ODVA-EtherNet/IP, 자동화의 범주는 물론, 이더넷-APL까지……

기존의 PLC 자동화 기술은 물론이고 한발 더 나아가 이제 10 BASE-T1S 이더넷 기반의 캐비닛 EtherNet/IP사용 프로파일과 10 BASE-T1L 이더넷 기반의 이더넷-APL 프로세스계장 프로파일이 EtherNet/IP 사양에 플러스된 것이다. 이 글에서는 잠재적인 EtherNet/IP사용 프로파일인 On-Machine 센서와 EtherNet/IP 사용 프로파일에 대해 연구한 결과를 해부해 보고자 한다. 



아날로그(Analog)로 운용되던 프로세스 계장분야가 바야흐로 미래의 디지털(Digital)로 향하고 있다. 현장에는 CVVSB 2^ㅁ x 2C Analog 케이블 대신, 단일 쌍[Single Pair Ethernet/SPE]케이블로 바뀌고, 클라우드가 가능한 디지털이 일상인 시대로 바뀐 것이다. 2019년 9월 IEEE802.3cg[EtherNet/IP=802.3] 태스크 포스가 10 BASE-T1S 및 10 BASE-T1L 이더넷 표준 개발을 완료한 이후 ODVA는 이러한 이더넷 기술을 자체적으로 채택한 뒤 변화하기 시작했다.

기존의 PLC 자동화 기술은 물론이고 한발 더 나아가 이제 10 BASE-T1S 이더넷 기반의 캐비닛 EtherNet/IP사용 프로파일과 10 BASE-T1L 이더넷 기반의 이더넷-APL 프로세스계장 프로파일이 EtherNet/IP 사양에 플러스된 것이다. 이 글에서는 잠재적인 EtherNet/IP사용 프로파일인 On-Machine 센서와 EtherNet/IP 사용 프로파일에 대해 연구한 결과를 해부해 보고자 한다. OMSPE 시스템 아키텍처(물리적 토폴로지, 미디어, 인프라 탭, SPE 센서), 통신아키텍처, 전력 전달아키텍처, 네트워크, 시운전, 진단 기능을 갖춘 DLR Plus(DLR+로도 표기함.) 프로토콜 등 제한된 EtherNet/IP센서 네트워크에 대해서도 몇 가지 융합적인 차원에서 탐구해 보려고 한다.

제한된 EtherNet/IP 연결을 지원하는 센서를 통해 기존의 산업제어 사용사례에 대해 센서 기술에서 컨트롤러로 통신기술을 단순화한 뒤, 센서로부터는 컴퓨팅/클라우드로 직접 통신채널을 열어, 정보 분석 사용사례에 대한 새로운 기술발전의 기회를 잡았다. 즉 일반적인 자동화 기술은 물론이고 이 바탕 위에 온 머신 센서로 프로세스 계장분야 기술까지 진출하는 보다 광범위하게 이용 범위를 확장 발전시키는데 발 빠른 대응을 하고 있다고 보면 된다.

이 내용은 2023년 10월 18일 El Vendrell, Spain에서 ODVA 제 22차 산업 컨퍼런스 및 연차 회의시 발표한 논문의 요약본이다. 
ODVA가 보유한 EtherNet/IP프로토콜 기술이 CIP(Common Industrial Protocol)에 의해 CIP 어답션 기술로 빠르게 개방화 되더니 이제 PLC 자동화 산업은 물론 프로세스 계장기술까지 발 빠르게 수용한 뒤, Ethernet-APL 적합성 테스트를 2022년 11월부터 기기의 물리계층을 대상으로 실시하고 있다.

그 결과 자동화 분야 인증은 EtherNet/IP 적합성 테스트를, 계장분야 인증은 Ethernet-APL 적합성 테스트를 하도록 만들었다. 아마 이 두 가지 다른 분야를 동시에 인증 시험할 수 있는 프로토콜 운용기관은 아직까지 ODVA가 유일하다. 일부 벤더 중에는 ODVA가 자동화 기술이 아닌 프로세스 계장 분야로 기술이 바뀐 것 아닌가? 오해하는데, 그것은 그냥 오해에 불과하다. [기존의 지동화 기술 + 계장기술]로 더욱 확장된 기술의 진화를 단시간에 이룬 것으로 이해하면 된다.

자동화 기술에 대한 기존의 오해가 없기를 바란다. 제한적이었던 EtherNet/IP 프로토콜이 이제는 자동화 기술은 물론 Ethernet-APL 기술까지 종합 섭렵 활용하는 길을 열어, ODVA 가입 벤더들은 손쉽게 자동화 분야와 프로세스 계장 분야 두 개[두 마리 토끼]를 동시에 컨포먼스 테스트(conformance test)/국제 적합성 인증 시험할 수 있게 된 것이다. ODVA가 이제 가입 벤더들에게 더욱 짐을 덜어 드리게 된 것이다.

- Ethernet-APL 적합성 테스트에 대해서는 URL: https://www.odva.org/subscriptions-services/test-services/request-ethernet-apl-conformance-test/을 참조 바랍니다.
 


■ 키워드
OMSPE 센서 네트워크;
단일 쌍 이더넷/ DLR+/ LNDC/제한된 EtherNet/IP/ 전력공급 SPE/ 트렁크-트롭/ 전력 탭/ 패시브 탭, OMSPE[On Machine Single Pair Ethernet] 센서

■ 용어의 정의
-Compute Entity: HMI, 워크스테이션, 클라우드용 에지 장치 또는 이와 유사한 장치를 나타낼 수 있는 추상적인 엔티티로, 데이터수집, 집계, 분석 또는 시각화 기능이 있다.
-Powered SPE: SPE쌍은 장치에 전력을 전달하기 위해 사용된다. 전력은 파워 커플러/디 커플러와 SPE쌍에 커플링 / 디커플링 된다. 이는 IEEE Power over Data Line에 명시된 전력 검출 및 분류를 지원하지 않는다.

■ 약어
APL: Advanced Physical Layer/ DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol/ DLR+: Enhanced Device Level Ring/ DTLS: Data Transport Layer Security/ HAL: Hardware Abstract/ LDP: Link Layer Discovery Protocol/ LNDC: Linear Network Discovery and Commission/ MCU: Micro controller Unit: MPE:Multiple Pair Ethernet/ OMSPE: On-Machine Single Pair Ethernet/ SPE: Single Pair Ethernet/ SPI: Serial Peripheral Interface


1 배경

IEEE802.3cg 태스크포스가 2019년 9월 10BASE-T1S 및 10BASE-T1L 이더넷 표준 개발을 완료한 이후, ODVA는 이더넷 기술을 자체적으로 채택하기 시작했다. 10 BASE-T1S 이더넷 기반의 캐비닛 EtherNet/IP사용 프로파일과 10 BASE-T1L 이더넷 기반의 이더넷-APL 프로세스계장 프로파일이 EtherNet/IP사양에 도입되었다. 캐비닛 내 EtherNet/IP사용 프로파일은 SPE 하드웨어의 전력, 비용, 크기, 그리고 제한된 EtherNet/IP스택의 메모리가 푸시 버튼, 릴레이, 컨택터 등과 같은 제한된 장치의 요구사항을 충족할 수 있음을 입증했다.

이더넷-APL 프로세스계장 프로파일은 계측기기에 스위치 기반의 스타 토폴로지를 사용하며, 전원이 공급되는 SPE 기술을 채택하였다. 이 글에서는 또 다른 잠재적인 EtherNet/IP사용 프로파일인 온-머신 센서에서 또 다른 잠재적인 EtherNet/IP사용 프로파일을 탐색했다.

제안된 OMSPE 센서 프로파일은 제한된 OMSPE 센서 사용사례를 해결하기 위해 캐비닛 내 T1S 네트워크(저비용 EtherNet/IP)와 APL/T1L Instrument 네트워크(전원이 공급되는 SPE, 장거리)의 장점을 결합했다. 그런 다음 OMSPE 센서 네트워크 발견, 커미셔닝, 진단 등을 단순화하기 위해 선형 네트워크 발견 및 시운전(LNDC) 기능을 갖춘 향상된 장치수준 링(DLR+) 프로토콜의 개념을 추가했다. 결국, 이 글은 OMSPE 센서 네트워크에 대한 잠재적 협력 및 사양 개선을 요구하게 된다.

2. 제한된 이더넷/IP 온-머신 SPE센서 네트워크와 결합

OMSPE 센서 네트워크 아키텍처 작업의 주요목표 중 하나는 OMSPE 센서네트워크의 시스템 비용을 최적화하여 시장에서 비용 효율적이고 가격경쟁력 있는 솔루션을 제공하는 것이다. 

이 목표를 지원하기 위해 여러 가지 개념이 채택되었다. 탭 비용과 시스템 비용을 줄이기 위해 3 포트 SPE 스위치 탭 대신 수동 탭을 사용하고, 탭의 비용을 줄이기 위해 인 캐비닛 EtherNet/IP사용 프로필에 사용되는 저비용 EtherNet/IP 개념을 OMSPE 센서에 채택하고 드롭의 표준 2 페어 이더넷 미디어를 사용키로 했다. 차폐되지 않은 케이블을 사용하고, 드롭의 전원이 공급되는 SPE 기술을 사용하였다.

그림 1은 산업자동화 시스템에서 제한된 EtherNet/IP OMSPE 센서 네트워크를 보여준다. OMSPE 센서 네트워크는 트렁크 드롭 물리 토폴로지를 채택한다. OMSPE 센서는 드롭 미디어와 함께 탭의 드롭 포트에 연결한다. 캡은 탭에서 트렁크와 사용되지 않는 드롭 포트를 종료하는 데 사용된다. 전원은 Power Tap을 통해 네트워크에 제공한다. OMSPE 센서 네트워크는 Linking Device를 통해 전체 EtherNet/IP 네트워크에 연결된다.
 

그림 2는 OMSPE 센서 네트워크를 위한 시스템 아키텍처를 더 자세히 설명한 것이다. 선형 SPE 네트워크와 버스전원 네트워크가 원칙적으로 배치된다. 전력공급 SPE 기술은 드롭에 채택된다. 모든 OMSPE 센서는 OMSPE 센서 네트워크 인프라 스트럭처(즉, 탭과 트렁크/드롭 미디어의 SPE 쌍)를 통해 선형 네트워크 토폴로지로 연결한다.

전력은 OMSPE 센서 네트워크 인프라 스트럭처(즉, 트렁크의 전력 쌍과 드롭의 전력 쌍)를 통해 버스 토폴로지의 OMSPE 센서에 전원 공급 장치를 통해 공급된다. OMSPE 센서네트워크는 캐비닛 내 T1S 네트워크(저비용 EtherNet/IP)와 APL/T1L 계기 네트워크(전력 SPE, 장거리 SPE)의 장점을 결합하여 제한된 OMSPE 센서 사용 사례를 해결한다.
 


초기에는 활성 탭(즉, 3포트 스위치) 접근 방식이 고려되었다. 대상 시스템 비용[(장치 + 네트워크 + 설치)을 검토한 결과, 활성 탭이 센서에서 비용(2개의 PHY에서 1개의 PHY 및 단순화된 커넥터로)을 제거하지만 총 배치비용(단일 센서 연결을 위한 2개의 PHY에서 4개의 PHY, 더 복잡한 네트워크 시운전 및 진단)]이 증가할 것이라고 결론지었다. 따라서 우리는 활성 탭 접근 방식보다 수동 탭 접근 방식에 초점을 맞추기로 결정했다. 다른 응용프로그램은 여전히 고전적인 스타 토폴로지에 의해 서비스될 수 있다. 

2.1 네트워크 구성요소

다음 OMSPE 센서 네트워크 구성 요소에 대해 설명코자 한다.
?연결장치/ ?전원 탭/ ?패시브 탭/ ? OMSPE 센서/ ?트렁크 미디어/ ?미디어 삭제/ ?엔드 캡/ ?드롭 캡

2.1.1 연결장치

연결 장치의 주요 기능은 다음과 같다. 

? 미디어 변환기로서 SPE와 표준 4쌍 이더넷 간 변환, / ? LNDC 관리자로서 네트워크 검색, 시운전, 진단 등을 수행한다. / ? 프로토콜 변환기로서 TCP/TLS와 UDP/DTLS 간 변환을 위해, 센서를 대신하여 사용자 권한/액세스 권한을 부여하는 보안 프록시로서, CIP 라우터로서 두 개의 EtherNet/IP 전송 프로파일을 완벽하게 통합하려면, I/O 연결 수집 기로서 컨트롤러의 I/O 연결 수를 줄이기 위해 사용한다.

2.1.2 전원 탭

전원 탭의 주요 기능은 전원 공급 장치의 전원을 OMSPE 센서 네트워크에 주입하는 것이다. 그림 3 a)에 표시된 기본전원 탭에는 전원포트 1개와 트렁크 포트 2개가 있다. 전원 포트는 전원(예: 24 V DC 전원 공급 장치)에 연결된다. 24V DC 전원은 OMSPE 센서 네트워크의 트렁크 전원 쌍에 주입 된다. 24V 라인의 다이오드는 OMSPE 센서 네트워크에서 여러 전원 탭이 사용되는 경우 전류 루프를 방지한다.

전원 탭의 첫 번째 트렁크 포트는 업 스트림 트렁크 케이블에 연결되고, 전원탭의 두 번째 트렁크 포트는 다운스트림 트렁크 케이블에 연결된다. 전원 탭은 두 개의 트렁크 포트를 통해 업스트림 및 다운스트림 네트워크에 전력을 전달한다. 전원 탭은 SPE 신호를 통해 첫 번째 트렁크 포트에서 두 번째 트렁크 포트로 전달된다. 그림 3 b)에 표시된 고급전원 탭에는 추가 드롭 포트가 있다.

기본전원 탭과 달리 고급전원 탭은 업 스트림 SPE 쌍(SPE1)과 다운스트림 SPE 쌍(SPE2)을 드롭 포트에 연결하여 OMSPE 센서를 연결한다. 업스트림 및 다운스트림 네트워크에 전원을 공급하는 것 외에도 고급전원 탭은 전원 커플러를 통해 트렁크 전원 쌍의 전원을 드롭 SPE2 쌍에 연결한다. 전원 커플러와 두 번째(다운 스트림) 트렁크 포트 사이의 SPE2 쌍에 있는 두 개의 커패시터는 전원이 다운 스트림 네트워크로 흐르는 것을 방지한다.

 

2.1.3 패시브 탭 

패시브 탭의 주요 기능은 OMSPE 센서를 OMSPE 센서 네트워크에 연결하는 것이다. 그림 4 a)에 표시된 단일 드롭 패시브 탭에는 2개의 트렁크 포트와 1개의 드롭 포트가 있다. 패시브 탭의 첫 번째 트렁크 포트는 업스트림 트렁크 케이블에 연결되고, 패시브 탭의 두 번째 트렁크 포트는 다운스트림 트렁크 케이블에 연결된다.

단일 드롭 패시브 탭은 듀얼 포트 OMSPE 센서를 연결하기 위해 업스트림 SPE 쌍(SPE1)과 다운스트림 SPE 쌍(SPE2)을 드롭 포트에 연결한다. 단일 드롭 패시브 탭은 첫 번째 트렁크 포트에서 두 번째 트렁크 포트로 전원을 전달하고 전원 커플러를 통해 트렁크 전원 쌍의 전원을 드롭 SPE2 쌍에 연결한다. 전원 커플러와 두 번째(다운스트림) 트렁크 포트 사이의 SPE 2 쌍에 있는 두 개의 커패시터는 전원이 다 운스트림 네트워크로 흐르는 것을 방지한다. 그림 4 b)에 표시된 다중 드롭 패시브 탭의 경우 각 개별 드롭 포트에는 드롭에서 전력 공급 SPE 작동을 위한 전원 커플러 및 관련 커패시터가 있다.

 

2.1.4 OMSPE 센서 

그림 5는 구현 예로서 OMSPE 센서의 블록다이어그램을 보여준다. 개념적으로 OMSPE 센서 회로는 MCU, SPE, 전원 및 센서 애플리케이션의 네 부분으로 구성된다. MCU, SPE 및 전원 회로는 일반적이지만 센서 애플리케이션 회로는 제품마다 다르다.

3포트 내장형 스위치, 듀얼 10 BASET1L PHY 및 SPI 호스트 인터페이스를 갖춘 단일 칩은 저비용 및 작은 설치 공간 설계에 사용된다. 단일 4핀 표준 M12-D 이더넷 커넥터는 업스트림 및 다운스트림 SPE 신호 연결에 사용되며 이는 일반 듀얼 포트 EtherNet/IP 장치와 다르다. 전원 디커플러 모듈은 SPE 통신 신호에서 전원을 분리한다.
  
                       

비용을 줄이기 위해 저렴한 비 이더넷 MCU(MII/RMII 없음)가 사용된다. MCU 칩과 스위치 PHY 칩 사이에는 표준 OPEN Alliance SPI 프로토콜이 사용된다. 그림 6과 같이 제한된 EtherNet/IP스택이 배포되었다. 제한된 EtherNet/IP 스택은 ODVA UDP 전용 전송 프로필과 제한된 CIP 보안 프로필을 준수한다. 제한된 EtherNet/IP 스택은 RTOS 대신 스케줄러로 작동하여 메모리 소비를 줄일 수 있다. DLR+ 프로토콜도 스택에 포함되어 네트워크 검색, 시운전 및 진단 기능을 지원한다.
 

2.1.5 트렁크 미디어 

OMSPE 센서 네트워크의 트렁크 미디어는 하이브리드 SPE 케이블과 커넥터이다. 하이브리드 SPE 케이블에는 하나의 전원 쌍과 하나의 SPE 쌍이 있다. 전원 쌍은 최소 4A DC 전류를 견뎌야 하므로 게이지가 AWG18 이상이어야 한다. SPE 쌍은 AWG18 이상이어야 한다.

SPE 쌍은 케이블의 전원 쌍에서 꼬아져 분리되어야 한다. SPE 쌍의 전기적 매개변수는 IEEE PHY 링크 세그먼트 사양을 충족해야 한다. 가능하다면 트렁크 케이블은 비 차폐 형을 선호하고, 트렁크 커넥터는 M12 4핀 커넥터를 선호한다.

2.1.6 미디어 삭제 

OMSPE 센서 네트워크의 드롭 미디어는 표준 비 차폐 2쌍 이더넷 케이블과 4핀 M12-D 이더넷 커넥터이다. 한 쌍은 SPE 통신에 사용되고 다른 쌍은 SPE 통신 및 전력공급에 사용된다.

2.1.7 트렁크 캡 

트렁크 캡은 마지막 탭의 다운스트림 트렁크 포트에 설치된다. 트렁크 캡에는 전자 종단 장치가 없다. 

2.1.8 드롭 캡 

드롭 캡은 향후 사용을 위해 예약된 드롭 포트에 설치된다. 드롭 캡은 내부 커패시터를 통해 첫 번째 SPE 쌍을 드롭 포트의 두 번째 SPE 쌍에 연결하여 두 번째 SPE 쌍의 전원이 첫 번째 SPE 쌍으로 다시 흐르는 것을 방지한다. 

<2회로 이어집니다>