EtherNet/IP와 PROFINET 비교

기업들이 디지털 방식으로 연결됨에 따라 산업 이더넷 채택이 계속적으로 다른 옵션을 앞지르고 있습니다. 자동화 및 산업 제어 시스템에서 사물 인터넷(IoT) 기능을 사용하여 데이터 접근성과 유용성을 향상시키는 경우 특히 그렇습니다. 여기서 최고의 옵션은 EtherNet/IP와 PROFINET입니다.

EtherNet/IP의 구조와 확장되는 EtherNet/IP 적용 분야

EtherNet/IP는 공통 산업 프로토콜(CIP)을 사용하여 이더넷을 표준화하는 산업 네트워크 프로토콜입니다. 이 프로토콜이 작동하는 네트워크 애플리케이션 계층은 네트워크의 두 개 개념 모델에서 “최상위” 장치이며 제어와 입출력(I/O) 장치 간의 통신을 허용하는 사용자 대상 계층입니다. 구체적으로 말해 EtherNet/IP는 개방형 시스템 상호 접속(OSI) 및 전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜(TCP/IP) 모델의 최상위 계층입니다.

그림 1: 네트워크를 설정하는 데 가장 흔히 사용되는 두 가지 모델은 OSI 모델과 TCP/IP 모델입니다. (이미지 출처: Design World)

EtherNet/IP는 다음을 사용합니다.

• 앞서 언급한 애플리케이션 계층
• 인터넷 프로토콜 네트워킹 계층
• 표준 이더넷 링크 계층

EtherNet/IP에서 IP는 산업 프로토콜(Industrial Protocol)의 줄임말로, 원래 RS-232 및 RS-485(둘 모두 산업 데이터 전송을 위한 표준)와 같은 직렬 연결을 통해 통신할 수 있도록 하기 위해 개발된 네트워크 프로토콜을 나타냅니다. 이러한 연결은 이제 대체로 TCP/IP와 같은 프로토콜을 사용하는 이더넷을 통해 작동하므로, 인터넷 통신에 흔히 사용됩니다. EtherNet/IP 통신 및 매우 표준화된 하드웨어(허브, 스위치, 라우터, 이더넷 케이블, 이더넷 네트워크 카드 등)는 IEEE 802.3 전송 제어 프로토콜 및 인터넷 프로토콜에 의해 정의됩니다.

그림 2: EtherNet/IP는 애플리케이션 계층에서 작동하므로 산업 컨트롤러와 I/O 간의 통신을 가능하게 합니다. (NT24k 스위치 이미지 출처: Red Lion)

2009년에 개발된 EtherNet/IP는 해당 회원들의 후원 하에 ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)와 ControlNet International(CI) 간의 협업을 통해 탄생했습니다. ODVA는 산업 자동화와 관련된 개방적이고 상호 운용 가능한 통신을 증진하기 위해 자동화 회사(Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron 및 Bosch Rexroth 포함)의 컨소시엄으로 1995년에 창립되었습니다. ODVA에 따르면 EtherNet/IP가 산업 이더넷으로 가장 많이 채택되고 있으며, 시장 점유율이 2017년에는 25%, 산업 이더넷 네트워크의 노드 대부분이 선적된 2018년에는 28%를 차지했다고 합니다.

현재 EtherNet/IP는 산업 네트워크에 CIP를 채택한 네 가지 ODVA 네트워크 중 하나입니다. 다른 세 가지는 DeviceNet, ControlNet 및 CompoNet입니다.

CIP는 산업용 장치에서 데이터를 구성하고 공유하는 도관입니다. 좀 더 구체적으로 CIP는 공정 및 시스템 제어, 안전, 동기화, 동작, 구성, 정보 등을 포함하는 산업 자동화 응용 분야에서 다양한 유형의 메시지 및 서비스를 사용하여 데이터를 교환합니다. CIP를 통해 이러한 응용 분야를 엔터프라이즈급 이더넷 네트워크 및 인터넷에 통합할 수 있습니다. 이러한 통합 통신 네트워크는 제조 및 산업 응용 분야에 사용되고 전 세계 벤더들에 의해 폭넓게 채택되고 있습니다.

산업 프로토콜에서는 데이터가 데이터 요소나 특성을 사용하여 개체로 정렬됩니다. 이러한 데이터 개체는 일반적으로 필수 개체와 애플리케이션 개체로 분류됩니다. 전자는 모든 CIP에 포함됩니다.

그림 3: EtherNet/IP 및 PROFINET은 최고의 산업 이더넷 프로토콜입니다. 둘 모두 ODVA에서 지원됩니다. (이미지 출처: ODVA Inc.)

EtherNet/IP가 비교적 구현이 쉬우며, 산업 자동화용 표준 이더넷 스위치와 호환됩니다. 하지만 EtherNet/IP는 기본 형식이 결정적이지 않아서 엄격한 실시간 산업 응용 제품에는 적합하지 않습니다. CIP Motion은 IEEE 802.3 및 TCP/IP 이더넷 표준을 완전히 준수하고 수정되지 않은 이더넷을 사용하는 결정적 실시간 제어(폐쇄 루프 동작 제어 포함)의 까다로운 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되도록 EtherNet/IP를 보완할 수 있습니다.

CIP Motion 기술로 보완된 EtherNet/IP는 다축 분산 동작 제어를 제공합니다. 확장성이 뛰어나고 동작 설계를 위한 공통 애플리케이션 인터페이스를 제공합니다.

EtherNet/IP를 통한 데이터 전송

TCP 및 사용자 데이터그램 프로토콜(UDP)은 인터넷뿐 아니라 여러 사설망의 기본 통신 프로토콜입니다. EtherNet/IP는 명시적 메시징에 TCP 포트를 사용합니다. 이러한 메시징은 시스템이 특정 데이터 요청에 응답하여 클라이언트에 데이터를 보낼 경우에 해당합니다. 이 경우 클라이언트와 서버 간 링크를 명시적으로 관리하는 연결 중심 프로토콜인 TCP/IP를 사용합니다. TCP/IP 네트워킹의 핵심인 TCP는 데이터 패킷을 조각화하여 데이터 메시지가 대상에 도달할 수 있게 합니다. IP는 패킷만 처리하고, TCP는 두 호스트가 연결을 설정하고 데이터 스트림을 교환할 수 있게 합니다. TCP는 데이터 전달을 보장할 뿐 아니라 패킷이 전송된 순서대로 전달되도록 합니다.

EtherNet/IP는 암시적 메시징, 즉 사전 설정된 메모리 위치에서 컨트롤러 또는 기타 클라이언트에 사전 예약된 간격으로 전송되는 시스템 통신에 UDP 포트를 사용합니다. 이러한 통신은 명시적 메시징보다 훨씬 빠르며 UDP 연결의 단방향 데이터 전송(수신 확인 없음)은 주기적 시스템 업데이트를 간소화합니다.

결정적 통신을 위한 PROFINET

PROFINET은 산업 이더넷을 통한 데이터 통신의 모드를 정의하는 또 하나의 기술 표준입니다. 표준 이더넷에 대한 PROFINET 수정은 까다로운 응용 제품에서도 빠르고 적절한 데이터 전송을 보장합니다. PROFINET 정의에서는 구체적이고 때로는 빠듯하기도 한 시간 제약을 충족하도록 산업용 장비 및 시스템에서의 데이터 수집 방법을 규정합니다. PROFINET은 자동화를 지원하는 필드 버스 통신용 표준인 PROFIBUS에서 도출되었습니다. PROFIBUS는 산업 이더넷 기반의 일반 직렬 필드 버스이지만 PROFINET은 더욱 빠르고 유연한 통신을 통해 자동화 부품을 제어할 수 있는 기능을 추가하여 개선되었습니다.

그림 4: EtherNet/IP는 미국에서 가장 많이 사용됩니다. PROFINET은 유럽에서 널리 사용됩니다. (이미지 출처: PI North America)

실제로 PROFINET은 2018년 기준 산업 네트워크 시장 점유율 30%를 달성해, 산업 자동화 부문에서 세계 최고의 이더넷 기반 통신 솔루션이 되었습니다. 매년 5백만 개 이상의 PROFINET 지원 장치가 출시됩니다.

PROFINET 및 PROFIBUS 통신은 결정적이므로 정밀한 I/O 구조 제한을 갖춘 자동화 시스템을 지원할 수 있고, 정의된 I/O 구조를 통해 최대 업데이트 시간을 정밀하게 계산할 수 있습니다. PROFINET은 등시성 실시간(IRT) 데이터 교환도 제공할 수 있습니다. IRT는 기본적으로 PROFINET의 초정밀 시간 클록을 활용하여 일부 형식의 데이터 트래픽을 우선 통과시키고 나머지 트래픽을 버퍼링합니다. IRT는 동작 제어 및 실시간 작업보다 더욱 결정적인 작업을 필요로 하는 기타 응용 제품과 같은 까다로운 응용 제품에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. 실시간 데이터 교환에서는 버스 주기 시간이 10밀리초 미만입니다. 반면에 IRT 데이터 교환은 수십 마이크로초에서 수 밀리초 사이에 일어납니다.

예를 들어, 패키징 및 레이블링 작업에서 PROFINET은 병이 1초 미만(약 1밀리초 내)에 정밀한 수준까지 채워지도록 데이터 전송을 지원할 수 있습니다. 또한 PROFINET은 병에 담는 공정에서 이상 현상을 감지 및 정량화하여 이를 작업자에게 알릴 수 있고 즉시 공정을 종료할 수도 있습니다.

PROFINET 하드웨어에 대한 참고

표준 이더넷은 가정, 사무실 및 엄선된 산업용 모니터링 설정에서의 데이터 전송에만 적합합니다. 반면 PROFINET 산업용 이더넷은 결정적 데이터 통신이 필요한 열악한 산업용 시설에 설치하는 데 적합합니다. PROFINET 케이블과 커넥터는 표준 이더넷에서 채택된 것과 다르며 더 강력한 잠금 메커니즘을 사용하는 커넥터와 견고한 산업용 케이블을 포함합니다. 다른 하드웨어에 통합되거나 독립형 요소로 제작되는 PROFINET 라우터는 (앞에서 설명한 네트워크 모델의) 네트워크 계층 3에서 기능하며 IP 주소를 사용하여 통신합니다.이러한 라우터는 근거리 통신망(LAN)을 연결하고 광역 통신망(WAN)을 형성하면서 네트워크 간의 최적 데이터 전송 경로를 결정하는 알고리즘을 채택합니다. 일부 PROFINET 스위치는 광섬유 연결도 채택합니다. 이러한 초고속 부품은 구리-광섬유 변환을 위한 게이트웨이 요소를 통해 PROFINET 지원 장치를 이더넷 네트워크(또는 PROFIBUS)에 통합합니다.

그림 5: PROFINET 하드웨어는 진동, 열, 먼지, 오일 및 기타 까다로운 조건의 영향을 받는 열악하고 심각한 환경에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. 이 Brad PROFINET IO-Link HarshIO 모듈은 PROFINET으로 연결된 공장 자동화에 사용되는 견고한 부품의 한 예입니다. (이미지 출처: Molex)

PROFINET 관리형 및 비관리형 스위치

PROFINET 스위치는 앞에서 설명한 개념 네트워크 모델의 두 번째 계층에서 작동합니다. 이 스위치는 네트워크를 통한 데이터 신호의 수신과 전송을 제어하는 기능을 합니다.

비관리형 PROFINET 스위치는 수신 이더넷 데이터를 의도한 장치 종단점에 연결된 적절한 포트를 통해 전송합니다. 포트에 데이터 흐름이 있음을 표시하는 LED 표시등이 있을 수도 있지만 비관리형 스위치는 일반적으로 데이터 흐름이나 해당 데이터 흐름의 관리에 대한 자세한 정보를 제공하지 않습니다.

반면에 관리형 PROFINET 스위치는 더 지능적이며 PROFINET용 단순 네트워크 관리 프로토콜(SNMP) 및 링크 계층 탐색 프로토콜(LLDP)을 비롯한 다양한 IT 프로토콜에서 작동합니다. 관리형 스위치는 지능형이므로 다운타임 방지가 최우선 목표인 경우와 장애 문제 해결이 유용한 경우에 자주 사용됩니다. 물론 일반적으로 관리형 스위치는 비관리형보다 비용이 더 많이 듭니다.

EtherNet/IP와 PROFINET의 특성 직접 비교

산업별로 채택된 EtherNet/IP는 여러 산업을 혁신하고 있습니다. 예를 들어 포장 산업에서는 고속 통신, 결정성 및 실시간 성능을 위해 EtherNet/IP를 채택합니다. 화학 공정, 기존 자동화 및 발전과 같은 산업에서는 출력을 계속 정량화하기 위해 EtherNet/IP를 사용합니다. 다른 산업 응용 분야로는 계수와 제어를 위해 실시간 데이터 취득이 필요한 완전 자동화 공정도 있습니다. EtherNet/IP와 PROFINET 모두 이러한 응용 분야에 필요한 결정적 네트워크를 구성하는 데 뛰어납니다.

둘 사이의 차이를 자세히 알아보려면 EtherNet/IP 및 PROFINET의 신호 품질, 메시지 크기 및 업데이트 속도를 고려하십시오. PROFINET은 일반적으로 EtherNet/IP보다 빠르며 대부분 표준 하드웨어를 사용하여 구축됩니다(PROFINET IRT의 경우 특정 하드웨어 필요). EtherNet/IP는 개체 지향 프로그래밍을 기반으로 하고 산업용 기성품(CotS) 부품을 사용하므로 상호 운용성이 더 뛰어납니다. 실제로 사무실 환경에서 채택되는 유비쿼터스 변형과 대동소이한 CotS 부품 및 하드웨어를 사용하므로 EtherNet/IP는 비용 효율성이 뛰어난 고속 산업용 연결입니다. 규모의 경제성과 이 하드웨어 대부분을 교체 가능하다는 특성 덕분에 초기 비용을 최소화할 수 있습니다.

반면에 PROFINET 지원 부품은 PROFIBUS 기반 필드 버스에 통합할 수 있으므로 기존 시스템을 완전히 교체하지 않고 효율적으로 보완할 수 있습니다. 기존 장치를 공유할 수 있고 기존 네트워크에서 보조 하드웨어 추가를 허용하므로 비용 이점이 있습니다. 그렇다 해도 PROFINET 기술은 초기 비용이 EtherNet/IP 기반 기술보다 최대 15% 더 많을 수 있습니다. 이 비용을 일부 상쇄하는 것은 간편한 설치인데, Ethernet/IP 설치보다 절반 정도 덜 복잡할 것으로(덜 비싸다는 의미) 예상됩니다.

EtherNet/IP 및 PROFINET에서 지원하는 토폴로지와 부품도 약간 다릅니다. 네트워크 토폴로지는 링크 및 네트워크 노드의 배열입니다. 링크는 무선 기술과 동축, 리본, 연선 케이블, 광섬유 케이블 등과 같은 유선 기술입니다. 반면 네트워크 노드는 허브, 브리지, 스위치, 라우터, 모뎀 및 방화벽 인터페이스입니다. 토폴로지에는 스타, 라인, 링, 데이지 체인 및 메시가 있습니다.

EtherNet/IP 네트워크는 기본적으로 스타 토폴로지를 사용하고 다른 토폴로지로 보완합니다. 즉, 링 토폴로지는 여러 장치를 순차적으로 연결하며, 링 내에서 케이블이 끊기더라도 각 장치는 제어 경로를 유지합니다. 트리 토폴로지는 장치 그룹 간 연결을 통해 유선으로 연결된 장치 또는 스위치를 사용하며, 끊김이 있는 경우 차선의 실행 가능한 솔루션 경로를 결정하는 알고리즘을 바로 실행합니다.

PROFINET의 라인 토폴로지는 배선을 최소화하고 외부 스위치를 사용하지 않으며, 스타 및 트리 토폴로지에 독립형 스위치를 통해 연결합니다. 여기서 스타 또는 트리 스위치에 장애가 발생하는 경우 모든 노드의 통신이 영향을 받고 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 통신 연속성을 보장하기 위해 PROFINET은 케이블 또는 노드에 장애가 발생할 경우 미디어 백업 및 기타 요소를 제공하는 장치가 추가된 토폴로지를 지원합니다.

EtherNet/IP 및 PROFINET 네트워크는 중앙 집중식 및 분산식으로 제어되는 시스템에 구축되며 때에 따라 두 제어 방식이 결합된 시스템에서 작동합니다. EtherNet/IP 및 PROFINET을 사용하는 중앙 집중식 시스템은 중앙 서버가 하나 이상의 클라이언트 노드에 연결하는 클라이언트-서버 설정을 사용합니다. 클라이언트 노드는 자체적으로 처리하지 않고 중앙 서버에 요청을 제출하며 서버가 주요 공정을 모두 수행합니다. 분산식 시스템에서는 모든 노드가 자율적으로 자체 논리를 실행합니다. 시스템의 최종 작업은 모든 노드 논리의 합입니다.

EtherNet/IP 및 PROFINET 게이트웨이

독립형 하드웨어든 라우터, 방화벽 또는 서버 기능에 통합되었든 게이트웨이는 지정된 네트워크의 안팎으로 및 때에 따라 개별 시스템 간의 데이터 흐름을 제어합니다. EtherNet/IP 및 PROFINET 네트워크 간의 I/O를 통신하도록 특별히 고안된 몇 가지 게이트웨이도 마찬가지입니다. PROFINET 네트워크의 경우 게이트웨이는 대부분 자동 호환성을 위한 PROFINET 장치 및 EtherNet/IP 어댑터의 기능을 수행합니다.

게이트웨이는 기본 역할 외에도 시스템 PLC에서 수행하는 신호 타이밍, 계수, 비교 및 공정 작업의 부담을 덜어 줄 수도 있습니다. 라우터 기능이 포함된 EtherNet/IP 및 PROFINET 게이트웨이를 사용하면 컴퓨터에서 인터넷을 이용해 데이터를 주고받을 수 있습니다. 오늘날 네트워크에 연결된 스마트 인간 기계 간 인터페이스(HMI)는 자동화 시스템과 컨트롤러 간의 게이트웨이 역할도 수행하여 시스템 커미셔닝과 유지 보수를 간소화합니다.

그림 6: 이 Anybus Communicator 프로토콜 변환 게이트웨이는 네트워크로 연결되지 않은 장비를 PROFINET 네트워크에 직렬 연결하도록 지원합니다. (이미지 출처: HMS Networks)

미래의 산업 자동화 설치 연결

EtherNet/IP 및 PROFINET 연결은 전에 없던 민첩성과 IIoT 기능을 갖춘 새롭고 혁신적인 다양한 자동화 및 산업 제어를 가능하게 합니다. 하드웨어, 소프트웨어 및 연결 기술에서 EtherNet/IP 및 PROFINET이 새로운 방식으로 활용되고 있어 시스템에서 전례 없이 까다로운 산업 생산 요구 사항을 충족하는 데 도움이 될 것입니다.