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자동화 부문 모바일 애플리케이션을 위한 산업용 WLAN 솔루션

무선 네트워크가 점점 더 대중화되고 있다. 이는 플랜트의 설치와 운용 상의 비용을 절감시키는 동시에, 고도의 유연성을 허용해 준다.

글: Mark Freeman
Siemens Automation & Drives, Product Manager

실시간 및 결정적 통신은 산업용 애플리케이션 세계에서 높은 중요성을 지닌다. 많은 솔루션들이 고속화된, 주기적 절차를 기반으로 하고 있다. 또한 물류 내지 운송 등과 같은 영역에서는, 100ms 미만의 응답시간에 대한 수요가 나타나고 있다. 이러한 요인들은 네트워크 인터페이스 간의 데이터 교환의 신뢰성과 속도에 영향을 끼치며, 이는 엄격히 한정된 수준의 응답시간에 부합되어야 한다.

오피스 세계와 IT-분야의 고전적인 기술은 이러한 요구들을 사전에 충족하지 못하며, 그 중 많은 경우에서, 이들은 개조 내지 적용과정 없이는 구현될 수 없다. Wireless LAN을 사용한 데이터 전송의 경우도 마찬가지다. 산업용 WLAN은 모바일 WLAN의 ‘데이터 예약’ 및 ‘전달 메커니즘’ 특성을 사용함으로써 그 요건들을 충족하고 있다.

무선 네트워크의 활용

무선 네트워크가 점점 더 대중화되고 있다. 이는 플랜트의 설치와 운용 상의 비용을 절감시키는 동시에, 고도의 유연성을 허용해 준다. 따라서 이들 무선 네트워크는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용되고 있다.

– 제조 및 공정 자동화
– 식품•음료
– 물류/자동창고
– 운송(철도/도로)
– 크레인 및 트랙 관련 애플리케이션

통신 네트워크와의 무선 연결이 없다면, 이동 장비가 딸린 수많은 애플리케이션들은 실행이 불가능하거나, 실행되더라도 그 효율성이 크게 미치지 못한다. 손상되거나 파손될 우려가 있는 드래그 체인(Drag Chain)과 슬립 링(Slip Rings)은 이제는 더 이상 필요하지 않다. 데이터 통신에 연결된 이동 차량들은 수정이 곤란한 고정 트랙에 더 이상 제약을 받지 않는다.

무선 네트워크에서, 데이터 생산 및 서비스는 사내 어디서든 실질적인 사용이 가능하다. 이는 요청 및 수정이 동시에 이루어질 수 있다. 커미셔닝 중에 엔지니어는 플랜트 전체에 영향을 미치는 작동을 현장에서 직접 관찰할 수 있다.

신뢰성

산업용 애플리케이션에서 운용상의 신뢰성은 특히 중요하다. 이는 실시간 지원(전송 시간 보장) 및 결정적(Deterministic) 특성(예측 가능한 데이터 전송)에 대해 메커니즘을 제공하는 극히 신뢰성 있는 제품 사용을 요구한다. 즉 PLC와 같은 장치들은 자신의 데이터를 위기 상황에서도 신뢰성 있게 전송할 수 있다. IEEE 802.11에서 제시한 무선 표준(Wi-Fi 검인이 관련된 것)은 단지 제한된 옵션만을 제공한다.

IEEE 802.11 표준의 방법론은 산업용 애플리케이션의 최적화를 위한 훌륭한 기초로 선택될 수 있다. 이것은 산업용 무선 랜의 산업용 사양(I-features)들로 달성될 수 있으며, 이들 특질들은 IEEE 802.11의 확장을 대표하며, 완전한 호환이 가능하다. 즉 IEEE 802.11을 준수하고 있는(또한 가령 Wi-Fi 검인을 필한) 장치는 산업용 무선 랜 무선 셀(Radio Cell)에서 사용될 수 있다.

신뢰성 있는 제품 사용과는 별도로, 운용 신뢰성 또한 무선 링크를 최적으로 기획 및 설치함으로 달성할 수 있다. 무선 네트워크의 현장 강도를 측정 보고함으로써, 고객은 심각한 장애에서도 안심하고 작업을 할 수 있다. 대형 금속 컨테이너를 운반하는 이동형 지게차가 무선 링크를 변경시키는 반사 및 음영을 야기할 때에 대비해서도 적절한 예산이 확보되어야 한다.

견고한 구조

‘신뢰성’과는 별도로, 견고한 구조는 산업부문 고객들의 최대 요구사항이다. 이러한 사항은 방진 및 방수 효과가 요구되는 외장에 반영된다. 그 결과, 장치들은 별도의 배전반 (스위칭 캐비닛)없이 중앙에서 설정되기에, 최대의 유연성을 발휘할 수 있다. 그러나 설치 유연성은 더 한층 중요한 측면을 지니고 있다.

경우에 따라 가장 간단한 설치 지점이(가령 배전반과 같은 위치) 무선 통신 분야에는 때로 이상적인 위치가 아닐 수도 있다. 이를 간략히 설명하자면, 배전반 기능들은 패러데이 상자(Faraday Cage) 내지 라디오 파장 차단 기능을 선호한다. 배전반 덮개 위에 원거리 안테나를 설치하는 것이 가능하기는 해도, 안테나와 장치를 연결하는 동축 케이블의 소중한 출력 전력을 약화시킨다는 것을 명심해야 한다.

무선 전송의 관점에서 이상적인 위치가 선택될 수 있고, 또한 제품과 함께 공급되는 안테나를 사용할 수 있기 때문에, 동축 케이블이 별도의 안테나를 필요로 하지 않을 경우에는 해당되지 않는다.

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데이터 보안

보안의 등급에 관한 문제는 흔히 회사의 보안 정책에 따라 좌우된다. 이 경우, 무선 링크 상의 데이터 전송이 지향성 안테나를 사용하여 추적•탐지될 수 있기 때문에, 전송 데이터의 암호화가 중요하다. 그러나, 단순히 데이터를 암호화한다고 충분한 것은 아니다. 임의의 데이터 전송이 이루어지기 전에, 올바른 파트너가 통신에 참여하고 있는지 확인할 필요가 있다. ‘사용자가 누구인가?’의 문제는 적절한 권한부여 프로토콜로 취급된다. 이러한 물음이 명확해짐과 동시에, ‘나에게 허용된 것은 무엇인가?’(권한부여)의 질문이 결정될 수 있다.

어떠한 형태의 보안조치가 취해지던, 사용되는 제품이 표준화되어 있을 뿐 아니라, 소유권 설정된 절차를 포함하지 않는 것이 중요하다. 보안 솔루션의 지명도가 높을수록, 해커들은 더욱 빠르게 루프 상의 가능한 맹점들을 발견해낼 것이다. 개방형 표준은 투자를 보호하고 (서로 다른 제조사들 간의 상호운용성), 고도의 데이터 보안을 가능케 한다.

다른 제조사들(가령 Cisco’s LEAP 프로토콜)과는 대조적으로, 산업용 무선 랜은 IEEE의 표준 및 WECA(가령, PA)의 규격에서 정확하게 정의된 메커니즘만을 사용한다.

산업용 무선 랜(Industrial Wireless LAN)

산업용 무선 랜은 IEEE 802.11 표준에 따라서 데이터 통신뿐만 아니라 산업부문 고객들에게 특별히 유용한 광범위한 확장성(산업용 사양)을 제공한다.

I-Features(Industry Features)

무선 통신이 생산 및 제조분야 산업에서 사용된다면, 무선 채널의 신뢰성은 가장 중요한 이슈가 될 것이다. 소비자 환경에 비하면, 기계 다운타임이 고비용을 수반한다. 운용 신뢰성을 향상시키기 위해, 산업용 무선 랜(Industrial Wireless LAN) 제품들은 부가 기능을 제공할 수 있다.

안테나 다양성 – 2개의 안테나에 의한 운용
무선 통신이 플랜트의 생산 부문에서 사용된다면, 다양한 안테나들이 사용되어야 한다. 이러한 기술을 사용하면, 반사 및 다중경로 수신 등으로 전파에 방해를 줄 수 있는 ‘어려운’ 환경에서 상당히 신뢰성 있는 무선 링크를 달성하는 일이 가능하다.

하나의 무선 카드에 대해 두 개의 안테나를 사용할 수 있기 때문에, 다양한 안테나를 사용할 때 인식을 용이하게 한다. 이로써, 수신자는 두 가지 상이한 안테나들의 정보를 평가하고, 수신 중에 보다 적극적으로 안테나를 선택할 수 있다. 전송 시에 다양성 기능은 일정한 횟수의 시도가 실패한 연후에는 자동적으로 다른 안테나를 선택한다.

무선 채널(Wireless Channel) 모니터링
IEEE 802.11 표준에서, 무선 링크의 품질을 모니터링 하는 일이 필요하다. 이 요소는 신뢰성에 막대한 영향을 미친다. 모바일 장치가 기계의 진단 내지 모니터링에 사용될 경우(비교적 느린 공정에서), 이 장치가 여전히 작업 수행이 가능한 지 여부를 관리수준에서 인지하는 것이 중요하다.

만일 가령, 그림 1에 제시된 바와 같이 Internet Pad MOBIC은 무선 접촉을 잃어버리면, 관리 수준의 제어장치는 이에 대해 정보를 공급하고 공정 제어를 수행할 수 있다. 이 상태는 무선 채널의 감도가 저하되어 신호가 불량하거나, 혹은 클라이언트가 셀로부터 단순히 벗어나서(그림 1에서 이는 지점 B임) 더 이상 원격 접촉을 하지 않을 때 발생한다. 그러면 이 액세스 포인트는 네트워크 관리 시스템 또는 Email로 SNMP를 전송한다. 또한 클라이언트의 상태를 주기적으로 추적하기 위해 컨트롤러에서 소프트웨어 블록이 사용된다. 산업용 무선랜에서, 이들 2가지 방법은 무선 채널의 모니터링 실행을 가능하게 하는 데 유용하다.

링크 점검
링크 점검이 실행될 때 어떠한 통신도 연결되지 않는다면, 프레임들은 선택된 시간 주기에 따라 노드에 전송되어 무선 네트워크에서 통신이 실행되고 있는지를 점검한다. 이 방법은 약간의 성능 감소가 있지만, 고도의 운용 신뢰성을 제공한다.

IP-Alive
IP-alive는 자동화 엔지니어링 환경에서 특히 보편적인 주기적 통신 연결들을 모니터링 한다. 선택된 IP 연결 상황에서, 모니터링 기능은 패킷들이 주기적으로 지정된 시간에 실제로 교환되는지를 점검한다. 패킷들이 소실되면, 링크 점검 메커니즘(에러 LED, 로그 파일, E-mail, SNMP trap)과 같은 다양한 방법으로 에러가 보고된다. 사용자는 상황에 적절한 보고 방법을 구성할 수 있다.

결정론적(deterministic), Real-Time
IEEE 802.11에 따라 실행되는 무선 랜은 사무실 및 가정 환경의 수 많은 애플리케이션을 대표하는 것으로 사용될 수 있는 강력한 무선 연결을 제공한다. 불행히도 이 표준은 실시간 및 결정론적 요건을 지닌 애플리케이션을 지원하지는 않는다. IEEE 802.11 표준에 따른 무선 랜은 모든 스테이션들이 공용 매체로의 액세스를 공유해야 하는 ‘공유 매체’이다. 액세스가 제어되는 동안, 이는 완벽히 예측 가능하지 않다.

아이씨엔 매거진 2006년 10월호

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