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1 산업용통신기술표준현황및기업체의대응전략 - 목차 - 1. Challenge of Industrie 스마트제조국제표준단체 3. 산업용통신주요기술 4. 기업체의대응전략 유첨1. RAPIEnet 표준화현황유첨2. 산업용통신상세기술유첨3. LS산전의 IIoT 플랫폼 SoC 유첨4. OPC-UA 서비스및 Architecture 유첨5. OPC-UA Implementation 2015년 11월 06일 ( 금 ) LS산전권대현책임연구원

2 1. Challenge of Industrie 4.0 Joint Platform I4.0: 13 년 4 월독일 Industrie 4.0 의산업계공통플랫폼을개발하고자설립 - 전자전기산업연합회 (ZVEI), 기계설비제조협회 (VDMA), 정보통신산업협회 (BITKOM) 의연합회 표준화가가장중요한요소로설문조사결과확인됨 상호운용성 ( 상호호환성 ) 부분은표준화가특히중요한부분으로핵심표준기술현황파악필요

3 1. Challenge of Industrie 4.0 Protocol -> Interface -> Data Access/Types -> Semantics -> Functionality -> Dynamic Behavior Coexistent -> Interconnectable -> Interworkable -> Interoperable -> Interchangeable

4 2. 스마트제조국제표준단체 IEC, ISO, IEEE 등에서스마트제조와관련된국제표준을정의하고있음 IEC SG 8 IEEE P2413 스마트공장 표준화 국제표준단체 IEC TC 65 onem2m ISO TC 184

5 2. 스마트제조국제표준단체 14년 8월 9개국 15인대표선정, 14년 9월 IEC SMB 2/3 이상의찬성을거쳐멤버확정 14년 11월 kick-off 회의, 15년 3월 2차회의, 15년 10월 3차회의 Roadmap, Suggested architecture, SMB에 TC 업무관련주요사항건의예정 IEC Strategic Groups 소개 Strategic Group overview (TC 간주요업무분석및조정 ) Strategic Group Membership (NC 선정, SMB 승인 ) Task Force Team에해당하며활동기간은 24~36개월 IEC Strategic Groups 8 소개 IEC 에서 Industry 4.0 Smart Manufacturing 표준과관련한최종의사결정기구미국 (Rockwell), 독일 (Siemens) co-convenor 체제로운영

6 2. 스마트제조국제표준단체 Reference Architecture Model for Industry 4.0 (RAMI4.0) 15 년 3 월 SG 8 2 차회의시독일 VDMA 에서발표한모델로 IEC 표준이될가능성이높음

7 2. 스마트제조국제표준단체 복잡한제조산업의특징을반영하기위하여공급자와수요자의관점에서수명주기를정의함 Type: 기획, 설계, 가상제작 ( 시운전 ), 엔지니어링, 시제품제작 ( 시운전 ) 등 Instance: Type이구체화된결과물, 양산제품, 유지보수 / 최적화, 전달, 사용및서비스등

8 2. 스마트제조국제표준단체 IEC TC 65 는공장제어및자동화설비에서필요한디바이스, 통신망그리고시스템과관련된표준을정의함 SC 65A( 시스템 ), SC65B( 디바이스 ), SC 65C( 통신망 ), SC 65E(Integration) 의 4 개분과

9 3. 산업용통신주요기술 산업용통신구성요소의실시간통신및에러발생시결정론적인복귀시간을규정함 반도체, 자동차, 철강, 조선등생산공정자동화, 원자력통신망, 로봇용통신에적용가능함 Real-time Automation Protocols for Industrial Ethernet (RAPIEnet) 등 LCD/ 반도체 공정제어, Utility 제어 선박 Utility 제어 수처리 LCD/ 반도체 선박 그린에너지 약품처리, 시설관리 태양광위치제어 수처리 그린에너지 자동차 Assembly Line 제어 자동차 자동차 화학 & 오일, 가스 화학 & 오일, 가스 공정제어, Utility 제어 빌딩자동화 빌딩자동화 제철 제철 Utility 제어, 지하철 공정제어, Utility 제어

10 3. 산업용통신주요기술 IEC 61158: 실시간서비스, IEC ( 필드버스프로파일 ), IEC ( 이더넷프로파일 ) - RAPIEnet( 한국 ), Profibus/Profinet( 유럽 ), DeviceNet/EtherNet/IP( 미국 ), CC-Link/IE( 일본 ) 등 IEC : 기능안전통신, IEC 62439: 고가용성통신, IEC 62541: 데이터교환표준등 Service Protocol IEC , , /4/5/6-n 상호운용성관련 IEC 주요표준규격 Profile IEC , Functional Safety Communication Network Cabling IEC , n IEC 61918, n High Availability IEC n OPC-UA IEC 62541

11 3. 산업용통신주요기술 유선통신 기존 Fieldbus 의강점과일반 Ethernet 의강점을고려한산업용이더넷기술확산 Fieldbus 배선의편의성 Bits and Bytes 와같은소량데이터처리능력탁월 가격경쟁력 검증된기술 강점 (Strength) 다양한회사의 Device 사용가능 Ethernet 고속의전송속도 (10M ~ 10Gbps) 통신미디어호환성 일반인에게친숙한네트워크 하나의네트워크기술 Mainstream 기술 강점 (Strength) 약점 (Weakness) 통신미디어및호환성부족 많은응용요구증가 ( 진단기능 ) 속도제약 12 ~ 16Mbps Redundancy 기능구현취약 약점 (Weakness) Topology 취약 ( 배선불편 / 비용증가 ) Non-deterministic ( 비결정론적 ) 외장스위치, 허브필요 산업용이더넷 고속의전송속도 통신미디어호환성 일반인에게친숙한네트워크 하나의네트워크기술 Mainstream 기술 리니어 / 링 /Mesh 구조 Topology 외장스위치, 허브불필요 강력한 Redundancy 기능 1ms 레벨의실시간통신 1us 레벨의시간동기화 저렴한케이블 / 커넥터

12 3. 산업용통신주요기술 유선통신 산업용이더넷시장은지속고성장이예상되며, 각사는자사의기존네트워크들을산업용이더넷으로통합중임 기술현황 _ 네트워크별 시장규모 ( 성장률약 20%) Device 레벨 (ARC2013) 약 4 조원 기업현황 _ 회사별 디바이스타입별분포

13 3. 산업용통신주요기술유선통신 경쟁사별산업용제어네트워크를하위 Device 통신으로확대전개하고있음 Company Product Trend 비교 통신 Information Control Device 비고 SIEMENS Industrial Ethernet MPI Profibus-DP/PA RS-485 ProfiNET PROFINET Industrial Ethernet PROFINET Industrial Ethernet MPI PROFINET Profibus-DP Profibus-PA - PROFINET 으로통신계층 전반적으로확대 MITSUBISHI Ethernet MELSECNET/ II, 10, H,B CC-LINK IE Modus TCP CC-Link IE Control CC-Link IE Field - Control 및 Device 계층을 이더넷기반인 CC-Link IE 로 CC-Link / LT MelsecNET CC-Link 일원화네트워크추진 LSIS Enet Fnet Rnet Fenet/FDEnet RAPIEnet Modbus TCP EtherNet/IP RAPIEnet Fnet 전용통신 EtherNet/IP Rnet Profibus Devicenet Modbus BACnet/IP - 다양한통신모듈확보 - RAPIEnet 확산전략필요 Rockwell Ethernet DH+ Remote EtherNet/IP ControlNet DeviceNet EtherNet/IP EtherNet/IP ControlNet DH+ Net EtherNet/IP DeviceNet Remote I/O -상위계층은 EtherNet/IP, 하위 DeviceNet으로표준화확대 - 디바이스영역도이더넷솔루션확대

14 3. 산업용통신주요기술 무선통신 무선통신분야는 을기반으로한 Wi-Fi 기술과 를기반으로한다양한기술들이있음 IEC 에서주파수대역은산업환경을고려하여대역폭 (80MHz), 주파수 (1.4GHz ~ 6GHz) 를검토하고있음 WirelessHART ISA a WIA-PA/FA Bluetooth ZigBee 주파수 (GHz) 2.4/ 표준규격 Security IEEE Std n IEEE Std ac WPA(Wi-Fi Protected Access) IEEE Std IEC AES-128 encryption IEEE Std IEC AES-128 encryption IEEE Std PA: IEC/PAS FA: IEC/PAS AES-128 encryption 868MHz 915MHz 2.4 IEEE Std IEEE Std AES-128 encryption, service 따른 security level 존재 AES-128 encryption 주요 application Mobile phone, PC input & output device, Industrial FA Industrial PA Industrial PA Industrial PA/FA Mobile phone, PC input & output device, Wireless bridge SmartHome, Connected lighting, Utility industry 주요특징 -Device 확장불가능 - 통신속도높음 (150/ 450Mbps) -250 m 까지통신가능 - 추가 security 개발필요 -HART 기반 - 통신속도낮음 (250kbps) - 표준 security 로사용가능 -IPv6 packet 기반 - 통신속도낮음 (250kbps) - 표준 security 로사용가능 -Physical layer 이외 PA/FA 같은규격 -PA: 통신속도낮음 (250kbps) - 표준 security 로사용가능 - 통신속도높음 (24Mbps) - 페어링필요 - 끊김현상발생 -Device 확장성우수 (65536 EA) - 여러주파수대역사용 - 통신속도낮음 (250kbps/40kbps)

15 3. 산업용통신주요기술 OPC-UA 초기벤더에의존적인 Proprietary에서벤더독립적인 OPC-UA 로기술흐름변화진행중 특히 OPC-UA는모바일디바이스를포함한 Embedded 디바이스에도구현이가능함 OPC-UA 클라이언트와서버구간은상호인증, 암호화를통한보안서비스가가능함 Evolution of Open Data Connectivity

16 3. 산업용통신주요기술 OPC-UA 플랫폼에독립적인기술로엔터프라이즈, PC, PLC 뿐만아니라스마트폰에도적용가능 보안을기초로한상호운용성표준기술로모바일디바이스와연계를고려한방향성검토필요 Real-time이필요한 Factory Floor 영역은 Industrial Ethernet 기술을유지할것으로판단됨 Platform Independence & Scalability Example

17 4. 기업체의대응전략 H/W 플랫폼공용화를통하여사업전략상필요한네트워크를적은개발및운용비용으로개발대응필요 FEnet/FDEnet Ethernet RAPIEnet EtherNet/IP BACnet 전개전략 현재개별모듈로다수의통신제공 표준 SoC 로플랫폼 (H/W, O/S) 공용화 전개전략에따른기존모듈의순차적통합 통신 S/W( 프로토콜 ) 추가만으로타산업용이더넷탑재 사업전략에따른선택적제공 RS-232/RS485 DeviceNet Serial Profibus Rnet Fnet CANopen 전개전략 다양한기기, 업체와의 Connectivity 를위하여가능한많은통신수단을제공 산업용이더넷으로의대체속도가빨라지고있음 산업용이더넷으로의전환을유도 전략적으로필요한 Application 은 Serial 지원

18 4. 기업체의대응전략 IIoT 플랫폼을기반으로다양한네트워크솔루션을확보하고제품에따라적합한솔루션제공 IIoT 플랫폼 Communication Architecure Computer Level network Ethernet (OPC-UA, Http) Information Communication Controller Level network Distributed control One Chip Solution으로개발 - 제어와통신동시제공 사용자플랫폼에 Add-On 되는경우 - 다양한 I/F 제공 (CAN, Memory, SPI ) Device Level network Safety - 원가민감분야등 - 특수목적 CPU 가필요한분야등 I/O control Safety control Motion control * IIoT: Industrial Internet of Thing Global Standard Ethernet

19 4. 기업체의 대응 전략 Factory Automation, Process Automation 에 대한 효율적인 네트워크 솔루션을 제공하며 모션/로봇, Safety, 무선 <청색 솔루션 : 완료/개발 진행 중> 및 빌딩 제어 등에 필요한 통신 솔루션도 전략에 따라 제공을 준비하고 있음. <적색 솔루션 : 향후 확대 계획> < Server system 솔루션 > 0 Factory Automation ERP, MES, PLM. Host Computer OPC <OPC-UA 솔루션> Ethernet EWS < Mobile 솔루션 > <웹 서버 솔루션> XGT-InfoU Ethernet XGT-InfoU <HMI 솔루션> XGR XGK/XGI XGT Panel <고성능 PLC 솔루션> RCS BACnet XGK/XGI <Wireless 솔루션> HART Device TM Master <PLC 전문화 솔루션> XGB XGB Ethernet <Motion 솔루션> CNC <Servo 솔루션> TM Slave Smart I/O <리모트 솔루션> EtherCAT EtherCAT XGT Servo, motor, Encoder RAPIEnet, Modbus, CANopen, Profibus. Smart I/O RCS : Remote Control System, <PLC BAS 솔루션> VISION is7 Process Automation DDC Smart I/O <Safety 솔루션> Smart I/O RAPIEnet, Modbus TCP, Ethernet/IP Field Device BAS SCADA <Gateway 솔루션> < Soft PLC > <이중화 솔루션> 이기종 Controller RTU BEMS Ethernet <Gateway 솔루션> CCS Building Automation 타사 PLC/장비 is7 축조합 Robot, Robot system <Robot 솔루션> XGB is5 Smart I/O Robot control 디바이스 기기 CCS : Central Control Station, EWS : Engineering Work Station, CNC : Computerized Numeriacl Control IT Field Device

20 참고 1. RAPIEnet 표준화현황 Global 경쟁력강화를위해국내최초로네트워크분야 IEC 규격추진 IEC PAS 1 종, IEC/IS 10 종획득, 2 종진행중, KS 규격 10 종진행완료 구분규격제 / 개정규격번호상태 KS Fieldbus specifications Part 1: Overview and guidance for the IEC and IEC series 제정 (2014) IEC IS Service Protocol Fieldbus specifications Part 3-21: Data-link layer service definition 제정 (2010) IEC IS Fieldbus specifications Part 4-21: Data-link layer protocol specification 제정 (2010) IEC IS Fieldbus specifications Part 5-21: Application Layer service definition 제정 (2010) IEC IS Fieldbus specifications Part 6-21: Application Layer protocol specification 제정 (2010) IEC IS Profile High availability Cabling Functional Safety Profiles - Part 2: Additional fieldbus profiles for real-time networks based on ISO/IEC 개정 (2010) IEC (CPF17) High availability automation networks - Part 1: General concepts and calculation methods 개정 (2012) IEC IS High availability automation networks Part 7: Ring-based Redundancy Protocol (RRP) 제정 (2011) IEC IS Installation of communication networks in industrial premises 개정 (2013) IEC IS Profiles - Part 5-17: Installation of fieldbuses-installation profiles for CPF 17 제정 (2013) IEC IS Part 3: Functional safety fieldbuses - General rules and profile definitions 진행중 IEC pre-fdis Profiles - Part 3-17: Functional safety fieldbuses - Additional specification for CPF 17 진행중 IEC pre-fdis IS IEC 규격추진이력 기술발표 NP 통과 IS 등록 IS 등록 NP IS 등록 IS 등록

21 참고 2. 산업용통신응용상세 실시간통신

22 참고 2. 산업용통신응용상세 실시간통신 시멘트 10s Chemical 1s Tilting Train 100ms Printing 20ms X-by-Wire 10ms 변전소 5ms

23 참고 2. 산업용통신응용상세 실시간통신 Audio & Video Traffic Control Rolling stock Train Control Wind turbine Power Utility Power Utility Automation

24 참고 2. 산업용통신응용상세 실시간통신 발전 ( 원자력, 화력 ) 분야네트워크적용방안 차세대로봇시스템적용방안

25 참고 2. 산업용통신응용상세 고가용성통신 - Ring 형 Topology 도입을통한통신선로이중화및 Fault Tolerant system 구현 - IEC 규격에서표준화진행중이며대한민국의 RRP 기술은 2011 년 IS 로등록完 - 미등록된기술은기술적인검증을공식적으로받지않은것임

26 참고 2. 산업용통신응용상세 고가용성통신 Plant Network / Intranet Firewall Client/server Network Workplaces (clients) Enterprise Optimization (clients) 3rd party application server Mobile Operator connectivity server db server application server engineering workplace Control Network Field Bus Redundant PLC Programmable Logic Controller Field Bus touch-screen We consider networks for automation systems, consisting of nodes, bridges and links.

27 참고 2. 산업용통신기술상세 기능안전통신 능동적안전시스템으로서의 Functional Safety

28 참고 2. 산업용통신기술상세 기능안전통신 정의 기능적안전시스템의정보전달과정에서전달되는정보의무결성을보장하는통신시스템 배경 IEC 61508의기능적안전요구사항을만족하는통신기능제공 (IEC series 로규정 ) ISO 26262는 IEC 61508을기반으로차량용안전규격을정리함 ( 별도안전통신규격없음 ) < 안전관련규격간상관관계 : IEC > < 단순화한안전시스템의모델 >

29 참고 2. 산업용통신기술상세 기능안전통신 기능적안전통신망의구조 기능적안전통신망요구사항 Functional Safety Communications Profile Functional Safety Communications Profile IEC 의개발규정준수 Device Safety Safety Communication Communication Layer Layer Application Application Layer Layer (optional) (optional) Data Data Link Link Layer Layer Physical Physical Layer Layer Other protocol Internal communication link communications layers Gateway Gateway Safety Safety Communication Communication Layer Layer Application Application Layer Layer (optional) (optional) FAL FAL FAL FAL Data Data Link Link DLL e. g. repeater, Layer DLL Layer switches, DLL DLL Physical Physical PhL wireless Layer PhL Layer PhL PhL Fieldbus network < safety communication model> Fieldbus network 규정된통신에러해결 Corruption Unintended repetition Incorrect sequence Loss Unacceptable delay Insertion Masquerade Addressing 기능적안전통신망의무결성요건 정량적 : 시간당통신에러발생확률 10-9 정성적 : 규정된통신에러를모두검출

30 참고 3. LS 산전의 IIoT 플랫폼 SoC 산업자동화및자동차통신에적용가능한 SoC 개발, 삼성전자 45nm 공정, 디자인하우스 ia 가담당 2014 년 8 월 1 차샘플입고, 2015 년 5 월 AEC-Q100 1 st 인증 SoC 주요기능 Cortex-A8 core 800MHz (-40~85 ) L1 32KB I/D Cache, L2 256KB Cache 64bits 400MHz AXI System Bus Key Features 1Gbps Ethernet (with RAPIEnet Switch) Ethernet Processing Unit (EPU) USB, PWM, ADC, LCDC, SD I/F MJPEG & H.264 CODEC, Camera, CAN I/F Image Signal Processor (ISP) Low-End (NGP 5) 16bits 800MHz 128MB DDR3 RAM 16bits 8MB NOR Flash High-End (NGP 7) 32bits 800MHz 256MB DDR3 RAM 16bits 16MB NOR Flash

31 참고 4. OPC-UA 서비스및 Architecture Information Model Basics DA: Data Access AC: Alarms and Conditions HA: Historical Access Prg: Programs Communication Architecture UA TCP with UA Binary: 성능과사이즈최적화 HTTP + Soap: firewall-friendly

32 참고 5. OPC-UA Implementation PC/Server Platform vs Embedded Platform Embedded Platform 고려하여 15KB RAM, 저전력 Core 를이용하여구현가능한솔루션도있음 Challenges Embedded Platform 의제약조건검토 MatrikonOPC Server Requirements Minimum RAM: 100KB (OPC-UA Server only) Minimum Flash: 300KB (ARM Thumb2) Minimum CPU: 50MHz ARM Cortex-M3 (or similar) Minimum system requirements allow: - single OPC-UA Session, - small number of items Fraunhofer Lemgo Server Requirements Minimum RAM: 15KB, ROM 10KB (OPC-UA Server only) RTOS Support OPC-UA Development Toolkit for VxWorks OPC-UA Development Toolkit for Nucleus (3 rd Q 2015 예정 ) Mobile Support prosys OPC: Android Unified Automation: Android, ios, Meego, QNX 등