산업용 이더넷과 필드버스의 지능형 융합… FEMS 센서 네트워크, TSN과 SPE로 실시간 에너지 제어 완성

기존 시리얼 통신의 대역폭 한계 극복하고 필드 레벨 단일 페어 이더넷과 결정론적 네트워킹 접목해 공장 에너지 효율 극대화

[아이씨엔 우청 기자] 스마트 제조 현장에서 에너지 비용을 절감하고 탄소 배출을 줄이기 위한 핵심 인프라로 공장에너지관리시스템(FEMS: Factory Energy Management System)이 자리 잡고 있다. 초기 FEMS는 전력량계와 센서에서 데이터를 수집해 화면에 표시하는 단순 모니터링 방식에 머물렀다. 그러나 최근 제조 산업은 인공지능(AI)과 연계해 설비 가동 상태에 따라 모터, 펌프, 컴프레서의 출력을 실시간으로 제어하는 능동형 지능형 FEMS를 요구한다.

필드버스의 한계 극복과 싱글페어이더넷(SPE)을 통한 센서단 IP 통신 통합

고도화된 에너지 제어를 달성하기 위해서는 공장 구석구석에 위치한 센서 데이터를 지연 없이 수집해야 한다. 과거 산업 현장은 모드버스(Modbus)나 프로피버스(Profibus)와 같은 시리얼 기반 필드버스(Fieldbus) 통신 규격을 주로 사용했다. 하지만 시리얼 통신은 전송 속도가 느리고 대역폭이 좁아 수천 개의 스마트 계측기가 생성하는 고주파 전력 품질 데이터를 감당하기 어렵다. 반도체 공정에서 RS-232 시리얼 통신의 전송 속도와 케이블 길이 한계를 극복하기 위해 TCP/IP 이더넷 기반의 고속 SECS 메시지 서비스(HSMS: High-Speed SECS Message Services) 표준으로 통신망이 전면 전환되었듯이, 현장 센서 레벨의 통신 인프라도 이더넷 기반으로 빠르게 진화하고 있다.

이 문제를 해결하는 차세대 필드 통신 기술이 싱글페어이더넷(SPE: Single Pair Ethernet)이다. SPE는 단 한 쌍의 꼬임선 케이블만으로 최대 1km 거리까지 10Mbps 이상의 고속 데이터 통신과 전력 공급(PoDL: Power over Data Lines)을 동시에 지원한다. 두꺼운 케이블과 복잡한 배선이 필요하지 않아 배전반 내부나 좁은 설비 배관 등 극한 환경에도 계측 센서를 쉽게 설치할 수 있다. 무엇보다 상위 제어 시스템과 하위 센서가 동일한 인터넷 프로토콜(IP: Internet Protocol)을 사용하므로, 복잡한 프로토콜 변환 게이트웨이 없이 필드 계측 데이터를 FEMS 호스트로 끊김없이 직접 전송한다.

TSN의 결정론적 제어와 디지털 트윈 기반 FEMS의 실시간 전력 최적화

센서단에서 수집된 방대한 에너지 데이터가 상위 제어 시스템으로 전송되는 과정에서는 통신의 신뢰성과 정시성이 보장되어야 한다. 일반적인 표준 상용 이더넷은 데이터 트래픽이 일시에 몰릴 경우 패킷 충돌이나 전송 지연이 발생하는 비결정론적 특성을 가진다. 공장 내 피크 전력 차단 명령이나 모션 제어 신호가 수 밀리초(ms)라도 지연되면 전력 과부하로 인한 설비 셧다운이나 전기 요금 페널티가 발생할 수 있다.

이러한 한계를 해결하기 위해 시간 민감형 네트워킹(TSN: Time-Sensitive Networking) 기술이 FEMS 백본 네트워크에 적극 도입되고 있다. TSN은 IEEE 802.1 표준을 기반으로 표준 이더넷 망 위에서 마이크로초(µs) 단위의 정밀한 시간 동기화와 확정적 데이터 전송을 보장한다. 이에 따라 대용량 계측 로그 데이터가 전송되는 상황에서도 우선순위가 높은 설비 차단 제어 패킷을 지정된 시간 안에 손실 없이 전송한다.

TSN 기반의 초고속·저지연 통신 백본은 FEMS와 디지털 트윈(Digital Twin) 기술의 결합을 촉진한다. 슈나이더 일렉트릭과 엔비디아가 고밀도 인프라 환경에서 전력, 냉각, 제어 시스템의 디지털 트윈을 구축하여 가상 환경에서 전력 소비와 열 흐름을 정밀하게 시뮬레이션하고 최적화하듯, 제조 공장 전체의 에너지 흐름 역시 가상 공간에 실시간으로 복제된다. 현장 SPE 센서가 계측한 전압, 전류, 고조파 데이터가 TSN 네트워크를 통해 디지털 트윈 모델에 지연 없이 반영된다. 이를 통해 시스템은 특정 라인의 모터 과열이나 불필요한 공회전을 사전에 감지하고 최적의 가동 스케줄을 자동으로 지시하여 에너지 효율을 극대화한다.

용어 해설

• 공장에너지관리시스템 (FEMS: Factory Energy Management System): 공장 내 주요 전력 설비와 생산 장비에 센서를 설치하여 에너지 사용량을 실시간으로 모니터링하고 분석 및 자동 제어를 수행하는 지능형 에너지 절감 시스템이다.
• 싱글페어이더넷 (SPE: Single Pair Ethernet): 기존에 4쌍(8가닥) 또는 2쌍(4가닥)의 전선을 사용하던 이더넷 케이블을 단 1쌍(2가닥)의 구리선으로 축소하여, 장거리 데이터 통신과 전력 공급을 동시에 지원하는 차세대 산업용 네트워크 표준이다.
• 시간 민감형 네트워킹 (TSN: Time-Sensitive Networking): 표준 이더넷 네트워크에서 데이터 전송의 지연 시간(Latency)과 데이터 손실을 방지하고, 정해진 시간 안에 데이터가 반드시 도착하도록 보장하는 IEEE 802.1 결정론적 통신 표준 기술이다.
• 필드버스 (Fieldbus): 센서, 액추에이터, 모터 등 산업 현장의 말단 기기와 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 간 데이터를 직렬(Serial) 방식으로 전송하는 전통적인 산업용 디지털 통신 네트워크다.
• 결정론적 네트워킹 (Deterministic Networking): 통신 트래픽의 변동과 관계없이 전송 지연 시간이 수학적으로 예측 가능하며, 특정 시간 이내에 데이터 전송 완료를 100% 보장하는 네트워크 제어 방식이다.
• 고속 SECS 메시지 서비스 (HSMS: High-Speed SECS Message Services): 반도체 제조 장비와 상위 제어 컴퓨터 간 대용량 데이터를 TCP/IP 기반 이더넷 망을 통해 고속으로 송수신할 수 있도록 정의한 SEMI 표준 통신 프로토콜이다.