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. 



2.2 전력 아키텍처

그림 7에서 볼 수 있듯이 OMSPE 센서 네트워크는 트렁크 미디어의 전원 쌍에 전원을 분배하고 전원 공급 SPE 개념을 통해 각 드롭에 전원을 전달한다. 전력공급 형 SPE 개념에는 패시브 탭의 전원 커플러와 OMSPE 센서의 전원 디 커플러가 필요하다. 패시브 탭의 전원 커플러는 트렁크 전원 쌍의 전원을 드롭 SPE 쌍에 연결한다. 전원은 전원 공급 형 SPE 쌍을 통해 OMSPE 센서에 전달된다. OMSPE 센서의 전력 분리는 SPE 쌍의 전력을 분리하고 OMSPE 센서 회로에 전력을 제공한다. 두 개의 인접한 OMSPE 센서는 이 드롭에서 동일한 SPE 쌍을 통해 통신한다. 

패시브 탭에 있는 두 개의 커패시터는 전력이 인접한 OMSPE 센서로 흐르는 것을 방지하는 데 사용된다. 전력 커플러/디커플러 회로(전력 인덕터)는 전력 커플러/디커플러가 단일 OMSPE 센서(0.5W)에 대한 전류만 통과하면 되므로 작고 가격이 싸다.

 

2.3 통신 아키텍처

그림 8에서 볼 수 있듯이 SPE 센서는 SPE에서 선형 토폴로지로 연결된다. 

커뮤니케이션 관점: 각 OMSPE 센서에는 이중 SPE 포트가 있다. 첫 번째 SPE 포트 업스트림장치와 통신하고 두 번째 SPE 포트는 다음과 통신한다. 다운스트림 장치. 두 개의 OMSPE 센서 사이의 SPE링크 세그먼트는 다음과 같이 구성될 수 있다. 즉, 트렁크 미디어 1개, 트렁크 탭 2개, 드롭 미디어 2개로 구성된다. 사이의 SPE 링크 세그먼트 첫 번째 OMSPE 센서와 연결 장치는 하나의 트렁크 미디어, 하나의 드롭으로 구성된다.
 


2.4 센서-컨트롤러 통신

IO-Link는 현재 가장 널리 사용되는 센서 통신 기술이다. IO-Link 센서를 EtherNet/IP컨트롤러와 통합하려면 IO-Link와 EtherNet/IP 프로토콜 간을 변환하고 CIP와 IO-Link 데이터 간 매핑을 위한 특수 EtherNet/IP-IO-Link 게이트웨이 기능이 필요하다. OMSPE 센서 네트워크를 사용 하면 OMSPE 센서가 기본적으로 EtherNet/IP와 통신하므로 센서-컨트롤러 통신이 단순화된다.

애플리케이션 프로토콜 변환 및 데이터 매핑이 복잡하지 않다. OMSPE 센서 네트워크를 사용하면 센서의 "계산" 통신이 IO-Link 기술에 비해 단순화 된다. OMSPE 센서는 IP 및 이더넷 통신을 사용하므로 IIOT 프로토콜(예: MQTT)을 센서에 추가하는 것이 쉽다. 또한 EtherNet/IP를 사용하여 HMI, 센서 ID, 구성, 진단 등 풍부한 센서 정보에 직접 액세스하면 새로운 데이터 분석 사용 사례가 가능해진다.

2.5 센서와 "컴퓨팅" 통신

OMSPE 센서 네트워크를 사용하면 "컴퓨팅" 통신을 위한 센서가 기존 네트워크에 비해 너무단순화된다. IO-링크 기술. OMSPE 센서는 IP 및 이더넷 통신을 사용하기 때문에 추가가 쉽다. IIoT 프로토콜을 센서에 추가한다(예: MQTT). HMI, 워크스테이션 또는 클라우드용 엣지 장치와 같은 "컴퓨팅 엔터티"이다. 풍부한 센서에 직접 액세스 센서 ID, 구성, 진단과 같은 정보를 통해 새로운 데이터 분석사용 사례가 가능해진다.
 



3 DLR+(LNDC 기능 포함)

OMSPE 센서 네트워크 발견, 시운전 및 진단을 단순화하는 프로토콜은 "사용 편의성" 사용자 경험을 제공하기 위한 목적을 지원하기 위해 연구되었다. LLDP는 링크계층 발견 프로토콜로 네트워크 토폴로지 및 디바이스 기능 발견에 사용된다. DHCP는 동적 호스트 구성 프로토콜로 디바이스 IP 및 네트워크 구성에 사용된다.
 
- LLDP는 링크 계층 프로토콜이다. OMSPE 센서 네트워크는 LLDP 메시지가 센서 위치 발견을 위해 스위치를 통과하는 것이 허용되지 않는 스위치 기반 선형네트워크이기 때문에 LLDP 메시지에 의해 네트워크상에서 센서의 위치를 발견하는 것은 상당히 복잡하다.
- 연결 장치를 통해 전체 토폴로지를 파악하려면 센서의 모든 Data Table 개체를 읽어야 한다. 이것은 센서에 IP 주소가 할당되어 있다고 가정하지만 이 단계에서는 IP 주소가 결정되지 않는다.
- 네트워크가 변경(센서 삽입, 제거, 교체)될 때, 그 장치로부터의 LLDP 메시지가 링크 장치에 달할 수 없기 때문에 링크 장치에 의해 이러한 변경을 감지하는 것은 상당히 어렵다. 이는 네트워크 진단 및 네트워크 업그레이드에 대한 사용자 경험을 복잡하게 만든다. 
DLR은 선형 및 링 네트워크 동작을 위한 링크 계층 프로토콜이다. OMSPE 센서 네트워크 사용사례를 해결하기 위해 선형 네트워크 발견 및 시운전(LNDC) 기능으로 DLR을 향상시키는 것이 제안되었다. 특히, LNDC는 다음과 같은 기능을 제공한다:
- 네트워크 토폴로지를 검색하여 참조 토폴로지로 적용한다,
- 초기 네트워크 구성 및 네트워크 장치 교체를 포함하여 네트워크를 쉽게 커미션한다.
- 특정 위치에서 기기삽입, 제거, 변경을 감지하여 네트워크를 빠르게 진단한다. 향상된 DLR 프로토콜(DLR+)은 일반 선형 EtherNet/IP네트워크에도 적용 가능하다.

EtherNet/IP캐비닛 내 사용 프로파일은 10 BASE-T1S 다중드롭 EtherNet/IP네트워크에 대한 네트워크 토폴로지 검색 및 시운전 프로토콜을 이미 지정했다. 캐비닛 내 실제 토폴로지 객체(현재 네트워크 토폴로지, 마지막으로 발견된 토폴로지의 변경사항 감지)와 인 커미션 객체(참조 토폴로지 동기화, 디바이스에 대한 IP주소 할당, 토폴로지 변경감지)의 주요 개념이 OMSPE 센서 네트워크에 재사용 된다. 그림 11과 같이 OMSPE센서 네트워크에는 소프트웨어 도구, CIP 객체, LNDC 관리자 및 LNDC End Node의 4가지 기본 LNDC엔티티가 있다. 

 

표 1에 표시된 대로 LNDC 기능에 대해 새로운 DLR 메시지검색 토폴로지 및 커미셔닝이 정의된다. 모든 메시지는 링 Ether Type(0x80E1) 및 링 프로토콜 하위 유형(0x02)을 사용한다. 검색 토폴로지 요청은 멀티캐스트 메시지이다. 모든 LNDC 엔드 노드는 이 메시지를 수신하고 처리해야 한다. 다른 세 개의 메시지는 모두 유니캐스트 메시지이다.
 

3.1 네트워크 발견

그림 13은 네트워크 커미셔닝 프로세스에 대한 LNDC 엔터티 간의 메시지 시퀀스를 보여준다.
 
1. LNDC 소프트웨어 도구는 연결 장치의 작동 객체에 CIP동기화 토폴로지 요청을 보낸다. 
2. Commissioning 객체는 CIP Sync Topology 응답으로 LNDC 소프트웨어 도구에 응답하고 실제 토폴로지 객체에서 실제 토폴로지 정보를 검색하여 이를 참조 토폴로지로 설정한다. 커미셔닝 객체의 참조 토폴로지는 검색된 실제 토폴로지 대신 사용자구성에 의해 생성될 수 있다. 

3. LNDC 소프트웨어 도구는 연결 장치의 작동 객체에 CIP 적용 참조 토폴로지 요청을 보낸다. 
4. 커미셔닝 객체는 CIP 적용 참조 토폴로지 응답으로 LNDC 소프트웨어 도구에 응답한다. 
5. 커미셔닝 객체는 IP 주소가 구성되지 않은 엔드 노드에 대해 자동으로 IP 주소를 할당하고 LNDC 매니저에 네트워크 커미셔닝을 시작하도록 알린다. 

6. LNDC 매니저는 마지막 OMSPE 센서에 대한 커미셔닝 객체에 할당된 IP 주소를 사용하여 커미셔닝 요청 메시지를 생성하고 OMSPE 센서 네트워크의 마지막 OMSPE 센서로 커미셔닝 요청 메시지를 보낸다.
7. 마지막 OMSPE 센서의 LNDC, End Node는 커미셔닝 요청메시지에 대한 응답으로 상태 코드와 함께 커미셔닝 응답메시지를 생성한 후 내부적으로 IP 주소 및 기타 구성을 적용한다. 

8. LNDC 관리자는 커미셔닝 응답을 받은 후 두 번째 OMSPE 센서 노드에 대한 커미셔닝 객체에 할당된 IP 주소를 사용하여 또 다른 시운전 요청 메시지를 생성하고 OMSPE 센서 네트워크의 두 번째 OMSPE 센서에 커미셔닝 요청을 보낸다. 
9. 두 번째 OMSPE 센서의 LNDC 끝 노드는 Commissioning Request 메시지에 대한 응답으로 상태 코드와 함께 커미셔닝 응답메시지를 생성한 다음 내부적으로 IP 주소 및 기타 구성을 적용한다. 

 

3.2 시운전 네트워크

그림 13은 네트워크 커미셔닝 프로세스를 위한 LNDC 엔티티 간의 메시지 시퀀스를 보여준다.

1. LNDC 소프트웨어 툴은 링킹 디바이스의 커미셔닝 객체에 CIP 싱크 토폴로지 요청을 보낸다. 커미셔닝 객체는 LNDC 소프트웨어 툴에 CIP Sync 토폴로지로 응답한다. 
2. LNDC 소프트웨어 툴은 링킹 디바이스의 커미셔닝 객체에 CIP 참조 적용위상 요청을 보낸다. 커미셔닝 객체는 CIP 참조 적용위상 응답으로 LNDC 소프트웨어에 응답한다.

3. 커미셔닝 객체는 IP 주소가 설정되지 않은 엔드 노드에 대해 자동으로 IP 주소를 배당하고 LNDC 매니저에게 네트워크 커미셔닝을 시작하도록 통보한다. 
4. LNDC 매니저는 할당된 IP 주소를 마지막 OMSPE 센서에 대한 커미셔닝 객체에 커미셔닝 요청 메시지를 생성하고 OMSPE 센서 네트워크의 마지막 OMSPE 센서에 커미셔닝 요청 메 시지를 전송한다. 

5. 마지막 OMSPE 센서의 LNDC 엔드노드는 커미셔닝 요청 메시지에 대한 응답으로 상태 코드와 함께 커미셔닝 요청 메시지를 생성한 다음 내부적으로 IP 주소 및 기타 구성을 적용한다.
6. 끝에서 두 번째 OMSPE 센서의 LNDC End 노드는 커미셔닝 요청 메시지에 대한 응답으로 상태 코드가 포함된 커미셔닝 응답 메시지를 생성한 다음 내부적으로 IP 주소 및 기타 구성을 적용한다. 6-7단계는 1차 OMSPE까지 차례대로 반복한다.
 


3.3 네트워크 진단]

LNDC 관리자는 참조 토폴로지를 현재 실제 토폴로지와 비교하여 네트워크 변경(노드제거, 삽입, 변경)을 감지할 수 있다. 그림 14 LNDC - 네트워크 진단 시나리오. 참조 토폴로지와 실제 토폴로지를 비교하고 해당 네트워크의 진단 결과를 도출한다. 장치교체 사례(노드 변경)의 경우 키 일치 기준에 따라 기존장치의 제품 키와 새 장치의 제품 키를 비교하여 네트워크 일치/불일치를 보고한다. 사용자는 노드 제거, 삽입, 변경 위치를 쉽게 확인할 수 있다. 
 


3.4 LNDC 소프트웨어 프로토 타입

그림 15는 LNDC 소프트웨어 프로토 타입을 보여준다. 네트워크검색 영역에서 사용자는 "토폴로지 검색" 버튼을 클릭하여 네트워크검색 프로세스를 시작할 수 있다. 검색 결과가 표에 표시된다. 각 노드에는 위치, MAC ID, IP 주소, CIP 제품 키가 한 줄로 표시된다. 장치가 시운전되지 않은 경우 IP 주소 0 또는 기본 IP 주소 값이 표시된다. 

 

네트워크 시운전 영역에서 사용자는 먼저 현재 네트워크 토폴로지를 검색한 후 "동기화" 버튼을 클릭하여 참조 토폴로지를 실제 토폴로지로 동기화한다. IP 주소가 할당되지 않은 장치에는 IP 주소가 자동으로 할당된다. 그런 다음 사용자는 " 토폴로지 적용 " 버튼을 클릭하여 참조 토폴로지 를 네트워크에 적용한다.

이 과정에서 IP 주소가 장치에 위임된다. 사용자는 "재설정" 또는 "읽기" 버튼을 클릭하여 참조네트워크 토폴로지를 재설정하거나 검색할 수도 있다. 작업 중에 LNDC 관리자는 네트워크 변경을 주기적으로 모니터링 하거나 감지할 수 있다. 네트워크 진단정보(네트워크 불일치, 노드 변경, 노드 삽입, 노드 제거 및 관련 위치 ID)가 네트워크진단 영역에 표시된다.

4. 요약 및 전망

이 글에서 센서에서 컨트롤러 및 컴퓨팅까지 EtherNet/IP 연결을 가능하게 하는 OMSPE 센서 네트워크 개념을 소개했다. 또한 이 문서에서는 OMSPE 센서 네트워크 검색, 시운전 및 진단을 단순화하기 위해 새로운 선형네트워크 검색 및 시운전 기능을 갖춘 현재 DLR 프로토콜의 향상에 대해 설명했다. 대부분의 개념은 연구 프로토 타입의 범위 내에서 작동하는 것으로 입증되었다.

제품 설계를 위한 개념 최적화, 온-머신 센서 EtherNet/IP사용 프로필의 사양향상 및 전체 생태계개발 분야에서 ODVA 커뮤니티 내의 이 주제에 대한 추가 협력이 예상된다. 최적화 및 개선은 비 차폐 케이블과의 안정적인 통신의 달성, 고집적 저가형 듀얼 포트 T1L SPE 칩 개발 등 시스템 비용 최적화 및 사용 편의성에 중점을 두어야 한다. 네트워크 등의 사용자 구성을 최소화하여 유저의 편의성에 보탬이 되도록 노력했다.