차세대 산업용 네트워크, 단 하나의 키워드 ‘TSN’

...OPC-UA와 상호작용 IIoT 플랫폼 완성 향해 간다

‘구슬이 서 말이라도 꿰어야 보배다.’ 최첨단 장비, AI 기술, 수십·수백개의 센서 등을 아무리 도입해도 ‘연결’이 되지 않는다면 스마트팩토리는 공염불에 가깝다. 스마트팩토리는 바로 ‘연결’에서 비로소 시작된다. 인더스트리4.0, 4차 산업혁명 속 화려한 기술들의 등장속에 상대적으로 산업용 네트워크에 대한 관심은 적어 보인다. 실제 FA저널 SMART FACTORY가 지난 한달간 진행한 시장조사 결과, 대부분의 수요기업 담당자들은 자사가 도입하고 있는 산업용 네트워크의 선택, 도입 이유에 대해 잘 알지 못했다.

60% 가까운 담당자들이 “공급기업의 추천”에 따라 선택했다고 답했다. 스마트팩토리는 통상 단계별로 구축되고 고도화 수순을 밟아 나간다. 이에 가장 먼저 구축되는 산업용 네트워크는 매우 중요하다. 공장에서 사용되는 프로토콜을 결정하고 이를 설치하는 데는 많은 비용이 소요되고, 잘 못 선택한다면 되돌리기가 매우 힘들다. 계속 늘어날 데이터를 처리할 수 있게 미래지향적인 설계가 무척 중요하다.

현재 많이 사용되고 있는 산업용 네트워크 프로토콜은 PROFINET, EtherNet/IP, CC-Link IE), EtherCAT, POWERLINK, RAPIEnet 등을 들 수 있다. 전세계적으로는 EtherNet/IP와 PROFINET이 선두그룹에 있고, 국내 및 아시아에서는 CC-Link IE이 강세를 보이고, EtherCAT 도입이 늘고 있다.

수요기업들의 산업용 네트워크 관련 지식 및 전문성 부족은 산업용 네트워크 생태계와 무관하지 않다. 그간 산업용 네트워크 시장에서 국내 기업들은 선택권이 존재하지 않았다고 봐도 된다. 해외 메이저 자동화 기업들은 자사의 제품을 기반으로 고유한 산업용 네트워크 프로토콜 기술을 적용해 의존도를 높여 왔다. 하나의 영업전략이었던 셈이다.

유럽과 북미에서 지멘스와 로크웰오토메이션을 필두로한 PROFINET과 EtherNet/IP, 아시아시장에서 미쓰비시전기의 CC-Link IE가 강세를 보이고 있는 이유다. 즉 지멘스의 장비를 사용하는 현장에서는 PROFINET을, 로크웰오토메이션의 기기를 사용하는 곳에서는 Ethernet/IP, 미쓰비시 제품을 사용하는 경우 CC-LINK IE를 사용하는 것이 그렇다.

개별 기업이 관장하는 각각의 통신 프로토콜

산업용 이더넷 시대가 열렸지만 여전히 외부와 격리돼 폐쇄망으로 구성돼 운영되는 산업용 필드버스와 시리얼 통신도 여전히 많이 사용되고 있으며, 산업 인프라의 중요한 부분을 차지하고 있다. 하지만 ‘시간 결정성’ 문제를 해결한 산업용 이더넷이 산업용 네트워크 시장의 변화와 성장을 주도하고 있는 만큼, 도입은 결국 시간차의 문제다. 속도, 연결성, 호환성, 확장성에서 여러 이점을 가지고 있기 때문이다.

자동화 분야 글로벌 기업들은 저마다의 산업용 네트워크 기술을 개발했고, 표준화 작업을 거쳐, 현재 여러 표준이 공존하고 있다. 먼저 ‘EtherNet/IP’는 로크웰오토메이션을 주축으로 개발돼 미국에서 주도적인 산업 프로토콜 가운데 하나로 위치하고 있다.

300개 이상의 회원사가 있는, 글로벌 무역 및 표준 개발 기구인 ODVA사에 의해 관리되고 있다. EtherNet/IP는 가장 널리 채용되는 이더넷 표준들인 인터넷 프로토콜, IEEE 802.3 이 2가지를 사용하고 있으며, 표준 이더넷 및 스위치를 활용해 연결할 수 있는 노드 수에 제한이 없다.

‘PROFINET’은 지멘스가 주도하고 있다. 건물자동화·공정자동화·PLC기반 응용사례 등 용도 적합성에 따라 3종류의 클래스를 가지고 있으며, 자동화 분야에서는 PROFINET Real-Time이라고도 불리는 클래스 B가 주로 사용된다. 소프트웨어 기반의 실시간 접근을 가능하게 한다.

‘POWERLINK’는 B&R이 개발한 이더넷 프로토콜로 EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)에서 관리하는 개방형 프로토콜이다. IEEE 802.3을 기반으로 네트워크 토폴로지 선택과 교차 연결 등이 자유롭다. 소유권이 없는 개방형 기술이라는 게 큰 장점이다. 아울러 변형없는 유일한 표준이더넷 기술 기반이다.

CC-Link에 산업용 이더넷 기술을 도입한 프로토콜로 ‘CC-Link IE’가 있다. 2007년 업계 최초로 1Gbps 이더넷을 베이스로 한 산업용 오픈 네트워크로 등장했다. ‘CC-Link IE Control’로 공장 내의 기간 네트워크로서 컨트롤러간을 연결하고 ‘CC-Link IE Field’로 컨트롤러와 현장의 다양한 기기를 잇는 일반 입출력 제어를 커버한다. 더 나아가 ‘CC-Link IE Field Motion’의 모션제어, ‘CC-Link IE Safety’의 안전제어로 그 기능·적용 범위를 확장해왔다. 또한 2016년에는 소규모 장치용 필드 네트워크로서 ‘CC-Link IE Field Basic’을 라인업에 추가해 아시아를 중심으로 그 적용을 확대하고 있다.

국내 기술로는 유일하게 2017년 유선 통신분야 국제 표준을 모두 완료한 통신기술인 ‘RAPIEnet’이 있다. LS일렉트릭이 개발했으며, 최근 광주글로벌모터스 공정라인에 도입해 성능을 검증받았다. 2010년 8월 IEC 61158/61784 Series에 5종이 국제 규격으로 등록됐고, RAPIEnet의 Ring 제어 기술은 독창성을 인정받아 고가용성 자동화 통신 기술 분야(IEC 62439-7 Ring-based Reduꠓndancy Protocol(RRP)) 표준 규격으로 추가 등록됐다.

RAPIEnet의 Functional Safety Network 관련 기술은 TUV SUD의 SIL3 인증을 받은 후(IEC 61784-3-17) 표준 규격으로 추가 등록했다. RAPIEnet 기술은 실시간성 부족, 배선 문제, 이중화 지원 기능 부족 등의 문제를 근본적으로 개선하기 위해 산업용 스위치 기능 내장했다. 또한 디바이스 또는 통신 선로에 이상 발생 시 고가용성 링 네트워크 토폴로지 지원을 통해 높은 신뢰성을 제공한다. LS일렉트릭은 ESG 차원에서 솔루션을 준비, RAPIEnet 협회(가칭)에 모든 권한을 Open해 생태계 조성에 기여할 예정이라고 밝힌 바 있다.

‘EtherCAT’은 Beckhoff에 의해 2003년 소개됐으며, 개방형의 산업용 이더넷 필드버스 기술로 2007년 국제 표준을 완료했다. 특히 모션 제어용 기계 애플리케이션에서 많은 사용자층을 확보하고 있다. IEEE 802.3 이더넷 프레임 표준을 활용해, 각 슬레이브 노드는 각자 가지고 있는 데이터그램을 처리하고 슬레이브가 운반하는 프레임에 새 데이터를 삽입한다. 하드웨어가 이러한 공정을 관장하며, 이를 통해 각 노드가 처리에 따른 지연시간을 최소화하고 응답시간을 극대화한다. 이외에도 ‘MECHATROLINK’, ‘Sercꠓos Ⅲ’, ‘Modbus/TCP’ 등이 존재하고 있다.

차세대 산업용 네트워크, TSN으로 대동단결

하지만 통신기술의 발달로 더 많은 양의 데이터에 대한 수요가 점점 증가하면서 기존의 고속 이더넷 기반 산업용 네트워크의 결정론적 성능과 더 높은 데이터 전송속도를 모두 제공할 수 있는 솔루션이 필요하게 됐다. 이에 모든 산업용 네트워크 프로토콜은 새로운 레이어 2 기반 TSN(Time Sensitive Netwꠓorking, 시간 민감형 네트워크) 표준으로 나아가고 있다. TSN은 기존 표준 이더넷에 지연시간을 예측할 수 있는 기능을 도입해, 대규모 통합 산업용 네트워크에서 중요한 데이터를 정확한 시점에 적재적소에 전달할 수 있도록 지원한다. 즉 모든 속도를 지원하는 것이다.

TSN을 사용하면 처음부터 새로 개발해야 하는 수고를 줄일 수 있다. 이미 기업들은 TSN으로 표준 이더넷 규격을 확장하고 있으며, 장비생산 기업들은 관련 제품 출시를 앞두고 있다. 내년부터는 본격적으로 경쟁에 돌입할 것으로 보인다.

TSN과 OPC-UA의 상호작용

아울러 TSN으로 구축된 필드레벨에서 클라우드까지 전송하기 위한 표준으로는 OPCꠓUA(Open Platform Communication Unifꠓied Architecture)가 부상하고 있다. 필드레벨부터 클라우드 레벨까지 데이터를 주고 받아 상호운용성을 확보할 수 있다. OPC-UA를 사용하면 서로 다른 통신 표준을 채택하고 있는 장치간 또는 상위 시스템과의 연결성을 확보할 수 있다. TSN과 OPC-UA의 상호작용이면 필드레벨의 OT와 클라우드 레벨인 IT의 결합으로 제조기업이 그야말로 ‘맞춤생산방식’으로 나아갈 수 있다. 고객의 개별적인 요구를 받아 실시간 의사결정은 물론, 생산, 배송을 지시할 수 있는 유연생산 환경 구성을 할 수 있을 것으로 보인다.

5G 등 무선 네트워크 스마트공장, 아직은 시기상조

국내에서 SKT, KT, LG유플러스 등 통신사를 중심으로 5G 무선통신을 활용한 스마트공장 데모공장이 건설되는 등 활기를 띄고 있다. 실제 5G 등 무선통신이 발달되면 유선 네트워크 구성에 따른 인프라와 관련된 비용 감소는 물론, 자율주행 및 AGV와 같은 모바일 장치를 지원해 스마트팩토리의 수준을 한 단계 끌어올릴 수 있다. 실제 LG전자는 지난 9월 16일 경남 창원시에 있는 LG스마트파크에 5G 무선통신을 활용해 ‘지능형 자율 공장’을 구축했다고 밝혔다.

특히 LG유플러스의 ‘5G 전용망 기반 AGV(Automated Guided Vehicles)’은 공장 내에서도 끊김 없는 안정적인 통신 연결을 통해 가전 생산에 필요한 자재를 자동으로 운반한다. LG전자는 이러한 첨단 설비와 최신 기술이 적용된 통합생산동이 최종 완공되면 최대 200만대 수준이던 기존 창원1사업장의 연간 생산능력은 300만대 이상으로 대폭 늘어날 것으로 기대하고 있다.

다만 이런 무선통신이 주는 장점에도 불구하고 자동화 분야 업계 관계자들은 아직은 시기상조라고 입을 모았다. 한 업계 관계자는 “아직 산업현장에서 무선 인터페이스를 가진 디바이스는 없다고 봐도 된다”면서, “5G 통신 칩 비용 등 여전히 투자비용 대비 공급화되기는 힘든 게 사실”이라고 밝혔다. 이 관계자는 또 “5G 등 무선통신은 직진성은 좋지만 지형, 물건 등에 대한 간섭에 취약하다”면서, “아직 풀어야 할 난제가 많다”고 일축했다.

산업용 네트워크 선택, 가장 중요한 것은 ‘확장성’ ‘호환성’

통신 기술의 산업용 네트워크가 진화하고 있다. 스마트팩토리를 위한 ‘연결’의 시작인 산업용 네트워크 첫 단추인 만큼 중요하다 업계 관계자들은 ‘확장성’을 잘 살펴봐야 한다고 강조했다. 단계별 확장에 따른 로드맵을 잘 짜서 선택해야 한다는 것이다. 수요기업들은 먼저 자사 공장 내부에서 쓰는 네트워크를 파악해야 하는 게 첫 번째 숙제다. 예를 들어 내 공장에서 로우데이터의 수집을 위해 어떤 계통이 설치돼 있고, 외부로 시그널은 어떻게 줄 수 있는지 파악이 돼야 한다. 만약 잘못 선정이 된다면, 투자된 비용은 회수 못하고, 계속 비용이 재투자되는 악순환에 빠질 수 있다.

아울러 새로운 기기나 시스템을 도입할 경우에는 △새로운 시스템과 기존 시스템과의 연결은 간편한지, △기존 시스템의 테이터를 새로운 시스템에서도 활용 가능한지, △사용 방법이나 유지보수 방법이 기존 시스템과 큰 차이가 없는지 등 먼저 투자된 시스템을 기반으로 몇 가지 기능이 추가된 시스템을 선택해야 한다고 조언했다. 새로운 시스템이 IoT용 프로토콜을 지원해 클라우드로 직접 연결이 가능하고, 생산량, 가동시간, 대기시간, 가동율, 제어기의 온도, 진동 등 다양한 데이터를 생성하고 공급할 수 있어도 현장에 이를 연결하기 위한 인프라가 없다면 이 기능들은 무용지물이기 때문이다.

최종윤 기자 editor@infothe.com

 

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