RAPIEnet 통신망 기술 IEC 규격 추진 이력 기술발표 NP 통과 61158, IS 발간 NP 61918,

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해우 강
8 years ago
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1 기획특집 RAPIEnet 통신망 기술 권 대 현 책임연구원 / LS산전 Automation R&D Center daehyunka@lsis.com RAPIEnet은 대한민국의 산업 강화와 외국 진출 교두 보 마련을 위하여 Topology, Performance, Maintenance 에 대해 산업 분야의 요구사항을 수렴하여 개발되었으 며, 지명도 확보, 기술 우수성 검증 및 통합 Network 기반 조성을 위해 IEC 규격으로 추진하였다. 2010년 8월 IEC 61158/61784 Series에 5종이 국제 규격에 등재되었고, RAPIEnet의 Ring 제어 기술은 독 창성을 인정받아 고가용성 자동화 통신 기술 분야 Global 경쟁력 강화를 위해 국내 최초로 네트워크 분야 IEC 규격 추진 IEC PAS 1종, IEC/IS 10종 획득, 2종 진행 중, KS 규격 5종 진행 완료, KS 규격 5종 진행 중 구 분 규 격 제/개정 규격번호 상 태 KS Fieldbus specifications - Part 1 : Overview and guidance for the IEC and IEC series 제정(2014) IEC IS Fieldbus specifications - Part 3-21 : Data-link layer service definition 제정(2010) IEC IS Service Protocol 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 High availability automation networks - Part 1 : General concepts and calculation methods High availability automation networks - Part 7 : Ring-based Redundancy Protocol (RRP) 제정(2010) IEC (CPF 17) 개정(2012) IEC IS 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 개정(2013) IEC IS Part 3 : Functional safety fieldbuses - General rules and profile definitions 진행 중 IEC CDV Profiles - Part 3-17 : Functional safety fieldbuses - Additional specification for CPF 17 진행 중 IEC CDV IS 82 계장기술

2 RAPIEnet 통신망 기술 IEC 규격 추진 이력 기술발표 NP 통과 61158, IS 발간 NP 61918, IS 발간 IS 발간 IS 발간 그림 1. RAPIEnet IEC 규격 주요 이력 [IEC Ring-based Redundancy Protocol (RRP)] 표준 규격으로 추가 등재되었다. 현재 Functional Safety Network 관련 기술 분야 (IEC )에서 표준 규격으로 추가 진행 중 이다. Functional Safety Network 관련 규격이 완료되 면 산업용 유선 통신 분야 표준을 모두 완료하게 된다. 그림 1은 IEC 표준화 규격의 주요 이력을 정리한 것 이다. RAPIEnet 기술은 실시간성 부족, 배선 문제, 이중 화 지원 기능 부족 등의 문제를 근본적으로 개선하기 위하여 산업용 스위치 기능을 제품에 내장하였고, 통신 선로에 문제 발생 시 8ms 이내에 통신 복원이 가능하 도록 획기적으로 개선한 것이다. 제품화 측면에서 RAPIEnet 기술을 응용한 제품군(이 중화 PLC XGR, 중대형 PLC XGK/XGI 통신모듈, 소 형 PLC XGB 통신모듈, HMI Option Card, PC Card, 인버터 등)이 기 개발되어 공장자동화, 수처리, 발전, 석유화학 제어 분야 등에서 운용되고 있다. 그림 2는 RAPIEnet Architecture를 도식화한 것이다. Real-time Automation Protocols for Industrial Ethernet(RAPIEnet) IEC CPF 17, , , , , Dual Port Switch Hardware 내장(Class C) - IT용 프로토콜 TCP, UDP/IP 동시 지원 - 외장 스위치 불필요 - 배선의 편리성(라인, 링) - 케이블 이중화 기능 지원 - H/W 기반 결정론적 통신 방식 - 전기/광/혼합 모듈 지원 - Plug & Play 기능 지원 - O/S 일괄 업그레이드 기능 - IEEE 1588 기반 시간 동기화(1ms 이내) Application Layer Data Link Layer Physical Layer Sock/HTTP FTP...etc TCP IP UDP Queue Message Box MAC Ethernet PHY Real-Time Application RAPIEnet APPs Any Other APPs Acyclic Data Forwarding Cycle Data Real-Time Process Module RAPIEnet MAC/DLL 그림 2. RAPIEnet Architectures MAC Ethernet PHY 초기 구현은 산업용 스위치 기능이 구현된 외산 CPU 를 이용하여 적용하였고, 최근 적용범위 확대를 위해 Third Party에서도 RAPIEnet 제품군을 손쉽게 개발 할 수 있도록 산업용 제어기 및 네트워크에 적용 가능 DLL Event DLL Alarm

3 산업용 통신망 기술 적용 확대(1) 한 Application Processor(AP)급의 SoC를 개발 완료 하여 Chip Solution을 제공할 예정이다. 새로 개발된 SoC는 삼성전자의 45nm 공정을 이용 하였고, 그림 3과 같은 블록 다이어그램으로 구성되어 있다. 그림 3. SoC Block Diagram ARM Cortex-A8 800MHz(-40~85 )와 DDR3 256MB, NOR Flash 16MB, Gigabit Ethernet MAC (GEM) 4채널, Ethernet Processing Unit(EPU)을 내장 하여 손쉽게 고성능 제품을 개발할 수 있다. 또한 Camera I/F, Image Signal Processor(ISP) 및 Codec <SoC 주요 기능> 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) 기본형(NGP 5) 16bits 800MHz 128MB DDR3 RAM 16bits 8MB NOR Flash 고급형(NGP 7) 32bits 800MHz 256MB DDR3 RAM 16bits 16MB NOR Flash 검토 항목 값 비 고 통신 속도 1Gbps, 100Mbps - EMAC 4채널 2채널 간 H/W 스위치 기본형(NGP 5) : 2채널 Switch Mode Cut-Through Mode Store & Forward Mode Switch Option Source MAC Filtering Destination MAC Filtering User MAC Filtering Switching Delay 320ns 1Gbps (full-duplex) Cut-Through Mode 최대 전송 단위 (MTU) 약 8K octets - 시간 동기화 정밀도 < 100ns 1:1 기준 이중화 복귀 시간 < 10ms - 프레임 응답 시간 < 20us 1,500 octets EPU 기반의 H/W 성능 시스템 제어 시간 < 100us 64국, 국당 8 octets 표 1 성능 지표 84 계장기술

4 RAPIEnet 통신망 기술 EPU(Ethernet Processing Unit) Ethernet Frame에 대한 자동 분류 : Filtering Ethernet Frame 저장 : Receive(Basic Receive, Advanced Receive) Ethernet Frame 전송 : Generation(Receive Port Generation, Partner Port Generation) ARM Cortex-A8 DDR3 128MB OR 256MB AXI APB RAPIEnet Core GEM1 EPU1 GEM2 EPU2 DRPRAM#0 128KB DRPRAM#1 128KB AXI 그림 4. EPU Block Diagram (MJPEG, H.264)을 내장하여 네트워크와 Multimedia 기능이 동시에 필요한 분야에 적용을 할 수 있도록 하 였다. 해당 SoC를 이용 시 표 1과 같은 성능 지표를 얻을 수 있다. SoC에 내장된 Switch와 Ethernet Processing Unit(EPU)를 이용 시 지금까지와는 차원이 다른 성능 과 기능을 가진 제품을 누구나 쉽게 구현할 수 있다. 또한 EPU는 레지스터 설정에 따라 수신된 프레임을 필터링하고, 저장하고, 응답할 수 있는 기능을 제공한 다. 응답 시에는 들어온 포트로 응답할 수도 있고, 내 부 스위치로 연결된 파트너 포트로도 응답할 수 있다. 해당 기능을 이용 시 복잡한 프로토콜을 구현하지 않아 도 손쉽게 통신을 이룰 수 있고, 빠른 응답 속도를 얻 을 수 있다. 개략적인 내용은 그림 4 EPU Block Diagram에 도 식화되어 있다. Switch 기능은 수신된 프레임의 MAC Address와 Type을 판단하여 전달 여부를 결정하고, 해당 기능은 동적으로 활성화/비활성화 가능하여 외부 Switch 없이 통신 선로의 Redundancy를 위한 Ring Topology를 별 도의 제어 프로토콜 없이 구현이 가능하다. 보다 상세한 기술은 2015년 상반기 중에 Workshop 을 개최하여 공개할 예정이므로 관심있는 분들의 많은 참여 바란다

5 산업용 통신망 기술 적용 확대(1) 참고 1. RAPIEnet의 H/W 스위치 기능 Real-Time data transmission based on full duplex hardware switch Free from external switches Provide efficient communications Group #1 Upper Layer Station1 Busy Station2 RAPIEnet MAC/DLL No Influence between Group #1 and #2 on same segment Idle Station4 Busy Station3 Unicast Multicast Group #2 참고 2. 프레임 Switching 시간 1Gbps, 1500 Octets 프레임 송신 시 Switching 시간 - Store & Forward : 12us, 프레임 전달 시 모든 프레임을 받은 이후 전달, 프레임 사이즈에 따라 지연 시간 가변 - Cut Through : 0.32us, 프레임 전달 시 일부 프레임을 받은 이후 전달, 프레임 사이즈에 관계 없이 동일 Store & Forward Switching Cut Through Switching 86 계장기술

6 RAPIEnet 통신망 기술 참고 3. EPU의 프레임 수신, 가공 후 응답/전달 성능 Ethernet Processing Unit(EPU) : Logic 기반 프레임 수신, 가공 후 응답/전달 1Gbps 64 Octets 기준 : 2.7us, 1500 Octets 기준 처리 시간 : 19.8us 64국, 국당 8 Octets 구성 시 100us 이내 시스템 제어 가능 참고 4. RAPIEnet의 시간 동기화 성능 AVB의 AS Profile 참조. Sync Interval : 1/8 Sec 1:1 동기화 성능 약 100ns pps Output (Toggle Type)

슬라이드 1

슬라이드 1 RAPIEnet IEC 표준진행현황 - 목차 - 1. 산업용통신이란? 2. IEC 진행현황 3. 실시간통신분야 4. 고가용성자동화통신분야 5. 기능안전통신분야 6. 플랫폼공용화방안 2016 년 12 월 15 일 ( 목 ) LS 산전권대현책임연구원 1. 산업용통신이란? RAMI4.0 Reference Architecture Model for Industry 4.0