Beckhoff의 수석 관리 제어 시스템 설계자이자 ETG의 EtherCAT 기술 전문가인 Thomas Rettig은 다음과 같이 설명한다. “Beckhoff는 다른 필드버스 및 통신 시스템에 대한 광범위한 경험을 바탕으로 이미 20년 전에 매우 안정적인 프로토콜을 개발할 수 있는 발판을 마련할 수 있었습니다.” © Beckhoff
20년에 걸친 EtherCAT의 성공 스토리는 단순한 기술적 성능 이상을 바탕으로 이루어졌다. 다른 주요한 성공 요인으로는 기술 중단이 없는 지속적인 추가 개발, 사용자 친화적인 조작, 최적의 진단 기능을 예로 들 수 있다. Beckhoff의 수석 관리 제어 시스템 설계자이자 ETG의 EtherCAT 기술 전문가인 Thomas Retting이 이번 인터뷰를 통해 그의 중요한 식견과 전망을 공유하였다.
Beckhoff가 개발한 EtherCAT 기술의 20년 성공 스토리는 지금도 계속되고 있으며, EtherCAT 기술은 전 세계에 걸쳐 실시간 이더넷 통신에 대한 고성능 표준으로 확고한 입지를 구축해왔다. © Beckhoff
20년 간의 EtherCAT 개발을 되돌아볼 때, Beckhoff에서 얼마나 오랫동안 이 분야에 참여하였고 지난 몇 년간 주로 어떤 분야를 담당했습니까?
Thomas Rettig: 저는 2002년에 Beckhoff에서 근무를 시작했는데, 처음에는 FPGA/ASIC 개발 부서에서 하드웨어 개발자로 근무했습니다. 당시 제 역할은 Fast Lightbus로 처음 알려진 새로운 산업용 버스 시스템을 정의하고 구현하는 일이었습니다. 하지만 EtherCAT이 기술적 이점과 개방형 프로토콜 덕분에 시장 표준으로 빠르게 자리 잡으면서 2008년경부터 기술 관리, 구현 지원, Beckhoff 직원 및 ETG 회원들을 위한 교육을 담당하기 시작했습니다. 2015년부터는 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러 ASIC 및 IP 코어, 소프트웨어 툴, 평가 보드와 같은 EtherCAT 개발 제품을 포함한 EtherCAT 기술의 제품 관리자로 근무하고 있습니다. 새로운 제어 아키텍처 기술을 조사하고 평가하는 일도 제 직무 중 하나입니다. IEEE(전기전자공학자협회)에서 이더넷 물리 계층, 5G 모바일 통신 표준의 속성과 이를 사용하는 잠재적인 어플리케이션과 관련된 신규 개발을 진행하기도 합니다.
그동안 EtherCAT의 핵심 요소로 입증된 기술적 특징은 무엇입니까?
Thomas Rettig: EtherCAT 기술의 기본 원칙 중 하나인 실시간 텔레그램 처리 기능에 대해 먼저 설명드리겠습니다. 이는 일반적으로 시스템 내 다수의 자동화 디바이스의 수많은 소형 정보 유닛에 대해 단 하나의 텔레그램만 필요로 하면서도, EtherCAT 네트워크에서 65,000개 이상의 디바이스 노드를 처리할 수 있는 이더넷의 높은 대역폭을 효과적으로 활용할 수 있는 유일한 방법입니다. Beckhoff가 EtherCAT의 필수 특징 중 하나로 개발한 필드버스 메모리 관리 유닛(FMMU)이 핵심입니다. FMMU는 EtherCAT 네트워크를 단일 4GB 주소 공간으로 변환해 줍니다. 네트워크 시작 시에 이 주소 공간 내 개별 디바이스의 데이터 매핑 및 후속 데이터 편성이 구성 프로세스의 일환으로 이루어집니다. 그런 다음 세부 사항이 EtherCAT 마스터에 의해 디바이스의 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러에 직접 기록됩니다. 이로 인해 소프트웨어가 복사 작업을 수행할 필요가 없어지고, 이에 따라 마스터에서 소비되는 컴퓨팅 전력이 30%까지 절감됩니다. EtherCAT의 또 다른 핵심 기능은 분산 클럭에서 찾을 수 있는데, 이를 통해 통신 시스템에 대해 정의되고 자동으로 동기화되는 시스템 시간이 도입되었습니다. 스위치가 필요 없기 때문에 지연 시간이 매우 짧으며 유연성이 뛰어나고 자유로운 선택이 가능한 네트워크 토폴로지도 추가적인 이점입니다. 이에 더해, 선 구조 또는 분기형 트리 구조 등 어디에서 사용되는지 여부와 상관없이 네트워크는 통신 성능에 거의 영향을 미치지 않습니다.
지난 20년 간 개발과 관련하여 주목할 만한 다른 특징은 무엇입니까?
Thomas Rettig: FSoE(Safety over EtherCAT) 프로토콜을 사용한 기능 세이프티 통신 통합은 EtherCAT 시스템 내에서의 합리적이고 필수적인 확장이었습니다. 또한 통합 접근 방식, ‘린(Lean)’ 프로토콜, 보안 로직, 세이프티 액추에이터를 통해 라이트 그리드 또는 레이저 스캐너와 같은 세이프티 센서를 네트워크에 원활하게 통합하는 동시에 시스템 비용을 낮게 유지할 수 있습니다. FSoE 데이터 컨테이너만 복사하면 되기 때문에 세이프티 목적으로 기능 표준 컨트롤러를 확장할 필요가 없습니다. 아울러 “블랙 채널”의 일부로서 세이프티와 관련이 없다고 간주되는 통신 계층의 일부를 구성합니다. 모션 어플리케이션의 경우, CiA402 드라이브 프로파일을 단주기, 시간 동기식 작동, EtherCAT의 고급 기능에 맞게 적용함으로써 (결합된) 드라이브의 제어 품질 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 표준 4 코어 이더넷 케이블에 데이터와 두 개의 독립적인 24V DC 전원 공급 장치를 통합한 EtherCAT P 원 케이블 솔루션을 도입한 것 또한 중요한 개발 단계 중 하나였습니다. 이 기술은 Beckhoff 하이브리드 커넥터 기술을 통해 더욱 확장되었으며, 이를 통해 EtherCAT P 코어와 함께 동일한 케이블 내에서 더 높은 전압과 전류를 사용할 수 있게 되었습니다.
엔지니어링 측면에서 주목할 만한 EtherCAT의 특징은 무엇입니까?
Thomas Rettig: 사용자 입장에서 주소 할당을 포함한 네트워크와 토폴로지의 자동 스캔은 큰 이점을 제공합니다. 네트워크를 설정할 때 연결된 각 디바이스를 쉽게 식별할 수 있으며, 각 디바이스에서 구현되고 연결된 포트에 대한 추가 정보를 바탕으로 네트워크 토폴로지를 구축할 수 있습니다. 다른 버스 시스템이 장착된 대규모 설비에서 모든 디바이스의 IP 주소를 설정하고 확인하는 데 일주일이나 소요되었다고 답변한 고객이 많았습니다. 반면 EtherCAT을 사용하면 모든 것이 한 번의 클릭으로 이루어집니다. EtherCAT 마스터 상의 데이터 스토리지 또한 긍정적인 효과를 제공합니다. 시스템이 시작될 때마다 어플리케이션별 구성 파라미터가 마스터에 의해 디바이스로 기록됩니다. 따라서 디바이스가 교체되는 경우, 시작 시 교체 디바이스가 동일한 유형인지 확인하고 감지한 다음 자동으로 올바르게 시스템이 구성되므로 프로세스가 크게 간소화됩니다.
진단 기능을 강화해 주는 속성은 무엇입니까?
Thomas Rettig: EtherCAT은 하드웨어 및 소프트웨어 수준에서 모두 탁월한 진단 기능을 제공합니다. 이러한 진단 기능 덕분에 모든 사이클에서 정확한 오류 위치를 파악하여 특정 디바이스 또는 케이블로 문제 해결 범위를 좁힐 수 있습니다. 작업 카운터, 프레임 손실 카운터와 같이 텔레그램 내 데이터 일관성 및 텔레그램 자체의 데이터 무결성 모니터링 작업에 도움이 되는 텔레그램별 주기적 오류 메시지도 있습니다. 후속 오류 원인 분석에서는 손실 링크 카운터가 포트에서의 링크 손실 빈도를 나타내고 RX 오류 카운터가 포트에서 텔레그램 구조의 오류가 감지된 빈도를 나타냅니다. 이러한 카운터는 디바이스 내 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러의 하드웨어 레지스터에서 이용할 수 있습니다. 추가 오류는 디바이스 펌웨어에 기록되는데, 펌웨어는 디바이스의 EtherCAT 상태 머신에서 오류로 이어지는 마스터에 의한 부정확한 구성 또는 EtherCAT 마스터와의 동기화 상실과 같은 정보를 표시합니다. 이러한 오류는 상태 정보를 통해 마스터에 즉시 보고되며, 진단 이력 개체를 통한 선택적 읽기 기능을 사용하여 추가 오류 분석을 수행할 수도 있습니다.
브랜치 콘셉트를 사용하면 EtherCAT, EtherCAT G, EtherCAT G10 세그먼트를 혼합 구성으로 운영할 수 있으므로 전체 시스템 내에서의 통신 효율을 극대화할 수 있다. © Beckhoff
항상 동일하게 유지되고 있는 기본 프로토콜을 통해 EtherCAT이 이전 버전과의 하위 호환성을 100% 유지하는 동시에 계속 확장하면서, 지난 20년 동안 이처럼 놀라운 연속성을 지속할 수 있었던 비결은 무엇입니까?
Thomas Rettig: Beckhoff는 다른 필드버스 및 통신 시스템에 대한 풍부한 경험을 바탕으로 초기 단계부터 매우 안정적인 프로토콜을 개발했습니다. 프로토콜 설계 측면에서 보면, 미래 지향적인 사고를 통해 향후에도 하위 호환성을 유지할 수 있는 확장이 가능했습니다. 또한 하드웨어와 소프트웨어 구현을 구분하는 스마트한 전략을 채택함으로써 프로토콜을 변경하지 않고도 확장 기능을 간편하게 도입할 수 있었습니다.
EtherCAT과 같은 핵심 기술을 사용할 때는 미래 호환성이 매우 중요합니다. EtherCAT의 이러한 호환성을 계속 보장할 수 있는 중요한 요소는 무엇입니까?
Thomas Rettig: EtherCAT G를 통해 완벽한 하위 호환성을 갖춘 차세대 기술 확장이 이미 이루어지고 있습니다. EtherCAT G는 기존의 다양한 디바이스를 활용할 수 있게 하면서 미래의 하이엔드 기술 요구사항을 충족할 수 있도록 설계되었습니다. 그 결과 고객들은 높은 수준의 투자 안정성을 기대할 수 있습니다. 특히 기존 100Mbit/s 기반 EtherCAT 기술의 전체 사용 사례 중 최대 99%가 도입된 지 20년이 지난 오늘날에도 여전히 충분히 우수한 성능을 제공하고 있습니다. EtherCAT은 다른 1Gbit/s 통신 시스템과 비교해도 여전히 업계에서 가장 빠른 산업용 이더넷 기술입니다. Beckhoff 외에도 현재 12개의 다른 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러 칩 제조업체가 다양한 옵션을 제공하는 제품을 생산하고 있으며, 향후 더 많은 업체가 합류할 것으로 예상됩니다. 이러한 유명 제조업체 중 다수는 초창기부터 EtherCAT이 산업 자동화 분야에서 가장 중요한 기술 중 하나라는 사실을 이미 알고 있습니다. 또한 Beckhoff는 조만간 최첨단 반도체 기술을 바탕으로 위기 회복력이 상대적으로 높은 지역에서 생산되는 새로운 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러 ASIC(100Mbit/s)을 출시할 계획입니다. 이는 20년이 지난 지금도 Beckhoff가 회사와 고객 모두에게 공급 안정성을 극대화하고 보장하기 위해 이 핵심 기술에 계속 집중적으로 투자하고 있음을 보여주는 것입니다.
미래 안정성을 위해서는 지속적인 개발과 혁신도 필요합니다. 현재 EtherCAT 개발자들이 중점을 두고 있는 주제는 무엇입니까?
Thomas Rettig: 단언컨대, 새로운EtherCAT 슬레이브 컨트롤러 ASIC이 첫 번째입니다. 이 외에도 FPGA용 IP 코어 제품군을 확장하고 있으며 내년에는 EtherCAT G용 IP 코어를 출시할 예정입니다. Beckhoff는 전 세계적인 구성 부품 부족으로 인한 지연 사태를 극복하고 EtherCAT G 커플러 EK1400의 형태로 EtherCAT G 브랜치 컨트롤러 기술을 구현하는 데 집중하고 있으며, 현재 기술 완성을 목전에 두고 있습니다. 2024 하노버 메세 전까지는 시범 고객을 설정할 것입니다.
EtherCAT 진단 기능의 분류 © Beckhoff
브랜치컨트롤러 는 정확히 어떤 개념입니까?
Thomas Rettig: EtherCAT G 디바이스는 기존 기술과의 역호환성 또는 하위 호환성을 위해 100Mbit/s 디바이스와 동일한 세그먼트에서 작동할 경우 100Mbit/s 속도로 전환됩니다. 이는 우수한 호환성을 보장한다는 측면에서 유리하지만, 1Gbit/s의 높은 잠재 속도를 충분히 활용하지 못한다는 의미이므로 항상 바람직한 것은 아닙니다. 브랜치 컨트롤러를 도입하면 전송 속도가 다른 EtherCAT 세그먼트를 함께 운용할 수 있습니다. 이를 위해 브랜치 컨트롤러는 EtherCAT G 세그먼트에 연결되며, EtherCAT 또는 EtherCAT G 세그먼트를 연결할 수 있는 브랜치 연결부를 제공합니다. EtherCAT G 커플러 또는 EK1400 브랜치 컨트롤러는 표준 EtherCAT 터미널, 드라이브, 센서 등의 모든 제품군이 EtherCAT G 네트워크에 통합될 수 있도록 EtherCAT G 네트워크에서 100Mbit/s 세그먼트로 향하는 브랜치 포트를 제공합니다. 브랜치 콘셉트는 대규모 네트워크에서 전파 지연 시간을 최소화할 수 있다는 점에서 효율성 측면의 중대한 또 다른 이점을 부여합니다. 이는 브랜치 세그먼트의 텔레그램이 연결된 다른 모든 세그먼트를 우회하여 브랜치 컨트롤러에서 마스터로 직접 전달되기 때문입니다. 결과적으로 브랜치 포트는 병렬로 작동하여 자체 텔레그램을 동시에 전송할 수 있습니다. 대부분의 어플리케이션에서 네트워크 세그먼트의 이러한 병렬 작동을 통해 단순히 전송 대역폭을 늘리는 것보다 훨씬 더 중대한 성능상의 이점을 얻을 수 있습니다. 브랜치 콘셉트 덕분에 EtherCAT G 네트워크에서의 어플리케이션 별 성능이 구현 가능한 통신 시간 대비 2~7배 향상되었으며, 대역폭도 10배나 증가했습니다. EtherCAT G10으로는 최대 100배의 대역폭을 이용할 수 있습니다.
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본 인터뷰 기사는 Beckhoff Automation 홍보부 편집 담당자 Stefan Ziegler가 작성했다.