROL

EtherCATオートメーションプロトコル(EAP)
Safety over EtherCAT

装置モジュール A

装置モジュール B

装置モジュール C

EtherCATオートメーションプロトコルとSafety over EtherCATによる工場レベル通信のアーキテクチャー              EAPで使用する通信プロトコルは国際規格IEC 61158に含まれています。
EAPは一般のイーサネットコネクションで通信を行い、ワイヤレス通信にも対応しているので、半導体製造や自動車産業の広く使用されているような自動搬送機 (AGV) への応用も可能です。
EAPの周期プロセスデータ通信はプッシュ型またはポーリング型のいずれにも対応しています。プッ
シュ型では各ノードは自身のデータをそれぞれのサイクルタイムで送信します。複数のノード宛の通信も可能です。各受信側では特定の送信側からのデータ受信を設定できます。送信側と受信側のデータの設定はオブジェクトディクショナリを介して行います。ポーリング型ではノード (通常、集中制
御コントローラー) は他のノードに向けてテレグラムを送信します。各ノードはそのテレグラムの応答として自身のテレグラムを送信します。

周期EAP通信はイーサネットフレームに直接入れることができ、この場合は追加の通信やルーティングプロトコルは使用せず、イーサネットヘッダーのEtherTypeに0x88A4を指定することでEtherCAT専用のフレームであることを識別できます。この方法では、ミリ秒オーダの周期でEAPによる高速データ交換が可能となります。装置間でフレームのルーティングが必要な場合は、UDP/IP
またはTCP/IPによるプロセスデータ通信を行います。
また、Safety over EtherCATプロトコルを使用してEAP経由で安全データの通信が可能です。大規模な装置に対して各部の安全データの交換により装置全体を緊急停止したり、隣接する装置の非常停止を通知したりする場合にEAP経由の安全データ通信を行います。

フィールドバスシステムの統合
EtherCATは帯域に余裕があり、EtherCATをバックボーンとして従 来のフィールドバスネット
ワークをゲートウェイ経由で統合できます。従来のフィールドバスで構成された装置や装置の一部をEtherCATに組込み、EtherCATへ移行するための工数を削減したい場合に有効な方法です。EtherCATインタフェースをまだサポートしていないデバイスを使用した場合の代替手段になります。

Gateway

Gateway

フィールドバスゲートウェイ

EtherCAT – フィールドバスゲートウェイを使用すると、フィールドバス専用インタフェースを拡張するためのスロットが不要となりコントローラーのサイズをコンパクト化できます。旧来はフィールドバスマス
ター、高速シリアルインタフェースやその他の通信サブシステムなどの高機能なデバイスの接続には
拡張スロットが必要でした。EtherCATではスレーブとしてネットワークポートにフィールドバスへのゲートウェイをケーブルで接続するだけです。下層のフィールドバスとのプロセスデータはEtherCATシステムのプロセスイメージとして直接アクセスできます。

31

32

EtherCAT, インダストリー4.0およびIoTによるデジタルトランスフォーメーションの強化

プロセス最適化、予防保全、MaaS、適応システム、省資源、スマートファクトリー、コスト削減など、制御ネットワーク内のデータを上位システムで活用するための十分な理由は挙げきれないほどあります。Internet of Things (IoT)、インダストリー4.0、中国製造2025、インダストリアル・バリュー
チェーン・イニシアチブなどの活動がおこなれていますが、包括的に全てのネットワークレベルにおいてシームレスかつ持続的で標準化された通信方式が共通の要件になっています。例えば、分散デバ
イス内にERPシステムからレシピやパラメーターをダウンロードすると同時にクラウドシステムにセンサーデータをアップロードする場合や、2台の装置間で共有する搬送システムがある場合など、垂直および水平方向の通信が必要なります。
EtherCATは高性能、柔軟性かつオープンな相互接続機能に優れ、これらのデジタルトランスフォー
メーションの要件を本質的に満たしています。上位システムの性能はビッグデータの処理機能を制御ネットワークに付加するために必要になります。EtherCATは既存システムのコントローラーの設定変更やスレーブデバイスの更新をしなくてもクラウドへの接続機能を追加できる柔軟性を備えています。エッジゲートウェイを使用すると、EtherCATマスターのメールボックスゲートウェイ機能を経由してあらゆるEtherCATスレーブデバイス内のデータにアクセスできます。エッジゲートウェイは
リモートデバイスとしてマスターにTCPまたはUDP/IPでネットワーク通信したり、EtherCATマスター自体と同じハードウェア内にソフトウェアとして共存も可能です。
さらに、オープンインタフェースには、OPC UA、MQTTあるいはAMQPなどのあらゆるITベースのプロトコルを統合でき、マスター内もしくは直接スレーブデバイス内からIoTサーバーと直接に通信リンクを確立し、センサーからクラウドまでをシームレスに接続できます。
これらの機能は既にEtherCATプロトコルの機能として含まれていて、EtherCATがいかに先見の明のあるプロトコルであるかを示しています。また、これに加えてより多くのネットワーク機能が追加され、EtherCATは進化し続けます。もちろん、進化・発展を続ける上で過去と互換性を維持することも重要です。有益な新しい機能を導入するにはネットワーク全体の互換性、過去との連続性を保持しなければなりません。この点においてEtherCATプロトコルは2003年の発表以来常に「バージョン
1」として安定版であり続けます。
その他のこの分野の進展としてタイムセンシティブネットワーキング (TSN) 機能があり、コントロー
ラー間通信のリアルタイム通信機能の改善が期待できます。TSNを使用すれば工場ネットワーク越しに制御システム内のEtherCATネットワークにまでリアルタイムでアクセスでき、クラウドベースまでの拡張も考えられます。EtherCATは通常、ネットワーク全体に1個のフレームだけを送信して通信を完了できるので、このアクセス方式は他のフィールドバスや産業用イーサネットに比べてコンパク
トな実装かつ高速レスポンスを実現できます。実際にEtherCAT Technology Groupの技術専門スタッフがIEEE 802.1のTSNタスクグループの初日、つまりTSNがAVBとして策定されていた頃か
ら参画しています。

33

また、EtherCAT Technology Group (ETG) はOPC Foundationとパートナー関係を結んだ最初のフィールドバス団体でもあります。OPC UAプロトコルはスケーラブルかつセキュリティ機能を有す
るTCP/IPベースのクライアント・サーバー型通信技術であり、EtherCATポートフォリオを補完するものです。セキュリティ機能によりMES/ERPシステム間のデータ通信の暗号化に対応します。OPC
UA Pub/SubではOPC UAのユーザビリティーが大きく改善され、装置間 (M2M) アプリケーショ
ンやクラウドベースサービスとの垂直通信のリアルタイム性が向上します。ETGはこれからも継続的かつアクティブにこれらのすべての活動に貢献し、EtherCATネットワーク環境とシームレスな連携の確保に努めています。
つまり、EtherCATはIoT-Readyではなく、EtherCAT自体がIoTなのです。

OPC-UA, AMQP, MQTT, TSN, EAP

ERP
MES

Edge
Gateway

Edge
Gateway

IoT Protocols:
OPC-UA, AMQP, MQTT

34

EtherCAT
インタフェースの実装

35

EtherCAT技術は特に低コスト設計のための最適化を行っているので、センサー、I/Oデバイスや組込み型コントローラーにEtherCATインタフェースを追加してもほとんどデバイスのコストは増加しません。さらに、EtherCATインタフェースには高速なCPUは必要なく、CPUに必要な性能要件はスレーブのアプリケーション機能の実行性能だけを考慮することになります。
また、ハードウェアとソフトウェアの要件としては、開発のためのサポートと通信プロトコルスタックが必要になります。EtherCAT Technology Groupでは全世界で迅速な質問への回答や技術課題への対応体制を提供しています。各メーカーから開発用の評価キットや開発者向けワークショップ、さらには無料のスレーブサンプルコードを提供しているので容易に開発に着手できます。
エンドユーザーにとって最も大事なことはマルチベンダー環境におけるEtherCATデバイス間のイン
タオペラビリティーです。インタオペラビリティーの向上のためにはデバイスメーカーがデバイスのコンフォーマンステストを実施し、合格後に製品を販売しなければなりません。コンフォーマンステス
トはその実装がEtherCAT仕様に適合しているかを検査します。このテストはEtherCATコンフォー
マンステストツールによって行います。コンフォーマンステストはデバイスの開発過程でも実施することができ、早期の実装上の問題の修正に役立ちます。

36

マスターデバイスの実装

EtherCATマスターデバイスに必要なインタフェースは単純明快であり、イーサネットポートだけです。マスターの実装にはオンボードのイーサネットコントローラーや一般的な標準ネットワークカードを使用でき、特別なインタフェースカードは必要ありません。したがって、標準イーサネットポートがあればマスターデバイスはEtherCATのリアルタイムネットワーク機能を実装できます。
ほとんどの場合、イーサネットコントローラーにはダイレクトメモリアクセス (DMA) 機能が内蔵されているので、マスターデバイスとネットワーク間のデータ交換にはCPUには負荷がかかりません。EtherCATネットワークではスレーブ側でデータのマッピング処理を行います。各スレーブデバ
イスはプロセスイメージの正しい場所にデータを書き込み、指定された場所からデータを読み出します。この処理はフレームを通過させながら行います。このため、プロセスイメージがマスターデバイスに戻ってきたときにはマスターはイメージをそのまま使用できます。
マ ス ター デバ イス の C P U は プ ロ セ スイメー ジ の デ ー タの 並 び 替 えを 行 う 必 要 が な い ので、EtherCATインタフェースの処理ではなく、アプリケーションで実行する処理に処理時間を割くことができます。ネットワークの規模が比較的小さく、定型的なアプリケーションに特化する場合は
特にEtherCATマスターの実装は非常に容易です。EtherCATマスターデバイスは多様なオペレーティングシステムに対応しています。例えば、Windows、様々なディストリビューションのLinux、QN
X、RTX、VxWorks、Intime、eCosなどの実装例があります。
ETGメンバーによるEtherCATマスターの実装サポートサービスもあり、各種リアルオペレーティン
グシステムやCPUに対応したマスタースタックや、無償のEtherCATマスターライブラリが提供されています。
EtherCATマスターのネットワーク処理には、周期プロセスデータの構成や各スレーブの起動時設定
コマンドなどが必要になります。これらのコマンドはEtherCATネットワーク情報 (ENI) ファイルとしてマスターが読み込みます。ENIファイルはネットワーク内に接続したスレーブのEtherCATスレ
ーブ情報 (ESI) ファイルを基にしてEtherCAT設定ツールで作成します。

37

マスターの実装には多様性があり、サポートしている機能やオプション機能が異なります。適用したいアプリケーションによって、ハードウェア性能やソフトウェア資源の最適化のために目的に合わせてオプション機能の追加や削除を行えます。この目的のためにEtherCATマスターデバイスを2つのカテゴリに分けています。クラスAマスターは標準的なEtherCATマスターデバイスであり、クラスB
マスターは実装機能が削減されています。原則として全てのマスターはクラスAのカテゴリとして実装することを推奨しています。クラスBは低コストCPUによる組込みシステムなど、全機能のサポートにハードウェアやソフトウェアの資源が不足するような場合にだけ採用します。

制御タスク

プロセスイメージ
記述 (XML)

システム
設定
ツール

EtherCAT
ネットワーク情報(ENI)

XML パーサー

XML

HW設定
初期化コマンド

EtherCAT
スレーブ情報 (ESI)

HDR

プロセスデータ

オンライン機能XML

EtherCAT マスタードライバー
EtherCAT マスター

標準イーサネットMAC

EtherCATマスターのアーキテクチャー

38

スレーブデバイスの実装

EtherCATスレーブデバイスには低コストのEtherCATスレーブコントローラー (ESC) を使用します。ESCはASIC、FPGAまたはマイコン内蔵型などのタイプがあります。シンプルスレーブデバイス
はマイコンを使用せず、ESCのデジタル入出力機能を使用してスレーブを構成します。コンプレック
ススレーブデバイスではマイコンに必要な性能は最小限でよく、ほとんどの場合8ビットマイコンでも実装できます。
EtherCATスレーブコントローラーは複数のメーカーから供給されており、内部DPRAMのサイズやフィールドバスメモリ管理ユニット (FMMU) の数などが異なります。アプリケーション用のマイコンがDPRAMやレジスタにアクセスするために使用するプロセスデータインタフェース (PDI) もSPIやパラレルマイコンインタフェースなどがあります。
	32ビットパラレルI/Oインタフェースは合計32点までのデジタル入出力に最適です。デジタル入出力で制御できるようなセンサーやアクチュエーターを、アプリケーション用マイコンを実装することなく実現できます。
	SPIはマイコンと接続が単純であり、アナログI/O、エンコーダーやその他の単純なデバイスなど
プロセスデータサイズが比較的小さい場合に適しています。
	8/16ビットパラレルマイコンインタフェースは最も一般的であり、大きなプロセスデータを通信する高機能なノードに適しています。
	FPGAやマイコン内蔵型ESCの場合は、そのアーキテクチャーに最適な同期バスなどが採用されています。

39

ホストCPU
プロセス
データ

サービス
データ

HTTP,
FTP,...
TCP/IP(オプション)

TCP/IPスタック &アプリケーション
RAM

8 I/O

8 I/O

PDI (プロセスデータインタフェース)

デュアルポートメモリ

ESC(EtherCATスレーブ
コントローラー)

シンクマネージャー, FMMU

レジスター

プロセスデータ

メールボックス

RJ 45

パルストランス

PHY

デュアルポートメモリ

ESC(EtherCATスレーブ
コントローラー)

シンクマネージャー, FMMU

レジスター

プロセスデータ

SII (例EEPROM)

パルストランス

EtherCAT ポート0
MII
RJ 45

スレーブハードウェア: コンプレックスデバイス
EtherCATスレーブコントローラー + ホストCPU

RJ 45

パルストランス

EtherCAT ポートn
MII

PHY

PHY

パルストランス

スレーブハードウェア: シンプルデバイス
EtherCATスレーブコントローラー + ダイレクトI/O

ハードウェア設定はEEPROMなどの不揮発性メモリに保存し、スレーブ情報インタフェース(SII)と呼ばれます。SIIには基本的なデバイスの機能に関する情報が格納されていて、マスターは起動時にその内容を読み出します。また、スレーブのESIファイルが内容な場合でもSIIの情報からデバイスを動作させることができます。ESIファイルはデバイスとともに提供されるXMLベースのファイルであり、ネットワークアクセスに関する全ての情報が記述されています。ESIにはプロセスデータやそのマ
ッピング方法、デバイスがサポートしているメールボックスプロトコルやオプション機能、サポートしている同期モードなどが含まれます。ネットワーク設定ツールはこの情報を基にオンラインまたはオ
フラインでEtherCATネットワークの設定を行います。
スレーブデバイスの実装には様々なメーカーから評価キットが販売されています。これらのキットにはスレーブアプリケーションソフトウェアのソースコードが含まれ、スレーブ機能のテスト用マスターが同梱されていることもあります。評価キットを使用すると、簡単な手順でEtherCATスレーブの機能追加やそのテストを行えます。
ETGウェブサイトではスレーブ開発を着手するにあたって、開発のヒントとなるスレーブ実装ガイドを提供しています。

SII (例EEPROM)

EtherCAT処理ユニット&
ループバック機能付きオートフォワーダー

EtherCAT ポートn
MII
PHY

8 I/O

PDI (プロセスデータインタフェース)

EtherCAT処理ユニット&
ループバック機能付きオートフォワーダー
EtherCAT ポート0
MII

8 I/O

RJ 45

40

コンフォーマンスと認証

通信規格の普及には2つの重要項目があり、それはコンフォーマンスとインタオペラビリティーです。EtherCAT Technology Groupはこの2点を非常に重要視しています。デバイス実装のコンフォーマンステスト (EtherCATコンフォーマンステストツールによる自動テスト) が必須であることに加え、EtherCATマスターとスレーブデバイスおよに設定ツール間のインタオペラビリティーの向上を目的として幅広い活動を行っています。

プラグフェスト
マルチベンダー環境のインタオペラビリティーの確認には、実際に多数のデバイスと接続テストを実施することが最も実践的です。この観点からETGでは毎年複数回のプラグフェストを開催しています。プラグフェストは2日間のイベントです。この期間内にマスターとスレーブデバイスメーカーが集
まり、相互に接続を行って動作の確認を行います。このテスト結果をもとに各メーカーはデバイスの改善を行います。参加者は実装のヒントや注意点などを共有したり、ETGの技術者からアドバイスを受けられます。ETGはヨーロッパ、北アメリカと日本でプラグフェストを開催しています。

EtherCATコンフォーマンステストツール
EtherCATコンフォーマンステストツール (CTT) はEtherCATスレーブデバイスの動作を自動的にテストするためのソフトウェアです。
CTTはWindowsアプリケーションとして動作し、標準イーサネットポートでテストを実行できま
す。CTTは被テストデバイス(DuT)にEtherCATフレームを送信し、そのレスポンスを受信します。DuTが仕様どおりのレスポンスを行えば、そのテストケースは合格として記録されます。テストケ
ースはXMLファイルで記述されているので、CTTのソフトウェアはそのままでテストケースを独立して拡張できるようになっています。
テストケースの仕様作成とリリースはETGコンフォーマンス技術作業部会 (TWG) によって行われます。
プロトコルのテストに加えて、CTTではEtherCATスレーブ情報 (ESI) ファイルの内容とデバイスが一致しているかも検査します。さらに、CTTはCiA 402ドライブプロファイルのようなデバイス固有のプロトコルテストも実施できます。
全てのテスト経過と結果はテストログに記録され、保存や判定結果の解析を行いデバイスのコンフォ
ーマンスの改善を行えます。
ETGでは継続的にCTTのテストケースをメンテナンスするとともに、新規のテストケースの追加を行っています。デバイスメーカーは最新バージョンのCTTとテストケースを使用してデバイスのコンフォーマンスを確認することが重要です。CTTは年間使用契約で提供されています。CTTはEtherCAT
インタフェースの実装などデバイス開発の初期段階から使用することで早期にエラーを修正し、デバイス開発を支援します。

41

コンフォーマンス技術作業部会
EtherCATコンフォーマンステストポリシーでは、デバイスメーカーは現行バージョンのEtherCATコ
ンフォーマンステストツールを使用したEtherCATデバイスのテストに合格することを製品販売のための最低条件としています。メーカーによって自己テストを行う場合と、公式EtherCATテストセンタ
ーで受検する場合があります。
ETG技術委員会 (TC) はコンフォーマンス技術作業部会 (TWG) を設置し、テスト手順、テスト内
容、コンフォーマンステストツールの実装機能を決定します。コンフォーマンスTWGは継続的にテストの拡張や高度化をすすめています。
コンフォーマンスTWGは、多数の多彩なデバイスからなるネットワーク内インタオペラビリティーテ
スト仕様もリリースしました。

EtherCATテストセンター
公式EtherCATテストセンター (ETC) はETGが認定した機関であり、公式EtherCATコンフォーマ
ンステストを受検できます。EtherCATコンフォーマンステストには、CTTで実施するプロトコルテス
ト、相互接続確認のネットワークを使用したインタオペラビリティテストやデバイスのインジケータ、ラベルの検査、EtherCATインタフェースのテストを行います。
ETCでのEtherCATコンフォーマンステストの受検は義務ではありませんが、デバイスメーカーは
このテストに合格することを推奨します。EtherCATコンフォーマンステストに合格すると、合格したデバイスに対してETGはEtherCATコンフォーマンステスト合格認定証を発行します。認定証はETCのテストに合格したデバイスにだけ発行され、自己テストに対しては発行されません。
公式EtherCATテストセンターで行うテストはCTTだけでなく追加のテストを行い、EtherCATの実装について高いレベルで仕様に対するコンフォーマンス、動作状態、診断などを確認します。エンドユーザーは製品選定の際にEtherCATコンフォーマンステスト合格認定証の有無をご確認ください。
コンフォーマンステストやEtherCATテストセンターに関する詳しい情報をETGウェブサイトで提供
しています。
www.ethercat.org/conformance

42

www.ethercat.org
EtherCATウェブサイトでは技術情報、近日開催のイベント情報、EtherCAT最新製品やメンバー企業一覧などを掲載しています。EtherCATデバイスの機能安全やコンフォーマ
ンスに関するページもあります。ダウンロードセクションにはセミナーなどのプレゼンテー
ション資料、掲載記事などを提供しています。

EtherCAT製品ガイド
EtherCAT製品ガイドはETGメンバー企業のEtherCAT製品やサービスの一覧表と製品ごとの紹介ページで構成されています。
www.ethercat.org/products
掲載製品に関するお問い合わせは個別ページに記載されているメーカー連絡先まで直接ご連絡ください。

イベントセクション
イベントセクションにはETG主催や共催する世界中のイベント情報を提供しています。
www.ethercat.org/events
技術作業部会ミーティング、展示会情報、EtherCATワークショップや産業用Ethernetセミナーなどの開催情報を紹介しています。

メンバーエリアETGメンバーはウェブサイト内のメンバー専用エリアにアクセスできます。
www.ethercat.org/memberarea
メンバー専用エリアにはEtherCAT仕様書、開発者フォーラムやナレッジベースなど、デバイスの開発、システム設定やネットワーク診断に有用な情報があります。

ETGオフィス

43

コンタクト
ETG 本部ETG 北米オフィス

Ostendstraße 196

Port Orchard, WA, USA

90482 Nuremberg

Phone: +1 (877) 384-3722

Germany

Fax: + 1 (512) 535 1437

Phone: + 49 (911) 5 40 56 20

j.stubbs@ethercat.org

Fax: + 49 (911) 5 40 56 29

ETG 中国オフィス

info@ethercat.org

Beijing, P. R. China
Phone: + 86 (10) 5830 1239

ETG日本オフィス

Fax: + 86 (10) 5830 1286

〒231-0062 横浜市中区桜木町1-1-8

info@ethercat.org.cn

日石横浜ビル 18F
Phone: 045 (650) 1610

ETG 韓国オフィス

Fax: 045 (650) 1613

Seoul, Korea

info.jp@ethercat.org (問い合わせ窓口)

Phone: + 82 (2) 2107 3240

support.jp@ethercat.org (技術サポート)

Fax: + 82 (2) 2107 3969
keyyoo@ethercat.org

03/2018
EtherCAT®, EtherCAT P®, Safety over EtherCAT®, Beckhoff Automation
GmbH(ドイツ) がライセンスを受けた特許取得済み技術であり登録商標です。CANopen®はCAN in Automation e.Vの登録商標です。IO-Link™はPROFIBUS
Internationalの登録商標です。SERCOS
interface™はSERCOSInternational e.Vの登録商標です。SEMI®はSemiconductor Equipment andMaterials International (SEMI)の登録商標です。本サイト上に記載された社
名、製品名は 各社の商標もしくは登録商標であり、第三者の自身の目的による使用はその所有者の権利を侵害する可能性があります。