ETG Korea가 지난 11월 8일(수)과 10일(금), 서울과 광주에서 각각 ‘2017년 제4회 EtherCAT 로드쇼’를 개최했다. 특히, 서울에서 열린 행사는 예상인원을 훨씬 넘어서는 인원이 참석하는 성황을 보이면서, EtherCAT에 대한 한국시장에서의 높은 관심을 반영했다. 이번 행사를 주최한 Beckhoff사의 한국 대리점인 트라이텍의 유기석 사장은 환영사에서, 빅데이터를 이용한 구글 트렌드 검색 결과를 예로 들어, 산업용 이더넷 가운데 EtherCAT의 수요가 타 통신 프로토콜에 비해 괄목할 만하게 성장하고 있으며, 이것은 EtherCAT의 월등한 성능과 기술을 방증하는 것이라고 역설했다. ETG(EtherCAT Technology Group) 회장인 Martin Rostan 씨는 5개의 주제발표를 통해, EtherCAT의 성능과 적용사례, 향후 기술전개 방향 등에 대해 자세하게 소개하는 한편, 트라이텍과 르네사스, 아콘티스, ADLINK, HMS, 인피니언, 파커 등의 업체가 참여해 EtherCAT 제품과 기술을 소개했다. 특히 Martin 회장은 본지와의 인터뷰를 통해, 앞으로 TSN(Time Sensitive Networking) 기술을 옵션으로 추가해서 EtherCAT의 성능을 향상시키겠다는 계획을 밝혀, 관심을 끌었다.

 

취재|최교식 기자 cks@engnews.co.kr

 

 

트라이텍 유기석 사장

 

 

이번 행사를 위해 방한한 ETG 협회 Martin Rostan 회장은, IT시장은 자동화 시장보다 훨씬 규모가 큰 시장으로, 규모의 경제 혜택을 받을 수 있으며, IT에 사용되는 이더넷 기술을 자동 화에 적용하면 규모의 경제 혜택을 누릴 수 있다는 말로 발표를 시작했다.

Martin 회장은 수정되지 않은 이더넷을 자동화에 사용하기 위해서는 여러 IT 노하우와 하드웨어를 투자해야 가능하기 때문에 복잡할 수도 있으며, 수정되지 않은 이더넷이 가장 최선이라고 주장해온 타 프로토콜들이 특별한 하드웨어를 사용하기 시작했다고 꼬집었다.

 

ETG협회 Martin Rostan 회장

 

 

대역폭 활용, 스택 딜레이, 스위치 딜레이 문제를 해결하는 EtherCAT

 

Martin 회장은 EtherCAT은 이더넷 필드버스로, 이더넷 필드버스는 시스템 비용의 원인이 되는 구성과 진단, 유지보수를 쉽게 만든다고 설명했다.

 

EtherCAT은 큰 대역폭(Bandwidth) 덕분에, 제어 데이터와 함께 추가적인 TCP/IP를 전송할 수 있는 능력이 있으며, EtherCAT 자체는 TCP/IP에 기반을 두지 않기 때문에, MAC 주소나 IP 주소를 관리하거나 또는 IP 전문가들 에게 스위치와 라우터를 설정하게 할 필요가 없다고 말하고, EtherCAT은 실시간 통신을 사용할 때 발생하는 대역폭 활용 (Bandwidth Utilization), 스택 딜레이(Stack Delay), 스위치 딜레이(Switch Delay) 이 3가지 문제점을 해결한다고 역설했다.

Martin 회장의 설명에 의하면, 일반적인 이더넷프레임은 84byte가 필요하다. 하지만, 84byte 보다 더 적은 프레임의 byte들만을 필요로 한다면, 이더넷 프레임이 사용할 수 있는 대역폭 활용도는 낮을 수밖에 없다. 다시 말하자면, 활용상 만족도가 떨어진다는 결과다. 이러한 부분을 보완한 네트워크 들이 현재 사용되는 이더넷기반 프로토콜이라고 할 수 있다.

 

이더넷 프레임의 대역폭 활용도(그림.ETG협회 제공)

 

Stack 딜레이는 어떠한 빅 데이터가 전송되는 과정에서 처리량만큼 시간이 늘어난 다는 것을 의미하는데, 산업용 이더넷프로토콜의 Stack이 클수록 프로세싱하는 시간 또한 길어진다. 이 점을 보완하는 것이 이더넷기반 프로토콜을 만족 시키는 것이다.

다음의 표는 독일 Softing사가 동일 하드웨어 구성으로 Profinet, 이더넷/IP와 EtherCAT의 Stack 딜레이를 비교한 표다.

 

Stack 딜레이 비교 표(그림.Softing사 제공)

 

 

또, 모든 스위치들은 저장과 전송기능을 사용하는데 스위치를 많이 거치면 거칠수록 이로 인해 발생되는 딜레이, Jitter와 버퍼들에서 자유로워지지 못한다. 따라서 네트워크 토폴로지 구성 시, 거치는 모든 단계적 스위치를 줄이는 것이 목표다.

 

Switch 딜레이

 

EtherCAT은 노드 당 오버헤드가 필요 없어서 모든 경쟁 프로토콜이 1비트 84프레임이지만, EtherCAT은 1비트 1프레임이기 때문에 효율성이 높아져서 대역폭 활용 문제를 해결하며, 스택이 프로세싱 시간을 차지하지 않기 때문에 프로 세싱을 예측할 수 있고 최대치로 끌어올리기 때문에, 스택 딜레이 문제를 해결한다. 또 경쟁 프로토콜과 달리 스위치가 필요 없기 때문에, 컨피규레이션이 필요 없어서 스위치 딜레이를 해결한다는 설명.

Martin 회장에 의하면, EtherCAT은 분산된 1,000개의 디지털 IO를 30㎲안에, 또한 100개의 서보 축들을 매 100㎲ 안에 데이터를 처리할 수 있으며, EtherCAT은 각각의 I/O Slice들에 연결되기 때문에, 보조 Bus 또한 필요치 않다.

 

 

EtherCAT의 성능, I/O단까지 내려갈 수 있어

 

또, EtherCAT의 성능이 I/O단까지 내려갈 수 있다고 설명했다. 반적인 버스 시스템 구조는 CPU와 독자적인 I/O 사이클이 존재하고, 이것들이 통신하기 위해서는 별도의 게이트웨이가 필요하다. 하지만 EtherCAT은 실시간성을 I/O 레벨로 맞췄기 때문에, 실시간적으로 I/O 레벨에서 읽기/쓰기가 가능하고, 이 때문에, 처리속도는 향상 될 수밖에 없다. 더 나아가 입출력, 센서, 액추에이터, 드라이브, 디스플레이 등등이 모두 한 시스템 에 공존할 수 있다는 것도 크나큰 장점이라고 피력했다.

 

일반 버스 시스템

 

EtherCAT버스 시스템

 

동기화(Synchronization)에 대한 설명에서는 동기화 노드의 EtherCAT 솔루션은 분산 클락(Distributed Clock)에 기반 한다는 점을 강조했다.

Martin 회장의 설명에 의하면, 노드들에서 클락의 보정(Calibration)은 완전히 하드웨어 기반이다. 첫 번째 DC 슬레이브 디바이스로부터의 시간은 시스템에 있는 모든 다른 디바이스로 주기적으로 분산된다. 이 메커니즘으로, 슬레이브 디바이스 클락 은 이 기준 클락(Reference Clock)에 정확하게 조정될 수 있어서, 그 결과 시스템 내에서 지터(Jitter)는 1㎲보다 상당히 짧다.

또, EtherCAT 마스터의 정확도는 이더넷 프레임의 클락과 독립적으로 이루어지기 때문에 정확도가 보장되고, 데이터의 샘플링이 지터에 의해 영향을 받지 않기 때문에 네트워크 간의 동기화도 가능하다는 설명.

 

여러 IPS가 1밀리세컨드 이하의 인풋을 받고 프로토콜 오버 없이 가능하며, 심지어 외부 클락 과도 동기화가 가능하기 때문에 글로벌 클락의 동기화가 가능해서 글로벌 클락의 동기화가 중요한 제약공장과 같은 어플리케이션에서 대단히 유용하다는 설명. 마틴 회장은 이러한 성능은 EtherCAT이 산업용 이더넷이기 때문에 가능하다고 강조했다.

 

 

보다 유연한 EtherCAT 와이어링

 

한편, EtherCAT 네트워크는 토폴로지에 제한을 받지 않으 면서 최대 65,535개의 디바이스들을 연결할 수 있다. 라인, 버스, 트리, 스타 또는 이들의 어떤 조합도 가능하다.

EtherCAT에서 이용하는 고속 이더넷 방식의 물리적 연결은 두 개의 디바이스들 사이의 거리를 최대 100m(330 ft.)까지 허용하며, 더 먼 거리는 광섬유의 사용으로 가능하다.

EtherCAT은 또한 토폴로지의 유연성을 더할 수 있는 추가 적인 기능을 가지고 있는데, 디바이스들에 대한 Hot Connect와 Hot Swap 기능, 그리고 링 토폴로지를 통한 이중화 지원 등을 들 수 있다.

Martin 회장은 이러한 유연한 토폴로지 덕분에 실제로 모 초대형 시스템 테스트에서 10,056개의 EtherCAT 노드의 사이클타임이 4밀리세컨드에 불과했다고 강조했다.

 

PoE와 EtherCAT P의 차이 강조

 

이와 함께 통신선과 전력선을 하나로 합한 EtherCAT P가 소개됐다. 부분에서 Martin 회장은 PoE(Power of Ethernet)와 EtherCAT P의 차이점을 역설했다. oE는 48볼트의 하나의 파워서플라이어로 구성이 되지만, 이것은 자동화 분야에서 선호를 하지 않고, 파워자체의 캐스캐이드가 안 되는데 비해, EtherCAT P는 포딩 커넥트와 연결해 두 개의 24볼트 파워 서플라이를 구성할 수 있어서 캐스캐이드가 가능하고, 단일 케이블로 분산 클락이 가능하다고 설명했다. 파워와 서플라이어 가 동시에 필요하지 않다는 의미.

EtherCAT P는 케이블 가격 절감과 더불어 공간 최적화에도 기여한다. 부가적인 파워 서플라이를 제거할 수 있고, 장비에 단일 M8 타입의 케이블링이 가능하다. 한 개의 케이블로 EtherCAT+2×24V DC(Up, Us)를 4개의 선을 담을 수 있으며, 24V에서 630VAC와 850V DC 및 64A까지 이상적으로 확장 해서 사용할 수 있다. 총 가능 길이는 0.15M에서 최대 50M까지 가능하고, 기본 EtherCAT과 같은 스펙을 갖는다.

도요타 공장에서는 EtherCAT을 표준 네트워크로서 도요타 공장의 인더스트리 4.0에 사용하겠다고 발표한 바 있다.

 

 

ETG, 2016년과 2017년 사이 일 년 동안, 전 세계적으로 500개의 회원사 늘어

 

한편, ETG(EtherCAT Technology Group)에 대한 설명 에서 Martin 회장은 2016년과 2017년 사이 일 년 동안, 전 세계적으로 500개의 회원사가 늘어났으며, ETG 회원사는 독일과 유럽을 비롯해 미국, 아시아 등지로 확산이 되면서, ETG는 진정한 글로벌 조직으로 자리 잡고 있다고 피력했다.

 

특히 2016년 5월부터 2017년 5월까지의 일 년 동안 아시아 지역에서는 회원사가 280개가 늘어나 2017년 7월 기준으로 아시아 지역의 ETG 회원사는 1,686개에 이르며, 2017년 10월말 기준으로 한국에는 245개의 회원사가 있다고 밝혔다. EtherCAT 마스터 밴더는 202개, EtherCAT 드라이브 밴더는 166개, EtherCAT I/O 밴더는 114개, EtherCAT 센서/액추 에이터 밴더는 50개, Safety over EtherCAT(FSoE) 밴더는 30개에 이른다고 설명하고, 중국을 비롯한 슬로바키아 등지에서 행해진 EtherCAT Rodshow 등, 전 세계적으로 행해진 ETG 이벤트를 소개했다. ETG 협회는 전 세계 6개 대륙 65개 국가에 회원사를 확보하고 있다.

 

 

EtherCAT은 단 하나의 버전

 

Martin 회장은 타 프로토콜과 달리, EtherCAT은 버전이 하나이기 때문에 안정적이라는 점을 강조했다. 어서 EtherCAT의 추가적인 기능인 이중화 기능과 Safety 기능에 대해 설명했다.

EtherCAT의 이중화 기능은 다음과 같다. EtherCAT 마스터 에서 RX와 TX Unit들이 각각의 슬레이브에서 송수신되며 통신하는 것이 보통의 방식인데, 이러한 구성은, 어떠한 결함 으로 인하여 통신이 단절되는 현상이 발생할 경우, 큰 문제로 야기될 수 있는 부분을 해결할 수 있다.

 

EtherCAT은 링 토폴 로지로 케이블 이중화 구성이 가능하다. 노드가 작동중인 상태 에서 모듈을 교체할 수 있으며, 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 15㎲ 안에 가능하다는 점이다. 이는 아주 짧은 시간 안에 통신이 복구되기 때문에, 시스템적인 결함으로 발생하는 손해 및 피해요소를 최소화할 수 있다는 의미다. 구성 방법 또한 내부적 세팅은 TwinCAT으로 이뤄지며, 마스터와 관련 라이브러리, LAN port, LAN선 한 개씩만이 추가적으로 필요하다.

 

이번 행사에서 발표를 담당한 업체 담당자들이 인사하고 있다.

 

또 하나의 추가적 기능인 Safety는 현대 산업 현장에서는 필수적인 요소다. Safety는 위협요소로부터 또는 크리티컬한 문제로 야기되는 현장 위험들을 사전에 방지하고 발생 후에도 안전하게 대처할 수 있는 기능이다. EtherCAT도 타 통신 프로토콜과 마찬가지로 Safety와 표준 정보들이 들어있는 ‘Black Chanel’을 사용한다.

 

Safety over EtherCAT은 하나의 통신 시스템으로 제어와 안전 데이터 둘 다를 전송하며, Black-Channel 접근법 덕택에 다른 버스 시스템에서도 사용이 가능하다. EtherCAT Safety 기능은 Safe기능과 기본통신이 하나의 채널에서 이루어지기 때문에, 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 단축시키고 제한 없이 노드를 구성할 수 있으며, 네트워크 확장성 또한 우수하다.

이어서 EtherCAT의 성공적인 설치와 트러블 슈팅에 대해 설명하고, 적합성과 상호운용성에 대해 설명했다. 이 두 가지는 통신 표준이 성공하기 위한 가장 중요한 요소다.

 

EtherCAT 테크놀로지 그룹은 각 디바이스 구현을 위한 적합성 테스트에 대한 요구와 더불어, EtherCAT 마스터 디바이스들, 슬레이브 디바이스들 그리고 EtherCAT 구성 도구 사이의 상호운용성을 보장하기 위해 Plug Fests를 진행하고 있다.

 

다양한 디바이스들이 상호운용적인지 테스트하려고 할 때 해야 할, 가장 실용적인 일들 중 하나는 시험 삼아 디바이스들을 함께 연결해보는 것으로, 이런 접근법을 바탕으로 ETG는 보통 이틀간에 걸쳐 이어지는 다양한 Plug Fest를 매년 개최한다.

 

Plug Fest 동안, 마스터와 슬레이브 디바이스 제조사들은 어떻게 그들의 디바이스들이 함께 제대로 작동하는지 테스트하기 위해 모이는데, 이것은 실제로 디바이스들의 유용성을 향상시킨다. Plug Fest는 유럽, 북미, 아시아에서 개최된다.

또, EtherCAT 적합성 테스트 도구(CTT)는 EtherCAT 슬레이브 디바이스의 작동을 자동적으로 테스트하는 것을 가능하게 해준다.

프로토콜 테스트와 더불어, CTT는 EtherCAT 슬레이브 정보(ESI) 파일에 있는 가치들이 유효한지를 검사하며, CiA 402 드라이브 프로파일과 같은 디바이스 특정 프로토콜 테스트를 수행한다. 모든 테스트 단계와 결과가 Test Logger에 저장되고, 디바이스 출시를 위해 기록된 검증으로써 분석되거나 저장될 수 있다.

ETG는 지속적으로 유지관리를 하며, 새로운 테스트 사례 들을 CTT에 추가한다. 디바이스 제조사는 제품 출시 전에 테스트를 위한 가장 최신 버전의 도구를 항상 가지고 있는 것이 중요한데, 최신 버전의 도구를 좀 더 쉽게 가질 수 있도록, CTT는 1년 기간의 정기 구독으로 제공된다. 또한, CTT는 인터페이스 구현에서 초기 오류들을 밝히기 위해 설계 단계에서 유용하다.

 

 

프레스토 솔루션, 아콘티스(Acontis)의 EtherCAT 마스터인 ‘EC Master’ 등 소개

 

한편, 이번 행사에서는 EtherCAT을 사용하고 있는 여러 업체들의 적용사례와 기술이 소개됐다.

우선, 프레스토솔루션에서는 아콘티스(Acontis) 사의 EtherCAT 마스터인 EC Master를 비롯해서 EtherCAT을 컨피규레이션하고 진단할 수 있는 툴인 EC Engineer, 윈도우 EtherCAT 리얼타임 플랫폼인 EC Win의 제품군을 소개했다.

 

 

ADLINK, EtherCAT 기반의 비전 통합 오토메이션 컨트롤 시스템 선보여

 

ADLINK에서는 산업용 컨트롤 플랫폼을 구축하는 제품을 소개했다. ADLINK 본사의 Enes Yang 씨는, 에이디링크는 인텔의 프리미어 파트너로 선정되어 IIoT 사업을 전개하고 있다고 말하고, 현장의 데이터를 클라우드에 전송하는 솔루션을 소개했다.

 

Yang 씨는 EtherCAT의 강점은 동기화라고 피력 하고, TSN 성능이 합쳐지면 EtherCAT의 성능이 크게 개선 될 것이라고 피력했다. ADLINK에서는 곧, 고속처리를 가능 하게 하는 EtherCAT 슬레이브를 출시할 예정.

 

특히, 에이디링크 에서는 이날 행사장에서 신제품인 EtherCAT 기반의 비전 통합 오토메이션 컨트롤 시스템을 선보이면서 관심을 끌었다. 플러그 & 플레이 기능을 제공하는 것이 특징.

 

 

행사장에 마련된 EtherCAt 데모 부스에 참석자들이 많은 관심 보였다.

 

 

파카하니핀, Parker Automation Controller 소개

 

파카하니핀(Parker Hannifin)에서는 Parker Automation Controller를 비롯한 EtherCAT 제품과 성공인 적용사례를 소개했다.

 

트라이텍, PC 기반 제어를 통해 별도의 모션 컨트롤러 없이 금속 3D 프린팅을 한 사례 소개

 

트라이텍에서는 PC 기반 제어를 통해 별도의 모션 컨트롤러 없이 금속 3D 프린팅을 한 사례를 소개하는 한편, 12개의 프로세서 코어가 탑재된 새로운 임베디드 PC CX20xx와 64개의 코어를 활용할 수 있는 C6670, TwinCAT HMI, TwinCAT3 소프트웨어, EJ 모듈 등을 소개했다. 발표에 나선 트라이텍의 정명오 차장은 “TwinCAT3는 Visual Studio가 통합되어 오퍼레이션뿐만 아니라, 측정, 사이언티픽 오토메이션 에까지 적용이 된다”고 설명했다.

 

만희기전, HMS의 이원(eWON) 원격관리 솔루션 소개

 

만희기전에서는 HMS 인더스트리얼 네트웍스(HMS Industrial Networks)가 최근 인수한 이원(eWON)의 원격 관리 솔루션을 이용해, 벨기에 HMI와 연결하여 PLC를 컨트롤하는 데모를 선보였다.

 

르네사스, 마스터 새롭게 출시

 

르네사스에서는 멀티 프로토콜 대응 산업용 이더넷 통신용 LSI인 ‘R-IN32M3-EC’와 EtherCAT 전용 LSI인 ‘R-IN32M3-EC-1’ 등과 함께, 새롭게 출시된 마스터 신제품을 소개했다.

 

1. BECKHOFF 데모 / 2. 에이디링크에서는 신제품인 EtherCAT 기반의 비전 통합 오토메이션 컨트롤 시스템을 선보였다. / 3. 인피니언 데모 / 4. 르네사스 데모 / 5. 파카하니핀 데모 / 6. ACONTIS 데모 / 7. 만희기전에서는 이원(eWON)의 원격관리 솔루션을 이용해 벨기에 HMI와 연결하여 PLC를 컨트롤하는 데모를 선보였다.

 

인피니언, EtherCAT 노드를 통합한 XMC 마이크로컨트롤러 XMC4300과 XMC480 소개

인피니언 EtherCAT 솔루션인 ‘XMC4800/4300’에 대한 발표를 진행했다. XMC는 기본적으로 모터 컨트롤과 파워 컨버전, 커뮤니케이션을 타깃으로 하는 마이크로 컨트롤러로서, EtherCAT 노드를 통합한 XMC 마이크로컨트롤러 XMC4300과 XMC4800은 공장 자동화, I/O 모듈, 로봇에 사용하기 적합하다.

XMC4300은 저가형 제품으로 I/O 모듈과 커뮤니케이션에 사용이 되며, XMC4800은 I/O 모듈을 포함해서 드라이브까지 커버할 수 있는 퍼포먼스가 좋은 제품이다. XMC4800은 서보 모터 2개까지 돌릴 수 있으며, 필드버스 관련 ISOFACE를 타깃으로 한다. ARM Coretex-M4 기반으로 산업용에 맞춰 -40~125℃까지의 온도와 100핀까지 지원한다.