산업용 이더넷 의 기술 및 국제 표준 화 동향 과 RAPIEnet 의 특징 – 아이 씨 엔 매거진 
 산업용 이더넷 의 기술 및 국제 표준 화 동향 과 RAPIEnet 의 특징 
 글 _ 권대현 , LS 산전 ㈜ 중앙 연구소 daehyunka @ lsis . biz 
 올해 자동 화 분야 의 여러 Issue 중 가장 큰 화제 는 다양 한 산업용 이더넷 ( Industrial Ethernet ) 기술 이 부각 되 고 있 는 것 입니다 . LS 산전 이 개발 한 RAPIEnet ( Real - time Automation Protocols for Industrial Ethernet ) 기술 은 2008 년 1 월 90 % 이상 의 찬성 으로 IEC / PAS 62573 으로 채택 이 되 었 고 , AIMEX 전시회 에서 는 실제 기술 을 응용 한 제품군 ( 이중화 PLC XGR , HMI Option Card , PC Card 등 ) 을 정식 으로 발표 하 였 습니다 . 
 그런데 글로벌 자동 화 기업 들 과 LS 산전 이 다양 한 산업용 이더넷 기술 을 발표 하 고 있 는데 “ 개발자 는 어떤 것 을 개발 해야 하 고 , 사용 자 는 이 들 중 에서 어느 것 을 선택 해야 하 는지 ? ” 를 판단 하 기 가 쉽 지 않 으실 것 입니다 . 
 이번 글 에서 는 여러 분 들 의 판단 에 도움 이 될 수 있 도록 산업용 이더넷 에 대한 개요 및 기술 , RAPIEnet 기술 현황 , 그리고 향후 발전 방향 에 대한 순 으로 전개 하 여 보 도록 하 겠 습니다 . 
 1 . 산업용 이더넷 의 개요 와 기술 
 첫 번 째 로서 산업용 이더넷 개요 및 기술 에 대하 여 살펴보 도록 하 겠 습니다 . 
 디지털 방식 의 산업 용 통신 방식 은 이전 아날로그 통신 방식 보다 다량 의 신호 를 원거리 까지 전송 하 기 에 케이블 등 전송 기자재 를 5 분 의 1 정도 절감 할 수 있 고 , 기기 의 계측 기능 향상 및 안정 성 을 인정 받 으면서 산업 현장 에서 많이 채용 되 고 있 습니다 . 
 산업 현장 에서 많이 쓰이 고 있 는 통신 방식 은 필드버스 ( Fieldbus ) 와 이더넷 ( Ethernet ) 이 며 각각 은 장점 과 단점 을 가지 고 있 습니다 . 그 내용 을 정리 하 면 아래 그림 1 과 같 습니다 . 
 이 를 기반 으로 서로 의 장점 을 크 게 부각 할 수 있 는 분야 로 적용 이 되 어 필드버스 기술 은 디바이스 제어 분야 에 , 이더넷 은 컨트롤러 나 상위 시스템 과 정보 를 주 고 받 는 분야 에서 발전 되 어 왔 습니다 . 
 그러나 분야 별 로 다른 통신 이 적용 되 어 여러 가지 문제 가 발생 하 고 있 어 필드버스 방식 의 강점 을 이더넷 에 접목 시켜 하나 의 기술 로 통합 하 는 경향 으로 발전 하 고 있 습니다 . 또한 자동 화 영역 의 필요 에 의해 탄생 한 산업용 이더넷 기술 이 공정 자동 화 , 전력 IT , 모션 분야 등 전 산업 분야 로 적용 이 확산 되 고 있 습니다 . 
 기술 적 인 추이 를 설명 하 기 위하 여 사용 자 입장 에서 산업 용 통신 기술 의 주요 요구 사항 을 정리 하 여 보 고 각 요구 사항 에 대하 여 산업용 이더넷 의 해결 방법 을 살펴보 도록 하 겠 습니다 . 
 첫째 , 실시간 통신 기능 입니다 . 
 이 는 주어진 시간 내 에 원하 는 데이터 를 통신 하 는 기능 을 의미 하 며 하드웨어 와 소프트웨어 를 기반 으로 발전 하 여 왔 습니다 . 
 소프트웨어 기반 은 응용 계층 에서 필드버스 기술 과 유사 하 게 타임 슬롯 을 할당 받 아 주 어 진 시간 에 만 통신 을 하 여 충돌 을 배제 한 방식 입니다 . 이 는 알고리즘 의 복잡 성 , 비 효율 성 , 그리고 스타 구조 의 배선 구조 로 인하 여 디바이스 레벨 의 소 규모 데이터 통신 에서 는 많이 적용 되 지 않 았 습니다 . 하드웨어 기반 은 스위치 기술 의 기기 간 양방향 통신 경로 를 제공 하 여 충돌 발생 현상 을 근본 적 으로 해결 한 것 입니다 . 
 둘째 , 선형 배선 구조 입니다 . 
 자동 화 분야 의 경우 선형 구조 로 배선 이 가능 해야 합니다 . 실시간 통신 을 제공 하 기 위하 여 초기 외장 스위치 기반 으로 접근 하 였으나 외장 스위치 를 기반 으로 한 스타 형 배선 구조 는 배선 길이 가 증가 하 는 문제 와 함께 외장 스위치 가 다운 될 경우 전체 통신 이 두 절 될 가능 성 이 있 습니다 . 이 를 배제 하 기 위하 여 Dual - Port 스위치 기술 을 채용 하 여 Daisy - Chain 형태 로 배선 이 가능 하 도록 해결 하 였 습니다 . 
 셋째 , 통신 선로 이중 화 기능 및 세그먼트 분리 기능 입니다 . 
 이 는 예상 치 못한 디바이스 의 장애 나 통신 선로 의 문제 발생 시 에 도 정상 적 으로 통신 하 는 기능 을 의미 합니다 . RS - 485 / 422 기술 을 기본 으로 한 필드버스 기술 은 이중화 선로 지원 에 많 은 제약 이 존재 하 고 특정 디바이스 에 물리 적 장애 가 발생 할 경우 전체 통신 이 두 절 되 는 현상 이 있 을 수 있 어 이러 한 요구 사항 을 만족 하 기 어려웠 습니다 . 
 산업용 이더넷 은 링 구조 를 제공 하 여 디바이스 의 장애 / 교체 시 또는 통신 선로 의 문제 발생 시 백업 패스 로 통신 할 수 있 는 양방향 통신 을 제공 하 여 해결 하 고 있 습니다 . 
 위 의 3 가지 요구 사항 은 Dual - Port 스위치 기술 을 기본 으로 한 링 구조 를 통하 여 해결 이 가능 합니다 . 또한 고가 의 스위치 가 기술 의 발달 및 시장 성 으로 매우 저렴 해 지 면서 디바이스 레벨 의 소 규모 데이터 통신 영역 으로 확산 이 가능 해 지 고 있 습니다 . 
 넷째 , 시간 동기 화 기능 입니다 . 
 모션 제어 의 경우 시간 동기 화 는 필수 적 입니다 . 통신 을 통한 방식 도 예외 가 있 을 수 없 습니다 . 산업용 이더넷 은 IEEE 1588 기술 을 채용 하 여 수 us 이내 의 정밀도 까지 제공 합니다 . 
 마지막 으로 산업 용 환경 적합성 입니다 . 
 기존 필드버스 에서 도 많 은 내 환경 제품 이 존재 합니다 . 산업용 이더넷 분야 는 넓 은 시장 환경 을 가지 고 있 어 보다 저렴 하 게 주변 장비 를 구할 수 있 습니다 . 
 1 - 1 . 산업용 이더넷 국제 표준 화 동향 
 산업용 이더넷 기술 의 중요 성 은 IEC 표준 화 동향 과 국내외 시장 규모 및 성장 성 을 보 면 앞 으로 의 방향 을 파악 하 는 데 도움 이 될 것 입니다 . 
 2007 년 말 10 개 의 규격 이 IEC 61158 과 61784 - 2 의 규격 으로 발표 되 었 습니다 . 현재 산업 통신망 관련 국제 표준 은 ISO 와 IEC 에 의해 추진 되 고 있 으며 , IEC 에서 는 산업 통신망 프로토콜 분야 를 , ISO 에서 는 산업 통신망 응용 분야 를 주로 표준 화 하 고 있 습니다 . 
 ISO 에서 는 개방 형 구조 를 지향 하 는 오픈 프레임워크 표준 을 ISO TC 184 ( 산업 자동 화 통신망 표준 ) , SC 5 ( 구조 및 통신 ) , WG 5 ( 개방 형 프레임워크 ) 에서 표준 화 를 진행 하 여 2003 년 10 월 ISO - 15745 로 공표 하 였 습니다 . 
 IEC 에서 는 1997 년 부터 업계 에 산재 되 어 있 던 필드버스 관련 규격 들 을 정리 하 여 2003 년 8 가지 의 필드버스 프로파일 을 포함 하 는 국제 표준 ( IEC 61158 , IEC 61784 ) 을 발표 하 였 습니다 . 또한 최근 에 는 IEC SC 65 C ( Digital Communication ) WG 11 ( Real Time Ethernet ) , WG 12 ( Functional Safety for Communications ) , WG 13 ( Cyber Security ) , WG 15 ( High Availability ) 등 의 활동 을 통해 최신 기술 들 에 대한 추가 표준 화 작업 을 진행 하 고 있 습니다 . 
 특히 산업용 이더넷 분야 의 IEC 표준 화 작업 을 진행 하 고 있 는 IEC SC 65 C WG 11 에 는 EtherNet / IP , PROFINET , EtherCAT 등 과 관련 된 여러 단체 및 업체 들 이 참여 하 여 자신 의 기술 을 국제 표준 에 반영 하 기 위해 적극 적 으로 활동 하 였으며 , WG 11 은 08 년 5 월 동경 총회 에서 MT 9 으로 합병 되 었 습니다 . 
 산업용 이더넷 의 단일 표준 화 에 는 실패 하 였으나 그나마 물리 계층 의 표준 이 이더넷 으로 통일 되 어 추후 다양 한 응용 분야 표준 을 동일 한 하드웨어 기반 에서 이용 할 수 있 게 되 었 습니다 . 
 ARC 에 의하 면 산업용 이더넷 은 Information , Controller , Device Network 분야 모두 대체 가 가능 하 여 년 성장 51 % 고속 성장 을 예상 하 고 있 습니다 . 또한 통신 방식 결정 은 바로 이 를 채용 한 시스템 결정 을 의미 하 므로 주도 권 쟁탈 을 위한 치열 한 기술 경합 이 발생 하 고 있 습니다 . 
 IEC 국제 표준 은 각 국가 의 이익 및 한 시대 의 기술 을 대변 한다는 측면 에서 굉장히 조심 스럽 고 철저 한 절차 를 통해 제정 됩니다 . IEC 국제 표준 규격 이 되 기 위해서 는 여러 단계 에 걸친 세부 절차 를 모두 통과 해야 표준 규격 으로서 승인 되게 됩니다 . 
 실제로 현재 까지 한국 에서 제안 된 IEC 규격 은 모든 분야 를 통틀 어 총 29 건 이 며 이중 채택 발간 된 문건 은 5 건 에 지나 지 않 습니다 . 
 RAPIEnet 은 자국 의 산업 보호 와 외국 진출 교두보 마련 을 위하 여 개발 되 었 으며 지명 도 확보 및 통합 Network 기반 조성 을 위해 IEC 규격 을 추진 중 입니다 . 08 년 5 월 5 종 의 규격 을 제안 하 여 승인 되 었 으며 2010 년 3 월 규격 을 발간 하 는 것 을 추진 중 입니다 . 
 주요 기술 들 의 특징 은 Hardware 수정 여부 에 따라 Standard / Modified Ethernet 인지 , 적용 부분 에 따라 특정 응용 분야 용 인지 일반 적용 분야 용 인지 로 구분 이 가능 합니다 . 
 A Class 의 기술 은 기존 TCP / IP 기술 을 그대로 채용 하 여 IT 분야 의 기술 을 산업 용 분야 에 확장 한 것 입니다 . B Class 는 실시간 성 ( Real - Time ) 을 향상 시키 기 위하 여 실시간 통신 시 TCP / IP 서비스 를 기반 으로 하 지 않 고 바로 하 는 방식 입니다 . C Class 는 가장 최근 의 기술 로 실시간 통신 , Daisy - Chain 배선 제공 및 이중화 통신 선로 를 위한 링 구조 지원 과 같 은 성능 및 기능 향상 목적 으로 전용 하드웨어 를 기반 으로 한 방식 입니다 . 
 2 . RAPIEnet 의 기술 현황 
 두 번 째 로서 RAPIEnet 기술 현황 에 대하 여 살펴보 도록 하 겠 습니다 . 
 RAPIEnet 기술 은 Topology , Performance , Maintenance 분야 의 요구 사항 을 정리 하 고 이 를 해결 하 고자 개발 한 기술 입니다 . 
 RAPIEnet 개요 그림 은 RAPIEnet 의 Reference 모델 을 보여 주 고 있 습니다 . 확장 성 을 위한 TCP / IP 통신 과 실시간 성 을 위한 실시간 통신 데이터 가 동시 존재 가능 합니다 . 그리고 Dual - Port 스위치 를 디바이스 에 내장 하 여 H / W 기반 결정 론 적 통신 을 제공 하 며 현장 에 적합 한 Daisy - Chain 을 기본 으로 한 링 구조 를 지원 하 여 외장 시스템 없이 시스템 구성 을 지원 합니다 . 또한 다양 한 통신 미디어 ( 전기 , 광 , 혼합 ) 를 지원 하 여 외장 디바이스 없이 다양 한 환경 에서 적용 이 가능 합니다 . 
 RAPIEnet 기술 을 좀 더 상세 하 게 살펴보 면 기본 적 으로 Full - Duplex 환경 을 제공 하 여 H / W 접근 권한 을 얻 기 위한 별도 의 복잡 한 알고리즘 이 필요 없 습니다 . 데이터 특성 에 따라 동시 에 공유 할 수 있 으며 1 : 1 통신 시 에 는 수신 받 은 디바이스 가 해당 내용 을 전달 하 지 않 아 통신 선로 에 불 필요 한 트래픽 을 발생 시키 지 않 습니다 . 
 배선 구조 는 라인 구조 를 기본 적 으로 제공 하 며 외부 에서 특별 한 설정 없이 케이블 을 연결 하 기 만 하 면 링 구조 를 형성 할 수 있 습니다 . 특히 일부 만 장거리 구간 이 필요 하 거나 Noise 가 심한 구간 이 있 는 경우 그 부분 만 광 케이블 을 적용 할 수 있 으므로 효율 적 인 시스템 구성 이 가능 합니다 . 
 링 구조 에서 중요 한 것 은 통신 선로 에 문제 발생 시 얼마나 빨리 문제점 을 복원 할 수 있 는지 여부 와 링 을 형성 할 때 얼마나 편하 게 링 이 형성 되 는지 여부 입니다 . RAPIEnet 은 링 구조 에서 라인 으로 전환 시 복원 시간 이 약 10 ms 이내 로 매우 빠른 속도 를 제공 하 며 외부 에서 특별 한 설정 을 하 지 않 아도 자동 으로 링 제어 매니저 를 선출 하 여 링 을 구성 합니다 . 
 문제 발생 시 동작 원리 는 다음 과 같 습니다 . 12 시 방향 의 Device 1 과 4 시 방향 의 Device 3 이 통신 하 고 있 을 때 Device 2 와 Device 3 사이 의 통신 선로 에 이상 이 발생 하 게 되 면 Device 2 와 Device 3 이 문제 가 발생 하 였음을 모든 디바이스 에게 알려 주 게 됩니다 . 이 를 인지 한 디바이스 들 은 Blocking Port 를 연결 하 여 새로운 경로 를 만들 고 Device 1 은 반대 방향 으로 데이터 를 전송 하 여 단절 없이 통신 이 가능 하 도록 합니다 . 
 RAPIEnet 은 이웃 디바이스 와 의 연결 정보 를 모두 구축 하 고 있 어 실제 이웃 에 위치 한 정보 를 실시간 으로 파악 가능 합니다 . 또한 전기 케이블 의 경우 통신 중 에 도 실시간 으로 거리 파악 이 가능 하 여 통신 문제 발생 시 문제 가 발생 한 구간 을 정확 하 게 확인 할 수 있 습니다 . 
 3 . 응용 분야 및 발전 방향 
 마지막 으로 응용 분야 및 향후 발전 방향 입니다 . 
 지금 까지 살펴 보 았 듯 산업용 이더넷 기술 은 빠르 게 발전 하 고 있 으며 많 은 응용 분야 에 적용 이 가능 합니다 . 또한 Dual - Port 스위치 내장 등 하드웨어 적 으로 고 사양 임 에 도 불구 하 고 기존 의 일반 이더넷 과 비슷 한 수준 의 가격 으로 제공 이 가능 하 며 , 외장 스위치 가 불 필요 하 기 때문 에 시스템 측면 의 cost 도 절감 될 수 있 습니다 . 
 이 를 대비 하 여 개발 된 RAPIEnet 기술 은 PLC 와 HMI , 컴퓨터 용 보드 까지 제품 이 출시 되 었 습니다 . 특히 I / O Extension 레벨 에서 RAPIEnet 으로 구현 한 LS 산전 의 이중화 PLC XGR 은 인도 와 인도네시아 의 공정 자동 화 시스템 의 컨트롤러 와 LCD 산업 의 생산 라인 에서 적용 되 고 있 습니다 . 
 현재 리모트 I / O , 인버터 등 자사 제품 위주 로 제품 을 개발 중 이 며 앞 으로 확산 을 위한 다양 한 서드 파티 업체 와 협력 을 검토 중 입니다 . 
 또한 기본 적 으로 HSL ( High Speed Link ) , COS ( Change of State ) , TB ( Time based ) 등 의 기능 이 지원 되 는 자체 프로토콜 을 탑재 하 고 있 으며 , 다양 한 시스템 구성 및 기존 디바이스 와 의 호환 성 확보 를 위해 Modbus TCP 나 EtherNet / IP 등 업계 주요 프로토콜 지원 을 위하 여 개발 중 에 있 습니다 . 
 서드 파티 지원 책 으로 는 Daughter Board 형태 의 Kit 어셈블리 와 FPGA / ASIC 형태 의 Single Chip 및 관련 라이브러리 제공 을 통해 개발 시 편의 성 을 제공 할 예정 입니다 . 
 척박 한 국내 자동화 통신망 분야 에서 다양 한 씨앗 중 하나 인 RAPIEnet 이 성장 하 여 나무 로 자라 게 되 었 습니다 . 
 RAPIEnet 개발 담당자 로서 이 기술 은 LS 산전 만 의 기술 이 아니 라 대한 민국 을 대표 하 는 기술 로 여러분 들 과 함께 키워 나가 고 열매 를 나누 어 먹 으며 기쁨 을 나누 어 싶 습니다 . 
 그 시발점 으로 RAPIEnet 협회 구성 및 Single Chip Solution 을 검토 중 입니다 . 여러분 의 다양 한 의견 과 참여 를 부탁 드립니다 . 
 NSC , 업계 최초 로 센서 신호 경로 솔루션 개발 용 온라인 툴 출시 
 잰걸음 으로 한국 에 다가서 는 신재 생 에너지 전문 기업 , 세 미크론