기술기고문
신뢰성 높은 산업 자동화 기업으로 변모할 수 있는 방법
신뢰성 높은 산업 자동화 기업으로 변모할 수 있는 방법
보다 효율적인 생산 공정 및 공장에 대한 요구에 새로운 기술 향상이 더해지면서 산업 시설의 전례 없는 변화를 이끌고 있다. 이러한 변화는 자동화, 정밀도, 사용 가능한 데이터 양의 증가로 이어지고 있다.
이 같은 발전은 인더스트리 4.0을 실현할 수 있게 하며, 제조회사들이 탄소 감축과 향상된 생산성, 안정성, 신뢰성을 통해 글로벌 경제에서 경쟁할 수 있는 기회를 갖게 해준다. 이를 통해 향후 10년 동안 자동화 장비 제조회사들이 도전할 수 있는 시장 기회는 약 6조5천억 달러 규모에 이를 것으로 추정된다.
이러한 기회가 매력적이기는 하지만 여기에는 극복해야 장애들도 많다. 예컨대, 이처럼 전통적으로 보수적인 산업에서 새로운 기술의 채택은 더디게 진행될 수 있다. 오늘날 자동화 공장은 종종 신형과 구형 시스템이 복합적으로 섞여 있어 시스템 간 통신이 복잡하게 이루어진다. 네트워크 엣지로부터 데이터를 안전하게 수집하고 통신하기가 기존 인프라에서는 쉽지 않다. 간단히 말해, 공장과 공정 플랜트는 하룻밤 사이에 변화하지 않는다. 과도기가 필요하다.
이러한 전환을 보다 빨리 실현하려면 자동화 공장은 더 많은 시스템 차원의 전문지식과 솔루션을 제공하는 아나로그디바이스(Analog Devices, 이하 ‘ADI’) 같은 기술 파트너와 공급회사로 눈을 돌려야 한다.
과제 중 하나는 이더넷에 대한 확정적 문제를 해결하는 것이다. 많은 프로토콜들이 독자적인 레이어 2 솔루션을 사용한다. 이 경우, 기업 네트워크의 상위 수준에서 사용하기 위해 관련 데이터를 추출하거나 이질적인 생산 노드 간에 상호 조정을 시도할 경우 상당한 상호운용성 문제가 발생한다. 새로운 IEEE 802.1 TSN 표준은 산업 제어에서 부딪치는 동일한 종류의 문제를 해결하는 것을 목표로, 독자적 솔루션에서 탈피하여 표준 기반 방식의 이점을 제공한다.
이더넷은 전통적으로 최선형(best-effort) 네트워크였다. 이더넷을 미션 크리티컬한 애플리케이션에 배치하려면 시간 동기화, 스케줄된 트래픽, 수신 폴리싱(ingress policing), 원활한 이중화(seamless redundancy) 등을 포함하여 특정 기능을 추가해야 한다. 새로운 IEEE TSN 표준의 목표는 모든 종류의 트래픽이 원활하게 상호 공존할 수 있는 진정한 의미의 융합된 네트워크를 달성하는 것이다. 이렇게 되면 미션 크리티컬 실시간 트래픽이 스트리밍 트래픽 및 최선형 트래픽과 동일한 네트워크에서 이동할 수 있다. 이 같은 기능을 통해 네트워크 설계자는 특정 종류의 트래픽을 적시에, 항상 전체 네트워크 토폴로지를 통해 전송하도록 보장할 수 있다. 이러한 기능은 독자적 레이어 2 솔루션과 달리 기가비트 라인 속도 이상으로 확장할 수 있게 설계된다.
이더넷을 온도 송신기 같은 단순한 장치에 적용하는 것은 적절하지 않은 것처럼 보일 수도 있지만, 이는 기기의 단순성이나 기기가 생성/소비하는 상대적으로 적은 양의 데이터에 대한 문제가 아니다. 이는 융합 네트워크 상의 기기로부터 데이터를 비용효율적으로 추출해서 이러한 데이터를 실행 가능한 결과를 얻도록 사용할 수 있느냐의 문제이다. 예를 들어 분산 제어 시스템(DCS)은 온도 송신기의 데이터를 사용하여 공정의 온도를 실시간으로 제어하면서 가동하도록 보장할 수 있다. 또한 특정 온도가 전체 공정에 미치는 영향을 도출할 수도 있다. 온도 송신기가 클라우드에 매끄럽게 연결되어 있다면, 거의 실시간으로 모든 공정 파라미터를 고려하여 분석을 수행함으로써 전체 공정의 실행을 보장할 수 있다. 또한 생산을 최적화하거나 에너지 효율을 증대하기 위해 조정할 수 있다.
ADI는 이러한 과제가 고객의 성공을 달성하는 핵심으로 보고 있으며, 이에 따라 이더넷을 엣지로 적용하는 첨단 기술에 투자하고 있다. 이를 구현하는 핵심 기술 중 하나는, 소위 ‘복잡성이 낮은 이더넷(low complexity Ethernet)’이라고 부르는 기술로, 온도 송신기와 같은 단순한 산업용 기기를 이더넷 네트워크에 직접 적용할 수 있게 해준다.
그림 1. 단일 칩과 다수의 이더넷 프로토콜1
복잡성이 낮은 이더넷은 데이터를 클라우드로 이동하는데 드는 TCO를 낮출 수 있도록 오늘날의 표준 레이어2 이더넷 구현에 따른 전통적인 크기, 전력, 비용 문제를 해결한다.
융합된 산업용 이더넷 네트워크로 전환하는 데에는 현 시스템에 내재하는 일부 기능에 일치하는 솔루션을 제공하도록 물리적 계층에서의 혁신이 필요하다. 가장 널리 활용되고 있는 이더넷 물리적 계층 표준의 많은 것들이 100m 케이블 길이로 제한되기 때문에, 이 네트워크를 구현하려면 여러 개의 연선 케이블(twisted pair cable)이 필요하다. 이와 달리 기존 공장 자동화 네트워크 인프라에 설치된 많은 것들은 31.25kbps 데이터 속도로 1000m 이상 길이를 확장할 수 있는 단일 연선 케이블 위에 구축되어 있다. ADI는 이를 해결하기 위해 IEEE의 지원 아래 주요 산업 파트너와 협력하여 새로운 이더넷 표준을 개발하고 있다. ‘10SPE’라고 불리는 이 표준은 단일 연선 케이블에서 동작하며 최대 1000m 길이까지 확장이 가능하고 10Mbps의 데이터 속도를 지원한다. ADI는 이러한 문제를 해결하는 데 협력적인 표준 기반 접근방식을 택함으로써, 새로운 기술 채택에 대한 문턱을 낮추고 공장 전체 융합된 네트워크의 목표를 달성하는 데 드는 시간을 줄일 수 있게 한다.
이더넷 융합을 구현하기 위해 개발된 신기술 외에도, 이미 100Mbps로 확정적 이더넷을 사용하는 다른 애플리케이션들 역시 대역폭과 성능 한계를 넓히고 있다. 로봇공학과 같은 애플리케이션은 이전 그 어느 때보다 더욱 정밀하게 제어되는 상호 조정이 가능한 축을 점점 더 많이 필요로 한다. 제어 네트워크가 기가비트 속도로 전환됨에 따라 이러한 요구사항을 만족하기가 더 쉬워지고 있으며, 이는 산업 이더넷 시장에서 또 다른 주요 동향으로 나타나고 있다.
이더넷의 급속한 성공은 종종 이더넷 기술 사용자들에게 해당 애플리케이션과 관련하여 해결해야 할 보안상의 과제를 안겨준다. 산업용 네트워크 엣지에서의 데이터 및 센싱에 대해 예상되는 수요 증가는 보안성에 대한 우려로 인해 위축될 수 있다. 뿐만 아니라 산업 제어 애플리케이션에서 낮은 지연과 지터에 대한 요구는 보안 요구와 직접적인 갈등을 일으킬 수 있다. 이러한 애플리케이션에서 성능 및 보안 관련 문제를 해결하는 일은 진작에 이러한 기술 사용자들의 몫으로 넘겨졌다.
네트워크에 안전하게 연결해야 하는 기기들의 엄청난 수를 생각하면, 확실히 이러한 기기에 대한 식별 체계를 구축할 필요가 있다. 물리적으로 분산된 공유 암호화 키는 실용성이 급격히 떨어지고, 인증서 교환 관리는 물류 부문에서 악몽이 되고 있다. 따라서 신뢰할 수 있는 인더스트리 4.0 기업이라는 비전을 실현하려면 키를 사용하지 않는 식별 시스템 구축이 반드시 필요하다. 마찬가지로 네트워크 엣지에서 고도로 제한적인 기기를 안전하게 연결하기 위해서는 고정된 낮은 지연을 갖는 가벼운 암호화 기술과 소형 하드웨어 및 소프트웨어 풋프린트가 필요하다. ADI는 이처럼 중요한 문제를 해결하기 위해 자원이 제한된 기기와 가벼운 블록 암호화를 위한 식별 인증 및 보안 솔루션과 같은 기술에 많은 투자를 하고 있다.
그림 2. 신뢰성 높은 자동화 구현을 위한 ADI의 핵심 기술들
결론
저자 소개
글: 브렌든 오도우드(Brendan O’Dowd) / 아나로그디바이스
보다 효율적인 생산 공정 및 공장에 대한 요구에 새로운 기술 향상이 더해지면서 산업 시설의 전례 없는 변화를 이끌고 있다. 이러한 변화는 자동화, 정밀도, 사용 가능한 데이터 양의 증가로 이어지고 있다.
이 같은 발전은 인더스트리 4.0을 실현할 수 있게 하며, 제조회사들이 탄소 감축과 향상된 생산성, 안정성, 신뢰성을 통해 글로벌 경제에서 경쟁할 수 있는 기회를 갖게 해준다. 이를 통해 향후 10년 동안 자동화 장비 제조회사들이 도전할 수 있는 시장 기회는 약 6조5천억 달러 규모에 이를 것으로 추정된다.
이러한 기회가 매력적이기는 하지만 여기에는 극복해야 장애들도 많다. 예컨대, 이처럼 전통적으로 보수적인 산업에서 새로운 기술의 채택은 더디게 진행될 수 있다. 오늘날 자동화 공장은 종종 신형과 구형 시스템이 복합적으로 섞여 있어 시스템 간 통신이 복잡하게 이루어진다. 네트워크 엣지로부터 데이터를 안전하게 수집하고 통신하기가 기존 인프라에서는 쉽지 않다. 간단히 말해, 공장과 공정 플랜트는 하룻밤 사이에 변화하지 않는다. 과도기가 필요하다.
이러한 전환을 보다 빨리 실현하려면 자동화 공장은 더 많은 시스템 차원의 전문지식과 솔루션을 제공하는 아나로그디바이스(Analog Devices, 이하 ‘ADI’) 같은 기술 파트너와 공급회사로 눈을 돌려야 한다.
연결된 기업에 요구되는, 특히 이더넷과 보안과 관련한 변화
산업용 이더넷은 이미 제어 애플리케이션에 광범위하게 사용되고 있으며, 많은 기업들과 시장이 인더스트리 4.0으로 전환함에 따라 선호되는 통신 수단으로서 입지를 넓혀가고 있다.과제 중 하나는 이더넷에 대한 확정적 문제를 해결하는 것이다. 많은 프로토콜들이 독자적인 레이어 2 솔루션을 사용한다. 이 경우, 기업 네트워크의 상위 수준에서 사용하기 위해 관련 데이터를 추출하거나 이질적인 생산 노드 간에 상호 조정을 시도할 경우 상당한 상호운용성 문제가 발생한다. 새로운 IEEE 802.1 TSN 표준은 산업 제어에서 부딪치는 동일한 종류의 문제를 해결하는 것을 목표로, 독자적 솔루션에서 탈피하여 표준 기반 방식의 이점을 제공한다.
이더넷은 전통적으로 최선형(best-effort) 네트워크였다. 이더넷을 미션 크리티컬한 애플리케이션에 배치하려면 시간 동기화, 스케줄된 트래픽, 수신 폴리싱(ingress policing), 원활한 이중화(seamless redundancy) 등을 포함하여 특정 기능을 추가해야 한다. 새로운 IEEE TSN 표준의 목표는 모든 종류의 트래픽이 원활하게 상호 공존할 수 있는 진정한 의미의 융합된 네트워크를 달성하는 것이다. 이렇게 되면 미션 크리티컬 실시간 트래픽이 스트리밍 트래픽 및 최선형 트래픽과 동일한 네트워크에서 이동할 수 있다. 이 같은 기능을 통해 네트워크 설계자는 특정 종류의 트래픽을 적시에, 항상 전체 네트워크 토폴로지를 통해 전송하도록 보장할 수 있다. 이러한 기능은 독자적 레이어 2 솔루션과 달리 기가비트 라인 속도 이상으로 확장할 수 있게 설계된다.
ADI, TSN 구현을 위한 산업용 인터넷 컨소시엄의 핵심 멤버이자 컨트리뷰터인 ‘이노베이직(Innovasic)’ 인수
엣지 장치를 TSN으로 구현한 신뢰성 높고 융향된 인더스트리 4.0 커넥티드 기업 네트워크에 연결하는 데에는 많은 과제들이 있다. 엣지 장치에서 오늘날의 통신 기술(필드버스, 4 ~ 20mA 전류 루프 등)은 신뢰성 있게 동작한다. 그러나 이들 데이터를 클라우드(로컬이나 원격)로 전송하는 경우, 공장 플로어에서부터 프런트 오피스까지 많은 통신 레이어에 의해 방해를 받는다. 게이트웨이는 종종 하나의 포맷이나 프로토콜에서 다른 포맷이나 프로토콜로 변환해야 할 필요가 있으며, 데이터는 분석이 실제로 발생하는 곳까지 가는 과정에서 여러 서버에 저장되기도 한다. 데이터를 간단한 센서에서 클라우드까지 옮기는 데 드는 총 소유 비용(TCO)에는 데이터 전송에 필요한 장치뿐 아니라 그 과정에서 데이터 무결성을 보장하는 데 필요한 소프트웨어, 프로세싱 및 인력에 대한 비용까지 포함된다.이더넷을 온도 송신기 같은 단순한 장치에 적용하는 것은 적절하지 않은 것처럼 보일 수도 있지만, 이는 기기의 단순성이나 기기가 생성/소비하는 상대적으로 적은 양의 데이터에 대한 문제가 아니다. 이는 융합 네트워크 상의 기기로부터 데이터를 비용효율적으로 추출해서 이러한 데이터를 실행 가능한 결과를 얻도록 사용할 수 있느냐의 문제이다. 예를 들어 분산 제어 시스템(DCS)은 온도 송신기의 데이터를 사용하여 공정의 온도를 실시간으로 제어하면서 가동하도록 보장할 수 있다. 또한 특정 온도가 전체 공정에 미치는 영향을 도출할 수도 있다. 온도 송신기가 클라우드에 매끄럽게 연결되어 있다면, 거의 실시간으로 모든 공정 파라미터를 고려하여 분석을 수행함으로써 전체 공정의 실행을 보장할 수 있다. 또한 생산을 최적화하거나 에너지 효율을 증대하기 위해 조정할 수 있다.
ADI는 이러한 과제가 고객의 성공을 달성하는 핵심으로 보고 있으며, 이에 따라 이더넷을 엣지로 적용하는 첨단 기술에 투자하고 있다. 이를 구현하는 핵심 기술 중 하나는, 소위 ‘복잡성이 낮은 이더넷(low complexity Ethernet)’이라고 부르는 기술로, 온도 송신기와 같은 단순한 산업용 기기를 이더넷 네트워크에 직접 적용할 수 있게 해준다.
그림 1. 단일 칩과 다수의 이더넷 프로토콜1
복잡성이 낮은 이더넷은 데이터를 클라우드로 이동하는데 드는 TCO를 낮출 수 있도록 오늘날의 표준 레이어2 이더넷 구현에 따른 전통적인 크기, 전력, 비용 문제를 해결한다.
융합된 산업용 이더넷 네트워크로 전환하는 데에는 현 시스템에 내재하는 일부 기능에 일치하는 솔루션을 제공하도록 물리적 계층에서의 혁신이 필요하다. 가장 널리 활용되고 있는 이더넷 물리적 계층 표준의 많은 것들이 100m 케이블 길이로 제한되기 때문에, 이 네트워크를 구현하려면 여러 개의 연선 케이블(twisted pair cable)이 필요하다. 이와 달리 기존 공장 자동화 네트워크 인프라에 설치된 많은 것들은 31.25kbps 데이터 속도로 1000m 이상 길이를 확장할 수 있는 단일 연선 케이블 위에 구축되어 있다. ADI는 이를 해결하기 위해 IEEE의 지원 아래 주요 산업 파트너와 협력하여 새로운 이더넷 표준을 개발하고 있다. ‘10SPE’라고 불리는 이 표준은 단일 연선 케이블에서 동작하며 최대 1000m 길이까지 확장이 가능하고 10Mbps의 데이터 속도를 지원한다. ADI는 이러한 문제를 해결하는 데 협력적인 표준 기반 접근방식을 택함으로써, 새로운 기술 채택에 대한 문턱을 낮추고 공장 전체 융합된 네트워크의 목표를 달성하는 데 드는 시간을 줄일 수 있게 한다.
이더넷 융합을 구현하기 위해 개발된 신기술 외에도, 이미 100Mbps로 확정적 이더넷을 사용하는 다른 애플리케이션들 역시 대역폭과 성능 한계를 넓히고 있다. 로봇공학과 같은 애플리케이션은 이전 그 어느 때보다 더욱 정밀하게 제어되는 상호 조정이 가능한 축을 점점 더 많이 필요로 한다. 제어 네트워크가 기가비트 속도로 전환됨에 따라 이러한 요구사항을 만족하기가 더 쉬워지고 있으며, 이는 산업 이더넷 시장에서 또 다른 주요 동향으로 나타나고 있다.
이더넷의 급속한 성공은 종종 이더넷 기술 사용자들에게 해당 애플리케이션과 관련하여 해결해야 할 보안상의 과제를 안겨준다. 산업용 네트워크 엣지에서의 데이터 및 센싱에 대해 예상되는 수요 증가는 보안성에 대한 우려로 인해 위축될 수 있다. 뿐만 아니라 산업 제어 애플리케이션에서 낮은 지연과 지터에 대한 요구는 보안 요구와 직접적인 갈등을 일으킬 수 있다. 이러한 애플리케이션에서 성능 및 보안 관련 문제를 해결하는 일은 진작에 이러한 기술 사용자들의 몫으로 넘겨졌다.
ADI, 사이프리스일렉트로닉스의 보안 사업부(SCIOMetrics) 인수
산업 분야에서 사이버 보안 위험은 매일 점점 더 많은 주목을 받고 있다. 인더스트리 4.0과 산업용 사물 인터넷(IIoT)이 등장하면서, 산업 분야는 새로운 기능을 제공하는 환경 전반에 걸쳐 광범위하게 분산된 기기, 다이나믹한 정보 흐름, 연결성에 의해 새롭게 정의되고 있다. 하지만 새로운 기능의 등장과 함께 과거에는 전혀 생각지도 못했던, 어느 때보다 더 현실적이고 새로운 보안 위협이 등장했다. 이는 전혀 놀라운 일이 아니다.네트워크에 안전하게 연결해야 하는 기기들의 엄청난 수를 생각하면, 확실히 이러한 기기에 대한 식별 체계를 구축할 필요가 있다. 물리적으로 분산된 공유 암호화 키는 실용성이 급격히 떨어지고, 인증서 교환 관리는 물류 부문에서 악몽이 되고 있다. 따라서 신뢰할 수 있는 인더스트리 4.0 기업이라는 비전을 실현하려면 키를 사용하지 않는 식별 시스템 구축이 반드시 필요하다. 마찬가지로 네트워크 엣지에서 고도로 제한적인 기기를 안전하게 연결하기 위해서는 고정된 낮은 지연을 갖는 가벼운 암호화 기술과 소형 하드웨어 및 소프트웨어 풋프린트가 필요하다. ADI는 이처럼 중요한 문제를 해결하기 위해 자원이 제한된 기기와 가벼운 블록 암호화를 위한 식별 인증 및 보안 솔루션과 같은 기술에 많은 투자를 하고 있다.
그림 2. 신뢰성 높은 자동화 구현을 위한 ADI의 핵심 기술들
제품스펙