신속 복구와 정밀 시계 동기화를 갖춘 EtherCAT 케이블 이중화 시스템 = EtherCAT Cable Redundancy System with Fast Recovery and Accurate Clock Synchronization

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 실시간 제어 시스템에서 신뢰성과 복원력을 향상시키기 위해 신속한 장애 복구와 정밀한 시계 동기화를 동시에 지원하는 EtherCAT 케이블 이중화 기법을 제안한다. 기존 EtherCAT은 선형 토폴로지 기반으로 케이블 단절이나 노드 장애 시 이후 슬레이브와의 통신이 중단되는 한계를 가진다. 이를 보완하기 위해 제공되는 케이블 이중화 기능은 단방향 전송과 순차적 백업 포트 활성화 과정으로 인해 복구 시간이 길고, 슬레이브 정보 재스캔 과정에서 SII (SIave Information Interface) 데이터를 저속으로 읽어야 하므로 수 초 이상의 지연이 발생한다. 또한 백업 포트 연결 슬레이브들은 DC (Distributed Clock) 동기화가 지원되지 않는 문제가 있다. 본 연구에서는 매 제어주기마다 메인과 백업 포트로 동시에 프레임을 전송하는 ECAT PRP (EtherCAT Parallel Redundancy Protocol)와 SII 데이터 캐싱을 결합하여 복구 시간을 단축하는 방법을 제안한다. 실험 결과, 제안 기법은 별도의 상태 전환 없이 즉시 복구가 가능하며 기존 대비 최대 95%의 복구 시간 단축을 달성하였다. 또한 링크 단절 상황에서도 각 서브네트워크의 첫 번째 슬레이브를 기준 시계로 설정하여 마스터 참조 DC 방식으로 모든 슬레이브를 안정적으로 동기화하였고, 평균 0.5㎲ 미만의 오차를 유지하였다. 제안 구조는 순수 소프트웨어 기반으로 구현되어 추가 하드웨어 없이 EtherCAT 시스템의 고가용성과 정밀 제어를 경제적으로 실현할 수 있다.