PROFINET IO 모델 — Controller·Device·Supervisor 역할 추적

#한 줄 요약

“PROFINET IO는 AR과 CR이라는 두 단어로 거의 모든 것이 설명됩니다.” — Controller·Device·Supervisor 세 역할이 *AR(Application Relation)*로 연결되고, 그 안의 *CR(Communication Relation)*이 cyclic·acyclic·alarm을 나누어 나릅니다.

PROFINET을 처음 보면 약어가 너무 많습니다. AR, CR, IOCR, IODData, IODWrite, DCP, GSDML. 이 장은 그 약어들을 Controller가 Device를 발견하고 → 이름을 주고 → 연결을 맺고 → 매 사이클 IO를 주고받는 한 줄 흐름에 끼워 맞춰 정리합니다.

이전 장에서 다룬 RT·IRT는 링크 계층의 시간 보장 이야기였습니다. 이 장은 그 위에 올라가는 애플리케이션 계층입니다. Siemens S7-1500을 IO Controller로, ET 200SP를 IO Device로 두는 가장 흔한 구성을 기준으로 풀어 갑니다.

#세 역할 — Controller, Device, Supervisor

PROFINET IO에는 세 가지 device class가 있습니다.

Controller가 마스터이고 Device가 슬레이브에 해당합니다. Supervisor는 연결을 끊었다 붙였다만 하는 비상주 참여자입니다.

한 네트워크에 Controller가 여러 대 있어도 됩니다. Shared device라는 모드로 같은 Device를 두 Controller가 일부 슬롯씩 나눠 쓰는 것도 가능합니다. 다만 같은 슬롯은 한 Controller만 소유합니다.

#DCP — 이름과 IP를 정하는 첫 단계

새 Device를 네트워크에 꽂으면 MAC 주소만 가지고 있습니다. IP도 이름도 없습니다. *DCP(Discovery and Configuration Protocol)*가 그걸 채워 줍니다.

DCP는 IP 위가 아니라 Ethernet 위에서 동작합니다. EtherType 0x8892(PROFINET RT)에 frame type 0xFEFE를 쓰는 multicast 프레임입니다. IP가 없는 Device에도 닿을 수 있도록 링크 계층에서 모든 일을 합니다.

흐름은 단순합니다.

이 절차가 끝나면 Device는 io-device-01이라는 이름과 IP를 flash에 영구 저장합니다. 다음 부팅부터는 같은 이름·IP로 올라옵니다.

Wireshark로 보면 다음과 같습니다.

1
PROFINET-DCP, Identify All
2
  ServiceID: Identify (5)
3
  ServiceType: Request (0)
4
  DCP/Filter Block: Name of Station = ""
5
PROFINET-DCP, Identify Response
6
  ServiceID: Identify (5)
7
  ServiceType: Response (1)
8
  Name of Station: ""
9
  Device Properties: ET 200SP, IM 155-6 PN HF
10
  Device Role: IO-Device

이름이 빈 문자열인 Device는 공장 출하 상태거나 reset된 상태입니다. 이름이 한번 박히면 그 이름으로 Controller가 찾아옵니다. 이름이 같은 Device가 같은 망에 두 개 있으면 둘 다 fault가 됩니다.

#AR과 CR — 연결의 두 계층

이름과 IP가 정해진 Device를 Controller가 연결합니다. 이 연결이 *AR(Application Relation)*입니다.

AR은 Controller와 Device 사이의 논리적 1

연결 수립은 AR Establish라는 RPC 호출로 시작합니다. Controller가 Device의 UDP 49152 포트로 DCE-RPC를 보냅니다.

이 절차가 모두 성공해야 Device의 LED가 녹색이 됩니다. 어디서 멈추는지가 트러블슈팅의 절반입니다.

#IOCR — cyclic IO 프레임

IOCR이 실제 공정 데이터를 주고받습니다. Controller가 Device로 보내는 output frame과 Device가 Controller로 보내는 input frame 두 방향이 있습니다.

프레임은 EtherType 0x8892, FrameID 0xC000~0xFAFF(RT class 1) 범위를 씁니다. 사이클 주기는 send clock × reduction ratio로 계산합니다.

1
send clock     = 31.25 µs (PROFINET 기본 단위)
2
reduction ratio = 32
3
cycle time      = 31.25 µs × 32 = 1 ms

ET 200SP 기본 사이클은 1ms입니다. IRT를 켜면 250µs까지 내려갑니다. 더 빠른 사이클이 필요한 모션은 PROFIdrive over IRT로 250µs·125µs까지 갑니다.

한 IOCR의 페이로드 구조는 다음과 같습니다.

1
| FrameID | IOData (slot1) | IOData (slot2) | ... | APDU Status |
2
   2B         N bytes          N bytes              4B
3

4
APDU Status:
5
  CycleCounter (2B)  ← 매 사이클 증가
6
  DataStatus   (1B)  ← Valid / Provider state / Problem indicator
7
  TransferStatus (1B)

CycleCounter가 연속인지를 Device가 검증합니다. 두 사이클이 연속으로 빠지면 connection lost로 간주하고 Device가 safe state로 갑니다.

#RecordData — acyclic read·write

parameter 변경, diagnostic 읽기, identification은 cyclic 채널을 쓰지 않습니다. RecordDataCR이 별도 RPC로 처리합니다.

대표적 호출은 두 가지입니다.

1
IODWrite (write parameter)
2
  AR UUID, API, Slot, Subslot, Index
3
  + record data
4
  → Device가 parameter를 적용 후 ACK
5

6
IODRead (read diagnostic / I&M)
7
  AR UUID, API, Slot, Subslot, Index
8
  ← record data

Index가 무엇을 읽고 쓸지를 결정합니다. PROFINET이 표준 index를 정의합니다.

I&M 0를 읽으면 어떤 Device가 무엇인지가 한 번에 나옵니다. 공장 자산 관리 시스템이 매일 도는 작업이 IODRead 0xAFF0 sweep입니다.

#Alarm — 비주기 이벤트

AlarmCR은 Device가 비동기로 Controller에 사건을 알리는 채널입니다. 두 우선순위가 있습니다.

alarm은 재전송 로직이 따로 있습니다. Device가 보내면 Controller가 ACK를 보내야 합니다. ACK가 없으면 일정 시간 후 retry합니다.

전형적 alarm은 다음 같은 것입니다.

• Diagnosis appears — 채널 X에서 wire break 감지
• Diagnosis disappears — wire break 해소
• Pull/Plug — 모듈이 뽑히거나 새로 꽂힘
• Return of submodule — submodule이 다시 준비됨

TIA Portal에서 Device를 클릭하면 보이는 진단 버퍼가 사실상 이 alarm의 누적입니다.

#MRP — 매체 redundancy

PROFINET은 링 토폴로지에서 *MRP(Media Redundancy Protocol)*로 redundancy를 제공합니다. IEC 62439-2 표준입니다.

1
   [MRM]
2
   /   \
3
  /     \
4
[MRC]   [MRC]
5
  \     /
6
   \   /
7
   [MRC]

링 안의 한 노드가 *MRM(Media Redundancy Manager)*입니다. 보통 Controller나 backbone 스위치가 맡습니다. 나머지는 *MRC(Client)*입니다.

평상시 MRM은 링의 두 포트 중 한쪽을 blocking합니다. 그러면 토폴로지가 논리적 daisy-chain이 됩니다. 어디선가 링이 끊어지면 MRM이 blocking을 풀어 새 경로로 트래픽을 흘립니다.

복구 시간은 200ms가 표준입니다. PROFINET은 3사이클 missed가 곧 fault이므로 cycle ≥ 70ms인 시스템에서만 MRP 단독으로 충분합니다. 더 빠른 사이클(예: 1ms)을 쓰는 시스템은 *MRPD(MRP Domain)*나 다중 링을 결합해야 합니다.

#Stack vendor — 누가 만든 코드인가

IO Device 펌웨어를 처음부터 짜는 일은 거의 없습니다. PROFINET stack vendor에서 라이센스해서 통합하는 게 표준입니다.

ET 200SP 같은 Siemens 제품 내부는 Siemens 자체 ASIC + stack입니다. 외부 ecosystem은 위 벤더들이 거의 다 메웁니다.

#GSDML — Device를 PLC에 등록하기

Controller가 어떤 Device를 어떻게 다룰지 알려면 GSDML(General Station Description Markup Language) 파일이 필요합니다. XML로 작성된 Device의 capability 명세입니다.

1
<DeviceProfile xmlns="http://www.profibus.com/GSDML/2003/11/DeviceProfile">
2
  <DeviceIdentity VendorID="0x002A" DeviceID="0x0301">
3
    <InfoText TextId="IDT_DEVICE_NAME"/>
4
    <VendorName Value="Siemens AG"/>
5
  </DeviceIdentity>
6
  <DeviceFunction>
7
    <Family MainFamily="I/O" ProductFamily="ET 200SP"/>
8
  </DeviceFunction>
9
  <ApplicationProcess>
10
    <DeviceAccessPointList>
11
      <DeviceAccessPointItem ID="DAP_1"
12
                             PhysicalSlots="0..64"
13
                             ModuleIdentNumber="0x00000060"
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                             MinDeviceInterval="32">
15
        <!-- MinDeviceInterval × 31.25µs = 1 ms minimum cycle -->
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      </DeviceAccessPointItem>
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    </DeviceAccessPointList>
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  </ApplicationProcess>
19
</DeviceProfile>

MinDeviceInterval이 1ms 이하를 허용하면 send clock × reduction 식으로 더 빠른 사이클을 설정할 수 있습니다. TIA Portal이 이 GSDML을 읽어 들여 가능한 사이클 후보를 메뉴에 띄웁니다.

GSDML 파일은 vendor 웹사이트에서 받습니다. Siemens는 SIOS 포털, Phoenix Contact는 Product list에 항상 첨부합니다.

#자주 하는 실수

#”Device가 Identify 응답을 안 한다”

VLAN tag 문제가 가장 많습니다. PROFINET RT는 *priority tag(VLAN ID 0)*를 쓰지만, 일부 스위치는 priority tag를 untagged로 보지 않습니다. 스위치가 PROFINET-aware인지 확인하고, 아니면 managed switch에서 VLAN 0를 명시적으로 허용합니다.

#”이름은 박았는데 연결이 안 잡힌다”

GSDML 버전과 Device 펌웨어 버전이 어긋난 경우입니다. TIA에서 새 GSDML을 받아 기존 GSDML을 제거하고 다시 import합니다. 두 GSDML이 같은 vendor·device ID로 있으면 어떤 게 쓰일지 모릅니다.

#”1ms 사이클 설정이 메뉴에 안 보인다”

Conformance Class가 CC-C(IRT)인지 확인합니다. CC-A·CC-B는 RT만 지원하고 최소 사이클이 보통 4~8ms입니다. CC-C로 올려야 IRT 슬롯을 잡고 1ms·500µs·250µs가 메뉴에 나옵니다.

#”Shared Device가 일부 슬롯에서 fault”

같은 슬롯을 두 Controller가 owner로 잡은 경우입니다. PROFINET은 한 슬롯 = 한 owner만 허용합니다. TIA의 Device view에서 슬롯별 owner 색상이 다른지 확인합니다.

#”MRP를 켰는데 끊김 시 복구가 200ms보다 훨씬 오래”

링 위의 모든 노드가 MRC를 지원해야 합니다. 한 대라도 MRP-aware가 아니면 그 노드를 통과한 학습된 MAC 테이블이 flush되지 않아 복구가 길어집니다. 비-MRP 스위치를 MRC로 교체하거나, 그 구간을 링 밖으로 빼냅니다.

#정리

• PROFINET IO의 세 역할은 Controller·Device·Supervisor입니다. PLC·원격 IO·엔지니어링 PC에 각각 대응합니다.
• DCP는 IP 없는 Device에 이름과 IP를 박는 링크 계층 프로토콜입니다.
• AR은 Controller·Device 사이의 논리적 채널이고, 그 안에 IOCR·RecordDataCR·AlarmCR이 들어갑니다.
• IOCR은 cyclic IO를 31.25µs × reduction으로 전송합니다. 1ms가 ET 200SP의 기본입니다.
• IODWrite·IODRead는 acyclic parameter·diagnostic 접근입니다. I&M 0는 자산관리의 표준 진입점입니다.
• Alarm은 비주기 이벤트입니다. high/low priority로 나뉘고 ACK 기반 retry가 있습니다.
• MRP는 링 토폴로지에 200ms redundancy를 추가합니다. 빠른 사이클에는 MRPD가 필요합니다.
• GSDML은 Device의 XML 명세이고, Stack vendor는 Renesas·HMS·TI·Hilscher가 주축입니다.

다음 편은 Ch 8: TSN — 시간 민감 네트워킹의 표준화된 toolkit입니다.

#관련 항목

• Ch 6: PROFINET 개요 — RT·IRT 클래스
• Ch 8: TSN — Time-Sensitive Networking
• Ch 5: EtherCAT Master 구현
• 원문 — IEC 61158-6-10 (PROFINET application layer)