2021 EtherCAT 업데이트

Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) 재단은 거의 40년 전에 설립되었습니다. 오늘날 이더넷 기반 필드버스 시스템은 IEC 61158에서 표준화되었으며 광범위한 고급 산업 자동화 응용 분야에 필수적입니다.

그림 1: EtherCAT 표준 로고. (이미지 출처: EtherCAT Technology Group)

1980년 중반, 여러 자동화 제조업체가 이더넷의 부상을 보고 공장에서 그 이점을 활용할 수 있는지 궁금해했습니다. PC 기반 제어 시스템에 대한 경험이 있는 일부 사람들은 이더넷의 물리적 하드웨어가 산업 응용 제품에 적합하지 않다는 것을 알고 있었습니다. 더 문제가 된 것은 TCP/IP 프로토콜 및 당시의 연산력이 최신 자동화에 비해 너무 느리다는 것이었습니다. 또한 이더넷상의 데이터가 결정적이지 않았습니다. 반면, 설치된 노드 수가 기하급수적으로 증가했으며 이더넷 연결이 너무 간단하여 (제한 사항이 극복될 경우) 이더넷 접근 방식이 기존 필드버스보다 훨씬 저렴한 실용적인 아키텍처가 될 수 있었습니다.

그림 2: 이 LAN9252 DIGIO 기판은 연결된 MCU 없이 작동할 수 있는 하드웨어 전용 EtherCAT 2차 장치입니다. 이 기판을 사용하면 SFP 모듈을 통해 통신을 위한 RJ45 소켓 또는 광섬유 인터페이스에 대한 이중 네트워크 연결이 가능합니다. 이 기판은 사전 구성되어 제공되며 전원을 켜면 호스트에 EtherCAT 2차 장치로 표시됩니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

EtherCAT의 초기 기원 및 핵심 요소

이더넷에 대한 초기 개선 사항 중 하나는 RJ45 플러그-파란색 케이블 연결 강화입니다. 산업 환경에서의 사용을 위해, 이 커넥터는 마모, 충격 및 여러 번의 신축 주기를 견딜 수 있는 견고한 방수 연결이 필요했습니다. 이더넷을 실행 기술로 본 케이블 제조업체는 이러한 커넥터를 도입하기 시작했습니다. 처음에는 이미 사용 중인 표준 TCP/IP 프로토콜 및 개방형 시스템간 상호 연결(OSI) 7층 표준을 기반으로 하는 산업용 이더넷(IE) 제어를 위한 것이었습니다.

그림 3: 산업용 이더넷 케이블은 완벽한 데이터 전송을 보장하고 비용이 많이 드는 가동 중지 시간을 방지하며 안전하고 안전한 기계 작동을 유지하기 위해 견고한 내마모성 구조를 갖추고 있습니다. (이미지 출처: Getty Images)

이러한 물리적 연결은 마더 보드의 데이터 수집 카드를 통해 새로운 형태의 산업 제어를 보완했으며 간단한 프로세스를 위해 데이터를 처리하고 제어 신호를 제공할 수 있었습니다. 이는 자동화에서 이더넷을 더 많이 사용하기 위한 첫 번째 논리적 단계였으며 시간이 중요하지 않은 이벤트(온도, 흐름 및 습도와 같이 상당히 느리게 변화하는 프로세스 변수)의 경우 이러한 방식이 효과적이었습니다.

그러나 PC를 기반으로 한 자동화 제어는 여전히 도달할 수 없었습니다. 패킷 충돌로 인해 타이밍이 일관되지 않았고 작업을 고급 작동에 필요한 순간적인 타이밍으로 동기화할 수 없었습니다(예: 고속 생산 라인 병 검사 또는 포장 기계 내부의 날아다니는 칼 작업). 이러한 자동화는 새로운 접근 방식을 요구했고 여러 제조업체가 다양한 솔루션을 제시했습니다. 이중 가장 널리 채택된 것이 EtherCAT이었습니다.

2003년에 처음 출시된 EtherCAT은 이더넷 기반 통신 옵션 중 가장 빠른 주기 시간을 제공했기 때문에 곧 공장 자동화를 위한 선호되는 네트워킹 및 제어 아키텍처가 되었습니다. 한 가지 주의 사항은 EtherCAT을 최대한 활용하려면 (속도 및 결정성에 대한 산업 자동화 요구 사항을 충족하기 위해) 고속 제어 하드웨어로 버스를 보완해야 했습니다. 이는 대부분의 경우 EtherCAT 기능을 처리하는 제어 내의 ASIC 또는 응용별 집적 회로에 의존합니다.

결정론을 위한 EtherCAT의 기본 구조

EtherCAT은 이더넷 데이터의 텔레그램 구조를 사용하여 1차(마스터 제어) 장치 및 이 1차 장치와 작업 현장의 2차(노드) 센서/액추에이터와의 관계를 설정합니다. 이러한 작고 저렴한 ASIC가 노드마다 있어 이 구성의 성능을 향상시킵니다.

그림 4: 100Mb 물리층(PHY)을 갖춘 TMC8462 EtherCAT 2차 컨트롤러는 실시간 통신이 가능합니다. 이중 스위치 조정기 전원 공급 장치와 24V I/O는 산업 환경에서의 속도를 보완합니다. 2차 MC8462 컨트롤러는 일반적으로 장치 에뮬레이션 모드 또는 외부 CPU의 고급 기능을 위해 감시, PWM 및 SPI/I²C 1차 장치와 페어링됩니다. (이미지 출처: TRINAMIC Motion Control)

작동 방식은 다음과 같습니다. EtherCAT의 링 토폴로지를 따라 이동하는 텔레그램은 1차 컨트롤러에서 시작하여 모든 노드를 이동합니다. 모든 노드에는 오프로드할 준비가 된 명령과 텔레그램에 정보를 추가할 준비가 된 데이터 패킷이 있습니다. 텔레그램이 노드를 통과할 때 속도 저하 없이, 각 노드의 ASIC가 고속 정보 교환을 조정한 다음 텔레그램이 다음 노드로 빠르게 이동합니다. 전체 라운드가 완료되면 컨트롤러 내에서 모든 것이 업데이트되며 다른 데이터 패킷이 트랙으로 보내집니다. 이 체계는 EtherCAT 구조에 고유하며, 패킷 충돌을 방지하는 동시에 모든 주기가 끝날 때 컨트롤러에서 데이터를 즉시 사용할 수 있도록 합니다. 1차(컨트롤러)만 텔레그램을 릴리스할 수 있습니다.

이 예에서는 링 토폴로지를 사용하지만, 전이중 시스템이므로 세그먼트의 마지막 노드가 열려 있으면 해당 노드가 패킷을 다시 1차 컨트롤러로 보냅니다.

결정론적 데이터를 보장하기 위해 EtherCAT은 분산 클록을 사용합니다. 여기서 1차 컨트롤러는 패킷을 모든 노드에 전송합니다. 노드는 응답으로 내부 클록을 두 번(패킷이 수신될 때 한 번, 다시 1차로 돌아갈 때 한 번) 래칭합니다. 이러한 루틴(실제로 여러 번 반복될 수 있음)은 각 노드와 관련된 전파 지연을 직접 측정합니다. 그런 다음, 계산된 결과 지연이 오프셋 클록에 로드됩니다. 마지막으로 1차 컨트롤러는 버스의 다른 모든 노드에 대한 참조 클럭으로 시퀀스의 첫 번째 노드를 설정합니다.

EtherCAT은 이 지연을 주기적으로 또는 심지어 주기마다 업데이트하도록 구성할 수 있습니다. 빠른 데이터 주기 시간과 분산 클록의 조합을 통해 전체 시스템은 대부분의 산업 작업에 충분한 100Mb/sec의 데이터 속도 및 0.1msec 미만의 지터로 작동할 수 있습니다.

그림 5: 자동화 기계의 고성능 제어의 핵심은 결정론적 값 획득 및 출력과 함께 최소 응답 시간입니다. 다음 필수 출력 전에 출력 구성 요소에서 결과를 사용할 수 있는 한 정확하게 통신 및 계산이 발생할 때 차이가 없습니다. EtherCAT은 이 기능을 제공하므로 개별 EtherCAT 제어 루프로 일부 입력(값 획득)이 제공되면 해당 값이 컨트롤러로 이동(통신)하여 응답을 계산합니다. (이미지 출처: EtherCAT Technology Group)

EtherCAT에는 또 다른 내장 시간 관리 기능도 있습니다. 특정 센서, 액추에이터 및 시스템은 실시간 제어에 크게 의존합니다. 서보 모터, 안전 장비 및 엘리베이터는 극히 몇 가지 예에 불과합니다. EtherCAT 시스템은 중요 데이터에 대한 우선 순위를 지정하도록 시스템의 1차 컨트롤러를 프로그래밍하여 이러한 구성 요소와 시스템을 지원하도록 설정할 수 있습니다. 중요도가 덜한 구성 요소는 데이터 요청 및 업데이트가 적은 반면, 중요한 구성 요소는 데이터 요청 및 업데이트를 더 자주 받습니다.

최신 EtherCAT 기능 연대표

EtherCAT의 핵심은 Beckhoff Automation의 Lightbus(1989년 출시)와 2003년의 Fast Lightbus(이더넷 케이블에 사용)부터 시작되었습니다. 2005년 EtherCAT 사양이 공개되었으며 2007년 IEC 61158에서 필드버스 표준으로 분류되었습니다. 합법적인 국제 표준을 통해 Beckhoff 및 다른 제조업체는 이전 버전과의 호환성을 유지하면서 EtherCAT 기능을 활용하는 물리적 하드웨어 및 소프트웨어를 신속하게 개발했습니다.

EtherCAT 표준을 관리하는 것은 EtherCAT 기술 그룹(ETG)으로, 개발을 공유하고 EtherCAT 호환 장치의 상호 운용성을 보장하는 OEM 및 최종 사용자들로 구성된 산업 그룹입니다. 무엇보다도 이 그룹은 새로운 장치가 상호 운용성 표준을 충족하는지 확인하기 위해 적합성 검사 도구(CTT)라는 호환성 테스터를 개발했습니다.

다양한 산업에서 EtherCAT을 강력하게 수용함으로써 지속적인 혁신을 지원했습니다.

2008년: XFC를 갖춘 분산 클록 - EtherCAT 통신 운영의 핵심인 분산 타이밍 특성은 이 기사의 이전 섹션에서 다루었습니다. 그러나, 분산된 EtherCAT 클록은 모든 EtherCAT 장치가 EtherCAT 시스템의 다른 모든 클록과 지속적으로 동기화되는 자체 클록을 갖도록 요구하는 Beckhoff의 XFC(eXtreme Fast Control) 기술의 일부라는 것을 덧붙일 가치가 있습니다. EtherCAT은 100nsec 미만으로 유지되는 클록 간의 편차에 대해 다양한 구성 요소의 서로 다른 통신 런타임을 보상합니다. 시간 스탬프 데이터는 단일 텔레그램 내에서 특정 제어 파라미터의 타이밍을 미세 조정하는 데 사용됩니다. 분산 시스템 클록은 모든 시스템 클록이 100nsec 내에 동기화되도록 보장하며 제어 이벤트의 타이밍은 일반적으로 주기 시간에 의해 제한됩니다. XFC에서, 시간 스탬프가 있는 데이터는 빠르고 정확한 제어를 위해 데이터 주기 사이에 활성화(및 이벤트)가 가능하며 데이터 잡음을 최소화하기 위해 200kHz 데이터 샘플링 속도로 제공됩니다.

그림 6: 이 게이트웨이를 사용하면 직렬 RS-232/422/485 부품을 EtherCAT 제어 시스템에 연결할 수 있습니다. Anybus Communicator라고 하는 이 장치는 지능형 프로토콜 변환을 실행하여 직렬 데이터를 간단한 I/O 데이터로 1차 PLC 또는 컨트롤러에 전송합니다. (이미지 출처: HMS Connecting Devices)

2010년대: 다양한 EtherCAT 개발 소프트웨어 환경 - EtherCAT의 초기 도입은 응용별 자동화 기능의 통합을 단순화하기 위해 모듈과 함께 제공되는 광범위한 소프트웨어와 함께 통합을 용이하게 하는 소프트웨어 출시를 촉진했습니다. 이러한 모듈 중 첫 번째 모듈은 공작 기계 산업과 이러한 산업에서 필요로 하는 PLC, NC, CNC 및 로봇 제어를 대상으로 했습니다. 오늘날, EtherCAT 사용을 용이하게 하는 소프트웨어는 IEC 61131-3 코드 및 C/C++, Visual Studio, MATLAB 및 Simulink 환경의 프로그래밍과 점점 더 호환되고 있습니다. 후자의 개발을 통해 구현 전에 제어 시스템을 구축, 시뮬레이션 및 최적화할 수 있습니다.

2011년: 서보 축으로의 전력 및 데이터를 간소화하기 위한 EtherCAT 케이블 - 수년 동안 모션 시스템 통합자(자동화 분야의 유비쿼터스)는 서보 축이 전기 모터 제어, 전력 및 피드백을 위해 여러 케이블을 필요로 하는 방식에 대해 불평했습니다. 단일 케이블을 사용하여 다양한 전압 레벨에서 전력 및 혼합 신호 유형을 전달하면 신호 잡음, 레벨 이동 및 누화가 발생할 수 있습니다. 그러나 약 10년 전 모션 구성 요소 제조업체(케이블 재킷, 차폐, 정전 용량 완화, 컨덕터 크기 및 배열에 세심한 주의를 기울임)는 단일 케이블(전력 및 데이터) EtherCAT 케이블 솔루션을 시장에 출시하기 시작했습니다. 오늘날 이러한 제품(EtherCAT P 케이블)은 서보 모터 축 및 호환 가능한 기타 현장 장치에 서비스를 제공합니다.

2014년 ~ 2017년: 다중 축 및 머신 비전 시스템에 대한 지원 강화 - 이 기간 동안 EtherCAT 소프트웨어는 다양한 내장 안전 기능(예 : STO, SOS, SS1, SS2)을 사용하여 다축 설치를 확장하기 위해 하드웨어를 스태킹할 수 있으며, 유연한 모듈식 배치를 필요로 하는 로봇 및 픽 앤 플레이스 작동에 가장 유용했습니다. 또한 이 기간 동안에는 EtherCAT 기반 머신 비전에 대한 지원이 강화되었습니다. 이는 머신 비전의 실시간 데이터 요구 사항을 쉽게 지원하는 EtherCAT의 본질적인 고속 처리 방법론과 자연스럽게 들어맞았습니다. 일부 소프트웨어는 단순한 검사, 로봇 공학 및 품질 관리 작업을 위해 EtherCAT 기반 제어를 위한 기계의 프로그래밍에 머신 비전 작업을 직접 통합할 수도 있습니다.

2018년: 이전 버전과의 호환성이 지원되는 EtherCAT 고속 버전 - EtherCAT G(1Gb/sec 속도) 및 EtherCAT G10(10Gb/sec 속도)은 시장에서 점점 더 강력한 자동화 컨트롤러를 보완하는 동시에 원래 EtherCAT 구조를 사용할 수 있도록 합니다. 이러한 네트워크에서 모든 프로세스는 EtherCAT의 원래 반복(분산 클록 시스템 포함)과 동일하지만 일부 필드 장치는 더 빠른 주기 시간으로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 문제에 대한 해결책은 1Gb/sec 루프 및 여러 100Mb/sec 루프를 수용할 수 있는 EtherCAT 브랜치 컨트롤러(연결 노드)입니다.

2018년 이후: 추가적인 EtherCAT 하드웨어 및 소프트웨어 옵션 및 IoT 지원 - 최근에는 EtherCAT 네트워크 산업 구성 요소 및 통합 시스템의 도입을 앞당겼습니다. 또한 클라우드 기반 엔지니어링 및 EtherCAT 호환 게이트웨이를 통한 액세스와 함께 EtherCAT을 활용하는 머신 러닝 모듈을 갖춘 소프트웨어가 나타났습니다. 즉, EtherCAT 네트워크 머신을 소유하거나 사용하는 최종 사용자는 이제 소스 코드를 교환하고, 시스템 시뮬레이션을 수행하며, IoT 분석을 위해 머신 정보를 활용할 수도 있습니다. 이는 지리적으로 분리된 제조 현장에서 기계를 작동하는 최종 사용자에게 특히 유용합니다. 2020년 8월 중순인 현재, 3000개 이상의 회원사 ID가 ETG에 발급되었습니다.

결론

거의 40년 전, 산업 자동화 산업은 산업 통신을 위해 이더넷의 보편성과 성능을 활용하는 방법을 모색하기 시작했습니다. 오늘날 이더넷 기반 통신 및 제어는 전혀 낯설지 않으며 여러 환경에서 최적의 표준으로 사용되고 있습니다. EtherCAT의 기능 통합은 오늘날의 시중에 있는 모든 이더넷 지원 버스 중 최고의 성능 대 비용 비율을 제공합니다. Industry 4.0 및 IIoT 설치 개념을 지원하는 EtherCAT은 미래의 자동화 변환에 필수 요소로 남을 것입니다.