산업용 통신 기술 표준 현황 및 기업체의 대응 전략

2015년 11월 06일(금)

LS산전 권 대현 책임연구원

1. Challenge of Industrie 4.0

2. 스마트 제조 국제표준단체

3. 산업용 통신 주요 기술

4. 기업체의 대응 전략

유첨1. RAPIEnet 표준화 현황

유첨2. 산업용 통신 상세 기술

유첨3. LS산전의 IIoT 플랫폼 SoC

유첨4. OPC-UA 서비스 및 Architecture

유첨5. OPC-UA Implementation

- 목 차 -

1. Challenge of Industrie 4.0

☞ Joint Platform I4.0: ’13년 4월 독일 Industrie 4.0의 산업계 공통 플랫폼을 개발하고자 설립 - 전자전기산업연합회 (ZVEI), 기계설비제조협회(VDMA), 정보통신산업협회(BITKOM)의 연합회

☞ 표준화가 가장 중요한 요소로 설문 조사 결과 확인됨 ☞ 상호운용성(상호호환성) 부분은 표준화가 특히 중요한 부분으로 핵심 표준 기술 현황 파악 필요

1. Challenge of Industrie 4.0

☞ Protocol -> Interface -> Data Access/Types -> Semantics -> Functionality -> Dynamic Behavior ☞ Coexistent -> Interconnectable -> Interworkable -> Interoperable -> Interchangeable

스마트 공장

표준화

국제 표준 단체

IEC SG 8

IEC TC 65

ISO TC 184 oneM2M

IEEE P2413

☞ IEC, ISO, IEEE 등에서 스마트 제조와 관련된 국제 표준을 정의하고 있음

2. 스마트 제조 국제표준단체

2. 스마트 제조 국제표준단체

☞ ’14년 8월 9개국 15인 대표 선정, ’14년 9월 IEC SMB 2/3 이상의 찬성을 거쳐 멤버 확정 ☞ ’14년 11월 kick-off 회의, ’15년 3월 2차 회의, 15년 10월 3차 회의 ☞ Roadmap, Suggested architecture, SMB에 TC 업무 관련 주요 사항 건의 예정

IEC Strategic Groups 8 소개

Strategic Group overview (TC 간 주요 업무 분석 및 조정)

Strategic Group Membership (NC 선정, SMB 승인)

Task Force Team에 해당하며 활동 기간은 24~36개월

IEC Strategic Groups 소개

IEC 에서 Industry 4.0 – Smart Manufacturing 표준과

관련한 최종 의사 결정 기구

미국(Rockwell), 독일(Siemens) co-convenor 체제로 운영

2. 스마트 제조 국제표준단체

☞ Reference Architecture Model for Industry 4.0 (RAMI4.0) ☞ ’15년 3월 SG 8 2차 회의 시 독일 VDMA에서 발표한 모델로 IEC 표준이 될 가능성이 높음

2. 스마트 제조 국제표준단체

☞ 복잡한 제조 산업의 특징을 반영하기 위하여 공급자와 수요자의 관점에서 수명 주기를 정의함 ☞ Type: 기획, 설계, 가상 제작(시운전), 엔지니어링, 시제품 제작(시운전) 등 ☞ Instance: Type이 구체화된 결과물, 양산 제품, 유지 보수/최적화, 전달, 사용 및 서비스 등

☞ IEC TC 65는 공장 제어 및 자동화 설비에서 필요한 디바이스, 통신망 그리고 시스템과 관련된 표준을 정의함

– SC 65A(시스템), SC65B(디바이스), SC 65C(통신망), SC 65E(Integration) 의 4개 분과

2. 스마트 제조 국제표준단체

3. 산업용 통신 주요 기술

수처리

자동차

그린에너지

선박

화학&오일,가스

제철

LCD/반도체

빌딩자동화

자동차

LCD/반도체

공정제어, Utility제어

선박

Utility제어

빌딩자동화

Utility제어, 지하철

제철

공정제어, Utility제어

수처리

약품처리, 시설관리

그린에너지

태양광 위치제어

자동차

Assembly Line제어

화학&오일,가스

공정제어, Utility제어

☞ 산업용 통신 구성 요소의 실시간 통신 및 에러 발생 시 결정론적인 복귀 시간을 규정함 ☞ 반도체, 자동차, 철강, 조선 등 생산공정 자동화, 원자력 통신망, 로봇용 통신에 적용 가능함 ☞ Real-time Automation Protocols for Industrial Ethernet (RAPIEnet) 등

상호

운용

성 관

련 IE

C 주

요 표

준 규

격

Service Protocol IEC 61158-1, 61158-2, 61158-3/4/5/6-n

Profile IEC 61784-1, 61784-2

Functional Safety Communication Network

IEC 61784-3, 61784-3-n

Cabling IEC 61918, 61784-5-n

High Availability IEC 62439-n

OPC-UA IEC 62541

3. 산업용 통신 주요 기술

☞ IEC 61158: 실시간 서비스, IEC 61784-1(필드버스 프로파일), IEC 61784-2 (이더넷 프로파일) - RAPIEnet(한국), Profibus/Profinet(유럽), DeviceNet/EtherNet/IP(미국), CC-Link/IE(일본) 등 ☞ IEC 61784-3: 기능 안전 통신, IEC 62439: 고가용성 통신, IEC 62541: 데이터 교환 표준 등

3. 산업용 통신 주요 기술

• 배선의 편의성

• Bits and Bytes와 같은 소량 데이터 처리 능력 탁월

• 가격 경쟁력

• 검증된 기술

• 다양한 회사의 Device 사용 가능

• 통신 미디어 및 호환성 부족

• 많은 응용 요구 증가(진단 기능)

• 속도제약 12 ~ 16Mbps

• Redundancy 기능 구현 취약

강 점 (Strength) 약 점 (Weakness)

Fieldbus

• 고속의 전송속도(10M ~ 10Gbps)

• 통신 미디어 호환성

• 일반인에게 친숙한 네트워크

• 하나의 네트워크 기술

• Mainstream 기술

• Topology 취약 (배선불편/비용증가)

• Non-deterministic (비 결정론적)

• 외장 스위치, 허브 필요

강 점 (Strength) 약 점 (Weakness)

Ethernet

☞ 기존 Fieldbus의 강점과 일반 Ethernet의 강점을 고려한 산업용 이더넷 기술 확산

유선 통신

산업용 이더넷

고속의 전송 속도

통신 미디어 호환성

일반인에게 친숙한 네트워크

하나의 네트워크 기술

Mainstream 기술

리니어/링/Mesh 구조 Topology

외장 스위치, 허브 불필요

강력한 Redundancy 기능

1ms 레벨의 실시간 통신

1us 레벨의 시간 동기화

저렴한 케이블/커넥터

3. 산업용 통신 주요 기술

☞ 산업용 이더넷 시장은 지속 고성장이 예상되며, 각 사는 자사의 기존 네트워크들을 산업용 이더넷으로 통합 중임

시장 규모 (성장률 약 20%) 기술 현황_네트워크 별

Device 레벨 (ARC2013) 약 4조원

기업 현황_회사 별 디바이스 타입별 분포

유선 통신

☞ 경쟁사별 산업용 제어 네트워크를 하위 Device 통신으로 확대 전개하고 있음

Company Product Trend 비교 통신

비고 Information Control Device

SIEMENS

PROFINET

Industrial Ethernet

PROFINET

Industrial Ethernet

MPI

PROFINET

Profibus-DP

Profibus-PA

- PROFINET으로 통신계층

전반적으로 확대

MITSUBISHI Modus TCP

CC-Link IE Control

MelsecNET

CC-Link IE Field

CC-Link

- Control 및 Device 계층을

이더넷 기반인 CC-Link IE로

일원화 네트워크 추진

LSIS Modbus TCP

EtherNet/IP

RAPIEnet

Fnet

전용 통신

EtherNet/IP

Rnet

Profibus

Devicenet

Modbus

BACnet/IP

- 다양한 통신 모듈확보

- RAPIEnet 확산 전략 필요

Rockwell EtherNet/IP

EtherNet/IP

ControlNet

DH+ Net

EtherNet/IP DeviceNet Remote I/O

-상위계층은 EtherNet/IP , 하위

DeviceNet으로 표준화 확대

- 디바이스 영역도 이더넷 솔루

션 확대

Industrial Ethernet

RS-485

ProfiNET

Fnet

Rnet

Enet Fenet/FDEnet

DH+

Remote

Ethernet

ControlNet

DeviceNet

EtherNet/IP

RAPIEnet

MELSECNET/ II, 10, H,B

CC-Link / LT

Ethernet CC-LINK IE

Profibus-DP/PA

MPI

3. 산업용 통신 주요 기술 유선 통신

802.11 WirelessHART ISA 100.11a WIA-PA/FA Bluetooth ZigBee

주파수(GHz) 2.4/ 5 2.4 2.4 2.4 2.4 868MHz 915MHz

2.4

표준규격 IEEE Std 802.11n IEEE Std 802.11ac

IEEE Std 802.15.4 IEC 62591

IEEE Std 802.15.4 IEC 62734

IEEE Std 802.15.4 PA: IEC/PAS 62601 FA: IEC/PAS 62948

IEEE Std 802.15.1 IEEE Std 802.15.4

Security WPA(Wi-Fi

Protected Access) AES-128

encryption AES-128

encryption AES-128

encryption

AES-128 encryption, service 따른

security level 존재

AES-128 encryption

주요 application

Mobile phone, PC input &

output device, Industrial FA

Industrial PA Industrial PA Industrial PA/FA

Mobile phone, PC input &

output device, Wireless bridge

SmartHome, Connected lighting,

Utility industry

주요 특징

-Device 확장 불가능 -통신 속도 높음 (150/ 450Mbps) -250 m까지 통신가능 -추가 security 개발필요

-HART 기반 -통신 속도 낮음 (250kbps) -표준 security 로 사용가능

-IPv6 packet 기반 -통신 속도 낮음 (250kbps) -표준 security 로 사용가능

-Physical layer 이외 PA/FA 같은 규격 -PA: 통신 속도 낮음(250kbps) -표준 security 로 사용가능

-통신 속도 높음 (24Mbps) -페어링 필요 -끊김 현상 발생

-Device 확장성 우수 (65536 EA) -여러 주파수 대역 사용 - 통신 속도 낮음(250kbps/40kbps)

3. 산업용 통신 주요 기술

☞ 무선 통신 분야는 802.11을 기반으로 한 Wi-Fi 기술과 802.15.4를 기반으로 한 다양한 기술들이 있음 ☞ IEC에서 주파수 대역은 산업 환경을 고려하여 대역폭(80MHz), 주파수(1.4GHz ~ 6GHz)를 검토하고 있음

무선 통신

☞ 초기 벤더에 의존적인 Proprietary에서 벤더 독립적인 OPC-UA 로 기술 흐름 변화 진행 중 ☞ 특히 OPC-UA는 모바일 디바이스를 포함한 Embedded 디바이스에도 구현이 가능함 ☞ OPC-UA 클라이언트와 서버 구간은 상호인증, 암호화를 통한 보안 서비스가 가능함

Evolution of Open Data Connectivity

3. 산업용 통신 주요 기술 OPC-UA

☞ 플랫폼에 독립적인 기술로 엔터프라이즈, PC, PLC 뿐만 아니라 스마트폰에도 적용 가능 ☞ 보안을 기초로 한 상호운용성 표준 기술로 모바일 디바이스와 연계를 고려한 방향성 검토 필요 ☞ Real-time이 필요한 Factory Floor 영역은 Industrial Ethernet 기술을 유지할 것으로 판단됨

Example Platform Independence & Scalability

3. 산업용 통신 주요 기술 OPC-UA

Ether

net

FEnet/FDEnet

Serial

RAPIEnet

EtherNet/IP

BACnet

전개전략

RS-232/RS485

DeviceNet

Profibus

Rnet

Fnet

CANopen

☞ H/W 플랫폼 공용화를 통하여 사업전략상 필요한 네트워크를 적은 개발 및 운용 비용으로 개발 대응 필요

현재 개별 모듈로 다수의 통신 제공

표준 SoC 로 플랫폼(H/W, O/S) 공용화

전개 전략에 따른 기존 모듈의 순차적 통합

통신 S/W(프로토콜) 추가 만 으로 타 산업용 이더넷 탑재

사업 전략에 따른 선택적 제공

전개전략

다양한 기기, 업체와의 Connectivity 를 위하여 가능한 많은 통신 수단을 제공

산업용 이더넷으로의 대체 속도가 빨라지고 있음

산업용 이더넷으로의 전환을 유도 전략적으로 필요한 Application 은 Serial 지원

4. 기업체의 대응 전략

IIoT 플랫폼

* IIoT: Industrial Internet of Thing

One Chip Solution으로 개발

- 제어와 통신 동시 제공

- 원가 민감 분야 등

사용자 플랫폼에 Add-On 되는 경우

- 다양한 I/F 제공 (CAN, Memory, SPI…)

- 특수 목적 CPU가 필요한 분야 등

Computer Level network

Controller Level network

Device Level network

Ethernet (OPC-UA, Http)

Information Communication

Distributed control

Safety control I/O control Motion control

Safety

4. 기업체의 대응 전략

☞ IIoT 플랫폼을 기반으로 다양한 네트워크 솔루션을 확보하고 제품에 따라 적합한 솔루션 제공

…

Global Standard Ethernet

Communication Architecure

4. 기업체의 대응 전략

XGK/XGI

XGK/XGI

iS5

XGR

Smart I/O

Factory Automation

XGT Panel

RAPIEnet, Modbus TCP, Ethernet/IP

Smart I/O 타사 PLC/장비

iS7 Process Automation

Smart I/O

XGB

EtherCAT

XGT Servo, motor, Encoder

XGT-InfoU

디바이스 기기

RAPIEnet, Modbus, CANopen, Profibus… .

<이중화 솔루션>

<HMI 솔루션>

<고성능 PLC 솔루션>

<Safety 솔루션>

<Motion 솔루션>

<Servo 솔루션> <리모트 솔루션>

Ethernet

EtherCAT

<Wireless 솔루션>

< Mobile 솔루션 >

<Robot 솔루션>

축조합 Robot, Robot system

<PLC 전문화 솔루션>

CNC

VISION

Robot control

IT

< Server system 솔루션 > 0

XGB

BEMS

BACnet

DDC

Building Automation

BAS SCADA

XGT-InfoU

XGB

Field Device

Smart I/O

<PLC BAS 솔루션>

<Gateway 솔루션>

Host Computer

CCS EWS

RCS

이기종Controller

OPC

Field Device

Ethernet

RTU

Ethernet

Smart I/O

iS7

HART Device

※ RCS : Remote Control System, CCS : Central Control Station, EWS : Engineering Work Station, CNC : Computerized Numeriacl Control

<Gateway 솔루션>

Ethernet

< Soft PLC >

TM Master

TM Slave

<청색 솔루션 : 완료/개발 진행 중> <적색 솔루션 : 향후 확대 계획>

<OPC-UA 솔루션>

<웹 서버 솔루션>

ERP, MES, PLM ….

☞ Factory Automation, Process Automation 에 대한 효율적인 네트워크 솔루션을 제공하며 모션/로봇, Safety, 무선

및 빌딩 제어 등에 필요한 통신 솔루션도 전략에 따라 제공을 준비하고 있음.

Global 경쟁력 강화를 위해 국내 최초로 네트워크 분야 IEC 규격 추진

IEC PAS 1종, IEC/IS 10종 획득, 2종 진행 중, KS 규격 10종 진행 완료

IEC 규격 추진 이력

’07.01

기술발표

’10.07 ’10.08 ’11.12

62439-7 NP 통과 61158 IS 등록 62439-7 IS 등록

’13.05 ’16.05

61784-3-17 IS 등록 61784-5-17 IS 등록

’12.03

61784-3-17 NP

구분 규격 제/개정 규격번호 상태 KS

Service Protocol

Fieldbus specifications – Part 1: Overview and guidance for the IEC 61158 and IEC 61784 series 제정 (2014) IEC 61158-1 IS ●

Fieldbus specifications – Part 3-21: Data-link layer service definition 제정 (2010) IEC 61158-3-21 IS ●

Fieldbus specifications – Part 4-21: Data-link layer protocol specification 제정 (2010) IEC 61158-4-21 IS ●

Fieldbus specifications – Part 5-21: Application Layer service definition 제정 (2010) IEC 61158-5-21 IS ●

Fieldbus specifications – Part 6-21: Application Layer protocol specification 제정 (2010) IEC 61158-6-21 IS ●

Profile Profiles - Part 2: Additional fieldbus profiles for real-time networks based on ISO/IEC 8802-3 개정 (2010) IEC 61784-2

(CPF17) IS ●

High availability

High availability automation networks - Part 1: General concepts and calculation methods 개정 (2012) IEC 62439-1 IS ●

High availability automation networks – Part 7: Ring-based Redundancy Protocol (RRP) 제정(2011) IEC 62439-7 IS ●

Cabling Installation of communication networks in industrial premises 개정 (2013) IEC 61918 IS ●

Profiles - Part 5-17: Installation of fieldbuses-Installation profiles for CPF 17 제정 (2013) IEC 61784-5-17 IS ●

Functional Safety

Part 3: Functional safety fieldbuses - General rules and profile definitions 진행 중 IEC 61784-3 pre-FDIS

Profiles - Part 3-17: Functional safety fieldbuses - Additional specification for CPF 17 진행 중 IEC 61784-3-17 pre-FDIS

참고1. RAPIEnet 표준화 현황

참고2. 산업용 통신 응용 상세 실시간 통신

시멘트 10s

Printing 20ms

Chemical 1s

X-by-Wire 10ms

Tilting Train 100ms

변전소 5ms

참고2. 산업용 통신 응용 상세 실시간 통신

Audio & Video

Train Control

Traffic Control

Wind turbine

Rolling stock

Power Utility

Power Utility Automation

참고2. 산업용 통신 응용 상세 실시간 통신

발전(원자력, 화력) 분야 네트워크 적용 방안 차세대 로봇 시스템 적용 방안

참고2. 산업용 통신 응용 상세 실시간 통신

- Ring 형 Topology 도입을 통한 통신 선로 이중화 및 Fault Tolerant system 구현

- IEC 62439 규격에서 표준화 진행 중이며 대한민국의 RRP 기술은 2011년 IS로 등록 完

- 미 등록된 기술은 기술적인 검증을 공식적으로 받지 않은 것임

참고2. 산업용 통신 응용 상세 고가용성 통신

We consider networks for automation systems, consisting of nodes, bridges and links.

engineering workplace

Field Bus

Firewall

Plant Network / Intranet

Field Bus

Client/server Network

3rd party application

server

application server

db server

Workplaces (clients)

Enterprise Optimization

(clients)

Mobile Operator

connectivity server

Control Network

Programmable Logic Controller

Redundant PLC

touch-screen

참고2. 산업용 통신 응용 상세 고가용성 통신

• 능동적 안전 시스템으로서의 Functional Safety

참고2. 산업용 통신 기술 상세 기능 안전 통신

• 정의

– 기능적 안전 시스템의 정보전달 과정에서 전달되

는 정보의 무결성을 보장하는 통신 시스템

• 배경

– IEC 61508의 기능적 안전 요구사항을 만족하는

통신기능 제공 (IEC 61784-3 series 로 규정)

– ISO 26262는 IEC 61508을 기반으로 차량용 안전

규격을 정리함 (별도 안전 통신규격 없음)

< 단순화한 안전 시스템의 모델 >

< 안전관련 규격간 상관관계 : IEC 61784-3 >

기능 안전 통신 참고2. 산업용 통신 기술 상세

• 기능적 안전 통신망의 구조

• 기능적 안전 통신망의 무결성 요건

– 정량적 : 시간당 통신에러 발생확률 ≤10-9

– 정성적 : 규정된 통신에러를 모두 검출

• 기능적 안전 통신망 요구사항

– IEC 61508의 개발규정 준수

– 규정된 통신 에러 해결

• Corruption

• Unintended repetition

• Incorrect sequence

• Loss

• Unacceptable delay

• Insertion

• Masquerade

• Addressing

GatewayGatewaySafety

Communication Layer

Safety Communication

Layer

Safety Communication

Layer

Safety Communication

Layer

ApplicationLayer (optional)

ApplicationLayer (optional)

Data LinkLayer

Data LinkLayer

PhysicalLayer

PhysicalLayer

FALFAL

DLLDLL

PhLPhL

Fieldbusnetwork

e. g. repeater,switches,wireless

Fieldbusnetwork

61784 Functional Safety Communications Profile

ApplicationLayer (optional)

ApplicationLayer (optional)

Data LinkLayer

Data LinkLayer

PhysicalLayer

PhysicalLayer

FALFAL

DLLDLL

PhLPhL

Other protocol

61158 communications layers

61784 Functional Safety Communications Profile

Device

Internal communication link

< safety communication model>

참고2. 산업용 통신 기술 상세 기능 안전 통신

참고3. LS산전의 IIoT 플랫폼 SoC

SoC 주요 기능

Cortex-A8 core 800MHz (-40~85℃) • L1 32KB I/D Cache, L2 256KB Cache • 64bits 400MHz AXI System Bus

Key Features • 1Gbps Ethernet (with RAPIEnet Switch) • Ethernet Processing Unit (EPU) • USB, PWM, ADC, LCDC, SD I/F • MJPEG & H.264 CODEC, Camera , CAN I/F • Image Signal Processor (ISP)

Low-End (NGP 5) • 16bits 800MHz 128MB DDR3 RAM • 16bits 8MB NOR Flash

High-End (NGP 7) • 32bits 800MHz 256MB DDR3 RAM • 16bits 16MB NOR Flash

• 산업자동화 및 자동차 통신에 적용 가능한 SoC 개발, 삼성전자 45nm 공정, 디자인 하우스 iA가 담당

• 2014년 8월 1차 샘플 입고, 2015년 5월 AEC-Q100 1st 인증

Communication Architecture

DA: Data Access

AC: Alarms and Conditions

HA: Historical Access

Prg: Programs

Information Model Basics

UA TCP with UA Binary: 성능과 사이즈 최적화

HTTP + Soap: firewall-friendly

참고4. OPC-UA 서비스 및 Architecture

☞ PC/Server Platform vs Embedded Platform ☞ Embedded Platform 고려하여 15KB RAM, 저전력 Core를 이용하여 구현 가능한 솔루션도 있음

Embedded Platform의 제약 조건 검토

Challenges

Minimum RAM: 100KB (OPC-UA Server only)

Minimum Flash: 300KB (ARM Thumb2)

Minimum CPU: 50MHz ARM Cortex-M3 (or similar)

Minimum system requirements allow:

- single OPC-UA Session, - small number of items

참고5. OPC-UA Implementation

MatrikonOPC Server Requirements

Minimum RAM: 15KB, ROM 10KB (OPC-UA Server only)

Fraunhofer Lemgo Server Requirements

OPC-UA Development Toolkit for VxWorks

OPC-UA Development Toolkit for Nucleus (3rdQ 2015 예정)

RTOS Support

prosys OPC: Android

Unified Automation: Android, iOS, Meego, QNX 등

Mobile Support