EtherCAT
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1. 개요
EtherCAT은 EtherCAT Technology Group (ETG)에 의해 규정된 산업용 이더넷 통신 기술이다. 표준 이더넷 프레임을 사용하지만, 각 슬레이브 장치가 데이터를 "온더플라이(On-the-fly)" 방식으로 처리하여 통신 효율성을 높인다. EtherCAT은 라인, 트리, 링, 스타 토폴로지 등 다양한 네트워크 구성을 지원하며, 분산 클럭 메커니즘을 통해 정밀한 동기화를 제공한다. CAN over EtherCAT (CoE), Safety over EtherCAT (FSoE) 등 다양한 프로토콜을 지원하며, 제어 및 조절, 측정 시스템에 활용된다. EtherCAT Technology Group (ETG)은 기술 개발 및 보급을 지원하며, 상호 운용성 테스트를 통해 장치의 적합성을 보장한다.
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| EtherCAT | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 이름 | EtherCAT |
| 개발자 | 베크호프 오토메이션 |
| 유형 | 필드버스 |
| 표준 | IEC 61158 IEC 61784 |
| 토폴로지 | 라인 트리 스타 |
| 전송 매체 | 차폐 연선 광섬유 |
| 데이터 속도 | 100 Mbit/s, 1 Gbit/s |
| 최대 노드 수 | 65535 |
| 프로토콜 | 이더넷 |
| 지연 시간 | 100 μs 미만 |
| 기술 | 실시간 이더넷 통신 프로토콜 |
| 라이선스 | 로열티 프리 |
| 기술 상세 | |
| 작동 방식 | "온더플라이" 방식 각 노드가 데이터를 읽고 필요한 데이터를 삽입하여 다음 노드로 전달 |
| 특징 | 고속 데이터 전송 높은 정밀도 유연한 토폴로지 |
| 프로토콜 효율성 | 높은 프로토콜 효율성으로 인해 짧은 사이클 타임과 낮은 지터 실현 |
| 동기화 | 분산 클록을 통한 높은 동기화 정확도 |
| 안전성 | IEC 61508 에 따른 안전 기능 구현 가능 Fail-safe over EtherCAT (FSoE) 프로토콜 지원 |
| 활용 분야 | |
| 산업 자동화 | 로봇 공학 모션 제어 PLC (Programmable Logic Controller) 분산 제어 시스템 (DCS) |
| 기타 분야 | 테스트 및 측정 장비 의료 장비 에너지 관리 시스템 |
| 추가 정보 | |
| 장점 | 높은 성능 유연성 비용 효율성 |
| 단점 | 구현 복잡성 특허 문제 (로열티 프리이지만 특허 존재) |
| 관련 기술 | PROFINET EtherNet/IP SERCOS III |
| 외부 링크 | |
| 공식 웹사이트 | EtherCAT 공식 웹사이트 |
2. 역사
이더캣 기술 그룹(EtherCAT Technology Group, ETG)은 2003년에 설립되었으며, 현재 세계에서 가장 많은 회원을 보유한 산업용 이더넷 사용자 단체이다.[6][7] 전 세계의 다양한 산업 제어 공급업체, OEM, 기계 제조업체 및 기술 단체들이 ETG 회원이다.
자동화 기계에서 사용하는 통신 장치는 디지털 또는 아날로그 입출력이며, 모션용 고기능 장치에서도 하나의 통신 장치에 필요한 데이터는 기껏해야 10바이트 정도이다. 이 데이터 통신 단위는 이더넷 프레임의 최소 크기보다 작아, 그대로 이더넷에 실는 것은 대역폭 낭비가 된다. 산업용 네트워크에서는 컨트롤러(PLC)와 통신 유닛(마스터)이 기능 장치(슬레이브)에 대해 1대 다 통신을 수행하므로, EtherCAT에서는 이 해결책으로, 논리적으로 링 네트워크가 되도록 연결된 슬레이브 장치에 대해 컨트롤러는 하나의 이더넷 프레임으로 모든 슬레이브 앞으로 데이터를 전송한다.[22]
ETG는 회원들에게 구현 지원 및 교육을 제공하고, 상호 운용성 테스트(종종 "플러그 페스트(Plug Fests)"[8]라고 불림)를 조직하며, 기술 개발 및 배포를 촉진한다. 독일, 중국, 일본, 한국 및 북미 지역의 사무소에서 근무하는 회원 및 팀의 지원을 받는다.
ETG 최종 사용자는 다양한 산업 분야에 걸쳐 있으며, 강력한 제어 기술의 기계 제조업체 및 공급업체가 힘을 합쳐 이더캣 기술을 지원하고 홍보한다. 다양한 산업 분야는 광범위한 응용 분야에 대한 이더캣의 최적의 준비를 보장한다.[9] 시스템 파트너는 모든 필요한 장비 클래스에서 하드웨어 및 소프트웨어 모듈의 간단한 통합을 위한 자격을 갖춘 피드백을 제공한다.
ETG 회원사의 지원을 받아 개발된 이더캣 적합성 테스트 도구(EtherCAT Conformance Test Tool, CTT)[10]는 이더캣 장치의 상호 운용성 및 프로토콜 적합성을 보장한다. ETG는 뉘른베르크에 본부를 두고, 도쿄, 베이징(중국), 서울(대한민국), 오스틴(텍사스, 미국)에 지부를 두고 있다. 회비 무료 등, 가입 조건이 완화되어 있어 최근 회원 수가 증가하고 있으며, 2023년 기준 ETG의 가맹 기업은 전 세계적으로 약 2400개사이다.[24]
3. 기능
각 슬레이브 장치는 EtherCAT 기동 시 1개 이상의 주소 공간이 컨트롤러에 의해 부여되고(중복도 가능)[22], 컨트롤러는 메모리 맵 I/O를 수행한다. 프레임의 페이로드가 되는 각 슬레이브 앞으로의 전문은 데이터그램이라고 불리며, 각 데이터그램에는 주소와 이에 대한 읽기/쓰기 종류를 기록한 헤더가 붙는다.[22] 각 슬레이브는 수신 프레임 중 자신에게 부여된 주소의 데이터그램에 대해서만 변경을 가하고, 나머지는 투명하게 전송하는 것을 ''프레임을 수신하면서 실행''한다(On the fly|온더플라이영어 처리).[22][23][21]
또한 기기 상호 간의 시각 동기화에 대해서는 마스터 컨트롤러에 의한 집중 동기화가 아닌 각 장치 노드마다 로컬 시계를 갖는 분산 시각 동기화 방식을 채택했다. 컨트롤러가 정기적으로 송출하는 시각 동기화 프레임은, 처음에 수신한 슬레이브 장치에 의해 모든 슬레이브 노드를 통과하고, 또한, 송출원 슬레이브 장치까지 되돌아온다는 프로토콜의 사양에 따라 각 슬레이브 장치도 지연 시간을 알 수 있다.[22] 이로 인해 EtherCAT 프레임 도달 범위 내에서 고정밀도(1 μs 이하)의 시각 동기화 기능을 실현하고 있다.[22][23]
3. 1. 기능적인 원리
EtherCAT을 사용하면, 표준 프레임 (IEEE 802.3)은 각 노드에서 데이터를 수신, 해석 및 복사할 필요가 없다. EtherCAT 슬레이브 장치는 텔레그램이 장치를 통과하는 동안 자신에게 할당된 데이터를 읽고 "온더플라이(On-the-fly)" 방식으로 처리한다.[22][23][21] 즉, 실시간 데이터와 메시지가 일반적이고 시간 제약이 적거나 부하가 큰 데이터보다 우선시된다.
마찬가지로 텔레그램이 통과하는 동안 입력 데이터가 삽입된다. 프레임은 처리되기 전에 완전히 수신되지 않으며, 대신 가능한 한 빨리 처리가 시작된다. 전송 또한 작은 비트 시간의 최소 지연으로 수행된다. 일반적으로 전체 네트워크는 단 하나의 프레임으로 주소를 지정할 수 있다.[2]
각 슬레이브 장치의 호스트 마이크로프로세서가 프로세스 상태 등 주기적인 이더넷 패킷 전송과 관련된 처리에 관여하지 않으면서 빠른 사이클 타임을 가질 수 있게 되었다. 모든 프로세스 데이터 통신은 각 슬레이브 하드웨어 컨트롤러에서 처리된다.
'''ISO/OSI 참조 모델'''
| ISO/OSI 계층 | EtherCAT | ||
|---|---|---|---|
| 호스트 계층 | 7. 응용 | HTTP*, FTP* | style="background:#d8ec9c; vertical-align: top;" | |
| 6. 표현 | — | — | |
| 5. 세션 | — | — | |
| 4. 전송 | TCP* | — | |
| 미디어 계층 | 3. 네트워크 | IP* | — |
| 2. 데이터 링크 | style="background:#e9c189; vertical-align: top;" colspan="2" | | ||
| 이더넷 MAC | |||
| 1. 물리 | 100BASE-TX, 100BASE-FX | ||
| *선택 사항, 일반적인 필드버스 장치에는 표시된 TCP/IP 스택이 필요하지 않습니다. EtherCAT 마스터는 복잡한 도구 없이도 EtherCAT 슬레이브의 이름 및 데이터 유형을 포함한 모든 데이터에 접근할 수 있습니다. EtherCAT은 수정 없이 표준 이더넷(IEEE 802.3 - 이더넷 MAC 및 PHY)을 사용합니다. | |||
자동화 기계에서 사용하는 통신 장치는 디지털 또는 아날로그 입출력이며, 모션용 고기능 장치에서도 하나의 통신 장치에 필요한 데이터는 기껏해야 10바이트 정도이다. 이 데이터 통신 단위는 이더넷 프레임의 최소 크기보다 작아, 그대로 이더넷에 실는 것은 대역폭 낭비가 된다. 산업용 네트워크에서는 컨트롤러(PLC)와 통신 유닛(마스터)이 기능 장치(슬레이브)에 대해 1대 다 통신을 수행하므로, EtherCAT에서는 이 해결책으로, 논리적으로 링 네트워크가 되도록 연결된 슬레이브 장치에 대해 컨트롤러는 하나의 이더넷 프레임으로 모든 슬레이브 앞으로 데이터를 전송한다.[22] 각 슬레이브 장치는 EtherCAT 기동 시 1개 이상의 주소 공간이 컨트롤러에 의해 부여되고(중복도 가능)[22], 컨트롤러는 메모리 맵 I/O를 수행한다. 프레임의 페이로드가 되는 각 슬레이브 앞으로의 전문은 데이터그램이라고 불리며, 각 데이터그램에는 주소와 이에 대한 읽기/쓰기 종류를 기록한 헤더가 붙는다.[22] 각 슬레이브는 수신 프레임 중 자신에게 부여된 주소의 데이터그램에 대해서만 변경을 가하고, 나머지는 투명하게 전송하는 것을 ''프레임을 수신하면서 실행''한다.
3. 2. 프로토콜
EtherCAT은 IEEE 802.3 표준 이더넷 프레임을 사용하며, 이더 타입(Ethertype) 0x88a4를 사용하여 식별된다.[1] 각 프레임은 여러 개의 데이터그램(서브 텔레그램)으로 구성될 수 있으며, 각 데이터그램은 특정 슬레이브 장치의 메모리 영역에 매핑된다.[1] 데이터그램의 주소 지정은 물리적인 순서와 관계없이 자유롭게 설정할 수 있으며, 브로드캐스트, 멀티캐스트 통신도 가능하다.[1] 필요에 따라 EtherCAT 프로토콜을 UDP/IP 데이터그램에 캡슐화하여 IP 라우팅을 사용할 수도 있다.[1]EtherCAT 통신 프로토콜은 IEEE 802.3의 이더넷 규격을 준수하며, 이더 타입 0x88a4를 사용한다.[1] 데이터 링크 계층은 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러가 처리한다.[1] 애플리케이션 계층의 대표적인 프로토콜은 CAN over EtherCAT(CoE)이며, EtherCAT 슬레이브 컨트롤러에 접속한 마이크로컨트롤러 상의 소프트웨어로 구현한다.[1]
3. 3. 성능
계층계층
