산업용 이더넷 통신 프로토콜
이더넷은 현대 인터넷 통신의 표준으로 널리 간주되는 물리 계층 연결입니다. 이 범위에서는 TCP/IP 프로토콜(전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜)과 함께 작동합니다.
TCP/IP는 이더넷을 통해 정보를 전송하고 해석하는 방법을 결정하는 전송 및 네트워크 계층의 사양으로 구성됩니다. TCP/IP는 서버 컴퓨터가 클라이언트 컴퓨터에 서비스를 제공하는 클라이언트/서버 모델을 기반으로 합니다. 이러한 서비스는 정보, 파일 및 연결 매개 변수에 대한 요청 또는 웹 사이트에 대한 액세스일 수 있습니다.
TCP/IP 표준
TCP/IP는 인터넷 통신에서 가장 널리 사용되는 프로토콜일 뿐만 아니라 산업 시스템에서 사용된 최초의 이더넷 기반 프로토콜이기도 합니다. PLC와 같은 시스템 컨트롤러의 등장과 제어 시스템의 수직 통합이 증가함에 따라 실시간에 가까운 통신에 대한 수요가 빠르게 증가했습니다. 개인용 컴퓨터 세계에서 이미 널리 사용 가능한 TCP/IP가 있는 이더넷은 업계의 더 빠른 속도와 대역폭에 대한 요구를 충족시키기 위해 왔습니다.
그러나 TCP/IP는 처음부터 큰 단점이 된 제어 시스템에 근본적인 문제를 제시했습니다. TCP/IP는 비결정적이므로 예측할 수 없는 지연 및 전송 실패에 취약합니다. 문제가 발생하면 상용 TCP/IP 네트워크는 다음 데이터 전송이 시도되기 전에 임의의 시간 동안 대기합니다. 이것은 신뢰성을 보장하기 때문에 결정론이 필수적인 제어 시스템에서는 작동하지 않습니다. 이는 데이터 전송이 알려진 시간 내에 예상되며 그 이상도 이하도 아님을 의미합니다.
결정론은 생산성과 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 제어 시스템의 요구 사항입니다. 안전 장치가 특정 시간 내에 응답할 것으로 예상되는 경우에도 안전 구성 요소가 관련되어 있습니다.
산업용 이더넷 프로토콜은 결정성 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다. TCP/IP와 동일한 실시간 통신을 제공하는 동시에 컨트롤러 간의 안정적인 통신을 보장합니다. 이 기사의 다음 섹션에서는 업계에서 가장 잘 알려진 산업용 이더넷 프로토콜 중 일부를 설명하고 비교합니다.
산업용 이더넷 기본 사항
모든 산업용 이더넷 프로토콜이 공유하는 몇 가지 기본 특성이 있습니다. 첫 번째는 모든 것이 이더넷 하드웨어를 기반으로 하므로 물리적 및 데이터 링크 계층을 공유한다는 것입니다. 또한 열악한 환경 조건으로 인해 산업용 이더넷 구성 요소는 상용 구성 요소와 다르게 설계되었습니다. 케이블과 커넥터는 더 무거운 잠금 메커니즘으로 제작되며 일반적으로 소음으로부터 보호하고 내구성을 향상시키기 위해 차폐됩니다.
속도 측면에서 데이터 전송 속도는 10Mbps에서 1Gbps 사이이며 100Mbps가 가장 많이 사용됩니다. 상용 이더넷과 비교할 때 제어 및 자동화 데이터 대역폭이 상대적으로 낮게 유지되기 때문에 필요한 속도가 훨씬 낮습니다.
산업용 이더넷 프로토콜은 유선 또는 무선의 두 가지 주요 방법을 통해 장치를 연결할 수 있습니다. 유선 이더넷은 표준 RJ45 케이블과 커넥터를 사용합니다. 유선 이더넷은 전 세계 산업용 네트워크 설치 기반의 대부분을 차지하기 때문에 일반적으로 간단히 이더넷이라고 합니다. 한편, 무선 이더넷(rf 기반 Wi-Fi)은 산업 시장 진입에 초기에 어려움을 겪었지만 신뢰성과 보안 문제가 해결됨에 따라 더 많은 수용도를 얻을 것으로 예상됩니다.
전 세계 거의 모든 주요 자동화 회사는 산업용 이더넷 프로토콜에 크게 의존하고 있습니다. 지멘스(Siemens), 로크웰 오토메이션(Rockwell Automation), 슈나이더 일렉트릭(Schneider Electric), 벡호프(Beckhoff) 등이 대표적입니다.
산업용 이더넷 프로토콜 비교
- 지멘스: PROFINETPROFINET 네트워크는 일반적으로 경쟁사보다 빠릅니다. Siemens는 Siemens 제어 시스템을 쉽게 교체하거나 개조할 수 있는 PROFINET 지원 장치 포트폴리오를 제공합니다. 그러나 업그레이드는 다른 브랜드가 관련된 경우 유연성이 떨어집니다. 반면에 PROFINET 인프라는 평균적으로 다른 인프라보다 비용이 많이 듭니다. PROFINET 네트워크는 주로 라인 토폴로지를 사용하여 구축되므로 트리 및 스타 토폴로지도 지원되지만 필요한 케이블의 양이 줄어듭니다.
- 로크웰 오토메이션: Ethernet/IP는 기성 구성 요소를 사용하고 객체 지향 기반 덕분에 보다 유연하고 호환 가능한 프로토콜입니다. 또한 PROFINET보다 비용 효율적이지만 속도가 느립니다. 이더넷/IP 네트워크는 스타 토폴로지에 치우쳐 있지만, 종종 링 및 트리 토폴로지에서 이중화를 강화할 수 있습니다.
- 슈나이더 일렉트릭: Modbus TCP라고도 하는 이 프로토콜은 TCP 인터페이스가 있는 Modbus RTU의 향상된 버전입니다. 데이터는 Modbus 형식으로 처리되지만 이더넷 모드에서 래핑 및 전송됩니다. Modbus TCP 네트워크는 일반적으로 기능 블록 또는 기타 라이브러리를 사용하여 컨트롤러 코드에서 직접 프로그래밍되는 반면, PROFINET 및 Ethernet/IP는 구성 도구를 통해 간단히 구성됩니다.
- 벡호프: EtherCAT은 네트워크를 통과하는 텔레그램이 각 노드 이후에 자체적으로 구축할 수 있는 고유한 이더넷 통신 방법을 사용합니다. 주기가 끝나면 텔레그램이 EtherCAT 마스터로 돌아갑니다. 이렇게 하면 메시지가 각 노드를 한 번만 통과하므로 통신이 매우 효율적입니다. EtherCAT 노드는 몇 밀리초 범위의 결정성 수준을 준수할 수 있습니다. 반면, EtherCAT은 특수 EtherCAT 지원 장치를 구현해야 하기 때문에 유연한 네트워크가 아닙니다. EtherCAT 장치는 평균적으로 더 비싸지만 필요한 구성 요소 수가 줄어들어 전체 네트워크에서 약간의 비용 절감 효과가 있습니다. 예를 들어 관리되는 네트워크 스위치가 필요하지 않습니다.
