PROCESS 계장, 단일쌍 이더넷 기술은 무엇인가

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 통신할 수 있는 노드 비용, 노드 크기 및 스마트시스템 시운전 용이성의 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 필드 버스 솔루션과 센서 네트워크는 축소된 부분을 형성하고 있다. 많은 잠재적인 산업용 이더넷 노드는 모두 유선으로 연결되어 있다. 그들의 변화가 이 논문의 초점이다.

미디어 인터페이스

제한된 장치의 헤더와 인터페이스를 행하는 8핀 리셉터클이 있는 노드 커넥터가 있다.



핀 할당은 위에 나와 있다. 제한된 장치의 헤더와 인터페이스 하는 8핀 리셉터클[Receptacle]이 있는 노드 커넥터가 있다. 핀 헤더에는 표준 2.54mm 피치, 0.635mm × 0.635mm 사각 핀이 있다. 8핀의 단일 행 헤더, 8핀의 채워짐과, 각 핀은 2A 이상의 전류를 전달할 수 있다.

• 커넥터는 다음을 사용하여 매체에 연결되고 전기적으로 연결되어야 한다. 표준이나 도구가 아직은 없다.
• 커넥터는 선별 라인을 끊은 다음 선별[Select]_A 및 선별_B 핀에 연결해야 한다.
• 커넥터는 SPE+ 및 SPE-라인을 모두 차단하고 향상된 신호의 무결성을 위해 인라인 인덕터 [inline inductors]를 추가할 수가 있다.

SPE 10BASE-T1S PHY의 요구 사항

우리는 초기 10BASE-T1S PHY를 위해 여러 반도체 공급 업체와 협력했다. 여기에는 세 가지 옵션이 있다.



옵션 1은 MII 인터페이스가 있는 PHY이며 MAC 및 RS가 내장된 MCU가 필요하다. MII 인터페이스가 있는 MCU는 제한된 캐비닛 내 장치가 감당할 수 있는 것보다 훨씬 더 비싸기 때문에 선호되는 옵션은 아니다. 16개 이상의 신호가 PHY와 MCU간에 라우팅되어야 하므로 더 많은 보드 공간이 필요하다.

옵션 2는 MAC 및 RS가 통합 된 SPI 인터페이스가 있는 PHY이다. 이것은 SPI 인터페이스가 있는 MCU만 필요하다. 이것은 SPI 인터페이스가 있는 MCU가 훨씬 더 저렴하고 제한된 캐비닛 내 장치를 위한 대상 MCU이기 때문에 선호되는 옵션이다. 개방 얼라이언스[Open Alliance]와 같은 일부 표준조직은 10BASE-T1S PHY에 대한 SPI 인터페이스 표준화 작업을 하고 있으며 우리는 이를 반도체 분야에서 배웠다. SPI PHY는 2020년에 출시될 예정이다.

옵션 3은 단일 칩에 통합 된 PHY 및 MCU이다. 이렇게 하면 전체 패키지 크기가 크게 줄어들고 잠재적으로 최저비용 옵션을 제공할 수가 있다. 문제는 프로세서의 성능, 메모리 풋프린트 및 보안 기능이 적절히 조합된 부품을 대규모 시장에서 찾는 일이 급선무이다.

SPE 10BASE-T1S 멀티 드롭 미디어 및 하드웨어



케이블 샘플: 104(ohm)에서 임피던스, 25 미터에서 (40MHz)에서 6.7(dB)의 삽입손실

커넥터 샘플 : 삽입손실 0.1dB@40MHZ 반사손실 33dB@40MHz, SPE+ 및 SPE-라인 모두차단, 36nH 인라인(in-line) 인덕터가 내장되어 있다.
T1S 하드웨어: IEEE 802.3CG 초안(draft) 2.1, MII 인터페이스 통합 PLCA 기능을 준수하는 T1S PHY가 있는 평가 보드




시스템 평가 결과

T1S 하드웨어, 케이블 및 커넥터로 지원할 수 있는 노드 수를 결정하기 위해 여러 설정을 평가했다.

• T1S에서 지원할 수 있는 노드 수를 결정하기 위해 하드웨어, 케이블 및 커넥터 등, 여러 가지 설정에 대해 계속 평가했다.
• 총 40개의 노드 25미터 케이블의 시작 부분에 마스터 노드 0, 케이블 중간에 노드 1, 25미터 케이블 끝에 집중된 38개 노드.
• 비트 오류 없이 수행된 BER 테스트.
• 노드에서 측정된 눈 높이와 일치하는 시뮬레이션 결과.



제한된 EtherNet/IP 통신 프로필 및 스택 요약

현재 EtherNet/IP 통신은 제한된 장치 및 네트워크 요구사항을 지원하지 않는다. 그림과 같이 제한된 장치 프로필의 개념에서 EtherNet/IP 통신 프로파일을 개발하는 것이 좋다.



최소장치 개체 모델은 제한된 EtherNet/IP에 대해 동일한 기본 개체를 사용하지만 기본 개체의 구현을 최소화한다. UDP를 통한 최소화된 CIP 전송이 있으며 UCMM + Class 1만 지원한다.

장치의 오버헤드를 줄이는 일환으로 옵션기능을 제한하여 개체를 최소화한다. 연결 관리자가 예제로 표시된다. 속성과 서비스가 최소화되며 통신방법이 최소화된다. 단순화는 여전히 필요한 상호운용성[interoperability]을 유지한다.



장치가 지원하는 애플리케이션 프로필은 Identity 개체의 애플리케이션 프로필 속성 25를 통해 보고된다. 11장은 EtherNet/IP 전송 애플리케이션 프로파일을 정의하기 위해 Volume 2, CIP의 EtherNet/IP 적응에 대해 제안되었다. 새로운 EtherNet/IP 전송 애플리케이션 프로파일은 ‘전체’ 및 ‘UDP 전용’ 전송 프로파일이다. 전체 EtherNet/IP 전송프로파일은 CIP 연결관리 및 연결된 명시적 메시징을 위한 TCP 및 EtherNet/IP 캡슐화 세션, 암시적 메시지 전송을 위한 UDP 전송 프로토콜의 사용을 지정한다.



UDP 전용 EtherNet/IP 전송 프로파일은 모든 데이터 전송에 UDP를 독점적으로 사용하도록 CIP 메시지를 지정한다. 이 프로파일은 TCP가 더 이상 필요하지 않기 때문에 단순화된 EtherNet/IP 스택이 된다. 새로운 ‘EtherNet/IP Capability’ CPF 항목이 제안되었다.

이 새로운 CPF 항목은 EtherNet/IP Transports 애플리케이션 프로파일 데이터를 사용한다. ‘EtherNet/IP Capability’ CPF 항목이 ListIdentity 응답에 유효한 항목으로 추가되었다. 이를 통해 ListIdentity를 사용하여 제한된 장치의 EtherNet/IP 기능을 검색할 수 있다. 여기에 새로운 EDS entry[Application Profiles Assembly]가 결합되어 제약 조건을 설명한다. 장치의 EtherNet/IP 기능 중, 다음은 새로운 ‘EtherNet/IP Capability’ CPF 항목에 대한 정의이다.



새로운 EtherNet/IP 전송 애플리케이션 프로파일 정의는 지원되는 기능의 조합을 허용한다.

UDP 전용 장치의 통신을 단순화하면 TCP 연결과 캡슐화 세션이 제거되고 통신 스택의 복잡성이 감소한다. 단순화 된 경우 몇 가지 예는 그림 16에서 설명한다. 그림 16은 전체 EtherNet/IP와 UDP 전용 UCMM 메시징을 비교한 것이다.



그림 17은 전체 EtherNet/IP와 UDP전용 암시적 메시징을 비교한 것이다.



CIP 보안에는 TLS와 DTLS가 모두 필요하기 때문에 DTLS 전용 EtherNet/IP 적응에 대한 선택적 지원을 추가할 것을 제안한다. 이것은 아래 그림에 설명되어 있다.



Volume 8 CIP Security에 제안된 추가 사항은 UDP 전용 EtherNet/IP 전송 애플리케이션 프로필을 구현하는 장치를 허용한다. DTLS는 CIP 보안 컨텍스트에서 전송되는 모든 CIP 통신에 사용된다. 그림 18은 DTLS를 통해 EtherNet/IP가 연결되지 않은 메시지를 교환하는 데 필요한 메시지의 단순화된 시퀀스를 보여준다.



그림 19는 EtherNet/IP 제안을 요약한 것이다. 빨간색으로 표시된 기능은 제거된다. 녹색으로 표시된 기능은 새로 추가된 것이다. 노란색으로 표시된 기능은 수정된다(축소).


참고문헌

1. DeviceNet of Things-사용사례, 가치제안 및 사양상태: 2017-ODVA Confere프로파일nce_Caspers_DOT_FINAL
2. 2018ODVAConference_Brandt_Xu_Hahniche_Dietrich_Enhancements_to_EtherNetIP_for_Constrained Devices_and_Networks_Paper_FINAL
3. ODVA, CIP 네트워크 라이브러리, 볼륨 1, 공통 산업 프로토콜 (CIP™), 에디션 2016년 4월 20일
4. ODVA, CIP 네트워크 라이브러리, 볼륨 3, DeviceNet Adaptation of CIP, Edition 1.14, 2013년 11월
5. 로크웰 오토메이션, 자동장치 교체(ADR)-1769-SDN Compact I / O DeviceNet 스캐너 모듈 사용자 설명서 - 발행 1769-UM009E-EN-P, 2009년 8월
6. John Harmon, 6개의 DeviceNet EtherNet / IP로 반복되지 않아야 함, Sensortech, 2010년 5월 19일
7. NAMUR, “Position paper 공정산업을 위한 이더넷 통신시스템”, http://www.namur.net/fileadmin/media_www/Dokumente/Anforderung_Ethernet-NAMUR_2016-02-25_EN.pdf
8. IEEE 802.3 CFI, “10Mb/s 확장범위 단일트위스트 페어 이더넷 PHY”, http://www.ieee802.org/3/cfi/0716_1/CFI_01_0716.pdf
9. IEEE 802.3 SG, “10SPE”(10Mb/s 단일 쌍 이더넷), http://www.ieee802.org/3/10SPE/index.htm
10. IEEE 802.3cg (10SPE) - 산업자동화 목표를 충족하는 10Mb/s 단일 쌍 이더넷 : 2017-ODVA-Conference_Brandt Xu Haehniche_IEEE-802-3cg-10SPE_R0_FINAL
11. DeviceNet of Things-사용사례, 가치 제안 및 사양 상태 : 2017-ODVA Conference_Caspers_DOT_FINAL
12. 자원이 제한된 산업 사물인터넷-EtherNet/IP에 대한 CoAP의 적용을 위한 제안 : 2017-ODVA-Conference_Green Otterdahl_CoAP_FINAL
13. EtherNet / IP 에서 Edge까지 - “저 복잡성 이더넷”개념: 2017-ODVA Conference_Alsup_Weingartner_Lowcomplexity_Ethernet_FINAL
14. EtherNet / IP™를 자원이 제한된 산업 사물로 확장: 2015_ODVA_Conference_Xu-Brooks_Extending-EtherNetIPto-Resource-Constrained-Industrial Things-FINAL
15. 6LoWPAN을 통한 CIP: CIP를 IPv6 기반 필드 무선 네트워크로 확장: 2014_ODVA_Conference_Xu_Brooks_Yu_Brandt_CIP_over_6LoWPAN_FINAL

여기에 표현 된 아이디어, 의견 및 권장 사항들은 가능한 한 사용에 대한 저자의 개념을 설명하기 위한 예이다. ODVA의 아이디어, 의견 및 권장 사항을 반영하는 것이 아니다. ODVA 의 여러 기술을 공급하는 벤더의 제품 및 시스템과 함께 다양한 상황에 적용 할 수가 있는 것들이다. ODVA의 네트워크를 지정하는 책임자는 스스로 적합성 여부를 결정해야 한다.