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이 기종간 통신 통합의 선두 주자, CIP(Common Industrial Protocol) 기반의 네트워크(1)

공장 자동화 및 산업IT 분야에서 산업통신망의 중요성이 부각되고 있는 요즘, 그간 산업 현장 엔지니어들의 가장 큰 고민거리였던 이 기종 기기간의 완벽한 통합을 실현할 수 있는 솔루션이 지난해 3월 서울 삼성동 코엑스에서 개최된 ‘AIMEX 국제 자동화 종합 전시회’에서 소개되어 화제다.

ODVA TAG 코리아(회장 강덕현)는 Aimex 전시회에서 EtherNet/IP를 이용하여 산업 현장의 필드 기기로부터 디바이스, 컨트롤러에 이르기까지의 통합 정보망을 구축하여 선보였다. ODVA의 회원사인 로크웰오토메이션, 오므론(콘트론), SMC, AC&T, 크레비스, 바이드뮬러 등은 기존 전시회 및 세미나에서 보여주었던 업체별로 자사가 제공하는 독자적인 데모 수준의 전시 차원에서 탈피하여, EtherNet/IP를 지원하는 각 사의 주요 제품들을 상호 연결 통합하여 과감하게 이 기종 기기간 통합 네트워크를 구현했다.

EtherNet/IP라는 산업용 이더넷 프로토콜을 통해 산업 자동화 현장에 존재하는 메이커가 서로 다른 각종 센서 액추에이터 등의 필드 기기로부터 디바이스, 컨트롤러에 이르기까지의 각종 생산 정보들을 통합하고, 이를 다시 상위의 ERP 시스템과 통합함으로써 언제 어디서나 끊김 없는(Seamless)통신이 가능하다. ODVA 코리아 강덕현 회장은 “국내에서는 처음으로 시도된 이 기종 기기간 통합 네트워크 구현은 ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)가 제공하는 EtherNet/IP, DeviceNet, CompoNet 등의 통신망을 공통 산업 프로토콜이라 할 수 있는 CIP(Common Industrial Protocol) 기술을 통해 가능했다”고 말하고, “이는 개방성과 확장성에서 선도적이다”라고 밝혔다.

국내에서도 GM대우 및 삼성전자LCD 등 대규모 수요업체가 산업용 이더넷 통신망으로 EtherNet/IP를 채용키로 하는 기술 로드맵 마련으로 자동차 및 LCD 장비 관련 업체들의 관심이 집중되고 있는 가운데 완전한 디지털 공장을 실현할 수 있는 최신 기술인 EtherNet/IP 기술을 소개한다.

이더넷 기반의 CIP (Common Industrial Protocol)

지난 2004년 ISO 15745 국제 표준 중 하나로 채택된 EtherNet/IP이 탄생된 것은 2001년이다. EtherNet/IP는 오늘날 공장 자동화를 위해 이용할 수 있는 가장 발전되고 입증된 완벽한 산업용 이더넷 네트워크 솔루션으로 평가 받고 있다. EtherNet/IP는 상위 계층에 있는 Common Industrial Protocol(CIP)을 실행하는 네트워크 중 하나다. CIP는 제어(control), 보안(safety), 동기화(synchronization), 동작(motion), 구성(configuration), 정보(Information)를 포함한 다양한 공장 자동화 애플리케이션을 위해 종합적인 메시지와 서비스를 포함한 것을 말한다.

이는 전세계 수 백 개의 벤더(vendor)들이 지지하는 미디어 독립 형 프로토콜로서, CIP는 사용자들에게 제조 기업 전체적으로 통합 커뮤니케이션 아키텍처(unified communication architecture)를 제공한다. 독립된 미디어와 함께 각 응용 시스템에 가장 잘 맞는 CIP의 네트워크를 선택할 수 있다. EtherNet/IP는 CIP를 이더넷 기술에 적용 시킨 통신 망이다. 여기 사용 되고 있는 대다수의 LAN(근거리 통신망)과 WAN(원거리 통신망)아키텍처에서 사용하는 것과 동일한 계층의 네트워크를 사용한다.

이러한 아키텍처는 컴퓨터와 컴퓨터, 컴퓨터와 주변 장치를 연결시키고, 기업에 운용방식을 연계하거나 사용자들에게 웹 기반 애플리케이션의 접속을 제공한다. 이더넷은 전세계적으로 수 십억 노드 내에 설치되어 IP 주소를 기본적으로 가지고 있다. 이렇게 이미 입증된 상업용 기술을 바탕으로 규모를 확대해감으로써 EtherNet/IP는 언제, 어디서나 인터넷과 기업을 끊김없이(Seamless)연결하여 데이터를 이용할 수 있게 하면서 유저들에게는 제조에 따르는 응용 성을 만족 시켜주기 위해 표준 이더넷 도구를 제공한다.
EtherNet/IP는 공장 자동화 애플리케이션을 위해 다음의 여러 가지 장점을 제공한다.

* 완벽한 생산자-고객 서비스를 통해 단일 네트워크 상에서 지능형 장치(intelligent devices)로부터 동시에 데이터를 통제하고 설정하고 수집할 수 있다. 또는 다중의 분산된(multiple distributed) CIP Networks의 기간(基幹-backbone)망으로서 단일 네트워크를 사용할 수 있다.

* HTTP, FTP, SNMP, DHCP 같은 표준 인터넷 프로토콜, OPC 같은 데이터 접속과 교환을 위한 표준 산업용 프로토콜과의 호환성을 갖는다.

* IEEE 이더넷 표준을 준수함으로써 사용자들은 네트워크 인터페이스 속도를 10, 100 mbps와 1Gbps 중에서 선택할 수 있고 유연한 네트워크를 가질 수 있다.

* 산업적으로 등급을 받은 장치를 위한 옵션-IP67 등급을 받은 연결 장치(RJ45 또는 M12)를 모듈에 결합시키고, 사용 편의를 위해 네트워크 상태의 LED가 붙은 장치와 결합 할 수 있도록 하였다.

EtherNet/IP

다른 CIP Networks와 마찬가지로 EtherNet/IP는 Open Systems Interconnection (OSI)를 따르는데, 이는 물리(physical), 데이터링크(data link), 네트워크(network), 전송(transport), 세션(session), 프리젠테이션(presentation), 애플리케이션(application)의 7개 계층에서 네트워크 프로토콜을 실행하기 위한 프레임워크를 정의한다. 이 모델을 따르는 네트워크들은 애플리케이션이나 유저 인터페이스 계층을 통한 물리적 실행부터 완벽한 네트워크 기능성을 정의하고 있다. 모든 CIP Networks와 마찬가지로, EtherNet/IP는 세션 계층 이상에서 CIP를 실행하고, 트랜스포트 계층 이하에서 CIP를 특정 EtherNet/IP 기술에 적응시킨다. 이러한 네트워크 아키텍처는 그림 1에 나와 있다.

이더넷은 능동적인 인프라를 가진 네트워크로 독특한 특징을 가지고 있다. 연결될 수 있는 장치의 수와 연결될 수 있는 방법을 제한하는 수동적인 인프라를 가지고 있는 전형적인 장치, 컨트롤 레벨 네트워크와 달리, EtherNet/IP 네트워크 인프라는 point-to-point 노드의 수를 무제한으로 수용할 수 있으며, 미래에 이용성이 쉽고 싼 가격에 효율적으로 확장을 할 수 있게 해준다. 또 유저에게 뛰어난 유연성을 제공하는 것이 그 특징이다.

EtherNet/IP는 구성(configuration) 및 제어(control)를 위해 단일 연결 지점만을 요구한다. 이는 EtherNet/IP가 적시/적기에 제어(control) 데이터를 포함하는 I/O(또는 암시적) 메시지와 데이터 필드가 프로토콜의 정보와 서비스 수행을 위한 지시를 담고 있는 명시적 메시지 둘 다를 지원하기 때문이다. 또한, 다중 커뮤니케이션 계층과 메시지 우선순위를 지원하는 생산자-소비자 네트워크로서, EtherNet/IP는 소스-목적지(source-destination)모델 기반의 장치 네트워크보다 효율적으로 대역폭을 사용할 수 있게 해준다. EtherNet/IP 시스템은 peer-to-peer 커뮤니케이션을 사용하여 마스터/슬래이브(master/slave)제어 아키텍처 또는 분산 제어 아키텍처에서 운영하도록 설정할 수 있게 되어 있다.

물리 계층 (Physical Layer)

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EtherNet/IP는 물리 계층과 데이터링크 계층에서 표준 IEEE 802.3 기술을 사용한다. 이 표준은 물리적 매체(physical media)를 위한 사양을 제공하고, 장치들 사이의 데이터 패킷을 움직이기 위한 단순한 프레임 포멧을 규정하며, 아울러 두 장치들이 하나의 데이터 채널을 동시에 사용하려고 할 때 네트워크 장치들이 어떻게 반응할지를 결정하기 위한 규칙 세트를 제공한다. 이는 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)이라고 알려져 있다. 능동적인 인프라를 가진 네트워크로서 EtherNet/IP는 Star configuration에서 point-to-point결선으로 구성된 일련의 네트워크를 사용하여 설정한다. 이 네트워크 토폴로지의 핵심은 앞서 언급했듯이 point-to-point 노드를 무제한으로 수용할 수 있는 이더넷 계층 2와 계층 3의 상호접속이다.

대부분의 제조사들은 매우 다양한 길이로 미리 만들어진 케이블이나 맞춤형 “patch” 케이블을 제공한다. 각각의 스위치가 하나의 기계를 분리하거나 한 기계의 주요 부분을 분리하는 스위치의 백 본(backbone)은 100Mbps-fiber optic cable(광섬유 케이블)과 연결된다. 스위치의 다른 포트들은 연선(twisted pair) 케이블이나 섬유 케이블(fiber cable)을 이용하여 기계나 제조 공정의 그 부분을 위한 컨트롤 장치에 연결할 수 있다. 더 높은 단계에서, EtherNet/IP 네트워크들은 분리되거나(기업 네트워크에 직접적으로 연결되지 않음) 분리되지 않는데, 이는 네트워크가 기업 네트워크에 연결되거나 통합된다는 것을 의미한다.

수행 요건을 기반으로, 하이 노이즈 애플리케이션 (high-noise application) 또는 고압 세척 IP67 등급 (high-pressure washdown IP67 ratings)이 요구되는 산업 애플리케이션에서 신뢰도를 개선하기 위해 사용자들은 물리 계층의 옵션을 실행했던 산업용 EtherNet/IP 제품 또는 COTS 제품을 지정할 수 있다. 또한 제조 애플리케이션에서는 신뢰도를 위해 CAT 5E 이더넷 케이블을 권장한다. 이 케이블은 더 큰 노이즈에 견디고 열악한 산업 환경에 따른 안전장치를 제공한다. 구리 선을 위해 봉인하거나 봉인하지 않은 RJ45 커넥터, 광섬유 케이블을 위한 SC, ST 또는 MTRJ 커넥터뿐만 아니라 구리(차폐 또는 비차폐 연선)와 섬유 케이블 옵션을 이용할 수도 있다.

데이터링크 계층 (Data Link Layer)

IEEE의 802.3 사양 역시 EtherNet/IP 데이터링크 계층 상에 있는 장치에서 장치로 데이터 패킷을 전송하기 위해 사용되는 표준이다. 이더넷은 네트워크 장치들이 하나의 공통 버스(버스 케이블)를 어떻게 공유하는지, 그리고 그들이 데이터 충돌을 어떻게 발견하고 대응하는지를 결정하는 CSMA/CD media access mechanism(매체 접근 메커니즘)을 이용한다. 이더넷은 원래 half-duplex 모드 운영방식으로 진행하였다. 즉 하나의 노드가 데이터를 전송하거나 받을 수 있었다. 그러나 이것은 두 가지를 동시에 할 수는 없으므로 데이터 병목(data traffic jam)현상이 야기되었다. 이는 적시 컨트롤 애플리케이션(time-critical control application)에서는 허용되지 않는다. 이제는 full-duplex 이더넷을 이용하여, 네트워크 장치들이 이더넷 데이터 패킷을 동시에 주고 받을 수 있게 되었다. 이는 이더넷의 여러 가지 기술적 진보중의 하나로서, 끊임없이 늘어만 가는 수를 제조 애플리케이션에서 이더넷을 사용할 수 있도록 발전시킨 것이다.

IEEE 802.3 사양의 Media Access Control (MAC) 프로토콜은 장치들이 실제로 이더넷 네트워크 상에서 “통신(talk)”을 허가하는 것이다. 각 장치(device)는 고유성을 유지하기 위해 IEEE와 제품 제작사가 규정한 6바이트 수로 구성된 고유의 MAC 주소를 가지고 있다. 이 MAC 주소는 어떤 노드가 프레임을 보냈는지를 가리키기 위해 그 프레임의 소스-어드레스(SA)필드에서 사용되고, 그 프레임의 목적지를 가리키기 위해 destination address (DA)필드에서 사용된다. DA필드에서 첫 번째 비트를 “1”로 설정하는 것은 복수의 목적지를 위한 데이터 패킷을 가리키고, 이더넷 노드가 여러 목적지로 퍼트리기 위해 단일 데이터 패킷을 전송할 수 있게 한다.

단일한 프레임의 산업용 EtherNet/IP는 애플리케이션 요건에 따라 1,500 바이트의 데이터까지 담을 수 있다. 높은 데이터 용량을 가진 실시간 제어 덕분에 이더넷은 대단히 인기가 있으며, 더 작고 비용이 적게 드는 장치를 써서 더 많은 정보를 담을 수 있게 된 것이다.

아이씨엔 매거진 2008년 01월호

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