성공 사례: 소규모 산업 생산 공정에서의 PROFINET 통합 구축

도전과제

초음파 용접 시스템 제조업체는 신규 장치 버전 컨트롤러가 프로피넷을 지원해야 한다는 명확한 과제에 직면했습니다. 이전 모델의 경우, 파라미터 설정은 시리얼 인터페이스를 통해 처리되었으며, STM32 마이크로컨트롤러가 주파수와 진폭을 비롯한 여러 파라미터를 제어하는 방식이었습니다.

하지만 차세대 신제품에 대해 엔드 커스터머는 실시간 통신이 가능한 PROFINET 환경을 요구했습니다. 또한, 새로운 인터페이스는 기존의 시스템 아키텍처 속에 원활하게 녹아들어야 했을 뿐 아니라, 동시에 특히 하드웨어 변경 및 인증과 관련하여 소요되는 공수를 최소화하는 것이 필요했습니다.

요구사항

장비 제조사에게 주어진 프로젝트 제약 조건은 명확했습니다. 시간과 엔지니어링 인력은 물론, 생산 물량까지도 모두 한정적인 상황이었습니다.
따라서 새롭게 도입할 PROFINET 인터페이스는 기존 시스템 아키텍처에 그대로 부합해야 했습니다. 장비 제조사의 개발팀은 대대적인 하드웨어 재설계를 원하지 않았습니다. 인증 과정 역시 간소하게 유지하기 위해, 프로젝트 범위는 의도적으로 핵심 필수 요소로만 축소되었습니다.

이 프로젝트는 최종 고객인 장비 제조사의 의뢰를 받아, 시스템 개발사인 브뤼크만 일렉트로닉(Brückmann Elektronik)의 주도하에 진행되었습니다. 당시 브뤼크만(Brückmann) 측은 프로피넷 관련 경험이 부족했기 때문에, 시스템 엔지니어링 전문 기업인 버거 엔지니어링(Burger Engineering)에 손을 내밀어 협력 관계를 구축했습니다. 버거 엔지니어링 팀은 수년 동안 힐셔 공식 인증 "netX Design-In Partner"로 활동해 온 베테랑들로, 힐셔 제품을 활용한 산업용 통신 통합 분야에서 풍부한 실무 전문지식을 보유하고 있었습니다.

가장 핵심적인 요소는 올바른 통신 모듈을 선택하는 것이었습니다. 결론은 힐셔의 netRAPID 90으로 빠르게 좁혀졌습니다.

netRAPID 90은 netX 90 칩이 통합된 초소형 통신 모듈입니다. 이 모듈은 브뤼크만(Brückmann)과 해당 고객사들이 바로 사용할 수 있도록 PROFINET 통신 스택이 사전 탑재(Preloaded)된 상태로 공급됩니다. 물론 EtherCAT, EtherNet/IP 같은 다른 주요 산업용 이더넷 프로토콜은 물론, PROFIBUS나 DeviceNet 같은 필드버스 규격도 모두 지원합니다. 이 모듈은 대규모 하드웨어 개발 없이도 기존 설계에 통합할 수 있습니다.

힐셔 netRAPID 90의 제품 하이라이트:

• 즉시 납땜 가능한 netX 90 디자인
• 호스트에 연결되는 SPI 인터페이스
• 산업용 이더넷 및 필드버스용 핀을 사용한 멀티 프로토콜 설계
• 애플리케이션 작업을 위한 통합 Cortex-M4 프로세서

브뤼크만 팀과 부르거 팀은 netX 90을 장비에 직접 탑재하는 방안을 포함해 수많은 대안을 논의했습니다. 결국 양사 팀은 힐셔의 멀티 프로토콜 프로세서를 디자인인(Design-in)하여 별도의 PCB를 개발하는 안을 빠르게 배제했습니다. 예상 생산 물량이 너무 적어 투입 대비 공수가 과도할 것으로 판단했기 때문입니다.
결과적으로 초소형 폼팩터, 완벽한 통신 및 애플리케이션 유닛, 그리고 바로 사용 가능한 개발 및 인증 툴을 갖춘 netRAPID 90이 가장 효율적인 솔루션으로 확인되었습니다.

1 단계 : 구현 - 2023 년 2 월 ~ 6 월

• 기술적 프레임워크 정의
• 최적의 솔루션으로 netRAPID 90 채택
• 평가 보드(Evaluation Board)를 활용한 애플리케이션 구현 및 초기 개발 진행

2 단계:최적화 및 인증

• 공식 PROFINET 인증을 위한 솔루션 준비
• 인증
• 필요한 핵심 기능 위주로 솔루션 경량화

구현

애플리케이션과 통신의 분리

이번 기술 솔루션의 핵심은 애플리케이션 로직과 통신 로직을 명확하게 분리하는 것이었습니다. 기존의 STM32 컨트롤러는 주파수 제어, 진폭 제어, 전력 관리 등 장비 고유의 기능을 이미 완벽하게 수행하고 있었습니다. 이러한 이유로 STM32가 추가적인 PROFINET 통신 작업까지 부담하지 않도록 설계했습니다.

초기 계획은 netRAPID 90을 '컴패니언 모드(Companion mode)'로 구동하는 것이었습니다. 이 방식은 애플리케이션 연산을 STM32에 그대로 두고, netRAPID 90은 PROFINET 네트워크 연결만 담당하는 구조입니다.

그러나 STM32는 시간에 민감한(실시간성이 중요한) 처리 과정으로 인해 이미 성능 한계에 근접하여 동작하고 있었기 때문에, 팀은 대신 독립형(Stand-alone) 모드를 선택했습니다. 이 방식을 통해 netX 90의 두 번째 코어가 프로바이더(Provider)와 컨슈머(Consumer) 간의 애플리케이션 데이터를 PROFINET으로 직접 교환하도록 구현했습니다. 결과적으로 STM32의 성능에 추가적인 부하를 전혀 주지 않으면서 PROFINET 통신을 성공적으로 구현했습니다.