Ethernet과 EtherCAT을 결정하는 주요사항

GALIL

Ethernet 기반 버스 솔루션은 모션 및 산업 제어에서 지배적인 통신 방법이 되었다. TCP, UDP, Modbus TCP 및 EtherCAT은 모션 제어 애플리케이션에 고속의 강력한 통신을 제공하기 위해 구현된 몇 가지 Ethernet 프로토콜이다.

EtherCAT과 Ethernet은 동일한 물리적 하드웨어를 사용하고 종종 함께 사용되기 때문에 이 둘을 구별하기가 어려울 수 있다. 그러나 제어 시스템 설계자는 몇 가지 핵심 요소만 이해하여 응용 분야에 적합한 통신 버스에 대해 올바르게 선택할 수 있어야 한다.(중앙 집중식 vs. 분산 제어, 결정론 그리고 비용).

Ethernet 통신

Ethernet 통신의 주요 목표는 데이터 완전성과 처리량이다. 데이터는 패킷으로 알려진 객체로 정량화된다.

각 패킷에는 소스 주소, 대상 주소, 페이로드 데이터 등과 같은 필드 모음이 포함되어 있다. 그림 1에서 ' Ethernet data'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 순간적으로 만든다.

Ethernet 통신에 오버 헤드가 발생하여 어떤 이유로 패킷이 유실되거나 충돌이 발생하는 경우 간헐적인 지연이 발생할 수 있기 때문에 'effectively(효율적으로)’ 라는 수식어를 사용한다.
모든 구성 요소를 닫힌 네트워크에 유지하면 가끔 지연 될 가능성을 최소화 할 수 있지만 완전히 제거할 수는 없다.

이 지연은 밀리 초보다 거의 길지 않으며 대부분의 모션 제어 애플리케이션의 목적상 문제가 되지 않는다. Ethernet 통신은 정보가 정해진 시간에 정해진 목적지에 도달 할 것이라는 절대적인 보장이 없기 때문에 종종 'non-deterministic(비결정론적)' 이라고 한다.

Ethernet을 사용하여 호스트 PC와 통신하는 모션 제어 시스템의 블록 다이어그램이 그림 2에 나와 있다. Ethernet 통신은 호스트와의 통신으로 제한되며 서보 드라이브와의 통신은 표준 +/- 10V 아날로그 서보 명령 신호를 사용한다. 실시간 모션 프로파일링, IO 제어 및 PID 필터링은 모션 컨트롤러가 수행한다. TTL 레벨과 아날로그 전압은 구리선과 PCB 트레이스를 통해 전송되므로 모션 컨트롤러와 드라이브 간의 통신은 가장 까다로운 애플리케이션에서도 무시할 수 있다. 비 실시간 작업은 Ethernet 을 통해 호스트 PC에 맡긴다.

EtherCAT 통신

EtherCAT 솔루션은 시간적으로 중요하지 않은 작업(non-time-critical tasks)을 위해 호스트 PC와 EtherCAT 마스터 간의 Ethernet 통신을 사용한다. 모션 프로파일링 및 IO 제어는 앞 에서 설명한 시스템과 유사한 EtherCAT Master에서 처리된다.

그러나 두 시스템의 주요 차이점은 모션 명령이 서보 드라이브로 릴레이 되는 방식이다(그림 3에서 EtherCAT 슬레이브라고 함). 아날로그 전압 대신 32 비트 위치 명령 또는 16 비트 토크 명령이 EtherCAT 프로토콜을 통해 각 드라이브로 전송된다.

Ethernet 통신에 사용된 것과 유사한 패킷 구조로 데이터가 전송된다(그림 4 참조). 마찬가지로, 엔코더 및 IO 데이터는 EtherCAT 마스터로 반환된다. 이 모든 것은 EtherCAT 주기 시간이라고 하는 규칙적인 간격으로 발생하며 일반적으로 밀리 초 범위이다.

EtherCAT을 Ethernet과 동일한 패킷 구조를 사용하는 경우 통신 지연 가능성을 어떻게 해결할까? 두 개의 EtherCAT 송신기가 동일한 물리적 와이어를 공유하지 않으면서 충돌 가능성을 제거한다. 각 드라이브에는 ASIC이 장착되어 있으므로, EtherCAT 패킷에서 직접 정보를 가져 와서 동일한 패킷에 정보를 삽입하면서 메모리 공간에 매핑할 수 있다.

이 데이터는 EtherCAT 네트워크의 작동 모드에 따라 모션을 프로파일링하거나 위치 레지스터를 업데이트하는데 사용된다. 이 직접 매핑은 통신 지연과 오버 헤드를 최소화한다. 이를 통해 EtherCAT 네트워크 명령을 기존 아날로그 기반 시스템과 동등한 속도로 처리할 수 있다.

EtherCAT 네트워크에서 높은 수준으로 조정하려면 비용으로 연결된다. 네트워크는 사용하기 전에 소프트웨어를 설정해야 한다. 각 EtherCAT 슬레이브는 EtherCAT 패킷 내의 특정 바이트 세트 ‘look at’ 만 구성되어 네트워크의 후속 드라이브에 대한 데이터를 따라 전달된다.

EtherCAT 네트워크는 표준 Ethernet 허브 또는 스위치와 호환되지 않는 폐쇄형 네트워크이다.
마지막으로, 각 EtherCAT 슬레이브에는 EtherCAT ASIC, 디지털/아날로그 IO, 서보 증폭기 및 모션 프로파일러가 장착되어 있어야 하므로 표준 아날로그 명령 드라이브에 비해 비용이 크게 증가한다.

중앙 집중식 및 분산 제어

중앙 집중식 제어 시스템(centralized control system)은 명칭에서 처럼 중앙에 위치한 모션 컨트롤러로 구성된다. 모션 컨트롤러는 모션 조정, IO 스케줄링 및 호스트 PC 또는 HMI와의 통신을 담당한다. 완벽한 예는 CNC 기계이다. 그림 5의 단순화된 블록 다이어그램을 참조하면 된다.

추가 IO 제어를 위한 PLC 외에 최소 4 개의 서보 제어 축과 리미트 스위치, 터치 프로브 등과 같은 수많은 IO 포인트가 있다. 모든 입력 데이터 및 출력 명령은 단일 장치를 통해 라우팅되어 동작을 마이크로 초 내에 조정할 수 있다.

이러한 시스템에서 클록 기반 서보 인터럽트(clock based servo interrupt)는 피드백이 샘플링되고 명령이 실시간 디터미니스틱 방식으로 작성되도록 한다. 모든 연결은 구리 기반(즉, 모두 동일한 PCB에 있거나 다른 구성 요소에 유선)이기 때문에 통신 대기 시간을 최소화한다. 속도, 노이즈 내성 및 비용 절감을 위해 컨트롤러에 통합된 드라이브가 완벽한 옵션이다.

작업 간에 긴밀한 조정이 필요 없는 공장 프로세스 관리는 분산 제어가 이상적이다. 그림 6에 도시된 이 방식에서, 모션 제어기 및 PLC는 모두 통신 버스를 통해 정보를 공유하며, 전형적으로는 Ethernet 통신의 일부 형태이다.

중앙 마스터가 명령을 실행하고 다양한 장치의 상태를 모니터링 하는 동안 IO 및 모션의 디터미니스틱 제어는 각 'node(노드)’ 에서 로컬로 처리된다. 이점은 각 노드가 물리적으로 수백 미터 떨어져 있어도 모든 위치를 한 위치에서 제어 할 수 있다는 것이다. 단점은 할당된 작업을 모니터링하고 실행하는 것 외에도 각 노드가 통신을 처리해야 한다는 것이다.

닫힌 네트워크는 Ethernet 을 통한 통신이 빠르고 안정적으로 유지되지만 앞에서 언급 한대로 정확한 타이밍을 보장하지는 않는다.

결론(Determinism)

하드웨어 인터럽트 신호 또는 EtherCAT 사이클 펄스를 사용하여 데이터가 실시간으로 전송되고 작동되도록 한다.

EtherCAT은 디터미니스틱 네트워크이므로 이러한 종류의 성능을 보장하기 위해 사용해야 한다. 분명히, 각 경우에 속도를 설정하는 것은 모션 컨트롤러 또는 EtherCAT 마스터이다. 두 경우 모두 디터미니스틱 성능이 보장된다.

모든 시스템 설계에서, 중앙 집중식 모션 컨트롤러 또는 분산 EtherCAT 네트워크 간의 어려운 선택 요소는 장거리에서 디터미니스틱 성능이 필요하다는 것이다. 전형적인 예는 공장 현장 또는 공정 플랜트이다. 쉽게 말하자면, EtherCAT은 네트워크의 모든 장치간에 서보 인터럽트를 공유하는 수단이며 이를 Ethernet을 통해 수행한다.

넓은 의미에서, 완벽한 디터미니스틱 시스템은 이론에만 존재한다. 실제로 결정론은 상대적인 용어이다. 전자 장치는 일반적으로 나노초 단위로 측정되는 프로세서 클록 및 트랜지스터 전파 시간의 슬레이브이다.

이 시간들은 전자 시스템이 얼마나 빨리 작동할 수 있는지의 상한을 정의한다. 그러나 대부분의 모션 제어 시스템은 kHz 범위의 서보 업데이트 속도를 사용하여 완벽하게 제어 할 수 있다. 시스템의 시간 분해능이 1ms 인 경우, 수십 나노초는 모든 의도와 목적에 순간이다. 마찬가지로, 때때로 통신 지연 가능성이 있는 Ethernet 통신은 ‘가상적으로’ 디터미니틱 하다. 호스트와 모션 컨트롤러 간의 통신 시간은 기계 시스템의 요구 사항과 비교할 때 중요하지 않다.

요약

저렴한 비용, 작동의 단순성 및 수십 년의 입증된 성능으로 인해 아날로그 제어 신호는 앞으로도 계속 업계 표준이 될 것이다. 대부분의 엔지니어가 잘 알고 있는 표준 구성 요소를 사용하여 확립된 기술이다. 이러한 제어 시스템은 컨트롤러, 드라이브, IO 모듈 및 모터가 가까이 있거나 ‘같은 곳' 있을 수 있는 애플리케이션에 적합하다.

EtherCAT은 실시간 및 장거리에 대한 디터미니스틱 제어 같은 매우 특정한 문제를 해결하는 솔루션으로 떠오르고 있다. 가장 큰 단점은 비용이다. 데이터를 올바르게 읽고 쓰려면 회선의 모든 노드 (드라이브 및 IO)에 EtherCAT ASIC이 내장되어 있어야 한다. 또한 모든 드라이브는 모션 프로파일을 생성하고 PID 제어를 처리 할 수 있는 모션 제어기를 구현해야 한다. 이것은 표준 아날로그 명령 제어 시스템에 비해 비용을 크게 증가시킨다.

시스템 디자이너의 목표는 EtherCAT 제어 시스템의 추가 비용과 복잡성이 적절한지 평가하기 위해 애플리케이션의 목표를 정확하게 식별하는 것이다. 표 1에는 Ethernet 과 EtherCAT 통신을 결정할 때 고려해야 할 몇 가지 주요 결정 사항이 있다.

Galil Motion Control은 30년 이상 고성능 모션 제어기를 제공해 왔으며 모션 제어 산업에 Ethernet 통신을 도입하는 선구자이다. Galil의 대표 제품인 DMC-40x0 시리즈는 내부 및 외부 서보 드라이브와 Ethernet 통신을 사용하여 가장 까다로운 모션 제어 애플리케이션을 처리 할 수 있다.

또한, Galil은 이제 EtherCAT 사용으로 혜택을 얻을 수 있는 신규 또는 기존 애플리케이션에 통합을 위한 일련의 EtherCAT 제품을 제공한다. DMC-500x0은 Galil의 내부 앰프 라인과 완벽하게 호환된다. DMC-52xx0은 EtherCAT 전용 마스터이며 동일한 네트워크에서 최대 32개의 EtherCAT 서보 드라이브와 2개의 EtherCAT IO 모듈을 제어할 수 있다. 또한 RIO-574x0은 전용 EtherCAT IO 모듈이다.

자료 제공: GALIL(www.galil.com)