[헬로티]

먼저 최근 PROCESS 계장산업 분야의 패러다임이 아날로그에서 디지털로 바뀌며, 스마트화가 이 분야의 전통적인 형태를 국제 PROCESS 계장산업의 선두 그룹에 속하는 독일의 지멘스, 미국의 에머슨, 일본의 요꼬가와 등 메이커가 선두에 나서서 적극적인 변화를 선도하고 있다.

여기에 소위 국제 3대 SDO로 불리는 FieldC omm Group, PI[PROFIBUS & PROFINET International], ODVA 등, 국제기관끼리 협력과 공조를 통해 PROCESS 계장산업(ETHERNET-APL)을 공동으로 개발하고, 2022년도에 IEC를 통해 세계에 전격 발표할 예정이다. 그런데 여기에 중요한 기술 중 하나가 단일 쌍 이더넷(Single-pair Ethernet)이라는 기술이다. 이 기술은 APL의 핵심 통신망 기술이라 해도 과언은 아닐 것이다.

이 분야에 대해서는 APL을 깊이 파고들면 더욱 깊어지는 기술인데, 여기에 O D V A가 보유한 산업용 필드버스 EtherNet/IP가 큰 테마로 부상하면서 급속한 성장을 보이고 있다.

현실은 필드버스와 센서 네트워크가 여전히 큰 위치를 점하고 있는데, 아직도 많은 잠재적 네트워크 노드들이 유선으로 연결되어 있다. 최종 사용자는 EtherNet/IP 및 관련 개방형 에코 시스템을 기반으로 하는 조화된 네트워크의 이점을 이해하고 추구하려고 한다. 그 이점은 다음과 같다.

게이트웨이 최소화 및 배선제거, 적격 인력풀 확장, 클라우드 연결 및 분석을 통한 최적화 및 유지관리 기회 개선을 통한 복잡성과 비용의 감소. 이러한 이점 추구로 인해 이더넷이 에지(Edge)에 있는 다른 네트워크를 대체할 수 있는 개선사항을 개발하기 위해 수많은 산업이 IEEE에게로 넘쳐났다.

그 결과 단일 쌍 이더넷 패밀리(Single-pair Ethernet)는 배선, 노드 비용, 크기 및 전력소비를 줄여 단일 쌍을 통해 통신 및 전력을 제공한다. 결정적으로 이더넷 버스의 변형은 캐비넷 내 구성 요소와 같이 매우 제한된 장치를 대상으로 한다.

이전 몇 년간의 논문은 IETF 및 IEEE에서 채택하거나 영감을 얻은 일련의 개선사항들을 제안한 적이 있다. EtherNet/IP를 제한된 애플리케이션(예: PROCESS 계장 분야)에 적용하여 단일 네트워크 비전을 더욱 활성화하려고 ODVA는 노력을 경주하고 있다.

올해 운영 개념과 함께 이 ODVA의 논문은 PHY 시장을 확장하기 위한 현재의 표준이자 T1S PHY 사양의 업그레이드가 가능한 후속조치인 IEEE P802.3cg, EtherNet/IP 시스템 아키텍처 특별위원회- SIG(Special Interested Group) 및 UDP를 다루는 EtherNet/IP 물리계층 특별위원회-SIG(Special Interested Group) 작업에 대해 지금부터 실질적 논의를 시행하고자 한다.

이를 위해 기능 검색, 프로파일 개념 및 PHY, 케이블, 커넥터 및 프로파일 개념의 모듈 식 내용을 추가했다. 이 진일보된 SPE(Single Pair Ethernet/단일 쌍 이더넷)에 대해 지금부터 ODVA의 EtherNet/IP와 CIP(Common Industrial Protocol)를 중심으로 진단을 하겠다.

모쪼록 이 원고가 PROCESS 계장 분야(ETHERNETAPL)을 공부하는 관심이 많은 기술자들에게 보탬이 되었으면 한다. 이 논문의 발표는 미국 플로리다 주 팜 하버에서 ODVA가 2020 년 3월 4일 ODVA 산업 컨퍼런스 및 20차 연차 대회 회의서 발표된 내용을 중심으로 심층 분석해 본다.

키워드

EtherNet/IP, 제한노드 네트워크, APL, 인-캐비넷(In-cabinet), 6TiSCH, 이더넷, IEEE 802.3, IEEE 802.3cg, 단일 쌍, 산업자동화, 프로세스 자동화, 필드버스, NAMUR, ODVA, 실제 Nodal Geography 참조지역, 네트워크 전원, 라인 선택, 라인 프로토콜 선택, 그룹 5메시징, IDC-절연변위 커넥터, 장치 시운전, 네트워크 시운전

용어 정의

‘스위치 전원’과 ‘제어 전원’이라는 용어는 이 논문 전체에서 같은 의미로 사용된다. Nodal Geography는 EtherNet/IP의 제한된 장치와 네트워크의 모든 노드에 대해 정렬된 ID 개체 장치키 집합으로 정의한다.

Industrial Automation : 산업자동화, 즉 내용에 디스크리트(Discrete), 프로세스와 하이브리드 자동화(특정한 목표를 달성하기 위해 두 개 이상의 요소가 합쳐지는 일괄기술의 자동화)가 포함된 산업자동화를 말함.

NAMUR : 독일, 프로세스 자동화 사용자 그룹(Process Automation user group).

APL : 고급물리계층(Advanced Physical Layer), 이더넷을 아날로그 PROCESS 계장 분야로 가져 오는 고급 물리계층 시스템으로 국제단일 PROCESS 계장 표준이며, SIEMENS, ABB 등 12개의 DCS 메이커 포함 세계적 PROCESS 계장 자동화 회사들과 ODVA, FieldComm Group, PI인터내셔날 등, 3대 국제 SDO(국제표준개발조직)가 포함된 P R O C E S S 계장 디지털 표준, 즉 ETHERNET-APL을 말함.

IETF : IP 관련 프로토콜에 대한 표준기구인 인터넷 엔지니어링 태스크 포스(Internet Engineering Task Force)의 약어임.

IP : 인터넷 프로토콜(Internet Protocol).

6TiSCH : IP를 지원하는 저전력 무선에 대한 IETF 표준 및 초안.

IEEE Std 802.3cg-2019 : 10BASE-T1L 및 10BASET1S PHY를 포함한 이더넷 표준.

PHY : PHYsical layer의 약어. 링크계층을 물리적 매체에 연결하는 물리계층.

MAC : 매체 액세스 제어계층(Medium Access Control layer) (IEEE).

SPE : 단일 쌍 이더넷(Single Pair Ethernet).

PoDL : 파워오버데이터라인[Power over Data Line](IEEE 단일 쌍 전원).

Fieldbus : 실시간 제어를 위한 산업용 인터넷네트워크 프로토콜.

Industrial Ethernet : 이더넷을 통해 작동가능한 산업용 인터넷인 필드버스프로토콜(Fieldbus protocol operable over Ethernet)을 말함.

Edge : 네트워크 코어에 연결된 리프(Leaf) 노드(예: 센서 및 액추에이터)인 에지.

Gateway : ISO 모델 계층에 걸친 네트워크 프로토콜 변환기(게이트웨이).

Switch : IEEE 802.3 브리지, MAC 주소 기반의 포워딩(forwarding) 스위치.

IT : 정보 기술(Information Technology).

OT : 전문적 운용 기술(Operational Technology).

MES : 제조실행 시스템(Manufacturing Execution Systems).

Purdue Model : 계층화 된 기능자동화 모델(Layered functional automation model).

IIoT : Industrial Internet of Things[산업용사물인터넷]의 약어.

Intrinsic Safety : 본질 안전방폭(폭발 위험이 있는 환경에서 장비를 안전하게 작동할 수 있는 방법).

Point-to-point : 각 끝 단에서[점 대 점] 단일장치와의 통신-링크를 하는 것을 말함.

Multi-drop : 동일한 링크를 공유하는 여러 장치와의 다중으로 통신을 링크함을 말함.

PLCA : (PHY-Level Collision Avoidance의 약어) PHY 수준의 충돌방지를 위한 멀티드롭 결정성 프로토콜을 말함.

Full-duplex : 전 이중통신/링크에서 양방향 동시통신을 말함.

Half-duplex : 반 이중통신/링크에서 한 번에 한 방향으로만 통신함을 말함.

CAN : LAN(Local Area Network) 대신 공장의 제어영역인 CAN(Controller Area Network)의 통신 프로토콜, 컨트롤러 영역의 네트워크를 말함.

MCU : (Micro Controller Unit)의 약어. 마이크로 레벨의 미세하고 정밀한 제어장치를 말함.

ASIC : 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit)의 약어이며, 애플리케이션 별 집적 회로를 말함. 일반 집적회로와 달리 특정한 전자/정보통신 제품에 사용할 목적으로 설계된 비메모리 반도체 칩. 논리회로형 반도체(FPGA)에 비해 값은 싸나 상품화에 오랜 시간이 필요함.

Network Commissioning : EtherNet/IP에서 제한된 장치에 대해시험 및 시운전을 하는 것을 말하며, 이는 곧 네트워크 시운전이며, PROCESS 계장 네트워크의 모든 장치에 대해서 시 운전을 시행하는 프로세스 임.

PCS : 물리적 코딩 하위 계층(Physical Coding Sublayer)의 약어.

PMA : 물리적 매체 부착(Physical Medium Attachment)의 약어.

PMD : 물리적 매체 의존(Physical Medium Dependent)의 약어.

상표

DeviceNet, CompoNet 및 EtherNet/IP는 ODVA, Inc.의 상표이다. HART, HART-IP 및 FOUNDATION™은 FieldComm Group의 상표이다. PROFIBUS, PROFINET 및 IO-Link는 PNO(PROFIBUS Nutzer-Organisation)의 상표이다. CANOpen은 CAN in Automation의 상표이다. Modbus는 SCHNEIDER ELECTRIC USA, INC의 상표이다. CC-Link 및 CC-Link IE는 MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION의 상표이다. AS-Interface는 Verein zur Forderung busfahiger Interfaces fur Binare Aktuatoren und의 상표이다. Sensoren e. V. INTERBUS는 Phoenix Contact GmbH & Co.의 상표이다.

논문의 목적

산업용 이더넷은 EtherNet/IP가 ‘사물인터넷(IoT)’운동의 선두 주자로 부상하면서 급속한 성장을 보였다. 이 논문에서는 컨택터 및 푸시버튼과 같은 많은 저가형 제약장치 즉, ‘사물’에 EtherNet/IP배포를 성공적으로 추진하는 일련의 운영개념을 제시하여 산업 플랜트의 모든 장치가 동일한 세트와 통신 할 수 있는 노드 비용, 노드 크기 및 스마트시스템 시운전용이성의 균형을 유지하면서 단일 네트워크의 비전을 실천 가능하도록 유도한 것이 APL에 큰 기여를 한 것 중 하나로 본다.

그림 1. 산업 자동화 네트워크의 시장 점유율

그림 1 에서 볼 수 있듯이 산업용 이 더넷 솔루션은 EtherNet/IP가 선두 주자로 부상하면서 매우 빠르게 성장하고 있다. 기존 필드버스 솔루션과 센서 네트워크는 축소 된 부분을 형성하고 있다. 많은 잠재적인 산업용 이더넷 노드는 모두 유선으로 연결되어 있다. 그들의 변화가 이 논문의 초점이다.

단일 네트워크의 비전

많은 최종 사용자들이 이더넷, 인터넷 프로토콜(IP) 및 관련 개방형 에코 시스템(생태계 시스템)을 기반으로 하는 조화로운 네트워크의 이점을 이해하려 하고, 또 찾고 있다. 이러한 욕구는 여러 산업 분야의 조직 내에서 표현이 되고 있다.

일례로 자동차 산업은 모든 이더넷 차량을 위해 노력을 하고 있다. 자동차업계는 OPEN망을 형성했다. 온 페어 이더넷 얼라이언스(One Pair EtherNet Alliance)는 다양한 SPE(Single Pair Ethernet/단일 쌍 이더넷)솔루션을 홍보하고 있다. 이제 이더넷은 차량의 다른 네트워크를 대체하기 위해 에지(Edge)로 이동한다.

디지털 셀링(Digital Ceiling) 파트너의 생태계는 점유와 보안 등을 위해 이더넷 기반의 스마트 LED 조명 및 관련 센서를 홍보하고 있다. 독일의 PROCESS 계장 자동화 최종 사용자그룹 나무라(NAMUR)는 기기 및 관련 장치를 위한 이더넷 및 IP 기반 자동화 프로토콜을 요구하였다. 이에 대하여 ODVA를 포함한 APL(Advanced Physical Layer) 조직과 동료조직은 솔루션으로 이에 대응을 하고 있다.

IEEE는 에지(Edge)의 특수한 요구사항을 충족시키기 위해 SPE 표준을 계속 확장하고 있다. 이러한 이니셔티브는 단일 네트워크의 강력한 이점으로 인해 그 존재가 가능한 것이다. 그 이점을 다음과 같이 나열해 본다.

• 유사한 비용으로 더 높은 성능을 제공한다(치환된 네트워크에 비해서)

• 값 비싼 애플리케이션 수준의 게이트웨이가 없어진다.

• 기존의 대규모 생태계(에코시스템)의 프로토콜, 보안, 네트워크 스위치 등을 활용할 수가 있다.

• 설치, 유지관리 및 관리의 복잡성이 감소된다.

• 클라우드 애플리케이션과의 단순화된 통합이 가능해진다. 

• 상 호운용성 문제의 감소 등이 큰 이점으로 작용하게 된다.

IEEE의 공헌

IEEE 내에서 SPE(Single Pair Ethernet/단일 쌍 이더넷) 표준제품 패밀리가 개발됐다. 단일 쌍 이더넷을 통한 통신 및 선택적 전원이 가능하여 배선, 노드 비용, 크기 및 전력 소비를 크게 줄일 수가 있다. 초기 SPE 표준에는 100BASE-T1(100Mb/s), 1000BASE-T1(1000Mb/s) 및 PoDL로 알려진 옵션 전원이 포함됐다.

2020년 2월에 또 다른 패밀리인 IEEE Std 802.3cg-2019가 출시됐다. 새로운 표준은 제한된 애플리케이션을 대상으로 하는 10Mbit/s SPE PHY 쌍을 도입하기로 했다.

그림 2. 다른 에지(edge) 네트워크를 대체하는 데 도움이 되는 Ethernet 향상을 원하는 산업

그림 2에 나와 있는 여러 산업들은 에지 네트워크(Edge Network)를 대체하기 위해 이더넷의 향상을 추구하고 표준에 기여를 했다고 말할 수가 있다.

IEEE Std 802.3cg-2019에는 다음 2개의 PHY가 포함됐다. IEEE Std 802.3cg-2019에서 기술하는 것은 프로토콜 계층을 물리계층으로 바꾸어 시리얼 통신으로 만든 뒤 다른 칩과 통신하는 것을 말하며 고속통신 칩에 주로 쓰이는(예: USB PHY, Ethernet PHY, HDMI PHY 등등)이 포함된다.

[10BASE-T1L]

• 장거리 주소

• PROCESS 계장 자동화기기를 대상으로 함

• 1000m, 본질 안전 방 폭의 호환이 가능한 기존의 자산화 배선(Legacy wiring)

[10BASE-T1S]

• 저렴한 비용으로 관리 문제를 해결

• 교체대상

- 자동차 산업에 사용 되는 CAN, CAN FD, MOST 및 Flex Ray 프로토콜[Protocols]

- 인 캐비닛 산업 자동화(In-Cabinet Industrial Automation)를 위한 하드 와이어 구성요소-데이터 센터의 I2C 및 SPI

• 25m 멀티드롭 옵션

• PHY 수준의 충돌 방지(PLCA) 프로토콜에 의한 결정성

그림 3. EtherNet/IP에 대한 후보 제한 응용 분야

제한된 EtherNet/IP 응용 분야

그림 3는 네트워크 에지(Edge)에서 EtherNet/IP를 위한 몇 가지 새로운 애플리케이션 영역을 보여준다. 이들은 필드장치에 대한 제한된 응용 프로그램이다. 기본제어에서 엔터프라이즈에 이르기까지 100BASE-TX 이더넷 및 새로운 1000BASE-T 이더넷이 적합하며 제자리에 남아있을 가능성이 높다. 필드수준에서 이들은 먼저 나열된 제약 조건을 충족하기에는 아주 적합하다고는 말 못한다.

또한, 제한된 EtherNet/IP 애플리케이션 영역에는 PROCESS 계장 자동화 및 저전력 무선관련 애플리케이션 영역이 포함된다. 여기에는 물론 기계 내 구성 요소도 포함이 된다. 내용의 각각에는 표시된 대로 고유의 제약조건이 있다. 이러한 응용 분야는 추후에 자세히 설명하기로 한다. 또 다른 중요한 애플리케이션은 이 논문의 초점 인, 인-캐비넷(In-Cabinet) 구성요소이다. 여기서 전환이란 주로 하드와이어링(Hardwiring)에서 네트워크 장치로의 전환을 말한다. 물론 저비용, 소형 및 저전력에 대해 매우 엄격한 제약이 존재하는 것도 사실이다.

조익영, ODVA Activity Manager