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PROFINET, 산업용 이더넷의 표준(2)

여러 산업용 이더넷 솔루션이 제공 되고 있지만, 사용자는 이들의 차이점에 대하여 잘 이해하지 못하고 있습니다. 이들 산업용 이더넷 솔루션의 차이 중 대표적인 구별 방법으로 실시간성(Real- Time)을 꼽을 수 있으며, PROFINET과 다른 이더넷 솔루션을 비교하는 것이 PROFINET의 이해에 보다 도움이 될 것이라 생각 됩니다.

글_ 장희돈, 지멘스 heedon.chang@siemens.com

들어 가는 말

지난 7/8월 통합본으로 PROFINET에 관련한 기본적인 사항에 대해 이야기를 시작 했었습니다. 이번에는 산업용 Ethernet 기반으로 PROFINET이 어떠한 방법으로 실시간성을 구현 하는지에 대해 알아 보도록 하겠습니다.

Ethernet이 가지는 특징 중 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)가 있다는 것은 모두들 알고 계실 것입니다. CSMA/CD 방식은 간단히, 통신을 하고자 하는 노드(PC, PLC 등)가 현재 통신 회선을 누가 사용하고 있는지 아닌지를 감지 한 후, 만일 아무도 사용 하고 있지 않는다면, 데이터를 전송하는 방식입니다. 통신 회선상에서 데이터가 지나가고 있는지 없는지를 감지하는 것을 Carrier sense 라고 합니다.

또한, 네트워크에 여러개의 노드가 있더라도, 모두들 통신 회선에 접속할 수 있다고 하는 것이 Multiple Access 라고 합니다. 단순히 CSMA 방식으로는 노드에서는 데이터를 보낸 이후, 이 데이터가 잘 전송이 되었는지 확인하지는 않습니다. 그래서 데이터를 보낸 뒤 데이터의 전송여부를 확인하는 방법이 필요하게 되었는데, 그것이 Collision Detect 라고 합니다. 만약 데이터를 보낸 후 충돌이 감지 되었다면, 랜덤한 시간 뒤 다시 그 데이터를 재 전송 시도 합니다. 이러한 방법으로 15회 정도 반복한 뒤 만일 지속적으로 문제가 발생하면, 데이터 전송을 포기하게 됩니다. 따라서 예전의 Ethernet의 방식 만으로는 복잡한 네트워크 구조에서 데이터 전송을 신뢰성 있게 구성할 수 없었으므로, 자동화 시스템에서 많이 사용 되지는 않았습니다.

이에 비해, 필드버스의 경우, 특히나 PROFIBUS는 Token Ring 방식을 사용하여, 데이터 전송을 합니다. Token Ring 방식에서는 데이터를 보낼 수 있는 권한이 Token 이고, Token을 가지고 있는 노드만이 데이터를 전송할 수 있습니다. 토큰은 Ring 처럼 일정한 방향으로 계속 네트워크를 돌아 다시 데이터를 전송하였던 노드에게 돌아 옵니다(Ring). 그리하여, Token Ring 방식에서는 충돌이 발생 하지는 않지만, 노드들은 Token이 자기에게 돌아올 때까지 기다려야 하기 때문에, 복잡한 네트워크 구조에서는 사용하기 힘든 점이 있습니다. 단, 매우 신뢰성 있는 데이터 통신은 가능합니다.

이러한 두 가지 사실에 기반 하고, 또한 이더넷 기술의 혁신적인 진보에 의하여, PROFIBUS International은 이더넷 환경에서도 자동화 시스템에 요구되는 신뢰성을 얻을 수 있는 솔루션을 찾아서 선보이고 있습니다. PROFINET은 표준 이더넷에 산업에서 필요로 하는 신뢰성, 결정성 및 여러가지 특별한 기능(Safety 등)을 확장할 수 있는 방법을 개발하여, 이러한 기능을 표준적인 이더넷 위에서 구현 합니다. PROFINET을 이용한 통신의 방법은 우선 그림 1.에서와 같이 크게 3가지 방법으로 나눌 수 있습니다.

그림 1. PROFINET의 3 채널

PROFINET은 크게 3가지 — 표준 (Standard), 실시간 (Real-time) 그리고 등시성 실시간 (Isochronous real-time)으로 나눌 수 있고, 사용자의 Application과 혹은 통신의 종류에 따라서 이중 취사 선택 할 수 있습니다.

Standard Channel & RT (Real-Time channel)

PROFINET에서 사용되는 채널 중 Standard는 TCP/UDP 및 IP를 사용하여 데이터 전송을 주고 받는 단계 입니다. Layer 3-4를 모두 사용하는 방법을 사용하고, Parameter와 설정, 그리고 Diagnostic의 정보 및 기타 정보가 처리 됩니다. Real-time Channel은 정주기의 빠른 데이터 처리 및 이벤트 기반한 메시지 혹은 알람 등이 처리 됩니다.
일반적으로 이더넷 기반에서 Real time을 구축하는 방법은 크게 3가지로 볼 수 있습니다.

– TCP/IP, UDP/IP

– Prioritization and sharing bandwidth

– Time scheduling of Ethernet traffic and Reserving of Ethernet bandwidth

일반적인 TCP/IP 등을 사용하는 방법은 MODBUS/IDA, 혹은 ETHERNET/IP 등이 주로 사용하는 방식입니다. PROFINET의 Real Time은 이중에서 Prioritization and sharing bandwidth의 방법을 사용 합니다.

그림 2. PROFINET Frame

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PROFINET의 Real Time은 표준 IEEE 802.3의 텔레그램 포맷을 기반으로 하며, 이중 0x8892 : PROFINET Real-timer telegram을 사용 합니다. 위의 그림 2.에서 PROFINET Frame을 보게 된다면, 일반적인 Ethernet Frame에서 “Priority tagging”을 사용 합니다. Priority는 0 – 7 까지 구분되며, 이 중에서 일반적인 TCP/IP가 사용하는 것이 중요도 0을 사용합니다. PROFINET은 중요도 6을 사용하여, 일반적인 스위치 등 네트워크 기기에서 데이터 처리 될 경우, 다른 데이터와 PROFINET의 데이터가 동시 처리 되어야 하는 상황이라면, 중요도가 높은 PROFINET의 데이터가 먼저 처리될 수 있게 합니다.

또한 Frame – ID를 사용하여, 노드 쪽에서 수신 데이터를 정주기 프로세스 데이터 전송과 이벤트 기반의 전송을 할당하게 됩니다. Real-time을 통하여 일반적인 Factory Automation에 적합한 실시간성이 구성 가능 합니다.

IRT 통신 (고도의 신뢰성과 빠른 응답 속도가 필요한 Application)

IRT 통신은 Factory Automation보다 더 빠른 응답 속도가 필요한 Application 모델에서 사용됩니다. 주로 많이 적용되는 분야가 Motion Control입니다. 아시다시피 Motion Control의 경우 복수개의 축(Axis)을 동기 제어 하여야 하며, 각 축의 정보는 Encoder 등을 통해 현재 자신의 위치 정보를, 통신을 통해 다른 Motion 제어기기의 Controller에 전송하고, 전송된 정보를 바탕으로 제어해야 하기 때문에 매우 빠른 응답 속도와 고도의 신뢰성이 요구되어 집니다.

이러한 고속 Application이 수행이 되며, PROFINET에서는 단일 네트워크를 통해서 정보 시스템 레벨까지 네트워크를 통합하여 사용할 수 있습니다. Motion 제어용을 위한 전용 네트워크를 사용하면, 또 다른 Application을 위하여 다른 네트워크를 구성해야 합니다. 이러한 복수 네트워크의 사용은 시스템의 통합 관리 및 구성 시 불필요한 비용 및 관리의 중복 투자와 같은 불필요한 투자가 사용 될 수 있습니다. PROFINET은 이러한 점을 극복할 수 있고, 또 하나의 네트워크에서 모든 자동화의 요구 조건이 수행 될 수 있는 구조를 지원/지향 하고 있습니다.

IRT를 수행하는 방법은 앞서서 설명 했던 Real Time을 지원하는 3가지 방법 중 Time Schedule and Reserving of Ethernet bandwidth를 사용 합니다.

IRT를 구성하기 위해서, Layer 1-2의 Ethernet을 사용 하고, 빠른 데이터 전송을 위해서 TCP/UDP, IP Layer는 사용하지 않습니다. 이를 위해서 ERTEC을 사용 합니다. 이를 통해 버스의 응답 속도는 1ms 미만의 빠른 응답과, 결정적인 Clock 동기화를 지원 합니다. 또한 Jitter time이 1㎲ 이하로 통신의 결정성적(Deterministic) 특성이 매우 우수하며, 시간 예약적 전송 방식 (Time scheduled transmission)을 지원 합니다. 이것을 통해서 네트워크 내 많은 자원이 소모되는 경우에도 우선적으로 IRT 패킷을 처리하여, 데이터의 손실을 방지하는 구조로 이루어 지게 됩니다.

그림 3. IRT
그림 4. Reserved lane

IRT를 이해하기 위한 가장 손쉬운 방법으로 위의 그림 4.를 추천 합니다. 이 그림에서 제일 상단의 녹색 라인이 IRT를 위해서 예약된 통신 라인입니다. 그 하단 부분에 일반적인 TCP/IP Packet이 전송/수신 되는 영역이라 보실 수 있습니다. TCP/IP Packet이 많고 또는 네트워크상 부하로 인해 데이터의 충돌이 발생 할 경우에도, IRT는 별도의 Lane을 통해 이상 없이 통신이 지속 됩니다. 경부 고속도로의 버스 전용 차선을 떠올린다면 쉽게 이해 하실 수가 있으실 것입니다.

그림 5. IRT 구조

앞서의 예와 더불어 다시 설명을 드리면, IRT 채널을 사용하여 IRT 데이터가 매 사이클 마다 우선 처리가 되고, IRT를 위해서 특정 Bandwidth는 예약되어 있습니다. 일반적인 RT와 TCP/IP를 지원하는 데이터는 IRT 데이터 처리 이후에 수행이 되며, TCP/IP 데이터가 많아도 매 사이클당 TCP/IP 데이터 처리와 별도로 독립 된 채널을 통해서 IRT가 수행 되므로, 등시성 실시간성이 지원 됩니다.

이러한 기술이 가능 하게 되는 요소로 PROFINET IRT는 ERTEC 이라는 Asic을 사용합니다.
ERTEC Asic은 4 포트와 연결 할 수 있는 ERTEC 400과 2포트와 연결 할 수 있는 ERTEC 200으로 구성이 가능합니다. 그림 7.에서 자세한 Specification을 참조 하십시오.

그림 6. ERTEC Chip
그림 7. ERTEC 400 / 200 Specification

Engineering

Engineering 측면에서 본다면, 기존 PROFIBUS DP를 사용한 방식과 동일한 방식을 통해서 PROFINET도 구성이 가능 합니다. 당연히 PROFINET IRT역시 PROFIBUS DP와 동일 한 방법을 통해서 ENGINEERING 됩니다.

사용자는 Step 7과 같은 Engineering Tool을 이용하여 PROFNET IO를 구성 합니다. 하드웨어에 관한 정보는 GSD 파일을 통해서 제공되며, IO Controller에 IO Device를 연결 하여, IP 주소와 Unique한 시스템의 이름으로 상호 디바이스간 구분을 하며, 구성할 수 있습니다. 위 방법이 일반 IO 구성하는 방법이며, IRT를 구성할 때는 이 외에 IRT를 위해 각 IRT용 노드간 Bandwidth를 설정하여 주어야 합니다. 이를 통해 시스템은 Cycle times 최대 250㎲와 jitter <1㎲가 구성이 가능 합니다.

IRT를 사용 하고 Motion 제어에서 적용 하는 경우, 표 1.과 같은 Performance를 얻을 수 있습니다.

그림 8. Step 7에서의 HW 구성

표 1. IRT를 의 최대 구성

PROFINET IRT 적용 사례

이러한 기술을 응용한 예로서는 PRINTING 기계를 취급하는 MAN Roland사를 들 수 있습니다.

MAN Roland Druckmaschinen AG 의 Karl Altthaler씨는 2005년도 Industrial Ethernet Forum에서 PROFINET IRT를 사용 한 자사의 예에 대한 소개를 했습니다.

그림 8. 상용 Printing 구조도
그림 9. PROFINET 이전의 사용 기술
그림. 10 SIMOTION D를 사용한 Bus System

그림 8.은 상용 Printing 제조의 구성을 보여 주고 있습니다. 여러 가지의 독립적인 기계들이 사용되고 있고, Printing, Cut and fold 등 여러 기계들에서 Motion Control이 사용 됩니다. 위의 구성을 통해 원재료는 최대 15m/s (900m/min)의 속도로 이송되며 Printing 하게 되고, 정확도는 1000mm의 프린트 길이당 0.005mm를 지원 해야 합니다.

MAN Roland에서는 이전에는 그림 9와 같은 구성으로 적용하고 있었습니다. 위의 시스템을 그림 10.과 같이 PROFINET IRT를 이용하여 동기화를 구성하는 시스템으로 적용을 했습니다.

그림 11. PROFINET IRT
그림 12. Old System with PROFIBUS DP
그림 13. PROFINET IRT을 이용한 시스템

이러한 Printing 부분에서 Motion 제어는 특히나 정밀한 제어가 요구되고 Drive의 다이너믹한 Performance가 필요 합니다. 또한 각각의 Printing machine들의 고속 동기화가 필요 합니다. MAN Roland는 PROFINET을 통해 80개의 축(Axes)을 동기화 합니다. 15개씩 한 그룹으로 지정이 되며, 이것은 SIMOTION D와 SINAMICS S 120을 사용하여 IRT를 이용하여 동기화 됩니다.

이러한 시스템의 사용으로 MAN ROLAND는
 매우 정확하고 주의 깊게 인도 되는 Paper Web 구현
 시간당 70,000 ~ 90,000 카피의 생산 능력
 가격 경쟁력 있는 모듈화 된 시스템의 구성
 폭 넓은 영역의 다양한 드라이브의 사용으로 인한 제조 성능 향상
등의 이득을 가져 왔습니다.

맺는 말

서두에서 언급 되었듯이 산업용 자동화 솔루션을 구현 함에 있어, 현재 필요한 요소 및 향후에 필요한 요소 역시 고민해야 하는 것이 엔지니어링의 어려운 점이라 할 수 있습니다. 현재의 산업용 이더넷 시스템의 실시간 성을 비교 하면, 일반 TCP/IP를 사용 하며, 제한된 실시간성을 구성 하기도 합니다. 또한 실시간 제어를 위한 네트워크를 아주 고립된 네트워크를 구성 하고, 그 네트워크를 다른 네트워크와 혼용하지 못하도록 사용 하기도 합니다.

중요한 것은, 향후에는 이러한 모든 네트워크들을 보다 개방화, 표준화 하려는 움직임이 있을 것이라는 점입니다. 가령 모션 제어를 하는 어플리케이션에서 Safety가 지원되는 무선(WLAN)을 이용하여, PDA 혹은 사용자의 이동형 기기 등을 이용하여, 네트워크에 연결된 디바이스 기기의 고장 진단 정보를 보려고 하고자 하는 것 등은 가까운 미래에 반드시 구현 될 것이라 생각되는 미래의 자동화 application입니다.

이러한 요구 조건을 충족할 수 있는 네트워킹 기술 및 산업용 이더넷 솔루션을 찾는 것이 자동화 엔지니어의 Planning에서 필요한 요소이지 않을까 생각 합니다. PROFINET은 자동화의 모든 요구 조건들을 하나의 네트워크를 통해서 구현 할 수 있는 솔루션입니다.

참조사이트
www.profinet.com
www.siemens.com/profinet

아이씨엔 매거진 2008년 09월호

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