EtherCAT 통신이란? 이더넷과 다른 점 [입문]

EtherCAT(이더캣)은 설비 안에서 컨트롤러와 서보 드라이버, 센서, I/O 같은 기기를 케이블로 이어 데이터를 주고받게 하는 산업용 네트워크입니다. 정식 이름은 Ethernet for Control Automation Technology로, 사무실 이더넷과 같은 RJ45 커넥터를 쓰면서 설비 제어에 맞게 만든 통신 방식입니다. 설비가 정확하게 움직이려면 컨트롤러가 "이 축을 여기까지 움직여라", "이 센서 값은 지금 얼마다" 같은 데이터를 아주 짧은 간격으로 계속 주고받아야 합니다. EtherCAT은 이 데이터가 오가는 길입니다.

마스터와 슬레이브

EtherCAT으로 연결된 기기는 역할에 따라 둘로 나뉩니다.

한 줄로 모든 기기를 거쳐 가는 데이터

마스터가 내보내는 데이터 묶음을 프레임이라고 합니다. 마스터는 슬레이브마다 프레임을 따로 보내지 않습니다. 프레임 하나를 내보내면 그 프레임이 첫 번째 슬레이브부터 마지막 슬레이브까지 멈추지 않고 통과합니다. 각 슬레이브는 프레임이 지나가는 동안 자기 몫의 출력 데이터를 꺼내 읽고, 보낼 입력 데이터를 써 넣습니다. 이 처리는 수 나노초 안에 끝나서 프레임은 거의 지체 없이 다음 슬레이브로 넘어갑니다. 주고받을 데이터가 많으면 프레임을 여러 장 이어 보내지만, 모든 슬레이브를 차례로 지나가는 방식은 같습니다.

정류장마다 서지 않고 달리는 화물 열차를 떠올리면 쉽습니다. 열차(프레임)는 기본적으로 한 대이고, 각 정류장(슬레이브)은 열차가 지나가는 짧은 순간에 자기 앞으로 온 화물 목록을 베껴 가고 보낼 화물을 싣습니다. 열차는 종점에서 방향을 바꿔 출발역으로 돌아옵니다.

프레임이 마지막 슬레이브에 닿으면 그 슬레이브가 프레임을 되돌려 보내고, 모든 슬레이브의 입력 데이터를 담은 프레임이 마스터로 돌아옵니다. 이렇게 한 번 왕복하는 동안 네트워크 전체의 입출력이 한 번 갱신됩니다. 이 왕복이 반복되는 간격을 통신 주기라고 합니다. NJ/NX 시리즈는 통신 주기가 제어 프로그램의 기본 실행 주기(프라이머리 주기 태스크)와 같아서, 그 주기마다 모든 슬레이브의 데이터가 한 번씩 갱신됩니다.

정해진 주기의 통신과 필요할 때의 통신

EtherCAT 자료를 보면 PDO와 SDO라는 말이 자주 나옵니다. 둘 다 마스터와 슬레이브가 데이터를 주고받는 방식이지만, 언제 주고받느냐가 다릅니다.

처음에는 "매 주기 실리는 운전 데이터가 PDO, 가끔 읽고 쓰는 설정값이 SDO" 정도로 기억하면 됩니다.

가장 큰 차이는 데이터를 전달하는 방식입니다. 사무실 이더넷은 스위치가 목적지 기기로만 데이터를 보내고, EtherCAT은 프레임 하나가 모든 슬레이브를 차례로 지나갑니다. 그래서 커넥터가 같아도 두 네트워크를 섞어 쓸 수는 없습니다.

커넥터가 같으니 사무용 허브나 PC를 EtherCAT 라인에 그대로 붙여도 되느냐는 것이 현장에서 가장 많이 받는 질문입니다. 표의 중계 장비와 연결 대상 줄이 그 답입니다.

EtherCAT이 빠르다고 하는 것도 케이블 속도 덕분은 아닙니다. 전송 속도는 NJ/NX 시리즈 내장 포트 기준 100 Mbit/s(100BASE-TX)로, 사무용 이더넷(대개 1 Gbit/s)보다 오히려 느린 편입니다. 차이는 기기마다 따로 보내느냐, 한 번의 왕복으로 전체를 갱신하느냐에 있습니다. 그래서 두 네트워크는 통신 주기로 비교하죠.

EtherNet/IP와의 차이

EtherCAT과 이름이 비슷한 EtherNet/IP는 둘 다 이더넷 기술을 공장용으로 바꾼 산업용 이더넷에 속하지만, 동작 방식과 쓰임새가 다른 별개의 네트워크입니다. NJ/NX 시리즈 CPU 유니트는 두 포트를 모두 내장하고 용도를 나눠 씁니다. 서보, I/O처럼 제어 주기마다 갱신해야 하는 기기는 EtherCAT 포트에, 설정 툴(Sysmac Studio)이나 다른 컨트롤러, HMI와 주고받는 데이터는 EtherNet/IP 포트에 연결합니다.

프레임이 정해진 순서대로 슬레이브를 통과해야 한다는 점에서 배선 규칙이 나옵니다. 처음에는 아래 세 가지부터 지키면 됩니다.

입력 포트와 출력 포트는 모양이 같은 RJ45라서, 슬레이브를 옮기거나 교체한 뒤 통신이 안 되면 케이블보다 포트 방향부터 확인합니다.

점검 중에 라인 중간의 슬레이브 한 대만 전원을 껐는데 그 뒤의 서보와 I/O까지 통신이 끊기는 일이 있습니다. EtherCAT의 전달 방식 때문입니다. 프레임은 앞 슬레이브를 거쳐야 뒤 슬레이브에 닿으니, 어느 한 대가 통신하지 못하면 그 뒤에 연결된 슬레이브도 모두 통신하지 못할 수 있습니다.

멈추는 범위를 줄이는 방법

방법은 둘입니다. 분기 슬레이브로 공정마다 라인을 나누면 이상이 생긴 분기 안에서만 멈춥니다. 다만 분기 슬레이브 자체나 그보다 앞쪽이 멈추면 그 아래는 모두 멈춥니다. 분기 슬레이브를 기점으로 고리 모양의 링을 만들면 케이블 한 곳이 끊겨도 반대 방향으로 통신을 이어 갑니다. 링은 쓸 수 있는 분기 슬레이브와 버전 조건이 정해져 있어서 EtherCAT 네트워크 설계 편에서 따로 다룹니다.

여러 슬레이브가 한꺼번에 이상으로 보일 때는 그중 가장 앞쪽 슬레이브와 그 바로 앞 케이블부터 점검하면 원인을 빨리 좁힐 수 있습니다.

NJ/NX 시리즈는 마스터 기종에 따라 8대에서 512대까지 연결할 수 있고, 분기 슬레이브도 이 대수에 포함됩니다. 검색하면 먼저 나오는 65,535대는 프로토콜이 허용하는 범위일 뿐, 실제로 몇 대를 붙일 수 있는지는 마스터 컨트롤러 기종이 정합니다. 통신 주기를 얼마나 짧게 할 수 있는지도 기종마다 다릅니다.