새로운 컨트롤 이노베이션

[산업일보]
Vnet/IP는, 1Gbps의 Ethernet을 베이스로 한 프로세스·오토메이션용의 리얼타임·플랜트·네트워크·시스템이다. UDP 프로토콜상에, 최적화된 Transport 프로토콜을 실장해, 실시간, 고신뢰성, 오픈성을 동시에 실현하고 있다. 향후, Yokogawa CENTUM의 기간 네트워크로서 사용함과 동시에, IEC의 국제 표준으로서 제안하고 있다.

머리말
글로벌 경쟁이 격화해 경영환경이 어지럽게 변화하는 현대 사회에 있어, 산업계는 생산성의 효율화와 시장동향에 즉시 대응 할 수 있는 구조의 구축이 살아남기 위한 필수 과제가 되고 있다. 이것을 해결하기 위해서는, ①시장 정보에 실시간에 반응할 수 있는 정보 결합, ②변화에 적응해 효율적인 생산을 할 수 있는 순발력, ③품질·코스트·납기를 확실히 지킬 수 있는 신뢰성, ④한층 더 변화에 대응해 유연하게 성장할 수 있는 성장성 등을 실현하는 생산 시스템이 필요하다. 그 때문의 가장 중요한 원가요소의 첫번째가 DCS 시스템이며, 한층 더 그 네트워크를 진화시켜 가는 것이 중요해진다.
한편, 일반의 정보통신 기술에 관심을 가져 보면, 인터넷이나 Ethernet 등이 폭발적으로 보급돼, 저비용으로 고속의 통신을 향수할 수 있게 되었다. 또, 이것에 의해 광역에 퍼진 여러가지 정보에 용이하게 액세스 할 수 있는 유비쿼터스 사회가 도래하고 있다. 통신의 층별로 최근의 동향을 보면, 상위 층에서는 Web 서비스, XML, 표준 Function Block 등 논리적인 정보 공유의 오픈화가, 하위층에서는 HTTP, TCP, UDP, IPv4/ v6, 고속 Ethernet 등 정보 전달의 오픈화가 진행되고 있다. 한편, 필드 통신의 분야에서는 디지털화, 인텔리전트화 등에 의해 오픈화의 범위가 넓어져 오고 있다.



플랜트에 있어서의 네트워크에는, 안정 조업의 요구로부터 실시간성이나 고신뢰성을 실현하기 위해서, 각사 독자적인 네트워크 시스템이 이용되어 왔다. 근년, 고속화나 오픈화의 요구로부터 Ethernet을 베이스로 한 플랜트·네트워크가 등장해 오고 있지만, 본래의 안정 조업 측면의 요구측면에서 어느정도 사용자측의 희생을 요구하고 있는 면은 부정할 수 없다. 그렇지만, 세상에 넓게 보급한 Ethernet은, 물량을 배경으로 한 압도적인 저비용과 인터넷 기술의 진보에 의한 기술 혁신의 속도와 장래성의 면으로부터, 이미 다른 통신 시스템과 맞겨룸 할 수 없는 것으로 진행 있어 생산 시스템에 대해도 안심해 사용할 수 있는 진정한 공업용 Ethernet의 등장이 요구되어 지고 있었다.
이와 같은 상황속에서 Ethernet의 실시간성 실현의 장해가 되고 있던 collision 문제가 스위칭 허브의 등장에 의해 해결된다. 또, 100Mbps의 Ethernet의 보급을 계기로, 진정한 의미로 생산 현장에서 사용 가능한 Ethernet을 개발하려고 하는 움직임이 갑자기 일어나고 있다.
당사에서는 실시간성, 고신뢰성과 오픈성을 양립시킨 Ethernet 베이스의 플랜트 네트워크 시스템 Vnet/IP를 개발했다. 이번 개발한 Vnet/IP는, 프로세스·오토메이션용의 리얼타임 Ether net의 IEC 국제 표준으로서 현재 등록되어 사용되고 있다.

공업용 Ethernet의 동향
Ethernet는 본래, 대량의 데이터를 전달하는 시간에 대하여서는 그다지 크게 신경쓰지 않는다. 또한 전송 하는 목적으로 하고 있어 실시간성의 관점에서부터, 그대로 생산 시스템에 사용할 수 없다. 생산 시스템으로 요구되는 고신뢰성의 방식등도 규격화되지 않고 있어, 생산 시스템에 있어서 안정 조업의 요구를 만족할 수 없다.
이 때문에, 각국의 오토메이션 Supplier는 컨소시엄을 설립해, Standard의 획득을 목표로 하는 한편, IEC나 ISO 등 국제 표준화 단체에 의한 Standard 제정의 움직임도 시작되어 왔다.
공업용의 계측과 제어에 관한 표준화를 실시하는 IEC의 TC65<그림 1>에 있어서의 공업용 Ethernet의 표준화 활동은, 필드버스(field bus)의 국제 표준화 이래의 중요한 움직임으로서 세계의 주목을 끌고 있어 2007년의 국제 표준 발행을 목표로 작업이 진행되고 있다.

Vnet/IP의 특징
IEC 의 RTE(Real-time Ethernet) 표준화 활동에서는 10가지 종류의 테크놀로지가 제안되고 있다. 많게는 모션 제어 등 이른바 FA전용의 통신 시스템이며, 연속 프로세스 제어의 통신 시스템의 요건을 충족시키고 있는 PA용의 RTE 는 대부분 없는 것으로 파악되었다.



Vnet/IP는, 중 규모로부터 초대형 규모까지의 연속 및 배치 프로세스 제어의 적용을 의도해 DCS용으로 개발된 네트워크이다. 플랜트 내에 분산한 대량의 정보를 100ms정도의 실시간성으로 Flexible하게 교환하기 위해서 최적화되고 있다. 초대형 규모 시스템으로 안정 동작할 수 있는 능력은, 중소 규모의 플랜트에 대해도 필요하고, 또 생산성 향상을 위한 트래픽 증가에 대해서도 여유를 가져 대응하는 것을 기존으로 하고 있다.
Vnet/IP는, 1Gbps의 Ethernet을 베이스로 한 플랜트·네트워크이며, CENTUM CS3000 R3. 05로부터 도입되었다. 종래부터의 Vnet와 실시간에 접속하는 것이 가능하고, 기존의 DCS 시스템을 새로운 생산 시스템에 진화시켜, 한층 더 발전시키는 기반이라고 할 수 있다.

Vnet/IP의 아키텍쳐
근년까지 제어계의 네트워크와 정보계의 네트워크는, 각각의 목적을 위해서 독립해 병렬로 구성되어 지는 경향이 두드러지고 있다. 이 방법은 가격적인 문제가 있을 뿐만 아니라, 각종 제어장치나 광범위하게 부설된 인텔리전트인 필드 기기 등의 보전 데이터나 엔지니어링·데이터를, 제어 데이터와 제휴시켜 유기적으로 활용하기 위한 장해가 되고 있었다.
이 2개의 통신 계통을 하나의 네트워크 위에 통합하기 위해서는, 각각의 요건을 배려해 서로 간섭하지 않게 할 필요가 있다. 특히 직접 제어에는 관계하지 않는 통신이, 제어에 직접 관계하는 Critical 한 통신에 악영향을 미치지 않는 것이 필수 조건이다.
(1) 프로토콜·프로파일
Vnet/IP의 프로토콜·스택의 프로파일은, Ethernet, UDP/IP라고 하는 표준 규격 위에 고신뢰성과 실시간성을 실현하는 새로운 Trans port층을 생성한다. 상위층에는 종래부터의 CEN TUM의 자산을 쓸 수 있는 CENTUM 프로세스·데이터 액세스·프로토콜과 OPC나 SOAP라고 하는 세계 표준의 프로토콜이 공존해 실장 할 수 있는 구조로 구성되어 있다<그림 2>.
(2) 실시간성
실시간성의 실현을 위해서, 송신 스케줄링 기술, 우선 제어 기술 및 고속 응답의 기술을 채용하고 있다.
송신 스케줄링은, 복수의 송신국이 동시에 대량의 패킷을 송신했을 때에, 스위칭 허브나 수신국에 있어, 전송 지연이나 패킷 소실에 의한 재시행 지연 등이 발생하는 것을 방지하기 위한 기술이다. 1Gbps의 스위칭 허브를 사용해도, 복수의 포토로부터 대량의 패킷이 동시에 수신되었을 경우에는, 내부의 버퍼가 꽉 차게 되어, 패킷 소실이나 지연이 발생할 가능성이 있다. Vnet/IP에서는, 100ms 의 매크로 사이클을 1ms의 시간 슬롯에 분할해, 각각을 송신국 마다 할당함과 동시에, 데이터의 특성에 응한 통신의 종류마다 독립한 시간 슬롯에 할당하고 있다.
또, IP프로토콜의 ToS(Type of Service) 필드를 이용해, 패킷에 4레벨 우선 순위를 부여해, 통신 국내에 각각 대응한 송수신 버퍼를 마련해 우선도에 응한 추월 처리를 실현하고 있다. 이 우선도 할부는, 스위칭 허브 등의 네트워크 기기로도 활용하는 것이 가능하다.
게다가 Transient인 통신 에러에 대해서 신속히 에러 회복을 실시하기 위해 즉시 응답의 프로토콜과 메모리카피를 최저한으로 억제한 UDP/IP 스택을 채용한다. TCP나 UDP에서는 실현될 수 없는 고신뢰로 고속의 데이터 전송을 실현하고 있다. 또, 대량 데이터의 전송이나 광역 접속용으로는, 응답 지연이 Throughput에 영향을 주지 않게, 복수의 패킷마다 필요에 따라서 송달 확인을 실시하는 방식을 채용하고 있다.



(3) 고신뢰성
Vnet/IP에서는 Fault Tolerance, Fault Avoidance 등의 높은 신뢰성을 실현하고 있다.
네트워크는 독립한 이중화 구성이 되고 있어 다른 한쪽의 계통에 고장이나 이상이 발생했을 경우, 자동적으로 순간에 경로 전환을 실시하는 것으로 실시간성을 유지하고 있다. 또, 네트워크내의 모든 국간의 경로는 진단 패킷의 송수신에 의해 상시 감시되고 있어 통상 사용되지 않는 경로의 이상도 즉시에 검출된다.
한층 더 Pair＆Spare의 이중화 콘트롤러의 CPU 제어권 변환시도 자동적으로 행선지의 변경을 실시해, 통신을 계속할 수가 있다.

(4) 오픈성
Vnet/IP에서는, TCP를 베이스로 한 FTP 나 HTTP 등의 표준 프로토콜을 이용한 엔지니어링·데이터나 보전 정보 등의 실시간성과 신뢰성을 필요로 하는 제어 통신과 혼재시켜 취급하는 것이 가능하다. 즉 이서네트(Ethernet)에 접속할 수 있는 여러가지 기기를 접속해, 멀티벤더의 네트워크를 구성할 수가 있다. 제어 통신의 실시간성과 신뢰성을 유지해 오픈 통신과의 혼재를 실현하기 때문에, 대역 제어, 통신 처리의 분할 및 사이버·보안 대책의 배려가 이루어지고 있다.
각 통신국의 내부는, 네트워크 접속을 위한 이중화 된 물리층과 MAC층을, 제어용의 통신 스택과 오픈 통신용의 데이터 링크·서비스 기능이 공유하는 구성이 되고 있어 다른 CPU에 실장되는 오픈 통신의 프로토콜 처리가, 제어 통신의 처리 기능에 악영향을 주지 않게 분리되어 있다.
또, 오픈 통신용의 데이터 링크·서비스 기능에는, 대역 제어 기능이 실장되고 있어 오픈 통신의 과대한 트래픽이 제어 통신에 영향을 주지 않게 되어 있다. 게다가 제어 통신의 트랜스폴트·프로토콜에는, 공개 암호열쇠를 이용한 보안기능이 실장되어 사이버공격에 대한 방어가 이루어지고 있다.

Vnet/IP의 시스템 구성
(1) 하드웨어
이번 개발한 하드웨어는, PC용 Workstation에 실장되는 Vnet/IP 인터페이스·카드(VI701), Vnet/IP대응의 컴팩트·콘트롤러(AFV10) 및 Vnet와의 접속을 실현하는 Vnet 라우터(AVR10) 등 3가지 기종이며, 각각 공통에 실장되는 Vnet/IP 제어용 ASIC에 의해, 소형화와 고신뢰화를 실현하고 있다<그림 3>.



VI701는, 현재 Vnet에 접속 가능한 CENT UM의 PC Workstation 베이스의 각종 기기에 실장되는 PCI 버스·카드이며, CENTUM의 HM I인 HIS 및 PC를 베이스로 한 기존의 CENTUM 기기 모두를 Vnet/IP에 접속할 수 있다.
AFV10는, Vnet/IP 대응의 Compact·Controller로, 통신 인터페이스를 제외하고 기존의 Vnet판 FCS(AFF10)와 동일한 기능을 가진다. 장황화 된 CPU 모듈의 각각 이중화 된 통신 포트가 실장되어 있어 CPU·통신 각각의 이중화 분리에 의해, 높은 신뢰성을 실현하고 있다. 그 외에, Vnet/IP의 시각동기 기능을 사용한 SOE 기능이 표준으로 실장된다. Vnet 라우터는, Vnet/IP와 Vnet를 접속하는 네트워크 기기로, 3Unit High 정도의 컴팩트한 구조로 구성되어 있다.
각 기기의 통신 인터페이스에는, 전용의 ASIC 와 프로토콜 처리용의 MPU(SH-3)가 실장되고 있어 ASIC에는, 이중화 된 1Gbps의 MAC 기능, 우선 송수신 버퍼 제어 기능, 시각 동기 지원 기능, 오픈 통신용 데이터 링크 기능, 호스트·버스·인터페이스 기능이 실장되고 있다.
(2) 통신 펌웨어(Firmware)
통신 펌웨어(Firmware)는, 편입형 리얼타임 OS인μITRON 위에 실장되어 편성용의 고속 UDP /IP 프로토콜 스택을 채용하고 있다. 호스트·인터페이스는, Vnet와 완전히 동일한 사양이 되고 있어 Vnet를 베이스로 한 기존의 소프트웨어를 변경없이 조합해, 기기에 실장할 수 있다.
(3) 소프트웨어, 엔지니어링
소프트웨어에 대해서 완전하게 호환이 되어 있기때문에, 엔지니어링·데이터를 포함한 모든 소프트웨어가 그대로 유용·실행 가능하다.
또, Vnet 라우터에 의해 접속된 Vnet/IP와 Vnet와의 사이로는, 전혀 위화감 없게 데이터를 교환하는 것이 가능하고, 조작성도 종래와 전혀 변함없다.
게다가 오픈 통신과의 공존을 실현한 것에 의해, 정보 네트워크나 PLC와의 접속이 용이하게 되어, 보다 유기적인 제휴가 가능해지고 있다.
네트워크·엔지니어링, 메인트넌스의 면에서는, 강력한 알람·시스템과 모든 경로를 감시할 수 있는 전용의 유틸리티가 준비되어 있어 SNMP를 이용한 범용의 네트워크 관리 소프트에 의한 네트워크 관리도 가능해지고 있다.

CENTUM의 적용
Vnet/IP를 이용한 CENTUM의 시스템 구성 예를, <그림 4>에 나타낸다.
CENTUM에서는, 64대의 통신국을 접속할 수 있는 도메인을 최대 16도메인까지 접속할 수 있어, 최대로 1024 대까지의 통신국을 접속하는 것이 가능하다. 이 그 밖에 PC나 PLC 등 일반이더넷(Ethernet) 기기를 1도메인 당 통상 124대까지 접속하는 것이 가능하다. 도메인 내의 통신국은 범용의 스위칭 허브(L2SW)에 의해 트리상에 접속되어 각각의 도메인은 범용 라우터(L3SW)에 의해 접속된다.
또, Vnet 라우터에 의해 기존의 Vnet와 접속이 가능해, 범용의 라우터에 의해 정보계 네트워크에 접속할 수도 있다.
네트워크는 이중화되고 있어 L2SW나 L3SW 등의 네트워크 기기는 범용의 시판 기기를 각각의 계통에 1쌍씩 사용해 구성된다. 통신국이나 네트워크 기기간은, 100BaseT 또는 1000BaseT의 Twisted Pair선으로 접속해, 광섬유에 의한 10 Gbps이상에서의 접속도 가능하다. 무선 라우터나 리모트 라우터에 의한 장황화 구성에서의 광역 접속도 가능해지고 있다.

맺음말
향후, 필드 기기의 인텔리전트화나 무선 네트워크화가 한층 더 진행되어, 플랜트 보전의 생각 등도 크게 바뀌어 가는 것이 예상된다. 또, 보안기술의 진보에 의해, 현장으로부터 직접 인터넷상의 자원에 액세스 할 수 있는 것 같은 시대가 찾아올 것이다. Vnet/IP가, 이러한 시대의 변화에 추종 해 진화하는 생산 시스템의 핵이 되는 것을 확신하고 있다.
문의: (02)3284-3084

용어해설
교정
장치가 측정, 수신 또는 전송하는 양의 일련의 알고 있는 값에 대응하는 그 장치의 출력을 조정하는 일련의 작업

주: 실제로 교정에는 다른 작업을 포함한다.
1. 눈금선을 넣는 위치의 결정
2. 장치에서 읽는 출력과 표준과의 비교에 의한 오차의 확인

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