EtherCAT, 단순 인터페이스를 제공하는 산업용 이더넷 솔루션

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.
이러한 과정에서 기존의 필드버스에 이더넷을 접목한 새롭고 다양한 산업용 이더넷 프로토콜 솔루션들이 개발되어 IEC/ISO 국제 표준을 공인받는데 주력해 왔다. 국제 표준의 공인이 곧 국제 표준 프로토콜로 받아들여지기 때문이다. Profinet, EtherNet/IP, FF HSE, Modbus TCP, EtherCAT, Ethernet Powerlink 등이 대표적인 개방형 국제 표준의 산업용 이더넷 프로토콜들이다.
지난해부터는 이들 산업용 이더넷 프로토콜들이 모션(Motion)과 안전(Safety) 관련 프로토콜을 서둘러 추가하고 있는 중이다. 한편 일본 미쓰비시전기가 제공해 오던 필드버스인 산업용 네트워크 CC-Link도 다른 필드버스에 비해서는 좀 늦은감이 있지만 지난해 ISO 국제 표준으로 공인된데 이어, 최근에는 산업용 이더넷 솔루션 개발에 적극나서 올해말에는 공개될 것으로 전망되고 있다.
이러한 산업용 네트워크에서 국제적으로 산업용 이더넷이 주류기술로 떠오르는 것과 관련하여 국내에서도 이러한 산업용 이더넷 관련 프로토콜들이 협회나 유저그룹 또는 개별 업체를 통해 적극적인 마케팅 및 프로토콜과 제품 소개를 추진하고 있는 중이다. LS산전도 이러한 국제적인 산업용 이더넷에 대한 비중이 증가함에 따라 독자적인 산업용 이더넷 프로토콜 솔루션 개발을 완료하고, 산업용 네트워크 관련 국제 표준을 주도하고 있는 ISO를 통한 국제 표준 상정을 적극 추진함과 함께 국내외적인 유저그룹 및 프로모션 조직 결성을 독자적으로 추진할 것으로 예상된다.
특히 EtherCAT은 2002년에 독일 Beckhoff에서 기술을 개발한 후 2003년 11월에 EtherCAT Technology Group (ETG)을 결성해서 기술을 공개한 개방형 산업용 이더넷 솔루션으로 최근들어 국내에서도 반도체, LCD 장비, 전력기기, 수처리장비 및 포장기기 등에서 현장 개발 및 시스템 적용이 광범위하게 추진되고 있어 주목된다.
EtherCAT Technology Group
EtherCAT은 필드버스의 성능에 대한 새로운 표준을 제시하였다. EtherCAT은 그 취급방법이 간단하고 필드버스와 비슷하면서도 토폴로지에 대한 유연성과 환경설정이 매우 단순하다는 특징을 가진다. 더 나아가 컴퓨터의 이더넷 포트를 그대로 사용할 수 있다는 장점으로 EtherCAT을 구현하는 데 별도의 대규모 투자가 필요없어, 비용부담 때문에 필드버스 네트워크를 선택할 수 없었던 많은 애플리케이션에서도 이제는 EtherCAT을 통해 통신 네트워크를 구축하는 것이 보다 수월해 졌다.
■ 기술소개
필드버스는 자동화 기술의 통합 구성요소라 할 수 있다. 그 동안 필드버스 기술은 테스트와 검증을 거쳤고 이제는 산업 전반에서 광범위하게 정착되었다. PC 기반의 제어 시스템을 광범위한 스케일로 애플리케이션 할 수 있게 만든 것이 바로 필드버스 기술이다. 컨트롤러 CPU – 특히 산업용 컴퓨터의 CPU – 의 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 종속 시스템(보통 주기적인)으로 구성된 수직 계층적 제어구조에 있다. 응답시간은 보통 컨트롤러의 사이클 타임보다 3~5배 더 길어 이것은 불만족스러운 솔루션입니다(그림 1 참조).
필드버스 시스템 상위의 레벨, 즉 네트워킹 컨트롤러(레벨2, 3 또는 그 이상)의 경우에 이더넷은 이미 최신 기술의 위치를 지켜 왔습니다. 드라이브, 또는 I/O 레벨(레벨1)에서 이더넷을 어플리케이션 하는 것이 비교적 새롭다고 할 수 있는데 이것은 필드버스 시스템이 지배하던 영역입니다. 이런 어플리케이션의 주요 요건은 높은 실시간 성능, 소량의 데이터에 적합할 것, 그리고 물론 가격 대비 효율성이 높을 것 등입니다. EtherCAT은 이러한 요건을 충족시키며 동시에 전체 제어 시스템의 수직 계층적 구조의 맨 하부 단인 I/O 레벨에서 인터넷 기술을 가능케 만듭니다.
■ 이더넷과 실시간 성능
이더넷에 실시간 성능을 부여한 솔루션들이 여러가지 있습니다. 예를 들어, CSMA/CD 디바이스 액세스 절차는 더 상위 레벨의 프로토콜 계층을 경유하여 작동불능(disable) 상태가 되며, 시분할 또는 폴링에 의하여 대체됩니다. 패킷을 정밀 제어 방법으로 분산시키는 특별한 스위치를 사용하는 또 다른 방법도 있습니다. 이 솔루션은 연결된 이더넷 노드로 데이터 패킷을 다소 빠르고 정확하게 전송할 수 있는 반면, 출력 또는 드라이브 컨트롤러에 재지시(redirection)를 내리는데 필요한 시간과 입력된 데이터를 읽는데 걸리는 시간은 구현방법에 따라 매우 달라지게 됩니다.
만일 각 디바이스에 대하여 개별적인 이더넷 프레임을 사용한다면, 원칙상 사용할 수 있는 데이터의 속도는 매우 느려지게 됩니다. 가장 짧은 이더넷 프레임은 패킷간 간격(IPG)를 포함하여 84바이트의 길이를 갖고 있습니다.
예를 들어 만일 드라이브가 주기적으로 4바이트의 실제값과 상태정보를 내보내고 그에 따라 4바이트의 명령값과 제어워드 정보를 100% 버스 부하에서 받는다면, 즉 드라이브의 응답시간이 무한히 짧다면 단지 4/84=4.8%만의 가용 데이터 속도를 얻을 수 있게 됩니다. 10㎲의 평균 응답시간에서 데이터 속도는 1.9%까지 떨어집니다. 이 속도한계는 이더넷 프레임 안에서 어느 프로토콜을 사용하는가에 관계없이 이더넷 프레임을 각 디바이스(각 디바이스로부터의 하나의 프레임을 상상하십시오.)로 전송하는 모든 실시간 이더넷 솔루션의 경우에도 적용됩니다.
■ EtherCAT의 동작원리
EtherCAT 기술은 다른 이더넷 솔루션의 본질적 한계를 극복하였습니다. EtherCAT에서는 더 이상 이더넷 패킷을 받지 않으며 모든 디바이스에서 데이터를 해석, 처리하고 복사합니다. EtherCAT 슬레이브 디바이스는 프레임이 노드를 통과하는 동안 그곳에 전달된 데이터를 읽습니다. 이와 유사하게 텔레그램이 통과하는 동안 입력한 데이터가 삽입됩니다. (그림2 참조) 프레임은 겨우 몇 ns 동안만 지연됩니다.
이더넷 프레임이 수신방향과 발신방향 모두에서 많은 디바이스의 데이터를 포함하기 때문에 사용 가능한 데이터 속도는 90% 이상으로 증가합니다. 100BaseTX의 fullduplex특성을 충분히 활용하여 100Mb/s보다 큰 효과적인 데이터 속도를 얻을 수 있습니다.(그림 3 참조)
IEEE 802.3에 따라 이더넷 프로토콜은 개별 디바이스에 이르기까지 손상되지 않고 그대로 있습니다; 서브 버스가 필요하지 않습니다. 터미널 블록과 같은 모듈화 디바이스의 요건을 만족시키기 위해서 커플링 디바이스 내의 물리계층은 twisted pair 또는 광파이버에서 LVDS(Alternative 이더넷 Physical Layer[4,5]에서 표준화됨)로 바꿔질 수 있습니다. 따라서 모듈화 디바이스는 비용 대비 매우 효과적으로 확장될 수 있습니다. 백플레인 물리계층 LVDS에서 100BaseTX의 물리계층으로의 연속 전환은 언제라도 가능하며 이것은 이더넷의 경우 흔한 일입니다.
■ 프로토콜
EtherCAT 프로토콜은 프로세스 데이터에 관하여 최적화되며, 특별한 이더타입(Ethertype)의 도움을 받아 이더넷안에서 직접 전송됩니다. 이것은 여러 개의 EtherCAT 텔레그램으로 구성될 수 있으며, 각 텔레그램은 크기가 약 4기가 바이트까지 될 수 있는 로지컬 프로세스 이미지의 특별한 메모리 영역에 제공됩니다. 데이터 시퀀스는 네트워크 내의 이더넷터미널의 물리적 순서와는 관계가 없습니다: 주소할당은 어떠한 순서로든 가능합니다. 브로드케스트, 멀티케스트 및 슬레이브 간의 통신이 가능합니다. 최대 성능이 요구될 때와 컨트롤러와 동일한 서브넷 안에서 EtherCAT 컴포넌트를 운영할 경우에 direct 이더넷 프레임 전송을 사용합니다.
그러나, EtherCAT 어플리케이션은 하나의 서브넷에 제한되지 않습니다: EtherCAT UDP는 EtherCAT 프로토콜을 UDP/IP 데이터그램 안으로 일괄 처리합니다. (그림4 참조). 이로써 어떠한 이더넷 프로토콜 스택을 사용한 제어도 EtherCAT 시스템으로 보내는 것이 가능해집니다.
라우터를 거쳐 다른 서브넷으로 가는 통신도 가능합니다. 이러한 여러 경우에서, 시스템 성능은 실시간 제어 특성 및 이더넷 프로토콜의 구현에 따라 변합니다. EtherCAT 네트워크 자체의 응답시간은 전혀 제한을 받지 않습니다: 오직 최초의 스테이션 안에서 UDP 데이터그램을 해독해야 하기 때문입니다.
EtherCAT은 마스터/슬레이브 원칙에 따른 데이터 교환외에도 마스터간 또는 슬레이브간의 통신에도 매우 적합합니다. 어드레싱에 제약이 없는 프로세스 데이터의 네트워크 변수 및 파라미터화, 진단, 프로그래밍 및 원격제어를 위한 다양한 서비스는 광범위한 요구사항을 커버합니다. 마스터/슬레이브와 마스터/마스터 통신의 데이터 인터페이스는 동일합니다. 슬레이브에서 슬레이브로의 통신의 경우 두 개의 메커니즘을 사용할 수 있습니다. 업스트림 디바이스는 동일한 사이클 내에서 다운스트림 디바이스와 교신할 수 있으며 따라서 매우 빠릅니다. 이 방법은 토폴로지에 의존하기 때문에 특히 기계 설계시에 주어진 슬레이브간 통신에 적합합니다. (예를 들면 인쇄 또는 포장기 어플리케이션) 자유로이 설정할 수 있는 슬레이브간 통신의 경우 두 번째 메커니즘을 적용합니다: 데이터는 마스터에 의하여 릴레이 됩니다. 여기서 두 개의 사이클이 필요하지만, EtherCAT의 특출한 성능 때문에 이것은 다른 이더넷 솔루션 보다 여전히 빠릅니다.
EtherCAT은 IEEE 802.3 [3]에 따른 표준 프레임만을 사용합니다 – 프레임은 짧게 줄여지지 않습니다. 따라서 EtherCAT 프레임은 이더넷 MAC으로부터 전송할 수 있으며 표준 툴을 사용할 수 있습니다. (예. 모니터)
■ 토폴로지
라인 토폴로지, 트리 토폴로지 또는 스타 토폴로지 : EtherCAT은 어떠한 토폴로지도 지원할 수 있습니다(그림 5 참조). 따라서 캐스캐이드 방식 스위치나 허브의 개수에 대한 수적 제약 없이 버스 또는 어떤 토폴로지 구조의 이더넷에도 사용할 수 있게 되었습니다.
특히 line, branches, stubs의 조합을 시스템 배선에 사용하면 특히 유용합니다: 각 디바이스들은 각각 필요한 인터페이스들을 가지고 있습니다. (예. I/O 모듈들): 추가 스위치는 필요없습니다. 물론 고전적인 스위치 기반의 인터넷 스타 토폴로지도 사용할 수 있습니다. 배선의 유연성은 서로 다른 케이블 선택을 통해 극대화됩니다. 유연하고 저렴한 표준 이더넷 패치 케이블은 100BaseTX 모드에서 신호를 전송합니다. 플라스틱 광 파이버(POF)는 특별한 어플리케이션의 시스템에서 사용될 것입니다. 이더넷 배선의 완벽한 선택은 – 서로 다른 광 파이버 및 동축 케이블과 같은 – 스위치 또는 미디어 컨버터와 조합하여 사용할 수 있습니다. 고속 이더넷(100Base TX, 내장형 네트워크 서버)으로 두 디바이스간의 케이블 길이는 100m까지 가능하게 되었습니다.
65535디바이스까지 연결할 수 있기 때문에 네트워크의 크기는 거의 무제한적입니다.
■ 분산 클럭
공간적으로 분산된 프로세스가 동시 작동을 요구할 경우에는 특히 정확한 동기화가 중요합니다. 예를 들면 여러개의 서보 축이 동시에 좌표 동작을 수행하는 어플리케이션의 경우가 한 사례가 됩니다.
가장 강력한 동기화 접근방식은 IEEE 1588 표준[6]에서 설명한 것과 같은 분산 클럭의 정확한 정렬입니다. 완전히 동기화된 통신과는 대조적으로 (여기서 동기화의 품질은 통신 오류가 발생한 경우에 즉시 영향을 받게 됩니다) 분산 정렬된 클럭은 통신 시스템 내에서 오류와 관련된 지연에 대비하여 높은 수준의 허용 한계를 갖습니다.
EtherCAT의 경우, 데이터 교환은 순수 하드웨어 기계에 완전히 기반을 두게 됩니다. 통신이 로컬 링 구조를 사용하기 때문에 (물리적이기도 한 full-duplex 고속 이더넷 덕택에) 마스터 클럭은 간단 명확하게 개별 슬레이브 클럭에 대한 전달지연 오프셋을 결정할 수 있고 그 반대도 가능합니다. 분산 클럭은 이 값을 기반으로 하여 조종합니다. 이것은 1 ㎲보다 상당히 짧은 시간의 지터를 사용하는 매우 정밀한 범 네트워크적 타임베이스를 사용할 수 있음을 의미합니다.(그림 6 참조)
외부 동기화, 예를 들면 플랜트 사이 동기화의 경우 IEEE 1588에 기반합니다. 그러나 고해상도의 분산 클럭은 동기화에만 사용되는 것이 아니라, 데이터 수집의 로컬 타이밍에 대한 정확한 정보를 제공할 수 있습니다. 예를들어, 모션 컨트롤러는 보통 측정한 위치의 속도를 순차적으로 계산합니다. 특히 샘플링 시간이 매우 짧은 경우, 위치 측정에서 짧은 순간의 지터의 경우일지라도 계산한 속도에 큰 변화를 주게 됩니다. EtherCAT의 경우, 로지컬 확장으로서 타임스탬프 데이터 타입(timestamp data type)을 도입합니다. 고해상도의 시스템 시간은 측정값과 연결됩니다. 이것은 이더넷이 제공하는 큰 대역폭 때문에 가능합니다. 속도계산의 정확성은 더 이상 통신 시스템의 지터에 의존하지 않습니다. 이 분산클럭은 지터 없는 통신을 기반으로 한 측정기술보다 한 수 위의 차원입니다.
■ 성 능
EtherCAT은 네트워크 성능에 있어서 새로운 차원에 도달하였습니다. 슬레이브에서 하드웨어 통합과 마스터에서 네트워크 컨트롤러로의 직접 메모리 액세스 덕분에 완벽한 프로토콜 처리가 하드웨어에서 이루어지며 따라서 실시간 프로토콜 스택, CPU 성능 또는 소프트웨어 구현과는 전혀 무관합니다. 1000개의 I/O에 대한 업데이트 시간은 -I/O 사이클 시간을 포함하여 – 단지 30㎲입니다(표1참조). 1486바이트까지의 프로세스 데이터는 하나의 이더넷 프레임 안에서 교환될 수 있습니다. – 이것은 거의 12000개의 디지털 입력 및 출력과 동일합니다. 이러한 데이터 양의 전송에 드는 시간은 단 300㎲입니다.
100개의 서보 축에 대한 통신 또한 매우 빠릅니다: 매 100㎲마다 모든 축에는 명령어 값과 제어 데이터가 제공되며 실제 위치와 상태를 보고합니다. 분산 클럭 기술은 1㎲보다 훨씬 적은 편차를 가지고 축이 동기화될 수 있도록합니다. 이러한 속도에서 조차 TCP/IP, 파라미터 다운로드 또는 진단 데이터 업로드와 같은 비동기 통신을 위한 충분한 대역폭이 존재하고도 남습니다.
EtherCAT 기술의 매우 높은 성능은 전통적인 필드버스 시스템에서는 실현될 수 없는 제어 개념을 가능케 합니다. EtherCAT을 사용하면, 현대의 산업용 PC의 월등한 계산성능과 조화되는 통신 기술을 사용할 수 있습니다. 버스 시스템은 더 이상 제어 개념의 병목점이 아닙니다. 분산 I/O는 로컬 I/O 인터페이스를 사용하여 가능한 것보다 더 빠르게 기록됩니다. EtherCAT 기술은 스케일이 있으며 100Mbaud에 제한되지 않고 Giga 비트 이더넷까지 확장이 가능합니다.
■ 진 단
필드버스 시스템에 대한 경험상 준공시간 및 시운전 기간이 진단 성능에 따라 크게 좌우된다는 것을 알고 있습니다. 신속하고 정확하게 감지된 오류, 정확하게 찾아낸 오류만이 신속하게 교정될 수 있습니다. 따라서 EtherCAT을 개발하는 동안 우수한 진단 특성에 대하여 특별한 주의를 기울였습니다. 시운전을 하는 동안 노드의 실제 구성은(예. 드라이브 또는 I/O 터미널) 특정 구성을 사용하여 일관성 있게 검사되어야 합니다. 토폴로지 또한 구성과 맞아야 합니다. 맨 하부단 개별 터미널에까지 토폴로지에 대한 인식기능이 있기 때문에 이 검증은 시스템을 시작할 동안에만 일어나는 것이 아니며, 네트워크에 대한 자동 읽기가 또한 가능합니다. (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 감지됩니다: 32 비트 CRC 다항식은 4의 최소 해밍거리(같은 단어길이를 가진 두개의 2진수에 대응하는 각 자리를 비교했을 때 서로 다른 자릿수의 개수)를 갖습니다. 파손된 전선의 탐색과 위치 찾기와는 별도로, EtherCAT 시스템의 프로토콜, 물리계층 및 토폴로지는 각 전송구획의 개별 품질 모니터링을 가능케 합니다. 관련 오류 카운터에 대한 자동평가는 핵심적인 네트워크 섹션의 정확한 위치 찾기를 가능케 합니다. EMI(전자파) 영향과 같은 점진적이거나 변화하는 오류의 출처, 결함이 있는 커넥터, 또는 케이블 손상은 네트워크의 자가치유 능력을 무리하게 사용하지 않을지라도 감지되며 위치를 추적할 수 있습니다.
■ 높은 가용성
높은 시스템 가용성에 대한 점증하는 요구에 따라 네트워크를 가동 중단시킬 필요없이 디바이스를 교체할 수 있는 케이블 redundancy 기능을 제공하게 되었습니다. 케이블 redundancy 기능을 추가하는 것은 비용이 매우 저렴합니다: 라인 토폴로지를 링으로 바꿔주는 케이블 하나와 표준 이더넷 포트(특별한 카드나 인터페이스 없는) 하나가 유일하게 하드웨어로 추가됩니다.
디바이스나 케이블이 고장 난 경우의 switchover는 단 한 사이클만 발생합니다. 따라서 빡빡한 모션제어 어플리케이션 일지라도 문제없이 케이블 오류를 견뎌낼 수 있습니다.
EtherCAT은 또한 hot standby 기능을 갖춘 redundant 마스터를 지원합니다. EtherCAT 슬레이브 컨트롤러가 즉시 자동으로 프레임을 반환하므로 만일 인터럽트가 발생한다면 디바이스의 오류로 인해 전체 네트워크를 중지시킬 필요가 없게 됩니다. 예를 들어, Dragchain 어플리케이션은 케이블 파손에 대비하기 위하여 특별히 stubs로써 환경구성을 할 수 있습니다.
■ 안전 Safety
전통적으로 Safety 기능은 하드웨어를 경유하거나 또는 전용 Safety 버스 시스템을 경유하여 자동화 네트워크와는 별도로 구현됩니다. EtherCAT을 경유한 Safety 디바이스는 동일한 네트워크 상에서 Safety 관련 통신 및 제어 통신을 가능케 합니다. Safety 프로토콜은 더 낮은 계층에 영향을 주지 않는 EtherCAT의 어플리케이션 계층을 기반으로 합니다. 이것은 IEC 61508에 따라 승인되며 Safety Integranted Level (SIL)4의 요건을 만족시킵니다. 데이터의 길이는 가변적이어서 프로토콜을 Safety I/O 데이터와 Safety 드라이브 기술에 똑같이 적합하게 만들게 됩니다. 다른 EtherCAT 데이터와 같이 Safety 데이터는 Safety 라우터나 Gateway 없이 경로를 설정할 수 있습니다. EtherCAT을 통한 Safety 디바이스를 특징으로 하는 최초로 충분히 입증된 상용 제품이 이미 출시 중입니다.
■ PCI를 대신하는 EtherCAT
PC 구성요소의 소형화 추세가 증가하면서 산업용 PC의 물리적인 크기는 점점 필요한 슬롯의 개수에 의하여 결정되게 되었습니다. 고속 이더넷의 대역폭은 EtherCAT 통신 하드웨어의 프로세스 데이터 대역폭과 함께 새로운 방향을 가능케 하였습니다: 전통적으로 IPC (산업용 컴퓨터)의 슬롯에 장착되는 카드 타입의 인터페이스는 지능형 EtherCAT 인터페이스 터미널로 바뀌어가고 있습니다(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 있습니다.
프로토콜 변경에 대한 제한 없이 더 많은 이더넷 디바이스 조차도 분산된 스위치 포트 디바이스를 경유하여 접속시킬 수 있습니다. 중앙 IPC는 더 소형화되고 있으며 따라서 좀더 가격 대비 효율적이 되고 있습니다. 주변기기와의 완벽한 통신을 위하여 하나의 이더넷 인터페이스면 충분합니다(그림 8 참조).
■ 디바이스 프로파일
디바이스 프로파일은 어플리케이션 파라미터와 디바이스 class-specific state machine을 포함하는 디바이스의 기능적 동작을 설명합니다. 많은 디바이스의 경우 (예를 들어 I/O 디바이스나 드라이브 또는 밸브) 필드버스에서 이미 신뢰할만한 디바이스 프로파일을 제공합니다. 사용자는 이러한 프로파일과 관련 파라미터 및 툴에 친숙합니다. 따라서 어떠한 EtherCAT 특유의 디바이스 프로파일은 개발한 적이 없습니다. 대신 기존 디바이스 프로파일을 위한 단순한 인터페이스를 제공하고 있습니다.
이것은 기존의 필드버스에서 EtherCAT으로 옮겨가는 과정에서 사용자와 디바이스 제조업체에 많은 도움을 주고 있습니다.
■ EtherCAT으로 CANopen을 사용하는 기술(CoE)
CANopen 디바이스와 어플리케이션 프로파일은 예를 들어 I/O 부품, 드라이브, 엔코더, 비례밸브 및 유압 컨트롤러로부터 플라스틱 또는 직물 기계류를 위한 어플리케이션 프로파일에 이르기까지 광범위한 디바이스들과 어플리케이션에 사용할 수 있습니다. EtherCAT은 CANopen [7] EN 50325-4 메커니즘과 동일한 통신 메커니즘을 제공할수 있습니다 : 오브젝트 딕셔너리(OD 객체사전), PDO(process data object) 및 SOD(service data object) – 네트워크 관리까지도 가능합니다. 따라서 EtherCAT은 CANopen을 장착한 디바이스에 대해서는 최소의 노력으로 구현할 수 있습니다. CANopen 펌웨어의 대부분은 재사용이 가능합니다. 오브젝트는 EtherCAT에서 제공하는 더 큰 대역폭을 떠맡기 위하여 선택적으로 확장할 수 있습니다.
■ EtherCAT으로 IEC 61491에 따른 서보 드라이브 프로
파일을 사용하는 기술(SoE) SERCOS 인터페이스는 특히 모션 제어 어플리케이션을 위한 고성능 실시간 통신 인터페이스로서 전세계적인 인정과 명성을 얻고 있습니다. 서보 드라이브와 통신기술을 위한 SERCOS 프로파일은 IEC 61491 표준[8]에서 다루고 있습니다. 이 서보 드라이브 프로파일은 EtherCAT에 매우 쉽게 맵핑시킬 수 있습니다. 서비스 채널과 모든 파라미터로의 접근 및 드라이브에 내재하는 기능들은 EtherCAT 메일박스(그림 9 참조)를 기반으로 합니다. 여기서 또한 중점을 둔 것은 기존의 프로토콜(IDN의 값, 특성, 이름, 단위 등에 대한 액세스)과의 호환성과 데이터 길이 한계에 관한 확장성입니다. AT 및 MDT 데이터의 형태를 갖는 SERCOS의 프로세스 데이터는 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러 메커니즘을 사용하여 전송합니다. 매핑은 SERCOS 매핑과 유사합니다.
EtherCAT 슬레이브 state machine은 SERCOS 프로토콜 phases에 쉽게 매핑 시킬 수 있습니다. EtherCAT은 이 프로파일을 위한 발전된 실시간 이더넷 기술을 제공하는데 이것은 특히 CNC 어플리케이션에 널리 퍼져 있습니다. 디바이스 프로파일의 장점은 EtherCAT에서 제공하는 장점과 결합됩니다. 분산 클럭은 정확한 범 네트워크적 동기화를 보장합니다. 명령어 위치, 속도 또는 토오크를 선택적으로 전송할 수 있습니다. 구현방법에 따라서 드라이브를 위한 동일한 설정 툴을 지속적으로 사용하는 것도 가능합니다.
■ EtherCAT으로 이더넷을 사용하는 기술(EoE)
EtherCAT 기술은 이더넷과 충분한 호환성이 있을 뿐 아니라“설계”적 측면에서도 특별한 공개성을 특징으로 합니다: 프로토콜은 다른 이더넷 기반의 서비스와 동일한 물리적 네트워크상의 프로토콜도 받아들입니다 – 보통 성능손실이 최소일 때 조차. 스위치 포트를 경유하여 EtherCAT 세그먼트 안에 접속할 수 있는 이더넷 디바이스 유형에는 제한이 없습니다.이더넷 프레임은 EtherCAT 프로토콜을 경유하며, 이것은 인터넷 프로토콜의 표준 접근방식입니다.
(예. VPN, PPPoE(DSL 등). EtherCAT 네트워크는 이더넷 디바이스에 대하여 완전히 투명하며 실시간 특성은 손상되지 않습니다 (그림 10 참조).
EtherCAT 디바이스는 다른 이더넷 프로토콜의 특징을 추가적으로 가질 수 있으며 따라서 표준 이더넷 디바이스 처럼 동작할 수 있습니다. 마스터는 주소 정보에 따라서 개별 디바이스로 프레임의 방향을 재설정하는 layer 2 스위치처럼 작동합니다. 따라서 통합 웹 서버, 이메일, FTP 전송 등 모든 인터넷 기술은 EtherCAT 환경에서도 사용할 수 있습니다.
■ EtherCAT으로 파일 액세스를 하는 기술 (FoE)
TFTP와 유사한 매우 단순한 이 프로토콜은 디바이스 내의 어떠한 데이터 구조에 대해서도 접근을 가능하게 합니다. 따라서 TCP/IP를 지원하는지 여부에 상관없이 디바이스에 대해 표준화된 펌웨어 업로드가 가능합니다.
■ 인프라 구축 비용
EtherCAT에는 허브나 스위치가 필요하지 않기 때문에 파워서플라이, 설치 등을 포함하는 디바이스들에 관련된 비용을 절약할 수 있습니다. 만일 환경조건이 이를 허용한다면 표준 이더넷 케이블과 표준 저가 커넥터를 사용할 수 있습니다. 보호를 필요로 하는 환경일 경우에는 IEC 표준에 따라 실링한 커넥터를 사용합니다.
■ 요 약
EtherCAT은 뛰어난 성능, 매우 단순한 배선과 다른 프로토콜을 위한 공개성을 특징으로 합니다. EtherCAT은 전통적인 필드버스 시스템이 그 한계에 도달한 곳에서 새로운 표준을 설정하고 있습니다: 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 있습니다. 값비싼 인프라 구성요소가 필요 없습니다. 물론 선택적으로 EtherCAT은 다른 이더넷 디바이스를 통합하기 위하여 스위치를 사용하는 고전적인 방법으로 배선할 수도 있습니다.
다른 실시간 이더넷 솔루션들이 컨트롤러 내에서 특별한 접속을 필요로 하는 반면에, EtherCAT의 경우에는 온 보드 MAC 또는 표준 이더넷 카드(NIC)면 충분합니다.
EtherCAT은 어플리케이션 분야가 넓습니다: 마스터와 슬레이브 사이, 슬레이브와 슬레이브사이 및 마스터와 마스터 사이의 통신이 지원됩니다(그림 11 참조). EtherCAT을 통해 Safety 디바이스도 사용할 수 있습니다.
EtherCAT은 이더넷을 제어 시스템의 맨 위 레벨에서 맨아래 I/O 레벨에 이르기까지 기술적으로 실행가능하고 실속있게 만듭니다. 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 점입니다.
아이씨엔 매거진 2007년 06월호