EtherCAT 소개

내쇼날인스트루먼트는 NI 9144 확장 섀시와 산업용 통신 드라이버 세트를 제공하면서 결정성 있는 분산 I/O 제품의 공급을 더욱 확대하게 되었고, 이제 EtherCAT®이라고 하는 개방형 리얼타임 이더넷 프로토콜을 지원하게 되었습니다. 본 기술백서에서는NI 제품에 적용된 EtherCAT 기술의 프로토콜 기본 지식, 데이터 전송, 분산 클럭 동기화 등 기본적인 사항에 대해 다루도록 하겠습니다.

소개

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology)은 결정성 있는 이더넷을 위한 고성능의 산업용 통신 프로토콜입니다. 본 프로토콜은 IEEE 802.3 이더넷 표준을 확장하여 예측 가능한 타이밍과 정밀한 동기화로 데이터를 전송합니다. 본 개방형 표준은 IEC 61158의 일환으로 도입되었으며 장비 설계 및 모션 제어와 같은 어플리케이션에 일반적으로 사용됩니다.

EtherCAT은 표준 이더넷을 통해 마스터/슬레이브 아키텍처를 구현합니다. NI의 EtherCAT 마스터는 듀얼 이더넷 포트가 있는 리얼타임 컨트롤러(NI CompactRIO와 PXI)로 구성됩니다. 또한 각 NI 슬레이브에는 마스터 컨트롤러에서 데이지 체인 연결이 가능한 두 개의 포트가 있습니다.

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그림 1. NI 하드웨어를 사용한EtherCAT 마스터/슬레이브 아키텍처

EtherCAT 프로토콜의 기본사항

EtherCAT 프로토콜은 표준 이더넷 프레임의 기본구조를 변경하지 않고 데이터를 직접 전송합니다. 마스터 컨트롤러와 슬레이브 디바이스가 동일한 서브넷에 있으면 EtherCAT 프로토콜은 이더넷 프레임에서 인터넷 프로토콜 (IP)만을 대체합니다.

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그림 2. EtherCAT이 있는 이더넷 프레임 구조

데이터는 PDO (process data objects)의 형태로 마스터와 슬레이브간 통신됩니다. 각 PDO에는 특정한 하나의 슬레이브 또는 여러 개의 슬레이브에 대한 주소를 가지고 있으며, 본 “데이터 및 주소” 조합 (검증을 위한 작동 카운터 포함)이 EtherCAT 텔레그램을 구성합니다. 한 이더넷 프레임에는 여러 개의 텔레그램이 있으며, 한번의 제어 주기에 필요한 모든 텔레그램을 유지하기 위해서는 여러 개의 프레임이 필요할 것입니다.

데이터 전송 

마스터 컨트롤러는 일부 리얼타임 프로토콜로 데이터 패킷을 전송하며, 프로세스 데이터가 각 슬레이브 노드마다 해독되고 복사될 때까지 대기해야 합니다. 그러나, 본 결정성 있는 방식에서는 마스터 컨트롤러가 특정한 양의 처리 시간과 슬레이브 당 지터를 추가하고 관리해야 하기 때문에 유지가 어렵습니다.

EtherCAT 기술은 실시간으로 각 이더넷 프레임을 처리하기 때문에 앞서 말한 시스템 제약을 받지 않습니다. 예를 들어, 이더넷 프레임이 움직이는 기차라고 하고 EtherCAT 텔레그램이 전동차라고 생각해 보겠습니다. PDO 데이터의 비트는 적합한 슬레이브가 추출하고 삽입할 수 있는 차 안의 사람들입니다. 전체 “기차”는 멈추지 않고 모든 슬레이브 디바이스를 통해 통과하며, 끝의 슬레이브는 모든 슬레이브를 통해 다시 되돌려 보냅니다.

그림 3. EtherCAT 데이터 전송

같은 방식으로 디바이스 1이 마스터가 보낸 이더넷 패킷을 만나면 자동으로 디바이스 2로 패킷을 스트리밍하기 시작하며 단지 몇 나노 초의 지연만으로 패킷으로 읽기 및 쓰기 합니다. 패킷이 슬레이브에서 슬레이브로 지속적으로 전달되기 때문에, 동시에 여러 개의 디바이스에서 존재할 수도 있습니다.

이것이 실제로 무엇을 의미할까요? 50개의 슬레이브 디바이스가 있고 다른 데이터가 각 슬레이브로 전송된다고 생각해보겠습니다. 비EtherCAT 실행의 경우, 이는 50개의 다른 패킷을 전송하는 것을 의미합니다. EtherCAT의 경우, 모든 슬레이브를 접한 하나의 긴 패킷에는 50개의 디바이스가 있습니다. 그러나, 모든 슬레이브가 동일한 데이터를 수신해야 한다면, 하나의 짧은 패킷이 전송되고 스트리밍되면서 슬레이브가 패킷의 동일한 부분을 찾게 되고, 데이터 전송 속도 및 대역폭을 최적화하게 됩니다.

고속 성능

EtherCAT은 컨트롤과 같은 단일 포인트 어플리케이션에 고성능이면서 많은 채널 수를 보유할 수 있도록 설계되었습니다. 슬레이브 읽기 및 쓰기가 동일한 프레임에서 발생하기 때문에, EtherCAT 텔레그램 구조는 분산 I/O에 최적화됩니다. 또한, 전체적인 프로토콜 프로세싱은 하드웨어 내에서 발생하기 때문에 프로토콜 스택, CPU 성능 또는 소프트웨어 실행의 런타임으로부터 독립적입니다. 예를 들어, 데이터는 DMA (direct memory access)를 거쳐 네트워크 카드 및 마스터 프로세서 또는 슬레이브 I/O (최소한의 CPU 사용으로)간에 전송됩니다. 또한, 각 NI 슬레이브 디바이스는 PDO 전송 및 주소 검사 전용인 여러 개의 필드버스 메모리 관리 유닛 (FMMU)을 사용합니다. 마스터가 아닌 슬레이브는 적절한 텔레그램을 맵핑하기 때문에 마스터의 복합성이 줄어들며 리소스가 절약됩니다.

타이밍과 동기화

결정성있는 네트워크를 구현하기 위한 또 다른 요소는 분산 클럭을 사용하여 동일한 시간에 모든 슬레이브 디바이스를 동기화하는 마스터 컨트롤러의 능력입니다. 모든 슬레이브 디바이스 중에 하나는 다른 슬레이브 디바이스 클럭을 동기화하는 마스터 클럭을 보유해야 합니다. 실행을 위해, 최초의 슬레이브 디바이스는 마스터 클럭으로 지정되며, 마스터 컨트롤러는 특별한 동기화 텔레그램을 전송하여 매 스캔 주기마다 마스터 클럭을 읽습니다. 그 다음 본 텔레그램은 다른 모든 슬레이브 디바이스에서 클럭을 업데이트하고 재정렬하여 드리프트를 방지합니다.

정밀한 동기화는 광범위하게 분산된 프로세스가 모션 축간 조율된 모션과 같은 동시 동작을 요구하는 경우 더욱 중요합니다. NI는 프레임에서 벗어났다 되돌아오는 시간 차이를 측정하기 위해 타임스탬프를 사용합니다. 이 같은 방식으로 전파 지연이 노드 간에 계산되며, 정밀한 동기화 (1 µs 미만)는 분산 클럭의 정확한 조정에 의해 얻어집니다.

EtherCAT을 지원하는 NI 하드웨어 사용

내쇼날인스트루먼트는 EtherCAT방식의 결정성 있는 분산 I/O와 호환되는 다양한 플랫폼을 제공합니다. 2개의 이더넷 포트가 있는 CompactRIO 컨트롤러 또는 NI PXI-8231/8232 이더넷 인터페이스(EtherCAT 소프트웨어 드라이버를 위한 NI 산업용 통신 방식)를 갖춘 PXI 시스템을 마스터 컨트롤러로 사용할 수 있습니다. 그 후 컨트롤러에서 여러 개의 NI 9144 슬레이브 섀시를 데이지 체인 연결하여 시간 결정적인 어플리케이션을 확장할 수 있으며, 동시에 최소한의 프로세서 리소스만을 사용하여 결정성을 유지할 수 있습니다.

NI 9144는 30개 이상의 아날로그 및 디지털 C 시리즈 모듈로 작동하는 8 슬롯의 견고한 섀시입니다. 본 I/O 모듈은 다양한 센서와 직접 연결을 제공하며 다른 NI 하드웨어 플랫폼을 이용하여 재사용할 수 있습니다. 무엇보다도 NI 9144를 제품 박스에서 꺼내 전원만 켜면 LabVIEW 8.6 Real-Time이 연결된 모든 슬레이브와 모듈을 자동 인식하기 때문에 NI 9144에 대한 모든 구성이 최소화됩니다. LabVIEW를 사용하면, 클릭과 드래그 방식의 I/O 변수, 실시간 테스트 패널, 문제 해결을 위한 I/O forcing을 사용하여 물리적인 채널로 편리하게 접근할 수 있습니다. NI 결정성있는 분산 I/O에 대한 더욱 자세한 정보는 아래 링크를 참조하십시오.

관련 링크
분산 I/O로 Real-Time 시스템 구축
NI 9144 확장 섀시 내부 기술

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