표준 이더넷의 견고하고 결정적인 대안으로 산업용 이더넷 사용

이더넷은 LAN 및 광역 네트워크(WAN)에서 가장 널리 사용되는 유선 네트워킹 표준입니다. 표준 이더넷 통신이 순간적인 것처럼 보이기도 하지만, 실제로는 네트워크를 통해 전송되는 데이터 패킷이 지정된 고정 시간 내에 대상 포트에 도달한다는 보장은 없습니다.

메시지가 지연됨으로써 생산 라인이 중단되거나 부상을 입을 수 있는 산업용 응용 제품에서 이 비결정성은 문제가 될 수 있습니다. 결정성을 제공하기 위해 수정된 "산업용" 버전의 이더넷을 사용할 수 있습니다.

이 기사에서는 산업용 이더넷의 주요 요소를 설명하고, 결정적 산업용 이더넷 네트워크의 토대를 구축할 수 있는 Delta Electronics의 두 가지 이더넷 스위치를 살펴봅니다.

이더넷의 결정성 요구 사항

이더넷은 네트워크를 통해 데이터 패킷을 전송하는 데 사용되는 물리적 케이블과 커넥터를 정의하는 물리적 네트워킹 표준입니다. 표준 이더넷은 일련의 TCP/IP 프로토콜을 사용하여 네트워크에 연결된 장치 간에 데이터를 교환하는 방법을 정의합니다. 하지만 로컬 네트워크에서도 TCP/IP는 비결정적이며 수백 밀리초의 지연이 발생할 수 있습니다. 이는 산업용 자동화 시스템을 연결하는 산업용 로컬 네트워크에서 허용되지 않습니다. 이러한 시스템은 주로 정의된 시간 범위 내에 패킷 또는 메시지에 의존하며 응답 시간이 10ms 이내여야 하며 극단적인 경우 1ms보다 빨라야 합니다.

Profinet은 산업용 네트워크에 사용되는 다른 인기 있는 이더넷 프레임 형식(통신 프로토콜이라고도 함)입니다. Profinet은 전체 TCP/IP에 대한 단순화된 대안으로 개발되었습니다. 실시간 버전인 Profinet RT는 우선 순위가 높은 공정 제어 메시지를 더 엄격한 시간 제약에 따라 전달할 수 있도록 데이터의 우선 순위를 지정합니다. 시간 종속성이 약한 상태 메시지에는 더 낮은 우선 순위가 지정됩니다. 하지만 Profibus RT 역시 비결정적입니다. 결정성을 제공하기 위해 Profinet RT의 등시성 버전을 개발했습니다(Profinet IRT).

Profinet IRT는 네트워크 대역폭에서 예약된 시간 슬롯을 중첩하여 결정성을 실현합니다. 즉, IRT 데이터는 시간 슬롯을 사용하고 RT 및 IP 데이터는 다른 슬롯을 사용합니다. 이 방식으로 IRT 슬롯의 장치를 클록하여 데이터를 결정적으로 수신할 수 있습니다.

또한 산업용 이더넷 네트워크가 결정적 통신 프로토콜(예: Profinet IRT)을 기반으로 하는 경우 네트워크에 연결되는 모든 장치는 Profinet IRT와 호환되어야 합니다. 따라서 IP 카메라 및 하드웨어 방화벽과 같은 일반 TCP/IP 장치는 네트워크에서 작동하지 않습니다. 그러면 직원이 승인되지 않은 장치를 네트워크에서 작동하지 못하도록 차단하기 때문에 보안이 한층 강화됩니다.

이더넷 허브에서 견고한 스위치로 전환

이더넷 허브는 리피터 역할을 하므로 본질적으로 비결정적입니다. 단일 포트에서 수신된 데이터 패킷이 허브 네트워크의 모든 다른 포트에 전달됩니다. 따라서 25개의 포트가 허브에 연결되어 있고 포트 3이 데이터 패킷을 포트 22로 전송할 경우 허브에서는 포트 22뿐 아니라 모든 포트에 데이터 패킷을 전송합니다. 허브에 연결된 모든 포트에서 동일한 대역폭을 공유하므로 많은 포트가 허브에 추가될 경우 대역폭 경합이 발생합니다. 그러면 충돌이 발생할 가능성이 높아져서 패킷이 지연되고 결정성을 실현할 수 없게 됩니다. 또한 이 설정으로 인해 허브에서는 메시지를 한 번에 하나씩만 전송할 수 있습니다. 다른 포트에서 데이터를 전송해야 하는 경우 네트워크 사용이 종료될 때까지 대기해야 합니다. 따라서 이더넷 허브는 본질적으로 비결정적입니다.

반면, 이더넷 네트워크 스위치는 지능형 장치입니다. 이 스위치는 연결되는 모든 장치의 고유한 미디어 액세스 제어(MAC) 주소를 일반적으로 고속 RAM의 내부 MAC 주소 테이블에 저장합니다. 스위치는 연결되는 모든 장치의 MAC 주소를 알고 있으므로 데이터를 이동해야 하는 포트에만 데이터 패킷을 전달할 수 있습니다. 따라서 포트 3에서 포트 22에 데이터 패킷을 전송할 경우 스위치는 데이터 패킷을 포트 22에만 전송합니다.

하나의 스위치에서 여러 동시 데이터 통신을 관리할 수 있습니다. 포트 4에서 포트 7에 데이터 패킷을 전송하고 있는 동안에 포트 3에서 포트 22에 데이터를 전송할 수 있습니다. 따라서 이더넷 허브에 고유한 충돌이 발생하지 않을 뿐 아니라 전체 네트워크의 속도, 효율성 및 처리량이 향상됩니다. 스위치의 규격서에 지정된 스위치의 알려진 스위칭 속도가 유일하게 지연되므로 네트워크 스위치는 결정적인 이더넷 네트워크를 구축할 때 필요합니다.

또한 네트워크 스위치는 보안을 한층 강화합니다. 포트에서는 해당 포트에 전송되는 데이터 패킷만 수신하므로 한 포트에 연결된 장치에서 네트워크를 모니터링할 수 없습니다.

또한 산업용 이더넷의 스위치는 상업용 이더넷 스위치에 비해 더 견고합니다. 상업용 스위치는 저강도 가정용 또는 사무실용으로 적합하지만, 산업용 이더넷 스위치는 열악한 공장 환경과 강력한 진동, 충격, 극한 온도를 견딜 수 있습니다. 또한 산업용 이더넷 스위치는 폭발 가스가 있는 곳에서 안전하게 사용할 수 있고 부식 환경에 내성을 가지도록 설계되었습니다.

DIN 레일의 이더넷

산업용 이더넷 스위치의 전형으로는 Delta Electronics의 5포트 DIN 레일 실장 DVS-005W01이 있습니다(그림 1).

그림 1: Delta Electronics DVS-005W01 산업용 이더넷 스위치는 열악한 산업 환경을 견딜 수 있는 견고한 스위치이며, 5개의 이더넷 포트를 지원하고 IP40 등급입니다. (이미지 출처: Delta Electronics)

이더넷 스위치와 마찬가지로 DVS-005W01은 데이터 패킷을 수신 포트에만 전송합니다. 이 스위치는 최대 100Mbits/s의 100Base-T 전송 속도를 지원합니다. MAC 주소 테이블은 1024개 항목을 지원하고 512Kbit 패킷 버퍼 메모리에 전달된 패킷을 저장할 수 있습니다. 또한 상업용 스위치 및 허브에서는 단일 전원 공급 장치를 사용하지만, DVS-005W01에는 2개의 12V ~ 48V 이중화 전력 입력이 있습니다. 따라서 전원 공급 장치 중 하나가 중단될 경우, 추가적인 외장형 하드웨어 없이 두 번째 백업 전원 공급 장치를 쉽게 켤 수 있습니다.

DVS-005W01은 1Gbps의 내부 스위칭 속도를 지원합니다. 내부 스위칭 속도는 송수신 데이터 패킷을 처리할 때 네트워크 스위치의 내부 속도입니다. 스위칭 속도가 빠를수록 지연 시간이 짧아지므로 이는 결정적 동작의 중요한 사양입니다.

또한 더 복잡한 산업용 네트워크를 위해 Delta Electronics는 DVS-016W01 16포트 이더넷 스위치를 공급합니다(그림 2).

그림 2: Delta Electronics DVS-016W01은 16개의 이더넷 포트를 지원하며 DIN 레일 또는 벽면에 실장됩니다. (이미지 출처: Delta Electronics)

DVS-016W01에는 8192개 항목을 지원하고 1Mbits의 패킷 버퍼 메모리를 가진 MAC 주소 테이블이 있습니다. 이 스위치는 3.2Gbps의 내부 스위칭 속도를 지원합니다.

Delta Electronics의 5포트 스위치와 16포트 스위치는 모두 비관리형 스위치입니다. 즉, 기본적으로 플러그 앤 플레이 스위치입니다. 네트워크 장치를 포트 중 하나에 연결하면 스위치가 장치의 MAC 주소를 자동으로 감지하여 해당 주소를 내부 MAC 주소 테이블에 저장합니다. 또한 MAC 주소 자동 감지는 스위치를 껐다가 켤 때마다 수행됩니다. 관리형 스위치는 설정할 때 더 많은 포트당 트래픽 제어 기능을 구성해야 합니다.

스위치를 보완하기 위해 IP67 또는 IP68 등급 산업용 이더넷 케이블이 제공됩니다. 그런 이더넷 케이블은 고강도 케이블이므로 극한 고온 및 저온, 부식 용제, 침수 및 기타 남용에 견딜 수 있습니다. 또한 산업용 이더넷 케이블은 공장에서 케이블에 발생할 수 있는 굽힘, 꼬임, 늘림 및 충격력에 더 강합니다.

결론

산업 자동화 응용 제품은 표준 이더넷 기능보다 훨씬 엄격한 통신 대기 시간, 결정성 및 하드웨어 강도를 요구합니다. 하지만 그림과 같이 설계자 및 라인 운영 엔지니어는 결정적인 통신 프로토콜과 기성 스위치 및 케이블을 통해 산업 강도 이더넷을 제공할 수 있습니다.