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[기고] IEEE 802.3cg(10SPE), 산업 자동화 목표를 충족하는 10Mb/s 단일 쌍 이더넷 알아보기(상)
  • 2022-05-09
  • 글/ ODVA ACTIVITY MANAGER I. Y. Cho


개요

세기의 전환 이후, 산업자동화 [Industrial Automation]는 이더넷 기반 네트워킹과 관련해 IP 스택의 채택이 지속적으로 증가하고 있다. 새로운 비전 은 클라우드에서 현장 계측기기에 이르 기까지 단일 네트워크로의 패러다임 전환을 통해 대폭의 비용절감효과 및 많은 라이프사이클의 이점을 얻을 수 있다.

산업용 이더넷은 MES, 또는 대부분의 컨트롤러와 사용자 인터페이스, 그 리고 수많은 현장의 애플리케이션에 적합하게 IT(정보기술)와 OT(운용기술; 산업 장비, 자산, 프로세스 및 이벤트를 직접 모니터링 혹은 제어함으로써 변화를 감지하거나 유발하는 하드웨어와 소프 트웨어를 의미하는 용어)를 연결할 수가 있다. 그리고 여기서 말하는 IT와 OT의 용어 차이를 좀더 디테일 하게 설명하면, IT시스템에는 다양한 범용 애플리케이션과 네트워크 프로토콜(TCP/IP)이 사용되 지만, OT시스템에는 전용 애플리케이션과 OT 전용의 독립 프로토콜이 사용되는 경우가 많다.
 

이에 따라, 여기서 OT가 문제가 되는데, 이는 전통적인 OT 시스템이 지닌 폐쇄성 때문이다. 또 현재 필드에지 [Edge/Sensor & Actuator]에서부터 이더넷의 활용이 제한을 받고 있을 뿐아니라 이더넷의 채택을 완벽하게 방해 받고 있다. 또한 본질안전[IS]과 같은 특수한 환경 요구사항은 일부 시행시 여러 가지의 현실적인 문제가 대두 된다. 특히, 100m 거리 제한과 가장 작은 부품에 대해 높은 구현비용이 계장 분야, 특히 프로세스 자동화 시장의 발목을 잡고 있다.

현재, 일반적으로 버스 [bus]나 포인트 투 포인트 링크[point to point links]와 같은 다양한 이더넷을 사용치 않는 아날로그 솔루션들은 완전한 디지털 솔루션을 위해 이더넷을 강화시킬 수밖에는 다른 대안이란 없다고 보아야 한다. 이러한 복합 시스 템의 문제에는 애플리케이션 게이트웨 이와 프록시[Proxy; 클라이언드에게서 오는 데이타를 서버에서 대신 실행시 켜주는 방식을 말함]의 추가적인 복잡 성, 많은 네트워킹 기술에 대한 전문 기술의 습득, 산업사물인터넷[IIoT] 및 관련 용도를 위한 IP 관련 프로토콜 융합의 부족 등이 포함되어있다.

수요의 충족과 실현의 가능성은 프로세스계장 자동화 산업박람회 시연을 통해 원거리에 이미 입증된 기존의 단일 쌍 구조 [Single pair Architecture] 이상의 혁신 적인 비용절감기술을 지속적으로 추진 함으로써 그 가치를 확장 할 수가 있다. 2016년 7월, IEEE 802.3은 “10Mb/s 단일 트위스티드 페어 이더넷 스터디 그룹[Single Twisted Pair Ethernet Study Group”(비공식적으로 “10SPE”로 알려져 있음)]을 승인하여 이러한 격차를 해소하기 위해 일련의 이더넷을 개선하는 개발사업을 여러 기관과 기업이 컨소시 엄으로 참여하여 공동으로 추진하기 시작했다. 이번 글에서는 여기에 깊이 관여한 IEEE의 활동과 산업 자동화 시장에 대한 잠재적인 이점에 대해서 논의 코자 한다.

단일네트워크(이더넷) 비전

일반적인 PROCESS 계장 자동화에 있어서의 비전이란 클라우드 에서부터 현장 계측기기에 이르기까지의 단일 네트워크의 총체적인 패러다임의 완성을 말한다. IP 프로토콜을 사용하는 산업용 이더넷은 MES[생산관리시스템/ Manufacturing Execution System] 및대부분의 컨트롤러와 사용자 인터페이 스, 그리고 수많은 현장의 애플리케이 션에 적합하도록 IT와 OT를 연결할 수있게 해 주었다.



그림 1은 이전 ODVA 컨퍼런스에서 설명한 바와 같이 프로세스 자동화를 위한 단일 네트워크의 비전을 보여주는 사례다. 팩토리 오토메 이션, 오토모티브[자동차]등의 업계가 지금 모두 동일한 디지털화에 대한 비전을 갖고 있다. 프로세스 자동화 및 공장 자동화를 포함한 산업자동화의 경우 현재 이더넷 솔루션을 채택하였으며 대부분 퍼듀모델[Purdue model/(미) 퍼듀대가 만든 모델]의 상위수준을 만족 시킨다.

문제는 프로세스 자동화 엣지 [Edge란 원래는 구형 마이크로소프트의 Explorer 대신 새로 나온 신형 웹브 라우저를 지칭하는 말인데, 프로세스 계장분야에서는 현장부근에 설치된 밸브와 각종 액추에이터들을 “엣지”라고 지칭함]에 있는 모든 프로세스 계측기 기에 이더넷을 사용할 수 있는지의 여부와 공장에 산재한 엣지에 있는 모든 디스크리트[이산] 센서 및 밸브류에 이더넷을 사용할 수 있는지의 여부가 관건이 된다. 현재로서는 계장의 이더넷 화에 격차가 좀 남아있는 셈이다. 이더 넷은 아직은 엣지[밸브와 각종 액추에 이터들]에 있는 많은 장치에 연결하는 필드버스를 교체하는 데 필요한 특수기 능이 다소 떨어진다고 본다.

단편화된 네트워크의 수명주기비용의 추가

다양한 비-이더넷 솔루션[일반적으로 필드버스 또는 포인트 투 포인트 링크(point-to-point links)]는 완벽한 솔루 션을 위해 산업용 이더넷을 강화시킨다.



그림 2처럼 게이트웨이는 엣지에 배치 한다. 신호는 각 네트워크 계층에서 물리적 계층으로부터 애플리케이션 계층 으로 변환이 된다. 게이트웨이를 활용하는 시스템에는 수많은 추가적인 라이프 사이클 비용이 많이 소요된다. 관리해야 할 네트워크 표준이 많으며 게이트웨이가 많을수록 많은 비용이 추가된다. 하나의 비용은 적절한 자격을 갖춘 노동력의 소싱과 관련이 있다. 대부분의 사람 들은 중등 교육시절부터 이더넷에 어느 정도 익숙하게 되고 개인 생활에 있어서 각자는 대부분 어느 정도 이더넷을 활용할 줄 안다. 그러나 필드버스 지식은 누구나 알 수 있는 게 아니며, 그 위치와 알려는 의지에 따라 전문적 지식습득을 하게 된다.

또 설계에 있어서는 이더넷화 했을때 복잡성이 증가한다. 일반적으로 이더넷 했을 때에 별도의 애플리케이션 프로그래밍이 필요하다. 네트워크 간에 별도의 태그를 스캔할 수 있으며 타이밍 때문에 상호 운용성에 문제가 발생할 수 있다. 클라이언트/서버 프로토 콜은 종종 네트워크 간에 전달하기 어려울 수가 있고 기능이 손실될 수 있다. 설치상의 복잡성도 증대된다. 다양한 케이블, 커넥터, 터미네이터-규칙 및툴링이 필요하다.

특히 한 사람이 두 개의 네트워크에 대한 정밀한 지식을 보유하지 않는 경우 유지관리에 있어서의 복잡성이 증대될 수 있다. 게이트웨 이와 컨트롤러에서 프로그램을 분리하면 일관성 문제가 발생할 수도 있다. 또인증의 복잡성이 증가할 수도 있다. 필드버스 및 포인트 투 포인트 연결은 일반적으로 IP 통합이 결여되어 있어 IIoT 및 기업융합[converged enterprise]에 있어서 최신의 트랜드에 대하여 사용상 복잡성이 존재할 수밖에 없다.

산업용 이더넷으로의 전환

1990년대 후반까지 산업 자동화는 컨트롤러와 I/O 간의 결정적인 통신을 위해 비-이더넷 필드버스에 전적으로 의존했다. 경제적인 이더넷 스위칭 [Economical Ethernet Switching]의 출현은 산업용 이더넷에 대한 적절한 결정을 가능하게 하였다. 그 이후 이더넷 기반 네트워킹의 채택과 관련하여 IP 스택의 사용이 점차 증가하고 있다고 발표되 었다. 2016년, HMS는 전체 산업 통신 시장이 여전히 성장하고 있다는 보고서를 발표했다. 그림 3에서 필드버스의 점유 율은 58%이며 7%정도 성장을 하였다고 보고했다. 이더넷의 점유율은 38%에 달했고 20%나 성장을 했다.

시간이 지남에 따라 필드버스 변종 [variants]의 숫자는 상당히 늘어났다. 그림 4는 부분적 목록을 보여준다. 필드버 스에는 중복이 거의 없는 전체 네트워크 스택이 포함되었다. 산업용 이더넷은 많은 애플리케이션 계층의 전환을 가능하게 했으며, 최종 사용자의 일반적인 하드웨어와 구성개념을 증가시킬 수 있었 다. 산업용 이더넷[Industrial Ethernet] 을 위한 추가 드라이버는 PC 및 애플리 케이션 서버를 통한 구성 및 모니터링을 포함하여 정보 목적으로 거의 완전한 대체품이 되었다. 산업용 이더넷[Industrial Ethernet]의 매력에도 불구하고, 그간 상당기간 사용해왔던 많은 산업용 이더넷 에서 사실은 부분적인 전환[Migration]만 있었다고 볼 수밖에 없다.

엣지의 기존 이더넷과의 격차

필드 엣지에서는 이더넷의 활용을 제한하는 다양한 실질적인 문제가 존재 하는데, 특히 프로세스계장 자동화 기기 및 공장 자동화 기기 내 캐비닛[incabinet] 구성 요소의 경우에 그러하다.

한 가지 문제가 되는 것은 기존의 유선 이더넷 거리의 제한은 기본이 100m 에 불과하다. 그러나 프로세스계장 자동 화에는 일반적으로 1000m 이상의 긴 인터넷[이더넷] 배선의 길이가 필요하다.

유리섬유[Glass fiber]는 설치와 인터페 이스의 복잡성이 증가해야만 거리를 늘릴 수가 있다. 플라스틱 광섬유(POF)의 거리는 유선 이더넷과 유사하다. 두 경우 모두 섬유는 전력을 직접 전달하지를 않는다. 특별한 환경적인 요인으로 가장자리[끝 부분]에 존재하며, 요구 사항을 여기에서 가져온다. 폭발적으로 증가 하는 환경, 즉 프로세스계장 자동화에서 본질안전장치 및 시스템 솔루션에 대한 선호도를 높이는 것을 한 예로 볼 수 있는데, 전력 분배에는 더 많은 우려를 불러 올 수 있다. 즉 우리가 모두 사용하는 PC의 예를 보자.

여러분들은 현재 PC등의 단말기에서 인터넷[이더넷]선과 전원 선[파워케이블]을 각각 별도로 따로따로 끌어다 쓴다. 프로세스계장 자동화 기기및 공장 자동화 기기의 사용에 있어서 인터넷[이더넷]선과 전원선[파워케이블] 을 각각 따로 끌어다 쓴다면, 공장의 케이블과 커넥터의 크기는 작은 구성 요소 에서 심각한 문제가 될 수 있고 뿐만 아니라 드넓은 현장에서 파워케이블과 통신선을 따로따로 분리 배송 한다면 큰문제가 야기 될 수밖에 없다.

여기에 이를 해결 할 아주 적합한 솔루션이 있는데 그것은 단일 쌍 이더넷[SPE]이다. 단일 쌍 전력 및 통신 솔루션이 장점이 된다는 말이다. 본질적으로 안전한 전력은또 다른 전문화된 요구일수 있다. 특히 프로세스계장 자동화에서 레거시 케이 블(shielded twisted pair) 및 커넥터에서 작업을 허용하는 것이 유리할 수 있다.

한 가지 이유는 이더넷 노드로 필드버스 또는 포인트 투 포인트 엔드 노드를 경제적으로 대체하게 할 수 있도록 하기 위함이다. 또 다른 방법은 현재의 간단한 나사단자의 설치 관행을 유지하는 것이다. 또한 일부 발전소의 예를 들면 장기간(30년 이상) 가동 중인 것이 대부분 인데 여기서 또 하나의 대량 케이블을 끌어다 쓴다면 일정량의 부하를 쓰는 다른 발전소에 손실을 가져다 줄 수가 있다[국가 차원에서]. 마지막으로 폭발 환 경의 공통사례(FISCO)를 통해서 특정 케이블의 설계 및 인증을 용이하게 할 수있다(IEC 61158-2).

인 캐비닛 부품과 기타 산업용으로 제약을 제공하는 장치는 기존의 필드버스나 포인트 투 포인트 솔루션(흔히 센서 네트워크라고 함)에 비해 높은 구현 비용을 견디기 어렵다. 스위치 또는 선형 토폴로지에 대한 요구사 항은 이더넷에서 가장 작은 구성요소를 경제적으로 외면해 버릴 수가 있다. 이러한 이더넷의 결함을 현재의 필드버스및 포인트 투 포인트 솔루션 내에서 해결 할 수 있느냐의 문제는 중요하다. 이더넷이 이러한 결함을 해결하지 못한다면 산업용 이더넷을 위한 단일 네트워크의 비전은 결코 완성되지 않을 것이다.

여기서 논의하는 이더넷은 이러한 문제를 극복하기 위해 IEEE 802.3에 주목을한 것이다. 다행이 IEEE 802.3은 이러한 문제를 한 큐에 해결해 줄 수 있는 이더넷 솔루션의 “패밀리” 중 하나인 것이다.

프로세스 자동화-수요

프로세스계장 자동화 공장의 예는 그림 4-1에 나와 있다. 네트워크의 설치 현황을 보면 중앙제어실[CCR]과는 멀리(1000m 이상) 떨어져있고 종종 폭발도 존재하는 위험한 환경에서 많은 숫자의 현장 계측제어장치(센서 및 액추에 이터)들이 타워와 탱크 및 베 셀들 사이에 배치되어 있는 모습을 특징으로 하고 있다[그림 4-1 참조]. 기존의 4-20mA 아날로그 신호는 구성배치 및 자산관 리의 목적으로 하트 프로토콜[HART Protocol/4-20 mA 신호로 변조된 1200



보드 디지털 통신망]을 추가하여 제어를 위해 널리 사용하고 있다. 보다 현대 적인 필드버스 솔루션인 PROFIBUS PA 및 Foundation Fieldbus는 두 가지 목적을 위해 31.25 kb/s 디지털 방법을 제공한다. 현장에는 많은 양의 레거시 케이블들이 기존현장에 배치되어 있다. 최근 디지털 분야에서 가장 흔한 디지털 케이블을 말한다면 파워선과 인터넷 선이 동축케이블로 되어있는 단일 쌍 케이 블[single pair cable]이다. 플랜트 수명이 30년을 초과하는 경우가 많기 때문에 일반케이블 재료는 취약할 수가 있다.

따라서 일반적인 새로운 케이블-풀링 [Pulling new cables]을 시도하는 일은 위험을 수반한다. 여기에 선호되는 케이 블은 내적 안전성을 위해 인증을 쉽게 하도록 설계가 되어있다. 하트[HART] 가 성공을 한 한 가지 이유는 설치된 케이블의 베이스를 보존했기 때문이다. 폭발적인 환경 위험도에 따라 각 발전소는 지역 당국의 규제에 따라 구역을 위험지 역으로 구분하고 있다.



구역(0, 1 또는 2) 는 주변 대기에 점화 가능한 농도의 위험 물질이 존재할 확률을 정의한다. 가스, 증기 또는 먼지 등의 혼합 공기의 폭발적 특성은 관련된 특정 물질에 따라 다르다. 점화 온도 및 폭발압력 이하로 유지하려면 장비에 제한을 두어야 한다 (다음을 참조하기 바란다).

• 구역 0: 폭발 성 가스-공기 혼합물이 장기간 지속적으로 존재하거나 존재하는 영역이다.
• 구역 1: 가연성 또는 전도 성 먼지가 존재한다. 정상 작동 시 짧은 시간 동안 폭발가스-공기 혼합물이 발생할 가능성이 있는 영역이다.
• 구역 2: 폭발 성 가스-공기 혼합물이 발생할 가능성이 낮고, 발생할 경우 비정상적인 상태로 인해 매우 짧은 시간 동안만 존재할 가능성이 있는 영역이다.
영역마다 다른 보호 방법이 적용된다.

고유 안전방법(Ex i)은 고장 시 폭발을 방지하기 위해 적절한 보호회로 설계에 의해서 에너지를 엄격히 제한한다. Ex i 는 존[Zone] 0에서 언급된 방법이다. 강화된 안전방법(Ex e)은 기기에 대한 제한이 적고, 존[Zone] 1에 적절하다.

프로세스 자동화에서 이미 일부 애플리케이션에 이더넷 채택

현장에서 사용할 수 있는 이더넷 기반 솔루션의 한 가지 이점은 고객에게 엔지니어링 노력을 덜 요구하는 동종 네트워크를 제공한다는 것이다. 정보기술 (IT)이 운영기술(OT)로 수렴되고 있기 때문에 이벤트와 프로세스, 장치 모니터링이 쉬워지고 기업 및 산업 운영에서 조정이 쉬워진다. 긴 플랜트의 수명은 기존의 플랜트들을 대체하기 보다는 업그 레이드에 대한 압력을 받는데, 이는 장기적인 추세로 볼 수 있다.

기존 프로세 스계장 분야를 더욱 개선하고 다운타임을 줄이기 위해서는 프로세스 정보 및장치(진단 데이터)가 필요하다. 이더넷 기술을 기반으로 한 동종 네트워크는 산업 사물 인터넷[IIoT], 빅 데이터[Big Data], 클라우드[Cloud] 및 분석 기술을 활용하여 발전소의 예에서는 발전소를 최적화하며 수명을 연장하고 있다.

사용자들은 최근 모든 공장을 이더넷으로 표준화 한다는 비전을 제시

NAMUR ( Normenarbeitsgeme inschaft für Meß und Regelung stechnik in der chemischen Industrie) 는 독일의 공정산업의 자동화 기술 국제 사용자 협회이다.

비록 독일에서 설립되었고 처음에는 화학 산업에 초점을 맞추어 활동했 지만, 그들의 범위와 영향력은 더욱 넓어지게 되었다. 그들은 151개의 회원사와 2000개 이상의 전문가를 보유하고 있다. 2016년 NAMUR는 프로세스 산업을 위한 포지셔닝 페이퍼 이더넷 통신 시스템[“Position paper An Ethernet communication system for the process industry”]을 발표하였으며, 이더넷의 단일 네트워크 비전[single network vision]을 밝혔다. 이더넷은 새로운 이더넷 관련 요구사항과 함께 필드버스 (NAMUR NE 74)의 일반적인 레거시 요구사항들을 충족해야 한다. [다음호로 이어짐]


키워드

이더넷, IEEE 802.3, IEEE 802.35, 10SPE, 단일 쌍[Single-pair], 산업자동화, 프로세스자동화, Incabinet, Fieldbus, IEC 60079, 본질안전, NAMUR[독일의 프로세스자동화 유저그룹], ODVA, EtherNet/IP 2017
ODVA Industry Conference 2 ? 2017 ODVA, Inc.

용어의 정의
Industrial Automation 디스크리트[Discrete], 프로세스, 및 하이브리드[Hybrid(Batch)] 자동화 NAMUR 프로세스 자동화 유저그룹[Germany] IEEE 802.3 MAC 및 PHY 정의를 포함한 이더넷 표준 프로토콜 PHY 링크 레이어를 물리적 매체에 연결하는 PHYSical 레이어 MAC Medium Access Control layer(IEEE) IP Internet Protocol CFI IEEE 802.3 Call For Interest SG IEEE 802.3 Study Group TF IEEE 802.3 Task Force PAR 프로젝트 승인 요청[Project Authorization Request] CSD 표준 개발 기준[Criteria for Standards Development] Fieldbus 실시간 제어를 위한 산업용 네트워크 프로토콜[Industrial network protocol for real-time control] Industrial Ethernet 이더넷을 통해 작동 가능한 필드버스 프로토콜[Fieldbus protocol operable over Ethernet] Edge 네트워크 코어에 부착된 리프노드(리프노드는 하위 노드가 없는 바이너리 트리의 의미)[즉, 여기서는 센서 및 액추에이터를 말함.)[Leaf nodes attached to a network core, i.e., sensor and actuators] Gateway ISO 모델 계층에 걸친 네트워크 프로토콜 컨버터[Network protocol converter spanning ISO model layers] Switch IEEE 802.3 브리지, MAC 주소를 기반으로 전달[IEEE 802.3 bridge, forwarding based on MAC addresses] IT 정보기술[Information Technology] OT 운영기술[Operational Technology] MES 제조시행시스템[Manufacturing Execution Systems] Purdue Model 계층화된 기능 자동화 모델[Layered functional automation model] IIoT 사업사물인터넷[Industrial Internet of Things] IEC 60079 폭발대기 표준[본질안전포함) Intrinsic safety [본질안전]폭발 성 환경에서의 안전한 장비운전이 가능한 방법 Zone 폭발 환경분류[일반적인]-EU기준[Explosive environment classification, commonly EU] Division 폭발 환경분류-미국기준[Explosive environment classification, US] FISCO 필드버스 본질안전 컨셉[Fieldbus Intrinsic Safety Concept] Point-to-point 각 단의 끝에서 단일 장치와의 통신링크[Communication link with a single device at each end] Multi-drop 여러 장치가 동일한 링크를 공유하는 통신링크[Communication link with multiple devices sharing the same link] / 데이터 전송 방식에서, 하나의 회선에 다수의 단말 장치를 접속할 수 있도록 한 것 Full-duplex 양 방향동시통신[Simultaneous communication in both directions on a link] Half-duplex 단 방향일방통신[Communication in a single direction at a time on a link] CAN Communication protocol, Controller Area Network[CAN칩 이라고 부름] HART Communication protocol, Highway Addressable Remote Transducer[주소를 리모트로 읽어 들이되 고속도로를 달리듯 빠르게 읽어드리는 프로토콜이란 뜻의 약어이며 프로세스계장의 DCS등에 필수적으로 써왔던 전통적 프로토콜] MCU 비 메모리 반도체/시스템 반도체[Micro Controller Unit] ASIC 주문형 반도체[Application-Specific Integrated Circuit]

상표[Trademarks]
HART?, HART-IP™ 및 Foundation™은 FieldComm Group 상표이고, PROFIBUS, PROFINET 및 IO-Link는 PROFIBUS Nutzerorganization e.V의 상표이다[PNO: Profibus Nutzerorganization e.V].
DeviceNet™, CompoNet™ 및 EtherNet/IP™는 ODVA INC의 상표이다. CANOpen?은 모드버스-CAN 의 상표이다. ?은 Schneider Electric USA, INC의 상표이다. CC-Link 및 CC-Link IE는 미쓰비시 전기 주식회사의 상표이다, AS-인터페이스는 바이너리 액추에이터 및 센서에 대한 버스기반 인터페이스 협회[Verein zur Forderung busfahiger Interfaces fur Binare Aktuatoren und Sensoren]e.V의 상표이다.
INTERBUS는 피닉스컨택트 GmbH & Co의 상표이다.

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