기술동향
EtherCAT 표준네트워크기반위치결정모듈

LS산전에서 새롭게 선보인‘XGF-PN8B’의 가장 큰 특징은 기존 XGF-PN8A 제품이 XDA-N 시리즈 XGT Servo만 연결하여 사용할 수 있었던 것과 달리 EtherCAT 표준 CoE 프로토콜을 지원하는 다양한 메이커의 서보드라이브 제품들을 연결하여 사용 가능하다는 것이다. 따라서 기존 메이커 전용의 통신 방식에서 불가피하게 전용의 서보만 사용할 수 있었던 것과 달리 이 제 품은 애플리케이션에 따라 또는 자신이 선호하는 메이커에 따라 서보드라이브를 선택하여 사용할 수 있다.

조명철 LS산전 Automation Control 연구팀 선임연구원

2010년 한해는 자동화 제품 주요 수요처인 FPD 및 반도체 산업 투자 규모 증가로 관련 업계는 큰 성장을 일궈냈 다. 그중에서도 서보관련 시장 규모는 가파른 상승세를 보이고 있으며, 올 2011년 한해도 FPD, 반도체, 태양광, 2차 전지, 전용기, 전자, 자동차/타이 어, 철강, 수처리 산업 등에서 꾸준한 수요로 인해 작년 같은 큰 성장세는 아 니지만, 어느 정도의 성장이 기대되고 있다.
LS산전은 FA 산업 현장에서의 이러한 다양한 요구를 충족시킬 수 있는 서 보 제어 솔루션을 가지고 있다. 이와 관 련된 제품으로는 1축~3축 제어용 펄스 출력형 위치결정 모듈(APM)과 기존 APM 모듈의 기능과 성능이 대폭 향상 된 1축~4축 제어용 펄스 출력형 위치 결정 모듈(XPM), 그리고 EtherCAT을 기반으로 LS산전 전용 프로토콜을 채 용한 8축 제어용 네트워크 타입 위치결 정 모듈(XGF-PN8A)이 있다. 또한 모 션 제어 솔루션으로는 메카트로닉스– II 네트워크 기반의 16축 제어용 모션 모듈(XGF-M16M)이 있다.
최근 필드버스의 표준이 전통적인 시 리얼 방식에서 벗어나 점차 개방형 산 업용 이더넷 방식의 통신 프로토콜로 발전하고 있고, 이러한 추세는 모션 컨 트롤 애플리케이션 영역으로 점차 확대 되고 있다.
이러한 최근의 트렌드에 따라 이번에 LS산전에서도 기존 LS산전 전용 EtherCAT을 채용한 8축 제어용 네트 워크 기반 위치결정 모듈(XGF-PN8A) 을 업그레이드 한 EtherCAT 표준 네트 워크 기반 위치결정 제품(XGF-PN8B) 을 출시했다. 이 제품은 LS산전의 XGT PLC 시리즈에 장착되어 사용된다.

특징 1 : 다양한 메이커의 서보드라이브 제품 사용 가능

이번에 출시된 EtherCAT 표준 네트 워크 기반 위치결정 제품(XGF-PN8B)의 가장 큰 특징은 기존 XGF-PN8A 제품이 XDA-N 시리즈 XGT Servo만 연결하여 사용할 수 있었던 것과 달리 EtherCAT 표준 CoE(CANopen over EtherCAT) 프로토콜을 지원하는 다양 한 메이커의 서보드라이브 제품들을 연결하여 사용 가능하다는 것이다.

따라서 기존 메이커 전용의 통신 방 식에서 불가피하게 전용의 서보만 사용 할 수 있었던 것과 달리 이 제품에서는 애플리케이션에 따라 또는 자신이 선호 하는 메이커에 따라 서보드라이브를 선 택하여 사용할 수 있다.

EtherCAT은 엄격한 실시간 요구 조 건에 부합하는 이더넷 기반 필드버스 시스템으로 현재 산업 자동화 애플리케이 션의 이더넷 기반 필드버스 중 설치 노 드 측면에서 가장 빠른 성장세를 보여주 고 있다. LS산전의 이번 제품에서도 이러한 사실을 기반으로 EtherCAT을 모션 제어용 필드버스 네트워크로 채택하 고, IEC 61800-7에 정의된 CiA402 드 라이브 프로파일을 표준으로 하여 서보 드라이브제어에사용하고있다.

이 제품은 전면부에 2개의 외부 엔코 더(또는 수동 펄스 발생기) 입력을 받을 수 있는 입력 단자와 이더넷 케이블이 연결되는 1개의 통신 포트를 가지고 있 다. 2개의 엔코더 입력단자를 통하여 외부 장치와의 다양한 동조제어를 실현 할 수 있으며, 서보드라이브와의 연결 은 통신 포트를 통하여 데이지 체인 (daisy chain) 방식으로 간단하게 구성 된다.

전세계적으로 EtherCAT 서보 제어 솔루션은 EtherCAT의 빠른 처리 속도 의 장점에 안정성과 신뢰성이 검증되 어 필드버스를 넘어서서 광범위하게 산업 현장에서 적용되고 있다. 하지만, 국내에서의 EtherCAT은 아직 해외에 서만큼 광범위하게 사용되고 있지는 않다.

현재 국내에서 현장에 설치된 EtherCAT 서보 제어 솔루션은 PC 기 반 인 백 호 프 (BECKHOFF)사 의 TwinCAT 소프트웨어 시스템과 AX2000/AX5000 시리즈 서보드라이 브가 거의 유일하다.

이와 같이 국내에서는 EtherCAT 서 보드라이브가 시장에 성공적으로 정착 되지는 않았지만, 최근에 LS메카피온, 다나허 모션, 산요 덴키 등에서 EtherCAT을 지원하는 서보드라이브를 출시하여 국내에서도 EtherCAT을 지원하는 서보드라이브를 쉽게 구매해서 사용할 수 있는 환경이 조성되고 있다.

EtherCAT 표준 네트워크 기반 위치 결정 모듈은 현재 국내에 출시된 5개사 의 EtherCAT CoE 지원 서보드라이브 정보를 기본적으로 내장하고 있어서 별도의 네트워크 설정 필요 없이‘네트워 크서보자동연결’기능을 사용하여 서 보드라이브와 통신 연결하여 구동 가능 하다.

또한 기본 내장된 서보드라이브 이외 의 새롭게 추가되는 서보드라이브에 대 해서도 서보드라이브 정보가 기술된 XML 파일만 LS산전 위치결정 모듈 전용 소프트웨어 툴인 XG-PM에 추가함 으로써 간단하게 설정하여 연결을 구성 하고 사용 할 수 있다.

특징 2 : 앱설루트 타입의 엔코더 사용 시 절대위치 시스템 구현 가능

XGF-PN8B의 또 다른 특징으로 앱설루트 타입의 엔코더 사용 시 절대위 치 시스템 구현이 가능해서 정전 후에 도 별도의 원점 복귀 없이 운전이 가능 하다. 또한 배터리 백업 또는 플래시 롬 백업 방식이 아닌 FRAM을 사용하여 파라미터 및 운전데이터를 백업하기 때 문에 데이터 티칭 시 빠르고 안정적이 며, 읽기/쓰기 제한이 거의 없는 반영구 적인 데이터 보존이 가능하다.

EtherCAT 표준 네트워크 기반 위치 결정 모듈의 시스템 및 통신 규격은 다음과 같다.

네트워크 기반의 분산 프로세스에서 는 동시에 동작을 실행하는 동작과 같은 각 분산된 디바이스간의 동기가 무 엇보다 중요하다. EtherCAT 표준 네트워크 기반 위치 결정 모듈은 IEEE 1588 표준에 근간을 둔 EtherCAT의 Distributed Clock 기 능을 사용하여, 서보 다른 메이커의 서 보드라이브 간에도 정확한 동기 성능 을 실현하고 있다. EtherCAT 표준에 서는 1㎲ 미만의 지터(Jitter)를 가지는 정밀한 동기가 가능하다고 기술하고 있다.

이러한 특징에 더해서 이 제품의 동 시기동 및 다양한 보간, 위치·속도 동 기 등의 제어 기능으로 정밀하고, 복잡 한 동기 성능이 요구되는 애플리케이션 에도 대응 가능하다.

XGF-PN8B의 주요 제어 기능

다음은 EtherCAT 표준 네트워크 기반 위치결정 모듈로 사용할 수 있는 주 요 제어 기능에 대해서 설명한다. XGF-PN8B은 다양한 보간 기능을 제공하고 있다. 네트워크에 연결된 모 든 축에 대해서 직선보간(최대 8축) 및 원호보간(2축 X 최대 4그룹)을 실행할 수 있어서, 물체를 대각선 또는 곡선으 로 이동하여 장비의 운전 효율을 향상 시킬 수 있다.

또한 직선보간 운전과 원호보간 운 전의 합성 3축 보간 운전으로 나사의 나선과 같은 형식의 이동 궤적을 만들 수 있다. 타원보간 기능은 정 원호 모 양이 아닌 다양한 형태의 원호 애플리 케이션에 적용 가능한 장점이 있다.

EtherCAT 표준 네트워크 기반 위치 결정 모듈은 일반적으로 모션 모듈 또 는 모션 CPU에서만 제공되던 전자 CAM 기능을 제공한다. 기존 기계적인 조합으로 이루어지던 복잡한 CAM 제 어 설비를 전자 CAM 제어를 이용하여 보다 간단하게 설계할 수 있으며 기계 부에서 발생하는 오차를 줄여 신뢰도 높은 시스템 구축이 가능하다.

 

이 제품은 네트워크에 연결된 모든 축에 대해서 CAM 제어가 가능하도 록, 최대 8개의 CAM 블록을 제공하고 있으며 위치결정 모듈 전용 소프트웨 어 툴인 XG-PM을 사용하여 CAM 데 이터를 설정한다. CAM 데이터 생성 시 사용되는 변곡점 간의 데이터 특성 곡선은 총 22종의 CAM 커브를 지원 한다.

이 제품은 또한 사용자가 주축과 CAM축의 변곡점만 지정하여 CAM 기 능을 구현할 수 있는 사용자 CAM 제어 기능을 제공한다. 이 기능은 소프트웨 어 툴로 CAM 데이터를 미리 설정할 필 요가 없어 간단하게 사용할 수 있고, 시 스템이 동작 중에도 HMI 등을 통해서 데이터를 쉽게 바꿀 수 있으므로 조건 에 따라 다른 CAM 동작이 필요한 경우 에 유용하게 사용될 수 있다.

XG-PM을 활용한 편리한 기능들

LS산전의 위치결정 모듈은 기본적으 로 미리 설정된 운전 파라미터와 운전 데이터를 가지고 서보 모터의 위치를 제어하는 위치결정 기능을 수행한다. PLC CPU에서는 위치결정 모듈의 상 태를 주기적으로 모니터링 하면서, 원 하는 제어 기능을 실행한다. 운전 파라 미터와 운전 데이터의 설정은 PLC 래 더 프로그램 또는 위치결정 모듈 전용 소프트웨어 툴인 XG-PM을 사용하여 설정할 수 있다.

XG-PM 소프트웨어 패키지는 파라 미터와 운전 데이터를 설정하는 기본 기능 외에도 다음과 같은 편리한 기능 들을 제공한다.

1. 상태 모니터링 및 각종 시운전  기능 : 서보의 위치/속도/토크 및 기타 모듈의동작상태등의모니터링이가 능하고, 시스템 설치 후 모든 제어 기능에 대해서 시운전시험이 가능하다.

2. 시뮬레이터 기능 : 직접 위치결정 모듈과 서보드라이브를 설치하지 않고, 사용자가 설정한 운전 파라미터 와 운전 데이터를 가지고 시뮬레이션이 가능하여 미리 사용자가 원하는 기능을 확인할 수 있어서 더욱 안전 한 시스템을 구축할 수 있다.

3. 트렌드 모니터 및 데이터 트레이스 기능 : 트렌드 모니터를 통하여 실 시간으로 모듈과 서보의 동작 상태를 그래프 형태로 확인할 수 있고, 데이터 트레이스는 시간 경과에 따르는 서보의 속도/위치/토크 등을 채집하 여 그래프 형식으로 나타내어 시스템의 동작 특성을 쉽게 분석할 수 있다. 트레이스된 데이터는 XY 그래프, XYZ 그래프로도 표시할 수 있어서 보간 제어 사용 시 유용하게 쓰일 수 있다.

4. 서보 드라이브 튜닝 기능 : 네트워크로 연결되는 XGT 서보와 LS 메카 피온 서보에 대해서 전용의 서보 툴 을 사용하지 않고도, 오토 튜닝 기능을 실행하고 관련 파라미터들을 설정 할수있다.

5. 캠 데이터 설정 : 22종의 CAM 커 브를 통하여 CAM 데이터를 생성하 고, 속도/가속도/저크 등을 그래프로 확인할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 EtherCAT 표준 네트워크 기반 위치결정 모듈 (XGF-PN8B)은 표준 EtherCAT CoE 통신방식을 채택하여 다양한 메이커의 서보 드라이브를 선택하여 사용할 수 있다. 또한 다축 보간, 동기 제어, CAM 제어 등의 풍부한 제어 기능을 갖추고 있을 뿐 아니라 위치결정 전용 XG-PM 소프트웨어 패키지의 편리한 기능들은 사용자가 시스템을 구성하기 쉽고 간단하게 만들어 준다.

이 제품이 필드에서 사용자들로부터 좋은 반응을 얻고, LS산전의 자동화 분 야의 사업영역 확대에 일조할 수 있을 것으로 기대한다.