이번 호에서는 5G를 통한 EtherNet/IP와 CIP 세이프티 통신에 대한 평가 내용을 3회에 걸쳐 연재하고자 한다. 5G는 초고속 데이터 전송, 초저지연(Ultra-Low Latency) 통신, 초연결성(Massive Connectivity)을 구현하며, 5G 네트워크는 실시간 데이터 전송과 대규모 연결이 필요한 분야에서 핵심 기술로 활용되고 있다. 이러한 5G 기술이 EtherNet/IP 및 CIP 세이프티 통신에 적용될 때 어떤 가능성과 성능이 전개되는지를 다음과 같이 평가해보고자 한다.

 

개요

 

공장 내 산업 네트워크에 5G 무선화를 적용하는 방안이 검토되고 있다. 공장 내 다양한 사용 사례에 대한 통신 성능 요구 사항은 파악되었으나, 실제 공장 환경에서 5G 무선 전송을 통해 달성된 통신 성능에 대한 구체적인 평가는 아직 제한적인 상황이다. 또한 로봇 셀에 대해 5G를 통해 CIP 세이프티(CIP-Safety)를 전송하고, 24시간 동안 안전 반응 시간 및 안정성을 평가함으로써 구체적인 사용 사례를 제시하고자 한다. 이러한 평가를 통해 5G 기반 공장 자동화 환경에서 기대할 수 있는 통신 성능을 명확히 할 수 있을 것이다​

 

소개

 

공장 내 무선 기술은 기존에 주로 사용되던 Wi-Fi에서 프라이빗 5G로 전환되고 있다. 이에 따라 유선 연결에 의존하던 산업 네트워크의 무선화가 검토되고 있다. 5G는 고속 대용량, 저지연, 대규모 연결 등의 기능을 제공하지만, 이 모든 기능이 동시에 극대화되는 것은 아니다. 실제 운영 환경 및 사용 사례에 따라 어떤 기능이 우선시될 수 있다. 또한 5G를 도입한다고 해서 공장의 모든 유선 네트워크가 무선으로 대체되는 것은 아니며, 이는 각 애플리케이션의 특수성에 따라 달라진다.

 

NICT(일본 정보통신연구기구)는 다양한 애플리케이션에서 요구되는 허용 가능한 통신 지연(latency)을 그림 1을 통해 제시하고 있다. 일부 제어 및 안전 용도의 미션 크리티컬(Mission-Critical) 애플리케이션을 제외하면, 대부분의 애플리케이션은 10밀리초에서 10초 사이의 지연 시간을 허용 가능한 범위로 요구한다.

 

 

오므론은 5G Sub6의 통신 성능을 바탕으로, 유선 케이블에서 5G로 전환하는 산업 네트워크의 무선화를 위해 목표 지연 시간을 10밀리초 이상으로 설정했다. 공장 내 다양한 사용 사례에 대한 무선화 요건은 파악되었지만, 실제로 산업 네트워크를 5G로 전송했을 때의 통신 성능에 대한 정보는 제한적이다.

 

또한 고객의 목소리(VOC)에 따르면, 생산 설비 간의 유선 네트워크가 생산 라인의 구성이나 레이아웃 변경 시 설비 배치를 유연하게 하기 어렵게 만든다는 문제가 있다.

 

이에 따라, 각 생산 설비를 제어하는 컨트롤러 간의 통신을 대상으로 Ethernet/IP의 5G 무선화에 대한 성능 평가를 진행했다. SA 모드의 4.8GHz 대역에서 기지국(BS)을 사용하여, EtherNet/IP의 Implicit 통신을 통해 컨트롤러 간 통신 성능을 평가했다. RPI(주기)를 변경하며 통신 지연 시간 및 패킷 손실률을 측정했고, EtherNet/IP에서 일반적으로 사용되는 멀티캐스트(Multicast) 및 유니캐스트(Unicast) 방식 모두를 평가했다. 이로써 공장 자동화(FA) 애플리케이션에서 EtherNet/IP를 5G로 전송했을 때 기대할 수 있는 통신 성능 수준을 확인할 수 있었다.

 

또한 FA 애플리케이션에서 CIP Safety를 5G로 전송하는 특정 사용 사례 평가도 진행했다. 이 경우, 세 개의 로봇 셀을 단일 Safety 라인 컨트롤러가 통합 관리하는 로봇 셀 라인을 가정했다. 먼저 CIP Safety 패킷을 5G로 전송했을 때의 기본적인 특성(지연 시간 및 패킷 손실률)을 측정했다.

 

다음으로, CIP Safety를 5G로 전송했을 때 시스템의 안전 기능이 정상적으로 작동하는지를 검증하기 위해 ‘Safety Reaction Time(안전 반응 시간)’을 측정했다. 이는 로봇 셀 내 비상 정지 버튼을 눌렀을 때부터 전원이 차단되기까지의 시간을 측정한 것이다.

 

이러한 지연 시간, 패킷 손실, Safety Reaction Time은 5G 전송과 유선 LAN 전송 양쪽에서 측정했으며, 결과를 비교 분석했다. 마지막으로, 세 개의 로봇 셀 Safety 컨트롤러와 Safety 라인 컨트롤러를 24시간 가동하여 통신 중단 또는 지연에 따른 안전 통신 오류 발생 여부를 확인했다. 이를 통해 CIP Safety의 5G 전송 환경에서 라인의 안정성을 검증할 수 있었다.

 

이상의 평가를 통해 CIP Safety를 5G로 전송하는 FA 애플리케이션의 현시점 성능이 명확히 확인되었다.

 

EtherNet/IP의 5G 전송 평가를 위한 시스템 구성

 

멀티캐스트 방식의 EtherNet/IP 패킷이 컨트롤러 간 5G를 통해 전송되고, 전송된 패킷의 손실률 및 통신 지연을 측정하는 시스템 구성은 그림 2에 나타나 있다. 이 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있다.

 

 

· 코어 네트워크: NDAC 엣지 서버, NDAC 스위치, NDAC 보안 게이트웨이(Nokia)로 구성되며, 5G 시스템을 제어한다.

 

· 5G 기지국: BBU(Base Band Unit)와 RRH(Remote Radio Head)로 구성되며, 5G 무선 구역의 전방향 안테나(4x4 MIMO)에 연결된다. 이는 네트워크 시스템에서 전송된 디지털 통신 프레임을 5G 무선 신호로 변환한다. 5G 신호는 4.8GHz 대역(n79)에서 동작하며, 100 MHz의 신호 대역폭을 사용한다. TDD 프레임 구조는 일본 통신사의 동기화 방식에 따르며, DL(다운링크)과 UL(업링크)의 전송 비율은 3.25:1이다.

 

· 5G 무선 구역: 전방향 안테나(4x4 MIMO)와 5G 장비의 배치로 구성된 무선 공간이다. 평가 환경에서는 SHARP의 로컬 5G 장비를 사용했으며, 4x4 MIMO 기준으로 DL은 784Mbps, SISO 기준으로 UL은 51Mbps의 처리량을 달성했다.

 

· EtherNet/IP 네트워크: 측정을 위해 Omron의 NX701 컨트롤러 1대와 NX102 컨트롤러 1~7대를 사용했다. 이 컨트롤러들은 Packet Capture 장치(Profitap: Profishark1G+)와 VPN 라우터(YAMAHA: RX830)를 거쳐 5G 장비에 연결되어 있다. 패킷 캡처 장치는 GPS 안테나를 장착하고 있어 GPS 시간 동기화를 통해 각 패킷 캡처 지점의 시간차를 비교함으로써 정확한 통신 지연 측정이 가능하다. 멀티캐스트 통신 프레임이 모든 5G 장비에 도달하도록 하기 위해, L2 네트워크를 가상으로 구성하는 VPN 터널링 통신을 사용했다. 이는 5G 기지국을 포함한 네트워크 시스템이 주로 L3 통신 기반으로 작동하기 때문이다. EtherNet/IP의 멀티캐스트 통신은 L2 기반이므로 상위 계층으로 직접 전송할 수 없다. 따라서 EtherNet/IP 패킷을 VPN 라우터를 통해 L2TPv3 터널링으로 캡슐화하여 VPN 클라이언트와 서버 간 터널링 통신을 수행했다. VPN 서버(YAMAHA: RX1220)는 코어 네트워크 내 스위치에 연결되어 있다.

 

이 구성에서는 5G 장비에 연결된 NX701에서 발생한 멀티캐스트 패킷이 코어 네트워크의 엣지 서버를 통해 VPN 서버로 전송된다. VPN 서버에서는 이 패킷들을 복제한 후, 다시 엣지 서버를 통해 5G 무선 구역의 각 5G 장비 하위의 VPN 클라이언트로 전달한다. 마지막으로 이 패킷은 NX102 컨트롤러로 전송된다.

 

5G 무선 구성

 

이번 평가에 사용된 무선 구성은 4.8GHz 대역에서 100MHz의 신호 대역폭을 사용하며, 일본에서 사용되는 통신사 대역 동기화 방식에 따르고 있다. 이는 그림 3(a)에 나타나 있다.

 

 

DL(다운링크)과 UL(업링크)의 비율은 3.25:1로, DL이 UL보다 우선순위를 가지는 구성이다. 평가가 진행된 시점에서는 일본에서 사용 가능한 유일한 동기화 방식이 이 방식이었기에 본 평가에서도 채택되었다. 그림 3(b)에 나타난 바와 같이, DL 대 UL 통신 성능 비율이 1.25:1인 반동기화(Semi-synchronous) 방식은 2022년 12월 이후에 도입되었으며, 현재 일본 내에서 점차 확산되고 있는 중이다.

 

 

이번 평가에 사용된 5G 장비(SHARP: Local5G Router01)의 처리량(Throughput) 평가는 5G 실험 환경에서 iperf를 이용하여 수행되었으며, 그 결과는 그림 4에 나타나 있다. 평가 결과, DL에서는 784Mbps(4x4 MIMO), UL에서는 51Mbps(SISO)의 처리량을 달성했다.