EtherCAT 네트워크 설계 기준, 기종부터 링까지 [심화]

EtherCAT의 동작 원리부터 보려면 EtherCAT 통신이란?을 먼저 읽어 보세요.

기종은 대수보다 통신 주기 하한으로 먼저 거릅니다

NJ/NX는 기종에 따라 8~512대, 통신 주기 하한도 125 µs(NX701)에서 4,000 µs(NX1P2-9B형)까지 다릅니다. 표의 최소 주기와 최대 대수를 동시에 쓸 수 있다고 보면 안 됩니다.

분기 위치는 "어느 공정이 멈춰도 다른 공정은 돌아야 하는가"로 정합니다

앞쪽 슬레이브에 이상이 생기면 뒤쪽 전체의 통신이 끊길 수 있기 때문입니다.

단선에 대비할 구간은 링으로 구성합니다

GX-JC03을 기점으로 케이블 이중화를 켜면 단선 한 곳까지 통신을 유지합니다. NX701은 케이블 이중화를 지원하지 않습니다.

단선 감지는 프로그램에서 해야 합니다

이벤트 레벨이 관찰이면 Sysmac Studio 현재 에러에 표시되지 않습니다.

기종은 연결 대수, 통신 주기 하한, 동기 조건 세 가지로 고릅니다. 표의 값은 설정할 수 있는 범위이고, 실제로 함께 쓸 수 있는 값은 구성에 따라 달라집니다.

기종별 최대 슬레이브 수와 통신 주기

한 세그먼트에 65,535대, 통신 주기 100 µs 이하, 동기 정밀도 1 µs 이하는 EtherCAT 규격을 관리하는 단체인 ETG(EtherCAT Technology Group)가 제시하는 값입니다. 65,535대는 프로토콜상 허용 범위이고 나머지 둘은 개발 목표치라서, 설계에는 마스터 기종의 값을 씁니다.

표의 수치는 오므론 NJ/NX 시리즈 CPU 유니트의 내장 EtherCAT 포트 기준입니다. 최대 슬레이브 수에는 분기 슬레이브도 들어가고, GX-JC06처럼 한 대가 노드 주소를 2개 쓰는 기종도 있습니다. 모션 축이 많고 주기를 짧게 가져가야 하는 설비라면 슬레이브 수보다 통신 주기 하한을 먼저 보고 기종을 거릅니다.

설정 가능한 값과 실제 운용 값의 차이

슬레이브 수와 PDO 크기가 늘면 짧은 통신 주기를 지키기 어려워집니다. 대수를 유지하려면 주기를 늘리고, 주기를 유지하려면 대수를 줄여야 합니다. 표의 최소 주기와 최대 대수를 동시에 쓸 수 있다고 보고 설계하면 시운전 단계에서 문제가 생깁니다.

주기를 정할 때는 PDO 크기도 함께 봅니다. 할당한 PDO 데이터는 매 주기 프레임에 실려서 슬레이브 수, 케이블 총길이와 함께 마스터의 전송 지연 시간 계산에 들어갑니다. NX701에서 두 태스크로 통신 주기를 나눠 쓰는 경우, 두 번째 태스크의 주기를 맞추려면 그 태스크에 할당한 PDO 크기를 줄여야 합니다. 다만 오므론 Sysmac 디바이스의 Sysmac 에러 상태처럼 고장 진단에 쓰는 항목까지 PDO에서 빼면 트러블슈팅 때 그 정보를 볼 수 없습니다.

동기 축은 DC 지원 여부 따로 확인하기

동기 지터는 전 기종 1 µs 이하이지만, DC(Distributed Clock)를 설정해 마스터와 시각을 맞추는 동기 슬레이브에만 해당합니다. 다축 서보처럼 축 간 타이밍을 맞춰야 한다면 슬레이브가 DC 동기를 지원하는지 슬레이브 사양서에서 따로 확인하십시오.

NX 시리즈는 마스터가 네트워크의 기준 시각(기준 클록)을 제공하지만, NJ 시리즈는 제공하지 않습니다. 그래서 NJ 시리즈에서 분기 슬레이브를 두고 슬레이브 간 동기를 하려면, 마스터와 첫 번째 분기 슬레이브 사이에 기준 시각을 제공하는 슬레이브를 두거나 분기 슬레이브가 기준 시각을 제공해야 합니다. 분기 슬레이브가 기준 시각을 제공할 수 있는지는 Sysmac Studio 슬레이브 설정의 Reference Clock 항목에서 확인합니다.

타사 슬레이브는 ESI 파일 확인부터

슬레이브별 PDO 기본 할당은 ESI 파일(슬레이브 정보 파일)에 정해져 있고, Sysmac Studio의 PDO 맵에서 출력(RxPDO)과 입력(TxPDO) 항목을 더하거나 뺄 수 있습니다. 타사 슬레이브의 ESI 파일이 Sysmac Studio에서 지원되지 않으면 설정 항목이 빠지거나 기능이 제한될 수 있으니, 도입 전에 해당 ESI 파일로 PDO 할당과 설정이 되는지 확인하십시오.

기종을 정했다면 배선 도면에 들어갈 규칙입니다. 프레임이 정해진 순서대로 슬레이브를 통과해야 해서 중간에 허브를 넣으면 흐름이 깨지고, 포트 방향이 바뀌어도 통신이 되지 않습니다.

케이블은 고압선과 함께 배선하지 말고 노이즈를 내는 기기 주변을 피하며, 케이블별 허용 굽힘 반경을 지켜 설치합니다. 실드를 양쪽 커넥터 후드에 모두 연결한다면 기기 간 접지 전위차로 그라운드 루프가 생기지 않도록 접지를 설계해야 합니다.

노드 주소 설정 방식도 도면 단계에서 기기별로 정해 둡니다. 오므론 GX 시리즈 리모트 I/O 터미널은 스위치를 00으로 두면 Sysmac Studio에서 설정한 주소를, 01~99로 두면 그 값을 주소로 씁니다. 스위치 값은 전원을 켤 때 한 번만 읽혀서, 주소를 바꿨다면 슬레이브 전원을 다시 켜야 반영됩니다. GX-JC03, GX-JC06 분기 슬레이브는 스위치가 없어 Sysmac Studio에서 주소를 넣어야 하고, 기본값 0 그대로 두면 네트워크 구성 검증 에러(84220000 hex)가 납니다.

분기와 링의 위치는 슬레이브 한 대나 케이블 한 곳에 이상이 생겼을 때 어디까지 통신이 끊기는지를 정합니다. 연결 방식별로 끊기는 범위를 보고 위치를 고릅니다.

앞쪽 이상이 뒤쪽 통신을 끊는 범위

프레임은 앞 슬레이브를 거쳐야 뒤 슬레이브에 닿기 때문에, 어느 슬레이브가 통신하지 못하면 그 뒤에 연결된 슬레이브도 모두 통신하지 못할 수 있습니다. 끊기는 범위는 연결 방식에 따라 달라집니다.

그래서 분기 위치는 어느 공정이 멈춰도 다른 공정은 계속 돌아가야 하는지를 기준으로 정합니다. 공정별로 따로 시운전하거나 한 공정만 세우고 정비하는 설비라면 공정 경계에 분기 슬레이브를 둡니다. 운전 중에 케이블을 뽑는 정비가 있다면, 그 슬레이브를 네트워크에서 분리하거나 그 슬레이브와 뒤쪽 슬레이브를 모두 무효화하는 절차를 점검 계획에 넣어 둡니다.

링 구성과 조건

분기 슬레이브를 기점으로 슬레이브를 고리 형태로 잇고 케이블 이중화 기능을 켜면, 케이블 한 곳이 끊어져도 마스터는 모든 슬레이브와 계속 통신합니다. 끊어진 지점 앞의 슬레이브가 출력 포트를 닫고 입력 포트에서 프레임을 되돌려 보내면, 이 프레임이 분기 슬레이브를 거쳐 고리의 반대 방향으로 흐르기 때문입니다.

구성 순서는 분기 슬레이브의 시작 포트(GX-JC03은 X2)에서 슬레이브를 차례로 잇고, 마지막 슬레이브의 출력 포트를 끝 포트(GX-JC03은 X3)에 연결한 뒤, Sysmac Studio에서 그 분기 슬레이브의 케이블 이중화를 Enable로 설정하는 것입니다. 링에 넣을 수 있는 기기와 조건은 아래와 같습니다.

이중화가 보장하는 것은 단선 한 곳까지입니다. 두 곳 이상 끊어지면 끊긴 구간의 슬레이브와는 통신이 끊기고 나머지와는 유지됩니다. 링 안의 슬레이브 한 대가 전원이 꺼진 경우에도 나머지 슬레이브와의 통신은 유지됩니다.

단선되면 프레임이 돌아가는 경로가 길어져 전송 지연이 늘고, 그만큼 태스크 실행 시간도 길어집니다. 주기에 여유가 없으면 태스크 실행 시간 초과로 운전이 멈출 수 있으므로, 시운전 때 끝 포트 케이블을 뺀 상태에서도 태스크가 주기 안에 실행되는지 확인합니다.

단선 감지를 프로그램에 넣기

한 곳이 끊어지면 링 단선 검출(84390000 hex) 이벤트가 발생하고, _EC_RingBreaking에 단선 여부가, _EC_RingBreakNodeAdr에 끊긴 지점 앞의 노드 주소가 들어옵니다. 이 이벤트의 레벨이 관찰이면 Sysmac Studio의 현재 에러에 표시되지 않아서, 사용자 프로그램에서 두 변수를 감시해야 단선을 알 수 있습니다. 링으로 라인이 멈추지 않는 만큼, 감시를 넣지 않으면 단선을 모른 채 운전하게 됩니다. 케이블을 교체하면 자동으로 이중화 상태로 돌아옵니다.

EtherCAT 라인에는 EtherCAT 슬레이브와 분기 슬레이브만 연결합니다. 아래 네 가지는 통신 이상의 원인이 됩니다.

• 일반 이더넷 허브와 리피터 허브
• PC 같은 EtherCAT 슬레이브가 아닌 기기. 비정상 프레임이 늘어납니다
• 노드 간 100 m를 넘거나 카테고리 5에 못 미치는 케이블
• 기종의 최대 슬레이브 수를 넘는 구성. 분기 슬레이브까지 합산합니다

시운전이나 운전 중 이상이 생기면 Sysmac Studio에서 마스터와 슬레이브의 진단·통계 정보를 열어 어떤 이상이 늘고 있는지 봅니다.

에러 프레임은 늘지 않고 타임아웃만 늘어난다면 배선보다 설정 문제일 가능성이 큽니다. 앞의 기종별 표에서 본 통신 주기와 슬레이브 수의 관계로 돌아가 주기를 다시 잡습니다. 여러 슬레이브가 한꺼번에 이상으로 보이면 그중 가장 앞쪽 슬레이브와 그 바로 앞의 케이블·커넥터, 그 앞 슬레이브 순서로 범위를 좁힙니다.

지금까지의 기준을 실제 설비 수치에 대 보면 구성이 나옵니다. 아래 순서로 정리합니다.

1. 슬레이브 목록을 적습니다.
   서보 축, I/O 터미널, 인버터, 분기 슬레이브까지 모두 세고, GX-JC06처럼 두 대로 계산되는 기종도 빠뜨리지 않습니다.
2. 필요한 통신 주기를 정합니다.
   가장 빠른 갱신이 필요한 기기, 대개 동기 모션 축이 요구하는 주기가 기준입니다.
3. 컨트롤러 기종과 대조합니다.
   1번의 대수와 2번의 주기를 기종별 최대 슬레이브 수, 통신 주기 하한과 비교합니다. 여유가 없으면 상위 기종을 고르거나 주기를 늘립니다.
4. 배치와 경로를 그립니다.
   공정 경계에는 분기를, 단선되면 라인이 바로 멈추는 구간에는 링을 넣고, 노드 간 케이블이 100 m 이하인지 확인합니다.
5. 네트워크를 나눕니다.
   HMI, 상위 PC, 다른 컨트롤러와 주고받는 데이터는 EtherNet/IP로 보내고, EtherCAT 라인에는 슬레이브만 남깁니다.

3번과 4번은 한 번에 끝나지 않습니다. 분기와 링을 넣으면 분기 슬레이브 수만큼 대수가 늘어나기 때문에, 두 단계를 오가며 대수와 주기가 기종 한계 안에 들어오는지 확인합니다. 초안이 나오면 동기 모션 축의 DC 지원 여부와 노드 주소 설정 방식(스위치 또는 Sysmac Studio)을 기기별로 정해 둡니다. 그래야 시운전 단계에서 다시 고치는 일이 줄어듭니다.