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.
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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
EtherCAT : Ethernet Control Automation Technology
