PROFINET IRT : 실시간 그 이상의 솔루션

RPOFINET IRT는 왜 필요한가?

실시간 통신 프로토콜로 분류되는 PROFINET, EtherCAT 및 EtherNet/IP와 같은 산업용 통신 프로토콜들은 이미 1밀리초 정도의 빠른 사이클 타임과 10~100마이크로초의 지터를 달성할 수 있다.

하지만, 이 수준의 성능으로도 충분하지 않은 경우들이 있다. 현실적으로 데이터를 전송하고 처리하는 데 시간이 걸리기 때문이다. 또한 특정 애플리케이션에서는 생산 단계가 올바르게 수행되도록 데이터의 전송 및 처리 시간을 정확하게 동기화하는 것이 매우 중요하다.

특히 모션 제어 분야의 경우, 표준 실시간 PROFINET의 사이클 타임이 더 이상 충분히 빠르지 않고 지터 및 결정론 같은 다른 주요 지표가 이미 필요한 표준을 충족하지 못하는 지점까지 증가하면서 데이터 통신 속도와 성능에 대한 요구가 더 중요해졌다.

예를 들어 로봇 팔은 부품을 집어 올리거나 처리하기 위해 특정 시간에 정확하게 지정된 위치에 있어야 한다. 팔이 약간만 빠르거나 늦게 움직여도 프로세스의 심각한 중단을 초래할 수 있다. 이 경우, 신속하면서도 안정적인 데이터 전송 및 처리가 필요하다.

PROFINET IRT는 표준 실시간 통신이 한계에 도달하고 데이터 통신에서 매우 빠른 속도로 아주 정확한 동기화가 필요한 모든 곳에서 사용된다.

PROFINET IRT는 어떻게 동작하나?

PROFINET IRT는 네트워크 내에서의 특정 데이터 패킷 전송 시 결정론에 대한 매우 까다로운 사양을 요구한다. 이는 데이터가 네트워크 충돌이나 지터와 같은 지연의 영향 없이 미리 정해진 타임 프레임 내에 정확한 순서로 수신, 처리 및 전달되어야 함을 의미한다.

PROFINET IRT 네트워크는 이를 위해 타임 크리티컬 데이터 처리용 특정 타임 슬롯을 할당한다. 예를 들어, 네트워크 트래픽의 20%가 IRT 통신, 즉 PROFINET IRT에 예약된 경우 네트워크 트래픽은 5개의 타임 세그먼트로 나뉜다.

· 한 세그먼트는 IRT 통신에 전담된다

· 나머지 4개의 세그먼트는 정규 실시간 통신에 예약된다

이 경우, 네트워크는 주어진 시간의 80% 동안 표준 PROFINET 네트워크로 동작하고, 나머지 20% 동안 PROFINET IRT 관련 데이터 패킷만 처리함으로써 동기화되고 결정론적인 데이터의 전송을 보장한다. IRT 통신이 진행되는 동안, IRT 타임 세그먼트가 완료되면 정규 PROFINET 데이터 패킷이 버퍼에 모여 처리된다. 이 시스템이 효과적으로 동작하려면 PROFINET IRT 네트워크가 두 가지 필수 조건을 충족해야 한다.

1. 모든 IRT 장치 전체의 동기화

모든 PROFINET IRT 장치 전체가 일관된 동기화 주기를 유지해야 하는데, 이는 모든 장치에서 공유하는 고정밀 클럭으로 관리된다. PTP(Precision Time Protocol)와 같은 추가 메커니즘과 고정밀 클럭은 IEEE 1588 표준에 규정되어 있다. PROFINET IRT는 PTCP(Precision Transparent Clock Protocol)로 이 표준을 확장하고 있다. PTCP는 PROFINET IRT 장치 간 공유 클럭의 유지와 더불어 네트워크 스위치 및 관련 배선 간의 지연 시간도 계산한다.

2. 버퍼링 기능

지정된 IRT 통신 시간 동안 수신된 IRT 외의 이더넷 트래픽을 버퍼링하려면 네트워크 스위치 내에 추가 회로가 필요하다.

힐셔 netX의 PROFINET IRT

이러한 타임 크리티컬 데이터 통신의 요구 조건을 충족하려면 OSI 모델의 계층 1 및 계층 2, 특히 MAC 계층의 개입은 필수적이다. 이는 이더넷 통신이 TDMA(Time Division Multiple Access) 매체로 변환되는 동안 네트워크 장치들이 IRT 타임 세그먼트를 제공할 수 있도록 하기 위해 필요하다. 나머지 시간 동안에는 정규 PROFINET 통신 중에 데이터 전송이 표준 CSMA-CD(Carrier Sense Multiple Access - Collision Detect) 매체로 동작한다.

힐셔는 컨트롤러 애플리케이션용 PROFINET IRT를 공급하는 전 세계 몇 안 되는 기업 중 하나이다. 이는 해당 프로토콜 소프트웨어와 함께 개발된 힐셔의 netX 통신 컨트롤러를 통해 가능하다.

힐셔는 netX 기술로 이 문제를 해결한다. netX 컨트롤러는 OSI 계층 1과 2에 있는 고유한 xC 구조를 특징으로 하고 있다. 이 프로그래밍 가능한 마이크로컨트롤러와 힐셔의 PROFINET 프로토콜 스택을 사용하면 OSI 1, 2 계층에서의 PROFINET 네트워크 동작에 대한 규정이 가능하다.

netX의 핵심 기능은 이러한 작업들이 하드코딩되지 않고 마이크로코드를 통해 유연하게 조정할 수 있다는 것이다. 힐셔에서 제공하는 마이크로코드를 사용하면 사용자는 계층 2와 3 사이의 인터페이스에 액세스할 수 있다.

기존 PROFINET 유저가 PROFINET IRT를 도입해 활용하려면 무엇이 필요한가?

이미 PROFINET 솔루션을 사용하는 경우, 첫 번째 단계는 사용 중인 하드웨어가 IRT를 지원하는지 확인하는 것이다. IRT 표준에 따른 데이터 전송을 위해서는 하드웨어와 소프트웨어 둘 다 특수 사양을 충족해야 하기 때문에 대부분의 경우 IRT를 지원하지 않고 있다. 이러한 사양들은 대부분의 산업용 애플리케이션에서 필요한 것을 넘어서며 일반적으로 모션 제어나 로봇 공학과 같은 고성능 시스템에서만 필요하다. 안타깝게도 많은 PROFINET 지원 장치가 PROFINET IRT와 호환되지 않는다. 최악의 경우 PROFINET IRT 네트워크를 기존 설치와 완전히 별도로 처리하고 개발해야 한다.

netX를 이용한 PROFINET과 PROFINET IRT

netX 기술은 PROFINET에서 PROFINET IRT로의 전환을 훨씬 더 용이하게 해준다. 필요한 PROFINET IRT 구성은 이미 표준 PROFINET 스택에 통합되어 있으며 모든 netX 통신 컨트롤러에는 필요한 xC 구조가 제공된다. 고객은 하드웨어나 소프트웨어의 변경 없이, 네트워크 구성만 하면 된다.

이는 EtherCAT과 같은 다른 네트워크 기술에도 동일하게 적용된다. netX의 다중 프로토콜 기능으로 동일한 하드웨어에서 EtherCAT도 지원 가능하다.

네트워크 케이블의 길이 차이로 인해 발생되는 지연 시간은 어떻게 계산하나?

케이블 길이가 다르면 추가적인 지터가 발생되는데, 이는 불가피한 물리적 속성이므로 PROFINET IRT 네트워크 구현 시 각별한 주의가 요구된다.

예를 들어, 10cm 케이블을 통해 전송된 데이터 패킷은 100m 케이블을 통해 전송된 데이터 패킷보다 전송 시간이 짧다. PROFINET IRT 네트워크는 이러한 다양한 케이블 길이와 데이터 패킷 전송 중 발생하는 지터를 고려하여 컨트롤러가 네트워크상의 장치들을 적절히 관리할 수 있도록 해야 한다.

힐셔는 고객이 공장 레이아웃의 매핑과 장치 연결용 케이블 길이를 고려할 수 있는 ‘토폴로지 편집기’라는 편리한 툴을 제공하고 있다.

어떤 장치들이 PROFINET IRT에 적합한가?

PROFINET IRT의 사양을 충족하는 장치는 PROFINET 인증 프로세스의 일부인 적합성 등급 C(CC-C)로 분류된다. 이 등급은 최소 32.5마이크로초의 사이클 타임의 클럭 통신을 다룬다. CC-C는 PROFINET에 대한 가장 높은 등급의 까다로운 적합성 등급이다.

다른 적합성 등급도 있다. 기본 등급인 CC-A는 “일반” 실시간 통신, 비순환 실시간 전송 및 표준 TCP-IP 이더넷을 지원한다. CC-B는 CC-A 기반에 SNMP(Simple Network Management) 프로토콜의 지원을 추가한다. 적합성 등급들은 누적, 합산 형식이다. 즉, CC-C는 IRT 통신을 지원할 뿐만 아니라 CC-A 및 CC-B의 모든 기능도 포함한다.