산업용 네트워크는 플랜트 또는 공장 운영에 매우 중요합니다. 산업용 네트워크는 수천 개의 엔드 노드가 제어 및 모니터링을 위해 집계되고 보통 열악한 환경에서 운영된다는 점에서 연결성과 통신에 대한 요건이 엄격합니다.
산업용 네트워크 프로토콜은 산업용 네트워크 장치 간의 통신을 위한 토대를 형성하기 때문에 지난 수십 년 동안 많은 산업별 네트워크 프로토콜이 개발되었으며, 각 프로토콜은 특정 용도와 환경을 고려해 설계되었습니다. 아래 그림에는 주요 애플리케이션 도메인과 이들 도메인에서 현재 지원되고 있는 다수의 프로토콜이 나와 있습니다. 산업용 사물인터넷(IIoT)의 등장과 무선 및 이더넷 연결의 새로운 가능성으로 인해 프로토콜 시장의 판도가 변하고 있습니다. 공용 및 사설 엔터프라이즈 클라우드, 운영 시스템 및 비즈니스 도메인을 하나로 통합함으로써 새로운 가치를 창출하면 산업 환경에서 프로토콜 조화를 도모할 수 있는 새로운 기회가 열립니다.
이 입문서에서는 산업 환경에서 사용되는 주요 프로토콜을 살펴보고, 차세대 산업 환경을 지원할 수 있도록 이러한 프로토콜의 진화를 촉진하는 새로운 트렌드에 대해 알아보고자 합니다.
산업용 네트워크
산업용 프로토콜 분야에서는 기본적으로 산업용 통신 네트워크의 다양한 계층에서 데이터 수집 및 집계가 이루어집니다. 산업 환경의 네트워크는 일반적으로 4개의 계층을 가지고 있습니다.
1. 필드 계층 – 이 계층은 다수의 센서, 변환기 및 작동기 노드로 이루어져 있습니다. 센서/변환기 노드는 일반적으로 환경 또는 프로세스 제어 정보를 수집해서 이들을 제어기나 모니터에 중계합니다. 작동기는 필드 장비의 물리적 모터-동작으로 제어기에서 수신한 지침을 실행합니다.
2. 제어 계층 – 분산형 또는 중앙집중형으로 구성이 가능한 로직 제어기는 센서/작동기 데이터를 수집해서 보다 대규모의 플랜트 제어 시스템으로 전송합니다. PLC(Programmable Logic Controller) 또는 DCS(Distributed Control System)는 플랜트의 특정 도메인 그룹에 일반적으로 로컬 제어 기능을 제공합니다. 또한 디지털 또는 아날로그 모듈을 통한 제어를 위해 로직, 시퀀싱, 타이밍, 카운팅, 산술 같은 다양한 유형의 기계 또는 프로세스 지침을 실행합니다.
3. 감시 계층 – 이 계층에는 플랜트 운전을 이끄는 인간-기계 인터페이스와 함께 플랜트 제어 시스템이 포함되어 있습니다. SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 시스템은 인간 운전자에게 보고를 하고, 알림을 연속적으로 원격 모니터링하도록 지원하며, 전체 관리 시스템에 대한 포괄적인 보기 기능을 제공합니다. 이 계층의 주요 기능으로는 데이터 처리, 로깅 및 이력 동향 파악이 있습니다.
4. 실행 및 계획 계층 – 제조 및 엔지니어링 작업을 수행합니다. 리소스 및 장비 스케줄링, WIP(Work in Progress) 작업 시방서 및 일반 작업 계획은 MES(Manufacturing Execution Systems)에서 수행 및 실행됩니다. 이 계층은 비즈니스 우선순위와 작동 시스템을 연결하는 인터페이스입니다. 수요 계획, 조달, 예측 관리 및 재고와 같이 엔터프라이즈 및 계획과 관련된 기능들은 이 계층의 ERP(Enterprise Resource Planning) 시스템에서 구동되는 중요한 기능들입니다.
프로토콜 및 연결성 요건은 애플리케이션 요구, 신뢰성 요건, 광역폭 등에 따라 네트워크 계층마다 다릅니다. 몇 가지 요소를 고려하여 프로토콜을 선택합니다.
• 엔드 노드 전원: 센서와 작동기로 이루어진 엔드 노드는 플랜트 제어 시스템에 중요한 입력 장치로서, 지속적인 전원 공급이 필요합니다. 배터리 전원과 메인 전원을 모두 사용하고 있습니다. 일부 프로토콜들은 다른 프로토콜보다 전력 사용이 더 많기 때문에 전원에 대한 접근에 따라 사용이 불가능할 수도 있고 사용이 용이할 수도 있습니다. 예를 들어 Wi-Fi는 고전력이 요구되기 때문에 배터리에서 전원이 공급되는 원격 노드에 적합하지 않은 경우가 종종 있으며, 자주 배터리가 교체되어 비용이 엄청나게 들 수 있습니다.
• 배선: 오늘날 플랜트는 수 km2에 걸쳐 있고 엔드 노드를 연결하기 위한 와이어 설치 기간이 길어서 비용이 많이 드는 경우가 종종 있습니다. 센서 노드가 연소 시 CO2 센서 같은 위치에 도달하기 어려울 때 문제가 훨씬 심각해질 수 있습니다. 무선 프로토콜은 전원 요건을 효과적으로 충족할 수 있을 때 이러한 요구에 더 적합할 수 있습니다. 또한 배선을 줄일 수 있도록 중간 제어 지점(PLC)이 엔드 노드에 더 가깝게 위치할 수 있습니다. 프로토콜은 제어 계층과 센서 계층 간에 다른 경우가 종종 있기 때문에 플랜트에서 중간 제어 정도에 따라 프로토콜 선택이 영향을 받을 수 있습니다.
• 작동 조건: 산업용 인프라 및 장비는 요소와 부식 환경에 종종 노출됩니다. 뿐만 아니라, 안전 및 위험 공차가 엄격하기 때문에 특별한 고려가 필요합니다. 통신의 신뢰성이 저해되지 않으면서 이러한 환경의 요구를 충족할 수 있는 프로토콜이 중요합니다. 최적의 작동 온도 범위, 진동 및 잡음의 영향, 간섭에 대한 민감성, 습도가 미치는 악영향 등이 프로토콜 선택에 있어 중요한 요인입니다.
• 패킷 손실율: 일부 프로토콜은 혼잡, 비트 오류 또는 연결 불량 같은 전송 문제로 인한 품질 저하를 최소화한다는 점에서 다른 프로토콜보다 훨씬 복원력이 높습니다. 중요하지 않은 애플리케이션이나 노드에서는 데이터 손실로 인한 피해가 없지만, 반응기 코어 같은 중요 애플리케이션에서는 데이터 손실 없는 전송이 반드시 필요합니다.
• 처리량: 데이터 전송의 유형과 크기는 프로토콜 선택에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 통신 켜기/끄기를 통해 만들 수 있는 간단한 바이너리 데이터는 처리량이 적고 비용이 저렴한 프로토콜을 처리합니다. 그러나 카메라에서 나온 이미지 데이터에는 훨씬 많은 데이터 볼륨을 허용하는 프로토콜이 필요합니다.
• 실시간/결정적: 통신에 있어 어떤 지연도 용납할 수 없는 산업용 애플리케이션이 있습니다. 실시간이 아니어서 데이터 패킷의 즉각적인 제공이 보장되지 않는 프로토콜은 이러한 요구를 충족하기에 적합하지 않습니다. 이러한 고려 사항은 산업 환경에서 TCP/IP 같은 일반적인 컴퓨터 프로토콜을 사용하지 않는 경우에 종종 언급됩니다.
• 네트워크 범위, 부하 및 아키텍쳐: 네트워크에서 데이터가 이동해야 하는 거리, 네트워크의 노드 수, 네트워크 아키텍처 자체는 선택한 프로토콜에 따라 크게 다를 수 있습니다. 네트워크 혼잡, 처리량 및 데이터 손실은 특정 네트워크 아키텍쳐에서 두드러질 수 있습니다. 잘못된 프로토콜을 선택하느냐 아니냐에 따라 효율적인 플랜트와 문제에 취약한 플랜트가 결정될 수 있습니다.
• 보안: 산업용 네트워크에서는 의도하지 않은 위협과 악의적 위협을 모두 차단해야 합니다. 웹사이트 및 기타 IT 중단과 달리, 보안 위협이 미치는 영향은 재정적 피해와 평판 위험 측면에서만 측정해서는 안 됩니다. 암호화 같은 적절한 보호책의 부재로 인해 네트워크가 침해를 받으면 인적 안전과 국가 보안이 위협받을 수 있습니다.
• 확장성: 요구되는 확장성 수준도 중요한 요소입니다. 새 노드를 자주 추가해야 하는 경우나 네트워크 구성을 변경해야 하는 경우에는 일부 애플리케이션 구현에 비용이 많이 들 수 있습니다. 또한 ZigBee 같은 일부 네트워크는 장애 시 자체 구성 및 자체 치유가 가능하도록 설계할 수 있기 때문에 신속하면서도 저렴한 비용으로 새 노드를 추가하거나 제거할 수 있습니다.
범용 프로토콜은 낮은 지연 시간과 실시간 처리가 요구되는 상위 계층에 적용되는 경우가 많지만, 위의 모든 요소들은 네트워크 계층에 관계 없이 고려해야 합니다.
산업용 프로토콜 시장 판도
예로부터 산업용 프로토콜의 엄격한 요구 사항으로 인해 다양한 전용 및 애플리케이션별 프로토콜이 개발되어 왔습니다. 유선 및 무선 네트워크는 각기 자체적인 프로토콜 세트를 가지고 있습니다. 사용 가능한 프로토콜 수가 많음에도 불구하고 대부분의 유선 프로토콜은 필드버스와 산업용 이더넷이라는 두 가지 표준을 따릅니다. 최근에는 무선 연결을 통해 네트워크 비용을 절감할 수 있는 가능성이 입증되면서 Wi-Fi, 셀룰러, 블루투스 및 ZigBee 같은 프로토콜이 다양한 수준에서 사용되고 있습니다. 뿐만 아니라 IO-Link 같은 직렬 PPP(Point-to-Point Protocol)가
스마트 센서형 애플리케이션에서 인기를 얻고 있습니다.
필드버스
필드버스는 실시간 분산형 제어에 사용되고 IEC 61158로 표준화된 산업용 컴퓨터 네트워크 프로토콜 제품군입니다. 필드버스 프로토콜은 직렬 연결(RS 232 같은)을 통해 오직 두 개의 장지만 상호 통신이 가능하다는 이전의 제약 조건을 없앴습니다. 제어기 수준에서 오직 하나의 통신 지점이 제공되기 때문에 수백 개의 아날로그 및 디지털 노드가 필드버스 프로토콜을 사용해 동시에 통신을 할 수 있습니다. 데이지 체인, 스타, 링, 분기 및 트리 유형의 네트워크 토폴로지가 모두 지원됩니다. 필드버스가 제공하는 가장 큰 이점은 플랜트 배선을 대폭 줄일 수 있다는 것입니다. 아래 표에는 제품군의 다양한 프로토콜과 이들의 특성이 요약되어 있습니다. 장점, 단점 및 애플리케이션 적합성도 나와 있습니다. 신뢰성 및 단순성 같은 중요한 특성들로 인해 필드버스는 산업용 네트워크에 적합한 프로토콜이 될 수 있었습니다.
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산업용 이더넷
무선 프로토콜:
무선 기술은 네트워크 운영 비용을 줄이고 설치를 간편화할 수 있는 새로운 기회를 열었습니다. 아직 채택 초기 단계에 있지만 무선 프로토콜은 미래의 기술로 점차 인정 받고 있습니다. 주요 장점은 배선을 줄이고 모니터링 및 제어 지점을 늘릴 수 있다는 것입니다. 오늘날 센서 및 측정 장비가 무선 프로토콜의 주 사용층입니다. 산업 자동화를 위한 가장 일반적인 무선 기술로는 802.11.x Wi-Fi, 블루투스, 셀룰러, 전용 비인가 ISM 무전기 및 802.15.4 기반 프로토콜(예: WirelessHART, ISA100.11a, WIA-PA, ZigBee)이 있습니다. Wi-Fi를 채택하면 보통 산업용 이더넷이 함께 배포되고, 종종 통신을 위한 두 번째 백본으로 공존합니다. 블루투스는 포인트-투-포인트 배선 교체 방법으로 사용되고 있습니다(예: HMI 솔루션과 필드 장치 간에). 셀룰러 연결은 보통 플랜트 간의 백홀 통신에 사용되어 장거리 SCADA 애플리케이션에서, 그리고 기계 및 로봇에 대한 외부 액세스에서 원격 장치를 연결합니다. 아래 표에는 제품군의 다양한 프로토콜과 이들의 특성이 요약되어 있습니다. 장점, 단점 및 애플리케이션 적합성도 나와 있습니다. 데이터 분석 및 IoT로 인해 새로운 가능성이 열리면서 무선 프로토콜은 산업 환경에서 앞으로도 계속 성장해 나갈 것입니다.
시장 개발
수십 년 동안 사용되어 온 필드버스 기반의 프로토콜 솔루션은 현재 사용 중인 많은 프로토콜을 대표하는 프로토콜입니다. 분석가들의 예상에 따르면 필드버스 기술은 모든 산업용 연결의 55 ~ 65%를 책임지고 있으며 연간 채택율이 7%에 달합니다. 산업용 이더넷 연결이 주류가 되면서 채택율이 증가세에 있습니다. 이더넷 노드는 기존 연결에서의 성장률을 뛰어 넘을 것으로 예상됩니다. 그러나 필드버스가 제공하는 안전성, 복원력 및 전통적 이점 때문에 채택율은 예상보다 낮았습니다. 일반적으로 산업 분야의 이해 관계자들은 고장이 재앙적인 결과를 가져올 수 있기 때문에 환경을 급격하게 변화시키는 것을 주저하고 있습니다. 대부분의 예측에서 이더넷의 시장 침투율은 30 ~ 40%에 달하고 성장률은 20%대를 기록하고 있습니다. 산업용 애플리케이션에 설치된 무선 장치는 4%이고 연평균복합성장률이 30%에 달할 것으로 예상하고 있습니다. 산업 자동화를 위한 무선 IoT 장치의 주요 공급자들은 대부분 다양한 애플리케이션을 지원하기 위해 다양한 무선 기술과 함께 다양한 솔루션을 제공하고 있습니다.
보다 스마트하고 저렴한 장치가 급증하고 오늘날 이더넷 프로토콜에서 허용되는 디지털 컨버전스의 가치가 높아지면서 이더넷과 함께 무선 기술의 채택율이 증가할 것으로 많은 사람들이 예상하고 있습니다. IoT, 퍼베이시브 센싱 및 데이터 증가는 산업의 변화를 이끄는 가장 대표적인 추진 요인들입니다. 모든 개별 제어 및 모니터링 지점을 모니터할 수 있다는 점과 대량의 데이터를 수집하여 예방적인 고급 유지관리 스키마를 제공할 수 있다는 점이 산업 분야의 실무자들에게 크게 어필하고 있습니다. 무엇보다 중요한 것은 엔터프라이즈 시스템과 운영 시스템의 통합 효과입니다. 대부분의 엔터프라이즈들은 클라우드(공용 또는 사설) 작동 모델을 활용하여 IT 인프라의 총소유비용을 줄이고 있습니다. 클라우드 패러다임은 차세대 제어 시스템에서도 채택 가능성이 있습니다. 대량의 데이터 수집과 관련된 새로운 전략들이 두각을 나타내면서 데이터 처리량 및 보안에 대한 현재의 제약으로는 더 이상 충분하지 않을 것입니다.
한 기술이 종말하고 다른 기술이 등장한다고 예측하기는 어렵지만, 필드버스 장치의 넓은 설치 기반과 전문가 커뮤니티로 미루어 볼 때 앞으로 한동안 이더넷, 필드버스 및 무선 기술이 공존하는 미래가 펼쳐질 것으로 보입니다.
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