도래한 Industry 4.0 및 IIoT 시대 정답은 ‘EtherCAT’이다 [월간CONTROL 2017/12]

EtherCAT Technology Group Korea(이하 ETG Korea)가 지난 11월 8일과 10일 각각 서울과 광주에서 EtherCAT 로드쇼를 진행했다. 이번 행사는 벡호프, 트라이텍을 비롯한 르네사스, 고시다코리아, 아코닉스, 에이디링크, HMS, MEC, 인피니온, 파커의 10개사가 후원해 EtherCAT 기술동향 및 각사의 EtherCAT 적용사례를 발표했다. 세계 최대의 산업용 이더넷 및 필드버스 조직인 ETG는 현재 65개국 4,500개 회원사를 통해 EtherCAT 기술을 제공하고 있다.

이번 행사에서는 ETG 그룹의 Martin Rostan 전무이사가 EtherCAT 기술의 기초부터 시작해 주요 특징, 진단 및 문제해결, 슬레이브 구현 방법 등 EtherCAT의 모든 것을 순차적으로 설명함과 동시에 후원사로 참여한 10개사가 각각 EtherCAT을 적용한 자사 솔루션을 소개하는 자리를 가졌다.

Martin Rostan 전무이사는 ‘Unmodified Ethernet for Industrial Automation?’이란 주제를 통해 이더넷 및 인터넷 기술에 관한 자세한 특성 및 자동화 시스템에 적합한 속성에 대해 자세히 설명했으며, ‘EtherCAT Technology Basics and Features: Ethernet on the fly’라는 주제를 통해 EtherCAT 입문서, 작동 방식, 주요 기능 원리 및 성능 등에 대해 소개했다.

EtherCAT의 중요한 기능적 원리는 EtherCAT 노드(디바이스)들이 이더넷 프레임을 어떻게 처리하는가에 있다. 각 노드는 프레임이 이동하는 동안 자신에게 전달된 데이터를 읽고, 그리고 자신의 데이터를 모두 프레임에 기록한다. 이러한 동작 원리는 스위치나 허브의 필요성을 없애면서 대역폭 이용률을 높일 수 있다. 또한 토폴로지에 제한을 받지 않으면서 최대 65,535개의 디바이스들을 연결 할 수 있으며, EtherCAT에서 이용하는 고속 이더넷 방식의 물리적 연결은 두 개의 디바이스들 사이의 거리를 최대 100m(330 ft.)까지 허용하며, 더 먼 거리는 광섬유의 사용으로 가능하다. 여기에 토폴로지의 유연성을 더할 수 있는 추가적인 기능으로 디바이스들에 대한 Hot Connect와 Hot Swap 기능 그리고 링 토폴로지를 통한 이중화 지원 등이 가능하다.

왜 ‘EtherCAT’인가

‘EtherCAT Diagnostics and Troubleshooting’과 관련해서는 EtherCAT 마스터 및 슬레이브의 탁월한 진단 기능에 대한 개요 및 가동 시간 극대화, 시스템 중단 시간 최소화 및 네트워크 문제 해결을 지원하는 시스템에서 이들이 어떻게 사용되는지에 대해 설명했다.

기존 필드버스 시스템을 살펴보면 진단 특성이 기계의 가용성과 시운전 시간을 결정하는데 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있는데 오류 감지와 더불어 빠른 오류 위치 확인은 문제를 찾아내는 과정에서 매우 중요한 요소가 되고 있다. EtherCAT은 네트워크가 시작하는 동안 실제 네트워크 토폴로지와 계획된 토폴로지를 스캔하고 비교할 수 있는 기능을 포함하고 있으며, 그것의 시스템에 내제된 많은 추가적 진단 기능들을 가지고 있다. 각 노드에 있는 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러는 이동중인 프레임의 오류를 Checksum을 이용해서 검사하며, 프레임이 올바르게 수신될 때만 정보가 슬레이브 애플리케이션에 제공된다. 만약 약간의 오류가 있다면 오류 카운터가 증가되고, 다음의 노드들은 프레임이 오류를 담고 있다고 것을 알게 된다. 또한 마스터 디바이스는 프레임이 결함이 있다는 것을 감지하고, 정보를 폐기할 것이며, 마스터 디바이스는 노드의 오류 카운터를 분석함으로써 시스템의 어디에서 결함이 처음 발생했는지 감지할 수 있다.

쉽고 강력하며, 비용절감을 극대화

‘How to implement an EtherCAT Slave’ 관련 해서는 EtherCAT 구현이 얼마나 쉽고, 빠르며, 비용절감이 가능한지 설명하고, 사용 가능한 하드 및 소프트웨어 도구와 포괄적인 문서 및 지원에 대한 간략한 개요를 설명했다.

구성, 진단, 유지보수는 시스템 비용에 원인이 되는 모든 요소로 이더넷 필드버스는 이런 일을 아주 쉽게 만든다. EtherCAT은 자동적으로 어드레스를 할당하도록 설정될 수 있는데 이는 수동 구성의 요구를 제거한다. 낮은 버스 부하와 peer-to-peer 방식의 물리적 연결은 전자기 노이즈 내성을 향상시키며, 시스템이 시작되는 동안 네트워크는 어떤 불일치도 감지하기 위해 계획된 레이아웃과 실제 레이아웃을 비교한다. 또한 EtherCAT 성능은 네트워크 튜닝의 필요성을 제거함으로써 시스템을 구성하는 동안에 도움을 준다. 큰 대역폭(bandwidth) 덕분에 제어 데이터와 함께 추가적인 TCP/IP를 전송할 수 있는 능력이 있으나 EtherCAT 자체는 TCP/IP에 기반을 두지 않기 때문에 MAC-주소나 IP-주소를 관리하거나 또는 IP 전문가들에게 스위치와 라우터를 설정하게 할 필요가 없다.

또한 EtherCAT은 최고 수준의 필드버스 시스템의 비용과 유사한 또는 심지어 낮은 가격으로 산업용 이더넷의 특징을 제공하는데 마스터 디바이스에 의해 요구되는 유일한 하드웨어는 이더넷 포트이며, EtherCAT 슬레이브 컨트롤러는 다른 포맷으로 다양한 제조사로부터 구입 가능하다. 이런 저렴한 컨트롤러들이 모든 time-critical한 작업들을 떠맡고 있기 때문에 EtherCAT 자체는 슬레이브 디바이스 CPU의 성능에 관한 어떤 요구도 하지 않아 디바이스 비용을 낮춰준다. 또한 스위치나 다른 인프라 구성요소들을 필요로 하지 않기 때문에 이 구성요소들과 그들의 설치비용, 환경 설정, 유지보수가 필요없다.

EtherCAT이 곧 IoT이다

‘EtherCAT and Industrie 4.0/Industrial Ethernet of Things/TSN’과 관련한 주제를 통해 EtherCAT이 Industrie 4.0과 IoT 개념에 어떻게 녹아들 수 있는지 설명했다.

EtherCAT은 기본적으로 고성능, 유연성 및 개방형 인터페이스를 통해 디지털 변환의 요구사항을 충족한다. 탁월한 시스템 성능은 네트워크 제어를 위한 빅데이터 기능 추가의 필수 구성요소이다. EtherCAT은 컨트롤러를 수정하거나 슬레이브 디바이스를 업데이트하지 않고도 기존 시스템에 클라우드 연결을 추가할 수 있는 유연성을 제공한다. Edge Gateway는 EtherCAT 마스터의 Mailbox Gateway 기능을 통해 모든 EtherCAT 슬레이브 디바이스 내 데이터에 액세스할 수 있다. Edge Gateway는 원격 장치이거나 TCP 또는 UDP/IP를 통해 마스터와 통신하거나 EtherCAT 마스터 자체와 동일한 하드웨어에 직접 위치한 소프트웨어 독립체일 수 있다. 또한 개방형 인터페이스를 통해 OPC UA, MQTT, AMQP 등을 포함한 모든 IT 기반 프로토콜을 마스터 내에서 또는 슬레이브 장치에 직접 통합할 수 있다. 따라서 센서에서 클라우드로의 연결 중단없이 IoT에 대한 직접적인 링크를 제공한다.

이러한 모든 기능은 항상 EtherCAT 프로토콜의 일부였으며, 이는 아키텍처의 미래 지향적인 사고방식을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 더 많은 네트워킹 기능들이 진화함에 따라 더 많은 네트워킹 기능을 추가한다.

TSN(Time Sensitive Networking) 기능의 새로운 개발은 컨트롤러 간 통신의 실시간 기능을 더욱 향상시킨다. TSN을 통해 제어 시스템도 플랜트 네트워크에서도 EtherCAT 슬레이브 네트워크에 액세스 할 수 있다. 일반적으로 EtherCAT은 전체 네트워크에 대해 하나의 프레임만 필요하기 때문에 이러한 액세스는 다른 어떤 필드버스나 산업용 이더넷 기술보다 훨씬 가볍고 빠르다.

트라이텍

트라이텍은 독일 Beckhoff와 제품 및 기술공급 계약을 맺고 이를 기반으로 한 PC-Based Control 솔루션을 국내 다양한 산업현장 및 교육기관에 공급하고 있다. 인더스트리 4.0 움직임이 가속화 되어 IoT 디바이스 등의 제어가 필요하게 되었을 때 PC 기반의 컨트롤러가 주류가 될 것이라는 전망과 함께 EtherCAT 관련 IPC, HMI, I/O 등 다양한 제품을 소개하고 있다.

모든 잠재적 사용자에게 개방된 EtherCAT 기술을 제공하는 ETG는 모든 활동들을 하나의 공통된 목표에 초점을 두고 진행하는데 그것은 EtherCAT을 안정적이고, 상호 운용 가능하도록 하는 것이다. 이것이 오직 한가지 버전의 EtherCAT만 있고, 매년 새로운 버전의 EtherCAT이 발표되지 않는 이유라고 ETG는 설명했다.

ETG는 또한 OPC Foundation과 파트너 관계를 맺은 최초의 필드버스 조직 중 하나이다. OPC UA 프로토콜은 MES/ERP 시스템까지 암호화 된 데이터 전송을 가능하게 하는 통합 보안 기능을 갖춘 확장 가능한 TCP/IP 기반 클라이언트/서버 통신 기술이기 때문에 EtherCAT 포트폴리오를 보완한다. OPC UA Pub/Sub를 사용하여 M2M 애플리케이션 및 클라우드 기반 서비스에 대한 수직 통신을 위해 OPC UA의 유용성이 향상되었다. ETG는 이러한 모든 개발에 EtherCAT 환경에 완벽하게 부합하도록 적극적으로 기여하고 있다.

프레스토솔루션

프레스토솔루션은 모션 제어, Isolator 및 EtherCAT 관련 전문기업으로 반도체, FPD 등 자동화 시장에서 필요로 하는 다양한 기술력을 확보하고 있다. 다양한 장비에 대한 깊은 이해와 개발 능력을 보유하고 있으며, 자체 기술력 확보를 통한 모션 제어기 및 EtherCAT 관련 주변 기기를 개발하고 있다. 이번 행사에 Acontis EtherCAT 관련 제품들을 소개했다.

ADLINK

ADLINK는 고속, 고성능의 산업 자동화 애플리케이션을 가능하게 만드는 전용 하드웨어와 소프트웨어를 통합하며, 성능 및 정밀 제어 수준을 높이면서 IEC 61131-3 호환 자동화 컨트롤러, 즉석 변환 기능의 I/O, 모션 제어 시스템을 포함한 완벽한 EtherCAT 솔루션을 제공하고 있다.

Parker

Parker는 고객의 기존 제품 라인에 쉽게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 고객의 요구사항에 따라 맞춤 디자인으로 주문 제작할 수 있는 서브시스템 개발 역량을 갖추고 있다. EtherCAT 관련 프로그래머블 모션 컨트롤러와 서보 및 스텝 드라이브들을 공급하고 있는 동사는 이들 제품을 기반으로 모바일 디스플레이, 금속성형, Tube Banding, Wind analysis machine, Thickness measuring 등의 분야에 적용사례를 가지고 있다.

인피니온

인피니언은 EtherCAT 개발 기간을 3개월로 단축할 수 있는 개발 키트 XMC4300 Relax와 XMC4800 EtherCAT 자동화 키트이다. 두 키트 모두 EtherCAT 승인 시험을 통과하였으며 현재 공급되고 있다. EtherCAT 노드를 통합한 XMC 마이크로컨트롤러 XMC4300과 XMC4800은 공장 자동화, I/O 모듈, 로봇에 사용하기 적합하다. 모든 XMC4800 마이크로컨트롤러는 AEC Q100을 충족하므로 상업용/건설용/농업용 자동차에도 사용하기에 적합하다.