산업 네트워크는 명령과 데이터의 교환을 통해, 동기된 활동이 이루어지도록 공장 전반의 머신, 로봇, 센서, 작동기, 컨트롤러와 컴퓨터가 연결된다. 네트워크의 동기된 동작은 각각의 동일한 ‘정확한 타임’을 요구한다. 각 머신의 정확한 타임은 네트워크 내 사건의 상대적인 순서가 유지되도록 한다. 정확한 타이밍의 부족은 머신과 로봇의 비정상적인 동작의 원인으로 인해, 비효율적인 제품 생산, 주요 정보의 손실, 심지어 비극적인 사건을 야기 할 수 있다. 이글은 이더넷 네트워크상, 다양한 애플리케이션을 위한 정확한 타이밍 요구에 대해 논의할 것이다.

산업 네트워크

전형적인 산업 네트워크는 작업 현장의 머신과 컴퓨터를 연결하기 위한 개인소유, 벤더-특성화 네트워킹 기술을 사용하여 생성된다. 소유화된 네트워킹 기술은 고비용의 결과를 초래하는, 이종 벤더 머신간의 상호 운용에 어려움을 야기한다.
하지만, 지난 20년간 공장의 머신 간 상호 연결을 위해 유비쿼터스 이더넷 기술을 사용하는 것으로 변화되어 왔다. 오픈 이더넷 기술은 1980년과 1990대에 오피스 네트워크의 전례 없는 성장을 통해 광범위하게 채택되었다. 이더넷 솔루션의 규모와 원숙함은 산업 표준, 다양한 벤더의 장비 호환, 기술자의 넓은 활용, 저비용 장비와 소유를 위한 저예산의 결과가 되었다.
이더넷 네트워크 기술은 전례 없는 확장성과 적절한 비용을 제공한다.
저비용을 위한 네트워크 링크와 장비의 높은 활용도를 유지하기 위해, 이더넷 기술은 필요에 의한 통신 자원을 할당하여 활용한다. 이는 통신 방법으로 ‘최상의 효율’ 또는 ‘비동기’로 알려진 기술이다. 위에서 언급했듯이, 산업 네트워크의 주요 요구사항은 모든 통신망에 정확한 시간을 분배하는 것이다.
공장에서 동기되는 머신을 위해 사용되는 이더넷은 예측할 수 없는 비동기 네트워크에서 정확하게 타이밍을 분배하는 메커니즘으로 개발된 것이다. 이런 예측 가능한 정확한 타이밍 분배 메커니즘은 ‘Precision Timing Protocol’(PTP)라 불리는데, 이는 이글 후반부에 논의 될 것이다. PTP는 이전에 개발되어, 현재 “IEEE 1588”로 불리며 IEEE표준으로 유지되고 있다.
상대적으로, 전형적인 산업 네트워크는 모든 머신에 정확한 타임을 분배하기 위한 전용 네트워크 또는 동기 통신 메커니즘이 사용되었다. 두 메커니즘은 두 노드 사이의 통신을 수립하기 위해 전용 자원이 할당되어야 하며, 이는 낮은 네트워크 확장성과 낮은 장비 효율로 인해 결과적으로, 높은 비용이 요구된다. 비동기 이더넷 네트워크의 정확한 타임 분배는 (그림 1)에 묘사되었다.



클록의 정확성과 정밀도

거의 모든 현대식 머신, 센서, 작동기와 컴퓨터는 로컬 디지털 클록을 가지고 있다. 그러나 해당 로컬 클록들은 크리스털 에이징, 환경 변화와 시간에 영향을 받는 크리스털 오실레이터로 만들어 진다.
이로 인해 네트워크의 로컬 클록은 주기적으로 아주 정확한 레퍼런스 클록 또는 마스터 클록에 동기 되어야 한다. 마스터 클록은 GPS- 수신기, 루비듐 또는 세슘 클록을 말한다. 노드사이의 통신 속도를 기하급수적으로 늘리는 것으로, 좀 더 정밀한 클록이 네트워크상에서 유지되는 것이 필요하다.
(그림 2)는 클록 정확성과 정밀도의 개념을 묘사한다. 클록 정확성은 광범위 네트워크 레퍼런스 클록의 거리를 측정한다. 클록 정밀도는 반복적으로 측정된 시간으로 표현된다. 네트워크상의 머신 사이의 통신 속도가 Kbps에서 Mbps, Gbps와 10Gbps로 성장한 것처럼, 연속적인 사건사의 시간은 좀 더 극소화 된다.
과거에는, 산업 클록은 ms의 정확성이 요구되었다. 하지만, 빠른 통신 속도와 함께, 산업클록은 us와 심지어 ns의 정확성이 필요하다(그림 3 참조). 



(표 1)은 네트워크의 다른 형태들을 위해 요구되는 정확성을 나열하였다. 오피스 네트워크 (Local Area Networks)는 10ms당 하나의 로컬 클록 정확성을 요구한다. ms 단위의 클록 정확성은 Network Timing Protocol(NTP)로 불리는 소프트웨어 프로토콜을 사용하여 쉽게 구현될 수 있으며, 이는 OS(윈도우 또는 리눅스)와 로컬 영역 네트워크에 사용된다.
전형적인 산업 네트워크는 us당 하나의 레퍼런스 클록(또는 마스터 클록)의 로컬 머신 클록이 요구된다. 이 네트워크는 레퍼런스 타임과 동기 로컬 클록을 분배하기 위해 분리된 케이블이 사용됐다.
새로운 데이터 중심의 산업 네트워크는 비용면에 효율적인 ns 수준의 클록 정확성이 요구된다. Precision Timing Protocol 버전 2.0은 최상의 이더넷 네트워크상의 ns 수준의 클록 정확성을 제공하도록 설계된다. PTP v2.0은 타임-스탬핑과 네트워크 인터페이스에 최대한 가깝도록 하는 하드웨어 동기 알고리즘의 설계를 통해 이를 달성할 수 있다. 

Precision Timing Protocol

Precision Timing Protocol(PTP)의 목적은, 값비싼 타이밍 네트워크의 요구 없이 머신의 로컬 클록을 동기화 하는 것이다. PTP는 각기 다른 메시지 교환을 통해, 동기되고 마스터 클록을 발견하기 위한 bottom-up 프로토콜이다.
PTP는 스위치, 라우터와 OS에서 딜레이 변화와 함께 패킷 네트워크로 동작하기에, 동기 정보를 포함하는 ‘Timing Packets’을 위한 특별한 큐가 생성 또는 우선 순위가 매겨지게 된다. OS와 서버, 프로토콜 처리 시 발생하는 딜레이를 제거하는 것은 하드웨어(FPGA 또는 ASIC)에서 수행되고 타이밍 패킷은 하드웨어에서 타임-스탭핑 된다.
Precision Timing Protocol의 독특한 특성은 공동 메시지 교환 알고리즘을 말하며, 슬레이브 클록은 마스터 클록에서의 전송 딜레이와 타임 오프셋을 계산 할 수 있다. (그림 4)는 클록 오프셋과 전송 딜레이를 정의하는 PTP 메시지를 묘사한 것이다.
각 슬레이브는 두 변수값-오프셋과 딜레이-을 계산해야 하기에, 마스터와 슬레이브는 두 메시지 셋을 교환해야 한다.
첫째는 마스터 클록에 의해 규칙적인 간격(보통 매초)으로 브로드케스트 메시지를 전송하는 것이다. 두 번째는 ‘전송 딜레이’를 결정하기 위해, 각 슬레이브는 마스터에게 ‘딜레이 리퀘스트’를 보낸다. 두 메시지 셋의 교환은 ‘슬레이브 클록 오프셋’과 ‘전송 딜레이’를 결정하게 사용되는 두 개의 선형 등식이 된다.



FPGA 구현

Precision Timing Protocol의 구현은 Network Interface Cards(NIC)에서 패킷이 도착하자마자 타임-스탭핑과 캡처하는 것이 필요하다. 분배된 클록의 ns 정확성은 여러 동기 단계가 최소한의 변화가 되도록 하드웨어에서 실행되어야 한다.
LatticeECP3 FPGA 디바이스와 같은 SERDES-capable FPGAs는 네트워크 인터페이스에서 Precision Timing Protocol를 구현하기 위해 많은 장점을 제공한다.
1. 타이밍 패킷을 빠르게 캡쳐하기 위한 고속 시리얼 인터페이스(SERDES)
2. 융통성과 정확한 클록 회로(PLL)
3. 정확성은 시스템 요구에 따라 조절될 수 있다.
4. 타이밍 패킷을 저장하기 위한 FIFO큐는 예상대로 고속I/O 블록에 이웃하게 구현될 수 있다.
5. FPGA 내의 임베디드 하드 또는 소프트 프로세서는 Precision Timing Protocol을 구현하기 위해 사용될 수 있다.
6. 시스템의 메인 CPU를 통해 PTP 프로세싱 기능을 제거 할 수 있다.
7. 발전하는 Precision Timing Protocol은 FPGA 기반 플랫폼에서 쉽게 업그레이드 될 수 있다.



결론

산업 환경에서의 주된 이더넷 네트워크의 빠른 채택은 로봇과 머신을 동기화시키기 위해 Precision 타이밍 기술이 요구된다. Precision Timing Protocol
(IEEE 1588)은 수 ms에서 ns 단계의 동기화 정확성을 제공한다. PTP의 소프트웨어 구현은 최대 수 us 정확성을 제공한다.
타임-스탭핑과 동기 알고리즘(PTP v2.0)의 하드웨어 구현은(PTP v2.0) 최대 ns 정확성을 제공할 수 있다. 통신 데이터 레잇의 증가로 타이밍 정확성은 기하급수적으로 성장한다. PTP v2.0은 최첨단 머신의 엄격한 타이밍 요구를 만족 할수 있다.