- 산업 자동화 목표를 충족하는 10Mb/s 단일 쌍 이더넷

자동화 도메인 간에 진행 중인 이더넷 마이그레이션에도 불구하고, 단일 네트워크 비전은 기존의 이더넷 제한으로 인해 좌절된다. IEEE 802.3 – 10SPE 프로젝트는 새로운 물리 계층을 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.

1. 개 요

세기의 전환 이후, 산업 자동화(Industrial Automation)는 이더넷 기반 네트워킹과 관련해 IP 스택의 채택이 지속적으로 증가하고 있다. 새로운 비전은 클라우드에서 현장 계측 기기에 이르기까지 단일 네트워크로의 패러다임 전환(Migration)을 통해 대폭의 비용 절감 효과 및 많은 라이프사이클의 이점을 얻을 수 있다. 산업용 이더넷은 MES, 또는 대부분의 컨트롤러와 사용자 인터페이스 그리고 수많은 현장의 애플리케이션에 적합하게 IT와 OT를 연결할 수가 있다. 그러나 필드 에지(Edge)에서 이더넷의 활용을 제한하며, 이더넷의 채택을 완벽하게 방해하고 있다. 또한 고유 안전성과 같은 특수한 환경 요구사항은 일부 시행 시 여러 가지 현실적인 문제가 대두된다. 특히 100m 거리 제한과 가장 작은 부품에 대해 높은 구현 비용이 계장 분야, 특히 프로세스 자동화 시장의 발목을 잡는다. 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 대안이 없다. 이러한 복합 시스템의 문제에는 애플리케이션 게이트웨이와 프록시(Proxies)의 추가적인 복잡성, 많은 네트워킹 기술에 대한 전문 기술의 습득, 산업 사물인터넷(IIoT) 및 관련 용도를 위한 IP 관련 프로토콜 컨버전스(Conver gence)의 부족 등이 포함되었다. 수요의 충족과 실현의 가능성은 프로세스 계장 자동화 산업박람회 시연을 통해 원거리에 입증된, 기존의 싱글페어(Single pair) 아키텍처 이상의 혁신적인 비용 절감, 기술을 지속적으로 추진함으로써 그 가치를 확장할 수 있다고 본다. 2016년 7월, IEEE 802.3은 “10Mb/s 단일 트위스트 페어 이더넷 스터디 그룹[Single Twisted Pair Ethernet Study Group”(비공식적으로 “10SPE”로 알려져 있음)]을 승인하여 이러한 격차를 해소하기 위해 일련의 이더넷 개선하는 개발사업을 여러 기관과 기업이 컨소시엄으로 참여하여 공동으로 추진하기 시작했다. 본고에서는 여기에 깊이 관여한 IE EE의 활동과 산업 자동화 시장에 대한 잠재적인 이점에 대해서 논의하고자 한다.

2. 상 표

HARTⓇ, HART-IP™ 및 Foundation™은 FieldCo mm 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.
ModbusⓇ은 Schneider Electric USA, INC의 상표이다. CC-Link 및 CC-Link IE는 미쓰비시전기 주식회사의 상표다. AS-인터페이스는 바이너리 액추에이터 및 센서에 대한 버스 기반 인터페이스 협회(Verein zur Forderung busfahiger Interfaces fur Binare Aktuatoren und Sensoren) e.V의 상표이다. INTERBUS는 피닉스컨택트 GmbH & Co의 상표이다.

3. 단일 네트워크(이더넷) 비전

일반적인 산업 자동화에 있어서의 비전이란 클라우드에서 현장 기기에 이르기까지의 단일 네트워크의 총체적인 패러다임을 말한다. IP 프로토콜을 사용하는 산업용 이더넷은 MES및 대부분의 컨트롤러와 사용자 인터페이스 그리고 수많은 현장의 애플리케이션에 적합하도록 IT와 OT를 연결할 수 있게 해준다. 그림 1은 이전 OD VA 컨퍼런스에서 설명한 바와 같이 프로세스 자동화를 위한 단일 네트워크의 비전을 보여주는 예다. 팩토리 오토메이션, 오토모티브(자동차) 등의 업계가 모두 동일한 비전을 갖고 있다. 프로세스 자동화 및 공장자동화를 포함한 산업 자동화의 경우 이더넷 솔루션을 채택하고 있으며, 대부분 퍼듀(Purdue) 모델의 상위 수준을 만족시킨다. 문제는 프로세스 자동화 에지[Edge/구형 - Micro soft Explorer 대신 새로 나온 신형 - Web Browser에서 유래된 용어로, 프로세스 계장 분야에서는 현장 계기가 존재하는 스코프(Local instrument area scope)를 에지로 지칭함]에 있는 모든 프로세스 계측 기기에 이더넷을 사용할 수 있는지의 여부와 공장자동화 에지에 있는 모든 디스크리트(이산) 센서 및 액추에이터에 이더넷을 사용할 수 있는지의 여부가 관건이다. 현재로서는 격차가 좀 남아 있다. 이더넷은 아직은 에지에 있는 많은 장치에 연결하는 필드버스를 교체하는 데 필요한 특수 기능이 다소 부족하다고 본다.
 

4. 단편화된 네트워크의 수명주기 비용의 추가

다양한 비이더넷 솔루션[일반적으로 필드버스 또는 포인트 투 포인트 링크(Point to Point Links)]는 완벽한 솔루션을 위해 산업용 이더넷을 강화시킨다. 그림 2와 같이 게이트웨이는 에지에 배치한다. 신호는 각 네트워크 계층에서 물리적 계층으로부터 애플리케이션 계층으로 변환된다. 게이트웨이를 활용하는 시스템에는 수많은 추가적인 라이프사이클 비용이 소요된다. 관리해야 할 네트워크 표준이 많으며, 일부는 불분명하기까지 하다. 하나의 비용은 적절한 자격을 갖춘 노동력의 소싱과 관련이 있다. 대부분의 사람들은 중등교육에서 이더넷에 어느 정도 익숙하고, 개인생활에 있어서 각자는 어느 정도 이더넷을 활용할 줄 안다. 필드버스 지식은 누구나 알 수 있는 게 아니며, 그 위치와 알려는 의지에 기반을 두고 습득한다.
 
또 설계에서는 복잡성이 증가한다. 일반적으로 별도의 애플리케이션 프로그래밍이 필요하다. 네트워크 간에 별도의 태그를 스캔할 수 있으며, 타이밍 때문에 상호운용성에 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 있어서 복잡성이 증대될 수 있다. 게이트웨이와 컨트롤러에서 프로그램을 분리하면 일관성 문제가 발생할 수도 있다. 또 인증의 복잡성이 증가할 수도 있다. 필드버스 및 포인트 투 포인트 연결은 일반적으로 IP 통합이 결여되어 있어 IIoT 및 기업 융합(Converged enterprise)에 최신의 트렌드에 대하여 사용상 복잡성이 존재한다.

5. 산업용 이더넷으로의 전환

1990년대 후반까지 산업 자동화는 컨트롤러와 I/O 간의 결정론적인 통신을 위해 비이더넷 필드버스에 전적으로 의존했다. 경제적인 이더넷 스위칭(Economical Ether net Switching)의 출현은 산업용 이더넷에 대한 적절한 결정을 가능하게 하였다. 그 후 이더넷 기반 네트워킹의 채택과 관련하여 IP 스택의 사용이 점차 증가하고 있다고 발표하였다. 2016년, HMS는 전체 산업 통신 시장이 여전히 성장하고 있다는 보고서를 발표했다. 그림 3에서 필드버스의 점유율은 58%이며, 7% 정도 성장하였다고 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. 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)을 위한 추가 드라이버는 PC 및 애플리케이션 서버를 통한 구성 및 모니터링을 포함하여 정보 목적으로 거의 완전한 대체품이 되었다. 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)의 매력에도 불구하고, 상당 기간 사용해왔던 많은 산업용 이더넷에서 사실은 부분적인 전환(Migration)만 있었다고 볼 수밖에 없다.
 

6. 에지의 기존 이더넷과의 격차

필드 에지에서는 이더넷의 활용을 제한하는 다양한 실질적인 문제가 존재하는데, 특히 프로세스 계장 자동화 기기 및 공장자동화 기기 내 캐비닛(In-cabinet) 구성요소의 경우에 그러하다. 한 가지 문제가 되는 것은 기존의 유선 이더넷 거리의 제한은 기본이 100m에 불과하다. 그러나 프로세스 계장 자동화에는 일반적으로 10 00m 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, 요구사항을 여기에서 가져온다. 폭발적으로 증가하는 환경, 즉 프로세스 계장 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 PC 등의 단말기에서 인터넷(이더넷) 선과 전원선(파워 케이블)을 따로따로 끌어다 쓴다. 프로세스 계장 자동화 기기 및 공장자동화 기기의 사용에 있어서 인터넷(이더넷)선과 전원선(파워케이블)을 따로따로 끌어다 쓴다면, 공장의 케이블과 커넥터의 크기는 작은 구성요소에서 심각한 문제가 될 수 있고, 드넓은 현장에서 파워케이블과 통신선을 따로따로 분리 배송한다면 큰 문제가 야기 될 수밖에 없다. 단일 쌍 이더넷은 이를 해결할 아주 적합한 솔루션이다. 단일 쌍 전력 및 통신 솔루션이 장점이 된다는 말이다. 본질적으로 안전한 전력은 또 다른 전문화된 요구일 수 있다. 특히 프로세스 계장 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 나사 단자의 설치 관행을 유지하는 것이다. 또한 일부 발전소의 예를 들면 장기간(30년 이상) 가동 중인 것이 대부분이며, 하나의 케이블을 끌어다 쓴다면 일정량의 부하를 쓰는 다른 발전소에 손실을 가져다 줄 수가 있다(국가 차원에서). 마지막으로 폭발 환경의 공통 사례(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 외면할 수가 있다. 이러한 이더넷의 결함을 현재의 필드버스 및 포인트 투 포인트 솔루션 내에서 해결할 수 있느냐의 문제는 중요하다. 이더넷이 이러한 결함을 해결하지 못한다면 산업용 이더넷을 위한 단일 네트워크의 비전은 결코 완성되지 않을 것이다. 여기서 논의하는 이더넷은 이러한 문제를 극복하기 위해 IEEE 802.3을 주목하였다. 다행이 IEEE 802.3은 이러한 문제를 한 번에 해결해 줄 수 있는 이더넷 솔루션의 “패밀리” 중 하나다.
  

7. 프로세스 자동화 수요

프로세스 계장 자동화 플랜트의 예는 그림 5에 나와 있다. 네트워크의 설치 현황을 보면 제어실(CCR)과는 멀리(10 00m 이상) 떨어져 있고, 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 5 참조). 기존의 4- 20mA 아날로그 신호는 구성 배치 및 자산관리의 목적으로 하트 프로토콜(HART Protocol / 4-20mA 신호로 변조된 1200 보드 디지털 통신망)을 추가하여 제어를 위해 널리 사용되고 있다. 보다 현대적인 필드버스 솔루션(PROFIBUS PA 및 Foundation Fieldbus)은 두 가지 목적을 위해 31.25kb/s 디지털 방법을 제공한다. 현장에는 많은 양의 레거시 케이블도 배치되어 있다. 최근 가장 흔한 디지털 케이블을 말한다면 파워선과 인터넷 선이 동축케이블로 되어 있는 단일 쌍 케이블(Single pair cable)이다. 플랜트 수명이 30년을 초과하는 경우가 많기 때문에 일반 케이블 재료는 취약할 수가 있다. 따라서 일반적인 새로운 풀링 케이블(Pulling new cables)을 시도하는 일은 위험을 수반한다. 여기에 선호되는 케이블은 내적 안전성을 위해 인증을 쉽게 하도록 설계되어 있다. 하트(HART)가 성공한 한 가지 이유는 설치된 케이블의 베이스를 보존했기 때문이다. 폭발적 환경 위험도에 따라 각 발전소는 지역 당국의 규제에 따라 구역을 위험지역으로 구분한다. 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 폭발 압력 이하로 유지하려면 장비에 제한을 두어야 한다. 다음을 참조 바란다.
•구역 0 : 폭발성 가스-공기 혼합물이 장기간 지속적으로 존재하거나 존재하는 영역이다.
•구역 1 : 가연성 또는 전도성 먼지가 존재한다. 정상 작동 시 짧은 시간 동안 폭발가스와 공기 혼합물이 발생할 가능성이 있는 영역이다.
•구역 2 : 폭발성 가스와 공기 혼합물이 발생할 가능성이 낮고, 발생할 경우 비정상적인 상태로 인해 매우 짧은 시간 동안만 존재할 가능성이 있는 영역이다.

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

<용어의 정의>
•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
•CSD – 표준 개발 기준(Criteria for Standards Development)
•Fieldbus – 실시간 제어를 위한 산업용 네트워크 프로토콜
•Industrial Ethernet – 이더넷을 통해 작동 가능한 필드버스 프로토콜
•Edge – 네트워크 코어에 부착된 리프 노드(센서 및 액추에이터)
•Gateway – ISO 모델 계층에 걸친 네트워크 프로토콜 컨버터
•Switch – IEEE 802.3 브리지, MAC 주소를 기반으로 전달
•IT – 정보기술(Information Technology)
•OT – 운영기술(Operational Technology)
•MES – 제조실행시스템(Manufacturing Execution Systems)
•Purdue Model – 계층화된 기능 자동화 모델
•IIoT – 산업 사물인터넷(Industrial Internet of Things)
•IEC 60079 – 폭발 대기 표준(본질안전 포함)
•Intrinsic safety – (본질안전) 폭발성 환경에서의 안전한 장비 운전이 가능한 방법
•Zone – 폭발 환경 분류(일반적인) – EU 기준
•Division – 폭발 환경 분류 – 미국 기준
•FISCO – 필드버스 본질안전 콘셉트
•Point-to-point – 각 단의 끝에서 단일 장치와의 통신 링크
•Multi-drop – 여러 장치가 동일한 링크를 공유하는 통신 링크 / 데이터 전송 방식에서, 하나의 회선에 다수의 단말 장치를 접속할 수 있도록 한 것
•Full-duplex – 양 방향 동시 통신
•Half-duplex – 단 방향 일방 통신
•CAN – Communication protocol, Controller Area Network(CAN 칩이라고 부름)
•HART – Communication protocol, Highway Addressable Remote Transducer
(주소를 리모트로 읽어 들이되 고속도로를 달리듯 빠르게 읽어 들이는 프로토콜이란 뜻의 약어이며, 프로세스 계장의 DCS 등에 필수적으로 써왔던 전통적 프로토콜)
•MCU – 비 메모리 반도체 / 시스템 반도체(Micro Controller Unit)
•ASIC – 주문형 반도체(Application-Specific Integrated Circuit)

<참조사항>

1. NAMUR, “공정산업용” 이더넷 통신 시스템을 배치한다.
http://www.namur.net/fileadmin/media_www/Dokumente/Anforderung_Ethernet-NAMUR_2016-02- 25_EN.pdf
2. “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
3. IEEE 802.3 SG, “10SPE”(10 Mb/s 단일 쌍 이더넷),
http://www.ieee802.org/3/10SPE/index.htm