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산업용 이더넷 네트워크의 최근 동향과 EtherCAT의 주요 특징(2)

2000년에 들어서면서 전 세계의 가정과 사무실은 물론 산업 현장에서 사용되고 있던 이더넷 기술을 I/O 제어 레벨까지 사용하고자 하는 움직임이 나타났다. 1990년대부터 I/O 제어 레벨에서 사용되기 시작한 산업통신망 방식인 필드버스(Fielbus)가 전 세계의 자동화 라인에 정착되면서 동시에 나타나기 시작한 이러한 흐름은 많은 회사들로 하여금 산업현장에서 사용할 수 있는 이더넷 기술개발을 암묵적으로 강요했다. 다음은 지난호에 이어 EtherCAT의 주요 특징에 대해 알아본다.

진 단

필드버스 시스템에 대한 경험으로 볼 때 준공시간 및 시운전 기간이 진단 성능에 따라 크게 좌우된다. 신속하고 정확하게 감지된 오류, 정확하게 찾아낸 오류만이 신속하게 교정될 수 있다. 따라서 EtherCAT을 개발하는 동안 우수한 진단 특성에 대하여 특별한 주의를 기울였다. 시운전을 하는 동안 노드의 실제 구성은(예. 드라이브 또는 I/O 터미널) 특정 구성을 사용하여 일관성 있게 검사되어야 한다. 토폴로지 또한 구성과 맞아야 한다. 맨 하부단 개별 터미널에까지 토폴로지에 대한 인식기능이 있기 때문에 이 검증은 시스템을 시작할 동안에만 일어나는 것이 아니며, 네트워크에 대한 자동 읽기가 또한 가능하다.(구성 업로드)

전송중의 비트 오류는 CRC(Cyclic Redundancy Checks) 체크썸(파일 자체의 무결성을 확인하기 위해 파일의 내용으로부터 수학적으로 계산된 숫자로 표시. 중요한 시스템 파일이 바뀌었거나 깨졌는지 등의 확인 여부 같은 보안 목적으로 체크썸을 참고함)의 비교를 통하여 주로 감지된다. : 32 비트 CRC 다항식은 4의 최소 해밍거리(같은 단어길이를 가진 두개의 2진수에 대응하는 각 자리를 비교했을 때 서로 다른 자릿수의 개수)를 갖는다. 파손된 전선의 탐색과 위치 찾기와는 별도로, EtherCAT 시스템의 프로토콜, 물리계층 및 토폴로지는 각 전송구획의 개별 품질 모니터링을 가능케 한다. 관련 오류 카운터에 대한 자동평가는 핵심적인 네트워크 섹션의 정확한 위치 찾기를 가능케 한다.

EMI(전자파) 영향과 같은 점진적이거나 변화하는 오류의 출처, 결함이 있는 커넥터, 또는 케이블 손상은 네트워크의 자가치유 능력을 무리하게 사용하지 않을지라도 감지되며 위치를 추적할 수 있다.

높은 가용성

높은 시스템 가용성에 대한 점증하는 요구에 따라 네트워크를 가동 중단시킬 필요없이 디바이스를 교체할 수 있는 케이블 redundancy 기능을 제공하게 되었다. 케이블 redundancy 기능을 추가하는 것은 비용이 매우 저렴하다. : 라인 토폴로지를 링으로 바꿔주는 케이블 하나와 표준 이더넷 포트(특별한 카드나 인터페이스 없는) 하나가 유일하게 하드웨어로 추가된다.

디바이스나 케이블이 고장 난 경우의 switchover는 단 한 사이클만 발생한다. 따라서 빡빡한 모션제어 어플리케이션 일지라도 문제없이 케이블 오류를 견뎌낼 수 있다.

EtherCAT은 또한 hot standby 기능을 갖춘 redundant 마스터를 지원한다. EtherCAT 슬레이브 컨트롤러가 즉시 자동으로 프레임을 반환하므로 만일 인터럽트가 발생한다면 디바이스의 오류로 인해 전체 네트워크를 중지시킬 필요가 없게 된다. 예를들어, Dragchain 애플리케이션은 케이블 파손에 대비하기 위하여 특별히 stubs로써 환경구성을 할 수 있다.

안전 Safety

전통적으로 Safety 기능은 하드웨어를 경유하거나 또는 전용 Safety 버스 시스템을 경유하여 자동화 네트워크와는 별도로 구현된다. EtherCAT을 경유한 Safety 디바이스는 동일한 네트워크 상에서 Safety 관련 통신 및 제어 통신을 가능케 한다. Safety 프로토콜은 더 낮은 계층에 영향을 주지 않는 EtherCAT의 애플리케이션 계층을 기반으로 한다. 이것은 IEC 61508에 따라 승인되며 Safety Integranted Level (SIL)4의 요건을 만족시킨다. 데이터의 길이는 가변적이어서 프로토콜을 Safety I/O 데이터와 Safety 드라이브 기술에 똑같이 적합하게 만들게 된다. 다른 EtherCAT 데이터와 같이 Safety 데이터는 Safety 라우터나 Gateway 없이 경로를 설정할 수 있다. EtherCAT을 통한 Safety 디바이스를 특징으로 하는 최초로 충분히 입증된 상용 제품이 이미 출시 중이다.

PCI를 대신하는 EtherCAT

PC 구성요소의 소형화 추세가 증가하면서 산업용 PC의 물리적인 크기는 점점 필요한 슬롯의 개수에 의하여 결정되게 되었다. 고속 이더넷의 대역폭은 EtherCAT 통신 하드웨어의 프로세스 데이터 대역폭과 함께 새로운 방향을 가능케 하였다. : 전통적으로 IPC (산업용 컴퓨터)의 슬롯에 장착되는 카드 타입의 인터페이스는 지능형 EtherCAT 인터페이스 터미널로 바뀌어가고 있다(그림 7 참조). 분산된 I/O 포트와는 별도로 드라이브와 제어 유닛, 필드버스 마스터와 같은 복잡한 시스템, 고속 시리얼 인터페이스, Gateway 및 기타 통신 인터페이스를 어드레싱 시킬 수 있다.

프로토콜 변경에 대한 제한 없이 더 많은 이더넷 디바이스 조차도 분산된 스위치 포트 디바이스를 경유하여 접속시킬 수 있다. 중앙 IPC는 더 소형화되고 있으며 따라서 좀더 가격 대비 효율적이 되고 있다. 주변기기와의 완벽한 통신을 위하여 하나의 이더넷 인터페이스면 충분하다(그림 8 참조).

디바이스 프로파일

디바이스 프로파일은 어플리케이션 파라미터와 디바이스 class-specific state machine을 포함하는 디바이스의 기능적 동작을 설명한다. 많은 디바이스의 경우 (예를 들어 I/O 디바이스나 드라이브 또는 밸브) 필드버스에서 이미 신뢰할만한 디바이스 프로파일을 제공한다. 사용자는 이러한 프로파일과 관련 파라미터 및 툴에 친숙하다. 따라서 어떠한 EtherCAT 특유의 디바이스 프로파일은 개발한 적이 없다. 대신 기존 디바이스 프로파일을 위한 단순한 인터페이스를 제공하고 있다.

이것은 기존의 필드버스에서 EtherCAT으로 옮겨가는 과정에서 사용자와 디바이스 제조업체에 많은 도움을 주고 있다.

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EtherCAT으로 CANopen을 사용하는 기술(CoE)

CANopen 디바이스와 애플리케이션 프로파일은 예를 들어 I/O 부품, 드라이브, 엔코더, 비례밸브 및 유압 컨트롤러로부터 플라스틱 또는 직물 기계류를 위한 애플리케이션 프로파일에 이르기까지 광범위한 디바이스들과 어플리케이션에 사용할 수 있다. EtherCAT은 CANopen [7] EN 50325-4 메커니즘과 동일한 통신 메커니즘을 제공할 수 있다. : 오브젝트 딕셔너리(OD 객체사전), PDO(process data object) 및 SOD(service data object) – 네트워크 관리까지도 가능하다. 따라서 EtherCAT은 CANopen을 장착한 디바이스에 대해서는 최소의 노력으로 구현할 수 있다. CANopen 펌웨어의 대부분은 재사용이 가능하다. 오브젝트는 EtherCAT에서 제공하는 더 큰 대역폭을 떠맡기 위하여 선택적으로 확장할 수 있다.

EtherCAT으로 IEC 61491에 따른 서보 드라이브 프로파일을 사용하는 기술(SoE)

SERCOS 인터페이스는 특히 모션 제어 어플리케이션을 위한 고성능 실시간 통신 인터페이스로서 전세계적인 인정과 명성을 얻고 있다. 서보 드라이브와 통신기술을 위한 SERCOS 프로파일은 IEC 61491 표준에서 다루고 있다. 이 서보 드라이브 프로파일은 EtherCAT에 매우 쉽게 맵핑시킬 수 있다. 서비스 채널과 모든 파라미터로의 접근 및 드라이브에 내재하는 기능들은 EtherCAT 메일박스(그림 9 참조)를 기반으로 한다.

여기서 또한 중점을 둔 것은 기존의 프로토콜(IDN의 값, 특성, 이름, 단위 등에 대한 액세스)과의 호환성과 데이터 길이 한계에 관한 확장성이다. AT 및 MDT 데이터의 형태를 갖는 SERCOS의 프로세스 데이터는 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러 메커니즘을 사용하여 전송한다. 매핑은 SERCOS 매핑과 유사하다. EtherCAT 슬레이브 state machine은 SERCOS 프로토콜 phases에 쉽게 매핑 시킬 수 있다. EtherCAT은 이 프로파일을 위한 발전된 실시간 이더넷 기술을 제공하는데 이것은 특히 CNC 애플리케이션에 널리 퍼져 있다. 디바이스 프로파일의 장점은 EtherCAT에서 제공하는 장점과 결합된다. 분산 클럭은 정확한 범 네트워크적 동기화를 보장한다. 명령어 위치, 속도 또는 토오크를 선택적으로 전송할 수 있다. 구현방법에 따라서 드라이브를 위한 동일한 설정 툴을 지속적으로 사용하는 것도 가능하다.

EtherCAT으로 이더넷을 사용하는 기술(EoE)

EtherCAT 기술은 이더넷과 충분한 호환성이 있을 뿐 아니라“설계”적 측면에서도 특별한 공개성을 특징으로 한다. : 프로토콜은 보통 성능손실이 최소일 때 조차도 다른 이더넷 기반의 서비스와 동일한 물리적 네트워크상의 프로토콜도 받아들인다. 스위치 포트를 경유하여 EtherCAT 세그먼트 안에 접속할 수 있는 이더넷 디바이스 유형에는 제한이 없다. 이더넷 프레임은 EtherCAT 프로토콜을 경유하며, 이것은 인터넷 프로토콜의 표준 접근방식이다 (예. VPN, PPPoE(DSL 등). EtherCAT 네트워크는 이더넷 디바이스에 대하여 완전히 투명하며 실시간 특성은 손상되지 않는다(그림 10 참조).

EtherCAT 디바이스는 다른 이더넷 프로토콜의 특징을 추가적으로 가질 수 있으며 따라서 표준 이더넷 디바이스 처럼 동작할 수 있다. 마스터는 주소 정보에 따라서 개별 디바이스로 프레임의 방향을 재설정하는 layer 2 스위치처럼 작동한다. 따라서 통합 웹 서버, 이메일, FTP 전송 등 모든 인터넷 기술은 EtherCAT 환경에서도 사용할 수 있다.

EtherCAT으로 파일 액세스를 하는 기술(FoE)

TFTP와 유사한 매우 단순한 이 프로토콜은 디바이스 내의 어떠한 데이터 구조에 대해서도 접근을 가능하게 한다. 따라서 TCP/IP를 지원하는지 여부에 상관없이 디바이스에 대해 표준화된 펌웨어 업로드가 가능하다.

인프라 구축 비용

EtherCAT에는 허브나 스위치가 필요하지 않기 때문에 파워서플라이, 설치 등을 포함하는 디바이스들에 관련된 비용을 절약할 수 있다. 만일 환경조건이 이를 허용한다면 표준 이더넷 케이블과 표준 저가 커넥터를 사용할 수 있다. 보호를 필요로 하는 환경일 경우에는 IEC 표준에 따라 실링한 커넥터를 사용한다.

요 약

EtherCAT은 뛰어난 성능, 매우 단순한 배선과 다른 프로토콜을 위한 공개성을 특징으로 한다. EtherCAT은 전통적인 필드버스 시스템이 그 한계에 도달한 곳에서 새로운 표준을 설정하고 있다. 따라서 30㎲에 1000개의 I/O, twisted pair cable 또는 광 파이버의 선택적 사용, 이더넷과 인터넷 기술의 덕택으로 가능해진 전체 제어 시스템의 최적의 수직적 통합. EtherCAT을 사용하면, 값비싼 스타 토폴로지는 단순한 라인 구조로 대체될 수 있다. 또한 값비싼 인프라 구성요소가 필요 없다. 물론 선택적으로 EtherCAT은 다른 이더넷 디바이스를 통합하기 위하여 스위치를 사용하는 고전적인 방법으로 배선할 수도 있다.

다른 실시간 이더넷 솔루션들이 컨트롤러 내에서 특별한 접속을 필요로 하는 반면에, EtherCAT의 경우에는 온 보드 MAC 또는 표준 이더넷 카드(NIC)면 충분하다.

EtherCAT은 애플리케이션 분야가 광범위하다. 마스터와 슬레이브 사이, 슬레이브와 슬레이브사이 및 마스터와 마스터 사이의 통신이 지원된다 (그림 11 참조). EtherCAT을 통해 Safety 디바이스도 사용할 수 있다.

EtherCAT은 이더넷을 제어 시스템의 맨 위 레벨에서 맨아래 I/O 레벨에 이르기까지 기술적으로 실행가능하고 실속있게 만든다. 이 네트워크의 뛰어난 특징이라고 한다면 완전한 이더넷 호환성, 매우 단순한 디바이스에서도 가능한 인터넷 기술, 이더넷에서 제공하는 큰 대역폭을 최대로 활용한다는 점, 낮은 비용으로 뛰어난 실시간 특성을 구현한다는 점이다.

그림 7 : 분산 배치된 필드버스 인터페이스
그림 8 : 컨트롤러의 크기를 작게 만드는 EtherCAT
그림 9 : 공존할 수 있는 복수개의 디바이스 프로파일 및 프로토콜
그림 10 : 모든 이더넷 프로토콜을 위한 투명성
그림 11 : 네트워크 구조의 융통성

아이씨엔 매거진 2007년 07월호

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