EtherCATネットワークの仮想コントローラー
acontisのEtherCATおよびハイパーバイザー技術に関する広範な専門知識を活用することで、EtherCATコントローラーの仮想化が可能になります。EtherCAT用の仮想コントローラーは、EtherCAT Direct Modeを使用してEtherCATネットワークに直接接続することができ、また、EtherCAT Open Mode機能パック（EOM）を使用することで、従来のスイッチ型Ethernet ITネットワークを通じてリモートEtherCATネットワークセグメントを制御することができます。
仮想EtherCATコントローラーは、高性能で一般的に利用可能なプラットフォームを活用することで、複数のEtherCATメインデバイスをホストでき、ハードウェアの使用効率を最適化します。これにより、パフォーマンスと持続可能性を最大化し、利用可能なハードウェアリソースを効率的に活用することができます。
図1: 仮想コントローラーは、共通のハードウェアを共有しながら、独立して別々のネットワークを制御できます。
acontisのEC-Masterと、acontisリアルタイムハイパーバイザーRTOSVisorや、Proxmoxのようなソフトリアルタイムハイパーバイザーを組み合わせることで、情報技術（IT）ネットワークと運用技術（OT）ネットワークがシームレスに統合される工場を構築するための新たな機会が生まれます。これにより、EtherCATベースの機械をITサーバールームから直接制御できるようになり、専門的なゲートウェイの必要性がなくなります。
EtherCATダイレクトモードによる仮想コントローラー
仮想コントローラーは、複数のEtherCATネットワークを持つ複雑な機械の制御に最適化されたアプローチを提供します。
これらのアプリケーションには、多軸運動やロボット、さらには測定およびデータ取得システムが含まれます。ハードウェアリソースの柔軟性とコントローラーシステム内での直接的なデータ交換が組み合わさることで、全体的なパフォーマンスが向上します。
図2: 2つの仮想MainDeviceがダイレクトモードを使用して2つの独立したEtherCATネットワークを制御
ソフトウェアアーキテクチャ
EC-Masterは、制御されるEtherCATセグメントの数に応じて複数の仮想マシンで動作します。EtherCATダイレクトモードで最適なパフォーマンスを得るために、オペレーティングシステムとハイパーバイザーのネットワークレイヤーはバイパスされます：
- ハイパーバイザーは、パススルー技術を使用して、各仮想マシンに定義されたEthernetハードウェアへの直接アクセスを提供します。
- acontisのリアルタイムEthernetドライバは、仮想マシン内で使用され、定義されたEthernetハードウェアへの直接アクセスを行います。
- 下図では、仮想化 / 共有モードで追加のEthernetハードウェアがすべての仮想マシンに使用され、標準のTCP/IPデータ交換（例：リモートアクセス、構成、診断）を提供しています。EC-Masterインスタンスは、従来のEtherCATコントローラと同様に設定され、標準的なリアルタイムOS（例：RT-LinuxやVxWorks）と標準Ethernetハードウェアを使用する場合、特別な適応は必要ありません。
EC-Masterインスタンスは、従来のEtherCATコントローラと同様に設定され、標準的なリアルタイムOS（例：RT-LinuxやVxWorks）と標準Ethernetハードウェアを使用する場合、特別な適応は必要ありません。
図3: EtherCATダイレクトモードによる直接ハードウェアアクセスで最大のパフォーマンスを得るための1つのシステム上の2つの仮想EtherCAT MainDeviceのソフトウェアアーキテクチャ
利点
複数の物理コントローラと比較して、仮想コントローラにはいくつかの主要な利点があります：
- 最適化されたハードウェア使用
従来のコントローラは特定のタスクに対して過剰に設計されていることが多く、その結果、スペース、エネルギー、メンテナンスが無駄に使用されることがあります。仮想コントローラは、正確な要件に対して最適化されたハードウェアを利用することで、最悪のケース計画や標準化によって引き起こされる過剰設計を減らします。 - システムパフォーマンスの向上
複数のコントローラを使用するシステムでは、それらの間での通信（例えば、EtherCATオートメーションプロトコルを通じて）が必要です。仮想コントローラは、コントローラ内部の仮想ネットワークを使ってこれを簡素化し、使用するOSやハイパーバイザーに応じて、ファイル交換、ストリーム、共有変数など、コントローラ間の通信方法を多様に提供し、より効率的で高速なデータ交換を実現します。 - 特定のユースケースに最適なハードウェア
仮想コントローラは、複数のコントローラを1つのユニットに統合でき、スペースを節約し、ヒューマンマシンインターフェイス（HMI）などの追加機能を備えた非常に堅牢なハードウェアを使用できます。 - コストとメンテナンスの削減
複数の仮想コントローラを実行する単一のハードウェアユニットは、総所有コスト（TCO）を削減します。パフォーマンスが向上しても、コントローラあたりのコストは従来の物理コントローラに比べて一般的に低くなります。また、現代的なITツールを使用したリモート管理により、メンテナンスが簡素化され、現地サポートの必要性が減少します。
EtherCATダイレクトモードを使用する仮想コントローラは、リアルタイム対応のオペレーティングシステムおよびハイパーバイザーと組み合わせることで、従来のEtherCATコントローラと同等のパフォーマンスを発揮し、シンプルな構成、簡単な診断、高速なサイクルタイムで最大パフォーマンスを提供し、最小のジッターで動作します。
EtherCATオープンモードによる仮想コントローラー
仮想コントローラーは、複数のEtherCATネットワークを持つ複雑な機械の制御に最適化されたアプローチを提供します。
図4: EtherCATオープンモードを使用して2つの独立したリモートシステムを制御する2つの仮想MainDevice
ソフトウェアアーキテクチャ
EtherCATダイレクトモードを使用する仮想コントローラと同様に、EC-Masterは複数の仮想マシンで動作します。
ただし、最大の柔軟性を実現するために、この設定ではすべてのEtherCATメインデバイスに対して共有のEthernetハードウェアを使用します：
- acontisのEtherCATオープンモードレイヤーは、スイッチ型ITネットワークを介してEtherCATフレームを転送することを可能にします ― RAWまたはUDP通信方法を使用します。
- acontisのEthernetドライバは、標準のOSおよびハイパーバイザーのネットワークスタックを使用して、共有されたEthernetハードウェアにアクセスします。
- ハイパーバイザーは、すべてのEtherCATメインデバイスに対して共有のEthernetハードウェアへのアクセスを提供します。
- この例では、他のすべてのTCP/IP通信用に、仮想マシン間で共有される第2のEthernetハードウェアが見られます。
EC-Masterインスタンスは、従来のEtherCATコントローラ設定とは異なり、EtherCATオープンモードレイヤーを使用し、acontisのEthernetドライバはEthernetハードウェアに直接アクセスするのではなく、基盤となるOS/ハイパーバイザーのネットワークスタックを使用します。
この設定は最大の柔軟性を提供します。追加の仮想マシンはハードウェアの変更なしで簡単に追加できる一方で、最小のEtherCATサイクルタイムに関していくつかの制限があります。
図5: 共有Ethernetアクセスを使用したEtherCATオープンモードでの最大の柔軟性を実現するための1つのシステム上の2つの仮想EtherCAT MainDeviceのソフトウェアアーキテクチャ
利点
EtherCATオープンモード（EOM）と仮想コントローラ技術を組み合わせることで、さらなる利点が得られます：
- 信頼性の向上
EOMにより、仮想コントローラはITサーバールームなどの安全なIT環境で動作でき、物理的な環境に伴うリスクから保護され、システムの寿命が延びます。 - 環境要因からの保護
コントローラを安全なIT環境に配置することで、振動、温度変動、電磁干渉（EMI）などの問題から保護されます。また、コントローラはバックアップ電源や継続的な監視などのITインフラの恩恵も受けます。 - 不正アクセスの防止
ITサーバールームは仮想コントローラへの保護されたアクセスを提供し、USBポートやその他のサービスインターフェースが露出している機械キャビネットでの直接的な物理的操作のリスクを排除します。 - サイバーセキュリティ
機械コントローラを安全なIT環境にホストすることで、確立されたITのサイバーセキュリティプラクティスを活用して、サイバー攻撃に対する耐性が向上します。
ただし、EtherCATオープンモードを使用する仮想コントローラは、UDP/RAW通信によるジッターの増加や、標準ITネットワークを使用することによる構成の複雑化など、ダイレクトモードと比較していくつかの違いがある可能性があります。それでも、EOMはリモートEtherCATセグメントを安全かつ効率的に制御するための強力なオプションです。
EOMに関する詳細情報については、ブログ記事「EtherCATオープンモードとは？」をご覧ください。また、EC-Masterを使用してEOMをどのように実装するかについては、EC-Master EOM機能パックのウェブページをご覧ください。
仮想コントローラのためのacontisソリューション
acontisは、必要なすべてのソフトウェアコンポーネントを提供しており、仮想EtherCATコントローラをお客様の要求に合わせて作成することができます：
- EtherCAT MainDeviceソフトウェア
acontis EC-Masterは、フィールドで実績のあるEtherCAT MainDeviceソフトウェアで、豊富な機能セットと高いパフォーマンス、低リソース要求を兼ね備えています。単一のインストールから複数のネットワークを制御でき、ハイパーバイザーおよび仮想マシン内でシームレスに動作します。 - EC-Master EtherCATオープンモード機能パック
EOM機能パックは、EtherCATオープンモードを有効にするために必要なすべての機能を追加し、標準ITネットワークを使用して、中央のEtherCATコントローラからリモートEtherCATネットワークを制御できるようにします。 - ハイパーバイザー
アプリケーションの要件に応じて、次のオプションが利用可能です： - acontisハードリアルタイムハイパーバイザー：最小のサイクルタイムとジッターで最大のパフォーマンスを提供し、EtherCATダイレクトモードを使用する高性能な仮想EtherCATコントローラに最適です。
- ソフトリアルタイムハイパーバイザー：acontisは、IT環境で一般的に使用されるProxmoxのようなソフトリアルタイムハイパーバイザーを使用して仮想コントローラを作成するためのドキュメントとガイドラインを提供します。特に、EtherCATオープンモードを使用する集中型仮想コントローラに適しています。