이더넷은 사무실 및 가정 네트워크에서 광범위하게 채택되어 있는 통신 시스템입니다. 대용량 데이터 패킷을 실시간에 가깝게 전송할 수 있게 해주는 높은 대역폭 특성이 스트리밍 비디오, 화상 회의 및 프레젠테이션 등의 사무실 간 통신에 필요한 정보량이 증가하는 상황과 맞물리면서 이 네트워크 인프라 유형은 사무실 환경에 적합한 기술로 각광받게 되었습니다. 또한 월드 와이드 웹(WWW)이 폭발적으로 증가하면서 정보의 양과 이용 기회가 늘어남에 따라 보다 빠른 다운로드 속도가 데이터 수집을 위한 필수 요건으로 자리 잡게 되었습니다. 이더넷은 PC를 LAN(Local Area Network)에 연결하여 인터넷, 프린터, 메인프레임/서버 및 다른 PC에 접속하는 데 사용됩니다. 사무실에서 검증된 이더넷의 유용성과 LAN을 통해 구현되는 빠른 속도로 인해 공장 시설에서도 전체 시설의 작업을 서로 연결할 수 있다는 희망을 바탕으로 산업용 이더넷을 구현하기 시작했습니다. 여기서 문제는 사무실 환경의 요구 사항과 공장 현장의 요구 사항이 완전히 다르다는 점입니다. 앞에서 언급했듯이 사무실 환경에는 많은 양의 데이터가 필요하며 시간이 핵심적인 요소가 아닙니다. 하지만 공장 환경에서는 제어 시스템에 사용할 많은 데이터 패킷을 특정 시간에 전송해야 합니다. 기존의 이더넷 프로토콜은 폐쇄형 애플리케이션에 필요한 결정론적 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 그 원인은 대기 시간과 “지터”에 있습니다. 대기 시간은 정보를 요청할 때와 이를 수신할 때 사이의 시간 차이입니다. 지터는 도착하는 패킷 간의 시간 변화로, 두 개의 소스가 동일한 간격으로 전송을 시도할 때 데이터가 충돌하면서 발생하게 됩니다. 이러한 상황이 되면 두 디바이스 모두 몇 분 간 기다렸다가 다시 전송을 시도하게 됩니다. 지터는 대개 1ms 정도만 지속되고 사용자가 거의 눈치챌 수 없기 때문에 사무실 환경에서는 중요하게 여겨지지 않습니다. 하지만 공장 환경에서는 동기화 수준이 1ms 이내가 되어야 하는 훨씬 빠른 속도로 애플리케이션이 실행됩니다. HTML 및 http 같은 현재의 사무실 프로토콜로는 이러한 수준을 달성할 수 없으므로 공장 환경에서 사용할 수 있는 새로운 프로토콜이 개발되었고 현재도 계속 연구가 진행되고 있습니다.
이더넷 – 물리층
통신 시스템을 위한 OSI(Open System Interconnection) 참조 모델에서는 통신 네트워크를 7개의 서로 다른 계층으로 나누고 있습니다(그림 1 참조). 계층 1에서 계층 4까지는 하위 계층이며 네트워크 쪽을 향하고 있습니다. 계층 5에서 계층 7까지는 상위 계층인 애플리케이션 계층입니다. 데이터는 송신 디바이스의 계층 7에서 출발하여 계층 1까지 아래로 이동하면서 주소 정보를 수집함으로써 표준 데이터 프레임을 구성하게 됩니다(그림 2). 이더넷은 논리적 버스이므로 정보가 네트워크상의 모든 디바이스에 전송되지만 대상 주소가 메시지의 주소와 일치하는 디바이스에서만 정보를 가져오거나, 정보의 주소가 모든 디바이스를 대상으로 지정된 경우에는 모든 디바이스에 전달되도록 할 수도 있습니다(이 경우 주소 지정이 이더넷 계층(1+2)이 아닌 계층 3에서 이루어짐). 그러면 수신 디바이스는 계층을 통해 프레임을 가져와 주소 지정 정보가 제거되므로 애플리케이션 계층에서 사용할 수 있게 됩니다.
기사 전문
IEEE 표준 802.3을 통해 정의된 이더넷은 물리층(계층 1) 및 데이터 링크 계층(계층 2) 부분으로 구성되어 있어 다양한 상위 레벨 프로토콜과 통합될 수 있습니다. 네트워크 계층(계층 3)은 서로 다른 네트워크를 통한 데이터 패킷 전송을 관리하는 인터넷 프로토콜(IP)을 구현합니다. 전송 계층(계층 4)에서는 TCP 및 UDP를 사용하여 데이터 전송 시 오류가 발생하지 않도록 합니다. 세션 계층(계층 5)에서는 네트워크에 있는 디바이스 간의 하향 통신을 설정 및 완료하므로 연결되지 않은 디바이스에는 불필요합니다. 프레젠테이션 계층(계층 6) 데이터는 애플리케이션 계층(계층 7)의 수신기에서 변환할 수 있는 일반적인 구문으로 변환됩니다. 애플리케이션 계층은 사용자를 위한 인터페이스 계층으로, 파일 및 디바이스의 작업에 액세스할 수 있게 해줍니다.
산업용 이더넷의 이점
새로운 기술이 빠른 속도로 발전함에 따라 제품 수명 주기가 계속해서 줄어들고 있습니다. 이와 함께 차세대 제품이 출시됨에 따라 또 다른 핵심적인 혁신 사항을 준비하기 위한 턱없이 높은 비용을 큰 부담 없이 감당할 수 있게 되었습니다. 이러한 변화 때문에 소비자들은 새로운 모델을 전보다 더 자주 선택하는 상황에 익숙해지고 있습니다. 이러한 변화의 영향으로 인해 공장 설비에서도 새로운 업무 방식을 찾지 않을 수 없게 되었습니다. 자본 설비는 비용이 만만치 않기 때문에 모델이 바뀔 때마다 기업에서 설비를 재정비할 수는 없습니다. 또한 제품 라인업이 늘어남에 따라 높은 준비 교체 시간을 받아들일 수밖에 없습니다. 따라서 공장 설비에서는 생산 프로세스를 디자인하는 방식의 유연성을 높일 필요가 있는데, 이러한 유연성은 산업용 이더넷을 통해 얻을 수 있을 것으로 예상됩니다. 기계 및 디바이스는 여러 구성에서 실행되도록 설치되며, 사무실 네트워크에 연결하는 경우 어디에서든 제어하거나 문제를 해결할 수 있습니다. 미국방성(DOD)에서는 네트워크 내에서는 물론 네트워크 간의 디바이스 통신을 위해 이더넷 TCP/IP를 개발했습니다. 이더넷 TCP/IP는 단일 LAN에 있는 여러 컴퓨터를 연결할 수 있는 견고한 시스템을 제공하기 때문에 사무실 환경에 널리 사용되는 프로토콜입니다. 또한 TCP/IP 시스템의 대기 시간과 지터가 각각 2~3초 정도까지 지속될 수 있는데, 이는 사무실 환경에서는 허용되지만 산업용 환경에는 적합하지 않습니다. 공장 설비 환경의 디바이스 제어는 엄격한 실시간 조건에 의존하므로 산업용 이더넷은 새로운 공장 설비를 디자인하고 기존 설비를 다시 디자인하는 과정에 "엄격한 실시간으로 작동할 수 있는가?"에 대한 흥미로운 질문을 남기게 됩니다. 간단히 말하면 "그렇다"이지만 사무실 네트워크가 디바이스 레벨에 도달하려면 기존 기술 범위를 확장해야 합니다.
그 밖의 솔루션
상업적인 목적과 경쟁상의 이유로 여러 업체들이 각기 다른 솔루션을 선보이고 있습니다. 이전의 필드버스 조직들은 마이그레이션 관점을 제시하지만 새로운 멀티벤더 조직에서는 특정 솔루션을 선보이고 있는 것이 특징입니다. 아래에는 현재 사용할 수 있는 옵션 목록과 각 프로토콜에 대한 몇 가지 세부 사항이 나와 있습니다.
이더넷/IP
이더넷/IP는 CI(ControlNet International), IEA(Industrial Ethernet Association) 및 ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)에서 이더넷 기술을 기반으로 하는 제어 시스템을 위한 공통 애플리케이션 계층 프로토콜로 개발했습니다. ControlNet 및 DeviceNet과 마찬가지로 이더넷/IP 역시 자동차 업계 등에서 널리 채택된 표준으로 자리 잡은 CIP 프로토콜을 기반으로 하고 있습니다. 또한 엄격한 실시간 애플리케이션을 위해 확장된 프로토콜인 CIP Sync(동기화)가 지정되었습니다. 이더넷/IP는 특정 ASICS를 필요로 하지 않는 순수한 소프트웨어 기반 솔루션입니다. 자세한 정보는 www.odva.org 에서 확인할 수 있습니다.
이더넷 파워링크
이더넷 파워링크 (Ethernet Powerlink) 는 EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group)에서 장려하는 완전한 개방형 소프트웨어 기반 솔루션입니다. 이 멀티벤더 조직은 CiA(CAN in Automation Group), IAONA, IEC 및 ISO 등과 같은 표준 단체들과 협력하여 공장 설비 환경에서 발생하는 서로 다른 요구 사항을 적절히 조정했습니다. 지난 2004년 9월, EPLsafety는 IEC 61508 SIL 3 및 4에 따라 안전 관련 애플리케이션에 대한 업계 최초의 독립적인 개방형 이더넷 프로토콜로 채택되었습니다. 이 프로토콜을 사용할 경우 데이지 체인 케이블 연결이 가능합니다. 첫 번째 버전인 V1은 2001년부터 다양한 애플리케이션에서 성능을 입증받고 있습니다. 자세한 정보는 www.ethernet-powerlink.org 에서 확인할 수 있습니다.
프로피넷
프로피넷 (Profinet) 은 Profibus International에서 지원하는 산업용 이더넷 프로토콜로, 프록시 서버를 통해 서로 다른 버스 시스템과 통신할 수 있는 벤더 간 통신 시스템을 지향하여 설계되었습니다. 현재 Profibus-DP와 유사한 기능을 갖춘 실시간 솔루션인 “RT”와 지터가 1µs에 불과한 등시성(Isochronous) 실시간 솔루션인 “IRT”가 나와 있습니다. 이러한 실시간 솔루션은 소프트웨어만을 기반으로 하지만 IRT의 경우에는 특정 ASICS가 필요합니다. 자세한 정보는 www.profibus.com 에서 확인할 수 있습니다.
EtherCAT
EtherCAT은 탁월한 실시간 기능을 바탕으로 Beckhoff에서 개발한 기술입니다. EtherCAT은 데이지 체인 케이블 연결을 지원하며 이더넷 프레임이 작동 중에 처리됩니다. 즉, 각 디바이스는 해당 디바이스로 주소가 지정된 데이터를 읽어오고 이와 동시에 텔레그램은 다음 디바이스로 전달됩니다. 텔레그램의 지연 시간은 몇 나노초에 불과합니다. 이처럼 뛰어난 성능은 모든 디바이스에 사용해야 하는 특정 ASIC과 관련이 있습니다. 자세한 정보는 www.ethercat.org 에서 확인할 수 있습니다.
Modbus TCP
Modbus TCP는 Modbus 제품군을 이더넷 환경으로 확장한 것입니다. Modbus 애플리케이션 계층은 이더넷 TCP/IP의 상위에서 사용되며, 특정한 실시간 확장이 없는 개방형 소프트웨어 기반 솔루션입니다. 이더넷 네트워크의 디자인과 이 네트워크에 있는 디바이스의 통신 인터페이스 프로세서 성능에 따라 성능이 크게 달라집니다. 자세한 정보는 www.modbus-ida.org 에서 확인할 수 있습니다.
산업용 이더넷의 미래
산업용 이더넷은 산업 네트워킹 부문의 최첨단 혁신 기술입니다. 하지만 안타깝게도 현재의 모든 네트워크 시스템을 대체하는 범용 네트워크 버스로 자리 잡게 되지는 않을 것으로 예상됩니다. 위에서 살펴보았듯이 각기 다른 여러 프로토콜을 선택할 수 있는데다 이처럼 네트워크가 다양한 이유가 기술적인 문제가 아닌 주로 상업적인 부분에 원인이 있기 때문입니다. 산업용 이더넷 구현 비용의 주된 문제는 장비의 비용은 물론 엔지니어가 이러한 네트워크를 올바르게 디자인 및 진단할 수 있도록 이들을 교육시키는 데 있습니다. 적절한 네트워크 솔루션을 선택하는 문제는 사용되는 제어 시스템 및 공장 설비 엔지니어가 어떤 솔루션을 편리하게 생각하느냐에 따라 달라질 것입니다. 보안은 이러한 시스템을 설치할 때 대두되는 또 다른 주된 문제입니다. 산업용 이더넷은 공장 설비를 사무실 환경에 연결할 수 있게 해줍니다. 사무실 환경은 시스템에서 바이러스를 제거하는 동안 계속 업무를 진행할 수 있지만 공장 설비 환경은 운영을 중단해야 할 것입니다. 내부 또는 외부 공격이 발생하면 다운타임으로 인해 회사가 수백만 달러의 비용을 치르게 될 수 있습니다. 이러한 문제에도 불구하고 산업용 이더넷은 대부분의 산업용 애플리케이션을 네트워크로 연결하기 위한 전도 유망한 옵션입니다. Rockwell Automation, Siemens, B&R 및 Beckhoff 같은 업체들은 이미 실시간 이더넷 솔루션을 성공적으로 설치했으며 사용 가능한 구성품의 수도 빠른 속도로 증가하고 있습니다.
