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모션컨트롤을 위한 실시간 네트워크 솔루션
2012. 12. 24.
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I. 개 요 □ 모션 전용의 네트워크 프로토콜들도 점차 개방화 됨 ◦
모션 전용의 네트워크프로토콜과 범용의 산업용 이더넷의 경계마저 허물어지고 있 는 상황
◦
그러면서 싱크넷(SynQnet)이나 PMAC과 같은 모션 전용의 산업용 네트워크가 시 장에서 점차 그 힘을 잃어감
◦
대신에 Ethernet POWERLINK, EtherCAT, 메카트로링크(Mechatrolink), SERCOS 를 비롯하여 Profinet IRT, EtherNet/IP CIP Motion과 같은 범용의 개방형 산업용 이더넷이 모션 컨트롤 시장에서 꾸준한 성장세를 이끌어 가는 경향임
□ 기존의 전통적인 필드버스 솔루션들이 산업용 이더넷을 적극 도입하고 있는 가운데, 모 션 컨트롤 분야에서도 국제표준의 개방형 프로토콜들이 시장에서 강세를 보이기 시작 ◦
산업용 네트워크에 이더넷이 적극 도입되는 것을 넘어서서, 산업 자동화에서 실시간 성을 확보한 모션 컨트롤 성능이 광범위하게 요구되면서 실시간 모션 네트워크에서 의 기술발전이 빠르게 진행
◦
이는 고기능 디지털 서보 드라이브에 의한 제어가 일반화되는데 따른 것으로 분석
◦
전통적이 아날로그 모션 제어 네트워크의 경우에는 싱글 드라이브에서 조차도 수십 가닥의 와이어를 필요로 했으며, 전자파 노이즈가 심각했으나, 디지털 제품은 이러 한 단점을 일시에 해결
◦
더구나 아날로그에서 불가능했던 운전 중 각종 제어 정보 입력 및 수정이 가능할 뿐만 아니라, 소프트웨어 패키지에 의해 드라이브 컨피규레이션의 자동화도 가능
□ 산업용 이더넷은 기존의 네트워크가 기반으로 설정하고 있던 OSI(Open System Interconnection) 7계층 모델을 무너뜨리고 있어 주목 ◦
기존의 OSI 7계층에서 필드의 1, 2계층에서 곧바로 3, 4, 5, 6계층을 뛰어넘어 정 보관리 레벨인 7계층으로 연결함으로써 더욱 손쉽게 네트워크 통합 시스템을 구축 할 수 있도록 지원함 - 1 -
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□ 산업용이러한 가운데 전통적인 모션 네트워크들도 이더넷과 개방성을 적극 받아들이기 위한 노력을 경주 ◦
산업용 이더넷 프로토콜에서도 실시간을 확보한 모션 컨트롤 솔루션들을 적극 발표 하고 있어 그 행보가 주목
I. 모션 컨트롤용 프로토콜 1. SynqNet □ 2001년에 시작된 SynqNet는 오늘날의 디멘딩 기계 컨트롤 애플리케이션의 유연성, 좋은 효능 및 안전성 요건을 맞추도록 특별히 디자인된 디지털 기계 컨트롤 네트워크 ◦
100BT의 물리적 레이어 (physical layer )를 바탕으로 하고 있는 SynqNet 은 모션 컨 트롤러, 서보 드라이브, 스텝 드라이브, I/O 모듈 간의 등시성 실시간 연결을 제공
□ 싱크넷의 데이터 링크와 응용 계층은 MEI(현, 대나허 모션)사에 의해서 개발 ◦
싱크넷의 물리계층은 이더넷의 물리계층인 100 Base-T를 표준으로 한 IEEE 802.3 을 기반으로 함
◦
100 Based-T 미디어 시스템은 ANSI TP-PMD 물리적 미디어 표준에 발표되었던 특성을 기반
□ 100 Based-T 시스템은 두 가닥의 배선을 통해 운영되는데 하나는 데이터 수신용이 고, 다른 하나는 데이터 전송용임 ◦
따라서 입출력 라인을 공유하는 표준 이더넷에 비해 싱크넷은 입출력 라인을 별도 로 분리한 완전 이중화 구조로 입출력 데이터의 충돌이 전혀 없다는 장점
◦
대나허모션에 따르면 2008년 말을 기준으로 SynqNet 네트워크는 전세계에 400,000 개의 고성능 모션 애플리케이션의 모션 축을 컨트롤하고 있음
◦
국내에서는 FPD 분야를 중심으로 한 하이엔드 분야에서 선호도를 보이고 있는 가 운데, 국내의 로우 엔드 시장에 대한 솔루션 개발도 적극 추진됨
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2. PMAC MACRO □ 델타타우에서 제안한 PMAC의 경우에는 실시간 모션 네트워크로써 가장 강력한 파워를 자랑함 ◦
특히 반도체 및 FPD 디스플레이, 전기전자 분야에서의 하이엔드 시장에서 큰 호응
□ PMAC는 모션 컨트롤러와 서보 드라이브간의 인터페이스를 위한 모션 전용의 네트워크 로서 주기적이고, 양방향 통신 및 리얼타임 결정성을 특징으로 함 ◦
100Mhz 이더넷과 광통신 분산 데이터 인터페이스 기술을 이용하여 모션 컨트롤에 서 요구되는 엄격한 리얼타임 요구를 충족시키기 위한 프로토콜 및 타이밍 기술을 확보
◦
이러한 고기능 실시간 네트워크로서의 지위에도 불구하고 PMAC은 복합 시스템에 서 하드 와이어링이 복잡하고 현장 적용을 위한 프로그래밍에서 고도의 기술을 필 요로 한다는 사용자 편의성 측면과 기술 접근 경로에서의 어려움 내재
□ 기능 모션 컨트롤 시스템 분야에서 큰 영향력을 지속 ◦
최근에는 국내시장에서 확장성이 높은 UMAC 컨트롤러가 부각
◦
이는 다양한 형식의 축 컨트롤 카드를 혼합하여 사용할 수 있어 2축 또는 4축 단 위로 펄스-아날로그-직접 PWM 제어를 선택할 수 있고, 최대 32축까지 제어가 가 능하고 128축까지 확장이 가능
3. SERCOS III □ 보쉬에 의해 1990년대초 처음 개방형 모션 네트워크로 발표 ◦
산업 자동화 분야에서 큰 관심을 집중시켰던 SERCOS(IEC/EN 61491)는 이후 기술 문서에 대한 고가정책과 현장에 적합한 기술적인 지원과 개발이 곧바로 뒤따르지 못하면서 성장 기회를 잡지 못했음
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최근에는 이더넷의 최신 기술들을 적극적으로 수용하는 새로운 기술들이 본격적으로 개발되고 발표되면서 이제 새롭게 SERCOS가 주목됨
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또한, Ethernet과의 연결성에서 개방성이 우수한 산업용 이더넷인 Ethernet/IP를 제공하는 ODVA와의 협력을 추진하여, 상호 호환성을 비롯한 다양한 기술적 보완을 적극 마련 중임
□ 2003년에 산업용 이더넷을 받아들여 프로토타입의 SERCOS III 시스템이 발표된 이후, 최근에는 SERCOS III를 지원하는 컨트롤 칩이 상용화 ◦
이로써 SERCOS III는 개방화된 서보 드라이브 디바이스 인터페이스로써 인지도를 더욱 강화함
◦
2007년을 기준으로 500개 이상의 표준 파라미터를 제공하는 있으며, 200만 리얼 타임 노드가 구축
□ 에너지 절감에 대한 네트워크 기반의 개념을 처음 공개적으로 제안하여 주목 ◦
SERCOS는 에너지 프로파일을 발표하여 보다 적극적인 유저 요구 기술을 수용하고자 노력
◦
에너지 프로파일은 제어 시스템에서의 특정 시간대나 포인트에서 가동이 요구되지 않는 부품에 대한 스위치를 꺼 줌으로써 에너지를 절감할 수 있도록 하는 것
◦
기존 구축된 네트워크를 활용하여 각 기기 및 제어기의 상태를 확인하여 자동으로 전력을 관리함으로써 에너지를 절감할 수 있는 현실적인 개념으로 평가됨
4. EtherCAT □ 벡호프사가 발표한 EtherCAT는 고속성과 개발의 신속성으로 인해 최근들어 세계 각국 에서 기술 확산을 가져옴 ◦
구성과 설치가 간단하고 이더넷 토폴로지에 관계없이 256개의 디지털 I/O에서 11us, 1000개의 디지털 I/O에서 30us(0.03ms), 100개의 서보 축에서 100us의 업데이트 타임이라는 고속성을 확보
◦
특히 IEEE 802.3 표준 이더넷 프레임을 채용하여 다양한 이더넷 디바이스들을 EtherCAT 디바이스들과 함께 사용할 수 있도록 했으며, 기존에 개발된 다양한 이 더넷 소프트웨어 솔루션도 동시에 사용할 수 있다는 장점
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□ EtherCAT는 마스터/슬레이브 구조를 가지기 때문에, 케이블 이중화 기능이 간단 ◦
이 기능에 의해 연결된 EtherCAT 슬레이브 중의 어느 하나가 고장이 나더라도 나 머지 슬레이브들은 계속 EtherCAT 마스터와 통신이 가능함
◦
ETG(EtherCAT Technology Group)에서는 현재 유럽본부를 비롯하여 미국, 일본, 중국, 한국에 조직을 확보하고 있으며, 적극적이고 활발한 Plug Fest를 진행
◦
국내외에서 EtherCAT 모션 컨트롤 제품들이 속속 발표되면서 시장에서 가장 큰 이 슈를 보이고 있는 솔루션으로 성장하고 있는 중
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일본 Y사, O사, M사 등 세계적인 모션 컨트롤러 및 서보 시스템 전문업체들이 대 거 EtherCAT 제품을 출시하거나 개발을 완료한 것으로 분석됨
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국내에서도 EtherCAT 제품 개발이 최근 5년간 집중적으로 추진되어, LS산전, LS메카피온, 파스텍, 하이젠모터 등 다수 업체에서 제품 개발 및 성능테스트 진행됨
5. Ethernet Powerlink □ BnR Automation이 발표한 이더넷 파워링크(Ethernet Powerlink)는 수 많은 서보축과 I/O들을 정확하게 동기화하고 제어하는데 상당히 빠른 반응시간을 제공 ◦
일례로 8개의 서보 드라이브(BnR의 ACOPOS), 수백개의 I/O, 수십개의 서보모터, 5개의 이미지 인식 시스템과 CANopen 장치 등이 제공되는 BnR의 한 모션 솔루 션은 모든 장치가 500us 이상의 빠른 싸이클 타임으로 작동을 시연함
◦
현재 600여 머신 빌더 업체가 Ethernet Powerlink를 채용한 것으로 알려짐
□ 프로토콜에서 수익을 선점하지 않는 오픈소스의 완전한 개방형의 이더넷 프로토콜로 지 원 ◦
산업용 이더넷 프로토콜들이 개방형 정책을 차용하고는 있지만, 막상 프로토콜 스택 과 핵심칩 및 개발소스에 대한 라이센스의 고가 정책을 고수하고 있기에 시장 확산 에 걸림돌로 작용
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이에 POWERLINK측은 자유로운 칩 개발을 보장하고 개발 소스를 모두 오픈하는 등 오픈소스 정책을 유일하게 제시하여 업계로부터 주목됨 - 5 -
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Ethernet Powerlink를 프로모션하고 있는 국제 비영리 조직인 EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group)은 이를 오픈 파워링크(Open Powerlink)라 칭하며, 노 라이센스와 오픈 소스를 강조
□ 모션 네트워크 시장과 OEM 기계제작 시장에서 가장 큰 성장세를 확보함 ◦
EPSG에 따르면, 현재 Ethernet Powerlink는 산업용 이더넷 중 모션 네트워크 시 장에서 가장 큰 시장 점유율을 보이고 있으며, 기계제작 OEM 시장에서 선도적으로 확산중임
◦
최근에는 openSAFETY 솔루션을 발표했는데, 이는 모든 산업용 이더넷 및 산업 특 화된 통신 솔루션으로부터 독립적인 진정한 개방형의 Safety 솔루션으로 주목
6. Profnet IRT □ Profinet은 통합 통신에 기반하여 TPC/IP는 물론 개방형 IT 표준의 무제한적 동시 사용 에 근간을 두고 있음 ◦
따라서 시각을 다투는 Time-Critical, 실시간 신호들의 전송이 가능하며, 이는 오늘 날 필드버스 시스템들이 보내는 신호와 동일한 반응시간을 얻을 수 있음을 의미
□ 이와 같은 수준의 수행능력은 표준 컴포넌트들을 통해서 달성 ◦
보다 진보한 단계는 고성능, 등시성 모션 컨트롤 애플리케이션용으로 설계된 등시성 리얼타임(IRT; Isochronous Real-Time) 기능을 갖춘 PROFINET을 사용하는 것
◦
이로써 Profinet IRT는 1ms 미만의 반응시간과 등시성 전송 및 1us 이하의 지터 값 등의 결정적 실시간 가용능력을 제공하며, 필요한 모든 요구조건들을 충족
◦
PROFINET은 리얼타임에 대한 단계별 기준을 제시하면서 모션 컨트롤과 같은 등시 성 실시간성이 요구되는 분야에서는 이를 위한 전용의 솔루션이 있어야 한다는 주 장
□ Profinet에 가장 적극적인 지멘스는 2008년부터 스위치를 갖춘 산업용PC에 프로피넷 (Profinet) 인터페이스를 기본으로 장착하고 있음
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이는 등시성 실시간(IRT) 성능을 갖추고 지멘스 PC를 프로피넷 네트워크에 통합
◦
이 컨트롤러 아키텍처는 표준 Profinet Asic Ertec 400을 기반으로 하고 있기 때문 에, 경영 차원에서 실제 현장 프로세스까지의 통신을 실시간으로 통합해 이용할 수 있음
◦
또한 실시간 IT 통신을 같은 시간에 TCP/IP를 통해 한 회선에서 처리가 가능하다는 장점을 제공함
7. EtherNet/IP CIP Motion □ 변형되지 않은 TCP/IP 이더넷 자체를 그대로 사용한다는 호환성과 개방성이 강점 ◦
동 방법적인 측면에서 EtherNet/IP는 TCP/IP를 사용하여 각 패킷이 애플리케이션 데이터를 갖고 있을 뿐만 아니라, 데이터의 의미와 데이터에 대해 수행할 서비스도 운반하는 명시적인 메시지를 전송
◦
EtherNet/IP는 또 보다 높은 성능과 암시적 메시징이라고도 하는 실시간을 위한 멀 티태스트
기능을
제공하는
표준
UDP/IP(User
Datagram
Protocol/Internet
Protocol, TCP/IP 수트의 일부) 전송 서비스도 활용 □ ODVA(Open Devicenet Vandor Association)에서는 이러한 이유를 들어 EtherNet/IP 는 EtherNet의 TCP/IP를 산업용으로 확장한 것이라고 강조 ◦
‘TCP/IP' 캡슐화라고 불리는 접근방식은 공통 애플리케이션 계층을 이더넷상에 적용 하고 있다는 것
◦
여기에 새롭게 CIP Motion 기술이 더해지면서 EtherNet/IP는 결정론적 실시간 폐 루프 모션 제어의 여러 요구사항을 표준 이더넷과 자연스럽게 통합
◦
이는 IEEE 802.3 및 TCP/IP 등의 이더넷 표준과 완전한 호환을 의미하는 것이라는 평가
□ EtherNet/IP에 CIP Motion 기술이 합쳐지면서 다축 분산 모션 제어에 필요한 개방형, 고대역폭, 고성능 솔루션이 제공 ◦
CIP Motion은 CIP(Common Industrial Protocol)의 확장 버전으로 고성능 다축 - 7 -
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동기화 모션에 필요한 기능을 제공 ◦
CIP Motion에는 한 벌의 응용 프로파일이 들어 있어서 드라이브 안에서 위치, 속 도 및 토크 루프 설정 가능함
◦ 여기에 ODVA의 CIP Sync 기술이 합쳐지는데, 곧 IEEE 1588 호환 정밀 클럭 동 기화가 CIP 객체 모델에 들어가 다축 조정을 통해 정밀 동기화 모션 제어가 가능
III. 모션 네트워크의 향후 전망 □ 실시간성 수요 시장의 확산과 진정한 개방성, 그리고 오픈 라이센스가 필요한 시점 ◦
전통적인 모션 네트워크들은 I/O, VFD(Variable Frequency Drives), 근접센서, 리 미트 스위치 등과 같은 다양한 분산화된 필드 디바이스를 모두 지원하는데에는 많 은 한계를 가짐
◦
이에 많은 현장 애플리케이션에서는 필드 디바이스들을 추가하여 이를 보장하여 왔 음
◦
이제는 동일한 제어 네트워크에서 고기능 서보 드라이브와 다른 필드 네트워크들을 모두 지원할 수 있기 때문에, 이러한 불편을 최소화 할 수 있게 됨
◦
특히 Ethernet Powerlink 진영이 프로토콜 스택과 소스 라이센스를 모두 오픈하면 서 시장의 변화를 주도하고 있으며, 진정한 오픈성으로 인해 공급자 중심에서 수요 자 중심의 공급선 다변화 시장을 추구
◦
수요자 중심의 시장 변화는 이미 대세를 이루고 있으며, 기존 공급자 중심의 시장에 서 문제점으로 부각되고 있는 공급자 메이커 종속성에서 벗어나는 솔루션이라는 방 향성을 제공함
□ 국내외 모션 컨트롤 및 서보 시스템 제어기기 시장 뿐만 아니라, 로봇 시장에서도 모션 솔루션이 점차 그 시장을 확산하고 있어 주목 ◦
EtherCAT의 경우, 휴머로이드 로봇 등과 같은 각종 경비, 국방, 사회안전 응용 로 봇 분야에서 실시간 구동과 정보 전달이 중시되면서 그 채용이 적극 추진되고 있는 중
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□ 기존의 전통적인 모션 컨트롤 전용 프로토콜들이 지속적인 시장 수성을 위해 개방성을 가미하고 있음 ◦
이러한 가운데, 개방형 산업용 이더넷들이 모션 및 서보 시스템 솔루션으로의 시장 확산을 적극 추진하고 있는 추세임
◦
더구나 소스 라이센스까지를 완전 오픈화하는 프로토콜까지 등장하면서 모션 네트 워크 시장에 파동의 변화가 적극 진행되고 있음
[참조 자료] www.synqnet.co.kr www.deltatau.co.kr www.sercos.org www.ethercat.org www.ethernet-powerlink.org www.profinet.com www.odva.org
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