인더스트리 4.0 (industry 4.0)의 등장은 제조 현장을 혁신적으로 변화시켰고, 스마트 공장으로의 발전을 이끌어 가고 있는 중이다. 조만간 스마트 공장(Smart Factory)의 실제 모습이 드러나고 나면, 제조 현장이 아날로그에서 디지털로 변화하는 것으로부터 시작된 디지털 데이터를 통한 정보 기술의 융합으로 탄생한 스마트 공장의 추진도 광범위하게 가속도가 붙게 될 전망이다.
이러한 디지털화되고 스마트화된 고도의 제조 시설은 원활한 통신과 연결성을 바탕으로 작업을 최적화하고 생산성을 향상시킨다. 이러한 연결성의 핵심 요소 중 하나가 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)이다. 산업용 이더넷은 산업 환경에 특화된 견고하고 신뢰할 수 있는 네트워크 인프라를 말한다.
이는 국제 표준의 개방화된 네트워크 프로토콜로 산업 현장에서의 기계 및 설비간 네트워크 상호운용성을 보장한다. 상호운용성을 통해 스마트 공장 운영장, 기계 설비 OEM 및 이해관계자는 필요한 관련 하드웨어나 소프트웨어를 브랜드에 관계없이 직접 구입하여 사용하는 것이 가능하다.
새로운 스마트 공장 환경으로 변경하거나 업그레이드하고자 할 때에도 기존 설비와 시스템을 재사용하는 것이 가능하다. 한 회사의 기계를 구입하게 되면, 모든 시스템 전체를 그 회사의 제품이나 허락을 통해서만 시스템을 구성할 수 밖에 없는 방식은 이제 과거가 되었다. 이제 과거의 기계나 설비 공급자 중심의 생태계를 현재의 사용자 중심 생태계로 성장 발전시켜 나가는 것을 산업용 이더넷 상호호환성을 통해 실현할 수 있는 것이다.
현재 제조 현장에서 가장 널리 사용되고 있는 산업용 이더넷 기술로는 이더넷아이피(EtherNet/IP), 프로피넷(PROFINET), 모드버스 티씨피(Modbus TCP), 씨씨링크 아이이(CC-Link IE), 파운데이션필드버스 HSE(FF HSE), 이더캣(EtherCAT), 라피이넷(RAPIEnet) 등이 있다. EtherNet/IP, PRFOFINET, Modbus TCP는 일반적인 기계 장비 및 자동화 설비에서 사용되는 실시간 이더넷 프로트콜이다. FF HSE는 플랜트에서의 프로세스 자동화용으로, EtherCAT은 기계 모션제어용으로 특화되어 활용된다.
다음은 사용자 중심의 생태계로 발전해 나가는 스마트 공장 구현을 위해 산업용 이더넷이 제공하는 장점을 7가지로 정리한다.
장점 1. 향상된 네트워크 성능
산업용 이더넷은 전통적인 필드버스(fieldbus) 시스템에 비해 우수한 네트워크 성능을 제공한다. 더 높은 대역폭 성능과 더 빠른 데이터 전송 속도를 보장한다. 이러한 네트워크는 정밀 모터 제어를 위한 실시간 통신을 가능하게 하고 지연 시간을 줄인다. 이를 통해 신속한 의사 결정, 정밀한 제어, 그리고 공장 환경 내에서 더 높은 반응성을 달성할 수 있다. 산업용 이더넷은 로봇, 인공지능(AI), 기계학습(ML)과 같은 고급 기술들이 원활하게 작동할 수 있도록 필요한 백본을 제공한다. 이는 설비에서의 전체 생산 효율성을 향상시킨다.
장점 2. 확장성과 유연성
스마트 공장은 변화하는 고객 개개인의 요구에 실시간으로 맞춤화된 생산과 이와 관련한 생산 정보를 즉시 제공하는 것이 가능한 디지털 정보 기반의 지능화된 제조 시스템이다. 산업용 이더넷은 높은 확장성과 유연성을 제공하며, 새로운 장치, 기계, 센서의 쉬운 통합을 가능하게 한다. 여기에 산업용사물인터넷(IIoT)의 구축을 통해 많은 수의 노드와 다양한 데이터 유형을 처리할 수 있는 능력을 갖추게 된다. 이러한 IIoT 네트워크는 현대 제조 현장에서 요구하는 최신 기술은 물론 지능형 개념을 추가적으로 수용할 수 있다. 이러한 확장성은 스마트 공장에서의 계획되지 않은 가동 중단이나 네트워크에 대한 광범위한 재배선 작업없이 설비를 유연하게 확장할 수 있도록 보장한다.
장점 3. 개선된 신뢰성과 회복력
산업 환경에서 사전에 계획되지 않은 네트워크 다운타임은 생산성과 수익에 상당한 손실을 초래할 수 있다. 산업용 이더넷은 온도 변화, 전자기 간섭, 진동과 같이 공장 현장에서 일상적으로 흔히 발생하고 발견되는 가혹한 운전 조건에 견딜 수 있도록 만들어졌다. 그들의 견고한 디자인과 중복된 구조는 높은 신뢰성과 회복력을 보장하며, 가동 중단의 위험을 최소화한다. 이중화 구성과 링 토폴로지는 대체 통신 경로를 제공하며, 장애가 발생하더라도 데이터가 끊김없이 흐를 수 있도록 한다. 이러한 신뢰성은 연속적인 작업을 유지하고 비용이 많이 드는 다운타임을 최소화하는 데 필수적이다.
장점 4. 향상된 보안
보안은 모든 제조 시설에서 매우 중요한 문제이며, 스마트 공장도 예외가 아니다. 산업용 이더넷은 접근 제어, 인증, 암호화, 침입 탐지 시스템과 같은 고급 보안 기능을 제공한다. 이러한 조치들은 네트워크 인프라를 무단 접근, 데이터 유출, 사이버 위협으로부터 보호한다. 안전한 산업용 이더넷을 구현함으로써, 제조업체들은 자신들의 지적 재산, 민감한 데이터, 핵심 공정을 보호할 수 있다. 더불어, 작업의 무결성을 유지하고 잠재적인 재정적 및 평판적 손상으로부터 제조 설비를 포함한 전체 자산을 보호할 수 있다.
장점 5. IT 네트워크 통합
운영기술(OT; operational technology)과 정보기술(IT; information technology)의 융합은 스마트 공장의 핵심 측면이다. 산업용 이더넷은 기업 수준의 IT 네트워크와 원활하게 통합되도록 설계되어 있으며, 제조 현장의 필드 시스템과 상위 수준의 비즈니스 시스템 간에 손쉬운 데이터 교환과 협업을 가능하도록 한다. 제조 현장과 백오피스 간의 격차를 줄여주는 것으로, 제조업체들은 전체 가치 사슬에 걸쳐 더 큰 가시성, 조정, 동기화를 달성할 수 있다. 이러한 통합은 데이터 기반 의사 결정, 효율적인 자원 할당, 최적화된 공급망 관리를 가능하게 한다. 이는 개선된 비즈니스 성과로 이어진다.
장점 6. 원격 모니터링 및 진단
산업용 이더넷은 제조 장비의 원격 모니터링 및 진단을 가능하게 하며, 기계의 건강과 성능에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다. 실시간 모니터링을 통해 제조업체는 잠재적인 문제를 식별하고 확대되기 전에 해결할 수 있으며, 계획되지 않은 다운타임을 최소화하고 유지 보수 일정을 최적화할 수 있다. 산업용사물인터넷(IIoT)를 통해 클라우드에 연결된 시스템으로 장비 데이터에 어디서든 가동중인 기계와 설비에 원격으로 접근할 수 있는 환경이 구축된다. 공장 관리자와 유지 보수 엔지니어는 데이터와 그 데이터의 분석 정보에 근거해서 의사 결정을 내리고, 원격으로 문제를 해결하는 것이 가능하다. 이를 통해서 지능화된 예측 유지 보수를 시스템화하는 것이 가능하다. 이러한 적극적인 접근 방식은 장비 가동 시간을 극대화하고, 자산 수명을 연장하고, 유지 보수 비용을 획기적으로 줄여준다.
장점 7. 비용 절감
스마트 공장에서 산업용 이더넷을 구현하면, 무엇보다도 상당한 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 이더넷의 표준화된 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 활용함으로써, 제조업체는 네트워크 인프라를 단순화하는 것이 가능하다. 이는 유지 보수와 지원의 복잡성을 줄이고, 시스템 업그레이드와 확장을 간소화할 수 있다. 산업용 이더넷의 확장성과 유연성은 더 효율적인 자원 할당을 가능하게 하며, 작업을 확장할 때 광범위한 재배선이나 장비 교체의 필요성을 없앤다. 또한, 이러한 네트워크의 개선된 신뢰성과 회복력은 비용이 많이 드는 다운타임을 최소화하며, 생산 손실과 관련된 비용을 줄인다. OT와 IT 네트워크의 통합은 데이터 기반 의사 결정을 가능하게 하며, 공정을 최적화하고 불필요한 인력과 자산의 집중을 없앤다. 또한, 장비를 원격으로 모니터링하고 진단할 수 있는 능력은 현장 방문의 필요성을 줄이고 예측 유지 보수를 가능하게 하며, 전반적인 유지 보수 비용을 줄인다. 전반적으로 산업용 이더넷은 더 비용 효율적이고 효율적인 스마트한 제조 생태계를 만드는데 기여한다.
스마트 제조 생태계 구축을 위한 필수 구성요소
산업용 이더넷은 전통적인 공장을 스마트 공장으로 변화시키는데 필요한 결정적인 역할을 수행해왔다. 높은 네트워크 성능, 확장성 및 유연성을 제공하고, 개선된 신뢰성, 보안 및 IT 네트워크와의 통합을 통해 제조업체가 빅데이터 및 머신러닝과 같은 고급 기술을 활용하고 최적의 생산성을 달성할 수 있도록 한다. 산업용 이더넷이 제공하는 원격 모니터링 및 진단 기능은 적극적인 유지 보수와 비용 절감을 가능하게 하며, 그들의 비용 효율적인 특성은 자원의 효율적인 활용을 보장한다. 스마트 공장이 계속 발전함에 따라, 산업용 이더넷은 탄력적이고 연결된 효율적인 제조 생태계를 구축하는데 필수적인 구성 요소로 역할을 지속해 나갈 것이다.
최근에는 산업용 이더넷 프로토콜과 OPC-UA를 결합해 공장 현장 데이터를 엔터프라이즈, 클라우드로 까지 끊김없는 전송이 가능해 지면서, 더욱 스마트한 제조 공장으로 발전해 나가고 있다. 또한 이러한 산업용사물인터넷(IIoT) 라인에 시간민감네트워크(TSN; Time-Sensitive Network)를 결합해 로봇 및 모션 제어 시스템에 대한 원격 제어까지 가능하도록 지원하고 있다.
아이씨엔 미래기술센터 오승모 수석연구위원은 “산업용 이더넷은 산업 현장에 깔려 있는 필드버스(Fieldbus) 기기들을 빠르게 대체하면서, 제조 현장에 넓게 분포해 있는 기계 및 산업 설비들을 디지털 네트워크로 묶어내는 역할을 톡톡히 수행하고 있다. 또한, IEC 62541 국제 표준인 OPC UA와 결합해 공장설비 책임자는 물론 경영책임자까지도 직접 공장 가동 현황을 실시간으로 파악하는 것도 가능해졌다. 여기에 TSN 기술을 산업용 이더넷과 결합하면서 직접 이더넷망에 TSN을 전송하면서 발생하는 불안감을 없애고 있다.”고 말했다.
이러한 OPC UA 및 TSN 기술을 비롯한 머신러닝(ML)이나 증강현실(AR)과 같은 현대적인 기술들과 융합해 공장 현장이 스마트 제조의 본래 모습을 찾아가도록 하는데 산업용 이더넷의 역할은 더욱 중요해지고 있다는 분석이다.
