IT ネットワーク内での EtherCAT デバイスの運用
IT ネットワークと OT ネットワークがシームレスに統合された工場、そしてEtherCAT ベースの機械が、特別なゲートウェイを必要とせず、IT サーバールームから直接制御できる環境を想像してみてください。acontis technologies は、Feature Pack EOM を EC-Master MainDevice ソフトウェアに追加することで、標準的な IT ネットワークを EtherCAT の透過的な通信媒体として活用することを可能にします。
この acontis の Feature Pack EOM の基盤となるのは、選択できるEtherCAT の 2 つの動作モード、Direct Mode とOpen Modeであり、それぞれのModeは用途に応じた特性を持ちます。
- EtherCAT Direct Mode: EtherCAT MainDevice は、EtherCAT ネットワークに直接接続されます。これは、現在ほとんどの EtherCAT システムで使用されている一般的な動作モードです。 Direct Mode は、高効率かつシンプルな設定 が可能で、低遅延で最高のリアルタイム性能 を提供するため、迅速な応答が求められる制御アプリケーションに最適です。
- EtherCAT Open Mode (EOM): EtherCAT MainDevice は、標準的な IP 通信を利用して、EtherCAT Open Mode に対応した SubDevice へ接続されます。この SubDevice は、受信した EtherCAT テレグラムを、さらに直接接続された他の EtherCAT SubDevice へ転送します。 EtherCAT Open Mode は、標準的な IT インフラとの統合を可能にし、EtherCAT MainDevice の集中管理 を実現する柔軟性を提供します。しかし、その代償として、遅延が増加し、変動する というデメリットがあります。
アプリケーションに適したモードを選択するには、性能と柔軟性のトレードオフ を理解することが重要です。詳細については、acontis のブログ「What is EtherCAT Open Mode?」をご参照ください。
EtherCAT Direct Mode
Direct Mode では、1 つの EtherCAT セグメントが MainDevice に直接接続されます（図 1 参照）。この場合、Ethernet フレームの MAC アドレスフィールドは無視されます。通信において、すべての EtherCAT SubDevice は EtherCAT SubDevice Controller (ESC) を使用し、MainDevice は標準的な Ethernet ポートを使用します。
EtherCAT Device Protocol (EDP) を使用するアプリケーションでは、Direct Mode が標準となります。通常、スイッチは不要で、SubDevice は 2 つ以上のポートを備えており、デイジーチェーン接続やその他のトポロジーを構成できます。また、Direct Mode では、MainDevice 内の Ethernet コントローラーは EtherCAT 専用として使用されます。
Direct Mode の大きな利点の 1 つは 「Processing on the Fly」 原則が可能となることです。SubDevice 内での遅延が非常に小さいため、1 ミリ秒以下のサイクル時間で動作するハードリアルタイムの測定および制御アプリケーション に適しています。
図1:Direct Mode のEtherCAT セグメント
EtherCAT Open Mode
EtherCAT MainDevice は、標準的な IP 通信方式を利用して、EtherCAT MainDevice と分散型 EtherCAT ネットワークセグメントを接続します。
Direct Mode は高効率でリアルタイム性能に優れているため一般的に使用されますが、Open Mode は既存の IT インフラとの統合を可能にする柔軟性 を提供します。
EtherCAT Open Mode (EOM) では、1 つまたは複数の EtherCAT セグメントを標準のスイッチングデバイスに接続できます。そのため、大規模な共有 IT 環境に EtherCAT ネットワークを統合する際に特に有用です。
EtherCAT セグメント内の最初のデバイスは、ISO/IEC 8802-3 MAC アドレス を持ち、セグメント全体を代表します。このデバイスは 「EOM デバイス」 と呼ばれます。Ethernet フレーム内の送信元アドレスと宛先アドレスを入れ替え、送信元アドレスには自身の MAC アドレスを設定 します。
これにより、EtherCAT のコーディング規則に従うフレームは、すべての SubDevice で処理された後、MainDevice に確実に戻るようになります。
標準的な EtherCAT SubDevice は、EOM デバイスに直接接続 することで、リモート EtherCAT ネットワークセグメントを実現できます。
EtherCAT Open Mode は、Direct Mode と同様に EtherCAT Device Protocol (EDP) を使用し、MainDevice と SubDevices 間で通信を行います。しかし、スイッチングネットワークを通じて EtherCAT テレグラムを転送するために、UDP などの標準的な IP 通信方式 が使用されます。
EtherCAT システムが UDP を使用する場合、EOM デバイスは 送信元および宛先の IP アドレス、UDP の 送信元および宛先ポート番号 を MAC アドレスと同じ方法で処理します。これにより、応答フレームが 完全に UDP/IP プロトコルの規格に適合する ようになります。
また、TCP/IP などの他のプロトコルと同じ IT インフラを並行して利用できるようになります。
EOM ネットワークトポロジーの例（物理的に 1 つの MainDevice を使用した場合）
FP EOM を使用すると、システム構成の柔軟性が大幅に向上します。EtherCAT MainDevice を SubDevice に直接接続する必要はなく、工場内のより適した場所（例: 温度管理されたサーバールームなど） に設置できます。
EtherCAT MainDevice は標準的な Ethernet ポートを使用し、EtherCAT EDP フレームを UDP などでターゲットの EtherCAT セグメントの最初のデバイスに送信 します。このデバイスはフレームを受信し、処理した後、ローカル EtherCAT セグメントに転送します。
ローカル EtherCAT セグメントは 標準的な EtherCAT SubDevice で構成されるため、Direct Mode と同様に動作し、低遅延かつ最小のジッタで通信が可能 です。
MainDevice と EOM デバイスの間には、複数のスイッチングデバイスが存在する標準的な IT ネットワークが構成され、TCP/IP などの IT デバイスと並行して動作 します。
この部分のジッタや遅延は、ネットワークの負荷やシステム構成の変更によって大きく変動 します。ただし、ネットワーク監視やスイッチ設定の最適化 によってリアルタイム性能を向上させることができ、それが EtherCAT システム全体のパフォーマンス向上に直結します。
図 2: 2 つの独立した EtherCAT セグメントを、EtherCAT Open Mode を使用する 2 つの MainDevice で運用
EtherCAT Open Mode を用いた EC-Master ソフトウェアアーキテクチャ
EtherCAT Open Mode に対応するための EC-Master ソフトウェアアーキテクチャの適応は、主に特別なインターフェース層の追加によって実現されます。
- 「EtherCAT Open Mode Layer」 は、EC-Master コアと、実績のある acontis のリアルタイム Ethernet ドライバの間に追加されます。この EOM レイヤーは、UDP または RAW フレームを介して EtherCAT Device Protocol を送信するために必要なすべての機能を提供し、Switched Networkを介してターゲットの EtherCAT ネットワークセグメントへ通信を可能にします。これには、基本的なフレームのセットアップに加え、送信元および送信先アドレスの管理も含まれます。
- アプリケーションプログラミングインターフェース（API）および関連するコード例には、EOM レイヤーの初期化のための追加関数呼び出しが含まれており、最小、最大、および平均値を含むラウンドトリップタイムの測定機能も提供されます。この測定機能は、基盤となるスイッチド IP ネットワークの EtherCAT システムの性能を監視・評価する上で重要となります。測定結果に基づき、リアルタイム動作がターゲットアプリケーションに適しているか、または必要なジッタや応答時間を達成するためにスイッチド IP ネットワークの追加最適化が必要かを簡単に判断できます。
- ドキュメントには、拡張された API の説明に加え、MainDevice 機能および EOM レイヤーの設定手順が含まれています。
図 3: FP EOM を用いた EC-Master ソフトウェアアーキテクチャ
EtherCAT Open Mode の主な利点と制約
EtherCAT Open Mode でSwitched Networkを使用することで、多くの可能性が生まれる一方で、最適なソリューションを実現するために考慮すべきトレードオフも存在します。
利点として、Open Mode は柔軟性を提供し、EtherCAT を既存の IT インフラと統合することを可能にします。また、MainDevice を機械の過酷な環境から離れた場所に自由に配置することもできます。しかし、すべての Ethernet フレームが同じインフラを共有し、スイッチは一般的に「Store and Forward」方式で動作するため、EtherCAT Direct Mode ネットワークと比較して、EtherCAT EOM システム内のレイテンシーが大幅に増加します。これらのレイテンシーは一貫性がなく、事前に正確に計算することができないため、最小達成可能サイクルタイムに影響を及ぼします。実際に達成可能な性能は、特定の IT ネットワークの構成や現在のネットワーク負荷に大きく依存します。
柔軟性とレイテンシーの主なトレードオフ
- 柔軟性: 既存の IT インフラとの統合が可能で、混在運用が実現できる。
- レイテンシー: インフラの共有や「ストア & フォワード」スイッチングの影響で、レイテンシーが増大し、非決定的になる。
- サイクルタイムへの影響: ネットワーク構成や負荷により、最小達成可能サイクルタイムが変動する。
EOM のその他の利点として、MainDevice を IT サーバールームなどの安全で保護された環境に配置できるため、制御装置が機械の近くの過酷な環境にさらされることがなくなり、信頼性が向上します。さらに、中央集約型のコントローラーはメンテナンス面でも利点があり、既存の IT フレームワークを活用することで保守作業が容易になります。
また、EOM を使用することで、セカンダリの MainDevice を迅速に利用できるようになります。IT ネットワークを介して接続できるため、新たな配線作業やハードウェアの追加設置が不要です。
総合的に見ると、EOM はコスト削減の面でもメリットをもたらします。既存の IT インフラを OT システムで再利用できるほか、各 MainDevice が複数の独立したリモート EtherCAT セグメントを制御できるためです。
一方で、EOM には設計時に考慮すべき制約もあります。 例えば、IT ネットワークによるレイテンシーの増加や動的なジッタの影響でリアルタイム性能が制限されます。さらに、EtherCAT システムの設定が複雑になりがちで、MainDevice と EOM デバイス間の IP ベースの通信設定も含まれるため、最適な EtherCAT パフォーマンスを得るには IT に関する知識が必要となります。
最後に、サイバーセキュリティの側面も、EtherCAT Direct Mode に比べてより重要になります。MainDevice および EtherCAT ネットワークセグメントは保護されたネットワーク内に配置する必要があり、IT ネットワークを介した MainDevice や EOM デバイスへの攻撃リスクも考慮しなければなりません。