[기고] 최근 ODVA 기술의 진화 산업 통신망 발전, 이더넷-APL로 진화하다

2023-11-07

ODVA Steve Fales 이사

산업용 이더넷 IP 4.0 및 IIoT

EtherNet/IP는 현재 검증된 이산형 프로세스 자동화 네트워크로 빠르게 진화하고 있으며, 객체지향적이고, 멀티 벤더들의 상호 운용성을 보유한 기술이라고 했다.

EtherNet/IP는 표준 이더넷을 기반으로 한 리소스이다. 고도로 표준화 되어 IT 친화적으로 진화증인 프로토콜이다; 자동화는 물론 수정되지 않은 IEEE의 802.3 프로토콜을 쓴다고 하였다.

EtherNet/IP는 최근 가장 까다롭다는 제어계측 응용 프로그램에서 탁월 성능을 발휘하도록 재설계되었으며 프로세스계장 까지도 가능한 프로토콜로 진화 중이다. TCP/IP 및 상용적 기성의 하드웨어를 활용하고 HTTP, FTP, SNMP 및 DHCP를 현재 진행 중인 OPC UA Companion 사양을 통해 MQTT를 플랫폼으로 하고, 공장 현장에서 클라우드로 연결을 가능케 한 가장 진보된 프로토콜 중 하나가 되었다. 현재 EtherNet/IP는 막중세로 전세계에 현재 가장 많이 보급 되고 있고, PROFINET과 공급 양 측면에서는 거의 동일한 비율을 보이고 있다.

IMT-2000 3GPP-OPC UA 동반규격 CIP 예정

CIP 디바이스와 OPC UA 디바이스,클라우드 및 엔터프라이즈레벨 서비스간에 신뢰할 수 있는 안전한 통신이 가능하다. CIP 객체는 적절한 OPC UA 정보모델 및 프로파일에 매핑되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

EtherNet/IP에서 OPC UA로 클라우드와 데이터를 주고받는 것은 다음을 제공함으로써 가능하다. 즉, 검색, ID, 진단, 상태 및 파라미터 등의 정보. 엔터프라이즈 및 IT 시스템에서 데이터를 적절한 컨텍스트와 의미론을 사용하여 신속한 추세분석 및 통찰력 생성이 가능해졌다.

이더넷/IP의 TSN 추진

EtherNet/IP는 다음을 가능하게 하는 IT 친화적 LLDP(Link Layer Discovery Protocol)를 지원한다.
• 근접한 위치에서 다른 장치를 탐지하는 노드 및 인프라 구축
• 검색 및 시각화할 물리적 네트워크 토폴로지를 만들었다.
• LLDP는 TSN을. EtherNet/IP에 채택할 수 있는 기반을 마련했다

60802 TSN을 지원하는 EtherNet/IP

ODVA의 구성원들은 IEC/IEE E60802 TSN 산업 자동화 프로파일(802.1AS)에 기여하고 있다.

ODVA는 TSN에 대한. EtherNet/IP 규격의 사소한 변경 및 이전 버전과의 호환성 변경만 예상하고 있다. EtherNet/IP는 표준 이더넷 데이터 링크계층과 그 위에 표준 IETF를 정의, TCP/IP/UDP 계층을 사용하여 설계되었다.

EtherNet/IP용 TSN[Time SensitiveNetworking]은 IEEE 802.1Q-2018(개정), IEEE802.1CB 및 IEC/IEEE 60802표준에 의해 구동되어 상호운용성이 극대화되었다.

그림 1. Single Pair Ethernet Cable의 구조

최종 사용자는 TSN 애플리케이션 프로파일을 기본적으로 구현하거나 게이트웨이를 활용하여 TSN 네트워크를 통한 통합통신을 가능하게 할 수 있다. 기존의 EtherNet/IP 장치도 서비스 품질이 저하될 수 있으나 TSN 네트워크와 연동할 수가 있다.

새로운 CIP(Common Industrial Protocole) 애플리케이션 프로파일을 사용하면 60802 활성화 TSN이 EtherNet/IP에 대한 옵션이 된다. EtherNet/IP는 현재 사용자가 CIP Motion을 비롯한 현재 투자를 활용할 수 있도록 TSN에서 실행되는 핵심 네트워크이다. 또한 신규 사용자는 주요 IEEE 이더넷 표준을 철저히 준수하고 상용화 기술을 최대한 활용하며 UDP와 IP 기술을 사용하는 등 EtherNet/IP의 낮은 오버헤드 특성을 활용할 수 있다. 60802 TSN 규격의 1차 개정판은 2023년 말에 시장에 출시될 예정이며, EtherNet/IP는 60802 TSN 규격 출시 후 상용화되는 즉시 상호 운용 가능한 TSN 호환 규격을 출시할 예정이다.

EtherNet/IP를 SPE를 통해 캐비닛내 자원제약 장치로 확장
[단일 쌍 이더넷]

캐비닛 내 리소스 제한장치를 위한 EtherNet/IP의 확장은 다음을 통해 가장 간단한 패널 내 장치를 디지털 네트워크에 추가되는 ROI를 크게 향상시키는 게 가능하다.

•UDP 전용 EtherNet/IP 통신
• 단일 쌍 이더넷(SPE 10BASE-T1S=10Mbps의 빠른 속도로 1000m 이동가능) 사용
• 캐비닛 내 외부전원 및 케이블 공유

낮은 수준의 패널장치를 EtherNet/IP에 추가하면 원격진단, 자산정보 및 매개 변수화 기능, 자동 노드 토폴로지검색, 플러그 앤 플레이 장치교체의 귀중한 이점을 누릴 수 있다.

그림 2. NAMUR/HART/IO-Link와 이더넷-APL 구성도

이더넷-APL로 확장된 EtherNet/IP 네트워크

Ethernet-APL은 프로세스 업계의 요구사항을 충족하는 10BASE-T1L(IEEE 802.3cg-2019). Single Pair Ethernet의 본질안전 2선으로 확장기능을 보유하고 있다.

즉, 동축케이블 1가닥[Single]에, 가느다란 트위스티드 페어 선 두 가닥[Pair]으로 구성하는 Single Pair Ethernet이 된다. 이더넷-APL의 장점이란 속도면에서 볼 때 최대 10 Mbit/s의 고속통신이다[IEC 61158-2]. Ethernet-APL 물리계층은 위험한 위치와 큰 지리적 설치공간을 가진 프로세스 계장 설비를 갖는 공장에서 현장 수준에 맞추어 빠르고 높은 대역폭의 이더넷 문제를 해결해준다.

ODVA는 EtherNet/IP를 프로세스 산업 요구사항의 전체 스펙트럼에 계속 적용해 나가고 있다

EtherNet/IP 프로세스에 대한 지속적인 적응

그림 3. CIP의 다중 네트워크 채택 테이블

ODVA는 EtherNet/IP를 프로세스 산업 요구사항의 전체 스펙트럼에 계속 적용하고 있다. HART 장치, NAMUR NE 107 프로세스 진단, IO-Link, Ethernet-APL, EtherNet/IP는 HART 장치가 이미 통합되어 있고 NAMURNE 107 진단이 추가됨에 따라 공정산업의 요구사항에 적응하는데 있어 상당한 진전을 보이고 있다.

ODVA는 앞으로도 현장장치 및 포괄적인 장치 구성 방법에 대한 프로파일을 지속적으로 추진할 예정이다. EtherNet/IP를 사용하면 NAMURNE 107 진단 정보를 작업자의 검토를 위해 DCS로 쉽게 전송하거나 예측 유지보수를 위해 에지 장치 매핑으로 쉽게 전송할 수 있다. IO-Link to CIP 연결은 다음과 같은 가치를 제공한다. 엔지니어링 작업감소에 더 이상 최종사용자 데 이터변환은 불필요하다.

데이터 및 정보를 쉽게 얻을 수 있어 Industry 4.0에 더 잘 대비할 수 있다. 수정되지 않은 IEC IO-Link 사양사용 표준에 계속 의존한다. Ethernet-APL은 공정 상. EtherNet/IP를 가능하게 하는 매우 중요한 도구가 될 것이다. Ethernet-APL은 1,000미터까지의 두 개의 유선 케이블 길이, 기존 인프라의 재사용 및 위험지역에서의 사용을 가능하게 하여 공정[프로세스 계장] 산업을 이더넷(Ethernet)에 완전히 개방할 예정이다.

10BASE-T1L 단일 쌍 이더넷, 본질안전 보호 및 유형 A 필드버스 케이블의 조합을 통해 이더넷-APL을 위험 지역에 있는 대규모 프로세스 플랜트 내에서 사용할 수 있다. 특히 최대 1,000미터의 케이블 길이(IEC 61158-2), 계산 없이 “본질적으로 안전한” 점화 보호를 보장하는 2선 본질안전 이더넷 또는 2-WISE(IEC TS 60079-47), 케이블을 통한 전력공급 최대 10 Mbit/s의 속도로 프로세스 플랜트 분야의 이더넷을 현실화한다.

기존의 4~20mA 및 필드버스 솔루션에 비해 속도가 빨라지면 몇 분이 몇 초가 아쉬운 시운전에 특히 유용하며, 대역폭이 늘어나면 공장전반에 걸쳐 더 뛰어난 진단 및 예측 모니터링이 가능해진다.

위의 SPE Cable은 Ethernet-APL에 유형 A 2선 케이블, 최대 10Mbit/s의 속도, 케이블을 통한 전원 공급 및 위험 지역에 대한 본질 안전 보호가 포함되어 있음을 보여준다.

그림 4. Zigbee/Bluetooth/Wi-Fi/5G 무선의 최대 처리량과 속도

EtherNet/IP 통신망 이더넷-APL로 확장

EtherNet/IP에는 CIP Safety™를 통한 기능적 안전, CIP Security를 통한 장치방어, CIP Sync와의 시간동기화, 병렬이중화 프로토콜(PRP) 및 DLR(Device Level Ring)을 통한 내결함성 이중화 등이 포함된다. EtherNet/IP를 사용하면 네트워크 및 장치상태 모니터링이 가능하며, 보안 및 안전을 기본으로 하며, 프로세스 자동화 시 원격장치 구성이 가능하다.

EtherNet/IP를 지원하는 최초의 Ethernet-APL 인프라스트럭처 및 현장장치는 적합성테스트 인증 프로세스가 완료됨에 따라 ODVA가 곧 출시할 예정이다. EtherNet/IP는 프로세스 자동화 내에서 핵심적인 안전, 보안 및 이중화 요구를 충족시키도록 설계되었으며. EtherNet/IP 물리계층은 IEC 61508 및 ISA/IEC 62443과 같은 표준을 각각 활용 하는 애플리케이션 레이어 CIP Safety 및 CIP Security의 전송을 가능하게 한다. 이중화는 병렬 이중화 프로토콜 및 디바이스 레벨 링을 통해 가능하다.

EtherNet/IP는 주요 공정변수와 진단을 공장과 그 너머로 전송하여 네트워크 및 기기상태 모니터링을 가능하게 하고, 원격으로 기기를 구성하는 것도 가능하게하여 귀중한 시간을 절약할 수 있다. ODVA 적합성 테스트 인증 절차가 완료되었으므로. EtherNet/IP를 지원하는 Ethernet-APL 인증 제품을 조만간 확인해보기 바란다. 2022년 11월부터 시작한 ODVA Ethernet-APL 인증을 주목하기 바란다.

구리, 섬유 및 무선을 사용함으로써 EtherNet/IP 사용자에게 다양한 산업용 애플리케이션에서 사용할 수 있는 높은 유연성을 제공한다. EtherNet/IP는 ISO/OSI 모델의 응용계층에서 CIP[Common Industrial Protocol]을 사용하여 데이터를 통신한다. 전송, 네트워크, 데이터링크 또는 물리적 계층에 관계없이 CIP를 통해 데이터 통신을 하는 접근방식은 다양한 전송매체를 사용할 수 있게 한다.

그림 4. 기능 안전 솔루션 구성도

CIP 안전 / 기능안전 솔루션

• IMT2000 3GPP - CIP 안전적용계층 프로토콜이다.
• 네트워크 독립 및 블랙 채널[Black channel] 이다.
• 국제 표준은 IEC 61784-3-2이고, CIP 안전표준은 FSCP 2/1이다.
• 다양한 네트워크 유형에 걸쳐 라• 중간 장치(게이트웨이)는 CIP 안전인증(블랙채널)이 필요 없음
• 단일 캐스트(포인트 투 포인트) 및 다중 캐스트를 지원

IEC는 기능적 안전을 다음과 같이 정의한다. 재산이나 환경에 대한 피해로 인해 직간접적으로 신체적 부상이나 사람의 건강에 대한 허용할 수 없는 위험이 발생하지 않는다. 입력에 응답 하여 올바르게 작동하는 시스템이나 장비에 따라 달라지는 전체 안전의 일부이다.

잠재적으로 위험한 상태를 감지하여 위험한 사건이 발생하는 것을 방지하거나 위험한 사건의결과를 줄이기 위해 완화를 제공하는 보호 또는 시정장치 또는 메커니즘의 활성화를 초래한다.

그림 5. 보안에서 ODVA의 역할의 도식화

보안에서 ODVA의 역할

EtherNet/IP는 장치 및 네트워크 수준에서 보안을 허용하는 CIP 보안 애플리케이션 확장을 제공한다.

그림 6. CIP Security™의 요소 구성도

CIP Security™의 요소요약

EtherNet/IP란 무엇인가?

개요
• 자동화를 위한 완벽한 산업용 이더넷 네트워크 솔루션이다.
• ODVA에 의해 지정되고 유지되는 개방형 네트워크이다.
• 국제 표준을(예: IETF, ISO/IEC 8802-3, IEC 61784-5-2 등을) 준수한다.
• IEEE 802.3 Protocol 이다.
• EtherNet/IP는 IP 및 이더넷의 CIP(Common Industrial Protocol)이다.

그림 7. 녹색선-산업용 이더넷선(EtherNet/IP)/흑색선: 이더넷-APL(EtherNet/IP)선]

이점

• 진정한 개방형 및 표준 프로토콜이다[IEEE가 제정한].
• 현재 및 새롭게 등장하는 이더넷 네트워크와의 손쉬운 통합
• 간편한 기술 인력(IT/OT) 소요
• COTS 구성 요소가 좋다.
• 지속적으로 발전하는 기술의 최신화를 추구한다.
• 세그먼트 간, 스키드 간 투명한 데이터 액세스를 제공한다.
• 동시 데이터 스트림(파일 전송, 비디오 스트림 등)의 공존을 허용한다.
• 네트워크의 융합이 쉽다.
• 설계 및 운영 비용을 대폭 절감한다.
• 가능한 경우 COTS(상업용 기성품)으로서 활용
• 다른 TCP/IP 애플리케이션(예: 두 번째 채널)과 공존 가능하다.

이더넷-APL: 트렁크 및 수퍼 토폴로지 [ 간선(TRUNK) 및 지선(SPUR)/ 통신방식]

■ 산업용 이더넷 선 [Industrial Ethernet Cable]
• 일반적으로 100Mbit/s의 고속 통신 속도를 갖는다.
• 4선으로 구성, 길이는 최대 100미터이다.[단, 케이블 길이가 100미터 밖에 안 되므로 이더넷-APL 선으로 사용하기에는 부적절하다.]
• 전 이중 통신 방식이다.
• 최종 장치와 스위치는 자체 전원을 공급받아야 한다.

■ 이더넷-APL 선 [Ethernet-APL Cable]
• 10Mbit/s 데이터 고속 통신 속도(10BASE-T1L)를 갖는다.
• 2선으로 구성되며 최대 1000미터의 케이블 길이를 갖기에[석유화학공장 같은 프로세스 계장용으로 장거리 통신에 적합하다. 이더넷-APL 선으로 사용하기에 적절하다.]
• 전 이중 통신 방식이다.
• 단말 장치 및 현장 스위치는 통신선을 통해 전원을 공급받을 수 있다.
• 프로세스계장용으로 본질 안전 등급을 갖는다. 2-WISE[WIRE INTRINSIC SAFETY ETHERNET], IEC 60079-47.

그림 8. 출처: HMS Industrial Networks 2023(2022)

네트워크 분석[2023 / HMS Industrial Networks]

단일 쌍 이더넷[SPE(Single Pair Ethernet)]에 성장 발전 기회가 도래했으며 따라서 단일 쌍 이더넷[SPE]를 사용하는 이더넷-APL에 무한 발전의 기회가 찾아 온 것이다. 통신망의 발전은 필드버스에서 산업용 이더넷으로 빠르게 변화 발전하고 있으며, 최근에는 산업용 이더넷에서 파생된 프로세스 계장에서 필수적인 이더넷-APL로 진화 발전하고 있다.

2023년에 HMS Industrial Networks가 분석한 아래 자료를 살펴보면, 크게 분류하여 3종으로 나누어 집계하였다. 그것은 산업용 이더넷[68%], 필드버스[24%], 와이어레스[8%]이며 산업용 이더넷은 PROFINET이 18%, EtherNet/IP 18%, EtherCAT이 12%, ModbusTCP가 5%, POWERLINK가 3%, CC-Link IE Field 3%, Other Ethernet 9%이다. 그 다음은 Fieldbus가 24%인데, 여기에는 PROFIBUS DP 6%, Modbus-RTU 5%, CC-Link 3%, DeviceNet 3%, CANopen 2%, Other Fieldbus가 5%이다. 다음으로 Wireless는 8%인데 WLAN 5%, Bluetooth가 1%, Other Wireless 2%이다.

이렇게 해서 도합 100%인데, 여기에는 연간 성장율[Annual Growth rate]도 조사했다. 연간 성장율[Annual Growth rate]은 산업용 이더넷은 +10%, 필드버스는 -5%, 와이어레스는 +22%로 톱[Top]을 차지했다.