산업용 이더넷 프로토콜 비교 — EtherCAT·PROFINET·POWERLINK·TSN 선택

#한 줄 요약

“하나의 프로토콜이 모든 시나리오를 이기지 못합니다. 모션은 EtherCAT, 라인 통합은 PROFINET, 북미 시장은 EtherNet/IP, 미래는 TSN입니다.” 선택은 기술 우열이 아니라 기존 인프라·생태계·안전 등급의 함수입니다.

이 시리즈의 마지막 장입니다. 앞의 11장에서 EtherCAT의 processing on the fly, PROFINET의 conformance class, TSN의 시간 인식 스위치, POWERLINK의 slot-based 폴링, Linux의 PREEMPT_RT까지 각 표준의 내부를 들여다보았습니다.

이번 장은 위에서 내려다보는 비교입니다. 6개 주요 표준을 같은 축에서 정렬하고, 어떤 시나리오에 어느 표준이 들어맞는지 결정하는 흐름을 정리합니다. 마지막에 한국 산업 현장에서 실제로 어떻게 묶어 쓰는지 사례로 마무리합니다.

#6개 표준 — 한눈 비교표

이 표가 질문의 출발점입니다. 하나하나 풀어 봅니다.

#차원별 비교

#1. Cycle 시간과 jitter

가장 자주 묻는 축입니다. 반드시 짧을수록 좋은 것은 아닙니다. 애플리케이션이 요구하는 만큼이 정답입니다.

EtherCAT·PROFINET IRT·SERCOS III·POWERLINK는 μs급 cycle을 보장합니다. EtherNet/IP의 기본 CIP는 best-effort라서 1 ms 이하는 어렵습니다. CIP Sync + CIP Motion으로 1 ms급은 가능하지만, EtherCAT 수준의 수 μs는 안 나옵니다.

#2. 토폴로지

모션 라인은 line/ring이 자연스럽습니다. 액추에이터가 기계적으로 일렬 배치되기 때문입니다. 공정 라인이나 분산 IO는 star/tree가 자연스럽습니다. 큰 라인 안에 여러 셀이 물리적으로 떨어져 있기 때문입니다.

#3. 슬레이브 하드웨어 비용

싼 게 좋은 게 아닙니다. EtherCAT의 LAN9252는 비싸도 결정성을 자체 보장합니다. 일반 NIC + 소프트웨어로 결정성을 짜는 EtherNet/IP는 마스터·OS·튜닝 비용이 별도로 듭니다. 시스템 총 비용으로 보면 EtherCAT이 모션에서 가장 저렴한 경우가 많습니다.

#4. Safety profile

기능 안전은 별도 표준입니다. 망 자체가 SIL을 만드는 게 아니라, 망 위에 safety 프로토콜을 얹습니다.

모두 SIL 3를 보장합니다. 안전 관점에서는 어느 표준이든 차이가 없습니다. 차이는 PLC 벤더 생태계에서 옵니다. Siemens F-CPU + PROFIsafe, Rockwell GuardLogix + CIP Safety, Beckhoff TwinSAFE + FSoE가 세 묶음으로 시장이 갈립니다.

#5. Vendor 생태계

생태계가 기술적 우열보다 자주 결정 인자입니다. PLC가 Rockwell이면 EtherNet/IP가 기본입니다. Siemens가 들어와 있으면 PROFINET이 기본입니다. 신규 라인을 통째로 갈아엎지 않는 한 기존 PLC 벤더의 표준을 따라갑니다.

#시나리오별 추천

#시나리오 1 — 6축 로봇팔 모션 제어

요구: 250 μs cycle, ≤1 μs jitter, line 토폴로지, 협동 로봇 안전(ISO 10218).

1
요구 매칭
2
  cycle:      250 μs        → EtherCAT·PROFINET IRT·SERCOS III
3
  jitter:     ≤1 μs         → 동일
4
  topology:   line          → EtherCAT 자연, 나머지는 ring/star
5
  safety:     SIL 3 + STO   → 세 표준 모두 가능
6
  cost:       슬레이브 적은데 master 비싸지 말 것
7
  → EtherCAT (master 가장 저렴, line 자연)

추천: EtherCAT + FSoE. 두산 협동로봇, 현대중공업 산업로봇이 이 조합입니다.

#시나리오 2 — 자동차 차체 용접 라인

요구: 100200 PLC + 10002000 분산 IO, 4 ms cycle, Siemens PLC 표준화.

1
요구 매칭
2
  분산 IO 규모: 매우 큼      → star/tree 토폴로지 필수
3
  cycle:       4 ms          → PROFINET RT 충분
4
  PLC:         S7-1500       → TIA Portal 통합
5
  Safety:      PROFIsafe     → 라인 비상정지 SIL 3
6
  →  PROFINET RT (+ IRT는 모션 셀에만)

추천: PROFINET RT(주력) + IRT(모션 셀 한정). 현대자동차 울산 공장, 기아 화성 공장이 이 패턴입니다.

#시나리오 3 — 반도체 fab 비전 검사 스테이션

요구: 카메라 트리거 ±100 ns 동기, 50 ms throughput, IT 시스템 통합.

→ EtherNet/IP + GigE Vision 또는 OPC UA over TSN.

추천: EtherNet/IP + GigE Vision (현재 표준) 또는 OPC UA Pub-Sub over TSN (미래). 삼성전자 평택, SK하이닉스 청주 fab의 검사 라인이 이 조합으로 옮겨가고 있습니다.

#시나리오 4 — 식품·음료 라인 (북미 vendor)

요구: Rockwell ControlLogix PLC, FactoryTalk SCADA, FDA 21 CFR Part 11 추적.

→ EtherNet/IP + CIP Safety 외에 선택지 없음.

추천: EtherNet/IP. 한국 진출 미국계 식품업체(Coca-Cola, Pepsi, Nestle) 공장이 거의 모두 이 라인입니다.

#시나리오 5 — 인쇄·포장기 (B&R 강세)

요구: 8축 동기 모션, ring redundancy, 200 μs cycle.

추천: POWERLINK + openSAFETY. B&R의 본거지 시장이고 LG화학 포장 라인, 코오롱 인쇄기에서도 보입니다.

#시나리오 6 — 차세대 통합 라인 (Industry 4.0)

요구: motion + safety + vision + IT 데이터 한 망에서, vendor lock-in 회피.

1
요구 매칭
2
  vendor-neutral: 절실        → IEEE 802.1 표준
3
  motion + IT:    동거         → time-aware + best-effort 큐 분리
4
  →  OPC UA Pub-Sub over TSN (802.1Qbv + 802.1AS)

추천: OPC UA over TSN. 아직 대규모 양산 배치는 한국에 거의 없지만, 삼성전자 평택 P3·LG디스플레이 파주 P9 신규 라인의 일부 셀에서 파일럿으로 시작했습니다. 향후 5~10년에 주류로 이동할 가능성이 높습니다.

#OPC UA over TSN — 통합의 미래

이 흐름이 시리즈 전체를 통틀어 가장 중요한 동향입니다. 지금까지의 산업 이더넷은 각 vendor의 독자 프로토콜이었습니다. EtherCAT 슬레이브를 PROFINET 마스터에 못 꽂고, EtherNet/IP PLC가 EtherCAT 드라이브를 직접 못 다룹니다. gateway를 거쳐야 합니다.

OPC UA Pub-Sub over TSN은 그 벽을 허무는 시도입니다.

기존 (vendor-locked) — vendor마다 독자 프로토콜, gateway 경유로만 통합:

미래 (TSN 통합) — 단일 backbone 위에 OPC UA Pub-Sub semantic으로 모든 도메인 통합:

VDMA의 Umati initiative, OPC Foundation의 Companion Specifications가 이 그림을 구체화하고 있습니다. 한국에서는 현대자동차 의왕연구소의 차세대 라인 설계, POSCO 광양제철소의 일부 압연 라인에서 조심스럽게 시도되고 있습니다.

이 흐름이 완전히 자리잡는 데 10년 이상은 걸릴 것으로 봅니다. 기존 PROFINET·EtherCAT 라인의 설비 수명이 15~20년이라, 새 표준이 지배적이 되려면 세대 교체가 필요합니다.

#한국 산업 현장의 묶음 패턴

한국 공장에서 자주 보이는 현실 배치입니다.

#현대자동차 — 차체 라인

1
상위 MES:        Ethernet + OPC UA
2
PLC 백본:         PROFINET RT (Siemens S7-1500)
3
분산 IO:          PROFINET RT (ET 200SP)
4
모션 셀:           PROFINET IRT 또는 EtherCAT(부분)
5
용접 로봇:         EtherCAT (현대중공업·ABB·KUKA)
6
Safety:           PROFIsafe + FSoE

라인 백본은 PROFINET이고, 로봇 내부만 EtherCAT입니다. 두 망은 gateway로 묶입니다.

#삼성전자 — 반도체 fab

1
상위 시스템:       Ethernet + OPC UA + SECS/GEM
2
설비 통신:         SECS/GEM over TCP/IP
3
설비 내부 제어:     EtherCAT 또는 PROFINET IRT (장비 vendor 따라)
4
비전 카메라:        GigE Vision + CC-Link IE 또는 EtherNet/IP
5
Safety:           장비 vendor 표준

외부 망은 IT이고 설비 내부만 산업 이더넷입니다. 반도체 fab의 특징은 설비를 통째로 사오는 점입니다. 망 표준은 vendor가 결정합니다.

#LG에너지솔루션 — 배터리 셀 조립

1
라인 백본:         PROFINET RT
2
권취·조립 모션:    EtherCAT (Beckhoff TwinCAT)
3
검사 비전:         EtherNet/IP + GigE Vision
4
화성 공정:         PROFIBUS PA (기존 설비) + PROFINET (신규)
5
Safety:           PROFIsafe + FSoE

PROFINET·EtherCAT·EtherNet/IP가 셋 다 한 공장 안에 있습니다. 영역별로 vendor의 강점을 따라간 결과입니다.

#POSCO 광양제철소 — 압연 라인

1
상위 제어:         EtherNet/IP + Modbus TCP
2
압연 모션:         SERCOS III (Bosch Rexroth)
3
공정 PLC:         PROFINET (Siemens) 또는 EtherNet/IP(Rockwell)
4
화성 공정:         PROFIBUS PA · HART (위험구역)
5
신규 시범 라인:     OPC UA over TSN (파일럿)

기존 설비가 PROFIBUS PA·SERCOS III인 곳이 많고, 신규 라인은 OPC UA over TSN으로 시범 적용 중입니다.

#현대중공업 — 산업 로봇

1
로봇 컨트롤러:     EtherCAT (IgH master on Linux PREEMPT_RT)
2
서보 드라이브:     EtherCAT (자체 + 협력사)
3
Safety:           FSoE
4
티칭 펜던트:        Ethernet TCP + 자체 protocol
5
공장 PLC 연결:     PROFINET 또는 EtherNet/IP gateway (고객 환경 따라)

로봇 제품 내부는 EtherCAT 단일이고, 외부 인터페이스만 고객의 PLC 망에 맞춥니다. 이 패턴이 모션 컨트롤 제품의 표준 설계입니다.

#선택 흐름도

복잡한 결정을 질문 다섯 개로 정리해 봅니다.

Q1. 기존 PLC가 있는가?

• YES → 그 vendor 표준 따름 (Siemens = PROFINET, Rockwell = EtherNet/IP, B&R = POWERLINK)
• NO → Q2로

Q2. 모션 컨트롤이 주된 application인가?

• YES — cycle ≤ 250 μs 필요? → EtherCAT. 아니면 → POWERLINK or PROFINET IRT
• NO → Q3로

Q3. 분산 IO·라인 통합이 중심인가?

• YES — 북미·일본 시장 → EtherNet/IP. 유럽·한국 시장 → PROFINET RT
• NO → Q4로

Q4. IT 통합·vendor lock-in 회피가 우선인가?

• YES → OPC UA over TSN (단, 5~10년 ramp-up 예상)
• NO → Q5로

Q5. 공작기계·프레스인가?

• YES → SERCOS III
• NO → (재검토 필요)

이 흐름이 완벽한 결정 규칙은 아니지만, 9할의 케이스를 가립니다. 나머지 1할은 vendor 협상·기존 인력의 숙련도·향후 5년 setup cost가 결정합니다.

#정리

• 모든 시나리오에서 최강인 단일 표준은 존재하지 않습니다. 선택은 application·생태계·기존 인프라의 함수입니다.
• 모션·로봇은 EtherCAT이 cycle·비용 모두 우위입니다. ETG 생태계가 두텁고 master가 일반 NIC면 충분합니다.
• 라인 통합·분산 IO·HMI 통합은 PROFINET이 Siemens TIA Portal 한 IDE에서 끝납니다. 한국 자동차·디스플레이 공장의 사실상 표준입니다.
• 북미 시장과 식음료·화학 라인은 EtherNet/IP + CIP Safety가 사실상 단일 선택지입니다.
• POWERLINK·SERCOS III는 특정 vendor·산업에서 강합니다. 인쇄·포장·공작기계.
• TSN은 vendor-neutral 미래입니다. OPC UA Pub-Sub과 결합해 모든 산업 데이터를 한 망에 흐르게 만드는 시도가 진행 중입니다.
• 한국 공장은 PROFINET·EtherCAT·EtherNet/IP가 gateway로 묶여 공존하는 패턴이 가장 일반적입니다. 단일 표준 선택은 제품 내부에서나 가능합니다.
• 안전 프로토콜은 모두 IEC 61508 SIL 3를 만족합니다. 안전 관점에서는 표준 간 우열이 없습니다.

#시리즈를 마치며

12편으로 산업용 이더넷 표준을 내부 동작 수준까지 훑었습니다. EtherCAT의 on-the-fly 슬레이브 ASIC, PROFINET IRT의 time-aware switch, TSN의 Qbv·Qbu·Qci, POWERLINK의 slot 기반 폴링, Linux PREEMPT_RT의 μs급 결정성까지 왜 그렇게 설계되었는지가 핵심 흐름이었습니다.

이 시리즈가 vendor 마케팅의 안개를 걷어내고 공학적 trade-off를 본 자리가 되었기를 바랍니다. PROFINET이 EtherCAT보다 나쁜 것이 아닙니다. 문제가 다릅니다. 그 사실이 명확해지면 선택은 자연스러워집니다.

다음 시리즈 추천은 두 가지입니다.

• Practical RTOS Internals — Part 5 Linux RT: PREEMPT_RT를 RTOS 관점에서 더 깊이. scheduling·priority inheritance·deadlock 회피를 OS 내부에서 보는 시리즈입니다.
• Buildroot로 시작하는 임베디드 Linux: softPLC를 부팅부터 만드는 흐름. Buildroot로 최소 root filesystem을 빌드하고, PREEMPT_RT 커널과 IgH EtherCAT 모듈을 제품 이미지로 패키징하는 단계까지.

기능 안전 쪽으로 한 단계 더 가고 싶다면 항공우주 안전 표준 — DO-178C·DO-254 시리즈가 SIL 3의 인증 절차를 풀어 줍니다.

#관련 항목

• Ch 1: 산업용 이더넷 개요 — 시리즈 시작
• Ch 5: EtherCAT Master/Slave — SOEM·IgH
• Ch 6: PROFINET 개요 — RT·IRT 클래스
• Ch 8: TSN — IEEE 802.1 시간 민감 네트워킹
• Ch 10: POWERLINK — Slot 기반 폴링
• Ch 11: 리눅스 실시간 — PREEMPT_RT·EtherCAT
• Practical RTOS Internals Part 5.7: PREEMPT_RT Linux
• Modern Embedded Recipes Part 4.6: IRQ affinity
• Buildroot Ch 1: 문제 정의
• DO-178C Ch 1: 항공 SW 인증 개요
• 원문 — ETG (EtherCAT Technology Group)
• 원문 — PI (PROFINET International)
• 원문 — ODVA (EtherNet/IP)
• 원문 — OPC Foundation