“EtherCAT은 IIoT 통신을 위한 모든 요구사항을 갖췄다.“ ETG의 마틴 로스탄 협회장은 지난 7월 1일 서울 강서구 소재의 메이필드 호텔에서 진행된 기자간담회에서 새롭게 업데이트된 EtherCAT 기술에 대해 설명했다. 마틴 로스탄 협회장은 글로벌 관점에서 ETG를 소개하며, 아시아뿐만 아니라 전 세계적으로 ETG 회원수의 가파른 증가세를 미루어 보아, EtherCAT이 산업용 이더넷 통신 시스템의 선두주자 중 하나임은 분명한 사실이라고 말했다. 그는 또 산업용 이더넷은 기술의 지속성과 안정성이 중요하다고 강조하며 EtherCAT 기술을 계속 발전시키지만 버전을 바꾸지는 않는 이유는 이러한 이유 때문이라고 밝혔다. 산업용 이더넷의 최근 기술 환경과 IoT 통신을 위해서는 어떤 요구사항들이 필요한지, 마틴 로스탄 협회장에게 들어봤다.

 

 

Q. ETG의 최근 업데이트 된 내용이 있나.

A. 먼저, ETG의 회원사를 살펴보면 최근까지 6,800개 사에 이를 정도로 세계 필드버스 협회들 중에 가장 많은 회원을 보유하고 있다. 특히, 2014년 8월 이후 매년 400개 회원사가 새롭게 추가되며 가파르게 성장을 해왔다. 아시아 회원 또한 전체의 41%를 차지하고 있는 것을 보면 ETG가 더 이상 유럽만의 조직이 아닌 글로벌한 조직임을 알 수 있다.

 

EtherCAT의 채택 비율도 다른 산업용 이더넷 기술의 채택 비율을 능가하고 있다. 실제로 벤더사만 보더라도 EtherCAT 마스터의 경우 230개사, EtherCAT 드라이브는 197개사, EtherCAT I/O는 142개사로 유럽, 아시아, 아메리카 전 지역에서 EtherCAT을 채택하고 있다. 제품 또한 EtherCAT 드라이브와 I/O가 각각 1,000개가 넘을 정도로 이더넷 시장에서 가장 다양한 제품들을 보유하고 있다.

 

Q. 엔지니어들이 왜 EtherCAT을 사용한다고 보나.

A. EtherCAT이 가진 다양한 장점은 탁월한 엔지니어의 선택으로 이어진다고 생각한다. 그 특징은 크게 5가지로 정리해 볼 수 있다. 첫째는 뛰어난 성능이다. EtherCAT은 가장 빠른 산업용 이더넷 기술이지만, 그것은 또한 10억분의 1초의 정확도로 동기화 한다. 이렇게 빠른 반응 시간은 프로그램 처리 단계들 사이에 이동하는 데 걸리는 대기 시간을 상당히 향상시킨다. 또한, EtherCAT 시스템 구조는 다른 통신 시스템과 비교해서 일반적으로 25~30%까지 CPU의 부하를 줄인다. 따라서 최적으로 적용됐을 때, EtherCAT의 성능은 향상된 정확성과 더 큰 처리량으로 결국 낮은 비용에 이르게 된다.

 

둘째는 유연한 토폴로지이다. 기존의 산업용 이더넷 시스템에서는 접속할 수 있는 스위치와 허브의 개수에 제한이 있었지만, EtherCAT은 허브나 스위치를 필요로 하지 않기 때문에 네트워크 토폴로지에 관해서는 사실상 제한이 없다. 또한, 라인, 트리, 스타 토폴로지와 그것들의 어떤 조합도 노드들의 숫자에 거의 제한 없이 구성할 수 있다. 자동 연결 탐지 덕분에 노드와 네트워크 세그먼트는 동작하는 동안 연결을 끊을 수 있고 다시 연결할 수도 있다. 뿐만 아니라 케이블 이중화 지원으로 장비가 동작하는 동안에도 디바이스 교체를 가능하게 한다.

 

셋째는 쉽고 강력하다. EtherCAT은 자동적으로 어드레스를 할당하도록 설정될 수 있는데, 이는 수동 구성의 요구를 제거한다. 낮은 버스 부하와 peer-to-peer 방식의 물리적 연결은 전자기 노이즈 내성을 향상시킨다. 신뢰성 있는 네트워크는 잠재적인 방해를 정확한 위치까지 감지하는데, 이는 문제 해결을 하는데 필요한 시간을 대폭 줄여준다. 또한, EtherCAT 성능은 네트워크 튜닝의 필요성을 제거함으로써 시스템을 구성하는 동안에 도움을 준다. 큰 대역폭 덕분에 제어 데이터와 함께 추가적인 TCP/IP를 전송할 수 있는 능력이 있다. 그러나 EtherCAT 자체는 TCP/IP에 기반을 두지 않기 때문에 MAC 주소나 IP 주소를 관리하거나 또는 IP 전문가들에게 스위치와 라우터를 설정하게 할 필요가 없다.

 

넷째는 안전 통합이다. EtherCAT 프로토콜은 SIL 3 시스템의 필요조건을 만족시키고 중앙집중과 분산 제어 시스템 모두에 적합하다. 또한, 블랙 채널(Black-Chennel) 접근과 특히 린 세이프티 컨테이너(Safety-Container) 덕분에, FSoE(Functional Safety over EtherCAT)는 다른 버스 시스템에서도 사용될 수 있다. 이 통합된 접근과 린 프로토콜이 시스템 비용을 낮추는데 도움이 된다.

 

다섯째는 적당한 가격이다. EtherCAT은 최고 수준의 필드버스 시스템의 비용과 유사한, 또는 심지어 낮은 가격으로 산업용 이더넷의 특징을 제공한다. 마스터 디바이스에 의해 요구되는 유일한 하드웨어는 이더넷 포트이다. 비싼 인터페이스 카드나 Co-processor가 필요하지 않는다. 또 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러는 다른 포맷으로 다양한 제조사로부터 구매가 가능하다. 이러한 저렴한 컨트롤러들이 모든 타임 크리티컬한 작업들을 떠맡고 있기 때문에 EtherCAT 자체는 슬레이브 디바이스 CPU의 성능에 관해 어떤 요구도 하지 않는데, 이는 디바이스 비용을 낮춘다. 또한, EtherCAT은 스위치나 다른 인프라 구성 요소들을 필요로 하지 않기 때문에, 이 구성요소들과 그들의 설치비용, 환경 설정, 유지보수가 제거된다.

 

Q. 최근 디지털 전환에 따라 공장에서도 센서에서 클라우드까지 끊김 없는 연결의 중요성이 높아지고 있다. 네트워크 기반의 완벽한 IIoT 아키텍처를 위해서는 앞으로 어떤 요구사항들이 필요하다고 보나.

A. 이제는 필드 다비이스부터 맨 윗단의 관리 레벨까지 계층 구조로 이루어진 기존의 자동화 피라미드 시대는 끝났다고 본다. 지금은 자동화 네트워크가 되어서 여러 스마트 자동화 장치들이 상호 연결되어 있다. 그래서 많은 산업 자동화 네트워크 회사들은 센서에서 클라우드까지 하나의 기술을 사용해야 한다고 이야기 한다. 그러나 우리는 필드버스 네트워크와 그 상단에 있는 컨트롤러는 분리해야 한다고 생각한다.

 

EtherCAT의 경우 컨트롤로는 공장 네트워크에서 필드버스를 분리하는 구조로 되어 있다. 이와 같이 분리되는 경우에는 사전 시운전된 기계 또는 모듈은 컨트롤러 네트워크 인터페이스를 통해 공장 네트워크에 연결이 가능해진다. 또한, 고객 사이트에서 필드버스 설정이나 노드 주소를 변경할 필요가 없으며, 노드 주소는 재사용이 가능하다. 사이버 보안 또한 컨트롤러 네트워크 인터페이스만 보호하면 된다. 그 이유는 아랫단은 완전히 독립적이고 간접적으로만 연결되어 있기 때문이다.

 

그렇지만 앞서 얘기 했듯이 필드버스 네트워크 기술은 공장 네트워크 기술과 하나가 되어야 한다는 의견도 있다. 이렇게 되면 필드버스 설정 및 노드 주소는 고객 사이트의 공장 네트워크에 맞게 매번 조정해야 하고 노드 주소도 재사용할 수 없어 변경해야 한다. 필드버스 성능 또한 공장 네트워크의 설정에 따라 달라질 수 있다. 때문에 만약 5대의 로봇을 고객사에게 제공하게 되면 구성도 5번해야 한다. 뿐만 아니라 이 로봇에 해당되는 네트워크는 상단과 연결되어 있기 때문에 상단에서 제공하는 광대역에 의존할 수밖에 없다. 그리고 각 네트워크 인터페이스에는 보호가 필요하며, 시스템에 문제가 생겼을 경우 책임 소재가 불분명해진다. 따라서 이러한 접근 방식은 현실적으로 어렵다고 생각한다.

 

그렇다면 IoT 통신을 위해서는 어떤 요구사항들이 필요할까. 저는 머신 네트워크 레벨에서는 짧고 결정적인 주기 시간이 필요하고, 라인 제어 레벨에서는 주기적 또는 이벤트 기반 데이터 교환이 이루어져야 한다고 본다. 그리고 수직과 수평적 연결이 필요하며 명확한 구조화도 요구된다. 이를 통해서 네트워크가 하나의 디바이스처럼 보호받을 수 있어야 한다. 따라서 기계 제어를 위한 필드 레벨에서는 EtherCAT을 적용하고, 컨트롤러 사이에서는 EtherCAT 자동화 프로토콜이 올바른 선택이라고 생각한다. 그렇지만 상단으로 갈 때에는 OPC-UA가 정답이라고 본다. 이와 같은 이유 때문에 EtherCAT과 OPC는 완벽한 IIoT 아키텍처를 위해 서로 보완해야 한다.

 

 

Q. IEEE 표준조직은 현재 TSN 기능을 표준 802.1 및 802.3에 추가하는 작업을 진행하고 있다. EtherCAT이 TSN 표준을 적용하면 어떤 이점들이 있나.

A. TSN을 적용하면 EtherCAT 자동화 프로토콜을 실시간으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 원격으로 연결되어 있는 EtherCAT 슬레이브 세그먼트도 관리할 수 있다. 가장 큰 장점은 TSN은 컨트롤러 중심의 윗단에만 적용되어 있지 아랫단의 디바이스들에는 적용되어 있지 않다는 점이다. 따라서 EtherCAT은 TSN과 연결하면서도 TSN 때문에 EtherCAT 디바이스들을 변경할 필요가 없다. 이러한 장점으로 EtherCAT은 가장 안정적이면서도 미래에 사용할 수 있는 산업용 이더넷 기술이 될 것이다.

 

Q. EtherCAT 기술을 계속 발전시키고 있는 줄 안다. 최근 발전 추세를 미루어 볼 때 앞으로 전망은.

A. 크게 2가지이다. 첫째는 EtherCAT G가 중요한 트렌드가 될 것이다. 이것은 성능의 문제가 있어서 발전하는 것은 아니다. 디바이스 중에 더 높은 광대역이 필요할 경우가 생기기 때문이다. 따라서 애플리케이션도 EtherCAT으로 사용할 수 있도록 EtherCAT G/G10 방향으로 발전할 것이다.

 

둘째는 TSN과의 연결성이다. 어느 날 갑자기 TSN 표준화가 이루어지고 실제 공장에 적용되기 시작하면 준비가 되어 있어야 하기 때문이다. 따라서 우리는 디바이스 프로파일도 계속해서 개선하고 있다.

 

Q. EtherCAT 프로토콜 확장으로서 EtherCAT G는 어떤 기능을 지원하나.

A. EtherCAT G는 1Gb/s 및 10Gb/s의 속도로 데이터 통신을 가능하게 한다. 이는 머신비전, 고급 측정 기술 또는 복잡한 모션 애플리케이션과 같이 네트워크당 많은 양의 프로세스 데이터를 전송할 때 특히 유용하다. EtherCAT 프로토콜 자체와 모든 긍정적인 기능은 EtherCAT G/G10에서 완전히 유지된다. EtherCAT G/G10은 IEEE 802.3 표준과 완벽하게 호환되며 토폴로지 유연성도 동일하게 유지된다. 따라서 드롭 라인, 라인, 데이지 체인 또는 트리 구조가 모두 가능하다.

 

기가비트 확장은 소위 EBC(EtherCAT Branch Controllers)로 구현되는 브랜치 개념을 도입한다. EBC는 한편으로 100M/s 디바이스가 있는 독립 세그먼트의 통합을 위한 노드 역할을 하고 다른 한편으로는 EtherCAT G 네트워크 내에서 연결된 EtherCAT 세그먼트에 대한 병렬 처리를 가능하게 한다. Gb/s 세그먼트와 100Mb/s 세그먼트의 조합도 쉽게 이루어질 수 있다.

 

또한, 데이터를 단일 세그먼트로 전달하는 작업은 우선순위 제어 또는 시간 제어되며, 각 브랜치는 독립적인 EtherCAT 세그먼트처럼 처리된다. 프레임이 직렬로 모든 세그먼트를 통과하지는 않지만, 세그먼트는 병렬로 처리된다. 이는 대규모 네트워크에서 전파 시간을 단축하고 시스템 성능을 몇 배 더 향상시킨다.

 

뿐만 아니라 일반적인 EtherCAT 방식에서 EBC의 구성은 마스터를 통해 관리되므로 추가 구성 도구가 필요하지 않는다. 마스터가 제공해야 하는 유일한 것은 해당 Gb/s 포트이다. 진단 또는 분산 클락을 통한 네트워크 동기화와 같은 중요한 기능은 EBC에서 지원되며 연결된 세그먼트로 투명하게 전달된다.

 

따라서 EtherCAT G/G10은 필드 디바이스 자체에 모두 기가비트 인터페이스를 장착할 필요 없이 대역폭이 크게 증가하고 전파 시간이 단축되는 이점을 제공한다. 기존의 100Mb/s 디바이스는 계속 사용할 수 있으며, EBC 개념을 통해 기술 확장의 이점을 누릴 수 있다. 이는 EtherCAT이 향후 강화된 요구사항을 충족할 준비가 되었다는 것을 의미한다.

 

Q. EtherCAT은 오직 한 가지 버전만 있고 새로운 버전이 나오지 않는 이유는 뭔가.

A. 우리는 EtherCAT 기술을 계속 발전시키지만 버전을 바꾸지는 않는다. 그래서 새로운 디바이스를 2004년에 확립해 놓은 네트워크에 적용하더라도 같이 사용할 수 있다. 물론 유익이 된다면 혼란이 야기되는 게 좋을 때도 있다. 예를 들어 프로피넷을 이더캣으로 변경하면 혼란이 야기되겠지만 상당한 유익도 있을 것이다. 그러나 생산 현장에서 혼란을 원하는 사람은 아무도 없을 것이다. 결국엔 기술의 지속성과 안정성이 중요하다는 얘기이다. 이것이 새로운 EtherCAT 버전을 발표하지 않는 이유이다.

 

헬로티 임근난 기자 |