EtherCAT最新動向と採用メリット - EtherCAT Technology Group

EtherCAT最新動向と採用メリット
Ethernet for Control Automation Technology
高速・高精度で群を抜く、
FAオープンネットワークの主役 EtherCAT
EtherCAT協会 日本地域委員会
オムロン株式会社
村山 信次
©EtherCAT Technology Group 東京採用セミナー(2015/10/8)
1
目次
1.FAネットワークのトレンド
2.EtherCATの説明
①EtherCATの概要
②EtherCATの特長
③診断機能
④Safety
⑤冗長化
3.ETG Semi TWGの活動紹介
4.導入事例
5.ETG日本地域委員会の活動紹介
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2
ネットワーク階層別 普及の変遷
~1990年
情報系
ネットワーク
コントローラ間
ネットワーク
1990年代
各種商用/専用
ネットワーク
(標準)Ethernet
(10BASE5→10BASE-T→100BASE-T→ギガ)
PLCベンダー固有ネットワーク
フィールド PLCベンダー固有
ネットワーク ネットワーク
2000年~
オープンネットワーク
DeviceNet、PROFIBUS等
産業用
Ethernet
産業用
Ethernet
フィールドネットワークとして産業用Ethernetリリースされて
10年経ち、いよいよ普及拡大期へ!
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3
主な産業用Ethernet規格
規格名
制定年
推進団体
URL
MODBUS/TCP
1999
MODBUS- IDA
http://www.modbus.org
HSE
2000
フィールドバス協会
http://www.fieldbus.org
FL-net
2000
日本電機工業会
http://www.jema-net.or.jp
EtherNet/IP
2000
ODVA
http://www.odva.org/
PROFINET
2001
プロフィバス協会
http://www.profibus.jp
EPSG
http://www.ethernetpowerlink.org
(High Speed Ethernet)
Ethernet Powerlink
2003
EtherCAT
2003
EtherCAT Technology
Group (ETG)
http://www.ethercat.org/jp
SERCOSⅢ
2006
SERCOS International
http://www.sercos.com
MECHATROLINKⅢ
2007
MECHATROLINK協会
http://www.mechatrolink.org
CC-Link IE
2007
CC-Link協会
http://www.cc-link.org
Ethernet POWERLINK
Standardization Group
(2014年5月現在)
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EtherCATの概要
 ドイツのBeckhoff Automation社が2003年開発
 リアルタイム制御を可能にしたEthernet(100Mbps)ベースの
オープンネットワーク
 超高速と高精度同期制御を共に可能にしたアーキテクチャ
 配線(トポロジ-)は自由 ライン、ツリー、スター、リング(冗長化)
 ノード数は事実上無制限(スレーブ65,535台)
 配線長はノード間 最大100m(総配線長100m×65,535)
 プロセスデータの複数回送信 (ノイズによるフレーム破損対策)
 普及組織はEtherCAT協会(ETG:EtherCAT Technology Group)
 IEC規格(62407他)取得、 ISO15745-4に参画、
 SEMI規格(E54.20)取得、韓国国家規格(KS)に採用 (2012/02)
 中国国家規格GB/T取得(2014/10)
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中国国家規格GB/T
中国国家規格GB/Tの取得2014年10月21日正式発表。
中国でもEtherCATの標準化を推進して行きます。
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SPS IPC Drives 2014 in Germany
11月25-27日にドイツで開催されたSPS IPC Drives 2014のETGブースに、
大変多くEtherCAT機器が出展され、多くの方が来場されていました。
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EtherCAT マルチベンダ モーションデモ
35 different synchronized axes,
24 different vendors:
1 EtherCAT network!
WORLD RECORD
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Hannover Messe 2015 in Germany
先月4月13-17日にドイツで開催されたHannover Messe 2015のETGブース
でも、大変多くEtherCAT機器が出展され、多くの方が来場されました。
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Hannover Messe 2015 in Germany
The EtherCAT Technology Group (ETG) and the OPC Foundation to
define common interfaces for Industrie 4.0 and the Internet of Things
(IoT), as indicated by a Memorandum of Understanding signed at
Hannover Messe 2015. (ETGとOPC Foundationがハノーバーメッセ2015で、 Industrie
4.0とIoTのために共通インタフェースを定義することを覚書にサイン)
Both organizations agree that their technologies complement one another perfectly: EtherCAT
as the real-time-capable Ethernet fieldbus for machine and plant controls, leveraging the
EtherCAT Automation Protocol (EAP) for lean data exchange between masters, and OPC UA
as a platform for scalable communication with integrated Security by Design, enabling
encrypted data transfer up to MES/ERP systems and into the cloud.
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Communication
Requirements
MES
Connectivity
Cloud
SCADA
Cyclic data transfer
HMI
High deterministic, short cycle times
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20
Communication
Technologies
EAP for
horizontal
communication
within the
EtherCAT
world
MES
OPC-UA
Cloud
SCADA
EtherCAT Automation Protocol
HMI
OPC-UA for
vertical
communication
and for
connectivity to
non-EtherCAT
systems
EtherCAT for hard real time
EtherCAT Device Protocol: Ethernet on-the-fly
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EtherCAT 10,056ノード接続
10,056
EtherCAT Nodes
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EtherCATの特長
★超高速通信
リアルタイム制御・高速(かつ同期した)データ収集が可能に。
装置性能は中央処理と入出力機器の性能で決まる。
★高精度な時間(1μ s以下を保証)でノード間同期が可能
多軸の高精度なモーション制御や、高度に自動化された機械の提供が可能に。
プロセス制御の再現性が向上。スループットも向上。
• 敷設性が良い
柔軟なトポロジー。標準のEthernetケーブルが使える。(但し、耐環境性考慮要)
• セーフティにも対応
同一ケーブルに通常の機器とセーフティ機器を混在可能。
• オープンネットワークである
安くて良い物がタイムリーに入手可能。技術革新が速い
•モーションコントロール領域やそれ以外の領域でも伸びています。
•高速性と高精度なノード間同期はプロセス制御でも有用。
•モーション制御/プロセス制御、セーフティが必要なシステムに最適。
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EtherCATの速さ
•256点のデジタルI/Oの読み書き → 11μ s
•1000点のデジタルI/Oの読み書き →30μ s
•200点のアナログI/O(16bit、20kHz)の読み書き →50μ s
•サーボ(8バイト)100軸の読み書き → 100μ s
注.上記はデータ伝送時間。
データ伝送時間だけを比較すれば、
・国産産業用Ethernet Aの5倍、
・国産産業用Ethernet Bの3倍
・非Ethernet Cの1000倍 速い!
・これで何も変わらない訳がない。何かが変わる。
制御性能、繰返し精度、機差、調整のしやすさ・・・・・・
・ネットの高速化がマスタやセンサ・アクチュエータの変革を迫る。
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EtherCATはなぜ速いのか?①
・フレーム構造 (シンプルでムダがない)
マスタ
DVI
..
..
論理プロセスイメージ: 最大 4 GByte
23
2
テレグラム構造
Ethernet HDR
HDR 1
PLC Data
HDR 2
NC Data
HDR n
Data n
CRC
Data n
PLC Data
NC Data
・この中に全スレーブ情報をパッキング(MAX:1486BYTE/フレーム)
・システム立上げ時に論理アドレスをスレーブに記憶させる。
0
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EtherCATはなぜ速いのか?②
・スレーブはフレーム内のデータを直接読み書き(On the fly)
(リクエスト/レスポンス方式の通信ではない。)
フレーム
・自分宛の出力データ
を読み取り
・入力データを
書込み
マスタ
..
..
DVI
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アニメーションでどうぞ
出力
Slave Device
Slave Device
EtherCAT Slave
Controller
EtherCAT Slave
Controller
入力
スレーブでフレームを止めることなく、
データをEthernetフレームに直接読み書き
On the fly
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EtherCAT フレームの流れ
EtherCATセグメント
Master
ケーブル
EtherCATフレームの経路
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他の産業用Ethernet比較
■他の産業用Ethernet:1対1通信
Data pay load:
e.g. 4 Byte
22 Bytes
4 Bytes 12 Bytes
Data: ≥46 Bytes
Ethernet Header
CRC
IPG
Request with output data
Master
I/O
Servo
Response with input data
Data: ≥46 Bytes
Ethernet Header
1ノード分のデータ
帯域利用率=4/84*
=約5%
*注.4バイトユーザ
データ通信の例
84は最短Ethernet
フレームバイト数
IPG
CRC
n回繰返す事が必要
■EtherCAT
・・・・・・・・
Ethernet Header
CRC
ノード1,2,3 ・・・・・・・・・ nのデータ
Master
Slave
1
Slave
2
Slave
3
・・・・・
Slave
n
1回でOK
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EtherCATは各スレー
ブ宛の複数のデータグ
ラムを一つのフレーム
に詰込むため帯域の利
用率が高い!
(Max: 97%)
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ノード間同期の仕組み①
・伝播遅延時間計測(立上げ時にnsオーダーで計測)
EtherCATマスタはケーブル等による伝播遅延時間を計測します。
・オフセット(立上げ時)
EtherCATマスタは参照用クロックと各ノードのクロック間のずれを各ノードのレジスタに書き込みます。
・ドリフト補正(定期的)
EtherCATマスタは参照用クロックを定期的に全ノードに配信し、各ノードはクロックのずれを定期的に
補正します。
M(参照クロック)
S
マスタ
S
..
..
S
DVI
各ノードが時計を持ち、それ
を同期、定期的に補正をする
ことで実現。
伝播遅延時間も計測。
DC:Distributed Clocks
S
S
S
S
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S
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ノード間同期の仕組み②
伝搬遅延の測定と時間オフセットの設定
各スレーブにおいて、下流側のスレーブにフレームの送出した時刻と、
そのフレームが戻ってきた時刻の時間差を測定。
マスタが、時間差データを収集し、各DC対応スレーブのマスタクロック
との差を補正値として各スレーブに設定。
IPC
マスタ
∆t
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同期信号の実機デモシステム構成
クロックマスタの
SYNC0の立ち上がり
エッジをトリガに設定
M
各スレーブのSYNC0を計測
S
S
S
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S
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同期信号の実機デモ
同期信号
スレーブ
マスタ
EtherCATマスタとスレーブの同期信号
①マスタの電源を落とすと同期がズレます。
②マスタの電源を再投入すると再度同期します。
1)立上げ時ns単位で伝播遅延時間計測
2)立上げ時伝播遅延時間のオフセット
3)定期的なマスタのドリフト補正
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同期信号性能
・2台のDCスレーブの同期信号タイミングを比較
条件:DCスレーブ間:スレーブ300台、ケーブル総延長120m
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充実の診断機能
•プロファイルの整合チェック
ESI(=EtherCAT Slave Information)ファイル
•トポロジー、接続順序のチェック
ENI(=EtherCAT Network Information)ファイル
•CRCチェック
各スレーブにCRCエラーをカウント
Data
WKC
EH
Data
WKC
EH
Data
WKC
Ethernet HDR FH
EH
•WKC(Working Counter)によるチェック
CRC
各スレーブがフレームにR/Wできたか、WKCに書込まれた結
果をマスタが毎サイクルチェック
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EtherCATトポロジの確認
EtherCATネットワーク
トポロジはマスタから
スレーブポートの
リンク情報を使用して
スキャンできます。
MASTER
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診断情報付きオンラインビュー
ネットワーク動作状態を手早く確認するために、マスタは全ス
レーブのオンラインビューを提供できます。
(現在の状態、CRCエラー情報など)
Term 18はOP状態
しかしポートBでリンクロスト
IO Station E以降のSlaveと
通信不可 (No_COMM)
ポートA
でCRC
エラー
障害を簡単に検出
し、場所を特定。
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診断情報付きオンライントポロジビュー
トポロジビューでネットワーク状態をビジュアルに確認できます。
障害を簡単に
検出し、
場所を特定。
通信不可
赤丸:CRCエラー
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EtherCAT ネットワークのモニタ
• フレームレベルの調査 – 開発者向け
• Ethernetプローブまたはタップを使用して、高精度のタイムスタンプ情報
付加し、低/無遅延・ジッタでデバイスをモニタ
• 例、Wireshark (www.wireshark.org)
診断用PCに
Wireshark を
インストール
MASTER
Ethernet プローブ
高精度タイムスタンプ機能
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認証
オープンな通信規格にとってコンフォーマンス(規格適合性)とイン
ターオペラビリティ(相互運用性)は極めて重要。
• コンフォーマンスはEtherCAT製品の全メーカが遵守すべき義務。
• EtherCAT Conformance Test Tool (CTT)によるセルフコンフォーマンステ
ストの合格が上市の必須条件。
• CTTのテスト仕様はETGコンフォーマンスWGが策定。
公式の認証テストとしてETGが認定したEtherCAT Test Center
(ETC) によるEtherCAT Conformance Testがあります。
•
•
•
•
CTTのテスト仕様はETGコンフォーマンスTWGが策定。
世界に4カ所のTest Center (ETC)・・・ドイツ、日本、中国、北米(新設)
日本では京都高度技術研究所(ASTEM)にてサービスを提供中。
EtherCAT Conformance Testに合格した製品には合格認定書
(Certificate)を発行.コンフォーマンステスト合格を表すロゴマークが使用
可能になります。
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ETC North America 2014年オープン
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留意事項
• OA用の部品(ケーブル、コネクタ・・・)で動くが、FA環境でのシ
ステムの信頼性を考慮すること。
例.ケーブルは二重シールド付きのツイストペア線を使用する。
ケーブルの引き回しに注意(動力線から離すなど)
カバー付きのコネクタを使用する。
(ケーブル:カテゴリ5または5e(100BASE-TX) ストレート)
コネクタの組立ては細心の注意が必要、配線後必ず回線品質チェック。
• 市販のスイッチングハブでは分岐不可。
EtherCAT専用の分岐ユニットで分岐する。
• 造り込みにより性能や機能に差が発生。
(差異化できる)・・・特にマスタ
例.耐ノイズ性、入出力応答性能、使い勝手
・機器の開発・選定時はマスタ・スレーブのサポート範囲を確認。
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EtherCATマスタの仕様
・マスタの仕様は、『基本機能』+『機能パック』で規定。
・基本機能部は Class Aと Class B、2つのClassを定義。
■基本機能
各項目ごとにClass AとBへの実装の必要性が定義されている
Class A
Class B
機能項目の例
May
May
プロセスデータの複数回送信 (フレーム破損対策)
Should
May
マスタオブジェクトディクショナリ
Should
Should
スイッチ、エイリアスによるデバイスIDアドレス
Shall
Should
CoE分割送信
Shall
Shall
エラーハンドリング
Shall
Shall
プロセスデータの周期交換
Shall
Shall
メールボックス通信
Shall
Shall, if supported
ディストリビュートクロック
注.Shall:必須、 Should:推奨、 May:実装が認められている
■機能パック
Class A, Bともに実装は任意であるが、実装する場合は下表の定義に従うこと。
機能項目の例
ケーブル冗長性
モーション制御
基本機能
診断機能
+ホットコネクト
+ディストリビュートクロック
CiA402サポート
SERCOSサポート
ディストリビュートクロック
Class A、 B 共通
Mandatory(必須)
Mandatory(必須)
Optional(オプショナル)
Optional(オプショナル)
Mandatory(必須)
Optional(オプショナル)
Mandatory(必須)
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EtherCATのSafety
・アプリケーション層にセーフティプロトコルを搭載して実現
Material feeding
Muting
Two-Hand control
Protection of workspace
e.g. with Laser scanner
Emergency
stop
Operator
Diagnosis
Safely-limited Position /
Speed
Setup /
Maintenance
Door guarding
with
Interlocking
Safety guard
Safety over EtherCAT (略称: FSoE Fail Safe over EtherCAT)
・プロトコルは安全度水準 IEC 61508 SIL3に準拠
・また、TUV Sud Rail GmbH(認証機関)で認証済
・IEC61784-3機能安全フィールバス内で規格化
・同一の通信システム上で安全と非安全情報の両立
・セーフティアプリケーションはEtherCATの利点を全て
供与されます。
高速性、 トポロジは自由、
冗長化(リングトポロジー)
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Safety over EtherCAT
EtherCAT safetyシステム
・分散安全ロジック
・標準PLCが安全メッセージを
ルーティング
●安全データと通常データの両方を
ネットワーク化でシンプルに
・配線の単純化
・診断の容易化
・拡張変更の容易化など
●非常にコンパクトなFSoEコンテナ
最小6Byte
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Safety over EtherCAT ベンダ
2005年から認証済Safety over
EtherCAT対応商品がリリース
Safety PLC, Drives, I/O
Sensors, FSoE Stacks
Service Provider
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冗長化(リング)
Master
J
J
Slave 1
Slave M-1
RX
TX
TX
RX
...
RX
TX
TX
RX
RX Unit
TX Unit
RX
TX
MAC 1
RX TX
MAC 2
RX TX
第2のEthernetポート追
加のみで、特殊なハード
ウェアは不要。
J
Slave N
...
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RX
TX
TX
RX
48
冗長化(リング): ケーブル異常時
Master
RX Unit
TX Unit
RX
TX
MAC 1
RX TX
MAC 2
RX TX
J
J
Slave 1
Slave M-1
Slave M+1
RX
TX
RX
TX
TX
RX
TX
RX
RX
TX
TX
RX
...
断線等
J
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J
Slave N
...
RX
TX
TX
RX
49
冗長化(リング) : ノード故障発生時
Master
RX Unit
TX Unit
RX
TX
MAC 1
RX TX
MAC 2
RX TX
J
J
故障
Slave 1
Slave M-1
Slave M
RX
TX
TX
RX
...
J
J
Slave M+1
RX
TX
RX
TX
RX
TX
TX
RX
TX
RX
TX
RX
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Slave N
...
RX
TX
TX
RX
50
ETG Semi TWG(ETG半導体製造装置技術作業部会)
実装ガイド、Device Profile、Semi対応
要件、Semi対応コンフォーマンステス
トを策定
Common Device Profiles
・2011/10/26,27 設立
ETG.5003.1
Common Device Profile (CDP)
Released 06/2013
ETG.5003.2
Firmware Update Requirements
Final Draft for vender review
soon
・2015/5/5-6 Meeting in USA
USA・ドイツ・UK・日本などからユー
ザ・ベンダから約40名の技術者が参
加し、仕様の拡張とテスト仕様レ
ビューを実施した。
・次回は10月。
Doc Number
Title
Status
Specific Device Profiles (SDP)
ETG.5003.2000
Abatement and Subfab
Released 10/2013
ETG.5003.201x
DC&RF Power Generator
Released 10/2013
ETG.5003.202x
Mass Flow Controllers
Released 10/2013
ETG.5003.203x
Process Control Valve
Released 4/2014
ETG.5003.2040
RF Match
Released 10/2013
ETG.5003.2050
Roughing Pump
Released 10/2013
ETG.5003.2060
Temperature Controller
Released 10/2013
ETG.5003.2070
Turbo Pump
Released 10/2013
ETG.5003.2080
Vacuum Pressure Gauge
Released 10/2013
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EtherCATのご採用事例
・高性能を発揮するアプリケーション
半導体、FPD製造装置
射出成形機
高速金属加工機
工作機械
繊維機械
ロボット
包装機
エンジンテスト装置
測定機器
ブロー成形機
・柔軟なトポロジーを
活かしたアプリケー
ション
搬送システム
自動倉庫
印刷機
プレス機
木工機械
橋梁免震システム
人口降雪機
風力発電機
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52
EtherCAT の導入効果例
電子部品メーカ様の事例
•EtherCATで通信時間 11.4倍向上(通信比率は12%へ)
•アルゴリズム改善で計測時間 3.2倍向上
•新規カメラハードで画像入力時間 2.6倍向上
EtherCAT
採用前
通信
(要求)
カメラ
計測
通信
(データ出力)
通信比率
33%
265ms/ワーク
(24.4 + 18 + 160 + 62.6)
EtherCAT
採用後
通信
○○ms
64.7ms/ワーク
(0.25 + 6.8 + 50 + 7.65)
1/100
1/10
通信時間
12%
通信は速くなる。中央処理・入出力機器の応答性能の向上が重要に!
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53
半導体製造装置メーカ様の評価
•
•
•
•
•
・
・
・
・
プロセス制御において狙いの性能が出しやすくなる。
設計が楽になる。=設計工数の削減
最適化のための調整期間の大幅短縮が図れる。(社内および現地調整時)
装置性能の均一性が高くなり、装置の依存性が小さくなる。(機差が小さくなる)
→人による調整が楽になる。
歩留りは当然良くなる。
ネットワークの構成(種類)を減らせる。
→システムの構成要素が減り保守コスト・導入コストの削減につながる。
→全ての機器がEtherCATにつながると配線が楽で制御盤を小さくできる。
敷設性が格段に良くなり配線に要する期間が大幅に短縮できる。
デージーチェーンだから配線が楽で見栄えも良くなる。Ethernetだから業者で
加工がしやすい。配線長を心配しなくて良い。
データ収集が高速にでき、統計的解析の精度が上がる。(EESの高度化)
ガス配管が長い場合、MFCやバルブが同期をとって制御でき、捨てるガスが減る
EtherCATは高速のためパラレルI/O感覚で使用できる
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54
ETG日本地域委員会の活動
ETG日本地域委員会では、EtherCAT技術の普及と理解向上に
向けた活動を展開しています。
プロモーション
・展示会
・セミナー
・広報、プレス
技術検討
・技術課題の共有化
・解決策の検討
・日本発信案の提案
ETG日本地域委員会メンバー
日立産機システム
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55
技術サポート
①日本語による技術問合せ窓口
Q
質問者
A
ETG日本
オフィス
[email protected]
②「EtherCAT スレーブ開発手順参考書」
初めてEtherCATスレーブを開発しようとされている方を対象に、開発に必
要な仕様書や各種情報の把握と開発全体のイメージを把握していただくた
めの参考書を作成。 Webサイトのメンバエリアからダウンロード可能。
(http://www.ethercat.org/MemberArea/download_slave.asp)
③仕様書の日本語化
④Web siteの日本語化
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56
2015年度イベント予定
種類
イベント名
セミナ
4月24日(金)
京都
開催済
ASTEM様
ETGメンバ
展示会
セミナ
ETG
スレーブ開発者サポートセミナ
TECHNO-FRONTIER2015
出展者セミナー(採用セミナ)
メンバミーティング
5月20日(水)-22日(金)
5月21日(木)
6月12日
東京
開催済
幕張メッセ
一般
日石横浜ビル
開催済
セミナ
産業オープンネット展
7月7日(火)、9日(木)
ETGメンバ
一般
セミナ
マスタ開発者サポートセミナ
技術アップデート
Plug Fest
8月20日(木)
9月9日(水)
9月10日(木)、11日(金)
横浜
大阪
東京
東京
開催済
山洋電気様
一般
横浜
日石横浜ビル
開催済
ETGメンバ
セミナ
採用セミナ
10月8日(木)
東京
山洋電気様
セミナ
展示会
セミナ
展示会
セミナ
セミナ
スレーブ開発者サポートセミナ
SCF 2015
出展者セミナー(採用セミナ)
セミコン・ジャパン2015
出展者セミナー(採用セミナ)
採用セミナ
11月12日(木)
12月2日(水)-4日(金)
横浜
日石横浜ビル
ETGメンバ
東京
東京ビックサイト
一般
12月16日(水)-18日(金)
東京
東京ビックサイト
一般
2016年2月19日(金)
兵庫
日立産機システム様
一般
ETG
日程
場所
©EtherCAT Technology Group 東京採用セミナー(2015/10/8)
会場
千里ライフサイエンスホール、
開催済
大田区産業会館
対象
一般
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©EtherCAT Technology Group 東京採用セミナー(2015/10/8)
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