산업용사물인터넷(Industrial IoT: IIoT)가 제조의 미래를 위해 품고 있는 엄청난 가치는 아무도 부인하지 못할 것이다. 그러나 그 잠재력에 다가가기 위한 노력은 지금까지 수박 겉핥기 식으로 시작된 것에 불과하다. 자동화 공급자들은 최종 고객들로부터의 요구에 자극 받아 IIoT 솔루션으로 가는 큰 길에 놓인 첫 번째 장애물을 제거할 태세를 갖추고 있다. 그것은 다름 아닌 개방형 표준을 기반으로 하는 끊김없는 통신이다. OPC UA와 조합된 시간 민감형 네트워킹(Time-Sensitive Networking: TSN)은 개별 장치가 누구에 의해 제작되었는지를 불문하고 기계, 컨트롤러 및 입출력 시스템으로부터의 데이터에 대한 정밀하게 시간이 조정된 수평적 접근을 제공한다.
OPC UA는 개방형 프로토콜로써 다양한 범위의 산업 어플리케이션에서 이미 광범위하게 사용되고 있다. 거의 모든 제조사들이 그의 컨트롤러와 그 밖의 제품에 OPC UA를 제공한다. OPC 재단(OPC Foundation) 산업 컨소시엄의 감독 하에서 다수의 제조사들이 공동으로 기술을 개발하고 추진한다. 기계와 기기 운영자들은 통신 기술의 선택이라는 단순한 행위로 인해 특정한 공급자의 우리에 갇혀서 빠져 나오지 못하게 되는 것을 더 이상 걱정할 필요가 없다. 그들은 표준화된 시스템 연결성으로 기술에 대한 동등한 접근을 향유하고 새로운 문제를 해결하는데 집중할 수 있다. 우리가 과거에 네트워크에서 30~40개의 노드를 보는데 익숙하던 곳에서 앞으로는 궁극적으로 1,000개 이상의 노드를 발견하게 될 것이다.
하나. 지속적으로 증가하는 노드의 수
도전은 이렇게 증가하는 노드의 수를 효과적으로 관리하고 제어하는 방법을 찾는 일이 될 것이다. 그러나 이러한 도전에는 자동화 공급자가 자신의 고객에게 부가가치를 제공함으로써 스스로를 차별화할 수 있는 기회도 함께 놓여 있다. 다수의 노드를 갖는 복잡한 네트워크의 셋업과 설정을 합리화하는 소프트웨어 툴은 현저히 더 중요해질 것이다. 이들 툴은 또한 광범위한 IT 훈련을 받지 않은 사용자들을 위해 설계되어야 할 것이다. 그러나 그렇게 빠른 속도로 증가하는 것은 노드의 수뿐만이 아니다. 데이터의 양 또한 기하급수적으로 지속적으로 늘어날 것이다. 전통적인 산업용 프로토콜을 사용하여 빅데이터의 홍수를 관리하는 것은 점점 더 어려워지고 있다. OPC UA는 바로 이러한 점에 대한 혁신을 약속한다.
둘. 데이터가 아니라 정보
OPC UA의 가장 큰 장점에는 그의 정보 모델이 포함된다. 전통적인 버스(bus) 시스템은 무차원 데이터, 즉 단위나 그 밖의 정보가 수반되지 않은 단순한 수치만을 전송한다. 컨트롤러에서 실행되는 어플리케이션은 소위 의미론적 데이터 모델(semantic data model)을 이용하여 이러한 수치들을 해석하는 방법을 알고 있다. 물론 기계들이 상호 독립적으로 운영되는 한 이러한 접근방법에서 잘못된 것은 전혀 없다. 그러나 그것이 다른 기계든, SCADA 시스템이든, 혹은 클라우드 기반의 ERP 시스템이든, 데이터를 그 밖의 곳에서 사용할 필요가 있게 되면 그 순간에 의미론적 의미는 상실되고 무차원 수치들만이 남아 있게 된다.
셋. 오류의 축소
과거에는 의미론적 상황이 복잡한 표 또는 수기로 작성된 형식을 통해 다른 시스템으로 전송되었다. 오류의 발생원으로써 악명 높은 이 고통스럽고 지루한 작업은 OPC UA에서는 전적으로 제거되며, 보다 신속하고 높은 응답성을 갖는 생산 솔루션을 구현하는 것을 현저히 더 용이하게 한다. OPC UA는 그의 정보 모델로 단지 데이터뿐만 아니라 정보를 전송하며, 이 정보는 어떠한 추가적인 설명 없이도 네트워크 상의 모든 노드에 의해 올바르게 해석될 수 있다. 예를 들어서 온도 5°C를 측정하는 센서가 있다고 하자. 전통적인 프로토콜로부터 들어오는 경우에 컨트롤러는 이것을 수치 “5”를 갖는 정수(integer) 데이터 유형으로써 수신할 것이다. 그 수치가 섭씨 단위로 측정된 온도 값을 대표한다는 사실과 특정한 한계가 적용되어야 한다는 사실은 컨트롤러에서 실행되는 어플리케이션에 정의되어 있다. OPC UA는 상이한 접근방식을 취한다. 수치 “5”는 그의 모든 의미론적 상황과 함께 제공된다. 이 경우에 의미론적 상황이란 그 수치가 섭씨 단위로 측정된 온도이고 그 값에는 한계 값이 적용되어야 한다는 것을 의미한다.
넷. 확실한 연결을 위한 프로토콜
데이터는 대량의 데이터의 전송을 지원하는 특수 프로토콜을 이용하여 엣지(edge)로부터 클라우드로 전송된다. 이미 선도업체들은 MQTT(Message Queue Telemetry Transport)나 AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)와 같은 친숙한 큐잉 프로토콜을 제공하며, 이들은 네트워크 연결이 불량하거나 간헐적으로 이용할 수 없게 되는 경우에도 데이터 패킷이 높은 신뢰성을 갖추고 전송을 제공한다. 이것은 필요한 경우에 데이터 패킷을 큐에 저장했다가 차후에 전송하는 방식으로 이루어진다. OPC UA를 포함하는 그 밖의 프로토콜들은 MQTT 및 AMQP를 통해 전송될 수 있다. OPC UA의 장점은 장비 제조사와 무관하게 제어 시스템 레벨 뿐만 아니라 IT 영역의 모든 유형의 하드웨어와 소프트웨어에 의해 이해된다는 점이다. 이제 어느 회사 하드웨어가 사용되는지와 무관하게 기계 레벨과 클라우드 사이의 확실한 연결을 보장한다.
다섯. 요구에 의한 정보
OPC UA 네트워크 상의 다른 노드들도 이 정보를 쿼리(query)할 수 있기 때문에 이 정보는 훨씬 더 다양한 방법으로 이용될 수 있다. 예를 들어 만약 새로운 ERP 보고서를 작성하고자 한다면 ERP 시스템은 적절한 정보를 찾기 위해 네트워크를 검색할 수 있다. 일단 이 정보를 찾으면 그것을 데이터베이스에서 수집하고 보고서에 표시할 수 있다. 과거에는 이러한 정보 전송을 수동으로 프로그램해야 했고, 각 개별 수치에 대한 의미론적 정보를 ERP 시스템 내에 저장할 필요가 있었다. 그러한 정적 구조를 이용하는 경우에 기계 상의 변수를 변경하려면 또한 ERP 시스템의 재프로그래밍이 요구될 것이다. 이 실례는 OPC UA가 제어 계층으로부터 상위 시스템까지의 통신을 얼마나 단순화하는지를 단적으로 잘 보여준다. 그러나 그와 함께 두 번째의 장애물에 도달하게 된다. 상위 IT 시스템이 이 상황에서 운전 기술 즉 OT라고 불리는 기계 네트워크로 쿼리를 내려 보내면 네트워크 부하는 변함 없이 증가한다. IT 네트워크에 있어서, 밀리초 단위의 지연은 일반적으로 심각한 일이 아니다. 반면에 정밀하게 동기화된 제조 프로세스에 대해서는 밀리초 이하 단위의 정확성이 절대적으로 필수적이다. 여기에서 밀리초 단위의 지연은 기계를 정지시키거나, 출력 품질을 저하시키거나, 혹은 기기와 사람에 대한 현저한 피해를 야기하기까지 할 수 있다. 그러한 이유로 거의 모든 제조 설비는 전통적으로 그의 IT와 OT 네트워크 사이에 분명한 분리를 유지해왔다. IT 네트워크는 역사적으로 결정론(determinism)과 주기적 데이터 트래픽이 결여되어 왔으며, 이들은 OT 레벨에서의 두 가지 거래 파괴자이다.
여섯. 단일 공유 네트워크
IT 네트워크는 ‘최선을 다한 전달(best effort delivery)’이라 알려진 원칙을 따르며, 이 원칙은 모든 데이터 패킷이 동일한 수준의 우선순위를 공유하고 가능한 한 신속히 전송된다는 것을 의미한다. 만약 어느 시점에서든 용량이 초과되면 병목 현상이 나타날 것이다. 병목 현상은 기계 네트워크에서는 절대로 용인될 수 없는 것이다. 지금 까지는 동일한 하부구조 상에 최선을 다한 전달과 결정론적 주기적 트래픽을 모두 구현할 수 있는 방법이 없었다. 이것이 지금 시간 민감형 네트워킹(Time-Sensitive Networking: TSN)으로 달라지려고 하고 있다. TSN은 동일한 네트워크를 통해 일반 데이터와 시간 임계적(time-critical) 데이터가 모두 전송되도록 허용하는 이더넷 표준의 확장 그룹이다. 네트워크로 하여금 결정론적 거동을 갖추도록 하는 첫 번째 단계는 타이밍에 관해 모든 노드가 같은 페이지에 놓이는 것을 보장하는 것이다. 이 목적을 위해 IEEE 802.1 AS-Rev 표준이 개발되었다. 이것은 균일한 네트워크 시간을 확립하기 위해 네트워크의 모든 노드의 시계를 동기화하기 위해 메커니즘을 기술한다. 다음 단계는 네트워크에서 결정론적 데이터 트래픽에 우선순위가 부여됨을 보장하는 것이다. 이것은 표준 IEEE802.1 Qbv 및 Qba에 의해 커버되며, 이들은 일반 데이터 트래픽이 부득이 대기해야 하는 경우에도 결정론적 데이터 트래픽이 보장된 기간 이내에 전송되는 방식으로 네트워크 스위치들이 반드시 작동해야 한다는 것을 규정한다. 이러한 유형의 네트워크 설정에 대한 균일한 접근을 확립하기 위해 스트림 예약 프로토콜(Stream Reservation Protocol)은 (IEE-E802.1Qcc) 표준화된 인터페이스와 설정을 위한 메커니즘을 제공한다. 설정 프로토콜로써 NETCONF over TLS가 이용된다.
일곱. 대역폭 문제점은 이제 안녕
네트워크에서 위에 기술된 메커니즘을 조합한다면 시간 임계적 데이터와 비시간 임계적 데이터로써의 주기적 데이터를 동일한 물리적 계층 상에서 전송하는 것이 가능해진다. 현대식 생산 네트워크는 기가 급 이더넷 전송 속도 또는 그 이상에 의존하기 때문에, 이것은 필드버스 시스템뿐만 아니라 초당 100 메가비트 전송 속도를 기반으로 하는 산업용 이더넷 프로토콜까지 괴롭히는 대역폭의 병목 현상 문제를 동시에 해결한다. OPC UA와 TSN의 조합은 전혀 새로운 산업 자동화 구조를 위한 무대를 마련하게 될 것이다. 이러한 새로운 설계의 가장 주목할 만한 특징 중 하나는 IT와 OT 네트워크 사이의 경계가 사라진다는 점이다. 이것은 백시 상태로부터 완전한 연결성을 갖추도록 구축되는 신규 공장뿐만 아니라 브라운필드 공장에도 적용된다.
상호호환성 테스트베드 운영
OPC UA와 TSN 기술은 OPC 재단 및 IEEE 표준화기구를 통한 국제적인 표준 출판을 진행하고 있는 것과 동시에 다양한 협회, 단체, 업체들이 참여하는 애플리케이션 개발과 상호호환성 연구도 적극 추진되고 있다. 초기부터 가장 적극적으로 참여하고 있는 업체는 ABB, 보쉬 렉스로스(Bosch Rexroth), B&R, 시스코(CISCO), GE(General Electric), KUKA, 내쇼날 인스트루먼트(National Instruments), 파커 하니핀(Parker Hannifin), 슈나이더 일렉트릭(Schneider Electric), SEW 유로드라이브(SEW-EURODRIVE), TTTech 등이다. 애플리케이션 개발 및 상호운용성 연구를 위해 현재 3곳의 테스트베드가 운영중에 있다. 미국과 독일에 우선 테스트베드가 지난해(2017년)에 설치됐다. 산업인터넷컨소시엄(IIC)를 중심으로 추진되고 있는 미국에서는 내쇼날인스트루먼트(NI)에 미국 테스트베드를 두고 있다. 인더스트리4.0을 적극 추진하고 있는 EU에서는 보쉬(Bosch)사에 테스트베드를 두고 있다. 올해에는 중국 화웨이(Huawei)에 3번째 글로벌 테스트베드가 운영된다. 지난 4월 독일에서 열린 하노버페어 2018에서 화웨이는 이를 공식 발표했다. 테스트베드에서는 서로 다른 IT와 OT 공급자들로부터의 장치를 사용하여 광범위한 상호운용성 시험을 거치게 된다. 조만간 최종 기술이 완료되고 나면, 칩형태의 OPC UA TSN 제품들이 선도업체를 중심으로 해서 출시가 이뤄질 전망이다. 우리는 이들 기술의 개발과 솔루션 출시 일정을 바라보면서, 이를 통해 어떻게 새로운 비즈니스 솔루션을 마련할 것인가를 철저히 준비해야 할 때이다.
오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr
