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산업 자동화와 IT기술의 융합 – 자동화 및 구조적 관계 구축(1)

Profinet및 Profibus표준규격 관리단체인 PNO는 최근 Profinet 공장 자동화 및 공정 네트워크를 높은 수준의 기업 IT에 통합하는 것에 관한 유익한 지침서를 발간하였다. 이 보고서는 IT 부서들의 Profinet과 그 운영상의 이해에 초점을 맞추고 있는 동시에, 일반적으로 자동화와 IT 네트워크 간의 구조적 관계에 대한 훌륭한 입문서 역할을 하고 있다.

대부분의 기업들에게, 자동화 시스템을 별도의 독립된 시스템으로 운영하던 시대는 오래 전 일이 되었다. 오랫동안, 컨트롤러 및 제어 PC와 같은 자동화 컴포넌트들은 중앙제어식 컴퓨터 및 서버들과 통신하는 방식으로 운영되어 오고 있다.

IT구역에서와 마찬가지로, 이러한 집중화된 컴퓨터들은 일반적으로 집중화된 네트워크 영역에 위치해 있다. 따라서 IT 인력에 의해서 관리되는 네트워크를 통해 접근 가능해야 한다. 자동화 탄력성의 향상으로, 이러한 통신 방식이 지속적으로 증가하고 있으며 이제는 전체 자동화에서 없어서는 안될 부분이 되어가고 있다. 이에 자동화 영역의 강화된 통합은 기업 성공에 점점 중요한 기준이 되어 가고 있다.

자동화에서의 IT융합 방향

그림 1. Ethernet은 필드 레벨에 있는 장치들을 연결하기 위한 더욱 보편적 방법이 되어 가고 있다. 하지만, 자동화 장치들에 연결된 많은 수의 Ethernet으로 인해, 네트워크 체계를 다시 고려해야 할 필요가 있다.

Profinet은 네트워크의 모든 레벨을 포괄하며, 그 범위는 물리적 인프라에서부터 Ethernet 네트워크 액세스 레이어와 TCP/IP 레이어, 그리고 애플리케이션 레이어에까지 이른다. IT 영역과 자동화 영역에서 사용되는 전통방식의 네트워크 기술의 구조 및 토폴로지는 자동화 시스템의 기계 레벨 영역에서만 다를 뿐, 네트워크의 상위 레벨은 본질적으로 동일하다. 결과적으로, Profinet은 기존 네트워크 환경에 쉽게 통합될 수 있다.

I/O 장치, 밸브, 드라이브와 같은 점점 더 많은 자동화 시스템 컴포넌트들이 필드 장치 레벨에 이르기까지 Ethernet을 통해 제어 컴포넌트들에 연결된다. 점점 그 수가 늘어가는 Ethernet 연결 자동화 장치들로 인해 네트워크 구성을 다시 고려해볼 필요가 있다. 따라서, 종종 fieldbus 시스템을 사용해서 명령하곤 했던 라인 구조(line structure)들은 스위칭 구조(switching structure)로 대체되고 있다.(IT 영역에서와 동일)

라인 구조들은 기계 레벨에서만 유지되고 있으며, 현재 직렬형 스위칭 컴포넌트들을 사용해서 실행되고 있다. 하나의 광범위한 영역을 나타내는, 대규모 플랫 네트워크(flat network)는 논리 서브네트로 세분화된 네트워크 체계로 대체되고 있다. 이 점에서, 많은 기업들은 여러 개의 노드를 가진 대규모 네트워크를 효과적으로 실행하는 데 IT 경험을 이용함으로써 IT와 자동화 간의 시너지 효과에서 오는 편익을 누리고 있다.

IT영역과 자동화 영역의 경우 네트워크 상위 레벨을 위해 사용되는 Ethernet 체계는 유사하지만, 자동화 시스템은 기계 레벨에서 구체적 네트워크 구성을 필요로 한다. 이 때문에, 많은 기업들은 자동화 영역을 IT로 포괄적으로 통합하는 것을 선호한다. 대규모 네트워크 영역들을 함께 설정, 사용, 운영할 수 있으며, 그에 따라 전체 네트워크에 대한 최고의 투자 수익률을 확보할 수 있다.

자동화 장치들을 다양한 환경에 설치하는 것 이외에, 실시간 응답과 같은 다양한 통신 요건들이 고려되어야 한다.

어드레스 설정 및 서브 네팅(sub netting)

사무 영역의 일반적 어드레스 체계는 자동화에 조건적으로 적용될 수 있을 뿐이다. 각 층에 상대적으로 적은 수의 연결 단말 장치를 가진 사무 영역은 전용 클라이언트 서버 통신을 사용하기 때문에 정적 어드레스를 필요로 하지 않으며, DHCP를 통해 할당된 동적 어드레스를 사용한다. 이와 반대로, 자동화 영역은 서버 영역의 어드레스 배정과 같이 더 많은 어드레싱을 사용한다. 이들 영역들에서 정적 어드레스를 사용하는 것은 관행이거나 때로는 의무적인 것이다. 하지만, Profinet 장치들은 메모리 스틱, 상위 노드 또는 시스템 구동 시에는 서버를 통해서 구성을 이끌어낼 수도 있다.

자동화 설비는 DHCP 용량을 가진 지능형 노드 뿐만 아니라, 로컬 메커니즘을 통해서만 구성되거나 DCP(탐색 및 구성 프로토콜)를 통해 Profinet 셀 내에서 구성되는 매우 간단한 많은 컴포넌트들(메모리 스틱, 매뉴얼 구성) 및 이름과 IP 주소와 같은 장치 파라미터를 판독하고 설정하기 위한 Profinet 서비스로 구성된다. 이러한 컴포넌트들의 설치 및 구성을 최대한 단순화 시키기 위해서, 예를 들어 설치/구성 인력이 특별한 훈련 없이도 컴포넌트를 교체할 수 있을 정도로 단순화 시키기 위해서, 많은 경우에 있어서 장치들이 사전 설치되어 있거나 시스템 구성이 100% 복사된다.

일부 경우에는, 설비의 서로 다른 부분들이 같은 어드레스 범위를 부여 받으며, 같은 컴포넌트들이 같은 IP 어드레스를 부여 받기도 한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 어드레스 범위들은 전체 네트워크에 통합되어야 한다. 중간 네트워크 어드레스 변환(Network Address Translation, NAT)과 같은 적절한 조치들은 전체 네트워크 내에 있는 서브시스템의 통신을 보장할 수 있다.

네트워크 분할

자동화 영역 내에 많은 노드가 있다는 것은 전체 네트워크에 개조된 서브넷 체계가 필요하다는 것을 의미한다. 자동화 영역의 크기에 따라서, 통합되는 추가 자동화 서브넷의 수는 사무 영역의 수를 몇 배 이상 초과할 수 있다. 적은 수의 논리 서브넷을 가진 플랫 어드레스와 서브넷 체계는 예외적인 경우에만 사용되어야 하므로, 자동화 서브넷의 수는 축소될 수 없거나 조건부로 축소될 수 있다. 사무 영역에서와 마찬가지로, 자동화를 위해서는 최대 254개의 노드들을 가진 서브넷이 반드시 필요하다.

자동화 영역들이 전체 네트워크에 통합될 때, 전체 네트워크의 어드레스와 서브넷 체계를 반드시 점검해야 하며, 필요 시 개조해야 한다. 통합될 서브넷의 수 이외에, 보안 컨셉도 어드레스 체계 계획 시에 결정적 역할을 한다. 이 경우에, 다양한 방법들이 비교 검토되어야 하며, 이러한 것들은 어떠한 IP 서비스 (DHCP, DNS, 그리고 때로는 NAT)가 사용될 수 있는지에 영향을 미친다. 가능한 방법들에는 다음과 같은 것이 포함된다.

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* 공인 또는 사설 자동화 어드레스 범위 사용

* 사무 영역과 자동화 영역을 다양한 어드레스 영역으로 분할

* 조직적 또는 지리적 측면에 따라 서브넷 구성

사무 영역에서 점점 두드러지는 IPv6로의 변화 추세는 자동화 영역에서는 나타나지 않는다: 즉, 많은 장치들은 한정된 메모리와 프로세스 용량 때문에 복잡한 IPv6 헤더들을 처리할 수 없다. 전체 네트워크로의 통합에 있어서, 이것은 제약이 되지 않는 데, 그 이유는 적절한 프록시 컴포넌트들을 사용하여 몇 년 또는 심지어 몇 십 년에 걸쳐서 IPv4에서 IPv6로 이전하는 것은 IT영역 전반에 걸쳐서 예상될 수 있는 것이기 때문이다.

상식 및 조건

지금까지, 네트워크 요소의 가장 큰 시장 점유율은 주로 사무 영역을 위해서 개발되어왔다. 다음과 같은 조건들이 이상적이다; 종종 스위치와 같은 단 하나의 네트워크 요소가 독자적인 배선함이나 캐비닛에 배치되기도 한다. 하지만, 이러한 이상적 조건들은 기계와의 근접성이 증가하고 이러한 유형의 보호 영역으로부터의 거리가 증가할수록 사라지게 되는 것은 당연하다. 특히, 산업 환경에서는 다음과 같은 상태가 존재하는 것으로 전제되어야 한다.

* 많은 양의 고체 및 액체 상태 이물질과 먼지

* 진동과 충격 같은 높은 기계적 부하

* – 40℃에서 + 70℃에 이르는 고온 또는 저온

* 매우 제한적인 조립 공간

* 95% 이상의 높은 습도

* 높은 전자기적 부하

자동화 영역에서 통신 노드의 증가하는 네트워킹은 데이터 연결장치와 링크의 수를 증가시킨다. 스위치와 같은 네트워크 요소들을 중앙에 배치하기 위해서는, 매우 긴 케이블이 필요하며, 이로 인해서 배선 작업이 상당히 증가하게 된다. 따라서, 기계에 가까이 설치되어 운영될 수 있는 네트워크 요소들(주로 스위치)이 필요하다. 이러한 컴포넌트들에 대한 더욱 엄격한 요건들 때문에 기계 레벨에서 표준형 사무용 스위치를 사용하는 것이 불가능하다. 특별한 환경은 LAN 컴포넌트들이 ‘환경상의 어려움’ 으로부터 보호되어야 하는지를 결정하며, 만약 그럴 필요가 있을 경우에는 어떤 컴포넌트들이 보호되어야 하는지를 결정한다.

표준 사무용 스위치 사용으로 인해 제기된 추가적 어려움은 이러한 스위치들을 기계 내부 또는 기계 위에 설치할 필요가 있다. 여기서, 공간을 많이 차지하는 19” 테크놀로지는 사용될 수 없다. 대신에, 현장에 있는 설치 인프라를 활용할 수 있는 공간절약형 기술이 선택되어야 한다. 결과적으로, 통상적으로 10 포트 이하로 DIN 레일 부착에 적합한 소형 스위치들이 사용된다. 일반적으로, 230 V AC 전력공급장치보다는 24V DC 전력공급장치가 기계 레벨, 즉 자동화 셀에서 사용된다. 이러한 유형의 전력공급장치를 사용하기 위해서는 특수 스위치가 필요하다.

사무 영역과는 달리, 다른 네트워크 노드만을 연결하는 컴포넌트를 사용해서는 스위칭 기능이 확보되지 못한다. 오히려, 라인 토폴로지로 인해, ‘순수’ 스위치뿐만 아니라 하나의 입력 포트와 하나의 출력 포트로 구성된 스위칭 기능을 가지는 자동화 장치들이 배선에 통합된다는 것이 전제되어야 한다. 이것은 VoIP 전화의 스위칭 기능에 상응하는 것이다.

결과적으로 기계에 가까운 개조된 컴포넌트들이 제공되지만, ‘산업 환경은 열악하다’ 라는 말이 모든 산업 영역에 타당하다고 여겨져서는 안 된다. 실제로, 생산 공장(예를 들면, 칩 제조업체)에서도 사무실 같은 환경들이 종종 확인되곤 한다. 따라서, 거친 환경 조건 하에 작업이 진행된다는 이유로 사무용 컴포넌트들을 산업 환경에서 사용하는 것을 무조건 거부하는 것은 적절치 않다. 대신에, 각 설치 장소를 고려한 구체적인 조건들이 사전에 확인되어야 한다. 적용가능하다면, 새로운 환경조건을 만들기 위해서, 냉방 밀봉 캐비닛에 설치하는 것과 같은 간단한 조치들이 취해질 수도 있으며, 따라서 매우 높은 누수방지 기밀도를 가지는 IP67 클래스 스위치와 같은 값비싼 특수 스위치를 사용할 필요가 없을 수도 있다.

IEEE 802.3에 따라 표준화된 인터페이스를 완전히 준수한다는 것은, 산업용 스위치가 아무런 문제 없이 기존 사무용 스위치에 연결될 수 있다는 것을 의미한다. 하지만, 산업용 스위치에 사용되는 커넥터 및 설치 장소에 따라서 특정 플러그를 사용할 필요가 있을 수도 있다. 예를 들어, 자동화 영역에서는 M12 커넥터가 사용되는 반면, 이러한 커넥터는 사무 영역에서는 전혀 사용되지 않는다.

기계 레벨의 네트워크 요소들은 까다로운 조건에 맞게 적합화되어야 한다. 이러한 점에서, Profinet 환경을 위한 제품들은 최적화되어 있으며, 더욱 견고한 설계와 단순화된 설치 방법을 보유하고 있는 것을 특징으로 한다. 앞서 많이 설명되었던 산업용 Ethernet 스위치의 다기능성 – 즉, 이러한 스위치가 제어 장치를 위한 I/O 장치로써 기능하는 것과 더불어 데이터 패킷을 전송하기 위한 장치로써 사용되는 것 – 은 이러한 환경에서는 표준 사무용 스위치가 거의 사용될 수 없다는 것을 의미한다. 하지만, 산업용 Ethernet은 산업 네트워크에서의 사무용 제품 사용이 완전히 배제되어야 한다는 것을 의미하지는 않는다. 어떠한 경우에도, 이 스위치들은 환경적 조건을 고려하여, 기계에 인접해있지 않는 영역에서도 사용될 수 있다.

설치 요건

기계 레벨의 특정 환경적 조건들로 인해서, 능동적 요소와 수동적 요소 모두에 맞게 개조된 컴포넌트들을 사용해야 한다. 중개 케이블링을 위한 케이블링 컴포넌트들은 유럽 전역에 걸쳐 적용되는 EN 50173규격이 제공된다. 하지만, 이것은 산업 시설에 있는 요소들의 전기적 특성을 상세히 규정하는 것에 주로 초점을 맞추고 있다. 필드 레벨에서 TO (Telecomm Outlet) 아래로는 ‘Ethernet 적합’ 네트워크 요소들을 사용해야 한다는 요건 때문에, 이러한 특성들에 대한 명확한 규격이 존재하며, 해당 규격은 IEC 61784 5 3에서 Profinet에 대해 명시되어 있다. 또한, 구리선을 사용해서 Profinet 장치를 Fast Ethernet과 연결할 경우, Class D를 준수해야 한다. 이것은 사무 영역의 최신 기술에 완전히 부합한다. 또한, 전기적 특성의 성능 품질을 보장하기 위해서는, 추가 컴포넌트 특성들이 필요하며, 이러한 특성들은 일부 경우에 사무 컴포넌트들의 특성들에서 상당히 벗어나 있는 것이다. 그 예들로는 다음과 같은 것들이 포함된다:

* 설치 케이블들은 기름 등과 같은 화학물질 침투를 견뎌낼 수 있어야 한다.

* 케이블 및 플러그 연결은 사무 환경에서보다 산업 환경에서 더욱 엄격한 요건들의 적용을 받는다 (휨, 충격, 진동이 잦기 때문에)

* 플러그가 캐비닛(전기 캐비닛 또는 IT 캐비닛) 외부에서 조립될 때, 이러한 플러그는 액체가 플러그 안으로 들어오지 못하도록 보호되어야 하며, 전기적 또는 광학적 특성들이 보장되어야 한다.

기계의 수동적 네트워크 요소 설계 (즉, TO 밑으로 설치되도록 설계)가 설치 상태에 최적화되기 위해서는, 현장에서 조립될 수 있는 간단한 연결방법이 필요하며, 특히 기계 상에 직접 케이블링을 하는 경우에 그러하다. IEC 61784 5 3에 정의되어 있는 Profinet 채널은 하나의 실행 장치(스위치 또는 필드 장치)에서 다른 장치로 전송되는 전체 전송 경로로 구성되어 있다.

통상적으로, 사무 환경의 네트워크 요소들이 설비 레벨에서 사용되는 경우에는, 개별 선택이 이루어져야 한다.

Profinet 케이블링의 경우에는 이러한 사전 선택은 이미 이루어져 있다. 기본적으로, 구리 케이블 (꼬임 쌍선)과 광섬유 케이블이 전송 매체로서 사용될 수 있다. 구리 케이블과 비교할 때, 광섬유 케이블은 더 높은 전송 범위를 가지며, 전자기 간섭에 대해 저항력을 가지는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고, 산업용 Ethernet의 경우에도, 일반적으로 네트워크 장치의 인터페이스로 꼬임 쌍선이 더 선호된다. 꼬임 쌍선 케이블을 사용하는 경우에만, PoE(Power over Ethernet)기술이나 자동 데이터 속도 적응 (자동조절)과 같은 기술을 사용할 수 있다.

광섬유를 사용하면, 중간 분배기들이 플로어 분배기와 연결되는 경우 여러 가지 장점들이 있다. 이 경우에, 더 먼 거리에 대해서 더 적은 수의 케이블이 사용될 수도 있지만, 꼬임 쌍선의 100m 길이 제약으로 인해서 계획수립과정이 매우 복잡해질 수도 있다. 사무 환경과는 달리, 플라스틱 또는 HCS(하드 클래드 실리카, Hard Clad silica) 섬유는 자동화 환경에서 중요한 역할을 하며, 특히 기계 레벨에서 그러하다. POF(폴리머 광섬유) 또는 HCS 광섬유는 유리 섬유 또는 구리선 기술과 비교할 때 제한적 범위를 가지지만, 단순화된 설치방법과 EMC 둔감성을 그 특징으로 한다.

사무 영역 컴포넌트들에 대한 IEEE 표준이 존재하지 않기 때문에, 이러한 기술들은 사무 영역 컴포넌트들의 제품 포트폴리오에는 포함되어 있지 않다. 다른 한편으로는, 이러한 기술들은 Profinet의 중요한 활용 가능한 옵션이기도 하다.

수동적 요소의 경우에도, 사무 영역과 비교할 때 존재하는 추가적 차이점 – 조립의 간편함 – 은 매우 중요하다. 사무 영역에서는, 전체 영역을 포괄하는 체계화된 케이블 작업은 단 한번만 이루어진다. 케이블은 보호 처리된 케이블선에 영구적으로 설치되며, 설치 후에 손상에 노출되는 것은 과실에 의한 것이다. 이러한 특정 조건들은 자동화 영역에서는 거의 존재하지 않는다.

케이블 작업은 명확하게 정해진 영구적 연결장치에 의한 사전 케이블 작업으로써 수행되는 것이 아니다. 오히려, 케이블 작업은 기계 및 시스템 설치과정의 일부로써 수행된다. 특히, 공장에서 조립된 코드들은 이 시스템들을 위해서 사용될 수 없다. 현장에서 손쉽게 조립할 수 있는 RJ45 플러그와 연결 기술들이 필요한 경우가 종종 있다.

제품과 관련된 단기적 변화 이외에, 재료의 높은 기계적 부하가 있을 수도 있다. 개조된 컴포넌트들을 사용한다고 하더라고 개별 연결장치의 고장발생 가능성을 제거하지는 못한다. 많은 경우에, 이러한 선들은 매우 급하게 수리되거나 교체된다. 이 때문에, 수동적 컴포넌트 및 능동적 컴포넌트들에 있어서 간단한 조립 기술 활용 가능성은 매우 중요하다.

구리선의 표준화된 전기적 요건과 유리 섬유의 광학적 요건에도 불구하고, 특히 부정적 영향을 미칠 수 있는 환경적 조건 때문에 최적화된 콘센트(outlet)가 필요할 수도 있다.

산업 케이블을 위한 표준들은 일반적으로 사무 영역에서 사용되는 플러그 유형으로 된 종래의 기술 외에 더욱 견고한 변형기술들을 제공한다. 종종, 이 케이블들은 사무용 제품들(예, M12)과 호환되지 않거나 제한적으로만 (예, IP67 RJ45) 호환된다. 공통의 사무용 제품들이 기계 레벨에서 사용되는 경우에는, 이러한 점을 고려해야 한다. 기계 가까이에서 사용되는 재료들의 구체적 특성들은 광범위한 제품에서 다양한 제조사들에 의해서 확보된다.

[참고: 프로피버스&프로피넷협회, www.profinet.com]

아이씨엔 매거진 2010년 03월호

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