최신 시스템에 결정적 제어가 필수적인 이유

05
7월

확정적 통제를 위한 누적사례

• 작성자 :브라이언 맥모리스
• 이더캣
• 댓글:0

작성자:Dave Perkon, 기술 편집자
Control Design에서 재인쇄됨, 2019년 6월 27일

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumlating-case-for-deterministic-control/

기계 제작자, 시스템 통합업체 및 제조업체는 TSN(시간에 민감한 네트워킹)에 대해 무엇을 알아야 합니까? 간단히 말해서 이더넷이 더 좋습니다.

성능 요구 사항을 충족하기 위해 이전에는 많은 네트워크와 게이트웨이였던 것이 단일 케이블에 대한 결정론적 제어와 정보가 될 것입니다.

성능이 향상될 뿐만 아니라 사용하기도 쉬우며 통합업체와 최종 사용자는 현재 솔루션을 기꺼이 지원합니다.

애리조나주 스코츠데일에 있는 Futura Automation의 사장인 Brian D McMorris는 "TSN이 첨단 제조 및 로봇 공학과 관련된 통합업체의 상황을 복잡하게 만들지 않을 것이라고 생각합니다."라고 말합니다. "우리는 공장 통합업체입니다. 우리는 IT 세계에 대해 잘 모르지만 회사 구조와 비전은 Industry 4.0에 초점을 맞추고 있으며 그 중 대부분은 공장 현장에서 실행됩니다. 예를 들어 우리는 Tulip Interface 소프트웨어 라인을 사용하여 애플리케이션 수준에서 제조 실행 시스템(MES) 세계에 있습니다. 우리는 현장 서비스 기능을 제공하고 고객이 MES, 컴퓨터 유지 관리 시스템(CMMS) 및 품질 관리 시스템의 이점을 구현하도록 돕습니다. (QMS).”

Futura는 클라우드 기반 솔루션과 클라우드 앱의 보안 방식 측면에서 주로 보안 측면에서 IT와 협력합니다. McMorris는 "IEEE가 EtherCAT과 같은 회사 후원 프로토콜을 채택하고 이를 업계 협회의 후원으로 글로벌 개방형 표준으로 전환하는 것이 좋을 것이라고 확신합니다. 하지만 현재 EtherCAT의 단점은 장치당 라이센스 비용 외에는 전혀 보이지 않습니다."라고 McMorris는 말합니다.

McMorris는 네트워킹 기술 개발을 지원하지만 EtherCAT을 사용하면 많은 제한 사항을 발견하지 못했습니다. “우리는 개방형 로봇(직교 및 델타)의 다축 제어를 위해 Servotronix 드라이브와 함께 EtherCAT을 사용합니다.”라고 그는 말합니다. "지터가 1마이크로초 미만인 매우 빠른 독점 네트워크이지만 자동화 기술의 특정 하드 및 소프트 실시간 컴퓨팅 요구 사항에만 적합합니다."

캘리포니아 프리몬트에 있는 Owens Design의 소프트웨어 개발 이사인 Doug Putnam-Pite는 EtherCAT 및 CC-Link IE와 같은 독점 네트워크가 실시간 통신을 제공한다는 점을 높이 평가하지만 그 한계도 인정합니다. Putnam-Pite는 "이러한 기술의 단점은 프로토콜을 지원하는 제어 장치에서만 작동한다는 것입니다."라고 말합니다. "이것은 프로토콜을 지원하지 않는 동일한 네트워크에 장치를 가질 수 없다는 것을 의미합니다. 이러한 필드버스 네트워크는 도구의 다른 이더넷 네트워크와 분리되어야 합니다."

TSN은 현재 실시간으로 통신할 수 없는 장치가 그렇게 하도록 허용할 수 있습니다. Putnam-Pite는 “시간에 민감한 네트워킹은 통합업체에게 제어 시스템 설계 방법에 대한 더 많은 옵션을 제공합니다.”라고 말합니다. "시간에 민감한 네트워크를 갖춘 도구는 제어를 분산시켜 개별 장치가 실시간으로 서로 직접 통신할 수 있도록 하고 중앙 도구 컨트롤러에서 일정 수준의 제어를 오프로드할 수 있습니다. 또한 PC는 반실시간 방식으로 시간에 민감한 네트워크 장치와 통신할 수 있습니다."

진행 보고서

Cisco의 Industrial Internet Consortium(IIC, www.iiconsortium.org) TSN 테스트베드 코디네이터이자 사물 인터넷 솔루션 설계자인 Paul Didier는 "기계 제작업체, 시스템 통합업체 및 제조업체가 TSN을 배포하려면 산업 자동화 프로토콜에 통합해야 하며 시스템을 통합할 수 있을 만큼 충분히 광범위한 공급업체의 지원을 받아야 합니다."라고 말합니다. “아직은 그렇지 않지만 업계는 그 목표를 달성하기 위해 열심히 노력하고 있습니다(그림 1).”

그림 1:TSN의 다양한 부분에 대한 테스트는 네트워킹, 자동화 및 전자 분야의 업계 리더들에 의해 잘 진행되고 있습니다.
(출처:산업인터넷컨소시엄)

ODVA(www.odva.org)의 사장인 Al Beydoun 박사는 TSN에 필요한 결정성과 서비스 품질을 해결하기 위한 약 12개의 IEEE 802 표준 세트를 정의하는 작업이 진행 중이라고 말했습니다. "또한 상호 운용성이 유지되어야 합니다. TSN에 대한 IEC/IEEE 60802 산업 프로파일을 완성하는 것이 핵심이며 이는 2021년 중반을 목표로 하고 있습니다."라고 그는 말합니다. “그동안 EtherNet/IP 사양과 같은 네트워크 사양 업데이트는 TSN의 기본 표준이 확정될 때까지 확정되지 않을 것입니다.”

PI North America의 전무이사인 Michael Bowne은 표준 이더넷이 설계상 결정적이지 않다고 말합니다. “시간에 민감한 네트워킹은 표준화된 결정론적 이더넷을 생성하는 대략 24개 IEEE 표준의 툴킷입니다.”라고 그는 설명합니다. "산업 자동화 이외의 다른 산업에서도 결정성 있는 이더넷에 관심이 있기 때문에 하드웨어 시장이 더 커졌습니다. 궁극적으로 이 기술은 상용 기성품(COTS) 칩에서 제공될 것이라는 생각입니다. TSN 도구 상자의 IEEE 표준 중에서 우리는 특히 산업 자동화와 관련된 표준을 대략 6개 식별했습니다. 이러한 표준은 동기화, 짧은 대기 시간, 고가용성 및 견고성과 같은 기능으로 결정성을 다룹니다."

표준을 올바르게 설정하는 것이 중요하며 시간이 걸립니다. Bowne은 “위에서 언급했듯이 TSN은 단지 한 가지가 아닌 다양한 표준의 도구 상자입니다.”라고 말합니다. "일부는 산업 자동화와 관련이 있고 일부는 그렇지 않습니다. 산업 자동화에서 다양한 TSN이 발생하지 않도록 하기 위해 IEC/IEEE 60802라는 노력이 시작되었습니다. 현재는 크고 작은 자동화 공급업체의 엔지니어들로 구성되어 기업 간의 조화를 보장합니다."

디지털 공장에서는 통신의 상호 운용성과 단순성을 요구한다고 Relyum의 시스템온칩 엔지니어링 CEO인 Armando Astarloa Cuéllar는 말합니다. “TSN은 이러한 요구 사항을 충족하도록 특별히 설계된 차세대 이더넷입니다.”라고 그는 말합니다. TSN 도입은 부문에 따라 점진적으로 이루어지겠지만, 철도, 자동차, 항공우주와 같은 일부 핵심 부문에서는 새로운 플랫폼에서 TSN을 표준 IT/OT 네트워크로 채택하고 있습니다.

TSN에 관심을 가져야 하는 이유는 무엇인가요?

로크웰 오토메이션의 네트워크(IIPA, 글로벌 표준, OPC 및 시간 민감형 네트워킹) 부문 비즈니스 개발 관리자인 폴 브룩스(Paul Brooks)는 "사용자의 관점에서 볼 때 현재 시간에 민감한 네트워킹의 상태는 약간 정체되어 있습니다."라고 말합니다. “IEEE 802의 TSN 표준이 발표되었지만 기능 수준의 상호 운용성만 제공하고 시스템 수준의 상호 운용성은 제공하지 않습니다.”라고 그는 말합니다. "따라서 공급업체의 관점에서 우리 산업 자동화 커뮤니티는 시스템 수준 상호 운용성을 제공하기 위해 TSN의 산업 자동화 프로필을 결정하는 IEC/IEEE 60802를 개발하고 있습니다."

이러한 표준이 잠겨 있는 경우에만 ODVA와 같은 프로토콜 조직이 해당 프로필을 사양에 게시할 수 있다고 Brooks는 말합니다. "일부 회사에서는 사전 표준 제품을 출시해 왔으며 사용자에게 가치를 제공할 수는 있지만 이러한 제품이 최종 표준과 호환된다는 보장은 없습니다."라고 그는 말했습니다.

Cisco의 Didier는 2018년 11월 OPC 재단이 ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens 등 매우 광범위한 산업 및 IT 기업이 지원하는 현장 수준 통신(Field Level Communication) 이니셔티브를 발표했다고 밝혔습니다. "비전은 산업 자동화의 모든 요구 사항을 해결하는 센서, 액추에이터, 컨트롤러 및 클라우드 간의 개방형 통합 표준 기반 IIoT 통신 솔루션을 목표로 하는 것입니다."라고 그는 말합니다. "이 계획에는 게시/구독 및 TSN 통신에 대한 OPC의 작업이 통합됩니다(그림 2)."

그림 2:OPC UA와의 TSN 통신을 통해 제어 애플리케이션은 센서에서 클라우드까지 다양한 기타 트래픽 및 애플리케이션이 포함된 개방형 표준 네트워크에서 작동할 수 있습니다.
(출처:힐셔)

TSN을 사용하면 모든 제어 애플리케이션이 개방형 표준 네트워크에 의존할 수 있습니다. "이 네트워크는 매우 다양한 유형의 트래픽과 애플리케이션도 지원할 수 있습니다. 센서와 클라우드 간의 이러한 융합과 통신 능력이 핵심 개선 사항입니다."라고 Didier는 말합니다.

Beydoun은 "TSN은 고정되고 예측 가능한 시간 내에 정보 통신을 보장하기 위해 표준 이더넷을 통해 결정론적 메시징과 실시간 기능을 제공하도록 설계되었습니다."라고 설명합니다. "TSN의 주요 응용 분야는 정밀한 타이밍 제어와 결정론적 네트워크 동작이 필요한 응용 분야입니다. 그러나 오디오 및 비디오 정보를 전달하는 네트워크 응용 프로그램의 경우처럼 더 높은 대역폭과 더 빠른 네트워크 응답이 필요한 산업 응용 분야에서는 이더넷 TSN이 바람직합니다. TSN의 확장성을 통해 더 높은 기가비트 전송 속도에서 대기 시간을 보장하면서 고대역폭 패킷 스트리밍이 가능해집니다."

TSN이 필요한 이유는 무엇인가요?

PI North America의 Bowne은 "많은 통합업체와 기계 제작업체가 TSN의 필요성에 대해 의문을 제기하고 EtherNet/IP, EtherCAT, Profinet과 같은 기존 산업용 이더넷 및 관련 프로토콜이 자신의 요구 사항을 충족한다고 주장합니다. 따라서 '왜 TSN이 필요한가?'라는 질문이 일반적입니다."라고 PI North America의 Bowne은 말합니다. "특히 TSN에서 사용하는 많은 기술(동기화, 대역폭 예약, 스케줄링)은 우리가 Profinet에서 15년 이상 사용해 온 기술이기 때문에 이는 유효한 것입니다. 당시 TSN이 존재했다면 우리는 이를 채택하여 많은 엔지니어링 노력을 절약했을 것입니다. 그럼에도 불구하고 Profinet은 항상 고속 제어 관련 트래픽이 다른 정보 관련 트래픽과 명백하게 공존하도록 허용했습니다."

TSN에도 동일한 원칙이 적용됩니다. 그렇다면 TSN이 왜 필요한가요? Bowne은 “대답은 미묘하며 네트워킹의 미래와 관련이 있습니다.”라고 말합니다. "인더스트리 4.0/산업 사물 인터넷(IIoT) 영역으로 이동함에 따라 더 많은 정보가 더 높은 수준의 시스템에 제공될 것입니다. 결국 퍼듀 모델이 어느 정도 평탄화될 수 있는 것으로 보입니다. TSN이 이를 주도하지는 않지만 확실히 이를 가능하게 하는 도구 중 하나가 될 수 있습니다."

미래에는 IT 프로토콜에서 점점 더 많은 대역폭이 활용됨에 따라 TSN은 다른 최선의 IT 트래픽이 로드된 네트워크에서도 시간에 민감한 OT 트래픽이 필요한 결정성을 수신하도록 보장할 것이라고 Bowne은 설명합니다. "모두 공통 TSN 기반을 공유하는 한 제조업체는 IT 트래픽을 희생하면서 OT 트래픽이 희생되는 것을 걱정할 필요 없이 통합 IT/OT 네트워크 구현을 시작할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "우리는 올바른 작업을 위한 올바른 도구, 즉 데이터 이동을 위한 Profinet 프로토콜과 정보 이동을 위한 기타 프로토콜(예:OPC UA)을 모두 단일 회선으로 사용한다고 믿기 때문에 이 오랜 철학을 이어가고 싶습니다."

Relyum의 Cuéllar는 OT/IT 통합 로드맵이 게이트웨이를 통해 연결된 수많은 이기종 장치가 있는 중간 상황에서 끝나지 않는다고 말합니다. "대신에 두 세계 모두에 유효한 링크 수준에서 통신 기술의 채택이 증가합니다."라고 그는 말합니다. "이런 방식으로 기둥과 유사한 동종 플랜트에서 전체 데이터 교환 토폴로지가 실현 가능합니다(그림 3)."

그림 3:자동화 기둥은 공장 I/O 장치와 컨트롤러부터 공장, 기업 수준, 클라우드까지의 명확한 고속 연결을 보여줍니다.
(출처:System-On-Chip Engineering을 통한 Belden)

이 자동화 원칙은 Belden의 기술 및 혁신 수석 설계자인 René Hummen이 작성한 "TSN이란 무엇입니까? 미래 이더넷 네트워크에서의 역할 살펴보기"라는 제목의 블로그 게시물을 기반으로 합니다.

이 핵심 맥락에서 전통적인 계층 기반 통신 및 사이버 보안 체계는 더 이상 유효하지 않습니다. Cuéllar는 “필드 I/O에 포함된 요소는 원격 클라우드에서 지원되는 애플리케이션 및 서비스와 직접 통신합니다.”라고 설명합니다. "따라서 서로 다른 장치 간의 통신을 보호하는 것이 중요합니다. TSN의 실시간 요구 사항은 기존의 사이버 보안 IT 메커니즘이 필요한 대기 시간으로 패킷 전송을 보장할 수 없기 때문에 이러한 종류의 네트워크를 보호하는 데 큰 과제 중 하나를 나타냅니다."

TSN은 프로토콜이 아닙니다
TSN은 이더넷의 또 다른 향상된 버전입니다. 그것은 프로토콜이 아닙니다. PI의 Bowne은 "개선된 점은 모든 이더넷 기반 프로토콜이 존재하는 인프라입니다."라고 말합니다. "TSN은 IOS/OSI 모델의 데이터 링크 계층(계층 2)에 있습니다(그림 4). 프로토콜은 ISO/OSI 모델의 애플리케이션 계층(계층 7)에 있습니다. 게이트웨이는 서로 다른 프로토콜 또는 언어 간에 데이터를 변환합니다."

그림 4:TSN은 IOS/OSI 모델의 데이터 링크 계층 2에 있으며 애플리케이션 계층 7에 있는 프로토콜이 아닙니다.
(출처:Pi North America)

TSN은 기존 네트워크 기능에 추가되도록 설계되었습니다. Rockwell의 Brooks는 “현재 사용할 수 있고 안정적인 운영을 제공하는 네트워크 기능은 TSN 도입 후에도 동일한 방식으로 사용할 수 있어야 합니다.”라고 말합니다. “변화를 정당화하는 새로운 가치가 없는 한 행동 변화를 강요해서는 안 됩니다(그림 5).”

그림 5:TSN 도입 후에도 네트워크 하드웨어와 기능적 안정성의 대부분은 동일하게 유지되지만 변경을 정당화할 수 있는 가치가 추가될 것입니다.
(출처:로크웰 오토메이션)

EtherNet/IP에 초점을 맞춘 시간에 민감한 네트워킹은 통신 프로토콜과 완전히 독립적이라고 Brooks는 말합니다. "ODVA 및 OPC Foundation과 같은 프로토콜 조직의 임무는 단순히 프로토콜이 TSN과 작동하는 방식을 정의하고 TSN을 사용자에게 최대한 투명하게 만드는 것입니다."라고 그는 말합니다. "그리고 DSCP(차별화 서비스 코드 포인트)와 같은 기존 서비스 품질 메커니즘을 대부분의 기계 제작자와 시스템 통합자가 이해할 필요가 없는 약어로 만들면서 이를 수행해야 합니다!"

TSN은 신청에 어떻게 도움이 되나요?

PI North America의 Bowne은 “우리 모두가 업무를 올바르게 수행한다면 기계 제작업체나 시스템 통합업체는 TSN과 전혀 상호 작용할 필요가 없을 것입니다.”라고 말합니다. "이것은 Profinet 관련 엔지니어링, 구성 및 시운전 작업에 사용하기 쉽고 투명할 것입니다. 이는 오늘날 사용되는 이더넷의 더 나은 버전일 뿐입니다."

Rockwell의 Brooks는 시간에 민감한 네트워킹은 네트워크를 더 쉽게 평면화하는 도구이지만 이를 가능하고 실용적으로 만드는 도구 중 하나일 뿐이라고 말합니다. “예를 들어, 네트워크 세분화는 보안 네트워크 아키텍처의 핵심입니다.”라고 그는 설명합니다. "시간에 민감한 네트워킹은 분할에 도움이 되지 않습니다. 이를 위해서는 라우팅된 프로토콜을 사용해야 하며 TSN은 라우팅을 지원하지 않습니다."

그러나 단일 케이블을 통과하는 여러 고대역폭 스트림이 있는 경우 TSN은 네트워크 링크가 예상대로 작동하는지 확인하는 데 필요한 엔지니어링 노력을 확실히 줄일 수 있다고 Brooks는 설명합니다. “네트워크의 각 장치는 트래픽 양과 해당 트래픽이 네트워크 인프라로 전송되는 주기적인 속도를 알릴 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. "네트워크 인프라는 네트워크를 통해 흐르는 전체 트래픽 양을 기반으로 네트워크 로딩을 계획할 수 있습니다. 또한 이 양의 트래픽이 네트워크를 통해 흐를 수 있도록 네트워크 리소스를 보호할 수도 있습니다."

TSN을 사용하면 다양한 IE 프로토콜을 통해 I/O, 안전, 모션 등 모든 산업용 제어 애플리케이션에 대해 상호 연결된 단일 네트워크를 사용할 수 있으며 제어 애플리케이션이 의존하는 결정적인 네트워크 요구 사항을 유지하면서 비디오 카메라 및 애플리케이션과 같은 다른 장치와 공존할 수 있다고 Cisco의 Paul Didier는 말합니다. "이런 방식으로 산업용 IoT 애플리케이션은 최종 장치에 직접 안전하게 액세스하여 게이트웨이에서 처리할 수 없는 관련 데이터와 정보를 추출할 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

저자 정보:Dave Perkon
Dave Perkon ThumbDave Perkon은 Control Design의 기술 편집자입니다. 그는 의료, 자동차, 반도체, 국방 및 태양열 산업 분야의 Fortune 500대 기업을 위한 자동화 프로젝트를 설계하고 관리해 왔습니다.