[첨단 헬로티]

산업용 통신은 개발 편리성과 호환성을 고려한 이더넷 기술에서 최근 이중화, 실시간, 안전을 고려한 기술로 이동하고 있다. LS산전이 개발한 RAPIEnet은 IT용 프로토콜 TCP, UDP/IP를 동시 지원하며 외장 스위치가 필요 없다. 또한, 100ns 이내 시간 동기화가 가능하고 케이블 이중화 기능을 지원한다. RAPIEnet 기반 스마트 제조 상호운용성 융합 기술에 대해 지난 6월5일 열린 ‘스마트 제조 국제표준화 세미나’에서 LS산전 권대현 수석연구원이 발표한 강연 내용을 정리했다. [편집자 주]

▲ LS산전 권대현 수석연구원

산업용 통신은 시리얼 통신 기반에서 산업용 이더넷 기반으로 확산 중이며, 개발 편리성, 호환성을 고려한 이더넷 기술에서 산업용만의 성능, 이중화(Redundancy), 실시간(Real Time), 안전(Safety)을 고려한 기술로 이동하고 있다.

현재 개발된 기술로는 LS산전의 RAPIEnet을 비롯해 지멘스의 Profinet, 로크웰 오토메이션의 EtherNet/IP, 벡호프의 EtherCAT 등이 있다.

LS산전이 개발한 RAPIEnet(Real-time Automation Protocols for Industrial Ethernet)은 듀얼 포트 스위치 하드웨어가 내장돼 있다. 이 통신 기술은 IT용 프로토콜 TCP, UDP/IP를 동시 지원하며 외장 스위치가 필요 없다. 또한, 100ns 이내 시간 동기화가 가능하고 케이블 이중화 기능을 지원한다. 그 외 전기/광/혼합 모듈과 플러그 & 플레이 기능도 지원한다.

예전에 발표했던 기술과 차이점은 제품 개발에 있어 인증이 어려웠으나, 한국산업기술시험원에서 스마트공장의 과제로 채택이 되면서 앞으로 3년 동안은 개발된 제품에 대해 무료로 평가해주고 인증을 해줄 예정이다.

RAMI4.0과 국제표준

제조업의 인더스트리4.0을 위한 레퍼런스 아키텍처 모델은 현재 다양한 곳에서 연구가 진행됐는데, 그 대표적인 모델이 RAMI4.0이다. RAMI4.0은 독일 Platform I4.0에서 발표한 모델로 2017년 3월에 IEC/PAS 63088 표준으로 등록됐다.

RAMI4.0이 국제 표준으로 처음 모습을 드러냈을 때는 그 누구도 상대할 사람이 없었다. 현재는 발표된 레퍼런스 모델만 14개 정도 된다. 레퍼런스 모델은 어떤 분야를 풀어갈 때 최초 설계도에 해당된다. 현재 IEC JW21에서 표준화를 진행하고 있으며, 2019년 2월 중 테크니컬 리포트가 나올 것으로 예상된다.

RAMI4.0은 크게 보면 3차원 모델로서 3개축을 형성하고 있다. 기존 우리가 알고 있는 계층적 모델에는 맨 아래에서부터 프로덕트, 필드 디바이스, 컨트롤 디바이스, 스테이션, 워크 센터, 엔터프라이즈의 구조를 이루고 있으며, 앞으로는 머신이 전 세계에 연결될 수 있고 공장 간에도 연결될 수 있어 그것을 커넥티드 월드라고 하나를 더 만들었다.

라이프사이클은 기존 공장자동화는 생산에 관심이 많았으나, 스마트 제조는 생산도 중요하지만, 생산과 관련된 인풋 과정, 즉 에너지, 원재료가 될 수도 있고, 그다음에 출력과정, 즉 유통, 고객의 피드백, 유지보수도 있을 수 있다. 타입과 인스턴스는 그것들이 유기적으로 돌아갈 수 있다는 것을 보여주는 라이프사이클이다. 여기서 타입은 제품 개발 시 아이디어를 가지고 R&D에서 실제 시제품까지 만들어보는 과정이며, 인스턴스는 그러한 시제품을 가지고 양산단계를 거치는 것이라고 보면 된다.

다음으로, 에셋은 하드웨어와 같은 물리적인 것이라고 보면 된다. 최근에는 소프트웨어도 에셋으로 보고, 심지어 사람도 에셋으로 보고 있다. 이런 에셋들이 모여서 통합 과정을 거치고 통신을 통해서 정보를 전달하게 되는데, 정보에는 펑크션이 나오게 되고 결국 비즈니스가 된다는 것이다.

그런데, 공장 내에는 분야별로 각기 다른 통신 방식이 존재한다. 따라서 다양한 프로토콜 간의 언어를 통일하는 OPC UA 통신 확산이 예상된다. 또한, 무선 통신 분야는 기존 모니터링 분야의 국한된 방식에서 5G 기반으로 하는 제어 분야도 확산이 예상된다. 

RAPIEnet 기반 상호운용성 융합 기술

우리나라는 글로벌 경쟁력 강화를 위해 국내 최초로 네트워크 분야 IEC 규격을 추진했다. 2007년도에 기술 발표를 해서 2010년도에 처음 국제표준화했고 2016년 7월이 되어서 IEC PAS 1종, IEC/IS 12종 Edition1.0 등록, KS 규격 10종 국제표준을 1차적으로 진행 완료했다. 지금은 리얼타임성 관련된 것들이 2010년에 나오다 보니 1Gbps라든지, 신규 CPU 퍼포먼스가 좋아진 부분도 있고 해서 Edition2.0을 추가 추진하고 있다. CDV가 통과되어서 올해나 내년도에 IEC 국제규격에 추가될 예정이다.

IEC TC 65 중 최근 국내에서 피부로 다가오는 기술로는 2가지가 있다. 첫째가 펑크션 세이프티 가이드(WG14)이다. 과기부의 소프트웨어 진흥법 38조와 39조에는 안전 관련 소프트웨어는 기능 안전을 적용해야 한다고 명시되어 있다. 상세 분야로는 안 되어 있지만, 예제에 자동차, 철도, 항공, 로봇, 제조까지 집어넣었다. 

따라서 공공기관에 들어가는 산업 제어 시스템은 사이버 보안 기능을 갖춰야 한다는 움직임이 일고 있다. 입법도 검토 중이라고 한다. 입법되기 전에는 공공기관의 사이버 보안 평가를 담당하고 있는 국정원에서 인증평가 기관인 한국기계전기전자시험연구원(KTC), 한국산업기술시험원(KTL), 한국정보통신기술협회(TTA)를 통해 인증평가를 받은 제품에 한에서 납품할 수 있도록 하고 있다.

기능 안전 통신 분야에 대한 정의를 보면 기능적 안전 시스템 내에서 전달되는 정보의 무결성을 보장하는 통신 시스템이어야 하며, 규정된 통신 오류를 모두 검출해야 하고 통신 시스템의 잠재적 오류율이 시간당 10-9 이하를 보장해야 한다. 

둘째로 산업용 통신은 IEC SC65C/MT9에서 TSN에 대한 표준을 다루고 있다. MT9은 IEC에서 표준을 만들어 산업용 인프라스트럭처에 TSN되어 있으면 기존 산업용 이더넷 기반 돼 있던 것들이 TSN과 연동됐을 때에 어떤 성능이 나올 것인지에 대해서만 표준을 하고 있다. 현재 MT9에서 테크니컬 프로젝트를 만들어서 진행하고 있다.

산업용 네트워크의 규격을 만족하기 위해 가장 까다로운 부분이 리던던시(Redundancy)이다. 즉, High Avalability가 문턱이 높다. 리던던시 개념이 없다 보니 CC-Link IE, Powerlink, EtherCAT, Modbus RTPS 경우는 못 들어가고, RAPIEnet은 2011년도에 IEC 62439-7로 국제 표준에 등록됐다. 리던던시가 중요한 또 하나의 이유는 디지털 변전소와 같은 분야에 리던던시 HSRPRP IEC 62439-2가 중요한 표준으로 나오고 있기 때문이다.

기업체 고민은 통신 방식이 너무 많다는 것이다. 다양한 프로토콜들 간의 언어를 통일하기 위해서는 OPC UA를 별도로 추가해야 하는데, LS산전은 제품을 구매하면 RAPIEnet, EtherNet/IP, Modbus, OPC UA를 기본적으로 제공한다. 그래서 상위 레벨 10ms~100ms에서는 OPC UA, 하위 레벨은 10ms, 또는 1ms 이하까지 필요한 곳은 RAPIEnet으로 통신을 지원한다. 또한, 호환성이 필요할 시에는 EtherNet/IP나 Modbus를 통해서 호환할 수 있도록 개발하고 있다. 

즉, LS산전의 산업자동화 커넥티비티 대응 방안은 상위 기기(인포메이션, 애플리케이션)간 통신은 OPC US, 하위 기기(컨트롤, 디바이스)간 통신은 RAPIEnet, EtherNet/IP 통신으로 커넥티비티 솔루션을 확보해 나갈 예정이다.