EtherNet/IP와 IIoT에 대해 알아야 할 모든 것

무선 네트워크가 점점 보편화되면서 유선 이더넷 장비를 예전보다 덜 접하게 될 수도 있지만, 가정의 주 인터넷 연결이나 스마트 TV처럼 이더넷은 여전히 우리의 일상생활에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 산업 환경에서 이더넷은 한 단계 진화한 형태로 사용됩니다. EtherNet/IP라는 이름에는 우리가 인터넷에 연결할 때 사용하는 것과 유사한 "IP"가 포함되어 있지만, 여기서 IP는 산업 분야를 위해 발전된 버전인 Industrial Protocol(산업용 프로토콜)을 의미합니다.

현장 계기는 가정에서 사용하는 것과 유사한 케이블과 커넥터를 사용하여 이더넷을 통해 연결할 수 있습니다. 물론 산업 환경에서는 혹독한 조건을 견딜 수 있도록 훨씬 견고한 사양이 요구되지만, 기본 원리는 동일합니다. 즉, 이 "새로운" 산업용 이더넷 장비가 어떻게 작동하는지에 대해서는 이미 상당 부분을 이해하고 있다고 볼 수 있습니다. 이제 이 기술이 얼마나 익숙한지 확인했으니, EtherNet/IP를 차별화하는 세부적인 요소들을 살펴보겠습니다.

1990년대 ControlNet International Ltd.의 소규모 팀이 훗날 EtherNet/IP로 발전하게 될 기술을 개발하기 시작했습니다. 2000년에 이르러 이 프로젝트를 발전시키려면 추가적인 지원이 필요하다는 점이 명확해졌습니다. 당시에는 크라우드펀딩이라는 개념이 없었기 때문에 전통적인 방법을 모색할 수밖에 없었습니다.

그 결과 1995년에 설립된 자동화 제조업체 협의체인 ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)와 협력하게 되었습니다. ODVA는 EtherNet/IP 개발에 공동으로 참여하기로 합의했습니다. 이후 2009년 최초 개발자들은 이 프로토콜에 대한 모든 책임을 ODVA와 그 회원사들에게 이관했습니다. 현재 ODVA는 CIP™(Common Industrial Protocol)와 ControlNet®, CompoNet®, DeviceNet® 등의 관련 기술을 유지 및 보급하고 있습니다.

프로토콜 개발을 넘어 ODVA는 산업 자동화 분야에서 매우 복잡한 과제인 서로 다른 제조업체와 시스템 간의 상호운용성을 보장하는 역할도 수행합니다. 이를 위해 ODVA는 상용 기성 부품(Commercial Off-The-Shelf, COTS)의 사용과 수정되지 않은 인터넷 및 이더넷 기술의 활용을 장려함으로써 통합과 도입을 보다 단순하게 만들고 있습니다.

EtherNet/IP는 CIP를 기반으로 OSI(Open Systems Interconnection) 모델과 표준 TCP/UDP를 따르는 동급 최고의 유연한 이더넷 네트워크이자 개방형 IEC 표준입니다. EtherNet/IP를 통해 현장 센서, 컨트롤러, 제어 시스템 등을 하나의 동일한 네트워크로 연결할 수 있습니다.

적용 범위가 매우 넓기 때문에 전력 제어 시스템(모터, 드라이브, 소프트 스타터 등)은 물론, 이산 제어 시스템(안전 I/O, 로봇 등)에서도 사용됩니다. 또한 IP 카메라, WiFi, IP 전화 등도 동일한 네트워크에 통합할 수 있어 활용 가능성이 더욱 확장됩니다. 이러한 특징은 EtherNet/IP가 IIoT 확장을 충분히 지원할 준비가 되어 있다는 점을 잘 보여줍니다.

여기에서는 전체 표준을 모두 설명하기보다는 반드시 알아야 할 핵심 사항만을 소개합니다.

• IEEE 802.3: 표준, 이더넷, 정밀 시간 프로토콜(IEEE-1588)
• IEC: 국제전기기술위원회 – IEC 61158
• ODVA: 공통 산업용 프로토콜(CIP)
• IETF: 인터넷 엔지니어링 태스크 포스, 표준 인터넷 프로토콜(IP)

또한 EtherNet/IP는 세션 계층에 CIP를 추가하지만, 동시에 OSI 모델 프로토콜 프레임워크를 그대로 따릅니다(아래 표 참조).

마지막으로, 통신 방식에는 다양한 선택지가 있습니다. 물리 계층에서는 무선, 구리 케이블, 광섬유 등 여러 매체를 사용할 수 있습니다. 이후 데이터 링크 계층에서는 물리 계층에 따라 IEEE 802.3(광섬유), IEEE 802.3 또는 802.1(구리), IEEE 802.11(WiFi) 등 서로 다른 표준이 적용됩니다.

최신 고급 물리 계층(Ethernet-APL)의 경우 단 두 개의 선으로 전원과 통신을 동시에 제공할 수 있으며, 방폭 지역에서도 사용할 수 있습니다!

이더넷 기술은 10 Mbps, 버스/트리 토폴로지, 반이중 통신에서 출발해 100 Mbps 및 1 Gbps, 전이중 통신, 스위치/라우터 기반의 스타 토폴로지로 발전해 왔습니다. 이러한 발전을 통해 이더넷 네트워크는 핵심 산업용 시스템을 지원하는 능력을 갖추게 되었습니다.

EtherNet/IP는 스타 토폴로지에서 포인트-투-포인트 연결을 사용하는 네트워크 세그먼트로 이루어져 있는 능동형 인프라입니다. 이 토폴로지의 중심에는 계층 2 및 계층 3 스위치가 상호 연결되어 있으며, 이 스위치들이 다수의 포인트-투-포인트 노드를 지원합니다.

또한 EtherNet/IP 네트워크는 선형 토폴로지와 단일 장애 허용 링 토폴로지도 지원합니다. 이를 위해 임베디드 스위치와 DLR(Device Level Ring) 기술을 사용합니다. 이러한 대체 토폴로지는 케이블 경로와 통신 구성을 최적화하기 위해 서로 조합하여 사용할 수 있습니다.

EtherNet/IP 네트워크의 기술적 세부 사항을 깊이 파고들 수도 있지만, 여기서는 핵심 사항을 세 가지 질문으로 정리해 간단명료하게 설명하겠습니다. 이 질문들에 대한 답만 알아도 EtherNet/IP 네트워크를 훨씬 잘 이해할 수 있습니다.

EtherNet/IP는 TCP/UDP IP 표준을 따르는데, 이는 무엇을 의미할까요? TCP(Transmission Control Protocol)는 신뢰성이 높지만, 유니캐스트 패킷 또는 프레임을 통한 상대적으로 느린 데이터 전송을 지원합니다. 이메일이나 웹 브라우징이 TCP 연결을 사용하는 대표적인 예이며, 진단 데이터 전송 등에 유용합니다. 반면 UDP(User Datagram Protocol)는 자동화나 제어 애플리케이션에서 I/O 데이터 전송에 적합합니다.

UDP는 훨씬 빠른 연결을 지원하지만, 전송된 데이터가 수신자에게 반드시 도달한다는 보장은 없습니다.  UDP는 유니캐스트, 멀티캐스트, 브로드캐스트 패킷 또는 프레임을 사용하며, 음악이나 비디오 스트리밍 등에 적합합니다.

네, 가능합니다. EtherNet/IP는 다른 TCP/IP 애플리케이션과의 공존을 염두에 두고 개발되었습니다. 실제 현장에서 자주 접하게 되는 TCP/IP 애플리케이션의 예로는 다음이 있습니다.

• HTTP – 하이퍼텍스트 전송 프로토콜
• SNMP – 단순 네트워크 관리 프로토콜
• Modbus/TCP
• OPC UA

네트워크는 계기와 제어 시스템 간의 통신을 가능하게 하는 핵심 요소들로 구성됩니다. EtherNet/IP는 구성요소와 그 사용 방식을 정의하는 세 가지 클래스를 제공합니다.

• 스캐너: 스캐너 클래스는 네트워크의 입력 및 출력 변수를 정의된 업데이트 주기에 따라 주기적으로 매핑합니다. 예: PLC, 컨트롤러
• 메시징: 메시징 클래스는 실시간 I/O 데이터가 아닌 명시적 메시징을 지원합니다. 예: 진단, 네트워크 구성 도구, SCADA 및 HMI 시스템
• 어댑터: 어댑터 클래스는 EtherNet/IP 프로토콜이 내장된 계기에서 계기별 기능을 제공합니다. 예: 센서, 밸브, 게이트웨이

EtherNet/IP는 디지털 통신으로, 시스템 통합과 데이터 활용의 범위를 넓혀 줍니다. NAMUR NOA 개념에 따라 엣지 계기를 사용해 네트워크에서 직접 정보를 수집하고 이를 다양한 클라우드 서비스로 전송할 수 있습니다. 예를 들어, 엔드레스하우저의 Netilion IIoT 생태계는 현재 여러 방식으로 EtherNet/IP 계기를 지원합니다. Analytics, Library, Health, Value 서비스에서 EtherNet/IP 계기를 사용할 수 있으며, 타사 계기 역시 Analytics와 Library 서비스에서 사용할 수 있습니다. 이러한 서비스들은 데이터를 고도화하여 사용자가 어디에 있든 필요한 정보를 제공해 줍니다. 각 서비스는 일상 업무 수행에 도움이 되는 여러 가지 이점을 제공합니다.

IIoT 서비스는 현장 계기에서 의미 있는 인사이트를 손쉽게 확보할 수 있는 방법입니다. 또한 클라우드와의 연계를 편리하고 안전하게 구현할 수 있도록 지원하며, 이를 통해 산업 전반에서 한 단계 도약하고, 유지보수 수준을 고도화하고 생산성을 향상시키는 등 다양한 가치를 창출할 수 있습니다.