SERCOS Ⅲ 실시간 모션 네트워크와 Ethernet

완전 개방형의 모션 네트워크 솔루션인 SERCOS가 이더넷 하드웨어를 기본으로 채택하면서 모션 네트워크에서의 완전 개방화가 가능하게 되었다.  배선의 획기적인 절감과 제조설비에 대한 시스템 구축에 의해 납기가 단축됨으로써 소량다품종 생산을 위한 유연생산시스템(FMS)의 구현도 가능해진 것이다. 이에 완전 개방형의 실시간 모션 네트워크 프로토콜에 대한 주요 특징과 적용 방안을 알아본다. 

글_ 오승모 기자

실시간 모션컨트롤을 위한 개방형 네트워크 SERCOS(SErial Real-time COmmunications System)가 공작기계, 자동차, 디스플레이, 반도체 등 정밀 제조 장비 산업에서 서서히 부상하고 있다. SERCOS인터페이스는 서로 다른 디지털 컨트롤, 드라이브, 액추에이터 및 I/O 모듈을 위한 실시간 모션 네트워크 솔루션이다.

세계 최초의 개방형 모션 컨트롤 네트워크인 SERCOS와 관련한 각종 기술 및 산업에서의 응용방안을 연구하고 관련 기기를 개발하기 위해 구성된 IGS(Interests Group SERCOS interface)는 지난해말 기존의 SERCOS에서 한층 업그레이드 된 차세대 SERCOS 인터페이스인 SERCOS III를 발표했다.

이번 발표에서 엿보이는 가장 큰 변화는 모션 네트워크로 SERCOS를 사용할 경우, 기존의 네트워크 구성시 기기별 또는 계층별로 설치되었던 각종 광케이블을 최소화함으로써 현격한 배선비용 절감효과를 거둘 수 있다는 것이다.

광케이블에 대한 배선의 최소화가 가능한 것은 전세계적으로 잘 알려지고 일반화된 네트워크인 이더넷(Ethernet)을 기초로 한다는데 있다. 기술공유 범위가 크고 관련 하드웨어 제품군이 다양한 이더넷 하드웨어를 사용함으로써 시스템 코스트와 노드를 획기적으로 절약할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

배선비용의 절감과 납기단축이 최대 장점

지금까지 SERCOS는 SERCOS 그룹에서 표준칩을 만들어 왔다. 그러나 새로운 표준에서는 FPGA(Field Programmable Gate Array)나 통신 컨트롤러를 사용할 수 있게 되어 기존대비 50%이상의 비용절감이 가능하다는 분석이다. 또한 배선과 전용 커넥터에 소요되던 비용도 광커텍터와 광커플링을 통해서 절감이 가능하다.

이더넷을 사용하는 또 다른 이유는 프로그래밍에서 IP 레이어 사용이 가능하기 때문이다. 이는 개별 시스템의 사양에 맞는 SERCOS용 임베디드 카드를 사용자 PC에 꽂아서 프로그램을 진행하는 임베디드 시스템을 구성할 필요가 없다는 것을 의미한다. 엔지니어들은 이제 셋업된 드라이브의 이더넷 포트를 이용함으로써 이더넷 포트로 연결된 PC에서 간단하게 프로그래밍을 할 수 있게 되었다.

LCD, PDP 등의 디스플레이, 반도체, 휴대폰 등은 생산 기술이 빠르게 진보하고 있으며, 제품의 라이프사이클도 점점 짧아지고 있다. 이와 함께 소비자들의 다양한 개성을 만족시키기 위해 소량 다품종 생산이 일반화되고 있다. 이와 같은 소량 다품종 생산에 대응해야 하는 제조설비에는 개방형 네트워크가 필수적으로 요구된다.

기존의 하위 디바이스와 서보간의 네트워크 통합만으로도 제조 모델 변경에 따른 생산설비의 변동을 한결 수월하고 저렴하게 수행할 수 있기 때문이다. 또한 제조라인의 변경을 위해서 감수해야만 했던 라인 가동의 준비기간을 크게 단축시킬 수 있다는 장점도 가지고 있다. 다품종 소량생산에 가장 적합하도록 생산 시스템 자체를 생산 모델의 변경에 따라서 간단하고 빠른 시간 안에 변경시킬 수 있는 진정한 의미의 유연생산시스템(FMS)의 실현이 가능한 것이다.

이는 원자재와 인건비의 비용이 최소화된 현재의 제조 환경에서 제조원가의 절감을 위한 가장 기초적이고 핵심적인 사항이 될 것으로 전망된다.

물론 임베디드 시스템이 무조건 구식이라는 의미는 아니다. 자동차 라인에서의 용접로봇과 같이 다수의 동일한 제품을 한 라인에서 처리해야 하는 일종의 양산 설비에서는  임베디드 타입이 오히려 더욱 강력한 효과를 가져다 줄 수도 있다.

개방화와 표준화라는 장기적인 관점에서는 개방성이 강한 SERCOS와 같은 오픈 네트워크를 사용하는 것이 향후 과제가 될 것임에는 틀림없지만, 그렇다고 임베디드 시스템이 그 의미를 완전히 상실하지는 않을 것이라는 게 업계의 의견이다. 임베디드 시스템과 오픈 네트워크 시스템은 모두 나름대로의 장단점을 가지고 있기 때문이다.

하위 슬레이브와 서보간의 직접 통신이 가능

차세대 실시간 SERCOS로 발표된 SERCOS III는 다른 산업용 네트워크에 비해서 개방성과 실시간성의 실현을 최대의 무기로 하여 디바이스와 서보간의 오픈 네트워크를 위한 강력한 프로토콜로 부상하고 있다.

SERCOS III 프로토콜은 초기의 SERCOS 인터페이스로부터 링 구조를 채택하고 있다. 이더넷 계층에서 싱글 링 구조뿐만 아니라 더블 링 구조를 채택할 수 있도록 하고 있다. 더블 링 구조를 채택할 경우에는 링의 어느 한 곳에서 배선에 이상이 발생하더라도 에러 발생없이 실시간으로 데이터 전송을 가능하게 하는 이중화 시스템의 효과를 나타낼 수 있도록 업그레이드 되었다. 

설비가 가동되는 동안에 네트워크로 연결된 기기간의 신호가 끊어지더라도 설비 가동에는 전혀 지장을 주지 않고 복구할 수 있도록 한 것이다.

또한 링 구조에서 이중화 시스템이 필요없는 설비에서는 배선의 리니어 구성도 가능하며, 배선비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다. SERCOS III는 허브나 스위치가 필요하지 않기 때문에 표준 이더넷의 스타 토폴로지를 사용할 필요도 없게 되었다. 하위의 슬레이브와 서보간의 통신을 허브의 사용없이 직접 연결하여 통신을 하도록 한 것이다.

하위에 있는 슬레이브간의 직접적인 통신이 기존에는 불가능했다. 그러나 이것이 바로 모션컨트롤 어플리케이션에 있어서의 중요한 특징이다. 이더넷 계층은 슬레이브와 슬레이브간 데이터 전송을 가능하게 하며, 차세대 개방형 시스템인 SERCOS III는 이더넷을 기반으로 채용함으로써 이러한 하위 슬레이브간의 통신을 지원한다.

SERCOS 인터페이스는 파라미터나 개별 데이터와 같은 통신 데이터의 전송도 가능하게 한다. SERCOS III 프로토콜에서는 서비스 채널을 제공한다. 표준 이더넷 프레임에 의한 실시간 데이터 전송을 가능하게 하는 IP 채널도 추가할 수 있다. 사이클 채널과 IP 채널이 자연스럽게 연결되어 구성되는 것이다.

각 디바이스의 모듈화에 대한 엔지니어들의 요구는 모션컨트롤에 있어서도 다양한 동기 모듈을 탄생시켰다. 몇몇 제조설비를 지원하기 위한 솔루션들은 이미 SERCOS 인터페이스 프로토콜을 채용하기 시작했다. SERCOS III의 주요 목표중에 하나로 통신 타입에 있어서의 표준화를 들 수 있다. 완전 개방형 통신 시스템을 기반으로 누구나, 어떤 산업에서나 쉽게 활용 할 수 있도록 하고 있는 것이다.

이와 같이 SERCOS III는 모션 컨트롤 네트워크에 있어서 동기성과 실시간 통신을 동시에 추구하고 실현할 수 있다는 산업용 네트워크의 가장 큰 장점을 모두 갖추고 있다 할 것이다.

기존의 SERCOS 인터페이스는 SERCON 816이라는 통신 ASIC의 지원이 필수이지만 차세대 프로토콜인 SERCOS III는 더욱 유연한 하드웨어 솔루션을 필요로 한다. 그래서 SERCOS III IP라는 SERCOS 코어의 개발이 필요하다. 이로써 디바이스나 시스템 개발자들은 SERCOS III 하드웨어와 FPGA로 된 자체적인 로직 콤포넌트를 결합할 수 있는 것이다.

SERCOS III 하드웨어의 첫번째 프로토 타입은 올해 안에 개발이 가능할 예정이며, 2005년도에는 첫번째 상용제품이 출시될 것으로 전망된다.

개방형 네트워크에 대한 적극적인 응용 연구 요구

SERCOS 네트워크에 적극적으로 참여하고 있는 주요 업체로는 ABB, 보쉬 렉스로스, 로크웰 오토메이션, 모션엔지니어링(MEI), DANAHER Motion, 파커 하니핀, 슈나이더 오토메이션, 히다치 등이 있다. 이 가운데 유럽(특히 독일) 및 미국 지역 모션 관련 업체들의 적극적인 참여와 함께 히타치나 산요 등 일본 메이커들의 활약이 눈에 띈다. 특히 일본에서는 미쯔비시나 야스가와가 자사의 독자적인 모션 네트워크를 가지고 있으며, 시장에서도 많은 구축사례를 나타낸다. 이러한 상황에서 경쟁사들의 개방형 네트워크에 대한 보다 적극적인 참여와 연구개발은 미쯔비시나 야스가와 같은 기존의 독자 네트워크에도 어떠한 변화를 이끌어 낼 수 있을 것으로 전망된다.

회원사 중에서 중국업체로는 유일하게 Beijing HollySys가 참여하고 있는 것을 눈여겨 볼 필요가 있다. HollySys는 북경에 있는 제어기기 및 분석기기 전문업체로서 산업용 네트워크 분야에 남다른 관심을 내보이며 연구를 진행하고 있다. 중국에서 폭발적으로 증가하고 있는 반도체, 디스플레이 및 자동차 등의 제조설비에 대한 공격적인 마케팅을 진행중이다.

반면 국내에서 SERCOS 네트워크에 적극적인 관심을 가지고 있는 업체나 단체는 너무나 미약하다. 국내에서 정식 회원사로 활동하고 있는 업체는 져스텍과 삼성전자 2개 업체뿐이다.

삼성전자는 1998년 미국지역에 설립된 SERCOS N.A. 멤버로 가입하여 적극적인 현장 적용을 위한 연구개발을 진행하고 있다. 삼성전자가 가장 심혈을 기울이고 있는 LCD 디스플레이 장비분야에서 조만간 국내 첫번째 개방형 SERCOS III 네트워크가 구축될 전망이다. 이를 위해 삼성전자 메카트로닉스센터에서는 개방성과 확장성이 우수한 SERCOS 네트워크를 통해서 혁신적인 비용절감과 납기 최소화라는 목표를 세운 연구가 이제 마무리 단계에 들어선 것으로 파악되고 있다.

리니어 모션 전문개발업체인 져스텍은 유럽에 기반을 두고 1994년에 설립된 IGS(Interests Group SERCOS interface)에 회원사로 가입하고 모션 시스템에서의 개방형 SERCOS 네트워크 구축에 적극 나서고 있다.

또한 현대중공업과 터보테크도 개방형 차세대 모션 네트워크인 SERCOS에 적극적인 관심을 보이고 있다.

SERCOS 인터페이스에 대하여

1980년대에 독일에서 처음 ZVEI(독일 전기 전자 제조자 협회)와 VDW(독일 경제인 연합회)가 아날로그 신호를 디지털 신호로 전송할 수 있는 간편한 디지털 오픈 인터페이스를 연구하기 위한 컨소시엄을 구성하면서 출현하였다.

처음 발표된 SERCOS의 전송속도는 초당 2Mbit와 4Mbit 였으며, 주로 공작기계의 어플리케이션에 사용되었다. 이후 지속적인 연구개발과 여타 산업으로의 적용이 활발하게 이루어지면서 사용층이 확대되고 1995년에는 IEC 61491 국제 표준으로 자리잡았다.

1999년에는 2세대 프로토콜이 발표되었다. 전송속도도 초당 8Mbit과 16Mbit로 발전하였으며, 비동기 데이터를 전송할 수 있는 서비스 채널로 확대되었다. 이 기술은 2001년부터 본격적으로 적용되기 시작했다.

2003년 10월에는 차세대 SERCOS III 프로토콜이 발표되었다. 이로써 완전 개방형의 오픈 네트워크에 대한 제조설비에서의 응용이 가능해 진 것이다. 주요 참여멤버로 Andron, Sanyo Denki, Bosch Rexroth, Rockwell Automation, Stuttgart University, Akron University 등이며, 유럽과 미국, 일본에 협회 조직을 두고 있다.

2004년 기사 작성