계장기술(PROCON)

기획특집 <제2부>IEEE 802.3cg (10SPE)

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 110회 작성일 22-05-13 15:39

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- 산업 자동화 목표를 충족하는 10Mb/s 단일 쌍 이더넷

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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 이더넷갭을 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.


8. 프로세스 자동화에서는 이미 일부 애플리케이션에 이더넷 채택

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 대체하기보다는 업그레이드에 대한 압력을 받는데, 이는 장기적인 추세로 볼 수 있다. 기존 프로세스 계장 분야를 더욱 개선하고, 다운타임을 줄이기 위해서는 프로세스 정보 및 장치(진단 데이터)가 필요하다. 이더넷 기술을 기반으로 한 동종 네트워크는 산업 사물인터넷(IIoT), 빅
데이터(Big Data), 클라우드(Cloud) 및 분석 기술을 활용하여 발전소의 예에서는 발전소를 최적화하며 수명을 연장한다.


9. 사용자들은 최근 모든 공장을이더넷으로 표준화한다는 비전 제시
NAMUR(Normenarbeitsgemeinschaft für Meß und Regelungstechnik in der chemischen Industrie)는 독일 공정 산업의 자동화 기술 국제 사용자 협회다. 독일에서 설립되었고, 처음에는 화학산업에 초점을 맞추어 활동했지만, 그들의 범위와 영향력은 더욱 넓어지게 되었다. 그들은 151개의 회원사와 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.


10. 프로토콜 요구사항(부분)

•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


11. 이더넷 PHY 관련 요구사항

•통신 및 현장 장치 전원을 전달하는 2선 케이블
•폭발 및 비폭발 환경(내부 안전)에 적합, 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 6)가 채택이 된다. 이것은 4-20mA의 홈런(통신망) 배선과 필드버스의 멀티 드롭 토폴로지의 전환이다. 집진 캐비닛(Zone 2, 제어실 근처), 필드 정션 박스(Zone1) 및 필드 장치(Zone 0)의 업그레이드는 간단한 전환을 위해 케이블 끝(단말)에서 접근할 수 있다.

설치 비용과 케이블링 노력을 줄이기 위해 그림 6과 그림 7에 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 에지(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.

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12. 일반 자동차 분야의 수요

2011년부터 자동차(Automotive)는 차량 내에서 이더넷으로 긴 변화를 시작했다. OPEN Alliance SIG(One-Pair Ether-Net)는 초당 100Mb의 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 수 있다. 자동차용 이더넷의 초기 드라이버는 인포테인먼트 애플리케이션(Infotainment application)이다. 여기서는 비교적 높은 속도로 주행을 하지만, 중요한 차량제어의 일부는 아니다. 개방형 연결의 이점은 이더넷을 통해 얻을 수 있다. 단일 페어에 대한 정당성 중 하나는

와이어링 하니스(Wiring harness)가 자동차에서 가장 무거운 개별 구성요소 중 하나가 되었다는 것이다. 통신과 장치 전원을 결합한 호환 IEEE 802.3bu 1-페어 파워 Over Data Line을 통해 추가적인 배선의 감소가 가능하다. 다양한 이더넷 향상 기능은 더 큰 비전의 일부다. 현재의 아키텍처는(필드버스 상황과 유사한) 전문화되고, 호환되지 않는 여러 네트워크를 차량 전체에 배치한다.
그림 8은 이더넷 기반의 일반 자동차의 아키텍처를 보여 준다. 라우팅 및 계산 자원(Computational resources)이 있는 코어와 에지가 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 자율 운전에 필요한 레이더·비전센서 등 기기와 관련
응용에 필요한 높은 속도를 해결하기 위해 멀티 긱(Multi Gig) 이더넷을 연구하는 IEEE 그룹이 결성됐다. 에지에는 심플 센서와 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. 산업 자동화에서 인 캐비닛(In cabinet) 및 이와 유사한 비용제약 애플리케이션은 경제적인 이더넷 솔루션의 이점을 누릴 수 있다. 과거의 자동차 회사에서 CAN의 활용은 공급업체 및 부품 선택의 편의성과 경제적인 이점을 노린 것이다. 그간 여기에 참여했던 산업은 산업 자동화, 자동차, 빌딩 자동화 및 조명 분야다.

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13. 이더넷 에지 공백을 메우기 위한 10SPE의 등장

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. 참여산업은 다음과 같다. 산업 자동화, 자동차, 빌딩 자동화 및 조명 등이다.


14. IEEE 프로세스 및 10SPE의 상태 축약

단순화된 IEEE 프로세스는 그림 9에 나와 있다. 잠재적인 새로운 표준 활동은 CFI(Call For Interest)로 시작된다. 이해 당사자들은 시장 요구를 충족시키기 위한 기본 요구사항을 설명하는 프리젠테이션에 협력과 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 표준 개발 기준(CSD)으로, 일련의 질문(즉, 프로젝트가 고유한지의 여부, 광범위한 시장 잠재력이 있는지의 여부, 실현 가능한지의 여부 등)에 답한다. 세 번째 결과물은 중요한 성공 기준을 설정하고, 솔루션을 제한하는 일련의 목표(상위 요구사항)이다. 만일 SG 자료가 완성되고 SG와 감독 기관들의 집합에서 받아들여질 경우, 태스크포스(TF)가 구성된다. TF의 목적은 기본 IEEE802.3 표준의 개정 초안을 작성하는 것이다.
그림 9는 10SPE 상태를 보여준다. CFI는 2016년 7월에 완료되었다. 10SPESG는 2016년 11월에 완성되었다. TF(IEE P802.3cg)의 첫 번째 대면 회의는 2017년 1월에 예정되어 있었다. 현재의 표준은 2019년 중에 완성되었다.

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15. 간소화된 10SPE의 목표

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 •자동 협상(선택 사항)
• 단일 균형 트위스트 페어(Single balanced twisted pair)
•페어에 대한 선택적 전원 분배
•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 도달 거리를 달성하는 것이다. 산업의 경우, 도달 범위는 최소 1000m이다. 자동차의 경우, 도달 거리가 최소 15m이다. 주요 자동차 운전자는 시스템 비용 절감을 달성하고 있다. 산업에서의 인 캐비닛(In cabinet)및 기타 원가 제약 적용에 대한 잠재적 적용 가능성도 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. 산업 분야와 자동차 분야에서는 기존 MCU, 스위치 ASIC, IP 코어에 표준 인터페이스를 제공하는 기존 MAC 인터페이스를 활용하기를 기대하고 있다. 선택 사항인 간단한 직렬 인터페이스는 자동차의 저가 에지 장치는 제외하지 않는다. 둘 다 10Mb/s 속도로 만족한다. 대상 애플리케이션은 그리 까다롭지 않다. 프로세스 계장 자동화는 31.25kb/s에서 전환(Migration)된다. 향후 요금 상향 조정은 자동 협상(Auto Negotiation)이라는 선택적 목표에 의해 조정된다. 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 용이하다. 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 로봇엔드 이펙터 툴링(Robot end effector tooling)(500ms)에 대한 빠른 시작 요구사항이 있다. 산업(특히 프로세스 자동화)의 특별한 요구는 본질안전(IS)이다. IEEE가 본질
적으로 안전한 PHY를 표준화할 수는 없지만(장치와 시스템만 인증됨), 본질적으로 안전한 장치와 시스템을 설계할 수 있도록 조치를 취할 수 있다. 산업 분야와 자동차분야 모두 포인트 투 포인트 및 전이중(Full-duplex) 통신을 지원한다. 다만 자동차 분야에서 멀티드롭 옵션이 나올 가능성도 있다. 장치당 평균 인터페이스 수의 감소는 시스템 비용을 적절히 절감하는 데 중요할 수 있다.


16. ODVA에 대한 시사점 및 제안 사항

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 산업컨소시엄과 관련 국제 표준을 통해 등장할 것으로 예상된다.

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이것들은 프로세스를 가속화하기 위해 채택될 수 있다. 그림 10은 ODVA 활동을 가속화하는 IEEE 표준과 보완 솔루션의 조합을 보여준다. ODVA는 이미 프로세스 자동화 시장을 위한 EtherNet/IP 솔루션 확장을 시작했다. 프로세스 계장 산업을 위한 산업 이더넷의 최적화에 대한 ODVA와 NAMUR의 공동 협업이 발전을 가속화할 뿐이다. 또 프로세스 최적화(Process Optimization) SIG는 EtherNet/IP 시스템에 HART를 통합하고, 프로세스 자동화 장치에 대한 자기진단(Diagnostic) 처리 정의를 다루고 있다. 이제 IEEE 802.3 - 10SPE 활동은 프로세스 계장 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/IP 확장을 고려할 수 있다. ODVA 공급업체는 완전한 솔루션을 위해 위의 영역에 대한 연구 또는 개발 활동 시작을 권장하며, 링크 세그먼트 정의, PHY설계, 노이즈 모델 등에 대한 요구사항 입력 및 기술 제안까지 제공하여 IEEE PHY 표준 개발에 참여할 것을 권장한다.


17. 표준 기구 및 참가 기업들

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