산업용 통신망 표준 현황

산업용 통신이란 일반적으로 공장에서 사용하는 통신을 말한다. 산업용 통신에서는 실시간 통신 및 에러 발생 시 결정론적인 복귀 시간을 규정할 수 있어야 하고, 데이터가 주어진 시간 내에 정확히 도착해야 한다. 여기서는 산업용 통신망 표준 현황에 대해 LS산전 권대현 팀장이 ‘스마트공장 표준 세미나’에서 발표한 강연 내용을 정리했다.

산업용 유선통신 동향

산업용에는 기존 필드버스와 흔히 인터넷이라고 불리는 오피스 기반의 이더넷이 있다. 기존 필드버스는 배선이 편리하고 Bits and Bytes와 같은 소량 데이터 처리 능력이 뛰어나며 다양한 회사의 디바이스 사용이 가능하지만, 통신 미디어 및 호환성이 부족하고 속도 제약과 리던던시 기능 구현이 취약하다. 

반면에 이더넷은 전송 속도가 빠르고(10M~10Gbps) 통신 미디어의 호환성은 좋지만 토폴로지가 취약해 배선이 불편하고 비용이 많이 든다. 따라서 기존 필드버스와 이더넷의 약점을 없애고 강점들을 고려해서 만든 것이 산업용 이더넷이다.

산업용 이더넷은 빠른 전송 속도를 비롯해 통신 미디어의 호환성, 리니어/링/메시 구조의 토폴로지, 1ms 레벨의 실시간 통신, 1μs 레벨의 시간 동기화, 저렴한 케이블/커넥터, 외장 스위치와 허브 불필요, 그리고 강력한 리던던시 기능 등 필드버스와 이더넷의 강점을 모두 갖추고 있다.

특히 산업용 이더넷의 발전이라고 한다면 스위치 기반의 강력한 토폴로지를 들 수 있다. 스위치가 고장 나면 전체 시스템이 중단되는 문제점이 있었고 이더넷 자체가 데이터를 보냈다가 잘 안 받아지면 재시도되는 비결정론적인 방법이 있었는데, 산업용 이더넷은 그런 문제점들을 깔끔하게 정리했다.

산업용 이더넷 시장은 20% 수준으로 지속 성장이 예상되며 기존 네트워크들은 산업용 이더넷으로 통합 중이다. 네트워크별 현황을 보면 2007년도, 2010년도, 2013년도 시장 점유율 1위가 계속 바뀌고 있다. 2007년에는 Modbus/TCP, 2010년에는 EtherNet/IP, 2013년에는 Profinet이 점유율에서 1위를 차지했다. 기존 시리얼 통신 기반에서 산업용 이더넷 기반으로 확산 중에 있고, 개발 편리성과 호환성을 고려한 기본 이더넷 기술에서 성능, 이증화, 보안을 고려한 기술로 이동하고 있음을 알 수 있다.

현재 10개가 넘는 산업용 이더넷 기술이 IEC 표준으로 되어 있고, 그중 KS 표준은 6개이다. 표준에는 IEC 61158 시리즈가 있고, 거기에 대한 기술이 너무 많아 각각 특징들을 조합한 프로파일들에 대한 표준들이 있다. 프로파일에는 통신 속도는 어느 정도까지 지원하고 디바이스는 몇 개까지 가능한지 등의 내용이 포함돼 있다. 

그리고 세이프티 네트워크 분야에도 표준이 만들어졌다. 케이블/커넥터는 이더넷 분야이므로 표준화에 문제없이 들어가 있고, 고가용성은 리던던시, 즉 이중화를 지원하는 것인데 매우 보수적이다. 그래서 Modbus RTPS나 CC-Link IE, POWERLINK, EtherCAT에서는 공식적으로 IEC 62439-3 규격에는 들어오지 못했다. 듀얼포트는 이더넷 포트 2개인 것을 말하는데 Modbus RTPS는 포트 1개로 편하게 사용할 수 있는 정도만 가지고 있으며, 다른 이더넷 기술은 듀얼포트 기반으로 움직이고 있다. 

산업용 무선통신 동향

IEC 62657이라는 무선통신 요구사항과 주파수 보고 자료를 인용하면, 무선통신 시스템은 공장과 공장을 연결하는 크로스 플랜트(Cross-plant) 무선 네트워크, 다양한 플랜트 애플리케이션을 위한 플랜트 와이드(Plant-wide) 무선 네트워크, 게이트웨이를 통한 필드 레벨에서 동작하는 센서/액추에이터 노드를 모니터링하는 센서/액추에이터 무선 네트워크의 3가지로 분류할 수 있다.

크로스 플랜트는 통신 거리가 길어야 하므로 GSM, GPRS, UMTS, LET, EDGE 등이 사용되고, 플랜트 와이드에서는 Wi-Fi, Bluetooth 등이 사용되고 있다. 여기서 사용되는 네트워크들은 아직 제어용은 아니며 모니터링 목적으로 활용되고 있다. 그리고 센서/액추에이터는 WirelessHART, ISA100.11a 등이 사용되고 있다.

무선통신은 PA 분야에서 모니터링 목적으로 사용 중이다. ARC 자료에 따르면, 무선통신 시장 규모는 2015년 기준 으로 8,000억원을 넘은 수준이며 시장 점유율 1위는 WirelessHART, 2위는 ISA100.11a, 그리고 Proprletary가 그 뒤를 잇고 있다. 무선통신의 연평균 성장률은 13% 정도로, 가파른 편은 아니다.

산업용 무선통신은 다음과 같은 활용 사례를 중심으로 필요성이 대두되고 있다. 첫째는 운송 기기 주변에 있는 작업자의 안전을 위해 활용된다. AGV 이동 시 작업자를 감지해 교차지점에 접근하는 차량을 멈추도록 해야 하므로 이벤트 감지로부터 차량 정지까지 응답 시간이 공정 안전 시간보다 짧아야 한다.

둘째는 석유 탱크 집합 지역에서 가연성 및 유독성 재료 등의 누수를 막기 위한 레벨 모니터링과 알람 시스템으로 활용된다. 석유 탱크 집합 지역은 넓은 영역의 무선이 필요하며, 통신 노드 사이의 금속에 의해 발생하는 감쇠 및 경로 왜곡을 보완하기 위해 메시 토폴로지 구축이 필요하기 때문이다.

셋째는 모바일 무선 장비 필드 작업자 지원에 활용된다. 필드 작업자가 순찰 및 유지보수 진행 시 무선 장비로 표준 동작 절차를 지원하고 음성 통신, 작업자의 위치, 움직임, 상태 등을 인지하기 위해서는 메시 토폴로지 및 넓은 무선통신 대역폭이 요구되며 현장 작업자의 유동성을 고려해 무선통신 장비 무게를 최소화해야 하기 때문이다.

넷째는 기름 유정 모니터링과 제어에 활용된다. 넓은 지역에 산재하는 석유 유정에 설치된 밸브의 유동률과 압력, 온도 레벨을 모니터링하고 밸브를 제어하기 위해서는 원거리 유정을 연결할 수 있는 넓은 영역의 무선이 필요하기 때문이다. 그러나 넓은 지역에 퍼져 있는 시스템인 만큼 적절한 보안 방법도 필요하다.

다섯째는 많은 노드가 있는 공장자동화를 위한 몇몇 애플리케이션에서 활용된다. 실내 제조사의 일반적인 애플리케이션으로 무선 기술 적용 시 통신 시스템 정비가 수월해지기 때문이다.

무선통신 분야는 802.11을 기반으로 한 WiFi 기술과 802.15.4를 기반으로 한 다양한 기술들이 있으며, IEC에서 주파수 대역은 산업 환경을 고려하여 대역폭(80MHz)과 주파수(1.4GHz~ 6GHz)를 검토하고 있다.

한편, OPC-UA의 경우 과거 여러 표준으로 나뉘어 있던 OPC의 세부 규격을 하나로 통합해 IEC 62541 산업자동화 상호운용성 국제 표준으로 채택됐다. OPC -UA는 모바일 디바이스를 포함한 임베디드 디바이스에도 구현 가능하고 상호 인증 및 암호화를 통한 보안 서비스가 가능해 초기 벤더에 의존적인 Proprietary에서 벤더 독립적인 OPC-UA로 기술 흐름이 변화하고 있다. 

정리 : 임근난 기자 (fa@hellot.net)