製品紹介
 
product

製品紹介

ケイエスジェイ EtherCATシステムのご紹介

  • EtherCAT Master board(イーサキャット マスターボード)
  • - Xilinx Zynq SoC 搭載
  • - 1GB DDR3, 32MB QSPI, microSDスロット
  • - 冗長性のあるEtherCAT用に100Mbps Ethernet × 2
  • - 1Gbit Ethernet, USB UART, 多彩な入出力が可能な拡張ポート

  • EtherCAT Slave board(イーサキャット スレーブボード)
  • - Beckhoff ET1100 -ルネサス R-IN32M3
  • - TexasInstruments Sitara、など対応可

RADIC Technologies社とのパートナーシップについて
EtherCAT Logo
LZ200_01

LZ200_02 LZ200_03 LZ200_07


EtherCATマスター/スレーブとも、ハードウェア・ソフトウェア両面を自社開発
(マスターソフトウェアは、開発実績の多いドイツkoenig-pa GmbH(KPA)社とも提携)

EtherCAT(イーサキャット)とは?

EtherCATは、ドイツBeckhoff社が開発した、既に汎用化されたEthernet(イーサネット)と互換性のあるオープン化されたフィールドネットワークです。
フィールドネットワークの世界では、大量の入出力点数を持ち、データ損失がなく、高速で、リアルタイム性を持つことが求められてきました。
EtherCATでは、これまでのフィールドネットワークで用いられていたポーリングやハンドシェイクの概念を無くしています。
EtherCATフレームは、マスターから順次全てのスレーブへと渡っていき、再びマスターへと返されます。各スレーブは、EtherCATフレームをオンザフライで処理するため、非常に高速な通信を実現できます。

EtherCATシステム構成図



【データ量】
EtherCATシステムでは、1フレーム当たり最大1486バイトのデータを保持することが可能です。これは、約12,000のデジタルI/Oを1フレームで制御できることを意味します。

【フレーム周期】
弊社開発のマスターボードには、2種類のソフトウェアを搭載することが可能です。
・弊社独自開発ソフトウェア(FreeRTOS)
・KPA社製ソフトウェア (Xenomai RTOS)
EtherCATフレーム周期は、弊社独自開発ソフトウェアでは、FreeRTOSを用い、最短27μsecを実現しています。
KPA社製ソフトウェアでは、Xenomai RTOS(LinuxベースのリアルタイムOS)を用い、100μsec程度を実現しています。
更なる短周期・高効率を目指し、新たなマスタースタックも近日KPA社より公開予定です。

【時刻同期性】
スレーブ間での高精度な時刻同期を実現したい場合、DC(Distributed Clock)機能を用いることで、1μsec以内での時刻同期性を確保できます。


   

【弊社EtherCATマスターの特徴】

LZ200(弊社EtherCATマスター)と市販PC EtherCATマスターとの比較


【専用ボードを開発した動機】
・PCのハードウェア構成は、もともとリアルタイム性を考慮して作られていないため、リアルタイムOSを動作させるのには、適していません。

・PCのソフトウェア構成は、リアルタイムOSがWindowsなどのOSと共存する形が一般的です。そのため、必ずWindowsなどのOSにハードウェア資源を占有される時間が発生してしまい、本来目的としている処理に確保できる時間が減ってしまいます。また、その占有される時間も一定ではありません。このことは、高速周期でのEtherCAT通信を実現したい場合には、大きな弊害となります。

・LZ200は、リアルタイムな制御と冗長性のあるEtherCAT通信に特化したデバイス(CPUボード)であり、ユーザーインターフェイスは、PCが利用される事を想定して開発されています。

・また、LZ200はセキュリティ対策機能を持たせることにより、直接インターネットに接続する事も可能です。この機能により完全にPCシステムとは分離された非常に安全性の高い制御システムを構築できるようになります。

・LZ200は、制御部分が独立している構成のため、PC上のEtherCATマスターソフトウェアと比べ、システムとしての安定性は高く、また、制御仕様の変更なども比較的簡易におこなえます。(≒開発費が安価)

【なぜ「Zynq」が採用されているか】
・高速処理が要求されるEtherCATシステムにおいて、マスター側での演算処理をいかに高速にできるかが、システムにおいての必須条件です。

・弊社がEtherCAT用マスターボードで採用した「Zynq」は、“ARM Cortex-A9 DualCore CPU”と”FPGA”により構成されています。EtherCATマスターにZynqを利用すれば、「制御シーケンスや通信の送出タイミングなどのシーケンシャルな制御を、CPUで実行」、「処理時間を要する演算部分は、FPGAで高速に実行」という構成をワンチップで非常に簡易に構成でき、非常に高速な処理を実現できます。

・ソフトウェア開発においては、C/C++で記述されたソフトウェアの一部をGUIで指定し、高速なハードウェア回路をFPGAへと自動展開するXilinx Vivado HLS, Xilinx SDSoCにも対応しています。これにより、FPGAを用いたシステムとしては、非常に短い開発期間が実現できます。

   

EtherCAT マスター [ハードウェア仕様]

表. 弊社マスターボードの主なハードウェア仕様
CPU※ ARM Cortex-A9 Dual Core 666~866MHz
28k~85k FPGAロジックセル付属
(Xilinx Zynq-7010/Zynq-7020)
メモリ DDR3 SDRAM 1GB 1066Mbps
(2x512MB)
フラッシュメモリ QSPI NOR 32MB
(2x16MB)
EtherCAT 100Mbps Ethernet 2ポート, RJ45コネクタ
Ethernet 1Gbps Ethernet 1ポート, RJ45コネクタ
SDカード microSDカードスロット
(SDHC, SDHS対応)
USB UART 最大1Mbps, miniUSBコネクタ
入出力 FPGAの80ポート拡張コネクタ
電源 DC 24V
外形 130x80mm
動作保障温度 0 to 50℃
その他 RoHS対応

EtherCAT マスター [マスタースタック/開発環境]

弊社は、独自のソフトウェアを開発したと同時に、ドイツkoenig-pa GmbH(KPA)社のソフトウェアを弊社ボードに搭載することも可能です。

表. 弊社マスターボードの主なソフトウェア仕様
Zynq SoC開発環境 Xilinx ISE 14.7/Vivado 2015.4
ソフトウェア開発環境 Xilinx SDK 14.7/2015.4
提供可能なOS、EtherCATマスターソフトウェア 1. Xenomai(リアルタイムOS)
 KPA社 EtherCATマスタースタック
 KPA社 EtherCAT Studio
2. FreeRTOS(リアルタイムOS)
 弊社 EtherCATマスタースタック
提供可能なドライバソフトウェア フラッシュメモリ、SDカードなどの周辺回路のXenomai, FreeRTOS用ドライバ


   

【弊社EtherCATマスターのセキュリティ機能】

LZ200(弊社EtherCAT マスター)におけるセキュリティ概念図


【セキュリティ機能(オプション機能)】
・弊社EtherCATマスターボード搭載のZynq(ARM Cortex-A9 ベース)はTrustZone機能を備えているため、セキュリティを確保したいユーザーデータ領域などへの不正なアクセスを検知し、不正アクセスへの対策を講じることが可能です。すなわち、非正規な外部ユーザーからの機密データの読み取りを防ぐことができます(耐タンパー性)。

※ARM TrustZone機能 とは?
・CPU Core2は、外部とTCP/IPスタックで通信しますが、内部システムと遮断されているため、仮に外部から攻撃を受けたとしても、その影響が内部ハードウェアとCPU Core 1で実行されているソフトウェアには及びません。
・CPU Core1は、安全に設計された手段でのみ外部と通信するため、セキュリティが確保されています。

・弊社EtherCATマスターボードと上位PCとの通信はAESにより暗号化し、セキュリティを担保しています。

・一般的に、セキュリティシステムの導入は、本来のシステム機能への大きな負荷となり、システムのパフォーマンスを低下させる大きな要因となります。

・しかし、弊社EtherCATマスターボードでは、上位PCとの間における暗号化機能(SSL)を、Zynqに備えられているFPGAの領域を利用して実現することにより、本来持つべきパフォーマンスを損なうことなく、セキュリティ機能を有し、且つ、高速、という画期的なマスターボードを実現可能です。

・FPGA領域にセキュリティ機能を備えることにより、ユーザーが使用できるFPGA領域はある程度制限されてしまいますが、Zynqの備えるFPGAのロジックセル容量として必要なサイズを選択すれば、お客様のニーズに合わせたFPGAのユーザー領域を安全に確保することができます。

・弊社EtherCATマスターボードは、PCなどの媒体を介さず、直接クラウド(インターネットやイントラネット)へと接続できる構成を持つことができ、IoT(Internet of Things)の重要性が求められる昨今において、非常に革新的な”IoTを実現できるEtherCATシステム”となりえます。

【リバースエンジニアリング対策(オプション機能)】
・弊社製品のアルゴリズムや、マスター側のユーザーエリア内に構築されているソフトウェアやデータ、スレーブ側で構築されているソフトウェアなど、“ システム全体の知的資産の流出防止” を目的として、マスターとスレーブ間のEtherCAT通信においても暗号化の仕組みを取り入れています。

・スレーブ側のソフトウェアは予め暗号化して格納しておき、暗号化されたデータは、マスターによってのみ解読されます。同様に、マスターのソフトウェアも予め暗号化しており、上記の「セキュリティ機能」により保護された上位の許可されたPC等と接続された場合にのみ、解読されるようになっています。

・すなわち、「知的財産の流出防止」と「セキュリティ機能」を同時に満足させたリバースエンジニアリング対策が施されたシステムを提供する事が可能です。


   

koenig-pa GmbH(KPA)社の提供するマスターソフトウェアについて

KPA社は、EtherCATマスターのソフトウェア開発に特化し長年開発を進めてきたドイツ企業です。KPA社の提供するマスターソフトウェアは、基本的に、以下要件を満たすよう設計がなされています。

・リアルタイムOS上で実行するための最適化
・高性能、最小CPU時間
・小さなフットプリント
・OSの独立性
・モジュール化された構成
・インテル、モトローラ、ARMのプラットフォームをサポート
・EtherCAT仕様に準拠
・ANSI C言語の実装(マスタースタックのソースコードをC言語により、他のOSへと移植可能)

KPAマスタースタッククラス
KPAマスタースタックは、以下のクラスが実装可能です。

1) Basic(ETG1500規格のClass Bに相当)
・EtherCATフレームのサポート
・ESM(EtherCAT State Machine)
・ネットワークおよびスレーブの診断機能
・周期動作によるプロセスデータ交換
・オンラインスキャン
・ENI(EtherCAT Network Information File)からのネットワーク構成の読み込み
・スレーブのメールボックス状態のポーリング
・メールボックスの転送
・CoE(CAN application protocol over EtherCAT)
・Slave to Slave 通信

また、ETG1500 で定義された以下の拡張機能。
・調整可能なスキャンレート
・複数のマスターインスタンス
・ライブチャートとシングルオブジェクトのスナップショット
・ステーションエイリアスアドレス指定
・EEPROM への書き込みアクセス
・分散クロック・時間分布
・NIC とマスターからの統計の収集
・CoE はSDO インフォメーションサービス
2) Standard (Basic機能を含む)(ETG1500規格のClass Aに相当)
・DC(Distributed Clocks)
マスターとスレーブの同期(ディレイ補正)
・SoE(Servo Drive Profile over EtherCAT)
・EoE(Ethernet over EtherCAT)
・FoE(File Access over EtherCAT)
・VoE(Vendor over EtherCAT)


3) Feature Packs (StandardまたはBasicへの追加機能)
・Hot Connect
・Cable Redundancy
・EtherCATを経由したデバイスを構成するTCP or UDP / IP のメールゲートウェイ
・他に複数の拡張機能

コンポーネント
KPAマスタースタックは、いくつかの論理ブロックに分けられています。

・API
・プロセスイメージ
・Mailboxの実装
・マスタースレッド
・フレームスケジューラ
・OSの抽象化レイヤ
KPAマスタースタック


   

EtherCATマスター ブロック図

EtherCAT マスター ブロック図


EtherCATスレーブ ブロック図

EtherCATスレーブは、お客様ニーズに合わせた形態で提供可能です。(EtherCAT準拠のコントローラICや、マイクロプロセッサ、FPGAなどを用いて開発可能)

弊社では、標準的なスレーブ構成として、“EtherCAT通信のインターフェイスとなる基板”と“ユーザーが要望する機能を実装した回路”の2枚での構成を、自社開発品として提供できます。この構成により、スレーブ側の機能変更に柔軟に対応できるだけでなく、既存のシステムで利用されている基板についても、比較的容易にEtherCATスレーブとして導入することが可能です。

一例として、以下に、スレーブのブロック図例を記載します。

EtherCAT スレーブ ブロック図


EtherCAT® is registered trademark and patented technology, licensed by Beckhoff Automation GmbH, Germany.