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EtherCAT, 사용이 쉽고 유연한 산업용 실시간 네트워크

산업 자동화와 산업IT가 과감한 결합을 추구하면서, 산업 제조 장비 및 시스템을 비롯하여 인프라 부문, 빌딩자동화 분야에 이르는 광범위한 산업 분야에서 산업용 통신 네트워크의 도입이 활발하게 진행되고 있다.

제조 및 프로세스 분야를 중심으로 산업용 통신 네트워크는 정보 데이터에 대한 실시간 수집과 제어의 실현으로 그 활용 영역을 과감하게 확대해 나가고 있다. 기존의 아날로그 신호로 복잡하게 추진되었던 분야에서 산업IT 기술과의 결합을 통해 산업의 디지털화가 대폭 이루어지면서 산업용 통신 네트워크의 진가는 발휘되기 시작했다. 산업통신망의 시대가 시작된 것이다.

산업통신망은 필드버스(Fieldbus)라고 불리며, 산업 현장의 필드기기들을 디지털 데이터로 통합되고 제어되는 산업통합 시스템의 구성에 큰 메리트를 안겨주었다. 주요 필드버스로는 Profibus, DeviceNet, CC-Link, Foundation Fieldbus, Modbus, Interbus 등이 있다.

이러한 필드버스의 시대는 2000년대 들어서면서 새로운 IT기술과 다시한번 결합하는 변신을 시도했다. 바로 우리의 곁에 항상 가까이 존재하는 기술인 이더넷(Ethernet)과의 합체이다. 인터넷이라는 이름으로 사무실 및 가정용 통신망으로 널리 대중적으로 사용되고 있는 이더넷이 산업 현장의 요구를 수용하면서 실시간성과 안정성을 확보하여 ‘산업용 이더넷’으로 다시 태어난 것이다.

인터넷이 사무실과 가정에서 없어서는 안될 하나의 도구가 되었듯이, 산업용 이더넷도 산업 각 분야에서 없어서는 안될 도구로 자리잡고 있다. 산업용 이더넷 관련 국제 표준이 IEC를 통해 적극 추진되고 있으며, 이미 주요한 산업용 이더넷 프로토콜들은 ISO/IEC의 개방화된 국제 표준으로 발표되기에 이르렀다. 주요 산업용 이더넷으로는 EtherNet/IP, Profinet, FF HSE, EtherCAT, Modbus TCP, Ethernet Powerlink 등을 들 수 있다. 최근에는 LS산전 및 일본 미쓰비시 등이 산업용 이더넷 프로토콜의 개발을 추진하여, 국제 표준활동에 주력하고 있기도 하다.

그 중에서 EtherCAT은 개발자의 입장에서 볼 때, 무엇보다도 초기 기술 습득과 개발과정에서의 구현 편의성으로 인해 많은 엔지니어들로부터 호평받고 있다.

EtherCAT은 실시간성을 특징으로 하여, 모션 시스템 분야를 중심으로 반도체, LCD장비, 전력기기, 물류시스템, 수처리, 지능형 로봇, 복합 경기장, 극장 등 다양한 분야에서 활발하게 사용되고 있다. EtherCAT을 접해 본 개발자 및 엔지니어들은 한결같이 ‘EtherCAT의 취급방법과 활용 방법이 매우 단순하고 쉽다.”고 말한다. 따라서 기존에 필드버스를 경험해 본 경우, EtherCAT은 너무나 쉬운 산업용 이더넷 프로토콜이자 개발도구라고 할 수 있을 정도이다.

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 1,000개의 I/O, twisted pair cable 또는 광 파이버의 선택적 사용, 이더넷과 인터넷 기술의 덕택으로 가능해진 전체 제어 시스템의 최적의 수직적 통합 등으로 인해 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)로 충분하다.

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

EtherCAT은 이더넷을 제어 시스템의 맨 위 레벨에서 맨아래 I/O 레벨에 이르기까지 기술적으로 실행가능하도록 지원한다. EtherCAT은 완전한 이더넷 호환성, 매우 단순한 디바이스에서도 가능한 인터넷 기술, 이더넷에서 제공하는 큰 대역폭을 최대로 활용한다는 점, 낮은 비용으로 뛰어난 실시간 특성을 구현한다는 점에서 큰 호평을 받는다.

리얼타임 성능과 EtherCAT

EtherCAT은 필드버스의 성능에 대한 새로운 표준을 제시했다. 그 취급방법이 간단하고 필드버스와 비슷하면서도 토폴로지에 대한 유연성과 환경설정이 매우 단순하다. 컴퓨터의 이더넷 포트를 그대로 사용할 수 있다는 장점으로 EtherCAT을 구현하는 데 별도의 대규모 투자가 필요없다. 이는 비용부담 때문에 필드버스 네트워크를 선택할 수 없었던 많은 어플리케이션에서도 EtherCAT을 통해 통신 네트워크를 구축하는 것이 보다 수월해 졌음을 의미한다.

그 동안 필드버스 기술은 테스트와 검증을 거쳤고 이제는 산업 전반에서 광범위하게 정착되었다. 컨트롤러 CPU의 성능이 빠르게 성장하는 동안, 전통적인 필드버스 시스템은 제어 시스템이 도달 할 수 있는 성능에 한계를 가져오는 소위 ‘병목현상’을 가져왔다. 병목현상을 일으키는 또 다른 요소는 실제 제어 임무, 필드버스 시스템 및 I/O 시스템 내에 있는 로컬 확장 버스, 주변기기 안에 있는 로컬 펌웨어 사이클 등 여러 개의 하위 시스템으로 구성된 수직 계층적 제어구조에 있다. 기존의 필드버스에서 응답시간은 보통 컨트롤러의 사이클 타임보다 3~5배 더 길어지는 경향이 있어 왔다. 이것이 많은 엔지니어들의 최대 골치거리로 떠올랐다.

필드버스 시스템 상위의 레벨, 즉 네트워크 컨트롤러(레벨2, 3 또는 그 이상)의 경우에 이더넷은 이미 최신 기술의 위치를 지켜 왔다. 드라이브, 또는 I/O 레벨(레벨1)에서 이더넷을 어플리케이션하는 것이 비교적 새롭다고 할 수도 있는데, 이것은 필드버스 시스템이 지배하던 영역이다. 이런 어플리케이션의 주요 요건은 높은 실시간 성능, 소량의 데이터에 적합할 것, 그리고 가격 대비 효율성이 높을 것 등이다.

EtherCAT은 이러한 요건을 충족시키며, 동시에 전체 제어 시스템의 수직 계층적 구조의 맨 하부 단인 I/O 레벨에서 사회 전반적으로 대중화되고 사용자 층을 이미 광범위하게 확보하고 있는 인터넷 기술의 사용을 가능하도록 한다.

이더넷에 실시간 성능을 부여한 이더넷 솔루션들은 다수 개발되었다. 예를 들어, CSMA/CD 디바이스 액세스 절차는 더 상위 레벨의 프로토콜 계층을 경유하여 작동불능(disable) 상태가 되며, 시분할 또는 폴링에 의하여 대체된다. 패킷을 정밀 제어 방법으로 분산시키는 특별한 스위치를 사용하는 또 다른 방법도 있다. 이 솔루션은 연결된 이더넷 노드로 데이터 패킷을 다소 빠르고 정확하게 전송할 수 있는 반면에, 출력 또는 드라이브 컨트롤러에 재지시(redirection)를 내리는데 필요한 시간과 입력된 데이터를 읽는데 걸리는 시간은 구현방법에 따라 매우 달라지게 된다.

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만일 각 디바이스에 대하여 개별적인 이더넷 프레임을 사용한다면, 원칙상 사용할 수 있는 데이터의 속도는 매우 느려지게 된다. 가장 짧은 이더넷 프레임은 패킷간 간격(IPG)를 포함하여 84바이트의 길이를 갖는다.

예를 들어 만일 드라이브가 주기적으로 4바이트의 실제값과 상태정보를 내보내고 그에 따라 4바이트의 명령 값과 제어 워드 정보를 100% 버스 부하에서 받는다면, 즉 드라이브의 응답시간이 무한히 짧다면 단지 4/84=4.8%만의 가용 데이터 속도를 얻을 수 있게 된다. 10㎲의 평균 응답시간에서 데이터 속도는 1.9%까지 떨어질 것이다. 이 속도한계는 이더넷 프레임 안에서 어느 프로토콜을 사용하는가에 관계없이 이더넷 프레임을 각 디바이스(각 디바이스로부터의 하나의 프레임을 상상해 보자)로 전송하는 모든 실시간 이더넷 솔루션의 경우에도 적용된다.

EtherCAT의 동작원리

EtherCAT 기술은 다른 이더넷 솔루션의 본질적 한계를 극복했다. EtherCAT에서는 더 이상 이더넷 패킷을 받지 않으며 모든 디바이스에서 데이터를 해석, 처리하고 복사한다. EtherCAT 슬레이브 디바이스는 프레임이 노드를 통과하는 동안 그곳에 전달된 데이터를 읽는다. 이와 유사하게 텔레그램이 통과하는 동안 입력한 데이터가 삽입된다. 이때 프레임은 겨우 몇 ns 동안만 지연된다.

이더넷 프레임이 수신 방향과 발신 방향 모두에서 많은 디바이스의 데이터를 포함하기 때문에 사용 가능한 데이터 속도는 90% 이상으로 증가할 것이다. 그림 3에서 보는 바와 같이 100 BaseTX의 full-duplex 특성을 충분히 활용하여 100Mb/s보다 큰 효과적인 데이터 속도를 얻을 수 있다.

IEEE 802.3에 따라 이더넷 프로토콜은 개별 디바이스에 이르기까지 손상되지 않고 그대로 존재한다. 이는 서브 버스가 필요하지 않음을 의미한다. 터미널 블록과 같은 모듈화 디바이스의 요건을 만족시키기 위해서 커플링 디바이스 내의 물리계층은 꼬임쌍선(twisted pair) 또는 광파이버에서 LVDS(Alternative Ethernet Physical Layer[4,5]에서 표준화됨)로 바꿔질 수 있다. 따라서 모듈화 디바이스는 비용 대비 매우 효과적으로 확장될 수 있는 것이다.

프로토콜과 토포로지

EtherCAT 프로토콜은 프로세스 데이터에 관하여 최적화되며, 특별한 이더타입(Ethertype)의 도움을 받아 이더넷안에서 직접 전송된다. 이것은 여러 개의 EtherCAT 텔레그램으로 구성될 수 있으며, 각 텔레그램은 크기가 약 4기가 바이트까지 될 수 있는 로직 프로세스 이미지의 특별한 메모리 영역에 제공된다. 데이터 시퀀스는 네트워크 내의 이더넷 터미널의 물리적 순서와는 관계가 없다. 즉 주소할당은 어떠한 순서로든 가능하다는 것이다.

그러나, EtherCAT 어플리케이션은 하나의 서브넷에 제한되지 않는다. EtherCAT UDP는 EtherCAT 프로토콜을 UDP/IP 데이터그램 안으로 일괄 처리된다. 이로써 어떠한 이더넷 프로토콜 스택을 사용한 제어도 EtherCAT 시스템으로 보내는 것이 가능하다.

또한 라우터를 거쳐 다른 서브넷으로 가는 통신도 가능하다. 이러한 여러 경우에서, 시스템 성능은 실시간 제어 특성 및 이더넷 프로토콜의 구현에 따라 변할 것이다.

EtherCAT 네트워크 자체의 응답시간은 전혀 제한을 받지 않는다. 오직 최초의 스테이션 안에서 UDP 데이터그램을 해독하기 때문이다.

EtherCAT은 마스터/슬레이브 원칙에 따른 데이터 교환외에도 마스터간 또는 슬레이브간의 통신에도 매우 적합하다. 어드레싱에 제약이 없는 프로세스 데이터의 네트워크 변수 및 파라미터화, 진단, 프로그래밍 및 원격제어를 위한 다양한 서비스는 광범위한 요구사항을 커버한다. 마스터/슬레이브와 마스터/마스터 통신의 데이터 인터페이스는 동일하다.

특이 EtherCAT은 IEEE 802.3에 따른 표준 프레임만을 사용한다. 따라서 EtherCAT 프레임은 이더넷 MAC으로부터 전송할 수 있으며 표준 툴을 사용할 수 있는 것이다.

EtherCAT은 라인 토폴로지, 트리 토폴로지 또는 스타 토폴로지와 같은 어떠한 토폴로지도 지원한다. 따라서 캐스캐이드 방식 스위치나 허브의 개수에 대한 수적 제약 없이 버스 또는 어떤 토폴로지 구조의 이더넷에도 사용할 수 있다.

특히 line, branches, stubs의 조합을 시스템 배선에 사용하면 더욱 유용하다. 각 디바이스들은 각각 필요한 인터페이스들을 가지고 있기 때문이다. 여기에 추가 스위치는 필요치 않다. 배선의 유연성은 서로 다른 케이블 선택을 통해 극대화된다. 유연하고 저렴한 표준 이더넷 패치 케이블은 100 BaseTX 모드에서 신호를 전송한다. 플라스틱 광 파이버(POF)는 특별한 어플리케이션의 시스템에서 사용될 것이다. 이더넷 배선의 완벽한 선택은 스위치 또는 미디어 컨버터와 조합하여 사용할 수 있다. 고속 이더넷(100 BaseTX, 내장형 네트워크 서버)으로 두 디바이스간의 케이블 길이는 최대 100m까지 가능하게 되었다. 65535디바이스까지 연결할 수 있기 때문에 네트워크의 크기는 거의 무제한적이라고 할 수 있다.

높은 가용성과 안전기능

EtherCAT은 높은 시스템 가용성에 대한 점증하는 요구에 따라 네트워크를 가동 중단시킬 필요없이 디바이스를 교체할 수 있는 케이블 redundancy 기능을 제공한다. 케이블 redundancy 기능을 추가하는 데이도 큰 비용이 들지 않는다. 이는 라인 토폴로지를 링으로 바꿔주는 케이블 하나와 표준 이더넷 포트(특별한 카드나 인터페이스 없는) 하나만 하드웨어로 추가하면 되기 때문이다.

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.

전통적으로 Safety 기능은 하드웨어를 경유하거나 또는 전용 Safety 버스 시스템을 경유하여 자동화 네트워크와는 별도로 구성되는 것이 일반적이었다. EtherCAT을 경유한 Safety 디바이스는 동일한 네트워크 상에서 Safety 관련 통신 및 제어 통신을 가능하게 한다. Safety 프로토콜은 더 낮은 계층에 영향을 주지 않는 EtherCAT의 어플리케이션 계층을 기반으로 한다.

이는 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.

아이씨엔 매거진 2007년 11월호

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