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 끊김없는(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.
네트워크 계층과 전송 계층 (Network and Transport Layers)
네트워크 계층과 전송 계층에서, EtherNet/IP는 하나 혹은 그 이상의 장치들(devices) 간에 메시지를 전송하기 위해 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) Suite라고 알려진 인터넷 표준을 이용한다. TCP/IP는 IEEE에서 본질적으로 결여되어 있는 기능적인 네트워크(즉, 하나의 장치와 교환 데이터와의 연결을 수립하기 위한 주소 지정 기법과 메커니즘)를 실행하는데 필요한 커뮤니케이션 프로토콜의 특징을 제공한다. 또한 이들 계층에서, 모든 CIP Networks에 의해 사용되는 표준 CIP 메시지를 캡슐화한다. TCP/IP 캡슐화로 네트워크 상의 노드는 이더넷 메시지 안의 데이터 포션으로서 메시지를 끼워 넣을 수 있다. 노드는 그 메시지 안에 메시지를 가지고 있는 TCP/IP 프로토콜을 이더넷통신 칩(데이터 링크 계층)으로 보낸다. TCP/IP를 사용함으로써, EtherNet/IP는 명시적 메시지를 보낼 수 있는데, 이는 각 노드 간에 클라이언트/서버 타입 트랜잭션을 실행하는데 사용된다.
TCP/IP Suite는 다음과 같이 구성된다.
– TCP/IP 프로토콜의 TCP 포션은 데이터 플로우 컨트롤, 데이터분할과 재조립(fragmentation reassembly) 그리고 메시지 승인을 제공하는 연결지향형 유니 캐스트 트랜스포트(uni cast transport) 메커니즘이다. 노드들은 각 메시지를 해석하고 요청된 과제를 실행하며 반응을 산출해야 한다. TCP가 대량의 데이터를 신뢰할 수 있게 전송하는 데 이상적이기 때문에, EtherNet/IP는 CIP 명시적 메시지(explicit messages)를 캡슐화하기 위해 TCP/IP를 사용한다. 이는 일반적으로 구성력, 진단 데이터와 이벤트 데이터를 전송하는데 사용된다.
– TCP/IP 프로토콜의 IP포션은 복수가 가능한 경로들을 통해 패킷 라우팅을 보장하는 메커니즘이다. 주요 경로가 두절되었을 때에도 메시지를 그 목적지에 보낼 수 있는 능력이 인터넷의 기초이다. 관리용 스위치와 Layer 3 라우터들을 사용함으로써 제어 요소들 및 기타 다른 공장 인프라를 올바르게 분리하기 위해 산업용 네트워크에 같은 유형의 라우팅(routing)을 사용한다. 산업용 이더넷 기반 시스템 상의 추가적인 진단 능력(관리용 스위치와 허브)을 가진 모든 장치와 인프라 요소들은 하나의 IP 주소에 할당되어야 한다. 이는 TCP/IP를 자신의 이더넷 네트워크의 연결로 사용하는 퍼스널 컴퓨터 상에 있는 “네트워크 속성(network properties)”에있는 4바이트 주소에 의해 확인된다 (예, 192.137.1.11). IP 주소는 정해진 네트워크 상에서 유일한 것이어야 한다.
실시간 메시지 통신을 위해 EtherNet/IP는 또한 IP 위에 UDP를 이용하는데, 이로써 복수의 목적지 주소로 메시지를 멀티캐스트 할 수 있다. 이것이 바로 CIP I/O 데이터 전송의 암시적 메시징(Implicit messaging)이 EtherNet/IP 상에서 보내지는 방식이다. 암시적 메시징의 경우, 데이터 필드는 프로토콜 정보가 아니라 실시간 I/O 데이터만을 담고 있다. 데이터의 의미는 연결이 이루어지는 시점에서 이미 정의되기 때문에, 처리 시간이 실행시간(runtime)동안 최소화된다.
UDP는 비연결형(connectionless)이고, 하나의 장치에서 다른 장치로의 데이터 전송을 보장하지 못한다. 그러나, UDP 메시지들은 명시적 메시지(explicit messages)보다 더 작으며 처리도 더 빠르게 이루어질 수 있다. 그 결과 EtherNet/IP는 보통 적시의 컨트롤 데이터를 포함하는 I/O 메시지를 전송하기 위하여 UDP/IP를 사용한다. CIP Connection 메커니즘은 데이터 전달 문제를 발견할 수 있는 타임아웃 메커니즘을 제공하는데, 이는 신뢰할만한 제어 시스템 수행을 위해 필수적인 기능이다.
EtherNet/IP는 두 가지 형태의 메시징을 사용한다.
– 비 연결 형 메시징(Unconnected messaging)은 연결이 수립되는 프로세스에서 빈번하지 않고 우선순위가 낮은 메시지를 위해 사용된다. 장치에서 비연결 자원들은 비연결형 메시지 매니저(Unconnected Message Manager), 즉 UCMM이라고 불린다. EtherNet/IP상의 비연결형 메시지는 메시지를 이더넷에서 이동하기 위하여 TCP/IP를 이용한다. ODVA’s Declaration of Conformity를 수신하려면, EtherNet/IP 제품은 다른 장치로부터의 요청을 수신하기 위해 UCMM을 실행해야 한다.
– 연결형 메시징(Connected messaging)은 가령 빈번하고 명시적인 메시지 전송이나 실시간 I/O 데이터 전송처럼 미리 특정 용도로 지정된 각 노드 내의 자원들을 이용한다. UCMM을 통해 이용할 수 있는 커뮤니케이션 서비스를 이용하여 연결형 자원들을 유지하고 설정한다. 연결을 여는 프로세스는 Connection Origination이라고 불리고, 연결 수립 요청을 시작하는 노드는 Connection Originator 또는 그냥 Originator라고 불린다. 반대로, 요청에 반응하는 노드는 Connection Target 또는 그냥 Target이라고 불린다.
EtherNet/IP는 두 가지 유형의 메시징 연결을 갖는다.
– 명시적 메시징 연결 (Explicit messaging connections)은 두 노드 간에 요청-반응 트랜잭션을 촉진시키기 위해 수립된 point-to-point 관계이다. 이러한 연결은 사실상 일반적인 용도이고 장치 안에서 어떠한 네트워크 접속항목에 도달하기 위해서도 사용될 수 있다. 명시적 메시징 연결은 이더넷 간에 메시지를 이동하기 위하여 TCP/IP 서비스를 이용한다.
– 암시적 (I/O data) 연결 (Implicit(I/O data) connections)은 일정한 간격에서 애플리케이션에 특정한 I/O 데이터를 이동하기 위해 수립되었다. 이러한 연결은 사실상 멀티캐스트이고, 생산자-소비자 모델의 장점을 충분히 이용하기 위해 일대다 관계(one-to-many relationships)로서 흔히 설정된다. 암시적 메시징은 이더넷 상에서 멀티캐스트 데이터 전송을 하기 위하여 UDP/IP 자원을 사용한다.
EtherNet/IP는 네트워크 커뮤니케이션 능력을 기초로 메시징 클래스, 어댑터 클래스, 스캐너 클래스 등 세 가지 장치 클래스(device class)를 지원한다. 각 클래스는 기본적인 세트의 커뮤니케이션 서비스를 지원하지만, 다른 선택적인 서비스도 제공할 수 있다.
메시징 클래스(Messaging Class) 제품은 모든 다른 제품 클래스로부터 보내지고 받아지는 (연결형이나 비연결형) 명시적 메시징을 지원한다. 메시징 클래스 제품은 명시적 메시지 연결 요청의 목적(target)이고, 이러한 요청의 originator가 될 수도 있지만, 실시간 I/O 데이터를 보내거나 받을 수는 없다.
이 클래스의 제품 예로는 다음과 같다.
– HMI 제품, 로봇, PLC에 프로그램을 업로드하고 다운로드 하기 위해 시용되는 컴퓨터 인터페이스 카드
– 컨트롤 시스템으로부터 데이터를 수집하는 HMI 에플리케이션을 지원하는 컴퓨터 인터페이스 카드나 기타 하드웨어
– 실시간 I/O 반응을 요하지 않는 소프트웨어 애플리케이션
– 네트워크 구성 및 진단 도구들
어댑터 클래스(Adapter Class) 제품은 스캐너 클래스 제품으로부터 I/O 데이터 연결 요청의 target이다. 이 제품은 스캐너에 의해 작업 진행을 요청 받기 전에는 실시간 I/O 데이터를 보내거나 받을 수 없으며, 연결을 수립하기 위해 필요한 데이터 커뮤니케이션 파라미터를 저장하거나 고안하지 않는다. 어댑터 클래스 제품은 모든 다른 제품 클래스로부터 (연결형이나 비연결형) 명시적 메시지 요청을 받는다. 이 클래스는 어떠한 장치 클래스로도 명시적 메시지를 이용하여 (peer) 데이터를 교환할 수 있지만, 그러한 관계를 고안할 수는 없다.
이 클래스의 제품 예로는 다음과 같다.
– 실시간 I/O 데이터를 생산하고 소비하는 I/O 랙 어댑터
– PLC와 기타 컨트롤들의 요청에 따라 실시간 데이터를 전송하고 받는 저울, 용접기, 드라이브, 로봇 등
– 컴퓨터 인터페이스 카드 및 PLC에/로부터 그리고 서로에게 명시적 메시지를 보내고 받는 저울, 용접기, 드라이브, 로봇 등
– PLC에/로부터 명시적이거나 실시간 I/O 데이터를 보내거나 받는 HMI 제품
스캐너 클래스(Scanner Class) 제품은 어댑터 클래스 제품이나 기타 스캐너 클래스 제품으로의 I/O 데이터 연결을 요청하는 originator이다(즉, peer-to-peer 명시적 데이터 또는 I/O 데이터). 이들 제품은 다른 제품 클래스에 그리고 다른 제품 클래스로부터 명시적 연결 요청의 originator나 target이 될 수 있으며, 또한 다른 제품 클래스에/로부터 명시적 메시지를 보내거나 받을 수 있다.
이 클래스의 제품 예로는 다음과 같다.
– I/O rack adapter, PLCs, 로봇, 저울, 용접기 및 MMI 제품에 실시간 데이터를 보내고 받는 PLCs, controllers 및 로봇 등
– PLCs, 로봇, 저울, 컴퓨터 카드, 용접기 및 MMI 제품에 명시적 메시지를 보내고 받는 PLCs, controllers 및 로봇 등
– PC-기반 컨트롤을 위해 사용되는 컴퓨터 인터페이스 카드
상위 계층들 (Upper Layers)
EtherNet/IP는 상위 계층들에서 엄격하게 객체지향형(object-oriented) 프로토콜인 Common Industrial Protocol (CIP)를 사용한다. 각 CIP 객체는 속성(데이터), 서비스(명령) 그리고 동작(이벤트에 대한 반응)을 갖는다. 단일 소스에 의해 복수의 목적지로 여러 번 전송되도록 데이터에 요청하지 않고서도 하나의 보내는 장치 (예, 생산자)와 많은 수신하는 장치들(예, 소비자) 간에 애플리케이션 정보의 교환을 허용함으로써, CIP의 생산자-소비자(producer-consumer)커뮤니케이션 모델은 소스-목적지(source-destination) 모델보다 더 효율적인 네트워크 자원을 사용할 있다.
생산자-소비자 네트워크에서, 하나의 메시지는(소스-목적지 네트워크의 경우처럼) 그 목적지 주소에 의해서 확인되는 것이 아니라 그것의 연결 ID에 의해 확인된다. CIP의 메시지 구조 덕분에 복수의 노드는 그 메시지가 참조하는 연결 ID만을 기초로 하는 단일한 소스에 의해 생산된 데이터를 소비할 수 있다. 따라서, 생산자-소비자 모델은 다음과 같은 방법으로 네트워크 자원을 효율적으로 사용하도록 해줌으로써 CIP Networks의 사용자들에게 명백한 장점을 제공한다.
– 하나의 노드가 데이터를 받고 싶다면, 생산될 때마다 데이터를 소비하기 위해 그것을 요청하기만 하면 된다.
– 두 번째 (세 번째, 네 번째 등) 노드가 같은 데이터를 원한다면, 필요한 것은 다른 모든 노드들과 동시에 같은 데이터를 받기 위해 연결 ID만 알면 된다.
CIP는 “장치 프로파일(device profiles)”가 있는 “장치 타입(device types)”도 포함한다. 일정한 장치 타입의 경우, 장치 프로파일은 실행되어야 하는 CIP 객체 세트, 설정 옵션 및 I/O 데이터 포맷을 지정할 것이다. 일정한 장치 타입을 위한 객체 실행에서 이러한 일관성은 일정한 장치 타입을 위한 공동 애플리케이션 인터페이스를 활성화하고 여러 판매상의 장치로 구성된 네트워크에서 상호운영성(interoperability)을 활성화함으로써 CIP Networks 사용자들에게 또 하나의 분명한 장점을 제공한다. 독특한 기능성이 요구되는 애플리케이션의 경우, EtherNet/IP 판매상은 특정 에플리케이션의 기능적인 요건을 지원하기 위하여 EtherNet/IP 규격 제품에서 추가적인 판매상-특정 객체를 규정할 수 있다.
끊김없는 브리징(seamless bridging)과 라우팅은 CIP Networks 사용자를 위한 가장 중요한 장점일 것이다. 바로 이 메커니즘이 사용자의 미래에 대한 투자를 보호해준다. DeviceNet처럼 하나의 CIP Network 상에서 메시지를 생성할 수 있는 능력, 그리고 에플리케이션 계층에 아무 프리젠테이션도 없이 EtherNet/IP처럼 그것을 다른 CIP Network에 전달하는 능력은, 사용자들이 기존의 설치에 증가되는 애플리케이션 개선을 짜 넣을 수 있고, 자동화 시스템을 자기 진단적이고 예지하는 애플리케이션 및 IT 애플리케이션과 통합할 수 있음을 의미한다.
균질 및 이질의 CIP Networks간의 끊김 없는 브리징과 라우팅은, 한 네트워크 포트 상에서 생성된 메시지 내용을 다른 네트워크 포트로 전송할 때 장치가 사용할 라우팅 메커니즘을 규정하는 객체 세트에 의해 작동된다. 이 메커니즘은 라우팅 과정에서 메시지 내용을 바꾸지 않는다. 이러한 메커니즘을 사용할 때, 사용자는 일정한 메시지가 따라가야만 하는 경로를 표시 할 책임이 있다. CIP는 관련된 CIP Networks와 독립해서 메시지가 올바로 처리되게 한다.
[3편 시리즈 끝]
아이씨엔 매거진 2008년 02월호
