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PROFINET IRT: 실시간 통신으로 부족하다면

PROFINET IRT가 필요한 이유는 무엇일까요?

PROFINET, EtherCAT 및 Ethernet/IP와 같은 산업 통신 프로토콜은 실시간 통신 프로토콜로 분류됩니다. 이러한 프로토콜은 이미 1밀리초의 짧은 주기 시간 및 10 ~ 100 마이크로초 사이의 지터를 달성할 수 있습니다.

그러나 경우에 따라 이러한 수준의 성능만으로는 충분하지 않습니다. 문제는 데이터의 전송 및 처리에 시간이 필요하다는 것입니다. 특정 애플리케이션에서는 이 시간이 정확하게 동기화되는 것이 중요하여, 생산 단계가 올바르게 수행되도록 해야 합니다.

이는 특히 모션 제어 분야에서 그렇습니다. 여기서는 데이터 통신의 속도와 성능에 대한 요구가 증가하여 표준 실시간 PROFINET의 주기 시간이 더 이상 충분히 빠르지 않으며, 지터 및 결정성과 같은 기타 주요 지표가 요구되는 기준을 더 이상 충족하지 못하는 경우가 많습니다.

예를 들어, 로봇 팔은 부품을 집거나 처리하기 위해 특정 시간에 정확하게 정의된 위치에 있어야 합니다. 팔이 조금이라도 일찍 또는 늦게 움직이면 프로세스가 심각하게 중단될 수 있습니다. 이러한 경우 데이터의 전송 및 처리는 빠르고 신뢰할 수 있어야 합니다.

PROFINET IRT는 표준 실시간 통신이 한계에 도달하는 곳마다 사용되며, 데이터 통신에서 매우 빠른 속도로 매우 정확한 동기화가 필요합니다.

The inside of a factory with a conveyor belt and grey boxes. On the right side is the PROFINET logo.
PROFINET IRT는 어떻게 작동하나요?

PROFINET IRT는 네트워크 내에서 특정 데이터 패킷을 전송하는 데 엄격한 결정론적 처리를 필요로 합니다. 이는, 데이터는 네트워크 충돌이나 지터와 같은 지연으로 인한 영향을 받지 않고 미리 결정된 시간 프레임 내에 정확한 시퀀스로 수신, 처리 및 전달되어야 한다는 것을 의미합니다.

이를 위해 PROFINET IRT 네트워크는 시간 민감형 데이터를 처리하기 위해 특정 시간 슬롯을 할당합니다. 예를 들어, 네트워크 트래픽의 20%가 IRT 통신, 즉 PROFINET IRT를 위해 예약된 경우 네트워크 트래픽은 5개의 시간 구간으로 나뉩니다.

  • 한 구간은 IRT 통신 전용으로 할당됩니다.
  • 나머지 4개의 구간은 일반 실시간 통신을 위해 예약됩니다.

이 경우 네트워크는 80%의 시간을 표준 PROFINET 네트워크로 작동합니다. 나머지 20% 시간에는 PROFINET IRT 관련 데이터 패킷만 처리되어 결정적 전송의 동기화를 보장합니다. IRT 통신이 진행되는 동안에는 일반 PROFINET 데이터 패킷이 버퍼링되며, IRT 시간 구간이 완료된 후 처리됩니다.

A picture with numerous columns lined up in it. Every fifth column is labeled IRT, while the rest is labeled RT.
이 시스템이 효과적으로 작동하기 위해서는, PROFINET IRT 네트워크가 두 가지 필수 요구 사항을 충족해야 합니다.
모든 IRT 장치 간 동기화

모든 PROFINET IRT 장치에서 일관된 동기화 주기가 유지되어야 합니다. 이는 모든 장치가 공유하는 고정밀 클럭에 의해 관리됩니다. 이러한 메커니즘과 PTP(Precision Time Protocol)와 같은 추가 메커니즘은 IEEE 1588 표준 규격에 정의되어 있습니다. PROFINET IRT는 PTCP(Precision Transparent Clock Protocol)를 통해 이 표준을 확장합니다. PTCP는 PROFINET IRT 장치 간의 공유 클럭을 유지할 뿐만 아니라 네트워크 스위치와 관련 배선 간의 지연 시간도 계산합니다.

An icon of acomputer display with a loading icon in the middle.
버퍼링 기능

지정된 IRT 통신 시간 동안 수신된 비-IRT 이더넷 트래픽을 버퍼링하기 위해서는 네트워크 스위치 내에 추가 회로가 필요합니다.

힐셔와 netX 적용된 PROFINET IRT

이러한 시간 민감형 데이터 통신의 요구 사항을 충족하기 위해서는 OSI 모델의 레이어 1 및 레이어 2, 특히 MAC 레이어에 개입이 필요합니다. 이는 네트워크 장치들이 이더넷 통신을 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식의 매체로 변환하는 동안, IRT 시간 구간을 제공할 수 있도록 하기 위해 필요합니다.

 

 

 

 

 

 

남은 시간 동안, 일반 PROFINET 통신에서는 데이터 전송이 표준 CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access - Collision Detect) 방식의 매체로 작동합니다.

힐셔는 컨트롤러 애플리케이션에 PROFINET IRT를 제공하는 전 세계 몇 안 되는 공급업체 중 하나입니다. 이것은 힐셔의 netX 통신 컨트롤러가 해당 프로토콜 소프트웨어와 함께 개발되었기 때문에 가능해졌습니다.

Transport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerModified Ethernethardware-based RTEHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET, EtherCAT, ...Specific Real-Timehardware and functions(for example PROFINETIRT, Sercos, EtherCAT,Powerlink or TSN)Ethernet PHYTransport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerLegacy FieldbusStandard Ethernethardware-based RTEIP-Multicast IPEthernet MACEthernet PHYHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET RT, EtherNet/IP(CIP), Modbus, ...UDPTCP

netX는 PROFINET IRT를 활성화합니다.

힐셔는 이 과제를 netX 기술로 해결합니다. netX 컨트롤러는 OSI 레이어 1과 2에서 독특한 xC 구조를 갖추고 있습니다. 이 프로그래밍 가능한 마이크로컨트롤러와 힐셔의 PROFINET 프로토콜 스택을 사용하면, PROFINET 네트워크의 동작을 처음 두 OSI 레이어에서 정의할 수 있습니다.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

힐셔의 유연한 마이크로코드

netX의 주요 특징 중 하나는 이 동작이 하드코딩되어 있지 않지만, 마이크로코드를 통해 유연하게 조정할 수 있다는 것입니다. 힐셔가 제공하는 마이크로코드를 통해 사용자는 레이어 2와 레이어 3 사이의 인터페이스에 접근할 수 있습니다.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

PROFINET 솔루션이 이미 설치되어 있는 경우, 먼저 하드웨어가 IRT를 지원하는지 확인해야 합니다. 대부분의 경우에는 그렇지 않습니다. 하드웨어와 소프트웨어 모두 IRT 표준에 따라 데이터 전송에 필요한 특정 요구 사항을 충족해야 합니다. 이러한 요구 사항은 대부분의 산업용 애플리케이션에 필요한 요건을 넘어서며, 일반적으로 모션 제어 또는 로봇 공학 등에 사용되는 고성능 시스템에만 필요합니다. 안타깝게도, 다수의 PROFINET 지원 장치들이 PROFINET IRT와 호환되지 않습니다. 최악의 경우, PROFINET IRT 네트워크는 기존 설비들과 완전히 분리된 상태로 처리 및 개발되어야 합니다.

PROFINET 및, netX 적용 PROFINET IRT

netX 기술로 전환은 더욱 손쉬워집니다. 필요한 PROFINET IRT 구성은 이미 당사의 표준 PROFINET 스택에 통합되어 있으며, 모든 netX 통신 컨트롤러는 필요한 xC 구조와 함께 제공됩니다. 귀하는 하드웨어나 소프트웨어를 변경할 필요가 없습니다. 단지 네트워크를 구성하기만 하면 됩니다.

이와 같은 사항은 EtherCAT와 같은 다른 네트워크 기술에도 적용됩니다. netX의 멀티 프로토콜 기능 덕분에 동일한 하드웨어가 EtherCAT도 지원할 수 있습니다.

 

A black square with netX written on it on colorful background. On the right side is a PROFINET logo.

서로 다른 케이블 길이는 추가적인 지터를 발생시키며, 이는 물리적으로 피할 수 없는 특성으로 PROFINET IRT 네트워크를 구현할 때 특별한 주의가 필요합니다.

예를 들어, 10cm 케이블을 통해 전송된 데이터 패킷은 100m 케이블을 통해 전송된 데이터 패킷보다 전송 시간이 짧습니다. 이러한 서로 다른 케이블 길이와 그로 인한 데이터 패킷 전송 시 발생하는 지터는 PROFINET IRT 네트워크에서 고려되어야 하며, 이를 통해 컨트롤러가 네트워크의 장치를 제대로 관리할 수 있습니다.

힐셔는 사용자가 공장 레이아웃을 매핑하고 장치들을 연결하는 케이블 길이를 계산할 수 있는 유용한 도구인 Topology Editor를 제공합니다.

PROFINET IRT에 적합한 장치는 무엇입니까?

PROFINET IRT 요구 사항을 충족하는 장치들은 PROFINET 인증 프로세스의 일환으로 적합성 클래스 C(CC-C)로 분류됩니다. 이 클래스는 32.5 마이크로초의 짧은 주기 시간이 적용된 클럭 통신에 사용됩니다. CC-C는 PROFINET을 지원하는 가장 발전되고 까다로운 적합성 클래스입니다. 또한, 다른 적합성 클래스도 있습니다. 기본 클래스인 CC-A는 "일반" 실시간 통신, 비주기적순환 실시간 전송 및 표준 TCP-IP 이더넷을 지원합니다. CC-B는 CC-A를 기반으로 하여, 간이 네트워크 관리 프로토콜(SNMP)을 지원하는 기능이 추가됩니다. 이 클래스들은 누적 방식이 적용됩니다. 즉, CC-C는 IRT 통신을 지원할 뿐만 아니라 CC-A와 CC-B의 모든 기능을 포함합니다.

힐셔의 netX 기술은 적합성 클래스 C와 완전히 호환됩니다. 왜냐하면 우리의 PROFINET 스택에는 이미 모든 필요한 소프트웨어 기능이 포함되어 있기 때문입니다 하드웨어 측면에서, 당사의 netX 통신 컨트롤러는 IRT 애플리케이션을 표준으로 지원하도록 장착됩니다.

PROFINET 적합성 클래스ABC
최고 1ms의 주기 시간으로 실시간 데이터 교환
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알람 및 진단 기능
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네트워크 토폴로지 지원
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SNMP 지원 
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주기 시간을 31.25µs 로 줄인 실시간 데이터 교환  
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관련 링크
A photo collage showcasing various Hilscher products

턴키 제품에서 고도로 통합된 솔루션 및 보완 소프트웨어에 이르기까지 Hilscher는 산업용 통신을 위한 파트너입니다. 귀사 기계설비 네트워킹을 완전히 새로운 수준으로 끌어올릴 수 있는 방법에 대해 간단히 살펴봅시다!

Communication controllers and printed circuit boards are extensively tested at Hilscher in Germany.

당사는 산업 통신을 가능하게 합니다. 기존의 필드버스에서 실시간 이더넷 및 클라우드까지. 당사의 솔루션은 멀티프로토콜이 가능하고 유연하며 안정적입니다. netX 소프트웨어 및 하드웨어 기술의 구현 방법 및 당사의 IIoT 플랫폼 netFIELD를 통한 기계 데이터로의 접근 방법에 대해 자세히 알아봅시다.

A photo of the male and female customer support phone operator with different internationality
Customer Center / Sales: Hilscher Korea Inc.

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