[헬로티]

ODVA가 최초로 공개하는 APL 핵심 통신망 기술, 그 두 번째 연재로 이번 글에서는 제한된 인-캐비닛(In-Cabinet)에 대해 설명한다. 장치 관점과 단일 쌍이 어떻게 이 공간에 이더넷 기술을 적용할 수 있는지를 기술한다.

제한된 인-캐비닛 장치 문제 공간

필요한 제어전원(24VDC) 배선의 양 제어 파일럿 장치(예: 푸시 버튼, 표시기 버튼, 접촉기 등)는 참고로 보기 바란다. 이것은 그림 1의 제한된 인-캐비닛(In-Cabinet) 장치 문제 공간 그래픽에서 ‘빨간색 와이어’로 표시된다.

일반적으로 ‘하드 와이어드’라고 하는 선을 연결하고 연결 파일럿 장치에 제어 전원을 공급하여 조작을 한다. 간단한 캐비닛 내 적용을 위한 전선의 수시 운전에 많은 시간이 필요하며 복제할 경우 오류가 발생하기 쉽다.

일단 시운전 된 하드 와이어 시스템은 분석을 위한 지능형 데이터를 거의 또는 전혀 제공하지 않으면서 작동 또는 시운전 프로세스 중 구성요소 업데이트 문제 해결을 포함하여 유지 관리에 높은 오버 헤드를 제공한다.

그림 1. 제한된 인-캐비넷 장치 문제 공간

제한된 인-캐비닛 장치 고객 요구사항

제한된 캐비닛 내 장치 문제 공간을 기반으로 광범위한 고객 청취 세션을 기반으로 추출된 주요 고객 요구사항은 다음과 같다.

(1) 경제적이어야 한다.

· 저비용 미디어를 사용해야 한다.

· 일반 제품의 가격과 크기를 줄일 수 있어야 한다.

· 상용 전원 공급 장치를 사용할 수 있어야 한다.

· 유선 솔루션보다 ‘총 소유 비용’이 낮아야 한다.

(2) 사용이 간편해야 한다.

· 사용하기 쉬운 단일 미디어 커넥터를 사용해야 한다.

· 간단한(또는 아예 없는) 네트워크 시운전 방법론을 포함해야 한다.

· 미디어 트렁크 및 낙하 거리 계산의 필요성을 제거해야 한다.

(3) 충분한 기능

· 패널 빌더를 위한 인-캐비닛(In-Cabinet) 배선을 단순화해야 한다.

· 전원 장치 전자 장치 및 스위치(제어)에 네트워크 전원을 모두 제공해야 한다. 접촉기 및 릴레이의 작동을 용이하게 하는 전원이어야 한다.

· 동일한 전선에서 비 안전 및 안전장치를 지원해야 한다.

제한된 인-캐비넷 장치를 위한 단일 쌍 이더넷

단일 쌍 이더넷은 여러 기술 속도 및 토폴로지로 구성되며 제한된 EtherNet/IP 애플리케이션 영역을 참조 바란다. 충분한 기능, 사용의 용이성 및 저렴한 비용에 대한 고객의 요구를 충족시키기 위해 10BASE-T1S라는 10BASE 기술로 충분하다.

다음은 제한적인 인-캐비넷 애플리케이션에서 활용할 수 있는 10BASE-T1S의 주요 기술적 특성을 보여준다.

· 저전력. 250mW (캐비닛 내 애플리케이션 사용 시) 장치의 열 방출이 제한된다.

· 비용 절감. 대부분의 대상 파일럿 장치는 비용이 저렴하므로 이러한 장치에 대한 통신; 인터페이스는 이 솔루션의 상업적 수용을 유지하기 위해 저렴한 비용이 필요하다.

· 제한된 이더넷(UDP 만 해당)은 파일럿 장치의 물리적 설치 공간이 적으며 일반적으로 이 솔루션에 배포할 수 있는 전자장치의 패키지 크기에 물리적 제약이 있으므로 메모리 요구사항을 줄이기 위해 이더넷 스택이 제한된다.

· 10Mbps 2분의1 듀플렉스. 최종 노드는 일반적으로 파일럿 장치이므로 IEEE 802.3cg 10BASE-T1S 사양에 따라 통신 속도와 같은 시스템 성능 측정을 최소로 선택할 수 있다.

· 미디어는 멀티컨덕터 케이블 25m 케이블 길이. 멀티드롭 토폴로지로 제한된 인-캐비닛 문제를 지원하여 총 시운전 시간을 단축해 이 솔루션을 쉽게 사용할 수 있도록 해 준다.

그림 2. 단일 쌍 이더넷을 사용하는 제한된 인-캐비닛 장치를 위한 기술 아키텍처

제한된 인-캐비닛 장치를 위한 기술 아키텍처

그림 2는 단일 쌍 이더넷(Single Pair Ethernet) 10BASE-T1S를 실행하는 기술 아키텍처를 제안한 구성 도면이다.

[주목할 점]

(1) 여러 장치를 연결하는 다중컨덕터 플랫케이블은 모두 전원을 공급한다(스위치 전원 및 네트워크 전원). 10BASE-T1S 통신을 가능하게 하는 멀티 드롭 토폴로지에서 이 그림은 ‘파란색 선’으로 표시를 한다.

(2) 이 그림에서 ‘녹색 선’으로 표시된 컨트롤러에 대한 4선의 이더넷을 연결한다.

(3) 전체 시스템은 24VDC 전원 공급 장치로 전원이 공급된다. 두 가지 전원 채널이 정의되어 있다. NP(Network Power) 및 SP(Switched Power) NP전력은 통신에 전력을 공급하는 데 사용된다. 전체 네트워크 회로, SP 전원은 모든 출력부하이다.

(4) 게이트웨이는 NP(Network Power) 및 SP(Switched Power) 채널 모두에 전원을 공급한다.

(5) 게이트웨이가 할 수 없는 경우 시스템에 새 SP전원을 주입하려면 SP탭이 필요하다. 모든 부하에 SP전원을 제공한다.

그림 3. ODVA SIG 제안 타임라인

제한된 기간

그림 3의 ODVA SIG 제안 타임라인은 제한된 인-캐비넷 장치에 대한 단일 쌍 이더넷의 전체 사양을 게시하기 위한 활동 일정을 강조하는 것이다.

통신 프로토콜 및 관련 사양의 정의는 ENIP 시스템 아키텍처 특별위원회-SIG(Special Interested Group)에 의해 정의되고 있으며, T1S(2020년 4월 게시)에 대한 UDP 전용 전송 프로파일, 제한된 인-캐비닛 장치에 대한 CIP 보안 및 T1S용 캐비닛 애플리케이션 프로필에 제한된다.

미디어 정의는 3ESEs 제공, 케이블 및 커넥터 사양, SP탭 커넥터 및 접지 사양과 미디어 계획, 설치 설명서를 발음하는 데 중점을 둔 ENIP 물리계층(Physical Layer) 특별위원회-SIG에서 수행된다.

그림 4. 컨덕터 케이블

제한된 캐비닛 내에 애플리케이션을 위한 EtherNet/IP 미디어

우리는 혼합 게이지 7개 컨덕터 케이블을 제안한다(그림 4).

(1) 접촉기 코일을 작동시키기 위한 스위치 (제어) 전원용 컨덕터 2개

· 장치 전자 장치에 전원을 공급하기 위한 네트워크 전원용 컨덕터 2개

· T1S 기반 PLCA 멀티드롭 이더넷 통신을 위한 SPE 신호 단일 쌍 컨덕터 2개

· 단순 순차 네트워크 서비스 제공을 위한 셀렉트 라인용 컨덕터 1개로 선형 탐색 노드 토폴로지.

(2) 와이어 게이지

· NP-, NP +, SP +, SP- 용 20AWG 와이어(19가닥)

· SPE +, SPE-, 셀렉트 라인용 24AWG 전선(7가닥)

(3) 키잉(Keying) 기능

· SPE 데이터 쌍 및 Select 라인 컨덕터가 키잉(Keying) 기능으로 사용되어 잘못된 커넥터 방향의 가능성.

(4) 데이터 쌍 임피던스

· 100ohm, 절연 전압 600V

미디어 인터페이스

제한된 장치의 헤더와 인터페이스를 행하는 8핀 리셉터클이 있는 노드 커넥터가 있다. 핀 할당은 그림 5에 나와 있다. 제한된 장치의 헤더와 인터페이스 하는 8핀 리셉터클이 있는 노드 커넥터가 있다. 핀 헤더에는 표준 2.54mm 피치, 0.635mm×0.635mm 사각 핀이 있다. 8핀의 단일 행 헤더, 8핀의 채워짐과, 각 핀은 2A 이상의 전류를 전달할 수 있다.

그림 5. 미디어 인터페이스

· 커넥터는 다음을 사용하여 매체에 연결되고 전기적으로 연결되어야 한다. 표준이나 도구가 아직은 없다.

· 커넥터는 선별 라인을 끊은 다음 선별_A 및 선별_B 핀에 연결해야 한다.

· 커넥터는 SPE+ 및 SPE-라인을 모두 차단하고 향상된 신호의 무결성을 위해 인라인 인덕터를 추가할 수 있다.

그림 6. 10BASE-T1S PHY의 요구사항

SPE 10BASE-T1S PHY의 요구사항

우리는 초기 10BASE-T1S PHY를 위해 여러 반도체 공급 업체와 협력을 했다. 여기에는 세 가지 옵션이 있다.

· 옵션 1은 MII 인터페이스가 있는 PHY이며 MAC 및 RS가 내장된 MCU가 필요하다. MII 인터페이스가 있는 MCU는 제한된 캐비닛 내 장치가 감당할 수 있는 것보다 훨씬 더 비싸기 때문에 선호되는 옵션은 아니다. 16개 이상의 신호가 PHY와 MCU 간에 라우팅 되어야 하므로 더 많은 보드 공간이 필요하다.

· 옵션 2는 MAC 및 RS가 통합 된 SPI 인터페이스가 있는 PHY이다. 이것은 SPI 인터페이스가 있는 MCU만 필요하다. 이것은 SPI 인터페이스가 있는 MCU가 훨씬 더 저렴하고 제한된 캐비닛 내 장치를 위한 대상 MCU이기 때문에 선호되는 옵션이다. 개방 얼라이언스와 같은 일부 표준조직은 10BASE-T1S PHY에 대한 SPI 인터페이스 표준화 작업을 하고 있으며 우리는 이를 반도체 분야에서 배웠다. SPI PHY는 2020년에 출시됐다.

· 옵션 3은 단일 칩에 통합된 PHY 및 MCU이다. 이렇게 하면 전체 패키지 크기가 크게 줄어들고 잠재적으로 최저 비용 옵션을 제공할 수가 있다. 문제는 프로세서의 성능, 메모리 풋 프린트 및 보안 기능이 적절히 조합이 된 부품을 대규모 시장에서 찾는 일이 급선무이다.

그림 7. 멀티 드롭 미디어 및 하드웨어

SPE 10BASE-T1S 멀티 드롭 미디어 및 하드웨어

(1) 케이블 샘플 : 104(ohm)에서 임피던스, 25미터(40MHz)에서 6.7(dB)의 삽입 손실

(2) 커넥터 샘플 : 삽입 손실 0.1dB@40MHZ 반사손실 33dB@40MHz, SPE+및 SPE-라인 모두 차단, 36nH 인라인 인덕터가 내장되어 있다. 

(3) T1S 하드웨어 : IEEE 802.3CG 초안(draft) 2.1, MII 인터페이스 통합 PLCA 기능을 준수하는 T1S PHY가 있는 평가 보드

그림 8. 시스템 평가 결과

시스템 평가 결과

T1S 하드웨어, 케이블 및 커넥터로 지원할 수 있는 노드 수를 결정하기 위해 여러 설정을 평가했다.

· T1S에서 지원할 수 있는 노드 수를 결정하기 위해 하드웨어, 케이블 및 커넥터 등, 여러 가지 설정에 대해 계속 평가를 했다.

· 총 40개의 노드 25미터 케이블의 시작 부분에 마스터 노드 0, 케이블 중간에 노드 1, 25미터 케이블 끝에 집중된 38개 노드.

· 비트 오류 없이 수행된 BER 테스트.

· 노드에서 측정된 눈높이와 일치하는 시뮬레이션 결과.

그림 9. 노드 39

제한된 EtherNet/IP 통신 프로필 및 스택 요약

현재 EtherNet/IP 통신은 제한된 장치 및 네트워크요구 사항을 지원하지 않는다. 그림 10과 같이 제한된 장치 프로필의 개념에서 EtherNet/IP 통신 프로파일을 개발하는 것이 좋다. 

최소 장치 개체 모델은 제한된 EtherNet/IP에 대해 동일한 기본 개체를 사용하지만, 기본 개체의 구현을 최소화한다. UDP를 통한 최소화된 CIP 전송이 있으며 UCMM + Class 1만 지원한다.

그림 10. 통신 프로필

장치의 오버헤드를 줄이는 일환으로 옵션 기능을 제한하여 개체를 최소화한다. 연결 관리자가 예제로 표시된다. 속성과 서비스가 최소화되며 통신방법이 최소화된다. 단순화는 여전히 필요한 상호운용성을 유지한다. 

그림 11. 기본 장치 개체 모델

장치가 지원하는 애플리케이션 프로필은 Identity 개체의 애플리케이션 프로필 속성 25를 통해 보고된다. 11장은 EtherNet/IP 전송 애플리케이션 프로파일을 정의하기 위해 Volume 2, CIP의 EtherNet/IP 적응에 대해 제안되었다.

그림 12. 제한된 장치의 차이

새로운 EtherNet/IP 전송 애플리케이션 프로파일은 ‘전체’ 및 ‘UDP 전용’ 전송 프로파일이다. 전체 EtherNet/IP 전송 프로파일은 CIP 연결관리 및 연결된 명시적 메시징을 위한 TCP 및 EtherNet/IP 캡슐화 세션, 암시적 메시지 전송을 위한 UDP 전송 프로토콜의 사용을 지정한다.

UDP 전용 EtherNet/IP 전송 프로파일은 모든 데이터 전송에 UDP를 독점적으로 사용하도록 CIP 메시지를 지정한다. 이 프로파일은 TCP가 더 이상 필요하지 않기 때문에 단순화된 EtherNet/IP 스택이 된다.

그림 13. CPF 항목

새로운 ‘EtherNet/IP Capability’ CPF 항목이 제안되었다. 이 새로운 CPF 항목은 EtherNet/IP Transports 애플리케이션 프로파일 데이터를 사용한다. ‘EtherNet/IP Capability’ CPF 항목이 ListIdentity 응답에 유효한 항목으로 추가되었다. 이를 통해 ListIdentity를 사용하여 제한된 장치의 EtherNet/IP 기능을 검색할 수 있다. 여기에 새로운 EDS entry(Application Profiles Assembly)가 결합되어 제약 조건을 설명한다. 장치의 EtherNet/IP 기능 중, 새로운 ‘EtherNet/IP Capability’ CPF 항목에 대한 정의를 그림 13에 나타냈다.

그림 14. 전송 애플리케이션 프로파일 정의

새로운 EtherNet/IP 전송 애플리케이션 프로파일 정의는 지원되는 기능의 조합을 허용한다(그림 14).

그림 15. UDP 전용 시퀀스 다이어그램

UDP 전용 장치의 통신을 단순화하면 TCP 연결과 캡슐화 세션이 제거되고 통신 스택의 복잡성이 감소한다. 단순화된 경우 몇 가지 예는 다음 그림에서 설명한다. 그림 15는 전체 EtherNet/IP와 UDP 전용 UCMM 메시징을, 그림 16은 전체 EtherNet/IP와 UDP 전용 암시적 메시징을 비교한 것이다.

그림 16. 전체 EtherNet/IP와 UDP 전용 암시적 메시징 비교 

CIP 보안에는 TLS와 DTLS가 모두 필요하기 때문에 DTLS 전용 EtherNet/IP 적응에 대한 선택적 지원을 추가 할 것을 제안한다. 이것은 그림 17에 설명되어 있다.

그림 17. DTLS 전용 EtherNet/IP 적응에 대한 선택적 지원 추가          그림 18. DTLS를 통한 연결되지 않은 메시징

Volume 8 CIP Security에 제안된 추가사항은 UDP 전용 EtherNet/IP 전송 애플리케이션 프로필을 구현하는 장치를 허용한다. DTLS는 CIP 보안 콘텍스트에서 전송되는 모든 CIP 통신에 사용된다. 그림 18은 DTLS를 통해 EtherNet/IP가 연결되지 않은 메시지를 교환하는 데 필요한 메시지의 단순화된 시퀀스를 보여준다.

그림 19. EtherNet/IP 제안

그림 19는 EtherNet/IP 제안을 요약한 것이다. 빨간색으로 표시된 기능은 제거된다. 녹색으로 표시된 기능은 새로 추가된 것이다. 노란색으로 표시된 기능은 수정된다(축소).

조익영, ODVA ACTIVITY MANAGER