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[기술 리포트] 인더스트리 4.0으로의 전환을 가속화하는 산업용 이더넷

입력 : 2020.05.26 14:20

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[헬로티]


▷▶피오나 트레이시(Fiona Treacy) 아나로그디바이스(Analog Devices) 전략 마케팅 매니저


디지털화가 제조 분야에 근본적인 변화를 가져오고 있다. 이것을 4차 산업 혁명이라고 한다. 자동화는 지난 수십 년 동안 꾸준히 고도화되었으며, 이제는 데이터, 머신 러닝, 인공 지능을 사용해서 점점 더 빠르게 진화하고 있다. 자율 시스템은 점점 더 상호 연결되고 있으며, 데이터를 통신하고 분석하고 해석해서 지능적으로 의사결정을 하고 조치를 취할 수 있게 되었다. 




스마트 팩토리는 새로운 비즈니스 가치를 창출하고 아웃풋, 자산 활용, 전반적인 생산성을 끌어올리고 있다. 새로운 데이터들을 활용해서 유연성을 높이고 품질을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 소비와 폐기물 발생을 줄일 수 있다. 에지(Edge)에서부터 클라우드까지 연결된 지능적인 시스템은 민첩하게 대량 맞춤 생산을 할 수 있으며 제조 환경의 효율을 높일 수 있다.


인더스트리 4.0의 가장 큰 이점은 늘어나는 데이터를 활용해서 의사결정을 더 잘 할 수 있다는 것이다. 적시에 데이터를 획득하고 이 데이터를 자동화 시스템에 제공하는 데에는 커넥티비티 네트워크가 중추적인 역할을 한다. 제조기업의 프로세스와 방법론뿐 아니라, 네트워킹 기술 또한 갈수록 늘어나는 데이터의 양을 처리할 수 있도록 진화해야 한다. 지능적이며 연결된 자동화 환경을 위해서는 시스템, 기계, 로봇을 디지털적으로 연결하고 정보를 공유해야 한다. 이러한 기계들이 통신할 수 있도록 하는 것이, 그리고 이를 위해서 사용되는 통신 네트워크가 인더스트리 4.0의 핵심을 이룬다.


원격지 장소들을 포함한 설비 전체에서 각종 센서와 엑추에이터로 매끄러운 커넥티비티를 달성하는 것은 기존 인프라로는 불가능하다. 미래는 데이터에 달려 있다. 데이터로부터 유용한 통찰을 끌어내기 위해서는, 이전에 볼 수 없던 어마어마한 양의 데이터를 통신 네트워크를 불구로 만들지 않으면서 교환할 수 있도록 하는 것이 과제이다. 문제는, 오늘날의 자동화 환경뿐만 아니라 미래의 스마트 팩토리 요구까지 충족하는 산업용 통신 네트워크를 어떻게 설계하고 구축할 것이냐 하는 것이다.

 

그림 1. 클라우드 인프라


왜 산업용 이더넷인가?

인더스트리 4.0으로 커넥티비티를 구축하려면 다음과 같은 세 가지가 실현되어야 한다. 첫째, IT(Information Technology) 또는 엔터프라이즈 인프라를 플랜트 플로어 제어 네트워크와 통합해야 한다. 둘째, 현재의 공장 플로어로 존재하는 다양한 네트워크와 제조 셀들이 공존 및 상호운용이 가능해야 한다. 셋째, 에지에서부터 엔터프라이즈 클라우드에 이르는 프로세스 전반에 걸쳐서 매끄럽고 보안적인 커넥티비티를 구축해야 한다.


이러한 요구를 충족하기 위해서는 상호운용성, 확장성, 거리 면에서 우수한 네트워킹 토대 기술이 필요하다. 이더넷이 바로 그러한 솔루션이다. 이더넷은 잘 알려진 기술이고 광범위하게 구축되어 있다. 높은 대역폭을 제공하고 빠르게 커미셔닝을 할 수 있으며, 모든 제조 환경의 IT 인프라에 폭넓게 구축되어 있다.


그림 2. IT와 OT의 융합


표준 이더넷은 실시간 동작을 필요로 하는 산업 제어 인프라에 사용하기에는 적합하지 않다. OT 제어 네트워크는 메시지를 필요로 하는 곳에 적시에 제공할 수 있어야 한다. 그래야 어떤 작업이나 프로세스가 적절하게 가동될 수 있다. 트래픽을 전달하기 위해서 TCP/IP 프로토콜은 근본적으로 이와 같은 수준의 확정적 성능을 보장하지 못한다. 표준 이더넷이 파일 공유를 하고 프린터 같은 네트워크 장치에 액세스할 수 있도록 하는 것과 같은 방식으로 산업용 이더넷은 컨트롤러가 데이터를 액세스하고 PLC에서 공장 안의 각종 센서, 엑추에이터, 로봇으로 명령을 전송할 수 있도록 한다. 차이점은 메시지가 지연되거나 전달되지 않았을 때의 영향이다.


비-실시간 애플리케이션에서는 예를 들어서 웹페이지가 업데이트가 느리게 된다고 하더라도 영향이 별로 크지 않지만, 제조 환경에서는 원자재를 폐기해야 하거나 심하게는 상해 사고를 일으키는 것과 같은 심각한 결과를 초래할 수 있다. 그러므로 제어 시스템을 위해서는 메시지가 목적지로 확실하게, 적시에, 항상 잘 도달해야 한다.


이에 따라 산업용 이더넷이 OT 제어를 위한 기술로서 부상하고 있다. [그림 3]에서 보듯이, IT와 상층부 OT 네트워크 사이뿐 아니라, 엔드 노드 센서까지 이르는 OT 네트워크의 다양한 층위에 매끄러운 커넥티비티가 필요하다. 오늘날에는 IT/OT 네트워크 융합을 위한 연결성을 위해서 복잡하고 전력을 많이 소비하는 게이트웨이가 사용되고 있다. 


그림 3. 자동화 피라미드


그런데 공장 전체에 걸쳐서 이더넷에 기반해서 상호운용이 가능한 자동화 네트워크를 구축한다면 이러한 게이트웨이가 필요하지 않게 되므로 네트워크 자체를 간소화할 수 있다. 변환 작업에 사용되고 OT 네트워크의 상층부 레이어에 대한 연결을 담당하는 프로토콜 게이트웨이는 네트워크에서 분리를 초래한다. 이러한 분리는 공장 전체에 걸쳐서 정보를 공유하는 능력을 제한한다. 이것은 앞서 말한 인더스트리 4.0의 비전과 반대되는 것이다. 


패킷 제공 및 타이밍에 있어서 확정성은 제어 애플리케이션에 대한 의무 요건을 보장할 수 있다. 많은 기업들이 OT 네트워크에 적합한 실시간 프로토콜을 제공하기 위해 노력해 왔다. 그 결과, 확정성은 달성하게 되었으나 기업들마다 고유한 프로토콜을 사용하게 되었다. 이 때문에 제조 셀마다 서로 다른 통신 프로토콜을 사용해서 상호운용이 불가능한 결과가 빚어지게 되었고, 그로 인해 데이터 섬들이 생기게 되었다. 따라서 서로 다른 프로토콜을 사용하는 서로 다른 제조 셀들이 공존하고 제어 트래픽을 훼손하지 않는 방식으로 네트워크를 공유할 수 있는 솔루션이 필요해졌다. 


그 해답이 될 수 있는 것이 시간 민감형 네트워킹(TSN)이다. TSN은 IEEE 802.1 표준에 기반한 벤더 중립적 실시간 이더넷 규격이다. 이름에서 알 수 있듯이 TSN은 시간에 관한 것이다. 이 표준을 적용하면 표준 이더넷 통신을, 미션 크리티컬한 애플리케이션에 타이밍을 보장하는 것으로 변신시킬 수 있다. 


그림 4. 시간 민감형 네트워크(TSN)의 특징


그럼으로써 정보를 한 위치에서 다른 위치로 예측 가능한 확정적 시간 안에 이동시킬 수 있다. 통신을 예측 가능하게 하기 위해서는, 네트워크 상의 디바이스들이 시간 개념을 공유해야 한다. 이 표준은 TSN 이더넷 프레임들은 예측 가능하게 전송하고 TSN이 아닌 프레임들은 최선을 다한다는 조건으로 전송한다[그림 4]. 이러한 방법으로 동일한 네트워크에서 실시간 트래픽과 비-실시간 트래픽이 공존할 수 있게 한다. 모든 디바이스들이 동일한 시간을 공유하므로, 기가비트 속도에 이르기까지 중요한 데이터를 낮은 지연시간과 낮은 지터로 전송할 수 있다.


이런 방식으로 각각의 프로토콜이 확정적이고 신뢰할 수 있는 방법으로 와이어를 공유하는 융합적인 네트워크가 가능하다. TSN은 이를 위해 요구되는 확정성을 달성할 수 있는 수단을 제공한다. 이로써 신뢰할 수 있으며 표준화된 커넥티비티 아키텍처를 구축하고, 독자적인 필드버스를 사용하는 데이터 섬들을 제거할 수 있다. 이러한 네트워크 융합 덕분에 향상된 네트워크 확장성을 통해서 10Mbps에서부터 1Gbps, 혹은 그 이상에 이르는 대역폭으로 더 많은 데이터를 생성할 수 있다. TSN은 신규 설치뿐만 아니라 기존 설비에도 도입될 것이다. 따라서 필드 디바이스 업체들은 전통적인 산업용 이더넷 솔루션과 함께 TSN도 지원해야 할 것이다. 


프로세스 에지로 확장

또 다른 중요한 변화는, [그림 5]에서 보는 것과 같이 프로세스 제어 애플리케이션에서 에지 노드에서부터 엔터프라이즈 클라우드까지 매끄러운 연결을 이루는 것이다. 현재로서는 에지로의 연결은 기존에 사용되는 4mA- 20mA나 필드버스 기술 때문에 제한되고 있다. 이들 기술은 하드와이어 점-대-점 연결이기 때문에, 네트워크가 진화하고 확장할 수 있는 유연성을 제한한다. 


그림 5. 에지에서 클라우드까지 매끄러운 연결


이러한 비-이더넷 기반 통신은 몇 가지 해결해야 할 과제들을 안고 있다. 첫째, 극히 한정된 대역폭(4mA- 20mA로 HART의 경우에 1.2kbps)은 전송할 수 있는 정보의 양과 속도를 제한한다. 둘째, 장비로 제공할 수 있는 전력이 제한적이어서 기능성을 제한한다. 끝으로, 제어와 IT 층에 사용되는 게이트웨이가 지속가능하지 않다. 또한 제로 존(Zone 0)의 본질적으로 안전(Intrinsically safe)한 환경에서 동작해야 하고, 기존 케이블을 활용해서 더 빠르고 더 낮은 비용으로 커미셔닝을 할 수 있게 하는 것 또한 과제이다.


이러한 요구를 충족하기 위해서 개발된 것이 10BASE-T1L 전이중 통신에 관한 IEEE 802.3cg-2019이다. 이 표준은 최대 1km 길이의 단일 연선 케이블을 통한 전력과 함께 10Mbps 전이중 통신에 대해서 정의하고 있다. 데이터는 센서에서 이더넷 패킷으로서 생을 시작해서, 이더넷 패킷으로서 OT와 IT 인프라를 통해서 전달된다. 그러므로 더 이상 변환을 할 필요가 없다(변환을 하면 지연시간이 발생하고, 전력을 소모하고, 비용이 늘어난다). 


[그림 5]에서 보듯이, 기존 네트워크 아키텍처에서는 원격 I/O 유닛들을 이더넷 필드 스위치로 전환하는 변화가 일어날 것이다. 그러면 이더넷 명령을 컨트롤러에서 10BASE-T1L 다중포트 필드 스위치를 거쳐서 필드 장치로 통신할 수 있고, 또 거꾸로 필드 장치에서 보낼 수도 있다. 필드 노드에서 알게 된 통찰을 이더넷 패킷(더 높은 대역폭)을 사용해서 필드 스위치 네트워크를 거쳐서 PLC/DCS 컨트롤러로 그리고 최종적으로 클라우드로 통신할 수 있다. 


레거시 필드버스에서 산업용 이더넷으로 신속한 전환을 부추기는 여러 주요한 이점들이 있다. 첫째, 기존의 케이블 인프라(최대 1km 길이)를 재사용할 수 있으므로 구축 작업을 간소화하고 개조 비용을 절감할 수 있다. 둘째, 케이블을 통해서 장비로 제공되는 가용 전력이 기존에는 36mW(4mA-20mA 구성으로 이상적인 상황일 때)로 제한되었으나 이제는 제로 존, 본질적으로 안전한 애플리케이션에서 최대 60W(케이블에 따라 다름) 또는 500mW를 사용할 수 있다. 추가적인 전력을 사용할 수 있다면 엔드 노드 인텔리전스를 활용해서 기능성을 높일 수 있다. 여기에 더해 이제는 10Mb 업링크 속도를 사용할 수 있게 됨으로써 인더스트리 4.0이 약속하는 효율 향상을 이룩할 수 있다.


그림 6. 산업용 이더넷 솔루션인 ADI의 Chronous 제품군


미래에는 어떤 것들이 가능할까?

자동화 네트워크의 진화를 위해서는 견고하고, 지연시간이 낮고, 전력 소모가 적은 새로운 물리층 기술과 확장성이 뛰어난 스위치 패브릭이 필요하다. 산업용 이더넷 기술에 전문성을 갖춘 아나로그디바이스(ADI)는 자동화 분야에서 쌓아온 전문성과 첨단 기술을 활용해서, 산업용 애플리케이션에서 시간 결정적인 데이터를 신뢰성 있게 전달하고 매끄러운 커넥티비티와 운영 효율을 달성할 수 있도록 방대한 솔루션 포트폴리오를 제공한다. 


ADI의 Chronous™는 확장성이 뛰어난 이더넷 솔루션 포트폴리오로서, 물리층 디바이스(PHY), 임베디드 스위치, 다중프로토콜 소프트웨어를 포함한 포괄적인 플랫폼 솔루션을 제공한다. 또한 이들 제품은 철저한 테스트와 검증을 거쳤으므로 고객들의 개발 시간을 단축할 수 있다.


다음은 이 포트폴리오의 주목할 만한 제품들이다:

● ADIN1200은 앞선 10Mbps/100Mbps 산업용 이더넷 PHY로서, 향상된 기능 세트와 견고성이 특징이다.

● ADIN1300은 업계에서 지연시간이 가장 낮고 전력 소모가 가장 적은 기가비트 PHY로서, 열악한 환경에서도 강건함을 나타낸다.

● fido5200/fido5100은 실시간 임베디드 2포트 다중 프로토콜 스위치로서 여러 TSN 기능을 지원한다. 새로운 TSN 기능이 소개되면 펌웨어 업데이트를 통해서 새로운 기능을 구현할 수 있다. ADI Chronous 개발자 포털을 통해서 다중프로토콜 소프트웨어 업데이트를 지원한다.


ADI Chronous는 견고성과 확장성이 뛰어난 포괄적 구성의 이더넷 솔루션을 제공하며, 시스템 설계를 간소화하고 개발 시간을 단축한다. 또한 ADI는 이러한 전환을 지원하고 레거시 필드 디바이스로 네트워크 브리지를 제공하고자 새로운 솔루션으로서 소프트웨어 구성가능형 I/O(AD74413R)를 개발했다. 이 솔루션을 사용해서 레거시 장비와 이더넷 네트워크 사이의 틈새를 메우는 필드 구성가능형 원격 I/O 유닛을 개발할 수 있다.


보안 이슈 대응 방안

이더넷은 취약점을 가지고 있으며, 인더스트리 4.0 도입을 위해서는 무엇보다도 보안이 중요한 이슈이다. OT와 IT 사이에 그리고 에지에서부터 클라우드까지 정보를 교환하기 위해서는 보안 침해의 위험성 또한 높아질 수 있다.


인더스트리 4.0 전략을 수립하는 조기 단계에서부터 기본적인 위험성 관리로서 보안을 중요하게 고려해야 한다. 오늘날 갈수록 복잡해지는 네트워크에서 보안을 구축하는 것은 결코 쉽지 않은 일이다. 에지 디바이스, 컨트롤러, 게이트웨이, 그리고 스택을 따라서 상층부로까지 보안을 구현하기 위해서는 다층적인 접근법이 필요하다. ADI의 Chronous 포트폴리오는 시스템 내의 각각의 노드들에서 보안을 달성하며 전력, 성능, 지연시간에 미치는 영향을 최소화한다.


그림 7. 신뢰할 수 있는 데이터를 위한 사이버 보안


향후 로드맵

최근 몇 년 사이에 산업용 이더넷 도입이 증가하고 있기는 하나, 필드버스와 그 밖에 다른 레거시 네트워킹 기술들도 여전히 계속해서 구축되고 있다. 산업용 이더넷에 기반한 융합적 네트워크의 이점들에 대해서는 논란의 여지가 없다. 네트워크 아키텍처를 간소화할 수 있고, 게이트웨이를 없앰으로써 비용을 절감할 수 있고, 하드와이어 배선을 없앨 수 있고, 시스템 최적화를 향상시킬 수 있고, 가동시간을 향상시킬 수 있다. 


새롭게 개발 및 공표되는 표준들은 이러한 전환을 가속화하는 촉매제가 되고 있다. OT와 IT 시스템 통합을 위해 보다 향상된 커넥티비티 네트워크가 요구되고 있다. TSN은 융합 네트워크를 위한 해결책이 될 것이며, 10BASE-T1L이 가세해서 에지에서부터 클라우드까지 매끄러운 커넥티비티를 달성할 것이다. 이러한 전환은 하룻밤 사이에 이루어지지 않는다. 하지만 거부할 수 없는 많은 이점들을 제공하기 때문에 앞으로 표준 이더넷보다 더 빠른 속도로 도입이 증가할 것이다.


인더스트리 4.0 비전의 핵심을 이루는 것은, 디바이스들을 연결하고 정보를 수집하고 전송하고 수신함으로써 프로세스를 자동화하는 것이다. ADI의 Chronous 제품군은 많은 에지 노드 디바이스들로부터 이전에는 가능하지 않던 데이터를 획득하고 그럼으로써 데이터를 분석하고 운영에 관한 통찰을 도출할 수 있는 새로운 가능성들을 제공한다. 산업용 이더넷은 현재와 미래의 데이터 스트림을 자동화 네트워크를 통해서 클라우드로 매끄럽게 전달할 수 있도록 함으로써 이러한 비전을 실현하는 데 있어서 중추 역할을 할 것이다. 


산업용 이더넷으로의 전환이 빨라지고 있다. 인더스트리 4.0을 위해서는 보안과 더불어 기업의 이익을 극대화하기 위해서 이러한 모든 데이터를 어떻게 활용하느냐가 관건이 될 것이다. 이를 위한 현명한 선택은, 산업용 분야에서 다년간 경험과 전문성을 쌓아온 믿을 수 있는 파트너와 협력하는 것이다. 아나로그디바이스는 이 분야에서 축적된 전문성과 기술력을 보유하고 있으며, 미래의 스마트 팩토리로 전환하는 데 필요한 솔루션을 제공한다.


/이나리 기자(eled@hellot.net)

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