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대규모 실시간 산업용 통신 네트워크는 그의 조작자들에게 심각한 도전을 제기한다. 노드 수가 증가함에 따라 관련된 복잡성과 엔지니어링 비용도 높아진다. 이러한 도전은 흔히 이질적인 프로토콜 환경을 통합해야 한다는 요구에 의해 더 복잡해진다. OPC UA와 조합된 시간 민감형 네트워킹(Time-Sensitive Networking: TSN)이라 알려진 이더넷 표준의 확장은 현저한 개선을 약속한다. 여러 테스트 베드가 현재 OPC UA TSN의 구현을 시험 중에 있다.

OPC UA TSN

지난 15년간 산업 제조업은 빠르고 신뢰성 있는 통신을 위해 여러 가지 종류의 사설(私設) 이더넷 프로토콜에 의존해 왔다. 이 기간 동안 공장과 기계 조작자들은 지나치게 자주 잡탕 같이 뒤섞인 각종 프로토콜들을 포괄적 네트워크로 통합해야 하는 작업에 직면하였다. “이것은 극단적으로 많은 시간과 비용이 소요되는 작업입니다.” B&R의 개방형 자동화 기술 부장인 Sebastian Sachse는 말한다. “각종 기계가 동일한 언어를 사용한다면 훨씬 더 용이해질 것입니다.”

생산자들은 이질적 프로토콜 이외에도 또한 빠르게 증가하는 네트워크 노드의 수와도 싸워야 했다. 대형 실시간 네트워크의 설정은 고된 프로세스이고, 엔지니어링 툴이 곧잘 한계에 부딪히게 되었다. 산업용 사물 인터넷(Industrial Internet of Things: IIoT)의 구현이 시작되면서 수백 개의 필드버스 수준의 노드를 갖는 네트워크를 점점 더 자주 볼 수 있게 되었다.

산업용 인터넷 컨소시엄
2014년 3월에 AT&T, Cisco, General Electric, Intel 및 IBM의 5개 기업이 회동하고 산업용 인터넷 컨소시엄(Industrial Internet Consortium: IIC)을 구성하였다. 이 비영리 단체의 목적에는 상호운용성을 가능하게 하는 기준 구조 및 프레임워크의 정의가 포함되었다.

IIC에 의해 다루어지는 주요 주제 중 하나는 산업용 사물 인터넷이다. 그 밖의 분야에는 보건 의류, 수송 및 재정이 포함된다. IIC는 자체적으로 표준을 개발하기보다는 IEEE, IETF, AVNU Alliance 및 OPC 재단과 같은 단체와 협력한다.

OPC UA TSN 개발을 구상한 사람들이 완벽한 상호운용성을 갖춘 솔루션을 시장에 제시하기 위해 협력하고 있다.
OPC UA TSN 개발을 구상한 사람들이 완벽한 상호운용성을 갖춘 솔루션을 시장에 제시하기 위해 협력하고 있다.

TSN 테스트베드
“산업용 IoT에 관해서는, 특히 흥미로운 IIC의 한 가지 측면이 있으며 그것은 바로 TSN 테스트베드입니다.” Sachse는 지적한다. “우리에게 필요한 것은 기계와 공장 네트워크를 보다 모듈화하고, 유연하게 하고, 사용하기에 용이하게 하는 기술이며, 시장은 대체로 OPC UA TSN이 바로 그 기술이라는 데 대해 만장일치로 동의하고 있습니다.” OPC UA 개발은 OPC 재단에 의해 추진되는 반면에, IIC는 TSN 구현에 깊숙이 관여하고 있다.

B&R은 일찍이 TSN의 잠재력을 인정하고 IIC의 노력에 합류하도록 이끌었다. “컨소시엄은 현실 세계의 조건 하에서 TSN을 시험하기 시작한 최초의 조직이었습니다.” Sachse는 설명한다. 그 이후 이 자동화 전문가는 TSN 테스트 베드의 참여를 통해 기술을 발전시키는 것을 지원하였고, 다른 구성원들과 함께 그의 OPC UA TSN 원형의 상호운용성을 평가하였다. 2017년 5월 현재 여기에는 B&R, Bosch Rexroth, Schneider Electric, National Instruments, Kuka, Sick, Cisco, Intel, Belden/Hirschmann, Hilscher, Renesas Electronics, Analog Devices, TTTech 및 Xilinx가 포함된다. 그 밖의 참여자들에는 Calnex, Ixia, ISW Stuttgart University 및 Phoenix Contact가 있다.

핵심적 TSN 기능의 연이은 시험
TSN은 이더넷 표준의 확장이고 이더넷 실시간 기능을 제공하는 여러 가지 개선 사항을 제공한다. 테스트베드 구성원들은 특히 다음 세 가지 핵심적 기능을 연속적으로 시험하였다: 시간 동기화, 트래픽 스케줄링 (정밀하게 시간이 맞춰진 데이터 패킷과 프레임 전송) 및 중앙 네트워크 컨피규레이터(central network configurator: CNC)를 사용하는 자동화된 시스템 설정.

실시간 산업용 통신을 위한 TSN을 구현하기 위한 근본적 요건은 802.1AS-Rev에 따르는 시간 동기화이다. 이 TSN 표준에는 정밀 시간 프로토콜(Precision Time Protocol: PTP)의 정의가 포함되며, 이것은 네트워크 내의 모든 장치의 클록을 동기화한다. 이 시험 설정에서 PTP는 나노초(nanosecond) 미만의 정밀도를 달성함으로써 기대 이상의 결과를 보였다.

OPC UA TSN은 기계와 공장 네트워크를 보다 모듈화하고, 유연하게 하고, 사용하기에 용이하게 한다.
OPC UA TSN은 기계와 공장 네트워크를 보다 모듈화하고, 유연하게 하고, 사용하기에 용이하게 한다.

테스트베드의 여러 플러그페스트(plugfest)에서 평가된 두 번째의 핵심적 TSN 기능은 IEEE 802.1 Qbv에 요약된 바와 같은 데이터 패킷과 프레임의 예정된 전송이었다. 시간 인식 스케줄러(Time-Aware Scheduler)는 시간 임계 데이터가 일반적인 네트워크 트래픽에 의해 차단되지 않도록 언제나 우선순위를 갖는 것을 보장한다.

동적 설정
최초의 플러그페스트(plugfest)에서 사용된 네트워크는 정적 설정이 사용되었다. 현재의 시험은 지금 IEEE 802.1 Qcc에 정의된 바와 같은 동적 설정을 시험하고 있다. 네트워크에 새로운 장치를 추가하면, 장치는 중앙 네트워크 컨피규레이터에 자신을 등록하고, 컨피규레이터는 다른 장치들과의 연결을 확립하고 그에 따라 네트워크를 재설정한다.

TSN 개별 요소들은 이론에서뿐만 아니라 현실 세계의 시험에서도 완벽하게 작동하였고 표준 이더넷 컴포넌트를 사용하는 현실 계의 통신을 가능하게 한다. TSN 테스트베드는 현재 두 개의 셋업으로 구성되어 있다. 하나는 텍사스 주 오스틴(Austin)의 National Instruments에 위치하고 있고 다른 하나는 독일의 에르바흐(Erbach)의 Bosch Rexroth에 있다. 2017년 4월에, 독일 협회 Labs Network Industrie 4.0 (LNI 4.0)은 아우크스부르크(Augsburg)에 있는 Mittelstand 4.0 역량 센터와 협력하여 자체의 TSN 테스트베드의 설립 계획을 발표하였다.

Mittelstand 4.0은 독일 중소 규모 기업들의 디지털 전환을 지원하기 위해 만들어진 독일의 구상이다.

팀은 트럭으로 운반될 수 있는 이동식 데모 장치를 계획하고 있다. IIC와 LNI 4.0은 접근방식이 다르긴 하지만 100% 상호운용성이라는 공통의 목적을 공유한다. 양쪽 구성의 협력은 이미 계획 단계에 들어섰다. B&R도 또한 LNI 테스트베드에 참여할 예정이다.

플러그 앤 프로듀스(plug-and-produce)
“IIC 테스트베드는 혁신 주기가 어떻게 더 짧아질 수 있는지를 명확히 입증하였습니다.” Sachse는 말한다. 테스트베드 준비는 겨우 2년 전에 시작되었고, 최초의 핵심 능력은 이미 기술적 성숙 단계에 도달하였다. “그것은 완전히 새로운 기술로서는 놀랄 만큼 빠른 것입니다.”

시장에서는 근본적인 전환이 진행되고 있다. 전통적으로 제어 시스템 공급자들은 통신 기술을 이용하여 자신의 차별화를 추구하였다. “그러한 시대는 지났습니다.” Sachse는 말한다. OPC UA TSN은 컨트롤러 수준보다 더 높은 수준에서 빈틈없는 통신을 위한 균일한 표준의 역할을 하게 될 것이다.

새로이 확립된 상호운용성을 이용하면, 시운전은 네트워크 케이블에 단순히 플러그를 연결하는 것과 별다른 차이가 없을 것이다. “플러글 앤 프로듀스의 시대에 오신 것을 환영합니다.” Sachse는 미소 지으며 말한다.

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