[기고] ODVA가 최초로 공개하는 APL의 핵심통신망 기술 (상), PROCESS 계장, 단일쌍 이더넷 기술은 무엇인가
  • 2021-01-05
  • 글/ ODVA ACTIVITY MANAGER I. Y. Cho


산업용 이더넷은 EtherNet/IP가 “사물 인터넷[IoT]” 운동의 선두 주자로 부상하면서 급속한 성장을 보였다. 이 글에서는 컨택터 및 푸시버튼과 같은 많은 저가형 제약장치 즉, “사물”에 EtherNet/IP 배포를 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.

산업용 이더넷 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 글의 초점이다.



서문


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

여기에 ODVA가 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 인력 풀 확장
- 클라우드 연결 및 분석을 통한 최적화[Optimization] 및 유지관리 기회 개선을 통한 복잡성과 비용의 감소 등



이러한 이점 추구로 인해 이더넷이 에지(Edge)에 있는 다른 네트워크를 대체 할 수 있는 개선 사항을 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 개선 사항들을 제안한 적이 있다. EtherNet/IP를 제한된 애플리케이션[예: PROCESS 계장분야]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 기능검색, 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 진단하겠다.

아무쪼록 이 글이 PROCESS 계장분야[ETHERNET-APL]을 공부하는 관심이 많은 기술자들에게 보탬이 되었으면 한다. 이 논문의 발표는 미국 플로리다 주 팜 하버에서 ODVA가 2020년3월 4일 ODVA 산업 컨퍼런스 및 20차 연차 대회 회의서 발표된 내용을 중심으로 심층 분석해 본다.

 Keywords 
EtherNet / IP, 제한노드네트워크, APL, 인-캐비넷[In-cabinet], 6TiSCH, 이더넷, IEEE 802.3, IEEE802.3cg, 단일 쌍, 산업자동화, 프로세스자동화, 필드버스, NAMUR, ODVA, 실제 Nodal Geography 참조지역, 네트워크 전원, 라인선택, 라인 프로토콜 선택, 그룹 5 메시징, IDC-절연변위 커넥터, 장치시운전, 네트워크시운전


상표[Trademarks]
DeviceNet®, CompoNet® 및 EtherNet/IP™는 ODVA, Inc. 의 상표이다. HART®, HART-IP™ 및 FOUNDATION™은 FieldComm Group의 상표이다. PROFIBUS, PROFINET 및 IO-Link는 PNO [PROFIBUS Nutzer-Organisation]의 상표이다. CANOpen®은 CAN in Automation의 상표이다.
Modbus®는 SCHNEIDER ELECTRIC USA, INC의 상표이다.
CC-Link 및 CC-Link IE는 MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION의 상표이다. AS-Interface는 Verein zur Forderung busfahiger Interfaces fur Binare Aktuatorenund의 상표이다. Sensoren e. V. INTERBUS는 Phoenix Contact GmbH & Co.의 상표이다.

용어 정의
“스위치 전원”과 “제어 전원”이라는 용어는 이 글 전체에서 같은 의미로 사용된다. Nodal Geography는 EtherNet/IP의 제한된 장치와 네트워크의 모든 노드에 대해 정렬 된 ID 개체 장치 키[KEY] 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 산업 자동화를 말함


NAMUR : 독일, 프로세스 자동화 사용자 그룹[Process Automation user group]
APL : 고급물리계층[Advanced Physical Layer], 이더넷을 아날로그 PROCESS 계장분야로 가져 오는 고급 물리계층시스템으로 국제단일 PROCESS 계장표준이며, SIEMENS, ABB 등 12개의 DCS 메이커포함 세계적 PROCESS 계장 자동화 회사들과 ODVA, FieldComm Group, PI인터내셔날 등, 3대 국제 SDO[국제표준개발조직]가 포함된 PROCESS 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 10BASE-T1S 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 작동 가능한 산업용인터넷인 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 운용기술[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 안전 방폭[폭발 위험이 있는 환경에서 장비를 안전하게 작동 할 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 : [Local Area Network의 LAN대신 공장의 제어영역인CAN[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 비 메모리 반도체 칩. 논리 회로 형 반도체(FPGA)에 비해 값은 싸나, 상품화에 오랜 시간필요.
Network Commissioning : EtherNet/IP에서 제한된 장치에 대해시험 및 시운전을 하는 것을 말하며, 이는 곧 네트워크 시운전이며, PROCESS계장 네트워크의 모든 장치에 대해서 시 운전을 시행하는 프로세스 임
PCS : 물리적 코딩 하위 계층[Physical Coding Sub-layer]의 약어
PMA : 물리적 매체 부착[Physical Medium Attachment]의 약어
PMD : 물리적 매체 의존[Physical Medium Dependent] 의 약어

단일 네트워크의 비전


많은 최종사용자들이 이더넷, 인터넷 프로토콜(IP) 및 관련 개방형 에코시스템을 기반으로 하는 조화로운 네트워크의 이점을 이해하려 하고, 또 찾고 있다. 이러한 욕구는 여러 산업분야의 조직 내에서 표현되고 있다. 그림 2에 몇 가지의 예를 참조 바란다.



일례로 자동차 산업은 모든 이더넷 차량을 위해 노력하고 있다. 자동차 업계는 OPEN망을 형성했다. 온 페어 이더넷 얼라65이언스(One Pair EtherNet Alliance)는 다양한 SPE(Single Pair Ethernet/단일 쌍 이더넷)솔루션을 홍보하고 있다. 이제 이더넷은 차량의 다른 네트워크를 대체하기 위해 에지로 이동한다. 디지털 셀링[Digital Ceiling] 파트너의 생태계는 점유와 보안 등을 위해 이더넷 기반의 스마트 LED 조명 및 관련센서를 홍보하고 있다.

독일의 PROCESS계장 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 에지의 특수한 요구 사항을 충족시키기 위해 SPE 표준을 계속 확장하고 있다. 이러한 이니셔티브는 단일 네트워크의 강력한 이점으로 인해 그 존재가 가능 한 것이다. 그 이점을 다음과 같이 나열해본다.

• 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 단순화 된 통합이 가능해진다.
• 상호 운용 성 문제의 감소 등이 큰 이점으로 작용하게 된다.

IEEE의 공헌

IEEE 내에서 SPE 표준제품 패밀리가 개발되었다. 단일 쌍 이더넷 을 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 옵션전원이 포함되었다. 2020년 2월에 또 다른 패밀리인 IEEE Std 802.3cg-2019가 출시되었다. 새로운 표준은 제한된 애플리케이션을 대상으로 하는 10Mbit/s SPE PHY 쌍을 도입하기로 했다.

그림 3에 나와 있는 여러 산업들은 에지 네트워크를 대체하기 위해 이더넷의 향상을 추구하고 표준에 기여를 했다고 말할 수 있다.



IEEE Std 802.3cg-2019에는 다음 2개의 PHY가 포함되었다.

IEEE Std 802.3cg-2019에서 기술하는 것은 다음 2개의 PHY[(PHYsical Interface)]의 약자로, 프로토콜 계층[Protocol layer]을 물리계층[Physical layer]로 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
• PROCESS계장 자동화 기기를 대상으로 함
• 1000m, 본질 안전 방 폭의 호환이 가능한 기존의 자산화 배선[Legacy wiring]

▶10BASE-T1S :
• 저렴한 비용으로 관리 문제를 해결
• 교체대상[Targeted at replacing]:
- 자동차 산업에 사용 되는 CAN, CAN FD, MOST 및 Flex Ray 프로토콜
- 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

제한된 EtherNet/IP 응용 분야

그림 4는 네트워크 에지에서 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.



필드 수준에서 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. 내용 의 각각에는 표시된 대로 고유의 제약조건이 있다. 이러한 응용 분야는[2]에서 자세히 설명하기로 한다.

또 다른 중요한 애플리케이션은 이 글의 초점인, 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.

제한된 인 캐비넷 장치를 위한 단일 쌍 이더넷

다음 섹션에서는 제한된 내부 캐비넷[In-Cabinet]에 대해 설명을 한다. 장치 관점과 단일 쌍이 어떻게 이 공간에 이더넷 기술을 적용 할 수 있는지에 대해 기술한다.

제한된 인 캐비넷 장치 문제 공간

필요한 제어전원(24VDC) 배선의 양 제어 파일럿 장치(예: 푸시 버튼, 표시기버튼, 접촉 기 등)는 참고로 보기 바란다. 이것은 그림 5 제한된 인-캐비넷[In-Cabinet] 장치 문제 공간 그래픽에서 “빨간색 와이어”로 표시된다. 일반적으로 “하드 와이어드” 라고 하는 선을 연결하고 연결 파일럿 장치에 제어 전원을 공급하여 조작한다.



간단한 캐비넷 내 적용을 위한 전선의 수시 운전에 많은 시간이 필요하며 복제할 경우 오류가 발생하기 쉽다. 일단 시운전 된 ‘하드 와이어’ 시스템은 분석을 위한 지능형 데이터를 거의 또는 전혀 제공하지 않으면서 작동 또는 시운전 프로세스 중 구성요소 업데이트 문제 해결을 포함하여 유지 관리에 높은 오버 헤드를 제공한다.

제한된 인 캐비넷 장치 고객 요구사항

제한된 캐비넷 내 장치 문제 공간을 기반으로 광범위한 고객청취 세션을 기반으로 추출 된 주요 고객 요구 사항은 다음과 같다.

• 경제적이어야 한다.
- 저비용 미디어를 사용해야 한다.
- 일반 제품의 가격과 크기를 줄일 수 있어야 한다.
- 상용 전원 공급 장치를 사용할 수 있어야 한다.
- 유선 솔루션보다 “총 소유 비용”이 낮아야 한다.

• 사용이 간편해야 한다.
- 사용하기 쉬운 단일 미디어 커넥터를 사용해야 한다.
- 간단한(또는 아예 없는) 네트워크 시운전 방법론을 포함해야 한다.
- 미디어 트렁크 및 낙하 거리 계산의 필요성을 제거해야 한다.

• 충분한 기능
- 패널 빌더를 위한 인 캐비닛[In-Cabinet] 배선을 단순화해야 한다.
- 전원 장치 전자 장치 및 스위치(제어)에 네트워크 전원을 모두 제공해야 한다. 접촉 기 및 릴레이의 작동을 용이하게 하는 전원이어야 한다.
- 동일한 전선에서 비 안전 및 안전 장치를 지원해야 한다.

제한된 인 캐비넷 장치를 위한 단일 쌍 이더넷

단일 쌍 이더넷은 여러 기술속도 및 토폴로지로 구성되며 제한된 EtherNet/IP 애플리케이션 영역을 참조 바란다. 충분한 기능, 사용의 용이성 및 저렴한 비용에 대한 고객의 요구를 충족시키기 위해 10BASE-T1S라는 10BASE 기술로 충분하다. 다음은 제한적인 인 -캐비넷[Constrained In-Cabinet] 애플리케이션에서 활용할 수 있는 10BASE-T1S의 주요 기술적 특성을 보여준다.

- 저전력 ~ 250mW (캐비닛 내 애플리케이션 사용시) 장치의 열 방출이 제한된다.
- 비용 절감, 대부분의 대상 파일럿 장치는 비용이 저렴하므로 이러한 장치에 대한 통신; 인터페이스는 이 솔루션의 상업적 수용을 유지하기 위해 저렴한 비용이 필요하다.
- 제한된 이더넷(UDP만 해당)은 파일럿 장치의 물리적 설치 공간이 적으며 일반적으로 이 솔루션에 배포 할 수 있는 전자장치의 패키지 크기에 물리적 제약이 있으므로 메모리 요구 사항을 줄이기 위해 이더넷 스택이 제한된다.
- 10Mbps ½ 듀플렉스, 최종 노드는 일반적으로 파일럿 장치이므로 IEEE 802.3cg 10BASE-T1S 사양에 따라 통신 속도와 같은 시스템 성능측정을 최소로 선택할 수 있다.
- 미디어는 멀티컨덕터 케이블 25m 케이블길이, 멀티드롭 토폴로지로 제한된 인-캐비넷[In-Cabinet] 문제를 지원하여 총 시운전시간을 단축해 이 솔루션을 쉽게 사용할 수 있도록 해 준다.

제한된 인 캐비넷 장치를 위한 기술 아키텍처

아래 그림 6은 SPE 10BASE-T1S를 실행하는 기술 아키텍처를 제안한 구성도면이다.



주목할 점


1. 여러 장치를 연결하는 다중컨덕터 플랫케이블[Multi-conductor flat cable]은 모두전원을 공급한다(스위치전원 및 네트워크전원). 10BASE-T1S 통신을 가능 하게하는 멀티 드롭 토폴로지[multi-drop topology]에서 위 그림은 ‘파란색 선’으로 표시를 한다.
2. 그림 6에서 “녹색 선”으로 표시된 컨트롤러에 대한 4 선의 이더넷을 연결한다.
3. 전체 시스템은 24VDC 전원 공급 장치로 전원이 공급된다. 두 가지 전원 채널이 정의되어 있다. NP(Network Power) 및 SP(Switched Power) NP 전력은 통신에 전력을 공급하는 데 사용된다. 전체 네트워크 회로, SP 전원은 모든 출력부하이다.
4. 게이트웨이는 NP(Network Power) 및 SP(Switched Power) 채널 모두에게 전원을 공급한다.
5. 게이트웨이가 할 수 없는 경우 시스템에 새SP전원을 주입하려면 SP탭[Tap]이 필요하다. 모든 부하에 SP 전원을 제공한다.

제안된 기간

그림 7. ODVA SIG 제안 타임라인은 제한된 인 캐비넷 장치에 대한 단일 쌍 이더넷의 전체 사양을 게시하기 위한 활동 일정을 강조하는 것이다. 통신 프로토콜 및 관련 사양의 정의는 ENIP 시스템 아키텍처 특별위원회-SIG[Special Interested Group]에 의해 정의되고 있으며, T1S(’20 년 4 월 게시)에 대한 UDP 전용 전송 프로파일, 제한된 인 캐비닛 장치에 대한 CIP 보안 및 T1S용 캐비닛 애플리케이션 프로필에 제한된다.



미디어 정의는 3ESEs 제공, 케이블 및 커넥터 사양, SP탭 커넥터 및 접지 사양과 미디어 계획, 설치 설명서를 발음하는 데 중점을 둔 ENIP 물리계층[Physical Layer]특별위원회-SIG[(Special Interested Group)]에서 수행된다.

<다음로호 이어짐>

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