5. 산업 제어 개요

현대 산업 네트워크는 정보기술(IT)과 운영기술(OT)의 분야를 결합하여 산업용 애플리케이션의 요구사항을 충족한다. 산업 제어 부문이 제공하는 정교한 프로세스인 애플리케이션은 종종 수정 및 보강 기간을 필요로 하는 복잡하고 모듈화된 설계가 필요하다. 애플리케이션에는 고성능, 결정론 및 예측 가능성이 필요하다. 인프라에는 고가용성(HA) 요구사항을 지원하기 위한 하드웨어 내구성 및 복원 기능 모두에서 매우 강력하고 안정적인 설계가 필요하다. 산업 통제 시장의 네트워킹 유산은 여러 산업 기술 표준뿐만 아니라 여러 공급업체별, 독점 기술로 확장에 뿌리를 두고 오랫동안 확립되어 왔다. 이들 기술을 기반으로 자리잡은 산업용 설치 기반은 한 세대의 기술에서 다음 세대로 신중하고 느리게 이동하는 보수적인 제조사 커뮤니티다. 투자하기 전에 솔루션을 검증하고, ROI를 신중하게 계산해야 한다. 현재 위치에서 이동은 항상 설치된 자산을 보호하고, 주어진 아키텍처 변화에 대한 수익성을 극대화하고, 마이그레이션과 진화를 통해 이루어진다. TSN 기술이 등장하기 전에는 다양한 산업 솔루션을 보다 통합된 접근 방식으로 이끌 동기가 많지 않았다.

그러나 TSN과의 대화로 인해 향후 네트워킹 솔루션에는 전체적인 접근 방식과 진정한 시스템 관점이 요구될 것이라는 인식이 확산되었다. 미래 네트워크는 모든 요소(기반 시설과 엔드 스테이션 모두)를 포함하는 포괄적인 답변을 최종 솔루션에 포함해야 한다. 더욱이, 완전한 산업 사물인터넷(IIoT) 문제의 진술을 해결하기 위해, 이 포괄적인 솔루션은 기존의 서로 다른 기술과 표준이 새로운 에코시스템에 포함될 수 있는 솔루션을 향해 변형되도록 협업해야 한다. 특정 기술, 공급업체 또는 제품이 새로운 패러다임에 참여하지 않으면 “시스템”이 이러한 제품에서 또는 제품으로부터 관리되어야 하는 트래픽을 수용하거나 계획할 수 있는 방법이 없다. 결과적으로 이 제품들은 전체적인 디자인에서 제대로 서비스되지 않을 것이다.

6. 산업용 사용 사례
 산업 제어 응용프로그램의 다음과 같은 대표적인 아키텍처 및 관련 네트워크 설계를 고려해 보기 바란다.

이 시스템에서 산업 공정은 그림 5처럼 4개의 다른 기계로 구성된 단일 기계에 의해 제어된다. 기계의 각 섹션은 각기 다른 OEM을 통해 공정에 전달되며, 각 OEM은 공정의 제어 부분에서 각기 다른 전문성을 가지고 있다. 최종 사용자는 전 세계에 7개의 제조 현장을 보유하고 있다. 사이트당 15대의 기계가 있으며, 각 기계 IP 주소 지정 체계는 동일한 제조 시설에 있는 다른 기계와 동일하며, 이는 다른 시설의 주소 지정 체계와 일치한다. 또 각 기계 섹션은 10개의 고유한 VLAN을 가진 서브넷으로 장비를 모듈식으로 구성하고, 기능적인 조직을 달성할 수 있다. 기계의 모든 섹션이 동기화 및 조정되어 최종 제품을 생산하며, 제조 현장의 데이터가 MES 시스템의 데이터와 공급망의 데이터와 상호 연관될 수 있도록 관련 이벤트가 타임스탬프 된다.

전체 제조 시설은 절대 시간에 대한 동일한 이해를 사용하며, 모든 사건은 “벽시계 시간”이라는 일반적인 개념과 관련이 있다. 또한 이 사용 사례는 다른 1588 기반 솔루션을 활용하는 제품과 기술의 선재성을 인정한다. 이 경우 기계 섹션 A의 구성요소 A는 기계 섹션 C의 구성요소 A′와 통신할 수 있으며, A의 구성요소 B는 기계섹션 D의 구성요소 B′와 통신할 수 있다. 마지막으로 시스템 섹션 A의 구성요소 C는 섹션 B, C 및 D의 C′ 구성요소가 소비할 데이터를 생성한다. 스위치를 통한 타임 브리지 또는 타임 게이트웨이 메커니즘의 구현은 더 넓은 TSN 가치 제안에 포함되는 기존 제품과 기술의 확장된 커뮤니티를 위한 마이그레이션 경로를 제공한다. 이 사용 사례에서 구성요소 A와 A′ 및 B와 B′는 타임 게이트웨이 변환을 필요로 한다.

1) TSN 가치 제안, 마이그레이션 메커니즘 및 경로 전달
기술은 아키텍처에 대한 시스템 전체 뷰를 위한 경로를 제공한다. 그들은 처음으로 네트워크 전체의 구성과 시운전을 위한 표준화된 방법을 허용한다. TSN 기술은 네트워크 및 아키텍처의 오프라인 시뮬레이션과 모델링을 위한 길을 만든다. 그러나 TSN 기술은 통일된 표준과 기법의 집합을 향한 기존 이더넷 기술의 융합을 요구한다. 이와는 대조적으로, 그림 5의 사용 사례는 오늘날의 산업 상황을 매우 사실적으로 묘사한 것이다. 산업 지형을 구성하는 기존 표준과 기술이 매우 다양하다. 더 중요한 것은 이러한 기존의 서로 다른 기술을 활용하고, 전 세계 수많은 제조 회사를 위한 제품을 생산하는 매우 큰 설치 장비 기반이 있다는 것이다. 이러한 설비가 TSN 에코시스템으로 “점프”하거나 산업 통제 공급업체가 불행하게도 이러한 새로운 솔루션으로 전환하는 것은 불가능하다. 따라서, TSN 기반 기술을 채택하는 조직뿐 아니라 T SN 기반 기술을 주도하는 조직 모두에게 동기 부여 조치가 필요하다는 것을 시사한다. 앞으로 나아가기 위해서는 TSN 기반 시스템에 대한 기존 기술의 병합을 허용하는 마이그레이션 경로와 메커니즘을 정의하는 것이 필수적이다. 이러한 마이그레이션 메커니즘이 없으면 기존 설치 및 제품은 참여할 방법이 없으며, 기술적으로 고립되어 있다. 이는 채택이 저해되기 때문에 TSN 기반 기술의 발전을 저해한다.
또한 시장이 수년간 요구해온 기능을 제공하는 경로를 차단하기 때문에 채택 커뮤니티의 발전을 저해한다. 다양한 표준 기구에서 논의된 마이그레이션 메커니즘의 몇 가지 예가 있다. 그러한 메커니즘 중 하나는 “시간다리”다. 타임 브리지(Time Bridge)는 여러 시간 영역에 걸쳐 시간을 변환하는 메커니즘이다. 오늘날 아브누 얼라이언스는 802.1로 표준화되었다. TSN 시스템에서 시간 동기화를 위한 AS 프로필이다. ODVA의 CIP Sync time 객체에 의해 이용되는 IEEE-158 기본 프로파일을 포함하여 많은 다른 시간 프로파일이 존재한다. 이 두 도메인 간의 시간을 동기화하는 타임 브리지는 기존 시스템과 장치가 하드웨어를 변경하지 않고도 더 넓은 TSN 기반 아키텍처에 참여할 수 있도록 한다. 다른 마이그레이션 메커니즘으로는 최상의 노력 및 속도 제한 트래픽이 스케줄링 된 트래픽과 혼합할 수 있는 “TSN 어댑터” 또는 스위치가 포함될 수 있다.

7. 범위 및 타이밍

그림 5는 매우 광범위한 산업 적용에 대한 전형적인 사례이다. 이 사용 사례는 계층 2(스위칭), 계층 3(라우팅) 및 시간 브리징 기능의 솔루션의 필요성을 보여준다. 오늘날 IEEE-802.1 TSN 작업 그룹은 아키텍처의 계층 2에 초점을 맞추고 있으며, 여기서 대부분의 TSN 작업이 정의되고 있다. 여기에는 시스템 또는 제품에서 11 구현을 시작할 수 있을 만큼 완전한 작업이 있다. 또한 Avnu는 일부 제품의 경우 이 수준의 작동을 인증할 수 있을 만큼 규정 준수(Compliance) 사양을 정의했다.

Avnu의 “운영이론” 문서는 아키텍처의 이 부분에 있는 기술에 초점을 맞추고 있으며, 향후 버전에서는 해당 기술이 정의됨에 따라 다른 영역을 포함하도록 범위를 확장할 예정이다. 앞에서 설명한 것처럼 시간 브리징은 계층 2 스위치에 표시되며, 기존 시간 영역 및 PTP 프로파일을 TSN 시스템으로 마이그레이션하는 메커니즘을 제공한다. 타임 게이트웨이 기능은 아직 표준 커뮤니티에 필요한 작업 항목으로 식별되지 않았다. 개별 공급자는 이러한 교량 기능을 시장에 대한 해결책으로 개발할 수가 있다.

8. 인터넷 엔지니어링 태스크포스

레이어 3(라우팅) 기능은 인터넷 엔지니어링 태스크포스(IETF)에 의해 설계되었으며, 기본적으로 802.1 TSN 사양의 기능을 레이어 3으로 확장한다. 종종 “Detnet”(결정론적 네트워크)이라고 불리는 이 작업은 아직 완성되지 않았다.

9. ODVA 분산 모션 및 시간 동기화 신호

2015년 11월, ODVA Distributed Motion SIG는 시간에 민감한 네트워킹 기술을 지향하는 시장의 움직임에 대응하기 위해 이름을 분산 모션 및 시간 동기화 SIG(D M & TS SIG)로 변경하였다. 전환 과정에서, SIG는 시간 민감 네트워킹(TSN) 기술을 ODVA 표준에 통합하는 것에 초점을 맞추도록 헌장을 확장하였다.

DM & TS SIG의 주요 초점 및 우선순위는 TSN 통합이 제품 설계 및 기존 설치에 미치는 영향을 최소화하는 접근 방식과 마이그레이션 메커니즘을 개발하는 것이다. 이 목표를 용이하게 하기 위해 SIG는 출발점으로서 다음과 같은 분야에 초점을 맞추도록 요청받았다.
•프레임 선점(IEEE 802.1) Qbu & 802.3br
•기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet)
•스트림 예약 프로토콜(IEEE.802.1 Qcc) 및 관련 기술

이러한 특정 기술들은 초기 분석에서 기가비트 이더넷과 결합된 프레임 선점의 조합이 스케줄링에 비해 시스템 성능, 결정론, 처리량에 극적으로 기여했다는 사실이 밝혀졌기 때문에 대상이 되었다. 이 분석을 통해 모션 제어와 같은 고성능 응용프로그램이 대역폭을 위한 기가비트 이더넷과 대용량 패킷의 지연 시간 감소를 위한 선점으로부터 큰 이점을 얻을 수 있다는 것이 입증되었다.

1) 응용프로그램 분석
높은 수준에서 수행된 분석은 단일 컨트롤러와 스위치를 통해 연결된 여러 축이 세그먼트당 25개 축으로 팬 아웃 되는 여러 DLR 세그먼트에 대한 분배 메커니즘으로 작동하는 CIP Motion 애플리케이션으로 구성되었다. 시스템은 100 Mbit/s 및 1 Gbit/s 와이어 속도로 분석되었다. 또한, 프레임 선점과 스케줄링 모델은 아키텍처에서 이러한 변수 각각이 수정됨에 따라 지원될 수 있는 축의 수의 비교 차이를 확인하기 위해 도입되었다. 원시 성능 관점에서 지원 가능한 총 축 수로 측정한 결과는 표 1에 나와 있다.
단순히 원시 성능 관점에서 유선 속도의 효과가 선취 또는 스케줄링만으로 얻을 수 있는 기여보다 훨씬 크다는 것을 보여준다. 그러나 선점과 예약은 CIP Motion 트래픽보다 우선순위가 낮은 큰 패킷이 네트워크에 도입될 때 트래픽을 관리할 수 있는 이점이 있다. 선점과 스케줄링 트래픽을 모두 사용하면 회선에서 대용량 패킷의 대기시간이 크게 줄어든다. 표 2는 유선 속도, 선점, 스케줄링의 함수로써 네트워크에 도입된 큰 1518 바이트 패킷의 영향을 보여준다. (선점 기능이 활성화되면, 더 높은 우선순위 패킷이 통과하기 전에 더 낮은 우선순위 프레임의 최대 124바이트가 버퍼를 통과함)

2) 예정 교통과의 공존과 802.1 QCC의 통합
분석에 나타난 성능 이점에도 불구하고, 시장은 여러 가지 이유로 IEEE-802.1 Qbv(예약형 이더넷) 기술을 채택하는 방향으로 서서히 이동하고 있다. 중요 트래픽에 예약된 시간이 제공되면 스트림을 제어하고, 전체 네트워크를 모델링 및 시뮬레이션 하는 기능이 간소화된다. 철도 시스템의 열차와 마찬가지로, 동일한 선로에 걸쳐 여러 열차가 다양한 목적지를 오가는 빡빡한 스케줄링을 제어하여 충돌을 피하면서 처리량을 최적화할 수 있다. 승객이 알려진 시작 시간과 종료 시간을 기준으로 여정을 계획할 수 있는 것과 마찬가지로, 네트워크 시뮬레이션 도구는 네트워크 설계자가 시스템의 성공 여부를 시운전 전에 잘 알 수 있는 예측 가능한 모델을 제공할 수 있다. IEEE-802.1 Qbv에 대한 시장의 이러한 움직임은 기존 제품들이 CNC에 네트워킹 요구사항을 게시하고, 모든 트래픽의 성공적인 관리를 위한 인프라를 관리하고 설정함으로써 새로운 환경에 참여함을 의미한다.
어떤 장치가 13개의 동일한 와이어를 다른 TSN 지원 장치와 공유하도록 제안한다면, 다른 트래픽 스트림에 의해 “오버”되는 것을 방지하기 위해 CNC에 대한 요구사항의 공표는 필수적이다. 즉 CIP 아키텍처의 일부로 일정을 채택하거나, 채택하지 않기로 결정하더라도 스트림 요구사항의 공표를 허용하는 새로운 서비스는 예약된 트래픽과의 공존을 위한 기본 “필수”이다. 802.1 Qcc 표준은 제품이 CNC에 요구사항을 게시할 수 있도록 ODVA 내에서 채택해야 하는 스트림 예약 프로토콜이다. 이 정보의 출판은 CUC에 의해 CNC에 제공될 것이다. 산업 애플리케이션에서 CUC는 오프라인 상황에서 제어기를 위한 애플리케이션 프로그래밍 소프트웨어이거나, 온라인 상황에서 PLC일 가능성이 높다. 이러한 구성요소에는 스트림 요구사항이 정의되어 있다. 이더넷/IP 제품이 TSN 도메인으로 이동함에 따라 802가 포함된다. 1QCC 서비스는 공존을 위한 기본 요건이 되며, DM & TS SIG는 이러한 표준이 IEEE 내에서 굳어짐에 따라 ODVA 규격 내에서 이러한 서비스의 정의를 시작할 것이다.

3) 현 황
ODVA 분산 모션 및 시간 동기화 SIG는 ODVA 사양에 통합되어야 하는 TSN 표준을 식별했으며, 또한 OD VA 기술과 TSN 기술의 융합을 촉진하기 위해 추가 개발이 필요한 기술 영역을 식별했다.
다음 목록은 해당 영역에 대해 자세히 설명한다.
•Gbit Ethernet의 지속적인 개발 및 홍보
•프레임 선점을 위한 IEEE 802.1Qbu 및 802.3br 포함
•IEEE 802.1 Qcc 및 CNC에 네트워크 요구사항 게시를 위한 기타 스트림 예약 서비스 통합
•다양한 시간 도메인 및 시간 프로필(예 : 802.1AS에서 CIP Sync의 IEEE-1588 기본 프로필)의 브리징을 허용하는 시간 게이트웨이의 정의, 개발 및 승격

4) 기존 QOS를 사용한 CNC 통합을 위한 고유한 위치에 있는 EtherNet/IP
EtherNet/IP는 CNC의 네트워크 미적분 엔진 부분을 활용할 수 있도록 고유하게 배치되어 있다는 점에 유의해야 한다. EtherNet/IP는 항상 “수정되지 않은 표준 이더넷” 플랫폼에서 설계되었기 때문에 표준화된 우선순위 지정 메커니즘을 사용하면 다른 기술이 예정된 솔루션을 준비하거나, 스케줄링 엔을 관리할 수 있는 제품을 개발하기 훨씬 전에 CNC에 요구사항을 전달할 수 있다. CNC의 Gine 부분. 이는 ODVA 회원이 ODVA “스위트 스팟”에 있는 솔루션을 제공함으로써 초기 TSN 참여로부터 이익을 얻을 수 있음을 의미한다.

odva@odva.or.kr

<용어의 정의>
• CUC : 중앙 집중식 사용자 구성 엔진. 산업 시스템에서 CUC는 오프라인 구성을 위한 PLC 프로그래밍 소프트웨어와 연결되거나 런타임 동안 PLC와 연결된다. 네트워크 정보가 이미 알려진 곳은 이러한 구성 요소들이다.
•CNC : 중앙 집중식 네트워크 구성 정책 엔진. 모든 네트워크 및 정책 요구사항을 수신하고, 네트워크 계산과 네트워크 일정을 모두 계산하는 컨트롤러이다.
•예약된 트래픽 : 802를 통해 관리되는 트래픽이다. Qbv 사양은 데이터 전달의 지연 시간과 변동을 모두 제한하는 시간 기반 쉐이퍼(Shaper)를 정의한다.
•속도 제한 트래픽 : 기존의 QoS(서비스 품질) 우선 순위 지정 방법을 사용하고, 예약된 트래픽이 아닌 모든 트래픽이다.
•최선의 노력 트래픽 : 데이터 전달이 보장되지 않거나 QoS 수준 또는 특정 우선순위가 지정되지 않은 트래픽이다.
•네트워크 계산 : 네트워크 로드를 계산하고 주어진 페이로드, 스트림당 최대 지연 시간 및 요청된 패킷 간격을 모델링하기 위한 수학이다.
•RPI : 요청된 패킷 간격이다. 연결 간 데이터 교환을 위해 요청된 샘플링 주파수이다.