EtherCAT은 Industry 4.0과 IIoT에 적합한 통신 프로토콜

Special Report 글로벌 메이저 기업들의 이벤트-⑤ETG Korea

EtherCAT은 Industry 4.0과 IIoT에 적합한 통신 프로토콜

ETG Korea, EtherCAT Roadshow Korea 개최

ETG의 Martin 디렉터는 EtherCAT은 실시간 레벨의 통신과 OPC UA를 제공함으로써, EtherCAT 이상의 기술을 제공한다고 설명했다.

ETG(EtherCAT Technology Group) Korea가 지난 10월 27일과 29일, 서울과 부산에서 각각 ‘EtherCAT Roadshow Korea’를 개최했다.

EtherCAT이 한국에 상륙한 지 올해로 10년. 10년이라는 세월을 거쳐, EtherCAT은 이제 모션 네트워크 업계에서 자타가 인정하는 독보적인 위치를 확보하고 있다.

이날 행사에는 ETG Director인 Martin Rostan 씨가 진화를 거듭하고 있는 EtherCAT의 기술전개와 다양한 적용사례를 소개하는 한편, 트라이텍과 산요전기, 르네사스 등의 업체가 참여해 EtherCAT을 지원하는 자사의 다양한 제품군을 소개하고, 데모를 선보였다.

취재 최교식 기자 cks@engnews.co.kr

행사를 위해 방한한 EtherCAT 테크놀로지 그룹의 Martin Rostan 디렉터는, 이더넷은 TCP/IP가 아닌 IEEE 802.33 표준에 규정된 기술이며, 이더넷은 물리계층과 데이터 계층만 지칭하는 개념이라고, 잘못 알려진 이더넷에 대한 표현을 바로잡고, TCP/IP는 리얼타임이 아니라고 피력했다.

Martin은 이더넷은 훌륭한 기술이지만, 노하우와 스위치가 있어야 하는 등, 필드버스 레벨에서 사용하기가 어렵다고 말하고, 이더넷의 3가지의 성능상의 문제점을 설명했다.

Bandwidth(대역폭)의 효용성과 Stack 딜레이, 스위치 딜레이가 바로 그것으로, 우선 현재 대부분의 사용자가 대역폭의 5% 미만만 사용하고 있어 오버스팩이라는 문제가 있는데, EtherCAT은 어떤 기술보다 대역폭 이용률과 이에 상응하는 성능을 실현한다고 설명했다. 또 스택 딜레이와 관련해 Profinet과 EtherNet/IP와 비교할 때 EtherCAT이 평균 스택 딜레이 시간에서 큰 차이를 가진다고 말했다. 또 스위치는 버퍼 딜레이 때문에 예측이 불가능한데, EtherCAT은 스위치 자체가 없어서 전원을 공급할 필요도 없고 컨피규레이션할 필요도 없다고 설명하고, 따라서 EhtherCAT은 이더넷이 지니는 3가지 성능상의 문제점을 모두 해결하는 리얼타임 이더넷 필드버스라고 피력했다.

EtherCAT은 유연한 토폴로지를 가진 고성능·저비용의 사용하기 쉬운 산업용 이더넷

Martin 디렉터는 EtherCAT은 2003년에 소개되어 2007년부터 국제 표준이 되었으며, EtherCAT 네트워크는 10억분의 1초의 정확도로 동기화되며, 이것은 대상 시스템이 통신시스템을 통해 제어되거나 측정되는 모든 어플리케이션에서 장점으로 작용한다고 말했다.

행사장에는 Beckhoff를 비롯한 다양한 업체의 EtherCAT 데모장비가 선보였다.

다음은 Martin 씨가 설명한 EtherCAT의 장점이다.

EtherCAT 시스템 구조는 같은 사이클 타임을 가정하면 다른 통신 시스템과 비교해서 25~30%까지 CPU의 부하를 줄인다. 또 기존의 산업용 이더넷 시스템에서는 접속할 수 있는 스위치와 허브의 개수에 제한이 있고, 이러한 제약이 전체 네트워크 토폴로지를 제한하는데, EtherCAT은 허브나 스위치를 필요로 하지 않기 때문에, 그러한 제약이 없다. 즉 EtherCAT은 네트워크 토폴로지에 관해서 사실상 제한이 없으며, 라인, 트리, 스타 토폴로지와 그것들의 어떤 조합도 노드들의 숫자에 거의 제한 없이 구성할 수 있다.

라인 토폴로지는 케이블 이중화를 위해 링 토폴로지로 확장되며, 이 이중화를 위해 마스터 디바이스가 필요로 하는 모든 것은 또 하나의 이더넷 포트이고, 슬레이브 디바이스는 이미 케이블 이중화를 지원하며, 이것은 장비가 동작하는 동안 디바이스 교체를 가능하게 한다.

쉽고 적당한 가격 역시 EtherCAT의 중요한 이점.

EtherCAT 성능은 네트워크 튜닝의 필요성을 제거함으로써, 시스템을 구성하는 동안에 도움을 준다. 큰 대역폭 덕분에 제어 데이터와 함께 추가적인 TCP/IP를 전송할 수 있는 능력이 있다. 그러나 EtherCAT 자체는 TCP/IP에 기반을 두지 않기 때문에, MAC 주소나 IP 주소를 관리하거나 IP 전문가들에게 스위치와 라우터를 설정하게 할 필요가 없다.

특히 EtherCAT은 최고 수준의 필드버스 시스템의 비용과 유사하거나 심지어 낮은 가격으로 산업용 이더넷의 특징을 제공한다. 마스터 디바이스에 의해 요구되는 유일한 하드웨어는 이더넷 포트로, 비싼 인터페이스 카드나 Co Processor가 필요 없다. EtherCAT 슬레이브 컨트롤러는 FPGA 기반의 ASIC 또는 표준 마이크로프로세스 시리즈의 옵션과 같은 다른 포맷으로 다양한 제조사로부터 구입이 가능하다. 이런 저렴한 컨트롤러들이 모든 타임 크리티컬한 작업들을 떠맡고 있기 때문에, EtherCAT 자체는 슬레이브 디바이스 CPU의 성능에 관한 어떤 것도 요구하지 않는데, 이는 결과적으로 디바이스 비용을 낮춘다. 또 EtherCAT은 스위치나 다른 인프라 구성요소들을 필요로 하지 않기 때문에, 이 구성요소들과 설치비용, 환경설정, 유지보수가 제거된다.

즉 EtherCAT은 유연한 토폴로지를 가진 고성능·저비용의 사용하기 쉬운 산업용 이더넷이다.

또 Safety over EtherCAT은 일반적인 어플리케이션과 안전 어플리케이션 둘 다를 위한 같은 개발도구를 사용할 수 있으며, 안전시스템 구조를 유연하게 변경하고 확장할 수 있고, 안전 어플리케이션을 위한 사전에 인증된 솔루션일 뿐 아니라, 장비 설계에 안전설계의 매끄러운 통합이 가능하다.

Safety over EtherCAT 밴더는 Beckhoff와 오므론을 비롯해서 24개 사가 있다.

Martin 디렉터는 표준 이더넷 포트만 있으면 특별한 리던던시 슬레이브가 필요 없이 똑 같은 슬레이브를 사용할 수 있다고 새롭게 추가된 기능에 대해 설명했다. 또한 케이블 리던던시 경우에도 마스터 개입 없이 핫 스왑도 가능하며, 운영 중 세그먼트를 다른 것으로 교체할 수 있기 때문에 가용성이 극대화 된다고 말했다.

네트워크 구조의 통합된 부분으로서 기능적 안전

Fail Safety over EtherCAT(FSoE)은 TUV 공인 디바이스들을 통한 사용으로 증명이 됐다. 프로토콜은 SIL3 시스템의 필요조건을 만족시키며, 중압집중과 분산제어 시스템 모두에 적합하다. Black-Channel 접근과 Lean Safety Container 덕분에 FSoE는 다른 버스 시스템에서도 사용될 수 있고, 이 통합된 접근과 Lean 프로토콜이 시스템 비용을 낮추는데 도움이 된다. 또한 비 안전 필수 컨트롤러는 안전 데이터를 받고 처리할 수 있다.

Martin 디렉터는 또 EtherCAT은 오픈 테크놀로지를 특징으로 하며, 180개 이상의 마스터가 EtherCAT의 개방성을 보여준다고 말했다.

또 ETG에는 매년 400개 멤버가 새롭게 조인하고 있으며, 현재 58개 국가의 3439개 사의 멤버가 ETG에 참여하고 있다고 말하고, 지역별로 볼 때 독일은 전체에서 극히 일부만을 차지하며, 미국 및 아시아 지역의 멤버가 큰 비중을 차지한다고 설명했다.

특히 아시아지역은 지난 10월 기준으로 1224개의 멤버가 있으며, 2014년 8월부터 2015년 8월 사이에 190개의 멤버가 늘어났다고 말하고, 타 네트워크와 달리 EtherCAT은 전 세계에 분포되어 있다고 강조했다.

EtherCAT 버전은 단 하나… 안정적

또 모 네트워크가 2년에 한 번씩 새로운 버전이 출시되는 것과 달리, EtherCAT은 버전이 하나이기 때문에 안정적이며, 멤버 가운데 1/3이 제조사가 아닌 사용자들이라고 강조했다.

현재 EtherCAT 마스터 밴더는 188개, 드라이브 밴더는 148개, I/O는 103개로, 타 프로토콜과 큰 차이를 보이고 있으며, 이는 EtherCAT이 개방된 기술이기 때문에 가능한 것이라고 피력하고, EtherCAT은 업계 최대의 선택권을 제공하고 있다고 역설했다.

마틴 디렉터는 고성능과 유연한 토폴로지, 손쉬운 사용, 저 비용, 기능안전, 제품의 다양성과 같은 여러 이점 때문에 제조기업들이 EtherCAT을 선택하고 있다고 말했다.

이어서 Beckhoff의 국내 대리점인 트라이텍의 정명호 차장이 EtherCAT 어플리케이션을 주제로 발표를 진행했다.

EtherCAT과 Beckhoff의 서보 모터 등을 사용한 스마트 서보 프레스, DC기능을 조합해서 두 축 간의 편차 10㎛ 미만으로 구현

국내 연구팀이 개발한 스마트 서보 프레스는 EtherCAT과 Beckhoff의 서보 모터 및 드라이버, 터치 모니터, I/O 등을 사용해 기존 대비 30%의 낮은 전기소비량과 프레스 가압력 50배 향상, 처짐 변형량 9um 이내, 성형상태 실시간 모니터링을 실현했다. 이 서보 프레스는 PC기반의 자동화 기술과 EtherCAT을 사용해 사용자 요구사항을 충족하는 PC성능과 EtherCAT이 조화된 어플리케이션으로, 위치제어를 사용해 다양한 모션을 구현하기 위해 각 축이 1마이크로 세크 이내에 동기화되는 EtherCAT을 사용했으며, PC에서 CAM 기능을 소프트웨어로 구현하고, DC기능을 조합해서 두 축 간의 편차를 10㎛ 미만으로 구현했다.

정 차장은 2020년에는 PC가 현재보다 32배 더 높은 CPU 파워를 갖게 되며, 현재 프로그램을 실행하는 퍼포먼스는 2020년 대비 3%에 불과하다고 말하고, PC제어시스템에서의 CPU Core 개수 증가 트렌드를 설명하고, 멀티 코어를 지원하는 TwinCAT3을 이용하면, 제어에 필요한 모든 기능을 수행할 수 있는 강력한 성능을 발휘한다고 설명했다.

TwinCAT3는 IEC61131-3 언어와 함께, IT 환경에서 많이 사용되고 있는 C/C++ 언어와 과학적 분석에 탁월한 성능을 발휘하는 Mathlab/Simulink를 하나의 단일 플랫폼에서 실행할 수 있도록 도와 줄 뿐만 아니라, 멀티코어 CPU 상에서 특정 태스크를 분산 실행할 수 있게 해준다.

이와 함께 다축 서보시스템인 AX8000을 소개했다. 이 신제품은 멀티 코어 ARM 프로세스 기반의 FPGA 기술로 구현되어, TwinCAT3 런타임을 활용해 IEC61131-3 언어는 물론, C++, Matlab/Simulink로 프로그래밍이 가능하며, 1us의 업데이트 주기, 16us의 제어 주기를 통해 정밀 위치 제어를 실현하는 것이 특징이다.

또 Beckhoff 의 새로운 ‘Plug-in’제품인 EJ 시리즈가 소개됐다. 이 제품은 슬라이스 타입의 기존 I/O와 달리 PCB에 장착되는 형태로 개발되어, PCB에 커넥터를 넣을 수 있기 때문에 와이어링이 절감되고 생산성이 향상되는 것이 특징. EJ 시리즈는 수많은 공통 부품을 사용하는 대형 장비 생산에서 동일한 제어시스템 구성을 복제함에 있어, 다양한 구성을 가능하게 하면서 플랫폼 개념을 구현하는데 효율적인 솔루션을 제공하며, 가격절감 효과를 제공한다.

Soft Servo Korea, 하드웨어 기반의 머신 컨트롤과 장비제어를 소프트웨어 기반으로 할 수 있도록 지원

소프트서보코리아에서 EtherCAT과 Soft Motion을 주제로 한 발표를 진행했다.

EtherCAT과 Soft Motion의 결합을 통해 실현되는 혁신을 보여주는데 초점이 맞춰진 이 발표에서는 파나소닉의 드라이버와 모터가 사용이 된 데모장비가 소개됐는데, EtherCAT을 사용하면 어떤 업체의 모터와 드라이버도 사용이 가능하다.

소프트서보는 지멘스 기반의 장비개발을 위한 WMX/MXR, 로봇 제어용 GMX, CNC 기반의 Servo Works라는 3가지의 솔루션을 공급하고 있는 기업으로, 기존의 하드웨어 기반의 머신 컨트롤과 장비제어를 소프트웨어 기반으로 할 수 있도록 지원하고 있다.

이 가운데 WMX는 PC용 EtherCAT 마스터를 적용해 전용 보드가 필요 없으며, LAN 포트 접속으로 고속 동기를 실현하고, WMX의 하나의 라이선스로 64축까지 서보 드라이브와 1만점 이상의 I/O제어가 가능하다. EtherCAT 장치제어와 각종 모션 컨트롤 기능, I/O 제어기능을 API 라이브러리로 제공하기 때문에 EtherCAT 전문지식을 필요로 하지 않는 것이 장점으로, 현재 국내 최대 반도체 제조업체에서 양산에 채용하고 있다.

좀 더 빠른 응답성과 동기성을 원하는 경우에는 윈도 기반의 MXR이 적합한데, MXR의 모든 모션 기능은 RTX API로 제공된다. 윈도 API를 제공하기 때문에 EtherCAT 기능을 몰라도 사용하는데 불편함이 없으며, 기존 PC를 그대로 사용하기 때문에 하드웨어가 없어지고, 하드웨어처럼 변경되거나 노후되지 않기 때문에 영구적으로 사용할 수 있다는 것이 소프트 서보 시스템의 장점.

소프트 서보는 독자 개발한 EtherCAT 마스터를 확보하고 있는 기업으로, 파나소닉의 A5B EtherCAT 서보 통신 부분을 개발했다.

자사의 제품으로 구동되는 5축 CNC(임플란트 가공기, 3D 레이저 커팅)와 6축 시리얼 링크 로봇, 델타 로봇 등의 영상을 소개했다. 소프트 서보 코리아는 발표를 통해, 많은 저가형 모션 컨트롤 업체들이 Soft Motion 컨트롤러 마스터 스택을 사용해 개발하기 시작했다고 피력했다.

산요전기의 EtherCAT을 탑재한 AC 서보 시스템 RS2 Type H, 펌웨어 갱신 기능 추가

산요전기코리아에서 EtherCAT을 탑재한 산요전기 제품을 주제로 발표를 진행했다.

산요전기의 EtherCAT을 탑재한 AC 서보 시스템 RS2 Type H 제품은 통신주기 125㎲을 필요로 하는 고객의 요구에 대응해 고속 통신주기를 실현했으며, 기존제품이 펌웨어 개인 실패 시 복구가 불가능해서 수리를 해야 하는데 비해 갱신 실패시에도 복구가 가능한 펌웨어 갱신 기능을 추가했으며, 갱신에 실패해도 복구가 가능하다.

또 4축 일체형의 EtherCAT을 탑재한 DC 서보 시스템이 소개됐다. 4축 일체형이기 때문에 소형화를 실현하고 제어반 공간의 여유를 실현할 수 있는 이 제품은 제어 유닛 내에서 각 축의 엔코더 신호를 피드백해서 텐덤 운전이 가능한 동기기능이 특징이다. 또 2축 일체형 드라이버인 PB시스템은 2축 동기운전이 가능하다.

1. Acontis 데모장비

2. 산업용 이더넷 LSI를 공급하는 르네사스는 히타치와 미쓰비시전기, NEC가 출자해 설립된 기업으로, 도요타 사 등에 제품이 적용되어 있다.

3. Beckhoff 데모장비

산요전기코리아에서는 로봇제어와 시퀀스제어, 모션제어의 3가지 제어기능을 갖춘 SANMOTION Controller를 공급하고 있는데, 이날 영상을 통해 EtherCAT 마스터로 구동하는 패러럴 링크 로봇 데모를 소개했다. 비전 시스템으로 크기와 위치를 영상으로 찍어서 SANMOTION 컨트롤러로 이를 판별하여, 작은 물체는 위로, 큰 물체는 아래로 픽앤플레이스하는 로봇 데모.

르네사스, 산업용 이더넷 기술과 리얼타임 제어 기술을 양립한 R-IN을 중심으로 한 산업용 이더넷 솔루션 공급

르네사스(Rensas)와 코시다(Koshida)에서는 새로운 네트워크 플랫폼인 R-IN32M3시리즈를 소개했다. 산업용 이더넷 LSI를 공급하는 르네사스는 히타치와 미쓰비시전기, NEC가 출자해 설립된 기업으로, 도요타 사 등에 제품이 적용되어 있다.

R-IN32M3 시리즈는 ARM Cortex-M3 @100MHz를 채택하고, 리얼타임 OS 액셀러레이터와 이더넷 액셀러레이터를 내장한 R-IN엔진을 탑재, 고속 리얼타임 처리를 실현한 것이 특징으로, 지난 2013년 4월, 두 가지 제품이 출시되어 7개국 50개 사 이상에 채용이 되어 있다.

이날 함께 소개된 하드웨어 리얼타임제어용 RZ 시리즈는 초 리얼타임 성능을 베이스로 R-IN과 엔코더 인터페이스를 탑재해 타사가 제공하지 못하는 부가가치를 제공하는 제품. 종래 하이엔드 MCU의 2배 이상의 리얼타임 성능을 제공하며, 산업 이더넷에 대응하고, 보수의 규격에 대응하는 엔코더 인터페이스를 내장하고 있다. 특히 CPU직결의 고속 RAM에 의해 고속처리와 Cash를 통하지 않는 확정적 리얼타임 응답을 양립시키는 것이 특징으로, ECC 탑재에 의해 신뢰성을 향상시켰다. RZ/T1 AC 서보의 1 칩 솔루션은 멀티 프로토콜 대응의 가변형 엔코더 I/F를 내장해 FPGA가 불필요하다.

르네사스는 향후 산업용 이더넷에 대응한 PLC 제품을 출시할 계획. 또 향후 공장은 리얼타임으로 네트워크에 연결되어 빅데이터에 근거한 제어가 이루어져 유연한 생산체제가 필요하게 될 것이라고 피력하고, 르네사스는 산업용 이더넷 기술과 리얼타임 제어기술을 양립한 R-IN을 중심으로 한 산업용 이더넷 솔루션으로 고객의 제품 개발을 서포트하는데 역량을 집중하고 있다고 밝혔다.

프레스토 솔루션, 로봇 컨트롤을 위한 Acontix EtherCAT 마스터 솔루션 소개

Acontis의 국내 대리점인 프레스토 솔루션에서는 로봇 컨트롤을 위한 Acontix EtherCAT 마스터 솔루션을 주제로 한 발표를 진행했다.

아콘티스에서는 임베디드 OS에 탑재가 가능한 EC Master를 비롯해서, 이더넷 컨피규레이션, 진단기능을 특성화시킨 EC Engineer, EC Engineer의 진단기능을 구체화시킨 툴인 EC Lyer, 윈도에서 리얼타임 구동할 수 있는 EC -Win 등의 제품군을 공급하고 있다.

EC Master에서는 EtherCAT 버스를 멀티로 구성할 수 있는 기능을 탑재하고 있으며, 케이블 리던던시와 Hot Connect, Master Object Dictionary, 원격 액세스, EoE Endpoint 및 네트워크 드라이버 기능 등을 제공한다. 범용 OS를 위해 Out-of-the-box를 제공하며, 높은 확장성과 견고함, 신뢰성, 복잡한 진단 기능, 손쉬운 통합 등을 특징으로 한다.

프레스토 솔루션에서는 자사의 EC Master Class a Master Stack과 핫 커넥트와 리모트 API를 제공하는 FPs, VxWIN을 사용한 차세대 산업용 로봇 컨트롤러가 적용된 KUKA Roboter를 영상으로 소개했다.

EtherCAT과 OPC UA, 상호보완적으로 협업 진행

마지막 순서로 Martin 디렉터가 Industry 4.0과 산업용 사물 인터넷(Industrial Internet of Things)을 주제로 발표를 진행, EtherCAT이 인더스트리 4.0과 IIoT(Industrial Internet of Things:산업용 사물 인터넷)에 얼마나 적합한 네트워크인지를 설명하는 한편, EtherCAT이 머신 빌더와 엔드유저에게 제공하는 이점과 다양한 EtherCAT 어플리케이션에 대해 설명했다.

Martin 디렉터는 인더스트리 4.0과 산업용 IoT는 결국 통신이 핵심으로, EtherCAT은 실시간 레벨의 통신과 OPC UA를 제공함으로써, EtherCAT 이상의 기술을 제공하고 있으며, EtherCAT과 OPC UA는 상호보완적으로 협업을 진행하고 있다고 말했다.

EtherCAT은 수직 통신과 비 EtherCAT 시스템을 위한 연결성을 위해 OPC UA를 복합적으로 적용해 인더스트리 4.0을 구현한다는 것이 그의 설명으로, 최근 ETG와 OPC UA가 양해각서를 체결하고 공통된 인터페이스를 정의하고 서로 경쟁하지 않기로 합의했다고 밝혔다.

Martin 디렉터는 인더스트리 4.0의 구현사례 가운데 하나로 Nobilia사를 소개했다. 이 회사는 유럽 최대의 부엌가구 메이커로서 하루에 2500개의 캐비닛을 만들어내고 있다. EtherCAT을 사용해 IT와 OT 기술이 융합된 사례.

이밖에 캐나다 Husky사의 HyPAC Injection Molding 머신과 스위스의 Hausler AG의 메탈 포밍, 미국 Doerfer Companies사의 Mobile Machine, BMW AG의 엔진 테스트 베드, 독일 Multivac사의 포장기계, ARM Automation과 Austin, TX사의 볼링 로봇, 영국 HR Wallingford사의 Wave Making System, 싱가포르 창이공항의 Kinetik Rain, 미국 Numina Group의 로지스틱스 및 머트리얼 핸들링, 이태리 Danieli사의 스틸 생산 등의 수많은 사례를 통해 EtherCAT이 얼마나 다양하고 많은 어플리케이션에 적용되어 생산성과 효율을 높이고, 안전한 운영은 물론 비용까지 절감하는지 소개됐다.

Martin 디렉터는 비용을 낮추기 위해서는 공급업체가 다양해야 한다고 말하고, EtherCAT의 장점을 다시 한 번 강조하는 말로 발표를 마무리했다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - EtherCAT은 Industry 4.0과 IIoT에 적합한 통신 프로토콜