산업용 네트워크 프로토콜. 최근 공장자동화 분야의 흐름을 눈여겨보는 이라면 한번쯤 들었음직한 개념이다. 네트워크 기술을 활용하여 장치와 시설로 연결하고, 보다 편리하고도 스마트한 생산을 실현한다. 하지만 어떻게 해야 시스템을 구축할 수 있는지, 기존 기술과의 차이점은 무엇인지, 관련 기술로는 무엇이 있는지 속속들이 알기란 쉽지 않다. 한국파워링크협회의 사재훈 사무국장이 독자들의 궁금증을 해결해줄 자료를 마련했다. 산업용 네트워크 프로토콜 중 하나인 Ethernet POWERLINK에 대해 알아보자. 도움 | 사재훈 사무국장, 한국파워링크협회·정리 | 윤진근 기자(yoon@iomedia.co.kr)
목차
1. 파워링크란 무엇인가 1) 왜 이더넷인가? 2) 왜 파워링크인가? 3) 한국파워링크협회는 2. 파워링크의 기술들 1) 기본 개념 2) 슬레이브 3) 마스터 3. 파워링크의 미래
MSD 2015년 11월호에서는 POWERLINK가 어떤 기술이고, 여타 네트워크 프로토콜에 비해 어떤 이점을 가지고 있는지를 알아보았다. 지금까지 POWERLINK의 겉모습을 살펴보았다면, 이제는 돋보기를 들고 좀 더 깊은 곳을 들여다볼 때다.
오늘날 생산라인에서는 다양한 통신 시스템을 활용하고 있다. 통신 기술이 계속해서 발전함에 따라 갈래 역시 다양해졌다. 프로토콜의 다양화는 사용자의 입맛에 맞는 통신 기술을 선택할 수 있다는 장점을 불러 왔지만, 동전의 양면, 즉 복잡성이라는 문제도 동시에 야기했다.
문제는 이뿐이 아니다. 이종(異種)의 프로토콜을 원활하게 사용하기 위해서는 다양한 전문 기술이 필요하다. 또한 OEM업체에서는 투자비용 증가라는 부담이 생긴다.
이를 해결하는 방법은 단일 네트워크로의 통합이다. 표준화 및 개방화된 플랫폼을 통해 버스 시스템을 통합함으로써 사용 편의성을 높일 수 있는 것.
POWERLINK를 활용하면 표준 네트워크로의 손쉬운 통합을 바탕으로 프로토콜 관련 문제를 상당 부분 해결할 수 있다. 표준화의 강자 IMS 리서치가 2013년 발표한 자료에 따르면, POWERLINK는 3,100여 곳 이상의 업체에서 신뢰하며, 74만 5천 개 이상의 시스템에 설치되어 사용되고 있다. 전 세계 리얼타임 이더넷 솔루션의 선구자 역할을 하고 있는 셈이다.
국제표준에 부합한다는 점도 POWERLINK가 가진 큰 장점이다. POWERLINK는 IEEE 802.3 이더넷 표준을 100% 준수하며, IEC 61784-2에 등록되어 있는 표준화된 프로토콜이다.
표준화되고 검증된 POWERLINK는 다양한 산업의 표준네트워크 솔루션으로 사용되고 있으며, 표준화에 따른 확장성이 용이하다.
지난 2011년에는 중국의 산업용 이더넷 솔루션 표준인 GBT-27960을 획득하며 중국 자동화 시장의 강력한 표준 네트워크임을 다시금 증명하였다.
실제로 POWERLINK 관련 라이브러리 등을 내려받을 수 있는 소스포지에서 다운로드 추이를 살펴본 결과, 중국에서의 다운로드가 전체의 30%가량을 차지했다(2009년 기준). 중국에서 산업용 이더넷 표준에 등재함으로써, 향후 중국 시장에서 POWERLINK의 점유율 향상을 기대할 수 있게 되었다.
POWERLINK의 기본 특성 POWERLINK의 1사이클은 동기제어 구간(Synchronous Phase)과 비 동기제어 구간(Asynchronous Phase)으로 나누어진다. 동일한 사이클을 두 개의 구간으로 나누어, 연결된 노드의 특성에 맞게 데이터를 처리할 수 있다. 이를 통해 매우 다양한 분야와 산업에 효과적으로 사용될 수 있다.
머신비전 카메라가 두 대, 서보드라이브가 다섯 축 들어가 있는 장치를 제어해야 한다고 가정해보자.
전통적인 프로토콜의 구조로는 머신비전 카메라 제어기와 모터 제어기를 각각 마련해야 하고, 두 제어기기를 연동해야 한다. 하지만 POWERLINK 프로토콜은 비 동기제어를 위한 영역을 가지고 있어 하나의 제어기로도 두 가지 영역을 동시에 제어할 수 있다.
다른 사례로, 휴머노이드 로봇을 떠올려보자. 로봇에 탑재되어있는 각 관절을 정확하게 동기제어해야 한다. 로봇이 균형을 잃는 등의 문제를 방지하기 위함이다. 반면 로봇의 ‘눈’ 역할을 하는 머신비전 카메라는 동기제어를 수행할 필요성이 상대적으로 적다.
POWERLINK 아키텍처는 1사이클이라는 같은 공간 내에서 동기제어 영역과 비 동기제어 영역을 동시에 할당할 수 있다. 따라서 동기제어를 위한 데이터와 영상이나 소리 등의 데이터를 동시에 제어할 수 있다.
리얼타임 이더넷을 위한 폴링 메커니즘 POWERLINK는 실시간성을 확보하기 위해 폴링(Polling) 메카니즘을 사용한다. POWERLINK의 폴링 메커니즘은 마스터에 의해 관리된다. 또한 IEEE 802.3 이더넷 표준을 준수하므로 Gbps통신을 산업현장에 적용할 경우 표준을 준수하기 위한 별도의 투자비용이 발생하지 않는다. 또한 100% 소프트웨어 기반으로 제어되므로 특정 하드웨어에 귀속되는 제약사항이 없다.
폴링 방식의 기본구조는 다음과 같다.
우선 동일한 네트워크에 연결된 모든 노드의 시간 동기화를 위해 마스터에서 SoC를 송신한다. SoC를 수신한 슬레이브는 패킷을 수신한 시점을 기준으로 동일한 사이클이 시작됨을 인지하게 된다.
마스터가 ‘지금부터 작업을 시작하자!’라는 신호를 내리고, 각 슬레이브들이 이 신호를 수신하는 셈이다. 마치 운동장에서 교사가 학생에게 지시하는 것처럼 말이다. 이러한 방식을 활용하면 여러 슬레이브가 같은 시각에 움직이도록 할 수 있다.
시간 동기화가 완료된 마스터와 슬레이브 사이에는 요청과 응답이 오가게 된다. 마스터가 슬레이브에게 요청신호(Poll request, Preq)를 보내면 요청신호를 받은 슬레이브는 응답신호(Poll response, Pres)를 회신하는 방식이다.
폴링 방식은 직관적인 통신방식으로, 개발자들에게 효과적인 통신모듈 개발을 가능케 하며, 통신 로그 분석도 용이하게 만든다.
POWERLINK는 또한 올 온 원 미디엄(All On One Medium) 방식을 채택하고 있다. 하나의 사이클 내에 동기화 데이터 공간과 비 동기 데이터 공간을 모두 갖추고 있음을 뜻한다. 이를 통해 1사이클 내에서 모든 제어를 실현할 수 있는, 보다 유연한 구조를 자랑한다.
멀티플렉싱 멀티플렉싱(Multiplexing)이란, 사전적으로는 하나의 전송로를 여러 사용자가 동시에 사용하는 것을 말한다. 여기서는 다양한 장비가 한 가지 전송로를 효율적으로 활용함으로써 전체 시스템의 효율성을 높이는 것을 말한다.
공장자동화를 구성하는 장치는 다양하다. 이들 장치의 시간결정성과 실시간성에 대한 요구사항은 각기 다를 수 있다. 즉, 운용하는 방식 및 활용도에 따라 시간결정성과 실시간성이 중요한 장비와, 상대적으로 덜 중요한 장비로 구분할 수 있다.(시간결정성과 실시간성에 대한 설명은 MSD 2015년 11월호 참조)
멀티플렉싱 기술을 통해 네트워크 자원을 매우 효과적으로 사용할 수 있다. 매 주기마다 통신해야 하는 고 정밀도를 요구하는 노드와 그렇지 않은 노드가 동일 네트워크 상에 섞여 있을 경우, 기본적인 폴링 방식을 사용한다면 네트워크 자원이 낭비되는 결과를 초래한다.
영하의 기온에서 표정을 바꾸며 손가락을 사용해 물건을 옮기는 휴머노이드 로봇을 POWERLINK를 통해 제어한다고 가정하자. 이 로봇에는 손가락·손목·팔 관절에 다수의 모션 축을 구성하였다. 각각의 축은 정밀한 동기제어가 필요하다. 하지만 얼굴 표정(입모양을 변경한다든지, 눈썹을 올리는 행위 등)을 제어하는 액추에이터 등과 같은 노드는 고정밀의 제어가 필요 없다. 또한 온도를 감지하는 온도센서는 매우 느린 주기(1초 이상)로 외부온도를 감지해도 무방할 것이다.
이 경우 POWERLINK의 멀티플렉싱을 통해 네트워크 자원을 보다 효율적으로 분배할 수 있다. ▲손가락과 손목 그리고 팔 관절에 연결된 모션 축은 매 사이클마다 동기화되도록 설정하고 ▲얼굴 표정과 관계된 액추에이터는 두 사이클에 한 번씩 동기화하도록 설정한다. 마지막으로 ▲온도감지센서는 다섯 사이클마다 한 번씩 통신하도록 구성할 수 있다.
멀티플렉싱 기술은 네트워크 자원을 매우 유연하게 활용할 수 있음을 시사한다. 네트워크 자원을 최적화한다는 것은 통신제어를 위한 CPU와 메모리 등의 자원을 효과적으로 사용한다는 것과 동일하다. 원가절감, 최적화 등 매력적인 이익을 제공함을 의미한다.
폴 리스폰스 체인 POWERLINK는 폴 리스폰스 체인(Poll Responce Chain) 방식을 채택하고 있다. 이를 통해 보다 간결한 통신을 구현한다.
폴 리스폰스 체인은 여러 슬레이브가 연쇄적으로(Chain) 응답하는 방식이다. 학교를 다시 예로 들어보자면, 교사가 학생들에게 ‘번호순 응답’을 요청하는 것이다. 교사(마스터)가 번호순 호출을 명령하면, 학생(슬레이브)들은 일정한 간격으로 각자의 대답을 한다.
폴 리스폰스 체인은 마스터가 신호를 요청하는 방식이 다르다. 마스터가 Preq가 아닌 Pres로 요청 신호를 송신하는 것. 이후 폴 리스폰스 모드가 On으로 설정된 슬레이브는 순차적으로 마스터에게 응답하게 된다. 그 모양이 체인 같다고 하여 폴 리스폰스 체인이라는 명칭을 얻었다.
폴 리스폰스 체인 방식은 연결된 슬레이브 개수만큼의 Preq신호를 단 1번의 Pres신호로 처리할 수 있다. 이를 통해 네트워크 사이클 타임을 최소화한다.
POWELRINK는 지금까지 설명한 폴링 방식, 멀티플렉싱 방식, 체이닝 방식을 설정의 간단한 변경만으로 혼합하여 사용할 수 있다. 특유의 실시간성과 고속성 그리고 유연성을 가지고 있음은 물론이다.
크로스 커뮤니케이션 크로스 커뮤니케이션이란, 슬레이브와 슬레이브 간의 통신을 보다 효율적으로 할 수 있는 기술이다.
앞서 설명한 휴머노이드 척수신경에 의한 제어 기능, 이를테면 무릎의 앞부분을 망치로 칠 경우 다리가 자동적으로 움직이는 기능을 탑재한다고 가정하자.
우선 머리(마스터)·무릎의 충격감지센서(슬레이브1)·무릎 관절 모션축(슬레이브2)로 구성된 고전적인 네트워크 환경에서 시나리오를 기술해 보자.
1. 슬레이브1의 충격감지 데이터를 마스터에게 송신 2. 마스터가 충격치를 측정하여 슬레이브2에게 후처리 행위명령을 하달 3. 마스터로부터 전달된 데이터를 슬레이브2가 처리 4. 슬레이브2의 동작이 완료됨을 마스터에게 보고 5. 마스터가 상황종료를 인지 총 다섯 단계의 작업이 소요되었다.
크로스커뮤니케이션을 사용할 경우 아래와 같은 시나리오로 변경될 수 있다. 1. 슬레이브1의 충격감지 데이터를 네트워크에 연결된 모든 마스터와 슬레이브에게 송신 2. 슬레이브2가 정의된 동작을 수행하고, 상황 보고 3. 연결된 모든 노드가 상황종료를 인지 총 세 단계의 작업이 소요되었다.
2개의 슬레이브를 활용한 통신 시나리오가 기존의 5단계에서 크로스 커뮤니케이션을 사용했을 때 3단계로 최적화된 것을 볼 수 있다. 수십만 개의 슬레이브가 거미줄처럼 연결된 구조라면 어떨까?
크로스 커뮤니케이션을 활용하면 방대한 양의 네트워크 자원을 절약할 수 있을 뿐 아니라, 마스터 시스템에 집중되는 처리 연산을 분산화하여 구성할 수 있게 된다.
크로스커뮤니케이션은 멀티캐스팅 방식을 사용하여 구현하였으며, 시나리오의 복잡도가 증가할수록 효과적으로 사용될 수 있는 기능이다.
다중 비 동기 데이터 전송 멀티플 어싱크로너스 센드(Multiple Asynchronous Send)라고 하는 이 방식은 1사이클 내에서 동기 데이터와 비 동기 데이터를 동시에 처리할 수 있도록 하는 기능이다.
이더넷 프레임은 최소 64byte에서 최대 1526byte가량의 데이터를 갖고 있다. 데이터를 전송하기 위해서는, 이론적으로 1500byte는 122㎲, 60byte는 5.1㎲의 전송시간이 필요하다.
800㎲의 네트워크 사이클 타임 내에서 500byte의 동기제어 데이터와 300byte의 비 동기 데이터를 처리하는 POWERLINK 시스템을 가정하자. 이 경우 최대 이더넷 프레임의 절반정도 되는 800byte의 데이터를 처리한다. 따라서 전송시간은 100㎲가량이 될 것이며, 사이클 타임 내에 700㎲의 여유 공간이 있음을 유추할 수 있다.
이 시스템에서 사용하는 비 동기 데이터를 300byte에서 700byte로 증가시키고자 한다면 전체 네트워크 사이클 타임의 변경없이 비동기구간만을 조절하여 증가된 데이터를 전송할 수 있다.
즉, 멀티플 어싱크로너스 센드 방식은 고속의 서보 동기제어와 영상 음성 등의 비 동기 데이터를 하나의 사이클 내에서 동시에 처리할 수 있는 유연성을 제공한다.
생산라인의 통합 POWERLINK는 다양한 장치들을 단일 네트워크로 통합할 수 있는 프로토콜이다. POWERLINK는 이를 라인 인테그레이션(라인 통합)이라고 칭한다. 장비 간의 통신은 물론, 빅 데이터와 영상·음성 데이터까지 POWERLINK라는 단일 네트워크에서 송수신할 수 있다.
토폴로지의 유연성 POWERLINK를 활용하면 다양한 네트워크 토폴로지 방식을 구현할 수 있다. 지난 호에 설명하였듯, ▲한 개의 마스터에서 여러 슬레이브를 동시에 제어하는 성형(Star Type) ▲한 가닥의 네트워크 케이블을 통해 연결하는 버스형(Bus Type) ▲모든 장비가 원 형태로 이어져 있는 원형(Ring Type) 등이 대표적이다. 다양한 토폴로지를 복합적으로 사용할 수 있다는 것 역시 POWERLINK의 특징이다.
POWERLINK 협회 회원사인 인아테크의 장비를 예로 들어보자. 인아테크는 120개 축·1천 개 이상의 채널을 가진 거대한 장비를 구축하고자 했다. 이 장비를 구축하기 위해 인아테크는 다음과 같은 토폴로지 구조를 채택하였다.
1. 마스터와 슬레이브 사이에 허브를 연결하였다. 2. 허브에 여러 슬레이브가 산발적으로 연결되어 있는 트리형(Tree Type) 토폴로지를 구축했다. 3. 일부 슬레이브는 서로 일렬로 연결되어 있는 데이지 체인(Daisy Chain) 토폴로지로 연결되어 있다. 4. 일부 슬레이브는 링 토폴로지를 구축해 보다 순차적이고도 신속한 전송을 꾀했다.
인아텍이 응용사례에 다양한 네트워크 토폴로지를 활용할 수 있었던 것은 POWERLINK 특유의 유연성 덕분으로, 토폴로지 선택이나 복합적인 사용 측면에서도 빛을 발하는 것이다.
보다 긴 연결을 POWERLINK의 기반이 되는 이더넷 기술은 리피터 없이 최대 100m 거리를 연결할 수 있으며, 리피터를 장착하면 보다 먼 거리의 통신도 보장한다. 거대화되어가는 현대 생산현장에서 반길 만한 내용이다.
하지만 놀라기에는 이르다. 광 통신 케이블을 활용할 경우 통신 가능한 거리가 비약적으로 증가한다. 리피터 없이 최대 12㎞ 거리에 달하는 시스템을 구축할 수 있다(출처 위키피디아). 단, 산업용은 2㎞ 거리를 준수한다. 또 최근 등장한 다심 광섬유(Multifiber) 케이블의 경우 그 2배(4㎞)까지 안전한 통신을 보장한다.
POWERLINK는 표준 이더넷을 준수하기 때문에 이러한 이론적인 기준을 모두 충족할 수 있다. 원거리 통신에 대한 확장성을 보장하는 비결이다.
모든 것을 잇다 POWERLINK는 공장자동화를 구성하는 다양한 장치들을 한 번에 연결할 수 있다. 유공압 장치·머신비전·산업용 로봇은 물론, 리모트 I/O·엔코더·분산제어장치·안전장치·센서·모션컨트롤러 등 ‘모든 종류의 장치’를 연결할 수 있는 네트워크 프로토콜이다.
보다 쉬운 교체를 POWERLINK의 또 다른 특징 중 하나는 쉬운 장치 교체다. 공정 중 장치에 문제가 생겼을 경우, 공정 전체를 정지시키지 않고도(즉 최소한의 영향만을 미친 채) 해당 장치를 교체할 수 있다. 컴퓨터의 USB나 LAN선처럼 연결과 제거가 쉽고 자유로운 셈이다.
POWERLINK 특정한 장치가 고장을 일으킬 경우, 생산라인 전체를 정지시키지 않고도 장치를 교체할 수 있다. 따라서 시스템의 다운타임을 최소화할 수 있다.
POEWRLINK의 핫 플러깅 기능(꽂으면 장치를 인식하고, 중간에 장치를 제거해도 다른 장치에는 영향을 미치지 않는)을 통해 보다 쉽고 간편한 시설 운용을 실현한다.
다양한 이중화
네트워크 프로토콜 분야에서 말하는 이중화(Redundancy)란, 두 가지 장비를 병렬로 구축하여 하나의 장비가 작동불능이 되었을 때 즉각적으로 대응할 수 있는 것을 말한다.
네트워크 이중화는 보통 재해가 발생했을 때 대책 중 하나로 활용하는 기술이다. 생산시설은 그 생산성을 유지하기 위해 24시간, 365일 구동되어야 한다. 이때 원활한 시설 구동을 위해 사용하는 것이 이중화 기술이다.
POWERLINK 프로토콜은 다양한 이중화 방식을 활용할 수 있다. ▲여분의 CPU를 두어 CPU가 망가져도 또 다른 CPU가 즉각적으로 작업을 돕는 CPU 이중화 ▲네트워크 토폴로지를 링 형태로 구성해 특정 장치 간의 연결이 끊어져도 원활한 연결을 보장하는 네트워크 이중화 ▲여러 케이블을 연결해 일부 케이블이 말썽을 일으켜도 원활한 작업을 보장하는 케이블 이중화 등이 그것이다.
POWERLINK의 CPU 이중화는 이론적으로 9중화까지 가능하다.
싱글 텔러그램 POWERLINK는 싱글 텔러그램 방식을 채용하고 있다. 싱글 텔러그램 방식은 뛰어난 EMC(Electro Magnetic Compatibility, 전자 환경 적합성)가 특징이다.
EMC란 전자 환경에서의 전자 적합성을 의미한다. 전자 환경에서는 전자기기들로부터 발생하는 전자파로 인해 무선통신에서의 채널 간 상호 간섭·주파수 스펙트럼·장비의 오작동 및 안전성·네트워크의 신뢰성 등 다양한 문제가 발생할 우려가 있다. 인체 등 생물에 대한 전자에너지의 영향 역시 간과할 수 없다. 이를 통틀어 전자파 간섭(Electro Magnetic Interfarence, EMI)라고 일컬으며, EMC는 이러한 환경에서의 적합성을 의미한다.
파워링크협회는 EMC 관련 적합성 평가를 시행한다. 그만큼 EMC 측면에서 강한 장점을 가지고 있다.
그래프를 보자. x축은 노드, 즉 연결되어 있는 장치의 수를, y축은 매 사이클 당 손실되는 비트의 양을 의미한다. 전체 프레임을 한꺼번에 통신하는 방식을 채택하고 있는 여타 프로토콜의 경우, 이동하는 패킷의 양이 많아 손실의 위험이 크다. 반면, POWERLINK를 비롯한 개별 프레임을 통신하는 방식은 손실양이 굉장히 적다.
POWERLINK는 싱글 텔러그램 방식을 채택하고 있어 EMC 측면이 우수하다. 매 사이클마다 손실되는 바이트의 수가 획기적으로 줄어든다. 노드의 수가 증가하더라도 손실률은 크게 증가하지 않는 것 또한 특징이다.
