Industry 4.0을 주도해 나가는 통신 프로토콜 EtherCAT! - 신기술

한국 내 ETG(EtherCAT Technology Group) 회원 수가 지난 5월을 기점으로 200개가 넘어섰다. 중국의 500개 사와 함께 독일을 비롯한 유럽은 물론, 아시아 지역에서의 EtherCAT의 기세가 수그러들 줄을 모르는 가운데, 지난 7월 20일 구로베스틴호텔에서 ‘제 7회 ETG Korea 회원사 초청 세미나’가 개최됐다.

이번 행사에서는 ETG의 Martin Rostan 디렉터가 최근 업데이트된 EtherCAT 기술을 발표하는 외에, ETG Korea와 다인큐브, 소프트서보, 파워21, 한국생산기술연구원에서 각각 최근 ETG 동향과 EtherCAT을 활용한 기술을 발표했다.

이번 행사에서는 특히, EtherCAT 아키텍처에 OPC UA Pub/Sub 모델을 통한 이기종 디바이스 간 데이터의 수평적 통합과, TSN에 참여해 이기종 디바이스 간 데이터의 수평적 통합을 추가하는 등, Industry 4.0을 주도해 나가는 통신 프로토콜로서의 활발한 행보가 소개되면서, 관심을 모았다.

취재 최교식 기자 cks@engnews.co.kr

ETG Korea 정명오 차장이 국내 시장에서의 EtherCAT 현황을 소개하고 있다.

ETG의 회원사 수는 올 7월을 기준으로, 전 세계 62개 국가에 걸쳐 3828개 사에 이른다. 올 2016년 동안만 신규회원사가 500개 사를 넘어섰다. 아시아 지역의 ETG 회원사 수는 올 7월 기준으로 1421개 사.

전 세계적으로 EtherCAT 마스터 밴더는 194개, 드라이브 밴더는 159개, I/O 밴더는 102개가 있다.

다양한 디바이스들의 상호운용성 테스트를 위해 Plug Test가 행해지며, 한국에서도 지난 2014년 9월 서울대학교에서 Plug Test가 실시됐다. ETG는 세계적인 규모에 걸맞게 각 국가별로 다양한 전시회에 참여해 최신 기술을 소개하는 한편, 각종 세미나와 로드쇼, 포럼을 통해 최신 기술을 발표하고 있다.

EtherCAT 아키텍처에 OPC UA Pub/Sub 모델을 통한 이기종 디바이스 간 데이터의 수평적 통합과, TSN 프로젝트에 참여해 이기종 디바이스 간 데이터의 수평적 통합 추가

최근의 ETG 행보 가운데 주목할 만한 것은 Industry 4.0과 IoT(Internet of Things) 구현을 위한 발 빠른 기술업데이트.

ETG는 지난해 4월, OPC Foundation과 MOU를 체결하는 한편, 올해 6월 EtherCAT 아키텍처에 이기종 디바이스 간 데이터의 수직적 통합을 위해 OPC UA AMQP 및 MQTT와 같은 표준 통신 프로토콜을 사용해, 마이크로소프트의 Azure나 아마존의 AWS와 같은 공용 클라우드 서비스와 통신할 수 있도록 기술을 업데이트하는 한편, 기존 EtherCAT 디바이스 간 데이터의 수평적 통합 외에, OPC UA Pub/Sub 모델을 통한 이기종 디바이스 간 데이터의 수평적 통합을 추진하고 있다.

또한 OPC UA에 센서계층부터 ERP 계층까지 인터페이스 없이 통신이 가능한 실시간성을 목표로 하고 있는 IEEE 802.1 이더넷 표준의 확장을 목표로 하는 IIC의 TSN(Time Sensitive Networking) 프로젝트에 참여하고 있다.

이처럼 TSN 및 OPC UA Pub/SUP Working Group과의 활발한 협업을 통해, Industry 4.0 및 IoT 구현을 주도하는 통신 프로토콜로서의 위상을 가시화하고 있는 것이 최근 ETG의 중요한 행보 가운데 하나다. ETG의 Karl Weber 박사는 IEEE 802.1의 액티브 멤버로 활동하는 한편, TSN 전문가로도 일하고 있다.

특히, 올 4월 하노버메세에서, 일본의 토요타가 자사 공장 내 네트워크로 EtherCAT을 전면채용하기로 발표함으로써, 관련업계의 주목을 모으기도 했다. 이날 Martin 디렉터는 도요타 사가 EtherCAT을 채택한 이유는 EtherCAT의 성능과 개방성, 이 두 가지라고 강조했다.

또 ETG는 올해 4월, 통신 네트워크를 위해 사용하는 통신 케이블에 전원을 함께 공급할 수 있게 하는 EtherCAT P를 발표함으로써, EtherCAT 사용자들에게 가격 절감과 케이블 감소라는 이점을 제공하고 있다.

한편, Martin 디렉터는 EtherCAT의 새로운 어플리케이션으로서 전 세계에서 가장 큰 모바일 3D 프린터와, 걷는 로봇 Marlo, EtherCAT on ISS 등을 소개했다.

다인큐브, EtherCAT 탑재해 모션 컨트롤 역할까지 담당하는 로봇 티치 팬던트 소개

Martin 디렉터의 발표에 이어 다인큐브의 김연근 대표는, 다인큐브는 로봇에 사용되는 Teach Pendant와 티치 팬던트에 EtherCAT 마스터를 탑재해서 모션 컨트롤러로 제공하고 있는 기업이라고 자사를 소개했다.

김 대표는 산업용 로봇에서 가장 큰 시장은 여전히 자동차 분야이지만, 성장성은 전기/전자 분야가 앞서고 있으며, 로봇은 Industry 4.0과 스마트 팩토리에서 중요한 역할을 한다고 말하고, 자동차 분야에 사용되는 로봇은 델타로봇과 협업로봇이 주력으로 개발이 되고 있으며, 고속화와 배선 내장화 기술, 제조 및 진단/원격감시 등의 고 신뢰성, 네트워크 활용 등과 관련된 기술경쟁이 치열한 상황이라고 설명했다.

또 자동차 분야 이외의 분야에서는 핸드폰 제조 분야의 로봇 수요가 확대되고 있으며, 델타로봇이 대중화되고 있고, 초경량 기구와 저전압 파워램프를 적용하고 메인과 파워 앰프부를 분리해 기구 내에 배치한 협업로봇이 등장하고 있다고 말했다.

특히, 로봇 컨트롤러는 과거 앰프와 컨트롤러, HMI로 구성된 복잡한 컨트롤러 형태에서 현재통신기반의 컨트롤러로 기술이 진화했으며, 미래에는 컨트롤러가 모듈화되어 티치 팬던트가 모션 컨트롤 기능까지 담당하는 추세로 발전해 나갈 것이라고 피력했다.

즉, 새로운 로봇은 고속 EtherCAT 통신을 적용해 시스템 버스를 최소화해 운영되는 한편, 서보 드라이버와 같은 제어기의 일부를 기구부에 내장하고, 모션과 HMI가 하나의 보드에서 일원화되어 제어가 되며, 제어기 하드웨어와 소프트웨어가 모듈화로 설계되는 형태로 발전할 것이라는 설명. 김 대표는 로봇 컨트롤러가 부품화·모듈화될 수 있는 것은 EtherCAT과 같은 고속 통신이 있기 때문에 가능하다고 강조했다.

티치 팬던트가 모션 컨트롤러의 역할을 하게 되면, 시스템이 단순해지고 비용이 저렴해진다는 장점을 갖게 된다는 것이 김 대표의 설명.

김 대표는 EtherCAT을 탑재한 자사의 모션 컨트롤 플랫폼의 CPU 성능을 설명하면서, 6축 수직 로봇의 측정 Calculate 시간 테스트에서 평균 Trajectory 시간인 100㎲(D/C Time 2msec)인데 비해, 최대 Calculation Time이 26㎲의 결과가 나와 빠른 실시간 속도가 증명이 됐다고 말했다.

다인큐브에서는 모션 컨트롤 플랫폼을 위한 SDK를 제공하고 있으며, 발표를 통해 6축 모션 컨트롤 동영상을 소개했다.

특히 다인큐브에서는 코어콘(coreCon) 사의 로봇용 알고리즘을 활용해, 설정만 바꾸면 하나의 플랫폼으로 델타로봇이나 수직다관절 로봇에 관계없이 다양한 로봇을 제어할 수 있다고 말하고, 이 코어콘의 로봇 모션 컨트롤 소프트웨어를 사용하면 기구학 설계가 Quick Setting & Configuration, Jogging(Teaching), Programming, Run/Repeat의 4단계로 간단하게 이루어진다고 설명했다.

김 대표는 자사의 DTP7와 코어콘의 로봇 컨트롤러를 일체화한 제품은 모션 컨트롤러와 티치 팬던트 일체형의 제어기로서, EtherCAT 타입의 다양한 서보 드라이버를 지원하며, 다양한 로봇에 대해 동일한 로봇언어와 UI를 사용하고, 단순화·최적화된 하드웨어와 객체지향·모듈화·라이선스 비용 제로의 소프트웨어를 통해 고 신뢰성과 저 전력, 소형화를 실현할 수 있게 해준다고 강조했다.

소프트서보 허지광 과장이 EtherCAT 베이스의 Soft Motion Controller에 대해 설명하고 있다.

소프트서보, 하나의 PC로 64축 서보 드라이브 제어하는 소프트모션 기술 소개

이어서 소프트서보의 허지광 과장은, 소프트서보는 반도체장비 업체를 대상으로 EtherCAT 베이스의 최첨단 소프트 모션 및 로보틱스 기술을 제공하는 회사라고 자사를 설명했다. 소프트서보코리아는 지난 2012년 S사의 반도체장비 개발을 위해 한국 시장에 진출해, 지난 2015년 3월 정식으로 소프트서보 코리아가 설립됐다.

허 과장은 리얼타임 OS를 탑재해 하나의 PC로 64축을 동시에 제어할 수 있는 자사의 기술에 대해 소개했다.

또 소프트 모션 기술을 통해 2만 점까지의 EtherCAT I/O를 리얼타임으로 제어할 수 있으며, 여러 가지 센서를 조합해서 Multiple Homing Procedures를 제공할 수 있을 뿐 아니라, 겐트리 제어와 멀티 축 동기제어, 보드타입과 외부타입과의 비교를 위한 멀티 축 트리거 신호, 버퍼드 모션(Buffered Motion), Multiple Motion Profile 등을 제공한다고 설명했다.

특히 버퍼드 모션은 소프트모션만의 장점이라고 강조하고, 버퍼를 미리 디파인할 수 있는 이점을 강조했다. 또 특정 고객의 특정 제어에 대한 요구에 대응하기 위해 포물선이나 사인파 프로파일과 같은 알고리즘을 탑재해, 특별한 고객이 원하는 프로파일을 버퍼에 미리 넣어서 유저 프로파일로 제공하고 있는 자사만의 경쟁력을 피력했다. 또 모든 위치제어에 대한 커멘드를 기록해야 하는 필요성에 대응하기 위해, On the Fly Memory Logging을 제공하고 있다고 설명했다.

허 과장은 EtherCAT 마스터 스택까지 자체 개발한 것이 소프트서보의 경쟁력 가운데 하나라고 말하고, EtherCAT 제품을 개발하고자 하는 고객의 통신에 문제가 있을 때 문제 해결에 어려움을 겪고 있는데, 마스터 스택을 자체 개발했기 때문에 많은 노하우를 가지고 있다고 피력했다. 또, 반도체 양산장비에서는 안정성이 중요한데 자사는 4년 간 반도체 업계에서 노하우를 축적해오면서 현장에 대한 이해가 충분하다고 강조했다.

소프트서보는 이날 자사의 기술이 국내 반도체 업체의 웨이퍼 클리닝 장비와 Photo Track, Flip Chip Bonder, Handler 등에 적용된 사례를 소개했다. 특히 EtherCAT 기반의 시리얼을 사용해 마스터를 제어한 자사의 기술을 소개하면서, 핫커넥트와 콜드커넥트까지 제어할 수 있는 자사의 기술력에 대해 역설했다.

또, 모션 시퀀스를 리얼타임으로 제어하기를 원하는 고객의 요구에 맞춰 리얼타임 OS기반의 모션 시퀀스가 가능한 기술과 API를 제공해 고성능 장비를 개발할 수 있게 된 점을 강조하고, 고성능 장비에서는 트리거모드가 중요하다고 말하면서, 토크제어로 칩셋에 손상을 주지 않으면서 특정위치를 트리거함으로써 고객이 원하는 장비를 개발해 양산할 수 있게 된 자사 기술의 경쟁력에 대해 피력했다.

파워21 이인응 대표가 EtherCAT을 이용한 주파수 조정용 에너지저장장치(ESS) 제어 시스템 적용사례를 소개하고 있다.

POWER 21, EtherCAT을 이용한 주파수조정용 에너지저장장치(ESS) 제어 시스템 소개

POWER 21의 이인응 대표는 ‘EtherCAT을 이용한 주파수조정용 에너지저장장치(ESS) 제어 시스템’을 주제로 한 발표를 통해, POWER 21은 전력계통 해석 엔지니어링 소프트웨어 회사로서, 송전/변전/배전계통 해석과 관련해 자체개발한 PSAC(Power System Analysis & Control)와 DistPE(Distribution Power Flow) 프로그램을 이용해 송·변전 계통과 배전계통의 안전도 개선 및 경제성을 위한 엔지니어링 서비스와 전력계통의 계획 및 운영과 보호, 품질진단/개선, 업무자동화 등과 관련된 서비스를 수행하고 있다고 설명했다.

또, 한국전력거래소와 한국전력공사에 수건의 연구개발 실적을 확보하고 있다고 말하고, 송전/변전/배전 계통 해석에서는 빅 데이터 수집이 기본이 된다고 말했다.

이 대표는 신김제변전소 24MW 적용사례를 설명하면서, FR ESS에서 -0.028Hz/sec를 넘는 과도상태를 제어하는데 있어서 EtherCAT을 이용해 제어를 했으며, PCS를 제어하는데 있어서 Beckhoff의 이중화를 통해 거의 20ms 단위로 주파수를 제어할 수 있는 큰 장점을 얻을 수 있었다고 설명했다. 또 1Km 떨어진 디바이스를 신속하게 제어해서 EtherCAT과 같은 리얼타임 이더넷으로 데이터를 수집해 200ms으로 방전해야 하는 힘든 과정이 있었는데, 시험에서 80ms이라는 좋은 결과를 얻을 수 있었다고 말했다.

신김제변전소 24MW 프로젝트에 자사가 제공한 제어시스템은 주파수 계측(GFC) 또는 MPMS 제어 명령 수신(AGC)으로부터 출력값 계측까지 PMS 연계 응답시간을 측정하며, PCS 구간을 포함해 평균 80ms 이내의 빠른 응답속도를 실현한다고 말하고, Power Monitoring Terminal에서 EtherCAT 기반의 XFC 기술을 이용하는 Oversampling 모듈을 통해 0.2ms 단위의 전압을 입력받아 수집된 데이터를 FRCM 내에 20ms 단위로 저장 목록의 내용을 CSV 파일로 저장하며, 이를 다시 Data Collect File 프로그램을 이용해 데이터 저장 서버에 관리하는 성과를 얻었다고 피력했다. 이외에도 전력측정의 초고속, 고정밀을 위해 EtherCAT 기반의 Oversampling 기법과 고도의 계산법을 통해 100㎲ Conversion time으로 주파수 측정을 0.0001Hz까지 출력할 수 있었다고 설명했다.

이 대표는 자사의 등거리 주파수 제어 아키텍처에 EtherCAT이 포함되어 있으며, 앞으로 스마트그리드에 EtherCAT을 사용할 수 있는 기회가 있을 것으로 본다는 말로 발표를 마무리했다.

생산기술연구원, 위치와 속도ㆍ힘 제어 3 가지를 모두 EtherCAT으로 제어한 Coil Binding Machine 사례 등 소개

이어서 생산기술연구원(KITECH)의 원대희 수석연구원은 EtherCAT 어플리케이션을 주제로 한 발표를 진행했다.

Cable-driven Manipulator 사례를 설명하면서, EtherCAT으로 네트워크를 구성해 6개 축을 제어했으며, 배우들의 동선을 바꿀 때 3차원 체적을 찍어서 시뮬레이션하여 장비에 다운로드하면 바로 작동이 될 수 있게끔 시스템을 구성한 사례를 소개했다.

또 위치와 속도, 힘 제어 이 3 가지를 모두 EtherCAT으로 제어한 Coil Binding Machine 사례를 소개했다. 프로피버스로 커멘드를 받아서 나머지 부분은 EtherCAT으로 구현한 사례에 해당한다.

원 수석연구원은 TwinCAT을 사용하는 이유는 리얼타임과 비주얼스튜디오 및 C++언어 지원, 막강한 TwinCAT 시스템 매니저 이 3 가지라고 역설하고, 무대는 음향과 조명이 동기 제어되어야 하는데, 생산기술연구원에서는 EtherCAT으로 네트워크를 꾸며서 Beckhoff의 제어기술을 이용해 나머지 시스템을 통합하는 방향으로 시스템을 구성하고 있다고 밝혔다.

이와 함께 EtherCAT 슬레이브와 마스터, EtherCAT 베이스 컨트롤 시스템 컨피규레이션을 소개했다.