모션 네트워크에 던지는 새로운 기술-아이씨엔매거진

SERCOS로 대표되는 전통적인 모션 네트워크 시장에 기존 필드버스 계열의 네트워크들이 적극적인 시장진입을 추진하고 있다. EtherCAT, Profinet IRT에 이어 EtherNet/IP CIP Motion이 새롭게 제시되어 모션 제어 시장에 새로운 변화를 추구하고 있다. [편집자 주]

산업용 통신 네트워크에 이더넷이 적극 도입되고, 산업 자동화에서 실시간성을 확보한 모션 제어가 광범위하게 요구되면서 실시간 모션 네트워크에서의 기술발전이 빠르게 진행되고 있다.

이는 고기능 디지털 서보 드라이브에 의한 제어가 일반화되는데 따른 것이다. 전통적이 아날로그 모션 제어 네트워크의 경우에는 싱글 드라이브에서 조차도 수십가닥의 와이어를 필요로 했으며, 전자파 노이즈가 심했다. 반면에 디지털 제품은 이러한 단점을 일시에 해결했다. 더구나 아날로그에서 불가능했던 운전중 각종 제어 정보 입력 및 수정이 가능할 뿐만 아니라, 소프트웨어 패키지에 의해 드라이브 컨피규레이션의 자동화가 가능해졌다.

한편, 산업용 이더넷은 기존의 네트워크가 기반으로 설정하고 있던 OSI(Open System Interconnection) 7계층 모델을 무너뜨리고 있어 주목된다. 기존의 OSI 7계층에서 필드의 1, 2계층에서 곧바로 3, 4, 5, 6계층을 뛰어넘어 정보관리 레벨인 7계층으로 연결함으로써 더욱 손쉽게 네트워크 통합 시스템을 구축할 수 있도록 지원하게 된 것이다.

이러한 가운데 기존의 모션 네트워크들도 이더넷의 개방성과 대중성을 받아들이기 위한 노력을 경주하고 있다. SERCOS III, SynqNet, PMAC, Profinet IRT, Ethernet Powerlink, EtherCAT 등이 대표적인 모션 네트워크로서 시장 선점에 적극 나서고 있다. 여기에 최근들어 EtherNet/IP 진영에서 CIP Motion 프로토콜을 발표하면서 모션 네트워크 시장에 새로운 도전장을 던져 주목된다.

모션 네트워크 현황

1) SERCOS III
1990년대초 처음 개방형 모션 네트워크로 발표되면서 산업 자동화 분야에서 큰 관심을 집중시켰던 SERCOS(IEC/EN 61491)는 이후 기술문서에 대한 고가정책과 현장에 적합한 기술적인 지원과 개발이 곧바로 뒤따르지 못하면서 성장 기회를 잡지 못하는 아쉬움을 남겼다. 우여곡절끝에 이더넷의 최신 기술들을 수용하는 새로운 기술들이 본격적으로 개발되고 발표되면서 이제 새롭게 SRTCOS가 주목받기 시작했다.
SERCOS III의 경우에는 2003년에 프로토타입의 SERCOS III 시스템이 발표된 이후, 최근에는 SERCOS III를 지원하는 컨트롤 칩이 상용화되었다. 이로써 SERCOS III는 개방화된 서보 드라이브 디바이스 인터페이스로써 산업분야에서 최고의 인지도를 확보하고 있다.

2) EtherCAT
EtherCAT은 구성과 설치가 간단하고 이더넷 토폴로지에 관계없이 256개의 디지털 I/O에서 11us, 1000개의 디지털 I/O에서 30us(0.03ms), 100개의 서보 축에서 100us의 업데이트 타임이라는 고속성을 확보하고 있다. 특히 IEEE 802.3 표준 이더넷 프레임을 채용하여 다양한 이더넷 디바이스들을 EtherCAT 디바이스들과 함께 사용할 수 있도록 했으며, 기존에 개발된 다양한 이더넷 소프트웨어 솔루션도 동시에 사용할 수 있다는 장점을 가진다.
다른 프로토콜들과 달리 EtherCAT는 마스터/슬레이브 구조를 가지기 때문에, 케이블 이중화 기능이 손쉽다. 이 기능에 의해 연결된 EtherCAT 슬레이브 중의 어느 하나가 고장이 나더라도 나머지 슬레이브들은 계속 EtherCAT 마스터와 통신이 가능하다.

3) PMAC
델타타우에서 제안한 PMAC의 경우에는 실시간 모션 네트워크로써 가장 강력한 파워를 자랑한다. 특히 반도체 및 FPD 디스플레이, 전기전자 분야에서의 하이엔드 시장에서 큰 호응을 얻고 있다. PMAC는 모션 컨트롤러와 서보 드라이브간의 인터페이스를 위한 모션 전용의 네트워크로서 주기적이고, 양방향 통신 및 리얼타임 결정성을 특징으로 한다. 또한 100Mhz 이더넷과 광통신 분산 데이터 인터페이스 기술을 이용하여 모션 컨트롤에서 요구되는 엄격한 리얼타임 요구를 충족시키기 위한 프로토콜 및 타이밍 기술을 확보하고 있다.
이러한 고기능 실시간 네트워크로서의 지위에도 불구하고 PMAC은 복합 시스템에서 하드 와이어링이 복잡하고 현장 적용을 위한 프로그래밍에서 고도의 기술을 필요로 한다는 사용자 편의성 측면과 기술 접근 경로에서의 어려움을 안고 있다. 그럼에도 고기능 모션 컨트롤 시스템 분야에서 큰 영향력을 지속하고 있으며, 최근에는 국내시장에서 확장성이 높은 UMAC 컨트롤러가 부각되고 있다. 이는 다양한 형식의 축 컨트롤 카드를 혼합하여 사용할 수 있어 2축 또는 4축 단위로 펄스-아날로그-직접 PWM 제어를 선택할 수 있고, 최대 32축까지 제어가 가능하고 128축까지 확장이 가능하다.

4) SynqNet
SynqnNet은 컨트롤러와 드라이브를 연결할 수 있도록 완전히 디지털화된 모션 컨트롤 인터페이스이다. 싱크넷의 물리계층은 이더넷의 물리계층인 100 Base-T를 표준으로 한 IEEE 802.3을 기반으로 한다. 싱크넷의 데이터 링크와 응용 계층은 MEI사에 의해서 개발된 것이다. 100 Based-T 미디어 시스템은 ANSI TP-PMD 물리적 미디어 표준에 발표되었던 특성을 기반으로 한다.
100 Based-T 시스템은 두 가닥의 배선을 통해 운영되는데 하나는 데이터 수신용이고, 다른 하나는 데이터 전송용이다. 따라서 입출력 라인을 공유하는 표준 이더넷에 비해 싱크넷은 입출력 라인을 별도로 분리한 완전 이중화 구조로 입출력 데이터의 충돌이 전혀 없다는 장점을 가진다. 국내에서는 FPD 분야를 중심으로 한 하이엔드 분야 모션 시스템에서 실적을 쌓아가고 있는 중이다.

5) Profinet IRT
Profinet은 통합 통신에 기반하여 TPC/IP는 물론 개방형 IT 표준의 무제한적 동시 사용에 근간을 두고 있다. 따라서 시각을 다투는 Time-Critical, 실시간 신호들의 전송을 가능하게 한다. 이는 오늘날 필드버스 시스템들이 보내는 신호와 동일한 반응시간을 얻을 수 있음을 의미한다.
이와 같은 수준의 수행능력은 표준 컴포넌트들을 통해서 달성될 수 있다. 보다 진보한 단계는 고성능, 등시성 모션 컨트롤 애플리케이션용으로 설계된 등시성 리얼타임(IRT; Isochronous Real-Time) 기능을 갖춘 PROFINET을 사용하는 것이다. 이로써 Profinet IRT는 1ms 미만의 반응시간과 등시성 전송 및 1us 이하의 지터 값 등의 결정적 실시간 가용능력을 제공하며, 필요한 모든 요구조건들을 충족한다.

6) Ethernet Powerlink
BnR Automation이 프로모션중인 Ethernet Powerlink는 수많은 서보축과 I/O들을 정확하게 동기화하고 제어하는데 상당히 빠른 반응시간을 가진다. 일례로 8개의 서보 드라이브(BnR의 ACOPOS), 수백개의 I/O, 수십개의 서보모터, 5개의 이미지 인식 시스템과 CANopen 장치 등이 제공되는 BnR의 한 모션 솔루션은 모든 장치가 500us 이상의 빠른 싸이클 타임으로 작동이 가능하다.

7) EtherNet/IP CIP Motion
EtherNet/IP
EtherNet/IP는 그 이름 자체를 분석함으로써 가장 잘 이해할 수 있다. ‘EtherNet’ 부분은 수정되거나 독점적 버전이 아닌 이미 만들어져서 일반적으로 널리 판매되는 EtherNet(IEEE 802.3)과 TCP/IP 수트를 말한다. 반면에 ‘IP’는 산업용 프로토콜(Industrial Protocol)의 약자로서 이 네트워크를 구별하는 요소이다. 많은 산업용 Ethernet 옵션과는 달리 EtherNet/IP는 이미 입증된 개방형 프로토콜을 애플리케이션 층, 즉 CIP에서 사용한다. 그러므로 EtherNet/IP는 Ethernet TCP/IP에 배치된 CIP라 할 수 있는데, 이는 DeviceNet이 CAN(Controller Area Network)에 배치된 CIP인 것과 같다.
작동 방법적인 측면에서 EtherNet/IP는 TCP/IP를 사용하여 각 패킷이 애플리케이션 데이터를 갖고 있을 뿐만 아니라, 데이터의 의미와 데이터에 대해 수행할 서비스도 운반하는 명시적인 메시지를 전송한다. EtherNet/IP는 또 보다 높은 성능과 암시적 메시징이라고도 하는 실시간을 위한 멀티태스트 기능을 제공하는 표준 UDP/IP(User Datagram Protocol/Internet Protocol, TCP/IP 수트의 일부) 전송 서비스도 활용한다. ODVA에서는 이러한 이유를 들어 “EtherNet/IP는 EtherNet의 TCP/IP를 산업용으로 확장한 것”이라고 강조한다. ‘TCP/IP’ 캡슐화라고 불리는 접근방식은 공통 애플리케이션 계층을 Ethernet상에 적용하는 것이라는 것. 여기에 새롭게 CIP Motion 기술이 더해지면서 EtherNet/IP는 결정론적 실시간 폐쇄 루프 모션 제어의 여러 요구사항을 ‘표준’ 이더넷과 자연스럽게 통합했다고 전한다. 이는 IEEE 802.3 및 TCP/IP 등의 이더넷 표준과 완전한 호환을 의미한다.

EtherNet/IP와 CIP Motion
EtherNet/IP에 CIP Motion 기술이 합쳐지면서 다축 분산 모션 제어에 필요한 개방형, 고대역폭, 고성능 솔루션이 제공된다. CIP Motion은 CIP(Common Industrial Protocol)의 확장 버전으로 고성능 다축 동기화 모션에 필요한 기능을 제공한다. CIP Motion에는 한 벌의 응용 프로파일이 들어 있어서 드라이브 안에서 위치, 속도 및 토크 루프를 설정할 수 있다. 여기에 ODVA의 CIP Sync 기술이 합쳐지는데, 곧 IEEE 1588 호환 정밀 클럭 동기화가 CIP 객체 모델에 들어가 있다. 따라서 다축 조정을 통해 정밀 동기화 모션 제어가 가능해 졌다.
또한 동일한 프로파일을 사용하는 범용 드라이브와 모션 제어 드라이브에 공통 응용 인터페이스와 서비스를 제공하는 확장 가능한 포괄적 솔루션이므로, 스타 토폴로지 및 트렁크라인-드롭라인 같은 표준 이더넷 토폴로지와의 호환이 가능하다.

결정론에 대한 솔루션
일반적으로 다축 모션 제어는 이벤트 기반 동기화를 사용하는데 주기(Cyclic) 데이터가 네트워크 전반에 예정대로, 시간을 엄수해 절대적으로 정확히 전달되어야 한다. 정밀한 속도 및 위치 제어를 위해서는 주기 데이터에 1us 미만의 지터가 필요하나 이더넷의 CSMA/CD 데이터 계층은 1us 미만의 지터로 데이터를 전달할 수 없다. 이 결정론 문제로 인해 표준 원형 이더넷을 모션 제어에 사용하는 것이 불가능하게 보였으나, ODVA는 EtherNet/IP로 이더넷의 4개 하위 계층 중 어느것도 바꾸지 않으면서도 표준 원형 이더넷과 TCP/UDP/IP로 이 제한을 극복했다.
CIP Motion이 합쳐진 EtherNet/IP는 결정론 전략을 바꿔가면서 문제를 해결한다. 네트워크 인프라에서 엄격한 결정론 요구사항을 제거하고 애플리케이션의 실시간 제어 요구를 처리하는데 필요한 타이밍 정보는 최종 장치에 맡겨진다. 그 결과 표준 원형 이더넷을 사용해 폐쇄 루프 드라이브 작동에 필요한 고성능 결정성 높은 제어를 전달할 수 있다. 200ms 이상의 우수한 클럭 동기화가 쉽게 실현될 수 있으므로 제아무리 까다로운 모션 제어 응용 요구도 충족된다. 최종 장치에서 클럭이 정확히 동기화되므로 메시지 수령 시간에 발생하는 약간의 지터는 중요하지 않다. 메시지 정보에 시간이 찍혀 있기 때문이다. 1ms안에 모든 축에 대해 네트워크를 업데이트하면서 100개의 축까지 조정할 수 있다.

시간 동기화 분산 제어
모션 응용과 관련하여 EtherNet/IP를 활용할 경우 ‘시간 동기화 분산 제어’라는 접근법이 사용되는데, 시간이 찍힌 데이터 패킷에서 주기 데이터 전달시 지터가 1us 미만이어야 하는 엄격한 요구 사항을 완화해 준다. 이 접근법의 핵심은 CIP Sync에 있으며, 여기서 CIP 관련 시간 동기화 서비스가 정의된다. 반면에 이 시간 서비스에서는 시간 동기화 분산 제어 계획에 사용되는 패킷 타이밍 스탬핑의 분산 시간 기준을 제공한다. 시간 동기화로 분산 노드 전반에 걸친 서비스 동기화가 가능하다.

CIP Sync는 네트워크 측정 및 제어 시스템용 정밀 클럭 동기화 프로토콜인 IEEE 1588 표준화 완전히 호환된다. 이 혁신적인 접근법으로 CSMA/CD 데이터 링크 계층은 특정 드라이버나 ASIC으로 교체될 필요가 없다. 동시에 IEEE 802.3과 완전히 호환될 뿐 아니라 강력한 솔루션으로 고성능 디지털 드라이브의 폐쇄 루프 작동에 필요한 성능을 발휘한다.

CIP Motion은 IEEE 802.3과 완전한 호환성을 유지하면서 다음과 같은 이점을 제공한다.
– 이더넷 칩과 스위치, 라우터 같은 인프라 구성 요소를 포함한 표준 이더넷 하드웨어 구성 요소의 사용. 여기서 표준 양산 상용 구성 요소와 인프라를 사용할 수 있기 때문에 시스템 비용이 줄어든다. 또한 공장 작업장의 이더넷 네트워크가 더는 ‘특수’하거나 ‘회사 전유물’이 아니라서 쉽게 구할 수 있는 표준 이더넷 도구로 지원을 받을 수 있다.
– 네트워크 수케줄이 필요없다. 네트워크 스케줄을 잡다 보면 구성 복합성이 늘어난다.
– 패킷 크기와 내용을 동적으로 변경할 수 있다. 상태, 명령 데이터의 동적 포함이나 삭제, 동적 드라이브 작동 모드 변경 같은 기능이 수월해진다.
– 특수 스위치나 게이트웨이를 사용하지 않아도 이더넷 IEEE 802.3 호환 장치를 네트워크에 상주시킬 수 있다.
– 스타 및 트렁크라인-드롭라인 같은 표준 이더넷 토폴로지와 호환이 가능하다.
– 사용자와 장치공급자 편에서 보다 높은 성능을 원할 경우 1 Gbps 및 10 Gbps로 업그레이드하는게 아주 수월하다.

CIP Motion 프로파일
EtherNet/IP에 사용되는 CIP 응용 프로파일의 포괄적인 서비스와 장치 프로파일 집합을 사용하면 광범위한 기능과 장치 지원이 가능하다. CIP Motion은 드라이브 제어에 중점을 둔 확장을 정의함으로써 CIP 기능을 확장한다.
– 서보 드라이브와 가변속 드라이브의 토크, 속도, 위치제어
– 드라이브 구성, 상태, 진단 특성과 서비스
– 유니캐스트 컨트롤 to 드라이브 통신
– 멀티캐스트 피어 to 피어 통신
– 중앙 집중 및 분산 모션 지원
CIP Motion 프로파일은 가변 속도 드라이브와 서보 드라이브에 공통 구성 서비스, 공통 상태 및 진단 서비스, 공통 응용 명령 지원이 가능하므로 이 드라이브들을 응용 단계에서 상호 교환할 수 있다. 컨트롤러 to 컨트롤러 통신은 분산 위치, 속도 변속, 캐밍 같은 기능에 초점을 맞춘다. 다중 분산 컨트롤러들의 위치와 속도가 동기화됨으로써 드라이브가 제어된다. 또한 최첨단 모션 제어 기술을 이용해 포괄적인 최신 프로파일을 제공한다. 부동점 데이터를 사용하므로 정수 계산 및 스케일링과 일반적으로 관련되는 복잡성이 제거된다.

원형 이더넷을 기반으로
공장 설비내에서 이더넷의 장점은 여러 상이한 네트워크를 하나의 네트워크로 통합하는 것인데 이것은 공통적인 교육과정, 하나의 도구 집합으로 한번에 설치할 수 있다. 이더넷 상에서의 분산 모션 제어는 이 목표를 실현하는 마지막 퍼즐 조각중 하나이다. 그리고 ODVA는 EtherNet/IP와 CIP Motion으로 표준 원형 이더넷을 기반으로 하는 실시간 폐쇄 루프 모션 솔루션을 제공하고 있다. IEEE 802.3 및 TCP/IP와의 호환성 유지 덕분에 표준 이더넷 구성 요소와 인프라를 사용할 수 있을 뿐 아니라, 특수 스위치나 게이트웨이 없이도 IEEE 802.3 호환 노드에 대한 지원이 가능하여, 향후 발전될 이더넷 지원도 가능하다.

CIP Motion이 합쳐진 EtherNet/IP로는 100개의 축 조정을 통한 정밀 동기화 모션 제어가 가능하다. CIP Motion은 가변속 드라이브와 서보 드라이브, 유니캐스트 컨트롤러 to 드라이브 통신, 멀티캐스트 컨트롤러 to 드라이브 통신, 컨트롤러 to 컨트롤러 통신을 포괄 지원한다. EtherNet/IP는 CIP Motion 확장을 통해 현장 장치와 모션 드라이브를 동일한 네트워크에 통합할 수 있어 별도의 모션 최적화 네트워크가 불필요하게 된다. 따라서 시스템 비용이 낮아지고 시스템 성능이 향상되며 시스템 복잡성이 크게 축소된다.

마치며
SERCOS와 같은 전통적인 모션 네트워크들은 I/O, VFD(Variable Frequency Drives), 근접센서, 리미트 스위치 등과 같은 다양한 분산화된 필드 디바이스를 모두 지원하는데에는 많은 한계를 가진다. 이에 많은 현장 애플리케이션에서는 DeviceNet이나 Profibus DP와 같은 필드 디바이스 네트워크를 추가하고 있다.

동일한 제어 네트워크에서 고기능 서보 드라이브와 다른 필드 네트워크들을 모두 지원함으로써 EtherNet/IP CIP Motion은 이러한 문제들을 일시에 해결할 수 있다. CIP Motion은 IEEE 802.3과 TCP/IP를 원형 그대로 사용함으로써 기존에 상품화되고 지속적으로 발전하는 이더넷 기술과 서비스를 별도의 스위치나 게이트웨이 없이도 그대로 적용할 수 있는 것이다. 또한 제공되는 디바이스 프로파일을 통해 단순한 VFD로부터 고기능 서보 드라이브에서 다양한 크기의 모션 제어 연결성을 제공한다.

CIP Motion이 과연 기존의 SERCOS III와 어떤 차별성을 통해 산업 현장에서 모션 제어 애플리케이션에 시장을 형성해 나갈 것인지 기대된다.

아이씨엔 매거진 2006년 11월호