今回の記事では、Beckhoff社のTwinCAT3を使用してAdvantech社製EtherCATカプラ「AMAX-5074」と接続し、基本的なI/O制御からスレーブ状態の動的制御まで、ゼロから構築していきます。

EtherCATシステムを運用する上で、スレーブデバイスの状態遷移を理解することは非常に重要です。本記事ではFB_EcSetSlaveStateファンクションブロックを活用し、OP / Pre-OP / Safe-OP各状態の違いと使い分けについても解説します。

さ、FAを楽しもう！

前書き

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Reference Link

http://soup01.com/ja/category/beckhoff/

http://soup01.com/ja/category/protocol/ethercat/

Beckhoff#Tc2_EtherCATを使ってみよう

FB_EcSetSlaveState

このファンクションブロックを使用すると、スレーブを指定されたEtherCATステートに設定できます。要求されたEtherCATステートは、reqState変数で転送されます。このファンクションブロックはステート変更コマンドを送信し、ファンクションブロックFB_EcRegSlaveStateとは異なり、EtherCATスレーブが新しいステートに到達するか、最大時間tTimeoutを超過するまでアクティブ状態を維持します。現在のステータスはcurrState変数に出力されます。

VAR_INPUT

名前	タイプ	説明
sNetId	T_AmsNetId	EtherCATマスタデバイスのAMSネットワークIDを含む文字列
nSlaveAddr	UINT	EtherCATスレーブのFilterCATステートを設定する固定アドレス
bExecute	BOOL	このファンクションブロックは、この入力の立ち上がりエッジによって有効化されます
tTimeout	TIME	ファンクションブロックの実行に許容される最大時間
reqState	WORD	スレーブを設定するEtherCATステート

VAR_OUTPUT

名前	タイプ	説明
bBusy	BOOL	この出力は、ファンクションブロックがアクティブ化されているときに設定され、フィードバックを受信するまで設定されたままになります
bError	BOOL	この出力は、コマンドの送信でエラーが発生した場合、またはエラーがコマンドの送信でリセットされた場合に設定されます
nErrid	UDINT	bError出力が設定されている場合、最後に実行されたコマンドに関連するADSエラーコードを提供します
currState	ST_EcSlave<br>State	スレーブの現在のEtherCATステート

ST_EcSlaveState

こちらはEtherCAT Slaveの状態を示す構造体です。

TYPE ST_EcSlaveState: STRUCT deviceState :BYTE; linkState :BYTE; END_STRUCT END_TYPE

名前	タイプ	説明
deviceState	BYTE	スレーブのEtherCATステート
linkState	BYTE	EtherCATスレーブのリンクステート

EtherCATステータスは以下のいずれかの値を取ることができます:

定数	値	説明
EC_DEVICE_STATE_INIT	0x01	Initステート
EC_DEVICE_STATE_PREOP	0x02	Pre-operationalステート
EC_DEVICE_STATE_BOOTSTRAP	0x03	Bootstrapステート
EC_DEVICE_STATE_SAFEOP	0x04	Safe-operationalステート
EC_DEVICE_STATE_OP	0x08	Operationalステート

さらに、以下のビットを設定できます:

定数	値	説明
EC_DEVICE_STATE_ERROR	0x10	EtherCATスレーブのステートマシンエラー
EC_DEVICE_STATE_INVALID_VPRS	0x20	無効なベンダーID、製品コード、リビジョン番号またはシリアル番号
EC_DEVICE_STATE_INITCMD_ERROR	0x40	初期化コマンド送信中のエラー
EC_DEVICE_STATE_DISABLED	0x80	スレーブは無効化されています

AMAX-5074 EtherCATカプラ

このモジュールは、IDスイッチスライスI/OモジュールのEtherCATカプラで、EtherCAT IOモジュールを100BASETX EtherCATネットワークに結合する機能を提供します。イーサネット/EtherCATケーブル(最小Cat. 5)のシールド付きケーブルを使用し、ステーション間の最大距離は100m(100BASETX)です。2つの16ビットIDスイッチにより、256個の設定可能なIDを提供します。バスインターフェースは2つのRJ45(入力1つ、出力1つ)を備えています。

モジュール側面

こちらはAMAX-5074 EtherCATカプラの側面です。

モジュール配線例

こちらはAMAX-5074 EtherCATカプラの配線例です。

モジュールLED意味合い

こちらはAMAX-5074 EtherCATカプラのLEDの意味合いです。

LED	色	表示	動作
PWR	緑	ON	電源オン
	オレンジ	ON	モジュール位置特定中
Run	緑	ON	EtherCAT接続済み
		点滅	EtherCAT接続中
BUS	緑	ON	BUS電源オン
OC	赤	ON	BUS過電流(2A)
OV1	赤	ON	V1過電圧(28.8V)
OV2	赤	ON	V2過電圧(28.8V)
UV1	赤	ON	V1低電圧(19.2V)
UV2	赤	ON	V2低電圧(19.2V)

ID Switch

こちらのIDスイッチでAMAX-5074 EtherCATカプラのIDを設定できます。

スイッチ番号 (上から下へ)	倍数	範囲(HEX)
SW2	X16	0~F
SW1	X1	0~F
例	(SW2, SW1) = (4, C)の場合、ID = 4×16 + 12×1 = 76

AMAX-5052 16-ch デジタル入力モジュール

AMAX-5052は、16チャンネルのデジタル入力(シンク/ソース)チャンネルを備えています。デジタル入力チャンネルには、デジタルステータスを示すLEDが搭載されています。このモジュールは、データバスとI/Oチャンネル間に2,000 VDCの光絶縁を提供しますが、チャンネル間の絶縁は提供しません。高電圧または高電流によってチャンネルが損傷した場合でも、すでに絶縁されているため、システム全体(他のモジュールおよび制御ユニットを含む)は影響を受けません。ただし、I/O電源がシステムと同じ電源を使用している場合、絶縁機能は動作しません。

モジュール側面

こちらはAMAX-5052 16-ch デジタル入力モジュールの側面です。

モジュール配線例

こちらはAMAX-5052 16-ch デジタル入力モジュールの配線例です。

モジュールLED意味合い

こちらはAMAX-5052 16-ch デジタル入力モジュールのLEDの意味合いです。

LED	色	表示	動作
PWR	緑	ON	電源オン
Run	緑	ON	EtherCAT接続済み
		点滅	EtherCAT接続中
DI0~7	緑	ON	ドライ/ウェットロジック “1”
		OFF	ドライ/ウェットロジック “0”
DI8~15	黄	ON	ドライ/ウェットロジック “1”
		OFF	ドライ/ウェットロジック “0”

AMAX-5057SO 16-ch ソース型デジタル出力

AMAX-5057SOモジュールは、16チャンネルのデジタル出力(ソース)チャンネルを備えています。デジタル出力チャンネルには、デジタルステータスを示すLEDが搭載されています。このモジュールは、データバスとI/Oチャンネル間に2,000 VDCの光絶縁を提供しますが、チャンネル間の絶縁は提供しません。高電圧または高電流によってチャンネルが損傷した場合でも、すでに絶縁されているため、システム全体(他のモジュールおよび制御ユニットを含む)は影響を受けません。ただし、I/O電源がシステムと同じ電源を使用している場合、絶縁機能は動作しません。

モジュール側面

こちらはAMAX-5057SO 16-ch ソース型デジタル出力モジュールの側面です。

モジュール配線例

こちらはAMAX-5057SO 16-ch ソース型デジタル出力モジュールの配線例です。

モジュールLED意味合い

こちらはAMAX-5052 16-ch デジタル入力モジュールのLEDの意味合いです。

Implementation

ここからネットワーク構築からプログラム作成まで詳しく説明します。

AMAX 側

最初にAdvantech側から始めます。

ESIファイルをダウンロード

下記のLinkAMAXシリーズのESI FILEをDownloadしてください。

https://www.advantech.com/en-us/support/details/firmware-?id=1-1X2NUUH

ID設定

実際のアプリケーションに合わせてIDを設定しましょう。

Beckhoff 側

次はBeckhoff側です。

ESI Fileをインストールする

先程DownloadしたESI Fileを下記のPathに格納します。

C:\Program Files (x86)\Beckhoff\TwinCAT\3.1\Config\Io\EtherCAT

EtherCAT マスター追加

TwinCATプロジェクトの「I/O」ツリー上で右クリックし、コンテキストメニューから「Add New Item…」を選択することで、新しいI/Oデバイス(EtherCAT Masterなど)を手動で追加することができます。

「Add New Item…」を選択すると、「Insert Device」ウィンドウが開きます。ここでは追加するデバイスのタイプを選択できます。今回はBeckhoffのEtherCATマスターを使用するため、EtherCAT → EtherCAT Masterを選択します。

EtherCAT Masterを追加すると、自動的にPC上のEtherCATデバイスを検索し、「Device Found At」ダイアログが表示されます。

ここでは、見つかったEtherCAT通信カードや仮想デバイスを一覧から選択し、使用するスロットを指定します。

ドライバの設定

この画面はTwinCATのEtherCATマスター設定におけるAdapter（アダプター）タブで、EtherCAT通信に使用するネットワークアダプターを選択・設定します。

赤枠で囲まれた「Search…」ボタンをクリックして、システム上の利用可能なEtherCAT対応ネットワークアダプターを検索・選択します。

「Search…」ボタンをクリック後に表示される、システム上で検出されたネットワークアダプターの一覧画面です。その中に適切なネットワークアダプターを選択します。

この設定により、TwinCATはこのネットワークアダプターを通じてEtherCATスレーブデバイスと通信できるようになります。

スキャン

EtherCATマスター（Device 1）を右クリックすると、表示されるメニューの中に「Scan」があります。この「Scan」をクリックすることで、TwinCATが実際に接続されたEtherCATスレーブ機器を自動検出し、構成に追加してくれます。この機能は、複数のI/O端子や通信モジュールがEtherCATラインに接続されているときに非常に便利で、機器のE-Bus順に正確に取り込むことが可能です。

Auto Scanが正常に完了し、EtherCATスレーブ（AMAX-5074）が認識されています。

PLCプロジェクト追加

次はPLC→右クリック→Add New ItemでPLCプロジェクトを追加します。

Standard PLC Projectを選び→Addで進みます。

Done!

DUT

今度は構造体を定義するため、DUTs→右クリック→Add→DUTします。

udt08Bits

こちらは8ビット（1バイト）のデータを個別のビットとしてアクセスするためのユーザー定義データ型（UDT）です。

TYPE udt08Bits : STRUCT xBit00 :BIT; xBit01 :BIT; xBit02 :BIT; xBit03 :BIT; xBit04 :BIT; xBit05 :BIT; xBit06 :BIT; xBit07 :BIT; END_STRUCT END_TYPE

udt16Bits

こちらは16ビット（2バイト）のデータを個別のビットとしてアクセスするためのユーザー定義データ型（UDT）です。

TYPE udt16Bits : STRUCT xBit00 :BIT; xBit01 :BIT; xBit02 :BIT; xBit03 :BIT; xBit04 :BIT; xBit05 :BIT; xBit06 :BIT; xBit07 :BIT; xBit08 :BIT; xBit09 :BIT; xBit10 :BIT; xBit11 :BIT; xBit12 :BIT; xBit13 :BIT; xBit14 :BIT; xBit15 :BIT; END_STRUCT END_TYPE

GVL追加

Global Variables Listを追加します。GVLs→右クリック→Add→Global Variables Listします。

Global Variables List名を入力し、Openします。

こちらはEtherCATスレーブデバイス（AMAX-5074等）のI/Oデータをマッピングするためのグローバル変数定義です。

{attribute ‘qualified_only’} VAR_GLOBAL xarrSt01Inputs AT %I* :udt16Bits; xarrSt02Out1putsPort0 AT %Q* :udt08Bits; xarrSt02Out1putsPort1 AT %Q* :udt08Bits; uiArrState AT %I* :ARRAY[0..63]OF UINT; END_VAR

EtherCATライブラリを追加

Tc2_EtherCATライブラリを使用したいのでReferences→右クリック→Add libraryします。

Tc2_EtherCATを検索し、OKで追加します。

プログラム

次はプログラムを作成します。このプログラムは、TwinCAT EtherCATマスターを使用してスレーブデバイスの状態を動的に制御し、同時にLEDシフト表示を実行するものです。

EtherCATスレーブ状態制御

FB_EcSetSlaveStateファンクションブロックを使用して、EtherCATスレーブの状態遷移を制御します。

対象スレーブアドレス: 1002または1003
AMS NetID: 192.168.251.47.2.1

LEDシフト出力（ナイトライダー）

2つのTONタイマー（各100ms）を交互動作させてクロックを生成します。

controlbyteを左シフトし、ビット7到達で1にリセット
結果をgIOs.xarrSt02Out1putsPort0へMEMCPYで転送

コード

こちらはプログラム本体です。

PROGRAM MAIN
VAR
FB_EcSetSlaveState:FB_EcSetSlaveState;
amsID :T_AmsNetID;
bExecute:BOOL;
reqState:WORD;
bBusy : BOOL;
bError : BOOL;
nErrId : UDINT;
currState : ST_EcSlaveState;
fbTON:TON;
fbTONs :ARRAY[0..1]OF TON;
controlbyte :BYTE;
fbR_TRIG :R_TRIG;
xTriggertoOP :BOOL;
xTriggertoPreOP :BOOL;
END_VAR

reqState:=0;
IF gIOs.uiArrState[1] = 8 THEN
FB_EcSetSlaveState.nSlaveAddr:=1003;
IF gIOs.xarrSt01Inputs.xBit00 THEN
reqState:=16#08;
ELSIF gIOs.xarrSt01Inputs.xBit01 THEN
reqState:=16#04;
END_IF
ELSE
;
END_IF;

IF xTriggertoPreOP THEN
reqState:=16#02;
FB_EcSetSlaveState.nSlaveAddr:=1002;
END_IF
IF xTriggertoOP THEN
reqState:=16#08;
FB_EcSetSlaveState.nSlaveAddr:=1002;
END_IF

fbTON(
IN:=reqState <>0
,PT:=T#1S
);
bExecute:=fbTON.Q;

FB_EcSetSlaveState(
sNetId:=’192.168.251.47.2.1′
,bExecute:=bExecute
,reqState:=reqState
,bBusy=>bBusy
,bError=>bError
,nErrId=>nErrId
,currState=>currState
);

IF FB_EcSetSlaveState.bBusy THEN
xTriggertoOP:=FALSE;
xTriggertoPreOP:=FALSE;
END_IF

fbTONs[0](IN:=NOT fbTONs[1].Q,PT:=T#0.1S);
fbTONs[1](IN:=fbTONs[0].Q,PT:=T#0.1S);

MEMCPY(
destAddr:=ADR(gIOs.xarrSt02Out1putsPort0)
,srcAddr:=ADR(controlbyte)
,n:=SIZEOF(BYTE)
);

IF controlbyte = 0 THEN
controlbyte:=1;
END_IF;

fbR_TRIG(CLK:=fbTONs[0].Q);
IF fbR_TRIG.Q THEN
controlbyte:= SHL(controlbyte,1);
END_IF

IF controlbyte.7 THEN
controlbyte:=1;
END_IF