EtherCAT G는 EtherCAT 기술을 다음 성능 레벨로 끌어올리는 동시에 표준 EtherCAT과의 완벽한 호환성으로 기존과 동일한 사용 편의성을 제공한다
EtherCAT G는 많은 양의 데이터를 수집하고 처리하는 어플리케이션을 위해 기가비트(Gbit) 이더넷 속도를 제공함으로써 높은 수준의 EtherCAT 성능을 한 단계 더 높인 확장된 기술이다. 이러한 확장된 기술은 전 세계적으로 확립된 100 Mbit/s EtherCAT 표준과 호환될 뿐만 아니라 사용에 있어서도 동일한 편의성을 제공한다. 또한, EtherCAT G를 위해 도입된 브랜치 콘셉트를 통해 병렬 네트워크 세그먼트의 효율적인 작동이 가능하다.
EtherCAT G는 1 Gbit/s의 표준 이더넷 전송 속도를 지원하고, 최근 ‘Proof-of-Concept Technology Study’에 소개된 EtherCAT G10은 최대 10 Gbit/s의 데이터 전송 속도를 사용할 수 있다. EtherCAT이 제공하는 표준 100 Mbit/s를 넘어서는 전송 속도의 향상은 사용 가능한 데이터 처리율을 크게 늘린다. 새롭게 소개된 브랜치 콘셉트를 통해, EtherCAT G(1 Gbit/s)는 통신 시간을 2배에서 7배, 어플리케이션에 따른 대역폭을 최대 10배까지 높일 수 있다. 심지어 EtherCAT G10으로 대역폭을 100배 높일 수도 있다.
완전히 호환되는 기술 확장으로서의 EtherCAT G
EtherCAT G를 사용하면 EtherCAT 프로토콜 자체의 변경 없이 EtherCAT의 검증된 성공 원리를 사용해 현재 기술적으로 이용 가능한 높은 이더넷 데이터 전송 속도를 활용할 수 있다. 따라서 EtherCAT 마스터가 보낸 텔레그램은 모든 네트워크 디바이스를 끊임없이 통과한다. 모든 EtherCAT 슬레이브들은 즉시 그것에 어드레스된 출력 데이터를 읽고 해당 입력 데이터를 순방향 프레임에 배치한다, 단, 현재 데이터 속도는 1 ~ 10 Gbit/s이다. 이전과 마찬가지로 세그먼트(또는 브랜치)의 마지막 디바이스는 사용하지 않는 포트를 감지하여 마스터에게 텔레그램을 다시 보낸다. 이 기능을 위해 이더넷 물리학의 전이중 특성이 이용된다.
다른 모든 EtherCAT 속성도 완전히 유지된다. 3개 또는 4개의 포트(Junction)가 있는 디바이스는 각각의 기계 구조에 개별적으로 적응할 수 있는 매우 유연한 토폴로지를 가능하게 한다. 필요에 따라 핫 커넥트(Hot Connect)를 통해 선택적 기계 모듈을 연결하거나 끌 수 있다. 종합적인 내부 네트워크 진단 기능은 기계 또는 플랜트 다운타임을 최소화하고 따라서 익숙한 효율로 가용성을 높이는 데 도움이 된다. 통합 분산형 클럭 콘셉트도 계속 사용할 수 있으며, 디바이스 간 100ns 이상의 동기화를 가능하게 한다. 이더넷 표준 IEEE 802.3과의 적합성도 보장된다.
현재 EtherCAT G 제품 포트폴리오는 각각 3개 또는 8개 포트가 있는 EK1400 커플러, CU1403 및 CU1418 브랜치 컨트롤러, CU1423 EtherCAT G junction, EtherCAT G 슬레이브 개발자를 위한 FB1400 EtherCAT G10 피기백 컨트롤러 보드를 포함한다.
간단해진 EtherCAT G 출시
탁월한 성능과 사용 편의성은 항상 EtherCAT 통신의 특징이다. EtherCAT G에도 동일하게 적용된다. 프로토콜뿐만 아니라, 기본 메커니즘과 구성 옵션도 동일하게 유지된다. 통신 케이블에 물리적으로 접속하는 데 필요한 기능 블록만 해당 Gbit/s 변형으로 대체되었다. 따라서 마스터는 새로운 소프트웨어를 필요로 하지 않으며 하나의 Gbit/s 포트만 필요로 한다. 기존의 익숙한 케이블 유형인 EtherCAT G용 Cat.5e 케이블 또는 EtherCAT G10용 Cat.6 케이블도 계속 사용할 수 있다.
결과적으로, EtherCAT G 슬레이브에 Gbit/s 포트가 있다면, 기존 EtherCAT 마스터에서도 동작될 수 있다. EtherCAT G를 위한 몇 가지 특수 프로토콜 확장이 현재 준비되고 있으며, 이는 더 높은 성능의 사용을 가능하게 할 것이다. 그러나 마스터 측에서 이를 위해 필요한 확장이 네트워크 작동에는 반드시 요구되지 않을 수도 있다.
최대 효율을 가진 혼합 작동(Mixed Operation)을 위한 브랜치 콘셉트
EtherCAT과 EtherCAT G는 이기종 네트워크 내에서 결합이 가능하다. 즉, EtherCAT G 슬레이브는 100 Mbit/s EtherCAT 네트워크에서 동작 할 수 있고, 그 반대의 경우도 가능하다는 것을 의미한다. 두 경우 모두 EtherCAT G 디바이스는 다시 100 Mbit/s 모드로 전환된다. 이를 방지하기 위해 새로운 브랜치 개념의 EtherCAT 브랜치에서는 전송 속도 변환을 통해 1 Gbit/s 또는 10 Gbit/s 네트워크에서 100 Mbit/s 세그먼트의 병렬 작동이 가능하도록 설정할 수 있다. 이러한 방식으로 EtherCAT G 세그먼트의 브랜치는 새로운 EK1400 EtherCAT G 커플러를 사용하여 100 Mbit/s 네트워크에서 구현할 수 있고, EtherCAT G 네트워크에서 표준 EtherCAT의 광범위한 I/O 터미널을 사용할 수 있다. 물론 1 Gbit/s의 EtherCAT G 전송률은 영향을 받지 않는다.
EtherCAT G 브랜치 컨셉의 또 다른 장점은 전송지연을 최소화한다는 것이다. CU14xx 멀티포트 브랜치 컨트롤러는 이러한 목적으로 설계되었으며, 여러 EtherCAT과 EtherCAT G 세그먼트를 상호 연결할 수 있다. 개별 브랜치는 마스터로부터 하나의 싱글 텔레그램이 어드레스되고, 그 후 동시에 처리된다. 한 세그먼트의 텔레그램은 브랜치 컨트롤러에서 마스터로 직접 이동하며 다른 모든 연결된 세그먼트를 통과하지 않기 때문에 신호 전송 시간이 크게 줄어들고, 통신 및 사이클 시간은 단축된다. 대부분의 어플리케이션에서 네트워크 세그먼트의 병렬 작동은 전송 대역폭의 단순한 증가보다 훨씬 더 높은 성능 증가를 초래한다.
공개 및 가용성
몇 개월 이내에 새로운 EL9820 EtherCAT 평가 키트에서는 FB1400 EtherCAT G 피기백 컨트롤러 보드를 사용할 수 있을 것이다. FB1400에는 EtherCAT G 슬레이브 컨트롤러(이하 ESC)로 고정된 구성을 가진 FPGA가 탑재될 예정이다. 필요한 경우 고객들은 EtherCAT G를 위해 계획된 IP 코어로 전용 ESC 구성을 만들고 사용할 수 있다. 이를 통해 EtherCAT 사용자들뿐만 아니라 마스터와 슬레이브 제조업체들은 새로운 기술을 평가할 충분한 기회를 얻게 될 것이다. EK1400 EtherCAT G 버스커플러는 2019년 하반기에 유럽에서 먼저 출시될 예정이다. 브랜치 컨트롤러 기능을 제공하며 모든 Beckhoff EtherCAT 터미널과 EtherCAT G 네트워크에서 다른 모든 EtherCAT 제품을 직접 연결할 수 있다. 3포트 및 8포트 브랜치 컨트롤러(CU1403, CU1418), EtherCAT G junction(CU1423), EtherCAT G10 브랜치 컨트롤러(CU1468) 및 EtherCAT G10 피기백 컨트롤러 보드(FB1450)와 같은 추가 제품이 뒤이어 출시될 예정이다.
EtherCAT Technology Group(이하 ETG)에 의한 EtherCAT G/G10 프로토콜의 공개 및 도입이 올해 가을에 예정되어 있다. 지난 15년 전 EtherCAT과 마찬가지로 모든 ETG 회원사들은 확장된 기술 및 혜택을 사용할 수 있게 된다.
브랜치 콘셉트로, EtherCAT, EtherCAT G, EtherCAT G10 세그먼트의 혼합운영이 하나의 네트워크에서 가능하여, 전체 시스템에 대해 최상의 전체 통신 효율을 얻을 수 있다.
적용 분야 및 성능 예시
표준 EtherCAT의 고성능은 오늘날 대부분의 어플리케이션에 아주 적합하다. EtherCAT G 통신은 비전 카메라, 복잡한 동작 시스템 또는 높은 샘플링 속도를 가진 측정 어플리케이션과 같이 많은 양의 데이터를 수집하고 처리하는 어플리케이션 등 초대규모 어플리케이션과 수많은 디바이스의 사용을 염두에 두고 개발되었다. 머신 비전, 상태 모니터링 또는 혁신적인 이송 시스템 XTS 및 XPlanar는 각 디바이스에 대해 사이클 당 수백 바이트의 프로세스 데이터를 전송해야 한다. 이러한 관점에서 밀리초 미만의 짧은 사이클 시간과 함께, EtherCAT G가 제공하는 높은 전송 대역폭이 요구된다.
최초의 EtherCAT G 어플리케이션은 XPlanar 전송 시스템으로, SPS IPC Drive 2018에서 처음 공개되었다. 이 평면 모터 시스템의 평면무버는 6자유도를 가지고, 임의로 배치된 평면형 타일 위에서 자유롭게 떠다니며 매우 유연하고 정밀하며 동적인 위치 지정을 가능하게 한다. 새로운 이송 시스템에 필요한 지속적인 위치 피드백을 위해, 몇 마이크로초 이내에 전송되어야 하는 매우 많은 양의 데이터가 생성된다. 이는 EtherCAT G의 높은 성능 없이는 거의 불가능할 것이다.
다음의 두 가지 샘플 계산은 EtherCAT G와 브랜치 콘셉트를 통해 달성할 수 있는 성능 향상 또는 데이터 전송 시간 단축을 보여준다.
통신 시간 단축: 34㎲에서 서보 축 128개 동작
∙128개의 서보 축의 머신 네트워크를 초기 어플리케이션으로 선택한다.
∙디바이스 당 8바이트의 ‘표준 데이터 폭’을 입출력하면 사이클당 총 1024바이트가 된다. 모든 디바이스를 통한 기존 EtherCAT 통신인 경우 하드웨어 프로그램 지연 시간과 텔레그램 길이를 고려하면, 237μs의 통신 시간이 초래될 것이다.
∙표준 EtherCAT 디바이스를 EtherCAT G 디바이스로 교체할 경우, 데이터 전송률이 높아 프레임 길이가 짧아져 통신 시간을 150μs로 줄일 수 있다.
추가로 브랜치 콘셉트를 사용하고 완전한 네트워크를 각각 16개의 서보 드라이브를 이용해 8개의 EtherCAT G 세그먼트로 나눌 경우, 34μs의 통신 시간만 달성할 수 있다. 즉, 통신 속도가 7배 빨라진다.
∙대역폭 이점 사용: 100 ksamples/s로 200개의 아날로그 입력 스캐닝
다음은 10km 길이의 컨베이어 벨트가 모니터링되는 기존 측정 어플리케이션 (상태 모니터링)이다.
∙어플리케이션은 채널당 100,000 samples/s(10μs 측정 간격)를 갖는 200개의 아날로그 채널(±10V)로 구성되며, 1ms의 주기 시간으로 스캔해야 한다.
∙현재의 솔루션은 각각 4개의 독립된 100 Mbit/s EtherCAT 네트워크로 구성되며, 각각 26개의 오버샘플링 기능을 가진 2채널 아날로그 입력 터미널(EL3702)이 있다. 모든 EtherCAT 네트워크에는 각각 1313바이트의 8개의 텔레그램이 필요하므로 322 Mbit/s의 대역폭이 필요하다. 그러므로, 네 개의 네트워크 각각은 가용 대역폭의 88%를 이용한다.
∙이제 4개의 EtherCAT 네트워크가 EtherCAT G 네트워크로 대체되고 EK1100 버스 커플러가 EK1400 EtherCAT G 버스 커플러(브랜치 컨트롤러)로 대체되면 기존 표준 EtherCAT 터미널을 계속 사용할 수 있다. 그러나 동일한 사이클 시간(1ms)에서 350 Mbit/s의 대역폭 사용만이 단 하나의 EtherCAT G 네트워크를 생성한다. 650 Mbit/s의 나머지 대역폭은 채널의 확장과 더 높은 아날로그 샘플링 속도를 지원할 수 있다.
∙케이블 연결 요구사항(4개 대신 1개의 네트워크)이 대폭 감소하고 마스터에 필요한 포트 수가 4개에서 1개로 감소하는 추가적인 비용 이점이 있다.
링크 : www.beckhoff.com/ethercatg
저자
Dr. Guido Beckmann, Senior Management Control System Architecture & International Key Account, Beckhoff Automation
Thomas Rettig, Senior Management Control System and Communication Architecture, Beckhoff Automation