산업용 통신 프로토콜

EtherCAT (이더캣)

조이컨 2025. 4. 15. 11:46

EtherCAT (이더캣) 개요

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)은 고성능 실시간 제어를 위해 설계된 개방형 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 기반 필드버스 시스템입니다. 독일의 자동화 기술 회사인 **백호프 오토메이션(Beckhoff Automation)**에 의해 개발되었으며, 현재는 독립적인 국제 사용자 및 제조업체 조직인 **EtherCAT 기술 그룹(ETG - EtherCAT Technology Group)**에서 표준을 관리하고 있습니다.

 

EtherCAT은 특히 매우 빠른 속도, 높은 정밀도, 그리고 뛰어난 동기화 성능이 요구되는 애플리케이션에 강점을 가지며, 독특한 작동 방식으로 이를 구현합니다.

핵심 작동 원리: "Processing on the fly" (온더플라이 처리)

EtherCAT의 가장 두드러진 특징이자 성능의 비결은 "Processing on the fly"라고 불리는 데이터 처리 방식입니다.

  1. 마스터(Master) 전송: EtherCAT 마스터는 하나의 표준 이더넷 프레임(Frame) 안에 여러 슬레이브(Slave) 장치들을 위한 명령과 데이터를 담아 네트워크로 전송합니다.
  2. 슬레이브 통과 및 실시간 처리: 이 이더넷 프레임은 각 슬레이브 장치를 **멈추지 않고 통과(pass through)**합니다. 각 슬레이브 장치에는 **EtherCAT 슬레이브 컨트롤러(ESC)**라는 전용 하드웨어 칩이 내장되어 있습니다. ESC는 프레임이 자신을 통과하는 **바로 그 순간(on the fly)**에 프레임 내에서 자신에게 해당되는 데이터를 읽어들이고(extract), 동시에 자신의 현재 상태 데이터(예: 센서 값)를 해당 프레임 영역에 끼워 넣습니다(insert). 이 과정은 하드웨어적으로 처리되어 수 나노초(nanoseconds) 수준의 매우 짧은 지연 시간만을 발생시킵니다.
  3. 마스터 복귀: 프레임은 네트워크상의 모든 슬레이브를 순차적으로 통과한 후, 모든 슬레이브로부터 수집된 데이터를 포함한 상태로 다시 마스터에게 되돌아옵니다.
  4. 결과: 이 방식 덕분에 각 슬레이브마다 개별적인 프레임을 주고받거나, 스위치에서 프레임을 저장/전달(store-and-forward)할 필요가 없어집니다. 결과적으로 네트워크 대역폭을 극도로 효율적으로 사용하게 되며, **매우 짧은 통신 사이클 타임(Cycle Time)**과 **낮은 통신 지연(Latency)**을 달성할 수 있습니다.

표준 이더넷과의 관계

  • 물리 계층: 표준 이더넷 물리 계층(예: 100BASE-TX, Cat.5 이상의 케이블)을 그대로 사용합니다.
  • 프레임 형식: 표준 IEEE 802.3 이더넷 프레임 형식을 사용합니다.
  • 데이터 링크 계층: 표준 이더넷 프레임을 사용하지만, EtherCAT 세그먼트 내부에서의 통신 방식(Processing on the fly)은 표준 IP 기반 통신과는 다릅니다. 즉, EtherCAT 슬레이브 간의 통신은 일반적인 TCP/IP나 UDP/IP 트래픽이 아닙니다. (마스터는 표준 이더넷 포트를 통해 네트워크와 연결됩니다.)

성능 특성

  • 초고속 통신: 매우 효율적인 프레임 처리 방식으로 수 마이크로초(µs) 내에 수천 개의 디지털 또는 수백 개의 아날로그 I/O 포인트를 업데이트할 수 있습니다.
  • 초정밀 실시간성 및 동기화:
    • 통신 시간 편차(Jitter)가 극히 낮아(< 1µs), 매우 정밀한 제어가 가능합니다.
    • 분산 클럭 (Distributed Clocks, DC) 메커니즘을 사용하여 네트워크상의 모든 슬레이브 장치들의 내부 시계를 나노초 단위까지 매우 정확하게 동기화합니다. 이는 다축 로봇 제어 등 여러 장치가 완벽하게 협조해야 하는 애플리케이션에 필수적입니다. 이 동기화 정밀도는 PROFINET IRT나 EtherNet/IP의 CIP Sync와 동등하거나 그 이상입니다.

주요 특징

  • 유연한 토폴로지: 물리적으로는 라인(Line), 트리(Tree), 스타(Star) 등 다양한 형태로 배선할 수 있습니다. 하지만 논리적으로는 항상 링(Ring) 구조로 작동합니다 (프레임이 마스터에서 출발하여 모든 슬레이브를 거쳐 다시 마스터로 돌아옴).
  • 자동 주소 할당: 네트워크 상의 물리적인 위치에 따라 슬레이브 장치의 주소가 자동으로 할당되어 초기 설정이 간편합니다.
  • 표준 프레임 사용: 기본 작동을 위해 PROFINET IRT처럼 특수한 IRT 스위치가 필요하지 않습니다 (표준 이더넷 스위치를 통과할 수도 있지만, 성능 최적화를 위해 직접 연결 또는 EtherCAT 전용 분배기/정션 사용이 일반적).
  • 저렴한 슬레이브 하드웨어: 슬레이브 구현에 필요한 ESC 하드웨어는 상대적으로 저렴하여 비용 효율적입니다.

특화 기술

  • FSoE (Fail Safe over EtherCAT): EtherCAT 네트워크 상에서 기능 안전(Functional Safety) 데이터를 전송하기 위한 TÜV 인증 프로토콜입니다 (SIL 3 등급 가능). 제어 데이터와 안전 데이터가 동일한 통신 매체를 통해 전달됩니다 ("블랙 채널" 원리).
  • EtherCAT P (Power): 하나의 표준 4선식 이더넷 케이블(주로 M8 커넥터 사용)을 통해 EtherCAT 통신과 장치 구동 전원(예: 주변장치용 24V 전원 Us, 모터용 48V 전원 Up)을 동시에 공급하는 기술입니다. 배선을 더욱 간소화할 수 있습니다.

장점

  • 압도적인 실시간 성능: 속도, 정밀한 결정론성, 뛰어난 동기화 능력.
  • 높은 대역폭 효율: 단일 프레임으로 다수 노드 처리.
  • 유연한 토폴로지: 다양한 물리적 배선 가능.
  • 간편한 설정: 자동 주소 할당.
  • 비용 효율적인 슬레이브: 상대적으로 저렴한 ESC 하드웨어.
  • 강력한 동기화: 분산 클럭(DC) 기능.

단점

  • 마스터 구현: 마스터는 표준 이더넷 포트를 사용하지만, 고성능을 내기 위해서는 운영체제(OS)나 드라이버의 실시간 성능이 중요하며, 구현에 주의가 필요합니다.
  • IT 통합: 슬레이브 레벨에서 직접 표준 TCP/IP 서비스를 제공하는 것이 EtherNet/IP나 PROFINET처럼 간단하지 않습니다. 필요시 마스터의 게이트웨이 기능이나 별도의 게이트웨이 장치를 이용해야 할 수 있습니다.
  • 문제 해결: 독특한 작동 방식 때문에 네트워크 문제 발생 시 원인 분석에 EtherCAT 전용 분석 도구나 전문 지식이 필요할 수 있습니다.
  • 시장 점유율: 전체 산업용 이더넷 시장 점유율은 PROFINET이나 EtherNet/IP보다 낮지만, 특정 고성능 애플리케이션 분야에서는 매우 강력한 입지를 가지고 있습니다.

현재 상태 (2025년 4월 기준)

EtherCAT은 특히 최고 수준의 성능과 정밀한 동기화가 요구되는 분야에서 매우 성공적으로 자리 잡았습니다. 주요 응용 분야로는 로봇 제어, 반도체 제조 장비, 공작 기계, 포장 기계, 인쇄 기계, 시험 및 계측 시스템, 고성능 모션 제어 시스템 등이 있습니다. EtherCAT 기술 그룹(ETG)은 전 세계적으로 수많은 회원사를 보유하며 방대한 제품 생태계를 구축하고 있습니다. 또한 **EtherCAT G (기가비트 이더넷 기반)**와 같은 기술 발전을 통해 성능을 더욱 향상시키려는 노력을 지속하고 있습니다.

 

요약하자면, EtherCAT은 "Processing on the fly"라는 독특한 원리를 기반으로, 표준 이더넷 기술을 활용하여 압도적인 실시간 성능과 동기화 정밀도를 제공하는 고성능 개방형 산업용 이더넷 솔루션입니다.