EtherCAT 우위성과 상위 네트워크와의 연계[자동화기술 2018년 7월]
EtherCAT 우위성과 상위 네트워크와의 연계
EtherCAT Technology Group 일본오피스
EtherCAT은 이더넷 베이스 필드버스로서 개발된 네트워크로, 이더넷 물리층의 특징인 넓은 네트워크 대역을 활용하면서 이더넷의 약점인 통신의 리얼타임성을 대폭으로 개선하고 있다. 센서/액추에이터 레벨에서부터 리모트 I/O 및 모션 기기의 제어에까지 대응한 가장 고속으로 고성능인 산업용 네트워크로서 최근 수년간 전 세계적으로 급속하게 채용이 확대되고 있다.
2003년의 사양 오픈화 이래 2006년의 통신용 ASIC (EtherCAT 슬레이브 컨트롤러, 이하 ‘ESC’)의 릴리스와 성능 테스트 사양, 시험기관의 정비 등 보급을 위한 기반을 다져 왔다. 2013년의 반도체 제조장치용 디바이스 프로파일 사양의 규격화는 주요 반도체 제조장치 메이커의 주도로 이루어졌으며, 그 영향력으로 일본 국내의 디바이스 메이커에 의한 대응 기기나 장치 메이커의 개발이 가속됐다. 2016년에는 도요타자동차가 생산라인의 기반 네트워크로 서 EtherCAT를 채용하는 방침을 내세운 것도 보급의 큰 견인차가 됐다.
EtherCAT은 주로 마스터/슬레이브 간의 프로토콜로써 사용되는 경우가 많은데, 컨트롤러 간의 프로토콜도 규정하고 있다. 여기에서는 이들 EtherCAT 프로토콜을 해설하는 동시에, TSN의 활용, IoT로서 다른 프로토콜과 EtherCAT과의 연계에 대해서 해설한다.
EtherCAT 프로토콜
EtherCAT은 그림 1에 나타냈듯이 마스터/슬레이브 간의 하드 리얼타임 통신 기능을 제공하는 EtherCAT 디바이스 프로토콜과 컨트롤러 간이나 HMI·진단·설정 툴에 대응하는 EtherCAT 오토메이션 프로토콜(EAP)로 구성되며, EtherCAT은 공장 내 네트워크 전역을 커버할 수 있다. 기존 필드버스나 산업용 이더넷은 그 프로토콜의 특징을 활용해 센서/액추에이터, 리모트 I/O, 모션, 세이프티 혹은 컨트롤러 간 네트워크 등 각각에 적합한 프로토콜을 제공하고 있다. 한편, EtherCAT 디바이스 프로토콜은 모든 필드 레벨의 디바이스 제어에 대응할 수 있다는 강점이 있다.
이러한 이유로 EtherCAT은 폭넓은 애플리케이션 분야에서 채용되고 있으며, 반도체 제조장치, 공작기계, 로봇, 포장기, 사출성형기나 프레스장치 등의 모션과 센서가 연계해 세이프티 기능이 요구되는 모든 장치에서부터 풍력발전 등의 재생 가능 에너지 분야나 놀이도구, 쇼스테이지 제어 등의 어뮤즈먼트 분야에 이르고 있다. 이하에 EtherCAT 프로토콜의 특징을 해설한다.
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| 그림 1 EtherCAT 네트워크 전체 |
1. EtherCAT 디바이스 프로토콜
EtherCAT 디바이스 프로토콜은 이더넷을 필드버스로써 사용하기 위해 개발됐다. 마스터는 표준적인 이더넷 컨트롤러를 사용, 소프트웨어로 마스터 기능을 실장한다. 슬레이브 측은 ESC가 통신을 한다.
그림 2와 같이 EtherCAT 슬레이브는 1개의 IN 포트와 1개 이상의 OUT 포트가 있으며, 네트워크는 마스터의 이더넷 포트와 슬레이브의 IN 포트 접속에서 시작되고 그 후에는 차례로 OUT 포트와 후속 슬레이브의 IN 포트를 데이지 체인으로 접속한다. ESC 내에 슬레이브 포트 간을 순회하는 경로가 있다. 통신경로는 이 슬레이브 내의 라우팅 결합으로, 최종적인 통신경로는 반드시 링 모양의 프레임 충돌이 완전히 발생하지 않는 구조가 된다. 네트워크 토폴로지는 라인형이 기본인데, 분기 슬레이브를 이용해 스타형이나 트리형의 네트워크도 구축할 수 있다.
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| 그림 2 프레임 라우팅 |
이 링 모양의 네트워크 경로를 이용, 네트워크의 기준 시각을 하나의 프레임으로 네트워크 전체에 전송할 수 있다. 또한, ESC에 내장되어 있는 기능으로 네트워크 경로의 전송지연 계측을 지원하고, 그 지연 시간에 따라 전송된 기준 시각의 보정이나 슬레이브마다의 시각 드리프트 보정을 하여 100ns 이하의 정도로 슬레이브 간의 시각 동기를 할 수 있다. 이 기능은 디스트리뷰트 클럭(DC)라고 불리며, 모션제어의 동기 동작이나 디지털 신호의 상승 또는 하강 에지의 래치 시각 타임스탬프 취득이나 통신 사이클을 분주한 고분해능 데이터 샘플링 등에서 사용한다.
ESC는 프레임을 스토어＆포워드가 아니라 온 더 플라이로 처리한다. 즉, 프레임은 슬레이브 내에서 버퍼링되지 않고 통신 데이터를 흘리면서 프레임 내의 데이터 리드나 라이트 액세스를 실행할 수 있다. 또한, 그림 3과 같이 싱크 매니저라고 하는 통신 버퍼 관리 기능을 가지고 있다. 메시지 통신 버퍼는 세마포어적으로 관리되고, 프로세스 데이터는 3버퍼에 의해 리드 측은 항상 최신의 라이트 완료 데이터, 라이트 측에는 항상 다시 쓰기가 가능한 버퍼에 액세스 할 수 있다. 마스터와 슬레이브 마이크로컴퓨터는 이 통신버퍼를 통해 데이터 교환을 하고, ESC가 타임 크리티컬한 통신 처리를 모두 실행한다.
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| 그림 3 ESC 내부 통신 버퍼 |
슬레이브의 입출력 프로세스 데이터의 버퍼는 ESC 내의 물리 메모리 어드레스 공간에 실존하는데, EtherCAT 마스터는 모든 슬레이브의 버퍼를 논리 어드레스 공간에 할당, 프로세스 데이터의 블록을 구성하고 이것을 그대로 하나의 프레임으로 송수신한다. 따라서 이 하나의 프레임을 모든 슬레이브가 공유하고, 프로세스 데이터의 교환을 한다(그림 4).
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| 그림 4 통신효율의 비교 |
한편, 스위칭 허브를 사용하는 일반적인 이더넷으로 마스터/슬레이브 간의 데이터 교환을 하고 있는 경우, 1대의 슬레이브에 입력 프로세스 데이터를 수신하기 위해서는 1개의 이더넷 프레임이 필요해진다.
슬레이브 수가 증가한 경우, 일반적인 이더넷은 프레임 수가 증가한다. 통신 대역의 데이터에 의한 사용효율을 전체 프레임 길이에 대한 데이터 사이즈의 비율로 정의하면, 표준적인 이더넷에서는 그 값은 슬레이브의 평균 데이터 사이즈에 들어간다. 이더넷의 최소 프레임 길이 64byte에 프리앰블 8byte와 프레임 간 갭 12byte을 더하면 1프레임이 소비하는 대역은 84by t e이고, 평균 데이터 사이즈를 8byte로 하면 통신 대역의 90% 이상이 프레임 헤더 등에서 소비되어 데이터 통신 자체에 사용할 수 있는 대역이 10% 이하가 되어 버린다. EtherCAT은 프레임 내의 데이터 사이즈만 증가하므로 슬레이브가 증가할수록 통신효율이 향상되고, 최대 데이터 길이 1500byte에 대해 프로세스 데이터는 1486byte까지 넣을 수 있으므로 헤더 등을 고려해도 96.6%를 데이터에 사용할 수 있다.
2. EtherCAT 오토메이션 프로토콜
앞에서 말했듯이 EAP는 컨트롤러 간 등의 소프트 리얼타임 통신을 대상으로 하고, 표준 이더넷 컨트롤러를 사용해 소프트웨어에 실장할 수 있다. 스위칭 허브로 접속된 동일 이더넷 세그먼트 내는 MAC 어드레스에 의한 어드레스 지정을, 라우팅이 필요한 경우에는 UDP/IP 베이스의 통신을 하는데 그 데이터 영역 내의 프로토콜 데이터 구조는 동일하다.
EAP의 프로세스 데이터 통신은 컨트롤러나 장치 간의 대용량 데이터 통신을 타깃으로 하고, EAP 디바이스가 주기적으로 프로세스 데이터를 송신하는 푸시형과 수신 측의 폴링형 양쪽을 서포트하고 있다. 푸시형은 퍼블리셔/서브 스크라이버형이라고도 한다.
비주기적인 메시지 통신은 AoE（Automation device protocol over EtherCAT） 프로토콜을 사용한다. AoE는 메시지의 라우팅에 대응해, EtherCAT 디바이스 프로토콜에서 사용하는 CoE（CAN application over EtherCAT), SoE（Servo drive profile over EtherCAT), FoE(File access over EtherCAT） 등의 메시지를 AoE의 메지시 내에 캡슐화해 컨트롤러 내의 EtherCAT 마스터를 게이트웨이로서 EtherCAT 세그먼트 내의 슬레이브와 교환할 수 있을 뿐 아니라, EtherCAT 세그먼트 내의 다른 필드버스 게이트웨이에 접속한 슬레이브와의 메시지 교환도 가능하게 한다. 이 기능을 활용해 상위 네트워크에서 컨트롤러나 하층의 EtherCAT 세그먼트 내의 슬레이브 진단과 설정의 공통 인터페이스를 제공한다.
3. AoE (ADS over EtherCAT)
EtherCAT은 단순한 필드버스용 네트워크만이 아니라 PLC의 백플레인 버스로써 사용하는 것도 고려해 개발된 경위가 있다. 일반적인 필드버스 게이트웨이는 주기 프로세스 데이터 통신의 교환은 가능하지만, 비주기 메시지 통신에 대응할 수 없는 경우가 많다. 이것은 상위 컨트롤러에서 필드버스 게이트웨이를 통해 메시지를 라우팅하는 표준적인 방법이 제공되고 있지 않기 때문이다. AoE는 EtherCAT 마스터에서 필드버스 게이트웨이를 통해 그 하층의 필드버스에 대한 메시지 통신의 커맨드 등을 투과적으로 처리할 수 있게 하기 위한 프로토콜로, 라우팅 기능이나 메시지마다의 ID 번호에 의한 병렬 서비스를 제공한다. AoE를 사용해 EtherCAT 네트워크 하에 각종 필드버스를 통합할 수 있다.
Time Sensitive Networking과의 연계
Time Sensitive Networking(TSN)은 당초 음성이나 영상 데이터용 이더넷 규격 Ethernet AVB를 산업 용도 등의 이용도 고려해 기능 확장한 것으로, 스위치 베이스 네트워크의 저지연화에 의해 이더넷의 리얼타임성 개선을 기대할 수 있는 기술이다. EtherCAT Technology Group은 TSN 워킹 그룹에 처음부터 참가, Dr. Karl Weber를 파견하고 있다.
TSN 자체는 필드버스로서의 기능을 애플리케이션 층까지 정의한 이른바 산업용 이더넷이 아니라, 레이어 2의 기술로서 정의되어 기존 산업용 이더넷과 조합시켜 사용하는 기술이 된다. 구조 상 앞에서 말한 이더넷의 결점인 마스터/슬레이브 간의 소규모 데이터 통신 오버헤드의 개선은 불가능하지만, 컨트롤러 간의 대용량 데이터나 리얼타임성이 요구되는 통신과 일반 통신이 혼재했을 때의 리얼타임 데이터의 저지연화에 기여하는 기술이라고 할 수 있으며, 어떠한 산업용 이더넷에서도 TSN을 조합시킬 수 있다. 단, TSN은 범용 기술로 산업용 이더넷 요건에 특화되어 있지 않다. EtherCAT 디바이스 프로토콜과 같은 하드 리얼타임성을 실현하고 있는 전용의 산업용 이더넷은 이들 기능에 준하는 기능이 실장되어 있고, 산업용 이더넷의 특성에 특화된 확장으로 고성능화되어 있다.
표 1에 TSN 규격의 일람을 나타냈다. TSN은 이와 같이 여러 기술의 조합에 의해 구성되어 있다. 당초의 6규격은 2016년 말에 작업을 거의 완료했는데, 추가 제안된 규격에 대한 작업이 계속되고 있다. 이중에서 EAP와 같은 스위치 베이스 산업용 이더넷의 성능 개선에 가장 관련되는 것은 802.1Qbv, 802.1Qbu, 802.1ASbt이다.
• 802.1Qbv : 통신 시간을 PLC의 사이클타임과 같이 분할, 이것을 다시 시간 분할해 시간마다 우선도가 높은 프레임의 통신을 한다.
• 802.1Q b u : 일반의 이더넷 프레임은 최대 길이인 1500byte를 다 사용하는 경우가 많아, 최악 125μs의 대기 시간이 발생한다. 802.1Qbu는 저우선도의 프레임 통신 중에 고우선도 통신을 끼어 넣고, 그 후 저우선도 통신을 계속할 수 있다.
• 802.1ASbt : IEEE1588 베이스의 시각 동기 기능이다.
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| 표 1 TSN 프로젝트의 상황 |
802.1Qca는 당초에는 네트워크의 리던던시에 이용 가능할까 생각됐지만, 범용성을 요구하는 여분 기능이 너무 여러 분야에 걸쳐 있어 그 데이터 교환과 처리량에서 산업용 이더넷으로서 채용하는 것은 매우 어려워져 버렸다.
EtherCAT 디바이스 프로토콜은 완전히 프레임의 충돌이 없고, 동일한 네트워크 내에 우선도가 낮은 표준 이더넷 통신이 혼재하지 않는다. 또한, 디스트리뷰트 클럭 기능에 의해 100ns 이내의 고정도 시각 동기를 실현하고 있기 때문에 일반적으로 T S N보다 고성능화되어 있다. 그러나 EtherCAT 사양에는 스위치를 경유할 수 있는 ‘오픈 모드’ 통신이 정의되어 있다. 스위치는 불규칙한 지연의 원인이 되기 때문에 현재의 ESC에서는 서포트하고 있지 않지만, TSN 서포트의 스위치를 사용하면 마스터에서 캐스케이드 접속한 스위치 넘어 EtherCAT 세그먼트에 EtherCAT 스트림을 송신하는 동시에, 마스터 포트를 표준 이더넷 기기와의 통신에 이용 가능하게 할 수 있다.
EAP는 표준 이더넷 MAC을 사용, 상위층 기기와 네트워크를 공유하는 것을 생각하고 있기 때문에 TSN과의 연계로 EAP 통신의 우선도, 시각 동기의 고정도화를 기대할 수 있다.
OPC-UA와의 연계
ETG는 앞에서 말했듯이 마스터/슬레이브 간, 컨트롤러 간의 고성능 통신 프로토콜을 정의하고 있는데, ME S, ERP와의 통신 프로토콜로서 SSL 암호화에 대응해 시큐어한 통신이 가능한 OPC-UA가 EtherCAT을 보완하는 것으로 생각, 2014년 10월의 기술위원회에서 인더스트리 4.0(I4.0) 및 IoT용의 통신 프로토콜로서 선택했다. 그 후 2015년 4월에 하노버메세에서 OPC Foundation（OPCF）와 공통 인터페이스 개발에 대한 합의서를 교환했다. 이 합의는 다른 필드버스 단체에도 파급되어, 다음해에는 대부분의 단체가 OPCF와 동일한 합의를 체결했다.
그림 5에 나타냈듯이 I4.0의 참조 모델에서는 디바이스를 관리 셀에 의해 추상화한다. EtherCAT에서는 슬레이브만이 아니라, 마스터도 오브젝트 딕셔너리라고 하는 공통의 파라미터 구조를 통해 디바이스 내의 모든 정보에 액세스 할 수 있다. 이 데이터 구조의 OPC 정보 모델에 대한 매핑정의가 EtherCAT과 OPC-UA 공통 인터페이스의 주된 사양이 되어 현재 작업을 하고 있다.
또한, EAP와 동일하게 OPC-UA의 퍼블리셔/서브스크라이버 모델은 소프트 리얼타임 통신을 실현할 수 있다. 공통인터페이스가 정의하는 EAP의 OPC-UA 서비스의 리얼타임 통신을 서포트, EtherCAT과의 심리스한 연계를 강화할 것으로 생각하고 있다.
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| 그림 5 네트워크 계층과 대응 프로토콜 |
맺음말
이상과 같이 EtherCAT은 네트워크의 계층마다 그 요건에 맞는 프로토콜과 계층 간 공통 인터페이스를 제공하고 있다. 또한, EtherCAT에 대응한 컨트롤러는 산업용 PC상에 소프트웨어로 실장되어 있는 경우가 많으며, PLC 베이스와 달리 하나의 컨트롤러 상에서 SQL 클라이언트 기능이나 MQTT나 AMQP 메시지 브로커 기능 등의 상위 액세스 수단을 내장하는 경우와, EtherCAT 마스터 기능에 액세스하는 API 경유로 유저 자신이 자유롭게 이와 같은 기능을 실장하는 경우도 있는 등 유저의 요구에 맞춰 유연하게 대응할 수 있다.
[출처] 자동화기술 / 2018. 07
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