통신 프로토콜의 주요 특성

산업용 Ethernet 통신 프로토콜의 주요 특성

1. PROFINET PROFINET(프로세스 필드 네트워크)은 다양한 타이밍 관련 요구 사항을 해결하며, 하드 실시간 성능을 위한 ‘PROFINET IRT’와 소프트 실시간 또는 비실시간 요구사항을 충족시키는 데 필요한 ‘PROFINET RT’로 구성되어 있다. 지멘스와 PROFIBUS 사용자 조직인 PNO의 회원 조직이 긴밀하게 협력해 이와 같은 기술을 개발했다. 한편, PROFIBUS DP에서 Ethernet을 대체하는 ‘PROFINET I/O’는 컨트롤러 사이에서 데이터 전송뿐만 아니라 파라미터, 진단 및 네트워크의 레이아웃을 지정한다. 작동 방식 모션 제어 응용 프로그램에 필요한 1ms 이하의 클락-동기화 주기는 PROFINET을 구성하는 요소 중 하나인 PROFINET IRT에 의해 수행된다. 이는 특별 관리, 하드웨어 동기화 스위치에 기반을 두고 있으며, 시간 멀티 플렉스 모드를 구현 가능하다. 한편, DFP(Dynamic Frame Packing)는 네트워크에서 활용되는 특정 장치 세트를 위한 통합 프레임 원리를 활용해 사이클 타임을 최적화시키는 PROFINET을 사용자에게 제공하고 있다. 2. POWERLINK POWERLINK는 B&R에 의해 2001년도에 소개되었으며, EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)와 독립 사용자 단체에 의해 발전을 경험했다. POWERLINK는 하드 실시간 성능을 제공하는 소프트웨어 기반의 통신 시스템으로, 2008년부터 개방형 소스 버전이 무료로 제공되어 왔다. 이 같은 POWERLINK는 CANopen의 전체 범위를 통합하며, IEEE 802.3 Ethernet 표준을 충족시킨다. 또한 POWERLINK는 프로토콜 간의 네트워크 토폴로지 선택 분산을 허용하며, cross-traffic, 핫 플러깅 기능과 표준 Ethernet 기능을 구현한다. 작동 방식 POWERLINK는 실시간 데이터 전송을 위해 타임 슬롯 및 폴링 절차를 혼합해 활용하며, 3개의 주기로 이뤄진 사이클로 구성되어 있다. 첫 번째 주기인 ‘Start Period’ 동안 PLC 혹은 산업용 PC로 이뤄진 MN(Managing Node)이 장치 동기화를 위해 ‘SoC(Start of Cycle)’ 프레임을 CN(Controlled Node)으로 전송하는데, 이 때 지터는 20ns이다. 두 번째 주기 동안에는 데이터 교환이 이뤄지는데, 이 단계에서 최적화된 대역폭 사용을 위한 다중화가 수행된다. 세 번째 주기에서는 비동기 단계가 시작되는데, 이 때 용량이 크고 우선순위가 낮은 데이터 패킷이 전송된다. 이와 같은 POWERLINK는 ‘I/O, 모션 제어, 로봇 공정, PLC 간의 통신 및 시각화’ 등의 애플리케이션 분야에 적합하다. 3. Ethernet/IP Ethernet/IP는 로크웰 오토메이션과 ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)가 공동 개발한 개방형 산업용 표준으로, 2000년에 처음 출시되었다. 작동 방식 Ethernet/IP에는 표준 Ethernet 하드웨어에서 실행되며, 데이터 전송에 있어서 TCP/IP 및 UDP/IP를 모두 활용한다. Ethernet/IP는 CIP(Common Industrial Protocol)가 지원하는 생산자/소비자 기능으로 인해 주기적 폴링, 시간 또는 이벤트 트리거, 멀티캐스터 또는 단순한 점 대 점 연결과 같이 임의 사용이 가능한 다양한 통신 메커니즘이 내장되어 있다. 일반적으로 Ethernet/IP는 사이클 타임으로 10ms의 소프트 실시간 성능을 갖추고 있는데, Ethernet/IP의 CIP Sync 및 CIP 모션은 서보 모터를 제어하기에 충분한 사이클 타임 및 작은 지터를 제공한다. 4. EtherCAT EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)은 Beckoff에 의해 개발되었으며, 통합 프레임 접근 방법에 기반을 두고 있다. 작동 방식 EtherCAT 마스터는 네트워크에 있는 모든 노드에 대한 데이터를 포함하는 Ethernet 프레임을 전송한다. 프레임은 시퀀스의 모든 노드를 통과하는데, 중계기에 마지막 노드가 도착하면, 프레임이 다시 설정된다. 노드는 한 방향을 통과하는 프레임의 정보를 처리하는데, 각 노드는 주소 데이터에 프레임을 재삽입해 응답 데이터를 읽는다. 한편, EtherCAT 네트워크의 토폴로지는 항상 논리적인 링 방식으로 구성된다. EtherCAT 프레임의 구조 1개의 노드 구조와 함께 모든 EtherCAT 텔레그램은 프레임의 페이로드 데이터 영역 내에서 수용된다. 각 EtherCAT 프레임은 하나의 헤더 및 몇 개의 EtherCAT 명령에 의해 존재하는데, 이것들은 각각의 헤더 슬레이브에 지시 데이터 및 작업 카운터를 내포하고 있다. 최대 64Kbytes로 구성된 주소 공간은 각 슬레이브에서 사용 가능하며, 자동 증가에 의해 생겨난 결과 주소는 각 슬레이브에서 16bit 주소 필드에 기반을 둔 계산을 수행한다. EtherCAT 프로세스 동기화 EtherCAT의 슬레이브 연결은 IEEE 1588과 비슷한 기술을 활용해 사용자에게 마스터에 의해 동기화되는 실시간 클럭을 제공하는데, 실시간 클록의 기본 제어 신호는 높은 정밀도와 동기화에 의해 이뤄진다. 물리적인 측면에서 EtherCAT 프로토콜은 Ethernet뿐만 아니라 LVDS도 함께 실행한다. 일반적으로 표준 Ethernet 인터페이스를 보유하고 있는 PC는 EtherCAT과 마스터를 구현하는 데에 활용되는데, 앞서 설명한 POWERLINK 또는 PROFINET과 같은 프로토콜과는 달리 EtherCAT은 전적으로 7계층으로 구성된 OSI 모델에서 1~3계층을 통해 확장된다. 5. SERCOS Ⅲ SERCOS Ⅲ는 1985년에 출시된 Sercos Interface의 3세대로, 물리적으로 연결된 하드웨어 구조와 함께 프로토콜 구조 및 프로파일 정의에 필요한 광범위한 범위를 지정한다. 이 같은 SERCOS Ⅲ는 주로 모션 컨트롤에 기반을 두고 있는 자동화 시스템에 활용되고 있다. 작동 방식 SERCOS Ⅲ는 마스터와 슬레이브 측 모두에서 전용 하드웨어를 활용하는데, 이로 인해 통신 테스크를 주관하는 호스트 CPU의 부하가 경감되고, 실시간 데이터의 신속한 처리 및 하드웨어 기반의 동기화가 구현된다. 한편, SERCOS Ⅲ는 통합 프레임 전송 방법을 활용하며, 통신 유형에 따라 서로 다른 형태의 전송 방식을 활용한다. 또한 SERCOS Ⅲ는 예비 대역폭과 함께 타임 슬롯을 사용하는 실시간 채널 외에도 비 실시간 채널을 사용자에게 제공한다. 자료제공 | EPSG(www.ethernet-powerlink.org)