[기고] EtherNet/IP 네트워크의 기능적 안전통신을 적용하는 방법(상)

2021-10-06

글 / ODVA Activity Manager I. Y. Cho

CIP 안전백서, 성공적 무선네트워크 구축하기 위한 절차 소개

네트워크의 이점에 대해 논의한 뒤에 기능안전 원칙에 대해서 소개한다. 산업 통신네트워크, 특히 EtherNet/IP는 유/무선 맥락에 대해서 모든 검토가 가능하다. CIP Safety의 진단기능을 먼저 소개한 뒤 CIP Safety를 사용하여 성공적인 무선네트워크를 구축하기 위한 절차를 소개하려고 한다.

먼저 무선

1. 개요

지난 15년간 산업의 연결성은 전례 없이 증가되었다. 소비자 및 IT 통신 기술을 통해 공급받으면서 시스템 성능의 수요가 늘어나면서 비용을 절감한 것이 주효했다고 볼 수 있다. 가정과 사무실에서 우리는 무선통신의 성능이 얼마나 좋을지에 대한 기대를 쌓아왔다.

그리고 이로 인해 무선통신은 가정과 사무실의 수많은 통신에 있어서 제일 첫 번째의 연결 방법이 되었다. 무선 솔루션은 산업 환경에서 더욱 보편화되고 있으며 이에 대해서는 그럴 만한 이유가 있다고 본다. 다음에 열거하는 것은 무선 산업 통신이 보다 효과적인 생산을 가능케 하는 여러 요소들 중 하나의 포인트가 된다.

- 모듈식 및 유연한 플랜트의 설계
- 원격 프로세스 계측
- 레거시[legacy] 장비에 대한 데이터 수집
- 자동화된 유도차량(AGV)
- 자동화된 모바일 로봇(AMR)
- 독립 카트기술(ICT)
- 자동 스토리지 및 검색 시스템(ASRS)
- 기계 이동을 위한 예측분석
- 위생 설계를 위한 케이블의 연결감소

새로운 기술의 발전으로 무선통신은 더 나은 성능을 달성하게 되므로, 더 많은 사례가 발생할 수 있다. 직원안전을 달성하는 등 운영환경 내에서 무선 통신을 채택하는 기업이 해결해야 할 몇 가지 조직문화와 기술적인 장벽에 접할 수가 있다.

2. 안전[What about Safety]

안전은 이동장비, 이동기계, 재구성 가능한 공장 및 산업제어시스템의 위험한 물품에 사람이 바로 근접한 장소에서 그 의미가 특히 중요하다. 이러한 의미를 갖는 애플리케이션은 산업정보를 무선으로 통신하는 방법, 모바일 기계와 상호작용하면서 직원들을 안전하게 보호하는 방법 등 산업 통신에 고유한 문제들을 제기해 준다. 무선 통신기술은 안전문제에 있어서 그간 꾸준히 개선되어 왔으며 오늘날은 기능적 안전성을 설계의 일부로 간주하여 많은 애플리케이션을 달성할 수 있다. 어떻게 무선으로 안전이 작동을 할까?

첫째, 기능적인 안전요구사항과 그것이 산업통신에 어떻게 작용을 하는지를 고려하는 것이 타당할 것이다. 다양한 맥락에서 기능 안전과 관련된 많은 표준이 있는데, 산업용 제어시스템의 공통 주제는 대개 다음에 열거하는 몇 가지 요인과 같다고 본다.

- 구성요소의 장애 또는 시스템 장애 및 위험요소의 감소
- 감소가 이루어진 후 고장 위험을 정량화하는 것
- 장애발생 시 감지를 하는 것
- 고장이 항상 안전한 상태로 이어지도록 보장하는 것

이는 우수한 설계 관행을 사용하고, 과도한 구성요소를 적용하며, 고장모드에 대한 통계분석을 수행하고, 다른 기법 중에서도 특히 진단을 정기적으로 수행하는데 있다. IEC 61508 및 IEC 62061과 같은 안전시스템 설계를 위한 현대적인 표준은 시스템의 전자장치에 이와 같은 기법을 적용하는 방법을 규정하는 반면에 IEC 13849 표준에는 전자기계 시스템을 추한 것이 그 특징이다. 그리고 네트워크통신 중에 무선 통신에는 이러한 좋은 원칙들이 어떻게 적용이 될 수 있을까?

3. EtherNet/IP™기반[Foundations of EtherNet/IP™]

우리는 표준산업 커뮤니케이션이 어떻게 작동하는지 검토하는 것에서 시작합니다. 통신용 OSI 모델과 TCP/IP 모델을 검토하여 통신 시스템의 여러 부분이 EtherNet/IP™ 산업용 통신망이 함께 작동하는 방식을 이해하는 것이 유용하다고 본다.

1. 두 장치 간에 통신해야 하는 데이터는 Common Industrial Protocol(CIP™ 프로토콜/일명, 공통산업프로토콜)을 사용하여 상위계층 또는 애플리케이션 계층 중에서 생성이 된다. HTTP 및 SMTP와 같은 익숙한 기능이 있는 계층이 된다.

2. 전송계층에서 CIP정보가 캡슐화된다. 즉, EtherNet/IP의 경우에는 TCP 또는 UDP 헤더를 말한다.

3. 네트워크 계층에 논리적 주소지정 정보가 추가된다. EtherNet/IP의 경우 IP(Internet Protocol) 정보로, 패킷은 이제 네트워크 액세스 준비를 마친 거나 다름이 없다.

4. 데이터 링크 계층과 물리적 계층에서 패킷은 전송 매체로 변환이 된다. 때로는 패킷 충돌을 방지하기 위한 추가 조치도 함께 제공이 되기도 한다. 이 둘을 결합하면 네트워크 액세스 계층이 되는 것이다.
이러한 계층의 구성은 전송, 네트워크, 데이터 링크 또는 물리적 계층에 관계없이 CIP에 대한 중요한 사용자 데이터가 첫 번째 단계에서 완료되기 때문에 중요한 것이다. 독립성을 통해 서로 다른 전송 매체뿐만 아니라 다른 네트워크도 가능하다.

4. EtherNet/IP기반[Foundations of EtherNet/IP]

우리는 표준산업 커뮤니케이션이 어떻게 작동하는지 검토하는 것으로부터 시작을 하려고 한다. 통신용 OSI 모델과 TCP/IP 모델을 검토하여 통신 시스템의 여러 부분이 EtherNet/IP™ 산업용 통신네트워크를 위해 함께 작동하는 방식을 이해하는 것이 바람직하다고 본다.

1. 가령, 두 장치 간에 통신해야 하는 데이터는 Common Industrial Protocol(CIP™: 공통산업 프로토콜)을 사용하여 상위계층 또는 애플리케이션 계층에서 생성한다. HTTP 및 SMTP와 같은 친숙한 기능이 있는 계층을 말한다.

2. 전송계층에서 CIP 정보가 캡슐화된다. EtherNet/IP의 경우에는 TCP 또는 UDP의 헤더가 된다.

3. 네트워크계층에 논리적 주소지정 정보가 추가된다. EtherNet/IP의 경우는 IP(인터넷 프로토콜) 정보로, 패킷은 네트워크 액세스의 준비를 마치게 된다.

4. 데이터링크 계층과 물리적 계층에서 패킷은 전송매체로 변환이 된다. 때때로 패킷 충돌을 방지하기 위한 추가조치도 함께 제공한다.

데이터링크 계층과 물리적 계층 둘을 결합하면 네트워크 액세스 계층이 된다. 이러한 계층 구성은 전송, 네트워크, 데이터 링크 또는 물리적 계층에 관계없이 CIP에 대한 중요한 사용자 데이터가 첫 번째 단계에서 완료되기 때문에 중요하다. 계층간 독립성을 통해 서로 다른 전송 매체뿐만 아니라 다른 네트워크와도 연결이 가능하다.

즉, 계층2 스위치 및 계층3 라우터[routers]를 통한 구리, 광섬유를 사용한 통신 및 무선 통신에 EtherNet/IP라는 하나의 프로토콜을 사용할 수가 있다는 말이다. 다음으로, 유선링크를 통해 이러한 통신이 어떻게 작동하는지를 살펴보겠다.

5. 유선 EtherNet/IP[Wired EtherNet/IP]

EtherNet/IP의 서로 다른 네트워크액세스 계층구현을 사용할 때 고려해야 할 주요 차이점이 있을 수 있다. 서로 다른 전송속도 즉, 초당 패킷 제한 및 충돌감지/예방 메커니즘이 있을 수 있다는 말이다. 또한 물리적 미디어의 품질도 고려해야 한다. 구리 배선과 같은 고정매체를 사용하면 다음과 같은 차이를 어느 정도는 입증이 가능하다.

고정 시스템의 장점 중 하나는 신뢰성이 매우 예측이 가능하다는 것이다. 속도는 다르지만 달성 가능한 순 데이터 속도는 제한된 수의 요인에 의해 영향을 받을 수가 있다. 처리량 감소의 주된 영향은 손실, 또는 손상된 패킷 안에 있다. 이는 패킷 손실 및 비트 오류 율(BER)로 측정할 수 있다. 이더넷 통신을 사용하는 경우 OSI 모델의 상위 수준은 하위 수준의 오류를 감지하도록 설계되어 있다. 여기서 참조하는 오류는 주로 물리적 계층의 오류이다.

6. 광섬유미디어[FIBER-OPTIC MEDIA]

또한 EtherNet/IP를 광섬유 네트워크 링크를 통해 배포할 수 있으므로 데이터 처리량과 노드 간 거리가 크게 증가할 수 있다. 광섬유는 속도 또는 노드 간 거리를 그 크기에 따라 한 자 이상 증가시킬 수 있으나 둘 다 증가하면 이득이 더 적어진다. 광섬유와 관련된 거리 및 처리량과 관련된 교환[tradeoff]이 있다.

패킷 손실은 케이블이 파손되거나 충돌이 발생하거나 스위치 펌웨어[firmware]가 패킷을 잘못 처리할 때 발생할 수 있다. 이는 모두 전 이중 통신을 사용할 때 일어나는 드문 이벤트이지만, 전 이중 통신이 없을 경우 패킷 충돌이 증가할 수 있다. CSMA/CD[Carrier Sense Multiple-Access/Collision Detection/여러 통신 주체들이 동시에 통신을 하게 되어 발생하는 충돌을 방지하기 위해서 사용하는 프로토콜]에 의해 완화된다.

이 프로토콜을 사용하면 각 송신기가 전송을 시작하기 전에 공유 미디어를 청취할 수 있다. 충돌이 감지되면 두 개 이상의 유선송신기가 전송을 중지하고 임의의 시간간격을 기다린 후 다시 시도한다. 물리적 미디어를 사용할 때 개별 비트 문제는 일반적으로 전송 미디어의 간섭으로 발생한다. 구리의 경우 전자파 간섭일 수가 있다.

다양한 등급의 케이블, 차폐, 비틀림 및 거리는 모두 전자기간섭 위험을 줄이기 위한 물리적 매체 주변의 엄격한 요구 사항의 일부이다. 때때로 전자파 간섭을 피할 수 없거나 장거리 통신을 사용해야 한다. 광섬유 전송은 효과적이나 비용이 더 많이 드는 솔루션을 제시한다. 광섬유의 가장 일반적인 비트오류는 커넥터가 더럽거나 매체가 찌그러지거나 광섬유의 결함이 원인이 된다.

7. 무선 EtherNet/IP[Wireless EtherNet/IP]

무선(또는, 케이블이 없는) 통신의 경우, 두 가지 주요 방법은 무선주파수 또는 광학수단을 사용하는 것이다.
이 논문의 대부분은 광 제품보다 산업공간용 무선주파 제품이 더 많이 제공되기 때문에 무선주파수에 초점을 맞추는 것이다. 무선통신사용을 고려할 때 유선통신과 동일한 측정지표를 적용할 수 있다.

대기 시간은 유선전송보다 훨씬 크다. 위의 통계에 근거하여, 이용 가능한 여러 기술 사이에는 근본적인 차이가 있으며, 이는 적용 방법을 결정할 키가 될 것이다. 표시된 사양은 전체 기능을 사용하지 못할 수 있는 산업 애플리케이션으로 오해의
소지가 있다.

여러 가지 기술을 사용할 수 있더라도 응용프로그램에는 어떤 기능을 사용할지 결정하는 데 도움이 될 수 있는 몇 가지 측면이 있어야 한다(무선 기술 선택에 대한 뒷부분 참조). 전송방식 간의 차이를 유발하는 요소로는 유선 미디어의
그것과 별개이지만, 동일한 측정기준을 조사할 수 있다. 예를 들어, 비트 오류 율은 무선 통신의 특성을 지정하는 데 사용될 수 있다. 두 장치 간의 무선 주파수 전송의 경우 비트 오류 율의 원인이 되는 요소는 다음 3가지이다.

- 거리
- 장애물
- 간섭

송신 장치에서 나오는 전파는 송신기에서 멀어질 때 기하급수적으로 강도가 떨어진다. 두 장치가 물리적으로 가까이 있을 때도 송신 장비와 수신 장비가 좁은 송신 영역에 집중돼 있지만 서로 정렬되지 않으면 통신이 수신되지 않고 전송될 수가 있다. 마찬가지로 장애물이 신호를 차단하거나 약화시킬 수 있다.

마지막으로 구조물의 지오메트리[geometry], 재료구성 및 페인트 마감까지 신호를 방해할 수 있다. 언급된 간섭은 무선네트워크가 일반적인 유선네트워크보다 훨씬 더 자주 재구성되고 있음을 의미한다. 신호 강도가 변경되면 무선장치는 패킷시간 초과를 발생시킬 수 있는 다른 송신기로 이동한다. 사무실 Wi-Fi 환경에서 노트북으로 책상과 회의실 사이를 오가는 것은 새로운 액세스 포인트로의 전환을 촉발할 가능성이 높지만, 이러한 전환으로 인해 당일 생산성이 달라지지는 않는다.

당신의 일을 방해하지 않을 만큼 빨리 일어난다. 전환에 걸리는 산업통신은 기기와 네트워크가 제대로 구성되지 않을 경우 프로세스를 방해할 정도로 시간이 오래 걸릴 수 있다. 모션의 양은 재구성이 발생하는 빈도에 영향을 미치므로 다음 네 가지 이동 프로파일을 고려해야 한다.

1. 완전히 고정된 지점 대 지점
2. 고정 점 주변이동
3. 고정된 패턴에서의 이동
4. 불규칙한 움직임

신뢰할 수 있는 무선 성능뿐만 아니라 기지국 간 로밍[roaming]이 시스템 성능에 미치는 영향도 고려해야 한다.

8. 완전히 고정된 점대/점[Fully Fixed Point-to-Point]

완전 고정 지점 간 전송은 완전 밀폐된 선박의 벽을 통과하거나 케이블 덕트를 추가하는 것과 같이 두 방송국 간의 통신을 쉽게 얻을 수 없는 경우 또는 직원 및 지게차의 난관이 발생할 수 있는 경우에 매우 유용하다. 무선 국 사이에는 단일 지점간의 선이 연결되어 있다.

9. 고정점 주변의 이동[Movement Around a Fixed Point]

고정지점 주변의 이동을 위한 전송은 회전 장비를 모니터링 하는 것이 가장 좋은 특징일 수 있다. 단일 점 대 점 연결이 사용될 가능성이 높지만, 이러한 점 사이의 지오메트리[geometry] 및 장애물이 변경될 수 있다.