EtherCAT: スマートファクトリー、ロボット工学、高スループット産業におけるAIを推進するリアルタイムバックボーン

スマート ファクトリーとインテリジェント ロボットの時代では、通信ネットワークはますます厳しくなるリアルタイム要件に対応する必要があります。 

EtherCAT (「Ethernet for Control Automation Technology」の略) は、こうしたニーズを満たす高性能な産業用 Ethernet プロトコルとして際立っています。 

EtherCATは、もともとBeckhoff Automationによって開発され、現在はEtherCAT Technology Groupによって管理されています。オートメーション分野で広く採用されているオープンスタンダードです。EtherCATは、標準的なIEEE 802.3 Ethernetハードウェア（一般的なCat5/Cat6ケーブルや使い慣れたNICを含む）を採用しているため、コストを抑え、相互運用性を容易に実現できます。 

EtherCAT ネットワークのマスター コントローラーは、イーサネット ポートを備えた任意のコンピューターに実装でき、既製の EtherCAT スレーブ デバイスは多くのメーカーから豊富に提供されています。 

このように汎用コンポーネントを使用すると、単一のネットワーク セグメントに数万のノードが存在する可能性のある非常に大規模なシステムでも、低コストでサポートできます。

EtherCAT は、マスターのみがフレームを送信し、各スレーブが通過時にフレームを「オンザフライ」で処理して転送することで、確定的な通信を保証します。 

実際には、マスターは1サイクルごとに1つ以上のイーサネットフレームを組み立ててネットワークに投入し、これらのフレームは各デバイスを順番に通過します。各スレーブは、自分宛てのデータを読み取り、すぐに同じフレームに応答を書き戻します。この処理はすべて、パケットを下流に転送する前に行われます。 

これは有線速度で行われるため、各デバイスが個別のメッセージを受信して​​再送信する必要がなく、通信のオーバーヘッドは極めて低くなります。 

標準的なイーサネットのような衝突や予測不可能な待機が発生しないため、サイクルタイムは非常に短く、ジッターは最小限に抑えられます。実際、EtherCATは数百台のデバイスを接続した場合でも1ミリ秒未満のサイクルを実現し、厳しいリアルタイム要件を満たします。

EtherCATのオンザフライ処理アーキテクチャは、速度を向上させるだけでなく、ネットワーク設計を簡素化します。スレーブデバイスは通常2つのポートを持ち、ライン、スター、リングの配線が可能です。、 木 または混合構成が可能で、専用のネットワーク スイッチは必要ありません。 

各スレーブはフレームを両方向に転送するため (ケーブルの全二重ペアを利用)、ネットワークは実質的に常にマスターに戻る論理リングを形成します。 

この柔軟なトポロジにより、設置者は複雑なネットワーク（例えば、施設全体にわたる数千ものセンサー、I/Oモジュール、ドライブを接続するネットワークなど）を構築しながらも、シングルサイクルループを維持できます。特にEtherCATは、ホットスワップ（システムを停止することなくデバイスを追加または交換する）やフォールトトレランスのための冗長パスなどの高度な機能をサポートしており、メンテナンス時のダウンタイムをさらに短縮します。

EtherCATのもう一つの重要な特徴は、高精度な同期です。分散クロック技術により、ネットワーク内のすべてのスレーブは共通のタイムベースを共有します。マスター（または指定されたリファレンススレーブ）がクロック信号を送信し、すべてのデバイスがローカルハードウェアタイマーをそのクロック信号に同期させます。これらのクロックはハードウェアで調整されているため、ネットワーク全体のクロックドリフトはマイクロ秒未満に抑えられます。単一のトリガーで、すべてのデバイスが同時に出力を更新し、入力をキャプチャします。多軸モーション制御や同期センサーサンプリングなどの協調タスクでは、すべてのアクチュエータまたは測定ポイントが正確に同時に動作します。EtherCATの同期精度は、多くの場合マイクロ秒未満の範囲で測定され、これは数十個のモーターを遅延なく協調して制御するのに十分な精度です。

EtherCAT: 決定論的なパフォーマンスとスケーラブルな制御により、高精度でAI対応の産業オートメーションを推進

確定的なタイミング、オンザフライのデータ処理、柔軟な配線、正確なクロックなど、これらすべての属性により、EtherCAT は AI 駆動型オートメーションに特に適しています。

モーションコントロールとロボット工学において、このプロトコルはミリ秒未満の更新サイクルと緊密に同期した多軸動作を可能にするため、ロボット関節、CNCマシン、サーボ駆動システムに最適です。ナノ秒レベルの同期で1サイクルで数十個のドライブを更新できるため、複雑な機械全体で協調動作を確実に行うことができます。

EtherCATはロボット工学以外にも、一般的な機械自動化にも広く応用されており、包装、印刷、半導体製造、組立ラインなど、様々な業界でサーボドライブ、センサー、アクチュエータ、ビジョンシステムを接続しています。低遅延通信とシンプルな配線により、I/Oモジュール、バルブ、コントローラ、カメラなどのデバイスの統合が簡素化されます。高速製造装置もEtherCATの恩恵を受けており、特に半導体製造、自動車塗装ライン、包装システム、印刷機、風力タービン制御など、正確なタイミングと帯域幅が求められる分野で大きなメリットがあります。半導体アプリケーションでは、動作と測定を厳密に同期させるために、専用のEtherCATデバイスプロファイルが実装されることがよくあります。

分散型計測・データ収集システムは、EtherCATを活用して、アナログおよびデジタルI/Oモジュール、ひずみゲージ、エンコーダから中央コントローラへ同期データをストリーミングします。この機能は、モーションキャプチャ、構造試験、マルチセンサーモニタリングなど、高スループットと高精度なタイミングが不可欠なアプリケーションをサポートします。EtherCATには機能安全プロトコルであるFail Safe over EtherCAT（FSoE）も組み込まれており、SIL3規格の安全データを同一ネットワーク上で伝送できるため、別途安全バスを用意することなく、安全規格に準拠したドライブとI/Oを実現できます。

このプロトコルは、ビルオートメーション、太陽光発電や風力発電などのエネルギーシステム、トンネルや鉄道のインフラ制御など、他の分野にも拡張されています。これらのすべてのアプリケーションにおいて、EtherCATの確定的な通信、最小限のジッタ、そして堅牢な同期は、高度な産業システムやAI駆動型システムに求められる信頼性の高いパフォーマンスを提供します。

さらに、EtherCATは、産業オートメーションにおいて最適な選択肢となる様々な利点を備えています。その決定論的な性能は、数千のI/Oポイントを処理する場合でも、100マイクロ秒未満のサイクルタイムと1マイクロ秒未満のジッタを実現します。オンザフライフレーム処理と全二重イーサネットリンクを組み合わせることで、衝突や遅延が排除され、複雑な制御ループでも高精度なタイミング制御が可能になります。実際の導入におけるチャネル使用率は約90%に達し、従来のイーサネットやフィールドバスネットワークの効率を大幅に上回ります。

このプロトコルは標準的なイーサネットハードウェアと互換性があり、マスターは専用の通信カードなしで従来の100Mbpsまたは1Gbpsイーサネットポートを介して動作できます。スレーブデバイスには専用のEtherCATコントローラチップが必要ですが、これらのコンポーネントはASICまたはFPGAとして安価で広く入手可能です。デュアルポートアーキテクチャは、外部スイッチを必要とせずに、デイジーチェーン、ツリー、リングトポロジなど、柔軟なネットワークレイアウトをサポートします。ネットワークは最大65,535台のデバイスを接続でき、ノードはオンザフライで追加または削除できます。内蔵診断機能により、リンクエラーや障害セグメントを迅速に特定できます。

リング構成によりパスの冗長性を確保することで信頼性が向上し、ケーブルに障害が発生しても通信が継続されます。産業グレードのケーブル配線と内蔵診断機能を組み合わせることで、システムの稼働率向上に貢献します。EtherCATは、ナノ秒レベルの同期を実現する分散ハードウェアクロック、ホットプラグ可能なI/O、包括的な診断機能といった高度な機能も搭載しており、これらはすべて追加コストなしで利用できます。このプロトコルには、SIL3認証を取得したSafety over EtherCAT（FSoE）が含まれており、同一ネットワーク上で安全規格に準拠した通信を可能にします。

IEC 61158に基づくオープンスタンダードであり、EtherCAT Technology Groupによってサポートされているこのプロトコルは、業界で広く採用されており、数百のベンダーから数万点もの互換製品が提供されています。この広範なエコシステムにより、長期的な相互運用性と可用性が確保されています。EtherCATハードウェアは費用対効果が高く、プロトコルのオーバーヘッドが最小限に抑えられているため、100Mbpsのリンクでも高い実効スループットを実現します。電力とデータを1本のケーブルで統合するEtherCAT Pなどのソリューションは、システムの複雑さと設置コストをさらに削減します。

高性能、信頼性、直感的な自動化で専門家に支持されています

EtherCATは、その高い性能と操作のシンプルさで業界の専門家から広く認められています。専用のマスターハードウェアを必要とせずにオンザフライのデータ交換を可能にするプロトコル効率により、従来のフィールドバスよりもはるかに高い帯域幅を実現しています。EtherCATのコアプロトコルは20年以上にわたって安定しており、下位互換性を維持しながら新機能が追加されることで、産業システムの長期的な信頼性を確保しています。この技術は直感的で分かりやすいと評されることも多く、特に高速制御やオートメーションを担当するエンジニアにとって魅力的な選択肢となっています。

オートメーションのプロフェッショナルは、EtherCATのリアルタイム機能、特にジッタの最小化、ハードウェア同期の分散クロック、多数のノードのサポートを重視しています。低レイテンシで高精度な通信は、モーション制御やロボット工学に特に適しています。従来のフィールドバスや非決定論的なイーサネットネットワークを置き換えることで、より厳密なモーションプロファイル、サイクルタイムの短縮、そしてシステム全体のパフォーマンス向上が可能になります。EtherCATは、コントローラがサイクルごとに統一されたプロセスイメージを受信するため、ホストCPUでの手動ビット操作が不要になり、PCベースの集中制御も容易になります。

一部の専門家は、EtherCATを適切に導入するには学習期間が必要であると指摘しています。効果的な使用には、分散クロック構成、ネットワークトポロジの計画、プロトコルのデータ構造の理解が求められ、診断とトラブルシューティングには専門知識が必要です。こうした考慮事項にもかかわらず、業界のコンセンサスでは、EtherCATのパフォーマンス、スケーラビリティ、そして精度は、大規模で高性能なオートメーションプロジェクトに最適な選択肢であるとされています。

EtherCAT 2026：帯域幅の拡大、インダストリー4.0の統合、そして世界的な産業への導入

EtherCATは、急速に成長するエコシステムに支えられ、産業オートメーション分野における存在感を拡大し続けています。世界中で77万台以上のEtherCATノードが設置されており、2023年だけでも18万台以上が追加される見込みです。EtherCAT Technology Groupは現在、74カ国に7,600社以上の会員企業を擁し、世界最大の産業用フィールドバスコミュニティとなっています。アナリストは、2030年までのEtherCAT導入の年間成長率を約10%と予測しており、特に自動車、エレクトロニクス、航空宇宙、エネルギーセクターの成長が牽引役となるでしょう。北米が現在最大の地域シェアを占めており、アジア太平洋地域市場が最も急速な成長を遂げています。

最近の開発により、EtherCATは要求の厳しいアプリケーションに対応する能力を強化しています。ギガビット拡張プロトコルであるEtherCAT GおよびG10は、1Gbit/sおよび10Gbit/sのイーサネットリンクにプロトコルをオーバーレイすることで、既存デバイスとの完全な互換性を維持しながら、帯域幅を大幅に向上させます。これらの高速バリアントは、多軸ロボット、X線CTスキャナ、高スループット製造ラインなどの高度な機械で普及すると予想されています。2019年に導入されたEtherCAT Pは、2つの独立した24V電源を1本の4線ケーブルでデータリンクに統合することで、設置を簡素化し、配線コストを削減します。EtherCAT Pの今後のバージョンでは、Power over Ethernet（PoE）のような構成のサポートが拡張され、デバイス互換性も向上すると予想されています。

インダストリー4.0規格との統合も進展しています。OPC UAとの連携は、EtherCATデバイスのデータを標準モデルにマッピングし、上位ネットワーク、クラウドシステム、MESプラットフォームを介したI/Oおよび診断情報への安全なアクセスを実現することを目指しています。EtherCATの効率的なEAPプロトコルは、リアルタイムOPC UAパブリッシュ/サブスクライブ通信に適応させられており、コントローラは追加のゲートウェイハードウェアを必要とせずにI/Oを公開できます。ハードウェアメーカーは、ネイティブスレーブコントローラを備えたマイクロコントローラや高性能サーボドライブ、ステッピングドライブなど、新しいコンポーネントにEtherCATを組み込み続けており、現代の産業用モーションおよび制御システムにおけるEtherCATの役割をさらに強固なものにしています。競合他社はタイムセンシティブネットワーク（TSN）の検討を進めていますが、EtherCATのオンザフライ処理は既に超低遅延と確定的なパフォーマンスを実現しており、自動化機械におけるハードリアルタイムバックボーンとしてのEtherCATの継続的な重要性を保証しています。