EtherCAT 구현 간소화 및 비용 절감

  • 2016년 07월호
  • 글|Hairuo Qiu, 인피니언 테크놀로지스

산업용 EtherCAT 애플리케이션에 사용하도록 설계된 XMC4300 마이크로컨트롤러는 ARM® Cortex®-M CPU를 채택하고 포괄적인 주변장치 기능을 통합함으로써 구현 비용을 낮출 수 있다.

실시간 이더넷 프로토콜인 EtherCAT은 최고 수준의 등시성 시간 확정성을 달성할 뿐만 아니라 높은 대역폭과 뛰어난 간섭 내성을 특징으로 한다. XMC4800과 XMC4300 같은 마이크로컨트롤러를 사용함으로써 EtherCAT을 간편하게 구현할 수 있으며 구현 비용을 낮출 수 있다. XMC4300을 사용함으로써 EtherCAT을 아주 낮은 비용으로 구현할 수 있으며 그러면서도 높은 제품 품질을 달성할 수 있다. 또한 XMC4300은 최소한 2031년까지 장기적인 제품 공급을 보장한다. 또한 EtherCAT 애플리케이션과 XMC 마이크로컨트롤러용으로 최적화된 무료 IDE(통합 개발 환경)를 사용할 수 있다.

전 세계적으로 디지털화가 제조 분야로까지 확대되고 있다. 이러한 변화의 물결을 Industry 4.0이라고 한다. 이에 따라서 센서와 액추에이터로부터의 측정 및 제어 데이터, 자체 진단 및 원격 진단에 따른 데이터, 머신 대 머신으로 생성되는 데이터 등을 포함해서 어마어마한 양의 데이터가 발생되고 있다.

자동화 분야에 종사하는 엔지니어들과 얘기를 해보면 EtherCAT이 아니고는 다른 길이 없다는 것을 알 수 있다. Profibus나 CAN 같은 기존의 필드버스(fieldbus) 시스템은 갈수록 더 기술적 한계에 다다르고 있기 때문이다. 이러한 기술들은 대역폭이 부족하게 된 것이다. 하지만 아직은 실시간 이더넷 시스템이 전면적으로 보급되지는 못하고 있다. 여기에는 여러 가지 이유가 있다. Ethernet/IP나 표준적 Profinet RT 같은 시간적 확정성을 제공하지 못하고, Profinet IRT처럼 충분히 성숙하지 못했기 때문이다.

EtherCAT은 2004년 이후로 변화가 없으나 타당성을 잃은 것은 아니다. 시간이 지나면서 많은 향상 기능들이 추가됐음에도 불구하고 구형 장비와 최신 장비가 같은 네트워크로 통신하고 있다. 또한 EtherCAT은 등시성 시간 확정성에 있어서 세 자릿수에서부터 두 자릿수 밀리초 대까지의 우수한 수치를 달성하고 있다. EtherCAT이 Profinet 및 Ethernet/IP와 현재로써 한 가지 공통점은 전체적인 제품 수명 주기에 걸쳐서 조달 및 유지보수 비용이 비교적 높다는 것이다.

지금까지는 여기에 사용할 수 있는 고도로 통합적인 솔루션이 나오지 않았다. 하지만 이제는 아니다. 인피니언의 32비트 마이크로컨트롤러인 XMC4800과 XMC4300을 사용할 수 있게 된 것이다. 이들 마이크로컨트롤러는 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러를 통합한 최초의 마이크로컨트롤러로서, 플래시 메모리와 아날로그/혼성신호 IP를 제공하며 ARM의 Cortex-M4 프로세서를 채택하고 있다.

EtherCAT-속도가 중요하게 요구될 때 사용하기 적합

XMC4800은 포괄적인 시스템 자원을 통합하고 있다. 그러므로 EtherCAT 통신과 함께 액추에이터나 센서를 제어하는 시스템을 구현할 수 있다. 다시 말해서 EtherCAT과 더불어 포지셔닝을 비롯해서 2개 모터의 제어를 구현할 수 있다. XMC4300은 EtherCAT과 관련된 성능을 떨어트리지 않으면서 I/O 모듈과 같은 간단한 액추에이터/센서를 작동할 수 있다. XMC4800은 최대 6개 CAN 노드를 지원하며, 새로운 XMC4300(그림 1)은 2개 CAN 노드를 지원하는 경제적인 가격대의 솔루션을 제공한다.

 

EtherCAT은 Beckhoff와 ETG(EtherCAT Technology Group)이 개발한 이더넷 기반 필드버스 시스템이다. EtherCAT은 공개 기술로써 IEC 61158, IEC 61784, ISO 15745-4 같은 국제 표준에 포함되어 있다. 또한 EtherCAT은 매우 빠른 산업용 이더넷 시스템으로써, 시간적으로 중요한 모션 제어 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 대표적인 애플리케이션들로는 패키징 장비, 사출 성형 장비, 고속 프레스, CNC 프로세싱 센서, 로봇, 유압식 조절 등을 들 수 있다.

장비가 텔레그램을 처리하는 동안에 EtherCAT 슬레이브 장치가 자신에게로 보내진 데이터를 취한다. 마찬가지로 프로세싱을 하는 동안에 텔레그램으로 입력 데이터를 삽입한다. 텔레그램으로 이렇게 하기 위해서 수 나노초의 지연밖에 발생되지 않는다. 이더넷 프레임은 전송 방향과 수신 방향으로 다수의 당사자들의 데이터에 도달할 수 있으므로 활용되는 데이터 속도가 90 % 이상으로 높아진다. 이 과정에서 100BASE-TX의 전이 중 특성을 완벽하게 활용한다. 이는 다시 말해서 거의 200 Mb/s에 이르는 유효 데이터 속도를 달성할 수 있다는 뜻이다.

비순환 통신의 도움을 받아서 구성과 진단용으로 네트워크로 제공된 변수들을 액세스할 수 있다. 이렇게 하기 위한 토대는 신뢰할 수 있는 메일박스 프로토콜이다. 이 메일박스 채널을 기반으로 EtherCAT은 다음과 같은 다양한 통신 프로파일을 정의하고 있다:

· CAN application protocol over Ether
· CAT(CoE)
· Servo drive profile according to IEC 61800-7-204(SoE)
· Ethernet over EtherCAT(EoE)
· Safety over EtherCAT(FSoE)
· 펌웨어 업데이트 용의 File access over EtherCAT(FoE)

XMC4300/XMC4800 마이크로컨트롤러에서 EtherCAT IP 코어는 효율적인 Beckhoff ET1100을 기반으로 하며, 8개의 FMMU, 8개의 SyncManager,
8 KB의 데이터 RAM을 제공한다. 그러므로 다른 솔루션들과 다르게 XMC4300이나 XMC4800 MCU를 사용하면 모든 통신 프로토콜들을 동시적으로 실행할 수 있다.

구현 간소화, 공간과 비용 절약

다른 마이크로컨트롤러나 FPGA나 ASIC을 사용할 때와 비교해서 XMC4300/XMC4800을 사용하면 EtherCAT 구현을 아주 쉽게 할 수 있으며 공간과 비용을 절약할 수 있다. EtherCAT 슬레이브 컨트롤러를 사용하기 위해서 외부적인 드라이브나 수정 클록 펄스 발생기 같은 추가적인 장치를 필요로 하지 않는다.

XMC4300/XMC4800은 높은 수준의 기능 통합을 이루고 다양한 용량의 플래시 드라이브와 아날로그/혼성신호 IP를 제공하므로 다른 마이크로컨트롤러를 사용한 시스템과 비교해서 회로 보드 공간을 절약하고 부품 비용을 낮출 수 있다. 또한 ASIC과 FPGA 솔루션은 기능 통합과 성능에 있어서 한계가 있다(그림 2).

 

또 한편으로 디스크리트 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러는 외부적인 CPU를 필요로 하므로 그에 따른 한계점들을 수반한다.

XMC4300과 XMC4800은 PLL을 통합하고 있으며 이 PLL이 EtherCAT IP로 필요로 하는 25 MHz 사이클을 제공한다. ARM Cortex-M4 프로세서는 통합하고 있는 RAM이나 플래시 드라이브로부터 144 MHz로 코드를 실행한다. 그러므로 최종 제품으로 BOM을 대폭적으로 줄일 수 있다. 그러므로 비용을 크게 줄일 수 있다. 그런데 또 중요하게 고려해야 할 것은 처음에는 명확하게 드러나지 않는 외부적 요인들이다. 다시 말해서 전체적인 제품 수명에 걸쳐서 제품 유지보수가 어려울 수 있다는 점이다.

업체들은 PC와 모바일 컴퓨팅용으로 자사 기술을 최적화함으로써 어떤 한 시기의 기술이 5년만 지나면 구식이 되어서 경제성 면에서 쓸모가 없어져 버린다. 이렇게 해서 제품 단종으로 이어진다. 하지만 이것은 장비 수명이 원칙적으로 15년이나 혹은 그 이상까지 되어야 하는 산업용 설비의 라이프사이클에는 맞지 않는 것이다.

소위 말하는 ‘fit(적합성), form(형태), function(기능)’의 3F에 따라서 새로운 제조 기술을 사용하되 형태와 기능에 있어서 이전 것과 같게 설계한다 하더라도 데이터 시트가 변경되는 것은 어쩔 수 없으며 그러므로 검증 작업을 다시 해야 한다. 이 글에서 설명하고 있는 XMC4300과 XMC4800을 포함한 인피니언의 XMC4000 제품군의 모든 마이크로컨트롤러 제품은 적어도 2031년까지 장기적인 공급을 보장하므로 이러한 문제들을 피할 수 있다.


EtherCAT과 더불어 액추에이터 및 센서 기술 제공

경제적인 가격대의 새로운 XMC4300은 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러를 통합했을 뿐만 아니라, 그림 3의 블록 다이어그램에서 보듯이 다양한 애플리케이션을 포괄하는 다양한 주변장치를 통합하고 있다.

XMC4300은 위에서 언급했듯이 ARM Cortex-M4 프로세서를 채택하고 256 KB의 플래시 드라이브와 128 KB의 RAM 메모리를 제공할 뿐만 아니라 통신 기능과 액추에이터 및 센서 기술에도 역점을 두고 있다. 2개의 CAN 노드를 제공하므로 대부분 경우에 CPU 개입 없이 통신을 수행할 수 있다. 또한 게이트웨이 모드를 사용함으로써 CPU를 필요로 하지 않고서, 전송 속도가 서로 다른 다양한 CAN 네트워크들 간에 교환이 가능하다. CAN과 EtherCAT을 사용하는 혼합적인 네트워크일 때 XMC4300은 DMA 전송을 통해서 CAN에서 EtherCAT으로의 게이트웨이를 효율적으로 구현할 수 있는 매끄러운 솔루션을 제공한다.

또한 프로그래머블 USIC 인터페이스를 통해서 UART, SPI, I2C, I2S 같은 직렬 인터페이스를 구현할 수 있다. 그리고 USB 및 SDIO/SD/MMC 인터페이스는 대량 메모리로 연결할 수 있다. 정규적인 TCP/IP 이더넷 인터페이스는 (원격)진단 및 유지보수를 간편하게 할 수 있다. XMC4300은 또한 LED 매트릭스 제어 시스템(8세그먼트 × 8세그먼트)을 제공하므로 LED 어레이를 간편하게 구동할 수 있다.

통신 인터페이스뿐만 아니고, 또 다른 중요한 특징은 아날로그 및 혼성신호 IP를 제공한다는 것이다. XMC4300은 센서용으로 2개의 12비트 ADC를 제공한다. 또한 액추에이터 기술과 관련해서는 풀 브리지용의 하나의 타이머 유닛, 하프 브리지 용의 2개의 타이머 유닛, 2개의 12비트 DAC를 제공한다. 그러므로 EtherCAT 통신을 동시적으로 실행하면서 모터를 구동할 수 있다.

 

XMC4300은 또한 I/O 모듈(그림 4) 구현에 사용하기에도 적합하다. 예를 들어서 백본으로 CAN 버스나 직렬 프로토콜이 제공할 수 있는 것보다 더 높은 대역폭을 필요로 할 때는 XMC4300이 이상적인 솔루션을 제공한다.

견고한 디자인과 품질로 적용 분야 확대

EtherCAT의 주된 애플리케이션은 공장 자동화다. 하지만 이 분야 이외에, 필드버스에 대해서 엄격한 실시간 성능을 요구하는 분야에는 이 기술이 그렇게 많이 사용되지 않고 있다. 예를 들면 건축 장비, 농업용 차량, 지게차 같은 것들이다. 이럴 수밖에 없는 것이, 이전의 EtherCAT 솔루션들은 요구되는 품질 및 신뢰성 기준을 충족하지 못했기 때문이다. 신뢰성 측면에서는 자동차 분야에서와 마찬가지로 최대 125 °C에 이르는 확장 온도 범위와 AEC-Q100 인증이 요구된다. XMC4300과 XMC4800은 이러한 요구들을 충족한다.

추가적인 성능이나 커넥티비티를 필요로 하는 경우에는, 호환가능 XMC 4000 제품군 내의 XMC4800 시리즈가 최대 2 MB의 플래시와 352 KB의 RAM을 제공하며 또한 확장된 주변장치 모음과 다양한 패키지를 제공한다. XMC4300과 XMC4800은 핀 호환 및 코드 호환이 가능하다. XMC4300 시리즈와 XMC4800 시리즈를 합쳐서 다양한 주변장치, 패키지, 메모리 용량, 온도 범위로 총 20개 제품을 제공한다. 그러므로 EtherCAT 구현에 따라서 적합한 제품을 선택할 수 있다.

XMC4300은 LQFP100 패키지로 -40 °C ~ 85 °C 및 -40 °C ~ 125 °C 온도 범위로 두 가지 제품을 제공한다.



플러그-앤-플레이로 EtherCAT 실행

인피니언은 XMC4300을 사용해서 EtherCAT 노드를 즉시 실행할 수 있는 개발 보드와 소프트웨어 개발 툴을 제공한다. XMC4300 Relax EtherCAT 키트(그림 5)는 XMC4300 마이크로컨트롤러를 기반으로 하며 온보드 디버거, 표준적인 RJ45 플러그인 커넥터(그리고 선택적인 PHY-대-PHY 연결을 위한 핀 헤더)를 통한 EtherCAT 노드, DSUB 9 플러그와 USB 인터페이스를 통한 CAN 노드를 제공한다. 이 키트는 인피니언의 공인 유통판매 업체나 XMC 키트 웹사이트(www.infineon.com/xmc-dev)에서 구입할 수 있다.

소프트웨어 개발을 위해서는 인피니언이 DAVE 개발 환경과 저수준 드라이버 및 무료 앱을 포함한 라이브러리를 제공한다. DAVE는 Beckhoff의 EtherCAT용 SSC(slave stack code)를 사용하고 있다. 이 무료 개발 환경 이외에도, 써드파티 업체들에서 XMC4300 및 XMC4800 시리즈용의 상업용 EtherCAT 슬레이브 스택을 제공한다. 

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