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산업용 통신망의 성능 평가(1)

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산업용 통신망의 성능평가를 위한 기초지식 및 응용사례
글_ 김동성(dskim@kumoh.ac.kr), 금오공과대학교 전자공학부
산업용 통신망 규약은 다양한 산업현장의 요구를 반영하여 개발되었으며 적용 환경 영역에 따라 상대적인 장단점, 그리고 서로 다른 성능을 가지게 된다(그림 1 참조). 자동화 공장, 원자력 및 화력 발전소, 대형 선박 및 기차, 우주 항공 기기, 군사 기기 등의 내 외부 통신망을 구축할 경우에 이러한 산업용 통신망 규약들 중에 어떤 것들을 적용할 것인지를 사용자는 결정해야 한다. 올바른 선택을 하기 위해서는 각 통신망 규약을 사용자의 입장에서 평가하여 목적에 알맞은 통신망을 선택해야 한다.
본 기고에서는 “산업용 통신망의 성능 평가”란 제목으로 매회에 걸쳐 산업용 통신망의 성능평가를 위한 기초 지식 및 응용 사례들을 소개하고자 한다. 이를 통해 산업용 통신망 규약 및 그 성능을 평가하는 방법을 제시하고 대표적인 결과들을 소개한다. 미약하나마 본 기고가 산업용 통신망 기반의 시스템 성능을 평가하는 것에 있어서 기초적인 참고 자료가 되었으면 한다.
다양한 산업용 통신망
일반적으로 컴퓨터 통신망은 여러 계층으로 이루어지는데 상관된 계층 또는 이들 계층 모두를 합쳐 성능 평가를 하는 경우도 있고, 특정 계층에 대한 성능을 평가하는 경우도 있다. 일반적으로 산업용 통신망에서 관심의 대상이 되는 것은 그림 2와 같은 형태의 비행기, 원자력 발전소의 통신망 시스템 등의 범주에 속하는 분산제어시스템(DCS: Distributed Control System)에 많이 사용되는 통신망들이다.
특히 실시간이 요구되어지는 산업용 환경에서는 3 계층 만을 사용하므로 일반적인 통신망의 네트워크 및 트랜스포트 층의 영향에 해당되는 라우팅 지연 및 혼잡 알고리즘 등이 고려되지 않는다. 대부분의 통신망 전공자들이 산업용 제어망 및 필드버스를 접할 때 발생하는 혼동은 바로 여기에 있을 수 있다. 특히 산업 현장에서 사용되는 대부분의 주기 및 알람 데이터는 4 byte 이하의 소량 데이터이며 신뢰성이 및 경성 실시간성이 더욱 중시됨을 알아야 한다.
전 세계적으로 사용되는 산업용 통신망은 그림 2와 같이 다양하게 사용되어짐을 알 수 있다. 그 중에서 많이 사용되는 몇가지들을 나열하면 다음과 같다.
□ 공장자동화용 필드 네트워크: 필드버스(Fieldbus) 규약들
CAN (Controller Area Network), FIP (Field Instrumentation Protocol), Profibus (Process Fieldbus), ISO/IEC 필드버스 규약, 디바이스넷, LonWorks, 파운데이션 필드버스, 인터버스, SERCOS, CC-link, BITBUS 등
□ 다양한 영역의 산업용 통신망 기술: 선박용 통신망(MiTs), 기차용 통신망(TCN) 등
□ TCP/IP 기반의 산업용 이더넷 망(예. Profinet, EtherNet/IP(Industrial Protocol) 등)
□ 무선랜 또는 저속 근거리 통신망 기반의 유무선 혼합현 제어 네트워크(R-Fieldbus 등)
위의 산업용 통신망 규약들은 작으면 2계층에서 많으면 7계층의 내부적 계층 구조를 가지고 있다. 대부분의 실시간 제어 및 필드 네트워크는 내부 처리 시간을 줄이기 위해서 3계층 구조 만을 많이 사용한다. 그래서 각 계층은 개별적으로 성능 평가의 대상이 될 수 있다.
그 중에서 주로 성능 평가의 대상이 되는 것은 응용 계층과 데이터 링크 계층이다. 성능 평가의 대상이 되는 계층과 대표적인 규약은 다음과 같다.
□ 응용 계층
– 국제생산메세지규약 MMS(Manufacturing Message Specifications), MMS의 부가 표준안으로 분류될 수 있는 필드 버스 응용계층(프로피버스와 파운데이션 필드버스의 FMS, FIP의 응용 메시지 표준), 또 다른 MMS 부가표준인 발전소용 ICCP/TASE.2, 디바이스넷 계열의 CIP(Comom Information Protocol) 등
□ 데이터 링크 계층 – MAC(Medium Access Control)
– IEEE802.3 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 규약
– IEEE 802.4 토큰 버스(token bus) 규약
– IEEE 802.5 토큰 링(token ring) 규약
– CAN 규약
산업용 통신망 평가를 위한 성능 지표
동일한 산업용 통신망 규약의 성능을 평가하더라도 목표하는 성능 지표에 따라 방법 및 그 결과가 달라지게 된다. 성능 평가와 관련된 연구들을 성능 지표와 관련해서 분류하면 다음과 같이 나열할 수 있다.
□ 성능 지표
– 처리율(throughput) 평가
– 메시지 실시간 전송에서의 지연시간 평가
– 우선순위 기능의 평가
– 비연결형(connectionless) 전송과 연결형(connection-oriented) 전송의 평가 및 비교
– 산업용 통신망 관리(network management) 규약 평가
– 실제 시스템에의 산업용 통신망 규약 적용 결과 평가
– 산업용 통신망에서 발생하는 각종 문제 분석 및 해결 방법 제시
각 산업용 통신망 규약의 성능을 평가하고 비교하는 것이 전부는 아니다. 각 산업용 통신망 규약은 많은 매개 변수를 필요로 한다. 특히 시간과 관련된 매개 변수가 많다. 이러한 매개 변수들은 산업용 통신망의 성능에 지대한 영향을 미친다.
여기서 주목할 점은 매개 변수의 값을 결정하는 것은 통신망 구성자 및 사용자의 몫이다. 보통 통신망 구성자는 이러한 매개 변수의 값을 별 기준 없이 정하게 된다. 그러나 산업용 통신망을 보다 효율적으로 사용하기 위해서는 각 매개 변수가 산업용 통신망의 성능에 미치는 영향에 대해 파악할 수 있어야 하며 필요한 성능을 만족시키기 위해 매개 변수의 값을 정하는 방법도 가지고 있어야 한다. 다음과 같은 규약에서 매개 변수의 값을 알맞게 정하는 일은 매우 중요하다.
□ 데이터 링크 계층 – LLC
– IEEE 802.2 LLC(Logical Link Control) 규약의 매개 변수
□ 데이터 링크 계층 – MAC
– IEEE 802.4 토큰 버스(token bus) 규약의 매개 변수
– IEEE 802.5 토큰 링(token ring) 규약의 매개 변수
– FDDI(Fiber Distributed Data Interface) 규약의 매개 변수
대상이 되는 산업용 통신망 규약들은 일반적으로 매우 복잡하다. 따라서 가장 일반적인 경우를 가정하여 성능 평가를 하는 것은 대단히 어렵고 복잡한 작업이 된다. 따라서 여러 가지 가정을 사용하여 규약을 단순화하여 성능 평가를 하게 된다.
산업용 통신망의 성능 평가에서 많이 사용되는 가정들 중 하나가 버퍼의 수와 관련된 가정이다. 특히 위에서 나열한 IEEE 802.4 토큰 버스, IEEE 802.5 토큰 링, FDDI 등의 MAC 규약과 관련하여 버퍼의 수와 관련된 가정이 많이 사용된다. 산업용 통신망에 관련된 각 노드들이 가지는 버퍼는 일반적으로는 제한된 특정 수이다. 그런데 이렇게 되면 성능 평가가 어려워지므로 버퍼가 하나 만이라고 가정하거나 아니면 버퍼가 무한하여 프레임(frame)이 거절(reject)되는 현상이 발생하지 않는다고 가정하는 경우가 많다. 성능 평가와 관련하여 버퍼의 수에 대한 가정으로는 다음과 같은 것들이 있다.
□ 버퍼의 수에 대한 가정
– 하나의 버퍼(single buffer)
– 무한한 수의 버퍼(infinite buffers)
– 제한된 수의 버퍼(finite buffers)
하나의 버퍼 또는 무한한 수의 버퍼를 가진다는 가정은 성능 해석을 보다 단순하게 하기 위한 것이다. 앞에서 말한 대로 버퍼의 수가 무한하다고 가정하는 것은 비어 있는 버퍼가 없어서 프레임이 거절되는 현상이 없다고 가정하는 것이 된다. 이러한 가정은 물론 실제 상황과는 다르므로 때에 따라서는 위의 가정을 사용한 성능 해석 결과가 실제와 많이 다를 수 있으나 일반적으로 데이터 전송량이 아주 많지 않은 경우에는 프레임이 거절되는 현상이 많이 발생하지 않기 때문에 결과가 실제와 비슷하게 된다.
위에서 나열된 IEEE 802.4 토큰 버스, IEEE 802.5 토큰 링, FDDI 등과 같이 토큰 전달 방식의 MAC 규약의 성능 해석 시 많이 사용되는 또 하나의 가정은 프레임의 전송과 관련한 것이다. 위와 같은 MAC 규약이 사용되면 통신망에 연결된 노드들은 자신이 전송할 수 있는 한계 시간을 가지게 되며 따라서 전송할 프레임이 많은 경우에는 다 전송하지 못한 채 전송 권한을 다른 노드로 넘겨주어야 하는 경우가 발생한다. 이러한 것을 비완전소비 서비스(nonexhaustive service)라고 한다. 이렇게 되면 역시 성능 평가가 어려워진다. 따라서 전송할 프레임을 모두 전송한 후 전송 권한을 넘겨주는 완전소비 서비스(exhaustive service) 가정이 많이 사용된다. 또한 한 번 전송 권한을 가진 후에는 일정한 수의 프레임만을 전송하게 되는 게이트 서비스(gated service) 가정도 많이 사용된다.
□ 프레임 전송 방법 – 토큰 전달 방식의 MAC
– 완전소비 서비스(exhaustive service)
– 게이트 서비스(gated service)
– 비완전소비 서비스(nonexhaustive service)
성능 평가와 관련된 연구에서 산업용 통신망은 그 통신망에 연결된 각 노드들의 특성과 관련하여 다음과 같이 나뉘게 된다. 위에서 설명한 버퍼의 수나 전송 방법도 노드들의 특성에 포함된다. 그 통신망에 연결된 각 노드들의 특성이 동일하다고 가정하면 그 통신망은 대칭형(symmetric)이 된다. 각 노드들의 특성이 다르면 그 통신망은 비대칭형(asymmetric)이다. 비대칭형 통신망이 일반적인 경우이나 성능 평가가 매우 어려워지므로 실제로는 비대칭형이라고 해도 노드들이 두세 가지로 분류되고 부분적으로(partially) 대칭형인 통신망이 사용되는 경우가 많다.
□ 산업용 통신망의 형태
– 대칭형 통신망
– 부분대칭형 통신망
– 비대칭형 통신망
산업용 통신망 규약은 일반적으로 우선순위(priority) 기능을 가지고 있다. 전송할 메시지를 긴급성에 따라 분류하기 위한 것이다. 우선순위는 적게는 2가지, 많게는 8가지까지 가지고 있는 산업용 통신망 규약도 있다. 우선순위의 수가 많을수록 성능 평가는 복잡해지게 된다. 따라서 성능 평가의 연구 중에는 각 메시지에 우선순위가 존재하지 않는다고 가정하는 것들도 있다. 일반적으로 3가지의 우선 순위(높음, 중간, 낮음)로 전송형태를 분류하는 경우가 많다.
□ 우선순위 기능 유무
– 우선순위 기능 없음
– 우선순위 기능 있음
산업용 통신망의 모델링 방법 및 성능 평가 방법
산업용 통신망 규약에 대한 성능 평가는 위와 같은 여러 가지 조건들을 조합하여 이루어지게 된다. 산업용 통신망 규약의 성능을 평가하는 방법도 분류할 수 있는데 가장 대표적인 것은 모의 실험(simulation)을 통한 방법과 수학적 해석(mathematical analysis)을 통한 방법이다. 또한 산업용 통신망도 하나의 시스템이므로 대기 모형(queueing model)이나 페트리 네트(Petri-net)와 같은 특정 모델링 기법을 이용하여 모델링할 수 있다. 이러한 모델링은 특히 산업용 통신망을 이용하는 자동화 공정 시스템과 같은 대규모 분산 제어 시스템을 다룰 때 많이 사용된다.
산업용 통신망 시스템을 모델링하는데 많이 사용되는 모델 중 하나는 그림 4와 같은 페트리 네트이다. 대기 모형이 전체 통신망을 단순하게 모델링하는데 주로 사용되고 있는데 반하여 페트리 네트는 통신망에 연결되어 있는 노드의 내부 동작을 보다 상세하게 모델링하는데 사용된다.
대기(queueing) 이론이나 페트리 네트(Petri-net)와 같은 기존의 이산 현상 시스템(discrete event system) 이론을 사용하여 통신망 시스템을 모델링하고 성능을 해석할 수도 있다.
그림 5와 같은 모의 실험을 통한 방법은 컴퓨터를 이용한 모의 실험을 통하여 통신망 규약의 성능을 평가하는 방법이다. 수학적 해석이 들어가지 않기 때문에 정확성을 보장하기 어렵다는 단점이 있으나 여러 가지 가정을 사용하지 않고 가장 일반적인 경우에 대해 성능 평가를 할 수 있다는 장점을 가지게 된다. 수학적 해석에 의한 방법은 성능 지표를 수학적인 식으로 유도하여 나타내는 방법이다. 식으로 표현되기 때문에 정확하다는 장점을 가지게 된다. 그러나 해석 과정이 매우 복잡하므로 일반적인 경우에 대해서는 하기가 어렵고 여러 가지 가정을 사용해야만 가능하다는 단점을 가지게 된다
– OPnet modeler 또는 매트 랩, 셈툴을 이용한 모의 실험(simulation) 방법
– 수학적 해석(mathematical analysis)에 의한 방법
참고문헌
1) 산업용 필드버스 통신망(권욱현, 김형석, 김동성 / 성안당, 2004)
2) MMS의 이해와 응용(권욱현, 김동성 / 오옴사, 2007)
3) Willig, A, Matheus, K. and Wolisz, A. “Wireless technology in industrial network” Proceedings of the IEEE, Vol. 93, Issue 6, 2005.
아이씨엔 매거진 2008년 05월호

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힐셔, 산업용사물인터넷 지원 netIOT 활용방안 제시

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힐셔 netIOT

산업용 통신 솔루션 선두업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 11월 2일(금), 인터컨티넨탈 서울 코엑스에서 기자 간담회를 개최하여 힐셔의 혁신적인 netIOT 전략 및 netIOT 인터페이스의 다양한 솔루션을 활용한 IoT 기술 활성화 방안에 대해 소개하는 자리를 가졌다.

힐셔 netIOT

netIOT

힐셔 프로덕트 매니저인 크리스토프 훙어(Christof Hunger)는 “IoT 시장이 성장함에 따라 설비 제조업체들은 필드 디바이스의 정보를 기반으로 예방적 유지보수, 상태 모니터링과 같은 새로운 클라우드 기반의 부가가치 서비스를 구현하고자 한다”며 “힐셔는 디바이스 제조업체들이 힐셔의 netIOT 인터페이스 솔루션을 이용해서 산업용 이더넷, 트랜스페어런트 이더넷(Transparent Ethernet)과 함께 OPC UA 서버 및 MQTT 클라이언트 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 더욱 집중하였고, 힐셔 솔루션을 통해 고객들이 스마트 팩토리를 구축하는데 도움이 되길 바란다.” 라고 말했다.

인더스트리 4.0과 IIoT는 4차 산업혁명으로 센서에서 클라우드까지 지속적인 통신을 요구한다. 힐셔는 이를 산업용 클라우드 통신이라 칭하고 고객들이 Industry 4.0, 스마트팩토리 및 IoT를 구현하도록 돕기 위해서 힐셔 netIOT 제품군이라는 솔루션을 구축하고, 지속적으로 프로모션을 진행하고 있다. netIOT는 netIOT 서비스(Service), netIOT 엣지(Edge), netIOT 인터페이스(Interface)와 같이 총 3개의 영역으로 구분된다. 특히 netIOT 인터페이스는 IoT 기능을 갖는 netX기반의 통신제품으로 netIC IOT와 같은 모듈형 제품을 생산 및 공급하고 있다.

힐셔 넷프록시

netPROXY

 

netIC IOT는 필드 디바이스용 지능형 멀티 프로토콜 모듈로 하나의 하드웨어만으로 모든 Real-Time Ethernet 슬레이브 프로토콜을 지원한다. OEM 고객들은 엔지니어링 툴을 이용하여 고객 어플리케이션 소프트웨어에서 한번만 개발하면 되는 고객 디바이스용 프로토콜 독립형 객체 모델을 생성한다. 네트워크 프로토콜 변경은 툴 내에서 ‘Build Process’를 통해 전적으로 진행되기 때문에 어플리케이션에 필요한 네트워크 별 조정이 없으며 OEM은 정확히 하나의 하드웨어와 소프트웨어 설계로 진정한 멀티 프로토콜 디바이스를 구현할 수 있다.

힐셔코리아 원일민 지사장은 “스마트 팩토리의 구축에 있어 가장 중요한 포인트는 IT영역과 OT영역의 연결에 있다”고 언급하며, “힐셔는 netIOT를 통해 시스템 설치시 발생할 수 있는 리스크를 최소화시킬 수 있게 하고자 한다. 기존OT영역의 사용자들이 IT영역으로 데이터를 전송하거나 클라우드에 연결함에 있어서 사용자의 실수나 의도치 않은 수고를 덜어줄 수 있는 제품과 서비스를 지원하고 있어 시스템 설계나 설치시 발생할 수 있는 오류나 리스크를 최소화 시켜준다”고 덧붙혔다.

힐셔 netIOT 제품에 대한 자세한 설명은 홈페이지 https://www.hilscher.com/products/product-groups/industrial-internet-industry-40/ 에서 확인할 수 있다.

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[포토] PTC, 3D CAD에 증강현실 접목해 디지털 트윈 현실화

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'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

(사진. PTC 코리아)


PTC코리아가 10월 18일 개최한 ‘2018 코리아 CAD 서밋’에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다. PTC의 3D CAD 소프트웨어 크레오(Creo®) 5.0은 디지털 트윈 솔루션을 현실화한 세계 최초이자 유일한 기술로 제품의 면면에 증강현실을 적용하여 물리적 세계와 디지털 세계를 연결한다. (사진. PTC 코리아)

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2016 스마트테크쇼, 6월 8~10일 코엑스서 개최

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인공지능 시대를 전망하고 사람을 위한 스마트 기술을 소개하는 ‘2016 스마트테크쇼(Smart Tech Show 2016)’가 6월 8일부터 10일까지 코엑스에서 개최된다. 

본 행사는 ‘Smart Tech for Human’라는 슬로건 아래, ▲드론/로봇 ▲가상/증강현실 ▲에듀테크 ▲스마트 모빌리티 ▲리테일테크 ▲3D프린팅 등 주요 이슈를 선정하여 국내 대표 스마트 기술 컨퍼런스 및 전시회를 개최하며, 관련 산업 간의 시너지를 창출할 수 있는 비즈니스의 장을 마련한다. KT, LG전자, ADT 시큐리티, 프로차일드, 한국과학기술원, 경북대학교 산학협력단 등 각 분야별 주요 기업·기관 125개사 400부스 규모로 이루어질 예정이다. 

유통과 IT산업의 융합을 위한 자리로 스마트 기기 체험과 첨단 리테일 솔루션을 접목한 리테일&테크 특별관이 구성되어 IT/유통산업 관계자를 대상으로 앞으로의 IT 리테일샵이 나아갈 방향을 제시한다. 더불어 한국마이크로소프트와 SGA임베디드 주최로 ‘스마트 리테일에 최적화된 MS IoT 솔루션 세미나’를 개최하여 리테일에 스마트한 혁신을 가져올 솔루션을 소개하는 자리를 마련한다. 

◇인공지능 시대, 일자리 전망 콘퍼런스 개최 

본 전시회와 더불어 ‘인공지능 시대의 일자리 창출과 직업능력 개발’을 주제로 분야별 전문가를 초빙하는 전문 콘퍼런스가 6월 8일과 9일 이틀간 열린다. 

첫째 날은 IBM 김연주 상무와 국내 대표 뇌공학자인 카이스트 정재승 교수의 기조강연과 핀란드 미래학자 마르쿠 윌레니우스(Markku wilenius) 교수의 특별강연을 시작으로 스마트기술의 산업과 일자리에 대해 블록체인OS 박창기 대표와 한국직업능력개발원 김영생 박사의 강연이 이어질 예정이다. 

둘째 날은 ‘새로운 일자리 창출 엔진으로서의 VR 그리고 교육훈련 플랫폼으로서의 가능성’에 대한 한국VR산업협회 현대원 회장의 발표와 ‘에듀테크가 가져올 교육의 혁명적 변화를 주제’로 휴넷 조영탁 대표의 기조연설 후에 스타트업 케이스 스터디를 통해 스마트시대에서 일하기 위한 우리의 성공 전략을 짚어볼 예정이다. 

◇드론에 스마트 기술의 미래를 담다 

드론 관련 신기술 촉진과 국내 드론산업 활성화를 목적으로 6월 대규모 드론 이벤트가 열린다. 드론톤은 우수한 엔지니어와 창의적인 메이커들이 드론 관련 기술을 뽐내는 자리로, 4인 1조로 팀을 꾸려 드론을 직접 제작하고 완성된 기체로 드론 게임을 진행하여 완성도와 비행능력을 종합하여 우승자를 가리게 된다. 

드론 조작에 능숙한 유저라면 도전해 볼 만한 대회도 있다. 다양한 장애물 통과 미션을 통해 드론 실력자를 가리는 ‘드론챌린지’가 9일 개최된다. 우승자에게는 최신 스마트 모빌리티가 수여되며, 참가를 원하는 이는 한국FPV협회 홈페이지를 통해 신청 가능하다. 

그밖에 스마트카, O2O, 핀테크 등 분야별로 이루어지는 테크니컬 세미나와 국내 대표 엑셀러레이터간 의 공동 데모데이를 통해 참가기업과 바이어 간의 비즈니스 기회를 마련한다. 

본 행사는 홈페이지에서 온라인 사전등록 시 무료로 관람할 수 있다.

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