이더넷기반의최적화된 산업용 필드버스 EtherCAT
성장하는 기술, 성장하는 EtherCAT
트라이텍 유진수
산업용 이더넷기반 네트워크의 다양성과 표준성이 어우러지면서,현재의 시스템은 한 발자국 더 나아갈 준비를 마쳤다. 이더넷기반의필드버스들을 구축함으로써, 더 빠르고 정확하게 정보 및 데이터를 교류할 수 있게 되었고,더 나아가 향상된 시스템의 구축이 가능하다. 이러한네트워크들이 표준성을 띠며, 서로를 견제하는 시대에 EtherCAT이란 네트워크가이 영역에 발을 들인 건 불과 20년 채 되지 않았다. 현재의모든 네트워크들이 원가 절감과 성능 향상을 위해 경쟁하고, 각각의 협회들이 이를위해 노력하고 있는 시점에서 우린 왜 고객들이 어떠한 차이로 네트워크를 선택하게 되는지 알아볼 필요가 있다
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EtherCAT은 국제표준의 산업용 네트워크로서, 산업용 이더넷 솔루션을 제공하고 있다.2016년 11월 기준, 공식적으로가입된 ETG(EtherCAT Technology Group) 회원사의 수는 4029곳에 달하며 이 증가치는 꾸준히 성장하고 있다. 2008년 평일기준으로 회원사 한 곳이 가입하는 성장세를 이루었고, 2013년에는 매일 한 곳이추가로 가입을 했다. 작년 2016년 기준으로는매년 500개가 넘는 회원사가 ETG(EtherCAT TechnologyGroup)에 가입하는 기염을 토해내고 있으며, 전 세계의 65개국에서회원사가 분포되어 있다.
EtherCAT이 처음파생된 유럽에서 차츰 아시아 국가에 회원사들이 증가하는 추세이며, 아시아 회원사들만 2016년 11월 기준1515 곳에 달한다. 더 나아가 2015년 11월과 2016년 11월,일 년 사이에 아시아 지역에서만 260개가 넘는 회원사가 가입을했다. 한국의 경우. 2016년 11월 기준214개의 회원사가 활동 중이며, 2015년 11월부터2016년 11월까지 31개의 회원사가새로이 가입했다. 이것은, 실제로EtherCAT이 세계적인 네트워크로 뻗어 나아가고 있다는 점과 EtherCAT이 전세계적으로 각광 받고 있다는 점을 보여주고 있다.
EtherCAT의 장점이무엇인지 궁금해 하는 분들이 많다. 첫 단락에 EtherCAT의 세계화를꼽은 이유는, EtherCAT ASIC 또는 FPGA를 개발하고공급하는 회사가 하나 혹은 소수의 회사에 종속 되지 않고, 다양한 업체에서 서로공급하고 있으며, 이로써 고객들의 입장에서 선택의 권한이 많아진다는 점과 더불어,특정 브랜드에 종속되지 않고도, 다양한EtherCAT 솔루션을 구축 할 수 있다는 것이다. 그렇다면,네트워크 개발자들이 말하는 부분들이 고객들에게 어떻게 쉽게 접근할 수 있는지 짚어 봐야 한다.
1. 대부분의 필드버스는 개방형이다.
현재 개방형 프로토콜로 공식화된 네트워크가 비약적으로 늘어난 상태이자,또는 개발 중이다. 그러나 모든 필드버스가개방형이라면, 우리가 주목해야 할 부분은 얼마나 많은 마스터 및 컨트롤러 메이커가 해당 네트워크를 지원하고 있느냐하는 것이다. 강력한 마스터 벤더가 대부분의 필드버스 기술을 대변하지만,모든 마스터 벤더들이 큰 규모인 것만은 아니다. EtherCAT의 경우마스터(Controller) 벤터들만 196곳이다.EtherCAT Drive 벤더들은 163곳에 달하며,EtherCAT Drive 제품 종류만 500개 이상이다.108곳에 달하는 업체가 EtherCAT I/O 벤더로 있으며,1000개가 넘는 IO 제품들을 공급 중에 있다.한 네트워크에 다양한 벤더들이 존재한다는 것은 그만큼 선택의 폭이 다양해진다는 점을 의미하며,EtherCAT을 지원하는 벤더들의 제품들은 호환성이 뛰어나다. 그 실예로,24개의 벤더들이 만든 각각 다른 35개의 축들을 EtherCAT네트워크 하나로 동기화 해냈다. 비공식적으로 세계 신기록에속한다.
2. 실시간성통신을 위한 이더넷
실시간성 통신을 지원하는 이더넷기술이 각광받고 있다는 것은 기정사실이고,많은 업체들이 자신의 필드버스를 부각시키고 싶어한다. 이러한실시간 이더넷기술을 만족 시키기 위해서는 3가지의 문제점을 해결해야한다.
대역폭이용도
Stack딜레이
Switch딜레이.
이 세가지를 만족시키고 더 보완시켜야 하는 것이 모든 이더넷기반 필드버스들의 공통적 목적이다. 반대로말해, 이 세가지를 만족시켜야만 개방형 이더넷 프로토콜이라 다룰 수 있다.
일반적인 이더넷 프레임은 84 byte가 필요하다.하지만, 84 byte 보다 더 적은 프레임의byte들만을 필요로 한다면, 이더넷 프레임이 사용할수 있는 대역폭 활용도는 낮을 수 밖에 없다. 다시 말하자면,활용상 만족도가 떨어진다는 결과다. 이러한 부분을 보완한네트워크들이 현재에 사용되는 이더넷 기반 프로토콜이라 할 수 있다.
이더넷 프레임의 대역폭 활용도
Stack 딜레이는 어떠한 빅 데이터가 전송되는 과정에서 처리량만큼 시간이늘어난 다는 것을 의미하는데, 산업용 이더넷 프로토콜의 stack이 클수록프로세싱하는 시간 또한 길어진다. 이 점을 보완하는 것이 이더넷기반 프로토콜을 만족시키는 것이다.
아래는 독일 Softing사가 동일하드웨어 구성으로 Profinet, 이더넷/IP와 EtherCAT의 Stack딜레이를 비교한 표이다.
Stack 딜레이비교 표
세 번째로 만족시켜야 하는 부분이,Switch 딜레이다. 모든 Switch들은 저장과전송기능을 사용하는데 Switch를 많이 거치면 거칠수록 이로 인해 발생되는 딜레이,Jitter와 버퍼들에서 자유로워지지 못한다는 것이다. 네트워크토폴로지 구성 시, 거치는 모든 단계적 스위치를 줄이는 것이 목표다.
Switch 딜레이
위와 같은 3가지 문제점들을 EtherCAT은 해결해냈다. EtherCAT은 아주 빠른 산업용 이더넷기술이라 말하는데,스펙은 아래와 같다.
분산된 1000개의 디지털IO를 30μs안에, 또한 100개의 서보 축들을 매 100μs 안에 데이터를 처리할수 있으며,EtherCAT은각각의 I/OSlice들에연결되기 때문에, 보조 Bus 또한 필요치 않는다. 의외의 비용차지가 많이 요구되는 Hardware 구성 부분에서 EtherCAT은 CAT5이상의 LAN 케이블만을 요구하기 때문에, 부가적인 추가 비용이절감되는 효과도 누릴 수 있다. 실시간성의 정의는 현재진행형이란 말이 아닌, ‘주어진 시간 안에 요구된 데이터 처리를 완료하는 것’이다. EtherCAT은 이러한 부분을 충족시킬수 있는 최적화된 프로토콜이다.
그렇다면 EtherCAT은 어떻게 빠를 수 있는 것일까? 일반적인 버스 시스템구조는CPU와독자적인 I/O사이클이존재하고,이것들이통신하기 위해서는 별도의 Gateway가 필요하다. 하지만 EtherCAT은 실시간성을 IO 레벨로 맞췄기 때문에, 실시간적으로 I/O 레벨에서 Read/Write가 가능하고, 이 때문에, 처리속도는 향상 될 수 밖에 없다. 더 나아가 입출력, 센서, 엑츄에이터, 드라이브, 디스플레이 등등이 모두한 시스템에 공존 할 수 있다는 것도 크나큰 장점이다.
일반 버스 시스템
EtherCAT 버스 시스템
EtherCAT을 간략하게설명해보자면, EtherCAT은 유연한 토폴로지를 가진 고성능,저비용의 사용하기 쉬운 산업용 이더넷 기술이다. 2003년 처음발표된 EtherCAT은 2007년 국제표준이 되었다. EtherCAT은 ETG(EtherCATTechnology Group)이란 협회에서 기술발전과 홍보에 주력하고 있으며, 가입은EtherCAT 제품을 사용하지 않더라도 회사 홈페이지만 존재한다면 누구나 쉽게가입 가능하고, EtherCAT 관련 문서, 기능 및소식들을 접해볼 수 있다. (문의: ㈜트라이텍코퍼레이션, 02-2107-3242)
EtherCAT의 동작원리의중요한 기능은 EtherCAT 노드들이 이더넷 프레임을 어떻게 처리하는 지에 달려있다.각 노드는 프레임이 이동하는 동안 자신에게 전달된 데이터를 읽고 자신의 데이터를 모두 프레임에 기록한다.또한 앞서 언급했듯이, Switch나 Hub의 필요성을없애면서 대역폭 이용률을 높일 수 있다. EtherCAT이 프레임을 처리하는독특한 방법으로 가장 빠른 산업용 이더넷기술이 될 수 있다. 이와 별도의 기능적 특징으로자유로운 토폴로지 구성이 가능하다. EtherCAT 네트워크는 토폴로지의 제한을 받지 않는다.Line, Tree, Star, 등등의 다양하고 유연한 토폴로지를 지원하며, 최대 65535개의 디바이스들을연결 할 수 있다는 것이 큰 매력이다. 물리적으로 최대 100M까지 I/O들을 붙여사용 할 수 있으며, 각각의 보안 기능들인 HotConnect, Hot Swap과 Ring형 토폴로지 이중화 기능도가능하다.
또 다른 장점으로, 다용도성이 향상되었다. EtherCAT은 중앙 집중 시스템구조 및 분산 시스템 구조 모두에 적합하고, 마스터 대 슬레이브, 마스터 대 마스터, 슬레이브 대 슬레이브 통신 모두를 지원한다. 상위 또는 하위의 필드버스와 통합하여 여러 필드버스와의 호환성 또한 우수하다. 더 나아가 편리성 또한 증가되었다. 노드들의 address가 자동으로 설정되고, 또한 네트워크 설정이 별도로 필요하지 않게 되었다. EtherCAT이 다른 산업용 이더넷 보다 사용하기가 쉽다고 말하는 이유는, 네트워크 구성 시 별도의 Switch를 사용하지 않아, Switch 딜레이를 줄이고, MAC 또는 IP address의 복잡한 조작이 요구되지 않는다. 또한 다른 산업용 네트워크들이 각각의 표준화된 케이블들을 사용하는 것에 비해, 단지 필요한 것은 EtherCAT 마스터를 지원하는 LAN 카드와 케이블은 LAN 선 뿐이다.
필드버스는사용하기 쉬워야 한다. 개방형에 모든 기능을 만족하고,원하는 스팩을 구현 하는 것에 문제가 없는 네트워크라도, 적용이어렵다면 완벽한 산업용 네트워크라 보기 어렵다. EtherCAT이란 이름을 처음 알린2003년과 국제 표준이 된 2007년 이후로도,EtherCAT의 버전은 단 하나다. EtherCAT은 단순 기능 업데이트를제외하고는 하나의 EtherCAT 버전만이 존재하기 때문에,별도의 업데이트 또는 기능적인 수정 또한 필요치 않다.
EtherCAT은 빠르기만할 뿐 아니라. 사용이 용이하고, 비용 절감을 가져오며,시스템 향상에 기여할 수 있다. 하지만 모든 필드버스들이위와 같은 이익을 얘기한다. 모든 필드버스들이사용성이 뛰어나다 말한다. 실질적인 문제는 얼마나 많은 노하우를 보유하고 있으며,구성하기 위한 노력이 얼마나 필요한가 이다. 분명 사용하기쉽다고는 하지만, 읽어야 되는 문서가 수백 가지에,필수적으로 알아야 할 기능들이 셀 수 없이 많다면, 그 누구도쉽게 접근하기 힘들다. EtherCAT의 사용적 쉬움과 하드웨어의 간소화는 비용 절감을 이끌어 낼 수있다.
추가적인 기능으로는 이중화 기능과 Safety 기능 이다. 이 두 가지 기능이 각광받는 이유는 현장에서의 시스템 에러가 치명적인 사고 또는 손실로 이어질 수 있기 때문이다. EtherCAT의 이중화 기능은 다음과 같다. EtherCAT 마스터에서 RX와 TX Unit들이 각각의 슬레이브에서 송수신되며 통신하는 것이 보통의 방식인데, 이러한 구성은, 어떠한 결함으로 인하여 통신이 단절되는 현상이 발생 시, 큰 문제로 야기될 수 있는 부분을 해결 가능하다. EtherCAT은 링 토폴로지로 케이블 이중화 구성이 가능하다. 노드가 작동중인 상태에서 모듈을 교체 가능하며, 이 기능으로 어떠한 에러 발생 시, 대처가 용이하다. EtherCAT 이중화를 택하는 이유 가운데 중요한 포인트는 단지 통신 복구뿐만 아니라 통신 단절 이후, 이중화를 통하여 통신 백업을 위한 Switch over time이 15μs안에 가능하다. 이는 아주 짧은 시간 안에 통신이 복구되기 때문에, 시스템적인 결함으로 발생하는 손해 및 피해요소를 최소화 할 수 있다. 구성 방법 또한 내부적 세팅은 TwinCAT으로 이뤄지며, 마스터와 관련 라이브러리, LAN port, LAN선 한 개씩만이 추가적으로 필요하다. 또 하나의 추가적 기능인 Safety는 현대 산업 현장에서는 필수적인 요소이다. 위협요소로부터 또는 Critical한 문제로 야기되는 현장 위험들을 사전에 방지하고 발생 후에도 안전하게 대처할 수 있는 기능이다. EtherCAT도 safety와 표준 정보들이 들어있는 ‘Black Chanel’을 사용한다. EtherCAT Safety 기능은 Safe기능과 기본통신이 하나의 채널에서 이루어지고, 이로 인해 필드버스와 인터페이스들을 줄일 수 있는 효과를 볼 수 있다. 또한 하나의 툴에서 중앙집중식 구성, 진단, 유지보수 또한 가능하다. 이러한 Safety 어플리케이션으로 EtherCAT을 완벽하게 사용할 수 있다. Safety는 반응시간을 단축 시키고 제한 없이 노드를 구성할 수 있으며, 네트워크 확장성 또한 우수하다.
확장성과 다양성이 갖춰진EtherCAT Safety
EtherCAT의 Safety는 각각의기능들을 Safety 로직으로 구성 가능하다.이러한 Safety 기능은 기본이 되는 통신들과하나의 채널에서 이뤄지며, 이로인해, 필드버스와의불필요한 인터페이스들을 줄일 수 있게 된다.
이러한 기능들은 결과적으로
* 반응시간 단축
* 제한 없는 Node 구성
* 우수한 네트워크 확장성
* 케이블 이중화 구성
* Hot Connect를 통한 높은 유연성
을 도출해 낼 수 있다.
현재 세계에서 27개의 회사가EtherCAT Safety 벤더로 있으며, Safetyover EtherCAT을 지원하고 있다.
Industry 4.0은 현재 뜨거운 이슈로 자동화 산업 현장에 오르내리고 있다. 산업현장에서 Industry 4.0이 대두되는 가운데, 기계와 기계간의 통신을 위한 프로토콜, 특히 OPC UA가 더욱 큰 비중을 차지하게 되었다. EtherCAT은 Industry 4.0을 위해 OPC 협회와 2015년 4월, 최초로 MoU를 맺는다. 그 후로, 현재 상용되는 필드버스들이 앞 다투어 가입하기에 이른다. 아래 그림은 MoU 체결 전, EtherCAT으로 구성했을 시, Industry 4.0 아키텍처이다. 이 당시는, 상위 클라우드는 OPC-UA 밖에 지원하지 않았다.
이전EtherCAT 구성시 Industry 아키텍처
아래 그림은 현재 EtherCAT으로 Industry4.0을 구성했을 시, 보여주는 아키텍처이다.
현재EtherCAT 구성시 Industry 아키텍처
EtherCAT의 RT-이더넷통신 방식에서 사용하는 Publisher/Subscriber의 개념을 가져왔으며,TSN(Time-Sensitive Networking) 도입을 위해 현재 개발중에 있다. 다시 말해, OPC UA의 Publisher와 Subscribe의 개념을도입하여 OPC 기술을 확장시키고, TSN 관련 프로젝트들이 계속해서박차를 가하고 있다. 추가적으로, 클라우드를지원 및 제공하여, 자동화 세계로 EtherCAT 프로토콜을대입시키고 있고, 현재 관련 제품 또는 통신 서플리먼트가 이미 보급 중에 있으며,상위 클라우드와 더욱 원활한 연결을 위해 AMQP 또는MQTT 등등 기능을 지원하고 있다.
현재 자동화 구성 기술들은 이미 많이 발달되어 있다.문제는 그 자동화 기술들을 어떤 프로토콜로 통합하여, 사용하냐는것이 관건이다. 흔히, Industry 4.0은 자동화와 IT의 융합이라표현한다. 그만큼 프로토콜이 차지하는 비중 또한 높아졌고, Industry4.0의 구현을 위해 얼마나 많은 기능들이 지원되고 또는 개발되고 있는지에 초점을 맞출 필요가 있다.그러므로, EtherCAT은Industry 4.0을 위해 충분히 준비된 프로토콜이라 할 수 있다.
EtherCAT의 관심도가나날이 급증하고 있다. 실례로, EtherCAT 협회에서발표한 자료에 따르면, 2015년을 기준으로 세계 반도체 시장의TOP10 (Applied Materials, Lan Research, ASML etc.)이 이미 모두 EtherCAT을 표준화로채택 및 사용하고 있고, 반도체 시장에서 이들이 차지하는 비율은 75%가 넘는다.이들 모두는 ETG(EtherCAT Technology Group)에 가입하고있으며, Beckhoff 또는 EtherCAT 벤더들을통해 시스템을 구축하고 있다. 또 하나의 예로, 2016년4월, 독일 Hannover 전시회에서Toyota의 구로다 부장은 EtherCAT 부스에 직접 발걸음 하여,EtherCAT을 표준 네트워크로서 Toyota 공장의 industry4.0에 사용하겠다 공표했다.
Toyota 구로다부장과 EtherCAT Technology Group 협회장 MartinRostan
결정적으로Toyota에서 EtherCAT을 채택하게 된 이유는EtherCAT P 이다. Toyota는 설계구조가 복잡해짐으로 야기되는 유지보수 및 원가 절감의 문제를 해결하길 원했다. Industry4.0 공장 구축을 위해, IP 67 타입의IoT 터미널들을 사용해야 하고, 거의 모든 제품들이 파워선과통신선이 분리된 구조로 두 개의 케이블을 사용한다. 하지만 EtherCATP는 이 두 개의 선을 하나로 합치면서, 케이블이 반으로 줄어버렸다.
EtherCAT과EtherCAT P의 차이
이로 인해, 원가가 절감되고,유지보수가 용이해 졌기 때문에, Toyota가 원하는이상적인 자동화 생산 라인을 구축할 수가 있는 것이다. 하나의 선으로 공장 라인을설비하기 때문에, 구성이 매우 간결해 질 수 있다.
자유로운 구성이 가능한EtherCAT P
위의 그림과 같이 엑츄에이터, 센서,비전제품 및 I/O 컴포넌트 또한 한 시스템에구성가능하다. EtherCAT P가 Toyota 뿐만 아니라,다른 자동화 공장에서 관심을 보이는 이유는 역시 성능 향상이다. 케이블가격의 절감과 더불어 공간의 최적화에도 한 몫을 한다. 또한 부가적인 파워 서플라이를제거 할 수 있고, 장비에 단일 M8 타입의케이블링이 가능하다. 한 개의 케이블로 EtherCAT +2 x 24V DC(Up, Us)을 4개의 선을 담을 수 있으며,24V에서 630V AC와 850VDC 및 64A까지 이상적으로 확장하여 사용할 수 있다.총 가능 길이는 0.15M에서 최대 50M까지 가능하고,기본 EtherCAT과 같은 스펙을 갖는다.아래의 표는 다른 필드버스들과 EtherCAT P의 퍼포먼스를비교한 자료이다.
EtherCAT P와 다른상용 필드버스 비교표
기존의 EtherCAT 제품들과의 호환성도 살렸다.IP20 타입의 제품과 IP67 타입의 제품들을 서로호환하여 구성 할 수 있다. 더불어 기존 사이클 타임 또한 <100μs까지 가능하며,DC(Distributed Clocks의 동기화가 << 1μs이하로 또한 단일 샘플링 능력 또한 << 1μs이내에가능하다.
IP20타입과IP67 타입의 혼합 구성
Industry4.0이 자동화 산업 필드에 급 물살을 탄 이 시점, 구현도중요하지만, 구현 후의 관리 또한 중요한 포인트다. EtherCAT은 구현과관리라는 두 마리 토끼를 잡은 필드버스라 소개할 수 있다. 어떠한 필드버스보다 빠르게데이터를 습득 및 처리할 수 있고, 이 데이터들을 유지보수 기능 또한 고객들에게 향상된 기술로 맞출수 있다. 제조업의 완전한 자동생산체계 구축, 생산 과정의최적화를 목적으로 하고, 현저히 발전하고 있는 기술들 사이에서 경쟁력이 필요하다면,EtherCAT P 또한 눈여겨볼 기술이다.
현재 EtherCAT으로 시스템을구현 사례를 쉽게 찾아볼 수 있다. 찾아볼 수 있는 사례가 늘어나는 것과 비례해,더 다양한 분야에 접목되고 있는 것도 사실이다. 실례로,세계 최대 모바일 3D 프린터 화사인 FastbrickRobotics Ltd에선, 새로 개발한3D Bricklaying 기계를 EtherCAT으로 구현하였다.Fastbrick Robotics CTO, mark Pivac씨의 인터뷰를 인용하자면,“많은 수에 달하는 드라이버들을 다루는데 EtherCAT은 아주뛰어난 산업용 필드버스 기술이다. 또한 개방형 필드버스로써 경쟁 장비에 대응하여,폭 넓은 선택권을 가질 수 있다”라고 말했다.또 하나의 흥미로운 사례로, EtherCAT은 지구에만 존재하는것이 아니다. 우주선 안에 RJo Joystick을 EtherCAT과EtherCAT Chip로 구현해 내었다. 이제EtherCAT은 전세계 어디에 존재해도 이상할 것이 없다.
현대에 상용되는 네트워크는 많다.그만큼 선택의 폭이 넓어졌고, 다양한 통신으로 구성이가능하다. 다만 선택하기 전에, 얼마나 많은 벤더들이Know-How를 지원하고 있으며, 어떤 방식 또는 제품으로원가 절감과 성능 향상에 도달하고 있는지가 던져진 문제라면, EtherCAT이란 답에 도달할 수있을 것이다. EtherCAT이 최초로 언급되어 발표된 것이 2003년이라는점을 감안하면, 지금 EtherCAT이 누리고 있는 명성에비해, 그 기간은 매우 짧다. 우리는 왜 그러한지에대한 이유를 생각해볼 필요는 있다.
[출처] 월간 무인화기술 / 2017. 04
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