인더스트리 4.0 시대를 맞이하는 자세
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인더스트리 4.0 시대를 맞이하는 자세
  • 마우저 일렉트로닉스
  • 승인 2020.07.01 14:27
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[테크월드=선연수 기자] 바야흐로 4차 산업 혁명 시대로 접어들고 있다. IT(Information Technology)와 OT(Operational Technology)를 융합해, 이전에는 불가능했던 고도의 자동화를 이룰 수 있게 됐다. 이를 인더스트리 4.0(Industry 4.0)이라고 한다. 제조 프로세스를 최적화하고 생산성을 크게 향상시킬 수 있으며, 여기서 중요한 역할을 하는 것이 바로 IoT(사물인터넷)다. 이는 사이버-물리 시스템(CPS, Cyber-Physical System)과 인공지능(AI) 알고리즘을 통해 실행된다.

스마트 제조 시스템은 전통적인 제조 시스템과 비교해 확실한 경쟁 우위를 달성할 수 있으며, 얼리 어답터 기업들은 이를 이용해 실제적인 이득을 거두고 있다. 이는 생산성을 높일 뿐만 아니라, 업무 분야 간 상호연결을 지원한다. 시스템의 건전성을 모니터링하고 잠재적인 문제를 감지함으로써 예측적 유지보수를 해내고, 장비의 가동 수명을 연장하고 가동 중단을 피할 수 있도록 돕는다.

산업용 IoT(IIoT, Industrial IoT)를 도입함으로써 머신-머신 통신을 구현할 수 있게 됐다. 지속적으로 데이터를 포착·분석하고 적절한 조치를 즉각적으로 취함으로써, 생산·프로세싱 설비의 안전성과 효율을 높일 수 있다. 이를 위해 IIoT를 도입하기 위한 복잡성을 낮추고, 표준화를 가속화하고, 구현을 간소화하는 등의 과제에 직면해 있다.

 

수 많은 프로토콜이 존재하는 이유

공장에서는 하나의 장비가 각기 기능과 용도에 따라 여러 네트워크로 연결돼 있으며, 각 네트워크는 고유한 프로토콜을 사용하고 있다. 지난 몇 년간 다양한 통신 프로토콜들이 등장했다. 이중에는 레거시 시스템의 특수한 목적을 위한 것도 있고, 새로운 표준으로 등장한 것도 있다. 이런 기술의 진보 속도를 생각해봤을 때, 40년이나 된 이더넷 프로토콜이 여전히 중심적인 역할을 하는 것은 놀라운 일이다.

산업용 이더넷은 확정성과 실시간 제어를 지원한다. 현재 이더넷과 관련된 산업용 프로토콜이 다수 사용되고 있으며, 그 예로 이더넷/IP, 모드버스(Modbus) TCP, PROFINET, EtherCAT, Ethernet Powerlink, BACnet, Sercos III 등을 들 수 있다. 이중 모드버스 TCP(폴링 메커니즘 사용)는 사실상 현재 표준으로 자리 잡은 프로토콜이다. 애플리케이션 층에서 모드버스가 제공하는 최적화된 메시지 구조는 산업 현장에 활용되기에 적합하다. 요청-응답 패턴만이 필요하고, 발행-구독 패턴을 사용해야 할 경우에는 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)를 활용할 수 있다.

MQTT는 이벤트 기반 IoT 프로토콜로, 매우 가벼워 저대역폭 네트워크와 원격지 위치에 설치할 수 있다(이 2곳은 인더스트리 4.0과 IIoT를 위해 중요한 부분이다). MQTT는 게이트웨이를 별도로 요구하지 않지만, 상호운영성은 떨어진다. 이를 극복하려면 모드버스 메시지 구조를 사용해 데이터를 형식화하고, MQTT의 페이로드로 전송한 후, UTF-8 형식을 사용해 메시지를 발행하는 방법이 있다.

 

사이버 보안 유지 방법은?

OT와 IT를 융합하기 위해서는 생산 라인의 기계 장비들을 이질적인 환경과 새로운 취약성들에 노출시키게 된다. 일단 사이버 공격자가 제조 네트워크를 뚫은 뒤, IT/OT 시스템으로 침투해 악의적인 공격(가동을 중단시키거나 정보를 훔치는 등의 행위)을 감행할 수 있기 때문이다.

사이버 보안은 인더스트리 4.0 도입에 있어 매우 중요한 문제다. 운영 체제를 안전하게 보호하지 않거나, 취약성을 패치하지 않거나, 시스템이 공격에 노출되도록 두면 물리적 자산과 디지털 자산 둘 다 위험에 처할 수 있다. IEC 62443 사이버 보안 표준에서는 제조 기업들이 산업 자동화와 제어 시스템(IACS) 보호를 위해 취해야 할 권장사항들을 정의하고 있다. 기본적인 보안 원칙들에는 사용자 출입 제한, 도메인/서브넷에 대한 접근 제한, 디렉토리 리스트 차단, 원치 않는(또는 더 이상 사용되지 않는) 서비스 제거 등이 있다.

여전히 제조 현장에서는 오래된 소프트웨어가 흔히 사용되고 있다. 기계들은 밤낮 없이 가동되고 있으며, 소프트웨어 업데이트를 위해 가동을 중단하는 것이 여의치 않은 경우가 많기 때문이다. 상호운영이 되지 않는 상황을 피하기 위해 업데이트를 주저하기도 한다. 그러나 이런 경우 기계 장비가 네트워크 바이러스에 감염될 수 있다.

이를 위해 생산 현장의 기계 장비와 시스템을 그대로 모방한 별도의 테스트 환경을 마련해, 새로운 소프트웨어 업데이트/패치가 어떻게 영향을 미칠지 미리 파악할 수 있다. 이 테스트에서 가동을 방해하지 않는 성공적인 결과가 나오면 실제 생산 현장에 보다 안전하게 적용할 수 있다.

 

자동화를 위한 TSN

산업 자동화를 위한 또 하나의 중요한 요소는 시간이다. 단-대-단 전송으로 정해진 시간 내 실시간으로 통신하기 위해서는 네트워크 상의 모든 디바이스들이 공통적인 시간 기준을 공유해야 한다. 그래야 모든 디바이스들의 동작이 일치하고, 정밀한 시간 틀 내에서 시간적으로 중요한 조치들을 취할 수 있기 때문이다. 이런 요구를 충족하기 위해 등장한 것이 시간 민감형 네트워킹(TSN, Time Sensitive Networking)이다.

시간 동기화를 달성하는 방법 중 하나는 GPS 클록이나 무선을 사용하는 것이다. 이를 위해서는 위성 신호로 계속 연결돼야 하지만, 이렇게 할 수 없는 경우도 있다. 그렇기에 TSN 시스템으로 중앙의 시간 소스를 사용해 전체 네트워크로 시간 요소를 분배한다. 이를 위해 IEEE 1588 정밀 시간 프로토콜을 사용하며, 이는 이더넷 프레임을 사용해 시간 동기화 정보를 분배한다.

 

무선 상호운영 게이트웨이

자동화 프로세스를 극대화하기 위해서는 IP에 기반한 네트워크가 다양한 이질적인 에코시스템과 통신해야 한다. 내부와 외부 세상의 통신은 연속적이고, 매끄럽고, 신뢰할 수 있고, 보안적이어야 한다. 이는 IIoT의 기본적인 요구를 충족하는 중개자로서 상호운영 게이트웨이를 이용해 달성할 수 있다.

새로운 커넥티비티 표준이 계속 등장하고 있는 가운데(이중 다수는 무선), 오래된 레거시 인프라는 여전히 유선 프로토콜에 의존하고 있다. 주요 업체들은 다양한 유·무선 프로토콜을 지원할 수 있는 중개적인 무선 게이트웨이 솔루션을 개발하기 위해 움직이고 있다. 솔루션에는 모드버스, Wi-Sun, Fieldbus, IEC 61850, IEEE 802.11 a/b/g/n Wi-Fi, 802.15.4, Rs-232, BASE-T 이더넷 등이 있다.

무선 상호운용 게이트웨이는 엣지 컴퓨팅을 지원하며, 향후 IIoT 인프라 구축에 있어 엣지 컴퓨팅은 중요한 역할을 할 것이다. 산업용 디바이스가 지능을 갖추지 못한 경우, 엣지 컴퓨팅으로 네트워크 엣지 상에 방화벽과 가상 사설망(VPN) 기능을 추가함으로써 보안을 높일 수 있다.

 

인더스트리 4.0의 중단기적 솔루션, PROFINET과 TSN

인더스트리 4.0은 혁신적인 첨단 디지털 기술을 사용해 물리 세상과 디지털 세상을 연결한다. 이를 위해 네트워크 인프라는 포착된 데이터를 모든 애플리케이션에 매끄럽게 전달할 수 있어야 한다. 또한 확장이 용이하고, 유연하고, 지속적으로 사용할 수 있어야 한다.

15년 가까이 된 기술인 PROFINET은 향후 중요한 역할을 할 수 있는 매력적인 특성을 여럿 갖추고 있다. 이는 공개 표준으로서 넓은 의미에서는 산업용 이더넷 프로토콜 계열에 속하며, 최신 생산·프로세스 자동화의 모든 주요 운영과 안전성 요구를 충족한다. 성능과 경제성도 높여주며, 등속 모션 제어 애플리케이션에 이르기까지 구동 기술 전반에 걸쳐 활용될 수 있다. 유연성과 범용성도 PROFINET의 장점 중 하나다. IEC 61158, IEC 61784 표준으로 표준화된 PROFINET은 최대 100Mb/s의 데이터 레이트로 동작한다.

이는 확정적 동작으로 TSN을 통해 실시간 통신을 지원한다. TSN은 확정성을 높이고 표준 이더넷 네트워크로의 지연시간을 해결하기 위해 도입된 것으로, PROFINET과 TSN을 함께 사용하면 PROFINET과 IRT(Isochronous Real-time)를 함께 사용할 때와 같은 이점을 얻을 수 있다. 대역폭을 절약하고, 높은 수준의 정확도를 달성하고, 서비스 품질을 높이고, 진단 기능을 지원하는 것이다. TSN은 OSI 모델에서 레이어 2로 제한된다. 그러므로 데이터를 제공하는 것을 보완하기 위해서는 PROFINET과 같이 더 강력한 애플리케이션 층 프로토콜(레이어 5부터 7까지)이 여전히 필요하다.

많은 이들이 중단기적으로 볼 때, PROFINET은 인더스트리 4.0에서 중추적인 역할을 수행할 것으로 예상하고 있다. 시간이 좀더 흐른 뒤에는 결국 5G로 넘어갈 것이다. 5G는 동일한(혹은 더 우수한) 데이터 레이트와 지연시간을 제공하며, 무선 통신 프로토콜을 보다 편리하게 구현하도록 해줄 것이다. 그러나 이는 몇 년이 더 걸릴 것이다. 기존의 하드웨어 개조가 쉽지 않은 일이기에, 장비 수명이 다하거나 교체 시기가 왔을 때 새로운 기술로의 전환을 기대해볼 수 있다.

 

글: 마크 패트릭(Mark Patrick)

자료제공: 마우저 일렉트로닉스


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