10여년 전만해도 서보 모터, 드라이브, 모션 컨트롤러 등 서보 모션 제어는 고도의 기술로 인식됐고, 그만큼 어렵고 비싸다는 인식이 있었다. 하지만 반도체, LCD, LED를 비롯한 대한민국의 전자산업은 전 세계에서 손꼽힐 정도의 자동화 시장을 형성시켰고, 유저층이 두터워졌으며, 전 세계 최신기술의 도입도 상당히 적극적으로 이뤄지고 있다.
모션 컨트롤을 위한 인터페이스 역시 많은 진화를 거쳐 왔다. 많은 케이블과 배선을 필요로 했던 아날로그 제어 시대에서, 디지털 펄스 제어, 그리고 최근에는 모션 필드버스 네트워크들이 적극적으로 적용되고 있으며, 수년 전까지만 해도 I/O, 서보 제어, 프로세스 제어 등으로 특화됐던 특정분야의 필드버스들은 이제 이더넷과 융합되면서 전방위로 범위를 확장하고 있다.
이 중에서 서보 제어를 위한 국제 표준 인터페이스로 시작해서 I/O, 프로세스 제어, 분산 서보 제어를 위한 모션 필드버스로 진화한 SERCOS는 국내에서도 고성능 장비의 확고한 유저층을 확보하고 있다.
이 글에서는 다른 모션 필드버스와 함께 전 세계에서 가장 큰 유저층을 확보하고 있는 SERCOS에 대해 알아보고, 여러 가지 사례를 살펴봄으로써 국내 유저들에게 최신기술을 소개하고자 한다.
SERCOS란?
세계에서 처음으로 IEC(International Electrotechnical Commission)에 의해 개방형 인터페이스의 표준이 된 SERCOS 인터페이스에 대해 살펴보도록 하자. SERCOS는 Serial Realtime Communications System의 약자로, 1987년 VDW(German Machine Tool Builders’ Association)와 ZVEI(German Electrical and Electronics Industry Association)에 의해 개발됐다.
1980년대 아날로그 드라이브에서 디지털 드라이브로 변화하면서, 디지털 드라이브 시스템의 인터페이스는 각 기업에만 한정돼, 사용자들이 모션 제어기와 드라이브 간 서로 교체하기 어려운 문제를 해결하기 위해 개방형 디지털 인터페이스인 SERCOS가 탄생하게 됐다. SERCOS 인터페이스는 수치 제어 시스템을 위한 모션 제어기와 드라이브, I/O, 액추에이터, 센서를 상호 연결하는 개방형 디지털 모션 제어용 버스다.
SERCOS는 1995년 IEC에 의해 개방형 국제 표준 디지털 인터페이스(IEC 61491)로 승인됐다. 독일에 본부를 둔 SERCOS 협회(www.sercos.com)는 1990년 설립됐고, 보쉬, 로크웰 오토메이션, Beckhoff, 야스카와, 대나허모션, 훼스토, ABB, 파카 등 전 세계 모션 전문기업들을 대표하는 100여 개의 기업들이 회원으로 있다.
다른 필드버스들이 한 메이커에 의해 만들어졌고 주도적으로 홍보되고 있기 때문에 향후 자동화 라인이 그 메이커에 의해 종속될 수 있다는 단점이 있는 반면에, SERCOS는 중립적인 국제 표준화 단체(Sercos International)에서 주도하면서 완전 개방형으로 국제 표준에 채택됐기 때문에 메이커 독립적인 장비 및 자동화 라인을 구축할 수 있다는 장점이 있다.
<그림 1. 사무실에서 산업 필드까지 이더넷 기반 연결.>
<그림 2. SERCOS의 발전.>
SERCOS Ⅲ - 산업용 이더넷 통합
산업용 자동화에서 제어 컴포넌트, 액추에이터, 센서의 증가는 제어 네트워크를 더욱 복잡하게 만든다. 때문에 산업용 통신의 미래는 이러한 자동화 컴포넌트를 이더넷 네트워크에서 합리적인 비용으로 통합시키고, 산업용 자동화의 요구를 맞춰 운영하는 것이다.
이더넷 기술은 필드버스 기술보다 데이터 처리량이 최대 100배까지 빠르며, 표준화된 컴포넌트를 사용하고, 가격이 합리적이다. 사무실에서 산업 필드까지 연장할 수 있는 IT 기술과 글로벌 기준에 기반을 둔 유연하면서 호환되는 자동화 시스템과 진단 및 유지를 위한 세계적인 네트워크를 지원한다.
그래서 산업용 이더넷은 생산 정보 네트워킹을 위한 실제 표준이 되는 중이고, 시장에서는 서보 드라이브 연결도 이더넷을 요구하고 있다.
산업용 이더넷은 대역폭이 높고, 하드웨어 비용이 적은 장점이 있지만 리얼 타임을 지원하지 않는 단점이 있다. 이더넷에 사용하는 Twisted-pair Copper 케이블은 일반적으로 차동 드라이버와 리시버를 사용하기 때문에 노이즈에 강한 장점이 있다.
SERCOS Ⅲ는 2세대인 SERCOS Ⅱ의 입증된 메커니즘과, 고속이면서 저비용인 산업용 이더넷과 결합돼 개방형 모션 제어 통신 인터페이스로 발전됐다. SERCOS I/Ⅱ와 SERCOS Ⅲ는 OSI(Open Systems Interconnection Reference Model)의 Physical Layer는 서로 다르지만 공통의 표준화된 파라미터 세트를 공유한다.
SERCOS Ⅲ는 SERCOS의 입증된 리얼 타임 특성과 산업용 이더넷의 장점을 통합한 SERCOS의 3세대 인터페이스다. SERCOS 솔루션은 표준 이더넷 TCP/IP를 모션 버스 제어 하에 놓아 SERCOS의 리얼타임 모션 제어를 유지하며, 저비용의 이더넷 하드웨어를 사용하도록 한 것이다.
SERCOS 인터페이스는 전선 연결로 인해 발생하는 문제도 획기적으로 감소시킨다. 기존의 아날로그 서보 시스템은 8축 모션을 위해 드라이브와 컨트롤 사이에 100개 이상의 전선이 필요하다. 그러나 SERCOS 인터페이스는 제어기에 광섬유 케이블 고리나 단일 Daisy-chained Copper 산업용 이더넷 케이블로 254개의 드라이브까지 연결할 수 있다.
<그림 3. SERCOS Ⅲ 아키텍처>
<그림 4. I/O, 모션을 위한 범용 리얼타임 네트워크.>
<그림 5. SERCOS Ⅲ - 표준 파라미터를 이용한 실시간 통신.>
SERCOS Ⅲ - 국제 표준화
SERCOS는 국제 표준으로써 프로토콜 구조가 정의돼 있고, 대다수의 모션과 I/O 디바이스 제어를 위해 충분한 프로파일 정의를 포함하고 있다. SERCOS는 200만 이상의 응용 분야에서 성공적으로 사용돼 왔다.
국제 표준이기 때문에 SERCOS 인터페이스와 호환되는 디지털 제어기는 광섬유 링크(SERCOS I/Ⅱ)나 표준 이더넷 기술(SERCOS Ⅲ)을 통해 SERCOS 인터페이스와 호환되는 디지털 서보 드라이브, 스핀들 드라이브, 유압 시스템, I/O 및 센서와 통신할 수 있다.
표준화된 제어기와 드라이브는 전송, 토폴로지, 연결 기술, 신호 레벨, 메시지 구조 및 타이밍과 데이터 형태에 있어서도 규격을 따른다. SERCOS 인터페이스는 드라이브와 제어기의 상호 작용을 기술하는 500개 이상의 표준화된 파라미터를 제공하고, 이러한 풍부한 인스트럭션 세트는 많은 다른 타입의 시스템에도 전달하며, 명령어, 파라미터, 상태를 진단하기 위해 제공한다. 2007년 11월에는 드라이브 프로파일, SERCOS I/II, SERCOS Ⅲ 및 CIP(Com mon Industrial Protocol) Safety도 IEC 국제 표준으로 공개됐다. 이와 같이 SERCOS 인터페이스는 모든 생산자에게 표준화된 하드웨어 플랫폼과 개방형 프로토콜 사용을 보장함으로써 SERCOS 인터페이스와 호환되는 모든 디바이스 간에 별도 드라이버나 구성 파일 없이도 통신을 보장한다.
<그림 6. SERCOS Ⅲ 기반 라인, 링 토폴로지.>
<그림 7. 크로스 통신 - 각 노드 사이의 더 빠른 데이터 교환.>
SERCOS Ⅲ - 네트워크 신뢰성
SERCOS Ⅲ는 제어 수행을 위해 적어도 하나의 마스터를 가지고, 자동화 기능을 실행하기 위해 하나의 슬레이브를 가진다. 디바이스들은 간단하고도 명확하게 라인 또는 링 토폴로지에서 구성된다. 모든 SERCOS Ⅲ 디바이스는 CAT5e 이더넷 케이블을 통해 이전과 다음 디바이스로 연결되는 2개의 이더넷 포트를 가지고 있고, SERCOS Ⅲ 라인 또는 링 토폴로지는 스위치가 필요하지 않다.
이상 및 장애로부터 안전한 링 토폴로지의 네트워크는 핫 플러깅이나 단선의 경우에도 속도 저하 없이 가용성을 유지한다. 링 네트워크에서 추가 케이블은 단선되는 경우에도 마스터와의 연결을 유지하며, 고성능 슬레이브 제어기는 단선인 곳에서 속도 저하 없이 2개의 다른 선으로 변환시킨다. 파손된 케이블은 운영 중에도 쉽게 교체될 수 있으며, 이러한 가용성은 유지, 보수를 위한 디바이스의 설치 및 제거를 가능하게 해준다. 이어서 시스템은 자동으로 새로운 구성을 이용해 운영한다.
디바이스나 제어기 사이의 크로스 통신을 포함하며 모든 디바이스를 거치는 직접 통신은 SERCOS Ⅲ의 분산 기능과 실시간 성능을 최대로 만든다. 크로스 통신을 사용해 슬레이브는 속도 저하 없이 직접적으로 서로 통신할 수 있고, 제한이 없는 실시간 통신 기반과 지능적인 자동화 구성을 제공한다.
실시간은 정확한 신호 타이밍과 동시 신호 처리를 요구한다. SERCOS Ⅲ의 Cyclic 통신은 정확한 신호 타이밍으로 지터(Jitter)를 최소한으로 낮춰 최대의 실시간 정밀도를 보증한다. SERCOS Ⅲ 마스터에서 지터는 단지 ±10ns다.
SERCOS 프로토콜의 실시간 채널에서 텔레그램의 수와 길이는 애플리케이션 데이터 볼륨에 등록된 노드 수와 일치하기 위해 자동적으로 조절된다. 사이클 시간은 최적 대역폭 이용을 위해 미리 선택되거나, 실시간 채널에서 데이터 볼륨을 일치시키기 위해 자동적으로 조절된다. 실시간 텔레그램에 의해 사용되지 않는 사이클의 부분은 비실시간(NRT) 채널에서 표준 IP 통신을 위해 사용된다. 따라서 네트워크의 대역폭을 최대로 얻도록 텔레그램 크기, 사이클 타임, NRT 채널 대역폭은 제어된다.
<그림 8. CIP Safety on SERCOS - 통합 세이프티.> 
<그림 9. SERCOS Safety Data Container - 세이프티 관련 데이터 전송.>
SERCOS - CIP Safety
SERCOS의 CIP Safety 표준은 ODVA (Open DeviceNet Vendors Association)와 협력해 정의됐고, SIL(Safety Integrity Level) 3까지 IEC61508에 의해 증명된다. SERCOS 프로토콜에서 데이터는 CIP Safety와 함께 표준통신으로 전달되기 때문에 추가의 세이프티 버스가 필요하지 않다.
지금까지 SERCOS에 대해 소개하면서 주요 특징들을 설명했다. 다음 호에서는 SERCOS 인터페이스와 호환되는 구체적인 적용 사례들을 통해 SERCOS의 기능을 소개하고자 한다.
<연재 목차>
1. SERCOS, 국제 표준 모션 네트워크 인터페이스
2. SERCOS, 혁신적 갠트리 스테이지 동기제어
3. SERCOS, 미래 성장산업 인쇄전자 위한 모션 솔루션
4. SERCOS, 고성능 장비 모션 제어 위한 제안
