트라이텍, EtherCAT과 DeviceNet [월간CONTROL 2013/11]

EtherCAT과 DeviceNet
이명복 / (주)트라이텍 제어시스템 사업부(info@tritek.co.kr)

  최근 한 엔지니어로부터 DeviceNet과 EtherCAT에 대한 비교 설명을 요청 받은 적이 있었다. 사실 이러한 요청은 오랜 시간 동안 꾸준히 받았다. 국내에서 필드버스가 검토될 때 DeviceNet이 가장 활발하게 적용되었고, 가장 많은 애플리케이션 성공사례를 가지고 있기 때문에 당연한 질문일 수 있다는 생각이 들었다.
  DeviceNet과 EtherCAT은 필드버스와 산업용 이더넷으로 엄연히 구분되는 통신시스템이기 때문에 비교대상이 조금 어긋날 수 있다. 그렇지만 국내 반도체 산업에서 많은 구현사례를 가지고 있는 통신시스템이 DeviceNet이기 때문에 DeviceNet과 EtherCAT을 비교해 보고자 한다.


전송 속도
  DeviceNet의 전송 속도는 최대 500 Kbps를 가진다. 최대 케이블 길이가 500 미터 이내라는 한계를 지니고 있으며, [신호 증폭기를 사용하면 6 Km까지 확장 가능함] 케이블 길이에 따라 통신 속도를 변경해야 하는 번거로움이 있다. 이러한 전송속도에서 16 노드에 분산되어 있는 256점의 디지털 신호를 업데이트 하기 위한 통신 속도는 Polling 통신방식으로 2 ms가 필요하다.
  이에 반해 EtherCAT은 100 Mbps의 통신 속도를 지니고 있으며, 각 노드별 100 미터까지 연결할 수 있을 뿐만 아니라 100 노드에 분산되어 있는 1000 점의 디지털 입출력을 30 us 에 업데이트 할 수 있다.

토폴로지
  DeviceNet 이 지원하는 토폴로지는 ‘Drop-line : 드롭라인’ 방식을 지원한다. EtherCAT은 좀 더 유연한 연결방식을 지원하는데 Star/Tree, Line, Drop-line 등을 지원한다.

EtherCAT 토폴로지

케이블링
  DeviceNet의 케이블링은 신호와 전원 전달에 필요한 Twisted pair 케이블을 사용한다. 신호 전달에 필요한 케이블은 양 끝 단에 반드시 120 Ω의 종단 저항을 필요로 하며, DeviceNet 통신 칩 전원 공급을 위한 24 VDC 전원을 공급해야 정상적으로 데이터 통신이 이루어진다. EtherCAT은 사무 환경에서 사용하는 이더넷 케이블을 사용하면 된다. 종단 저항이나 전원공급은 더 이상 필요하지 않다.

제어 소프트웨어 구성
  통신 시스템은 일반적으로 제어 소프트웨어에서 연결되어 있는 각각의 디바이스의 연결정보를 설정해야 한다. 이 때 필요한 DeviceNet의 통신 정보는 케이블 길이에 따른 통신 속도를 정해야 하며, 정해진 통신 속도에 따라 연결될 슬레이브 통신 속도를 할당해야 한다. 또한, 최대 64개의 범위에서 주소를 결정하여 할당해야 하며, 만약 주소가 중복된다면 해당 주소를 변경해야 한다.
  이에 반해 EtherCAT은 케이블 길이에 따른 통신 속도 및 주소를 할당하지 않아도 연결된 순서에 의해 최대 65,535의 슬레이브를 자동적으로 할당되는 방식이기 때문에 DeviceNet에서 요구하는 연결 정보가 필요하지 않다. 이 때문에 제어시스템을 초기 설정하는 과정에서 매우 빠르고 정확하게 설정을 마무리할 수 있다.

동기성
  DeviceNet은 일반적으로 동기 성능을 이야기 하지 않는다. 각 슬레이브 사이의 동기를 이룰 수 있는 특별한 메커니즘을 가지고 있지 않은 것 같다. EtherCAT은 네트워크 상의 모든 슬레이브를 1 us 이내의 정밀도로 동기를 맞추기 위한 DC(Distributed Clock) 기능을 포함하고 있다. 이러한 특징으로 인해 고속 입출력 제어 및 고속 정밀 모션 제어에 많은 성공사례를 가지고 있다.


안전 네트워크
  최근에는 통신시스템에서 제어설비 및 운전자의 안전을 위한 안전기능을 제공한다. EtherCAT 또한 마찬가지로 ‘Safety over EtherCAT’이 별도의 안전 네트워크 없이 단일 EtherCAT에서 지원하고 있다. 이는 일반적인 제조공장 및 공정 애플리케이션에서 가장 높은 단계인 SIL 3 레벨을 지원하며, ‘Safety over EtherCAT’를 지원하는 모듈들은 내부적으로 통신 진단, 안전 데이터 전송에 관련된 모니터링을 비롯해 신호 제한 모니터링, 모듈 주변의 온도 모니터링 기능을 자체적으로 내장하고 있다. 이러한 모든 데이터는 ‘Safety logic terminal’ 뿐만 아니라 제어 시스템 엔지니어가 모두 감시할 수 있기 때문에 그에 따른 설비의 안전 대책을 마련할 수 있게 도움을 줄 수 있다.


 DeviceNet은 필요할 경우 별도의 안전 네트워크를 구현해야 한다.

비용
  최근에는 아무리 좋은 시스템이라 하더라도 비용적인 부분에서 경쟁력을 갖추지 못하면 시장에서 외면 받을 수밖에 없다. 실제로 성능 향상이 우선시되는 제어시스템보다는 원가절감이 절실한 제어시스템을 더욱 많이 접하는 것이 사실이다. 이로 인해 앞서 말한 여러 비교 대상보다 비용 부분이 가장 중요한 고려대상이 될 수 있다.
  주요 비교 항목은 마스터 인터페이스 카드와 입출력 모듈, 케이블 및 커넥터가 될 것이다. 이들을 비교하면 최대 20 %의 절감효과를 가지게 된다. 물론 실제적인 비용 절감은 기존 사용하고 있었던 벤더 회사에 따라 체감되는 효과는 다를 수 있지만 구성요소만을 비교하였을 때 생기는 절감효과는 상당히 매력적이다.


  EtherCAT이 여러 면에서 성능이 우월하다고 해서 모든 제어시스템을 EtherCAT으로 구축할 수는 없는 문제이다. 가장 큰 고려 대상은 반도체 산업에서 많이 쓰이고 있는 통신 디바이스들이 아직까지는 DeviceNet을 더 많이 지원하기 때문이다. 이와 더불어 DeviceNet 의 익숙함 또한 배제할 수 없다.
  제어시스템을 구축함에 있어 반드시 사용해야 하는 디바이스 중 EtherCAT을 지원하지 않고 DeviceNet만 지원한다면 어떻게 해야 하는지에 대한 고민은 제어시스템 설계자가 한번쯤은 고민할 수 있는 문제이다.

  이러한 문제점을 EtherCAT은 넓은 대역폭을 이용해 단일 EtherCAT 통신시스템에서 DeviceNet을 함께 구성할 수 있는 방법을 제시한다. DeviceNet PCI 카드의 경우 일반적으로 500 바이트의 입출력 데이터를 처리하는데 400 us가 소요되는 반면, 1500 바이트의 입출력 데이터를 EtherCAT을 통해 처리하는데 걸리는 시간이 150 us에 불가하다. 이로 인해 많은 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 장점을 EtherCAT이 가지고 있기 때문에 DeviceNet 데이터가 EtherCAT 통신 내에 포함되더라도 그 영향은 미미할 것이다. 실제로 국내에서는 DeviceNet을 EtherCAT을 통합하여 구성하는 사례들이 빈번하게 나타난다.

  DeviceNet은 1994년 Allen-Bradley에서 개발한 통신 시스템이다. 필자가 처음 DeviceNet 을 접했을 때만 하더라도 하드 와이어링이나 시리얼 통신 등을 대체할 수 있는 최선의 방법이었다. 물론 아직까지도 많은 산업 현장에서 검토 및 적용되고 있다. 이는 오랫동안 사용해 오면서 최적화 되고 익숙해져 다른 통신 시스템을 검토할 필요성을 느끼지 못해서 일 수 있다. 제어시스템이 점점 대형화되고 고속화되어 DeviceNet이나 기존 네트워크 시스템의 한계를 느낄 때 산업용 이더넷인 EtherCAT을 검토하게 될 것이며, 이는 제어 성능이 향상되면서 가격 또한 절감되는 효과를 경험하게 되리라 생각한다. 이와 더불어 기존 시스템을 버리지 않고 활용 가능하기 때문에 새로운 시스템에 대한 부담도 덜 수 있을 것이다.

표1. DeviceNet과 EtherCAT 비교

[출처] 월간 Control 2013. 11

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