산업용 이더넷 시스템 아키텍처 모범 사례

EtherCAT과 TSN

EtherCAT은 필드버스 도메인에서 우세한 기술이며 Ethernet은 교환기술을 사용하는 사무용 유선 애플리케이션의 표준이다.

TSN(Time Sensitive Networking)은 이기종 환경에서 실시간 통신을 가능하게 하는 요소이다. 경우에 따라 이러한 두 기술의 조합이 필요하다.

TSN과 스트리밍 개념을 보다 잘 이해해야 현장에서 성공적인 시스템 구현이 가능하다. 산업 자동화를 위해 TSN 최신 기술을 사용하는 방법에 대해 소개한다.

TSN은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers, 미국전기전자학회) 802.1 그룹이 설립된 이후 잘 알려진 용어이다. TSN은 오디오/비디오(A/V), 자동차, 모바일 네트워크 베이스 스테이션과 에너지 생성과 같은 다양한 애플리케이션에서 사용될 수 있는 기술이다. TSN 모델은 IEEE 802.1 상황에서 데이터 스트리밍을 도입한다. 스트리밍의 실시간 기능을 개선하기 위한 기능을 지원하지만 전용 환경에서 사용하는 방법을 정의하진 않는다. ‘도구상자(toolbox)’ 라는 용어는 산업 자동화 측면에서 TSN 애플리케이션을 설명하기 위해 모델이 필요함을 성명하기 위해 사용된다.

EtherCAT 접근 방식은 두 기술을 혼합하는 것이 아니라 TSN 스트림 사용에 적응하는 것을 의미한다. 특정 TSN 요소를 선택할 수는 없지만 마스터 및 슬레이브 부분 적응의 프로파일은 시간에 민감한 스트림을 전달하는 모든 옵션과 함께 사용할 수 있다. 슬레이브 부분에는 변경이 필요하지 않다.

따라서 마스터 시스템 공급자가 스트림 적응을 통합하고 시스템 통합 업체가 TSN 에서 EtherCAT 부분 적응에 필요한 구성 요소를 선택하도록 주의해야한다. 이러한 매핑을 통해 제조 현장의 자동화 부품, 기계 구축 업체 및 기술 전문가들이 TSN 을 채택하기 위해 적절한 조치를 취할 수 있다.

TSN의 진화

TSN은 엔드 노드를 연결하는 브리징 표준이다. ‘브리징’은 표준 작업에 사용되는 용어이지만 인기 있는 용어는 ‘스위칭’이다. Ethernet이 선호되는 TSN 기반이지만 이는 기본 통신 기술과는 무관하다.

일반적인 사무실 사용자는 웹 클라이언트와 웹 서버 사이에 스위치가 많지 않아 스위치 사용에 따른 반응 시간에 영향을 받지 않으며 사람과의 상호 작용을 위해서는 두 번째 범위의 네트워크 교환이 필요하다. 교환된 네트워크의 경우 짧은 대기 시간 통신을 이해하려면 표준 사무실 통신을 자세히 살펴봐야한다.

Ethernet은 40년 이상의 역사를 가지고 있다. 처음에는 디지털 장비와 컴퓨터를 유연하게 상호 연결하는 방법을 개발하기 위한 인텔(Intel)과 제록스(Xerox)의 공동적인 노력으로부터 시작 됐다.

당시 주요 사용 사례는 워크스테이션과 서버의 연결이다. 처음부터 유연성이 중요했기 때문에 고객과 서버 간 커뮤니케이션을 기반으로 한 ‘최상의’ 원칙을 사용해 커뮤니케이션을 구성했다. 최상의 노력은 클라이언트가 데이터에 동등하게 접근할 수 있고 클라이언트에게 데이터에 대한 우선 접근 권한이 부여되지 않음을 의미한다. 너무 많은 클라이언트가 동시에 단일 경로에 접근하려고 하면 통신이 지연되고 서버 응답도 지연된다.

이 원칙은 인터넷과 함께 바뀌지 않았지만 워크 스테이션은 PC 로 진화했고 궁극적으로 스마트폰으로 발전해 모든 웹 서버와 클라우드에 접근했다. Ethernet은 인터넷의 서브넷 역할을 하는 LAN 개념이다. 그러나 서브넷은 점점 더 커지는 경향이 있으며 원래 Ethernet 개념은 노드 수에 따라 확장되지 않는다. 25년전 IEEE 802.1 에 의해 도입된 브리징 기술은 이러한 상황을 상당히 개선한다. 그것은 다른 속도로 네트워크를 동시에 사용할수 있게 하고 무선과 같은 다른 네트워킹 기술들의 손쉬운 통합을 가능하게 한다. 브리지는 통신 시스템을 엔드 노드와 통신 인프라로 나눈다. 최고의 패러다임은 이러한 모든 기술 개발의 기초가 됐다.

일반적으로 필드버스라고 불리는 산업 통신 프로토콜은 1980년대 후반에 형성돼 약 5년 후에 돌파구를 마련했다. 산업용 컨트롤러는 더 이상 센서와 액추에이터에 대한 광범위한 케이블 연결을 통해 단일 벤더 전용 블록이 아니라 여러 기술 제공 업체의 I/O 구성 요소로 구성된 구조화된 네트워크여야 한다.

자동화 기술의 기준은 항상 서비스 품질이 보장된 수준이었다. 이는 통신 대역폭의 효율적인 사용, 낮은 프레임 감소율 및 제한된 통신 지연을 의미한다. 처음에는 전용 통신 기술이 선택 사항이었지만 PC 기반 시스템이 제공하는 높은 대역폭과 가용성 덕분에 필드버스 용도에서도 Ethernet이 사용 가능한 위치에 놓였다. 그러나 최선의 정책은 인터넷 도메인에서와 같은 방식으로 자동화에서 Ethernet을 사용하기 어렵게 만든다. 수정되지 않은 인프라를 사용하려는 조직들도 필드버스 환경에서 실시간 트래픽을 제한하거나 노드 수를 줄이는 등 Ethernet 사용에 관한 몇 가지 규칙을 수립했다.

필드버스 접근 방식은 필드버스 네트워크에 공통적인 라인 토폴로지를 대체하는데 사용할 수 있는 2-포트 장치로 이어지는 통합 네트워크다. 일반적인 프로세스 데이터 크기 범위의 필드 장치에 개별 프레임 방식을 사용하면 각 패킷을 개별적으로 운송하는 배달 트럭과 마찬가지로 Ethernet 대역폭의 90 퍼센트까지 낭비하면서 효율이 떨어진다. 이 과제는 Ethernet을 사용한 EtherCAT 접근 방식이 성공한 주요 이유다.

EtherCAT은 설명된 대로 인터넷 인프라 문제를 해결할 수 있는 완전히 수정된 브리징 개념을 제공한다. 고성능 애플리케이션이 Ethernet의 기능을 완벽하게 활용할 수 있도록 하는 핵심 개선 사항은 공유 프레임 전달 및 즉시 처리이다.

IEEE 802 세계 패러다임의 변화인 TSN은 다양한 산업의 실시간 요구 사항을 해결한다. TSN은 IEEE 802.1 상황에서 정체로 인한 손실 없이 프레임을 최대한 빨리 전달한다. 그러나 개별 프레임 접근 방식의 효율성인 Ethernet의 기본적인 문제는 전달 절차의 복잡성과 성능이 함께 해결 되지는 않는다.

TSN은 대체 솔루션에서 사용할 수 있는 성능의 10퍼센트만 제공하고 사용자가 기술 제공 업체에서 요구하는 파인튜닝 시스템을 기다리게 하기 때문에 진정한 필드버스 교체가 아니다.

CAN 또는 PROFIBUS를 TSN으로 성공적으로 교체할 가능성은 거의 0이다. EtherCAT은 주어진 전송 속도에 훨씬 더 높은 성능을 제공한다. 따라서 TSN은 필드버스로 EtherCAT을 대체할 수 없다. 그러나 TSN은 이기종 요구 사항과 높은 양의 인터넷 트래픽 시나리오에서 장점을 가지고 있다. 카메라 혹은 다양한 실시간 표준을 함께 사용하는 것이 TSN을 백본으로 사용하는 이유가 될 수 있다.

Ethernet 인터페이스가 하나인 내장형 PC는 TSN 네트워크 접근을 가상 포트 멀티플라이어로 사용할 수 있다. EtherCAT이 이미 사용 가능한 장치와 TSN이 있는 필드버스로 공존하는 것도 향후 10년간 자동화 통신 인프라의 또 다른 옵션이 될 것이다.

가능한 애플리케이션 시나리오

TSN은 산업 자동화에만 한정되지 않는다. AVB(Audio Video Bridging)라 알려진 IEEE 802.1 그룹이 있었기 때문에 초기 사용 사례는 A/V 애플리케이션이었다. 초기 표준은 스포츠 경기의 라이브 비디오 전송과 같은 전문적인 A/V 설치를 향상시키는데 도움이 됐다. 또한 이 기술을 사용해 대규모 오디오 설치를 설정할 수 도 있었다. 이 환경의 한 가지 이점은 전체 시스템을 종료하지 않고 데이터 흐름을 신속하게 변경할 수 있다는 것이다.

케이블 연결을 줄이고 유연성을 향상시킨 것이 아날로그 설치에서 Ethernet 및 무선으로 전환해야 하는 주요 이유였다. 향후에는 변경할 수 있는 뷰가 있는 3D 사진이나 정밀한 거리 측정이 가능한 시스템과 같은 더욱 까다로운 애플리케이션이 사용될 것이다.

이러한 기능을 사용하려면 매우 정확한 시간 동기화가 필요하다. 높은 시스템 가용성은 고품질 라이브 스트리밍의 매우 중요한 요소이며 시스템 장애에 신속하게 대응할 수 있을 뿐만 아니라 합리적인 프레임 손실 비율이 필요하다. 증강 현실(AR) 분야에서 요구되는 몇 가지 요구 사항이 보다 광범위한 애플리케이션 분야에서 이 기술을 사용해야 하는 이유가 될 수도 있다. 향후 TSN을 통해 이 작업을 수행할 수 있으 것으로 기대된다.

Ethernet 기반 기술의 두 번째 사용 사례는 자동차 인프라를 보완하는 것이다. CAN은 자동차 산업에서 많은 서브시스템을 위한 네트워킹 기술이었지만 카메라와 다른 복잡한 인포테인먼트 시스템은 훨씬 더 높은 대역폭 을 요구한다. 차량 전자 서브시스템의 진단과 서비스는 Ethernet 백본을 통합하는 또 다른 이유였다. 두 애플리케이션을 모두 단일 네트워크에 배치하려면 데이터 트래픽 패턴을 분리해야한다. 고급 파워 트레인 시스템에 대한 통신도 통신 강화의 또 다른 이유가 될 수 있다.

현재 이는 새로운 신호를 전달하기 위해서는 추가적인 케이블 연결과 컴퓨팅 능력이 필요한 분리된 네트워크에 의해 제어된다. 차량 내의 모든 네트워크를 연결하고 동기화하면 추가적인 제어 옵션을 얻을 수 있으며 기계 및 전기 구성 요소를 모니터링해 높은 수준의 상태 모니터링 기능과 보다 정확한 서비스 지표를 구현한다. 결과적으로 생기는 ‘케이블 트리’는 현대의 자동차 부품 중 가장 비싼 축에 포함된다. TSN 백본 접근 방식은 효율적인 서브시스템과 결합돼 시간에 중요한 데이터 교환 측면에서 자동차 디자인을 크게 개선할 수 있다.

TSN이 자동차 백본과 카메라 시스템의 주된 선택이지만 CAN 서브시스템과 파워 트레인의 통합은 Ethernet 애플리케이션에게 흥미로운 영역일 수 있다. 그럼에도 불구하고 두 통신 기술은 특히 향상된 전기 드라이브 서브시스템을 사용하는 경우 산업 자동화에서 발견되는 프로토콜과 유사한 특성을 가지고 있다. 자동차 시스템에서 Ethernet 지속성은 산업 활성화시킬 것이며 이러한 요소들 중 상당수는 자동화 산업에도 흥미로울 것이다.

또 다른 거대 소비자 중심 산업에 영향을 미치는 이동 통신망은 조만간 TSN에 의해 전력을 공급 받을 것이며 Ethernet은 백홀 인프라에 전력을 공급할 것이다. 이것은 무선 장비(Remote Equipment, RE) 장치와 RE 제어 인프라 사이의 통신 계층이다.

동기화는 매우 중요한 작업이며 프레임 손실률도 또 다른 주요 요인이다. 5세대 이동 통신망(5G)은 성능 요구 사항을 대폭 늘리고 시장 기술 제공 업체들은 백홀 통신망 제어 인프라로 TSN 활용 프로젝트를 시작했다. A/V 기술 또한 자동화 산업에도 통합되고 있으며 위에서 언급한 분야의 추가 개발은 이러한 시스템의 채택을 가속화 할 수 있다.

A/V 노드는 바이트 수가 500~1000 바이트인 경향이 있으므로 산업 요구 사항 아래의 특정 데이터 트래픽 클라스로 이동할 수 있다. 로봇 시장 또한 빠르게 성장할 것이고 로봇과 다른 기계들의 결합은 아주 짧은 의사소통 시간을 필요로 한다. 현재, 이는 필드버스 통신을 사용해 해결되지만 다른 기계 또는 PLC도 이러한 네트워크에서 장치 역할을 한다. 기계와 로봇의 특정한 조합이 동일한 프로토콜을 지원하지 않을 가능성이 높다. TSN은 로봇과 기계가 다양한 종류의 통신 요구에 대해 다중 인터페이스를 필요로 하지 않기 때문에 통신 인프라를 훨씬 단순화시킬 것이다. 그 수준의 공통 인프라는 여러 목적으로 표준 통신 인터페이스를 사용하는 로봇과 스마트 기계의 사용을 가속화할 수 있다.

TSN 이해하기

IEEE 802.1 워킹 그룹 내 TSN 업무 그룹은 브리지 된 네트워크의 실시간 기능을 향상시키는 역할을 담당한다. TSN의 엔드 노드 간 통신은 ‘스트림(streams)’에 의해 이루어진다. IEEE 802.1 표준은 스트림의 송신자에 대해 ‘토커(talker)’이라는 용어를 사용하고 스트림의 수신자에 대해서는 '리스너(listener)'이라는 용어를 사용한다.

스트림은 말하는 사람에서 한명 이상의 청취자에게 전달되는 단 방향의 데이터 흐름이다. RT 스트림 스피커는 간격마다 여러 옥타브의 프레임을 보내지 않는다. 스트림이 IEEE 802.1 네트워크에서 작동하려면 스트림 아이디가 필요하다. 여러 식별 체계를 사용할 수 있지만 일부 TSN 표준에서는 스트림 식별을 위해 MAC 주소와 VLAN을 사용한다. 스트리밍의 다양한 측면을 언급하는 여러 기준들이 있다. 현재까지 TSN 그룹은 다음과 같은 표준화 프로젝트를 시작했다.

- 향상된 동기화 동작(IEEE 802.1 ASbt)

이전 버전의 IEEE 802.1 AS의 이전 버전은 IEEE 1588 표준에 따라 분산 클럭 타이밍 동기화 프로토콜을 이미 지정했다. 표준 Ethernet 환경으로의 통합을 촉진했다. 그러나 다른 1588 Ethernet 프로필과의 호환성이 손실됐다. 새로운 버전은 한 단계로 진행되는 투명 시계의 허용되는 특징을 통합할 것이다. 현재 개선해야 할 주요 영역은 통신 회선 장애 또는 마스터 오류와 같은 오류 상황에 대한 대응이다. 새로운 버전은 또한 기기의 다른 시간 영역을 다룰 수 있어야한다.

- 프레임 선매(IEEE 802.1Qbu)

결정적으로 시간이 중요한 메시지 전송을 위한 주요 문제는 동일한 네트워크 세그먼트에서 레거시 트래픽인데, 개별 프레임 1,500 바이트를 초과할 수 있다. 이로 인해 노드 사이클당 최대 125㎲의 지연이 발생할 수 있다.

이 문제는 프레임 중단 메커니즘(Ethernet 프로젝트 P802.3br의 IEEE 작업 그룹 내에서 지정)을 사용해 해결할 수 있다. 궁극적으로 이 메커니즘은 새로운 네트워크 구성 요소뿐만 아니라 엔드 시스템의 새로운 Ethernet 집적 회로(IC)도 요구할 것이다.

- 예약된 트래픽에 대한 향상된 기능(IEEE 802.1 Qbv)

송신 작업의 시간 제어는 TSN에서 중요한 역할을 한다. 물리적 도로에서와 마찬가지로 정보 고속도로에도 교통 체증이 있을 수 있고 높은 우선순위, 실시간 데이터 및 고속화에도 불구하고 전송 시간에는 약간의 차이가 있을 수 있다. 시간에 민감한 스트림이 주기적으로 전송되기 때문에 주기적인 통신 직전에 중요한 데이터를 덜 차단함으로써 대부분 방해 받지 않는 통신을 실현할 수 있다. 그 절차는 교통 신호등 통제와 유사하다.

- 경로 제어 및 예약(IEEE 802.1 Qca)

가능한 빨리 A에서 B로 가려면 지도와 경로 계획 표가 필요하다. 일산 생활에서와 마찬가지로 네트워크는 요소들이 배열되는 방법을 포착하고 가장 효율적인 방법으로 통신 경로를 선택하는 방법을 결정할 사람을 필요로 한다. 프로토콜은 라우터에 의해 사용되는 ‘중간 시스템 대 중간 시스템(Intermediate System to Intermediate System, IS-IS)’ 개념을 기반으로 할 수 있다.

이 개념에는 토폴로지 정보를 수집하고 배포하는 작업이 포함된다. 여러 번 반복한 후에는 모든 노드가 전체 네트워크의 모든 토폴로지 정보를 가진다. 목적지까지 이어질 수 있는 경로가 여러 개 있는 경우 이 절차를 사용해 가장 짧은 경로를 찾을 수 있다. 또한 중복 경로를 식별하는 데에도 사용할 수 있다. 이 프로젝트는 TSN 외부에서 시작됐다.

- 원활한 이중화(IEEE 802.1 CB)

국제 표준은 이미 고가용성, 완벽한 이중화(HSR) 또는 병렬 이중화 프로토콜(PRP)과 같은 원활한 이중화를 위해 지정된 프로토콜을 제공함에도 불구하고 방송국들 간의 완전한 데이터 교환이 중복성을 위해 설계돼야 한다. 오류가 있는 경우 메시지 순서가 유지되지 않기 때문에 문제가 발생할 수 있다. 또한 문제 해결이 상당히 복잡하다. IEEE 802.1의 경우 개별 중요 데이터 스트림에만 원활한 이중화를 명시적으로 적용하기로 결정한다.

이를 통해 프로토콜 오버 헤드를 줄일 수 있고 중요 지점을 식별하기가 더 쉬워진다.

- 스트림 대역폭 예약(IEEE 802.1 Qcc)

Ethernet의 주요 문제는 두 채널을 통해 데이터가 수신되고 단일 출력을 통해 전달되는 등 과부하 상황에서 발견된다. 저장된 바이트 수에 따라 지연이 늘어나기 때문에 대용량 메모리도 서브 최적화된다. 이러한 지연(최선의 노력)은 자동화 기술의 응답 시간을 늘려 제어할 수 없다.

실시간 데이터 스트림의 우선순위가 높으면 나머지 통신이 영구적으로 지연될 위험이 있다. 이러한 이유로 필요한 스트림 대역폭이 결정되고 예약된다. 예약 프로토콜은 대역폭의 80 퍼센트까지 실시간 로드를 허용한다.

기존 예약 프로토콜의 확장이다. 그러나 단지 기존 예약 프로토콜을 확장하는 것만으로는 TSN의 모든 확장 요구 사항을 충족할 수 없다. 이는 앞으로도 실시간 채널을 구현하기 위한 추가 메커니즘을 찾아야 함을 의미한다.

- 순환 스케줄링(IEEE 802.1Qch)

이것은 각 사이클 동안 시간이 중요한 메시지를 인접 장치로 전달하는 절차이다. 이는 계단식 깊이가 낮거나 단일 경로에서 주기적 스케줄링이 있는 노드 수가 낮은 경우에 유용하다. 이 접근 방식은 무선 장치 또는 기타 구성 요소를 결정하기 어려운 대기 시간과 통합할 수 있으며 시간 제어보다 강력하다. 이를 통해 사이클 시간을 쉽게 계산할 수 있으며 복잡한 시스템에서 스케줄 계산을 제한할 수 있다.

- 스트림 필터링 및 폴리싱(IEEE 802.1 Qci)

전문가들이 논의하는 또 다른 측면은 제대로 작동하지 않는 노드의 영향을 제한하는 방법이다. 이를 위해 노드의 수신 측이 스트림 베이스별로 링크 트래픽을 모니터링 해야한다. 스트림 수에 따라 이 작업이 어려울 수 있다. 허용된 것보다 많은 대역폭을 사용하는 경우 특정 작업이 수행된다. 한 가지 가능한 결과는 오류를 발생시키는 스트림을 비활성화 하는 것일 수 있다.

- IEEE 802.1 Q YANG 데이터 모델(IEEE 802.1 Qcp)

YANG은 MIB를 대체해야 할 새로운 모델링 언어이므로 모든 MIB를 개조하는 것 아이디어의 시발점이다. 시작점은 본 표준에서 제공해야 하는 일반적인 브리지 모델이다. IEEE 802.1 Qcc 표준은 YANG에 의존하는 구성 모델을 제안했지만 이 표준은 필요한 전체 데이터의 몇 가지 모델만 제공한다.

- 비동기식 트래픽 조절(IEEE 802.1 Qcr)

이 셰이퍼는 여러 스트림이 있는 트래픽 클라스 내에서 지연 시간을 최적화한다. 이 표준에 대한 작업은 이제 막 시작됐으며 0.1 Qci 범위의 데이터베이스가 필요하다.

- 링크 로컬 등록 프로토콜(IEEE 802.1 CS)

Dl 표준은 구성 요소를 위한 기본 프로토콜을 구현한다. 이 제품은 MRP 보다 큰 데이터 볼륨을 전송하도록 최적화됐다.

- PBB에 자동 연결(IEEE 802.1 Qcj)

링크 계층 탐색 프로토콜 또는 LLDP를 사용해 구성을 브리징 하는 제공자(산업 자동화에서는 사용되지 않음)

- 전면 프로필(IEEE 802.1 CM)

텔레콤 TSN 프로필 (산업 자동화에서 사용되지 않는다)

IEEE 802.1 네트워크에서 EtherCAT 스트리밍하기

TSN은 이기종 네트워크에서 사용될 수 있지만 EtherCAT 을 대체할 순 없다. EtherCAT은 마스터 측면에서 표준 요소를 사용하므로 TSN 인프라에도 연결할 수 있다. 그러나 마스터와 슬레이브 간의 통신 지연 시간을 추가 하는 단점이 있다.

그러나 마스터가 여러 개의 통신 작업을 수행하는 경우에는 더 높은 데이터 전송 속도를 사용할 수 있다. 따라서 TSN 네트워크에서 홉 몇 개가 약 10㎲를 소비할 수 있다. 그러나 이제 4개의 EtherCAT 서브시스템과 비디오 시스템을 연결하고 서브시스템의 제어 스테이션과 통신하며 인터넷에 대한 모든 상호 연결을 실행할 수 있다. 하나의 기가비트 Ethernet 인터페이스만으로도 다양한 통신 요구 사항을 충족할 수 있다. 따라서 표준 아키텍처와 내장된 시스템은 TSN 하위 시스템을 초기에 사용해 자동화에서 다중 업무 인프라 역할을 할 수 있다.

I/O 수준의 구조와 성능은 일반적인 스위치 환경과는 상당히 다르다. 효율성을 위해 EtherCAT 부분을 함께 유지해야 한다. 다시 10개의 EtherCAT 슬레이브 부분내의 지연 시간은 약 10㎲ 이다(100Mbps 링크 스피드 포함). 이는 한쪽에 마스터가 있는 구조로, 다른 쪽에는 몇 개의 슬레이브가 있고, 그 사이에 TSN 네트워크가 있는 구조로 이어진다.

마스터와 슬레이브 부분 사이에 네트워크 인프라를 추가하는 것은 이러한 그룹의 분리 패러다임을 변경하지 않지만 물리적으로 분리된 네트워크를 논리적으로 분리된 네트워크로 변환한다. 이를 통해 마스터 장치의 유연성을 높일 수 있으며 예측 가능한 프레임 손실률뿐만 아니라 보장된 지연 시간을 유지할 수 있다.

EtherCAT은 별도로 지정하지 않는 한 토커와 리스너 간에 일대일 관계를 가진 TSN의 스트림 개념을 사용한다. TSN 스트림은 지정된 간격 내에서 특정 바이트 수를 전송한다. 정의된 데이터양은 전송된 바이트 수보다 클수 있지만 예약된 대역폭보다 작을 수는 없다. 마스터 부분과 EtherCAT 부분 사이에 적어도 두개의 스트림이 설정된다. 하나는 마스터에서 슬레이브 부분으로 이동하고 다른 하나는 슬레이브 세그먼트로 이동한다.

다른 스트림은 EtherCAT 슬레이브 그룹의 제어 목적으로 사용될 수 있다. 이러한 종류의 통신은 트래픽 특성이 다를 수 있으며 우선순위가 낮은 클래스에 배치될 수 있다. 조건 모니터링을 위한 데이터 수집과 같은 추가적인 통신 요구 사항은 다른 스트림 쌍을 필요로 할 수 있다. TSN 프로필은 IEEE 8021에 따라 연결된 네트워크 내에서 EtherCAT 데이터를 전송하는 방법을 설명한다. 연결 및 기타 연결 관련 서비스 기능의 구성은 EtherCAT- 특정 프로필에 설명돼 있지 않지만 TSN 내용에 따라 처리된다.

마스터에 있는 가상 EtherCAT 채널의 기본 요구 사항은 관련 EtherCAT 슬레이브 부분의 전용 식별자와 전송 간격, 전송할 수 있는 데이터 제한 및 선택적으로 간격 사이의 전송이다. 마스터 부분에서 스트림 전송에 대해 정의된 매개 변수이다. 마스터 부분에서는 흐름이 거꾸로 흐르는 수신 시간이 필요하다. 슬레이브 부분의 최대 지연 시간이 예약을 완료해야 한다. 브리지 관련 매개 변수는 이 내용에서 EtherCAT 반환 시간을 계산하는데 필요한 추가 시간제한이다.

EtherCAT 부분의 식별은 IEEE 802.1 네트워크 내에서 고유하다. 주소 중복은 단일 요청 스트림에 대한 여러 개의 응답에 의해 탐지된다. 식별은 12 비트 값으로 즉시 스트리밍 내부 또는 옆에 ETherCAT 장치를 사용해 설정할 수 있다. 다른 옵션은 EtherCAT 부분을 브리지 포트가 연결된 EtherCAT 부분에 VLAN 식별자(VID)를 할당하는 것이다. 포트 VID는 관리 스위치의 잘 알려진 매개 변수이기 때문에 VID를 사용하면 IEEE 802.1 환경 에서 EtherCAT 부분을 더 쉽게 처리할 수 있다. EtherCAT 부분 앞에 있는 마스터의 스트림 적응에서 식별 정보를 사용해 스트리밍에 필요한 슬레이브 주소를 설정한다.

TSN 표준에 따르면 스트림은 고유한 주요 지정이 필요하다. 이 주소 지정은 EtherCAT에 예약된 주소 분야와 결합된 식별에서 차감한다. 매핑 원리는 간단하다. EtherCAT 필드를 변경하지 않으면 TSN 필드는 EtherCAT 처리에 사용되지 않는다.

EtherCAT 슬레이브 부분은 VID에 해당한다. 이 경우 VID는 VLAN 태그의 우선순위 필드와 함께 사용하면 충분하다. 이 단 두개의 엔드 노드만 있는 특수한 VLAN 형식이다. TSN 스트림 처리는 프레임의 대상 주소인 스트림 주소로 수행된다. 대역 폭 할당 및 전달은 이러한 주소에 따라 달라진다. 따라서 개별 스트림에 대한 ID 매핑이 필요하다.

이러한 네트워크에서는 IEEE 802.1 네트워크에서 EtherCAT 슬레이브 부분을 일정한 간격으로 프레임을 전송해 동기화된 작업이 가능하다. 이를 위해서는 제한된 지연 시간 변화가 필요하다.

EtherCAT 부분의 전송 시간은 최악의 사례 지연 시간에 의해 결정된다. TSN은 동기식 운영을 허용하며 단일 EtherCAT 슬레이브 부분을 벗어나는 동기식 작업을 가능하게 하는 글로벌 타임 베이스를 제공할 수 있다. 동기식 작동 품질은 TSN(IEEE 802.1 AS) 내의 동기화 품질에 따라 달라지며 정확한 시간을 유지하고 매우 낮은 지터로 시간별 작업을 수행한다. EtherCAT 정확도는 100㎱ 범위이다. EtherCAT 마스터와 첫번째 슬레이브 사이의 100㎱ 범위에서 정확한 타이밍을 제공하는 브리지를 사용하는 것이 좋다.
 

EtherCAT 과 TSN: 완벽한 매치

자동화 애플리케이션은 형태, 사이즈, 성능 요구사항 면에서 굉장히 다양하게 분류된다. 예를 들어 차체 수리소는 약 천대의 로봇과 수천대의 제어 장치가 수만 개의 센서와 액추에이터에 연결될 수 매우 복잡한 현장이다.

하나의 로봇은 여러 드라이브와 I/O로 구성될 수 있기 때문이다. 많은 센서가 디지털 또는 아날로그 신호를 제어 시스템의 데이터로 제공한다. 수천 개의 I/O 상자가 프로세스 데이터를 수집하고 배포하는데 도움이 된다. 이러한 시스템 외에도 IEEE 802.1 네트워크가 자동화 인프라의 백본 역할을 할 수 있다.

TSN의 강화된 네트워크를 통해 모든 I/O 박스, 드라이브 및 제어 장치를 이 애플리케이션에 직접 연결하고 구성하는 것은 매우 어렵다. 이는 모든 기계요소가 제조업체 외부에서 구성돼야 한다는 것을 의미한다. 매우 개방적인 솔루션이지만 기계가 잘못 구성되지 않도록 보호하거나 원하는 서비스 품질 수준을 유지하기가 어려울 수 있다. 처음부터 끝까지 적절한 구조를 보장하기 위해서는 확실한 개념이 필요하다.

한 가지 방법은 마스터의 출입문을 사용해 EtherCAT 과 TSN을 분리하는 것이다. Ethernet TCP/IP 통신은 마스터를 통해 라우팅 될 수 있다. EtherCAT 마스터 인터페이스와 EtherCAT 부분을 TSN에 연결하면 네트워크 구성의 추가 유연성을 얻을 수 있다. 슬레이브 그룹(I/O 박스, 드라이브 등)을 EtherCAT 부분에 결합하면 TSN에 필요한 스트림 수가 크게 줄어들고 조합된 EtherCAT 시스템의 효율성이 향상된다.

이러한 통합의 이유는 마스터 측에서 Ethernet 인터페이스가 누락됐거나(기가비트 Ethernet 링크를 사용할 경우 가상 인터페이스가 가능함) 단일 인프라에서 EtherCAT 과 A/V가 혼합되기 때문일 수도 있다. 기존 통신 배선을 공유하지만 EtherCAT을 사용해 기존 시스템을 업그레이드하는 경우 TSN을 사용해야 할 수 있다. 다양한 자동화 작업을 완벽하게 제어하면서 자동화 구역 수준에서 실시간 성능을 향상 시킬 수 있는 좋은 기회가 될것이다.