제조자동화를 위한 통합 네트워크 시스템, EtherNet/IP

산업현장의 제조자동화를 위한 통합 네트워크인 EtherNet/IP는 공통 산업 프로토콜(CIP)를 통해 애플리케이션 접근을 손쉽게 한다. 모든 레벨에서 네트워크화되어 있는 장비의 끊김없는 네트워크 통합을 위해 통신객체는 CIP라는 공통의 요소를 가진다. < 편집자 주>
생산 시스템에서의 안정성을 생명으로 하는 산업 자동화 현장에서는 기기 및 시스템을 도입함에 있어 무척 폐쇄적인 경향이 있다. 이는 검증된 안정성이 담보되지 않은 시스템이나 솔루션의 가동중에 사소한 시스템 에러가 발생했을 경우, 전체 시스템 차원에서의 큰 피해를 감수해야 한다는 근본적인 이유가 내재되어 있기 때문이다. 이러한 폐쇄적인 산업 현장에서 이제 IT 정보기술의 핵심도구인 이더넷(Ethernet)을 도입하려는 움직임이 활발하다.
산업용 이더넷이란?
지난 1973년 제록스의 Bob Metcalfe라는 엔지니어가 그린 냅킨 스케치에 의해 이더넷(Ethernet)은 처음으로 태어났다. 이후 제록스와 DEC, Intel이 합작으로 개발을 추진하여 사무실간의 통신을 위한 근거리 통신망(LAN)으로 사용되었다. 이렇게 시작된 이더넷 사양은 1985년에 IEEE 802.3 국제 표준의 기초가 되었으며, 물리층(Physical layer)과 하위 소프트웨어 계층을 지정한다. 또한 TCP/IP와 결합한 이더넷은 세계에서 가장 많이 적용된 네트워크 기술이 되었다.
초기에 이더넷은 버스 토폴로지(Bus Topology)를 기반으로 설계되어, 모든 스테이션이 동등하게 버스 접근이 가능하고 항시 송신이 가능하였다. 그러나 이러한 토폴로지는 각 스테이션이 동시에 송신할 경우 충돌이 발생하는 문제로 인해 오피스 내에서 사용되었다. 또한 가장 기본설계에서 이더넷은 특정화(deterministic)되지 않아 실시간성이 중요시되는 산업 분야에서의 사용이 제한적이었다.
이러한 충돌의 문제는 스타 토폴로지(Star Topology)를 통해 어느 정도 해결된다. 또한 Fault 노드를 분리하는 허브(Hub)와 10Base-T를 통해 더욱 사용이 편리하고, 데이터 충돌을 방지하는 단계로 성장했다. 이것이 90년대의 상황이었다. 이후 90년대 말 들어 UTP의 사용을 통해 half-duplex에서 full-duplex 매체가 만들어짐으로써 매체의 공유 없이 실시간 데이터 송수신이 가능해졌다. 또한 허브는 스위치로 대체되기 시작했다.
이로써 이더넷이 실시간 계측과 제어가 가능한 산업용 이더넷으로 한 단계 발전하기 시작했다. 산업용 이더넷은 다음과 같은 속성을 갖추어야 한다.
– 특성화(Deterministic)된 제어
– 애플리케이션 요구사항에 맞는 성능
– 오작동에 대한 저항력과 작동
– 원격 설정
– 데이터 수집과 진단
– 낮은 비용의 장비 연결
– Bus로 전원이 공급되는 장비
– 본질 안전 (특수 애플리케이션에 해당)
– 국제 표준의 개방형 네트워크 표준
이와 더불어 이더넷은 가장 일반적으로 사용되고 있는 TCP/IP와의 결합을 통해 산업 현장에서의 제어를 위한 신뢰성(특정화)과 산업 환경에서의 운영 가능성이 충족되었다. 그리고 full-duplex 운용을 통한 완전한 교환망, 제어 데이터의 흐름과 구분, 방화벽과 보안 기준에 대한 고려사항 등이 더해짐으로써 실시간 계측과 제어라는 목적을 위한 산업용 이더넷의 지위가 확보되게 되었다.
원형 이더넷 기반의 EtherNet/IP
산업 현장 내의 네트워크에 Ethernet을 사용하는 것은 단지 Ethernet이 공장 현장에서 작동할 수 있기 때문만이 아니다. 현재 시스템 구조 내에서 이루어지고 있는 여러 서비스를 자동화할 수 있고 이 시스템 구조와 이 시스템이 가지고 있는 정보를 생산 현장에서도 사용할 수 있다는 장점 때문이다.
EtherNet/IP를 사용하여 표준 Ethernet 네트워크의 개방 방식과 다양한 기능을 소화할 수 있는 점 때문에 특별 방식의 산업 제어 네트워크에 있어서 최적의 작동 효과를 얻을 수 있다. 다른 점은 EtherNet에 IP(Industrial Protocol)가 추가된 EtherNet/IP라는 것이다. 다른 많은 산업용 Ethernet과 달리, EtherNet/IP는 애플리케이션 단계에서 누구나 일반적으로 사용할 수 있는 Ethernet 통신 칩과 실제 미디어와 함께 개방형 프로토콜을 사용한다. 제어 관련 애플리케이션에 대해 Ethernet 네트워크를 사용하는 수요가 많아짐에 따라 EtherNet/IP 기술이 생기게 되었다.
EtherNet/IP는 2001년 처음 소개되었으며, 공장 자동화를 위해 이용할 수 있는 가장 발전된 산업용 이더넷 네트워크 솔루션이라고 할 수 있다. EtherNet/IP는 그 상위 계층에 있는 CIP(Common Industrial Protocol)를 실행하는 네트워크의 한 조직이며, 전 세계 수백 개의 벤더(Vendor)들이 지지하는 미디어 독립형 프로토콜로 사용자들에게 통합 커뮤니케이션 아키텍처(Unified Communication Architecture)를 제공하고 있다.
이 프로토콜은 제어(Control), 안전(Safety), 동기화(Synchronization), 모션(Motion), 환경설정(Configuration) 정보를 포함한 다양한 공장 자동화 애플리케이션을 위해 종합적인 메시지와 서비스를 제공하고 있으며, 사용자는 각각의 애플리케이션에 가장 적합한 CIP 네트워크를 선택할 수 있다. 이러한 선택 사항들 중 하나가 EtherNet/IP이며, CIP를 이더넷 기술에 적용시킨 것이다.
이더넷과 TCP/IP는 전 세계적으로 편재한 인터넷 기술 채택으로 인해서 서로 긴밀히 연결되어 있으며, 전 세계의 상업적 내부 애플리케이션과 관련된 대부분의 LAN(근거리 통신망)과 WAN(원거리 통신망) 아키텍처에서 사용되는 동일한 네트워크 기술이라고 할 수 있다. 아키텍처는 컴퓨터와 컴퓨터를, 컴퓨터와 주변 장치를 연결시킬 수 있으며, 기업에 운용 방식을 연계하거나 사용자들에게 웹 기반 애플리케이션의 접속을 제공하고 있다.
CIP의 네트워크 애플리케이션
CIP(Common Industrial Protocol)는 미디어 독립적이기 때문에 응용 분야에 가장 적합한 CIP 네트워크를 선택하면 된다. CIP는 단일 미디어 독립형 플랫폼으로서 다양한 네트워크 기술에서 공유하는데, 여기서는 개방형 네트워크와 개방형 시스템에 필수적인 상호 운용성과 상호 교환성이 제공된다.
애플리케이션 계층이 EtherNet/IP, DeviceNet, ControlNet ,CompoNet에 모두에 해당되며, 이러한 공통성과 일관성은 여러 개의 네트워크 실행을 더욱 쉽게 셋업하고 운영가능 하도록 함을 의미한다.
또한 모든 레벨에서 네트워크화되어 있는 장비의 끊임없는(Seamless) 통합을 위해 통신 객체는 CIP라는 공통요소를 가지게 된 것이다.
1) EtherNet/IP
EtherNet/IP는 이더넷 기술에 기반을 둔 CIP이다. 이는 제조 응용 분야에 표준 이더넷 기술을 전개할 수 있는 네트워크 도구를 제공하는 동시에 인터넷과 기업 네트워크를 통해 언제 어디서나 데이터 정보를 교환할 수 있다. EtherNet/IP는 스타 토폴로지로 표준 이더넷 인프라 디바이스들을 연결한다.
2) DeviceNet
DeviceNet은 CAN(Controller Area Network) 기술을 기반으로 하는 국제 표준의 CIP이다. 이는 아키텍처 전반에 걸쳐서 단순 장치들을 분산하고 관리하는 비용 효과적인 네트워크를 제공한다. 트렁크라인-드롭라인 토콜로지를 사용하며 단순하고 소형의 기계를 설치할 때 네트워크 케이블에서 사용할 수 있는 직류전원을 가진다.
3) ControlNet
ControlNet은 CTDMA 기술에 기반을 둔 CIP이다. 이는 시간을 엄수해야 하는 I/O 인터록과 피어 to 피어 인터록의 결정성 높은 고속 전송을 실현하는 도구를 제공한다. ControlNet은 트렁크라인-드롭라인, 스타, 트리 등의 토폴로지를 선택할 수 있다.
4) CompoNet
CompoNet은 필드기기간의 단순 네트워크를 위한 CIP로 최근에 개발되었다. 이는 컨트롤러와 센서 및 액추에이터간에 작은 데이터 패킷을 빠르게 전송하고, 이 장치들을 설치가 간단한 비용 효과적인 물리적 매체를 이용해 연결할 수 있다.
CIP 응용범위; 안전, 동기화, 모션
CIP는 제조 자동화를 위한 종합적인 메시지와 서비스 suite로 제어와 설정, 진단, 정보, 안전, 동기화, 모션에 필요한 기능을 제공한다.
1) CIP Safety(기능상 안전)
CIP Safety는 안전장치와 표준장치를 동일한 네트워크나 와이어에 혼합할 수 있어 끊김 없는 통합이 가능하고 유연성이 향상된다. 이 안전 프로토콜은 안전 응용분야에서 IEC 61508 표준에 따른 안전 무결성 수준(SIL) 3까지 안전 I/O 차단 같은 노드간 고장 대비 안전 통신, 안전 인터록 스위치, 안전 광막, 안전 PLC를 제공한다.
2) CIP Sync(동기화)
CIP Sync는 CIP의 시간 동기화 확장버전으로 네트워크 측정 및 제어 시스템과 관련된 정밀 클럭 동기화 프로토콜인 최근의 IEEE 1588(Precision Clock Synchronization; 네트워크가 연결된 계측 및 제어 시스템을 위한 정밀 시각 동기화) 표준을 기반으로 하며, 요구되는 이벤트 기록의 순서화, 분산 모션 제어, 그밖에 장치의 절대시간 동기화가 중요한 고도 분산 응용에 필요한 향상된 제어 조정력을 제공한다.
3) CIP Motion(실시간 다축 모션 제어)
CIP Motion은 EtherNet/IP의 확장 버전으로 현장 장치와 모션 드라이브를 동일한 네트워크에 통합할 수 있어 별도의 모션 최적화 네트워크가 필요없다. 따라서 시스템 비용이 낮아지고 시스템 성능은 향상되며, 시스템의 단순화도 가능하다.
마치며
EtherNet/IP는 설정 작업과 정보 관리, I/O 제어, 시간 동기화, 안전 관리, 모션 제어 등과 같은 모든 자동화 관련 기능에 대해 일반 인터넷에서도 사용할 수 있는 표준 TCP/UDP/IP 프로토콜을 사용한다. EtherNet/IP는 수정을 하지 않은 IEEE 802 Ethernet을 사용하여 일반적으로 표준 Ethernet을 통해 관리되는 모든 정보와 시간을 중요시 하는 제어 관련 데이터를 관리한다.
나아가 EtherNet/IP는 DeviceNet 네트워크와 ControlNet 네트워크, CompoNet 네트워크와 같은 공통 산업 프로토콜(CIP)을 사용하여 최신의 네트워크 기술을 손쉬운 방식으로 사용할 수 있도록 지원한다.
< 자료제공: ODVA 코리아>
아이씨엔 매거진 2007년 03월호