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테크놀로지

IoT – 모바일 네트워크 사업자에게 다가온 막대한 기회

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연결은 모든 IoT 디바이스에서 가장 중요한 부분이다. IoT 디바이스에 연결 기능을 제공하는 유선 및 무선 옵션은 다양하다. 그 중에서도 셀룰러 기술은 적어도 연결 보장이 필요한 디바이스(예: 화재 센서)에 있어서는 실질적인 표준 선택안이 되는 데 필요한 모든 잠재력을 갖추고 있다. 이러한 연결 부문을 활용하려면 셀룰러 서비스 제공업체(MNO)가 몇 가지 문제를 해결해야 한다. 이 글에서는 MNO가 이를 사용하여 셀룰러 기술을 IoT 연결에 완벽한 솔루션으로 만들 수 있는 네트워크 내 서비스 제공 프레임워크의 몇 가지 개선 사항을 제안한다. 또한 제시된 개선안이 어떻게 MNO가 무선 네트워크를 더 뛰어난 방식으로 계획할 수 있도록 해주는지도 설명한다.

글.
라잔 스리바스타바(Rajan Srivastava), 컨버지 제품 리눅스 아키텍트 엔지니어, 프리스케일 반도체
매니시 굽타(Maneesh Gupta), 컨버지 제품 제품 소프트웨어 매니저, 프리스케일 반도체

 

도입

MNO는 네트워크 인프라에 투자하고 있지만 투자대비 ARPU(사용자당 평균 수익률)가 저조한 탓에 경영수지 개선의 압박에 시달리고 있다. IoT 디바이스의 수는 향후 4~6년 내에 수백억 개에 이르게 된다. 따라서 MNO가 IoT 시장을‘가입자 연결 구간(last mile)’솔루션으로 활용할 수 있게 된다면 박리다매를 통해 손쉽게 큰 수익을 얻게 될 것이다.

IoT 디바이스와 네트워크(인터넷 또는 인트라넷) 사이의 연결은 IoT의 핵심이다. 다른 모든 연결 기술과 마찬가지로, IoT 디바이스도 기반 연결 기술에서 일종의 QoS를 기대한다. 연결의 QoS 요건은 주로 IoT 디바이스의 유형에 따라 결정된다. 일부 IoT 사용 사례에서는 적절한 수준의 연결만 가능하면 문제가 없다. 예를 들어 냉장고 등의 가전기기와 사용자 사이의 연결을 보자. 둘 사이의 통신에 몇 초 정도 지연이 발생하더라도 냉장고는 이상 없이 작동한다. 이 문서에서는 이러한 유형의 IoT 디바이스(예: 냉장고)를 비응급 기기로 지칭한다. 응급 유형에 해당하는 IoT 사용 사례의 경우 연결 보장과 낮은 지연이 필요하다.

예를 들어 화재, 도난, 간병, 반사회적 행위, 홍수와 같은 자연 재해를 감지하기 위해 배치된 센서의 경우 통신이 100% 보장되어야 한다. 또한 그 외에도 정상적인 비즈니스 운영을 위해 연결 보장과 빠른 속도가 필요한 경우도 있다. 한 가지 흥미로운 예는 재고 관리다. 산소 실린더는 모든 병원에서 매우 중요한 자원이다. 실린더가 병원 네트워크에 ‘연결되어’있다면 응급 상황에서 창고 관리자가 모든 실린더를 조회하여 대형 병원 내부에서 실린더의 위치를 손쉽게 파악할 수 있다. 이 문서에서는 이러한 IoT 디바이스(예: 화재 센서, 산소 실린더)를 응급 기기로 지칭한다.

디바이스를 네트워크에 연결하는 데에는 수많은 옵션이 존재하며, 이 문서의 1부에서는 왜 셀룰러 기술이 IoT에 적합한 연결 옵션인지에 대해 집중적으로 논의한다. 2부에서는 MNO의 인프라에서 셀룰러 기술을 최적의 연결 솔루션으로 만들 수 있는 개선 영역이 어떤 부분인지 논의한다. 마지막으로 3부에서는 MNO가 이러한 IoT 사업 기회를 활용하지 않을 경우 어떤 위험에 직면하게 되는지 논의한다.

 

1부

1부에서는 응급 기기의 경우 왜 셀룰러 기술이 유일한 선택인지에 대해 논의한다. 유의미한 디바이스가 직접 또는 간접적으로 인터넷에 가장 많이 연결되는 디지털 홈의 경우를 살펴보자. 그림 1에 나온 디지털 홈의 경우 화재 및 도난 감지 센서가 있으며, 냉장고와 에어컨도 연결되어 있다. 그림 1에 나온 모든 가정용 디바이스는 다음중 한 가지 방법으로 인터넷에 연결할 수 있다.

•옵션 a: 각 디바이스를 다음 중 하나를 통해 IAD(인터넷 액세스 디바이스, 예: DSL 라우터)에 연결
① 유선 LAN(이더넷, HomePNA) 또는
② 무선 LAN(802.11a/b/g/n/ac, Bluetooth, ZigBee)
•옵션 b: 각 디바이스를 셀룰러 기술에 대한 직접 연결을 통해 인터넷에 연결(예: 기기에 직접 SIM 카드 기반의 MS를 삽입)
•옵션c: 응급 기기는 셀룰러 기술을 통해 연결하고 다른 디바이스는 IAD에 연결 이 문서에서는 옵션 b와 c를 집중적으로 검토한다.

그림 1. 옵션 a를 사용하는 디지털 홈을 보여준다.

옵션‘a’는 복잡하고 불완전한 솔루션이지만, 저렴한 가격 덕분에 IoT 기기를 인터넷에 연결하는 데 가장 널리 사용되는 방식이다. 이 방식이 복잡한 이유는 기기를 IAD에 연결하려면 고객이 IP 네트워킹의 기본 원리를 이해해야 하기 때문이다. 하지만 이 옵션의 가장 큰 문제는 인터넷에 대한 연결이 보장되지 않는다는 점이다. 즉, IAD에 장애가 발생하면 전체가 마비된다. 응급 상황에서 IAD와 ISP 사이의 인터넷 연결이 작동하지 않는다면 센서와 주택 소유자 사이의 통신이 불가능해진다.

옵션‘b’의 경우 모든 기기에 셀룰러 기술에 직접 연결할 수 있는 SIM 카드와 관련 회로가 있으며, 기기와 인터넷 사이의 연결이 보장된다. 옵션 b는 연결이 보장된다는 측면에서 옵션 a보다 훨씬 더 적합한 방식이다. 각각의 응급 기기마다 전용 SIM 카드 가입이 필요하다. MNO는 기기 SIM에 대해서도 동일한 유형의 요금제를 적용하므로 기기 SIM과 일반 SIM의 가입 형태를 구분하지 않는다. 높은 가입 비용에 기기의 수를 곱하게 되면 옵션‘b’의 경제성은 떨어지게 된다.

옵션‘c’는 응급 기기에 대해서는 SIM 기반의 연결을, 나머지 기기에 대해서는 LAN 기반의 연결을 적용함으로써 이러한 경제적 부담을 완화할 수 있다. 옵션 b와 c의 또 다른 중요한 문제는 SIM과 관련된 책임에 대한 우려이다.

ⓐ 악의적인 조직이 도난 SIM 카드를 악용할 경우 SIM 소유주가 법적 절차의 대상이 된다.
ⓑ 다른 사람이 도난된 SIM 카드를 사용하여 통신 서비스를 이용한다면 SIM 소유주가 금전적인 문제를 겪게 될 수 있다.

위와 같은 위험을 완화하려면 SIM 소유주는 SIM 카드를 분실한 사실을 알게 된 후 빠른 시간 안에 SIM 카드의 분실/도난을 경찰과 서비스 제공업체에 보고해야 한다. 이러한 책임 문제와 비용상의 이유로, 대부분의 사람들은 일반적으로 응급 기기에 대해서도 옵션 b와 c를 사용하지 않고 옵션 a를 사용하려는 경향이 있다.

이 문서가 권하는, MNO가 추구해야 할 기회가 바로 여기에 있다. 즉, 상기된 문제를 해결하고 응급 기기에 대해 소비자가 옵션 b와 c를 선택하도록 유도하는 것이다. 도난된 SIM 카드와 관련된 책임 문제가 해결된다면, 응급 기기 소비자는 셀룰러 이외의 다른 연결 기술을 선택할 이유가 없다. 동시에, 기기별 가입에 대한 반복 비용(높은 요금제로 인한)이 감소된다면 소비자는 모든 유형의 기기에 셀룰러 연결을 선호하게 될 것이다.

이 문서의 다음 부분에서는 MNO가 IoT 활용 사례에서 SIM 카드를 어떻게 실현 가능하게 만들 수 있는지 설명한다.

 

2부

앞서 설명한 것처럼, IoT 디바이스에서 SIM 카드 기반의 연결을 사용하는 데에는 몇 가지 단점이 있다. SIM 카드와 관련된 책임, SMS 전달 보장 불가, 높은 가입 요금으로 인한 높은 반복 비용 등이다. 2부에서는 이러한 문제를 상세히 논의하고 문제의 해결책을 제시한다.

SIM 카드와 관련된 책임

도난 SIM 카드는 소비자에게 금전적, 법적 문제를 일으킬 수 있다. MNO는 기기 SIM 카드와 관련된 책임을 완화(또는 제거)해야 한다. 기기 SIM 카드를 다른 서비스에 사용할 수 없다면(다른 기기에도 사용 불가), 도난 SIM 카드와 관련된 위험이 사라진다. 또한 기기 SIM 카드를 다른 목적이나 다른 기기에 사용할 수 없다면 아무도 SIM 카드를 훔치거나 악용하려고 시도하지 않을 것이다.

SIM 카드와 관련된 책임 완화

여기서 문제는 도난된 기기 SIM 카드를 다른 목적으로 사용할 수 없도록 하는 것이다. 물론 다른 기기에서도 사용할 수 없어야 한다. SIM 카드의 도난을 방지하는 한가지 좋은 방법은 해당 SIM 카드와 관련된 서비스를 매우 제한적으로, 원래 소비자에 한정되도록 맞춤 구성하는 것이다. 예를 들어, MNO는 다음과 같은 기능을 가진 SMS 서비스만을(음성 및 데이터 등 다른 서비스는 제외) 제공하는 SIM 카드를 개발할 수 있다.

•IoT 디바이스의 경우, MNO는 소비자에게 음성/데이터 통화에 사용되는 일반 SIM 카드 프로파일과 다른 ‘기기 SIM 카드’프로파일을 부여해야 한다. MNO는 또한 기기 SIM 카드의 가입 기간 동안 기기 SIM 카드에서 생성되는 SMSM 전달 대상의 전화번호를 기록해야 한다.
•위 SIM 카드는 SMS에만 사용할 수 있다. 이 SIM 카드를 사용하여 개시된 다른 서비스는 MNO 네트워크에서 수락되지 않아야 한다. 거의 모든 IoT 디바이스는 SMS 전용 서비스를 사용하여 작동 가능하다. 이는 도난 SIM 카드를 음성 및 데이터 서비스에 사용할 수 없으며, SMS 발송에만 사용할 수 있음을 의미한다. 하지만 SMS로도 일부 금전적, 법적문제가 일어날 수 있으며, 이러한 우려에 대한 해결책은 아래‘c’이다.
•기기의 번호에서 발송되는 모든 SMS는 MNO의 데이터베이스에 저장된 사전 등록(위 #a 참조) 대상 전화번호로만 전송되어야 한다. 이는 도난 SIM 카드를 소유한 사람이 SMS 전송을 시도하더라도 사전 등록된 대상 전화번호로만 SMS가 전송됨을 의미한다.

그림 2. 옵션 b를 사용하는 디지털 홈을 보여준다.

MNO가 관련 네트워크 노드의 소프트웨어를 보강하여 위에 설명한 것과 같은 SMS 서비스를 제공할 수 있다면, 소비자는 SIM 카드 악용의 우려 없이 IoT 디바이스에 SIM 카드 기반의 연결을 사용할 수 있을 것이다. 이러한 유형의 SIM 카드에는 주소록 및 애플리케이션용으로 대량의 SIM 카드상 메모리가 필요하지 않으므로 MNO는 기기 SIM 카드로 저가형 하드웨어를 선택할 수 있다.

기기에서 생성되는 SMS에 대한 QoS 요건

응급 기기에서 생성된 SMS의 전달은 다음 두 가지 기준을 따라야 한다. SMS 전달을 신뢰할 수 있어야 하고, 네트워크에서 SMS의 시간 내 전달을 보장해야 한다.

신뢰성 높은 SMS 전달

여기서 신뢰성이란 SMS가 최종 수신자에게 전달됨을 보장하는 것을 의미한다. 한 연구에 따르면 일반적인 상황에서 SMS의 5%가 전달 중에 소실된다. 새해 전야와 같은 기간에는 소실 비율이 훨씬 더 높아진다. 응급 기기의 경우 반드시 전달 성공률이 100%여야 하고, 이를 보장하려면 MNO가 인프라를 보강해야 한다. 이제 사람들이 IP 기반‘소셜 네트워킹’서비스를 더 많이 사용함에 따라 새해 전야와 같은 기간에도 심한 SMS 트래픽이 발생하지는 않는다. 그러한 상황이 되더라도 c에 제시된 해결책으로 신뢰성을 보장할 수 있다.

SMS의 시간 내 전달

SMS는 적절한 시간 내에 지정된 대상에게 전달되어야 한다. 신뢰성 보고서에 따르면 SMS의 90%가 5분 내에 전달된다. 이는 대부분의 응급 기기에서 용납할 수 없는 수준이다. 이는 최소한 응급 기기의 경우 MNO가 개선해야 할 또 다른 영역의 하나이다.

SMS의 분류: 우선 대 비우선

모바일 통신 사양에는 이미 SMS[8SMSsPecs]의 우선 순위별 처리에 대한 조항으로 우선 메시지와 비우선 메시지가 있다. 중요한 것은 SC(서비스 센터)가 응급 기기에서 발송한 SMS에‘우선’등급을 부여하는 것이다.

기존 표준에는 대상 MS가 부재 중일 경우 어떻게 전달을 시도할 것인가 하는 측면에서만 우선 순위가 지정되어 있다. 응급 기기에서 발송한 SMS를 우선 처리해야 하므로 응급 SMS의 전달이 응급이 아닌 SMS보다 빨라야 한다는 점이 중요하다. 우선 처리는 사업자 및 RAT를 포함하여 전체 네트워크의 몇몇 지점에서 수행되어야 한다.

•무선 리소스 할당: 응급 기기가 SMS 전송에 필요한 무선 리소스를 요청할 경우, 네트워크(예: MSC/NodeB/eNodeB)는 발송 MS의 SIM 등급을 확인해야 한다. 네트워크에서 발송 MS가 응급 기기임을 감지하면 해당 요청에 대한 무선 리소스 할당이 다른 요청보다 높은 우선 순위로 고려되어야 한다. 종단 MSC/NodeB/eNodeB에서도 동일한 종류의 우선 순위화된 리소스 할당이 바람직하다.
•중간 노드에서의 처리: SC, SMSC, HLR, VLR, 대상 MSC/NodeB/eNodeB는 우선 SMS를 다른 기능보다 높은 우선 순위로 처리해야 한다.

기기 SIM 서비스에 대한 요금 인하

기기 SIM으로 인해 발생하는 트래픽은 미미한 수준이므로 MNO는 최종 사용자가 감당할 수 있도록 해당 서비스에 대한 요금을 줄여야 한다. 또한 아래 3부에 설명하는 것과 같은 비용 절감 덕분에 MNO가 요금을 인하할 수 있게 된다.

 

3부

IoT 디바이스의 수는 기하급수적으로 증가하고 있다. MNO가 이 문서의 2부에 제시된 맞춤형 서비스를 제공하지 않더라도, 다수의 소비자는 IoT 디바이스에 SIM 카드 기반의 연결을 선택할 것이며, 특히 응급 기기의 경우 그러하다. 기기 SIM에서 비롯되는 이러한 가입은 어떤 결과, 즉 위험을 초래할까?

한 지역에서 매번‘M’개의 새로운 무선 가입이 발생할 때마다 MNO가 컴퓨터 노드, 무선 리소스, 지원/유지보수 인력 등의 추가 리소스를‘R’개 배치한다고 가정한다. 단순화를 위해 모든 M 가입자가‘R’리소스를 음성, SMS, 데이터에 사용하는 고정된 패턴을 가지고 있다고 가정한다. ‘M’개의 새로운 가입 대부분이 기기 SIM이라면 MNO가‘R’개의 리소스를 추가하고자 이행한 투자가 정당화될까? 답은 분명히‘그렇지 않다’이다. 기기 SIM은 음성 또는 데이터 서비스를 유발하지 않으며 SMS가 유일한 트래픽 유형이기 때문이다. SMS 생성량 또는 속도는 어떨 것인가?

ⓐ 응급 기기는 응급 상황이 발생했을 때만 SMS를 발송하며, 이는 최대한으로 봐도 일년에 두어 번 일어나거나 또는 일어나지 않을 수도 있다!
ⓑ 비응급 기기 또한 기기 유형에 따라 하루에 두어번 이상의 SMS를 발송/수신하지 않을 것이다.

이는 MNO가 기기 SIM에 대해 별도의 프로파일을 관리한다면 CAPEX(설비투자비용)를 추가하지 않고 가입을 늘릴 수 있음을 의미한다.

 

요약

IoT 디바이스의 배치 속도를 살펴보면 MNO에게 상당히 큰 사업 기회가 존재함을 분명히 알 수 있다. 책임, QoS, 경제성의 문제만 극복한다면 MNO가 IoT 비즈니스의 상당 부분을 획득할 수 있다. 네트워크 보강 기술(대부분 소프트웨어 업그레이드를 통해 적용)을 사용하여 MNO가 이 시장에 손쉽게 진출할 수 있음을 알아보았다. 또한 MNO가 IoT 분야의 이러한 요구에 대응하지 못한다면 불필요한 CAPEX 추가로 이어질 것이라는 점도 확인했다.

 

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스마트공장

훼스토 IO-Link 기술로 Industry 4.0 연결한다

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전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

IO-Link 기술이 적용된 Festo 자동화 기술

표준화된 IO-Link 기술은 센서 및 액추에이터의 심플하고 경제적인 연결을 지원한다. 3 ~ 5 개의 배선을 가진 이 저비용 연결 기술은 혁신적인 개발 결과로, 복잡한 배선없이 최소한의 자재로 점대점 연결을 실현한다.
IO-Link는 새로운 형태의 버스 시스템은 아니지만 필드 버스, 이더넷 시스템을 대체하기 위한 새로운 종류의 통신 인터페이스로 추가 개발되었다.

이 기능을 사용하면 제어 시스템에서 센서 또는 액추에이터의 파라미터 데이터를 다운로드 할 수 있을 뿐만 아니라 진단 데이터를 제어 시스템에 전송할 수도 있다. 기존에는 제일 하위 레벨을 필드버스 인터페이스 통합하기 위해서 매우 많은 비용이 들었지만 이제는 디지털 또는 아날로그 값과 모든 파라미터 및 진단 데이터를 케이블의 스크리닝, 트위스트, 임피던스 또는 종단 저항 추가와 같은 특별한 작업 없이도 심플한 3선 또는 5선 케이블로 전송할 수 있다.

O-Link: 컨트롤러, 밸브 터미널, 비례 제어 밸브 및 센서를 통해 Festo는 완벽한 범위의 IO-Link 자동화 기술을 제공한다.

O-Link: 컨트롤러, 밸브 터미널, 비례 제어 밸브 및 센서를 통해 Festo는 완벽한 범위의 IO-Link 자동화 기술을 제공한다.

필드버스와 IO-Link 슬레이브 간의 게이트웨이는 일반적으로 여러 IO-Link 마스터 채널이 있는 필드버스 디바이스 형태로 제공된다. 사이즈 때문에 필드버스가 필요하지 않은 소형 머신 또는 시스템에서는 PLC가 IO-Link 마스터 역할을 한다.

보안 강화

IO-Link는 아날로그, 바이너리 및 직렬 통신 장치에 대한 보안 연결을 제공한다. 자동차 BIW 제조 및 어셈블리 현장의 작업자 보호를 위한 안전 펜스, 중장비 건설 및 머신 툴에서, 매뉴얼 워크 스테이션, 어셈블리 셀, 입/출력 스테이션 등과 같은 복잡한 센서 기술 및 터미널이 적용된 곳에서 전형적인 IO-Link 어플리케이션을 찾아볼 수 있다.

미래 연결 컨셉을 지원하는 IO-Link는 표준화된 프로토콜이기 때문에 낮은 투자 리스크를 가진다. 그 결과 장비 다운타임이 줄어들고 생산성이 향상된다. 디바이스와 마스터 시스템 간의 진단 및 운영 데이터의 포괄적인 데이터 교환은 문제 해결을 가속화시키고 상태 모니터링 시스템의 기초를 형성한다.

업무 단순화를 통한 효율성 증가

IO-Link는 설치 및 배선을 위한 균일하고 표준화 된 효율적인 기술이다. IO-Link 디바이스는 간단하고 편리하게 파라미터화할 수 있으며, 엔지니어링 소프트웨어 툴없이 교체 직후에 바로 작동 상태로 되돌릴 수 있다.

IO-Link 마스터를 통해 지능형 센서 및 액추에이터의파라미터를 쉽게 설정하고 재할당 할 수 있다. IO-Link를 통한 복잡하지 않고 표준화된 센서-액추에이터 조합의 배선은 자재 비용을 절감하고, 물류의 단순화가 가능해지며 시간을 절약할 수 있게 된다. 이로 인해 설치를 훨씬 편리하게 할 수 있다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

전동 실린더 EPCO, 서보 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블이 있는 OMS(Optimised Motion Series) 패키지는 기존의 전기 위치 시스템보다 훨씬 저렴하다.

향상된 경쟁력

Festo라는 단일 공급원을 통해 다양한 마스터, 압력 및 유량 센서, 변위 엔코더/위치 센서, 5 개 밸브 터미널 시리즈, 비례 압력 제어 밸브, 스텝 모터 컨트롤러 및 연결 케이블과 같이 IO-Link를 위한 포괄적인 제품 제공이 가능하다. 또한 Festo는 공장 자동화 및 프로세스 오토메이션에 대한 풍부한 어플리케이션과 산업 종사자를 위한 기본 및 심화 교육을 제공한다.

IO-Link 마스터와 CECC/CPX-E 컨트롤러

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하며, 전기 및 공압 드라이브를 제어한다. 이 소형 컨트롤러는 지능형 센서 및 밸브 터미널의 설치 및 네트워크 비용을 줄여 줄뿐만 아니라, 제어 캐비닛 내부 및 외부의 유용한 진단 옵션을 제공한다.

Festo는 크고 복잡한 어플리케이션을 위한 모듈형 모션 컨트롤러인 CPX-E를 제공한다. I/O 모듈은 모듈 당 4 개의 IO-Link 마스터를 사용할 수 있다. CPX-E는 EtherCAT® 마스터가 장착되어 있으며 독립형 CoDeSys 컨트롤러로 사용하거나 PROFINET 또는 EtherNet/IP 네트워크로 서브 시스템 및 슬레이브를 통합할 수 있다.

CPX 터미널

리모트 I/O로 사용하거나 밸브 터미널 MPA 또는 VTSA와 함께 사용하면 IO-Link 디바이스에 하나 이상의 마스터 인터페이스를 통합 할 수 있다. 기능 통합 덕분에 공압 및 전기 드라이브를 제어하는 것이 CPX 터미널에서 매우 용이하다. PROFINET 또는 Sercos 지원 CPX 터미널은 2 채널 IO-Link의 I-Port 인터페이스를 갖추고 있다. 따라서 개별 IO-Link 타사 디바이스를 밸브 터미널의 근접한 곳에 바로 연결할 수 있다.

밸브 터미널

MPA-L, VTUG, VTUB, VTOC 또는 기존 CPV와 같은 밸브 터미널과 비교하여 경제적이며 효율적인 설치가 가능하다. 밸브 터미널용 멀티 핀 연결 케이블은 표준 M12 케이블과 IO-Link로 대체된다. 이렇게 하면 자재 비용이 절감되고 특히 유연하고 쉬운 설치, 특히 까다로운 작업 조건에 대한 적응과 같은 기술적 장점을 제공한다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

4 개의 IO-Link 마스터 포트가 있는 소형 컨트롤러 CECC를 사용하여 경쟁력 있고 일관된 분산 설치가 가능하다.

전기 자동화

구성 및 진단을 위한 통합 웹 서버가 있는 모터 컨트롤러 CMMO-ST도 IO-Link 인터페이스를 지원한다. CMMO-ST는 스텝 모터를 위한 폐 루프 서보 컨트롤러이며 Festo의 OMS (Optimized Motion Series)의 중요한 부분이다. OMS 시스템은 포지셔닝을 매우 쉽게 만든다. 전기 실린더 EPCO, 서보 기능이 있는 스텝 모터 EMMS-ST, 모터 컨트롤러 CMMO-ST 및 필요한 모든 케이블은 기존의 전기 위치 제어 시스템보다 훨씬 저렴하다.

EPCO가 있는 Festo의 OMS는 두 가지 방법으로 구성할 수 있다. 웹 구성 및 서버의 파라미터 클라우드를 사용하여 매우 간단하고 빠른 구성을 할 수 있다. 컨트롤러는 자체 IP 주소를 가지며 사전 정의 및 테스트 된 조합에 필요한 모든 데이터가 포함된 카탈로그가 제공된다. 즉, 사용자가 많은 시간을 절약 할 수 있다.

비례 압력 제어 밸브 VPPM

IO-Link에 연결된 비례 제어 밸브 VPPM은 차폐된 아날로그 케이블이 필요하지 않아 신호 레벨이 간섭을 받을 확률이 감소된다. 파라미터는 IO-Link 마스터에서 설정되고 데이터가 저장된다. 이는 실용적이며 부품을 교체한 후 바로 재시작 할 수 있다. IO-Link는 점대점 연결 덕분에 짧은 사이클 시간이 가능하다. 압력 제어, 테스트, 미터링, 프레스 및 피팅 어플리케이션은 주로 특수 기계, 식품 및 음료, 인쇄 및 종이, 자동차 및 전자 산업에서 적용된다.

위치 센서 SDAT

IO-Link의 균일한 인터페이스는 개별 센서 연결을 대체하므로 복잡한 센서를 쉽게 통합할 수 있다. 즉, 위치 센서 SDAT 및 파라미터화 가능한 압력 및 유량 센서를 통합하여 저렴한 비용으로 설치할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서 SDAT는 스크루 드라이빙, 리벳팅, 초음파 용접, 가압 및 클램핑을 위한 프로세스 모니터링에서부터 물체 감지에 이르기 까지 높은 반복 정밀도로 피스톤 위치를 감지한다. [제공. 훼스토]

더 자세한 내용보기 http://www.festo.com/cms/en-gb_gb/15646.htm

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칼럼

엣지 노드와 센서 설계의 더 높은 수준을 요구하는 디지털 트위닝

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포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

디지털 트윈 모델은 센서 설치와 관련하여 꽤 까다로운 요건들을 수반한다. 레거시 애플리케이션들은 특히 그렇다. 이에 따라 디지털 트윈 시스템 설계자는 최적의 솔루션을 구할 때까지 센서 성능과 대역폭 제한에 각별한 주의를 기울일 필요가 있다.

디지털 트윈(digital twins, DT) 모델이 제조를 비롯한 산업 분야로 빠르게 도입되고 있다. 사물인터넷(IoT)의 연결성과 저렴한 가격대의 센서를 사용할 수 있게 된 덕분이다. 하지만 디지털 트윈을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 요구된다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 이 글에서는 센서와 엣지 노드 아키텍처에 대한 개요를 비롯하여, 엣지 노드의 중요성과 엣지 노드 통신에 대해서 설명한다.

 

센서와 엣지 노드 아키텍처
디지털 트윈 아키텍처는 3가지 차원의 IoT 아키텍처와 매우 비슷하게 닮았다(그림 1):

• 엣지 노드 – 엣지 노드 상의 센서들은 기능 유닛(산업용 로봇, 항공기 엔진, 풍력 터빈 등)의 동작에 대한 실시간 정보를 수집하고, 이 정보를 유선 또는 근거리 무선 통신망(LAN)을 통해서 전송한다.
• 게이트웨이 노드 – 게이트웨이 노드는 다양한 프로토콜을 사용하는 여러 개의 엣지 노드와 통신하고 이 정보를 취합해서 광역 통신망(WAN)으로 전송한다.
• 엔터프라이즈 노드 – 엔터프라이즈 노드는 게이트웨이 데이터를 수신하고, 디지털 모델을 적용하고, 그 결과를 통신한다.

정확한 모델과 고품질 데이터를 활용한다면 DT 모델을 통해 결함을 예측하고 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 심지어는 가상이 아닌 실제 세계에서의 동작까지도 변경할 수 있다.

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다.

 

엣지 노드의 중요성
DT는 물리적 기계를 가상으로 모델링하기 위해 실제 세계로부터 지속적으로 수집한 고품질 데이터를 필요로 한다. 그렇지 않다면 실제 세계와 가상 세계의 차이가 점점 더 벌어져, DT를 적용한 계산이나 예측이 쓸모 없어질 것이다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다.

그림 1: 디지털 트윈(DT) 아키텍처는 IoT 아키텍처와 마찬가지로 엣지 노드 상의 센서, 게이트웨이 노드, 엔터프라이즈 노드로 이루어진다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

이러한 데이터 수집을 위해서는 엣지 노드가 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 또한 물리적인 프로세스까지 변경할 수 있는 DT 모델이라면 액추에이터도 엣지 노드에 포함된다.

센서 측정은 두 가지 범주로 구분할 수 있다:
• 동작 측정(기계 또는 장비의 물리적 동작): 장력, 속도, 유량, 변위, 토크, 동작 온도, 진동 등
• 환경 데이터(물리적 동작에 영향을 미침): 주변 온도, 기압, 습도 등

엣지 노드에는 다양한 형태의 센서들이 사용될 수 있다. 온도 센서, 압력 센서, 로드 셀, 가속도계 같은 다양한 센서들이 실제 세계의 특성을 측정하고 수치적 정보를 제공한다. 센서 퓨전 시스템은 여러 센서 측정 결과를 조합해서 단일 센서로는 할 수 없는 통찰을 제공할 수 있다. 카메라와 마이크로폰은 복잡하고 구조화되지 않은 정보를 사용해서 비디오 및 오디오 스트림을 발생시키므로 이를 해석하려면 별도의 프로세싱이 필요하다.

 

기존 장비를 개조할 때의 어려움

 

DT 설계는 실제 설치물을 위한 모델 역할을 하는 디지털 설계에서 시작한다. 따라서 실시간 데이터를 제공하는 센서들이 이 모델에 포함되어 최종 버전까지 계속해서 기능을 수행할 수도 있다. DT는 석유 및 가스, 핵 에너지, 항공우주, 자동차 같은 하이테크 애플리케이션에 주로 사용된다. 여기에 사용되는 기계들은 가상 모델이 도입되기 훨씬 전에 설치되었을 수 있다. 그러므로 디지털 트윈이 가능하도록 엣지 노드를 업그레이드하기에는 많은 어려움이 따른다.

기존 산업 분야에 DT를 도입하기 위해서 DT에 대한 현실 세계 버전을 완전히 처음부터 설계하는 경우는 거의 없다. 수 년 또는 수십 년 동안 잘 작동해온 기존 설비를 가지고 어떻게든 해보아야 한다. 다시 말해서 기존 시스템을 DT가 가능하도록 개조해야 하는 것이다. 디지털 트윈 시스템을 아무리 잘 설계한다 하더라도, 기존 장비의 성능을 모니터링하기 위한 센서가 부족하거나 아예 설치되어 있지 않다면 통합 과정은 엄청나게 복잡해질 것이다. 이러한 기술을 수용할 수 있도록 전혀 설계되지 않은 기계에 수십 혹은 수백 개의 센서들을 설치해야 하기 때문이다.

이미 센서들이 설치되어 있는 경우라도, 센서의 정확도가 디지털 모델에 유용한 데이터를 제공하기에 미흡할 수 있다. 예컨대 온도 센서가 설치되어 있기는 하지만 과열 결함만 감지할 수 있을 뿐, 결함을 조기에 예측하는데 필요한 온도 스트레스 패턴까지는 식별하지 못할 수 있다.

통신 네트워크의 용량 또한 문제가 될 수 있다. 기존에 설치된 IoT는 다양한 유선 및 무선 표준을 사용해서 엣지 노드를 해당 게이트웨이로 연결한다. 이러한 통신 기술에는 다음과 같은 표준 기술들이 포함된다:
• 지그비 – 저전력 메시 애플리케이션용
• 서브 1GHz – 저전력 및 장거리용
• 와이파이 – 고속의 직접 인터넷 연결
• 블루투스 – 가장 낮은 전력
• 기타

설계자는 각 표준들이 디지털 트윈 데이터로 인해서 가중되는 부담을 처리할 수 있는지 면밀히 검토해야 한다.

 

수십 배 증가해야 하는 센서 수

 

디지털 트윈은 많은 산업 분야에서 아직은 초기 단계에 있지만, 많은 제품들이 첫번째 시제품을 세상에 선보이기 위해 가상 세계에서 설계, 테스트, 검증 과정을 거치고 있다. 이러한 제품들 역시 특수한 실시간 센서들에 의해 엄청난 양의 데이터가 수집되고 있다. 항공기 엔진과 포뮬러 1 경주용 차는 대표적인 두 가지 사례이다.

항공기 엔진
항공기 엔진은 이미 고도로 계장화 되어 있다. 전통적인 터보팬 엔진(그림 2)은 압력, 온도, 유속, 진동, 속도를 측정하기 위한 센서들을 포함한다. 또한 각 범주별로 여러 특수 센서들이 사용되어 보다 세분화된 기능들을 담당한다. 압력 측정을 예로 들면 터빈 압력, 오일 압력, 오일 또는 연료-필터 차동 압력, 스톨 감지(stall detect) 압력, 엔진 제어 압력, 베어링실 압력 등을 측정하기 위해 각각의 센서들을 사용할 수 있다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다.

그림 2: 항공기 터보팬 같은 엣지 노드는 이미 수백 개의 센서들을 포함한다. 여기에 DT를 도입하려면 센서 수가 지금보다 수십 배 늘어나야 한다. (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT는 기존의 모니터링 애플리케이션보다 훨씬 더 많은 데이터를 필요로 하기 때문에 그만큼 훨씬 더 많은 수의 센서들을 필요로 한다. 오늘날 사용되는 대부분의 항공기 엔진은 약 250개의 센서를 포함하지만, 요즘 나오고 있는 차세대 DT 가능 제품은 5천 개 이상의 센서를 포함한다. 연료 유량, 연료 및 오일 압력, 고도, 대기 속도, 전기 부하, 외부 공기 온도 등을 모니터링하는 센서들로부터 추가적인 데이터가 제공된다. 롤스로이스(Rolls-Royce), GE, 프랫 앤 휘트니(Pratt & Whitney) 같은 회사들은 이미 DT를 사용해서 신뢰성과 효율을 끌어올리고, 제조 비용은 낮추고 있다.

포뮬러 1 경주

그림 3: 포뮬러 1 경주 (이미지. 마우저 일렉트로닉스)

 

DT 기술은 치열한 경쟁이 펼쳐지는 포뮬러 1 경주에서 운전자와 자동차의 성능을 향상시키는 데에도 사용될 수 있다. 맥클라렌-혼다(McLaren-Honda) 팀은 200개 이상의 센서를 사용해서 엔진, 기어박스, 브레이크, 타이어, 서스펜션, 공기역학에 관한 실시간 데이터를 전송한다. 경기가 진행되는 동안, 이 센서들은 영국 워킹(Woking)에 있는 맥클라렌 기술 센터(McLaren Technology Centre)로 100GB에 이르는 데이터를 전송한다. 분석가들은 이 데이터를 분석하고 DT를 적용해서 운전자에게 최적의 경주 전략을 전달한다. 가상의 세계에서 DT가 실제 자동차와 동일한 도로 조건, 날씨, 온도로 동일한 경기를 펼친다.

 

DT 엣지 노드 아키텍처의 미래

 

DT 모델의 잠재력을 최대한 실현하기 위해서는 기존의 엣지 노드 아키텍처에서 다음과 같은 몇 가지 과제들을 해결해야 한다:

스마트 센서와 엣지 노드 프로세싱
센서들이 점점 더 많은 데이터를 수집함에 따라서, 디지털 모델로 데이터를 어떻게 사용할지, 또 데이터를 어디에서 처리해야 할지(노드, 게이트웨이, 클라우드 등) 결정해야 한다. 노드에서 처리하면 네트워크 대역폭은 줄일 수 있으나 정보를 잃을 우려가 있고, 그러면 DT 성능이 떨어질 수 있다.

이 결정에는 사용하는 센서가 어떤 유형인지가 영향을 미친다. 많은 센서들은 예컨대 압력을 나타내는 디지털 전송처럼, 사용하기 편리한 구조화된 포맷으로 정보를 전송한다. 하지만 마이크로폰이나 이미지 센서 같은 것들은 구조화되지 않은 대량의 원시 데이터를 발생하므로 대대적인 프로세싱을 하지 않으면 쓸모가 없다.

향상된 통신 인터페이스
엣지 노드 프로세싱을 늘린다 하더라도, 어마어마하게 늘어나는 데이터 양 때문에 시스템 설계자는 어떻게든 네트워크 대역폭을 늘려야 할 것이다. 예를 들어 항공기 엔진은 엔진 한 대마다 초당 5GB의 데이터를 발생하며, 상업용으로 사용되는 트윈 엔진 항공기는 하루에 최대 844TB의 데이터를 발생한다.
전통적인 산업들은 또 다른 복잡함을 안고 있는 엄청난 양의 데이터를 발생한다. 전통적인 산업용 IoT 애플리케이션에 이용되는 많은 원격지 엣지 노드들은 저전력 소비 특성을 최적화하기 위해 배터리 전원과 저성능 무선 프로토콜을 사용한다. 따라서 이러한 기존 설계에 DT를 사용하려면 통신 병목지점이 어디인지부터 파악할 필요가 있다.

견고한 엣지 노드 보안
기존에 설치된 IoT 네트워크는 엣지 노드 디바이스에서 보안성이 문제가 될 수 있다. 이에 따라 암호화, 보안 하드웨어, 애플리케이션 키, 장치 인증서 같은 보안 조치들이 점점 더 일반화되고 있다. DT 프로그램의 도입이 늘어날수록 이러한 보안 기술들의 중요성은 더욱 강조될 것이다. 특히 인터넷 프로토콜(IP) 연결이 가능한 노드들은 해커들의 공격 대상이 되기 쉽다.

 

맺음말

 

디지털 트윈 프로그램을 구현하려면 신호 체인의 모든 측면에서 더 높은 성능이 필요하다. 디지털 트윈을 적용하고자 하는 해당 장비 또는 그 가까이에 설치되는 엣지 노드의 경우는 특히 더 하다. 엣지 노드는 디지털 트윈을 구현하는 데 있어서 핵심적인 역할을 한다. 실제 세계로부터 동작과 환경에 관한 데이터를 수집하는 센서와, 이렇게 센서들이 수집한 정보를 상위 레벨로 전송하는 통신 링크들이 엣지 노드에 포함되어 있기 때문이다. 현재 디지털 트윈은 주로 항공기와 자동차 같은 분야에 사용되고 있다. 이들 분야에는 이미 많은 수의 센서들이 사용되고 있는데, 여기에서 디지털 트윈이 가능하도록 기존 장비를 개조하려면 지금보다 수십 배 더 많은 센서들을 설치해야 한다. 그 밖에도 엣지 노드 프로세싱, 통신 프로세싱, 엣지 노드 보안 같은 것들을 향상시켜야 한다.

 

글_ 폴 피커링(Paul Pickering) / 마우저 일렉트로닉스

 

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