왜 이더넷인가!

이더넷, 필드버스, PCI 중에서 어느 하나가 주도적인 테크놀로지가 되기 위해서는 유연하고 유지가 쉬워야 한다. 또한 산업적인 기반도 넓어야 하고 테크놀로지의 장기적인 실용성에 대한 확신도 주어야 한다.

이더넷은 이러한 점에 있어 확실히 다른 그룹에 비해 유리하다. <편집자 주>

미국의 UniWest는 모션 컨트롤 애플리케이션을 네트워크화하는 과정에서 이더넷을 사용하여 ETC-2000 3축 스캐너와 Parker Compumotor 6K4 컨트롤러를 연결했다.

비파괴 검사 산업의 선두 업체인 UniWest는 ISA 기반 컨트롤러를 사용하다 지난해부터 6K4와 이더넷을 연결하여 사용하기 시작했다.

제트 엔진을 검사하는 UniWest의 ETC-2000은 현재 전면 가동되고 있다.

그렇다면 왜 UniWest와 그 외 수백 곳의 모션 컨트롤 사용 업체는 필드버스와 PCI 대신에 이더넷을 선택했을까? 산업용 모션 컨트롤에 관한 한 이더넷, 필드버스, PCI는 모두 고수준 기계 컨트롤러와 모션 컨트롤러 간의 동일한 정보를 실어 나를 수 있다.

다만 이더넷은 네트워킹 프로트콜이고, PCI는 PC 버스 아키텍처이며, 필드버스는 산업용 제어에 사용된다는 점이 다를 뿐이다.

이 세 가지 기술은 현재 동일한 사용자 층을 대상으로 경쟁하고 있으며, 비록 시장 점유율은 비슷하지만 각각의 기술은 나름대로의 장단점을 가진다.
 

이더넷: 국제적 표준

고속 시리얼 데이터 전송 네트워크로 개발된 지 20년이 넘은 이더넷은 이제 국제적인 표준으로 자리 잡았으며, 현존하는 LAN(Local Area Network)에서 가장 많이 사용되고 있는 네트워크이다.

설치된 모든 네트워크 연결의 85% 이상을 이더넷이 차지하고 있을 정도이다. 현재 가장 일반적인 이더넷 데이터 전송 속도는 10Mbps이지만, 대부분의 설치들은 Fast Ethernet이나 100 Mbps 속도로 전환되고 있는 추세이다.

차세대 이더넷은 1Gbps (1000 Mbps) 속도의 Gigabit Ethernet이다. 이더넷은 보통 PC에 연결된 독립형 컨트롤러를 통해 혹은 표준 이더넷 케이블을 이용한 네트워크를 통해 모션 컨트롤 시스템에 통합된다.
 

필드버스 : 대중적 프로토콜
 

‘필드버스’ 라는 용어는 많은 다양한 산업용 네트워크 프로토콜에 사용된다. 그 중 가장 대표적인 프로토콜 2개는 DeviceNet과 Profibus이다.

필드버스 프로토콜의 대다수는 Allen Bradley와 Siemens와 같이 특정 PLC 제조업체에 의해 개발되어 왔고 현재도 이들 업체에 의해 지원되고 있지만, 아직까지 완벽하게 주도적인 필드버스 표준은 없다. 네트워크 성능과 하드웨어 인터페이스는 선택된 필드버스에 따라 다르지만 데이터 전송 속도는 500 Kbps에서부터 12 Mbps까지가 일반적이다.

PLC는 보통 필드버스 마스터로 기능한 후 산업용 I/O 또는 모션 컨트롤 시스템과 같은 분산된 Follower 장치들과 통신한다. 모션 컨트롤러는 보통 독립형이거나 필드버스 상의 버스 기반 Follower 장치이다.
 

PCI: 고속 데이터 전송
PCI (Peripheral Component Interconnect) 아키텍처는 현재 데스크톱 PC용 산업 표준이다. PCI는 지속적으로 개선되는 버스 아키텍처 라인 중 최신의 아키텍처로서 기존의 아키텍처보다 속도와 처리 성능이 더 높다.

PCI는 오늘날 오디오 및 비디오 주변 기기와 같은 고대역폭 애플리케이션에 의해 전송되는 대량의 데이터를 처리할 수 있도록 설계되었다.

PCI는 ISA, EISA, VESA와 같은 기존의 버스 아키텍처보다 훨씬 우수한데, 그 이유는 PCI가 주변 장치들을 CPU에 더 가깝게 옮김으로써 프로세스 대기시간을 없앴기 때문입니다.

PCI는 병렬 인터페이스이며 오늘날 가장 많이 사용되는 버전은 133 Mbps를 처리할 수 있는 32 데이터 라인이다.

가장 최근의 PCI 칩셋은 64 데이터 라인에 처리량은 266 Mbps에 이른다. 차세대 PCI 혹은 PCI-X는 1 GBps를 처리할 수 있게 될 것이다. PCI 모션 컨트롤 솔루션은 PC의 확장 슬롯에 맞게 들어가도록 기존의 버스 기반 형태로 제공된다.

한편, PCI 데이터 전송 속도가 이더넷과 필드버스의 전송 속도보다 20배 가량 더 빠르기 때문에(표 1 참조), PCI가 제어 시스템을 위한 가장 좋은 선택이라고 판단하기 쉽다.

그러나 반드시 그런 것은 아니다. 왜일까? 속도는 물론 중요한 요소이긴 하지만 적절한 제어 구조를 결정할 때 고려해야 할 많은 기준 중의 하나일 뿐이다.

제어 시스템 규격에서는 속도 외에도 유연성, 패키지 사이즈, PLC 호환성, 설치 및 유지보수, 장기적 실용성이 중요한 기준으로 고려된다.

이제 이 각각의 기준들이 이더넷, 필드버스, PCI 솔루션에서 어떻게 나타나는지 살펴보도록 하자.
 

속도

PCI가 데이터 전송 속도에 있어 타 솔루션에 비해 확실히 앞서긴 하지만, 사실 중요한 점은 그 처리량이 어떻게 활용되는가의 문제이다.

모션 컨트롤 애플리케이션이 PCI 버스의 전 대역폭을 사용하게 되는 경우는 매우 드물다. 보통 컴퓨터는 PCI 버스를 이더넷 카드, 사운드 카드 또는 비디오 애플리케이션과 같은 여러 다른 장치들과 함께 공유한다.

사실 Fast Ethernet과 기타 고 대역폭 기능을 다룰 수 있는 능력은 PCI가 32 bit에서 64 bit로 업그레이드된 주된 이유중의 하나이다. PCI는 네트워크와 PCI 상의 기타 장치들이 전송하는 모든 정보를 전달하기 위한 백본(Backbone)으로서 필요하다.

설사 PCI의 전 대역폭을 사용할 수 있다 하더라도 대부분의 PC 기반 모션 컨트롤러는 PCI 버스가 허용하는 정도의 속도로 대량의 데이터를 송수신할 수 없다.

즉 문제는 데이터 전송 프로토콜이 아니라 데이터를 송수신하는 장치 그 자체인 것이다.

속도와 관련된 다른 문제로, 모션 컨트롤 애플리케이션의 대다수가 PCI 버스와 관련된 처리량을 요하는가의 문제가 있다.

일반적으로 모션 컨트롤러에 의해 송수신되는 정보의 종류를 보면(예: 위치, 속도, 가속, 에러), 매 사이클마다 전송되는 데이터의 실제량은 대략 512 byte 정도로 상대적으로 적은 편이다. 이더넷을 사용하는 모션 컨트롤러의 경우 이 512 byte는 10Mbps 네트워크에서 전체 대역폭의 4%에 지나지 않는다.
 

유연성
오늘날 모션 컨트롤 애플리케이션은 다양한 컨트롤러에 의해 수행된다. 애플리케이션에 따라 버스 기반, 독립형, 또는 네트워크 모션 컨트롤러가 사용된다.

안타깝게도 PCI 솔루션은 단지 하나의 방식, 즉 버스 기반 방식으로만 구현 가능하다. 모션 컨트롤러가 PC와 상관없는 기능을 수행해야 하거나 기계에 PC 제어가 없는 경우의 애플리케이션에서 PCI 기반 솔루션은 실현 자체가 불가능하다.

반면 대부분의 이더넷이나 필드버스 컨트롤러는 독립형 장치로서도 사용될 수 있다.
 
한편 네트워킹과 관련하여 PCI 기반 솔루션은 원격 액세스에 적합한 옵션은 아니다. 공장 네트워크 상에서 모션 컨트롤러를 구현하기 위해서는 네트워크 인터페이스를 가진 컨트롤러가 필요하다.

한편 대부분의 공장 네트워크는 이더넷이기 때문에 이 경우 선택이 더 쉬워진다.
 

패키지 사이즈

독립형이나 네트워크 가능 컨트롤러 그리고 PC 기반 컨트롤러 사이에서 하나를 결정할 때 엔지니어는 PC 기반 컨트롤러가 PC에 내장되어 있으므로 공간을 절약한다고 생각하는 경우가 종종 있는데, 이는 사실 틀린 생각이다.

물론 컨트롤러 자체는 그렇지만, PC 기반 컨트롤러를 사용하기 위해서는 컨트롤러 외에도 서보모터, 스테핑모터, 엔코더, I/O에 연결하기 위한 외부함이 필요하다.

많은 경우 이 외부함은 독립형 컨트롤러와 비교해 크기가 같거나 더 크다.
 

PLC 호환성

오늘날 많은 애플리케이션에서 PLC는 1차 제어에 사용되고, 모션 컨트롤러에게 동작에 관한 시기, 거리, 속도를 지시한다.

이 두 장치 사이의 통신은 분산형 I/O에서 네트워크 연결까지 다양하다. 분산형 I/O 솔루션은 시스템의 배선과 설치에 필요한 시간과 노력 때문에 선호되지 않고 이 경우에 이더넷이나 필드버스 솔루션이 선호된다. 오늘날 시장에 공급되는 대부분의 PLC는 각각의 선택된 필드버스와 더불어 이더넷을 표준 네트워킹 옵션으로 제공한다.
 

설치와 유지보수

대부분의 회사들은 네트워크 프로토콜을 완벽하게 알고 있는 DeviceNet 및 Profibus 전문가를 직원으로 둘 만한 여건이 되지 않는다.

그러한 여건이 되는 회사라 하더라도 그 직원이 필드버스 부문에서도 전문가일 확률은 낮다. 반면, 거의 모든 회사가 이더넷 프로토콜에 정통한 전문 네트워크 담당자를 두고 있어서, 산업용 제어에 이더넷이 사용되는 사례가 늘고 있다.

버스 기반의 컨트롤러 카드를 컴퓨터에 연결하는 것과 달리 이더넷을 PC에 연결하는 것은 간단하다. PC와 외부 이더넷 모션 컨트롤러 사이의 연결은 Category 5 이더넷 케이블뿐이다.

제어축을 추가로 더하기 위해서는 곧장 사용할 수 있는 이더넷 허브나 스위치를 사용하면 된다. 컨트롤러를 교체하기 위해서는 소프트웨어를 이용해 새로운 모션 컨트롤러를 구성하고 이전과 동일하게 쉽게 이더넷을 연결하기만 하면 된다. 반면 버스 기반 컨트롤러 카드를 설치할 때에는 대부분의 컴퓨터를 셧 다운시키거나 오프라인시켜야 한다.

그 후에 PC 커버를 열어야 하는데, 이는 PC 샤시가 기계 안에 들어가 있는 경우에는 특히 어려운 작업이 된다. 마지막으로 대부분의 버스 기반 모션 컨트롤러는 설치를 위해 둘 이상의 PCI 슬롯이 필요하다.

제어축을 추가하기 위해서는 별도의 슬롯이 필요하고, 보기 흉한 케이블들은 또 다른 개방 확장 슬롯을 통해 꿰어 넣어야 한다. 만약 어떤 이유에서는 컨트롤러가 고장을 일으키면 컨트롤러를 교체하기 위해 이 설치 과정 전체를 다시 반복해야 한다.
 

장기적 실용성

제어 아키텍처를 선택할 때에는  ‘이 아키텍처가 내 기계의 수명 동안 계속 실용적으로 사용될 수 있는가?’ 의 문제를 확인해야 한다.

비록 PCI가 앞으로 오래 동안 사용될 수 있을 것으로 보이긴 하지만, 이것 역시 지금은 구식이 되어버린 ISA의 경우를 참고해볼 필요가 있다.

PC용으로 더 빠르고 효율적인 버스 구조가 개발되기까지는 얼마나 걸릴까? 또한 필드버스 테크놀로지는 얼마나 더 발전할 수 있을 것이며 누가 나서서 이를 주도할 것인가? 고려할 만한 한가지 사항은  ‘만약 어떤 필드버스가 더 이상 사용되지 않는다면 오라클, IBM, 코카콜라와 같은 회사들이 지장을 받을까?’ 이다. 답은 ‘아마도 아니다’일 것이다.

그러나 이 회사들이 이더넷의 미래에 대하여 많은 관심을 가지고 있다는 사실은 분명하다. 이 회사들의 기반 시설들은 이더넷을 기반으로 하고 있을 가능성이 높기 때문이다.

이더넷은 놀라울 정도로 오랫동안 사용되어 왔다. 전 세계의 네트워크 연결 중 85% 이상이 이더넷을 사용하고 있을 정도로 이더넷은 산업 전반에 걸쳐 수용되고 있으며, 따라서 이 테크놀로지가 금방 구식이 되어버릴 확률은 극히 낮다. 1970년대 이래 이더넷은 많은 PC 버스 아키텍쳐가 개발되었다 .

쇠퇴하는 와중에도 건재하게 남아 있으며, 새로운 버스가 개발될 때마다 회사들은 그 특정 버스를 위한 이더넷 컴포넌트를 개발해왔다.

당연히 이더넷은 원격 네트워킹의 이점도 제공한다. 예를 들어 Texas Instruments는 영국에 있는 자사 기계들의 문제 해결에 6K 컨트롤러의 이더넷 기능을 사용함으로써 기술자를 유럽에 파견하는 비용을 절약했다.

이더넷, 필드버스, PCI 중에서 어느 하나가 주도적인 테크놀로지가 되기 위해서는 유연하고 유지가 쉬워야 한다. 또한 산업적인 기반도 넓어야 하고 테크놀로지의 장기적인 실용성에 대한 확신도 주어야 한다.

이더넷은 이러한 점에 있어 확실히 다른 그룹에 비해 앞서는 반면 다른 두 테크놀로지는 단지 부분적인 솔루션만 제공할 뿐이다. 이더넷 기반 모션 컨트롤러는 PC나 PLC의 쉽고 신뢰도 높은 인터페이스가 필요한 애플리케이션 뿐만 아니라 독립형 애플리케이션에서도 운전될 수 있을 정도로 유연하다.

이 장점에 현장 혹은 원격 네트워킹 가능성을 더하여 보라. 이더넷을 사용하는 제조업체는 애플리케이션에 상관없이 하나의 모션 컨트롤러 상에서 표준화할 수 있다는 점을 쉽게 알 수 있다.

이더넷 테크놀로지가 산업 전반에 걸쳐 압도적으로 수용되고 있는 만큼 그 속도와 성능은 계속해서 향상될 것이다.

이것은 이미 Gigabit 이더넷에서 이루어진 현격한 발전과 UniWest와 Texas Instruments와 같은 최종 사용자들을 통해 증명된 사실이기도 하다.

시간과 경험만이 어떤 테크놀로지가 공장 자동화 산업을 주도할 것인지를 알려줄 것이다.

그러나 네트워크화할 수 있고 원격 액세스가 가능한 산업용 모션 컨트롤이 미래를 여는 열쇠이고 이더넷이 미래의 선택 받은 아키텍쳐가 되리라는 점은 확실하다.
 

표 1: 기술 비교

 

이더넷
필드버스
PCI

데이터 전송 속도
10/100 Mbps
0.5 ~ 12 Mbps
133/266 Mbps

프로토콜 타입

시리얼
다양함(주로 시리얼)
병렬

제어 구현 방식

독립형 컨트롤러를 PC나 네트워크 인터페이스에 연결

독립형 또는 PC 주변 카드 follower 장치를 PLC나 PC 마스터에 연결

PC 주변 카드




표 3: 이더넷의 장점


이더넷

필드버스

PCI

속도

10-100 Mbps
대부분의 모션 컨트롤 애플리케이션용으로 충분한 속도

0.5-12 Mbps
대부분의 모션 컨트롤 애플리케이션용으로 충분한 속도

133-266 Mbps
고 대역폭 애플리케이션을 다룰 수 있을 만큼 매우 빠름

유연성

PC, PLC, 네트워크 연결 가능

PC, PLC, 네트워크 연결 가능

PC 연결만 가능

패키지 사이즈

PC와 함께 사용되면 사이즈 비슷
PC가 필요하지 않은 독립형 애플리케이션에서는 더 작음


PC나 PLC와 함께 사용할 때 비슷한 사이즈


외부 연결을 포함하면 사이즈 비슷

PLC 호환성

PLC와 호환 가능
이더넷 모듈이나 분산형 I/O

PLC와 호환 가능
필드버스 모듈이나 분산형 I/O

일반적으로 분산형 I/O와만 호환 가능


설치 및 유지보수

단순화된 표준 설치
유지성 높음
교육받은 인력 수급 가능

특별한 지식 필요
교육받은 인력 부족
 

설치 및 분해의 어려움
복잡한 배선
교육받은 인력 부족

장기적 실용성

여러 산업에서 지원
광범위하게 개발된 기반


제어 산업에서만 사용


여러 산업에서 지원
PC 테크놀로지에 따라 변화