글_ 권대현, LS산전㈜ 중앙연구소 daehyunka@lsis.biz
올해 자동화 분야의 여러 Issue 중 가장 큰 화제는 다양한 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 기술이 부각되고 있는 것입니다. LS산전이 개발한 RAPIEnet (Real-time Automation Protocols for Industrial Ethernet) 기술은 2008년 1월 90% 이상의 찬성으로 IEC/PAS 62573으로 채택이 되었고, AIMEX 전시회에서는 실제 기술을 응용한 제품군(이중화 PLC XGR, HMI Option Card, PC Card 등)을 정식으로 발표하였습니다.
그런데 글로벌 자동화 기업들과 LS산전이 다양한 산업용 이더넷 기술을 발표하고 있는데 “개발자는 어떤 것을 개발해야 하고, 사용자는 이들중에서 어느 것을 선택해야 하는지?”를 판단하기가 쉽지 않으실 것입니다.
이번 글에서는 여러 분들의 판단에 도움이 될 수 있도록 산업용 이더넷에 대한 개요 및 기술, RAPIEnet 기술 현황, 그리고 향후 발전 방향에 대한 순으로 전개하여 보도록 하겠습니다.
1. 산업용 이더넷의 개요와 기술
첫 번째로서 산업용 이더넷 개요 및 기술에 대하여 살펴보도록 하겠습니다.
디지털 방식의 산업용 통신 방식은 이전 아날로그 통신 방식보다 다량의 신호를 원거리까지 전송하기에 케이블 등 전송 기자재를 5분의 1 정도 절감할 수 있고, 기기의 계측 기능 향상 및 안정성을 인정 받으면서 산업 현장에서 많이 채용되고 있습니다.
산업 현장에서 많이 쓰이고 있는 통신 방식은 필드버스(Fieldbus)와 이더넷(Ethernet) 이며 각각은 장점과 단점을 가지고 있습니다. 그 내용을 정리하면 아래 그림1과 같습니다.
이를 기반으로 서로의 장점을 크게 부각할 수 있는 분야로 적용이 되어 필드버스 기술은 디바이스 제어 분야에, 이더넷은 컨트롤러나 상위 시스템과 정보를 주고 받는 분야에서 발전되어 왔습니다.
그러나 분야별로 다른 통신이 적용되어 여러 가지 문제가 발생하고 있어 필드버스 방식의 강점을 이더넷에 접목시켜 하나의 기술로 통합하는 경향으로 발전하고 있습니다. 또한 자동화 영역의 필요에 의해 탄생한 산업용 이더넷 기술이 공정 자동화, 전력IT, 모션 분야 등 전 산업 분야로 적용이 확산되고 있습니다.
기술적인 추이를 설명하기 위하여 사용자 입장에서 산업용 통신 기술의 주요 요구 사항을 정리하여 보고 각 요구 사항에 대하여 산업용 이더넷의 해결 방법을 살펴보도록 하겠습니다.
첫째, 실시간 통신 기능입니다.
이는 주어진 시간 내에 원하는 데이터를 통신하는 기능을 의미하며 하드웨어와 소프트웨어를 기반으로 발전하여 왔습니다.
소프트웨어 기반은 응용 계층에서 필드버스 기술과 유사하게 타임 슬롯을 할당 받아 주어진 시간에만 통신을 하여 충돌을 배제한 방식입니다. 이는 알고리즘의 복잡성, 비효율성, 그리고 스타 구조의 배선 구조로 인하여 디바이스 레벨의 소규모 데이터 통신에서는 많이 적용되지 않았습니다. 하드웨어 기반은 스위치 기술의 기기간 양방향 통신 경로를 제공하여 충돌 발생 현상을 근본적으로 해결한 것입니다.
둘째, 선형 배선 구조 입니다.
자동화 분야의 경우 선형 구조로 배선이 가능해야 합니다. 실시간 통신을 제공하기 위하여 초기 외장 스위치 기반으로 접근하였으나 외장 스위치를 기반으로 한 스타형 배선 구조는 배선 길이가 증가하는 문제와 함께 외장 스위치가 다운될 경우 전체 통신이 두절될 가능성이 있습니다. 이를 배제하기 위하여 Dual-Port 스위치 기술을 채용하여 Daisy-Chain 형태로 배선이 가능하도록 해결하였습니다.
셋째, 통신 선로 이중화 기능 및 세그먼트 분리 기능입니다.
이는 예상치 못한 디바이스의 장애나 통신 선로의 문제 발생시에도 정상적으로 통신하는 기능을 의미합니다. RS-485/422 기술을 기본으로 한 필드버스 기술은 이중화 선로 지원에 많은 제약이 존재하고 특정 디바이스에 물리적 장애가 발생할 경우 전체 통신이 두절되는 현상이 있을 수 있어 이러한 요구 사항을 만족하기 어려웠습니다.
산업용 이더넷은 링 구조를 제공하여 디바이스의 장애/교체 시 또는 통신 선로의 문제 발생 시 백업 패스로 통신할 수 있는 양방향 통신을 제공하여 해결하고 있습니다.
위의 3가지 요구 사항은 Dual-Port 스위치 기술을 기본으로 한 링 구조를 통하여 해결이 가능합니다. 또한 고가의 스위치가 기술의 발달 및 시장성으로 매우 저렴해 지면서 디바이스 레벨의 소규모 데이터 통신 영역으로 확산이 가능해 지고 있습니다.
넷째, 시간 동기화 기능입니다.
모션 제어의 경우 시간 동기화는 필수적입니다. 통신을 통한 방식도 예외가 있을 수 없습니다. 산업용 이더넷은 IEEE 1588 기술을 채용하여 수 us 이내의 정밀도까지 제공합니다.
마지막으로 산업용 환경 적합성입니다.
기존 필드버스에서도 많은 내환경 제품이 존재합니다. 산업용 이더넷 분야는 넓은 시장 환경을 가지고 있어 보다 저렴하게 주변 장비를 구할 수 있습니다.
1-1. 산업용 이더넷 국제 표준화 동향
산업용 이더넷 기술의 중요성은 IEC 표준화 동향과 국내외 시장 규모 및 성장성을 보면 앞으로의 방향을 파악하는데 도움이 될 것입니다.
2007년말 10개의 규격이 IEC 61158과 61784-2의 규격으로 발표 되었습니다. 현재 산업통신망 관련 국제 표준은 ISO와 IEC에 의해 추진되고 있으며, IEC에서는 산업통신망 프로토콜 분야를, ISO에서는 산업통신망 응용 분야를 주로 표준화 하고 있습니다.
ISO에서는 개방형 구조를 지향하는 오픈 프레임워크 표준을 ISO TC184(산업자동화 통신망표준), SC5(구조 및 통신), WG5(개방형 프레임워크)에서 표준화를 진행하여 2003년 10월 ISO-15745로 공표하였습니다.
IEC에서는 1997년부터 업계에 산재되어 있던 필드버스 관련 규격들을 정리하여 2003년 8가지의 필드버스 프로파일을 포함하는 국제표준(IEC61158, IEC61784)을 발표하였습니다. 또한 최근에는 IEC SC65C(Digital Communication) WG11(Real Time Ethernet), WG12(Functional Safety for Communications), WG13(Cyber Security), WG15(High Availability) 등의 활동을 통해 최신 기술들에 대한 추가 표준화 작업을 진행하고 있습니다.
특히 산업용 이더넷 분야의 IEC 표준화 작업을 진행하고 있는 IEC SC65C WG11에는 EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT 등과 관련된 여러 단체 및 업체들이 참여하여 자신의 기술을 국제표준에 반영하기 위해 적극적으로 활동하였으며, WG11은 08년 5월 동경 총회에서 MT9으로 합병되었습니다.
산업용 이더넷의 단일 표준화에는 실패하였으나 그나마 물리 계층의 표준이 이더넷으로 통일되어 추후 다양한 응용 분야 표준을 동일한 하드웨어 기반에서 이용할 수 있게 되었습니다.
ARC에 의하면 산업용 이더넷은 Information, Controller, Device Network 분야 모두 대체가 가능하여 년 성장 51% 고속 성장을 예상하고 있습니다. 또한 통신 방식 결정은 바로 이를 채용한 시스템 결정을 의미하므로 주도권 쟁탈을 위한 치열한 기술 경합이 발생하고 있습니다.
IEC 국제 표준은 각 국가의 이익 및 한 시대의 기술을 대변한다는 측면에서 굉장히 조심스럽고 철저한 절차를 통해 제정됩니다. IEC 국제 표준 규격이 되기 위해서는 여러 단계에 걸친 세부 절차를 모두 통과해야 표준 규격으로서 승인되게 됩니다.
실제로 현재까지 한국에서 제안된 IEC 규격은 모든 분야를 통틀어 총 29건이며 이중 채택 발간된 문건은 5건에 지나지 않습니다.
RAPIEnet은 자국의 산업보호와 외국 진출 교두보 마련을 위하여 개발되었으며 지명도 확보 및 통합 Network 기반 조성을 위해 IEC 규격을 추진 중입니다. 08년 5월 5종의 규격을 제안하여 승인되었으며 2010년 3월 규격을 발간하는 것을 추진 중입니다.
주요 기술들의 특징은 Hardware 수정 여부에 따라 Standard/Modified Ethernet인지, 적용 부분에 따라 특정 응용 분야용인지 일반 적용 분야용인지로 구분이 가능합니다.
A Class의 기술은 기존 TCP/IP 기술을 그대로 채용하여 IT 분야의 기술을 산업용 분야에 확장한 것입니다. B Class는 실시간성(Real-Time)을 향상시키기 위하여 실시간 통신 시 TCP/IP 서비스를 기반으로 하지 않고 바로 하는 방식입니다. C Class는 가장 최근의 기술로 실시간 통신, Daisy-Chain 배선 제공 및 이중화 통신 선로를 위한 링 구조 지원과 같은 성능 및 기능 향상 목적으로 전용 하드웨어를 기반으로 한 방식입니다.
2. RAPIEnet의 기술 현황
두 번째로서 RAPIEnet 기술 현황에 대하여 살펴보도록 하겠습니다.
RAPIEnet 기술은 Topology, Performance, Maintenance 분야의 요구 사항을 정리하고 이를 해결하고자 개발한 기술입니다.
RAPIEnet 개요 그림은 RAPIEnet의 Reference 모델을 보여주고 있습니다. 확장성을 위한 TCP/IP 통신과 실시간성을 위한 실시간 통신 데이터가 동시 존재 가능합니다. 그리고 Dual-Port 스위치를 디바이스에 내장하여 H/W 기반 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 설정없이 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.
링 구조에서 중요한 것은 통신 선로에 문제 발생 시 얼마나 빨리 문제점을 복원할 수 있는지 여부와 링을 형성할 때 얼마나 편하게 링이 형성되는지 여부입니다. RAPIEnet은 링 구조에서 라인으로 전환 시 복원시간이 약 10ms이내로 매우 빠른 속도를 제공하며 외부에서 특별한 설정을 하지 않아도 자동으로 링 제어 매니저를 선출하여 링을 구성합니다.
문제 발생 시 동작 원리는 다음과 같습니다. 12시 방향의 Device1과 4시 방향의 Device3이 통신하고 있을 때 Device2와 Device3 사이의 통신 선로에 이상이 발생하게 되면 Device2와 Device3이 문제가 발생하였음을 모든 디바이스에게 알려주게 됩니다. 이를 인지한 디바이스들은 Blocking Port를 연결하여 새로운 경로를 만들고 Device1은 반대 방향으로 데이터를 전송하여 단절 없이 통신이 가능하도록 합니다.
RAPIEnet은 이웃 디바이스와의 연결 정보를 모두 구축하고 있어 실제 이웃에 위치한 정보를 실시간으로 파악 가능합니다. 또한 전기 케이블의 경우 통신 중에도 실시간으로 거리 파악이 가능하여 통신 문제 발생 시 문제가 발생한 구간을 정확하게 확인할 수 있습니다.
3. 응용분야 및 발전 방향
마지막으로 응용 분야 및 향후 발전 방향입니다.
지금까지 살펴 보았듯 산업용 이더넷 기술은 빠르게 발전하고 있으며 많은 응용 분야에 적용이 가능합니다. 또한 Dual-Port 스위치 내장 등 하드웨어적으로 고 사양임에도 불구하고 기존의 일반 이더넷과 비슷한 수준의 가격으로 제공이 가능하며, 외장 스위치가 불필요하기 때문에 시스템 측면의 cost도 절감될 수 있습니다.
이를 대비하여 개발된 RAPIEnet 기술은 PLC와 HMI, 컴퓨터용 보드까지 제품이 출시되었습니다. 특히 I/O Extension 레벨에서 RAPIEnet으로 구현한 LS산전의 이중화 PLC XGR은 인도와 인도네시아의 공정 자동화 시스템의 컨트롤러와 LCD 산업의 생산 라인에서 적용되고 있습니다.
현재 리모트I/O, 인버터 등 자사 제품 위주로 제품을 개발 중이며 앞으로 확산을 위한 다양한 서드파티 업체와 협력을 검토 중입니다.
또한 기본적으로 HSL(High Speed Link), COS(Change of State), TB(Time based) 등의 기능이 지원되는 자체 프로토콜을 탑재하고 있으며, 다양한 시스템 구성 및 기존 디바이스와의 호환성 확보를 위해 Modbus TCP나 EtherNet/IP 등 업계 주요 프로토콜 지원을 위하여 개발 중에 있습니다.
서드파티 지원책으로는 Daughter Board 형태의 Kit 어셈블리와 FPGA/ASIC 형태의 Single Chip 및 관련 라이브러리 제공을 통해 개발 시 편의성을 제공할 예정입니다.
척박한 국내 자동화 통신망 분야에서 다양한 씨앗 중 하나인 RAPIEnet이 성장하여 나무로 자라게 되었습니다.
RAPIEnet 개발 담당자로서 이 기술은 LS산전만의 기술이 아니라 대한민국을 대표하는 기술로 여러분들과 함께 키워나가고 열매를 나누어 먹으며 기쁨을 나누어 싶습니다.
그 시발점으로 RAPIEnet 협회 구성 및 Single Chip Solution을 검토 중입니다. 여러분의 다양한 의견과 참여를 부탁 드립니다.
아이씨엔 매거진 2008년 10월호
산업용 이더넷의 기술 및 국제 표준화 동향과 RAPIEnet의 특징
