산업용 I/O를 위한 이더넷: 이점, 단점 및 주요 설계 고려사항

산업용 입출력(I/O) 장치는 많은 현대 기계의 중추 신경계를 구성하며, 확장하면 산업 플랜트 전체의 신경계가 됩니다. 지난 10년간 필드버스 I/O 장치의 물리 계층으로 이더넷을 사용하는 것이 산업 자동화 설계에서 가장 중요한 발전 중 하나였습니다.

현대 EtherNet/IP(이더넷 산업 프로토콜)는 전통적인 이더넷에 산업 자동화를 겨냥한 산업 애플리케이션 계층 프로토콜을 결합한 것입니다. 이는 전통적인 IEEE의 단점을 극복하기 위해 만들어졌으며, 두 가지 주요 문제가 있었습니다.

1. 전통적인 IEEE는 현대 자동화에 관여하는 복잡하고 데이터 집약적인 모든 프로세스를 처리하는 데 적합하지 않았습니다. 다양한 표준을 사용하여 I/O 유지보수와 사용을 어렵게 만들었습니다.
2. 과거에는 필드버스 조직들이 커넥터, 프로토콜, 스택에 대한 자체 표준을 만들었습니다. 이제 물리 계층은 산업, 사무실, 소비자 환경을 위한 이더넷 표준을 설정하는 광범위한 국제 표준 기구에서 처리할 수 있습니다.

이더넷을 통해 I/O 장치를 연결하여 원격 제어, 데이터 수집 및 파싱, 상태 모니터링을 수행함으로써 많은 플랜트가 신뢰성, 일관성, 효율성을 개선할 수 있었습니다. I/O 이더넷은 생산 라인과 자동화 프로세스 업그레이드를 원하는 플랜트에 중요한 역할을 할 수 있습니다.

하지만 어떤 기술이든 산업 자동화 설계 환경에 이더넷을 추가하는 것에는 장단점이 있습니다. 생산 개선을 위해 정보에 입각한 결정을 내리실 수 있도록 I/O 이더넷의 주요 포인트를 정리했습니다.

I/O용 이더넷의 장점

이더넷을 사용한 네트워크 I/O는 더 나은 성능, 유연한 토폴로지, 단순한 구성 등 다양한 이점을 제공합니다.

1. 더 빠른 처리 – 이더넷 I/O는 1밀리초 미만으로 실시간 업데이트를 실행할 수 있습니다. 더 높은 처리 속도는 데이터 수집 및 분석의 효율성을 높이며, 이는 데이터 집약적 산업 자동화의 중요한 기반이 됩니다.
2. 산업 자동화 설계를 위한 표준화된 개방형 통신 프로토콜 – 이더넷은 EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Powerlink 등 오픈 소스 표준 프로토콜과 결합하여 사용됩니다. 이들 모두 드라이브, 인코더, 산업용 컨트롤러 등 I/O 네트워크의 많은 장치와 쉽게 인터페이스할 수 있습니다. 필드버스가 알려진 물리 기술인 이더넷에 더 개방되고 의존하게 되면서 I/O 네트워크 업데이트 속도가 제어 시스템의 실시간 이벤트 속도를 따라잡을 수 있게 되었습니다.
3. 구리 배선 감소 – 비용 절감 – 기존 IEEE 네트워킹은 산업용 장치에 상당량의 구리 배선이 필요했습니다. 하지만 오늘날 I/O 장치를 컨트롤러에 연결하려면 I/O 네트워크 연결, 제어 전원, 고에너지 장비의 경우 3상 전원만 있으면 됩니다. 이는 그라운드 루프와 구리 배선 엉킴을 없애줍니다. 대신 표준 케이블 하나로 컨트롤러를 산업용 운영 시스템에 연결할 수 있으며, 이는 컨트롤러에서 멀리 떨어져 분산 배치될 수 있습니다.
4. 플랫폼 노후화 방지 – 이더넷은 사실상 존재하는 모든 하드웨어 플랫폼에서 사용할 수 있으므로 특정 제조업체나 장비 클래스에 종속되지 않습니다. 예측 가능한 미래에도 계속 작동하여 연결성에 대한 미래 지향적 투자를 제공하며, 이는 장기적인 보안 강화라는 이점도 줍니다.
5. 신뢰성 – 이더넷 I/O는 태양광 발전소, 석유 및 가스 정제소, 철도, 풍력 발전소, 해양 시설 등 가혹한 환경에서도 안정적으로 작동합니다. 이더넷 I/O를 사용한 산업 자동화 설계는 귀사 생산 환경의 까다로운 요구사항을 충족할 가능성이 높습니다.
6. 공통 인증 표준 및 광범위한 벤더 지원 – 산업용 이더넷은 전통적인 이더넷의 전송 및 제어 프로토콜과 오프더셀프 이더넷 인터페이스 카드에 있는 미디어 액세스 및 신호 기술을 사용합니다. 품질과 일관성을 보장하기 위해 EtherNet/IP 테스트 랩에서 장치가 인증, 테스트, 승인되는 견고하고 인증 가능한 표준입니다. EtherNet/IP의 핵심은 ControlNet, DeviceNet, CompoNet에서 사용되는 CIP(Control and Information Protocol)입니다. 이 표준은 네트워크 장치를 객체 모음으로 구성하여 액세스, 객체 동작, 확장을 정의합니다. 이는 공통 메커니즘을 사용하여 방대한 범위의 장치에 액세스할 수 있게 하며, 거의 모든 산업에서 이더넷을 사용하므로 거의 모든 유형의 I/O 장치에 대한 광범위한 벤더 지원이 있습니다.
7. 단순하고 빠른 설정 – 이더넷은 안전, 필드버스, 프로그래밍 감소, 웹 서버 등 생산자에게 더 많은 옵션을 제공합니다. 플랜트가 프로토콜 간 전환이나 필드버스 최초 구현을 간단한 플러그인 방식으로 할 수 있게 합니다. 많은 제품이 마스터 프로토콜을 자동으로 인식하여 자체 구성됩니다.
8. 기타 이점 – 산업 자동화 설계에서 I/O용 이더넷의 추가적인 부수적 이점: 네트워킹 및 스토리지 I/O를 위한 단일(고가용성을 위한 쌍) 상호 연결; 전력 감소, 더 효율적인 냉각 및 플로어 공간 활용, 더 지속 가능한 플랜트 환경; 서버 성능 개선, PCI 및 메자닌 슬롯 최대화; 고성능 및 클러스터 애플리케이션 요구를 처리하기 위한 I/O 용량의 더 나은 확장.

I/O용 이더넷 추가의 단점

이더넷 I/O의 이점을 광범위하게 다루었으니, 이제 주요 단점을 논의하겠습니다.

• 대역폭 제한 – 이더넷 I/O는 제한된 대역폭을 가집니다. 많은 PLC가 약 500바이트의 패킷 크기만 이동할 수 있어 때때로 상당한 걸림돌이 되어 운영 속도를 늦출 수 있습니다.
• TCP/IP 계층이 프로세싱 자원 소모 – EtherNet/IP는 TCP/IP 패킷 내부에 전송되는 애플리케이션 계층 프로토콜입니다. 즉, 상당한 프로세서 대역폭이 TCP/IP 계층 처리에 소모되어 성능이 다시 저하됩니다.
• 정보 모델링 부재 – 이더넷으로는 진정한 정보 모델링이 불가능합니다. 속성을 가진 객체는 생성할 수 있지만 객체를 계층 구조로 연결할 수는 없습니다. 이는 산업 자동화 설계의 실제 구현에서 어려움을 초래할 수 있습니다.
• 장비 편차 – 특정 컨트롤러에서는 이더넷 기능이 제한적이므로 여전히 최적의 장비 선정에 신중해야 합니다.
• 과도한 성능 – 많은 경우 이더넷은 이산 제어 애플리케이션에 가장 적합합니다. 공정 제어 시나리오에서도 작동하지만 불필요하게 많은 예산을 소모하는 과도한 솔루션이 될 수 있습니다. 경우에 따라 더 실용적이고 저렴한 솔루션이 존재합니다.
• 진단 – 일반적인 진단이 모든 이더넷 장치에 내장되어 있지 않습니다. 각 장치마다 맞춤형 진단을 설계하고 구현해야 할 수 있으며, 이는 상당한 시간이 소요될 수 있습니다.

이더넷과 기타 기술 비교

반드시 알아야 할 핵심 사항

이더넷 I/O로 전환할 때는 올바른 종류의 이더넷을 얻기 위해 다양한 기능을 평가하는 것이 중요합니다. 다음 이더넷 IOS 아키텍처를 고려하십시오.

• 모듈당 이더넷 시스템
• 모듈 캐리어 시스템
• 스타 클러스터 시스템

필수 기능

아키텍처 외에도 모든 이더넷 IOS에는 평가해야 할 중요한 기능적 특징이 있습니다. 모든 산업용 IOS는 다음 공통 기능에 대한 일정 수준의 지원을 제공해야 합니다.

• 전력 모니터링
• 전력 분배
• 인터록 지원
• 환경 보호

도움을 드릴 수 있습니다

이더넷 프로토콜 선택은 많은 요소에 따라 달라집니다. 하지만 대부분 플랜트에서 사용하는 PLC와 고객 수요가 결정을 이끕니다. 지멘스를 사용한다면 Profibus DP나 ProfiNet IO가 최적일 수 있습니다. Rockwell ControlLogix나 CompactLogix라면 EtherNet/IP나 DeviceNet이 최선의 선택입니다. 애플리케이션 요구사항과 현재 인프라가 의사결정을 주도합니다.

EPIC은 다양한 시스템과 기술에 대한 깊은 전문성을 보유하고 있으며 전 세계 플랜트를 지원해 왔습니다. 귀사 플랜트 산업 자동화 설계에 가장 적합한 기술 선택에 전문가의 도움이 필요하시면 저희가 도와드릴 수 있습니다.

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