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산업용 이더넷 네트워크의 최근 동향과 EtherCAT의 주요 특징(2)

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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.
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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힐셔, 산업용사물인터넷 지원 netIOT 활용방안 제시

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힐셔 netIOT

산업용 통신 솔루션 선두업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 11월 2일(금), 인터컨티넨탈 서울 코엑스에서 기자 간담회를 개최하여 힐셔의 혁신적인 netIOT 전략 및 netIOT 인터페이스의 다양한 솔루션을 활용한 IoT 기술 활성화 방안에 대해 소개하는 자리를 가졌다.

힐셔 netIOT

netIOT

힐셔 프로덕트 매니저인 크리스토프 훙어(Christof Hunger)는 “IoT 시장이 성장함에 따라 설비 제조업체들은 필드 디바이스의 정보를 기반으로 예방적 유지보수, 상태 모니터링과 같은 새로운 클라우드 기반의 부가가치 서비스를 구현하고자 한다”며 “힐셔는 디바이스 제조업체들이 힐셔의 netIOT 인터페이스 솔루션을 이용해서 산업용 이더넷, 트랜스페어런트 이더넷(Transparent Ethernet)과 함께 OPC UA 서버 및 MQTT 클라이언트 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 더욱 집중하였고, 힐셔 솔루션을 통해 고객들이 스마트 팩토리를 구축하는데 도움이 되길 바란다.” 라고 말했다.

인더스트리 4.0과 IIoT는 4차 산업혁명으로 센서에서 클라우드까지 지속적인 통신을 요구한다. 힐셔는 이를 산업용 클라우드 통신이라 칭하고 고객들이 Industry 4.0, 스마트팩토리 및 IoT를 구현하도록 돕기 위해서 힐셔 netIOT 제품군이라는 솔루션을 구축하고, 지속적으로 프로모션을 진행하고 있다. netIOT는 netIOT 서비스(Service), netIOT 엣지(Edge), netIOT 인터페이스(Interface)와 같이 총 3개의 영역으로 구분된다. 특히 netIOT 인터페이스는 IoT 기능을 갖는 netX기반의 통신제품으로 netIC IOT와 같은 모듈형 제품을 생산 및 공급하고 있다.

힐셔 넷프록시

netPROXY

 

netIC IOT는 필드 디바이스용 지능형 멀티 프로토콜 모듈로 하나의 하드웨어만으로 모든 Real-Time Ethernet 슬레이브 프로토콜을 지원한다. OEM 고객들은 엔지니어링 툴을 이용하여 고객 어플리케이션 소프트웨어에서 한번만 개발하면 되는 고객 디바이스용 프로토콜 독립형 객체 모델을 생성한다. 네트워크 프로토콜 변경은 툴 내에서 ‘Build Process’를 통해 전적으로 진행되기 때문에 어플리케이션에 필요한 네트워크 별 조정이 없으며 OEM은 정확히 하나의 하드웨어와 소프트웨어 설계로 진정한 멀티 프로토콜 디바이스를 구현할 수 있다.

힐셔코리아 원일민 지사장은 “스마트 팩토리의 구축에 있어 가장 중요한 포인트는 IT영역과 OT영역의 연결에 있다”고 언급하며, “힐셔는 netIOT를 통해 시스템 설치시 발생할 수 있는 리스크를 최소화시킬 수 있게 하고자 한다. 기존OT영역의 사용자들이 IT영역으로 데이터를 전송하거나 클라우드에 연결함에 있어서 사용자의 실수나 의도치 않은 수고를 덜어줄 수 있는 제품과 서비스를 지원하고 있어 시스템 설계나 설치시 발생할 수 있는 오류나 리스크를 최소화 시켜준다”고 덧붙혔다.

힐셔 netIOT 제품에 대한 자세한 설명은 홈페이지 https://www.hilscher.com/products/product-groups/industrial-internet-industry-40/ 에서 확인할 수 있다.

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[포토] PTC, 3D CAD에 증강현실 접목해 디지털 트윈 현실화

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'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

(사진. PTC 코리아)


PTC코리아가 10월 18일 개최한 ‘2018 코리아 CAD 서밋’에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다. PTC의 3D CAD 소프트웨어 크레오(Creo®) 5.0은 디지털 트윈 솔루션을 현실화한 세계 최초이자 유일한 기술로 제품의 면면에 증강현실을 적용하여 물리적 세계와 디지털 세계를 연결한다. (사진. PTC 코리아)

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2016 스마트테크쇼, 6월 8~10일 코엑스서 개최

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인공지능 시대를 전망하고 사람을 위한 스마트 기술을 소개하는 ‘2016 스마트테크쇼(Smart Tech Show 2016)’가 6월 8일부터 10일까지 코엑스에서 개최된다. 

본 행사는 ‘Smart Tech for Human’라는 슬로건 아래, ▲드론/로봇 ▲가상/증강현실 ▲에듀테크 ▲스마트 모빌리티 ▲리테일테크 ▲3D프린팅 등 주요 이슈를 선정하여 국내 대표 스마트 기술 컨퍼런스 및 전시회를 개최하며, 관련 산업 간의 시너지를 창출할 수 있는 비즈니스의 장을 마련한다. KT, LG전자, ADT 시큐리티, 프로차일드, 한국과학기술원, 경북대학교 산학협력단 등 각 분야별 주요 기업·기관 125개사 400부스 규모로 이루어질 예정이다. 

유통과 IT산업의 융합을 위한 자리로 스마트 기기 체험과 첨단 리테일 솔루션을 접목한 리테일&테크 특별관이 구성되어 IT/유통산업 관계자를 대상으로 앞으로의 IT 리테일샵이 나아갈 방향을 제시한다. 더불어 한국마이크로소프트와 SGA임베디드 주최로 ‘스마트 리테일에 최적화된 MS IoT 솔루션 세미나’를 개최하여 리테일에 스마트한 혁신을 가져올 솔루션을 소개하는 자리를 마련한다. 

◇인공지능 시대, 일자리 전망 콘퍼런스 개최 

본 전시회와 더불어 ‘인공지능 시대의 일자리 창출과 직업능력 개발’을 주제로 분야별 전문가를 초빙하는 전문 콘퍼런스가 6월 8일과 9일 이틀간 열린다. 

첫째 날은 IBM 김연주 상무와 국내 대표 뇌공학자인 카이스트 정재승 교수의 기조강연과 핀란드 미래학자 마르쿠 윌레니우스(Markku wilenius) 교수의 특별강연을 시작으로 스마트기술의 산업과 일자리에 대해 블록체인OS 박창기 대표와 한국직업능력개발원 김영생 박사의 강연이 이어질 예정이다. 

둘째 날은 ‘새로운 일자리 창출 엔진으로서의 VR 그리고 교육훈련 플랫폼으로서의 가능성’에 대한 한국VR산업협회 현대원 회장의 발표와 ‘에듀테크가 가져올 교육의 혁명적 변화를 주제’로 휴넷 조영탁 대표의 기조연설 후에 스타트업 케이스 스터디를 통해 스마트시대에서 일하기 위한 우리의 성공 전략을 짚어볼 예정이다. 

◇드론에 스마트 기술의 미래를 담다 

드론 관련 신기술 촉진과 국내 드론산업 활성화를 목적으로 6월 대규모 드론 이벤트가 열린다. 드론톤은 우수한 엔지니어와 창의적인 메이커들이 드론 관련 기술을 뽐내는 자리로, 4인 1조로 팀을 꾸려 드론을 직접 제작하고 완성된 기체로 드론 게임을 진행하여 완성도와 비행능력을 종합하여 우승자를 가리게 된다. 

드론 조작에 능숙한 유저라면 도전해 볼 만한 대회도 있다. 다양한 장애물 통과 미션을 통해 드론 실력자를 가리는 ‘드론챌린지’가 9일 개최된다. 우승자에게는 최신 스마트 모빌리티가 수여되며, 참가를 원하는 이는 한국FPV협회 홈페이지를 통해 신청 가능하다. 

그밖에 스마트카, O2O, 핀테크 등 분야별로 이루어지는 테크니컬 세미나와 국내 대표 엑셀러레이터간 의 공동 데모데이를 통해 참가기업과 바이어 간의 비즈니스 기회를 마련한다. 

본 행사는 홈페이지에서 온라인 사전등록 시 무료로 관람할 수 있다.

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