W5500 in HEPS: 4세대 방사광가속기 전원제어 시스템 적용 사례

중국의 4세대 방사광가속기 HEPS(High Energy Photon Source) 에서, 약 2,500대 규모의 Magnet Power Supply를 Ethernet으로 제어하는 시스템에 W5500이 적용된 사례를 소개합니다.

한눈에 보는 핵심 포인트

• HEPS는 중국의 4세대 방사광가속기입니다.
• HEPS에는 수천 개의 자석과 전원장치가 사용됩니다.
• 논문에 따르면 전원장치 컨트롤러는 Altera Cyclone 5 FPGA + W5500 Ethernet Interface 구조를 사용합니다.
• 상위 제어 시스템과의 통신은 Modbus TCP/IP, 운영 프레임워크는 EPICS 기반입니다.
• 이 사례는 W5500이 단순한 임베디드 개발을 넘어, 대규모 과학시설의 실제 제어 시스템에도 활용될 수 있음을 보여줍니다.

1. 논문 소개

최근 살펴본 논문 **「The magnet power supply control system for high energy photon source」**는 HEPS의 Magnet Power Supply Control System을 설명합니다.

이 논문이 흥미로운 이유는 단순합니다. HEPS는 약 2,500대의 전원장치를 원격으로 제어해야 하는 대규모 시스템인데, 그 전원장치 컨트롤러의 Ethernet Interface로 W5500이 사용되기 때문입니다.

논문에서는 HEPS 가속기 전반에 2,500개 이상의 magnet power supply가 배치되어 있으며, 이들을 안정적으로 제어하기 위한 원격 제어 시스템이 필요하다고 설명합니다. 또한 전원장치의 핵심 컨트롤러 DPSCMII는 Altera Cyclone 5 FPGA와 W5500 Ethernet hardware interface로 구성되며, 원격 제어 컴퓨터와는 Modbus TCP/IP로 통신한다고 명시합니다.

왜 주목할 만할까요?

보통 W5500은 IoT, 산업용 장비, 네트워크 연결형 임베디드 장치에서 자주 언급됩니다. 그런데 이번 사례는 한 단계 더 나아갑니다. 4세대 방사광가속기라는 초대형 과학 인프라에서, 실제 운영 중인 전원제어 시스템에 W5500이 적용되었다는 점이 중요합니다.

2. HEPS란?

HEPS(High Energy Photon Source) 는 중국의 4세대 방사광가속기입니다.

쉽게 말하면, 배터리·반도체·신소재 내부를 원자/나노 수준으로 관찰할 수 있도록 강력한 X-ray를 만들어내는 초대형 연구시설이라고 이해하면 됩니다.

우리가 병원에서 사용하는 X-ray가 인체 내부를 보는 데 쓰인다면, 방사광가속기가 만드는 X-ray는 훨씬 더 밝고 정밀해서 다음과 같은 연구에 활용될 수 있습니다.

• 배터리 내부 물질 변화 관찰
• 반도체 구조 및 결함 분석
• 신소재의 미세 구조 분석
• 생명과학·화학·물리 연구

HEPS 저장링(Storage Ring)은 둘레 약 1,360.4 m 규모이며, 48개의 improved hybrid 7BA 셀을 사용해 초저에미턴스(ultralow emittance)를 달성하도록 설계되었습니다.

특히 이 논문에서 눈에 띄는 부분은 HEPS의 거대한 자석 및 전원 규모입니다.

• 저장링에 1,776개의 magnet 사용
• 저장링에 2,272개의 고정밀 power supply 사용
• 전체 시스템 기준 약 2,500대의 power supply 운용

즉, HEPS는 단지 큰 연구장비가 아니라, 수천 개의 정밀 장치를 동시에 안정적으로 움직여야 하는 초대형 분산제어 시스템이기도 합니다.

3. HEPS 4세대 안정화에서 Magnet Power Supply의 의미

4세대 방사광가속기의 핵심은 전자빔을 매우 정밀하고 안정적으로 유지하는 것입니다.

이때 자석(Magnet)은 전자빔의 방향을 휘고, 모으고, 미세하게 교정하는 역할을 합니다. 그리고 자석의 성능은 결국 Power Supply가 얼마나 정밀한 전류를 공급하느냐에 크게 좌우됩니다.

이 관계를 아주 단순하게 표현하면 아래와 같습니다.

Power Supply 전류 변화
→ Magnet 자기장 변화
→ 전자빔 궤도 변화
→ 방사광 품질 변화

즉, 전원 공급이 흔들리면 자석의 자기장이 달라지고, 그 결과 전자빔의 궤도가 미세하게 어긋나며, 최종적으로 연구자가 사용하는 방사광 품질에도 영향을 줄 수 있습니다.

그래서 논문에서도 높은 정밀도, 높은 안정성, 높은 신뢰성, 빠른 응답 특성이 중요하다고 설명합니다. 특히 저장링용 DC Power Supply는 장시간 안정도, ripple, 절대 정확도 측면에서 매우 엄격한 요구사항을 만족해야 합니다.

이처럼 수천 대의 장치를 운영하는 환경에서는, 단순히 전원을 공급하는 것을 넘어 아래와 같은 기능이 필요합니다.

• 개별 전원장치 실시간 제어 및 모니터링
• 다수 전원장치의 중앙 집중 제어
• 원클릭 전원 ON/OFF 및 표준화 동작
• Fault 모니터링 및 Alarm 처리
• 이력 관리 및 안정성 모니터링

결국 수천 대 Power Supply의 정밀하고 안정적인 네트워크 제어가 HEPS 전체 안정화의 중요한 기반이 됩니다.

4. 여기서 W5500은?

논문에 따르면 전원장치의 디지털 컨트롤러인 DPSCMII는 다음과 같은 구조를 가집니다.

Power Supply Controller
        ↓
Altera Cyclone 5 FPGA
        +
W5500 Ethernet Interface
        ↓
Modbus TCP/IP
        ↓
EPICS Control System
        ↓
실제 HEPS 운영 환경에서 사용

조금 더 풀어서 설명하면 다음과 같습니다.

4-1. 장치 측 제어

• FPGA(Altera Cyclone 5) 는 전원장치 내부의 제어 로직과 제어 기능을 담당합니다.
• W5500은 Ethernet 통신 인터페이스를 담당합니다.

4-2. 네트워크 통신

• 전원장치는 표준 Ethernet Interface를 사용합니다.
• 상위 시스템과는 Modbus TCP/IP 프로토콜로 데이터를 주고받습니다.

4-3. 상위 제어 시스템

• HEPS 제어 시스템은 EPICS 기반으로 구성됩니다.
• 가상화 환경인 PVE(Proxmox Virtual Environment) 와 LXC를 활용해 IOCs를 운영합니다.
• 이를 통해 대규모 장치 운영, 확장성, 장애 대응, 유지보수 효율을 높였습니다.

즉 W5500은 단순히 “Ethernet 포트가 있다” 수준이 아니라, 실제 HEPS Magnet Power Supply Control System의 장치 측 Ethernet 통신 핵심 구성요소로 사용된 것입니다.

정리

이번 논문은 W5500이 대규모 과학시설의 실운영 제어 시스템에서도 충분히 의미 있는 역할을 할 수 있음을 보여주는 좋은 사례입니다.

• HEPS는 중국의 4세대 방사광가속기입니다.
• 약 2,500대의 Magnet Power Supply를 Ethernet으로 제어합니다.
• 해당 전원장치 컨트롤러에는 Altera Cyclone 5 FPGA + W5500 조합이 사용됩니다.
• 통신은 Modbus TCP/IP, 상위 제어는 EPICS 기반으로 구성됩니다.

WIZnet Maker 관점에서 보면, 이번 사례는 W5500이 단순한 실습용 네트워크 칩을 넘어 고신뢰성·대규모 제어 환경에서도 활용될 수 있음을 보여줍니다.

앞으로 한국의 차세대 대형 연구시설과 산업용 제어장비에서도 WIZnet의 Ethernet 기술이 더 많이 적용되기를 기대해 봅니다.

참고 논문

• Yanhua Lu, Qiang Ye, Fengli Long, et al.
• The magnet power supply control system for high energy photon source
• Radiation Detection Technology and Methods (2026) 10:102–107
• DOI: https://doi.org/10.1007/s41605-025-00567-z

FAQ

Q1. HEPS는 어떤 시설인가요?
HEPS(High Energy Photon Source)는 중국의 4세대 방사광가속기입니다. 저장링(Storage Ring)은 약 1,360.4 m 규모이며, 초저에미턴스 전자빔을 이용해 고성능 방사광을 생성하도록 설계되었습니다. 저장링에는 1,776개의 자석과 2,272개의 고정밀 Power Supply가 사용됩니다.

Q2. HEPS에서 W5500은 어떤 역할을 하나요?
W5500은 Magnet Power Supply Controller의 Ethernet hardware interface 역할을 합니다. 논문에 따르면 Power Supply Controller는 Altera Cyclone 5 FPGA와 W5500으로 구성되며, FPGA가 제어 로직을 담당하고 W5500이 네트워크 통신을 담당합니다.

Q3. W5500은 어떤 프로토콜로 상위 제어 시스템과 통신하나요?
Power Supply와 원격 제어 시스템은 표준 Ethernet을 통해 Modbus TCP/IP 프로토콜로 데이터를 주고받습니다. 즉, W5500은 장치 측 Ethernet 연결을 제공하고, 그 위에서 Modbus TCP/IP 통신이 이루어집니다.

Q4. 왜 Magnet Power Supply의 안정적인 제어가 중요한가요?
HEPS는 매우 정밀한 전자빔을 유지해야 하므로 Power Supply의 전류 안정성이 중요합니다. 전류가 변하면 자석의 자기장이 변하고, 이는 전자빔 궤도와 방사광 품질에 영향을 줄 수 있습니다. 논문에서는 높은 정밀도, 안정성, 신뢰성, 빠른 응답을 주요 요구사항으로 제시합니다.

Q5. HEPS의 Power Supply Control System은 실제로 운영되고 있나요?
네. 논문에 따르면 LINAC Power Supply Control System은 2022년, Booster는 2023년, Storage Ring은 2024년부터 운영되기 시작했습니다. 특히 Storage Ring Power Supply Control System은 2024년 7월부터 운영되었으며, 논문 작성 시점까지 안정적으로 동작했다고 보고합니다.