Beckhoff가 개발한 초고속 EtherCAT은 20년간 업계에서 성공적으로 사용되어 왔으며, 실시간 이더넷 통신을 위한 개방형 글로벌 표준으로 자리매김했다. © Beckhoff

 

 

 

EtherCAT의 역사가 시작된 지 20년이 넘었지만 여전히, 지금도 그 어느 때보다 성공적으로 사용되어 오고 있다. Beckhoff에서 개발해 2003 하노버 메세에서 처음 선보인 이 통신 시스템은 다양한 어플리케이션에서 고성능 실시간 이더넷 솔루션으로 자리매김했으며, 지속적인 기술 개발을 통해 존재감을 나타내고 있을 뿐만 아니라 개방형 IEC 표준으로까지 채택되었다. 이 인터뷰에서는 Hans Beckhoff와 Martin Rostan이 회사 역사에서 흥미로웠던 시기에 대해 설명하고, Johannes Beckhoff는 미래의 요구사항에 포커스를 맞춘 차세대 경영에 대해 설명한다. (출처: PC Control 01/2023, Beckhoff Automation, 독일)

 

 

 

 

Hans Beckhoff(가운데)와 Martin Rostan(왼쪽)은 지난 20년간 거둔 EtherCAT의 성공을 되돌아보고, Johannes Beckhoff(오른쪽)를 통해 다음 세대와 그들이 수년간에 걸친 경험을 공유했다. © Beckhoff

 

1989년 Beckhoff는 Lightbus라는 고성능 버스 시스템을 처음 선보였습니다. EtherCAT이라는 새로운 통신 시스템을 개발하게 된 이유는 무엇이었나요?

Hans Beckhoff: Beckhoff는 자동화 분야에서 고성능 제어와 성능의 한계를 뛰어넘기 위해 지속적인 노력을 하는 회사로 잘 알려져 있습니다. 이 모두는 PC기반제어 기술의 원리를 기반으로 하며, 이를 통해 높은 컴퓨팅 파워를 비롯한 PC의 모든 장점들을 기계에서 직접 활용할 수 있습니다. 데이터 통신과 관련해서는 1989년 Lightbus라는 훌륭한 솔루션을 개발했습니다. 2000년대 초반에는 PC에 이더넷 인터페이스가 표준으로 채택되었고, 이더넷 인터페이스가 통합된 최초의 프로세서가 시장에 출시되었습니다. EtherCAT은 IT 세계와 자동화를 연결한다는 Beckhoff의 철학에 따라 기계에서 이 새로운 정보 기술 매체를 사용하기 위해 개발되었습니다. Lightbus뿐만 아니라 CANopen과 PROFIBUS 같은 다른 모든 필드버스와 관련된 Beckhoff의 방대한 기술들이 이 컨셉에 통합되었습니다. 이는 확실히 EtherCAT의 성공에 기여했습니다.

Martin Rostan: Lightbus와 다른 필드버스 및 최초의 산업용 이더넷 기술이 더 이상 PC의 성능 향상을 따라잡을 수 없다는 사실이 우리의 출발점이었습니다. 당시에는 모두 분산되어 있었기 때문에 제어 아키텍처가 매우 복잡했습니다. 반면에 PC 기반 제어는 주로 중앙 집중식 제어 방식에 의존하며 이에 상응하는 고성능 통신 기술을 필요로 합니다. EtherCAT은 이러한 격차를 해소하여 데이터 통신의 병목 현상을 없앴고, 약 20년이 지난 오늘날에도 그 역할을 계속하고 있습니다.

Hans Beckhoff: 맞습니다. 이더넷과 그것이 제공하는 100 Mbit/s의 데이터 속도를 통해 제어 기술은 10배의 전송 속도 향상이라는 이점을 누릴 수 있었습니다. 당시의 RS485 및 CAN 기반 네트워크는 잘 작동했지만, 대역폭과 성능 측면에서 제한적이었습니다.

 

이더넷과 관련해 이 기술을 산업 규모로 구현할 때 가장 중요했던 측면은 무엇이었나요?

Hans Beckhoff: 이더넷 프로토콜은 1비트 리미트 스위치 값이나 16비트 아날로그 값 같이 기계 환경에서 흔히 볼 수 있는 작은 정보 단위가 아닌 대량의 데이터와 긴 데이터 텔레그램을 전송하기 위해 개발되었습니다. 이를 염두에 두고 100 Mbit/s의 데이터 속도와 자동화 환경에서 볼 수 있는 1~16 비트 범위 사이에서 통합점을 찾는 것이 과제였으며, 우리는 EtherCAT을 통해 이상적인 솔루션을 구현할 수 있었습니다. 우리는 이를 위해 필요한 기술적 원리를 완전히 재창조했을 뿐만 아니라 이를 EtherCAT 프로토콜과 EtherCAT 하드웨어에 통합했습니다.

Martin Rostan: 우리는 Lightbus에서 텔레그램을 처리하는 기본 원리를 가져와 데이터 통신을 완전히 새로운 차원으로 끌어올렸습니다. 또한 자동화 기술 영역에 등장한 새로운 이더넷 기술을 적극적으로 활용하여 이더넷의 주요 병목 현상을 해소해 실시간 통신을 지원했습니다. 여기에는 높은 프로토콜 효율성, 즉 가용 대역폭의 90% 이상을 활용하는 것이 주요 요인으로 작용했습니다. 또한 프로토콜의 복잡성이 하드웨어에 완전히 매핑되어 장비 제조업체의 전체 EtherCAT 구현 프로세스가 크게 단순화되었다는 점도 중요했습니다.

 

 

 

ETG의 Executive Director이자 Beckhoff의 기술 마케팅 Senior VP인 Martin Rostan은 다음과 같이 이야기한다. “EtherCAT의 기본 프로토콜은 항상 동일하게 유지되어 왔으며, 100% 하위 호환 가능한 방식으로만 확장되어 왔습니다.” © Beckhoff

 

 

Beckhoff의 대표이사 겸 소유주인 Hans Beckhoff는 다음과 같이 설명했다. “필드버스 메모리 관리 디바이스는 EtherCAT의 필수 기능 중 하나로, 분산형 메모리에서 즉시 데이터를 가져오거나 다시 쓸 수 있습니다.” © Beckhoff

 

EtherCAT의 근본적인 장점을 어떻게 요약할 수 있을까요?

Hans Beckhoff: 우선, 기존의 RS485 및 CAN 기반 필드버스는 파티라인 버스라고 하며, 단일 연결에 여러 디바이스가 있습니다. 그 결과 네트워크 진단 및 문제 해결이 훨씬 더 복잡합니다. 각 전송 경로를 제대로 진단할 수 있도록 EtherCAT에 이더넷의 지점 간 연결을 채택한 이유가 바로 이것이며, 핵심 기능입니다. 또한 마스터에 특수한 통신 카드 없이도 표준 이더넷 텔레그램으로 관리할 수 있다고 판단했으며, 이는 여전히 EtherCAT의 주요 장점입니다. 하지만 가장 큰 장점은 앞서 설명한 프로토콜 효율성, 즉 64~1,500바이트 이더넷 텔레그램에서 즉시 데이터를 가져오거나 추가할 수 있다는 점입니다. 이는 동일한 네트워크에서 단일 텔레그램으로 65,000개가 넘는 수많은 자동화 디바이스의 수많은 작은 정보 단위에 대해 높은 대역폭을 일관되게 사용할 수 있는 유일한 방법입니다.

Martin Rostan: 이 원리는 네트워크 노드가 언제든지 데이터를 삽입하거나 제거할 수 있기 때문에 컨트롤러가 데이터 텔레그램에서 프로세스 이미지를 완벽하게 컴파일할 수 있다는 또 다른 이점을 제공합니다. 따라서 인터페이스 카드를 통해 구현하기 복잡한 다른 시스템에서 요구되는 비트 연산이 필요하지 않습니다. 반면에 EtherCAT 마스터는 완전하게 사전 정렬된 프로세스 이미지를 사용하고 직접 처리할 수 있기 때문에 컨트롤러에 어떤 영향도 미치지 않습니다. 따라서 EtherCAT은 사이클 타임이 매우 짧은 실제 통신뿐만 아니라 모든 업스트림 및 다운스트림 프로세스 단계에서도 매우 빠르게 작동합니다.

Hans Beckhoff: 맞습니다. 그리고 이 원리는 메모리 관리 디바이스의 IT 기능을 기반으로 하기 때문에 이를 필드버스 메모리 관리 디바이스(FMMU)로 더욱 발전시켰습니다. FMMU는 EtherCAT의 필수 기능 중 하나로, 데이터를 분산형 메모리에서 즉시 가져오거나 다시 쓸 수 있어 물리적 디바이스의 데이터와 활성 텔레그램의 데이터 간에 모든 종류의 매핑이 가능합니다. 또한 개별 작업과 프로세서 코어가 FMMU를 통해 매우 효과적으로 매핑되고 해당 시간 수준으로 정의될 수 있는데, 이는 최신 작업 기반 제어 기술에 완벽하게 부합합니다. EtherCAT의 또 다른 핵심 기능은 통신 시스템에 정의되고 자동으로 동기화되는 시스템 시간을 제공하는 분산 클럭에서 찾을 수 있습니다. 이 기능은 고급 제어 개념은 거의 항상 타임슬라이스 기반이며 데이터와 신호에 동기화된 샘플링 포인트가 필요하다는 점에서 매우 중요합니다. 분산 클럭이라는 개념은 이전 필드버스에서는 존재하지 않았습니다.

 

이러한 EtherCAT의 장점들은 시장에서도 인정받고 있나요?

 

Hans Beckhoff: 물론입니다. 이 모든 장점들은 본질적으로 논리적이며 전 세계 엔지니어들이 이해하기 쉽고 선호하는 기술로 귀결됩니다. 또한 이러한 감성적인 측면은 EtherCAT이 전 세계적으로 확고히 자리매김한 이유 중 하나입니다.

Johannes Beckhoff: 저는 초기 개발 단계에 직접적으로 참여하지는 않았지만, 이 점에 동의할 수밖에 없네요. EtherCAT은 기본적으로 고성능인 동시에 단순하고 논리적인 프로토콜입니다. 다른 시스템을 살펴보지도 않고 처음부터 스스로에게 'EtherCAT이 분명히 최적의 솔루션인데, 산업용 이더넷에 다른 무언가를 사용할 것인가?'라고 물었습니다.

Martin Rostan: 맞습니다. 당시 우리는 'EtherCAT은 엔지니어의 선택'이라는 문구까지 만들 정도였습니다. EtherCAT은 과거에도 그랬고 지금도 그렇지만, 다른 기술과 비교했을 때 더 설득력 있는 기술이며 기술적인 측면에서 이 기술의 사용을 정당화하기가 쉽습니다.

 

 

 

 

Beckhoff R&D 부서에서 근무하고 있는 Johannes Beckhoff는 다음과 같이 이야기한다. “EtherCAT을 통해 지능형 이송 시스템 XTS와 XPlanar를 중앙에서 관리하고 프로그래밍할 수 있어 훨씬 쉽고 편리한 사용자 경험을 제공할 수 있습니다” © Beckhoff

2003 하노버 메세에서 EtherCAT 프레젠테이션은 Beckhoff에게 얼마나 중요했으며, 시장의 반응은 어땠나요?

Hans Beckhoff: 6명의 전문가로 구성된 핵심 그룹인 개발팀에게 이 행사는 의미있는 행사였으며 우리 모두가 자랑스러워했습니다. 원리를 최대한 효과적으로 보여주기 위해 행사장에 가로 4미터에 달하는 거대한 프레젠테이션 벽을 설치했으며, 오실로스코프를 사용해 리얼타임 기능을 시연하기까지 했습니다. 처음부터 끝까지 모든 것이 놀라울 정도로 잘 진행되었고 고객들은 기대했던 만큼 열광적이었습니다. 다른 필드버스 조직과 제어 공급업체의 경영진들도 분명히 놀랐을 것입니다. 놀라서 아무 말도 못하고 얼굴이 창백해지던 사람들을 떠올리면, 이는 확실합니다!

Martin Rostan: 맞아요. 한 경쟁업체의 경영자가 입을 벌리고 얼굴이 창백해진 채로 인사도 생략하고 부스를 떠나던 모습이 아직도 생생합니다. 그것으로 모든 것이 설명되죠. 작동 원리를 이해한 모든 사람들은 즉시 열광했고, EtherCAT이 산업용 이더넷을 사용하는 가장 좋은 방법이라는 사실을 확인시켜 주었습니다.

 

EtherCAT의 성공에 기여한 주요 요인은 SPS 2003 전시회에서 이 프로토콜을 공개하고 ETG(EtherCAT Technology Group)을 설립한 것이었습니다. Beckhoff가 해당 시기에 EtherCAT을 공개한 이유는 무엇인가요?

Hans Beckhoff: 의심할 여지없이 ETG의 설립은 최첨단 기술만큼이나 우리의 성공에 크게 기여했습니다. Martin이 설립한 ETG는 현재 전 세계에 EtherCAT 기술을 알리는 독립적인 조직으로 성장했습니다. ETG가 없었다면 EtherCAT은 흥미롭지만 소수 사용자의 선택을 받은 기술에 머무른 채, 현재와 같은 전 세계적으로 인정받는 표준으로서의 명성을 얻지는 못했을 것입니다.

Martin Rostan: Beckhoff는 항상 개방성을 지지하고 관련된 모든 개방형 필드버스 기술을 지원해 왔습니다. 당시에 약 20개의 서로 다른 통신 시스템과 산업별 변형이 있었는데, Beckhoff는 관련 전문가를 모두 보유하고 있었습니다. 이러한 경험은 기술적인 측면뿐만 아니라 각 사용자 조직의 장점과 단점 측면에서도 ETG에 반영되었습니다. 다시 한번 말하지만, 여기에는 개방성이라는 측면이 포함되는데, ETG 회원들은 EtherCAT 기술 개발이 관리되는 방식을 매우 높이 평가합니다. Beckhoff가 기술을 주도하지만 모든 파트너의 요구사항을 일관되게 고려합니다. 개방형 필드버스 구성의 원칙은 여기에서 명확하게 입증되었습니다. 현재 ETG가 72개국에서 7,000명 이상의 회원사를 보유하고 있으며, 아시아 회원이 40% 이상을 차지하는 세계 최대의 필드버스 조직이 된 것은 당연한 결과입니다. 미주 지역 회원의 비율이 무려 '14%'정도로 성장하여 미국 최대의 필드버스 협회로 자리매김했습니다. 또한 기기 제조업체와 최종 사용자 모두가 처음부터 참여했다는 점도 EtherCAT의 사용성 측면에서 중요합니다.

 

EtherCAT은 20주년을 맞이했고, 오늘날에도 여전히 최고로 인정받고 있습니다. 오늘날에도 여전히 최고의 산업용 통신 시스템인 이유는 무엇일까요?

Hans Beckhoff: 지난 20년 동안 이 기술은 기본 프로토콜을 변경할 필요가 없을 정도로 잘 설계된 것으로 입증되었습니다. 이는 우리가 성공한 근본적인 요인입니다. 또한 제어 시스템 간 통신을 위한 EtherCAT Automation Protocol(EAP) 같이 다른 어플리케이션 수준에도 EtherCAT 원리를 적용했습니다. 우리는 1 Gbit/s 및 10 Gbit/s으로 EtherCAT G 확장을 선보였으며, 이는 EtherCAT 프로토콜이 매우 빠르게 증가하는 속도에서도 문제 없이 작동한다는 것을 의미합니다.

Martin Rostan: 사실 기술 자체를 변경할 필요가 없다는 점이 EtherCAT의 고유한 장점 중 하나입니다. 칩에 포함된 기본 프로토콜은 항상 동일하게 유지되어 왔고, 하위 호환이 완전히 가능한 방식으로만 확장되었습니다. 이는 전체적으로 하위 호환성이 보장되는 Safety over EtherCAT에도 동일하게 적용됩니다. 100 Mbit/s 디바이스도 EtherCAT G 네트워크에서 통합 및 운영할 수 있습니다. 이 모든 것은 20년이 지난 공장에서도 현재의 EtherCAT 디바이스가 여전히 작동할 수 있고, 그 자체만으로도 많은 사용자가 이 필드버스 옵션을 선택할 충분한 이유가 되며, 향후에도 제어 아키텍처에 병목 현상이 발생하지 않을 것이라는 것을 의미합니다. 대부분의 어플리케이션에서는 100 Mbit/s가 계속 유지될 것이지만, EtherCAT G는 향후 20년간의 모든 하이엔드 요구사항을 기술 중단 없이, 아무 문제 없이 충족할 수 있는 충분한 잠재력을 제공합니다.

Johannes Beckhoff: 저도 Martin 의견에 동의합니다. 100 Mbit/s는 대부분의 기계 요구사항을 처리하기에 충분하며, 심지어 1 ms 미만의 사이클 타임에서도 충분합니다. EtherCAT G를 사용해 서브밀리초 사이클에서 수 킬로바이트의 데이터를 처리하는 XPlanar나 Vision 어플리케이션 같은 극도로 데이터 집약적인 어플리케이션을 구현할 수 있습니다. EtherCAT G가 없다면 타일을 최대 20개까지만 사용할 수 있기 때문에 초대형 XPlanar 시스템을 개발할 수 없었을 것입니다. Gbit/s 데이터 속도로 이미 100개 이상의 타일을 지원하고 있습니다. 이는 일반적으로 100 Mbit/s의 전송 속도로 작동하는 XTS 리니어 이송 시스템에도 적용되지만, 효율적인 EtherCAT 프로토콜이 없었다면 전혀 불가능했을 것입니다. 여기에서도 250 µs의 매우 짧은 사이클 타임으로 수 킬로바이트의 데이터를 전송해야 하기 때문입니다. 다른 통신 시스템은 이러한 기능을 수행할 수 없으며 유사한 시스템을 위해서는 정교한 분산형 제어 아키텍처가 필요합니다.

Hans Beckhoff: 하나의 CPU에서 전체 프로세스의 수학적-물리적 모델을 계산할 수 있게 해주는 것이 우리의 중앙 제어 철학입니다. 기본적으로 중추 뇌가 중추 신경계를 통해 신체로부터 모든 데이터를 수신하는 인간과 동일한 방식으로 작동합니다. 뇌는 하위 루틴 측면에서 모듈식으로 구조화되어 있으며, 원하는 동작이나 필요한 동작을 효과적으로 수행합니다. Beckhoff의 자동화 기술은 동일한 원리를 기반으로 하기 때문에 EtherCAT은 최대한 많은 주변 데이터를 중앙 제어 모델로 빠르게 유입시키는 기계의 중추 신경계에 해당합니다. Beckhoff가 자동화 공급업체로서 성공을 거둘 수 있었던 것은 바로 이러한 접근 방식, 즉 PC 기술, EtherCAT, 중앙 제어 철학이라는 '기술적 삼박자'를 추구했기 때문입니다.

 

현재와 중기적으로 EtherCAT 개발은 어떤 주제에 초점이 맞춰져 있나요?

Hans Beckhoff: 이더넷 기반 시스템으로서 EtherCAT과 EtherCAT 제품은 시중의 하드웨어 계층을 계속 따를 것입니다. 현재에도 RJ45, M8, 플라스틱, 광섬유 케이블을 위한 다양한 Beckhoff 전용 커플러 설계가 이미 제공되고 있으며, 향후 시장과 관련된 다른 물리적 전송 유형을 포함하도록 확장할 예정입니다. 또 다른 주요 개발 단계는 원 케이블 솔루션을 위한 하이브리드 기술의 도입입니다. 이것이 바로 데이터와 전력을 4코어 표준 이더넷 케이블에 통합한 EtherCAT P를 개발하게 된 계기입니다. 이러한 맥락에서 특히 흥미로운 또 다른 개발은 향후 분산형 자동화를 위한 표준 원형 커넥터로 IEC 표준에 포함될 예정인 B12, B17, B23, B40 크기의 EtherCAT P 하이브리드 커넥터 시리즈입니다. 우리는 처음에 통신 프로토콜로 EtherCAT을 시작했고 이더넷이 제공하는 완전한 하드웨어 물리를 사용했습니다. 또한 시스템을 최대한 실용적으로 만들기 위해 자동화에 필요한 추가 전자기계 기능을 개발했습니다. 이러한 맥락에서, EtherCAT P는 EtherCAT P 커넥터 시리즈와 마찬가지로 엄청난 진전을 의미합니다.

Martin Rostan: 자동화에서 점점 더 중요해지고 있는 또 다른 주제는 사이버 보안입니다. EtherCAT의 아키텍처와 특정 속성은 이미 시스템에서 이러한 과제를 해결할 수 있는 모든 것을 기본적으로 제공하기 때문에 다양한 이점을 제공합니다. 더 좋은 점은 새로운 프로토콜 버전, 하드웨어 변경, 특별한 조치 없이도 EtherCAT이 이 모든 것을 처리할 수 있다는 것입니다.

 

 

링크:

www.beckhoff.com/ethercat

www.ethercat.org

 

 

Beckhoff의 전문가들

 

 

 

Hans Beckhoff는 물리학을 전공했으며 Beckhoff Automation의 대표이사 겸 소유주이다. 그는 1980년 East Westphalia의 Verl 지역에 회사를 설립하고 PC 기반 제어 기술 이론을 정립하여 경제적, 기술적 성공의 토대를 마련했다. © Beckhoff

 

 

 

Johannes Beckhoff는 Hans Beckhoff의 아들로 2019년에 Beckhoff Automation에 입사했다. 물리학 석사 학위를 취득한 후 기초 연구 및 개발 프로세스에 매진하고 있으며, PC 기반 제어의 기술적 미래를 구체화하는 데 기여하고 있다. © Beckhoff

 

 

 

Martin Rostan은 공학을 전공했으며 Beckhoff의 기술 마케팅 Senior VP이자 Nuremberg 지역에 위치한 EtherCAT Technology Group(ETG)의 Executive Director이다. 1998년 회사 최초의 필드버스 제품 매니저로 입사한 이래 25년 동안 Beckhoff Automation에서 근무하고 있다. © Beckhoff

 

 

 

EtherCAT의 글로벌 성공

 

EtherCAT이 산업용 이더넷 시스템으로서 전 세계적인 성공을 거둘 수 있었던 것은 두 가지 핵심 요소, 즉 최고의 기술력과 EtherCAT Technology Group의 프레임워크 내에서 EtherCAT을 공개한 것에서 기인한다. 칩 공급업체, 디바이스 제조업체, 사용자들 사이에서 EtherCAT이 널리 인정받고 있다는 사실은 다음 ETG 통계 자료를 통해 확인할 수 있다.

- 72개국에서 7,000업체 이상의 ETG 회원이 가입되어 있으며 매년 400곳 이상의 신규 회원사가 가입하고 있다.

- 등록된 EtherCAT 디바이스 제조업체 수만 약 3,500에 달한다.

– EtherCAT 칩 공급업체12 곳에서 총 40개 이상의 다양한 칩을 제공한다.

- 230곳 이상의 제어 시스템 공급업체가 EtherCAT을 시스템 버스로 사용하고 있다.

- 200곳 이상의 모션 제어 공급업체에서 1,000개 이상의 드라이브 제품을 제공하고 있다.