4차 산업혁명이란 대량의 데이터와 넓은 대역폭 만을 의미하지는 않는다. Industry 4.0과 사물인터넷(IoT) 역시 개별 필드장치로부터 클라우드에 이르기까지 수직 통신을 필요로 한다. 이는 새로운 기술과 전혀 다른 통신 인프라처럼 들릴 수도 있지만, 기존 방식을 유지한 채 기능을 추가 탑재하는 방법도 있다. 그리고, 그 솔루션이 바로 OPC UA와 TSN에 있다.

글_ 한스 위르겐 힐셔 (Hans-Jurgen Hilscher), 아민 퓌어링거 (Armin Puhringer) / 힐셔(Hilscher Gesellschaft fur System Automation mbH)

netIOT
netIOT – Industry 4.0과 수직 통신 구현 방안

 

산업용 통신(Industrial communication)은 크게 두 가지 레벨에서 나란히 병존하며 실행된다. IT(Information Technologies)는 사무실에서 이더넷 기반의 LAN과 WLAN 네트워크를 통해 각종 서버, 데스크톱 컴퓨터 및 노트북 등을 연결한다. 반면, OT(Operational Technology)는 필드버스(Fieldbus)와 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet) 시스템을 이용하여 필드 디바이스를 컨트롤러에 연결하고, 컨트롤러는 다시 산업용 이더넷을 통해서 SCADA 및 프로세스 제어 시스템과 통신한다.

하지만 Industry 4.0을 구현하기 위해서는 IT 및 OT 환경을 융합이 필요하다. 이 경우, RAMI 4.0(Reference Architectural Model Industry 4.0)은 IT와 OT가 융화된 완전한 모델로 통합하기 위해 미래형 산업용 통신 구조의 기반이 된다. 여기서 통신 계층이 중요한 역할을 하여, 물리적 필드 계층(physical field layer)과 상위 정보 계층(overlying information layer) 간에 연결 고리 역할을 한다. 이러한 레퍼런스 아키텍처의 목적 중 하나는 개별 필드장치에서 클라우드로 확장되는 일체의 통신 인프라 구축에 있다. 바로 여기에서 사물인터넷(IoT)의 산업계로의 진입이 이루어진다. IT와 OT의 통합에 따라, 시스템 역시 공간적 제한이 없는 셈이다.

이를 실현하기 위한 미래의 표준 기술로 OPC UA(OPC Unified Architecture)와 TSN(Time Sensitive Networking)이 부상하고 있다. 이러한 기술들은 기존의 통신 인프라를 매끄럽게 통합하고 새로운 애플리케이션을 구현할 수 있는 수직 통신을 가능하게 한다.

새로운 기능을 갖춘 검증된 기술

미래 산업용 통신은 상당히 높은 대역폭이 필요하기 때문에, 기가비트 이더넷을 사용해야 한다. 또한, Industry 4.0을 실현하기 위해서는 통신 인프라 역시 높은 수준의 서비스 품질을 제공해야만 한다. 바로 이러한 요구를 충족하는 것이 OPC UA TSN이다. TSN은 기존 이더넷 표준을 최적화하여 낮은 지연시간, 사이클 타임의 보장 및 신뢰성 향상 등을 충족시킨다. OPC UA는 버추얼 디스크립션(virtual description)을 통해 필드 디바이스에 대한 종단간 시맨틱(semantics)을 구현한다.

아울러, IEC 62948 표준은 무선 전송 지연과 신뢰성을 보장하기 위해 산업용 WLAN 영역에서 더욱 향상되고 있다. 양자 모두 일선 기계 및 생산 셀 레벨에서 실시간 통신에 필요하기 때문이다. OPC UA는 정보 모델의 추가를 통해 이전 디바이스 당 비트와 바이트를 해석하던 문제를 해결하며 정보 교환 및 검색을 위한 통신 인프라와 IEC 62443과 같은 최신 표준에 따른 보안 시스템을 제공한다.

그림 1. IT/클라우드로 전송하는 3가지 방법
그림 1. IT/클라우드로 전송하는 3가지 방법

 

기존 통신 환경과 신기술의 접목

이러한 TSN과 OPC UA를 결합함으로써 PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT 등의 기존 TCP/IP 기반 통신 네트워크와의 원활한 통합이 가능하게 되었다. 결국, TSN이 적용된 OPC UA는 이미 다양한 하드웨어와 소프트웨어 에코시스템 분야에서 전세계적으로 검증된 뛰어난 내구성의 이더넷 기술과 호환 가능하게 된다.

TSN 기능을 겸비한 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet) 시스템을 구축함으로써 다양한 기계와 생산 단위의 컨트롤러 간의 직접적이고 동기화된 수평적 통신이 가능하며 이들 기능을 이용한 TCP/IP 인터넷 통신 덕분에 추가적인 수직 통신도 최초로 가능하게 되었다. 이는 기존의 로컬, 광역, 혹은 글로벌 기업 네트워크를 통해 생산 시스템의 개별 구성요소에 관한 정보를 제공할 수 있다.

OPC UA TSN을 적용함으로써, 기존 네트워크 구조를 통해 정보의 수직 또는 수평적 흐름이 가능하게 되고, 이는 지연시간의 최소화, 대역폭의 극대화 및 높은 수준의 서비스 품질은 물론 전반적으로 강력한 기능을 보장한다.

클라우드 연결: 현재의 표준화를 통한 미래 조명

독일 하터스하임(Hattersheim)에 있는 힐셔(Hilscher Gesellschaft fur Systemautomation)는 4차 산업혁명의 접근 방식과 핵심을 조기에 인식하여, 당사의 netIOT 통합 솔루션을 적용, 모든 필수 통신 시나리오 모델의 산업용 클라우드 통신에 필요한 기술을 개발하였다. 여기에는 다음의 3가지 핵심 시나리오가 있다:

1) 브라운필드 연결
많은 생산 설비의 핵심 과제는 제조 환경 내 다른 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet) 데이터에 영향을 미치지 않으면서 추가 수직 정보를 클라우드/IT에 병행 전송하는 것이다. 이는 PROFINET이나 EtherNet/IP가 제공하는 비(非) 실시간 전송 채널을 통해 구현될 수 있다. 여기서 가능한 것이 바로 OPC UA통신이라고 할 수 있으며 에지-게이트웨이(edge gateway)가 이에 적합한데, 에지-게이트웨이의 OPC UA 서버는 시스템 토폴로지를 파악하여, 상위 수준의 IT/클라우드로 전송 가능한 정보 모델을 생성할 수 있다.

netIOT 에지 게이트웨이는 제조 네트워크와 IT 네트워크를 연결하고 이것을 다시 클라우드로 연결할 수 있다. 개별 사용자 그룹에 대한 관리 권한과 미리 정의된 기능을 제한할 수 있는 역할 관리와 같은 추가 기능도 실행 가능하다. 또 다른 특수 기능인 수동 모드는 에지 게이트웨이가 패킷 스니퍼(packet sniffer)와 같은 데이터에 부정적인 영향 없이, 즉, PLC를 변경하지 않고 데이터를 읽을 수 있다.

내장되어 있는 에지 서버는 실시간 이더넷(Real-Time Ethernet) 시스템 프로토콜을 파악하여, 비 주기적 서비스를 통해 디바이스를 식별하고 자산 관리용 클라우드에 이를 등록할 수 있다. 힐셔는 다중 클라우드 전략을 지향하며, IBM의 Bluemix, Microsoft Azure 및 SAP 클라우드 플랫폼과 제휴해 클라우드 플랫폼을 지원한다. 수집된 정보는 LAN 또는 IT/클라우드를 통해 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 에지 게이트웨이의 블루투스 및 WLAN 인터페이스를 통해 스마트폰, 태블릿, 노트북에서 애플리케이션을 사용할 수 있다.

2) 이기종 생산 설비
두 번째 시나리오는 다양한 컨트롤러와 이더넷 시스템으로 구성된 자동화 기계들로 이루어져 있는 생산시설이다. 이들 컨트롤러는 보통 시장에 안착된 실시간 시스템 (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT 등) 중의 하나를 통해 필드장치들과 통신한다. 이들 컨트롤러가 이미 OPC UA 서버 및 방화벽 사양을 탑재한 경우, 사실상 클라우드로의 연결에는 전혀 문제가 없다. 다만, 이들 PLC 기반 컨트롤러는 대용량 데이터 전송에 적합하지 않을 수 있고, 클라우드로 추가 정보를 제공하려면 시퀀스 프로그래밍의 변경이 필요할 수도 있다. 그러나, 이 방법이 항상 가능한 것도 아니고 시스템 오퍼레이터가 허용하지 않는 경우도 많기 때문에 오퍼레이터의 재 프로그래밍이 가능한 기계 및 생산 설비의 경우 특별히 이 시나리오(OPC UA 서버 및 클라우드 연결기능을 부가한 PLC)가 적합하다고 할 수 있다.

기계설비 공급업체는 납품 전에 전송 가능한 정보의 범위를 사전에 정의하여 조정해 두는데, 바로 여기가Industry 4.0 애플리케이션용으로 검증된 실시간 통신시스템과 PLC의 상호작용이 위력을 발휘하는 부분이다.

3) 한계가 없는 그린필드
세 번째 시나리오는 OPC UA TSN을 사용하는 센서, 액추에이터 등 필드장치의 데이터를 직접 전송해야 하는 경우로, PLC는 여기서 아무런 역할을 하지 않는다. 디바이스 데이터는 TCP/IP 이더넷 인프라를 통해 직접 이용할 수 있는데, 이 경우 필드 디바이스에 OPC UA TSN이 내장되어 있어야 한다. 디바이스 공급자들은 차세대 디바이스 제품 개발 시, 항상 이 점을 염두에 두어야 한다. IO-Link와 같은 표준에서는 시맨틱 디스크립션(semantic description)의 이점은 살리면서 비용에 민감한 필드 디바이스를 연결할 수 있도록 하고 있다.

그림 2. 마이그레이션 경로로서의 netX SoC
그림 2. 마이그레이션 경로로서의 netX SoC

 

OPC UA TSN의 진가는 바로 여기에서 발휘된다: IT/클라우드에 이르는 수직 통신 덕분에 디바이스 제조사들이 기술 스택 하나만 사용하여 새로운 애플리케이션이나 사업 모델을 개발할 수 있게 되었다.

netIOT 에지 게이트웨이를 사용하면 위에서 설명한 시나리오들 뿐만 아니라 기존 컨트롤러에 실시간 이더넷(Real-time Ethernet) 시스템을 사용하는 것과 같은 새로운 설치 요구까지도 충족할 수 있다. 그리고 현장의 모든 사물인터넷(IoT) 통신을 통합하여 상위 레벨의 이더넷 네트워크에 맵핑할 수 있다. 이를 통해 기업의 MES나 ERP 시스템에서 디바이스 데이터를 직접 사용하여 분석 작업 및 시스템 유지 관리도 가능하다. 뿐만 아니라, 모바일 기기에서도 디바이스 데이터에 직접 접근할 수 있다.

Industry 4.0에 이르기까지 시스템의 공존 보장

힐셔는 제조 산업의 모든 표준 프로토콜에 대한 연결 솔루션에 대해 오랜 경험을 축적하고 있으며, 그 동안의 노하우가 집약된 제품이 바로 netX 칩이다. netX 칩의 경우 칩 상에서 통신과 펌웨어 애플리케이션을 확실하게 분리시켜 어느 디바이스든지 기존 시스템 환경으로 손쉽게 통합할 수 있기 때문에 하드웨어 제조사는 다른 기술 구현에 대해 염려할 필요가 없다. 필요한 프로토콜만 디바이스에 내장되어 있으면 되기 때문이다.

충분한 메모리와 그에 상응하는 기능들만 갖추고 있으면 소프트웨어를 이용하여 기존 솔루션을 OPC UA TSN으로 업그레이드할 수 있다. 전송 속도는 100Mb로 제한되지만 이 정도면 시간적으로 민감하지 않은 정보(non-time-critical information)를 전송하기에는 충분하다.

컨트롤러의 로드 없이도 TCP/IP 환경을 통해 디바이스에 접속이 가능한데, 자동화 시스템을 위해서 기존 인프라나 클라우드를 통해 데이터를 직접 관리할 수 있는 바로 이러한 방법이 미래의 Industry 4.0에서 요구되는 것이다.

그림 3. 디바이스에서 디지털 트윈에 이르는 수직 통합
그림 3. 디바이스에서 디지털 트윈에 이르는 수직 통합

 

클라우드 서비스를 지원하는 게이트웨이를 통한 데이터의 사내 보유

제조 설비의 가장 중요한 요구 중 하나는 모든 디바이스, 기계, 시스템의 가동을 극대화하는 것이다. 이를 위해서 중요한 것은 예방적 유지보수(predictive maintenance)다. 자산 관리 시스템과 연계해서, 예비 부품 요청 및 서비스 주문과 같은 비즈니스 프로세스를 직접 할 수 있다. 또한, 정기 유지보수를 통해서 잠재적인 문제들을 미리 해결하다 보면 추후에 높은 생산성 달성 및 시스템 다운타임 최소화가 가능하다. 필드버스 표준화 및 필드 디바이스용 OPC UA 정보 모델부터 관리 셸(administration shell)의 표준화에 이르기까지 수직적 종단간 시맨틱 디스크립션의 기반을 형성하게 된다.

또한 결함을 미리 감지할 수 있는 특정 알고리즘이 내장형 도커(Docker) 프레임 워크를 통해 데이터에 직접 액세스가 가능하다. 이는 에지 게이트웨이에서 직접 결함을 예측할 수 있음을 의미한다. 데이터를 평가하기 위해서 고가의 별도 인프라를 구축할 필요가 없으며, 주요 공정 데이터가 시스템에 남아 있다는 것이 또 다른 이점이다.

Industry 4.0 도전과제 충족

OPC UA TSN은 다년간 현장에서 검증된 필드버스 기술을 구현하는 마이그레이션의 첩경을 제공하는 한편 수직 통신에서 전혀 새로운 애플리케이션의 구현을 가능하게 한다.

 

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