삼성전자는 모바일기기 생산 업체가 정보처리 속도를 스스로 조절할 수 있는 3세대 퓨전 메모리 ‘플렉스－원낸드(Flex－OneNAND)’를 세계 최초로 개발했다고 발표했다. 하나의 칩이 여러기능을 동시에 수행하는 통합형 퓨전 반도체이다.
이제까지 휴대폰을 중심으로 진행돼 오던 ‘모바일 컨버전스(Mobile Convergence)’ 가 최근에는 다른 디지털 기기에도 급속히 확산되고 있다. 즉, 이제는 휴대폰을 포함한 모든 모바일 기기에서 융복합 트렌드가 자리를 잡아 가고 있는 것이다. 전자사전, 디지털카메라 등에 MP3, USB, 고속 통신 기능이 부가되고 있는 것이 좋은 사례다.
이를 실현하기 위해서는 하나의 칩이 여러 기능을 동시에 수행할 수 있어야 하며, 동시에 칩 사이즈는 더욱 작아져야만 한다. 반도체의 퓨전화가 불가피한 이유다. 또한 이러한 반도체는 반드시 고객 친화적이어야 하며, 한발 더 나아가 고객이 필요에 따라 반도체의 용도를 임의로 결정할 수만 있다면 금상첨화다.
황창규 삼성전자 반도체총괄 사장은 지난 3월 27일 대만 웨스틴호텔에서 ‘삼성 모바일 솔루션(SMS)’ 포럼을 열고 플렉스－원낸드를 비롯한 차세대 모바일 신제품 5종을 선보였다.
이 제품은 기존 OneNAND의 고성능을 그대로 유지함은 물론, 두 종류의 낸드플래시, 즉 SLC (Single Level Cell) 와 MLC (Multi Level Cell)를 하나의 칩에 구현, SLC의 고성능, MLC의 고용량 장점을 추가로 통합한 삼성의 세번째 퓨전 반도체로, 고객은 삼성으로부터 제공받은 S/W를 활용, 필요에 따라 용량을 임의로 결정할 수 있는데 이는 획기적인 발상의 전환이다. 고객 입장에서는 시시각각 변하는 다양한 욕구를 실시간으로 반영할 수 있으며, 공급자 입장에서도 고객과 더욱 밀착할 수 있는 계기가 되었기 때문이다.
퓨전 반도체라는 창의적인 제품의 등장에 따라, 마치 마술처럼 상상 속에서만 가능했던 꿈의 모바일 기기 탄생이 가능하게 되는, 이른바 “Fusion Magic”의 시대가 도래한 것이다. 원래 퓨전 솔루션은 MCP (Multi Chip Package), SiP (System in Package) 등과 같이 반도체 칩의 물리적 결합에 그치는 형태로 제공되었는데, 이것이 이른바 “퓨전 1세대” 다.
그 이후, OneNAND와 같이 메모리에 로직, 센서, CPU, S/W 등의 기능을 원칩화 한 “퓨전 2세대”를 거치면서, 삼성이 최근 개발 완료한 OneDRAM과 이번에 Flex-OneNAND와 같은 꿈의 제품을 개발함으로써 “퓨전 3세대” 진입을 선언하게 되었다.
단일 칩으로 다기능 수행
이 “퓨전 3세대” 제품들은 두 종류 이상의 메모리를 원칩화, 각각의 장점을 통합함으로써 저 코스트로 디지털 기기의 소형화, 경량화, 슬림화, 고기능화 等에 크게 기여함은 물론, CPU 보조 역할로서의 메모리 기능에서 탈피, 메모리를 시스템의 핵심 역할로 진보시킨 혁신적 제품들이다.
작년 11월 디램 기반의 One-DRAM, 금번 Flex-OneNAND의 상용화로 퓨전 반도체 라인업을 더욱 강화한 삼성전자는, 퓨전 반도체로만 2011년까지 향후 5년간 누계 100억불 이상의 매출을 달성할 전망이다. 삼성은 금번 포럼에서 미래 모바일 트랜드의 혁신적 변화를 가져올 또 하나의 제품을 발표했는데, 바로 1.8″ 64기가 바이트 플래시 SSD(Solid State Disk)다.
이 제품은 업계 최초로 50나노 8기가 SLC 낸드플래시 메모리와 삼성전자 시스템 LSI의 SSD 컨트롤러 기술을 융합한 고기능 제품으로, 1.8″ 사이즈로는 최대 용량을 구현하였음은 물론, 기존 4기가 SLC 적용 제품 대비 성능도 2배 향상되었다.
아이씨엔 매거진 2007년 04월호

내쇼날인스트루먼트(NI)가 2.16 GHz 듀얼-코어 Intel Core 2 Duo 프로세서 T7400을 기반으로 한 PXI, PXI Express 및 PXI 리얼타임 임베디드 컨트롤러 제품군을 출시했다.
NI PXI-8106과 NI PXIe-8106 컨트롤러로 명명된 본 신제품은 기존 단일-코어 프로세서에서 실행되는 시스템과 비교했을 때 100% 이상 성능이 향상되었다. 새로운 PXI와 PXI Express 컨트롤러는 하나의 프로세서 내의 2개의 코어 또는 컴퓨팅 엔진에서 동시에 컴퓨팅 작업을 실행할 수 있다.
듀얼-코어 프로세서를 갖춘 NI PXI-8106과 NI PXIe-8106 임베디드 컨트롤러는 Windows XP와 같이 여러 애플리케이션이 동시에 실행되는 멀티 태스킹 환경은 물론, NI의 그래픽 기반 개발 플랫폼인 LabVIEW와 같이 다수의 쓰레드가 병렬로 실행되는 멀티쓰레드 애플리케이션에서도 매끄럽게 통합된다. 새로운 Intel Core 2 Duo가 탑재된 NI PXI-8106과 NI PXIe-8106 컨트롤러에서 NI LabVIEW 애플리케이션을 실행하면 Intel의 기존 세대 듀얼-코어 설계와 비교했을 때 최대 46%의 성능 향상을 보인다. PC 벤치마킹 소프트웨어에 폭넓게 활용되는 SYSmark를 적용하면 NI PXI-8106과 NI PXIe-8106 임베디드 컨트롤러는 기존 세대 듀얼-코어 컨트롤러와 비교 시 총 29%의 강화된 성능을, 단일-코어 컨트롤러와 비교 시에는 67%의 강화된 성능을 확인할 수 있다.
결정성과 신뢰도 높은 측정 및 제어 수행
엔지니어와 과학자들은 새로운 NI PXI-8106 RT 임베디드 컨트롤러와 NI LabVIEW Real-Time Module을 사용하여 결정성과 신뢰도가 높은 측정 및 컨트롤 애플리케이션을 수행할 수 있다. LabVIEW Real-Time은 단일-코어 모드의 프로세서로 이전 최대 성능치의 리얼타임 컨트롤러와 비교하면 최고 20%의 발전된 성능을 선보인다. NI PXI-8106 RT 컨트롤러는 이제 NI의 최고 성능 리얼타임 컨트롤러이다.
NI의 R&D 파트 수석 부사장인 Tim Dehne는 “NI PXI-8106과 NI PXIe-8106 컨트롤러는 Intel Core 2 Duo 프로세서를 기반으로 하여 지난 10년 동안 NI가 출시해 온 PXI 플랫폼 중에서 가장 진보한 임베디드 컨트롤러 제품군을 대표한다. 엔지니어나 과학자들이 기존의 단일-코어 프로세서 기반의 플랫폼이나 계측기에서 해결할 수 없었던 문제들을 이제는 새로운 컨트롤러 제품군의 강력한 프로세싱 파워로 해결할 수 있다”고 말했다.
NI PXI-8106, NI PXIe-8106 및 NI PXI-8106 RT 임베디드 컨트롤러는 분산 제어 시스템의 고속 네트워크를 위한 기가비트 이더넷 지원을 특징으로 한다. 통합된 ExpressCard 슬롯 은 엔지니어들이 디스크에 고속 스트리밍을 하기 위한 외부 RAID 하드 드라이브 배열과 같이 추가적인 부수 I/O를 선택할 수 있도록 한다. 또한, Serial ATA 하드 드라이브, DVI-I 디지털 및 아날로그 비디오, 그리고 고속 USB, GPIB, 시리얼 및 병렬과 같은 기타 I/O도 지원한다. 이들은 극한 고/저온 또는 장시간 구동을 요구하는 애플리케이션 등을 위해 확장 온도나 확장 구동용 하드 드라이브를 추가로 설치할 수 있다.
NI PXI-8106, NI PXIe-8106 및 NI PXI-8106 RT 임베디드 컨트롤러는 Windows XP Professional이나 LabVIEW Real-Time과 함께 제공된다. Windows XP가 제공되는 컨트롤러는 하드 드라이브 기반의 복구가 가능하여 엔지니어들이 필요에 따라 시스템을 초기 설정 상태로 되돌릴 수 있다.
아이씨엔 매거진 2007년 04월호

지능형 로봇 및 각종 검사장비를 위한 모터 제어기 전문개발업체인 파스텍(www.fastech.co.kr)이 모터와 드라이버를 일체화한 스테핑 모터 시스템인 Ezi-STEP을 독자개발, 국내외 시장에 출시한다고 밝혔다.
최근들어 고기능 스텝 모터에 대한 시장의 요구가 급속하게 증가하고 있다. 지능형 로봇에서의 각종 정밀 위치 조정을 위한 부분으로부터, 반도체, LCD, 전자 분야의 비전 카메라를 이용한 고속 고정밀 검사장비 시스템에 이르기까지 사용이 가능한 범용적이면서도 애플리케이션 조건을 충족하는 고기능 스텝 시스템이 그것이다. 이에 일본 오리엔탈 모터 등 해외의 고기능 모터 및 제어기기 전문업체들은 보다 편리하고 복합적이면서 스텝모터의 장점만을 갖춘 스텝 시스템 개발에 적극 매달리고 있는 중이다.
각 산업 산업분야의 자동화 장비 개발자들은 기존의 스텝 모터의 장점을 최대한 살리면서도 서보 모터의 기능까지도 수행할 수 있는 소형의 경제적인 스텝 시스템을 요구하고 있다. 또한 모터와 드라이버를 별도로 구성하지 않고 일체화하는 통합형 제품을 선호한다. 이러한 엔지니어들의 요구에 맞춤형 스텝 시스템으로 개발된 제품이 파스텍의 Ezi-STEP이다.
Ezi-STEP은 스텝 시스템을 적용하고자 하는 환경에 적합한 각종 모터와 드라이버를 가장 적합하게 조합한 Unit 제품으로 구성되었다. 따라서 기존의 스텝 모터에서 실현 불가능했던 센서 없이 탈조 검출, Software Damping에 의한 전 속도구간에서 Smooth 구동, 극저속에서의 진동방지 등의 여러 가지 기능들을 시스템에 적용할 수 있다는 특징을 가진다. 특히 스텝 모터의 고속 고정도 구동을 위해 고성능 DSP를 채용하여 새로운 신기술의 제어 이론을 완벽하게 적용했다.
즉, 스텝 모터 로터(Rotor)의 위치 추정에 의해, 지금까지 스텝모터와 드라이버에서는 검출이 가능하지 않은 탈조 검출이 가능해진 것이다. 또한, Software Damping 및 필터링(Filtering)기법에 의한 스텝각의 여자 타이밍 제어(Exciting Angle Control)에 의해 기계적인 진동의 억제가 가능하여 그 동안 탈조발생으로 인해 스텝 모터의 적용이 어려웠던 고속동작이 가능하다.
고속영역에서 탈조없는 일체형 스텝 시스템
고성능 DSP에 의해 기본 분해능인 1.8。를 최대 1/250 (0.0072。)까지 분할 가능하도록 했다. 기존의 드라이버와 달리, Ezi-STEP은 PWM 제어를 매 25μsec 마다 수행하기 때문에 보다 정밀한 전류제어가 가능하여 고정도 마이크로 스텝 기능이 가능해졌다. 또한 극저속 영역에서 입력 펄스의 Software Filtering 기법에 의해 부드러운 운전도 가능하다. 마이크로 스텝 구동시 스텝모터에 가하는 전류는 정확한 정현파 형태지만, 실제로는 모터 마그네틱 플럭스의 비선형성, 고속 영역에서의 역기전력 증가에 의한 모터 전류의 감소, 모터 상간 전압의 감소 등 모두 스텝모터의 진동을 유발하는 원인이 된다. Ezi-STEP은 이 비선형성을 고성능 DSP에 의해 감지하여, 이를 보상하기 위해 모터의 자극 위치에 대한 전류의 위상을 제어 함으로써 진동 억제가 가능하다. 스텝 모터의 진동억제가 가능함에 따라, 고속 영역에서의 운전이 가능한 것이다. 또한 각종 사양에 따른 스텝 모터의 뒷면에 고기능 드라이버를 장착하여 스텝 시스템의 설치 공간을 크게 절약할 수 있고, 복잡한 배선을 매우 간소화시켰다.
파스텍 송진일 사장은 “고성능 DSP를 채용하고 소프트웨어 댐핑을 활용하여 고속에서의 탈조방지와 부드러운 구동, 그리고 극저속에서도 진동이 전혀 발생하지 않는 Ezi-STEP은 세계적으로도 혁신적인 제품으로 기존의 스텝 모터를 적용했던 모든 애플리케이션에서 기능과 성능을 한차원 업그레이드 시킬 수 있다”고 말했다.
아이씨엔 매거진 2007년 04월호

XML은 언어 자체의 특성상 플랫폼에 독립적이며, 정보의 표현 및 확장이 용이하여 분산된 필드상의 디바이스 정보들을 쉽게 통합할 수 있다. 데이터 구조와 스타일 정보가 분리되어 있어 통신 네트워크상의 기기들에 대한 DD 정보제공은 물론 웹 기반 애플리케이션에서도 동시에 활용 가능한 최적의 DD 언어로서 평가된다. < 편집자 주>
글: 문용선, 순천대학교 정보통신공학부
　　이영필, 레드원 테크놀러지㈜ 로봇연구소
Sync manager 제어 설정
= Register Control SYNCM y 설정
Sync manager 제어 설정은 Sync manager의 구동방식에 대한 전반적인 설정을 담당한다. 설정된 내용은 ESC 내의 Sync manager register를 구성하는 “SYNCM(0~3) control register” 에 세팅되어 인지되며 세부 설정으로는 구동 타입, 인터럽트 설정 및 방향, 와치독 등에 대한 설정이 가능하다. SYNCM y control register는 각각의 Sync manager channel 마다 각각 할당되어 해당 Sync manager channel을 독립적으로 제어한다. SYNCM y control register는 8bit로서 구성되어 있으며 설정을 위한 각 비트정보는 표 6과 같다.
4개의 Sync manager channel을 가지는 Sync manager 경우 각각의 Sync manager channel에 대한 제어 레지스터의 세팅이 별도로 이루어져야 한다.
Mailbox out 제어 설정
Mailbox out 모드는 EtherCAT의 Sync manager 사용규정에서 Sync manager channel0에 해당되며 Mailbox out 모드에 대한 설정은 SyncM0 control register에 대한 XML configuration 파일 설정을 통하여 실시한다. Sync manager control register에 대한 컨트롤 비트 설정 정보는 상기 표 7과 같다.
Mailbox out의 구동모드는 비 주기적 데이터 교환방식을 사용함으로 “10” 비트가 가리키는 Queued 타입의 Mailbox mode를 설정하며, 데이터의 방향은 “01” 비트가 가리키는 EtherCAT 쓰기와 PDI 읽기 접근을 선택한다. 그리고 인터럽트의 경우 ESC에서 uP쪽으로 인터럽트를 발생하는 방식인 PDI Interrupt인 “1”을 설정한다. 추가적인 와치독 기능은 사용자 임의대로 설정 가능하다. 실제 비트포맷은 다음과 같다.
Mailbox in 제어 설정
Mailbox in 모드는 비주기적인 데이터의 입력 모드로서 연관된 채널은 Sync manager channel1에 해당되며 채널 데이터를 위한 제어설정 레지스터는 ESC 내의 SyncM1 control register를 사용한다. Mailbox in 모드를 위한 레지스터 제어비트 설정은 표 8과 같다.
Mailbox in 모드의 경우 Mailbox out 모두와 기본적인 비트설정은 동일하며 데이터의 방향(Direction) 부분만 “00”의 EtherCAT 읽기, PDI 쓰기 접근 방식으로 변경만 해주면 된다. 설정된 비트들에 대한 설정 포맷은 다음과 같다.
Process data out 제어 설정
Process data out 모드는 EtherCAT 마스터 상에서 Slave로의 주기적인 데이터 쓰기 모드로서 Sync manager channel2를 사용하도록 규정되어 있으며, 연관된 채널 레지스터는 ESC 내의 SyncM2 control register를 사용한다. Process data out 모드에 대한 제어비트의 설정은 표 9와 같다.
Process data의 경우 주기적인 데이터를 취급하므로 “00”비트가 가리키는 버퍼모드를 설정하며 데이터의 방향은 “01”인 EtherCT 마스터 상에서의 쓰기, PDI 상에서의 읽기 접근은 설정한다. 인터럽트의 경우 “1”인 ESC 단에서의 uP로의 인터럽트를 설정한다. 이와 같이 설정된 설정에 대한 비트 포맷은 다음과 같다.
Process data in
Process data in 모드는 EtherCAT 마스터로의 주기적인 데이터 입력을 처리하는 모드로서 Sync manager channel3을 사용하도록 규정하고 있다. 연관된 채널 제어 레지스터는 ESC 내의 SyncM3 control register를 사용한다. SyncM3 control register의 세부적인 제어 비트 설정은 표 10과 같다.
Process data in 모드의 경우 데이터 처리 방향을 “00”인 EtherCAT 읽기, PDI 쓰기 모드로 설정하며 인터럽트의 경우 비트 세팅을 통한 인터럽트 설정은 가능하나 일반적으로 주기적인 데이터 입력이 이러한 인터럽트는 사용을 하지 않음으로 “0”로 설정한다. 이와 같은 비트 설정에 대한 비트 포맷은 다음과 같다.
이와 같은 과정을 통하여 설정된 4가지 Sync manager에 대한 제어 비트 설정은 EtherCAT slave device XML configuration 파일의 Sm 엘리먼트의 “ControlByte” 속성으로서 설정이 가능하다. XML 상에서의 데이터 설정은 기본적으로 16진수(Hex) 정보를 기반으로 하고 있으며 실제 설정된 4개의 Sync manager channel 들에 대한 세팅은 다음과 같다.
Sync manager 가동 설정
= Register Activate SYNCM y 설정
Sync manager에 대한 마지막 설정으로서 구성된 Sync manager들의 가동 여부를 설정하는 과정이다. Sync manager의 가동은 실제 ESC 내의 “Sync manager activate register” 정보를 기반으로 처리되는데, Activate register에 연계되는 XML 설정을 통하여 설정된 Sync manager를 가동할 수 있다. Sync manager의 가동을 위한 Sm 엘리먼트의 속성은 Enable 속성으로 규정되어있다. EtherCAT slave device XML configuration 파일 내에서의 각각의 Sync manager에 대한 가동 설정은 다음과 같다.
이와 같이 4개의 Sync manager 의 생성과 각각의 Sync manager에 대한 설정이 완료되면 EtherCAT 시스템 상에서 Process data의 처리를 담당하는 Sync manager의 사용이 가능하게 된다.
결 론
본 기고에서는 EtherCAT 통신 시스템에서의 Process data 들의 어플리케이션 인터페이스를 위한 데이터 접근 제어처리를 담당하는 Sync manager에 대한 기본적인 구조와 XML 기술을 이용한 Sync manager 설정 등에 대한 내용을 다루었다. 본문에서도 언급하였듯이 Sync manager는 EtherCAT 기반 Slave 시스템 개발 시 EtherCAT 애플리케이션 스택 구현과 더불어 가장 핵심이 되는 부분에 해당된다고 할 수 있다.
특히 EtherCAT 시스템 개발자의 경우에는 반드시 EtherCAT 프로토콜 상에서의 Sync manager 처리 구조에 대하여 세부적인 이해가 필요할 것이며, 본 문에서 기술한 EtherCAT slave device XML configuration 파일을 이용한 Sync manager 설정 기술과 더불어 어플리케이션 스택 상에서의 Sync manager와의 처리 관계에 대한 이해 역시 필요할 것이다.
아이씨엔 매거진 2007년 03월호

PoE(Power over Ethernet)은 Power over LAN으로 불리기도 하며, 현재 표준 LAN 인프라 상에서 데이터와 전원을 함께 제공하는 혁신적인 기술로 사무실 및 산업용 네트워크 애플리케이션에서 널리 활용되고 있다.< 편집자 주>
글: Jean Picard, Texas Instruments Systems Power
과도상태 보호 회로 가이드라인
수많은 가이드라인이 전기 시스템의 과도전압 보호에 적용된다. 다음은 회로 설계 전략과 실질적인 규칙이다.
* 과도전압 소스는 차동형, 커먼 모드 유형, 또는 2 가지 모두일 수 있다.
* 과도전압을 보호하는 주요 기법에는 차폐형, 접지형, 필터링, 절연형, 비선형 디바이스가 있다.
* 잘 설계된 회로 보호 인터페이스는 블록킹하고 전환하는 기법을 우수하게 결합시킨 결과이다.
* 선택형 전압 서프레서(suppressor)는 애플리케이션에 필수적인 속도/ 강력함 (단락 회로 전류 및 파형)을 갖추어야 한다. 직접적인 과도상태 히트를 가질 수 있는 션트(라인 대 접지 GND) 커패시터는 고전압 (2 kV 이상)으로 정격 되어야 한다. 이러한 커패시터는 고주파수에서 낮은 ESR 및 낮은 기생 인덕터스의 특징도 갖추어야 한다.
* 보호 회로는 보호될 회로의 동작에 간섭하지 않아야 한다.
* 보호 회로는 과도 전압이 통합 시스템의 동작 이상(반복 여부)을 일으키는 것을 방지해야 한다. EFT는 하나의 예로, 필요하다면 커먼 모드 초크를 사용한다.
* 회로 레이아웃 설계의 기본적 규칙이다.
– 민감성 부품을 과도전류/전압으로 전환하는 저임피던스 경로를 정의한다. ESD에서 접지 GND 방법을 찾지 않는다.
– 우수하고, 견고한 저임피던스 접지 그라운드 연결 온보드를 갖춘다.
– 전류가 흐를 수 있도록 설계된 멀티포인트 접지와 그렇지 않은 단일 포인트 접지를 이용해, 과도 전류 밀도 및 전류 경로 임피던스를 가능한 낮춘다.
– 고속 상승 전류가 순환해야 하는 영역 내 루프는 소형이어야 한다. 고속의 과도상태의 경우, 전원 공급장치 레일에 대한 클램핑 다이오드가 사용될 때 로컬 세라믹 커패시터를 이용한다. 그림 20 참조.
– I/O 커넥터와 민감성 회로를 근접시켜, 고전압/전류 과도상태 영역 간의 물리적 분할을 설계한다. 고전류 서프레서는 I/O 영역뿐만 아니라 스위치, LED, 디스플레이에 위치되어야 한다.
– 회로의 한 쪽 끝에 모든 커넥터를 놓고, 가능한 PCB (printed-circuit board)의 중심에 민감형 회로를 위치시킨다.
– 트랜스포머 효과를 보호하기 위해 개별적인 반환 신호와 병렬로 민감한 회로의 서프레서에서 각 보호 신호를 배치한다.
– 서프레서를 위한 표면 실장 패키지를 사용한다. 기생 인덕터스 효과를 완화시키기 위해 4개의 터미널 연결 타입을 사용한다. 그림 8 및 그림 20참조.
– 블록킹 시리즈 요소를 바이패스하는 기생 커패시턴스를 완화한다. 그러나 블록킹 요소와 직렬로 기생 인덕터스를 갖추는 것은 문제가 되지 않는다.
PoE를 위한 회로 보호 솔루션
보호될 장비의 2차 보호 기능은 텔레콤 케이블이 외부 어디에서 작동하는가에 대한 것은 중요하지 않다. 주요 텔레콤 프로텍터(PTC 서미스터, SIDACtors 등)는 노출형 꼬임 쌍이 빌딩이나 거주지에 설치되어야 한다.
PoE 애플리케이션에서 PSE(Power Source Equipment)는 48V 전원 공급장치에서 전원을 공급 받는다. 이 전원 공급장치는 접지에 연결된 커먼 모드 커패시턴스를 갖추고 있다. 커패시턴스는 PCB에서 레이어 간의 디스크리트 커패시터이거나 커패시턴스이다.
따라서, PSE는 실질적으로 부동적이지 않기 때문에, 데이터 커넥터에 적용된 커먼 모드 과도전압은 PSE 부품, 특히 PSE 포트 전력 스위치의 전압파괴를 초래 할 수 있다.
그림 9는 고전류 경로와 함께 이러한 과도상태의 효과에 대한 사례이다. 이것은 적절한 보호 기능이 구현되지 않았을 때, PSE 전력 스위치가 파괴된다. C_CM은 48V 라인과 섀시 GND 간의 커패시턴스를 나타낸다. 이러한 커패시턴스는 48V에서 +이거나 -라인이 될 수 있다. 그러나 이 사례를 간단히 하기 위해, C_CM은 -라인에서만 보여진다. 보여지는 구성은 AC 불연속 회로가 사용될 때 적용할 수 있으며, D1 사용을 요구한다. 이것은 과도상태 보호 기능에서 최악의 경우이다.
아래는 과도전압을 보호하는 일반적인 기법이다.
* 차폐 및 접지
* 필터: 커패시터, 인덕터, 페라이트 비드(ferrite bead), 초크
* 클램핑 다이오드, TVS, 배리스터 등을 포함한 비선형 디바이스
* 절연
RJ-45 케이블이 사용되는 실제 애플리케이션에서, 케이블 차폐는 항상 이용할 수 있는 솔루션이 아니다. 다음 솔루션은 PSE 집적회로를 적절하게 보호하기 위한 것이다. 그림 10의 구성은 AC 불연속 회로가 사용될 때 적용할 수 있다. 이러한 사례가 아닐 경우, D1과 D3는 사용되지 않는다.
다음은 보호회로의 주요 요소이다.
* 클램프 다이오드 D2와 D4: 핵심적인 파라미터는 순방향 복구 시간과 특정 시간 동안 과도 전류를 조절할 수 있는 성능이다. 앞서 ESD EFT, 서지 섹션에서 언급된 바 있다. 결과에 따른 순방향 과도전압은 수용되어야 하며, 선택된 다이오드 내에서 SR70은 소형 패키지의 장점을 가지고 있다.
* TVS D3: 핵심 파라미터는 반응시간과 전류조절 성능 및 저임피던스이다. D3는 D1이 (AC 불연속 기능용) 사용되는 경우에만 필요하다.
* 노트: 애플리케이션이 GR-1089-CORE (건물 내 조명 서지 규격) 표준에 정의된 것처럼 더욱 심각한 서지를 고려해야 될 필요가 있다면, D2 와 D4를 위해 STPS1H100A 나 STTH102를 사용하고 D3을 위해 1500W TVS (예: SMCG8.0)를 사용하면 더 강력한 효과를 거둘 수 있다.
* 쇼트키 다이오드 D1: 쇼트키를 사용하는 것은 네거티브 과도전압에 대해 고속 보호 기능을 제공하며, 이와 함께 PSE의 효율성을 향상시킨다.
* 밥 스미스 터미네이션(Bob Smith termination) 또는 라인 대 GND 커패시터: 초기 ESD/EFT 과도 응답 히트는 접지에 이러한 터미네이션을 통해 회전한다.
* 페라리트 비드: 블록킹 임피던스를 제공한다.
– 페라리트 비드의 주요 기능은 밥 스미스 터미네이션 사이의 높은 주파수에서 절연을 제공하며 P와 N 사이에 위치한 내부 커패시터를 제공하는 것이다. 이러한 비드가 없다면, 터미네이션은 정확하게 동작하지 않을 수 있다.
– 페라리트 비드는 ESD에 중요한 역할을 하기도 한다.
* 퓨즈:
– 퓨즈는 개방형 없이 과도상태와 관련된 에너지를 견뎌내야 한다. 최악의 경우, N에서 P에 이르는 차동형 장치에 적용되어 서지가 발생하는 동안 일어난다. 이런 경우, I2t는 35㎲ 내에 10 × 10-3 A2 초에 도달한다. 우수한 설계를 하려면 적어도 I2t에 대해 2배 정도의 확실한 용량의 퓨즈를 선택해야 한다.
– 또한 일부 시스템의 구성과 안전 조건은 퓨즈가 P 단말기 대신 N 단말기와 직렬로 설치되어야 한다.
* 48V 버스와 PN에서 디커플링 커패시터(100nF): 커패시터는 저임피던스 세라믹 유형이 되어야 한다. 클램프 다이오드에 가까운 C1에 위치시켜야 하며, 2개(또는 4개) 포트의 그룹별로 하나의 커패시터를 사용하는 것이 낫다. 동일한 회로에 가까운 C2의 위치는 상당히 중요하다.
* 입력 48V 버스에서 TVS: TVS는 48V 입력 커넥터뿐만 아니라, 220㎌에 가깝게 위치된다.
* 선택된 부품은 낮은 기생 인덕턴스를 위해 표면 실장 패키지를 갖추고 있다.
위에서 살펴 본 것처럼 보호 부품은 파지티브(positive) 또는 네거티브(negative) 극성에서, IC의 RTN의 N 또는 RTN의 P를 통해 과도전류가 흐르는 것을 막는다. 그러나, 이러한 과도전류는 과도상태의 소스에 따라 다른 경로를 따를 수도 있다. 그림 11 ~ 그림 14는 이 같은 현상을 보여준다.
고속형 및 커먼 모드 상황인 ESD 또는 EFT의 경우는 그림 11과 그림 12에 나타나 있다. 더욱 느려진 서지의 경우, 그림 13과 그림 14에 나타나 있다. 공통 및 차동형(P와 N 쌍 사이) 모드 서지는 최초의(커먼 모드) 유형만이 설명되지만, 회로에 의해 조절되기도 한다. 흥미로운 사실은 과도상태가 일어나기 바로 전에 C1과 C2에서 DC 전압 단계가 과도전류가 흐르는 경로에 직접 변화를 준다는 것이다.
N에서 네거티브 EFT 상황으로 PSE 전력 스위치가 OFF 상태가 된다고 가정하고, 아래 경우를 고려해 보자.
* 모든 경우, EFT 펄스의 시작점에서 전류는 밥 스미스 터미네이션에 짧은 시간 동안 순환된다.
* 56V 전원 공급장치가 이전 상태에서 ON일 경우: 과도 전류는 D1, C1, C2의 경로를 통해 순환만 하며, 클램프 다이오드 D4를 통해서는 전혀 순환하지 않는다.
* 56V 전원 공급장치가 OFF 이지만 연결되어 있으며, C2가 대전되지 않았을 경우: 이 같은 사례에서 최초의 EFT 펄스기간 동안, 전류는 D1, C1, C2를 통해 순환된다. 커패시터 C2는 전하를 축적하며 전압은 EFT 펄스에서 다음 EFT 펄스까지 증가한다.
* 56V 전원 공급장치가 OFF 이지만 접속되어 있으며, C2가 일정 단계까지 대전되어 있을 경우: 전류는 C2에 축전된 전압에 따라 2개의 경로로 흐르며, 하나의 EFT 펄스에서 다음 EFT 펄스까지 C2 경로는 이 전류의 더 높은 비율을 차지한다.
* 이것은 그림 12의 왼쪽에서 볼 수 있다. 시뮬레이션 결과는 그림 15 ~ 그림 17에 제시되어 있다.
그림 18의 시뮬레이션 결과도 유사한 동작을 보여주며, EFT 보다 더 느린 서지를 갖추고 있다.
ESD나 EFT 시뮬레이션에서 페라이트 비드와 함께 BS 터미네이션은 ESD/EFT 억제에서 중요한 역할을 한다. BS 터미네이션이 사용되는 이유는 EMC 때문이다. Cat-5 케이블 폼 전송 라인의 쌍-대-쌍 관계는 복합적인 반사 및 정상파 문제를 피하기 위해 BS 터미네이션을 필요로 한다.
또 이러한 터미네이션은 ESD나 EFT 스트라이크를 따르는 첫 번째 경로를 분명하게 규정한다. BS 터미네이션을 시리즈 매칭(또는 감폭)없이 섀시 접지에 대한 커패시터로 대체하는 것은 낮은 쌍-대-쌍 매칭 임피던스 결과를 가져오며, 더욱 강력한 EMC 문제를 초래한다.
위협적인 단계와 시뮬레이션 결과를 기반으로 라인-투-접지 GND 커패시터에 최대로 가능한 전압은 대략 1kV이다. 따라서 2kV 정격 커패시터를 선택하는 것은 안전하다. 시뮬레이션은 8kV ESD 적용 및 150pF/330Ω 휴먼 메탈 모델을 이용해 밥 스미스 터미네이션의 1nF에 대한 결과적인 전압은 100V 미만이다. 최악의 경우, 이 커패시터의 고전압은 클래스-2를 위한 1kV에서 서지 테스트 기간 동안 발생한다. 비슷한 이유로 10nF에 대한 200V 정격 또한 안전한 선택이다.
테스트는 클램프 다이오드와 밥 스미스 터미네이션, 페라이트 비드로 수행되는데, 그 결과는 만족스럽다. TPS2384와 이 회로가 D2 및 D4에 대해 순방향 전압 하강을 견딜 수 있으며, 높은 과도전류를 지원할 수 있다. 제안된 보드 레이아웃의 예는 그림 19와 그림 21에서 나타나 있다.
선택형 커먼 모드 초크는 EFT 이벤트가 시스템의 동작 이상을 유발하는 상황에서 사용된다. 초크가 효율적이려면, 모든 신호는 이 초크릍 지나가야 한다. 이것은 Ps, Ns, 48V 및 GND 접속을 의미한다. 분명한 것은 부품(D2, D4, D3, D1, C1, C2)과 커넥터(전력 입력, RJ-45)는 과도전류 루프(임피던스)의 면적을 가능한 소형으로 유지시키기 위해 서로 가까워야 한다.
예를 들어, 클램프 다이오드 D2의 효율은 C1이 ESD나 EFT 애플리케이션 근처에 위치하지 않을 때 더욱 감소된다. 다양한 포트를 갖춘 애플리케이션에서, 포트(2개나 4개) 그룹 당 C1 하나를 갖추고, 이 그룹의 부품을 물리적으로 가깝게 배치시키는 것이 좋다.
히트싱크를 이용하기 위해서는 서프레서 디바이스에 충분한 코퍼(copper) 면적을 제공하는 것이 중요하다. 이더넷 인터페이스 회로는 데이터 라인 드라이버 회로를 위해 데이터 라인 프로텍터를 요구하기도 한다. 그러나 여기서는 PoE 회로에 적용할 수 있는 보호 기법에 중점을 맞추고 있다.
아이씨엔 매거진 2007년 03월호

생산 현장의 시스템과 정보가 방대해짐에 따라 현장의 정보를 끊임없는(Seamless) 네트워크로 연결하고자 하는 통합 아키텍처가 생산성 향상을 위한 업계의 새로운 과제로 부각되고 있다. 이러한 현장의 요구에 로크웰 오토메이션은 적극적인 대응에 나서고 있다. < 편집자 주>
현재 보유하고 있는 시스템을 최적 상태로 유지하고, 실시간으로 문제를 해결할 수 있도록 하는 것은 모든 로크웰 오토메이션 솔루션의 기본 목표이다. 또한 로크웰 오토메이션의 통합 아키텍처를 통해 Allen-Bradley 제품 및 Rockwell Software 제품을 사용하는 사용자는 이 기본 목표를 달성할 수 있다. 이러한 개방형 정보 및 제어 시스템 구조 방식을 통해 네트워크 흐름이 끊기지 않고 작동할 수 있고 정보가 원활하게 흐르며 복합 제어가 가능하고 제품 및 프로그램 설정 능력을 확장할 수 있다.
수십 개의 정보 및 자동화 기기 관련 업체들이 다양한 형태의 통합 구조를 내놓고 있고 개방형 기준을 기반으로 하여 여러 종류의 제품을 출시하고 있다. 지금까지 사용되어 왔던 기존 구조와 달리 사용자가 실제로 유용하게 사용하기 위해 불필요한 부분을 배제하면 로크웰 오토메이션의 통합 아키텍처는 Logix 제어 플랫폼 및 NetLinx 네트워크 구조, ViewAnyWare™ 시각화 플랫폼, FactoryTalk_ 통신 서비스 등과 같은 기술로 이루어져 있음을 알 수 있게 된다.
로크웰 오토메이션 CEO인 Keith Nosbusch에 따르면, “로크웰 오토메이션의 가장 핵심적인 목표 고객의 기기 및 공정, 공급 유통망을 최적의 상태로 만드는 능력”이다. 로크웰 오토메이션의 통합 아키텍처 사용을 통해 로크웰 오토메이션 고객은 이 능력을 가질 수 있게 된다.
통합 아키텍처와 Logix 시스템
실제로 이 통합 구조는 현재 시장에서 독보적인 위치를 지키고 있다. 세계적인 금융 컨설팅 회사 Lehman Brothers의 보고서에 따르면, “로크웰 오토메이션은 기업 간 각종 합병이 이루어지고 있는 와중에도 비전을 가지고 있음”이라고 분석했다. 분석가 Robert Cornell은 로크웰 오토메이션의 제어 관련 능력을 다른 세계적인 자동화 관련 주요 기업에 비교하고 있다.
Logix 시스템은 통합 아키텍처가 운영될 수 있도록 하는 주요기술이다. Robert Cornell은 “Logix 시스템은 4개의 IEC-1131 표준 언어 모두 해석 및 실행을 할 수 있고 서로 다른 각 부분 간 연결 및 이동을 문제 없이 수행할 수 있습니다. 로크웰 오토메이션의 경쟁 업체 중 이러한 능력을 가진 업체는 아직 없습니다.”고 말했다.
Robert Cornell은 “우리의 입장에서 보면, Logix는 지금까지의 균형 및 고정관념을 깨는 기술로, 이를 통해 로크웰 오토메이션은 각종 정보 관련 영역에 수직적으로 통신할 수 있는 능력을 지니면서 복합 제어 방식에 다양한 종류의 수평 방식 제어 구조를 제공하는 기업으로 매우 독보적입니다.”
Robert Cornell은“Logix에서 특히 눈에 띄는 기능은 복합 제어 방식 간의 데이터 교환이 부드럽게 이루어지고 이를 사용자가 간단하게 확인할 수 있도록 하는 기능”이라 하고, “Logix의 사용을 통해 고객은 하나의 통일된 방식 내에서 작업을 할 수 있게 됨으로써 시간, 교육에 대한 비용 및 여러 개 시스템을 사용함에 있어서의 정비 및 유지에 의한 각종 비효율적인 문제를 대폭 줄일 수 있습니다”고 덧붙였다.
통합 아키텍처는 확장 능력 및 사용 용이성을 염두에 두고 설계된 것이다. 이 통합 아키텍처 내에는 다음과 같은 구성 요소 및 시스템으로 구성되어 있다.
� Allen-Bradley Logix 하드웨어 및 RSLogix™ 5000 프로그램 설정 소프트웨어
� DeviceNet 및 ControlNet, EtherNet/IP 등이 포함되어 있는 Allen-Bradley NetLinx 개방형 네트워크 아키텍처
� Allen-Bradley Kinetix_ 통합 모션 하드웨어 및 소프트웨어
� Allen-Bradley View-AnyWare™ 화면 표시 하드웨어 및 소프트웨어
통합 아키텍처에서 사용하는 기능인 FactoryTalk 데이터 모델 사용을 통해 프로그램 설정 작업을 간편하게 할 수 있다. 예를 들어, 데이터 태그를 각각 따로 만들 필요가 없게 되며 이 태그를 계속해서 다시 사용할 수 있다. 태그는 NetLinx 기반의 네트워크 상에 드라이브, 근접센서 또는 다른 종류의 기기를 연결하면 만들어지고 컨트롤러 내에 있는 특정 지점에 이름을 지정하는 방식으로도 만들어 질 수 있다.
그 다음, 태그는 컨트롤러에서 HMI로, HMI에서 전체 기업 시스템으로 구조 전체 내에서 쉽게 이동할 수 있다. 또한 공급 유통망 관련 프로그램으로도 이동할 수 있게 된다. 태그의 정보는 다양한 형태로 변경될 수 있어서 어플리케이션 및 사용자가 사용할 수 있게 된다.
Cornell은 Lehman Brothers의 보고서에서 로크웰 오토메이션의 경쟁 업체는 이러한 것을 아직 갖추고 있지 않다고 말하고 있다. Cornell은“로크웰 오토메이션이 Logix를 통해 얻게 된 가장 큰 업적은 다양한 시스템 간 수평적인 원활한 연결입니다”이라고 말했다.
기준 시스템의 확장과 통합
로크웰 오토메이션의 자동화 제어 및 정보 그룹 내 통합 아키텍처의 마케팅 담당 Steven Ludwig 는 Lehman Brothers의 Robert Cornell의 설명에 동의한다. Ludwig는 “통합 아키텍처를 사용할 경우, 사용자는 크기의 크고 작고에 상관없이 공장자동화의 전체범위에 대해 하나의 제어 구조를 사용할 수 있게 되기 때문에 구조 사용 및 유지에 대해 전체적인 비용을 줄일 수 있게 됩니다”고 말했다. 또한 그는 통합 아키텍처 방식은 새롭게 설치하는 것은 물론 기존시스템에 대한 추가 작업 시에도 쉽게 사용할 수 있다고 설명했다.
통합아키텍처가 다른 경쟁제품에 비해 가장 크게 작용하는 차이중 하나는 이미 가지고 있는 기존의 로크웰 오토메이션 시스템과도 문제 없이 연결될 수 있다는 점이다. 로크웰 오토메이션의 자동화 제어 및 정보 그룹내 아시아 태평양 지역 담당 이사 Pankaj Joshi는 “로크웰 오토메이션 만큼 고객이 투자한 설비를 보호 유지할 수 있는 능력을 갖추고 있는 회사는 없습니다. 로크웰 오토메이션의 새로운 제어 관련 제품을 20년 된 I/O 및 컨트롤러, 드라이브에 연결할 수 있고 새로 출시되는 다른 제품 중 RIO 및 DH485, DH+™ 등과 같은 기존 방식에 연결되지 않는 제품은 없습니다. 로크웰 오토메이션은 HART 및 Honeywell DO, Modbus, Modbus Plus, Modbus Ethernet TCP/ IP, InterBus, PROFIBUS, Landis & Gyr 등은 물론 다른 방식의 네트워크와 연결을 할 수 있는 다양한 종류의 Encompass™ partner 통신 카드를 개발했습니다.”고 말했다.
로크웰 오토메이션의 자동화 제어 및 정보그룹 아시아 태평양 지역 통합 아키텍쳐 마케팅 총괄 이사 Rakesh Khanna 는 로크웰 오토메이션 통합 아키텍처는 복합 제어가 가능하고 고도로 정교한 정보 관리 시스템 내에서 고객이 확장 성을 가지도록 한다고 말했다. “지금까지, 작은 크기로 되어 있으면서 이처럼 많은 기능이 들어 있는 시스템이 없었습니다. 그 때문에 사람들은 사용하지도 않는 큰 시스템을 사용할 수 밖에 없었고 결국 원래 예산을 초과할 수 밖에 없었습니다.”고 말했다.
Khanna 이사는 통합 아키텍처 솔루션 사용을 고려 중에 있는 제조 업체에 대해, “오늘날, 고객이 가장 중요하게 고려해야 할 사항은 시장 내에서 경쟁력을 충분히 갖추면서 설비 운영 유지에 드는 총 비용을 최소한으로 유지하는 것입니다. OEM 업체든 엔드 유저든, 최소한의 비용으로 최대한 많은 이익을 올릴 수 있도록 하는 경제적 효율 향상에 중점을 두고 있을 경우 통합 아키텍처 방식을 도입하여 사용하는 것이 가장 쉬운 방법입니다”라고 말했다.
적용사례 1. 실용적인 데이터 사용
인도에 있는 회사인 Godrej Appliances 사는 통합 아키텍처 솔루션 도입을 통해 각종 상황에서 얻게 된 데이터가 실용적으로 사용될 수 있도록 하고 있다. 이 회사는 냉장고를 조립하는 새로운 공장을 설립했다. 그러나, 조립 라인을 원활하게 작동하는 데 문제를 겪게 되었고 결국, 이 회사는 로크웰 오토메이션과 Mumbai 시에 있는 로크웰 오토메이션 협력업체인 AD Electronics사에 도움을 요청하게 되었다.
새롭게 구성된 팀은 이회사의 조립라인에 대한 완전 자동화 시스템의 설계 및 연구, 설치, 작동에 관여하게 되었고, 이때 통합 아키텍처의 구성요소 및 시스템을 사용하여 전체 조립 공정에 있어서 원활한 작동이 이루어질 수 있도록 하였다. 이제 전체 조립라인은 Allen-Bradley 가변속 AC 드라이브로 작동하게 되는 62개의 컨베이어를 갖추게 되었고, Allen-Bradley 가변속 AC 드라이브는 리모트 I/O 네트워크 상에서 Allen-Bradley PLC와 연결되어 있다. Allen-Bradley PanelView™는 리모트 I/O상에서 PLC와 통신을 하게 되고, 이로써 한 위치에서 모든 드라이브 변수를 수동 모드 또는 자동 모드로 관리 및 제어할 수 있게 되었다.
PLC는 각 모터에 대한 진단 관련 정보 및 전기 관련 변수의 저장 및 표시를 하게 되어, 고장 수리에 드는 시간을 줄일 수 있게 된다. 또한, 드라이브 고장이 발생하여 새로운 모터로 교체할 경우, 교체된 모터는 자동으로 설정 작업을 하고 PLC에서 필요한 변수를 자동으로 열 수 있어서 공장 다운타임을 최소한으로 할 수 있도록 한다.
Godrej Appliance사는 통합 아키텍처 사용을 통해 공장 현장에서 170 명 정도 인원을 감축하여 재배치 할 수 있게 되었고, 전체 시간의 10%를 줄일 수 있게 되었다고 한다. 회사 직원은 이제 정확한 진단 관련 예측을 할 수 있도록 이에 따라 예측하지 않은 공장 가동 정지가 발생하지 않도록 예방 정비 일정을 세울 수 있게 되어, 회사 전체로 봤을 때 부품 재고를 50% 가량 줄일 수 있게 되었다.
적용사례 2. 통신에 의한 생산성 향상
현재 가지고 있는 시스템을 관리하는 것이 쉽지 않을 경우 시스템을 통해 얻게 되는 데이터를 실제로 유용하게 사용하는 것은 불가능하다. 이러한 이유로, 한국 유제품 산업의 선도 기업인 남양 유업은 새로 설립한 공장내에 새로운 통신 시스템을 설치하게 되었다. 로크웰 오토메이션은 이 새로운 시스템을 위해 통합 아키텍처를 제공하게 되어, 통신 시스템을 향상할 수 있게 되었을 뿐만 아니라, 정비 및 운영 관련 부분에 있어서 많은 문제를 해소할 수 있게 되었다.
지금까지 사용하던 통신 시스템은 실제의 케이블 및 전선으로 연결되어 있고 고장발생시 이를 수리하는데 많은 시간이 걸려서 관리하기가 쉽지 않았다. 네트워크 시스템 또한 과다 부하가 자주 발생하였고, 네트워크에 공장 현장에 있는 기기를 새로 추가하거나 네트워크에서 기기를 제거하려 할 경우, 생산 라인을 가동을 잠시 중단하고 통신을 다시 시작해야 했다. 이 때문에, 이 동안 우유 등과 같은 원료를 관리할 수 없게 되어, 원료의 부패 등과 같은 변질의 위험이 있었다.
통합 아키텍처 방식의 사용을 통해 이제 DeviceNet 및 ControlNet 등과 같은 개방 방식의 네트워크를 사용할 수 있게 되었다. DeviceNet의 사용을 통해 비용이 많이 드는 실제의 전선 및 케이블 연결을 할 필요가 없게 되었고, 실제로 연결한 I/O interface를 사용할 경우 쉽게 할 수 없었던 각 기기 수준의 진단을 쉽게 할 수 있게 되었다. ControlNet 네트워크를 사용하여 남양유업의 네트워크상에 있는 모든 노드가 동시에 하나의 데이터 지점에 있는 데이터에 접속할 수 있게 된다.
Allen-Bradley ControlLogix 플랫폼은 통합 아키텍처 방식의 가장 중심이 되는 부분이다. 고급 기능을 갖추고 있는 이 제어 시스템의 사용을 통해 하나의 시스템내에서 유제품을 다양한 방법으로 제어할 수 있게 된다.
작은 크기의 모듈의 조립 방식으로 되어 있는 Flex™ I/O 및 SLC™ 500 PLC의 추가로 시스템 설정을 더 자유롭게 할 수 있다.
남양유업은 새로 도입한 통신시스템을 통해 새로운 공장에 대해 생산능력을 95%로 끌어 올릴 수 있을 것으로 예상하고 있다. 이는 생산 능력이 10% 증가한 것이다. 더 중요한 것은 이 새 통신 시스템을 통해 남양 유업은 정비 유지 관련 비용을 15% 가량 줄일 수 있게 되었고, 고장 수리에 드는 시간을 30% 정도 단축할 수 있게 되었다는 것이다.
더 나아가, 전자 방식의 인터페이스가 들어 있는 PanelView 오퍼레이터 터미널 사용을 통해 다양한 종류의 통신 프로토콜내에 들어 있는 전체공정 관련 정보를 확인할 수 있다. 이 방식이 작동하도록 하는 것은 AC 드라이브로 최대한 성능을 발휘하고 공장 가동 정지 시간을 최소화할 수 있도록 할 수 있다.
선도 기업 위치 유지
Lehman Brothers의 분석가인 Robert Cornell은“이 경쟁적인 산업 내에서, 전체 제어 방식에 관하여 왜 로크웰 오토메이션이 선도기업의 위치를 유지하고 있는지는 이해하기 쉽습니다”고 말했다.
Lehman Brothers의 보고서에서 Robert Cornell은 “로크웰 오토메이션은 기술적으로 앞서 나아가서 다른 경쟁업체가 이 판도를 뒤집는데 많은 시간이 걸릴 것”이라고 결론 짓고, “로크웰 오토메이션의 수준으로 기술을 개발하는데 있어서 현재의 경쟁회사 및 앞으로의 경쟁회사가 될 업체들이 많이 뒤떨어져 있습니다. Emerson 및 Honeywell 등과 같은 기업들은 느린 속도의 프로세스 관련 사업을 하고 있어 실시간 분산제어 관련 산업에 있어서 필요한 전문 지식 및 경험이 부족합니다.”설명했다.
Keith Nosbusch 로크웰 오토메이션 회장 겸 CEO는 “로크웰 오토메이션은 최대의 기업이 되려 하는 것이 아니라, 최고의 기업이 되려고 하는 것”이라고 말하고, “통합 아키텍처를 기반으로 최고의 제품은 계속 이어질 것입니다”이라고 덧붙였다.
< 자료제공: 로크웰오토메이션코리아>
아이씨엔 매거진 2007년 03월호

산업현장의 제조자동화를 위한 통합 네트워크인 EtherNet/IP는 공통 산업 프로토콜(CIP)를 통해 애플리케이션 접근을 손쉽게 한다. 모든 레벨에서 네트워크화되어 있는 장비의 끊김없는 네트워크 통합을 위해 통신객체는 CIP라는 공통의 요소를 가진다. < 편집자 주>
생산 시스템에서의 안정성을 생명으로 하는 산업 자동화 현장에서는 기기 및 시스템을 도입함에 있어 무척 폐쇄적인 경향이 있다. 이는 검증된 안정성이 담보되지 않은 시스템이나 솔루션의 가동중에 사소한 시스템 에러가 발생했을 경우, 전체 시스템 차원에서의 큰 피해를 감수해야 한다는 근본적인 이유가 내재되어 있기 때문이다. 이러한 폐쇄적인 산업 현장에서 이제 IT 정보기술의 핵심도구인 이더넷(Ethernet)을 도입하려는 움직임이 활발하다.
산업용 이더넷이란?
지난 1973년 제록스의 Bob Metcalfe라는 엔지니어가 그린 냅킨 스케치에 의해 이더넷(Ethernet)은 처음으로 태어났다. 이후 제록스와 DEC, Intel이 합작으로 개발을 추진하여 사무실간의 통신을 위한 근거리 통신망(LAN)으로 사용되었다. 이렇게 시작된 이더넷 사양은 1985년에 IEEE 802.3 국제 표준의 기초가 되었으며, 물리층(Physical layer)과 하위 소프트웨어 계층을 지정한다. 또한 TCP/IP와 결합한 이더넷은 세계에서 가장 많이 적용된 네트워크 기술이 되었다.
초기에 이더넷은 버스 토폴로지(Bus Topology)를 기반으로 설계되어, 모든 스테이션이 동등하게 버스 접근이 가능하고 항시 송신이 가능하였다. 그러나 이러한 토폴로지는 각 스테이션이 동시에 송신할 경우 충돌이 발생하는 문제로 인해 오피스 내에서 사용되었다. 또한 가장 기본설계에서 이더넷은 특정화(deterministic)되지 않아 실시간성이 중요시되는 산업 분야에서의 사용이 제한적이었다.
이러한 충돌의 문제는 스타 토폴로지(Star Topology)를 통해 어느 정도 해결된다. 또한 Fault 노드를 분리하는 허브(Hub)와 10Base-T를 통해 더욱 사용이 편리하고, 데이터 충돌을 방지하는 단계로 성장했다. 이것이 90년대의 상황이었다. 이후 90년대 말 들어 UTP의 사용을 통해 half-duplex에서 full-duplex 매체가 만들어짐으로써 매체의 공유 없이 실시간 데이터 송수신이 가능해졌다. 또한 허브는 스위치로 대체되기 시작했다.
이로써 이더넷이 실시간 계측과 제어가 가능한 산업용 이더넷으로 한 단계 발전하기 시작했다. 산업용 이더넷은 다음과 같은 속성을 갖추어야 한다.
– 특성화(Deterministic)된 제어
– 애플리케이션 요구사항에 맞는 성능
– 오작동에 대한 저항력과 작동
– 원격 설정
– 데이터 수집과 진단
– 낮은 비용의 장비 연결
– Bus로 전원이 공급되는 장비
– 본질 안전 (특수 애플리케이션에 해당)
– 국제 표준의 개방형 네트워크 표준
이와 더불어 이더넷은 가장 일반적으로 사용되고 있는 TCP/IP와의 결합을 통해 산업 현장에서의 제어를 위한 신뢰성(특정화)과 산업 환경에서의 운영 가능성이 충족되었다. 그리고 full-duplex 운용을 통한 완전한 교환망, 제어 데이터의 흐름과 구분, 방화벽과 보안 기준에 대한 고려사항 등이 더해짐으로써 실시간 계측과 제어라는 목적을 위한 산업용 이더넷의 지위가 확보되게 되었다.
원형 이더넷 기반의 EtherNet/IP
산업 현장 내의 네트워크에 Ethernet을 사용하는 것은 단지 Ethernet이 공장 현장에서 작동할 수 있기 때문만이 아니다. 현재 시스템 구조 내에서 이루어지고 있는 여러 서비스를 자동화할 수 있고 이 시스템 구조와 이 시스템이 가지고 있는 정보를 생산 현장에서도 사용할 수 있다는 장점 때문이다.
EtherNet/IP를 사용하여 표준 Ethernet 네트워크의 개방 방식과 다양한 기능을 소화할 수 있는 점 때문에 특별 방식의 산업 제어 네트워크에 있어서 최적의 작동 효과를 얻을 수 있다. 다른 점은 EtherNet에 IP(Industrial Protocol)가 추가된 EtherNet/IP라는 것이다. 다른 많은 산업용 Ethernet과 달리, EtherNet/IP는 애플리케이션 단계에서 누구나 일반적으로 사용할 수 있는 Ethernet 통신 칩과 실제 미디어와 함께 개방형 프로토콜을 사용한다. 제어 관련 애플리케이션에 대해 Ethernet 네트워크를 사용하는 수요가 많아짐에 따라 EtherNet/IP 기술이 생기게 되었다.
EtherNet/IP는 2001년 처음 소개되었으며, 공장 자동화를 위해 이용할 수 있는 가장 발전된 산업용 이더넷 네트워크 솔루션이라고 할 수 있다. EtherNet/IP는 그 상위 계층에 있는 CIP(Common Industrial Protocol)를 실행하는 네트워크의 한 조직이며, 전 세계 수백 개의 벤더(Vendor)들이 지지하는 미디어 독립형 프로토콜로 사용자들에게 통합 커뮤니케이션 아키텍처(Unified Communication Architecture)를 제공하고 있다.
이 프로토콜은 제어(Control), 안전(Safety), 동기화(Synchronization), 모션(Motion), 환경설정(Configuration) 정보를 포함한 다양한 공장 자동화 애플리케이션을 위해 종합적인 메시지와 서비스를 제공하고 있으며, 사용자는 각각의 애플리케이션에 가장 적합한 CIP 네트워크를 선택할 수 있다. 이러한 선택 사항들 중 하나가 EtherNet/IP이며, CIP를 이더넷 기술에 적용시킨 것이다.
이더넷과 TCP/IP는 전 세계적으로 편재한 인터넷 기술 채택으로 인해서 서로 긴밀히 연결되어 있으며, 전 세계의 상업적 내부 애플리케이션과 관련된 대부분의 LAN(근거리 통신망)과 WAN(원거리 통신망) 아키텍처에서 사용되는 동일한 네트워크 기술이라고 할 수 있다. 아키텍처는 컴퓨터와 컴퓨터를, 컴퓨터와 주변 장치를 연결시킬 수 있으며, 기업에 운용 방식을 연계하거나 사용자들에게 웹 기반 애플리케이션의 접속을 제공하고 있다.
CIP의 네트워크 애플리케이션
CIP(Common Industrial Protocol)는 미디어 독립적이기 때문에 응용 분야에 가장 적합한 CIP 네트워크를 선택하면 된다. CIP는 단일 미디어 독립형 플랫폼으로서 다양한 네트워크 기술에서 공유하는데, 여기서는 개방형 네트워크와 개방형 시스템에 필수적인 상호 운용성과 상호 교환성이 제공된다.
애플리케이션 계층이 EtherNet/IP, DeviceNet, ControlNet ,CompoNet에 모두에 해당되며, 이러한 공통성과 일관성은 여러 개의 네트워크 실행을 더욱 쉽게 셋업하고 운영가능 하도록 함을 의미한다.
또한 모든 레벨에서 네트워크화되어 있는 장비의 끊임없는(Seamless) 통합을 위해 통신 객체는 CIP라는 공통요소를 가지게 된 것이다.
1) EtherNet/IP
EtherNet/IP는 이더넷 기술에 기반을 둔 CIP이다. 이는 제조 응용 분야에 표준 이더넷 기술을 전개할 수 있는 네트워크 도구를 제공하는 동시에 인터넷과 기업 네트워크를 통해 언제 어디서나 데이터 정보를 교환할 수 있다. EtherNet/IP는 스타 토폴로지로 표준 이더넷 인프라 디바이스들을 연결한다.
2) DeviceNet
DeviceNet은 CAN(Controller Area Network) 기술을 기반으로 하는 국제 표준의 CIP이다. 이는 아키텍처 전반에 걸쳐서 단순 장치들을 분산하고 관리하는 비용 효과적인 네트워크를 제공한다. 트렁크라인-드롭라인 토콜로지를 사용하며 단순하고 소형의 기계를 설치할 때 네트워크 케이블에서 사용할 수 있는 직류전원을 가진다.
3) ControlNet
ControlNet은 CTDMA 기술에 기반을 둔 CIP이다. 이는 시간을 엄수해야 하는 I/O 인터록과 피어 to 피어 인터록의 결정성 높은 고속 전송을 실현하는 도구를 제공한다. ControlNet은 트렁크라인-드롭라인, 스타, 트리 등의 토폴로지를 선택할 수 있다.
4) CompoNet
CompoNet은 필드기기간의 단순 네트워크를 위한 CIP로 최근에 개발되었다. 이는 컨트롤러와 센서 및 액추에이터간에 작은 데이터 패킷을 빠르게 전송하고, 이 장치들을 설치가 간단한 비용 효과적인 물리적 매체를 이용해 연결할 수 있다.
CIP 응용범위; 안전, 동기화, 모션
CIP는 제조 자동화를 위한 종합적인 메시지와 서비스 suite로 제어와 설정, 진단, 정보, 안전, 동기화, 모션에 필요한 기능을 제공한다.
1) CIP Safety(기능상 안전)
CIP Safety는 안전장치와 표준장치를 동일한 네트워크나 와이어에 혼합할 수 있어 끊김 없는 통합이 가능하고 유연성이 향상된다. 이 안전 프로토콜은 안전 응용분야에서 IEC 61508 표준에 따른 안전 무결성 수준(SIL) 3까지 안전 I/O 차단 같은 노드간 고장 대비 안전 통신, 안전 인터록 스위치, 안전 광막, 안전 PLC를 제공한다.
2) CIP Sync(동기화)
CIP Sync는 CIP의 시간 동기화 확장버전으로 네트워크 측정 및 제어 시스템과 관련된 정밀 클럭 동기화 프로토콜인 최근의 IEEE 1588(Precision Clock Synchronization; 네트워크가 연결된 계측 및 제어 시스템을 위한 정밀 시각 동기화) 표준을 기반으로 하며, 요구되는 이벤트 기록의 순서화, 분산 모션 제어, 그밖에 장치의 절대시간 동기화가 중요한 고도 분산 응용에 필요한 향상된 제어 조정력을 제공한다.
3) CIP Motion(실시간 다축 모션 제어)
CIP Motion은 EtherNet/IP의 확장 버전으로 현장 장치와 모션 드라이브를 동일한 네트워크에 통합할 수 있어 별도의 모션 최적화 네트워크가 필요없다. 따라서 시스템 비용이 낮아지고 시스템 성능은 향상되며, 시스템의 단순화도 가능하다.
마치며
EtherNet/IP는 설정 작업과 정보 관리, I/O 제어, 시간 동기화, 안전 관리, 모션 제어 등과 같은 모든 자동화 관련 기능에 대해 일반 인터넷에서도 사용할 수 있는 표준 TCP/UDP/IP 프로토콜을 사용한다. EtherNet/IP는 수정을 하지 않은 IEEE 802 Ethernet을 사용하여 일반적으로 표준 Ethernet을 통해 관리되는 모든 정보와 시간을 중요시 하는 제어 관련 데이터를 관리한다.
나아가 EtherNet/IP는 DeviceNet 네트워크와 ControlNet 네트워크, CompoNet 네트워크와 같은 공통 산업 프로토콜(CIP)을 사용하여 최신의 네트워크 기술을 손쉬운 방식으로 사용할 수 있도록 지원한다.
< 자료제공: ODVA 코리아>
아이씨엔 매거진 2007년 03월호

산업현장에서 사용되는 통신방식은 자동제어 개념이 산업현장에 적용되기 시작할 때부터 사용된 Hard wiring 방식을 거쳐, 현재 산업현장에서 많이 사용되고 있는 필드버스(DeviceNet, Profibus, Sercos 등)로, 그리고 앞으로 산업현장에서 많이 사용될 것이라고 많은 사람들이 예상하고 있는 산업용이더넷으로 변화를 거듭하고 있다. 이러한 산업용 통신방식의 변화의 주 원인은 성능향상과 원가절감 그리고 사용의 편리성을 요구하는 고객 때문이라고 필자는 생각한다.
글: 손창모 ㈜트라이텍 제어시스템사업부
필자는 1997년부터 필드버스의 한 종류인 DeviceNet을 사용해 왔고, 그 동안 다양한 종류의 필드버스(DeviceNet, Profibus, Interbus, CC-Link, Sercos, CANopen, Modbus TCP, Ethernet 등)를 사용해 봤다. 필자에게 있어서 필드버스는 산업용 통신방식 그 이상도 그 이하도 아니었다. 그러나 Hard wiring을 사용하던 고객들에게 종류도 다양하고 결선방법도 제 각각이었던 필드버스는, 필드버스가 가진 많은 장점에도 불구하고 Hard wiring에 비해서, 쉽게 고객들에게 받아들여 지지는 않았던 것 같다.
그러나 필자가 이번에 소개할 산업용 이더넷의 한 종류인 EtherCAT(이더캣)은 필자가 오히려 놀랄 정도로, 필드버스에 비해, 고객들에게 쉽게 받아들여지고 있다. 필자는 EtherCAT에 대한 고객들의 이러한 반응을 기존 필드버스에 비해 EtherCAT이 가지고 있는 장점(사용의 편리성, 성능향상, 원가절감 등)에 있다고 생각하며, 이번 EtherCAT을 소개하는 글이 End User, Application Engineer(이미 개발된 상용 제품을 이용해서 Application을 하는 사람들), 그리고 Developer(원천 기술을 이용해서 상용 제품을 만들어 내는 사람들)이EtherCAT을 이해하는데 있어서 조금이나마 도움이 되기를 바란다.
EtherCAT 연혁(국외 & 국내)
① EtherCAT은 독일 Beckhoff사에서 개발한 산업용이더넷으로 2003년 하노버 산업박람회 때 처음으로 일반에게 소개 됨.
② 2003년11월 EtherCAT Technology Group을 결성하고 EtherCAT 기술 공개.
③ 2004년2월 독일 Schuler사에서 개발한 Press 장비에 최초로 EtherCAT이 적용됨.
④ 2004년4월 LG전자, 삼성전자 (생산기술연구소) EtherCAT Technology Group 가입.
⑤ 2004년6월 EtherCAT Master sample source code & Slave Development Kit 공급 시작.
⑥ 2004년11월 FPGA type의 EtherCAT Slave Controller(ESC) 공급.
⑦ 2005년 3월 EtherCAT is IEC specification.
⑧ 2005년 5월 삼성전자 생산기술연구소에서, 진행하고 있는 프로젝트에 사용 할 EtherCAT Slave 개발 시작.
⑨ 2005년 10월 삼성전자 생산기술연구소에서 EtherCAT Slave 개발 완료 및 프로젝트에 적용.
⑩ 2005년11월 독일 IPC/SPS/Drive 전시회 때 삼성전자 생산기술연구소 연구원이 직접 EtherCAT Slave 개발 및 적용사례 발표.
⑪ 2006년4월 독일 하노버 산업박람회 때 42개 회사에서 EtherCAT 제품 소개. 특히 8개의 서로 다른 OS상에서 동작하는 11개의 EtherCAT Master solution이 전시 됨.
⑫ 2006년5월9일~12일까지 4일간 한국에서 13개 회사 32명의 개발자가 참석한 가운데 EtherCAT 개발자 교육과정 개최.
⑬ 2007년11월 독일 IPC/SPS/DRIVE 전시회에 48개 회사 90여 종류의 EtherCAT 제품이 전시됨.
⑭ 2007년2월 현재, 전 세계 435개 회사에서 EtherCAT Technology Group에 가입.
⑮ 2007년2월 현재 15개 국내 회사(삼성전자, LS산전, 삼성테크윈, 삼성중공업, ADPeng, 아진엑스텍, 터보테크, Justek, 토마스R&D, 윈텍오토메이션, 레드원테크놀로지, 순천대학교, 트라이텍, 시스템베이스, 오티스엘리베이터코리아)가 EtherCAT Technology Group에 가입하였고, 7개 회사에서 EtherCAT 관련 제품을 개발하고 있으며, 2개 회사에서 EtherCAT 제품 개발을 검토하고 있다. 그리고 ㈜트라이텍에서는 2005년 말부터 현재까지 Beckhoff EtherCAT Solution을 7곳의 반도체/LCD 장비회사의 장비에 적용하였고, 기계장비 회사, Posco, 물류자동화 시스템 등에도 EtherCAT Solution을 적용하였으며, 5개의 반도체/LCD 장비회사에서 EtherCAT을 이용한 장비를 개발 중이거나, 개발을 검토하고 있다.
왜 EtherCAT(이더캣)인가?
기존에 사용하고 있던 산업용 통신방식 대신에 새로운 산업용 통신방식을 선택한다는 것은 제품을 최종적으로 사용하는 End User나, End User들에게 솔루션을 제공해야 하는 Application Engineer, 그리고 Application Engineer들이 End User에게 솔루션을 제공하는데 필요한 제품들을 만들어야 하는 Developer 모두에게 쉬운 일이 아니라고 생각한다.
이러한 어려움을 극복하고 End User, Application Engineer, Developer들이 새로운 산업용 통신방식을 선택하려면 필자는 다음과 같은 조건이 만족되어야 한다고 생각한다.
1) End User의 관점에서
– 기존에 사용하던 산업용 통신방식에 비해서 성능이 뛰어나야 한다. (성능향상)
– 기존에 사용하던 산업용 통신방식에 비해서 비용이 저렴하여야 한다. (원가절감)
– 기존에 사용하던 산업용 통신방식에 비해서 사용 및 유지보수가 쉬워야 한다. (사용의 편리성)
– 기존에 사용하던 산업용 통신방식을 새로운 산업용 통신방식에 손쉽게 통합할 수 있어야 한다. (호환성 확보 및 기존에 투자된 비용의 보호)
– 많은 회사들이 새로운 산업용 통신방식의 제품을 다양하게 공급하여야 한다. (다양성 & Multi Vendor)
2) Application Engineer의 관점에서
– End User의 관점에서 새로운 산업용 통신방식을 사용하기 위한 조건은 Application Engineer의 관점에서도 모두 포함된다.
– 새로운 산업용 통신방식에 맞는 Application을 개발할 수 있는 다양한 개발 방법과 제품을 제공해야 한다.
3) Developer의 관점에서
– End User 및 Application Engineer의 관점에서 새로운 산업용 통신방식을 사용하기 위한 조건은 Developer의 관점에서도 모두 포함된다.
– 새로운 산업용 통신방식에 맞는 제품을 개발하는데 필요한 도구들을 제공해야 한다.
– 제공되는 개발 도구 및 관련 제품들의 가격이 저렴하여야 하고, 다양한 회사들이 개발 도구 및 관련 제품을 제공할 수 있어야 한다.
– 국제 규격이어야 하고 전 세계적으로 많이 사용되어야 한다.
위에서 언급한 End User, Application Engineer, 그리고 Developer 관점에서의 조건들은 필자가 많은 고객들을 만나면서 얻은 내용이다.
EtherCAT(이더캣)은 이러한 고객들의 요구조건을 모두 만족시키고 있다.
① EtherCAT(이더캣)은 현재 사용되고 있는 필드버스에 비해서 성능이 뛰어나다.
100 Mbaud (Full-Duplex) Mode에서 EtherCAT의 Update Times은
– 256 Digital I/O in 11 micro second
– 1000 Digital I/O distributed to 100 nodes in 30 micro second = 0.03 ms
– 200 analog I/O (16bit) in 50 micro second, 20 kHz sampling rate
– 100 Servo Axis (each 6 Byte IN+OUT) in 100 micro second = 0.1 ms
– 12000 digital I/O in 350 micro second 이다.
이러한 Update Time은 기존에 사용되던 어떤 필드버스에 비해서도 월등하다.
② EtherCAT은 현재 사용되고 있는 필드버스에 비해서 비용이 저렴하다.
EtherCAT은 특별한 Master Card를 필요로 하지 않는다. 용산전자상가나 주위에서 쉽게 구할 수 있는 1~3만원 정도의 Ethernet card면 충분하다. 뿐만 아니라 EtherCAT은 특별한 전용 Cable도 요구하지 않는다. 고객들이 현재 사용하고 있는 Ethernet Cable이면 충분하다. 다만, 노이즈 문제와 Ethernet Cable 제작자의 실수로 인한 불량을 예방하기 위해서 UTP Cable 보다는 STP Cable을, 그리고 사람이 직접 Cable을 제작하는 것 보다는 기계가 만들어준 Ethernet Cable의 사용을 권장하는 바이다. 이러한 결과로 필드버스를 사용하는 것에 비해서 EtherCAT을 사용하면, DeviceNet과 Profibus를 사용했을 때와 비교해 본다면, Master Card와 Cable에서만 단순하게 계산해도 최소 80만원 이상의 가격절감 효과를 거둘 수 있다.
③ EtherCAT은 현재 사용되고 있는 필드버스에 비해서 사용이 편리하다.
EtherCAT은 고객들에게 이미 친숙한 Ethernet 통신을 기본으로 하고 있다. 즉, Ethernet card를 Master Card로 사용하고, Ethernet Cable을 통신 케이블로 사용한다.
따라서 EtherCAT을 사용하는 End User들은 실제로 EtherCAT과 Ethernet이 무엇이 다른지를 알지 못한다. 필자가 EtherCAT이라고 해도 Ethernet이라고 얘기를 하면서 잘 사용을 할 정도이다. 뿐만 아니라 EtherCAT은 EtherCAT Slave에 어떠한 물리적인 설정도 할 필요가 없다.End User나 Application Engineer 입장에서는 EtherCAT Slave들에 전원을 공급하고 Ethernet Cable로 연결해서 그냥 사용하면 된다. 그리고 EtherCAT은 다양한 Topology 구성이 가능하기 때문에 산업 현장의 상황에 따라서 매우 유연하게 Cable 연결을 할 수 있다. 아래의 그림 2는 이러한 EtherCAT의 특징을 보여주고 있다.
④ EtherCAT은 현재 많은 고객들이 사용하고 있는 필드버스(DeviceNet, Profibus, CANopen)를 손쉽게 EtherCAT에 통합할 수 있는 방법을 제공한다.
현재 국내에서 많이 사용되고 있는 필드버스로는 DeviceNet, Profibus 등을 들 수 있다. EtherCAT은 기존에 고객들이 설비에 투자한 비용을 보호하기 위해서 DevicNet, Profibus, CANopne 등을 EtherCAT에 손쉽게 통합할 수 있는 솔루션을 제공하는데, DeviceNet to EtherCAT Master, Profibus to EtherCAT Master, 그리고 CANopen to EtherCAT Mastr가 그것이다. 아래의 그림 3과 4는 이와 관련한 내용을 보여주는 그림이고, 그림 5는 이러한 솔루션이 실제로 적용된 사례를 보여주는 그림이다. 그림 5는 두산메카텍 Display 사업부에서 만든 OLED 장비에 적용된 것을 보여주고 있는데, 이 OLED 장비는 Profibus를 사용하다가 EtherCAT으로 바꾸면서, 기존에 사용하던 Profibus 제품 중 Temperature 관련 Module을 Profibus to EtherCAT Master를 이용해서 EtherCAT에 통합하였다.
⑤ 많은 회사들이 다양한 종류의 EtherCAT 제품들을 공급할 수 있어야 한다.
EtherCAT은 Beckhoff에서 만들어서 EtherCAT Technology Group을 통해서 공개한 기술이기 때문에 전 세계의 많은 회사들이 EtherCAT 관련 제품들을 만들어서 공급 하고 있다.
2006년4월 독일 하노버 산업박람회 때는 42개 회사에서 EtherCAT 제품을 전시했는데, 특히 8개의 서로 다른 OS상에서 동작하는 11개의 EtherCAT Master Solution이 전시되었다. 그리고 2006년 11월 독일 SPS/IPC/DRIVE 전시회 때는 48개 회사에서 90개의 서로 다른 제품들을 전시하였다. 뿐만 아니라 국내의 EtherCAT Technology Group 가입회사 중 7곳에서 EtherCAT 제품을 개발하고 있다. 이렇듯 EtherCAT 제품은 Beckhoff만 공급하는 것이 아니라 전 세계의 많은 회사들에서 제품들을 개발하고, 공급하기 때문에 EtherCAT 제품에 대한 고객들의 선택의 폭은 매우 넓다고 할 수 있다.
⑥ 새로운 산업용 통신방식에 맞는 Application을 개발할 수 있는 다양한 개발 방법과 제품을 제공해야 한다.
EtherCAT을 사용해서 Application을 쉽게 개발할 수 있도록 EtherCAT Technology Group에 가입한 많은 회사들이 Application Engineer를 위한 다양한 EtherCAT Master Solution을 개발해서 제공하고 있는데 이러한 Solution은 크게 다음과 같은 세 가지로 나눌 수 있다.
1) PLC를 이용해서 제품을 개발한 Application Engineer를 위한 SoftPLC Solution
2) C/C++, Visual Basic, Delphi 등의 고급언어를 이용해서 제품을 개발하는 Application Engineer를 위한 EtherCAT Master Configuration Tool 및 API를 제공하는 Solution.
3) Real Time 동작을 하는 제품을 개발하기를 원하는 Application Engineer를 위한 Real Time용 EtherCAT Master Solution.
Application Engineer는 자기가 잘 할 수 있는 개발 방법론을 선택해서 EtherCAT 응용 프로그램을 개발하면 된다. 현재 EtherCAT Master Solution들이 지원하는 OS는 Windows, Linux, QNX, INtime (Real-time OS), 몇몇 회사의 고유한 OS 등 총 8가지 정도이다.
⑦ 새로운 산업용 통신방식에 맞는 제품을 개발하는데 필요한 도구들을 제공해야 한다.
EtherCAT Technology Group에서는 EtherCAT이 탑재된 제품을 개발하고자 하는 Developer(개발자)에게 필요한 EtherCAT Master Sample Source Code와 EtherCAT Slave Development Kit을 저렴한 가격에 공급하고 있다. EtherCAT Master Sample Source Code는 EtherCAT Master Solution을 개발하려고 하는 개발자들에게 유용한 도구로 Windows 기반이며, 가격은 약 150만원 정도이다. 그리고 EtherCAT Slave Development Kit은 EtherCAT Slave Device를 개발하려는 개발자들에게 유용한 도구로 개발용 Board와 Slave Source Code 및 Test Tool이 함께 제공되는데 가격은 약65만원 정도이다. 2006년4월을 기준으로 총150개의 EtherCAT Slave Development Kit과 55개의 EtherCAT Master Sample Source Code가 EtherCAT Technology Group member들에게 공급되었다. 참고로 EtherCAT Master Sample Source Code와 EtherCAT Slave Development Kit은 EtherCAT Technology Group에 가입한 회원에게만 판매되며 EtherCAT Technology Group에 가입하는데 드는 비용은 없다.
아래의 그림 6은 EtherCAT Slave Development Kit의 그림이다.
⑧ 제공되는 개발 도구 및 관련 제품들의 가격이 저렴하여야 하고, 다양한 회사들이 개발 도구 및 관련 제품을 제공할 수 있어야 한다.
EtherCAT은 Master Side에서는 특별한 Hardware를 필요로 하지 않는다. 손쉽게 구할 수 있는 일반 LAN Card를 Master Card로 사용하면 된다. 그러나 EtherCAT은 일반 LAN Card를 사용하면서도 산업현장에서 요구하는 최고의 성능을 내기 위해서 Slave에 EtherCAT Slave Controller라는 특별한 Chip을 사용한다.
이 EtherCAT Slave Controller는 FPGA Type, IP Core Type, ASIC Type으로 제공되고 있으며, 약8 종류의 EtherCAT Slave Controller가 서로 다른 4개의 회사를 통해서 전 세계에 공급되고 있다. 이 네 개의 회사 중 하나인 Beckhoff에서는 ET1100, ET1200이라는 ASIC 형태의 EtherCAT Slave Controller를 공급하고 있는데, 이 Chip의 가격을 살펴보면 ET1200은 한번에 150개를 구매할 때 개당 가격이 4.6Euro, 한번에 9,000개를 구매할 때 개당 가격이 3.9Euro이다. 그리고 ET1100은 한번에 960개를 구매할 때 개당 가격이 6.3Euro이고, 한번에 10,080개를 구매할 때 개당 가격이 5.5Euro 이다.
아래의 그림 7은 EtherCAT Slave Controller 제품에 대한 간단한 Spec을 보여주고 있다.
⑨ 국제 규격이어야 하고 전 세계적으로 많이 사용되어야 한다.
아래의 그림 8은 EtherCAT Technology Group에서 제공한 공식문서에서 발췌를 한 것이다.
이 그림에서 보듯이 EtherCAT은 프로토콜이 완벽하게 공개된 기술이며, 동시에 국제 규격으로 인정을 받고 있다.
그리고 EtherCAT은 2007년2월 현재 전 세계적으로 435개의 회사에서 EtherCAT Technology Group에 가입해 있고, 많은 회사에서 제품을 개발해서 판매를 하고 있는 매우 활성화 되고 있는 통신 방식이다.
⑩ 기타
위에서 언급한 9가지 이외에도 EtherCAT은 Safety Over EtherCAT, Cable 이중화, Ethernet Over EtherCAT 등 다양한 기능을 제공하고 있다.
EtherCAT(이더캣) 적용사례
EtherCAT은 반도체/LCD 장비, 제철, 기계장비회사, 물류자동화 시스템 등에 다양하게 적용되고 있다. 그 중에서 EtherCAT이 특히 많이 적용되고 있는 곳이 반도체/LCD 장비이다.
아래의 EtherCAT 적용사례는 3월8일~9일에 COEX에서 개최되는 AIMEX 전시회 기간 중에 열리는 산업통신망 세미나 때 발표할 자료를 발췌한 것이다.
1) 적용사례 1 – SFA 물류사업부 Robo Picker
SFA 물류사업부에서는 그 동안 외국에서 수입하던 물류자동화 관련 장비를 국산화 하기로 결정하고 ㈜트라이텍의 PC Based Control solution (PC Based Controller(TwinCAT NC PTP) + EtherCAT I/O + EtherCAT Servo Drive)을 이용해서 제어시스템을 개발하였다.
–
2) 적용사례 2 – 뉴영엠텍 반도체 장비
3) 적용사례 3 – 두산메카텍 디스플레이사업부 OLED 장비
“EtherCAT은 산업용 이더넷이다. 그러나 EtherCAT은 Ethernet이 아니다. 따라서 EtherCAT은 TCP/IP 프로토콜을 이용해서 통신을 하지 않는다. 그렇지만 EtherCAT은 Ethernet card를 Master card로 사용하고, Ethernet Cable을 사용하며, IEEE 802.3에서 규정한 표준 이더넷 프레임을 사용한다. 뿐만 아니라 Ethernet over EtherCAT을 이용해서 TCP/IP 통신이 가능하며 모든 인터넷 기술들(HTTP, FTP, ….)도 EtherCAT과 함께 사용할 수 있다.”
지금 필자가 언급한 위의 말은 상당히 혼란스러운 얘기일 수도 있다고 생각한다. 그렇지만 EtherCAT에 대해서 조금만 깊이 공부를 한다면 충분히 이해할 수 있는 말이며, EtherCAT의 특징을 잘 표현한 말이라고 생각을 한다.
이상으로 EtherCAT에 대한 소개를 마치려고 한다.
EtherCAT에 대해서 또는 필자가 기고한 이번 글에 대해서 궁금한 점이나 더 필요한 것이 있으시면 언제라도 아래의 주소로 연락 주시기 바랍니다.
(주)트라이텍 제어시스템사업부 손 창모
TEL : 02-2107-3242
E-Mail : genies@tritek.co.kr
아이씨엔 매거진 2007년 03월호

자동차 내부의 각종 제어 장치들간의 통신을 위해 개발되고, ISO 국제 표준으로 제정된 CAN(Controller Area Network)은 지난 10여년 이상 자동차를 비롯하여, 공장자동화, 의료기기, 우주항공, 크레인, 파이프라인 등 다양한 산업 분야에서 적극 사용되고 있다. < 편집자 주>
CAN(Controller Area Network)은 원래 자동차내의 각종 계측제어 장비들간에 디지털 직렬 통신을 제공하기 위하여 1988년 Bosch와 Intel에서 개발된 차량용 네트위크 시스템이다. 처음 CAN을 개발하게 된 동기는 고객들의 차량에 대한 더욱더 많은 기능상의 요구들이 대부분은 전자식으로 작동되며 더욱 많은 배선을 의미하는 또 다른 온-보드 시스템과의 어떤 통신 형태를 필요로 했기 때문이다. 또한 현대 자동차에서의 내부-ECU 통신에 필요한 꾸준히 증가하고 있는 거대한 배선 작업의 문제에 대한 해결책을 제공하기 위해서이기도 하다. 그들의 결론은 모든 온-보드 주변장치들이 부착될 수 있는 하나의 단일 네트워크 버스를 설계하는 것이었다.
CAN은 다른 자동화 통신망들에 비하여 가격 대 성능비가 우수하며, 지난 수년간 차량내의 열악한 환경에서 성공적으로 동작되어 신뢰도가 검증된 통신망이라 할 수 있다.
CAN 칩(chip)은 이미 인텔, 모토롤러, 필립스, NEC, 히타치, 지멘스 등 많은 회사에서 개발하여 상품화했다. CAN은 마스터/ 슬레이브 (master/ slave), 다중 마스터 (multiple master), 피어 투 피어 (peer to peeer) 등을 지원하는 매우 유연성 있는 네트워크이다. 특히 공장의 열악한 환경이나 고온, 충격이나 진동, 노이즈가 많은 환경에서도 잘 견딜 수 있다. 이러한 장점들로 최근에 와서 CAN은 공장자동화와 공정의 분산제어와 같은 각종 산업설비에서 제어 및 자동화 관련 장비들간에 데이터 교환을 위한 통신망으로도 널리 사용되고 있다.
처음 CAN 버스는 마이크로컨트롤러들 간의 통신을 위해 설계되었다. 자동차 분야에서 이것은 엔진 관리 시스템, 변속장치 제어, 계기 팩, 그리고 차체 전자 기술 같은 온-보드 전자 제어 장치(ECUs)들 간의 정보 교환에 사용되곤 한다.
이론적으로 하나의 단일 네트워크에는 최대 2,032개의 디바이스들이 한 개의 CAN 버스(한 개의 ID 번호를 가진 한 개의 노드를 가정)에 연결될 수 있다. 그러나 하드웨어 (즉, 송수신기)의 현실적인 제한으로 인해, 이것은 실제적으로는 한 개의 단일 네트워크에 최대 110개 노드들을 (필립스 82C250 CAN 컨트롤러를 사용) 허용한다. CAN은 최대 1 Mbit/sec 의 데이터 통신을 제공하여, 실시간 제어를 촉진한다. 덧붙여, 오류 제한(Error Confinement)과 오류 탐색(Error Detection) 기능들은 noise-critical 환경들에서의 신뢰성을 더욱 높여준다.
CAN의 계층 구성과 특징
CAN 통신 프로토콜은 CAN 버스에서 디바이스들 통신 사이로 데이터가 전달되는 방법을 명시한다. 이것은 ISO의 개방형 시스템 상호연결 모델 (Open System Interconnection model)을 따르며, 이 모델은 통신 네트워크 표준인 7계층으로 되어 있다. 이 OSI 모델은 두 개 네트워크 노드들 간의 층화된 통신 시스템을 기술하며, 이론상 각 계층은 로컬 모드에서는 오직 자신의 직접적인 위, 아래의 계층들과 통신할 수 있다. 또한 원격 모드에서는 동등한 계층과 통신할 수 있다.
사실 CAN 프로토콜은 데이터 링크 계층과 물리적 계층이라는 OSI 모델의 가장 낮은 두 개 층들로 설명될 수 있다. 애플리케이션 계층 프로토콜들은 개별적인 CAN 사용자들에 의해 개발된 독점 구조, 또는 특정 산업 내에서 사용되는 신생 표준들 중의 하나가 될 수 있다. 자동차 산업에서 많은 제조업체들은 그들 자신의 독점적인 표준을 사용하고 있다.
물리 계층에서, CAN은 광섬유 또는 꼬임-쌍(가장 보편적) 같은 다양한 종류의 매체를 사용하여 잠정적으로 통신할 수 있다. 꼬임-쌍 시그널링은 각각의 전선에서 서로 다른 전압들을 사용하여 실행되므로 한 전선에서의 신호 전압은 또한 다른 전선에서 전송되지만 반전된다. 수신기에서, 이 신호는 한 신호를 반전하고 두 개의 신호를 합해서 복원된다. – 이것은 두 개 전선들에 대해 공통적인 것이므로, 이 방법은 버스상에서 발견된 어떤 노이즈도 줄일 수 있다. 바로 이 과정에서 CAN은 자체의 잡음 면역(noise immunity)과 결함 허용(fault tolerance) 기능들을 유도한다. 두 개의 전선들은 CAN_H (or CAN High) 와 CAN_L (or CAN Low) 로 불린다. 일반적으로 디지털 ‘0’ 의 경우, 관련된 전압은 CAN_H = 3.5V 그리고 CAN_L = 1.5V이다.
CAN 프로토콜에는 여러가지 장점이 있으며, 특히 다음과 같이 5가지로 정리할 수 있다.
1. 표준 통신 프로토콜이므로 다양한 업체에서 제작된 서브들을 공동의 네트워크에 인터페이스시키는 작업을 쉽고 경제적으로 수행할 수 있다.
2. CAN 프로토콜은 수백만의 메시지 확인자를 지원하고 복잡한 메시지 방식을 사용할 수 있는 유연성을 가지고 있다. 또한 에러 발견과 응답은 CAN칩 자체에서 처리되므로 그에 따른 처리가 현저히 감소된다.
3. CPU에서 주변기기로 통신작업이 이양되었기 때문에 CPU는 시스템 태스크만 전적으로 실행할 수 있다.
4. 다중 채널식 통신법이기 때문에 포인터간의 와이어 작업을 줄여 와이어 크기를 대폭 줄일 수 있다.
5. 표준 프로토콜이므로 시장성이 뛰어나고 이로 인해 많은 업체들이 경쟁적으로 CAN칩을 제작하고 있으며, 비용 또한 비교적 저렴하다. CAN 프로토콜은 호스트 CPU에 인터케이스된 CAN 컨트롤러 칩이나, 호스트 CPU에 장착된 CAN 주변장치에서 실행된다.
CAN 애플리케이션
CAN을 사용하는 대표적인 통신망으로는 DeviceNet, SDS, CAN Kingdom, CANopen/CAL 등이 있으며, 이들은 모두 데이터 링크 계층으로 CAN을 사용하나 응용계층은 서로 다른 프로토콜을 채택하고 있다.
1. DeviceNet은 Rockwell/Allen-Bradley에서 개발된 응용계층으로, 현재 폭넓은 산업 자동화 현장에서 사용되고 있으며, 기본적으로 개방 버스시스템을 채택하고 있어 모든 모듈은 같은 우선순위로 버스를 사용할 수 있으며 단 몇 개의 규정만 지키면 된다.
2. SDS(Smart Distributed System)는 미국 Honeywell 에서 개발하였으며, I/O 장비(on/off 스위치, 근접센서 등)와 PLC의 연결에서 사용되며, 기본적으로는 마스터(master)와 원격 I/0사이의 일대일(point-to-point) 연결을 기반으로 한다.
3. CAN Kingdom은 스웨덴 기업인 Kvaser AB가 제공하고 있는 응용계층을 디지털이나 아날로그를 위한 프로파일(porfile) 등을 포함하지 않고 연결되거나 제어되는 시스템을 집약하는 프로토콜을 사용하고 있다. 모든 CAN 우선순위나 ID등을 각자 모듈이 갖고 있는 것이 아니라 중심이 되는 노드 즉, King이라는 것이 갖고 있게 된다.
4. CANopen은 8바이트 이상의 긴 데이터(16바이트)를 전송하는데 효과적이다. 응용계층이 OSI 모델의 형태를 취하고 있으며 이로 인해 데이터 전송을 위해 표준화된 서비스, 프로토콜, 네트윅 관련 작업의 수행과 계층관리를 위한 기능 등을 제공한다.
위의 모든 응용계층들은 모두 ISO 11898 CAN 통신 프로토콜과 CAN 특성의 회로를 기반으로 하여 이루어지고 있다. 그러나 CAN Kingdom이 SDS나 DeviceNet과 가장 특이한 점은 하나의 노드가 시작할 때 시스템을 구성한다는 점이다.
아이씨엔 매거진 2007년 03월호