[커버스토리] Industry 4.0 네트워크

플랜트 현장으로부터 제어실에 이르기까지, 공장이 지능화됨에 따라 전송되고 처리되는 데이터의 양도 함께 증가한다. 전통적인 필드버스 시스템은 폭증하는 물량을 당해내지 못하고 실시간 POWERLINK와 같은 이더넷 기반 솔루션으로 대체되고 있다.

이러한 전례 없는 유연성과 생산성의 장점을 자랑하는 기계 제조사에 대해 기종 전환은 유익한 일이 될 수 있다. “그러나 여기에는 단순히 자동화의 수준을 높인 것 이상의 의미가 있습니다.” 이더넷 파워링크 표준화 그룹(Ethernet POWERLINK Standardization Group: EPSG)의 상무 이사 겸 B&R의 마케팅 부장인 Stefan Schönegger는 설명한다. “이것은 또한 생산에 대한 더욱 동적이고 네트워크화된 접근 방식을 추구한다는 것을 의미합니다.”

Industry 4.0 네트워크

한계에 다다른 필드버스
전통적인 필드버스 시스템은 빅 데이터의 홍수를 처리하도록 설계된 것은 아니다. 그럼에도 불구하고 많은 기계 제조사들은 모션 제어, 안전 데이터 및 센서 데이터를 위한 별도의 네트워크를 포설함으로써 전통적인 필드버스 기술을 사용하여 이럭저럭 버텨내려고 하고 있다. “이러한 병렬 방식의 시스템은 고가에다 유지보수가 어려울 뿐만 아니라 동기화가 곤란하고 오류를 발생시키는 경향이 높습니다.” Schönegger는 말한다. 이것은 보다 강력한 이더넷 기반 네트워크의 인기가 어째서 더 높아지는지 설명해준다.

“속도와 대역폭 양쪽 모두에서 산업용 이더넷은 과거의 필드버스 시스템과는 상대가 되지 않습니다.” Schönegger는 말한다. 그러나 제 4의 산업 혁명이 진행됨에 따라 또 다른 문제가 대두되고 있다. 지능형 센서, 보조 축 및 인간-로봇 협조에 필요한 광범위한 안전 솔루션의 증가와 함께 각 기계에서 발견되는 네트워크 노드의 수가 폭발적으로 늘어나고 있는 것이다. 전형적으로, 네트워크 노드의 수가 증가할수록 시스템의 속도는 떨어진다.

그러나 POWERLINK는 다르다. 이 기술은, 네트워크에서 모든 스테이션에 동시에 데이터를 브로드캐스팅함으로써, 모든 통신 트래픽이 중심 지점을 통해 이동할 때 발생하는 지연 문제를 제거한다. Jitter라고 알려진 클록 신호의 편차는 1 마이크로초 미만이다. “실시간 네트워크에서도 이것은 뛰어난 수준의 정밀도입니다.” Schönegger는 말한다.

빅 데이터를 위한 여유
모든 산업용 이더넷 프로토콜이 Industry 4.0을 위해 만들어진 것은 아니다. 일부는 사이클 시간에만 유일하게 초점을 맞춰 개발되어, 버스 시스템이 때때로 전송해야 하는 막대한 양의 데이터는 무시한다. 그러나 실시간 네트워크 내의 대부분의 데이터는 time-critical이 아니다. 여기에는 장치 설정과 진단을 위한 서비스 데이터, 장기 보관을 위한 프로세스 데이터 및 감시 카메라로부터의 안전 데이터나 비디오 데이터가 포함되며, 이들은 모두 빅 데이터로 알려진 일반적 트렌드에 기여하는 데이터이다. POWERLINK는 이러한 데이터를 그의 asynchronous phase 중에 전송하는데, 이것은 time-critical 데이터에 영향을 미치지 않는 주기의 부분을 가리킨다. 필요한 경우에는 TCP/IP와 같은 프로토콜이 이 asynchronous phase에서 구현될 수 있다.

 

 “POWERLINK는 Industry 4.0 통신에 이상적인 네트워크입니다.”

– EPSG Managing Director, Stefan Schönegger


기계에 대해 맞춤화된 적응 가능한 네트워크
전형적으로, 기계나 플랜트에서 모션 제어 태스크와 같은 진정으로 time-critical 프로세스는 작은 양에 불과하다. multiplexing이라고 알려진 절차를 이용하면, time-critical 노드는 모든 주기마다 폴링하고, 반면에 온도 값과 같은 일반적 상태 정보는 보다 낮은 빈도로 읽는 것이 가능하다. 이렇게 하면 데이터 양이 최적화되고 사이클 기간을 완전하게 당면한 애플리케이션에 적응시킨다. Schönegger는 설명한다. “이러한 개념이 얼마나 효율적인지를 구체적으로 보여주는 한 가지 인상적인 실례가 있습니다. Brückner Maschinenbau의 2차원 필름 연신기에서 우리는 POWERLINK를 사용하여 400 마이크로초의 주기 시간으로 728개의 축을 동기화하였습니다. 이것은 세계 기록입니다.”

특별한 하드웨어 없이 자유로운 토폴로지 선택
이더넷 자체는 토폴로지에 제약을 가하지 않지만, 대부분의 산업용 이더넷 시스템은 특정 유형의 네트워크를 구현하기 위해 특수한 하드웨어를 필요로 한다. 그러나 POWERLINK의 경우에는 하드웨어에 대한 어떠한 제한도 없이 토폴로지에 대한 완전한 자유가 주어진다. 버스, 링 또는 트리 구조를 혼합하고, 조합하고, 변경하고, 확장하여 필요에 따라 기계의 배치에 적합하도록 네트워크를 맞춤화할 수 있다. Schönegger는 말한다. “운전 중에도 그때그때 상황에 따라 노드를 네트워크에 추가하거나 제거할 수 있습니다. 스피드 제조 시대에 모듈화된 기계와 분산 지능은 Industry 4.0의 특징이며 과소 평가할 수 없는 요소입니다.”

Industry 4.0 네트워크

유연성과 모듈 구조의 수준이 높아짐에 따라 흔히 분산 제어 시스템이 요구되는데 POWERLINK에 대해 이것은 문제가 되지 않는다. 데이터는 중심 위치의 병목을 통과하지 않기 때문에, 네트워크 내의 어느 노드라도 직접 그리고 시간 지연 없이 다른 노드와 직접 통신할 수 있다. 물론 고성능 POWERLINK 네트워크는 중앙 집중식 제어 시스템도 마찬가지로 가능하다는 것을 의미한다. “POWERLINK는 제어 시스템의 설계를 바로 그것이 속해 있는 곳, 즉 기계 제조사의 손에 넘겨줍니다.” Schönegger의 설명이다.

단 하나의 여분의 케이블을 사용하는 링 이중화
임계적 애플리케이션에서 네트워크에 고장이 발생하면 값비싼 피해가 발생할 뿐만 아니라 인간 운전원을 위험에 빠뜨릴 수도 있다. 그러한 기계와 시스템에는 이러한 사건이 일어나지 않도록 흔히 광범위한 이중화 솔루션이 제공된다. “POWERLINK를 이용하면 아주 적은 비용으로 링 이중화를 구현할 수 있습니다.” Schönegger는 설명한다. 필요한 것은 직선을 링 구조로 만들기 위해 필요한 여분의 케이블뿐이다. 네트워크의 단절은 즉시 검출되고 바로 다음 주기에 이중화된 통신 경로를 통해 연결이 유지된다. POWERLINK는 또한 전자기 교란에 대해 현저한 내성을 갖추고 있으며, 이 점은 높은 기계 가용성에 추가로 기여하며 네트워크에 slip ring과 무선 연결부가 추가되는 것을 허용한다. Cobham 또는 Schleifring과 같은 회사로부터의 슬립 링을 사용하면, POWERLINK는 네트워크 안정성에 전혀 지장을 주지 않으면서 24 볼트 전원과 750 볼트 DC 버스를 통해 100 Mbit/s의 속도로 데이터를 전송할 수 있다. 빈틈 없이 네트워크화된 지능형 공장의 앞길을 가로막을 수 있는 것은 아무 것도 없다.

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100% 개방성
기계 제조사들은 운전의 신뢰성과 비용의 최적화를 위해 대체 공급자의 선택에 있어서 독립성에 높은 가치를 부여한다. “POWERLINK는 100% 개방형 기술입니다.” Schönegger는 자신 있게 지적한다. 프로토콜 스택은 BSD 라이선스 하에서 개방 소스 소프트웨어로서 발표되었고 이미 SourceForge 플랫폼으로부터 (www.sourceforge.net) 30,000회 이상 다운로드되었다. POWERLINK는 이러한 개방성을 통해 최대한의 투자 보호를 제공한다. POWERLINK는 순수한 소프트웨어 스택으로서 어떠한 하드웨어 플랫폼에서도 실행될 수 있다. 네트워크 기반 구조는 애플리케이션에 대해 필요에 따라 상업적으로 이용 가능한 이더넷 하드웨어로부터 구축될 수 있다. 이것은 다른 어떠한 산업용 이더넷보다도 더 낮은 기계 소유 총 비용으로 귀착된다.

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선로 끝까지 보장되는 안전성
openSAFETY는 POWERLINK의 이상적인 보완 제품이다. 이 개방 소스 프로토콜은 글로벌 IEC 표준으로서 사용되는 컨트롤러와 필드버스와 무관하게 안전 관련 데이터의 빠르고 결정론적인 전송을 보장하고 전체 기계 선로를 통해서 통일된 안전 표준을 제공한다.

openSAFETY 기술의 구현은 많은 장점이 있다. 보다 빠른 응답 시간과 더 작은 safety clearance의 조합은 향상된 생산성을 의미한다. 기계와 기기 소유자들은 또한 자동화된 파라미터화와 설정 서비스를 통한 더 빠른 시운전과 기종 전환으로부터 혜택을 누린다. openSAFETY는 또한 안전 관련 기계와 기기의 인증 프로세스를 크게 단순화한다. TÜV Rheinland와 TÜV Süd는 모두 국제 IEC 61508 요건의 충족에 대해 안전 표준 SIL 3인증을 부여했다.

 

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