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데이터 기반 스마트공장 접근 방법 연재 ⑤ – 네트워크 구축 시 고려 사항

어떤 네트워크를 사용할 것인가
만약 신규 생산라인을 꾸미는 경우라면, 무선대비 상대적으로 안전하다고 생각되는 유선 네트워크를 사용할 수도 있다. 하지만, 대부분의 스마트공장 프로젝트의 상황에서는 이미 기존의 시설이 갖추어져 있기 때문에 케이블링을 추가로 진행하는 것은 쉽지 않다. 이런 상황에서는 구축의 용이성 때문에 주로 무선 네트워크를 사용하게 된다.

데이터 전송을 위한 무선 네트워크 솔루션
데이터 전송을 위한 무선 네트워크 솔루션

무선 네트워크는 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 가장 보편적으로 많이 사용되고 쉽게 사용할 수 있는 것은 와이파이(WiFi)다. 30m 정도의 도달거리를 갖는 WiFi는 QPSK 방식으로 작동하여 초고속으로 데이터 전송이 가능하다. 주로 옥내에서 사용하게 된다. 데이터 기반 스마트공장 구축 전문 업체인 울랄라랩의 구축 사례 중 주조 플랜트를 보유한 기업을 예로 들어 본다. 이 회사는 대형 탱크, 냉각기, 수조, 압축기 등 다양한 설비가 있는 현장을 보유하고 있다. 이 현장에 울랄라랩의 위콘(Wicon) 게이트웨이와 센서를 연동한 후 무선 네트워크를 통해 데이터를 수집, 분석, 가공하도록 스마트공장을 구축했다(그림 1).

 (그림 1) WiFi 방식의 네트워크를 구축한 국내 주조 공장의 사례
(그림 1) WiFi 방식의 네트워크를 구축한 국내 주조 공장의 사례

또 하나는 군사용 통신 방식으로 사용되던 FHSS(주파수 호핑 방식) 방식을 사용하는 산업용 무선 통신으로, 이는 산업용으로 특화된 네트워크 방식이다. 실제 산업 현장은 일반 사무 환경과는 다르게 수많은 장비와 막혀있는 공간이 있거나, 노이즈로 인해 방해 전파를 받을 수 있고, 플랜트의 경우는 규모가 크기 때문에 거리상으로 WiFi가 도달할 수 없는 경우도 있다. 군용으로 설계되어 방해 전파로부터 차단이 수월하고 300m에 달하는 넓은 전송 거리를 가지고 있는 것이 특징이다. 

위치 서비스와 IoT 연결까지 가능한 ARUBA의 AP 510 시리즈. Bluetooth 5 모듈이 내장된 최초의 AP다.
위치 서비스와 IoT 연결까지 가능한 ARUBA의 AP 510 시리즈. Bluetooth 5 모듈이 내장된 최초의 AP다.

마지막으로 LoRA가 있다. LoRA는 10km에 달하는 장거리 전송 거리와 저전력을 사용한다는 특징이기 때문에 장거리 검침에 많이 사용되고 있다. 울랄라랩의 또 다른 사례로 말레이시아의 한 팜유 제조기업의 경우이다(그림 2). 이 회사의 경우 대형 압축기를 사용하는데, 이 장비가 한번 멈추면 한 달 정도의 수리 기간이 걸리기 때문에 자칫 막대한 손해로 이어질 수 있는 상황이었다. 울랄라랩은 여기에 예방 정비 개념을 적용해 진동센서와 전류센서, 온도센서를 투입해 실시간으로 이상 징후를 파악하고 문제가 생기면 미리 조치할 수 있도록 하는 시스템을 구축했다. 이때 사용한 네트워크가 LoRA인데 먼 거리에 떨어진 현장을 모니터링 룸 까지 연결하기 위해 10km의 전송 거리를 갖춘 LoRA가 최적의 선택이었다. 

최근에는 5G도 산업용 네트워크의 대안으로 각광 받고 있다. 우리나라는 2019년 4월 3일 세계 최초로 상용화에 성공했다. 라디오 주파수 대역의 통신규약 표준인 ITU-R이 정의한 5G가 갖춰야 할 성능은 크게 8가지다. 최고 전송 속도는 20Gbps, 사용자 체감 전송 속도 100Mbps, 주파수 효율은 4G 대비 3배, 이동속도는 500km/h, 전송 지연 시간은 1ms, 1km2 당 단말 연결 밀도는 100만 개, 네트워크 에너지 효율은 4G 대비 100배, 1km2 당 트래픽 용량은 10Mbps이다. 한 문장으로 요약하자면 더 많은 양의 데이터를 더 많은 기기에 연결하고 더 짧은 지연 시간을 보장해 실시간 서비스를 제공하는 네트워크다.

문제는 가격이다. 몇몇 대기업은 5G용 라우터(router)를 설치해 자체적으로 사설 5G 네트워크망을 구축하였거나 준비하고 있다. 반면, 중소·중견기업은 통신 사업자가 설치하는 5G망을 이용할 수밖에 없다. 대용량의 데이터를 이용해야 하는 산업 현장에서는 아직은 기지국의 커버리지가 넓지 않은 문제가 있고, 직접 구축하자니 비용적 측면에서 큰 부담으로 작용할 수밖에 없다.

네트워크 구축 시 고려사항
제조 현장에서 ‘유연한 공정’을 만들어 간다는 것은 거부할 수 없는 명확한 추세이다. 따라서 앞으로 현장의 네트워크는 유선 보다는 무선으로 전환될 가능성이 높다. 앞서 설명한 것과 같이 무선 네트워크는 Wifi, FHSS, 5G, LoRa 등 다양한 방법이 있는데 현장에 상황에 맞게 도입을 할 경우 다음의 5가지는 꼭 고려해야 한다. 바로 무선의 커버리지, 안정성, 보안성, 확장성, 유지보수 가능성이다.

최근 많은 기업의 현장에서 WiFi를 많이 선택한다. 케이블링에서 자유롭다는 장점이 크다고 볼 수 있다. 문제는 무조건 저렴한 ‘마트 표 WiFi 공유기’를 사용하는 경우가 의외로 많다는 점이다. 신뢰성, 안정성 등 앞서 말한 5가지 고려사항을 볼 때 저렴한 공유기는 많은 부분에서 함량 미달이라고 볼 수 있다. IT 분야에서 오랜 기간동안 기술력을 갖춘 네트워크 장비와 솔루션들을 OT 분야에서 사용할 수 있는 시대가 되었기 때문에 이를 충분히 활용할 필요가 있다. 예를 들어 네트워크 장비 제조업체가 제공하는 NMS 기능은 큰 비용이나 구축, 운영의 어려움 없이 사용이 가능하기 때문에 필수적으로 고려해야 하는 기능으로 보인다.

 NMS 시스템을 사용해야 하는 이유. 공장에 6개의 AP를 설치했다. 과연 음영 지역이 어디에 생겼는지를 어떻게 확인 할 수 있을까? 바로 NMS를 통해서 가능하다. 사진은 클라우드 기반 네트워크 관리 툴인 ARUBA CENTRAL의 화면.
NMS 시스템을 사용해야 하는 이유. 공장에 6개의 AP를 설치했다. 과연 음영 지역이 어디에 생겼는지를 어떻게 확인 할 수 있을까? 바로 NMS를 통해서 가능하다. 사진은 클라우드 기반 네트워크 관리 툴인 ARUBA CENTRAL의 화면.

OT-IT 융합과 네트워크 보안
IT 보안의 경우는 데이터와 장비의 보호가 우선이지만 OT단, 즉 공장의 네트워크 보안의 경우는 가용성이 우선이 된다. 이 때문에 기존의 일반적인 공장의 경우 IT 망과 OT 망이 자연스럽게 분리가 되어 있는 경우가 많았다. 그런데, 인더스트리4.0이 추구하는 스마트공장의 차원에서는 IT와 OT가 서로 연결이 될 수밖에 없는 상황이 되었다. 그래서, 중간에 네트워크를 분할하고, 방화벽과 침입 탐지 시스템을 배치하거나 경우에 따라서는 데이터가 한 방향으로만 흐르게 할 수 있는 장치를 갖추기도 하는 등, IT에서 발전되어 온 보안 기술을 적극적으로 OT 분야에 반영하고 있다. 사실 이런 부분들은 OT를 중심으로 하게 되는 스마트팩토리 분야에서는 다소 간과되는 분야이기도 하다. 하지만, 융합되어야 하는 중요한 부분으로 설계 단계에서부터 함께 검토되어야 한다. 

유선이냐 무선이냐 그것이 문제로다
스마트공장의 네트워크 구축 시 맨 먼저 드는 고민은 ‘유선이냐 무선이냐’다. 여기서 유념해야 할 점은 어떤 경우에도 적용 가능한 절대적인 솔루션은 존재하지 않는다는 사실이다. 산업용 유·무선 통신이 갖고 있는 장단점은 다음과 같다. 

유선 통신망은 케이블을 설치해야 하는 번거로움이 있지만, 안정적이며 보안 면에서 우수하다. 사용 도중 기술 지원을 손쉽게 받을 수 있다는 장점도 있다. 또 통신망이 설치된 장비들을 서로 연결하는 것도 간단하다. 설비들에 연결된 유선 통신 장치들을 한데 모아 게이트웨이 장치에 연결하면 그만이다. 이동성을 필요로 하는 설비를 연결하거나 다른 지역의 공장 또는 다른 회사와 통신해야 한다면 유선 광통신 네트워크, 무선 통신 네트워크, 위성 통신망 등을 고려할 수 있다. 

무선 통신 기술을 활용할 경우 복잡한 케이블로 공장을 어지럽게 할 일이 없다. 또한 이미 5G가 상용화에 들어갔지만, 기존의 4G LTE 서비스도 유선 통신망과 비교했을 때 속도 면에서 뒤떨어지지 않는다.

유·무선 통신 중 유선 통신 기술을 활용하기로 결정했다면 또 하나의 난관을 넘어야 한다. 바로 다양한 산업용 유선 통신 기술 가운데 현장에 적합한 통신을 고르는 것이다. 우리나라는 제조업혁신 3.0 전략의 일환으로 산업용 이더넷 기술의 KS 표준화 작업을 진행해왔다. 그렇다면 우리나라에서 표준으로 인정받는 6가지 유선 통신 기술에 대해 알아보자.

RAPIEnet은 LS산전에서 제안한 우리나라 최초의 산업용 이더넷 국제 표준 규격이다. 이더넷 스위치가 기기에 내장되어 있어 별도의 외장 스위치 없이도 네트워크 확장을 이룰 수 있다. 전송 방법으로는 Unicast, Multicast, Broadcast 기능을 지원한다.

Ethernet/IP는 산업용 네트워크의 표준을 제안하는 협회인 ODVA에서 관리하는 규격이다. 국내에서는 슈나이더일렉트릭코리아, 로크웰오토메이션코리아, 한국오므론 등 ODVA에 소속된 500여 개 회원사들이 Ethernet/IP를 표준으로 하는 제품을 공급한다.

PROFINET은 독일의 지멘스가 제안한 기술 표준으로, 지멘스가 공급하는 제품에 적용되어 있다.

EtherCAT은 독일의 벡호프가 제안한 기술 표준이며 국내 시장에서는 트라이텍, 레드윈테크놀로지 등의 기업에서 EtherCAT이 적용된 제품을 출시하고 있다.

POWERLINK는 독일의 B&R이 제안한 기술 표준이다. 국내 시장에서는 B&R에서 공급하는 제품에 적용되어 있다.

CC-Link/IE는 일본의 미쓰비시전기가 제안한 기술 표준이다. 국내 시장에는 CC-Link 협회인 CLPA 소속 기업에서 CC-Link/IE가 적용된 제품을 출시하고 있다.

이들 여섯 가지 유선 통신 기술은 대부분 높은 보안 수준을 자랑하며, 제어 기능 및 입출력 제어 면에서도 믿을만 하다. 전송 속도는 100MB와 1GB 수준이다. 무선 통신 기술로는 3G, 4G, 최근 상용화에 성공한 5G 등이 있다. 이들은 휴대폰이나 노트북 등에도 적용되어 친숙한 개념이다. 3세대 통신(3G)의 데이터 전송 속도는 최대 2Mbps다. 4세대 통신(4G)의 경우에는 전송 속도가 대폭 빨라져 100Mbps에서 1Gbps에 이른다. 5G는 전송 속도가 20Gbps에 달하지만 아직 인프라가 완전히 구축되지는 않았다. 사용자들은 현장에서 필요로 하는 전송 속도나 접속 방식 등에 따라 다양한 기술 중 선택하면 된다.

 

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.