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아이씨엔 리포트

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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

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

일본 Y사, O사, M사 등 세계적인 모션 컨트롤러 및 서보 시스템 전문업체들이 대 거 EtherCAT 제품을 출시하거나 개발을 완료한 것으로 분석됨

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

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 종속성에��� 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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