산업용 이더넷 통신의 다양한 프로토콜 소개

[산업일보]
자동화 공정에서 센서 레벨, 필드 레벨, 셀 레벨, 그리고 메니저먼트 레벨 등, 계층별로 다양한 통신방식이 적용되어 왔다. 그러나 향후에는 인텔리전트한 필드 디바이스, 인텔리전트한 단독장비 그리고 자동화 설비 등은 실시간이 보장되면서 많은 데이터를 처리할 수 있는 통신 방식을 요구하고, 또한 생산, 제어, 품질관리, 경향분석, 유지보수, MES기능 등 최상위 레벨에서 수평적 통합하려는 경향 때문에 산업용 이더넷이 많이 고려되고 있다.
산업용 이더넷 통신 프로토콜 중에 한 종류만으로는 표준화된 필드버스 프로파일, 버스파워통신, 안전통신, 모션제어 그리고 진단기능 등과 같은 필드버스 고유 기능을 전부 대치할 수 없다. 그러나 산업용 이더넷은 수평적 통합 기능, 인텔리전트 디바이스와의 통신시 많은 데이터 패킷 처리기능, 동기화기능을 가진 실시간 통신, 광범위한 지역의 디바이스와의 연결기능, 리모트 디바이스 컨피그레이션, 에러처리, 진단기능 등을 지원하는 산업용 이더넷필드버스가 출현하면서 자동화 공정에 다양한 방법으로 적용되고 있다. 대표적으로 세 가지 방식으로 실시간성과 필드버스 기능을 가진 산업용 이더넷이 개발되고 있다.

(1) 필드버스 프로토콜을 TCP/IP 애플리케이션 상에 인베딩하는 방법
이더넷 계층 위에 필드버스 프로토콜을 터널시키는 방법이며, 통상적인 리액션 타입은 표준 이더넷과 같이 100ms 정도 된다.
표준 이더넷에서 세그먼트 당 디바이스 수를 줄이거나 적은 데이터 패킷처리시 20ms 정도까지 가능하나 TCP/IP 대신 UDP/IP을 사용하면 10ms 정도 가능하지만 로컬세그먼트에서 다이렉트 MAC 어드레스 방식을 사용하면 1ms까지 보장가능한 방식이다.

(2) 이더넷에 계층에 실시간용 DLL 계층을 사용하는 방법
OSI 2계층에 특별한 프로토콜을 사용하여 세그먼트에 있는 모든 디바이스에 실시간성을 보장하는 기능이다. 이 방식은 실시간성 통신 밴드는 뛰어난 성능을 보장하나, 표준 TCP/IP 밴드 기능은 거의 보장되지 않는다.



(3) 우선순위 메시지 기능을 가진 다이렉트 MAC 어드레스 혹은 하드 실시간 보장하기위한 하드웨어 스위치 상에 TCP/IP 어플리케이션 구현하는 방법
이 방식은 위 두 방식을 보완적인 측면에서 개발되었으며, 실시간성이 요구되지 않는 TCP/IP 메시지 전송 체널 과 다른 채널은 1ms 정도 실시간성을 보장하는 우선수위 다이렉트 MAC 어드레스 메시지 전송 채널, 하드 실시간이 보장되는 부분을 ASIC 기반 스위치에서 처리하는 전송 채널을 보장하는 방식이 있다.
대부분의 산업용 이더넷은 위 3가지 방식을 주로 이용하고 있으면 현재 국제 표준으로 채택되었거나, 보류상태이거나, 드레프트 제출 수준에 있는 몇 가지 솔루션을 간단하게 언급하고 상세한 기능을 추후에 다루고자 한다.

EPA(Ethernet for Plant Automation)
EPA 방식은 공정프로세서용 실시간 이더넷 통신을 위하여 중국에서 제안한 솔루션이다. 현재 까지는 멤버그룹과 시장 마켓에 적용되지 않고 있다. 프로토콜 스택 구조는 <그림 1>과 같다. 이 방식은 실시간성을 보장하기 위하여 MAC 레벨에서 타임 슬라이싱 프로토콜을 적용하며, 표준 TCP/IP 혹은 Modbus 사용할 수 있으면, 10~100ms정도 실시간성을 보장한다. 그러나 시간 동기화 기능은 제공되지 않는다. 주로 느린 리얼 타임성 프로세서 공정에서 펑션 블록 데이터 전송용으로 개발되었다.

EPL(Ethernet Powerlink)
Powerlink는 2001년 Bernecker+Rainer (B&R) 의하여 개발되었다. EPSG(EPL Standar disation Group)에 의하여 지원하고 있으면 이 그룹에 속한 회사는 B&R, AMK, Baldor, Fra ba, Lenze, Pepperl+Fuchs, Port and Smart Network Devices 이다. 모션 제어분야에서 적용하기 시작하여 전세계적인 60,000 노드가 설치 운영되고 있다<그림 2 참조>.



이 방식은 동기화와 타임 슬롯을 마스터 제공하며, 클로즈 세그먼트방식을 사용한다. 8축 제어 0.2ms정도의 사이클 타임을 보장한다. 주로 CAN open I/O 기능을 통합하여 모션제어에 사용한다.

EtherCAT
2003년 Beckhoff에 의하여 개발되었다. 140멤버 그룹을 가지고 있다. Beck IPC, ACS-Tech80, Baumjiller, Danaher, Lust, Servo Dynamics and Stober 등의 회사들이 참여하고 있다<그림 3 참조>.



이 방식은 Slaves를 이더넷으로 링형태로 구성한다. 한 메시지가 마스터부터 시작하여 전체 슬레이브를 거치후 다시 마스터로 전달되며, 메시지는 이더셋 프래임이지만 프로토콜은 다른 형태를 취한다. 주로 모션제어나 I/O 제어용으로 사용된다.

Ethernet/IP
로크웰에서 제안하였으며, 250멤버 그룹을 갖고 있는 ODVA의하여 사용한다. 주로 제어기, I/O, HMI, 드라이브에 사용한다<그림 4 참조>.



이 방식은 오브젝트 임베딩 프로토콜로서 수정된 UDP/IP와 함께 보통 TCP/IP 방식을 기본으로 사용한다. CIP(Common Interface Proto col)는 이더넷 상에서 I/O 데이터 구성, 진단을 지원하며 비실시간성에서 10ms 이내의 반응 가능하다. ControlNet과 DeviceNet을 위한 브릿지를 사용하여 필드버스를 통신한다.

HSE(High Speed Ethernet)
파운데이션 필드버스 협회에서 제정한 프로토콜로서 이더넷 게이트웨이 역할을 담당하도록 개발되어 있으며, 주로 파운데이션 필드버스 디바이스를 연결하는 게이트로서 링크 디바이스(Link device)라고 한다<그림 5 참조>.



이 방식은 이더넷 메시지속에 파운데이션 필드버스 프로토콜을 임베이딩한 방식을 적용한다.

IEC61850
일반적인 오토메이션에 위한 산업용이더넷 솔류션은 아니지만 파워라인 송베전 발전소 혹은 변전소에서 사용할 수 있도록 설계된 특별한 통신 프로토콜이다. 보통의 TCP/IP 계층위에 오브젝트 오리엔티드 어플리케이션은 사용, 주로 USA 국제 사용자 그룹에 의하여 제정되었다.<그림 6 참조>



JetSync
jetter AG에 의하여 개발되었으며, 주로 서브시스템에 사용된다<그림 7 참조>.



이 방식은 보통의 TCP/IP가 사용된다. 실시간성은 IEC 61588에 따른 동기화와 함께 구현하였다. 주로 모션 제어와 I/O 핸들링에 사용한다.

Modbus/TCP with realtime
Schneider Electric에 의하여 제정하였으며, modbus-IDA 사용자 그룹에 의하여 지원한다. 1972년 이래로 사용되어 왔다. RS485 modbus 프로토콜을 이더넷에 적용하여 광범위하게 사용되었으며, 90정도의 제품군이 이 프로토콜을 사용한다<그림 8 참조>.



이 방식은 request/reply 모델을 사용한 단순한 프로토콜을 TCP/IP에 임베이딩하여 사용한다. 실시간성은 RTPS(Realti me Publisher Subscriber) 기능을 채용하여 실행하였다.

Profinet
1200회원을 가진 프로피버스 인터내셔날에서 제정하였다. 이 프로토콜은 제어기, I/O 제어기, 모션제어, 드라이브 제어, 게이트웨이등 다양한 곳에서 적용된다<그림 9 참조>.



이 방식은 일반적인 TCP/IP 기능을 사용한다. 컨피그레이션, 파라메터 그리고 CBA(Com ponent Based Automa tion)기능을 포함한다. 실시간성 다이렉트 어드레싱 방식과 우선순위 메시지 전송 기능을 이용하여 구현하였으며, 하드 실시간성을 보장하기위해서 실시간 ASIC 스위치를 채택하고 있다.

Sercos III
66회원을 가진 Sercos Interface e.V.에 의하여 지원받고 있다. 이더넷 상에서 드라이브와 모션제어에 사용되었다<그림 10 참조>. 이 방식은 데이지 체인 혹은 링형태의 세그먼트에 있는 모든 디바이스에 스위치를 부착하여 사용한다.





SynqNet
Danaher Motion에 의하여 지원받고 있는 모션 엔지니어링에 의하여 개발되었다. 반도체, 전자에 사용한다. 모션 제어 어플리케이션에서 사용되며, 60,000축 정도가 설치운영되고 있다<그림 11 참조>. 이 방식은 모드 디바이스 속에 있는 전자 부품 속에 에리언 프로토콜을 사용한다. 주로 드라이브나 모션제어에 사용한다.

맺음말
산업용 이더넷을 위한 시장 사항은 현재 혼돈 상태이다. 사용자 관점에서 요구되는 실시간, I/O기능, 언터프라이즈 메니지먼트, 30백만 필드노드, HMI 등 수평적 통합할 수 있는 구조로 산업용 이더넷을 고려 할 수 있다.
기본적으로 산업용 Ethernet이 하위 레벨에서부터 상위레벨까지 점점 더 다양하게 사용될 것이며, 이더넷 표준화 규격은 상기 언급한 프로토콜 뿐만 아니라 새로운 프로토콜이 계속등장 할 것이다. 다양한 산업용 이더넷 프로토콜 중에 어떻게 프로토콜을 사용할 것인지는 적용 대상에 따라 가장 최적의 프로토콜을 선정하여 사용해야 할 것이다.

문의: (02)2118-7550~2

윤 석 열 / (주)제니스텍


<저작권자 ⓒ 자동제어계측(www.autocontrol.co.kr) 무단전재 및 재배포 금지 >