4-1.산업용 통신 프로토콜

오늘날에는 업체들이 주도하는 여러 산업용 통신 프로토콜이 존재한다. 이들 산업용 프로토콜을 알아보고, 실시간성과 시간결정성 그리고 낮은 대기시간이라는 요소를 충족하는 표준에 대해 살펴본다.

오늘날에는  ‘연결된 세계Connected World’가 실현됨에 따라 생산현장에서 역시 연결을 중요시하고 있다. 인간 기계 인터페이스(HMI)·프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)·모터 및 센서 등의 장비들이 확장과 효율성을 위해 서로 연결되고 있다.

지금까지 공장을 구성하는 요소들은 크게 제어 영역 네트워크(CAN)·Modbus·PROFIBUS·CC-Link 등의 필드버스 프로토콜을 통해 연결되어왔다.

최근에는 산업용 이더넷이 인기를 얻고 있다. 연결이 간편하고 속도가 빠르며, 연결거리 또한 길고 보다 많은 장비와 연결할 수 있기 때문이다.

오늘날에는 다양한 업체들이 주도하는 여러 산업용 이더넷 프로토콜이 존재한다. 최근 부상한 산업용 이더넷 프로토콜 표준에 대해 살펴본다.

산업자동화의 구성요소

산업자동화를 구성하는 요소로는 크게 PLC 컨트롤러와 HMI 패널, 산업용 드라이브 그리고 센서 등 네 가지가 있다. 

1. PLC 컨트롤러

PLC 컨트롤러는 산업자동화 시스템의 ‘뇌’를 담당한다. 릴레이 제어와 모션컨트롤, 입출력 및 공정제어 그리고 분산제어 시스템과 네트워크 제어 등을 실현한다. 
PLC는 열기·냉기·수분·진동을 비롯한 혹독한 환경에서 정밀도와 결정성 그리고 실시간 제어를 유지할 수 있어야 한다. 여타 제품군에게 신뢰성 있는 통신 연결을 제공해야 하기 때문이다.

2. HMI

HMI는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공한다. 명령 입력과 피드백 출력을 통해 산업용 장비 등을 제어한다. HMI는 통신 연결을 통해 여타 산업용 시스템과 소통한다.

3. 산업용 드라이브

산업용 드라이브는 모터 작동 제어를 최적화할 수 있는 컨트롤러다. 산업용 드라이브는 여러 산업분야에서 사용되며, 다양한 전압 및 전력을 제어할 수 있다. AC 및 DC 드라이브뿐 아니라 모터 피드백 시스템을 장착해 서보 메커니즘의 동작 및 성능을 제어할 수 있는 서보 드라이브도 존재한다.

4. 센서

센서는 산업자동화 시스템의 손과 발 역할을 한다. 작업 상태를 실시간으로 관찰하고 감시하며 측정하는 등의 작업을 수행한다. 시스템 제어 측면에서 센서는 트리거가 되는 지점을 명확하게 지정할 수 있고, 피드백 기능 역시 제공한다.

5. 통신

은 모든 구성요소를 잇는 중추 역할을 한다. 보다 효율적인 자동 생산 시스템을 구축하는 열쇠다.  

기존 산업용 통신 프로토콜
산업용 통신은 시리얼 인터페이스를 기반으로 개발되었다. 초기에는 다양한 기업에 의해 기술이 개발되고, 이후 표준화 작업을 거쳤다. 오늘날 시장에는 여러 표준이 공존하고 있다.

현재는 몇몇 기업들이 각각의 표준을 관장하고 있으며, 이로 인해 산업자동화 장비 제조업체들은 산업 표준 대부분을 구현해야 한다는 숙제를 안게 되었다. 그러다가 PROFIBUS와 CAN 버스 그리고 Modbus와 CC-LInk 같은 시리얼 통신 기반의 프로토콜이 등장했다. 이들 프로토콜로 인해 마스터와 슬레이브라는 구성이 보편화되었다.

1. PROFIBUS는 공장자동화 및 공정자동화를 비롯한 산업자동화 시스템 분야에서 활발하게 활약하고 있다. PROFIBUS는 공정 데이터 및 보조 데이터 전송에 디지털 통신 방식을 활용하고, 최대 12Mbps 속도를 낼 수 있으며, 최대 126개 어드레스를 지원한다.

2. CAN 버스는 고 집적 시리얼 버스 시스템이다. 자동차 산업을 겨냥하여 만든 시스템이지만, 이후 산업자동화용 필드버스로 그 범위를 넓혔다. CAN 버스는 최대 1Mbps 속도로 물리 링크 계층 및 데이터 링크 계층을 제공하는 시리얼 통신을 제공한다.

CANopen 및 DeviceNet 프로토콜은 CAN 버스의 상위 개념으로, 동일한 산업용 네트워크를 활용하는 장치와의 상호운용을 보장한다.

CANopen 네트워크는 최대 127개의 노드를 지원한다. 반면 DeviceNet은 64개의 노드를 지원한다.

3. Modbus는 사용이 단순하고 강하며 공개적인(Openly Published), 즉 로열티 지불이 불필요한 시리얼 버스다. 동일한 링크 내에서 최대 247개의 노드를 연결할 수 있다. 

Modbus는 구현이 용이하며, RS-232 및 RS-485 물리 연결을 실현함과 동시에 최대 115K보(baud) 속도를 낸다.

4. CC-Link는 일본 미쓰비시가 개발한 개방형 구조의 산업용 네트워크 프로토콜이다. 일본을 비롯한 아시아 지역에서 특히 강세를 보인다. 

CC-Link는 RS-485를 그 기반으로 하고 있다. 동일한 네트워크에서 최대 64개의 노드를 연결할 수 있으며, 최대 속도는 10Mbps에 달한다.


 
산업용 이더넷 통신 프로토콜
오늘날 이더넷은 높은 비용효율성을 자랑한다. 단순한 물리적 연결만으로도 향상된 속도를 제공하기 때문이다. 많은 산업용 통신이 이더넷 기반 솔루션으로 변모하는 이유이다. 

TCP/IP를 활용한 이더넷 통신은 일반적으로 비 결정적이며 반응 시간은 100㎳ 남짓이다. 산업용 이더넷 프로토콜은 수정을 거친 매체 접근 제어(Media Access Control, MAC) 층을 활용해 대기시간을 낮추고 결정적 응답성(Deterministic Responses)을 한층 높였다. 

이더넷을 활용하면 네트워크 토폴로지를 유연하게 선택할 수 있으며, 하나의 시스템에서 여러 개의 노드를 유연하게 구성할 수 있다. 

최근 인기를 끌고 있는 산업용 네트워크를 살펴보자.

1. EtherCAT은 Beckhoff가 개발한 네트워크 프로토콜이다. EtherCAT은 보다 빠른 패킷 처리를 실현하며, 실시간 이더넷을 자동화 응용사례에 접목시켜 PLC부터 I/O 및 센서에 이르는 자동화 시스템의 전반적 연결성을 확장한다.

EtherCAT은 IEEE 802.3 이더넷 프레임 표준을 활용한다. 각 슬레이브 노드는 각자 가지고 있는 데이터그램을 처리하고, 슬레이브가 운반하는 프레임에 새 데이터를 삽입한다. 하드웨어가 이러한 공정을 관장하며, 이를 통해 각 노드가 처리에 따른 지연시간을 최소화하고 응답시간을 극대화한다.

EtherCAT은 MAC 계층 프로토콜이며, 따라서 TCP/IP·UDP·웹 서버 등 다양한 이더넷 프로토콜로서 작용할 수 있다.
EtherCAT은 하나의 시스템에서 최대 65,535개의 노드를 연결할 수 있다. 

EtherCAT 마스터는 표준 이더넷 컨트롤러로 작용하며, 이를 통해 네트워크 구성을 간소화한다. EtherCAT의 각 슬레이브 노드는 대기시간이 낮아 유연하고 비용이 낮은 산업용 이더넷 솔루션을 구축하기에 적합하다.

2. EtherNet/IP는 로크웰 오토메이션을 주축으로 개발된 산업용 이더넷 프로토콜이다. MAC 계층 프로토콜인 EtherCAT과는 달리 응용 계층 프로토콜(Application-Layer Protocol)이다. EtherNet/IP가 TCP/IP의 상위 개념이기도 한 이유다.

EtherNet/IP는 표준 이더넷 물리 연결 및 데이터 연결, 네트워크 및 전송 계층을 사용한다. 또한 TCP/IP를 활용한 Common Industrial Procotol(CIP) 구조에 기반을 두고 있다. CIP는 산업자동화 시스템에서 사용할 수 있는 공통 메시지 및 서비스를 제공하며, 이를 통해 다양한 물리적 매체를 활용할 수 있다. 예를 들어 CAN 버스를 통한 CIP는 DeviceNet이라 부르며, 전용망(Dedicated Network)을 활용한 CIP는 ControlNet, Ethernet을 활용한 CIP는 EtherNet/IP라고 일컫는다.

EtherNet/IP는 TCP 방식을 활용한 CIP 연결을 통해 한 애플리케이션 노드에서 다른 노드로의 통신을 보장한다. 하나의 TCP 연결을 통해 다수의 CIP 연결을 구축할 수도 있다.

EtherNet/IP는 표준 이더넷 및 스위치를 활용한다. 따라서 연결할 수 있는 노드 수에 제한이 없다. 공장의 다양한 장치들을 하나의 네트워크만으로 연결할 수 있음을 의미한다. EtherNet/IP은 또한 효율적인 슬레이브 간의 직접 연결(피어 투 피어)을 보장한다. 

EtherNet/IP는 다양한 표준 인터넷 및 이더넷 프로토콜과 호환할 수 있지만, 여러 프로토콜과 혼용할 경우 실시간성 및 시간결정성에 제약이 생긴다. 

3. PROFINET은 지멘스·GE 등의 산업용 장비 제조업체가 주도하고 있는 산업용 이더넷 프로토콜이다.
PROFINET은 세 종류의 등급(클래스)을 가지고 있다.

PROFINET 클래스 A는 프록시와 이더넷 브릿징 그리고 FROFIBUS를 통해 PROFIBUS 연결을 지원한다. TCP/IP에서 원격 절차 호출(Remote Procedure Calling)을 실행하는 것이 특징이다. 사이클 타임은 약 100㎳가량이며, 이 사이클 타임은 대부분 데이터 패러미터 설정 및 I/O의 주기적 순환에 사용된다. PROFINET 클래스 A의 일반적인 응용사례로는 시설 및 건물 자동화 등이 있다. 

PROFINET Real-Time(PROFINET RT)라고도 불리는 PROFINET 클래스 B는 소프트웨어 기반의 실시간 접근을 실현하며, 사이클 타임을 약 10㎳가량으로 줄였다. 클래스 B는 공장자동화 및 공정자동화 분야에서 주로 사용한다. 

PROFINET Isochronous and Real-Time(IRT)라고도 부르는 PROFINET 클래스 C는 특별한 하드웨어를 필요로 한다. 사이클 타임을 1㎳ 미만으로 낮추기 위해서다. 고사양 하드웨어를 통해 모션컨트롤에 사용되는 실시간 산업용 이더넷의 충분한 성능을 보장한다. PROFINET RT는 PLC 기반 응용사례에 적합한 솔루션이며, PROFINET IRT는 모션컨트롤 응용사례에 적절한 선택이다.

PROFINET에는 가지형(Branch) 및 별형(Star) 토폴로지가 흔히 쓰인다. 시스템이 필요로 하는 적절한 성능을 달성하기 위해서는 신중한 토폴로지 선택이 필요하다.

4. Ethernet POWERLINK는 B&R이 개발한 이더넷 프로토콜이다. Ethernet POWERLINK는 IEEE 802.3를 기반으로 한 솔루션이며, 따라서 네트워크 토폴로지 선택과 교차 연결 그리고 핫 플러그(전원 연결을 유지한 채 장치를 연결하고 제거하는 것) 등이 자유롭다. POWERLINK는 폴링 방식 및 타임 슬라이싱 방식을 활용해 실시간 데이터 교환을 구현한다.

POWERLINK의 마스터(‘마스터 노드’라고도 부르는)는 패킷 지터를 통해 시간 동기화를 제어한다. 제어 가능한 시간은 10㎱ 수준에 달한다. 이러한 구조로 인해 POWERLINK는 PLC 대 PLC 통신부터 시각화, 모션컨트롤과 I/O제어까지 자동화 시스템의 다양한 장치에 적절한 솔루션을 제시할 수 있다.

POWERLINK 구현에 대한 진입장벽은 매우 낮은 편이다. 파워링크협회에서 오픈소스 스택 소프트웨어를 제공하기 때문이다. CANopen을 포용하고 있어 기존 필드버스 프로토콜에서 쉽게 업그레이드할 수 있다는 점 또한 장점이다.

5. Sercos Ⅲ는 시리얼 실시간 통신 시스템(Serial Real-time Communication System), 즉 Sercos의 3세대 표준이다. Sercos Ⅲ는 빠른 패킷 처리를 통한 실시간 이더넷 통신을 제공하며, 표준 TCP/IP 통신을 활용하여 대기시간이 낮은 산업용 이더넷을 구현한다. 

Sercos Ⅲ는 EtherCAT과 마찬가지로 슬레이브가 데이터를 추출해 이더넷 프레임에 삽입하는 방식으로 패킷을 생성한다. 낮은 대기시간을 실현하는 비결이다. 

Sercos Ⅲ는 데이터 입력과 출력을 두 개의 프레임을 활용해 해결한다. 하나의 프레임에서는 입력을, 다른 프레임에서는 출력을 수행하는 것. 이러한 방식을 활용하는 Sercos Ⅲ의 사이클 시간은 31.25㎳가량으로, EtherCAT 및 PROFINET IRT보다 빠르다.

Sercos Ⅲ는 원형(Ring) 토폴로지 혹은 선형(Line) 토폴로지를 활용한다. 원형 토폴로지를 활용했을 때의 장점 중 하나는 통신 이중화다. 하나의 슬레이브가 작업 오류를 일으켜 원형 구조가 깨지더라도 남아있는 슬레이브가 Sercos Ⅲ 프레임을 활용해 데이터를 입·출력한다. Sercos Ⅲ는 하나의 네트워크에 511개의 슬레이브 노드를 가지고 있다. 이러한 장점은 서보 드라이브 제어에서 크게 부각된다.

6. CC-Link IE는 CC-Link에 산업용 이더넷 기술을 도입한 프로토콜이다. 이 프로토콜 역시 미쓰비시가 개발했다. 

CC-Link IE에는 두 가지 버전이 존재한다. CC-Link IE Control과 CC-Link IE Field가 그것이다. CC-Link IE Control은 컨트롤러 대 컨트롤러 연결을 위해 개발된 프로토콜로, 네트워크 당 최대 120개의 노드를 연결할 수 있다. CC-Link IE Field는 I/O 통신과 모션컨트롤을 대상으로 개발되었으며, 네트워크 당 최대 254개의 노드를 연결할 수 있다. CC-Link IE는 이더넷 데이터 링크 계층을 활용하며, 제어 프레임을 이더넷 프레임에 삽입한 형태를 띤다. 

CC-link는 기본적으로 원형 토폴로지만을 지원한다. 이는 CC-Link IE가 네트워크 이중화를 지원하기는 하지만, 상대적으로 노드 개수에 제한이 있으며, 사이클 타임 역시 네트워크에 연결된 노드 수에 따라 달라짐을 의미한다.

7. Modbus/TCP는 Modbus가 한 단계 발전한 버전이다. 슈나이더 일렉트릭이 개발한 이 프로토콜은 TCP/IP를 활용해 Modbus 메시지 전송을 구현한다. Modbus/TCP는 표준 이더넷 네트워크를 통해 쉽게 구현할 수 있는 것이 장점이지만, 실시간성 및 시간결정성을 보장하지는 못한다.

미래를 손에 쥐다
우리는 지금 세 번째 산업혁명의 새벽을 보고 있다. 산업자동화가 다시 한 번 세계 경제에 활력을 불어넣을 것이라고 판단한다. 

산업자동화의 성공은 신뢰성과 효율성을 갖춘 통신 네트워크에 달려있다. 공장 내의 모든 구성요소가 함께 호흡할 수 있도록 만드는 것이야말로 산업자동화의 성공을 좌우한다.

이더넷이 점차 보편화되고 인기를 끎에 따라, 오늘날 다양한 산업용 이더넷 프로토콜이 현장에 구현되고 있다.

미래의 산업용 이더넷 프로토콜은 계속해서 발전을 거듭한다. 이들 모두가 뛰어난 실시간성과 시간결정성, 그리고 높은 신뢰성과 통합 안전을 향한다.