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실시간(Real Time) 이더넷을 위한 산업용 네트워크의 10가지 조건

과거 10여년전 까지만 해도 이더넷은 고기능 디바이스와 고성능 PLC간의 실시간 데이터 전송 도구로 사용한다는 것은 어려운 문제였다. 이더넷이 산업에서 요구하는 안정성과 실시간성을 보장해주지 못해왔기 때문이다.

그러나 지난 2001년말 아무도 생각지 못했던 산업 자동화 분야에서의 실시간 네트워크로 이더넷을 기반으로 채용한 ETHERNET Powerlink가 발표되면서 네트워크와 자동화의 흐름이 변화하기 시작했다. ETHERNET Powerlink를 통해서 이더넷은 산업 자동화 분야에서 핵심 프로토콜로 빠르게 성장했으며, 이더넷을 산업용 네트워크의 핵심으로까지 발전시켰다.

이에 ETHERNET Powerlink가 제공하는 산업 분야에서의 진정한 하드 실시간 이더넷(Hard Real-Time Ethernet)을 위한 10가지 조건을 정리한다.

ETHERNET Powerlink는 산업분야의 데이터 전송을 위한 통신 방법으로 수많은 적용 분야에서 독자적인 실시간 제어에 주로 활용된다. 이는 시스템을 기반으로 한 표준 이더넷으로써 차세대 필드버스(Fieldbus)를 대표하며, 이는 처음으로 산업용 자동화 분야에 완벽한 IT 기술을 적용한 인터페이스라 할 수 있다. 특히 ETHERNET Powerlink는 PLC 시스템과 드라이브, I/O, HMI, 데이터 교환에 완벽한 솔루션이다.

일반적으로 Safety 프로토콜을 기반으로 한 필드버스는 Real-time 산업용 이더넷의 성능과 견줄 수 없으므로 EPSG’s safety working (ETHERNET Powerlink Standardization Group) 그룹은 새롭게 EPLsafety를 개발했다. 따라서 Ethernet Powerlink, EPLsafety의 확장에 대한 안전성은 100μs이하의 사이클 타임을 지원하는 Safety bus를 기반으로 한 독립된 이더넷을 가능하게 한다.

EPLsafety는 기계 자동화, 공장 자동화, 물류 자동화와 같이 다양한 적용 분야에 사용 가능하며, IEC 61508에 준한 카데고리 SIL4의 안전, 신뢰, 유효성에 대한 요구 사항을 충족한다. EPLsafety의 개념은 2004년말 독일 TUV에 의해 이미 공인되었다.

Powerlink의 10가지 조건

어떻게 통신 표준 규정들을 선택할 것인가에 대한 다양한 논의가 진행되고 있다. 어떤 것은 눈앞에 놓인 변할 수 있는 주제들 보다 더 중요하다. 어떠한 이용자들은 다른 이용자들이 7개나 8개중 한가지만을 고려하는 데 반해, 세네가지 측면에 대해 심사숙고하기도 한다. 그러나 파워링크는 아래에서 기술하게 될 순차적인 단계인 10가지 조건들에서 실시간 이더넷 기술 분야를 주도한다.

조건 1: 개발의 진척
이용자들은 관심 있는 제품이 시장에 나오기 전까지는 개발이 어떻게 진척되는지 관심을 갖지 않는다. 오직 관련 있는 개발의 시리즈 제품의 출시에 관한 진척들에만 관심을 갖는다.

파워링크 시리즈 제품은 이러한 버스 표준(bus standard)이 수년간 필드에 적용되어 온 기술을 입증한 것으로 소비자들에게 안전성을 재확인 한 것으로, 2003년 처음 선보였다. 이러한 수년간의 경험으로 인해 완전한 명세 또한 실제 응용에서부터 새로운 요구사항들까지 광범위하게 적용되어 온 만큼 전형적인 모든 요구사항들을 부합하기에 충분하다. 그러므로, 파워링크는 오늘날 사용자 지향의 훌륭한 사례로 평가된다.

조건 2: 개방으로 인한 독립성
항상 무언가에 의존 한다는 것은 또한 업체의 전략상 중요성을 가진 기술 개발에 대한 최상의 시점을 제외하고, 다른 것들에 대한 어떤 관리 기능을 내어준다는 것을 의미한다. 그러므로, 2차 공급자의 유용성은 종종 전략 결정자들에게는 성패를 좌우하는 주제가 된다. 그것의 개방 구조로 인해, 파워링크는 사실상 독점적인 어떠한 시스템보다도 빠르고 새로운 개발을 포함해 거의 모든 것에 대한 2차 공급자들을 확보할 수 있다는 것을 보증한다.

파워링크는 표준 이더넷 하드웨어를 운영하는 필드버스 운영 시스템의 종류이다. 그 중에서도 특히 개방 운영 시스템을 말한다. – 그것의 통신 메커니즘은 표준화 되어 있지만, 실제 소프트웨어 실행은 그들 자신의 명의로 다른 사람에 의해 운영되고 공개될 수 있다. 다수의 소프트웨어 하우스는 빠른 제품 구현을 용이하게 하기 위해 초보적이고 저렴한 도구를 제공한다.

조건 3: 기존의 기술을 이용한 유지
오늘날의 훌륭한 대다수의 기기와 공장 엔지니어들은 CANopen 필드버스 표준을 이용한다. – 수년간의 주요 투자들이 높은 기능적 품질로 명성을 얻은 이 기술에 주목하였다. 이것은 CANopen 표준(EN 50325-4 표준 장치 프로파일을 채택함으로서)을 통합하였기 때문에, 파워링크는 이더넷 세상으로 들어 가기 위한 CANopen 이용자들에게 상당히 안정적인 이동 경로를 열어 주었다.

예를들어, 드라이브 개발자들은 표준규격을 결합한 CANopen-DSP 402/Powerlink로 재 분류할 수 있고, 그들의 장치에 새로운 프로토콜을 빠르게 이용할 수 있다. 즉, 파워링크 V2 프로토콜 개정은 CANopen 호환성을 이루는 첫째로 손색이 없다. 현재 이용하고 있는 모든 파워링크 시스템은 캔오픈 표준을 지원하고 있다. 기준의 응용분야에서 이용자들은 프로토콜 버전 V1 과 V2 사이의 차이를 알아차리지 못했을 것이다. 왜냐하면 V1 설치는 좀더 최근의 캔오픈 장치 프로파일의 그 어떤 것도 요구하지 않기 때문이다.

조건 4: 오피스용과 동일한 고속 스피드
파워링크 이용자들은 10가지 요소에 의해 네트워크 수행을 쉽게 시작할 수 있다. 100Mbit 컴포넌트 대신에 1 Gigabit의 하드웨어를 포함하기 위해 하드웨어 플랫폼을 바꾸는 것은 개발자가 다른 동일한 PCB 상에 적용되도록 하기 위해 컴포넌트의 다소 다른 목록에서만 일어나게 하는, 모든 개발자들이 해야만 하는 일이다. 어떻게 그것이 가능한가? 파워링크는 표준 이더넷을 기본으로 하고 있기 때문에 사무용 시장에서 제품을 만드는 세계 수천의 제조업자들에 의한 개발 진척이 매우 빠른 장점이 있으며, 엄격히 하위 호환성을 관측 할 수 있다.

이에 반해 독점적인 이더넷 솔루션은 개발과 테스트의 과정에 보다 많은 시간을 필요로 하는 특별한 하드웨어 컴포넌트(ASICs)를 필요로 한다.

조건 5: 시장 수용성
평가기준들은 항상 특히 주어진 응용분야의 요구사항에 대해 아무런 가능한 솔루션이 없을 때 요구되기 때문에, 파트너가 이상적인 솔루션을 제공할 것이라는 것을 신뢰해야만 하는 경우가 있다. 가령 다른 응용분야에서의 유사한 문제를 해결한 성과를 가진 가능성 있는 파트너라면 분명 신뢰할 수 있는 진척을 이룰 수 있을 것이다. 그리고 파워링크의 기준 목록은 실제로 상당히 광범위하다. 전세계적으로 400업체 이상의 기기 제조업자들로부터 28,000 시리즈 이상의 기기와 시스템이 현재 ‘파워링크 인사이드’와 함께 운영되고 있다. 이것은 또한 210,000 노드 이상이 매일 파워링크에 의해 운전되고 있음을 말하는 것으로, 파워링크가 적합한 선택인지에 대해 궁금한 누구라도 모든 필요한 확신을 심어주기에 충분하다.

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조건 6: 안전 오류 처리
파워링크 안전(Safety) 기술은 안전한 도메인 노드 사이의 네트워크에 걸쳐 안전한 데이터 전송을 보증한다. 이러한 점은 SIL 3 호환 시스템과 공정에 적합하다. 이러한 안전 무결성 기준에 대한 IEC 61508의 정의는 시간당 10-9 오류이상 발생하지 않는 것이라고 기술되어 있다. 다시 말해, 위험한 상태는 평균 매 115,000년에 한번 버스 오류에 의해 일어날 수 있다. 게다가 파워링크 시스템은 또한 높은 유용성을 주장하고 있다. 이것은 기능불량에 대한 예방조치가 공정 설계의 일부여서 중복된 컴포넌트가 설치된 전력 생산공정에서의 규정이다.

예컨데 단지 한 개만이 활동하고 있는 두 개의 제어 시스템이 있다. 이차 시스템은 모든 사건과 통신들을 준비모드에서 모니터 한다. 활성 제어장치가 오류가 난다면, 이 백업 시스템은 즉시 그 기능을 맡는다. 여기에는 두 개의 분리된 파워링크 라인이 있기 때문에, 모든 버스 노드는 한 케이블이 손상된다면 다른 대체 라인을 통해 통신할 수 있는 것이다.

조건 7: 네트워크 토폴로지 선택
파워링크는 모든 옵션들을 지원한다. 이용자는 이용하는 기기, 공장 그리고 처리 자동화 컴포넌트를 다른 제약 없이 네트워크에 통합할 수 있다. 이에 반해 리던던트 링 토폴로지를 이용하는 시스템은 종종 노드가 첨가될 때 문제를 일으킨다. 두 개의 장치 사이에 ‘새로운 박스(New Box)’를 삽입해야 한다고 한다면, 곧 어떠한 케이블이 링을 구성하는 연결인지 말하기 어려울 것이다. 이것은 오류 복구 과정에 심각한 문제가 될 수도 있다.

또한 라인 오류(케이블 파손)의 경우 이러한 시스템은 보통 마스터는 링에 따라 다른 루트를 통해 데이터를 받기 전 충분한 데이터 사이클을 필요로 할 것이다. 파워링크는 단지 프레임을 드롭한다. 그리고 실행한다. 오류가 발생한 동안에도 파워링크의 정보처리 기능을 가진 리던던트 설정은 지속적으로 얼마간의 데이터가 사실상 언제라도 네트워크의 어떠한 시점에서 충분한 이용가능성을 남긴다는 것을 보증한다.

조건 8: 다이렉트 크로스-트래픽
두 개의 정보처리 기능을 가진 시스템 사이의 직접적인 통신은 항상 데이터를 전달하는데 가장 빠르고 쉬운 방법이다. E-mail을 작성할 때의 CC기능을 생각해 보자. 그것이 항상 모든 것에 이용된다면 받는 사람의 대부분이 그들은 필요 하지 않지만, 차단, 분류, 제거 해야만 하는 정보 파일들에 잠기게 될 것이다. 파워링크는 회신 편지와 같은 것을 보낼 필요가 없다. 주어진 분산 제어 구조는 마스터 독립 통신을 의미하는 크로스-트래픽을 대신 이용하게 될 것이다. 그러므로 좀 더 효율적인 직접 루트를 선택한다. CANopen 이용자들은 이미 이러한 특성에 익숙하다.

파워링크 시스템은 정확히 예측될 수 있는 주기 시간에 대한 데이터 통신을 보증한다. 이것은 파워링크를 강화한 자동화 네트워크의 기획 중 엑셀 스프레드시트로 쉽게 계산될 수 있다.

조건 9: 저렴한 하드웨어 비용
솔루션을 기본으로 하는 소프트웨어의 장점은 무엇인가? 한가지는 최고이다. 특별한 ASIC을 필요로 하는 독점적인 기술과는 달리, 이것은 다소의 하드웨어를 운용한다. 그러므로 파워링크 네트워크에서 운영하는 하드웨어가 일반적으로 다른 프로토콜에서 이용될 수도 있는 것처럼, 파워링크의 소프트웨어 접근 방식은 비용을 절감한다.

이 밖에도 파워링크는 또한 업무용 표준 진단과 측정 시스템은 네트워크에서의 서비스와 유지 작업에 이용될 수 있기 때문에 비용 효율성이 높다.

조건 10: 핫 플러깅
가정과 사무 환경에서의 잘 알려진 특성인 랩탑의 플러깅 네트워크 라인은 공유 장치를 이용한 통신을 가능하게 한다. 연결장치를 다시 제거하는 것은 대체적으로 네트워크의 안전성을 손상하지 않을 것이다.

파워링크는 좀 더 안정적인 이러한 특성을 충족시킨다. 파워링크의 역동적인 환경설정은 노드가 간단히 대체되고, 애플리케이션을 멈추지 않고 네트워크에 부착하거나 제거할 수 있게 한다. 진단 메세지, 디버깅, 오류 회복을 간단히 하는 것 뿐만 아니라 이것은 운영되는 동안 기기에 대해 여분의 총계를 대체하는 것에 관해 고려한다. 최종 결론은 파워링크는 전체적으로 새로운 기기 개념의 실행을 용이하게 한다는 것이다.

소프트웨어에 의한 실시간 이더넷 구현

무엇보다 IT 분야에서 이더넷이 성공할 수 있었던 것은 필요하다면 누구나 쉽게 접근하여 자유롭게 사용 할 수 있었기 때문이다. EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group)는 ETHERNET Powerlink의 개방과 기술 향상을 책임지는 기관으로써 하나의 벤더나 기술 리더로부터 완전히 독립되어 있다. EPSG는 2002년 11월 B&R, Hirschmann, Kuka Robot, Lenze, ZHW 등을 중심으로 컨소시엄 형태로 출범하여, 2003년 6월 협회(Association)로 성립되었다.

지난 2006년말에는 기존 Fast 이더넷보다 10배 이상 빠른 기가비트 이더넷 솔루션을 발표했으며, 조만간 10 기바비트까지 지원할 계획을 가지고 있다. 기바비트 Powerlink는 다른 이더넷 기반 시스템과 달리 표준에 대한 완벽한 적용과 완전한 100%의 소프트웨어 기반을 통해 새로운 Ethernet ASIC 개발을 위한 시간과 자금투자를 절약할 수 있도록 했다.

EPSG(www.ethernet-powerlink.org)에 의하면, 현재 전세계적으로 400여 업체가 Ethernet Powerlink를 사용하고 있으며, 2006년말까지 21만 노드 이상이 다양한 양산 장비에 적용된 것으로 나타났다. 한편 현재 EPSG 공식 회원사는 총 138개 업체이다.

아이씨엔 매거진 2007년 06월호

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