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RAPIEnet 표준화 현황과 상세기술

LS산전에서 국내 최초로 개발한 리얼타임 산업용 이더넷 프로토콜인 RAPIEnet(Real-time Automation Protocols for Industrial Ethernet)이 IEC 국제 표준규격을 적극 추진중에 있다. RAPIEnet은 기존의 산업용 이더넷 표준규격과 호환되면서도 실시간성, 선로 안정성 등 여러가지 특성을 한차원 높인 산업통신망 기술로 특히 통신 선로에 문제 발생시 기존 기술보다 30배나 빠른 통신 복원이 특징이다.

글_ 권대현 선임연구원, LS산전 daehyunka@lsis.biz

RAPIEnet은 대한민국의 산업 강화와 해외 진출 교두보 마련을 위하여 Topology, Performance, Maintenance에 대해 산업분야의 요구 사항을 수렴하여 개발되었으며, 지명도 확보, 기술 우수성 검증 및 통합 Network 기반 조성을 위해 IEC 규격으로 추진 중입니다. IEC 국제 표준은 각 국가의 이익 및 한 시대의 기술을 대변한다는 측면에서 철저한 절차를 통해 제정됩니다.

국제 표준화 추진 현황

RAPIEnet은 2008년 1월 국내 최초로 산업용 통신망 분야에서 IEC/PAS 62573으로 채택되었고, IEC 61158/61784 Series에 5종의 규격으로 제정되기 위해 사전 준비기간을 포함하여 약 5년간 기술 개발이 추진되어 왔습니다.

2006년 국내 산업통신망 기술 발표, 2007년 1월 IEC 전문가 그룹 기술 발표, 20009년 1월 위원회 초안(CD: Committee Draft), 20009년 6월 질의안(CDV: Committee Draft for Voting) 단계를 100% 찬성으로 통과하여 2010년 2월 현재 최종 국제 규격안(FDIS: Final Draft International Standard)이 심사 중이며, 2010년 3월까지 IEC에서 검토된 후 2010년 9월 5종의 국제 규격에 등재될 예정입니다.

또한 RAPIEnet의 Ring 제어 기술은 독창성을 인정 받아 고가용성 자동화 통신 기술 분야에서IEC 62439-7 Ring-based Redundancy Protocol(RRP) 표준 규격으로 추가 진행 중입니다. 그림 1은 IEC 표준화 규격의 주요 이력을 정리한 것입니다.

RAPIEnet 개발 및 적용 현황

제품화 측면에서는 RAPIEnet기술을 응용한 제품군(이중화 PLC XGR, 중대형 PLC XGK/XGI 통신모듈, 소형 PLC XGB 통신모듈, HMI Option Card, PC Card 등)이 기 개발되어 13개국의 공장자동화, 수처리, 발전, 석유 화학 제어 분야 등에서 운용되고 있습니다. 2010년 리모트I/O, 인버터 등 자사 제품 위주로 추가 제품을 개발 중이며, RAPIEnet device 개발을 원하는 제조사를 위해 Single Chip Solution을 준비 중입니다.

그림 2는 RAPIEnet 기반 시스템 구성도로서 2010년 2월 현재 개발이 이루어진 제품 및 추가 개발 예정인 디바이스를 도식화 하였습니다.

Third Party 제품군도 RAPIEnet을 손쉽게 개발할 수 있도록 진행 중인 Single Chip Solution은 FPGA와 ASIC으로 구성되며, 1Gbps의 통신이 가능합니다. FPGA는 Altera와 Xilinx 디바이스로 검증이 완료 되었고 ASIC은 ARM7 CPU, 16Mb NOR Flash, 160KB SRAM을 내장하여 추가 부품 없이 RAPIEnet device의 설계가 가능하도록 하였습니다. 현재 ASIC은 올해 3분기 첫 시제품이 입고될 예정입니다.

RAPIEnet 상세 기술

그림 3는 RAPIEnet의 FPGA와 ASIC에 적용되는 Core Logic Block Diagram 입니다. Core Logic은 크게 MAC, 스위칭 유닛, Protocol Machine, DMA로 구성되어 있습니다. MAC은 2Channel을 내장하고 각 MAC은 최대 1Gbps 통신 속도를 제공합니다. 스위칭 유닛은 MAC과 MAC 간의 데이터를 전달하기 위한 기능으로 4KB의 FIFO를 내장하고 있습니다. RAPIEnet은 Daisy Chained 방식의 Ring/Line 구성을 갖는 네트워크입니다. 따라서 각 노드의 스위칭 속도는 전체 네트워크 전송 지연에 영향을 주게 됩니다.

RAPIEnet Core Logic 은 빠른 전송을 위해 Cut Through 방식의 스위칭 기능을 제공합니다. 또한 전송 지연이나 상위 데이터 전송과의 충돌 시 자동으로 Store & Forward 방식으로 전환되어 동작합니다.

Protocol Machine은 3가지 목적으로 제공됩니다. 첫째, 편의성입니다. 사용자가 프로토콜에 대하여 상세한 내용을 몰라도 구현이 가능하게 합니다. 둘째, 빠른 처리 속도입니다 chip level에서 Logic으로 프레임을 처리하므로 빠른 응답 속도를 가능하게 합니다. 셋째, 비용 절감입니다. 통신 프레임을 처리하기 위한 프로세스의 부하를 줄여주어 별도의 통신 전용 프로세스를 이용하지 않아도 되므로 비용 절감이 가능합니다. 마지막으로 DMA는 RAPIEnet 이외의 프레임, 예를 들어 TCP/IP나 다른 실시간 네트워크 프레임도 처리할 수 있도록 유저에게 데이터를 전달하는 기능입니다.

그림 4는 RAPIEnet 의 성능을 측정한 시뮬레이션 결과 입니다. 마스터는 슬레이브의 데이터를 모아서 한번에 전송하고 슬레이브는 전달 받은 데이터를 로직으로 처리하고 응답하는 방식입니다. 마스터가 중간에 위치할 경우 경로가 짧아져 10us 이내 데이터 전송이 가능합니다.

그림 5 는 개발중인 RAPIEnet I/O ASIC의 Block Diagram입니다. ARM7 CPU, 16Mb NOR Flash, 160KB SRAM, RAPIEnet Core Logic을 내장하여 별도의 부품 없이 Single Chip으로 디바이스를 개발할 수 있는 기능을 제공합니다. I/O ASIC은 2010년 3분기에 시제품이 입고될 예정으로 가격은 $10 내외가 될 것으로 예정됩니다.

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RAPIEnet의 성능은 이미 국제 규격을 제정하는 단계에서 다른 프로토콜에 비해 월등한 성능지표를 제시함으로써 입증하였습니다. 향후 단일 ASIC 솔루션과 같은 다양한 개발방법 및 RAPIEnet이 적용된 다양한 제품군을 통해 산업용 통신망에서 선두가 되도록 노력할 것입니다.

참고사항

그림 6은 RAPIEnet 개요를 정리한 것입니다. 확장성을 위한 TCP/IP 통신과 실시간성을 위한 실시간 통신 데이터가 동시 존재 가능합니다. 그리고 Dual-Port 스위치를 디바이스에 내장하여 H/W기반 결정론적 통신을 제공하며 현장에 적합한 Daisy-Chain을 기본으로 한 링 구조를 지원하여 외장 시스템 없이 시스템 구성을 지원합니다. 또한 다양한 통신 미디어(전기, 광, 혼합)를 지원하여 외장 디바이스 없이 다양한 환경에서 적용이 가능합니다.

RAPIEnet 기술을 좀더 상세하게 살펴보면 기본적으로 Full-Duplex 환경을 제공하여 H/W 접근 권한을 얻기 위한 별도의 복잡한 알고리즘이 필요 없습니다. 데이터 특성에 따라 동시에 공유할 수 있으며 1:1 통신 시에는 수신 받은 디바이스가 해당 내용을 전달하지 않아 통신 선로에 불필요한 트래픽을 발생시키지 않습니다. 배선 구조는 라인 구조를 기본적으로 제공하며 외부에서 특별한 설정 없이 케이블을 연결하기만 하면 링 구조를 형성할 수 있습니다. 특히 일부만 장거리 구간이 필요하거나 Noise가 심한 구간이 있는 경우 그 부분만 광 케이블을 적용할 수 있으므로 효율적인 시스템 구성이 가능합니다.

이와 같은 우수한 기술력과 제품력을 바탕으로 RAPIEnet 기술로 개발된 제품이 2009년 지식경제부 산하 기술표준원으로부터 신제품(NEP: New Excellent Product) 인증을 받았으며 2010년에는 한국산업기술진흥협회와 매일경제신문사가 주관하는 IR52 장영실상(교육과학기술부 장관상)을 수상하는 영예를 얻기도 하였습니다.

그림 8 은 RAPIEnet 기술을 기반으로 하여 개발된 이중화 제어 시스템 XGR이 받은 신제품인증서 입니다.

그림 9는 RAPIEnet 기술을 기반으로 하여 개발된 이중화 제어 시스템 XGR이 받은 IR52 장영실상 상패 및 트로피 입니다.

산업용 네트워크 기술인 RAPIEnet 기술을 이용하면 심각한 에너지 고갈 및 환경오염으로부터 그린(Green) 제품 대응이 가능하여 보다 깨끗하고 윤택한 생활을 앞당길 수 있을 것입니다.

[문의: 권대현 LS산전 선임연구원, daehyunka@lsis.biz]

아이씨엔 매거진 2010년 03월호

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