테스트 환경 구축

 

일반적인 EtherNet/IP 기반 모션 제어 드라이버 사용 사례를 재현하기 위한 테스트 환경의 고수준 아키텍처가 그림 1에 나타나 있다. EtherNet/IP와 프라이빗 5G 네트워크의 통합을 평가하기 위한 테스트 환경에는 EtherNet/IP 슬레이브 스택을 포함한 STM32 평가 보드와 연결된 I/O 장치가 포함되었다. 이 실험의 목표는 I/O 장치를 EtherNet/IP 마스터를 갖춘 PC 기반 호스트 시스템과 연결하는 것이었다.

 

 

 

이 두 시스템 간의 물리적 계층은 5G 모뎀을 통합하여 구현되었다. 이 시스템에서는 SPI(직렬 주변기기 인터페이스) 통신이 사용되었다. 해당 설정을 반영하는 OSI 아키텍처는 아래에 제시되었으며, 애플리케이션 및 세션 제어는 STM32 보드가 담당하고, 전송 계층에서는 SPI를 통한 UDP 프로토콜이 활용되었으며, 네트워크 및 물리 계층에서는 5G 모뎀이 사용되었다. 이 설정이 이더넷 표준을 준수하는지 확인하기 위해 OSI 계층과의 매핑이 그림 2에 나타나 있다.

 

 

두 하드웨어 간의 SPI 통신 설정은 다음과 같다.

 

· 클럭 속도 : 1MHz

· 모드 : 풀 듀플렉스(Full Duplex)

 

미래의 연결된 공장

 

EtherNet/IP 마스터와 I/O 스캐너는 프라이빗 5G 네트워크와 함께 모션 제어(Motion Control), 로봇공학(Robotics), AGV(무인 운반차)와 같은 산업용 통신 사례의 기반을 형성한다(그림 3과 4). 이는 연결된 공장(shopfloor) 또는 대규모 공장을 위한 5G 기반 프로토콜 네트워크의 근간이 된다.

 

 

 

아래 섹션에서는 EtherNet/IP와 5G 네트워크를 통합하기 위한 제안된 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처를 설명한다. 이 설계는 MVP(최소 기능 제품) 개발을 시작하려는 이들에게 디자인 참고 자료를 제공하며, 추가적인 평가 및 PoC(개념 증명)/파일럿 설정을 위한 기준 플랫폼이 된다.

 

1. 제안된 하드웨어 아키텍처

그림 5에는 EtherNet/IP와 5G 네트워크 계층을 구현하기 위한 통합된 아키텍처가 나타나 있다. 이 경우, SoC-1과 SoC-2라는 두 개의 하드웨어 구성 요소가 사용되었다. EtherNet/IP 관련 구현은 SoC-1에서 이루어졌다. EtherNet/IP의 특정 CIP(Common Industrial Protocol) 계층 구현에는 디바이스 프로파일과 명시적/암시적 통신이 포함된다. SoC-2에서의 5G 구현은 UDP 및 MTP(Message Transfer Protocol)를 통해 이루어졌다. 이는 전송 계층부터 물리 계층까지의 완전한 구현을 포함한다.

 

 

SoC-1 및 SoC-2에 대한 하드웨어 아키텍처는 그림 6의 하드웨어 회로도에 따라 구현되었다. 이 제안된 하드웨어 설계는 EtherNet/IP와 5G 네트워크 통합에 대한 타당성 조사를 수행하려는 연구자들에게 유용한 참조 자료가 된다.

 

 

2. 제안된 소프트웨어 및 펌웨어 아키텍처(그림 7)

위의 아키텍처는 5G 기반 EtherNet/IP 장치의 고수준 소프트웨어/펌웨어 아키텍처를 설명하며, DC 모터 속도 제어 및 일부 I/O 기능을 처리할 수 있다.

 

· EtherNet/IP가 5G에서 작동할 수 있도록 캡슐화(encapsulation) 수행.

· 두 개의 SoC 간 메시지 처리 방식 설명.

· 두 개의 SoC 하드웨어는 SPI 버스를 통해 최대 10Mbps의 연결 속도를 유지.

· SoC를 구성하기 위해 직렬(UART) 인터페이스를 통한 USB-CDC(통신 장치 클래스) 연결을 사용.

 

 

결론

 

5G 네트워크와 EtherNet/IP의 융합은 산업 자동화 분야에서 중요한 발전을 의미하며, TSN(Time-Sensitive Networking)의 가능성으로 더욱 강화될 수 있다. 이러한 결합은 초고속, 결정론적, 고대역폭의 통신 플랫폼을 제공하여 현대 산업 생태계의 다양한 요구를 충족시킨다.

 

Rockwell Automation, Ericsson, Qualcomm, Verizon과 같은 업계 리더들의 협력적 통찰을 바탕으로, 이 통합은 실시간 데이터 통신의 전체 스펙트럼을 활용하려는 조직들에게 기초적인 방향성을 제공한다.

 

이 글에서 제안한 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처는 MVP 개발을 용이하게 할 뿐만 아니라, 산업을 새로운 디지털 혁명의 최전선에 배치하는 데 중요한 역할을 한다.