EtherCAT과 Ethernet, 통신 선택시 고려사항!

GALIL Motion

이더넷(Ethernet) 기반 버스 솔루션은 모션 및 산업 제어에서 지배적인 통신 방법이 됐다. TCP, UDP, Modbus TCP 및 이더켓(EtherCAT)은 모션 제어 애플리케이션에 고속의 강력한 통신을 제공하기 위해 구현된 이더넷 프로토콜이다. 이더켓과 이더넷은 동일한 물리적 하드웨어를 사용하고 종종 함께 사용되기 때문에 이 둘을 구분하기 어려울 수 있다.

제어 시스템 설계자는 핵심 요소 즉 중앙 집중식, 분산 제어 그리고 결정론, 비용을 이해하면 애플리케이션에 적합한 통신이 무엇인지 선택할 수 있다.
이더켓과 이더넷 통신 프로토콜에 대한 간략한 개요를 제공하고 중앙 집중식 제어와 분산 제어와 모션 제어에서의 결정론 역할에 대해 설명하고자 한다. 마지막으로 각 프로토콜의 상대적 비용과 장점에 대해 간략히 소개한다.

이더넷 통신

이더켓은 분산 네트워크를 실시간으로 제어해야 하는 애플리케이션에 적합한 솔루션이다. 이더넷 통신의 주요 목표는 데이터 무결성과 처리량이다. 데이터는 패킷으로 알려진 객체로 양자화된다. 각 패킷에는 소스 주소, 대상 주소, 페이로드 데이터 등의 필드 모음이 포함돼 있다.

그림1에서 '이더넷 데이터'라고 표시된 페이로드에 포함된 데이터는 여러 프로토콜이 될 수 있다. 예를 들어 Galil Motion Controller는 Telnet 프로토콜을 사용하여 TCP/UDP를 통해 컨트롤러와 호스트 PC간에 ASCII 데이터를 보낸다. 100Mbit/sec 속도는 이 통신을 효과적으로 그리고 순간적으로 만든다.

모든 구성 요소를 폐쇄형 네트워크로 유지하면 지연될 가능성을 최소화 할 수 있지만 완전히 제거 할 수는 없다. 지연되면 밀리 초보다 거의 길지 않으며 대부분의 모션 제어 애플리케이션의 목적상 문제가 되지 않는 수준이다. 이더넷 통신은 정보가 정해진 시간에 정해진 목적지에 도달 할 것이라는 절대적인 보장이 없기 때문에 종종 '비결정론적 (non-deterministic)'이라고도 한다.

이더넷을 사용하여 호스트 PC와 통신하는 모션 제어 시스템의 블록 다이어그램은 그림2에 나와 있다. 이더넷 통신은 호스트와의 통신으로 제한되며 서보 드라이브와의 통신은 표준 +/-10V 아날로그 서보 명령 신호를 사용한다. 실시간 모션 프로파일링, IO 제어와 PID 필터링은 모션 컨트롤러에 맡겨져 있다.

TTL 레벨과 아날로그 전압은 구리선과 PCB 트레이스를 통해 전송되므로 모션 컨트롤러와 드라이브 간의 통신은 가장 까다로운 애플리케이션에서도 무시할 수 있다. 비 실시간 작업은 이더넷을 통해 호스트 PC에 기록된다.

이더켓 통신

이더켓 솔루션은 시간이 중요하지 않은 작업에서 호스트 PC와 이더켓 마스터 간에 사용한다. 모션 프로파일링과 IO 제어는 이전 섹션에서 설명한 시스템과 유사한 EtherCAT 마스터에서 처리된다. 두 시스템의 주요 차이점은 모션 명령이 서보 드라이브로 릴레이 되는 방식이다(그림3에서 이더켓 슬레이브라고 함).

  아날로그 전압 대신 32비트 위치 명령 또는 16비트 토크 명령이 이더켓 프로토콜을 통해 각 드라이브로 전송된다. 이더넷 통신에 사용된 것과 유사한 패킷 구조로 데이터가 전송된다(그림4 참조).
  엔코더 및 IO 데이터는 이더켓 마스터로 반환된다. 이 모든 것은 이더켓 주기 시간이라고 하는 규칙적인 간격으로 발생하며, 일반적으로 밀리 초 범위내에서 일어난다.

이더켓이 이더넷과 동일한 패킷 구조를 사용하는 경우 통신 지연 가능성을 어떻게 극복할까? 이더켓 통신이 조정되어 구조화되고 두 개의 이더켓 송신기가 동일한 물리적 와이어를 공유하지 않아 충돌 가능성을 제거한다. 각 드라이브에는 ASIC이 장착되어 있으므로 이더켓 패킷에서 직접 정보를 가져와 동일한 패킷에 정보를 삽입하면서 메모리 공간에 매핑할 수 있다. 이 데이터는 이더켓 네트워크의 작동 모드에 따라 모션을 프로파일링하거나 위치 레지스터를 업데이트하는데 사용된다.

이 직접 매핑은 통신 지연과 오버 헤드를 최소화한다. 이를 통해 이더켓 네트워크 명령을 기존 아날로그 기반 시스템과 동등한 속도로 처리 할 수 있다.
이더켓 네트워크에서 높은 수준의 조정은 비용이 든다. 네트워크는 사용하기 전에 소프트웨어로 설정해야 한다. 각 이더켓 슬레이브는 이더켓 패킷내의 특정 바이트 세트만 '보도록' 구성되어 네트워크의 후속 드라이브에 대한 데이터를 따라 전달된다.

이더켓 네트워크는 표준 이더넷 허브 또는 스위치와 호환되지 않는 폐쇄형 네트워크이다. 각 이더켓 슬레이브에는 이더켓 ASIC, 디지털/아날로그 IO, 서보 증폭기 및 모션 프로파일러가 장착되어 있어야 하므로 표준 아날로그 명령 드라이브에 비해 비용이 크게 증가한다. 그러나 일부 애플리케이션은 비용이 크게 증가하지 않는다.

중앙 집중식 vs. 분산 제어
중앙 집중식 제어 시스템은 중앙에 위치한 모션 제어기로 구성된다. 모션 제어기는 모션 조정, IO 스케줄링 및 호스트 PC 또는 HMI와의 통신을 담당한다.

완벽한 예는 CNC 기계이다. 그림5의 단순화된 블록 다이어그램을 참조하면 된다. 추가 IO 제어를 위한 PLC 외에 서보 제어 축에는 최소 4개의 축과 리미트 스위치, 터치 프로브 등과 같은 수많은 IO 포인트가 있다. 모든 입력 데이터와 출력 명령은 단일 장치를 통해 라우팅 되어 동작을 마이크로 초 내에 조정할 수 있다.

이러한 시스템에서 클록 기반 서보 인터럽트는 피드백이 샘플링 되고 명령이 실시간 결정론적 방식으로 작성되도록 한다.
모든 연결은 구리 기반(즉 모두 동일한 PCB에 있거나 다른 구성 요소에 유선)이기 때문에 통신 대기 시간이 최소화된다. 속도와 소음 내성 및 비용 절감을 위해 제어기에 통합된 드라이브는 옵션이다.

작업간에 긴밀한 조정이 필요없는 공장 프로세스 관리는 분산 제어에 이상적이다. 그림6에 도시된 이 방식에서, 모션 제어기 및 PLC는 모두 통신 버스를 통해 정보를 공유한다. 전형적으로는 이더넷 통신의 일부 형태이다. 중앙 마스터가 명령을 실행하고 다양한 장치의 상태를 모니터링하는 동안 IO 및 모션의 결정적인 제어는 각 '노드'에서 로컬로 처리된다.

이점은 각 노드가 물리적으로 수백 미터 떨어져 있어도 모든 위치를 한 위치에서 제어할 수 있다는 것이다. 단점은 할당된 작업을 모니터링하고 실행하는 것 외에도 각 노드가 통신을 처리해야 한다는 점이다. 폐쇄형 네트워크는 이더넷을 통한 통신이 빠르고 안정적이지만 정확한 타이밍을 보장하지는 않는다.

결정론

정의된 하드웨어 인터럽트 신호 또는 이더켓 사이클 시간 동기화 펄스를 사용하여 데이터가 실시간으로 전송되고 작동되도록 하는 것은 결정적인 작동의 예이다. 이더켓은 결정론적 네트워크이므로 이러한 종류의 성능을 보장하기 위해 사용해야 한다. 분명히 각 경우에 속도를 설정하는 것은 모션 컨트롤러 또는 이더켓 마스터이다. 두 경우 모두 결정적인 성능이 보장된다.

모든 시스템 설계에서 중앙 집중식 모션 컨트롤러 또는 분산 이더켓 네트워크 사용 사이의 결정적인 요소는 장거리에서 결정적인 성능이 필요하다. 전형적인 예는 공장 현장 또는 가공 공장이다. 일반인의 관점에서 이더켓은 네트워크의 모든 장치간에 서보 인터럽트를 공유하고 이더넷 버스를 통해 공유하는 수단이다.

넓은 의미에서, 완벽하게 결정론적인 시스템은 이론에만 존재한다. 실제로 결정론은 상대적인 용어이다. 전자 장치는 일반적으로 나노초 단위로 측정되는 프로세서 클록 및 트랜지스터 전파 시간의 슬레이브이다. 이 시간은 전자 시스템이 얼마나 빨리 작동 할 수 있는지의 상한을 정의한다.

그러나 대부분의 모션 제어 시스템은 kHz 범위의 서보 업데이트 속도를 사용하여 완벽하게 제어 할 수 있다. 시스템의 시간 분해능이 1ms인 경우, 수십 나노초는 모든 의도와 목적에 즉각적으로 적용된다. 마찬가지로 이더넷 통신은 가끔 통신 지연 가능성이 있어도 결정적이다. 호스트와 모션 제어기 간의 통신 시간은 기계 시스템의 요구 사항과 비교할 때 크게 중요하지 않다.

요약

저렴한 비용, 작동의 단순성 및 수십 년의 입증된 성능으로 인해 아날로그 제어 신호는 앞으로도 업계 표준이 될 것이다. 대부분의 엔지니어가 잘 알고 있는 표준 구성 요소를 사용하여 확립된 기술이다. 이러한 제어 시스템은 제어기, 드라이브, IO 모듈 및 모터가 근접한 애플리케이션에 적합하다.

이더켓은 매우 특정한 문제의 해결책으로 떠오르고 있다. 즉 장거리에 대한 실시간 제어 부분에 용이하지만 가장 큰 단점은 비용이다. 데이터를 올바르게 읽고 쓰려면 회선의 모든 노드(드라이브 및 IO)에 이더켓 ASIC 가 내장되어 있어야 한다. 모든 드라이브는 모션 프로파일을 생성하고 PID 제어를 처리할 수 있는 모션 제어기를 구현해야 한다. 이것은 표준 아날로그 명령 제어 시스템에 비해 비용을 크게 증가시킨다.

시스템 디자이너의 목표는 이더켓 제어시스템의 추가 비용과 복잡성이 적절한 지 평가하기 위해 애플리케이션의 목표를 정확하게 해야 한다. 표1은 이더넷과 이더켓 통신을 결정할 때 고려해야 할 주요 결정 사항이다.

자료 제공: Galilmotion(www.Galilmotion.com)