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산업용 이더넷에서의 스마트 리모트 I/O 와 Peer-to-Peer 통신

글_ Peishan Juan, Advantech Corporation, Industrial Automation Group

너무 좋은 것도 지나치면 해로울 수 있다는 오래된 속담이 있다. 다행히 신기술에서만큼은 적어도 어떠한 특정한 경우에서는 이러한 속담을 무색하게 만들 수 있다. 예를 들어, 하나의 기업이 전통적인 기술을 사용해서도 충분히 자동 제어할 만큼 성장할 수 있지만, 스마트 리모트 I/O 및 peer to peer 기술과 같은 새로운 기술의 구현이 가능할 경우, 산업용 이더넷의 고급 기술 솔루션을 통해 이더넷을 사용 방법을 개선하면 훨씬 우수하고 보다 유동적인 관리를 수행할 수 있게 된다.

조금 더 구체적인 예를 들자면, 오일 탱크가 광범위하게 분산되어 있는 사이트에서 리모트 이더넷 기반의 스마트 I/O 모듈을 통해서 보다 정밀하게 탱크의 오일 레벨을 모니터링 할 수 있다. 이러한 이더넷 기반이 아니라면, 탱크를 하나씩 조사해 해당 레벨을 확인해야하며, 탱크 수가 증가하게 되면 그에 따르는 조사시간 더 많이 소요된다. 탱크 레벨이 설정 포인트보다 낮거나 높을 경우, 스마트 리모트 모듈이 peer-to-peer 기능을 통해 메시지를 제어룸에 전송하게되고, 이는 실시간 업데이트로 보다 효율적인 방법으로 대규모 사이트를 제어할 수 있게 되어 전체적인 비용 절감 효과를 가져다 준다.

디바이스 레벨에서

현재 오피스 거점에서 공장 작업장까지 널리 사용되는 이더넷이 자동화 네트워크 구조로 통합되고 있으며, 2008년 초 ARC Advisory Group이 발표한 사례 연구를 보면 이더넷 기반의 자동화 기기 및 I/O가 2007년 1백만 노드를 약간 상회하였다는 사실을 알 수 있다. 전문가들은 해당 업계가 전체 연간 성장률 27.5%로 성장한 상태에서 꾸준한 성장세를 보일 것으로 예측하고 있으며, 2012년까지 노드 수가 상위 3위를 차지하고 그 수가 4백만 개에 이를 것으로 예상하고 있다.

이러한 폭발적인 성장세 뒤에는 여러 가지 이유가 있는데 그 중 하나가 이더넷의 제어 레벨이 일정 수준에 도달했다는 점이고, 두 번째가 전반적인 신뢰성 개선으로 상당히 많은 분야의 모션 제어 어플리케이션을 커버할 수 있게 되었다는 점을 들 수 있다.

이에 따르는 가장 큰 성과로는 공장 작업장 및 그 이상에 걸친 네트워크 공통을 들 수 있으며, 사용자들이 모든 곳에서 이더넷을 활용하고 있다는 것은 7개의 표준 레이어 통신 모델 중 처음 2개의 레이어가 기업 전반에 걸쳐 동일하다는 것을 의미하기도 한다. 모든 장소에서 동일한 물리 및 데이터 링크 레이어를 사용함으로써 네트워크 통합 작업이 용이해 졌으며, 이는 네트워크 구성 및 재구성 작업에 일조하고 있다.

또 다른 이점으로 이더넷이 주요 IT 및 자동화 협력업체에서 사용되고 이러한 업체들로부터 지원을 받고 있으며, 그들의 네트워크 관리를 지원한다는 사실이다. 다소 알려지지 않은 이점으로는 이더넷 기반 접근법을 통해 향후 기술적 진보를 견인할 수 있다는 데 있다. 예를 들어, 연결은 일반적으로 초 당 10 메가비트 속도 또는 그 이하로 제한되어 있으나, 표준 버전은 10 기가비트 속도 즉, 천 배가량의 개선효과를 제공한다.

이더넷의 공통성은 최소한 몇몇 레이어가 공통으로 사용되기 때문에 데이터를 손쉽게 교환할 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 동일한 네트워크는 프로세스 최적화에서 자산 관리에 이르는 모든 작업에 요구되는 트래픽을 잠정적으로 전달할 수 있다.

대중적인 프로토콜

이는 서로 다른 산업용 이더넷 프로토콜의 수가 존재한다는 증거이며, 이러한 프로토콜들은 모두 동일한 물리 및 링크 레이어를 공유하지만 서로 다른 특성을 갖고 있다. ARC 분석가에 따르면 주도적인 산업용 이더넷 기반 네트워크들은 다음과 같다.

* EtherCAT

* EtherNet/IP

* Ethernet PowerLink

* PROFInet

* MODBUS TCP/IP

* SynqNet

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EtherCAT는 CANopen 직렬 프로토콜과 관련되어 있으며 IEC 61158을 비롯한 여러 IEC 표준에 적용된다. 이러한 프로토콜은 각각의 노드에서 지연을 최소화시키는 이너뎃 패킷 프레임 처리 방법을 변경한다.

EtherNET/IP는 동일한 어플리케이션 레이어 프로토콜을 사용한다는 점에서 DeviceNET와 ControlNET과 관련되어 있다. EtherNET/IP는 데이터 전송을 위해 인터넷 표준 TCP 프로토콜을 사용하며, 몇몇 산업용 이더넷 구현장치에 의해 사용되는 또 다른 인기 있는 프로토콜 UDP는 TCP보다 훨씬 빠르고 효율적이다 할 수 있다.

Ethernet PowerLink는 Powerlink라는 말이 무색하게도 이더넷 케이블 연결을 통한 전원 분배와 관련이 없다. 대신, 기계 및 기기 제어에서 필요한 실시간 프로토콜을 위한 표준형 이더넷으로 혼합 폴링 및 시간 분할 구조를 가지고 있다.

이름에서 엿볼 수 있듯 PROFInet은 직렬 Profibus 표준을 관리하는 동일한 조직에 의해 관리되는 산업용 이더넷 표준이며, 다른 것들과 마찬가지로 이러한 표준은 IEC 표준에서 찾을 수 있다. 프로토콜은 실시간 및 동시 구현장치를 가지고 있는데 결정론 측면에서 전자는 후자와 서로 다르다.

그 다음으로, SynqNet가 있는데 특히, 반도체 및 전자 조립품 시장에서의 기계 제어 요구사항을 충족시키기 위해 개발된 것이라 볼 수 있다. 다른 것과 마찬가지로 이 역시 이더넷 물리 및 링크 레이어 상에 구축되어있다.

MODBUS TCP/IP는 장시간 사용 가능한 이더넷 Modbus 직렬 통신 프로토콜 버전으로 이 두 가지 네트워크의 차이점은 이더넷 버전이 아닌 직렬 프로토콜이 데이터를 확인하는 방법으로 체크섬 계산을 필요로 한다는 점이다.

산업용 이더넷 구현 방법에 대한 논쟁의 여지가 여전히 남아 있지만 Modbus TCP/IP가 만족할 만한 성능을 제공하고, 상당히 오픈되어 있으며, 로열티가 붙지 않아 현재 매우 폭넓게 사용되는 통신 제품군의 일부이기 때문에 어드밴텍에서도 AModbus TCP/IP를 주로 사용하고 있다.

이는 전통적인 직렬 네트워크보다 속도가 빠른데, 보통 RS-232 프로토콜은 초 당 9.6 킬로바이트에 이르는 속도를 제공한다. 이더넷의 최소 프레임 크기가 산업 통신에 일반적으로 사용되는 소수의 데이터 바이트보다 훨씬 크기 때문에 경우에 따라서는 데이터 전송 효율성이 낮을 수 있는데, 그럼에도 불구하고 실질적인 데이터 전송에서는 예제에서 보다 더 높은 비트율을 달성한다.

왜, peer to peer 인가?

컨트롤러는 입력 모듈에서 들어오는 데이터를 판독하는데 그런 다음 입력-출력 루프를 완료하는 출력 모듈로 데이터를 다시 전송해야 한다. 그러한 작업을 수행하기 위해서는 I/O 모듈을 서로 연결하는 배선과 함께 컨트롤러가 필요한데, 이러한 반복적인 순서(back-and-forth sequence) 특히, 컨트롤러가 또 다른 작업으로 인해 분주할 경우 보다 많은 시간이 소요될 수 있다.

결론적으로, 다양한 이유로 이러한 배열을 통해 척도를 측정하는 것이 어려워질 수 있는데, 이는 한정된 거리만 커버할 수 있는 독점 네트워크와 상관이 있다. 즉, 간격이 너무 방대해지면 도달 적용 범위는 문제점을 야기시킬 수 있기 때문에 척도를 측정에 어려움이 생긴다. 이와 마찬가지로, 컨트롤러 연결 수가 디바이스 또는 독점 프로토콜 수보다 많을 경우, 척도 측정 문제점이 발생할 수 있다.

하지만, 이와는 대조적으로, peer to peer는 한 모듈의 특정한 입력 채널에서 또 다른 모듈의 특정한 출력 채널까지 계속 전송되어, 데이터는 하나의 채널에서 다른 채널로 자동 전송되고 전체 I/O 프로세스를 단순화시킨다. 즉, 컨트롤러 없이 시스템 하드웨어 비용을 절감할 수 있다는 사실이다. 또한, 배선 연결이 하나의 모듈에서 다른 모듈로 계속 되기때문에 배선 연결을 단순화시킬 수 있어, 산업용 이더넷을 사용하여 연결할 경우, 배선 연결 옵션이 보다 유동적이 된다.

속도와 확장성이 peer to peer 기술과 결합되면, 컨트롤러 자체 처리 시간뿐 아니라 시스템에서 컨트롤러와의 통신과 관련된 모든 시간 지연을 줄일 수 있다. 확장성은 연결 및 통신 특성의 영향을 받는데, 설치 작업이 얼마나 복잡한지에 상관없이 각각의 모듈이 관련되어 있는 한 peer와 연결된다. 네트워크 상의 노드수에 상관 없이 전송해야 하는 데이터가 존재할 경우에는 디바이스에 의해 통신이 시작되기도 한다.

peer to peer 기술이 실질적으로 현장에서의 문제점들을 해결하는데 어떠한 효과를 주고 있는지 예를 들기 위해, 3개의 개별 국가에 지사를 가지고 있는 회사의 사례를 보고자 한다. 중앙 본사에서 제어반 작업자는 인터넷으로 연결되어 있는 다른 사이트의 게이트를 모니터링하며, 게이트를 능동적으로 제어해야 하는 경우, 별도의 통신 네트워크의 구동이 필요해진다. 하지만 Peer to peer를 통해 제어반과 각각의 게이트에 각 모듈을 배치해 기존 인프라나 인터넷을 통해 제어 작업을 수행할 수도 있다. 제어실의 모듈은 특수배선이나 별도의 통신 채널 구축없이도 원격 모듈을 통해 게이트용 컨트롤러로와 같은 작업을 할 수 있다.

Peer to peer 연결을 구현하는 또 다른 방법으로 하나의 모듈 채널을 다른 모듈 채널로 단순히 맵핑하는 방법이 있는데, 이는 특정한 IP 또는 MAC 어드레스 제어 권한만 허용해 연결장치의 보안과 결합을 보장한다. 또 다른 방법은 보다 진보적인 방법으로 여러 모듈을 입력 또는 출력 중 하나로 맵핑하는 방법인데, Advantech의 ADAM 컨트롤러 시리즈가 이러한 기능을 제공한다.

영상의 가치

Advantech의 GCL(Graphic Condition Logic)는 로직 제어를 용이하게 하기 위해 스마트 이더넷 I/O 전원을 활용하는데 예를 들어, 입력(인풋)은 두 개의 디지털 및 하나의 아날로그 신호로 구성될 수 있는데, 출력(아웃풋)이 생성되기 전에 디지털 신호가 높거나, 아날로그 입력 신호가 5 볼트보다 크도록 하기 위해 로지칼 END로 결합된다. 클록에 주어진 실행 시간에 따라 그러한 작업이 결정되며, 출력 신호의 경우, 디지털 및 아날로그 신호가 되어 해당 컴퓨터로 메시지가 전송된다.

단순한 제어임에도 불구하고 이는 자칫 복잡해 보이는데, 텍스트 기반 시스템에서, 이러한 컨피규레이션은 암호화 코드가 될 수 있는 신호의 실수량을 필요로 하기 때문이다. 이와는 대조적으로, 그래픽 표시는 디버그를 쉽게 해줄 뿐만 아니라, 구현 및 해독도 용이하게 해준다. 그래픽 표시를 위해서는 두 가지 요소가 필요한데, 그 중 하나는 복잡한 외형을 단순하게 만드는 작업을 처리하기 위한 모듈이고, 또 다른 하나는 엔지니어에게 올바른 그래픽 요소에 대한 접근성을 제공하는 유틸리티이다. 이러한 유틸리티는 개발 환경에서만 사용되는데, 최종 컨피규레이션은 모듈로 다운로드가능하며, 복잡하지않아 사용이 용이하다.

하지만 이더넷 연결 상태가 영상이 될 때, 유틸리티와 모듈 요건이 비상적으로 되기도 하는데, 이때 시스템은 로컬 및 원격 출력 신호들을 처리해야하며, 두 개의 모듈은 이더넷으로 연결될 수 있고, 이때 물리적으로 상당히 먼 거리에 있을 수 있다. 또한, 시스템은 분배된 캐스케이드 로직 및 피드백 기능을 처리해야 하며, 이를 통해 보다 복잡한 로직이 구현될 수도 있다. 즉, 아날로그 사이드의 온도, 전압, 전류 및 기타 요소와 디지털 사이드의 연결 및 카운터를 포함한 다양한 아날로그 및 디지털 입력 신호들을 처리해야 한다. 이때 아날로그 및 디지털 출력 신호는 동일한 범위가 유지되어야 한다.

Advantech의 ADAM 모듈은 이러한 그래픽 언어의 구현을 보여주는 훌륭한 예라 할 수 있다. 예를 들어, 전압 또는 전류 판독값에서 온도 또는 압력의 변환, 아날로그 입력 신호의 척도의 측정과 같은 유용한 기능을 엔지니어에게 제공하며, 로직 조건은 척도 측정 값에 대한 테스트로, 추후 누군가가 시스템을 변경해야 할 경우에 편리하도록 해준다.

이러한 모든 프로세싱 작업이 신속하게 이루어지는 것 또한 상당히 중요한데, 실작업을 수행하는 하드웨어의 속도가 너무 느린 경우, 그래픽 표시 사용이나 디버그 및 유지, 개발 관리하는 것이 쉽지 않다. 따라서, 빠른 반응 시간을 유지하려면 처리 시간을 점검하는 것이 중요한데, Advantech의 GCL 모듈을 사용하게 되면 밀리초 이내의 처리 시간을 보장받게 된다는 장점이 있다. 다시 말해, 입력 및 출력 채널 사이의 거리가 멀고, 동일한 모듈 상에 있지 않은 경우 혹은, 통신 지연이 발생한다해도 3 밀리초 이내의 시간이면 충분하다.

어드밴텍 ADAM 모듈 사용의 장점

상기 기술한 것들 외에도 산업용 이더넷을 사용할 경우 다음과 같은 부수적인 효과를 볼 수 있다. 우선 TCP 및 UDP와 같은 표준 인터넷 프로토콜이 전송 레이어로 사용되기 때문에 웹 활성 모듈을 구현할 수 있어 이는 생산성을 향상시키는 요소가 될 뿐만 아니라 적절한 웹 브라우저를 선택해 사용할 수 있어 접근성이 높아진다. 새로운 소프트웨어의 사용법을 습득하거나 특별히 유지 관리하지 않아도 설정, 개발 등의 작업등을 로칼에서나 원격적으로 지원가능하다.

모듈 기반 웹 서버는 특정 데이터를 받고 싶어하는 사람에게 데이터를 바로 제시하며, 무결절 데이터 스트림을 통해 공장작업장에서 본사까지 다양한 데이터를 전달한다.

기술의 진보는 산업현장의 업무에 관여하고 있는 제어 엔지니어와 기타 작업자에게 끊임없이 새로운 솔루션을 제공하고 있으며, 이더넷 품질 개선, 스마트 리모트 I/O 및 Peer to peer 기술 역시도 그러한 솔루션의 한 부분으로 산업현장의 질을 높이고 있다.

웹사이트_ www.advantech.co.kr

아이씨엔 매거진 2009년 12월호

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