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[4차 산업혁명과 산업용 이더넷 ②] 산업용 이더넷, 새로운 요구를 위한 진화

네트워크에 연결된 수많은 디바이스들이 생성해내는 데이터는 가히 천문학적이다. 게다가 네트워크는 더 이상 제어만을 목적으로 존재하지 않는다. IT traffic, 상태 모니터링, Business information system(KPI 관리)과 같이 다양한 목적을 위해 호환성, 시스템 개체화, 데이터 개별화 등의 요구 조건들이 대량으로 생성되고 있다.

이와 관련해 지멘스 장희돈 부장은 “기존에는 없었던 새로운 요구 조건을 만족시킬 수 있는 방법을 개발하는 것이 최근 산업용 네트워크 기술 동향”이라고 설명했다.

One cable for everything – PROFINET

PI(PROFIBUS & PROFINET International)를 통해 확산되고 있는 PROFINET 역시 최신 트렌드에 맞춰 지속적인 기술 개발에 나서고 있다. 세계적으로 높은 시장 점유율을 자랑하고 있는 PROFINET은 지멘스, 슈나이더 일렉트릭, 피닉스컨택트 등 PI 회원사를 중심으로 광범위한 제품 포트폴리오를 확보하고 있다. 지난 2016년 한 해에도 360만 개의 PROFINET 디바이스가 시장에 출고되어, 작년 말을 기준으로 총 1,640만 개의 노드 수를 기록했다.

PROFINET의 노드 수는 지난해 360만 개가 증가하여 총 1,640만 개를 달성했다.
PROFINET의 노드 수는 지난해 360만 개가 증가하여 총 1,640만 개를 달성했다.

장 부장은 “PROFINET은 지원하는 제품이 많고, 그 제품을 지원하는 벤더도 다양한 만큼 벤더에 독립적인 프로토콜이라고 할 수 있다. 그같은 점 때문에 높은 점유율을 선점할 수 있었고, 수많은 노드 수만큼 사용자 경험치가 녹아있는 레퍼런스가 축적되어 있다는 것도 신뢰성의 측면에서 또 다른 장점이 될 수 있다”고 전했다.

하나의 케이블에 묶인 선도적 기술들

다양한 프로파일을 통해 FA에서 PA에 이르기까지 모든 기술적 요건을 구현할 수 있다는 것 역시 PROFINET의 장점이다. 모션 컨트롤러와 드라이브 간 벤더 독립적 통신을 가능하게 하는 PROFIdrive, 중앙 제어 방식으로 플랜트 전체 또는 개별 장치의 가동을 중단시켜 에너지 효율을 증대시키는 PROFIenergy, 신뢰성 있는 안전 통신을 위한 PROFIsafe와 같은 프로파일은 별도의 장치 없이 표준 네트워크 기술 위에서 다양한 요구를 만족시킨다.

One Cable for everything. PROFINET은 하나의 케이블로 다양한 기능을 제공한다.
One Cable for everything. PROFINET은 하나의 케이블로 다양한 기능을 제공한다.

업계를 선도하는 높은 기술 수준의 프로파일은 ‘One cable for everything’이라는 PROFINET의 근본적 콘셉트 실현을 적극적으로 지원하는 요소들이라고 할 수 있겠다. 최근 적용을 시작한 TSN(Time Sensitive Networking) 기술도 마찬가지다.

TSN은 기존 네트워크의 단점을 해결하는 차세대 네트워크 표준으로 공장의 실시간 네트워크, 높은 수준의 보안과 고가용성, 안정성을 보장하는 것이 특징이다. TSN은 시간 결정적 애플리케이션을 위한 동기식 네트워크를 구현할 수 있어 공정 요소 간 연결을 더욱 긴밀하게 한다. 또, 네트워크 상에서 개별 작업을 위한 대역폭 보전이 가능하여 다른 트래픽에 의해 데이터 전송이 중단되는 경우를 차단할 수 있기 때문에 결정성과 안정성도 향상된다.

PI는 지난 4월 개최된 하노버 산업전시회에서 PROFINET에 대한 TSN 통합 작업을 공식적으로 발표했다. 이를 통해 고객들은 다각적인 TSN 활용 효과를 단지 PROFINET을 구축하는 것만으로 모두 누릴 수 있게 되었다.

보안, 경험이 약이다

PROFINET은 네트워크와 떼려야 뗄 수 없는 관계인 보안 문제에도 다양한 방식으로 접근하고 있다. 먼저 초보자도 보안의 개념을 쉽게 이해하고 따라할 수 있는 PROFINET Security Guideline을 2013년부터 무료로 공개하고 있다.

이 가이드는 표준화된 심층 방어 콘셉트를 적용하고 있으며, 축적된 레퍼런스를 바탕으로한 노하우 제공 역시 한몫을 하고 있다. PI는 PROFINET과 관련해 아주 세세한 부분까지 가이던스를 제공하고 있으며, 보안에 대해서도 고객들이 올바른 보안 방향을 설정할 수 있도록 지원하고있다.

타 네트워크와의 접속성 강화로 IIoT 시대 준비 – CC-Link IE

CLPA(CC-Link협회)가 보급 중인 CC-Link IE는 기존 산업환경에서 널리 사용되고 있던 필드버스 네트워크 시스템인 CC-Link를 계승하고 있는 이더넷 기반 산업용 네트워크다. 제조업 비즈니스 환경 내에서 가격 경쟁 격화, 제품 생애주기 단축 경향이 해마다 심화되면서 이 같은 환경 변화에 신속하게 대응해야 할 필요성도 증가했다. 이에 따라 산업 네트워크에 대해서도 디바이스 레벨부터 정보 시스템 레벨까지 시스템 전체의 통합적인 연결과 대용량 메시지 통신이라는 새로운 요건들이 생겨났는데, CC-Link IE의 개발도 그러한 요건 충족을 위해 이루어졌다.

CC-Link IE 네트워크 구상도
CC-Link IE 네트워크 구상도

CC-Link IE 네트워크는 제어 레벨을 담당하는 CC-Link IE Control과 필드 레벨을 담당하는 CC-Link IE Field, 안전통신의 국제 규격을 만족하는 CC-Link IE Safety로 구성되어 있다. CC-Link IE는 1Gbps의 초고속 통신과 대용량으로 안정된 제어주기를 가지고 있다. 각 필드 네트워크를 묶는 백본 네트워크 역할을 담당하는 CC-Link IE Control은 전송로를 이중화한 신뢰성 높은 네트워크로, 추가 기기 없이 전송로의 Redundancy가 가능해 높은 비용 효율과 가용성을 가진 것이 특징이다. CC-Link IE Field는 장치 제어 데이터와 관리 데이터의 혼재에 대응하는 초고속·대용량 필드 네트워크다. 같은 시스템 내에서 컨트롤러 분산, I/O 제어, 모션 제어, 안전 제어 기능을 Seamless하게 설정할 수 있다.

기능 집약적 네트워크 개발로 시장 확대

CLPA는 2016년 8월에 범용 이더넷을 활용하여 소규모 장치 분야에 적합한 CC-Link IE 네트워크를 새롭게 추가했는데, 그것이 바로 CC-Link IE Field Basic이다. 소규모 장치 분야에서는 고속 제어가 필요하지 않기 때문에 100Mbps의 통신 기능이면 충분하다. 그래도 접속 기기의 가시화나 상위 정보 레벨과의 연계는 필요하고, 사용자들은 이렇게 꼭 필요한 성능만 갖춘 최적화된 시스템을 합리적인 비용에 구축하고 싶어한다.

이러한 요구에 맞춰 개발된 CC-Link IE Field Basic은 범용 이더넷 하드웨어를 통해 소프트웨어만으로 마스터 국과 슬레이브 국을 간단하게 저비용으로 개발할 수 있다. 표준 이더넷 프로토콜인 TCP/IP와 혼재하여 통신이 가능하고, IPC나 컴퓨터 상에서 간단히 마스터 국을 실현할 수 있다. 또, 표준 이더넷 통신과 친화성이 있는 필드 네트워크 시스템을 구축하는 비용을 절감할 수 있다.

CC-Link IE와 PROFINET, OPC-UA

모든 것이 네트워크로 연결되는 IIoT 시대에서는 더 원활한 데이터 흐름을 위해 생산 현장 내에 혼재하고 있는 네트워크 간 접속성 강화의 필요성도 커진다. CLPA는 각종 오픈 네트워크와의 접속성 강화, ICT와의 연계 강화에 적극적으로 나서며 본격적인 IIoT 시대를 준비 중이다. 2015년 11월에는 PI와 장치 및 기기 간 상호 접속을 용이하게 하기 위해 CC-Link IE와 PROFINET 간 접속성 강화에 합의하고, 네트워크 전문가로 구성된 워킹그룹을 결성하여 1년여에 걸친 사양 책정 작업 끝에 작년 11월 SPS/IPC/Drives 2016에서 공동 사양서를 릴리즈했다.

또, 제조 현장의 FA와 경영층 ICT의 결합을 위해 FA-IT 간 통신 규격 표준으로 지정된 OPC-UA와의 접속성도 강화했다. CLPA와 OPC Foundation은 FA와 ICT의 인터페이스를 통일하여 고도의 생산성을 지향하는 스마트팩토리 실현에 기여하기로 합의했다.

이미 아시아 시장에서 높은 점유율을 확보하고 있는 CC-Link IE. 2017년 3월을 기준으로 패밀리 접속 기기 수가 CC-Link를 포함해 1,666기종에 달하고 있다. CLPA는 CC-Link IE 확대를 위해 각종 오픈 네트워크 및 OPC와의 접속성을 지속 강화할 예정이며, 보안(Security) 및 무선 네트워크에 대한 대응도 진행 중이다. 뿐만 아니라 세미나 개최 및 다양한 프로모션 활동을 전개하며 네트워크에 대한 시장의 인식 제고에도 기여하고 있다.

넓은 범위를 포괄하는 뛰어난 유연성 – POWERLINK

B&R이 개발해 2001년 소개한 산업용 이더넷 프로토콜 POWERLINK는 현재 EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)에 의해 보급 및 확산이 이뤄지고 있다. 대부분의 산업용 이더넷과 마찬가지로 POWERLINK는 필드버스의 강자로 알려진 CAN 통신에 기초한 COE(CAN Over Ethernet) 방식을 채택하고 있다.

CAN 통신은 간편한 사용과 직관적인 정의를 특징으로 한다. COE 방식은 CAN 통신의 장점을 이더넷에 통합시킴으로써 대용량의 데이터를 빠른 속도로 처리하는 동시에 CAN 통신의 편의성을 함께 갖추고 있다. 여기에 각각의 특징을 집어넣거나, 이더넷 표준을 일부 수정함에 따라 다양한 산업용 이더넷 프로토콜 간 차이점이 나타난다. POWERLINK는 IEEE 802.3 표준을 그대로 준수하며, 프로토콜 간 모든 네트워크 토폴로지 선택의 분산을 허용한다.

뛰어난 유연성과 개방성

POWERLINK는 높은 유연성과 개방성이 특징이다. ‘자동화의 삼각형’을 큰 범주로 나누면 맨 아래부터 I/O, 모션, 로봇 제어를 위한 컨트롤 레벨과 PC 및 PLC 제어를 위한 프로세스 레벨, 그리고 SCADA, MES, ERP 등을 위한 사이트(site) 레벨로 구분된다. 컨트롤 영역만을 커버하는 산업용 이더넷 프로토콜이 있는가 하면, 어떤 프로토콜은 일부 프로세스 레벨과 사이트 레벨을 커버하기도 한다.

반면 POWERLINK는 컨트롤 레벨과 프로세스 레벨을 모두 포괄할 수 있는 높은 유연성을 자랑한다. 산업용 이더넷 프로토콜은 일반 이더넷과 달리 연결 가능한 노드 개수에 제약이 있다. 산업용 이더넷 프로토콜의 주요한 목적은 정해진 노드를 정확한 주기에 따라(정주기성) 고속 제어하는 것이다. 이러한 산업용 이더넷의 목적에 부합하기 위해 POWERLINK는 하나의 마스터에 239개의 슬레이브를 연결할 수 있도록 구성되어 있지만, 추가적인 확장을 위해 각 슬레이브를 서브 마스터로 설정하는 기능을 지원한다.

따라서 하나의 마스터에 239개의 서브 마스터를 연결하고 각각의 서브 마스터에는 또 239개의 서브 마스터를 연결할 수 있다. 이때 마스터-슬레이브는 피라미드와 유사한 구조를 이룬다. 구성하고자 하는 어플리케이션에 적합한 사이클 타임만 제대로 정의할 수 있다면, 마스터와 슬레이브 간 구조를 얼마든지 유연하게 설정할 수 있다. POWERLINK가 I/O나 모션 컨트롤 등과 같이 리얼타임성을 필요로 하는 필드 디바이스 레이어는 물론 프로세스 레이어까지 커버할 수 있는 것은 이러한 유연성을 기반으로 하기 때문이다.

B&R 산업자동화 사재훈 차장
B&R 산업자동화 사재훈 차장

그렇다면 전 세계적으로 POWERLINK의 점유율은 어떤 양상을 보이고 있을까. B&R 산업자동화의 사재훈 차장은 “그 전에 먼저 POWERLINK 표준화 협회인 EPSG의 정책에 대해 이해할 필요가 있다”고 강조했다. EPSG는 POWERLINK 관련 기술을 100% 오픈소스로 공개하고 있다. 특히 마스터 관련 소스는 윈도우나 리눅스 등에서 활용 가능한 C언어로 구성되어 있으며, 샘플 코드 및 UI도 함께 제공되어 어느 정도 기술력을 갖춘 업체라면 EPSG 홈페이지를 통해 POWERLINK 스택을 내려받아 자사 마스터에 통합하는 것이 가능하다.

사 차장은 “PC나 PLC를 구매해서 사용하던 업체가 기존의 양산된 시스템을 업그레이드하면서 연결성을 넓히고 다양한 콘텐츠를 추가로 탑재하기 위해 마스터 시스템을 자체적으로 개발해 사용하고자 한다면, 오픈소스로 제공되는 POWERLINK를 충분히 활용할 수 있다”고 말했다.

안전을 위한 또 다른 프로토콜, openSAFTY

일반 이더넷과 비교해 산업용 이더넷이 보안 면에서 강한 것이 사실이다. 산업용 이더넷은 일반 이더넷과는 별도의 망 내에서 동작하는 데다가 방화벽, 스위치, 허브 등 다양한 솔루션을 적용함으로써 보안에 대한 안정성을 높일 수 있다. 문제는 바로 제어 영역에서의 ‘안전’ 문제다. 안전이 보장되지 않을 경우 생산 현장 내 작업자가 부상을 입거나 기계가 손상될 수 있다. 사 차장은 현장 내 안전을 담보하기 위해서는 제어 목적의 프로토콜과 안전을 위한 프로토콜이 논리적으로 분리되어야 한다고 강조했다.

이에 따라 EPSG에서 선보인 것이 안전을 위한 프로토콜인 openSAFTY다. openSAFTY는 이중화 구조로 인해 안정성이 높으며, IEC61748-3 FSCP 13에 따른 테스트를 거쳤다. openSAFTY는 산업용 이더넷 프로토콜의 최상위 계층인 어플리케이션 레이어에서 동작하므로 Ethernet/IP나 PROFINET, EtherCAT 등 어떤 종류의 프로토콜 위에서도 작용할 수 있다.

유연한 네트워크 토폴로지와 경제성을 장점으로 하는 – EtherCAT

독일의 자동화 솔루션 전문기업인 벡호프(Beckhoff)에서 개발한 산업용 이더넷 프로토콜 EtherCAT은 2003년 처음으로 소개되었으며, 지금은 ETG(EtherCAT Technology Group)에서 보급 및 확산을 위한 활동을 전개하고 있다.

EtherCAT은 IEEE 802.3 표준을 준수하는 산업용 이더넷 네트워크로, 높은 성능과 유연한 네트워크 토폴로지, 경제성과 사용자 편의성 등의 장점을 갖고 있다. 또 국제적으로 표준화된 개방형 기술이므로, 누구든 자유롭게 EtherCAT 시스템을 구축하는 것이 가능하다. 이러한 정책을 기반으로 ETG는 EtherCAT이 개방성과 상호운용성을 유지하면서 기술적으로 더 발전할 수 있도록 다양한 연구 및 개발을 전개해 나가고 있다.

2017년 5월 기준 ETG에 소속된 공식 회원사는 65개국 4,280개사에 이르며, 한국 내에도 약 230개기업이 ETG에 속해 있다. 산업용 이더넷 네트워크에 대한 관심이 높아짐에 따라 EtherCAT 회원사 역시 매년 꾸준히 늘고 있는 추세다.

유연한 네트워크 토폴로지

산업용 네트워크에 있어 중요한 요소 중 하나가 ‘자유로운 구성’이다. 그러나 기존의 산업용 이더넷 시스템은 접속 가능한 스위치와 허브 개수가 제한되어 있어, 전체 네트워크 토폴로지를 제한하기 마련이었다. 반면 EtherCAT은 65,535개의 디바이스를 연결할 수 있으며 라인, 트리, 스타 등 다양한 형태의 네트워크를 지원한다. 또 디바이스를 물리적으로 연결하고자 할 경우, 디바이스 간 거리는 최대 100m까지 허용되며 그보다 더 멀리 떨어진 디바이스를 연결하려면 광섬유를 활용할 수 있다. 즉 네트워크 토폴로지 면에 있어서는 사실상 제한이 없는 셈이다. 따라서 사용자들은 원하는 구성을 손쉽게 구현할 수 있다.

EtherCAT은 라인, 트리, 스타 등 다양한 형태의 네트워크를 지원한다.
EtherCAT은 라인, 트리, 스타 등 다양한 형태의 네트워크를 지원한다.

EtherCAT은 중앙 집중 시스템과 분산 시스템 구조 모두에 적합해 다양한 용도에 활용할 수 있다는 장점이 있다. 또 마스터-슬레이브, 마스터-마스터, 슬레이브-슬레이브 통신을 지원하며, 하위의 필드버스들도 통합할 수 있다. 따라서 EtherCAT은 생산 현장 내 기존 인프라를 모두 포괄하는 것이 가능하다.

편의성과 경제성 고려한 네트워크

EtherCAT의 또 다른 특징으로는 뛰어난 경제성을 들 수 있다. EtherCAT은 고성능 기반의 디바이스가 뒷받침되지 않아도 충분히 구축 가능하며, 마스터 디바이스는 특별한 인터페이스 카드를 필요로 하지 않는다. 슬레이브 디바이스 역시 다양한 공급자들로부터 구할 수 있는 일반적이며 비용 효율적인 칩을 필요로 한다.

DeviceNet이나 Profibus, CANopen 등 필드버스 기반 네트워크를 활용하던 사용자는 새로운 시스템으로 변경하기에 앞서 많은 고민을 필요로 한다. 현재 사용 중인 필드버스 시스템을 변경할 수 없는 사정이 있거나 이미 설비에 투자한 비용을 보호하기 위해서 등 다양한 이유가 있다.

이에 EtherCAT은 기존의 필드버스 기반 시스템을 손쉽게 EtherCAT에 통합할 수 있는 방법을 제공하고 있다. EtherCAT 게이트웨이(DeviceNet to EtherCAT Master, Profibus to EtherCAT Master 등)를 활용할 경우, 기존의 필드버스 네트워크를 하위버스로 내장할 수 있다. 이를 가능하게 하는 것은 EtherCAT의 충분한 대역폭이다. 특히 EtherCAT 게이트웨이는 기존의 필드버스 네트워크에서 EtherCAT으로 전환할 때 도움이 된다.

또 분산된 게이트웨이들을 이용해 네트워크를 통합할 수 있으므로 컴퓨터의 확장 슬롯을 더 이상 필요로 하지 않아 시스템의 물리적인 크기를 줄일 수 있다.

이외에도 벡호프는 EtherCAT의 미래를 위해 EtherCAT과 벡호프 간의 분리를 과감히 단행했다. 또 EtherCAT은 마스터 역할을 하는 IPC와 EPC, 그리고 가장 중요한 소프트웨어인 TwinCAT으로 이루어진 강력한 라인업을 구축했으며, 신제품인 EtherCAT 플러그인 모듈 및 EtherCAT P 제품 등을 공급함으로써 EtherCAT의 적용 범위 확대를 위한 노력을 기울이고 있다.

[4 산업혁명과 산업용 이더넷] 연결기사 보기
①산업용 이더넷의 확산
②산업용 이더넷, 새로운 요구를 위한 진화
③진화하는 산업용 네트워크

About 김솔 기자

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