리포팅툴 솔루션은 데이터 소스와의 연결을 통해, 정보를 수집하며, 입력된 데이터를 기반으로 그래프와 차트 형태로 인사이트를 제공하여 사용자가 적재된 데이터 속에서 유용한 정보를 찾을 수 있도록 도와주는 도구입니다. 실시간 기업 경영 환경에 도입시, 다양한 플랫폼과 분산된 데이터를 통합적으로 분석, 가공해 경영자에게 리포팅 할 수 있는 솔루션입니다.
리포팅툴 솔루션은비즈니스 인텔리전스(Business Intelligence,BI)제품군으로 분류됩니다. 경영진의 의사결정을 도와, 더 많은 인사이트를 통해 데이터에 대한 가능성을 높일 수 있을 것입니다. 빅데이터 활용이 기업 경영에 중요한 이슈로 떠오르는 요즘, 리포팅툴 솔루션은 직관적인 방식으로 데이터를 보여주어, 데이터를 보다 일기 쉽고 유용한 방식으로 표현합니다.
왜 리포팅 툴(Reporting Tool 이 필요할까?
직감과 편견에 기반하여 주관적으로 의사결정을 내리는 경영진보다, 데이터 분석(Analytics)을 통한 합리적인 의사 결정을 추구하는 경영진이 바람직하다는 것에는 이견이 없을 것입니다. 일반적으로 기업에서 운영하는 시스템에는 많은 양의 데이터가 수집되어 있지만,리포트/보고서 작성을 위해서는 대부분 엑셀을 활용하고 있을 것입니다. 점점 더 많은 업무 분석 수요에 따라 데이터 수집의 번거롭고, 시스템 데이터를 통하지 못하는 문제들 역시 드러나고 있습니다.
리포팅툴 솔루션은 기업 데이터화 경영길의 첫 걸음 실시간 로컬 리포팅툴 솔루션은 IT현업 뿐만 아니라 최종사용자에게도 큰 도움이 됩니다. 리포팅툴 솔루션을 통해서 사용자들은 비효율적인 하드 코딩과 수작업에서 벗어나 비즈니스 니즈를 이해하고 업무 모델을 설계하는 것에 집중할 수 있을 것입니다.
현재 대다수의 리포팅툴 솔루션들은 다양한 데이터베이스를 지원하고 있으며, 이에 고객관리(CRM), 워크 플로(workflow)와 같은 투자와 축적된 경험이 향후 SAP과 같은 다른 시스템에서 사용할 수 있도록 호환됩니다. 더 중요한 것은 리포팅 툴은 데이터 안전 보호에 대한 관심이 커지고 있는 경우, 상업 기밀이 경쟁자에 유출되어 초래되는 일회성 손실, 또는 상업 기밀 보호를 강화하기 위한 다른 노력과 투자도 리포팅툴을 배포하는 자금보다 훨씬 높을 것입니다.
서버 이중화 / 기기 이중화 / WAS 이중화 / DB 이중화 / 디스크 이중화 /센터 이중화 등 인프라 구성 방법
서버 이중화란?
서버 이중화 또는 다중화란 운영중인 서비스의 안정성을 위하여 각종 자원(전기, 서버기기, OS, 미들웨어, DB 등)을 이중또는 그 이상으로 구성하는 것을 말한다. 이러한 구성은 HA(high Availability) 서비스와 디스크 RAID 구성, 오라클의 RAC(real Application Clusters) 등 으로 구현할 수 있다.
서버 이중화의 목적은?
서버 이중화의 목적은 두가지가 있다.
궁극적으로 이러한 기기 또는 서버 이중화를 설계하고 구현하는 목적은 아래와 같은 두 가지 목적이 있다.
1.(Failover) 장애 또는 재해시 빠른 서비스 재개를 위함
하드웨어, 미들웨어 등 다양한 지점에서 오류가 발생할 수 있으며 사용자가 이를 인지하지 못하도록 하기 위함이다.
설령 서비스의 일시적인 중단이 발생하더라도(다운타임 발생하더라도) 재빠르게 대응하기 위함이다.
이러한 대응 과정은 예측되는 경우라면 1차적으로 자동으로 Failover 할 수 있도록 설계한다.
2.(Load balancing, 부하분산) 원활한 서비스의 성능을 보장 하기 위함
하나의 기기에서 일정량 이상의 사용자 트랜잭션을 처리하는 경우 응답시간이 느려질 가능성이 있다.
사용 트랜잭션의 패턴과 사용량 등을 분석하여 부하를 분산하여 효율적인 업무처리가 가능하다.
로드밸런싱은 구현하고자 하는 지점에 따라 미들웨어, 네트워크, OS 등 다양한 지점에서 구현가능 하다.
서버 이중화 방법 및 고려요소
서버 이중화를 구성할 때 Active-Active 또는 Active-Stand by 등으로 구현할 수 있다.
Active-Active 구성은 부하분산 등의 목적으로 주로 활용하며, 서비스 단위를 나누어서 분산시키기도 한다.
반면 Active-Stand by 구성의 경우에는 즉각적인 Failover를 위해 주로 구성한다.
서버 이중화 구성도
위의 그림 구성처럼 좁게는 프로그램 단위, 미들웨어 단위, 디스크 단위, 기기 단위로 이중화를 구현할 수 있으며 넓게는 전기시설, 네트워크 구성, ISP 구성, 센터간 구성 등으로 구현할 수 있다.
필드버스(Fieldbus)는 실시간 분산 제어를 위해 사용되는 산업용 컴퓨터 및 기기의 네트워크 프로토콜 집합의 통칭이라고 정의되고 있다.
필드버스(Fieldbus)의 기원은 1940년대 계장분야에서 SAMA가 공기압력 신호를 통해 제어하느 기술을 국제통인 신호로 제정한 것으로 보기도 하고, 1960년대IEC에서 전기적 국제통일 신호(4~20mA)를 사용한 것을 기원으로 보기도 하지만, 이때에는 제어 신호와 데이터를 모두 전달하기보다는데이터 전달만을 수행했다고 볼 수 있다.
이러한 연결 방식은 전자파 노이즈에 덜 민감하고 오류의 감지가 쉬워서 제어시스템에 많이 사용되긴 하지만 길게 연결되는 수많은 전선 다발, 노이즈, 열, 설치비용, 관리 문제 그리고 시스템 업그레이드의 어려움 등의 문제점들을 안고 있었다.
본격적으로 제어 신호와 함께 데이터를 전달한 것을 필드버스의 기원으로 본다면, 1980년대 미국의 GM에서 자사의 제조설비를 자동화하기위해 수립하고 적용한 자동화 장비용 통신방식(MAP : Manufacturing Automation Protocol)으로 볼 수 있다.
그러나 GM의 자동화 통신 방식은 복잡하게 구성된 표준과, 이후에 개발된 개선안이 하위 호환성을 가지지 않는 문제가 있어 2번의 개정을 거치다 사라지게 되었다.
이러한 문제점의 해결을 위해 개발된 것이 각 필드 기기간의 직렬 공통 버스 통신 시스템인 필드버스이다. 필드버스는 배선을 획기적으로 간소화하고, 제어공정 제어나 공장자동화 등에서의 신속한 처리가 요구되는 다량의 데이터를 효과적으로 처리할 수 있으며 필드 기기의 추가나 변경이 쉽고 시스템의 형태나 배치, 구성에 유연성을 제공한다.
* 필드버스의 특징
필드버스는 분산제어 또는 자동화용 디지털 직렬통신망으로서, 자동제어 분야에서 통신을 이용한 제어방식을 가능케 하는 중요한 기반 기술이다. 이것은 각 제어기의 고속통신을 이용한 정보교환을 통하여 유기적인 결합을 이루고 멀티입력/멀티출력의 복잡한 시스템의 제어를 간단한 구성으로서 가능하게 하는 등 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
① 디지털 데이터전송을 함으로써 강한 내 잡음성을 갖고 있다.
② 통신을 이용한 Multi-target/Multi-control이 가능하다.
③ 시스템 설치 및 유지보수가 용이하다.
④ 시스템 신뢰도, 유연성, 확장성 증가를 기대할 수 있다.
⑤ 스마트 센서를 사용함으로써 센서 레벨까지 분산화가 가능하다
⑥ 양방향 통신을 통하여 필드기기 모니터링 및 제어를 할 수 있다.
⑦ 소프트 PLC와 같은 PC기반의 제어기법 구축을 위한 기반기술이다.
⑧ 센서 및 액추에이터의 주기적 교정으로 시스템 유지 보수비용 절감이 가능하다.
2.필드버스(Fieldbus)의 종류
필드버스는 적용분야의 요구사항에 따라 최적화되어 있으며, 각각 고유의 특징을 가지고 있다. 현재 많은 필드버스 사양들이 있지만 대부분은
적용 시스템에 부합되도록 어떤 특정한 요구 사항들을 만족시키거나 주어진 문제점의 신속한 해결책을 제시하기 위해 제안되었다.
PROFIBUS, MIL1553 그리고 FIP는 각각 독일,미국, 프랑스 국가 규격이다. 이러한 필드버스의 규격화를 위하여 IEC, IEEE, ISA 등 국제 전기 관련 국제단체에서는 필드버스의 표준을 만들기 위하여 노력한 결과, 현재는 Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, Controlnet, Fieldbus Foundation, P-net 등이 세계표준(IEC 61158)으로 제정되어 사용자가 현장상황에 알맞게 선택하여 사용할 수 있게 복합표준으로 제정되었다.
2-1. Modbus
Modbus는1979년 미국의 모디콘 사에서 개발되어 오늘날까지 전 세계의 생산현장에서 가장 많이 사용되고 있는 통신방식 중의 하나로 성장하게 되었다. 이렇게 폭넓은 사용자 층을 확보하게 된 원인에는 여러 가지가 있겠지만 무엇보다도 사용하기에 쉬운 통신 Protocol 구조와 강력한 응용성에 있다고 하겠다.
(1) Modbus 통신의 종류
Modbus 통신의 종류는 크게 ModbusSerial, Modbus plus, Modbus TCP/IP 등 세가지로 나누어 진다.
이 중에서 Modbus Serial은 다시 RS 232C 기반의 Modbus와 RS 422 기반의 Modbus 그리고RS 485 기반의 Modbus로 세분화 되어지고 Modbus의 전송방식에 따라 RTU(Remote Terminal Unit) 전송방식과 ASCII(American Standard Code For Information Interchange) 등 두
가지로 나눌 수 있다. 일반적으로 산업현장에서는 Modbus RTU 전송방식이 주로 사용되고있으나 RTU와 ASCII 전송방식을 선택하여 사용하는
제품도 많이 사용 되어 지고 있다.
(2) Modebus 통신의 OSI 계층 구성도
통신의 구성체계를 이해하는데 가장 일반적으로 사용되는 OSI 통신 계층 구성도를 사용하여Modbus 통신을 살펴보면 Modbus Serial과 Modbus Plus는 Physical layer와 Data link layer 그리고 Application layer로 구성 되어져 있다. 그리고 Modbus TCP/IP는 위의 세계 계층의 사이에Network layer와 Transport 그리고 Session layer가 더해진 좀더 복잡한 계층 구조를 가지고 있다.
(3) 일반적인 Modbus Network 구성
Modbus TCP/IP가 개발되기 이전에는 상위의System간의 통신을 Modbus PLUS를 사용하였으나 Modbus TCP/IP가 개발된 이후에는 통신속도와 System의 응용성에서 우위를 점하고 있는 Modbus TCP/IP가 System간에 주로 사용되는 통신 방법이 되었다.그리고 기존부터 사용해온 Modbus Plus와 Modbus 232/485는 Gateway를 사용하여 Modbus TCP/IP로 변환하여 상위의 System과 연결하는 방법이 보편적으로 사용 되어지고 있다.
2-2. PROFIBUS
PROFIBUS는 1987년 유럽의 12개의 회사(ABB, Honeywll등)가 참여한 연구 프로젝트로 시작하였다. 이후 추가적으로 5개의 독일 협회가 이 프로젝트에 참여하였다. 이들이 모인 가운데 연구를 진행한 노력의 최종결과(1990년)는 FMS를 정의하는 DIN 19245, Parts 1 및 2였다. FMS에서 경험을 얻은 후, 마스터 및 슬레이브 장치 간에 데이터 전송을 위한 더욱 최적화된 성능 제공하기 위해 프로토콜을 확장할 필요가 있다는 결정을 하였다.
이러한 필요성이 인정되고부터 1993년 DP를 정의하는 DIN 19245, Part 3가 공표되었다.
1993년 유럽 필드버스 표준을 개발하기 위한 CENELEC의 지도 하에 그리고 1995년 및 1996년 두 차례의 투표 결과 EN 50170이 채택되었다. 이 표준은 현재 PROFIBUS(FMS, DP 및 PA), WorldFIP 및 P-NET의 정의를 포함하고 있다. DPV1을 정의하는 EN 50170의 확장이 1998년 4월 공표되었고 이러한 DPV1 확장에는 더욱 정교한 장치를 처리하기 위한 약간의 유연성을 추가되었으며 또한 이전에 표준화되지 않았던 몇 가지 표준 데이터 유형의 정의가 추가되었다.
PROFIBUS-PA Profile은 1998년 처음 공개되었으며 1999년 10월 강화된 프로파일이 공개되었다. Profile은 IFAK(Institute For Automation and Communication)의 Christian Diedrich 박사가 의장을 맡은 연구그룹(Working Group)에 의해 개발되었다. PROFIBUS-DP 표준은 현재 세계표준(IEC 61158)으로 제정되었고 현재도 계속해서 안정된 표준으로 많은 현장에서 채택되고 있다.
(1)PROFIBUS 기술
Profibus는 다음과 같이 세 가지로 분류된다.
* Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)
Profibus-FMS는 Cell Level의 통신에 적용하기 위해 개발된 통신 방식으로 여러 대의 Master를 가진 시스템(Multimaster-System)에서 Cell 상호간의 통신을 위한 Backbone으로 응용된다. FMS는 여러 가지 응용과 폭넓은 유연성을 제공하므로 다양한 통신이 필요한 곳에 많이 사용된다.
* Profibus-DP(Decentralized Peripherals)
실시간 처리의 능력을 갖는 빠른 속도 보장으로 주변장치와의 연결시에 비용 부담의 절감효과로 특히 Field Level 안에서 자동화 시스템과 주변장치 사이의 통신을 위해 널리 이용되고 있으며, 이 Profibus-DP는 기존의 전압신호(24V), 전류 신호(0~20mA) 전송을 대체하는데 적합하다.
* Profibus-PA(Process Automation)
Profibus-PA는 화공분야에 연계되어 폭발의 위험이 존재하는 영역에서 Sensor와 Transmitter의 연결이 가능한 고유 안전성 기능을 갖는다. Profibus-PA는 국제표준 IEC 1158-2에 준해 한 개(두 가닥)의 Cable로 장비의 전원 공급과 Data 통신이 가능하다.
(2)Profibus의 고유특성
Profibus는 Field Level로부터 Cell Level까지의 분산된 Digital 장비를 서로 연결할 수 있도록 직렬 Fieldbus System의 기술적, 기능적인 특성을 갖는다. Profibus는 Master와 Slave로 구분되고 Master 장비는 Bus에서의 Data Traffic을 확정하고 Bus 접근 권한을 소유시에는 외부의 요구 없이 메시지를 송신할 수 있다. Profibus Protocol에서 Master는 Active Station의 역할을 수행한다. Slave는 주변디바이스로서 입/출력 장비, Valve, Motor Drive, Transmitter 등을 의미하고 오직 수신된 메시지를 수신하거나 Master의 요청에 따라 메시지를 전송하도록 되어 있어 Bus 접근권한은 가지지 않는다. Slave는 Bus Protocol의 적은 부분만을 필요로 하기 때문에 시스템을 구성하는 비용이 적게 든다. PROFIBUS는 제작자가 독립적으로 채택하여 적용 및 제작할 수 있고(Vendor-independence), 공정자동화에 광범위하게 사용되는 개방형 필드버스이다. Vendor-independence와 개방형 특성은 유럽표준 EN 50170과 EN 50254 및 IEC61158에 명시되어 있다. PROFIBUS는 서로 다른 제작사에서 만들어진 디바이스간의 통신시 특별한 인터페이스 없이도 통신을 가능하게 하여 준다. PROFIBUS는 기능별, 적용단계별 통신프로토콜(Communication Profiles)인 DP와 FMS가 있고, 응용되는 전송기반기술(Physical Profiles)은 RS-485와 IEC 1158-2 또는 광통신 기능이 있다. 향후의 기술발전 측면에서 PROFIBUS User Organization 에서는 TCP/IP에 기반한 범용 프로토콜 개발을 진행하고 있고 일부업체에서는 상용제품을 시장에 내놓았다.
Application Profiles은 각기 서로 다른 형태의 응용 분야에서 필요한 프로토콜 및 전송기술을 정의하고 있을 뿐 아니라 Vendor-independent device의 적용 방법까지 정의하고 있다.
2-3. Foundation Fieldbus
FoundationFieldbus협회는 국제 Fieldbus 표준을 목적으로 설립되었다. WorldFIP와 ISP가 함께 1994년 9 월에 설립한 이 협회는 공정제어와 제어설비를 생산, 공급, 사용하는 세계 유수의 200여 개사가 가입되어 있는 비영리 조직이다. 이 회사들은 공동으로 국제 Fieldbus Protocol 개발을 위해 많은 지원을 해왔으며, IEC/ISA Fieldbus 표준개발에 많은 중요한 공헌을 하였다. Foundation Fieldbus는 ISA가 공식적으로 규정한 SP50 Standard Project와 IEC의 사양에 상응하게 설계되었다.
설립된 이후 협회는 ISA, IEC의 Fieldbus 표준을 우선으로 하여 발전시켜 왔다. FOUNDATION Fieldbus 에는 다음과 같은 두가지 통신 레벨이 지정되어 있다.
• 제어기, 컴퓨터, 인버터와 다른 게측기들이 다루어지는 고속 통신 레벨 (high speed communication level - HSE)
• 프로세서 센서와 엑츄에이터가 다루어지는 저속 통신 레벨 (low speed communication level - H1)
H1 층은 IEC 61158-2 기반으로 이루어지고, 고속층은 고속 이더넷 (HSE : High Speed Ethernet)을 사용한다.
(1)전송표준
FOUNDATION Fieldbus HSE 는 Ethernet 100BASE-T 표준을 사용한다. 세그먼트의 길이는 100m(328 ft)까지 지원한다. FOUNDATION Fieldbus HI, ICE 61158-2 표준은 네가지 종류와 케이블 유형을 정의한다. A,B,C,D의 서로 다른 케이블 유형이 있으며 최대 허용 버스 길이는 각각 1900m(6232 ft), 1200m (3936 ft), 400m (1312 ft) and 200m (656 ft) 이다. (안전 지역 어플리케이션의 경우) 전송속도는 31.25 kBit/s 이다.
(2)시스템 통합
기기들은 두가지 파일을 사용하여 FOUNDATION Fieldbus에 통합될 수 있다.
• Common File Format File : 'CFT'는 호스트에 의해 사용되는 소프트웨어 파일이며, 기기의 구체적인 FF 성능이 물리적인 대상 없이도 (가상 필드 기기) 매핑된다.
• Device Description(DD)은 각 오브젝트의 확장기술 (extended description)을 Virtual Field Device(VFD)에 제공하며, 이 안에는 제어시스템이나 호스트가 VFD에 있는 데이터의 의미를 이해하기 위한 정보가 있다. DD는 시스템파일과 FFO 파일, 두개의 파일로 구성된다. SYM 파일은 텍스트 포맷으로 된 심벌 파일이고, FFO 파일은 기기에 대한 자세한 기술 (description)이다.
2019년 산업용 네트워크 기술별 시장동향 및 시장점유율 점점 더 많은 산업용 장비들이 네트워크에 연결되고 있다. 2019년에는 새롭게 연결되는 노드의 수가 10% 증가할 것으로 예상된다. 그러나 기술들간 희비는 교차한다.
예를 들면 산업용 이더넷 및 무선은 계속 빠르게 성장을 하고 있지만, 필드버스 시장은 올해 처음으로 점유율 감소를 면치 못할 것으로 보인다. 이러한 현상은 산업용 네트워크 기술도 고속으로 전환되고 있다는 것을 의미한다.
특히 전세계적으로 불고 있는 스마트팩토리 추진에 대한 열풍으로 기존의 필드버스 기술은 그 한계를 분명히 노출한 반면, 보다 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 이더넷은 더욱 각광받고 있다.
HMS 네트웍스(HMS Networks)가 발표한 산업용 네트워크 마켓에 따르면, 산업용 이더넷 시장은 현재 새로 설치된 노드의 59%(작년 52%)를 차지하고 있는 반면, 필드버스는 35%로 지난해 42%에 비해 감소세를 기록했다.
EtherNet/IP는 여전히 가장 광범위하게 설치된 네트워크로 점유율이 15%에 달하며, PROFINET은 14%대에 머물렀다. 무선 기술은 지속적으로 개발이 이뤄지면서 마켓의 6%대를 유지하고 있다(작년 6%).
산업용 이더넷의 지속적인 성장 지난해 HMS는 산업용 이더넷이 처음으로 전통적인 필드버스 시장을 능가했다는 결론을 내렸다. 그리고 이러한 흐름은 2019년에도 계속되고 있는 것으로 분석했다.
산업용 이더넷은 20%(지난해 22%)의 안정적인 성장률을 기록하며 현재 세계 시장의 59%를 차지하고 있다(지난해 52% 대비). 이중 EtherNet/IP는 시장의 15%를 차지하는 가장 큰 산업용 이더넷 네트워크이지만, PROFINET 또한 현재 14%의 점유율을 기록하면서 이 차이를 좁히고 있다.
그 뒤를 이어 EtherCAT이 7%, POWERLINK가 5%, Modbus-TCP가 4%를 차지하고 있는데, 이들은 모두 안정적인 성장세를 보이고 있다.
HMS 네트웍스가 분석한 2019년 산업용 네트워크의 시장 점유율: 필드버스, 산업용 이더넷 및 무선 2019년 5월 7일, 할름스타드(Halmstad)
필드버스 시장의 감소 필드버스는 처음으로 -5%(지난해 6% 성장)의 성장률을 기록하면서 새로 설치된 노드의 35%를 차지했다. 필드버스 기술 중에서는 PROFIBUS이 가장 높은 점유율을 기록하고 있는데, 그 비중은 세계 시장의 10%를 차지하고 있다. 그 다음으로 CC-Link 6%, Modbus-RTU 5%를 기록하고 있다.
HMS의 CMO(Chief Marketing Officer)인 앤더스 한손(Anders Hansson)은 “산업용 이더넷으로의 전환은 계속되고 있는데, 이는 높은 성능에 대한 요구와 공장 설비 및 IT 시스템/IIoT 애플리케이션 간의 통합 필요성에 의해 주도되고 있다”고 말했다.
그는 이어 “이 같은 업계 변화에 의해 처음으로 전통적인 필드버스가 새로 설치된 노드에서 실제 감소했음을 확인할 수 있었다. 하지만 산업용 이더넷은 기존 Ethernet/IP, PROFINET, EtherCAT, POWERLINK, Modbus-TCP뿐만 아니라 ‘기타 이더넷’으로 간주되는 네트워크를 포함해 많은 네트워크들이 모두 양호한 성장세를 보이고 있다”고 강조했다.
강력한 추진력의 무선 솔루션 무선 기술은 30%(지난해 32%)의 지속적인 성장률을 기록하며, 전체 시장의 6%(지난해 6%)를 차지하고 있다. 무선 기술 중 WLAN이 가장 많이 사용되고 있으며, 블루투스가 그 뒤를 따르고 있다.
앤더스 한손은 “머신 빌더 및 시스템 통합업체들은 새롭고 혁신적인 자동화 아키텍처를 실현하기 위해 무선 기술을 채택하고 있다”며, “이를 통해 사용자는 배선을 줄이고, 연결 및 제어를 위한 새로운 솔루션을 구현할 수 있다”고 말했다.
그는 더불어 전세계적으로 스마트하고 유연한 팩토리를 구현하기 위해 셀룰러 기술(예, 사설 LTE/5G 네트워크)을 활용하는 사례도 증가하고 있다고도 덧붙였다.
HMS 네트웍스가 분석한 2018년 산업용 네트워크의 시장 점유율: 필드버스, 산업용 이더넷 및 무선
지역별로 다분화되는 네트워크 네트워크의 점유율은 지역별로 다소 차이를 보이고 있다. 유럽 및 중동에서는 EtherNet/IP 및 PROFINET이 주도하고 있으며, PROFIBUS 또한 여전히 널리 사용되고 있다. 이외에도 EtherCAT 및 이더넷 POWERLINK 등이 많이 적용되고 있다.
미국 시장은 CIP 네트워크가 주도하고 있지만, EtherNet/IP로의 전환이 뚜렷하게 나타나고 있다. EtherCAT 또한 시장 점유율을 지속적으로 유지하고 있다.
아시아의 경우 시장을 확실하게 주도하는 네트워크는 없지만, PROFINET, EtherNet/IP, PROFIBUS, EtherCAT, Modbus, CC-Link 등이 널리 사용되고 있으며, 이더넷 버전인 CC-Link IE Field 또한 잠재력을 확대해 나가고 있다.
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.
