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산업용 이더넷 스위치 시장의 도래

과거에 설치되었던 다양한 필드버스 시스템이나 자동화 시스템들은 수평통합만 되어 서로 다른 레벨에 대한 데이터 전달이 쉽지 않았다. 사용자 입장에서는 관리 레벨에서부터 필드 레벨까지 모든 시스템 및 데이터 정보를 통합하여 관리할 수 있는 수직 통합을 요구하였다. 하지만 단순 이더넷 프로토콜인 TCP/IP만으로는 일반 사무실에서 데이터를 처리하는데 있어서 문제가 없지만, 산업현장인 필드에서 생성되는 많은 데이터를 안전하고 정확하게 상위 레벨로 전달하는 것이 불가능했다.

글_ 이건희, 피닉스컨택트 ghlee@phoenixcontact.co.kr

산업용 이더넷 스위치(Ethernet Switch) 시장은 근래 몇 년 사이에 부쩍 커졌으며, 계속 성장해 나갈 산업 분야 중에 하나이다. 몇 년 전까지만 해도 자동화 시스템을 구축하는데 있어서 이더넷 스위치의 비중은 크지 않았다. 단순히 적은 용량의 데이터를 상위 HMI나 PC로 전송을 하는데 그쳤으며, 사용되는 이더넷 스위치 역시 산업용이 아닌 단순 오피스용으로도 충분히 대체가 가능하였다.

하지만 산업용 이더넷 스위치 시장이 커지고 있으며 부각되는 이유는 여러 가지가 있으며, 그 중 몇 가지만 살펴 보면 다음(그림 1 참조)과 같다.

과거에 설치되었던 다양한 필드버스 시스템이나 자동화 시스템들은 수평통합만 되어 서로 다른 레벨에 대한 데이터 전달이 쉽지가 않았다. 사용자 입장에서는 관리 레벨에서부터 필드 레벨까지 모든 시스템 및 데이터 정보를 한 곳에서 관리 등을 할 수 있는 각 레벨간의 수직 통합을 요구하였다. 하지만 단순 이더넷 프로토콜인 TCP/IP만으로 일반 사무실에서 데이터를 처리하는데 있어서 문제가 없었지만 산업현장인 필드에서 생성되는 많은 데이터를 안전하고 정확하게 상위 레벨로 전달하는 것은 불가능하였다.

TCP/IP에서 발생되는 데이터 손실이 그 이유이다. 그래서 이 부분을 보완하고 해결하기 위해 개발된 것이 산업용 이더넷 프로토콜(ProfiNet 등)이며, 이 산업용 이더넷 프로토콜은 기존의 OSI 7계층을 보완 및 발전을 시켜서 기존에 발생하던 데이터 손실 문제를 해결하였으며, 대용량의 데이터를 빠른 속도로 처리가 가능토록 하였다.

이러한 산업용 이더넷 프로토콜이 개발되면서, 일반 이더넷 스위치로는 산업용 이더넷 프로토콜을 제대로 지원하지 못하였다. 그래서 산업용 통신 프로토콜을 지원하여 원하는 데이터를 정확하게 전달할 수 있도록 다양한 기능을 내장한 산업용 이더넷 스위치가 개발이 되었다.

뿐만 아니라 과거에는 하나의 시스템을 구축하는데 있어서 다음 그림(그림 2)과 같이 중앙집중식으로 처리하였다.

이런 중앙집중식 방식은 분산 제어 방식에 비해, 설치 작업량의 증가와 컨트롤 캐비닛의 대형화, 통신 케이블 증가, 시운전시 위험 부담 그리고 에러 발생시 진단 및 해결에 많은 문제점을 보인다. 이런 문제점을 해결하기 위한 방법 중 하나에는 분산 제어 방식이 있다. 이 분산 제어 방식으로 시스템을 구축하기 위해서는 무엇 보다 중요한 부분이 통신 부분이며, 이 부분 역시 단순 오피스용이 아닌 산업용 이더넷 스위치로 설치를 하여 유지 관리를 보다 효과적으로 해결 할 수 있다.

그 외에도 산업용 이더넷 스위치 제품에는 광포트가 내장된 장치들이 많이 있는데 이것은 분산 제어를 위해 이더넷 스위치들을 설치하는데 있어서 일반 UTP 케이블을 이용할 경우 최대 100m까지 밖에 확장이 불가능하기 때문이다. 장거리 통신을 하기 위해 광케이블을 이용할 경우 최대 수십 Km까지 리피터 없이 통신이 가능하다.

그리고 산업현장에서 가장 중요한 부분 중에 하나는 전원의 이중화이다. 열악한 산업 환경에서 안정적인 전원공급은 매우 중요한 요소이다. 이를 위해 판넬 안에 UPS를 설치 하는 경우도 많다. 이더넷 스위치에 전원을 공급하는 파워 서플라이에 이상이 생길 경우 시스템은 다운이 되고 이렇게 되면, 회사에서는 많은 손실이 발생할 수도 있다. 시스템 다운을 방지하기 위한 방법 중 하나가 UPS 사용 및 전원의 이중화이다. 산업용 이더넷 스위치 제품은 시스템의 안전성을 위한 전원 이중화가 꼭 필요한 기능 중 하나이다.
이 외에도 산업현장에서 이더넷 스위치가 가지고 있어야할 필수 요소들에 대한 내용을 간단하게 정리하면 다음과 같다.

위의 표와 사진(그림 4)과 같이 산업용 이더넷 스위치는 산업 현장에서 필요한 다양한 부분들에 대해 충분히 충족시켜주고 있다. 그리고 산업용 이더넷 스위치는 다양한 어플리케이션에 사용이 될 수 있도록 각 산업 분야에 맞는 인증이 필요하다. 예를 들어 조선 분야 같은 곳에서는 GL, Llodys, ABS, NK 등의 인증이 꼭 필요하다.

산업용 이더넷 스위치는 다양한 기능과 광범위한 확장성 및 범용성을 가지고 있다. 산업용 이더넷 스위치의 다양한 기술들에 대해 살펴보면 먼저 산업용 이더넷 프로토콜 지원이다. 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 산업용 이더넷 프로토콜은 ProfiNet과 EtherNet/IP 두 종류가 있으며, 각 프로토콜 마다 요구되는 기능 들이 있다.

먼저 ProfiNet의 경우, 데이터를 정확하면서 실시간으로 전송하기 위해서는 ProfiNet을 지원하는 Managed 타입의 이더넷 스위치를 사용 할 것을 추천한다. Unmanaged 이더넷 스위치를 사용할 경우, 상태 진단 정보 등을 확인 할 수 없기 때문에 Managed 타입의 이더넷 스위치를 사용하는 것을 추천하고 있으며, QoS(Quality of Service), Port mirroring, VLAN 과 같은 기능을 내장한 제품을 사용하는 것이 좋다.

또 다른 이더넷 프로토콜인 EtherNet/IP 역시 필요로 하는 기술들이 있으며, IGMP snooping, Port mirroring과 같은 기능을 이더넷 스위치에서 지원을 해야만 보다 안전한 시스템을 구축할 수 있다.

이 밖에 Ethernet PowerLink나 FL-Net과 같은 프로토콜 역시 산업용 허브를 이용하여 시스템을 구축하는 것이 보다 효과적이라 할 수 있다.

다음으로는 일반적으로 이더넷을 이용하여 네트워크를 구축할 경우, 네트워크를 이중화로 구성하는 경우가 많다. 산업용 이더넷 스위치는 네트워크 이중화를 위해 RSTP(Rapid Spanning Tree)와 Fast Ring Detection 기능 등을 제공하여 사용자가 시스템을 관리 및 모니터링을 하는 데 있어서 보다 편하고 안전하게 할 수 있도록 하고 있다. RSTP 기능은 네트워크 복구 시간이 2-3초로 30초 인 STP에 비해 훨씬 빠른 복구 시간을 제공한다.

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피닉스컨택트의 산업용 이더넷 스위치는 RSTP에 Fast Ring Detection 기능을 추가하여, 최소 100ms 안에 네트워크를 복구한다. 또한 RSTP에 Large Tree Support 기능을 제공하여 최대 57개의 이더넷 스위치를 하나의 루트로 관리가 가능하다.

이 외에도 PoE(Power over Ethernet)이라는 기술이 있다. 무선 AP기나 CCTV, DVR 그리고 화재 감지 시스템 등 어떤 장비에서든 각각 전원을 공급해야만 한다. 이를 위해 별도의 전원 공사를 하게 될 경우 많은 공사비를 지출해야 하며, 보다 더 안전성이 요구된다면 UPS를 추가로 설치해야 되며 그 경우 설치 비용은 더욱 늘어난다는 단점을 지니고 있다. 또한, 설치한 디바이스를 다른 장소로 이동 할 경우 전원 공급이 가능한 장소로만 이동이 가능하다는 문제와 전원 공급이 중단될 경우 해당 장비를 사용하지 못하는 불편함까지 발생한다. 이를 보안하기 위해 개발된 기술이 PoE이며, 이 기술은 통신용 케이블에 전원을 함께 포함하여 하나의 케이블만으로 설치되는 장비에 통신 및 전원 공급을 한번에 해결 할 수 있는 기술이다.

그리고 아직은 활성화가 되지는 않았으나 기가비트의 속도까지 지원하는 산업용 이더넷 스위치까지 개발이 끝나고 시중에 많이 출시되어 있다. 이 기가비트 이더넷 스위치를 이용하여, IT 레벨에 있는 “SAP”와 같은 PPS/ERP 시스템에 연결 또한 가능하며, 영상이나 음성과 같은 대용량의 데이터를 고속으로 전송하는데 활용 할 수가 있다.

또한 유선 뿐만 아니라 산업용 무선 AP기도 최근에 많은 주목을 받고 있다. 그 이유는 케이블 포설 문제나 비용 절감 때문이다. 무선 AP기 역시 산업용 제품의 경우 산업현장에 직접 노출 또한 가능하도록 설계(IP65 등급)가 되어 있다. 그리고 Managed 스위치와 같은 다양한 기능을 제공하고 있으며, STP 등을 통하여 네트워크를 이중화 할 수 있다. 이런 무선 AP기의 또 다른 장점은 무선 AP기끼리 묶어서 거대한 무선 네트워크 망을 형성 할 수가 있다는 것이다. 이를 이용하여, 사용자는 공장 전체를 무선 망으로 구축을 하여, PDA나 무선 장비를 연결하여 원격 제어나 시스템 모니터링 등을 할 수 있다.

물론 산업용 이더넷 스위치라고 하여 너무 산업 환경적인 요소로만 치우치지 않고, 일반 IT 환경에서 요구되는 보안적 측면이나 VLAN, LLDP와 같은 기능 역시 IT에서 요구되는 수준까지 전부 제공하고 있다. 따라서 사용자는 어느 특정 산업 분야를 구분 지을 필요 없이 산업용 이더넷 스위치를 적용시키고 사용할 수 있다.

피닉스컨택트의 제품군에 대해 간략히 소개를 하면 다음과 같다.

먼저 유선과 관련된 제품을 살펴보면, Unmanaged 타입과 Managed 타입 두 종류로 나눠진다.

Unmanaged 타입 스위치는 SF와 SFN으로 또 구분이 지어지며, 그 차이는 N(Narrow), 즉 좁은 공간에 설치가 가능한 제품을 의미한다.

Unmanaged 타입 스위치는 특별한 기능 없이 단순하게 스위칭 역할을 하는 장비로써 단순히 네트워크를 확장하는 데 있어서, 포트를 확장시켜 주는 개념으로 이해를 하면 된다.

제품의 구성은 최소 5 포트에서 최대 16 포트로 되어 있으며, 기존 RJ45포트와 장거리 전송을 위한 산업 현장에서 많이 쓰이는 SC와 ST 타입의 광 포트가 합쳐진 제품이 있다.

Managed 스위치의 경우는 컴팩트 타입과 모듈 방식으로 최대 24포트까지 확장이 가능한 제품으로 구성이 되어 있다.

기본 기능은 두 제품 모두 앞서 설명한 Managed 스위치가 가지고 있는 기능을 전부 내장하고 있으며, 모듈 방식의 경우 기본 베이스 모듈에 사용자 어플리케이션에 따라 광 또는 RJ45 포트를 원하는 대로 구성이 가능하다. 두 제품 모두 제품 상태 진단을 위한 버튼이 달려 있어, 사용자가 꼭 네트워크를 통하여 스위치에 접속하지 않고도 제품의 상태를 확인하는 것이 가능하다.

피닉스컨택트에서는 무선 제품군 또한 제공하여 보다 더 유연한 네트워크 환경을 구축할 수 있다. 피닉스컨택트의 무선 제품군은 크게 WLAN과 블루투스를 이용한 제품으로 나눠진다. 블루투스 제품의 경우, WLAN보다 저비용으로 무선 망을 구축할 수 있으며, WLAN보다 적은 용량의 데이터를 전송할 때 사용하는 것이 유리한 제품이다. WLAN 제품의 경우는 현장에 직접 노출시켜서 사용할 수 있도록 IP65 등급의 메탈 하우징으로 설계가 되어 있으며, 제철소와 같이 환경 조건이 열악한 곳에 적용되어 사용 중에 있다. 또한 네트워크 카드 두개를 내장한 듀얼 AP기가 있으며, 이 제품을 이용하여 완벽한 이중화 무선 네트워크와 망을 구축할 수 있다.

마지막으로 산업현장과 멀리 떨어진 회사 사무실 또는 원격으로 현장에 있는 네트워크에 접속을 하여 유지 보수 및 관리를 하려면, 권한이 없는 다른 사용자가 접근하지 못하도록 소프트웨어적으로 방화벽을 구축하긴 하지만 이 부분은 하드웨어로 구축하는 것 보다 시스템 보안면에서 하드웨어적으로 중간에 방화벽과 같은 보안 장치를 설치하여 가상사설망(VPN)을 구축하는 것이 보다 더 효과적이다. 피닉스컨택트에서는 외장형과 PC 내장형 타입 두 종류의 보안 장치를 사용자에게 제공을 하여 보다 안전하고 완벽한 네트워크 시스템을 구축하도록 돕고 있다.

아이씨엔 매거진 2008년 09월호

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