EtherCAT
통신 데이터 관리
EtherCAT의 노드 수의 제한

EtherCAT의 노드 수의 제한

EtherCAT은 뛰어난 확장성을 가진 실시간 이더넷 기반 필드버스입니다. 하지만 이론적으로 연결 가능한 노드 수와 실제 구현 가능한 노드 수에는 차이가 있습니다. 이는 EtherCAT의 물리적 제한과 논리적 제한에 기인합니다.

노드 수의 물리적 제한

EtherCAT 프로토콜의 설계에서 슬레이브의 최대 수는 1024개로 제한됩니다. 이는 EtherCAT 프로토콜에서 사용되는 10비트의 주소 체계 때문입니다.

  • 주소 체계: EtherCAT은 슬레이브 장치를 식별하기 위해 10비트의 주소를 사용합니다.
  • 계산: 210=10242^{10} = 1024
  • 결론: 이론적으로는 1024개의 노드를 네트워크에 연결할 수 있습니다.

노드 수의 논리적 제한

실제로 네트워크에서 사용할 수 있는 노드 수는 프레임당 데이터 크기에 따라 제한됩니다. 특히 PDOProcess Data Object의 크기와 EtherCAT 프레임의 오버헤드가 중요한 요소로 작용합니다.

PDO Datagram의 제한

Ethernet MTU와 기본 오버헤드

  • Ethernet MTUMaximum Transmission Unit: 1500byte
  • Ethernet 헤더: 14byte (Destination MAC, Source MAC, EtherType)
  • CRC: 4byte (Ethernet 프레임 끝에 추가됨) 따라서 Ethernet 프레임에서 Ethernet 헤더와 CRC를 제외한 공간은
  • 1500−14−4=1482 byte

EtherCAT 헤더 오버헤드

  • EtherCAT 프레임에는 EtherCAT 프로토콜을 위한 헤더와 추가 정보가 포함됩니다.
    • EtherCAT 헤더: 일반적으로 2byte (FrameLength, type 등)
    • 워킹 카운터: 각 데이터그램마다 2byte가 사용됩니다. 따라서 PDO 데이터 영역은
  • 1482−4=1478 byte

32채널 DO 모듈의 경우

한 프레임에 포함할 수 있는 최대 모듈 수는

  • 1478 / 4 = 369

기타 데이터그램의 제한

  • 일반적으로 PDO 통신 중이라고 해도 프레임에 PDO 데이터만 포함되지 않습니다.
  • 슬레이브의 상태나 통신 상태를 확인하기 위한 여러 Broadcast 명령이나 Resgister 명령등이 포함될 수 있습니다.
  • 이는 마스터의 통신 전략에 따라 달라지며, 내용에 따라 논리적인 모듈 수는 더욱 제한될 수 있습나다.

EtherCAT 네트워크에서 논리적 제한을 따라야 하는 이유

EtherCAT 네트워크는 효율적이고 실시간 통신을 지원하도록 설계되었지만, PDO 데이터 크기와 Ethernet 프레임의 물리적 한계를 고려하지 않으면 성능 저하와 동기화 문제를 초래할 수 있습니다. 논리적 제한을 따르는 이유는 다음과 같습니다:

프레임 크기 초과로 인한 데이터 분할

EtherCAT은 Ethernet 프레임을 통해 데이터를 전송하며, 하나의 Ethernet 프레임 내에서 가능한 많은 슬레이브의 PDO 데이터를 포함하도록 설계됩니다. 하지만, 총 PDO 데이터 크기가 Ethernet 프레임의 MTU를 초과하면, EtherCAT은 데이터를 여러 Ethernet 프레임으로 분할하여 전송해야 합니다.

  • PDO 데이터가 쪼개지면 추가적인 오버헤드가 발생하며, 데이터 전송 지연이 증가합니다.
  • EtherCAT 마스터는 분할된 데이터를 수신한 뒤 이를 다시 조합해야 하며, 이 과정에서 추가적인 CPU 부하가 발생합니다.

실시간 동기 제어에 미치는 영향

EtherCAT 네트워크는 일반적으로 1ms 이하의 짧은 주기를 갖는 실시간 제어 시스템에서 사용됩니다. 슬레이브 간 동기화를 유지하기 위해 EtherCAT은 DCDistributed Clocks 또는 다른 동기화 메커니즘을 사용합니다.

  • 데이터가 여러 프레임으로 분할되면, EtherCAT 마스터가 각 프레임을 수신하여 처리하는 시간이 늘어납니다.
  • 특히, DC-Sync 모드와 같이 고도로 정밀한 동기화를 요구하는 환경에서는 이러한 처리 지연이 슬레이브의 동기화 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.
  • 이는 전체 네트워크의 동작 타이밍에 영향을 미쳐 제어 지연 또는 제어 불안정을 초래할 수 있습니다.

프레임 효율성 저하

EtherCAT의 주요 장점 중 하나는 프레임 내 데이터의 효율적 전송입니다. 하지만 PDO 데이터가 과도하게 커져 프레임이 분할되면, 각 프레임에는 EtherCAT 헤더와 워킹 카운터 같은 오버헤드가 포함되므로 전송 효율이 저하됩니다.

  • 각 분할된 프레임은 Ethernet 헤더(14byte), CRC(4byte), EtherCAT 헤더(16byte)를 포함하므로 오버헤드가 누적됩니다.
  • 데이터가 한 프레임에 담기지 않을 경우, 동일한 데이터 크기를 전송하기 위해 더 많은 프레임이 필요하며, 네트워크의 대역폭을 비효율적으로 사용하게 됩니다.
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