산업용 이더넷 / Real-time Ethernet

소개

Real-Time Ethernet(RTE)은 이더넷 네트워크를 통해 리얼타임 통신 및 데이터 교환을 가능하게 하는 프로토콜 및 기술 세트를 의미합니다 . 리얼타임 이더넷은 센서, 액추에이터, 컨트롤러 및 감시 시스템과 같은 다양한 장치 간의 데이터의 시의적절하고 결정적인 전송을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. IEEE 802.3에 정의된 기존 이더넷은 비결정적이며, 임의적인 지연과 전송 오류 가능성으로 인해 엄격한 리얼타임 산업 응용 분야에 적합하지 않습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 산업용 이더넷이 개발되었으며, 이는 단일 네트워크 솔루션에 리얼타임 기능을 통합합니다.

산업 자동화 시스템은 제어 루프, 모션 제어, 공정 모니터링과 같은 작업에 정확한 타이밍과 동기화가 요구되는 경우가 많습니다. RTE 프로토콜은 트래픽 우선순위 지정, 지연 시간 최소화, 일관된 통신 성능 보장 메커니즘을 제공하여 이러한 요구 사항을 충족합니다. RTE 솔루션은 표준화된 우선순위 지정과 사용자 정의 우선순위 레벨을 도입하여 결정론적 통신을 우선시합니다.

RTE는 표준 이더넷 통신과 리얼타임 요구 사항을 동시에 지원할 수 있습니다. 이를 통해 기존 사무실 IT 네트워크를 산업 제어 시스템과 통합할 수 있어 네트워크 아키텍처를 간소화하고 인프라 비용을 절감할 수 있습니다.

 

리얼타임 이더넷의 기술적 특징

결정론과 리얼타임 기능

RTE 프로토콜은 결정성을 도입하고 보장하여 메시지가 보장된 시간 내에 전달되도록 합니다. 이는 모션 제어 시스템, 공정 자동화, 로봇 공학 또는 안전 장치와 같이 타이밍이 매우 중요한 애플리케이션에 필수적입니다.

중복성과 신뢰성

고가용성과 신뢰성은 병렬 이중화 프로토콜(PRP) 및 고가용성 무중단 이중화(HSR)와 같은 이중화 메커니즘을 통해 구현됩니다. 이러한 프로토콜은 서로 다른 경로를 통해 중복 프레임을 동시에 전송할 수 있도록 하여 단일 장애 지점에서도 통신이 중단되지 않도록 보장합니다. 이처럼 리얼타임 이더넷 기술은 네트워크 장애 또는 구성 요소 오작동 발생 시 백업 경로 또는 장치로 자동 전환하여 지속적인 운영을 보장하는 동시에 네트워크의 신뢰성과 내결함성을 향상시킵니다.

시간 동기화

기기 간 정확한 시간 동기화는 리얼타임 이더넷의 핵심 요소입니다. IEEE 1588 정밀 시간 프로토콜(PTP)과 같은 프로토콜은 네트워크상의 모든 기기 시계를 매우 높은 정확도(종종 마이크로초 미만)로 동기화하는 데 사용됩니다. 이러한 동기화는 분산 시스템 전반에 걸쳐 조정된 작업을 수행하고 작업 순서를 유지하는 데 필수적입니다. 정확한 동기화는 분산 제어 시스템 간의 시간적 관계를 유지하고 여러 기기에서 작업을 동기화하는 데 필수적입니다.

호환성 및 상호 운용성

리얼타임 이더넷(RTE)은 예측 가능한 성능과 유지보수성을 제공하면서 현재 시스템과 기존 시스템 모두와 상호 운용되어야 합니다. 여기에는 물리적 호환성, 저수준 전송 프로토콜, 그리고 OSI 모델 의 상위 수준에서의 상호 운용성이 포함됩니다 . 외부 침입과 무단 내부 사용으로부터 보안을 보장하는 것 또한 매우 중요한 요소입니다. 리얼타임 이더넷 프로토콜은 표준 이더넷 기술 및 인프라와 원활하게 통합되어 기존 IT 네트워크와의 상호 운용성을 제공합니다. 표준 이더넷과의 통합은 산업 자동화 시스템의 구축, 유지보수 및 관리를 간소화하는 동시에 이더넷 기술의 이점을 활용할 수 있도록 합니다.

진단 및 모니터링

RTE 프로토콜은 문제 해결, 성능 분석 및 시스템 최적화를 지원하는 진단 및 모니터링 기능을 제공합니다. 진단 도구는 네트워크 상태, 트래픽 패턴 및 장치 상태에 대한 통찰력을 제공하여 사전 예방적 유지 관리 및 신속한 오류 감지를 가능하게 합니다.

이러한 기술적 특징들이 종합적으로 작용하여 리얼타임 이더넷(RTE)은 높은 신뢰성, 낮은 지연 시간, 그리고 결정론적 통신을 포함한 산업 자동화 애플리케이션의 엄격한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이러한 특징들은 RTE가 산업 공정의 정밀한 제어 및 조정을 위해 필요한 안정적이고 결정론적인 통신을 제공할 수 있도록 보장합니다.

 

리얼타임 이더넷: 표준 및 기술

RTE 프로토콜은 산업 자동화 및 통신의 엄격한 시간 요구 사항을 충족하도록 설계된 다양한 표준을 포함합니다.

PROFINET(프로세스 필드 넷)

PROFINET은 산업 자동화 분야에서 널리 사용되는 RTE 프로토콜입니다. 리얼타임 통신과 표준 TCP/IP 통신을 모두 지원하여 기존 이더넷 인프라와 원활하게 통합할 수 있습니다. PROFINET은 등시성 리얼타임 통신, 우선순위 메시징, 신뢰성 향상을 위한 이중화 등의 기능을 제공합니다. 또한 RT( 리얼타임 ), IRT(등시성 리얼타임 ), RT-IRT(실시간 및 등시성 실시간 결합) 등 다양한 통신 모드를 지원합니다.

EtherCAT(제어 자동화 기술용 이더넷)

EtherCAT 은 EtherCAT 기술 그룹(ETG)에서 표준화한 개방형 리얼타임 이더넷 프로토콜입니다. 각 네트워크 노드가 데이터를 통과하는 즉시 처리하는 독특한 "실시간 처리(processing on the fly)" 방식을 채택하여 통신 지연 시간을 최소화하고 높은 동기화 정확도를 제공합니다. MAC 계층 프로토콜인 EtherCAT은 최대 65,535개의 장치를 지원하며 탁월한 대역폭 활용률을 자랑합니다. 또한 라인, 링, 트리 구조를 포함한 다양한 토폴로지를 지원하여 여러 산업 분야에 적합합니다. 분산 클록 동기화, 장치 핫 플러깅, 혼합 사이클 시간 지원 등의 기능도 제공합니다.

이더넷/IP

이더넷/IP 는 자동화 시스템에서 리얼타임 제어 및 정보 교환을 지원하기 위해 표준 이더넷을 확장한 프로토콜입니다. CIP(Common Industrial Protocol)를 기반으로 하며, 다른 CIP 기반 네트워크와의 원활한 통합을 가능하게 합니다. 이더넷/IP는 명시적 메시징(클라이언트-서버 통신)과 암시적 메시징(I/O 데이터 교환)을 모두 지원하여 다양한 유형의 애플리케이션에 유연성을 제공합니다. 또한 네트워크 이중화를 위한 DLR(Device Level Ring), QoS(Quality of Service)를 통한 트래픽 우선순위 지정, 객체 지향 데이터 표현 등의 기능을 제공합니다. 통신에는 표준 이더넷의 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층, 전송 계층을 사용합니다.

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP 는 산업 자동화 분야에서 널리 사용되는 직렬 통신 프로토콜인 Modbus 프로토콜의 변형입니다. 이더넷 네트워크를 통해 Modbus 통신을 가능하게 하여 산업 현장에서 리얼타임 데이터 교환을 위한 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 컨트롤러-장치 통신 모델을 지원하며, 컨트롤러는 네트워크에 연결된 장치에서 데이터를 읽거나 쓰는 요청을 시작할 수 있습니다. 브로드캐스트 메시징, 다양한 레지스터 유형(코일, 이산 입력, 입력 레지스터, 홀딩 레지스터), CRC (순환 중복 검사)를 통한 오류 감지 등의 기능을 제공합니다.

이더넷 파워링크

이더넷 파워링크 는 시간적으로 중요한 데이터의 우선순위를 높이고 결정론적 통신을 보장하는 RTE 프로토콜입니다. 성공적인 작동을 위해서는 컨트롤러 또는 관리 노드가 필요하며, 네트워크에 연결된 장치에 8비트 주소를 수동으로 구성해야 하므로 확장성이 제한적입니다.

이러한 프로토콜은 산업 자동화에서 리얼타임 및 결정론적 통신의 핵심 기반 역할을 하며, 제조, 공정 제어 및 기타 산업 응용 분야에서 장치 간의 정밀한 제어, 동기화 및 데이터 교환을 가능하게 합니다. 각 프로토콜은 고유한 장점과 특정 사용 사례에 대한 적합성을 가지고 있으므로 시스템 설계자는 요구 사항에 따라 가장 적합한 솔루션을 선택할 수 있습니다.

 

리얼타임 이더넷의 범주

RTE 시스템은 일반적으로 하드 리얼타임(HRT)과 소프트 리얼타임(SRT)의 두 가지 주요 하위 범주로 나뉘며, 각각 특정 시간 요구 사항과 성능 특성을 충족합니다. 이 두 범주는 데이터가 요구되는 시간 제약 조건 내에 처리되거나 전달되지 않을 경우 발생할 수 있는 결과의 심각성에 따라 구분됩니다.

하드 리얼타임(HRT) 

하드 리얼타임 시스템(HRT)은 시간 제약 조건을 충족하지 못할 경우 치명적인 결과를 초래할 수 있는 시스템입니다. 산업 자동화 분야에서 이는 제조 공정의 핵심 구성 요소 고장을 의미하며, 안전 위험, 장비 손상 또는 막대한 재정적 손실로 이어질 수 있습니다. 이러한 시스템은 엄격한 시간 제약 조건을 충족하도록 설계되어 제어 루프 및 모션 제어와 같은 시간 제약이 중요한 작업이 안정적이고 예측 가능하게 실행되도록 보장합니다. HRT 시스템은 데이터 전달의 결정성과 적시성에 대한 엄격한 보장을 요구합니다. 작업은 정확해야 하며, 종종 밀리초 단위 또는 그 이하의 정확한 시간 내에 이루어져야 합니다.

소프트 리얼타임(SRT)

이 시스템은 대부분의 리얼타임 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 수준의 예측 가능성과 응답성을 제공하지만, 엄격한 시간 제약 조건에서 가끔씩 벗어나는 것을 허용합니다. 소프트 리얼타임 시스템은 작업의 적시 실행을 우선시하지만, 애플리케이션의 전반적인 성능이 허용 가능한 수준이라면 간헐적인 지연이나 응답 시간 변동을 허용할 수 있습니다. 마감 시간을 놓치는 경우의 결과는 하드 리얼타임 시스템(HRT)보다 심각하지 않습니다. 소프트 리얼타임 이더넷 프로토콜은 하드 리얼타임 시스템처럼 엄격한 시간 제약을 부과하지 않고 높은 처리량, 낮은 지연 시간 및 감소된 지터를 달성하는 데 중점을 둡니다. SRT 시스템은 어느 정도의 지연을 허용할 수 있으며 모든 마감 시간을 준수해야 한다는 보장을 반드시 요구하지는 않습니다.

시간 민감형 네트워킹(TSN)

TSN(Traffic Service Network)은 광범위한 애플리케이션을 지원하기 위해 결정론적이고 실시간적인 기능을 통해 이더넷을 향상시키는 것을 목표로 하는 진화하는 표준 세트입니다. TSN은 표준 이더넷 네트워크를 통해 결정론적 통신, 정확한 시간 동기화 및 트래픽 셰이핑과 같은 기능을 제공함으로써 리얼타임 이더넷으로 가는 새로운 경로를 제시합니다. TSN 표준은 트래픽 우선순위 지정, 전송 스케줄링 및 제한된 지연 시간 보장을 위한 메커니즘을 정의하여 다양한 산업 애플리케이션에서 요구되는 엄격한 실시간 및 유연한 실시간 요구 사항을 모두 지원합니다.

RTE의 분류는 타이밍 요구사항의 중요도와 이러한 요구사항을 충족하지 못할 경우 발생하는 결과에 기반합니다. 또한 산업 자동화 및 통신 시스템에서 다양한 수준의 타이밍 요구사항과 성능 기대치를 충족할 수 있도록 유연성을 제공합니다. 설계자는 특정 애플리케이션과 그 중요도에 따라 적절한 리얼타임 이더넷 범주를 선택하여 최적의 시스템 동작과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.

 

리얼타임 이더넷의 장점

기존 산업 통신 분야를 지배했던 필드버스 기술과 비교했을 때, RTE는 다음과 같은 여러 장점을 제공합니다.

향상된 성능

RTE 프로토콜은 산업 자동화 작업에 최적화된 성능을 제공하며, 높은 처리량, 최소한의 지터, 그리고 네트워크 부하가 심한 상황에서도 일관된 통신 성능을 보장합니다.

비용 효율성

RTE는 표준 이더넷 하드웨어 및 기술을 활용하여 초기 구축 비용과 지속적인 유지 관리 비용 모두를 절감할 수 있습니다. 통합 네트워크 인프라를 사용하면 특수 장비 및 케이블의 필요성이 줄어들고 네트워크 관리 및 문제 해결이 간소화됩니다. 또한 RTE 네트워크의 높은 효율성과 신뢰성은 장기적으로 운영 비용 절감으로 이어질 수 있습니다.

고급 진단 및 모니터링

RTE 프로토콜은 산업 네트워크의 문제 해결, 성능 분석 및 사전 예방적 유지 관리를 용이하게 하는 진단 도구와 모니터링 기능을 제공하여 시스템 신뢰성과 가동 시간을 향상시킵니다.

저지연

리얼타임 이더넷 프로토콜은 통신 지연 시간을 최소화하여 중요한 제어 및 모니터링 작업에 신속한 응답 시간을 제공합니다. 낮은 지연 시간은 리얼타임 제어 시스템, 모션 제어 및 고속 데이터 수집 애플리케이션에 필수적입니다. 또한 이러한 이유로 리얼타임 이더넷 프로토콜은 향상된 성능을 제공하고 매우 효율적입니다.

 

 

※ 출처: 힐셔