Beckhoff가 EtherCAT을 처음 도입한 이후로 20년이 지났지만, EtherCAT의 성공 신화는 여전히 계속되고 있다. 전 세계에 걸쳐 실시간 이더넷 통신을 위한 고성능 표준으로 자리잡은 EtherCAT은 특히 모션 분야에서 확고한 입지를 구축하며 엄청난 성과를 거두고 있다. © Beckhoff
지난 20년간, EtherCAT은 초고속 통신 시스템으로서 굳건한 입지를 구축하여 자동화 전반에 걸쳐 괄목할 만한 성장을 거두고 있다. 특히 이러한 성과는 모션 제어 환경을 중심으로 전송 속도, 동기화, 진단 기능 등 다양하고도 엄격한 기준을 충족하며 신속하고, 광범위한 성과를 거둘 수 있었다. 이번 인터뷰를 진행한 Guido Beckmann 박사는 Beckhoff의 제어 시스템 아키텍처 관리자이면서 ETG 기술 위원회 위원장을 역임하고 있다.
Guido Beckmann 박사, Beckhoff Automation 제어 시스템 아키텍처 관리자 및 EtherCAT 테크놀로지 그룹 기술 위원회 위원장. © Beckhoff
Guido 박사님, Beckhoff에 근무하시면서 얼마나 오랜 기간 EtherCAT 개발에 참여하셨습니까? 그리고 주로 담당해 오신 업무는 어떤 것인가요?
Guido Beckmann 박사: Beckhoff에서는 지난 2006년부터 근무하였으며, 그때부터 EtherCAT 기술 관리 업무를 맡았습니다. 그 당시, 저는 이미 산업 통신 및 필드버스 분야에 상당히 많은 업무 경험을 쌓아 왔었습니다. 때문에 Beckhoff에서 2003년 EtherCAT을 출시했을 당시부터 그 기능에 상당히 많은 개인적 기대를 걸고 있었습니다.
2007년부터는 EtherCAT 테크놀로지 그룹(ETG) 기술 위원회 위원장을 맡고 있으며, 그 외에도 EtherCAT 테크놀로지 및 드라이브 프로파일 관련 안전 업무 등 다양한 실무 그룹 업무를 담당하고 있습니다. 또 Beckhoff에서는 제어 아키텍처 관련 신기술 평가 업무도 담당하고 있습니다. 이 기술에는 5G 모바일 통신 표준의 특성과 가능한 응용 분야 모색, TSN(Time-Sensitive Networking) 분야에서 새롭게 대두되는 여러 표준이나 OPC UA를 사용한 제조사 독립적 제어 통신 기술 이용도 포함되어 있습니다.
모션 관련 EtherCAT 업무를 수행하는 데에 있어 특히 어려운 점은 무엇입니까?
Guido Beckmann 박사: 모션 제어 기능을 갖춘 이더넷 필드버스인 EtherCAT의 특징은 탁월한 성능, 유연한 토폴로지, 간편한 구성을 들 수 있습니다. 고도의 역동성을 지니는 모션 어플리케이션 시스템의 주요 특징으로는 짧은 사이클과 정밀한 동기화 등이 있습니다. EtherCAT을 통해 복수의 서보 축 모션을 조율하고, 이렇게 조율된 모션을 어플리케이션 내에서 정밀하게 매칭시키고 그와 동시에 센서 데이터, 디지털 및 아날로그 신호 출력을 평가할 수 있다는 것을 의미합니다.
EtherCAT 네트워크에서의 동기화 및 동시성 (길이 120 m, 300 노드 케이블을 사이에 두고 있는 두 디바이스를 대상으로 장기간에 걸쳐 측정 실시) © Beckhoff
EtherCAT은 모션 필드버스 분야에서 가장 중요한 솔루션으로 확고한 입지를 구축했습니다. 이렇게 강력한 입지를 구축하는 데에 가장 큰 역할을 한 기술적인 특징은 무엇입니까?
Guido Beckmann 박사: 확고한 입지를 구축한 것은 사실이라고 생각합니다. 지금까지 200여 개의 드라이브 제조사들이 EtherCAT 인터페이스를 지원하고 있는 것으로 파악되고 있습니다. 이를 통해 사용자가 1,000여 종의 다양한 EtherCAT 드라이브 디바이스를 사용해 자신이 원하는 맞춤형 어플리케이션을 꾸밀 수 있습니다. 필드버스 시스템은 드라이브 기술 측면에서 까다로운 조건을 충족해야만 합니다. 특히 사이클 타임, 동기화, 동시성(simultaneity) 등이 이러한 조건에 해당되는데, 통상적으로 요구되는 사이클 타임은 1 ms ~ 500 µs의 범위에 해당됩니다. 일부 어플리케이션에서는 일반적인 수준에 해당하는 2 ms의 사이클 타임(드라이브 내 위치 제어의 사이클 위치 사양 기준)을 지니고 있습니다. 그러나 하나의 예시로, 62.5 μs의 사이클 타임을 요구하는 경우(버스를 통해 폐쇄되는 전류 제어 루프의 경우)도 있습니다. 동기화는 관련되는 디바이스(드라이브 및 컨트롤러 등)의 기능을 실행하는 과정에서 발생하는 시간적 지터(jitter)를 의미하는 것입니다. 동시성은 이러한 기능 간의 시간적인 간격을 측정한 것입니다. EtherCAT은 동기화의 제어를 위해 ‘분산 클럭’이라는 개념을 사용합니다. 이것은 모든 디바이스가 로컬 단위로 사이클과 이벤트를 실행하는 기반이 되는 클럭을 독자적으로 보유하고 있다는 것을 의미합니다. 여기서 중요한 것은 모든 클럭의 기초 시간이 동일하고, 클럭의 속도 역시 동일해야 한다는 점입니다. EtherCAT 슬레이브 컨트롤러(Slave Controller, ESC)에 통합되어 있는 특수 제어 기능을 통해 모든 클럭이 기준 클럭을 따라가도록 되어 있으며, 온도, 생산 오차(tolerance)와 상관없이 동기화를 이루게 됩니다. 모든 클럭에서 요구되는 동시성(simultaneity)은 기준 클럭에서 각각의 동기화 대상 디바이스로 보내는 신호의 런타임 측정(run-time measurement)을 통해 구현됩니다. ESC도 하드웨어 측면에서 이러한 기능을 지원합니다. 동기화 및 동시성에 대한 종합 측정 결과 편차는 100 ns에 한참 못 미치는 것으로 나타나고 있습니다. 이는 대형 네트워크에서도 마찬가지입니다.
성능 뿐만 아니라 기술의 사용 편의성도 고려해야 합니다. EtherCAT은 여기서도 큰 성과를 보여주고 있습니다. 모션 어플리케이션과 관련해서, 엔지니어링, 진단의 가장 큰 장점은 무엇입니까?
Guido Beckmann 박사: 드라이브 기술을 지원하는 데에 있어 필드버스 시스템의 중요한 요소를 들자면 어떠한 통신 프로토콜과 프로파일을 사용하는가를 생각해 볼 수 있습니다. 이는 컨트롤러와 디바이스 간의 호환성과 효율적인 데이터 교환이 이루어지게 하는 요소가 됩니다. 드라이브 기술에서 가장 흔히 사용되는 드라이브 프로파일은 CAN in Automation에서 개발된 CiA402입니다. 이 프로파일은 초기부터 EtherCAT에 매핑(IEC 61800-7-3)이 이루어져 있습니다. 뿐만 아니라, 거의 모든 EtherCAT 서보 드라이브에서 이를 지원하므로, 모션 제어 어플리케이션에서 이를 자동으로 탐지해 일체화하는 것이 가능합니다. 또한 이것은 관련되는 드라이브의 파라미터화에 대한 기존의 경험과 툴 체인 전체를 고스란히 반영할 수 있다는 것을 의미합니다. 기존의 필드버스와는 달리 EtherCAT은 매우 짧은 사이클 타임도 구현할 수 있습니다. 이러한 우수한 성능에 힘입어, ETG에서는 사이클과 위치 전송, 속도, 토크 프로세스 데이터의 전송 동기화를 지원하기 위해 사양 내에 새로운 작동 모드를 도입하였습니다. 이것은 셋포인트 생성기(setpoint generator)의 기능을 재배치할 수 있도록 해줍니다. 기존의 경우에 셋포인트 생성기는 더 복잡한 드라이브 컨트롤러에 통합되어 있었지만, 이것을 중앙 모션 컨트롤러로 옮겨오는 것이 가능해졌습니다. 뿐만 아니라 드라이브 증폭기(amplifier)의 기능을 단순화시켜주는 특징도 있으며, 중앙 모션 컨트롤러 상에 위치하는 기계 장치에서 복수의(연결) 드라이브 모션을 조율해 줍니다.
모든 Beckhoff 하이브리드 커넥터는 ECP 버전(EtherCAT P, 사진 참조) 및 ENP(EtherCAT/이더넷) 버전으로 제공되고 있다.(*최대값은 케이블 및 주변 기온에 따라 달라질 수 있음). © Beckhoff
모션 분야에서 OCT(One Cable Technology) 및 EtherCAT P 싱글 케이블(single-cable) 솔루션이 중요한 이유는 무엇입니까? 그리고 이러한 기술이 EtherCAT 기술과 관련하여 어플리케이션에 줄 수 있는 구체적인 이점은 무엇입니까?
Guido Beckmann 박사: 여기서 두 가지 기술을 혼동하지 않는 것이 중요합니다. OCT는 서보 모터와 서보 드라이브를 연결해 주는 Beckhoff의 혁신 기술입니다. OCT는 특수하게 설계된 모터 케이블이라고 볼 수 있습니다. 여기서는 두 개의 열 접점(thermal contact) 와이어를 사용하여 엔코더 통신을 구현합니다. 따라서 추가적인 피드백 라인이 필요 없습니다. 추가 엔코더 케이블이 필요한 기타 솔루션이나, 추가 코어가 필요한 하이브리드 케이블 솔루션은 훨씬 더 복잡하며, 조립하는 것도 더욱 어렵습니다. 또한 구매 및 설치 시 훨씬 많은 비용이 소모됩니다. EtherCAT P는 ETG가 EtherCAT 통신 및 전력을 4 코어 표준 이더넷 케이블과 결합하여 표준화시킨 기술입니다. EtherCAT P 슬레이브와 연결 센서, 액추에이터에 대한 24 V DC 전원이 통합되어 있는 것입니다. US(시스템 및 센서 전원) 및 UP(액추에이터용 주변 전압[peripheral voltage])는 전기적으로 서로 분리되어 있으면서 연결된 각각의 부품에 최대 3 A의 전류를 공급할 수 있습니다. 그러면서 EtherCAT 기술이 지니는 장점, 즉 자유로운 토폴로지 구성, 빠른 속도, 대역폭 활용의 최적화, 텔레그램(telegram)의 실시간 처리, 고정밀 동기화, 광범위한 진단 기능도 그대로 사용할 수 있습니다. 드라이브 기술에 필요한 어플리케이션과 같이 고출력 어플리케이션의 경우에도, Beckhoff는 표준화된 베이오넷 커넥터(bayonet connector)를 포함한 표준 하이브리드 케이블을 제공하고 있습니다. 이는 EtherCAT P 코어에 추가 코어를 통합한 것으로 24 V 센서에서 600 V 드라이브에 이르기까지 다양한 디바이스를 대상으로 전원을 공급합니다. OCT와 EtherCAT P 기술 모두 기계 장치 내의 배선이 간편할 뿐만 아니라, 무엇보다 케이블의 수를 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.
AMP8000이나 AMI8000과 같은 분산형 모션 솔루션에 있어서 EtherCAT 통신 기술이 가지는 중요한 의의는 무엇입니까?
Guido Beckmann 박사: 바로 이 점에서 EtherCAT P 하이브리드 케이블의 장점이 부각됩니다. 이러한 분산형 시스템에서는 컨트롤 캐비닛이 없는 드라이브 기술 컨셉이 지속적으로 적용됩니다. 분산형 모터 통합 서보 드라이브는 분산형 전원 모듈에 연결할 수 있습니다. 이러한 모듈은 하나의 포트와 5개의 모터 회로를 지니며, EtherCAT P 하이브리드 케이블을 사용해 드라이브의 통신과 전원 공급을 동시에 구현합니다. 이를 통해 자재비, 설치 공간, 비용, 설치 작업 등을 크게 절감할 수 있습니다.
AMP8000 분산형 서보 드라이브에서는 EtherCAT P 원 케이블 솔루션(one-cable solution)을 기반으로 콤팩트하고 지속적으로 모듈화되어 있는 기계 장치의 이상적인 기반을 구성한다.
© Beckhoff
Beckhoff의 모션 시리즈는 그 종류가 매우 방대합니다. I/O 터미널에는 콤팩트 드라이브 기술 포트폴리오도 포함되어 있고, 이 기술도 올해 개발 10주년을 맞이했습니다. 이러한 설계 형식의 장점을 살려주는 EtherCAT의 세부적인 특성에는 무엇이 있습니까?
Guido Beckmann 박사: Beckhoff의 콤팩트 드라이브 기술에서는 EtherCAT이 제공하는 종단간 통신 기능이 매우 중요합니다. 여기서 서보용 드라이브 증폭기, DC, BLDC, 스텝 모터는 EtherCAT E-bus 터미널로 설계가 이루어집니다. 이는 I/O 버스 세그먼트 내에서 EtherCAT 커플러에 연결된다는 것을 의미합니다. EtherCAT 기술은 EtherCAT 프레임을 버스 커플러 내에 구현하지 않아도 내부 백플레인(backplane) 버스로 포워딩이 가능하다는 특별한 기능이 있습니다. 대신 모든 E-bus 터미널이 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러를 가지고 있으며, 독립적인 EtherCAT 디바이스가 됩니다. 따라서 EtherCAT이 가지고 있는 성능, 동기화, 동시성 등의 모든 장점을 콤팩트 드라이브 기술에서도 그대로 활용할 수 있습니다.
EtherCAT은 지능형 제품 이송 시스템 XTS 및 XPlanar에는 얼마나 큰 이점을 줄 수 있습니까?
Guido Beckmann 박사: 가장 강조하고 싶은 것은 바로 성능입니다. EtherCAT은 작동 원리상 짧은 사이클 타임 중에도 넓은 대역폭을 제공합니다. 뿐만 아니라 실시간(on-the-fly) 데이터 교환 및 다수(또는 전체) 디바이스를 대상으로 논리 어드레싱을 하나의 프레임 내에서 할 수 있으므로, EtherCAT 세그먼트 내에서는 실시간 기능을 저하시키지 않고도 실질적으로 100Mbit/s 대역폭 전체를 활용할 수 있습니다. 또 한가지 요인은 오직 하나의 EtherCAT 프레임 만으로도 출력 데이터를 설정하고 입력 데이터를 프레임 내의 동일한 위치에서 다시 동시에 읽는 것이 가능하다는 것입니다. 따라서 현실적으로 대역폭이 두 배로 넓어지는 효과를 가져옵니다. XTS 리니어 이송 시스템과 관련해서는 Beckhoff가 제공하는 드라이브 솔루션을 통해 자력구동 이송 무버(magnetically driven movers)가 완전히 통합된 모터 모듈의 경로를 따라 이동하게 됩니다. 기존의 리니어 모터를 모터 모듈의 출력 단계 및 위치 탐지 기능과 통합하여 지능형 이송 시스템을 콤팩트하고 유연하게 구현하는 것이 가능합니다. 각각의 모터 모듈은 다수의 개별 코일 및 피드백 센서로 구성되어 있으므로, 제어 사이클(250 µs)마다 컨트롤러와 각 모듈 간에 대량의 데이터를 주고 받습니다. 이러한 작업을 수행할 수 있는 것은 오직 EtherCAT 밖에 없습니다. XPlanar의 경우는 평면 모터로, 로터리 모터와 마찬가지로 여러 개의 활성 코일(타일 내에 위치), 이동식 영구 자석(무버 내)으로 구성됩니다. 그러나 로터리 모터와 다른 점은 두 코일과 영구 자석이 모두 하나의 평면 상에 2차원으로 배열되어 있다는 점입니다. XPlanar 타일은 시스템에서 전기적으로 활성화되어 있는 부품으로, 코일 내의 전류로 인하여 무버가 그 위에 뜨게 됩니다. XTS의 요구치를 뛰어넘어 100Mbit/s 이상의 대역폭을 요구하는 XPlanar 시스템은 2018년 발표된 EtherCAT G 기술을 사용합니다. EtherCAT G는 성공적인 EtherCAT 컨셉을 기반으로, 현재는 1Gbit/s의 속도로 텔레그램을 실시간 처리할 수 있습니다.
모듈형 산업 로봇 시스템 ATRO 역시 EtherCAT 통신 기술에 기반을 두고 있습니다. 키네마틱(Kinematics) 설정, 로봇 구동 측면에서 ATRO가 지니는 장점은 무엇입니까?
Guido Beckmann 박사: ATRO(Automation Technology for Robotics)는 Beckhoff 드라이브 기술 포트폴리오 중에서도 가장 최신 시스템입니다. 모듈형 산업용 로봇 시스템인 ATRO는 유연한 맞춤 구성이 가능한 다양한 어플리케이션에 최적화된 로봇 구성으로 조립이 가능합니다. 특히 드라이브 기능 통합 표준 모터 모듈에 다양한 설계, 다양한 길이의 링크 모듈로 거의 무한대의 기계 요소 조합이 가능합니다. 또한 분산형 EtherCAT 서보 모터를 능동 모터 모듈(active motor module)로 사용합니다. 고도의 역동성, 그리고 정확한 로봇 모션과 위치를 구현하기 위해 짧은 제어 사이클 동안 컨트롤러는 모든 모터 모듈에 새로운 셋포인트를 제공합니다. 모든 모듈 모션의 정확한 동기화는 정확한 경로를 유지하는 데에 필수적인 요소입니다. Beckhoff 아키텍처와의 효과적인 통합을 바탕으로 ATRO 로봇은 XTS, XPlanar 등 지능형 이송 시스템과 직접 결합도 가능합니다. 뿐만 아니라 성능이 강력한 설비를 콤팩트한 기계 디자인으로도 구성할 수 있어, 설치 공간도 최소화합니다. 모든 부품은 EtherCAT을 통해 완전한 동기화가 이루어지며, 고도로 역동적인 픽 앤 플레이스 어플리케이션도 문제없이 구현 가능합니다. EtherCAT을 통해 실시간으로 모션을 조율하기 때문입니다.
종단간 EtherCAT 통신은 MX-System 상에서 컨트롤 캐비닛이 없이도 자동화 구현이 가능하다. 이는 기존의 기초 기능은 물론, 새롭게 추가되는 AMI8100 통합 서보 드라이브, XTS 지능형 이송 시스템, ATRO 모듈형 산업 로봇 용의 48 V/40 A 전원 모듈과 같은 기능 모듈에도 적용될 수 있다. © Beckhoff
20년이 지난 지금도 EtherCAT은 그 혁신성으로 인해 미래의 기술 발전에도 대응이 가능한 기술로 평가받고 있습니다. 모션 어플리케이션의 관점으로 본다면 EtherCAT은 얼마나 많은 잠재력을 가지고 있습니까? 그리고 EtherCAT G 및 G10과 같은 확장 기술은 중장기적으로 얼마나 중요한 비중을 차지하게 될 것으로 예측하십니까?
Guido Beckmann 박사: 먼저 말씀드리고 싶은 부분은 EtherCAT 기반 통신 기술은 20년이 지난 지금도 업계에서 가장 빠른 속도를 보유하고 있다는 점입니다. 이것은 이미 기가비트 이더넷을 기반으로 하고 있는 다른 기술과 비교할 때에도 마찬가지입니다. 지난 2003년 출시된 이후로, EtherCAT은 탁월한 성능 덕분에 다양한 업계와 어플리케이션 분야에서 거의 모든 고객의 요구 조건을 모두 충족할 수 있었습니다. 머신비전, 조건 모니터링, 심지어 혁신 기술인 XTS와 XPlanar 이송 시스템 등 일부 특수 어플리케이션에서는 수 백 바이트에 해당하는 프로세싱 데이터를 각 디바이스의 사이클마다 처리할 수 있어야 합니다. EtherCAT G를 사용하면, 이러한 어플리케이션을 EtherCAT G 마스터를 통하여 작동시킬 수 있으며, 동시에 추가적인 자동화 디바이스나 드라이버를 통합하는 것도 가능합니다. 여기서 한가지 말씀드려야 하는 부분은 브랜치 컨셉(branch concept)이라는 것으로, 브랜치 디바이스를 사용해 100Mbit/s EtherCAT 세그먼트를 EtherCAT G 네트워크 상에 통합하는 것이 가능합니다. 이를 통해 EtherCAT G를 사용하는 동안에도 EtherCAT 만의 특징인 디바이스 다양성을 그대로 유지할 수 있습니다. 뿐만 아니라, EtherCAT G를 도입한다고 해서 기존의 100 Mbit/s급의 디바이스가 도태되거나 불안정해질 일도 없습니다. 오히려 탁월한 안정성을 갖춘 것으로 검증된 100 Mbit/s 데이터 전송 기술 역시 향후 EtherCAT 기술군 내 거의 모든 디바이스가 선택할 수 있는 하나의 물리적 계층(physical layer)이 될 것입니다. 브랜치 컨셉(branch concept)은 뿐만 아니라 각각의 브랜치가 독립된 EtherCAT 세그먼트로 인식되므로 효율성 측면에 있어서도 상당한 이점을 제공합니다. 이를 통해 텔레그램(telegram)이 모든 세그먼트를 하나씩 거칠 필요가 없이, 브랜치 포트(branch port)의 세그먼트를 병렬로 처리할 수도 있습니다. 이를 통해 대규모 네트워크에서 하드웨어 관련하여 발생하는 전파 시간을 크게 단축할 수 있습니다.
마침 혁신 기술과 관련해서, 현재 EtherCAT 팀에서 개발하고 있는 새로운 모션 기능에 대해 말씀해 주시겠습니까?
Guido Beckmann 박사: 최근에 EtherCAT 사양을 확장하여 DPC(dynamic process data channel)라는 새로운 기능이 추가되었습니다. DPC는 작동중인 디바이스로부터 일시적으로 사이클 동기화 프로세스 데이터를 읽어 올 수 있습니다. 드라이브 기능과 관련하여, 이것은 커미셔닝 과정에서 컨트롤러 파라미터의 최적화를 위해 보드플롯(Bode plot)을 기록하기 위한 용도로도 사용될 수 있습니다.
링크:
www.beckhoff.com/ethercat
출처:
PC Control 2023년 3월호, Beckhoff Automation, Germany
작성자:
본 인터뷰 기사는 Beckhoff Automation 홍보부 편집 담당자 Stefan Ziegler가 작성했다.