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산업통신망 국제 표준화 추진 현황과 산업용 이더넷의 행보

산업통신망 국제 표준화에 대한 막바지 활동이 활발하게 추진되고 있다. 필드버스(Fieldbus)를 거쳐, 실시간 산업용 이더넷(RTE; Real Time Ethernet)에 대한 표준 규격 발표가 마무리되고 있는 가운데 산업통신망으로는 유일한 국내 개발 프로토콜인 RAPIEnet이 빠르게 국제 표준을 진행하고 있어 주목된다.

생산 시스템에서의 안정성을 생명으로 하는 산업 자동화 현장에서는 기기 및 시스템을 도입함에 있어 무척 폐쇄적인 경향이 있다. 이는 검증된 안정성이 담보되지 않은 시스템이나 솔루션을 가동중에 사소한 시스템 에러가 발생했을 경우, 전체 시스템 차원에서의 큰 피해를 감수해야 한다는 근본적인 이유가 내재되어 있기 때문이다. 이러한 폐쇄적인 산업 현장에서도 이제는 IT 정보기술의 핵심도구인 이더넷(Ethernet)에 대한 도입이 활발하다. 현장 모니터링 시스템과 같은 비크리티컬한 부분에서는 무선 솔루션 및 웹HMI에 대한 구축도 널리 수용되고 있는 실정이다.

이더넷과 산업용 이더넷
지난 1973년 제록스의 Bob Metcalfe의 냅킨 스케치에 의해 태어난 이더넷(Ethernet)은 처음 사무실간의 통신을 위한 LAN으로 사용되었다. 최근에는 이더넷의 성능과 애플리케이션의 크게 확대되고 있다. 처음의 표준은 2.94 Mbps를 지원했었는데, 이후 Intel과 Digital Equipment사가 합류하여 10Mbps의 DIX 2.0 표준의 개발하였다. 동시에 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)에서 지금의 이더넷 표준으로 알려진 CSMA/CD 802.3을 1983년에 규격 발표하였다. 최근에는 이더넷이 공장 라인으로 사용 분야를 확장하여 지능형 센서로부터 플랜트 관리 제어 시스템에 이르기까지의 산업용 컴퓨터 플랫폼으로 활용되기에 이르렀다. 이제 이더넷(Ethernet)이 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)으로 한단계 진보한 것이라 볼 수 있다.

특히 산업 자동화 분야에서는 분산 제어를 기반으로 하는 필드버스(Fieldbus)가 활성화되고 있으나 필드버스가 가진 장점에도 불구하고 현재 다양한 경로를 통해 구축되는 필드버스들이 서로 다른 물리적인 전송방식으로 동작된다는 고질적인 문제를 내재하고 있다. 이에 버스 특화된 인프라 구조 요소 및 상위의 버스 네트워크와의 연결을 위한 게이트웨이 그리고 통합을 위한 OPC 등이 추가로 요구된다.

이러한 이유로 모든 레벨의 데이터 교환을 위한 하나의 네트워크로 단일화 하고자 하는 산업계의 요구에 필드버스가 부응하지 못하는 측면이 존재해 왔다. 이러한 단점을 해소하고자 하는 돌파구로서 정보기술의 기초가 되는 이더넷이 필드버스를 대체할 새로운 산업 기술로 각광받게 된 것이다. 그리고 이어서 현장에서 요구되는 정보의 실시간 데이터 전송의 확보가 필요하다는 요구에서 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)이라는 용어가 출현하게 되었다. 산업용 이더넷은 곧 실시간 이더넷(RTE; Real Time Ethernet)이라 할 수 있다.

산업통신망 국제 표준화 현황
현재 산업통신망 관련 국제 표준은 ISO(국제표준화기구)와 IEC(국제전기표준회의) 두 단체에서 추진되었다. 산업용 네트워크 분야에서 ISO 표준은 2006년초에 완전하게 완료된 것으로 나타났다. 현재는 IEC 표준에서 리얼타임 산업용 이더넷과 안전(Safety), 보안(Security)에 대한 표준 추진이 지속적으로 이루어지고 있는 중이다.

양 기관에서 발표한 최근의 산업용 네트워크 표준으로는 지난 2000년에 IEC TC65/SC65C에서 IEC 61158(Digital Communications)로 발표되었다. 이는 필드버스(Fieldbus)로 알려지고 있다. 여기에서는 Profibus, ControlNet, Foundation Fieldbus, Interbus, Swiftnet, WorldFIP, P-net, (FF) HSE 등 8개의 프로토콜로 구성되었다. 이들 필드버스 표준들은 지속적인 논의를 통해 Profibus, ControlNet, Foundation Fieldbus, Interbus, Swiftnet, WorldFIP, P-net 등 7개로 2003년 5월 공식적인 국제표준으로 발표되었다.

2003년부터는 ISO와 IEC에서 산업용 네트워크 관련 표준을 추가로 진행하게 된다. IEC TC65/SC65C/WG6에서는 IEC61784-1 규격으로 IEC 61158 표준인 ‘필드버스(Fieldbus)’를 채택하였으며, 이후 WG11(워킹그룹 11)을 통해 추가된 IEC61784-2 규격으로 IEC/ISO 8802-3 기반의 ‘리얼 타임 이더넷(Real Time Ethernet)’을 제정했다. IEC61784-2 규격으로는 CIP, PROFIBUS & PROFINET, P-NET, INTERBUS, VNET/IP, Tcnet, EtherCAT, ETHERNET Powerlink, EPA, MODBUS-RTPS, SERCOS 등 16개가 2007년 12월 채택된데 이어, 지난 2008년 12월 부산회의에서 국내에서 제안한 RAPIEnet이 CPF(Communication Profile Family) 17로 추가되었다.

한양대학교 산업통신망 국제세미나

또한 최근에는 IEC61784-3에서 산업용 네트워크에서의 IEC 61508 세이프티 규격에 기반한 안전에 대해 다루고 있으며, IEC61784-4에서는 사이버 보안(Cyber Security)에 대한 내용을 취급하고 있다. 이는 리얼타임 산업용 이더넷이 시장 확대를 적극 추진하고 있는 가운데, 이와 관련한 안전 및 보안이 새로운 과제로 떠오르고 있는 것과 같은 맥락이다. 또한 안전과 보안이 산업용 네트워크에서도 향후 새로운 이슈로 떠오를 것이라는 전망을 가능하게 하는 대목이기도 하다.

또한 IEC 표준은 표준규격이 그대로 유지되지는 않는다. 시장에서의 요구가 사라지는 등의 환경 변화에 따라서 기존 표준 규격이 삭제되거나, 새로운 규격이 늘어나는 등 유기적인 성장의 모습을 보이고 있다. 최근에 IEC 61784-1에 변화가 생겼다. 2003년 출판에서는 7개의 CPF로 이루어졌으나, 2007년 출판에서는 SwftNet이 누락되었다. 또한 2007년판에서는 CC-Link, HART, SERCOS 3개가 추가되어 출판되었다.

따라서 기존의 표준 프로토콜들은 시장에서의 요구를 충족시키기 위한 시장 확대 노력과 새로운 기술의 접목을 통한 신규 스펙 개발에 적극 나서고 있는 중이다. 한편 국내의 RAPIEnet(LS산전 주도) 프로토콜도 IEC/ISO 8802-3 기반의 산업용 이더넷으로 개발되어 IEC 61784-2에 2007년부터 적극적인 국제표준 구성을 위한 활동을 진행하고 있는 중이다.

지난 2008년 12월 8일부터 12일까지 부산에서는 IEC SC65C/MT9 산업용 네트워크 – 디지털통신 국제표준화회의가 있었다. 국내 지식경제부 기술표준원의 회의 유치를 통해 기술표준원이 주관하고, 한양대학교 홍승호 교수와 LS산전 권대현 선임연구원이 프로젝트 리더로서 진행하였다.(BOX 기사 참조)

이번 회의에서의 주요 안건은 국내에서 상정한 라피넷(RAPIEnet; Real-time Automation Protocol for Industrial Ethernet)에 있었다. 이번 부산회의에서 라피넷에 대한 CD(Committee Draft)가 제출되었으며, 향후 CDV(Committee Draft for Voting), FDIS(Final Draft International Standard)를 거쳐 공식적인 국제 표준으로 출판되는 일정으로 있다. 빠르면 2010년 3월에는 RAPIEnet이 국내 최초의 산업통신망 국제 표준으로 발표될 예정이다.

한편 산업용 디바이스 레벨에서의 국제 표준도 완료되었는 바, IEC/SC17B에서 IEC62026 저전압 변환기 컨트롤 디바이스 인터페이스 표준으로 AS-Interface, DeviceNet, SDS, Serflex 등 있다. 이중에서 AS-Interface와 DeviceNet은 국내 KS표준으로 발표되었다.

ISO에서는 개방형 구조를 지향하는 오픈 프레임워크 표준을 ISO TC184(산업자동화통신망표준)/SC5(구조 및 통신)/WG5(Open Framework)에서 표준을 준비하여 2003년 10월 ISO 15745(Open Framework)로 공표했다. ISO 15745는 2006년까지 Part1에서 Part5까지 발표됨으로써 표준 규격 자체가 완료되었다. 이로써 ISO에서는 총 16개의 개방형 통신 네트워크 프로토콜들이 표준으로 채택되었다. 특히 Part4 및 Part5는 2006년 3월 투표를 거친 후, 4월에 ISO15745-4/5으로 최종 승인되었다.

Part4에는 Ethernet/IP, ADS-net, FL-net, PROFINET, MODBUS TCP, Ethernet powerlink, EtherCAT 등 이더넷 기반의 프로토콜, 즉 산업용 이더넷이 차지하고 있다. 또한 Part5에는 CC-Link가 HDLC 기반 필드버스 프로토콜로 채택되었다. 이로써 산업 자동화 시스템의 어플리케이션 통합 프레임워크 시리즈 규격의 완결판이 되었다. 개방형 구조의 ISO 산업용 네트워크는 총 16개의 프로토콜이 국제 표준으로 완결된 것이다.

리얼타임 산업용 이더넷
산업용 이더넷이 주류로 떠오르는 것은 상위의 정보 레벨로부터 하위의 필드레벨에 이르기까지의 끊김없는 수직적 통합에 있다. 이는 IEC 61784-2 국제표준에서도 잘 나타나 있다. 리얼타임 이더넷의 주요 목표가 바로 필드와 경영 레벨에 대한 손쉬운 데이터 통합에 있는 것이다.

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특히 산업용 이더넷은 기존의 오피스 이더넷과 차별되는 특성을 만족해야 한다. 비용이 많이 소요되는 스타 토폴로지보다는 버스나 링 토폴로지를 선호하는 산업 엔지니어들의 요구를 만족시킬 필요가 있다. 또한 IT 센터와는 천지차이로 구별되는 가혹하고 열악한 산업 설비의 현장을 고려해야 한다. 여기에서는 20g/11ms 이상의 쇼크와 5g의 진동, 섭씨 -20 ~ 70도에 이르는 온도 변화 등을 기본적으로 만족해야 한다. 이더넷 커넥터에 대한 산업적인 보완도 요구된다. IT 레벨에서는 RJ45 커넥터가 표준으로 사용되고 있다. 산업용 이더넷에서도 RJ45 커넥터를 기본으로 하고 있기는 하지만, 산업에서의 열악한 환경을 고려하여 추가적인 하우징으로 보완될 필요가 있다. 현재 산업용으로 출시된 표준 RJ45 기반 산업용 이더넷 커넥터만도 20여종 이상이 출시되어 있다.

리얼타임 산업용 이더넷은 다음과 같은 리얼타임 성능에 따라 3가지 등급으로 분류된다. (1)Class 1: 100ms의 반응시간을 가지는 TCP/IP 통신 기반의 표준시스템, (2)Class 2: 10ms의 반응시간을 가지는 PLC 또는 PC기반 제어 시스템, (3)Class 3: 1ms 이상의 반응시간을 충족하는 모션 컨트롤 등이 있다.

Class 1 등급은 표준 이더넷에 추가적인 모디파이 없이 TCP/UDP/IP 프로토콜 스택을 그대로 사용한다. 여기에는 EtherNet/IP, MODBUS/TCP, P-Net, BNET/IP 등이 해당한다. Class 2 등급은 표준이더넷에 대하여 자체적인 프로토콜 스택을 추가하여 리얼타임을 확보하고자 하며, 이더넷 통신 하드웨어에 대한 수정은 가하지 않는다. 때문에 이를 소프트 리얼타임(Soft Real Time)이라고도 한다. 여기에는 Ethernet Powerlink, Tcnet, EPA, PROFINET CBA 등이 해당한다. Class 3 등급은 모디파이된 이더넷을 사용하며, 특히 배선 비용의 절감을 위해 스타 토폴로지 대신에 버스 또는 링 토폴로지를 사용한다. 이를 하드 리얼타임(Hard Real Time)라고도 한다. 여기에는 SERCOS, EtherCat, PROFINET IO, RAPIEnet 등이 해당한다.

시장의 요구에 유연성 보여

이렇듯 산업용 이더넷이 미래 지향적인 산업 기술로 성장하고 있는 것은 산업용 이더넷에 근간을 이루는 이더넷과 TCP/IP가 개방화된 기술로 오래전부터 많은 유저들을 확보하고 있으며, 향후에도 산업분야에 지속적인 영향력을 발휘할 IT기술과의 접목이 고려되기 때문이기도 하다. 산업용 이더넷은 상위로부터 하위레벨까지의 수직적이고 수평적인 끊김없는 통합을 최대의 장점으로 실사용자층에 접근하고 있는 중이다.

그럼에도 산업용 이더넷도 기존의 필드버스와 마찬가지로 상호운용성에 대한 어려운 과제를 안고 있다. 이는 일부 조직이나 개별적인 산업용 이더넷 프로토콜의 활동으로 가능한 영역이 아니며, 국제적인 논의와 공동의 연구개발, 그리고 영향력있는 실사용자층의 적극적인 조율과 압력하에서 가능한 분야이다.

산업용 네트워크는 현재 상호 협력과 제휴를 모색하면서 세계시장에서의 시장확대를 위한 마케팅 활동을 활발하게 추진하고 있다. 독일 지멘스가 주도하는 Profinet은 Interbus를 Profinet IO로 수용하였다. 또한 FF와 HART와의 적극적인 제휴를 통한 공동시장 확장에도 적극적으로 나서고 있다. 미국 로크웰오토메이션이 주도하는 EtherNet/IP 진영도 지난해에 산업용 이더넷 분야에서 최대의 현장 구축 실적을 보이고 있는 Modbus의 결합을 통해 상호 호환성 연구를 본격 추진하고 있다. 이로써 국제적인 산업용 네트워크는 Profinet진영과 EtherNet/IP 진영으로 ‘헤쳐모여’하는 모습을 보이고 있다. 한편 일본 미쓰비시가 주도하고 있는 CC-Link도 IEC 표준 채택에 이어 산업용 이더넷 CC-Link IE를 발표하고 아시아 시장을 중심으로 한 본격적인 산업용 이더넷 프로모션에 돌입했다.

[BOX 기사]

IEC 산업통신망 국제 표준화 회의 국내 개최

산업통신망에 대한 국내외적인 산업 적용이 활발하게 추진되고 있는 가운데, 개방형 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)에 대한 국제 표준화에 대한 이목이 집중되고 있다. 지난 12월에는 IEC SC65C/MT9 산업용 네트워크 – 디지털 통신 국제 표준화 회의가 국내에서는 처음으로 부산에서 개최됐다.

지식경제부 기술표준원의 주관으로 12월 8일부터 12일까지 부산 파라다이스 호텔에서 개최된 이번 산업통신망 국제 표준화 회의에서 우리나라는 산업용 이더넷 분야에서의 IEC 5종의 프로젝터 리더를 수행하는 성과를 거두었다. LS산전이 개발한 국내 산업용 이더넷 표준 프로토콜인 라피넷(RAPIEnet) 기술에 대한 신규 제안 5종 발표와 설명이 이루어져, IEC 61158-3/4/5/6 및 IEC 61784-2 표준에 라피넷이 공식적으로 합류하게 된 것이다. LS 산전의 특허보유기술인 산업용 이더넷 라피넷 기술은 지난 2007년 1월 프랑스 국제 표준 회의에서 처음 발표된 이후 국제표준으로 채택됐다.

이번 회의에서 RAPIEnet 기술은 type 21을 할당 받았고 CD(Committee Draft), CDV (Committee Draft for Voting), FDIS(Final Draft International Standard) 단계를 거쳐 2010년 3월 IEC 61158-3/4/5/6-21과 61784-2 CPF17 5종의 공식적인 표준규격 등록이 전망되고 있다.

한편, 일본의 CC-Link협회가 제안한 산업용 이더넷인 CC-Link IE 기술은 IEC 61158 규격에 추가한다고 발표하였으나, 이번 회의에서는 기간내 문서 제출이 안돼 추가 논의가 이루어지지 않은 것으로 나타났다. 이에 그동안 국내의 RAPIEnet과 동시에 진행될 것으로 예상되었던 국제표준 일정에서의 지연이 불가피해 졌다.

이번 회의를 총괄 수임한 한양대학교 홍승호 교수는 “이번 회의에서의 결실을 통해 국내 우수기술인 RAPIEnet의 국제시장 진출이 기대된다. 특히 100% 외국 기술이 장악하고 있는 국내 산업통신망 자동화 시장에서 국내 기술이 진입할 수 있는 돌파구를 마련하고, 국제표준 채택으로 국내기술의 인도 등 동남아 시장 진출의 교두보를 확보하게 됐다.”고 말했다.

아이씨엔 매거진 2009년 02월호

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