[기고] EtherNet/IP 네트워크의 기능적 안전통신을 적용하는 방법(하)
  • 2021-11-08
  • 글 / ODVA Activity Manager I. Y. Cho


CIP 안전백서, 성공적 무선네트워크 구축하기 위한 절차 소개

ODVA 백서에서는 이동 및 원격 장비의 무선[cableless] 통신 네트워크를 통해 EtherNet/IP 네트워크의 CIP Safety 고유 네트워크 서비스와 같은 기능적인 안전통신을 적용하는 방법에 대해 설명하고자 한다.

먼저 무선 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.




10. 고정 패턴에서의 이동
[Movement on a Fixed Pattern]


고정된 패턴에서의 움직임은 몇 가지 형태를 취할 수 있다. 가장 간단한 형태는 자동저장 및 검색 시스템(AS/RS) 또는 갠트리 크레인[gantry crane/받침장치가 달린 대형 크레인]이 될 수 있다. 즉, 직선으로 나갔다가 다시 나오는 방식이다.

좀 더 복잡한 패턴은 바닥에 내장된 경로를 따르는 자동 유도차량(AGV), 놀이기구의 고정레일을 따르는 롤러 코스터[roller coaster] 또는 자동차 공장의 모노레일 운송 시스템이다. 각각의 예에는 서로 다른 고려 사항이 있다.



• 이 중 어떤 것도 WiFi와 같은 시스템이 전체 범위에 걸쳐 작동하려면 여러 개의 무선 기지국이 필요할 만큼 충분히 먼 거리일 수 있다.

• 경로가 단일연속 루프인지 여부를 고려하는 또 다른 옵션은 누출 피더[feeders]또는 누출 동 축이라고도 하는 복사 케이블이다. 이 동 축 케이블은 외부 차폐를 엔지니어링 방식으로 개조하여 경로 외부에서 과도한 무선 노이즈를 발생시키지 않고 곡선 경로를 따라갈 수 있는 신호 터널을 생성한다.



• 직선 시스템은 송신기와 수신기 사이의 가시선을 유지해야 하지만 적외선 또는 레이저 기반 광학 통신을 사용할 수 있다.



11. 불규칙 이동[Irregular Movement]


자율이동로봇(AMR)등 불규칙한 움직임이 증가하는 데는 기기지능이 높아지고 있기 때문이다. 불규칙한 움직임의 또 다른 예로는 무선 티치 펜던트[wireless teach pendant] 또는 비상정지 장치와 같은 자동화 시스템의 일부인 무선통신 장치를 사용하는 사람이 있다.

대시-보드[dash - boards]에 사용되는 태블릿 컴퓨터는 통신이 끊기면 프로세스가 중지되지 않을 가능성이 높으므로 OT 자산이라기보다는 IT 자산으로 간주해야 한다. 이 사례와 이 섹션의 다른 사례의 경우, 여러 기지국이 해당 공간을 적절히 커버해야 할 가능성이 높다.



12. 더 많은 전송장치를 통해 더 많은 계획을 수립
[ More Transmitting Devices Will Mean More Planning]


지금까지 소개한 각각의 예는 단일 무선 브리지를 고려하다. 현실적으로 애플리케이션 에는 계획된 모션에 따라 여러 무선 브리지가 있을 수 있다. 유선 네트워크의 경우, 이는 거의 문제가 되지 않는다. 완전 이중 통신은 각 링크가 독립적인 네트워크 연결임을 의미한다. 무선으로 방송국 사이의 공기는 공통적으로 공유되는 매체를 나타낸다.

무선 네트워크는 유선 네트워크보다 작동 매개변수가 제한되는 경우가 많을 뿐만 아니라 네트워크가 혼잡해짐에 따라 동작도 달라진다. 어떻게 그럴 수 있지? 각 주파수에서 전송 범위 내의 장치는 한 번에 하나만 전송할 수 있다. 두 장치가 동시에 작동을 시작하면 두 장치가 모두 중지되고 임의 시간 동안 기다렸다가 다시 전송을 시도한다. 무선 송신기는 간섭을 줄이기 위해 여러 주파수에 걸쳐 통신을 분산 시키지만, 너무 작은 주파수 범위에서 너무 많은 송신기는 더 많은 충돌을 일으키고 네트워크의 전체 유효 처리량을 감소시킨다.

이러한 상황에서는 초당 비트 수(802.11n의 패킷 집계와 같은 기능)와 같은 순수한 처리량 측정에서 더 긴 폭주하는 데이터 버스트[bursts of data] 전송이 약간 더 효율적이지만, 원시 처리량에 대한 이점은 지연 시간을 희생한다. 산업용 애플리케이션의 경우 처리 량 보다 대기 시간이 더 중요하다. 이 문제는 초기 무선 기술을 괴롭혔지만, 5G와 Wi-Fi 6(802.11ax)와 같은 최신무선 기술은 가용 전송 주파수를 높이고 스케줄링으로 주파수의 효율성을 향상시킴으로써 장치밀도를 높이도록 특별히 조정되었다.

13. 무선응용 프로그램에 CIP 안전 적용
[ Applying CIP Safety to Wireless Applications]


유무선 통신 네트워크는 장치에서 스위치, 라우터, 모든 네트워크 미디어를 통해 다른 장치에 이르기까지 복잡하다. 전체통신 네트워크가 기능안전의 원칙을 충족하도록 시도하는 것은 엄청난 작업이 될 것이며, 네트워크의 모든 부분에 대한 변경은 재검증을 요구할 수 있다. 이론적으로는 가능하지만 통신망을 통한 기능 안전은 IEC 61508에서 제시한 ‘블랙채널 원리’[black channel principle]라는 개념을 대신 따른다.

블랙채널 원칙은 두 개의 안전장치 자체에는 충분한 지능이 있어야 하고, 통신에는 충분한 진단이 있어야 한다고 규정하고 있는데, 통신망 전체가 통신오류 감지 능력에 미치는 영향은 제로라고 규정하고 있다.



이더넷 통신 네트워크에는 상당한 오류 감지 기능이 내장되어 있지만 안전 기능의 어떤 부분도 충족시키는 데 사용되지 않을 수 있다. CIP Safety™ 장치는 사용 중인 네트워크 기술과 별개로 서로 논리적으로 연결된다. 장치에서 일반적인 오류는 IEC 61784-3-2에서 설명한 것처럼 다양한 기법으로 완화된다.

타임스탬프는 패킷이 손실, 지연, 반복 또는 잘못된 전송 여부를 감지하기 위해 시간 예상과 함께 사용된다. 두 안전장치 간의 통신을 인증하는 데 고유 장치 식별자가 사용된다. 메시지가 전송 중에 손상되지 않았으며 이러한 모든 기능이 표준 통신 방법과 별개인지 확인하기 위한 추가 진단 및 점검이 포함된다.

이러한 완화 효과를 CIP Safety로 통합하면 IEC 61508에 따라 SIL 3까지, ISO 13849-1에 따라 4/PLE까지 인증된 통신에 유선 또는 무선 두 장치 간의 단일 연결을 사용할 수 있다.

14. 무선애플리케이션 보안
[Security for Wireless Applications]


특히 무선설치를 고려 중인 경우 유선망과는 공격 면이 다르기 때문에 보안을 인정하는 것이 중요하다. 기존의 물리적 미디어 네트워크에는 케이블 및 스위치와 같은 액세스 지점이 정의되어 있어 액세스로부터 보호되어야 한다. 기존의 유선 네트워크에 물리적 보안을 추가하는 것은 비교적 쉽다. 도어를 잠가 네트워크에 연결할 수 없는 경우 액세스 제어를 유지할 수 있다. 무선은 근처에 있는 모든 사람이 액세스할 수 있기 때문에 다른 차원을 추가한다.

다행히도, 모든 무선 시스템에서 암호화를 통해 도청 가능성이 해결되었다. 가정용, 사무실용 또는 운영용으로 배치되는 모든 무선 시스템은 사용 가능한 보안 기능을 활성화해야 한다. 일반적으로 전송 장치를 인증하고 노드간의 트래픽을 암호화하며 구성을 잠글 수 있는 메커니즘을 제공한다. 미디어는 보호된 시설의 케이블보다는 공기이기 때문에 무선 네트워크는 서비스거부 DoS 공격에 더 취약할 수 있다.

또한 설계 프로세스 전반에 걸쳐 방사선 케이블 및 안테나의 스마트 배치와 같이 원하는 영역 외부로 전송되는 표류 신호의 위험을 줄일 수 있는 결정을 내릴 수 있다. CIP Security™와 같은 엔드 디바이스에서 엔드 디바이스로 모든 산업 트래픽을 보호하기 위한 추가 방법을 고려해야 한다. 따라서 오늘날 무결성 또는 기밀성이 없을 수 있는 유선 링크에 대한 보호 기능이 추가된다.

15. 무선이더넷/IP 설치계획 및 구축
[ Plan and Build Your Wireless EtherNet/IP Installation]


무선 시스템을 계획, 설계 및 구현하는 과정에서 따라야 할 모범 사례가 있다. 오른쪽에 표시된 그래픽은 다양한 사용 사례에 다양한 기술을 적용할 수 있는 방법을 보여준다. 기술이나 애플리케이션이 포괄적이지는 않지만 어디서부터 시작해야 할지에 대한 지침이 될 수 있다. 이것은 또한 Wi-Fi 예에서 볼 수 있듯이 패킷의 분배가 구현된 특정 기능에 의해 어떻게 급격하게 변경될 수 있는지를 보여준다.



16. 어떤 기술이 가장 잘 작동할까?
[Which Technology Will Work Best?]


모션 제어 및 초고속 반응 시간을 위해 컨트롤러와 장치 간에 유선 네트워킹이 권장된다. 각 컨트롤러가 모두 드라이브에 로컬이고 시간 동기화에 적합한 네트워크 지연 시간과 클럭지터가 있는 경우 무선 브리지의 서로 다른 측면에서 서보 축의 조정을 수행할 수 있다. Wi-Fi(그림 참조)와 같은 현재 사용 가능한 무선 기술은 시스템의 세심한 튜닝으로 이를 위해 사용할 수 있다. 그러나 Wi-Fi 6 및 개인 5G 시스템은 이러한 유형의 배치의 신뢰성을 향상시켜야 한다.

왕복 시간이 길어 4G LTE와 같은 공용 셀룰러 시스템은 성공할 가능성이 높지 않고, 민간 4G LTE 구현은 시장에서 한 번도 이뤄지지 않았다. 블루투스와 지그비 시스템은 성공할 가능성이 낮다. 시간이 중요한 안전 및 I/O 애플리케이션의 경우 조금 더 많은 옵션이 있다. 개별 장치에는 통신 장애를 감지하고 시스템을 안전한 상태로 전환하기 위해 안전 프로토콜을 사용하지만, 그래도 안정적인 네트워크를 사용하여 번거로운 주행 없이 적절한 가동 시간을 확보하는 것이 중요하다. 유선 네트워크와 Wi-Fi 시스템은 이러한 애플리케이션을 적절하게 사용할 수 있는 것으로 입증되었다.

이번 블루투스 개정으로 안전 프로토콜 등 산업용 제어 애플리케이션에 대한 적용성이 높아졌다. 5G와 Wi-Fi 6는 아직 개발 단계에 있지만, 안전 프로토콜이 신기술에 비해 잘 작동하는 것으로 사전 테스트 결과 나타났다. 귀사의 요구사항을 조사 중인 기술의 역량과 비교해 보기 바란다. 다른 데이터 모니터링 애플리케이션의 경우 대기 시간이 길어질 경우 셀룰러 및 메시 네트워크를 포함한 모든 범위의 무선 기술을 사용할 수 있다.

17. 요구사항 결정 - 트래픽 속도, 지연시간, 전력소비량, 거리
[Determine Your Needs?Traffic Rate, Latency, Power Consumption, Distance]


기술을 선택하기 전에 무선에 대한 요구 사항을 이해해야 한다. 적용해야 할 몇 가지 다른 특성이 있지만 가장 먼저 고려해야 할 것은 무선 트래픽 요구사항이다. 무선 브리지를 통해 전달되는 패킷의 종류(큰 패킷 또는 작은 패킷), 초당 전송되는 패킷 수 및 애플리케이션 정보(예: 제어 루프 시간 및 안전 반응 시간 제한)를 예측해야 한다.

공급업체 도구를 사용하면 해당 요구사항이 애플리케이션에 어떤 영향을 미칠지 쉽게 파악할 수 있다. 전송해야 할 사항에 대한 기본 정보를 가지고 어떤 모션 경로를 고려하고 있는지, 무선으로 송신하는 기기가 몇 대인지, 전송이 어느 정도 진행되어야 하는지 검토한다. 열, 습도, 충격, 진동 등 환경적 요인도 고려해야 할 때다. 전력 소비량이 선택한 기술에 영향을 미칠 수 있다.

일부 무선 기술은 낮은 전력 소비량에 최적화되어 있어 배터리와 효과적으로 사용할 수 있지만, 다른 무선 기술은 그렇지 않다. 무선 브리지가 설치될 전원은 충분한가, 무선 전력을 사용하는 많은 애플리케이션은 전기 레일 또는 무선 유도 전력 전송을 통해 상당한 전력에 액세스할 수 있다.



두 가지 옵션은 모두 충전식 배터리와 결합할 수 있다. 특히 주기적인 데이터 수집을 위한 일부 애플리케이션에는 수년 동안 작동하도록 설계된 일회용 배터리가 사용될 수 있다. 배터리가 기본 전원인 경우 무선 통신 기술을 선택하는 프로세스에는 전력 소비 분석이 포함되어야 한다. 다음 표는 트래픽 속도, 지연 시간, 전력 소비량 및 거리가 유무선 결정에 미칠 수 있는 잠재적 영향을 설명하는 데 도움이 된다.

언급된 모든 요인은 안테나에 필요한 특정 제품 특성과 함께 사용할 기술을 결정하는 데 영향을 미칠 수 있다.



18. 사이트 설문조사 수행[Perform a Site Survey]


각 시설은 서로 다를 수 있으며 무선 시스템 구현에 있어 고유한 문제를 야기할 수 있다. 다른 표면 마감과 기하학적 구조가 전파를 반사하고 감쇠시켜 장치를 배치하는 방식이 달라진다. 현장조사 시 무선장비를 현장 주변에 배치해 무선장비의 배치와 개수에 따라 신호 강도를 측정해야 한다. 현장 조사를 수행하는 것이 중요하다. 무선 장비 파트너는 사이트 설문 조사를 지원하는 서비스를 제공하는 경우가 많다.

19. 커미셔닝 및 튜닝
[Commissioning and Tuning]


무선 파트너는 고객이 원하는 가동 시간에 도달할 수 있도록 시스템을 위탁하고 튜닝할 수 있도록 도와야 한다. 패킷이 누락되거나 지연되면 안전 기능이 활성화될 수 있으므로 패킷이 예상대로 무선 브리지를 통과하는지 확인해야 한다. 제어 시스템을 튜닝하는 것 외에도, 무선 링크에 있을 수 있는 다른 트래픽보다 빈번하고 작은 CIP Safety 패킷이 우선시되는지 확인하기 위해 무선 장치에는 최적화할 수 있는 설정이 있을 수 있다. 이러한 설정은 벤더 간에 작은 차이가 있을 수 있다. 다음을 구현하면 이더넷/IP 네트워크를 통해 CIP Safety 패킷을 최적화하고 우선 순위를 지정할 수 있다.

1. 완전 개폐식 네트워크. 이렇게 하면 충돌이 제거되고 데이터 네트워크의 결정론적 동작이 개선된다.
2. 서비스 품질(QoS) 트래픽 우선 순위 지정. QoS 우선 순위를 지정하면 시간에 중요한 트래픽이 감독 트래픽 보다 우선 처리된다.
3. 네트워크의 논리적 분할. VLAN은 보안을 향상시키고 브로드캐스트 메시징을 포함한다.
4. IGMP[Internet Group Management Protocol/그룹 멤버십을 구성하거나, 그룹 관리를 위한 프로토콜] 스누핑[snooping/염탐]. 이렇게 하면 네트워크 호스트의 성능을 저하시킬 수 있는 멀티캐스트 메시지가 제어된다. 또한 네트워크의 트래 픽 양을 기하급수적으로 줄여 정체 및 그로 인한 패킷 손실 가능성을 줄인다.

자세한 내용은 EtherNet/IP를 위한 ODVA Pub 35 네트워크기반구조[Network Infrastructure] 및 PUB 110 CIP Safety: 현재 및 이후를 위한 안전 네트워킹을 참조하기 바란다.

20. 성공적인 사용사례[Successful Use Cases]

무선 통신을 활용하는 새로운 설계가 가능하며 기존의 제약 조건이 여전히 적용되는지 평가해야 한다. 무선 장치 공급업체, 장비 제작업체 및 최종 사용자 간의 다자간 협업을 계획하고 있다. 무선 배치는 지속적으로 비용을 절감하는 동시에 기능을 향상시킨다. CIP Safety는 이미 수백 개의 설비에 배치되었으며 목록은 계속 증가하고 있다.


 Wi-Fi: What are the different versions?

There are many different versions of Wi-Fi that have been developed. Here are the most common designations you’ll find:
Early Wi-Fi (802.11a/b/g)
Clocking in at up to 54 Mbit/s, these standards are suitable for many industrial applications.

Current Wi-Fi (802.11n/ac)
Called Wi-Fi 4 and Wi-Fi 5, each of these revisions focused on improving throughput; the bulk capacity increases benefited consumer use cases, such as file transfer and web traffic. There is not typically a benefit to using these for industrial control traffic but they can still be useful for other plant data; in rare cases, some of these features can work against industrial control reliability.

Wi-Fi 6 (802.11ax)
New addidions are targeted at improving industrial applications and the Internet of Things(IoT). This includes connecting to more devices per area, lower latency, better time determinism and higher overall speed.


 

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