IEEE 802.3cg (10SPE) – 산업 자동화 목표를 충족하는 10Mb/s 단일 쌍 이더넷

글_ ODVA ACTIVITY MANAGER I. Y. Cho

개요[Abstract]

세기의 전환 이후, 산업자동화[Industrial Automation]는 이더넷 기반 네트워킹과 관련해 IP 스택의 채택이 지속적으로 증가하고 있다. 새로운 비전은 클라우드[Cloud]에서 현장 계측기기에 이르기까지 단일 네트워크로의 패러다임 전환[Migration]을 통해 대폭의 비용절감효과 및 많은 라이프사이클의 이점을 얻을 수 있다. 산업용 이더넷은 MES, 또는 대부분의 컨트롤러와 사용자 인터페이스, 그리고 수많은 현장의 애플리케이션에 적합하게 IT[Information Technology/정보기술]와 OT[Operational Technology /운용기술/산업 장비, 자산, 프로세스 및 이벤트를 직접 모니터링 혹은 제어함으로써 변화를 감지하거나 유발하는 하드웨어와 소프트웨어를 의미하는 용어]를 연결할 수가 있다. 그리고 여기서 말하는 IT와 OT의 용어 차이를 좀더 디테일 하게 설명하면, IT시스템에는 다양한 범용 애플리케이션과 네트워크 프로토콜(TCP/IP)이 사용되지만, OT시스템에는 전용 애플리케이션과 OT 전용의 독립 프로토콜이 사용되는 경우가 많다.

고로 여기서 OT가 문제가 되는데, 이는 전통적인 OT 시스템이 지닌 폐쇄성 때문이다. 또 현재 필드에지[Edge/Sensor & Actuator]에서부터 이더넷의 활용이 제한을 받고 있을 뿐 아니라 이더넷의 채택을 완벽하게 방해 받고 있다. 또한 본질안전[IS]과 같은 특수한 환경 요구사항은 일부 시행 시 여러 가지의 현실적인 문제가 대두된다. 특히, 100m 거리 제한과 가장 작은 부품에 대해 높은 구현비용이 계장분야, 특히 프로세스 자동화 시장의 발목을 잡고 있다. 현재, 일반적으로 버스[bus]나 포인트 투 포인트 링크[point to point links]와 같은 다양한 이더넷을 사용치 않는 아날로그 솔루션들은 완전한 디지털 솔루션을 위해 이더넷을 강화시킬 수밖에는 다른 대안이란 없다고 보아야 한다. 이러한 복합 시스템의 문제에는 애플리케이션 게이트웨이와 프록시[Proxy/프록시는 client 에게서 오는 데이타를 서버에서 대신 실행시켜주는 방식을 말함.]의 추가적인 복잡성, 많은 네트워킹 기술에 대한 전문 기술의 습득, 산업사물인터넷[IIoT] 및 관련 용도를 위한 IP 관련 프로토콜 융합[Convergence]의 부족 등이 포함되어있다. 수요의 충족과 실현의 가능성은 프로세스계장 자동화 산업박람회 시연을 통해 원거리에 이미 입증된 기존의 단일 쌍 구조[Single pair Architecture]이상의 혁신적인 비용절감기술을 지속적으로 추진함으로써 그 가치를 확장 할 수가 있다. 2016년 7월, IEEE 802.3은 “10Mb/s 단일 트위스티드 페어 이더넷 스터디 그룹[Single Twisted Pair Ethernet Study Group”(비공식적으로 “10SPE”로 알려져 있음)]을 승인하여 이러한 격차를 해소하기 위해 일련의 이더넷을 개선하는 개발사업을 여러 기관과 기업이 컨소시엄으로 참여하여 공동으로 추진하기 시작했다. 본 논문에서는 여기에 깊이 관여한 IEEE의 활동과 산업 자동화 시장에 대한 잠재적인 이점에 대해서 논의코자 한다.

키워드[Keywords]

이더넷, IEEE 802.3, IEEE 802.35, 10SPE, 단일 쌍[Single-pair], 산업자동화, 프로세스자동화, Incabinet, Fieldbus, IEC 60079, 본질안전, NAMUR[독일의 프로세스자동화 유저그룹], ODVA, EtherNet/IP 2017 ODVA Industry Conference 2 © 2017 ODVA, Inc.

용어의 정의[Definition of terms]

Industrial Automation – 디스크리트[Discrete], 프로세스, 및 하이브리드[Hybrid(Batch)]자동화
NAMUR – 프로세스 자동화 유저그룹[Germany]
IEEE 802.3 – MAC 및 PHY 정의를 포함한 이더넷 표준 프로토콜
PHY – 링크 레이어를 물리적 매체에 연결하는 PHYSical 레이어
MAC – Medium Access Control layer(IEEE)
IP – Internet Protocol
CFI – IEEE 802.3 Call For Interest
SG – IEEE 802.3 Study Group
TF – IEEE 802.3 Task Force
PAR -프로젝트 승인 요청[Project Authorization Request]
CSD – 표준 개발 기준[Criteria for Standards Development]
Fieldbus – 실시간 제어를 위한 산업용 네트워크 프로토콜[Industrial network protocol for real-time control]
Industrial Ethernet – 이더넷을 통해 작동 가능한 필드버스 프로토콜[Fieldbus protocol operable over Ethernet]
Edge – 네트워크 코어에 부착된 리프노드(리프노드는 하위 노드가 없는 바이너리 트리의 의미)[즉, 여기서는 센서 및 액추에이터를 말함.)[Leaf nodes attached to a network core, i.e., sensor and actuators]
Gateway – ISO 모델 계층에 걸친 네트워크 프로토콜 컨버터[Network protocol converter spanning ISO model layers]
Switch – IEEE 802.3 브리지, MAC 주소를 기반으로 전달[IEEE 802.3 bridge, forwarding based on MAC addresses]
IT – 정보기술[Information Technology]
OT – 운영기술[Operational Technology]
MES – 제조시행시스템[Manufacturing Execution Systems]
Purdue Model – 계층화된 기능 자동화 모델[Layered functional automation model]
IIoT – 사업사물인터넷[Industrial Internet of Things]
IEC 60079 – 폭발대기 표준[본질안전포함)
Intrinsic safety – [본질안전]폭발 성 환경에서의 안전한 장비운전이 가능한 방법
Zone – 폭발 환경분류[일반적인]-EU기준[Explosive environment classification, commonly EU]
Division – 폭발 환경분류-미국기준[Explosive environment classification, US]
FISCO – 필드버스 본질안전 컨셉[Fieldbus Intrinsic Safety Concept]
Point-to-point – 각 단의 끝에서 단일 장치와의 통신링크[Communication link with a single device at each end]
Multi-drop – 여러 장치가 동일한 링크를 공유하는 통신링크[Communication link with multiple devices sharing the same link] / 데이터 전송 방식에서, 하나의 회선에 다수의 단말 장치를 접속할 수 있도록 한 것
Full-duplex – 양 방향동시통신[Simultaneous communication in both directions on a link]
Half-duplex – 단 방향일방통신[Communication in a single direction at a time on a link]
CAN – Communication protocol, Controller Area Network[CAN칩 이라고 부름]
HART – Communication protocol, Highway Addressable Remote Transducer[주소를 리모트로 읽어 들이되 고속도로를 달리듯 빠르게 읽어드리는 프로토콜이란 뜻의 약어이며 프로세스계장의 DCS등에 필수적으로 써왔던 전통적 프로토콜]
MCU – 비 메모리 반도체/시스템 반도체[Micro Controller Unit]
ASIC – 주문형 반도체[Application-Specific Integrated Circuit]

상표[Trademarks]

HART®, HART-IP™ 및 Foundation™은 FieldComm Group 상표이고, PROFIBUS, PROFINET 및 IO-Link는 PROFIBUS Nutzerorganization e.V의 상표이다[PNO:Profibus Nutzerorganization e.V]. DeviceNet™, CompoNet™ 및 EtherNet/IP™는 ODVA INC의 상표이다. CANOpen®은 모드버스-CAN의 상표이다. ®은 Schneider Electric USA, INC의 상표이다. CC-Link 및 CC-Link IE는 미쓰비시 전기 주식회사의 상표이다, AS-인터페이스는 바이너리 액추에이터 및 센서에 대한 버스기반 인터페이스 협회[Verein zur Forderung busfahiger Interfaces fur Binare Aktuatoren und Sensoren]e.V의 상표이다. INTERBUS는 피닉스컨택트 GmbH & Co의 상표이다.

단일네트워크(이더넷)비전[Single network (Ethernet) vision]

일반적인 PROCESS계장 자동화에 있어서의 비전이란 클라우드 에서부터 현장 계측기기에 이르기까지의 단일 네트워크의 총체적인 패러다임의 완성을 말한다. IP 프로토콜을 사용하는 산업용 이더넷은 MES[생산관리시스템/Manufacturing Execution System]및 대부분의 컨트롤러와 사용자 인터페이스, 그리고 수많은 현장의 애플리케이션에 적합하도록 IT와 OT를 연결할 수 있게 해 주었다. 그림 1은 이전 ODVA 컨퍼런스에서 설명한 바와 같이 프로세스 자동화를 위한 단일 네트워크의 비전을 보여주는 일 예다. 팩토리 오토메이션, 오토모티브[자동차]등의 업계가 지금 모두 동일한 디지털화에 대한 비전을 갖고 있다. 프로세스 자동화 및 공장 자동화를 포함한 산업자동화의 경우 현재 이더넷 솔루션을 채택하였으며 대부분 퍼듀모델[Purdue model/ (미) 퍼듀 대가 만든 모델]의 상위수준을 만족시킨다. 문제는 프로세스 자동화 엣지[Edge란 원래는 구형 Microsoft의 Explorer대신 새로 나온 신형 Web Browser를 지칭하는 말인데, 프로세스 계장분야에서는 현장부근에 설치된 밸브와 각종 액추에이터들을 “엣지” 라고 말함.]에 있는 모든 프로세스 계측기기에 이더넷을 사용할 수 있는지의 여부와 공장에 산재한 엣지에 있는 모든 디스크리트[이산]센서 및 밸브류에 이더넷을 사용할 수 있는지의 여부가 관건이 된다. 현재로서는 계장의 이더넷 화에 격차가 좀 남아있는 셈이다. 이더넷은 아직은 엣지[밸브와 각종 액추에이터들]에 있는 많은 장치에 연결하는 필드버스를 교체하는 데 필요한 특수기능이 다소 떨어진다고 본다.

단편화된 네트워크의 수명주기비용의 추가[Added lifecycle cost of a fragmented network]

다양한 비-이더넷 솔루션[일반적으로 필드버스 또는 포인트 투 포인트 링크(point-to-point links)]는 완벽한 솔루션을 위해 산업용 이더넷을 강화시킨다. 그림 2처럼 게이트웨이는 엣지에 배치한다. 신호는 각 네트워크 계층에서 물리적 계층으로부터 애플리케이션 계층으로 변환이 된다. 게이트웨이를 활용하는 시스템에는 수많은 추가적인 라이프사이클 비용이 많이 소요된다. 관리해야 할 네트워크 표준이 많으며 게이트웨이가 많을수록 많은 비용이 추가된다. 하나의 비용은 적절한 자격을 갖춘 노동력의 소싱과 관련이 있다. 대부분의 사람들은 중등 교육시절부터 이더넷에 어느 정도 익숙하게 되고 개인 생활에 있어서 각자는 대부분 어느 정도 이더넷을 활용할 줄 안다. 그러나 필드버스 지식은 누구나 알 수 있는 게 아니며, 그 위치와 알려는 의지에 따라 전문적 지식습득을 하게 된다.

또 설계에 있어서는 이더넷 화 시에 복잡성이 증가한다. 일반적으로 이더넷 화 시에 별도의 애플리케이션 프로그래밍이 필요하다. 네트워크 간에 별도의 태그를 스캔 할 수 있으며 타이밍 때문에 상호 운용 성에 문제가 발생할 수 있다. 클라이언트/서버 프로토콜은 종종 네트워크 간에 전달하기 어려울 수가 있고 기능이 손실될 수 있다. 설치상의 복잡성도 증대된다. 다양한 케이블, 커넥터, 터미네이터-규칙 및 툴링이 필요하다. 특히 한 사람이 두 개의 네트워크에 대한 정밀한 지식을 보유하지 않는 경우 유지관리에 있어서의 복잡성이 증대 될 수 있다. 게이트웨이와 컨트롤러에서 프로그램을 분리하면 일관성 문제가 발생할 수도 있다. 또 인증의 복잡성이 증가 할 수도 있다. 필드버스 및 포인트 투 포인트 연결은 일반적으로 IP 통합이 결여되어 있어 IIoT 및 기업융합[converged enterprise]에 있어서 최신의 트랜드에 대하여 사용상 복잡성이 존재할 수밖에 없다..

산업용 이더넷으로의 전환[Partial migration to Industrial Ethernet]

1990년대 후반까지 산업 자동화는 컨트롤러와 I/O 간의 결정적인 통신을 위해 비-이더넷 필드버스에 전적으로 의존했다. 경제적인 이더넷 스위칭[Economical Ethernet Switching]의 출현은 산업용 이더넷에 대한 적절한 결정을 가능하게 하였다. 그 이후 이더넷 기반 네트워킹의 채택과 관련하여 IP 스택의 사용이 점차 증가하고 있다고 발표되었다. 2016년, HMS는 전체 산업 통신 시장이 여전히 성장하고 있다는 보고서를 발표했다. 그림3에서 필드버스의 점유율은 58%이며 7%정도 성장을 하였다고 보고했다. 이더넷의 점유율은 38%에 달했고 20%나 성장을 했다.

시간이 지남에 따라 필드버스 변종[variants]의 숫자는 상당히 늘어났다. 그림 4는 부분적 목록을 보여준다. 필드버스에는 중복이 거의 없는 전체 네트워크 스택이 포함되었다. 산업용 이더넷은 많은 애플리케이션 계층의 전환[migration]을 가능하게 했으며, 최종 사용자의 일반적인 하드웨어와 구성개념을 증가시킬 수 있었다. 산업 용 이더넷[Industrial Ethernet]을 위한 추가 드라이버는 PC 및 애플리케이션 서버를 통한 구성 및 모니터링을 포함하여 정보 목적으로 거의 완전한 대체품이 되었다. 산업 용 이더넷[Industrial Ethernet]의 매력에도 불구하고, 그간 상당기간 사용해왔던 많은 산업 용 이더넷에서 사실은 부분적인 전환[Migration]만 있었다고 볼 수밖에 없다.

엣지의 기존 이더넷과의 격차[Existing Ethernet gaps at the edge]

필드 엣지에서는 이더넷의 활용을 제한하는 다양한 실질적인 문제가 존재하는데, 특히 프로세스계장 자동화 기기 및 공장 자동화 기기 내 캐비닛[in-cabinet] 구성 요소의 경우에 그러하다. 한 가지 문제가 되는 것은 기존의 유선 이더넷 거리의 제한은 기본이 100m에 불과하다. 그러나 프로세스계장 자동화에는 일반적으로 1000m 이상의 긴 인터넷[이더넷]배선의 길이가 필요하다. 유리섬유[Glass fiber]는 설치와 인터페이스의 복잡성이 증가해야만 거리를 늘릴 수가 있다. 플라스틱 광섬유(POF:Plastic Optical Fiber)의 거리는 유선 이더넷과 유사하다. 두 경우 모두 섬유는 전력을 직접 전달하지를 않는다. 특별한 환경적인 요인으로 가장자리[끝 부분]에 존재하며, 요구 사항을 여기에서 가져온다. 폭발적으로 증가하는 환경, 즉 프로세스계장 자동화에서 본질안전장치 및 시스템 솔루션에 대한 선호도를 높이는 것을 한 예로 볼 수 있는데, 전력 분배에는 더 많은 우려를 불러 올 수 있다. 즉 우리가 모두 사용하는 PC의 예를 보자. 여러분들은 현재 PC등의 단말기에서 인터넷[이더넷]선과 전원선[파워케이블]을 각각 별도로 따로따로 끌어다 쓴다. 프로세스계장 자동화 기기 및 공장 자동화 기기의 사용에 있어서 인터넷[이더넷]선과 전원선[파워케이블]을 각각 따로 끌어다 쓴다면, 공장의 케이블과 커넥터의 크기는 작은 구성 요소에서 심각한 문제가 될 수 있고 뿐만 아니라 드넓은 현장에서 파워케이블과 통신 선을 따로따로 분리 배송 한다면 큰 문제가 야기 될 수 밖에 없다. 여기에 이를 해결 할 아주 적합한 솔루션이 있는데 그것은 단일 쌍 이더넷[SPE]이다. 단일 쌍 전력 및 통신 솔루션이 장점이 된다는 말이다. 본질적으로 안전한 전력은 또 다른 전문화된 요구일수 있다. 특히 프로세스계장 자동화에서 레거시 케이블(shielded twisted pair)및 커넥터에서 작업을 허용하는 것이 유리할 수 있다. 한 가지 이유는 이더넷 노드로 필드버스 또는 포인트 투 포인트 엔드 노드를 경제적으로 대체하게 할 수 있도록 하기 위함이다. 또 다른 방법은 현재의 간단한 나사단자의 설치 관행을 유지하는 것이다. 또한 일부 발전소의 예를 들면 장기간(30년 이상) 가동 중인 것이 대부분인데 여기서 또 하나의 대량 케이블을 끌어다 쓴다면 일정량의 부하를 쓰는 다른 발전소에 손실을 가져다 줄 수가 있다[국가 차원에서]. 마지막으로 폭발환경의 공통사례(FISCO)를 통해서 특정 케이블의 설계 및 인증을 용이하게 할 수 있다(IEC 61158-2). 인 캐비닛 부품과 기타 산업용으로 제약을 제공하는 장치는 기존의 필드버스나 포인트 투 포인트 솔루션(흔히 센서 네트워크라고 함)에 비해 높은 구현 비용을 견디기 어렵다. 스위치 또는 선형 토폴로지에 대한 요구사항은 이더넷에서 가장 작은 구성요소를 경제적으로 외면해 버릴 수가 있다. 이러한 이더넷의 결함을 현재의 필드버스 및 포인트 투 포인트 솔루션 내에서 해결 할 수 있느냐의 문제는 중요하다. 이더넷이 이러한 결함을 해결하지 못한다면 산업용 이더넷을 위한 단일 네트워크의 비전은 결코 완성되지 않을 것이다. 여기서 논위하는 이더넷은 이러한 문제를 극복하기 위해 IEEE 802.3에 주목을 한 것이다. 다행이 IEEE 802.3은 이러한 문제를 한 큐에 해결해 줄 수 있는 이더넷 솔루션의 “패밀리” 중 하나인 것이다.

프로세스 자동화-수요[Process Automation demand]

프로세스계장 자동화 공장의 예는 그림 4-1에 나와 있다. 네트워크의 설치현황을 보면 중앙제어실[CCR]과는 멀리(1000m 이상) 떨어져있고 종종 폭발도 존재하는 위험한 환경에서 많은 숫자의 현장 계측제어장치(센서 및 액추에이터)들이 타워와 탱크 및 베 셀들 사이에 배치되어 있는 모습을 특징으로 하고 있다[그림 4-1 참조]. 기존의 4-20mA 아날로그 신호는 구성배치 및 자산관리의 목적으로 하트프로토콜[HART Protocol / 4-20 mA 신호로 변조된 1200 보드 디지털 통신망]을 추가하여 제어를 위해 널리 사용하고 있다. 보다 현대적인 필드버스 솔루션인 PROFIBUS PA 및 Foundation Fieldbus는 두 가지 목적을 위해 31.25 kb/s 디지털 방법을 제공한다. 현장에는 많은 양의 레거시 케이블들이 기존현장에 배치되어 있다. 최근 디지털 분야에서 가장 흔한 디지털 케이블을 말한다면 파워선과 인터넷 선이 동축케이블로 되어있는 단일 쌍 케이블[single pair cable]이다. 플랜트 수명이 30년을 초과하는 경우가 많기 때문에 일반케이블 재료는 취약할 수가 있다. 따라서 일반적인 새로운 케이블-풀링 [Pulling new cables]을 시도하는 일은 위험을 수반한다. 여기에 선호되는 케이블은 내적 안전성을 위해 인증을 쉽게 하도록 설계가 되어있다. 하트[HART]가 성공을 한 한 가지 이유는 설치된 케이블의 베이스를 보존했기 때문이다. 폭발적인 환경 위험도에 따라 각 발전소는 지역 당국의 규제에 따라 구역을 위험지역으로 구분하고 있다. 구역(0, 1 또는 2)는 주변 대기에 점화 가능한 농도의 위험 물질이 존재할 확률을 정의한다. 가스, 증기 또는 먼지 등의 혼합 공기의 폭발적 특성은 관련된 특정 물질에 따라 다르다. 점화 온도 및 폭발압력 이하로 유지하려면 장비에 제한을 두어야 한다.[다음을 참조하기 바란다.]

• 구역 0: 폭발 성 가스-공기 혼합물이 장기간 지속적으로 존재하거나 존재하는 영역이다.
• 구역 1: 가연성 또는 전도 성 먼지가 존재한다. 정상 작동 시 짧은 시간 동안 폭발가스-공기 혼합물이 발생할 가능성이 있는 영역이다.
• 구역 2: 폭발 성 가스-공기 혼합물이 발생할 가능성이 낮고, 발생할 경우 비정상적인 상태로 인해 매우 짧은 시간 동안만 존재할 가능성이 있는 영역이다.

영역마다 다른 보호 방법이 적용된다. 고유 안전방법(Ex i)은 고장 시 폭발을 방지하기 위해 적절한 보호회로 설계에 의해서 에너지를 엄격히 제한한다. Ex i는 존[Zone] 0에서 언급된 방법이다. 강화된 안전방법(Ex e)은 기기에 대한 제한이 적고, 존[Zone] 1에 적절하다.

프로세스 자동화에서는 이미 일부 애플리케이션에 이더넷을 채택[Process Automation has already adopted Ethernet for part of the applications]

현장에서 사용할 수 있는 이더넷 기반 솔루션의 한 가지 이점은 고객에게 엔지니어링 노력을 덜 요구하는 동종 네트워크를 제공한다는 것이다. 정보기술(IT)이 운영기술(OT)로 수렴되고 있기 때문에 이벤트와 프로세스, 장치 모니터링이 쉬워지고 기업 및 산업 운영에서 조정이 쉬워진다. 긴 플랜트의 수명은 기존의 플랜트들을 대체하기 보다는 업그레이드에 대한 압력을 받는데, 이는 장기적인 추세로 볼 수 있다. 기존 프로세스계장 분야를 더욱 개선하고 다운타임을 줄이기 위해서는 프로세스 정보 및 장치(진단 데이터)가 필요하다. 이더넷 기술을 기반으로 한 동종 네트워크는 산업 사물 인터넷[IIoT], 빅 데이터[Big Data], 클라우드[Cloud] 및 분석 기술을 활용하여 발전소의 예에서는 발전소를 최적화하며 수명을 연장하고 있다.

사용자들은 최근 모든 공장을 이더넷으로 표준화한다는 비전을 제시[Users have recently put forth the vision of standardizing on Ethernet for all of the plant]

NAMUR (Normen Arbeitsgemeinschaft für Meß und Regelungstechnik in der chemischen Industrie) 는 독일의 공정산업의 자동화 기술 국제사용자 협회이다. 비록 독일에서 설립되었고 처음에는 화학산업에 초점을 맞추어 활동했지만, 그들의 범위와 영향력은 더욱 넓어지게 되었다. 그들은 151개의 회원 사와 2000개 이상의 전문가를 보유하고 있다. 2016년 NAMUR는 프로세스 산업을 위한 포지셔닝 페이퍼 이더넷 통신 시스템[“Position paper An Ethernet communication system for the process industry”]을 발표하였으며, 이더넷의 단일 네트워크 비전[single network vision]을 밝혔다. 이더넷은 새로운 이더넷 관련 요구사항과 함께 필드버스(NAMUR NE 74)의 일반적인 레거시 요구사항들을 충족해야 한다.

프로토콜 요구 사항(부분)[Protocol requirements (partial)]

• IEC 61784-2의 최소 적용 프로토콜 요구사항- CPF2/2(EtherNet/IP) 및 CPF3/5(PROFINET IO Class B)
• 안전, 시간 동기화, 옵션 중복, 보안, IPv6……
• 간단한 장치 통합 및 교환

이더넷 PHY 관련 요구사항[Ethernet PHY-related requirements]

• 통신 및 현장 장치 전원을 전달하는 2선 케이블
• 폭발 및 비 폭발 환경(내부 안전)에 적합 o FISCO 또는 유사한(간단한) 인증 방법론 허용
• NE 21 EMC 호환성
• NE 74 커넥터 및 설치
• 4-20mA HART와 비슷한 비용

이더넷으로의 전환[Migration]에서는 스위치 아키텍처(그림 5)가 채택이 된다. 이것은 4-20mA의 홈런[통신망] 배선과 필드버스의 멀티 드롭 토폴로지의 전환이다. 집진 캐비닛(Zone 2, 제어실 근처), 필드 정션 박스(Zone 1) 및 필드장치(Zone 0)의 업그레이드는 간단한 전환을 위해 케이블 끝[단말]에서 접근할 수 있다.

설치 비용과 케이블링 노력을 줄이기 위해 그림 5와 그림 6에 표시된 대로 트렁크[Trunk]와 스퍼[Spur]를 통해 현장에 연결할 수 있다. 트렁크와 스퍼는 필드와의 통신에 충분한 대역폭을 제공하고 필드 장치에 전력을 공급한다. 트렁크와 스퍼는 IEC 61158-2 유형 A 케이블에 설명된 대로 단일 트위스트 페어 차폐 케이블을 사용하는 것이 이상적이다. 모든 기기에 이더넷을 가져오고 NAMUR에서 설명한 대로 엣지[밸브/센서/액추에이터]에서 최종 사용자 비전을 충족시키는 것은 이더넷의 공백을 메우는 것을 의미한다.

• 제어실 및 제어실 사이의 장거리 범위 현장 장치 -> 1000m 이상 및 수백 개의 장치
• 경제적인 케이블 연결 및 현장 전력 공급 -> 레거시 단일 쌍 케이블을 통한 전력
및 통신
• 폭발적 환경에서의 운영 –> 고유 안전 IEEE 802.3 – 10SPE 프로젝트 목표는 프로세스
자동화에 대한 정확한 요구사항이다.

일반 자동차분야의 수요[Automotive demand]

2011년부터 자동차[Automotive]는 차량 내에서 이더넷으로 긴 변화를 시작했다. OPEN Alliance SIG(One-Pair Ether-Net)는 초당 100 Mb의 속도로 단일 쌍 이더넷[single pair Ethernet]의 표준화를 시작하였다. OPEN 사양은 IEEE에 도입되어 100BASE-T1이 되었다. 두 번째 보완 IEEE 단일 쌍 이더넷 표준(1000BASE-T1)도 사용할 수가 있다. 자동차용 이더넷의 초기 드라이버는 인포테인먼트 애플리케이션[Infotainment application]이다. 여기서는 비교적 높은 속도로 주행을 하지만 중요한 차량 제어의 일부는 아니다. 개방형 연결의 이점은 이더넷을 통해 얻을 수가 있다. 단일 페어에 대한 정당성 중 하나는 와이어링 하니스[wiring harness]가 자동차에서 가장 무거운 개별 구성 요소 중 하나가 되었다는 것이다. 통신과 장치전원을 결합한 호환 IEEE 802.3bu 1-페어 파워 over Data Line[compatible IEEE 802.3bu 1-Pair Power over Data Lines]을 통해 추가적인 배선의 감소가 가능하다. 다양한 이더넷 향상 기능은 더 큰 비전의 일부이다. 현재의 아키텍처는(필드버스 상황과 유사한) 전문화되고 호환되지 않는 여러 네트워크를 차량 전체에 배치한다. 그림 7은 이더넷 기반의 일반 자동차의 아키텍처를 보여준다. 라우팅 및 계산자원[computational resources]이 있는 코어와 엣지가 있다. 단일 네트워크(이더넷)에 통합하면 상당한 이점을 얻을 수 있다. 차량 전체에 걸쳐 있는 애플리케이션은 가상 네트워크를 활용하여 비용을 절감하고 배선을 줄이며 확장/유연성을 추가할 수 있다.

전체 전환[Migration]을 허용하려면 추가 이더넷 옵션이 필요하다. 하이엔드[high end]에서는 최근 자율운전에 필요한 레이더·비전센서 등 기기와 관련 응용에 필요한 높은 속도를 해결하기 위해 멀티-긱[Multi-Gig]이더넷을 연구하는 IEEE 그룹이 결성됐다. 엣지에는 심플센서와 액추에이터 장치도 매우 많이 배치되어 있다. 이들 중 다수는 CAN과 같은 네트워크의 서버로, 엄격한 비용 제약을 충족할 수 있다. 자동차 내부에서도 이더넷을 활용해야 한다는 요구가 있지만 어쨌든 이더넷 시스템 비용을 크게 줄여야 한다. 산업자동화에서 인-캐비닛[in-cabinet] 및 이와 유사한 비용제약 애플리케이션은 경제적인 이더넷 솔루션의 이점을 누릴 수가 있다. 과거의 자동차 회사에서의 CAN의 활용은 공급업체 및 부품 선택의 편의성과 경제적인 이점을 노린 것 이었다. 그간 여기에 참여했던 산업은 산업자동화, 자동차, 빌딩 자동화 및 조명분야 등 이다.

이더넷 에지 공백을 메우기 위한 10SPE의 등장[10SPE emerges to fill Ethernet edge gaps]

2016년 7월, IEEE 802.3은 “10Mb/s 단일 트위스트 페어 이더넷 스터디 그룹”(비공식적으로 “10SPE”로 알려져 있음)을 승인하여 이더넷 에지 장치의 격차를 해소하기 위한 일련의 이더넷 개선의 개발을 시작한 것이다. 참여 산업은 산업 자동화, 자동차, 빌딩 자동화 및 조명 등이다.

IEEE 프로세스 및 10SPE의 상태축약[Abbreviated IEEE process and 10SPE status]

단순화된 IEEE 프로세스는 그림 8에 나와 있다. 잠재적인 새로운 표준 활동은 CFI(Call For Interest)로 시작된다. 이해 당사자들은 시장 요구를 충족시키기 위한 기본 요구 사항을 설명하는 프리젠테이션에 협력 과 참여를 한다. 활동 가치에 대한 관심과 합의가 충분하면 스터디-그룹(SG)이 형성된다. SG의 목적은 세 가지 결과물을 완성하는 것이다. 첫 번째는 프로젝트 구성을 요청하고 목적을 설명하는 프로젝트 승인 요청(PAR)이다. 두 번째 결과물은 표준개발 기준(CSD)으로, 일련의 질문(즉, 프로젝트가 고유한지의 여부, 광범위한 시장 잠재력이 있는지의 여부, 실현 가능한지여부 등)에 답한다. 세 번째 결과물은 중요한 성공 기준을 설정하고 솔루션을 제한하는 일련의 목표(상위 요구사항)이다. 만일 SG자료가 완성되고 SG와 감독 기관들의 집합에서 받아들여질 경우, 태스크포스(TF)가 구성된다. TF의 목적은 기본 IEEE 802.3 표준의 개정 초안을 작성하는 것이다.

그림 8은 10SPE 상태를 보여준다. CFI는 2016년 7월에 완료되었다. 10SPE SG는 2016년 11월에 완성되었다. TF(IEE P802.3cg)의 첫 번째 대면 회의는 2017년 1월에 예정되어 있었다. 현재의 표준은 2019년 중에 완성되었다.

간소화된 10SPE의 목표[Simplified 10SPE Objectives]

10SPE SG 목표의 간단한 집합을 다음과 같이 나열한다.
• 최대 2개의 PHY – 최소 1km 도달에 최적화된 PHY
• 포인트 투 포인트 – 최대 15m 도달에 최적화된 포인트 투 포인트
• 시스템 비용 절감에 대한 기대 • 멀티 드롭 옵션도 제외되지 않았다.
• 자동차 및 산업 환경에서의 작동(EMC, 온도)
• 기존 MAC 인터페이스
• 10Mb/s
• 자동협상(선택사항)
• 단일 균형 트위스트 페어[Single balanced twisted pair]
• 페어에 대한 선택적 전원분배
• 빠른 시작(100ms)
• 본질안전[intrinsic safety]을 배제하지 않는다.

목표는 주로 산업 및 자동차 관련 문제에 의해 주도되고 있다. 빌딩 자동화 및 조명은 그들의 욕구가 충족될 수 있도록 목표가 적절한 것으로 기대한다. 산업의 주요 동인은 확장된 도달거리를 달성하는 것이다. 산업의 경우, 도달 범위는 최소 1000m이다. 자동차의 경우 도달 거리가 최소 15m이다. 주요 자동차 운전자는 시스템 비용 절감을 달성하고 있다. 이것은 산업에서의 인 캐비닛[incabinet] 및 기타 원가 제약 적용에 대한 잠재적 적용가능성을 가지고 있다. 통신 채널과 환경이 다르고 거리와 비용을 최적화하면 PHY[링크 레이어를 물리적 매체에 연결하는 PHYSical 레이어]가 생성된다는 것을 인식했다. 많은 목표가 공통적이기 때문에, 여전히 중복과 재사용을 달성하기를 희망한다. 산업분야와 자동차분야에서는 기존 MCU, 스위치 ASIC, IP 코어에 표준 인터페이스를 제공하는 기존 MAC 인터페이스를 활용하기를 기대하고 있다. 선택 사항인 간단한 직렬 인터페이스는 자동차의 저가 에지 장치는 제외를 하지 않는다. 둘 다 10Mb/s 속도로 만족한다. 대상 애플리케이션은 현재 그리 까다롭지 않다. 프로세스계장 자동화는 31.25kb/s에서 전환[Migration]이 된다. 향후 요금 상향 조정은 자동협상(Auto Negotiation)이라는 선택적 목표에 의해 조정이된다. 두 모델 모두 하나의 균형 잡힌 단일 쌍[twisted pair]에 걸쳐 작동하기 위한 목적을 가지고 있다. 이를 통해 일부 중요한 레거시 산업용 케이블의 재사용이 용이해진다. 또한 자동차의 비용과 케이블 하니스의 중량을 줄일 수 있다. 단일 쌍에 대한 선택적인 전력의 분배도 유사한 이점을 가질 수 있다. 자동차는 100ms의 빠른 시동을 필요로 한다. 산업에는 로봇 엔드 이펙터 툴링[robot end effector tooling](500ms)에 대한 빠른 시작 요구사항이 있다. 산업(특히 프로세스 자동화)의 특별한 요구는 본질안전[IS]이다. IEEE가 본질적으로 안전한 PHY를 표준화할 수는 없지만(장치와 시스템만 인증됨), 본질적으로 안전한 장치와 시스템을 설계할 수 있도록 조치를 취할 수 있다. 산업분야와 자동차분야 모두 포인트 투 포인트 및 전 이중[Full-duplex]통신을 지원한다. 다만 자동차분야에서 멀티드롭 옵션이 나올 가능성도 있다. 장치당 평균 인터페이스 수의 감소는 시스템 비용을 적절히 절감하는 데 중요할 수 있다.

ODVA에 대한 시사점 및 제안사항[Implications and suggestions for ODVA]

IEEE 802.3 – 10SPE가 빠르게 진행되고 있으므로 ODVA 기술 활동을 고려하는 것이 적절하다. IEEE PHY 표준은 기초를 마련하지만 완전한 해결책을 설명하지는 않는다. 솔루션을 완료하려면 다음이 필요하다.

• PHY 칩에서 와이어로 연결되는 프런트 엔드 회로(내장 안전 포함)
• 통신 채널 전원 켜기(내재 안전 포함
• 커넥터 사양
• 케이블 사양
• 관리 개체
• 잠재적인 멀티 드롭 프로토콜 향상
• 다목적의 적합성 시험 보완 솔루션은 산업 컨소시엄과 관련 국제 표준을 통해 등장할 것으로 예상된다.

이것들은 프로세스를 가속화하기 위해 채택될 수 있다. 그림 9는 ODVA 활동을 가속화하는 IEEE 표준(파란색)과 보완 솔루션(녹색)의 조합을 보여준다. ODVA는 이미 프로세스 자동화 시장을 위한 EtherNet/IP 솔루션 확장을 시작했다. 프로세스계장 산업을 위한 산업 이더넷의 최적화에 대한 ODVA와 NAMUR의 공동 협업이 이러한 발전을 가속화할 뿐이다. 프로세스 최적화[Process Optimization]SIG는 현재 EtherNet/IP 시스템에 HART를 통합하고 프로세스 자동화 장치에 대한 자기진단[Diagnostic]처리 정의를 다루고 있다. 이제 IEEE 802.3 – 10SPE 활동은 프로세스계장 자동화 장치를 EtherNet/IP에 직접 통합할 수 있는 가능성을 넓혀준다. 이는 ODVA 내의 여러 SIG에 영향을 미친다. ODVA는 또한 단일 EtherNet/IP 네트워크 솔루션을 달성하기 위해 산업 자동화 시스템의 가장자리에 있는 소규모 산업 구성요소 및 기타 제한된 장치로 EtherNet/IP를 확장하는 것을 고려할 수 있다. ODVA 공급업체는 완전한 솔루션을 위해 위의 영역에 대한 연구 또는 개발 활동을 시작할 것을 권장하며, 링크 세그먼트 정의, PHY 설계, 노이즈 모델 등에 대한 요구사항 입력 및 기술 제안까지 제공하여 IEEE PHY 표준 개발에 참여할 것을 권장한다.

요약[Summary]

자동화 도메인 간에 진행 중인 이더넷 마이그레이션에도 불구하고 단일 네트워크 비전은 기존의 이더넷 제한으로 인해 좌절된다. IEEE 802.3 – 10SPE 프로젝트는 새로운 물리계층을 지정하고 표준화하여 에지에서 이더넷 갭을 좁히는 목표를 발표했다. 프로세스 자동화 및 인캐비닛[in-cabinet] 및 기타 제한된 구성요소에 대해서는 패러다임의 변화가 발생할 가능성이 높다. ODVA는 단일 네트워크 비전을 실현하고 결과적으로 새로운 시장으로 확장하기 위해 결과를 기반으로 사양을 강화하도록 권장한다. ODVA 공급업체는 단일 네트워크 비전을 실현하기 위해 IEEE 표준 및 ODVA 사양 개발에 참여할 것을 권장한다.

표준기구[Standard Organizations]

참가기업들[Industry Partners]

참조사항[References]

NAMUR, “용 이더넷 통신 시스템을 배치한다.
“공정 산업”,
http://www.namur.net/fileadmin/media_www/Dokumente/Anforderung_Ethernet-NAMUR_2016-02- 25_EN.pdf

“IEEE 802.3 CFI, “10Mb/s 확장 리치 단일 트위스트 페어 이더넷 PHY”,
http://www.ieee802.org/3/cfi/0716_1/CFI_01_0716.pdf

IEEE 802.3 SG, “10SPE”(10 Mb/s 단일 쌍 이더넷),
http://www.ieee802.org/3/10SPE/index.htm

References NAMUR, “Position paper An Ethernet communication system for the process industry”, IEEE 802.3 CFI, “10 Mb/s Extended Reach Single Twisted Pair Ethernet PHY”, http://www.ieee802.org/3/cfi/0716_1/CFI_01_0716.pdf IEEE 802.3 SG, “10SPE” (10 Mb/s Single Pair Ethernet), http://www.ieee802.org/3/10SPE/index.htm