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Ethernet의 장점과 EtherNet/IP 도입을 위한 10가지 고려사항

오늘날 제조업계의 가장 큰 트랜드는 개방성과 호환성을 갖춘 자동화 시스템이다. 이런 트랜드가 형성되는 데에는 Ethernet의 영향이 매우 컸다. 생산현장의 데이터와 IT 데이터를 동시에 처리할 수 있다는 점에서 Ethernet은 제조업체가 생산현장부터 기업의 상위 계층까지를 단 하나의 단일 네트워크로 통합할 수 있는 이점을 제공해 준다.

Ethernet은 넓은 대역폭을 통해 다른 모든 제어 네트워크에 비해 더 많은 정보를 더 빠른 속도로 전송할 수 있다. 또한 이 대역폭은 자동화와 관련이 없는 부분에 대해서도 사용할 수 있다. 예를들어 100MB Ethernet 네트워크를 통해 비디오 시스템이나 웹캠 라이브에서 HMI 또는 PC 화면에 비디오 영상을 계속 전송할 수 있어 기계 또는 생산라인을 원격으로 감시할 수 있다. 이를 통해 적은 인원으로 작업을 할 수 있어 안전하게 생산을 할 수 있고 OEM 업체는 원격방식으로 기계를 감시하여 진단 관련 문제를 해결하는 데 도움을 준다.

이더넷(Ethernet)의 장점

Ethernet 네트워크를 공장 현장내에서 사용할 경우 공장 작업 인원이 공장 관리자에게 정보를 제공하는 것이 아니라 그 반대로 공장 관리자가 공장 작업 인원에게 정보를 제공할 수 있게 된다. 이러한 방식으로 정비 작업 주문서와 생산 작업 지침서, 전선 연결이 원활해 진다. 또한 다른 문서를 사무실에 있는 컴퓨터에서 인쇄하기 위해 로컬 프린터를 사용할 필요가 없다.

사용자는 공통으로 사용하는 네트워크와 통신 프로토콜을 통해 PC 기반 데이터베이스에서 생산 관련 데이터를 가져오고 데이터 저장 작업을 간단하게 할 수 있다. Ethernet 네트워크를 공장 현장에 있는 기기까지 사용하게 되어 원격 방식의 설정 작업과 고장 수리 작업이 원활하게 이루어진다.

정보와 제어 관련 기능을 하나의 다용도 네트워크에 통합할 경우 각종 비용을 절감할 수 있고 설치에 드는 시간을 줄일 수 있다는 것이다. Ethernet를 설치하면 호환이 될 수 있는 모든 종류의 데이터 또는 음성 통신을 할 수 있다. 또한 공장 제어 시스템에 대해 Ethernet을 사용할 경우 특별한 케이블을 사용할 필요 없이 이미 시중에 있는 케이블을 사용할 수 있기 때문에 공장 제어 시스템을 구축하는 데 걸리는 시간을 줄이고 발생하게 되는 모든 오류를 격리시키고 진단이 쉬워진다. 이는 기업에서 중요한 부분을 차지하는 것과 정비를 하는데 필요한 각종 툴을 단순히 사용할 수 있는 것이 아니라 누구나 사용하고 있다는 것 때문이기도 하다. 또한 Ethernet 네트워크를 사용하면 스타 토포로지나 트리 토폴로지로 구성하여 새로운 기기를 추가할 필요가 발생하더라도 이미 설치한 시스템에 대해 아무런 영향을 미치지 않고 쉽게 추가나 변경이 가능하다.

산업용 이더넷(Industrial Ethernet)

그러나 Ethernet이 과연 모든 사람들에게 필요한 모든 기능을 제공해 줄 수 있을까? 아주 많은 경우에 기성품으로 자리잡은 상업용 Ethernet 솔루션은 산업용 제어에 필요한 시결정성(determinism)과 예측가능성을 충족시키지 못한다는 논쟁을 접할 수 있다. 그리고, 이러한 본질적 단점을 극복하기 위해 수 많은 Ethernet 및 Ethernet 기반의 시스템들이 개발되어 왔다. 산업용 이더넷 프로토콜은 실시간 통신 트래픽이 프린터 사용과 같은 다른 일반적인 Ethernet 통신보다 우선적으로 처리될 수 있도록 해야 한다.

이 프로토콜은 또한 장비 설정이나 데이터 수집, P2P 제어기 인터로킹 및 실시간 I/O, 드라이브 제어와 같이 사용자가 산업 네트워크에서 필요로 하는 작업들을 처리할 수 있어야 한다. 자동화 시스템을 구성할 때에는 이러한 요소들이 모두 매우 중요하다.

EtherNet/IP는 이 개방성과 유연성을 갖추고 스위치 및 프로토콜 스택의 수정없이 오늘날의 Ethernet 기술을 활용할 수 있는 최적의 제어 네트워크 기능을 제공한다.

EtherNet/IP는 변형되지 않은 표준 Ethernet 802.3 및 TCP/UDP/IP를 그대로 사용한다. Ethernet/IP의 응용계층 프로토콜인 Common Industrial protocol(CIP)은 DeviceNet 및 ControlNet 프로토콜에서도 그대로 사용되며, 장치설정, 데이터 수집, Peer-to-Peer 인터로킹, 실시간 I/O 및 드라이브 제어, 그리고 안전 및 모션 제어 등의 기능을 제공한다. EtherNet/IP는 e메일이나 VoIP (Voice-over-IP), Video-over-IP, 웹페이지 등 응용계층 프로토콜과 완벽하게 호환되며, 표준 스위치, 보안, 네트워크 관리 도구, 교육 및 서비스 제공업체 등과 모두 호환되기 때문에 IT 전문가들도 EtherNet/IP를 선호한다.

EtherNet/IP 도입을 위한 10가지 고려사항

EtherNet/IP 장치 및 솔루션 공급 업체의 하나인 로크웰 오토메이션은 시스템의 성공적인 설치를 위해 꼭 필요한 간단한 체크 리스트를 개발하였다. 이 체크리스트가 새로운 시스템을 구축하거나 시스템 업그레이드를 하려고 하는 사용자에게 실질적인 도움을 줄 것으로 기대한다.

1. 시스템 요구사항은 무엇인가?

이것은 첫 번째 질문이면서도 너무나 당연한 질문이다. 필요한 것에 대한 이해가 없다면, 다시 말해 자신의 시스템이 어떻게 동작해야 하는지를 이해하지 못한다면 시스템 설치는 필요 이상이 되거나 또는 그 이하가 될 수 있다. 요구사항을 검토할 때에는 다음과 같은 점들을 고려해야 한다.

* 생산현장에서 필요한 제어형태와 기존의 혹은 설치 예정인 IT 네트워크와의 통합성.

* 시스템 규모 조정 또는 확장 가능성 등과 같은 시스템의 차후 가능성.

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* 네트워크를 통해 전송되는 데이터의 양 및 데이터 전송 속도, 또한 이로 인해 네트워크 성능에 미칠 수 있는 영향.

* 필요한 모든 정보를 전송하는데 사용할 미디어 및 스위치나 라우터, 방화벽 등과 같은 하드웨어 및 소프트웨어 요소들.

2. 시스템 환경은 무엇인가?

시스템 환경을 알게 되면 시스템 내의 복잡도를 이해할 수 있게 된다. 이에 관한 첫 번째 질문은: 자동화 시스템이 IT 시스템과 통합될 것인가(모든 형태의 데이터를 쉽게 교환), 연결될 것인가(자동화 관련 데이터만을 교환), 또는 분리될 것인가(데이터 전송이 이루어지지 않음)? 이 질문에 대한 답을 하는 과정에서 앞으로 설치하게 될 시스템의 이점 및 복잡도를 보다 잘 이해할 있게 된다.

3. IT 부서는 알고 있는가?

자동화 어플리케이션은 상당한 량의 I/O 제어 데이터 트래픽을 유발시키며, IT 부서가 이러한 시스템의 존재를 모르고 있다면 기업 내의 다른 시스템들이 크게 영향을 받을 수 있다. 네트워크 설계와 구현을 잘 하면 이러한 문제들을 모두 해결할 수 있지만 IT 부서가 생산현장의 상황을 모른다면 필요한 준비를 하지 못할 것이다. IT 부서가 기획 및 의사결정 단계에 참여할 수 있도록 준비하라. 이렇게 하면, 누가 네트워크를 소유하고 있는지, 누가 네트워크 유지보수를 담당하고 있는지, 누가 IP 주소를 부여하는지 등과 같은 다른 내부적인 질문들에 대한 해답도 쉽게 찾을 수 있게 된다. IT 부서가 빨리 참여할수록 이러한 문제들을 더 쉽게 해결할 수 있다.

4. 네트워크가 적절히 분리되었는가?

최적의 시스템 성능을 얻으려면 트래픽에 대한 분리가 중요하다. 트래픽을 분리하면 유지보수가 용이할 뿐 아니라, 제어용 네트워크의 성능도 최대화 할 수 있다. 네트워크를 분리하면서 동시에 생산현장과 기업 네트워크를 통합하기 위해서는 다음과 같은 두 가지 방법을 사용할 수 있다.

(1) 스위치들을 이용한 물리적인 분리.

(2) Virtual Local Area Network (VLAN) 또는 IP 서브넷을 이용한 논리적인 분리.

5. 제어용 네트워크에 Hub를 사용할 수 있는가?

Hub 또는 Repeater를 사용하게 되면 데이터 충돌(Collision)이 발생할 수 있으며, 이러한 일은 제어 네트워크에서는 특히 발생하지 말아야 한다. 따라서, 이 보다는 스위치나 라우터를 사용하는 것이 훨씬 좋다. 스위치를 사용하면 패킷 충돌이 발생하지 않으며, 트래픽이 IP 서브넷을 벗어나지 않도록 통제할 수 있게 된다. 한편, 라우터를 이용하면 네트워크와 트래픽을 분리할 수 있다.

6. 어떤 스위치가 필요한 기능을 갖추고 있는가?

모든 스위치가 다 똑 같은 것은 아니다. 그리고, 스위치가 네트워크의 중심에 있게 되기 때문에 올바른 스위치를 선택하는 것이 중요하다, 어플리케이션 설계를 할 때에는 다음과 같은 점들을 고려해야 한다. 스위치가 무엇을 관리하는가? 그 스위치가 운영환경에는 적합한가? 어떤 종류의 데이터 (상업용 혹은 산업용)를 처리할 것인가? 그리고, 이 시점에서 스위치의 요구사항과 추천제품 및 필요한 기능 등에 대해 결정하는 것이 중요하다.

EtherNet/IP와 함께 사용할 스위치는 모든 포트에 대한 양방향 전송 기능(Full duplex) 및 IGMP Snooping (멀티캐스트 트래픽을 해당 멀티캐스트 그룹에 연결된 포트로만 전송하는 기능), 포트미러링 (트패픽 분석을 할 수 있도록 전송중인 포트의 프레임을 다른 포트로 복제할 수 있는 기능) 등과 같은 기능을 갖추고 있어야 한다. 수 많은 스위치 제조업체들이 이러한 기능 외에도 여러가지 다양한 기능들을 갖춘 스위치를 제공하고 있다.

7. 어떤 미디어를 선택해야 하는가?

제 아무리 강한 재질로 된 쇠사슬이라도 하나의 고리가 약하게 되어 있을 경우, 전체 사슬이 강하다고 말할 수 없다. 그런 이유로, 데이터 전송에 대한 올바른 미디어를 선택하는 것은 매우 중요하다. 현재 사용 가능한 미디어에는 두 가지 종류가 있으며, 어플리케이션에 따라 각각 나름대로의 장점이 있다.

* CAT 5e 와6 구리선 케이블 및 커넥터는 산업용으로 사용할 수 있다. 대부분의 경우에는 UTP (Unshielded Twisted Pair)를 사용하는 것이 좋다. 금속 도관이나 잡음이 많은 환경에서는 STP (Shielded Twisted Pair)를 사용하는 것도 좋다.

* 광섬유 케이블은 잡음에 영향을 받지 않으며, 스위치간의 거리가 길 경우에 사용하는 것이 좋다. 싱글모드 광섬유 케이블은 한 가지 모드의 데이터 전송만 허용하지만 신호감쇄 (Attenuation)에 강해서 특히 거리가 먼 경우에 사용하면 좋다. 멀티모드 광섬유 케이블은 중간 정도의 거리에 사용되며 속도가 빠르고 대역폭이 커서 일반적인 용도에 적합하다.

8. 네트워크에 연결되는 장치에 대한 제약이 있는가?

100 Mbps 또는 1 Gbps 급의 네트워크에서는 병목 현상이 거의 발생하지 않는다. Ethernet과 같은 고대역폭 네트워크에서는 시스템 성능은 대부분 네트워크에 연결된 종단장치의 처리속도에 의해 결정된다. 따라서, 제조업체들은 자신들의 장치에 대한 성능 및 관련 계산방식에 대한 정보를 제공하여 사용자가 시스템 설계에 반영할 수 있도록 하여야 한다. 대부분의 종단 장치들은 서로 다른 성능들을 가지고 있을 것이다.

9. 보안에 있어서 문제가 될 수 있는 부분은 무엇인가?

네트워크의 공유를 통해 정보를 더 광범위하게 전달할 수 있지만 보안에 있어서는 문제가 발생하게 된다. 만약, Ethernet 네트워크가 처음부터 관리 및 제어가 될 수 있다면 Ethernet 네트워크의 보안문제는 오늘날의 다른 필드버스 네트워크와 크게 다를 바가 없다. 사실, 표준 이더넷은 중요한 데이터와 시스템들을 보다 안전하게 하는 중요한 도구이다. 시스템에 대한 최고의 보안 설정을 할 수 있도록 도움을 주는 자문업체도 많이 있다.

보안을 위해 많이 사용하는 방식으로는 IT/기업 네트워크와 자동화 네트워크를 논리적으로 분리하거나, 권한이 부여된 사람들만 자동화 시스템에 접속할 수 있도록 하는 방법, 또는 생산현장에 보안 프로세스 및 보안정책, 보안절차 등을 도입하고 IT 보안 기술을 통해 이에 대한 접근을 통제하는 방법 등이 있다.

10. EtherNet/IP는 사용하기 쉽다.

EtherNet/IP는 사용하기에 어렵지 않다. 단지 다른 방식과 다를 뿐이다. Ethernet은 다른 전용 장치들이 제공하지 못하는 다양한 기능들을 제공하긴 하지만, 이러한 전용 장치들이 가진 특수한 기능들을 모두 제공하지는 않는다. ControlNet™ 의 강건함이나 DeviceNet™ 의 확장성 등이 필요한 특수한 제어 어플리케이션들에 대해서는 Ethernet/IP가 적합한 선택이 아닐 수도 있다. 이런 이유 때문에, 로크웰 오토메이션은 Ethernet/IP 뿐 아니라 ControlNet 및 DeviceNet을 포함한 모든 네트워크에 사용할 수 있는 제품들을 개발 및 지원하고 있다.

생산현장에 Ethernet을 적용할 때에는 단순히 그것이 동작한다는 이유만으로 그런 결정을 내려서는 안된다. 거기에는 반드시 자동화를 기존의 다양한 기반 서비스에 연계해야만 하는 사업적 이유가 있어야 한다. 나아가, 자동화 서비스를 따로 분리하여 관리해야 할 상황이 있는지도 생각해야 한다. 로크웰 오토메이션은 “자동화 시스템의 설치 및 관련 네트워크 하드웨어, 소프트웨어, 미디어 등에 있어서 로크웰 오토메이션은 폭넓은 전문 지식을 갖추고 있으며, 산업용 Ethernet 시스템의 도입을 고려하고 있는 회사들은 로크웰 오토메이션의 전문 지식을 활용하여 질문 또는 문제에 대한 해답을 빨리 찾는 것이 효과적이다.”라고 말했다.

아이씨엔 매거진 2008년 11월호

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