EtherCAT이란?

이더캣^EtherCAT은 Ethernet for Control Automation Technology의 약자로, 산업 자동화 분야에서 실시간 이더넷 통신을 지원하는 고성능 필드버스 시스템입니다. 2003년 독일의 벡호프 오토메이션^{Beckhoff Automation}에서 개발되었으며, EtherCAT 기술 그룹^{EtherCAT Technology Group, ETG}을 통해 국제 표준으로 발전하였습니다.

EtherCAT의 특징

고속 통신

EtherCAT은 데이터 프레임이 각 슬레이브 노드를 거치면서 필요한 데이터를 바로 처리하는 On the Fly 방식을 사용하여 매우 낮은 지연 시간과 높은 데이터 처리량을 제공합니다. 이를 통해 실시간 제어가 가능하며, 마이크로초 수준의 짧은 사이클 타임을 지원합니다.

확장성

EtherCAT 네트워크는 수백 개의 슬레이브 장치를 쉽게 연결할 수 있으며, 다양한 네트워크 토폴로지를 지원합니다. 링, 선형, 트리 구조 등 다양한 구성을 통해 시스템 요구 사항에 맞게 유연하게 사용할 수 있습니다.

저비용

EtherCAT은 표준 이더넷 기술을 기반으로 하기 때문에 특수한 하드웨어 없이도 기존의 네트워크 인프라를 활용하여 비용을 절감할 수 있습니다. 또한, 고성능 통신이 필요한 경우에도 상대적으로 저비용으로 구현이 가능합니다.

동기화 기능

EtherCAT은 분산 클럭^{Distributed Clocks, DC} 기술을 통해 네트워크에 연결된 모든 슬레이브 장치의 시간을 정밀하게 동기화합니다. 이를 통해 모든 장치가 동기화된 상태에서 동작하여 정밀한 제어를 가능하게 합니다.

EtherCAT의 작동 방식

EtherCAT 네트워크는 마스터-슬레이브 구조로 이루어져 있으며, 마스터 장치는 네트워크의 중앙에서 모든 통신을 제어하고 관리합니다. 슬레이브 장치는 마스터의 명령에 따라 데이터를 송수신하며, 각 슬레이브는 자신의 데이터를 프레임에서 읽고 필요한 부분을 수정합니다.

On the Fly 처리

EtherCAT의 핵심 기술 중 하나는 데이터 프레임이 각 슬레이브를 거쳐가며 바로 처리되는 방식입니다. 이 방식 덕분에 슬레이브 장치에서의 데이터 처리 시간이 매우 짧아지고, 전체적인 네트워크 지연 시간이 줄어듭니다.

Shift-Register

EtherCAT은 단일 데이터 프레임을 사용하여 여러 슬레이브의 데이터를 한 번에 전송할 수 있습니다. 이 데이터 프레임은 모든 슬레이브를 순차적으로 거치며, 각 슬레이브는 자신이 필요로 하는 데이터를 읽고 쓸 수 있습니다.

EtherCAT의 상태와 상태 머신

EtherCAT 슬레이브 장치는 네트워크에 연결되어 정상적으로 작동하기 위해 다양한 상태^State를 가지며, 이러한 상태 간의 전환을 관리하는 State Machine을 통해 제어됩니다. 주요 상태는 다음과 같습니다:

• Init: 초기화 상태로, 슬레이브가 설정되고 초기 구성을 시작하는 단계입니다.
• Pre-OP: 기본적인 통신이 가능한 상태로, 슬레이브의 구성이 완료되지 않은 상태입니다.
• Safe-OP: 입력 PDO는 읽을 수 있지만 출력 PDO는 비활성화된 상태입니다. 안전성을 위해 출력이 제한됩니다.
• OP: 완전한 동작 상태로, 슬레이브가 마스터와 실시간으로 데이터를 주고받으며 모든 기능이 활성화된 상태입니다.
  이러한 상태는 마스터의 명령에 따라 전환되며, 네트워크의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 필요합니다.