스마트공장을위한산업네트워크동향 권대현, 윤건, 이수강 LS 산전 Abstract 공장내에사용되는통신방식은사람의생명과자산에심각한영향을줄수있어결정론적, 짧은대기시간, 신뢰성, 고가용성, 사이버보안그리고기능안전에대한명확한요구사항을만족해야한다. 본고에서는최근활발히논의되고있는스마트공장을위한산업네트워크동향에대하여 IEC 국제표준규격과한국의기술로 IEC 국제표준이된 RAPIEnet을기반으로살펴본다. I. 서론 스마트공장상호운용성은스마트공장개발에참여하는관계자들이비록지역적으로떨어져있고, 다양한인프라환경에서로다른정보시스템을보유하고있다하더라도필요한데이터를효과적으로상호교환할수있도록하는능력을의미한다. 계층별로구분하여보면아래와같다. - 하드웨어 / 소프트웨어컴포넌트, 시스템, 플랫폼간기기간통신 프로토콜과이를처리하기위해필요한인프라상호운용성 - 상기통신프로토콜에의해전송되며구문과인코딩방식을정의하고 있는데이터포맷의상호운용성
- 상기데이터포맷으로전송되는콘텐츠에대한의미번역및공통된 이해를위한상호운용성 스마트공장의상호운용성보장을통해스마트공장운영자, 소비자및이해관계자는하드웨어나소프트웨어를직접구입하여사용하는것이가능하며, 상이한스마트공장환경으로서비스전환시에도기구입한제품들의재활용이가능해야한다. 기존네트워크들을보다지능화된시스템으로전환하기위해서, 스마트공장 운영자는그들의고객과시장에적합한스마트공장을목표로설정하고, 유연한사업프로세스와상호운용가능한솔루션을제공할수있는 표준화된 프레임워크 기반의 스마트공장 접근방식을 개발하는 것이 필요하다. 공장환경에서는기존산업환경에서널리사용되고있는산업용통신망을수용할수있어야한다. 산업환경에서는흔히필드버스라고불리는실시간자동화네트워크가사용되고있으며최근에는실시간고속제어가가능한실시간이더넷 (RTE: Real-time Ethernet) 기술도보급되고있다. 기존산업용통신을수용함으로써공장관리에필요한센서와구동기들을최소한의투자로설치운용할수있으며기존에설치된기기들을활용할수있는장점이있다. 또한유선네트워크를설치하기힘든지역이나배선이되어있지않은현장을위해무선기술이필요하며산업환경에적용할수있는산업용무선통신을이용하여요구사항을만족시킬수있다. 본고에서는스마트공장의상호운용성을위하여필요한산업네트워크의동향에대하여 IEC 국제표준규격을바탕으로살펴본다.
II. 본론 1. 산업용유선네트워크기술가. 산업용유선네트워크개요 IEC TC 65/SC 65C 에서는실시간 (MT 9, IEC 61158), 프로파일 (MT 9, IEC 61784-2), 기능안전통신 (WG 12, IEC 61784-3), 고가용성통신 (WG 15, IEC 62439) 분야로나누어산업용통신표준기술을담당하고있다 [1][2][3][4]. 초기하나의필드버스기술로통합하려고하였으나, 다양한공장환경을고려하여지역별, 회사별필드버스및실시간산업용이더넷표준들을정의하고있다. 사이버보안표준규격은시스템과함께논의가필요하여 IEC 62443 표준 [5] 에서시스템과네트워크관련표준을제정하고있으며, 이후 WG 13 에서 IEC 61784-4 표준 [6] 에상세내용을반영할예정이다. 국내에서는 IEC 표준기술중에서국내에서개발되었거나사용되고있는표준 6 종을 KS 로제정하였고, 이중모든규격을만족하는표준기술은표 1 에서보이는바와같이, Profinet, EtherNet/IP, RAPIEnet 등이있다. 표 1. 주요유선통신기술 항목 주요유선통신기술 Profinet EtherNet/IP RAPIEnet 61158 ( 실시간 ) Type 10 Type 2 Type 21 61784-2 ( 프로파일 ) CPF 3 CPF 2 CPF 17 61784-3 ( 기능안전 ) PROFIsafe CIP Safety RAPIEnet Safety 62439 ( 고가용성 ) Part 2 MRP Part 5 BRP Part 7 RRP 지역 독일 미국 한국 회사 Siemens Rockwell LS 산전 나. 실시간네트워크기술실시간 (real-time) 은제한된시간에필요한결과를제공하는시스템의능력 [1] 이다. 실시간이더넷 (RTE) 은빠른속도와범용성을가지는
이더넷 (IEEE 802.3) 을산업분야에적용시키기위해프로토콜을수정하여이더넷이가지고있는지연시간의비결정론적 (non-deterministic) 문제를해결하고이더넷스위치를내장하여라인구조형태의토폴로지가가능하도록개선한산업용통신망프로토콜이다. 요구되는실시간성능은일반적인공장자동화환경에서약 100 ms이고, 모션제어분야는약 250us이다. IEC 61158[1] 시리즈표준은그림 1과같이여러가지필드버스프로토콜기술을데이터링크계층과애플리케이션계층으로나누어기술하고있다. 일반사용자는서비스관련항목을참고하고, 구현자는프로토콜관련항목을참고하도록나뉘어있다. 계층사용자지향관점 애플리케이션계층서비스 IEC 61158 파트 5 - 모델및개념 - 데이터형식정의 - 애플리케이션객체 - 서비스설명 - 통신종점관리 계층구현자지향관점 애플리케이션계층프로토콜 IEC 61158 파트 6 - 구문정의와코딩 - 애플리케이션관계절차 - 프로토콜머신 ( 상태머신 ) 데이터 - 링크계층서비스 IEC 61158 파트 3 - 모델및개념 - 서비스설명 - 관리서비스 데이터 - 링크계층프로토콜 IEC 61158 파트 4 - 코딩 - 매체접근 - 프로토콜머신 ( 상태머신 ) 그림 1. 데이터링크 / 애플리케이션계층의개념 ( 서비스와프로토콜의구분 ) 각프로토콜유형은여러계측기와제어기들이공용매체를사용하여서로통신할수있도록설계되었다. 기기들은동일한프로토콜유형을사용하는기기에한하여직접통신할수있다.
이들프로토콜유형은산업분야및관련영역의시스템을제어하고, 정보를처리하거나모니터링할수있도록설계되어왔다. 그림 2는프로세스플랜트에서사용되는센서, 구동기, 로컬제어기들간의저수준통신, 그리고이들과프로그램가능한제어기들과상호연동되도록고도로통합된애플리케이션의예를보여준다. 정보시스템네트워크 게이트웨이 프로세스플랜트 제조공장현장 게이트웨이 필드버스세그먼트 제어기 센서 프로그램가능한제어기들프로그램가능한제어기들프로그램가능한제어기들 필드버스세그먼트 브리지 구동기 필드버스세그먼트 프로그램가능한제어기들 그림 2 일반적인필드버스네트워크 IEC 61784 시리즈표준에서는 IEC 61158 시리즈표준이너무광범위하므로각통신기술들의성능지표를전달시간, 종단수, 기본네트워크토폴로지, 종단간스위치수, 실시간처리량, 비실시간처리량, 시간동기화정밀도, 리던던시복귀시간등 8가지로분리하여정리하였다 [2].
다. 고가용성자동화네트워크기술가용성 (Availability) 은필요한외부자원이공급되는것을가정할때특정한순간혹은특정한시간간격동안주어진조건하에서특정한품목이요구기능을수행할수있는상태를유지하는능력 [3] 을의미한다. 플랜트는유예시간이라불리는짧은시간동안만자동화시스템의성능 저하를감당할수있다. 네트워크복구시간은유예시간보다짧아야하는 데표 1 에서보인바와같이그유예시간에따라구분할수있다. 표 1 애플리케이션유예시간의예 애플리케이션덜민감한자동화분야, 예 ) 엔터프라이즈시스템자동화관리, 예 ) 제조, 이산자동화일반적인자동화분야, 예 ) 프로세스자동화, 파워플랜트민감한자동화분야, 예 ) 시간동기드라이브 전형적인유예시간 20 s 2 s 0.2 s 0.020 s 자동화시스템은고장에대처하기위해이중화를포함할수있다. 이중화를취급하는방법은다를수있으나이방법들의핵심성능요소는복구시간, 즉운전정지의발생이후동작상태를복구하는데소요되는시간이다. 복구시간이플랜트의유예시간을초과하는경우보호메커니즘이 ( 안전한 ) 시스템중지를개시하는데이경우생산량과플랜트운전가용성의상당한손실을초래할수있다.
복구의중요한특성은그의결정성즉기본적인가정 ( 한번에단일고장발생, 공통모드고장미발생, 최대시스템확장이하 ) 들이만족되는한복구시간이특정한값이하로유지될것이라는보장에있다. 단일고장발생시주어진위상의최악의경우복구시간을계산하는것이가능하면, 해당네트워크는결정론적복구기능을제공한다. IEC 62439[3] 규격은고가용성네트워크에대하여기술하고있다. 오류가발생하지않은네트워크에서 IEC 62439 프로토콜은 ISO/IEC 8802-3 와의호환성, 신뢰성있는데이터통신제공, 실시간데이터통신을보장한다. 반대로오류가발생한네트워크즉, 구성요소의고장, 제거및삽입의문제가있는경우, IEC 62439 프로토콜은결정론적 (deterministic) 복구시간을제공한다. 시장은상이한성능특성 (different performance characteristics), 기능역량 (functional capabilities), 다양한애플리케이션요구사항과일치와같은여러네트워크솔루션을필요로한다. 이솔루션은상이한 redundancy 토폴로지 (different redundancy topologies), 메커니즘을지원한다. 이는 IEC 62439-1 에간략히소개되어있고, 나머지 IEC 62439 시리즈에자세한내용이기술되어있다. IEC 62439 는 IEC 61158 의일반적인구조와용어를근간으로작성되었다. 표 2 는복구시간에따라정렬된이중화프로토콜의특성을비교한다. 표 2 이중화프로토콜의예
프로토콜솔루션프레임손실복구시간 IP IP routing Yes > 30 s 비결정론 STP IEEE 802.1D Yes > 20 s 비결정론 RSTP IEEE 802.1D Yes 결정론특정조건시 CRP IEC 62439-4 Yes 1 s 512 종단노드기준 DRP IEC 62439-6 Yes 100 ms 50 스위치기준 MRP IEC 62439-2 Yes 500 ms, 200 ms, 30 ms or 10 ms 50 스위치기준, 파라미터에따라가변 BRP IEC 62439-5 Yes 8.88 ms, 100 종단기준 RRP IEC 62439-7 Yes 8 ms, 100BASEX, 4 ms, 1000BASEX PRP IEC 62439-3 No 0 s HSR IEC 62439-3 No 0 s 라. 기능안전자동화통신기술기능안전시스템은능동적으로사고 재해가발생할가능성을매우낮은수준으로유지하는것이고, 기능안전통신은기능안전시스템의구성요소간전달되는데이터의무결성을매우높은수준으로유지하여기능안전시스템이안전기능을수행할수있도록하는기술이다. 이를위해 IEC 의기능안전시스템규격 IEC 61508 은시간당 1bit 데이터에 대한에러발생확률이 10-7 일때를 SIL(Safety Integrity Level: 안전무결성 수준 )3 으로규정하였다 또한기능안전통신은시스템에서차지하는비중을 1% 로정의함으로써,
SIL3를만족하는기능안전통신망은시간당 1bit의에러가발생할확률이 10-9 이하로유지해야하는난이도가높은기술이다. 10-9 이하로유지하기위해서는 32비트의데이터에대하여 32비트의 CRC 코드가제공되어야한다. IEC 61784-3[4] 표준은 IEC 61508[7] 개발규정을준수하고 Corruption, Unintended repetition, Incorrect sequence, Loss, Unacceptable delay, Insertion, Masquerade, Addressing 등으로규정된통신에러의해결방안에대하여기술한다. Edition2.0 에서는데이터의무결성 (DI) 에대하여확률을제공하고있으나, Edition3.0 이후부터 Timeliness, Authenticity, Data Integrity (TADI) 모델에대하여확률을제공하도록하고있다. 마. RAPIEnet 기술 RAPIEnet 은대한민국의산업강화와외국진출교두보마련을위하여 Topology, Performance, Maintenance 에대해산업분야의요구사항을수렴하여개발되었으며, 지명도확보, 기술우수성검증및통합 Network 기반조성을위해 IEC 규격으로추진하였다. 2010 년 8 월 IEC 61158/61784 Series 에 5 종이국제규격으로등재되었고, RAPIEnet 의 Ring 제어기술은독창성을인정받아고가용성자동화통신기술분야 (IEC 62439-7 Ring-based Redundancy Protocol(RRP)) 표준규격으로추가등재되었다. 현재 Functional Safety Network 관련기술분야 (IEC 61784-3-17) 에서표준규격으로추가진행중이며 FDIS 를통과하여 16 년 7 월 IS 로등록될예정이다. Functional Safety Network 관련규격이완료되면산업용유선통신분야표준을모두완료하게된다. 그림 3 은 IEC 표준화규격의주요이력을정리한것이다.
그림 3 RAPIEnet IEC 규격주요이력 RAPIEnet기술은실시간성부족, 배선문제, 이중화지원기능부족등의문제를근본적으로개선하기위하여산업용스위치기능을디바이스에내장하였고, 통신선로에문제발생시 8ms 이내에통신복원이가능하도록획기적으로개선하였다. 그림 4 는 RAPIEnet Architecture 를도식화한것이다.
그림 4 RAPIEnet Architectures 초기구현은산업용스위치기능이구현된외산 CPU 를이용하여적용하였고, 최근적용범위확대를위해 Third Party 에서도 RAPIEnet 제품군을손쉽게개발할수있도록산업용제어기및네트워크에적용가능한 Application Processor (AP) 급의 SoC 를개발완료하여 Chip Solution 을제공할예정이다. 새로개발된 SoC 는삼성전자의 45nm 공정을이용하였고, 그림 5 와같은블록다이어그램으로구성되어있다.
그림 5 SoC Block Diagram ARM Cortex-A8 800MHz(-40~85 ) 와 DDR3 256MB, NOR Flash 16MB, Gigabit Ethernet MAC (GEM) 4 채널, Ethernet Processing Unit (EPU) 을내장하여손쉽게고성능제품을개발할수있도록하였다. 또한 Camera I/F, Image Signal Processor (ISP) 및 Codec(MJPEG, H.264) 을내장하여네트워크와 Multimedia 기능이동시에필요한분야에적용할수있다. Switch기능은수신된프레임의 MAC Address와 Type을판단하여전달여부를결정하고, 해당기능은동적으로활성화 / 비활성화가능하여외부 Switch 없이통신선로의 Redundancy를위한 Ring Topology를별도의제어프로토콜없이구현이가능하다.
또한 EPU 는레지스터설정에따라수신된프레임필터링, 저장및응답할수있는기능을제공한다. 응답시에는들어온포트로응답할수도있고, 내부스위치로연결된파트너포트로도응답할수있다. 해당기능을이용시복잡한프로토콜을구현하지않아도손쉽게통신을이룰수있고빠른응답속도를얻을수있다. 개략적인내용은그림 6 EPU Block Diagram 에도식화되어있다. 그림 6 EPU Block Diagram
2. 산업용무선네트워크기술 가. 무선산업통신망개요공장환경에유선네트워크를설치하기힘든지역이나배선이되어있지않은현장을위해무선기술이필요하며산업환경에적용할수있는산업용무선통신을이용하여요구사항을만족시킬수있다. 산업용무선통신기술은주로회전체, 이동체분야에적용이되고있으며실시간제어보다는모니터링목적으로사용이확대되고있다. 현재무선산업통신 IEC 국제표준기술로는 WirelessHART(IEC 62591), ISA 100.11a(IEC 62734), WIA- PA(IEC 62601), WIA-FA(IEC CD 62948) 기술이있다 [8][9][10][11]. IEC TS 62657-1 및 IEC 62657-2에서산업현장에무선통신기술을적용시키기위한설치요구사항, 주파수고려사항및여러가지무선통신기술이한장소에공존시문제점을해결하기위한기준을제시하고있다 [12][13]. 나. 무선산업통신기술 - WirelessHART[8] WirelessHART 는 IEEE 802.15.4 를기반으로하는산업용무선통신 프로토콜이며시간동기화기능, 자동화된망구성, 메쉬네트워크의자동 복원기능등을가지고있다. WirelessHART는 HART와동일한어플리케이션계층을사용하고있고 HART 기반의장치를제어하는명령어가동일하기때문에기존유선환경인 HART와호환성및확장성을보장한다. 2010년 4월에 IEC 62591 국제표준규격으로채택되었다.
- ISA 100.11a[9] ISA 100.11a는 International Society of Automation (ISA) 에의해개발된산업공정제어용무선통신프로토콜이다. 2009년 9월에 ISA규격으로채택되었으며, 2014년 10월에 IEC 62734 표준규격으로채택되었다. ISA 100.11a는 IEEE 802.15.4 프로토콜기반위에 6LowPAN을채택하여 IPv6를지원함으로써확장성이뛰어나고 IoT(Internet of Things) 기술과호환성을가진다. ISA 100.11a는 HART, Profibus, Foundation Fieldbus 그리고 Device Net을포함한다양한통신프로토콜과상호운용이가능하다. - WIA-PA[10] WIA-PA 는 중국에서제안되어 2011 년 IEC 62601 국제표준으로제정된 산업용무선통신망규격이다. WIA-PA 는 IEEE 802.15.4 를기반으로하며 실시간성능을제공하기위해자원예약, 우선순위기반의 CSMA/CA 전송 큐메커니즘을채택하고있다. - WIA-FA[11] WIA-FA 는중국에서 2014 년제안되어 2017 년 IEC 62948 국제표준으로 제정예정인산업용무선통신망규격이다. WIA-FA 는 IEEE 802.11 를 기반으로하며공장자동화에적용하기위한기술표준을진행중이다. 다. 무선통신요구사항및주파수고려사항무선네트워크로인한지연과지터는필요한시스템의응답시간에영향을주는값보다작아야한다. 또한무선디바이스간의시간동기화도요구된다. 시간동기화는통신의상호교란과단말기의동작시간이통신지연과지터에서분리될수있도록송신데이터에추가하는타임스탬프의사용을방지할수있다. 시간동기화는기기에게전송슬롯을할당하고
모든시간기반메시지전송일정을수행함에따라달성될수있다. 이러한방식으로구현된시간동기는충돌을피하기위해서정확한응답 시간과더나은대역폭을활용하는것이필요하다. 산업용애플리케이션이제한시간내에결과를요구하는경우, 산업자동화시스템은결정론적또는실시간시스템이어야한다. 결과적으로이러한산업자동화시스템에서사용되는통신시스템은전송에러를수정하는데필요한반복동작을포함하여제한된시간에요구하는데이터전송을제공해야한다. IEC 에서는용접기로부터의간섭회피, 배터리로전원이공급되는디바이스에대하여비가시선무선통신에대한요구사항이상의 quasi optical 전파동작과전원효율을고려하여 1.4 GHz 이상 ~ 6 GHz 이하주파수밴드에대하여산업용으로 80MHz 할당을추진하고있다 [14]. III. 결론 본고에서는스마트공장의상호운용성을위하여사용되는산업용통신기술현황을 IEC 표준규격과 RAPIEnet 기술을통하여알아보았다. 공장내에사용되는통신방식은사람의생명과자산에심각한영향을줄수있으므로명확한요구사항을확인하고만족할수있어야한다. References [1] IEC 61158 (all parts), Industrial communication networks Fieldbus specifications
[2] IEC 61784-2:2014, Industrial communication networks Profiles Part 2: Additional fieldbus profiles for real-time networks based on ISO/IEC 8802-3 [3] IEC 62439 (all parts), Industrial communication networks High availability automation networks [4] IEC 61784-3:2010, Industrial communication networks Profiles Part 3: Functional safety fieldbuses General rules and profile definitions [5] IEC 62443 (all parts), Industrial communication networks Network and System security [6] IEC 61784-4, Industrial communication networks Profiles Part 4: Profiles for secure communications in industrial networks [7] IEC 61508 (all parts), Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems [8] IEC 62591 IEC Industrial networks - Wireless communication network and communication profiles - WirelessHART [9] IEC 62734 Industrial networks - Wireless communication network and communication profiles - ISA 100.11a [10] IEC 62601 Industrial networks - Wireless communication network and communication profiles - WIA-PA [11] IEC CD 62948 Industrial networks - Wireless communication network and communication profiles - WIA-FA [12] IEC TS 62657-1, Industrial communication networks Wireless communication networks Part 1: Wireless communication requirements and spectrum considerations [13] IEC 62657-2, Industrial communication networks Wireless communication networks Part 2: Coexistence management [14] IEC Administrative Circular AC/29/2015 IEC proposal to ITU-R to reserve specific radio spectrums for use within industrial automation facilities [15] 정보와통신지 2016년 1월스마트공장을위한산업네트워크동향 [16] 계장기술 2014년 12월 RAPIEnet 통신망기술
Biographies 권대현 - 1997년 : 한양대학교전자공학과학사 - 2000년 : 한양대학교전자공학과석사 - 2000년 ~ 현재 : LS산전책임연구원 - 2007년 ~ 현재 : IEC TC 65 한국대표 - 2014년 ~ 현재 : IEC SG 8 (Industry 4.0 Smart Manufacturing) 한국대표 - 주요관심분야 : 산업용통신, 산업용제어기 - e-mail : daehyunka@lsis.com 윤건 - 2001년 : 강원대학교공학사 - 2003년 : 강원대학교공학석사 - 2003년 ~ 현재 : LS산전책임연구원 - 관심분야 : 산업용통신, 산업용제어기 - e-mail : gyoon@lsis.com 이수강 - 1998년 : 국민대학교공학사 - 2005년 : 한양대학교공학석사 - 2005년 ~ 현재 : LS산전책임연구원 - 관심분야 : 산업용통신, 산업용제어기 - e-mail : sglee1@lsis.com